TWI821853B - 微機電感測裝置及其感測模組 - Google Patents
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Abstract
一種微機電感測裝置，包含基底、加熱器以及感測電極。加熱器設置於基底上，且加熱器具有加熱工作部分。感測電極具有感測工作部分。加熱器和感測電極沿堆疊方向設置於不同層，且感測電極與加熱器電性絕緣。於堆疊方向的參考面上，加熱器之加熱工作部分的投影覆蓋感測電極之感測工作部分的投影。
Description
本發明係關於一種微機電感測裝置以及感測模組。
對公共安全與大眾健康而言，高效檢測工業有毒氣體、可燃易爆氣體、化學實驗室的危險氣體以及與疾病相關的有害氣體等等顯得十分重要。而研製出具有高敏感性、高選擇性、快速回應速率、使用壽命長的氣體感測裝置也是業界一直研究的目標之一。
部分半導體材料和金屬氧化物的優良氣敏特性被發現並進一步被應用於製造微機電式氣體感測裝置。一般而言，半導體材料和金屬氧化物必須在特定溫度下才能有滿足應用需求的氣敏特性，因此這種氣體感測裝置往往都會加裝加熱元件，以便使氣體感測裝置能處於恰當的工作溫度。
隨著氣體感測裝置的小型化發展趨勢，內部的感測電極通常採用指叉電極結構以求降低電阻。在現有的氣體感測裝置中，指叉電極結構形成於加熱器上，但由於指叉電極結構的電路圖案跨越加熱器，導致製造過程中指叉電極結構有斷線或蝕刻不完全的問題，最終造成氣體感測裝置靈敏度降低甚至成為不良
品。另外，指叉電極結構跨越加熱器的設計還存在指叉電極結構受熱不均勻而有局部熱應力堆積的問題，長期使用下指叉電極結構容易變形。
鑑於上述問題，本發明提供一種電極能被加熱器均勻加熱且製造良率高的微機電感測裝置以及感測模組。
本發明一實施例所揭露之微機電感測裝置包含一基底、一加熱器以及一感測電極。加熱器設置於基底上，且加熱器具有一加熱工作部分。感測電極具有一感測工作部分。加熱器和感測電極沿一堆疊方向設置於不同層，且感測電極與加熱器電性絕緣。於堆疊方向的一參考面上，加熱器之加熱工作部分的投影覆蓋感測電極之感測工作部分的投影。
本發明一實施例所揭露之感測模組包含一加熱器以及一感測電極。加熱器具有一加熱工作部分，且感測電極具有一感測工作部分。加熱器和感測電極沿一堆疊方向設置於不同層，且感測電極與加熱器電性絕緣。於堆疊方向的一參考面上，加熱器之加熱工作部分的投影覆蓋感測電極之感測工作部分的投影。
根據本發明所揭露之微機電感測裝置及感測模組，加熱工作部分和感測工作部分在參考面上的投影重疊，且加熱工作部分的投影覆蓋感測工作部分的投影，這樣的結構設計有助於避免製造感測電極時發生高低落差現象，進而避免因高低落差現象產生的結構脆弱部分斷線或蝕刻不完全，有助於提升製造良率。
此外，這樣的結構設計讓感測工作部分的所有部分都能被加熱器均勻加熱，有助於避免因為局部熱應力堆積導致感測電極變形的問題，進而增加微機電感測裝置的使用壽命。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1:微機電感測裝置
10:基底
20、20b:感測模組
110:基板
120:絕緣膜
121:突起部
100:絕熱腔
20:感測模組
210:加熱器
211:加熱工作部分
2111:外框區域
2111b:彎折結構
2112:銜接區域
2113:圓盤區域
212:加熱器連接臂
220:感測電極
221:感測工作部分
2211:指叉結構
2211b:工作電極
222:電極連接臂
230:電性絕緣層
D:堆疊方向
d:間距
S:參考面
P1、P2:投影
CR:感測電極跨越加熱器的位置
圖1為根據本發明一實施例之微機電感測裝置的立體示意圖。
圖2為圖1之微機電感測裝置的分解示意圖。
圖3為圖1之微機電感測裝置的剖切示意圖。
圖4為圖1之微機電感測裝置中感測模組的立體示意圖。
圖5為圖4之感測模組的上視示意圖。
圖6為圖5之感測模組與現有感測模組的示意圖。
圖7為根據本發明另一實施例之感測模組的立體示意圖。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明相關之目的及優點。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1至圖3，其中圖1為根據本發明一實施例之微機電感測裝置的立體示意圖，圖2為圖1之微機電感測裝置的分解示意圖，圖3為圖1之微機電感測裝置的剖切示意圖。在本實施例中，微機電感測裝置1包含基底10以及感測模組20。
基底10包含基板110以及設置於基板110上的絕緣膜120。基板110例如但不限於是矽基板或玻璃基板，且絕緣膜120例如但不限於是氧化矽。絕緣膜120具有一突起部121，並且基板110與突起部121之間形成有絕熱腔100。更詳細來說，可先在基板110表面上的預定區域形成犧牲層(未另繪示)，接著於基板110和犧牲層上方形成絕緣膜120，再接著移除犧牲層，使得原本由犧牲層佔據的空間成為絕熱腔100。
感測模組20包含加熱器210、感測電極220以及電性絕緣層230。請一併參照圖4和圖5，其中圖4為圖1之微機電感測裝置中感測模組的立體示意圖，圖5為圖4之感測模組的上視示意圖。加熱器210如但不限於是電阻式加熱器，其設置於基底10上，且加熱器210具有加熱工作部分211。更具體來說，加熱器210包含相連的加熱工作部分211以及加熱器連接臂212，並且加熱工作部分211對應絕熱腔100。絕熱腔100能減少傳遞至基板110的熱能以降低熱損失。加熱器210的加熱工作部分211包含外框區域2111、銜接區域2112以及圓盤區域2113。外框區域2111圍繞銜接區域2112和圓盤區域2113，且圓盤區域2113經由銜接區域2112連接於外框區域2111。加熱工作部分211經
由加熱器連接臂212與外部電源(未另繪示)連接，以提供電流讓加熱器210溫度上升。
感測電極220例如不限於是由具備良好氣敏特性之半導體或金屬氧化物製成，且加熱器210與感測電極220沿堆疊方向D設置於不同層。具體來說，感測電極220沿堆疊方向D設置於加熱器210上方，並且感測電極220包含相連的感測工作部分221以及電極連接臂222。感測工作部分221具有對應加熱工作部分211的指叉結構2211。感測工作部分221經由電極連接臂222與外部讀取電路(未另繪示)連接，以生成電訊號。本實施例的感測電極220堆疊於加熱器210上方，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，感測電極可先設置於基底上，接著再設置加熱器堆疊於感測電極上方。
在本實施例中，加熱器210的加熱工作部分211是指加熱器210通電後溫度實質上會上升的部分。感測電極220的感測工作部分221是指其溫度實質上會受到加熱器210影響的部分，或是實質上具有符合應用需求之氣敏特性的部分。另外，在部分實施例中，所述感測工作部分221優選地是指加熱器210中會被實質上加熱或實質具有指定氣敏特性的所有部分，例如於圖5中描述的感測工作部分221係涵蓋指叉結構2211中的所有支電極以及每個支電極的所有區域，而非僅涵蓋部分支電極或是只涵蓋每個支電極的部分區域。
電性絕緣層230例如但不限於是不導電的耐熱塑膠
或氧化物，其介於加熱器210與感測電極220之間，以使感測電極220與加熱器210電性絕緣。具體來說，電性絕緣層230設置於加熱器210上以覆蓋感測電極220，進而將加熱器210與感測電極220在空間上分隔開來。感測電極220設置於電性絕緣層230上。
如圖4所示，於堆疊方向D的虛擬投影參考面S上，加熱器210之加熱工作部分211的投影覆蓋感測電極220之感測工作部分221的投影。更進一步來說，於參考面S上，加熱工作部分211和加熱器連接臂212的投影分別覆蓋感測工作部分221和電極連接臂222的投影，也就是說加熱器210的投影P1完全覆蓋感測電極220的投影P2，並且投影P1的面積可大於投影P2的面積。加熱器210之投影面積(包含與感測電極220投影重疊的部分以及未重疊的部分)與感測電極220之投影面積的比例可以是2：1，在其他實施例中可以是3：1，又在其他實施例中可以是4：1。此外，如圖5所示，加熱工作部分211之外框區域2111的最外緣與感測工作部分221之指叉結構2211的的最外緣(即最外圈支電極的外緣)之間的間距d為0.1至0.3微米(μm)，以確保感測模組20的生產良率。在圖4和圖5中，為了使本發明易於被理解，省略繪出介於加熱器210與感測電極220之間的電性絕緣層230，以便說明加熱器210的投影P1與感測電極220的投影P2之間的關係。
加熱器210之加熱工作部分211的溫度能被調整以
使感測電極220之感測工作部分221的溫度維持在適於工作的溫度。當感測工作部分221吸附氣體而產生電阻值變化時，外部讀取電路可以獲得電壓值變化或電流大小變化，進而判斷氣體種類以及氣體濃度。
在本實施例中，感測電極220設置於加熱器210上方，並且感測電極220的感測工作部分221配合加熱器210的加熱工作部分211延伸，也就是說加熱工作部分211和感測工作部分221在同一參考面S上的投影重疊，且加熱工作部分211的投影覆蓋感測工作部分221的投影。這代表感測電極220的感測工作部分221不會橫向突出加熱器210，也不會在加熱工作部分211的外框區域2111、銜接區域2112和圓盤區域2113其中兩者之間有跨越，避免了製造感測電極220時發生高低落差(Topography)現象，進而避免因高低落差現象產生的結構脆弱部分斷線或蝕刻不完全，這有助於提升製造良率。
此外，由於感測工作部分221沒有跨越加熱工作部分211中的結構，感測工作部分221的所有部分都能被加熱器210均勻加熱，而有助於避免因為局部熱應力堆積導致指叉結構2211變形的問題，有助於增加微機電感測裝置1的使用壽命。
圖6為圖5之感測模組與現有感測模組的示意圖。以圖5的感測模組20(圖6之a)和現有電阻式氣體感測裝置中感測電極跨越加熱器的感測模組(圖6之b)進行比較。在加熱器溫度相同的條件下，可觀察到現有感測模組在感測電極跨越加熱器
的位置CR有比感測電極其他區域還要高的溫度，因此在感測電極跨越加熱器的位置CR容易發生局部熱應力堆積的問題。相對地，本實施例的感測模組20的感測工作部分221具有趨於一致的溫度，因此能緩解局部熱應力堆積的情況。
此外，本實施例的加熱器210和感測電極220沿堆疊方向D設置於不同層，例如加熱器210和感測電極220是在製程的不同兩個步驟中分別形成，並且加熱器210和感測電極220不處於同一水平面。藉此，能在加熱器210之加熱工作部分211的外框區域2111、銜接區域2112和圓盤區域2113之間提供大小足夠的間隙填充電性絕緣層230，並且避免因為加熱工作部分211和感測工作部分221過於接近而容易短路的問題。
圖7為根據本發明另一實施例之感測模組的立體示意圖。在本實施例中，微機電感測裝置的感測模組20b包含加熱器210以及感測電極220。感測模組20b之加熱器210的加熱工作部分211包含彎折結構2111b，在圖7中的彎折結構2111b呈S形。感測電極220的感測工作部分221包含一對工作電極2211b，且這對工作電極2211b沿彎折結構2111b延伸且平行排列。與前述實施例相似，加熱器210和感測電極220沿堆疊方向D設置於不同層。於堆疊方向D的虛擬投影參考面S上，加熱器210之加熱工作部分211的投影覆蓋感測電極220之感測工作部分221的投影。
綜上所述，根據本發明所揭露之微機電感測裝置及
感測模組，加熱工作部分和感測工作部分在參考面上的投影重疊，且加熱工作部分的投影覆蓋感測工作部分的投影，而有助於避免製造感測電極時發生高低落差現象，進而避免因高低落差現象產生的結構脆弱部分斷線或蝕刻不完全，有助於提升製造良率。感測工作部分的所有部分都能被加熱器均勻加熱，有助於避免因為局部熱應力堆積導致感測電極變形的問題，進而增加微機電感測裝置的使用壽命。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1:微機電感測裝置
10:基底
20:感測模組
Claims (18)
- 一種微機電感測裝置，包含：一基底，包含一基板以及設置於該基板上的一絕緣膜，且該基板與該絕緣膜之間形成有一絕熱腔；一加熱器，設置於該基底上，該加熱器具有一加熱工作部分，且該加熱器的該加熱工作部分對應該絕熱腔；以及一感測電極，具有一感測工作部分，該加熱器和該感測電極沿一堆疊方向設置於不同層，且該感測電極與該加熱器電性絕緣；其中，於該堆疊方向的一參考面上，該加熱器之該加熱工作部分的投影覆蓋該感測電極之該感測工作部分的投影。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該感測電極的該感測工作部分具有一指叉結構。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該加熱器包含相連的該加熱工作部分以及一加熱器連接臂，且該感測電極包含相連的該感測工作部分以及一電極連接臂。
- 如請求項3所述之微機電感測裝置，其中於該參考面上，該加熱器連接臂的投影覆蓋該電極連接臂的投影。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該加熱器的該加熱工作部分包含一外框區域、一銜接區域以及一圓盤區域，該外框區域圍繞該銜接區域和該圓盤區域，且該圓盤區域經由該銜接區域連接於該外框區域。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該加熱器的該加熱工作部分包含一彎折結構。
- 如請求項6所述之微機電感測裝置，其中該感測電極的該感測工作部分包含沿該彎折結構延伸且平行排列的一對工作電極。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，更包含一電性絕緣層，介於該加熱器與該感測電極之間。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該加熱工作部分的投影面積大於該感測工作部分的投影面積。
- 如請求項1所述之微機電感測裝置，其中該加熱工作部分的最外緣該感測工作部分的最外緣之間的間距為0.1至0.3微米(μm)。
- 一種用於偵測氣體濃度的感測模組，包含：一加熱器，具有一加熱工作部分；一感測電極，具有一感測工作部分，該加熱器和該感測電極沿一堆疊方向設置於不同層，且該感測電極與該加熱器電性絕緣；以及一絕緣膜，沿該堆疊方向設置於該感測電極下方，該絕緣膜具有一突起部及在該突起部內形成的一絕熱腔，且該絕熱腔對應該加熱器的該加熱工作部分；其中，於該堆疊方向的一參考面上，該加熱器之該加熱工作部分的投影覆蓋該感測電極之該感測工作部分的投影。
- 如請求項11所述之感測模組，其中該感測工作部分具有一指叉結構。
- 如請求項11所述之感測模組，其中該加熱器包含相連的該加熱工作部分以及一加熱器連接臂，且該感測電極包含相連的該感測工作部分以及一電極連接臂。
- 如請求項13所述之感測模組，其中於該參考面上，該加熱器連接臂的投影覆蓋該電極連接臂的投影。
- 如請求項11所述之感測模組，其中該加熱工作部分包含一外框區域、一銜接區域以及一圓盤區域，該外框區域圍繞該銜接區域和該圓盤區域，且該圓盤區域經由該銜接區域連接於該外框區域。
- 如請求項11所述之感測模組，其中該加熱工作部分包含一彎折結構。
- 如請求項16所述之感測模組，其中該感測工作部分包含沿該彎折結構延伸且平行排列的一對工作電極。
- 如請求項11所述之感測模組，更包含一電性絕緣層，介於該加熱器與該感測電極之間。
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