TWI500934B - 具有對稱差分電容的微機電元件 - Google Patents

Description

具有對稱差分電容的微機電元件

本發明有關於一種微機電元件，特別是其中一上相對電極延伸壁與一下相對電極延伸壁，其面向於質量結構之總表面積為彼此相當之微機電元件。

出平面感測器為微機電元件的其中一種形式，用以感測垂直於平面的移動。參照第1A圖，其中顯示一先前技術之微機電出平面感測器10之示意圖。微機電出平面感測器10包含一翹翹板11，其支點為P。當微機電出平面感測器10沿方向A移動時，翹翹板11因支點P偏於一側而導致擺動。位於翹翹板11的上電極E13與位於基板12的下電極E11、E12形成一差分形式(differential mode)之電容架構，根據此結構所產生之電容值差異(一電容值增加，另一電容值降低)，可推算出移動量。此先前技術需精確製造翹翹板11之結構，因此技術難度高。

請參照第1B圖，其中顯示另一先前技術之微機電出平面感測器20之示意圖。微機電出平面感測器20包含一質量結構21，設置於基板22上方，透過一錨點P而連接於彈簧。位於質量結構21之上電極E23與位於基板22上之下電極E21、E22形成同向之可變電容結構。當微機電出平面感測器20沿方向A移動時，兩組電容之變化為同步變大或變小。此先前技術因非差分形式結構，其感測值受結構之影響而精確度較低。

請參照第1C圖，其中顯示基於第1A、1B圖之缺失而提出之另一先前技術之微機電出平面感測器30之剖面示意圖。微機電出平面感 測器30包含一質量結構31，此質量結構31具有一上電極E32以及一下電極E31。上電極E32與上相對電極E34形成一上電容結構Ctop、且下電極E31與下相對電極E33形成一下電容結構Cbot。此先前技術亦為差分電極形式之電容架構，當微機電出平面感測器30沿方向A移動時，上電容結構Ctop和下電容結構Cbot的電容值會反向變化。然而，除了上下電容結構Ctop、Cbot外，上相對電極E34與基板32間之延伸壁W會與質量結構31產生衍生電容C’，以及此延伸壁W也會與下相對電極E33產生衍生電容C”。衍生電容C’、C”造成上電容結構Ctop與下電容結構Cbot的電容值偏差，且衍生電容C’、C”所造成的偏差影響不相等，導致感測效果不佳。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種微機電元件與出平面感測器，其具有差分形式的電容結構、電容值偏差影響小、且易於製造。

本發明提供一種具有對稱差分電容的微機電元件，包含：一基板；一上相對電極；一下相對電極；一質量結構，具有一上電極與一下電極，分別與該上相對電極和該下相對電極形成一上電容結構與一下電容結構；一上相對電極延伸壁，其上端連接該上相對電極，下端與該基板連接；以及一下相對電極延伸壁，其下端經由該下相對電極連接該基板；其中該下相對電極延伸壁的上端不與該上相對電極連接，且該上相對電極延伸壁和該上相對電極面向於該質量結構之總表面積和、與該下相對電極延伸壁和該下相對電極面向於該質量結構之總表面積和，為彼此相當。

在一較佳實施例中，該上相對電極延伸壁與該下相對電極延伸壁之面向於該質量結構之表面積為彼此相等。

在一較佳實施例中，該上、下相對電極延伸壁分別位於相對該質量結構之對稱位置。

在一較佳實施例中，該質量結構係設置於該上下相對電極延 伸壁之間，或該上下相對電極延伸壁主要設置於該質量結構之內側。

在一較佳實施例中，該微機電元件具有複數上相對電極延伸壁和複數下相對電極延伸壁。

在一較佳實施例中，該複數上相對電極延伸壁和複數下相對電極延伸壁分別位於該質量結構之至少相對兩側，且該兩側之任一側既設有上相對電極延伸壁也設有下相對電極延伸壁。

在一較佳實施例中，該上相對電極延伸壁上端具有至少一錨邊，並以該錨邊連接該上相對電極；該下相對電極延伸壁上端具有延伸至與該錨邊等高之至少一凸邊。

在一較佳實施例中，由頂視圖觀之，該微機電元件設有複數錨邊與凸邊，彼此對應設置於該質量結構相對的兩側。

在一較佳實施例中，由頂視圖觀之，該微機電元件設有複數錨邊與凸邊，設置於該質量結構相對的兩側，且位於兩側之錨邊總面積彼此相當、或位於兩側之凸邊總面積彼此相當、或錨邊與凸邊的總面積彼此相當。

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。

10、20、30、40、50‧‧‧微機電感測器

11‧‧‧翹翹板

12、22、32、42、52‧‧‧基板

21、31、41、51‧‧‧質量結構

A‧‧‧移動方向

An‧‧‧錨邊

Ctop‧‧‧上電容結構

Cbot‧‧‧下電容結構

C’、C”、Ctop’、Cbot’‧‧‧衍生電容

Ex‧‧‧凸邊

P‧‧‧支點

E11、E12、E21、E22、E31、E41、E51‧‧‧下電極

E13、E23、E32、E42、E52‧‧‧上電極

E33、E43、E53‧‧‧下相對電極

E34、E44、E54‧‧‧上相對電極

FF'‧‧‧剖切線

SW‧‧‧外側隔離壁

Wb‧‧‧下相對電極延伸壁

Wt‧‧‧上相對電極延伸壁

W‧‧‧延伸壁

第1A、1B、1C圖顯示先前技術之三種微機電元件之示意圖。

第2A圖顯示本發明一實施例之微機電元件之立體示意圖。

第2B圖顯示第2A圖中根據FF'剖切線之立體剖面示意圖。

第2C圖顯示第2A圖中根據FF'剖切線之剖面示意圖。

第3圖顯示本發明另一實施例之微機電元件之剖面示意圖。

第4圖顯示本發明一實施例之錨邊與凸邊安排之上視示意圖。

第5圖顯示本發明另一實施例之錨邊與凸邊安排之上視示意圖。

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。本發明中的圖式均屬示意，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2A、2B、2C圖，其中為本發明一實施例提供之一種微機電元件40之立體示意圖、立體剖面示意圖、以及剖面示意圖，第2B圖為根據第2A圖FF’剖切線之一剖面示意圖。微機電元件40包含一質量結構41、一上相對電極E44、一下相對電極E43、一上相對電極延伸壁Wt，以及一下相對電極延伸壁Wb。質量結構41具有一上電極E42與一下電極E41，且上下電極E42、E41分別與上相對電極E44與下相對電極E43形成一上電容結構Ctop與一下電容結構Cbot。上相對電極延伸壁Wt上端具有至少一錨邊An以連接上相對電極E44，下端與一基板42連接。下相對電極延伸壁Wb的下端經由下相對電極E43連接至基板42，且上端具有延伸至與錨邊An等高之至少一凸邊Ex；其中下相對電極延伸壁Wb的上端不與上相對電極E44連接，且上相對電極延伸壁Wt和上相對電極E44面向於質量結構41之總導電部分表面積和、與下相對電極延伸壁Wb和下相對電極E43面向於質量結構41之總導電部分表面積和，為彼此相當(大致相等但容許10%的差距，較佳在5%以內)。以上所述「面向於質量結構41之導電部分表面積」意指「能與質量結構41有效構成電容之表面積」。由於總表面積彼此相當，且下相對電極延伸壁Wb的上端不與上電極E42連接，因此質量結構41分別與上下相對電極延伸壁Wt、Wb形成之衍生電容Ctop’、Cbot’之電容值相當。換言之，可解決先前技術中因為衍生電容不相等而造成感測值偏差的問題。一實施例中，上相對電極延伸壁與下相對電極延伸壁之面向於質量結構之總表面積為彼此相等。上相對電極延伸壁與下相對電極延伸壁可分別為單數或複數；上、下相對電極延伸壁宜分別位於相對該質量結構之對稱位置，例如相對兩側，但此非必 須，僅需使差分電容的電容值彼此相當，亦即使衍生電容Ctop’、Cbot’所造成的影響彼此相當，即可。

當微機電元件40沿移動方向A移動時，上電容結構Ctop與下電容結構Cbot形成一差分形式(differential mode)之電容架構，即當中一電容值增加時，另一電容值降低，根據此變化可進行對移動之感測。

電極E41與電極E42可設計為相同電位或不同電位，均屬可行，僅需使上電容結構Ctop與下電容結構Cbot形成差分電容架構即可。

一實施例中，微機電元件40可利用CMOS製程所堆疊製造，而第2A、2B、2C圖也以CMOS製程為例說明，其中，最下方深灰色層為CMOS製程中之接觸層(contact layer)或同位階的介電層(視電性設計與剖面在佈局上的位置而定)、其他深灰色層為CMOS製程中之通道層(via layer)或同位階的介電層(視電性設計與剖面在佈局上的位置而定)、白色部分為金屬層(metal layer)。然微機電元件40之製作不限於CMOS製程，微機電元件40也可用鹼製程來製作，此為習知技術，於此不詳述。

第2A、2B圖中所顯示的外側隔離壁SW是為了隔離微機電元件40和基板42上的其他元件；如果不需要進行隔離，則外側隔離壁SW可以省略。

須特別注意，上下相對電極延伸壁Wt、Wb間無直接電性連接。

在第2A-2C圖的實施例中，質量結構41係設置於上下相對電極延伸壁Wt、Wb之間。第3圖顯示本發明另一實施例之微機電元件50，其中質量結構51係設置於上下相對電極延伸壁Wt、Wb的外部，此情況也同樣可以適用本發明。

詳言之，請參照第3圖，上下相對電極延伸壁Wt、Wb之大部分設置於質量結構51之內側(上下相對電極延伸壁Wt、Wb可能有少部分位於質量結構51外部)，質量結構51可移動於上下相對電極延伸壁Wt、Wb外側。質量結構51具有一上電極E52與一下電 極E51，且上下電極E52、E51分別與一上相對電極E54與一下相對電極E53形成一上電容結構Ctop與一下電容結構Cbot。上相對電極延伸壁Wt具有至少一錨邊An以連接上相對電極E54，另一側與一基板52連接。下相對電極延伸壁Wb經由下相對電極E53連接至基板52且具有延伸至與錨邊An等高之至少一凸邊Ex；其中下相對電極延伸壁Wb的上端不與上相對電極E54連接，且上相對電極延伸壁Wt和上相對電極E54面向於質量結構51之總導電部分表面積和、與下相對電極延伸壁Wb和下相對電極E53面向於質量結構51之總導電部分表面積和，為彼此相當，換言之，上電容結構Ctop加上衍生電容Ctop’之電容值總和與下電容結構Cbot加上衍生電容Cbot’之電容值總和相當，可解決先前技術中因為衍生電容不相等而造成感測值偏差的問題。電極E51與電極E52可設計為相同電位或不同電位，均屬可行，僅需使上電容結構Ctop與下電容結構Cbot形成差分電容架構即可。其餘技術內容可參照前實施例之說明，於此不詳述。

為使電容感測具有更佳的效果，上下相對電極延伸壁Wt、Wb可均為複數，例如可參閱第2B圖，其中顯示複數上相對電極延伸壁Wt和複數下相對電極延伸壁Wb，且在質量結構41的同一側既設有上相對電極延伸壁Wt也設有下相對電極延伸壁Wb(但當然，如在質量結構41的同一側僅設有上下相對電極延伸壁Wt、Wb其中之一、且上下相對電極延伸壁Wt、Wb均為單數，亦屬可行)。本實施例中，在質量結構41的兩側都設有上相對電極延伸壁Wt和下相對電極延伸壁Wb，在此情況下，請參閱第4圖之頂視圖，於較佳實施型態中，錨邊An與凸邊Ex可以彼此相對設置(對應設置於相對的兩側)，且位於兩側之錨邊An總面積彼此相當(圖中上方單一錨邊An的面積與下方兩錨邊An的面積和相當)、位於兩側之凸邊Ex總面積彼此相當、(圖中上方兩凸邊Ex的面積和與下方單一凸邊Ex的面積相當)、而錨邊An與凸邊Ex的總面積彼此相當(圖中三錨邊An的面積和與三凸邊Ex的面積和相當)。當然，以上僅是較佳實施方式，本發明之實施不限於此，並不需要符合以上所有條件。

舉例而言，請參照第5圖，其中顯示錨邊An與凸邊Ex安排之另一實施例，其中錨邊An與凸邊Ex並沒有彼此相對設置。若有需要，也可另行安排其他錨邊An與凸邊Ex之排列方式與位置、或是以不同方式設計錨邊An與凸邊Ex的面積。總之，本發明的重點在於使差分電容的電容值彼此相當，亦即使衍生電容Ctop’、Cbot’所造成的影響彼此相當。錨邊An與凸邊Ex安排方式僅是較佳實施方式但非必須。

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，上下相對電極延伸壁Wt、Wb不限於僅設置在於質量結構41的兩側，亦可以設置在其四個方向上，等等，而錨邊與凸邊可以對應地設置。再舉例而言，同一個上相對電極延伸壁Wt可以具有複數個錨邊An，又同一個下相對電極延伸壁Wb可以具有複數個凸邊Ex。此外，本發明不受限於應用在出平面感測器，亦可應用於其他形式的感測器。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。

40‧‧‧微機電感測器

41‧‧‧質量結構

42‧‧‧基板

A‧‧‧移動方向

Ctop‧‧‧上電容結構

Cbot‧‧‧下電容結構

Ctop’、Cbot’‧‧‧衍生電容

Ex‧‧‧凸邊

E41‧‧‧下電極

E42‧‧‧上電極

E43‧‧‧下相對電極

E44‧‧‧上相對電極

Wb‧‧‧下相對電極延伸壁

Wt‧‧‧上相對電極延伸壁

Claims (9)

1. 一種具有對稱差分電容的微機電元件，包含：一基板，具有一垂直於該基板平面的出平面方向；一上相對電極；一下相對電極；一質量結構，具有沿該出平面方向之移動狀態，又具有一上電極與一下電極，分別與該上相對電極和該下相對電極形成一上電容結構與一下電容結構，以感測該移動狀態；一上相對電極延伸壁，其上端連接該上相對電極，下端與該基板連接；以及一下相對電極延伸壁，其下端經由該下相對電極連接該基板；其中該下相對電極延伸壁的上端不與該上相對電極連接，且該上相對電極延伸壁和該上相對電極面向於該質量結構之總導電部分表面積和、與該下相對電極延伸壁和該下相對電極面向於該質量結構之總導電部分表面積和，為彼此相當，其中該上相對電極在該出平面方向上位於該質量結構之上方、該下相對電極在該出平面方向上位於該質量結構之下方、該上相對電極延伸壁與該下相對電極延伸壁在該出平面方向上位於該質量結構之側方。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中該上相對電極延伸壁與該下相對電極延伸壁之面向於該質量結構之表面積為彼此相等。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中該上、下相對電極延伸壁分別位於相對該質量結構之對稱位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中該質量結構係設置於該上下相對電極延伸壁之間，或該質量結構之內部具有一中空結構，該上下相對電極延伸壁主要設置於該中空結構內。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中該微機電元件具有複數上相對電極延伸壁和複數下相對電極延伸壁。
6. 如申請專利範圍第4項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中該複數上相對電極延伸壁和複數下相對電極延伸壁位於該質量結構之至少兩相對側，且該兩相對側之任一側既設有上相對電極延伸壁也設有下相對電極延伸壁。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中該上相對電極延伸壁上端具有至少一錨邊，並以該錨邊連接該上相對電極；該下相對電極延伸壁上端具有延伸至與該錨邊等高之至少一凸邊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中由頂視圖觀之，該微機電元件設有複數錨邊與凸邊，彼此對應設置於該質量結構相對的兩側。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具有對稱差分電容的微機電元件，其中由頂視圖觀之，該微機電元件設有複數錨邊與凸邊，設置於該質量結構相對的兩側，且位於兩側之錨邊總面積彼此相當、或位於兩側之凸邊總面積彼此相當、或錨邊與凸邊的總面積彼此相當。