TW201435305A - 具指插式彈簧的微機電裝置 - Google Patents

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Abstract

一種具指插式彈簧的微機電裝置，包括基板、至少一質量塊、移動電極、固定電極、固定座以及指插式彈簧。移動電極沿軸向配置在質量塊上。固定電極沿軸向配置在基板上，且移動電極與固定電極之間具有一臨界間隙。指插式彈簧沿軸向連接質量塊與固定座。指插式彈簧包含複數個第一折疊部、複數個第一連接部、複數個第二折疊部以及複數個第二連接部。第一折疊部包含二個第一延展部及第一頭部。第二折疊部包含二個第二延展部及第二頭部。第一延展部的寬度大於此臨界間隙，且第二延展部的寬度大於此臨界間隙。

Description

具指插式彈簧的微機電裝置
本發明是有關於一種微機電裝置，且特別是有關於一種具指插式彈簧的微機電裝置。
近年來，受惠於智慧型手機、平板電腦、體感遊戲機等相關電子產品的帶動，使得微機電慣性感測器，例如加速度計、陀螺儀與振盪器等，大量地應用於這些電子產品中，使其市場需求呈現逐年大幅度地成長。市場多方競爭之下，微機電慣性感測器相關應用產品對其品質與價格的要求也隨之提高。目前的微機電慣性感測器技術已趨於成熟的，設計出高感應軸靈敏度(on-axis sensitivity)、低它軸加速度(off-axis sensitivity)影響以及高製程變異容忍度的微小化結構尺寸的微機電慣性感測器已成為目前的微機電慣性感測器的技術趨勢。
然而，當微機電慣性感測器的質量塊縮小時，傳統彈簧在相同製程下等比例縮小，則傳統彈簧的剛性會過高，從而造成準確度以及靈敏度的降低。另外，當微機電慣性感測器的質量塊縮小時，傳統彈簧採用更為精密的製程，使傳統彈簧的寬度變得更小，造成傳統彈簧的製程誤差的容忍度會降低，從而產生較大共振頻率漂移(frequency drift)的現象。
圖1A是習知之一種微機電加速度計的示意圖。圖1B 是圖1A之微機電加速度計的質量塊縮小後的示意圖。請參考圖1A，微機電加速度計10係由質量塊12、傳統彈簧14以及感應電極16組成，其中傳統彈簧14的剛性(stiffness)為K。感應電極16包括固定電極16a以及移動電極16b。當X軸方向產生加速度時，質量塊12在X軸方向上產生位移，固定電極16a與移動電極16b的相對距離因而改變，造成固定電極16a與移動電極16b之間的電容發生變化。藉由感測此電容變化，即能換算出加速度值。
接著，請參考圖1B，微機電加速度計20係由質量塊22、傳統彈簧24以及感應電極26組成，其中傳統彈簧24的剛性為k。感應電極26包括固定電極26a以及移動電極26b。
在傳統微機電加速度計中，當質量塊縮小時，傳統彈簧的剛性不易降低。當傳統彈簧剛性過高時，相同加速度下，感應軸的位移量降低，而不易於量測微小的加速度，導致加速度計的靈敏度降低。當彈簧的剛性太低時，它軸加速度造成感應軸的位移量增加，從而加速度計的準確度降低。舉例而言，圖1B之質量塊22的邊長L2縮減為圖1A之質量塊12的邊長L1的二分之一，從而質量塊22之傳統彈簧24的剛性必須降低為質量塊12之傳統彈簧14的剛性的四分之一，才得以維持相同的位移量，其可由下述公式得知：
圖2A是習知之一種微機電共振器的示意圖。圖2B是圖2A之微機電共振器的質量塊縮小後的示意圖。請參考圖2A，微機電共振器30係由質量塊32、傳統彈簧34、感應電極36以及驅動電極38組成。感應電極36包括固定電極36a以及移動電極36b。驅動電極38包括固定電極38a以及移動電極38b。質量塊32受驅動電極38驅動，而產生週期式的往復振動。當質量塊32達到共振頻率時，質量塊32產生最大位移，感應電極36感應到最大的電壓變化。最後，將量測到的電壓變化之頻率輸出，即可作為時脈訊號。
請參考圖2B，微機電共振器30’係由質量塊32’、傳統彈簧34’、感應電極36’以及驅動電極38’組成。感應電極36’包括固定電極36’a以及移動電極36’b。驅動電極38’包括固定電極38’a以及移動電極38’b。當微機電共振器30縮小成共振器30’時，傳統彈簧34的寬度必須隨之窄化，才能使縮小後的微機電共振器30’與微機電共振器30擁有相同的共振頻率。此窄化後的彈簧寬度可由下列公式(2)帶入公式(1)後，以公式(3)求得： 其中，f是共振頻率、k為彈簧的剛性(stiffness)、m為質量塊的質量、L為質量塊的邊長、np是設置在同一方向之摺疊彈簧的數目、ns是單一摺疊彈簧之摺疊部的數量、E是摺疊彈簧的楊氏係數(Young's modulus)、t是摺疊彈簧的厚度、w是摺疊彈簧的寬度以及l是摺疊彈簧的長度。
但在相同製程變異(例如寬度的變異)下，對於寬度較窄的彈簧，將造成較大程度的影響。寬度較窄的彈簧會造成微機電共振器30’產生較大的頻率飄移，更精確的說，微機電共振器30’設計時的共振頻率與實際量測到的共振頻率會有較大的差異。
圖3是習知之一種微機電陀螺儀的示意圖。請參考圖3，微機電陀螺儀40係由加速度計50以及共振器60組成。加速度計50包括第一質量塊52。共振器60包括第二質量塊62。當第二質量塊62在其共振頻率上，沿Y軸來回振動，以驅動第一質量塊52在Y軸來回振動。當Z軸方向有角速度產生時，第一質量塊52在X軸上產生位移，第一質量塊52之移動電極52b與基板SUB1上之固定電極52a的相對距離因而改變，造成移動電極52b與固定電極 52a兩之間發生電容變化。最後，感測此電容變化，即能換算出角速度的大小。然而，當加速度計50縮小化時，加速度計的靈敏度以及準確度皆降低。當共振器60縮小化時，會造成共振器60產生較大的頻率飄移。
由上述三個例子可知，「如何使微機電加速度計縮小化？」、「如何使微機電共振器縮小化？」或者「如何使微機電陀螺儀縮小化？」，成為目前的微機電慣性感測器的技術趨勢，也就是在微機電慣性感測器縮小化的過程中，要設計出一種較寬的彈簧，使其在感應軸(sensing axis)具有較低的剛性，以便能與縮小化後的質量塊對應。另外，使彈簧在它軸(off-axis)上具有較高的剛性，當它軸產生額外的加速度時，能在感應軸產生較小的位移，亦對感應軸產生較小位移。更詳細地說，從「如何使微機電加速度計縮小化能具有較佳的準確度以及靈敏度」、「如何使微機電共振器縮小化能產生較小的頻率飄移」或者「如何使微機電陀螺儀縮小化能具有較小的頻率飄移與較佳的準確度以及靈敏度」著手，才能設計出能適應結構縮小化的微機電慣性感測器。
圖4是習知之一種電磁驅動振動式加速度計的示意圖。請參考圖4，美國專利US5948982公開一種電磁驅動振動式加速度計70，當電流通過驅動彈簧72時，使質量塊74產生振動。當感測到加速度時，質量塊74振動頻率發生變化。最後，藉由振動頻率的改變，換算出感測到的加速度大小。
圖5是習知之一種微機械半導體元件的示意圖。請參考圖5，美國專利US5834332公開一種微機械半導體元件80，利用彈簧82降低垂直方向(Z軸方向)的剛性，使質量塊84能進行垂直運動(Z軸方向)。
圖6是習知之一種半導體物理量感測器的示意圖。請參考圖6，美國專利US6450033公開一種半導體物理量感測器90，其橋接元件92分別連接內彈簧94的連接部94a與外彈簧96的連接部96a，以抑制它軸加速度的影響。
本發明提供一種具指插式彈簧的微機電裝置，其利用具有較大寬度的指插式彈簧維持靈敏度並減少共振頻率飄移，其中指插式彈簧具有複數個第一折疊部、複數個第一連接部、複數個第二折疊部以及複數個第二連接部。每一第一折疊部包含二個第一延展部及連接二個第一延展部的第一頭部。每一第一連接部分別連接兩相鄰之第一折疊部之第一延展部以界定第一空間。每一第二折疊部包含二個第二延展部及連接二個第二延展部的第二頭部。每一第二連接部分別連接兩相鄰之第二折疊部之第二延展部以界定第二空間，其中至少一第一折疊部設置於第二空間，且至少第二折疊部設置於第一空間。第一延展部以及第二延展部的長度對應質量塊之邊長作配置。具體而言，第一延展部以及第二延展部的長度係接近質量塊之邊長，以降低指插式彈簧之剛性。另外，第一延展部以及第二延展部的寬 度大於移動電極與固定電極之間的臨界間隙。在相同製程下，使用具有較大寬度的指插式彈簧，可使製程變異的影響相對減小，從而降低共振頻率飄移。
此外，指插式彈簧還可選擇性地配置橋接元件來降低它軸的影響，以維持感應軸準確度以及靈敏度。具體而言，橋接元件連接第一延展部與第二延展部，以增加指插式彈簧它軸的剛性。橋接元件包括第一橋接元件，其中第一橋接元件連接第一延展部靠近第一連接部的部分以及第二延展部靠近第二頭部的部分。橋接元件還包括第二橋接元件，其中第二橋接元件連接第一延展部靠近第一頭部的部分以及第二延展部靠近第二連接部的部分，如此將不會影響指插式彈簧在感應軸上的變形量。此外，第一橋接元件配置於靠近固定座的一側，第二橋接元件配置於靠近第一質量塊的一側，具體而言，第一橋接元件的配置與第二橋接元件的配置為原點對稱，以進一步提昇它軸的剛性。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
第一實施例
圖7A是本發明之第一實施例之微機電裝置的示意圖。圖7B是圖7A之微機電裝置的區域A的局部放大示意圖。請參考圖7A，微機電裝置100例如是微機電角速度計，其適用於感測角速度，包括基板SUB2、第一質量塊 110、第二質量塊120、移動電極130、固定電極140、固定座150以及第一指插式彈簧160。
第二質量塊120例如是框架的結構，第一質量塊110配置於第二質量塊120內，且第二指插式彈簧112沿第一軸向A1連接第一質量塊110與第二質量塊120。移動電極130沿第二軸向A2配置在第二質量塊120上的兩對側。固定電極140則沿第二軸向A2配置在基板SUB2上，並與移動電極130形成感應電極170以及驅動電極180。感應電極170之移動電極130與感應電極170之固定電極140之間具有一臨界間隙，臨界間隙是經由蝕刻製程後，形成於移動電極130與固定電極140之間。進一步地說，如圖7B所示，在經由蝕刻製程形成移動電極130與固定電極140後且第二質量塊120尚未被驅動前，移動電極130與固定電極140之間具有第一間隙d1以及第二間隙d2，且第一間隙d1不等於第二間隙d2。此時，臨界間隙可定義為第一間隙d1與第二間隙d2之中較小者。在本實施例中，第一間隙d1可以是2微米(μm)且第二間隙d2可以是6微米(μm)，亦即第一間隙d1小於第二間隙d2，而此設計，可以使感應電極170感應到的電容變化呈現較好的線性度(linearity)。此時，臨界間隙即為第一間隙d1與第二間隙d2中較小的第一間隙d1。換言之，本實施例的移動電極130與固定電極140之間的臨界間隙為2微米(μm)。
此外，在本實施例中，雖沒有採用摺疊彈簧，但仍可使摺疊彈簧的長度為第二質量塊120之邊長的一半，然後 利用公式(3)計算出一摺疊彈簧的寬度，作為設計指插式彈簧之寬度的參考。此參考用的彈簧寬度，可定義為「共振彈簧寬度」。值得注意的是，在計算本實施例的「共振彈簧寬度」時，公式(3)中的f為第二質量塊120的共振頻率、m為第二質量塊120的質量、L為第二質量塊120之邊長(此邊平行第二軸向A2)、l為摺疊彈簧的長度且等於第二質量塊120之邊長的一半(即)、np是設置在同一方向之摺疊彈簧的數目、ns是單一摺疊彈簧之摺疊部的數量、E是摺疊彈簧的楊氏係數以及t是摺疊彈簧的厚度。另外，固定座150配置於第二質量塊120的兩對側，且固定於基板SUB2上。第一指插式彈簧160沿第二軸向A2連接第二質量塊120與固定座150。為具體表示第一指插式彈簧160的配置，圖7C繪示了圖7A之微機裝置100的區域B的局部放大圖。請同時參考圖7A與圖7C，本實施例的第一指插式彈簧160沿第二軸向A2連接第二質量塊120與固定座150且位於第二質量塊120與固定座150之間。第一指插式彈簧160包含複數個第一折疊部160a、複數個第一連接部160b、複數個第二折疊部160c以及複數個第二連接部160d。第一折疊部160a包含二個第一延展部162a及 連接二個第一延展部162a的第一頭部H1。第一連接部160b例如係由兩個第一足部F1所構成，分別連接了兩相鄰之第一折疊部160a之第一延展部162a以界定第一空間T1。第二折疊部160c包含二個第二延展部164c及連接二個第二延展部164c的第二頭部H2。第二連接部160d例如係由兩個第二足部F2所構成，分別連接了兩相鄰之第二折疊部160c之第二延展部164以界定第二空間T2。在本實施例中，第一空間T1與第二空間T2可以是如ㄇ字形的半開放空間。第一折疊部160a設置於第二空間T2，且第二折疊部160c設置於第一空間T1。值得注意的是，圖7A或圖7C雖然未繪示，然而在本實施例中，複數個第一折疊部160a也可同時設置於同一第二空間T2或複數個第二折疊部160c也可同時設置於同一第一空間T1。
為了降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部162a的寬度W1大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)，且第二延展部164c的寬度W2大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)。換言之，在相同製程下，本實施例使用了具有較大寬度的第一指插式彈簧160，以使製程變異的影響相對減小。此外，為了更減少製程變異的影響，以更降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部162a的寬度W1大於「共振彈簧寬度」，且第二延展部164c的寬度W2大於「共振 彈簧寬度」。此外，本實施例之第一指插式彈簧160的第一延展部162a以及第二延展部164c的長度接近第一質量塊110的邊長，使第一指插式彈簧160可對應第一質量塊110的尺寸而作配置。
另一方面，為了增加指插式彈簧的剛性，本實施例還可以選擇在第一指插式彈簧160上設置橋接元件。圖7D繪示了配置有橋接元件的微機電裝置100A。圖7E為圖7D之微機裝置100A的區域C的局部放大圖。如圖7D以及圖7E所示，第一指插式彈簧160連接第二質量塊120於位置P1及P2，且第一指插式彈簧160連接固定座150於位置P3及P4。請參考圖7E，通過位置P1及P3的連線(圖未示)與通過位置P2及P4的連線(圖未示)相交於一原點O。此原點O可作為一區域座標系統(local coordinate)的原點(origin)。通過原點O且平行第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X1，通過原點O且垂直第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X2。如圖7D所示，本實施例藉由第一橋接元件192以及第二橋接元件194來連接第一延展部162a與第二延展部164c。請參考圖7E，具體而言，第一橋接元件192連接第一延展部162a靠近第一連接部160b之第一足部F1的部分以及第二延展部164c靠近第二頭部H2的部分，第二橋接元件194連接第一延展部162a靠近第一頭部H1的部分以及第二延展部164c靠近第二足部F2的部分，以降低它軸加速度對第一指插式彈簧160在感應軸上的變形量的影響。此外，在本實施例中，如圖 7D及圖7E所示，第一橋接元件192靠近固定座150的一側，第二橋接元件194靠近第一質量塊110的一側，且第一橋接元件192與第二橋接元件194相對於原點O的配置為原點對稱(origin symmetry)。換言之，若第一橋接元件192相對於區域座標系統的座標為(x1,x2)，則第二橋接元件194相對於區域座標系統的座標為(-x1,-x2)。
基於上述，本實施例的微機電裝置採用指插式彈簧其利用具有較大寬度的指插式彈簧維持靈敏度並減少共振頻率飄移。此外，本實施例可以選擇性地利用橋接元件來降低它軸它軸加速度的影響，以維持感應軸準確度以及靈敏度。
第二實施例
除前述實施例所述的適用於感測角速度的微機電裝置之外，實際上，本申請之設計還可以應用到其他類型的微機電裝置上。例如，圖8更繪示了一種應用前述指插式彈簧與橋接元件的指插式微機電裝置例如是指插式微機電加速度計，其適用於感測加速度。 如圖8所示的指插式微機電裝置200，其包括基板SUB3、第一質量塊210、移動電極220、固定電極230、固定座240以及指插式彈簧250。第一質量塊210位於移動電極220之間。移動電極220沿第一軸向A1配置在第一質量塊210上。固定電極230沿第一軸向A1配置在基板SUB3上，且與移動電極220形成感應電極260。感應電極260之移 動電極220與感應電極260之固定電極230之間具有一臨界間隙，此臨界間隙是經由蝕刻製程後，形成於移動電極220與固定電極230之間。進一步地說，在經由蝕刻製程形成移動電極220與固定電極230後且，在第一質量塊210尚未被驅動前，移動電極220與固定電極230之間具有第一間隙d1以及第二間隙d2，且第一間隙d1不等於第二間隙d2。此時，臨界間隙可定義為第一間隙d1與第二間隙d2之中較小者。在本實施例中，第一間隙d1可以是2微米(μm)且第二間隙d2可以是5微米(μm)，亦即第一間隙d1小於第二間隙d2，而此設計，可以使感應電極260感應到的電容變化呈現較好的線性度。此時，臨界間隙即為第一間隙d1與第二間隙d2中較小的第一間隙d1。換言之，本實施例的移動電極220與固定電極230之間的臨界間隙為2微米(μm)。
此外，固定座240配置於第一質量塊210的兩對側，且固定於基板SUB3上。指插式彈簧250沿第一軸向A1連接第一質量塊210與固定座240，且位於第一質量塊210與固定座240之間。指插式彈簧250連接第一質量塊210於位置P1及P2，且指插式彈簧250連接固定座240於位置P3及P4。通過位置P1及P3的連線(圖未示)與通過位置P2及P4的連線(圖未示)可相交於一原點O。此原點O可作為一區域座標系統的原點。如圖8所示，通過此原點O且平行第二軸向A2的方向上可定義出一軸線X1，通過此原點O且垂直第二軸向A2的方向上可定義出一軸 線X2。指插式彈簧250包含複數個第一折疊部250a、複數個第一連接部250b、複數個第二折疊部250c以及複數個第二連接部250d。第一折疊部250a包含二個第一延展部252a及連接二個第一延展部252a的第一頭部H1。第一連接部250b例如係由兩個第一足部F1所構成，分別連接了兩相鄰之第一折疊部250a之第一延展部252a以界定第一空間T1。第二連接部250d例如係由兩個第二足部F2所構成，分別連接了兩相鄰之第二折疊部250c之第二延展部254c以界定第二空間T2。在本實施例中，第一空間T1與第二空間T2可以是如ㄇ字形的半開放空間。第一折疊部250a設置於第二空間T2，且第二折疊部250c設置於第一空間T1。值得注意的是，圖8雖然未繪示，然而本實施例中複數個第一折疊部250a也可同時設置於同一第二空間T2或複數個第二折疊部250c也可同時設置於同一第一空間T1。為了降製程變異的影響，可使第一延展部252a的寬度W1大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)，且第二延展部254c的寬度W2大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)。進一步而言，在相同製程下，使用具有較大寬度的指插式彈簧250，可使製程變異的影響相對減小，從而降低彈簧剛性的變異。此外，第一延展部252a以及第二延展部254c的長度接近第一質量塊210的邊長，而使指插式彈簧250可對應第一質量塊210的尺寸而作配置。
如同前述實施例所述，本實施例的微機電裝置200亦可包括第一橋接元件262以及第二橋接元件264，用以連 接第一延展部252a與第二延展部254c。類似地，第一橋接元件262連接第一延展部252a靠近第一連接部250b之第一足部F1的部分以及第二延展部254c靠近第二頭部H2的部分，第二橋接元件264連接第一延展部252a靠近第一頭部H1的部分以及第二延展部254c靠近第二連接部250d之第二足部F2的部分，以降低對指插式彈簧250在感應軸上的變形量的影響。此外，如圖8所示，在本實施例中，第一橋接元件262設置於靠近固定座240的一側，第二橋接元件264設置於靠近第一質量塊210的一側，且第一橋接元件262與第二橋接元件264相對於原點O的配置為原點對稱。換言之，若第一橋接元件262相對於區域座標系統的座標為(x3,x4)，則第二橋接元件264相對於區域座標系統的座標為(-x3,-x4)。
基於上述，本實施例的微機電裝置同樣採用了指插式彈簧來維持靈敏度，並且可以選擇利用橋接元件來降低它軸的影響，以維持感應軸準確度以及靈敏度。
第三實施例
圖9更繪示另一種應用前述指插式彈簧以及橋接元件的另一種微機電裝置。更具體而言，如圖9所示的微機電裝置300例如是微機電共振器，其包括基板SUB4、第一質量塊310、移動電極320、固定電極330、固定座340以及指插式彈簧350。
在本實施例中，移動電極320例如是沿第一軸向A1 配置在第一質量塊310上，而固定電極330例如是沿第一軸向A1配置在基板SUB4上，且與移動電極320形成感應電極360以及驅動電極370。感應電極360之移動電極320與感應電極360之固定電極330之間具有一臨界間隙，臨界間隙是經由蝕刻製程後，形成於移動電極320與固定電極330之間。進一步地說，在經由蝕刻製程形成移動電極320與固定電極330後且在第一質量塊310尚未被驅動前，移動電極320與固定電極330之間具有第一間隙d1以及第二間隙d2，且第一間隙d1不等於第二間隙d2。此時，臨界間隙可定義為第一間隙d1與第二間隙d2之中較小者。在本實施例中，第一間隙d1可以是2微米(μm)且第二間隙d2可以是4微米(μm)，亦即第一間隙d1小於第二間隙d2，而此設計，可以使感應電極360感應到的電容變化呈現較好的線性度。此時，臨界間隙即為第一間隙d1與第二間隙d2中較小的第一間隙d1。換言之，本實施例的移動電極320與固定電極330之間的臨界間隙為2微米(μm)。此外，在本實施例中，雖沒有採用摺疊彈簧，但仍可利用公式(3)計算出摺疊彈簧的「共振彈簧寬度」，作為設計指插式彈簧的參考。值得注意的是，在計算本實施例的「共振彈簧寬度」時，公式(3)中的f為第一質量塊 310的共振頻率、m為為第一質量塊310的質量、L為第一質量塊310之邊長(此邊垂直第一軸向A1)、摺疊彈簧的長度為第一質量塊310之邊長的一半(即)、np是設置在同一方向之摺疊彈簧的數目、ns是單一摺疊彈簧之摺疊部的數量、E是摺疊彈簧的楊氏係數以及t是摺疊彈簧的厚度。
固定座340配置於第一質量塊310的兩對側，且固定於基板SUB4上。指插式彈簧350例如是沿第一軸向A1連接第一質量塊310與固定座340，且位於第一質量塊310與固定座340之間。指插式彈簧350連接第一質量塊310於位置P1及P2，且指插式彈簧350連接固定座340於位置P3及P4。通過位置P1及P3的連線(圖未示)與通過位置P2及P4的連線(圖未示)可相交於一原點O。此原點O可作為一區域座標系統的原點。如圖9所示，通過此原點O且平行第二軸向A2的方向上可定義出一軸線X1，通過此原點O且垂直第二軸向A2的方向上可定義出一軸線X2。指插式彈簧350包含複數個第一折疊部350a、複數個第一連接部350b、複數個第二折疊部350c以及複數個第二連接部350d。第一折疊部350a包含二個第一延展部352a及連接二個第一延展部352a的第一頭部H1。第一連接部350b例如係由兩個第一足部F1所構成，分別連接了兩相鄰之第一折疊部350a之第一延展部352a以界定第 一空間T1。第二折疊部350c包含二個第二延展部354c及連接二個第二延展部354c的第二頭部H2。第二連接部350d係由兩個第二足部F2所構成，分別連接兩相鄰之第二折疊部350c之第二延展部354c以界定第二空間T2在本實施例中，第一空間T1與第二空間T2可以是ㄇ字形的半開放空間。第一折疊部350a設置於第二空間T2，且第二折疊部350c設置於第一空間T1。值得注意的是，圖9雖然未繪示，然而本實施例中複數個第一折疊部350a也可同時設置於同一第二空間T2或複數個第二折疊部350c也可同時設置於同一第一空間T1。此外，為使製程變異的影響相對減小，從而降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部352a的寬度W1大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)，且第二延展部354c的寬度W2大於臨界間隙(即前述第一間隙d1)。為了更減少製程變異的影響，以更降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部352a的寬度W1大於「共振彈簧寬度」，且第二延展部354c的寬度W2大於「共振彈簧寬度」。
另一方面，第一延展部352a以及第二延展部354c的長度接近第一質量塊310的邊長，使指插式彈簧350可對應第一質量塊310的尺寸而作配置。
此外，為了增加指插式彈簧350它軸的剛性，具指插式彈簧的微機電裝置300可包括第一橋接元件382以及第二橋接元件384，用以連接第一延展部352a與第二延展部354c。第一橋接元件382連接第一延展部352a靠近第一連 接部350b之第一足部F1的部分以及第二延展部354c靠近第二頭部H2的部分，第二橋接元件384連接第一延展部352a靠近第一頭部H1的部分以及第二延展部354c靠近第二連接部350d之第二足部F2的部分，以避免它軸加速度影響指插式彈簧350在感應軸上的變形量。此外，如圖9所示，在本實施例中，第一橋接元件382設置於靠近固定座340的一側，第二橋接元件384設置於靠近第一質量塊310的一側，且第一橋接元件382與第二橋接元件384相對於原點O的配置為原點對稱。換言之，若第一橋接元件382相對於區域座標系統的座標為(x5,x6)，則第二橋接元件384相對於區域座標系統的座標為(-x5,-x6)。
基於上述，本實施例的微機電裝置同樣採用了指插式彈簧來維持靈敏度並減少共振頻率飄移，並且可以選擇利用橋接元件來降低它軸加速度的影響，以維持感應軸準確度以及靈敏度。
第四實施例
前述多個實施例分別描述了應用本申請設計方案的多種微機電裝置。然而，依現有的技術水平，前述各類微機電裝置並不限於如圖所示的結構。舉例而言，圖10A至圖10C更繪示了另一種應用本申請之指插式彈簧的微機電裝置，其中圖10A是本發明之第四實施例之指插式彈簧微機電裝置的立體圖。圖10B是圖10A之指插式微機電裝置的俯視示意圖。圖10C是圖10B之指插式彈簧的微機電裝 置的區域D的局部放大示意圖。請參考圖10A以及圖10B，微機電裝置400例如是指插式微機電加速度計，其包括基板SUB5、第一質量塊410、移動電極420、固定電極430、固定座440以及指插式彈簧450。
第一質量塊410例如框架的結構，移動電極420沿第二軸向A2配置於第一質量塊410上，固定電極430沿第二軸向A2配置在基板SUB5上，且與移動電極420形成感應電極460於第一質量塊410內。如圖10C所繪示，感應電極460之移動電極420與感應電極460之固定電極430之間具有一臨界間隙，臨界間隙是經由蝕刻製程後，形成於移動電極420與固定電極430之間。進一步地說，在經由蝕刻製程形成移動電極420與固定電極430後且在第一質量塊410尚未被驅動前，移動電極420與固定電極430之間具有第一間隙d1以及第二間隙d2，且第一間隙d1不等於第二間隙d2。此時，臨界間隙可定義為第一間隙d1與第二間隙d2之中較小者。在本實施例中，第一間隙d1可以是4微米(μm)且第二間隙d2可以是2微米(μm)，亦即第二間隙d2小於第一間隙d1，而此設計，可以使感應電極460感應到的電容變化呈現較好的線性度。此時，臨界間隙即為第一間隙d1與第二間隙d2中較小的第二間隙d2。換言之，本實施例的移動電極420與固定電極430之間的臨界間隙為2微米(μm)。
此外，固定座440配置於第一質量塊410的兩對側，且固定於基板SUB5上。指插式彈簧450沿第二軸向A2 連接第一質量塊410與固定座440，且位於第一質量塊410與固定座440之間。指插式彈簧450連接第一質量塊410於位置P1及P2，且指插式彈簧450連接固定座440於位置P3及P4。通過位置P1及P3的連線(圖未示)與通過位置P2及P4的連線(圖未示)可相交於一原點O。此原點O可作為一區域座標系統的原點。如圖10B所示，通過此原點O且平行第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X1，通過此原點O且垂直第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X2。指插式彈簧450包含複數個第一折疊部450a、複數個第一連接部450b、複數個第二折疊部450c以及複數個第二連接部450d。第一折疊部450a包含二個第一延展部452a及連接二個第一延展部452a的第一頭部H1。第一連接部450b例如係由兩個第一足部F1所構成，分別連接兩相鄰之第一折疊部450a之第一延展部452a以界定第一空間T1。第二折疊部450c包含二個第二延展部454c及連接二個第二延展部454c的第二頭部H2。第二連接部450d例如係由兩個第二足部F2所構成，分別連接了兩相鄰之第二折疊部450c之第二延展部454c以界定第二空間T2。在本實施例中，第一空間T1與第二空間T2可以是如ㄇ字形的半開放空間。第一折疊部450a設置於第二空間T2，且第二折疊部450c設置於第一空間T1。值得注意的是，圖10B雖然未繪示，然而本實施例中複數個第一折疊部450a也可同時設置於同一第二空間T2或複數個第二折疊部450c也可同時設置於同一第一空間T1。第一延展部 452a的寬度W1大於臨界間隙(即前述第二間隙d2)，且第二延展部454c的寬度W2大於臨界間隙(即前述第二間隙d2)。進一步而言，在相同製程下，使用具有較大寬度的指插式彈簧450，可使製程變異的影響相對減小，從而降低共振頻率飄移。此外，第一延展部452a以及第二延展部454c的長度接近第一質量塊410的邊長，而使指插式彈簧450可對應第一質量塊410的尺寸而作配置。
如同前述實施例所述，本實施例的微機電裝置400亦可包括第一橋接元件462以及第二橋接元件464，用以連接第一延展部452a與第二延展部454c。類似地，第一橋接元件462連接第一延展部452a靠近第一連接部450b之第一足部F1的部分以及第二延展部454c靠近第二頭部H2的部分，第二橋接元件464連接第一延展部452a靠近第一頭部H1的部分以及第二延展部454c靠近第二連接部450d之第二足部F2的部分，以降低它軸加速度對指插式彈簧450在感應軸上的變形量。此外，如圖10B所示，在本實施例中，第一橋接元件462設置於靠近固定座440的一側，第二橋接元件464設置於靠近第一質量塊410的一側，且第一橋接元件462與第二橋接元件464相對於原點O為原點對稱。換言之，若第一橋接元件462相對於區域座標系統的座標為(x7,x8)，則第二橋接元件384相對於區域座標系統的座標為(-x7,-x8)。
基於上述，本實施例的微機電裝置同樣採用了指插式彈簧且可以選擇利用橋接元件來降低它軸加速度的影響， 以維持感應軸準確度以及靈敏度。
第五實施例
前述多個實施例分別描述了應用本申請設計方案的多種微機電裝置。然而，依現有的技術水平，前述各類微機電裝置並不限於如圖所示的結構。舉例而言，圖11A更繪示另一種應用前述指插式彈簧以及橋接元件的另一種微機電裝置。更具體而言，如圖11A所繪示的微機電裝置500例如是微機電共振器，其包括基板SUB6、第一質量塊510、移動電極520、固定電極530、固定座540以及指插式彈簧550。
在本實施例中，第一質量塊510例如是框架的結構，移動電極520沿第二軸向A2配置在第一質量塊510上，固定電極530沿第二軸向A2配置在基板SUB6上，且與移動電極520形成感應電極560以及驅動電極570於第一質量塊510內。
圖11B繪示了圖11A之區域E的局部放大示意圖。請參考圖11B，感應電極560之移動電極520與感應電極560之固定電極530之間具有一臨界間隙，臨界間隙是經由蝕刻製程後，形成於移動電極520與固定電極530之間。進一步地說，在經由蝕刻製程形成移動電極520與固定電極530後且在第一質量塊510尚未被驅動前，移動電極520與固定電極530之間具有第一間隙d1以及第二間隙d2， 且第一間隙d1不等於第二間隙d2。此時，臨界間隙可定義為第一間隙d1與第二間隙d2之中較小者。在本實施例中，第一間隙d1可以是2微米(μm)且第二間隙d2可以是1.5微米(μm)，亦即第二間隙d2小於第一間隙d1，而此設計，可以使感應電極560感應到的電容變化呈現較好的線性度。此時，臨界間隙即為第一間隙d1與第二間隙d2中較小的第二間隙d2。換言之，本實施例的移動電極520與固定電極530之間的臨界間隙為1.5微米(μm)。此外，在本實施例中，雖沒有採用傳統摺疊彈簧，但仍可利用公式(3)計算出摺疊彈簧的「共振彈簧寬度」，作為設計指插式彈簧的參考。值得注意的是，在計算本實施例的「共振彈簧寬度」時，公式(3)中的f為第一質量塊510的共振頻率、m為為第一質量塊510的質量、L為第一質量塊510之邊長(此邊垂直第二軸向A2)、摺疊彈簧的長度為第一質量塊310之邊長的一半(即)、np是設置在同一方向之摺疊彈簧的數目、ns是單一摺疊彈簧之摺疊部的數量、E是摺疊彈簧的楊氏係數以及t是摺疊彈簧的厚度。。
請參考圖11A，固定座540配置於第一質量塊510的兩對側，且固定於基板SUB6上。指插式彈簧550例如是沿第二軸向A2連接第一質量塊510與固定座540，且位於 第一質量塊510與固定座540之間。指插式彈簧550連接第一質量塊510於位置P1及P2，且指插式彈簧550連接固定座540於位置P3及P4。通過位置P1及P3的連線(圖未示)與通過位置P2及P4的連線(圖未示)可相交於一原點O。此原點O可作為一區域座標系統的原點。如圖11A所示，通過此原點O且平行第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X1，通過此原點O且垂直第一軸向A1的方向上可定義出一軸線X2。指插式彈簧550包含複數個第一折疊部550a、複數個第一連接部550b、複數個第二折疊部550c以及複數個第二連接部550d。第一折疊部550a包含二個第一延展部552a及連接二個第一延展部552a的第一頭部H1。第一連接部550b例如係由兩個第一足部F1所構成，分別連接了兩相鄰之第一折疊部550a之第一延展部552a以界定第一空間T1。第二折疊部550c包含二個第二延展部554c及連接二個第二延展部554c的第二頭部H2。第二連接部550d例如係由兩個第一足部F2所構成，分別連接兩相鄰之第二折疊部550c之第二延展部554c以界定第二空間T2。在本實施例中，第一空間T1與第二空間T2可以是如ㄇ字形的半開放空間。第一折疊部550a設置於第二空間T2，且第二折疊部550c設置於第一空間T1。值得注意的是，圖11A雖然未繪示，然而本實施例中複數個第一折疊部550a也可同時設置於同一第二空間T2或複數個第二折疊部550c也可同時設置於同一第一空間T1。第一延展部552a的寬度W1大於臨界間隙(即前述第二間隙d2)， 且第二延展部554c的寬度W2大於臨界間隙(即前述第二電極d2)。進一步而言，在相同製程下，使用具有較大寬度的指插式彈簧550，可使製程變異的影響相對減小，從而降低共振頻率飄移。此外，為了更減少製程變異的影響，以更降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部552a的寬度W1大於「共振彈簧寬度」，且第二延展部554c的寬度W2大於「共振彈簧寬度」。
另一方面，第一延展部552a以及第二延展部554c的長度接近第一質量塊510的邊長，使指插式彈簧550可對應第一質量塊510的尺寸而作配置。
此外，為了增加指插式彈簧550它軸的剛性，具指插式彈簧的微機電裝置500可包括第一橋接元件582以及第二橋接元件584，用以連接第一延展部552a與第二延展部554c。第一橋接元件582連接第一延展部552a靠近第一連接部550b之第一足部F1的部分以及第二延展部554c靠近第二頭部H2的部分，第二橋接元件584連接第一延展部552a靠近第一頭部H1的部分以及第二延展部554c靠近第二連接部550d之第二足部F2的部分，以避免它軸加速度影響指插式彈簧550在感應軸上的變形量。此外，如圖11A所示，在本實施例中，第一橋接元件582設置於靠近固定座540的一側，第二橋接元件584設置於靠近第一質量塊510的一側，且第一橋接元件582與第二橋接元件584相對於原點O的配置為原點對稱。換言之，若第一橋接元件582相對於區域座標系統的座標為(x9,x10)，則第二橋接元 件584相對於區域座標系統的座標為(-x9,-x10)。基於上述，本實施例的微機電共振器同樣採用了指插式彈簧來維持靈敏度並減少共振頻率飄移，並且可以選擇利用橋接元件來降低它軸的影響，以維持感應軸準確度以及靈敏度。
綜上所述，依據前述第一~五實施例，本申請提出的降低微機電裝置頻率飄移的方法主要是使用一指插式彈簧來連接微機電裝置的至少一質量塊與一固定座，使質量塊適於因一軸向上的非接觸式作用力而產生位移。所述指插式彈簧被設置為具有複數個第一折疊部、複數個第一連接部、複數個第二折疊部以及複數個第二連接部。每一第一折疊部包含二個第一延展部及連接二個第一延展部的第一頭部。第一連接部分別連接兩相鄰之第一折疊部之第一延展部以界定第一空間。每一第二折疊部包含二個第二延展部及連接二個第二延展部的第二頭部。第二連接部分別連接兩相鄰之第二折疊部之第二延展部以界定第二空間，其中至少一第一折疊部設置於一第二空間，且至少一第二折疊部設置於一第一空間。第一延展部以及第二延展部的寬度分別大於微機電裝置的移動電極與固定電極之間的一臨界間隙。藉此，可在相同製程下，使用具有較大寬度的指插式彈簧，減小製程變異的影響，從而降低共振頻率飄移。此外，為了更減少製程變異的影響，以更降低共振頻率飄移的現象，可使第一延展部寬度大於「共振彈簧寬度」且第二延展部的寬度大於「共振彈簧寬度」。
另外，本申請提出的降低微機電裝置頻率飄移的方法 更可選擇在第一延展部與第二延展部之間設置至少一橋接元件，用以連接第一延展部與第二延展部，以降低它軸加速度的影響，維持感應軸準確度以及靈敏度。例如，橋接元件可包括第一橋接元件，其中第一橋接元件連接第一延展部靠近第一連接部的部分以及第二延展部靠近第二頭部的部分。橋接元件還可包括第二橋接元件，其中第二橋接元件連接第一延展部靠近第一頭部的部分以及第二延展部靠近第二連接部的部分。如此，可以避免它軸加速度影響指插式彈簧在感應軸上的變形量。此外，可將第一橋接元件配置於靠近固定座的一側，第二橋接元件配置於靠近第一質量塊的一側，具體而言，第一橋接元件的配置與第二橋接元件的配置為原點對稱，以進一步提昇指插式彈簧在其他軸向的剛性。
本案更進一步對本案之指差式彈簧以及橋接元件的效果進行驗證。圖13繪示圖12A~12C所示的彈簧S1~S3在感應軸向(Y軸)上受到加速度所產生的位移模擬結果。進一步說，此模擬是採用有限元素分析法(Finite Element Method,FEM)，依圖10A之微機電加速度計的幾何結構建立3個有限元素模型(Finite Element Model)，此3個有限元素模型具有不同型態的彈簧S1~S3(如圖12A~12C)。對於每個有限元素模型，邊界條件設定為在每一彈簧的末端，皆限制6自由度(6-D.O.F.)。如此，沿Y軸分別對不同彈簧S1、S2以及S3的3個有限元素模型分別施加1g加速度，可以得到如圖13所示的位移量，分別為2.32奈 米(nm)、22.96奈米(nm)以及22.39奈米(nm)。由此可知，在相同的條件下，圖12B的指插式彈簧S2所產生的感應軸向(Y軸)上的位移遠大於圖12A所示的彈簧結構所能產生的位移。顯見，圖12B的指插式彈簧S2在感應軸向(Y軸)上的感測靈敏度優於圖12A所示的彈簧結構。此外，圖12C的具有橋接元件B1與B2的指插式彈簧S3所產生的感應軸向(Y軸)上的位移與圖12C所示的指插式彈簧S3產生的位移相當接近。換言之，橋接元件B1與B2幾乎不會影響指插式彈簧S3在感應軸向(Y軸)上的變形量(位移)。
另外，圖14繪示在感應軸向(Y軸)上無加速度時，具指插式彈簧S2的微機電加速度計與具指插式彈簧S3的微機電加速度計在其X軸軸向(與Z軸)上受到1g加速度時，在Y軸上所產生的位移模擬結果。圖15繪示在感應軸向(Y軸)上無加速度時，具指插式彈簧S2的微機電加速度計與具指插式彈簧S3的微機電加速度計在其Z軸軸向上受到1g加速度時，在Y軸上所產生的位移模擬結果。由圖14與15可知，具有橋接元件B1與B2的指插式彈簧S3的微機電加速度計在受到它軸向(X軸與Z軸)的加速度時，在感應軸上所產生的變形量明顯較小。由此，可以證明橋接元件B1與B2可以避免它軸加速度影響指插式彈簧S3在感應軸上的變形量，有助於改善感應靈敏度與準確度。
此外，本申請並不限制橋接元件在指插式彈簧上的位 置，然亦同時對橋接元件在不同位置上可能達到的效果進行了模擬。所述模擬是分別針對圖16A~16E所示的不同指插式彈簧R1~R5來進行，藉以評估該些指插式彈簧R1~R5在感應軸向(Y軸)上受到他軸加速度所產生的位移量。類似地，此模擬是採用有限元素分析法，使用名為CoventorWare的軟體來進行，邊界條件設定為：在限制彈簧一端的6自由度(6-D.O.F.)的位移。如此，沿Y軸分別對具指插式彈簧R1~R5的微機電加速度計施加1g加速度，可以得到如表二所示的各指插式彈簧R1~R5的位移量。
在表一中，Yg代表對具指插式彈簧的微機電加速度計，在Y軸施加1g的加速度。Yg在表一的第二列所對應的數據代表對具指插式彈簧的微機電加速度計在感應軸向(Y軸)上的位移量。相同地，Xg代表對具指插式彈簧的微機電加速度計，在X軸施加1g的加速度。Xg在表一的第三列中所對應的數據代表對具指插式彈簧的微機電加速度計在感應軸向(Y軸)上的位移量，此位移量為它軸加速度(Xg)對具指插式彈簧的微機電加速度計在感應軸上的位移量的影響。同理，Zg代表對具指插式彈簧的微機電加速度計，在Z軸施加1g的加速度。Zg在表一的第四列 中所對應的數據代表對具指插式彈簧的微機電加速度計在感應軸向(Y軸)上的位移量，此位移量為它軸加速度(Zg)對具指插式彈簧的微機電加速度計在感應軸上的位移量的影響。
由模擬結果可以發現，圖16C所示的橋接元件B1與B2的設置方式可以在感應軸向(Y軸)上產生有效的位移，並且在有它軸加速度產生時，能在感應軸上，產生較小的位移量。亦即，圖16C所示的指插式彈簧R3之橋接元件B1與B2，在避免影響指插式彈簧S3在感應軸上的變形量的同時，還可以最大程度提昇指插式彈簧S3在其他軸向(X軸與Z軸)的剛性，以降低它軸加速度的影響。
此外，本案也更進一步對本案之指差式彈簧能降低共振頻率飄移的效果進行模擬與驗證。本案將針對共振頻率要設定約為11,000Hz的微機電共振器(如圖11A)進行模擬與分析。模擬的方法是採用有限元素分析法，依圖11A之微機電共振器的幾何結構建立2個有限元素模型，此2個有限元素模型分別具有不同型態的彈簧S1及S2(如圖12A及12B)。值得注意的是，在具有S2型態的彈簧有限元素模型中，並無建立橋接元件B1與B2的有限元素模型。對於每個有限元素模型，邊界條件設定為在每一彈簧的末端，皆限制6自由度(6-D.O.F.)。
為了達到共振頻率約為11,000Hz的設計要求，具有S1型態彈簧(傳統彈簧)的微機電共振器需採用1.9微米(μm)寬的彈簧。相對地，具有S2型態彈簧(指插式彈簧) 的微機電共振器則可採用4.0微米(μm)寬的彈簧，即能使共振頻率達到約為11,000Hz。很明顯的，為了同樣達到共振頻率約為11,000Hz的設計要求，具有S2型態彈簧的微機電共振器則可採用較寬的彈簧。
假設製程有0.2微米(μm)的寬度製程誤差，則具有S1型態彈簧(傳統彈簧)的微機電共振器之共振頻率飄移現象之模擬結果如表二所示，具有S2型態彈簧(指插式彈簧)的微機電共振器之共振頻率飄移現象之模擬結果如表三所示。
從表二及表三中可發現，當製程有+0.2微米(μm)的 誤差時，具有S1型態彈簧(傳統彈簧)的微機電共振器之共振頻率增加了1710Hz。具有S2型態彈簧(指插式彈簧)的微機電共振器之共振頻率增加了739Hz。明顯的，具指插式彈簧的微機電共振器能有效降低共振頻率的飄移現象。相同地，當製程有-0.2微米(μm)的誤差時，具有S1型態彈簧(傳統彈簧)的微機電共振器之共振頻率減少了1647Hz。具有S2型態彈簧(指插式彈簧)的微機電共振器之共振頻率減少了735Hz。同樣明顯的，具指插式彈簧的微機電共振器能有效降低共振頻率的飄移現象。因此，在相同製程下，具指插式彈簧的微機電共振器能使用寬的指插式彈簧，減小製程變異的影響，從而降低共振頻率飄移。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧微機電加速度計
12、22、32、32’、74、84‧‧‧質量塊
30、30’‧‧‧微機電共振器
14、24、34、34’‧‧‧傳統彈簧
16、26、36、36’‧‧‧感應電極
16a、26a、36a、36’a、38a、38’a、52a‧‧‧固定電極
16b、26b、36b、36’b、38b、38’b、52b‧‧‧移動電極
38、38’‧‧‧驅動電極
40‧‧‧微機電陀螺儀
50‧‧‧加速度計
52‧‧‧第一質量塊
60‧‧‧共振器
62‧‧‧第二質量塊
70‧‧‧電磁驅動振動式加速度計
72‧‧‧驅動彈簧
80‧‧‧微機械半導體元件
82‧‧‧指插式摺疊彈簧
90‧‧‧半導體物理量感測器
92‧‧‧橋接元件
94‧‧‧內彈簧
94a、96a‧‧‧連接部
96‧‧‧外彈簧
100、100A、300、400、500‧‧‧微機電裝置
110、210、310、410、510‧‧‧第一質量塊
112‧‧‧第二指插式彈簧
120‧‧‧第二質量塊
130、220、320、420、520‧‧‧移動電極
140、230、330、430、530‧‧‧固定電極
150、240、340、440、540‧‧‧固定座
160‧‧‧第一指插式彈簧
160a、250a、350a、450a、550a‧‧‧第一折疊部
160b、250b、350b、450b、550b‧‧‧第一連接部
160c、250c、350c、450c、550c‧‧‧第二折疊部
160d、250d、350d、450d、550d‧‧‧第二連接部
162a、252a、352a、452a、552a‧‧‧第一延展部
164c、254c、354c、454c、554c‧‧‧第二延展部
170、260、360、560‧‧‧感應電極
180、370、570‧‧‧驅動電極
192、262、382、462、582‧‧‧第一橋接元件
194、264、384、464、584‧‧‧第二橋接元件
200‧‧‧指插式微機電裝置
250、350、450、550‧‧‧指插式彈簧
A~E‧‧‧區域
A1‧‧‧第一軸向
A2‧‧‧第二軸向
B1、B2‧‧‧橋接元件
d1‧‧‧第一間隙
d2‧‧‧第二間隙
F1‧‧‧第一足部
F2‧‧‧第二足部
H1‧‧‧第一頭部
H2‧‧‧第二頭部
L1、L2‧‧‧邊長
O‧‧‧原點
P1、P2、P3、P4‧‧‧位置
R1~R5‧‧‧指插式彈簧
S1~S3‧‧‧彈簧
T1‧‧‧第一空間
T2‧‧‧第二空間
SUB1~SUB6‧‧‧基板
W1、W2‧‧‧寬度
X1、X2‧‧‧軸線
圖1A是習知之一種微機電加速度計的示意圖。
圖1B是圖1A之微機電加速度計的質量塊縮小後的示意圖。
圖2A是習知之一種微機電共振器的示意圖。
圖2B是圖2A之微機電共振器的質量塊縮小後的示意圖。
圖3是習知之一種微機電陀螺儀的示意圖。
圖4是習知之一種電磁驅動振動式加速度計的示意圖。
圖5是習知之一種微機械半導體元件的示意圖。
圖6是習知之一種半導體物理量感測器的示意圖。
圖7A是本發明之第一實施例之微機電裝置的示意圖。
圖7B是圖7A之微機電裝置的區域A的局部放大示意圖。
圖7C是圖7A之微機電裝置的區域B的局部放大示意圖。
圖7D是圖7A之另一微機電角裝置的示意圖。
圖7E為圖7D之微機電裝置的區域C的局部放大圖。
圖8是本發明之第二實施例之微機電裝置的示意圖。
圖9是本發明之第三實施例之微機電裝置的示意圖。
圖10A是本發明之第四實施例之微機電裝置的立體圖。
圖10B是圖10A之微機電裝置的俯視示意圖。
圖10C是圖10B之微機電裝置的區域D的局部放大示意圖。
圖11A是本發明第五實施例之微機電裝置的示意圖。
圖11B是圖11A之微機電裝置的區域E的局部放大示意圖。
圖12A至圖12C繪示本發明之不同配置方式的指插式 彈簧示意圖。
圖13繪示圖12A至12C的彈簧S1~S3在感應軸向(Y軸)上受到加速度所產生的位移模擬結果。
圖14至圖15分別繪示在感應軸向(Y軸)上無加速度時，圖12B之彈簧以及圖12C之彈簧在其他軸向(X軸與Z軸)上受到1g加速度所產生的位移模擬結果。
圖16A至圖16E繪示不同指插式彈簧的示意圖。
100‧‧‧微機電裝置
110‧‧‧第一質量塊
112‧‧‧第二指插式彈簧
120‧‧‧第二質量塊
130‧‧‧移動電極
140‧‧‧固定電極
150‧‧‧固定座
160‧‧‧第一指插式彈簧
170‧‧‧感應電極
180‧‧‧驅動電極
A、B‧‧‧區域
A1‧‧‧第一軸向
A2‧‧‧第二軸向
SUB2‧‧‧基板
W1、W2‧‧‧寬度

Claims (22)

  1. 一種具指插式彈簧的微機電裝置，適用於感測加速度，包括：一基板；一第一質量塊；一移動電極，沿一第一軸向配置在該第一質量塊上；一固定電極，沿該第一軸向配置在該基板上，且該移動電極與該固定電極之間具有一臨界間隙；一固定座；以及一指插式彈簧，沿該第一軸向連接該第一質量塊與該固定座，該指插式彈簧包含：複數個第一折疊部，其中每一該第一折疊部包含二個第一延展部及一第一頭部用以連接該二個第一延展部；複數個第一連接部，其中每一該第一連接部分別連接兩相鄰之該第一折疊部之該第一延展部以界定一第一空間；複數個第二折疊部，其中每一該第二折疊部包含二個第二延展部及一第二頭部用以連接該二個第二延展部；以及複數個第二連接部，其中每一該第二連接部分別連接兩相鄰之該第二折疊部之該第二延展部以界定一第二空間；其中至少一該第一折疊部設置於該第二空間且至少 一該第二折疊部設置於該第一空間；該第一延展部的寬度大於該臨界間隙且該第二延展部的寬度大於該臨界間隙。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，更包括至少一橋接元件，連接該第一延展部與該第二延展部。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件包括一第一橋接元件，該第一橋接元件連接該第一延展部靠近第一連接部的部分以及該第二延展部靠近第二頭部的部分。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件還包括一第二橋接元件，該第二橋接元件連接該第一延展部靠近第一頭部的部分以及該第二延展部靠近第二連接部的部分。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該第一橋接元件的配置與該第二橋接元件的配置為原點對稱。
  6. 一種具指插式彈簧的微機電裝置，適用於感測角速度，包括：一基板；一第一質量塊；一第二質量塊；一移動電極，沿一第二軸向配置在該第二質量塊上；一固定電極，沿該第二軸向配置在該基板上，且該移動電極與該固定電極之間具有一臨界間隙； 一固定座；以及一指插式彈簧，沿該第二軸向連接該第二質量塊與該固定座，該指插式彈簧包含：複數個第一折疊部，其中每一該第一折疊部包含二個第一延展部及一第一頭部用以連接該二個第一延展部；複數個第一連接部，其中每一該第一連接部分別連接兩相鄰之該第一折疊部之該第一延展部以界定一第一空間；複數個第二折疊部，其中每一該第二折疊部包含二個第二延展部及一第二頭部用以連接該二個第二延展部；以及複數個第二連接部，其中每一該第二連接部分別連接兩相鄰之該第二折疊部之該第二延展部以界定一第二空間；其中至少一該第一折疊部設置於該第二空間且至少一該第二折疊部設置於該第一空間；該第一延展部的寬度大於該臨界間隙且該第二延展部的寬度大於該臨界間隙。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該第一延展部的寬度大於共振彈簧寬度且該第二延展部的寬度大於共振彈簧寬度。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，更包括至少一橋接元件，連接該第一延展部與該第二延展部。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件包括一第一橋接元件，該第一橋接元件連接該第一延展部靠近第一連接部的部分以及該第二延展部靠近第二頭部的部分。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件還包括一第二橋接元件，該第二橋接元件連接該第一延展部靠近第一頭部的部分以及該第二延展部靠近第二連接部的部分。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該第一橋接元件的配置與該第二橋接元件的配置為原點對稱。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，更包括另一指插式彈簧，沿該第一軸向連接該第一質量塊與該第二質量塊，其中該第二質量塊為一框架。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中沿該第一軸向連接該第一質量塊與該第二質量塊的該另一指插式彈簧更包括：一第一橋接元件，連接該第一延展部靠近第一連接部的部分以及該第二延展部靠近第二頭部的部分；以及一第二橋接元件，連接該第一延展部靠近第一頭部的部分以及該第二延展部靠近第二連接部的部分；其中，該第一橋接元件的配置與該第二橋接元件的配置為原點對稱。
  14. 一種具指插式彈簧的微機電裝置，包括： 一基板；至少一質量塊；一移動電極，沿一軸向配置在該質量塊上；一固定電極，沿該軸向配置在該基板上，且該移動電極與該固定電極之間具有一臨界間隙；一固定座；以及一指插式彈簧，連接該質量塊與該固定座，該指插式彈簧包含：複數個第一折疊部，其中每一該第一折疊部包含二個第一延展部及一第一頭部用以連接該二個第一延展部；複數個第一連接部，其中每一該第一連接部分別連接兩相鄰之該第一折疊部之該第一延展部以界定一第一空間；複數個第二折疊部，其中每一該第二折疊部包含二個第二延展部及一第二頭部用以連接該二個第二延展部；以及複數個第二連接部，其中每一該第二連接部分別連接兩相鄰之該第二折疊部之該第二延展部以界定一第二空間；其中至少一該第一折疊部設置於該第二空間且至少一該第二折疊部設置於該第一空間；該第一延展部的寬度大於該臨界間隙且該第二延展部的寬度大於該臨界間隙。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之具指插式彈簧的 微機電裝置，其中該第一延展部的寬度大於共振彈簧寬度且該第二延展部的寬度大於共振彈簧寬度。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，更包括至少一橋接元件，連接該第一延展部與該第二延展部。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件包括一第一橋接元件，該第一橋接元件連接該第一延展部靠近第一連接部的部分以及該第二延展部靠近第二頭部的部分。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該橋接元件還包括一第二橋接元件，該第二橋接元件連接該第一延展部靠近第一頭部的部分以及該第二延展部靠近第二連接部的部分。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之具指插式彈簧的微機電裝置，其中該第一橋接元件的配置與該第二橋接元件的配置為原點對稱。
  20. 一種降低微機電裝置頻率漂移的方法，包括：使用一指插式彈簧來連接該微機電裝置的至少一質量塊與一固定座，其中該指插式彈簧包括：複數個第一折疊部，其中每一該第一折疊部包含二個該第一延展部、連接該二個第一延展部的一第一頭部；複數個第一連接部，其中每一該第一連接部分別連接兩相鄰之該第一折疊部之該第一延展部以界定一第一空間； 複數個第二折疊部，其中每一該第二折疊部包含二個該第二延展部、連接該二個第二延展部的一第二頭部；以及複數個第二連接部，其中每一該第二連接部分別連接兩相鄰之該第二折疊部之該第二延展部以界定一第二空間；設置至少一該第一折疊部於該第二空間，且設置至少一該第二折疊部於該第一空間；使該第一延展部的寬度及該第二延展部的寬度皆大於一臨界間隙，其中該臨界間隙位於該微機電裝置的一移動電極與一固定電極之間。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之降低微機電裝置頻率漂移的方法，更包括使該第一延展部的寬度大於該共振彈簧寬度，且使該第二延展部的寬度大於該共振彈簧寬度。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之降低微機電裝置頻率漂移的方法，更包括在該第一延展部與該第二延展部之間設置至少一橋接元件，使該橋接元件連接該第一延展部與該第二延展部，其中設置該橋接元件的步驟包括：設置一第一橋接元件及設置一第二橋接元件，使該第一橋接元件連接該第一延展部靠近第一連接部的部分以及該第二延展部靠近第二頭部的部分，同時使該第二橋接元件連接該第一延展部靠近第一頭部的部分以及該第二延展部靠近第二連接部的部分，其中該第一橋接元件的配置與該第二橋接元件的配置為原點對稱。
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