TWI449882B

TWI449882B - 液體電容式傾斜微感測器

Info

Publication number: TWI449882B
Application number: TW101135550A
Authority: TW
Inventors: Jung Hsiang Chen; Cheng Szu Chen; Bo Ting Chen
Original assignee: Sagatek Co Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-08-21
Also published as: US9074885B2; TW201413222A; US20140082953A1

Description

液體電容式傾斜微感測器

本發明是關於一種傾斜角感測器，特別是關於一種液體電容式傾斜感測器。

水平儀(傾斜角感測器)的應用範圍廣泛，例如營造工程的施工定位，機械平台的水平度測量，汽車與飛機平衡系統的監測，橋梁及鐵路的傾斜及形變監控，相機取景時的輔助水平線，手機的傾斜操控應用等，甚至在半導體、化學與生醫工程等，都可見其應用。目前可見的微水平儀，依其感測方式主要可分為機械式、氣體式及液體式的感測方式。

機械式水平儀主要是利用一質量塊，在水平儀傾斜時質量塊受重力影響，使質量塊兩端的電極與相對應的固定電極間發生變化，引起質量塊電極與兩端固定電極間的電容變化。機械式水平儀乃是量測該電容量來判斷傾斜角度。採用機械式的結構在製程上較為容易實現，但由於其彈簧結構通常較為脆弱，容易因為外力而斷裂。

氣體式水平儀設置一注有參考氣體的密封腔，使用加熱器將其周圍的氣體加熱，傾斜時封閉腔內的熱對流產生變化，量測加熱器四周的熱敏電阻的電阻值變化，即可用來計算傾斜角度。氣體式的微水平儀結構較為簡單，受微結構尺寸變異的影響也較小，但在製作上仍須額外增加一道將腔體密封的加工步驟，且其對於傾角變化的反應速度也較為緩慢。

習知的液體式微水平儀是在一封閉腔內注入電解液，因電解液具有導電性。在腔體未傾斜時，浸泡在電解液中的兩電極電阻值實質相同。但腔體傾斜時，兩端電極浸泡在電解液中的面積產生變化，使得兩電極的電阻值產生差值。藉由讀取電路將傾角變化轉變為電訊號輸出。液體感測方式的結構最為簡單，反應時間也較快，但同樣必須增加一道密封腔體的加工步驟。

微水平儀多半以MEMS製程與CMOS製程分別製作感測元件及讀取電路，不僅製作成本高，體積難以進一步微縮，也易產生雜訊。雖然單獨的MEMS製程在微結構的設計彈性自由度較高，但目前仍沒有一套標準的微機電系統能夠同時符合設計彈性又能與電路進行整合。

中華民國專利第522221號揭示一種傾斜感測器，該感測器具有印刷基板與彼此電氣獨立的一對差動電極，設置在該印刷基板上，以及與差動電極間隔的共用電極板。該對差動電極和共用電極板收納在一密閉空間內，並在該密閉空間內封入介電性液體。當傾斜感測器傾斜時，介電性液體浸泡各該差動電極之面積發生變化，使其電容產生改變。藉量測兩差動電極之電容值，可以計算出傾斜角度。該傾斜感測器並非以微機電技術製作，體積甚為龐大。

日本專利公開案JP2008-261695揭示一種微型傾斜角度感測器。該感測器具有與該TW522221號相同之構造，並使用相同之原理，但所封入的液體是導電性液體。該感測器是以微機電技術製作，體積可以縮小，但其構造並不適合使用標準CMOS製程製作，使得製作成本提高。且其差動電極形成半圓形，使得其感測精確度受限，不適於利用在較精密的應用。此外，該感測器與讀取電路須分別製作，整合困難。

本發明的目的即是在提供一種液體電容式傾斜微感測器的新穎架構。

本發明的目的也是在提供一種結構簡化，可以利用標準CMOS製程製作的傾斜微感測器。

本發明的目的也是在提供一種能整合讀取電路與感測元件的傾斜微感測器。

本發明的目的也是在提供一種無可動元件，且能提高偵測精確度的傾斜微感測器。

本發明的目的也是在提供一種液體電容式傾斜微感測器的新穎製法。

本發明的目的也是在提供一種可以利用標準CMOS製程製作並整合讀取電路的傾斜微感測器製法。

依照本發明所提供之液體電容式傾斜微感測器，乃是具有一對差動電極，一共用電極，三者形成在一密閉空間內實質上同一平面。在該密閉空間中並封入覆蓋液體。該對差動電極輪廓個別可形成一圓形之一部份，較好為實質上之半圓形輪廓。該感測器並可包括讀取電路，用以讀取該對差動電極各電極所產生之電容值。該對差動電極及/或該共用電極表面至少一部分另可包括潤滑層。該共用電極可形成在該對差動電極之近傍。該對差動電極個別可包含形成在電極板邊緣之複數缺口，且該共用電極可包含伸入該缺口之複數突出部。當電極板為扇形輪廓時，該複數缺口可延伸到各差動電極板扇形半徑半長以上。該覆蓋液體可為導電性液體或介電液體。該對差動電極與該共用電極可形成在一矽基板上。該讀取電路也可形成在該對差動電極與該共用電極之矽基板上。該對差動電極與該共用電極可形成在一矽基板上之介電層上。

在本發明的一種實例中，該對差動電極是形成扇形輪廓。且在此種實例中，該感測器包括多於一對的差動電極；該多對差動電極之輪廓與面積可互為相同或不同。

根據本發明所提供之液體電容式傾斜微感測器製法，係包括如下步驟：製備一第一基板；在該第一基板上形成至少一金屬層；使該金屬層形成至少一對形狀近似且面積實質相同之第一及第二電極，與一第三電極；製備一第二基板；在該第二基板上形成一材料層；在該材料層中形成一凹槽；在該凹槽中加入覆蓋液體；將該第一基板覆蓋於該第二基板，使該第一、第二及第三電極進入該凹槽內；結合該第一基板與該第二基板。

該對第一及第二電極輪廓個別可形成一圓形之一部份，較好為實質上之半圓形輪廓。在本發明的一種實例中，該對第一及第二電極是形成扇形輪廓。且在此種實例中，該方法在形成第一及第二電極時，包括另外形成多數對電極的步驟；該多數對電極互相間以及與該對第一及第二電極，輪廓與面積可互為相同或不同。

該第一基板可為矽基板，該第二基板可為玻璃基板或塑膠基板。該第三電極可形成在該第一及第二電極之近傍。該第一及第二電極個別可包含形成在電極板邊緣之複數缺口，且該第三電極可包含伸入該缺口之複數突出部。當該第一及第二極板為扇形或半圓形輪廓時，該複數缺口可延伸到第一及第二極板之扇形或半圓半徑之半長以上。該覆蓋液體可為導電性液體或介電液體。

該第一、第二及第三電極可形成在該第一基板上之材料層上，因此該方法另可包括在製備第一基板後，在該第一基板上形成一材料層之步驟。該材料層可包括至少一介電層。該材料層也另包括至少一金屬層及一介電層。

該方法也可包括在形成該第一、第二及第三電極時，同時形成一讀取電路之步驟。該方法也可包括在形成該第一、第二及第三電極及該材料層時，同時形成一讀取電路之步驟。該方法可另包括在該第一、第二及第三電極表面至少一部分施加潤滑層之步驟。

該第二基板上形成之材料層可為光阻材料，該形成凹槽之步驟可包括除去該材料層一部份之步驟。

以下將以實施例說明本發明之構造與製法。唯須說明：所使用之實施例僅在例示本發明之可能或較佳實施方式，不得用以限制本發明之範圍。

本發明所提供的液體電容式傾斜微感測器，主要結構可如第1圖所示。第1圖為本發明液體電容式傾斜微感測器的截面圖。如圖所示，本發明的液體電容式傾斜微感測器100，是形成在一第一基板10上。圖中所顯示的基板10，是使用在標準CMOS製程當中的基板，即矽質基板。在該基板10上，以標準CMOS製程形成數層介電層，數層金屬層，以及多數的導通孔等。

第2圖顯示本發明液體電容式傾斜微感測器之電極形狀示意圖。如圖所示，該感測器100具有一對差動電極，即第一電極21與第二電極22，以及一共用電極，即第三電極23。在第1圖所示的感測器構造中，該三電極21、22、23共同形成在同一金屬層，即第三層金屬層上。在該該三電極21、22、23所在區域周圍，以數層介電層、數層金屬層及多數導通孔形成支撐結構24。在該支撐結構24上方形成隔牆25，隔牆25上方覆蓋第二基板26，使該三電極所在的金屬層、該支撐結構24、隔牆25與第二基板26定義一密閉空間27。覆蓋液體28即密封在該密閉空間27中。

在本發明的較佳實例中，該隔牆25是使用光阻材料製作，該第二基板26是玻璃材質。但本發明可適用的材料並不限於此例所示。

將該三電極21、22、23形成在第三金屬層，可以減少與基板間的寄生電容。但製作在其他層，也無不可。在本例中，該三電極21、22、23是形成在單一的金屬層內，但是在其他實例中，該三電極21、22、23是形成在多數的金屬層內。亦即，在標準CMOS製程中所形成，中間夾有介電層的多數金屬層。此外，該差動電極21、22與該共用電極23可形成在同一金屬層，也可形成在不同金屬層。

為抑制該覆蓋液體28因毛細作用黏附在該三電極21、22、23表面，可在該三電極21、22、23表面全部或選定的部分施以潤滑層(未圖示)。該潤滑層的材質為業者所熟知，例如可為鐵氟龍。將該第二基板26結合到第一基板10的方法，可以使用任何治具，以適用之結合方式，將第二基板26固定到第一基板10的預定位置。如以黏膠固定，可以選用與該隔牆25材料與該金屬層或介電層材料相容的黏膠，以壓力或加熱固定，形成結合層29。

請參考第2圖。圖中顯示該第一與第二電極21、22各形成大體上為半圓形輪廓。在其內側邊緣設有多數缺口21a、21a與22a、22a。該第三電極23則形成在兩差動電極中心部份，並以多數突出部23a、23a伸入該多數缺口21a、21a與22a、22a中。如此所完成的結構，即所謂的指差式電容。在本實施例中，將差動電極21、22設計成半圓形，可以將偵測範圍擴大到±90°。但在實際應用上可能並不需要如此大的角度範圍，因此差動電極21、22的輪廓形狀只需為圓型的一部份，亦即特定角度的扇形即可，例如45°到90°之間的任何角度。此外，差動電極21、22所形成的輪廓形狀應為近似，且面積實質上相等。兩者以鏡射方式組合，為較佳之方式。該鏡射的的基準線較好與待測平面的基準面直交。如此較能確保量測結果正確性。

在本發明其他實例中，差動電極21、22輪廓並不形成圓形的一部份。任何可以使兩差動電極形成實質上相對應形狀，並不減損量測正確性的形狀，都可適用。例如等邊三角形或等腰三角形、等腰多邊型，均是其例。

第2圖也顯示，該差動電極21、22上所形成的缺口，深入到電極板的內部，達到1/2以上。也就是說，當該電極板21、22為扇形或半圓形時，該缺口向內延伸達半徑1/2以上。同時，該第三電極(共用電極)23延伸部，也配合伸入該缺口，達到差動電極板21、22半徑一半以上。如此形成的電容，容值較高，對於傾斜角度的改變較為敏感，可以提高偵測的精密度或解析度。

第6圖顯示本發明的差動電極另一種實例的示意圖。圖中顯示，該對第一及第二電極21、22是形成扇形輪廓。但另外提供形狀與面積實質相同的第二對第一及第二電極21A、22A以及第三對第一及第二電極21B、22B，均做為差動電極使用。當然，在此種實例中，在形成第一對差動電極時，可同時形成該第二及第三對差動電極。且差動電極的對數並無任何限制。該多數對差動電極互相間，輪廓及面積可互為相同或不同。在這種實例中，因為提供多對差動電極，在量測時可以將各對所屬電極的電容變化，以矩陣方式表示，即可以簡單的偵測方式，測得傾斜角度的變化。換言之，不需提高電容值偵測的解析度，即可偵測到細微的傾斜角度變化。

具有以上特徵的傾斜角度偵測器，可以利用標準CMOS製成製作，故可與讀取電路製作在相同基板上，並同時完成。足以簡化生產並降低成本。此外，並可解決習知技術偵測器與讀取電路整合不易的難題。

第3a圖與第3b圖為本發明液體電容式傾斜微感測器感測原理示意圖。第1圖中，Vin表輸入電壓，30表讀取電路。本發明的感測器100相當於當兩組電容，電容上覆蓋的液體28會因為感測器所置角度的變化而改變與差動電極21、22的相對位置，使覆蓋於各電極板上的面積改變，進而產生電容變化。此電容變化藉由讀取電路30轉換電壓訊號輸出。第3a圖顯示該感測器100處於起始狀態時，覆蓋液體28覆蓋在兩差動電極21、22的面積相同，故兩者產生的電容值相同。但當如第3b圖所示，偵測器100處於傾斜狀態時，液體因重力而維持原位，此時兩差動電極21、22被覆蓋液體28覆蓋的面積不同，因而產生不一樣的電容值。根據本發明的感測電容結構設計，量測兩差動電極21、22之電容值後，計算所得之差值將與傾斜角度形成高度線性關係。因此可以計算出該偵測器之傾斜角度。

以下以實例說明本發明液體電容式傾斜微感測器之製法。第4圖顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製法之流程圖。第5a圖到第5f圖則顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製作過程意圖。如第4圖所示，在製作本發明液體電容式傾斜微感測器時，首先在步驟401製作一基板10。該基板10之材質並無任何限制，但通常而言可使用一般應用在標準CMOS製程的基板材質，即矽質基板。以便使本發明可以利用CMOS製程製作。但使用其他堅固的材質，或其他適合使用在CMOS製程的材質，也可得到相同的效果。其次，於402在該基板10上形成材料層。該材料層可能包括：形成在該基板10上方的介電層，形成在該介電層上方，互相交替的數層金屬層與介電層，以及位在其內的導通孔。這些材料層當中包含本發明的傾斜角感測器100以及讀取電路30。適合製作該材料層的方法，包括任何商業上用來形成電路結構及/或微型結構的製程，其中較適用者則為標準的CMOS製程。

該讀取電路30可為以商用電路設計工具完成的電路結構，例如為CMOS製程所製得的多層電路層。用來偵測電容值並將該電容值轉變成傾斜角度值的電路，可以使用任何已知技術的電路設計。對於此行業的專家而言，設計具有上述功能的電路，並以適用之製程形成在該基板10上，應屬顯然，相關技術詳情在此無需贅述。

至於該偵測器100部份之製作，在本實例中是形成於該材料層當中的至少一金屬層，例如第三層金屬層。其製作方法包括在形成該金屬層後，以蝕刻等方法，形成該第一電極21、第二電極22，以及第三電極23之形狀。其中，第一電極21、第二電極22輪廓形狀近似或互相對應，且面積實質相同。第三電極23則形成在第一及第二電極之周圍。在該第一電極21、第二電極22面對第三電極23之邊緣並形成凹口21a、22a，而第三電極23的對應位置形成突出部23a，伸入該凹口21a、22a內。在該第三層金屬層形成具有上述及其他特徵的電極板圖型，也是屬於習知技術。此外，在相同平面或實質相同平面上形成多對差動電極，也可利用已知的技術達成。此行業人士在閱讀本案專利說明書與圖式後，當仍輕易完成。相關技術細節，在此也不贅述。

在該材料層中也可包括以數層金屬層、數層介電層與多數導通孔共同形成的支撐結構24。該支撐結構24通常是以導通孔貫穿數層介電層與金屬層，以提高其強度。如此完成足以支撐將要形成的密閉空間的結構。製作此種支撐結構之技術，也可使用上述CMOS製程，與該讀取電路30及電極板21、22、23在相同製程步驟中完成。相關技術細節，也無庸贅述。

在本發明的其他實例中，該電極板21、22、23並非製作在該第三層金屬層，而是製作在其他金屬層。此外，在本發明另一些實例中，該電極板21、22、23並非只包括單一金屬層，而是包括多層金屬層，以及介於金屬層間的介電層。如有必要，也可包括導通孔。此外，該偵測器也並非只能包括一組電極板21、22、23。凡此皆屬本發明不同的實施態樣。但無論如何，製作這些材料層的方法，也屬業者所知，並可以已經商業化的製程加以實現。至於適用於該金屬層與介電層，以及導通孔的材料，並無任何限制，且為此行業專家所熟知。通常而言，該金屬層之材質可為鋁，該介電層之材料可為二氧化矽，該導通孔的材料可為銅。如此所形成的結構，即如第5a圖所示。圖中顯示在該電極板21、22、23上方，尚有一介電層存在。

其次，在步驟403移除該電極板21、22、23上方的介電層，直到電極板21、22、23裸露出來。所得結果如第5b圖所示。於步驟404在該電極板21、22、23表面施加潤滑層15。該潤滑層15的材質可為任何可以消除或降低該電極板21、22、23表面毛細作用的材質。在本發明的較佳實例中，是採用鐵氟龍。當然，其他可以提供相同或類似功能的材料，均可適用。其施加方法也無任何技術上的限制，但以旋模塗覆方法，較為可行，效果亦佳。該潤滑層15厚度並無限制，但不宜太厚，以免影響偵測效果。所形成的材料層即如第5c圖所示。

接著，在步驟405製備一第二基板26。該第二基板26的材質並無任何限制，但以堅硬、容易加工為宜。在本發明的較佳實例中，該第二基板26為玻璃基板。但是其他材料，例如塑膠、樹脂、玻璃纖維、金屬、陶瓷或其複合材料，均可適用。其後，在406，在該第二基板上形成一隔牆材料層25。該隔牆材料層25的材質也無任何限制。但考慮到製程便利，在本發明的較佳實例中，是以光阻材料製作。適用之光阻材料包括SU-8等。該隔牆材料層25可以任何方式形成在該第二基板26上，其厚度也無任何限制，但以能形成足夠的容積，以容納覆蓋液體為宜。通常而言，約可在100到2,000um之間，較好在200到1,000um之間。所得的材料層，即如第5d圖所示。在步驟407，在該隔牆材料層25內形成凹槽27，以作用來容納覆蓋液體的腔室。形成凹槽的方法，主要是除去該材料層一部份，例如以蝕刻方法形成。但以其他方式，例如燒除等技術，也非所禁。如有必要，可另形成切割線25a。形成後的材料層包括該第二基板26，凹槽27以及凹槽27 周圍的隔牆25。如第5e圖所示。

接著，於步驟408在該凹槽27中加入覆蓋液體28。該覆蓋液體28可為導電性液體或介電液體。如果是導電材料，則可為電解液、磁性液體、液態金屬、含奈米金屬顆粒之液體等材料。如果是介電液體，則以比重較高且黏性較低之材料較適用，例如矽酮油即其適例。所加入的覆蓋液體28量並無任何限制，但以充滿該腔室27容積之半數左右為宜。於步驟409在該隔牆25之開放端面塗敷黏膠29。於步驟410將該第一基板10覆蓋於該第二基板26上，使該第一、第二及第三電極21、22、23進入該凹槽27內。此時該支撐結構24頂住該黏膠29。於步驟411固定該第一基板10與該第二基板26。其方式可為任何可固化該黏膠29，並使兩者緊密固定的方法。最後，以偵測器100為單位，切割所形成的材料層，即獲得本發明的傾斜微感測器，其結構如第5f圖所示。

本發明所揭示的液體電容式傾斜微感測器不但結構簡單，製作容易，且可與標準CMOS製程結合，於製作過程中即與讀取電路整合，足以節省成本與製作時間。本發明所製成的微感測器晶粒尺寸可以縮小。通常而言，以2.3*3.1mm的面積，即可製成具有高靈敏度且含或不含讀取電路的偵測器。本發明更提供了偵測範圍高達±90°的傾斜角偵測器。

100‧‧‧液體電容式傾斜微感測器

10‧‧‧第一基板

15‧‧‧潤滑層

21‧‧‧第一電極

21a、21a‧‧‧缺口

22a、22a‧‧‧缺口

23a、23a‧‧‧突出部

21A、22A‧‧‧電極

21B、22B‧‧‧電極

22‧‧‧第二電極

23‧‧‧第三電極

24‧‧‧支撐結構

25‧‧‧隔牆

25a‧‧‧切割線

26‧‧‧第二基板

27‧‧‧密閉空間

28‧‧‧覆蓋液體

29‧‧‧黏膠/結合層

30‧‧‧讀取電路

第1圖為本發明液體電容式傾斜微感測器的截面圖。

第2圖顯示本發明液體電容式傾斜微感測器之電極形狀示意圖。

第3a圖與第3b圖為本發明液體電容式傾斜微感測器感測原理示意圖。

第4圖顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製法之流程圖。

第5a圖到第5f圖則顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製作過程意圖。

第6圖顯示本發明液體電容式傾斜微感測器另一實例之電極形狀示意圖。