CN101738496B - 多轴电容式加速度计 - Google Patents

Abstract

一种多轴电容式加速度计，包括具有多个感测电极的基板及结构层。结构层包括多个固定于基板的固定座、可动的第一质量块、一组第一弹性结构、多个固定感测块、第二质量块、第三质量块、第二弹性结构及第三弹性结构。第一质量块浮置于基板上且具有对称的第一开口及第二开口。第一弹性结构连接固定座与第一质量块。固定感测块固定于基板上，其中各固定感测块上的梳状结构与第一质量块上的梳状结构间形成感测电容的结构。第二质量块及第三质量块浮置于基板上且分别位于第一开口及第二开口内，并与基板上的感测电极形成二个差动式感测电容。第二质量块及第三质量块分别通过第二弹性结构及第三弹性结构个别非对称地悬挂在第一质量块上。

Description

多轴电容式加速度计

技术领域

本发明涉及一种电容式加速度计，且特别是涉及一种多轴电容式加速度计的设计。

背景技术

加速度计目前在市场上已逐渐被普遍地使用于许多装置中以做为运动传感器，如游戏机、健康监控、手机界面控制与自动静音、惯性游标指向器等领域。

传统微机电三轴加速度计大都采用单轴组合的三轴设计，意即其用以感测X轴、Y轴及Z轴加速度的质量块及感测元件分别独立设置。这种设置方式虽然在加速度感测上可达到降低它轴灵敏度的目的，但是其缺点是为达到低机械杂讯的目标，往往造成元件尺寸太大，或为达到尺寸小的目标，使得机械杂讯不易降低，而元件尺寸与成本是有直接密切的关联。因此，为了降低生产成本及缩小加速度计尺寸，采用三轴一体的加速度计设计是可行的方法。然而，三轴一体的加速度计现今仍存在着各轴向的相互干扰与线性度有待提升的问题。

美国第7258011号专利的图1及图2分别为已知一种加速度计的俯视图及剖视侧视图，其所披露的加速度计50主要是利用连接体(linkage)的结构来连接三轴的弹簧结构、XY轴质量块52与外侧的Z轴旋转结构(paddle)54。Z轴的灵敏度因Z轴旋转结构54的质量较小而表现较差。此外，其Z轴的感测质量在受力时会有线性位移与旋转，这种运动行为将使得元件产生非线性度的效应。

美国第7258012号专利的图3为已知的另一种加速度计的俯视图，其所披露的加速度计60，因其设计使用CMOS MEMS的制作方式且采用单一的Z轴结构在质量块中心，而其Z轴的感测电容结构则是采用梳状结构，当结构受到延其Z轴的转动轴方向的振动力时，其Z轴结构容易产生旋转而造成Z方向加速度计的它轴灵敏度受影响，虽然可以透过梳状结构的排列设计来 克服，但如此也将造成真正贡献于感测电容可用的梳状结构数目降低，进而造成电容量的不足，增加电路设计的负担；如果采用两组扭转(Torsion)结构，则将可以提供足够梳状结构的数目，使得电容量得以增加，如此也可以降低读取电路设计上的复杂度。事实上，目前大部分三轴一体加速度计的结构设计，都面临到它轴灵敏度与线性度性能提升的问题。一般而言，对于三轴一体加速度计的设计，当Z轴扭转结构设计在XY轴结构之内时，因为必须考虑XY轴结构质量的对称，都会将其旋转轴对称放置于XY轴结构的中心，使得质量块较轻的一边其有效面积使用率降低；另外，当Z轴扭转结构设计在XY轴结构之内，如果制作方式是使用另一基材上的两电极与结构形成差动电容时，虽然此设计其Z轴电容受它轴力的影响很低，但为达到质量的对称，也会造成其必须使用一部份区域仅作为质量平衡之用而无法贡献于感测的用途，而使用两组扭转结构的设计则将可以自然形成对称而无须强迫将转动轴放于XY轴结构质量块的中心，就可以达到提升面积使用效率和降低Z轴的它轴灵敏度的目的。

发明内容

为了改善传统三轴一体加速度计结构所产生的它轴灵敏度与线性度问题，并同时达到缩小尺寸的目标，本发明提出一种多轴电容式加速度计，可降低各轴向的加速度感测相互干扰的现象，同时达到高线性度与灵敏度的优点。

本发明提出一种多轴电容式加速度计，包括基板及结构层。基板的表面上设置多个感测电极。结构层包括多个固定座、第一质量块、第一弹性结构、多个固定感测块、第二质量块、第三质量块、第二弹性结构及第三弹性结构。固定座固定于基板的表面上。第一质量块浮置于基板的表面上方，第一质量块具有中心轴以及位于第一质量块内部的第一开口及第二开口。第一开口及第二开口对应于感测电极并且以第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于中心轴的相对两侧。第一弹性结构连接固定座与第一质量块。固定感测块邻近第一质量块并固定于基板的表面上，其中每一固定感测块与第一质量块之间形成电容结构。第二质量块及第三质量块浮置于基板的感测电极上方并且分别位于第一质量块的第一开口及第二开口内，第二质量块及第三质量块与基板上的感测电极形成感测电容。第二质量块及第三质量块分别通过第二 弹性结构及第三弹性结构非对称地悬挂在第一质量块上，以分别沿转动轴在受力时作转动，且第二质量块及第三质量块的转动轴相互平行并以第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于中心轴的相对两侧。

在本发明的实施例中，上述的固定感测块位于第一质量块的外侧。

在本发明的实施例中，上述的第一质量块内部还具有多个第三开口，且至少部分固定感测块分别位于第三开口内。

在本发明的实施例中，上述的每一组由固定感测块和第一质量块所形成的电容结构包括由第一质量块延伸出来的梳状电极及由固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极。梳状电极具有多个梳状电容板。固定梳状电极具有多个固定梳状电容板，且梳状电容板与固定梳状电容板相互平行且交替配置。

在本发明的实施例中，上述的电容结构包括多个第一电容结构及多个第二电容结构。每一第一电容结构的梳状电容板与固定梳状电容板沿着与基板表面平行的第一方向(例如X轴方向)延伸，可成为感测第二方向(例如Y轴方向)加速度的电容结构，其中第一方向与第二方向正交且位于同一平面上。每一第二电容结构的梳状电容板与固定梳状电容板沿着第二方向(例如Y轴方向)延伸，可成为感测第一方向(例如X轴方向)加速度的电容结构。

在本发明的实施例中，上述的固定座包括分别配置于第一质量块的相对两侧的第一固定块及第二固定块。

在本发明的实施例中，上述的第一弹性结构包括分别对应于第一固定块及第二固定块的第一弹簧及第二弹簧，其中第一弹簧及第二弹簧提供沿第一方向(例如X轴方向)与第二方向(例如Y轴方向)的回复力。

在本发明的实施例中，上述的第一质量块对称于中心轴，且分别透过第一弹簧及第二弹簧连接于第一固定块及第二固定块。

在本发明的实施例中，上述的第二弹性结构包括第三弹簧及第四弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接第一质量块与第二质量块。

在本发明的实施例中，上述的第三弹性结构包括第五弹簧及第六弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接第一质量块与第三质量块。

在本发明的实施例中，上述的第一质量块具有面对基板的底面，且底面上具有多个凸起。

在本发明的实施例中，上述的第二与第三质量块上具有多个微孔洞，可 减少阻尼产生。

本发明另提出一种多轴电容式加速度计，其包括基板以及结构层。基板上具有多个感测电极，而结构层设置于基板上。结构层包括：多个固定座，固定在该基板上；多个弹性结构，至少包括第一弹性结构、第二弹性结构和第三弹性结构；第一质量块，透过第一弹性结构被悬挂设置在基板上，并与固定座连接，用以感测在平面上的第一方向(例如X轴方向)或第二方向(例如Y轴方向)上的加速度，而对应地沿第一方向(例如X轴方向)或第二方向(例如Y轴方向)平移；第二质量块，透过第二弹性结构被悬挂设置在第一质量块内，而第二质量块可以沿着与第一质量块平移方向的同平面的垂直方向作平移；多个第一固定感测块，配置在第一质量块内，其中每一第一固定感测块与第一质量块或第二质量块之间形成第一电容结构；第三质量块与第四质量块，对应于基板上的感测电极并且以第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于中心轴的相对两侧，第三质量块与第四质量块分别透过第三弹性结构以非对称的方式悬挂设置在第二质量块内，且沿第一方向(例如X轴方向)具有转动轴，使第一质量块在第二方向(例如Y轴方向)上呈现不对称性，并在第一质量块在第三方向(例如Z轴方向)受力时，以转动轴为中心转动，其中第一方向(例如X轴方向)、第二方向(例如Y轴方向)和第三方向(例如Z轴方向)彼此正交；以及，多个第二固定感测块，配置在第二质量块内，其中每一第二固定感测块与第二质量块之间形成第二电容结构。

在本发明的实施例中，上述的每一第一电容结构包括由第一质量块或第二质量块延伸出来的梳状电极，其具有多个梳状电容板；以及，由第一固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，其具有多个固定梳状电容板。梳状电容板与固定梳状电容板相互平行且交替配置。

在本发明的实施例中，上述的每一第一电容结构的梳状电容板与固定梳状电容板沿着第一方向(例如X轴方向)延伸，以感测第二方向(例如Y轴方向)的加速度。

在本发明的实施例中，上述的每一第二电容结构包括由第二质量块延伸出来的梳状电极，其具有多个梳状电容板；以及，由第二固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，其具有多个固定梳状电容板。梳状电容板与固定梳状电容板相互平行且交替配置。

在本发明的实施例中，上述的每一第二电容结构的梳状电容板与固定梳 状电容板沿着第二方向(例如Y轴方向)延伸，以感测第一方向(例如X轴方向)的加速度。

在本发明的实施例中，上述的第一弹性结构连接在第一质量块与固定座之间，使第一质量块能沿第一方向(例如X轴方向)或第二方向(例如Y轴方向)平移。

在本发明的实施例中，上述的第二弹性结构连接在第二质量块与第一质量块之间，使第二质量块能沿与第一质量块平移方向的同平面的垂直方向作平移。

在本发明的实施例中，上述的第三弹性结构被配置在第二质量块与第三质量块之间以及第二质量块与第四质量块之间，并分别对应连接转动轴的两端，以使得第三质量块与第四质量块能以转动轴为中心转动。

在本发明的实施例中，上述的感测电极配置在转动轴的两侧。

在本发明的实施例中，上述的质量块具有面对基板的底面，且底面上具有多个凸起。

在本发明的实施例中，上述的第三与第四质量块上具有多个微孔洞，可减少阻尼产生。

在本发明的实施例中，上述的第一质量块具有第四开口，第四开口内设有第二质量块，及第二质量块具有第五开口与第六开口，而第五开口内设有第三质量块，第六开口内设有第四质量块。

在本发明的实施例中，上述的第一弹性结构分别连接固定座与第一质量块，而第二弹性结构分别连接第一质量块与第二质量块。

基于上述，本发明的多轴电容式加速度在结构层内部设置可沿其中心轴对称转动的多个质量块。这些质量块为非对称结构，因此受力时将会转动，转动时并无线性位移，所以具有优选的线性度。另外，第二质量块及第三质量块受力而分别转动时，在第一与第二方向的它轴受力会互相抵消，因此避免了它轴的影响。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为已知一种多轴电容式加速度计的俯视图。

图2为图1的多轴电容式加速度计的剖视侧视图。

图3为已知另一种多轴电容式加速度计的俯视图。

图4为本发明实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。

图5为图1沿I-I线的剖视图。

图6为图4的多轴电容式加速度计的局部侧视图。

图7为本发明另一实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。

图8为本发明又一实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。

附图标记说明

50、60：加速度计

52：质量块

54：旋转结构

100、400：第一电容结构

110、210、410、510：梳状电极

112、212、412、512：梳状电容板

122、222、422、522：固定梳状电容板

120、220、420、520：固定梳状电极

200、500：第二电容结构

300：凸起

1000、2000：多轴电容式加速度计

1100、2100：基板

1110：表面

1120：感测电极

1200、2200：结构层

1210、2210：固定座

1212、2212：第一固定块

1214、2214：第二固定块

1216：接触金属

1220、2220：第一质量块

1222、2222：中心轴

1224、2224：第一开口

1226、2226：第二开口

1228：底面

1230、2230：第一弹性结构

1232、2232：第一弹簧

1234、2234：第二弹簧

1240、2240：固定感测块

1242：第一固定感测块

1244：第二固定感测块

1250、2250：第二质量块

1260、2260：第三质量块

1270、2270：第二弹性结构

1272、2272：第三弹簧

1274、2274：第四弹簧

1280、2280：第三弹性结构

1282、2282：第五弹簧

1284、2284：第六弹簧

2228：第三开口

A、C：第一转动轴

B、D：第二转动轴

3000：多轴电容式加速度计

3010：基板

3020：结构层

3100：固定座

3210：第一弹性结构

3220：第二弹性结构

3230：第三弹性结构

3300：第一质量块

3310：第四开口

3400：第二质量块

3410：第五开口

3420：第六开口

3500：第三质量块

3600：第四质量块

3710：第一固定感测块

3720：第二固定感测块

3810：第一电容结构

3820：第二电容结构

3812、3822：梳状电极

3814、3824：固定梳状电极

3910：转动轴

具体实施方式

图4为本发明实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。图5为图4沿I-I线的剖视图。请参考图4及图5，本实施例的多轴电容式加速度计1000包括基板1100及结构层1200。基板1100的表面1110上设置多个感测电极1120。结构层1200包括多个固定座1210、第一质量块1220、第一弹性结构1230、多个固定感测块1240、第二质量块1250、第三质量块1260、第二弹性结构1270及第三弹性结构1280。

第一质量块1220设置于基板1100的表面1110上方，第一质量块1220具有中心轴1222以及位于第一质量块1220内部的第一开口1224及第二开口1226。第一开口1224及第二开口1226以第一质量块1220的中心轴1222为中心而对称地配置于中心轴1222的相对两侧。第一弹性结构1230连接固定座1210与第一质量块1220。因此，第一质量块1220可浮置于基板1100上方。同时，固定座1210包括第一固定块1212及第二固定块1214。第一固定块1212及第二固定块1214分别固定于基板1100的表面1110上，且分别位于第一质量块1220的相对的两外侧。

固定感测块1240包括多个第一固定感测块1242及多个第二固定感测块1244。第一固定感测块1242及第二固定感测块1244邻近且位于第一质量块1220的外侧并固定于基板1100的表面1110上，其中每一第一固定感测块1242及每一第二固定感测块1244分别与第一质量块1220之间形成第一电容结构100及第二电容结构200，分别用以通过其电容变化量感测Y轴方向及X轴方向的加速度。第二质量块1250及第三质量块1260浮置于感测电极1120上方并且分别位于第一质量块1220的第一开口1224及第二开口1226 内，而第二质量块1250及第三质量块1260分别与基板1100上的感测电极1120形成感测电容，通过其与感测电极1120之间的电容变化量感测Z轴方向的加速度。

详细而言，第二质量块1250及第三质量块1260分别通过第二弹性结构1270及第三弹性结构1280非对称地悬挂在第一质量块1220上，且分别沿第一转动轴A及第二转动轴B在受力时而转动，以使其与感测电极1120之间产生电容变化量。第二质量块1250的第一转动轴A及第三质量块1260的第二转动轴B相互平行并以第一质量块1220的中心轴1222为中心而对称地配置于中心轴1222的相对两侧。换言之，第二质量块1250及第三质量块1260可对称地转动(如图5所绘示的虚线部分)。第二质量块1250及第三质量块1260因为非对称结构，因此Z轴受力时将会转动，转动时并无Z轴方向位移，所以具有优选的线性度。另外第二质量块1250及第三质量块1260转动时并不会影响第一质量块1220，因此避免了它轴灵敏度的影响。

请参考图4，每一第一电容结构100包括由第一质量块1220水平地延伸出的梳状电极110及由固定感测块1240水平地延伸出的固定梳状电极120。梳状电极110具有多个梳状电容板112。固定梳状电极120具有多个固定梳状电容板122，且梳状电容板112与固定梳状电容板122相互平行且交替配置。每一第二电容结构200亦具备如上述的等效结构特征，在此不予赘述。

每一第一电容结构100的梳状电容板112与固定梳状电容板122沿着与基板1100表面1110平行的X轴方向延伸。每一第二电容结构200的梳状电容板212与固定梳状电容板222沿着与基板1100表面1110平行的Y轴方向延伸，且X轴方向与Y轴方向正交。第一电容结构100及第二电容结构200通过上述配置方式，可分别透过第一质量块1220在Y轴方向及X轴方向的移动而产生电容变化，以对Y轴方向及X轴方向的加速度进行感测。详言之，第一电容结构100是用以感测Y轴方向的加速度，而第二电容结构200是用以感测X轴方向的加速度。

请再参考图4，第一弹性结构1230包括分别对应于第一固定块1212及第二固定块1214的第一弹簧1232及第二弹簧1234，其中第一弹簧1232及第二弹簧1234提供各别独立的沿X轴方向与Y轴方向的回复力，以使X轴方向与Y轴方向的感测不会相互干扰。第一弹簧1232或第二弹簧1234可为L型结构。此外，第一质量块1220分别透过第一弹簧1232及第二弹簧1234 而连接于第一固定块1212及第二固定块1214。

在本实施例中，第二弹性结构1270包括第三弹簧1272及第四弹簧1274，位于第一转动轴A上并分别位于第二质量块1250的相对两侧，使得第二质量块1250以第一转动轴A因非对称而转动。第三弹性结构1280包括第五弹簧1282及第六弹簧1284，位于第二转动轴B上并分别位于第三质量块1260的相对两侧，使得第三质量块1260以第二转动轴B因非对称而转动。

此外，请参考图5，第一质量块1220具有面对基板1100的底面1228，且底面1228上具有多个凸起300，以避免第一质量块1220与基板1100在接触时产生吸附效应(sticktion)而影响其加速度感测的效能。详细而言，由于第一质量块1220和基板1100间具有极小的间距，第一质量块1220在工艺或使用中因水气而可能与基板1100黏住，而凸起300有助于降低此种现象的发生。此外，第二质量块1250与第三质量块1260上也可具有多个微孔洞，以减少阻尼产生。

图6为图4的多轴电容式加速度计的局部侧视图。请参考图6，在本实施例中，基板1100例如是玻璃芯片。玻璃芯片包括玻璃基材1130及配置于其上的导电层1140(例如为导线及焊垫)。结构层1200例如是硅芯片，其中绘示于图4及图5的第一质量块1220、凸起300、第二质量块1250、第三质量块1260、第一弹性结构1230、第二弹性结构1270、第三弹性结构1280、固定座1210、固定感测块1240、梳状电极110(210)及固定梳状电极120(220)可透过干蚀刻工艺而为一体成形的结构。硅芯片(结构层1200)可通过阳极芯片工艺与玻璃芯片(基板1100)结合。此外，结构层1200的固定座1210的底部具有接触金属1216，用以将产生的感测信号传递至基板1100上的焊垫及导线。

图7为本发明另一实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。请参考图7，相较于图4及图5的多轴电容式加速度计，本实施例的第一质量块2220内部还具有多个第三开口2228，且部分固定感测块2240、部分梳状电容板512及部分固定梳状电容板522位于第三开口2228内而具有与前述实施例相同的感测功能。详言之，透过此种配置方式，使得第二电容结构500位于第一质量块2220的内部。位于第三开口2228内的部分梳状电极510与部分固定梳状电极520构成电容结构，以感测X轴方向的加速度。另一方面，第一电容结构400还是配置在第一质量块2220的外部，用以感测Y轴方向的加速 度。以下详细介绍本实施例的多轴电容式加速度计2000。

请参考图7，本实施例的多轴电容式加速度计2000包括基板2100及结构层2200。结构层2200包括多个固定座2210、第一质量块2220、第一弹性结构2230、多个固定感测块2240、第二质量块2250、第三质量块2260、第二弹性结构2270及第三弹性结构2280。

第一质量块2220设置于基板2100上方，第一质量块2220具有中心轴2222以及位于第一质量块2220内部的第一开口2224、第二开口2226及多个第三开口2228(绘示为两个)。第一开口2224及第二开口2226以第一质量块2220的中心轴2222为中心而对称地配置于中心轴2222的相对两侧。第一弹性结构2230连接固定座2210与第一质量块2220。因此，第一质量块2220可浮置于基板2100上方。同时，固定座2210包括第一固定块2212及第二固定块2214。第一固定块2212及第二固定块2214分别固定于基板2100的表面2110上，且分别位于第一质量块2220的相对的两外侧。

固定感测块2240包括多个第一固定感测块2242及多个第二固定感测块2244。第一固定感测块2242邻近且位于第一质量块2220的外侧并固定于基板2100上，第二固定感测块2244位于第三开口2228内并固定于基板2100上(此特征为本实施例的多轴电容式加速度计2000与图4的多轴电容式加速度计1000的主要不同处)，其中每一第一固定感测块2242及每一第二固定感测块2244分别与第一质量块2220之间形成第一电容结构400及第二电容结构500，分别用以通过其电容变化量感测Y轴方向及X轴方向的加速度。第二质量块2250及第三质量块2260浮置于位于基板2100表面上的感测电极(未绘示，其配置方式与图5的感测电极1120类似)上方并且分别位于第一质量块2220的第一开口2224及第二开口2226内，而第二质量块2250及第三质量块1260分别与基板2100上的感测电极形成感测电容，通过其与感测电极之间的电容变化量感测Z轴方向的加速度。

详细而言，第二质量块2250及第三质量块2260分别通过第二弹性结构2270及第三弹性结构2280非对称地悬挂在第一质量块2220上，且分别沿第一转动轴C及第二转动轴D在受力时而转动，以使其与感测电极(如图5的1120的感测电极)之间产生电容变化量。第二质量块2250的第一转动轴C及第三质量块2260的第二转动轴D相互平行并以第一质量块2220的中心轴2222为中心而对称地配置于中心轴2222的相对两侧。换言之，第二质量块 2250及第三质量块2260可对称地转动。第二质量块2250及第三质量块2260因为非对称结构，因此Z轴受力时将会转动，转动时并无Z轴方向位移，所以具有优选的线性度。另外第二质量块2250及第三质量块2260转动时并不会影响第一质量块2220，因此避免了它轴灵敏度的影响。

每一第一电容结构400包括由第一质量块2220水平地延伸出的梳状电极410及由固定感测块2240水平地延伸出的固定梳状电极420。梳状电极410具有多个梳状电容板412。固定梳状电极420具有多个固定梳状电容板422，且梳状电容板412与固定梳状电容板422相互平行且交替配置。每一第二电容结构500亦具备如上述的等效结构特征，在此不予赘述。

每一第一电容结构400的梳状电容板412与固定梳状电容板422沿着与基板2100表面平行的X轴方向延伸。每一第二电容结构500的梳状电容板512与固定梳状电容板522沿着与基板2100表面平行的Y轴方向延伸，且X轴方向与Y轴方向正交。第一电容结构400及第二电容结构500通过上述配置方式，可分别透过第一质量块2220在Y轴方向及X轴方向的移动而产生电容变化，以对Y轴方向及X轴方向的加速度进行感测。详言之，第一电容结构400是用以感测Y轴方向的加速度，而第二电容结构500是用以感测X轴方向的加速度。

第一弹性结构2230包括分别对应于第一固定块2212及第二固定块2214的第一弹簧2232及第二弹簧2234，其中第一弹簧2232及第二弹簧2234提供各别独立的沿X轴方向与Y轴方向的回复力，以使X轴方向与Y轴方向的感测不会相互干扰。第一弹簧2232或第二弹簧2234可为L型结构。此外，第一质量块2220分别透过第一弹簧2232及第二弹簧2234而连接于第一固定块2212及第二固定块2214。

在本实施例中，第二弹性结构2270包括第三弹簧2272及第四弹簧2274，位于第一转动轴C上并分别位于第二质量块2250的相对两侧，使得第二质量块2250以第一转动轴C因非对称而转动。第三弹性结构2280包括第五弹簧2282及第六弹簧2284，位于第二转动轴D上并分别位于第三质量块2260的相对两侧，使得第三质量块2260以第二转动轴D因非对称而转动。

此外，第一质量块2220的面对基板2100的底面可以具有多个凸起(未绘示，其配置方式与图5的凸起300类似)，以避免第一质量块2220与基板2100在接触时产生吸附效应(sticktion)而影响其加速度感测的效能。详细而 言，由于第一质量块2220和基板2100间具有极小的间距，第一质量块2220在工艺或使用中因水气而可能与基板2100粘住，而凸起有助于降低此种现象的发生。此外，第二质量块2250与第三质量块2260上也可具有多个微孔洞，以减少阻尼产生。

在本实施例中，基板2100例如是玻璃芯片。玻璃芯片包括玻璃基材及配置于其上的导电层(未绘示，例如为导线及焊垫，类似于图6中的配置方式)。结构层2200例如是硅芯片，其中第一质量块2220、上述的凸起、第二质量块2250、第三质量块2260、第一弹性结构2230、第二弹性结构2270、第三弹性结构2280、固定座2210、固定感测块2240、梳状电极410(510)及固定梳状电极420(520)可透过干蚀刻工艺而为一体成形的结构。硅芯片(结构层2200)可通过阳极芯片工艺与玻璃芯片(基板2100)结合。此外，结构层2200的固定座2210的底部具有接触金属，用以将产生的感测信号传递至基板2100上的焊垫及导线。

值得注意的是，本发明不限制固定感测块及电容结构位于第一质量块的内部或外部。在另一未绘示的实施例中，还可将所有的固定感测块及电容结构配置于第一质量块的内部而具有与前述实施例相同的感测功能。

承接上述所有实施例的变化，以下更提出另一实施例，其中对于已经在前述实施例中描述且可被合理应用于以下实施例的内容，将不再详细赘述。

图8为本发明又一实施例的多轴电容式加速度计的俯视图。如图8所示，多轴电容式加速度计3000包括基板3010以及结构层3020。基板3010上具有如前述实施例所绘示的多个感测电极，而结构层3020设置于基板3010上。此结构层3020例如是半导体结构层，包括下述元件。多个固定座3100，固定在基板3010上。在本实施例中，固定座3100例如是设置在下述的第一质量块3300内部。第一质量块3300具有第四开口3310，第四开口3310内设有第二质量块3400。第二质量块3400具有第五开口3410与第六开口3420，第五开口3410内设有第三质量块3500，而第六开口3420内设有第四质量块3600。由至少第一弹性结构3210、第二弹性结构3220和第三弹性结构3230所组成的多个弹性结构，其中第一弹性结构3210分别连接固定座3100与第一质量块3300，而第二弹性结构3220分别连接第一质量块3300与第二质量块3400。此外，第一质量块3300透过第一弹性结构3210被悬挂设置在基板3010上，并与固定座3100连接，用以感测在平面上的第一方向(本实施例以 X轴方向为例)或第二方向(本实施例以Y轴方向为例)上的加速度，而对应地沿X轴方向或Y轴方向平移。第二质量块3400透过第二弹性结构3220被悬挂设置在第一质量块3300内，而第二质量块3400可以沿着与第一质量块3300平移方向的同平面的垂直方向作平移。例如，当第一质量块3300沿X轴方向平移时，第二质量块3400沿Y轴方向平移。

请继续参照图8，多个第一固定感测块3710，配置在第一质量块3300内，其中每一第一固定感测块3710与第一质量块3300或第二质量块3400之间形成第一电容结构3810。此外，第三质量块3500与第四质量块3600对应于基板3010上的感测电极(未绘示)，并且以第一质量块3300的中心轴为中心而对称地配置于中心轴的相对两侧。第三质量块3500与第四质量块3600分别透过第三弹性结构3230以非对称的方式悬挂设置在第二质量块3400内，且沿X轴方向具有转动轴3910，使第一质量块3300在Y轴方向上呈现不对称性。当第一质量块3300在第三方向(本实施例以Z轴方向为例)受力时，第三质量块3500与第四质量块3600会以转动轴3910为中心转动，其中X轴方向、Y轴方向和Z轴方向彼此正交。前述的感测电极例如是配置在转动轴3910的两侧。另外，多个第二固定感测块3720配置在第二质量块3400内，其中每一第二固定感测块3720与第二质量块3400之间形成第二电容结构3820。

在本实施例中，每一第一电容结构3810包括由第一质量块3300或第二质量块3400延伸出来的具有多个梳状电容板的梳状电极3812以及由第一固定感测块3710延伸出来具有多个固定梳状电容板的固定梳状电极3814。梳状电极3812的梳状电容板与固定梳状电极3814的固定梳状电容板相互平行且交替配置，并且例如是沿着X轴方向延伸，以感测Y轴方向的加速度。此外，每一第二电容结构3820包括由第二质量块3400延伸出来的具有多个梳状电容板的梳状电极3822以及由第二固定感测块3720延伸出来的具有多个固定梳状电容板的固定梳状电极3824。梳状电极3822的梳状电容板与固定梳状电极3824的固定梳状电容板相互平行且交替配置，并且例如是沿着Y轴方向延伸，以感测X轴方向的加速度。

此外，第一弹性结构3210连接在第一质量块3300与固定座3100之间，使第一质量块3300能沿X轴方向或Y轴方向平移。第二弹性结构3220连接在第二质量块3400与第一质量块3300之间，使第二质量块3400能沿与 第一质量块3300平移方向的同平面的垂直方向作平移。换言之，通过第一弹性结构3210与第二弹性结构3220可以使得第一质量块3300与第二质量块3400在平面上平移。另外，第三弹性结构3230被配置在第二质量块3400与第三质量块3500之间以及第二质量块3400与第四质量块3600之间。第三弹性结构3230分别对应连接转动轴3910的两端，以使得第三质量块3500与第四质量块3600能以转动轴3910为中心转动。

当然，本实施例的第一质量块3300的底面也可以形成有如同前述实施例所述的多个凸起，以避免第一质量块3300与基板3010在接触时产生吸附效应而影响其加速度感测的效能。此外，第三质量块3500与第四质量块3600上也可具有多个微孔洞，以减少阻尼产生。

以上各实施例的弹性结构可为弹片或弹簧或及其等效的构件等均为本发明的创作精神所包括的范围内。

综上所述，本发明的多轴电容式加速度计在结构层内部配置多个独立的质量块，且这些质量块本身及其转动轴对称于第一质量块的中心轴，而适于相对第一质量块的中心轴对称地转动。这些质量块因为非对称结构，因此受力时将会转动，转动时并无线性位移，所以具有优选的线性度。另外，这些质量块转动时并不会影响用以感测平面加速度的质量块，并且具有较大的质量，因此有助于提高感测的准确度与灵敏度。此外，本发明针对平面感测提供了两个轴向的独立运动机制：例如设置相互独立且可提供不同方向(如两个正交方向)回复力的弹性结构来带动质量块平移，或是采用两个独立的质量块来进行同平面上的不同方向的平移。因此，本发明的多轴电容式加速度计在平面上不同方向(如X轴方向与Y轴方向)的感测不会相互干扰。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，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，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (36)

1.一种多轴电容式加速度计，包括：

基板，该基板的表面上设置有两个以上的感测电极；

结构层，包括：

多个固定座，固定于该基板的该表面上；

第一质量块，浮置于该基板的该表面上方，该第一质量块具有中心轴以及位于该第一质量块内部的第一开口及第二开口，该第一开口及该第二开口以该第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于该中心轴的相对两侧；

第一弹性结构，连接该固定座与该第一质量块；

多个固定感测块，邻近该第一质量块并固定于该基板的该表面上，其中每一固定感测块与该第一质量块之间形成电容结构；

第二质量块及第三质量块，浮置于该基板的感测电极上方，形成感测电容，并且分别位于该第一质量块的该第一开口及该第二开口内；以及

第二弹性结构及第三弹性结构，该第二弹性结构及该第三弹性结构分别将该第二质量块及该第三质量块不对称地悬挂在该第一质量块的该第一开口及该第二开口内并与之衔接，当受Z轴方向的加速度作用时，该第二质量块及该第三质量块将沿平行于X轴的转动轴转动，且第二质量块及该第三质量块的转动轴相互平行并以该第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于该中心轴的相对两侧。

2.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其中该多个固定感测块位于该第一质量块的外侧。

3.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中每一组由该固定感测块和该第一质量块所形成的该电容结构包括：

由该第一质量块延伸出来的梳状电极，具有多个梳状电容板；以及

由该多个固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，具有多个固定梳状电容板，且该梳状电容板与该固定梳状电容板相互平行且交替配置。

4.如权利要求3所述的多轴电容式加速度计，其中该电容结构包括：

多个第一电容结构，每一第一电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着与该基板表面平行的第一方向延伸，成为感测第二方向加速度的电容结构，其中该第一方向与该第二方向位于同一平面上，且该第一方向与该第二方向正交；以及

多个第二电容结构，每一第二电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着该第二方向延伸，成为感测该第一方向加速度的电容结构。

5.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中该多个固定座包括分别配置于该第一质量块的相对两侧的第一固定块及第二固定块。

6.如权利要求5所述的多轴电容式加速度计，其中该第一弹性结构包括分别对应于该第一固定块及该第二固定块的第一弹簧及第二弹簧，其中该第一弹簧及该第二弹簧分别提供沿第一方向与第二方向的回复力，其中该第一方向与该第二方向位于同一平面上，且该第一方向与该第二方向正交。

7.如权利要求6所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块对称于该中心轴，且分别透过该第一弹簧及该第二弹簧连接于该第一固定块及该第二固定块。

8.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中该第二弹性结构包括第三弹簧及第四弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接该第一质量块与该第二质量块。

9.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中该第三弹性结构包括第五弹簧及第六弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接该第一质量块与该第三质量块。

10.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块具有面对该基板的底面，且该底面上具有多个凸起。

11.如权利要求2所述的多轴电容式加速度计，其中该第二与第三质量块上具有多个微孔洞，减少阻尼产生。

12.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块内部还具有多个第三开口，且至少部分该多个固定感测块分别位于该多个第三开口内。

13.如权利要求12所述的多轴电容式加速度计，其中每一组由位于该第三开口内的该固定感测块和该第一质量块所形成的该电容结构包括：

由该第一质量块延伸出来的梳状电极，具有多个梳状电容板；以及

由该多个固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，具有多个固定梳状电容板，且该梳状电容板与该固定梳状电容板相互平行且交替配置。

14.如权利要求13所述的多轴电容式加速度计，其中位于该第三开口内的该电容结构包括：

多个第一电容结构，每一第一电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着与该基板表面平行的第一方向延伸，成为感测第二方向加速度的电容结构，其中该第一方向与该第二方向位于同一平面上，且该第一方向与该第二方向正交；以及

多个第二电容结构，每一第二电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着该第二方向延伸，成为感测该第一方向加速度的电容结构。

15.如权利要求14所述的多轴电容式加速度计，其中该多个固定座包括分别配置于该第一质量块的相对两侧的第一固定块及第二固定块。

16.如权利要求15所述的多轴电容式加速度计，其中该第一弹性结构包括分别对应于该第一固定块及该第二固定块的第一弹簧及第二弹簧，其中该第一弹簧及该第二弹簧分别提供沿第一方向与第二方向的回复力，其中该第一方向与该第二方向位于同一平面上，且该第一方向与该第二方向正交。

17.如权利要求16所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块对称于该中心轴，且分别透过该第一弹簧及该第二弹簧连接于该第一固定块及该第二固定块。

18.如权利要求12所述的多轴电容式加速度计，其中该第二弹性结构包括第三弹簧及第四弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接该第一质量块与该第二质量块。

19.如权利要求12所述的多轴电容式加速度计，其中该第三弹性结构包括第五弹簧及第六弹簧，位于所对应的转动轴上并衔接该第一质量块与该第三质量块。

20.如权利要求12所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块具有面对该基板的底面，且该底面上具有多个凸起。

21.如权利要求12所述的多轴电容式加速度计，其中该第二与第三质量块上具有多个微孔洞，减少阻尼产生。

22.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其中该第一弹性结构、该第二弹性结构或该第三弹性结构为弹片或弹簧。

23.一种多轴电容式加速度计，包括：

基板，其上具有多个感测电极；

结构层，设置于该基板上，该结构层包括：

多个固定座，固定在该基板上；

多个弹性结构，至少包括第一弹性结构、第二弹性结构和第三弹性结构；

第一质量块，该第一弹性结构连接该多个固定座，该第一质量块透过该第一弹性结构被悬挂设置在该基板上，用以感测在平面上的第一方向或第二方向上的加速度，而对应地沿该第一方向或该第二方向平移，其中该第一方向与该第二方向正交；

第二质量块，透过该第二弹性结构被悬挂设置在该第一质量块内，而该第二质量块可以沿着与该第一质量块平移方向的同平面的垂直方向作平移；

多个第一固定感测块，配置在该第一质量块内，其中每一第一固定感测块与该第一质量块或该第二质量块之间形成第一电容结构；

第三质量块与第四质量块，该第三质量块及该第四质量块对应于该基板上的该多个感测电极并且以该第一质量块的中心轴为中心而对称地配置于该中心轴的相对两侧，该第三质量块与该第四质量块分别透过该第三弹性结构以非对称的方式悬挂设置在该第二质量块内，且沿该第一方向具有转动轴，使该第一质量块在该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，以该转动轴为中心转动，其中该第三方向正交于该第一方向与该第二方向所在的该平面；以及

多个第二固定感测块，配置在该第二质量块内，其中每一第二固定感测块与该第二质量块之间形成第二电容结构。

24.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中每一第一电容结构包括：

由该第一质量块或该第二质量块延伸出来的梳状电极，具有多个梳状电容板；以及

由该多个第一固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，具有多个固定梳状电容板，且该梳状电容板与该固定梳状电容板相互平行且交替配置。

25.如权利要求24所述的多轴电容式加速度计，其中每一第一电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着该第一方向延伸，以感测该第二方向的加速度。

26.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中每一第二电容结构包括：

由该第二质量块延伸出来的梳状电极，具有多个梳状电容板；以及

由该多个第二固定感测块其中之一延伸出来的固定梳状电极，具有多个固定梳状电容板，且该梳状电容板与该固定梳状电容板相互平行且交替配置。

27.如权利要求26所述的多轴电容式加速度计，其中每一第二电容结构的该梳状电容板与该固定梳状电容板沿着该第二方向延伸，以感测该第一方向的加速度。

28.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第一弹性结构连接在该第一质量块与该多个固定座之间，使该第一质量块能沿该第一方向和该第二方向二者其中之一平移。

29.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第二弹性结构连接在该第二质量块与该第一质量块之间，使该第二质量块能沿与该第一质量块平移方向的同平面的垂直方向作平移。

30.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第三弹性结构被配置在该第二质量块与该第三质量块之间以及该第二质量块与该第四质量块之间，并分别对应连接该转动轴的两端，以使得该第三质量块与该第四质量块以该转动轴为中心转动。

31.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该基板上感测电极配置在该转动轴的两侧。

32.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块具有面对该基板的底面，且该底面上具有多个凸起。

33.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第三与第四质量块上具有多个微孔洞，可减少阻尼产生。

34.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第一质量块具有第四开口，该第四开口内设有该第二质量块，及该第二质量块具有第五开口与第六开口，而该第五开口内设有该第三质量块，该第六开口内设有该第四质量块。

35.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该第一弹性结构分别连接该固定座与该第一质量块，而该第二弹性结构分别连接该第一质量块与该第二质量块。

36.如权利要求23所述的多轴电容式加速度计，其中该多个弹性结构为弹片或弹簧。

Images