TWI464371B

TWI464371B - 微機電裝置與製作方法

Info

Publication number: TWI464371B
Application number: TW101138845A
Authority: TW
Inventors: Ming Han Tsai
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-12-11
Also published as: TW201416645A; US20140109680A1; US9518884B2

Description

微機電裝置與製作方法

本發明有關於一種微機電裝置，特別是利用其中振膜上複數個突肋以提升振膜平面度，進而提升感測外來聲壓效果之微機電裝置。

微機電裝置因體積小、靈敏度高、耗功率低，已多應用於日常生活，例如Wii搖桿、汽車操控系統、電子產品等。以電容式微機電麥克風為例，一般多應用於手持式產品，例如智慧型手機等。參考第1圖，其為傳統式微機電裝置10之剖面示意圖，微機電裝置10例如傳統式電容式微機電麥克風等可包含有基板11、電極12、間隔壁13、以及振膜14。其中，振膜14為接受外來聲壓而產生振動，振膜14與基板11上電極12所形成之電容(電極12與振膜14平行且相間隔形成一感應電容)因此產生電容值變化，據此可判斷接收聲音之大小與頻率。然而，在製作的過程中，半導體製程中的步驟如沉積、濺鍍、烘烤等皆提高各部位之溫度，加上退火等降溫製程，交替升降溫可導致振膜14內應力釋放而造成翹曲。此外，為增加判斷之鑑別效果，振膜14宜具有大面積和薄厚度以增強訊號輸出，但輸出效果雖改善卻加重振膜14的翹曲嚴重程度。振膜14翹曲可能導致振膜14剛性增加過高，造成頻率響應特性變化，以及振膜14振動效果下降等不良效果。

故此，如何在剛性之容許變化範圍內降低振膜翹曲，實為相關領域之人員所重視的議題之一。

本發明提供一種微機電裝置，其可包含至少一基板；一電極，設置於該基板上且具有複數個孔位；以及一振膜，設置於該電極上方且與該電極形成一電容式感測器，該振膜上方及/或下方具有複數個突肋，該些突肋對應於該些孔位而設置且不接觸該電極，並由上視圖觀之不與該電極重疊。

根據本發明之一實施例中，突肋以金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等導電材料製成。另一實施例中，突肋各具有至少一通道層以及一金屬層。另一實施例中，通道層為導電材料並包圍一內部空間，該內部空間為一中空結構或充填一介電材料。

本發明之一實施例中，其中突肋可具有底部開孔或頂部開孔。

本發明之一實施例中，該些突肋之排列方式是：於該振膜之中心排列密度較高，周圍之排列密度較低。

本發明之一實施例中，靠近中心的孔位面積較大、靠近周圍的孔位面積較小。

本發明之一實施例中，該微機電裝置又具有一間隔壁，用以定義振膜之範圍於其內，以及一支持環，該支持環係環設於該振膜之邊緣以及該間隔壁之間。

本發明之一實施例中，該支持環係連續環設或間隔地設置於振膜之邊緣。

本發明提供一種微機電裝置製作方法，其可包含：提供一個基板；在基板上形成一電極，且在該電極中形成複數個孔位；在該基板上形成一間隔壁；以及在間隔壁上形成一振膜而與該電極構成電容，並在該振膜上方及/或下方形成與該振膜相連之複數個突肋，該些突肋係對應於該些孔位而設置且不接觸電極，並由上視圖觀之不與該電極重疊。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本新型中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

參照第2圖，其中為本發明一實施例之微機電裝置20之剖面示意圖，其包含至少一基板21、一電極22、以及一振膜24。其中，電極22設置於基板21上且具有複數個孔位221。振膜24設置於電極22上方且與平行於電極22，且與電極22形成一電容式感測器，振膜24具有複數個突肋241，複數個突肋241對應於複數個孔位221而設置且不接觸電極22。電極22可由基板21之一部分所形成、或金屬層M1之一部分所形成、或金屬層M1以及基板21之一部分所形成，圖示為電極22由金屬層M1及基板21構成之態樣。當振膜24接收一外來聲壓，振膜24會隨聲壓之振幅大小(聲壓強弱)以及頻率而產生振動，而振膜24與電極22之間距隨振膜24之振動而改變，其間形成之電容式感測器之電容值也隨之變化。振膜24與電極22可外接電路以傳送一電容值變化訊號以代表微機電裝置20所接收到外來聲壓之頻率與強弱等特徵。基板21上設有一間隔壁23，此間隔壁23用以定義振膜之範圍於其內，間隔壁23可為金屬層、或介電層與金屬層之組合，視使用需要及製造需求而決定其材質。突肋241為至少依序一通道層V2以及一金屬層M2之組合，依需要(例如增加電容感應、振膜之剛性等)可再包含其他層數的通道層以及金屬層等，例如第3圖中突肋241依序包含通道層V2、金屬層M2、通道層V1、金屬層M1等，本發明實施時不受限於通道層與金屬層之數量。金屬層M1、M2、通道層V1、V2之材料可包含金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等材料，而其中金屬可例如為鋁、銅、鈦、鉭、鎢、鉬等材料。此外，因振膜24與電極22形成一電容效應，複數個突肋241可對應於複數個孔位221而錯位設置且不接觸電極22，亦即從上視圖觀之突肋241不與電極22重疊。振膜24與電極22可主要由導電材料例如金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等材料所製造。

參考第3圖，其中顯示本發明一實施例之微機電裝置30之剖面示意圖。微機電裝置30具有基板31、電極32、間隔壁33、振膜34。電極32可由基板31之一部分所形成、或金屬層M1之一部分所形成、或金屬層M1以及基板31之一部分所形成，圖示為電極32由金屬層M1及基板31構成之態樣。振膜34具有複數個突肋341、電極32具有複數個孔位321，突肋341與孔位321為彼此錯位設置，即突肋341與電極32為彼此不接觸、且從上視圖觀之突肋341不與電極32重疊。換一角度言，錯位方式可根據垂直方向N進行視角觀察，其中複數個突肋341係設置於對應之孔位321之內部。以上錯位安排方式的作用是：為突肋341所屬之振膜34需與電極32形成一電容式感應器，因此必須有間隙；另一作用是，濕蝕刻製程可利用來形成突肋341，而突肋341與孔位321須保持距離以避免製造時蝕刻液黏著於突肋341與孔位321之間。

參考第4圖，其中為突肋341之通道層V1、V2與金屬層M1、M2之結構剖面示意圖。通道層V1、V2除金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等導電材料外，通道層V1、V2導電材料所包圍之一內部空間，其可為一中空結構或可充填一介電材料(如符號3411所示)，此介電材料可為SiO₂ 、Si₃ N₄ 、TiO₂ 、Al₂ O₃ 、HfO₂ 、或高分子等材料所製作。其內部空間可依製程的特性、振膜之剛性與質量、振膜與電極之感應電容效應、振膜對應聲壓之振動特性等因素設計為一中空結構或充填介電材料。當然，突肋341 亦可整體皆由金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等導電材料構成。

參考第5圖，其中顯示突肋另兩實施例之剖面示意圖。其中突肋241’代表具有一通道層V2以及一金屬層M2之結構，以及貫穿通道層V2以及金屬層M2之一底部開孔2411’。而突肋341’代表具有兩通道層V1、V2以及兩金屬層M1、M2之結構，以及貫穿通道層V1、V2以及金屬層M1、M2之一底部開孔3411’，其開孔之設計可依製程的特性、振膜之剛性與質量、振膜與電極間之感應電容效應、振膜對應聲壓之振動特性等因素進行調整。

此外，突肋排列設置於振膜之底面之排列方式可為任意方式，舉例而言可依平均排列如放射狀排列、棋盤式等距平均排列等，排列方式可依使用需求而決定。在一較佳實施方式中，其排列方式可為中心排列密度較高、周圍之排列密度較低，此因振膜一般接收外來聲壓產生振動時，振膜中心部位振幅會大於周圍振幅，相對於排列於中心部分之孔位所需排氣空間亦大於排列於周圍之孔位，如此各孔位所預留之排氣量為相近似。在另一較佳實施方式中，則可使靠近中心的孔位面積較大、靠近周圍的孔位面積較小，也可達成相似的效果。當然，以上孔位排列的實施方式和孔位面積的實施方式可以組合而不限於僅實施其一。

參照第6圖，其中顯示微機電裝置一實施例之立體剖面示意圖。當中振膜之邊緣具有一支持環S，此支持環S係環設於振膜之邊緣以及基板上之一間隔壁之間。此支持環S設置方式可為連續環設於振膜之邊緣，或如圖所示間隔地設置(亦可視為在支持環S上間隔地開孔)。其支持環S設置之目的為調整振膜之剛性，使支持環S保持某程度之彈性，也可增加電容值變化訊號之敏感度。

參照第7圖，其中顯示另一實施例之微機電裝置40，微機電裝置40包含具有複數個突肋441之一振膜44，而複數個突肋441分別具有貫穿至少一通道層之一頂部開孔4411。頂部開孔4411可具有吸收振膜44因冷熱製程交替造成之內應力釋放而減緩振膜44翹曲之效果。

參照第8圖，其中顯示另一實施例之微機電裝置80，其與前述第2圖實施例的差異是：微機電裝置80包含複數個往振模24上方的突肋841，其中每一突肋841例如可包含至少一通道層Vn與一金屬層Mn(n表示通道層Vn與金屬層Mn可以是第一層金屬層M1以上的任何一層，而不限於為次序上緊接的次一通道層與金屬層)。本實施例顯示，突肋亦可往上方延伸。當然，如結合第2圖和第8圖而使突肋往上下雙方延伸，自亦屬本案的範圍，因此申請專利範圍中的文字「在振膜上方及/或下方」範圍包括「在振膜上方或下方其中之一」以及「在振膜上方或下方兩者兼有」。

又，參照第3圖可知，第8圖實施例中的通道層與金屬層，不限於僅為一層。

參照第9圖，其中顯示另一實施例之微機電裝置90，其與前述第7圖實施例的差異是：微機電裝置90包含複數個往振模24上方的突肋941，其中每一突肋941例如可包含底部開孔9411。本實施例同樣顯示，突肋亦可往上方延伸。

又，參照第5圖可知，第9圖實施例中的通道層與金屬層，不限於僅為一層，且突肋941除了底部開孔9411外，也可以具有頂部開孔(將第5圖的結構上下反轉)。此外，如結合第7圖和第9圖而使突肋往上下雙方延伸，則突肋可以上下封閉而具有中空結構、或具有底部開孔、或具有頂部開孔、或底部開孔和頂部開孔兼具，以上皆屬本案的範圍。

此外，本發明另提供一種微機電裝置製作方法，其可包含：提供一個基板；在基板上形成一電極，且在電極中形成複數個孔位；在基板上形成一間隔壁；以及在間隔壁上形成一振膜與電極構成電容，並在振膜上方及/或下方形成與振膜相連之複數個突肋，突肋係對應於孔位而設置且不接觸電極，並由上視圖觀之不與電極重疊。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，複數個突肋分別具有較多之通道層與金屬層，例如三層通道層與三層金屬層等，又或複數個突肋之通道層與金屬層之數目非相等，例如靠近振膜中心區域數目高於靠近邊緣區域等，皆符合本發明之特徵。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10、20、30、40、80、90‧‧‧微機電裝置

11、21‧‧‧基板

12、22、32‧‧‧電極

13、23‧‧‧間隔壁

14、24、34、44‧‧‧振膜

221、321‧‧‧孔位

241、241’、341、341’、441、841、941‧‧‧突肋

2411’、3411’‧‧‧底部開孔

3411‧‧‧介電材料

4411‧‧‧頂部開孔

9411‧‧‧底部開孔

M1、M2、Mn‧‧‧金屬層

N‧‧‧垂直方向

S‧‧‧支持環

V1、V2、Vn‧‧‧通道層

第1圖顯示傳統式微機電裝置之剖面示意圖。

第2圖顯示本發明一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

第3圖顯示本發明另一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

第4圖顯示本發明一實施例之突肋結構之剖面示意圖。

第5圖顯示本發明另兩實施例之突肋結構之剖面示意圖。

第6圖顯示本發明一實施例之微機電裝置之立體剖面示意圖。

第7圖顯示本發明另一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

第8圖顯示本發明另一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

第9圖顯示本發明另一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

20‧‧‧微機電裝置

21‧‧‧基板

22‧‧‧電極

221‧‧‧孔位

23‧‧‧間隔壁

24‧‧‧振膜

241‧‧‧突肋

V2‧‧‧通道層

M2‧‧‧金屬層

Claims

一種微機電裝置，其包含：一基板；一電極，設置於該基板上且具有複數個孔位；以及一振膜，設置於該電極上方且與該電極形成一電容式感測器，該振膜上方及/或下方具有複數個突肋，該些突肋對應於該些孔位而設置且不接觸該電極，並由上視圖觀之不與該電極重疊。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中該些突肋以金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等導電材料製成。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中該些突肋各具有至少一通道層以及一金屬層。
如申請專利範圍第3項所述之微機電裝置，其中該通道層為導電材料並包圍一內部空間，該內部空間為一中空結構或充填一介電材料。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中該些突肋具有底部開孔或頂部開孔。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中該些突肋之排列方式是：於該振膜之中心排列密度較高，周圍之排列密度較低。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中靠近中心的孔位面積較大、靠近周圍的孔位面積較小。
如申請專利範圍第1項所述之微機電裝置，其中該微機電裝置又具有一間隔壁，用以定義振膜之範圍於其內，以及一支持環，該支持環係環設於該振膜之邊緣以及該間隔壁之間。
如申請專利範圍第8項所述之微機電裝置，其中該支持環係連續環設或間隔地設置於振膜之邊緣。
一種微機電裝置製作方法，包含：提供一個基板；在該基板上形成一電極，且在該電極中形成複數個孔位；在該基板上形成一間隔壁；以及在間隔壁上形成一振膜而與該電極構成電容，並在該振膜上方及/或下方形成與該振膜相連之複數個突肋，該些突肋係對應於該些孔位而設置且不接觸電極，並由上視圖觀之不與該電極重疊。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該些突肋以金屬、金屬化合物、導電高分子或多晶矽等導電材料製成。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該些突肋各具有至少一通道層以及一金屬層。
如申請專利範圍第12項所述之微機電裝置製作方法，其中該通道層為導電材料並包圍一內部空間，該內部空間為一中空結構或充填一介電材料。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該些突肋具有底部開孔或頂部開孔。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該些突肋之排列方式是：於該振膜之中心排列密度較高，周圍之排列密度較低。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中靠近中心的孔位面積較大、靠近周圍的孔位面積較小。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該微機電裝置又具有一間隔壁，用以定義振膜之範圍於其內，以及一支持環，該支持環係環設於該振膜之邊緣以及該間隔壁之間。
如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置製作方法，其中該支持環係連續環設或間隔地設置於振膜之邊緣。