TWI414478B - 可同時量測加速度及壓力之微機電感測器 - Google Patents

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Description

可同時量測加速度及壓力之微機電感測器
本發明係與微機電(micro-electro-mechanical systems，以下簡稱MEMS)感測器有關，特別是關於一種具有一可動感測元件(moveable sensing element)且可同時量測加速度及壓力之微機電感測器。
微機電感測器(MEMS sensor)的種類繁多，例如諸如陀螺儀或加速度計等之慣性感測器、壓力感測器、氣體感測器等皆屬之，且其應用領域更是不勝枚舉。很多的微機電感測器(例如陀螺儀或加速度計)都具有可動感測元件(moveable sensing element)，亦即俗稱的質量塊(proof mass)，例如美國第4,905,523號專利揭露有一種壓阻式力量及力矩偵測器(force detector and moment detector)，利用質量塊位移將間接造成電阻值改變之原理，藉由量測電阻值之改變可間接測得外力的變化。
在某些電子產品(如筆記型電)中可能同時使用多種微機電感測器，例如同時使用壓力感測器以及加速度計，然而，現行之作法係將二個分別獨立的壓力感測器及加速度計分別設置在產品中，如此雖可達成同時量測壓力及加速度的功能，惟如此一來，對於訴求日益輕、薄、短、小的電子產品而言，有成本增加以及體積過大的缺點。
有鑑於此，本發明目的之一在於提供一種微機電感測器，可同時量測加速度以及壓力者。
本發明之另一目的在於提供一種可同時量測加速度及壓力之微機電感測器，係可將量測加速度用之可動感測元件(moveable sensing element)與壓力感測元件積體整合為一體，以減少該微機電感測器之體積者。
為達成上述目的，本發明所提供之一種微機電感測器，包含有一框架、一質量塊以及複數個連接於該框架與該質量塊之間的彈性支撐臂，使該質量塊可懸置於該框架中，此外，該質量塊具有一壓力感測薄膜以及位於該薄膜下方的封閉腔室。藉此，該質量塊除了本身可作為量測加速度用之可動感測元件(moveable sensing element)之外，藉由設於該質量塊中的封閉腔室以及該壓力感測薄膜，可提供壓力量測之功能，而且感測加速度及壓力之元件整合一體，可減少該微機電感測器之整體體積。
上述之微機電感測器係可為一包含有一底層以及一頂層之雙層結構體。其中該頂層具有該等支撐臂，以及一與該等彈性支撐臂連接並具有該壓力感測薄膜之中央部位；而該底層具有一與該頂層中央部位對應且與該頂層中央部位形成該質量塊的中央部位，且該封閉腔室係位於該壓力感測薄膜與該底層中央部位之間。
在本發明之一較佳實施例中，本發明所提供之微機電感測器可以作為一三軸加速度計(three-axis accelerometer)，為此，該等彈性支撐臂可包含有一第一對彈性支撐臂，係呈直線狀對應地分別銜接於該質量塊的二相對側邊，以及一第二對彈性支撐臂，係呈直線狀對應且與該第一對彈性支撐臂垂直地分別銜接於該質量塊的另二相對側邊。
上述之微機電感測器，係可為壓阻式(piezo-resistive type)或是電容式感測器，就以壓阻式感測器而言，各該彈性支撐臂上可設置有用以量測加速度之電阻，且該壓力感測薄膜上可設置有用以量測壓力之電阻。
最好，該第一對彈性支撐臂上設置有一組四個用以量測加速度之電阻，該第二對彈性支撐臂上設置有二組每組四個用以量測加速度之電阻，且該壓力感測薄膜上設置有一組四個用以量測壓力之電阻。
就電容式感測器而言，該頂層更可包含一連接並圍繞於其中央部位的周邊部位，且該頂層之中央及周邊部位設置有用以量測加速度之電容電極，且該壓力感測薄膜上設置有用以量測壓力之電容電極。此外，所述之微機電感測器更包含有一蓋體，係結合於該頂層之頂面，該蓋體之底面設有一接地電極，該接地電極係間隔地面對該頂層之該等電容電極。
有關本發明所提供之可同時量測加速度及壓力之微機電感測器的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
以下將藉由所列舉之實施例配合隨附之圖式，詳細說明本發明之技術內容及特徵。
申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。
請先參閱第一至三圖，本發明第一較佳實施例所提供之微機電感測器，如圖中所示之標號10，主要係以可同時量測三軸加速度以及一絕對壓力(absolute pressure)之壓阻式微機電感測器來體現，然而，必須首先說明的是，可應用本發明所揭露之技術特徵的微機電感測器種類並不以此為限。如圖所示，該感測器10主要包含有一框架12、一質量塊14以及四個連接於該框架12與該質量塊14之間的彈性支撐臂16a~16d，使該質量塊14可懸置於該框架12中。此外，該質量塊14具有一位於其頂面之壓力感測薄膜14a，以及一位於該薄膜14a下方的封閉腔室14b。
詳而言之，在本實施例中，該微機電感測器10係為一雙層結構體，亦即，其具有一底層20以及一固定結合於該底層20之頂層22。該頂、底層20、22具有呈矩形的四個邊框，藉此形成該感測器10的框架12。至於該感 測器10的實際製造方式，以下將另闢篇幅詳述之。
其次，該頂層22具有該等彈性支撐臂16a~16d以及一中央部位22a，其中，各該彈性支撐臂16a~16d之一端係一體銜接於該頂層22四個邊框之中段位置，而各該彈性支撐臂16a~16d之另一端係一體銜接於該頂層中央部位22a。進一步言之，該等彈性支撐臂16a~16d可區分成一第一對彈性支撐臂16a、16b，以及一第二對彈性支撐臂16c、16d，其中，第一對彈性支撐臂16a、16b係呈直線狀對應地分別銜接於該頂層22中央部位22a的二相對側邊，而該第二對彈性支撐臂16c、16d亦呈直線狀對應地分別銜接於該頂層22中央部位22a的另二相對側邊，藉此，第一對彈性支撐臂16a、16b與第二對彈性支撐臂16c、16d之延伸線係呈彼此垂直正交狀。此外，該頂層22中央部位22a之中心可以定義出呈矩形的該壓力感測薄膜14a。
此外，該底層20除了具有構成該感測器框架的四邊框之外，更具有一與該頂層22中央部位22a對應的中央部位20a，藉此，該頂層22之中央部位22a與該底層20之中央部位20a形成前述之質量塊14。其次，該底層20之中央部位20a具有一凹穴20b，藉此，該頂層22中央部位22a之壓力感測薄膜14a與該底層20中央部位20a之間可形成前述封閉腔室14b。
以上為本發明所提供之微機電感測器10之機械結構部分的詳細描述，而為了達成量測三軸加速度及壓力之功 能，以下將介紹該感測器10之電路設計部分。
簡言之，各該彈性支撐臂16a~16d上設置有可以形成三組惠司登電橋(Wheatstone bridge)藉此用來量測X、Y及Z軸方向之加速度的壓電電阻(piezoresistance)，且該壓力感測薄膜14a上設置有可以形成一組惠司登電橋並用以量測壓力之壓電電阻。進一步言之，該第一對彈性支撐臂16a，16b上設置有一組四個壓電電阻RY1 ~RY4 ，該第二對彈性支撐臂16c，16d上設置有二組每組四個壓電電阻RX1 ~RX4 以及RZ1 ~RZ4 ，而該壓力感測薄膜14a上設置有一組四個壓電電阻RP1 ~RP4 ，由於此等加速度計及壓力之電路設計及量測原理屬於習知技術，且並非本發明的最主要技術特徵，故在此不予以贅述。
由以上之陳述可知，本發明所揭露的微機電感測器10，藉由彈性支撐臂、質量塊以及加速度量測用之電阻，可作為三軸加速度計使用，除此之外，藉由設於該質量塊中的封閉腔室以及該壓力感測薄膜，本發明所提供的微機電感測器可同時作為壓力計使用，而且，感測壓力用之元件係整合於量測加速度用之質量塊中，因此可減少該微機電感測器之整體體積。
以下將進一步介紹本發明第一實施例所揭露之微機電感測器之製造方法，以說明本發明之可實施性。
請先參閱第四圖A及B，首先，可以取用一厚度約為400μm之矽晶圓30，為便於說明，以下將以第一晶圓30稱之。其次，利用蝕刻技術於該晶圓30頂面30a蝕刻 出一個約500μm見方且深度約為10~50μm之凹穴30b，以作為壓力腔室。
其次，如第五圖所示，於該第一晶圓頂面30a覆蓋並固接另一N型矽晶圓32，而為便於說明，以下將以第二晶圓32稱之。至於晶圓固接之方法，可利用融接(fusion bonding)或其他可行之方式。
如第六圖所示，在第一晶圓30及第二晶圓32固接之後，將第二晶圓32薄化至厚度約為5~10μm，藉此，第二晶圓32對應該第一晶圓凹穴30b之位置即形成一壓力感測薄膜14a，且該第一晶圓之凹穴30b與該壓力感測薄膜14a之間即可形成一封閉腔室14b。在此需說明的是，該封閉腔室14b之形狀(亦即該薄膜14a的形狀)並不以矩形為限，其可為圓形或者其他合適之形狀。此外，薄化第二晶圓之技術亦未特別限定，可利用機械研磨、化學機械研磨、乾式化學蝕刻或其他合適之方式來達成。
之後，如第七圖A及B所示，於該第二晶圓特定位置佈植所需的壓電電阻RX1 ~RX4 、RY1 ~RY4 、RZ1 ~RZ4 以及RP1 ~RP4 。該等壓電電阻之形成方式，係屬習用技術，在美國第4,905,523號專利之說明書中已有詳細之揭露，故在此不加以贅述。
之後，請參閱第八圖A及B，利用蝕刻技術於該第二晶圓形成四個繞其中心部位、相互間隔、具有特定形狀且穿透該第二晶圓頂、底面之開口32a，藉此，該第二晶圓32可形成四彈性支撐臂16a~16d以及一中央部位 22a。
最後，如第九圖A及B所示，利用背向蝕刻(backside etching)將第一晶圓30對應該第二晶圓32四個開口32a之部分去除，即完成本發明第一實施例所提供之可同時量測加速動及壓力的壓阻式微機電感測器10。亦即，該第一晶圓30最後構成上述微機電感測器10之底層20部分，而該第二晶圓32最後構成上述微機電感測器10之頂層22部分。
在上述之實施例中，本發明所提供之微機電感測器係以一壓阻式微機電感測器來體現，然而，必須說明的是，可應用本發明之技術特徵的微機電感測器種類並不以此為限。例如，可以是為可同時量測三軸加速度以及壓力之電容式微機電感測器。以下將藉由第十圖至第十六圖，介紹本發明第二較佳實施例所提供之微機電感測器之製造方法。
請參閱第十圖A至C，在第一晶圓30形成凹穴、第二晶圓32固定接合於第一晶圓30頂面，且第二晶圓32薄化至一預定厚度之後，可於該第二晶圓32之頂面以濺鍍金屬(例如鋁)之方式，設置具特定形狀且用以量測加速度及壓力之電容電極C1 ~C6 。
之後，請參閱第十一圖A至C，利用蝕刻技術於該第二晶圓形成四個繞其中心部位、相互間隔、具有特定形狀且穿透該第二晶圓頂、底面之開口32a，藉此，該第二晶圓32可形成四彈性支撐臂16a~16d、一中央部位 22a，以及一個具有四個區塊的周邊部位32c，其中每一區塊上分別設有一個電容電極，且四個區塊係間隔圍繞著該中央部位22a並與該中央部位22a一體連接。
請再參閱第十二圖A至C，利用背向蝕刻將第一晶圓30對應該第二晶圓32四個開口32a之部分去除，即可形成本發明第二實施例所提供之電容式微機電感測晶片之主要結構，亦即，該第一晶圓30及該第二晶圓32分別構成微機電感測器之底層20及頂層22部分，且該底層20具有一與該頂層22中央部位22a對應的中央部位20a，以及一與該頂層周邊部位32c對應之周邊部位30c，藉此，該頂層之中央22a及周邊部位32c與該底層之中央20a及周邊部位30c形成一質量塊，且該頂層中央部位22a之壓力感測薄膜14a與該底層中央部位22a之間形成有一封閉腔室14b。
最後，取用一第三晶圓40，並於該第三晶圓40之底面以濺鍍或化學真空沈積或其他合適之方式形成一接地電極GND(如第十三及十四圖所示)，而後，如第十五及第十六圖所示，將該第三晶圓40藉由黏膠42結合於該第二晶圓32之頂面，使該第三晶圓40可以形成一結合於該微機電感測器頂層22之保護蓋體，並使該接地電極GND可以間隔且面對面之方式設於該第二晶圓32之該等電容電極C1 ~C6 的上方，藉此，該接地電極GND與該等電容電極C1 ~C6 可以形成六個電容，且藉由六個電容的搭配組合，可以形成一組壓力感測用電容組，以及三組分別用 以量測X、Y及Z軸方向之加速度感測用電容組。必須說明的是，在此實施例中，各個電容電極的設置位置，僅為一種示例說明，任何一種可達成量測三軸加速度以及壓力的電容佈局設計，皆可應用於本發明中。
綜上所陳，本發明所提供之微機電感測器的主要技術特徵在於，將用以量測壓力之封閉腔室及壓力感測薄膜整合設置於量測加速度用之質量塊中，因此所提供的感測器兼具壓力量測以及加速度量測的功能，也因為不需採用二個分別量測壓力及加速度之微機電感測器，因此可相對減少體積。
最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧微機電感測器
12‧‧‧框架
14‧‧‧質量塊
14a‧‧‧壓力感測薄膜
14b‧‧‧封閉腔室
16a~16d‧‧‧彈性支撐臂
20‧‧‧底層
20a‧‧‧底層中央部位
22‧‧‧頂層
22a‧‧‧頂層中央部位
30‧‧‧第一晶圓
30a‧‧‧第一晶圓頂面
30b‧‧‧凹穴
30c‧‧‧底層周邊部位
32‧‧‧第二晶圓
32a‧‧‧開口
32c‧‧‧頂層周邊部位
40‧‧‧第三晶圓
42‧‧‧黏膠
C1 ~C6 ‧‧‧電容電極
RX1 ~RX4 ‧‧‧電阻
RY1 ~RY4 ‧‧‧電阻
RZ1 ~RZ4 ‧‧‧電阻
RP1 ~RP4 ‧‧‧電阻
第一圖為本發明第一較佳實施例所提供之微機電感測器之立體示意圖；第二圖為第一圖之頂視圖；第三圖為第二圖中沿著剖線3-3方向的剖視示意圖；第四圖A係為本發明第一較佳實施例所提供之微機電感測器之一製造步驟的頂視示意圖，用以顯示於一第一晶圓頂面形成一凹穴；第四圖B係第四圖A沿剖線A-A方向的剖視示意圖；第五圖為一剖視示意圖，顯示一第二晶圓固設於該第一晶圓頂面；第六圖為一剖視示意圖，顯示該第二晶圓已被薄化；第七圖A為一頂視示意圖，顯示第二晶圓頂面佈植有量測速度及壓力之電阻；第七圖B係第七圖A沿剖線B-B方向的剖視示意圖；第八圖A係為一頂視示意圖，顯示第二晶圓形成四個繞其中心部位的開口；第八圖B係第八圖A沿剖線C-C方向的剖視示意圖；第九圖A係為一頂視示意圖，顯示於第一晶圓形成四個圍繞其中心部位的開口； 第九圖B係第九圖A沿剖線D-D方向的剖視示意圖；第十圖A係為本發明第二較佳實施例所提供之微機電感測器之一製造步驟的頂視示意圖，顯示於第二晶圓頂面設置有量測速度及壓力之電容電極；第十圖B係第十圖A沿剖線E-E方向的剖視示意圖；第十圖C係第十圖A沿剖線F-F方向的剖視示意圖；第十一圖A係一頂視示意圖，顯示於第二晶圓形成四個具特定形狀且圍繞其中心部位的開口；第十一圖B係第十一圖A沿剖線G-G方向的剖視示意圖；第十一圖C係第十一圖A沿剖線H-H方向的剖視示意圖；第十二圖A係一頂視示意圖，顯示於形成四個具特定形狀且貫穿該第一晶圓開口；第十二圖B係第十二圖A沿剖線I-I方向的剖視示意圖；第十二圖C係第十二圖A沿剖線J-J方向的剖視示意圖；第十三圖係為一底視示意圖，顯示一第三晶片之底面設置有一接地電極；第十四圖係該第三晶片之側視示意圖； 第十五圖係類同第十二圖B，惟顯示第三晶片固設於該第二晶片上之態樣；以及第十六圖係類同第十二圖C，惟顯示第三晶片固設於該第二晶片上之態樣。
10．．．微機電感測器
12．．．框架
14．．．質量塊
14a．．．壓力感測薄膜
16a～16d．．．彈性支撐臂
22a．．．頂層中央部位

Claims (9)

  1. 一種可同時量測加速度及壓力之微機電感測器，包含有：一框架；複數個彈性支撐臂，各該彈性支撐臂之一端係銜接於該框架；一質量塊，係銜接於各該彈性支撐臂之另一端而懸置於該框架中，該質量塊具有一壓力感測薄膜以及位於該薄膜下方的封閉腔室；其中該微機電感測器更包含有一底層以及一結合於該底層之頂層；該頂層具有該等彈性支撐臂，以及一與該等彈性支撐臂之另一端連接並具有該壓力感測薄膜之中央部位；該底層具有一與該頂層中央部位對應的中央部位，藉此，該頂層之中央部位與該底層之中央部位形成該質量塊，且該封閉腔室係位於該頂層中央部位之壓力感測薄膜與該底層中央部位之間。
  2. 如請求項1所述之微機電感測器，其中各該彈性支撐臂上設置有用以量測加速度之電阻，且該壓力感測薄膜上設置有用以量測壓力之電阻。
  3. 如請求項2所述之微機電感測器，其中該等彈性支撐臂包含有一第一對彈性支撐臂，係呈直線狀對應地分別銜接於該頂層中央部位的二相對側邊，以及一第二對彈性支撐臂，係呈直線狀對應且與該第一對彈性支撐臂垂直地分別銜接於該頂層中央部位的另二相對側邊。
  4. 如請求項3所述之微機電感測器，其中該第一對彈性支撐臂上設置有一組四個用以量測加速度之電阻，該第二對彈性支撐臂上設置有二組、每組四個用以量測加速度之電阻，且該壓力感測薄膜上設置有一組四個用以量測壓力之電阻。
  5. 如請求項1所述之微機電感測器，其中該等彈性支撐臂包含有一第一對彈性支撐臂，係呈直線狀對應地分別銜接於該質量塊的二相對側邊，以及一第二對彈性支撐臂，係呈直線狀對應且與該第一對彈性支撐臂垂直地分別銜接於該質量塊的另二相對側邊。
  6. 一種可同時量測加速度及壓力之微機電感測器，包含有：一框架；複數個彈性支撐臂，各該彈性支撐臂之一端係銜接於該框架；一質量塊，係銜接於各該彈性支撐臂之另一端而懸置於該框架中，該質量塊具有一壓力感測薄膜以及位於該薄膜下方的封閉腔室；其中該微機電感測器更包含有一底層以及一結合於該底層之頂層；該頂層具有該等彈性支撐臂，一與該等彈性支撐臂之另一端連接並具有該壓力感測薄膜之中央部位，以及一圍繞該中央部位並與該中央部位連接的周邊部位；該底層具有一與該頂層中央部位對應的中央部位，以及一與該頂層周邊部位對應之周邊部位，藉此，該頂層之中央 及周邊部位與該底層之中央及周邊部位形成該質量塊，且該封閉腔室係位於該頂層中央部位之壓力感測薄膜與該底層中央部位之間。
  7. 如請求項6所述之微機電感測器，其中該頂層之中央及周邊部位設置有用以量測加速度之電容電極，且該壓力感測薄膜上設置有用以量測壓力之電容電極。
  8. 如請求項7所述之微機電感測器，更包含有一蓋體，係結合於該頂層之頂面，該蓋體之底面設有一接地電極，該接地電極係間隔地面對該頂層之該等電容電極。
  9. 如請求項8所述之微機電感測器，其中該等彈性支撐臂包含有一第一對彈性支撐臂，係呈直線狀對應地分別銜接於該頂層中央部位的二相對側邊，以及一第二對彈性支撐臂，係呈直線狀對應且與該第一對彈性支撐臂垂直地分別銜接於該頂層中央部位的另二相對側邊。
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