TW201249736A - MEMS device with central anchor for stress isolation - Google Patents

Description

201249736 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於微機電系統（MEMS)裝置》更具體 言之，本發明係關於一種具有用於應力隔離之一中央錫之 MEMS裝置。 【先前技術】 微機電系統（MEMS)裝置廣泛使用於諸如汽車、慣性導 引系統、家用電器、用於多種裝置之保護系統及許多其他 工業、科學及工程系統之應用中。此等MEMS裝置係用以 感測諸如加速度、壓力或溫度之一物理條件，且提供表示 所感測之物理條件之一電信號。 【發明内容】 在一實施例中，一種微機電系統（MEMS)裝置包括： 一基板； 一第一結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向外 延伸之固定指狀物，其中該本體之一中央區域係耦合至該 基板且該第一結構之其餘部分係懸吊在該基板上方； 一框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上方， 該框架結構係可移動地耦合至該第一結構，該框架結構包 含自該框架結構之一内周邊向内延伸之一可移動指狀物， 該可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物之間； 一錯元件’其延伸穿過該第一結構之該本體且耦合至該 基板；及 一信號跡線，其將該框架結構電連接至該錨元件，且該 163158.doc 201249736 框架結構、該信號跡線及該錨元件係與該第一結構電隔 離。 在另一實施例中，一種微機電系統（MEMS)裝置包括： 一基板； 一第一結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向外 延伸之固定指狀物，其中該本體之一中央區域係耦合至該 基板且該第一結構之其餘部分係懸吊在該基板上方； 一框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上方， 該框架結構係可移動地耦合至該第一結構，該框架結構包 含自該框架結構之一内周邊向内延伸之一可移動指狀物， 該可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物之間； 複數個隔離溝渠，其等延伸穿過該第一結構，其中該等 隔離溝渠之至少一者使該對固定指狀物之一第一固定指狀 物與§亥對固定指狀物之一第二固定指狀物電隔離，且該等 隔離溝渠之至少另一者使該框架結構與該第一結構電隔 離； 一錨元件，其延伸穿過該第一結構之該本體且耦合至該 基板；及 一信號跡線，其將該框架結構電連接至該錨元件，且該 框架結構、該信號跡線及該錨元件係與該第一結構電隔 離。 在一進一步實施例中，一種微機電系統（MEMS)裝置包 括： 一基板； 163158.doc • 6 · 201249736 一第一結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向外 i伸之固定指狀物’其中該本體之一中央區域係耦合至該 基板且該第—結構之其餘部分係懸吊在該基板上方，且該 第一結構進一步包含延伸穿過該本體之一孔隙； 一框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上方， 該框架結構係可移動地耦合至該第一結構，該框架結構包 含自該框架結構之—内周邊向内延伸之—可移動指狀物， 該可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物之間； 一錨疋件，其駐留在該孔隙内且延伸穿過該本體以耦合 至該基板，該錨元件經定大小使得在該錨元件之外側表面 與該本體之内侧表面之間形成一間隙區域；及 一仏號跡線，其將該框架結構電連接至該錨元件，該信 號跡線包含： 一跡線結構，其具有一絕緣層及一導電層； 一第一通孔，其在該跡線結構之一第一端處，該第一 通孔使該框架結構與該導電層電耦合；及 一第二通孔’其在該跡線結構之一第二端處，該第二 通孔使該錨元件與該導電層電耦合，且該絕緣層係插入 在該第一結構與該導電層之間使得框架結構、該信號跡 線及該錯元件與該第一結構電隔離。 【實施方式】 當結合圖式考慮時’藉由參考實施方式及申請專利範圍 可更完整地瞭解本發明，貫穿圖式，相似元件符號指代類 似項。 163158.doc 201249736 許多微機電系統（MEMS)裝置應用需要較小大小及較低 成本封裝以滿足積極進取的成本目標。此外，MEMS裝置 應用要求較低溫度偏移係數（TCO)規格。TCO係對熱應力 影響諸如一 MEMS裝置之一半導體裝置之效能之程度之一 量測。一高TCO指示對應高熱誘發應力。MEMS裝置應用 之製造及封裝通常使用具有不同的熱膨脹係數之各種材 料》因為各種材料在溫度變化存在下以不同速率膨脹及收 縮’所以MEMS裝置之主動傳感器層可歸因於不同材料之 不同尺寸變化而經歷拉伸、彎曲、翹曲及其他變形。因 此’顯著的熱應力（即，一非所要高TCO)通常在製造或操 作期間擴大。 此外，在一終端應用中，應力可起因於將所封裝之 MEMS裝置焊接在一印刷電路板上。此等封裝應力可改變 其上安裝MEMS感測器之基板之應變，從而引起偏移移位 或位移。而且，該基板可經歷某一不恆定應變，諸如跨該 基板之一表面之不均勻拉伸、彎曲或翹曲。由封裝應力及 基板應變誘發之移位可引起感測信號之變化，因此負面影 響MEMS裝置之輸出效能。 本發明之實施例需要一種MEMS裝置，其中談MEMS裝 置在很大程度上與下伏基板隔離。此隔離係藉由相對於先 前技術裝置顯著地減小元件至基板之連接及藉由將連接定 位成彼此緊密靠近且定位於該基板之一集中區域處而達 成。在一實施例中，該MEMS裝置包含藉由提供電隔離之 隔離溝渠分離之多個感測指狀物之一高縱橫比多晶矽結構 163158.doc 201249736 層。在本文稱為互連件之導電信號跡線係用以將各種感測 指狀物一起連接至相同電位。錨之集中組態及錨之最小化 數量減小跨基板之平面之應變不一致性及不規則性之不利 影響。而且，藉由使隔離溝渠與導電互連件一起使用，可 將感測指狀物放置於一交替位置中以實現針對改良靈敏度 之差動感測。因此，此一 MEMS裝置較不易受熱誘發封裝 應力梯度影響，且可易於實施為一低成本、緊湊型、差動 感測傳感器。 參考圖1及圖2，圖1示意地展示根據一實施例之一微機 電系統（MEMS)裝置20之一俯視圖。圖2展示MEMS裝置2〇 沿圖1中剖面線2-2取得之一側視圖。如在下文將論述，圖 及圖2係使用各種陰影及/或影線予以圖解說明以區分 MEMS裝£2G之結構層内產生之*同元件之導電率之路 徑。為描述清楚起見，在圖2中提供包含一說明性元件列 表及/或用以圖解說明元件之各者所特有之信號路徑之圖 案之可使用沈積、圖案化、㈣等等之當前技 術及即將到來之表面微加工技術而產生裝置之結 構層内的不同元件…匕’雖然在圖解中使用不同的陰影 及/或影線’但是該等結構層内之不同元件及互連件通常 係由相同材料（諸如多晶石卜單⑭及類似物）形成。 MEMS裝置2〇之元件（下文論述）可不同地描述為「附接 至」MEMS裝置2〇之其他兀件、與該等其他元件「附 m至」㈣其他元件'「固定至」該等其他元件 ，/、s等其他元件「互連」。然而，應瞭解該等術語指代 163158.doc •9- 201249736 MEMS裝置20之特定元件在其等透過灿奶製造之圖案化 及蝕刻程序形成期間所發生之直接或間接實體連接。 MEMS裝置20包含一基板24、一結構層26及一互連層 28。在一貫施例中，形成於結構層26中之元件包含在本文 稱為一不可移動結構30之一第一結構及在本文稱為一保證 質1 32之一框架結構。一般而言，不可移動結構3〇係錨定 至基板24使得該不可移動結構3〇被視為不可相對於基板以 移動。下文論述，相比而言，保證質量32係可移動地耦合 至不可移動結構30且因此能夠相對於不可移動結構3〇移 動。 不可移動結構30包含一本體34。在本文稱為第一固定指 狀物36及第二固定指狀物38之複數個固定樑自本體之一 外周邊40向外延伸。第一固定指狀物％及第二固定指狀物 38分別實質上平行於基板24之表面44，且經定向實質上平 行於由一箭頭41表示之Y軸。不可移動結構3〇可包含大量 交替之第一固定指狀物36及第二固定指狀物38，為圖解清 楚起見僅展示少數該等固定指狀物。圖丨中提供之省略號 指示根據特定設計要求及大小限制可存在許多交替第一固 定指狀物36及第二固定指狀物38之任一者。 本體34之一中央區域42(在圖！中藉由在一虛線框上方標 記一 Γχ」之虛線框表示）係耦合至該下伏基板24之一表面 44，其中不可移動結構30之其餘部分（包含第一固定指狀 物36及第二固定指狀物38)分別係懸吊在表面料上。mems 裝置20進一步包含在本文稱為第一互連件扑之第一信號跡 163158.doc -10- 201249736 線，該等第一信號跡線形成於使第一固定指狀物36之各者 彼此電連接且電連接至經定位靠近中央區域42之一第一錯 元件48之互連層28中。類似地，在本文稱為第二互連件％ 之第二信號跡線亦係形成於互連層28中且使第二固定指狀 物38之各者彼此電連接且電連接至經定位靠近中央區域“ 之一第二錨元件52。第一錨元件48及第二錨元件52之各者 分別延伸穿過不可移動結構3〇之本體34且耦合至該下伏基 板24之表面44。 如圖1及圖2中所示，由淡點刻陰影（Ught sUppied shading)表示本體34。此外，在相同電位連接第一固定指 狀物36、第一互連件46及第一錨元件48以形成至佈置在基 板24上之一嵌入式電連接件（不可見）之一第一信號路徑54 (由向下及向右導向窄影線表示）。在相同電位連接第二固 定指狀物38、第二互連件50及第二錨元件52以形成至佈置 在基板24上之另一嵌入式電連接件（不可見）之一第二信號 路么56(由向上及向右導向窄影線表示）。本文使用之術語 第」及「第二」並非指代在一可數系列元件内之元件 之排序或優先化。實情係，為論述清楚起見，術語「第 一」、「第二」、「第三」等等在本文係用以區分類似或相關 元件，諸如固定指狀物36及38、信號路徑54及56等等。 保證質量32係懸吊在基板24上且包圍不可移動結構3〇。 保證質量32係經由在本文稱為彈簧58(圖！中可見）之順應性 構件而耦合至不可移動結構30。保證質量32包含在本文稱 為可移動電極指狀物60之複數個可移動樑，該複數個可移 163158.doc 201249736 動樑自保證質量32之一内周邊61向内延伸。可移動電極指 狀物60經定向實質上平行於基板24之表面料，且經定向而 實質上平行於Y轴41。每一可移動指狀物6〇係分別佈置在 一對62第一固定指狀物36與第二固定指狀物38之間。 MEMS裝置20進一步包含在本文稱為第三互連件64之第 二k號跡線，該等第三信號跡線使可移動指狀物6〇之各者 彼此電連接且電連接至經定位靠近中央區域42之第三錯元 件66。在相同電位連接可移動指狀物6〇、彈簧兄、第三互 連件64及第三錨元件66以形成至佈置在基板24上之嵌入式 電連接件（不可見）之一第三信號路徑68(由較濃點刻陰影表 示）。如在下文將詳細論述，MEMS裝置20之結構使第一信 號路徑54、第二信號路徑56及第三信號路徑⑽之各者分別 彼此電隔離。 在所圖解說明之實施例中，MEMS裝置20可為具有電容 感測能力之一加速度計。一般而言，彈簧58使保證質量32 在平行於基板24之一中性位置中懸吊在基板24上方，直到 力之選擇性施加（歸因於一些其他構件）引起保證質量撓 曲或移動。舉例而言，MEMS裝置20之保證質量32在 MEMS裝置20經歷實質上平行於一 乂軸7〇之加速度時移 動。如熟習此項技術者所知，可藉由與保證質量32之可移 動電極指狀物60之一者交錯之每一對62第一固定電極指狀 物3 6及第一固定電極指狀物3 8而债測保證質量3 2相對於X 軸70之橫向移動。此橫向移動隨後可經由電子器件（未展 示）轉換為具有取決於加速度之一參數量值（例如，電壓、 163158.doc -12- 201249736 電流、頻率等等）之一信號。在此實例中，MEMS裝置20可 為用於偵測在X方向7 〇上之橫向移動之一單軸加速度計。 然而’替代性實施例可需要雙轴加速度計或其他感 測裝置。 具有第一固定指狀物36及第二固定指狀物38之不可移動 結構30及具有可移動指狀物6〇之保證質量32係形成於結構 層26中。結構層26可為（例如）具有介於（例如）2微米與5〇微 米之間之一高度72之一多晶矽層。在一實施例中，高度72 可為約25微米。此外’指狀物36、38及60在第一固定指狀 物36及第二固定指狀物38之各者之間展現一寬度74及間隙 76’且對應可移動指狀物6〇展現一寬度78 ^寬度74及可 小於5微米（例如，約2微米）。高度72及寬度74及78較佳係 藉由應用及所要靈敏度判定。 當指狀物36、38及60之寬度74為約2微米時，樑36、38 及60在此例示性實施例中具有一高縱橫比（高度72對寬度 74之一比率）i2:1。同樣，當寬度78為約2微米時’可移動 指狀物60與第一固定指狀物36及第二固定指狀物38之間之 間隙76具有12:1之一高縱橫比（高度72對寬度78之比率）。 該高縱橫比提供可移動指狀物6〇與第一固定指狀物36及第 二固定指狀物38之間之一增加表面積，且因此提供一較大 感測電容》所增加之感測電容亦提供一增加信雜比。此 外’不可移動結構30與保證質量32之高垂直縱橫比產生一 相對較大的質量及較大的慣性矩，且因此產生減小熱雜 訊0 163158.doc -13- 201249736 在-實施例中，Μ簡裝置2G包含完全延伸穿過多晶石夕 結構層26之高度72之隔離溝渠8Qe隔離溝渠⑽可形成於不 可移動結構30之本體34之相對端處。彈簧58係橫向錯定至 ㈣溝渠80之至少-者。此外’隔離溝渠8〇可沿本體Μ 外周邊4〇而形成（最好參見圖3)。因此，第一固定指狀物％ 及第二固定指狀物38之各者分別係橫向錨定至隔離溝渠8〇 之至少一者。隔離溝渠80係用一絕緣材料“填充。在一實 施例中，此絕緣材料82可為(例如)諸如氮化石夕之氮化物或 諸如氧化矽之氧化物。因此’隔離溝渠8〇使第一固定指狀 物36、第二固定指狀物38及可移動指狀物⑼彼此電隔離。 在所圖解說明之實施例中，隔離環84分別包圍第一錨元 件48第一鈿元件52及第三錨元件66之各者。如隔離溝渠 8〇，隔離環84係用諸如氮化矽之絕緣材料82填充。因此， 隔離環84使錨元件48、52及66與不可移動結構3〇之本體34 電隔離。隔離溝渠80及隔離環84之絕緣材料82係由向下及 向右導向寬影線表示。 此外’隔離溝渠80可提供一橋接以支援MEMS裝置20之 特疋元件之間之電接觸。例如，保證質量32係經由彈簧58 及諸如第三互連件64之電信號跡線而電連接至第三錨元件 66 °更具體言之’第三互連件64包含具有一絕緣層86及一 導電層88之一跡線結構。絕緣層86係由絕緣材料82形成。 因此’絕緣層86亦係由向下及向右導向寬影線表示。 該跡線結構之一第一端92處之一第一通孔90使保證質量 32與導電層88電耦合。上覆於第三錨元件66之跡線結構之 163158.doc • 14- 201249736 一第一^端9 6處之—第-*z丨η λ A*· —通孔94使下伏錯元件66與導電層88 電编合。然而，不可蒋叙任 移動、，·〇構30係藉由隔離溝渠8〇及隔離 環84以及插入在本體34盥 ，、乐—互連件64之導電層88之間之 絕緣層8 6而與導電路徑隅雜笛 _ .,. 〆 崎杬隔離第一互連件46及第二互連件 5 0係類似地形成，且α π— 橋接適虽隔離溝渠80及隔離環84以提 供所需電連接。 圖3展示MEMS裝置20之一部分之一透視圖。更特定言 之，圖3展#包含兩個第一固定指狀物似一個第二固定 指狀物38之不可移動結構3〇之一部分。在此實例中，隔離 溝渠80係沿本體34之外周邊4〇形成，且第一固定指狀物刊 及第一固定指狀物38之各者分別係橫向錨定至隔離溝渠8〇 之至少一者。如所示，額外的隔離溝渠8〇亦可延伸穿過本 體34以使第一固定指狀物3 6及第二固定指狀物38進一步電 隔離。 在圖3中’電連接件98橋接第一固定指狀物36及第二固 定指狀物3 8橫向錫定至之隔離溝渠8〇 ^電連接件98之各者 包含絕緣層86、導電層88'第一通孔9〇(由一矩形表示）及 第二通孔94(由一矩形表示）。形成自第一固定指狀物36及 第二固定指狀物38之一者通過第一通孔90、通過橋接隔離 溝渠80之導電層88、通過通孔94且至藉由本體34中之額外 隔離溝渠80隔離之本體34之一部分之一導電路徑。 圖3進一步分別展示第一互連件46及第二互連件50之一 部分。第一互連件46包含通孔100(由矩形表示），且第二互 連件50包含通孔102(由矩形表示）》如先前所述，第一互連 163158.doc -15- 201249736 件46及第二互連件5〇之各者包含插入在本體“與各自第一 互連件46及第二互連件5〇之間之絕緣層86。通孔丨〇〇及1〇2 表不其中缺少或以.其他方式破壞下伏絕緣層86之該等位 置。因此，通孔1〇〇使第一固定指狀物36之各者電耦合至 第一互連件46，而相鄰第二固定指狀物38與第一固定指狀 物36電隔離。同樣，通孔1〇2使第二固定指狀物38之各者 電耦合至第二互連件50,而相鄰第一固定指狀物36與第二 固定指狀物38電隔離。 圖4展示根據另一實施例裝置2〇之一部分之一 放大俯視圖》如所示，自保證質量32延伸之可移動指狀物 60之一者係佈置在每一對62第一固定指狀物刊及第二固定 指狀物38之間。在此實例中，隔離溝渠8〇並非沿本體“之 外周邊40形成，且第一固定指狀物36及第二固定指狀物38 之各者並非分別橫向錨定至隔離溝渠8〇之至少一者。實情 係，延伸穿過本體34之隔離溝渠80使第一固定指狀物36及 第二固定指狀物38電隔離。具有通孔1〇〇之第一互連件46 使第一固定指狀物36之各者彼此電耦合。同樣，具有通孔 102之互連件5〇使第二固定指狀物38之各者彼此電耦合。 圖5展示MEMS裝置20之一部分之另一放大俯視圖。再 者，自保證質量32延伸之可移動指狀物6〇之一者係佈置在 每一對62第一固定指狀物36及第二固定指狀物％之間。隔 離溝渠80係沿本體34之外周邊4〇形成，使得第一固定指狀 物36及第二固定指狀物38之各者分別橫向錨定至隔離溝渠 80之至少一者。在此實例中，隔離溝渠8〇下伏於第一互連 163158.doc • 16 · 201249736 件46及第二互連件5〇以對互連件46及5〇提供一橋接。此 外，隔離溝渠80係耦合至第一固定指狀物36及第二固定指 狀物38以對不可移動結構30提供機械剛度。 電連接件104橋接隔離環84以使第一互連件46與第一錨 元件48電耦合。同樣，電連接件1〇6橋接隔離環84以使第 二互連件50與第二錨元件52電耦合。 可使用表面微加工技術產生具有懸吊式不可移動結構3〇 及保證質量32且具有藉由提供電隔離之隔離溝渠8〇分離之 多個感測指狀物36及38之一高縱橫比多晶矽結構層26(圖 之MEMS裝置20广一表面微加工技術可需要根據已知及即 將到來的技術沈積、圖案化及蝕刻各種絕緣層、犧牲層、 多晶矽層及互連層等等。特定言之，可使用用於厚膜沈積 之各種已知及即將到來的程序形成結構層26(圖”。接著， 可藉由使用（例如）多晶矽深反應性離子蝕刻（DRIE)蝕刻通 過結構層26之整個厚度以形成延伸穿過結構層26之開口而 在結構層26中形成隔離溝渠8〇。接著，可在一或多個操作 中沈積諸如氮化物之絕緣材料82(圖2)以完全填充該等開 口 〇 接著，可在結構層26之頂表面上方沈積絕緣層86以使結 構層26之各個區域彼此電絕緣。可藉由蝕刻移除絕緣層％ 以根據MEMS裝置20之特定設計及功能而形成各種通孔 90、92、100、102。接著，可在絕緣層82上方沈積導電材 料以填充通孔90、92、100及102 ^該導電材料可為摻雜 矽、摻雜鍺或各種金屬（即，鋁、銅、鉬、鈕、鈦、錄、 163158.doc •17· 201249736 鎢）之一者或任何其他合適的導電材料。接著，適當地圖 案化並触刻該導電材料以產生包含信號跡線（例如，第一 互連件46、第二互連件50及第三互連件64)以及電連接件 98之互連層28(圖1)。接著，執行触刻以移除適當的犧牲 層’使得不可移動結構30及保證質量32懸吊在基板24上， 其中剩餘連接點係在中央區域42(圖1)及錨元件48、52及66 (圖1)處。因此’根據MEMS裝置20之一特定設計，保證質 量32及可移動電極指狀物60現在係可移動地懸吊，但是經 由隔離溝渠80而與不可移動結構30之元件電隔離。 圖6展示根據一替代性實施例之MEMS裝置20之一錨區 域108之一俯視圖^ MEMS裝置20係在上文予以描述，其 中第一銘元件48及第二錫元件52之各者延伸穿過不可移動 結構30之本體34並耦合至下伏基板24。隔離環84(圖2)填充 錨元件48及52之各者與本體34之包圍部分之間之一間隙以 在該等錨元件48或52與本體34之間提供電隔離。 錨元件48及52歸因於（例如）基板24在錯元件48及52耦合 至基板24之位置之變形而可相對於本體34移動。此變形可 導致應力強加在不可移動結構30之本體34上。在此替代性 實施例中’包含一應力消除特徵以減輕歸因於應力之問 題。此替代性實施例係結合第二錨元件52予以描述。然 而，下列論述同樣適用於第一錨元件48。 第二錯元件52駐留在延伸穿過本體34之一孔隙11 〇中。 第二錨元件52經定大小使得在第二錨元件52之外側表面 Π4與本體34之内側表面U6之間形成一間隙區域112。如 163158.doc *18- 201249736 圖6中所示，下伏基板24(由一點刻圖案表示）係透過間隙區 域112可見。一順應式構件〗丨8駐留在間隙區域j〗2中且在 第一錫元件5 2與本體3 4之間互連。順應式構件！丨8使第二 錨元件52能夠歸因於（例如）基板24之變形而獨立於本體34 移動，使得應力並未轉移至不可移動元件3〇之本體34。 一電連接件120包含電耦合至第二固定指狀物38之通孔 102 ^此外，電連接件12〇包含電耦合至順應式構件ιΐ8之 通孔122以提供第二固定指狀物38與第二錫元件52之電 輕合。 圖7展示MEMS裝置20之另一錨區域124之一俯視圖。分 別如第一錨元件48及第二錨元件52，第三錨元件66係在上 文予以提呈，其中隔離環84(圖2)填充第三錨元件66之各者 與本體34之包圍部分之間之一間隙以提供電隔離。然而， 如i曰元件48及52，錨元件66亦可相對於本體34移動，從而 導致應力強加在不可移動結構之本體34上。此替代性實施 例亦包含一應力消除特徵以減輕歸因於應力之問題。此應 力消除特徵同樣適用於第三錨元件66之兩者。 第三錯元件66駐留在延伸穿過本體34之一孔隙126中。 第三錨元件66經定大小使得在第三錨元件66之外側表面 130與本體34之内側表面116之間形成一間隙區域128。如 圖7中所不，下伏基板24(由一點刻圖案表示）係透過間隙區 域128可見。一順應式構件132駐留在間隙區域128中。順 應式構件132係實體且電連接至第三錨元件66及第三互連 件64之各者。第三互連件64延伸至形成於本體34中之隔離 163158.doc -19- 201249736 溝渠80且與該等隔離溝渠8〇耦合。因此，第三互連件以係 耦合至本體34但與本體34電隔離。順應式構件132使第三 錨元件66能夠歸因於（例如）基板24之變形而移動，使得應 力並未轉移至不可移動元件3〇之本體34。 圖8展示根據另一實施例之一 MEMS裝置134之一俯視 圖。MEMS裝置134類似於MEMS裝置2〇(圖丨）。因此，為 MEMS裝置20及134之兩者所共有的元件共用相同的元件 符號。例如，MEMS裝置20包含具有本體34之不可移動結 構30以及自本體34之外周邊4〇向外延伸之第一固定指狀物 36及第二固定指狀物38。本體34之中央區域42係耦合至下 伏基板24(由一點刻圖案表示），其中不可移動結構％之其 餘部分（包含第一固定指狀物36及第二固定指狀物38)分別 懸吊在表面44上。第一信號跡線（即，第一互連件46)使第 一固定指狀物36之各者彼此電耦合且電耦合至經定位靠近 中央區域42之第一錨元件48。類似地’第二信號跡線 (即，第二互連件50)使第二固定指狀物38之各者彼此電耦 合且電耦合至經定位靠近中央區域42之第二錨元件52。 在本文稱為一保證質量136之一框架結構係懸吊在基板 24上且包圍不可移動結構3〇。保證質量136係經由第一彈 簧138及第二彈簧140耦合至不可移動結構30。一對隔離溝 渠142延伸穿過保證質量136以形成保證質量136之一第一 質量區段144及一第二質量區段146 ^第一質量區段144及 第二質量區段146係實體連接以產生保證質量136之框架結 構，但是歸因於包含隔離溝渠142而彼此電隔離。在本文 163158.doc •20- 201249736 稱為一第一可移動指狀物148之一第一組可移動樑自第一 質量區#又144之一第一内周邊15〇向内延伸，且在本文稱為 一第二可移動指狀物152之一第二組可移動樑自第二質量 區段146之一第二内周邊154向内延伸。可移動指狀物148 及152之各者係分別佈置在一對62第一固定指狀物％及第 二固定指狀物38之間。 MEMS裝置134進一步包含在本文稱為第三互連件156之 第二仏號跡線’該等第三信號跡線使第一可移動指狀物 148之各者彼此電轉合且電搞合至經定位靠近中央區域42 之一第二錫元件158。在本文稱為第四互連件16〇之第四信 號跡線使第二可移動指狀物1 5 2之各者彼此電耦合且電耦 合至經定位靠近中央區域42之一第四錨元件162。第三錨 元件158及第四錨元件162分別彼此電隔離。因此，在相同 電位連接第一質量區段144之第一可移動指狀物148、第一 彈簧138、第二互連件156及第三錯元件158以形成至佈置 於基板24上之嵌入式電連接件（不可見）之一第三信號路徑 164 »然而，在相同電位連接第二質量區段H6之第二可移 動指狀物152、第二彈簧140、第四互連件16〇及第四錨元 件以形成至佈置於基板24上之嵌入式電連接件（不可見）之 一第四信號路徑166。 MEMS裝置20(圖1)係具體實施為一單端半橋式組態。一 般而言’可藉由驅動MEMS裝置20之固定指狀物3 6及38之 各者及將可移動指狀物60(圖1)視為輸出來量測電容之變 化。相比而言，MEMS裝置134之結構使第一信號路徑 163158.doc -21 - 201249736 54、第二信號路徑56、第三信號路徑164及第四信號路徑 166之各者分別彼此電隔離。因此，memS裝置134係一全 差動傳感器。一全差動全橋式電容感測器（諸如MEMS裝置 134)之靈敏度可約為半橋式拓撲之靈敏度之兩倍。因此， 可就改良信雜比達成顯著增益。 結合圖8參考圖9’圖9展示用於MEMS裝置134之一電路 圖168。更特定言之，電路圖168表示MEMS裝置134之全 橋式組態之電容輸出170、△(：。在MEMS裝置134之全差動 全橋式電容組態中，電容輸出170係展示為Cmici、Cwu ' Cwc2及CMH：2之4個電容之一函數。 總之，諸實施例需要一種MEMS裝置，其中該MEMS裝 置在很大程度上與下伏基板隔離。此隔離係藉由懸吊固定 電極指狀物及可移動保證質量而達成，藉此相對於先前技 術裝置顯著地減小元件至基板之連接。此外，連接點係彼 此緊密靠近且接近基板之中央區域。錨之集中組態及錨之 最小化數量減小跨基板之平面之應變不一致性及不規則性 (封裝應力）對MEMS裝置之不利影響。而且，MEMS裝置 係連接在包含藉由用於電隔離之隔離溝渠分離之多個感測 指狀物之一結構層之一機械件中。導電互連件係用以將各 種感測指狀物一起連接至相同電位。藉由使隔離溝渠與導 電互連件一起使用，可將感測指狀物放置於一交替位置中 以實現針對改良靈敏度之差動感測。因此，此一中央錯定 MEMS裝置較不易受熱誘發封裝應力梯度影響，且可易於 貫施為一低成本、緊湊型、差動感測傳感器。 163158.doc -22- 201249736 雖然已詳細圖解說明並描述本發明之較佳實施例，但是 熟習此項技術者應容易明白在不脫離本發明之精神或不脫 離隨附申請專利範圍之範疇之情況下可在本發明中作出各 種修改。 【圖式簡單說明】 圖1示意展示根據一實施例之一微機電系統（MEMS)裝置 之一俯視圖； 圖2展示該MEMS裝置沿圖1中之線2-2取得之一側視圖； 圖3展示該MEMS裝置之一部分之一透視圖； 圖4展示該MEMS裝置之一部分之一放大俯視圖； 圖5展示該MEMS裝置之一部分之一放大俯視圖； 圖6展示該MEMS裝置之一錨區域之一俯視圖； 圖7展示該MEMS裝置之另一錨區域之一俯視圖； 圖8展示根據另一實施例之一 MEMS裝置之一俯視圖； 圖9展示用於圖8之MEMS裝置之一電路圖。 【主要元件符號說明】 2 中剖面線 20 微機電系統（MEMS)裝置 24 基板/下伏基板 26 結構層/多晶矽結構層 28 互連層 30 不可移動結構/不可移動元件 32 保證質量 34 本體 36 第一固定指狀物/樑 163158.doc -23- 201249736 38 40 41 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 61 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 第二固定指狀物/樑 本體之外周邊 Y軸 中央區域 下伏基板之表面 第一互連件 第一錯元件 第二互連件 第二錨元件 第一信號路徑 第二信號路徑 彈簧 可移動電極指狀物/可移動指狀物/樑 保證質量之内周邊 固定指狀物對 第三互連件 第三錨元件 第三信號路徑 X軸 高度 寬度 間隙 寬度 隔離溝渠 163158.doc •24- 201249736 82 絕緣材料 84 隔離環 86 絕緣層 88 導電層 90 第一通孔 92 跡線結構之第一端 94 第二通孔 96 跡線結構之第二端 98 電連接件 100 通孔 102 通孔 104 電連接件 106 電連接件 110 孔隙 112 間隙區域 114 第二錨元件之外側表面 116 本體之内側表面 118 順應式構件 120 電連接件 122 通孔 124 錯區域 126 孔隙 128 間隙區域 130 第三錨元件之外側表面 •25- 163158.doc 201249736 132 順應式構件 134 微機電系統（MEMS)裝置 136 保證質量 138 第一彈簧 140 第二彈簣 142 隔離溝渠 144 第一質量區段 146 第二質量區段 148 第一可移動指狀物 150 第一質量區段之第一内周邊 152 第二可移動指狀物 154 第二質量區段之第二内周邊 156 第三互連件 158 第三錨元件 160 第四互連件 162 第四錨元件 164 第三信號路徑 166 第四信號路徑 168 電路圖 170 電容輸出 163158.doc -26-

Claims (1)

1. 201249736 七、申請專利範圍： 1. 一種微機電系統（MEMS)裝置，其包括： 一基板； 一第一結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向 • 夕卜延伸之固定指狀物’其中該本體之-中央區域係耦合 至該基板且該第一結構之其餘部分係懸吊在該基板上 方； 一框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上 方，該框架結構係可移動地耦合至該第一結構，該框架 結構包含自該框架結構之一内周邊向内延伸之一可移動 指狀物，該可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物 之間； 一錨元件，其延伸穿過該第一結構之該本體且耦合至 該基板；及 一信號跡線，其將該框架結構電連接至該錨元件，且 該框架結才冓、該錢跡線及該鋪元件係與該第一結構電 隔離。 2. 如請求項1之MEMS裝置，其中該對固定指狀物包含一第 • 一固定指狀物及一第二固定指狀物，且該MEMS裝置進 . —步包括延伸穿過該第—結構之至少-隔離溝渠，該至 少一隔離溝渠使該第一固定指狀物與該第二固定指狀物 電隔離。 3. 如請求項2之MEMS裝置，其中該錨元件係一第一錨元 件，該信號跡線係一第一信號跡線，且該MEMS裝置進 163158.doc 201249736 一步包括： 第一錯元件，其靠近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板； 第一信號跡線，其將該第一固定指狀物電連接至該 第二錦元件； 一第三錨元件，其靠近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板；及 第二信號跡線，其將該第二固定指狀物電連接至該 第三錨元件，其中該第三錨元件及該第三信號跡線係與 該第二錨元件及該第二信號跡線電隔離。 4.如請求項3之MEMS裝置，其中： 該第一結構包含自該本體之該外周邊向外延伸之多對 該等固定指狀物； 該框架結構包含自該框架結構之該内周邊向内延伸之 多個可移動指狀物，該等可移動指狀物之各者係佈置在 該等固定指狀物之該多對之一對之間。 該第二信號跡線將該等固定指狀物對之各者之該第一 指狀物電連接至該第二錨元件；及 該第三信號跡線將該等固定指狀物對之該各者之該第 二指狀物電連接至該第三錨元件。 5·如請求項1之MEMS裝置，其進一步包括隔離溝渠，該等 隔離溝渠在該本體與該等固定指狀物之間延伸穿過該第 一結構使得該等固定指狀物之各者橫向錨定至該等隔離 溝渠之一者，該等隔離溝渠包含一絕緣體材料。 163158.doc 201249736 6. 如請求項5之MEMS裝置，其進一步包括： 第麵元件，其靠近該中央區域而延伸穿過該本體 且耦合至該基板； 第一知元件，其罪近該中央區域而延伸穿過該本體 麵&至該基板，該第二錯元件係與該第二錯元件電隔 離； 第一電連接件，其上覆於該等隔離溝渠之至少—者 且將5亥對固定指狀物t _第一指狀物電連接至該第二錯 元件；及 一第二電連接件，其上覆於該等隔離溝渠之另一者且 將該對固足才曰狀物《一第二指狀物電連接至該第三鋼元 件，該第二電連接件係與該第一電連接件電隔離。 7. 如請求項1之MEMS裝置，其進一步包括插入在該第—結 構與該框架結構之間之至少一隔離溝渠，該隔離溝渠使 該框架結構與該第一結構電隔離。 8_如請求項1之MEMS裝置，其中該信號跡線包括： 一跡線結構’其具有一絕緣層及一導電層； 一第一通孔，其在該跡線結構之一第一端處，該第一 通孔使該框架結構與該導電層電耦合；及 一第二通孔，其在該跡線結構之一第二端處，該第二 通孔使該錨元件與該導電層電耦合，且該絕緣層係插入 在該第一結構與該導電層之間。 9 ·如請求項1之MEMS裝置，其中該第一結構包含延伸穿過 該本體之一孔隙’且該錨元件駐留在該孔隙内且經定大 163158.doc 201249736 小使得在該錫元件之外側表面與該本體之内側表面之間 形成一間隙區域。 10. 如請求項9之MEMS裝置，其進一步包括駐留在該間隙區 域中且在該錨元件與該第一結構之該本體之間互連之一 順應式構件，該順應式構件係電連接至該錨元件及該信 號跡線之各者，且該順應式構件係與該第一結構之該本 體電隔離。 11. 如請求項1之MEMS裝置，其進一步包括包圍延伸穿過該 本體之該錨元件之一隔離環，該隔離環使該錨元件與該 第一結構電隔離。 12. 如請求項1之MEMS裝置，其中該對固定指狀物係—第一 對固定指狀物，該等固定指狀物包含一第二對固定指狀 物，該可移動指狀物係一第一可移動指狀物，且該框架 結構進一步包括： 隔離溝渠，其等延伸穿過該框架結構以形成該框架結 構之-第-質量區段及H量區段，該第二質量區 段係藉由該等隔離溝渠與該第一質量區段電隔離，該第 -可移動指狀物自該第一質量區段之該内周邊向内延 伸；及 -第二可移動指狀物’其自該第二質量區段之該内周 邊向内延伸’該第二可移動指狀物係佈置在該第二對固 定指狀物之間》 13. —種微機電系統（MEMS)裝置，其包括. 一基板； 163158.doc -4- 201249736 第結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向 外延伸之W指狀物，其中該本體之—中央區域絲合 至該基板且該第—結構之其餘部分係懸吊在該基板上 方； 框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上 方’該框架結構係可移動地耦合至該第一結構，該框架 =構包含自該框架結構之—内周邊向内延伸之—可移動 ，物°亥可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物 之間； 複數個隔離溝渠，其等延伸穿過該第一結構，其中該 等隔離溝渠之至少一者使該對固定指狀物之一第一固定 指狀物與該對固定指狀物之一第二固定指狀物電隔離， 且該等隔離溝渠之至少另一者使該框架結構與該第一結 構電隔離； 一錨元件，其延伸穿過該第一結構之該本體且耦合至 該基板；及 一信號跡線’其將該框架結構電連接至該錨元件，且 該框架結構、該信號跡線及該錨元件係與該第一結構電 隔離。 14.如請求項13之MEME裝置，其中該錨元件係一第一錯元 件，該信號跡線係一第一信號跡線，且該MEMS裝置進 一步包括： —第二錨元件，其靠近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板； 163158.doc 201249736 第、號跡 '線，其將該第一固定指片大物電連接至該 第二錨元件； 第—錨元件，其靠近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板；及 -第三信號跡線’其將該第二固定指狀物電連接至該 第一錨7L件，其中該第三錨元件及該第三信號跡線係與 該第二錨元件及該第二信號跡線電隔離。 15. 如請求項132MEME裝置’其中該等隔離溝渠之該至少 者在該本體與該等固定指狀物之間延伸穿過該第一結 構，使得該等固定指狀物之各者橫向錨定至該等隔離溝 渠之一者。 16. 如請求項13之MEME裝置，其中該對固定指狀物係一第 一對固疋指狀物’該等固定指狀物包含一第二對固定指 狀物，該可移動指狀物係一第一可移動指狀物，且該框 架結構進一步包括： 隔離溝渠，其等延伸穿過該框架結構以形成該框架結 構之一第一質量區段及一第二質量區段，該第二質量區 段係藉由該等隔離溝渠與該第一質量區段電隔離，該第 一可移動指狀物自該第一質量區段之該内周邊向内延 伸；及 一第二可移動指狀物’其自該第二質量區段之該内周 邊向内延伸’該第二可移動指狀物係佈置在該第二對固 定指狀物之間》 17.如請求項16之MEME裝置，其中該錨元件係一第一錨元 163158.doc •6· 201249736 件，該信號跡線係一第一彳§號跡線，且該mems裝置進 一步包括： 一第一錫元件’其靠近S亥中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且輛合至該基板； 一第二信號跡線，其將該第一固定指狀物及該第二對 固疋指狀物之一第二固定指狀物之各者電連接至該第一 錨元件； 一第二錯元件，其罪近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板；及 一第三信號跡線，其將該第二固定指狀物及該第二對 固定指狀物之一第四固定指狀物之各者電連接至該第三 錨元件，其中該第三錨元件及該第三信號跡線係與該第 二錨元件及該第二信號跡線電隔離。 18. —種微機電系統（MEMS)裝置，其包括： 一基板； 一第一結構，其包含一本體及自該本體之一外周邊向 外延伸之固定指狀物，其中該本體之一中央區域係耗合 至該基板且該第一結構之其餘部分係懸吊在該基板上 方，且該第一結構進一步包含延伸穿過該本體之一孔 隙； 一框架結構，其包圍該第一結構且懸吊在該基板上 方，該框架結構係可移動地搞合至該第一結才籌該框架 、、’。構自該框架結構之一内周邊向内延伸之一可移動 指狀物，該可移動指狀物係佈置在一對該等固定指狀物 163158.doc 201249736 之間； 一錯元件’其駐留在該孔隙内且延伸穿過該本體以耦 合至該基板’該錨元件經定大小使得在該錨元件之外側 表面與該本體之内側表面之間形成一間隙區域；及 一信號跡線’其將該框架結構電連接至該錨元件，該 信號跡線包含： 一跡線結構，其具有一絕緣層及一導電層； 一第一通孔’其在該跡線結構之一第一端處，該第 一通孔使該框架結構與該導電層電耦合；及 一第二通孔’其在該跡線結構之一第二端處，該第 二通孔使該錨元件與該導電層電耦合，且該絕緣層係 插入在該第一結構與該導電層之間，使得框架結構、 該信號跡線及該錨元件係與該第一結構電隔離。 19.如請求項18之MEMS裝置，其進一步包括駐留在該間隙 區域中且在該錨元件與該第一結構之該本體之間互連之 一順應式構件，该順應式構件係電連接至該猫元件及該 信號跡線之各者，且該順應式構件係與該第一結構電隔 離。 20·如請求項18之MEMS裝置，其中該錫元件係一第一錫元 件，該信號跡線係一第一信號跡線，且該MEMS裝置進 一步包括： 至少一隔離溝渠’其延伸穿過該第一結構，該至少一 隔離溝渠使該對固定指狀物之一第一固定指狀物與一第 二固定指狀物電隔離； 163158.doc -8 · 201249736 第一細元件，其靠近s亥中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板； 一第二信號跡線，其將該第一固定指狀物電連接至該 第二錨元件； •一第二錯元件’其靠近該中央區域而延伸穿過該第一 結構之該本體且耦合至該基板；及 一第三信號跡線，其將該第二固定指狀物電連接至該 第三錯元件’其中該第三錨元件及該第三信號跡線係與 該第二錨元件及該第二信號跡線電隔離。 163158.doc