CN100411969C - 微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该检测方法包括先形成一微检测结构于微机械结构的一基材上，且该微检测结构的一欲检测部分是由上述薄膜层所构成，接着振动该欲检测部分，并测量出欲检测部分的共振频率，接着经由欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出欲检测部分的机械性质，以取得薄膜层的机械性质。此外，微检测结构的型态包括微悬臂梁及无边界梁。本发明额外增加一堆叠层于结构层表面，可提高悬臂梁共振频率的测量准确度，更准确取得悬臂梁即薄膜层的机械性质；另以挠性结构如摺曲梁取代现有直式支撑梁，故可更准确取得检测梁即薄膜层的机械性质。

Description

微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构

技术领域

本发明涉及一种计量检测设备中的检测方法及其结构，特别是涉及一种可取得微机械结构(micro mechanical structure)的薄膜层的机械性质的微机械结构的检测方法、微机电组件及其应用于该检测方法的微检测结构。

背景技术

面型微细加工制程(two-dimensional micro-fabrication process)，由于其较体型微细加工制程(three-dimensional micro-fabrication process)具有更高的三维组件制造弹性，因此，面型微细加工制程在近年来已经逐渐成为较为普及的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)的加工技术之一，在过去也一直存在着许多利用表面微细加工技术所制作的微系统组件，如光学扫描系统、微型马达、微致动器等组件，将这些组件加以整合之后即可构成微机电系统。然而，要使整个微机电系统具有良好的性能表现，除了将各个组件加以整合之外，另一项更为重要的因素则是如何控制各个组件的性能使其达到预定的设计目标。就我们所知，组件的性能之所以会与设计的目标产生差异，其原因绝大部分是来自于制程上的误差与薄膜的机械性质的不确定性，因此要完全控制组件的性能表现，其首先要务即是要能精确掌握薄膜材料的机械性质。

在面型微细加工制程中，所制作出微机械结构都必须藉由锚点(anchor)的设计来达到结构固定的目的。然而，该不可避免的锚点容易造成微机械结构的边界呈现阶梯状，进一步使得微机械结构的边界强度大幅下降，因而增加了组件设计的困难。此外，在面型微细加工制程中，利用微机械结构来萃取薄膜的机械性质，同样也会遇到挠性边界的影响，因此，要利用微机械结构来萃取薄膜的机械性质的首要工作，即是要克服微机械结构的挠性边界的影响。虽然，在过去已有的文献中，大部分的人都是针对阶梯状的挠性边界来作解析分析，并将挠性边界的解析模型汇入组件的结构设计中，用以降低挠性边界的影响效应。然而，由实际的组件制造得知，阶梯状的挠性边界的几何形状是一项完全无法掌控的制程变量，因此，理论上的解析模型与实际结果彼此之间的误差，对于组件的结构设计上的影响便不容易掌握。

就微悬臂梁(micro-cantilever beam)的振动法而言，微悬臂梁的振动法在萃取材料的机械性质的主要概念是经由量测一结构梁，其一端是连接至一固定边界之下，其挠曲模态的共振频率来萃取出材料的杨氏系数(Young’s modulus)。由于一般经由面型微细加工制程所制作出的微机械结构，其边界条件大多会存在有阶梯状的挠性边界，因而严重降低微机械结构的边界的强度。因此，当利用微悬臂梁的检测结构在薄膜的机械性质的萃取时，则微机械结构的边界软化的效应便会严重影响整各量测的结果。由此可知，要将振动法应用于面型微细加工制程，用以萃取薄膜的机械性质的最主要挑战是在于微机械结构的边界的强化设计。

为了提高薄膜的机械性质的量测准确性，现有技术业已提出一种微悬臂梁型态的微检测结构，如图1所示，用以作为微悬臂梁的边界强化的设计原则，其主要概念是利用一结构层来包覆牺牲层而形成一稳固的边界，并藉由调整由结构层所构成的锚点的宽度来达到回填(refill)及平坦化的目的。

请参阅图1所示，是现有习知的一种微悬臂梁型态的微检测结构的剖面示意图。该现有技术的微检测结构100，是适于配置于一微机械结构(图中未示)的一基材S的表面，该微检测结构100包括一牺牲层102、一结构层104及一悬臂梁106。其中，牺牲层102是配置于基材S的表面。此外，结构层104则同样配置于基材S的表面，且包覆牺牲层102的表面。另外，悬臂梁106的一端是连接于结构层104，并一体成型于结构层104，且悬臂梁106的另一端更大致沿着一水平于基材S的表面及相对远离牺牲层102的方向，而延伸至基材S的表面的上方。

就无边界梁(Free-Free beam)的振动法而言，无边界梁的振动法在萃取材料的机械性质的主要概念是经由量测一结构梁，在无任何边界固定之下，其挠曲模态的共振频率来萃取出材料的杨氏系数。由于无边界梁的振动法在巨观材料的测试上已经是一个相当标准的材料测试方法，所以无边界梁的振动法在萃取材料的机械性质的可行性已无须证明，故可直接用来萃取薄膜材料的机械性质。

在巨观尺度下，要使用无边界梁的振动法来萃取一待测材料的机械性质，在实验进行上大多是在待测结构梁的下端节线处置入三角柱或利用细线将结构梁吊起来使之悬空。然而，在微观尺度下，在待测结构梁的下端置入物体或用物体将结构梁悬空都有其困难性。因此，要在微米尺度下利用无边界梁的振动法来萃取薄膜的机械性质，其首要工作即是设计一个能够符合无边界梁假设的微检测结构。

为了提供适合微机械结构来使用的无边界梁型态的微检测结构，现有技术业已提出的一种无边界梁的微检测结构(如图2所示)，该微检测结构主要是在其微结构梁的节线处加上四根支撑梁来作为无边界梁的检测用。

请参阅图2所示，是现有习知的一种无边界梁型态的微检测结构的俯视示意图。该现有技术的微检测结构200是适于配置于一基材S的表面，该微检测结构200，包括一检测梁202、复数个摺曲梁204以及复数个固定座206。其中，检测梁202是悬置于基材S的表面的上方。此外，这些摺曲梁204亦悬置于基材S的表面的上方，且这些摺曲梁204的一端是连接至检测梁202的表面。另外，这些固定座206是配置于基材S的表面，并位于检测梁202的外侧，且这些摺曲梁204的另一端则分别连接至这些固定座206。

然而，要符合无边界梁的假设，其前提是当无边界梁处于共振模态时，该四根支撑梁的应变能必须越低越好，亦即支撑梁的扭转刚性越低越好，至于该四根直梁的扭转刚性大小对于微检测梁与无边界梁的误差的关系，则可藉由有限元素法来加以分析。值得注意的是，经由增加上述的支撑梁的长度，将可使微检测梁的误差控制在5％以下的可接受范围。然而，过长的支撑梁将会导致两个问题，其一，过长的支撑梁将会大幅增加整个微检测结构的面积占用率；其二，过长的支撑梁容易使微检测梁在悬浮过程中产生沾粘(stiction)的现象。

由此可见，上述现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构仍存在有诸多缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构所存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及其专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新的微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构，能够改进一般现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服上述现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构存在的缺陷，而提供一种新的微机械结构的检测方法，所要解决的主要技术问题是使其可用以萃取微机械结构的薄膜材料的机械性质，具有产业上的利用价值。

本发明的另一目的在于，提供一种微检测结构，所要解决的技术问题是使其可用以作为萃取微机械结构的薄膜材料的共振频率的媒介，从而更具有实用性。

本发明的再一目的在于，提供一种微机电组件，所要解决的技术问题是使其具有一微检测结构，用以作为萃取微机电组件的薄膜材料的共振频率的媒介。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该微机械结构的检测方法包括下列步骤：形成一微检测结构于一基材上，其中该微检测结构包括：一牺牲层，配置于该基材的表面；一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；一悬臂梁，其一端连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方；其中该微检测结构的一欲检测部分是由该薄膜层所构成；振动该欲检测部分；测量出该欲检测部分的共振频率；以及经由该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以一外部能量激发的方式来振动该欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以压电振动的方式振动该欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该欲检测部分的共振频率。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的薄膜层的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构更包括一堆叠层，配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该微机械结构的检测方法包括下列步骤：形成一微检测结构于一基材上，其中该微检测结构包括：一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；

复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座；其中该微检测结构的一欲检测部分是由该薄膜层所构成；振动该欲检测部分；测量出该欲检测部分的共振频率；以及经由该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的挠性结构为摺曲梁。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的检测梁形成于两相对的该些固定座之间，且两相对的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的固定座包括一结构层及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的固定座更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该微机械结构的检测方法包括下列步骤：形成复数个不同型态的微检测结构于一基材上，且该些微检测结构的一欲检测部分均是由该薄膜层所构成；振动该些欲检测部分；测量出该些欲检测部分的共振频率；经由该些欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该些欲检测部分的机械性质；以及联集该些欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构是为一微悬臂梁型态的微检测结构及一微悬臂板型态的微检测结构其中之一。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构之一是为一微悬臂梁型态的微检测结构时，该微悬臂梁型态的微检测结构包括：一牺牲层，配置于该基材的表面；一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；以及一悬臂梁，其一端是连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微悬臂梁型态的微检测结构更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构为一无边界梁型态的微检测结构。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的无边界梁型态的微检测结构包括：一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的该些挠性结构是为摺曲梁。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的该些挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的该些固定座包括一结构层及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的固定座更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以一外部能量激发的方式来振动该些欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以压电振动的方式振动该些欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该些欲检测部分的共振频率。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的薄膜层的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微机械结构的检测方法，适用于一微机电组件，其中该微机电组件具有一结构区域及一检测区域，该检测方法包括以下步骤：分别形成一微机械结构及一微检测结构于该微机电组件的该组件区域及该检测区域；检测该微检测结构的一欲检测部分，以取得该欲检测部分的共振频率；经由该微检测结构的该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该微检测结构的该欲检测部分的机械性质。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构的型态是为微悬臂梁。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构的型态是为无边界梁。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的检测该微检测结构的该欲检测部分时，包括振动该欲检测部分，并测量出该欲检测部分的共振频率。

前述的微机械结构的检测方法，其更包括以一外部激发能量来振动该欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其更包括以压电振动的方式来振动该欲检测部分。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该欲检测部分的共振频率。

前述的微机械结构的检测方法，其中所述的微检测结构的该欲检测部分的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微机电组件，其包括：一基材，具有一组件区域及一检测区域；

一微机械结构，形成于该组件区域；以及一微检测结构，形成于该检测区域。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微检测结构，适于配置于一基材的表面，该微检测结构包括：一牺牲层，配置于该基材的表面；一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；一悬臂梁，其一端是连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方；以及一堆叠层，配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微检测结构，适于配置于一基材的表面，该微检测结构包括：一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微检测结构，其中所述的该些挠性结构是为摺曲梁。

前述的微检测结构，其中所述的该些挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微检测结构，其中所述的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微检测结构，其中所述的该固定座包括一结构层以及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

前述的微检测结构，其更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

本发明的目的及解决其主要技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种微检测结构，适于配置于一基材的表面，该微检测结构包括：一牺牲层，配置于该基材的表面；一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；一悬臂梁，其一端是连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方；一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的微检测结构，其中所述的其更包括一第一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

前述的微检测结构，其中所述的该些挠性结构是为摺曲梁。

前述的微检测结构，其中所述的该些挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微检测结构，其中所述的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

前述的微检测结构，其中所述的该固定座包括一结构层以及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

前述的微检测结构，该固定座更包括一第二堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

本发明提出一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该检测方法包括先形成一微检测结构于微机械结构的一基材上，且该微检测结构的一欲检测部分是由上述的薄膜层所构成，接着振动该欲检测部分，并测量出欲检测部分的共振频率，接着经由欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出欲检测部分的机械性质，以取得薄膜层的机械性质。

本发明更提出一种微悬臂梁型态的微检测结构，适于配置于一基材的表面，该微检测结构包括一牺牲层，其配置于该基材的表面、一结构层，其配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面、一悬臂梁，其一端是连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方、以及一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

本发明还提出一种无边界梁型态的微检测结构，适于配置于一基材的表面，该微检测结构包括一检测梁，其悬置于基材的表面的上方、多个摺曲梁，其悬置于基材的表面的上方，且这些摺曲梁的一端是连接至该检测梁的表面、以及多个固定座，其配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且这些摺曲梁的另一端更分别连接至这些固定座。

借由上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、就微悬臂梁型态的微机械结构的检测方法及其微检测结构而言，本发明是额外地增加一堆叠层于结构层的表面，用以提升微检测结构的边界强度，并且将微检测结构的边界强度与固定边界的差距缩小至3％以下，因而可以提高悬臂梁的共振频率的测量准确度，进而可以更准确地取得悬臂梁(即薄膜层)的机械性质。

2、此外，就无边界梁型态的微机械结构的检测方法及其微检测结构而言，本发明则是以挠性结构(例如摺曲梁)取代现有习知的直式支撑梁，故可有效地降低检测梁的挠性边界强度，因而可以提高检测梁的共振频率的测量准确度，进而可更准确地取得检测梁(即薄膜层)的机械性质。

综上所述，本发明特殊的微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，该检测方法包括先形成一微检测结构于微机械结构的一基材上，且该微检测结构的一欲检测部分是由上述的薄膜层所构成，接着振动该欲检测部分，并测量出欲检测部分的共振频率，接着经由欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出欲检测部分的机械性质，以取得薄膜层的机械性质。此外，微检测结构的型态包括微悬臂梁及无边界梁。本发明可用以萃取微机械结构的薄膜材料的机械性质，另可用以作为萃取微机械结构的薄膜材料的共振频率的媒介，从而更具有实用性。其具有上述诸多的优点及实用价值，在方法及产品上确属创新，在检测方法、产品结构或功能上皆有较大改进，较现有的微机械结构的检测方法及其微检测结构具有增进的多项功效，且在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，具有产业的广泛利用价值，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是现有习知的一种微悬臂梁型态的微检测结构的剖面示意图。

图2是现有习知的一种无边界梁型态的微检测结构的俯视示意图。

图3是本发明较佳实施例的一种微悬臂梁型态的微检测结构的剖面示意图。

图4是微悬臂梁型态的微检测结构的结构层厚度及自然频率的关系图。

图5是现有技术的图1中的微检测结构及本发明第一实施例的图3中的微检测结构，两者的杨氏系数及悬臂梁长度的关系图。

图6A-图6D是本发明第一实施例的微检测结构制程的流程图。

图7A-图7D是本发明第二实施例的四种无边界梁型态的微检测结构的俯视图。

图8是现有习知支撑梁与本发明的支撑梁的自然频率与长度的关系图。

S：基材                      100：微检测结构

102：牺牲层                  104：结构层

106：悬臂梁                  200：微检测结构

202：检测梁                  204：支撑梁(直式支撑梁)

206：固定座                  300：微检测结构

302：牺牲层                  304：结构层

306：悬臂梁                  308：堆叠层

600：微检测结构              602、602a：牺牲层

604：结构层                  606：悬臂梁

608：堆叠层                  700a、700b：微检测结构

700c、700d：微检测结构       702：检测梁

704：摺曲梁                  706：固定座

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构其具体检测方法、步骤、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提出两种微机械结构的检测方法，其可分别利用微悬臂梁的振动法及无边界梁的振动法来萃取微机械结构的薄膜层的机械性质。

第一实施例

本发明第一实施例提出的一种微悬臂梁型态的微检测结构，其除了利用薄膜层来包覆牺牲层以外，更利用一堆叠层来强化微机械结构的边界强度，因而可以提高量测悬臂梁的共振频率的准确性，进而推导出悬臂梁(即薄膜层)的机械性质，例如杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数等。此外，依照几何尺寸上的差异，具有板状外观的悬臂梁可视为一悬臂板。

请参阅图3所示，是本发明较佳实施例的一种微悬臂梁型态的微检测结构的剖面示意图。本发明较佳实施例的微检测结构300是适于配置于一微机械结构(图中未示)的一基材S的表面，该微检测结构300，包括一牺牲层302、一结构层304、一悬臂梁306及一堆叠层308。其中，牺牲层302是配置于基材S的表面。此外，结构层304则同样配置于基材S的表面，且包覆牺牲层302的表面。另外，悬臂梁306的一端是连接于结构层304，并一体成型于结构层304，且悬臂梁306的另一端更大致沿着一水平于基材S的表面及相对远离牺牲层302的方向，而延伸至基材S的表面的上方。并且，堆叠层308是配置于结构层的表面，但未延伸至悬臂梁306的表面。

请参阅现有技术图1中的微检测结构100及本发明图3中的微检测结构300。在经过有限元素法分析之后，现有的无堆叠结构层及包覆式边界的微检测结构100，其与固定边界的强度差距为4.02％。然而，对于本发明的有堆叠层及包覆式边界的微检测结构300而言，当堆叠层300的厚度为1.5微米，且具有两微米的黄光对准误差下，微检测结构300与实际固定边界的强度差距为3.90％。并且，对于无黄光对准误差的理想情况下，当堆叠层308的厚度为1.5微米时，微检测结构300与固定边界的强度差距将可缩小至2.91％的差距。

请参阅图4所示，是微悬臂梁型态的微检测结构的结构层厚度及自然频率的关系图。本发明更针对结构层的堆叠厚度其对于微检测结构的边界强度的影响情形，经由有限元素法做了进一步的分析与探讨，其结果显示于图4中。值得注意的是，当结构层的堆叠厚度大于1微米时，结构层的堆叠厚度对于微悬臂梁的边界强化的效果变趋于定值，亦即微悬臂梁的共振频率不再随结构层的堆叠厚度的增加而改变。

请参阅图5所示，是现有技术图1中的微检测结构及本发明第一实施例图3中的微检测结构，两者的杨氏系数及悬臂梁长度的关系图。在相同长度的悬臂梁的条件下，具有堆叠层的微检测结构所萃取出的杨氏系数值将较无堆叠层的微检测结构高出约2.3％。因此，与现有的微检测结构100相较之下，本发明第一实施例的微检测结构300将可提供较佳的边界强度，故可测量出微悬臂梁的更准确的共振频率，用以萃取出薄膜层的更准确的机械性质。

请依序参阅图6A-图6E所示，是本发明第一实施例的微检测结构制程的流程图。首先，如图6A所示，本发明第一实施例的微检测结构的制程，是形成图案化的一牺牲层602于一微机械结构(图中未示)的一基材S的表面。接着，如图6B所示，形成图案化的一薄膜层(图中未示)于基材S及牺牲层602的表面，其中上述的薄膜层是包括一结构层604及一悬臂梁606，而结构层604更包覆局部的牺牲层602a，以提高结构层604的边界强度，且悬臂梁606的一端是连接至结构层604，悬臂梁606的另一端更大致沿着一水平于基材S的表面及相对远离牺牲层602a的方向，而延伸至基材S的表面的上方。然后，如图6C所示，形成图案化的一罩幕层607于牺牲层602之上，并形成一堆叠层608于结构层604的表面。之后，如图6D所示，移除罩幕层607及牺牲层602之后，最终将使得悬臂梁606悬置于基材S的上方，而完成微检测结构600的制作。

本发明的第一实施例更提出一种微机械结构的检测方法，其主要是在制作出图6D的微检测结构600之后，例如以压电振动的方式，预先振动悬臂梁606，接着例如以雷射都卜勒位移计来测量出悬臂梁606的共振频率，最后可经由悬臂梁606的几何尺寸、密度及共振频率，进而推导出悬臂梁606的机械性质，以取得结构层(即薄膜层)的机械性质，例如杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数等。

第二实施例

本发明的第二实施例提出一种无边界梁型态的微检测结构，其主要是利用多个挠性结构(例如摺曲梁)来取代现有习知的多个支撑梁(直梁)来连接至检测梁，并利用挠性结构的本身结构较低的扭转刚性，使得微检测结构更能仿真出无边界梁的情况，因而可以提高量测检测梁的共振频率的准确性，进而可推导出检测梁(即薄膜层)的机械性质，例如杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数等。在第二实施例中，挠性结构是以摺曲梁作为代表，但并不仅限于摺曲梁，其它可降低扭转刚性的挠性结构均可。

请参阅图7A所示，是本发明第二实施例的一种无边界梁型态的微检测结构的俯视图。该微检测结构700a，是适于配置于一微机械结构(图中未示)的一基材S的表面，该微检测结构700a包括一检测梁702、多个摺曲梁704及多个固定座706。其中，检测梁702是悬置于基材S表面的上方。此外，这些摺曲梁704是同样悬置于基材S的表面的上方，并可对称地位于检测梁702的外侧，且这些摺曲梁704的一端是连接至检测梁702的表面。另外，这些固定座706则配置于基材S的表面，且可对称地位于检测梁702的外侧，而这些摺曲梁704的另一端更分别连接至这些固定座706，其中检测梁702及这些固定座706之间的连接媒介除了可利用这些摺曲梁704以外，更可以其它挠性结构来加以取代。因此，检测梁702可经由这些摺曲梁704，而间接地连接至这些固定座706，且悬置于基材S的表面的上方。

请同样参阅图7A所示，由于支撑梁对于检测梁702而言是为一挠性扭转边界，所以要将检测梁702模拟近似于真实的无边界梁，便需从降低支撑梁的扭转刚性来着手。因此，在为了同时兼顾支撑梁的长度短及低扭转刚性的诉求之下，本发明的第二实施例则使用摺曲梁的设计概念来取代直式支撑梁。由于摺曲梁704的本身结构具有较低的扭转刚性，故可使检测梁702更能够模拟出无边界梁的真实状态，如此将有助于量测检测梁702的共振频率。

请参阅图7A-图7D所示，是本发明第二实施例的四种无边界梁型态的微检测结构的俯视图。其中图7B-图7D更依序是本发明第二实施例的另外三种微检测结构的俯视图。首先，如图7A所示，微检测结构700a的摺曲梁704是为一标准设计，其摺曲梁704的宽度为A。此外，如图7B所示，微检测结构700b的摺曲梁704的长度变量B相对较大。另外，如图7C所示，微检测结构700c的摺曲梁704的长度变量C则相对较大。并且，如图7D所示，微检测结构700d的摺曲梁704则具有较多的曲折部分。

请参阅图8所示，是现有习知的支撑梁与本发明的支撑梁的自然频率与长度的关系图。当摺曲梁的长度及宽度皆为30微米时，其共振频率的误差为9.8％，而当摺曲梁的摺曲宽度增加至60微米时，则其共振频率的误差则变为4％。然而，考量到制程的稳定度方面，因此，在摺曲梁的摺曲宽度方面采取较保守的做法，则采用30微米作为摺曲梁的摺曲宽度设定。此外，由分析结果可以看出，长度为30微米的摺曲梁其共振频率的误差值与长度90微米的直式支撑梁彼此间的误差值相当，故可证明本发明的摺曲梁比现有习知的直式支撑梁具有更低的扭转刚性。

请同样参阅图8所示，接着探讨摺曲梁的长度变量B及长度变量C，当摺曲梁的摺曲宽度为30微米，且支撑梁长度从30微米增加至120微米时，发现改变摺曲梁的长度变量B及C的结果并无太大分别，而结果为当支撑梁的长度在120微米时，支撑梁的共振频率的误差可以由原来的9.8％降低至5.5％。将该分析结果与摺曲梁的宽度变量结果相比较之后，发现改变摺曲梁的长度的效益还不若改变摺曲梁的摺曲宽度来得有效。

请同样参阅图8所示，当摺曲梁的摺曲宽度维持在30微米，而且单一摺曲梁的长度同样为30微米的情况下，如图7D所示，将摺曲梁704形成多一倍的摺曲部分，使得摺曲梁704的长度为60微米及宽度为30微米，并经由有限元素分析后，其检测梁702的共振频率的误差为4.8％，如果摺曲梁704具有三个摺曲部分，其检测梁702的共振频率的误差下降至2.8％。在制程允许的情况下，如果摺曲梁704具有四个摺曲部分，则误差将达到1.6％。因此，当摺曲梁704的摺曲宽度A越大，或摺曲梁704所具有的摺曲部分越多时，摺曲梁704的整体的扭转刚性将可显著地下降，如此将可有助于提高检测梁702的共振频率的测量准确度，进而可取得检测梁702的更准确的机械性质。

请再参阅图7A所示，在面型微细加工制程中，这些固定座706是可由图6D的牺牲层602a及结构层604所构成。值得注意的是，在微检测结构700a的制程中，固定座706的结构层、检测梁702及这些摺曲梁704是可一体成型。此外，这些固定座706更可包括一图6D所示的堆叠层608，其可配置于图6D的结构层604的表面，但未延伸至检测梁702及这些摺曲梁704的表面，用以提高固定座706的边界强度，如此将有助于提高检测梁702的共振频率的测量准确度，进而可取得检测梁702的更准确的机械性质。

本发明的第二实施例更提出一种微机械结构的检测方法，其主要是在制作出图7A的微检测结构700a之后，例如以压电振动的方式，预先振动检测梁702，接着例如以雷射都卜勒位移计来测量出检测梁702、悬臂梁606的共振频率，最后可经由检测梁702的几何尺寸、密度及共振频率，进而推导出检测梁702的机械性质，用以取得检测梁702(即薄膜层)的机械性质，例如杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数等。

值得注意的是，本发明更可以结合第一实施例及第二实施例的检测方法，同时形成微悬臂梁型态及无边界梁型态的微检测结构于一微机械结构的一基材上，再个别取得悬臂梁及检测梁的机械性质以后，接着联集悬臂梁及检测梁的机械性质，用以更准确地取得薄膜层的机械性质。

此外，本发明更可将一微机械结构及一微检测结构分别形成于一微机电组件的一基材的一组件区域及一检测区域，接着检测微检测结构的欲检测部分，以取得一共振频率，再经由上述的欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该欲检测部分的机械性质，例如杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数等。因此，本发明在制作微机电组件的微机械结构的同时，可一并将微检测结构制作于微机电组件之上，如此将可经由该微检测结构，因而直接萃取出微机电组件的薄膜层(或欲检测部分)的机械性质，进而有助于微机电组件的设计及制作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (35)

1. 一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，其特征在于该微机械结构的检测方法包括下列步骤：

形成一微检测结构于一基材上，其中该微检测结构包括：

一牺牲层，配置于该基材的表面；

一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；

一悬臂梁，其一端连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方；

其中该微检测结构的一欲检测部分是由该薄膜层所构成；

振动该欲检测部分；

测量出该欲检测部分的共振频率；以及

经由该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质。

2. 根据权利要求1所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以一外部能量激发的方式来振动该欲检测部分。

3. 根据权利要求2所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以压电振动的方式振动该欲检测部分。

4. 根据权利要求1所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该欲检测部分的共振频率。

5. 根据权利要求1所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該薄膜层的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

6. 根据权利要求1所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微检测结构更包括一堆叠层，配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

7. 一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，其特征在于该微机械结构的检测方法包括下列步骤：

形成一微检测结构于一基材上，其中该微检测结构包括：

一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；

复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及

复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座；

其中该微检测结构的一欲检测部分是由该薄膜层所构成；

振动该欲检测部分；

测量出该欲检测部分的共振频率；以及

经由该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质。

8. 根据权利要求7所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该些挠性结构为摺曲梁。

9. 根据权利要求7所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该些挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

10. 根据权利要求7所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該检测梁形成于两相对的该些固定座之间，且两相对的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

11. 根据权利要求7所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该固定座包括一结构层及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

12. 根据权利要求7所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該固定座更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

13. 一种微机械结构的检测方法，适用于取得一微机械结构所使用的一薄膜层的机械性质，其特征在于该微机械结构的检测方法包括下列步骤：

形成复数个不同型态的微检测结构于一基材上，且该些微检测结构的一欲检测部分均是由该薄膜层所构成；

振动该些欲检测部分；

测量出该些欲检测部分的共振频率；

经由该些欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该些欲检测部分的机械性质；以及

联集该些欲检测部分的机械性质，以取得该薄膜层的机械性质。

14. 根据权利要求13所述的微机械结构的检测方法，其特征在于其中所述的微检测结构是为一微悬臂梁型态的微检测结构及一微悬臂板型态的微检测结构其中之一。

15. 根据权利要求14所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该些微检测结构是为一微悬臂梁型态的微检测结构时，该微悬臂梁型态的微检测结构包括：

一牺牲层，配置于该基材的表面；

一结构层，配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面；以及

一悬臂梁，其一端是连接于该结构层，并一体成型于该结构层，且该悬臂梁的另一端更大致沿着一水平于该基材的表面及相对远离该牺牲层的方向，而延伸至该基材的表面的上方。

16. 根据权利要求15所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微悬臂梁型态的微检测结构更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该悬臂梁的表面。

17. 根据权利要求13所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微检测结构为一无边界梁型态的微检测结构。

18. 根据权利要求17所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該无边界梁型态的微检测结构包括：

一检测梁，悬置于该基材的表面的上方；

复数个挠性结构，悬置于该基材的表面的上方，且该些挠性结构的一端是连接至该检测梁的表面；以及

复数个固定座，配置于该基材的表面，且位于该检测梁的外侧，且该些挠性结构的另一端更分别连接至该些固定座。

19. 根据权利要求18所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该些挠性结构是为摺曲梁。

20. 根据权利要求18所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该些挠性结构是对称地位于该检测梁的外侧。

21. 根据权利要求18所述的微机械结构的检测方法，其特征在于其中所述的该些固定座是对称地位于该检测梁的外侧。

22. 根据权利要求18所述的微机械结构的检测方法，其特征在于该固定座包括一结构层及一牺牲层，其中该牺牲层是配置于该基材的表面，而该结构层是配置于该基材的表面，且包覆该牺牲层的表面，而该结构层、该检测梁及该些挠性结构是一体成型。

23. 根据权利要求22所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該固定座更包括一堆叠层，其配置于该结构层的表面，但未延伸至该检测梁及该些挠性结构的表面。

24. 根据权利要求13所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以一外部能量激发的方式来振动该些欲检测部分。

25. 根据权利要求24所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以压电振动的方式振动该些欲检测部分。

26. 根据权利要求13所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该些欲检测部分的共振频率。

27. 根据权利要求13所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該薄膜层的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

28. 一种微机械结构的检测方法，适用于一微机电组件，其中该微机电组件具有一结构区域及一检测区域，其特征在于该检测方法包括以下步骤：

分别形成一微机械结构及一微检测结构于该微机电组件的该组件区域及该检测区域；

检测该微检测结构的一欲检测部分，以取得该欲检测部分的共振频率；

经由该微检测结构的该欲检测部分的几何尺寸、密度及共振频率，而推导出该微检测结构的该欲检测部分的机械性质。

29. 根据权利要求28所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微检测结构的型态是为微悬臂梁。

30. 根据权利要求28所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微检测结构的型态是为无边界梁。

31. 根据权利要求28所述的微机械结构的检测方法，其特征在于检测该微检测结构的该欲检测部分时，包括振动该欲检测部分，并测量出该欲检测部分的共振频率。

32. 根据权利要求31所述的微机械结构的检测方法，其特征在于其更包括以一外部激发能量来振动该欲检测部分。

33. 根据权利要求32所述的微机械结构的检测方法，其特征在于其更包括以压电振动的方式来振动该欲检测部分。

34. 根据权利要求28所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該欲检测部分是以雷射都卜勒位移计来测量该欲检测部分的共振频率。

35. 根据权利要求28所述的微机械结构的检测方法，其特征在于該微检测结构的该欲检测部分的机械性质包括杨氏系数、剪应力常数及蒲松比常数。

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