TW201534554A - 具有動作限制器之微機電結構 - Google Patents

Abstract

一種微機電結構，其包括一包括有一第一元件表面的第一元件，及一包括有一第二元件表面的第二元件，以及一介於該第一元件表面及該第二元件表面之間的元件間隙。該第一元件及該第二元件中的至少一個為可活動式的。該等第一及第二元件表面中的一個包括一凸出接觸表面，且該等第一及第二元件表面中的另一個包括一凹入接觸表面。

Description

具有動作限制器之微機電結構

本案發明是有關一種微機電裝置，且特別是有關如獨立項申請專利範圍之前言中所界定的一種微機電結構及一種微機電裝置。

微機電系統，或MEMS可被界定為其中至少某些元件是具有一機械式機能之小型化的機械式或機電式系統。MEMS結構可被應用來快速及精確地檢測出在物理特性中之非常小的改變。

動作限制器常被用在微機電結構中，以控制在一裝置中之一可活動式結構所能位移之最大的距離。動作限制器的另一目的為，如果一MEMS之一可移動部件由於一突發的高加速情況而和一被錨定的部件碰撞時，以一受控的方式消散能量。此種情況可例如是發生在一裝置意外地掉落在一製造線的地板上時。介於部件之間的設計距離在元件測試期間亦被接近。

在撞擊中，一動作限制器的主要目的，常藉由防止結構之易碎點，例如尖銳角或窄樑，碰觸其他的表面，以保護該裝置免於破裂。然而，該動作限制器本身亦可能會破裂，如果其不夠堅固耐用。一動作限制 器的堅固耐用性可被提高，例如是藉由在該整個結構上面施加一層硬的塗層，或是藉由增加介於該等接觸表面之間的接觸面積。塗層的使用僅限於有限數目的情況，且當該等接觸本體被設計用於在一單一結構層中側向地移動時，無法被方便地應用。另一方面，增加介於該等表面之間的接觸面積，會增加介於該等接觸表面之間黏著的風險。

傳統上，一側向動作限制器係由一表面所構成，該表面係自其周遭局部地隆起。此一設計的接觸表面在形狀傳統上係為平的或凸的。

具有一平的接觸表面的設計，在該等接觸本體的相對運動係垂直於該動作限制器之該表面且該等接觸本體並未側向地傾斜時，給予了一防止破裂之好的保護。然而，如果該等本體以一角度接觸，則該接觸表面的面積被大大地減小，而該動作限制器之破裂的風險被增加了。

凸形狀之動作限制器的使用，減少了對在該接觸角度上之該接觸面積的依賴。然而，該可取得之面積變成相當地小，除非該限制器表面的曲弧半徑被做成非常地大，而此在大部分的情況中是不實際的。

本案發明的目的為提供一種用於微機電系統之有效及堅固的動作限制器機構。本案發明的該等目的是以依據本案之獨立項申請專利範圍之具特徵性的部分之一種微機電結構及一種微機電裝置被達成。

該等申請專利範圍界定一種微機電結構，其包括一包括有一第一元件表面的第一元件，及一包括有一第二元件表面的第二元件，以及一介於該第一元件表面及該第二元件表面之間的元件間隙。至少該第一元 件及該第二元件中的一個為可活動式的。該等第一及第二元件表面中的一個包括一凸出接觸表面，及該等第一及第二元件表面中的另一個包括一凹入接觸表面。

該等申請專利範圍亦界定一種包括該微機電結構的微機電裝置。本案發明之有利的實施例係揭示在本案之附屬項申請專利範圍中。

本案發明界定有一種結構，其提供在動作限制器之配對件上之匹配或幾近匹配的曲弧表面。該結構的一個表面是凸的，及另一個表面是凹的。該結構提供具有元件空間的最佳使用之提高的機械強度。

本案發明的其他優點以隨後之實施例被更詳細地討論。

以下，本案發明將參考隨附圖式以較佳實施例被更詳細地說明，其中：圖1顯示可應用於慣性感測之一習知微機電結構的一區段；圖2a顯示一微機電結構之一實施例的一區段；圖2b顯示圖2a之該區段的一放大詳細視圖；圖3A至3C圖示說明本案發明之另一實施例的詳細視圖；圖4圖示說明包括該微機電結構之一微機電裝置的諸元件。

以下之實施例為範例式。雖然本案說明書可有關「一」、「一個」或「一些」實施例，但此不必要是指各個此些參考是指相同的實施例， 或是該特徵僅用於單一的實施例。不同實施例的單獨特徵是可被結合來提供其他的實施例。

以下，本案發明的特徵會以本案發明之各種不同的實施例可被實施於其中之一種裝置架構的一簡單範例做說明。僅有相關用於說明該等實施例之元件會被詳細地說明。熟習相關技術者通常已知之微機電結構的各種實施於此可能不會被特別地說明。

圖1顯示一可應用於慣性感測之習知微機電結構的一區段。為了產生待被轉換成信號之機械能量，一微機電結構包括至少一可活動式元件100。一可活動式元件100於此是指藉由一懸置彈性結構被懸置於一支撐件，且可相對該支撐件移動的一結構性個體。該可活動式元件100典型地係被懸置成，在正常的情況下，其移動保持在所界定之結構式設計界限內。然而，對特定的情況而言，該微機電結構亦可包括諸動作限制器102。其等的任務是控制該可活動式元件能位移的最大距離，及/或當該等設計界限被超出時，以一受控制的方式消散能量。該動作限制器可為一被剛性地附接至該支撐件之被錨定的元件，或可為一被懸置於該支撐件的可活動式元件。

圖2a圖示說明依據本案發明的一微機電結構之一實施例的一區段。該微機電結構包括一第一元件200及一第二元件202，其等中的至少一個為可活動式的。在圖2a的範例實施例中，該第一元件200為一被錨定的元件。被使用為一動作限制器的元件可被剛性或回彈性地錨定於該支撐件。圖1中之該動作限制器102為一剛性錨定之範例，而圖2a中之該第一元件200為一彈性錨定之範例。

在圖2a中，該第二元件202為一被懸置於一支撐結構以進行慣性運動的可活動式元件。該支撐結構可由一微機電裝置的另一本體元件所提供，例如是由一在下面的處理晶圓、或是分別被圖樣化或由來自一層型之矽絕緣體基板上之組合的一罩蓋晶圓所提供的。該可活動式元件202可經由一懸置彈性結構被懸置於該支撐結構，該彈性結構為在至少一方向上對該測震質量的位移是彈性的，但在其他方向上對該測震質量的位移是非常剛性的。一懸置彈性結構可懸置該可活動式元件，以便能有一自由度的運動，例如是在一平面外的方向上，或是在一或多個平面內的方向上。該測震質量的運動可被限制於圖2a中所顯示的一第一方向D。該第一方向D可平行於一被設計之運動(自由度)的方向，及/或平行於該被懸置之測震質量可非故意地於其中移動的一或多個方向。

該第一元件200包括有一第一元件表面204，及該第二元件202則包括有一第二元件表面206，該第一元件表面204及該第二元件表面206被設置成彼此相對，使得其等之間形成有一元件間隙208。應瞭解到，圖2a中之該範例將第一及第二元件說明成被蝕刻入一結構層的層元件。圖2a中的該等第一及第二元件表面204、206因而可為該等層元件的側表面。該第一元件表面204可對齊於一具有一被界定之曲率的第一曲弧，及該第二元件表面206可對齊於一具有相同或不同之曲率的第二曲弧。在圖2a的範例結構中，該第一曲弧及該第二曲弧二者皆為不具有曲率之直線，但其他種的組合或曲率可在本案的範圍中被應用。該第一元件表面206被顯示成對齊於一第一線218，及該第二元件表面對齊於一第二線220。該第一線218及該第二線220彼此互相平行，且該第一方向D係垂直於該第一線218 及該第二線220。

在本案發明的諸實施例中，該等元件表面之一包括有一凸出部，而另一個元件表面則包括有一凹陷部。一凸出部於此係指從一元件表面局部地隆起的一結構部分，且因而是比該元件表面朝向該相對的元件表面延伸更遠。一凹陷部於此係指在一元件表面中的一凹入部分。在圖2a中，該第一元件表面204包括有一凸出部210，及該第二元件表面206包括有一凹陷部212，但是該配置僅是範例而已。在本案的範圍中，該凸出部可在該可活動式元件中，而該凹陷部可在該被錨定的動作限制器中，或是反過來。

該凸出部210的該表面係朝向該元件間隙208，且包括有一第一曲弧區域214。該凹陷部212的該表面亦朝向該元件間隙208，且包括有一第二曲弧區域216。有利但非必要地，該第一曲弧區域214延伸過該凸出部210的整個表面，且該第二曲弧區域216延伸過該凹陷部212的整個表面，如在圖2a中所顯示的。該第一曲弧區域214對齊於一第三曲弧，及該第二曲弧區域216對齊於一第四曲弧。該第三曲弧具有一和該第一元件表面204不同的曲率半徑，且該第四曲弧具有一和該第二元件表面206不同的曲弧半徑。該凸出部210因而在此說明書中可被認定為是包括有一第一曲弧區域214之在該第一元件中的一區域，該區域具有一和該第一元件表面204之曲率不同的曲率半徑。同樣地，該凹陷部212可被認定為是包括一第二曲弧區域216之在該第二元件中的一區域，該區域具有一和該第二元件表面206之曲率不同的曲率半徑。

該凸出部及該凹陷部被對齊，使得該第一曲弧區域的投影P1和在一元件表面上之該第二曲弧區域的投影P2至少部分地重合。在圖 2a中，該凸出部210被顯示成以如是的一種方式被對齊於該凹陷部212，該方式為該第一曲弧區域214之該投影P1(於此亦為該凸出部210之表面)係被包含於該第二曲弧區域之該投影P2(於此亦為該凹陷部212之表面)的內部。該等投影P1、P2可被認為是採取該第一元件表面204的曲率或是該第二元件表面206的曲率。

該第三及第四曲弧有利但非必要地，是具有一對稱的形狀，例如是圓形或橢圓形。如果該曲弧是橢圓形的，則有利地，該橢圓形的次軸線是和該凹陷部的底部重疊。一圓形的曲弧具有一固定的曲率半徑，而一橢圓形之曲弧的曲率半徑，在該次軸線是和該凹陷部的底部重疊時則是隨離該次軸線之距離而改變，或在該主軸線是和該凹陷部的底部重疊時則是隨離該主軸線之距離而改變。

讓我們指出在該第三曲弧之一頂點的一曲率半徑，且因而亦為第一曲弧區域214之一頂點的一曲率半徑，為該第一曲率半徑R1。於此所用之該名詞頂點是指一曲弧的一局部末端點。同樣地，在該第四曲弧之一頂點的一曲率半徑，且因而亦為該第二曲弧區域216之一頂點的一曲率半徑，為該第二曲率半徑R2。有利地，該第一曲弧區域204及該第二曲弧區域206是對齊的，使得連接該第一曲弧區域之該頂點及該第二曲弧區域之該頂點的一軸線係平行於該第一方向D。有利地，該凸出部210的該第一曲率半徑R1係小於該凹陷部212的該第二曲率半徑R2。

因此，在該被揭示出的結構中，該凸出部210可被考慮來提供一凸出接觸表面，而該凹陷部212則可被考慮來提供一凹入接觸表面。如果該微機電結構被暴露至嘗試將該可移動元件移動超出該等設計的界限 之作用力，則會造成該凸的表面及該凹的表面會接觸。介於該凸的表面及該凹的表面之間的接觸面積係依據比率R。該比率R亦即該接觸面積現在可被做成大的尺寸，其顯著地降低該等結構在接觸時破裂的危險。此為用於該運動限制器之一重要的設計因素。傳統式的想法，為了減低介於該等接觸表面之間的黏著，以便能測量到非常小的加速度，可能會考慮將比率R調小，使得該接觸面積被最小化。然而，在許多應用中，該運動限制器元件的耐用性實際上是關鍵的因素。

圖2b顯示在圖2a中所顯示之該區段之一部分的一放大視圖。如同在圖2b可被看到的，該凸出部210之該第一曲率半徑R1及該凹陷部212之該第二曲率半徑R2二者已被配置成較介於該等表面之間的該間隙208大相當地多。已被發現到，在此種結構中，在接觸時，該凸出部深入到該凹陷部中，並開始壓抵該凹陷部。基於彈性以及該等大型半徑的靠近重合，介於該等接觸表面之間的接觸面積非常快速地增大。該增大的接觸面積將撞擊的作用力分成散到一大的面積，且因而減低了該等接觸面積的破裂風險。在該第一曲率半徑R1及該第二曲率半徑R2之一比例係較佳地落在0.5至1的一包含範圍內，以及該第一曲率半徑R1及該第二曲率半徑R2係至少為該間隙208之寬度的兩倍時，此增加的強度被達成。

在一觀點中，具有較小之曲率半徑的凸出部在一定程度上，可側向地移動而不需妥協於該等接觸之表面的相符性。由於該等元件在接觸前之小的橫向位移，此有效地降低破裂的風險。

該結構因而能有一有效且同時是非常堅固之動作限制器的解決辦法。

該動作限制器之材料的彈性提供對該結構某些固有的回復性，但其很少是足夠的。為了加強該結構的堅固性，該微機電結構之該動作限制器的架構可包括在接觸情況下吸收某些運動能量之另一彈性的元件。圖2a圖示說明一種架構，其中被錨定於該支撐件之該第一元件200包括有一撓性樑222。該撓性樑222之一端被連接至該錨定處，且在該撓性樑222之相對的側端為該凸出部210。該撓性樑222延伸於一垂直於該第一方向D的方向，且該凸出部210係在該撓性樑222之該側端的一側表面。應注意到，圖2a之架構僅是說明用。該撓性樑可被連結至(被連接至或被包含入)該可活動式元件或該動作限制器，且不管是在攜載有一凸出部或一凹陷部的情況下。當該第一曲弧區域210及該第二曲弧區域212進入接觸時，該撓性樑彎曲。在彎曲時，該撓性樑吸收該可活動式元件的動能，使得該等接觸元件的破裂可被避免掉。

黏著通常係指必須被克服以使一被附黏之移動元件能夠運動之一黏著的作用力。在接觸時，該等接觸表面彼此互相壓抵，且需要某些臨界作用力來克服靜內聚力。同時，當微尺寸元件的表面變成極為接近時，該等表面可能會彼此黏附。新的架構亦能有一最佳的方式來使該可活動式元件在接觸後回復到運動，藉以排除或至少有效地降低黏附的風險。

依據該應用，用來將該可活動式元件在接觸之後回復到運動之一所需求的回復作用力，可以一額外的撓性元件，而由該懸置彈性結構被提供，或是該回復作用力可由各個的一組合被提供。例如，當該第一方向D是和該測震質量之該設計的運動方向一致時，該懸置彈性結構的彈性常數本質上是最小的。就此些情況而言，該微機電結構可包括有二個撞擊 元件，其等提供需要不同的回復作用力之接續被致動的動作限制器階段。在其他的方向上，像是在垂直於該測震質量之該設計的運動方向之一交軸方向上，該懸置彈性結構典型地是非常剛硬的，且因而只要是被驅離平衡，便能提供一強的回復作用力。在此些方向上，該可活動式元件傾向在接觸後不需額外的回復作用力便會返回運動。

圖3A圖示說明具有一有效的二階段動作限制方案之一範例式微機電結構。圖3B顯示圖3A中所標示之一放大的區段，及圖3C顯示圖3B中所標示之另一放大的區段。

如可從圖3A中所看到的，該微機電結構可包括具有靜子梳狀件300及可活動式轉子梳狀件302之一梳狀結構。該可活動式轉子梳狀件302可從一轉子框架304朝內延伸。該轉子框架304可被一被錨定的結構框架306環繞。在此範例中，用於在一第一方向D之運動之動作限制器階段被說明。該轉子框架304被顯示成具有在平行於該第一方向D之一水平方向上的一自由度。同時該運動被了解成在其他方向上是受限制的。例如圖3A顯示一種微機電結構，其包括有用於該轉子框架304在垂直於該第一方向之一方向上的運動之諸撞擊元件320。

對一第一動作限制器階段而言，該微機電結構可包括一第一撞擊元件。如在圖3B中所顯示的，該第一撞擊元件可包括一第一撓性樑308，其一端部被連結至一錨定件310。該微機電結構亦可包括一第二撓性樑312，其一端部被連結至該轉子框架304。一第一限制器間隙於此係指一可活動式元件必須在一特定的方向上被位移，以引起在該第一撞擊元件中之接觸的一距離。如在圖3B中所顯示的，該第一撓性樑308的側端部及該 第二撓性樑312的側端部可被分隔開一第一限制器間隙314。如在圖3C中所顯示的，為了節省空間，該等撓性樑308、312的該等側端部可被窄化，使得該等撓性樑之窄化的端部所需之總寬度不會和該等撓性樑308、312之未被窄化的寬度顯著地不同。

對一第二動作限制器階段而言，該微機電結構可包括一第二撞擊元件。一第二限制器間隙於此係指一可活動式元件必須在該相同之特定的方向上被位移，以引起在該第二撞擊元件中之接觸的一距離。如在圖3A及3B中所顯示的，做為第二撞擊元件，該被錨定的結構框架306可包括以一第二限制器間隙318和該靜子梳狀件300分隔開的一或多個框架凸出部316。為了能有正確順序的接觸，該第二限制器間隙318較佳地係大於該第一限制器間隙314。該第一限制器間隙314及該第二限制器間隙318可以相同的方向延伸，且因而能相似地回應該可活動式元件在該第一方向D上之運動而增大或縮小。

因此，如果有離該等設計之界限較小的偏離，則該轉子框架304可以方向D移動，該第一限制器間隙314因而關閉，該等撓性樑308、312變成彼此接觸，並反抗該過度的運動。由於該第一撓性樑308及該第二撓性樑312之該等接觸表面的範圍，介於其等之間的黏著性作用力是最小的。該第一動作限制器階段因而最佳地避免開粘著，同時由該懸置彈性結構所提供的回復作用力係足以在接觸後將該等元件拉分開。該撓性樑的該回復作用力可被配置成大到足以在正常的過負載情況中，顯現在該第一方向D上實際的堅硬度。

如果該可移動元件304之運動是較大的，則該第二限制器間 隙318會閉合，且該框架凸出部316最終會變成和該轉子框架304接觸。有利地，該第一撞擊元件(該等撓性樑308、312)的彈性常數在一第一動作限制器階段被調整成提供一足夠大的回復作用力，以克服介於在該第二撞擊元件中之該等接觸表面之間的粘著作用力，且在接觸後將該可活動式元件拉回運動。

由於在該被錨定的結構框架306中之一凸出接觸表面及在該轉子框架304中之一凹入接觸表面的精巧組合，如以圖2a所說明的，該第二動作限制器階段提供最佳的堅固性來限制過度高的運動。不同之最佳化動作限制器階段的組合可被實施在最小的層表面面積。在組合中，該二階段能在各種不同的操作干擾下，有最佳的運動限制及有效回復。

圖4之該方案圖示說明包括以圖2及3被說明之該微機電結構之一範例式微機電裝置的諸元件。該微機電裝置可包括一第一部件400及一第二部件402。該第一部件400可包括有諸機械式元件，該等機械式元件包括有該微機電結構。該第二部件402可包括一電路，該電路被連接至來自該微機電結構之諸輸入電性信號。如在圖4中所顯示的，在該第一部件中被產生的一或多個信號可被輸入該第二部件402的該電路中。被輸入該電路中之該等一或多個信號可被用於產生代表該慣性感測器之一測量結果的一信號S。

該微機電裝置可被包括在一組合式感測器元件中，該組合式感測器元件包括有各種不同的感測器元件、一有線或行動式運算、遊戲或通訊裝置、一測量裝置、一繪圖裝置、或一車輛功能控制單元，僅舉數例，不逐一列舉。

對於熟習相關技術者而言，顯然地，隨著技術的進步，本案發明的基本概念能以各種不同的方式被施行。因此，本案發明及其實施例並不會受到前述之範例的限制，而是可在該等申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (20)

1. 一種微機電結構，其包括：一包括有一第一元件表面的第一元件，及一包括有一第二元件表面的第二元件，其中該第一元件及該第二元件中的至少一個為可活動式的；一介於該第一元件表面及該第二元件表面之間的元件間隙；其中該等第一及第二元件表面中的一者包括一凸出接觸表面，且該等第一及第二元件表面中的另一者表面包括一凹入接觸表面。
2. 根據申請專利範圍第1項之微機電結構，其特徵在於該凸出接觸表面包括一凸出部，及該凹入接觸表面包括一凹陷部；該凸出部的該表面包括一第一曲弧區域；該凹陷部的該表面包括一第二曲弧區域；在該第一或第二元件表面上之該第一曲弧區域的投影及該第二曲弧區域的投影至少部分地重合。
3. 根據申請專利範圍第1或2項之微機電結構，其特徵在於該等第一及第二元件中的一個為一被錨定的元件，且該等第一及第二元件中的另一個為一可活動式懸置元件。
4. 根據申請專利範圍第1或2項之微機電結構，其特徵在於該第一元件及該第二元件為可活動式懸置元件。
5. 根據申請專利範圍第3或4項之微機電結構，其特徵在於一懸置彈性結構支撐該懸置元件用於具有一自由度之運動。
6. 根據申請專利範圍第5項之微機電結構，其特徵在於該第一元件表面係對齊於一第一線，該第二元件表面係對齊於一第二線，且該第一線及該 第二線係彼此互相平行。
7. 根據申請專利範圍第1至6項中任一項之微機電結構，其特徵在於該第一元件為一層型結構元件，及該第一元件表面為該層型結構元件的一側表面。
8. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項之微機電結構，其特徵在於該凸出部延伸至該元件間隙，及該凹陷部為一延伸離開該元件間隙之凹入部分。
9. 根據申請專利範圍第6至8項中任一項之微機電結構，其特徵在於該第一曲弧區域及該第二曲弧區域係對齊的，使得連接該第一曲弧區域之該頂點及該第二曲弧區域之該頂點的一軸線係對齊於一垂直於該第一線及該第二線的第一方向。
10. 根據申請專利範圍第1至9項中任一項之微機電結構，其特徵在於在該第一曲弧區域之一頂點的曲率半徑為該第一曲率半徑；在該第二曲弧區域之一頂點的曲率半徑為該第二曲率半徑；該第一曲率半徑係小於該第二曲率半徑。
11. 根據申請專利範圍第1至10項中任一項之微機電結構，其特徵在於該第一曲率半徑及該第二曲率半徑的比例係落在0.5至1的一包含範圍內，以及該第一曲率半徑R1及該第二曲率半徑R2二者皆至少是該間隙之寬度的兩倍。
12. 根據申請專利範圍第1至11項中任一項之微機電結構，其特徵在於在該第一或第二元件表面上之該第一曲率半徑的投影係落在該第二曲率半徑的投影內部。
13. 根據申請專利範圍第1至12項中任一項之微機電結構，其特徵在於一適用於在接觸情況下吸收該可活動式元件之運動能量的撓性元件。
14. 根據申請專利範圍第13項之微機電結構，其特徵在於該撓性元件為在垂直於該第一方向之一方向上從該第一元件或該第二元件延伸出之一撓性樑。
15. 根據申請專利範圍第14項之微機電結構，其特徵在於該撓性樑包括在該樑之側端部之一側表面中的凸出部或凹陷部。
16. 根據申請專利範圍第1項之微機電結構，其特徵在於該微機電結構包括二個撞擊元件，其等提供接續被致動的動作限制器階段，該等撞擊元件中的至少一個包括該凸出接觸表面及該凹入接觸表面。
17. 根據申請專利範圍第16項之微機電結構，其特徵在於一第一撞擊元件，其藉由一第一限制器間隙回應該可活動式元件在一特定方向上的位移之關閉被引發成接觸；一第二撞擊元件，其藉由一第二限制器間隙回應該可活動式元件在該特定方向上的位移之關閉被引發成接觸；其中該第二限制器間隙係大於該第一限制器間隙。
18. 根據申請專利範圍第17項之微機電結構，其特徵在於該第一撞擊元件包括一撓性元件。
19. 根據申請專利範圍第18項之微機電結構，其特徵在於該撓性元件提供在該特定方向上的一彈性常數，該彈性常數適用於提供比在該第二撞擊元件中之該接觸的黏著性作用力大的一回復作用力。
20. 一種微機電裝置，其特徵在於其包括根據申請專利範圍第1至19項 中任一項之該微機電結構。