專利名稱：適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體與使用該質(zhì)量體的三軸微機(jī)電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體、與使用該質(zhì)量體的三軸微機(jī)電傳 感器。
背景技術(shù)：
微機(jī)電元件有各種應(yīng)用，其中一種應(yīng)用為制作電容式傳感器，如加速度計、麥克風(fēng) 等等。現(xiàn)有技術(shù)的電容式傳感器有同平面(in-planesensor)與出平面(out-of-plane)傳 感器兩類，前者感測水平方向(x_y平面)上的電容變化，后者感測垂直方向(ζ軸)上的電 容變化。有關(guān)同平面?zhèn)鞲衅骰蚱渲谱鞣椒ǖ默F(xiàn)有技術(shù)，例如可參閱美國專利第5，326，726 號、第 5，847，280 號、第 5，880，369 號、第 6，877，374 號、第 6，892，576 號、第 2007/0180912 號。有關(guān)出平面?zhèn)鞲衅骰蚱渲谱鞣椒ǖ默F(xiàn)有技術(shù)，例如可參閱美國專利第6，402，968號、第 6，792，804號、第6，845，670號、第7，138，694號、第7，258，011號。但迄今為止，尚無可以 同時感測三軸方向上電容變化的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提出一種三軸微機(jī)電傳感器， 其可以同時感測三軸方向上的電容變化。本發(fā)明的另一目的在于，提出一種適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體。為達(dá)上述目的，就本發(fā)明的其中一個觀點(diǎn)而言，提供了一種三軸微機(jī)電傳感器， 包含第一軸固定電極；第二軸固定電極；第三軸固定電極；可動電極框架，其包括第一軸 可動電極、第二軸可動電極、第三軸可動電極、及將以上三軸可動電極連接在一起的連接元 件，其中第一軸可動電極在第一軸上與第一軸固定電極構(gòu)成第一電容、第二軸可動電極在 第二軸上與第二軸固定電極構(gòu)成第二電容、第三軸可動電極在第三軸上與第三軸固定電極 構(gòu)成第三電容，且該連接元件包含一中心質(zhì)量體，此中心質(zhì)量體與該第一軸、第二軸、或第 三軸可動電極連接，該中心質(zhì)量體具有外環(huán)及連接外環(huán)鄰邊的第一連接段；與可動電極框 架連接的彈簧；以及與彈簧連接的固定柱，其中該第一、第二、第三軸彼此不互相平行而定 義出三維坐標(biāo)系統(tǒng)。上述三軸微機(jī)電傳感器中，該可動電極框架可為對稱或不對稱結(jié)構(gòu)。上述三軸微機(jī)電傳感器中，該連接元件可包含一中心質(zhì)量體，而該第一軸可動電 極與該第二軸可動電極可位于該中心質(zhì)量體的四邊延伸方向或四角延伸方向，與該中心質(zhì) 量體連接。該第三軸可動電極亦可位于該中心質(zhì)量體的四角延伸方向或四邊延伸方向，與 該中心質(zhì)量體連接，或通過一延伸連接體而連接。該中心質(zhì)量體可具有一或多個開孔。上述三軸微機(jī)電傳感器中，該連接元件可包含至少一個周邊質(zhì)量體，與該第一軸 可動電極或該第二軸可動電極連接。該周邊質(zhì)量體可具有一或多個開孔。上述三軸微機(jī)電傳感器中，該第一軸固定電極、或該第二軸固定電極、或兩者，可各具有一固定柱，且該固定柱設(shè)于靠近該可動電極框架質(zhì)量中心的方向。[oo10] 為達(dá)上述目的，就本發(fā)明的其中一個觀點(diǎn)而言，提供了一種適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中該微機(jī)電傳感器包括固定電極與可動電極，該可動電極可相對于固定電極而移動，所述質(zhì)量體與該可動電極連接且包含外環(huán)，及連接外環(huán)鄰邊的第一連接段。[oo11] 上述質(zhì)量體可再包含連接該第一連接段的第二連接段。[oo12] 所述微機(jī)電傳感器可為單軸1雙軸或三軸微機(jī)電傳感器。[oo13] 下面通過具體實(shí)施例詳加說明，當(dāng)更容易了解本發(fā)明的目的1技術(shù)內(nèi)容1特點(diǎn)及其所達(dá)成的功效。


[oo14] 圖[A-1B標(biāo)出本發(fā)明的一個實(shí)施例；[oo15] 圖2A-2B說明如何偵測移動；[oo16] 圖3A-36-~．會例示出固定電極的多種剖面結(jié)構(gòu)；[oo17] 圖4標(biāo)出本發(fā)明的另一個實(shí)施例；[oo18] 圖5—6標(biāo)出本發(fā)明的再另一個實(shí)施例；[oo19] 圖7A-7D~．會例示出中心質(zhì)量伺~141的多種結(jié)構(gòu)；
圖8A一8B．會例示出周邊質(zhì)量伺~142的多種剖面結(jié)構(gòu)。
圖中符號說明
lo可動電極框架
11x軸可動電極
12y軸可動電極
13Z軸可動電極
14連接元件
21x軸固定電極
22y軸固定電極
23Z軸固定電極
30彈簧
40固定柱
14l中心質(zhì)量體
141a，外環(huán)
141b第一連接段
141(第二連接段
141d連接段
14le，。[41f開孔
142周邊質(zhì)量體
142a，外環(huán)
142b，142C，142d 開孔
] 142e缺口
143延伸連接體
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中的圖式均屬示意，主要意在表示各結(jié)構(gòu)部份之間的相對關(guān)系，至于形狀、 厚度與寬度則并未依照比例繪制。首先說明本發(fā)明的其中一個實(shí)施例。請參閱圖IA的頂視圖，本發(fā)明的三軸微機(jī)電 傳感器包括可動電極框架10、χ軸固定電極21、y軸固定電極22、ζ軸固定電極23、彈簧30、 及固定柱(anChor)40。ζ軸固定電極23與可動電極框架10位在不同水平面上，故以虛線 表示。固定柱40與各固定電極21-23固定在基板(未示出)上，而可動電極框架10則為 懸浮，經(jīng)彈簧30而連接至固定柱40。請參閱圖IB的頂視圖，剖析可動電極框架10的結(jié)構(gòu)，可視為包括χ軸可動電極 11、y軸可動電極12、ζ軸可動電極13、以及將以上三軸可動電極連接在一起的連接元件14。 χ軸可動電極11在Χ軸上與Χ軸固定電極21平行、y軸可動電極12在y軸上與y軸固定 電極22平行、ζ軸可動電極13在ζ軸上與ζ軸固定電極23平行；如此，就分別在x，y，z軸 上構(gòu)成三組電容。當(dāng)傳感器移動時，可動電極框架10與固定電極21-23(其一或多者)之 間產(chǎn)生相對移動，如此便可根據(jù)其間的電容變化，偵測傳感器的移動。圖2A為自圖IB的A剖線所得的剖視圖。圖2A上方顯示χ軸可動電極11與χ軸 固定電極21間的原始距離為d，但當(dāng)傳感器移動造成χ軸可動電極11往圖中右方移動時， 如圖2A下方所示，左方的距離變?yōu)閐l，右方的距離變?yōu)閐2，距離改變將造成電容值相應(yīng)改 變，如此便可偵測出χ軸的移動。y軸方向的偵測也類似。ζ軸方向的偵測請見圖2B，其為自圖IB的B剖線所得的剖視圖。圖中顯示ζ軸可 動電極13與ζ軸固定電極23間的原始距離為d ；類似地，當(dāng)傳感器移動造成ζ軸可動電極 13上下移動時，距離將會改變，并造成電容值相應(yīng)改變，如此便可偵測出χ軸的移動。x，y軸固定電極21，22的剖面可為任意結(jié)構(gòu)，僅需固定于基板上即可。例如，當(dāng)其 頂視圖如圖3A時，其剖面可為圖3A-3G或其它任何結(jié)構(gòu)。ζ軸固定電極23亦然。但若固定 電極21-23的結(jié)構(gòu)為類似圖3D的結(jié)構(gòu)(僅單邊具有固定柱)時，則該固定柱宜設(shè)于靠近可 動電極框架10質(zhì)量中心的方向。以上所示僅為本發(fā)明的其中一個實(shí)施例；三軸可動電極11-13與三軸固定電極 21-23間的配合方式與其整體組合方式可作各種變換。例如，可動電極框架10雖然以對稱 結(jié)構(gòu)為佳，但并不必須為對稱；ζ軸可動電極13也不必須設(shè)置在可動電極框架10的外環(huán)。 如圖4的頂視圖所示，ζ軸可動電極13與ζ軸固定電極23僅設(shè)置在x-y平面的其中一個 方向上(圖標(biāo)為上下方，但當(dāng)然也可設(shè)置在左右方)，且ζ軸可動電極13設(shè)置在可動電極框 架10的延伸外圍與中心(為顯示中心處下方的ζ軸固定電極23，該處的ζ軸可動電極13 未標(biāo)示)。當(dāng)然，可動電極框架10可以是更不對稱的結(jié)構(gòu)，例如僅取本實(shí)施例的上、下、左或 右半部等。以上實(shí)施例是將三軸可動電極11-13與三軸固定電極21-23的全部或一部分設(shè)置 在可動電極框架10的中心區(qū)域。圖5的頂視圖顯示本發(fā)明的另一個實(shí)施例，在本實(shí)施例中， 將三軸可動電極11-13與三軸固定電極21-23設(shè)置在可動電極框架10的外圍而非中心。如 圖所示，本實(shí)施例的三軸微機(jī)電傳感器亦包括可動電極框架10、χ軸固定電極21、y軸固定 電極22、ζ軸固定電極23、彈簧30、及固定柱(anchor) 40。同樣當(dāng)傳感器移動時，可動電極框架10與固定電極21-23(其一或多者)之間產(chǎn)生相對移動，可根據(jù)其間的電容變化，偵測 傳感器的移動。ζ軸固定電極23與可動電極框架10不位于同一平面。χ軸固定電極21與 y軸固定電極22如采用類似圖3D的結(jié)構(gòu)(僅單邊具有固定柱)，則該固定柱宜設(shè)于靠近可 動電極框架10中心的方向。請參閱圖6的頂視圖，剖析可動電極框架10的結(jié)構(gòu)，可視為包括χ軸可動電極11、 y軸可動電極12、ζ軸可動電極13、以及將以上三軸可動電極連接在一起的連接元件；本實(shí) 施例中，連接元件包含中心質(zhì)量體141、周邊質(zhì)量體142、及延伸連接體143。χ軸可動電極 11與y軸可動電極12位于中心質(zhì)量體141的四邊延伸方向，而ζ軸可動電極13位于中心 質(zhì)量體141的四角延伸方向。(四邊延伸方向是指圖面的上、下、左、右四方，四角延伸方向 是指圖面的左上、左下、右上、右下四方，“四邊”“四角”的用詞為描述方向，并非限制中心質(zhì) 量體必須為四邊形。例如，中心質(zhì)量體可以為圓形、六角形、八角形或其它任意形狀。)中心 質(zhì)量體141除了提供總體連接的作用外，亦有提供質(zhì)量的作用，使可動電極框架10較不易 因制程的緣故發(fā)生彎翹。同理，周邊質(zhì)量體142除了連接χ軸可動電極11或y軸可動電極 12夕卜，亦有提供質(zhì)量的作用，使χ軸可動電極11或y軸可動電極12遠(yuǎn)離中心質(zhì)量體141的 一端不致彎翹。延伸連接體143的作用是連接ζ軸可動電極13。從另一角度言，也可將延 伸連接體143視為ζ軸可動電極13的一部分，視延伸連接體143與固定電極23是否構(gòu)成 電容而定。中心質(zhì)量體141與周邊質(zhì)量體142中皆設(shè)有開孔，其目的之一是在制程上便利蝕 刻質(zhì)量體下方的材料層。此外，開孔亦可減少質(zhì)量體的連續(xù)長度，以避免彎翹。請參閱圖7A的頂視圖，剖析中心質(zhì)量體141的結(jié)構(gòu)，可視為包括外環(huán)141a、連接 外環(huán)141a鄰邊的第一連接段141b、連接第一連接段141b的第二連接段141c。以上結(jié)構(gòu)的 優(yōu)點(diǎn)是可充分傳遞可動電極框架10任一部份的振動。但中心質(zhì)量體141的結(jié)構(gòu)并不限于 圖7A所示，而可為任意結(jié)構(gòu)，例如圖7B-7D所示。圖7B中，除外環(huán)141a外僅設(shè)有連接外環(huán) 141a鄰邊的第一連接段141b。圖7C中，則除外環(huán)141a外設(shè)置連接外環(huán)141a對邊的連接 段141d。圖7D中，則非“外環(huán)-連接段”的結(jié)構(gòu)，而是在中心質(zhì)量體141中設(shè)置多個開孔， 且使同一列開孔(141e)與次一列開孔(141f)互相錯開(當(dāng)然，不錯開亦可)。錯開的目 的是降低中心質(zhì)量體141在單一方向上的實(shí)體長度，例如圖7D中，除了周邊外，中心質(zhì)量體 141在y方向上的長度不超過既定的臨界值。以上中心質(zhì)量體141的結(jié)構(gòu)不限于應(yīng)用在三軸微機(jī)電傳感器中，亦可應(yīng)用于單軸 或雙軸微機(jī)電傳感器中。例如，在圖5、6的實(shí)施例中，如可動電極框架10不包含χ軸可動電 極ll、y軸可動電極12、ζ軸可動電極13中的任一可動電極(對應(yīng)的固定電極亦可省略)， 則整體結(jié)構(gòu)即成為雙軸微機(jī)電傳感器；若可動電極框架10不包含χ軸可動電極ll、y軸可 動電極12、ζ軸可動電極13中的任兩可動電極(對應(yīng)的固定電極亦可省略)，即成為單軸 微機(jī)電傳感器。周邊質(zhì)量體142同樣可為任意結(jié)構(gòu)，除圖8A所示包括外環(huán)14 與開孔142b的 結(jié)構(gòu)外，亦可為圖8B所示、或其它任何形狀與開孔分配方式。圖8B中，除了使同一列開孔 (142c)與次一列開孔(142d)互相錯開外，更在周邊設(shè)置缺口 142e，以使周邊質(zhì)量體142在 單一方向(圖中χ方向)上的長度不超過既定的臨界值。如此可減少質(zhì)量體的連續(xù)長度， 以避免彎翹。
以上已針對較佳實(shí)施例來說明本發(fā)明，只是以上所述，僅為使本領(lǐng)域技術(shù)人員易 于了解本發(fā)明的內(nèi)容，并非用來限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，當(dāng)可在本發(fā) 明精神內(nèi)，立即思及各種等效變化。舉例而言，圖6實(shí)施例中，可將χ軸可動電極11與y軸 可動電極12改設(shè)于中心質(zhì)量體141的四角延伸方向，而將ζ軸可動電極13改設(shè)于中心質(zhì) 量體141的四邊延伸方向(固定電極21-23也對應(yīng)更動)；圖1A、4實(shí)施例可改將彈簧30與 固定柱40設(shè)于可動電極框架10的四角延伸方向；圖6實(shí)施例可改將彈簧30與固定柱40 設(shè)于可動電極框架10的四邊延伸方向，等等。又，雖然本發(fā)明的X，y，ζ三軸以正交軸坐標(biāo) 系統(tǒng)為例，但任意不平行的三軸皆可用以計算出傳感器的三維移動，而不限于必須為正交 軸坐標(biāo)系統(tǒng)。故凡依本發(fā)明的概念與精神所為之均等變化或修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明申請 專利的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三軸微機(jī)電傳感器，其特征在于，包含第一軸固定電極；第二軸固定電極；第三軸固定電極；可動電極框架，其包括第一軸可動電極、第二軸可動電極、第三軸可動電極、及將以上 三軸可動電極連接在一起的連接元件，其中第一軸可動電極在第一軸上與第一軸固定電極 構(gòu)成第一電容、第二軸可動電極在第二軸上與第二軸固定電極構(gòu)成第二電容、第三軸可動 電極在第三軸上與第三軸固定電極構(gòu)成第三電容，且該連接元件包含一中心質(zhì)量體，此中 心質(zhì)量體與該第一軸、第二軸、或第三軸可動電極連接，該中心質(zhì)量體具有外環(huán)及連接外環(huán) 鄰邊的第一連接段；與可動電極框架連接的彈簧；以及與彈簧連接的固定柱，其中該第一、第二、第三軸彼此不互相平行而定義出三維坐標(biāo)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該第三軸固定電極與該可動電極框 架位于不同水平面。
3.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該第一軸為χ軸、第二軸為y軸、第 三軸為Z軸，三軸互相正交，且該可動電極框架沿X軸對稱、沿y軸對稱、或沿X與y軸皆對 稱。
4.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該連接元件包含至少一個延伸連接 體，且該第一軸、第二軸、或第三軸可動電極之一經(jīng)該延伸連接體而與該中心質(zhì)量體連接。
5.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該第一軸可動電極、該第二軸可動電 極、或該第三軸可動電極位于該中心質(zhì)量體的四邊延伸方向。
6.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該第一軸可動電極、該第二軸可動電 極、或該第三軸可動電極位于該中心質(zhì)量體的四角延伸方向。
7.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該中心質(zhì)量體另包含連接第一連接 段的第二連接段。
8.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該中心質(zhì)量體另包含連接對邊的連 接段。
9.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該連接元件包含至少一個周邊質(zhì)量 體，與該第一軸可動電極或該第二軸可動電極連接。
10.如權(quán)利要求1所述的三軸微機(jī)電傳感器，其中，該第一軸固定電極或該第二軸固定 電極或兩者各具有一固定柱，且該固定柱設(shè)于靠近該可動電極框架質(zhì)量中心的方向。
11.一種適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其特征在于，該微機(jī)電傳感器包括固定電極與 可動電極，該可動電極可相對于固定電極而移動，所述質(zhì)量體與該可動電極連接且包含外環(huán)，及連接外環(huán)鄰邊的第一連接段。
12.如權(quán)利要求11所述的適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中，還包含連接該第一連 接段的第二連接段。
13.如權(quán)利要求11所述的適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中，還包含連接對邊的連 接段。
14.如權(quán)利要求11所述的適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中，該微機(jī)電傳感器為單 軸傳感器，該可動電極與該固定電極在一維方向上相對移動。
15.如權(quán)利要求11所述的適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中，該微機(jī)電傳感器為雙 軸傳感器，該可動電極包含第一軸可動電極與第二軸可動電極，該固定電極包含第一軸固 定電極與第二軸固定電極，其中該第一軸可動電極與第一軸固定電極在第一軸方向上相對 移動，該第二軸可動電極與第二軸固定電極在第二軸方向上相對移動，且該第一軸與第二 軸不平行。
16.如權(quán)利要求11所述的適用于微機(jī)電傳感器的質(zhì)量體，其中，該微機(jī)電傳感器為三 軸傳感器，該可動電極包含第一軸可動電極、第二軸可動電極與第三軸可動電極，該固定電 極包含第一軸固定電極、第二軸固定電極與第三軸固定電極，其中該第一軸可動電極與第 一軸固定電極在第一軸方向上相對移動，該第二軸可動電極與第二軸固定電極在第二軸方 向上相對移動，該第三軸可動電極與第三軸固定電極在第三軸方向上相對移動，且該第一 軸、第二軸、及第三軸不平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三軸微機(jī)電傳感器，包含第一軸固定電極；第二軸固定電極；第三軸固定電極；可動電極框架，其包括第一軸可動電極、第二軸可動電極、第三軸可動電極、及將以上三軸可動電極連接在一起的連接元件，其中第一軸可動電極在第一軸上與第一軸固定電極構(gòu)成第一電容、第二軸可動電極在第二軸上與第二軸固定電極構(gòu)成第二電容、第三軸可動電極在第三軸上與第三軸固定電極構(gòu)成第三電容，且該連接元件包含一中心質(zhì)量體，此中心質(zhì)量體與該第一軸、第二軸、或第三軸可動電極連接，該中心質(zhì)量體具有外環(huán)及連接外環(huán)鄰邊的第一連接段；與可動電極框架連接的彈簧；以及與彈簧連接的固定柱，其中該第一、第二、第三軸彼此不互相平行而定義出三維坐標(biāo)系統(tǒng)。
文檔編號B81B7/02GK102101635SQ20091025376
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者李昇達(dá), 王傳蔚 申請人:原相科技股份有限公司