TWI529403B - 利用修改之慣性元件之微機電磁場感應器 - Google Patents

Description

利用修改之慣性元件之微機電磁場感應器

本發明大體上關於使用於測量磁場強度及方向之裝置，且更特別地，關於用以感應同平面磁場所修改之慣性感應元件。

慣性感應及磁場感應係可用於各種不同應用中。更進一步，包含使用微機電系統(MEMS)之慣性感應元件正不斷地發現新的應用，例如，用於電玩及導航系統以決定附加裝置之方向變化之附加裝置。微機電系統提供不貴的解決方案給一小型封裝內之這些應用。因此，許多以微機電系統為主之慣性感應元件可被使用以增加用於決定一移動物體之指向性加速度靈敏度。

在該習知技術中，已顯示使用包含安排於一固定電極對立側之可移動電極之內部感振質量可構成一電容器。因為一加速度向量所產生之慣性力所引起該可移動電極之移動可引起該電容變化。該電容變化可被測量並關聯至該加速度。

類似地，各種感應器係已知以將一垂直磁場關聯至可被測量以決定該磁場強度之電性特性曲線變化。然而，習知技術所提供之解決方案不是缺乏有效測量平行於一感應器表面之磁場所需之靈敏度就是缺乏測量垂直於該感應器表面之加速度向量所需之靈敏度。

現存在著提供一以微機電系統為基礎之感應器以有效地感應正切於該感應器之磁場及感應垂直於該感應器之加速度向量之需求。

根據一實施例，一種微機電系統(MEMS)被揭示。該微機電系統包含一基板、自該基板向上延伸之第一轉軸、延伸於該基板上方並可旋轉地安裝至該第一轉軸以關於一第一樞軸旋轉之具有第一水平軸之第一槓桿臂、形成於該基板上之第一槓桿臂之第一電容器部分下方位置處之第一電容器層、形成於該基板上之第一槓桿臂之第二電容器部分下方位置處之第二電容器層，其中，該第一轉軸將該第一槓桿臂支撐於沿著該第一水平軸之第一電容器部分及之第二電容器部分之間之位置處，且一第一導體件延伸跨越該第一水平軸並與該第一樞軸隔開。

根據另一實施例，一種形成微機電系統(MEMS)之方法被揭示。該方法包含提供一基板、形成自該基板向上延伸之第一轉軸、形成延伸於該基板上方且可旋轉地安裝至該第一轉軸以關於一第一樞軸旋轉之具有第一水平軸之第一槓桿臂、於該基板上之第一槓桿臂之第一電容器部分之下方所選位置處形成一第一電容器層、於該基板上之第一槓桿臂之第二電容器部分之下方並讓該第一轉軸將該第一槓桿臂支撐於沿著該第一水平軸之第一電容器部分及第二電容器部分之間之所選位置處形成一第二電容器層、及形成延伸跨越該第一水平軸並與該第一樞軸隔開之第一導體件。

基於促進對本發明原理了解之目的，現在將對該些圖示所示及下面所寫說明書所述之實施例進行參考。要了解到並不要藉此對本發明範圍進行限制。要進一步了解到本發明包含所示實施例之任何變化例及修改例並包含一般會出現於一熟知此項技術之人士對與本發明有關之本發明原理之進一步應用。

參考至第1圖，其說明大體上標示為10之一同平面磁場及/或垂直面加速度感應器(微機電系統感應器)之電路代表圖。該電路10包含一輸出入裝置12、一處理電路14及一記憶體16。該輸出入裝置12可包含一使用者介面、圖形使用者介面、鍵盤、指示裝置、遠端及/或本地通訊連結、顯示器及允許提供外部產生資訊至該電路10並允許該電路10之內部資訊連通外部之其它裝置。

該處理電路14合適地可為一通用型電腦處理電路，例如一微處理器及它的相關電路。可操作該處理電路14以執行在此屬於它之操作。

在一記憶體16內係各種程式指令18。該些程式指令18係可由該處理電路14及/或適當之任何其它元件來執行之。

該電路10進一步包含連接至該處理電路14之感應器刺激/響應電路20。該感測器刺激/響應電路20提供一微機電系統感應器100之刺激並測量該刺激效果。該刺激可受該處理電路14所控制，且該測量值係連通至該處理電路14。

參考至第2圖，該微機電系統感應器100之透視圖被描述。一基板102被提供。用於該基板102之合適基板材料範例係矽、玻璃、碳、鍺、碳化矽及矽鍺合金。該基板102係由一隔離層104所電性隔離。用於該隔離層104之合適隔離材料範例係二氧化矽及搭配一矽基板來使用之氮化矽。一半導體層106係利用一轉軸件108以懸掛方式來提供於該隔離層104上方。該半導體層106之材料範例係未摻雜之多晶矽。該轉軸件108提供該基板/隔離層102/104及該半導體層106間之軸轉功能以使該半導體層106可旋轉接近該轉軸件108。該轉軸件108係位在AA所示之虛線下，將該半導體層106分割成二槓桿臂110及112。每一個槓桿臂110及112之長度沿著一水平軸，也就是該X軸運轉。在一實施例中，該二槓桿臂110及112中之每一個具有相同長度。然而，在第2圖所示實施例中，該槓桿臂110所具有之長度較槓桿臂112短。二結構性視窗114及116係分別提供於每一個槓桿臂110及112中，以進一步協助該些槓桿臂110及112之扭轉彎曲。介於該視窗114及該半導體層106之邊緣間之部分定義一彈簧臂111。類似地，介於該視窗116及該半導體層106之邊緣間之部分定義一彈簧臂113。結合該些彈簧臂111及113與下述槓桿臂110及112之軸轉動作於該些槓桿臂110及112受力時提供該些槓桿臂之扭轉彎曲。該些彈簧臂111及113之尺寸(長度、寬度及厚度)係決定一給予力量可產生之槓桿臂110及112之扭轉彎曲量之一因素。尤其，對於相同施力而言，較長/較薄彈簧臂111及113彎曲更多，而較短/較厚彈簧臂111及113彎曲較少。因此，經由該些彈簧臂111/113所提供之彈性可被使用以得到想要之靈敏度。另一因素為該些槓桿臂110/112之長度。該些槓桿臂110/112越長，則在該槓桿臂邊緣承受一给予力量時之扭轉彎曲更多。

該轉軸件108具有一垂直支撐區段118。該轉軸件108與該半導體層106之底部係一體成型並提供結合該些彈簧臂111及113來提供該軸轉功能。該轉軸件108也包含一未顯示之頂部水平支撐區段，位於該半導體層106下方以形成一“T”形轉軸件。該頂部水平支撐區段之長度範圍可從涵蓋該半導體層106底部之一小部分至幾乎該半導體層106之整個寬度。不論是該半導體層106可被扭轉接近該轉軸件108或只是旋轉接近該轉軸件108，皆受該頂部水平支撐區段之長度所影響。在一實施例中，額外材料也可被整合提供以形成一未顯示之底部水平支撐區段，搭配該基板/隔離層102/104來形成一“I”形轉軸件。該垂直支撐區段118之高度決定一電容器對之電容。該轉軸件108之材料範例係未摻雜多晶矽。

二感應電極122及128係提供於該隔離層104上方及該半導體層106下方。該些感應電極122及128實際上延伸於“Y”方向之半導體層106之整個寬度。該些感應電極122及128藉由例如接合墊片及接線以習知方式來提供未顯示之電性連接至該刺激/響應電路20。二偏壓電極124及126提供電性連接至一導體件130。在第2圖所示實施例中，該些偏壓電極124及126係放置於該隔離層104對立側上。然而，在另一實施例中，兩偏壓電極124及126可被放置於同側上。在第2圖所示實施例中，該導體件130係提供於該半導體層106之頂部表面上。在其它實施例中，該導體件130可具體實施於該半導體層106中或提供於該半導體層106之底部表面。在這些實施例之任一者中，該導體件130之末端132及134係分別電性耦接至該些偏壓電極124及126。

該導體件130包含一橫向部分142及軸向部分144。該導體件130之橫向部分142於離該轉軸件108一距離136遠處跨越該水平軸，也就是該“X”軸，該水平軸只與該二彈簧臂111及113(如第2圖所示之彈簧臂113)中之一者有關。該距離136決定由於具有平行於該“Z”軸之向量而產生之勞倫茲力所導致該彈簧臂承受之轉軸量，稍後詳述於下。

該些感應電極122及128分別提供位於該些槓桿臂112及110之電容器部分204及202(示於第3圖)之下之電容器層。該感應電極122及該些電容器部分204之結合形成想像中所示之電容器140。類似地，該感應電極128及該些電容器部分202之結合形成一電容器138。每一個電容器之電容係定義為：

其中，ε係一介電常數，A係由該些感應電極122/128與該些電容器部分204及202之面積所定義之有效面積，也就是，電荷集中所在地，且d係該些感應電極122/128及該些電容器部分204/202間之距離。在一實施例中，該介電質係空氣。既然該電容係反比於該些感應電極122/128及該些電容器部分204/202間之距離，一電容器部分彎向該些感應電極122/128增加該電容。反之，一電容器部分彎離該些感應電極122/128降低該電容。

該半導體層106接近該轉軸件108之軸轉動作係使得若有一力量正作用於該些槓桿臂110/112中之一者而引起那個槓桿臂向下偏轉朝向相對應感應電極，則另一槓桿臂以相反方向移動，也就是，離開它的相對應感應電極。該些槓桿臂110/112偏轉之這類關係係類似於蹺蹺板機制。例如，若有一向下力量正作用於該槓桿臂112而引起該槓桿臂112向下偏轉朝向該感應電極122，則該槓桿臂110向上偏轉離開該感應電極128，或反之亦然。一不平衡力係需要的，例如，施加該些槓桿臂中之一者上以引起該蹺蹺板機制之施力總和。因此，對於槓桿臂兩者遇到相同力密度所在處之慣性/加速度感應而言，例如槓桿臂110/112之長度之幾何設計參數可被使用以產生引起該蹺蹺板機制所需之不平衡力。例如，例如112之一槓桿臂係較例如110之另一槓桿臂長。藉由配置不同長度給該二槓桿臂110/112，不同移動可被產生。

在該二槓桿臂110/112間之偏轉變化可被轉換成該些電容器138及140之電容變化。這些變化接著可如下所更加詳述地使用電路來感應之。

參考至第3圖，該微機電系統感應器100之側視圖被提供。該些電容器部分202及204係描述成槓桿臂110及112之一部分。如上所述地，該些感應電極122及128分別提供位在該些槓桿臂110及112之電容器部分202及204之下之電容器層208及206。電容器層206及電容器部分202之結合形成該電容器138。類似地，該電容器層208及該電容器部分204形成該電容器140。

如第3圖所述，該導體件130之末端132及134係利用通孔210及212來電性連接至該些偏壓電極124及126。該些偏壓電極124及126包含水平區段及垂直區段。該些垂直區段係連接至該些通孔210及212。在該導體件130係位在該半導體層106底部上之實施例中，可免除該些通孔210及212。

操作時，利用該些偏壓電極124及126透過該些通孔210及212來施加電流至該導體件130。當該微機電系統感應器100係放置於具有正切於該半導體層106之表面之磁場向量之磁場中時，因為該勞倫茲力定律所產生之垂直力被產生。該勞倫茲力定律陳述著當一帶電粒子係存在於一磁場中時，施加至該粒子之勞倫茲力係表示為

F=q[E+(ν x B)]　(2)

其中，F係以牛頓為單位之勞倫茲力，q係以庫侖為單位之帶電粒子之電荷，ν係以公尺/秒為單位之瞬間速度，E係以伏特/公尺為單位之電場，且B係以特士拉為單位之磁場。該“x”係瞬間速度和磁場間之向量外積。在一帶電導線中，該施加勞倫茲力係表示為：

F=L(i x B)　(2a)

其中，F係以牛頓為單位之勞倫茲力，L係以公尺為單位之遇到該磁場之帶電導線長度，i係以安培為單位之流過遇到該磁場之導線之電流，B係以特士拉為單位之磁場。若流過一遇到磁場之導體之電流具有接近包含槓桿臂110及112之獨立結構之共振頻率之頻率，則施加至那個結構之力量會被增強。反之，離開該共振頻率之頻率會產生最小的力。因此，為了利用該勞倫茲力定律並選擇性地測試影響一導體之磁場，具有接近該結構之共振頻率之頻率之交流訊號被使用。

該勞倫茲力之方向係依據習知技術所知之右手法則。依據該磁場方向，該勞倫茲力可施加至該導體件130之不同部分。例如，若該磁場係平行於該X軸，則該勞倫茲力只施加至該導體件中平行於該Y軸之部分，例如，該導體件130之橫向部分142。然而，若該磁場以一不同角度打擊該半導體層106，該勞倫茲力可施加至該導體件130之不同部分。將該勞倫茲力施用至該導體件之橫向部分142引起該槓桿臂112向下偏轉朝向該感應電極122。該彈簧臂113之向下偏轉同時引起該槓桿臂110向上偏轉離開該感應電極128。

將電流施加至該導體件允許自由電荷集中至該半導體層106之兩末端。自由電荷集中至兩末端係因為該半導體層106之半導體天性之故。這些電荷導致該些電容器部分202及204之形成。該些電容器部分202及204與電容器層206及208共同合作形成電容器138及140。該槓桿臂112偏轉朝向該電容器層208，也就是，感應電極122，增加該電容器140之電容。該槓桿臂110偏轉離開該電容器層206，也就是，感應電極128，降低該電容器138之電容。於下更加詳述之偵測電路可被使用以偵測該些電容變化。

儘管勞倫茲力可引起該些槓桿臂110及112以相反方向偏轉，但垂直加速度向量，也就是該“Z”方向之加速度向量，可產生引起兩槓桿臂110及112以相同方向偏轉之力。所產生之慣性力係由牛頓第二運動定律所主宰，也就是

F=Ma

其中，M係該些槓桿臂之內部感振質量；a係該加速度向量；及F係作用於該些槓桿臂之力向量。該力之方向係與該加速度向量相同。因此，利用現有之蹺蹺板動作，當該微機電系統感應器100承受向下之垂直加速度向量時，該槓桿臂112向下偏轉，且該槓桿臂110向上偏轉。反之，當該微機電系統感應器100承受向上之垂直加速度向量時，該槓桿臂112向上偏轉，且該槓桿臂110向下偏轉。在槓桿臂110及112與彈黃臂111及113係以相同方式建構時，剛剛所述之槓桿臂110/112之蹺蹺板動作實際上並不存在。例如，若該些槓桿臂110及112具有相同長度且該些彈黃臂111及113具有相同厚度，則兩槓桿臂依據該加速度向量之方向而向下或向上偏轉。上述之建構變數差異可產生上述之蹺蹺板動作。

施加一電流至該導體件130有助於對該些槓桿臂110及112上形成電容器138及140之電容器部分202及204所產生之電容進行測量。該些電容器部分202及204偏轉朝向該些電容器層206及208增加該些電容器138及140之電容。在例如該槓桿臂112之槓桿臂係較長之實施例中，例如該電容器140之相對應電容器之電容增加，而例如該電容器138之另一電容器之電容降低。電容變化差異可被使用以決定該加速度大小。

一交流(AC)型訊號通過該導體件130引起該交流訊號電容耦合至該電容器138及140。根據該勞倫茲力定律，該交流訊號與平行於該半導體層106，尤指第2圖所述之X軸之一磁場之交互作用可引起該槓桿臂112之偏轉。若該交流訊號之頻率係接近該微機電系統感應器100之獨立結構之共振頻率，則該些槓桿臂110及112之偏轉可被極大化。藉由測量感應電極128及122之電壓並將這些電壓通過一差動放大器，一ΔV數量可被產生，其與作用於該導體件130之磁場ΔB和作用於兩槓桿臂110及112之加速度向量Δa有關。該ΔV數量係表示為：

ΔV=S_AΔa+S_MΔB　(4)

其中，ΔV係以伏特(V)進行測量之輸出電壓變化；Δa係以公尺/秒平方進行測量之加速度變化；ΔB係作用於該導體件130上之磁場變化並以特士拉(T)進行測量；S_A係以伏特/(公尺/秒平方)進行測量之加速度靈敏度；S_M係以(伏特/特士拉)進行測量之磁場靈敏度。

根據一實施例，一對一模一樣的微機電系統感應器100₁及100₂可被放置於相同慣性/磁性環境中以同時測量該二感應器而具有ΔV₁及ΔV₂。具有接近該些微機電系統感應器100₁及100₂之獨立結構之共振頻率之頻率之第一交流訊號被施加至該第一微機電系統感應器100₁之偏壓電極124及126，且一第二電流被施加至該第二機電系統感應器100₂之偏壓電極124及126。該第一及第二電流之方向係相反，也就是180度相位移訊號。對每一個微機電系統感應器100₁及100₂之ΔV值進行測量。該ΔV值之測量代表該些感應電極128及122相對於該交流地面之電壓差讀出值。因此，ΔV₁係該第一微機電系統感應器100₁之ΔV值，而ΔV₂係該第二機電系統感應器100₂之ΔV值。在本實施例中，ΔB及Δa係由下列比例式所提供：

ΔBα(ΔV₁-ΔV₂)/2　(5a)

Δaα(ΔV₁+ΔV₂)/2　(5b)

當微機電系統感應器100₁及100₂之電流方向係相反時，由該磁場(S_MΔB)所貢獻之輸出電壓訊號具有相反符號。另一方面，由該加速度向量(S_AΔa)所貢獻之輸出電壓訊號係一模一樣，沒有改變。因此，ΔB可藉由選自該些測量訊號之差項而以該比例式5a算出。反之，Δa可由選自該些測量訊號之共同項之比例式5b算出。藉由使用本測量方案，施加至該微機電系統感應器對之磁場及加速度向量可被去耦合並同時取出。

在另一實施例中，一模一樣之二微機電系統感應器100₁及100₂可被放置於相同慣性/磁性環境中以同時測量該二感應器而具有ΔV₁及ΔV₂。具有離開槓桿臂110及112之共振頻率之頻率之第一交流訊號被施加至該第一微機電系統感應器100₁及具有接近或相等於該第二機電系統感應器100₂之獨立結構之共振頻率之頻率之第二電流訊號。該第一交流訊號之頻率不會經由該勞倫茲力來使該些槓桿臂110及112產生任何可察覺偏轉。對微機電系統感應器100₁及100₂兩者之ΔV₁及ΔV₂進行測量。ΔV₁係該第一微機電系統感應器100₁之ΔV值，而ΔV₂係該第二機電系統感應器100₂之ΔV值。在本實施例中，ΔB及Δa係由下列比例式所提供：

ΔBα(ΔV₂-ΔV₁)　(6a)

ΔaαΔV₁　(6b)

當該微機電系統感應器對100₁及100₂被曝露於一磁場時，該微機電系統感應器對100₁及100₂之槓桿臂110及112動作不同。在施加至該第一微機電系統感應器100₁之第一交流訊號未引起曝露於一磁場之獨立結構偏轉時，曝露於一垂直加速度向量引起該獨立結構偏轉。因此，對一加速度向量Δa之曝露可由該比例式6b計算之。反之，該第二微機電系統感應器100₂之輸出電壓訊號係因為該輸入交流電之頻率選擇而承受磁場及加速度向量兩者。因此，使用來自該微機電系統感應器100₁之輸出電壓訊號做為參考，ΔB可由該比例式6a計算之。

根據另一實施例，一微機電系統感應器100可被放置於一慣性/磁性環境中以於不同例子下，也就是t=t₁及t=t₂時測量該感測器而具有ΔV₁及ΔV₂。在該第一例子，具有離開該些槓桿臂110及112之共振頻率之頻率之第一交流訊號被施加至該微機電系統感應器100。在該第二例子，具有接近或等於該微機電系統感應器100之獨立結構之共振頻率之頻率之第二交流訊號被施加至該微機電系統感應器100。該第一交流訊號之頻率不會經由該勞倫茲力來使該些槓桿臂產生任何可察覺偏轉。對微機電系統感應器100₁及100₂兩者之ΔV₁及ΔV₂進行測量。兩例子之ΔV₁及ΔV₂被測量。因此，ΔV₁係該第一例子之微機電系統感應器100之ΔV值，ΔV₂係該第二例子之機電系統感應器100之ΔV值。在本實施例中，ΔB及Δa係由下列比例式所提供：

ΔBα(ΔV₂-ΔV₁)　(7a)

ΔaαΔV₁　(7b)

當該微機電系統感應器100被曝露於一磁場時，該微機電系統感應器100之槓桿臂110及112在上述二例子之動作有所不同。在施加至該第一例子之第一交流訊號未引起曝露於一磁場之獨立結構偏轉時，將該些槓桿臂110及112曝露於一垂直加速度向量引起該獨立結構例如向下之偏轉。因此，Δa可由該比例式7b計算之。反之，該微機電系統感應器之輸出電壓訊號係因為該輸入交流電之頻率選擇而承受磁場及加速度向量兩者。依據該微機電系統感應器100是否曝露於一加速度向量，來決定該槓桿臂110會不會向上偏轉。因此，使用來自該微機電系統感應器100之輸出電壓訊號做為參考，ΔB可由該比例式7a計算之。

根據另一實施例，一微機電系統感應器100可被放置於一慣性/磁性環境中以於不同例子下，也就是t=t₁及t=t₂時測量該感測器而具有ΔV₁及ΔV₂。在該第一例子，具有接近或等於該微機電系統感應器100之獨立結構之共振頻率之頻率之第一交流訊號被施加至該微機電系統感應器100。在該第二例子，具有接近或等於該微機電系統感應器100之獨立結構之共振頻率之頻率之第二交流訊號被施加至該微機電系統感應器100。該第一及第二電流之方向係相反，也就是180度相位移訊號。對每一個微機電系統感應器100₁及100₂之ΔV值進行測量。對每一個例子之微機電系統感應器100之ΔV進行測量。ΔV₁係該第一例子之微機電系統感應器100之ΔV值，ΔV₂係該第二例子之機電系統感應器100之ΔV值。在本實施例中，ΔB及Δa係由下列比例式所提供：

ΔBα(ΔV₂-ΔV₁)/2　(8a)

Δaα(ΔV₂+ΔV₁)/2　(8b)

當在微機電系統感應器100中之電流於不同例子t₁及t₂係為反向時，該磁場(S_MΔB)所貢獻之輸出電壓訊號具有相反符號。另一方面，由該加速度向量(S_AΔa)所貢獻之輸出電壓訊號係一模一樣，沒有改變。因此，ΔB可藉由選自該些測量訊號之差項以該比例式8a算出。反之，Δa可由選自該些測量訊號之共同項之比例式8b算出。藉由使用本測量方案，施加至該微機電系統感應器對之磁場及加速度向量可被去耦合並同時取出。

參考至第4圖，一微機電系統感應器250之實施例透視圖被描述。在本實施例中，該導體件130具有向外延伸於凸出部262及264上之末端132及134。該些接合墊片256及258利用接線252及254提供該刺激/響應電路20及該導體件130間之電性連接給位於末端132及134上之墊片(未顯示)。在本實施例中，該些偏壓電極124及126與通孔210及212可被除去。

參考至第5-14圖，涉及一微機電系統感應器100之製造步驟之實施例被描述。述於這些圖形中之步驟可由習知技術中之積體電路製程來執行。第5圖描述該基板102及該隔離層104。該基板102可為將包含許多微機電系統感應器100之晶圓之起始點。個別機電系統感應器100稍後可由該晶圓中切割成裸晶並進行單粒化。如上所述，用於該基板102之合適基板材料範例係矽、玻璃、碳、鍺、碳化矽及矽鍺合金。

該隔離層104被沉積於該基板102上，用以電性隔離該基板102與其它結構。用於該隔離層104之合適隔離材料範例係二氧化矽及用於該矽基板之氮化矽。沉積方法範例係熱成長法(用於氧化矽)、化學氣相沉積法及物理氣相沉積法。該隔離層104係形成覆蓋於該基板102之全長上且在該形成製程期間也可形成於背部上。

參考至第6圖，用以形成感應電極122及128之沉積製程被描述。用以形成該些感應電極122及128之材料層被沉積在該隔離層104之頂上。沉積方法範例係化學氣相沉積法及物理氣相沉積法。本層可替代性地藉由一磊晶成長製程來長成。該層302之材料範例係未摻雜多晶矽、金、銀、銅、鈦、鉑、鎢、鋁、銥、釕及氮化鈦。該層302係形成覆蓋於該隔離層104之全長上。二條帶之遮罩層304被放置覆蓋於該層302上以形成該些感應電極122及128。這些層可以習知技術所知之微影成像製程來製造之。一旦該遮罩層304被形成，蝕刻該層302以留下具有該遮罩層304之層302之條帶在頂上。該遮罩層304阻止蝕刻劑蝕掉該遮罩層304下方之條帶。該遮罩層304接著以一平坦化製程或一化學移除製程來移除以留下該層302之二條帶以構成感應電極122及128。

參考至第7圖，一犧牲層306係沉積/生長並圖案化於該些感應電極122/128上以做為形成該微機電系統感應器100之剩餘部分之地基。該犧牲層306中對應至該轉軸件108之位置之體積307係以一遮罩及化學移除製程來移除之。參考至第8圖，該隔離層104、該些感應電極122/128及該體積307之俯視圖被提供。同時述於第8圖者係該犧牲層306。參考至第9圖，該轉軸件108及該半導體層106之形成被描述。一層310係沉積/成長覆蓋於該層306上並直至該體積307。該層310之材料範例係多晶矽。會理解到在下列製程後，該層310構成該半導體層106。此外，現在該轉軸件108係與該隔離層104一體成型。該犧牲層306可夠厚以(1)感應足以用於機電能轉換之大訊號、(2)在該犧牲層306上方提供相當合適之步階覆蓋範圍及(3)在剝除該犧牲層306後提供簡易釋放裝置以避免例如習知技術中所知之沾黏在地上之議題。

參考至第10圖，一導體層312係沉積並圖案化於該半導體層106以形成如第2圖和第4圖所述之想要外形之導體件130。沉積方法範例係化學氣相沉積法及物理氣相沉積法。該層312之材料範例係金、銀、銅、鈦、鉑、鎢、鋁、銥、釕及氮化鈦，及諸如此類。用於圖案化轉移，習知技術中所知之微影成像製程被使用以實現一蝕刻遮罩來協助標準濕式蝕刻或剝離製程建構該導體層312。

參考至第11圖，該半導體層106被建構以形成該些槓桿臂110/112及該些彈簧臂111/113。該半導體層106之建構整合標準濕式或乾式蝕刻製程搭配使用習知技術所知之微影成像製程所產生之蝕刻遮罩。在濕式或乾式蝕刻期間，該蝕刻遮罩未涵蓋之層310部分被蝕去。該蝕刻遮罩也涵蓋放置於槓桿/彈簧臂111/113頂上之導體件130，因此透過該半導體層310之蝕刻製程來保護該導體件130。參考至第12圖和第13圖，具有根據第2圖和第4圖之圖案之半導體層106、轉軸件108、該些感應電極122/128及該導體件130之俯視圖被描述。對應至第4圖之第13圖中所述之替代性設計可藉由轉移建構該半導體層310所使用之不同蝕刻遮罩圖案來實現。參考至第13圖，見於第4圖所述實施例之凸出部262及264可於使用標準濕式或乾式蝕刻製程來建構該半導體層310時，與該些槓桿臂110/112及該些彈簧臂111/113同時形成。

參考至第14圖，在以一平坦化製程或一化學移除製程將所有蝕刻遮罩移除後所完成之微機電系統感應器100被描述。更進一步，以一化學蝕刻製程移除該犧牲層306。為了有效地移除該犧牲層306，該層310可被穿孔以允許該些移除化學藥品以垂直方向到達該層306。同時，該開放邊側進一步有助於該些移除化學藥品到達該犧牲層306以有效移除本層。在該犧牲層306之最終或開始移除製程中有可能在例如該些感應電極122/128下面發生側蝕。然而，提供正確之寬度及厚度比，該些側蝕不會發生該微機電系統感應器100之不良執行效率議題。

參考至第15圖，可使用於測量ΔV及因而產生與承受一電訊號之微機電系統感應器100有關之電容變化之簡單電路圖400之範例被提供。一來源402中為載波一部分之交流成分係分別透過負載408及410來耦接至該些電容器404及406。每一個電容器係耦接至該交流地面。每一個電容器404之高側係連接至交流放大器412及414。每一個交流放大器之輸出係耦接至一差動放大器416。該來源402係通過一高通濾波器418以移除它的直流成分。剩餘的交流成分被饋入一載波偵測電路420以建構該來源402之交流成分之載波訊號。該載波訊號被使用以由該解調變方塊422對該差動放大器416之輸出進行解調變。該解調變方塊422之輸出接著被饋入一低通濾波器424以產生該輸出ΔV。

參考至第16圖和第17圖，各種微機電系統感應器之矩陣500及550之俯視圖被描述。該矩陣500包含用於測量正切於一第一水平軸(X軸)之磁場成分之一對微機電系統感應器502及504、用於測量正切於一第二水平軸(Y軸)之磁場成分之一對微機電系統感應器506及508、和習知技術所知之用於測量正切於該Z軸(跑出頁外)之磁場成分之感應器510。該第一及該第二水平軸彼此間係互相垂直。第16圖所述建構係適合上述涉及二微機電系統感應器同時測量ΔV之測量方案。該感應器510之額外範例係霍爾感應器、磁性電阻感應器及習知技術所知之其它感應器。

該矩陣550包含用於測量正切於該第一水平軸(X軸)之磁場成分之一微機電系統感應器552、用於測量正切於該第二水平軸(Y軸)之磁場成分之一微機電系統感應器554、和習知技術所知之用於測量正切於該Z軸(跑出頁外)之磁場成分之感應器556。該感應器510之額外範例係霍爾感應器、磁性電阻感應器及習知技術所知之其它感應器。第17圖所述建構係適合上述涉及一微機電系統感應器測量二範例下之ΔV之測量方案。第16圖和第17圖中所述之微機電系統感應器也可測量與該Z軸(跑出頁外)正切之加速度向量成分。雖未示於第16圖和第17圖，用於測量與X軸和Y軸正切之加速度成分之已知加速度計感應器也可納入至該些矩陣500及550上以測量各自之加速度成分。

操作時，一磁場未必正確地與該X軸或該Y軸對齊。然而，正切於這些軸之磁場成分係由各自之微機電系統感應器進行感應。藉由測量該磁場及該加速度向量之X軸、Y軸及Z軸成分，該磁場及該加速度向量之正確方向與大小可依據已知向量分析來計算。

儘管本發明已詳示並詳述於該些圖式及前述說明中，然同樣應視為示範而不是文字限制。要了解只有該些較佳實施例被呈現，也要了解落在本發明精神內之所有變化、修改及進一步應用係想要受到保護。

10．．．電路

12．．．輸出入裝置

14．．．處理電路

16．．．記憶體

18．．．程式指令

20．．．感測器刺激/響應電路

100．．．微機電系統感應器

102．．．基板

104．．．隔離層

106．．．半導體層

108．．．轉軸件

110．．．槓桿臂

111．．．彈簧臂

112．．．槓桿臂

113．．．彈簧臂

114．．．視窗

116．．．視窗

118．．．垂直支撐區段

122．．．感應電極

124．．．偏壓電極

126．．．偏壓電極

128．．．感應電極

130．．．導體件

132．．．末端

134．．．末端

136．．．距離

138．．．電容器

140．．．電容器

142．．．橫向部分

144．．．軸向部分

202,204．．．電容器部分

206,208．．．電容器層

210,212．．．通孔

252,254．．．接線

256,258．．．接合墊片

262,264．．．凸出部

302．．．材料層

304．．．遮罩層

306．．．犧牲層

307．．．體積

310．．．半導體層

312．．．導體層

402．．．來源

404．．．電容器

406．．．電容器

408．．．負載

410．．．負載

412．．．交流式放大器

414．．．交流式放大器

416．．．差動放大器

418．．．高通濾波器

420．．．載波偵測電路

422．．．解調變方塊

424．．．低通濾波器

500．．．矩陣

502．．．微機電系統感應器

504．．．微機電系統感應器

506．．．微機電系統感應器

508．．．微機電系統感應器

510．．．感應器

550．．．矩陣

552．．．微機電系統感應器

554．．．微機電系統感應器

556．．．感應器

100₁‧‧‧微機電系統感應器

100₂‧‧‧微機電系統感應器

△a‧‧‧加速度變化

△B‧‧‧磁場變化

△V、△V₁、△V₂‧‧‧輸出電壓變化

ε‧‧‧介電常數

x‧‧‧向量外積

A‧‧‧有效面積

B‧‧‧磁場

E‧‧‧電場

F‧‧‧勞倫茲力

L‧‧‧長度

M‧‧‧內部感振質量

a‧‧‧加速度向量

d‧‧‧距離

i‧‧‧電流

q‧‧‧電荷

SA‧‧‧加速度靈敏度

SM‧‧‧磁場靈敏度

上述特性及優勢與其它對那些熟知此項技術之人士會經由參考上面詳細說明和下列圖式而變得顯而易見。

第1圖說明包含一微機電感應器之微機電系統(MEMS)之方塊圖。

第2圖根據一實施例說明一微機電系統感應器之透視圖。

第3圖說明第2圖所述之微機電系統感應器之側視圖。

第4圖根據一實施例說明一微機電系統感應器之透視圖。

第5-14圖根據一實施例說明用於製造一微機電系統感應器之製造步驟。

第15圖說明用於測量與微機電系統感應器相關之ΔV之示意圖。

第16圖及第17圖說明放置於一共用基板上以測量各方向之磁場及加速度向量之微機電系統感應器陣列。

100．．．微機電系統感應器

102．．．基板

104．．．隔離層

106．．．半導體層

108．．．轉軸件

110．．．槓桿臂

111．．．彈簧臂

112．．．槓桿臂

113．．．彈簧臂

114．．．視窗

116．．．視窗

118．．．垂直支撐區段

122．．．感應電極

124．．．偏壓電極

126．．．偏壓電極

128．．．感應電極

130．．．導體件

132．．．末端

134．．．末端

136．．．距離

138．．．電容器

140．．．電容器

142．．．橫向部分

144．．．軸向部分

202．．．電容器部分

204．．．電容器部分

A．．．有效面積

d．．．距離

ε．．．介電常數

Claims (18)

1. 一種微機電系統(MEMS)，包括：一基板；一第一轉軸，自該基板向上延伸；一具有第一水平軸之第一槓桿臂，延伸於該基板上方且可旋轉地安裝至該第一轉軸以關於一第一樞軸旋轉；一第一電容器層，形成於該基板上之第一槓桿臂之第一電容器部分之下方位置處；一第二電容器層，形成於該基板上之第一槓桿臂之第二電容器部分之下方位置處，其中，該第一轉軸將該第一槓桿臂支撐於沿著該第一水平軸之第一電容器部分及第二電容器部分之間之位置處；及一第一導體件，延伸跨越該第一水平軸並與該第一樞軸隔開，其中：該第一電容器部分係與該第一樞軸隔開一第一距離；該第二電容器部分係與該第一樞軸隔開一第二距離；且該第一距離係大於該第二距離。
2. 如申請專利範圍第1項之微機電系統，其中，該第一導體件係位在該第一槓桿臂之上表面上。
3. 如申請專利範圍第2項之微機電系統，進一步包括：一第一電性偏壓連接；一第二電性偏壓連接；一第一通孔，延伸於該第一電性偏壓連接及該第一導 體件之第一末端部分之間，用以電性耦接該第一電性偏壓連接及該第一導體件；及一第二通孔，延伸於該第二電性偏壓連接及該第一導體件之第二末端部分之間，用以電性耦接該第二電性偏壓連接及該第一導體件。
4. 如申請專利範圍第1項之微機電系統，進一步包括：一記憶體，其中儲存有命令指令；及一處理器，被建構來執行該些命令指令以得到該第一電容器層及該第一電容器部分之間之第一電壓差，得到該第二電容器層及該第二電容器部分之間之第二電壓差，並依據該第一電壓差及該第二電壓差間之差值來提供與沿著該第一水平軸延伸之第一磁場強度有關之輸出。
5. 如申請專利範圍第4項之微機電系統，其中，該處理器被進一步建構以執行該些命令指令以：依據該第一電壓差及該第二電壓差之總和來提供與朝向該基板之第一槓桿臂加速度有關之輸出。
6. 如申請專利範圍第1項之微機電系統，其中，該第一槓桿臂進一步包括：一基底部分，可旋轉地安裝至該第一轉軸；一第一彈簧臂部分，延伸於該基底部分及該第一電容器部分之間；及一第二彈簧臂部分，延伸於該基底部分及該第二電容 器部分之間。
7. 如申請專利範圍第1項之微機電系統，進一步包括：一第二轉軸，自該基板上向上延伸；一具有第二水平軸之第二槓桿臂，延伸於該基板上方且可旋轉地安裝至該第二轉軸以關於一第二樞軸旋轉；一第三電容器層，形成於該基板上之第二槓桿臂之第三電容器部分之下方位置處；一第四電容器層，形成於該基板上之第二槓桿臂之第四電容器部分之下方位置處，其中，該第二轉軸將該第二槓桿臂支撐於沿著該第二水平軸之第三電容器部分及第四電容器部分之間之位置處；及一第二導體件，延伸跨越該第二水平軸並與該第二樞軸隔開。
8. 如申請專利範圍第7項之微機電系統，其中，該第二水平軸係垂直於該第一水平軸。
9. 如申請專利範圍第7項之微機電系統，其中，該第二水平軸係平行於該第一水平軸。
10. 一種形成微機電系統(MEMS)之方法，包括：提供一基板；形成自該基板向上延伸之一第一轉軸；形成延伸於該基板上方且可旋轉地安裝至該第一轉軸以關於一第一樞軸旋轉之具有第一水平軸之一第一槓桿臂；形成於該基板上之第一槓桿臂之第一電容器部分之下 方所選位置處之一第一電容器層；形成於該基板上之第一槓桿臂之第二電容器部分之下方所選位置處並讓該第一轉軸將該第一槓桿臂支撐於沿著該第一水平軸之第一電容器部分及第二電容器部分之間之所選位置處之一第二電容器層；及形成延伸跨越該第一水平軸並與該第一樞軸隔開之一第一導體件，其中：所形成之該第一電容器部分與該第一樞軸隔開一第一距離；所形成之該第二電容器部分與該第一樞軸隔開一第二距離；及該第一距離係大於該第二距離。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該第一導體件係形成於該第一槓桿臂之上表面上。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，進一步包括：形成一第一電性偏壓連接；形成一第二電性偏壓連接；形成一第一通孔以延伸於該第一電性偏壓連接及該第一導體件之第一末端部分之間，用以電性耦接該第一電性偏壓連接及該第一導體件；及形成一第二通孔以延伸於該第二電性偏壓連接及該第一導體件之第二末端部分之間，用以電性耦接該第二電性偏壓連接及該第一導體件。
13. 如申請專利範圍第10項之方法，進一步包括： 儲存命令指令於一記憶體中；及建構一處理器以執行該些命令指令以得到該第一電容器層及該第一電容器部分之間之第一電壓差，得到該第二電容器層及該第二電容器部分之間之第二電壓差，並依據該第一電壓差及該第二電壓差間之差值提供與沿著該第一水平軸延伸之第一磁場強度有關之輸出。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，建構該處理器進一步包括建構該處理器以執行該些命令指令以：依據該第一電壓差及該第二電壓差之總和提供與朝向該基板之第一槓桿臂加速度有關之輸出。
15. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，形成該第一槓桿臂進一步包括：形成可旋轉地安裝至該第一轉軸之一基底部分；形成延伸於該基底部分及該第一電容器部分之間之一第一彈簧臂部分；及形成延伸於該基底部分及該第二電容器部分之間之一第二彈簧臂部分。
16. 如申請專利範圍第10項之方法，進一步包括：形成自該基板上向上延伸之一第二轉軸；形成延伸於該基板上方且可旋轉地安裝至該第二轉軸以關於一第二樞軸旋轉之具有第二水平軸之第二槓桿臂；於該基板上之第二槓桿臂之第三電容器部分之下方位 置處形成一第三電容器層；於該基板上之第二槓桿臂之第四電容器部分之下方並讓該第一轉軸將該第一槓桿臂支撐於沿著該第一水平軸之第一電容器部分及第二電容器部分之間之所選位置處形成一第四電容器層；及形成延伸跨越該第二水平軸並與該第二樞軸隔開之一第二導體件。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中，該第二水平軸係垂直於該第一水平軸。
18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中，該第二水平軸係平行於該第一水平軸。