CN113120851B - 具有气密空腔的微机电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有气密空腔的微机电装置，其中该微机电装置包括一基板、一固定电极、一可动电极及一加热器。基板包含一上表面、一内底面及一内侧面。内侧面环绕且连接内底面。内侧面及内底面定义一凹槽。固定电极设置于内底面。可动电极覆盖凹槽。可动电极、内底面及内侧面定义一气密空腔。加热器位于可动电极上且位于气密空腔上方。

Description

具有气密空腔的微机电装置

技术领域

本发明涉及一种具有气密空腔的微机电装置，适用于感测环境中的气体的浓度、气压、湿度及温度。

背景技术

以往，在有感测环境状态的需求时，会分别使用感测环境的装置(例如:温度计、湿度计)来进行感测。未来，可将不同感测功能的传感器整合在智能型手机或家庭中的智能家电等智能型电子装置。因此，相关领域的业者发展出可感测环境的微机电装置，并将此种微机电装置整合于智能型电子装置中。当使用者或智能家庭的控制主机需要取得智能型电子装置的环境状态时，便能控制此种可感测环境的微机电装置进行环境状态的感测。

然而，感测环境的微机电装置，其精确度易受各种环境条件影响。以测量气压用的微机电装置为例，其通常会在基板内设置间隔有距离的两电极。当外部压力有所变化时，两电极的距离会有所变化，通过测量两电极的距离而推算外部压力值。然而，通过上述方式测量的压力值，容易受到周遭环境温度的波动影响而产生误差。

发明内容

本发明提出一种具气密空腔的微机电装置，通过将测量气压用的组件加热至特定的工作温度，使测量气压用的组件的温度稳定，进而提升测量气压用的组件所测量到的压力值的稳定度与准确度。

本发明的一实施例提出一种微机电装置，包括一基板、一固定电极、一可动电极及一加热器。基板包含一上表面、一内底面及一内侧面。内侧面环绕且连接内底面。内侧面及内底面定义一凹槽。固定电极设置于内底面。可动电极覆盖凹槽。可动电极、内底面及内侧面定义一气密空腔。加热器设置于可动电极上且位于气密空腔上方。

本发明的另一实施例提出一种微机电装置，包括一基板、一气压传感器、一气体传感器及一温度传感器。基板包含一上表面、一内底面及一内侧面。内侧面环绕且连接内底面。内侧面及内底面定义一凹槽。气压传感器设置于凹槽。气压传感器包含一固定电极及一可动电极。固定电极设置于内底面。可动电极覆盖凹槽。可动电极、内底面及内侧面定义一气密空腔。气体传感器设置于气压传感器上。气体传感器包含一加热器、一电性绝缘层、一感应电极及一感应材料层。加热器设置于可动电极上且位于气密空腔上方。电性绝缘层设置于加热器与可动电极之间。感应电极设置于加热器上方且与加热器电性绝缘。感应材料层覆盖感应电极。温度传感器设置于气压传感器上。温度传感器设置于可动电极上且位于气密空腔上方，电性绝缘层设置于温度传感器与可动电极之间。

根据本发明的一实施例的微机电装置，利用可动电极与固定电极测量气压。在测量气压时，通过加热器将可动电极与固定电极加热至特定温度，使其温度稳定，进而提升所测量到的压力值的稳定度与准确度。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的一实施例的微机电装置的立体示意图；

图2为图1的微机电装置沿A－A线剖面的立体剖面示意图；

图3为图1的微机电装置沿A－A线剖面的侧视剖面示意图；

图4为图1的微机电装置的立体分解示意图；

图5为本发明的另一实施例的微机电装置的立体示意图。

符号说明

1、2微机电装置

10、20基板

10a、20a凹槽

10b、20b气密空腔

101、201上表面

102、202内底面

103、203内侧面

104下表面

11气压传感器

111、211固定电极

112、212可动电极

12气体传感器

120感测模块

121、221加热器

1250导电区

1260加热区

122感应电极

123感应材料层

13温度传感器

14、15、24电性绝缘层

16集成电路

D1、D2、D3、D4距离

R1、R2范围

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的实施例的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域中具通常知识者了解本发明的实施例的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何本领域中具通常知识者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

在本说明书的所谓的示意图中，由于用以说明而可有其尺寸、比例及角度等较为夸张的情形，但并非用以限定本发明。在未违背本发明要旨的情况下能够有各种变更。实施例及附图的描述中所提及的上下前后方位为用以说明，而并非用以限定本发明。

请参照图1、图2、图3及图4。图1绘示依照本发明的一实施例的微机电装置的立体示意图。图2绘示依照图1的微机电装置沿A－A线剖面的立体剖面示意图。图3绘示依照图1的微机电装置沿A－A线剖面的侧视剖面示意图。图4绘示依照图1的微机电装置的立体分解示意图。

如图1及图2所示，在本实施例中，微机电装置1包括一基板10、一气压传感器11、一气体传感器12、一温度传感器13、电性绝缘层14、电性绝缘层15及集成电路16。

基板10包含一上表面101、一内底面102及一内侧面103。内侧面103环绕且连接内底面102。内底面102及内侧面103定义一凹槽10a。

气压传感器11设置于凹槽10a。气压传感器11包含一固定电极111及一可动电极112。固定电极111设置于内底面102。可动电极112设置于上表面101且覆盖凹槽10a。可动电极112、内底面102及内侧面103定义一气密空腔10b。在本实施例中，气密空腔10b可为一真空气密空腔，使气压传感器11可以量测气体的绝对压力。但不以此为限。在其他实施例中，气密空腔10b也可具有一气体，气体的气压小于微机电装置1所处环境的大气压力，使气压传感器11可以量测气体的相对压力。

在本实施例中，当可动电极112周围的环境气压发生变化时，可动电极112与固定电极111之间的一距离D1也会因而改变。通过距离D1的变化，可获得可动电极112与固定电极111之间的电容值的变化。通过对此电容值的变化进行信号处理，进而估测环境气压的变化。

另外，气体传感器12设置于气压传感器11上。气体传感器12包含一感测模块120及一加热器121。感测模块120包含至少一感应电极122及一感应材料层123。

如图3及图4所示，加热器121通过电性绝缘层14设置于可动电极112上且位于气密空腔10b上方。亦即，电性绝缘层14设置于加热器121及可动电极112之间且连接加热器121及可动电极112，使加热器121及可动电极112电性绝缘。当可动电极112朝向固定电极111移动时，通过加热器121设置于可动电极112上，加热器121可将热能直接供给可动电极112而无需额外的热传路径，故可减少热能散失。因此，当可动电极112需要在特定的恒温环境中工作时，可降低加热器121消耗的电能。

加热器121包含导电区1250及加热区1260。加热器121的加热区1260可为平面的螺旋形加热线圈。当加热器121周围的环境气压发生变化时，加热器121与固定电极111之间的一距离D2也会因而改变。如此，加热器121可随着可动电极112移动，故不会改变加热器121与可动电极112之间的热传路径。加热器121因而能将热能直接提供给可动电极112并减少热能散失，进而降低加热器121消耗的电能。

请参阅图3，加热器121的一加热区1260相对于内底面102的投影的范围R1位于内底面102的一边界范围R2内。因此，气密空腔10b得具有足够的范围涵盖加热器121的加热区1260。气密空腔10b可为良好的绝热空腔，通过其范围涵盖加热器121的加热区1260，可使加热区1260的热量不易散失而达到绝热的效果，进而降低加热器121消耗的电能。此外，为了达到最好的绝热效果，气密空腔10b可以是真空的气密空腔。

此外，气密空腔10b得具有足够的空间供可动电极112变形。因此，可动电极112与固定电极111之间的距离D1容易随环境气压的变化而变化，进而增加气压器11在感测环境气压变化时的灵敏度及感测范围。

请参阅图1及图2，气体传感器的感测模块120设置于加热器121上方且加热器121设置于感测模块120与可动电极112之间。感应电极122设置于加热器121上方且通过另一电性绝缘层15与加热器121电性绝缘。亦即，电性绝缘层15设置于加热器121及感应电极122之间，使加热器121及感应电极122电性绝缘。感应电极122可为一对交错的指叉电极。感应材料层123覆盖感应电极122。感测模块120得选用特定类型的感应材料层123，而具有特定类型的感应功能。例如，在本实施例中，感应材料层123为气体感应用的材料层，则感测模块120可具有气体感测的功能。在另一未绘示的实施例中，感应材料层123为湿度感应用的材料层，则感测模块120可具有湿度感测的功能。

由上可知，气体传感器12堆叠于气压传感器11之上，故可缩小微机电装置1的底面积(foot print area)。通过加热器121设置于感测模块120与可动电极112之间，感测模块120及气压传感器11可共享同一加热器121，故更可缩小微机电装置1的底面积。加热器121受到感测模块120的遮挡而不会暴露于大气中，如此可减少因热对流所致的热能散失，进而降低加热器121消耗的电能。

如图2所示，温度传感器13设置于气压传感器11上且温度传感器13设置于感测模块120与可动电极112之间。温度传感器13通过电性绝缘层14设置于可动电极112上且位于气密空腔10b上方。亦即，电性绝缘层14设置于温度传感器13及可动电极112之间且连接温度传感器13及可动电极112，使温度传感器13及可动电极112电性绝缘。如图4所示，温度传感器13可为平面的螺旋形热敏电阻。温度传感器13可配置成与加热器121的加热区1260相邻的螺旋形状。

通过温度传感器13设置于可动电极112上，可精准测量可动电极112的温度，以供可动电极112所测量的物理量(例如气压)进行校正，以提升物理量的测量准确度。通过温度传感器13设置于感测模块120与可动电极112之间，感测模块120及气压传感器11可共享同一温度传感器13，故可缩小微机电装置1的底面积。

如图3所示，温度传感器13至内底面102的一距离D3及加热器121至内底面102的一距离D4实质上相同且彼此电性绝缘。亦即，加热器121与温度传感器13可由相同的导电层图案化而成，因而可使用相同的微机电制作工艺制作，进而能降低制作工艺复杂度及减少制造成本。感测模块120设置于温度传感器13上方且温度传感器13设置于感测模块120与可动电极112之间。因此，温度传感器13在感测可动电极112的温度时，不会受到环境温度的干扰，进而能精确的感测可动电极112的温度。

集成电路16设置于上表面101。集成电路16分别电连接固定电极111、可动电极112、加热器121、温度传感器13及感应电极122。集成电路16可接收温度传感器13感测的一第一电性信号及固定电极111、可动电极112感测的一第二电性信号，对一气压值进行校正，以求得准确的气压值。

具体而言，集成电路16得接收来自温度传感器13的第一电性信号，例如是电阻值。集成电路16接收第一电性信号以计算环境温度的温度值。此外，集成电路16得接收来自气压传感器11的关于固定电极111与可动电极112的距离D1的第二电性信号，例如是电容值。集成电路16接收第二电性信号以计算环境气压的初始压力值。之后，集成电路16可通过所计算的温度值并利用一内建于集成电路16内的表格数据，来校正所述初始压力值，以消弭环境温度改变对第二电性信号造成的偏差。

再者，由于第二电性信号易因气压传感器11的温度的改变而造成气压测量值的偏差。因此，集成电路16可控制加热器121来对气压传感器11进行加热，使气压传感器11能在稳定的环境温度下工作。此外，集成电路16可同步接收来自温度传感器13的第一电性信号，然后通过即时温度数据的回馈，控制加热器所提供热能，使气压传感器11可在一恒温的环境下工作。由于气压传感器11的温度维持在目标温度而处于稳定的状态，故可获得较稳定的第二电性信号，以计算出较为精确的压力值。

以下描述关于感测模块120测量环境中的气体的方法。感测模块120通常具有特定的工作温度，例如是350℃。集成电路16控制加热器121对感测模块120加热，并同步接收来自温度传感器13的第一电性信号，然后通过回馈机制使感测模块120的温度达到工作温度并维持在工作温度。集成电路16接收来自感测模块120的电性信号，以求得对应于感应材料层123的气体的状态。在本实施例中，感应材料层123为用来检测外部特定气体的浓度的特定气体感应层，则集成电路16可根据来自感测模块120的感应电极122的电性信号，例如是电阻值，计算得知外部特定气体的浓度。在另一实施例中，感应材料层123为用来检测外部气体的湿度感应层，则集成电路16可根据来自感测模块120的感应电极122的电性信号，例如是电阻值，计算得知外部气体的湿度大小。

由上可知，气压传感器11及感测模块120可共同利用同一加热器121、同一温度传感器13及回馈机制而使气压传感器11稳定地维持在一特定温度或使感测模块120稳定地维持在另一特定温度。此外，气密空腔10可提供可动电极112移动的空间并可成为一绝热空腔，使加热器121所消耗的电能能有效地降低。

请参照图5，绘示依照本发明的另一实施例的微机电装置的立体示意图。在本实施例中，微机电装置2包括一基板20、一固定电极211、一可动电极212、一加热器221及电性绝缘层24。

基板20包含一上表面201、一内底面202及一内侧面203。内侧面203环绕且连接内底面202。内底面202及内侧面203定义一凹槽20a。固定电极211设置于内底面202。可动电极212覆盖凹槽20a。可动电极212、内底面202及内侧面203定义一气密空腔20b。加热器221通过电性绝缘层24设置于可动电极112上且位于气密空腔20b上方。亦即，电性绝缘层24设置于加热器221及可动电极212之间且连接加热器221及可动电极212，使加热器221及可动电极212电性绝缘。

当可动电极212周围的环境气压发生变化时，可动电极212与固定电极211之间的一距离D1会因而改变，加热器221与固定电极211之间的一距离D2也会因而改变。通过距离D1的变化，可获得可动电极212与固定电极211之间的电容值的变化。通过对此电容值的变化进行信号处理，进而估测环境气压的变化。通过加热器221将可动电极212加热至特定的温度，使可动电极212可在稳定的温度下工作，以避免环境温度的改变对电容值的测量产生误差。

通过加热器221设置于可动电极212上且随着可动电极212移动，加热器221可将热能直接供给可动电极212，且加热器221与可动电极212之间得维持最短热传路径，故可减少热能散失，进而降低加热器221消耗的电能。气密空腔20b可为良好的绝热空腔，可使加热器221所产生的热量不易散失而达到绝热的效果，进而降低加热器221消耗的电能。

综上所述，本发明的一实施例的微机电装置，利用可动电极与固定电极测量气压。在测量气压时，通过加热器将可动电极与固定电极加热至特定温度，使其温度稳定，进而提升所测量到的压力值的稳定度与准确度。此外，本发明的实施例的微机电装置中，在厚度方向，可将气体传感器(或湿度传感器)堆叠于气压传感器之上，以缩小微机电装置的底面积。此外，为了更加缩小微机电装置的底面积，气体传感器(或湿度传感器)可与气压传感器共同使用设置于气体传感器(或湿度传感器)与气压传感器之间的同一加热器及同一温度传感器。而且，气密空腔除了作为可动电极的移动空间以外，还可成为用以降低加热器所消耗的电能的绝热空腔。

Claims (19)

1.一种微机电装置，其特征在于，包括：

基板，包含：

上表面；

内底面；以及

内侧面，环绕且连接该内底面，其中该内侧面及该内底面定义凹槽；

固定电极，设置于该内底面；

可动电极，覆盖该凹槽，其中该可动电极、该内底面及该内侧面定义气密空腔；

加热器，设置于该可动电极上且位于该气密空腔上方；

温度传感器，其中该温度传感器设置于该可动电极上且位于该气密空腔上方；以及

感测模块，设置于该加热器上方且该加热器设置于该感测模块与该可动电极之间；

其中当该可动电极周围的环境气压发生变化时，该可动电极与该固定电极之间的距离也会因而改变。

2.如权利要求1所述的微机电装置，其中该可动电极设置于该上表面。

3.如权利要求1所述的微机电装置，其中该气密空腔为真空气密空腔。

4.如权利要求1所述的微机电装置，其中该加热器的加热区相对于该内底面的投影位于该内底面的边界范围内。

5.如权利要求1所述的微机电装置，其中该温度传感器至该内底面的距离及该加热器至该内底面的距离实质上相同。

6.如权利要求1所述的微机电装置，还包括电性绝缘层，其中该电性绝缘层设置于该加热器与该可动电极之间且连接该加热器及该可动电极，使该加热器及该可动电极电性绝缘。

7.如权利要求6所述的微机电装置，其中当该加热器周围的环境气压发生变化时，该加热器与该固定电极之间的距离也会因而改变。

8.如权利要求1所述的微机电装置，其中该感测模块设置于该温度传感器上方且该温度传感器设置于该感测模块与该可动电极之间。

9.如权利要求1所述的微机电装置，其中该感测模块为气体传感器或湿度传感器。

10.如权利要求9所述的微机电装置，其中该感测模块包含至少一感应电极及感应材料层，该至少一感应电极及该感应材料层设置于该加热器上方。

11.如权利要求10所述的微机电装置，还包括电性绝缘层，其中该电性绝缘层设置于该加热器与该至少一感应电极之间，使该加热器及该至少一感应电极电性绝缘。

12.如权利要求10所述的微机电装置，其中该基板还包含集成电路，设置于该上表面，该集成电路分别电连接该固定电极、该可动电极及该加热器。

13.一种微机电装置，其特征在于，包括：

基板，包含：

上表面；

内底面；以及

内侧面，环绕且连接该内底面，其中该内侧面及该内底面定义凹槽；

气压传感器，设置于该凹槽，包含：

固定电极，设置于该内底面；以及

可动电极，覆盖该凹槽，其中该可动电极、该内底面及该内侧面定义气密空腔；

气体传感器，设置于该气压传感器上，并且包含：

加热器，设置于该可动电极上且位于该气密空腔上方；

电性绝缘层，设置于该加热器与该可动电极之间；

感应电极，设置于该加热器上方且与该加热器电性绝缘；以及

感应材料层，覆盖该感应电极；以及

温度传感器，设置于该气压传感器上，其中该温度传感器设置于该可动电极上且位于该气密空腔上方，该电性绝缘层设置于该温度传感器与该可动电极之间；以及

感测模块，设置于该加热器上方且该加热器设置于该感测模块与该可动电极之间；

其中当该可动电极周围的环境气压发生变化时，该可动电极与该固定电极之间的距离也会因而改变。

14.如权利要求13所述的微机电装置，其中该可动电极设置于该上表面。

15.如权利要求13所述的微机电装置，其中该气密空腔为真空气密空腔。

16.如权利要求13所述的微机电装置，其中该气密空腔具有气体，该气体的气压小于该微机电装置所处环境的大气压力。

17.如权利要求13所述的微机电装置，其中该温度传感器至该内底面的距离与该加热器至该内底面的距离实质上相同。

18.如权利要求13所述的微机电装置，其中该基板还包含集成电路，设置于该上表面，该集成电路分别电连接该固定电极、该可动电极、该加热器、该温度传感器及该感应电极。

19.如权利要求18所述的微机电装置，其中该集成电路利用该温度传感器感测到的第一电性信号、该固定电极与该可动电极感测到的第二电性信号，以及内建于该集成电路的表格数据对压力值进行校正。