兩用共振型磁力計制造技術

本發明專利技術揭示一種磁力計與加速度計兩用共振型磁力計，包括：偵測器結構體，具有質量塊及位移偵測電極；電容電壓轉換器及放大器，用于將偵測電極偵測結果，轉變成電壓信號，作為該磁力計的輸出信號；一振動驅動電路，將該輸出信號以電流型態提供予該質量塊，用于驅動該質量塊產生振動；及一選擇電路，用于選擇使該磁力計提供磁場量測功能或加速度量測功能。該振動驅動電路可為比較器。該選擇電路可以一濾波器取代，連接該轉換器電路的輸出，以供選擇該輸出信號的頻段。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是關于一種兩用共振型磁力計，特別是關于一種不須外接震蕩器，且可用以量測加速度的共振型磁力計。
技術介紹
微型磁力計是一種廣泛應用在例如智能型手機、穿戴型裝置及物聯網裝置(Internet of Things–IOT–devices)的組件。微型磁力計也可以應用在其他工程、科學及工業應用領域。為能在現代的應用上提供磁力量測的功能，微型磁力計必須高度集積化，低耗電且能提供正確的磁力/磁場量測。在各種微型磁力計中，應用羅倫茲力(the Lorentz forces)原理制作的磁力計，較合于實用。因為這種微型磁力計可以標準的CMOS制程制作。此外，共振型磁力計，亦即在共振頻率下工作的磁力計，可以提供相對較高的敏感度，且偵測器所產生的反應可以利用依照其質量因子(quality factor–Q-factor或Q值)所設計的放大器放大，故可提供較強的輸出信號與較佳的訊號噪聲比。在此條件下，新型的微型磁力計結構，都是應用羅倫茲力原理，在其共振頻率下工作。應用羅倫茲力的磁力計基本上包括一質量塊，以彈簧懸吊在結構上或基板上。對該質量塊提供一定電流，該電流與存在地球的磁場或其他磁性物體發出的磁場(magnetic field)發生交互作用，會產生羅倫茲力，將該質量塊向垂直于該電流方向及該磁力方向的方向移動。偵測用電極通常形成梳形或指狀，與該質量塊邊緣形成的梳形或指狀
交錯，并維持一距離；兩者間等同一電容。該偵測用電極可偵測到因質量塊移動，導致質量塊與偵測用電極間的相對位置變化，產生的電容值變化，而產生偵測信號。該偵測信號經過轉變成電壓形式并放大后，作為輸出信號。所產生的輸出信號代表該質量塊在磁力影響下的位移方向與位移量，可據以計算出該磁力值。共振型磁力計的架構與工作原理基本上上述羅倫茲力磁力計相同，但在操作時，使用一驅動電路將一固定值的電流信號提供到該磁力塊。該電流信號的頻率與該質量塊的機械共振頻率相同，用于驅動該質量塊以其共振頻率振動。當該質量塊在其共振頻率下振動時，擷取該質量塊因羅倫茲力而產生的位移以及位移量，可以據以計算該質量塊所受到的磁場。其信號強度高于非共振型羅倫茲力磁力計數個數量級。已知的共振型磁力計大多需使用一外接震蕩器，以驅動該微機電磁力計的質量塊在其共振頻率下振動。在這種先前技術中，是使用一外接震蕩器，產生一固定頻率的震蕩信號，以驅動該磁力計的質量塊振動，并將其振動頻率鎖定在其共振頻率。關于這種外接式震蕩器的應用以及該質量塊在其共振頻率下振動，用于偵測當地磁場的技術，可參考Dominguez-Nicolas所發表的「Signal Conditioning System With a 4–20mA Output for a Resonant Magnetic Field Sensor Based on MEMS Technology」一文，刊登在Sensors Journal,IEEE,Vol.12,No.5,pp.935-942,May 2012。已知的共振型磁力計使用外接震蕩器雖可驅動該微機電磁力計
的質量塊在其共振頻率下振動，但該外接震蕩器的設置不但會提高磁力計的制作成本與體積，更會造成該共振結構校正上的困難。主要原因是組件制程本身的不穩定性會使各震蕩器的共振結構的共振頻率發生變化，無法達成一致。因此，磁力計在使用之前，必須經過調校，才能使各個磁力計都能在其共振頻率下振動，并鎖定到該頻率。此外，微機電偵測器的高Q值同時也代表該偵測器作為震蕩器的頻率響應帶寬相當狹窄。例如，如果微機電偵測器的共振頻率為1kHz，其Q值為10,000，則其頻率響應的帶寬只有1000/10000＝0.1Hz。這種特性使得該外接震蕩器必須具備高度的頻率穩定性，使其能夠提供數百ppm級的穩定性。不但如此，該共振驅動用頻率穩定性也會直接影響其振幅，進而影響所得信號的分辨率。此外，應用羅倫茲力的磁力計可以用來量測加速度，為已知的技術。簡言之，這種磁力計在對質量塊提供定電流時，電流會與地磁或其他磁場作用，產生羅倫茲力。但如不對該質量塊提供電流，該質量本身在加速度作用下，也會發生位移。由于該磁力計本身即具有量測該質量塊的位移量與位移方向的功能，在無羅倫茲力作用下量得的質量塊位移量與位移方向，即可用來計算該質量塊的加速度。不過，如何控制該磁力計，以分別提供磁場與加速度的量測功能，則有賴針對不同磁力計架構，提供特殊設計的控制電路。因此，目前業界亟須提供一種兩用共振型磁力計的新穎結構，以提供穩定的共振頻率。同時也需要提供一種新穎的兩用共振型磁力計結構，可以選擇性
的提供磁場與加速度的量測功能，并將其共振結構鎖定在其共振頻率。同時也需要提供一種不需使用外接震蕩器的兩用共振型磁力計。同時也需要有一種能正確選擇提供磁場與加速度的量測功能的兩用共振型磁力計。
技術實現思路
本專利技術提供一種不需使用外接震蕩器的兩用共振型磁力計，可以選擇性的提供磁場與加速度的量測功能。根據本專利技術的兩用共振型磁力計，乃是包括：一偵測器結構體，一轉換器電路及一振動驅動電路。其中，該偵測器結構體具有一質量塊，懸浮于該偵測器結構體；兩組位移偵測電極，配置在該偵測器結構體上，該質量塊所在平面上的第一方向X兩側，用于偵測該質量塊在特定方向的位移量。該轉換器電路連接該偵測器結構體的位移偵測電極，用于將由該位移偵測電極所輸出的偵測結果，轉變成電壓信號。該轉換器電路可包括一放大器，用于將該電容電壓轉換器輸出的電壓信號放大，輸出放大后之偵測信號。該轉換器電路的輸出信號可提供后級計算電路根據該位移偵測電極所偵測到的位移量，計算一磁場磁力值或一加速度值。該振動驅動電路連接該轉換器電路的輸出，將該輸出以電流型態提供予該偵測器結構體內的質量塊，用于驅動該質量塊產生振動。該振動驅動電路提供的電流以一第二方向Y流經該質量塊；該第二方向Y為在該質量塊所在平面上，與該第一方向X直交的方向。在本專利技術的一種實施例中，該兩用共振型磁力計另包括一選擇電
路，連接該振動驅動電路，以選擇性的停止該振動驅動電路供應該驅動電流到該質量塊。在本專利技術的一種實施例中，該磁力計的轉換器電路包括一帶通濾波器，用于從該偵測信號中濾出對應于磁場強度的信號成分，以及一低通濾波器，用于從該偵測信號中濾出對應于加速度的信號成分。在本專利技術之較佳實例中，該振動驅動電路可包括一比較器電路，其輸入為該放大器的輸出，以及一參考電位，用于輸出該放大器輸出信號與該參考電位的比較結果，作為該質量塊的振動驅動信號。該振動驅動電路的輸出提供至該偵測器結構體的質量塊，用于驅動該質量塊振動。該振動的頻率即為該質量塊的共振頻率。該質量塊的振幅隨時間加大，經過短暫的時間后達成穩定。該在本專利技術的較佳實例中，該參考電位為接地電位。如該兩用共振型磁力計配備選擇電路，當該選擇電路未停止該振動驅動電路的操作時，該轉換器電處輸出的偵測信號即代表該質量塊在羅倫茲力影響下的位移量及位移方向，可據以計算當時該質量塊在特定方向所受的磁場；當該選擇電路停止該振動驅動電路的操作時，該轉換器電處輸出的偵測信號即代表該質量塊在無羅倫茲力影響下的位移量及位移方向，可據以計算當時該質量塊運動的加速度。如該兩用共振型磁力計配備該帶通濾波器與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種兩用共振型磁力計，包括：一偵測器結構體，具有一質量塊，懸浮于該偵測器結構體；兩組位移偵測電極，配置在該偵測器結構體上，該質量塊所在平面上的第一方向X兩側；一轉換器電路，連接該偵測器結構體的位移偵測電極，用于將由該位移偵測電極所輸出的偵測結果，轉變成電壓信號，作為該兩用共振型磁力計的輸出信號；一振動驅動電路，連接該轉換器電路的輸出，以將該輸出以電流型態提供予該偵測器結構體內的質量塊，作為振動驅動信號，用于驅動該質量塊產生振動；及一選擇電路，用于選擇性的停止該振動驅動電路供應該驅動電流到該質量塊；其中，該振動驅動電路提供的電流以一第二方向Y流經該質量塊；該第二方向Y為在該質量塊所在平面上，與該第一方向X直交的方向。

【技術特征摘要】
2014.09.18 TW 1031322201.一種兩用共振型磁力計，包括：一偵測器結構體，具有一質量塊，懸浮于該偵測器結構體；兩組位移偵測電極，配置在該偵測器結構體上，該質量塊所在平面上的第一方向X兩側；一轉換器電路，連接該偵測器結構體的位移偵測電極，用于將由該位移偵測電極所輸出的偵測結果，轉變成電壓信號，作為該兩用共振型磁力計的輸出信號；一振動驅動電路，連接該轉換器電路的輸出，以將該輸出以電流型態提供予該偵測器結構體內的質量塊，作為振動驅動信號，用于驅動該質量塊產生振動；及一選擇電路，用于選擇性的停止該振動驅動電路供應該驅動電流到該質量塊；其中，該振動驅動電路提供的電流以一第二方向Y流經該質量塊；該第二方向Y為在該質量塊所在平面上，與該第一方向X直交的方向。2.根據權利要求1所述的兩用共振型磁力計，其中，該振動驅動電路包括一比較器電路，其輸入為該放大器的輸出，以及一參考電位，用于輸出該放大器輸出信號與該參考電位的比較結果，作為該質量塊的振動驅動信號。3.根據權利要求2所述的兩用共振型磁力計，其中，該參考電位為接地電位。4.根據權利要求1、2或3所述的兩用共振型磁力計，其中，該
\t偵測器結構體的質量塊是以彈簧懸吊在該偵測器結構體上，該彈簧懸吊之處形成兩電極；該振動驅動電路經由該電極對該質量塊供應該第二方向Y的電流。5.根據權利要求1、2或3所述的兩用共振型磁力計，其中，該質量塊兩側伸出多個的指狀突出，該位移偵測電極在相對于該指狀突出的一側，也各延伸出多個指狀突出，且該位移偵測電極的指狀突出分別與對應的質量塊的指狀突出沿該Y方向交錯配置。6.根據權利要求1、2或3所述的兩用共振型磁力計，其中，該質量塊與位移偵測電極均包括一層或數層金屬層，以及包覆該金屬層或界接兩金屬層的介電層。7.根據權利要求1、2或3所述的兩用共振型磁力計，其中，該轉換器電路包括一放大器，用于將該位移偵測電極所輸出的偵測信號放大。8.根據權利要求1、2或3所述的兩用共振型磁力計，其中，該轉換器電路包括一帶通濾波器，以濾出該位移偵測電極偵測信號中，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：溫瓌岸，張嘉夆，
申請(專利權)人：碩英股份有限公司，
類型：發明
國別省市：中國臺灣;71