CN101209812B - 电容式感测结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式感测结构，其包括基材、感测电极层、至少一个堆叠层及导电体。该感测电极层形成于该基材之上或该基材内；该堆叠层形成于该感测电极层之上；该导电体对应设置于该感测电极层及该堆叠层之上。

Description

电容式感测结构

技术领域

本发明涉及一种感测结构，特别是一种电容式感测结构。 

背景技术

随着半导体工艺技术的提高，利用互补性金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)工艺技术制作微机电装置(Micro-electromechanical device)，以应用于微机电系统(Micro-electromechanical System，MEMS)，已经成为本领域常用的技术之一。 

现有技术制作微机电元件是以悬浮的导电结构作为感测单元，其在接收外部作用后使悬浮的导电结构作动，而与固定的导电结构间产生相对变化，通过感测变化量即可计算感测数值。以下以电容式微加速度计为例说明，其利用感测电容的变化量，推算加速度的大小，且依据结构设计又可分为出平面(out-of-plane)与同平面(in-plane)感测机制，即分别为垂直式(vertical)与侧向式(lateral)感测。 

请参照图1所示，一种现有的出平面电容式微加速度计1包括质量块10、弹性部11、第一梳状电极12以及第二梳状电极13。该电容式微加速度计1的制造方法是通过CMOS工艺依次将多个导电层与多个介电层交互堆叠，并于堆叠的过程对该多个导电层作图案化定义，以形成细长的该第一梳状电极12及该第二梳状电极13，作为感测结构，最后再以蚀刻方式移除部分区域的介电层，使该第一梳状电极12及该第二梳状电极13悬浮。该质量块10通过该弹性部11连接于固定端14；当未受到外力作用时，该质量块10处于静止位置，该第一梳状电极12连接于该质量块10，该第二梳状电极13与该第一梳状电极12对应设置，且该第一梳状电极12与该第二梳状电极13通过配置框15(matching frame)对位。 

请参照图2所示，当该质量块10受到外力作用而沿着Z轴方向位移时，该第一梳状电极12与该第二梳状电极13的感测面积发生变化，以利用量测 该多个梳状电极12、13间的电容值变化，即可推算对应的加速度值。 

然而，由于该多个梳状电极12、13形成为细长梳状结构，且在CMOS工艺中每一导电层的厚度通常仅为数千埃()，导致该第一梳状电极12与该第二梳状电极13之间作为感测电容值变化的面积狭小，使得电容值变化较小，而易混杂于寄生电容(Parasitical Capacitance)中，降低感测的灵敏度，而需经由复杂与精密的电容感测电路始得检知。此外，该多个细长的梳状电极12、13易因制造工艺残留应力及本身刚性不足，造成悬浮后的该感测结构产生变形，而进一步影响感测电容值变化的辨识度。 

另外，由于现有技术未配置驱动电极(测试电极)及机械止点(LimitStop)，故于该感测结构制作完成后，必须小心操作与测试，当过大的加速度变化量输入时，会使该感测结构相互接触而形成电路短路，造成无法恢复的功能性损坏。此外，反馈控制电路也因无该驱动电极(测试电极)搭配而予以设计，使得电容值变化量呈非线性增加时，影响计算感测数值的精准度，也影响了感测的范围。若另行配置该驱动电极(测试电极)，则会增加额外的工艺与成本，且使线路布局更加复杂。 

因此，如何提供一种克服上述问题的电容式感测结构，实为重要课题之一。 

发明内容

针对上述课题，本发明的目的为提供一种电容式感测结构，其提高感测电容值变化的辨识度，提高感测结构的性能，降低工艺复杂性与制作成本。 

本发明的另一目的为提供一种能够整合驱动电极(测试电极)及机械止点于感测结构的电容式感测结构。 

因此，为达上述目的，依据本发明的一种电容式感测结构包括基材、感测电极层、堆叠层以及导电体。该感测电极层形成于该基材之上；该堆叠层形成于该感测电极层之上；该导电体对应设置于该感测电极层及该堆叠层之上。 

承上所述，本发明的一种电容式感测结构通过CMOS工艺配合微结构的悬浮工艺使该感测电极层与该导电体的该多个导电层形成感测电容结构，该感测电极层与该多个导电层对应设置的结构设计，能够增加感测电容的面积，其中该感测电极层可设置于该基材之上或形成于该基材之中。与现有技 术相比，本发明更能够整合设计驱动电极(测试电极)及机械止点于不同高度，有效节省空间配置，进而提高感测结构的性能、降低工艺复杂性与制作成本，而且还提高了电容值变化的辨识度。 

附图说明

图1为一种现有的出平面电容式微加速度计的示意图； 

图2为图1沿着A-A线段的剖面图； 

图3为依据本发明优选实施例的一种电容式感测结构的俯视图； 

图4为图3沿着B-B线段的剖面图； 

图5至图7为依据本发明优选实施例的另一种电容式感测结构的示意图； 

图8为依据本发明优选实施例的一种双轴电容式感测结构的俯视图； 

图9为依据本发明优选实施例的一种三轴电容式感测结构的俯视图；以及 

图10为依据本发明优选实施例的双轴电容式感测结构应用于陀螺仪的俯视图。 

简单符号说明： 

1    出平面电容式微加速度计 

10、231    质量块                 11   弹性部 

12   第一梳状电极                 13   第二梳状电极 

14、25     固定端                 15   配置框 

2、2′、2″电容式感测结构         20   基材 

21     感测电极层                 23   导电体 

231    质量块                     232  第一导电层 

233    第二导电层                 234  介电层 

24     弹性件                     241  第一配置框 

242    第二配置框                 26   挡止元件 

27     驱动电极层                 28   第一导电部 

29     第二导电部                 30   第三导电部 

31     第四导电部                 D₁   第一轴方向 

D₂     第二轴方向                 D₃   第三轴方向

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的一种电容式感测结构，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。 

请参照图3至图7所示，本发明优选实施例的一种电容式感测结构2包括基材20、感测电极层21以及导电体23。在本实施例中，该电容式感测结构2利用CMOS工艺技术制作，其可作为加速度传感器(accelerometer)，或应用于陀螺仪(gyroscope)或微机电系统(MEMS)。以下以该电容式感测结构2作为该加速度传感器为例说明，但并不仅限于此。 

该感测电极层21利用CMOS工艺设置于该基材20之上(如图4与图5所示)。该基材20可选用硅(例如多晶硅)基板、含硅层玻璃基板(Siliconon Glass，SOG)或玻璃基板；该感测电极层21的材料则可选自多晶硅、金属硅化物、金属、合金及其组合所构成的组，其中金属可选自钨、铝、铜及其组合所构成的组。 

另外，该感测电极层21除了可设置于该基材20之上外，该感测电极层21也可通过掺杂至少一种掺质于该基材20中而形成半导体掺杂区于该基材20的表面(如图6与图7所示)，其中掺杂的方式例如可以为扩散法或离子注入法，以该基材20作为硅基板为例来说，p型半导体掺杂区以例如硼(boron)与镓(gallium)等的掺质掺杂于其中而形成，而n型半导体掺杂区以例如磷(phosphorus)与砷(arsenic)等的掺质掺杂于其中而形成。 

该导电体23对应设置于该感测电极层21之上，其为可动元件且呈细扁形，该导电体23具有质量块231、第一导电层232及第二导电层233，该第一导电层232与该第二导电层233依次叠置形成于该质量块231面对该基材20的一侧(如图4与图6所示)，以与该感测电极层21形成感测电容结构，通过增加感测面积的设置，提高感测电容值变化的辨识度。在本实施例中，因为该第一导电体232与该第二导电体233本身即具有重量，该质量块231也可省略；另外在本实施例中，该导电体23以具有二层导电层232、233为例说明，然而其层数可依据需求或工艺规格而定，且该第一导电层232与该第二导电层233以不同的材料制成，在本实施例中，该第一导电层232或该第二导电层233的材料可分别选自多晶硅、金属硅化物、金属、金属合金及其组合所构成的组，其中该金属选自钨、铝、铜及其组合所构成的组。

另外，相邻的该第一导电层232与该第二导电层233之间以及该第一导电层232与该质量块231之间分别可夹置介电层234(如图5所示)，该多个导电层232、233及该多个介电层234通过CMOS工艺相互堆叠，且使该多个导电层232、233包覆该介电层234。在本实施例中，该介电层234的材料可为氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)或氮氧化硅(siliconoxy-nitride)。 

如图3所示，该导电体23通过至少一个弹性件24与至少一个固定端25连结，在本实施例中，多个弹性件24分别连结该导电体23的四角与该固定端25，而提供该导电体23可朝向第一轴方向D₁运动，其中该弹性件24可为弹簧。 

再请参照图4至图7所示，该电容式感测结构2还可包括堆叠层，该堆叠层在此实施例当中为挡止元件26，其可利用CMOS工艺设置于该基材20与该导电体23之间，优选该挡止元件26形成于该导电体23之下，且位于该感测电极层21之上，而使该基材20之上具有至少二种高度的互补式金属氧化物半导体层堆叠，在本实施例中，该感测式电极层21提供第一高度的互补式金属氧化物半导体层堆叠，而该挡止元件26提供第二高度的互补式金属氧化物半导体层堆叠，因此当对该电容式感测结构2输入过大的驱动信号(例如加速度)时，该挡止元件26提供作为避免该导电体23与该感测电极层21接触的机械止点，以防止该电容式感测结构2发生电路短路而造成损坏。 

此外，该电容式感测结构2还可包括另一实施方式的堆叠层，其中该堆叠层可为驱动电极层27，其设置于该基材20或该感测电极层21之上，即该驱动电极层27可与该感测电极层21形成于同一平面上，也可形成于该感测电极层21之上而形成不同高度的配置(如图4所示)。在本实施例中，该驱动电极层27与该感测电极层21不电连接，该驱动电极层27提供该电容式感测结构2自我测试的功能以确认性能；另外，也可配合反馈控制电路(图未显示)，加大该电容式感测结构2的感测范围，并使得在感测较小电容值变化量时，仍具有较好的线性度。 

请参照图8所示，为增加第二轴的感测方向而形成的一种双轴电容式感测结构2′，其还可包括多个第一导电部28相互平行邻设于该导电体23的至少一侧，在本实施例中，该多个第一导电部28设置于该导电体23的相对两 侧，该电容式感测结构2′还包括多个第二导电部29，其与该多个第一导电部28对应设置。在本实施例中，该弹性件24还可包括第一配置框241，该多个第一导电部28连结于该第一配置框241，该多个第二导电部29相互平行设置于该固定端25，其中该第一配置框241提供该多个第一导电部28与该多个第二导电部29对位，并使彼此呈指叉状设置，因此当该导电体23被驱动朝向第二轴方向D₂作动时，通过该多个第一导电部28与该多个第二导电部29相对位移量所导致的电容值变化，即可增加该电容式感测结构2′对于该第二轴方向D₂的感测功能。 

请参照图9所示，本发明也可增加第三轴的感测方向而为一种三轴电容式感测结构2″，其还可包括多个第三导电部30相互平行邻设于该导电体23的至少另一侧，即相对该第二轴方向D₂的该多个导电部28、29的另一侧，且该电容式感测结构2″还包括多个第四导电部31，其与该多个第三导电部30对应设置。在本实施例中，该弹性件24还可包括第二配置框242，该多个第三导电部30连结于该第二配置框242，而该多个第四导电部31连结于该第一配置框241，通过该第一配置框241与该第二配置框242使该多个第三导电部30与该多个第四导电部31彼此对位，且呈指叉状设置，因此当该导电体23被驱动朝向第三轴方向D₃作动时，通过该多个第三导电部30与该多个第四导电部31相对位移量所导致的电容值变化，即提供该电容式感测结构2″对于该第三轴方向D₃的感测。 

其中该多个第一导电部28、该多个第二导电部29、该多个第三导电部30及该多个第四导电部31都可应用CMOS工艺技术制作。 

最后，如图10所示，将该电容式感测结构2′应用于陀螺仪时，该多个第一导电部28与该多个第二导电部29可作为驱动用，而使该导电体23被驱动而进行Y轴方向的作动，而通过感测Z轴方向的电容值变化，推算出X轴方向的角速度。 

综上所述，本发明的一种电容式感测结构是通过CMOS工艺配合微结构的悬浮工艺使该感测电极层与该导电体的该多个导电层形成感测电容结构，该感测电极层与该多个导电层对应设置的结构设计，能够增加感测电容的面积，其中该感测电极层可设置于该基材之上或形成于该基材之中。与现有技术相比，本发明更能够整合制作驱动电极(测试电极)及机械止点于不同高度，有效节省空间配置，进而提高感测结构的性能，降低工艺复杂性与制作成本，而且还提高了电容值变化的辨识度。 

以上所述仅为举例性，而非限制性的。任何未脱离本发明的精神与范围，而对其进行的等同修改或变更，均应包含于权利要求之中。

Claims (21)

1.一种电容式感测结构，包括：

基材；

感测电极层，形成于该基材之上或该基材内；

至少一个堆叠层，形成于该感测电极层之上；以及

导电体，对应设置于该感测电极层及该堆叠层之上，其中该感测电极层与该堆叠层具有不同的高度，且该堆叠层为互补式金属氧化物半导体层、驱动电极层或挡止元件。

2.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该感测电极层形成于该基材的表面，或该感测电极层的表面与该基材的表面在同一平面上。

3.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该感测电极层为半导体掺杂区，且半导体掺杂区中的掺质为硼、镓、磷或砷，而掺杂方式为扩散法或离子注入法。

4.如权利要求1所述的电容式感测结构，其还包括：

驱动电极层，设置于该基材或该感测电极层之上，且该驱动电极层配合反馈控制电路以加大感测范围。

5.如权利要求1所述的电容式感测结构，其还包括：

挡止元件，设置于该感测电极层之上或该基材与该导电体之间，以作为避免该导电体与该感测电极层接触的机械止点。

6.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该导电体具有第一导电层及第二导电层，且该第一导电层与该第二导电层之间夹置有介电层。

7.如权利要求6所述的电容式感测结构，其中该第一导电层、该第二导电层及该介电层通过互补性金属氧化物半导体制造工艺相互堆叠。

8.如权利要求6所述的电容式感测结构，其中该介电层的材料可为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

9.如权利要求6所述的电容式感测结构，其中该感测电极层、该第一导电层或该第二导电层的材料选自多晶硅、金属硅化物、金属、金属合金及其组合所构成的组，且该金属选自钨、铝、铜及其组合所构成的组。

10.如权利要求6所述的电容式感测结构，其中该导电体还包括有质量块，且该第一导电层与该第二导电层依次叠置形成于该质量块面对于该基材 的一侧。

11.如权利要求10所述的电容式感测结构，其中该质量块与该第一导电层之间夹置有介电层。

12.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该导电体通过至少一个弹性件或弹簧而与至少一个固定端连结。

13.如权利要求1所述的电容式感测结构，其还包括多个第一导电部，邻设于该导电体的至少一侧，且该多个第一导电部连结于第一配置框，且该第一配置框还通过弹性件以连结于该导电体。

14.如权利要求13所述的电容式感测结构，其还包括多个第二导电部，与该多个第一导电部对应设置或指叉式设置。

15.如权利要求14所述的电容式感测结构，还包括多个第三导电部，邻设于该导电体的另一侧。

16.如权利要求15所述的电容式感测结构，还包括多个第四导电部，与该多个第三导电部对应设置或指叉式设置。

17.如权利要求16所述的电容式感测结构，其中该多个第一导电部连结于第一配置框的一侧，而该多个第三导电部连结于第二配置框，且该第二配置框还通过弹性件以连结于该导电体，而该多个第四导电部连结于该第一配置框的另一侧。

18.如权利要求16所述的电容式感测结构，其中该多个第一导电部、该多个第二导电部、该多个第三导电部及该多个第四导电部应用互补性金属氧化物半导体工艺技术制作。

19.如权利要求1所述的电容式感测结构，其应用于加速度传感器、双轴加速度传感器、三轴加速度传感器或陀螺仪。

20.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该基材的材料选自硅基板、含硅层玻璃基板或玻璃基板，而该感测电极层的材料选自多晶硅、金属硅化物、金属、合金及其组合所构成的组，且该金属选自钨、铝、铜及其组合所构成的组。

21.如权利要求1所述的电容式感测结构，其中该导电体的运动方向垂直于该感测电极层。 

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