专利名称：微机电系统装置以及运动感测方法
技术领域：
本发明涉及感测运动(detecting motion)的装置和方法。
背景技术：
在现代的视频游戏控制器(video game controller)中，依据所测量到的电容值来检测动作。图1是公知以电容测量(capacitance measurement)为基础的运动感测器(motion detector) 10。运动感测器10包括两个金属板12与14，并且金属板12和14 被微小的间距D所分开。其中一个金属板是被固定住的，而另外一个金属板可随着外力 (force)自由地如图1箭头所示的方向移动。一种弹簧的结构，如风箱伸缩囊(bellow)或隔膜(diaphragm) 16，放置于两金属板12与14的中间，并在外力(force)所引起的两金属板相对于另外一者的运动后，使金属板12与14到回到静态关系(static relationship)。 如果有发生运动，则两金属板12与14间的间距D会变成间距D’。间距D与D’微小的差异将导致两金属板间的电容值(capacitance)改变。在运动的过程中借由测量电容值可以计算出运动的加速度、速度和距离。Nintendo’ s Wii 的游戏控制器就是以这样的原理来作为基石出。电容器10的电容值可以由以下算式表示C = x*y* ε /D，其中x*y代表金属板12 与14的面积，ε是金属板12与14间的介电质的介电常数，D是金属板12与14间的间距。 在公知的运动感测器中，其电容值的变化是很微小的且不易在即时的状态下测量到，因此需要一种较快速、便宜和/或精准无误的运动感测器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种微机电系统装置，适用于感测机械位移，包括至少一第一电容器，具有第一和第二电容器极板，第一和第二电容器极板设置于彼此相距为一间距的位置，第一和第二电容器极板具有不同功函数并且互相电性连接，其中第一和第二电极板之一可相对于另一者移动，使得第一和第二电容器极板间的间距随着一外力改变，流经第一电容器的电流代表在特定的时间内上述间距改变的速度。本发明也提供另外一种微机电系统装置，包括一固定支撑部件；一偏移部件，依附在固定支撑部件上，以便相对于固定支撑部件进行偏离；至少一第一电容器极板，连接固定支撑部件；以及至少一第二电容器极板，连接偏移部件，第二电容器极板平行于第一电极板且相隔一间距，第一和第二电容器极板形成至少一第一电容器，第一和第二电容器极板具有不同功函数和互相电性连接，用以提供流经第一电容器的一电流，流经第一电容器的电流以偏移部件的偏离量为基础。本发明也提供一种感测运动方法，适用于一微机电系统装置的一运动感测器，包括下列步骤提供具有至少一第一电容器极板和至少一第二电容器极板的至少一第一电容器，第一和第二电容器极板相隔一间距，互相电性连接且具有不同功函数，其中第一和第二电极板之一可相对于另外一者移动，使得间距随一外力改变；以及监控流经第一电容器的一电流，电流代表在特定时间内间距的改变。本发明提供的运动感测器较快速、便宜和/或精准无误，适用于感测机械位移。为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下
图1是公知以电容测量为基础的运动感测器。图加是本发明实施例的电容器的一实施例，其中每一个电容器极板是由金属层和半导体材料层所构成，其中两电容器极板的半导体材料层是具有不同掺杂的半导体材料。图2b是本发明实施例的电容器的另一实施例，其中两电容器极板是具有不同掺杂的半导体材料。图2c是本发明实施例的电容器的另一实施例，其中两电容器极板是由两不同功函数的金属材料所构成。图2d是本发明实施例的电容器的另一实施例，其中两电容器极板是由具有不同功函数的不同半导体材料所构成。图3是本发明实施例的具有电容器感测器的运动感测器，其中电容器感测器沿着三个不同的轴排列。图4是本发明实施例的电容器所使用的电流感测器。图5是本发明实施例的具有差动感测功能的感测器。图6是本发明实施例的运动感测器，其中包括多个电容器排列成交叉指形组件。其中，附图标记说明如下10:运动感测器12、14:金属板16:隔膜D:间距100、100A 100D、200 电容器IlOA 110D、120A 120D 电容器极板112:传导接触层114 =N型半导体材料层116 :P型半导体材料层130:电性连接140 弹性元件Rl R6:电阻Cl:电容Il 第一电流12:第二电流13:参考电流14 暂态电流
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VDD:电源节点A、B:节点Ml 结场效晶体管M2、M3 :NM0S 晶体管Vbias 电压210:比较器Vout 差动输出信号300 交叉指形组件310,320 梳状电极部311、321 枝干部312、322 电容器极板臂323 第一侧324 第二侧
具体实施例方式做为例证实施例的说明可在配合相关附图下而被理解，这些图为整份说明的考率部分。于所揭示的实施例的说明中，任何关于方向或方位的参考仅做为说明便利的使用，并且因此而不会造成本发明的领域的限制。就例如“底(lower)”、“顶(upper)”、“水平(horizontal) ”、“垂直(vertical) ”、“之上(above) ”、“之下(below) ”、“ 向上(up) ”、 “向下(down)”、“顶(top)”与“底(bottom)”的相关术语及其衍生术语(例如“水平地 (horizontally)”、“向下地(downwardly) ”、“向上地(upwardly) ”等)而言，于说明中或呈现于图中的讨论时，这些相关术语及其衍生术语用以做为方位的使用。这些相关术语仅为了便于说明而使用，并且不需要在一特定方位下对于装置进行建构或操作。除非是特别地说明利用了其它方式，否则例如“将…附加于(attached) ”、“将…固定于(affixed) ”、“将… 连接于(connected) ”、“将…相互连接(interconnected)，，的术语表示于多结构之间利用了多中间结构、以可移动或刚性附件或关系的作用下而达到彼此之间的直接或间接地固定或贴附。就用以描述结构/元件之间的关系的术语“邻接于(adjacent)”而言，此“邻接于 (adjacent) ”包括了相关的个别结构/元件间的直接接触与于个别结构/元件之间具有其它中间结构/元件的存在。再者，由优选实施例说明本发明的可能的非限制性特征的组合并非特别地用以限制本发明，这些非限制性特征可单独存在或为其它特征的组合，本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定者为准。本发明提供一种在微机电系统(electromechanical，MEMS)装置中用以检测机械位移的装置和方法。位移的测定是以检测电流为基础，其中上述电流由调节两电容器极板 (capacitor plate)间的间距所产生，而电容器极板由功函数不相同的材料所制作而成。功函数(work function)从导电材料或半导电材料的表面移除一个电子所需的最小能量，如果两电容器极板互相电性连接，则两电容器极板因材料间的功函数差异而产生内建电场， 横越电容器的电场由两电容器极板间的间距来调变，也就是说，在平衡状态下，在两电容器极板间有一个内建电场，并且在此系统中没有电流流动。如果两电容器极板间的间距改变， 将改变电场并且有电流流动，借由测量电流的大小，可以计算出两电容器极板间距离的变化。穿越电容器的电流代表两电容器极板空间改变的速度，例如电容器极板的移动速度，微机电系统装置中的运动感测器可借以计算出加速度。本发明所揭示的运动感测器具有广泛的应用，如视频游戏控制器(video game controller)、游戏摇杆(joy stick)、加速度计 (accelerometer)、陀螺仪(gyroscope)禾口安全装置(safety device),如安全气囊(airbag deployment)等等。电容器极板可由两不同功函数的金属、具有不同功函数的金属/半导体结构、具有不同功函数的半导体材料、具有不同掺杂的半导体材料或者是这些不同材料或结构的结合所构成。图加至图2d为本发明的微机电系统装置的实施例，其分别代表具有不同功函数的电容器极板的电容。图加具有电容器极板IlOA和120A的电容器100A，其中电容器极板110A和120A设置于彼此相距为间距D的位置。电容器极板110A和120A间的介电质设定为空气或者是真空。每一个电容器极板110A和120A是由金属层所构成，例如铝、钨、钛、 金、或者一些适用于特定微机电系统装置的制程和有助于形成半导体层的金属。电容器极板110A包括N型半导体材料(例如硅)层114，而电容器极板120A包括P型半导体材料 (例如硅)层116，电容器极板的功函数是由电容器极板110A和120A间朝向缝隙(gap)的材料(即N型半导体材料层114和P型半导体材料层116)的功函数所决定。传导接触层 (金属层)112可用以提供特定的功函数(如果在电容器极板之间且朝向缝隙)，或者如图 2a中所示用以提供低电阻的连接。电容器极板110A和120B是借由弹性元件(elastic element) 140而物理性连接 (physically connected)在一起，如果没有施加外力，电容器极板会维持在静止位置。当两电容器极板之一对另外一者做相对运动后，弹性元件140会帮助两电容器极板回到静止位置。弹性元件140可以是弹簧(spring)、弹性薄板(elastic sheet)或弹性隔膜(elastic diaphragm)等等。两电容器极板的其中一者是不可移动(固定住)的电容器极板，而另外一者则可移动，且平行于不可移动的电容器极板，并可随意在两电容器极板的主要表面的垂直方向上移动。电容器极板110A和120B互相电性连接，此电性连接130如图加 2d所示。当具有不同功函数的两电性连接材料(如N型半导体材料层114和P型半导体材料层116)相互靠近时，由于两材料间没有产生电流(the absence ofelectric current)使得两材料的费米能阶(Fermi level)互相对齐，并且两材料功函数的不同会在电容器极板110A和120B 之间产生充电电容器(chargedcapacitor)和电场，电容器的电荷可由Q = -A cD*C/e计算出，其中e是电子电荷符号，Δ Φ为两材料间的功函数差(以eV为单位)，C是此结构的电容值。平行板电容器的平均电场是E = -△ Φ*/1)Θ，其中D是在特定时间上的两电容器极板的间距。如果两电容器极板相对运动后使得两电容器极板的间距改变，则会产生电流。此电流量可以由以下公式计算出(对于平行板电容器而言)I = -AcD*x*y*￡/e[l/D-l/ D，] / Δ t = Α* Δ D/ [ Δ t _，)]，其中A是结构(structure)常数，此相同于电容器极板的面积(x*y)乘上(ε/e)，ε是介电常数(如真空的介电常数是1)，D_D’是AD(特定时间内的两电容器极板的间距变化量)，At是时间的变化量。此表示式说明了所检测到的电流是正比于两电容器极板的相对速度。电容器极板的相对运动会产生加速/暂态电流(AC/transient current)。假设两电容器极板间的距离并没有很大，则此电流将正比于电容器极板的移动速度(△ D/ Δ t)，连续地检测速度可得到在特定时间周期(At)内速度的改变(Δν)，则速度对时间的第一次导数(Δν/At)为加速度，因此，电容器可以用来当作检测加速度的运动检测器。虽然了解依附至第一和第二电容器极板的弹性元件的物理特性无助于测定速度和加速度，但由于AD是具有相依于弹性元件的特性，所以了解弹性元件的物理特性能帮助取得运动感测器灵敏度的信息，在一些实施例中，八D的最大值仅介于1微米至几微米间。图2b是电容器100Β，其中两电容器极板是具有不同掺杂的半导体材料，例如N+和 P+。在此实施例中，电容器极板IlOB是η型掺杂的半导体材料，电容器极板120Β是ρ型掺杂的半导体材料。图2c是电容器100C，其中两电容器极板是由两不同功函数的金属材料所构成。电容器极板IlOC是由一第一金属所构成，而电容器极板120C是由一第二金属所构成。图2d是电容器100D，其中两电容器极板IlOD和120D是由具有不同功函数的不同半导体材料所构成。电容器极板IlOD是由一第一半导体材料所构成(例如η型/p型掺杂硅)和电容器极板120D是由一第二半导体材料所构成(例如η型/p型掺杂硅)。不同掺杂物、不同掺杂浓度、不同半导体基本材料或任何其上的组合皆能提供具有不同功函数的材料。借由这样的例子，N型硅材料和P型硅材料功函数差期望值是接近1. leV，某些金属所产生功函数差更是超过于&V。图3是为微机电系统装置的另一实施例，在此实施例中微机电系统装置可作为具有电容感测器(capacitor sensor)的运动感测器，其中电容器感测器沿着三个不同的轴排列，而三个不同的轴分别为垂直轴(vertical axis)、横轴(lateral axis)和纵轴 (longitudinal axis)。使用这些方向来建立一个三维加速度计用以感测三个轴方向的加速度。图4为微机电系统装置的另一实施例，在此实施例中微机电系统装置可包括连接至一电流感测器(current sensor)的一电容器100，电容器100可以是如上所述的电容器 100A 100D，例如，电容器具有两不同功函数的电容器极板，和电容器极板之一相较另一者随着外力施力具有可移动性。详细来说，电容器100与电阻Rl并联，用以产生一第一电流II。第一电流Il通过结场效晶体管(junction field effect transistor, JFET)放大级(amplification stage)来镜射(mirror)和放大(amplify)，其中结场效晶体管放大级包括结场效晶体管Ml、电阻R2、R3和R4以及电容Cl。电阻R4和结场效晶体管Ml构成放大器(amplifier)，电阻R2和R4用以偏压结场效晶体管Ml至理想状态(desiredstate)， 其中一第二电流12流经电阻R2和结场效晶体管Ml。电容Cl根据微机电系统装置(MEMS element)退耦(decouple)结场效晶体管栅极的直流偏压(DC bias)，电阻Rl根据微机电系统装置所产生的电流(MEMS-generatedcurrent)提供一电压降(voltage drop)，此电压降可被放大器所检测到。图5为微机电系统装置的另一实施例，在此实施例中微机电系统装置可作为具有差动感测功能的感测器。此实施例是利用两电容器100和200。电容器100构成的方法如前所述，也就是说电容器100具有两不同功函数的电容器极板，两电容器极板分开放置并相隔一间距，两电容器极板之一可随着外力相对于另外一者移动。第二电容器200是相同于第一电容器100，惟两电容器极板是相对固定的，以便提供参考电流。每个电容器连接至 NMOS晶体管M2或M3的源极，而NMOS晶体管M2和M3借由电压Vbias偏压在导通状态(on state)下。电阻R6和R5分别连接至NMOS晶体管M2和M3的汲极。参考级(reference stage ；例如电阻R5、NMOS晶体管M3和电容器200)产生参考电流13，检测级(detection stage ；例如电阻R6、NM0S晶体管M2和电容器100)产生暂态电流(transient current) 14， 参考电流13和暂态电流14会分别在电阻R5和R6上产生电压降(voltage drop)。节点A 和B所得到的电压将借由差动放大器来比较和放大。电容器100和200是互相平行连接在两电源节点VDD间，电容器100串联耦接电阻R6，电容器200串联耦接电阻R5 ；比较器210 具有第一输入端耦接至节点A ；第二输入端耦接至节点B ；以及一输出端用以提供一差动输出信号Vout，其中电容器200和电阻R5于节点A上串联耦接，而电容器100和电阻R6于节点B上串联耦接。图6为微机电系统装置的另一实施例，在此实施例中微机电系统装置可作为一运动感测器。此微机电系统装置包括多个电容器排列成一交叉指形组件(interdigitated assembly) 300。交叉指形组件300包括第一和第二梳状电极部(comb electrode section) 310和320，上述第一和第二梳状电极部310和320之一相对于另外一者沿着箭头方向(the direction of the arrow)可移动的。举例来说，第一梳状电极部310是固定的， 而第二梳状电极部320可自由地相对于第一梳状电极部310移动，反之也然。第一梳状电极部310包括多个电容器极板臂(capacitor plate arm) 312,电容器极板臂312由枝干(或称茎)部311所延伸。这些电容器极板臂312由具有第一功函数的材料所构成。第二梳状电极部320包括多个电容器极板臂322，电容器极板臂312由枝干部321所延伸。每个电容器极板臂322包括第一侧323和第二侧324，构成第一侧323的材料功函数和电容器极板臂312的第一功函数相同，构成第二侧324的材料功函数(第二功函数)和电容器极板臂 312的第一功函数不相同，每一个第二侧3M和每一个电容器极板臂312形成各自的电容器。所以交叉指形的结构包括多个电容器，而每个电容器都包括具有第一功函数的第一电容器电极板以及具有第二功函数的第二电容器极板。当第一和第二梳状电极部310和320 做相对运动时，电容器的第二侧3M和电容器极板臂312间所形成的间距D对应地改变，每个电容的枝干(电容器极板)会产生电流。枝干部311和321借由电性接点(electrical contacts)来检测所产生的电流。这些电流的总合可以被检测到，并且将所检测的电流对有贡献电容器的总数做平均而得到最佳的实际位移指标。比起单一电容器所产生的较小的电流而其变化不明显，较大的电流而其有较显著改变是比较容易检测，适合精准的感测器。值得一提，这些电容器极板臂是由相同功函数所构成，所以不会互相产生电流。图6中的第一和第二梳状电极部310和320之一是基板上所附加的固定支撑部件(fixed support member)的一部分，或者是连接至基板上所附加的固定支撑部件；另外一者则连接至偏移部件(deflection member)，或者为偏移部件中一部分，而偏移部件借由如前述的弹性元件依附至固定支撑部件，以便对支撑物做相对的偏离(deffect)。任何种类的固定支撑部件和偏移部件皆可如前所述的定位电容器极板之一相对于另一者，如同现有技术所述，这些固定支撑部件和偏移部件可以是电容式运动感测(capacitive motion detection)领域的公知技术，并且用于支撑和偏离运动感测器10的电容器极板之一相对于另一者。
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前述所揭示的电容器结构通常会结合至感测元件晶片(sense elementchip)，虽未绘出，感测元件晶片所结合的元件包括介面电子晶片(interfaceelectronics chip)、基板(substrate)、陶瓷晶片载体(ceramic chip carrier)、或者其他相似于电容式运动感测器技术的结构。虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种微机电系统装置，适用于感测机械位移，包括至少一第一电容器，具有第一和第二电容器极板，上述第一和第二电容器极板设置于彼此相距为一间距的位置，上述第一和第二电容器极板具有不同功函数并且互相电性连接，其中上述第一和第二电极板之一可相对于另一者移动，使得上述第一和第二电容器极板间的上述间距随着一外力改变，流经上述第一电容器的电流代表在特定的时间内上述间距改变的速度。
2.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中上述第一和第二电容器极板包括具有不同功函数的第一和第二金属材料。
3.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中上述第一和第二电容器极板包括具有不同功函数的第一和第二半导体材料以及一传导接触层，上述传导接触层耦接至上述第一和第二半导体材料。
4.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中上述微机电系统装置包括三个上述第一电容器分别沿着一垂直轴、一横轴和一纵轴排列，用以感测上述垂直轴、上述横轴和上述纵轴上的运动。
5.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中上述微机电系统装置包括多个上述第一电容器排列成一交叉指形组件，上述交叉指形组件包括一第一梳状电极部，具有多个第一电容器极板臂，上述第一电容器极板臂具有一第一功函数；以及一第二梳状电极部，具有多个第二电容器极板臂，上述第二梳状电极部和上述第一梳状电极部互相交叉，上述第二电容器极板臂包括一第一材料，具有上述第一功函数且位在面向上述第一电容器极板臂的一第一侧上；以及一第二材料，具有一第二功函数且位在面向上述第一电容器极板臂的一第二侧上，其中上述第一功函数不同于上述第二功函数。
6.如权利要求1所述的微机电系统装置，更包括一第二电容器，具有彼此间隔的第三和第四电容器极板，上述第三和第四电容器极板设置于相隔一间距且具有不同功函数，其中上述第三和第四电容器极板固定地设置，使得上述第三和第四电容器极板间的间距不随着上述外力改变，用以产生流经上述第二电容器的一参考电流，并且上述第一和第二电容器互相平行连接在两电源节点间，上述第一电容器串联耦接一第一电阻，上述第二电容器串联耦接一第二电阻；一比较器，具有一第一输入端，耦接至一第一节点，上述第一电容器和上述第一电阻于上述第一节点上串联耦接；一第二输入端，耦接至一第二节点，上述第二电容器和上述第二电阻于上述第二节点上串联耦接；以及一输出端，用以提供一差动输出信号。
7.一种微机电系统装置，包括一固定支撑部件；一偏移部件，依附在上述固定支撑部件上，以便相对于上述固定支撑部件进行偏离；至少一第一电容器极板，连接上述固定支撑部件；以及至少一第二电容器极板，连接上述偏移部件，上述第二电容器极板平行于上述第一电极板且相隔一间距，上述第一和第二电容器极板形成至少一第一电容器，上述第一和第二电容器极板具有不同功函数和互相电性连接，用以提供流经上述第一电容器的一电流，流经上述第一电容器的上述电流是以上述偏移部件的偏离量为基础。
8.如权利要求7所述的微机电系统装置，其中上述固定支撑部件和上述偏移部件借由一弹性元件互相依附。
9.如权利要求7所述的微机电系统装置，其中上述固定支撑部件包括多个上述第一电容器极板和上述偏移部件具有多个上述第二电容器极板，其中上述第一和第二电容器极板排列成交叉指形组件用以形成多个上述第一电容器，上述第一电容器极板的一第一侧和一第二侧上具有一第一功函数的材料，上述第二电容器极板的一第一侧上具有上述第一功函数的材料以及上述第二电容器极板的一第二侧上具有一第二功函数的材料，上述第一功函数不同于上述第二功函数。
10.一种感测运动方法，适用于一微机电系统装置的一运动感测器，包括下列步骤提供具有至少一第一电容器极板和至少一第二电容器极板的至少一第一电容器，上述第一和第二电容器极板相隔一间距，互相电性连接且具有不同功函数，其中上述第一和第二电极板之一可相对于另外一者移动，使得上述间距随一外力改变；监控流经上述第一电容器的一电流，上述电流代表在特定时间内上述间距的改变；以及提供具有第三和第四电容器极板的一第二电容器，上述第三和第四电容器极板相隔一间距，且具有不同功函数，其中上述第三和第四电容器极板固定地设置，使得上述第三和第四电容器极板间的间距不随上述外力改变，用以提供流经上述第二电容器的一参考电流， 其中上述监控流经上述第一电容器的上述电流的步骤包括根据流经上述第一电容器的电流产生一第一电压，根据上述参考电流产生一第二电压，以及比较上述第一和第二电压。
全文摘要
本发明提供一种微机电系统装置，该装置适用于感测机械位移，包括至少一第一电容器，具有第一和第二电容器极板，第一和第二电容器极板设置于彼此相距为一间距的位置，第一和第二电容器极板具有不同功函数并且互相电性连接，其中第一和第二电极板之一可相对于另一者移动，使得第一和第二电容器极板间的上述间距随着一外力改变，流经第一电容器的电流代表在特定的时间内上述间距改变的速度。本发明提供的运动感测器较快速、便宜和/或精准无误。
文档编号G01B7/02GK102190274SQ201110021179
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年3月10日
发明者亚历山大·卡尼斯基, 薛福隆 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司