CN101666813B

CN101666813B - 电容式多轴加速度计

Info

Publication number: CN101666813B
Application number: CN 200810179780
Authority: CN
Inventors: 简欣堂; 许郁文; 陈士
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: CN101666813A

Abstract

一种电容式多轴加速度计，其主要是在基板上的支撑基座间设有第一质量块，此第一质量块是透过两悬臂以非对称的方式悬挂设置在支撑基座上，以感测垂直于基板方向的第一方向加速度；在第一质量块内，设置有第二质量块，此第二质量块是透过弹簧组被悬挂设置在第一质量块上，以感测平行于基板方向的第二方向加速度；在第二质量块内，亦可设置有第三质量块，此第三质量块透过弹簧组被悬挂设置在第二质量块上，以感测第三方向的加速度。其中，第一方向、第二方向和第三方向彼此正交。本发明可有效提高电容式多轴加速度计的线性度、降低它轴的灵敏度与感测结构的尺寸，优越的性能将满足例如游戏机、手机与3D指向器等消费性产品和传统汽车安全应用的需求。

Description

电容式多轴加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度感测芯片的结构。

背景技术

用于汽车安全系统的加速度计，可以用来侦测一些冲撞意外事件的发生，以控制一些装置来保护乘客，例如安全气囊的引爆控制；也可以用来感测像是太空船、飞机、和其他物体的加速度、外力或是姿态；近年随着低加速度范围的加速度计在消费性电子产品与汽车应用上的扩散和普及，具有高灵敏度、高线性度、低它轴灵敏度、低杂讯、和可侦测多轴向加速度的加速度计也已形成一种技术性能趋势。除了性能需求外，如何降低这些加速度传感器的体积和硬体成本，也是设计时必需考量的必要条件。

大多数的微型惯性感测元件，特别是用来感测加速度的元件(例如：加速计)，基于优选的温度特性需求考量，都是采用电容式的感测结构设计，利用半导体工艺技术和微机电工艺技术来实现批次制作的生产目标。但由于目前加速计常常被使用在像是游戏机、硬碟、移动电话、个人数字助理、口袋型电脑等可携式的消费性行动装置中，因此芯片体积的大小是一个非常重要的设计考量与趋势，虽然许多感测元件的体积可以不断透过设计加上制作技术的进步来持续缩小，但是大多数已生产市售的电容式加速度计都是以各感测轴独立的感测结构方式来实现，这种设计方式在性能需求和尺寸需求上是比较难以同时被满足。虽然目前已有少数专利在探讨微型的三轴加速度传感器的结构。例如在美国专利第6,845,670号专利中，就提供了三轴加速度传感器的结构。

然而，在美国专利第6,845,670号专利中，由于三个方向轴的加速度的感测都是共用一组弹簧(Spring)来完成，在制作误差发生时，会造成三个方向轴的分量在使用时会比较容易有较高的它轴影响状况发生，并且其在Z轴方向，虽然采用Z轴受力时结构体旋转的感测方式，但为同时满足平面方向的灵敏度，此专利的弹簧设计将使得质量块不但有结构体旋转的运动，也较易发生结构体在Z轴有平移的现象，进而使得加速度计的线性度较差。

另外，在美国专利第7,258,012号专利中，也提供了一种加速度传感器的结构。在该篇专利中，虽然其Z轴感测是采用结构体旋转的感测方式，但是因为其Z轴结构是嵌在X/Y轴的质量块中，Z轴结构的不对称性将使其X/Y轴的输出容易有较高的非线性度。

发明内容

因此，本发明提供一种电容式多轴加速度计，可以具有较小的尺寸并有优越的性能，包括高灵敏度、高线性度、低它轴灵敏度。

本发明提供一种电容式多轴加速度计，包括一个基板与一个半导体结构层，此半导体结构层组成为：多个支撑基座、多个弹簧结构组、多个梳状电容结构、第一质量块和第二质量块。另外，第一质量块透过两悬臂以非对称的方式悬挂设置在支撑基座上，而支撑基座固定在基板上。第一质量块沿第一方向并以两悬臂为转动轴，使得第一质量块在第二方向上呈现不对称性。当第一质量块在第三方向受力时，以转动轴为中心转动。其中，第一方向、第二方向和第三方向彼此正交。此外，第二质量块透过弹簧结构组被悬挂设置在第一质量块上，而第二质量块可以感测在第一方向或第二方向上的加速度大小，而对应地沿第一方向或是第二方向平移。还包括至少一梳状电容组，配置在该半导体结构层中，该梳状电容组包含第一梳状电容组，其配置在该第二质量块的侧面，该第一梳状电容组与至少一个第一固定感测电容板组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于该基板上。

本发明也提供另外一种电容式多轴加速度计，包括一个基板与一个半导体结构层，此半导体结构层组成为：多个支撑基座、多个弹簧结构组、多个梳状电容结构、第一质量块、第二质量块与第三质量块。其中，大部分的组合关系如上所述。不同于上述在于第三质量块，此第三质量块透过弹簧组被悬挂设置在第二质量块上，而第三质量块可以沿着与第二质量块平移方向的同平面地垂直方向作平移。其中，还具有至少一梳状电容组，配置在该半导体结构层中，并包括第一梳状电容组，其配置在该第二质量块的侧面，与至少一个第一固定感测电容板组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于该基板上；以及第二梳状电容组，配置在该第三质量块，与至少一个第二固定感测电容板组成另一梳状电容，其中该第二固定感测电容板固设于该基板上。

由于在本发明中，不同质量块保有独立的弹簧结构，因此本发明可以降低它轴灵敏度的干扰问题，并有效的提升电容式多轴加速度计的线性度。另外，由于第二质量块和第三质量块皆配置于第一质量块上，因此本发明也可以有效地减小三轴电容式多轴加速度计的结构尺寸。

为让本发明能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A绘示为依照本发明的优选实施例的一种电容式多轴加速度计的立体图。

图1B绘示为依照本发明的优选实施例的一种电容式多轴加速度计的俯视图。

图2A绘示一种第一质量块在电容式多轴加速度计为未受力状态下的A-A’剖面的侧视图。

图2B绘示一种第一质量块在电容式多轴加速度计为受力状态下的A-A’剖面的侧视图。

图3绘示为电容式多轴加速度计具有在第一方向上的加速度下在单轴产生变化的示意图。

图4绘示为电容式多轴加速度计具有在第二方向上的加速度下在单轴产生变化的示意图。

附图标记说明

100：电容式多轴加速度计

101：半导体结构层

102：基板

104：支撑基座

106：第一质量块

110：转动轴

112、120：开口

114：第二质量块

116：第一梳状电容组

122：第三质量块

124：第二梳状电容组

202：第一独立弹簧组

204、206：电极

302：第二独立弹簧组

402：第三独立弹簧组

具体实施方式

图1A绘示为依照本发明的优选实施例的一种电容式多轴加速度计的立体图，而图1B绘示为依照本发明的优选实施例的一种电容式多轴加速度计的俯视图。请合并参照图1A和图1B，本实施例所提供的电容式多轴加速度计100，包括基板102与半导体结构层101；半导体结构层101是由支撑基座104、第一质量块106和第二质量块114、第一独立弹簧组202与第二独立弹簧组302以及至少一梳状电容组所组成。其中，支撑基座104被固定在基板102上，而第一质量块106是透过第一独立弹簧组202以非对称的方式悬挂设置在支撑基座104上。其中，基板102的材料可以是绝缘材料，如玻璃或陶瓷，而第一质量块106的材料可以是导体或是半导体，例如是硅。

前述半导体结构层101中的梳状电容组可以与固设于基板102上的固定感测电容板组成梳状电容。不同质量块保有独立的弹簧结构。透过质量块的位移可以改变前述半导体结构层101中的梳状电容组的电容值。因此，通过量测前述梳状电容组的电容值变化，就可以感测出电容式多轴加速度计100的加速度值。在本实施例中，前述梳状电容组包含多个第一梳状电容组116。

第一质量块106沿着第一方向(X方向)具有转动轴110。而第一质量块106在转动轴110的两侧具有不对称性。

图2A绘示为第一质量块在不受力下的A-A’剖面的侧视图。电容式多轴加速度计100还具有第一独立弹簧组202，其连接于支撑基座104上，并且分别连接第一质量块106的转动轴110的两端。在本实施例中，第一独立弹簧组202可以利用支梁型、U字型、螺旋形、悬臂式等结构来实现。由此，当电容式多轴加速度计在第三方向轴(Z方向轴)上受力时，第一质量块106就以转动轴110为轴心转动。在优选的实施例中，第一方向轴X、第二方向轴Y和第三方向轴Z彼此互相正交。

另外，在电容式多轴加速度计100中，还包括多个电极，例如电极204和206。这些电极204和206可以配置在基板102上，并且配置在第一独立弹簧组202的两侧。由此，电极204和206可以和第一质量块106产生电容效应。

然而图2B绘示，当电容式多轴加速度计100在第三方向Z轴上受力时，第一质量块106就以第一独立弹簧组202为转轴转动。此时，电极204和206的电容值改变。因此，依据这些电容值的变化，就可以侦测在第三方向Z轴上的加速度的大小。

而在一些选择实施例中，在第一质量块106与基板102之间，第一质量块106的下表面上还可以配置有多个凸点(Dimple)结构。由此，本发明就可以防止第一质量块106与基板102在接触时所产生的吸附效应(sticktion)。

请回头参照图1A和1B，在第一质量块106上，还具有开口112，而在开口112中，还配置有第二质量块114、第二独立弹簧组302和第一梳状电容组116。其中，第二独立弹簧组302可使第二质量块114朝第一方向(X方向)平移，并使第二质量块114与第一质量块106互相连接。然而，在其它的实施例中，第二独立弹簧组302也可以被设计成使第二质量块114朝第二方向(Y方向)平移，本发明并不限制。

另外，在开口112中，第一梳状电容组116则可以配置在第二质量块114的两侧，并且其延伸方向可以与第二质量块114的平移方向一致。在本实施例中，第一梳状电容的材料可以是导体或是半导体。从图1A和1B中，配置在第二质量块114的第一梳状电容组116与至少一个第一固定感测电容板彼此交错而组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于基板102上。由此，在梳状电容板之间就形成间隙，而使得第一梳状电容组116与第一固定感测电容板之间可以产生电容效应。

当电容式多轴加速度计100在空间中受力而在第一方向(X方向)具有加速度时，第二质量块114会朝第一方向(X方向)平移。此时，第一梳状电容组116中的梳状电容彼此的间隙距离会改变，而使第一梳状电容组116的电容值改变。因此，通过量测第一梳状电容组116的电容值变化，就可以感测出电容式多轴加速度计100在第一方向(X方向)上的加速度值。

在一些选择实施例中，第二质量块114上也可以具有开口120。类似地，在开口120中，可以配置第三质量块122、第二梳状电容组124和第三独立弹簧组402。而与前述类似地，第三独立弹簧组402是用来使第三质量块122朝与第二质量块114平移方向的同平面地垂直方向作移动。在本实施例中，第三质量块122可以通过第三独立弹簧组402而在第二方向(Y方向)上平移，并由第三独立弹簧组402连接第二质量块与第三质量块。

请参照图4，配置在第三质量块122的第二梳状电容组124与至少一个第二固定感测电容板彼此交错而组成梳状电容，其中该第二固定感测电容板固设于基板102上。而当电容式多轴加速度计100在空间中受力而使在第二方向(Y方向)上有加速度时，第三质量块122可以朝第二方向(Y方向)平移。此时，第二梳状电容组124中梳状电容之间的间隙就会改变。因此，就会使第二梳状电容组124的电容值变动。因此，只要利用第二梳状电容组124的电容值的改变量，就可以感测电容式多轴加速度计100在第二方向(Y方向)上的加速度。

另外，在一些选择实施例中，在半导体结构层中的第一质量块106的表面，可以具有多个微孔洞结构。这些微孔洞结构是用来控制阻尼的功能。

综上所述，由于不同的质量块是利用各自对应的独立弹簧组作动，因此不同方向上的加速度感测不会彼此耦合，而使得本发明可以降低它轴的灵敏度，且有优选的线性度。另外，由于本发明的结构是一体化的结构，因此本发明所需的结构尺寸也较小。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种电容式多轴加速度计，至少包括：

基板；以及

半导体结构层，配置在该基板上，并与该基板有间距分离，而该半导体结构层包括：

支撑基座，被固定在该基板；

多个独立弹簧组，至少包括第一独立弹簧组和第二独立弹簧组；

第一质量块，其透过该第一独立弹簧组以非对称的方式悬挂设置在该支撑基座，且沿第一方向具有转动轴，使该第一质量块在第二方向上呈现不对称性，并在该第一质量块在第三方向受力时，将以该转动轴为中心转动；

第二质量块，透过该第二独立弹簧组被悬挂设置在该第一质量块上，而该第二质量块可以感测在该第一方向或该第二方向上的加速度大小，而对应地沿该第一方向或是该第二方向平移；以及

至少一梳状电容组，配置在该半导体结构层中，该梳状电容组包含第一梳状电容组，其配置在该第二质量块的侧面，该第一梳状电容组与至少一个第一固定感测电容板组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于该基板上。

2.如权利要求1所述的电容式多轴加速度计，其中该第一独立弹簧组配置在该支撑基座上，并分别连接该第一质量块的该转动轴的两端，以使得该第一质量块能以该转动轴为中心转动；以及

该第二独立弹簧组配置在该第一质量块上，用以使该第二质量块能沿该第一方向和该第二方向二者其中之一平移，并使该第一质量块与该第二质量块互相连接。

3.如权利要求1所述的电容式多轴加速度计，还包括：

多个电极，配置在该基板上，并分别配置在该转动轴的两侧，用以与该第一质量块产生电容效应。

4.如权利要求1所述的电容式多轴加速度计，其中该基板的材料为绝缘材料。

5.如权利要求4所述的电容式多轴加速度计，其中该绝缘材料为玻璃或陶瓷。

6.如权利要求1所述的电容式多轴加速度计，其中该第一质量块具有多个微孔洞。

7.如权利要求1所述的电容式多轴加速度计，其中该第一质量块下表面上配置有多个凸点结构。

8.一种电容式多轴加速度计，包括：

基板；以及

支撑基座，被固定在该基板；

多个独立弹簧组，至少包括第一独立弹簧组、第二独立弹簧组和第三独立弹簧组；

第二质量块，透过该第二独立弹簧组被悬挂设置在该第一质量块上，而该第二质量块可以感测在该第一方向或该第二方向上的加速度大小，而对应地沿该第一方向或是该第二方向平移；

至少一梳状电容组，配置在该半导体结构层中；以及

第三质量块，透过该第三独立弹簧组被悬挂设置在该第二质量块，而该第三质量块可以沿着与该第二质量块平移方向的同平面地垂直方向作平移；

其中，该梳状电容组包括第一梳状电容组，其配置在该第二质量块的侧面，与至少一个第一固定感测电容板组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于该基板上；以及第二梳状电容组，配置在该第三质量块，与至少一个第二固定感测电容板组成另一梳状电容，其中该第二固定感测电容板固设于该基板上。

9.如权利要求8所述的电容式多轴加速度计，其中该第一独立弹簧组被配置在该支撑基座上，并分别连接该第一质量块的该转动轴的两端，以使得该第一质量块能以该转动轴为中心转动；

该第二独立弹簧组连接在该第一质量块与该第二质量块之间，使该第二质量块能沿该第一方向和该第二方向二者其中之一平移；以及

该第三独立弹簧组连接在该第二质量块与该第三质量块之间，使该第三质量块能沿与该第二质量块平移方向的同平面地垂直方向作平移。

10.如权利要求8所述的电容式多轴加速度计，其中该基板的材料为绝缘材料。

11.如权利要求10所述的电容式多轴加速度计，其中该绝缘材料为玻璃或陶瓷。

12.如权利要求8所述的电容式多轴加速度计，还包括多个电极，配置在该基板上，并配置在该转动轴的两侧，以与该第一质量块产生电容效应。

13.如权利要求8所述的电容式多轴加速度计，其中该第一质量块具有多个微孔洞。

14.如权利要求8所述的电容式多轴加速度计，其中该第一质量块下表面上配置有多个凸点结构。