CN102854998A - 惯性感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种惯性感测装置，其包含一基板、一第一惯性感测单元与一第二惯性感测单元。第一惯性感测单元，连接于基板上，并具有一容置空间，第二惯性感测单元连接于基板上，并设置于第一惯性感测单元的容置空间内，其中，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元除分别连接于基板之外，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置的至少一惯性运动。本发明通过第二惯性感测单元设置于第一惯性感测单元的容置空间内，并分别独立感测惯性感测装置的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省芯片整体的体积，以及避免两惯性感测装置互相影响而降低感测精确度。

Description

惯性感测装置
技术领域
本发明涉及一种惯性感测装置，尤其涉及一种可节省整体芯片面积以及提高感测精确度的惯性感测装置。
背景技术
现今消费电子的行业中，为了提高电子产品的功能，所以需要设置能够精确量测惯性运动的感测装置，例如加速度或角速度的物理量的惯性感测单元。一般而言，任何方向上的加速度以及任何旋转方向上的角速度会作用于在三维空间中自由移动的一对象。因此，为精确掌握该对象的运动，必须测量沿XYZ三维坐标系统的各坐标轴线的加速度以及围绕各坐标轴线的角速度。因此，需要具有紧凑尺寸及高精度且采用低制造成本的惯性感测装置。
承上所述，加速度计系用以量测外力所引起的加速度值，其应用于很多领域，例如车辆自动安全系统以收集有关车辆动能以及作用于车辆的外力等信息。再者，现今各种电子产品快速发展的情况，人机互动接口的进步实为背后主要推手之一，即透过人体直觉性的操作模式，例如在翻转电子产品而造成屏幕的切换，将使操作接口相对简化并能增进使用者体验，同时透过感测人体动作，将可达成进阶的游戏体验。上述大多数的电子产品皆以惯性感测装置，例如加速度计来达成此一功能，藉由一外力的施加造成机械结构型变后，使用各种感测方式来反推其外力大小。由于微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)技术的发展，利用半导体技术整合机械组件与电路，制造出微加速度计，可具有低成本、体积与重量降低与产品可靠度提升等优点。
微加速度计依据感测方式的不同可分为压阻式、电容式与压电式等等，其中电容式微加速度计系运用电容的改变量，推算加速度大小，而依据结构设计又可分为出平面(out of plane)与同平面(in plane)感测机制，出平面感测系利用大面积平行电极板感测，而同平面感测系利用交错插设的梳状电极作为感测方式。
请参阅图1，为习知技术的加速度感测装置的结构示意图。如图所示，习知技术的加速度感测装置1’包含一X轴加速度计10’、一Y轴加速度计20’与一Z轴加速度计30’。习知技术的加速度感测装置1’为了同时感测XYZ三轴方向的加速度，而分别使用X轴加速度计10’、Y轴加速度计20’与Z轴加速度计30’，以分别感测X轴方向的加速度、Y轴方向的加速度与Z轴方向的加速度。然而，为了达成产品的竞争力，加速度计的缩小实为主要发展方向的一，除了价格的降低之外，也增加了置入手持式行动产品的弹性。而随着体积缩小，Z轴加速度计的质量不对称所造成的差异性将不明显，以致于质量块的位移量下降使得电容变化值减少，造成电容感测电路在侦测上的困难。
而另一增加输出信号知方法为增加加速度计质量的大小，共同使用一块较大的质量块同时感测三个轴向的加速度值，现今的加速度感测装置1’已有将三个加速度计整合在一起，并且三个加速计连接在一起，以增加感应的效率，但由于三个加速度计连接在一起，则会因为三者会相互影响而容易有噪声产生，进而影响其加速度感应的精确度。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种惯性感测装置，其藉由一第二惯性感测单元设置于一第一惯性感测单元的一容置空间内，并分别独立感测惯性感测装置的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省惯性感测芯片整体的体积，且提高惯性感测装置的感测精确度。
本发明的目的之一，在于提供一种惯性感测装置，其藉由第一惯性感测单元的容置空间容置第二惯性感测单元，而增加第一惯性感测单元的质量不对称性，以增加了第一惯性感测单元的感测能力。
因此，针对上述问题而提出一种新颖惯性感测装置，其可有效缩小惯性感测装置整体芯片的面积，并可有效利用有限面积来增加感测能力的设计，使可解决上述的问题。
本发明的惯性感测装置包含一基板、一第一惯性感测单元与一第二惯性感测单元。第一惯性感测单元连接于基板上并具有一容置空间，第二惯性感测单元连接于基板上，并设置于第一惯性感测单元的容置空间内，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元除分别连接于基板之外，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置的至少一惯性运动。如此，本发明藉由第二惯性感测单元设置于第一惯性感测单元的容置空间内，并分别独立感测惯性感测装置的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省芯片整体的体积，且提高惯性感测装置的感测精确度。
再者，本发明的第一惯性感测单元与第二惯性感测单元为一加速度感测单元，惯性运动包含惯性感测装置的一第一轴方向的加速度与一第二轴方向的加速度，第一惯性感测单元感测第一轴方向的加速度，第二惯性感测单元感测第二轴方向的加速度。如此，本发明可藉由第一惯性感测单元的容置空间容置第二惯性感测单元，而增加第一惯性感测单元的质量不对称性，以增加第一惯性感测单元的感测能力。
实施本发明产生的有益效果是：本发明的惯性感测装置由第一惯性感测单元连接于基板上，并具有容置空间，第二惯性感测单元连接于基板上，并设置于第一惯性感测单元的容置空间内，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元除分别连接于基板之外，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置的至少一惯性运动。如此，本发明藉由第二惯性感测单元设置于第一惯性感测单元的容置空间内，并分别独立感测惯性感测装置的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省芯片整体的体积，以及避免两惯性感测装置互相影响而降低感测精确度。
附图说明
图1为习知技术的加速度感测装置的结构示意图；
图2为本发明的一较佳实施例的结构示意图；
图3A为本发明的一较佳实施例的惯性感测装置的前视图；
图3B为图3A的惯性感测装置的动作示意图；
图3C为本发明的另一较佳实施例的惯性感测装置的前视图；
图3D为图3C的惯性感测装置的动作示意图；
图4为本发明的另一较佳实施例的结构示意图；
图5为本发明的另一较佳实施例的结构示意图；
图6为本发明的另一较佳实施例的结构示意图；以及
图7为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。
【图号对照说明】
习知技术：
1’加速度感测装置            10’X轴加速度计
20’Y轴加速度计              30’Z轴加速度计
本发明：
1         惯性感测装置       10    第一惯性感测单元
12        容置空间           14    质量块
15        弹性组件           18    第一感测电容板
19        第二感测电容板     20    第二惯性感测单元
22        质量块             24    感测组件
26        弹性组件           28    容置空间
30        第三加速度感测单元 40    角度感测单元
5        基板
具体实施方式
为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：
请参阅图2、图3A与图3B，为本发明的一较佳实施例的结构示意图、前视图与动作示意图。如图所示，本发明的惯性感测装置1包含一基板5、一第一惯性感测单元10与一第二惯性感测单元20。第一惯性感测单元10连接于基板5上，并具有一容置空间12，第二惯性感测单元20系连接于基板5上，并设置于第一惯性感测单元10的容置空间12内，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20除分别连接基板5之外，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置1的至少一惯性运动。如此，本发明藉由第二惯性感测单元20设置于第一惯性感测单元10的容置空间12内，并分别独立感测惯性感测装置1的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置1的面积，进而节省惯性感测芯片整体的体积。并且本发明更藉由第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20除分别连接基板5之外，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20均各自独立互不相连，而避免第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20间互相干扰，而提高惯性感测装置1的感测精确度。
此外，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20分别包含一第一固定件11与至少一第二固定件21(如图3A所示)，第一固定件11与第二固定件21系分别固定第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20于基板5，此外，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20除了与基板5连接之外，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20均各自独立不相连，并分别独立感测惯性感测装置1的至少一惯性运动，如此，本发明藉由第二惯性感测单元20设置于第一惯性感测单元10的容置空间12内，并分别独立感测惯性感测装置1的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置1的面积，进而节省惯性感测芯片整体的体积，且提高惯性感测装置1的感测精确度。
于本实施中，第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20为一加速度感测单元，惯性运动包含惯性感测装置1的一第一轴方向的加速度与一第二轴方向的加速度，所以，第一惯性感测单元10用以感测惯性感测装置1的第一轴方向的加速度，第二惯性感测单元20用以感测惯性感测装置的第二轴方向的加速度。此外，本发明的第一惯性感测单元10所感测第一轴方向的加速度与第二轴方向的加速度可为同一轴方向的加速度而不局限于不同轴方向的加速度。
承上所述，此实施例的第一惯性感测单元10所感测的第一轴方向的加速度为一Z轴方向的加速度，而第二惯性感测单元20所感测的第二轴方向的加速度为一X轴方向的加速度或一Y轴方向的加速度。此外，本实施例的惯性感测装置1更可包含一第三惯性感测单元30。第三惯性感测单元30系设置于第一惯性感测单元10的一侧，并第三惯性感测单元30亦为加速度感测单元，用以感测惯性感测装置1的第三轴方向的加速度，于本实施例中，惯性感测装置1用以感测XYZ三轴方向，则需要三个惯性感测单元，以分别感测XYZ三轴方向的加速度，第一惯性感测单元10为一Z轴的加速度感测单元，而第二惯性感测单元20可为一X轴的加速度感测单元，第三惯性感测单元30是一Y轴的加速度感测单元；或是第二惯性感测单元20为Y轴的加速度感测单元，而第三惯性感测单元30为X轴的加速度感测单元。其中，第一惯性感测单元10，第二惯性感测单元20与第三惯性感测单元30除分别连接于基板5之外，其余各部份均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置1的惯性运动。
请复参阅图3A与图3B，如图所示，此实施例的惯性感测装置1的第一惯性感测单元10为Z轴加速度感测单元，第一惯性感测单元10包含一质量块14、一第一感测电容板18。质量块14具有至少一组弹性组件15(例如弹簧)与容置空间12，弹性组件15系支撑质量块14，而弹性组件15连接固定件11，容置空间12位于弹性组件15的一侧，并且质量块14位于基板5的上方，第一感测电容板18设置于基板5，并用以感测质量块14的位移，而产生不同的电容值变化，以得知惯性感测装置1的惯性运动。于此实施例中，容置空间12系位于弹性组件15的左方，当然也可设置于弹性组件15的右方，此为该技术具有通常知识者所容易推知，所以不再赞述。
请一并参阅图3C与图3D，为本发明的另一较佳实施例的惯性感测装置的前视图与动作示意图。如图所示，本实施例与图3A的实施例不同的处，在于本发明的第一惯性感测单元10更包含一第二感测电容板19。第一感测电容板18与第二感测电容板19感测质量块14的位移而产生多个感测信号，外部电路(图中未示)依据该些感测信号的差异，以得知Z轴方向的加速度。于此实施例中，第一感测电容板18与第二感测电容板19分别位于固定件11的二侧，以感测质量块14的位移而产生该些感测信号。
再者，弹性组件15设置于第一惯性感测单元10的质量块14的中心的左侧或右侧，以增加质量不对称性，以增加了第一惯性感测单元10的感测能力。由于本实施例的第一惯性感测单元10为Z轴加速度感测单元，其利用翘翘板的原理，即利用质量不平衡的结构的原理来达到感测Z轴加速度的目的，当外力施加于Z轴时，因为质量块14上力矩不平衡的原理，位于感测单元10的质量较重的那一端会产生较大的位移，于本实施例中，位移较大那一端由于质量块14与第二感测电容板19的间隙减少而导致第二感测电容板19感应电容值上升，位移较小的那一端的感测电容板(即第一感测电容板18)则反之，其感应电容值减少，如此，第一惯性感测单元10即可利用电容差分感测的电路(图中未示)，分析出电容值差异的变化而推断出加速度值的大小。因此，本发明系利用第一惯性感测单元10的容置空间12而增加力臂的长度，进而增加第一惯性感测单元10的质量不对称性，以增加了第一惯性感测单元的感测能力。
请复参阅图2，本发明的第二惯性感测单元20可为X轴加速度感应单元或Y轴加速度感测单元。于此实施例中，第二惯性感测单元20为X轴加速度感测单元，第二惯性感测单元20包含一质量块22、多个感测组件24与多个弹性组件26。该些感测组件24呈一梳状结构，并分别设置于质量块22的二侧边，并感测质量块22的位移量，以得知第二轴方向的加速度，该些弹性组件26系设置于质量块22的二侧边，使质量块22可以移动而让该些感测组件24可感测质量块22的位移量，以得知第二轴方向的加速度，由于本实施例的第二加速感测单元20系用以感测X轴方向的加速度，所以，该些弹性组件26系设置于质量块22的左右二侧，使该些感测组件24可感测质量块22左右移动的位移量，以得知X轴方向的加速度。上述的第二惯性感测单元20的结构为该技术领域中具有通常知识者所皆知的技术，所以，于此将不再加以赞述。同理，第三惯性感测单元30的结构与第二惯性感测单元20的结构相同，仅差异于感测不同轴方向的加速度，故，于此不再加以赞述。
请参阅图4，系为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。如图所示，本实施例与图2的实施例不同的处，在于本实施例的第一惯性感测单元10的容置空间12可同时容置第二惯性感测单元20与第三惯性感测单元30，而第一惯性感测单元10、第二惯性感测单元20与第三惯性感测单元30系分别独立感测惯性感测装置1的第一轴方向的加速度、第二轴方向的加速度与第三轴方向的加速度即XYZ三轴方向的加速度，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省芯片整体的体积。
请参阅图5，为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。如图所示，本实施例与上述的实施例不同的处，在于本实施例的第二惯性感测单元20为一复合式加速度感测单元，并容置于第一惯性感测单元10的容置空间12内，第二惯性感测单元20用以感测惯性感测装置1的多个惯性运动，即第一惯性感测单元10用以感测第一轴方向的加速度，而第二惯性感测单元20用以感测第二轴方向的加速度与第三轴方向的加速度，于本实施例中，第一惯性感测单元10感测惯性感测装置1的第一轴方向的加速度为Z轴方向的加速度，第二惯性感测单元20感测第二轴方向的加速度与第三轴方向的加速度为一X轴方向的加速度与Y轴方向的加速度。如此，本实施例藉由复合式第二惯性感测单元20设置于第一惯性感测单元10的容置空间12内，更能达到缩小惯性感测装置1的面积，进而节省惯性感测芯片整体的体积，并且提高了惯性感测装置1的感测精确度。
请参阅图6，为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。如图所示，本实施例与图2的实施例不同的处，在于本实施例的第二惯性感测组件20可设置一容置空间28，容置空间28可用以容置第三惯性感测组件30，即当第二惯性感测组件20为X轴加速度感测组件，而第三惯性感测单元30则为Y轴加速度感测组件时，可在第二惯性感测单元20设置容置空间28，并在容置空间28内容置第三惯性感测单元30，如此，亦可达到缩小惯性感测装置1的面积，进而节省芯片整体的体积的目的。
请参阅图7，系为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。如图所示，本实施例与上述的实施例不同之处，在于本实施例的第一惯性感测单元10的容置空间可容置一角度感测单元40，亦可达到达到缩小惯性感测装置1的面积，进而节省芯片整体的体积的目的。其中，角度感测单元40为一陀螺仪。
另外，本发明的第一惯性感测单元10与第二惯性感测单元20可为加速度感测单元或角度感测单元及其二者任意组合，也就是说，除了上述的实施例之外，第一惯性感测单元10可为角度感测单元，而第二惯性感测单元20为加速度感测单元，此为该领域具有通常知识者经由上述实施例而可轻易得知其它各种组合的可能性，所以，于此将不再加以赞述。
综上所述，本发明的惯性感测装置系由第一惯性感测单元连接于基板上，并具有容置空间，第二惯性感测单元连接于基板上，并设置于第一惯性感测单元的容置空间内，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元除分别连接于基板之外，第一惯性感测单元与第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测惯性感测装置的至少一惯性运动。如此，本发明系藉由第二惯性感测单元设置于第一惯性感测单元的容置空间内，并分别独立感测惯性感测装置的惯性运动，以达到缩小惯性感测装置的面积，进而节省芯片整体的体积，以及避免两惯性感测装置互相影响而降低感测精确度。
上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种惯性感测装置，其特征在于，其包含：
一基板；
一第一惯性感测单元，连接于该基板上，并具有一容置空间；以及
一第二惯性感测单元，连接于该基板上，并设置于该第一惯性感测单元的该容置空间内；
其中，该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元除分别连接于该基板之外，该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测该惯性感测装置的至少一惯性运动。
2.如权利要求1所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元为一加速度感测单元，该惯性运动包含该惯性感测装置的一第一轴方向的加速度与一第二轴方向的加速度，该第一惯性感测单元感测该第一轴方向的加速度，该第二惯性感测单元感测该第二轴方向的加速度。
3.如权利要求2所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元感测该第一轴方向的加速度为一Z轴方向的加速度，而该第二惯性感测单元感测该第二轴方向的加速度为一X轴方向的加速度或一Y轴方向的加速度。
4.如权利要求2所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元用以感测该第一轴方向的加速度为一X轴方向的加速度，而该第二惯性感测单元感测该第二轴方向的加速度为一Y轴方向的加速度。
5.如权利要求2所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该加速度感测单元包含：
一质量块，具有至少一组弹性组件与该容置空间，该组弹性组件支撑该质量块，该容置空间位于该组弹性组件的一侧，该质量块位于该基板的上方；以及
至少一感测电容板，设置于该基板，并感测该质量块的位移所产生的电容变化，以得知该惯性测装置的该惯性运动。
6.如权利要求1所述的惯性感测装置，其特征在于，其更包含：
一第三惯性感测单元，设置于该第一惯性感测单元的该容置空间内，并独立感测该惯性感测装置的该惯性运动；
其中，该第一惯性感测单元，该第二惯性感测单元，与该第三惯性感测单元除分别连接于该基板之外，其余各部份均各自独立互不相连，且分别独立感测该惯性感测装置的惯性运动。
7.如权利要求1所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元为一加速度感测单元或一角度感测单元。
8.一种惯性感测装置，其特征在于，其包含：
一基板；
一第一惯性感测单元，连接该基板，具有一容置空间；以及
一第二惯性感测单元，用以感测该惯性感测装置的多个惯性运动，并连接该基板，且设置于该第一惯性感测单元的该容置空间内；
其中，该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元除分别连接于该基板之外，该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元均各自独立互不相连，且分别独立感测该惯性感测装置的该惯性运动。
9.如权利要求8所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元为一加速度感测单元或一角度感测单元。
10.如权利要求8所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元与该第二惯性感测单元为一加速度感测单元，该惯性运动包含该惯性感测装置的一第一轴方向的加速度、一第二轴方向的加速度与一第三轴方向的加速度，该第一惯性感测单元感测该第一轴方向的加速度，该第二惯性感测单元感测该第二轴方向的加速度与该第三轴方向的加速度。
11.如权利要求10所述的惯性感测装置，其特征在于，其中该第一惯性感测单元感测该第一轴方向的加速度为一Z轴方向的加速度，而该第二惯性感测单元感测该第二轴方向的加速度与第三轴方向的加速度为一X轴方向的加速度与一Y轴方向的加速度。
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