TWI392871B - Biaxial acceleration sensing element - Google Patents

Description

雙軸加速度感測元件

本發明有關一種雙軸加速度感測元件，尤指一種電容式之雙軸加速度感測元件。

微機電系統(Micro-electromechanical system, 簡稱MEMS)技術的概念，是利用半導體製程及其他微機械加工的方法，製造並整合成各式感測器、致動器、光學元件等，利用MEMS技術將元件微小化具低成本、低功率損耗、高響應速度以及高準確度等優點。

一般微感測器的原理是藉由一感測元件，將欲量測的物理量轉換為電氣訊號，再以分析電子訊號的方式，間接得知欲感測的物理量。因此，加速度感測器係透過感測元件感測加速度作用造成的物理狀態變化，而產生相對應的電壓、電阻、電感等電氣訊號，現已大量應用於汽車安全感知、手機、電腦以及電子遊戲機等領域。

1972年Frobenius利用長短尺寸不一之懸臂梁結構做為感測元件，當感測元件受外力干擾時，懸臂梁結構會因慣性作用而產生位移，致使對應導體產生訊號而偵測加速度；1979年，Roylance利用懸臂樑與質量塊的組合，配合矽之壓阻特性製作出壓阻式之微加速度計；1983年，Rudolf則提出一種電容式之微加速度感測器，其質量塊兩側使用懸臂樑結構作為支撐，當質量塊受外力而擺動時，懸臂梁會受連動而扭轉，進而產生一電容變化而獲得對應的電氣訊號。

電容式微加速度感測器係偵測電容的改變，藉以推算加速度的大小。相較於傳統電壓式(Piezoelectric)、壓阻式(Piezoresistive)、穿隧(Tunneling)電流式的加速度感測器，電容式加速度感測器因具有高靈敏度、低溫度效應、低電源消耗、結構簡單以及高輸出等特性，因此其相關研究、應用領域格外被受注目。中華民國專利第I284203號之「加速度計」揭露一種電容式加速度計，其包含一固定單元及一可動單元，該固定單元及可動單元各自包含複數個感測電極，該些感測電極彼此呈指叉式排列，因此當該可動單元因外力而位移時，感測電極間的間距隨之改變造成電容發生變化，藉此可偵測加速度的改變。

根據平行電極板的電容公式：C=εA/d (其中ε為介電係數、A為兩電極板重合面積、d為兩電容板之間距)，偵測間距(符號d)改變造成的電容變化，其電容變化值與間距變化量呈現非線性關係，因此在加速度的估測與運算上較為困難，且容易產生誤差。因此，本發明提出一種雙軸加速度感測器，其藉偵測面積造成的電容變化而可獲得線性關係較佳之加速度關係。

綜上所述，本發明之目的在於提供一種靈敏度高且線性關係較佳之雙軸加速度感測元件。

本發明之另一目的，在於提供一種雙軸加速度感測元件，其可偵測因電極面積變化造成的電容差值，進而感測加速度的大小與方向。

為了達成前述目的，本發明提供之雙軸加速度感測元件，包含一第一感測件、一第二感測件以及一固定單元。第一感測件可相對該第二感測件運動，第二感測件則可相對該固定單元運動，且其相對運動之軸向互異，藉此感測兩互異軸向之加速度。進一步地，第一感測件與第二感測件之間以及第二感測件與該固定單元之間互設有相對應之感測電極，因此當該第一、第二感測件與該固定單元發生相對運動時，該些感測電極可因相互疊合的面積改變，使得輸出的電容產生差值，並藉以感測加速度的變化。

根據本發明之一實施例，該些感測電極彼此間具一高度落差且包含一疊合面積，並進一步形成差動式電容感測電極。

本發明提出之雙軸加速度感測元件可利用微機電製程製作，因此其體積小、成本低；進一步地，其感測之加速度線性關係佳，靈敏度高，且非感測軸向的感測誤差小。有關本發明的詳細技術內容及較佳實施例，配合圖式說明如後。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：

請參閱「圖1」所示，其為本發明一實施例之外觀立體示意圖。本發明提出之雙軸加速度感測元件1包含一第一感測件10、一第二感測件20以及一固定單元30，三者形成一感測平台。透過第一感測件10相對第二感測件20運(轉)動以及第二感測件20相對該固定單元30運(轉)動，藉以感測兩相異軸向的加速度大小和方向。

「圖2-1」和「圖2-2」分別顯示本發明之第一感測件10一實施例之外觀立體示意圖及上視圖。該第一感測件10包含一質量體11，該質量體11包含一第一軸12以及複數個相互平行的第一感測電極13。該第一軸12連接於該質量體11相對應的兩側，使得該質量體11受外力產生慣性作用時，能以該第一軸12為軸心擺(扭/轉)動；該些第一感測電極13彼此平行設置，形成梳狀結構。在本實施例中，該些第一感測電極13係設置於該質量體11相對應之兩側，且其方向與該第一軸12軸向相異，例如圖中顯示互相垂直者。

「圖3-1」和「圖3-2」分別顯示本發明之第二感測件20一實施例之外觀立體示意圖及上視圖，該第二感測件20包含一環部21，該環部21內側定義一容置空間22，且該環部21內側對應該第一感測電極13設置複數個第二感測電極23，該些第二感測電極23彼此平行設置，形成梳狀結構；該環部21外側則包含複數個第三感測電極24，該些第三感測電極24彼此平行設置，形成梳狀結構；該環部21並包含一第二軸25，致使該環部21可以該第二軸25為軸心擺(扭/轉)動；本實施例中，該些第三感測電極24係設置於該環部21外側相對應的兩側，且其方向與該第二軸25軸向相異，例如圖中顯示互相垂直者，此時第一軸12亦與第二軸25相互垂直。

其中，該第一感測件10可容置於該容置空間22，並藉該第一軸12與該環部21相連，如「圖1」所示。此時，該些第一感測電極13與該些第二感測電極23相互交疊平行且交錯排列，呈指叉形式設置而形成相對應的電容感測結構。

請參閱「圖4-1」和「圖4-2」，其為本發明之固定單元30一實施例之外觀立體示意圖及上視圖。該固定單元30內部定義一第二容置空間31，且其內側包含複數個對應該第三感測電極24而設置之複數個第四感測電極32；該些第四感測電極32彼此平行設置，形成梳狀結構。如「圖1」所示，該第二感測件20可容置於該第二容置空間31，並藉該第二軸25與該固定單元30相連，致使該些第三感測電極24與該些第四感測電極32相互交疊平行且交錯排列，呈指叉形式設置而形成相對應的電容感測結構。

請再參閱「圖1」所示，在上述之實施例中，該第一感測電極13係垂直該第一軸12設置(如圖中之X軸方向)，該第三感測電極24則垂直該第二軸25設置(如圖中之Y軸方向)，但不以此為限。進一步地，該第一感測電極13、該第二感測電極23、該第三感測電極24以及/或該第四感測電極32可為高深寬比梳狀感測電極( HARM (high-aspect-ratio-micromachined) vertical-combs)，其可藉由蝕刻基板、電鑄、放電加工、溝槽回填等製程而形成；該第一軸12以及該第二軸25可為一彈簧結構(gimbal spring)。請再參閱「圖5-1」和「圖5-2」所示，其分別自「圖1」之AA’線段和BB’線段剖面示意：在另一實施例中，該第一感測電極13與該第二感測電極23彼此交疊且沿Z軸方向高低設置；該第三感測電極24與該第四感測電極32亦彼此交疊而沿Z軸方向高低設置。

在未受力的情況下，該第一感測件10藉該第一軸12的支撐而懸浮，並相對該第二感測件20靜止；相同地，該第二感測件20藉該第二軸25的支撐而懸浮，且相對該固定單元30靜止。當本發明之雙軸加速度感測元件1受到一平行X-Y平面之加速度時，該質量體11可將慣性力輸出，並透過鐘擺(pendulum)型結構產生扭矩，將力量傳遞至該第一軸12及該第二軸25，致使該第一軸12及/或該第二軸25進行解偶合，使得該質量體11分別對該第一軸12及該第二軸25輸出對應的扭矩，驅使該感測平台產生擺動。

根據前述之電容公式C=εA/d，當兩平行電極面積改變時，電容亦隨之改變。因此，當該第一感測件10以第一軸12為軸心擺動(扭轉)時，位於該第一軸12兩側之該些第一感測電極13相對該些第二感測電極23會產生面積變化，引發兩端分別產生+ΔC及-ΔC的電容值改變，藉由兩側相異的電容差值輸出，達成差動式電容的量側目的，以感測平行該第二軸25方向(X軸方向)之加速度；同理，當該第二感測件20以該第二軸25為軸心擺動時，可感測平行該第一軸12方向(Y軸方向)之加速度。須再說明的是，不同的加速度大小會致使該第一感測件10或第二感測件20產生對應的擺動程度，不同的擺動程度則對應最後偵測出的不同電容差，可藉以感測加速度的大小。

「圖6-1」和「圖6-2」分別顯示上述實施例的雙軸加速度感測結果，可舉例說明本發明量測上的優點，其係將加速度產生的電容差值以一商用電容電壓轉換電路(commercial capacitive readout IC)轉換成電壓輸出。由結果可知，偵測到的雙軸加速度結果實質上呈現一線性關係，且其對X軸向以及對Y軸向的靈敏度(sensitivities)分別為2.44 mV/G與51.99 mV/G；此外，其對於非感測軸向的感測誤差(cross-talk errors)極小。

須再說明的是，上述本發明將第一感測件10、第二感測件20以及固定單元30分開定義、敘述僅為方便說明及瞭解。實際上，該些結構可互相獨立分離而組裝，或是藉由微機電或半導體製程，利用蝕刻、微影、回填等該領域知悉之技術直接製作而成。舉例來說，本發明之雙軸加速度感測元件1可利用MOSBE之微機電技術平台製程製造，其相關之平台技術可參閱2005年發表之「The Molded Surface-micromachining and Bulk Etching Release (MOSBE) Fabrication Platform on (111) Si for MOEMS」(Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15, pp. 260-265)，在此不加贅述。藉此，該些感測電極以及該第一軸12及該第二軸25可利用溝槽回填(trench-refill)技術達成，其材質可為多晶矽；該質量體11可藉由底層基材蝕刻(backside etching)而形成，例如材質為矽。以微機電製程製造出的加速度感測元件，更具備體積小、低成本、高靈敏的優點。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，非欲侷限本發明專利之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明之權利保護範圍，合予陳明。

1‧‧‧雙軸加速度感測元件

10‧‧‧第一感測件

11‧‧‧質量體

12‧‧‧第一軸

13‧‧‧第一感測電極

20‧‧‧第二感測件

21‧‧‧環部

22‧‧‧容置空間

23‧‧‧第二感測電極

24‧‧‧第三感測電極

25‧‧‧第二軸

30‧‧‧固定單元

31‧‧‧第二容置空間

32‧‧‧第四感測電極

本發明的實施方式係結合圖式予以描述：

「圖1」為本發明一實施例之外觀立體示意圖；

「圖2-1」為本發明之第一感測件一實施例之外觀立體示意圖；

「圖2-2」為本發明之第一感測件一實施例之上視圖；

「圖3-1」為本發明之第二感測件一實施例之外觀立體示意圖；

「圖3-2」為本發明之第二感測件一實施例之上視圖；

「圖4-1」為本發明之固定單元一實施例之外觀立體示意圖；

「圖4-2」為本發明之固定單元一實施例之上視圖；

「圖5-1」顯示第一感測電極與第二感測電極彼此高低交疊之一實施例；

「圖5-2」顯示第三感測電極與第四感測電極彼此高低交疊之一實施例；

「圖6-1」顯示上述實施例一軸之加速度感測結果；以及

「圖6-2」顯示上述實施例另一軸之加速度感測結果。

1‧‧‧雙軸加速度感測元件

10‧‧‧第一感測件

11‧‧‧質量體

12‧‧‧第一軸

13‧‧‧第一感測電極

20‧‧‧第二感測件

21‧‧‧環部

22‧‧‧容置空間

23‧‧‧第二感測電極

24‧‧‧第三感測電極

25‧‧‧第二軸

30‧‧‧固定單元

31‧‧‧第二容置空間

32‧‧‧第四感測電極

Claims (13)

1. 一種雙軸加速度感測元件，包含：
   　 一第一感測件，包含一質量體，該質量體包含一第一軸以及複數個相互平行之第一感測電極；
   　 一第二感測件，包含一環部，該環部內側包含複數個互相平行之第二感測電極，且定義一容置空間；該環部外側包含複數個互相平行之第三感測電極以及一第二軸；以及
   　 一固定單元，該固定單元包含複數個第四感測電極；
   　 該第一感測件藉該第一軸與該環部相連，致使該些第一感測電極與該些第二感測電極彼此相互對應而交錯排列；該第二感測件藉該第二軸與該固定單元相連，致使該些第三感測電極與該些第四感測電極彼此相互對應而交錯排列。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該些第一感測電極位於該質量體的相對兩側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該些第三感測電極位於該環部的相對兩側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該些第一感測電極平行該些第二感測電極；該些第三感測電極平行該些第四感測電極。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雙軸加速度感測元件，其中該些第一感測電極垂直該第一軸，該些第三感測電極垂直該第二軸，且第一軸與該第二軸互相垂直。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第一感測電極與該第二感測電極彼此交疊且高低設置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第三感測電極與該第四感測電極彼此交疊且高低設置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第一軸為一彈簧結構。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第二軸為一彈簧結構。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其係為一電容式加速度感測元件。
11. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第一感測電極、第二感測電極、第三感測電極以及第四感測電極的材質為多晶矽。
12. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該第一軸和該第二軸之材質為多晶矽。
13. 如申請專利範圍第1項所述之雙軸加速度感測元件，其中該質量體之材質為矽。