TWI668412B - 電容式微機電加速度計及相關方法 - Google Patents

Abstract

本發明描述一種微機械加速度計，其包含：一感測器，其用於量測沿著垂直於一基板平面之一垂直軸線之加速度；及一加速度計封裝，其具有鄰近於且平行於該基板平面之至少一個內部封裝平面。該第一感測器包含相對於該基板行動之一轉子、一轉子懸掛件，及相對於該基板不動之一或多個定子。該轉子為一蹺蹺板框架，其中縱向轉子桿包含一或多個第一偏轉電極，且第二偏轉電極在該一或多個第一偏轉電極中之每一者上方及/或下方固定至該內部封裝平面，使得其重疊。該加速度計可經組態以藉由將一測試電壓施加至至少一個第一偏轉電極及至少一個第二偏轉電極而執行一自我測試。可運用轉子及定子電極之間的一電容式量測來讀取一自我測試回應信號。

Description

電容式微機電加速度計及相關方法

本發明係關於電容式加速度計且係關於加速度感測器，其具有可移動轉子，當加速度計經歷與加速度組件一起垂直於基板平面之移動時，可移動轉子可在基板平面外旋轉。此等感測器可與在基板平面中量測加速度之兩個其他感測器組合以形成三軸加速度計。此等加速度計可用於汽車應用，諸如電子穩定性控制(Electronic Stability Control：ESP/ESC)、防鎖死刹車(Antilock Braking；ABS)、電動停車刹車(Electric Parking Brake；EPB)、上坡輔助(Hill Start Assistance；HSA)、電子控制懸掛(Electronically Controlled Suspension；ECS)、前照燈調平(headlight levelling)或安全氣囊部署(airbag deployment)。

三軸加速度計中之每一電容式感測器可包含相對於基板不動之定子及相對於基板至少部分地行動之轉子。在本發明中，術語「轉子」及「定子」兩者皆係指交鏈微機械結構，諸如桿或樑。該等結構及其互連件可藉由蝕刻基板(例如矽基板)而形成。

在本發明中，術語「桿」及「樑」係指例如由矽製成之細長結構，其相較於可被稱為「彈簧」之較可撓性結構為剛性。剛性及可撓性為相對術語。儘管構成轉子之桿及樑將具有某一可撓性，但當轉子移動時，桿及樑仍 將相對於彼此良好近似地保持其相互位置，且僅是轉子被懸掛的彈簧將歸因於移動而經歷顯著的可撓性變形。

轉子及定子典型地包含在其交鏈結構中之至少一些上的導電電極區域以促進轉子與定子之間的電量測。

三軸加速度計典型地包含基板平面，其可被標記為xy平面。定子可為基板平面中之固定結構。加速度感測器可與轉子一起實施於基板平面中，轉子回應於沿著該平面中之軸線的加速移動而經歷沿著彼軸線之線性運動。本發明主要集中於加速度感測器，其中轉子被實施為蹺蹺板(seesaw)，使得其附接至一或多個扭轉彈簧且回應於不平行於由扭轉彈簧界定之旋轉軸線的加速移動而經歷圍繞彼軸線之旋轉運動。

若轉子被實施為蹺蹺板，則其質心不應與旋轉軸線重合，此係因為重合將使會對線性加速度無回應。蹺蹺板轉子因此至少在一定程度上應為不平衡蹺蹺板。蹺蹺板轉子可被實施為完全單側蹺蹺板，使得轉子之所有部分皆處於旋轉軸線之一個側上，該側可被稱為第一側。。更精確而言，若有可能繪製與蹺蹺板轉子之旋轉軸線交叉的平面，使得整個轉子處於該平面之一個側上，則蹺蹺板轉子為單側。被實施為蹺蹺板之轉子亦可為雙側，使得轉子之一些部分處於軸線之一個側上，該側可被稱為第一側，且一些部分處於軸線之相對側上，該相對側可被稱為第二側。對於雙側轉子，沒有可能繪製與其旋轉軸線交叉之平面，使得整個轉子處於該平面之一個側上。

文件US2007119252揭示一種包含加速度感測器之三軸加速度計，加速度感測器用於量測基板平面中之加速度且用於量測平面外加速度。

偏轉測試可用以驗證加速度感測器中之慣性質量通常在外部衝擊之後移動、停止及釋放。安全性要求會增加針對加速度計組件可經程式化以自主地執行之偏轉測試的需要。此等自我測試要求轉子上之某些電極用作偏轉電極。當將已知量值之偏轉電壓信號施加至偏轉電極時，轉子會偏轉某一量。運用正常量測電極所執行之量測確認偏轉度是否對應於在此偏轉電壓下之預期偏轉，且確認轉子未被卡住。

US2007119252中所呈現之加速度計的缺點為不能容易實施自我測試功能性。用於信號讀出之轉子/定子電極未提供足夠電力用於自我測試偏轉。

本發明之一目標係提供一種用於減輕上述缺點之設備。

本發明之目標係由特徵為獨立請求項中陳述之內容的配置達成。在附屬請求項中揭示了本發明之較佳實施方式。

本發明係基於在具有框架狀轉子之z軸加速度感測器上實施偏轉電極的觀念。偏轉電極可被實施為接近於轉子旋轉軸線。

13‧‧‧橫向轉子桿

14‧‧‧縱向轉子桿

15‧‧‧縱向轉子桿

16‧‧‧橫向定子桿

17‧‧‧橫向定子桿

21‧‧‧加速度計封裝

31‧‧‧第一重疊區域

32‧‧‧第二重疊區域

41‧‧‧第一重疊區域

42‧‧‧第二重疊區域

53‧‧‧橫向轉子桿

54‧‧‧第一縱向轉子桿

55‧‧‧第二縱向轉子桿

56‧‧‧橫向定子桿

57‧‧‧橫向定子桿

61‧‧‧第二感測器

62‧‧‧第三感測器

63‧‧‧橫向轉子桿

64‧‧‧第一縱向轉子桿

65‧‧‧第二縱向轉子桿

66‧‧‧橫向定子桿

67‧‧‧橫向定子桿

101‧‧‧第一偏轉電極/突起部區域

102‧‧‧第一偏轉電極/突起部區域

103‧‧‧突起部區域

104‧‧‧突起部區域

131‧‧‧轉子電極指狀物

161‧‧‧定子電極指狀物

162‧‧‧定子錨點

171‧‧‧定子電極指狀物

172‧‧‧定子錨點

181‧‧‧第一橫向轉子懸掛件桿

182‧‧‧轉子錨點

183‧‧‧第二橫向轉子懸掛件桿

191‧‧‧第一橫向扭轉彈簧

193‧‧‧第二橫向扭轉彈簧

201‧‧‧第二偏轉電極

202‧‧‧第二偏轉電極

211‧‧‧內部封裝平面

501‧‧‧突起部區域

503‧‧‧突起部區域

531‧‧‧轉子電極指狀物

561‧‧‧定子電極指狀物

562‧‧‧定子錨點

571‧‧‧定子電極指狀物

572‧‧‧定子錨點

581‧‧‧第一橫向轉子懸掛件桿

582‧‧‧轉子錨點

583‧‧‧第二橫向轉子懸掛件桿

591‧‧‧第一橫向扭轉彈簧

593‧‧‧第二橫向扭轉彈簧

601‧‧‧突起部區域

602‧‧‧突起部區域

603‧‧‧突起部區域

604‧‧‧突起部區域

631‧‧‧轉子電極指狀物

661‧‧‧定子電極指狀物

662‧‧‧定子錨點

671‧‧‧定子電極指狀物

672‧‧‧定子錨點

681‧‧‧第一橫向轉子懸掛件桿

682‧‧‧轉子錨點

683‧‧‧第二橫向轉子懸掛件桿

684‧‧‧第一縱向位移桿

685‧‧‧第二縱向位移桿

691‧‧‧第一橫向扭轉彈簧

693‧‧‧第二橫向扭轉彈簧

901‧‧‧加速度計系統

902‧‧‧加速度計

903‧‧‧控制元件

A-A‧‧‧橫截面

LSA‧‧‧縱向對稱軸線

RRA‧‧‧橫向轉子旋轉軸線

L‧‧‧距離

D‧‧‧距離

在下文中，將參考隨附圖式而藉助於較佳實施方式來更詳細地描述本發明，在圖式中圖1繪示電容式加速度計中之第一感測器。

圖2繪示來自圖1之橫截面A-A中的第一感測器及加速度計封裝之部分。

圖3繪示第一及第二偏轉電極之間的區域重疊之第一實施方式。

圖4繪示第一及第二偏轉電極之間的區域重疊之第二實施方式。

圖5繪示電容式加速度計中之第一感測器。

圖6繪示加速度計亦包括第二及第三感測器之實施方式。

圖7繪示本發明中所描述之方法。

圖8亦繪示本發明中所描述之方法。

圖9繪示包含加速度計及控制單元之系統。

該等繪示係示意性的且尚未按比例繪製。

本發明描述一種電容式微機械加速度計，其包含：基板，其界定在橫向方向及縱向方向上延伸之基板平面，橫向方向垂直於縱向方向；及第一感測器，其用於量測沿著垂直於基板平面之垂直軸線之加速度；及加速度計封裝，其具有鄰近於且平行於基板平面之至少一個內部封裝平面。第一感測器包含相對於基板行動之轉子、轉子懸掛件，及相對於基板不動之一或多個定子。轉子包含一或多個轉子電極且一或多個定子包含一或多個定子電極，該等電極經組態用於差分電容式量測。轉子懸掛件包含附接至轉子之一或多個橫向扭轉彈簧，其中扭轉彈簧在橫向轉子旋轉軸線上對準。

轉子為蹺蹺板框架，其至少包含橫向轉子桿、附接至橫向轉子桿之第一縱向轉子桿及附接至橫向轉子桿之第二縱向轉子桿。至少一個縱向轉子桿包含一或多個第一偏轉電極，且第二偏轉電極在一或多個第一偏轉電極中之每一者上方及/或下方固定至內部封裝平面，使得一或多個第一偏轉電極中之每一者在重疊區域中與對應第二偏轉電極在基板平面中之突出部重疊。

圖1示意性地繪示電容式加速度計中之第一感測器。基板平面在本發明中對應於xy平面。在本發明中，術語「基板」係指已供製備構成感測器之微機械結構的本體。當結構完成時，基板之剩餘部分形成環繞加速度計之支撐本體。基板可例如為矽晶圓。構成感測器之微機械結構可藉由蝕刻及塗佈方法而由基板製成。換言之，在本發明中，術語「基板」係指形成供製造加速度計中之微機電結構之結構層(或裝置層)的薄基板。此基板典型地需要來自單 獨的厚得多的處置晶圓或支撐晶圓之結構支撐。

垂直z軸可被定義為垂直於xy平面。圖1所描繪之一些微機械組件可具有與基板相同的厚度，其他微機械組件可具有較小厚度。在本發明中，基板在其整個厚度上構成xy平面，且術語「上方」及「下方」係指與基板之表面的在z座標上之差異。換言之，圖1所描繪之基板平面「上方」之物件可被解譯為相比於圖1所繪示之組件頂部表面較接近於觀看者，而該基板平面「下方」之物件可被解譯為相比於圖1所描繪之組件底部表面較遠離於觀看者。圖2繪示裝置組件14上方之加速度計封裝21，裝置組件14在基板平面中。

第一感測器經組態用於量測在z軸之方向上之加速度，z軸將在本發明中被稱作垂直軸線，且z軸垂直於基板平面。第一感測器包含轉子，轉子包含橫向轉子桿13及兩個縱向轉子桿14及15。橫向轉子桿13及兩個縱向轉子桿14及15一起形成可部分地環繞基板平面上之其他組件的框架。轉子亦包含轉子電極指狀物131之集合，轉子電極指狀物131充當轉子電極。相比於圖1示意性地所繪示之情形，指狀物之數目可大得多，且指狀物之間的分離度小得多。

圖1中之感測器亦包含具有橫向定子桿16及17以及定子電極指狀物161及171之對應集合的兩個定子，定子電極指狀物161及171充當定子電極。轉子及定子電極可被塗佈，且其可自基板之頂部及/或底部表面垂直地凹入。如圖1所繪示，框架狀轉子可部分地環繞定子。橫向定子桿16及17在定子錨點162及172處固定至基板。術語「錨點」在本發明中係指諸如桿之物件可牢固地附接至基板的區。

轉子及定子電極之位置及數目以及其幾何形狀及相互定位可取決於預期量測應用而以許多方式被最佳化用於電容式量測。

轉子自轉子懸掛件懸掛，轉子懸掛件可錨定至一或多個轉子錨點。在本發明中，術語「懸掛件」係指包含至少一或多個扭轉彈簧之結構。若 一或多個扭轉彈簧不直接連接至錨點，則懸掛件結構亦可指按自該(該等)轉子錨點延伸至扭轉彈簧之序列而連接的桿或樑。轉子在橫向的扭轉彈簧扭轉地扭絞時轉動。懸掛件中之選用桿或樑不會經歷大量彎曲或扭絞。代替地，其主要功能為位移，此係因為其允許轉子錨點置放成與扭轉彈簧相隔某一距離。

在本發明中，術語「扭轉彈簧」係指具有縱橫比之矽結構，該等縱橫比使該扭轉彈簧易遭受圍繞其縱長維度之扭轉扭絞。在此狀況下，「橫向」扭轉彈簧意謂縱長維度與圖1中之x軸平行的彈簧。橫向扭轉彈簧可在y方向上窄以允許扭轉扭絞，但在垂直Z方向上厚以防止xy平面外之平移移動。替代地，橫向扭轉彈簧可在xy平面中具有曲折形狀且在z方向上厚。曲折彈簧可允許圍繞x軸之扭轉扭絞，例如，未必在y軸之方向上窄。

圖1繪示感測器，其中懸掛件包含第一橫向轉子懸掛件桿181及第二橫向轉子懸掛件桿183，且其中第一橫向扭轉彈簧191附接至第一橫向轉子懸掛件桿181之末端，且第二橫向扭轉彈簧193附接至第二橫向轉子懸掛件桿183之末端。橫向轉子懸掛件桿181及183錨定至轉子錨點182。若扭轉彈簧需要位移為較遠離於懸掛件錨點，則可將額外懸掛件桿添加於錨定懸掛件桿與扭轉彈簧之間。此等額外懸掛件桿可在橫向方向上或縱向方向上延伸。

包含橫向轉子桿13及第一縱向轉子桿14及第二縱向轉子桿15之轉子可被稱為「蹺蹺板」，此係因為橫向扭轉彈簧191及193允許轉子圍繞圖1所繪示之橫向轉子旋轉軸線(RRA)樞轉。此軸線係由扭轉彈簧191及193之位置判定。兩個扭轉彈簧必須在同一軸線上對準以促進轉子之旋轉或樞轉。

當加速度計經歷垂直方向上之加速運動時，轉子可圍繞橫向轉子旋轉軸線旋轉，且可運用在上文所描述之轉子及定子電極之間進行的差分電容式量測來偵測此移動。

圖1所繪示之轉子亦可被特性化為雙側蹺蹺板，此係因為其延伸 至橫向轉子旋轉軸線(其可在下文中被稱作RRA或橫向RRA)之兩個側。換言之，每一縱向轉子桿14及15跨越橫向轉子旋轉軸線自橫向轉子旋轉軸線之第一側延伸至第二側。

此係自圖2中之另一角度被繪示，圖2展示來自圖1之橫截面A-A。圖2展示第一縱向轉子桿14及加速度計封裝21，其中內部封裝平面211鄰近於基板平面。縱向轉子桿14延伸至RRA之兩個側。換言之，轉子14既在第一方向上又在第二方向上自RRA延伸。此等兩個方向完全相對，此係因為轉子形成圍繞RRA旋轉之平面結構。在圖2中，第一縱向轉子桿處於基板平面中。第一方向為正y方向且第二方向為負y方向。當加速度計經歷在z軸之方向上的加速度時，轉子圍繞RRA在xy平面外旋轉。扭轉彈簧191及193之硬度應經組態以運用應用特定的所要加速度達到合適移動。

封裝21向左側及右側延伸超出第一感測器。封裝在所有側上環繞加速度計，但遠離於感測器的封裝之部分與本發明不相關且在圖2中未繪示。封裝與感測器之間的空間為密封空間，典型地填充有惰性氣體。

圖1中之轉子包含縱向轉子桿14及15中之對稱方形突起部區域101至104。此等突起部區域中之一者或多者可經由扭轉桿、懸掛件桿及錨點而連接至外部電路。突起部未必需要為方形。其可具有矩形形式或任何其他形式。電極原則上甚至可實施於縱向轉子桿上而根本不在該等桿上形成任何突起部，但窄桿之表面積本身可能不足以產生足夠電力來使轉子明顯地位移。

轉子上之每一第一偏轉電極需要鄰近反電極以產生使轉子偏轉之電力。此反電極(其在本發明中被稱作第二偏轉電極)需要垂直地極近接於第一偏轉電極。第二偏轉電極可製備於加速度計封裝上且可塗佈有導電材料。

圖2繪示突起部區域101及102之位置。第二偏轉電極201及202可在突起部區域101及102上方或下方製造於內部封裝平面211上。圖2中繪示第二 偏轉電極已製造於突起部區域101及102上方的設備。第二偏轉電極203及204(未繪示)可對應地分別在突起部區域103及104上方或下方製造於內部封裝平面上。

偏轉電極對可使轉子偏轉的方向取決於此對中之第二偏轉電極位於第一偏轉電極上方抑或下方，且取決於偏轉電極對相對於轉子旋轉軸線之位置。舉例而言，自所繪示視角來看，圖2中之偏轉電極對101-201可使轉子順時針地偏轉，而自所繪示視角來看，偏轉電極對102-202可使轉子逆時針地偏轉。若將第二偏轉電極201至202代替地置放於轉子下方(未繪示之替代例)，則偏轉方向將反轉。

第一及第二偏轉電極之間的垂直間隙可在0.5μm與5μm之間。可利用單獨的停止結構以防止轉子與封裝接觸。若電場足夠強，則施加至每一對偏轉電極(第一對101+201、第二對102+202)之電壓將產生使轉子圍繞RRA旋轉之扭力。電場係由施加電壓及由第一偏轉電極與第二偏轉電極之間的區域重疊判定。

第一偏轉電極不需要具有與第二偏轉電極確切地相同的大小、面積或xy位置。每當第一偏轉電極與第二偏轉電極在基板平面中之突出部重疊時，就會產生電場。第二偏轉電極在基板平面中之突出部為處於xy平面中之在所討論之第二偏轉電極正下方的區域。第一偏轉電極與突出部重疊的區域可被稱為重疊區域。第一偏轉電極可大於第二偏轉電極，或反之亦然。

圖3繪示兩個第一偏轉電極以及兩個第二偏轉電極在基板平面中之突出部。重疊區域係運用條紋予以繪示。在所繪示組態中，轉子上之第一偏轉電極101及102大於封裝上之第二偏轉電極201及202，且其部分地重疊。第一重疊區域為31且第二重疊區域為32。圖4繪示存在僅一個第二偏轉電極201的組態，第二偏轉電極201至xy平面之突出部覆蓋第一偏轉電極101及102兩者。此 等第一偏轉電極101或102中之任一者可用以使轉子偏轉，但其兩者不能被同時地使用。在此狀況下，第一重疊區域41(同樣運用條紋予以繪示)與第一偏轉電極101重合，且第二重疊區域42與第一偏轉電極102重合。

在圖1所繪示之第一實施方式中，轉子為雙側蹺蹺板框架，此意謂第一縱向轉子桿14及第二縱向轉子桿15跨越橫向轉子旋轉軸線(RRA)自RRA之一個側延伸至RRA之第二側。偏轉電極可形成於突起部區域101至104中之一者或多者上。換言之，突起部區域101至104中之一些突起部區域可連接至電壓源，使得一些突起部區域可充當第一偏轉電極，而其他突起部區域可不具有電連接。第二偏轉電極201至204可在充當第一偏轉電極之突起部區域101至104上方製備於內部封裝平面上。第一偏轉電極及第二偏轉電極一起構成偏轉電極對。第一偏轉電極可全部連接至相同電位，而第二偏轉電極可連接至不同電位。

第一偏轉電極可例如由縱向轉子桿14或15中之任一者上的一個第一偏轉電極組成。此單獨第一偏轉電極可與橫向轉子桿13置放於RRA之同一側上。換言之，第一偏轉電極可製備於突起部區域101上或突起部區域103上。替代地，相較於橫向轉子桿13，單獨第一偏轉電極可置放於RRA之相對側上。在此狀況下，第一偏轉電極製備於突起部區域102上或突起部區域104上。

即使當突起部區域101、102、103及104中之僅一者用作偏轉電極時，其他突起部區域仍可存在於轉子中，如圖1中。其他突起部區域可用於其他目的，諸如阻尼。替代地，若突起部區域中之僅一者用作偏轉電極，則可移除其他突出部，使得縱向轉子桿14及15在惟用作偏轉電極的縱向桿中之一者上之突起部區域除外的各處窄。

使用僅一對偏轉電極(在基板平面中之第一偏轉電極及在內部封裝平面上之對應第二偏轉電極)之益處為易於對電極對進行電連接、需要較 少電佈線且元件之大小可較小，此會減少元件之成本。因為電力僅施加至轉子之一個側，所以轉子在其偏轉時經歷圍繞其縱向對稱軸線(LSA，圖1所繪示)之扭力。可使轉子懸掛件穩固而抵禦此擾動，使得其有效地防止轉子圍繞LSA旋轉或傾斜，同時允許其圍繞橫向RRA旋轉。

第一偏轉電極可例如由縱向轉子桿14或15中之任一者上的兩個第一偏轉電極組成。換言之，可藉由例如對突起部區域101及102進行電連接或替代地對突起部區域103及104進行電連接而製備第一偏轉電極。可在內部封裝平面上製備對應第二偏轉電極，以產生偏轉電極對。RRA之第一側上的偏轉電極對可用以使轉子圍繞RRA在第一方向上旋轉，而RRA之第二側上的偏轉電極對可用以使轉子圍繞RRA在第二方向上旋轉，第一方向與第二方向相對。

替代地，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿14上之一個第一偏轉電極及第二縱向轉子桿15上之一個第一偏轉電極組成。可例如在突起部區域101及103上製備此等第一偏轉電極。可在內部封裝平面上製備對應第二偏轉電極，以產生偏轉電極對。接著可在LSA之兩個側上將偏轉力對稱地且同時地施加至轉子。針對偏轉電極所選擇之突起部電極亦可為101及104，或102及103，使得第一偏轉電極中之一者在橫向轉子旋轉軸線之第一側上，而另一者在橫向轉子旋轉軸線之第二側上。

所有電極，無論其是否用於偏轉，皆可在其正常操作模式中連接至接地電位。當電極對稱地置放於RRA之兩個側上時，即使接地電位與轉子質量塊被連接至的電位不相同，電極也不會產生將使質量塊傾斜之電力。由具有不同功函數之材料組成的所有電極對經歷該等材料之間的電位差。此電位差常常被稱為內建式偏壓電壓。因為內建式偏壓電壓總是存在且亦可在元件之壽命期間偏移，所以重要的是電極對稱地置放於RRA之兩個側上。內建式偏壓電壓與轉子質量塊及同一電極對中之電極的外部電位差一起被求和。當RRA之不 同側上的電極經設計為彼此接近時，歸因於電極對內部之封裝應力或電極間隙溫度改變的改變很可能較好地彼此跟隨。又，因為內建式電位電壓係由材料表面化學實現，所以若電極對之間的距離小，則RRA之兩個側上的電極對改變很可能較相似。以此方式而最小化由電極產生之偏位誤差。

在橫向轉子旋轉軸線之任一側上，可存在第一縱向轉子桿14及/或第二縱向轉子桿15上之兩個或多於兩個突起部區域。增加偏轉電極對之數目會增加可在轉子偏轉時賦予至轉子之電力。此會增加偏轉幅度。亦可藉由增加偏轉電極之總重疊區域或藉由增加施加至電極之偏轉電壓而增加偏轉幅度。

一種用以利用多個偏轉電極之方式為，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿14上(例如突起部區域101及102上)之兩個第一偏轉電極及第二縱向轉子桿15上(例如突起部區域103及104上)之兩個第一偏轉電極組成，該等第一偏轉電極與製備於內部封裝平面上之對應第二偏轉電極配對。第一偏轉電極中之至少一者可位於橫向轉子旋轉軸線之第一側上，且第一偏轉電極中之至少一者可位於橫向轉子旋轉軸線之第二側上。

替代地，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿14或第二縱向轉子桿15上(例如突起部區域101及102上，或突起部區域103及104上)之兩個第一偏轉電極組成，使得一個第一偏轉電極在橫向轉子旋轉軸線之第一側上，而另一者在橫向轉子旋轉軸線之第二側上，如圖1所繪示。對應第二偏轉電極可製備於內部封裝平面上以在RRA之每一側上形成一個偏轉電極對。

替代地，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿14上之一個第一偏轉電極及第二縱向轉子桿15上之一個第一偏轉電極組成。此等第一偏轉電極中之一者可在橫向轉子旋轉軸線之第一側上，且另一者可在橫向轉子旋轉軸線之第二側上。換言之，一個第一偏轉電極可形成於突起部區域101上，且另一者可形成於突起部區域104上。或，一個第一偏轉電極可形成於突起部區域102 上，且另一者可形成於突起部區域103上。如前所述，對應第二偏轉電極可製備於內部封裝平面上以在RRA之每一側上及在縱向對稱軸線(LSA)之每一側上形成一個偏轉電極對。

上文所描述之第一偏轉電極組態中之任一者可用於本發明中所描述之任何實施方式，其中轉子為雙側蹺蹺板框架。

當一對偏轉電極存在於橫向轉子旋轉軸線之第一側及第二側兩者上時，在軸線之第一側上的對可用以使轉子圍繞軸線在第一方向上偏轉，且在轉子旋轉軸線之第二側上的對可用以使轉子圍繞軸線在第二方向上偏轉。第一方向可為圍繞橫向轉子旋轉軸線之順時針方向，且第二方向可為逆時針方向。

在圖5所繪示之第二實施方式中，轉子為單側蹺蹺板框架。在圖5中，元件符號53至57、501、503、531、561至562、571至572、582、591及593分別指示與圖1中之元件符號13至17、101、103、131、161至162、171至172、182、191及193相同的組件。第一縱向轉子桿54及第二縱向轉子桿55延伸至橫向轉子旋轉軸線，但並不跨越橫向轉子旋轉軸線。偏轉電極可形成於突起部區域501及503中之一者或兩者上。如在第一實施方式中，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成，該第一偏轉電極與製備於內部封裝平面上之對應第二偏轉電極配對。此會促進容易接觸。

替代地，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極及第二縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成，每一第一偏轉電極與製備於內部封裝平面上之對應第二偏轉電極配對。換言之，在縱向對稱軸線(LSA)之每一側上可存在一個偏轉電極對。

在第一偏轉電極上方可存在內部封裝平面中之一個第二偏轉電極，且在同一第一偏轉電極下方可存在內部封裝平面中之另一第二偏轉電極。 第二偏轉電極中之一者可用於使轉子圍繞RRA在第一方向上偏轉，而另一者可用於使轉子圍繞RRA在第二方向上偏轉。第一方向可為順時針方向，且第二方向可為逆時針方向。在本發明之其他實施方式中所提及的第一偏轉電極亦可與兩個第二偏轉電極配對，該等第二偏轉電極中之一者在第一偏轉電極上方，而另一者在第二偏轉電極下方。

除了上文所描述之第一感測器以外，三軸加速度計亦可含有用於量測xy平面中之加速度的兩個其他感測器。圖6繪示含有第二感測器61及第三感測器62之三軸加速度計。在圖6中，全部與第一感測器相關之元件符號63至67、601至604、631、661至662、671至672、682、691及693分別指示與圖1中之元件符號13至17、101至104、131、161至162、171至172、182及191至193相同的組件。

第二感測器61可經組態以量測在x軸之方向上的加速度，x軸在本發明中被稱作橫向軸線。第二感測器可為電容式微機械加速度感測器。第三感測器62可經組態以量測在y軸之方向上的加速度，y軸在本發明中被稱作縱向軸線。橫向軸線與縱向軸線正交。第三感測器可為電容式微機械加速度感測器。第二及第三感測器可為自先前技術所知的適合於量測在一個方向上之加速度的任何適用平面感測器。

若第一感測器中之框架狀轉子部分地環繞第二及第三感測器，則可在基板平面中之小區域上生產三軸加速度計。在本發明中，「轉子部分地環繞感測器」意謂每一矩形感測器61及62之三個側面向轉子之部分。圖6中之感測器的上側面對橫向轉子桿63，左側面對第一縱向轉子桿64，且右側面對第二縱向轉子桿65。

除了所耗用區域以外，關於第一感測器之其他設計考慮亦包括自橫向轉子旋轉軸線至轉子及定子電極上之量測電極的距離。距離愈長，則轉 子電極相對於定子電極之位移愈大，且電容式信號愈強。在圖6中，轉子電極指狀物631僅附接至橫向轉子桿63，因此電極與轉子旋轉軸線之間的距離可由自橫向轉子桿至轉子旋轉軸線之距離L表示。即使轉子電極指狀物將附接於轉子上之別處，相同的距離最佳化仍適用。

常常有益的是使第一感測器之轉子錨定器及定子錨定器保持彼此相當接近。機械應力因而將大致以相同方式使轉子及定子移動，且在轉子與定子之間的差分電容式量測中不產生錯誤信號。若錨定器接近於指狀物電極所處之橫向轉子桿，則錯誤信號亦較小。此外，當第一及第二扭轉桿在轉子旋轉軸線上彼此遠離時，寄生共振移動至較高頻率。

在圖6所繪示之加速度計中，第一感測器中之轉子懸掛件包含第一橫向轉子懸掛件桿681及第二橫向轉子懸掛件桿683，其中兩者皆自一個末端附接至轉子錨點682。轉子懸掛件亦包含附接至第一橫向轉子懸掛件681之第一縱向位移桿684。如所繪示，第一橫向扭轉彈簧691附接至第一縱向位移桿684之另一末端。轉子懸掛件亦包含附接至第二橫向轉子懸掛件683之第二縱向位移桿685。第二橫向扭轉彈簧693附接至第二縱向位移桿685之另一末端。

兩個縱向位移桿684及685皆自橫向轉子懸掛件681及683在遠離於橫向轉子桿63之方向上延伸。相比於與轉子錨點682交叉之橫向線，橫向轉子旋轉軸線(RRA)藉此置放為較遠離於橫向轉子桿63。換言之，距離L大於圖6所繪示之距離D。此轉子懸掛件組態藉此允許轉子錨點662、672及682置放為彼此接近，且其允許距離L相對長，同時仍使加速度計之總區域保持相對小，此係因為第二感測器61及第三感測器62係由轉子及轉子懸掛件部分地環繞。

如前所述，第一偏轉電極可由第一縱向轉子桿64或第二縱向轉子桿65上(例如突起部區域601及602上，或突起部區域603及604上)之兩個第一偏轉電極組成，使得一個第一偏轉電極在橫向轉子旋轉軸線之第一側上，而另一者在橫向轉子旋轉軸線之第二側上。對應第二偏轉電極可製備於內部封裝平面上以在RRA之每一側上形成一偏轉電極對。第一偏轉電極亦可由第一縱向轉子桿64及第二縱向轉子桿65兩者上之兩個第一偏轉電極組成，使得所有四個突起部區域601至604用作偏轉電極。在對應第二偏轉電極之情況下，其在RRA之每一側上形成兩個偏轉電極對。轉子旋轉軸線之第一側上的一對偏轉電極可用以使轉子圍繞軸線在第一方向上偏轉，且轉子旋轉軸線之第二側上的另一對可用以使轉子圍繞軸線在第二方向上偏轉。

可藉由將測試電壓施加至至少一個第一偏轉電極及對應第二偏轉電極而在第一感測器中之轉子上產生致動力來在上文所描述之加速度計中之任一者中執行自我測試。自我測試可包括使轉子圍繞轉子旋轉軸線在第一方向上旋轉之第一偏轉，隨後是使轉子圍繞轉子旋轉軸線在第二方向上旋轉之第二偏轉。可運用來自轉子及定子電極之電容式量測來讀取測試回應信號，且可比較回應與在加速度計被使用之前所編譯的表列校準值。校準值可包括具有臨限值極限之區間。

自我測試可由經組態以控制加速度計之控制元件執行。控制元件可包含處理器及記憶體單元，以及連接至加速度計之電控制構件。控制元件可經組態以按規則的間隔自主地執行自我測試，且在所量測之自我測試回應在臨限值極限之外的情況下產生錯誤碼。

圖7中繪示一種方法之步驟，其中將致動力施加一次。圖8中繪示另一方法之步驟，其中將致動力施加兩次以使轉子在兩個不同方向上旋轉。圖9中示意性地繪示包含加速度計902及控制元件903之加速度計系統901。

第一縱向轉子桿64及第二縱向轉子桿65上之突起部區域601至604亦可充當第一阻尼板，其與內部封裝平面上之第二偏轉電極一起或與僅出於阻尼目的而製備於內部封裝平面上之第二阻尼板一起可經組態以阻尼轉子移 動中之振動。窄桿之表面積本身不足以產生有形阻尼效應。

換言之，不管突起部區域601至604是否用作偏轉電極，其皆可用作阻尼板。第一及第二縱向轉子桿可包含至少兩個第一阻尼板，且第二阻尼板可在一或多個第一阻尼板中之每一者上方及/或下方的內部封裝平面。

第一阻尼板不需要具有與第二阻尼板確切地相同的大小、面積或xy位置。每當第一阻尼板與第二阻尼板在基板平面中之突出部重疊，從而以與圖3及圖4所繪示之偏轉電極相同的方式形成重疊區域時，就會發生阻尼。

可藉由在橫向轉子旋轉軸線之每一側上組態至少一個重疊區域來達成阻尼效應。第一及第二重疊區域可相對於轉子旋轉軸線對稱地配置。一種形式之對稱係當轉子旋轉軸線之第一及第二側上的第一及第二重疊區域之所有對共用與其在圖3及圖4兩者中之狀況相同的形狀、面積及與轉子旋轉相隔之距離時。第一及第二重疊區域在此狀況下相對於橫向轉子旋轉軸線所處的垂直平面係平面對稱的。

相對於轉子旋轉軸線之對稱性亦可以較不受限定之方式予以理解。若轉子旋轉軸線之兩個側上的偏轉電極對在使用相同電壓時對轉子結構產生相等但相反的力矩，則第一及第二重疊區域可被視為相對於橫向轉子旋轉軸線對稱。由偏轉電極中之電力產生的力矩M_e可由下式描述 其中V為電壓，C為電容，且θ為位移傾斜角。

Claims (14)

1. 一種電容式微機械加速度計，其包含一基板，其界定在一橫向方向及一縱向方向上延伸之一基板平面，該橫向方向垂直於該縱向方向，一第一感測器，其用於量測沿著垂直於該基板平面之一垂直軸線之加速度，及一加速度計封裝，其具有鄰近於且平行於該基板平面之至少一個內部封裝平面，其中該第一感測器包含相對於該基板行動之一轉子、一轉子懸掛件，及相對於該基板不動之一或多個定子，該轉子包含一或多個轉子電極且該一或多個定子包含一或多個定子電極，該等電極經組態用於差分電容式量測，該轉子懸掛件包含附接至該轉子之一或多個橫向扭轉彈簧，其中該等扭轉彈簧在一橫向轉子旋轉軸線上對準，其特徵在於該轉子為一蹺蹺板框架，其至少包含一橫向轉子桿、附接至該橫向轉子桿之一第一縱向轉子桿及附接至該橫向轉子桿之一第二縱向轉子桿，且至少一個縱向轉子桿包含一或多個第一偏轉電極，且一第二偏轉電極在該一或多個第一偏轉電極中之每一者上方及/或下方固定至該內部封裝平面，使得該一或多個第一偏轉電極中之每一者在一重疊區域中與對應的該第二偏轉電極在該基板平面中之突出部重疊。
2. 如請求項1所述之電容式微機械加速度計，其中該轉子為一雙側蹺蹺板框架。
3. 如請求項2所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成。
4. 如請求項2所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極及該第二縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成。
5. 如請求項4所述之電容式微機械加速度計，其中該等第一偏轉電極中之一者在該橫向轉子旋轉軸線之一第一側上，而另一者在該橫向轉子旋轉軸線之第二側上。
6. 如請求項2所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之兩個第一偏轉電極及該第二縱向轉子桿上之兩個第一偏轉電極組成，且每一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極在該橫向轉子旋轉軸線之一第一側上，而另一者在該橫向轉子旋轉軸線之一第二側上。
7. 如請求項2所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿或該第二縱向轉子桿上之兩個第一偏轉電極組成，且一個第一偏轉電極在該橫向轉子旋轉軸線之一第一側上，且另一者在該橫向轉子旋轉軸線之一第二側上。
8. 如請求項2所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極及該第二縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成，且該等第一偏轉電極中之一者在該橫向轉子旋轉軸線之一第一側上，且另一者在該橫向轉子旋轉軸線之一第二側上。
9. 如請求項2至8中任一項所述之電容式微機械加速度計，其中該第一縱向轉子桿及該第二縱向轉子桿亦包含至少兩個第一阻尼板，且第二阻尼板在該一或多個第一阻尼板中之每一者上方及/或下方固定至該內部封裝平面，使得至少一個第一阻尼板與一第二阻尼板至該基板平面之突出部在該橫向轉子 旋轉軸線之第一側上的一第一重疊區域中重疊，且至少一個第一阻尼板與一第二阻尼板至該基板平面之突出部在該橫向轉子旋轉軸線之第二側上的一第二重疊區域中重疊。
10. 如請求項9所述之電容式微機械加速度計，其中該第一重疊區域與該第二重疊區域相對於包括該橫向轉子旋轉軸線之垂直平面係平面對稱的。
11. 如請求項1所述之電容式微機械加速度計，其中轉子為一單側蹺蹺板框架。
12. 如請求項11所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成。
13. 如請求項11所述之電容式微機械加速度計，其中該一或多個第一偏轉電極由該第一縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極及該第二縱向轉子桿上之一個第一偏轉電極組成。
14. 一種用於在如請求項1至13中任一項所述之加速度計中執行一自我測試之方法，其中藉由將一測試電壓施加至至少一個第一偏轉電極及至少一個第二偏轉電極而將一致動力施加至該第一感測器中之該轉子，且運用來自該等轉子電極及該等定子電極之一電容式量測來讀取一測試回應信號。