[发明专利]电容式多轴加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度感测芯片的结构。

背景技术

用于汽车安全系统的加速度计，可以用来侦测一些冲撞意外事件的发 生，以控制一些装置来保护乘客，例如安全气囊的引爆控制；也可以用来感 测像是太空船、飞机、和其他物体的加速度、外力或是姿态；近年随着低加 速度范围的加速度计在消费性电子产品与汽车应用上的扩散和普及，具有高 灵敏度、高线性度、低它轴灵敏度、低杂讯、和可侦测多轴向加速度的加速 度计也已形成一种技术性能趋势。除了性能需求外，如何降低这些加速度传 感器的体积和硬体成本，也是设计时必需考量的必要条件。

大多数的微型惯性感测元件，特别是用来感测加速度的元件(例如：加 速计)，基于优选的温度特性需求考量，都是采用电容式的感测结构设计， 利用半导体工艺技术和微机电工艺技术来实现批次制作的生产目标。但由于 目前加速计常常被使用在像是游戏机、硬碟、移动电话、个人数字助理、口 袋型电脑等可携式的消费性行动装置中，因此芯片体积的大小是一个非常重 要的设计考量与趋势，虽然许多感测元件的体积可以不断透过设计加上制作 技术的进步来持续缩小，但是大多数已生产市售的电容式加速度计都是以各 感测轴独立的感测结构方式来实现，这种设计方式在性能需求和尺寸需求上 是比较难以同时被满足。虽然目前已有少数专利在探讨微型的三轴加速度传 感器的结构。例如在美国专利第6,845,670号专利中，就提供了三轴加速度 传感器的结构。

然而，在美国专利第6,845,670号专利中，由于三个方向轴的加速度的 感测都是共用一组弹簧(Spring)来完成，在制作误差发生时，会造成三个方 向轴的分量在使用时会比较容易有较高的它轴影响状况发生，并且其在Z轴 方向，虽然采用Z轴受力时结构体旋转的感测方式，但为同时满足平面方向 的灵敏度，此专利的弹簧设计将使得质量块不但有结构体旋转的运动，也较 易发生结构体在Z轴有平移的现象，进而使得加速度计的线性度较差。

另外，在美国专利第7,258,012号专利中，也提供了一种加速度传感器 的结构。在该篇专利中，虽然其Z轴感测是采用结构体旋转的感测方式，但 是因为其Z轴结构是嵌在X/Y轴的质量块中，Z轴结构的不对称性将使其 X/Y轴的输出容易有较高的非线性度。

发明内容

因此，本发明提供一种电容式多轴加速度计，可以具有较小的尺寸并有 优越的性能，包括高灵敏度、高线性度、低它轴灵敏度。

本发明提供一种电容式多轴加速度计，包括一个基板与一个半导体结构 层，此半导体结构层组成为：多个支撑基座、多个弹簧结构组、多个梳状电 容结构、第一质量块和第二质量块。另外，第一质量块透过两悬臂以非对称 的方式悬挂设置在支撑基座上，而支撑基座固定在基板上。第一质量块沿第 一方向并以两悬臂为转动轴，使得第一质量块在第二方向上呈现不对称性。 当第一质量块在第三方向受力时，以转动轴为中心转动。其中，第一方向、 第二方向和第三方向彼此正交。此外，第二质量块透过弹簧结构组被悬挂设 置在第一质量块上，而第二质量块可以感测在第一方向或第二方向上的加速 度大小，而对应地沿第一方向或是第二方向平移。还包括至少一梳状电容组， 配置在该半导体结构层中，该梳状电容组包含第一梳状电容组，其配置在该 第二质量块的侧面，该第一梳状电容组与至少一个第一固定感测电容板组成 梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设于该基板上。

本发明也提供另外一种电容式多轴加速度计，包括一个基板与一个半导 体结构层，此半导体结构层组成为：多个支撑基座、多个弹簧结构组、多个 梳状电容结构、第一质量块、第二质量块与第三质量块。其中，大部分的组 合关系如上所述。不同于上述在于第三质量块，此第三质量块透过弹簧组被 悬挂设置在第二质量块上，而第三质量块可以沿着与第二质量块平移方向的 同平面地垂直方向作平移。其中，还具有至少一梳状电容组，配置在该半导 体结构层中，并包括第一梳状电容组，其配置在该第二质量块的侧面，与至 少一个第一固定感测电容板组成梳状电容，其中该第一固定感测电容板固设 于该基板上；以及第二梳状电容组，配置在该第三质量块，与至少一个第二 固定感测电容板组成另一梳状电容，其中该第二固定感测电容板固设于该基 板上。