TWI614208B - 微機電元件 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種微機電元件，包含：一基板；一質量塊，其內部定義一中空結構，該質量塊與該基板構成至少兩個感測電容；至少兩個錨點結構，連接於該基板，且從剖面圖視之，該錨點結構分別落在該至少兩個感測電容的電容區域內；至少一個連桿構架，位於該中空結構中，與該錨點結構直接連接、或是藉由緩衝彈簧而與該錨點結構間接連接；以及複數個扭轉彈簧，位於該中空結構中，各扭轉彈簧一端連接於該質量塊，另一端連接於該連桿構架；其中，該至少兩個感測電容分別位於該扭轉彈簧之兩相對側，該質量塊可依該扭轉彈簧為軸而旋轉，使該至少兩個感測電容構成差分感測電容，且其中，在該質量塊和該基板的連接關係中，不具有不構成活動電極的質量塊。

Description

微機電元件

本發明係有關一種微機電元件，特別是指一種將錨點設置在質量塊的下方、且質量塊和錨點間直接藉由彈簧連接而不需要設置轉接用質量塊的微機電元件。

參照第1A圖，顯示傳統之一微機電元件10，其中包含基板11、質量塊12、和錨點13，質量塊12藉由錨點13而連接在基板11上。基板11上有固定電極區111，質量塊12上有活動電極區121，對應之固定電極區111與活動電極區121形成一感測電容，以感測質量塊12之運動。更詳言之，錨點13左方的感測電容和錨點13右方的感測電容構成差分電容，當微機電元件10運動時，質量塊12沿Z軸方向(圖中之上下方向)發生擺動，而差分電容可更精確地感測微機電元件10在Z軸方向的移動量。因應差分電容的設計，因此，錨點13很自然地設置在兩差分電容之間。然而，此先前技術具有缺點。第1B圖示意顯示此微機電元件10之基板11呈現變形狀態，此變形狀態可能為製造過程或操作過程中應力造成之變形。比較第1A圖與第1B圖，可看出第1B圖中之變形造成固定電極111與活動電極區121間之距離變化，此變化造成感測電容之感測值偏離，且難以控制。美國專利號US 4,736,629所揭露之加速計，其結構具有如前述之變形困擾，而美國專利號US 5,487,305所揭露之三軸加速計也有此變形困擾。

參照第2圖，顯示根據美國專利號US 8,434,364所揭露之微機電元件20，微機電元件20包含質量塊22、錨點23、彈簧24、與轉接用質量塊25。第2圖中所顯示之質量塊22與轉接用質量塊25皆浮置於基板(未顯示)之上，且質量塊22依序藉由彈簧24a、轉接用質量塊25、彈簧24b、以及錨點23連接於基板。此設計將錨點23設置在質量塊22的下方，而非差分電容之間，以改善前述變形所造成感測值偏離的困擾。然而，此先前技術有其缺點。為了將質量塊22連接到位在質量塊22下方的錨點23，該先前技術設置了轉接用質量塊25（不構成活動電極的質量塊），但此轉接用質量塊25並未與固定電極構成電容，對於訊號的感測並無實質貢獻，卻浪費了佈局面積；亦即，為了設置轉接用質量塊25，造成質量塊22的有效感測面積減少，或是，為了得到相同的質量塊22有效感測面積，則整體佈局面積必須增加。

就其中一個觀點言，本發明提供了一種微機電元件，包含：一基板，該基板上具有至少兩個固定電極區，且該基板具有一出平面方向；一質量塊，其內部定義一中空結構，該質量塊具有至少兩個活動電極區，分別與該至少兩個固定電極區對應構成至少兩個感測電容；至少兩個錨點結構，連接於該基板，且從剖面圖視之，該錨點結構分別落在該至少兩個感測電容的電容區域內；至少一個連桿構架，位於該中空結構中，與該錨點結構直接連接、或是藉由與錨點結構對應數目的緩衝彈簧而與該錨點結構間接連接；以及複數個扭轉彈簧，位於該中空結構中，各扭轉彈簧一端連接於該質量塊，另一端連接於該連桿構架；其中，該至少兩個感測電容分別位於該扭轉彈簧之兩相對側，該質量塊可依該扭轉彈簧為軸而旋轉，使該至少兩個感測電容構成差分感測電容以進行該出平面方向之運動感測，且其中，在該質量塊和該基板的連接關係中，不具有不構成活動電極的質量塊。

在其中一種較佳的實施例中，該些錨點結構分別位於與該固定電極區具有預設對應關係之相對位置上，例如但不限於該些錨點結構分別位於各該固定電極區之形心之相對位置、或分別位於其中兩個該固定電極區之形心間一相對連線上。

在其中一種較佳的實施例中，該至少一個連桿構架包含至少一外圍部分以及連接該外圍部分的一中間連接部。

在其中一種較佳的實施例中，當該至少一個連桿構架與該錨點結構直接連接時，該連桿構架包含一緩衝結構，該緩衝結構材料剛性和尺寸剛性與連桿構架的其餘部分相同，係藉由該連桿構架形狀上的曲繞，而提供緩衝。

在其中一種較佳的實施例中，當該至少一個連桿構架與該錨點結構藉由該緩衝彈簧而間接連接時，該緩衝彈簧為O形彈簧、扭轉彈簧、S形彈簧或U形彈簧。

在其中一種較佳的實施例中，該質量塊之質心與該扭轉彈簧之旋轉軸線間具有一距離，使該質量塊之該運動狀態具有一偏心運動。

在其中一種較佳的實施例中，所述之微機電元件包含至少四個該錨點結構、至少四個該緩衝彈簧、以及至少兩個該連桿構架，各連桿構架分別連接至少兩個緩衝彈簧、以及一個扭轉彈簧。

在其中一種較佳的實施例中，所述之微機電元件包含至少四個感測電容。

在其中一種較佳的實施例中，該連桿構架之剛性，較大於所連接之該些緩衝彈簧之剛性，較小於該基板之剛性。

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。

請參閱第3圖和第4A、4B圖，顯示本發明的第一個實施例之一種微機電元件30，其包含：一基板31、一質量塊32、至少兩個（本實施例中為兩個、但本發明不限於為兩個）錨點結構33、與錨點結構對應數目的緩衝彈簧34、一連桿構架(linkage truss)35、以及複數個（本實施例中為兩個、但本發明不限於為兩個）扭轉彈簧36。質量塊32具有至少兩個活動電極區321，且基板31上具有至少兩個固定電極區311(參照第4A、4B圖)，固定電極區311對應於活動電極區321而構成差分感測電容，以感測微機電元件30在基板31出平面方向Z上的運動。錨點結構33係連接於基板31，且從剖面圖視之，錨點結構33分別落在差分感測電容的電容區域內（但從頂視圖視之，錨點結構33可不落在固定電極區311內，參閱第5-7圖）。各緩衝彈簧34之一端分別與對應的錨點結構33連接，各緩衝彈簧34之另一端分別連接於連桿構架35。質量塊32之內部定義一中空結構323，而連桿構架35位於該中空結構323之內。質量塊32藉由扭轉彈簧36而連接於連桿構架35。換言之，質量塊32經由扭轉彈簧36、連桿構架35、緩衝彈簧34、錨點結構33、而連接於基板31。需注意的是，在質量塊32和基板31的連接關係中，並沒有使用到第2圖先前技術中的轉接用質量塊（不構成活動電極的質量塊）。因此，質量塊32的有效感測面積可以增加，或是，就相同的質量塊22有效感測面積而言，則整體佈局面積可以減少。

扭轉彈簧36之一端連接於質量塊32，另一端連接於連桿構架35；在本實施例中，質量塊32可依扭轉彈簧36為軸而旋轉，使扭轉彈簧36兩側的感測電容構成差分感測電容(亦即固定電極區311與活動電極區321分別位於扭轉彈簧之兩側至少各構成一個電容)，而能更精確感測微機電元件30在出平面方向Z上的運動。複數個錨點結構33與複數個緩衝彈簧34分別位於扭轉彈簧36之兩相對側。

請參照第4A、4B圖，其為根據第3圖實施例之剖面圖，顯示當基板31承受變形時，質量塊32不變形，微機電元件30中活動電極區121與固定電極區111(形成感測電容)之間距，在錨點結構33一側間距增加，另一側間距減少，其增加與減少具相互抵消之作用，故基板31變形對本發明之感測電容影響甚小。

緩衝彈簧不限於前述之O形彈簧之設計，例如第5圖中緩衝彈簧54亦為兩個扭轉彈簧，其扭轉方向以圖式所示扭轉軸線為軸，又例如第7圖中緩衝彈簧74為一S形彈簧，又例如第8圖中緩衝彈簧84為一U形彈簧，其緩衝彈簧之形狀與動作設計可依需要而決定。

一種較佳的實施例中，錨點結構分別位於與該固定電極區具有預設對應關係之相對位置上，例如但不限於：錨點結構分別位於各固定電極區之形心之相對位置、或分別位於其中兩個固定電極區之形心間一相對連線上。請參照第3圖，其中錨點結構33之頂視位置對應於活動電極區321之形心。然本發明實施時錨點結構不限於形心之位置，也可位於兩個固定電極區之形心間一相對連線上，請參照第5圖，其中錨點結構53之頂視位置對應於活動電極區521之形心C3、C4之一相對連線上。

參照第6圖，顯示一實施例中，微機電元件60中質量塊62之質心CG，與扭轉彈簧66之旋轉軸線間具有一距離D，即質量塊62位於扭轉彈簧66兩側之質量分布不相同，使質量塊66之運動狀態具有一偏心運動(Eccentric motion)。

第5、6圖所顯示之兩實施例之微機電元件50、60，其中連桿構架65較連桿構架55多一中間連接部651以連接連桿構架65之外圍部分654，其目的在於增加連桿構架65之剛性。一種較佳的實施例中，連桿構架之剛性，較大於所連接之緩衝彈簧之剛性，以降低基板變形時，連桿構架不因基板影響而變形。參照第9圖所顯示之本發明實施例之微機電元件90，其中連桿構架95間具有一中間連接部951，其目的亦增加連桿構架95之剛性、以及連接兩連桿構架95(或是，也可視為第9圖中具有單一個連桿構架，而此連桿構架包含兩個分開的外圍部分)。此外，一實施例中，連桿構架之剛性較小於基板之剛性，因連桿構架過大時，例如厚度增加，可能間接導致活動與固定電極區間隙過大，質量塊之感測敏感度會降低。

在第3圖的實施例中，兩個錨點結構33分別藉由兩個緩衝彈簧34而連接至單一連桿構架35，而單一連桿構架35與所有的扭轉彈簧36連接；但本發明不限於上述數目安排。舉例而言參閱第7圖，在另一實施例中，微機電元件70具有四個錨點結構73，分別藉由四個緩衝彈簧74以連接兩個連桿構架75，在此實施例中，包含兩個連桿構架75，各連桿構架75分別連接兩個緩衝彈簧74、但只與一個扭轉彈簧76連接。(或是，也可視為第7圖中具有單一個連桿構架，而此連桿構架包含兩個分開的外圍部分)。此外，在第7圖的實施例中，基板(未顯示)上具有四個固定電極區(未顯示)，而質量塊72包含四個活動電極區721，構成四個感測電容；此顯示感測電容的數目可視需要而定。

總之，本發明之錨點結構、緩衝彈簧、連桿構架、固定電極區、活動電極區、感測電容等未受限於前述實施例之數量，若有需要，例如強度需求或感測需求等，可增加其數量。

參照第3、5、6、7圖，在這些實施例中，以緩衝彈簧34、54、64、74將連桿構架35、55、65、75連接於錨點結構33、53、63、73。參照第8、9圖，顯示另兩實施例中，可以不設置緩衝彈簧。在不設置緩衝彈簧的情況下，較佳而非必須地，可於連桿構架85、95上設計緩衝區852、952。緩衝區852、952為連桿構架85、95的一部分，其材料剛性和尺寸剛性與連桿構架85、95的其餘部分相同，但藉由形狀上的曲繞，而提供緩衝。

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。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

10、20、30、50、60、70、80、90‧‧‧微機電元件
11、31‧‧‧基板
111、311‧‧‧固定電極區
12、22、32、52、62、72、82、92‧‧‧質量塊
121、321、521、721、821、921‧‧‧活動電極區
13‧‧‧錨點
23、33、53、73、83、93‧‧‧錨點結構
24a、24b‧‧‧彈簧
25‧‧‧轉接用質量塊
323、523、623、723、823、923‧‧‧中空結構
34、54、64、74‧‧‧緩衝彈簧
35、55、65、75、85、95‧‧‧連桿構架
36、56、66、76、86、96‧‧‧扭轉彈簧
654‧‧‧外圍部分
852、952‧‧‧緩衝區
951‧‧‧中間連接部
C1、C3、C4‧‧‧形心
CG‧‧‧質心
D‧‧‧距離
Z‧‧‧出平面方向

［第1A、1B圖］顯示先前技術之一種微機電元件； ［第2圖］顯示先前技術之另一種微機電元件； ［第3圖］顯示根據本發明之一種微機電元件； ［第4A、4B圖］係根據第3圖實施例之剖面圖，顯示其中當基板產生變形，固定電極區與活動電極區之關係； ［第5-9圖］顯示根據本發明之多個實施例之微機電元件。

30‧‧‧微機電元件

31‧‧‧基板

32‧‧‧質量塊

321‧‧‧活動電極區

323‧‧‧中空結構

33‧‧‧錨點結構

34‧‧‧緩衝彈簧

35‧‧‧連桿構架

36‧‧‧扭轉彈簧

C1‧‧‧形心

Z‧‧‧出平面方向

Claims (12)

1. 一種微機電元件，包含：一基板，該基板上具有至少兩個固定電極區，且該基板具有一出平面方向；一質量塊，其內部定義一中空結構，該質量塊具有至少兩個活動電極區，分別與該至少兩個固定電極區對應構成至少兩個感測電容；至少兩個錨點結構，連接於該基板；至少一個連桿構架，位於該中空結構中，與該錨點結構直接連接、或是藉由與錨點結構對應數目的緩衝彈簧而與該錨點結構間接連接；以及複數個扭轉彈簧，位於該中空結構中，各扭轉彈簧一端連接於該質量塊，另一端連接於該連桿構架；其中，該至少兩個感測電容分別位於該扭轉彈簧之兩相對側，該質量塊可依該扭轉彈簧為軸而旋轉，使該至少兩個感測電容構成差分感測電容以進行該出平面方向之運動感測，且其中，在該質量塊和該基板的連接關係中，不具有不構成活動電極的質量塊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中從一剖面圖視之，該錨點結構分別落在該至少兩個感測電容的電容區域內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中該些錨點結構分別位於與該固定電極區具有預設對應關係之相對位置上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微機電元件，其中該些錨點結構分別位於各該固定電極區之形心之相對位置、或分別位於其中兩個該固定電極區之形心間一相對連線上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中該至少一個連桿構架包含至少一外圍部分以及連接該外圍部分的一中間連接部。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中當該至少一個連桿構架與該錨點結構直接連接時，該連桿構架包含一緩衝結構，該緩衝結構係藉由該連桿構架形狀上的曲繞所構成，而提供緩衝。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中當該至少一個連桿構架與該錨點結構藉由該緩衝彈簧而間接連接時，該緩衝彈簧為扭轉彈簧。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中該質量塊之質心與該扭轉彈簧之旋轉軸線間具有一距離，使該質量塊之運動狀態具有一偏心運動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，包含至少四個該錨點結構、至少四個該緩衝彈簧、以及至少兩個該連桿構架，各連桿構架分別連接至少兩個緩衝彈簧、以及一個扭轉彈簧。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，包含至少四個感測電容。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中該連桿構架之剛性，較大於所連接之該些緩衝彈簧之剛性，較小於該基板之剛性。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微機電元件，其中當該至少一個連桿構架與該錨點結構藉由該緩衝彈簧而間接連接時，該緩衝彈簧為O形彈簧、S形彈簧或U形彈簧。