TWI601958B - 微機電系統感測器 - Google Patents

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Description

微機電系統感測器
本發明關於微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)感測器，並且特別有關用於測量線性加速度的MEMS感測器，如申請專利範圍之獨立項1的前言所界定。
微機電系統(MEMS)可以定義成迷你化的機械和電機系統，其中至少某些感測器元件具有機械功能性。MEMS結構可以應用於快速而正確的偵測物理性質的極小改變。
MEMS裝置將測量的機械訊號轉換成電訊號。MEMS感測器測量機械現象，然後電子儀器處理衍生自感測器的資訊，並且透過某種作出決策的能力來指引致動器以譬如移動、定位或調節而做出回應，以便藉此為了某種所要結果或目的而控制環境。MEMS裝置可能是電容式的或者利用了壓電換能。
於採用MEMS型加速度計的慣性感測器，像是轉子質量、懸臂梁和/或交指梳指狀物的結構可以用於感測這些結構的位移。
MEMS加速度計的二個主要構件是轉子質量和感測電極對。轉子質量和感測電極對錨定於基板。由於轉子質量是以彈簧而懸吊在基板上的凹陷上方，故它自由移動以回應於外部的加速度。當外力施加到 加速度計時，轉子質量由於慣性力的緣故而移動在施力的相反方向。移動則造成形成成對之平行板電容器的交指梳指狀物之間的電容變化。
於電容式MEMS加速度計，可變的電容器形成在靜止的電極和可移動的電極之間，而可移動的電極附接於懸吊的慣性轉子質量。
加速度感測器感測加速度力並且偵測慣性轉子質量的移動(其在加速度的效應下彈性的使它自己位移)，並且藉此可移動的電極也回應於加速度計的加速度而偏折。電容的改變(其直接顯示成梳指狀物電極之間的距離或間隙改變)則關聯於轉子質量的位移。
偏折是由關聯的電子儀器所感測並且轉換成電訊號，其然後由電子儀器傳遞到外部電腦。電腦處理感測的資料以計算正被測量的性質。
加速度計是測量適當加速度(亦名g力)的裝置。適當的加速度是物體所經歷的物理加速度，並且其相對於慣性觀察者(慣性框架)來測量，該觀察者相對於正被測量的物體而言在動量上是休止的。舉例而言，相對於地表而在休止的加速度計將指出往上約1g的加速度。為了獲得相對於地球之運動所造成的加速度，要從讀數減掉重力偏移，並且需要修正相對於慣性框架之地球旋轉所造成的效應。多軸加速度計偵測適當加速度的大小和方向而成向量，並且它可以用於舉例而言感測在阻滯性介質中的指向、對等的加速度、震動、衝擊和掉落。
2軸加速度計測量在二方向上的加速度，並且3~5軸加速度計測量在三方向上的加速度。也有1軸加速度計，其測量在一方向上的加速度。
加速度計的測量範圍是感測器之輸出訊號規格所支援的加 速度程度，典型而言指定為±g。這是該零件可以測量並且正確代表為輸出之加速度的最大量。傾斜計是用於測量物體相對於重力之傾斜角度、仰角或俯角的儀器。當提供適合的計算以將偵測的加速度值轉換成角度值時，加速度計(例如MEMS加速度計)可以使用作為用於傾斜計的感測器。傾斜計的測量軸典型而言是但未必是正交的。
斜度感測器或斜度計是測量斜度的儀器，其常常是相對於二軸所界定的平面而言。典型的斜度計設計成測量對於垂直程度的改變。完整的運動斜度感測器可以使用至少三軸。當提供適合的計算以將偵測的加速度值轉換成所得的向量角度值時，能夠測量加速度的加速度計可以使用作為用於斜度計的感測器。加速度計可以測量相對於一、二或三軸的傾斜。斜度計的測量軸典型而言是但未必是正交的。
我們將針對能夠測量傾斜或斜度的任何裝置來使用共同的「傾斜計」一詞。
視使用的目的而定，傾斜計的偏移穩定度要求可以是嚴格的，其需要機械上極為穩定的MEMS加速度計感測器元件。加速度計感測器元件在基板之錨定結構上的錨定(換言之為懸吊)是MEMS感測器元件之穩定度的關鍵因素。為了確保經由MEMS感測器元件之封裝的任何機械應力引起最小的誤差，熟知的方法是把定子和轉子錨定結構放置成彼此靠近。如果發生機械應力，則它將類似的使定子和轉子變形，這補償了此種變形所引起的偏移。偏移穩定度也可以在每個維度上使用多重偵測格室而改善，以便能夠做到雙重差動自我補償。然而，如果個別感測器元件的錨定物彼此遠離，則自我補償並不完美。
美國專利第7322242號提出的微機械結構具有質心轉子錨定區域，其耦合了單一、類似框架的轉子和四個定子結構，而定子錨定區域安排成靠近轉子錨定區域。有關此先前技藝的問題在於雖然使用單一轉子能夠做到差動偵測，但是該裝置也可以受到共同模式誤差，其無法以此種單一轉子質量解決方案來偵測。須要改善MEMS感測器設計，其能夠做到雙重差動偵測，這也能夠消去共同模式誤差。
本發明的目的是提供MEMS感測器，如此以克服先前技藝的缺點。本發明的目的是由根據申請專利範圍第1項之特徵部分的MEMS感測器所達成。本發明的較佳具體態樣則揭示於申請專利範圍的附屬項。
本發明的具體態樣基於以下理念：將MEMS感測器之多於一個的獨立差動感測器元件錨定於比較小的共同錨定區域中，如此則獨立的感測器元件經由MEMS感測器的封裝而經歷差不多類似的機械應力。這安排所具有的優點在於使機械應力所造成的誤差量減到最小。附帶而言，獨立的感測器元件可以安排為成對的感測器元件，而允許對移動做雙重差動偵測。這藉由允許舉例而言移除共同模式誤差而帶來進一步的優點，並且能夠讓MEMS感測器做到自我測試以確保裝置即使在攸關安全的應用下仍有正確的操作。
根據第一方面，提供的是具有可移動的和固定的構件以測量線性加速度的MEMS感測器。感測器可以包括至少二個互相獨立的差動感測器元件，其配置在共同的框架結構裡。框架結構提供壁部以密封MEMS感測器。至少二個互相獨立的差動感測器元件成對建構成進行線性加速度 的雙重差動偵測。MEMS感測器包括共同的錨定區域，而成對建構之差動感測器元件的轉子質量和定子結構則錨定於此區域。共同的錨定區域位在成對建構之差動感測器元件的質心。
根據第二方面，至少二個成對建構的互相獨立之感測器元件的每個差動感測器元件包括可移動的轉子質量，其以彈簧而懸吊於共同錨定區域裡的錨定結構。彈簧允許轉子質量在裝置的平面裡移動。二個不可移動的定子結構則剛性錨定於共同錨定區域裡的一或更多個錨定結構。皆藉由轉子質量之界定數目的轉子指狀物和二個定子結構當中一者之界定數目的定子指狀物而形成的二感測電極對乃建構成提供差動偵測訊號。
根據第三方面，至少二個成對建構之互相獨立的感測器元件之每個差動感測器元件的二個不可移動的定子結構乃對稱配置於裝置的平面而在懸吊可移動的轉子質量之彈簧的相反側上。
根據第四方面，至少二個成對建構之互相獨立的差動感測器元件之所有差動感測器元件的轉子質量乃懸吊於共同的轉子錨定結構，其位在成對建構之感測器元件的質心或其附近而在共同的錨定區域裡。
根據第五方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差動感測器元件的轉子質量乃懸吊於分開的轉子錨定結構，其位在成對建構之差動感測器元件的質心或其附近而在共同的錨定區域裡。
根據第六方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差動感測器元件的定子結構乃錨定於共同的定子錨定結構，其位在成對建構之差動感測器元件的質心或其附近而在共同的錨定區域裡。
根據第七方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差 動感測器元件的定子結構乃錨定於多個定子錨定結構，其位在成對建構的差動感測器元件之質心的附近而在共同的錨定區域裡。
根據第八方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之每個差動感測器元件的轉子質量是以直線梁彈簧而懸吊於共同錨定區域裡的錨定結構，其允許轉子質量在裝置的平面裡移動，但避免轉子質量移動離開裝置的平面。該彈簧界定感測器元件的懸吊軸，該懸吊軸沿著彈簧的縱向尺度而橫越。
根據第九方面，懸吊個別感測器元件之轉子質量的彈簧乃建構成作用為轉子電極指狀物而用於個別感測器元件的二感測電極對。
根據第十方面，感測器包括二對差動感測器元件，每一對具有共同的懸吊軸而傾斜於感測器元件的偵測軸。懸吊軸是互相正交的，並且每個差動感測器元件建構成具有二條互相正交的偵測軸。
根據第十一方面，每個差動感測器元件的懸吊軸相對於該二條偵測軸而具有45度角。
根據第十二，感測器包括二對差動感測器元件，每一對具有共同的懸吊軸而正交於個別對的感測器元件之二個感測器元件的偵測軸。懸吊軸是互相正交的，並且每個差動感測器元件建構成具有單一偵測軸。
根據第十三方面，感測器包括一對差動感測器元件，其具有共同的懸吊軸而正交於該對感測器元件的偵測軸，並且每個差動感測器元件建構成具有單一偵測軸。
根據第十四方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差動感測器元件的感測電極對乃相對於正交於個別感測器元件對之共同懸 吊軸的對稱軸而建構在鏡像位置。此種鏡像對稱之感測器元件對的每一者產生電容偵測值，其在互相相同的方向上改變。
根據第十五方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差動感測器元件的感測電極對係以成對對稱的方式建構在成對建構之互相獨立的差動感測器元件之幾何中心的相反側上。在幾何中心之相反側上的每個此種感測電極對提供電容偵測值，其在互相相同的方向上改變。
根據第十六方面，成對建構之互相獨立的差動感測器元件之差動感測器元件的偵測值可以用於進行自我測試。自我測試包括於計算單元中加總所有差動感測器元件的偵測值；並且如果自我測試之偵測值的總和等於零，則自我測試指出感測器正常地工作。
根據第十七方面，共同錨定區域在裝置平面上的任何側向尺度不超過MEMS感測器在同一方向上之總側向尺度的20%。
根據第十八方面，共同錨定區域在裝置平面上的任何側向尺度不超過成對建構之互相獨立的差動感測器元件在同一方向上之總側向尺度的20%。
1‧‧‧共同的錨定區域
2‧‧‧轉子質量
3‧‧‧彈簧
4a、4b‧‧‧轉子梳指狀物
5a‧‧‧第一定子梳指狀物
5b‧‧‧第二定子梳指狀物
5a’、5b’‧‧‧進一步的定子指狀物
6、6a、6b‧‧‧定子結構
7‧‧‧框架結構
10‧‧‧轉子錨定結構
11‧‧‧定子錨定結構
A‧‧‧差動感測器元件
A1‧‧‧第一差動感測電極對
A2‧‧‧第二差動感測電極對
B‧‧‧差動感測器元件
B1、B2‧‧‧差動感測電極對
C‧‧‧差動感測器元件
C1、C2‧‧‧差動感測電極對
D‧‧‧差動感測器元件
D1、D2‧‧‧差動感測電極對
下面將參考所附圖式而關於較佳具體態樣來更詳細描述本發明，其中：圖1呈現具有四個差動感測器元件之MEMS感測器的第一具體態樣，其具有相對於意欲之偵測軸的傾斜懸吊軸。
圖2顯示當受到負x軸方向的加速度時之圖1的感測器元件。
圖3示範具有傾斜懸吊軸的MEMS感測器之第一具體態樣的電功能對稱。
圖4呈現具有四個差動感測器元件之MEMS感測器的第二具體態樣，其具有相對於意欲之偵測軸的傾斜懸吊軸。
圖5示範具有四個差動感測器的二軸MEMS感測器之第二具體態樣的電功能對稱。
圖6示範MEMS感測器的第三具體態樣。
圖7示範MEMS感測器的第四具體態樣。
圖8示範MEMS感測器的第五具體態樣。
圖9示範MEMS感測器的第六具體態樣。
圖10a和10b示範在共同錨定區域裡的二個範例性錨定結構安排。
懸吊軸一詞是指將轉子質量(亦名轉子結構)懸吊於錨定結構之彈簧的縱向。
裝置的平面是指MEMS裝置當在休止時(亦即不因外力而位移離開起初平衡位置)的功能上可移動之結構的平面。於以下圖式和敘述，裝置的平面包括xy平面。MEMS裝置沿著這裝置平面之功能性結構的尺度可以稱為側向尺度。
錨定結構是指將感測器元件的功能性結構和/或MEMS感測器錨定於基板的結構。錨定物是三維結構，其在裝置的平面上水平延伸並且也垂直延伸。對於錨定結構在特定點(舉例而言為結構的質心)位置的參 考則指出該特定點與錨定結構的投影在裝置的平面中重合。當功能性結構錨定於錨定物時，功能性結構的懸吊可以是可撓的或剛性的，此視結構意欲的功能性而定。當功能性結構打算是可移動時，懸吊較佳而言在至少一維度上是可撓的。此種可移動的結構之範例是轉子。當功能性結構打算是穩定且固定於一處時，懸吊較佳而言是剛性的，而不允許功能性結構移動。於此種情形，我們可以說功能性結構是剛性錨定的。此種穩定且固定的功能性結構之範例是定子。
偵測軸一詞是指線性軸，而感測器裝置、感測器元件或電容式電極對能夠沿著此軸來偵測可移動的(轉子)結構相對於固定的(定子)結構之位移，而傳回的偵測值同時指出位移的方向和量。偵測軸的方向乃不同於裝置、元件或電極對之個別懸吊軸的方向。
差動偵測是指藉由電容改變為相反方向的二電容式電極對而電偵測單一可移動的(轉子)元件之位移。
於以下具體態樣，使用簡化的MEMS感測器作為範例。於實際的MEMS裝置，感測器可以包括進一步的感測器元件。
圖1呈現具有四個差動感測器元件(A、B、C、D)之二軸MEMS感測器的第一具體態樣，每個差動感測器元件具有相對於意欲之偵測軸的傾斜懸吊軸。如上所界定，我們所說的懸吊軸是指將可移動的轉子質量(2)懸吊於錨定區域(1)之彈簧(3)的縱向。偵測軸打算是在x和y軸方向。於本範例，所有四個差動感測器元件(A、B、C、D)的轉子質量(2)已經懸吊於共同的錨定區域(1)，其差不多位在MEMS感測器的幾何中心(質心)；這方式確保萬一存在了來自封裝的任何機械應力，則所有四個感測器元件(A、B、 C、D)會受到類似的應力，其因此可以利用感測器元件(A、B、C、D)所提供的差動偵測而補償。共同的錨定區域(1)是在xy平面之MEMS感測器總面積裡比較小的區域，並且較佳而言位在xy平面(換言之是裝置的平面)之MEMS感測器的幾何中心(質心)。如上所界定，將位置放置在幾何中心(質心)則指出MEMS感測器的幾何中心停駐在共同錨定區域(1)的面積裡。共同錨定區域(1)的側向尺度相較於MEMS感測器的側向尺度而為小。共同錨定區域的任何最大側向尺度(在xy平面)較佳而言小於MEMS感測器在個別方向之總側向尺度的五分之一(20%)。共同錨定區域(1)的真實形狀可以是任何適合的形狀。一或更多個錨定結構可以位在共同的錨定區域(1)裡，如稍後所將描述。當我們指稱位置是在共同的錨定區域(1)裡時，該位置區域的側向尺度侷限在如上所述之共同錨定區域(1)的尺寸。共同的錨定區域(1)裡可以有一或數個錨定結構。於使用多於一個錨定結構的情形，轉子錨定結構和定子錨定結構之間的距離相較於MEMS感測器的側向尺度而為小。有關錨定結構位置的「在……附近」(in vicinity)一詞也是指錨定結構是在侷限的共同錨定區域(1)裡，雖然未必就在這區域的中央(質心)。轉子和定子錨定結構也可以藉由使用目前製程所可獲得的差不多最小距離而配置成彼此靠近。較佳而言，在這共同錨定區域裡的錨定結構不被感測器的任何移動結構所分開。換言之，感測器沒有移動零件是位在共同的錨定區域裡，特別是不在配置於共同錨定區域裡的錨定結構之間。因此，共同的錨定區域也可以稱為整合的錨定區域，其僅包括錨定結構和建構成將錨定物彼此電和機械分開的間隙。
每個感測器元件(A、B、C、D)包括轉子質量(2)，其藉由彈 簧(3)而懸吊於共同錨定區域(1)裡的錨定結構。較佳而言，每個感測器元件的轉子質量(2)和彈簧(3)基本上是類似的，雖然建構成不同的指向。彈簧(3)較佳而言做成可撓的，如此則轉子質量(2)可以在xy平面(其可以稱為MEMS感測器的平面或裝置的平面)裡移動，但在z軸方向(換言之在裝置的平面外)是剛硬的。這種彈簧(3)可以形成為長而直的梁，其在xy平面上具有窄的截面，但在z軸維度上比較厚。添加的厚度增加了在個別尺度的彈簧因子，而避免轉子質量(2)在這方向(於此情形為z軸方向)的移動。可以理解雖然這懸吊彈簧(3)耦合於共同錨定區域(1)裡的錨定點，不過轉子質量(2)的真實移動路徑或可視為是在繞著這耦合點的圓上。當彈簧(3)為長時，這圓的半徑為大，並且x或y方向上的小位移可以基本上視為線性位移。除了繞著耦合點來轉，長彈簧(3)也還可以彎曲。多根轉子梳指狀物(4a、4b)附接於轉子質量(2)。轉子梳指狀物(4a、4b)形成可移動的電極以偵測轉子質量(2)的運動。為了實施差動感測器元件(A、B、C、D)，不可移動的電極藉由附接於二個分開的定子結構(6a、6b)之多根不可移動的定子指狀物(5a、5b)而形成。這些定子結構(6a、6b)剛性耦合於共同錨定區域(1)裡的(多個)錨定結構，如此則它們可以視為固定的結構。雖然轉子質量(2)和二個定子(6a、6b)都以共同的錨定結構或彼此位置極靠近且在相同之共同錨定區域(1)裡的錨定結構而懸吊於基板，不過封裝所引起的任何機械應力將以類似的方式來影響這些零件，如此則可以補償此種應力的效應以便改善偵測的正確度。
轉子梳指狀物(4a)和第一定子指狀物(5a)形成第一感測電極對(A1)，並且轉子梳指狀物(4b)和第二定子指狀物(5b)形成第二感測電極對(A2)。附帶而言，於本具體態樣，彈簧(3)可以使用作為額外的轉子電極指狀 物，其增加從第一感測電極對和第二感測電極對二者所接收的訊號。這藉由使進一步的定子指狀物(5a’、5b’)安排在彈簧(3)旁邊而能夠做到。每個感測器元件(A、B、C、D)中的轉子梳指狀物和定子梳指狀物形成二個類似的差動感測電極對(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)。
感測電極對(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)之實體放置和電功能安排的特徵可以在於感測器元件(A、C；B、D)和感測電極對同時是彼此的成對鏡像：感測器元件D及其感測電極對(D1、D2)是感測器元件A及其感測電極對(A1、A2)的鏡像，而鏡子視為沿著對應於感測器元件B和C之彈簧(3)縱向的傾斜懸吊軸來配置；換言之，對稱軸乃正交於個別感測器元件的懸吊軸。以類似方式，如果鏡子視為沿著對應於感測器元件A和D之彈簧(3)縱向的傾斜懸吊軸來配置，換言之，對稱軸正交於個別感測器元件的懸吊軸，則感測器元件C及其感測電極對是感測器元件B及其感測電極對(B1、B2)的鏡像。這成對的鏡像對稱甚至適用於感測電極對的電功能性：每個鏡像感測電極對(A1、D1；A2、D2；B1、C1；B2；C2)之電容的改變方向總是相同的。感測器元件的此種成對安排則使裝置中的感測器元件數目較佳而言為偶數。
所有四根彈簧(3)較佳而言安排成相對於MEMS感測器在x軸方向的對稱軸和MEMS感測器在y軸方向的對稱軸而都具有45°(45度)角。換言之，當相較於偵測的運動方向時，每個感測器元件(A、B、C、D)具有可移動之(轉子)元件的傾斜懸吊軸。較佳而言，本具體態樣的懸吊軸相對於所要偵測之加速度/傾斜而較佳而言為正交的方向(亦即偵測軸)而具有45°角。於實際的裝置，懸吊軸角度可能有某些偏差而不偏離本範圍，如 此則懸吊軸和偵測軸之間的角度可以在40°和50°之間變化。由於感測器晶粒典型而言是矩形的，故感測器軸也可以說是相對於晶粒邊緣而具有傾斜的或45°的角度。於進一步的替代性具體態樣，懸吊軸和偵測軸之間的角度小於40°。
如上所指出，MEMS感測器包括四個感測器元件(A、B、C、D)，其具有它們共同的錨定區域(1)，該區域配置在整個MEMS感測器的共同幾何中心(質心)，以便能夠補償封裝所引起的應力。於另一具體態樣，四個感測器元件(A、B、C、D)配置在框架的包圍裡，如此則四個感測器元件(A、B、C、D)的質心不與整個MEMS感測器元件的質心重合。於此種情形，對於四個機械獨立的但功能上成對耦合之感測器元件的效能而言，四個感測器元件(A、B、C、D)之配置在對稱安排的四個感測器元件(A、B、C、D)之共同幾何中心(質心)的共同錨定區域(1)則提供類似的好處。
圖10a和10b示範在圖1所述的MEMS感測器之共同錨定區域(1)裡的二個範例性錨定結構安排。於圖10a所示範的具體態樣，彈簧(3)都錨定於單一共同的轉子錨定結構(10)，其配置在共同錨定區域(1)裡之MEMS感測器的幾何中心(質心)或附近；並且每個定子結構(6)具有其自己的定子錨定結構(11)，其配置在共同錨定區域(1)裡的MEMS感測器之幾何中心(質心)的附近，因此也在共同之轉子錨定結構(10)的附近。於圖10b所示範的具體態樣，每個轉子彈簧在共同錨定區域(1)裡具有其自己的轉子錨定結構(10)，其在裝置的平面上、MEMS感測器之幾何質心附近；並且每個定子結構在共同錨定區域(1)裡具有其自己的定子錨定結構(11)。於進一步具體態樣(圖中未顯示)，某些或所有的定子結構(6)可以分享共同的定子錨定結 構。於再進一步具體態樣，至少某些轉子懸吊彈簧(3)具有其自己的轉子錨定結構，其配置在共同錨定區域(1)裡而在MEMS感測器的幾何中心附近，而其他的轉子可以分享共同錨定區域(1)裡的錨定結構。於又一具體態樣，單一共同的錨定結構安排在共同的錨定區域，其共通於多重感測器元件之所有的定子結構和所有的彈簧懸吊轉子質量，而這可以示範於圖1，舉例而言，如果共同的錨定區域(1)視為單一共同的錨定結構的話。
現在回到圖1，可以注意到除了共同錨定區域(1)裡之可能分享的錨定結構不算，四個感測器元件(A、B、C、D)乃彼此獨立，尤其是：轉子質量(2)並未彼此耦合，而是獨立的移動。框架結構(7)包圍該組四個感測器元件(A、B、C、D)，其配置在框架結構(7)所形成的包圍裡。框架結構(7)的目的是提供壁部以密封MEMS感測器之可移動的零件(定子、轉子質量)。MEMS感測器元件懸吊在基板上，並且蓋子可以添加到該結構以便完全密封。
圖2顯示當受到正x軸方向上的加速度時之圖1的感測器元件。這由指向左的空心箭號(加速)所指出。可以看到每個轉子質量(2)由於轉子質量(2)的慣性而現在已經朝向負x軸方向移動。讓我們首先聚焦於感測器元件A及其二感測電極對(A1、A2)。當感測器元件A的轉子質量(2)移動朝向負x軸時，它的轉子指狀物(4a)移動離開第一定子(6a)的定子指狀物(5a)，並且它的轉子指狀物(4b)移動得更靠近第二定子(6b)的定子指狀物(5b)。因此，第一感測電極對(A1)中偵測到的電容將減少，並且第二感測電極對(A2)中偵測到的電容將增加。可以進一步注意到彈簧(3)已經移動離開它旁邊之第一定子的定子指狀物(5a’)，並且移動得更靠近它旁邊之第二定子 的定子指狀物(5b’)。以此方式，彈簧(3)顯得是用於定子(6a、6b)二者之額外的共同轉子指狀物，而增加了從感測電極對(A1、A2)所接收的訊號強度。
讓我們把感測器元件之第一感測電極對(A1)的偵測電容標為CA1，並且感測器元件之第二感測電極對(A2)的電容標為CA2。第一感測器元件的差動輸出可以計算成CA1-CA2。以類似方式來組合MEMS感測器中之所有四個感測器元件的差動輸出，則具有四個感測器元件之MEMS感測器所給出的總偵測電容可以從四個不同的差動輸出來計算：沿著x和y軸的差動輸出舉例而言可以計算如下：C(x)=-(CA1-CA2)+(CB1-CB2)+(CC1-CC2)-(CD1-CD2)
C(y)=-(CA1-CA2)-(CB1-CB2)-(CC1-CC2)-(CD1-CD2)其中每個感測器元件(A、B、C、D)提供差動偵測結果，C(x)呈現對應於在x軸方向的加速度分量而獲得的總差動電容值，而C(y)呈現對應於在y軸方向的加速度分量而獲得的總差動電容值。以適合的處理，則可以從這些數值計算出在xy平面上之任何方向的偵測加速度方向，並且加速度的量乃接收成數值。於負x軸方向之範例性移動的情形，感測器元件A和D的總電容改變會顯示負值，而感測器元件B和C會傳回正值。如果加速度發生在負x軸方向，而使轉子元件移動朝向正x軸方向，則感測器元件A和D會顯示正值，感測器元件B和C會傳回負值。也可以針對每個感測電極對(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)分開偵測電容的改變。如果所有的轉子質量(2)移動朝向負x軸，則感測電極對A2、B1、C1、D2將由於電極指狀物(4b、5b)移動成彼此更靠近而顯示電容有所增加，感測電極對A1、B2、C2、D1則會由於個別電極指狀物(4a、5a)彼此移動離開而顯示電容有所減少。於另 一範例，如果舉例來說由於負y軸方向的加速度而讓轉子質量(2)移動朝向正y軸，則感測電極對A1、B1、C1、D1將偵測到電容增加，而感測電極對A2、B2、C2、D2將偵測到電容減少。可以注意到來自不同感測電極對的增加和減少之電容值的組合總是特定於移動的方向，因此可以偵測移動的方向，雖然每當轉子質量(2)在二條偵測軸中任一者的方向上移動離開其平衡位置時便在每個感測電極對(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)偵測到電容值的改變。具有多於一對的差動偵測電極，而能夠做到雙重差動偵測。
四重對稱的雙重差動安排也提供了自我測試的能力。藉由將四個差動輸出加總為：C(自我測試)=(CA1-CA2)+(CB1-CB2)+(CC1-CC2)+(CD1-CD2)，除非感測器元件不正確的工作，否則在任何加速度下應接收到零輸出。舉例而言如果MEMS感測器中的任何質量、彈簧或質量的電接合會是破斷的，則如上所述之自我測試偵測值的加總結果就不會等於零。這特色在攸關安全的應用中是特別有價值的，因為容易偵測出並且確保MEMS感測器元件正常地發揮功能。
可以注意到第一具體態樣的感測電極對具有對稱的圖案。二軸MEMS感測器的第一具體態樣之電功能性的對稱則示範於圖3。示範MEMS感測器的輪廓而無細節。顯示了四種不同的狀況，每種狀況代表在不同方向上的加速度：正和負x軸、正和負y軸。偵測到之電容改變的方向則標以「+」和「-」符號：如果電容增加，則標以正號(+)；如果電容減少，則標以負號(-)。可以注意到於本具體態樣，偵測到的改變方向總是相 對於二對角對稱線而為鏡像對稱。彼此正交交叉的成對虛線箭號則示範這對稱。四個差動感測器元件之間的改變方向的每種組合是獨特的，而能夠偵測在x和y軸所界定的平面上之加速度的任何方向。
圖4呈現具有四個差動感測器元件(A、B、C、D)之二軸MEMS感測器的第二具體態樣，每個差動感測器元件具有相對於意欲之偵測軸的傾斜懸吊軸。再次而言，MEMS感測器主要設計用於偵測在x軸和y軸方向上的加速度(傾斜)。雖然MEMS感測器的基本結構非常類似於上面所呈現的，但可以識別出特定的差異。已經重新安排感測電極對(A1、A2；B2、B2；C1、C2；D1、D2)，如此則電容的改變方向異於第一具體態樣所呈現的。雖然就對稱的y軸來看，感測器元件的結構安排現在是對稱的，但是感測電極對(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)相對於像是第一具體態樣的二條對稱軸不是鏡像。感測器元件A和B反而顯得類似，但後者順時針旋轉了90°。類似而言，感測器元件C和D顯得類似，但後者反時針旋轉了90°。電容的改變方向也已經藉由重新安排定子(5a、5b)和轉子指狀物(4a、4b)的互相放置而針對感測器元件A和D來改變。感測電極對(A1、A2；B1、B2；C1、C2)之次序的這重新安排以及將感測器元件A和B之感測電極對(A1、A2；B1、B2)的電容改變方向改變為異於圖1和2所呈現的，則改變了從感測電極對(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)所接收之偵測訊號的互相關係。無論如何，每個感測器元件(A、B、C、D)仍是差動感測器元件，其從二感測電極對(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)提供差動偵測結果，並且偵測到的電容改變可以用於運算單元以計算偵測之加速度和/或傾斜的方向和大小。根據這第二具體態樣的感測器裝置也能夠用於雙重差動偵 測。如圖4的「交叉耦合」(cross coupled)安排可以提供進一步的好處，舉例來說它可以具有改善的能力以補償感測器元件中的特定誤差來源，例如雜散電容。
舉例來說，在正x軸方向的加速度/傾斜而使用轉子元件(A、B、C、D)移動朝向負x軸的情形下，由於個別的轉子指狀物(4b)進一步移動離開個別的定子指狀物(5b)，故感測電極對A2、B1、C2、D1的電容會減少，並且由於個別的轉子指狀物(4a)移動離開對應的定子指狀物(5a)，故感測電極對A1、B2、C1、D2的電容會增加。舉第二個範例來說，在正y軸方向的加速度/傾斜而使轉子元件(A、B、C、D)移動朝向負y軸的情形下，由於每個個別轉子結構(2)的個別轉子指狀物(4a)移動朝向對應的定子指狀物(5a)，故感測電極對A1、B1、C2、D2的電容會增加，並且感測電極對A2、B2、C1、D1的電容會同時減少。
進一步的差異可以在每個感測器元件(A、B、C、D)之電極指狀物的安排中偵測到，特別是在定子電極指狀物(5a、5b)中。於本具體態樣，彈簧(3)不是使用作為額外的轉子電極指狀物，因此二個定子(6a、6b)都具有等於轉子電極指狀物(4a、4b)之個別數目的電極指狀物(5a、5b)之數目。
雖然圖4之MEMS感測器的布局在所有方向上不是完全對稱的，但是應了解結構的質心位在共同錨定結構(1)的中央，而類似於圖1所呈現之結構的質心。
可以注意到第二具體態樣的感測電極對具有對稱的圖案。二軸MEMS感測器之第二具體態樣的電功能性對稱示範於圖5。示範了MEMS 感測器而無細節。顯示了四種不同的狀況，每種狀況代表在不同方向的加速度：正和負x軸及正和負y軸。偵測到之電容改變的方向則標以「+」和「-」符號：如果電容增加，則標以加號(+)；如果電容減少，則標以減號(-)。可以注意到於本具體態樣，偵測到的改變方向相對於MEMS裝置的幾何中心而總是鏡像對稱。與幾何中心交叉的虛線箭號則示範這對稱。四個差動感測器元件之間的每種方向改變之組合是獨特的，並且感測器能夠做到雙重差動偵測。
圖6呈現本發明的第三具體態樣，其呈一軸MEMS感測器的形式。這感測器能夠偵測沿著x軸的加速度/傾斜。使用了與稍早範例相同之共同錨定結構(1)的懸吊感測器元件原理：雖然錨定區域(1)乃共通於所有的感測器元件結構，但是此區域可以包括一或更多個錨定結構，其配置在或靠近MEMS感測器的幾何中心，而每個錨定結構支持一或更多個感測器元件結構。如果以懸吊彈簧(3)現在的方向來相較於前二個具體態樣，則這安排是更為傳統的；換言之，懸吊軸現在與偵測軸(x軸)正交。
這MEMS感測器具有相同於稍早具體態樣的零件，亦即支持二個感測器元件(A、D)的共同錨定區域(1)。每個感測器元件具有轉子結構(2)，其以長彈簧(3)而可撓的懸吊於位在共同錨定區域(1)裡的一或更多個錨定結構，並且二個定子結構(6a、6b)剛性錨定於位在共同錨定區域(1)裡的一或更多個錨定結構。多根轉子指狀物(4a、4b)形成電容式感測電極對(A1、A2；D1、D2)，而個別的定子指狀物(5a、5b)耦合於固定的定子結構(6a、6b)。框架結構(7)包圍感測器元件。於本具體態樣，額外的定子電極指狀物(5a’、5b’)安排在彈簧(3)旁邊，以便增加感測電極對(A1、A2；D1、D2)的總面積， 因此能夠提供更強的偵測訊號。
當加速度發生在x軸方向時，感測器元件(A、D)都提供差動偵測訊號。因此，即使這簡單的單一軸設計就能夠使用雙重差動偵測，而具有改善的自我測試能力和改善的誤差修正能力。當加速度發生於正x軸方向，如此則轉子質量(2)由於其慣性的緣故而移動朝向負x軸方向時，從感測電極對A1和D1所偵測的電容將增加，因為個別的電極梳對(5a、4a；5a’、4a)移動成彼此更靠近，而從感測電極對A2和D2所偵測的電容將減少。可以注意到本範例相對於橫越MEMS感測器之幾何中心的x軸和y軸而都是對稱的。共同的錨定區域(1)可以包括多於一個的多重錨定結構，其配置在或緊鄰著MEMS感測器的質心。至於MEMS感測器的結構，鏡像對稱可以針對x和y軸方向的對稱軸而都偵測到。以正交於懸吊軸的對稱軸來看，結構性和電功能性的對稱都是鏡像對稱，因此對齊於x軸並且橫越MEMS感測器的幾何中心。這種對稱允許藉由使用彈簧(3)作為轉子電極指狀物而增加額外一對的電極梳，這增加了從電極對所接收之偵測訊號的程度。
圖7示範第四範例性具體態樣，其呈一軸MEMS感測器的形式。安排則類似於圖4所呈現的。轉子結構(A、D)的懸吊軸正交於偵測軸。然而，已經重新安排了感測電極對D1和D2之電極指狀物(4a、4b，5a、5b)的互相放置，並且已經省略了稍早具體態樣之利用彈簧(3)作為轉子電極指狀物的額外定子電極指狀物。這結構僅相對於橫越MEMS感測器之幾何中心的y軸方向對稱軸(懸吊軸)而是幾何對稱的。就電功能性來看，感測器元件已經安排成使得感測電極對A1和D2的電容將以類似方式而互相改 變，並且感測電極對A2和D1的電容將以相同方向來改變。以MEMS感測器的幾何中心來看，以類似第二具體態樣的方式，這安排可以視為對稱的。對於補償封裝所引起之特定種類的應力而言，將感測電極對安排成像這樣的交叉鏡像則可以是有利的。舉例來說，蓋晶圓變形所誘發的雜散電容可以用此結構而補償得比第三具體態樣更有效率。
圖8和9示範第五和第六具體態樣，其呈二軸MEMS感測器的形式。現在偵測軸是x軸和y軸，並且安排成差動偵測這些方向中任一者的每對感測器元件就個別的偵測軸來看是被正交的懸吊。每個感測器元件(A、B、C、D)的懸吊軸正交於同一感測器元件(A、B、C、D)的偵測軸。感測器元件A和D安排成偵測在x軸方向上的加速度/傾斜，並且感測器元件B和D安排成偵測在y軸方向上的加速度/傾斜。就如所有稍早的具體態樣，所有四個感測器元件是由長彈簧(3)懸吊於共同的錨定區域(1)，其安排在整個MEMS感測器的幾何中心或其附近。再次而言，安排單一共同的錨定結構或多於一個錨定結構可以安排在共同的錨定區域(1)，其在MEMS感測器的幾何中心或其附近。感測器元件A和D安排成偵測在x軸方向上的加速度/傾斜，並且感測器元件B和C安排成偵測沿著y軸方向的加速度/傾斜。裝置也可以輕易旋轉90°以便切換偵測軸。
於圖8所呈現的第五具體態樣，以正交於個別感測器元件之懸吊軸的對稱軸來看，結構性和電功能性的安排都是對稱的，而個別的感測器元件對齊於MEMS感測器的外緣。額外的定子電極指狀物(5a’、6a’)安排成增加偵測訊號的程度，而使用個別的彈簧(3)作為轉子電極。
當偵測發生在x軸的方向時，感測電極對A1和D1的電容 以互相相同的方向來改變，並且感測電極對A2和D2的電容也是，但與前者的方向相反。當偵測發生在y軸的方向時，感測電極對B1和C1的電容以互相相同的方向來改變，並且感測電極對B2和C2的電容也類似，但與前者的方向相反。因此，以對齊於懸吊軸而正交於每對鏡像元件之懸吊軸的二條對稱軸來看，感測電極對(A1、A2、B2、B2、C1、C2、D1、D2)的安排是鏡像對稱的。
於圖9所呈現的第六具體態樣，打破了嚴格、完全的結構性對稱，以便改變不同電極梳的相對偵測方向。於此情形，感測電極對(A1、A2、B2、B2、C1、C2、D1、D2)之偵測方向的電功能性對稱相對於MEMS感測器的幾何中心而是成對對稱的。於這第六具體態樣，已經省略使用彈簧作為額外的轉子電極梳，如此則已經沒有為此目的而添加的額外定子電極梳。
熟於此技藝者明白隨著科技進步，本發明的基本理念可以採取多樣的方式來實施。本發明及其具體態樣因此不限於以上範例，它們反而可以在申請專利範圍裡有所變化。
1‧‧‧共同的錨定區域
2‧‧‧轉子質量
3‧‧‧彈簧
4a、4b‧‧‧轉子梳指狀物
5a‧‧‧第一定子梳指狀物
5b‧‧‧第二定子梳指狀物
5a’、5b’‧‧‧進一步的定子指狀物
6a、6b‧‧‧定子結構
7‧‧‧框架結構
A‧‧‧差動感測器元件
A1‧‧‧第一差動感測電極對
A2‧‧‧第二差動感測電極對
B‧‧‧差動感測器元件
B1、B2‧‧‧差動感測電極對
C‧‧‧差動感測器元件
C1、C2‧‧‧差動感測電極對
D‧‧‧差動感測器元件
D1、D2‧‧‧差動感測電極對

Claims (18)

  1. 一種具有可移動的和固定的構件以測量線性加速度之微機電系統(MEMS)感測器，其包括配置在共同的框架結構裡之至少二個互相獨立的差動感測器元件，該框架結構提供壁部以密封該MEMS感測器，其中至少二個互相獨立的該差動感測器元件是以成對方式建構以進行該線性加速度的雙重差動偵測，特徵在於該MEMS感測器包括：共同錨定區域，而以成對方式建構之該差動感測器元件的轉子質量和定子結構係錨定於該共同錨定區域，該共同錨定區域位在以成對方式建構之該差動感測器元件的質心。
  2. 根據申請專利範圍第1項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之至少二個互相獨立之該差動感測器元件中的每個差動感測器元件包括：可移動的轉子質量，其以彈簧而懸吊於該共同錨定區域裡的錨定結構，該彈簧允許該轉子質量在該裝置的平面裡移動；以及不可移動的二個定子結構，其剛性錨定於該共同錨定區域裡的一或更多個錨定結構；其中皆藉由該轉子質量之界定數目個轉子指狀物和該二個定子結構當中一者之界定數目個定子指狀物而形成的二感測電極對係建構成提供差動偵測訊號。
  3. 根據申請專利範圍第2項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之至少二個互相獨立的該差動感測器元件的每個差動感測器元件之不可移動的該二個定子結構係對稱配置於該裝置的平面，而在懸吊可移動的該轉子質量之該彈簧的相反側上。
  4. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之至少二個互相獨立的該差動感測器元件的該轉子質量係懸吊於共同的轉子錨定結構，其在該共同錨定區域裡是位在以成對方式建構之該差動感測器元件的該質心處或其附近。
  5. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件的該轉子質量係懸吊於分開的轉子錨定結構，其在該共同錨定區域裡是位在以成對方式建構之該差動感測器元件的該質心處或其附近。
  6. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件的該定子結構係錨定於共同的定子錨定結構，其在該共同錨定區域裡是位在以成對方式建構之該差動感測器元件的該質心處或其附近。
  7. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件的該定子結構係錨定於多個定子錨定結構，其在該共同錨定區域裡是位於以成對方式建構的該差動感測器元件之該質心的附近。
  8. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件中的每一者的該轉子質量是以直線梁彈簧而懸吊於該共同錨定區域裡的錨定結構，允許該轉子質量在該裝置的平面裡移動，但避免該轉子質量移動離開該裝置的平面，該彈簧界定該感測器元件的懸吊軸，該懸吊軸沿著該彈簧的縱向尺度而橫越。
  9. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中懸吊個別感測 器元件之該轉子質量的彈簧係建構成轉子電極指狀物而用於該個別感測器元件的二感測電極對。
  10. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其包括：二對差動感測器元件，每一對具有共同的懸吊軸而傾斜於該感測器元件的偵測軸，其中該懸吊軸是互相正交的；其中該差動感測器元件的每一者建構成具有互相正交的二條偵測軸。
  11. 根據申請專利範圍第10項MEMS感測器，其中每個差動感測器元件的該懸吊軸相對於該二條偵測軸呈45度角。
  12. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其包括：二對差動感測器元件，每一對具有共同的懸吊軸而正交於個別對感測器元件之二個感測器元件的偵測軸，該懸吊軸是互相正交的；其中該差動感測器元件的每一者建構成具有單一偵測軸。
  13. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其包括：一對差動感測器元件，其具有共同的懸吊軸而正交於該對感測器元件的偵測軸；其中該差動感測器元件的每一者建構成具有單一偵測軸。
  14. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件的該感測電極對係相對於正交於該個別感測器元件對之共同懸吊軸的對稱軸而安排在鏡像位置，並且其中鏡像對稱之該感測器元件對的每一者產生電容偵測值，其在互相相同的方向上改變。
  15. 根據申請專利範圍第2或3項的MEMS感測器，其中以成對方式建 構之互相獨立的該差動感測器元件之的該感測電極對係以成對對稱的方式建構在以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件之該幾何中心的相反側上，並且其中在該幾何中心之相反側上的該感測電極對的每一者提供電容偵測值，其在互相相同的方向上改變。
  16. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其中以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件的偵測值係用於進行自我測試，其中該自我測試包括在計算單元中加總所有差動感測器元件的該偵測值，並且其中如果該自我測試之偵測值的總和等於零，則該自我測試指出該感測器正常地的工作。
  17. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其中該共同錨定區域在該裝置的平面上的任何側向尺度不超過該MEMS感測器在該同一方向上之總側向尺度的20%。
  18. 根據申請專利範圍第1到3項中任一項的MEMS感測器，其中該共同錨定區域在該裝置的平面上的任何側向尺度不超過以成對方式建構之互相獨立的該差動感測器元件在該同一方向上之總側向尺度的20%。
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