CN104555882A - 微机电元件与微机电补偿结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机电元件，包含：一质量结构，具有至少一个锚点；至少一个挠性结构，与该质量结构连接于该至少一个锚点；多个上电极，位于该质量结构上方，与该质量结构形成一上电容结构；多个下电极，位于该质量结构下方，与该质量结构形成一下电容结构，其中该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影位于该锚点的两侧、且该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影也位于该锚点的两侧。本发明也提供一种相关的微机电补偿结构。

Description

微机电元件与微机电补偿结构

技术领域

本发明涉及一种微机电元件，特别是一种可补偿质量结构变形的微机电元件，以及相关的微机电补偿结构。

背景技术

微机电元件中，利用内部质量结构移动以产生电容值变化为常见的感测方式之一。图1A显示一现有技术的微机电元件10，其中弹簧分别连接于质量结构11两外侧端的锚点101，而质量结构11分别与上电极12以及下电极13形成一上电容结构Ctop与一下电容结构Cbot。当质量结构11与上电极12以及下电极13发生相对移动时，根据上电容结构Ctop与下电容结构Cbot的电容值变化，便可感测出移动量。

然而，当微机电元件10应用于较高温环境时，质量结构11可能因热膨胀而弯曲变形。举例而言，在图1B所示情况中，质量结构11因热膨胀而往下弯曲，造成上电容结构Ctop的电容值下降而下电容结构Cbot的电容值上升（电容值的变化如箭号所示），导致感测错误。需说明的是，导致质量结构11变形的原因不限于热，亦可能为其它原因。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种可补偿质量结构变形的微机电元件。此微机电元件具有多个上下电极与一质量结构、质量结构中设有多个锚点、且该多个上下电极于该质量结构一出平面方向的投影位于各锚点两侧，以使质量结构的变形不致大幅影响感测结果。此外，本发明亦提出相关的微机电补偿结构。

发明内容

本发明的发明目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种可补偿质量结构变形的微机电元件。此微机电元件具有多个上下电极与一质量结构、质量结构中设有多个锚点、且该多个上下电极于该质量结构一出平面方向的投影位于各锚点两侧，以使质量结构的变形不致大幅影响感测结果。此外，本发明亦提出相关的微机电补偿结构。

为达上述目的，就其中一个观点而言，本发明提供一种微机电元件，包含：一质量结构，具有至少一个锚点；至少一个挠性结构，与该质量结构连接于该至少一个锚点；多个上电极，位于该质量结构上方，与该质量结构形成一上电容结构；以及多个下电极，位于该质量结构下方，与该质量结构形成一下电容结构，其中该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影位于该锚点的两侧、且该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影也位于该锚点的两侧。

在本发明的一实施例中，该微机电元件包含多个锚点与多个挠性结构，且该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影位于每一锚点的两侧，又该多个下电极于该质量结构的法线方向上的正投影也位于每一锚点的两侧。

在本发明的一实施例中，该上电容结构包含多个局部上电容结构，每一上电极与该质量结构形成一个局部上电容结构，当该质量结构产生一变形，该多个局部上电容结构的一部分随该变形而增加电容值，该多个局部上电容结构的另一部分随该变形而降低电容值。

在本发明的一实施例中，该下电容结构包含多个局部下电容结构，每一下电极与该质量结构形成一个局部下电容结构，当该质量结构产生一变形，该多个局部下电容结构的一部分随该热变形而增加电容值，该多个局部下电容结构的另一部分随该变形而降低电容值。

在本发明的一实施例中，该微机电元件又包含：一补偿质量结构；多个上补偿电极，位于该补偿质量结构上方，与该补偿质量结构形成一上补偿电容结构，其中该多个上补偿电极耦接于该多个下电极；以及多个下补偿电极，位于该补偿质量结构下方，与该补偿质量结构形成一下补偿电容结构，其中该多个下补偿电极耦接于该多个上电极。

在本发明的一实施例中，该补偿质量结构相对于该多个上、下补偿电极为固定而不相对移动。

在本发明的一实施例中，该补偿质量结构与该质量结构连接于同一电位、该多个上补偿电极与该多个下电极连接于同一电位、该多个下补偿电极与该多个上电极连接于同一电位，以使得该上电容结构与该下补偿电容结构形成一并联电容电路，该下电容结构与该上补偿电容结构形成另一并联电容电路。

为达上述目的，就另一个观点而言，本发明也提供一种微机电补偿结构，用于一微机电元件中，该微机电元件具有在垂直方向上位于上方的一上电容结构与在垂直方向上位于下方的一下电容结构，其中该微机电补偿结构包含：一补偿质量结构；多个上补偿电极，位于该补偿质量结构上方，与该补偿质量结构形成一补偿上电容结构，其中该补偿上电容结构与该下电容结构并联；以及多个下补偿电极，位于该补偿质量结构下方，与该补偿质量结构形成一补偿下电容结构，其中该补偿下电容结构与该上电容结构并联。

在本发明的一实施例中，该补偿质量结构相对于该多个上、下补偿电极为固定而不相对移动。

在本发明的一实施例中，该上电容结构由一质量结构与多个上电极构成、该下电容结构由该质量结构与多个下电极构成，其中该多个上补偿电极的数目和该多个上电极相同、该多个下补偿电极的数目和该多个下电极相同，且该多个上补偿电极的尺寸与布局和该多个上电极的尺寸与布局实质相同、该多个下补偿电极的尺寸与布局和该多个下电极的尺寸与布局实质相同。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A、1B显示现有技术的微机电元件；

图2A、2B显示本发明一实施例的微机电元件；

图3显示上电极变形的状态；

图4A、4B显示本发明另一实施例的微机电元件，其中包含补偿结构。

图中符号说明

10、20、50     微机电元件

101、201       锚点

11、21、51     质量结构

12、22、52     上电极

13、23、53     下电极

24             挠性结构

25、55         基板

56             上补偿电极

57             下补偿电极

58             补偿质量结构

Ctop           上电容结构

Ctopc          上补偿电容结构

Ctopl          局部上电容结构

Cbot           下电容结构

Cbotc          下补偿电容结构

Cbotl          局部下电容结构

N              法线方向

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

参照图2A、2B，图2B为图2A中质量结构21因应力产生变形的示意图，应力可能来自于热或其它原因。图2A中显示本发明一实施例提供的一种微机电元件20。微机电元件20包含一质量结构21、多个上电极22、多个下电极23、至少一个挠性结构24，以上元件可设置于一基板25之上，其中该挠性结构24例如可为弹簧，以使得该质量结构21可相对于多个上电极22和多个下电极23而相对移动。质量结构21中设有至少一个锚点201，以供与挠性结构24对应连接。在所示实施例中，挠性结构24和锚点201的数目为二，但本发明不限于此，挠性结构24和锚点201的数目可为任意数目，在较佳实施例中，挠性结构24和锚点201的数目为多个。质量结构21分别与该多个上电极22形成一上电容结构Ctop，以及与该多个下电极23形成一下电容结构Cbot，其中该多个上电极22于该质量结构21的法线方向上的正投影位于锚点201的两侧、且该多个下电极23于该质量结构21的法线方向上的正投影也位于锚点201的两侧。

换个方式说明，上电容结构Ctop包含多个局部上电容结构Ctopl，亦即每一上电极22与该质量结构21形成一个局部上电容结构Ctopl，又下电容结构Cbot包含多个局部下电容结构Cbotl，亦即每一下电极23与该质量结构21形成一个局部下电容结构Cbotl。就图2A、2B的观看角度而言，在任一锚点201的左侧，质量结构21与上方的至少一个上电极22形成至少一个局部上电容结构Ctopl；在任一锚点201的右侧，质量结构21也与上方的至少一个上电极22形成至少一个局部上电容结构Ctopl。此外，在任一锚点201的左侧，质量结构21与下方的至少一个下电极23形成至少一个局部下电容结构Cbotl；在任一锚点201的右侧，质量结构21也与下方的至少一个下电极23形成至少一个局部下电容结构Cbotl。对照图1A、1B的现有技术，在该现有技术中，仅在任一锚点201的单侧形成上电容结构Ctop与下电容结构Cbot。此结构上的差异导致的功效差异说明如下：

参考图2B，当因为热或其它原因（例如应力）造成质量结构21变形时，多个上电极22与质量结构21的距离产生变化，在锚点201间的距离增加(局部上电容结构Ctopl的电容值降低)，而锚点201外侧的距离缩减(局部上电容结构Ctopl的电容值增加)。由于局部上电容结构Ctopl分别设置于锚点201的两侧，其电容值变化彼此相抵消，因此总和的上电容结构Ctop的电容值在变形前与后的电容值相差甚小，可降低感测误差。同理，局部下电容结构Cbotl也分别设置于锚点201的两侧，其电容值变化也可彼此相抵消，降低因变形所产生的感测误差。相对地，在图1A、1B的现有技术中，质量结构21变形时，电容值变化并不会彼此相抵消，而会增加感测误差，因此本发明优于该现有技术。

需说明的是，图2B是以质量结构21向上翘曲为例来绘示，但本发明的微机电元件20的结构，于质量结构21向下翘曲时，也显然同样可以达到降低感测误差的效果。

一实施例中，当微机电元件处于一参考温度，此参考温度可为一标准工作温度，例如最常使用的环境温度或建议的使用环境温度。当微机电元件处于参考温度时，所有增加电容值的总和等同于所有降低电容值的总和。

上述实施例减少了质量结构21变形所造成的感测误差。然而，在某些情况下，上电极也可能发生变形，如图3所示。此变形会造成上电容结构Ctop的电容值改变，也会产生感测误差。

为解决图3中因上电极变形造成感测误差的问题，图4A、4B显示本发明所提出的解决方案实施例，其中图4B为图4A的微机电元件产生变形的示意图。图4A中的左侧架构与图2A实施例相似，包含质量结构51、多个上电极52、多个下电极53。参阅图4A右侧，本实施例的微机电元件50又包含一微机电补偿结构，此微机电补偿结构包含：一补偿质量结构58；多个上补偿电极56，位于该补偿质量结构58上方，与该补偿质量结构58形成一补偿上电容结构Ctopc，其中该补偿上电容结构Ctopc与下电容结构Cbot并联；以及多个下补偿电极57，位于该补偿质量结构58下方，与该补偿质量结构58形成一补偿下电容结构Cbotc，其中该补偿下电容结构Cbotc与上电容结构Ctop并联。在较佳实施例中，补偿质量结构58与质量结构51连接于同一电位、多个上补偿电极56与该多个下电极53连接于同一电位、多个下补偿电极57与该多个上电极52连接于同一电位，以使得上电容结构Ctop与下补偿电容结构Cbotc形成一并联电容电路，下电容结构Cbot与上补偿电容结构Ctopc形成另一并联电容电路。所谓“连接于同一电位”并不限于必须为绝对相同电位，可容许因线路电阻所造成的压降。在较佳实施例中，补偿质量结构58可以刚性连接方式固定于基板55，亦即其相对于该多个上、下补偿电极为固定而不相对移动。

参阅图4B，因微机电元件50为差分电容的架构，当上电极52变形时，因上补偿电极56也相同地变形，因此上电容结构Ctop与下补偿电容结构Cbotc的电容值总和变化，会和下电容结构Cbot与上补偿电容结构Ctopc的电容值总和变化互相抵消，因此可消除或减少感测的误差。本实施例虽以上电极的变形为例，但显然，在下电极变形时，本实施例也可以提供补偿作用。

在较佳实施例中，上补偿电极56的数目和上电极52相同、下补偿电极57的数目和下电极53相同，且上补偿电极56的尺寸与布局和上电极52的尺寸与布局实质相同、下补偿电极57的尺寸与布局和下电极53的尺寸与布局实质相同。但此仅为可行的实施方式之一，本发明不限于此，上、下补偿电极的数目、尺寸与布局如与上、下电极的数目、尺寸与布局不同，也在本发明的范围内。

另外需说明的是，图4A、4B是为了便利说明而将微机电补偿结构与基本微机电元件水平邻接绘示，在实际安排元件布局时，可以将微机电补偿结构与基本微机电元件分离在相距较远的位置、或将其方向旋转错开、或将其设置在不同的高度等，并不限于图4A、4B所示的水平邻接方式。

此外，图4A、4B右方所显示的微机电补偿结构，并不限于搭配图2A、2B所显示的微机电元件结构；举例而言，亦可搭配图1A、1B的现有技术，而设置微机电补偿结构，使图1A、1B的上电容结构Ctop与下补偿电容结构Cbotc形成一并联电容电路，图1A、1B的下电容结构Cbot与上补偿电容结构Ctopc形成另一并联电容电路。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种微机电元件，其特征在于，包含：

一质量结构，具有至少一个锚点；

至少一个挠性结构，与该质量结构连接于该至少一个锚点；

多个上电极，位于该质量结构上方，与该质量结构形成一上电容结构；以及

多个下电极，位于该质量结构下方，与该质量结构形成一下电容结构，

其中该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影位于该锚点的两侧、且该多个下电极于该质量结构的法线方向上的正投影也位于该锚点的两侧。

2.如权利要求1所述的微机电元件，其中，包含多个锚点与多个挠性结构，且该多个上电极于该质量结构的法线方向上的正投影位于每一锚点的两侧，又该多个下电极于该质量结构的法线方向上的正投影也位于每一锚点的两侧。

3.如权利要求1所述的微机电元件，其中，该上电容结构包含多个局部上电容结构，每一上电极与该质量结构形成一个局部上电容结构，当该质量结构产生一变形，该多个局部上电容结构的一部分随该变形而增加电容值，该多个局部上电容结构的另一部分随该变形而降低电容值。

4.如权利要求1所述的微机电元件，其中，该下电容结构包含多个局部下电容结构，每一下电极与该质量结构形成一个局部下电容结构，当该质量结构产生一变形，该多个局部下电容结构的一部分随该热变形而增加电容值，该多个局部下电容结构的另一部分随该变形而降低电容值。

5.如权利要求1所述的微机电元件，其中，又包含：

一补偿质量结构；

多个上补偿电极，位于该补偿质量结构上方，与该补偿质量结构形成一上补偿电容结构，其中该多个上补偿电极耦接于该多个下电极；以及

多个下补偿电极，位于该补偿质量结构下方，与该补偿质量结构形成一下补偿电容结构，其中该多个下补偿电极耦接于该多个上电极。

6.如权利要求5所述的微机电元件，其中，该补偿质量结构相对于该多个上、下补偿电极为固定而不相对移动。

7.如权利要求5所述的微机电元件，其中，该补偿质量结构与该质量结构连接于同一电位、该多个上补偿电极与该多个下电极连接于同一电位、该多个下补偿电极与该多个上电极连接于同一电位，以使得该上电容结构与该下补偿电容结构形成一并联电容电路，该下电容结构与该上补偿电容结构形成另一并联电容电路。

8.一种微机电补偿结构，用于一微机电元件中，该微机电元件具有在垂直方向上位于上方的一上电容结构与在垂直方向上位于下方的一下电容结构，其特征在于，该微机电补偿结构包含：

一补偿质量结构；

多个上补偿电极，位于该补偿质量结构上方，与该补偿质量结构形成一补偿上电容结构，其中该补偿上电容结构与该下电容结构并联；以及

多个下补偿电极，位于该补偿质量结构下方，与该补偿质量结构形成一补偿下电容结构，其中该补偿下电容结构与该上电容结构并联。

9.如权利要求8所述的微机电补偿结构，其中，该补偿质量结构相对于该多个上、下补偿电极为固定而不相对移动。

10.如权利要求8所述的微机电补偿结构，其中，该上电容结构由一质量结构与多个上电极构成、该下电容结构由该质量结构与多个下电极构成，其中该多个上补偿电极的数目和该多个上电极相同、该多个下补偿电极的数目和该多个下电极相同，且该多个上补偿电极的尺寸与布局和该多个上电极的尺寸与布局实质相同、该多个下补偿电极的尺寸与布局和该多个下电极的尺寸与布局实质相同。