技术领域
[0001] 本
发明涉及一种具有增强结构强度的
微机电系统(MEMS)加速度计。
背景技术
[0002]
现有技术的微机电系统(MEMS)加速度计大多数仅能侦测同平面(in-plane，X-Y维度)或出平面(out-of-plane，Z维度)两者之一的速度变化，并不能同时侦测三维的速度变化。因此，需要一种能侦测三维的速度变化的三轴微机电系统加速计。
[0003] 此外，在目前微机电系统加速计的封装制程中，整体元件将会受到高温，因此必须适当设计其结构，以避免产生局部剥离、
变形、或其它结构受损的问题，此种问题会造成微机电系统加速计在制造上与应用上的损失与错误。
[0004] 有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有增强结构强度的微机电系统加速度计。
发明内容
[0005] 本发明目的之一在于克服现有技术的不足与
缺陷，提出一种具有增强结构强度的微机电系统(MEMS)加速度计。
[0006] 为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种具有增强结构强度的微机电系统加速度计，设置于一
基板上，包含：多个
弹簧，其中，每一弹簧包括：一弹簧固定锚部(anchor)，固定于该基板；一弹簧可动部，其具有：一固定于该弹簧固定锚部的弹簧固定端(fixed end)；以及一悬浮于该基板上方的一弹簧自由端(free end)；其中，该弹簧可动部为一反复折绕结构，其结构大致为一多边形图案，该弹簧固定端位于该多边形图案的一侧边上中间三分之一边长的范围内；该弹簧自由端位于该多边形图案的该弹簧固定端对边上中间三分之一边长的范围内；一
质量块(proof mass)，其具有多个接点，分别与对应的弹簧中的弹簧自由端连接；以及多个同平面(in-plane)感测
电极区，其中，每一同平面感测电极区包括：至少一
定子(stator)，固定于该基板，其具有：一定子固定锚部(anchor)，固定于该基板；多个定子金属层，固定于该定子固定锚部；以及至少一定子
支撑栓，以连接相邻的定子金属层；以及至少一动子(rotor)，连接于该质量块，其具有：多个动子金属层，连接于该质量块；以及至少一动子支撑栓，以连接相邻的动子金属层。
[0007] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中每一弹簧更包括一稳定段(sector)，用以连接该弹簧自由端以及该质量块，其设置于与该自由端同一侧边，该稳定段的宽度大于该弹簧自由端。
[0008] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该定子中的最上层定子金属层及/或最下层定子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该定子支撑栓连接至相邻的定子金属层。
[0009] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该动子中的最上层动子金属层及/或最下层动子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该动子支撑栓连接至相邻的金属层。
[0010] 就另一个观点言，本发明提供了一种具有增强结构强度的微机电系统加速度计，设置于一基板上，包含：多个弹簧，其中，每一弹簧包括：一弹簧固定锚部，固定于该基板；一弹簧可动部，其具有一固定于该弹簧固定锚部的弹簧固定端与一悬浮于该基板上方的一弹簧自由端，一质量块，其具有多个接点，分别与对应的弹簧中的弹簧自由端连接；以及多个同平面感测电极区，其中，每一同平面感测电极区包括：至少一定子，固定于该基板，其具有：一定子固定锚部，固定于该基板；多个定子金属层，固定于该定子固定锚部；以及至少一定子支撑栓，以连接相邻的定子金属层；以及至少一动子，连接于该质量块，其具有：多个动子金属层，连接于该质量块；以及至少一动子支撑栓，以连接相邻的动子金属层，其中，该动子的最上层动子金属层及/或最下层动子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一动子支撑栓连接至相邻的动子金属层。
[0011] 上述三维信息产生方法中，该投射一扫描光束的步骤包括：发射一线状光束；以及以微机电系统(MEMS)镜反射该线状光束至该待测物，并通过该微机电系统镜的镜面的一维转动使其反射的光束成为前述扫描光束。
[0012] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该定子中的最上层定子金属层或最下层定子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一定子支撑栓连接至相邻的定子金属层。
[0013] 再就另一个观点言，本发明提供了一种具有增强结构强度的微机电系统加速度计，设置于一基板上，包含：多个弹簧，其中，每一弹簧包括：一弹簧固定锚部，固定于该基板；一弹簧可动部，其具有一固定于该弹簧固定锚部的弹簧固定端与一悬浮于该基板上方的一弹簧自由端，一质量块，其具有多个接点，分别与对应的弹簧中的弹簧自由端连接；以及多个同平面感测电极区，其中，每一同平面感测电极区包括：至少一定子，固定于该基板，其具有：一定子固定锚部，固定于该基板；多个定子金属层，固定于该定子固定锚部；以及至少一定子支撑栓，以连接相邻的定子金属层；以及至少一动子，连接于该质量块，其具有：多个动子金属层，连接于该质量块；以及至少一动子支撑栓，以连接相邻的动子金属层，其中，该定子的最上层定子金属层及/或最下层定子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一定子支撑栓连接至相邻的定子金属层。
[0014] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该动子包含较宽的加强梁部与较细的电极部，以增强该动子结构强度。
[0015] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该动子的加强梁部由上视图视之为一I字形、一II字形、或一王字形。
[0016] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该加速度计更包含一出平面(out-of-plane)感测电极区，该出平面感测电极区包括：一Z轴定子，固定于该基板；以及[0017] 至少一Z轴动子，连接于该质量块，其具有：多个Z轴动子金属层，连接于该质量块；以及至少一Z轴动子支撑栓，以连接相邻的Z轴动子金属层。
[0018] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该Z轴动子中的最上层Z轴动子金属层及/或最下层Z轴动子金属层包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一Z轴动子支撑栓连接至相邻的Z轴动子金属层。
[0019] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中由上视图视之，该Z轴动子包含互相垂直的延伸金属段。
[0020] 上述具有增强结构强度的微机电系统加速度计，其中该定子大体呈线段形状，其定子固定锚部位于该线段较靠近该质量块的一端。
[0021] 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
[0022] 图1显示微机电系统(MEMS)加速度计的上视示意图；
[0023] 图2A与图2B，显示弹簧11的结构示意图；
[0024] 图3标出质量块12的上视示意图；
[0025] 图4A显示同平面感测电极区13的上视图；
[0026] 图4B显示同平面感测电极区13的立体图；
[0027] 图5A显示出平面感测电极区14的上视图；
[0028] 图5B显示图5A中AB切线的剖面图；
[0029] 图5C显示出平面感测电极区14的立体图；
[0030] 图6A-6C显示本发明的第二实施例；
[0031] 图7A-7C显示本发明的第三实施例；
[0032] 图8A-8B显示本发明的第四实施例；
[0033] 图9A-9B显示本发明的第五实施例；
[0034] 图10A-10C显示本发明的第六实施例；
[0035] 图11A-11B显示本发明的第七实施例；
[0036] 图12A-12B显示本发明的第八实施例；
[0037] 图13A-13C显示本发明的第九实施例；
[0038] 图14A-14B显示本发明的第十实施例；
[0039] 图15A-15B显示本发明的第十一实施例；
[0040] 图16A-16B显示本发明的第十二实施例；
[0041] 图17A-17B显示本发明的第十三实施例；
[0042] 图18A-18C显示本发明的第十四实施例；
[0043] 图19显示本发明的第十五实施例。
[0044] 图中符号说明
[0045] 1、3、4、5、6、7微机电系统加速度计
[0046] 11、15弹簧
[0047] 111、151弹簧固定锚部
[0048] 112、152弹簧可动部
[0049] 153稳定段
[0050] 114、154弹簧固定端
[0051] 116、156弹簧自由端
[0052] 12质量块
[0053] 121质量块接点
[0054] 13、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26同平面感测电极区[0055] 131、141、191、201、211、221、231、241、251、261定子
[0056] 132、142、162、172、182、222、232、242、252、262动子
[0057] 133、143、193、203、213、223定子固定锚部
[0058] 134、144、164、174、184最下层动子金属层
[0059] 135、195、205、215、225最下层定子金属层
[0060] 136、146、166、176、186、226动子支撑栓
[0061] 137、197、207、217、227定子支撑栓
[0062] 138、148、168、178、188、228最上层动子金属层
[0063] 139、199、209、219、229最上层定子金属层
[0064] 14、27、28出平面感测电极区
[0065] 2基板
[0066] 274、284最下层Z轴动子金属层
[0067] 276、286Z轴动子支撑栓
[0068] 278、288最上层Z轴动子金属层
具体实施方式
[0069] 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。
[0070] 图1显示三轴微机电系统(MEMS)加速度计的上视示意图，该微机电系统加速度计1包含弹簧(spring)11、质量块(proof mass)12、同平面感测电极区(sense electrode)13、以及出平面感测电极区14。请继续参阅图2A与图2B，显示弹簧11的结构示意图；其中，每一弹簧11包括弹簧固定锚部(anchor)111，固定于基板2；以及与弹簧固定锚部111连接的弹簧可动部112。如图2A所示，弹簧可动部112从上视图视之，经反复折绕后总体大致为多边形结构，其具有弹簧固定端(fixed end)114与弹簧自由端(free end)116，其中弹簧固定端114固定于弹簧固定锚部111，而弹簧自由端116则悬浮于基板2上方。如图1所示，质量块12的四个接点121分别与四个弹簧11的弹簧自由端116与连接，使质量块12可在空间中各方向移动，质量块12的上视示意图如图3所示，其中例如可安排若干开孔，以减少质量块12的质量，及便利制程中蚀刻质量块12的下方材料。
[0071] 图4A显示同平面感测电极区13的上视图，每一个同平面感测电极区13包含多个X或Y轴定子(stator)131与一X或Y轴动子(rotor)132。请参考图4B，定子固定锚部(anchor)133固定于基板2；最下层定子金属层135与定子固定锚部133连接；多个定子支撑栓137分别连接各上下相邻的定子金属层，直到最上层定子金属层139。动子132连接至质量块12，以随质量块12在空间中移动，当质量块12的移动造成定子131与动子132在X或Y轴上的距离改变时，即可通过侦测其间的电容值改变来计算出X或Y轴上的加速度。如图4B所示，最下层动子金属层134由多个动子支撑栓136连接至上一层动子金属层，直到最上层动子金属层138。
[0072] 图5A显示出平面感测电极区14的上视图，出平面感测电极区14包含多个Z轴定子141与多个Z轴动子142。请参考图5B与图5C，图5B显示图5A中AB切线的剖面图。其中，定子固定锚部143固定于基板2；定子导体层145与定子固定锚部143连接，其中定子导体层145例如可以是金属或复晶
硅。动子142连接至质量块接点121，以随质量块12在空间中移动，当质量块12的移动造成定子141与动子142在Z轴上的距离改变时，即可通过侦测其间的电容值改变来计算出Z轴上的加速度。如图5B及5C所示，最下层动子金属层144由多个动子支撑栓146连接至上一层动子金属层，直到最上层动子金属层148。本实施例中定子导体层145位于基板2上方的一层材料层，但亦可使用基板2本身的植入区作为定子导体层145。
[0073] 请参阅图6A-6C，显示本发明另一实施例，本实施例针对三轴微机电系统加速度计的弹簧结构提出更佳的设计。本实施例的微机电系统(MEMS)加速度计3，其例如包含四组但不必须为四组弹簧15；质量块(proof mass)12，其具有四个接点121，分别与四组弹簧15连接；以及多个同平面感测电极区13和多个出平面感测电极区14，其中同平面感测电极区13和出平面感测电极区14与前一实施例相同，可参阅图4A-4B，5A-5C。本实施例中，每一弹簧15包括弹簧固定锚部151，固定于基板2；以及弹簧可动部152，其具有固定于弹簧固定锚部151的弹簧固定端154，和悬浮于基板2上方的弹簧自由端156。请同时参考图6B与6C，显示单一弹簧15。其中，弹簧可动部152为一反复折绕结构，其结构大致为一多边形图案，例如但不限于为方形，与前一实施例不同的是，弹簧固定端154不位于靠近该多边形图案
角落的
位置，而是距离角落一段距离，例如位于该多边形图案的一侧边上中间三分之一边长的范围内，此范围如图6B中的两虚线间的区域；弹簧自由端156则位于该多边形图案的弹簧固定端154对边上，同样也不位于靠近该多边形图案角落的位置，而是距离角落一段距离，例如位于中间三分之一边长的范围内。此设计的目的在于使弹簧固定端154和弹簧自由端156在X或Y轴上靠近，以减少应
力对整体弹簧所造成的影响。弹簧15的弹簧自由端156可以直接与质量块12连接(例如使接点121更加延伸)，或如图所示弹簧15可以更包括一个较宽的稳定段(sector)153，用以连接弹簧自由端156以及质量块12，稳定段
153设置于与自由端154同一侧边，且稳定段153的宽度大于弹簧自由端156。
[0074] 除针对弹簧结构提出更佳设计之外，本发明另也发现，如减少结构中最上层及/或最下层的连续长度，可以减少
应力对该结构的影响。请参阅图7A-7C，显示本发明的第三实施例，本实施例的微机电系统加速度计4与第一实施例不同之处在于：本实施例的同平面感测电极区16中，动子162的最上层动子金属层168包含多个独立金属段，如图7B-7C所示，该些独立金属段由多个动子支撑栓166连接至相邻的动子金属层，直到最下层动子金属层164。此设计的目的在于减少最上层动子金属层168的连续长度，以减少应力对动子结构的影响。另外，本实施例的弹簧11与第一实施例相同，但当然，根据本发明概念，亦可以采用与第二实施例相同的弹簧15。
[0075] 图8A-8B标出本发明的第四实施例，本实施例举例示出另一同平面感测电极区17，其中，同平面感测电极区17包含一动子172，其最下层动子金属层174包含多个独立金属段，如图8B所示，该些独立金属段由多个动子支撑栓176连接至相邻的动子金属层，直到最上层动子金属层178。
[0076] 图9A-9B标出本发明的第五实施例，本实施例举例示出又一同平面感测电极区18，其中，同平面感测电极区18包含一动子182，其最上层动子金属层188与最下层动子金属层184各自包含多个独立金属段，如图9B所示，该些独立金属段由多个动子支撑栓186连接至相邻的动子金属层，自最下层动子金属层184直到最上层动子金属层188。第三至第五实施例意在说明，如减少动子结构中最上层及/或最下层的连续长度，可以减少应力对该结构的影响。
[0077] 图10A-10C标出本发明的第六实施例，本实施例的微机电系统加速度计5，其与第三至第五实施例不同之处在于：本实施例是减少定子结构中最上层的连续长度。如图所示，本实施例的同平面感测电极区19中，每一定子191的最上层定子金属层199包含多个独立金属段，如图10B与10C所示，该些独立金属段由多个定子支撑栓197连接至相邻的定子金属层，直到最下层定子金属层195，且最下层定子金属层195由定子固定锚部193，固定于基板2。其中，如图10B所示，每一定子191大体呈线段形状，且其定子固定锚部193可以为一个或多个，当每一定子191的固定锚部193只有一个时，其位于该线段较靠近质量块12的一端。另外，本实施例的弹簧11与第一实施例相同，当然，根据本发明概念，亦可以采用与第二实施例相同的弹簧15。
[0078] 图11A-11B标出本发明的第七实施例，本实施例举例示出另一同平面感测电极区20，其中，同平面感测电极区20包含多个定子201，其最下层定子金属层205包含多个独立金属段，如图11B所示，该些独立金属段由多个定子支撑栓207连接至相邻的定子金属层，直到最上层定子金属层209。
[0079] 图12A-12B标出本发明的第八实施例，本实施例举例示出又一同平面感测电极区21，其中，同平面感测电极区21包含一定子211，其最上层定子金属层219与最下层定子金属层215各自包含多个独立金属段，如图12B所示，该些独立金属段由多个定子支撑栓217连接至相邻的定子金属层，自最下层定子金属层215直到最上层定子金属层219。第六至第八实施例意在说明，如减少定子结构中最上层及/或最下层的连续长度，可以减少应力对该结构的影响。
[0080] 图13A-13C标出本发明的第九实施例，本实施例的微机电系统加速度计6，其同平面感测电极区22中，动子结构与定子结构的最上层皆分为多个独立金属段，以减少其连续长度。如图13A-13C所示，每一定子221的最上层定子金属层229包含多个独立金属段，如图13B所示，该些独立金属段由多个定子支撑栓227连接至相邻的定子金属层，直到最下层定子金属层225，且最下层定子金属层225由定子固定锚部223，固定于基板2。另外，动子222的最上层动子金属层228包含多个独立金属段，如图13C所示，该些独立金属段由多个动子支撑栓226连接至相邻的动子金属层，直到最下层动子金属层224。其中，每一定子221大体呈线段形状，如图13B所示，其定子固定锚部223可以为一个或多个，当每一定子221的固定锚部223只有一个时，其宜位于该线段较靠近质量块12的一端。另外，本实施例的定子221，亦可以由图11B的定子201或图12B的定子211取代；并且，本实施例的动子222，亦可以由图8B的动子172或图9B的动子182取代。而且，本实施例的弹簧15亦可以由弹簧11取代。
[0081] 图14A-14B标出本发明的第十实施例，此实施例举例示出另一种同平面感测电极区23的上视图，同平面感测电极区23包含多个定子231以及一动子232。本实施例的特点在于加强了动子232的结构，如图14B所示，动子232除包含较细的电极部236外，更包含较宽的加强梁部234以增强动子232结构强度，且动子232的加强梁部234由上视图视之为一I字形。其中，定子231和动子232的剖面结构可为如前述第三至第九任何一个实施例的结构，举例而言，定子231的最上层定子金属层及/或最下层定子金属层可包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一定子支撑栓连接至相邻的定子金属层。另外，动子232最上层动子金属层及/或最下层动子金属层亦可包含多个独立金属段，该些独立金属段由该至少一动子支撑栓连接至相邻的动子金属层。
[0082] 图15A-15B标出本发明的第十一实施例，此实施例举例示出又一种同平面感测电极区24的上视图，同平面感测电极区24包含多个定子241以及一动子242，动子242如图15B所示，包含较宽的加强梁部244与较细的电极部246，以增强动子242结构强度，且动子
242的加强梁部244由上视图视之为一I字形。与前一实施例不同的是，定子231的最上层定子金属层及最下层定子金属层为单一连续金属段，连续金属段由至少一定子支撑栓连接至相邻的定子金属层。并且，动子242最上层动子金属层及最下层动子金属层为单一连续金属段，连续金属段由至少一动子支撑栓连接至相邻的动子金属层。
[0083] 图16A-16B标出本发明的第十二实施例，此实施例举例示出再一种同平面感测电极区25的上视图，同平面感测电极区25包含多个定子251以及一动子252，动子252如图16B所示，包含较宽的加强梁部254与较细的电极部256，以增强动子252结构强度，且动子
252的加强梁部254由上视图视之为一II字形。
[0084] 图17A-17B标出本发明的第十三实施例，此实施例举例示出再又一种同平面感测电极区26的上视图，同平面感测电极区26包含多个定子261以及一动子262，动子262如图17B所示，包含较宽的加强梁部264与较细的电极部266，以增强动子262结构强度，且动子262的加强梁部264由上视图视之为一王字形。
[0085] 以上第十至第十三实施例显示，可使用各种形式的加强梁部结构来增强动子262结构强度，其中所述I字形、II字形、王字形等仅为举例。
[0086] 图18A-18C标出本发明的第十四实施例，本实施例的微机电系统加速度计7与第一实施例不同之处在于：本实施例的出平面感测电极区中，如图18A-18C所示，每一Z轴动子27的最上层Z轴动子金属层278包含多个独立金属段，如图18B所示，该些独立金属段由多个Z轴动子支撑栓276连接至相邻的Z轴动子金属层，直到最下层Z轴动子金属层274。另外，本实施例的弹簧11亦可以由弹簧15取代；同平面感测电极区13亦可以由同平面感测电极区16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、或26来取代。
[0087] 图19标出本发明的第十五实施例，本实施例举例说明另一种出平面感测电极区的Z轴动子28，其最上层Z轴动子金属层288与最下层Z轴动子金属层284各自包含多个独立金属段，如图所示，该些独立金属段由多个Z轴动子支撑栓286连接至相邻的Z轴动子金属层，自最下层Z轴动子金属层284直到最上层Z轴动子金属层288。各独立金属段由多个Z轴动子支撑栓286连接至相邻的Z轴动子金属层，直到最上层Z轴动子金属层288。以上第十四至第十五实施例意在说明，如减少Z轴动子中最上层及/或最下层的连续长度，可以减少应力对该结构的影响。
[0088] 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。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，本发明的金属层不限于四层，可为其它多层；再如，支撑栓部不限于圆柱形或立方矩形，亦可以为一排连续支柱状；又如，弹簧亦可以由多个金属层所构成。此外，同平面感测电极区13和出平面感测电极区14的位置可以对调；弹簧可设置在质量块12的四边而非四角；各结构部份的形状不限于实施例所示而可以改变，例如质量块12不限于为方形等等。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。
