TWI568663B - 微機電系統元件 - Google Patents

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TWI568663B
TWI568663B TW103132251A TW103132251A TWI568663B TW I568663 B TWI568663 B TW I568663B TW 103132251 A TW103132251 A TW 103132251A TW 103132251 A TW103132251 A TW 103132251A TW I568663 B TWI568663 B TW I568663B
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陳維孝
王建堂
劉楠
羅蘭德Ｖ 蓋德
蘇俊豪
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B3/0002—Arrangements for avoiding sticking of the flexible or moving parts
    • B81B3/0013—Structures dimensioned for mechanical prevention of stiction, e.g. spring with increased stiffness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
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    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers

Description

微機電系統元件
本發明是有關於一種微機電系統(microelectromechanical system,MEMS)元件。
隨著科技的發展，機械元件可製造得較小。舉例而言，可藉由半導體製程來製造微小的機械元件(例如，MEMS元件)，且可藉由電力來驅動MEMS元件。因此，包含MEMS元件的裝置或元件(例如，電子元件)可製造得較小或藉由使用大量的MEMS單元而實現較多或較好的功能。
數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)為一種MEMS元件，且具有配置成陣列且由電力驅動的多個微鏡(micro-mirror)。DMD可充當反射性顯示面板。與具有液晶層以及導致大量光損失的偏光器的液晶顯示面板相比，DMD具有高反射率的微鏡以便實現高的光效率。
在DMD中，藉由靜電力來驅動微鏡的擺動(swing)。當微鏡擺動至開啟狀態時，微鏡將光自照明系統反射至投影鏡頭。當微鏡擺動至關閉狀態時，微鏡將光反射至偏離投影鏡頭的方 向。開啟狀態的時間長與關閉狀態的時間長的比率決定畫面中的像素的灰階。如何有效地使用靜電力來切換微鏡的狀態及如何改良DMD的使用壽命對於實現高可靠性、大操作範圍(operation window)以及長使用壽命的顯示器是重要的。
本發明是關於一種MEMS元件，其具有大操作範圍、高可靠性以及長使用壽命。
根據本發明的實施例，提供一種MEMS元件，包含基板以及配置於基板上的至少一個MEMS單元。MEMS單元包含至少一個第一電極、至少一個第二電極、至少一個著陸部件以及鉸鏈層。第一電極配置於基板上。第二電極配置於基板上。著陸部件配置於基板上。鉸鏈層包含鉸鏈部分以及至少一個懸臂部分。鉸鏈部分連接至第二電極。懸臂部分連接至鉸鏈部分。懸臂部分具有第一開口以及配置於第一開口中且連接至第一開口的至少一側的至少一個彈簧。當電壓差存在於第一電極與第二電極之間時，鉸鏈部分變形且彈簧因此觸碰著陸部件。
在根據本發明的實施例的MEMS元件中，在鉸鏈部分變形後，彈簧觸碰著陸部件。因此，當第一電極與第二電極之間的電壓差消失時，彈力使懸臂部分較容易離開著陸部件，且有效地防止了懸臂部分黏附於著陸部件上。因此，鉸鏈層對電壓差的回應得以改良，以使得所施加的電壓的量值以及時間點的操作範圍 擴大，且MEMS元件的可靠性提高。此外，因為彈力使懸臂部分較容易離開著陸部件，所以用以切換鉸鏈層的狀態的靜電力可減小。因此，懸臂部分撞擊著陸部件的力減小，以便提高MEMS元件的使用壽命。
為讓本發明的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。
100、100e‧‧‧MEMS元件
110‧‧‧基板
200‧‧‧MEMS單元
210‧‧‧第一電極
220‧‧‧第二電極
230‧‧‧著陸部件
240、240a、240b、240c、240d‧‧‧鉸鏈層
241、241a、241d‧‧‧第一開口
242‧‧‧鉸鏈部分
243、243a、243d‧‧‧彈簧
244‧‧‧懸臂部分
245‧‧‧相對側
245a、245d‧‧‧側
246‧‧‧連接部分
247a、247b、247c、247d‧‧‧自由末端
248‧‧‧主要部分
249‧‧‧相對末端
250‧‧‧第三電極
260‧‧‧光學組件
270‧‧‧第一間隔物層
270a‧‧‧第一間隔物
272、272a‧‧‧第二開口
280‧‧‧第二間隔物層
290‧‧‧鏡面層
2432d‧‧‧突起
S‧‧‧操作空間
圖1A為根據本發明的實施例的MEMS元件的示意性橫截面圖。
圖1B為圖1A中的MEMS元件的示意性分解圖。
圖1C為圖1A中的鉸鏈層的示意性俯視圖。
圖2A及圖2B為在鉸鏈部分變形時分別處於兩種不同狀態的如圖1A所示的MEMS元件的示意性橫截面圖。
圖3A為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。
圖3B為根據圖3A的實施例的第一間隔物層的示意性俯視圖。
圖4為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。
圖5為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。
圖6為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。
圖7為根據本發明的另一實施例的MEMS元件的示意性俯視 圖。
現將詳細地參考本發明的實施例，所述實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式及描述中用來表示相同或相似部分。
圖1A為根據本發明的實施例的MEMS元件的示意性橫截面圖，圖1B為圖1A中的MEMS元件的示意性分解圖，圖1C為圖1A中的鉸鏈層的示意性俯視圖，且圖2A及圖2B為在鉸鏈部分變形時分別處於兩種不同狀態的如圖1A所示的MEMS元件的示意性橫截面圖。參看圖1A至圖1C、圖2A及圖2B，此實施例中的MEMS元件100包含基板110以及配置於基板110上的至少一個MEMS單元200(一個MEMS單元200例示性地展示於圖1A中)。MEMS單元200包含至少一個第一電極210(三個第一電極210例示性地展示於圖1B中)、至少一個第二電極220(兩個第二電極220例示性地展示於圖1B中)、至少一個著陸部件230(兩個著陸部件230例示性地展示於圖1B中)以及鉸鏈層240。
第一電極210、第二電極220以及著陸部件230配置於基板110上。鉸鏈層240包含鉸鏈部分242以及至少一個懸臂部分244(兩個懸臂部分244例示性地展示於圖1B中)。鉸鏈部分242連接至第二電極220。在此實施例中，鉸鏈部分242具有分別連接至第二電極220的兩個相對末端249。懸臂部分244連接至鉸鏈部 分242。在此實施例中，懸臂部分244中的每一者經由變窄的連接部分246而連接至鉸鏈部分242。
懸臂部分244中的每一者具有第一開口241以及配置於第一開口241中且連接至第一開口241的至少一側的至少一個彈簧243(一個第一開口241中有一個彈簧243例示性地展示於圖1B中)。在此實施例中，彈簧243連接至第一開口241的兩個相對側245以便連接至懸臂部分244的主要部分248，主要部分248具有第一開口241。詳言之，彈簧243可為連接至第一開口241的兩個相對側245的可撓性條帶；亦即，可撓性條帶的兩個相對末端分別連接至第一開口241的兩個相對側245。在此實施例中，彈簧243的延伸方向實質上垂直於鉸鏈部分242的延伸方向。
當電壓差存在於第一電極210與第二電極220之間時，鉸鏈部分242變形且彈簧243因此觸碰著陸部件230。在此實施例中，鉸鏈層240包含分別連接至鉸鏈部分242的兩個相對側的兩個懸臂部分244，且MEMS單元200更包含配置於基板110上的至少一個第三電極250(三個第三電極250例示性地展示於圖1B中)。第一電極210以及第三電極250分別配置於兩個懸臂部分244下。
在此實施例中，鉸鏈層240與著陸部件230兩者皆由導電材料製成，且鉸鏈層240電連接至第二電極220。因此，施加至第二電極220的電壓亦施加至鉸鏈層240。
當電壓差存在於第一電極210與第二電極220之間時，由 於靜電力，懸臂部分244中的一者(例如，圖1A及圖1B中的右懸臂部分244)移向對應的第一電極210，以使得右彈簧243觸碰右著陸部件230，如圖2A所示。另一方面，當電壓差存在於第三電極250與第二電極220之間時，由於靜電力，懸臂部分244中的另一者(例如，圖1A及圖1B中的左懸臂部分244)移向對應的第三電極250，以使得鉸鏈部分242變形且左彈簧243因此觸碰左著陸部件230，如圖2B所示。
在此實施例的MEMS元件100中，在鉸鏈部分242變形後，彈簧243觸碰著陸部件230。因此，當第一電極210與第二電極220之間(或第三電極250與第二電極220之間)的電壓差消失時，彈力使懸臂部分244較容易離開著陸部件230(亦即，懸臂部分244自圖2A(或圖2B)所示的狀態移動至圖1A所示的狀態)，且有效地防止了懸臂部分244黏附於著陸部件230上。因此，鉸鏈層240對電壓差的回應得以改善，以使得所施加的電壓的量值以及時間點的操作範圍擴大，且MEMS元件100的可靠性提高。
此外，因為彈力使懸臂部分244較容易離開著陸部件230，所以，例如藉由減小第一電極210與第二電極220之間(或第三電極250與第二電極220之間)的電壓差，可減小用以切換鉸鏈層240的狀態的靜電力。因此，懸臂部分244撞擊著陸部件230的力減小，以便提高MEMS元件100的使用壽命。
在此實施例中，相同的電壓施加至第二電極220與著陸部件230之間，以使得當懸臂部分244觸碰著陸部件230時，懸臂 部分244的電壓實質上與著陸部件230相同。
在此實施例中，基板110為矽基板，第一電極210、第二電極220、第三電極250以及著陸部件230由矽(例如，非晶矽)製成。此外，在一實施例中，鉸鏈層240可由氮化鈦鋁製成。
在此實施例中，MEMS單元更包含光學組件260，其配置於鉸鏈層240上且具有至少一個操作空間S(兩個操作空間S例示性地展示於圖1A及圖1B中)以允許懸臂部分244的彈簧243變形。操作空間S與第一開口241連通。
在此實施例中，光學組件260包含第一間隔物層270、第二間隔物層280以及鏡面層290。第一間隔物層270配置於鉸鏈層240上且具有至少一個第二開口272(兩個第二開口272例示性地展示於圖1A及圖1B中)以形成至少一個操作空間S(兩個操作空間S例示性地展示於圖1A及圖1B中)。第二間隔物層280配置於第一間隔物層270上，且鏡面層290配置於第二間隔物層280上。因此，在此實施例中，MEMS元件100為能夠擺動的鏡面元件。當懸臂部分244擺動至圖2A所示的狀態時，鏡面層290亦擺動至圖2A所示的狀態，且將光反射至一方向。當懸臂部分244擺動至圖2B所示的狀態時，鏡面層290亦擺動至圖2B所示的狀態，且將光反射至另一方向。
然而，在其他實施例中，MEMS元件可不包含光學組件260，或MEMS元件可包含任一其他適當組件以形成任一其他類型的MEMS元件，例如，陀螺儀或切換器。
圖3A為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖，且圖3B為根據圖3A的實施例的第一間隔物層的示意性俯視圖。參看圖3A及圖3B，根據此實施例的MEMS元件類似於圖1A及圖1B所示的MEMS元件100，且主要差異如下。在此實施例中，鉸鏈層240a的彈簧243a中的每一者為自對應的第一開口241的一側245a延伸的突起。彈簧243a中的每一者具有遠離第一開口241a的此側245a的自由末端247a。當鉸鏈部分242變形時，自由末端247a觸碰如圖1B所示的著陸部件230。在此實施例中，自由末端247a為平末端。然而，在其他實施例中，自由末端247a可具有任一其他適當形狀。此外，在此實施例中，第一間隔物270a具有分別與對應的第一開口241a連通的第二開口272a。第一開口241a的形狀可相同於或對應於對應的第二開口272a的形狀。
圖4為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。參看圖4，此實施例中的鉸鏈層240b類似於圖3A中的鉸鏈層240a，且主要差異如下。在此實施例中，鉸鏈層240b的自由末端247b為尖銳末端。當自由末端247b觸碰如圖1B所示的著陸部件230時，接觸位置被確保位於尖銳末端的頂點處。因此，鉸鏈層240b可不會由於自由末端247b的任一其他不當位置觸碰著陸部件230而不當地變形。
圖5為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。參看圖5，此實施例中的鉸鏈層240c類似於圖4中的鉸鏈層240b，且主要差異如下。在此實施例中，鉸鏈層240c的自由末端 247c為圓末端。
圖6為根據本發明的另一實施例的鉸鏈層的示意性俯視圖。參看圖6，此實施例中的鉸鏈層240d類似於圖5中的鉸鏈層240c，且主要差異如下。在此實施例中，彈簧243d中的每一者包含分別自對應的第一開口241d的多側245d延伸的多個突起2432d。當鉸鏈部分242變形時，彈簧243d的突起2432d的自由末端247d中的每一者觸碰對應的著陸部件230。在此實施例中，彈簧243d具有四個突起2432d。然而，在其他實施例中，彈簧243d可具有四個突起2432d中的任一個、任兩個或任三個。
圖7為根據本發明的另一實施例的MEMS元件的示意性俯視圖。參看圖7，此實施例中的MEMS元件100e類似於圖1A及圖1B中的MEMS元件100，且主要差異如下。在此實施例中，MEMS元件100e包含在基板110上配置成陣列的如圖1A及圖1B所示的多個MEMS單元200。亦即，MEMS元件100e可為數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)。
總之，在根據本發明的實施例的MEMS元件中，在鉸鏈部分變形後，彈簧觸碰著陸部件。因此，當第一電極與第二電極之間的電壓差消失時，彈力使懸臂部分較容易離開著陸部件，且有效地防止了懸臂部分黏附於著陸部件上。因此，鉸鏈層對電壓差的回應得以改善，以使得所施加的電壓的量值以及時間點的操作範圍擴大，且MEMS元件的可靠性提高。此外，因為彈力使懸臂部分較容易離開著陸部件，所以用以切換鉸鏈層的狀態的靜電 力可減小。因此，懸臂部分撞擊著陸部件的力減小，以便提高MEMS元件的使用壽命。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧MEMS元件
110‧‧‧基板
200‧‧‧MEMS單元
210‧‧‧第一電極
220‧‧‧第二電極
230‧‧‧著陸部件
240‧‧‧鉸鏈層
242‧‧‧鉸鏈部分
243‧‧‧彈簧
244‧‧‧懸臂部分
250‧‧‧第三電極
260‧‧‧光學組件
270‧‧‧第一間隔物層
272‧‧‧第二開口
280‧‧‧第二間隔物層
290‧‧‧鏡面層
S‧‧‧操作空間

Claims (12)

  1. 一種微機電系統元件，包括：基板；以及至少一個微機電系統單元，配置於所述基板上，所述微機電系統單元包括：至少一個第一電極，配置於所述基板上；至少一個第二電極，配置於所述基板上；至少一個著陸部件，配置於所述基板上；以及鉸鏈層，包括：鉸鏈部分，連接至所述第二電極；以及至少一個懸臂部分，連接至所述鉸鏈部分，所述懸臂部分具有第一開口以及配置於所述第一開口中且連接至所述第一開口的至少一側的至少一個彈簧，其中當電壓差存在於所述第一電極與所述第二電極之間時，所述鉸鏈部分變形且所述彈簧因此觸碰所述著陸部件，其中所述微機電系統單元以及所述鉸鏈層分別位於沿著遠離所述基板的一方向排列的不同層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述彈簧為連接至所述第一開口的兩個相對側的可撓性條帶。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述彈簧為自所述第一開口的一側延伸的突起。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的微機電系統元件，其中所 述突起具有遠離所述第一開口的所述側的自由末端，且當所述鉸鏈部分變形時，所述自由末端觸碰所述著陸部件。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的微機電系統元件，其中所述自由末端為平末端、尖銳末端或圓末端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述彈簧包括分別自所述第一開口的多側延伸的多個突起。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述微機電系統單元更包括光學組件，其配置於所述鉸鏈層上且具有至少一個操作空間以允許所述至少一個懸臂部分的所述彈簧變形，且所述操作空間與所述第一開口連通。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的微機電系統元件，其中所述光學組件包括：第一間隔物層，配置於所述鉸鏈層上且具有至少一個第二開口以形成所述至少一個操作空間；第二間隔物層，配置於所述第一間隔物層上；以及鏡面層，配置於所述第二間隔物層上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述第一電極配置於所述懸臂部分下，且當所述微機電系統單元在操作時，相同電壓施加至所述第二電極以及所述著陸部件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述鉸鏈層與所述著陸部件皆由導電材料製成，且所述鉸鏈層電連接至所述第二電極。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述至少一個微機電系統單元為在基板上配置成陣列的多個微機電系統單元。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統元件，其中所述至少一個懸臂部分為分別連接至所述鉸鏈部分的兩個相對側的兩個懸臂部分，且所述微機電系統單元更包括配置於所述基板上的至少一個第三電極，所述第一電極以及所述第三電極分別配置於所述兩個懸臂部分下，當所述電壓差存在於所述第一電極與所述第二電極之間時，所述懸臂部分中的一者移向所述對應的第一電極，且當所述電壓差存在於所述第三電極與所述第二電極之間時，所述懸臂部分中的另一者移向所述對應的第二電極。
TW103132251A 2014-08-01 2014-09-18 微機電系統元件 TWI568663B (zh)

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