TWI558991B - 判斷微機電系統裝置是否氣密的方法 - Google Patents

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Description

判斷微機電系統裝置是否氣密的方法
本發明係指一種判斷微機電系統裝置是否氣密的方法，尤指一種施加多個電壓差於可動元件與感應電極間，量測微機電系統裝置多個等效電容值，藉此評估微機電系統裝置的電容值對電壓曲線對稱狀態，以偵測微機電系統裝置氣密性的方法。
微機電系統（MicroElectroMechanical System，MEMS）裝置係一種特殊類型的積體電路（integrated-circuit，IC），其透過偵測可動元件的移動行為來推知電子裝置移動時的加速度或角速度，因此可作為加速度計（Accelerometer）或陀螺儀（Gyroscope）。
為提高微機電系統裝置的靈敏度及精準度，可動元件會設置在一密閉腔體內，以防止雜質、水氣等外在汙染影響可動元件的移動行為。根據不同設計及應用需求，腔體內會充入惰性氣體，或將腔體抽至真空，以建立具有不同腔體壓力的氣密系統，進而達到所需的元件特性。同時，氣密系統亦可確保微機電系統裝置的可靠性及耐久性，例如防水或防止腔體內部元件氧化而損壞。因此，當微機電系統裝置的氣密性遭受破壞時，必須有適當且具高靈敏度的警示指標。
目前技術大多是透過量測微機電系統裝置的電性特性來偵測氣密性是否完善。例如，透過量測漏電流的大小來判斷微機電系統裝置的氣密性是否完善。此外，氣密性會影響微機電系統裝置的Q係數（Q factor）相關的頻率響應，如此亦可作為判斷氣密性是否完善的方式。
然而，上述兩種方式難以執行且靈敏度不佳，因此習知技術實有改進的必要。
因此，本發明的主要目的即在於提供一種判斷微機電系統裝置是否氣密的方法，透過量測微機電系統裝置的多個等效電容值，藉此評估微機電系統裝置的電容值對電壓曲線對稱狀態，以偵測微機電系統裝置是否氣密。
本發明揭露一種判斷微機電系統裝置是否氣密的方法。該方法包含有施加一第一電壓差及一第二電壓差於該微機電系統裝置的一可動元件與一感應電極間，以量測一第一等效電容值及一第二等效電容值；根據該第一等效電容值及該第二等效電容值，計算一等效電容差異值；以及判斷該等效電容差異值是否落在一預設範圍內，以判斷該微機電系統裝置為是否為氣密。
本發明另揭露一種判斷微機電系統裝置是否氣密的方法。該方法包含有施加一第一電壓差、一第二電壓差及一第三電壓差於該微機電系統裝置的一可動元件與一感應電極間，以量測一第一等效電容值、一第二等效電容值及一第三等效電容值；根據該第一等效電容值、該第二等效電容值及該第三等效電容值，計算該微機電系統裝置一電容值對電壓曲線及一偏移電壓；以及判斷該偏移電壓是否落在一預設範圍內，以判斷該微機電系統裝置為是否為氣密。
第1圖為一梳式微機電系統裝置1的上視結構範例圖。根據不同應用需求，梳式微機電系統裝置存有不同結構變化設計，而不限於第1圖之結構。梳式微機電系統裝置1可用於偵測共面（in-plane，即X-Y平面）加速度，其包含一可動元件10、二彈簧11及13、二固定元件（anchor）12及14、二固定感應電極E11及E12以及一底座15。其中固定元件12、14及固定感應電極E11、E12為固定在底座15上之不可動件，而懸空之可動元件10藉由與同樣懸空之彈簧11、12與固定元件12、14相連結。當微機電系統裝置1受外力而位移時，固定於底座15上的固定元件12、14及感應電極E11、E12也隨之位移，可動元件10則因慣性力而傾向停留在原地，在此情況下，彈簧11、13亦會受到外力作用而被壓縮或延長，最終使得可動元件10與感應電極E11、E12間的相對位置改變，進而產生相對應的感應電容值變化。舉例來說，假設在微機電系統裝置1靜止的情況下，可動元件10與感應電極E11及E12間的距離分別為D11及D12。當微機電系統裝置1受到外力而朝X方向位移時，固定元件12、14同時朝X方向位移，而可動元件10傾向停留在原地，使得彈簧11、13分別被壓縮及延長。於此同時，固定感應電極E11、E12亦朝X方向位移，使得可動元件10與感應電極E11間的距離D11增加，並與感應電極E12間的距離D12縮短，最終造成可動元件10與感應電極E11間的感應電容值下降及可動元件10與感應電極E12間的感應電容值上升。
換言之，施加外力於微機電系統裝置1可使距離D11及D12的大小改變，根據距離D11及D12的變化量所造成的感應電容值變化量，可進一步推算外力所產生的加速大小及方向。因此，透過上述操作，微機電系統裝置1即可實現共面加速度計功能。
第2A圖及第2B圖分別為一扭桿式（torsion bar）微機電系統裝置2的上視結構圖及剖面結構圖。根據不同應用需求，扭桿式微機電系統裝置存有不同結構變化設計，而不限於第2A及2B圖之結構。扭桿式微機電系統裝置2可用於偵測非共面（out-of-plane，即Z方向）加速度，其包含一可動元件（可動電容板）20、一底座支柱21、一基板22、一扭桿23以及二固定感應電極E21及E22（二者為面積相等的電容板）。微機電系統裝置2係以扭桿23為軸心而呈現非平衡翹翹板結構，如第2A圖所示，扭桿23的位置偏離可動元件20之重心而較接近可動元件20的左邊，讓可動元件20在靜止情況下朝質量較重的一方傾斜。舉例來說，假設在微機電系統裝置2靜止的情況下，可動元件20與感應電極E21及E22間的距離分別為D21及D22。當重力為－Z方向時，以扭桿23為分界點的情況下，可動元件20右半部的質量較大而左半部的質量較小，故如第2B圖所示，可動元件20呈現朝向感應電極E21傾斜之非平衡翹翹板結構，故距離D21小於距離D22。當微機電系統裝置2受外力時，可動元件20產生扭轉，導致可動元件20與固定感應電極E21、E22之個別間距D21、D22產生變化，因此根據可動元件20分別與感應電極E21及E22之間的感應電容值變化，可得知可動元件20傾斜的方向及加速度大小。具體而言，當微機電系統裝置2受到朝向－Z方向的外力而位移時，固定於基板22上的底座支柱21、扭桿23及感應電極E21、E22也朝－Z方向位移，可動元件20左半部的質量較小而傾向往－Z方向位移，而可動元件20右半部的質量較大而傾向停留在原地。在此情況下，可動元件20產生逆時針方向的扭轉，使得可動元件20與感應電極E21間的距離D21增加，並與感應電極E22間的距離D22縮短，最終造成感應電極E21感測到的感應電容變小，且感應電極E22感測到的感應電容變大。換言之，施加外力於微機電系統裝置2可使距離D21及D22的大小改變，根據距離D21及D22的變化量所造成的感應電容值變化，可回推加速大小及方向。因此，透過上述操作，微機電系統裝置2即可實現非共面加速度計功能。
根據庫倫定律（兩帶電物體間的作用力與兩帶電體之電荷量乘積成正比，且與兩帶電體間距離的平方成反比）可知，如於第1圖實施例中，施加一電壓差於可動元件10與感應電極E11或E12間時，可動元件10與感應電極E11或E12間可產生庫倫靜電力，使得可動元件10與感應電極E11或E12受庫倫靜電力而吸引，進而改變距離D11及D12的大小。據此，透過施加電壓差產生之庫倫靜電力可使微機電系統裝置1產生相對應的感應電容值變化。
於第2A及2B圖實施例中，當施加一電壓差於可動元件20與感應電極E21或E22間時，可動元件20與感應電極E21或E22間可產生庫倫靜電力，使得可動元件20與感應電極E21或E22受庫倫靜電力而吸引，進而改變距離D21及D22的大小。據此，透過施加電壓差產生之庫倫靜電力可使微機電系統裝置2產生相對應的感應電容值變化。
第3圖繪示本發明實施例一微機電系統裝置的電容值對電壓曲線。對多數微機電系統裝置而言（如第1圖及第2圖的微機電系統裝置1和2），在微機電系統裝置的可動元件與感應電極間施加電壓差可在可動元件與感應電極之間產生一靜電力，使可動元件產生位移及扭轉的情況，進而使得微機電系統裝置的等效電容值改變。據此，若在可動元件與感應電極間施加不同電壓差來量測相對應的等效電容值，應可得到微機電系統裝置的等效電容值對電壓曲線。
在理想情況下，微機電系統裝置的理想電容值對電壓曲線應近似於以零電壓為對稱中心的拋物線。因此，若在可動元件與感應電極間施加大小相等但極性相反的電壓差，理想上應可得到相同的等效電容值。然而，潛在的靜電力可能會在微機電系統裝置的製造過程中產生，例如電荷累積所產生的靜電力，此累積電荷會在可動元件與感應電極之間形成等效電壓差，導致可動元件在沒有外在施加電壓差的情況下仍發生位移及扭轉，如此導致微機電系統裝置的電容值對電壓曲線產生相對應的偏移量，此偏移量即為一偏移電壓V_offset。此外，當微機電系統裝置在封裝的過程中發生製程問題，或在後續製程階段遭到外力不當撞擊，而使腔體氣密性遭到破壞，也會導致電容值對電壓曲線及其偏移電壓V_offset改變。
當微機電系統裝置製造完成，後續將進行封裝及測試程序，以利品質管控。對同一批次生產製造的微機電系統裝置而言，其中氣密性良好的成品其偏移電壓會落在某一特定區間，然而若氣密性遭破壞，非氣密的瑕疵品其偏移電壓則會落在該特定區間之外。在實作上，封裝及測試廠會對同一批次生產製造的所有微機電系統裝置進行一系列測試程序，並將所有的測試結果經由統計與分析，同時參照應用需求，決定該批次生產的微機電系統裝置的一目標電容值對電壓曲線及一目標偏移電壓。因此，研發人員可根據目標電容值對電壓曲線及目標偏移電壓，對量測到的偏移電壓V_offset（或等效電容差值）設定一預設範圍，以作為判斷微機電系統裝置是否氣密的標準。
如第3圖所示，實際的電容值對電壓曲線可以是以偏移電壓V_offset為頂點的開口向上拋物線。在其他實施例中，不同的測試手法可能會產生不同頂點位置、形狀及開口方向的拋物線，而不限於此。因此，在可動元件與感應電極間施加大小相等但極性相反的電壓差＋V及－V，將會得到不同的等效電容值。以第2A及2B圖的微機電系統裝置2為例，假設感應電極E21的偏移電壓V_offset為－0.5伏特，當施加電壓差＋V為＋1.5伏特於可動元件20與感應電極E21間時，所量測之等效電容值C ＋V即為偏移電壓為0伏特時，施加＋2伏特電壓差之電容值。當施加電壓差－V為－1.5伏特於可動元件20與感應電極E21間時，所量測之等效電容值C －V即為偏移電壓為0伏特時，施加－1伏特電壓差之電容值。另一方面，假設感應電極E21的偏移電壓V_offset為0.5伏特，則會得到相反的量測結果，意即當分別施加電壓差＋V為＋1.5伏特及電壓差－V為－1.5伏特於可動元件20與感應電極E21間時，所量測之等效電容值C ＋V、C －V即為偏移電壓為0伏特時，施加＋1、－2伏特所對應之電容值。由此可見，偏移電壓V_offset會影響等效電容值的量測結果。
於一實施例中，若外加電壓差＋1.5及－1.5伏特對應的等效電容差異值ΔC落在一預設範圍內，則判定腔體為密閉。反之，若差異值ΔC落在該預設範圍外，則判定腔體為非密閉。
如此一來，施加不同電壓差於可動元件與感應電極間來計算等效電容差異值，並根據等效電容差異值是否落在一預設範圍內，判斷微機電系統裝置的腔體是否為密閉。
第4圖繪示本發明實施例一微機電系統裝置的氣密性與偏移電壓之間的相關性。由於電容值對電壓曲線係為一拋物曲線，因此至少需三組座標來決定一拋物曲線的頂點位置、形狀及開口方向。在一實施例中，藉由分別量測電壓差＋V及－V及零電壓對應的等效電容值C ＋V、C－ V及C 0，可根據三組座標（＋V，C ＋V）、（－V，C －V）及（0，C 0）來計算微機電系統裝置的電容值對電壓曲線，進而得知偏移電壓V_offset的大小。在其他實施例中，藉由分別量測任意三個不同的電壓差所對應的等效電容值，亦可計算微機電系統裝置的電容值對電壓曲線及偏移電壓V_offset。
如第4圖所示，若腔體為密閉，則計算出的偏移電壓V_offset會落在一預設範圍R_hermetic內；若腔體為非密閉，則偏移電壓V_offset會落在預設範圍R_hermetic外，其中預設範圍R_hermetic係根據微機電系統裝置的一目標電容值對電壓曲線及一目標偏移電壓所設定。如此一來，透過量測微機電系統裝置在不同施加電壓差下的等效電容值，可評估微機電系統裝置的電容值對電壓曲線的不對稱性指標（即偏移電壓V_offset），以判定腔體是否密閉且符合應用需求。
簡言之，本發明在微機電系統裝置的可動元件與感應電極間施加不同外加電壓差來量測相對應的等效電容值，藉此評估微機電系統裝置的電容值對電壓曲線對稱狀態，以判定微機電系統裝置的氣密性。在一實施例中，本發明施加二相異電壓差（例如大小相等但極性相反的二電壓差）於微機電系統裝置的可動元件與感應電極間來計算等效電容差異值，並根據等效電容差異值是否落在一預設範圍內，藉此判定腔體是否為密閉且符合應用需求。在另一實施例中，本發明施加三相異電壓差（例如零電壓差及大小相等但極性相反的二電壓差）於微機電系統裝置的可動元件與感應電極間來計算電容值對電壓曲線及對應偏移電壓，並根據偏移電壓是否落在一預設範圍內，藉此判定腔體是否為密閉且符合應用需求。
舉凡符合上述操作的偵測氣密性方法或對應微機電系統裝置皆屬本發明的範疇，本領域具通常知識者可據此修飾及變化，而不限於本發明實施例。舉例來說，以測微機電系統裝置1為例，用來輸入外加電壓差的感應電極可為感應電極E11或E12。即，當可動元件10與感應電極E11間分別輸入不同外加電壓差時，另一感應電極E12保持零電壓輸入；或者，當可動元件10與感應電極E12分別輸入不同外加電壓差時，另一感應電極E11保持零電壓輸入。
此外，量測等效電容值的方式無所限，只要對同一批次生產製造的所有微機電系統裝置進行相同的量測方式即可。舉例來說，以第1圖為例，外加電壓差可施加於可動元件10與感應電極E11間，以量測可動元件10與感應電極E11間的等效電容值；或者，外加電壓差可施加於可動元件10與感應電極E11間，以量測可動元件10與感應電極E12間的等效電容值；或者，外加電壓差可施加於可動元件10與感應電極E12間，以量測可動元件10與感應電極E12間的等效電容值；或者，外加電壓差可施加於可動元件10與感應電極E12間，以量測可動元件10與感應電極E11間的等效電容值。換言之，當固定施加電壓差於感應電極E11的情況下，量測到的等效電容值可以係感應電極E11與可動元件10間的感應電容值，或是感應電極E12與可動元件10間的感應電容值，反之亦然。
進一步地，本發明的偵測氣密性方法可應用在生產研發階段及一般使用情況。在生產研發階段中，可透過外接測試裝置來輸入不同外加電壓至感應電極，評估微機電系統裝置的不對稱性，判定微機電系統裝置的氣密性，以及輸出相應判斷結果。如此一來，研發人員可根據判斷結果得知微機電系統裝置的氣密性是否遭到破壞，以改善生產流程或是淘汰瑕疵品。
此外，在生產研發階段及一般使用情況中，微機電系統裝置會配置一微處理器或一特殊應用積體電路（application-specific integrated circuit，ASIC）並搭配一記憶體，用來處理微機電系統裝置的偵測結果，以實現陀螺儀或加速度計功能。因此，本發明的偵測氣密性方法亦可編譯為一程式碼，以韌體或應用軟體形式而儲存於該記憶體中，該程式碼可指示微處理器或特殊應用積體電路執行偵測氣密性的相關操作。如此一來，微機電系統裝置亦可自行輸出判斷結果，使研發人員或使用者得知微機電系統裝置的氣密性是否遭到破壞（即得知陀螺儀或加速度計是否正常運作）。由此可見，本發明的偵測氣密性方法具有即時量測及量測簡易等優勢。再者，由於上述測試係為微機電系統裝置的內部自我測試，因此可於任何時刻進行氣密性偵測，也可免於外接測試裝置的量測誤差，可見本發明的偵測氣密性方法亦具有高靈敏度及高精準度的優勢。
上述關於第3圖的操作可歸納為一偵測氣密性流程50，如第5圖所示，流程50可編譯為程式碼，用來偵測微機電系統裝置的氣密性，並包含以下步驟。
步驟500：開始。
步驟501：分別施加一第一電壓差及一第二電壓差於一微機電系統裝置的一感應電極及一可動元件間，以分別量測一第一等效電容值及一第二等效電容值。
步驟502：比較該第一等效電容值及該第二等效電容值，計算一等效電容差異值。
步驟503：判斷該等效電容差異值是否落在一預設範圍內。若是，進行步驟504；若否，進行步驟505。
步驟504：產生一第一訊號以指示該微機電系統裝置為氣密。結束。
步驟505：產生一第二訊號以指示該微機電系統裝置為非氣密。
步驟506：結束。
關於流程50的詳細操作可參考第3圖的相關說明，於此不贅述。
上述關於第4圖的操作可歸納為一偵測氣密性流程60，如第6圖所示，流程60可編譯為程式碼，用來偵測微機電系統裝置的氣密性，並包含以下步驟。
步驟600：開始。
步驟601：分別施加至少三電壓差於一微機電系統裝置的一感應電極及一可動元件間，以分別量測至少三等效電容值。
步驟602：根據該至少三等效電容值，計算該微機電系統裝置的一電容值對電壓曲線及一偏移電壓。
步驟603：判斷該偏移電壓是否落在一預設範圍內。若是，進行步驟604；若否，進行步驟605。
步驟604：產生一第一訊號以指示該微機電系統裝置為氣密。結束。
步驟605：產生一第二訊號以指示該微機電系統裝置為非氣密。
步驟606：結束。
關於流程60的詳細操作可參考第4圖的相關說明，於此不贅述。
綜上所述，本發明量測微機電系統裝置多個等效電容值，藉此評估微機電系統裝置的電容值對電壓曲線對稱狀態，以判定微機電系統裝置的氣密性。在一實施例中，本發明施加二相異電壓差（例如大小相等但極性相反的二電壓差）於微機電系統裝置的可動元件與感應電極間來計算等效電容差異值，並根據等效電容差異值是否落在一預設範圍內，可判定腔體是否為密閉。在另一實施例中，本發明施加三相異電壓差（例如零電壓差及大小相等但極性相反的二電壓差）於微機電系統裝置的可動元件與感應電極間來計算電容值對電壓曲線及對應偏移電壓，並根據偏移電壓是否落在一預設範圍內，可判定腔體是否為密閉。上述測試方法具有高靈敏度、高精準度、即時量測及量測簡易等優勢。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、2‧‧‧微機電系統裝置
10、20‧‧‧可動元件
11、13‧‧‧彈簧
12、14‧‧‧固定元件
15‧‧‧底座
E11、E12、E21、E22‧‧‧感應電極
D11、D12、D21、D22‧‧‧距離
21‧‧‧底座支柱
22‧‧‧基板
23‧‧‧扭桿
V_offset‧‧‧偏移電壓
＋V、－V‧‧‧電壓
C＋V、C－V、C0‧‧‧等效電容值
R_hermetic‧‧‧預設範圍
X、Y、Z‧‧‧方向
50、60‧‧‧流程
500～506、600～606‧‧‧步驟
第1圖為一梳驅動式微機電系統裝置的上視結構圖。 第2A圖及第2B圖分別為一扭桿式微機電系統裝置的上視結構圖及剖面結構圖。 第3圖繪示本發明實施例一微機電系統裝置的電容值對電壓曲線。 第4圖繪示本發明實施例一微機電系統裝置的氣密性與偏移電壓之間的相關性。 第5圖為本發明實施例一偵測氣密性方法的流程圖。 第6圖為本發明實施例另一偵測氣密性方法的流程圖。
60‧‧‧流程
600~606‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種判斷一微機電系統裝置是否氣密的方法，包含有： 施加至少三相異電壓差於該微機電系統裝置的一第一感應電極及一可動元件間，以量測至少三等效電容值； 根據該至少三等效電容值，計算該微機電系統裝置的一電容值對電壓曲線及一偏移電壓；以及 判斷該偏移電壓是否落在一預設範圍內，以判斷該微機電系統裝置為是否為氣密。
  2. 如請求項1所述的方法，其中判斷該偏移電壓是否落在該預設範圍內，以判斷該微機電系統裝置為是否為氣密的步驟包含有： 若該偏移電壓落在該預設範圍內，產生一第一訊號以指示該微機電系統裝置為氣密；以及 若該偏移電壓落在該預設範圍外，產生一第二訊號以指示該微機電系統裝置為非氣密。
  3. 如請求項1所述的方法，其中該至少三等效電容值係該第一感應電極與該可動元件間的感應電容值。
  4. 如請求項1所述的方法，其中該微機電系統裝置另包含一第二感應電極，該至少三等效電容值係該第二感應電極與該可動元件間的感應電容值。
  5. 如請求項1所述的方法，其中該預設範圍係根據該微機電系統裝置的一目標電容值對電壓曲線及一目標偏移電壓所設定。
  6. 一種判斷一微機電系統裝置是否氣密的方法，包含有： 施加一第一電壓差及一第二電壓差於該微機電系統裝置的一第一感應電極及一可動元件間，以量測一第一等效電容值及一第二等效電容值； 比較該第一等效電容值及該第二等效電容值，計算一等效電容差異值；以及 判斷該等效電容差異值是否落在一預設範圍內，判斷該微機電系統裝置為是否為氣密。
  7. 如請求項6所述的方法，其中判斷該等效電容差異值是否落在該預設範圍內，以判斷該微機電系統裝置為是否為氣密的步驟包含有： 若該等效電容差異值落在該預設範圍內，產生一第一訊號以指示該微機電系統裝置為氣密；以及 若該等效電容差異值落在該預設範圍外，產生一第二訊號以指示該微機電系統裝置為非氣密。
  8. 如請求項6所述的方法，其中該第一等效電容值、該第二等效電容值係該第一感應電極相對該可動元件間的感應電容值。
  9. 如請求項6所述的方法，其中該微機電系統裝置另包含一第二感應電極，該第一等效電容值及該第二等效電容值係該第二感應電極相對該可動元件間的感應電容值。
  10. 如請求項6所述的方法，其中該預設範圍係根據該微機電系統裝置的一目標電容值對電壓曲線及一目標偏移電壓所設定。
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