专利名称：可同时量测加速度及压力的微机电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电(micro-electro-mechanicalsystems，以下简称 MEMS)传感器，特别是关于一种具有一可动感测元件(moveable sensing element)且可同时量测加速度及压力的微机电传感器。
背景技术：
微机电传感器(MEMS sensor)的种类繁多，例如诸如陀螺仪或加速度计等的惯性传感器、压力传感器、气体传感器等皆属之，且其应用领域更是不胜枚举。很多的微机电传感器(例如陀螺仪或加速度计)都具有可动感测元件(moveable sensing element)，亦即俗称的质量块(proof mass)，例如美国第4，905，523号专利揭露有一种压阻式力量及力矩侦测器(force detector and moment detector)，利用质量块位移将间接造成电阻值改变的原理，通过量测电阻值的改变可间接测得外力的变化。在某些电子产品(如笔记型电脑)中可能同时使用多种微机电传感器，例如同时使用压力传感器以及加速度计，然而，现行的作法是将二个分别独立的压力传感器及加速度计分别设置在产品中，如此虽可达成同时量测压力及加速度的功能，但如此一来，对于诉求日益轻、薄、短、小的电子产品而言，有成本增加以及体积过大的缺点。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，可同时量测加速度以及压力。本发明的另一目的在于提供一种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，可将量测加速度用的可动感测元件(moveable sensing element)与压力感测元件积体整合为一体，以减少该微机电传感器的体积。为达成上述目的，本发明的技术解决方案是—种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，其包含有一框架；多个弹性支撑臂，各该弹性支撑臂的一端衔接于该框架；一质量块，衔接于各该弹性支撑臂的另一端而悬置于该框架中，该质量块具有一压力感测薄膜以及位于该薄膜下方的封闭腔室。所述的微机电传感器，其包含有一底层以及一结合于该底层的顶层；该顶层具有该弹性支撑臂，以及一与该弹性支撑臂的另一端连接并具有该压力感测薄膜的中央部位； 该底层具有一与该顶层中央部位对应的中央部位，通过此，该顶层的中央部位与该底层的中央部位形成该质量块，且该封闭腔室位于该顶层中央部位的压力感测薄膜与该底层中央部位之间。所述的微机电传感器，其所述各弹性支撑臂上设置有用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有用以量测压力的电阻。
所述的微机电传感器，其所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该顶层中央部位的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该顶层中央部位的另二相对侧边。所述的微机电传感器，其所述第一对弹性支撑臂上设置有一组四个用以量测加速度的电阻，该第二对弹性支撑臂上设置有二组、每组四个用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有一组四个用以量测压力的电阻。所述的微机电传感器，其所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该质量块的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该质量块的另二相对侧边。所述的微机电传感器，其所述第一对弹性支撑臂上设置有一组四个用以量测加速度的电阻，该第二对弹性支撑臂上设置有二组每组四个用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有一组四个用以量测压力的电阻。所述的微机电传感器，其包含有一底层以及一结合于该底层的顶层；该顶层具有该弹性支撑臂，一与该弹性支撑臂的另一端连接并具有该压力感测薄膜的中央部位，以及一围绕该中央部位并与该中央部位连接的周边部位；该底层具有一与该顶层中央部位对应的中央部位，以及一与该顶层周边部位对应的周边部位，通过此，该顶层的中央及周边部位与该底层的中央及周边部位形成该质量块，且该封闭腔室位于该顶层中央部位的压力感测薄膜与该底层中央部位之间。所述的微机电传感器，其所述顶层的中央及周边部位设置有用以量测加速度的电容电极，且该压力感测薄膜上设置有用以量测压力的电容电极。所述的微机电传感器，其还包含有一盖体，结合于该顶层的顶面，该盖体的底面设有一接地电极，该接地电极间隔地面对该顶层的该电容电极。所述的微机电传感器，其所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该顶层中央部位的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该顶层中央部位的另二相对侧边。本发明所提供的微机电传感器的优点在于，将用以量测压力的封闭腔室及压力感测薄膜整合设置于量测加速度用的质量块中，因此所提供的传感器兼具压力量测以及加速度量测的功能，也因为不需采用二个分别量测压力及加速度的微机电传感器，因此可相对减少体积。


图1为本发明第一较佳实施例所提供的微机电传感器的立体示意图；图2为图1的顶视图；图3为图2中沿着剖线3-3方向的剖视示意图；图4A是为本发明第一较佳实施例所提供的微机电传感器的一制造步骤的顶视示意图，用以显示于一第一硅片顶面形成一凹穴；图4B是图4A沿剖线A-A方向的剖视示意图；图5为一剖视示意图，显示一第二硅片固设于该第一硅片顶面；图6为一剖视示意图，显示该第二硅片已被薄化；
图7A为一顶视示意图，显示第二硅片顶面布植有量测速度及压力的电阻；图7B是图7A沿剖线B-B方向的剖视示意图；图8A是为一顶视示意图，显示第二硅片形成四个绕其中心部位的开口 ；图8B是图8A沿剖线C-C方向的剖视示意图；图9A是为一顶视示意图，显示于第一硅片形成四个围绕其中心部位的开口 ；图9B是图9A沿剖线D-D方向的剖视示意图；图IOA是为本发明第二较佳实施例所提供的微机电传感器的一制造步骤的顶视示意图，显示于第二硅片顶面设置有量测速度及压力的电容电极；图IOB是图IOA沿剖线E-E方向的剖视示意图；图IOC是图IOA沿剖线F-F方向的剖视示意图；图IlA是一顶视示意图，显示于第二硅片形成四个具特定形状且围绕其中心部位的开口 ；图IlB是图IlA沿剖线G-G方向的剖视示意图；图IlC是图IlA沿剖线H-H方向的剖视示意图；图12A是一顶视示意图，显示于形成四个具特定形状且贯穿该第一硅片开口 ；图12B是图12A沿剖线1_1方向的剖视示意图；图12C是图12A沿剖线J-J方向的剖视示意图；图13是为一底视示意图，显示一第三芯片的底面设置有一接地电极；图14是该第三芯片的侧视示意图；图15是类同图12B，惟显示第三芯片固设于该第二芯片上的态样；图16是类同图12C，惟显示第三芯片固设于该第二芯片上的态样。主要元件符号说明
10微机电传感器12框架
14质量块Ha压力感测薄膜
14b封闭腔室16a 16d弹性支
20底层20a底层中央部位
22顶层2 顶层中央部位
30第一硅片30a第一硅片顶面
30b凹穴30c底层周边部位
32第二硅片3 开口
32c顶层周边部位40第三硅片
42黏胶Cl C6电容电极
RXl RX4电阻RYl RY4电阻
RZl RZ4电阻RPl RP4电阻
具体实施例方式
有关本发明所提供的可同时量测加速度及压力的微机电传感器的详细构造、特点、组装或使用方式，将于后续的实施方式详细说明中予以描述。然而，在本发明领域中具有通常知识者应能了解，该详细说明以及实施本发明所列举的特定实施例，仅是用于说明本发明，并非用以限制本发明的专利申请范围。一种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，包含有一框架、一质量块以及多个连接于该框架与该质量块之间的弹性支撑臂，使该质量块可悬置于该框架中，此外，该质量块具有一压力感测薄膜以及位于该薄膜下方的封闭腔室。通过此，该质量块除了本身可作为量测加速度用的可动感测元件(moveable sensing element)之外，通过设于该质量块中的封闭腔室以及该压力感测薄膜，可提供压力量测的功能，而且感测加速度及压力的元件整合一体，可减少该微机电传感器的整体体积。本发明的可同时量测加速度及压力的微机电传感器，可以作为一三轴加速度计 (three-axis accelerometer)，为此，该弹性支撑臂可包含有一第一对弹性支撑臂，是呈直线状对应地分别衔接于该质量块的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，是呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该质量块的另二相对侧边。本发明的可同时量测加速度及压力的微机电传感器，是可为压阻式 (piezo-resistive type)或是电容式传感器，就以压阻式传感器而言，各该弹性支撑臂上可设置有用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上可设置有用以量测压力的电阻。就电容式传感器而言，该顶层更可包含一连接并围绕于其中央部位的周边部位， 且该顶层的中央及周边部位设置有用以量测加速度的电容电极，且该压力感测薄膜上设置有用以量测压力的电容电极。此外，所述的微机电传感器更包含有一盖体，是结合于该顶层的顶面，该盖体的底面设有一接地电极，该接地电极是间隔地面对该顶层的该电容电极。申请人:首先在此说明，在以下将要介绍的实施例以及图式中，相同的参考号码，表示相同或类似的元件或其结构特征。请先参阅图1至图3，本发明第一较佳实施例所提供的微机电传感器，如图中所示的标号10，主要是以可同时量测三轴加速度以及一绝对压力(absolute pressure)的压阻式微机电传感器来体现，然而，必须首先说明的是，可应用本发明所揭露的技术特征的微机电传感器种类并不以此为限。如图所示，该传感器10主要包含有一框架12、一质量块14以及四个连接于该框架12与该质量块14之间的弹性支撑臂16a 16d，使该质量块14可悬置于该框架12中。此外，该质量块14具有一位于其顶面的压力感测薄膜14a，以及一位于该薄膜Ha下方的封闭腔室14b。详而言之，在本实施例中，该微机电传感器10是为一双层结构体，亦即，其具有一底层20以及一固定结合于该底层20的顶层22。该顶、底层20、22具有呈矩形的四个边框， 通过此形成该传感器10的框架12。至于该传感器10的实际制造方式，以下将另辟篇幅详述之。其次，该顶层22具有该弹性支撑臂16a 16d以及一中央部位22a，其中，各该弹性支撑臂16a 16d的一端是一体衔接于该顶层22四个边框的中段位置，而各该弹性支撑臂16a 16d的另一端是一体衔接于该顶层中央部位22a。进一步言之，该弹性支撑臂 16a 16d可区分成一第一对弹性支撑臂16a、16b，以及一第二对弹性支撑臂16c、16d，其中，第一对弹性支撑臂16a、16b是呈直线状对应地分别衔接于该顶层22中央部位2 的二相对侧边，而该第二对弹性支撑臂16c、16d亦呈直线状对应地分别衔接于该顶层22中央部位22a的另二相对侧边，通过此，第一对弹性支撑臂16a、16b与第二对弹性支撑臂16c、16d 的延伸线是呈彼此垂直正交状。此外，该顶层22中央部位22a的中心可以定义出呈矩形的该压力感测薄膜14a。此外，该底层20除了具有构成该传感器框架的四边框之外，更具有一与该顶层22 中央部位2 对应的中央部位20a，通过此，该顶层22的中央部位2 与该底层20的中央部位20a形成前述的质量块14。其次，该底层20的中央部位20a具有一凹穴20b，通过此， 该顶层22中央部位22a的压力感测薄膜1 与该底层20中央部位20a之间可形成前述封闭腔室14b。以上为本发明所提供的微机电传感器10的机械结构部分的详细描述，而为了达成量测三轴加速度及压力的功能，以下将介绍该传感器10的电路设计部分。简言之，各该弹性支撑臂16a 16d上设置有可以形成三组惠司登电桥(Wheatstone bridge)通过此用来量测X、Y及Z轴方向的加速度的压电电阻 (piezoresistance)，且该压力感测薄膜1 上设置有可以形成一组惠司登电桥并用以量测压力的压电电阻。进一步言之，该第一对弹性支撑臂16a，16b上设置有一组四个压电电阻RYl RY4，该第二对弹性支撑臂16c，16d上设置有二组每组四个压电电阻RXl RX4以及RZl RZ4，而该压力感测薄膜1 上设置有一组四个压电电阻RPl RP4，由于此等加速度计及压力的电路设计及量测原理属于公知技术，且并非本发明的最主要技术特征，故在此不予以赘述。由以上的陈述可知，本发明所揭露的微机电传感器10，通过弹性支撑臂、质量块以及加速度量测用的电阻，可作为三轴加速度计使用，除此之外，通过设于该质量块中的封闭腔室以及该压力感测薄膜，本发明所提供的微机电传感器可同时作为压力计使用，而且，感测压力用的元件是整合于量测加速度用的质量块中，因此可减少该微机电传感器的整体体积。以下将进一步介绍本发明第一实施例所揭露的微机电传感器的制造方法，以说明本发明的可实施性。请先参阅图4A、图4B，首先，可以取用一厚度约为400 μ m的硅硅片30，为便于说明，以下将以第一硅片30称之。其次，利用蚀刻技术于该硅片30顶面30a蚀刻出一个约 500 μ m见方且深度约为10 50 μ m的凹穴30b，以作为压力腔室。其次，如图5所示，于该第一硅片顶面30a覆盖并固接另一 N型硅硅片32，而为便于说明，以下将以第二硅片32称之。至于硅片固接的方法，可利用融接(fusion bonding) 或其它可行的方式。如图6所示，在第一硅片30及第二硅片32固接之后，将第二硅片32薄化至厚度约为5 10 μ m，通过此，第二硅片32对应该第一硅片凹穴30b的位置即形成一压力感测薄膜14a，且该第一硅片的凹穴30b与该压力感测薄膜Ha之间即可形成一封闭腔室14b。在此需说明的是，该封闭腔室14b的形状(亦即该薄膜1 的形状)并不以矩形为限，其可为圆形或者其它合适的形状。此外，薄化第二硅片的技术亦未特别限定，可利用机械研磨、化学机械研磨、干式化学蚀刻或其它合适的方式来达成。之后，如图7A、图7B所示，于该第二硅片特定位置布植所需的压电电阻RXl RX4、RY1 RY4、RZ1 RZ4以及RPl RP4。该压电电阻的形成方式，是属常用技术，在美国第4，905，5235专利的说明书中已有详细的揭露，故在此不加以赘述。之后，请参阅图8A、图8B，利用蚀刻技术于该第二硅片形成四个绕其中心部位、相互间隔、具有特定形状且穿透该第二硅片顶、底面的开口 32a，通过此，该第二硅片32可形成四弹性支撑臂16a 16d以及一中央部位22a。最后，如图9A、图9B所示，利用背向蚀刻(backside etching)将第一硅片30对应该第二硅片32四个开口 3 的部分去除，即完成本发明第一实施例所提供的可同时量测加速度及压力的压阻式微机电传感器10。亦即，该第一硅片30最后构成上述微机电传感器 10的底层20部分，而该第二硅片32最后构成上述微机电传感器10的顶层22部分。在上述的实施例中，本发明所提供的微机电传感器是以一压阻式微机电传感器来体现，然而，必须说明的是，可应用本发明的技术特征的微机电传感器种类并不以此为限。 例如，可以是为可同时量测三轴加速度以及压力的电容式微机电传感器。以下将通过图10 至图16，介绍本发明第二较佳实施例所提供的微机电传感器的制造方法。请参阅图IOA至图10C，在第一硅片30形成凹穴、第二硅片32固定接合于第一硅片30顶面，且第二硅片32薄化至一预定厚度之后，可于该第二硅片32的顶面以溅镀金属 (例如铝)的方式，设置具特定形状且用以量测加速度及压力的电容电极Cl C6。之后，请参阅图IlA至图11C，利用蚀刻技术于该第二硅片形成四个绕其中心部位、相互间隔、具有特定形状且穿透该第二硅片顶、底面的开口 32a，通过此，该第二硅片32 可形成四弹性支撑臂16a 16d、一中央部位22a，以及一个具有四个区块的周边部位32c， 其中每一区块上分别设有一个电容电极，且四个区块是间隔围绕着该中央部位2 并与该中央部位2 —体连接。请再参阅图12A至图12C，利用背向蚀刻将第一硅片30对应该第二硅片32四个开口 3 的部分去除，即可形成本发明第二实施例所提供的电容式微机电感测芯片的主要结构，亦即，该第一硅片30及该第二硅片32分别构成微机电传感器的底层20及顶层22部分，且该底层20具有一与该顶层22中央部位2 对应的中央部位20a，以及一与该顶层周边部位32c对应的周边部位30c，通过此，该顶层的中央2 及周边部位32c与该底层的中央20a及周边部位30c形成一质量块，且该顶层中央部位22a的压力感测薄膜1 与该底层中央部位2 之间形成有一封闭腔室14b。最后，取用一第三硅片40，并于该第三硅片40的底面以溅镀或化学真空沉积或其它合适的方式形成一接地电极GND(如图13及图14所示)，而后，如图15及图16所示，将该第三硅片40通过黏胶42结合于该第二硅片32的顶面，使该第三硅片40可以形成一结合于该微机电传感器顶层22的保护盖体，并使该接地电极GND可以间隔且面对面的方式设于该第二硅片32的该电容电极Cl C6的上方，通过此，该接地电极GND与该电容电极Cl C6可以形成六个电容，且通过六个电容的搭配组合，可以形成一组压力感测用电容组，以及三组分别用以量测X、Y及Z轴方向的加速度感测用电容组。必须说明的是，在此实施例中， 各个电容电极的设置位置，仅为一种示例说明，任何一种可达成量测三轴加速度以及压力的电容布局设计，皆可应用于本发明中。综上所陈，本发明所提供的微机电传感器的主要技术特征在于，将用以量测压力的封闭腔室及压力感测薄膜整合设置于量测加速度用的质量块中，因此所提供的传感器兼具压力量测以及加速度量测的功能，也因为不需采用二个分别量测压力及加速度的微机电传感器，因此可相对减少体积。最后，必须再次说明，本发明于前揭实施例中所揭露的构成元件，仅为举例说明，并非用来限制本发明的范围，其它等效元件的替代或变化，亦应为本发明的权利要求书的保护范围所涵盖。
权利要求
1.一种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，其特征在于，包含有一框架；多个弹性支撑臂，各该弹性支撑臂的一端衔接于该框架；一质量块，衔接于各该弹性支撑臂的另一端而悬置于该框架中，该质量块具有一压力感测薄膜以及位于该薄膜下方的封闭腔室。
2.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，包含有一底层以及一结合于该底层的顶层；该顶层具有该弹性支撑臂，以及一与该弹性支撑臂的另一端连接并具有该压力感测薄膜的中央部位；该底层具有一与该顶层中央部位对应的中央部位，通过此，该顶层的中央部位与该底层的中央部位形成该质量块，且该封闭腔室位于该顶层中央部位的压力感测薄膜与该底层中央部位之间。
3.如权利要求2所述的微机电传感器，其特征在于，所述各弹性支撑臂上设置有用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有用以量测压力的电阻。
4.如权利要求2所述的微机电传感器，其特征在于，所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该顶层中央部位的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该顶层中央部位的另二相对侧边。
5.如权利要求4所述的微机电传感器，其特征在于，所述第一对弹性支撑臂上设置有一组四个用以量测加速度的电阻，该第二对弹性支撑臂上设置有二组、每组四个用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有一组四个用以量测压力的电阻。
6.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该质量块的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该质量块的另二相对侧边。
7.如权利要求6所述的微机电传感器，其特征在于，所述第一对弹性支撑臂上设置有一组四个用以量测加速度的电阻，该第二对弹性支撑臂上设置有二组每组四个用以量测加速度的电阻，且该压力感测薄膜上设置有一组四个用以量测压力的电阻。
8.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，包含有一底层以及一结合于该底层的顶层；该顶层具有该弹性支撑臂，一与该弹性支撑臂的另一端连接并具有该压力感测薄膜的中央部位，以及一围绕该中央部位并与该中央部位连接的周边部位；该底层具有一与该顶层中央部位对应的中央部位，以及一与该顶层周边部位对应的周边部位，通过此，该顶层的中央及周边部位与该底层的中央及周边部位形成该质量块，且该封闭腔室位于该顶层中央部位的压力感测薄膜与该底层中央部位之间。
9.如权利要求8所述的微机电传感器，其特征在于，所述顶层的中央及周边部位设置有用以量测加速度的电容电极，且该压力感测薄膜上设置有用以量测压力的电容电极。
10.如权利要求9所述的微机电传感器，其特征在于，还包含有一盖体，结合于该顶层的顶面，该盖体的底面设有一接地电极，该接地电极间隔地面对该顶层的该电容电极。
11.如权利要求8所述的微机电传感器，其特征在于，所述弹性支撑臂包含有一第一对弹性支撑臂，呈直线状对应地分别衔接于该顶层中央部位的二相对侧边，以及一第二对弹性支撑臂，呈直线状对应且与该第一对弹性支撑臂垂直地分别衔接于该顶层中央部位的另二相对侧边。
全文摘要
本发明公开了一种可同时量测加速度及压力的微机电传感器，包含有一框架、一质量块以及多个连接于该框架与该质量块之间的弹性支撑臂，使该质量块可悬置于该框架中，此外，该质量块具有一压力感测薄膜以及位于该薄膜下方的封闭腔室。通过此，该质量块除了本身可作为量测加速度用的可动感测元件之外，通过设于该质量块中的腔室以及该压力感测薄膜，可提供压力量测的功能。
文档编号G01P15/12GK102408089SQ20101028931
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者冈田和广, 吴名清, 白金泉, 黄志恭 申请人:冈田和广, 利顺精密科技股份有限公司