CN109205547A - 微机电感测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微机电感测器，包括：基板；绝缘结构，形成于该基板上，其中该绝缘结构包括锚结构与多个凸起物，该等凸起物位于该锚结构的两侧；微机电元件，通过该锚结构与该等凸起物接合于该基板上，其中该微机电元件包括中心结构、多个第一结构、多条感测电极、质量块、以及多条梳状结构；以及上盖，设置于该微机电元件上，以用来保护该微机电元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电感测器，特别是涉及一种可提升接合效果、对位准确性，同时，增加电性对称性及蚀刻均匀度的元件架构设计来弥补制作工艺限制。
背景技术
一般微机电(microelectromechanicalsystems，MEMS)感测器是由上盖，MEMS元件及基板所组成。通过电容变化的输出值的大小，来决定感测器的分辨率。而MEMS元件结构因受到外力产生位移，就是电容变化的来源。
目前，常用于改善元件效能的方法包括：在制作工艺上，增加离子束的分布均匀性，以避免元件结构不均，导致元件效能不一，但在机台上，仍有限制，例如，制作工艺范围的视窗太小等问题。此外，也可增加元件的电容面积，然而，在MEMS元件上要增加电容面积，就必须提高深宽比、增加梳状结构(Comb)的数目及长度，然而，这些项目的增加都将提高制作工艺困难度。上述两种提高MEMS元件效能的方法都是采用提高制作工艺能力的方式企图加以实现，然而，都有一定的制约性。
因此，开发一种可通过元件架构设计来弥补制作工艺限制的微机电感测器是众所期待的。
发明内容
根据本发明的一实施例，提供一种微机电感测器，其特征在于，包括：基板；绝缘结构，形成于该基板上，其中该绝缘结构包括锚结构与多个凸起物，该等凸起物位于该锚结构的两侧，并呈对称排列；微机电元件，通过该锚结构与该等凸起物接合于该基板上，其中该微机电元件包括中心结构、多个第一结构、多条感测电极、质量块、以及多条梳状结构，其中该中心结构位于该锚结构上，该等第一结构彼此分离，且该第一结构包括第一部分以及与该第一部分连接的第二部分，该等第一部分位于该等凸起物上，该等第二部分延伸出该等感测电极，该质量块包围该中心结构、该等第一结构、与该等感测电极，并向内延伸出该等梳状结构，且与该等第一结构分离，其中该等梳状结构与该等感测电极交错形成多个电容结构；以及上盖，设置于该微机电元件上。
在一实施例中，上述绝缘结构由氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅所构成。
在一实施例中，上述凸起物与上述锚结构的间距介于1.5-2微米。
在一实施例中，上述凸起物的间距介于5-15微米。
在一实施例中，上述凸起物的数目为四。
在一实施例中，上述第一结构中的第二部分对于基板的投影与凸起物对于基板的投影未重叠。
在一实施例中，具有相同电性的电容结构位于中心结构的两侧，并呈对角排列。
在一实施例中，具有相同电性的电容结构位于中心结构的两侧，并呈轴对称排列。
在一实施例中，具有不同电性的电容结构之间的感测电极的数目不同。
在一实施例中，具有不同电性的电容结构之间的感测电极的数目相同。
在一实施例中，微机电元件还包括多条弹簧，连接中心结构与质量块。
本发明主要是以元件的设计端来弥补制作工艺上的限制。利用多个设置于基板与MEMS元件之间的凸起物以由此减少两晶片平面的接触面积，降低应力，提升介面接合效果。而于凸起物与锚结构之间预留空隙(约1.5-2微米)，可提高介面接合时对位的准确性。此外，MEMS元件中电容结构采共质心电容(common centroid capacitor)及交叉相对的特殊摆放方式，将有助于增加电性对称性及降低负载效应(loading effect)，并增加图样对称性，有效提升MEMS元件效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出多个实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例，一种微机电感测器的剖面示意图；
图2为本发明的一实施例，一种微机电感测器的部分结构的立体图；
图3A为本发明的一实施例，一种微机电感测器的部分结构的上视图；
图3B为本发明的一实施例，一种微机电感测器的部分结构的上视图；以及
图3C为本发明的一实施例，一种微机电感测器的部分结构的上视图。
符号说明
10微机电感测器；
12基板；
13微机电感测器的部分结构；
15绝缘结构；
16微机电元件；
18上盖；
20锚结构；
22凸起物；
24中心结构；
25第一结构；
26第一结构的第一部分；
28第一结构的第二部分；
30感测电极；
32质量块；
34梳状结构；
36、36a’、36b’、36a”、36b”电容结构；
40弹簧；
W1凸起物与锚结构的间距；
W2凸起物的间距。
具体实施方式
以下说明本发明实施例的制作与使用。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所揭示的特定实施例仅仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。再者，在本发明实施例的附图及说明内容中使用相同的标号来表示相同或相似的部件。
请同时参阅图1、图2、及图3A，根据本发明的一实施例，提供一种微机电感测器10。图2为微机电感测器10的部分结构的立体图，图1中的部分结构13为图2沿A-A’剖面线所得的剖面示意图，图3A为微机电感测器10的部分结构的上视图。
如图1、图2所示，微机电感测器10包括基板12、绝缘结构15、微机电元件16、以及上盖18。
绝缘结构15形成于基板12上，其包括锚结构20与多个凸起物22，凸起物22位于锚结构20的两侧，并呈对称排列，如图2所示。
微机电元件16通过锚结构20与凸起物22接合于基板12上。微机电元件16的结构态样，请参阅图3A。微机电元件16包括中心结构24、多个第一结构25、多条感测电极30、质量块32、以及多条梳状结构34。中心结构24位于锚结构20上。多个第一结构25彼此分离，且第一结构25包括第一部分26以及与第一部分26连接的第二部分28，值得注意的是，第一结构25中仅第一部分26位于凸起物22上，而第一结构25中下方未设置有凸起物22的第二部分28延伸出感测电极30。质量块32包围中心结构24、第一结构25、与感测电极30，并向内延伸出梳状结构34，且与第一结构25分离。梳状结构34与感测电极30交错形成多个电容结构36。上盖18设置于微机电元件16上。
在部分实施例中，基板12可包含绝缘层、金属线路等元件，其可由硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或金属复合材料所构成。
在部分实施例中，绝缘结构15可由氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等绝缘材料所构成。
在部分实施例中，凸起物22与锚结构20的间距W1介于1.5-2微米。
在部分实施例中，凸起物22的间距W2介于5-15微米。
在本实施例中，凸起物22的数目为偶数，例如为四，如图2所示。
在部分实施例中，凸起物22的数目也可包括其他适合的数目，例如二、六、八等。
在部分实施例中，微机电元件16可由硅所构成。
在部分实施例中，第一结构25中的第二部分28对于基板12的投影与凸起物22对于基板12的投影未重叠，其构形如悬臂式构形，朝质量块32的方向延伸，如图3A所示，此即表示，第一结构25中的第二部分28下方并未如第一部分26设置有凸起物22。此种结构设计可避免后续热制作工艺因材料接触介面所产生的应力。此外，第一结构25是与质量块32分离的。
在本实施例中，具有相同电性的电容结构(例如36a’与36b’或36a”与36b”)位于中心结构24的两侧，并呈对角排列。如图3A所示，也就是，具有相同电性的两电容结构(36a’与36b’)位于中心结构24的两侧，并呈对角排列，以及具有相同电性的两电容结构(36a”与36b”)位于中心结构24的两侧，并呈对角排列。
在本实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目不同。如图3A所示，电容结构36a’的感测电极30的数目多于电容结构36a”的感测电极30的数目，以及电容结构36b’的感测电极30的数目多于电容结构36b”的感测电极30的数目。
在部分实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目相同(未图示)。
在部分实施例中，微机电元件16还包括多条弹簧40，连接中心结构24与质量块32。
在部分实施例中，上盖18可由硅或玻璃所构成。
请同时参阅图1、图2、及图3B，根据本发明的一实施例，提供一种微机电感测器10。图2为微机电感测器10的部分结构的立体图，图1中的部分结构13为图2沿A-A’剖面线所得的剖面示意图，图3B为微机电感测器10的部分结构的上视图。
如图1、图2所示，微机电感测器10包括基板12、绝缘结构15、微机电元件16、以及上盖18。
绝缘结构15形成于基板12上，其包括锚结构20与多个凸起物22，凸起物22位于锚结构20的两侧，并呈对称排列，如图2所示。
微机电元件16通过锚结构20与凸起物22接合于基板12上。微机电元件16的结构态样，请参阅图3B。微机电元件16包括中心结构24、多个第一结构25、多条感测电极30、质量块32、以及多条梳状结构34。中心结构24位于锚结构20上。多个第一结构25彼此分离，且第一结构25包括第一部分26以及与第一部分26连接的第二部分28，值得注意的是，第一结构25中仅第一部分26位于凸起物22上，而第一结构25中下方未设置有凸起物22的第二部分28延伸出感测电极30。质量块32包围中心结构24、第一结构25、与感测电极30，并向内延伸出梳状结构34，且与第一结构25分离。梳状结构34与感测电极30交错形成多个电容结构36。上盖18设置于微机电元件16上。
在部分实施例中，基板12可包含绝缘层、金属线路等元件，其可由硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或金属复合材料所构成。
在部分实施例中，绝缘结构15可由氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等绝缘材料所构成。
在部分实施例中，凸起物22与锚结构20的间距W1介于1.5-2微米。
在部分实施例中，凸起物22的间距W2介于5-15微米。
在本实施例中，凸起物22的数目为偶数，例如为四，如图2所示。
在部分实施例中，凸起物22的数目也可包括其他适合的数目，例如二、六、八等。
在部分实施例中，微机电元件16可由硅所构成。
在部分实施例中，第一结构25中的第二部分28对于基板12的投影与凸起物22对于基板12的投影未重叠，其构形如悬臂式构形，朝质量块32的方向延伸，如图3B所示，此即表示，第一结构25中的第二部分28下方并未如第一部分26设置有凸起物22。此种结构设计可避免后续热制作工艺因材料接触介面所产生的应力。此外，第一结构25是与质量块32分离的。
在本实施例中，具有相同电性的电容结构(例如36a’与36b’或36a”与36b”)位于中心结构24的同一侧。如图3B所示，也就是，具有相同电性的两电容结构(36a’与36b’)位于中心结构24的一侧，以及具有相同电性的两电容结构(36a”与36b”)位于中心结构24的另一侧。
在本实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目相同。如图3B所示，电容结构36a’的感测电极30的数目与电容结构36a”的感测电极30的数目相同，以及电容结构36b’的感测电极30的数目与电容结构36b”的感测电极30的数目相同。
在部分实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目不同(未图示)。
在部分实施例中，微机电元件16还包括多条弹簧40，连接中心结构24与质量块32。
在部分实施例中，上盖18可由硅或玻璃所构成。
请同时参阅图1、图2、及图3C，根据本发明的一实施例，提供一种微机电感测器10。图2为微机电感测器10的部分结构的立体图，图1中的部分结构13为图2沿A-A’剖面线所得的剖面示意图，图3C为微机电感测器10的部分结构的上视图。
如图1、图2所示，微机电感测器10包括基板12、绝缘结构15、微机电元件16、以及上盖18。
绝缘结构15形成于基板12上，其包括锚结构20与多个凸起物22，凸起物22位于锚结构20的两侧，并呈对称排列，如图2所示。
微机电元件16通过锚结构20与凸起物22接合于基板12上。微机电元件16的结构态样，请参阅图3C。微机电元件16包括中心结构24、多个第一结构25、多条感测电极30、质量块32、以及多条梳状结构34。中心结构24位于锚结构20上。多个第一结构26彼此分离，且第一结构25包括第一部分26以及与第一部分26连接的第二部分28，值得注意的是，第一结构25中仅第一部分26位于凸起物22上，而第一结构25中下方未设置有凸起物22的第二部分28延伸出感测电极30。质量块32包围中心结构24、第一结构25、与感测电极30，并向内延伸出梳状结构34，且与第一结构25分离。梳状结构34与感测电极30交错形成多个电容结构36。上盖18设置于微机电元件16上。
在部分实施例中，基板12可包含绝缘层、金属线路等元件，其可由硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或金属复合材料所构成。
在部分实施例中，绝缘结构15可由氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等绝缘材料所构成。
在部分实施例中，凸起物22与锚结构20的间距W1介于1.5-2微米。
在部分实施例中，凸起物22的间距W2介于5-15微米。
在本实施例中，凸起物22的数目为偶数，例如为四，如图2所示。
在部分实施例中，凸起物22的数目也可包括其他适合的数目，例如二、六、八等。
在部分实施例中，微机电元件16可由硅所构成。
在部分实施例中，第一结构25中的第二部分28对于基板12的投影与凸起物22对于基板12的投影未重叠，其构形如悬臂式构形，朝质量块32的方向延伸，如图3C所示，此即表示，第一结构25中的第二部分28下方并未如第一部分26设置有凸起物22。此种结构设计可避免后续热制作工艺因材料接触介面所产生的应力。此外，第一结构25是与质量块32分离的。
在本实施例中，具有相同电性的电容结构(例如36a’与36b’或36a”与36b”)位于中心结构24的两侧，并呈轴对称排列。如图3C所示，也就是，具有相同电性的两电容结构(36a’与36b’)位于中心结构24的两侧，并呈轴对称排列，以及具有相同电性的两电容结构(36a”与36b”)位于中心结构24的两侧，并呈轴对称排列。
在本实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目不同。如图3C所示，电容结构36a’的感测电极30的数目多于电容结构36a”的感测电极30的数目，以及电容结构36b’的感测电极30的数目多于电容结构36b”的感测电极30的数目。
在部分实施例中，具有不同电性的电容结构(例如36a’与36a”或36b’与36b”)之间的感测电极30的数目相同(未图示)。
在部分实施例中，微机电元件16还包括多条弹簧40，连接中心结构24与质量块32。
在部分实施例中，上盖18可由硅或玻璃所构成。
本发明于基板与MEMS元件之间设置凸起物的结构设计，可避免熔融接合过程中，因介面接合应力所造成接合效果不佳(接合介面不平整)的现象，其主要技术手段为减少平面间的接触面积，且设定适当的凸起物间距，可避免因间距太远导致接合过程中，受力不一造成熔融接合效果不佳。因此，通过上述结构设计可使两晶片在进行熔融接合时，晶片中心及晶片边缘均受到相同压合力，确保MEMS元件不论位于晶片的任何位置均可维持一定受力。
本发明于凸起物周围预留宽度约1.5-2微米的基板露出区域的设计主要是为简化制作工艺，以降低制作工艺成本，且上述区域的设计也可便于后续进行熔融接合时的对位使用。
本发明MEMS元件中的电容结构采共质心电容(common centroid capacitor)及交叉相对的摆放方式，可有效减少寄生电容对于元件灵敏度的影响。且在深反应离子式蚀刻(DRIE)制作工艺中，因图样架构对称，可避免蚀刻速率不一及负载效应(loading effect)的发生。
综上，本发明主要是以元件的设计端来弥补制作工艺上的限制。利用多个设置于基板与MEMS元件之间的凸起物以由此减少两晶片平面的接触面积，降低应力，提升介面接合效果。而于凸起物与锚结构之间预留空隙(约1.5-2微米)，可提高介面接合时对位制作工艺的准确性及减少多余光掩模使用。此外，MEMS元件中电容结构采共质心电容(commoncentroid capacitor)及交叉相对的特殊摆放方式，将有助于增加电性对称性、蚀刻均匀度及降低负载效应(loading effect)，大幅提升MEMS元件效率。
虽然结合以上数个优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种微机电感测器，其特征在于，包括：
基板；
绝缘结构，形成于该基板上，其中该绝缘结构包括锚结构与多个凸起物，该多个凸起物位于该锚结构的两侧，并呈对称排列；
微机电元件，通过该锚结构与该多个凸起物接合于该基板上，其中该微机电元件包括中心结构、多个第一结构、多条感测电极、质量块、以及多条梳状结构，其中该中心结构位于该锚结构上，该多个第一结构彼此分离，且该第一结构包括第一部分以及与该第一部分连接的第二部分，该多个第一部分位于该多个凸起物上，该多个第二部分延伸出该多条感测电极，该质量块包围该中心结构、该多个第一结构、与该多条感测电极，并向内延伸出该多条梳状结构，且与该多个第一结构分离，其中该多条梳状结构与该多条感测电极交错形成多个电容结构；以及
上盖，设置于该微机电元件上。
2.如权利要求1所述的微机电感测器，其中该绝缘结构由氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅所构成。
3.如权利要求1所述的微机电感测器，其中该凸起物与该锚结构的间距介于1.5-2微米。
4.如权利要求1所述的微机电感测器，其中该多个凸起物的间距介于5-15微米。
5.如权利要求1所述的微机电感测器，其中该多个凸起物的数目为四。
6.如权利要求1所述的微机电感测器，其中该第一结构中的该第二部分对于该基板的投影与该凸起物对于该基板的投影未重叠。
7.如权利要求1所述的微机电感测器，其中具有相同电性的该多个电容结构位于该中心结构的两侧，并呈对角排列。
8.如权利要求1所述的微机电感测器，其中具有相同电性的该多个电容结构位于该中心结构的两侧，并呈轴对称排列。
9.如权利要求1所述的微机电感测器，其中具有不同电性的该多个电容结构之间的该多条感测电极的数目不同。
10.如权利要求1所述的微机电感测器，其中具有不同电性的该多个电容结构之间的该多条感测电极的数目相同。
11.如权利要求1所述的微机电感测器，还包括多条弹簧，连接该中心结构与该质量块。
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