201120451 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明有關一種雙轴加速度感測元件，尤指一種電容式 之雙軸加速度感測元件。 [先前技術] [0002] 微機電系統（Micro-electromechanical system,簡 稱MEMS)技術的概念，是利用半導體製程及其他微機械加 工的方法’製造並整合成各式感測器、致動器、光學元 件等，利用MEMS技術將元件微小化具低成本、低功率損 耗、1¾響應速度以及南準確度等優點& [0003] 一般微感測器的原理是藉由一感測元件，將欲量測的物 理量轉換為電氣訊號，再以分析電子訊號的方式，間接 得知欲Μ的物理量。因此，加迷度制^係透過感測 元件感測加速度作用造成的物理狀態變化，而產生相對 應的電壓、電阻、電感等電氣訊號，現已大量應用於汽 車安全感知、手機、電駄及電子遊戲機等領域。 〇剛1972年Μ—利用長短尺寸不—之懸臂梁結構做為 感測元件’當感料件受外力干擾時，懸臂梁結構會因 慣性作用而產纽移，致使對料體產生城㈣測加 速度；1979年’ RoyIance利用懸臂樑與質量塊的組合， 配合石夕之綠雜製作㈣料之微加速度計 ;1983年
Rudolf^提出―種電容式之微加速度感測器，其質量 塊:側使用懸臂襟結構作為支撐，當質量塊受外力而擺 動叶，懸臂梁會受連動而扭 班轉，進而產生一電容變化而 獲得對應的電氣訊號。 098142844 表單編號A0101 第3頁/共24頁 0982073563-0 201120451 [0005] 電容式微加速度感測器係偵測電容的改變，藉以推算加 速度的大小。相較於傳統_電壓式（Piezoelectric)、壓 阻式（Piezoresistive)、穿隨（Tunneling)電流式的 加速度感測器，電容式加速度感測器因具有高靈敏度、 低溫度效應、低電源消耗、結構簡單以及高輸出等特性 ，因此其相關研究、應用領域格外被受注目。中華民國 專利第1284203號之「加速度計」揭露一種電容式加速度 計，其包含一固定單元及一可動單元，該固定單元及可 動單元各自包含複數個感測電極，該些感測電極彼此呈 指又式排列，因此當該可動單元因外力而位移時，感測 電極間的間距隨之改變造成電容發生變化，藉此可偵測 加速度的改變。 [0006] 根據平行電極板的電容公式：Ο ε A/d (其中ε為介電係 數、Α為兩電極板重合面積、d為兩電容板之間距），偵測 間距（符號d)改變造成的電容變化，其電容變化值與間距 變化量呈現非線性關係，因此在加速度的估測與運算上 較為困難，且容易產生誤差。因此，本發明提出一種雙 軸加速度感測器，其藉偵測面積造成的電容變化而可獲 得線性關係較佳之加速度關係。 【發明内容】 [0007] 綜上所述，本發明之目的在於提供一種靈敏度高且線性 關係較佳之雙軸加速度感測元件。 [0008] 本發明之另一目的，在於提供一種雙軸加速度感測元件 ，其可偵測因電極面積變化造成的電容差值，進而感測 加速度的大小與方向。 098142844 表單編號A0101 第4頁/共24頁 201120451 [0009] Ο [0010] [0011] Ο [0012] [0013] 098142844 為了達成前述目的，本發明提供之雙軸加速度感測元件 ，包令--第一感測件、一第二感測件以及一固定單元。 第一感測件可相對該第二感測件運動，第二感測件則可 相對該固定單元運動，且其相對運動之軸向互異，藉此 感測兩互異轴向之加速度。進一步地，第一感測件與第 二感測件之間以及第二感測件與該固定單元之間互設有 相對應之感測電極，因此當該第一、第二感測件與該固 定單元發生相對運動時，該些感測電極可因相互疊合的 面積改變，使得輸出的電容產生差值，並藉以感測加速 度的變化。 根據本發明之一實施例，該些感測電極彼此間具一高度 落差且包含一疊合面積，並進一步形成差動式電容感測 電極。 本發明提出之雙軸加速度感測元件可利用微機電製程製 作，因此其體積小、成本低；進一步地，其感測之加速 度線性關係佳，靈敏度高，且非感測軸向的感測誤差小 。有關本發明的詳細技術内容及較佳實施例，配合圖式 說明如後。 實施方式】 有關本發明之詳細說明及技術内容，現配合圖式說明如 下： 請參閱「圖1」所示，其為本發明一實施例之外觀立體示 意圖。本發明提出之雙軸加速度感測元件1包含一第一感 測件10、一第二感測件20以及一固定單元30，三者形成 一感測平台。透過第一感測件10相對第二感測件20運（轉 表單編號Α0101 第5頁/共24頁 0982073563-0 201120451 )動以及第二感測件20相對該固定單元30運（轉）動，藉以 感測兩相異轴向的加速度大小:和方向。 [0014] [0015] [0016] 「圖2-1」和「圖2_2」分別顯示本發明之第一感測件⑺ 一實施例之外觀立體示意圖及上視圖。該第-感測件10 包含一質量體u ’該質量如包含—第—轴12以及複數 個相互平行的第-制電極13。該第連接於該質 量體11相對應的兩側，使得該質量體1]受外力產生慣性 作用時，能以該第一軸12為軸心擺（扭/轉）動；該些第一 感測電極13彼此平行設置，職健結構。在本實施例 中，该些第一感測電極丨3係設置於該質量體丨丨相對應之 兩侧，且其方向與該第一軸】.2軸向相異，例如圖中顯示 互相垂直者》 漆：ν.: 圖3 1」和圖3 - 2」.分別顯示本發明之第二感測件2 〇 一實施例之外觀立體示意圖及上視圖，該第二感測件2〇 包含一環部21，該環部21内側定義一容置塗間22，且該 環部21内侧對應該第一感測電極丨3設置複數個第二感測 電極23，該些第二感測電極23彼此平行設置，形成梳狀 結構，該環部21外側則包含複數個第三感測電極24，該 些第二感測電極2 4彼此平行設置，形成梳狀結構；該環 部21並包含一第二轴25 ,致使該環部21可以該第二轴25 為軸心擺（扭/轉）動；本實施例中，該些第三感測電極24 係設置於該環部21外側相對應的兩侧，且其方向與該第 二轴25抽向相異，例如圖中顯示互相垂直者，此時第一 轴12亦與第二轴25相互垂直。 其中，該第一感測件1 0可容置於該容置空間2 2，並藉該 098142844 表單編號Α0101 第6頁/共24頁 0982073563-0 201120451 第一轴12與該環部21相連，如「圖ι所示。此時該些 第一感測電極L3與該些第二感測電極23相互交疊平行且' 交錯排列，呈指叉形式設置而形成相對應的電容i感測結 構。 [0017] Ο 請參閲「圖4-1」和「圖4-2j，其為本發明之固定單元 30 —實施例之外觀立體示意圖及上視圖。該固定單元3〇 内部定義-第二容置空間3卜且其内侧包含複數個對應 該第三感測電極24而設置之複數個第四感測電極犯；該 些第四感測電極32彼此平行設置，形成梳狀結構。如厂 圖1」所示，該第二感測件20可容置於辕第二容置空間31 ，並藉§亥第二軸25與該固定..單元3〇相聲.，致使該此第二 感測電極2 4與該些第四感測:電極3 2相耳交叠平行且交錯 排列，呈指叉形式設置而形成相對應的電容感測結構。 [0018] ❹ 請再參閱「圖1」所示，在上述之實施例中，該第一感測 電極13係垂直該第一轴12設置（如溻中之X轴方向），該第 二感測電極2 4則垂直該第二轴2,5設置（,ι如圖中之γ軸方向）
’但不以此為限。進#步地，該第一感測電極丨3、該第 二感測電極23、該第三感測電極24以及/或該第四感測電 極32可為高深寬比梳狀感測電極（HARM (high-aspect-ratio-micromachined) vertical- combs)，其可藉由#刻基板、電鑄、放電加工、溝槽回 填等製程而形成；該第一軸12以及該第二轴25可為一彈 簧錶構（叾丨11^31 spring)。請再參閱「圖5-1」和「圖 5-2」所示，其分別自「圖1」之AA’線段和BB’線段剖 面示意：在另一實施例中，該第一感測電極1 3與該第二 098142844 表單編號A0101 第7頁/共24頁 0982073563-0 201120451 感測電極23彼此交疊且沿J軸方向高低設置；該第三感測 電極24與該第四感測電極豸2亦彼此交疊而沿Z軸方向高低 設置。 [0019] 在未受力的情況下，該第一感測件10藉該第一轴12的支 撐而懸浮，並相對該第二感測件20靜止；相同地，該第 二感測件20藉該第二轴25的支撐而懸浮，且相對該固定 單元30靜止。當本發明之雙軸加速度感測元件1受到一平 行X-Y平面之加速度時，該質量體11可將慣性力輸出，並 透過鐘擺（pendulum)型結構產生扭矩，將力量傳遞至該 第一軸12及該第二軸25，致使該第一轴12及/或該第二軸 25進行解偶合，使得該質量體11分別對該第一軸12及該 第二軸2 5輸出對應的扭矩，驅使該感測平台產生擺動。 [0020] 根據前述之電容公式Ο ε A/d，當兩平行電極面積改變時 ，電容亦隨之改變。因此，當該第一感測件10以第一軸 12為軸心擺動（扭轉）時，位於該第一軸12兩側之該些第 一感測電極13相對該些第二感測電極23會產生面積變化 ，引發兩端分別產生+ △(：及-AC的電容值改變，藉由兩 側相異的電容差值輸出，達成差動式電容的量側目的， 以感測平行該第二軸25方向（X軸方向）之加速度；同理， 當該第二感測件20以該第二軸25為轴心擺動時，可感測 平行該第一軸12方向（Y軸方向）之加速度。須再說明的是 ，不同的加速度大小會致使該第一感測件1 0或第二感測 件20產生對應的擺動程度，不同的擺動程度則對應最後 偵測出的不同電容差，可藉以感測加速度的大小。 [0021] 「圖6-1」和「圖6-2」分別顯示上述實施例的雙軸加速 098142844 表單編號A0101 第8頁/共24頁 0982073563-0 201120451 度感測結果’:’可舉例說明本發明量測上的優點，其係將 加速度產生的電容差值以一商用電容電壓轉換電路 (commercial capacitive readout 1C)轉換成電壓 輪出。由結果可知，偵測到的雙軸加速度結果實質上呈 現一線性關係，且其對X軸向以及對γ轴向的靈敏度 (sensitivities)分別為2.44 mV/G與51.99 mV/G; 此外’其對於非感測軸向的感測誤差（cr〇ss_taik er_ rors)極小。 0 [0022：1須再說明的是’上述本發明將第一感測件10 '第二感測 件20以及固定單元30分開定義、敘述僅為方便說明及暸 解。實際上’該些結構可互相獨立分離而組裝，或是藉 由微機電或半導體製程，利用姓刻、微影、回填等該領 域知悉之技術直接製作而成。舉例來說，本發明之雙轴 加速度感測元件1可利用M0SBE之微機電技術平台製程製 造，其相關之平台技術可#閱20,05年發表之「The Mol-ded Surface-micromachining and Bulk Etching ❹ Release (MOSBE) Fabrication Platform on (111) Si for MOEMS」 （Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15，pp. 260-265)，在此不加贅述。藉此’該些感測電極以及該 第一轴12及該第二軸25可利用溝槽回填 (trench-refi 11)技術達成，其材質可為多晶矽；該質 量體11可藉由底層基材蝕刻（backside etching)而形 成，例如材質為矽。以微機電製程製造出的加速度感測 元件’更具備體積小、低成本、南靈敏的優點。 098142844 表單編號A0101 第9頁/共24頁 0982073563-0 201120451 [0023] 惟以上所述者，僅為本發明之較佳,實施例，非欲侷限本 發明專利之專利保護範圍，故舉Hi運用本發明說朔書及 圖式内容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明 之權利保護範圍，合予陳明。 【圖式簡單說明】 [0024] 本發明的實施方式係結合圖式予以描述： [0025] 「圖1」為本發明一實施例之外觀立體示意圖； [0026] 「圖2-1」 為本發明之第一感測件一實施例之外觀立體示 意圖； [0027] 「圖2-2」 為本發明之第一感測件一實施例之上視圖； [0028] 「圖3-1」 為本發明之第二感測件一實施例之外觀立體示 意圖； [0029] 「圖3-2」 為本發明之第二感測件一實施例之上視圖； [0030] 「圖4-1」 為本發明之固定單元一實施例之外觀立體示意 圖， [0031] 「圖4 - 2」 為本發明之固定單元一實施例之上視圖； [0032] 「圖5-1」 顯示第一感測電極與第二感測電極彼此高低交 疊之一實施例； [0033] 「圖5-2」 顯示第三感測電極與第四感測電極彼此高低交 疊之一實施例； [0034] 「圖6-1」 顯示上述實施例一軸之加速度感測結果；以及 [0035] 「圖6-2」 顯示上述實施例另一軸之加速度感測結果。 表單編號A0101 第10頁/共24頁
098S 098142844 201120451 【主要元件符號說明】 [Q036] 1 雙轴加速度感測元件 [0037] 10.......第一感測件 [0038] 11.......質量體 [0039] 12.......第一軸 [0040] 13.......第一感測電極 [0041] 20.......第二感測件
[0042] 21.......環部 [0043] 22.......容置空間 [0044] 23.......第二感測電極 [0045] 24.......第三感測電極 [0046] 25.......第二軸 [0047] 30.......固定單元 [0048] 31.......第二容置空間 [0049] 32.......第四感測電極 0982073563-0 098142844 表單編號A0101 第11頁/共24頁