TWI391663B - 加速度計 - Google Patents

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Description

加速度計
本發明涉及微機電系統的加速度計，尤其是涉及一種三軸的電容式加速度計的結構設計。
微機電系統(MEMS)加速度計已被廣泛應用於汽車上，如電子穩定控制(ESC)、適應性定速系統(ACC)、安全氣囊系統和碰撞檢測等，甚至MEMS加速度計更被消費電子產品大量應用，例如手機、PDA、數位相機(DSC)，和視頻遊戲，因此，多軸加速度計的需求正在迅速增加。
目前，電容式感測方法已廣泛應用於慣性感測器上，電容式感測方法有幾項優點，因電容式技術無熱噪音，因此本質上其噪音量應會比壓阻式技術低。在差分電容式感測上，因為輸出信號是介於固定電極和可移動電極間電容差異的一種功能，任何兩電容器間的溫度效應將被消除，以進一步改善信號穩定度。過去有各種同平面加速度計利用表面微加工、體積微加工和CMOS微機電系統技術，出平面CMOS-MEMS加速度計則使用電動路由技術以作為平行垂直交錯的梳型電容式感測，但由於感測結構的面積變化因素致敏感度差。
近來，具有完全差分間隙閉合電容感測電極的CMOS微機電系統出平面加速度計已被提出，其係建立一種後CMOS濕式蝕刻製程，以具體實現出平面方向具有亞微米間隙感測電極的加速度計，然而多軸加速度計的主要問題在於如何檢測出Z軸(出平面軸)的加速度，早期雖有使用介於梳型電極和扭懸架Z軸系統間移動和固定的重疊面積變化差異所做的電容感測，以及藉由使用 表面及體積製程合併於一單片三軸的微G解析的矽電容式加速度計系統來實施感測，惟其製造過程複雜，耗費成本。
而三軸電容式加速度感測器雖已開發出使用SOI晶圓架構，然而，其電極設計在Z軸上尚非使用差分電容感測架構，及其複雜製程均同樣受到批評。晚近，Z軸差分SOI加速度計開發了不同類型的Z軸新型垂直梳狀電極，此垂直電極採用二光罩和時間控制的反應離子蝕刻(RIE)製程，然後在不同的移動和固定高度提供電極。根據此設計，使用新型垂直電極Z軸加速度易於被差分檢測，此外，差分電容三軸的SOI加速度計已證實使用了新型垂直梳狀電極，但是，時至今日，使用SOI晶圓製成的Z軸加速度計的間隙閉合差分電極則仍未聽聞。
爰此之故，申請人有鑑於習知技術的缺失，因而發明出本案「加速度計」，用以改善上述習用技藝的缺失。
本發明的主要目的就是利用SOI晶圓製成出平面間隙閉合的差分電容式感測加速度計，其不需黃光定義而係以SOI晶圓氧化層的厚度作為感測間隙的明確定義，並藉由基座二相對邊不同上下電極的新穎結構設計，不僅與可移動主體交互卡位達成限制主體的移動範圍，更能保護裝置避免意外衝擊或過載所造成的損害，且能達到高的感測靈敏度。
根據上述目的，本發明提出一種加速度計，其包括：一固定單元，包含：一基板；複數個固定錨，係位於該基板的各角端；及複數個固定電極板，其係兩兩相對分置於該基板的各邊端；一可動單元，其係位於該固定單元的該複數個固定電極板之間，與該固定單元交互懸吊撓接，該可動單元更包括：一本體；及複數 個彈性元件，該複數個彈性元件係位於該本體之角端外側，且分別與該複數個固定錨角端對應連結設置；以及複數個金屬中介窗，係位於各該複數個固定錨、各該複數個固定電極板及該本體上方。
根據上述構想，其中所述的加速度計，係為一具有間隙閉合差分電極的三軸電容式感測加速度計。
根據上述構想，其中該固定單元、該可動單元均係由絕緣體覆矽(SOI)的晶片所製成。
根據上述構想，其中該可動單元的該本體係藉由每一該彈性元件與每一該固定錨的一朝內角端連結。
根據上述構想，其中該彈性元件係為一彈簧。
根據上述構想，其中該本體係接地。
根據上述構想，其中該複數個金屬中介窗係為導通SOI上下晶片層而設。
根據上述構想，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以點注銀膠為之。
根據上述構想，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以沉積多晶矽為之。
根據上述構想，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以濺鍍金屬為之。
根據上述構想，其中該複數個固定電極板係包括：一組下位電極板，分置於該本體的對邊兩側，其係用以支撐該可動單元於Z軸的移動下限；以及一組上位電極板，分置於該本體的另對邊兩側，其係用以限制該可動單元於Z軸的移動上限。
根據上述構想，其中該可動單元亦可於X軸或Y軸移動。
根據上述構想，其中各該組上、下位電極板均係連結固定於 該基板上。
請參見第一圖，其係顯示本發明所提交的由SOI晶圓所設計的間隙閉合差分電容式感測出平面加速度計的立體剖面圖，(a)所顯示為本發明一典型的SOI晶圓矽元件層所形成的加速度計前視立體剖面圖，(b)所顯示為本發明一典型的SOI晶圓矽處理層所形成的加速度計後視立體圖。如第一圖(a)所示，該矽元件層111以溝槽112劃分五個互相隔離的電區塊，例如，中央的證明質量塊113連同其角端的四個彈簧114及四塊固定錨115相互連結，其可被視為一個獨立的電區塊。沿BB’線，有兩個矩形板塊116，其包含二個固定上位電極，可被視為兩個隔離的電區塊，沿AA’線，另有兩個矩形板塊117，其包含二個固定下位電極，可被視為另外兩個隔離的電區塊。同時本發明尚包含數個金屬中介窗118用以作為矽元件層111與處理層121間的導電互連。
上承第一圖(b)所示，其中有四個相對的凸型塊(122、123)係由矽處理層121所形成的，其中兩相對的凸型塊122作為固定上位電極的支撐結構，其餘兩相對的凸型塊123則作為固定下位電極，可動電極板124則與上述該四個相對的凸型塊(122、123)交互撓接。
請參見第二圖，其進一步顯示第一圖AC’和BC’截面的剖面圖，(a)顯示本發明的AC’截面的剖面圖，其中包含一對可動的上位電極板21(由矽元件層111所形成)和固定下位電極板123(由矽處理層121所形成)，可動上位電極板21係以彈簧114與固定錨115連結，同時該可動上位電極板21亦與固定下位電極板123懸吊撓接，藉以形成一電容間隙27，金屬中介窗118則連通 矽元件層111與矽處理層121，第二圖(b)所顯示為本發明的BC’截面的剖面圖，其中包含一個可動下位電極板211(由矽處理層121所形成的證明質量塊)及一固定上位電極板213(由矽元件層所形成的)，兩者間形成一電容間隙214，同時該可動下位電極板211以彈簧114與固定錨115連結。
上承第二圖，當證明質量塊受一向下方加速G力時，AC’與BC’截面的可動電極板將會向下位移。因此，於AC’截面顯示的感測電極將經歷感測間隙減小，此導致+△C的電容量變化，與此同時，於BC’截面顯示的感應電極將經歷感測間隙增加，並導致-△C的電容量變化，因此，這種設計形成差分電容式感測電極以改善靈敏度和信號的訊雜比。由於金屬中介窗被用以使矽元件層與矽處理層相互導通連結，因此兩矽層之間的寄生電容減少。此外，由於電極設計，證明質量塊的位移量係受AC’和BC’截面之間的固定電極所制約，換言之，在高速G力情況下，固定上、下位電極板尚可作為頂部和底部界限的抑制結構以保護加速度計。
本發明的實施例尚有關於SOI晶圓基板上形成裝置結構的處理方法，以下係針對本案的製程進行概述，實際之配置及所採行之方法並不必完全符合所描述之內容，熟習本技藝者當能在不脫離本案之實際精神及範圍的情況下，做出種種的變化及修改。熟悉本技術者須了解下文中的說明僅係做為例證用，而不用於限制本案。
請參見第三圖，其顯示本發明一典型的加速度計於X軸或Y軸方向受一G力的特定截面剖面圖，其中(a)其顯示本發明受一Y軸方向G力的第一圖BB’截面的剖面圖，其中包含一個可動下位電極板211及二固定上位電極板213、213，其間可測得二電容值C2及C4。(b)其顯示本發明受一X軸方向G力的第一圖AA’ 截面的剖面圖，其中包含一對可動上位電極板21和二固定下位電極板123、123，其間可測得二電容值C1及C3。
承上，則X軸上的電容量變化為Cx=C1-C3，Y軸上的電容量變化為Cy=C2-C4，此時Z軸的電容量變化則為Cz=(C1+C3)-(C2+C4)。
以下利用第四圖(a)~(f)來說明本發明製程各階段的結構形成方法，請參見第四圖(a)，其所顯示為覆蓋於SOI晶圓的氧化層及氮化層沉積樣式剖面圖，首先係於一SOI晶圓基板411沉積1 μm厚的熱氧化層412，然後第一個光罩被用來形成矽元件層413上加速度計的平面形狀。之後，用LPCVD(低壓化學氣相沉積)沉積100 nm SixNy薄膜414，然後藉由第二光罩成型，該LPCVD-SixNy薄膜414是用來在隨後的批量矽蝕刻期間定義金屬連接窗。
請繼續參閱第四圖(b)，其係以顯示矽蝕刻及氧化層沉積後的樣式剖面圖，SOI晶圓浸入KOH溶液進行非等向矽蝕刻，此批量微機腔體421係作為矽元件層422和矽處理層423之間的通孔。此外，1 μm熱氧化層形成保護批量微機腔體421的表面。此後，將前端和背面的LPCVD-SixNy薄膜424以蝕刻去除(反應離子蝕刻)。
請繼續參閱第四圖(c)，其係為矽處理層覆蓋氧化層及光阻樣式的剖面圖，其中以第三個光罩，在矽處理層431形成一氧化層432定義證明質量塊和感測電極。此外，光阻層433在SOI晶圓背面沉積，然後藉由第四光罩成型，因此，在背端的矽處理層431表面上覆蓋著成型的熱氧化層432和光阻層433。
請繼續參閱第四圖(d)，其係為深反應離子蝕刻(DRIE)後的樣式剖面圖，第一次深反應離子刻蝕(DRIE)蝕刻是用來定義 證明質量塊和可動下位電極的厚度。然後然後基板被浸入緩衝氧化層蝕刻(BOE)溶劑以移除未受光阻保護的氧化層。
請繼續參閱第四圖(e)，其係為移除氧化層及深反應離子蝕刻(DRIE)後的樣式剖面圖。第二次DRIE用於蝕刻貫通矽處理層型成微機腔體451，該DRIE蝕刻在氧化層453顯露後即停止因此，SOI晶圓的矽處理層454厚度仍可作為證明質量塊和感測下位電極板。此外，前端採用DRIE蝕刻以定義加速度計的平面形狀，以貫通矽元件層形成微機腔體452，並形成包括在元件層的證明質量塊、感測上位電極板和彈簧。
請繼續參閱第四圖(f)，其係以氫氟酸蝕刻及填注銀膠後的剖面圖。以氫氟酸蝕刻移除光罩和犧牲層，然後加速度計即由基板上成型，最後，於矽微機腔體(通孔)點注銀膠461使矽元件層462與矽處理層463之間互連。
綜上所述，本發明成功地驗證在SOI晶圓所製成三軸間隙閉合的差分電容式感測加速度計之可行性，其以SOI晶圓氧化層的厚度作為感測間隙的明確定義，並藉由基座二相對邊不同上下電極的新穎結構設計，不僅與可移動主體交互卡位達成限制主體的移動範圍，更能保護裝置避免過載所造成的損害，且能達到高的感測靈敏度。
11‧‧‧基板
111‧‧‧矽元件層
112‧‧‧溝槽
113‧‧‧證明質量塊
114‧‧‧彈簧
115‧‧‧固定錨
116‧‧‧矩形板塊
117‧‧‧矩形板塊
118‧‧‧金屬中介窗
121‧‧‧矽處理層
122‧‧‧凸型塊
123‧‧‧凸型塊(固定下位電極板)
124‧‧‧可動電極板
21‧‧‧可動上位電極板
27‧‧‧電容間隙
211‧‧‧可動下位電極板
213‧‧‧固定上位電極板
214‧‧‧電容間隙
411‧‧‧SOI晶圓基板
412‧‧‧熱氧化層
413‧‧‧矽元件層
414‧‧‧SixNy薄膜
421‧‧‧微機腔體
422‧‧‧矽元件層
423‧‧‧矽處理層
424‧‧‧SixNy薄膜
431‧‧‧矽處理層
432‧‧‧氧化層
433‧‧‧光阻層
451‧‧‧微機腔體
452‧‧‧微機腔體
453‧‧‧氧化層
454‧‧‧矽處理層
461‧‧‧銀膠
462‧‧‧矽元件層
463‧‧‧矽處理層
第一圖：(a)其顯示本發明一典型的SOI晶圓矽元件層所形成的加速度計前視立體剖面圖；(b)其顯示本發明一典型的SOI晶圓矽處理層所形成的加速度計後視立體剖面圖。
第二圖：其顯示本發明一典型的加速度計特定截面的剖面圖，其中(a)其顯示本發明的AC’截面的剖面圖、(b)其顯 示本發明的BC’截面的剖面圖。
第三圖：其顯示本發明一典型的加速度計於X軸或Y軸方向受一G力的特定截面剖面圖，其中(a)其顯示本發明受一Y軸方向G力的第一圖BB’截面的剖面圖、(b)其顯示本發明受一X軸方向G力的第一圖AA’截面的剖面圖。
第四圖：其顯示本發明一典型的SOI晶圓於製造過程的步驟說明圖，其中(a)為覆蓋於SOI晶圓的氧化層及氮化層沉積樣式剖面圖、(b)為以矽蝕刻及氧化層沉積後的樣式剖面圖、(c)為矽處理層覆蓋氧化層及光阻樣式剖面圖、(d)為深反應離子蝕刻(DRIE)後的樣式剖面圖、(e)為移除氧化層及深反應離子蝕刻(DRIE)後的樣式剖面圖、(f)為以氫氟酸蝕刻及填注銀膠後的剖面圖。
11‧‧‧基板
111‧‧‧矽元件層
112‧‧‧溝槽
113‧‧‧證明質量塊
114‧‧‧彈簧
115‧‧‧固定錨
116‧‧‧矩形板塊
117‧‧‧矩形板塊
118‧‧‧金屬中介窗
121‧‧‧矽處理層
122‧‧‧凸型塊
123‧‧‧凸型塊
124‧‧‧可動電極板

Claims (12)

  1. 一種加速度計，其包括：一固定單元，包含：一基板；複數個固定錨，係位於該基板的各角端；及至少四個固定電極板，其係兩兩相對分置於該基板的各邊端，以感應一X軸加速度、一Y軸加速度及一Z軸加速度；一可動單元，其係位於該固定單元的該至少四個固定電極板之間，並與該固定單元交互懸吊撓接，該可動單元更包括：一可動電極板，具有至少四個邊，且該可動電極板與各該至少四個固定電極板之間具有一間隙；及複數個彈性元件，該複數個彈性元件係位於該可動電極板之角端外側，且分別與該複數個固定錨角端對應連結設置；以及複數個金屬中介窗，係位於各該複數個固定錨、各該至少四個固定電極板及該可動電極板上方，其中，該至少四個固定電極板還包括：複數組下位電極板，各該複數組下位電極板配置於該可動電極板的對邊兩側，其係用以支撐該可動單元於一Z軸的一移動下限，且各該複數組下位電極板具有一部分處於該可動電極板之下；以及複數組上位電極板，各該複數組上位電極板配置於該可動電極板的另外的對邊兩側，其係用以限制該可動單元於該Z軸的一移動上限，且各該複數組上位電極板具有一部分處於該可動電極板之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的加速度計，係為一具有間隙閉合差分電極的三軸電容式感測加速度計。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的加速度計，其中該固定單元、該可動單元均係由絕緣體覆矽(SOI)的晶片所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的加速度計，其中該可動電極板係藉由每一該彈性元件與每一該固定錨的一朝內角端連結。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的加速度計，其中該彈性元件係為一彈簧。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的加速度計，其中該可動電極板係接地。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之加速度計，其中該複數個金屬中介窗係為導通SOI上下晶片層而設。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之加速度計，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以點注銀膠為之。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之加速度計，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以沉積多晶矽為之。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之加速度計，其中該複數個金屬中介窗的填充連結方式可以濺鍍金屬為之。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之加速度計，其中該可動單元可於一X軸或一Y軸移動。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之加速度計，其中各該組上、下位電極板均係連結固定於該基板上。
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