CN107036772A - 判断微机电***装置是否气密的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种判断一微机电***装置是否气密的方法。该方法包含有施加至少三电压差于该微机电***装置的一可动元件与一感应电极间，以量测至少三等效电容值；根据该至少三等效电容值，计算该微机电***装置一电容值对电压曲线及一偏移电压；以及判断该偏移电压是否落在一预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密。

Description

判断微机电***装置是否气密的方法
技术领域
本发明涉及一种判断微机电***装置是否气密的方法，尤其涉及一种施加多个电压差于可动元件与感应电极间，量测微机电***装置多个等效电容值，借此评估微机电***装置的电容值对电压曲线对称状态，以侦测微机电***装置气密性的方法。
背景技术
微机电***(MicroElectroMechanical System，MEMS)装置是一种特殊类型的集成电路(integrated-circuit，IC)，其通过侦测可动元件的移动行为来推知电子装置移动时的加速度或角速度，因此可作为加速度计(Accelerometer)或陀螺仪(Gyroscope)。
为提高微机电***装置的灵敏度及精准度，可动元件会设置在一密闭腔体内，以防止杂质、水气等外在污染影响可动元件的移动行为。根据不同设计及应用需求，腔体内会充入惰性气体，或将腔体抽至真空，以建立具有不同腔体压力的气密***，进而达到所需的元件特性。同时，气密***也可确保微机电***装置的可靠性及耐久性，例如防水或防止腔体内部元件氧化而损坏。因此，当微机电***装置的气密性遭受破坏时，必须有适当且具高灵敏度的警示指标。
现有技术大多是通过量测微机电***装置的电性特性来侦测气密性是否完善。例如，通过量测漏电流的大小来判断微机电***装置的气密性是否完善。此外，气密性会影响微机电***装置的Q系数(Q factor)相关的频率响应，如此也可作为判断气密性是否完善的方式。
然而，上述两种方式难以执行且灵敏度不佳，因此现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种判断微机电***装置是否气密的方法，通过量测微机电***装置的多个等效电容值，借此评估微机电***装置的电容值对电压曲线对称状态，以侦测微机电***装置是否气密。
本发明公开一种判断微机电***装置是否气密的方法。该方法包含有施加一第一电压差及一第二电压差于该微机电***装置的一可动元件与一感应电极间，以量测一第一等效电容值及一第二等效电容值；根据该第一等效电容值及该第二等效电容值，计算一等效电容差异值；以及判断该等效电容差异值是否落在一预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密。
本发明另公开一种判断微机电***装置是否气密的方法。该方法包含有施加一第一电压差、一第二电压差及一第三电压差于该微机电***装置的一可动元件与一感应电极间，以量测一第一等效电容值、一第二等效电容值及一第三等效电容值；根据该第一等效电容值、该第二等效电容值及该第三等效电容值，计算该微机电***装置一电容值对电压曲线及一偏移电压；以及判断该偏移电压是否落在一预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密。
附图说明
图1为一梳驱动式微机电***装置的上视结构图。
图2A及图2B分别为一扭杆式微机电***装置的上视结构图及剖面结构图。
图3绘示本发明实施例一微机电***装置的电容值对电压曲线。
图4绘示本发明实施例一微机电***装置的气密性与偏移电压之间的相关性。
图5为本发明实施例一侦测气密性方法的流程图。
图6为本发明实施例另一侦测气密性方法的流程图。
其中，附图标记说明如下：
1、2 微机电***装置
10、20 可动元件
11、13 弹簧
12、14 固定元件
15 底座
E11、E12、E21、E22 感应电极
D11、D12、D21、D22 距离
21 底座支柱
22 基板
23 扭杆
V_offset 偏移电压
+V、－V 电压
C+V、C－V、C0 等效电容值
R_hermetic 预设范围
X、Y、Z 方向
50、60 流程
500～506、600～606 步骤
具体实施方式
图1为一梳式微机电***装置1的上视结构范例图。根据不同应用需求，梳式微机电***装置存有不同结构变化设计，而不限于图1的结构。梳式微机电***装置1可用于侦测共面(in-plane，即X-Y平面)加速度，其包含一可动元件10、二弹簧11及13、二固定元件(anchor)12及14、二固定感应电极E11及E12以及一底座15。其中固定元件12、14及固定感应电极E11、E12为固定在底座15上的不可动件，而悬空的可动元件10通过同样悬空的弹簧11、12与固定元件12、14相链接。当微机电***装置1受外力而位移时，固定于底座15上的固定元件12、14及感应电极E11、E12也随之位移，可动元件10则因惯性力而倾向停留在原地，在此情况下，弹簧11、13也会受到外力作用而被压缩或延长，最终使得可动元件10与感应电极E11、E12间的相对位置改变，进而产生相对应的感应电容值变化。举例来说，假设在微机电***装置1静止的情况下，可动元件10与感应电极E11及E12间的距离分别是D11及D12。当微机电***装置1受到外力而朝X方向位移时，固定元件12、14同时朝X方向位移，而可动元件10倾向停留在原地，使得弹簧11、13分别被压缩及延长。于此同时，固定感应电极E11、E12也朝X方向位移，使得可动元件10与感应电极E11间的距离D11增加，并与感应电极E12间的距离D12缩短，最终造成可动元件10与感应电极E11间的感应电容值下降及可动元件10与感应电极E12间的感应电容值上升。
换言之，施加外力于微机电***装置1可使距离D11及D12的大小改变，根据距离D11及D12的变化量所造成的感应电容值变化量，可进一步推算外力所产生的加速大小及方向。因此，通过上述操作，微机电***装置1即可实现共面加速度计功能。
图2A及图2B分别为一扭杆式(torsion bar)微机电***装置2的上视结构图及剖面结构图。根据不同应用需求，扭杆式微机电***装置存有不同结构变化设计，而不限于图2A及图2B的结构。扭杆式微机电***装置2可用于侦测非共面(out-of-plane，即Z方向)加速度，其包含一可动元件(可动电容板)20、一底座支柱21、一基板22、一扭杆23以及二固定感应电极E21及E22(二者为面积相等的电容板)。微机电***装置2是以扭杆23为轴心而呈现非平衡翘翘板结构，如图2A所示，扭杆23的位置偏离可动元件20的重心而较接近可动元件20的左边，让可动元件20在静止情况下朝质量较重的一方倾斜。举例来说，假设在微机电***装置2静止的情况下，可动元件20与感应电极E21及E22间的距离分别是D21及D22。当重力为－Z方向时，以扭杆23为分界点的情况下，可动元件20右半部的质量较大而左半部的质量较小，故如图2B所示，可动元件20呈现朝向感应电极E21倾斜的非平衡翘翘板结构，因此距离D21小于距离D22。当微机电***装置2受外力时，可动元件20产生扭转，导致可动元件20与固定感应电极E21、E22的个别距离D21、D22产生变化，因此根据可动元件20分别与感应电极E21及E22之间的感应电容值变化，可得知可动元件20倾斜的方向及加速度大小。具体而言，当微机电***装置2受到朝向－Z方向的外力而位移时，固定于基板22上的底座支柱21、扭杆23及感应电极E21、E22也朝－Z方向位移，可动元件20左半部的质量较小而倾向往－Z方向位移，而可动元件20右半部的质量较大而倾向停留在原地。在此情况下，可动元件20产生逆时针方向的扭转，使得可动元件20与感应电极E21间的距离D21增加，并与感应电极E22间的距离D22缩短，最终造成感应电极E21感测到的感应电容变小，且感应电极E22感测到的感应电容变大。换言之，施加外力于微机电***装置2可使距离D21及D22的大小改变，根据距离D21及D22的变化量所造成的感应电容值变化，可回推加速大小及方向。因此，通过上述操作，微机电***装置2即可实现非共面加速度计功能。
根据库伦定律(两带电物体间的作用力与两带电体的电荷量乘积成正比，且与两带电体间距离的平方成反比)可知，例如在图1实施例中，施加一电压差于可动元件10与感应电极E11或E12间时，可动元件10与感应电极E11或E12间可产生库伦静电力，使得可动元件10与感应电极E11或E12受库伦静电力而吸引，进而改变距离D11及D12的大小。据此，通过施加电压差产生的库伦静电力可使微机电***装置1产生相对应的感应电容值变化。
在图2A及图2B实施例中，当施加一电压差于可动元件20与感应电极E21或E22间时，可动元件20与感应电极E21或E22间可产生库伦静电力，使得可动元件20与感应电极E21或E22受库伦静电力而吸引，进而改变距离D21及D22的大小。据此，通过施加电压差产生的库伦静电力可使微机电***装置2产生相对应的感应电容值变化。
图3绘示本发明实施例一微机电***装置的电容值对电压曲线。对多数微机电***装置而言(如图1及图2的微机电***装置1和2)，在微机电***装置的可动元件与感应电极间施加电压差可在可动元件与感应电极之间产生一静电力，使可动元件产生位移及扭转的情况，进而使得微机电***装置的等效电容值改变。据此，若在可动元件与感应电极间施加不同电压差来量测相对应的等效电容值，应可得到微机电***装置的等效电容值对电压曲线。
在理想情况下，微机电***装置的理想电容值对电压曲线应近似于以零电压为对称中心的拋物线。因此，若在可动元件与感应电极间施加大小相等但极性相反的电压差，理想上应可得到相同的等效电容值。然而，潜在的静电力可能会在微机电***装置的制造过程中产生，例如电荷累积所产生的静电力，此累积电荷会在可动元件与感应电极之间形成等效电压差，导致可动元件在没有外在施加电压差的情况下仍发生位移及扭转，如此导致微机电***装置的电容值对电压曲线产生相对应的偏移量，此偏移量即为一偏移电压V_offset。此外，当微机电***装置在封装的过程中发生工艺过程问题，或在后续工艺过程阶段遭到外力不当撞击，而使腔体气密性遭到破坏，也会导致电容值对电压曲线及其偏移电压V_offset改变。
当微机电***装置制造完成，后续将进行封装及测试程序，以利质量管控。对同一批次生产制造的微机电***装置而言，其中气密性良好的成品其偏移电压会落在某一特定区间，然而若气密性遭破坏，非气密的瑕疵品其偏移电压则会落在该特定区间之外。在实作上，封装及测试厂会对同一批次生产制造的所有微机电***装置进行一系列测试程序，并将所有的测试结果经由统计与分析，同时参照应用需求，决定该批次生产的微机电***装置的一目标电容值对电压曲线及一目标偏移电压。因此，研发人员可根据目标电容值对电压曲线及目标偏移电压，对量测到的偏移电压V_offset(或等效电容差值)设定一预设范围，以作为判断微机电***装置是否气密的标准。
如图3所示，实际的电容值对电压曲线可以是以偏移电压V_offset为顶点的开口向上拋物线。在其他实施例中，不同的测试手法可能会产生不同顶点位置、形状及开口方向的拋物线，而不限于此。因此，在可动元件与感应电极间施加大小相等但极性相反的电压差+V及－V，将会得到不同的等效电容值。以图2A及图2B的微机电***装置2为例，假设感应电极E21的偏移电压V_offset为－0.5伏特，当施加电压差+V为+1.5伏特于可动元件20与感应电极E21间时，所量测的等效电容值C+V即为偏移电压为0伏特时，施加+2伏特电压差的电容值。当施加电压差－V为－1.5伏特于可动元件20与感应电极E21间时，所量测的等效电容值C－V即为偏移电压为0伏特时，施加－1伏特电压差的电容值。另一方面，假设感应电极E21的偏移电压V_offset为0.5伏特，则会得到相反的量测结果，意即当分别施加电压差+V为+1.5伏特及电压差－V为－1.5伏特于可动元件20与感应电极E21间时，所量测的等效电容值C+V、C－V即为偏移电压为0伏特时，施加+1、－2伏特所对应的电容值。由此可见，偏移电压V_offset会影响等效电容值的量测结果。
在一实施例中，若外加电压差+1.5及－1.5伏特对应的等效电容差异值ΔC落在一预设范围内，则判定腔体为密闭。反之，若等效电容差异值ΔC落在该预设范围外，则判定腔体为非密闭。
如此一来，通过施加不同电压差于可动元件与感应电极间来计算等效电容差异值，并根据等效电容差异值是否落在一预设范围内，可判断微机电***装置的腔体是否为密闭。
图4绘示本发明实施例一微机电***装置的气密性与偏移电压之间的相关性。由于电容值对电压曲线是为一抛物曲线，因此至少需三组坐标来决定一抛物曲线的顶点位置、形状及开口方向。在一实施例中，通过分别量测电压差+V及－V及零电压对应的等效电容值C+V、C－V及C0，可根据三组坐标(+V，C+V)、(－V，C－V)及(0，C0)来计算微机电***装置的电容值对电压曲线，进而得知偏移电压V_offset的大小。在其他实施例中，通过分别量测任意三个不同的电压差所对应的等效电容值，也可计算微机电***装置的电容值对电压曲线及偏移电压V_offset。
如图4所示，若腔体为密闭，则计算出的偏移电压V_offset会落在一预设范围R_hermetic内；若腔体为非密闭，则偏移电压V_offset会落在预设范围R_hermetic外，其中预设范围R_hermetic是根据微机电***装置的一目标电容值对电压曲线及一目标偏移电压所设定。如此一来，通过量测微机电***装置在不同施加电压差下的等效电容值，可评估微机电***装置的电容值对电压曲线的不对称性指针(即偏移电压V_offset)，以判定腔体是否密闭且符合应用需求。
简言之，本发明在微机电***装置的可动元件与感应电极间施加不同外加电压差来量测相对应的等效电容值，借此评估微机电***装置的电容值对电压曲线对称状态，以判定微机电***装置的气密性。在一实施例中，本发明施加二相异电压差(例如大小相等但极性相反的二电压差)于微机电***装置的可动元件与感应电极间来计算等效电容差异值，并根据等效电容差异值是否落在一预设范围内，借此判定腔体是否为密闭且符合应用需求。在另一实施例中，本发明施加三相异电压差(例如零电压差及大小相等但极性相反的二电压差)于微机电***装置的可动元件与感应电极间来计算电容值对电压曲线及对应偏移电压，并根据偏移电压是否落在一预设范围内，借此判定腔体是否为密闭且符合应用需求。
举凡符合上述操作的侦测气密性方法或对应微机电***装置皆属本发明的范畴，本领域技术人员可据此修饰及变化，而不限于本发明实施例。举例来说，以微机电***装置1为例，用来输入外加电压差的感应电极可为感应电极E11或E12。即，当可动元件10与感应电极E11间分别输入不同外加电压差时，另一感应电极E12保持零电压输入；或者，当可动元件10与感应电极E12分别输入不同外加电压差时，另一感应电极E11保持零电压输入。
此外，量测等效电容值的方式无所限，只要对同一批次生产制造的所有微机电***装置进行相同的量测方式即可。举例来说，以图1为例，外加电压差可施加于可动元件10与感应电极E11间，以量测可动元件10与感应电极E11间的等效电容值；或者，外加电压差可施加于可动元件10与感应电极E11间，以量测可动元件10与感应电极E12间的等效电容值；或者，外加电压差可施加于可动元件10与感应电极E12间，以量测可动元件10与感应电极E12间的等效电容值；或者，外加电压差可施加于可动元件10与感应电极E12间，以量测可动元件10与感应电极E11间的等效电容值。换言之，当固定施加电压差于感应电极E11的情况下，量测到的等效电容值可以是感应电极E11与可动元件10间的感应电容值，或是感应电极E12与可动元件10间的感应电容值，反之亦然。
进一步地，本发明的侦测气密性方法可应用在生产研发阶段及一般使用情况。在生产研发阶段中，可通过外接测试装置来输入不同外加电压至感应电极，评估微机电***装置的不对称性，判定微机电***装置的气密性，以及输出相应判断结果。如此一来，研发人员可根据判断结果得知微机电***装置的气密性是否遭到破坏，以改善生产工艺过程或是淘汰瑕疵品。
此外，在生产研发阶段及一般使用情况中，微机电***装置会配置一微处理器或一专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)并搭配一内存，用来处理微机电***装置的侦测结果，以实现陀螺仪或加速度计功能。因此，本发明的侦测气密性方法也可编译为一程序代码，以韧件或应用软件形式而储存于该内存中，该程序代码可指示微处理器或专用集成电路执行侦测气密性的相关操作。如此一来，微机电***装置也可自行输出判断结果，使研发人员或使用者得知微机电***装置的气密性是否遭到破坏(即得知陀螺仪或加速度计是否正常运作)。由此可见，本发明的侦测气密性方法具有实时量测及量测简易等优势。再者，由于上述测试是微机电***装置的内部自我测试，因此可在任何时刻进行气密性侦测，也可避免外接测试装置的量测误差，可见本发明的侦测气密性方法也具有高灵敏度及高精准度的优势。
上述关于图3的操作可归纳为一侦测气密性流程50，如图5所示，流程50可编译为程序代码，用来侦测微机电***装置的气密性，并包含以下步骤。
步骤500：开始。
步骤501：分别施加一第一电压差及一第二电压差于一微机电***装置的一感应电极及一可动元件间，以分别量测一第一等效电容值及一第二等效电容值。
步骤502：比较该第一等效电容值及该第二等效电容值，以计算一等效电容差异值。
步骤503：判断该等效电容差异值是否落在一预设范围内。若是，进行步骤504；若否，进行步骤505。
步骤504：产生一第一信号以指示该微机电***装置为气密。结束。
步骤505：产生一第二信号以指示该微机电***装置为非气密。
步骤506：结束。
关于流程50的详细操作可参考图3的相关说明，于此不赘述。
上述关于图4的操作可归纳为一侦测气密性流程60，如图6所示，流程60可编译为程序代码，用来侦测微机电***装置的气密性，并包含以下步骤。
步骤600：开始。
步骤601：分别施加至少三电压差于一微机电***装置的一感应电极及一可动元件间，以分别量测至少三等效电容值。
步骤602：根据该至少三等效电容值，计算该微机电***装置的一电容值对电压曲线及一偏移电压。
步骤603：判断该偏移电压是否落在一预设范围内。若是，进行步骤604；若否，进行步骤605。
步骤604：产生一第一信号以指示该微机电***装置为气密。结束。
步骤605：产生一第二信号以指示该微机电***装置为非气密。
步骤606：结束。
关于流程60的详细操作可参考图4的相关说明，于此不赘述。
综上所述，本发明通过量测微机电***装置多个等效电容值，评估微机电***装置的电容值对电压曲线对称状态，以判定微机电***装置的气密性。在一实施例中，本发明通过施加二相异电压差(例如大小相等但极性相反的二电压差)于微机电***装置的可动元件与感应电极间来计算等效电容差异值，并根据等效电容差异值是否落在一预设范围内，以判定腔体是否为密闭。在另一实施例中，本发明通过施加三相异电压差(例如零电压差及大小相等但极性相反的二电压差)于微机电***装置的可动元件与感应电极间来计算电容值对电压曲线及对应偏移电压，并根据偏移电压是否落在一预设范围内，以判定腔体是否为密闭。上述测试方法具有高灵敏度、高精准度、实时量测及量测简易等优势。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种判断一微机电***装置是否气密的方法，包含有：
施加至少三相异电压差于该微机电***装置的一第一感应电极及一可动元件间，以量测至少三等效电容值；
根据该至少三等效电容值，计算该微机电***装置的一电容值对电压曲线及一偏移电压；以及
判断该偏移电压是否落在一预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断该偏移电压是否落在该预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密的步骤包含有：
若该偏移电压落在该预设范围内，产生一第一信号以指示该微机电***装置为气密；以及
若该偏移电压落在该预设范围外，产生一第二信号以指示该微机电***装置为非气密。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少三等效电容值是该第一感应电极与该可动元件间的感应电容值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该微机电***装置另包含一第二感应电极，该至少三等效电容值是该第二感应电极与该可动元件间的感应电容值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预设范围是根据该微机电***装置的一目标电容值对电压曲线及一目标偏移电压所设定。
6.一种判断一微机电***装置是否气密的方法，包含有：
施加一第一电压差及一第二电压差于该微机电***装置的一第一感应电极及一可动元件间，以量测一第一等效电容值及一第二等效电容值；
比较该第一等效电容值及该第二等效电容值，计算一等效电容差异值；以及
判断该等效电容差异值是否落在一预设范围内，判断该微机电***装置为是否为气密。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，判断该等效电容差异值是否落在该预设范围内，以判断该微机电***装置为是否为气密的步骤包含有：
若该等效电容差异值落在该预设范围内，产生一第一信号以指示该微机电***装置为气密；以及
若该等效电容差异值落在该预设范围外，产生一第二信号以指示该微机电***装置为非气密。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一等效电容值、该第二等效电容值是该第一感应电极相对该可动元件间的感应电容值。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该微机电***装置另包含一第二感应电极，该第一等效电容值及该第二等效电容值是该第二感应电极相对该可动元件间的感应电容值。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该预设范围是根据该微机电***装置的一目标电容值对电压曲线及一目标偏移电压所设定。
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