TWI617787B - 微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法 - Google Patents

微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI617787B
TWI617787B TW105129123A TW105129123A TWI617787B TW I617787 B TWI617787 B TW I617787B TW 105129123 A TW105129123 A TW 105129123A TW 105129123 A TW105129123 A TW 105129123A TW I617787 B TWI617787 B TW I617787B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
electrode
wafer
cavity
layer
device structure
Prior art date
Application number
TW105129123A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201725361A (zh
Inventor
Marcus Rinkio
馬爾克斯 瑞奇歐
Original Assignee
Murata Manufacturing Co., Ltd.
村田製作所股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co., Ltd., 村田製作所股份有限公司 filed Critical Murata Manufacturing Co., Ltd.
Publication of TW201725361A publication Critical patent/TW201725361A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI617787B publication Critical patent/TWI617787B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0045—Improve properties related to angular swinging, e.g. control resonance frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/02—Devices characterised by the use of mechanical means
    • G01P3/14—Devices characterised by the use of mechanical means by exciting one or more mechanical resonance systems
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02086—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2201/00—Aspects of oscillators relating to varying the frequency of the oscillations
    • H03B2201/02—Varying the frequency of the oscillations by electronic means
    • H03B2201/0208—Varying the frequency of the oscillations by electronic means the means being an element with a variable capacitance, e.g. capacitance diode

Abstract

一種微機電裝置結構，其包含一支撐結構晶圓。一凹穴電極被形成在所述支撐結構晶圓中之一凹穴之中。所述凹穴電極形成一突出結構，所述突出結構從所述凹穴的一基底朝向所述功能層，並且所述凹穴電極被連接至一被定義的電位。所述凹穴電極包含一矽柱於所述支撐結構晶圓中的所述凹穴之中，所述凹穴電極是部分地或是全部地被一凹穴所圍繞。一或多個凹穴電極可被用來調整在所述功能層之中所產生的一震盪的一頻率。

Description

微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法
本發明關於如申請專利範圍獨立項之前言所定義的微機電裝置。一陀螺儀被呈現以作為此微機電裝置之一特定範例。
微機電系統或是MEMS可被定義為微小的機械及電機系統，其中至少一些元件具有機械功能性。由於MEMS裝置是藉由相同的工具來產生且用以產生積體電路、微機械以及微電子，它們甚至可被製造在相同的矽片上以使得進階的裝置為可能的。
MEMS結構可以應用於快速和準確地檢測非常小的物理性質的變化。例如，微機電陀螺儀可以應用於快速和準確地檢測非常小的角位移。運動(motion)具有六個自由度：被翻譯為三個正交方向及繞著三個正交軸的旋轉方向。後三者可藉由角速度感測器而被測量，例如眾所周知的陀螺儀。MEMS陀螺儀使用科氏效應(Coriolis Effect)來測量角速度。當一質量塊正在一個方向上移動且選轉角速度被施加時，該質量塊會受到在正交方向的力，其係由柯氏力(Coriolis force)所造成的。藉由柯氏力所造成之所述產生的物理上的移位可被解讀為，例如，電容、壓電或是壓阻式感測結構。
在MEMS陀螺儀中，主要的運動並非典型地如習知的陀螺儀因為缺少足夠的軸承而連續轉動。相反地，機械振盪可被用以作為所述 主要運動。當一震盪陀螺儀遭受正交於主要運動的所述方向之一角運動時，產生一波動的柯氏力。這樣產生正交於所述主要運動以及所述角運動之軸的一次震盪，並且在所述主要震盪的頻率。此耦合的震盪之振幅可被用以作為角速率之量測。
陀螺儀是非常複雜的慣性MEMS感測器。在陀螺儀設計中基本的挑戰是所述柯氏力非常的小並且因此所產生的訊號相較其他在陀螺儀中出現的電子訊號往往是微小的。寄生響應(spurious responses)和易受振動困擾許多MEMS陀螺儀設計。
在先進的現有技術中的MEMS陀螺儀設計，例如在US7,325,451中所述的，一外部施加的角速度經建構以導致兩個平行定位的平面震盪質量塊具有相反相位運動。此運動可藉由線性電容梳狀電極而被檢測。利用特定現有技術配置的圍繞Z軸的主要運動的顯式振盪方向和圍繞X軸的檢測運動，則主要模式震盪以及檢測模式震盪是被有效地保持分開，使得一穩健的感測器結構對外部衝擊為高度不敏感。
在絕緣上矽凹穴(cavity silion on insulator，CSOI)MEMS裝置中，例如像是陀螺儀的感測裝置或是任何形式的微機電感測器，一矽層被稱作是結構晶圓也叫做功能層，其被圖案化以形成所述微機電感測器裝置的功能部份之大部分。此功能部分可包含例如可移動部分例如震動質量塊塊、彈簧以及梁柱以引導移動、激發和檢測結構，例如電容梳狀結構以及其之電性連接。梳狀結構可為僅部分地可移動的，例如梳狀的一半是移動電極(轉子電極)，另一半形成固定電極(定子電極)。此外，不可移動的支撐結構，例如懸浮結構(錨點(anchors))可被形成在所述功能層中。處理晶 圓也叫做基板，其對MEMS裝置形成典型的機械剛性支撐結構。在習知的MEMS裝置中，所述處理晶圓是所述裝置的電性被動元件。通常罩殼或蓋子被固定至所述基板(也就是處理晶圓)包繞所述MEMS裝置結構，如此則所述基板和蓋子一起形成外殼，其保護所述MEMS感測器裝置對抗外部條件。或者是，所述功能層可包含一固定框架結構，其提供牆給藉由基板和蓋子所形成的所述罩殼。對於MEMS裝置的功能部分可能需要提供環境保護，其不限制所述結構的可移動部分的移動。舉例來說，在上述的結構中，所述移動質量塊以及激發結構是在所述功能層之中，其係被包覆在所述處理晶圓和蓋子晶圓之間，並且凹穴通常被形成在所述處理晶圓及/或蓋子晶圓中以允許所述結構晶圓之可移動部分移動而不需要接觸所述保護蓋子及/或基板。習知的加速度計和陀螺儀已被認定是最簡單的MEMS裝置之一，因為它們對於外界沒有機械接觸。
在預期的功能狀態中，所述陀螺儀的所述主要模式振盪和次檢測模式振盪頻率基本上重和。然而，由於在製造過程中的非理想特性，所述振盪模式中的任一者或兩者可經歷預期振盪頻率的一些偏差，使得所述模式的頻率不完全一致，其導致了陀螺儀功能的問題。所述振盪模式中的任一者或兩者的共振頻率可被電性地調整，使得所述兩個振盪模式基本上重合。此調整可藉由利用將電容電極正交於要被調整的所述振盪模式的方向放置而被執行。則在所述電容電極之間的靜電力主要是在要被調整的所述振盪模式的方向上。基本上重合在此意味著所述兩個模式的頻率分離是大約在0到100Hz的範圍中。習知地，頻率的調整已被執行，其利用在功能層中的平行平板梳狀物或是放置平面金屬電極至所述蓋子晶圓。US專 利申請案US2008016838呈現金屬電極在一蓋子晶圓上。
US專利申請案US2004021403呈現一壓電諧振器，其具有一配置，其係藉由施加一DC電壓至位於所述SOI基板的一處理層和所述諧振器本體之間的一電容以用於微調中央頻率。一間隙被產生於所述平面處理層和所述諧振器本體之間，其係藉由蝕刻掉該兩者之間的一氧化物層，如此則調變效果是可電性地調整。
對於熟習本領域的人所知道的，用於執行電容頻率調整的功能原理可基於靜電效應，該靜電效應是由改變兩個具有不同電位的電極之間的電容值所造成的。一個電極可以是靜止的，而另一個電極可以是移動的，也就是附接至一移動質量塊或是包含一移動質量塊。我們提到此移動電極可為可移動電極。當所述兩個電極之間的相對距離改變時，所述兩個電極之間的電容值將會改變，此順帶造成所述兩個電極之間改變的靜電力。此力可藉由控制所述兩個電極之間的電位差而被調整。在典型的情況下，一DC偏壓電壓被施加至所述電極中之至少一者以用於調整所述振盪頻率。
關於使用平行平板梳狀物以電容的方式來調整頻率之問題是，這些平行平板梳狀物需要相對大量的矽面積，則使得所述功能元件是較大的、使得整個感測器是較大的且體積較大的。再者，大量的平行梳狀物通常更容易因為外力影響而改變它們的位置使得所述頻率調整更不精確。此外，平行平板梳狀物間隙可能因為製作過程中的不理想而在製造過程中改變，導致所需之用來調整頻率的靜電力有更多的變異。放置平面金屬電極至所述蓋子晶圓的問題是，其可能需要對所述蓋子晶圓之額外的處 理步驟。使用被附接至所述蓋子晶圓的金屬電極之問題是，通常所述蓋子晶圓較容易受到封裝引起的扭曲之影響使得所述頻率調整更不精確。此外，在某些製造過程中，蓋子晶圓間隙在製造過程中變化更大，而導致所需之用來調整頻率的靜電力有更多的變異。使用所述處理晶圓之一平坦表面作為微調電容器電極，相較於所述移動電極其缺乏用於調整所述電容器尺寸和位置的能力，並且因此缺乏調整所述頻率調整的靈敏度的能力。在所述處理晶圓和所述可移動部分之間額外地非常小的距離造成兩個電極彼此接觸或是甚至黏在一起的風險。
一微機電裝置之功能層相關於所述裝置之一層，其包含所述裝置之至少所述移動部分。
所述用語支撐結構晶圓相關於一處理晶圓及/或相關於一蓋子晶圓。所述支撐結構晶圓對於所述功能層形成一機械性地堅硬支撐結構。一支撐結構晶圓可包含單一均勻材料層，例如像是矽晶圓，或是其可包含一個以上的均勻晶圓層且層部分被彼此附接於一機械性地堅硬的、基本上非可撓性的絕緣材料層。對於矽晶圓有益之此絕緣材料層的範例為一二氧化矽層。藉由絕緣材料層劃分所述支撐結構晶圓為層及/或層部分允許個別地調整這些部分的電位。
所述用語底層相關於一層，其形成經水平地被劃分的支撐結構晶圓之一機械穩定的且堅硬的部分，所述層不對準所述功能層。所述底層的一表面可形成所述微機電裝置的一平坦外部表面。所述用語上層相關於所述經水平劃分的支撐結構晶圓之一層，所述層是朝所述微機電裝置之 所述功能層對準，故存在於所述底層所述功能層之間。一結構晶圓之所述上層可包含功能部分，其與所述功能層之至少一些部分電性地交互作用。應了解的是，所述用語底層和上層是藉由所述層之位置相關於所述微機電裝置之所述功能層和外部表面而被定義，並且不應該被理解為限定所述層之方向性如上所述。
所述用語凹穴相關於在一基本上平坦的晶圓之一表面上的一凹陷區域，例如是一矽晶圓上。一凹穴可形成一凹地在所述晶圓的一表面處。一凹穴可被形成在一支撐結構晶圓之一正面處。如果所述支撐結構晶圓被水平地劃分，則一凹穴可被形成在所述上層的一正面處。
本發明的一物件是用來提供一種裝置和一種方法，如此以克服先前技術的缺點。本發明的所述物件是藉由根據申請專利範圍第1項之特徵部分的一種微機電裝置結構而被達成。
本發明之較佳的實施例是被揭露在申請專利範圍之附屬項中。
本發明是基於產生凹穴電極(cavity electrode)用於在一支撐結構晶圓中之一微機電裝置的概念。這些凹穴電極可被用以調整在所述裝置之中的移動體的震盪頻率。
根據第一態樣，一種微機電裝置結構係被提供，其包含至少一支撐結構晶圓，該支撐結構晶圓包含第一材料，以及相似於所述第一材料的第二材料之一功能層和一凹穴電極。所述凹穴電極被形成在所述支撐結構晶圓中之一凹穴之中。所述凹穴電極與所述支撐結構晶圓的至少一部份係電性地連接。所述凹穴電極以及所述支撐結構晶圓之至少一部分係經 建構以被連接至一被定義的電位。
根據第二態樣，所述凹穴電極形成所述支撐結構晶圓的所述至少一部分的一基本上均勻的結構材料層的一組成部分，所述凹穴電極是形成在所述支撐結構晶圓中。
根據第三態樣，所述凹穴電極包含一突出結構，所述突出結構從所述凹穴的一基底朝向所述功能層。
根據第四態樣，所述凹穴電極包含矽柱於所述凹穴之中，所述矽柱至少部分地被包含在所述支撐結構晶圓的至少一部分之中。
根據第五態樣，所述凹穴電極被配置以被用來作為一平行板電容器的一電極，且所述平行板電容器的可移動電極是與在所述裝置的所述功能層中的一基本上是平面的可移動元件相關聯。
根據第六態樣，所述平行板電容器被配置以被用來調整在所述微機電裝置中所產生的一機械振盪的頻率。
根據第七態樣，所述調整頻率是藉由下列至少一者來生效：i)調整所述凹穴電極的所述電位；以及ii)調整被安置在所述功能層中之所述可移動電極的所述電位。述頻率是可調整的，其係藉由改變所述平行板電容器的兩個電極之間的相對DC電位。
根據第八態樣，述凹穴電極經建構以經由被安置在所述支撐結構晶圓之至少一部分和所述功能層之間的至少一個導電插塞而被連接至一設定電位。所述至少一個導電插塞延伸穿透在所述支撐結構晶圓之至少一部分和所述功能層之間的一絕緣材料層。
根據第九態樣，所述凹穴電極經建構以經由被安置在所述支 撐結構晶圓之一底層和所述支撐結構晶圓之一上層之間的至少一個導電插塞而被連接至一設定電位。所述至少一個導電插塞延伸穿透在所述支撐結構晶圓之所述底層和所述支撐結構晶圓之所述上層之間的一絕緣材料層。
根據第十態樣，所述支撐結構晶圓包含一處理晶圓以及一蓋子晶圓中之至少一者。
根據第十一態樣，所述裝置結構包含被電性地連接至相同電位的至少兩個凹穴電極。
根據第十二態樣，所述裝置結構包含至少兩個凹穴電極，其經由至少兩個導電插塞可電性連接至至少兩個不同電位，並且所述各別的支撐結構晶圓是藉由一電性絕緣結構材料層而被劃分為至少兩個部份，所述至少兩個部份包含至少一個部份是用於每個凹穴電極可電性地連接至不同的電位。
根據第十三態樣，被形成在所述功能層中的至少一個檢測電極被放置在所述凹穴電極上，所述至少一個檢測電極藉由一絕緣材料層而與所述凹穴電極電性地絕緣。
根據第十四態樣，被形成在所述功能層中的至少一個懸浮結構被配置在所述凹穴電極上，所述至少一個懸浮結構藉由一絕緣材料層而與所述凹穴電極電性地絕緣。
根據第十五態樣，所述裝置包含一感測器。
根據第十六態樣，所述裝置包含一陀螺儀。
根據另一態樣，一種調整在一微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法，所述方法包含提供根據上述態樣中之任一者的所述微機 電裝置結構；以及調整所述機械振盪的所述頻率。所述調整包含調整所述凹穴電極的所述電位以及調整被安置在所述功能層中之所述可移動電極的所述電位中之至少一者。所述頻率是可調整的，其係藉由改變所述平行板電容器的兩個電極之間的相對DC電位。
本發明提供之優點是，在一支撐結構之中產生一凹穴電極是機械性地穩定，其使得頻率調整穩定且相較於具有電極在所述功能層或是金屬電極在在所述蓋子晶圓之中的習知解決方案而減少遭受到由於元件的封裝所造成的扭曲之影響，且因此所述微機電感測器元件的所述共振頻率可被精確地調整。特別是所述處理晶圓已知為機械穩定的、剛性結構，並且其對於凹穴電極之放置提供一較佳的選項。然而在某些製程處理中，所述蓋子晶圓可為足夠剛性且穩定的以作為凹穴電極的位置，並且在某些實施例中，所述蓋子晶圓的厚度可被增加為了確保其更為適合放置凹穴電極。再者，所述功能層的機械或電性功能元件，例如懸浮結構(也就是錨點)以及檢測電極可被放置在所述凹穴電極上(之下或之上)而不須電性(電流的)接觸至所述凹穴電極。一絕緣材料層被提供於所述凹穴電極和所述功能元件之間以用於電性絕緣所述功能元件(下文被稱之為絕緣功能元件)與所述凹穴電極。為了簡單化，本文將使用用語“上”代表堆疊的結構，即使至少一個中間層材料(例如絕緣層)會被提終於其之間。如果此絕緣功能元件被產生於所述凹穴電極上，一電流的接觸可被提供至所述絕緣功能元件經由所述相對晶圓。如果一絕緣功能元件位在所述處理晶圓上，則一電流的接觸可由所述蓋子晶圓側被提供，並且如果一絕緣功能元件位在所述蓋子晶圓上，則一電流的接觸可由所述處理晶圓側被提供。此電流接觸可被用來 例如獲得藉由一絕緣檢測電極所檢測到的一電性訊號。或句話說，如果被放置在所述凹穴電極上的所述絕緣功能元件是錨點結構或是懸浮結構，則不需要電性/電流接觸。
本發明提出的解決方案是使用至少一個凹穴電極來提升目前已知的解決方案之在功能層中元件所能達到的外平面運動的品質因素(Q值)。藉由適當的選擇所述凹穴電極的位置及/或尺寸，則頻率調整的效率可被調整，並且在功能部分移動的過程中電極之間不希望的接觸以及電極的黏住可被避免。
100a‧‧‧平面第一震動質量塊
100b‧‧‧平面第二震動質量塊
101a‧‧‧第一彈簧結構/組件
101b‧‧‧第二彈簧組件
102a‧‧‧第一懸掛結構
102b‧‧‧第二懸掛結構
105‧‧‧激發框架
108‧‧‧耦合桿
110‧‧‧激發工具
120‧‧‧第一偵測工具
130a-d‧‧‧凹穴電極
135‧‧‧凹穴
140a-d‧‧‧感測電極
300‧‧‧功能層
310‧‧‧處理晶圓
310a-b‧‧‧上層
310c‧‧‧底層
320‧‧‧氧化矽層
330‧‧‧導電插塞
330a-b‧‧‧導電插塞
330c-d‧‧‧導電插塞或通孔
340‧‧‧功能元件
350‧‧‧蓋子
350a-b‧‧‧上層
350c-d‧‧‧底層
下面將參考所附圖式而關於較佳具體態樣來更詳細描述本發明，其中：圖1a顯示在主要運動中的陀螺儀結構。
圖1b顯示相同的陀螺儀結構在次要運動中。
圖2顯示具有凹穴電極的陀螺儀結構。
圖3顯示包含凹穴電極之一第一範例性的微機電感測器裝置之橫截面。
圖4顯示包含凹穴電極之一第二範例性的微機電感測器裝置之橫截面，所述凹穴電極可具有相互不同的電位。
圖5顯示包含凹穴電極之一第三範例性的微機電感測器裝置之橫截面，其具有膠合的蓋子晶圓，所述凹穴電極可具有相互不同的電位。
圖6圖示具有一凹穴及多個凹穴電極的一處理晶圓。
圖7圖示具有一凹穴及一凹穴電極的一處理晶圓。
圖8圖示一第四範例性的微機電感測器裝置之橫截面，所述第四範例性的微機電感測器裝置包含凹穴電極在所述處理晶圓和所述蓋子晶圓兩者之中。
在本文所揭露的實施例中，技術方案將被圖示，其中一或多個凹穴電極被提供在所述處理晶圓中。相似的凹穴電極結構可被任意地提供在一蓋子晶圓中，其亦可藉由替換所述結構的上下翻轉而被圖示。然而所述實施例僅是用來說明，尺寸可能偏離實際上物理裝置的尺寸。
圖1a和1b圖示一範例性的陀螺儀結構之一功能層，而本發明可被應用於其中。圖1a圖示此陀螺儀結構之範例性的主要運動，並且圖1b圖示一次要運動。用於說明的目的，所述質量塊的移動之大小已被有些誇大，使得某些質量塊可能出現為重疊，尤其是在該主要運動中。在實用裝置中，實際運動大小(振幅)是較小的，因此在相同的平面中元件不會發生重疊。
一範例性的陀螺儀結構包含平面第一震動質量塊(100a)、平面第二震動質量塊(100b)和第一彈簧結構(101a、101b)，其被安置以具有懸浮結構(102a、102b)以用於懸吊所述第一振動質量塊(100a)和所述第二振動質量塊(100b)於另一本體元件(未顯示)上，其中所述第一振動質量塊(100a)之平面以及所述第二振動質量塊(100b)之平面形成所述元件之一參考平面。此參考平面對應於當休息時(即沒有被激發而有任何移動時)的所述質量塊的平面。所述之另一本體元件可能例如是一處理晶圓或一蓋子晶圓。所述兩個 振動質量塊(100a、100b)是彼此相關地被平行地放置，在休息狀態時，它們的較長邊緣基本上是對準沿著兩個平行的軸(y、y’)，此兩軸被分離一非零的距離。
所述微機電陀螺儀結構亦包含激發工具(110)和第一偵測工具(120)。在目前的範例中，激發工具(110)包含電容線性梳狀物結構。圖1a和1b僅呈現所述移動的激發線性梳狀物結構的一半，然而形成所述線性梳狀物結構之對應固定電極的所述梳狀物的固定部件為了清晰度的原因而沒有被顯示。本領域技術人員瞭解激發梳狀物結構如何作用。用來取代此線性梳狀物結構，壓電元件可被用來激發。如本領域技術人員已知的，壓電激發通常藉由激發工具來產生，所述激發工具被附接至彈簧。
所述第一彈簧結構包含一第一懸掛結構(102a)在所述第一振動質量塊(100a)的所述平面之中用於附接所述第一振動質量塊(100a)至其他本體元件，例如處理晶圓或所述蓋子晶圓，以及附接至第一懸掛結構(102a)(亦被稱為錨或錨點)和第一振動質量塊(100a)之間的一第一彈簧組件(101a)，所述第一彈簧組件(101a)使所述第一振動質量塊(100a)能夠對於垂直於所述裝置的所述平面之的一第一激發軸(z)旋轉振盪。所述第一彈簧結構進一步包含一第二懸掛結構(102b)在所述第二振動質量塊(100b)的所述平面之中用於附接所述第二振動質量塊(100b)至其他本體元件，例如處理晶圓或所述蓋子晶圓，以及附接至第二懸掛結構(102b)(亦被稱為錨或錨點)和所述第二振動質量塊(100b)之間的一第二彈簧組件(101b)，所述第二彈簧組件使所述第二振動質量塊(100b)能夠對於垂直於所述裝置的所述平面之的一第二激發軸(z’)旋轉振盪。所述第一激發軸(z)和所述第二激發軸(z’)的大概 位置已被標記在圖式中用於視覺化。所述第一激發軸(z)和所述第二激發軸(z’)在所述裝置的所述平面(xy平面)中是被分離一非零距離。
所述第一彈簧組件亦使所述第一振動質量塊(100a)對於一第一檢測軸(x)能夠旋轉振盪，所述第一檢測軸(x)是在所述裝置的所述平面中，並且所述第二彈簧組件亦使所述第二振動質量塊(100b)對於一第二檢測軸(x’)能夠旋轉振盪，所述第二檢測軸(x’)是在所述裝置的所述平面中。所述第一檢測軸(x)和所述第二檢測軸(x’)是對準於一共同次軸(未被標記)。此旋轉振盪可被稱之為所述陀螺儀的次振盪，其由柯氏效應所造成。所述次振盪是被圖示於圖1b。
所述激發工具(110)經建構以用於驅動所述第一振動質量塊(100a)和所述第二振動質量塊(100b)分別對於所述第一和第二激發軸(z、z’)在相反的相位上震盪。
所述檢測工具(120)經建構以檢測所述第一振動質量塊(100a)對於所述第一檢測軸(x)的旋轉振盪以及所述第二振動質量塊(100b)對於所述第二檢測軸(x’)的旋轉振盪。較佳的，所述第一和第二振動質量塊的旋轉震盪是在相反的相位上。
在所述呈現的範例性的裝置中，所述激發動作藉由線性梳狀物結構(110)而被執行，並且所述主要和次震盪兩者的檢測動作亦藉由線性梳狀物結構而被執行。當所述兩個震動元件(100a、100b)的激發振盪和檢測震盪兩者發生在相反的相位時，在此陀螺儀中的所述檢測可能為全差動的，其使得對於衝擊和震動能夠有高容限，並且讓所述裝置對於由裝置封裝所引起的干擾不敏感。
圖1a圖示所述範例性的陀螺儀裝置的所述主要振盪。所述第一和第二振動質量塊(100a、100b)的所述主要振盪是藉由所述激發工具而被驅動，其造成所述激發框架(105)在y軸方向上以基本上為線性振盪、基本上在所述裝置之所述平面上的方式振盪。一些彈簧被安置在所述激發框架(105)和所述第一和第二振動質量塊(100a、100b)之間耦合所述激發框架(105)的振盪至所述振動質量塊(100a、100b)，同時改變所述振動質量塊(100a、100b)之所引發的主要振盪的所述軸，使得它們的主要振盪基本上分別對於所述預期主軸(z、z’)而發生。
圖1b圖示所述陀螺儀裝置的所述次振盪，其藉由當在主要振盪時影響在所述第一和第二振動質量塊(100a、100b)的柯氏力所造成的。耦合桿(108)耦合在所述第一振動質量塊(100a)和所述第二振動質量塊(100b)之間造成所述振動質量塊(100a、100b)的次振盪的所述相位基本上是彼此相反的。
雖然精心設計，描述於圖1a和1b中的所述陀螺儀可能有問題，該問題是所述振動質量塊(100a、100b)的所述主要振盪和次振盪的頻率為不相同，但是分散被引入所述頻率由於製造過程的非理想性。其順帶可能引發增益變動和偏移中之至少一者。此問題的解決方案藉由引入凹穴電極而被找到，其可被用來調整所述次振盪的頻率。藉由電容電極造成在z軸方向上的一靜電力，所述次振盪的頻率可被減少，使得所述兩個頻率變得基本上相同。
圖2圖示陀螺儀元件具有能力以調整所述振動質量塊(100a、100b)的z軸方向的振盪頻率。換句話說，所述凹穴電極被用來調整 發生在所述裝置晶圓的平面外的振盪頻率。此能力被產生是藉由引入一些凹穴電極(130a、130b、130c、130d)用於使得所述檢測動作的頻率之電性的調整為可能。所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)之材料是較佳地為導電的。在圖2中，被形成在所述功能層(300)下方之所述處理晶圓中的所述範例性的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)被標記為灰色區域靠近所述陀螺儀元件的每個角落。每個凹穴電極(130a、130b、130c、130d)做為一固定電極形成一可調整的電容元件具有一可移動電極，所述可移動電極係藉由位於其之上的所述振動質量塊的區域或是附接至所述振動質量塊(100a、100b)的平面電極中之任一者所形成，如此則所述兩者在實施中形成一平行板電容器。如果沒有分開的電極被附接至所述振動質量塊(100a、100b)，則所述振動質量塊的所述區域，其共處(重疊)於各別的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)作用為所述平行板電容器的所述可移動電極。如果一電極被附接至所述振動質量塊(100a、100b)，則所述被附接的電極之區域共處(重疊)於所述各別的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)形成所述電容器的所述可移動電極。我們將使用用語“可移動電極”意指一電極相關於所述振動質量塊(100a、100b)並且與其一起移動，例如根據上述配置之任一者或一可移動電極相關於在所述功能層(300)之中的一振動質量的任何選擇性的配置，其中所述可移動電極根據所述振動質量塊之移動而移動。頻率的調整是藉由調整此平行板電容器的所述兩個電極之間的電位差來達成，所述平行板電容器是由所述可移動電極和所述凹穴電極所形成。多個平行板電容器可能引入一個陀螺儀。為了產生一對稱力在所述各別的振動質量塊(100a、100b)上，被用來調整的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)較佳地被對稱地放置 在所述振盪的所述軸的相對側。在此範例中，凹穴電極130a和130c是關於所述x軸而被對稱地放置在所述第一振動質量塊(100a)之下且與所述x軸相距相同長度的距離，並且凹穴電極130b和130d是關於所述x’軸而被對稱地放置在所述第二振動質量塊(100b)之下且與所述x’軸相距相同長度的距離。
在一實施例中，所述固定的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)可被設定為接地電位接地電位(0V)並且在所述移動振動質量塊(100a、100b)側的所述電極的所述DC電位是為了頻率調諧目的而被調整。此配置具有的優點是，當所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)是所述處理晶圓的一部份且其形成所述元件的外表面之重要部份時，沒有非零的DC電位出現在所述元件的外表面上。然而，為了頻率調整之目的，只有兩個電極之間的相對電位有關係，並且每個凹穴電極(130a、130b、130c、130d)的電位可被任意地設定為任何電位。每個電容電極對的兩個或是任一個的電位可被設定為可調整的。當所述固定凹穴電極和可移動電極之間的電位差不改變時，所述兩個電極之間的力是根據所述兩個電極之間的距離而改變。
在如所述的平行板電容器的配置中，所述共振器的頻率f 0e 與所述平行板電容器電極之間的電位之平方成比例，如下所示：
其中f 0是所述振盪的自然頻率、a vcf 是頻率的電壓係數以及V是所述電位差。
在所描述的配置中，所述平行板電容器的所述平板電極是藉由兩個實質上平面的電極在兩個不同的平板上所形成，所述兩個不同的平 板是與所述振動質量塊的平面對齊，並且藉由此電容器所產生的力具有方向性(z、z’)，此方向是垂直於所述振動質量塊/平板電極的平面。因此，所述平行板電容器產生依例，所述力影響發生在所述裝置的所述平面外(該平面由所述裝置層所形成)的所述檢測(次)震盪，並且調整所述電極的相對電位將會改變所述檢測振盪的頻率。當所述激發振盪發生在所述電容器的平板的平面之方向上時(即在所述振動質量塊的平面中)，在所述平行板電容器中的改變不會改變所述主要(激發)振盪(相對於z和z’軸)的頻率。
在替代性的裝置中，所述驅動振盪和檢測振盪的方向可被不同地選擇：如果所述驅動振盪將發生在離開所述振動質量塊之所述平面的z軸方向，則所述平行板電容器將影響所述驅動振盪的頻率。應理解的是，在由所述所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)形成的平面電容器的電極之間所產生的電位具有類似於所述振動質量塊的平面的方向，並且由所述振動質量塊所形成或是被附接至所述振動質量塊的電極有效地在所述振動質量塊的平面中，將導致一力，所述力影響所述振動質量塊(100a、100b)的移動，所述移動是垂直於所述兩個電極的所述平面(xy)之方向，並且此力可被用來調整所述振動質量塊(100a、100b)的移動的頻率。
所述範例性的設計亦包含進一步的感測電極(140a、140b、140c、140d)，這些感測電極被定位在所述個別的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)之區域中的所述功能層中。所述凹穴電極配置允許放置額外功能部分(電性的或機械性的)於所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)上。在此範例中，一次感測電極(140a、140b、140c、140d)被安置在每個凹穴電極(130a、130b、130c、130d)上，並且是與所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)電 性地隔離，即具有無電流連接所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)。所述次感測電極是一絕緣功能元件的範例。絕緣可基於在所述凹穴電極和放置在所述凹穴電極上之分別的次感測電極之間的一絕緣材料層。此配置允許裝置設計保有所需的矽區域。用來替代感測電極，一懸浮結構可被放置在一凹穴電極(130a、130b、130c、130d)上。這種解決方案將帶來在所述裝置的功能層之設計上更多的靈活性。
在本揭示的範例性的陀螺儀中，所述激發振盪可能經歷一些由所述旋轉的振動質量塊在所述凹穴電極上方之所述振動質量塊的所述平面中移動所造成的正交移動，造成對於所述激發振盪之相位的次訊號組成。對於正交移動在所述激發振盪中之此些微的增加可以其他已知的方式來補償，所述已知的方式超出範圍因此不在本文中描述。
圖3圖示具有凹穴電極(130)之一微電子裝置的一第一範例性的橫截面圖。所述凹穴電極(130)包含突出結構，例如在所述處理晶圓上之矽柱，被放置在所述振動質量塊之下。如前文中所提過的，這些凹穴電極包含電性的傳導材料。在一實施例中，所述凹穴電極的材料包含相似於所述支撐結構晶圓的材料，在所述支撐結構晶圓中有所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)被形成。每個凹穴電極(130)從在所述支撐結構晶圓的一面上之一凹穴(135)的一基底形成一突出結構，使得所述處理晶圓(310)朝向所述功能層(300)。所述矽柱的位置、形狀和尺寸大小是完全地可調整的。再者，所述功能層(300)和所述凹穴電極(130)之間的間隙是完全地可調整的，因為形成所述凹穴電極(130)之所述矽柱的高度以及在所述功能層內的結構之厚度及/或凹陷在製造過程中也是可調整的。這些矽柱可藉由當形成 一凹穴在所述處理晶圓中之移除所述矽柱周圍的材料之一製程(例如一蝕刻製程)而被製造，或者是所述矽柱可藉由表面微加工處理所述處理晶圓而被建造、添加用於形成所述矽柱的材料之層於所述凹穴區域之中。
在傳統的MEMS裝置中，所述處理晶圓(310)是電性被動機械結構，其不會被連接至任何特定的電位，但是具有一浮接電位(floating potential)。在所述處理晶圓(310)和所述功能層(300)之間的一絕緣氧化矽層(320)電性的分離這兩者。藉由引入至少一個導電插塞結構(330)於包含在所述功能層(300)中的至少一個結構元件和所述處理晶圓之間，所述處理晶圓(310)可被連接至一被定義的電位(V1)。至少一個導電插塞結構(330)可延伸穿過所述絕緣材料層，例如在所述功能晶圓(300)和所述處理晶圓(310)之間的一氧化矽層(320)。蓋子(350)覆蓋所述功能層(300)。在位於所述功能晶圓(300)下之所述處理晶圓(310)上產生的所述凹穴電極(130)必須與一凹穴內的裝置晶圓(300)的可移動元件具有一適當距離，所述凹穴形成在所述可移動元件下方允許所述可移動元件具有用於振盪移動的必要空間。應理解的是，在橫截面圖中被顯示為不同凹穴(135)的區域事實上可能是相同凹穴的部份，圍繞所述凹穴電極(130)中之至少一個。換句話說，所述凹穴電極(130)可能僅部分地被一凹穴(135)所圍繞。所述凹穴電極(130)可經由至少一個導電插塞(330)而被連接至一被定義的電位(V1)，相對於所述被定義的電位，藉由所述可移動電極所形成的電極之電位或是附接至所述可以移動電極的電極之電位是可被調整的。在此範例中，包含具有至少一個凹穴電極(130)的所述凹穴(135)的所述處理晶圓(310)亦被連接至相同的被定義的電位(V1)。應注意的是，此導電插塞(330)不需直接地耦合至所述凹穴電極(130)本身，但是可 連接所述支撐結構晶圓中被電性地連接至所述凹穴電極(130)的所述部份的任何位置處。這些電位之間的電位差造成所述力，而所述力可被用來調整所述振盪的頻率。
在進一步的實施例中，所述功能層的進一步功能元件(340)可被機械性地附接至所述凹穴電極(130)上。所述絕緣材料層(330)較佳地存在於所述凹穴電極(130)和進一步的功能元件(340)之間，則所述功能元件(340)與所述凹穴電極(130)電性地絕緣。舉例來說，所述功能元件(340)可以是一感測電極(140)或是一懸浮結構(即102a、102b)用於懸吊任何功能元件，例如所述振動質量塊可被放置在所述凹穴電極(130)上。
在一個實施例中，所述整個處理晶圓是被連接至相同的電位。
圖4圖示一第二實施例，其更具體的說是一具有凹穴電極(130a、130b)的微電子裝置之簡化的範例性橫截面圖。在此第二實施例中，所述處理晶圓(310)被劃分為至少兩個電性絕緣部份，所述至少兩個電性絕緣部份可被連接至不同電位(V1、V2)。此方法使得由在感測器裝置的不同部分中具有不同電位差的凹穴電極(130a、130b)所引起的影響裝置的移動元件的力彼此不同。
在如圖4所示之實施例中，所述處理晶圓(310)被劃分為至少三個主要處理晶圓部份(310a、310b、310c)，所述三個主要處理晶圓部份藉由電性絕緣材料(320)的層而被彼此互相電性絕緣，例如是二氧化矽。其他任何適合的絕緣材料亦可被選用。被劃分的所述處理晶圓(310)可包含至少兩個層：一底層(310c)，其對於所述處理晶圓形成一平坦、電性地絕緣且機械 鋼性的本體；以及一上層，其藉由上層部分(310a、310b)而被形成，所述至少兩個層中的任一者或是每一者可包含任何數量的凹穴(135)和凹穴電極(130a、130)。如圖4中所示，這些電性分離的上層部分(310a、310b)的每一個可分別地與至少一個導電插塞(330a,330b)電性連接到被定義的電位。因此，所述凹穴電極(130a、130b)可具有相互不同的電位。包括其中具有至少一個凹穴電極(130a、130b)的凹穴(135)的至少一部分的處理晶圓(310a、310b)的一部分因此連接到與相應的凹穴電極(130a、130b)相同的被定義的電位。所述處理晶圓(310)的所述兩個上層部分(310a、310b)的電位可互相相同或者是它們可互相不同。應注意的是，圖中未顯示用於朝向所述導電插塞(330a，330b)分配電位的蓋子晶圓(350)的相關配置。
如圖4中所示的被劃分的處理晶圓(310)結構可藉由將兩個平面元件晶圓彼此附接在一起而被製造。製造過程包含用於將所述兩個分離的上層部分(310a、310b)彼此電性分離的步驟。例如，所述製造過程可包含產生溝槽，所述溝槽延伸超過於所述上層的整個厚度以用來劃分所述晶圓層而將所述上層形成為在垂直尺度上對應於所述電性分離的上層部分(310a、310b)的部分，並且此溝槽有填入絕緣材料。將所述底層(310c)與所述上層(310a和310b)附接以形成所述處理晶圓(310)可藉由本領域技術人員所已知的各種製程方法來被實施。例如，可使用熔融接合製程。將所述底層和所述上層附接可發生於將劃分所述上層為電性分離的上層部分之後或之前。
圖5圖示具有凹穴電極(130a、130b、130c)之一微電子裝置的一第三、簡化的範例性橫截面圖。相較於所述第二實施例，在此第三實 施例中，所述處理晶圓(310)亦被劃分為至少兩個電性絕緣部分，所述至少兩個電性絕緣部分可被連接至不同的電位。方法使得由在感測器裝置的不同部分中具有不同電位差的凹穴電極(130a、130c；130b)所引起的力彼此不同。
在圖5的實施例中，所述凹穴電極中之一者(130c)沒有完全地被凹穴所圍繞，但是電極是被部份地附接至所述處理晶圓(310)。然而，較佳的是所述凹穴電極(130)是被凹穴(135)從至少兩側所包圍。以相同的方式，雖然沒有顯示在此範例中，兩個凹穴電極(130)可彼此相互連接。
圖5亦呈現一實施例，其中所述蓋子晶圓(350)是藉由膠層(360)、玻璃或是其他適合的可將矽晶圓彼此附接的材料而被附接至所述裝置晶圓(300)，並且密封地包圍所述裝置的可移動部分與外部環境隔離。
圖6圖示具有凹穴(135)和四個凹穴電極(130a、130b、130c、130d)的處理晶圓(310)之透視圖。圖6可被認為是代表在圖2中的處理晶圓(310)，除了沒有顯示懸浮結構(錨點)。所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)的位置、形狀和尺寸大小可被調整。所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)橫向地覆蓋在所述材料層中的所述可移動電極之上的面積的大小對於所述兩個電極之間的電容力有直接的影響。在y軸方向上移動所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)將會改變由於在轉子電極和所對應的凹穴電極(130a、130b、130c、130d)之間的靜電力所造成的所述有效力。這是因為由所述力所造成之動量的軸的長度在此範例性的配置中將會沿著y軸而改變。沿著x軸在所述凹穴(135)中移動所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)不會改變所述力，只要所述凹穴電極(130a、130b、130c、130d)完全地保持 在轉子電極的下方，所述轉子電極包含轉子質量塊和附接於其之電梳。
應理解的是，由於所述電容電極所造成之對於力的有效改變可由圖1a、1b和2所圖示的所述特定感測器裝置來說明。
圖7圖示具有凹穴(135)和一個凹穴電極(130)的處理晶圓(310)之透視圖。應可以理解的是，凹穴電極的任何數量、形狀或是位置可被產生而不會超出本揭示的範疇。
在另一個進一步的實施例中，所述功能層的進一步功能元件(340)可被機械性地附接在所述凹穴電極上。所述絕緣材料層(330)較佳地存在於所述凹穴電極(130)和所述進一步功能元件(340)之間，始得所述功能元件(340)與所述凹穴電極電性地絕緣。舉例來說，所述功能元件(340)可為一感測電極(140)、激發結構(110)或懸浮結構(即102a、102b)用於懸吊任何功能元件，例如所述振動質量塊可被放置在所述凹穴電極(130)上。
應注意的是，雖然上述所有範例都具有所述凹穴電極結構在所述處理晶圓(310)上，相似的電極可被引入所述蓋子晶圓(350)。為了達到機械地剛性蓋子晶圓(350)，所述蓋子晶圓(350)的厚度可能需要被適度的調整。
圖8圖示第四範例實施例的一微機電裝置之橫截面圖，其具有凹穴電極在所述處理晶圓(310)和所述蓋子晶圓(350)兩者中。在此實施例中，我們亦可看到所述處理晶圓和所述蓋子晶圓兩者皆被劃分成多個部份。此範例顯示一被劃分的處理晶圓(310)被劃分成三個主要處理晶圓部份(310a、310b、310c)，所述三個主要處理晶圓部份藉由電性絕緣材料(320)的層而被彼此互相電性絕緣，例如是二氧化矽。我們亦可看到一被劃分的蓋 子晶圓(350)被劃分成四個主要蓋子晶圓部份(350a、350b、350c、350d)，所述四個主要蓋子晶圓部份是藉由電性絕緣的材料(320)層以相似於所述處理晶圓(310)的方式彼此電性的絕緣。其他任何適合的絕緣材料亦可被選用。一被劃分的處理晶圓(310)及/或一被劃分的蓋子晶圓(350)可皆包含至少兩的層：一底層(310c；350c、350d)，其對於所述處理晶圓或所述蓋子晶圓(350)分別地形成一平坦、電性地絕緣且機械鋼性的本體；以及至少兩個上層部分(310a、310b；350a、350b)而被形成，所述至少兩個上層部分可包含任何數量的凹穴(135)和凹穴電極(130a、130b)。所述底層(310c；350c、350d)可被被劃分為大於一個的電性絕緣部分，如所示具有所述蓋子晶圓的底層部分(350c、350d)。此範例可見於所述蓋子晶圓的底層(350c、350d)，其中一絕緣材料層(320)亦劃分此曾為兩個電性絕緣部分。如圖8所示，所述處理晶圓(310)的每個電性分離的上層部分(310a、310b)可與至少一個導電插塞(330a、330b)分別連接至第一和第二被定義的電位(V1、V2)。因此，所述凹穴電極(130a、130b)可具有相互不同的電位。應進一步注意的是，相同的導電插塞(330a,33b)亦可連接所述功能層(300)之部分至所述個別的電位(V1、V2)。所述處理晶圓(310)之所述兩個上層部分(310a、310b)的電位可互相相同或是它們可互相不同。應理解的是，在所述處理晶圓(310)或所述蓋子晶圓(350)中的電性絕緣的上層之數量不被限定為兩個，而是多於兩個以上的區域可被產生於任一晶圓(310、350)上，其可藉由放置電性絕緣材料(320)於該些區域之間來達成。所述蓋子晶圓(350)的凹穴電極(130c、130d)亦可經由導電插塞或通孔(330c、330d)而被連接至不同電位。在此範例性的實施例中，一第三插塞(330c)連接所述蓋子晶圓(350)的底層(350c)和上層(350a)至一第三被定 義的電位(V3)並且一第二插塞連接所述蓋子晶圓(350)的底層(350d)和上層(350b)至一第四被定義的電位(V4)。被定義的電位(V1、V2、V3、V4)可被自由的選擇，並且這些電位的配對可包含互相相同或互相不同的電位。
製造
所述微機電裝置，其可為一感測裝置(例如一陀螺儀)，其較佳地被實施是使用一已知凹穴矽在絕緣CSOI結構上。換句話說，相似的製程可被用來製造其他型式的微機電裝置，其可有益地使用根據本發明的一凹穴電極結構。此結構包含所述處理晶圓(310)、一功能層(300)、一埋藏氧化層(例如氧化矽層)(320)，其產生一電性絕緣層在所述處理晶圓(310)和所述功能層(300)之間，以及一覆蓋或蓋子(350)，其亦可包含一晶圓。所述處理晶圓可容納藉由一進一步被埋藏的氧化層(320)而被電性的分離的一個以上的部分(310a、310b、310c)。所述功能層(300)包含所述微機電裝置的至少全部的可移動部分。電性連結以及例如金屬激發和檢測電極可被任意安置在所述功能層、所述處理晶圓和所述蓋子中。被固定至所述基板(310)或是所述功能層(300)的所述覆蓋物或是蓋子(350)是被增加以用於包圍在一凹穴內側之所述裝置的移動部分，在此處它們被保護以免於環境的影響，但是所述微機電裝置之結構部分在所述凹穴所產生的自由空間中是能夠移動的。
製造具有CSOI製程的一微機電裝置之製造過程的簡化描述是由對於所述處理晶圓蝕刻所述凹穴(135)來開始，所述凹穴亦包含所述凹穴電極(130)，其被形成為在所述凹穴(135)中的矽柱。這些凹穴電極(130)形成該處理晶圓(310)的一組成部份，較佳地形成所述處理晶圓(310)之一基本上均勻的結構材料層的部分。所述處理晶圓(310)接著與所述結構晶圓， 其中所述功能層(300)將被產生。所述處理晶圓(310)可由多於一個的電性絕緣部分所構成，其藉由電性絕緣材料來劃分所述處理晶圓的至少一層，或是在所述處理晶圓(310與所述結構晶圓附接之前，藉由電性絕緣材料將這些部分彼此附接。在任何情況中，凹穴電極(130)形成該處理晶圓(310)的所述電性絕緣部分之至少一者的一組成部份。所述晶圓的任一者或是兩者是被一絕緣材料層(320)所覆蓋，例如一氧化矽層(320)並且所述附接是藉由熔融接和而被執行，使得所述絕緣材料層(320)被留在所述兩個晶圓(300、310)之間。所述功能元件，例如所述振動質量塊、彈簧和檢測結構係被蝕刻至所述功能層，並且在所述功能層功能層(300)被產生之後，所述絕緣材料層(320)是藉由本領域中任何適合的已知製程而在所述可移動微機電功能結構之下被移除。在此製程中，所述凹穴電極(130)亦可從所述功能層(300)分離，並且所述感測元件具有空間用於意圖在所述凹穴(135)中移動。至少一個導電插塞(330)彼此電性地耦合所述處理晶圓(310)以及所述功能層(300)可由所述技術領域中具有通常知識者藉由已知方法而被產生。在範例中，導電插塞(330)可被產生在一蝕刻製程中。一蓋子(350)被放置在所述功能層(300)的頂部以保護所述功能部分免於受到環境的影響。雖然沒有顯示在簡圖3和4中，所述蓋子(350)亦可具有含有足夠的凹穴之凹穴用於允許所述功能層(300)之所述可移動部分如想要的移動。再者，凹穴電極(130)可被放置在所述蓋子晶圓(350)中的所述凹穴(135)之中，以相似於所述處理晶圓(310)的方式，如前文中關於圖8所說明的。製造包含凹穴電極(130)的一蓋子晶圓(350)可藉由蝕刻而被執行。再者，一蓋子晶圓(350)可被製造而包含至少兩個電性絕緣部分。此製造製程可相同於如上文所述之用於製造所述處理晶圓(310) 的製程。
達到製造一微機電裝置之所述製程的另一範例是使用多晶矽磊晶成長來形成所述裝置。於此，所述製程開始於互連結構的沉積和圖案化平行於在一熱氧化基板上之所述振動質量塊的平面。所述磊晶多晶矽被成長於被一絕緣層所包圍的互連結構的頂部上並且對於所述磊晶多晶矽具有開放的連接用於外部的訊號。感測元件接著被圖案化至磊晶多晶矽功能層並且從所述多餘的絕緣層被釋放。最終地接觸金屬化被沉積並且容納凹穴亦包含所述凹穴電極的蓋子晶圓藉由晶圓接合而被附接至所述結構晶圓。
對於本領域技術人員顯而易見的是，隨著技術的進步，本發明的基本思想可以以各種方式實現。因此，本發明及其實施例不侷限於上述範例，而是它們可以在申請專利範圍的範圍內變化。
110‧‧‧激發工具
130‧‧‧凹穴電極
135‧‧‧凹穴
300‧‧‧功能層
310‧‧‧處理晶圓
320‧‧‧氧化矽層
330‧‧‧導電插塞
340‧‧‧功能元件
350‧‧‧蓋子

Claims (15)

  1. 一種微機電裝置結構，其至少包含一支撐結構晶圓，該支撐結構晶圓包含第一材料並且形成一機械剛性支撐結構；以及一功能層，其包含所述微機電裝置結構的可移動部分，其中所述微機械裝置結構包含一凹穴電極，所述凹穴電極形成在所述機械剛性支撐結構的一凹穴中，其中所述凹穴電極包含一突出結構，所述突出結構從所述凹穴的一基底朝向所述功能層，並且其中所述凹穴電極形成所述支撐結構晶圓的所述至少一部分的一基本上均勻的結構材料層的一組成部分，所述凹穴電極是形成在所述支撐結構晶圓中，從而所述凹穴電極是與所述支撐結構晶圓的至少一部分電性地連接，且其中所述凹穴電極以及述支撐結構晶圓的所述至少一部分經建構以被連接至一被定義的電位。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之微機電裝置結構，其中所述凹穴電極包含矽柱於所述凹穴之中，所述矽柱至少部分地被包含在所述支撐結構晶圓的至少一部分之中。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述凹穴電極被配置以被用來作為一平行板電容器的一電極，且所述平行板電容器的可移動電極是與在所述裝置的所述功能層中的一基本上是平面的可移動元件相關聯。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之微機電裝置結構，其中所述平行板電容器被配置以被用來調整所述基本上是平面的可移動元件的一機械振盪的頻率。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之微機電裝置結構，其中所述調整頻率是藉由下列至少一者來生效：調整所述凹穴電極的所述電位；以及調整被安置在所述功能層中之所述可移動電極的所述電位，其中述頻率是可調整的，其係藉由改變所述平行板電容器的兩個電極之間的相對DC電位。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述凹穴電極經建構以經由被安置在所述支撐結構晶圓之至少一部分和所述功能層之間的至少一個導電插塞而被連接至一設定電位，所述至少一個導電插塞延伸穿透在所述支撐結構晶圓之至少一部分和所述功能層之間的一絕緣材料層。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述凹穴電極經建構以經由被安置在所述支撐結構晶圓之一底層和所述支撐結構晶圓之一上層之間的至少一個導電插塞而被連接至一設定電位，所述至少一個導電插塞延伸穿透在所述支撐結構晶圓之所述底層和所述支撐結構晶圓之所述上層之間的一絕緣材料層。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述支撐結構晶圓包含下列至少一者：一處理晶圓；以及一蓋子晶圓。
  9. 根據申請專利範圍第5項所述之微機電裝置結構，其中所述裝置結構包含被電性地連接至相同電位的至少兩個凹穴電極。
  10. 根據申請專利範圍第5項所述之微機電裝置結構，其中所述裝置結構包含至少兩個凹穴電極，其經由至少兩個導電插塞可電性連接至至少兩個不同電位，並且所述各別的支撐結構晶圓是藉由一電性絕緣結構材料層而被劃分為至少兩個部份，所述至少兩個部份包含至少一個部份是用於每個凹穴電極可電性地連接至不同的電位。
  11. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中被形成在所述功能層中的至少一個檢測電極被放置在所述凹穴電極上，所述至少一個檢測電極藉由一絕緣材料層而與所述凹穴電極電性地絕緣。
  12. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中被形成在所述功能層中的至少一個懸浮結構被配置在所述凹穴電極上，所述至少一個懸浮結構藉由一絕緣材料層而與所述凹穴電極電性地絕緣。
  13. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述裝置結構是一感測器的部分。
  14. 根據申請專利範圍第1或2項所述之微機電裝置結構，其中所述裝置結構是一陀螺儀的部分。
  15. 一種調整在一微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法，所述方法包含：提供根據申請專利範圍第3到4項中之任一項的所述微機電裝置結構；以及調整所述機械振盪的所述頻率，所述調整包含下中之至少一者：調整所述凹穴電極的所述電位；以及調整被安置在所述功能層中之所述可移動電極的所述電位， 其中述頻率是可調整的，其係藉由改變所述平行板電容器的兩個電極之間的相對DC電位。
TW105129123A 2015-09-09 2016-09-08 微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法 TWI617787B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20155648 2015-09-09
FI20155648A FI127042B (en) 2015-09-09 2015-09-09 Electrode of a microelectromechanical device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201725361A TW201725361A (zh) 2017-07-16
TWI617787B true TWI617787B (zh) 2018-03-11

Family

ID=57104069

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105129123A TWI617787B (zh) 2015-09-09 2016-09-08 微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10284142B2 (zh)
EP (1) EP3347674B1 (zh)
JP (1) JP6620886B2 (zh)
CN (1) CN108027241B (zh)
FI (1) FI127042B (zh)
TW (1) TWI617787B (zh)
WO (1) WO2017042622A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11048076B2 (en) * 2019-06-28 2021-06-29 Hamamatsu Photonics K.K. Mirror unit, and method for manufacturing the mirror unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000074675A (ja) * 1998-08-31 2000-03-14 Murata Mfg Co Ltd 角速度センサ
US20070220972A1 (en) * 2004-07-12 2007-09-27 Bae Ststems Plc Angular Velocity Sensor
TWI439693B (zh) * 2007-08-03 2014-06-01 Freescale Semiconductor Inc 微機電系統感測器、包含其之感測裝置及製造其之方法
CN104422436A (zh) * 2013-08-26 2015-03-18 罗伯特·博世有限公司 微机械结构元件和用于制造微机械结构元件的方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5473945A (en) * 1990-02-14 1995-12-12 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Micromechanical angular accelerometer with auxiliary linear accelerometer
US5605598A (en) * 1990-10-17 1997-02-25 The Charles Stark Draper Laboratory Inc. Monolithic micromechanical vibrating beam accelerometer with trimmable resonant frequency
EP0601120B1 (en) * 1991-08-29 1998-12-16 Bei Electronics, Inc. Rotation sensor
US5408877A (en) * 1992-03-16 1995-04-25 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Micromechanical gyroscopic transducer with improved drive and sense capabilities
US5725729A (en) * 1994-09-26 1998-03-10 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Process for micromechanical fabrication
JP2001082964A (ja) * 1999-07-12 2001-03-30 Murata Mfg Co Ltd 共振素子
WO2004013893A2 (en) 2002-08-01 2004-02-12 Georgia Tech Research Corporation Piezo electric on seminconductor on- insulator resonator
JP2004361388A (ja) * 2003-05-15 2004-12-24 Mitsubishi Electric Corp 容量型慣性力検出装置
JP4556515B2 (ja) * 2004-07-02 2010-10-06 株式会社デンソー 角速度センサ
US7015060B1 (en) * 2004-12-08 2006-03-21 Hrl Laboratories, Llc Cloverleaf microgyroscope with through-wafer interconnects and method of manufacturing a cloverleaf microgyroscope with through-wafer interconnects
FI116543B (fi) * 2004-12-31 2005-12-15 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
FI116544B (fi) 2004-12-31 2005-12-15 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
US7231824B2 (en) * 2005-03-22 2007-06-19 Honeywell International Inc. Use of electrodes to cancel lift effects in inertial sensors
FR2903855B1 (fr) 2006-07-20 2010-12-24 Pellenc Iberica Sl Pince vibrante a force de serrage adaptable, pour la recolte de fruits
US7984648B2 (en) * 2008-04-10 2011-07-26 Honeywell International Inc. Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane MEMS device
US7863752B2 (en) * 2009-02-25 2011-01-04 Capella Photonics, Inc. MEMS device with integrated via and spacer
JP2011112455A (ja) 2009-11-25 2011-06-09 Seiko Epson Corp Ｍｅｍｓセンサー及びその製造方法並びに電子機器
EP2378246A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-19 SensoNor Technologies AS MEMS Structure for an Angular Rate Sensor
CN102278981B (zh) * 2010-06-11 2014-01-08 张家港丽恒光微电子科技有限公司 陀螺仪及其制造方法
FR2977885A1 (fr) 2011-07-12 2013-01-18 Commissariat Energie Atomique Procede de realisation d'une structure a electrode enterree par report direct et structure ainsi obtenue
JP5942554B2 (ja) 2012-04-11 2016-06-29 セイコーエプソン株式会社 物理量センサーおよび電子機器
JP5772873B2 (ja) * 2012-06-13 2015-09-02 株式会社デンソー 静電容量式物理量センサ
JP6146566B2 (ja) 2013-08-06 2017-06-14 セイコーエプソン株式会社 物理量センサー、電子機器、および移動体
FI125696B (en) 2013-09-11 2016-01-15 Murata Manufacturing Co Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation
US9764946B2 (en) * 2013-10-24 2017-09-19 Analog Devices, Inc. MEMs device with outgassing shield
US9837935B2 (en) 2013-10-29 2017-12-05 Honeywell International Inc. All-silicon electrode capacitive transducer on a glass substrate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000074675A (ja) * 1998-08-31 2000-03-14 Murata Mfg Co Ltd 角速度センサ
US20070220972A1 (en) * 2004-07-12 2007-09-27 Bae Ststems Plc Angular Velocity Sensor
TWI439693B (zh) * 2007-08-03 2014-06-01 Freescale Semiconductor Inc 微機電系統感測器、包含其之感測裝置及製造其之方法
CN104422436A (zh) * 2013-08-26 2015-03-18 罗伯特·博世有限公司 微机械结构元件和用于制造微机械结构元件的方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201725361A (zh) 2017-07-16
CN108027241A (zh) 2018-05-11
FI127042B (en) 2017-10-13
CN108027241B (zh) 2021-09-10
EP3347674A1 (en) 2018-07-18
WO2017042622A1 (en) 2017-03-16
FI20155648A (fi) 2017-03-10
US20170207748A1 (en) 2017-07-20
EP3347674B1 (en) 2020-07-15
JP2018529953A (ja) 2018-10-11
US10284142B2 (en) 2019-05-07
JP6620886B2 (ja) 2019-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180023952A1 (en) Mems mass-spring-damper systems using an out-of-plane suspension scheme
US7637156B2 (en) Angular velocity sensor with vibrator having ring portion and electrodes positioned inside and outside the ring portion
US9513310B2 (en) High-sensitivity, z-axis micro-electro-mechanical detection structure, in particular for an MEMS accelerometer
US9834432B2 (en) Microelectromechanical and/or nanoelectromechanical structure with a variable quality factor
KR101828771B1 (ko) 개선된 직교 보상을 갖는 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프
EP2378246A1 (en) MEMS Structure for an Angular Rate Sensor
KR20130132900A (ko) 모드-매칭된 단일 검사-질량체 이중-축 자이로스코프 그리고 그 제조 방법
CN105531564A (zh) 改进的陀螺仪结构和陀螺仪
WO2015013827A1 (en) Mems motion sensor for sub-resonance angular rate sensing
JP6893179B2 (ja) 直交同調ための傾斜電極を有するｍｅｍｓ慣性測定装置
US20090056444A1 (en) Angular velocity detecting device
EP3657178B1 (en) Accelerometer
EP3217147A1 (en) Micromechanical detection structure for a mems sensor device, in particular a mems gyroscope, with improved driving features
TWI617787B (zh) 微機電裝置結構以及調整在微機電裝置中所產生的機械振盪的頻率之方法
EP3240996B1 (en) Micromechanical gyroscope structure
Traechtler et al. Novel 3-axis gyroscope on a single chip using SOI-technology
JP4362739B2 (ja) 振動型角速度センサ
CN105917193A (zh) 具有嵌套激振体质量块的惯性传感器和用于制造这样的传感器的方法
US11933810B2 (en) Z-axis resonant accelerometer with improved-performance detection structure
Korotcenkov et al. Micromachined Mechanical Sensors