TWI548861B - 慣性感測元件 - Google Patents

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Description

慣性感測元件
本發明係關於一種感測元件，特別是一種慣性感測元件。
傳統慣性感測元件若為採用單一材料構成質量塊之方式，體積龐大且不易與運算電路形成高效能之單晶片系統。且單一質量塊對應單軸輸出，電容式感測電極為配合質量塊進行電容變化感測，只能進行有限且固定的自由度判斷。單一質量塊的設計規格也為固定，無法在設計或製造階段進行效能之調整，且需在標準半導體製程上進行額外且複雜的非標準製程方能達到單晶片系統整合之目的，需花費相當大之製造成本。但若為採用複合材料構成質量塊之方式，則無法避免因機械及熱應力所造成的結構形變所衍生出之感測不精確。
本發明之目的係在提供一種慣性感測元件，包括：一質量塊；一感測電極層，用以感測該質量塊之動作；以及一彈簧，耦接至該質量塊，用以支撐該質量塊，其中，該質量塊與該感測電極層為單一材質。其中，質量塊係為單一材質，能夠達到多個自由度的慣性感測。
本發明還提供一種慣性感測矩陣，包含多個慣性感測元件，每一該慣性感測元件包含：一質量塊；一感測電極層， 用以感測該質量塊之動作；以及一彈簧，耦接至該質量塊，用以支撐該質量塊，其中，該質量塊與該感測電極層為單一材質，且其中，該些慣性感測元件係排列為一矩陣。只要調整矩陣大小，亦即增減慣性感測元件之數量，即可達到效能規格的線性調整。
本發明所提供之慣性感測元件不會因機械應力或熱應力造成形變，而多電極的設計使本發明之慣性感測元件達到包含加速計和陀螺儀等功能的多自由度慣性感測。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
第1圖所示為根據本發明一實施例之慣性感測元件10示意圖。慣性感測元件10包含一質量塊12、一感測電極層14、以及一彈簧16(示於第2圖)耦接至質量塊12。感測電極層14用以感應質量塊12之擺動(例如，XYZ三軸變
請同時參考第2圖，第2圖所示為根據本發明一實施例之第1圖中之慣性感測元件10側視圖及仰視圖。如第2圖所示，在一實施例中，慣性感測元件10中之彈簧16可利用慣性感測元件10之結構體本身之底部金屬連接作為底部支撐，使質量塊12可在任一角度旋轉。
請同時參考第1圖及第2圖，感測電極層14可切割分佈為形成4個電極或8個電極或更多，電極之數量並不侷限於本發明中所指，可依使用者需求自行增減。在一實施例中，感測電極層14可設置於質量塊12之下層，以利用慣性感測元件10之結構體本身之金屬進行立面側向感測(例如，XYZ三軸之運動)。感測電極層14之電極可分別進行致動、感測或校正功能。
在一實施例中，在操作中，當慣性感測元件10之上層金屬結構之質量塊12進行擺動時，感測電極層14之電極(例如，4個電極)可達到全差動電容變化，計算出作用力之方向與大小，進而達到多自由度的感測。
第3圖所示為根據本發明另一實施例之慣性感測元件示意圖。慣性感測元件20包含一質量塊22、一感測電極層26、以及一彈簧24耦接至質量塊22。感測電極層26用以感應質量塊22之擺動(例如，平面旋轉)，以計算出作用力之方向以及大小，進而達到慣性感測之目的。
在一實施例中，彈簧24係設置在質量塊22側邊作為薄條型結構。且感測電極層26設置於質量塊22側邊與質量塊22耦接，以進行同平面運動感測。
在一實施例中，慣性感測元件20還包含一校正電極 28(示於第4圖)。當上層金屬結構之質量塊22進行同平面轉動時，感測電極層26之下一層校正電極28也可進行平行之平面校正，達到旋轉速率的準確感測。利用下層之校正電極28進行微調或校準可達到陀螺儀為求頻率匹配，需要精密微調之要求。
第5圖所示為本發明一實施例之慣性感測元件10以矩陣形成元件陣列示意圖。請同時參考第1圖及第5圖，第5圖中之慣性感測矩陣30並與電路40整合於單晶片50中。單一慣性感測元件10可單獨調整質量塊12、感測電極層14、以及彈簧16的面積以及體積，以達到使用者理想中之預設規格的設計。而慣性感測矩陣30之大小則可依系統需求進行慣性感測元件10的線性數量調整(例如，倍數增加)。整個慣性感測矩陣30可與電路40在相同標準製程步驟下完成，達到系統單晶片50整合的目標。
本發明係利用一單一材料(例如，金屬)作為慣性感測元件之結構體，慣性感測元件下層之金屬可作為感測電極層，而結構體本身具有一定厚度可形成一質量塊。慣性感測元件底部包括一彈簧(例如，金屬))可作為慣性感測元件之支撐，而慣性感測元件下層之感測電極層形成切割分佈進行平面或立面側向之感測。本發明還提供一種慣性感測矩陣，透過調整慣性感測矩陣之大小，亦即增減矩陣內慣性感測元件之數量，即可達到效能規格的線性對應。同時，本發明亦可輕易的運用在半導體標準製程當中，可達到單晶片系統的結果，提升慣性感測元件的設計彈性、降低製造成本、以及對各類產品的適用性。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
10‧‧‧慣性感測元件
12‧‧‧質量塊
14‧‧‧感應電極層
16‧‧‧彈簧
20‧‧‧慣性感測元件
22‧‧‧質量塊
24‧‧‧彈簧
26‧‧‧感應電極層
28‧‧‧校正電極
30‧‧‧慣性感測矩陣
40‧‧‧電路
50‧‧‧單晶片
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：第1圖所示為根據本發明一實施例之慣性感測元件示意圖。
第2圖所示為根據本發明一實施例之第1圖中之慣性感測元件之側視圖及仰視圖。
第3圖所示為根據本發明另一實施例之慣性感測元件示意圖。
第4圖所示為根據本發明另一實施例之示於圖3之慣性感測元件之下層仰視圖。
第5圖所示為本發明一實施例之慣性感測元件以矩陣形成元件陣列示意圖。
10‧‧‧慣性感測元件
12‧‧‧質量塊
14‧‧‧感應電極層
16‧‧‧彈簧

Claims (7)

  1. 一種慣性感測元件，包括：一質量塊；一感測電極層，用以感測該質量塊之動作；以及一彈簧，耦接至該質量塊，用以支撐該質量塊，其中，該質量塊與該感測電極層為單一材質。
  2. 如申請專利範圍第1項的慣性感測元件，其中，該感測電極層係設置於該質量塊之下層。
  3. 如申請專利範圍第1項的慣性感測元件，其中，該感測電極層係耦接至該質量塊之側邊。
  4. 如申請專利範圍第1項的慣性感測元件，其中，該彈簧係設置於該質量塊之下層。
  5. 如申請專利範圍第1項的慣性感測元件，其中，該彈簧係係耦接至該質量塊之側邊。
  6. 如申請專利範圍第5項的慣性感測元件，其中，該彈簧係為一或多個薄條金屬。
  7. 一種慣性感測矩陣，包含：多個慣性感測元件，每一該慣性感測元件包含：一質量塊；一感測電極層，用以感測該質量塊之動作；以及一彈簧，耦接至該質量塊，用以支撐該質量塊，其中，該質量塊與該感測電極層為單一材質，且其中，該些慣性感測元件係排列為一矩陣。
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