TWI377169B - Z-axis accelerometer with at least two gap sizes and travel stops disposed outside an active capacitor area - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體係關於微機電系統（MEMS)裝置，且更特定言 之’係關於一種包括一具有平衡桿（teeter-totter)結構之加速 度計之MEMS裝置》 【先前技術】 許多裝置及系統包括執行多種監控及/或控制功能之多 種編號及類型的感應器。微機械加工及其它微製造技術及 相關方法中的發展已能夠製造廣泛種類的微機電（MEms) 裝置。於近幾年中，用於執行監控及/或控制功能之許多感 應器已實施至MEMS裝置中。 一種用於各種應用中之特定類型的MEMS感應器為一加 速度計。一般地，除其它組件部分外，一MEMSm速度計 包括一由一或多個懸掛彈簧彈性地懸掛之計測塊（pr〇〇f mass) ^當MEMS加速度計經歷加速時，計測塊移動。接著 計測塊之運動可經轉換為一具有一與加速度成比例之參數 量值（例如，電壓、電流、頻率等）的電訊號。 另種用於感應加速度之MEMS加速度計通常稱作平衡 桿電谷性加速度傳感器或"平衡桿加速度計，匕一典型平衡 桿加速度計包括-藉由使用—支點5戈其它軸而懸掛於一基 板上的非平衡計载。該計測塊與第一及第二導電電極形 成第-及第二電容器’該等兩個導電電極均形成於該基板 上。在加速度垂直於基板期間，計測塊以一與該加速度成 比例之程度傾斜，且計測塊之間的間隙在軸之一側上增 l07060.doc 1377169 加，且在該軸之相對側減少。該等第一及第二電容器之電 容以相反方向變化，且該電容變化經價測並用於確定該加 速度之方向及量值。 —般地，平衡桿加速度計製造簡單且具成本效益。然而， 因為計測塊相對於一反電極傾斜而非以一均勻方式移動， 所以計測塊與反電極之間的平均間隙尺寸中的變化相對較 小。為了一些目的，平均間隙尺寸中的較小變化有時轉譯 為次最佳電容變化。因為平均間隙尺寸中之變化相對較 小，所以平衡桿加速度計可能不會對小加速度足夠敏感。 另外，基電容（base capacitance)(零加速度下的電容）常常低 於所要的，因為該等板製造得較大而導致較大的晶粒面積 且因此更高的生產成本。 再者’若諸如上述MEMS加速度計中之一者之MEMS裝置 經歷相對較高的加速度或受到相對較高的力，則計測塊會 移動到所要距離之外。在某些情況下，該移動可能損壞 MEMS裝置。此外’若當電壓供應至MEMS裝置時，MEMS 裝置之計測塊及/或其它部分行進過遠，則MEMS裝置會表 現不穩定狀態。因此，許多MEMS裝置包括一或多種類型 的行進終點或運動限制器，其經配置以限制MEMS裝置之 6十测塊及/或其它部分的移動。 雖然目前已知之用於限制MEMS裝置組件之行進的裝置 及方法普遍係安全、可靠及穩固的，但是此等裝置及方法 確實面臨一些缺陷。舉例而言，一些電容器結構包括在一 主動電容器區域内之一體式行進終點。一些典型行進終點 107060.doc 丄377169 包括皺褶或凹坑，其以計測塊形成或形成於計測塊上，且

之部分，而是位於計測塊與電容器板之間的作用區域中的 間隔結構。因為行進終點位於作用區域中，所以其包括接 觸計測塊以阻止計測塊運動之介電層或其它非導電層。隨 著時間的過去’該非導電性層會磨損或失去其隔離計測塊 與電容器板之性能，藉此縮短MEMS裝置的功能壽命。 因此，需要提供一種高度敏感、具有高的基電容、且亦 消耗最小晶粒面積之MEMS加速度計。另外，需要提供一 種不易由於涉及功能組件的影響而受到損壞2MEMS加速 度計。此外，本發明之其它所要之特徵及特性將根據隨後 的貫施方式及附加之申請專利範圍並結合附圖及前述技術 領域及先前技術而變得顯而易見。 【發明内容】

經配置以裝配於計測塊與另 兩個塊電接觸或機械接觸》 一電谷器板之間’以防止該等 其它共同行進終點不是計測塊 根據本發明之第一實施例，一加速度計包含：_基板， 其具有一表面；一對導電板，其固定地安裝於該基板表面 上；一結構’其耦接至該基板表面且懸掛於該等導電板上 方；及至少一防護罩，其安裝於該基板表面上。該結構具 有不同質量的第一及第二區域’每一該等區域安置於個別 導電板上方且由一撓曲軸間隔開，該結構在存在一垂直於 該基板之加速度期間繞該撓曲軸旋轉。該至少一防護罩安 置於遠離5玄等第一及第二導電板中之任一者處，以限制該 結構之旋轉且藉此阻止該結構接觸導電板中之一者。 107060.doc 1377169 根據本發明之第二實施例，一加速度計包含：_基板， 其具有一表面；一對導電板，其固定地安裝於該基板表面 上；及一結構’其耦接至基板表面且懸掛於該等導電板上 方。該結構包含不同總力矩的第一及第二區域，該等區域 安置於個別導電板上方且由一撓曲軸間隔開，該結構在存 在一垂直於基板之加速度期間繞撓曲軸旋轉，每一區域具 有·· 一大體平坦之外部表面；及一内部表面，該内部表面 具有一形成於其上之第一皺褶。對於該等第一及第二區域 之每一者，一内部間隙存在於該第一皺褶與一相對導電板 之間’且一外部間隙存在於大體平坦之外部表面與該相對 導電板之間，該外部間隙大於該内部間隙。 根據本發明之又一實施例，一加速度計包含一基板，其 具有一表面；一對導電板，其固定地安裝於該基板表面上， 構’其鶴接至基板表面，且包括如上文關於該第二實 施例所述之皺褶部分及如上文關於該第一實施例所述之防 護罩。 【實施方式】 以下實施方式實質上僅為例示性且不希望限制本發明或 本發明之應用或使用。此外，不希望受出現於上述技術領 域、先前技術、簡要内容或以下實施方式中任何明確的或 暗含的理論的束縛。 圖1中說明一例示性平衡桿加速度計的俯視圖。該加速度 計1 〇包括一可移動板，下文稱作計測塊20，其藉由一安裝 系統安裝於基板1 2上方。該計測塊2 0之内部區域經移除以 107060.doc 形成一開口】6。該安裝系統包括位於該開口 16内之一基座 18及扭桿21、22，該等扭桿21、22自該基座18以相反方向 延伸至什測塊20。計測塊2〇、基座1 8及扭桿21、22皆由諸 如多晶矽之導電材料製造.該等扭桿21、22界定一撓曲軸 26 ’計測塊20能夠關於基座18及基板12繞撓曲軸26旋轉。 更特定言之’扭桿21、22提供一允許計測塊2〇繞撓曲軸26 旋轉之軸向順從之懸掛。該等成對扭桿僅為許多可能懸掛 機構中之一者。計測塊2〇及基板上表面24大體上平坦，且 安裝系統安裝計測塊20使得在不存在垂直於上表面24之加 速度時使計測塊20在上表面24上方間隔開且平行於上表面 24 〇 撓曲軸26將計測塊20劃分成一在撓曲轴26之一側的第一 區28及一在撓曲軸26之相對侧的第二區30。計測塊20經建 構使得第一區28關於撓曲軸26之總力矩（質量乘以力矩臂） 小於第二區3 0關於撓曲轴2 6之總力矩》—種提供此等總力 矩差之方式為自撓曲軸26偏移計測塊20之質量中心。因 此’回應於垂直於上表面24之加速度’計測塊20易於繞撓 曲軸26旋轉’旋轉度大約與加速度量值成比例，且旋轉方 向對應於加速度方向。 基板12包括一未說明之半導體層，其由一或多個未說明 之絕緣層覆蓋。一般地’該半導體層為一矽晶圓，在某些 狀況下’與加速度計1 0相關聯之電子裝置亦可藉由使用習 知製造技術而製造於該碎晶圓上。該絕緣層可包括玻璃、 二氧化石夕、氮化石夕或任何其它相容材料。一導電電極或固 107060.doc 1377169 定板36形成於該半導體層中且位於計測塊第一區28之一部 刀下方。導電性固定板3 8亦形成於半導體層中且位於計測 塊第二區30之一部分之下。該等固定板36、38較佳在尺寸 及形狀上彼此相等，且較佳關於撓曲軸26對稱安置。 未說明之導體形成於基板中以提供獨立電連接至固定板 36、38及計測塊20。該等固定板36、38由諸如多晶矽之導 電性材料形成，且若為該等固定板與個別導體組件選擇相 同材料，則固定板可與個別導體同時形成。如隨後所詳述， 成對的固定板36與計測塊第一區28形成一第一電容器，且 成對的固定板38與計測塊第二區3〇形成一第二電容器。當 該計測塊20回應於加速度而繞撓曲軸26旋轉時，該第一電 谷器與該第一電谷器之電容以相反方向變化’且該等電容 變化經偵測並用於確定該加速度之方向及量值。 藉由改變計測塊20之幾何形狀以改變其質量及第一與第 二區28、30關於撓曲轴26之力矩臂，可大範圍地調整加速 度計之敏感性。亦可藉由調整扭桿21、22之尺寸及（因此） 彈簧常數而改變敏感性。另外，藉由達到一撓曲軸26之平 面中之慣性質量的中心，加速度計實質上對平行於上表面 24之加速度不敏感。 為量測電容，在電容器板之間施加一電壓差。所施加的 電壓使得在該等板之間產生引力靜電力。若該力產生_使 電容發生變化之偏轉，則該量測電容之過程干擾正被量測 的電容值。若所施加的電壓足夠大且電容器間距足夠小， 則合力將克服安裝系統之回復力，導致電容器板共同作用 107060.doc •10- 1377169 且藉此使得裝置無效^此為一能夠設定可達到的敏感性之 上限的考慮。該平衡桿設計具有一降低或消除由量測電壓 導致之任何擾動偏轉的消除效應。更特定言之，該等固定 板36、38經以一方式配置，藉此由施加至固定板刊之電壓 所產生之繞繞曲轴26的扭力矩易於 > 肖除由固定板3g上之電 麼所產生的扭力矩。具有位於一撓曲轴相對侧之兩個可變 電谷器之平衡4干的另一益處為：較之一使用一單個可變電 容器及一固定電容器之裝置，該微變電容提供一兩倍敏感 性的輸出。另外，在每一電容器由板組成之實施例中（該板 由諸如多晶矽之相同組合物形成），電容器之熱係數將基本 上相同’藉此大體消除溫度敏感性。 如先前所提及’因為計測塊2〇相對於相對固定板36、38 傾斜而非以一均勻方式移動，所以計測塊2 〇與固定板3 6、 3 8之間的平均間隙尺寸中的變化相對較小。平均間隙尺寸 中之較小變化可在某些方面轉化成次最佳敏感性。圖2a及 2B中所說明的例示性平衡桿構造在加速期間提供增大的基 電容及增大的電容變化，且藉由減少接近撓曲軸26之區域 中間隙尺寸亦提供增大的電容器敏感性。皺褶32、34在固 定板36、38之内側（較接近撓曲）區域中產生較小間隙。計測 塊20與固定板36、3 8之間的較大間隙相對於該等小間隙向 外安置。圖2A為一具有平行於基板頂表面24之計測塊2〇之 例示性平衡桿構造的側視圖，且圖2B說明具有由於垂直於 基板頂表面24之加速度而傾斜之計測塊的平衡桿加速度 計。當較之具有一均勻間隙尺寸之習知平衡桿加速度計 107060.doc 1377169 時’該較小間隙在加速期間於接近計測塊撓曲軸26處之間 隙尺寸中促成較大的成比例廋化。另外，接近計測境撓曲 軸26處之間隙尺寸中之該較大成比例變化在加速期間轉化 成間隙尺寸t之較大的總變化。使用較小間隙亦產生較高 基電容值。 雖然圖2 A及2B中所說明的加速度計表示雙間隙構造，但 是可使用額外間隙級（gap level)，以達成跨越平衡桿加速度 計中每一電容器的間隙尺寸中之更均勻的變化。藉由不斷 增加較小皺褶至計測塊20外部邊緣，在加速期間跨越計測 塊20之成比例間隙變化變得更加均勻。圖3為一在加速期間 初始間隙尺寸之計測塊偏轉百分比相對於計測塊距撓曲軸 之距離的關係曲線圖。水平線D表示一跨越整個計測塊之理 想均勻偏轉。然而，對於具有樞轉計測塊（諸如平衡桿加速 度計）的加速度計，偏轉無法完全均勻。曲線入及8分別表示 具有一習知初始間隙尺寸及一較小初始間隙尺寸之計測塊 的近似線性[偏轉％]/[距撓曲軸之距離]關係。曲線c說明曲 線A及B之混合，其歸因於一加速度構造具有計測塊之外部 β分上之習知初始間隙尺寸及該計測塊之内部部分上之較 小初始間隙尺寸兩者。自非線性曲線C可看出，兩種以上之 初始間隙尺寸（其中初始間隙尺寸隨計測塊距撓曲軸距離 的增大而增大）將如何產生一接近水平線〇之曲線；沿計測 塊之偏轉由於藉由計測塊中愈來愈小皺褶而形成的每一額 卜間隙變得更為均勻。因此，一例示性構造包括在計測塊 20與在撓曲軸26各側處之固定板36、38之間的兩種以上間 107060.doc 12 隙尺寸。 現返回圖2 A及2B，接下來將描述計測塊行進終點特徵。 蔓罩44、46形成於基板上表面24上，且位於主動電容器 區域之外部。因為防護罩44、46遠離固定板36' 38形成， 所以°亥等防濩罩不影響基電容或裝置敏感性。防護罩44、 46經安置用以··若一加速度足夠大以旋轉計測塊至計測塊 接觸防護罩44、46中之一者的點，則使計測塊的進一步旋 轉停止。計測塊在固定板36、38中之一者接觸計測塊前停 止。 防濩罩44、46係由諸如多晶矽之導電性材料所形成。在 一例示性處理方法中，該等防護罩係由相同於固定板36、 38之材料所形成。因為防護罩及板材料直接沈積於基板 上，其後藉由選擇性蝕刻以同時圖案化防護罩44、46及固 定板36、38，因此該方法為有利的。 在一例示性實施例中，防護罩44、46經安置以比固定板 36、38更接近於計測塊之外部邊緣，且其足夠高以在計測 塊20能接觸固定板36、38中之一者且導致短路之前使得計 測塊20自然接觸該等防護罩44、46中之一者。在另一例示 性實施例中’計測塊20包括終點40、42,每一終點與個別 防護罩44、46相對且朝向個別防護罩44、46突出以確保不 發生短路。因為防護罩44、46安置於遠離固定板36、38處， 所以終點40、42同樣安置於任何主動電容器區域之外部， 以能夠在計測塊20旋轉時接觸防護罩44、46。 終點40、42由與計測塊20之剩餘物的材料相同的導電性 107060.doc -13- 1377169 材料形成，該計測塊20之剩餘物包括皺褶32、34 ^在一例 不性處理方法中，終點40、42由與皺褶32、34之材料相同 的材料形成，藉由沈積該終點材料及皺褶材料於先前形成 - 的计測塊20上方，其後選擇性蝕刻以同時圖案化該等防護 、· 罩終點40、42及皺褶32、34。因此方便地形成具有相同長 度的終點40 ' 42及皺褶32、34。 如圖2B中所描繪，在計測塊2〇能接觸固定板％、38中之 φ —者之前，計測塊20與防護罩44、46中之一者之間的每一 間隙經調整以關閉。舉例而言，若加速度計1〇係藉由安置 該等防護罩44中之一者以在非常接近固定板36處接觸計測 塊20來構建，則防護罩44與計測塊2〇之間的間隙將相對較 小。然而，防護罩44與計測塊20之間的間隙可隨著防護罩 44與計測塊20之間的接觸點距固定板刊較遠且靠計測塊之 外部部分較近而增加，且仍防止計測塊2〇在加速期間接觸 固定板36。因此，整個行進終點總成經配置以藉由防止對 • 纟動電容器區域之碰撞相關之損壞來保持加速度計之功能 壽命。 雖然已在前述實施方式中呈現至少_各例示性實施例， 但是應瞭解可存在大量變化。亦應瞭解，該或該等例示性 實施例僅為實例，且不希望以任何方式限制本發明之範 鳴、適用性或組態。相反，前述實施方式將向熟悉此項技 術者提供-種用於實施該或該等例示性實施例的方便的指 示。應瞭解在不偏離陳述於附加之申請專利範圍及其法定 均等物中之本發明之範嘴的情況下，可對元件之功能及配 J07060.doc 14 1377169 置進行各種改變。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之一實施例的一例示性平衡桿加速度 計的俯視圖； 圖2 A為一根據本發明之一實施例之例示性平衡桿加速度 計的側視圖’該平衡桿加速度計在作用區域之相對導電區 域中具有兩種間隙尺寸，且其進一步具有計測塊上之終點 及下方基板上之終點防護罩； 圖2B為一在圖2A中所說明之平衡桿加速度計的側視 圖’其中計測塊傾斜到該計測塊上之終點接觸終點防護罩 的程度；及 圖3為一比較常見的一間隙平衡桿加速度計之敏感性與 一發明的例示性平衡桿加速度計之敏感性的圖表。 【主要元件符號說明】 10 加速度計 12 基板 16 開口 18 基座 20 計測塊 21 扭桿 22 扭桿 24 基板上表面 26 換曲軸 28 第一區 107060.doc 1377169 30 第二區 32 皺褶 34 皺褶 36 固定板/導電板 38 固定板/導電板 40 終點 42 終點 44 防護罩

46 防護罩

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Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： κ 一種加迷度計，其包含： 一基板，其具有一表面 第094145880號專利申請案 中文申請平-利範圍替換年7弓、 丨0|年？月丨L曰修(更}正替換灵李 對導電電容板，其固定地安裝於該基板表面上； 、’Ό構，其耦接至該基板表面且懸掛於該等導電電容 板上方，該結構具有不同質量之第一及第二區域，每一 區域經安置於一個科電電容板以在此形成-電容 且由—撓曲軸間隔開，該結構在存在一垂直於該基板之 加速度期間繞該撓曲軸旋轉；及 複數個防護罩，其安裝於該基板表面上且安置於該等 導電電容板中之任一者的外側且遠離該等導電電容板中 之任一者，且進一步安置以限制該結構之旋轉且藉此阻 止該結構接觸該等導電電容板中之一者。 2.如請求項1之加速度計，其中該結構進一步包含：一第一 終點’其與該第一防護罩相對且朝向該第一防護罩突 出；及一第二終點，其與該第二防護罩相對且朝向該第 3. 如請求項1之加速度計，其中至少一防護罩及該對導電電 容板係由相同材料所形成。 4. 如凊求項3之加速度計，其中至少一防護罩及該對導電電 容板直接形成於該基板表面上。 5. —種加速度計，其包含： 一基板，其具有一表面； 一對導電板’其固定地安裝於該基板表面上；及 107060-1010716.doc 1377169 一結構’其耦接至該基板表面且懸掛於該等導電板上 方，該結構包含： 不同總力矩之第一及第二區域，其安置於一個別導. 電板上方且由一撓曲軸間隔開，該結構在存在一垂直 於該基板之加速度期間繞該撓曲軸旋轉，每一區域具 有.一大體平坦之外部表面；及一内部表面，該内部 - 表面具有一形成於其上且平行於該撓曲軸之第一皺 · 褶， 藉此對於該等第一及第二區域中之每一者，一内部 鲁 間隙存在於該第一皺褶與一相對導電板之間，且一外 部間隙存在於該大體平坦之外部表面與該相對導電板 之間，該外部間隙大於該内部間隙。 6. 如請求項5之加速度計’其中該等第一及第二結構區域之 每一者進一步包含形成於該第一皺褶與該外部表面之間 的至少一額外敵稽，藉此一中間間隙存在於每一額外皴 褶與該相對導電板之間’每一中間間隙大於該内部間隙 且小於該外部間隙。 鲁 7. 如請求項6之加速度計’其中自該内部間隙至該外部間 隙’每一連續中間間隙之尺寸增大。 8. 如請求項5之加速度計，其中該結構進一步包含至少一終 點，該終點使一基板表面區域突出，該基板表面區域上 沒有形成一導電板。 9. 如請求項5之加速度計，其中該結構進一步包含第一及第 二終點’該等終點朝向個別基板表面區域突出，該等個 別基板表面區域上形成有導電板。 I07060-I010716.doc