TWI508913B - 微機電元件與微機電應力補償結構 - Google Patents

Description

微機電元件與微機電補償結構

本發明有關於一種微機電元件，特別是一種可補償質量結構變形的微機電元件，以及相關之微機電補償結構。

微機電元件中，利用內部質量結構移動以產生電容值變化為常見之感測方式之一。第1A圖顯示一先前技術之微機電元件10，其中彈簧分別連接於質量結構11兩外側端之錨點101，而質量結構11分別與上電極12以及下電極13形成一上電容結構Ctop與一下電容結構Cbot。當質量結構11與上電極12以及下電極13發生相對移動時，根據上電容結構Ctop與下電容結構Cbot的電容值變化，便可感測出移動量。

然而，當微機電元件10應用於較高溫環境時，質量結構11可能因熱膨脹而彎曲變形。舉例而言，在第1B圖所示情況中，質量結構11因熱膨脹而往下彎曲，造成上電容結構Ctop之電容值下降而下電容結構Cbot之電容值上升(電容值的變化如箭號所示)，導致感測錯誤。需說明的是，導致質量結構11變形的原因不限於熱，亦可能為其他原因。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種可補償質量結構變形的微機電元件。此微機電元件具有複數個上下電極與一質量結構、質量結構中設有複數錨點、且該複數個上下電極於該質量結構一出平面方向之投影係位於各錨點兩側，以使質量結構的變形不致大幅影響感測結果。此外，本發明亦提出相關之微機電補償結構。

就其中一個觀點而言，本發明提供一種微機電元件，包含：一質量結構，具有至少一個錨點；至少一個撓性結構，與該質量結構連接於該至少一個錨點；複數上電極，位於該質量結構上方，與該質量結構形成一上電容結構；以及複數下電極，位於該質量結構下方，與該質量結構形成一下電容結構，其中該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於該錨點的兩側、且該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於該錨點的兩側。

在本發明之一實施例中，該微機電元件包含複數錨點與複數撓性結構，且該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於每一錨點之兩側，又該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於每一錨點之兩側。

在本發明之一實施例中，該上電容結構包含複數個局部上電容結構，每一上電極與該質量結構形成一個局部上電容結構，當該質量結構產生一變形，該複數個局部上電容結構之一部分隨該變形而增加電容值，該複數個局部上電容結構的另一部分隨該變形而降低電容值。

在本發明之一實施例中，該下電容結構包含複數個局部下電容結構，每一下電極與該質量結構形成一個局部下電容結構，當該質量結構產生一變形，該複數個局部下電容結構之一部分隨該熱變形而增加電容值，該複數個局部下電容結構的另一部分隨該變形而降低電容值。

在本發明之一實施例中，該微機電元件又包含：一補償質量結構；複數上補償電極，位於該補償質量結構上方，與該補償質量結構形成一上補償電容結構，其中該複數上補償電極係耦接於該複數下電極；以及複數下補償電極，位於該補償質量結構下方，與該補償質量結構形成一下補償電容結構，其中該複數下補償電極係耦接於該複數上電極。

在本發明之一實施例中，該補償質量結構相對於該複數上、下補償電極為固定而不相對移動。

在本發明之一實施例中，該補償質量結構與該質量結構連接於同一電位、該複數上補償電極與該複數下電極連接於同一電位、該複數 下補償電極與該複數上電極連接於同一電位，以使得該上電容結構與該下補償電容結構形成一並聯電容電路，該下電容結構與該上補償電容結構形成另一並聯電容電路。

就另一個觀點而言，本發明也提供一種微機電補償結構，用於一微機電元件中，該微機電元件具有在垂直方向上位於上方的一上電容結構與在垂直方向上位於下方的一下電容結構，其中該微機電補償結構包含：一補償質量結構；複數上補償電極，位於該補償質量結構上方，與該補償質量結構形成一補償上電容結構，其中該補償上電容結構與該下電容結構並聯；以及複數下補償電極，位於該補償質量結構下方，與該補償質量結構形成一補償下電容結構，其中該補償下電容結構與該上電容結構並聯。

在本發明之一實施例中，該補償質量結構相對於該複數上、下補償電極為固定而不相對移動。

在本發明之一實施例中，該上電容結構由一質量結構與複數上電極構成、該下電容結構由該質量結構與複數下電極構成，其中該複數上補償電極之數目和該複數上電極相同、該複數下補償電極之數目和該複數下電極相同，且該複數上補償電極之尺寸與佈局和該複數上電極之尺寸與佈局實質相同、該複數下補償電極之尺寸與佈局和該複數下電極之尺寸與佈局實質相同。

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。

10、20、50‧‧‧微機電元件

101、201‧‧‧錨點

11、21、51‧‧‧質量結構

12、22、52‧‧‧上電極

13、23、53‧‧‧下電極

24‧‧‧撓性結構

25、55‧‧‧基板

56‧‧‧上補償電極

57‧‧‧下補償電極

58‧‧‧補償質量結構

Ctop‧‧‧上電容結構

Ctopc‧‧‧上補償電容結構

Ctopl‧‧‧局部上電容結構

Cbot‧‧‧下電容結構

Cbotc‧‧‧下補償電容結構

Cbotl‧‧‧局部下電容結構

N‧‧‧法線方向

第1A、1B圖顯示先前技術之微機電元件。

第2A、2B圖顯示本發明一實施例之微機電元件。

第3圖顯示上電極變形的狀態。

第4A、4B圖顯示本發明另一實施例之微機電元件，其中包含補償結構。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

參照第2A、2B圖，第2B圖為第2A圖中質量結構21因應力產生變形之示意圖，應力可能來自於熱或其他原因。第2A圖中顯示本發明一實施例提供之一種微機電元件20。微機電元件20包含一質量結構21、複數上電極22、複數下電極23、至少一個撓性結構24，以上元件可設置於一基板25之上，其中該撓性結構24例如可為彈簧，以使得該質量結構21可相對於複數上電極22和複數下電極23而相對移動。質量結構21中設有至少一個錨點201，以供與撓性結構24對應連接。在所示實施例中，撓性結構24和錨點201的數目為二，但本發明不限於此，撓性結構24和錨點201的數目可為任意數目，在較佳實施例中，撓性結構24和錨點201的數目為複數。質量結構21分別與該複數上電極22形成一上電容結構Ctop，以及與該複數下電極23形成一下電容結構Cbot，其中該複數上電極22於該質量結構21之法線方向上之正投影位於錨點201的兩側、且該複數下電極23於該質量結構21之法線方向上之正投影也位於錨點201的兩側。

換個方式說明，上電容結構Ctop包含複數個局部上電容結構Ctopl，亦即每一上電極22與該質量結構21形成一個局部上電容結構Ctopl，又下電容結構Cbot包含複數個局部下電容結構Cbotl，亦即每一下電極23與該質量結構21形成一個局部下電容結構Cbotl。就第2A、2B圖的觀看角度而言，在任一錨點201的左側，質量結構21與上方的至少一個上電極22形成至少一個局部上電容結構Ctopl；在任一錨點201的右側，質量結構21也與上方的至少一個上電極22形成至少一個局部上電容結構 Ctopl。此外，在任一錨點201的左側，質量結構21與下方的至少一個下電極23形成至少一個局部下電容結構Cbotl；在任一錨點201的右側，質量結構21也與下方的至少一個下電極23形成至少一個局部下電容結構Cbotl。對照第1A、1B圖的先前技術，在該先前技術中，僅在任一錨點201的單側形成上電容結構Ctop與下電容結構Cbot。此結構上的差異導致的功效差異說明如下：參考第2B圖，當因為熱或其他原因(例如應力)造成質量結構21變形時，複數個上電極22與質量結構21的距離產生變化，在錨點201間之距離增加(局部上電容結構Ctopl之電容值降低)，而錨點201外側之距離縮減(局部上電容結構Ctopl之電容值增加)。由於局部上電容結構Ctopl分別設置於錨點201的兩側，其電容值變化彼此相抵消，因此總和之上電容結構Ctop之電容值在變形前與後之電容值相差甚小，可降低感測誤差。同理，局部下電容結構Cbotl也分別設置於錨點201的兩側，其電容值變化也可彼此相抵消，降低因變形所產生之感測誤差。相對地，在第1A、1B圖的先前技術中，質量結構21變形時，電容值變化並不會彼此相抵消，而會增加感測誤差，因此本發明優於該先前技術。

需說明的是，第2B圖是以質量結構21向上翹曲為例來繪示，但本發明的微機電元件20之結構，於質量結構21向下翹曲時，也顯然同樣可以達到降低感測誤差的效果。

一實施例中，當微機電元件處於一參考溫度，此參考溫度可為一標準工作溫度，例如最常使用之環境溫度或建議之使用環境溫度。當微機電元件處於參考溫度時，所有增加電容值之總和等同於所有降低電容值之總和。

上述實施例減少了質量結構21變形所造成的感測誤差。然而，在某些情況下，上電極也可能發生變形，如第3圖所示。此變形會造成上電容結構Ctop之電容值改變，也會產生感測誤差。

為解決第3圖中因上電極變形造成感測誤差的問題，第4A、4B圖顯示本發明所提出之解決方案實施例，其中第4B圖為第4A圖之微機電元件產生變形之示意圖。第4A圖中之左側架構與第2A圖實 施例相似，包含質量結構51、複數個上電極52、複數個下電極53。參閱第4A圖右側，本實施例之微機電元件50又包含一微機電補償結構，此微機電補償結構包含：一補償質量結構58；複數上補償電極56，位於該補償質量結構58上方，與該補償質量結構58形成一補償上電容結構Ctopc，其中該補償上電容結構Ctopc與下電容結構Cbot並聯；以及複數下補償電極57，位於該補償質量結構58下方，與該補償質量結構58形成一補償下電容結構Cbotc，其中該補償下電容結構Cbotc與上電容結構Ctop並聯。在較佳實施例中，補償質量結構58與質量結構51連接於同一電位、複數上補償電極56與該複數下電極53連接於同一電位、複數下補償電極57與該複數上電極52連接於同一電位，以使得上電容結構Ctop與下補償電容結構Cbotc形成一並聯電容電路，下電容結構Cbot與上補償電容結構Ctopc形成另一並聯電容電路。所謂「連接於同一電位」並不限於必須為絕對相同電位，可容許因線路電阻所造成之壓降。在較佳實施例中，補償質量結構58可以剛性連接方式固定於基板55，亦即其相對於該複數上、下補償電極為固定而不相對移動。

參閱第4B圖，因微機電元件50為差分電容之架構，當上電極52變形時，因上補償電極56也相同地變形，因此上電容結構Ctop與下補償電容結構Cbotc的電容值總和變化，會和下電容結構Cbot與上補償電容結構Ctopc的電容值總和變化互相抵消，因此可消除或減少感測的誤差。本實施例雖以上電極之變形為例，但顯然，在下電極變形時，本實施例也可以提供補償作用。

在較佳實施例中，上補償電極56之數目和上電極52相同、下補償電極57之數目和下電極53相同，且上補償電極56之尺寸與佈局和上電極52之尺寸與佈局實質相同、下補償電極57之尺寸與佈局和下電極53之尺寸與佈局實質相同。但此僅為可行的實施方式之一，本發明不限於此，上、下補償電極的數目、尺寸與佈局如與上、下電極的數目、尺寸與佈局不同，也在本發明之範圍內。

另外需說明的是，第4A、4B圖是為了便利說明而將微機電補償結構與基本微機電元件水平鄰接繪示，在實際安排元件佈局時，可 以將微機電補償結構與基本微機電元件分離在相距較遠的位置、或將其方向旋轉錯開、或將其設置在不同的高度等，並不限於第4A、4B圖所示的水平鄰接方式。

此外，第4A、4B圖右方所顯示的微機電補償結構，並不限於搭配第2A、2B圖所顯示的微機電元件結構；舉例而言，亦可搭配第1A、1B圖的先前技術，而設置微機電補償結構，使第1A、1B圖的上電容結構Ctop與下補償電容結構Cbotc形成一並聯電容電路，第1A、1B圖的下電容結構Cbot與上補償電容結構Ctopc形成另一並聯電容電路。

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。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

20‧‧‧微機電元件

201‧‧‧錨點

21‧‧‧質量結構

22‧‧‧上電極

23‧‧‧下電極

24‧‧‧撓性結構

25‧‧‧基板

Ctop‧‧‧上電容結構

Ctopl‧‧‧局部上電容結構

Cbot‧‧‧下電容結構

Cbotl‧‧‧局部下電容結構

N‧‧‧法線方向

Claims (11)

1. 一種微機電元件，包含：一質量結構，具有至少一個錨點；至少一個撓性結構，與該質量結構連接於該至少一個錨點；複數上電極，位於該質量結構上方，與該質量結構形成一上電容結構；以及複數下電極，位於該質量結構下方，與該質量結構形成一下電容結構，其中該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於該錨點的兩側、且該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於該錨點的兩側，該上電容結構包含複數個局部上電容結構，每一該上電極與該質量結構形成一個局部上電容結構，當該質量結構產生一變形，該複數個局部上電容結構之一部分隨該變形而增加電容值，該複數個局部上電容結構的另一部分隨該變形而降低電容值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，包含複數錨點與複數撓性結構，且該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於每一錨點之兩側，又該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於每一錨點之兩側。
3. 一種微機電元件，包含：一質量結構，具有至少一個錨點；至少一個撓性結構，與該質量結構連接於該至少一個錨點；複數上電極，位於該質量結構上方，與該質量結構形成一上電容結構；以及複數下電極，位於該質量結構下方，與該質量結構形成一下電容結構，其中該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於該錨點 的兩側、且該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於該錨點的兩側，該下電容結構包含複數個局部下電容結構，每一下電極與該質量結構形成一個局部下電容結構，當該質量結構產生一變形，該複數個局部下電容結構之一部分隨該熱變形而增加電容值，該複數個局部下電容結構的另一部分隨該變形而降低電容值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微機電元件，包含複數錨點與複數撓性結構，且該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於每一錨點之兩側，又該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於每一錨點之兩側。
5. 一種微機電元件，包含：一質量結構，具有至少一個錨點；至少一個撓性結構，與該質量結構連接於該至少一個錨點；複數上電極，位於該質量結構上方，與該質量結構形成一上電容結構；複數下電極，位於該質量結構下方，與該質量結構形成一下電容結構；一補償質量結構；複數上補償電極，位於該補償質量結構上方，與該補償質量結構形成一上補償電容結構，其中該複數上補償電極係耦接於該複數下電極；以及複數下補償電極，位於該補償質量結構下方，與該補償質量結構形成一下補償電容結構，其中該複數下補償電極係耦接於該複數上電極，其中該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於該錨點的兩側、且該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於該錨點的兩側。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微機電元件，包含複數錨點與複數撓 性結構，且該複數上電極於該質量結構之法線方向上之正投影位於每一錨點之兩側，又該複數下電極於該質量結構之法線方向上之正投影也位於每一錨點之兩側。
7. 如申請專利範圍第5項所述之微機電元件，其中該補償質量結構相對於該複數上、下補償電極為固定而不相對移動。
8. 如申請專利範圍第5項所述之微機電元件，其中該補償質量結構與該質量結構連接於同一電位、該複數上補償電極與該複數下電極連接於同一電位、該複數下補償電極與該複數上電極連接於同一電位，以使得該上電容結構與該下補償電容結構形成一並聯電容電路，該下電容結構與該上補償電容結構形成另一並聯電容電路。
9. 一種微機電補償結構，用於一微機電元件中，該微機電元件具有在垂直方向上位於上方的一上電容結構與在垂直方向上位於下方的一下電容結構，其中該微機電補償結構包含：一補償質量結構；複數上補償電極，位於該補償質量結構上方，與該補償質量結構形成一補償上電容結構，其中該補償上電容結構與該下電容結構並聯；以及複數下補償電極，位於該補償質量結構下方，與該補償質量結構形成一補償下電容結構，其中該補償下電容結構與該上電容結構並聯。
10. 如申請專利範圍第8項所述之微機電補償結構，其中該補償質量結構相對於該複數上、下補償電極為固定而不相對移動。
11. 如申請專利範圍第8項所述之微機電補償結構，其中該上電容結構由一質量結構與複數上電極構成、該下電容結構由該質量結構與複數下電極構成，其中該複數上補償電極之數目和該複數上電極相同、該複數下補償電極之數目和該複數下電極相同，且該複數上補償電極之尺寸與佈局和該複數上電極之尺寸與佈局實質相同、該複數下補償電極之尺寸 與佈局和該複數下電極之尺寸與佈局實質相同。