TWI522307B - 複合材料的微機電裝置與其製作方法 - Google Patents

複合材料的微機電裝置與其製作方法 Download PDF

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Description

複合材料的微機電裝置與其製作方法
本揭露內容是有關於一種微機電裝置與其製作方法，且特別是有關於一種複合材料的微機電裝置與其製作方法。
近年來，受惠於智慧型手機、平板電腦、體感遊戲機等相關電子產品的帶動，以及電子產品與無線通訊與寬頻網路的整合之下，微機電慣性感測器，例如加速度計、陀螺儀與振盪器，大量應用於這些電子產品中，使其市場需求呈現逐年大幅地成長。這些微機電慣性感測器的使用環境會有大幅的溫度變化。因此，設計出能適應不同環境溫度的微機電慣性感測器成為目前的微機電慣性感測器的技術趨勢。
圖1A是習知之一種加速度計的振動單元的示意圖。圖1B是習知之一種振盪器的振動單元的示意圖。請參考圖1A與圖1B，常見的微機電慣性感測器可簡化為由可撓曲元件及質量塊組成的振動單元。
另一方面，振動單元的共振頻率可由下述公式得知： ，其中f為振動單元的共振頻率，k為剛性元件的剛性(stiffness)，而m為質量塊的質量。因此，振動單元的共振頻率是由剛性元件的剛性及質量塊的質量這二個重要因子所決定。
在此對剛性元件的定義進行說明。在振動單元的數個元件之中，元件的剛性為決定振動單元的共振頻率的重要因子者，則可定義為剛性元件。更精確地說，在上述計算振動單元的共振頻率的公式中，所使用的剛性(k)參數是由剛性元件所決定。
因此，在圖1A之加速度計中，振動單元10由可撓曲元件12(彈簧)及質量塊14組成。振動單元10的共振頻率主要是由可撓曲元件12的剛性及質量塊14的質量所決定。因此，在圖1A之加速度計中，可撓曲元件12可被定義為剛性元件。
在圖1B之振盪器中，振動單元10a為樑狀質量塊12a本身且振動單元10a的共振頻率主要是由樑狀質量塊12a本身的剛性及樑狀質量塊12a本身的質量所決定。因此，在圖1B之振盪器中計中，樑狀質量塊12a可被定義為剛性元件。
由此可知，剛性元件的剛性對於振動單元的共振頻率影響甚鉅。另一方面，傳統的微機電慣性感測器的剛性元件的材料性質，例如楊氏係數(Young’s Modulus)，會隨著溫度變化而改變，進而改變剛性元件的剛性，而造成的振動單元共振頻率發生 改變，而使量測到的感測值不準確。楊氏係數隨著溫度變化而改變的程度可用楊氏係數溫度係數(Temperature Coefficient of Young’s Modulus，TCE)表示。更精確地說，楊氏係數溫度係數(TCE)可定義為：在單位溫度內，楊氏係數的變化率。
當振動單元的共振頻率隨溫度的改變而發生變化時，共振頻率變化的程度可用頻率溫度係數(Temperature Coefficient of frequency，TCf)表示，如圖2所示。相同地，頻率溫度係數(TCf)可精確的定義為：在單位溫度內，共振頻率的變化率。當振動單元的共振頻率不會隨溫度的改變而發生變化時，振動單元的頻率溫度係數(TCf)為零，此時的頻率溫度係數可稱為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。
圖3是習知之一種微機電共振器的示意圖。請參考圖3，微機電共振器20的剛性元件22為樑狀質量塊。剛性元件22藉由可撓性元件24連接固定座26，並受到驅動電極28a的驅動而產生週期式的往復振動。當樑狀質量塊達到共振模態時，樑狀質量塊振幅最大，感應電極28b感應到最大的電壓變化，而微機電共振器20將量測到的電壓變化的頻率輸出，即可作為時脈信號。此時，剛性元件22的材料性質，例如楊氏係數，會隨著溫度變化而改變，而改變剛性元件22的剛性，進而造成剛性元件22(樑狀質量塊)的共振頻率發生改變，而使時脈信號會隨溫度而改變。
圖4是習知之一種微機電加速度計的示意圖。請參考圖4，當微機電加速度計30在Y軸方向產生加速度時，經由剛性元 件32(例如是彈簧)而連接固定座26的質量塊34在Y軸上產生位移，而使固定電極36a與移動電極36b的相對距離受到質量塊34的位移變化而改變。更進一步地說，固定電極36a與移動電極36b的相對距離改變，造成固定電極36a與移動電極36b之間的電容發生變化。因此，微機電加速度計30經由感測電容變化，即能換算出加速度的大小。此時，剛性元件32的材料性質，例如楊氏係數，會隨著溫度變化而改變，而改變剛性元件32的剛性。因此，在微機電加速度計30承受相同的加速度的情況下，質量塊34產生不同的位移，而使電容變化不同，進而造成微機電加速度計30量測到的加速度值不準確。
圖5是習知之一種微機電陀螺儀的示意圖。請參考圖5，微機電陀螺儀40的剛性元件42(彈簧)分別連接外圍框架44a與質量塊44b與固定座。外圍框架44a在其共振頻率上沿Y軸方向來回振動，以驅動質量塊44b在Y軸方向來回振動。當Z軸方向有角速度產生時，質量塊44b在X軸上產生位移。因此，固定電極46a與移動電極46b的相對距離因而改變。更進一步地說，固定電極46a與移動電極46b的相對距離改變，造成固定電極46a與移動電極46b之間的電容發生變化。因此，微機電陀螺儀40經由感測此電容變化，即能換算出角速度的大小。此時，剛性元件42的材料性質，例如楊氏係數，會隨著溫度變化而改變，而改變剛性元件42的剛性，進而造成外圍框架44a的共振頻率發生改變。因此，當微機電陀螺儀40在Z軸方向有相同的角速度產生時， 質量塊44b在X軸方向上產生不同的位移，而使電容變化不同，進而造成微機電陀螺儀40量測到的角速度值不準確。
由上述三個例子可知，對於「如何使微機電共振器的共振頻率不隨溫度改變？」、「如何使微機電加速度計的準確度不隨溫度改變？」或者「如何使微機電陀螺儀的準確度不隨溫度改變？」的議題，成為目前的微機電慣性感測器的技術趨勢，也就是要設計出，在不同環境溫度下，共振頻率不會改變的微機電共振器、共振頻率不會改變的微機電陀螺儀，或者彈簧剛性不會改變的微機電加速度計。更詳細地說，從「如何使微機電慣性感測器中的剛性元件的剛性不隨溫度改變」或者「如何使微機電慣性感測器中的剛性元件的楊氏係數不隨溫度改變」著手，才能設計出能適應不同環境溫度的微機電慣性感測器(溫度補償微機電慣性感測器)。
圖6是習知之一種被動式溫度補償微機電振盪器的示意圖。請參考圖6，美國專利US78889030公開一種被動式溫度補償微機電振盪器50，其在矽(Si)質量塊52的溝槽54中填入二氧化矽(SiO2)56，以使振盪元件(質量塊52)由兩種具有不同的楊氏係數的材料所構成，其中兩種材料的楊氏係數隨溫度變化而其一為正而另一為負。因此，微機電振盪器50的共振頻率不會隨溫度變化而改變，而具有溫度穩定性高的特性。
圖7是習知之另一種溫度補償微機電振盪器的示意圖。請參考圖7，美國專利US7824098公開一種複合材料微機電振盪 器60，其在矽(Si)振盪元件62的外部的四個表面包覆二氧化矽(SiO2)64(如圖7右下角的截面示意圖)，以使振盪元件62由兩種具有不同的楊氏係數的材料所構成，其中兩種材料的楊氏係數隨溫度變化而其一為正而另一為負。因此，微機電振盪器60的共振頻率不會隨溫度變化而改變，而具有溫度穩定性高的特性。
此外，在和美國專利US7824098相關的論文(Temperature-Insensitive Composite Micromechanical Resonators)揭露了具樑狀質量塊之複合材料共振器之頻率溫度係數(TCf)的計算公式，如下所示： 其中，E1為質量塊之楊氏係數、E2為包覆材料之楊氏係數、I1為質量塊之面積慣性矩(area moment of inertia)、I2為包覆材料之面積慣性矩(area moment of inertia)、TCf為複合材料共振器之頻率溫度係數、TCf1為質量塊之頻率溫度係數、TCf2為包覆材料 之頻率溫度係數、TCE1為質量塊之楊氏係數溫度係數、TCE2為包覆材料之楊氏係數溫度係數、α1為質量塊之熱膨脹係數、α2為包覆材料之熱膨脹係數、f1為質量塊之共振頻率、f2為包覆材料之共振頻率、m1為質量塊之質量、m2為包覆材料之質量。
該論文同時也揭露，若要使複合材料共振器的共振頻率不會隨溫度變化而改變，必需使複合材料共振器的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。基於如下的推導過程：
由上述可知，常見的被動式溫度補償微機電振盪器是藉由矽材料以及第一材料(例如二氧化矽)而形成複合材料的振盪單元。當溫度變化時，第一材料之楊氏係數變化的方向與矽材料之楊氏係數變化的方向相反且複合材料共振器之質量塊的面積慣性矩(area moment of inertia)及包覆材料之面積慣性矩符合公式(2)及公式(5)時，剛性元件(樑狀質量塊)在振盪方向上的剛性不變，使得樑狀質量塊的共振頻率不隨溫度而改變，進而使振盪器所產生的時脈信號不隨溫度而改變，具有較高的穩定性。
本揭露內容提供一種複合材料的微機電裝置，具有高穩 定度與高準確度。
本揭露內容提供一種複合材料微機電裝置之製作方法，用以製作具有高穩定度與高準確度的複合材料的微機電裝置。
本揭露內容提出一種複合材料的微機電裝置，包括一振動單元、一第一材料以及一第二材料。振動單元用以沿一第一軸向來回振動，其中振動單元包括一剛性元件。剛性元件包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中第一表面面向第一軸向的一第一方向，第二表面面向第一軸向的一第二方向，其中第一方向相反於第二方向，第三表面連接第一表面與第二表面。第一材料設置於剛性元件的第一表面與第二表面上。第二材料為導電材料且設置於第一材料上並延伸至剛性元件，使第二材料電性連接至剛性元件，其中，溫度變化時，第一材料之楊氏係數變化方向與剛性元件之楊氏係數變化方向相反。
本揭露內容再提出一種複合材料的微機電裝置，包括一振動單元、一第一材料以及一第二材料。振動單元包括一質量塊以及一可撓曲元件。質量塊用以沿一第一軸向來回振動，其中質量塊包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中第一表面面向第一軸向的一第一方向，第二表面面向第一軸向的一第二方向，其中第一方向相反於第二方向，第三表面連接第一表面與第二表面。可撓曲元件連接到質量塊。第一材料設置於質量塊的第一表面與第二表面上。第二材料為導電材料且設置於第一材料並延伸至質量塊，使第二材料電性連接到質量塊，其中，溫度變 化時，第一材料之楊氏係數變化方向與質量塊之楊氏係數變化方向相反。
本揭露內容又提出一種複合材料的微機電裝置，包括一振動單元、一第一材料以及一第二材料。振動單元包括一質量塊、一可撓曲元件以及一連結部。質量塊用以沿一第一軸向來回振動。可撓曲元件連接到質量塊。可撓曲元件包括一延展部，其中延展部包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面。第一表面面向第一軸向的一第一方向，第二表面面向第一軸向的一第二方向，其中第一方向相反於第二方向，第三表面連接第一表面與第二表面。連結部連接到延展部。第一材料設置於第一表面與第二表面上。第二材料為導電材料且設置於第一材料上，並延伸至可撓曲元件，使第二材料電性連接至可撓曲元件，其中，溫度變化時，第一材料之楊氏係數變化方向與可撓曲元件之楊氏係數變化方向相反。
本揭露內容另提出一種複合材料的微機電裝置之製作方法，包括下列步驟：提供一第一基底，其中第一基底包括至少一元件層、一絕緣層與一處理層(Handle Layer)。透過一圖案化阻障層蝕刻元件層，以形成多個第一溝槽並暴露部分絕緣層之表面。移除圖案化阻障層後，在元件層上沉積一第一材料，以形成與元件層共形(conformal)的一第一材料層，其中第一材料至少形成於第一溝槽的內側。沉積一第二材料於元件層上，並填滿第一溝槽，並使在第一溝槽內的第二材料被第一材料層所包覆。平 坦化元件層，藉以移除位於第一溝槽之外的第二材料以及第一材料。沉積第二材料，並與填充於第一溝槽內的第二材料形成一第二材料層。提供一第二基底，在第二基底上形成一凹穴。貼合第一基底與第二基底，其中第一基底的元件層面對第二基底的凹穴。移除在第一溝槽內的部分第二材料層直到貫穿元件層，以形成一複合材料的微機電裝置的振動單元的質量塊，其中第一材料層設置於質量塊的一第一表面與一第二表面上，而第二材料層為導電材料且設置於第一材料上，並延伸至質量塊的第三表面，使第二材料電性連接至質量塊。
本揭露內容更提出一種複合材料的微機電裝置之製作方法，包括下列步驟：提供一第一基底，其中第一基底包括至少一元件層、一絕緣層與一處理層(Handle Layer)。透過一圖案化阻障層蝕刻元件層，以形成多個第一溝槽暴露部分絕緣層之表面。移除圖案化阻障層後，在元件層上沉積一第一材料，以形成與元件層共形(conformal)的第一材料層，其中第一材料至少形成於第一溝槽的內側。沉積一第二材料於元件層上，並填滿第一溝槽，並使在第一溝槽內的第二材料被第一材料層所包覆。平坦化元件層，藉以移除位於第一溝槽之外的第二材料以及第一材料。沉積第二材料，並與填充於第一溝槽的第二材料形成一第二材料層。提供一第二基底，在第二基底上形成一凹穴。貼合第一基底與第二基底，其中第一基底的元件層面對第二基底的凹穴。移除在第一溝槽內的部分第二材料層直到貫穿元件層。
基於上述，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置具有沿第一軸向來回振動的振動單元，其中振動單元作為剛性元件的質量塊或可撓曲元件的延展部具有沿第一軸向配置的第一表面與第二表面，而第一材料設置於第一表面與第二表面上，用以調整振動單元的整體頻率的溫度係數。第二材料設置於第一材料上與連接第一表面與第二表面的第三表面上。據此，複合材料的微機電裝置具有高穩定度與高準確度。此外，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置之製作方法在第一基底上依序沉積第一材料與第二材料，並將第一基底貼合至具有凹穴的第二基底，以形成複合材料的微機電裝置的振動單元的質量塊。因此，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置之製作方法能製作較不會受溫度影響的微機電裝置。
為讓本揭露內容之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、10a、110、210、310‧‧‧振動單元
12、12a、22、32、42‧‧‧剛性元件
14、34、44b、52、112、212、312‧‧‧質量塊
20‧‧‧微機電共振器
24、114、114a、214、314‧‧‧可撓性元件
26、170、240、340‧‧‧固定座
28a、140a‧‧‧驅動電極
28b、140b‧‧‧感應電極
30‧‧‧微機電加速度計
36a、46a、250a、350a‧‧‧固定電極
36b、46b、250b、350b‧‧‧移動電極
40‧‧‧微機電陀螺儀
44a‧‧‧外圍框架
50‧‧‧被動式溫度補償微機電振盪器
54‧‧‧溝槽
56、64‧‧‧二氧化矽
60‧‧‧複合材料微機電振盪器
62‧‧‧振盪元件
100、100a、200、300‧‧‧複合材料的微機電裝置
112a‧‧‧節點
120、220、320、M1‧‧‧第一材料
130、230、330、M2‧‧‧第二材料
140、250、350‧‧‧電極
150‧‧‧第三材料
160‧‧‧第四材料
216、316‧‧‧連結部
218、318‧‧‧延展部
312a‧‧‧框架
312b‧‧‧本體
400‧‧‧第一基底
410‧‧‧元件層
412、422‧‧‧表面
414‧‧‧第一溝槽
420‧‧‧絕緣層
430‧‧‧處理層
432‧‧‧側面
440、470‧‧‧阻障層
442、472‧‧‧開口
450‧‧‧第一材料層
460‧‧‧第二材料層
500‧‧‧第二基底
502‧‧‧第一表面
504‧‧‧絕緣材料
510‧‧‧凹穴
520‧‧‧第二溝槽
A1‧‧‧第一軸向
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧下表面
S5、S6‧‧‧外表面
w1‧‧‧質量塊的斷面寬度
w2‧‧‧第一材料的斷面寬度
h‧‧‧質量塊的高度
圖1A是習知之一種加速度計的振動單元的示意圖。
圖1B是習知之一種振盪器的振動單元的示意圖。
圖2是振動單元之共振頻率在不同溫度下的頻率變化率。
圖3是習知之一種微機電共振器的示意圖。
圖4是習知之一種微機電加速度計的示意圖。
圖5是習知之一種微機電陀螺儀的示意圖。
圖6是習知之一種被動式溫度補償微機電振盪器的示意圖。
圖7是習知之另一種溫度補償微機電振盪器的示意圖。
圖8是本揭露內容之第一實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。
圖9是圖8之複合材料的微機電裝置的局部放大圖。
圖10是圖9之振動單元的示意圖。
圖11A是圖10之質量塊的示意圖。
圖11B是圖11A之質量塊的側視爆炸圖。
圖12是圖9之電極的局部放大圖。
圖13是圖12之電極的局部側視圖。
圖14是本揭露內容之第二實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。
圖15A是圖14之振動單元的示意圖。
圖15B是圖15A之可撓曲元件的俯視爆炸圖。
圖16是本揭露內容之第三實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。
圖17是圖16之可撓曲元件未設置材料層的示意圖。
圖18是圖16之可撓曲元件的示意圖。
圖19是本揭露內容另一實施例之可撓曲元件的示意圖。
圖20是本揭露內容之第四實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。
圖21是圖20之可撓曲元件未設置材料層的示意圖。
圖22是圖20之可撓曲元件的示意圖。
圖23是本揭露內容另一實施例之可撓曲元件的示意圖。
圖24是本揭露內容一實施例之複合材料的微機電裝置的局部放大圖。
圖25是圖24之複合材料的微機電裝置的剖面示意圖。
圖26A至圖26T是圖24之複合材料微機電裝置的製造流程的剖面示意圖。
圖27是圖24之複合材料的微機電裝置的製造流程圖。
圖8是本揭露內容之第一實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。圖9是圖8之複合材料的微機電裝置的局部放大圖。圖10是圖9之振動單元的示意圖。請參考圖8至圖10，在本實施例中，複合材料的微機電裝置100包括振動單元110、第一材料120、第二材料130、電極140、第三材料150、第四材料160以及固定座170。在本實施例中，複合材料的微機電裝置100可以是微機電共振器。
在本實施例中，振動單元110包括質量塊112以及可撓曲元件114。可撓曲元件114連接固定座170與質量塊112的節點112a，其中節點112a為可視為是質量塊112、第一材料120及第二材料130所形成的振動單元110在以其共振頻率(或稱自然頻 率)振動時，振動單元110不會產生位移量的位置。振動單元110用以沿第一軸向A1來回振動，其中振動單元110包括剛性元件，而剛性元件可為振盪器之質量塊。在本實施例中，振盪器之質量塊的剛性(stiffness)會顯著影響振動單元110的共振頻率，因此，本實施例的剛性元件即為質量塊112，用以沿第一軸向A1來回振動。在本實施例中，質量塊112的材料可以是矽(Si)。此外，電極140沿第一軸向A1設置於質量塊112的兩側。電極140包括驅動電極140a與感應電極140b，質量塊112受到驅動電極140a的驅動而沿第一軸向A1來回振動，以使感應電極140b感應電壓變化。因此，複合材料的微機電裝置100能將量測到的電壓變化的頻率輸出而作為時脈信號。
圖11A是圖10之質量塊的示意圖。圖11B是圖11A之質量塊的側視爆炸圖。請參考圖9至圖11B，在本實施例中，作為剛性元件的質量塊112包括第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3。第一表面S1面向第一軸向A1的第一方向D1，第二表面S2面向第一軸向A1的第二方向D2，其中第一方向D1相反於第二方向D2，第三表面S3連接第一表面S1與第二表面S2。換言之，第一表面S1與第二表面S2分別面向第一軸向A1的兩個相對的方向。此時，第一材料120設置於作為剛性元件的質量塊112的第一表面S1與第二表面S2上，其中第一材料120包括二氧化矽(SiO2)，但本揭露內容不以此為限制。在溫度變化時，第一材料120之楊氏係數的變化方向與作為剛性元件的質量塊112之楊 氏係數的變化方向相反，用以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數(TCf)。
更進一步的說，本實施例在作為微機電共振器的複合材料的微機電裝置100中，第一材料120覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2，其中質量塊112具有斷面寬度w1，而覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2的第一材料120具有斷面寬度w2。將第一材料120設置在作為剛性元件的質量塊112在面向振動方向(第一軸向A1)的第一表面S1與第二表面S2上。為了使振動單元110的共振頻率不會隨溫度變化而改變，必需使振動單元110的的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)，如圖2所示。請參考圖11A，當質量塊112的面積慣性矩(area moment of inertia)及第一材料120之面積慣性矩(area moment of inertia)符合公式(2)及公式(5)時，才能使振動單元110的的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。從公式(2)、公式(3)、公式(4)及公式(5)可以得知： 從公式(6)可以得知：
換言之，在圖11A中，當質量塊112的面積慣性矩(area moment of inertia)及第一材料120之面積慣性矩(area moment of inertia)滿足公式(7)時，才能使振動單元110的的共振頻率不會隨溫度變化而改變。這表示，在圖11A中質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2不是任意選取的。只有當質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2同時滿足公式(7)時，才能使振動單元110的共振頻率不會隨溫度變化而改變。
請參考圖11A，當質量塊112及第一材料120的面積慣性矩(area moment of inertia)可分別以下列公式(8)及公式(9)表示：(h為質量塊112的高度)
本揭露將公式(8)及公式(9)帶入公式(7)後，即能求得限制質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2的公式(10)。
在公式(10)中，因在一特定溫度(T)下，質量塊112 的的楊氏係數(E1)、楊氏係數溫度係數(TCE1)、熱膨脹係數(α1)及第一材料120的楊氏係數(E2)、楊氏係數溫度係數(TCE2)、熱膨脹係數α2皆為常數，所以公式(10)可推導為下列公式(11)： 其中， 且在溫度T時，CT為一溫度常數。在公式(11)及在公式(12)說明了，唯有當質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2同時滿足公式(11)的限制時，才能使振動單元110的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。換言之，當質量塊112的楊氏係數的變化方向與第一材料120之楊氏係數的變化方向相反時，質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2也必需同時滿足公式(11)的限制，才足以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數為零值頻率溫度係數(Zero TCf)，而使振動單元110的的共振頻率不會隨溫度變化而改變。
請參考圖11A，在本實施例中，質量塊112的材料可以是矽(Si)，第一材料120可以是二氧化矽(SiO2)。矽及二氧化矽在85℃的材料性質如下所列： E1為矽之楊氏係數：169×103 Mpa
E2為二氧化矽之楊氏係數：66×103 Mpa
TCE1為矽之楊氏係數溫度係數：-84.66 ppm/℃
TCE2為二氧化矽之楊氏係數溫度係數：185 ppm/℃
α1為矽之熱膨脹係數：3 ppm/℃
α2為二氧化矽之熱膨脹係數：0.583ppm/℃將上述數據代入公式(12)中，可以求得： CT的計算數值若用四捨五入法，取到小數點以下第四位，則CT的計算數值是0.8875。
請參考圖11A，在本實施例中，質量塊112的斷面寬度w1可以是1.8852微米(um)。第一材料120的斷面寬度w2可以是0.350微米(um)。將w1是1.8852微米及將w2是0.350微米代入公式(11)中，可以求得：
上述計算數值若用四捨五入法，取到小數點以下第四位，則可以得知：
更進一步說，質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2也必需同時滿足公式(11)的限制，才足以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。
相反地，若質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2無法同時滿足公式(11)的限制時，則不足以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。舉例而言，當質量塊112的斷面寬度w1是3.733微米(um)，第一材料120的斷面寬度w2是0.350微米(um)，代入公式(11)後，可求得：
此時，質量塊112的斷面寬度w1(3.733微米)與第一材料120的斷面寬度w2(0.350微米)無法同時滿足公式(11)的限制。進一步說，雖然質量塊112的楊氏係數的變化方向與第一材料120之楊氏係數的變化方向相反，仍不足以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。
另一方面，第二材料130為導電材料，設置於第一材料120並延伸至剛性元件(質量塊112)的第三表面S3，使第二材料130電性連接至(electrically coupled to)剛性元件(質量塊112)， 其中第二材料130可以是多晶矽(polycrystalline silicon)，但本揭露內容不以此為限制。換言之，在作為微機電共振器的複合材料的微機電裝置100的質量塊112上設置第二材料130，以形成覆蓋第一材料120的外表面以及質量塊112的第三表面S3(下表面)的導電層，而使第二材料130電性連接到第三表面S3而與外界電性連接。據此，第一材料120的表面的電荷能透過第二材料130傳遞至外界，可避免電荷累積而產生額外的作用力來影響振動單元110的運動，使得振動單元110的共振頻率更為準確。
圖12是圖9之電極的局部放大圖。圖13是圖12之電極的局部側視圖。請參考圖9、圖12與圖13，在本實施例中，第三材料150設置於驅動電極140a與感應電極140b沿第一軸向A1來回振動方向的外表面，而第四材料160設置於第三材料150以並延伸至驅動電極140a與感應電極140b的下表面，進而與外界電性連接，以使第三材料150的表面的電荷能透過第四材料160傳遞至外界，其中第三材料150包括二氧化矽(SiO2)，而第四材料160包括多晶矽(polycrystalline silicon)，但本揭露內容不以此為限制。因此，本實施例之振動單元110的質量塊112以及驅動電極140a與感應電極140b均具有複合材料，可使得振動單元110的共振頻率，不會因環境溫度的改變而變得不穩定。據此，複合材料的微機電裝置100，在不同環境溫度下，仍具有高的穩定度與準確度。
圖14是本揭露內容之第二實施例之複合材料的微機電裝 置的示意圖。圖15A是圖14之振動單元的示意圖。圖15B是圖15A之可撓曲元件的俯視爆炸圖。請參考圖14至圖15B，在本實施例中，複合材料的微機電裝置100a包括振動單元110、第一材料120、第二材料130、電極140以及固定座170。複合材料的微機電裝置100a可以是微機電共振器，但本揭露內容不以此為限制。
本實施例之複合材料的微機電裝置100a類似於第一實施例的複合材料的微機電裝置100。因此，在本實施例之說明以及圖式(圖14至圖15B)中構件標號與第一實施例之說明以及圖式(圖8至圖13)中構件標號一致者具有類似或相同的材料、功能與作動方式。因此，本實施例之複合材料的微機電裝置100a的部分構件可參考前述有關第一實施例的說明，在此不多加贅述。
在本實施例中，複合材料的微機電裝置100a與複合材料的微機電裝置100的主要差異處在於，複合材料的微機電裝置100a的振動單元110的質量塊112以及可撓曲元件114a均為複合材料。更具體地說，可撓曲元件114a具有平行於質量塊112的第一表面S1與第二表面S2的兩外表面S5與S6，其中可撓曲元件114a的兩外表面S5與S6也分別面向第一軸向的第一方向D1以及第二方向D2。
因此，本實施例更將第一材料120設置於可撓曲元件114a的兩外表面S5與S6上。在溫度變化時，第一材料120之楊氏係數的變化方向與作為剛性元件的質量塊112之楊氏係數的變化方向相反，用以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數。第二材 料130設置於第一材料120上並延伸至可撓曲元件114a的下表面S4，使得第二材料電性連接至可撓曲元件114a，進而透過固定基座170與外界電性連接。因此，第一材料120的表面的電荷能透過第二材料130傳遞至外界，進而避免電荷累積而產生額外的作用力來影響振動單元110的運動，使得振動單元110的共振頻率更為穩定。因此，本實施例之振動單元110的質量塊112以及可撓曲元件114a均為複合材料，可使得振動單元110的共振頻率更為穩定。
圖16是本揭露內容之第三實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。圖17是圖16之可撓曲元件未設置材料層的示意圖。請參考圖16與圖17，在本實施例中，複合材料的微機電裝置200包括振動單元210、第一材料220以及第二材料230。複合材料的微機電裝置200可以是微機電加速度計，但本揭露內容不以此為限制。
在本實施例中，振動單元210包括質量塊212、可撓曲元件214。可撓曲元件214連接質量塊212與固定座240。在本實施例中，可撓曲元件214的剛性(stiffness)會顯著影響振動單元210的共振頻率，因此，本實施例的剛性元件即為可撓曲元件214。當質量塊212用以沿第一軸向A1例如是圖16中的Y軸方向來回振動，可撓曲元件214也沿第一軸向A1來回振動。此外，質量塊212的兩側還設置有電極250，其中電極250包括固定電極250a與移動電極250b。當可撓曲元件214沿第一軸向A1來回振動而 帶動質量塊212沿第一軸向A1來回振動時，固定電極250a與移動電極250b會產生電容變化。
因此，當作為微機電加速度計的複合材料的微機電裝置200在第一軸向A1(Y軸)上產生加速度時，經由作為剛性元件的可撓曲元件214而連接固定座240的質量塊212在第一軸向A1上產生位移，而使固定電極250a與移動電極250b的相對距離受到質量塊212的位移變化而改變。更進一步地說，固定電極250a與移動電極250b的相對距離改變，造成固定電極250a與移動電極250b之間的電容發生變化。因此，複合材料的微機電裝置200經由感測此電容變化，即能換算出加速度的大小。
圖18是圖16之可撓曲元件的示意圖。請參考圖16與圖18，在本實施例中，可撓曲元件214的材料可以是矽(Si)且可撓曲元件214包括延展部218及連接延展部218的連結部216。延展部218包括第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3。第一表面S1面向第一軸向A1的第一方向D1，第二表面S2面向第一軸向A1的第二方向D2，其中第一方向D1相反於第二方向D2，第三表面S3連接第一表面S1與第二表面S2。換言之，第一表面S1與第二表面S2分別面向第一軸向A1的兩個相對的方向。第一材料220設置於可撓曲元件214的延展部218的第一表面S1與第二表面S2。更進一步的說，第一材料220覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2，其中第一材料220包括二氧化矽(SiO2)，但本揭露內容不以此為限制。在溫度變化時，第一材料220之楊 氏係數的變化方向與作為剛性元件的可撓曲元件214之楊氏係數的變化方向相反。
更具體地說，本實施例在作為微機電加速度計的複合材料的微機電裝置200中，將第一材料220設置在作為剛性元件的可撓曲元件214在面向振動方向(第一軸向A1)的延展部218的第一表面S1與第二表面S2上。因此，複合材料的微機電裝置200在溫度變化時，第一材料220之楊氏係數的變化方向與作為剛性元件的可撓曲元件214之楊氏係數的變化方向相反，用以調整振動單元210的整體頻率的溫度係數。
另一方面，第二材料230為導電材料(例如是多晶矽)，設置於第一材料220上，以形成覆蓋第一材料220的外表面的導電層，且第二材料230延伸至延展部218的第三表面S3，使第二材料230電性連接至延展部218的第三表面S3，而與外界電性連接。據此，第一材料220的表面的電荷能透過第二材料230傳遞至外界，可避免電荷累積而產生額外的作用力來影響振動單元210的運動，使得振動單元210的共振頻率更為穩定。據此，本實施例之振動單元210的可撓曲元件214為複合材料，而使複合材料的微機電裝置200具有較高的準確度。
圖19是本揭露內容另一實施例之可撓曲元件的示意圖。請參考圖19，在本實施例中，第二材料230設置於第一材料220以及連結部216的外表面S5及S6上。換言之，本實施例與前述的第三實施例的差別在於第二材料230還覆蓋連結部216。因此， 在可撓曲元件214的延展部218上設置第二材料230，以形成覆蓋第一材料220的導電層，並在連結部216上亦設置第二材料230，而使設置在第一材料220上的第二材料230電性連接到連結部216而與外界電性連接，以加強移除第一材料220的表面電荷的效率。
圖20是本揭露內容之第四實施例之複合材料的微機電裝置的示意圖。圖21是圖20之可撓曲元件未設置材料層的示意圖。請參考圖20與圖21，在本實施例中，複合材料的微機電裝置300包括振動單元310、第一材料320以及第二材料330。複合材料的微機電裝置300可以是微機電陀螺儀，但本揭露內容不以此為限制。
在本實施例中，振動單元310包括第一質量塊312a、第二質量塊312b、可撓曲元件314。在本實施例中，第一質量塊312a為一框架。可撓曲元件314連接第一質量塊312a及固定座340。框架312a與第二質量塊312b亦藉由可撓曲元件314互相連接。框架312a沿圖20中的Y軸方向來回振動，以驅動第二質量塊312b沿Y軸方向來回振動。因此，當作為微機電陀螺儀的複合材料的微機電裝置300感測到Z軸方向角速度時，第二質量塊312b會沿第一軸向A1來回振動而在X軸上產生位移。
當Z軸方向有角速度時，框架312a沿圖20中的Y軸方向來回振動需達到共振的狀態時，第二質量塊312才能在X軸上產生最大的位移。因此，框架312a的共振頻率會影響量測角速度時的靈敏度。
在本實施例中，可撓曲元件314的剛性會顯著影響框架312a的共振頻率。因此在本實施例中，可撓曲元件314即為振動單元310中的剛性元件。此外，第二質量塊312b的兩側還設置有電極350，其中電極350包括固定電極350a與移動電極350b。當第二質量塊312b沿第一軸向A1來回振動時，固定電極350a與移動電極350b會產生電容變化。更進一步地說，固定電極350a與移動電極350的相對距離改變，造成固定電極350a與移動電極350之間的電容發生變化。因此，作為微機電陀螺儀的複合材料的微機電裝置300經由感測此電容變化，即能換算出角速度的大小。
圖22是圖20之可撓曲元件的示意圖。請參考圖20與圖22，在本實施例中，可撓曲元件314包括延展部318，連結部316，其中連結部316的二端連接到延展部318。延展部318包括第一表面S1、第二表面S2以及第三表面S3。第一表面S1面向第一軸向A1的第一方向D1，第二表面S2面向第一軸向A1的第二方向D2，其中第一方向D1相反於第二方向D2，第三表面S3連接第一表面S1與第二表面S2。換言之，第一表面S1與第二表面S2分別面向第一軸向A1的兩個相反的方向。此時，第一材料320設置於可撓曲元件314(剛性元件)的延展部318的第一表面S1與第二表面S2上。更進一步的說，第一材料320覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2，其中第一材料320包括二氧化矽(SiO2)，但本揭露內容不以此為限制。在溫度變化時，第一材料320之楊氏係數的變化方向與作為剛性元件的可撓曲元件314之楊氏係數的變 化方向相反。
更具體地說，本實施例在作為微機電陀螺儀的複合材料的微機電裝置300中，將第一材料320設置在作為剛性元件的可撓曲元件314面向振動方向(第一軸向A1)的延展部318的第一表面S1與第二表面S2上。因此，複合材料的微機電裝置300在溫度變化時，第一材料320之楊氏係數的變化方向與作為剛性元件的可撓曲元件314之楊氏係數的變化方向相反，用以調整振動單元310的整體頻率的溫度係數。
另一方面，第二材料330為導電材料，設置於第一材料320上。第二材料330可以是多晶矽，但本揭露內容不以此為限制。換言之，在作為微機電加速度計的複合材料的微機電裝置300的可撓曲元件314的延展部318上設置第二材料330，以形成覆蓋第一材料320的外表面的導電層，而使第二材料330電性連接到連結部316而與外界電性連接。據此，第一材料320的表面的電荷能透過第二材料330傳遞至外界，可避免電荷累積而產生額外的作用力來影響振動單元310的運動，使得振動單元310的共振頻率更為準確。
圖23是本揭露內容另一實施例之可撓曲元件的示意圖。請參考圖23，在本實施例中，第二材料330設置於第一材料320以及連結部318的外表面S5及S6上。換言之，本實施例與前述的第四實施例的差別在於第二材料330還覆蓋連結部318。因此，在可撓曲元件314的延展部318上設置第二材料330，以形成覆蓋 第一材料320的外表面的導電層，並在連結部318上亦設置第二材料330，而使設置在第一材料上的第二材料330可電性連接到連結部316而與外界電性連接。如此，第一材料320表面的電荷即可透過第二材料330而移除至外界。
由上述的實施例可知，將兩種材料設置在微機電裝置的剛性元件(例如是質量塊或是可撓曲元件)面向振動方向的兩表面上，可使剛性元件成為複合材料的結構。因此，在溫度變化時，第一材料提供楊氏係數的變化方向相反於剛性元件的楊氏係數的變化方向，以使振動單元的共振頻率不受溫度的影響而變得更為穩定。另外，覆蓋第一材料並延伸且電性連接至剛性元件的第二材料能將第一材料的表面的電荷傳遞至外界而維持振動單元之共振頻率的穩定性。因此，複合材料的微機電裝置100、100a、200以及300均較傳統的微機電裝置具有較高的準確度。
此外，本揭露內容還提供複合材料的微機電裝置的製作方法。圖24是本揭露內容一實施例之複合材料的微機電裝置的局部放大圖。圖25是圖24之複合材料的微機電裝置的剖面示意圖。請參考圖24與圖25，在本實施例中，複合材料的微機電裝置可為第一實施例的複合材料的微機電裝置100，但本揭露內容不以此為限制，此處僅是以第一實施例的複合材料的微機電裝置100來說明本實施例之複合材料的微機電裝置的製作方法。
圖26A至圖26T是圖24之複合材料微機電裝置的製造流程的剖面示意圖。圖27是圖24之複合材料的微機電裝置的製造 流程圖。
以下將藉由圖26A至圖26T依序搭配圖27以及文字來說明本實施例之複合材料的微機電裝置的製作方法。
首先，在步驟S1110中，提供第一基底400。請參考圖26A與圖27，在本實施例中，第一基底400包括至少一元件層410、絕緣層420與處理層430。第一基底400可以是絕緣層覆矽晶圓(Silicon on Insulator Wafer，SOI Wafer)，其中元件層410與處理層430的材料為矽，而夾置在元件層410與處理層430之間的絕緣層420的材料為二氧化矽(SiO2)，但本揭露內容不以此為限制。
接著，形成圖案化阻障層，以進行後續蝕刻元件層410的動作。在本實施例中，形成圖案化阻障層的步驟包括下列步驟：首先，在步驟S1120中，形成阻障層440於第一基底400上之元件層410的表面412上。請參考圖26B與圖27，在本實施例中，阻障層440的材料可以是氮化矽(silicon nitride)，並藉由電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)製程而沉積在元件層410的表面412。接著，在步驟S1130中，圖案化阻障層440。請參考圖26C與圖27，阻障層440透過黃光製程在光阻上進行曝光與顯影，並藉由磷酸液濕式蝕刻(wet etching)在阻障層440上設開口442而形成圖案。
接著，在步驟S1140中，透過圖案化阻障層440而蝕刻元件層410。請參考圖26D與圖27，在本實施例中，在形成圖案化阻障層之後，便可藉由圖案化阻障層440而蝕刻元件層410，以 形成多個第一溝槽414並暴露部分絕緣層420之表面422，其中第一溝槽414是藉由感應耦合型電漿(Inductively Coupled Plasma)的蝕刻製程(乾式)而形成於元件層410上。最後，在步驟S1150中，移除圖案化阻障層440。請參考圖26E與圖27，在第一溝槽414形成於元件層410上之後，便可藉由例如是磷酸液的蝕刻液來進行濕式蝕刻(wet etching)製程，以將圖案化阻障層440從元件層410上移除。
接著，在步驟S1160，在元件層410上沉積第一材料M1。請參考圖26F與圖27，在移除圖案化阻障層440後，在元件層410上沉積第一材料M1，以形成與元件層410共形(conformal)的第一材料層450，其中第一材料M1至少形成於第一溝槽414的內側。在本實施例中，第一材料M1可以是二氧化矽(SiO2)，以熱氧化層(thermal oxidation)成長製程而沉積於元件層410上。由於第一材料M1至少形成於第一溝槽414的內側，而第一溝槽414暴露部分絕緣層420之表面422，因此第一材料層450能透過第一溝槽414而連接絕緣層420。接著，在步驟S1170中，沉積第二材料M2於元件層410上。請參考圖26G與圖27，在本實施例中，第二材料M2例如是多晶矽(polycrystalline silicon)，藉由電漿輔助化學氣相沈積製程而沈積在元件層410上，並填滿第一溝槽414，並使在第一溝槽414內的第二材料M2被第一材料層450所包覆。亦即，由於元件層410上與第一溝槽414的內側均已覆蓋第一材料M1，因此位在第一溝槽414內的第二材料M2能被第一 材料層450所包覆。
接著，在步驟S1180中，平坦化元件層410。請參考圖26H與圖27，在本實施例中，藉由化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)而平坦化元件層410，藉以移除位於第一溝槽414之外的第二材料M2以及第一材料M1。此時，元件層410暴露出表面412，而第一溝槽414內填充有第一材料M1與第二材料M2，其中位在第一溝槽414內的第一材料M1為前述第一材料層450的部分。接著，在步驟S1190中，沉積第二材料M2。請參考圖26I與圖27，在本實施例中，第二材料M2是藉由電漿輔助化學氣相沈積製程而沈積在元件層410上。此時，第一溝槽414內已填充有第一材料M1與第二材料M2。因此，沈積在元件層410上的第二材料M2與填充於第一溝槽414的第二材料M2形成第二材料層460，而第二材料層460包覆第一材料層450。
到此步驟為止，已初步完成對於第一基底400的處理。接著，提供第二基底500，並在第二基底500上形成凹穴510。在本實施例中，提供第二基底500並在第二基底500上形成凹穴510的步驟包括下列步驟：首先，在步驟S1200中，提供第二基底500。請參考圖26J與圖27，在本實施例中，第二基底500可以是矽晶圓(Silicon Wafer)，但本揭露內容不以此為限制。接著，在步驟S1210中，蝕刻第二基底500的第一表面502而形成多個第二溝槽520。請參考圖26K與圖27，在本實施例中，第二溝槽520是藉由感應耦合型電漿蝕刻製程(乾式)而形成於第二基底500的第 一表面502上。
接著，在步驟S1220中，對第二溝槽520填充絕緣材料504。請參考圖26L與圖27，在本實施例中，絕緣材料504可以是玻璃(glass)，但本揭露內容不以此為限制。絕緣材料504填滿第二溝槽520，以在第二基底500上，形成多個電性通道。最後，在步驟S1220中，蝕刻第二基底500，形成凹穴510。請參考圖26M與圖27，在本實施例中，凹穴510是藉由感應耦合型電漿蝕刻製程而形成於第二基底500的第一表面502上。因此，凹穴510可作為複合材料微機電裝置100的質量塊112(如圖24所示)所需的振動空間。
至此，已初步完成對於第二基底500的處理。接著，在步驟S1240中，貼合第一基底400與第二基底500。請參考圖26N與圖27，在本實施例中，以進行初步處理的第一基底400與第二基底500經由陽極接合(anodic bonding)製程而互相貼合，但本揭露內容不以此為限制。當第一基底400與第二基底500互相貼合時，第一基底400的元件層410面向第二基底500的凹穴510，而第一基底400以元件層410上的第二材料層460連接第二基底500的第一表面502與填充於第二溝槽520的絕緣材料504。
最後，在貼合第一基底400與第二基底500的步驟之後，移除在第一溝槽414內的部分第二材料層460直到貫穿元件層410。此步驟更包括下列步驟：首先，在步驟S1250中，先對第一基底400的處理層430的另一表面432進行研磨，以薄化處理層 430厚度。請參考圖26O與圖27，在本實施例中，在貼合第一基底400與第二基底500之後，將第一基底400的處理層430的另一側面432，藉由化學機械研磨法而進行薄化。
接著，在步驟S1260，移除處理層430與絕緣層420以暴露在第一溝槽414的第一材料層450與第二材料層460。請參考圖26P在本實施例中，處理層430與絕緣層420是藉由感應耦合型電漿蝕刻製程(乾式)以及緩衝氧化矽蝕刻(Buffer Oxide Etching，BOE)製程(濕式)而從第一基底400上移除。此時，填充於第一溝槽414的內側的部分第一材料層450與包覆第一材料層450的部份第二材料層460會暴露出來。
接著，在步驟S1270，形成阻障層470於第一基底400的元件層410上。請參考圖26Q與圖27，在本實施例中，阻障層470的材料可以是氮化矽，並藉由電漿輔助化學氣相沈積製程而沉積在元件層410上。接著，在步驟S1280中，圖案化阻障層470。請參考圖26R與圖27，阻障層470透過黃光製程在光阻上進行曝光與顯影，並藉由磷酸液濕式蝕刻在阻障層470上形成開口472，而開口472對應於填充於第一溝槽414內的第二材料層460。
接著，在步驟S1290中，透過圖案化阻障層470而蝕刻元件層410。請參考圖26S與圖27，在本實施例中，由於圖案化阻障層470的圖案開口對應於填充於第一溝槽414內的第二材料層460。因此，透過圖案化阻障層470以藉由感應耦合型電漿蝕刻製程(乾式)而蝕刻元件層410，以移除在第一溝槽414內的部分 第二材料層460直到貫穿元件層。此時，第一溝槽414與凹穴510連通，且第一溝槽414的內側包覆有第一材料層450與第二材料層460。最後，在步驟S1300中，移除圖案化阻障層470。請參考圖26T與圖27，在本實施例中，在移除在第一溝槽414內的部分第二材料層460直到貫穿元件層後，便可藉由例如是磷酸液的蝕刻液來進行濕式蝕刻製程，以將圖案化阻障層470從元件層410上移除。據此，便可完成複合材料的微機電裝置100。
請同時參考圖11A、圖24、圖25與圖26T，在移除第一基底400的第一溝槽414內的部分第二材料層460直到貫穿元件層410之後，中間部分元件層410形成如圖11A、圖24與圖25所示之複合材料微機電裝置100的振動單元110的質量塊112，其中第一材料層450設置於中間部分元件層410的兩側，以形成如圖11A與圖24之第一材料120設置於質量塊112的第一表面S1與第二表面S2上，而第二材料層460設置於第一材料層450以及中間部分元件層410的底部，以形成如圖11A與圖24之第二材料130設置於第一材料120以及質量塊112的第三表面S3上。
此外，第一材料層450(相當於圖11A與圖24的第一材料120)設置於質量塊112的第一表面S1與第二表面S2上，且溫度變化時，第一材料層450之楊氏係數變化方向與質量塊112之楊氏係數變化方向相反，而第二材料層460(相當於圖11A與圖24的第二材料120)為導電材料，且設置於第一材料層450上，並延伸至質量塊112的第三表面S3，使第二材料層460電性連接 到質量塊112的第三表面S3。
更進一步的說，第一材料層450(相當於第一材料120)覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2，其中質量塊112具有斷面寬度w1，而覆蓋整個第一表面S1及整個第二表面S2的第一材料層450具有斷面寬度w2，如圖11所示。為了使振動單元110的共振頻率不會隨溫度變化而改變，必需使振動單元110的的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)，如圖2所示。因此，經由前述在第一實施例中的推導可以得知，質量塊112的斷面寬度w1與第一材料層450(相當於第一材料120)的斷面寬度w2須滿足前述的公式(11)： 其中CT為溫度常數。由前述在第一實施例中的推導可以得知，唯有當質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120(在此處可等同於第一材料層450)的斷面寬度w2同時滿足公式(11)的限制時，才能使振動單元110的頻率溫度係數(TCf)為零值頻率溫度係數(Zero TCf)。換言之，當質量塊112的楊氏係數的變化方向與第一材料120之楊氏係數的變化方向相反時，質量塊112的斷面寬度w1與第一材料120的斷面寬度w2也必需同時滿足公式(11)的限制，才足以調整振動單元110的整體頻率的溫度係數為零值頻率溫度係數(Zero TCf)，而使振動單元110的的共振頻率不會隨溫度變化而改變。
同理，元件層410的兩側部分可形成如圖24所示之複合材料的電極140，其詳細構件可參照前述第一實施例的說明。據此，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置製造方法能製作複合材料的微機電裝置，進而能製作出較不會受溫度影響的微機電裝置。
綜上所述，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置具有沿第一軸向來回振動的振動單元，其中振動單元作為剛性元件的質量塊或可撓曲元件的延展部具有沿第一軸向配置的第一表面與第二表面，而第一材料設置於第一表面與第二表面上，用以調整振動單元的整體頻率的溫度係數。第二材料設置於第一材料上與連接第一表面與第二表面的第三表面上，其中第二材料為導電材料，並電性連接到第三表面或電性連接至延展部的連結部。據此，複合材料的微機電裝置具有高穩定度與高準確度。此外，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置之製作方法在第一基底的元件層上依序沉積並形成於第一溝槽的第一材料與第二材料，並將第一基底貼合至具有凹穴的第二基底，再移除第一溝槽內的部分第二材料層直到貫穿元件層，以形成複合材料的微機電裝置的振動單元的質量塊。因此，本揭露內容所提出的複合材料微機電裝置之製作方法能製作較不會受溫度影響的微機電裝置。
雖然本揭露內容已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露內容，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露內容之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭 露內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧複合材料的微機電裝置
110‧‧‧振動單元
112‧‧‧質量塊
112a‧‧‧節點
114‧‧‧可撓性元件
120‧‧‧第一材料
130‧‧‧第二材料
140‧‧‧電極
140a‧‧‧驅動電極
140b‧‧‧感應電極
150‧‧‧第三材料
160‧‧‧第四材料
A1‧‧‧第一軸向
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面

Claims (22)

  1. 一種複合材料的微機電裝置，包括：一振動單元，用以沿一第一軸向來回振動，其中該振動單元包括：一剛性元件，包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中該第一表面面向該第一軸向的一第一方向，該第二表面面向該第一軸向的一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向，該第三表面連接該第一表面與該第二表面；一第一材料，設置於該剛性元件的該第一表面與該第二表面上；以及一第二材料，為導電材料且設置於該第一材料上並延伸至該剛性元件，使該第二材料電性連接至該剛性元件，其中，溫度變化時，該第一材料之楊氏係數變化方向與該剛性元件之楊氏係數變化方向相反。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料延伸至該剛性元件的該第三表面，使該第二材料電性連接至該剛性元件的該第三表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合材料的微機電裝置，其中該剛性元件的材料為矽且該第一材料包括二氧化矽。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料包括多晶矽。
  5. 一種複合材料的微機電裝置，包括：一振動單元，包括：一質量塊，該質量塊為一剛性元件，用以沿一第一軸向來回振動，其中該質量塊包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中該第一表面面向該第一軸向的一第一方向，該第二表面面向該第一軸向的一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向，該第三表面連接該第一表面與該第二表面；以及一可撓曲元件，連接到該質量塊；一第一材料，設置於該質量塊的該第一表面與該第二表面上；以及一第二材料，為導電材料且設置於該第一材料並延伸至該質量塊，使該第二材料電性連接至該質量塊，其中，溫度變化時，該第一材料之楊氏係數變化方向與該質量塊之楊氏係數變化方向相反。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料延伸至該質量塊的該第三表面，使該第二材料電性連接至該質量塊的該第三表面。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之複合材料的微機電裝置，其中該質量塊的材料為矽且該第一材料是二氧化矽。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料包括多晶矽。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之複合材料的微機電裝置，其 中該第一材料覆蓋整個該第一表面及整個該第二表面且該質量塊的斷面寬度(w1)與該第一材料的斷面寬度(w2)滿足下列方程式： ，其中CT為溫度常數。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之複合材料的微機電裝置，更包括：一電極，沿該第一軸向設置於該質量塊的兩側；一第三材料，設置於該電極沿該第一軸向來回振動方向的外表面；以及一第四材料，為導電材料且設置於該第三材料並延伸至該電極的下表面，其中，該第三材料包括二氧化矽且第四材料包括多晶矽。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之複合材料的微機電裝置，更包括：一固定座，其中，該可撓曲元件連接該固定座及該質量塊的至少一節點。
  12. 一種複合材料的微機電裝置，包括：一振動單元，包括：一質量塊，用以沿一第一軸向來回振動；一可撓曲元件，其中該可撓曲元件為一剛性元件，連接到該質量塊，該可撓曲元件包括一延展部，其中該延展部包括一第一 表面、一第二表面以及一第三表面，該第一表面面向該第一軸向的一第一方向，該第二表面面向該第一軸向的一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向，該第三表面連接該第一表面與該第二表面；以及一連結部，連接到該延展部；一第一材料，設置於該第一表面與該第二表面上；以及一第二材料，為導電材料且設置於該第一材料上，並延伸至該可撓曲元件，使該第二材料電性連接至該可撓曲元件，其中，溫度變化時，該第一材料之楊氏係數變化方向與該可撓曲元件之楊氏係數變化方向相反。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料延伸至該延展部的該第三表面，使該第二材料電性連接至該延展部的該第三表面。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料延伸至該連結部，使該第二材料電性連接至該連結部。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之複合材料的微機電裝置，其中該可撓曲元件的材料為矽且該第一材料包括二氧化矽。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之複合材料的微機電裝置，其中該第二材料包括多晶矽。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之複合材料的微機電裝置，其中該質量塊為一框架。
  18. 一種複合材料微機電裝置之製作方法，包括：提供一第一基底，其中該第一基底包括至少一元件層、一絕緣層與一處理層(Handle Layer)；透過一圖案化阻障層蝕刻該元件層，以形成多個第一溝槽並暴露部分該絕緣層之表面；移除該圖案化阻障層後，在該元件層上沉積一第一材料，以形成與該元件層共形(conformal)的一第一材料層，其中該第一材料至少形成於該些第一溝槽的內側；沉積一第二材料於該元件層上，並填滿該些第一溝槽，並使在該些第一溝槽內的該第二材料被該第一材料層所包覆；平坦化該元件層，藉以移除位於該些第一溝槽之外的該第二材料以及該第一材料；沉積該第二材料，並與填充於該些第一溝槽內的該第二材料形成一第二材料層；提供一第二基底，在該第二基底上形成一凹穴；貼合該第一基底與該第二基底，其中該第一基底的該元件層面對該第二基底的該凹穴；移除在該些第一溝槽內的部分該第二材料層直到貫穿該元件層，以形成一複合材料的微機電裝置的一振動單元，該振動單元包括一質量塊以及一可撓曲元件，其中該質量塊為一剛性元件，用以沿一第一軸向來回振動，並包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中該第一表面面向該第一軸向的一第一方向， 該第二表面面向該第一軸向的一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向，該第三表面連接該第一表面與該第二表面，其中該第一材料層設置於該質量塊的該第一表面與該第二表面上，且溫度變化時，該第一材料層之楊氏係數變化方向與該質量塊之楊氏係數變化方向相反，而該第二材料層為導電材料且設置於該第一材料層上，並延伸至該質量塊的該第三表面，使該第二材料層電性連接至該質量塊的該第三表面。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之複合材料微機電裝置之製作方法，其中在移除在該些第一溝槽內的部分該第二材料層直到貫穿該元件層之步驟後，該第一基底與該第二基底形成該複合材料的微機電裝置的該振動單元，該第一材料層覆蓋整個該第一表面及整個該第二表面，且該質量塊的斷面寬度(w1)與該第一材料層的斷面寬度(w2)滿足下列方程式： ，其中CT為溫度常數。
  20. 一種複合材料的微機電裝置之製作方法，包括：提供一第一基底，其中該第一基底包括至少一元件層、一絕緣層與一處理層(Handle Layer)；透過一圖案化阻障層蝕刻該元件層，以形成多個第一溝槽暴露部分該絕緣層之表面；移除該圖案化阻障層後，在該元件層上沉積一第一材料，以形成與該元件層共形(conformal)的該第一材料層，其中該第一 材料至少形成於該些第一溝槽的內側；沉積一第二材料於該元件層上，並填滿該些第一溝槽，並使在該些第一溝槽內的該第二材料被該第一材料層所包覆；平坦化該元件層，藉以移除位於該些第一溝槽之外的該第二材料以及該第一材料；沉積該第二材料，並與填充於該些第一溝槽內的該第二材料形成一第二材料層；提供一第二基底，在該第二基底上形成一凹穴；貼合該第一基底與該第二基底，其中該第一基底的該元件層面對該第二基底的該凹穴，移除在該些第一溝槽內的部分該第二材料層直到貫穿該元件層，以形成一複合材料的微機電裝置的一振動單元，該振動單元包括一質量塊以及一可撓曲元件，其中該質量塊用以沿一第一軸向來回振動，該可撓曲元件為一剛性元件，連接到該質量塊，該可撓曲元件包括一延展部與連接到該延展部的一連結部，該延展部包括一第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中該第一表面面向該第一軸向的一第一方向，該第二表面面向該第一軸向的一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向，該第三表面連接該第一表面與該第二表面，其中該第一材料層設置於該第一表面與該第二表面上，該第二材料層為導電材料且設置於該第一材料層上，並延伸至該可撓曲元件，且該第二材料層電性連接至該可撓曲元件的該第三表面，其中，溫度變化時，該第一材料層之 楊氏係數變化方向與該可撓曲元件之楊氏係數變化方向相反。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之複合材料微機電裝置之製作方法，其中在貼合該第一基底與該第二基底之步驟後，先對該第一基底的該處理層進行研磨以薄化該處理層的厚度。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之複合材料微機電裝置之製作方法，其中更包括移除該處理層與該絕緣層以暴露在該些第一溝槽的該第一材料層及該第二材料層。
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