TW201721150A - 加速度感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種加速度感測器(10)，其包含一基板(12)及彈性地固定至該基板之一測試塊狀物(14)。該基板之一加速度帶來該測試塊狀物之一可量測偏轉。在該基板之一加速度超過一最大值之情況下，該測試塊狀物撞擊該基板之一止擋元件(22)。一彈性元件佈置在該基板與該止擋元件之間以緩衝該衝擊。

Description

加速度感測器
本發明係關於一種加速度感測器，其包含基板及彈性地固定至該基板之測試塊狀物，該基板之加速度帶來該測試塊狀物之可量測偏轉，且在該基板之加速度超過最大值之情況下，該測試塊狀物撞擊該基板。
圖1展示此感測器之實例之示意形式平面圖。加速度感測器(下文簡稱感測器)100包含基板12及震動塊狀物(下文測試塊狀物)14。測試塊狀物14彈性地固定至基板12且因此在某種程度上可相對於基板12移動。基板12之加速度帶來測試塊狀物14之可量測偏轉。術語加速度感測器亦包含旋轉速率感測器。
若基板12之加速度超過最大值，則測試塊狀物14撞擊基板12。因此，基板12及測試塊狀物14兩者在該衝擊點之區域中有可能出現損傷。
在所展示之實例中，基板12及測試塊狀物14各自實質上平行於主平面XY(XY平面)而延伸。此意謂，其在Z方向(垂直於XY平面之方向)上之尺寸顯著小於其在X方向及Y方向上之尺寸。測試塊狀物14經由彈性支撐物16彈性地懸置在基板12上。在實例中，基板12具有實質上硬質軸承元件18。軸承元件18可例如形成為以與XY平面成直角延伸 之柱狀物或柱腳。在實例中，彈性支撐物16為棒狀且自軸承元件18延伸至測試塊狀物14之對應懸置點20。基板12、測試塊狀物14及支撐物16可形成為一體。舉例而言，其可由矽塊藉助於微影方法來製成。測試塊狀物14之質量分佈是較佳的使得測試塊狀物14之重心位於軸承元件18附近中，較佳地位於軸承元件18內。測試塊狀物14相對於軸承元件18之旋轉力矩(其由重力產生)可因此最小化。
加速度感測器10進一步包含一或多個感測器元件(在該等圖式中無元件符號)，該等感測器元件各自供應取決於測試塊狀物14相對於基板12之位置的經量測信號。感測器元件可例如回應於在測試塊狀物14與基板12之間的電容改變。
在實例中，測試塊狀物14可在所有三個方向(X、Y及Z)中相對於基板12同時移動。因此，可以三個方向X、Y及Z中之每一者來量測加速度。
然而，此處所展示之幾何佈置僅為一個實例。下文更詳細地解釋之本發明並不受限於平坦幾何佈置或受限於准許測試塊狀物之三維移動的幾何佈置。實際上，本發明可應用於如申請專利範圍第1項之預表徵條款之任何類型的加速度感測器。
圖1中之加速度感測器10為單塊振盪器之實例。單塊振盪器為僅具有一個測試塊狀物之加速度感測器。取決於具體實例，測試塊狀物可具有恰好一個、恰好兩個或(如在所展示之實例中)恰好三個平移自由度。單塊振盪器之另一實例描述於美國專利US 8,596,122 B2(Classen等人)中。另一方面，多塊振盪器為具有兩個或更多個可彼此獨立移動之測 試塊狀物的加速度感測器。參考圖1描述之結構原則上可設想用於任何類型的加速度感測器，不僅用於單塊振盪器。不言而喻，在本申請案中藉由使用單塊振盪器之實例來解釋之本發明亦可在多塊振盪器中實施。
基板12相對於測試塊狀物14之高加速度帶來測試塊狀物14相對於基板12之高偏轉。此與支撐物16之高彈性變形相關聯。為限制在過載加速度感測器之情況下(例如，當以高速撞擊硬表面時)之偏轉且為避免損傷(例如，支撐物斷裂)，止停測試塊狀物之結構形成於加速度感測器100中。此等結構稱為止擋元件或止擋點。止擋元件牢固地連接至基板12或與後者形成為一體。在本申請案中，止擋元件被視為基板之部分。在圖1所展示之實例中，基板12具有兩個止擋元件22。在其他實例中(未說明)，加速度感測器之止擋元件經不同實施。舉例而言，止擋元件可形成為基板之至少部分包圍測試塊狀物之邊緣區域。
圖2展示圖1的放大細節。圖3展示另一放大細節。實例中之止擋元件22具備立柱24，存在與該等立柱24中之每一者相對的測試塊狀物14之對應立柱26。在過載(例如，在Y方向上)情況下，測試塊狀物14之立柱24中之一或多者撞擊止擋元件22之對應立柱26。立柱接著在測試塊狀物14與基板12之間形成接觸表面。若過載變得過高，則立柱可折斷或局部破裂。因此，可釋放碎料，此可減損量測準確度或可帶來感測器核心中之進一步損傷。應避免此量測準確度減損或感測器核心之進一步損傷。已展示，放大接觸表面(立柱之較大表面)不一定解決問題，此係因為由於工藝波動，表面並不較佳地平坦且因此其中衝擊力可變得高度危險的局部接觸區域通常變得顯而易見。
本發明之一目的為：在衝擊測試塊狀物之後，避免損傷測試塊狀物之表面或避免損傷基板。此目的藉由如申請專利範圍第1項之表徵特徵來達成。從屬申請專利範圍描述特別有利的具體實例。
根據本發明之加速度感測器與先前技術之區別在於，彈性元件係佈置在基板與止擋元件之間以緩衝衝擊。
測試塊狀物因此在撞擊止擋元件時較少突然制動。
根據一個具體實例，彈性元件為測試塊狀物之部分。彈性元件可例如固定至測試塊狀物之基部或與後者形成為一體。
根據另一具體實例，彈性元件為基板之部分或固定至基板而非測試塊狀物。彈性元件可例如固定至基板之基部或與後者形成為一體。
根據一個具體實例，彈性元件具有一或多個可撓性伸長部分。可撓性伸長部分可例如各自平行於止擋元件之表面部分延伸或平行於測試塊狀物之表面部分延伸。
根據一個具體實例，彈性元件具有自由端。因此，可實施相對軟性彈動(springing)。
根據另一具體實例，彈性元件不具有自由端。因此，可實施相對硬性彈動。
根據一個具體實例，彈性元件具有S形剖面。因此，可實施特別軟性彈動。替代地或另外，彈性元件可具有環形剖面。藉由可比通用尺寸，環形剖面可具有比例如S形剖面更大的彈簧硬度。
根據一個具體實例，測試塊狀物或彈性元件或此兩者各自具 備限制彈性元件之彎曲的一或多個立柱。限制彈性元件之彎曲的一或多個立柱可例如佈置於測試塊狀物之主體的面向彈性元件之側上。替代地或另外，限制彈性元件之彎曲之立柱中之一或多者可佈置於彈性元件的面向測試塊狀物之主體之側上。
根據一個具體實例，測試塊狀物及止擋元件各自具有一或多個止擋立柱。止擋立柱影響彈性元件及/或止擋元件之額外彈性變形，且因此改良衝擊之減幅。
根據一個具體實例，當測試塊狀物撞擊止擋元件時，測試塊狀物之止擋立柱與止擋元件之止擋立柱彼此成對接合。止擋元件之每一止擋立柱因此被指派給與前者相對之彈性元件的止擋立柱。止擋立柱成對影響彈性元件及/或止擋元件之額外變形，且因此改良衝擊之減幅。
根據一個具體實例，基板或測試塊狀物或此兩者由矽或氧化矽製成。此等材料尤其合適用於微影方法處理。
10‧‧‧加速度感測器
12‧‧‧基板
14‧‧‧測試塊狀物
16‧‧‧彈性支撐物
18‧‧‧軸承元件
20‧‧‧懸置點
22‧‧‧止擋元件
24‧‧‧止擋立柱
26‧‧‧止擋立柱
28‧‧‧彈性元件
30‧‧‧立柱
32‧‧‧立柱
34‧‧‧第一端
36‧‧‧第二端
38‧‧‧彈性元件
40‧‧‧端
42‧‧‧端
44‧‧‧立柱
46‧‧‧立柱
48‧‧‧可撓性伸長部分
50‧‧‧可撓性伸長部分
100‧‧‧加速度感測器
400‧‧‧加速度感測器
600‧‧‧加速度感測器
下文將參考附圖更詳細地來解釋本發明。本文中，相同元件符號指代相同元件。
圖1展示常規類型加速度感測器之剖面的示意性形式。
圖2展示圖1的放大細節。
圖3展示圖2的放大細節。
圖4展示根據第一具體實例之加速度感測器之區域的剖面。
圖5展示圖4的放大細節。
圖6展示根據第二具體實例之加速度感測器之區域的剖面。
圖7展示彈性元件之具體實例之另一實例的示意性形式。
圖4及圖5展示(以示意性形式)加速度感測器400之實例。類似於圖1所展示之加速度感測器100，加速度感測器400包含具有至少一個止擋元件22之基板及可移動地固定至基板之測試塊狀物14。在下文中，將僅論述加速度感測器400相對於加速度感測器100之差異。
在測試塊狀物14與止擋元件22之間，存在緩衝測試塊狀物14對止擋元件22之衝擊的彈性元件28。緩衝意謂彈性地制動。在本申請案中，彈性元件應理解為因為其外部幾何形狀而具有特別高彈性程度之任何結構。彈性元件尤其可為彈性地可撓性的。彈性地可撓性元件甚至可由相對硬質材料(例如，矽或氧化矽)藉由合適塑形來製成。彈性元件28之效果為：在測試塊狀物14撞擊止擋元件22之情況下，測試塊狀物14之制動在相比於根據圖1之組態更長時間間隔上進行。彈性元件28充當止擋元件22與測試塊狀物14之間的震動吸收器。當測試塊狀物14撞擊止擋元件22時，彈性元件28在制動間隔期間彈性地彎曲，從而將動能轉化為彈性元件之彈簧儲能。發生在測試塊狀物14與止擋元件22之間的力在該過程中以相比於未提供可比彈性元件之組態之更長時間間隔起作用，且因此更小。可因此避免測試塊狀物14與止擋元件22之間的接觸表面上之損傷。在實例中，彈性元件28為止擋元件22之部分。替代地，彈性元件28可形成為測試塊狀物14之部分。
在實例中，測試塊狀物14及彈性元件28具有面向彼此的止擋立柱24及止擋立柱26。如不同於圖1中之加速度感測器100，在加速度 感測器400中，止擋立柱26並不直接佈置在止擋元件22之基部的表面上而係佈置在彈性元件28之面向測試塊狀物14之表面部分上。止擋立柱24及止擋立柱26相比於圖1中之彼等止擋立柱經受顯著更小的衝擊力。該等止擋立柱在衝擊期間損壞之風險對應地降低。在此具體實例之變型(未展示)中，未提供止擋立柱。
在所展示之實例中，彈性元件28及止擋元件22具有兩個面向彼此的立柱30及立柱32。立柱30及立柱32限制彈性元件28之彎曲。
在實例中，彈性元件28實質上為橫桿狀或葉片狀，且大致平行於止擋元件22之表面部分及測試塊狀物14之表面部分而延伸。彈性元件28具有固定第一端34及自由第二端36。第一端34直接連接至止擋元件22之主體。替代地(未展示)，彈性元件28之第一端34可直接連接至測試塊狀物14之主體(且不連接至止擋元件22之主體)；在此情況下，彈性元件28不為止擋元件22之部分而係為測試塊狀物14之部分。當測試塊狀物14撞擊止擋元件22時，彈性元件28沿止擋元件22之方向彎曲，立柱32及立柱30確保彈性元件28之彎曲不超過最大彎曲程度。立柱30及立柱32聯合界定彈性元件28與止擋元件22之主體之間的接觸表面。
在實例中，彈性元件28及止擋元件22由一個整體件製成，例如由矽之連續性整體件製成。可看出，彈性元件28與止擋元件22(及加速度感測器400之核心之許多或所有另外組件)可一起在共同製造步驟中製得。
圖6展示根據第二具體實例之加速度感測器600之細節的示意性形式。在實例中，類似於加速度感測器400(參見圖4及圖5)，止擋元 件22具備緩衝測試塊狀物14對止擋元件22之衝擊的彈性元件28。此處彈性元件28為彈簧結構之部分，該彈性結構額外包含形成於測試塊狀物14中之彈性元件38。當測試塊狀物14撞擊止擋元件22時，彈性元件28與彈性元件38彼此撞擊且聯合緩衝衝擊。換言之，在加速度感測器600中，測試塊狀物14及止擋元件22兩者均具備震動吸收器，該兩個震動吸收器(其意謂兩個彈簧28及彈簧38)在衝擊期間一起彈性地變形。因此，達成測試塊狀物14之特別平緩制動。兩個彈性元件28及彈性元件38為串聯連接的。在其他具體實例中(未說明)，彈性結構包含經串聯連接之超過兩個彈性元件。
在所展示之實例中，彈性元件38實質上為橫桿狀或葉片狀，且具有兩個固定端40及端42。可看出，熟習此項技術者可獲得大量可能組態，以便達成彈性結構之合適彈簧硬度。特定而言，可能組態包括串聯連接之彈性元件之數目及個別彈性元件之幾何形狀。另一方面，所得彈簧硬度很大程度上不依賴於彈性元件係固定至測試塊狀物14還是固定至至止擋元件22。舉例而言，預期其中來自圖6之彈性元件28不固定至止擋元件22而固定至測試塊狀物14之彈簧結構將具有與圖6中所示之彈簧結構類似的硬度。
彈性元件38之面向測試塊狀物14之側或測試塊狀物14之面向彈性元件38之側或此兩側可具備限制彈性元件38之彎曲的立柱44或立柱46。相對於立柱30及立柱32所陳述之彼內容亦以對應方式適用於立柱44及立柱46。
圖7展示一具體實例的示意性形式，在該具體實例中，彈性 元件28具有相對於彼此沿衝擊方向偏移之兩個伸長部分48及伸長部分50。可設想大量其他構型。舉例而言，彈性元件28可具有C形、S形或環形構型。
14‧‧‧測試塊狀物
22‧‧‧止擋元件
24‧‧‧止擋立柱
26‧‧‧止擋立柱
28‧‧‧彈性元件
30‧‧‧立柱
32‧‧‧立柱
34‧‧‧第一端
36‧‧‧第二端
400‧‧‧加速度感測器

Claims (11)

  1. 一種加速度感測器(10)，其包含基板(12)及彈性地固定至該基板之測試塊狀物(14)，該基板之加速度帶來該測試塊狀物之可量測偏轉，且在該基板之加速度超過一最大值之情況下，該測試塊狀物撞擊該基板之止擋元件(22)，其中彈性元件(28、38)佈置在該基板與該止擋元件之間以緩衝該衝擊。
  2. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件為該測試塊狀物之部分。
  3. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件為該基板之部分或固定至該基板而非固定至該測試塊狀物。
  4. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件具有一或多個可撓性伸長部分(48、50)。
  5. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件(28)具有自由端(36)。
  6. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件(38)不具有自由端。
  7. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該彈性元件具有S形剖面或環形剖面。
  8. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該測試塊狀物或該彈性元件或此兩者各自具備限制該彈性元件之彎曲的一或多個立柱(30、32；44、46)。
  9. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該測試塊狀物(14)及 該止擋元件(22)各自具有一或多個止擋立柱(24、26)。
  10. 如申請專利範圍第9項之加速度感測器，其中當該測試塊狀物撞擊該止擋元件時，該測試塊狀物之該止擋立柱(24)及該止擋元件之該止擋立柱(26)彼此成對接合。
  11. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中該基板或該測試塊狀物或此兩者由矽或氧化矽製成。
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