TWI292034B - Single-chip device for micro-array inertial system - Google Patents

Description

1292034 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係為一種微型陣列慣性系 田女^ m^ 一丄」. 干曰曰片， 尤指 =於四象限感測與致動電路的微型陣列慣性系統 【先前技術】 十貝性感測技術被普遍運用在 儀、汽車安全氣囊之感測器、當力爾3::二也震_ 影,、掃描器(條碼機及雷射掃描)等，的二生： 測多為魔大的機械系統，單晶 直接縮小的概念進行，技術實施上是： 械系統殊^同衣作機械構造，特性通常和傳統機 包括：i=一圖，其係顯示習知單晶片慣性系統， 的部份了而帝二及一電,2 ’結構體1係為系統感測 、、77 笔路2則為操控結構體的部位。因i設計

:傳統機械系統的微型化’因此結構體1仍延續單L ==對稱式的雙結構體，主要缺點為利用積體電 衣作'4體1的製程困難’良率不高，使用過程的 抽耗也易於造成產品的可靠度降低，且因以橫向運動 的电今感測’單一結構體1僅能進行單-自由度的量 測體積不易縮小，且結構體1設計尺寸的彈性限制 極大。 麦疋之故’申請人係鑑於上述習知技術之缺失， 1292034 ㈣心試驗與研究，並-本鍥而不㈣精神，终提出 電路的優勢，製作出更高可靠度與靈敏 f的祕感測單晶片’並且運用四象限電極進行感測 = 四象限感測與致動電路的微型 【發明内容】 2明的第一構想在於提供一種微型陣列慣性系 、二：：片，至少包括複數個感測單元，任一感測單元 叙，屬層、一金屬支柱及一電極層。該電極層包 括稷數個致動電極、複數個感測電極及 感測單元係呈矩陣方式排列。該金屬層具有二;1 度，該金屬支柱係垂直通過該單晶片之一中心點並 接該金屬層，使該金屬層可依一慣性而進行兩個自由 ^之一相對擺動。該電極層係平行設置對應於該金屬 二之-側’該等致動電極係相對於該中心點對稱設 與該;===零=補償恢復該金屬層 立 ^相對擺動，或主動驅動該金屬層在一 =角度擺動。該等感測電極係相對於該中心點對稱 "又並自外圍繞該等致動電極，感測該金屬層相對 =該電極層之該相對擺動並決定一加速度及一方位角 度。_板係接地並自外圍繞該等感測電極，用來 止該金屬層超越一設計擺幅距離而擺動。 田 依據本發明之構想’當以矩陣方式排列之單一或 稷數該等感測單元受損時，可以功能正常之另—感測 1292034 單元或其他等數之複數個感測單元所取代或補強。 ^ 依據本發明之構想，該金屬層及該擋板具有對應 . 該電極層之一形狀。 依據本發明之構想，該形狀為一圓形。 依據本發明之構想，該形狀為一方形。 依據本發明之構想，該形狀為一矩形。 依據本發明之構想，該形狀為一三角形。 依據本發明之構想，該等致動電極相對於該中心 # 點對稱設置於該電極層之四個象限中。 依據本發明之構想，該等感測電極係相對於該中 心點對稱設置於該電極層之四個象限中。 依據本發明之構想，該金屬層具有複數個開口。 依據本發明之構想，該單晶片之一質量及一彈性 係數及該金屬層之該等開口之一阻尼係數係被選擇以 因應該單晶片之一重力加速度值。 依據本發明之構想，該單晶片之一質量及一彈性 • 係數及該金屬層之該等開口之阻尼係數係被選擇以因 應該單晶片之一靈敏度。 依據本發明之構想，該單晶片之該質量係與該金 屬層之一面積及一厚度成正比。 依據本發明之構想，該單晶片之該彈性係數係與 該金屬支柱之一高度成正比及與該金屬支柱之一外徑 成反比，同時亦取決於該金屬支柱之一材質。 依據本發明之構想，該金屬層之一材質不同於該 金屬支柱之一材質。 8 1292034 依據本發明之構想，該金屬支柱係設計成其一橫 ^ 截面為一矩形之一柱體，以限制其在該矩形較長之一 - 方向擺動。 依據本發明之構想，該單晶片之該金屬層具有複 數個開口，使介於該金屬層及該電極層間之一空氣可 自其釋出，該單晶片之一阻尼係與該等開口之一面積 及一數目成反比。 本發明的第二構想在於提供一種微型陣列慣性系 ❿ 統單晶片，包括複數個感測單元及一電路層，該複數 個感測單元係呈矩陣方式排列。任一感測單元包括一 金屬層、一金屬支柱、一介質層及一電極層，該電極 層包括複數個致動電極、複數個感測電極及一擋板。 該金屬層具有一均勻厚度，該金屬支柱垂直通過該單 晶片之一中心點並連接該金屬層，使該金屬層可依一 慣性而進行兩個自由度之一相對擺動。該介質層係設 置於該金屬層之一側。該電極層係平行對應於該金屬 • 層，並設置於該介質層與該金屬層鄰接之另一側，該 等致動電極係相對於該中心點對稱設置，接受一電壓 校正一歸零訊號或補償恢復該金屬層與該電極層之該 相對擺動，或主動驅動該金屬層在一任意角度擺動。 該等感測電極係相對於該中心點對稱設置，並自外圍 繞該等致動電極，感測該金屬層相對於該電極層之該 相對擺動並決定一加速度及一方位角度。該擋板係接 地並自外圍繞該等感測電極，用來擔止該金屬層超越 一設計擺幅距離而擺動。該電路層係平行於該金屬 9 1292034 層並η又置於该電極層與該金屬層鄰接之另一侧，用 來操控該電極層。 一依據本發明之構想，該金屬層具有複數個開口， i、半V體飯刻製程之一钱刻液流入該介質層以進行姓 刻。 依據本發明之構想，該等感測單元係直接排列於 該電路層上。 ' 依據本發明之構想，該等感測單元係利用定址方 式，啟動單一或複數個該等感測單元進行感測及控 制，以因應一重力加速度值及一靈敏度。 本案之功效與目的，可藉由下列實施例與圖示說 明’俾有更深入之了解。 【實施方式】 本案之微型陣列慣性系統單晶片，將可由以下之 實施例說明而得到充分之了解，使得熟習本技藝之人 士了據以元成之，然本案之實施例並非可由下列實施 例而被限制其實施型態。 、 抑睛參閱第二圖，其係本案實施例中微陣列慣性系 統單晶片内感測單元的陣列排列示意圖，有別於第一 圖中習知單晶片慣性系統的僅設置於—個感測單元於 其單晶j中，兩者差異在於本案實施例中的微陣列慣 性=統單晶片3可感測到在其感測單元4的陣列所處 的早晶片平面的任一方向的相對位移、方位角度及相 對加速度，而習知單晶片慣性系統僅可感測單一方向 1292034 庫需考慮多方向運動的感測，則需運用 ,亥方向數目的單晶片慣性系統方能如願。另外本 案^例中感測單以的陣列排列亦提供了一備援 卿’亦㈣單—或複數個鱗感測單元 叉才貝a寸，可^功能正常的另—感測單元 4或其他相 同數目的感測單元4作取代或補強。 請參閱第三圖及第四圖，其係分別為本案實施例 μ陣列慣性系統單晶片的㈣面示意圖及感測單元 的電極層橫剖面示意圖，由其構成來看，任-感測單 兀4係包括-金屬層41、—金屬支柱46、一介質層 42、-電極層49以及—電路層47。該金屬| 41具有 -均勻厚度’同時具有複數個貫穿該金屬層41的開口 (未顯不），其用途在於自其釋放介於金屬層41與介質 層42間的空氣，當這些開口越大，其可釋出空氣越 多，該開口的阻尼相對就降低，開口的數目多，其可 釋放的總空氣量增多，故其感測單元4的阻尼亦相形 變小0 金屬層41與金屬支柱46係垂直相連接，金屬支 柱46係穿過微陣列慣性系統單晶片3的中心點，如此 即形成一具有兩個自由度擺動的結構，因應設計考 量，金屬支柱46的材質可與金屬層41的材質有所不 同，金屬支柱46如製作成圓柱型或方形，其擺動可為 任何方向，如製作成矩形柱，則沿著橫截面較長—邊 的擺動將被限制。介質層42係設置於金屬層41的— 側，在金屬層41上開口的另一作用即在可允許半導 1292034 餘刻製程中的飯刻液自其流入，以進行一省時及有效 - 介質層42的蝕刻；電極層49係設置平行對應於金屬 _ 層41，並位於介質層42與金屬層41鄰接的另一側， 其形狀可為一圓形、一方形、一矩形或一三角形，金 屬層41之形狀為配合對應於該電極層49的形狀；電 極層49包括四個致動電極43、四個感測電極44及一 擋板45，四個致動電極43係相對於單晶片3的中心 點對稱設置於四個象限中，當接收一直流偏壓時，致 參 動電極43可用來校正一歸零訊號以作為其與金屬層 41相對運動的基準或將電極層49自與金屬層41相對 運動的狀態下恢復為原狀，或主動驅動金屬層41在任 一角度擺動。 四個感測電極44係對稱設置於相對於單晶片3的 中心點的四個象限中，並自外圍繞四個致動電極43， 利用位於四個象限的該等電極43、44在單晶片3垂直 方向的電容值差，運算出金屬層41與電極層49間相 寿 對運動的一加速度及一方位角度；擋板45係為由金屬 製成並設置接地5相對於早晶片3的中心點以對應四 個感測電極44的形狀自外圍繞四個感測電極44，其 係用來擂止金屬層41超越一設計需求的擺幅所發生 的擺動。電路層47係平行於金屬層41，並設置於電 極層49與金屬層41鄰接之另一側，用來操控電極層 49進行感測，感測單元4可直接排列設置於電路層47 上，有效減少早晶片3所需的面積，同時電路功能亦 易於擴充，可擴充加入類比數位的轉換以及無線傳輸 12 1292034 等。 因微陣列慣㈣統單晶片3 f被考慮用於不同重 ^口速度及靈敏度相_應用中，是故影響此二設計 考量的項目需加以選擇以期得到最佳的功能。影響重 ^加速度及靈敏度的系統項目包括有微_慣性^统 單晶片3的質量、彈性係數及單晶片開口的阻尼係 數，微陣列慣性系統單晶片3的質量係取決於金屬層 41的面積及厚度，並與兩者皆成反比，微陣列慣性系 統單晶片3的彈性係數係與該金屬支柱46的高度成正 比，但與該金屬支柱46的外徑成反比，同時亦與金屬 支柱46的材質相關，是故根據以上不同的項目的選擇 可產生複數個不同的規格，同時再搭配不同的頻率選 擇電路，經過在單一晶片上精準的調整後，可對應系 統不同的重力加速度及靈敏度需求。 請參閱第五圖，其係本案實施例中SRAM定址啟 動單晶片内感測單元的架構示意圖，此架構中包含一 微陣列慣性系統單晶片3、一行多工器（column multiplexer)52、一列多工器（r(m multiplexer)53 及一暫 存器51，首先，一序列信號輸入暫存器51，序列信號 包括一組或複數組行與列資料，該序列信號分別傳送 至行多工器52及列多工器53，由行多工器52及列多 工裔53輸入微陣列慣性系統單晶片3的行與列資料， 以選取啟動單個或特定位置的複數個感測單元4,提 供適切的控制及慣性感測。 綜上所述，本發明微型陣列慣性系統單晶片的感 13 1292034 測單元由於採用標準積體電路製成的上層金屬導線制 作，結構參數（質量、彈性係數）的設計容易許多，: $體後製程製作簡易且偏差也較小，並且透過陣列的 排列設計，有效地使感測訊號呈倍數增加，同時這種 :車列设：可作為備援或自我測試的功能，在部份感測 早兀文損時’仍可由其他功能正常的感測單元運 正確的慣性數值。 #

本案彳于由A 4此技術之人士任施匠思而為諸般修 飾’然皆不脫申請專利範圍所欲保護者。 乂 【圖式簡單說明】 f圖係習知單晶片慣性系統的示意圖； =二圖係本案實施例中微陣列慣性系統單 感測早70的陣列排列示意圖； ㈣Ϊ二^係本案實施例中微陣列慣性系統單晶片的 縱剖面示意圖；

—立第四11係本案實_巾錢單元的電極層橫剖面 不思圖；以及 、 感二例中S™啟動單晶片内 【主要元件符號說明】 2電路 晶片 41金屬層 43致動電極 1結構體 3 U陣列慣性系統單 4感測單元 42介質層 14 1292034 44感測電極 46金屬支柱 49電極層 52行多工器 45擋板 47電路層 51暫存器 53列多工器

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Claims (1)

1292034 十、申請專利範圍： - 1. 一種微型陣列慣性系統單晶片，至少包括 . 複數個感測單元，係呈矩陣方式排列，任一 感測單元包括： 一金屬層，具有一均勻厚度； 一金屬支柱，垂直通過該單晶片之一中 心點並連接該金屬層，使該金屬層可依一慣性而進行 兩個自由度之一相對擺動；以及 • 一電極層，平行設置對應於該金屬層之 一侧，其係包括： 複數個致動電極，其係相對於該中心 點對稱設置，接受一電壓校正一歸零訊號或補償恢復 該金屬層與該電極層之該相對擺動，或主動驅動該金 屬層在一任意角度擺動； 複數個感測電極，其係相對於該中心 點對稱設置，並自外圍繞該等致動電極，感測該金屬 層相對於該電極層之該相對擺動並決定一加速度及 參 一方位角度；以及 一擋板，其係接地並自外圍繞該等感 測電極，用來檔止該金屬層超越一設計擺幅距離而擺 動。 2. 如申請專利範圍第1項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中當以矩陣方式排列之單一或複數該等感測 單元受損時，可以功能正常之另一感測單元或其他等 數之複數個感測單元所取代或補強。 3. 如申請專利範圍第1項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該金屬層及該擂板具有對應該電極層之一 形狀。 16 1292034 P》申{^一第圓3形項之微型陣列慣㈣統單 :曰日片如其形項之微型陣列慣性系統單 i片群慣性系統單 曰^中請專利範圍f!項之微 :LV之該二，^ 9曰片，H請專利範㈣1項之微型陣列慣性系統單 #感測電極仙對於财Μ對稱設置 π Α电極層之四個象限中。 1 曰0K如甘申:#專利範圍$ 1項之微型陣列慣性系統單 日日片’其中該金屬層具有複數個開口。 1 曰利範圍*1項之微型陣列慣性系統單 声之兮耸pf單晶片之—質量及—彈性係數及該金屬 =^該4開口之一阻尼係數係被選擇以因應該單晶 方之—重力加速度值。 1 曰2μ ^中請專利範圍帛1項之微型陣列慣性系統單 :^二中該單晶片之一質量及一彈性係數及該金屬 層之該等開口之阻尼係數係被選擇以因應該 之一靈敏度。 一 日曰 13.如申請專利範圍第12項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該單晶片之該質量係與該金屬層之二面 及一厚度成正比。 貝 14·如申請專利範圍第12項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該單晶片之該彈性係數係與該金屬支柱之 17 !292034 成正比及與該金屬支 】亦取決於該金屬支柱之—材f。M歧比叫 么圍㈣項之微型陣列慣性系統單 材質厂f该金屬層之—材質不同於該金屬支柱之一 1曰，片㈣1項之微型陣列慣性系統單 π如申社專S i該矩形較長之一方向擺動。 屬層及該電極層間之-空氣可自其釋出，5 =曰片之—阻尼係與該等心之―面積及—數目成 種微型陣列慣性系統單晶片，包括 18. _ 複數個感測單元，係呈矩陣方式排列，任一 感测單元包括·· 任 孟屬層，具有一均勻厚度； 、、 一金屬支柱，垂直通過該單晶片之一中 =並連m屬層，使該金屬層可依-慣性而進行 兩個自由度之一相對擺動； 一介質層，係設置於該金屬層之一侧； 電極層，係平行對應於該金屬層，並 =置於該介質層與該金屬層鄰接之另—側，其係包 括· 點對稱設置，接電極_其係相對於該中心 該金屬層無電極號或補償恢復 屬層在-任意角度擺動對擺動，或主動驅動該金 18 1292034 複數個感測電極，其係相對於該中心 點對稱設置，並自外圍繞該等致動電極，感測該金屬 層相對於該電極層之該相對擺動並決定一加速度及 一方位角度；以及 一擋板，其係接地並自外圍繞該等感 測電極，用來擋止該金屬層超越一設計擺幅距離而擺 動；以及 一電路層，係平行於該金屬層，並設置 於該電極層與該金屬層鄰接之另一側，用來操控該電 馨 極層。 19. 如申請專利範圍第18項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該金屬層具有複數個開口，供半導體蝕刻 製程之一姓刻液流入該介質層以進行餘刻。 20. 如申請專利範圍第18項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該等感測單元係直接排列於該電路層上。 21. 如申請專利範圍第18項之微型陣列慣性系統單 晶片，其中該等感測單元係利用定址方式，啟動單一 或複數個該等感測單元進行感測及控制，以因應一重 A 力加速度值及一靈敏度。 19