TWI489111B - 多微機電元件之訊號處理方法與適用此方法之複合微機電裝置 - Google Patents

Description

多微機電元件之訊號處理方法與適用此方法之複合微機電裝置

本發明有關於一種多微機電元件之訊號處理方法，特別為提供不同頻率之複數個振動訊號，作用於共構之複數個微機電元件，以產生對應各機電元件之複數個主頻響應訊號，並藉由數目遠低於主頻響應訊號之至少一多頻段訊號以及至少一共同接點，傳遞主頻響應訊號至一解調單元，並利用解調單元分離各主頻響應訊號，以減少對外傳遞所需之線路與訊號之訊號處理方法。

微機電元件已普遍應用日常生活中。就微機電元件的應用而言，元件之微小化程度常是產品成功的重要因素之一，例如攜帶式電子產品常需具有輕薄外形以符合時尚感或方便攜帶。目前微機電元件中整合了微機電結構與積體電路，但該微機電結構僅是單一感測類型的單一微機電結構。當產品需要使用並整合兩種類型以上的微機電元件(例如重力感測器與加速度計、角速度計與加速度計等)，則先前技術仍是採用兩個分開獨立的微機電元件。在此情況下，複數個微機電元件所需佔較大體積，且相關之外接電路也十分佔空間，妨礙產品微小化。

因此，如何藉由簡單、有效之方法減少對應於多個微機電元件之外接電路所佔之空間，為產品開發重要的關鍵。

就其中一個觀點，本發明提供一種多微機電元件之訊號處理方法，此方法包含：提供至少兩微機電元件；對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號，使各微機電元件分別產生振動響應；以及組合上述振動響應，構成一個或多個多頻段訊號後輸出，其中該多頻段訊號之數目小於該振動響應之數目。

一實施例中，該訊號處理方法可更包含：將多頻段訊號傳遞至一解調單元，並藉由該解調單元分離該多頻段訊號，以得到複數個頻率響應訊號；以及根據該頻率響應訊號，分析微機電元件之感測結果。

一實施例中，至少一微機電元件之振動響應包含一主頻響應與至少一非主頻響應。

一實施例中，該包含一主頻響應與至少一非主頻響應之微機電元件為一角速度計，且該主頻響應與該主頻響應具有九十度的相位差。

一實施例中，至少一微機電元件為一線性加速度計，而該線性加速度計具有複數感測分量。對該複數感測分量可施加相同或不同頻率之振動訊號。

一實施例中，對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號之步驟使用機械式振動源或感應式振動源達成。

一實施例中，該至少兩微機電元件共構於一微機電裝置內。

就另一個觀點，本發明提供一種微機電裝置，包含：複數個微機電元件；複數個振動源，分別產生複數個不同頻率的振動訊號以施加於該複數個微機電元件；以及至少一共同接點，用以收集該複數微機電元件對應於該複數振動訊號之振動響應，以組合產生至少一多頻段訊號，並將該多頻段訊號輸出，其中該共同接點之數目少於振動響應的數目。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10、20、30‧‧‧微機電裝置

100‧‧‧外部處理單元

C‧‧‧共同接點

D1、D2、D3‧‧‧微機電元件

F1、F2、F3‧‧‧振動訊號

f1、f2、f3‧‧‧振動響應

fd11、fd12、fd2‧‧‧頻率響應訊號

fm‧‧‧多頻段訊號

V1、V2、V3‧‧‧振動源

S1~S5‧‧‧步驟

第1圖顯示根據本發明一實施例之微機電裝置與外部處理單元。

第2圖顯示根據本發明一實施例之多微機電元件之訊號處理方法之流程圖。

第3A、3B圖分別顯示根據本發明之微機電裝置內微機電元件之兩種設置實施例。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

參照第1圖左側，其顯示根據本發明之一觀點所提供之一種微機電裝置10，其包含：複數個微機電元件D1、D2，係共構於微機電裝置10內；複數個振動源V1、V2，分別產生複數個不同頻率的振動訊號F1、F2以施加於微機電元件D1、D2，振動源V1、V2或振動訊號F1、F2之數目例如但不限於對應於該複數微機電元件之數目，或對應於所有微機電元件D1、D2之複數個感測分量之總數目(一個微機電元件可能感測產生多個維度的感測訊號，本說明書中稱為多個感測分量，此部分容後詳述)；以及至少一共同接點C，分別收集微機電元件D1、D2對應於振動訊號F1、F2之振動響應f1、f2，以組合產生至少一多頻段訊號fm，並將多頻段訊號fm傳遞至一外部處理單元100以分析微機電元件D1、D2之感測結果，其中該共同接點C之數目少於振動響應f1、f2的數目。

所謂「共構」係指該複數個微機電元件D1、D2共用對外連接的線路、且較佳為構成單一模組。

本發明將複數個微機電元件D1、D2所產生的感測訊號調變 於不同的頻率，並組合構成至少一多頻段訊號fm，這樣可以僅以較少數目的接點C來傳遞，減少微機電裝置10與外部進行訊號連接時所需的接點數目。

需說明的是，雖然在較佳實施方式中，本發明僅需要一個單一共同接點C，但本發明並不限於藉由單一共同接點C來組合多個振動響應產生單一多頻段訊號。在另一實施例中，共同接點C之數目可為複數，但其數目少於振動響應的總數目。舉例而言，假設D1為角速度計、D2為三維線性加速度計且其三維的感測分量對應於同一振動源V2產生不同之振動響應，則可藉由不同之共同接點以分別收集各感測分量之振動響應，以產生多個訊號，且可將其中一個或多個訊號與前述角速度計之振動響應組合產生多頻段訊號，以降低所需對外接點以及多頻段訊號之數目。也就是說，原本如果D1(角速度計)、D2(三維線性加速度計)各自獨立，則需要四個對外接點以傳遞一個角速度和三個(三維)加速度訊號，但將至少一個加速度訊號與角速度訊號組合成多頻段訊號後，就可降低對外接點的數目。

微機電元件於實施時不限於前述之兩個微機電元件D1、D2，也可為三個或更多個，例如：D1為角速度計，D2為線性加速度計，外加壓力計等(例如第3A、3B圖之D3)。而對應微機電元件D1、D2之振動源V1、V2之設置方式與數目也不限於圖式所示，例如當微機電元件D2為線性加速度計時，其對應於三維方向之各感測分量(例如平面內(in-plane)之X、Y方向與出平面(out-of-plane)之Z方向，圖式未顯示)亦可分別設置個別頻率之振動源(當然也可對微機電元件D2使用單一頻率的振動源，而使各感測分量根據同一振動源產生振動響應；雖然頻率相同，但因感測分量之方向不同，故可以分離出來)。

前述之振動源例如但不限於機械式振動源(例如以機械方式振線性加速度計D2)，也可為感應式(例如提供不同頻率之複數個高低壓訊號，分別耦接於差分式電容結構中之上下電極)。在使用機械式振動源之一較佳實施例中，所施加之振動方向宜與感測分量之方向不同。(不過，即使所施加之振動方向與感測分量之方向相同，經由適當的解調，仍可予以 分離。)此外，前述之微機電元件之共構有各種設計方式，可參照同一申請人同日申請之另一專利，當中有詳細說明。

一實施例中，對某些類型的微機電元件而言，振動響應中包含微機電元件對應於振動訊號所分別產生之一主頻響應與至少一非主頻響應；所謂主頻響應係指響應中的主要頻率成分、而非主頻響應係指響應中的次要頻率成分。例如，當微機電元件為科氏角速度感測計(Coriolis sensor)時，所產生的振動響應中會包含相位差九十度的頻率成分。參照第1圖右側，處理單元100接收來自微機電裝置10之多頻段訊號fm，分離出各頻率響應訊號，並根據頻率響應訊號分析各微機電元件之感測結果。處理單元100包含一解調單元以及複數個分析單元，其中解調單元根據所接收之多頻段訊號fm之頻率或相位等，以分離得出各頻率響應訊號fd11、fd12、fd2，並傳送各頻率響應訊號fd11、fd12、fd2至對應之分析單元。舉例而言，在本實施例中，D1為科氏角速度感測計，D2為線性加速度計，頻率響應訊號fd11、fd12分別為與振動訊號同相位之非主頻響應訊號fd11以及與振動訊號相位差九十度之主頻響應訊號fd12(主頻響應訊號fd12代表由科氏角速度感測計所產生之科氏加速度振動響應(frequency response by Coriolis acceleration))。主頻響應訊號fd2為線性加速度計D2之一主頻響應訊號。各分析單元根據所接收之頻率響應訊號fd11、fd12、fd2進行分析，以產生各微機電元件之感測結果。上述實施例以各微機電元件具有一感測分量為例，但若微機電元件具有多個感測分量時，也可依照相同原理類推實施方式以產生感測結果。

根據頻域(frequency domain)之觀點，非主頻響應訊號fd11以及相位差九十度之主頻響應訊號fd12屬於同一頻率之訊號。根據時域(time domain)之觀點，非主頻響應訊號fd11與主頻響應訊號fd12具有九十度或接近九十度之相位差。解調單元可根據此特性分離非主頻響應訊號fd11與主頻響應訊號fd12。

處理單元100所接收之多頻段訊號fm數目不限於圖式所示，也可因需要而增加數目，例如同一機械式振動源同步應用於線性加速度計D2之三個正交之感測分量(例如前述之X、Y、Z方向之感測分量)時， 可產生三個或更多個振動響應。這些振動響應可以與其他微機電元件之振動響應組合而構成多個多頻段訊號。如前所述，與各微機電元件各自獨立對外傳遞訊號相較，上述方式中多頻段訊號之數目仍然較低，亦即可減少接點之數目。

參照第2圖，其顯示根據本發明之一觀點所提供之一種多微機電元件之訊號處理方法之流程圖，其可應用微機電裝置10，訊號處理方法包括：提供至少兩微機電元件(S1)；對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號，使各微機電元件分別產生振動響應(S2)；以及組合振動響應構成一個或多個多頻段訊號後輸出(S3)，其中該多頻段訊號之數目小於該振動響應之數目。參閱第1圖，在一實施例中，以上步驟可由微機電裝置10執行，而此至少兩微機電元件共構於該微機電裝置10中。

該多頻段訊號可傳遞至一解調單元，並藉由解調單元分離多頻段訊號，以得到複數個頻率響應訊號(S4)；之後可根據頻率響應訊號，分析微機電元件之感測結果(S5)。參閱第1圖，在一實施例中，以上步驟可由外部處理單元100執行。

前述「對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號」表示對不同微機電元件施加之振動訊號彼此間頻率不同，但作用於同一微機電元件之各感測分量之振動訊號可為同一頻率也可為不同頻率，前者例如可使用機械式振動源來達成，後者例如可使用感應式振動源來達成。亦即，同一微機電元件可能接受到複數個強弱不一之振動訊號，而分別產生對應之至少一振動響應。

在第1圖實施例中，振動源V1、V2之數目對應於微機電元件D1、D2之數目，然而實施時不限於此，振動源之數目和微機電元件之數目可以不相同。此外，共構之方式不限於第1圖中微機電元件D1、D2重疊於同一區域，也可依需要而將不同微機電元件之部分或全部設置於分開獨立之區域，而藉由至少一共同接點，收集各振動響應以產生多頻段訊號。

因各微機電元件結構中可能有阻尼效應，且傳遞之主頻響應訊號可能受到阻抗之影響，並微機電元件製作過程中也可能有些許誤差。 因此，不同之振動訊號間之頻率間隔宜夠大，以避免不同主頻響應訊號落在相近的頻率區間以致造成混淆。

第3A、3B圖顯示不同實施例中三種微機電元件之設置關係，微機電裝置20、30可例如包含三種微機電元件，其中D1例如但不限於為角速度計、D2例如但不限於為線性加速度計、D3例如但不限於為壓力計。實施本發明時，三種微機電元件不限於前述之三種微機電元件，或可應用於三種以上之微機電元件，而此兩實施例以三種微機電元件為例方便說明。當微機電元件D3之特性無顯著影響微機電元件D1之操作，則微機電元件D3可與微機電元件D2共構於微機電元件D1內(例如第3B圖、微機電裝置30)，但例如當微機電元件D3中之質量塊與彈簧特性接近微機電元件D1之質量塊與彈簧特性時，同一頻率驅動會相互影響，則微機電元件D3可能需獨立於微機電元件D1外設置(例如第3A圖、微機電裝置20)。無論哪種微機電元件之共構方式，皆可應用本發明之訊號處理方法進行分析各微機電元件之感測結果。

複數個振動訊號中可包含複數個不同頻率，不同頻率之頻率間距須大於一可鑑別區間，可根據系統特性或訊號特性決定，例如相鄰頻率之振動訊號，其重疊區之振幅不得超於此振動訊號之最高振幅之一預定比例等，其預定比例之設定可視需要而定。

簡言之，若與先前技術相較，本發明之微機電元件所需之尺寸較小、所需對外線路少、所需對外線路搭配之腳位(Pad)也減少，因而寄生效應降低，訊號精度得以提昇。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。例如，微機電元件非為共構而為各自獨立設置，也仍可利用本發明施加不同頻率之振動訊號於各微機電元件，並組合產生多頻段訊號。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之 用，並非用來限制本發明之權利範圍。

S1~S5‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種多微機電元件之訊號處理方法，包含：提供至少兩微機電元件；對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號，使各微機電元件分別產生振動響應；以及組合上述振動響應，構成一個或多個多頻段訊號後輸出，其中該多頻段訊號之數目小於該振動響應之數目。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多微機電元件之訊號處理方法，更包含：將多頻段訊號傳遞至一解調單元，並藉由該解調單元分離該多頻段訊號，以得到複數個頻率響應訊號；以及根據該頻率響應訊號，分析微機電元件之感測結果。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中至少一微機電元件之振動響應包含一主頻響應與至少一非主頻響應。
4. 如申請專利範圍第3項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中該包含一主頻響應與至少一非主頻響應之微機電元件為一角速度計，且該主頻響應與該主頻響應具有九十度的相位差。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中至少一微機電元件為一線性加速度計，而該線性加速度計具有複數感測分量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中對該複數感測分量施加不同頻率之振動訊號。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中對該複數感測分量施加相同頻率之振動訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中對各微機電元件施加不同頻率之振動訊號之步驟使用機械式振動源或感應式振動源達成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多微機電元件之訊號處理方法，其中該至少兩微機電元件共構於一微機電裝置內。
10. 一種微機電裝置，包含：複數個微機電元件；複數個振動源，分別產生複數個不同頻率的振動訊號以施加於該複數個微機電元件；以及至少一共同接點，用以收集該複數微機電元件對應於該複數振動訊號之振動響應，以組合產生至少一多頻段訊號，並將該多頻段訊號輸出，其中該共同接點之數目少於振動響應的數目。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置，其中該複數微機電元件共構於該微機電裝置內。
12. 如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置，其中該振動訊號的數目對應於該複數微機電元件之數目。
13. 如申請專利範圍第10項所述之微機電裝置，其中至少一微機電元件產生複數感測分量，且該振動訊號的數目對應於所有微機電元件之感測分量之總數目。