TWI486590B - 微感測器 - Google Patents

Description

微感測器

本發明乃是與一種微感測器相關，且尤其是與應用懸浮區域位移傳感出待測物理量之微感測器相關。

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。

然而，為了限制第三電極板103A位移的行程，不致與第一電極板101A及第二電極板102A之間發生沾黏，以致影響正常操作，如第1圖所示，加速度計100在其第三電極板103A上更形成有多個往相鄰之第一電極板101A或第二電極板102A延伸之凸點103D。如此雖然可達到目的，然而隨著製程能力的發展，元件尺寸愈趨縮小，第三電極板103A與第一電極板101A及第二電極板102A之間的距離也愈趨狹窄，如此將凸點103D設置在提供感測的第三電極板103A上，限制了元件尺寸縮小的可能性。

有鑑於此，目前亟需發展不致限制元件尺寸縮小可能性之防沾黏機制。

本發明之一目的係在提供一種微感測器，透過設置在懸浮區域與凹穴之邊緣處，對應形成的至少一組凸塊彼此之間的抵觸機制，使得微感測器內的懸浮區域在預定方向上位移至一預定位置時，即被限制行程不致繼續移動。

本發明之另一目的係在提供一種微感測器，透過凸塊彼此之間的抵觸機制，使懸浮區域與凹穴之間始終保持一預定間隙，而不致產生沾黏的狀況，以維持正常操作。

依據本發明，提供一種微感測器，包括一基板及至少一微感測元件。基板上形成一凹穴，此凹穴中固設有至少一第一感測單元。微感測元件可感測一預定方向之一物理量，其包括一懸浮區域。懸浮區域乃是懸浮於基板之凹穴中，包括至少一第二感測單元，與第一感測單元配合，並對應第一感測單元與第二感測單元之間在預定方向上的距離產生代表物理量之一感測訊號。懸浮區域之邊緣與凹穴之邊緣更對應形成至少一組凸塊，當懸浮區域在預定方向上位移至一預定位置時，此對凸塊彼此抵觸以 限制懸浮區域繼續在預定方向上移動。

依據本發明之一實施態樣，凸塊之尺寸、形狀、延伸方向並無限制，然而每一組凸塊較佳地包括一大凸塊及一小凸塊，此大凸塊與小凸塊之相對設置關係並無限制，舉例來說，大凸塊可形成於凹穴之邊緣與懸浮區域之邊緣等二者中之其一方，而小凸塊則形成於該二者之相對方。其次，需明瞭的是，每一組凸塊之數量並不限於此，在本發明所屬領域中具有通常知識者可據此變化其數量，而設置一組包括兩個以上凸塊之抵觸機制。再者，為了建立更為穩定的抵觸機制，可對應於懸浮區域之四角設置四對凸塊。當該組凸塊彼此抵觸時，懸浮區域與凹穴之間較佳地具有一預定間隙，而不致沾黏。此預定間隙的寬度可為任意寬度，然而，較佳地，此預定間隙寬度乃是小於第一感測單元與第二感測單元之間的距離，以防止第一感測單元與第二感測單元接觸，造成電性上的不良狀況。

本發明之微感測器可為各種類型的微感測器，舉例來說，包括重力感測器、加速度感測器、或其他微感測器。在本發明之微感測器中，可額外包括其他細部結構，以達到感測、訊號處理、或其他功能。以加速度感測器為例，懸浮區域可選擇性地額外包括至少一彈性元件、至少一固定錨、至少一延伸桿及/或至少一質量塊。彈性元件之一端連接至質量塊，另一端連接至與基板固定的固定錨，使得懸浮區域懸浮在基板上。延伸桿連接第二感測單元，質量塊連接延伸桿，此時所量測的物理量示例為加速度。

由上述中可以得知，本發明之微感測器包括設置在懸浮區域與凹穴之邊緣處，對應形成的至少一組凸塊，而形成避免過行程與間隔懸浮區域與凹穴之機制。

1‧‧‧微感測器

11、12‧‧‧凹穴

13、14‧‧‧第一感測單元

20、30‧‧‧微感測元件

21‧‧‧懸浮區域

22‧‧‧彈性元件

23‧‧‧固定錨

211‧‧‧第二感測單元

212‧‧‧延伸桿

213‧‧‧質量塊

214‧‧‧凸塊

100‧‧‧加速度計

101‧‧‧第一電極部

101A‧‧‧第一電極板

102‧‧‧第二電極部

102A‧‧‧第二電極板

103‧‧‧移動部

103A‧‧‧第三電極板

103B‧‧‧質量塊

103C‧‧‧彈簧

103D‧‧‧凸點

104‧‧‧固定子

111‧‧‧凸塊

112‧‧‧預定間隙

第1圖顯示傳統之一加速度計之一立體結構示意圖。

第2圖顯示依據本發明之一實施例之微感測器之一立體結構示意圖。

第3圖顯示依據本發明之一實施例之微感測元件之一狀態 的局部放大示意圖。

第4圖顯示依據本發明之一實施例之微感測元件之另一狀態的局部放大示意圖。

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，請一併參考第2圖及第3圖，其中第2圖顯示依據本發明之一實施例之微感測器之一立體結構示意圖，第3圖顯示第2圖中之一微感測元件之一狀態示意圖。在本實施例中，是以二維加速度計作為微感測器之例，並不用以限制本發明。如第2圖所示，微感測器1包括一基板10、兩微感測元件20、30。

基板10上形成有兩個凹穴11、12分別對應微感測元件20、30，凹穴11、12中分別固設有多個第一感測單元13、14，第一感測單元13、14上具有電極。

微感測元件20、30可感測一預定方向之一物理量，由於微感測元件20、30之差異僅在於其內細部結構的方向性乃是彼此垂直，所以微感測元件20、30乃是用以感測彼此垂直之不同方向之物理量。在本實施例中，微感測元件20用以量測Y軸上的加速度值，微感測元件30用以量測X軸上的加速度值。

請參考第3圖，在此僅就微感測元件20為例說明其細部結構，不再贅述微感測元件30之相關內容。微感測元件20包括懸浮於基板10之凹穴11中的一懸浮區域21。懸浮區域21包括兩彈性元件22、兩固定錨23、多個第二感測單元211、兩延伸桿212及兩質量塊213。彈性元件22之一端連接至一質量塊213，彈性元件22之另一端是與一固定錨23固定。固定錨23則是固定在基板10上，以連接彈性元件22的另一端，使懸浮區 域21懸浮於基板10上。

懸浮區域21之邊緣與凹穴11之邊緣並對應形成至少一組凸塊214、111，在此示例為對應懸浮區域21四角之四組凸塊214、111。延伸桿212連接第二感測單元211，質量塊213連接在延伸桿212與彈性元件22之間，而形成類似彈簧與質量體連接之簡諧系統。第二感測單元211與第一感測單元13、14配合為彼此交錯，第二感測單元211對第一感測單元13、14之對應面上並形成有電極。在此示例性地將凸塊214、111設計為在懸浮區域21邊緣之凸塊214的尺寸較大，為一大凸塊，而設置在凹穴11邊緣之凸塊111的尺寸較小，為一小凸塊，然而本發明並不限於此，亦可為其他尺寸比例。舉例來說，本實施例示例性地設計大凸塊，即凸塊214之一物理尺寸，如：寬幅約為2μm~4μm，小凸塊，即凸塊111之一物理尺寸，如：寬幅約為0.5μm~1.5μm。其次，凸塊214、111之一對一的對應關係亦可變更為其他數量之對應關係，並不限於此。

由於凸塊214、111設置在懸浮區域21或凹穴11的邊緣，並非位於微感測元件20、30的中心，使得位於微感測元件20、30中心的元件結構，如：彈性元件22、固定錨23、第二感測單元211、延伸桿212及質量塊213等不致因凸塊214、111存在於中心而限制其尺寸的限縮範圍或限制其數量而降低空間利用率。此外，凸塊214、111的物理尺寸可使得懸浮區域21或凹穴11的邊緣不因水氣產生沾黏的狀況，而能解決長久以來無法解決的技術問題。

當微感測器1所在之環在境Y軸上的加速度分量改變時，微感測元件20的懸浮區域21在Y軸上位移，並帶動第二感測單元211，以致改變第二感測單元211與第一感測單元13、14之間在Y軸上的距離。此時，透過第二感測單元211與第一感測單元13、14之對應電極之間的電容值改變，產生代表加速度之一感測訊號。類似地，微感測元件30亦可量測X軸上的加速度值。此加速度感測機制乃習知技術，在此不再贅述。

當懸浮區域21受加速度影響，在Y軸上位移至一預定位置，如第4圖所示之狀態，此時四組凸塊214、111之間彼此抵觸以限制懸浮區域21繼續在Y軸上移動，懸浮區域21與凹穴11之邊緣尚存有一預定 間隙112，並不完全貼合，因此可防止懸浮區域21沾黏至凹穴11邊緣。此預定間隙112的寬度可為任意寬度，然而，較佳地，此預定間隙112寬度乃是小於第一感測單元13、14與第二感測單元211之間的距離，以防止第一感測單元13、14與第二感測單元211接觸，造成電性上的不良狀況。

由上述中可以得知，本發明之微感測器包括設置在懸浮區域與凹穴之邊緣處，對應形成的至少一組凸塊，而形成避免過行程與間隔懸浮區域與凹穴之機制。

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‧‧‧微感測器

11、12‧‧‧凹穴

20、30‧‧‧微感測元件

Claims (11)

1. 一種微感測器，包括：一基板，其上形成一凹穴，該凹穴中固設有至少一第一感測單元；及至少一微感測元件，感測一預定方向之一物理量，包括：一懸浮區域，懸浮於該基板之該凹穴中，包括至少一第二感測單元，與該第一感測單元配合，並對應該第一感測單元與該第二感測單元之間在該預定方向上的距離產生代表該物理量之一感測訊號；其中，該懸浮區域之邊緣與該凹穴之邊緣更對應形成至少一組凸塊，當該懸浮區域在該預定方向上位移至一預定位置時，該組凸塊彼此抵觸以限制該懸浮區域繼續在該預定方向上移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中每一該至少一組凸塊包括一大凸塊及一小凸塊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微感測器，其中該大凸塊形成於該凹穴之邊緣，該小凸塊形成於該懸浮區域之邊緣。
4. 如申請專利範圍第2項所述之微感測器，其中該大凸塊形成於該懸浮區域之邊緣，該小凸塊形成於該凹穴之邊緣。
5. 如申請專利範圍第2項所述之微感測器，其中該大凸塊之一寬幅約為2μm~4μm，該小凸塊之一寬幅約為0.5μm~1.5μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中該至少一組凸塊包括四對凸塊，對應於該懸浮區域之四角。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中該懸浮區域更包括至少一彈性元件及一質量塊，該彈性元件的一端連接至該質量塊，另一端連接於與該基板固定的一固定錨，使得該懸浮區域懸浮在該基板上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微感測器，其中該微感測元件更包括至少一固定錨，固定在該基板上，該固定錨連接該彈性元件的另一端，使該彈性元件與該基板固定。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中該懸浮區域更包括至少一延伸桿及至少一質量塊，該延伸桿連接該第二感測單元，該質量塊連接該延伸桿。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中該物理量為加速度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微感測器，其中該組凸塊彼此抵觸時，該懸浮區域與該凹穴之間具有一預定間隙，該預定間隙小於該第一感測單元與該第二感測單元之間的距離。