TWI444620B - 加速度計 - Google Patents

Description

加速度計

本發明係有關於一種加速度計，尤有關於應用電容讀取技術之加速度計。

微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)為一個智慧型微小化的系統，用來執行感測、處理或致動的功能。由於微機電系統發展出可將兩個或多重領域的性質，如：電子、機械、光學、化學、生物或磁學等技術整合在單一或多個晶片中的技術，因此微機電系統製程技術可大幅應用在許多種類的電子元件當中。

舉例來說，請參考第1圖，其顯示目前以微機電系統製程技術設計的其中一種加速度計。如圖中所示，加速度計100主要是以三大部分構成：第一電極部101、第二電極部102及一移動部103。第一電極部101和第二電極部102皆是固定於基板(圖中未示)上的固定部分，分別包括多個第一電極板101A及第二電極板102A。移動部103是懸浮在基板上的可移動部分，其兩端透過固定子104與基板連接，以免過度位移。移動部103主要包括多個第三電極板103A連接在一質量塊103B上及兩個彈簧103C連接在質量塊103B與固定子104之間。每一第三電極板103A分別與一第一電極板101A或一第二電極板102A分別交錯排列，因此第三電極板103A與第一電極板101A及第二電極板102A之間存在一間隔距離。當此加速度計100受到此一速度影響時，透過牛頓第二運動定律可知，此時質量塊103B會受到一施力而位移，因此帶動連接其上的第三電極板103A同向位移，進而改變第三電極板103A與第一電極板101A及第二電極板102A之間的間隔距離。對於電容元件來說，兩電容板之間的距離會影響其間的電容值，因此第三電極板103A與第一電極板101A及第二電極板102A之間間隔距離的變化會使得第三電極板103A與第一電極板101A及第二電極板102A之間的電容值改變。加速度計100透過量測第一電極板101A及第二電極板102A之間的電容值改變即可推導出加速度計100所受到的加速度值大小與方向。

另請參考第2圖，其顯示目前以微機電系統製程技術設計的另外一種加速度計。如圖中所示，加速度計200之固定電極201、202皆是分組錯置於移動部203中，並且由許多固定子201A、202A固定於基板之上。與前一種加速度計100類似地，當加速度計200受到此一速度影響時，亦會改變移動電極203A與固定電極201、202之間的間隔距離，進而改變移動電極203A與固定電極201、202之間的電容值。因此，此種加速度計200亦可準確測量所受到的加速度值與方向。

然而，隨著製程的進步，加速度計所佔面積將可越來越小，但卻使得上述兩種傳統的微機電加速度計100、200皆面臨到維持訊號可辨識度之挑戰。此乃目前亟需研究之課題。

本發明之一目的係提供一種加速度計，透過控制固定錨之數量與所佔面積，增加移動部可佔用面積，以增加移動部之質量，故可增加感測訊號之可辨識度。

本發明之另一目的係提供一種加速度計，透過集中固定錨之設置位置，增加移動部可佔用面積，以增加移動部之質量，故可增加感測訊號之可辨識度。

依據本發明，提供一種加速度計，包括：一基板及一結構層，設置於該基板上。結構層包括一移動部及一固定部。移動部包括一第一電極，至少一區段之第一電極寬度較其他區段之第一電極窄，形成至少一凹口。固定部包括一第二電極及一第二電極固定錨。第二電極旁設於第一電極，第二電極固定錨連接第二電極及基板，並設置於凹口中。

本發明之固定部為固定於基板之部分，其與基板之間並無相對位移，移動部則為懸浮於基板上之部分，可相對基板位移。因此較佳地，當本發明之加速度計受到一加速度影響時，移動部會依據牛頓第二運動定律移動，進而改變其與固定部之間的距離。透過本發明在固定部以及移動部中所設置的各種電極，可依據上述位移距離之改變推導出該加速度之量值與方向。

固定部之形式並無限定，其中的第二電極之數量與排列方式亦無限定，然較佳為平板狀且彼此平行排列。依據本發明之一實施態樣，固定部可更包括一第三電極及一第三電極固定錨連接第三電極及基板，第三電極旁設於第一電極與第二電極之間，以增加訊號辨識度。第三電極較佳為一平板。舉例來說，當第一電極移動，比如說：第一電極往第二電極的方向移動時，第一電極與第二電極之間的間距變小、第一電極與第三電極之間的間距變大，加速度計對應第一電極與第二電極及第三電極之間距離的變化量產生至少一感測訊號，如：在第一電極與第二電極與第三電極之間讀取到兩個大小不等的電容值，以供差分處理，而可增加訊號辨識度。

本發明之移動部之形式並無限制，第一電極之數量與排列方式亦無限定，然較佳為多個大致呈平板狀且彼此平行排列之第一電極，更佳地，此些第一電極之間皆容置有一對彼此貼近的第二電極與第三電極。依據本發明之一實施態樣，移動部可更包括一彈性體，連接第一電極，以彈性體的彈力對移動部提供復位力量。依據本發明之另一實施態樣，移動部可更包括一第一電極固定錨，連接彈性體及基板，而固定彈性體的一端，以防止移動部位移時發生過度位移的情況。

本發明之第一電極可在任意區段縮窄其寬度以形成凹口，並不限於某些特定區段，可視需要調整凹口的位置，然而凹口較佳是形成於第一電極之一邊緣區段或一中間區段，在某些實施態樣中，第一電極可在任意區段形成多個凹口位第一電極之兩端。較佳地可在第一電極未縮窄其寬度之區段中，設計較寬的寬度而增加第一電極的質量，以在加速度計受到加速度影響時，放大第一電極所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

第二電極固定錨及/或第三電極固定錨之數量相較於傳統加速度計為少，因此可減少所佔用面積。其次，第二電極固定錨及/或第三電極固定錨之設置位置並無限制，較佳地，第二電極固定錨及/或第三電極固定錨為集中設置其位置之方式減少所佔用的面積，如：第三電極固定錨可緊鄰於第二電極固定錨之旁側，或者第三電極固定錨是與第二電極固定錨上下交錯設置。

是故，由上述中可以得知，本發明的加速度計透過減少第二電極固定錨及/或第三電極固定錨的數量及/或設置位置，以降低第二電極固定錨及/或第三電極固定錨所佔用的面積，而可增加第一電極的寬度，以放大感測訊號，而可增加訊號辨識度。

為進一步說明各實施例，本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。

首先請參考第3圖，其顯示依據本發明第一實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。加速度計1為應用電容讀取技術，以電容值變化量反應加速度值之元件，由於加速度計1主要設計部分為其電極與固定錨之結構，在此僅顯示部分結構，其餘部分請參考第2圖。如第3圖中所示，加速度計1包括：一基板(圖中未示)及一結構層11設置於基板上。基板可為矽、金屬等材質製作，結構層11為經由微機電製程技術製作之膜層，可為矽、氧化矽或金屬等材質，此些材質並無需限制於此。

結構層11包括一移動部111及一固定部112。移動部111為懸浮於基板上之部分，可相對基板位移，固定部112為固定於基板之部分，其與基板之間並無相對位移。因此較佳地，當加速度計1受到一加速度影響時，移動部111會依據牛頓第二運動定律(F=ma)移動，進而改變其與固定部112之間的距離。

移動部111包括至少一第一電極111A，其中區段I之第一電極111A寬度較區段II之第一電極111A窄，形成至少一凹口113。第一電極111A之數量與排列方式亦無限定，然較佳為多個大致呈平板狀且彼此平行排列之第一電極111A。第一電極111A可在任意區段縮窄其寬度以形成凹口113，並不限於區段I，可視需要調整凹口113的位置。在本發明之其他實施例中，移動部111可更包括一彈性體及一第一電極固定錨，與第2圖所示的加速度計200類似地，彈性體連接第一電極111A，以彈性體的彈力對移動部111提供復位力量，而第一電極固定錨連接在彈性體及基板之間，固定彈性體的一端，以防止移動部位移時發生過度位移的情況。

固定部112之形式並無限定，本實施例的固定部112包括多個第二電極112A、多個第三電極112B、多個第二電極固定錨112C及多個第三電極固定錨112D。每個第二電極112A分別透過一第二電極固定錨112C連接此第二電極112A及基板，每個第三電極112B分別透過一第三電極固定錨112D連接此第三電極112B及基板，故可固定第二電極112A及第三電極112B與基板之間的相對位置。第二電極固定錨112C及第三電極固定錨112D之設置位置並無限制，較佳地，第二電極固定錨112C及第三電極固定錨112D是集中設置，比如說：並與第二電極固定錨112C一同設置於凹口113中，更特定地說，第三電極固定錨112D是緊鄰於第二電極固定錨112C之旁側。

第二電極112A及第三電極112B之數量與排列方式亦無限定，然較佳為平板狀且彼此平行排列，更佳地，第二電極112A旁設於第一電極111A、第三電極112B旁設於第一電極111A與第二電極112A之間，且第一電極111A之間可容置一對第二電極112A與第三電極112B，使得當第一電極111A移動，比如說：第一電極111A往第二電極112A的方向移動時，第一電極111A與第二電極112A之間的間距變小、第一電極111A與第三電極112B之間的間距變大，加速度計1對應第一電極111A與第二電極112A及第三電極112B之間距離的變化量產生至少一感測訊號，如：在第一電極111A與第二電極112A與第三電極112B之間讀取到兩個大小不等的電容值，以供差分處理，而可增加訊號辨識度。因此可透過在移動部111以及固定部112中所設置的第一電極111A、第二電極112A及第三電極112B之間電容值的改變量，推導出所受到的加速度之量值與方向。

由於第二電極固定錨112C及第三電極固定錨112D是集中設置在凹口113中，第一電極111A未縮窄其寬度區段II之寬度可有效地設計較寬的寬度，而可大幅增加第一電極111A的質量，以在加速度計1受到加速度影響時，而使得移動部111移動時，可放大第一電極111A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

另請參考第4圖，其顯示依據本發明第二實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，本實施例的加速度計2之第一電極211A兩端之區段III之寬度較其他部分(區段IV)為窄，因而分別形成一凹口213。本實施例亦針對第二電極固定錨212C及第三電極固定錨212D之數量與設置位置作較佳安排，以節省第二電極212A及第三電極212B所佔用的面積。每個第二電極212A之兩端皆經由一第二電極固定錨212C連接此第二電極212A及基板而固定，每個第三電極212B之兩端皆經由一第三電極固定錨212D連接此第三電極212B及基板而固定，且第三電極固定錨212D是與第二電極固定錨212C上下交錯設置，使得第二電極212A與第三電極212B彼此緊貼而讓出空間容納較寬的第一電極211A(區段IV)。因此亦可大幅增加第一電極211A的質量，以在加速度計2受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極211A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

另請參考第5圖，其顯示依據本發明第三實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，本實施例的加速度計3之第一電極311A的中間區段(區段V)較其他區段(區段VI)為窄，固定第三電極312B之第三電極固定錨312D是與固定第二電極312A之第二電極固定錨312C上下交錯設置在凹口313中。因此，亦可大幅增加第一電極311A的質量，以在加速度計3受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極311A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

另請參考第6圖，其顯示依據本發明第四實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，加速度計4之第一電極411A兩端的區段VII較其他區段(區段VIII)為窄，固定第三電極412B之第三電極固定錨412D是緊鄰於固定第二電極412A之第二電極固定錨412C之旁側，並一同設置在凹口413中。因此，亦可大幅增加第一電極411A的質量，以在加速度計4受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極411A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

請參考第7圖，其顯示依據本發明第五實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，加速度計5之第一電極511A兩端及中間的區段A較其他區段(區段B)為窄，固定第三電極512B之第三電極固定錨512D是位在第三電極512B之中央，固定第二電極512A之第二電極固定錨512C則是位在第二電極512A之兩端。第二電極固定錨512C與第三電極固定錨512D皆是設置在凹口513中。因此，亦可大幅增加第一電極511A的質量，以在加速度計5受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極511A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

請參考第8圖，其顯示依據本發明第六實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，加速度計6之第一電極611A兩端的區段A較其他區段(區段B)為窄，固定第三電極612B之第三電極固定錨612D僅有一個，且是位在第三電極612B之一端，並容置在第一電極611A一端的凹口613中。固定第二電極612A之第二電極固定錨612C亦僅有一個，且是位在第二電極612A之一端，並容置在第一電極611A另一端的凹口613中。由於第二電極固定錨612C及第三電極固定錨612D之數量更為稀少，因此可更加增加第一電極611A的質量，以在加速度計6受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極611A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

請參考第9圖，其顯示依據本發明第七實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。為了節省篇幅，在此僅描述本實施例與第一實施例差異之處。如圖中所示，加速度計7之第一電極711A中間兩區段A較其他區段(區段B)為窄而形成凹口713。固定第三電極712B之兩個第三電極固定錨712D分別錯落在第三電極712B之中間，固定第二電極712A之第二電極固定錨712C皆是緊鄰於第三電極固定錨712D。第二電極固定錨712C與第三電極固定錨712D分別設置在一凹口513中。因此，亦可大幅增加第一電極711A的質量，以在加速度計7受到加速度影響時，而使得移動部(圖中未示)移動時，可放大第一電極711A所受到的施力，如此可獲得較大的感測訊號。

是故，由上述中可以得知，本發明的加速度計透過減少第二電極固定錨及/或第三電極固定錨的數量及/或設置位置，以降低第二電極固定錨及/或第三電極固定錨所佔用的面積，而可增加第一電極的寬度，以放大感測訊號，而可增加訊號辨識度。

以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

1、2、3、4、5、6、7．．．加速度計

11．．．結構層

100、200．．．傳統加速度計

101．．．第一電極部

102．．．第二電極部

103、203．．．移動部

104．．．固定子

111．．．移動部

112．．．固定部

113、213、313、413、513、613、713．．．凹口

201、202．．．固定電極

101A．．．第一電極板

102A．．．第二電極板

103A．．．第三電極板

103B．．．質量塊

103C．．．彈簧

201A、202A．．．固定子

203A．．．移動電極

111A、211A、311A、411A、511A、611A、711A．．．第一電極

112A、212A、312A、412A、512A、612A、712A．．．第二電極

112B、212B、312B、412B、512B、612B、712B．．．第三電極

112C、212C、312C、412C、512C、612C、712C．．．第二電極固定錨

112D、212D、312D、412D、512D、612D、712D．．．第三電極固定錨

I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、A、B．．．區段

第1圖顯示目前以微機電系統製程技術設計的其中一種加速度計之結構示意圖。

第2圖顯示目前以微機電系統製程技術設計的另外一種加速度計之結構示意圖。

第3圖顯示依據本發明第一實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第4圖顯示依據本發明第二實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第5圖顯示依據本發明第三實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第6圖顯示依據本發明第四實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第7圖顯示依據本發明第五實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第8圖顯示依據本發明第六實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

第9圖顯示依據本發明第七實施例製造之加速度計之一部分結構示意圖。

1．．．加速度計

111．．．移動部

112．．．固定部

113．．．凹口

111A．．．第一電極

112A．．．第二電極

112B．．．第三電極

112C．．．第二電極固定錨

112D．．．第三電極固定錨

I、II．．．區段

Claims (17)

1. 一種加速度計，包括：一基板；及一結構層，設置於該基板上，包括：一移動部，包括：一第一電極，至少一區段之該第一電極寬度較其他區段之該第一電極窄，形成至少一凹口；及一固定部，包括：一第二電極，旁設於該第一電極；及一第二電極固定錨，連接該第二電極及該基板，並設置於該凹口中。
2. 如專利申請範圍第1項之加速度計，其中該凹口是形成於該第一電極之一邊緣區段。
3. 如專利申請範圍第1項之加速度計，其中該凹口是形成於該第一電極之一中間區段。
4. 如專利申請範圍第1項之加速度計，其中形成該凹口之該中間區段包括該第一電極之中央處。
5. 如專利申請範圍第1項、第2項或第3項之加速度計，其中該固定部更包括一第三電極及一第三電極固定錨連接該第三電極及該基板，該第三電極旁設於該第一電極與該第二電極之間。
6. 如專利申請範圍第5項之加速度計，其中該第三電極固定錨緊鄰該第二電極固定錨之旁側。
7. 如專利申請範圍第5項之加速度計，其中該第三電極固定錨與該第二電極固定錨為上下交錯設置。
8. 如專利申請範圍第5項之加速度計，其中該第二電極與該第三電極皆為一平板。
9. 如專利申請範圍第5項之加速度計，其中當該加速度計受到一加速度影響時，該移動部之該第一電極移動，而改變與該第二電極及該第三電極之間的距離。
10. 如專利申請範圍第9項之加速度計，其中該加速度計對應該第一電極與該第二電極及該第三電極之間距離的變化量產生至少一感測訊號。
11. 如專利申請範圍第1項之加速度計，其中該移動部更包括一彈性體，連接該第一電極。
12. 如專利申請範圍第11項之加速度計，其中該移動部更包括一第一電極固定錨，連接該彈性體及該基板。
13. 如專利申請範圍第1項之加速度計，其中該第一電極兩端之寬度較其他區段之該第一電極窄，分別形成一凹口。
14. 如專利申請範圍第13項之加速度計，其中該固定部更包括另一第二電極固定錨，該些第二電極固定錨分別設置於該些凹口中。
15. 如專利申請範圍第14項之加速度計，其中該固定部更包括一第三電極及二第三電極固定錨連接該第三電極及該基板，該第三電極旁設於該第一電極與該第二電極之間。
16. 如專利申請範圍第15項之加速度計，其中該些第三電極固定錨分別緊鄰該些第二電極固定錨之旁側。
17. 如專利申請範圍第15項之加速度計，其中該些第三電極固定錨與該些第二電極固定錨分別為上下交錯設置。