确定MEMS设备中的粘附失效的系统和方法技术方案

本发明专利技术的各个实施例提供MEMS设备(例如加速度计)中的粘附测试。在特定的实施例中，测试由高压智能电路完成，该高压智能电路能够使模拟前端电路准确读出可动质量块相对于偏置电极的位置，从而允许检测接触条件和释放条件两者。测试能够检测实际或潜在的粘附失效，并拒绝制造过程的最后测试阶段中的缺陷部分，其中不会发生其他粘附问题，从而最小化粘附失效风险并提供了MEMS设备的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
确定MEMS设备中的粘附失效的系统和方法相关专利申请的交叉引用本申请要求GiorgioMassimilianoMembretti，RobertoCasiraghi，IginoPadovani于2013年10月7日申请的、名称为“SystemsandMethodstoDetermineStictionFailuresinMEMSDevices”的美国临时申请NO.61/887,880的优先权，以引用的方式将该申请的全部内容并入本文中。
本专利技术涉及集成式微机械系统，并且更具体地涉及减小微机电系统(MEMS)传感器中粘附失效的系统、装置和方法。
技术介绍
粘附现象在具有可动部件的MEMS类型设备中是众所周知的问题。当外力以使可动部件的表面与相邻固定部件的表面有物理接触并且附着到该相邻固定部件的表面的方式偏转时，粘附效应典型地发生在这两个表面之间。传感器类型的MEMS设备特别容易受到粘附，该粘附可以在装置的规则使用过程中或者制造加工过程中断续产生。粘附对装置性能会有不利影响，并且可能由各种力(包括存在水分带来的毛细力，以及由表面污染带来的范德瓦尔斯力)引起，表面污染例如是可以根据表面制备加工而波动变化的抛光残余。例如，在MEMS加速度传感器中，诸如机械震动之类的外界干扰会引起悬挂的检验质量块以使得质量块表面的一部分接触并附着到相邻晶片基底的表面的方式偏转。当两个表面之间的总附着力大于检验质量块固有的机械回复力时，会产生粘附并且暂时使检验质量块固定不动，从而妨碍检验质量块回复到其原始位置，即使外界干扰不再作用到传感器上。这样就妨碍加速度计产生准确的加速度信号，直到粘附力例如被足够大的反作用力克服。由于粘附使得检验质量块附着到基底，这两个部分不再彼此分离开，从而阻碍了检验质量块的运动，并且在一些情况下，还引起破坏两个表面之间的电场的短路事件。因此，传感器不再能够测量用以在粘附条件的时间期间内得出加速度值的电容变化，这既影响装置的可靠性又影响装置的性能。现有技术中的一些方法能够例如通过增加材料硬度来改进MEMS设备的粘附的鲁棒性，并且因此机械回复力用于帮助释放装置被附着的部分。其它方法试图改进制造加工过程中的表面条件，从而最小化粘附。然而，这些改进方法是在得到降低的装置性能、增加的装置尺寸和/或提高制造成本中进行设计权衡的结果。针对MEMS设计者所需要的是用以克服前述的局限而不增加装置尺寸或牺牲装置性能的工具。
技术实现思路
所公开的系统和方法通过允许从经受实际粘附或者易于产生粘附效应的产品批量单元中进行检测和筛选来提高MEMS设备的可靠性，所述粘附例如由制造处理过程中的表面污染造成的。检测包括执行帮助识别存在的或预期的粘附失效的应力测试。在特定实施例中，高压智能电路允许使用应力测试设备来在运行的规则加速度读取模式与粘附测试模式之间进行选择。应力测试设备包括专用电路，被配置为选择性地施加电压到固定电极以产生静电力，该静电力以使得可动质量块与静止部分接触的方式来吸引MEMS设备内可动检验质量块。在一个实施例中，专用电路包括外部高压源，所述外部高压源被配置为施加高压到一个或多个固定电极上从而产生接触。当传感器耦合到高压源时，专用电路保护主前端电路免受过电压应力。在一个实施例中，应力测试包括直接地或间接地确定可动部分与固定电极之间的电容值，例如，根据可动部分相对于固定电极的位置。一旦移除电压，能够获得关于存在或未来的粘附事件的信息(包括粘附的起因和程度)。在一些实施例中，逐渐移除电压以产生滞后曲线，根据该滞后曲线可以获取附加信息，这允许表征并深入分析特定的粘附效应。在这里已经大体描述过了本专利技术的一些特点和优点；然而对于本领域技术人员而言，参照附图、说明书和权利要求书之后，附加的特点、优点和实施例是显而易见的。因此，应当理解，本专利技术的范围并不由该
技术实现思路
部分的特定实施例限定。附图说明本专利技术的实施例将参照在附图中示出的示例。这些图是示意性的，并非限制性的。尽管在这些实施例的内容中对本专利技术进行了大体描述，但应当理解的是这并不意在将本专利技术的范围限制于这些特定实施例。图(“FIG”)1A示出了现有技术中MEMS传感器前端读出电路的框图。图2示出了现有技术中用于差分读出的MEMS传感器。图3A示出了表示图2中的MEMS传感器的通常机械模型。图3B示出了在图3A中所示的MEMS传感器的通常电子等效电路表示。图4示出了根据本专利技术的不同实施例的用以检测MEMS传感器中的粘附失效的测试系统的示意性框图。图5示出了根据本专利技术不同实施例的采用高压控制电路的图4的测试系统。图6描绘了根据本专利技术不同实施例的在粘附测试模式期间的测试系统的方面。图7A示出了根据本专利技术不同实施例的用于执行粘附测试的示例性步骤。图7B示出了根据本专利技术不同实施例的用于表示MEMS结构特征的示例性C/V曲线。图8是根据本专利技术不同实施例的用以确定MEMS设备中的粘附失效的示意性过程的流程图。具体实施方式在下面的说明中，出于解释的目的，列出了具体的细节以提供对本专利技术的理解。然而，对于本领域技术人员而言没有这些细节也能够实施本专利技术是显而易见的。本领域技术人员将认识到可以采用各种方法并且采用各种装置来实施以下描述的本专利技术的这些实施例。本领域技术人员还将认识到附加的变型、应用和实施例都在本专利技术的范围内，也在本专利技术可以提供实用性的附加领域内。因此，以下描述的实施例是本专利技术示意性的具体实施例并且意在避免使本专利技术难以理解。说明书中引用的“一个实施例”或“实施例”意在与实施例相关的特定的特征、结构、特性或功能包含在本专利技术的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的用语“在一个实施例中”、“在实施例中”或者类似的用语不必指代同一实施例。此外，附图中部件之间或方法步骤之间的关联并不限定为直接的关联。相反，附图中示出的部件之间或方法步骤之间的关联可以通过附加的中间部件或方法步骤进行改变或者还可以变化，而不脱离本专利技术的教导。在本文件中使用的质量块和震动质量块是可以互换的。图1示出了现有技术中MEMS传感器前端读出电路100的框图。电路100包括电压激励产生器102，MEMS传感器106，以及前端放大器110。电压激励产生器102耦合到MEMS传感器106，MEMS传感器106输出差分检测信号120、122到低噪声主前端放大器110。在本实施例中，MEMS传感器106是被配置为读出检验质量块(未示出)的位置的加速度传感器，并且响应于输出电压Vout130。在操作过程中，电压激励产生器102提供电压激励到传感器106内的电极(未示出)，以确定差分电容108、118的变化。MEMS传感器106响应于从传感器电极接收到的加速度信息，产生差分输出信号120、122。前端放大器110放大信号120、122以产生输出信号Vout130。图2示出了现有技术中用于差分读出的MEMS传感器。MEMS传感器200包括可动检验质量块202，检测电极208、218，以及止动电极210、220。可动检验质量块202典型地是锚固到基底上的震动检验质量块，MEMS传感器200构建在该基底上。锚固点悬挂检验质量块202并且将其与基底(未示出)隔开。质量块202被配置为围绕中心206枢转。实线表示实施静电力之前的初始位置。一旦对检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定MEMS设备中的粘附失效的测试装置，所述装置包括：MEMS设备，所述MEMS设备包括第一电极和可动质量块；与所述MEMS设备耦合的第一前端电路，所述第一前端电路被配置为读取转换信号；以及与所述MEMS设备耦合的第二前端电路，所述第二前端电路检测所述第一电极与所述可动质量块之间的粘附趋势。

【技术特征摘要】
2013.10.07 US 61/887,880;2014.02.20 US 14/185,6721.一种用于确定MEMS设备中的粘附失效的测试装置，所述装置包括：MEMS设备，所述MEMS设备包括第一检测电极、与所述第一检测电极分离的止动电极、和可动检验质量块；与所述MEMS设备耦合的第一前端电路，在其中所述可动检验质量块朝着所述第一检测电极旋转并且接触所述止动电极而不接触所述第一检测电极的粘附测试模式中，所述第一前端电路检测所述第一检测电极和所述可动检验质量块之间的电容的变化以检测所述可动检验质量块和所述止动电极之间的粘附趋势，并且在加速度读取模式中，所述第一前端电路从所述MEMS设备解耦；以及与所述MEMS设备耦合的第二前端电路，在所述加速度读取模式中，所述第二前端电路检测所述可动检验质量块和所述第一检测电极之间的电容；强制驱动器电路，其在所述粘附测试模式中将偏置电压施加到所述第一检测电极以引起所述止动电极和所述可动检验质量块之间的接触；以及耦合到所述MEMS设备的高压控制电路，所述高压控制电路通过在所述加速度读取模式和所述粘附测试模式之间选择性地切换来分别将所述第一前端电路与所述MEMS设备解耦和耦合并且将所述强制驱动器电路与所述第一检测电极解耦和耦合，其中在所述粘附测试模式中所述高压控制电路将所述第一前端电路和所述强制驱动器电路耦合到所述MEMS设备并且将所述第二前端电路与所述MEMS设备解耦，并且在所述加速度读取模式中所述高压控制电路将所述第一前端电路和所述强制驱动器电路与所述MEMS设备解耦并且将所述第二前端电路耦合到所述MEMS设备。2.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述第一前端电路被配置为检测响应于所述偏置电压的减小的电容变化。3.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述第一前端电路包括检测所述可动检验质量块的位置的电容感测电路。4.根据权利要求1所述的测试装置，进一步包括第二检测电极，所述第二检测电极在所述粘附测试模式期间接地。5.根据权利要求1所述的测试装置，进一步包括：测量电路，所述测量电路被配置为产生C/V曲线数据；以及与所述测量电路耦合的控制逻辑，所述控制逻辑被配置为检测所述可动检验质量块与所述止动电极之间的接触。6.一种用于确定MEMS设备中的粘附失效的测试系统，所述系统包括：MEMS设备，所述MEMS设备包括第一检测电极和第二检测电极、与所述第一检测电极和第二检测电极分离的止动电极、以及可动检验质量块；与所述MEMS设备耦合的高压控制电路，所述高压控制电路在操作的加速度读取模式与操作的粘附测试模式之间选择性地切换，其中在粘附测试模式中所述可动检验质量块朝着所述第一检测电极旋转并且接触所述止动电极而不接触所述第一检测电极；第一前端电路，所述第一前端电路在所述粘附测试模式中由所述高压控制电路耦合到所述MEMS设备，在所述粘附测试模式中所述第一前端电路检测所述可动检验质量块和所述止动电极之间的粘附趋势；第二前端电路，所述第二前端电路在所述加速度读取模式中由所述高压控制电路耦合到所述MEMS设备，在所述加速度读取模式中所述第二前端电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·M·曼布瑞提，R·卡西拉奇，I·帕多瓦尼，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：美国;US