TWI471258B - 微機械系統 - Google Patents

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TWI471258B TW97141910A TW97141910A TWI471258B TW I471258 B TWI471258 B TW I471258B TW 97141910 A TW97141910 A TW 97141910A TW 97141910 A TW97141910 A TW 97141910A TW I471258 B TWI471258 B TW I471258B
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Description

微機械系統
本發明關於一種微機機系統。
微機械系統--例如微機械轉換器、慣量感測器、加速度感測器、低g加速度感測器、轉速感測器、及使用的構件在今日廣泛使用。因此，舉例而言，它們用於在汽車中將安全氣囊動作或用於檢出電腦硬碟(Computerfestplatte,英：computer fixed disk)中的震動(Erschtterung)。在此，一微機械感測器往往包含一微機械方式構造化的可動的質量塊(Masse,英：mass)，其運動(受到加速度、震動或運動引起者)被檢出。為此，可連續地測量該質量塊與一參考電極之間的電容，因為電容值和質量塊距參考電極的距離有關。
此外對於微機械系統由於其用途很廣而要求部分地很苛求的使用環境。屬此類者有溫度變動、振動、機械應力及衝擊。這些影響會對該徵機械感測器有負面作用，並使其可靠性及/或使用壽命減短。此外，這類影響，例如在車子中的振動(它們與原來要檢出的運動並無關聯)在許多應用的場合不能避免。
為了保護此微機械系統免受這類負面影響以了為了維持系統的可靠性，可採某些措施。在此這類構想包含感測器的一種特別設計、系統殼體的一特別結構或在模組(Modul)及/或控制裝置中的措施，這些措施的共同點為該微機械系統在生產、建構及/或操作時所費功夫較高。此外這點還會以不利方式造成較大的成本。
因此本發明的目的在提供一種較佳的微機械系統，它一方面要對干擾性影響儘量不敏感(特別是對機械應力與振動)，另方面可儘量廉價地製造。此外，這類微機械系統特別是要能在晶片或晶圓面上製備。
這種目的係利用申請專利範圍的微機械系統達成。本發明其他有利的設計且於申請專利範圍附屬項。
依本發明的一種微機械系統(1)(2)(3)(4)(5)，包含一基材，一懸架(Aufhngung,英：suspension)，一基礎，其中該懸架以可動的方式將基礎承載在基材上方；及一微機械感測器，其中該微機械感測器設在該基礎(140)上。本發明的微機械系統有一優點，即：原來的微機械感測器可經由懸架而和基材或微機械系統的其他部分在機械上解除耦合關係。如此，懸架的機械性質就可測定：基材的何種運動要傳到微機械感測器以及何種運動要被封鎖或者只作減弱而進一步傳到微機械感測器。因此，舉例而言，懸架可視為微機械振動作用的過濾器，舉例而言，它將一特定頻率帶中的振動緩衝掉。此外也可利用此懸架使基材之變形(例如受溫度影響的機械式變形)遠離微機械構件。
依本發明一實施例，該微機械感測器包含一微機械加速度感測器，其中該微機械加速度感測器可包含一可動質量塊且將該質量塊的運動轉換成電容的變化。
依本發明另一實施例一第一犧牲層設在該基材上、一第一功能層設在該第一犧牲層上，一第二犧牲層設在該第一功能層上。且一第二功能層設在該第二犧牲層上，其中該第一功能層包含該基礎，且其中該第二功能層包含該微機械感測器。該第一犧牲層與第二犧牲層可有二氧化矽，且其中該第一功能層與第二功能層有矽。此外可有一配線層設在該第一功能層與第二犧牲層之間。如此，本發明的微機械系統可回歸到標準化的製造程序及/或起始材料儘量廉價地製造。
依本發明又一實施例，該懸架包含一彈簧元件，且其中該懸架用彈簧彈性方式承載著該基礎。如此，該微機械系統的基材或其他部分及/或外部元件的應力及/或變形可與該微機械感測器保持遠離。在此，其他的及外部的元件可包含一殼體、一鑄造料、一固定件及/或一印刷電路。
依本發明再一實施例，該懸架包含一緩衝元件，且其中該懸架將基礎的運動緩衝。此緩衝元件可除了一彈簧元件外附加地設置。
在此，一該緩衝元件包含一第一組的指件及一第二組的指件，其中該第一組指件以對基材成位置固定的方式設置，其中第二組指件與基礎連接，且其中第一組與第二組的指件互相嵌合，此外，該第一組指件與一第一電位連接，第二組指件與一第二電位連接，且其中第一及第二電位設成將基礎的運動緩衝。
如此，該懸架的機械性質(特別是其振動特性)可用有利地方式依標的調整，舉例而言，俾將在一定頻帶中的振動與微機械感測器保持遠離。此外，藉著將電位變化，可使該性質呈動態地配合不同的使用條件。
以下利用圖式詳細說明本發明的較佳實施例。
圖1顯示本發明第一實施例之一微機械系統沿一橫截面的示意側視圖。在一層疊中的一第一微機械系統(1)做在一基材(100)上，此層疊包含一第一犠牲層(111)、一第一功能層(121)、一第二犠牲層(112)及一第二功能層(122)。此基材(100)可包含一半導體基材，例如一矽基材，其中第一及第二犠牲層(111)(112)可包含一半導體氧化例，例如二氧化矽，且其中第一及第二功能層(121)(122)可包含一半導體，例如矽。此外，第一及第二功能層(121)(122)的半導體可包含矽、多晶矽、非晶質矽及/或以磊晶(epitaktisch)方式生長的多晶矽(EPI)。這類微機械構件[如該第一微機械系統(1)]的製造可利用一習知之犠牲層程序達成。依本發明此實施例，由第一功能層(121)加工出一基礎(140)。在此該基礎(140)被一懸架(130)以可動的方式承載在基材(100)上方。懸架(130)可包含可撓性及/或緩衝作用的元件，它們在此處利用一示意的彈簧(134)及一示意的緩衝元件(135)表示。因此該基材(100)及/或微機械系統(1)的其他部分所受到的一機械應力、一振動或其他干擾影響可用有利的方式利用懸架(130)而與基礎(140)解耦。懸架(130)的機械性質(例如緩衝行為及/或特性之機械自身振動)可設計成使基礎(140)與相關的或預期的干擾影響耦。因此，舉例而言，汽車中一般常發生的振動在設計懸架時被列入考慮。因為這類振動往往可利用有限的頻帶代表其特性。
此外，基礎(140)用於當作一微機械感測器(150)的載體，它利用其他懸架(131)以可動方式固定在基礎(140)上。此處所示的雙重振動器[呈微機械感測器(150)的二個質量塊(1501)的形式]在此處也可代表一般之微系統及/或感測器。因此，舉例而言，該微機械感測器(150)可包含一膜振動器，一彈簧墊(Trampolin)振動器、一蹺蹺板(Wippe)振動器、一楔共振器或使用之機械構、懸架(130)的機械性質可有利地配合另一懸架(131)和微機械感測器(150)的機械性質，使得基材(100)之不想要的運動被微機械感測器(150)阻塞掉，反之，基材(100)之所要的運動則大致不受緩衝地進一步送到微機械感測器(150)。
圖1B顯示本發明一第二實施例的微機械系統沿一橫截面的示意側視圖。依此，一第二微機械系統(2)包含由基材(100)上的第一犧牲層(111)、第一功能層(121)、第二犧牲層(112)、以及第二功能層(122)且構成的層疊。基礎(140)利用懸架(130)以可動方式設在基材(100)上方。此外，基礎(140)攜帶著微機械感測器(150)，後者利用其他懸架(131)以可動方式懸設在基礎(140)上。
依本發明此實施例，該微機械系統(2)具有第一功能層(121)與第二犧牲層(112)之間的一配線層(160)。配線層(160)可設在懸架(130)的一區域區，或為懸架(130)的一部分或藉著夠薄的構造以有利的方式大致不改變懸架(130)的機械性質。配線層(160)可用有利方式使微機械感測器(150)在基礎(140)上作電接觸。為此，微機械系統(2)可在進一步過程中包含其他機械式及/或電子式元件，它們將電信號進一步送到微機械感測器(150)或從微機械感測器(150)接收電信號。配線層(160)可有利地包含一種導電材料。其例子包含金屬、鋁、銅、金、摻雜的及/或未摻雜的半導體、矽、多晶矽及非晶質矽。
圖2A顯示本發明一第三實施例的微機械系統的示意上視圖。依此實施例，一第三微機械系統的一懸架(1301)包含一彈簧元件(136)。此彈簧元件(136)將基礎(140)以可動方式支承在基材(100)上方。為此，至少該第二功能層(122)[它在圖2A的視圖中係在上方]對應地作構造化。在基礎(140)之上或之中設一微機械感測器(151)，例如微機械感測器(150)或(152)，如圖1A、1B或2C所示者。
彈簧元件(136)可有利的方式將基材(100)的機械應力抵消並使基材(100)大致上與基材(140)解耦。對應於此，舉例而言，基材(100)及/或微機械系統(3)的其他部分可在此平面中變形，雖然這種變形只以很少的量進一步送到基礎(140)。舉例而言，這種變形可由於微機械系統(3)操作溫度變化而引起，因為，舉例而言，微機械系統(3)在第一溫度時與另一電路牢接，而微機械系統(3)在一第二溫度操作。在此，第一溫度與第二溫度之間的溫差一般可大於50℃、大於100℃或大於200℃。
圖2B的示意上視圖顯示依本發明一第四實施例的一微機械系統。依此，一第四微機械系統(4)的一基礎(140)用一懸架(1302)以可動方式懸設在基材(100)上方。在此，懸架(1302)包含彈簧元件(138)，例如圖2A中所述之那種彈簧元件(136)。依此實施例，懸架(1302)另外包含緩衝元件(137)，它將基礎(140)相對於基材(100)的運動緩衝。此外緩衝元件(137)可包含第一組的第一指件(1371)及第二組的第二指件(1372)。在此，第一指件(1371)以位置固定的方式[例如經由一第一犧牲層、一第一功能層、一第二犧牲層及/或一第二功能層]與基材(100)連接，而第二指件(1372)與基礎(140)牢接。
此外，第一指件(137)與第二指件(1372)互相嵌合。一第一指件(1371)與一第二指件(1372)之間的緩衝，舉例而言，係可利用直接接觸、附著、摩擦、在粘性介質中的摩擦、及/或一電場造成及/或調整。特別是一第一指件(1371)可與一第一電位連接、一第二指件(1372)可與一第二電位連接。此外，第一電位與第二電位之間的電位差可控制及/或調節，因此緩衝元件(137)的緩衝性質可依標的改變、控制或作動態調節。因此依此實施例，懸架(1302)的傳動系統--包含彈簧元件(138)和緩衝元件(137)可改變、調整或事先決定。因此宜決定懸架(1302)的一機械性質，如此可依標的將應力及/或振動[它們作用到基材(100)或微機械系統(4)的其他部分]可和基礎(140)大致解耦。
圖2C的示意上視圖顯示本發明第五實施例的一微機械系統。依此，在一第五微機械系統(5)中，在第二功能層(122)下方設一配線層(161)，為了作說明，在懸架(1303)的一上部中，第二功能層(122)破開。懸架(130)可一如懸架(130)(1201)或(1302)包含彈簧元件及/或緩衝元件，如本發明前面的實施例所述者。
此外，在基礎(140)上設有一微機械感測器(152)。此感測器舉例而言可包含一傾斜振動器(1502)，它在功能層(121)中構造化，且利用配線層(161)一第一區域(1601)、配線層(161)的第二(1602)及配線層(161)的一第三區域(1603)接觸，依此可用有利方式使微機械感測器(152)經由懸架(1303)作電接觸。
(1)．．．第一微機械系統
(2)．．．第二微機械系統
(3)．．．第三微機械系統
(4)．．．第四微機械系統
(5)．．．第五微機械系統
(100)．．．基材
(111)．．．第一犧牲層
(112)．．．第二犧牲層
(1201)．．．懸架
(121)．．．第一功能層
(122)．．．第二功能層
(130)．．．懸架
(1301)．．．懸架
(1303)．．．懸架
(131)．．．懸架
(134)．．．彈簧
(135)．．．緩衝元件
(136)．．．彈簧元件
(137)．．．緩衝元件
(1371)．．．第一指件
(1372)．．．第二指件
(138)．．．彈簧元件
(150)．．．微機械感測器
(151)．．．微機械感測器
(152)．．．微機械感測器
(160)．．．配線層
(161)．．．配線層的第一區域
(1602)．．．配線層的第二區域
(1603)．．．配線層的第三區域
圖1A與1B係本發明的第一及第二實施例之微機械系統的示意側視圖；
圖2A、2B及2C係本發明第三、第四及第五實施例的示意上視圖。
(100)．．．基材
(111)．．．第一犧牲層
(112)．．．第二犧牲層
(121)．．．第一功能層
(122)．．．第二功能層
(130)．．．懸架
(131)．．．懸架
(134)．．．彈簧
(135)．．．緩衝元件
(140)．．．基礎
(150)．．．微機械感測器
(1501)．．．質量塊

Claims (8)

  1. 一種微機械系統(1)(2)(3)(4)(5)，包含--一基材(100)；--一懸架(130)(1301)(1302)(1303)；--一基礎(140)，其中該懸架(130)(1301)(1302)(1303)以可動的方式將基礎(140)承載在基材(100)上方；及--一微機械感測器(150)(151)(152)，其中該微機械感測器(150)(151)(152)設在該基礎(140)上，其中一第一犠牲層(111)設在該基材(100)上、一第一功能層(121)設在該第一犠牲層(111)上，一第二犠牲層(112)設在該第一功能層(121)上，且一第二功能層(122)設在該第二犠牲層(112)上，其中該第一功能層(121)包含該基礎(140)，且其中該第二功能層(122)包含該微機械感測器(150)(151)(152)，且一配線層(160)設在該第一功能層(121)與第二犠牲層(112)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機械系統，其中：該微機械感測器(150)(151)(152)包含一微機械加速度感測器。
  3. 如申請專利範圍第2項之微機械系統，其中：該微機械加速度感測器包含一可動之質量塊(1501)(1502)且將該質量塊(1501)(1502)的運動轉換成電容的變化。
  4. 如申請專利範圍第1項之微機械系統，其中：該第一犠牲層(111)與第二犠牲層(112)有二氧化矽，且其中該第一功能層(121)與第二功能層(22)有矽。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項之微機械系統，其中：該懸架(130)(1301)(1302)(1303)包含一彈簧元件(134)(136)(138)，且其中該懸架(130)(1301)(1302)(1303)用彈簧彈性方式承載著該基礎(140)。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項之微機械系統，其中：該懸架(130)(1301)(1302)(1303)包含一緩衝元件(135)(137)，且其中該懸架(130)(1301)(1302)(1303)將基礎(140)的運動緩衝。
  7. 如申請專利範圍第6項之微機械系統，其中：該緩衝元件(135)(137)包含一第一組的指件(1371)及一第二組的指件(1372)，其中該第一組指件以對基材(100)成位置固定的方式設置，其中第二組指件與基礎(140)連接，且其中第一組與第二組的指件(1371)(1372)互相嵌合。
  8. 如申請專利範圍第7項之微機械系統，其中：第一組指件與一第一電位連接，第二組指件與一第二電位連接，且其中第一及第二電位設成將基礎(140)的運動緩衝。
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