TW201544443A - 具有動作限制器之微機電裝置 - Google Patents

Abstract

一種微機電裝置，其包括一第一結構層，以及一可移動式質量，該可移動式質量被懸置成相對該第一結構層一主要的平面外運動。一懸臂動作限制器結構被蝕刻入該可移動式質量中，及一第一止動器元件被配置在該第一結構層上，相對於該懸臂動作限制器結構。提高之機械堅固耐用性係以元件空間之最佳使用被達成的。

Description

具有動作限制器之微機電裝置

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

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裝置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MEMS裝置中，以控制在一裝置中之一可移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，如果一可移動式結構由於一突發的高加速情況而和在一裝置中的一錨定結構碰撞時，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。設計限制在元件測試期間亦處在風險。

在撞擊中，一動作限制器的主要目的，係要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，例如是藉由增加介於該等接觸表面之間的接觸面積。然而，此會增加介於該等接觸表面之間的黏著風險。另一種習知的方法為增加撓性於撞擊上，使得該移動質量的動能被轉移成該動作限制 器內的位能。

在其中一可移動式質量被設計成經歷在其他結構層的上面或之間的平面外線性或旋轉運動的結構中，有效率的動作限制是特別複雜的。不會明顯增加構造的尺寸及複雜度之真正堅固耐用的結構是很難產生的。

本案發明的目的為提供一種用於微機電裝置之精巧堅固的動作限制器結構，該等微機電裝置是包括有一被設計成在其結構層平面外移動的可移動式質量。本案發明的該等目的是以依據該等獨立項申請專利範圍之具特徵性的部分之一種微機電裝置被達成。

該等申請專利範圍界定有一種微機電裝置，其包括一第一結構層，以及一可移動式質量，該可移動式質量被懸置成相對該第一結構層一主要的平面外運動。一懸臂動作限制器結構被蝕刻入該可移動式質量中，及一第一止動器元件被配置在該第一結構層上，相對於該懸臂動作限制器結構。

本案發明之有利的實施例被揭示在附屬項申請專利範圍中。該解決方法提供了具有元件空間之最佳使用之提高的機械式堅固性。

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顯示一採用平面外運動之微機電結構； 圖1A及1B圖示說明一微機電裝置的一範例式結構；圖2圖示說明被應用在一微機電裝置中的一範例式動作限制器結構；圖3圖示說明另一範例式動作限制器結構；圖4圖示說明又一範例式動作限制器結構；圖5A圖示說明包括動作限制器之一範例式微機電裝置的一側視圖；圖5B圖示說明包括動作限制器之一範例式微機電裝置的一俯視圖；圖6圖示說明一動作限制器結構及第一止動器元件之定位的一範例；圖7圖示說明第二止動器元件之定位的一範例；圖8圖示說明一範例式之二階段動作限制架構。

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裝置的各種實施於此可能不會被特別地說明。

圖1A及1B圖示說明依據本案發明之一微機電裝置的一範例式結構。該微機電裝置於此是指由平面式、實心或圖樣化層所形成的一層化結構。因此用詞平面內及平面外於此係分別指和一結構層之一平面對齊或和一結構層之一平面不對齊的方向。

一微機電裝置100包括至少一結構層及自其懸置的一可移動式質量。圖1B顯示一架構，其包括一第一結構層102、一第二結構層104、及一第三結構層106。該第一結構層102可例如是一基板或一處理晶圓。該第二結構層104可例如是一微機電裝置模具的一覆蓋的罩蓋晶圓。應注意到，於此所使用之結構上的分部(例如一處理晶圓、一罩蓋晶圓等等)僅是概念上的。對熟習相關技術者而言，結構層可被分別地圖樣化，或以來自例如一層型之矽絕緣體基板之結合是清楚的。

該第三結構層106可被應用為一可移動式質量120。該可移動式質量120可被懸置於該第一結構層102上，使得該可移動式質量120能進行和至少該第一結構層102相關之一平面外運動。在圖1A及1B的架構中，該平面外運動為繞著介於該第一結構層102及該第二結構層104之間的一平面內旋轉軸線110之旋轉運動。然而，本案發明並不僅限於旋轉運動。 本案發明的特徵亦可被應用於相關一在下或覆蓋層的一平面外線性運動。

圖1A及1B圖示說明該元件在沒有偏壓充電或外部加速作用力被施加於其上時之中立位置。在操作時，該可移動式質量120可例如是回應外部之Z方向加速，而以繞著該平面內旋轉軸線110之蹺蹺板式的旋轉運動移動。該可移動式質量120可平面式地延伸至該旋轉軸線的相對方向。在此旋轉運動期間，該可移動式質量120可繞著該旋轉軸線翻轉，使得該可移動式質量的一端可移動離開該懸置結構層，及該可移動式質量的另一端可朝向該懸置結構層移動。該可移動式質量的移動可以被配置於該在下面或覆蓋之諸層的電極108被引發及/或檢測出。圖1A及1B圖示說明具有一可移動式質量之一範例式架構之實施例。然而，本案發明係可被 相應地應用於具有一或多個可移動式質量的架構，及可被應用於其中該運動包括往復式旋轉運動或是線性平面外運動的架構。

有利的是，一微機電裝置的至少一動作限制器是一撓性的動作限制器，其便利於回應在接觸時被施加於其之機械式作用力的一彈性位移的某些形式。圖2圖示說明可被應用在圖1A及1B中之一微機電裝置中的一範例式動作限制器結構200。圖2中之該微機電裝置包括藉由局部地移除該可移動式質量的容積材料而被蝕刻在該可移動式質量120中的至少一動作限制器結構。該動作限制器結構的基本部件因而至少部分地和該可移動式質量分開，但是在中立位置，和其共用相同的空間容積。藉由適當地選用蝕刻線，則有可能在該可移動式質量中，提供保持和該可移動式質量一機械式連接的一懸臂動作限制器結構，如圖2中所顯示的。

圖2的該懸臂動作限制器結構包括有一簡單的細長形元件202。細長形在此文中意指一元件在平面上之長度為至少該元件在平面上之寬度的兩倍。該細長形元件的一端被固定於該可移動式質量120，而其另一端則為活動的。該固定端可被錨定於一支撐件，或是藉由一中間結構被耦接至該支撐件，如同稍後會被討論的。被蝕刻人該可移動式質量的開口206延伸於該可移動式質量的平面中，但是並未平面式地橫越貫穿該可移動式質量的該平面，且形成該可移動式質量的內側壁。圖2之該細長形元件202延伸於該可移動式質量的兩個內側壁之間，且該細長形元件202的一端部204被機械式地耦接至該可移動式質量120。在該微機電裝置中，該細長形元件和該可移動式質量一起移動，且該細長形元件的側端部被定位成，在該可移動式質量的運動需要被控制時，變成和另一元件接觸。該細長形樑 件的該側端部因而可被考慮形成一撞擊元件208。當接觸該撞擊元件發生時，該細長形元件將作用力攜載至在該可移動式質量中的該支撐件，於該處其被一力矩及剪應力迫抵。在撞擊時，該撞擊元件適用於經歷一繞著一平面內旋轉軸線的回彈性旋轉運動，該平面內旋轉軸線係和該細長形元件被耦接至該可移動式質量處的點重合。

圖3圖示說明一替代性動作限制器結構300。圖3的該動作限制器結構再次包括一延伸於該可移動式質量的兩個內側壁之間的細長形元件302。該細長形元件302的一端部304被機械式地耦接至該可移動式質量。該細長形元件302的該側端部包括一撞擊元件308。在圖3的該架構中，該撞擊元件308為一具有和該細長形元件302不同之平面內寬度的成形區段。應瞭解到，雖然該可移動式質量層的厚度是固定的，但是該細長形元件的彈性常數或剛性目前為止是依據該細長形元件的平面上長度寬度而定。圖3圖示說明該彈性比率，且因而該細長形元件的撓性可藉由調整該細長形元件的平面上尺寸來被調整。此外，在一微機電裝置的壽命期間，介於結構層之間的尺寸或相互的定位，可由於例如是溫度變化而改變。如同在圖3中所顯示的，為了能有對定位的容許公差，該撞擊元件的最大平面內寬度可適用於大於(例如三或多倍於)該細長形元件之其餘部分的寬度。

圖4圖示說明另一替代性動作限制器結構400。圖4的該動作限制器結構再次包括一延伸於該可移動式質量的兩個內側壁之間的細長形元件402。該細長形元件402的一端部被機械式地耦接至該可移動式質量。該細長形元件402包括一撞擊元件408、一扭轉元件410及一耦接樑件412。該撞擊元件408於此再次代表，在該可移動式質量的運動需要被控制 時，適用於提供一接觸點之該動作限制器結構的一區段。在圖4的該架構中，該撞擊元件408為具有和該耦接樑件412不同之平面內寬度的一成形區段。該撞擊元件為該動作限制器結構400待被放置在和該第一結構層中之一被設計的接觸點相對的一區段。圖4圖示說明一矩形的撞擊元件，但是該撞擊元件可有任何種形狀。該撞擊元件408可位在該可移動式質量的任意點，但有利地係位在該動作限制器結構之該等側表面中和該可移動式質量之側表面重合的一側表面。

在撞擊時，該撞擊元件408適用於經歷一繞著一平面內旋轉軸線的回彈性旋轉運動。該運動藉由該耦接樑件412被傳遞至依照其扭轉的一平面內扭轉元件410。在扭轉時，該扭轉元件410儲存該運動的機械能，並在相對方向施加和其被扭轉的量成比例之一漸增的作用力。該扭轉元件410耦接至該可移動式質量，且因而提供用於該撞擊元件之旋轉運動的一平面內扭轉彈性件。

穿過在該可移動式質量中之二耦接點416、418的一軸線414界定出一第一方向，該撞擊元件之該平面內旋轉軸線的一方向。在一簡單且因而有利的實施例中，該扭轉元件可被實施為一扭轉桿件，延伸於介在該可移動式質量中之該二耦接點416、418之間的該第一方向的一線性的細長形元件，如在圖4中所顯示的。其他對應的彈性件形式，像是一彎曲類型的彈性件，可被應用在該扭轉元件中。藉由施加在其諸端點以及施加在介於其端點之間連接至該耦接樑件之該點的扭力，該扭轉元件處於繞著該平面內旋轉軸線扭轉。有利的是，該第一方向係對齊於該可移動式質量的一側或端表面。在該可移動式質量適用於旋轉運動的情況中，該第一方向 有利地係對準成平行於或垂直於該可移動式質量的該旋轉軸線。

該耦接樑件412於此係指作用為用於一機械式作用力之一槓桿臂的一元件，該作用力是由該撞擊元件的平面外撞擊所引起的。該耦接樑件412可為一線性的桿件，但是軸向地耦接該撞擊元件408及該扭轉元件410之其他種結構形式可在本案範圍內被應用。至該扭轉元件410的該接觸點404有利地係介在該等耦接點416、418之間，較特別的則是在該扭轉元件410的中間。

所揭示之架構提供了一平衡及有效率的扭轉作用力來限制該平面外的運動。藉由該扭轉彈性件，在該平面外方向中的撓性可以該扭轉元件410的彈性勁度及該耦接樑件412的槓桿臂長度被最佳化。在另一方面，在其他的方向上，該結構係相當地剛性的，且因而是穩定的。此外，已被發現到，在MEMS裝置的尺寸中，一扭轉彈性件可有一精巧的彈性件設計，即使是有非常合理的彈性件寬度。

該微機電裝置亦包括在該第一結構層上和該動作限制器結構之該撞擊元件相對的至少一第一止動器元件。圖5A顯示包括圖2至4之該等動作限制器結構中之任一個之一範例式微機電裝置的一側視圖，圖5B則顯示包括圖2至4之該等動作限制器結構中之任一個之一範例式微機電裝置的一俯視圖。如同在圖1B中所顯示的，圖5A顯示一微機電裝置，其包括一第一結構層502、一第二結構層504、以及一適用於繞著一平面內旋轉軸線510之主要轉動的可移動式質量520。在此範例中，該第一結構層502為一基板，該第二結構層504為一罩蓋晶圓，及該可移動式質量520為在介於其等之間之一結構晶圓中的一元件。

基本而言，該第一止動器元件可由位在該動作限制器結構的下方之該第一結構層502的一區域所提供，或是由位在該動作限制器結構的上方之該第二結構層的一區域被提供。然而，有利的是，該第一止動器元件包括至少一凸出部530，該凸出部從其結構層局部地隆起，且因而較該結構層的表面朝向該可移動式質量520延伸的更遠。最起碼，該第一止動器元件可包括在一結構表面上的一凸出部，但是在此範例中，該可移動式質量是移動在二結構層之間，且該第一止動器元件包括二凸出部，一凸出部530在該第一結構層502上，及另一凸出部532在該第二結構層504上。 圖5B圖示說明在該第二結構層上之凸出部532、534的位置。

該動作限制器結構的該撞擊元件及該第一止動器元件的對立定位可被解釋為，該撞擊元件的投影及在第一結構層上之該第一止動器元件的投影至少部分地重合。圖6圖示說明圖4之該動作限制器結構400及在圖5A及5B之該等結構層上的該等第一止動器元件530、532之定位的一範例。圖6以一俯視圖顯示一動作限制器結構、一第一止動器元件的一底部部件530、以及一第一止動器元件的一頂部部件532的一投影。如同可被看見的，該第一止動器元件之該等部件530、532可彼此重合，且其等確實和該動作限制器結構400的該撞擊元件408重合。有利地，該等元件為軸向地對稱，且該等元件的該等對稱軸線和該動作限制器結構的該耦接樑對齊。有利地，該第一止動器元件的至少一部分延伸超出在該第一結構層上之該可移動式質量的該投影。此使該配置對小的對齊誤差較不靈敏。

由於由該扭轉元件所提供的回彈性，包括一動作限制器結構及至少一止動器元件的一元件對可被考慮成一撓性的限制器。一微機電裝 置可包括一或多個在其結構之不同部件中的此類的撓性限制器。該撓性限制器的撓性可以該細長形元件之剛性被調節。例如，在圖4之該動作限制器結構中，該調節可以該扭轉元件之該扭轉彈性件及由該耦接樑所提供之該槓桿臂長度來進行。該調節可適用於提供一抗撓強度，以克服介於該動作限制器結構及該第一止動器元件之間在接觸時之可能的黏著。

回到圖5A及5B，該微機電裝置亦可包括一或多個剛性的限制器。該剛性的限制器的角色係要提供一較強力動作限制階段，其係比由該撓性的限制器所提供之一動作限制階段較晚被致動。在一簡單的架構中，該剛性的限制器可能需要一第二止動器元件。該第二止動器元件可包括至少一個凸出部540，該凸出部從其結構層局部地隆起，且因而較該結構層的表面朝向該可移動式質量延伸的更遠。最起碼，該第二止動器元件可包括在一結構表面上的一個凸出部，但是在此範例中，該第二止動器元件亦包括二個凸出部，一凸出部540在該第一結構層502上，及另一凸出部542在該第二結構層504上。為了達成一正確的接觸順序，介於一動作限制器結構以及一撓性的限制器之一第一止動器元件530之間的一間隙，適用於關閉在介於一第二止動器元件540以及該可移動式質量520之間的間隙關閉之前。

該第二止動器元件可延伸落在該可移動式質量的該投影內，或者至少第二止動器元件的部分可延伸超出該可移動式質量的投影。 圖7圖示說明在圖5A之該等結構層上之該第二止動器元件之定位的一範例。圖7以一俯視圖顯示用於在該可移動式質量520中之該第二止動器元件之一潛在的撞擊區段、一第二止動器元件的一底部部件540、以及一第二止 動器元件的一頂部部件542的投影。如同可被看見的，該第二止動器元件之該等部件540、542至少和該可移動式質量之一被設計的撞擊區域重合。 該範例式剛性元件的剛性可依照該元件的類型改變。該剛性元件可為一具有高抗撓性強度之撓性的元件，或其可為一剛硬元件，如同圖7中所顯示的。圖7之該剛硬元件之運動限制的強度是依據該第二止動器元件的接觸面積，更特別地，是依據和該可移動式質量產生第一次接觸之該部件的接觸面積。

一或多個撓性的限制器和一或多個剛性的限制器的一組合可被用於產生具有不同強度的動作限制之一多階段的動作限制器。例如，該多階段的動作限制器可包括有一第一階段及一第二階段，在該第一階段，一撓性的限制器可被調節成限制該可移動式質量在正常操作之過負載情況中或測試期間的運動，且在該第二階段，一剛性(剛硬的)限制器可被調節成限制該可移動式質量在機械式震動期間的運動。進一步的階段組合可在本案範圍內被應用。該撓性的限制器之動作限制器結構的抗撓強度可被調整成高到足以提供在接觸之後將該可移動式質量拉離該第二止動器元件的一回復的作用力。

圖8圖示說明用於該二階段動作限制結構以及圖5A及5B之該等止動器元件的一範例式架構。圖8顯示包括二可移動式質量800、802之一結構層的一俯視圖。該等可移動式質量可被懸置，用於繞著一軸線804之反相主要旋轉運動。如在圖8中所顯示的，該等可移動式質量800、802的兩端可包括一撓性的限制器810、812、814、816。

該架構亦可包括一或多個剛性的限制器820、822、824、826。 在圖8的該範例式架構中，為了確保正確的接觸順序，從該等剛性的限制器至該旋轉軸線之距離已被調整成小於從該等撓性的限制器至該旋轉軸線的距離。然而，應注意到，介於該等限制器之間的接觸順序是依據該主要運動的類型以及介於該等接觸點之間之間隙的尺寸。

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 (25)

1. 一種微機電裝置，其包括：一第一結構層；一可移動式質量，其被懸置成相對該第一結構層之一主要的平面外運動；一懸臂動作限制器結構，其被蝕刻入該可移動式質量中，一在該第一結構層上之第一止動器元件，其相對於該懸臂動作限制器結構。
2. 根據申請專利範圍第1項之微機電裝置，其特徵在於該懸臂動作限制器結構包括一細長形元件，該細長形元件的一端部被耦接至該可移動式質量。
3. 根據申請專利範圍第2項之微機電裝置，其特徵在於該細長形元件延伸介於該可移動式質量之二內側壁之間。
4. 根據申請專利範圍第3項之微機電裝置，其特徵在於該細長形元件的側端部形成一撞擊元件。
5. 根據申請專利範圍第2項之微機電裝置，其特徵在於該細長形元件以提供有一平面內扭轉彈性件的一扭轉元件被耦接至該可移動式質量，該扭轉彈性件的各端部被耦接至該可移動式質量。
6. 根據申請專利範圍第5項之微機電裝置，其特徵在於該細長形元件包括：一撞擊元件，一耦接樑件，其將該扭轉元件耦接至該撞擊元件。
7. 根據申請專利範圍第6項之微機電裝置，其特徵在於，在撞擊時，該撞擊元件適用於經歷一繞著一平面內旋轉軸線的回彈性旋轉運動。
8. 根據申請專利範圍第6或7項之微機電裝置，其特徵在於該扭轉元件為被耦接至在該可移動式質量中之二耦接點的一扭轉桿件。
9. 根據申請專利範圍第1至8項中任一項之微機電裝置，其特徵在於該第一止動器元件為一從該第一結構層局部地隆起的凸出部。
10. 根據申請專利範圍第1至9項中任一項之微機電裝置，其特徵在於該主要的平面外運動為繞著一旋轉軸線的旋轉運動。
11. 根據申請專利範圍第1至10項中任一項之微機電裝置，其特徵在於該撞擊元件的投影以及在該第一結構層上之該第一止動器元件的投影至少部分地重合。
12. 根據申請專利範圍第6項之微機電裝置，其特徵在於該撞擊元件的最大寬度至少為該耦接樑件之寬度的三倍。
13. 根據申請專利範圍第4至12項中任一項之微機電裝置，其特徵在於該撞擊元件的一側表面和該可移動式質量的一側表面重合。
14. 根據申請專利範圍第9項之微機電裝置，其特徵在於該第一止動器元件延伸超出在該第一結構層上之該可移動式質量的該投影。
15. 根據申請專利範圍第1至14項中任一項之微機電裝置，其特徵在於包括一懸臂動作限制器結構及一第一止動器元件的一元件對形成一撓性的限制器。
16. 根據申請專利範圍第15項之微機電裝置，其特徵在於一剛性的限制器適用於提供一動作限制器階段，該動作限制器階段係比由該撓性的限制 器所提供之一動作限制器階段較晚被致動。
17. 根據申請專利範圍第16項之微機電裝置，其特徵在於該剛性的限制器包括一從該第一結構層突出的第二止動器元件，其被定位成使得介於一動作限制器結構以及一撓性的限制器之一第一止動器元件之間的一間隙，係關閉在介於一第二止動器元件以及該可移動式質量之間的一間隙關閉之前。
18. 根據申請專利範圍第16或17項之微機電裝置，其特徵在於該主要平面外運動為繞著一旋轉軸線的旋轉運動，及從該剛性的限制器至該旋轉軸線的距離，係小於從該撓性的限制器至該旋轉軸線的距離。
19. 根據申請專利範圍第17或18項之微機電裝置，其特徵在於至少該第二止動器元件的部分延伸超出在該第一結構層上之該可移動式質量的投影。
20. 根據申請專利範圍第1至19項中任一項之微機電裝置，其特徵在於一第二結構層，使得該可移動式質量適用於以主要旋轉運動移動於該第一結構層及該第二結構層之間。
21. 根據申請專利範圍第20項之微機電裝置，其特徵在於該第二結構層包括至少一第一止動器元件。
22. 根據申請專利範圍第20或21項之微機電裝置，其特徵在於該第二結構層包括至少一第二止動器元件。
23. 根據申請專利範圍第22項之微機電裝置，其特徵在於該第二結構層較該第一結構層包括一對應組的第一及第二止動器元件。
24. 根據申請專利範圍第20至23項中任一項之微機電裝置，其特徵在 於該第一結構層為一基板，及該第二結構層為一MEMS模具的一罩蓋晶圓。
25. 根據申請專利範圍第24項之微機電裝置，其特徵在於介於一動作限制器結構之一撞擊元件及該第一結構層之一第一止動器元件之間的一間隙，係大於介於一動作限制器結構之一撞擊元件及該第二結構層之該第一止動器元件之間的一間隙。