TWI616656B - 微機電系統感測器和半導體封裝 - Google Patents

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Abstract

本發明之微機電系統感測器具有可移動構件及固定構件，用於量測在旋轉模式中於垂直於彈簧軸之平面內方向上的加速度。該等構件包括元件框架(1)、基板(7)、校驗質量塊(2)、連接至該校驗質量塊(2)及連接至該基板(7)之彈簧(5)，以及梳狀電極(9a、9b)。該微機電系統感測器之主要特徵為該等構件之佈置，該佈置產生針對量測一範圍內之加速度的固有靈敏度，該範圍涵蓋縱向加速度及橫向加速度。該等構件之一或多者相較於該元件框架(1)係傾斜的。本發明之半導體封裝(12)包含至少一個微機電系統感測器。

Description

微機電系統感測器和半導體封裝
本發明係關於微機電系統，且尤其係關於微機電系統感測器及包括微機電系統感測器之半導體封裝。
微機電系統技術之一個普遍應用為慣性感測裝置之設計及製造。在如微機電系統加速計之慣性感測器中，可使用如校驗質量塊、懸臂梁及/或指叉式梳指之內部結構以偵測感測器之運動變化。
加速計之量測範圍為藉由感測器之輸出信號規範支援的加速度之位準，其通常以±g來指定。此為部件可量測到且精確地表示為輸出的加速度之最大量。取決於加速計藉由滿刻度範圍所指定之最高輸出值，將該等加速計分類為高g值加速計、中g值加速計或低g值加速計。
各種類型之微機電系統感測器可連同藉由單獨製程序列製造之積體電路(微電子元件)一起合併於基板上。然而，存在對減小封裝在一起的感測器及電路組合之大小的恆定需要。例如，存在偵測兩個方向或三個方向上之慣性移動的雙軸加速計及三軸加速計。通常，該等加速計具有單獨微機電系統元件，用於偵測沿每一偵測軸(x軸、y軸及/或z軸)之加速度。此類多元件加速計之大小及成本對於許多應用而言可為過度的。
作為另一實例，現代汽車之氣囊系統使用加速度感測器以判 定釋放觸發點，且可藉由加速計來觸發座椅安全帶張力器。諸如加速計及陀螺儀之微機電系統裝置亦可在電子穩定性控制(ESC)技術中用作感測器，以最小化汽車中汽車轉向控制之喪失。在未來，會越來越多地將ESC感測器與氣囊系統之控制單元及加速計整合至同一位置中。因而，需要將用作ESC感測器之低g值加速計及陀螺儀與氣囊系統之中g值加速計整合以減小構件大小及成本。
氣囊系統之中g值加速計往往為對汽車之縱向加速度方向及橫向加速度方向靈敏之2軸微機電系統感測器。習知地，此靈敏度已藉由將整個中g值加速計以45°角安裝於印刷電路板上來達成，而感測器係製造於該印刷電路板上。然而，在積體系統中，封裝大小需為緊湊的，故將中g值加速計相對於ESC感測器以45°角安裝不再可行。
本發明之實施例揭示新穎感測器配置，該感測器配置量測縱向方向上及橫向方向上之加速度，且同時允許與具有矩形形式之其他構件之緊湊整合，該矩形形式具有處於縱向方向上及橫向方向上之側面。
本發明之實施例包括如獨立申請專利範圍第1項中所界定之微機電系統(MEMS)感測器，以及根據獨立申請專利範圍第20項之半導體封裝。
利用本發明可達成之其他優點係結合如從屬申請專利範圍中及以下詳細描述中所界定之實施例來更詳細地論述。
1‧‧‧元件框架
2‧‧‧校驗質量塊
3a‧‧‧定子線棒
3b‧‧‧定子線棒
4a‧‧‧轉子梳指
4b‧‧‧轉子梳指
5‧‧‧彈簧
6a‧‧‧定子梳指
6b‧‧‧定子梳指
7‧‧‧基板
9a‧‧‧梳狀電容器
9b‧‧‧梳狀電容器
11‧‧‧彈簧錨固器
12‧‧‧封裝
13‧‧‧特定應用積體電路(ASIC)/ASIC
14‧‧‧微機電系統陀螺儀
15‧‧‧晶粒
16‧‧‧中g值加速計
17‧‧‧中g值加速計
18‧‧‧3軸低g值加速計
20‧‧‧縱向側面
21‧‧‧縱向側面
22‧‧‧橫向側面
23‧‧‧橫向側面
25‧‧‧彈簧軸
28‧‧‧切口
30‧‧‧第一頂點
31‧‧‧第二頂點
40‧‧‧相鄰側面段
41‧‧‧相鄰側面段
42‧‧‧轉角頂點
L‧‧‧縱向方向
T‧‧‧橫向方向
圖1為微機電系統加速度感測器之示意橫截面視圖；圖2為包含圖1之微機電系統加速度感測器的半導體封裝之示意橫截面視圖。
以下實施例為示範性的。雖然本說明書可提及「一」、「一個」或「一些」實施例，但此未必意謂每一此類提及係指相同實施例，或特徵僅適於單個實施例。可將不同實施例之單個特徵相組合以提供其他實施例。
在下文中，將利用裝置架構之簡單實例來描述本發明之特徵，本發明之各種實施例可在該裝置架構中實行。僅詳細描述有關於例示該等實施例之元件。本文可能不會確切地描述熟習此項技術者一般所知的微機電感測器之各種實行方案。
圖1為微機電系統加速度感測器之簡化示意橫截面視圖。微機電系統加速度感測器包括經配置來量測加速度之可移動構件及固定構件。加速度感測之原理簡單且可靠，即：將移動主體之慣性根據牛頓第二定律轉換為力。加速計之基本元件為彈簧、校驗質量塊以及周圍支撐結構。彈簧將質量塊連接至支撐物。當感測器之速度改變時，校驗質量塊經由彈簧聯軸器受迫使跟隨該變化。需要力來改變校驗質量塊之運動。歸因於此力，彈簧偏轉且校驗質量塊之位置與加速度成正比改變。在電容性感測器中，支撐物與校驗質量塊彼此絕緣，且量測該支撐物及該校驗質量塊之電容或電荷儲存容量。該感測器將主體之加速度轉換為電流、電荷或電壓。在壓電偵測中，可利用彈簧上之壓電層感測該彈簧之撓曲。
圖1中之微機電系統感測器之構件包括基板7、元件框架1、 彈簧錨固器11、校驗質量塊2以及撓曲彈簧5。
基板7在此處係指微機電系統裝置之底層，且在圖1中針對裝置層之圖案化構件而展示為空白背景。通常，該基板包括藉由絕緣層與裝置層分離之矽層。例如，許多微機電系統裝置可由分層實心結構製造，該等分層實心結構如絕緣體上矽(SOI)晶圓或空腔-絕緣體上矽(空腔-SOI)晶圓。SOI晶圓通常包含操作晶圓層、埋設氧化物(BOX)層以及裝置層。操作晶圓層通常為數百微米厚之最厚部分，而裝置層通常為數十微米厚。BOX層通常為自幾分之一微米至幾微米厚。BOX層可沉積於操作晶圓上或裝置層上，且可將該兩塊矽彼此黏結，以使得BOX層位於該等矽之間且允許將裝置層構件與操作晶圓電氣隔離。
元件框架1在此處表示剛性地固定至基板7之實心機械元件。元件框架1之作用為形成限制裝置層中之構件之側壁，從而氣密地封閉內部空腔並機械地撐托元件層結構。吾等將一橫截面平面，亦即，橫跨圖1中裝置層之圖案化構件之一平面考慮一共同平面。元件框架1可具有矩形形式，以使得在共同平面中，元件框架之外表面形成四個側面，當橫向方向垂直於縱向方向時，該四個側面之兩個縱向側面20、21在縱向方向上平行延伸，而該四個側面之兩個橫向側面22、23在橫向方向上平行延伸。注意，橫向及縱向等術語在此處用於對隨附圖式之簡單參照，以及對潛在應用中之可量測加速度之可能方向的簡單參照。在該範疇內，微機電系統結構之任何兩個正交平面內方向皆可適用作橫向方向及縱向方向。
此等側面可對準至基板7之外側面及晶片之其他可能的層，以使得本視圖中微機電系統感測器之周邊尺寸尤其對準至元件框架1 之周邊尺寸，或藉由元件框架1之周邊尺寸來界定。因此，鑒於將微機電系統感測器與其他矩形成型晶片一同整合至同一晶片，故界定由微機電系統感測器佔據之晶片面區域的尺寸可尤其取決於元件框架1之縱向側面及橫向側面之尺寸。
彈簧錨固器11在此處表示元件層與基板7之間的連接點。彈簧錨固器11剛性地固定至基板7且為撓曲彈簧5提供固定起點。在圖1之實例中，展示桿狀彈簧。其他撓曲彈簧類型亦可應用於該範疇內，該等類型例如曲折彈簧或折疊彈簧。彈簧5之一個端部連接至彈簧錨固器11，且彈簧5之另一端部耦接至校驗質量塊2，以使得彈簧5提供撓曲耦接，該撓曲耦接經由彈簧錨固器11將校驗質量塊2可撓地懸置至基板7。校驗質量塊2及彈簧5沿共同平面延伸。圖1展示在彈簧之非撓曲狀態下，即在當微機電系統感測器經製造及備用於操作但未經歷所量測加速度時之狀態下的結構。微機電系統感測器之彈簧軸25在處於該非撓曲狀態下之彈簧的相對端部之間延伸。當經受在平面內方向(平行於共同平面)上且垂直於彈簧軸(感測方向)施加之力時，彈簧有利地撓曲且彎曲。彈簧5在任何其他方向上有利地為盡可能剛性的。
在元件框架中，吾等將最靠近彈簧錨固器11之頂點30表示為第一頂點。在元件框架1之矩形形式中，第一縱向側面21及第一橫向側面23即為元件框架1之矩形形式之側面，該等側面藉由第一頂點30連接。裝置層元件之定向現經佈置以使得彈簧軸25與第一縱向側面21並與第一橫向側面23形成銳角。因此，當校驗質量塊2由於所量測加速度而位移時，彈簧之變形將校驗質量塊2之位移轉變為共同平面內之旋轉運動模式。旋 轉運動模式之旋轉軸垂直於該共同平面(平面外方向)。歸因於元件之特定定向，此旋轉運動模式可因此藉由縱向方向上之加速度以及藉由橫向方向上之加速度來誘導，只要該等加速度在垂直於彈簧軸25之方向上具有分量即可。然而，明顯的是，對總加速度向量而言，僅感測方向上之分量已藉由該結構量測。該等構件之佈置產生針對量測一範圍內之加速度的固有靈敏度，該範圍涵蓋縱向方向上及橫向方向上之加速度。然而，在縱向方向及橫向方向上延伸之外部尺寸允許將微機電系統感測器與其他矩形構件一同緊湊地並排定位於同一封裝中，該等矩形構件具有在縱向方向及橫向方向上延伸之側面。
在圖1之示範性配置中，加速度之量測係基於電容性偵測，但不將範疇僅限制於電容性偵測。對電容性感測而言，微機電系統感測器可包括經配置用於量測加速度之一或多個梳狀電容器。每一梳狀電容器9a、9b可包括經耦接以隨校驗質量塊2移動的一組轉子梳指4a、4b，以及剛性地固定至基板7的一組定子梳指6a、6b。在梳狀電容器9a、9b中之每一者中，一組轉子梳指4a、4b可自可移動校驗質量塊2延伸，而一組定子梳指6a、6b可自剛性定子線棒3a、3b延伸。定子線棒3a、3b可錨固至基板7且彼此電氣絕緣。每一對梳指因而形成單獨的平行板電容器，該每一對梳指係由該組轉子梳指4a、4b之一轉子梳指及該組定子梳指6a、6b之一相鄰定子梳指形成。
在圖1之配置中，該結構包括兩個梳狀電容器9a、9b。梳狀電容器9a之輸出端對應於藉由該組轉子梳指4a及該組定子梳指6a形成的總體平行板電容器，而梳狀電容器9b之輸出端對應於藉由該組轉子梳指 4b及該組定子梳指6b形成的總體平行板電容器。梳狀電容器9a、9b因而形成兩個電容，該等電容同時隨校驗質量塊之旋轉運動模式而變化。該對電容可用以提供對應於校驗質量塊於共同平面內之位移的差分輸出信號sx：sx=s(9a)-s(9b)
其中s(9a)表示自梳狀電容器9a輸出之信號，且s(9b)表示自梳狀電容器9b輸出之信號。差分偵測有效抵消梳狀電容器之電容中潛在的共同誤差偏移。
在圖1之示範性配置中，彈簧軸5為對角線，以使得該彈簧軸與元件框架1之第一縱向側面21及與元件框架1之第一橫向側面23形成45°銳角。易自圖1瞭解的是，未處於彈簧軸之方向上或未垂直於該彈簧軸之外部加速度在縱向方向上及橫向方向上具有分量，且因此能夠誘導校驗質量塊處於旋轉運動模式。該配置因而使得具有矩形形式外部之微機電系統感測器對在其兩個垂直周邊側面之方向上的加速度靈敏。由於彈簧軸之對角定向經由對稱及長撓曲之使用而賦能平衡，故彈簧軸之該對角定向為有利的，下文將更詳細地論述其優點。然而，亦可應用其他銳角，例如40°-50°之間的角，或甚至35°-55°之間的角。
因此，在圖1之配置中，定子梳指6a、6b與元件框架1之第一縱向側面21及與元件框架1之第一橫向側面23形成第一銳角，且轉子梳指4a、4b與元件框架1之第一縱向側面21及與元件框架1之第一橫向側面23形成第二銳角。第一銳角與第二銳角可相等，如圖1中所展示，其中第一銳角及第二銳角為45°銳角，且彈簧軸亦與元件框架1之第一縱向側面 21及與元件框架1之第一橫向側面23形成45°銳角。
另一方面，第一銳角與第二銳角可不同。校驗質量塊之旋轉模式相比習知平面內線性運動模式的一個可能缺點在於：當線性轉子梳指在平面內旋轉模式下移動時，在轉子梳指與定子梳指之間趨於形成微小角度。為最小化潛在線性度誤差，微機電系統感測器可設計有斜置(或傾斜)梳指，以使得在初始非撓曲狀態下，定子梳指與轉子梳指不平行，但相對於彼此略微傾斜。該等定子梳指及轉子梳指可經佈置以在最大位移(最大滿刻度)處或例如在該最大位移之一半(滿刻度之½)處變得平行，以此補償非線性度。在初始狀態下該等指狀物之間的角度可基於給定滿刻度或半刻度要求以及有關最大位移來逐情況判定。因此，鑒於圖1，第一銳角與第二銳角之間可存在初始差異。當在校驗質量塊2之旋轉運動模式中，轉子梳指4a、4b在最大位移處或在該最大位移之一半處變得平行於定子梳指6a、6b時，該差異可經調整而得以消除。
微機電系統型慣性感測器中誤差之一個來源係由於校驗質量塊在振動模式中之振盪而產生，該等振動模式不同於所要感測模式。理想而言，電容性慣性微機電系統感測器將表現為具有單個阻尼諧振頻率之質量塊-阻尼器-彈簧系統。然而，事實上，微機電系統感測器為複雜元件，其趨於亦在非所要方向上具有另外的寄生諧振模式。此等寄生模式可導致感測器之不穩定性。所要量測模式稱為第一模式。其他模式，亦即，第二(2nd)模式、第三(3rd)模式等為寄生模式且應較佳地具有比第一模式之頻率更高的頻率，以便不干擾量測。
第一模式、第二模式以及第三模式之彈簧常數可分別根據方 程式(1)-(3)來判定：k 1 =Ew 3 h/4l 3 ， (1) κ=Gw 3 h/3l， (2) k 2 =Ewh 3 /4l 3 ， (3)其中k 1 為量測模式(第一模式)中之彈簧常數κ為非所要諧振模式(第二模式)中之彈簧常數k 2 為另一非所要諧振模式(第三模式)中之彈簧常數h為彈簧之高度(平面外方向)，l為當在至彈簧錨固器之連接點與至校驗質量塊之連接點之間量測時彈簧之長度w為彈簧之寬度(平面內方向)，以及E及G為楊氏模數及剪切模數。
可藉由配置彈簧尺寸來將感測器之設計最佳化，以使得將方程式(4)及(5)得以最大化。此意謂k 1 之值應盡可能小，而κ及k 2 之值應較大。
κ/k 1 =4Gl 2 /3E (4)
k 2 /k 1 =h 2 /w 2 (5)
因此，在鑒於方程式(4)及(5)來最佳化之設計中，在製造製程及量測模式(第一模式)之所要頻率的限制條件內，彈簧長度(l)應盡可能大，彈簧寬度(w)應盡可能小，且彈簧高度(h)應盡可能大。
在圖1之配置中，彈簧之長度已藉由以下方式來最大化：將該長度設計為沿矩形之最長對角尺寸延伸，且甚至部分地處於進入接近於 元件框架之一個轉角定位的三角狀校驗質量塊內部，而該彈簧之另一端部錨固至元件框架之相對轉角。三角狀校驗質量塊意謂：校驗質量塊包括轉角區段，該轉角區段可與元件框架之轉角對準。更確切而言，校驗質量塊2可具有多邊形形式，其中兩個相鄰側面段40、41形成直角。相鄰側面段40中之一者可平行於縱向方向，且相鄰側面段41中之另一者平行於橫向方向。當校驗質量塊接近於元件框架之轉角定位時，此等相鄰側面段40、41之間的轉角頂點42最靠近元件框架之第二頂點31。第二頂點31為在元件框架1之矩形形式中與第一頂點30相對之頂點。當彈簧5在校驗質量塊2內部延伸時，校驗質量塊之側表面之至少部分比彈簧至校驗質量塊之連接點更靠近第一頂點30延伸。此可例如藉由包括切口28之校驗質量塊來實行，彈簧5在該切口內延伸至與校驗質量塊之連接點，但藉由薄間隙與校驗質量塊分離。
鑒於方程式(4)及(5)，在圖1之配置中，寄生振動模式可藉由例如允許彈簧5採用裝置層之最大高度及元件框架之矩形形式內的最大長度來保持盡可能高，而彈簧寬度經設計有用以將系統配置至所要量測範圍的校驗質量塊尺寸。
即使寄生諧振模式可經設計以具有高彈簧常數，但中g值感測器之所有模式(亦即，量測模式及寄生模式)應受高度阻尼以避免振動問題。在本發明中，此可藉由高氣體壓力及與封蓋晶圓之淺平面外間隙來進行。轉子指狀物與定子指狀物之間的間隙亦可保持較小。利用此等措施，除沿對角彈簧軸25之平面內模式外的所有其他模式通常受高度阻尼。然而，此非阻尼模式為相較於量測模式而固有地具有非常高彈簧常數之本體 模式(bulk mode)：k 3 =Ewh/l, (6) k 3 /k 1 =4l 2 /w 2 (7)
其中k 1 為量測模式(第一模式)中之彈簧常數k 3 為另一非所要諧振模式(第四模式)中之彈簧常數。
在平行板電容器中，電容與重疊面積成正比且與兩個電容器板之間的間距成反比。平行板電容器可用以產生閉合間隙結構或面積調變結構或其混合體。在閉合間隙結構中，電容器板朝向彼此移動及遠離彼此移動。通常，該等板中之一者為靜止的(定子)，而另一板(轉子)移動得更靠近該靜止板及進一步遠離該靜止板。電容行為則可利用方程式(1)來大致模型化
其中C為電容，ε為電容率，A為該等板之間的重疊面積，d為該等板之間的初始間隙，x為自初始間隙位置之位移，以及C f 為靜態雜散電容。
在圖1之示範性配置中，可將平行板電容器視為閉合間隙結構。此意謂電容器之所量測電容主要根據梳指之間的間隙之寬度來改變。一或多個梳狀電容器之平行板電容器可經配置以使得自該等平行板電容器延伸之每一定子梳指等長，此為吾等所要的，以使得該等定子梳指將為同等剛性的且具有相同(寄生)共振頻率。此可藉助於特定形式之校驗質量塊來達成且相應地形成定子線棒3a、3b。有利地，梳狀電容器之梳指至少在彈簧之非撓曲狀態下具有相同重疊面積。圖1展示如何構造該等指以具有相 同長度之一個實例。可在範疇內應用其他可能之設計。
在圖1之配置中，校驗質量塊2具有交錯多邊形形式且轉子梳指4a、4b自校驗質量塊2之至少三個側面段朝定子梳指6a、6b延伸。定子線棒3a、3b亦具有與校驗質量塊2之該等側面段匹配的多邊形形式，以使得一或多個梳狀電容器之平行板電容器具有相同重疊面積，且每一梳狀電容器9a、9b之梳指具有相同長度。
第一剛性定子線棒3a係利用定子錨固器8a錨固至基板7，且第二剛性定子線棒3b係利用另一定子錨固器8b錨固至基板7。自定子錨固器8a、8b至彈簧錨固器11之距離可經調整以小於第一縱向側面21與第一橫向側面23中較小者之一半。以此方式，轉子梳指4a、4b及定子梳指6a、6b至基板7之錨固點彼此接近，從而改良感測器對抗外部應力之穩固性。
圖2為包含至少一個如上所述之微機電系統感測器的半導體封裝之示意橫截面視圖。在先前技術解決方案中，通常存在用於每一量測軸之單獨微機電系統元件。例如，氣囊電子系統量測各種感測器信號且控制若干不同的致動器，以努力防止乘客在事故情況下受傷。在此等系統中，使用加速計及陀螺儀以提供量測任意運動及位置之能力。往往需要將用作ESC感測器之低g值加速計及陀螺儀與氣囊系統之中g值加速計整合以減小大小及成本。
圖2之封裝12展示半導體封裝，該半導體封裝包括構造用於氣囊系統之特定應用積體電路(ASIC)13，以及用於量測旋轉運動之微機電系統陀螺儀14。可於單個晶粒15上緊湊地並排製造本發明之兩個中g值加 速計16及17以及一個3軸低g值加速計18，並將該等加速計包括於封裝12中。晶粒15可連接至ASIC13。
熟習此項技術者顯而易見的是，隨著技術進步，本發明之基本觀念可以各種方式實行。本發明及其實施例因此並不限於以上實例，但本發明及其實施例可在申請專利範圍之範疇內有所改變。
1‧‧‧元件框架
2‧‧‧校驗質量塊
5‧‧‧彈簧
7‧‧‧基板
11‧‧‧彈簧錨固器
20‧‧‧縱向側面
21‧‧‧縱向側面
22‧‧‧橫向側面
23‧‧‧橫向側面
25‧‧‧彈簧軸
28‧‧‧切口
30‧‧‧第一頂點
31‧‧‧第二頂點
40‧‧‧相鄰側面段
41‧‧‧相鄰側面段
42‧‧‧轉角頂點
3a‧‧‧定子線棒
4a‧‧‧轉子梳指
6a‧‧‧定子梳指
9a‧‧‧梳狀電容器
3b‧‧‧定子線棒
4b‧‧‧轉子梳指
6b‧‧‧定子梳指
9b‧‧‧梳狀電容器

Claims (21)

  1. 一種微機電系統感測器，其具有用於量測加速度的可移動構件及固定構件，其中該等構件包括一基板、一元件框架、一彈簧錨固器、一校驗質量塊以及一撓曲彈簧；該元件框架及該彈簧錨固器係剛性地固定至該基板；該彈簧之一端部係連接至該校驗質量塊且該彈簧之相對端部係連接至該彈簧錨固器；在該彈簧之一非撓曲狀態下，一彈簧軸在該彈簧之相對的兩端部之間延伸；該校驗質量塊及該彈簧沿一共同平面延伸，藉此該彈簧將該校驗質量塊懸置至於該共同平面內之一旋轉運動模式；該元件框架具有一矩形形式，以使得在該共同平面內，該元件框架之一外表面具有四個側面，當該橫向方向垂直於該縱向方向時，該等四個側面之兩個縱向側面在一縱向方向上平行延伸，且該等四個側面之兩個橫向側面在一橫向方向上平行延伸；其特徵在於該元件框架之該矩形形式包括一第一縱向側面及一第一橫向側面，該等側面藉由最靠近該彈簧錨固器之一第一頂點連接；該彈簧軸與該第一縱向側面及與該第一橫向側面形成一銳角，當經受垂直於該彈簧軸之平面內方向上施加之力時，該彈簧係撓曲且彎曲的，且該彈簧在任何其他方向上為剛性的，從而產生針對量測一範圍內之加速度的一固有靈敏度，該範圍涵蓋該縱向方向上及該橫向方向上之加速度。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器，其中該彈簧軸與該元件框架之該第一縱向側面及與該元件框架之該第一橫向側面形成一45°銳角。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之微機電系統感測器，其中該彈簧為一桿狀彈簧，或一曲折彈簧。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之微機電系統感測器，其中該校驗質量塊之一側表面之至少部分比該彈簧至該校驗質量塊之一連接點更靠近該第一頂點延伸。
  5. 如申請專利範圍第4項之微機電系統感測器，其中該校驗質量塊包括一切口，在該切口內該彈簧延伸至該連接點。
  6. 如申請專利範圍第5項之微機電系統感測器，其中該校驗質量塊具有一多邊形形式，其中兩個相鄰側面段形成一直角，該等相鄰側面段中之一者平行於該縱向方向，且該等相鄰側面段中之另一者平行於該橫向方向，且該等相鄰側面段之間的一轉角頂點最靠近一第二頂點，其中該第二頂點與該元件框架之該矩形形式中之該第一頂點相對。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之微機電系統感測器，該微機電系統感測器包含經配置用於量測該等加速度之一或多個梳狀電容器，其中每一梳狀電容器包括經耦接以隨該校驗質量塊移動的一組轉子梳指，以及剛性地固定至該基板的一組定子梳指。
  8. 如申請專利範圍第7項之微機電系統感測器，其中該組轉子梳指中之每一轉子梳指與該組定子梳指中相鄰於該每一轉子梳指之一定子梳指一同形成一平行板電容器。
  9. 如申請專利範圍第8項之微機電系統感測器，其中，在該彈簧之該非撓曲狀態下，該一或多個梳狀電容器之該等平行板電容器具有相同重疊面積。
  10. 如申請專利範圍第8項之微機電系統感測器，其中，該組定子梳指中之每一定子梳指具有相同長度。
  11. 如申請專利範圍第8項之微機電系統感測器，其中該第一組定子梳指連接至一第一剛性定子線棒，且該組第二定子梳指連接至一第二剛性定子線棒，該等定子線棒係錨固至該基板。
  12. 如申請專利範圍第10項之微機電系統感測器，其中該校驗質量塊具有一多邊形形式且每一組轉子梳指自該校驗質量塊之至少三個側面段朝向該定子梳指延伸；該等定子線棒具有與該校驗質量塊之該等側面段匹配之一多邊形形式，以使得當該等定子梳指具有相等長度時，該一或多個梳狀電容器之該等平行板電容器具有相同重疊面積。
  13. 如申請專利範圍第7項之微機電系統感測器，該微機電系統感測器包含一對梳狀電容器，其由一第一梳狀電容器及一第二梳狀電容器組成，該第一梳狀電容器具有第一轉子梳指及第一定子梳指，該第二梳狀電容器具有第二轉子梳指及第二定子梳指，該對梳狀電容器係用於差分偵測。
  14. 如申請專利範圍第7項之微機電系統感測器，其中該定子梳指與該元件框架之該第一縱向側面及與該元件框架之該第一橫向側面形成一第一銳角，且該轉子梳指與該元件框架之該第一縱向側面及與該元件框架之該第一橫向側面形成一第二銳角。
  15. 如申請專利範圍第14項之微機電系統感測器，其中該第一銳角與該第二銳角相同。
  16. 如申請專利範圍第15項之微機電系統感測器，其中該第一銳角及該第二銳角為45°銳角，且該彈簧軸亦與該元件框架之該第一縱向側面及與該元件框架之該第一橫向側面形成一45°銳角。
  17. 如申請專利範圍第14項之微機電系統感測器，其中該第一銳角與該第二銳角不同。
  18. 如申請專利範圍第17項之微機電系統感測器，其中該第一銳角與該第二銳角之間的差異經調整以藉由該等轉子梳指消除，在該校驗質量塊之該旋轉運動模式中，該等轉子梳指在最大位移處或該最大位移之一半處變得平行於該等定子梳指。
  19. 如申請專利範圍第11項之微機電系統感測器，其中該等定子線棒係利用定子錨固器錨固至該基板，且自該等定子錨固器至該彈簧錨固器之距離小於該第一縱向側面與該第一橫向側面中較小者之一半。
  20. 一種半導體封裝，其包含至少一個如申請專利範圍第1至19項中之任一項之微機電系統感測器。
  21. 一種半導體封裝，其係用於氣囊用途，且其包含兩個如申請專利範圍第1項之微機電系統感測器，以建構為中g值微機電系統加速計以及一低g值微機電系統加速計及/或一微機電系統陀螺儀。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI809380B (zh) * 2021-02-22 2023-07-21 台灣積體電路製造股份有限公司 微機電系統元件、微機電系統加速度計及其形成方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190169018A1 (en) * 2017-12-05 2019-06-06 Invensense, Inc. Stress isolation frame for a sensor
US20210385586A1 (en) * 2020-06-04 2021-12-09 Georgia Tech Research Corporation Systems and methods having multi-axis sensitivity and translational mode shapes
JP2023036260A (ja) * 2021-09-02 2023-03-14 株式会社東芝 センサ及び電子装置
US11932531B2 (en) 2022-01-13 2024-03-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Curved cantilever design to reduce stress in MEMS actuator
CN114088976B (zh) * 2022-01-24 2022-04-12 成都华托微纳智能传感科技有限公司 一种梳齿间隙可调式mems加速度计

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5083466A (en) * 1988-07-14 1992-01-28 University Of Hawaii Multidimensional force sensor
US7194376B2 (en) * 2004-04-27 2007-03-20 Delphi Technologies, Inc. Circuit and method of processing multiple-axis sensor output signals
CN103999364A (zh) * 2011-12-16 2014-08-20 美国亚德诺半导体公司 用于多个通道的低噪声放大器

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4969359A (en) * 1989-04-06 1990-11-13 Ford Motor Company Silicon accelerometer responsive to three orthogonal force components and method for fabricating
JP2000065855A (ja) 1998-08-17 2000-03-03 Mitsubishi Electric Corp 半導体加速度スイッチ、半導体加速度スイッチの製造方法
JP2000097966A (ja) * 1998-09-24 2000-04-07 Tokai Rika Co Ltd 加速度センサ及び加速度センサ装置
DE19938206A1 (de) * 1999-08-12 2001-02-15 Bosch Gmbh Robert Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor
EP1172657B1 (en) * 2000-07-10 2006-08-23 Infineon Technologies SensoNor AS Accelerometer
FR2888394A1 (fr) 2005-07-08 2007-01-12 Commissariat Energie Atomique Dispositif capacitif a volume capacitif optimise
US8165323B2 (en) * 2006-11-28 2012-04-24 Zhou Tiansheng Monolithic capacitive transducer
US8310128B2 (en) * 2008-05-07 2012-11-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois High precision silicon-on-insulator MEMS parallel kinematic stages
US8553389B1 (en) * 2010-08-19 2013-10-08 MCube Inc. Anchor design and method for MEMS transducer apparatuses
US8477473B1 (en) * 2010-08-19 2013-07-02 MCube Inc. Transducer structure and method for MEMS devices
US8710599B2 (en) * 2009-08-04 2014-04-29 Fairchild Semiconductor Corporation Micromachined devices and fabricating the same
US8936959B1 (en) * 2010-02-27 2015-01-20 MCube Inc. Integrated rf MEMS, control systems and methods
DE102010028005A1 (de) * 2010-04-20 2011-10-20 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Bewegungen
WO2012127685A1 (ja) 2011-03-24 2012-09-27 富士通株式会社 音叉型振動子
US9027403B2 (en) 2012-04-04 2015-05-12 Analog Devices, Inc. Wide G range accelerometer
FI127000B (en) * 2015-06-26 2017-09-15 Murata Manufacturing Co MEMS sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5083466A (en) * 1988-07-14 1992-01-28 University Of Hawaii Multidimensional force sensor
US7194376B2 (en) * 2004-04-27 2007-03-20 Delphi Technologies, Inc. Circuit and method of processing multiple-axis sensor output signals
CN103999364A (zh) * 2011-12-16 2014-08-20 美国亚德诺半导体公司 用于多个通道的低噪声放大器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI809380B (zh) * 2021-02-22 2023-07-21 台灣積體電路製造股份有限公司 微機電系統元件、微機電系統加速度計及其形成方法

Also Published As

Publication number Publication date
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CN107003333B9 (zh) 2019-12-06
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CN107003333A (zh) 2017-08-01
TW201625953A (zh) 2016-07-16

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