具有对称差分电容的微机电元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有对称差分电容的微机电元件，包含：一基板；一上相对电极；一下相对电极；一质量结构，具有一上电极与一下电极，分别与该上相对电极和该下相对电极形成一上电容结构与一下电容结构；一上相对电极延伸壁，其上端连接该上相对电极，下端与该基板连接；以及一下相对电极延伸壁，其下端经由该下相对电极连接该基板；其中该下相对电极延伸壁的上端不与该上相对电极连接，且该上相对电极延伸壁和该上相对电极面向于该质量结构的总表面积和、与该下相对电极延伸壁和该下相对电极面向于该质量结构的总表面积和，为彼此相当。
【专利说明】具有对称差分电容的微机电元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机电元件，特别是其中一上相对电极延伸壁与一下相对电极延伸壁，其面向于质量结构的总表面积为彼此相当的微机电元件。
【背景技术】
[0002]出平面传感器为微机电元件的其中一种形式，用以感测垂直于平面的移动。参照图1A，其中显示一现有技术的微机电出平面传感器10的示意图。微机电出平面传感器10包含一翘翘板11，其支点为P。当微机电出平面传感器10沿方向A移动时，翘翘板11因支点P偏于一侧而导致摆动。位于翘翘板11的上电极E13与位于基板12的下电极E11、E12形成一差分形式(differential mode)的电容架构,根据此结构所产生的电容值差异(一电容值增加，另一电容值降低)，可推算出移动量。此现有技术需精确制造翘翘板11的结构，因此技术难度高。
[0003]请参照图1B，其中显示另一现有技术的微机电出平面传感器20的示意图。微机电出平面传感器20包含一质量结构21，设置于基板22上方，通过一锚点P而连接于弹簧。位于质量结构21的上电极E23与位于基板22上的下电极E21、E22形成同向的可变电容结构。当微机电出平面传感器20沿方向A移动时，两组电容的变化为同步变大或变小。此现有技术因非差分形式结构，其感测值受结构的影响而精确度较低。
[0004]请参照图1C，其中显示基于图1A、1B的缺失而提出的另一现有技术的微机电出平面传感器30的剖面示意图。微机电出平面传感器30包含一质量结构31，此质量结构31具有一上电极E32以及一下电极E31。上电极E32与上相对电极E34形成一上电容结构Ctop、且下电极E31与下相对电极E33形成一下电容结构Cbot。此现有技术亦为差分电极形式的电容架构，当微机电出平面传感器30沿方向A移动时，上电容结构Ctop和下电容结构Cbot的电容值会反向变化。然而，除了上下电容结构Ctop、Cbot外，上相对电极E34与基板32间的延伸壁W会与质量结构31产生衍生电容C’，以及此延伸壁W也会与下相对电极E33产生衍生电容C”。衍生电容C’、C”造成上电容结构Ctop与下电容结构Cbot的电容值偏差，且衍生电容C’、C”所造成的偏差影响不相等，导致感测效果不佳。
[0005]有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种微机电元件与出平面传感器，其具有差分形式的电容结构、电容值偏差影响小、且易于制造。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种具有对称差分电容的微机电元件，该微机电元件与出平面传感器，其具有差分形式的电容结构、电容值偏差影响小、且易于制造。
[0007]为达上述目的，本发明提供一种具有对称差分电容的微机电兀件，包含:一基板；一上相对电极；一下相对电极；一质量结构，具有一上电极与一下电极，分别与该上相对电极和该下相对电极形成一上电容结构与一下电容结构；一上相对电极延伸壁，其上端连接该上相对电极，下端与该基板连接；以及一下相对电极延伸壁，其下端经由该下相对电极连接该基板；其中该下相对电极延伸壁的上端不与该上相对电极连接，且该上相对电极延伸壁和该上相对电极面向于该质量结构的总表面积和、与该下相对电极延伸壁和该下相对电极面向于该质量结构的总表面积和，为彼此相当。
[0008]在一较佳实施例中，该上相对电极延伸壁与该下相对电极延伸壁的面向于该质量结构的表面积为彼此相等。
[0009]在一较佳实施例中，该上、下相对电极延伸壁分别位于相对该质量结构的对称位置。
[0010]在一较佳实施例中，该质量结构设置于该上下相对电极延伸壁之间，或该上下相对电极延伸壁主要设置于该质量结构的内侧。
[0011]在一较佳实施例中，该微机电兀件具有多个上相对电极延伸壁和多个下相对电极延伸壁。
[0012]在一较佳实施例中，该多个上相对电极延伸壁和多个下相对电极延伸壁分别位于该质量结构的至少相对两侧，且该两侧的任一侧既设有上相对电极延伸壁也设有下相对电极延伸壁。
[0013]在一较佳实施例中，该上相对电极延伸壁上端具有至少一锚边,并以该锚边连接该上相对电极；该下相对电极延伸壁上端具有延伸至与该锚边等高的至少一凸边。
[0014]在一较佳实施例中，由俯视图观之，该微机电兀件设有多个锚边与凸边，彼此对应设置于该质量结构相对的两侧。
[0015]在一较佳实施例中，由俯视图观之，该微机电兀件设有多个锚边与凸边，设置于该质量结构相对的两侧，且位于两侧的锚边总面积彼此相当、或位于两侧的凸边总面积彼此相当、或锚边与凸边的总面积彼此相当。
[0016]下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1A、1B、1C显示现有技术的三种微机电元件的示意图；
[0018]图2A显示本发明一实施例的微机电元件的立体示意图；
[0019]图2B显示图2A中根据FF’剖切线的立体剖面示意图；
[0020]图2C显示图2A中根据FF’剖切线的剖面示意图；
[0021]图3显示本发明另一实施例的微机电元件的剖面示意图；
[0022]图4显示本发明一实施例的锚边与凸边安排的俯视示意图；
[0023]图5显示本发明另一实施例的锚边与凸边安排的俯视示意图。
[0024]图中符号说明
[0025]10、20、30、40、50微机电传感器
[0026]11翘翘板
[0027]12、22、32、42、52基板
[0028]21、31、41、51质量结构
[0029]A移动方向
[0030]An锚边
[0031]Ctop上电容结构
[0032]Cbot下电容结构
[0033]C’、C”、Ctop’、Cbot’衍生电容
[0034]Ex凸边
[0035]P支点
[0036]E11、E12、E21、E22、E31、E41、E51 下电极
[0037]E13、E23、E32、E42、E52上电极
[0038]E33、E43、E53下相对电极
[0039]E34、E44、E54上相对电极
[0040]FF’剖切线
[0041]Sff外侧隔离壁
[0042]Wb下相对电极延伸壁
[0043]Wt上相对电极延伸壁
[0044]W延伸壁
【具体实施方式】
[0045]有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如:上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
[0046]参照图2A、2B、2C，其中为本发明一实施例提供的一种微机电元件40的立体示意图、立体剖面示意图、以及剖面示意图，图2B为根据图2A中FF’剖面线的一剖面示意图。微机电兀件40包含一质量结构41、一上相对电极E44、一下相对电极E43、一上相对电极延伸壁Wt,以及一下相对电极延伸壁Wb。质量结构41具有一上电极E42与一下电极E41,且上下电极E42、E41分别与上相对电极E44与下相对电极E43形成一上电容结构Ctop与一下电容结构Cbot。上相对电极延伸壁Wt上端具有至少一锚边An以连接上相对电极E44，下端与一基板42连接。下相对电极延伸壁Wb的下端经由下相对电极E43连接至基板42，且上端具有延伸至与锚边An等高的至少一凸边Ex ;其中下相对电极延伸壁Wb的上端不与上相对电极E44连接，且上相对电极延伸壁Wt和上相对电极E44面向于质量结构41的总导电部分表面积和、与下相对电极延伸壁Wb和下相对电极E43面向于质量结构41的总导电部分表面积和，为彼此相当(大致相等但容许10%的差距，较佳在5%以内)。以上所述“面向于质量结构41的导电部分表面积”意指“能与质量结构41有效构成电容的表面积”。由于总表面积彼此相当，且下相对电极延伸壁Wb的上端不与上电极E42连接，因此质量结构41分别与上下相对电极延伸壁Wt、Wb形成的衍生电容Ctop’、Cbot’的电容值相当。换言之，可解决现有技术中因为衍生电容不相等而造成感测值偏差的问题。一实施例中，上相对电极延伸壁与下相对电极延伸壁的面向于质量结构的总表面积为彼此相等。上相对电极延伸壁与下相对电极延伸壁可分别为单个或多个；上、下相对电极延伸壁宜分别位于相对该质量结构的对称位置，例如相对两侧，但此非必须，仅需使差分电容的电容值彼此相当，亦即使衍生电容Ctop’、Cbot’所造成的影响彼此相当，即可。
[0047]当微机电元件40沿移动方向A移动时，上电容结构Ctop与下电容结构Cbot形成一差分形式(differential mode)的电容架构，即当中一电容值增加时,另一电容值降低，根据此变化可进行对移动的感测。
[0048]电极E41与电极E42可设计为相同电位或不同电位，均属可行，仅需使上电容结构Ctop与下电容结构Cbot形成差分电容架构即可。
[0049]一实施例中，微机电元件40可利用CMOS制程所堆叠制造，而图2A、2B、2C也以CMOS制程为例说明,其中,最下方深灰色层为CMOS制程中的接触层(contact layer)或同位阶的介电层(视电性设计与剖面在布局上的位置而定)、其它深灰色层为CMOS制程中的通道层(via layer)或同位阶的介电层(视电性设计与剖面在布局上的位置而定)、白色部分为金属层(metal layer)。然微机电元件40的制作不限于CMOS制程，微机电元件40也可用碱制程来制作，此为已有技术，于此不详述。
[0050]图2A、2B中所显示的外侧隔离壁SW是为了隔离微机电元件40和基板42上的其它元件；如果不需要进行隔离，则外侧隔离壁SW可以省略。
[0051]须特别注意，上下相对电极延伸壁Wt、Wb间无直接电性连接。
[0052]在图2A-2C的实施例中，质量结构41设置于上下相对电极延伸壁Wt、Wb之间。图3显示本发明另一实施例的微机电元件50，其中质量结构51设置于上下相对电极延伸壁Wt,Wb的外部，此情况也同样可以适用本发明。
[0053]详言之，请参照图3，上下相对电极延伸壁Wt、Wb的大部分设置于质量结构51的内侧(上下相对电极延伸壁Wt、Wb可能有少部分位于质量结构51外部)，质量结构51可移动于上下相对电极延伸壁Wt、Wb外侧。质量结构51具有一上电极E52与一下电极E51,且上下电极E52、E51分别与一上相对电极E54与一下相对电极E53形成一上电容结构Ctop与一下电容结构Cbot。上相对电极延伸壁Wt具有至少一锚边An以连接上相对电极E54，另一侧与一基板52连接。下相对电极延伸壁Wb经由下相对电极E53连接至基板52且具有延伸至与锚边An等高的至少一凸边Ex ;其中下相对电极延伸壁Wb的上端不与上相对电极E54连接，且上相对电极延伸壁Wt和上相对电极E54面向于质量结构51的总导电部分表面积和、与下相对电极延伸壁Wb和下相对电极E53面向于质量结构51的总导电部分表面积和，为彼此相当，换言之，上电容结构Ctop加上衍生电容Ctop’的电容值总和与下电容结构Cbot加上衍生电容Cbot’的电容值总和相当，可解决现有技术中因为衍生电容不相等而造成感测值偏差的问题。电极E51与电极E52可设计为相同电位或不同电位，均属可行，仅需使上电容结构Ctop与下电容结构Cbot形成差分电容架构即可。其余技术内容可参照前实施例的说明，于此不详述。
[0054]为使电容感测具有更佳的效果，上下相对电极延伸壁Wt、Wb可均为多个，例如可参阅图2B，其中显示多个上相对电极延伸壁Wt和多个下相对电极延伸壁Wb，且在质量结构41的同一侧既设有上相对电极延伸壁Wt也设有下相对电极延伸壁Wb (但当然，如在质量结构41的同一侧仅设有上下相对电极延伸壁Wt、Wb其中之一、且上下相对电极延伸壁Wt、Wb均为单个，亦属可行)。本实施例中，在质量结构41的两侧都设有上相对电极延伸壁Wt和下相对电极延伸壁Wb，在此情况下，请参阅图4的俯视图，于较佳实施型态中，锚边An与凸边Ex可以彼此相对设置(对应设置于相对的两侧)，且位于两侧的锚边An总面积彼此相当(图中上方单一锚边An的面积与下方两锚边An的面积和相当)、位于两侧的凸边Ex总面积彼此相当、(图中上方两凸边Ex的面积和与下方单一凸边Ex的面积相当)、而锚边An与凸边Ex的总面积彼此相当(图中三锚边An的面积和与三凸边Ex的面积和相当)。当然，以上仅是较佳实施方式，本发明的实施不限于此，并不需要符合以上所有条件。
[0055]举例而言，请参照图5，其中显示锚边An与凸边Ex安排的另一实施例，其中锚边An与凸边Ex并没有彼此相对设置。若有需要，也可另行安排其它锚边An与凸边Ex的排列方式与位置、或是以不同方式设计锚边An与凸边Ex的面积。总之，本发明的重点在于使差分电容的电容值彼此相当，亦即使衍生电容Ctop’、Cbot’所造成的影响彼此相当。锚边An与凸边Ex安排方式仅是较佳实施方式但非必须。
[0056]以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，上下相对电极延伸壁Wt、Wb不限于仅设置在于质量结构41的两侧，亦可以设置在其四个方向上，等等，而锚边与凸边可以对应地设置。再举例而言，同一个上相对电极延伸壁Wt可以具有多个锚边An，又同一个下相对电极延伸壁Wb可以具有多个凸边Ex。此外，本发明不受限于应用在出平面传感器，亦可应用于其它形式的传感器。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种具有对称差分电容的微机电兀件，其特征在于，包含: 一基板； 一上相对电极； 一下相对电极； 一质量结构，具有一上电极与一下电极，分别与该上相对电极和该下相对电极形成一上电容结构与一下电容结构； 一上相对电极延伸壁，其上端连接该上相对电极，下端与该基板连接；以及 一下相对电极延伸壁，其下端经由该下相对电极连接该基板； 其中该下相对电极延伸壁的上端不与该上相对电极连接，且该上相对电极延伸壁和该上相对电极面向于该质量结构的总导电部分表面积和、与该下相对电极延伸壁和该下相对电极面向于该质量结构的总导电部分表面积和，为彼此相当。
2.如权利要求1所述的具有对称差分电容的微机电兀件，其中，该上相对电极延伸壁与该下相对电极延伸壁的面向于该质量结构的表面积为彼此相等。
3.如权利要求1所述的微机电元件，其中，该上、下相对电极延伸壁分别位于相对该质量结构的对称位置。
4.如权利要求1所述的具有对称差分电容的微机电元件，其中，该质量结构设置于该上下相对电极延伸壁之间，或该上下相对电极延伸壁主要设置于该质量结构的内侧。
5.如权利要求1所述的具有对称差分电容的微机电兀件，其中，该微机电兀件具有多个上相对电极延伸壁和多个下相对电极延伸壁。
6.如权利要求4所述的具有对称差分电容的微机电兀件,其中，该多个上相对电极延伸壁和多个下相对电极延伸壁分别位于该质量结构的至少相对两侧，且该两侧的任一侧既设有上相对电极延伸壁也设有下相对电极延伸壁。
7.如权利要求1所述的具有对称差分电容的微机电兀件，其中，该上相对电极延伸壁上端具有至少一锚边，并以该锚边连接该上相对电极；该下相对电极延伸壁上端具有延伸至与该锚边等高的至少一凸边。
8.如权利要求7所述的具有对称差分电容的微机电元件，其中，由俯视图观之，该微机电元件设有多个锚边与凸边，彼此对应设置于该质量结构相对的两侧。
9.如权利要求7所述的具有对称差分电容的微机电元件，其中，由俯视图观之，该微机电元件设有多个锚边与凸边，设置于该质量结构相对的两侧，且位于两侧的锚边总面积彼此相当、或位于两侧的凸边总面积彼此相当、或锚边与凸边的总面积彼此相当。
【文档编号】B81C1/00GK104445048SQ201310425232
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】蔡明翰 申请人:原相科技股份有限公司