CN101618848B - 扭转式微机电元件 - Google Patents
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Abstract
一种扭转式微机电元件，其包含支持结构、平板主体，以及至少二扭转轴连接该平板主体与该支持结构，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，且该非主动区域设有多个牺牲件，若该扭转式微机电元件的共振频率较产品所需的标准共振频率低时，可移除部分的牺牲件以减少该扭转式微机电元件的质量，并提升其共振频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种扭转式微机电元件，特别是一种可调整共振频率的扭转式微机电元件。
背景技术
近年来，微机电(MEMS)领域的主要发展为各种机械元件的缩小化(miniaturization)，利用集成电路的工艺技术来制造微机电元件，典型的微机电元件有微齿轮、微杠杆或微阀门，在运作时常配合相关的控制电路来操作，例如加速传感器(accelerometer)、压力与化学传感器(pressure and chemicalsensors)与致动器(actuator)等。
微机电产品常以硅为材料，透过多道半导体工艺将硅材加工为特定的机械结构使用，例如，扭转式微机电元件便常以扭转轴(hinge)做为致动结构。然而，扭转轴的几何形状为影响扭转式微机电元件的共振频率(resonantfrequency，RF)的主要因素之一，同时，共振频率也是此类扭转式微机电元件设计上最常影响产品动态操作的参数，因此，在制作扭转式微机电元件时，需要透过不同的工艺方法，来制造或调整符合共振频率范围要求的扭转轴。可预见的是，当产品规格的共振频率范围要求较为精细严苛时，单纯透过现行的黄光工艺或蚀刻工艺来决定扭转轴的几何形状并不容易；因此，发明人特提出一种共振频率可调的扭转式微机电元件，来改善现有扭转式微机电元件工艺的限制，并在扭转式微机电元件制造流程完成后，进一步对扭转式微机电元件的共振频率进行调整的动作，以符合产品共振频率范围的要求。
发明内容
基于上述需求，本发明的目的在于提供一种扭转式微机电元件及调整该扭转式微机电元件共振频率的方法，以满足提供高规格产品的需求。
为达上述目的，本发明提供一种扭转式微机电元件，其包含支持结构、平板主体以及至少二扭转轴，其中该支持结构具有容纳空间用以容置该平板主体，且该平板主体是通过沿通过该平板主体质量中心的第一方向排列的这些扭转轴与该支持结构连接，此外，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，且该平板主体另包含多个可用于调整共振频率的牺牲件(sacrificialelement)设于该非主动区域。
同时，本发明另提供一种调整扭转式微机电元件共振频率的方法。首先，提供扭转式微机电元件，其包含支持结构、平板主体，以及至少二扭转轴连接该平板主体与该支持结构，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，且该非主动区域设有多个牺牲件，接着对该扭转式微机电元件进行共振频率检测，以获知该扭转式微机电元件的实际共振频率，并将该扭转式微机电元件的该实际共振频率与标准共振频率进行比对，若该扭转式微机电元件的该实际共振频率低于该标准共振频率时，则移除至少一牺牲件，减少该扭转式微机电元件的质量，以调整该实际共振频率至接近该标准共振频率。
附图说明
图1至图2为依据本发明的优选实施例所绘示的扭转式微机电元件的结构示意图。
图3为依据本发明的优选实施例所绘示的调整扭转式微机电元件共振频率的方法的流程示意图。
图4为绘示本发明的扭转式微机电元件上部分牺牲件被移除后结构示意图。
图5和图6为依据本发明的另一优选实施例所绘示的扭转式微机电元件的结构示意图。
附图标记说明
10扭转式微机电元件 12平板主体
14扭转轴 16支持结构
18容纳空间 20主动区域
22非主动区域 24牺牲件
241牺牲质量块 242连接杆
26镜面 30扭转式微机电元件
32平板主体 34扭转轴
36支持结构 38容纳空间
40主动区域 42非主动区域
44牺牲件 441牺牲质量块
442连接杆 50空格
具体实施方式
请参阅以下有关本发明的细说明与附图，以更进一步了解本发明的特征及技术内容。然而，附图仅供参考与辅助说明之用，并非对本发明加以限制。
请参考图1至图2，图1至图2为依据本发明的优选实施例所绘示的扭转式微机电元件的结构示意图。如图1所示，扭转式微机电元件10，其包含有平板主体12以及二扭转轴14。扭转式微机电元件10的扭转轴14是沿通过平板主体12的质量中心的第一方向排列，连接平板主体14于支持结构16，并将平板主体12设置在支持结构16的容纳空间18内，且平板主体12在容纳空间18内是以扭转轴14为扭转中心轴(resonant axis)而自由摆动。
平板主体12的正面定义有主动区域20以及非主动区域22，在本优选实施例中，非主动区域22设置于主动区域20的***，可利用金属沉积工艺于主动区域22内沉积如钛/金(Ti/Au)、铜/金(Cu/Au)或铝(Al)等材料的反射层做为本优选实施例所示的镜面26来使用，然不以此为限，主动区域22上亦可设置各种不同的装置或元件，视产品的规格需求，装置其他微机电动件或电子电路***。请一并参考图1及图2，平板主体12另包含有多个牺牲件24设于非主动区域22，各牺牲件24包含牺牲质量块(sacrificial mass)241以及至少一连接杆242，在本优选实施例中，牺牲质量块241是通过四个连接杆242固定在平板主体12，在此要说明的是，连接杆242的功能在于固定牺牲质量块241至平板主体12原则上连接杆242的设计是要将牺牲质量块241稳固地固定在平板主体12在平板主体12扭转时不会造成额外的力矩，且要避免牺牲质量块241在平板主体12扭转时另行产生共振的现象，因此，在制造本发明的扭转式微机电元件时10，连接杆242的数量可视产品需求而调整，不受限于本优选实施例的图示所限制。
请参考图3，图3为依据本发明的优选实施例所绘示的调整扭转式微机电元件共振频率的方法的流程示意图，是在本发明的扭转式微机电元件的这些制造步骤结束后实施。该调整扭转式微机电元件共振频率的方法包含下述步骤。
步骤100：提供扭转式微机电元件。该扭转式微机电包含支持结构、平板主体，以及至少二扭转轴连接该平板主体与该支持结构，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，且该非主动区域设有多个牺牲件；
步骤102：对该扭转式微机电元件进行共振频率检测。在进行共振频率检测时，需提供驱动力，使得该扭转式微机电元件受该驱动力驱使而共振，以获知该扭转轴的实际共振频率；
步骤104：比对该扭转式微机电元件的该实际共振频率与标准共振频率，且该标准共振频率将依照该扭转式微机电元件欲应用的产品而定，以确认该实际共振频率是否符合产品所需的该标准共振频率的范围内；经比对后，若该微机电元件的该实际共振频率落在该标准共振频率的范围之外，例如该微机电元件的实际共振频率低于该标准共振频率时，则进行步骤106；经比对后，若该微机电元件的共振频率落在该标准共振频率的范围内，则进行步骤108；
步骤106：移除设于该平板主体上的至少一牺牲件24，以调整该实际共振频率至接近该标准共振频率。如图4所示，可利用激光光束熔断牺牲件24的连接杆242，或利用小口径***吹断连接杆242，或以工具接触牺牲件24，以使以应力打断连接杆242，使得牺牲质量块241自扭转式微机电元件10的非主动区域22脱离，原本设有这些被移除牺牲件241的地方则留为空格50，使得扭转式微机电元件10的整体质量减少，以提高其实际共振频率；
步骤108：将符合产品标准的该微机电元件送交至其他后续的工艺步骤，例如封装或与其他相关的元件结合，以制作成可供使用的电子产品。
在上述方法中，驱动该扭转式微机电元件的驱动力可包含电磁力、静电力、热驱动力或是压电等方式，本发明的扭转式微机电元件可配合相关的元件装置，因应不同驱动力来源而共振。举例来说，若本发明的扭转式微机电元件是利用电磁力驱动，在制作该扭转式微机电元件时，即可将该扭转式微机电元件的背面，待该扭转式微机电元件的结构制作完成后，另将一对应的外部电磁线圈或磁铁设置在该扭转式微机电元件的下方，以提供该扭转式微机电元件共振所需的驱动力，然而该外部电磁线圈或磁铁的装设并不限于在该扭转式微机电元件的制作过程中，亦可在完成该扭转式微机电元件的制作步骤后，再另行加设至该扭转式微机电元件上。
接下来请参考图5及图6，图5及图6为依据本发明的另一优选实施例所绘示的扭转式微机电元件30的结构示意图。如图5及图6所示，扭转式微机电元件30包含支持结构36、平板主体32以及至少二扭转轴34。扭转式微机电元件30的扭转轴34是沿通过平板主体32的质量中心的第一方向排列，并连接平板主体32于支持结构36，将平板主体32设置在支持结构36的容纳空间38内，使得平板主体32在容纳空间38内，以扭转轴34为扭转中心轴而自由摆动。此外，平板主体36的正面定义有主动区域40以及非主动区域42，且扭转式微机电元件30具有多个牺牲件44设于非主动区域42内，其中各牺牲件44分别包含牺牲质量块441以及至少一连接杆442，在本优选实施例中，牺牲质量块441是通过四个连接杆442固定在平板主体36上。与前一优选实施例相比，本优选实施例中的牺牲件44在外观上略有变动，由前一优选实施例所示的矩形牺牲件24改为本优选实施例的圆形牺牲件44，其外型上的改变并不影响其用途，其目的都是要用于改变本发明的扭转式微机电元件的质量，进而调整其共振频率。此外，本优选实施例细部各元件的位置、连结关系及功能与前一优选实施例相同，相关的说明请参考前一优选实施例的描述，在此便不再赘述。
一般来说，本发明的扭转式微机电元件可通过一连串的半导体工艺，例如光刻工艺、蚀刻工艺、化学机械抛光工艺，并透过光掩模图案的设计，即可利用同一道光掩模，在晶片上同时定义出本发明的扭转式微机电元件的平板主体、扭转轴以及平板主体上的这些牺牲件。若用于制作本发明的扭转式微机电元件为正常厚度的晶片，利用工艺设计实现，将本发明的扭转式微机电元件下方掏空，使其能不受拘限而有自由扭转运动的空间，且在同一片晶片上制作出多个扭转式微机电元件后，此时，晶片上每一个扭转式微机电元件皆能自由扭转运动，即可进行晶片级的共振频率检测，检测这些扭转式微机电元件的共振频率，再依个别的需求分别调整，以符合产品规格的需求；反之，若用于制作本发明的这些扭转式微机电元件的为薄晶片，考量薄晶片本身为扭转式微机电元件的结构体材料，在薄晶片厚度方向并无足够的空间可进行掏空，因而可能无足够空间提供该扭转式微机电元件自由扭转运动，则可在分割这些扭转式微机电元件为独立的元件后，再一一进行测试，以调整各个独立的扭转式微机电的共振频率。
由此可知，本发明提供一种共振频率可调整的扭转式微机电元件，经测试比较后，若本发明的扭转式微机电元件实际的共振频率低于产品规格所需的标准共振频率时，则考量这些牺牲件的位置及对称性，选择适当数量及位置的牺牲件，利用激光光束或其他方法(如施加应力于该牺牲件)使连接杆断裂，而将牺牲质量块至平板主体移除，减少整体微扭转元件的质量，以提高其共振频率。因此，原本不合规格的扭转式微机电元件在移除多余的牺牲件后，即可免于报废一途，而提高其产品成品率。再者，本发明的这些牺牲件的位置不限于前述优选实施例所示的设于主动区域***，其数量、位置、形状、大小皆可视情况调整，只要不影响主动区域上的操作或元件即可；如本发明的优选实施例所示，主动区域内可是利用金属沉积工艺沉积钛/金、铜/金或铝等做为光反射层的材料来当作微镜面使用，然不限于此，其他的机械动件、感测元件或是电子电路等，可视产品的用途而选择所需的元件设于主动区域中。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (11)
1.一种扭转式微机电元件，包括：
支持结构，其具有容纳空间；
平板主体，设于该容纳空间内，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，其中该非主动区域设有多个牺牲件；以及
至少二扭转轴连接该平板主体至该支持结构，所述扭转轴沿横贯该平板主体质量中心的第一方向排列，
其中所述牺牲件可自该平板主体的该非主动区域移除。
2.如权利要求1所述的扭转式微机电元件，其中各该牺牲件包含牺牲质量块以及至少一连接该牺牲质量块于该平板主体的连接杆。
3.如权利要求1所述的扭转式微机电元件，其中该非主动区域设于该主动区域的***。
4.如权利要求1所述的扭转式微机电元件，其中该平板主体包含镜面，设于该主动区域。
5.一种调整扭转式微机电元件共振频率的方法，包括：
提供扭转式微机电元件，其包含支持结构、平板主体，以及至少二扭转轴连接该平板主体与该支持结构，该平板主体包含主动区域以及非主动区域，且该非主动区域设有多个牺牲件；
对该扭转式微机电元件进行共振频率检测，以获知该扭转式微机电元件的实际共振频率，并将该扭转式微机电元件的该实际共振频率与标准共振频率进行比对；以及
当该扭转式微机电元件的该实际共振频率低于该标准共振频率时，则移除至少一牺牲件，减少该扭转式微机电元件的质量，以调整该实际共振频率至接近该标准共振频率。
6.如权利要求5所述的方法，其中各该牺牲件包含牺牲质量块以及至少一连接该牺牲质量块与该平板主体的连接杆。
7.如权利要求6所述的方法，其中移除该至少一牺牲件的步骤是利用激光光束熔断该连接杆，以使该牺牲质量块自该扭转式微机电元件的该非主动区域脱离。
8.如权利要求6所述的方法，其中移除该至少一牺牲件的步骤为施加应力于该牺牲件，以使该连接杆断裂并使得该牺牲质量块自该扭转式微机电元件的该非主动区域脱离。
9.如权利要求5所述的方法，其中该平板主体是以所述扭转轴为扭转中心轴而扭转振动。
10.如权利要求5所述的方法，其中该非主动区域设于该主动区域的***。
11.如权利要求5所述的方法，其中该平板主体包含镜面，设于该主动区域。
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