CN108249381A - 具冲击吸收器的微机电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具冲击吸收器的微机电装置，其包括一基板、一盖体、一可动质量块以及一冲击吸收器。盖体与可动质量块设置于基板上。冲击吸收器设置于盖体上。冲击吸收器包括一限制元件、一固定式阻挡器、一可动式阻挡器、一弹性元件、一支撑元件以及一空间。固定式阻挡器设置于盖体的下表面。弹性元件连接限制元件及可动式阻挡器。支撑元件连接限制元件及固定式阻挡器。空间设置于固定式阻挡器与可动式阻挡器之间。冲击吸收器可避免可动质量块碰撞盖体。此外，冲击吸收器的支撑元件可为绝缘材料，以降低可动式阻挡器与可动质量块之间的静电力交互作用。

Description

具冲击吸收器的微机电装置

技术领域

本申请涉及一种微机电装置，且特别是涉及一种具冲击吸收器的微机电装置。

背景技术

目前，微机电感测器已被广泛地应用于现代生活的许多领域。例如，微机电胎压侦测器已应用于各种车辆中、微机电声音传感器、微机电陀螺仪或微机电加速度计等装置已应用于各种智慧型手机中。而其它多种微机电感测器也被应用在物联网所需的智慧型电子产品中。

微机电感测元件通常通过内建的可动元件的运动来判定如：加速度、角速度、地磁力等物理量的变化。当可动元件的运动范围过大，可能碰撞周遭的结构(如盖体)而损坏。在现有技术中，已采用一种固定式止动元件，以阻止可动元件产生过大的移动。然而，现有的止动元件在抵挡可动元件时仍然会产生巨大的撞击力，且止动时间极短，使得可动元件或周遭的结构在止动过程中受损。

此外，现有的止动元件与可动元件可能产生静电力作用。当带有电荷的可动元件接近止动元件时，止动元件会产生感应电荷，进而干扰可动元件在进行量测时所产生的电压，进而影响可动元件量测物理量时的准确性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种具冲击吸收器的微机电装置，能防止微机电感测元件内部的可动元件因运动而碰撞周遭结构造成损坏，以有效确保微机电装置的可靠度。

本申请的再一目的在于提供一种具冲击吸收器的微机电装置，能有效避免可动元件的运作受到静电力作用的干扰，以确保量测准确性。

为达上述目的，本申请的微机电装置包括一基板、一盖体、一可动质量块以及一冲击吸收器。盖体与可动质量块设置于基板上。冲击吸收器设置于盖体上。冲击吸收器包括一限制元件、一固定式阻挡器、一可动式阻挡器、一弹性元件、一支撑元件以及一空间。固定式阻挡器设置于盖体的下表面。弹性元件连接限制元件及可动式阻挡器。支撑元件连接限制元件及固定式阻挡器。空间设置于固定式阻挡器与可动式阻挡器之间。

在本申请的一实施例中，所述空间被支撑元件所环绕。

在本申请的一实施例中，所述可动质量块撞击可动式阻挡器时，可动式阻挡器会朝向盖体移动，且可动式阻挡器的上表面会进入空间。

在本申请的一实施例中，所述可动式阻挡器适于接触固定式阻挡器。

在本申请的一实施例中，所述弹性元件的一移动端连接可动式阻挡器，且弹性元件的一固定端连接限制元件。当可动式阻挡器朝向盖体移动时，移动端至盖体的下表面的距离小于固定端至盖体的下表面的距离。

在本申请的一实施例中，所述可动式阻挡器与盖体电性绝缘。

在本申请的一实施例中，所述支撑元件的材质为电性绝缘材料。

在本申请的一实施例中，所述盖体另包含一第一半导体层、一第二半导体层及一电性绝缘层。电性绝缘层设置于第一半导体层与第二半导体层之间。可动式阻挡器与第一半导体层电性绝缘。

在本申请的一实施例中，所述可动式阻挡器与第二半导体层电连接，可动式阻挡器可通过第二半导体层而被施予一电压。

在本申请的一实施例中，所述盖体另包含一第一半导体层、一第二半导体层及一电性绝缘层。电性绝缘层设置于第一半导体层与第二半导体层之间。支撑元件的材质与电性绝缘层的材质相同。支撑元件的厚度实质上等于电性绝缘层的厚度。

在本申请的一实施例中，所述固定式阻挡器的材质与第一半导体层的材质相同，可动式阻挡器的材质与第二半导体层的材质相同，支撑元件的上表面至第一半导体层的上表面的距离实质上等于电性绝缘层的上表面至第一半导体层的上表面的距离。

在本申请的一实施例中，所述弹性元件的一宽度小于限制元件的一宽度。

本申请的微机电装置包括一基板、一盖体、一可动质量块及一冲击吸收器。盖体与可动质量块设置于基板上。冲击模块设置在盖体上。盖体包括一第一半导体层、一第二半导体层；以及一电性绝缘层。电性绝缘层设置于第一半导体层与第二半导体层之间。冲击吸收器包括一限制元件、一固定式阻挡器、一可动式阻挡器、一弹性元件、一支撑元件以及一空间。固定式阻挡器设置于盖体的下表面。弹性元件连接限制元件及可动式阻挡器。支撑元件连接限制元件及固定式阻挡器。空间设置于固定式阻挡器与可动式阻挡器之间。支撑元件的材质与电性绝缘层的材质相同，支撑元件的厚度实质上等于电性绝缘层的厚度。

在本申请的一实施例中，所述空间被支撑元件所环绕。

在本申请的一实施例中，所述可动质量块撞击可动式阻挡器时，可动式阻挡器会朝向盖体移动且可动式阻挡器的上表面会进入空间。

在本申请的一实施例中，所述可动式阻挡器适于接触固定式阻挡器。

在本申请的一实施例中，所述弹性元件的一移动端连接可动式阻挡器且弹性元件的一固定端连接限制元件，当可动式阻挡器朝向盖体移动时，移动端至盖体的下表面的距离小于固定端至盖体的下表面的距离。

在本申请的一实施例中，所述固定式阻挡器的材质与第一半导体层的材质相同，可动式阻挡器的材质与第二半导体层的材质相同，支撑元件的上表面至第一半导体层的上表面的距离实质上等于电性绝缘层的上表面至第一半导体层的上表面的距离。

在本申请的一实施例中，所述弹性元件的一宽度小于限制元件的一宽度。

为让本申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本申请的一实施例的一种微机电装置的示意图；

图1B为本申请的另一实施例的一种微机电装置的示意图；

图2A与图2B分别为图1A与图1B的冲击吸收器及可动质量块在碰撞前后的动作示意图；

图3为本申请的一实施例的一种微机电装置的局部结构；

图4为本申请的一实施例的一种冲击吸收器的分解图；

图5为本申请的另一实施例的一种冲击吸收器的分解图。

具体实施方式

图1A为本申请的一实施例的一种微机电装置的示意图。如图1A所示，本实施例的微机电装置10包括一基板100、一盖体110、一可动质量块120及一冲击吸收器130。盖体110设置于基板100的表面上。盖体110与基板100构成一容置空间140。可动质量块120设置于基板100与盖体110之间的容置空间140中。在本实施例中，可动质量块120例如是位于各种微机电装置内的感测用质量块，其通过感测用质量块的位移来侦测物理量如：加速度、角速度、地磁力等。

此外，冲击吸收器130位于容置空间140中，且设置于盖体110的内侧面上，用以避免可动质量块120运动时撞击盖体110。本实施例的冲击吸收器130包含一固定式阻挡器131、一支撑元件132、一限制元件133、一可动式阻挡器134及多个弹性元件135。固定式阻挡器131设置于盖体110的下表面。支撑元件132设置在固定式阻挡器131的下表面的外缘。限制元件133设置在支撑元件132的下表面，并且环绕可动式阻挡器134。弹性元件135连接可动式阻挡器134与限制元件133，使得可动式阻挡器134可朝向固定式阻挡器131移动。当可动式阻挡器134未被可动质量块120碰撞时，空间136界定于固定式阻挡器131与可动式阻挡器134之间。且空间136作为可动式阻挡器134朝向固定式阻挡器131移动时的缓冲空间。

图2A与图2B为图1A、图1B的冲击吸收器130及可动质量块120在碰撞前后的动作示意图。如图1A、图1B、图2A及图2B所示，当一外力(例如垂直于基板表面的加速度力)作用在微机电装置10时，可动质量块120可由靠近基板100的位置(图2A)朝向冲击吸收器130移动。当可动质量块120撞击可动式阻挡器134时，可动式阻挡器134的止挡部1341将接触可动质量块120，而使可动式阻挡器134朝向盖体110的方向移动，并进入空间136(图2B)。此时，各弹性元件135受到可动式阻挡器134的牵引而产生弹性变形，以存储一弹性位能。反之，当外力移除后，|[DL2]弹性元件135存储的弹性位能因而被释放，以带动可动式阻挡器134回到图2A所示的位置。

请同时参考图2A及图4。具体而言，本实施例的各弹性元件135具有连接可动式阻挡器134的一移动端1351及连接限制元件133的一固定端1352，其中弹性元件135的一宽度(We)小于限制元件133的一宽度(Wr)。本实施例的弹性元件135例如是与可动式阻挡器134一体成型的梁。梁的数量例如是四个，分别连接限制元件133的四个角落。本申请并未限制弹性元件135的数量、形状。弹性元件135的数量、形状可依设计或其他需求可而被调整。

在本实施例中，空间136被支撑元件132所环绕，用以提供弹性元件135变形时及可动式阻挡器134移动时的空间，以延长可动质量块120的止动时间(可动质量块120速度变为零的时间)。此外，通过弹性元件135的变形，可吸收可动质量块120的动能。在此，可考虑不同的因素，如冲击吸收器130各部位的尺寸以及可动质量块120产生的动能量大小，来决定空间136的尺寸。

如图2A及图2B所示，当可动质量块120撞击可动式阻挡器134时，各弹性件135会延伸，以致于移动端1351随着可动式阻挡器134移动，且移动远离各固定端1352。此时，可动式阻挡器134的上表面会进入空间136。当可动式阻挡器134接触到固定式阻挡器131而停止移动时，可动式阻挡器134具有最大的位移。当可动式阻挡器134朝向固定式阻挡器131方向移动时，各移动端1351至固定式阻挡器131的下表面的距离(Dm)会小于固定端1352至固定式阻挡器131的下表面的距离(Df)。

以下更举例说明本实施例的冲击吸收器130的具体结构。图3为本申请的一实施例的一种微机电装置的局部结构。图4为本申请的一实施例的一种冲击吸收器的分解图。请同时参考图1A、图1B、图3及图4，本实施例可通过一SOI(Silicon On Insulator)基板来同时制作盖体110以及冲击吸收器130。具体而言，SOI(Silicon On Insulator)基板包含一处理层(Handle Layer)、一元件层(Device Layer)及设置于处理层及元件层之间的绝缘层。处理层及元件层的材质是硅，绝缘层为一种电性绝缘层，例如二氧化硅(SiO₂)。在本实施例中，元件层用于制作冲击吸收器130中的限制元件133、可动式阻挡器134、弹性元件135及盖体110的第二半导体层112。绝缘层用于制作冲击吸收器130中的支撑元件132及盖体110的电性绝缘层114。处理层用于制作冲击吸收器130中的固定式阻挡器131及盖体110的第一半导体层116。

如上述，本实施例所形成的盖体110包含第一半导体层116、电性绝缘层114及第二半导体层112。第一半导体层116作为盖体110的顶部，覆盖容置空间140。由于电性绝缘层114设置于第一半导体层116与第二半导体层112之间，且连接可动式阻挡器134的支撑元件132的材质也是电性绝缘材料，因此，可动式阻挡器134与盖体110电性绝缘。更详细地说，可动式阻挡器134因电性绝缘层114及支撑元件132的阻隔而与盖体110的第一半导体层116及第二半导体层112电性绝缘。如此，便能防止可动式阻挡器134受到外界电磁波的干扰而产生感应电荷，进而防止可动式阻挡器134与可动质量块120产生静电力的交互作用。因此，借着可动式阻挡器134与盖体110电性绝缘，可提升微机电装置10量测时的准确度。

另一方面，本实施例的支撑元件132例如是框形结构，用以环绕空间136。盖体110中的电性绝缘层114以及冲击吸收器130中的支撑元件132是利用SOI基板中的同一绝缘层来制作，因此支撑元件132与电性绝缘层114具有相同材质。换言之，在本实施例中，支撑元件132的材质是电性绝缘材料。此外，借着支撑元件132的厚度Ts实质上等于电性绝缘层114的厚度Tc的结构设计，便能利用相同的湿蚀刻制作工艺(Wet Etching Process)，例如氢氟酸湿蚀刻制作工艺(HF Wet Etching Process)，同时制作出支撑元件132及电性绝缘层114。如此，便能达到减少制作工艺时间及降低制作工艺成本的效果。由于支撑元件132为电性绝缘材料，固定式阻挡器131与限制元件133相互电性绝缘。此外，为了能利用相同的湿蚀刻制作工艺对SOI基板的绝缘层进行蚀刻，以同时制作出支撑元件132及空间136，可以使弹性元件135的一宽度(We)小于限制元件133的一宽度(Wr)，如图4所示。

在本实施例中，第一半导体层116及固定式阻挡器131是由同一SOI基板的同一处理层采用相同的干蚀刻制作工艺(Dry Etching)，例如非等向性离子反应式深硅蚀刻制作工艺(Deep Reaction Ion Etching；Deep RIE)来制作。因此，固定式阻挡器131与第一半导体层116具有相同的硅材质。借着支撑元件132的上表面至第一半导体层116的上表面的距离(Ds)实质上等于电性绝缘层114的上表面至第一半导体层116的上表面的距离(Dc)的限制条件，便能利用相同的干蚀刻制作工艺，同时制作出固定式阻挡器131及第一半导体层116。如此，便能达到减少制作工艺时间及降低制作工艺成本的效果。

图1B为本申请的一实施例的一种微机电装置的示意图。如图1B所示，本实施例与图1A的实施例的结构大致相同。不同处在于图1B的冲击吸收器130具有一第一电性路径137、一第二电性路径138以及一中介层139。其中，第一电性路径137设置在固定式阻挡器131与第一半导体层116之间。第一电性路径137如同第一半导体层116及固定式阻挡器131，皆由同一个SOI基板的处理层来制作。因此，第一电性路径137例如是硅材质。

在本实施例中，第二电性路径138设置在限制元件133与第二半导体层112之间，且第二电性路径138如同第二半导体层112及可动式阻挡器134，皆由同一个SOI基板的元件层来制作。因此，第二电性路径138例如是硅材质。

在本实施例中，中介层139分别连接支撑元件132及电性绝缘层114。中介层139设置于第一电性路径137与第二电性路径138之间。由于中介层139同支撑元件132及电性绝缘层114，皆由同一个SOI基板的绝缘层来制作，故中介层139的材质例如是电性绝缘材料。因此，第一电性路径137与第二电性路径138为电性绝缘。

请参考图1B所示，更详细地说，可动式阻挡器134通过弹性元件135、限制元件133以及第二电性路径138电连接至第二半导体层112。可动式阻挡器134可通过第二半导体层112、第二电性路径138、限制元件133及弹性元件135而被施加一电压(与可动质量块120的电压相同)。如此，可动式阻挡器134与可动质量块120之间没有电压差，因而能防止产生感应电荷，以降低可动式阻挡器134与可动质量块120的静电力交互作用。

此外，如图1A～图4所示，在前述多个实施例中，为了更加确保可动式阻挡器134能适当地碰撞可动质量块120，可动式阻挡器134的止挡部1341可以凸出限制元件133外，且面向可动质量块120。如此，可动质量块120在朝向可动式阻挡器134移动时，将会先撞击止挡部1341，而非限制元件133。如此，可以防止限制元件133因撞击力太大而产生破坏。

图5为本申请的另一实施例的一种冲击吸收器的分解图。如图5所示，本实施例的冲击吸收器130A与图4的冲击吸收器130的结构大致相同。不同处在于，图4的冲击吸收器130的固定式阻挡器131为实心结构，而本实施例的固定式阻挡器131A具有沟槽1311A及多个弹性元件135A。沟槽1311A贯穿固定式阻挡器131A，以形成多个梁，作为弹性元件135A。在本实施例中，通过沟槽1311A可以减少固定式阻挡器131A的重量，且能保有与固定式阻挡器131相同的结构强度。当可动式阻挡器134因冲击力过大而碰触到固定式阻挡器131A时，弹性元件135A能提供与实心结构的固定式阻挡器131相似的冲击承受能力。

综上述，本申请提出一种具冲击吸收器的微机电装置，在盖体及可动质量块之间设置冲击吸收器。由此冲击吸收器可以吸收可动质量块的冲击动能，以避免可动质量块碰撞盖体或其它内部结构而受损失效，确保微机电装置的可靠度。此外，冲击吸收器可通过电性绝缘的支撑元件来降低可动式阻挡器与可动质量块之间的静电力交互作用，用于提升量测准确性。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本申请，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本申请的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本申请的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (19)

1.一种微机电装置，包括：

基板；

盖体，设置于该基板上；

可动质量块，设置于该基板上：以及

冲击吸收器，设置于该盖体上，该冲击吸收器包括：

限制元件；

固定式阻挡器，设置于该盖体的下表面；

可动式阻挡器；

弹性元件，连接该限制元件及该可动式阻挡器；

支撑元件，连接该限制元件及该固定式阻挡器；以及

空间，设置于该固定式阻挡器与该可动式阻挡器之间。

2.如权利要求1所述的微机电装置，其中该空间被该支撑元件所环绕。

3.如权利要求1所述的微机电装置，其中该可动质量块撞击该可动式阻挡器时，该可动式阻挡器会朝向该盖体移动且该可动式阻挡器的上表面会进入该空间。

4.如权利要求1所述的微机电装置，其中该可动式阻挡器适于接触该固定式阻挡器。

5.如权利要求1所述的微机电装置，其中该弹性元件的一移动端连接该可动式阻挡器且该弹性元件的一固定端连接该限制元件，当该可动式阻挡器朝向该盖体移动时，该移动端至该盖体的下表面的距离小于该固定端至该盖体的下表面的距离。

6.如权利要求1所述的微机电装置，其中该可动式阻挡器与该盖体电性绝缘。

7.如权利要求6所述的微机电装置，其中该支撑元件的材质为电性绝缘材料。

8.如权利要求6所述的微机电装置，其中该盖体另包含第一半导体层、第二半导体层及电性绝缘层，该电性绝缘层设置于该第一半导体层与该第二半导体层之间，该可动式阻挡器与该第一半导体层电性绝缘。

9.如权利要求8所述的微机电装置，其中该可动式阻挡器与该第二半导体层电连接，该可动式阻挡器可通过该第二半导体层而被施予一电压。

10.如权利要求6所述的微机电装置，其中该盖体另包含第一半导体层、第二半导体层及电性绝缘层，该电性绝缘层设置于该第一半导体层与该第二半导体层之间，该支撑元件的材质与该电性绝缘层的材质相同，该支撑元件的厚度实质上等于该电性绝缘层的厚度。

11.如权利要求10所述的微机电装置，其中该固定式阻挡器的材质与该第一半导体层的材质相同，该可动式阻挡器的材质与该第二半导体层的材质相同，该支撑元件的上表面至该第一半导体层的上表面的距离实质上等于该电性绝缘层的上表面至该第一半导体层的上表面的距离。

12.如权利要求10所述的微机电装置，其中该弹性元件的一宽度小于该限制元件的一宽度。

13.一种微机电装置，包括：

基板；

盖体，设置于基板上，包括:

第一半导体层；

第二半导体层；以及

电性绝缘层，其中该电性绝缘层设置于该第一半导体层与该第二半导体层之间；

可动质量块，设置于该基板上；

冲击吸收器，设置于该盖体上，该冲击吸收器包括：

限制元件；

固定式阻挡器，设置于该盖体的下表面；

可动式阻挡器；

弹性元件，连接该限制元件及该可动式阻挡器；

支撑元件，连接该限制元件及该固定式阻挡器；以及

空间，设置于该固定式阻挡器与该可动式阻挡器之间。

其中，该支撑元件的材质与该电性绝缘层的材质相同，该支撑元件的厚度实质上等于该电性绝缘层的厚度。

14.如权利要求13所述的微机电装置，其中该空间被该支撑元件所环绕。

15.如权利要求13所述的微机电装置，其中该可动质量块撞击该可动式阻挡器时，该可动式阻挡器会朝向该盖体移动且该可动式阻挡器的上表面会进入该空间。

16.如权利要求13所述的微机电装置，其中该可动式阻挡器适于接触该固定式阻挡器。

17.如权利要求13所述的微机电装置，其中该弹性元件的一移动端连接该可动式阻挡器且该弹性元件的一固定端连接该限制元件，当该可动式阻挡器朝向该盖体移动时，该移动端至该盖体的下表面的距离小于该固定端至该盖体的下表面的距离。

18.如权利要求13所述的微机电装置，其中该固定式阻挡器的材质与该第一半导体层的材质相同，该可动式阻挡器的材质与该第二半导体层的材质相同，该支撑元件的上表面至该第一半导体层的上表面的距离实质上等于该电性绝缘层的上表面至该第一半导体层的上表面的距离。

19.如权利要求13所述的微机电装置，其中该弹性元件的一宽度小于该限制元件的一宽度。