TWI467179B - 三維微機電感測器 - Google Patents

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Description

三維微機電感測器
本發明係有關一種三軸微機電感測器，特別是指一種於垂直方向整合同平面感應電極及出平面感應電極之微機電感測器。
微機電元件有各種應用，其中一種應用為製作電容式感測器，如加速度計、麥克風等等。先前技術之電容式感測器有同平面(in-plane sensor)與出平面(out-of-plane)感測器兩類，前者係感測水平方向(x-y平面)上的電容變化，後者係感測垂直方向(z軸)上的電容變化。有關同平面感測器或其製作方法之先前技術，例如可參閱美國專利第5,326,726號、第5,847,280號、第5,880,369號、第6,877,374號、第6,892,576號、第2007/0180912號。有關出平面感測器或其製作方法之先前技術，例如可參閱美國專利第6,402,968號、第6,792,804號、第6,845,670號、第7,138,694號、第7,258,011號。然該等專利文獻尚無法同時感測三軸方向上電容變化的感測器。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種三軸微機電感測器，可以於垂直方向整合同平面感應電極及出平面感應電極，以增進感測器之感測功能及減少微機電元件之面積。
本發明目的之一在提供一種於垂直方向整合同平面感應電極及出平面感應電極之三軸微機電感測器，以降低感測器之 平面面積。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種三軸微機電感測器，包含：一基板；一固定框部，固定於該基板上；一質量塊；至少一彈簧件，連接該固定框部及該質量塊；複數個第一電極及複數個第二電極，分別自該質量塊之朝向該固定框部延伸；以及複數個第三電極及複數個第四電極，分別自該固定框部朝向該質量塊延伸，其中該第一電極與其相鄰該第三電極構成至少一第一電容及至少一第二電容，及該第二電極與其相鄰該第四電極構成至少一第三電容；其中該第一電容之電容值改變係反應該質量塊於一第一軸方向之位移，該第二電容之電容值改變係反應該質量塊於一第二軸方向之位移，該第三電容之電容值改變係反應該質量塊於一第三軸方向之位移，及該第一、第二及第三軸定義一三維座標系統。
在其中一種實施型態中，相鄰兩該個第一電極中間設有一該第三電極。
在其中一種實施型態中，相鄰兩該個第一電極中間設有兩該第三電極。
在其中一種實施型態中，該複數個第一電極及該複數個第三電極係沿著該第一軸或該第二軸之方向延伸。
在前述一種實施型態中，該複數個第二電極包括複數個上第二電極及複數個下第二電極，又該上第二電極及該下第二電極交錯地設於該質量塊之側邊並在該第三軸之方向上未重疊。
在前述一種實施型態中，該第四電極包括複數個上第四電極及複數個下第四電極，又該上第四電極及該下第四電極交 錯地設於該固定框部之內側並在該第三軸之方向上未重疊。
在前述一種實施型態中，該上第二電極及該下第四電極在該第三軸之方向上有重疊以形成一該第三電容，該下第二電極及該上第四電極在該第三軸之方向上有重疊以形成另一該第三電容。
在其中一種實施型態中，另包含一全差動式加速度感測電路，其擷取四個相鄰該第一電容、四個相鄰該第二電極或四個相鄰該第三電極之差動訊號，並放大該差動訊號。
在其中一種實施型態中，另包含一差動式加速度感測電路，其擷取兩個相鄰該第一電容、兩個相鄰該第二電極或兩個相鄰該第三電極之差動訊號，並放大該差動訊號。
在前述一種實施型態中，該複數個第二電極包括複數個上第二電極及複數個下第二電極，兩相鄰該上第二電極之間有兩該下第二電極，又該上第二電極及該下第二電極設於該質量塊之側邊並在該第三軸之方向上未重疊。
在前述一種實施型態中，該複數個第四電極包括複數個上第四電極及複數個下第四電極，兩相鄰該上第四電極之間有兩該下第四電極，又該上第四電極及該下第四電極設於該固定框部之內側並在該第三軸之方向上未重疊。
在其中一種實施型態中，該第四電極係位於該第一電極及該基板之間。
在其中一種實施型態中，該第四電極係位於該第三電極及該基板之間。
在前述一種實施型態中，該第二電極係位於該第一電極及該基板之間。
在其中一種實施型態中，該第三電極係位於該第四電極 及該基板之間。
在前述一種實施型態中，該第一電極係位於該第二電極及該基板之間。
在其中一種實施型態中，該彈簧件之數量為四，並對稱地連接該質量塊至該固定框部。
在其中一種實施型態中，該固定框部係封閉之圍牆、複數個柱體或複數個牆體。
在其中一種實施型態中，該質量塊相對於該第一軸及該第二軸定義之平面有同平面位移及出平面位移。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
第1圖顯示本發明一實施例之三軸微機電感測器之上視圖。三軸微機電感測器10包含一基板11(參見第2A圖)、一固定框部12、一質量塊13及複數個彈簧件14。固定框部12係固定於該基板11上，且環繞質量塊13，但不限於於圖式中封閉之圍牆形狀，亦可是複數個柱體或複數個牆體。複數個彈簧件14連接外側之固定框部12及中央之質量塊13，並藉由其彈性使得質量塊13可以相對於基板11產生同平面(in plane)運動及出平面(out of plane)運動。此處同平面運動係指在XY平面(平行基板11)上之運動，又出平面運動運動係指在Z軸上之運動分量。
第2A圖係沿第1圖中I-I剖面線之剖視圖，又第2B圖係沿第1圖中II-II剖面線之剖視圖。複數個上移動電極部13a及下移動電極部13b自質量塊13朝向固定框部12延伸，其 中上移動電極部13a與下移動電極部13b係與質量塊13相連接，故會隨著質量塊13一起運動。在本實施例中，上移動電極部13a與下移動電極部13b由上視圖來看係以交錯排列的方式進行舉例說明，其中上移動電極部13a與下移動電極部13b相對於基板11係分別位於不同之位階高度。具體而言，每一上移動電極部13a包括複數個第一電極131及至少一上第二電極132，下移動電極部13b包括至少一下第二電極132’(本實施例上第二電極132及下第二電極132’僅為例示，於後續實施例可以將二者之位置對調，故不限制本申請案之保護範圍)，又第一電極131和上第二電極132係在垂直方向(Z軸)有重疊，但上第二電極132和下第二電極132’交錯地設於質量塊13之側邊而未垂直重疊。
再者，複數個上固定電極部12a及下固定電極部12b自固定框部12朝向質量塊13延伸，其中上固定電極部12a與下固定電極部12b係與固定框部12相連接，故不會隨著質量塊13一起運動。在本實施例中，上固定電極部12a與下固定電極部12b由上視圖來看係以交錯排列的方式進行配置，其中上固定電極部12a與下固定電極部12b相對於基板11係分別位於不同之位階高度。具體而言，上固定電極部12a包括複數個第三電極123及複數個上第四電極124，下固定電極部12b包括複數個下第四電極124’，又第三電極123和上第四電極124係在垂直方向(Z軸)有重疊，但上第四電極124和下第四電極124’交錯地設於固定框部12之內側而未垂直重疊。
參見第2A圖及第2B圖，可移動之上第二電極132和固定之下第四電極124’構成一第三電容C3(另，第一電容C1及第二電容C2將於後文說明)，又可移動之下第二電極132’和 固定之上第四電極124構成另一第三電容C3。下第二電極132’可被絕緣層135披覆，又下第四電極124’也可被絕緣層135披覆。第一電極131包括複數個金屬層136，又第三電極123包括複數個金屬層127，其中部分之金屬層136及金屬層127係埋設於絕緣層135內。另外，由圖1、圖2A與圖2B亦可得知，由質量塊13延伸而出的上移動電極部13a係對應地位於固定框部12之延伸而出的下固定電極部12b之上方，如圖1與圖2A所示，而固定框部12之延伸而出的上固定電極部12a係對應地位於由質量塊13延伸而出的下移動電極部13b之上方，如圖1與圖2B所示。
第3A圖顯示係沿第1圖中III-III剖面線之剖視圖。由固定框部12延伸而出之兩相鄰之上固定電極部12a之間係設置有一由質量塊13延伸而出的上移動電極部13a，其中上移動電極部13a的第一電極131會和相鄰之上固定電極部12a的第三電極123構成第一電容C1。在圖1與圖3A中，若質量塊13沿X軸運動而使上移動電極部13a如圖3A所示向右移動時，兩個第一電容C1之電容值會增加(圖中以↗表示)，而另兩個第一電容C1之電容值會減少(圖中以↘表示)。
第3B圖係沿第1圖中IV-IV剖面線之剖視圖，其中IV-IV剖面線之延伸方向係與III-III剖面線之延伸方向垂直。類似地，由固定框部12延伸而出之兩相鄰的上固定電極部12a之間設置有由質量塊13延伸而出的上移動電極部13a，其中上移動電極部13a的第一電極131會和相鄰之上固定電極部12a的第三電極123構成第二電容C2。類似地，若質量塊13沿Y軸運動而使上移動電極部13a如圖3B所示之向右移動時，兩個第二電容C2之電容值會增加(圖中以↗表示)，另 兩個第二電容C2之電容值會減少(圖中以↘表示)。基於上述可知，第一電容C1之電容值變化可用來代表質量塊13於X軸方向上之加速度，第二電容C2之電容值變化則可用來代表質量塊13於Y軸方向上之加速度。在本實施例中，可選擇性地藉由垂直導通柱138使得複數個金屬層136相互連接，並可藉由垂直導通柱128使得複數個金屬層127相互連接。
第3C圖顯示係沿第1圖中III-III剖面線之剖視圖，其中與圖3A不同的是，第3C圖係表示第三電容C3之電容值改變之實施狀態，而第3A圖係表示第一電容C1之電容值改變之實施狀態。請參考圖1與圖3C，兩相鄰之下固定電極部12b之間設置有一下移動電極部13b，又上第二電極132和下第四電極124’構成第三電容C3，上第四電極124和下第二電極132’亦構成第三電容C3。當質量塊13沿Z軸運動而使上移動電極部13a及下移動電極部13b如圖3C所示之向下移動時，兩個第三電容C3之電容值會增加(圖中以↗表示)，而另兩個第三電容C3會減少(圖中以↘表示)。
第3D圖顯示本創作全差動(fully differential)式加速度感測電路。本實施例係以第3C圖中第三電容C3為舉例說明，此部分的原理亦可以用於前述的第一電容C1及第二電容C2所繪示的實施型態。請同時參考圖3C與圖3D，透過將下固定電極部12b之上方設置有上移動電極部13a且下移動電極部13b之上方設置有上固定電極部12a時，搭配電路的設計便可形成具有4個第三電容C3之全差動式電容感測架構，亦即當質量塊13沿Z軸運動而使上、下移動電極部13a、13b如圖3C所示之向下移動時，兩個第三電容C3之電容值會增加(圖中以↗表示)，而另兩個第三電容C3會減少(圖中以↘表 示)。
在圖3D中，節點C及D分別耦接高頻但相位相差180度之電壓Vm- 及Vm+ 。當質量塊13不動時，C3之電容值維持不變，故運算放大器OP僅會輸出Vm+ 與Vm- 相減後之電壓訊號。若質量塊13向基材方向運動產生低頻之加速度時，4個第三電容C3之電容值會如箭頭所示方向而改變，四組電容變化產生之電壓會與輸入之電壓混合並，故運算放大器OP會有同時高頻與低頻之放大訊號輸出。該輸出訊號(Vout+ 、Vout- )可同時有輸入之高頻訊號以及加速度造成之低頻電容變化訊號。此種全差動式電路可以提高元件之靈敏度、降低第三電容C3上之雜訊，並且降低或抵消與C1、C2電極彼此間的耦合(cross talk)。
第4A圖顯示本發明另一實施例之三軸微機電感測器之剖視圖。參見圖中所示三軸微機電感測器40，兩上移動電極部13a之間設置兩上固定電極部12a，及兩下固定電極部12b之間設置兩下移動電極部13b。當三軸微機電感測器40沿X軸運動而使上移動電極部13a會如圖4A向右移動時，則兩個第一電容C1’之電容值會增加(圖中以↗表示)，而另兩個第一電容C1’會減少(圖中以↘表示)。但中央相鄰之第一電容C1’係一個電容值增加，另一個電容值減少。
第4B圖顯示第4A圖中三軸微機電感測器之剖視圖，其中與圖4A不同的是：第4B圖係表示三軸微機電感測器40沿Z軸方向移動的實施狀態，而第4A圖則是表示三軸微機電感測器40沿X軸方向移動的實施狀態。參見圖4B中所示三軸微機電感測器40，當三軸微機電感測器40沿Z軸運動時，兩下固定電極部12b之間的該兩下移動電極部13b會向下移 動，而兩上固定電極部12a之間的該兩上移動電極部13a亦會向下移動，因此便會使得第三電容C3’之電容值產生變化。詳細來說，當下移動電極部13b之下第二電極132’向下移動時，便會與上固定電極部12a之第四電極124遠離，如此下第二電極132’和下第四電極124’之間的第三電容C3’之電容值便會減少；同樣地，當上移動電極部13a之上第二電極132向下移動時，便會靠近下固定電極部12b之下第四電極124’如此下第二電極132’和下第四電極124’之間的第三電容C3’之電容值會增加。
相較於第3D圖之全差動式加速度感測電路，第4C圖顯示一差動式加速度感測電路。運算放大器OP會放大兩第一電容C1’(或第三電容C3’等)之低頻電容變化產生之電壓與輸入之高頻電壓，並輸出訊號。該輸出之低頻電壓訊號可代表X軸上之加速度。
第5A圖顯示本發明另一實施例之三軸微機電感測器之剖視圖，又第5B圖顯示第5A圖中三軸微機電感測器之另一剖視圖。參見圖中所示三軸微機電感測器50，複數個上移動電極部13a’及下移動電極部13b’自質量塊13’朝向固定框部12’延伸，其係與質量塊13’相連接，故會隨著質量塊13’一起運動。下移動電極部13b’包括複數個第一電極131及複數個下第二電極132’，上移動電極部13a’包括複數個上第二電極132，又第一電極131和下第二電極132’係在垂直方向(Z軸)有重疊，但上第二電極132和下第二電極132’交錯地設於質量塊13’之側邊而未垂直重疊。
再者，複數個上固定電極部12a’及下固定電極部12b’自固定框部12’朝向質量塊13’延伸，其係與固定框部12’相連 接，故不會隨著質量塊13’一起運動。下固定電極部12b’包括複數個第三電極123及複數個下第四電極124’，上固定電極部12a’包括複數個上第四電極124，又第三電極123和上第四電極124係在垂直方向(Z軸)有重疊，但上第四電極124和下第四電極124’交錯地設於固定框部12’之內側而未垂直重疊。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，固定電極部及移動電極部之安排，可以不同於前述實施例之例示，例如：兩移定電極部之間可以設有兩固定電極部或更多固定電極部。固定電極和移動電極之形狀，及形成電容之相對位置，不受上述例示之限制。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10、40、50‧‧‧三軸微機電感測器
11‧‧‧基板
12、12’‧‧‧固定框部
12a、12a’‧‧‧上固定電極部
12b、12b’‧‧‧下固定電極部
123‧‧‧第三電極
124‧‧‧上第四電極
124’‧‧‧下第四電極
127‧‧‧金屬層
128‧‧‧垂直導通柱
13、13’‧‧‧質量塊
13a、13a’‧‧‧上移動電極部
13b、13b’‧‧‧下移動電極部
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧上第二電極
132’‧‧‧下第二電極
135‧‧‧絕緣層
136‧‧‧金屬層
138‧‧‧垂直導通柱
14‧‧‧彈簧件
A、B、C、D‧‧‧節點
C1、C1’‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
C3、C3’‧‧‧第三電容
OP‧‧‧運算放大器
Vm+、Vm-‧‧‧電壓
Vout+ 、Vout- ‧‧‧輸出訊號
第1圖顯示本發明一實施例之三軸微機電感測器之上視圖。
第2A圖係沿第1圖中I-I剖面線之剖視圖。
第2B圖係沿第1圖中II-II剖面線之剖視圖。
第3A圖顯示係沿第1圖中III-III剖面線之剖視圖。
第3B圖係沿第1圖中IV-IV剖面線之剖視圖。
第3C圖顯示係沿第1圖中III-III剖面線之剖視圖。
第3D圖顯示本創作全差動(fully differential)式加速度感測電路。
第4A圖顯示本發明另一實施例之三軸微機電感測器之剖視圖。
第4B圖顯示第4A圖中三軸微機電感測器之剖視圖。
第4C圖顯示一差動式加速度感測電路。
第5A圖顯示本發明另一實施例之三軸微機電感測器之剖視 圖。
第5B圖顯示第5A圖中三軸微機電感測器之另一剖視圖。
11‧‧‧基板
12a‧‧‧上固定電極部
12b‧‧‧下固定電極部
123‧‧‧第三電極
124‧‧‧上第四電極
124’‧‧‧下第四電極
127‧‧‧金屬層
128‧‧‧垂直導通柱
13a‧‧‧上移動電極部
13b‧‧‧下移動電極部
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧上第二電極
132’‧‧‧下第二電極
136‧‧‧金屬層
138‧‧‧垂直導通柱
C1‧‧‧第一電容

Claims (22)

  1. 一種三軸微機電感測器，包含：一基板；一固定框部，固定於該基板上；一質量塊；至少一彈簧件，直接連接該固定框部及該質量塊；複數個第一電極及複數個第二電極，分別自同一該質量塊之朝向該固定框部延伸；以及複數個第三電極及複數個第四電極，分別自該固定框部朝向同一該質量塊延伸，其中該第一電極與其相鄰該第三電極構成至少一第一電容及至少一第二電容，及該第二電極與其相鄰該第四電極構成至少一第三電容；其中該第一電容之電容值改變係反應該質量塊於一第一軸方向之位移，該第二電容之電容值改變係反應該質量塊於一第二軸方向之位移，該第三電容之電容值改變係反應該質量塊於一第三軸方向之位移，及該第一、第二及第三軸定義一三維座標系統。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中相鄰兩該個第一電極之間設有一該第三電極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之三軸微機電感測器，其中該複數個第二電極包括複數個上第二電極及複數個下第二電極，又該上第二電極及該下第二電極交錯地設於該質量塊之側邊並在該第三軸之方向上未重疊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之三軸微機電感測器，其中該第四電極包括複數個上第四電極及複數個下第四電極，又該上第四電極及該下第四電極交錯地設於該固定框部之內側並在 該第三軸之方向上未重疊。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之三軸微機電感測器，其中該上第二電極及該下第四電極在該第三軸之方向上重疊的部分以形成一該第三電容，該下第二電極及該上第四電極在該第三軸之方向上有重疊以形成另一該第三電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中相鄰兩該個第一電極之間設有兩該第三電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之三軸微機電感測器，其中該複數個第二電極包括複數個上第二電極及複數個下第二電極，兩相鄰該上第二電極之間有兩該下第二電極，又該上第二電極及該下第二電極設於該質量塊之側邊並在該第三軸之方向上未重疊。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之三軸微機電感測器，其中該複數個第四電極包括複數個上第四電極及複數個下第四電極，兩相鄰該上第四電極之間有兩該下第四電極，又該上第四電極及該下第四電極設於該固定框部之內側並在該第三軸之方向上未重疊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之三軸微機電感測器，其中該上第二電極及該下第四電極在該第三軸之方向上重疊的部分以形成一該第三電容，該下第二電極及該上第四電極在該第三軸之方向上重疊的部分以形成另一該第三電容。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該複數個第一電極及該複數個第三電極係沿著該第一軸或該第二軸之方向延伸。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其另包含一全差動式加速度感測電路，其擷取四個相鄰該第一電 容、四個相鄰該第二電極或四個相鄰該第三電極之差動訊號，並放大該差動訊號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中另包含一差動式加速度感測電路，其擷取兩個相鄰該第一電容、兩個相鄰該第二電極或兩個相鄰該第三電極之差動訊號，並放大該差動訊號。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該第四電極係位於該第一電極及該基板之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之三軸微機電感測器，其中該第二電極係位於該第一電極及該基板之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該第四電極係位於該第三電極及該基板之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之三軸微機電感測器，其中該第三電極係位於該第四電極及該基板之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之三軸微機電感測器，其中該第一電極係位於該第二電極及該基板之間。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該彈簧件之數量為四，並對稱地連接該質量塊至該固定框部。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該固定框部係封閉之圍牆、複數個柱體或複數個牆體。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之三軸微機電感測器，其中該質量塊相對於該第一軸及該第二軸定義之平面有同平面位移及出平面位移。
  21. 一種三軸微機電感測器，包含：一基板；一固定框部，固定於該基板上； 一質量塊；至少一彈簧件，直接連接該固定框部及該質量塊；複數個第一電極及複數個第二電極，分別自同一該質量塊朝向該固定框部延伸；以及複數個第三電極及複數個第四電極，分別自該固定框部朝向同一該質量塊延伸，其中沿一第一軸方向排列之該第一電極與其相鄰該第三電極構成至少一第一電容，沿一第二軸方向排列之該第一電極與其相鄰該第三電極構成至少一第二電容，該第二電極與其相鄰該第四電極在一第三軸方向上重疊的部分構成至少一第三電容，且該第一軸、第二軸及第三軸相互垂直。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之三軸微機電感測器，其中該第一電容之電容值改變係反應該質量塊於該第一軸方向之位移，該第二電容之電容值改變係反應該質量塊於該第二軸方向之位移，該第三電容之電容值改變係反應該質量塊於該第三軸方向之位移，且該第一、第二及第三軸定義一三維座標系統。
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