TW201544444A - 具有框架之微機電結構 - Google Patents

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Abstract

一種較不會受到內部或外部電性干擾之堅固的微機電結構。該結構包括具有一被懸置於一支撐件之轉子的一可活動式元件、被錨定於該支撐件及局限住該可活動式元件的一第一框架、以及被錨定於該支撐件及在該可活動式元件及該第一框架之間局限住該可活動式元件的一第二框架，該第二框架和該第一框架電氣地隔離。該轉子及該第二框架被電性地連結以具有一相同的電位。

Description

具有框架之微機電結構
本案發明是有關一種微機電裝置，且特別是有關如獨立項申請專利範圍之前言中所界定的一種微機電結構及一種微機電裝置。
微機電系統，或MEMS可被界定為其中至少某些元件是具有一機械式機能之小型化的機械式或機電式系統。MEMS結構可被應用來快速及精確地檢測出在物理特性中之非常小的改變。
微級尺寸的MEMS結合更多在一矽晶圓上的裝置，且因而已以較低的成本開放至廣大範圍的新應用。然而，極小尺寸化亦產生對施行上的挑戰。例如，在一MEMS結構中之機械功用的位移常會被引發、控制及/或被電性構件偵測到。應了解到在小形化的尺寸中，由該等電性構件所產生內部的電磁場或靜電場會彼此非有意地互相作用，並造成對測量上的誤差。該等機械功用的引起、控制及偵測亦可被外部的電磁場或靜電場所干擾。
本案發明的目的為提供一種能在一最小化的尺寸中有精確之測量的微機電裝置。本案發明的該等目的是以依據本案之獨立項申請專利範圍之具特徵性的部分之一種微機電結構及一種微機電裝置被達成。
該等申請專利範圍界定出一種較不會受到內部或外部電性干擾之堅固的微機電結構。該結構包括具有一被懸置於一支撐件之轉子的一可活動式元件、被錨定於該支撐件及局限住該可活動式元件的一第一框架、以及被錨定於該支撐件及在該可活動式元件及該第一框架之間局限住該可活動式元件的一第二框架，該第二框架和該第一框架電氣地隔離。該轉子及該第二框架被電性地連結以具有一相同的電位。
該等申請專利範圍亦界定一種包括該微機電結構的微機電裝置。本案發明之有利的實施例係揭示在本案之附屬項申請專利範圍中。
本案發明的其他優點以隨後之實施例被更詳細地討論。
以下，本案發明將參考隨附圖式以較佳實施例被更詳細地說明，其中：圖1圖示說明一微機電結構的諸元件；圖2A圖示說明一可活動式元件及一屏蔽框架的一範例式架構；圖2B顯示在圖2A中所標示之一放大的區段B，結合有一段連結之元件框架；圖2C顯示在圖2A中所標示之一放大的區段C；圖3圖示說明包括該微機電結構之一微機電裝置的諸元件。
以下之實施例為範例式。雖然本案說明書可有關〝一〞、〝一個〞或〝一些〞實施例，但此不必要是指各個此些參考是指相同的實施例，或是該特徵僅用於單一的實施例。不同實施例的單獨特徵是可被結合來提 供其他的實施例。
以下，本案發明的特徵會以本案發明之各種不同的實施例可被實施於其中之一種裝置架構的一簡單範例做說明。僅有相關用於說明該等實施例之元件會被詳細地說明。熟習相關技術者通常已知之微機電結構的各種實施於此可能不會被特別地說明。
作為微機電結構的一範例，圖1顯示可應用於慣性感測之一微機電結構的一區段。為了產生待被轉換成信號的機械式能量，且反之亦然，一微機電結構可被圖樣化以包括至少一可活動式元件100。一可活動式元件100於此係指具有一轉子、一非零質量的一結構性個體，藉由一懸置彈性結構102，其被懸置於一支撐件，且可相對該支撐件被移動。該支撐結構可由一微機電裝置的另一本體元件被提供，例如是由一在下面的處理晶圓、或是分別被提供或由來自一層型之矽絕緣體基板上之組合的一罩蓋晶圓所提供的。
該可活動式元件100的該轉子可經由一懸置彈性結構102被懸置於該支撐件，該懸置彈性結構102在至少一方向上對該可活動式元件之該測震質量的位移是彈性的，且在其他方向上對該測震質量的位移是非常剛性的。該懸置彈性結構102可被架構成，在正常情況下，該轉子能有在一方向上及落在被界定之設計限制內的移動，以及該可活動式元件能有在其他方向上之抵抗移動。
該可活動式元件的運動可例如是電容式地被引發或偵測到。對此，該可活動式元件100可包括一靜子。用詞靜子於此係指該可活動式元件被錨定至該支撐件的一部分，以形成一或多個用於該轉子之一或 多個可活動式電極的靜止電極。靜止及可活動式電極對形成電容，且依據改變該電容之電容值的一外部物理性參數電容式地感測。此可藉由改變介於該等電容電極之間的分離或重疊面積而發生。當一固定的電壓被施加在該電容上時，在該電容值的改變及因而之該轉子的運動，可例如以一橋式電路被測量。
該微機電結構有利地是一層元件，其包括被圖樣化的構件，以藉由從該層移除犧牲材料而沿著該層平面內地延伸。該微機電結構可包括一第一框架，於此被稱為一元件框架104。該用詞框架於此係指可被錨定於該支撐件及局限住該可活動式元件100的一環周結構。應了解到該框架並不需具有一連續的形式。因此，該元件框架104可為一單獨的外圍結構，或是包括一或多個被結合式地配置的框架區段，以形成環繞該可活動式元件100的一外圍邊界。應了解到該元件框架104亦可局限住其他的元件。例如，該層元件可包括一或多個用於偵測在不同軸線上(垂直方向)之運動的可活動式元件，且該元件框架104外圍式地環繞所有該等元件。該元件框架104提供機械性保護及/或能有對該內部可活動式元件的密封。同時，其提供將該可活動式元件自外部電性干擾隔絕開的一導電式外殼。該元件框架104可被連接至一固定的電壓V1，較佳地係有接地。
該微機電結構亦可包括一第二框架，於此被稱為一屏蔽框架106。該屏蔽框架106亦局限住該可活動式元件100，但其係位在該元件框架104及該可活動式元件100之間。該屏蔽框架106亦可為一單獨的外圍結構，或是包括一或多個被結合式地配置的框架區段，以形成一外圍邊界。如果該層元件包括一或多個可活動式元件，則有利地各個可活動式元件係 被一專屬的屏蔽框架局限住。一局限元件係離一被局限住之元件或被局限住之諸元件至少一元件間隙。在一中立狀態，圖1中之一第一間隙108將該元件框架104自該屏蔽框架106分隔開，及一第二間隙110將屏蔽框架106自該可活動式元件100分隔開。該屏蔽框架106及該可活動式元件100的轉子有一電性接觸(亦及是藉由導電性材料被電性地連接)，此將其等連接至相同的固定電壓V2，但是該第一間隙108將該屏蔽框架106自該元件框架104電性地隔絕開。
在操作期間，電性控制電路典型地係適用於將被饋送至該元件框架的電壓V1及被饋送至該轉子的電壓V2保持相同。然而，對內部的電容電壓及外部的干擾而言，此並未被完全地達成，且傾向有某些電位差存在於該元件框架及該轉子之間。該屏蔽框架106有效地將由介於V1及V2之間之隨機的電位誤差所造成的誤差減到最小。
在特別的狀況下，該可活動式元件100的該轉子可被位移超出該設計的界限。就此些狀況而言，該微機電結構可包括動作限制器。其等的任務是要機械式地控制該轉子可位移的最大距離，及/或在該設計的界限被超出時，以一受控的方式消散能量。在習用的結構中，動作限制器典型地係介於該元件框架及該轉子之間。然而，由於該電位上的差異，介於該轉子及該元件框架之間的一接觸，會造成該等元件之間的短路，而導致黏著及/或在轉子電容上的誤差。
在本案的結構中，介於該轉子及鄰近元件之間的電位差異是零，且介於其等之間可能的接觸並不會造成該等反作用。特別是，在有一共用之轉子電位被應用於檢測之一習用的多軸線感測器中，由一外部震動 所造成的一接觸意指信號損失為所有方向的，亦即是對所有被檢測的軸線。在本案實施例中，一接觸可發生在一軸線的一方向上，但是該轉子電位卻不會受其影響。該屏蔽框架因而將偵測軸線彼此地分隔開，使得一震動及一偵測軸線之該方向上的信號損失，不會直接地造成在其他偵測軸線之方向的偵測上的誤差。動作限制器結構因而能被安全地配置於該屏蔽框架106。有利地，但並非是必要地，該動作限制器結構為彈性的，以降低結構性元件在撞擊接觸時之破裂的風險。
有利地，該屏蔽框架106被配置成靠近該可活動式元件100。已知由二表面所形成之一窄的間繫限制垂直於該等表面之氣體的位移。當該等表面之運動壓縮該間隙，該氣體壓力增加，其減慢該運動。該等表面越靠近，該運動越有效地減速。在習知的應用中，該可活動式元件之梳狀結構典型地係包括有能有應用之氣體阻尼之在至少一方向上的一距離。在其他方向上，氣體阻尼是無效的。
所以，在應用電容性梳狀結構的一微量級加速器中，該第二間隙110的寬度有利地是該梳狀件間隙之寬度的等級。在該轉子相對該靜子的位置係依照該懸置彈性結構的中立狀態中，該梳狀件間隙可被考慮成對應介於平形及相鄰之靜子及轉子梳狀桿件之間的距離。該第二間隙110的寬度有利地是此種梳狀覆蓋之寬度的0.5至5倍。該屏蔽框架106能提供一非常窄的第二間隙，且因而能有用於該可活動式元件100之該轉子在所有方向上之非常有效的氣體阻尼。該元件框架104及特別是該第二間隙，在另一方面，可依據其他的操作參數或製造需求被自由地定尺寸。
圖2A圖示說明用於一可活動式元件及一屏蔽框架的一範例 式架構。圖2B顯示在圖2A中所標示之一放大的區段B，其結合有一段連結之元件框架。圖2C顯示在圖2A中所標示之一放大的區段C。如同可從圖2A至2C所看到的，該微機電結構可包括被實施成帶有可活動式轉子梳狀件200及靜子梳狀件202之一梳狀結構的一可活動式元件。該可活動式轉子梳狀件200可從一轉子框架204朝內地延伸。該轉子框架204可被一被錨定的屏蔽框架206局限住，且該屏蔽框架206可被一被錨定的元件框架220局限住。然後該第一間隙224為介於該元件框架220及該屏蔽框架206之間的元件間隙，及該第二間隙218為介於該屏蔽框架206及該轉子框架204之間的元件間隙。該轉子框架204可具有在該第一方向D上的一自由度。
圖2A至2C的該範例式可活動式元件包括在該可移動元件內部之用於一第一動作限制器階段的一撞擊元件226。該第一動作限制器階段可以一樑件組合被實施，該等樑件之一被連結至一錨定件，該等樑件的另一個則被連結至該轉子框架204。該等樑件的諸側端部被一第一限制器間隙222在該第一方向D上被分隔開，該第一限制器間隙222係較介於該可活動式元件及該轉子框架204之間的該第二間隙218窄。在某些點上，當該轉子框架204在該方向D上的運動增加，該第一限制器間隙222關閉，該樑件的諸端部變成接觸，並限制該運動。
圖2A至2C的該範例式可活動式元件亦包括在該可移動元件及該屏蔽框架之間的一第二動作限制器階段。如所顯示的，作為第二撞擊元件，該被錨定之屏蔽框架206可包括有自該轉子框架204分隔開一第二間隙218之一或多個框架凸出部216。為了能有正確順序的接觸，該第二間隙218在該方向D上的寬度係大於該第一限制器間隙222的寬度，亦即是 介於該第一動作限制器階段之該等樑件的該等側端部之間在方向D上的距離。
因此，在離設計限定較小偏移的情況中，該轉子框架204可在方向D上移動，據此，該等第一樑件變成彼此互相接觸，並撓性地反抗該過度的運動。由於該等樑件之該等接觸表面之一最佳化的形式，介於其等之間的黏著作用力係最小的，以致由該懸置彈性結構所給的回復作用力，可被簡單地適用以足夠來將該等元件在接觸後拉分離開。該等樑件的回復作用力可因而被配置成，在正常過負載情況中表現實際上的剛硬。
如果該轉子框架204的運動係較大的，則該等樑件會彎曲，且該等框架凸出部216最終會變成和該轉子框架204接觸。有利地，在一第一動作限制器階段中之該等樑件的彈性常數，係適用於提供一回復作用力，該作用力係大到足以克服在該第二撞擊元件中之該等接觸表面之間的黏著作用力，並在接觸後將該轉子框架拉回運動。該二階段化的動作限制器機構是重要的，特別是在該轉子打算要移動(被懸置以具有一自由度)的諸方向上，對於該等方向，由該等支撐彈性結構被提供之該等回復作用力是非常低的。該等不同地最佳化的運動限制器階段的組合可被實施在一最小的表面積中，且在組合中，其等提供在各種不同的操作干擾下之有效的回復性。
介於該屏蔽框架206及該轉子框架204之間的該第二間隙218可被保持非常地小，其能有在該結構中之有效的氣體阻尼。在圖2A至2C的該實施例中，該第二間隙218的寬度係等於在該轉子梳狀件200及該靜子梳狀件202之間之該梳狀件間隙的寬度。當該轉子框架204及該屏蔽框 架206係在相同的電位時，經由該第二動作限制器階段之該等動作限制器結構之可能的接觸，並不會使該等元件短路。該屏蔽框架206排除了對該轉子框架204的運動之內部的電磁場或靜電場的作用，同時能有有效率的動作限制機構。該元件框架220電性地屏蔽其自外部電性干擾局限開之內部的元件。
該概略的圖3圖示說明包括以圖1及2被說明之該微機電結構之一範例式微機電裝置的原理。該微機電裝置可包括一第一部件300及一第二部件302。該第一部件300可包括諸機械式元件，其等包括該微機電結構。該第二部件302可包括一電路，該電路被連接至來自該微機電結構之諸輸入電性信號。如在圖3中所顯示的，在該第一部件中被產生的一或多個信號可被輸入該第二部件302的該電路中。被輸入該電路中之該等一或多個信號可被用於產生代表該慣性感測器之一測量結果的一信號S。
該微機電裝置可被包括在一組合式感測器元件中，該組合式感測器元件包括有各種不同的感測器元件、一有線或行動式運算、遊戲或通訊裝置、一測量裝置、一繪圖裝置、或一車輛功能控制單元，僅舉數例，不逐一列舉。
對於熟習相關技術者而言，顯然地，隨著技術的進步，本案發明的基本概念能以各種不同的方式被施行。因此，本案發明及其實施例並不會受到前述之範例的限制，而是可在該等申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (12)

  1. 一種微機電結構，其包括：一可活動式元件(100)，其包括一被懸置於一支撐件的轉子；一第一框架(104)，其被錨定於該支撐件及局限住該可活動式元件；一第二框架(106)，其被錨定於該支撐件及在該可活動式元件(100)及該第一框架(104)之間局限住該可活動式元件，其和該第一框架(104)電氣地隔離；其中，該轉子及該第二框架(106)被電性地連結以具有一相同的電位。
  2. 根據申請專利範圍第1項之微機電結構，其特徵在於該微機電結構包括一或多個其他的可活動式元件，各被一專用的第二框架(206)所局限住，且該第一框架(220)將所有的可活動式元件局限在該微機電結構中。
  3. 根據申請專利範圍第2項之微機電結構，其特徵在於該可活動式元件之該轉子(204)被懸置，以具有在一第一方向(D)中的一自由度；微機電結構包括至少一其他的可活動式元件；該其他的可活動式元件的該轉子被懸置，以具有在一垂直於該第一方向(D)之方向中的一自由度。
  4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之微機電結構，其特徵在於該微機電結構包括一動作限制器結構，該動作限制器結構是由介於該轉子及該第二框架之間的一元件間隙(218)之關閉所致動的。
  5. 根據申請專利範圍第4項之微機電結構，其特徵在於該屏蔽框架包括該動作限制器結構的至少一撞擊元件(216)。
  6. 根據申請專利範圍第4或5項之微機電結構，其特徵在於該微機電結構包括至少二個撞擊元件，其等提供在該元件間隙內之接續被致動的動作限制器階段。
  7. 根據申請專利範圍第6項之微機電結構，其特徵在於一第一撞擊元件(226)，其藉由一第一限制器間隙(222)回應該轉子在一特定方向上的位移之關閉被引發成接觸，該第一限制器間隙(222)係小於在該特定方向上之該元件間隙(218)；一第二撞擊元件(216)，其藉由該元件間隙(218)回應該可活動式元件在該特定方向上的位移之關閉被引發成接觸。
  8. 根據申請專利範圍第7項之微機電結構，其特徵在於該第一撞擊元件包括一撓性元件。
  9. 根據申請專利範圍第8項之微機電結構，其特徵在於該撓性元件提供在一特定方向上的彈性常數，該彈性常數適用於提供比在該第二撞擊元件中之該接觸的黏著作用力大的一回復作用力。
  10. 根據申請專利範圍第4至9項中任一項之微機電結構，其特徵在於該可活動式元件包括一梳狀結構，該梳狀結構包括平行的靜子及轉子梳狀桿件，其中一梳狀件間隙為一介於平行之鄰接靜子及轉子梳狀桿件之間的距離；該第二間隙之寬度係該梳狀件間隙寬度之0.5至5倍。
  11. 根據申請專利範圍第10項之微機電結構，其特徵在於該第二間隙的寬度係等於該梳狀件間隙的寬度。
  12. 一種微機電裝置，其特徵在於根據申請專利範圍第1至11項中任一 項之一微機電結構。
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