CN102101635B

CN102101635B - 适用于微机电传感器的质量体与使用该质量体的三轴微机电传感器

Info

Publication number: CN102101635B
Application number: CN 200910253761
Authority: CN
Inventors: 王传蔚; 李昇达
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: CN102101635A

Abstract

本发明涉及一种三轴微机电传感器，包含：第一轴固定电极；第二轴固定电极；第三轴固定电极；可动电极框架，其包括第一轴可动电极、第二轴可动电极、第三轴可动电极、及将以上三轴可动电极连接在一起的连接元件，其中第一轴可动电极在第一轴上与第一轴固定电极构成第一电容、第二轴可动电极在第二轴上与第二轴固定电极构成第二电容、第三轴可动电极在第三轴上与第三轴固定电极构成第三电容，且该连接元件包含一中心质量体，此中心质量体与该第一轴、第二轴、或第三轴可动电极连接，该中心质量体具有外环及连接外环邻边的第一连接段；与可动电极框架连接的弹簧；以及与弹簧连接的固定柱，其中该第一、第二、第三轴彼此不互相平行而定义出三维坐标***。

Description

适用于微机电传感器的质量体与使用该质量体的三轴微机电传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于微机电传感器的质量体、与使用该质量体的三轴微机电传感器。

背景技术

微机电元件有各种应用，其中一种应用为制作电容式传感器，如加速度计、麦克风等等。现有技术的电容式传感器有同平面(in-planesensor)与出平面(out-of-plane)传感器两类，前者感测水平方向(x-y平面)上的电容变化，后者感测垂直方向(z轴)上的电容变化。有关同平面传感器或其制作方法的现有技术，例如可参阅美国专利第5,326,726号、第5,847,280号、第5,880,369号、第6,877,374号、第6,892,576号、第2007/0180912号。有关出平面传感器或其制作方法的现有技术，例如可参阅美国专利第6,402,968号、第6,792,804号、第6,845,670号、第7,138,694号、第7,258,011号。但迄今为止，尚无可以同时感测三轴方向上电容变化的传感器。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种三轴微机电传感器，其可以同时感测三轴方向上的电容变化。

本发明的另一目的在于，提出一种适用于微机电传感器的质量体。

为达上述目的，就本发明的其中一个观点而言，提供了一种三轴微机电传感器，包含：第一轴固定电极；第二轴固定电极；第三轴固定电极；可动电极框架，其包括第一轴可动电极、第二轴可动电极、第三轴可动电极、及将以上三轴可动电极连接在一起的连接元件，其中第一轴可动电极在第一轴上与第一轴固定电极构成第一电容、第二轴可动电极在第二轴上与第二轴固定电极构成第二电容、第三轴可动电极在第三轴上与第三轴固定电极构成第三电容，且该连接元件包含一中心质量体，此中心质量体与该第一轴、第二轴、或第三轴可动电极连接，该中心质量体具有外环及连接外环邻边的第一连接段；与可动电极框架连接的弹簧；以及与弹簧连接的固定柱，其中该第一、第二、第三轴彼此不互相平行而定义出三维坐标***，其中第一、第二轴固定电极设置在可动电极框架的区域內部。

上述三轴微机电传感器中，该可动电极框架可为对称或不对称结构。

上述三轴微机电传感器中，该连接元件可包含一中心质量体，而该第一轴可动电极与该第二轴可动电极可位于该中心质量体的四边延伸方向或四角延伸方向，与该中心质量体连接。该第三轴可动电极亦可位于该中心质量体的四角延伸方向或四边延伸方向，与该中心质量体连接，或通过一延伸连接体而连接。该中心质量体可具有一或多个开孔。

上述三轴微机电传感器中，该连接元件可包含至少一个周边质量体，与该第一轴可动电极或该第二轴可动电极连接。该周边质量体可具有一或多个开孔。

上述三轴微机电传感器中，该第一轴固定电极、或该第二轴固定电极、或两者，可各具有一固定柱，且该固定柱设于靠近该可动电极框架质量中心的方向。

为达上述目的，就本发明的其中一个观点而言，提供了一种适用于微机电传感器的质量体，其中该微机电传感器包括固定电极与可动电极，该可动电极可相对于固定电极而移动，所述质量体与该可动电极连接，该质量体包含：外环，及连接外环邻边的第一连接段。

上述质量体可再包含：连接该第一连接段的第二连接段。

所述微机电传感器可为单轴、双轴或三轴微机电传感器。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A-1B标出本发明的一个实施例；

图2A-2B说明如何侦测移动；

图3A-3G举例示出固定电极的多种剖面结构；

图4标出本发明的另一个实施例；

图5-6标出本发明的再另一个实施例；

图7A-7D举例示出中心质量体141的多种结构；

图8A-8B举例示出周边质量体142的多种剖面结构。

图中符号说明

10 可动电极框架

11 x轴可动电极

12 y轴可动电极

13 z轴可动电极

14 连接元件

21 x轴固定电极

22 y轴固定电极

23 z轴固定电极

30 弹簧

40 固定柱

141 中心质量体

141a 外环

141b 第一连接段

141c 第二连接段

141d 连接段

141e，141f开孔

142 周边质量体

142a 外环

142b，142c，142d开孔

142e 缺口

143 延伸连接体

具体实施方式

本发明中的图式均属示意，主要意在表示各结构部份之间的相对关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

首先说明本发明的其中一个实施例。请参阅图1A的顶视图，本发明的三轴微机电传感器包括可动电极框架10、x轴固定电极21、y轴固定电极22、z轴固定电极23、弹簧30、及固定柱(anchor)40。z轴固定电极23与可动电极框架10位在不同水平面上，故以虚线表示。固定柱40与各固定电极21-23固定在基板(未示出)上，而可动电极框架10则为悬浮，经弹簧30而连接至固定柱40。

请参阅图1B的顶视图，剖析可动电极框架10的结构，可视为包括x轴可动电极11、y轴可动电极12、z轴可动电极13、以及将以上三轴可动电极连接在一起的连接元件14。x轴可动电极11在x轴上与x轴固定电极21平行、y轴可动电极12在y轴上与y轴固定电极22平行、z轴可动电极13在z轴上与z轴固定电极23平行；如此，就分别在x，y，z轴上构成三组电容。当传感器移动时，可动电极框架10与固定电极21-23(其一或多者)之间产生相对移动，如此便可根据其间的电容变化，侦测传感器的移动。

图2A为自图1B的A剖线所得的剖视图。图2A上方显示x轴可动电极11与x轴固定电极21间的原始距离为d，但当传感器移动造成x轴可动电极11往图中右方移动时，如图2A下方所示，左方的距离变为d1，右方的距离变为d2，距离改变将造成电容值相应改变，如此便可侦测出x轴的移动。y轴方向的侦测也类似。

z轴方向的侦测请见图2B，其为自图1B的B剖线所得的剖视图。图中显示z轴可动电极13与z轴固定电极23间的原始距离为d；类似地，当传感器移动造成z轴可动电极13上下移动时，距离将会改变，并造成电容值相应改变，如此便可侦测出x轴的移动。

x，y轴固定电极21，22的剖面可为任意结构，仅需固定于基板上即可。例如，当其顶视图如图3A时，其剖面可为图3A-3G或其它任何结构。z轴固定电极23亦然。但若固定电极21-23的结构为类似图3D的结构(仅单边具有固定柱)时，则该固定柱宜设于靠近可动电极框架10质量中心的方向。

以上所示仅为本发明的其中一个实施例；三轴可动电极11-13与三轴固定电极21-23间的配合方式与其整体组合方式可作各种变换。例如，可动电极框架10虽然以对称结构为佳，但并不必须为对称；z轴可动电极13也不必须设置在可动电极框架10的外环。如图4的顶视图所示，z轴可动电极13与z轴固定电极23仅设置在x-y平面的其中一个方向上(图标为上下方，但当然也可设置在左右方)，且z轴可动电极13设置在可动电极框架10的延伸***与中心(为显示中心处下方的z轴固定电极23，该处的z轴可动电极13未标示)。当然，可动电极框架10可以是更不对称的结构，例如仅取本实施例的上、下、左或右半部等。

以上实施例是将三轴可动电极11-13与三轴固定电极21-23的全部或一部分设置在可动电极框架10的中心区域。图5的顶视图显示本发明的另一个实施例，在本实施例中，将三轴可动电极11-13与三轴固定电极21-23设置在可动电极框架10的***而非中心。如图所示，本实施例的三轴微机电传感器亦包括可动电极框架10、x轴固定电极21、y轴固定电极22、z轴固定电极23、弹簧30、及固定柱(anchor)40。同样当传感器移动时，可动电极框架10与固定电极21-23(其一或多者)之间产生相对移动，可根据其间的电容变化，侦测传感器的移动。z轴固定电极23与可动电极框架10不位于同一平面。x轴固定电极21与y轴固定电极22如采用类似图3D的结构(仅单边具有固定柱)，则该固定柱宜设于靠近可动电极框架10中心的方向。

请参阅图6的顶视图，剖析可动电极框架10的结构，可视为包括x轴可动电极11、y轴可动电极12、z轴可动电极13、以及将以上三轴可动电极连接在一起的连接元件；本实施例中，连接元件包含中心质量体141、周边质量体142、及延伸连接体143。x轴可动电极11与y轴可动电极12位于中心质量体141的四边延伸方向，而z轴可动电极13位于中心质量体141的四角延伸方向。(四边延伸方向是指图面的上、下、左、右四方，四角延伸方向是指图面的左上、左下、右上、右下四方，“四边”“四角”的用词为描述方向，并非限制中心质量体必须为四边形。例如，中心质量体可以为圆形、六角形、八角形或其它任意形状。)中心质量体141除了提供总体连接的作用外，亦有提供质量的作用，使可动电极框架10较不易因制程的缘故发生弯翘。同理，周边质量体142除了连接x轴可动电极11或y轴可动电极12外，亦有提供质量的作用，使x轴可动电极11或y轴可动电极12远离中心质量体141的一端不致弯翘。延伸连接体143的作用是连接z轴可动电极13。从另一角度言，也可将延伸连接体143视为z轴可动电极13的一部分，视延伸连接体143与固定电极23是否构成电容而定。

中心质量体141与周边质量体142中皆设有开孔，其目的之一是在制程上便利蚀刻质量体下方的材料层。此外，开孔亦可减少质量体的连续长度，以避免弯翘。

请参阅图7A的顶视图，剖析中心质量体141的结构，可视为包括外环141a、连接外环141a邻边的第一连接段141b、连接第一连接段141b的第二连接段141c。以上结构的优点是可充分传递可动电极框架10任一部份的振动。但中心质量体141的结构并不限于图7A所示，而可为任意结构，例如图7B-7D所示。图7B中，除外环141a外仅设有连接外环141a邻边的第一连接段141b。图7C中，则除外环141a外设置连接外环141a对边的连接段141d。图7D中，则非“外环-连接段”的结构，而是在中心质量体141中设置多个开孔，且使同一列开孔(141e)与次一列开孔(141f)互相错开(当然，不错开亦可)。错开的目的是降低中心质量体141在单一方向上的实体长度，例如图7D中，除了周边外，中心质量体141在y方向上的长度不超过既定的临界值。

以上中心质量体141的结构不限于应用在三轴微机电传感器中，亦可应用于单轴或双轴微机电传感器中。例如，在图5、6的实施例中，如可动电极框架10不包含x轴可动电极11、y轴可动电极12、z轴可动电极13中的任一可动电极(对应的固定电极亦可省略)，则整体结构即成为双轴微机电传感器；若可动电极框架10不包含x轴可动电极11、y轴可动电极12、z轴可动电极13中的任两可动电极(对应的固定电极亦可省略)，即成为单轴微机电传感器。

周边质量体142同样可为任意结构，除图8A所示包括外环142a与开孔142b的结构外，亦可为图8B所示、或其它任何形状与开孔分配方式。图8B中，除了使同一列开孔(142c)与次一列开孔(142d)互相错开外，更在周边设置缺口142e，以使周边质量体142在单一方向(图中x方向)上的长度不超过既定的临界值。如此可减少质量体的连续长度，以避免弯翘。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，图6实施例中，可将x轴可动电极11与y轴可动电极12改设于中心质量体141的四角延伸方向，而将z轴可动电极13改设于中心质量体141的四边延伸方向(固定电极21-23也对应更动)；图1A、4实施例可改将弹簧30与固定柱40设于可动电极框架10的四角延伸方向；图6实施例可改将弹簧30与固定柱40设于可动电极框架10的四边延伸方向，等等。又，虽然本发明的x，y，z三轴以正交轴坐标***为例，但任意不平行的三轴皆可用以计算出传感器的三维移动，而不限于必须为正交轴坐标***。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明申请专利的范围内。

Claims

1.一种三轴微机电传感器，包含：

第一轴固定电极；

第二轴固定电极；

第三轴固定电极；

可动电极框架，其包括第一轴可动电极、第二轴可动电极、第三轴可动电极、及将以上三轴可动电极连接在一起的连接元件，其中第一轴可动电极在第一轴上与第一轴固定电极构成第一电容、第二轴可动电极在第二轴上与第二轴固定电极构成第二电容、第三轴可动电极在第三轴上与第三轴固定电极构成第三电容，且该连接元件包含一中心质量体，此中心质量体与该第一轴、第二轴、或第三轴可动电极连接，其特征在于，该中心质量体具有外环及连接外环邻边的第一连接段；

与可动电极框架连接的弹簧；以及

与弹簧连接的固定柱，

其中该第一、第二、第三轴彼此不互相平行而定义出三维坐标***。

2.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该第三轴固定电极与该可动电极框架位于不同水平面。

3.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该第一轴为x轴、第二轴为y轴、第三轴为z轴，三轴互相正交，且该可动电极框架沿x轴对称、沿y轴对称、或沿x与y轴皆对称。

4.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该连接元件包含至少一个延伸连接体，且该第一轴、第二轴、或第三轴可动电极之一经该延伸连接体而与该中心质量体连接。

5.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该第一轴可动电极、该第二轴可动电极、或该第三轴可动电极位于该中心质量体的四边延伸方向。

6.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该第一轴可动电极、该第二轴可动电极、或该第三轴可动电极位于该中心质量体的四角延伸方向。

7.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该中心质量体另包含连接第一连接段的第二连接段。

8.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该中心质量体另包含连接对边的连接段。

9.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该连接元件包含至少一个周边质量体，与该第一轴可动电极或该第二轴可动电极连接。

10.如权利要求1所述的三轴微机电传感器，其中，该第一轴固定电极或该第二轴固定电极或两者各具有一固定柱，且该固定柱设于靠近该可动电极框架质量中心的方向。

11.一种适用于微机电传感器的质量体，该微机电传感器包括固定电极与可动电极，该可动电极可相对于固定电极而移动，所述质量体与该可动电极连接，其特征在于，所述质量体包含：

外环，及连接外环邻边的第一连接段。

12.如权利要求11所述的适用于微机电传感器的质量体，其中，还包含连接该第一连接段的第二连接段。

13.如权利要求11所述的适用于微机电传感器的质量体，其中，还包含连接对边的连接段。

14.如权利要求11所述的适用于微机电传感器的质量体，其中，该微机电传感器为单轴传感器，该可动电极与该固定电极在一维方向上相对移动。

15.如权利要求11所述的适用于微机电传感器的质量体，其中，该微机电传感器为双轴传感器，该可动电极包含第一轴可动电极与第二轴可动电极，该固定电极包含第一轴固定电极与第二轴固定电极，其中该第一轴可动电极与第一轴固定电极在第一轴方向上相对移动，该第二轴可动电极与第二轴固定电极在第二轴方向上相对移动，且该第一轴与第二轴不平行。

16.如权利要求11所述的适用于微机电传感器的质量体，其中，该微机电传感器为三轴传感器，该可动电极包含第一轴可动电极、第二轴可动电极与第三轴可动电极，该固定电极包含第一轴固定电极、第二轴固定电极与第三轴固定电极，其中该第一轴可动电极与第一轴固定电极在第一轴方向上相对移动，该第二轴可动电极与第二轴固定电极在第二轴方向上相对移动，该第三轴可动电极与第三轴固定电极在第三轴方向上相对移动，且该第一轴、第二轴、及第三轴不平行。