CN117647663A - 惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种惯性传感器，其包含一锚点、一第一感测质量块及一第二感测质量块。该第一感测质量块与该第二感测质量块分别经由挠性件连接该锚点，且各自开设缺槽使其在两侧的质量不平衡，以供感测出平面方向的加速度；并藉由在孔洞内，摆放平面方向的电极，感测互为正交方向的同平面方向的加速度。

Description

惯性传感器

技术领域

本发明是关于一种惯性传感器，尤其系指一种利用感测质量块进行多轴感测的惯性传感器。

背景技术

现今消费电子行业中，为了增进电子产品的功能，需要设置能够精确量测惯性运动的感测装置，例如量测加速度或角速度等物理量的惯性传感器。一般而言，各个方向上的加速度以及各个旋转方向上的角速度会作用于在三维空间中自由移动的一对象。因此，为精确掌握该对象的运动，必须测量沿三维坐标系统的各坐标轴线的加速度以及围绕各坐标轴线的角速度，需要具有紧凑尺寸及高精度且具有低制造成本的惯性感测装置。

承上所述，相关惯性感测装置系用以量测惯性力所引起的加速度值，其系应用于众多领域。例如现今各种电子产品快速发展的情况，人机互动接口的进步实为幕后主要推手的一，即透过人体直觉性的操作模式，例如在翻转电子产品而造成屏幕的切换，将使操作接口相对简化并能增进使用者体验，同时透过感测人体动作，更可达成进阶的游戏体验。大多数的电子产品皆以惯性感测装置，例如加速度计来达成此一功能，当一惯性力的施加造成机械结构型变后，使用各种感测方式来反推加速度或角速度大小。由于微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)技术的发展，利用半导体技术整合机械组件与电路所制造出的微型惯性传感器，具有低成本与体积紧凑等优点。

微型惯性传感器依据感测方式的不同又可划分为诸多种类，其中一种基本的现有惯性传感器系包含一感测质量块，当该感测质量块承受加速度而发生位移时，其与感测电极之间的距离将改变，这些改变被装置的运算电路读取，并被转换成代表加速度的信号，使得现有惯性传感器利用一感测质量块，即能计算多个轴向的加速度。申请人先前已提出中国公开第115248034号专利案，就揭露这一种惯性传感器结构。

全差分(Fully Differential)设计的惯性传感器被提出来解决多轴向干涉的问题，其大多使用两组各自独立的组件来进行感测，所述两组独立组件包含:锚点、框架、质量块、挠性件等等，意即两组互不干涉的惯性传感器所组成。由此即可知，开发全差分惯性传感器，需花费大量面积于两组完全相同的惯性传感器，且两个惯性传感器无法共享各组件，因此面积与成本上较不具备优势，导致市场接受度始终无法显著提升。

有鉴于此，现有能够解决多轴向干涉的现有惯性传感器仍有加以改善的必要。

发明内容

本发明提出了一种改良的惯性传感器以解决前述面积与成本条件不佳等问题。

为达上述目的，本发明提供一种惯性传感器，其包含一锚点、一第一感测质量块及一第二感测质量块。该第一感测质量块经由一挠性件连接该锚点，该第一感测质量块上开设一第一缺槽使其在该挠性件两侧的质量不平衡。该第二感测质量块经由另一挠性件连接该锚点，该第二感测质量块上开设一第二缺槽使其在该另一挠性件两侧的质量不平衡。其中，该第一感测质量块及该第二感测质量块在该第一轴向上设置于该锚点的两侧，一第二轴向垂直该第一轴向，且在该第二轴向上，该锚点的位置系位于该第一感测质量块或该第二感测质量块的中央。

通过改采选用一个单一锚点来固定两块相互对称摆放的质量块，且利用在质量块上挖孔的方式，创造质量不平衡以供感测出平面方向的加速度；并藉由在孔洞内，摆放平面方向的电极，感测互为正交方向的同平面方向的加速度。本发明提出的这种结构具备更高的结构一致性与等向性，能够提升惯性传感器的整体效能，可简化运算电路的复杂度，更保障惯性传感器对于各个轴向的位移皆具有良好的感度。

附图说明

图1A：其为本发明惯性传感器第一实施例的结构示意图；

图1B：其为本发明惯性传感器第一实施例的感测电极配置示意图；

图2A：其为本发明惯性传感器第一实施例受到第一轴向的惯性力作用时的状态示意图；

图2B：其为本发明惯性传感器第一实施例受到第二轴向的惯性力作用时的状态示意图；

图3：其为本发明惯性传感器实施例包含尺寸不同的感测质量块的架构示意图；

图4A：其为本发明惯性传感器实施例采非全对称设置的架构示意图；

图4B：其为本发明惯性传感器实施例只设置单一组惯性感测单元的架构示意图；

图4C：其为本发明惯性传感器实施例对锚点位置进行调整的架构示意图；

图5A：其为演示本发明惯性传感器实施例如何将锚点设置于结构中央的应变示意图；

图5B：其为演示封装过程中造成应变并非中央对称的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

请参阅图1A，其为本发明惯性传感器第一实施例的结构示意图，其包含一锚点1(Anchor)及两组惯性感测单元2、2’。为便于说明，以下以一三轴坐标系描述该第一实施例的惯性传感器，其中一第一轴向X、一第二轴向Y及一第三轴向Z系相互垂直。该锚点1为系统架构的一固定点，通常固定于一基板上，该两组惯性感测单元2、2’在该第一轴向X上设置于该锚点1的两侧。该两组惯性感测单元2、2’包含基本相同的构造，因此以下先仅就位于图面左侧的惯性感测单元2进行说明。该惯性感测单元2包含一感测质量块21、一挠性件22及数组感测电极23、24、25。

在该第一轴向X与该第二轴向Y构成的X-Y平面上，该感测质量块21一般为了便于制造，通常设计为正方形或是短边与该第一轴向X平行的长方形。该锚点1位于该感测质量块21于该第一轴向X上的一侧，即依图面而言该锚点1位于该感测质量块21于该第一轴向X上的右侧(同理，对另一惯性感测单元2’的感测质量块21’而言，该锚点1系位于其左侧)。该挠性件22连接该锚点1，并且沿该第一轴向x朝该感测质量块21延伸以连接该感测质量块21。该感测质量块21会开设槽孔211供容置该挠性件22，且该挠性件22越长，越容易发生形变，将能使该感测质量块21承受惯性力时产生较大的位移量，进而可以带来诸多优势，相关技术内容已经揭露在前述申请人专利案中。

然而值得注意的是，在现有技术所揭露具备出平面感测的惯性传感器中，皆需利用质量不平衡的方式让感测质量块能够产生倾斜(Tilting)，而在此种设计中最常见的为利用挠性件偏摆而取得质量不平衡的构造(例如前述申请人专利案中，第2图所例示的第一间距G1系大于第二间距G2)。此时若要设计全差分系统，会因为挠性件的位置不在系统中央，而导致两组各自独立的组件无法共享同一锚点。锚点的增加不仅会导致面积效率下降，更容易使外部应力有多点输入的可能性，形成更大的静态偏移。以下将说明本发明惯性传感器第一实施例如何克服这些问题，而完成全差分设计的惯性传感器。

在本实施例中系采用将该挠性件22置中摆放的方式，也就是在该第二轴向Y上，该锚点1的位置较佳系位于该感测质量块21的中央。如此一来，对另一惯性感测单元2’的感测质量块21’而言，该锚点1同样也在该第二轴向Y上位于其中央。这就使得两组惯性感测单元2、2’得以共享该锚点1。惟，为了让感测质量块21能够产生倾斜，本实施例系通过在感测质量块21上开设缺槽212来使其在挠性件22两侧的质量不平衡。藉此，该感测质量块21在该第二轴向Y上分布于该锚点1两侧的重量并不相等，使得该感测质量块21承受特定方向(例如第三轴向Z)的惯性力时能够发生倾斜，其作动方式说明如后。

注意到，考虑到制程精度、结构强度及组装难易度等，该锚点1实际制造时具有一定的体积，因此本发明全文所述的该锚点1位于该感测质量块21的中央，其定义系指该感测质量块21在该第二轴向Y上的一侧缘21a到该锚点1具有一距离D，且该感测质量块21在该第二轴向Y的两侧缘21a、21b之间具有一长度H，该距离D相当于该长度H的40％～60％，且较佳相当于该长度H的45％～55％。

另一方面，该缺槽212可供前述感测电极23、24设置，其中一组第一感测电极23可设置于该缺槽212中，用以感测该感测质量块21受到第一轴向X惯性力作用时发生的运动；一组第二感测电极24同样可设置于该缺槽212中，用以感测该感测质量块21受到第二轴向Y惯性力作用时发生的运动。另一组第三感测电极25则可设置于该感测质量块21在该第三轴向Z上的一下表面，用以感测该感测质量块21受到第三轴向Z惯性力作用时发生的运动。

如图1B所示，其系本发明惯性传感器第一实施例的感测电极配置示意图。在本实施例中每一组感测电极23、24、25较佳皆具有两种相反极性的电极。其中第一感测电极23的一正电极A+与一负电极A-较佳相较于该感测质量块21于该第一轴向X上的一中心线C(该中心线C垂直该第一轴向X)呈对称设置于该缺槽212中。第二感测电极24的一正电极B+与一负电极B-较佳也相较于该感测质量块21于该第一轴向X上的中心线C呈对称设置于该缺槽212中。第三感测电极25的一正电极C+与一负电极C-较佳相较于通过该锚点1且平行该第一轴向X的一轴线R呈对称设置。

以下以示意图式举例说明该惯性传感器受到各个方向的惯性力时时，各组感测电极23、24、25如何感测质量块的运动。请参照图2A所示，当受到第一轴向X的惯性力作用时，该感测质量块21会发生旋转运动(Rotation)，进而使得该挠性件3发生类似于相对该锚点1偏转的形变。此时可利用该第一感测电极41感测该感测质量块21受到第一轴向X惯性力作用时发生的运动。详言之，此时该感测质量块21会产生沿该第一轴向X的加速度，以该中心线C为基准，因为该第一感测电极23的正电极A+与负电极A-相较于该中心线C呈对称设置，该正电极A+感测到该第一轴向X位移时若输出一正变量+Δ，则该负电极A-感测相同位移时将输出一负变量-Δ，故该第一感测电极23进行差分输出相当于(+Δ)-(-Δ)＝2Δ的总变量。同时在该第二感测电极24的位置，该第二感测电极24的正电极B+与负电极B-相较于该中心线C也呈对称设置，但是因为该正电极B+感测到该第一轴向X位移时若输出一负变量-Δ，则该负电极B-感测相同位移时也将输出一负变量-Δ，因此在第二感测电极24中可以将此讯号相互抵消。

请参照图2B所示，当受到第二轴向Y的惯性力作用时，该感测质量块21会发生平移运动(Translation)，由于该挠性件22的一侧连接于该锚点1(不会平移)，而该挠性件22的另一侧连接于该感测质量块21(会平移)，故该挠性件22发生类似于弯曲的形变。此时可利用该第二感测电极24感测该感测质量块21受到第二轴向Y惯性力作用时发生的运动。详言之，此时该感测质量块21会产生沿该第二轴向Y的加速度，以该中心线C为基准，该第二感测电极24的正电极A+与负电极A-相较于该中心线C呈对称设置，该正电极A+感测到该第二轴向Y位移时若输出一负变量-Δ，则该负电极A-感测相同位移时也将输出一负变量-Δ，因此在第二感测电极24中可以将此讯号相互抵消。同时在该第二感测电极24的位置，该第二感测电极24的正电极B+与负电极B-相较于该中心线C也呈对称设置，但是因为该正电极B+感测到该第一轴向X位移时若输出一正变量+Δ，则该负电极B-感测相同位移时将会输出一负变量-Δ，故该第二感测电极24进行差分输出相当于(+Δ)-(-Δ)＝2Δ的总变量。

注意到在图2A及图2B忽略了该第二感测电极25的说明，这是因为无论该感测质量块21产生沿该第一轴向X还是第二轴向Y的加速度，都只会存在X-Y平面上的同平面位移，因此透过第三感测电极25的正电极C+与负电极C-来感测此同平面位移，当然也可以形成差分相互抵消的效果。

请续参照图1B所示，当该受到第三轴向Z的一惯性力作用时，基于该感测质量块21在该第二轴向Y上分布于该锚点1两侧的重量并不相等，该感测质量块21会发生脱离X-Y平面的倾斜运动(Tilting)，进而使得该挠性件22发生类似于扭转的形变。此时即可利用该第三感测电极43感测该感测质量块1受到第三轴向Z惯性力作用时发生的运动。详言之，因为该感测质量块21的出平面运动可视为是以该挠性件22为转轴枢转，而该第三感测电极25的一正电极C+与一负电极C-系相较于该轴线R呈对称设置，该挠性件22与该轴线R是大致重合的，故该第三感测电极25可以进行差分输出。同样可注意到感测质量块21倾斜时，无论是该第一感测电极23还是第二感测电极24都时同时沿该第三轴向Z向上或向下同步位移，因此其正负电极A+、A-、B+、B-均将以形成差分相互抵消的效果。

再者，该两组惯性感测单元2、2’除了在该第一轴向X上设置于该锚点1的两侧，而形成水平对称外，为了构成一全差分系统，该两组惯性感测单元2、2’还可以在该第二轴向Y上相对该锚点1呈对称摆放。简言之，若以图1A和图2B的图面为例，该惯性感测单元2的第一感测电极23与第二感测电极24是设置在感测质量块21开设于该锚点1上方的缺槽212中，则该另一惯性感测单元2’的第一感测电极23’与第二感测电极24’将可设置在感测质量块21’开设于该锚点1下方的缺槽212’中。该第三感测电极25的正电极C+与负电极C-若分别位于该锚点1下方与上方，则该另一惯性感测单元2’的第三感测电极25的’正电极C+与负电极C-可分别位于该锚点1上方与下方。

以下综整该第一实施例的惯性传感器以两组惯性感测单元2、2’与一个共享锚点1构成惯性传感器所带来的诸多好处：

首先，该第一实施例提供一惯性传感器结构，其于一基板上方，设置单一锚点，用以固定两块相互对称摆放的质量块(Proof mass)，锚点与各质量块间，用一挠性件相连，利用在质量块上挖孔的方式，创造质量不平衡，以供感测出平面方向的加速度；并藉由在孔洞内，摆放平面方向的电极，感测互为正交方向的同平面方向的加速度。通过这种方式可以让质量块的挠性件被设计在结构中央，如此才能让两个质量块仅用中央单一锚点连接。这样一来外界应力所造成的形变，仅能透过位在中央的单一锚点传送到各质量块。相较于现有技术中将挠性件偏摆而使用多组锚点组成的系统，该第一实施例具备更高的结构一致性与等向性。

再者，藉由全对称的各组件组成全差分电路(Fully Differential Circuit)，使受到外界的应力(包含温度、压力等等来源)所产生的形变可以有效被消除，降低静态偏移(Offset)，并有助于降低噪声，提高讯噪比，大幅提升惯性传感器的整体效能。

还可以注意到的是，这两个质量块是两组各自独立的组件，不会再经由其他构造将两者加以耦合。同时，每一个质量块上的各组感测电极皆只需要提供两种相反极性的电极在前述位置，即可完成差分输出、差分抵消等计算来避免多轴向干涉，其不需要将同极性的电极再拆分设置在多个位置，也不需要将不同电极的讯号随着要感测的加速度不同而做不同的处理，相较于部分现有技术能够大幅简化运算电路的复杂度。

另一方面，该实施例系在各质量块上开设缺槽不仅创造了质量不平衡，还用来来让感测同平面运动的两组感测电极设置，无需额外扩大质量块或是配置框架系统，进一步提升面积使用效率。况且这样一来更可以保留质量块在第二轴向Y上充足的面积来设置感测出平面运动的电极设置。本领域中具有通常知识者可以理解，质量块的出平面位移很可能是三个轴向中位移量最小的，故本发明通过在第二轴向Y上节省设计长度，出平面感测电极的放置空间与设计弹性可以被最大化，进而保障惯性传感器对于各个轴向的位移皆具有良好的感度。

根据前述第一实施例的基础，在不脱离本发明的各项目的的情形下，以下将介绍几种可能变化的实施方式。

请参照图3所示，虽然在前述实施例中该两组惯性感测单元2、2’包含基本相同的构造，然而设计者也可视实际需求进行调整。例如当存在空间受限或特殊应用条件的情形下，也可以设计使该两组惯性感测单元2、2’的构造存在差异，例如包含尺寸不同的感测质量块21、21’。详言之，该惯性感测单元2的感测质量块21在该第一轴向X上的宽度W1可以大于该另一惯性感测单元2’的感测质量块21’在该第一轴向X上的宽度W2。该锚点1仍然在在该第二轴向Y上位于各感测质量块21、21’中央，使其维持共享该同一锚点1，惟连接各该感测质量块21、21’与锚点1的挠性件22、22’此时也将存在尺寸差异。即便如此，通过后续加权运算等方式，图3所示的变化态样仍然可视为一种接近全差分系统的惯性传感器。

实则，本发明也不仅限于要实施在全差分系统的惯性传感器。举例来说请参照图4A所示，该两组惯性感测单元2、2’仅在该第一轴向X上设置于该锚点1的两侧而形成水平对称，但若设计者认为第二轴向Y上受到外部应力影响的程度可以忽略，该两组惯性感测单元2、2’也可以在该第二轴向Y上设置于该锚点1的同一侧，即相当于该两组惯性感测单元2、2’在该第一轴向X上相对该锚点1呈镜像设置。如此一来，前述第一实施例所带来的诸多好处中，仅全差分系统提升惯性传感器整体效能的部分会被略为影响，仍为一具有突出且显著进步的惯性传感器构造。

又或者，请参照图4B所示，相较于前述申请人专利案或其他现有的利用挠性件偏摆而取得质量不平衡的惯性传感器构造，实施本发明惯性传感器构造时即使只设置单一组惯性感测单元2，由于其系通过挖空感测质量块21的方式，达到放置平面感测电极23、24与形成质量不平衡，并藉由平行摆放电极23、24的设计，将第二轴向Y的长度尽量留给出平面电极25。在此条件下，便可使锚点1采取中央放置，让外界所造成的应力形变传递至感测质量块上21时，具备较高的对称性与一致性，藉此降低因外界条件所产生的静态偏移。实施本专利者甚至可以视实际需求在感测质量块上21的其他位置开设孔槽213来设置其他组件(例如一止文件件26)。换言之，本发明即使不完整实施为全差分或部分差分惯性传感器，也仍然具备一定的市场价值。

请参照图4C所示，其为前述变化实施态样的综合结构，可以注意到此时两个感测质量块21、22被挖空的区域皆位在图面下方，再加上因为感测质量块21、21’的尺寸差异，会导致惯性传感器整体的重心偏向图面的左上方。在这种情况下若设计者考虑整体结构的一致性，也可以对该锚点1的位置进行调整，使其靠向图面的左上方来帮助应力均匀传播。

一般MEMS传感器包含三层主要部件构成，分别为基板层(Substrate)91、组件层(Device layer)92以及盖体层(Cap)93。请参考图5A所示，当受到外界应力时，传感器会有应变，而这样的应变会导致传感器收到非预期的输出讯号。假定该应力所导致的应变具备一定对称度；若可将该对称度运用于电极上，便可将非预期的输出讯号相互抵销。而其中一个有效提升应变对称度的方法为前述实施例所提及的：将锚点(与基板层91或盖体层93相连的结构)放置于中央，如此一来便可提升传感器所受到的应变对称度。

实际情况中，设计者实施本发明时要考虑的因素众多，由于诸多原因可能导致应变并非中央对称的形式，甚至包含组件封装后的特性表现都要涵盖在内。以图5B举例，由于一集成电路层(ASIC)94堆栈封装的方式并非置中，而可能导致应变并非中央对称；针对这种情形，传感器的锚点与质量块若要维持应变对称度，则需根据实际情形做出摆放调整，并不局限于仅在传感器本身的中央区域。

上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (14)

1.一种惯性传感器，其特征在于，其包含：

一锚点；

一第一感测质量块，经由一挠性件连接该锚点，该第一感测质量块上开设一第一缺槽使其在该挠性件两侧的质量不平衡；及

一第二感测质量块，经由另一挠性件连接该锚点，该第二感测质量块上开设一第二缺槽使其在该另一挠性件两侧的质量不平衡；

其中，该第一感测质量块及该第二感测质量块在该第一轴向上设置于该锚点的两侧，一第二轴向垂直该第一轴向，且在该第二轴向上，该锚点的位置系位于该第一感测质量块或该第二感测质量块的中央。

2.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一感测质量块在该第二轴向上的一侧缘到该锚点具有一距离，且该第一感测质量块在该第二轴向具有一长度，该距离相当于该长度的40％～60％。

3.如权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该距离相当于该长度的45％～55％。

4.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一感测质量块开设一槽孔，该挠性件由该锚点沿该第一轴向该第一感测质量块延伸至该槽孔中，以连接该第一感测质量块；该第二感测质量块开设另槽孔，该另一挠性件由该锚点沿该第二轴向该第二感测质量块延伸至该另一槽孔中，以连接该第二感测质量块。

5.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一缺槽供数组感测电极设置，该第二缺槽供数组感测电极设置。

6.如权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，其中，一组第一感测电极设置于该第一缺槽中，以供感测该第一感测质量块沿该第一轴向的加速度；一组第二感测电极设置于该第一缺槽中，以供感测该第一感测质量块沿该第二轴向的加速度。

7.如权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，其中，一组第三感测电极设置于该第一感测质量块在一第三轴向上的一表面，以供感测该第一感测质量块沿该第三轴向的加速度。

8.如权利要求6所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一感测电极包含一正电极与一负电极，该第一感测电极的正电极与负电极相较于该第一感测质量块于该第一轴向上的一中心线呈对称设置于该第一缺槽中；该第二感测电极包含一正电极与一负电极，该第二感测电极的正电极与负电极相较于该中心线呈对称设置于该第一缺槽中。

9.如权利要求7所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第三感测电极包含一正电极与一负电极，该第三感测电极的正电极与负电极相较于该通过该锚点且平行该第一轴向的一轴线呈对称设置。

10.如权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一缺槽与该第二缺槽分别位于通过该锚点且平行该第一轴向的一轴线的两侧。

11.如权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一缺槽与该第二缺槽位于通过该锚点且平行该第一轴向的一轴线的同一侧。

12.如权利要求7所述的惯性传感器，其特征在于，其中，另一组第三感测电极设置于设置于该第二感测质量块在该第三轴向上的表面，以供感测该第二感测质量块沿该第三轴向的加速度。

13.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一感测质量块在该第一轴向上的宽度等于该第二感测质量块在该第一轴向上的宽度。

14.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中，该第一感测质量块在该第一轴向上的宽度大于该第二感测质量块在该第一轴向上的宽度。