TWI439412B - 具有積體電路微機電系統平臺上支承結構之保證質量及其製造方法 - Google Patents

具有積體電路微機電系統平臺上支承結構之保證質量及其製造方法 Download PDF

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Description

具有積體電路微機電系統平臺上支承結構之保證質量及其製造方法 相關申請案
本申請案主張美國申請案11/640,345的優惠，其全部以參照方式被併入本文。
發明領域
本發明有關一微機電系統(MEMS)裝置及其製造方法。
 發明背景
微機電系統(MEMS)是用類似積體電路使用的那些製程製造的集成感測器、致動器和電子裝置。它們透過微型製造技術用在一共用基底上的電子裝置整合機械元件(諸如感測器和致動器)。它們將物理參數轉換為電信號或由電信號轉換物理參數，取決於它們操作之重要方法中的機械結構或參數。
MEMS裝置使用具有傳感電路系統的一感測器和/或具有驅動電路系統的一致動裝置以檢測或產生物理現象。MEMS感測器透過測量機械、熱、生物、化學、光和磁現象的任何組合收集資訊。電子裝置然後處理源於該等感測器的資訊，並且經由一些決策能力能夠命令致動器回應。非限制性回應包括移動、定位、調節、泵取(pumping)和過濾，因此控制環境以得到一些期望的結果或目的。
早期MEMS裝置被用作汽車碰撞氣囊配置系統的加速度計。目前，在汽車的碰撞氣囊配置系統中MEMS加速度計迅速地取代習知的加速度計。習知的方法使用由一些離散元件製成的若干個龐大的加速度計，被安裝在汽車的前部，有一些獨立的電子裝置靠近氣囊。MEMS使整合該加速度計和電子裝置於一單一矽晶片成為可能。MEMS加速度計因此體積更小、功能更強、更輕、更可靠，並且生產成本是習知大尺寸加速度計元件的一小部分。
MEMS目前可以以許多其他方式被使用。其他非限制性的例子包括壓力感測器、微型閥(microvalve)和陀螺儀。它們在許多領域有應用，包括醫療保健、工業自動化(包括自動化半導體製造)、汽車系統(包括車輛和智慧公路)、全球環境監測、環境控制、國防和各種各樣的消費產品。
MEMS裝置也可以被用做光纖網路中的開關(switch)。一個MEMS光學開關包括與保證質量進行光通信的至少一個輸入埠，以及與保證質量進行光通信的至少一個輸出埠。該保證質量將光從至少一個輸入埠導到至少一個輸出埠。當一靜電位移被施加到至少一個頂部和底部電極，一靜電力被產生，其使得保證質量移動並將光從至少一個輸入埠到導至少一個輸出埠。保證質量然後保持靜態，直到光徑需要被重導向。在某些實施例中，保證質量可形成至少一個鏡子、至少一個部分反光鏡和/或至少一個繞射光柵。保證質量對至少一個光波長可以是透明的。在其他實施例中，該裝置進一步包含被設置在該保證質量上的至少一層光學鍍膜。該至少一層光學鍍膜可形成至少一個鏡子、至少一個部分反光鏡和/或至少一個繞射光柵。該至少一層光學鍍膜可以是導電的或非導電的，並且對至少一個光波長可以是透明的。在某些實施例中，輸入埠和輸出埠可以是光纖線。這些基於鏡子的開關可以是二維的，它們於其中上下或左右移動，或者是三維的，它們可以於其中在一大運動範圍中旋轉。在其他實施例中，該光學開關可被使用在一陣列中，在一單一晶片上多達數千。結果是一端到端的光纖網路，其更加可靠和有成本效益，並且具有最小化的執行性能下降。附加應用包括作用中來源(active source)、可調濾波器、可變光衰減器、增益均衡和色散補償裝置。
MEMS裝置使用類似那些用於積體電路的批次製造技術被製造。微機械(micro－mechanical)元件使用有選擇性地蝕刻去掉一部分矽晶圓或添加新的構造層以形成機械和/或機電裝置之製程被製造。MEMS裝置可包含使用一保證質量懸浮結構的一感測器裝置，和通常使用典型半導體類型製造製程形成的感測電路系統。示範性的MEMS製造技術在以下參考書目中被描述，其全部以參照方式被併入本申請案：John J.Neumann,Jr.& Kaigham J.Gabriel,CMOS －MEMS Membrane for Audio －Frequency Acoustic Actuation ,95 Sensors & Actuators A 175－82(2002)；M.Mehreganyet al .,Integrated Fabrication of Polysilicon Mechanisms ,35 IEEE Transactions on Electron Devices 719－23(1988)；Huikai Xieet al .,Post －CMOS Processing for High －Aspect －Ratio Integrated Silicon Microstructures ,Journal of Microelectromechanical Systems 93－101(2002)第11期；Kaigham J.Gabriel,Engineering Microscopic Machines ,273 Scientific American 118－21(1995)；Andrew A.Berlin & Kaigham J.Gabriel,Distributed MEMS：New Challenges for Computation ,4 IEEE Computational Science & Engineering 12－16(1997)。
由於現存MEMS裝置的製造製程製造一單一裝置需要各個步驟的組合，故效率低並且成本高。此外，當電信號處理愈來愈多地被用於MEMS－－－用在感測器、致動器和集成電子裝置中，現存MEMS的應用受到限制，因為它們的機電整合程度相當低，以及與獨立工作或共同工作以致能一複雜動作的機械元件很少互動。例如，在一典型積體電路中，電路系統和保證質量懸浮結構在獨立的半導體層上被形成。當電子裝置使用積體電路(IC)製程工序(例如，CMOS、雙極性或BICMOS工序)時，微機械元件使用有選擇性地蝕刻去掉一部分矽晶圓或添加新的構造層以形成機械和機電裝置之相似的“微機械加工”製程被製造。因此，晶載電路(on－chip circuit)和保證質量懸浮結構的整合通常需要額外的沉積層或被建立於一獨立模(die)之上。
因此，MEMS產品存在更深程度的機電整合需求。為了滿足MEMS裝置中該增加整合程度的需求，單石(monolithic)晶片或者多晶片模組需要被開發。這些單片裝置將整合傳感、驅動、控制、信號處理電子裝置於一基底上更少的層。這種整合透過用相同的製造和封裝製程把該微機械裝置和一電子子系統結合，可以改善微機械裝置的性能，以及降低這些裝置的製造、封裝、儀器配備成本。
 發明概要
本發明針對一MEMS裝置和製造一MEMS裝置的方法，其實質上消除了由於相關技術的局限和缺陷帶來的問題當中的至少一個。
在一個實施例中，本發明提供一單個單石模和其製造方法，其中該模能夠感測或產生一懸浮保證質量在x－、y－和z－其中至少一個方向上的運動，其中包含電路區域的矽、金屬、氧化層也包含MEMS結構，因此不需要額外的沉積。
本發明的另外一個實施例提供一單石裝置和其製造方法，其中一MEMS裝置和至少一個包含驅動/感測電路系統的晶片被整體地形成於一基底上的至少一半導體層的一半導體模上的至少一個電路區域中，不需要額外的沉積層或一獨立模。
本發明的另外一個實施例提供一單石MEMS裝置和其製造方法，其中保證質量、支承結構和電極被製造於與驅動/感測電路系統相同的半導體層中。
本發明的又一另外的實施例提供一MEMS裝置和其製造方法，其中該MEMS裝置可以被用於多軸慣性感測器、傾斜感測器、光學開關和其他MEMS應用中。
為了達到這些和其他優勢以及根據如被體現和大致描述之本發明的目的，一MEMS裝置包括一保證質量，平衡或不平衡地被至少一個彈簧或彈性裝置懸浮，並自由地在x－、y－和z－其中至少一個方向上運動，有至少一個電極被嵌入於該至少一個彈簧或彈性裝置之中。該至少一個彈簧或彈性裝置被固定到固定於該基底的一支承結構。該保證質量、支承結構和至少一個電極被製造在與驅動/感測電路系統相同的半導體層上。在某些實施例中，該至少一個彈簧或彈性裝置和該支承結構形成一支承網路。由該支承網路懸浮的保證質量自由地在任何方向上運動。該MEMS電容性感測或產生該保證質量在任何方向上的運動。在某些實施例中，該方向可包括沿著x－、y－和z－其中至少一個方向的方向。
本發明的附加特徵和優勢將在隨後的描述中被提出，並且從本描述將在一定程度上顯而易見，或者可以從本發明的實施中瞭解。本發明的目標和其他優點將透過在本書面說明書中特別指出的結構和關於此的申請專利範圍以及所附圖式被實現和獲得。
需被理解的是，無論是前述的一般性描述還是以下的詳細描述都只是示範性和說明性的，旨在提供本發明專利所申請範圍的進一步解釋。
圖式簡單說明
被包括以提供對本發明進一步理解的所附圖式被併入並組成本說明書的一部分，本發明的說明性實施例連同本描述都用於闡明本發明原理。在該等圖式中：第1A圖是由彈簧支承的一保證質量實施例的一橫剖面視圖，該等彈簧包含一機械層，該機械層又進一步包含一導電層和一絕緣層；第1B圖是第1A圖中所示實施例的一平面視圖，為了更清晰，支承彈簧和至少一個頂部電極被省略；第2A圖是一彈簧支承的保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應在負z方向的一外力Fz 或加速度而運動；第2B圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應在正x方向的一外力或加速度而運動，保證質量的質心位於由該彈簧定義的一平面；第2C圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，其回應在正x方向的一外力或加速度而運動，保證質量的質心位於由該彈簧定義的一平面的外部；第3圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應產生於區域C中該至少一個頂部和底部導電電極之間的一靜電力而運動；第4圖是由固定在一模和基底上的複數組彈簧懸浮的一保證質量實施例的一俯視圖；第5A圖是被複數組彈簧懸浮和被四個過度移動擋子(over－travel stop)環繞的一保證質量實施例的一頂部視圖；第5B圖是被彈簧懸浮並被固定於一基底的過度移動擋子環繞的一保證質量實施例之一橫剖面視圖。
 較佳實施例之詳細說明
現將對本發明的較佳實施例進行詳細的介紹，其中一些例子在所附圖式中被說明。
第1A圖是由彈簧130支承的一保證質量120之實施例的一橫剖面視圖，其中彈簧130包含一機械層132，該機械層132進一步包含一導電層136和一絕緣層134。在至少一個彈簧130下面的至少一個底部導電電極150可以被用來致動該保證質量120或感測該保證質量120的運動以回應一外力或動作。該驅動/感測電路系統(圖未示)位於基底110上，並且與該至少一個彈簧130同時被製造。保證質量系統100可為任何形狀，並可細分為任何數目的區域。在該所示的實施例中，保證質量系統100具有界定四區域(A、B、C和D)的四組唯一的頂部和底部導電電極140、150。區域A和C在第1A圖中顯示。
該保證質量120透過從基底110中分離出一區域被形成，該基底110是全部或部分地由矽、多晶矽、半導體介電材料或金屬製成。在某些實施例中，保證質量120具有不大於基底110的一厚度。保證質量120可使用標準MEMS蝕刻技術被從基底110中分離出來。兩個蝕刻技術是濕蝕刻技術和乾電漿蝕刻技術。MEMS蝕刻技術可包括從基底110中材料的移除，直到保證質量120期望的結構被實現。一旦被分離，就沒有進一步的蝕刻處理被施加至於保證質量120。保證質量120可以以任何形狀形成。保證質量120可以在分離製程之前或此期間被定形。在某些實施例中，保證質量120的形狀由分離製程定義。保證質量120的上表面122和/或其他表面可具有金屬層和氧化物層的組合，並且可具有取決於特定應用的附加鍍膜。
在某些實施例中，保證質量120被至少一個彈性裝置懸浮。該至少一個彈性裝置包含至少一導電層136。圍繞該至少一導電層136的一些或所有材料被移除。剩下的圍繞該至少一導電層136的材料形成至少一絕緣層134。一旦該至少一個彈性裝置下面的材料被移除，該至少一個彈性裝置就可以自由地在x－、y－和z－其中至少一個方向上運動。至少一個固定器(anchor)128在該至少一個彈性裝置和保證質量120之間建立一機械連接。該至少一個固定器128與該至少一個彈性裝置之間的機械連接透過使用標準MEMS蝕刻技術形成該至少一個固定器128於該至少一個彈性裝置的該至少一導電層136中被建立。
在某些實施例中，彈簧130可被用做彈性裝置。在某些其他實施例中，彈簧130形成一彈簧支承網路。彈簧130可包含，但並不限於蜿蜒環路、網狀圖形、蟹腳形彎曲、折疊彎曲或簡支樑。彈簧130的區域可被設計成回應在一特定方向上的力或運動。彈簧130可包含一機械層132和至少一導電層136。機械層132包括以下之任意一個或所有：一絕緣層134，諸如氧化矽和/或氮化矽或其他半導體介電材料，以避免頂部和底部導電電極140、150之間短路；以及由金屬或可與該至少一個頂部導電電極140電隔離的多晶矽製成的一導電層136。機械層132當懸浮該至少一個頂部導電電極140於該至少一個底部導電電極150之上時連接保證質量120至該模(圖未示)。
在第1A圖所示的實施例中，該至少一個頂部導電電極140位於該至少一導電層136的下面。該頂部導電電極140可以被嵌入在一絕緣材料內(圖未示)。在其他實施例中，該至少一導電層136可以如同該至少一個頂部導電電極140來作用。在另外其他實施例中，該至少一個頂部導電電極140根本就不存在。該頂部和底部導電電極140、150可以由金屬和/或多晶矽製成，或者可被形成作為基底110內的一摻雜區域。一空氣隙將該彈簧130和該至少一個底部電極150分離。該空氣隙可透過蝕刻矽、多晶矽和/或半導體介電材料在彈簧130下面被生成。該至少一個底部導電電極150位於彈簧130的下面。一初始電容C0 在該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間被產生。在該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間的該初始電容C0 可以增加或減少，取決於被施加力的方向。
該電容用晶載電子裝置(圖未示)被差異地感測。該等晶載電子裝置和MEMS驅動/感測電路系統被製造在同一層上，以減小寄生電容。寄生電容降低了電容感測器/致動器從機械能到電能轉換和從電能到機械能轉換的效率。透過在同一層上製造晶載電子裝置和該MEMS驅動/感測電路系統，該機電介面較機械結構在一獨立的模之上或者用在該驅動/感測電路系統中未使用的層製造的機電介面更加緊密地耦合。該更緊密地耦合降低了MEMS驅動/感測電路系統和晶載電子裝置輸入/輸出之間的寄生電容至使用單獨模或者附加層形成機械結構實現的程度以下。
第1B圖是第1A圖所示實施例的一平面視圖，為了更清晰，固定器128、彈簧130和該至少一個頂部電極140被省略。其顯示保證質量120、保證質量上表面122和該至少一個底部電極150被部分基底110隔離的區域A、B、C和D。儘管所示的保證質量系統100具有四組唯一的界定出四個區域(A、B、C和D)之頂部和底部導電電極140、150，但是保證質量系統100可以為任意形狀，並可以被細分為任何數目的區域。
第2A圖是一彈簧支承的保證質量120實施例的一橫剖面視圖，該保證質量12回應在負z方向的一外力Fz 或加速度而運動。在該所示的實施例中，該至少一導電層136如同該至少一個頂部導電電極140而作用。在該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間的初始電容C0 可取決於被施加力的方向增加或減少。懸浮的保證質量120和彈簧130移離該基底110。隨著該至少一個頂部和底部電極140、150之間距離的增加，該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間的電容在所有四個區域都減小。這些變化可以被位於基底110之上的電子裝置(圖未示)感測到。這些電容變化的共用模式之和代表力Fz 的z－分量。沒有差動信號在x－和y－方向被產生，因為代表x－和y－分量的微分項抵消為零。該至少一個頂部和底部電極140、150的配置只是示範性的，並不限於所示的配置。在另一實施例中，在負z方方向的力Fz 可以使用一配置透過在所有四個區域中電容的增加被感測到，其中在該配置中，該至少一個頂部和底部電極140、150之間的距離減小以回應在該負z方向的力。
第2B圖是一彈簧支承保證質量120實施例的一橫剖面視圖，該保證質量120回應正x方向的一外力Fx 或加速度而運動，保證質量120的質心位於由彈簧130定義的一平面。在該所示的實施例中，該至少一導電層136如同該至少一個頂部導電電極140而作用。保證質量120的質心位於由彈簧130定義的一平面，正x方向的力Fx 或加速度使該保證質量120在該正x方向產生一橫向運動。在該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間的初始電容C0 可取決於被施加力的方向增加或減少。在第2B圖中，區域A中的電容因為區域A中的該至少一個頂部和底部電極140、150之間面積的減小而減小，區域C中的電容因為區域C中該至少一個頂部和底部電極140、150之間面積的增加而增加。這些變化可以被位於基底110之上的電子裝置(圖未示)差異地感測到。因為在第2B圖中所示的力Fx 沒有y－分量或z－分量，區域B和D(第1B圖所示)中電容的任何變化差異地抵消為零。該至少一個頂部和底部電極140、150的配置只是示範性的，並不限於所示的配置。在另一實施例中，在正x方向的運動可以使用一配置透過區域A中電容的增加和區域C中電容的減小被感測到，其中在該配置中，在正x方向的運動使得區域A中該至少一個頂部和底部電極140、150之間的面積增加和區域C中該至少一個頂部和底部電極140、150之間的面積減小。
第2C圖是一彈簧支承的保證質量120實施例的一橫剖面視圖，該保證質量120回應正x方向的一外力Fx 或加速度而運動，保證質量120的質心位於由彈簧130定義的一平面的外部。在該所示的實施例中，該至少一導電層136如同該至少一個頂部導電電極140而作用。保證質量120的質心位於彈簧130定義的一平面的外部，正x方向的力Fx 或加速度使該保證質量120產生旋轉，以及保證質量120在該正x方向上的一橫向運動。在該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間產生的初始電容C0 在區域A中減少，在區域C中增加。這些變化可以被位於基底110之上的電子裝置(圖未示)差異地感測到。該至少一個頂部和底部電極140、150的配置只是示範性的，並不限於所示的配置。在另一實施例中，在正x方向的運動可以透過在區域A中電容的增加和區域C中電容的減小被感測到。因為在第2C圖中所示的該力沒有y－或z－分量，區域B和D(第1B圖所示)中電容的任何變化差異地抵消為零。
第3圖是一彈簧支承保證質量120實施例的一橫剖面視圖，該保證質量120回應產生於區域C中該至少一個頂部和底部導電電極140、150之間的一靜電力而運動。在該所示的實施例中，該至少一導電層136如同該至少一個頂部導電電極140而作用。該靜電力可以被用來移動該被懸浮的保證質量120。該靜電力透過在該至少一個頂部和底部電極140、150之間生成一靜電位被產生。在該所示的實施例中，該至少一導電層136也如同該至少一個頂部導電電極140而作用。該至少一個頂部導電電極140被嵌入在一絕緣機械層132中，以避免當該至少一個頂部導電電極140被吸引靠近該至少一個底部導電電極150時短路。在該所示的實施例中，產生於區域C中該至少一個頂部和底部電極140、150之間的靜電位在負z－方向產生一靜電力，旋轉該懸浮的保證質量120，並使其在正x－方向橫向移動。在第3圖中的移動只是示範性的，並不限於所示的移動。一靜電位可以以其他組合被產生於該至少一個頂部和底部電極140、150之間，以產生可在任意方向旋轉和/或移動該保證質量120的一靜電力。在某些實施例中，該旋轉和/或移動可以包括沿著x－、y－和z－軸其中至少一個方向。
在第3圖中所示之實施例可如同將光200從一光纖導到另一光纖之一光學開關而作用。設置在保證質量120上的至少一層光學鍍膜124將光200導向以做為光學應用。該至少一層光學鍍膜124可以是導電的或非導電的。該至少一層光學鍍膜124可以形成一反光鏡、一部分反光鏡，或者包含狹縫以形成一繞射光柵。該至少一層光學鍍膜124對特定光波長可以是光學透明的。儘管顯示該至少一層光學鍍膜124被設置在該保證質量120的上表面122上，但是該至少一層光學鍍膜124可以被設置於上表面122的一部分、於保證質量的另一表面或者於保證質量120之另一表面的一部分之上。在其他一些實施例中，該保證質量120可與一層光學鍍膜124結合被用來將光200導向。在另外其他實施例中，該保證質量120本身將光200導向，於是不需要一層光學鍍膜124。
該光學開關進一步包括至少一個與該保證質量120進行光通信的輸入埠210和至少一個與該保證質量120進行光通信的輸出埠220。當該保證質量120移動時，其將光200導到至少一個輸出埠220。然後該保證質量120一直保持靜態直到光200需要被重導向。那時保證質量120再次移動來將光200導向。該至少一個輸入埠210和該至少一個輸出埠220的數目和位置只是示範性的，在其他實施例中可以不同，只要它們與保證質量120和/或至少一層光學鍍膜124保持光通信。在一些實施例中，該至少一個輸入和該至少一個輸出埠210、220可以是與保證質量120和/或至少一層光學鍍膜124保持光通信的光纖線。這些光學開關可以是二維的，其中它們上下或左右移動，或者是三維的，其中它們可以在一大運動範圍內旋轉。在其他一些實施例中，該光學開關可被使用在一陣列中，在一單一晶片上多達數千。結果是一端到端的光纖網路，其更加可靠和有成本效益，並且具有最小化的執行性能下降。
第4圖是由固定到一模(圖未示)和基底110上的複數組蜿蜒環路彈簧130懸浮的一保證質量120之實施例的一俯視圖。在這個實施例中，在保證質量120的區域A和C中的彈簧130被設計成回應沿x－和z－方向的力，而在區域B和D中的彈簧130回應沿y－和z－方向的力。在此圖中彈簧130的分佈只是示範，並不限於所示的分佈。彈簧130可以以取決於特定應用的其他方式被分佈和分組。在某些實施例中，保證質量120在每一端包括至少一個彈簧130。在其他一些實施例中，兩個或以上的彈簧可以被用再每一端。在其他一些實施例中，用在一特定端的彈簧的數目可以與用在對面或鄰近端的彈簧的數目相同或不同。
第5A和5B圖顯示有至少一個過度移動擋子160之本發明的一實施例。該至少一個過度移動擋子160阻止保證質量120超出操作限值運動。該至少一個過度移動擋子160可由金屬、多晶矽和/或任何半導體介電材料製成，並可以包括一些孔。該至少一個全程光闌160以與該至少一個彈性裝置相同的方式並與之同時被製造。該至少一個過度移動擋子160的一部分被固定到基底110，並且不分離。該至少一個過度移動擋子160的其他部分以與該至少一個彈性裝置相同的方式被分離。在某些實施例中，該至少一個過度移動擋子160可包含至少一導電層。該至少一導電層在保證質量120分離期間保護該至少一個過度移動擋子160。圍繞將被移除的該至少一個過度移動擋子160之部分中的至少一導電層被移除，而該至少一導電層和該至少一導電層下面的任何絕緣材料保留。
第5A圖是由複數組蜿蜒環路彈簧130懸浮並被四個過度移動擋子160圍繞之一保證質量120實施例的一俯視圖。過度移動擋子160的位置和數量只是示範性的，並不限於所示的該數量或者位置。作為一個例子，至少一個過度移動擋子160可被插入於保證質量120的至少一個角落邊緣，如第5A圖中所示。該過度移動擋子160位於保證質量120的角落邊緣，以阻止保證質量120在x－或y－方向移動太遠。該等過度移動擋子160被固定在基底110內，因此當其被保證質量120推動時不移動。該至少一個過度移動擋子160被分離的部分位於保證質量120的一部分之上，並且避免該保證質量120在正z－方向移動太遠。基底110阻止彈簧130在負z－方向移動太遠。
第5B圖是由彈簧130懸浮並被固定在基底110上的過度移動擋子160圍繞之一保證質量120實施例的一橫剖面視圖。該等過度移動擋子160在保證質量120的一部分之上浮動，並且避免其當該過度移動擋子160與該保證質量120部分重疊時移動離開該表面太遠。過度移動擋子160的位置和數量只是示範性的，並不限於所示的該數量和位置。
110．．．基底
120．．．保證質量
122．．．保證質量上表面
124．．．光學鍍膜
128．．．固定器
130．．．彈簧
132．．．機械層
134．．．絕緣層
136．．．導電層
140．．．頂部導電電極
150．．．底部導電電極
160．．．過度移動擋子
200．．．光
210．．．輸入埠
220．．．輸出埠
第1A圖是由彈簧支承的一保證質量實施例的一橫剖面視圖，該等彈簧包含一機械層，該機械層又進一步包含一導電層和一絕緣層；第1B圖是第1A圖中所示實施例的一平面視圖，為了更清晰，支承彈簧和至少一個頂部電極被省略；第2A圖是一彈簧支承的保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應在負z方向的一外力Fz 或加速度而運動；第2B圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應在正x方向的一外力或加速度而運動，保證質量的質心位於由該彈簧定義的一平面；第2C圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，其回應在正x方向的一外力或加速度而運動，保證質量的質心位於由該彈簧定義的一平面的外部；第3圖是一彈簧支承保證質量實施例的一橫剖面視圖，該保證質量回應產生於區域C中該至少一個頂部和底部導電電極之間的一靜電力而運動；第4圖是由固定在一模和基底上的複數組彈簧懸浮的一保證質量實施例的一俯視圖；第5A圖是被複數組彈簧懸浮和被四個過度移動擋子(over－travel stop)環繞的一保證質量實施例的一頂部視圖；第5B圖是被彈簧懸浮並被固定於一基底的過度移動擋子環繞的一保證質量實施例之一橫剖面視圖。
110．．．基底
120．．．保證質量
122．．．保證質量上表面
128．．．固定器
130．．．彈簧
132．．．機械層
134．．．絕緣層
136．．．導電層
140．．．頂部導電電極
150．．．底部導電電極

Claims (49)

  1. 一種微機電系統(MEMS)裝置，包含：一電路區域，包括至少一個包含驅動/感測電路系統的晶片；一支承結構；至少一個彈性裝置，固定於該支承結構；一保證質量，被該至少一個彈性裝置懸浮，並自由地在x-、y-和z-其中至少一個方向上運動；至少一個頂部電極，被提供於該至少一個彈性裝置之上或之內；及至少一個底部電極，位於該至少一個彈性裝置下面，因此一初始電容在該至少一個頂部和底部電極之間產生；其中：該驅動/感測電路系統、保證質量、支承結構和該至少一個底部電極係位於一相同晶粒的一基底的相同至少一半導體層之內；及該至少一個彈性裝置經由該支承結構被錨定至該基底的該至少一半導體層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該MEMS裝置為一單個單石(monolithic)模。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該電路區域包括矽、金屬和氧化層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該保證質量的 一上表面包括至少一金屬層和至少一氧化物層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該至少一個彈性裝置係至少一個彈簧。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，該至少一個彈簧和該至少一個底部電極進一步界定一空氣隙，其隔離該至少一個彈簧和該至少一個底部電極。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該至少一個彈簧包括一蜿蜒環路、網狀圖形、蟹腳形彎曲、折疊彎曲或簡支樑之一。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該至少一個彈簧包括至少一機械層和至少一導電層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該至少一導電層作用如同該至少一個頂部電極。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該至少一機械層當懸浮該至少一頂部電極於該至少一底部電極之上時連接該保證質量至該基底。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中：該至少一個彈性裝置：係至少一個彈簧；及包含至少一導電層與至少一絕緣層；且符合以下之一者：該至少一絕緣層電隔離該至少一導電層與該至少一個頂部電極；及該至少一導電層形成該至少一個頂部電極且被包 含於該至少一絕緣層之內，該至少一絕緣層防止當該至少一個頂部電極被吸引至該至少一個底部電極時之短路。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該至少一機械層進一步包含至少一絕緣層，該絕緣層電隔離該至少一個頂部電極與該至少一底部電極。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，進一步包含至少一個過度移動擋子，該過度移動擋子被設置在該保證質量的一邊緣，並被錨定到該基底。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該至少一個過度移動擋子被設置在該保證質量的一部分之上。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間的該初始電容回應被施加到該保證質量的力而改變。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中初始電容的該變化產生於該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間的距離的改變。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中該至少一彈性裝置的至少一導電層作用如同該至少一個頂部電極。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中初始電容的該變化產生於該至少一個頂部電極與該至少一個底部電極之間重疊區域面積的改變。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該至少一彈性裝置的至少一導電層作用如同該至少一個頂部電極。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中初始電容的該變化被該驅動/感測電路系統感測到。
  21. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中該感測/驅動電路系統感測該懸浮保證質量沿著x-、y-和z-其中至少一個方向上的運動。
  22. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中該感測/驅動電路系統感測該懸浮保證質量沿著x-、y-和z-其中至少一個方向上的慣性改變。
  23. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中該感測/驅動電路系統感測該懸浮保證質量沿著x-、y-和z-其中至少一個方向上的傾斜。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中透過該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間一靜電位的生成，一力在x-、y-和z-其中至少一個方向上被施加至於該懸浮保證質量。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，其中被施加至該保證質量的該力引起該保證質量在x-、y-和z-其中至少一個方向運動。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，其中被施加到該保證質量的該力引起該保證質量沿著x-、y-和z-其中至少一個方向傾斜。
  27. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，其中該驅動/感測電路系統在該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間產生該靜電位。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中透過該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間一靜電位的生成，一力在x-、y-和z-其中至少一個方向上被施加到該懸浮保證質量。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之裝置，其中被施加到該保證質量的該力引起該保證質量在x-、y-和z-其中至少一個方向運動。
  30. 如申請專利範圍第28項所述之裝置，其中被施加到該保證質量的該力引起該保證質量沿著x-、y-和z-其中至少一個方向傾斜。
  31. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，其中該驅動/感測電路系統在該至少一個頂部電極和該至少一個底部電極之間產生該靜電位。
  32. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，進一步包含：與該保證質量進行光通信的至少一個輸入埠；及與該保證質量進行光通信的至少一個輸出埠；其中該保證質量將光波從該至少一個輸入埠導到該至少一個輸出埠。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之裝置，其中該裝置是一光學開關。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該驅動/感測電路系統在該至少一個頂部和底部電極之間產生該靜電位。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該裝置是被使 用在一陣列中複數個裝置其中之一。
  36. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該保證質量形成至少一個反光鏡。
  37. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該保證質量形成至少一個部分反光鏡。
  38. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該保證質量形成至少一個繞射光柵。
  39. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中該保證質量對至少一個光波長是透明的。
  40. 如申請專利範圍第33項所述之裝置，進一步包含被設置在該保證質量上的至少一層光學鍍膜。
  41. 如申請專利範圍第40項所述之裝置，其中該至少一層光學鍍膜形成至少一個反光鏡。
  42. 如申請專利範圍第40項所述之裝置，其中該至少一層光學鍍膜形成至少一個部分反光鏡。
  43. 如申請專利範圍第40項所述之裝置，其中該至少一層光學鍍膜形成至少一個繞射光柵。
  44. 如申請專利範圍第40項所述之裝置，其中該至少一層光學鍍膜對至少一個光波長是透明的。
  45. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該至少一絕緣層形成至少一機械層，該至少一機械層當懸浮該至少一頂部電極於該至少一底部電極之上時連接該保證質量至該基底。
  46. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該保證質量延 伸至該至少一個底部電極下方。
  47. 一種製造一微機電系統(MEMS)裝置之方法，該方法包括：形成一彈性裝置層於一半導體基底上；自該半導體基底移除材料以自該半導體基底釋放一保證質量與以在該半導體基底之內形成該保證質量延伸進入其中的一內部區域，其中該保證質量被連接至該彈性裝置層；於環繞該內部區域的一區域中自該半導體基底移除材料以形成(a)於環繞該內部區域的該區域中之介於該基底與該彈性裝置層之間的一隙，及(b)一支承結構，該彈性裝置層錨定至該支承結構，其中該支承結構連接該彈性裝置層至該基底，且該彈性裝置層係一彈簧，該彈簧經由該支承結構連接該保證質量至該基底，以懸浮該保證質量於該內部區域內，俾使該保證質量係於該內部區域內自由的在x-、y-和z-其中至少一個方向運動；提供至少一個頂部電極在該隙之頂部，且於該彈性裝置層之底部之內或之上；於該基底提供至少一個底部電極在該隙之底部；於該基底內提供含有驅動/感測電路系統之至少一個晶片於該支承結構所位於的同一層內；其中該至少一個頂部電極與該至少一個底部電極係被安排，俾使一電容在該至少一個頂部和該至少一個底部電極之間產生，且俾使該電容隨保證質量之運動而 改變。
  48. 如申請專利範圍第47項所述之方法，其中該至少一個彈簧：包含至少一導體層以及至少一絕緣層；且符合以下之一者：該至少一絕緣層電隔離該至少一導電層與該至少一個頂部電極；及該至少一導電層形成該至少一個頂部電極且被包含於該至少一絕緣層之內，該至少一絕緣層防止當該至少一個頂部電極被吸引至該至少一個底部電極時之短路。
  49. 如申請專利範圍第47項所述之方法，其中該至少一個頂部電極與該至少一個底部電極係被安排為彼此相關聯，用以藉由該至少一個頂部電極與該至少一個底部電極之間之一重疊面積隨著該保證質量運動之改變而導致電容改變。
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