專(zhuān)利名稱(chēng)：：微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件及麥克風(fēng)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種薄膜感應(yīng)構(gòu)件，特別是涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)的感應(yīng)構(gòu)件及具有該感應(yīng)構(gòu)件的麥克風(fēng)元件。冃夙漢不MEMS技術(shù)常應(yīng)用于制造鵬動(dòng)器(actuator)及敏則器(sensor)等元件，戶(hù)腿元件主要具有一薄膜結(jié)構(gòu)，并借由薄膜產(chǎn)生震動(dòng)作為訊號(hào)轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，所以薄膜的震動(dòng)敏感度為影響所述元件品質(zhì)優(yōu)劣的重要因素之一。如圖1所示，以應(yīng)用于麥克風(fēng)元件的感應(yīng)構(gòu)件9為例，感應(yīng)構(gòu)件9包括一薄膜91及多數(shù)個(gè)連接薄膜91與基材90的支撐體92，薄膜91與所述支撐體92通常是由在基材90上直接蝕刻所形成，所以薄膜91與支撐體92具有相同的厚度。然而，一般電容式麥克風(fēng)元件是利用薄膜91受聲音震動(dòng)時(shí)會(huì)使薄膜91與一外加電極板(圖未示)間的電容產(chǎn)生變化而將電容的變化轉(zhuǎn)換為訊號(hào)，麥克風(fēng)元件的靈敏度(Smicrophone)可由機(jī)械靈敏度(mechanicalsensitivity,Smechanical)與電訊靈^C^(electricalsensitivity,Selectrical)兩者取得，如下式所示其中機(jī)械靈驗(yàn)取決于薄膜91的厚度，厚度越薄則機(jī)械靈敏度越高；電訊靈敏度則取決于支撐體92的厚度，若支撐體92的厚度太薄，會(huì)導(dǎo)致出平面(out-of-plane)剛性不足，在低電壓即會(huì)發(fā)生靜電崩潰5嫁(Pull-in)，所以支撐體92的厚度較厚時(shí)，可具有較高的崩潰電壓，貝脂鎮(zhèn)有較佳的電訊靈驗(yàn)。由于此感應(yīng)構(gòu)件9的結(jié)構(gòu)，其薄膜91與支撐體92的厚度大致相同，若M^厚度雖可提高機(jī)械靈敏度，但是同時(shí)卻會(huì)降低電訊靈tM，相反地，若增加厚度雖可提高電訊靈,但是同時(shí)卻會(huì)降低機(jī)械靈敏度，因此而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)厚度上的矛盾。另一方面，由于薄膜91具有高表面積與厚度比的特性，容易受到殘余應(yīng)力(residualstress)的影響，導(dǎo)致薄膜91及支撐體92產(chǎn)生起始變形甚至挫曲行為(bucklingbehavior)。若殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力(compressivestress)時(shí)，薄膨l將受到向內(nèi)擠壓的力量而產(chǎn)生起始變形，當(dāng)壓應(yīng)力的大小大過(guò)于臨界壓力時(shí)，會(huì)使薄膜91發(fā)生挫曲行為，而起始變形與挫曲行為都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械靈敏度大幅下降。當(dāng)殘余應(yīng)力為張應(yīng)力(tensilestress)時(shí)，薄膜91雖然不會(huì)變形，但薄膜91本身的結(jié)構(gòu)剛性會(huì)受到張應(yīng)力的作用而增加，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械靈敏度下降。由上所述，如何使感應(yīng)構(gòu)件的支撐體在出平面方向上具有足夠的支撐剛性(stiffiiess)，且能釋放薄膜的殘余應(yīng)力(stressrelieve),以能同時(shí)增加感應(yīng)構(gòu)件的電訊靈敏度及機(jī)械靈敏度，仍然有改進(jìn)的空間。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在提供一種在出平面方向上具有足夠的支撐剛性，且能釋放薄膜的殘余應(yīng)力的感應(yīng)構(gòu)件。本發(fā)明的另一目的，是在提供一種可以同時(shí)提升機(jī)械靈敏度及電訊靈敏度的麥克風(fēng)元件。本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，包括一基材、一薄膜及多數(shù)支撐體；該基材形成有一開(kāi)孔，該薄膜位于該開(kāi)孔處并與該基材相間隔，所述支撐體圍繞該薄膜設(shè)置，且連接于該薄膜與該基材間用以支撐該薄膜；其特征在于各該支撐體具有一凹面朝向該薄膜的曲弧段、一由該曲弧段的中間區(qū)域凸伸至該膈膜的連接段，及二分別由該曲弧段兩端彎折延伸至該基材的固持段。各該曲弧段具有一垂直方向及一水平方向，該垂直方向與該薄膜的平面方向概呈垂直，且該水平方向與該薄膜的平面方向概呈平行。各該曲弧段在該垂直方向具有一厚度值，定義為th，并在該水平方向具有一寬度值，定義為w，其中，以tt/w^3為較佳，4頓時(shí)可依制程技術(shù)決定Vw的比例，比例越高者為佳。而以目前微機(jī)電制程技術(shù)而言，w〈3nm為較佳。前述感應(yīng)構(gòu)件可借由一般微機(jī)電系統(tǒng)的制程技術(shù)律怖，并適用于利用薄膜震動(dòng)作為訊號(hào)轉(zhuǎn)換介質(zhì)的微機(jī)電系統(tǒng)元件。本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)的麥克風(fēng)元件即包括前述感應(yīng)構(gòu)件。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的感應(yīng)構(gòu)件所包括的支撐體具有彎曲形的曲弧段，倉(cāng),在出平面(out-of-plane)方向上具有足夠的支撐剛性，可延遲崩潰現(xiàn)象的發(fā)生，以增加電訊靈驗(yàn)；且在同平面(in-plane)方向上具有足夠的撓性(flexibility),可吸收并釋放殘余應(yīng)力，使薄膜有平坦的表面，以增加機(jī)械靈敏度，所以以其應(yīng)用于麥克風(fēng)元件^&到同時(shí)提升電訊靈敏度與機(jī)械靈敏度的功效。圖1是一示意圖，說(shuō)明一現(xiàn)有的感應(yīng)構(gòu)件；圖2是一示意圖，說(shuō)明本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件的一較佳實(shí)施例；圖3是一圖2的局部示意圖，說(shuō)明該較佳實(shí)施例的一支撐體；圖4是一示意圖，說(shuō)明該較佳實(shí)施例的一薄膜受殘余壓應(yīng)力作用時(shí)，該支撐體的受力情形；圖5是一示意圖，說(shuō)明該薄膜受殘余張應(yīng)力作用時(shí)，該支撐體的受力情形；圖6是一示意圖，說(shuō)明應(yīng)用該較佳實(shí)施例的一麥克風(fēng)元件；圖7是一示意圖，說(shuō)明本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件的一實(shí)驗(yàn)例；圖8是一局部放大圖，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)例的一支撐體；圖9是一示意圖，說(shuō)明本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件的一比較例；圖10是一局部放大圖，說(shuō)明該比較例的一支撐體；圖11是一以COVENTORWAVE商用軟件模擬感應(yīng)構(gòu)件受殘余應(yīng)力影響的圖像，說(shuō)明模擬例1(現(xiàn)有感應(yīng)構(gòu)件)的模擬圖像；圖12是一以COVENTORWAVE商用軟件模擬感應(yīng)構(gòu)件受殘余應(yīng)力影響的圖像，說(shuō)明模擬例2(本發(fā)明感應(yīng)構(gòu)件)的模擬圖像；圖13是一實(shí)驗(yàn)例的顯微影像；圖14是一說(shuō)明實(shí)驗(yàn)例利用光學(xué)干涉條紋測(cè)試薄膜變形量的測(cè)量結(jié)果；圖15是一比較例的顯微影像；及圖16是一說(shuō)明比較例禾,光學(xué)干涉條紋觀賦薄膜變形量的領(lǐng)懂結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明參閱圖2與圖3，本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件的一較佳實(shí)施例。感應(yīng)構(gòu)件1包括一基材2、一薄膜3及多數(shù)支撐體4?；?形成有一開(kāi)L21，薄膜3位于開(kāi)孔21處并與基材2相間隔，所述支撐體4圍繞薄膜3設(shè)置，且連接于薄膜3與基材2間用以支撐薄膜3。各支撐體4具有一凹面朝向薄膜3的曲弧段41、一由曲弧段41的中間區(qū)域凸伸至薄膜3的連接段42，及二分別由曲弧段41兩端彎折延伸至St才25的固持段43。如圖3所示，各曲弧段41具有一與薄膜3的平面方向概呈垂直的垂直方向411，且在垂直方向411上具有一厚度值(定義為&)。各曲弧段41并具有一與薄膜3的平面方向te平行的水平方向412，且在水平方向412上具有一寬度值(定義為vi;)。如下列算式所示，計(jì)算曲弧段41在垂直方向411的彎曲剛性(以&表示)，以及水平方向412的彎曲剛性(以&表示)，其中，￡表示材料的楊氏系數(shù)，/表示曲弧段41的長(zhǎng)度。................................式(l)—W.w3式(2)廣""^................................&=《式(3)2如式(3)所示，若^/^的比働大，標(biāo)支撐體4在垂直方向411(亦即出平面方向)的支撐剛性越好，且在7K平方向412(亦即同平面方向)的撓性較佳，可吸收殘余應(yīng)力的效果越好，以目前微機(jī)電制程技術(shù)的可行性#*，若Vw〉3可使尺/A>9，其中w以小于3微米為較佳，即能寸妓撐體4在出平面方向具有較佳的支撐剛性，可避免崩潰現(xiàn)象以提升電訊靈敏度，且在同平面方向具有較佳的撓性，可吸收殘余張應(yīng)力避免影響機(jī)，其可吸收殘余張應(yīng)力的原理于下段中進(jìn)一步說(shuō)明。由于支撐淋的固持段43分別位于曲弧段41的兩端側(cè)，且曲弧段41的凹面朝向薄膨，當(dāng)薄膜3受到殘余壓應(yīng)力作用產(chǎn)生向內(nèi)擠壓的力量時(shí)，會(huì)使支撐#4的曲弧段41受到往薄膜3方向的拉力(如圖4中多數(shù)個(gè)平行箭頭所示的方向)，有如在曲弧段41的凸面?zhèn)仁┝?，曲弧?1在此受力方向不易變形，所以能支撐薄膜3保持平坦不變形。然而，當(dāng)薄膨受到殘余張應(yīng)力作用產(chǎn)生往外擴(kuò)張的力量時(shí)，曲弧段41會(huì)受到薄膜3的推力(如圖5中多數(shù)個(gè)平行箭頭所示的方向)，由于曲弧段41在凹面?zhèn)仁芰r(shí)容易產(chǎn)生變形，如圖5所示，曲弧段41'為變形后的位置，借由曲弧段41產(chǎn)生變形可具有吸收殘余張應(yīng)力的效果。因此，當(dāng)薄膜3受到殘余壓應(yīng)力或張應(yīng)力作用時(shí)，支撐#4均具有釋放殘余應(yīng)力的功能，使薄膨的機(jī)械靈驗(yàn)不受殘余應(yīng)力的影響，而能較現(xiàn)有的感應(yīng)構(gòu)件具有更良好的機(jī)械靈敏度。參閱圖6，若要形成麥克販件10，可在感應(yīng)構(gòu)件l上層形成背板(backplate)11，即可形成麥克風(fēng)元件10的基本結(jié)構(gòu)。本發(fā)明感應(yīng)構(gòu)件1及麥克風(fēng)元件10可利用現(xiàn)有的制造微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)元件的制程技術(shù)制作，此部份已為業(yè)界所周知，在此不再詳述。殘余應(yīng)力對(duì)薄膜變形量的影響模擬測(cè)試禾傭商用模擬軟^COVENTORWAVE(MEMSCAP公司所開(kāi)發(fā))模擬在相同的殘余應(yīng)力作用下，不同的薄膜支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于薄膜變形量及感應(yīng)構(gòu)件的崩潰電壓的影響。模擬例l是模擬現(xiàn)有的感應(yīng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)(可參見(jiàn)圖l)，包括一薄膜及四個(gè)支撐體，設(shè)定薄膜直徑為670拜、厚度為lnm，設(shè)定其支撐體長(zhǎng)度為100Mm、寬度為28阿，模擬婦OMPa壓應(yīng)力時(shí)，計(jì)算出薄膜變形量為2.4Mm，崩潰電壓(pull-involtage)為8.5V。模擬例2是模擬本發(fā)明感應(yīng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)(可參見(jiàn)圖2)，包括一薄膜及四個(gè)支撐體，設(shè)定薄膜尺寸與模擬例l相同，設(shè)定支撐體卜100Mm、w=2Mm、^6pm，模擬在20MPa壓應(yīng)力時(shí)，計(jì)算出薄膜變形量為0.02(jm，崩潰電壓(pull-involtage)為19.75V。模擬例3設(shè)定劍牛與模擬例2大致相同，但是，支撐體數(shù)量設(shè)定為八個(gè)，計(jì)算出薄膜變形量為0.034Mm，崩潰電壓(pull-involtage)為29.25V。模擬結(jié)果整理如下表l所示，軟件顯示的模擬結(jié)果圖像可參見(jiàn)圖11及圖12(僅以模擬例l、2代表)。由表l顯示本發(fā)明的感應(yīng)構(gòu)件(模擬例2、3)能有效吸收殘余應(yīng)九且能提高出平面方向的支撐剛性，而相較于現(xiàn)有的感應(yīng)構(gòu)件(模擬例l)倉(cāng)巨大幅降低薄膜變形量，且能大幅提高崩潰電壓，再者，若應(yīng)用于大面積薄膜時(shí)，可視薄膜面積增加支撐體的數(shù)量，可具有更佳的效果。表l模擬例殘余應(yīng)力薄膜變形量崩潰電壓1-20MPa2.4[om8.5V7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)驗(yàn)例&比較例參閱圖7，實(shí)驗(yàn)例是在一多晶硅(polysilicon)的基材5上形成包括1浮的剛體61及四個(gè)用以支撐剛體61的本發(fā)明支撐體62，由于剛體61不會(huì)因受力而變形，所以能斜蟲(chóng)量測(cè)支撐淋2所展現(xiàn)的變形量，在此實(shí)驗(yàn)例中特意增加連接段621的長(zhǎng)度，以禾傭光學(xué)干涉儀測(cè)量其中的一連接段621的變形量，借彪見(jiàn)察支撐#62結(jié)構(gòu)受殘余應(yīng)力影響的程度，圖8所示為依據(jù)顯微影像照片所描繪的其中之一支撐淋2的局部放大圖，其實(shí)際影像照片請(qǐng)參圖13。參閱圖9，比較例是在同一多晶硅的基材5上形成長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)例的支撐體62的連接段621(參見(jiàn)圖7)相同的現(xiàn)有支撐體71，所述支撐體71同樣支撐與實(shí)驗(yàn)例相同大小的剛體72，并以相同實(shí)驗(yàn)例的方式測(cè)量支撐體71的變形量。圖10所示為依據(jù)顯微影像照片所描繪的其中之一支撐體71的局部放大圖，其實(shí)際影像照片請(qǐng)參閱圖15。由于實(shí)驗(yàn)例與比較例是形成在同一S^5上而具有相同的殘余應(yīng)力，借由光學(xué)干涉儀分別觀糧實(shí)驗(yàn)例的連接段621與比較例的支撐體71的變形量，可比較在相同殘余應(yīng)力的作用下，實(shí)驗(yàn)例與比較例的支撐體結(jié)構(gòu)受殘余應(yīng)力影響的程度，變形量越大表示受殘余應(yīng)力影響越嚴(yán)重。光學(xué)干涉儀的量測(cè)結(jié)果可參閱圖14(實(shí)驗(yàn)例)及圖16(比較例)。由領(lǐng)懂結(jié)果可知，在50MPa殘余壓應(yīng)力下(由基材5觀i勝)，實(shí)驗(yàn)例的連接段621的變形量約0.087Mm，而比較例的支撐體71的變形量約8Mm，顯示本發(fā)明彎曲形的支撐結(jié)構(gòu)相較于現(xiàn)有的支撐結(jié)構(gòu)，能夠大幅減少殘余應(yīng)力對(duì)薄膜變形的影響，與模擬結(jié)果相符合。綜上所述，本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，借由彎曲形結(jié)構(gòu)的支撐體，可大幅降低殘余應(yīng)力對(duì)薄膜的影響，并在出平面方向上具有良好的支撐剛性，會(huì),大幅提升崩潰電壓，而能增加感應(yīng)構(gòu)件的機(jī)械靈敏度及電訊靈敏度，所以確實(shí)能達(dá)到本發(fā)明的目的。權(quán)利要求1.一種微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，包括一基材、一薄膜及多數(shù)支撐體；該基材形成有一開(kāi)孔，該薄膜位于該開(kāi)孔處并與該基材相間隔，所述支撐體圍繞該薄膜設(shè)置，且連接于該薄膜與該基材間用以支撐該薄膜；其特征在于各該支撐體具有一凹面朝向該薄膜的曲弧段、一由該曲弧段的中間區(qū)域凸伸至該膈膜的連接段，及二分別由該曲弧段兩端彎折延伸至該基材的固持段。2.如權(quán)利要求l所述的微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，其特征在于各該曲弧段具有一垂直方向及一水平方向，該垂直方向與該薄膜的平面方向概呈垂直，且該水平方向與該薄膜的平面方向概呈平行；各該曲弧段在該垂直方向具有一厚度值，定義為th，并在該水平方向具有一寬度值，定義為w，其中，Vw3。3.如權(quán)利要求l所述的微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，其特征在于w<3//m。4.一種微機(jī)電系統(tǒng)的麥克i^件，包括一如權(quán)利要求13項(xiàng)的任一項(xiàng)所述的感應(yīng)構(gòu)件。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種微機(jī)電系統(tǒng)的感應(yīng)構(gòu)件，包括一基材、一薄膜及多數(shù)支撐體。該基材形成有一開(kāi)孔，該薄膜位于該開(kāi)孔處并與該基材相間隔，所述支撐體圍繞該薄膜設(shè)置，且連接于該薄膜與該基材間用以支撐該薄膜。其特征在于各該支撐體具有一凹面朝向該薄膜的曲弧段、一由該曲弧段的中間區(qū)域凸伸至該薄膜的連接段，及二分別由該曲弧段兩端彎折延伸至該基材的固持段。該支撐體可有效吸收殘余應(yīng)力對(duì)薄膜的影響，且在出平面方向上具有良好的支撐剛性，而能增加該感應(yīng)構(gòu)件的靈敏度。文檔編號(hào)B81B7/00GK101633489SQ20081013537公開(kāi)日2010年1月27日申請(qǐng)日期2008年7月25日優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日發(fā)明者吳名清,曾明溪申請(qǐng)人:亞太優(yōu)勢(shì)微系統(tǒng)股份有限公司