CN105319393A - 具有共构微机电感测单元的微机电系统元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，包含：不同感测型态的第一和第二微机电感测单元，其中该第一微机电感测单元的部分结构和第二微机电感测单元的部分结构重叠设置在同一投影面积内。

Description

具有共构微机电感测单元的微机电系统元件

技术领域

本发明涉及一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，特别为通过共构的多个微机电感测单元，电耦接于至少一共同接点以收集对应于微机电感测单元的频率响应，并减少微机电系统元件外接线路与所需空间的微机电系统元件。

背景技术

微机电系统元件已普遍应用日常生活中。微机电系统元件中整合了微机电感测单元与集成电路，但现有技术中，单一微机电系统元件内仅具有单一感测类型的微机电感测单元，亦即仅具有单一的感测功能。(就本发明的定义而言，“三轴”加速度计仍然是单一感测类型，因为其仅能感测加速度。)当需要使用两种类型以上的微机电感测单元(例如重力传感器与加速度计、角速度计与加速度计等)以进行不同类型的感测时，现有技术必须采用两个分开独立的微机电系统元件。在此情况下，多个微机电系统元件需占较大体积，且相关的电路和讯号连接也都十分占空间，妨碍产品微小化。

因此，如何整合多个不同类型的微机电感测单元于单一微机电系统元件内以节省空间、接垫与线路，为产品开发重要的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，可以整合多个不同类型的微机电感测单元于单一微机电系统元件内，以节省空间、接垫与线路，实现产品微小化。

为达上述目的，就其中一个观点，本发明提供一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，包含：不同感测型态的第一和第二微机电感测单元，其中该第一微机电感测单元的部分结构和第二微机电感测单元的部分结构重叠设置在同一投影面积内。

一实施例中，该具有共构微机电感测单元的微机电系统元件更包含一共振器，至少与该第一微机电感测单元及该第二微机电感测单元其中之一连接，以至少赋予所连接的该第一微机电感测单元或该第二微机电感测单元振动频率。

一实施例中，该共振器赋予该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元不同的振动频率，且该具有共构微机电感测单元的微机电系统元件更包含有至少一共同接点，以接收该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元的感测结果而产生一多频段讯号，经由该共同接点输出。

一实施例中，该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元分别为线性加速度计和科式加速度计。

一实施例中，该第二微机电感测单元为科氏加速度计，包括至少一个科式加速度可动电极，该科式加速度可动电极的外周定义该投影面积，且该第一微机电感测单元包括至少一个电极结构，此电极结构完全落在该投影面积内。

一实施例中，该第二微机电感测单元为科氏加速度计，包括至少一个科式加速度可动电极，该科式加速度可动电极的外周定义该投影面积，且该第一微机电感测单元包括至少一个电极结构，此电极结构包括一主要质量部分，该主要质量部分落在该投影面积内。

一实施例中，该第一微机电感测单元为线性加速度计，且该电极结构为线性加速度计其中一轴的可动电极。

一实施例中，该第一微机电感测单元为二轴或三轴线性加速度计。

一实施例中，该具有共构微机电感测单元的微机电系统元件包含多个不同感测型态的微机电感测单元，该多个不同感测型态的微机电感测单元包含线性加速度计、角速度计和磁力计中的几个。

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-1D显示根据本发明一实施例的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件；

图2-5显示根据本发明的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件的多个实施例；

图6A、6B显示根据本发明的具有磁力计共构微机电感测单元的微机电系统元件的两个实施例。

图中符号说明

10、20、30、40、50微机电系统元件

11线性加速度计

11a轴

11e固定电极

11xy同平面可动电极

11z出平面可动电极

12角速度计

12e固定电极

12x、12y、12z科式加速度可动电极

14共振器

14m主框架

14s连接结构

14w角方向振动器

14xX轴振动器

14yY轴振动器

21x、21z线性加速度可动电极

22x、22z科式加速度可动电极

23弹簧

24支持臂

31y、31z线性加速度可动电极

32y、32z科式加速度可动电极

41x、41y线性加速度可动电极

42z1、42z2科式加速度可动电极

51z1、51z2线性加速度可动电极

52x、52y科式加速度可动电极

61x、61y线性加速度可动电极

62z1、62z2、71x、71y电极结构

72z1、72z2科式加速度可动电极

C共同接点

C11x1、C11x2、C11y1、C11y2、C11z、C12x、C12y、C12z、C21x、C21z、C22x、C22z、C31y、C31z、C32y、C32z、C41x、C41y、C42z1、C42z2、C52x、C52y、C52z1、C52z2、C61x、C61y、C71x、C71y、C72z1、C72z2电容

C62z1、C62z2感应结构

f11、f12频率

FR11、FR12频率响应

Fm多频段讯号

X、Y、Z方向

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

参照图1A-1D的俯视平面图，显示根据本发明的一观点所提供的一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件10。为便利阅读，相同的结构以四个图标来予以说明。

图1A显示微机电系统元件10包含共振器(resonator)14(图1A黑色部分)，以接受一振动源所产生的振动而对微机电感测单元的感测讯号赋予频率。赋予频率的作用容后说明。在本实施例中，共振器14包括主框架14m以接收并传递振动、连接结构14s以连接主框架14m与微机电感测单元、以及用以产生X方向振动的X轴振动器14x、Y方向振动的Y轴振动器14y、角度方向振动的角方向振动器14w。

本实施例中，共振器14包括两个主框架14m，分别位于微机电系统元件10的最外部与自外部向中间内缩1/4边长的位置，此仅为其中一种实施方式；共振器14可以仅具有一个主框架14m或具有更多数目的主框架14m，且位置也不限于如图所示。

根据本发明，微机电系统元件10包含多个不同类型的微机电感测单元，例如线性加速度计与角速度计。图1B显示本实施例中，微机电系统元件10包含可进行三轴侦测的线性加速度计11。线性加速度计11包含至少一个同平面可动电极11xy、至少一个出平面可动电极11z、以及与以上可动电极对应的固定电极11e(仅示出与同平面可动电极11xy对应的固定电极11e)，其中，同平面可动电极11xy与对应的固定电极11e构成XY方向的加速度感测单元，而出平面可动电极11z与对应的固定电极(未示出，可位于出平面可动电极11z的下方、即远离读者方向，或上方、即靠近读者方向)构成Z方向的加速度感测单元。在本实施例中，XY方向的加速度感测单元包含由同平面可动电极11xy与对应的固定电极11e所构成的差动电容C11x1,C11x2(用以侦测X方向加速度)以及由同平面可动电极11xy与对应的固定电极11e所构成的差动电容C11y1,C11y2(用以侦测Y方向加速度)。又，Z方向的加速度感测单元包含由出平面可动电极11z与对应的固定电极(未示出)所构成的电容C11z。在本实施例中，出平面可动电极11z具有一轴11a，当微机电系统元件10在Z方向上移动时，出平面可动电极11z可相对于该轴11a而旋转，以使电容C11z成为差动电容。此外，在较佳实施例中，轴11a可偏心设置、及/或出平面可动电极11z的质量可以不均匀分布于轴11a的两侧，以增进感测的精确度。需说明的是，以上所述仅为较佳实施方式的其中一种；亦可不采取差动电容的设计，且电容的布局位置也不限于图中所示之处。

图1C显示本实施例中，微机电系统元件10包含角速度计12。在本实施例中，角速度计12为科式加速度计，包含至少一个X方向的科式加速度可动电极12x、至少一个Y方向的科式加速度可动电极12y、至少一个Z方向的科式加速度可动电极12z、以及与以上可动电极对应的固定电极12e(仅示出与科式加速度可动电极12z对应的固定电极12e)；其中，科式加速度可动电极12x与对应的固定电极(未示出，可位于科式加速度可动电极12x的下方、即远离读者方向，或上方、即靠近读者方向)构成电容C12x(例如但不限于包括图示虚线框所标示的位置)、科式加速度可动电极12y与对应的固定电极(未示出，可位于科式加速度可动电极12y的下方、即远离读者方向，或上方、即靠近读者方向)构成电容C12y(例如但不限于包括图示虚线框所标示的位置)、Z方向的科式加速度可动电极12z与对应的固定电极12e构成电容C12z(例如但不限于包括图示虚线框所标示的位置)。

对照图1B与1C，值得注意的是：线性加速度计11和角速度计12的部分结构重叠设置在同一投影面积内，因此可以节省空间。(本发明的发明名称“具有共构微机电感测单元的微机电系统元件”，其中“共构”即指此意。)举例而言，同平面可动电极11xy和科式加速度可动电极12z重叠设置在同一投影面积内，又，出平面可动电极11z和科式加速度可动电极12x(或科式加速度可动电极12y)重叠设置在同一投影面积内。详言之，所谓“重叠设置在同一投影面积内”意指：以较大的部分结构的外周定义一投影面积(例如以科式加速度可动电极12x的外周定义一投影面积)，则另一部分结构，至少其主要质量部分(例如质量块)完全落在该投影面积之内、且更佳是该另一部分结构整体全部落在该投影面积(例如出平面可动电极11z为一质量块结构，其落在科式加速度可动电极12x的外周投影面积之内)。需说明的是：较大的部分结构的外周非必须为封闭形状(虽然图示科式加速度可动电极为封闭环形，但其亦可为非封闭的C形、U形等)，如果较大的部分结构的外周并非封闭形状，则以最外部点的连线定义该投影面积。

图1D显示，在一较佳实施例中，共振器14分别赋予线性加速度计11和角速度计12不同的振动频率f11和f12，因此电容C11x1,C11x2,C11y1,C11y2,C11z的感测讯号带有频率响应FR11、而电容C12x,C12y,C12z的感测讯号带有频率响应FR12。若角速度计12为前述的科式加速度计，则频率响应FR12可带有与角速度计的振动讯号同相位的频率响应以及科氏加速度频率响应，两者具有九十度相位差，此九十度相位差为科氏加速度(CoriolisAcceleration)的特性所产生。此外，科氏加速度频率响应不受限于单一个，可根据多个振动讯号而产生多个科氏加速度频率响应(例如三维的X、Y、Z各方向的科氏加速度频率响应等)。有关科式加速度计如何进行侦测并区分不同相位的主频与非主频讯号，此为现有技术，在此不予赘述。以上所有电容的感测讯号可连接于一个或多个接点，而在较佳实施例中，可将两个以上不同功能或不同轴向的电容所感测的讯号连接至一个共同接点C，以产生至少一多频段讯号fm，并输出该多频段讯号fm给一解调器，以供分析微机电系统元件10的感测结果。

前述的多频段讯号fm，其调变与后续解调方式可参阅同一申请人的TW专利申请案第103119982号，以及中华人民共和国专利申请案第201410271756.X号，当中有详细说明。

除了图示的共振器14之外，为了前述产生多频段讯号fm的需要，可以设置其它的振动源或共振器；举例而言，可使用同平面可动电极11xy的框架部分来接收另一振动源的振动，等等。需说明的是：将两个以上不同功能或不同轴向的电容所感测的讯号，调变为多频段讯号fm并一个共同接点C输出，仅是本发明的较佳实施例；本发明亦涵盖将不同功能或不同轴向的电容所感测的讯号各自单独输出的实施方式，且在电容所感测的讯号各自单独输出的情况下，若是进行感测时并不需要施予振动频率，则可不需要设置共振器14(上述实施例因角速度计以科式加速度计为例，故需要提供振动频率)。

以上图1A-1D显示：根据本发明，具有共构微机电感测单元的微机电系统元件包含不同感测型态的第一微机电感测单元和第二微机电感测单元，且该第一微机电感测单元和第二微机电感测单元的部分结构重叠设置在同一投影面积内，以节省面积。在本发明的一个较佳实施型态中，可更具有一共振器，以赋予第一微机电感测单元及/或第二微机电感测单元振动频率。在本发明的一个较佳实施型态中，此共振器除了提供感测上的需要之外，尚可通过赋予第一微机电感测单元和第二微机电感测单元不同的振动频率，而产生多频段讯号经由共同接点输出，以节省对外接点。

图2显示另一实施例的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件20，因感测的目的不同，例如微机电系统元件20为用于感测平面上的X、Z方向的运动与出平面方向的旋转角速度，故与图1的微机电感测单元的设计形式不同，但其原理相同。其中所包含多个微机电感测单元分别为角速度计与线性加速度计，如图式所示，线性加速度计包含两组线性加速度可动电极21x、21z，与对应的固定电极(未示出)构成电容C21x、C21z而可感测加速度在X、Z方向上的分量；角速度计包含两组科式加速度可动电极22x、22z，与对应的固定电极(未示出)构成电容C22x、C22z而可感测角速度。视感测结构的设计与需求而定，可动电极可通过弹簧23(例如可动电极21x、22z)或支持臂24(例如可动电极21z、22x)而连接至微机电系统元件20的其它部分。其它操作原理可参照前述实施例的说明。

图3显示另一实施例的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件30。与图2相较，其图3的感测方向不同，例如微机电系统元件30为用于Y、Z方向的运动与出平面方向的旋转角速度，故与图2的微机电感测单元的设计些微不同，但其原理相同。其中所包含多个微机电感测单元分别为角速度计与线性加速度计，如图式所示，线性加速度计包含两组线性加速度可动电极31y、31z与其连接的分量传感器C31y、C31z，角速度计包含两组科式加速度可动电极32y、32z与其连接的分量感如图式所示，线性加速度计包含两组线性加速度可动电极31y、31z，与对应的固定电极(未示出)构成电容C31y、C31z而可感测加速度在Y、Z方向上的分量；角速度计包含两组科式加速度可动电极32y、32z，与对应的固定电极(未示出)构成电容C32y、C32z而可感测角速度。可动电极通过弹簧或支持臂而连接至微机电系统元件20的其它部分。其它操作原理可参照前述实施例的说明。

图4显示另一实施例的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件40。与图2、3相较，其图2、3的感测方向不同，例如微机电系统元件30为用于X、Y平面方向的运动与出平面方向Z的旋转角速度，故与图2、3的微机电感测单元的设计些微不同，但其原理相同。其中所包含多个微机电感测单元分别为角速度计与线性加速度计，如图式所示，线性加速度计包含两组线性加速度可动电极41x、41y，与对应的固定电极(未示出)构成电容C41x、C41y而可感测加速度在X、Y方向上的分量；角速度计包含两组科式加速度可动电极42z1、42z2，与对应的固定电极(未示出)构成电容C42z1、C42z2而可感测角速度。视感测结构的设计与需求而定，可动电极可通过弹簧23(例如可动电极21x、22z)或支持臂24(例如可动电极21z、22x)而连接至微机电系统元件20的其它部分。其它操作原理可参照前述实施例的说明。

图5显示另一实施例的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件50。与图2、3、4相较，图5的感测方向不同，例如微机电系统元件50为感测于Z平面方向的运动与出平面方向X、Y的旋转角速度，故与图2、3、4的微机电感测单元的设计些微不同，但其原理相同。其中所包含多个微机电感测单元分别为角速度计与线性加速度计，如图式所示，线性加速度计包含两组线性加速度可动电极51z1、51z2，与对应的固定电极(未示出)构成电容C51z1、C51z2；角速度计包含两组科式加速度可动电极52x、52y，与对应的固定电极(未示出)构成电容C52x、C52y而可感测角速度。视感测结构的设计与需求而定，可动电极可通过弹簧23(例如可动电极21x、22z)或支持臂24(例如可动电极21z、22x)而连接至微机电系统元件20的其它部分。其它操作原理可参照前述实施例的说明。

本发明的两种以上不同类型的微机电感测单元并不局限于必须是以上所述的角速度计和线性加速度计。参照图6A，微机电系统元件60亦可包含磁力计和线性加速度计，其中该磁力计可具有如图中的电极结构62z1、62z2(例如感应线圈(CoilSensor)的形式)，而线性加速度计则具有线性加速度可动电极61x、61y，各线性加速度可动电极61x、61y分别与对应的固定电极(未示出)构成电容C61x、C61y以进行感测，又，电极结构62z1、62z2与对应的结构(未示出)构成感应结构C62z1、C62z2以进行感测。

图6B显示另一具有角速度计与磁力计的共构结构的微机电系统元件70，其中该磁力计可具有如图式中的电极结构71x、71y(例如霍尔效应(HallEffectSensor)的形式)，而角速度计则具有科式加速度可动电极72z1、72z2，分别与对应的固定电极(未示出)构成电容C72z1、C72z2以进行感测，又，电极结构71x、71y与对应的结构(未示出)构成感应结构C71x、C71y以进行感测，。此外，磁力计的实施不限于前述的实施例，根据本发明，也可根据劳伦兹力(LorentzForce)的原理来设计电容结构以构成各分量传感器。

以上各实施例不限于单独使用；若有需要，也可根据本发明的图2、3、4、5、6A、6B的实施例加以组合搭配运用。例如，可实施包含有三种以上不同类型微机电感测单元的微机电系统元件，例如包含三轴加速度计、角速度计和磁力计等，其中不同类型微机电感测单元的部分结构重叠设置在同一投影面积内。

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。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (9)

1.一种具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其特征在于，包含：

不同感测型态的第一和第二微机电感测单元，其中该第一微机电感测单元的部分结构和第二微机电感测单元的部分结构重叠设置在同一投影面积内。

2.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，还包含一共振器，至少与该第一微机电感测单元及该第二微机电感测单元其中之一连接，以至少赋予所连接的该第一微机电感测单元或该第二微机电感测单元振动频率。

3.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该共振器赋予该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元不同的振动频率，且该具有共构微机电感测单元的微机电系统元件还包含有至少一共同接点，以接收该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元的感测结果而产生一多频段讯号，经由该共同接点输出。

4.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该第一微机电感测单元和该第二微机电感测单元分别为线性加速度计和科式加速度计。

5.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该第二微机电感测单元为科氏加速度计，包括至少一个科式加速度可动电极，该科式加速度可动电极的外周定义该投影面积，且该第一微机电感测单元包括至少一个电极结构，此电极结构完全落在该投影面积内。

6.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该第二微机电感测单元为科氏加速度计，包括至少一个科式加速度可动电极，该科式加速度可动电极的外周定义该投影面积，且该第一微机电感测单元包括至少一个电极结构，此电极结构包括一主要质量部分，该主要质量部分落在该投影面积内。

7.如权利要求6所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该第一微机电感测单元为线性加速度计，且该电极结构为线性加速度计其中一轴的可动电极。

8.如权利要求7所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，该第一微机电感测单元为二轴或三轴线性加速度计。

9.如权利要求1所述的具有共构微机电感测单元的微机电系统元件，其中，包含多个不同感测型态的微机电感测单元，该多个不同感测型态的微机电感测单元包含线性加速度计、角速度计和磁力计中的几个。