专利名称：：微机电系统的感应构件及麦克风元件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种薄膜感应构件，特别是涉及一种微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)的感应构件及具有该感应构件的麦克风元件。冃夙汉不MEMS技术常应用于制造鹏动器(actuator)及敏则器(sensor)等元件，戶腿元件主要具有一薄膜结构，并借由薄膜产生震动作为讯号转换的介质，所以薄膜的震动敏感度为影响所述元件品质优劣的重要因素之一。如图1所示，以应用于麦克风元件的感应构件9为例，感应构件9包括一薄膜91及多数个连接薄膜91与基材90的支撑体92，薄膜91与所述支撑体92通常是由在基材90上直接蚀刻所形成，所以薄膜91与支撑体92具有相同的厚度。然而，一般电容式麦克风元件是利用薄膜91受声音震动时会使薄膜91与一外加电极板(图未示)间的电容产生变化而将电容的变化转换为讯号，麦克风元件的灵敏度(Smicrophone)可由机械灵敏度(mechanicalsensitivity,Smechanical)与电讯灵^C^(electricalsensitivity,Selectrical)两者取得，如下式所示其中机械灵驗取决于薄膜91的厚度，厚度越薄则机械灵敏度越高；电讯灵敏度则取决于支撑体92的厚度，若支撑体92的厚度太薄，会导致出平面(out-of-plane)刚性不足，在低电压即会发生静电崩溃5嫁(Pull-in)，所以支撑体92的厚度较厚时，可具有较高的崩溃电压，贝脂镇有较佳的电讯灵驗。由于此感应构件9的结构，其薄膜91与支撑体92的厚度大致相同，若M^厚度虽可提高机械灵敏度，但是同时却会降低电讯灵tM，相反地，若增加厚度虽可提高电讯灵,但是同时却会降低机械灵敏度，因此而导致在设计厚度上的矛盾。另一方面，由于薄膜91具有高表面积与厚度比的特性，容易受到残余应力(residualstress)的影响，导致薄膜91及支撑体92产生起始变形甚至挫曲行为(bucklingbehavior)。若残余应力为压应力(compressivestress)时，薄膨l将受到向内挤压的力量而产生起始变形，当压应力的大小大过于临界压力时，会使薄膜91发生挫曲行为，而起始变形与挫曲行为都会导致机械灵敏度大幅下降。当残余应力为张应力(tensilestress)时，薄膜91虽然不会变形，但薄膜91本身的结构刚性会受到张应力的作用而增加，也会导致机械灵敏度下降。由上所述，如何使感应构件的支撑体在出平面方向上具有足够的支撑刚性(stiffiiess)，且能释放薄膜的残余应力(stressrelieve),以能同时增加感应构件的电讯灵敏度及机械灵敏度，仍然有改进的空间。
发明内容本发明的目的是在提供一种在出平面方向上具有足够的支撑刚性，且能释放薄膜的残余应力的感应构件。本发明的另一目的，是在提供一种可以同时提升机械灵敏度及电讯灵敏度的麦克风元件。本发明微机电系统的感应构件，包括一基材、一薄膜及多数支撑体；该基材形成有一开孔，该薄膜位于该开孔处并与该基材相间隔，所述支撑体围绕该薄膜设置，且连接于该薄膜与该基材间用以支撑该薄膜；其特征在于各该支撑体具有一凹面朝向该薄膜的曲弧段、一由该曲弧段的中间区域凸伸至该膈膜的连接段，及二分别由该曲弧段两端弯折延伸至该基材的固持段。各该曲弧段具有一垂直方向及一水平方向，该垂直方向与该薄膜的平面方向概呈垂直，且该水平方向与该薄膜的平面方向概呈平行。各该曲弧段在该垂直方向具有一厚度值，定义为th，并在该水平方向具有一宽度值，定义为w，其中，以tt/w^3为较佳，4顿时可依制程技术决定Vw的比例，比例越高者为佳。而以目前微机电制程技术而言，w〈3nm为较佳。前述感应构件可借由一般微机电系统的制程技术律怖，并适用于利用薄膜震动作为讯号转换介质的微机电系统元件。本发明的微机电系统的麦克风元件即包括前述感应构件。本发明的有益效果在于本发明的感应构件所包括的支撑体具有弯曲形的曲弧段，倉,在出平面(out-of-plane)方向上具有足够的支撑刚性，可延迟崩溃现象的发生，以增加电讯灵驗；且在同平面(in-plane)方向上具有足够的挠性(flexibility),可吸收并释放残余应力，使薄膜有平坦的表面，以增加机械灵敏度，所以以其应用于麦克风元件^&到同时提升电讯灵敏度与机械灵敏度的功效。图1是一示意图，说明一现有的感应构件；图2是一示意图，说明本发明微机电系统的感应构件的一较佳实施例；图3是一图2的局部示意图，说明该较佳实施例的一支撑体；图4是一示意图，说明该较佳实施例的一薄膜受残余压应力作用时，该支撑体的受力情形；图5是一示意图，说明该薄膜受残余张应力作用时，该支撑体的受力情形；图6是一示意图，说明应用该较佳实施例的一麦克风元件；图7是一示意图，说明本发明微机电系统的感应构件的一实验例；图8是一局部放大图，说明该实验例的一支撑体；图9是一示意图，说明本发明微机电系统的感应构件的一比较例；图10是一局部放大图，说明该比较例的一支撑体；图11是一以COVENTORWAVE商用软件模拟感应构件受残余应力影响的图像，说明模拟例1(现有感应构件)的模拟图像；图12是一以COVENTORWAVE商用软件模拟感应构件受残余应力影响的图像，说明模拟例2(本发明感应构件)的模拟图像；图13是一实验例的显微影像；图14是一说明实验例利用光学干涉条纹测试薄膜变形量的测量结果；图15是一比较例的显微影像；及图16是一说明比较例禾,光学干涉条纹观赋薄膜变形量的领懂结果。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明参阅图2与图3，本发明微机电系统的感应构件的一较佳实施例。感应构件1包括一基材2、一薄膜3及多数支撑体4。基材2形成有一开L21，薄膜3位于开孔21处并与基材2相间隔，所述支撑体4围绕薄膜3设置，且连接于薄膜3与基材2间用以支撑薄膜3。各支撑体4具有一凹面朝向薄膜3的曲弧段41、一由曲弧段41的中间区域凸伸至薄膜3的连接段42，及二分别由曲弧段41两端弯折延伸至St才25的固持段43。如图3所示，各曲弧段41具有一与薄膜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(定义为&)。各曲弧段41并具有一与薄膜3的平面方向te平行的水平方向412，且在水平方向412上具有一宽度值(定义为vi;)。如下列算式所示，计算曲弧段41在垂直方向411的弯曲刚性(以&表示)，以及水平方向412的弯曲刚性(以&表示)，其中，￡表示材料的杨氏系数，/表示曲弧段41的长度。................................式(l)—W.w3式(2)广""^................................&=《式(3)2如式(3)所示，若^/^的比働大，标支撑体4在垂直方向411(亦即出平面方向)的支撑刚性越好，且在7K平方向412(亦即同平面方向)的挠性较佳，可吸收残余应力的效果越好，以目前微机电制程技术的可行性#*，若Vw〉3可使尺/A>9，其中w以小于3微米为较佳，即能寸妓撑体4在出平面方向具有较佳的支撑刚性，可避免崩溃现象以提升电讯灵敏度，且在同平面方向具有较佳的挠性，可吸收残余张应力避免影响机，其可吸收残余张应力的原理于下段中进一步说明。由于支撑淋的固持段43分别位于曲弧段41的两端侧，且曲弧段41的凹面朝向薄膨，当薄膜3受到残余压应力作用产生向内挤压的力量时，会使支撑#4的曲弧段41受到往薄膜3方向的拉力(如图4中多数个平行箭头所示的方向)，有如在曲弧段41的凸面侧施力，曲弧段41在此受力方向不易变形，所以能支撑薄膜3保持平坦不变形。然而，当薄膨受到残余张应力作用产生往外扩张的力量时，曲弧段41会受到薄膜3的推力(如图5中多数个平行箭头所示的方向)，由于曲弧段41在凹面侧受力时容易产生变形，如图5所示，曲弧段41'为变形后的位置，借由曲弧段41产生变形可具有吸收残余张应力的效果。因此，当薄膜3受到残余压应力或张应力作用时，支撑#4均具有释放残余应力的功能，使薄膨的机械灵驗不受残余应力的影响，而能较现有的感应构件具有更良好的机械灵敏度。参阅图6，若要形成麦克贩件10，可在感应构件l上层形成背板(backplate)11，即可形成麦克风元件10的基本结构。本发明感应构件1及麦克风元件10可利用现有的制造微机电系统麦克风元件的制程技术制作，此部份已为业界所周知，在此不再详述。残余应力对薄膜变形量的影响模拟测试禾佣商用模拟软^COVENTORWAVE(MEMSCAP公司所开发)模拟在相同的残余应力作用下，不同的薄膜支撑结构对于薄膜变形量及感应构件的崩溃电压的影响。模拟例l是模拟现有的感应构件的结构(可参见图l)，包括一薄膜及四个支撑体，设定薄膜直径为670拜、厚度为lnm，设定其支撑体长度为100Mm、宽度为28阿，模拟妇OMPa压应力时，计算出薄膜变形量为2.4Mm，崩溃电压(pull-involtage)为8.5V。模拟例2是模拟本发明感应构件的结构(可参见图2)，包括一薄膜及四个支撑体，设定薄膜尺寸与模拟例l相同，设定支撑体卜100Mm、w=2Mm、^6pm，模拟在20MPa压应力时，计算出薄膜变形量为0.02(jm，崩溃电压(pull-involtage)为19.75V。模拟例3设定劍牛与模拟例2大致相同，但是，支撑体数量设定为八个，计算出薄膜变形量为0.034Mm，崩溃电压(pull-involtage)为29.25V。模拟结果整理如下表l所示，软件显示的模拟结果图像可参见图11及图12(仅以模拟例l、2代表)。由表l显示本发明的感应构件(模拟例2、3)能有效吸收残余应九且能提高出平面方向的支撑刚性，而相较于现有的感应构件(模拟例l)倉巨大幅降低薄膜变形量，且能大幅提高崩溃电压，再者，若应用于大面积薄膜时，可视薄膜面积增加支撑体的数量，可具有更佳的效果。表l模拟例残余应力薄膜变形量崩溃电压1-20MPa2.4[om8.5V7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实验例&比较例参阅图7，实验例是在一多晶硅(polysilicon)的基材5上形成包括1浮的刚体61及四个用以支撑刚体61的本发明支撑体62，由于刚体61不会因受力而变形，所以能斜虫量测支撑淋2所展现的变形量，在此实验例中特意增加连接段621的长度，以禾佣光学干涉仪测量其中的一连接段621的变形量，借彪见察支撑#62结构受残余应力影响的程度，图8所示为依据显微影像照片所描绘的其中之一支撑淋2的局部放大图，其实际影像照片请参图13。参阅图9，比较例是在同一多晶硅的基材5上形成长度与实验例的支撑体62的连接段621(参见图7)相同的现有支撑体71，所述支撑体71同样支撑与实验例相同大小的刚体72，并以相同实验例的方式测量支撑体71的变形量。图10所示为依据显微影像照片所描绘的其中之一支撑体71的局部放大图，其实际影像照片请参阅图15。由于实验例与比较例是形成在同一S^5上而具有相同的残余应力，借由光学干涉仪分别观糧实验例的连接段621与比较例的支撑体71的变形量，可比较在相同残余应力的作用下，实验例与比较例的支撑体结构受残余应力影响的程度，变形量越大表示受残余应力影响越严重。光学干涉仪的量测结果可参阅图14(实验例)及图16(比较例)。由领懂结果可知，在50MPa残余压应力下(由基材5观i勝)，实验例的连接段621的变形量约0.087Mm，而比较例的支撑体71的变形量约8Mm，显示本发明弯曲形的支撑结构相较于现有的支撑结构，能够大幅减少残余应力对薄膜变形的影响，与模拟结果相符合。综上所述，本发明微机电系统的感应构件，借由弯曲形结构的支撑体，可大幅降低残余应力对薄膜的影响，并在出平面方向上具有良好的支撑刚性，會,大幅提升崩溃电压，而能增加感应构件的机械灵敏度及电讯灵敏度，所以确实能达到本发明的目的。权利要求1.一种微机电系统的感应构件，包括一基材、一薄膜及多数支撑体；该基材形成有一开孔，该薄膜位于该开孔处并与该基材相间隔，所述支撑体围绕该薄膜设置，且连接于该薄膜与该基材间用以支撑该薄膜；其特征在于各该支撑体具有一凹面朝向该薄膜的曲弧段、一由该曲弧段的中间区域凸伸至该膈膜的连接段，及二分别由该曲弧段两端弯折延伸至该基材的固持段。2.如权利要求l所述的微机电系统的感应构件，其特征在于各该曲弧段具有一垂直方向及一水平方向，该垂直方向与该薄膜的平面方向概呈垂直，且该水平方向与该薄膜的平面方向概呈平行；各该曲弧段在该垂直方向具有一厚度值，定义为th，并在该水平方向具有一宽度值，定义为w，其中，Vw3。3.如权利要求l所述的微机电系统的感应构件，其特征在于w<3//m。4.一种微机电系统的麦克i^件，包括一如权利要求13项的任一项所述的感应构件。全文摘要本发明公开了一种微机电系统的感应构件，包括一基材、一薄膜及多数支撑体。该基材形成有一开孔，该薄膜位于该开孔处并与该基材相间隔，所述支撑体围绕该薄膜设置，且连接于该薄膜与该基材间用以支撑该薄膜。其特征在于各该支撑体具有一凹面朝向该薄膜的曲弧段、一由该曲弧段的中间区域凸伸至该薄膜的连接段，及二分别由该曲弧段两端弯折延伸至该基材的固持段。该支撑体可有效吸收残余应力对薄膜的影响，且在出平面方向上具有良好的支撑刚性，而能增加该感应构件的灵敏度。文档编号B81B7/00GK101633489SQ20081013537公开日2010年1月27日申请日期2008年7月25日优先权日2008年7月25日发明者吴名清,曾明溪申请人:亚太优势微系统股份有限公司