TWI841963B - 微機電系統振動感測器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種微機電系統振動感測器，包括基材及傳感元件。基材包括第一支撐部及空腔。傳感元件包括第一傳感單元、第二傳感單元、第一金屬接墊以及第二金屬接墊。第一傳感單元包括第二支撐部以及振動部。第二支撐部設置於第一支撐部上，經由第一介電材料與第一支撐部連接。振動部設置於空腔上，且通過彈性連接部與與第二支撐部連接。第二傳感單元設置於第一傳感單元上，包括傳感部及第三支撐部。傳感部設置於振動部上，且與振動部之間具有一個間隙。第三支撐部設置於第二支撐部上，連接傳感部，並通過第二介電材料與第二支撐部連接。
Description
本發明是有關於一種微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)封裝結構及其製造方法，特別是有關於一種微機電系統振動感測器及其製造方法。
語音通信系統及話語辨識系統通常使用聲學麥克風以經由使用者說話所產生之聲波而拾聲使用者之話語。目前技術是在傳統的微機電系統麥克風(用以偵測較弱空氣傳播的較高話語頻率之聲音)基礎上增設一微機電系統振動感測器(用以偵測耳道內骨及組織振動傳導的較低話語頻率之語音聲音)，將聲音轉化為不同頻率的機械振動。其中，微機電系統振動感測器可為加速度計，其可藉由適當的黏合劑或膠固定安裝於耳機之外殼的內壁。
然而，現有的微機電系統振動感測器因佔據較大的空間，不利於實現產品的小型化。
因此，本發明提出一種微機電系統振動感測器，可改善習知問題。
本發明一實施例提出一種微機電系統振動感測器，包括基材以及傳感元件。基材包括第一支撐部及空腔。傳感元件包括第一傳感單元、第二傳感單元、第一金屬接墊以及第二金屬接墊。第一傳感單元包括第二支撐部以及振動部。第二支撐部設置於第一支撐部上，經由第一介電材料與第一支撐部連接。振動部設置於空腔上，且通過彈性連接部與與第二支撐部連接。第二傳感單元位於第一傳感單元上方，包括傳感部以及第三支撐部。傳感部設置於振動部上，且與振動部之間具有一個間隙。第三支撐部設置於第二支撐部上，連接傳感部，並通過第二介電材料與第二支撐部連接。第一金屬接墊形成於第三支撐部上方，並與第一傳感單元電性耦接。第二金屬接墊形成於第三支撐部上方，並與第二傳感單元電性耦接。
本發明另一實施例提出一種微機電系統振動感測器的製作方法，包括下述步驟：提供元件基材，使其包括基材層、第一介電材料層及第一元件材料層。進行第一圖案化步驟，圖案化第一元件材料層，形成複述個貫穿孔，暴露出一部份第一介電材料層，並定義出振動部。於第一元件材料層上方提供第二介電材料層。進行第二圖案化步驟，圖案化第二介電材料層，並暴露出部份第一元件材料層。於第二介電材料層及第一元件材料層暴露於外的部份上形成第一保護層。進行第三圖案化步驟，圖案化第一保護層，並暴露出一部份第一元件材料層。於第一保護層及第一元件材料層暴露於外的部份上形成第二元件材料層。進行第四圖案化步驟，圖案化第二元件材料層，暴露出一部份第一保護層，並定義出對應於振動部的傳感部。於第二元件材料層上方形成第一金屬接墊和第二金屬接墊，使第一金屬接墊與圖案化的第一元件材料層電性耦接，使第二金屬接墊與圖案化的第二
元件材料層電性耦接。進行釋放步驟，移除部份基材層以形成對應於振動部的空腔，移除一部份第一介電材料層及一部份第二介電材料層，以於出振動部和傳感部之間形成間隙。
本發明再一實施例提出一種微機電系統振動感測器的製作方法，包括下述步驟：提供元件基材，使其包括基材層、第一介電材料層及第一元件材料層。進行第一圖案化步驟，圖案化第一元件材料層，形成複述個貫穿孔，暴露出一部份第一介電材料層，並定義出振動部。於第一元件材料層上方提供第二介電材料層。進行第二圖案化步驟，圖案化第二介電材料層，並暴露出部份第一元件材料層。於第二介電材料層上方形成第二元件材料層。進行第四圖案化步驟，圖案化第二元件材料層，並定義出對應於振動部的傳感部。於第二元件材料層上方形成第一金屬接墊和第二金屬接墊，使第一金屬接墊與圖案化的第一元件材料層電性耦接，使第二金屬接墊與圖案化的第二元件材料層電性耦接。進行釋放步驟，移除部份基材層以形成對應於振動部的空腔，移除一部份第一介電材料層及一部份第二介電材料層，以於出振動部和傳感部之間形成間隙。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
11:元件基材
12:傳感元件
60:微機電系統封裝結構
61:載板
62:殼體
63:接墊
64:積體電路晶粒
65:第一接點
66:第二接點
100:微機電系統振動感測器
102:介電材料層
104:第一保護層
104a,106a,106b,126,135,150b:貫穿孔
105,305:凸塊
106:第二保護層
110:基材層
110a:上表面
110b:下表面
111,521A:第一支撐部
112:空腔
113:質量塊
120P:第一圖案化元件層
120:第一元件材料層
121,521B:第二支撐部
122,522:第一傳感單元
123,523:振動部
124:彈性連接部
124A:第一子彈性連接部
124B:第二子彈性連接部
130:第二元
件材料層
130P:第二圖案化元件層
131,531:第三支撐部
121A,131A,531A:第一部份
121B,131B,531B:第二部份
132,532:第二傳感單元
133,533:傳感部
136,536:導電插塞
140:介電材料層
141:第一介電材料
142:第三介電材料
150:介電材料層
150a:凹部
151:第二介電材料
160:間隙
170:電極層
170A,570A:第一部分電極層
170B,570B:第二部分電極層
170C,570C:第三部分電極層
171,571:第一金屬接墊
172,572:第二金屬接墊
300,400,500:微機電系統振動感測器
523A:第一子振動部
523B:第二子振動部
523C:樞接件
524A:第一子彈性連接部
524B:第二子彈性連接部
531C:第三部份
573:第三金屬接墊
h,h1,h2:間隙距離
V1:外部振動源
R1:容置空間
第1A圖係根據本說明書的一實施例所繪示之微機電系統振動感測的結構俯視圖。
第1B圖係根據第1A圖繪示微機電系統振動感測器的結構底視圖。
第1C圖係沿第1A圖示繪示之切線1A-1A’方向所繪示的微機電系統振動感測器的結構剖面圖。
第2A圖至第2M圖係繪示用於製造第1A圖至第1C圖之微機電系統振動感測器的一系列製程結構剖面示意圖。
第3圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之微機電系統振動感測器的結構剖面圖。
第4圖係根據本說明書的又一實施例所繪示之微機電系統振動感測器的結構剖面圖。
第5圖係根據本說明書的再一實施例所繪示之微機電系統振動感測器的結構剖面圖。
第6圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種含有微機電系統振動感測器的有微機電系統封裝結構的剖面示意圖。
請參照第1A至1C圖，第1A圖係根據本說明書的一實施例所繪示之微機電系統振動感測器100的結構俯視圖。第1B圖係根據第1A圖繪示微機電系統振動感測器100的結構底視圖。第1C圖係沿第1A圖示繪示之切線1A-1A’方向所繪示的微機電系統振動感測器100的結構剖面圖。
微機電系統振動感測器100例如是可應用於振動偵測
器、麥克風、收音裝置等。微機電系統振動感測器100或應用其之微機電系統封裝結構可配置在耳機、汽車、車輪、家電、工業儀器設備等依據所接收之振動(如，音頻、振動所產生)以進行振動分析的物品。
微機電系統振動感測器100包括基材層110以及傳感元件12。基材層110包括第一支撐部111及空腔112。傳感元件12包括第一傳感單元122、第二傳感單元132、第一金屬接墊171以及第二金屬接墊172。
第一傳感單元122包括第二支撐部121以及振動部123。第二支撐部121，位於第一支撐部111上方，經由第一介電材料141與第一支撐部111連接。振動部123位於空腔112上方，並經由彈性連接部124與第二支撐部121連接。
第二傳感單元132位於第一傳感單元122上方，包括傳感部133以及第三支撐部131。傳感部133位於振動部123上方，且與振動部123之間具有一個間隙160。第三支撐部131位於第二支撐部121上方，連接傳感部133，並通過第二介電材料151與第二支撐部121連接。
第一金屬接墊171位於第三支撐部131上方，並與第一傳感單元122電性耦接。第二金屬接墊172位於第三支撐部131上，與第一金屬接墊171電性隔離，並與第二傳感單元132電性耦接。
振動部123可以是一支懸樑(cantilever)，一端由第二支撐部121橫向延伸至空腔112的上方，另一端與第二支撐部121隔離。第三支撐部131包括彼此電性隔離的第一部份131A及第二部份
131B，第一金屬接墊171形成於第一部份131A上，第二金屬接墊172形成於該第二部份131B上。
如此，振動部123會感應並放大外部振動源V1的振福，通過彈性連接部124帶動振動部123相對於傳感單元132上下振動，從而改變傳感部133和振動部123之間的間隙160距離h，使第二傳感單元132和第一傳感單元122之間的電容值發生變化；再由第一金屬接墊171以及第二金屬接墊172將電容值變化的訊號向外傳輸至傳輸至一處理器(未繪示)進行處理、運算和/或分析，並據以執行對應的動作。
其中，外部振動源V1可透過固體或空氣傳播至第一傳感單元122。在本實施例中，外部振動源V1可透過包括基材層110的第一支撐部111、第一介電材料141和第二支撐部121傳遞至第一傳感單元122(稱固態傳導)。
詳言之，基材層110可以是例如矽基板、矽晶圓或其它合適的半導體材料，但本發明實施例不限於此。空腔112為形成在基材層110之中，貫穿基材層110上表面110a和下表面110b的貫穿孔，被第一支撐部111的立壁所定義。換言之，空腔112的側壁即為第一支撐部111的立壁。
在本說明書的一些實施例中，第二支撐部121、振動部123和彈性連接部124係由導電材料所構成。此處所述的導電材料可例如包括半導體材料(例如，多晶矽(polysilicon)、碳化矽(silicon carbide,SiC)、單晶矽(single crystal)或經過離子佈植(ion
implantation)或摻雜(doping)等製程而具有導電特性的半導體材料)、金屬(例如，銅)、合金材料、或其他合適的導電材料。例如，在本實施例中，第二支撐部121、振動部123和彈性連接部124係包含於一個第一圖案化元件層120P。第一圖案化元件層120P可以包含多晶矽材料。
在本說明書的一些實施例中，振動部123位於第一圖案化元件層120P與空腔112重疊的區域之中，並通過彈性連接部124與第二支撐部121連接。詳言之，振動部123為第一圖案化元件層120P與空腔112重疊的區域中心的方型區域，且第一圖案化元件層120P與空腔112重疊的區域還包括複數個貫穿孔(例如二個ㄇ形貫穿孔126)，用以定義出彈性連接部124，使振動部123通過彈性連接部124與第二支撐部121連接。
在本實施例中(如第1A圖所繪示)，彈性連接部124可以包括分別位於振動部123的左右兩側的長形橫樑結構(亦可分別稱為第一子彈性連接部124A和第二子彈性連接部124B)。其中長形橫樑結構(第一子彈性連接部124A和第二子彈性連接部124B)二者的一端，分別由第二支撐部121(左右兩側)的第一部份121A及第二部份121B橫向往空腔112中心方向延伸至空腔112的上方，另一端再分別與位於空腔112上方的振動部123連接。
然而，彈性連接部124的幾何結構並不以此為限，此外，彈性連接部124的幾何結構可調整/改變第一傳感單元122的剛性(Stiffness)，以獲得預期的振動偵測特性，例如是對於不同振動頻率的
靈敏度及/或增加偵測頻寬。
具體來說，例如在本說明書的另一實施例中(未繪示)，彈性連接部124僅具有長形橫樑結構(第一子彈性連接部124A)連接於第三支撐部131的第二部份131B與振動部123之間，並未包含用以連接第三支撐部131的第一部份131A與振動部123的長形橫樑結構(第一子彈性連接部124A)。藉此，可弱化第一傳感單元122的剛性，以釋放應力，讓振動更容易傳達至振動部123。
又例如在本說明書的又一實施例中，彈性連接部124可以包括在第一圖案化元件層120P與空腔112的重疊區域中，由四個貫穿孔(未繪示)在振動部123的四邊所定義出來的四個長形橫樑(未繪示)。其可強化第一傳感單元122的剛性，避免彈性連接部124和振動部123在承受振動之後發生不正常的翹曲。
另外，彈性連接部124還可以包括至少一種剛性調整結構，例如用以強化剛性的突出結構(如肋條(未繪示)和/或突點(未繪示)等)，和/或可弱化剛性的波紋層或鏤空結構(如盲孔和/或貫穿孔(未繪示)等)。本說明書的實施例並不限定突出結構及/或鏤空結構的形狀、數量及/或尺寸。
第二傳感單元132包括第三支撐部131以及連接第三支撐部131的傳感部133。在本說明書的一些實施例中，第二傳感單元132的第三支撐部131與傳感部133包含於一個第二圖案化元件層130P之中。其中，第二圖案化元件層130P也是由導電材料(包括，金屬材料及/或半導體材料)所構成。
如第1A圖所繪示，傳感部133位於第二圖案化元件層130P與空腔112重疊的區域之中，並且包括複數個貫穿孔135。第三支撐部131彼此間電性隔離的第一部份131A及一第二部份131B分別位於傳感部133的左右兩側的周邊，第一部份131A與傳感部133電性隔離；第二部份131B與傳感部133電性連接。
第二傳感單元132的傳感部133與第一傳感單元122的振動部123之間更可以包含至少一個凸塊105(dimple)，可防止第二傳感單元132的傳感部133與第一傳感單元122的振動部123接觸而沾黏。在本說明書的一些實施例中，構成凸塊105的材料可以是一種介電材料，例如係氧化物或氮化矽。在本說明書的另一些實施例中，構成凸塊105的材料可以與構成第二圖案化元件層130P的材料相同。
請參照第2A圖至第2M圖，第2A圖至第2M圖係繪示用於製造第1A圖至第1C圖之微機電系統振動感測器100的一系列製程結構剖面示意圖。
如第2A圖所繪示，提供元件基材11，使元件基材11包括依序堆疊於基材層110上表面110a的介電材料層140和第一元件材料層120。在本說明書的一實施例中，基材層110可以例如是矽基底。但本發明實施例不限於此，基材層110可包括其它合適的半導體材料。
其中，構成介電材料層140的材料可以包括矽氧化物、氮化矽和/或其他合適的介電材料。形成介電材料層140的步驟可以包
括沉積製程(例如，電漿加強型氧化物(PEOX)沉積製程)或熱氧化製程沉積製。構成第一元件材料層120的材料可以包括半導體材料(例如，多晶矽材料)、金屬(例如，銅)、合金材料、或其他合適的導電材料。在本說明書的另一實施例中，提供元件基材11的步驟，可以包括提供一個絕緣層上覆矽(Silicon On Insulator，SOI)基板。
如第2B圖所繪示，進行一第一圖案化步驟，圖案化第一元件材料層120，形成複數個貫穿孔(例如，複數個貫穿孔(例如，ㄇ形貫穿孔126))，並暴露出一部份介電材料層140。在本實施例中，可採用微影製程(photolithography)，例如包括塗佈(coating)(光阻)、曝光、顯影及/或蝕刻等步驟，對第一元件材料層120進行圖案化，以於第一元件材料層120之中形成二個ㄇ形貫穿孔126，將一部分介電材料層140暴露於外，藉此形成具有第二支撐部121、振動部123和彈性連接部124的第一圖案化元件層120P。
如第2C圖所繪示，於第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)上方提供介電材料層150。在本實施例中，提供介電材料層150的方法包括下述步驟(但不以此為限)：首先，對基材層110和第一圖案化元件層120P進行熱氧化製程(或採用介電材料沉積製程)，分別在基材層110下表面110b和第一圖案化元件層120P的上表面形成介電材料層102和150，並使介電材料層150填充於ㄇ形貫穿孔126之中。然後，再採用例如化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)製程，對介電材料層150進行平坦化。構成介電材料層102和150的材料，較佳可以包括矽氧化物。
後續，圖案化介電材料層150並暴露出部份第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)。在本說明書的一些實施例中，圖案化介電材料層150的步驟包括，先採用一次微影蝕刻製程移除對應於第一傳感單元122的一部份介電材料層150，以形成複數個凹部150a(如第2D圖所繪示)。再以另一次微影蝕刻製程移除對應於第二支撐部121的另一部份介電材料層150，以形成複數個貫穿孔150b，將第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)的一部份第二支撐部121暴露於外(如第2E圖所繪示)。
如第2F圖所繪示，於介電材料層150及第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)暴露於外的部份上形成第一保護層104。在本說明書的一些實施例中，可採用例如沉積製程，在介電材料層150上方沉積介電材料，並填充凹部150a和貫穿孔150b，以形成第一保護層104。在一實施例中，構成第一保護層104的材料與構成介電材料層150的材質不同。在本實施例中，構成第一保護層104的材料可以例如是氮化矽或氮氧化矽(但並不以此為限)。填充於凹部150a中的一部分第一保護層104可以形成複數個凸塊105。
如第2G圖所繪示，進行一第三圖案化步驟，圖案化第一保護層104，並暴露出一部份第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)。在本說明書的一些實施例中，採用微影蝕刻製程移除一部份第一保護層104形成貫穿孔104a，將第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)的一部份第二支撐部121暴露於外。
如第2H圖所繪示，於第一保護層104及第一元件材料
層120(第一圖案化元件層120P)暴露於外的部份上形成第二元件材料層130。在本說明書的一些實施例中，第二元件材料層130的形成包括：採用沉積製程，在第一保護層104上方沉包括半導體材料(例如，多晶矽、碳化矽、單晶矽或經過離子佈植或摻雜等製程而具有導電特性的半導體材料)、金屬(例如，銅)、合金材料、或其他合適的導電材料，並填充貫穿孔104a，以形成導電插塞136使第二元件材料層130與第一圖案化元件層120P的第二支撐部121電性連接。
如第2I圖所繪示，進行第四圖案化步驟，圖案化第二元件材料層130，並暴露出一部份第一保護層104。在本說明書的一些實施例中，採用微影蝕刻製程移除一部份第二元件材料層130，形成複數個貫穿孔135，將一部份第一保護層104暴露於外，藉以定義出包括第三支撐部131以及傳感部133的第二圖案化元件層130P。其中，複數個貫穿孔135形成於傳感部133之中。第三支撐部131又可區分為彼此隔離的第一部份131A和第二部份131B；且第一部份131A通過導電插塞136與第一圖案化元件層120P的第二支撐部121電性連接。
如第2J圖所繪示，於第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)上方形成第二保護層106。在本說明書的一些實施例中，可採用例如沉積製程，在第二元件材料層130上方沉積介電材料，並填充貫穿孔135以形成第二保護層106。構成第二保護層106的材料可以與第一保護層104的材料相同或不同。例如在本實施例中，構成第二保護層106的材料可以是氮化矽或氮氧化矽(但並不以此為限)。
如第2K圖所繪示，進行第五圖案化步驟，圖案化第二保護層106，並暴露出一部份第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)。在本說明書的一些實施例中，採用微影蝕刻製程移除一部份第二保護層106形成複數個貫穿孔106a，將第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)的一部份第三支撐部131(第一部份131A和第二部份131B)暴露於外，以及形成複數個貫穿孔106b將一部份介電材料層150暴露於外。
如第2L圖所繪示，於該第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)的上方形成一第一金屬接墊171和一第二金屬接墊172，使第一金屬接墊171與圖案化的第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)電性耦接，使第二金屬接墊172與圖案化的第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)電性耦接。
在本說明書的一些實施例中，第一金屬接墊171和第二金屬接墊172的形成包括下述步驟：首先採用金屬沉積製程在第二保護層106上方形成電極層170並填充貫穿孔106a，再圖案化電極層170，移除一部份的電極層170，將電極層170至少區分為彼此電性隔離的第一部分電極層170A、第二部分電極層170B和第三部分電極層170C。其中第一部分電極層170A與第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)的第一部份131A電性耦接；第二部分電極層170B與第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)的第二部份131B電性耦接。再以金屬沉積、黃光微影及蝕刻製程或剝離(lift-off)製程等，分別於第一部分電極層170A和第二部分電極層170B上形成彼此電性隔離的第
一金屬接墊171和第二金屬接墊172。
如第2M圖所繪示，進行一釋放步驟，移除一部份基材層110以形成一個空腔112，移除一部份介電材料層140及一部份介電材料層150，以於圖案化的第一元件材料層(第一圖案化元件層120P)和圖案化的第二元件材料層130(第二圖案化元件層130P)之間形成一個間隙160。
在本說明書的一些實施例中，可以先採用至少一次的微影蝕刻製程，移除一部份基材層110，以於形成貫穿基材層110上表面110a下表面110b的空腔112。再以至少一次的濕式清洗(蝕刻)製程，通過空腔112和貫穿孔106b移除位於貫穿孔126中的一部分介電材料層140，以及移除位於傳感部133和第一傳感單元122之間的一部分介電材料層150。在本實施例中，剩餘的基材層110用以定義空腔112的部分，可作為微機電系統振動感測器100的第一支撐部111。剩餘的介電材料層140位於第一支撐部111上方的部分，可作為與第一支撐部111連接的第一介電材料141。
後續在進行一系列後段製程，即可完成微機電系統振動感測器100的製備。由於後段製程的其餘製造步驟同於或相似於習知微機電系統振動感測器的對應製造步驟，故於此不再贅述。
請參照第3圖，第3圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之微機電系統振動感測器300的結構剖面圖。在本實施例中，微機電系統振動感測器300的結構大致與第1A圖至第1C圖所繪示的微機電系統振動感測器100類似，差別僅在於：形成微機電系統振動感測
器300的製程步驟省略了在介電材料層150及第一元件材料層120上方形成第一保護層104(如第2F圖所繪示)的步驟。
由於省略了第一保護層104，因此在形成第二傳感單元132時，會在第二傳感單元132和第一傳感單元122之間形成與第二傳感單元132(第二圖案化元件層130P)材料相同的凸塊305。由於微機電系統振動感測器300其他的結構、材料和製造步驟同於或相似於微機電系統振動感測器100的對應結構、材料和製造步驟，故於此不再贅述。
請參照第4圖，第4圖係根據本說明書的再一實施例所繪示之微機電系統振動感測器400的結構剖面圖。在本實施例中，微機電系統振動感測器400的結構大致與第1A圖至第1C圖所繪示的微機電系統振動感測器100類似，差別僅在於。微機電系統振動感測器400更包括一個質量塊113位於空腔112之中，且經由第三介電材料142與質量塊113連接。質量塊113可於空腔112內做一限定範圍之位移變化，並連動第二傳感單元132作動。
在本實施例中，質量塊113和第三介電材料142可以分別是第2M圖所繪示之釋放步驟中剩餘基材層110和介電材料層140的一部分。換言之，質量塊113與第一支撐部111係為相同材料；第三介電材料142和第一介電材料141係為相同材料。由於微機電系統振動感測器400其他的結構、材料和製造步驟同於或相似於微機電系統振動感測器100的對應結構、材料和製造步驟，故於此不再贅述。
請參照第5圖，第5圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之微機電系統振動感測器500的結構剖面圖。在本實施例中，微機電系統振動感測器500的結構大致與第1A圖至第1C圖所繪示的微機電系統振動感測器500類似，差別僅在於：微機電系統振動感測器500的振動部523可以包括：一個第一子振動部523A、一個第二子振動部523B以及一個樞接第一子振動部523A和第二子振動部的樞接件523C。且微機電系統振動感測器500還包括一個位於第三支撐部531的第三部份531C上方的第三金屬接墊573。
其中，第一金屬接墊571(第一部分電極層570A)位於第三支撐部531的第一部份531A上方；並通過導電插塞536、左側的第二支撐部521A和第一子彈性連接部524A(長形橫樑結構)與第一傳感單元522的第一子振動部523A電性耦接。第二金屬接墊572(第二部分電極層570B)位於第三支撐部531的第二部份531B上方；並分別與第一金屬接墊571以及第三金屬接墊573電性隔離；且通過與第二部份531B與第二傳感單元532的傳感部533電性耦接。第三金屬接墊573(第三部分電極層570C)位第三部份531C於上方；並通過導電插塞536、右側的第二支撐部521B和第二子彈性連接部524B(長形橫樑結構)與第一傳感單元522的第二子振動部523B電性耦接。
在本實施例中，第一子振動部523A通過第一子彈性連接部524A(長形橫樑結構)與左側的第一支撐部521A連接；且第二子振動部523B通過第二子彈性連接部524B(長形橫樑結構)與右
側的第二支撐部521B連接。第一子振動部523A通過長形橫樑結構(第一子彈性連接部524A)、左側的第一支撐部521A、導電插塞536以及第三支撐部531的第一部份531A，電性連接至位於第一部份531A上方的第一金屬接墊571。第二子振動部523B通過長形橫樑結構(第二子彈性連接部524B)、右側的第二支撐部521B、導電插塞(未繪示)以及第三支撐部531的第三部份531C，電性連接至位於第三部份531C上方的第三金屬接墊573。
第一子振動部523A和第二子振動部523B會感應並放大外部振動源V1的振福，分別通過第一子彈性連接部524A(長形橫樑結構)和第二子彈性連接部524B(長形橫樑結構)帶動第一子振動部523A和第二子振動部523B相對於第二傳感單元532上下振動，從而改變第一子振動部523A與傳感部533和之間的間隙距離h1，以及改變第二子振動部523B與傳感部533和之間的間隙距離h2，進而使第二傳感單元532和第一傳感單元522(第一子振動部523A和第二子振動部523B)之間的電容值發生變化；再由第一金屬接墊571、第二金屬接墊572以及第三金屬接墊573將電容值變化的訊號向外傳輸至傳輸至一處理器(未繪示)進行處理、運算和/或分析，並據以執行對應的動作。
在本說明書的一些實施例中，樞接件523C可以是一種在提供介電材料層150(如第2C圖所繪示)之前，以沉積、微影蝕刻以及其他製程所形成，嵌入於第一元件材料層120(第一圖案化元件層120P)之中的半導體樞接件。在本說明書的另一些實施例中，樞
接件523C可以用彈性構件來加以取代。
請參照第6圖，第6圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種含有微機電系統振動感測器100的有微機電系統封裝結構60的剖面示意圖。微機電系統封裝結構60可包括微機電系振動感測器100、載板61、殼體62、接墊63、積體電路晶粒64、至少一第一接點65及至少一第二接點66。載板61與殼體62可定義出容置空間R1。微機電系振動感測器100可配置在載板61之接墊63上。接墊63例如是具有絕緣性及/或導熱性。積體電路晶粒64可配置在載板61上。微機電系統振動感測器100可藉由打線的方式，使用連接線分別與積體電路晶粒64與載板61電性耦接。載板61可包括印刷電路板或本身為印刷電路板。在本說明書的一實施例中，積體電路晶粒64例如是特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)晶片。微機電系統振動感測器100所感測之感測訊號，經連接線傳輸至積體電路晶粒64進行處理後，可以將經由第一接點65和第二接點66向外輸出。
在本說明書的一實施例中，載板61可以設置靠近外部振動源V1方向，其包括固態傳導路徑，例如耳骨等。在本說明書的另一實施例中，微機電系統封裝結構60的內部空間可以填充氣體(例如，氮氣)以避免金屬接墊171/172及金屬導線氧化而影響其電性特性。在另一實施例中，微機電系統封裝結構60的內部空間可以抽真空，以降低阻尼作用，降低能量損失或機械耗散。在另一實施例中，
微機電系統封裝結構60之微機電系統振動感測器100可改由微機電系統振動感測器300、400與500的任一者取代。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
12:傳感元件
100:微機電系統振動感測器
104:第一保護層
105:凸塊
106:第二保護層
106a,126,135:貫穿孔
110:基材層
110a:上表面
111:第一支撐部
112:空腔
120P:第一圖案化元件層
121:第二支撐部
122:第一傳感單元
123:振動部
124A:第一子彈性連接部
124B:第二子彈性連接部
130P:第二圖案化元件層
131:第三支撐部
121A,131A:第一部份
121B,131B:第二部份
132:第二傳感單元
133:傳感部
136:導電插塞
140:介電材料層
141:第一介電材料
151:第二介電材料
160:間隙
170:電極層
170A:第一部分電極層
170B:第二部分電極層
171:第一金屬接墊
172:第二金屬接墊
h:間隙距離
V1:外部振動源
Claims (20)
- 一種微機電系統振動感測器，包括：一基材，包括一第一支撐部及一空腔；以及一傳感元件，包括：一第一傳感單元，包括：一第二支撐部，設置於該第一支撐部上方，經由一第一介電材料與該第一支撐部連接；以及一振動部，設置於該空腔上方，且通過一彈性連接部，與該第二支撐部連接；一第二傳感單元，包括：一傳感部，設置於該振動部上方，且與該振動部之間具有一間隙；以及一第三支撐部，設置於該第二支撐部上方，連接該傳感部，並通過一第二介電材料與該第二支撐部連接；一第一金屬接墊設置於該第三支撐部上，並與該第一傳感單元電性耦接；以及一第二金屬接墊設置於該第三支撐部上，並與該第二傳感單元電性耦接。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中第一傳感單元包含於一第一圖案化元件層之中。
- 如請求項2所述之微機電系統振動感測器，其中該第一圖案化元件層之材料係包括金屬材料及半導體材料。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該第二傳感單元包含於一第二圖案化元件層之中。
- 如請求項4所述之微機電系統振動感測器，其中該第二圖案化元件層之材料係包括金屬材料及半導體材料。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該第二傳感單元具有複數個貫穿孔，連通該空腔和該間隙。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，更包括一質量塊設置於該空腔中，且經由一第三介電材料與該振動部連接，可於該空腔內做一限定範圍之位移變化，並連動該第一傳感單元作動。
- 如請求項7所述之微機電系統振動感測器，其中該質量塊與該第一支撐部係為相同材料；該第三介電材料和該第一介電材料係為相同材料。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該第三支撐部包括一第一部份及一第二部份，該第一部份與該第二部份間電性隔離，該第一金屬接墊位於該第一部份上，該第二金屬接墊位於該第二部份上。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該第一介電材料和該第二介電材料係為相同材料。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中更包括複數個凸塊(dimple)位於該第二傳感單元與該第一傳感單元之間。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，更包括一保護層形成於該第二傳感單元面對該第一傳感單元的一第一表面和/或遠離該第一傳感單元的一第二表面上。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該彈性連接部係一橫樑，一端由該第二支撐部橫向延伸至該空腔的上方，另一端與該振動部連接。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該第一傳感單元更包括一彈性連接部連接該第二支撐部與該振動部。
- 如請求項1所述之微機電系統振動感測器，其中該彈性連接部包括：一第一子彈性連接部及一第二子彈性連接部，且該振動部包括：一第一子振動部，電性連接至該第一金屬接墊，並通過該第一子彈性連接部連接該第二支撐部；一第二子振動部，電性連接至一第三金屬接墊，並通過該第二子彈性連接部連接該第二支撐部，並與該第一子振動部電性隔離；以及一樞接件，樞接該第一子振動部和該第二子振動部。
- 一種微機電系統振動感測器的製作方法，包括：提供一元件基材，該元件基材包括一基材層、一第一介電材料層及一第一元件材料層；進行一第一圖案化步驟，圖案化該第一元件材料層，形成複數個貫穿孔，暴露出一部份該第一介電材料層，並定義出一振動部；形成一第二介電材料層於該第一元件材料層上； 進行一第二圖案化步驟，圖案化該第二介電材料層，並暴露出部份該第一元件材料層；形成一第一保護層於該第二介電材料層及該第一元件材料層暴露於外之部份上；進行一第三圖案化步驟，圖案化該第一保護層，並暴露出一部份該第一元件材料層；形成一第二元件材料層於該第一保護層及該第一元件材料層暴露於外的該部份上；進行一第四圖案化步驟，圖案化該第二元件材料層，暴露出一部份該第一保護層，並定義出對應於該振動部的一傳感部；形成一第一金屬接墊和一第二金屬接墊於該第二元件材料層上，其中該第一金屬接墊與圖案化的該第一元件材料層電性耦接，該第二金屬接墊與圖案化的該第二元件材料層電性耦接；進行一釋放步驟，移除部份該基材層以形成對應於該振動部的一空腔，移除一部份該第一介電材料層及一部份該第二介電材料層，並於圖案化的該第一元件材料層和圖案化的該第二元件材料層之間形成一間隙。
- 如請求項16所述之微機電系統振動感測器的製作方法，其中在形成該第一保護層之前，更包括：圖案化該第二介電材料層，於該該第二介電材料層的上表面形成複數個凹室；以及 在形成該第一保護層時，使一部份該第一保護層填充於該複數個凹室中，以形成複數個凸塊。
- 一種微機電系統振動感測器的製作方法，包括：提供一元件基材，該元件基材包括一基材層、一第一介電材料層及一第一元件材料層；進行一第一圖案化步驟，圖案化該第一元件材料層，形成複數個貫穿孔，暴露出一部份該第一介電材料層，並定義出一振動部；形成一第二介電材料層於該第一元件材料層上；進行一第二圖案化步驟，圖案化該第二介電材料層，並暴露出部份該第一元件材料層；形成一第二元件材料層於該第二介電材料層上；進行一第四圖案化步驟，圖案化該第二元件材料層，定義出對應於該振動部的一傳感部；形成一第一金屬接墊和一第二金屬接墊於該第二元件材料層上，其中該第一金屬接墊與圖案化的該第一元件材料層電性耦接，該第二金屬接墊與圖案化的該第二元件材料層電性耦接；進行一釋放步驟，移除部份該基材層以形成對於應該振動部的一空腔，移除一部份該第一介電材料層及一部份該第二介電材料層，並於該振動部和該傳感部之間形成一間隙。
- 如請求項18所述之微機電系統振動感測器的製作方法，其中在形成該第二元件材料層之前，更包括： 圖案化該第二介電材料層，於該第二介電材料層的上表面形成複數個凹室；以及在形成該第二元件材料層時，使一部份該第二元件材料層填充於該複數個凹室中，以形成複數個凸塊。
- 如請求項16至19之一者所述之微機電系統振動感測器的製作方法，其中在形成該第一金屬接墊和該第二金屬接墊之前，更包括：形成一第二保護層於該第二元件材料層上；以及進行一第五圖案化步驟，圖案化該第二保護層，並暴露出部份該第二元件材料層。
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|---|---|---|---|---|
| CN112033526A (zh) | 2020-08-10 | 2020-12-04 | 无锡韦尔半导体有限公司 | 振动传感器及其制造方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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