TW201625950A - 用於微機械ｚ－感應器的擺振設備 - Google Patents

用於微機械ｚ－感應器的擺振設備 Download PDF

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Abstract

一種用於微機械Z-感應器(200)的擺振設備(100)，其具有兩個圍繞一扭轉彈簧(10)得到支承，且相對該扭轉彈簧(10)不對稱的擺振臂(20，21)；其中該等擺振臂(20，21)具有若干第一穿孔(30)；其中該等擺振臂(20，21)中的至少一個具有至少一開口(32)，其中該等第一穿孔(30)之直徑明確小於該開口(32)之直徑；且其中在該等擺振臂(20，21)中的至少一個中設有空穴(50)，其用於為該等第一穿孔(30)與該至少一開口(32)建立連接。

Description

用於微機械Z-感應器的擺振設備
本發明係有關於一種用於微機械Z-感應器的擺振設備。本發明亦有關於一種製造用於微機械Z-感應器的擺振設備的方法。
傳統的用於測量物理加速度的感應器通常具有一由矽構成之微機械構造(感應器芯體)及一電子分析設備。能夠針對垂直於感應器芯體之主平面的加速度實現測量的感應器芯體亦稱作Z-感應器。此類感應器例如應用在汽車領域中的ESP系統中，或者應用於行動電話領域。
舉例而言，論文“Oberflächenmikromechanik- Sensoren als elektrische Teststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse”(表面微機械感應器，作為用於表徵其製程的電氣測試構造)；Maute，Matthias；Universität Tübingen 2003對上述感應器原理作過詳細說明。
EP 0 244 581 A1公開過一種用於自動觸發乘客保護裝置的微機械感應器。
EP 0 773 443 B1公開過一種微機械加速度感應器。
例如在DE 10 2007 060 878 A1及DE 10 2009 000 167 A1所揭示的所謂“FP功能化”中，針對微機械加速度感應器構建一擺振件，其並非僅由單獨一個緊密的層構成，而是構建在兩個不同的矽層中。如此便能 形成可動的“盆狀”構造。
本發明之目的在於，提供一種用於微機械Z-感應器且阻尼特性有所改善的擺振設備。
根據第一態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種用於微機械Z-感應器的感震設備，其具有：- 兩個圍繞一扭轉彈簧得到支承，且相對該扭轉彈簧不對稱的擺振臂；其中- 該等擺振臂具有若干第一穿孔；其中- 該等擺振臂中的至少一個具有至少一開口，其中該等第一穿孔之直徑明確小於該開口之直徑；且其中- 在該等擺振臂中的至少一個中設有空穴，其用於為該等第一穿孔與該至少一開口建立連接。
藉此，本發明之擺振設備的阻尼有所增強
根據第二態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種製造用於微機械Z-感應器的擺振設備的方法，其具有以下步驟：- 構建兩個不對稱的擺振臂；- 在該等擺振臂之第三功能層中構建若干第一穿孔；- 在該等擺振臂中的至少一個的第一功能層中構建至少一開口；以及- 在該等擺振臂中的至少一個中構建至少一空穴，從而為該等第一穿孔與該至少一開口建立連接。
本發明之擺振設備及本發明之方法的較佳實施方式參閱附 屬項。
該擺振設備的一種有利改進方案的特徵在於，該等第一穿孔在該擺振設備之xy平面中的面積為約0.5μm×約2μm，且其中，該開口在該擺振設備之xy平面中的面積為約2μm×約3μm。如此便能針對該等穿孔及該盲孔，提供因該具連接作用之空穴而得到改進的尺寸。
根據該擺振設備的另一有利改進方案，該等第一穿孔係構建在該擺振設備之第三功能層中。此點有助於針對該等第一穿孔實現過程技術較為簡單的製造。
該擺振設備的另一有利改進方案的特徵在於，該至少一開口係構建在該擺振設備的第一功能層中。就過程技術而言，該第一功能層中的凹口比該第三功能層中的更大。
根據該擺振設備的另一有利改進方案，該空穴係佈置在包含第一功能層的擺振臂中。如此便具備足夠的質量來構建該具連接作用之空穴。
下面結合多個附圖對本發明之其他特徵及優點進行詳細說明。其中，凡在說明書中述及之單獨特徵或特徵組合，不論說明書對其如何表述，附圖如何示之，亦不論申請專利範圍對其如何歸總或回溯引用，皆屬本發明的項目。相同或功能相同的元件係用相同的元件符號表示。附圖用作定性且並非合乎比例。故自此等附圖無法獲取比例及數量級。
1‧‧‧矽基板
10‧‧‧扭轉彈簧
20‧‧‧擺振臂
21‧‧‧擺振臂
30‧‧‧第一穿孔
31‧‧‧第二穿孔
32‧‧‧開口
40‧‧‧電極
50‧‧‧空穴
100‧‧‧擺振設備
200‧‧‧微機械Z-感應器
300‧‧‧步驟
310‧‧‧步驟
320‧‧‧步驟
330‧‧‧步驟
EP‧‧‧第一功能層
FP‧‧‧第三功能層
OK‧‧‧第二功能層
圖1為傳統的用於微機械Z-感應器的擺振設備的橫截面圖； 圖2為本發明之用於微機械Z-感應器的擺振設備的一種簡化顯示的實施方式；圖3為本發明之用於微機械Z-感應器的擺振設備的一種實施方式；圖4為本發明之用於微機械Z-感應器的擺振設備的俯視圖；及圖5為本發明之方法的一種實施方式的過程原理圖。
圖1為傳統的用於微機械Z-感應器的擺振設備的大幅簡化後的橫截面圖。
如該截面圖所示，擺振設備100之整體構造由三個功能層構成，即上方的第一功能層EP、佈置在第一功能層EP與第三功能層FP間的第二功能層OK，以及下方的第三功能層FP。其中亦可視需要省去第二功能層OK。在擺振設備100之擺振臂20、21中設有若干第一穿孔30，其較佳地構建在第三功能層FP中。在擺振臂21之第一功能層EP中設有若干第二穿孔31，其直徑大於第一穿孔30之直徑。
第一穿孔30的通孔的尺寸為約0.5μm至約2μm。第二穿孔31的通孔的尺寸為約2μm至約3μm。所述穿孔30、31的差異係取決於過程，故針對其的修改受限。特定言之，可在製程中透過蝕刻氣體將下方的層蝕刻去除，從而構成此等穿孔。藉由具一定剛度的扭轉彈簧10，擺振設備100之構造係旋轉式或扭轉式支承在矽基板1上，或懸置在此矽基板上。
如圖所示，由於質量分佈不等，擺振臂20、21相對扭轉彈簧10不對稱。在擺振臂20、21之長度大體上相同(幾何對稱)的情況下，此不對稱性例如可透過擺振臂20、21之不對稱的質量分佈，例如透過此二 擺振臂20、21之上述不同的穿孔30、31，或者透過此二擺振臂20、21的不同厚度實現。但作為替代或附加方案，亦可透過此二擺振臂20、21的幾何結構的不對稱性(例如不同的臂長)來實現此不對稱性。
基於垂直於擺振設備100之主平面起作用的加速度(沿z向的豎直加速度)，擺振設備100之構造可因此二擺振臂20、21之不對稱性而圍繞扭轉彈簧10扭轉。透過(未繪示的)電子迴路將擺振設備100保持在一預設的電位上，(未繪示的)固定地佈置於擺振設備100下方的、且用於測量的第二電極則被保持在另一預設的電位上。該圖顯示擺振臂20、21的“盆狀”構造，其中在該等盆狀構造上方佈置有若干固定的電極40。
藉由(未繪示的)電子分析裝置，透過測定及分析此等電極上的電荷變化來對擺振設備100的傾角變化進行偵測。如此便能測定作用於微機械Z-感應器100的(“沿z向的”)豎直加速度。
如圖2所示，根據本發明，在擺振臂20中設有空穴50，其用於將(圖2未繪示)第一穿孔30與(圖2未繪示)至少一開口32連接。其中，開口32的直徑與穿孔31的直徑對應。空穴50較佳地構建在一設有具足夠質量之第一功能層EP的擺振臂20、21中，以確保功能層FP與EP的(機械及電氣)功能連接。
圖3為本發明之擺振設備100的一種實施方式的橫截面圖。由於透過空穴50將第一穿孔30與擺振臂20中的開口32連接，擺振臂20自此具有與擺振臂21大體上相同的阻尼特性，因為在擺振設備100之底面上僅設有若干第一穿孔30。就結果而言，如此便使得該二擺振臂20、21具備非常對稱的阻尼特性。
為製造空穴50，首先在擺振臂20、21之第三功能層FP中構建該等第一穿孔30。隨後在第一功能層EP中構建一或多個開口32。最後以某種方式在擺振臂20中構建空穴50，從而為第一穿孔30與開口32建立流體貫通的連接。就結果而言，如此便在整個擺振構造之底面上實現大體上均勻的、形式為第一穿孔30的穿孔，使得整個擺振設備100具備均勻的阻尼特性。
根據一種方案，在擺振臂21中亦可增設有空穴50(未繪示)。大體上而言，在第一功能層EP具足夠質量的位置皆可設有空穴50。其中，在該二擺振臂20、21中亦可分別設有多個空穴50(未繪示)。
所述穿孔30、開口32及空穴50的數目及定位較佳地與擺振設備100的幾何結構或設計匹配。因此，所述元件在附圖中的數目、尺寸及佈置方案僅用作示範及定性。
圖4為本發明之擺振設備100的如圖3所示實施方式的俯視圖。如圖所示，空穴50(淺陰影)係被無空穴的質量塊(深陰影)包圍。在此等區域內，最下面的功能層FP係與最上面的功能層EP建立起機械及電氣連接。元件符號21a表示擺振臂21之具有第一穿孔30的區域。
圖5為本發明之方法的一種實施方式的過程原理圖。
在第一步驟300中，構建兩個不對稱的擺振臂20、21。
在第二步驟310中，在擺振臂20、21的第三功能層FP中構建若干第一穿孔30。
在第三步驟320中，在擺振臂20、21中之至少一個的第一功能層EP中構建至少一開口32。
最後在第四步驟330中，在擺振臂20、21中之至少一個中構建至少一空穴50，從而為第一穿孔30與至少一開口30建立連接。
綜上所述，本發明提供一種用於微機械Z-感應器的感震設備，其能改善阻尼特性，從而增強該Z-感應器的效率。阻尼特性有所改善的原因在於，在該擺振設備之底面上設有均勻的穿孔構造。藉由該等擺振臂中的至少一個中的連接空穴，便能以技術較為簡單的方式實現此目的。
較佳地，亦可將本發明之原理應用於其他感應器工藝，例如應用於壓阻式微機械加速度感應器。
儘管上文接合若干具體實施方式對本發明進行描述，但其不僅侷限於此等實施方式。在不違背本發明之核心的前提下，本領域通常知識者可進行多種前文未述及或僅部分述及的更改。
1‧‧‧矽基板
10‧‧‧扭轉彈簧
20‧‧‧擺振臂
21‧‧‧擺振臂
30‧‧‧第一穿孔
32‧‧‧開口
40‧‧‧電極
50‧‧‧空穴
100‧‧‧擺振設備

Claims (8)

  1. 一種用於微機械Z-感應器(200)的擺振設備(100)，其具有：兩個圍繞一扭轉彈簧(10)得到支承，且相對該扭轉彈簧(10)不對稱的擺振臂(20，21)；其中該等擺振臂(20，21)具有若干第一穿孔(30)；其中該等擺振臂(20，21)中的至少一個具有至少一開口(32)，其中該等第一穿孔(30)之直徑明確小於該開口(32)之直徑；且其中在該等擺振臂(20，21)中的至少一個中設有空穴(50)，其用於為該等第一穿孔(30)與該至少一開口(32)建立連接。
  2. 如申請專利範圍第1項之擺振設備(100)，其特徵在於，該等第一穿孔(30)在該擺振設備(100)之xy平面中的面積為約0.5μm×約2μm，且其中，該開口(32)在該擺振設備(100)之xy平面中的面積為約2μm×約3μm。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之擺振設備(100)，其特徵在於，該等第一穿孔(30)係構建在該擺振設備(100)之第三功能層(FP)中。
  4. 如前述申請專利範圍中任一項之擺振設備(100)，其特徵在於，該至少一開口(32)係構建在該擺振設備(100)之第一功能層(EP)中。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之擺振設備(100)，其特徵在於，該空穴(50)係佈置在包含第一功能層(EP)之擺振臂(20，21)中。
  6. 一種微機械Z-感應器(200)，其具有如申請專利範圍第1至5項中任一項之擺振設備(100)。
  7. 一種製造用於微機械Z-感應器(200)的擺振設備(100)的方法，具 有以下步驟：構建兩個不對稱的擺振臂(20，21)；在該等擺振臂(20，21)之第三功能層(FP)中構建若干第一穿孔(30)；在該等擺振臂(20，21)中的至少一個的第一功能層(EP)中構建至少一開口(32)；以及在該等擺振臂(20，21)中的至少一個中構建至少一空穴(50)，從而為該等第一穿孔(30)與該至少一開口(32)建立連接。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中將該空穴(50)構建在包含第一功能層(EP)之擺振臂(20，21)中。
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