TWI607956B - 振動容限的加速感測器結構 - Google Patents

Description

振動容限的加速感測器結構

本發明大體上和MEMS(微機電系統，Micro-Electro-Mechanical-Systems)技術有關；但是，更明確地說，本發明係關於一種如申請專利範圍獨立項前言中所定義之經過改善的MEMS結構。本發明還關於一種包含該經過改善之MEMS結構的加速器感測器、加速感測器矩陣、裝置、以及系統。

感測一主體之加速以便提供一相依於該主體在作用力之影響下之運動狀態的信號係一種用以偵測該主體之移動和定向的廣泛應用方式。為達該目的，各種感測器雖然都能使用；但是，MEMS結構則因為尺寸小的關係而適用於許多應用中。在微電子中，就可能包括和MEMS有關之加速感測器的專利類別的數種應用領域來說，逐漸增加的需求已使其可以針對在和例如交通工具、家用電子設備、服裝、鞋子有關的許多領域中所遭遇到的用途開發出越來越好的結構。

使用MEMS結構來測量加速或是相關作用力的應用還需要適當地控制誤差信號。此等誤差信號雖然可能由突然的瞬變作用力所造成，亦可能由來自各種成分相互疊置的週期性作用力所造成，在該些成分中可能有瞬變。因此，於艱困的條件中，所希望的信號可能會被淹沒在雜 訊之中，或者結構中的振動可能會變得非常強烈。該MEMS器件的操作可能因而會受到干擾，或者依據信號處理來對該信號作合理的解釋即使並非完全不可能，亦可能會變得非常緩慢且冗長。

其中一種類型的MEMS結構包括一平面式感測元件，其會受到一旋轉彈簧支撐並且因而會被排列成用以繞著一旋轉軸轉動。該機械元件會支撐多個電極，該電極會順著該機械元件的轉動，以上下運動(see-saw)或是「蹺蹺板(teeter-totter)」形式的移動方式隨著該轉動來移動。靜態感測電極會被排列成用以和該移動電極產生互動，而且輸出信號會從該移動電極和該靜態電極之間的變化電容所產生。

圖1概略圖解一種根據已知技術的轉動機械元件。該平面式機械元件包括：一感震質量(seismic mass)100；以及彈簧101、102，它們會將該感震質量支撐至一錨接物103，該錨接物103可能會被固定至一主體，該主體的移動則將會被偵測。在圖1的示範性先前技術配置之中，該彈簧101、102會被錨接使得該感震質量100會包圍圖中顯示成黑色直線的懸浮彈簧。

圖1的結構本身雖然係一種標準妥適運作的結構；然而，該結構卻係比較新的概念。該感震質量包圍該錨接物，該錨接物位於圍繞感震質量的中心或實質中心處，而且該感震質量會藉由可能確切具有或不具有圖1中所示之特定排列方式的彈簧被連接至該錨接物。該感震質量因而可能會在所希望方向以外的其它方向中振動。

該所希望移動方向可能係繞著圖1中局部顯示的X軸，這意謂著在根據個別表示符號的Y方向和Z方向中的移動通常並非所希望的 移動。然而，這些移動卻可能會出現在某種程度上。任何生成的不穩定性都可能會干擾使用MEMS加速感測器來測量作用力、移動、或是它們任一者之變化的應用之中的操作。

因此，該結構可能會在數個方向中進行機械性振動，而且瞬變以及比較小的振動亦可能會以不需要的方式被連接至該感震質量而造成誤差。該移動可能還會干擾所希望的信號，使得其更難分辨該信號和誤差，也就是，振動的模式並不乾淨。因此，該結構本身可能會因該振動的多重模式而受損，這在某些應用中雖然可能係必要的，不過在特定的應用中卻可能係非所希望的特性。

本發明的目的係提供一種解決方式，以便克服或減輕該先前技術缺點中的至少其中一者。利用根據申請專利範圍第1項之特徵部分的MEMS結構便會達到本發明的目的。利用根據申請專利範圍其它獨立項之特徵部分的加速器感測器、加速感測器矩陣、裝置、以及系統會進一步達到本發明的目的。在申請專利範圍附屬項中會揭示本發明的較佳實施例。

100‧‧‧感震質量

101‧‧‧彈簧

102‧‧‧彈簧

103‧‧‧錨接物

1‧‧‧錨接物

2‧‧‧彈簧

3‧‧‧感震質量

4‧‧‧側臂

5‧‧‧彈簧

6‧‧‧肩部構件

7‧‧‧彈簧支撐件

Z1‧‧‧感震質量

Z2‧‧‧感震質量

S‧‧‧感測器或感測器結構

M‧‧‧感測器矩陣

D‧‧‧裝置

G‧‧‧裝置

Ar‧‧‧排列方式或系統

下文中將參考隨附圖式更詳細地說明本發明的實施例。雷同的部件或物體雖然可能會使用相同的元件符號；但是熟習本技術的人士從本文中便會瞭解，該部件或物體未必彼此完全相同。

圖1概略圖解一種根據已知技術的轉動機械元件；圖2所示的係一種感測器結構配置的實施例；圖3A和圖3B所示的係感測器結構實施例，其中，該彈簧會被支撐至單一 錨接物；圖4所示的係利用兩個不同質量部分Z1與Z2來施行電容性運動偵測的實施例；圖5所示的係元件Z1、Z2被支撐用以繞著一相同旋轉軸轉動的實施例；圖6所示的係具有一額外支撐結構的感測器結構的進一步有利實施例；圖7所示的係一種3d加速感測器的實施例；圖8所示的係根據本發明的感測器矩陣、一種裝置、一種排列、以及一種系統的實施例。

下面的實施例為示範性。說明書中雖然可能引用到「一實施例」、「某一實施例」、或是「某些實施例」；不過，這並不意謂著每一者皆表示該(等)相同的實施例，或者這亦不意謂著該特徵僅適用於單一實施例。不同實施例的獨特特徵可被結合用以提供進一步的實施例。

本發明的特徵將利用感測器結構的簡單範例來說明，在該範例中可以施行本發明的各種實施例。本文僅會對解釋該實施例有關的元件詳細說明。本發明的方法及裝置的各種施行方式包括熟習本技術之人士大體上已知的元件，本文中不會對其作詳細說明。

於一受到旋轉彈簧支撐的感震質量的配置中，相關聯的共振頻率f _res 和慣性矩(moment of inertia)J會相依於該感震質量和該旋轉軸相隔的距離。相依性可以利用下面公式來預測 且 其中，κ _res 對應於一寄生旋轉模式(parasitic rotation mode)的彈簧常數；J為慣性矩；w為該旋轉感震質量的寬度；l為該感震質量的長度；而w為該旋轉軸和一通過該感震質量之中心的平行軸相隔的距離。

寄生模式的彈簧常數κ _res 可以一旋轉曲折彈簧(rotated meander spring)的y方向彈簧常數k _y 來預測：κ _res =k _y d ², (3)其中，d為該彈簧的末端和該寄生模式之旋轉軸相隔的距離。倘若係一旋轉曲折彈簧的話，k _y 可以預測如下： 其中，E為彈性模數；h為該彈簧的厚度；w為該彈簧的寬度；而l為該彈簧的長度。N為該彈簧之中的曲折數。

該測量模式的彈簧常數可以利用下面的公式來預測： 其中，G為該彈簧材料的剪力模數(shear modulus)。該測量模式和該寄生模式之共振模式比因而可以預測如下： 當距離d很小時(接近零)，必須利用一修正項來補充公式(3)： 這意謂著可以利用下面的公式來預測該第一寄生共振的總彈簧常數： 已經注意到的係，於特定蹺蹺板類型的感測器結構配置之中，某些寄生共振模式相當低並且因而會太靠近被測量的模式。於理想的結構中，此等模式不會干擾測量；但是實際上，沒有任何結構為完全對稱，而且被測量的信號很容易受到寄生共振模式的干擾。

圖2的方塊圖圖解一種簡化的感測器結構配置，其中，一感震質量3會藉由一彈簧結構2、4、5、6懸浮至錨接物1。該彈簧結構係從該感震質量3延伸至該錨接物1，而且該彈簧結構中的至少一部分係由一側臂4所形成，該側臂4係在平行於該感震質量之旋轉軸的方向中延伸在該彈簧結構之中並且被附接至該彈簧的其中一端。

已經注意到的係，該寄生共振的模式會明顯地提高，並且因而會藉由提高公式(8)的參數d而和被測量的模式有效地隔離。基於圖2的配置，這意謂著介於彈簧2之至少其中一末端和該寄生模式的旋轉軸之間的距離會借助於一側臂4和一肩部構件6而增加。該側臂4與該肩部構件6會被附接至該彈簧2和該感震質量3，俾使得依此方式設計之具有側臂4的肩部構件6會讓該結構更剛硬而可抵抗不需要的振動模式。圖2之中雖然僅顯示側臂4和肩部構件6的其中一種組合方式；不過，熟習本技術的人士便會瞭解，可以使用至少兩組側臂及/或肩部構件來讓該結構更為剛硬而可抵抗不需要的振動。於其中一實施例中，這可以利用該側臂4及/或肩部構件6的第一組維度來達成；而於另一實施例變化例中，則可以利用該側臂4及/或肩部構件6的第二組維度來達成。根據其中一實施例，該第一組 維度和第二組維度可能有雷同方式的參數設計，用以消除不同模式的不需要振動；而於另一實施例中，該第一組維度和第二組維度則可能有不同方式的參數設計，用以消除不同模式的不需要振動。根據本發明的一實施例，該第二組肩部構件6和側臂4可能會以該第一對為基準以對稱的方式被附接至該感震質量；而於另一實施例中，則以非對稱的方式被附接至該感震質量。該肩部構件6可能會背向該側臂，舉例來說，在相反的方向中，如圖2之中的肩部構件6所示。

本文雖然表明和顯示一L形狀的側臂4和肩部構件6之結合；不過，熟習本技術的人士從實施例中便會瞭解，亦可以運用其它形狀，舉例來說，T形。

根據本發明的一實施例，該肩部構件6和該側臂4可能會被整合成單一結構，從而使得L形狀類似J形狀。根據一實施例，彈簧2可能也會被整合至該彈簧2結構之中，當作該整合式結構的一較薄部件。此等種類的變化會以對稱的方式同樣對該感震質量3來進行。根據本發明的一實施例，該對稱附接組4、6的機械長度、寬度、以及厚度(圖中並沒有表示)會有不同的大小設計，用以產生一以彈簧結構2、4、6之加強為特徵的彈簧係數，以便使得被測量的振動不會有不需要的振動模式。

在圖2的具體化結構中，該側臂4會延伸至一槓桿臂之中，該槓桿臂會轉移該寄生旋轉移動軸，使其進一步遠離該彈簧的末端。動量因而會增加，而且該彈簧結構會更有效地抵抗不需要方向中的振動。該側臂越長，該第一寄生模式會更有效地增加並且因而會和信號產生的振動模式隔離。顯見的係，該彈簧必須對齊該感震質量的旋轉軸，因此，該肩部 構件的角色便係在該錨接作用不允許該側臂對齊該彈簧時將該側臂連接至該彈簧的末端。較佳的係，為節省空間，該肩部構件的尺寸會被設計成僅延伸到允許該側臂移動卻不會碰觸該錨接物1的距離。

圖3A和圖3B所示的係感測器結構和不同錨接機制的進一步實施例，其中，多個彈簧會被支撐至單一錨接物1。於圖3A中，該側臂4係延伸在轉動的感震質量和彈簧的末端之間，如圖2中，而且該肩部構件6係被用來從該側臂4轉向至與其垂直的其它方向，用以將該彈簧2附接至該側臂4，以便形成剛硬的彈簧結構2、4、6。該錨接物係一狹長元件，其會沿著該旋轉軸延伸並且延伸在該感震質量3內部。

圖3B所示的係一替代實施例，其中，該錨接作用允許該側臂對齊該彈簧，因此，並不需要肩部構件6。介於寄生旋轉移動軸和彈簧2的末端之間的距離可藉由將側臂4的其中一端固定至錨接物1並且將另一端固定至該彈簧而增加，如圖3B之中所示。或者，該側臂的其中一端可被固定至該錨接物，而另一端則被固定至彈簧2的末端。在圖3B中，於錨接物1之另一側的虛線側臂4和虛線彈簧2圖解的係該元件在它們的個別實施例中互為可選擇元件。圖3B的感測器結構可能包括以對稱方式被設定在該錨接物1相反兩側的兩個側臂。在該錨接物不同側的側臂配置亦可能互不相同。另外，亦可以使用單側臂4構造，其中，在該錨接物的其中一側為側臂，而另一側的則係彈簧2。

圖4所示的係利用兩個不同的感震質量Z1與Z2來施行電容性運動偵測的實施例。根據本發明的一實施例，元件Z1和Z2可被施行成不同的結構並且有特定對稱性的排列，以便施行一種雙差動式偵測結構 (double differential detection structure)。舉例來說，此等實施例之內文中的差動(differential)一詞所指的差動式操作包括第一位置處減少的第一量值以及第二位置處增加的第二量值，它們會被耦合成使得該遞減與遞增會因為相同的操作而發生。於差動式偵測中，該第一量值和該第二量值兩者係被用來產生該操作的偵測結果。

此種結構的一範例係一電容器對，其具有：各自位於某個電位處兩個電極，以及一位於接地電位處的共同電極。電極可能會被排列成使得當兩個電極繞著一軸線轉動時，這些電極和共同接地電極相隔的距離會改變，其中一個電容會增加，而另一者則會減少。當利用兩個轉動電極共同的一剛性物體來達成該機械耦合作用便會達成此構造。

舉例來說，此等實施例之內文中的雙差動(double differential)一詞意謂著有另一差動耦合量值對，位於第三位置處的第三量值以及位於第四位置處增加的第四量值，它們的行為和針對第一位置處的第一量值以及第二位置處增加的第二量值的差動方式內文所解釋者相同；不過，和該第一量值及第二量值對會有相位偏移。於雙差動式偵測中，該第一量值、該第二量值、該第三量值、以及該第四量值會以成對的方式被用來產生該操作的偵測結果。

於圖4的結構中，元件Z1與Z2會被支撐至單一錨接物，每一者皆有一個別彈簧結構，用以提供分離的旋轉軸。該雙差動式偵測的該第一量值與第二量值係指由移動元件Z1上的電極所創造的電容，而該第三量值與第四量值則係指由移動元件Z2上的電極所創造的電容。

於圖4的實施例中，至少一個感震質量的至少一個彈簧會透 過一彈簧支撐結構被連接至該感震質量，該彈簧支撐結構包括一側臂4與一肩部構件6。於該感震質量的另一端，虛線所示的元件係表示另一彈簧可能係一普通彈簧；或者，可能包括沿著該彈簧延伸的另一側臂，以便進一步增強該彈簧支撐結構，如圖3B之中所揭示。

圖5所示的係另一實施例，其中，該元件Z1、Z2會透過該彈簧結構被支撐至三個錨接物(每一者皆以符號1來表示)並且繞著對齊彈簧(每一者皆以符號2來表示)的相同旋轉軸轉動。元件Z1、Z2可以組合應用，用以施行雙差動式偵測。如圖5之中所示，在元件Z1、Z2每一者的感震質量以及將該元件連接至一錨接物的至少其中一個彈簧的末端之間的結構包括一側臂4以及一肩部構件6。於此實施例中，側臂和肩部構件係轉動元件Z1、Z2的集成部件。側臂4會以有利的方式延伸在彈簧2的方向中，也就是，平行於該旋轉軸；而肩部構件6則會延伸至遠離彈簧2的方向，較佳的係，垂直於該彈簧2。圖5的結構在被量測的旋轉以外的其它方向中具有剛硬性並且會在該被量測的旋轉之偵測期間有效消弭不需要的振動模式。該雙差動式偵測的其中一個元件Z1的側臂和肩部構件會套疊至該雙差動式偵測之另一元件Z2的維度之中；反之亦然。所以，使用該元件之平面中最小的空間便可達到該延伸彈簧結構的優點。

圖6所示的係利用如上面所述之用於雙差動式偵測的元件Z1和Z2所施行的一種對稱蹺蹺板類型感測器結構的另一種有利實施例。元件Z1與Z2會透過一彈簧結構被支撐至單一錨接物1，並且會被排列成用以繞著一對齊多個彈簧2的相同旋轉軸轉動。如圖6之中所示，該元件Z1中的每一者同樣包括一側臂4以及一肩部構件6，介於多個元件之感震質量的 中心和支撐該元件之彈簧2的末端之間的距離會增加，而且該結構在不需要振動的方向中會更為剛硬。為進一步增加距離，該彈簧2會利用一狹長的彈簧支撐件7被支撐至該錨接物1，該彈簧支撐件7會朝該止動點的外側延伸並且沿著該旋轉軸為該彈簧提供一靜止的懸浮點。

圖7所示的係一種3d加速感測器的實施例，其包括上面所述之任何蹺蹺板類型MEMS結構。該感測器可能還包括X方向及/或Y方向偵測單元，它們可以熟習MEMS感測器之技術的人士所熟知的方式來施行。於圖7之中，兩個感震質量Z1與Z2亦可利用讓感震質量延伸在該元件的平面之中的配置而應用至雙差動式偵測。此配置會強化移動，並且因而改善偵測的靈敏性。

圖8所示的係可能包括上面所述之任何蹺蹺板類型MEMS結構的不同實施例。字母S表示一感測器或是一感測器結構。字母M表示一感測器矩陣，其包括依此方式具體化的感測器或是感測器結構。圖中雖然在一個位置中顯示一種類型的四個感測器並且在一不同的位置中顯示另一種類型的兩個感測器當作範例；不過，感測器的數量或是它們的類型(X、Y、Z、或是它們的組合)並不僅受限於所示範例。字母D表示一種包括依此方式具體化之感測器或是感測器矩陣的裝置。圖中雖然顯示四個示範性感測器當作範例，三個感測器在其中一個位置中，一個感測器在不同於該第一位置的另一位置中；不過，感測器的數量或是它們的類型並不僅受限於所示範例。該裝置之中的感測器矩陣的數量及/或位置亦不僅受限於所示範例。字母組合Ar表示一種排列方式或是一種系統，其包括裝置D及/或根據本發明一實施例的裝置G之中的該具體化感測器結構中的至少其中一 者。熟習本技術的人士便會瞭解，於某些實施例中，字母S和M的特殊位置表示不同實施例之中的該感測器結構能夠獨立地操作於主裝置的真實位置，其中，該主裝置的加速度係利用包括該感測器S之中的單元及/或正反器的感測器結構來監視。

熟習本技術的人士便會明白，當技術進步時，可以不同的方式來施行本發明的基本概念。所以，本發明和它的實施例並不侷限於上面範例，而可以在申請專利範圍的範疇裡面加以改變。

1‧‧‧錨接物

2‧‧‧彈簧

3‧‧‧感震質量

4‧‧‧側臂

5‧‧‧彈簧

6‧‧‧肩部構件

M‧‧‧感測器矩陣

Claims (17)

1. 一種微機電系統(MEMS)結構，其包括一錨接物(1)、一彈簧(2)、以及懸浮於該錨接物(1)用以透過該彈簧繞著一旋轉軸轉動的一感震質量(3)；該MEMS結構包括從該感震質量(3)延伸至該錨接物(1)的一彈簧結構(2、4)；特徵在於：該彈簧結構(2、4)中的至少部分係由一剛硬的側臂(4)所形成，該側臂係在平行於該感震質量之旋轉軸的方向從該感震質量(3)或從該錨接物(1)延伸在該彈簧結構之中並且被附接至該彈簧(2)的一端。
2. 根據申請專利範圍第1項的MEMS結構，其中，該側臂(4)被連接至該感震質量(3)，而且該彈簧結構包括一剛硬的肩部構件(6)，該肩部構件(6)被連接至該側臂(4)的一端並且會被連接至該彈簧(2)的該一端以便將該側臂(4)附接至該彈簧(2)的該一端。
3. 根據申請專利範圍第2項的MEMS結構，其中，該肩部構件(6)延伸在垂直於該旋轉軸之方向的方向中。
4. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項的MEMS結構，其中，該側臂(4)被連接至該感震質量(3)，該錨接物(1)係沿著該旋轉軸至少部分延伸至該感震質量(3)之中的一狹長元件。
5. 根據申請專利範圍第1項的MEMS結構，其中，該側臂(4)係對齊該感震質量(3)之旋轉軸自該感震質量(3)延伸。
6. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項的MEMS結構，其中，該MEMS結構包括位於該感震質量(3)相反兩側的兩個側臂(4)。
7. 根據申請專利範圍第6項的MEMS結構，其中，在用以抵抗不需要 振動的不同剛性模式之中，該側臂的其中一者會不同於另一側臂。
8. 根據申請專利範圍第6項的MEMS結構，其中，該MEMS結構包括兩個肩部構件(6)，而且在用以抵抗不需要振動的不同剛性模式之中，該肩部構件(6)的其中一者的長度會不同於另一肩部構件(6)。
9. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項的MEMS結構，其中，該MEMS結構包括用於雙差動式偵測的兩個感震質量(Z1、Z2)。
10. 根據申請專利範圍第9項的MEMS結構，其中，該兩個感震質量(Z1、Z2)會被排列成用以繞著相同的旋轉軸轉動。
11. 根據申請專利範圍第9項的MEMS結構，其中，該兩個感震質量(Z1、Z2)中的每一者皆包括一側臂和一肩部構件，而且該感震質量的其中一者(Z1；Z2)的側臂和肩部構件會套疊至該感震質量的另一者(Z2；Z1)的維度之中。
12. 根據申請專利範圍第9項的MEMS結構，其中，兩個感震質量(Z1、Z2)會被支撐至單一錨接物(1)。
13. 根據申請專利範圍第9項的MEMS結構，其中，該兩個感震質量(Z1、Z2)會透過一狹長的彈簧支撐件(7)被支撐至該單一錨接物(1)，該彈簧支撐件(7)會朝該單一錨接物(1)的外側延伸。
14. 一種MEMS結構矩陣，其包含根據前面申請專利範圍中任一項的MEMS結構。
15. 一種加速感測器，其包含根據申請專利範圍第14項的MEMS結構矩陣。
16. 一種裝置(D)，其包括根據申請專利範圍第15項的加速感測器，其 中，該裝置包括下面至少其中一者：交通工具、服裝、鞋子、指針、羅盤、秤、地震儀、導航器、行動裝置、機械式馬達、液壓式馬達、電性馬達、發電機、軸承模組、離心機。
17. 一種系統，其包括根據申請專利範圍第16項的裝置。