CN103713156B - 光学式加速度计 - Google Patents

Abstract

一种光学式加速度计，包含第一衬底、第二衬底、间隙层及处理单元。所述第一衬底包含框体、可移动件及至少一弹性元件；所述可移动件沿至少一方向形成有间隔的开口来作为衍射光栅；所述至少一弹性元件连接于所述框体与所述可移动件之间。所述第二衬底包含至少一感测单元以用以感测所述衍射光栅形成的衍射图案。所述间隙层设置于所述第一衬底与所述第二衬底之间以界定一预设高度。所述处理单元耦接所述感测单元以用以根据所述衍射图案计算三维加速度。

Description

光学式加速度计

技术领域

本发明是关于一种加速度检测装置，特别是关于一种光学式加速度计，其用以检测三维加速度。

背景技术

加速度计通常是利用弹簧连接质量块，并通过检测所述质量块因加速度所造成的位置变化来计算加速度的大小及方向。已知加速度计一般包含电容式加速度计及光学式加速度计。

已知电容式加速度计是在质量块上形成多个梳状（comb-like）第一电极板，并同时于衬底上形成多个梳状第二电极板，且每一所述第二电极板是置入于两所述第一电极板间。同时，所述质量块并经由弹簧连接所述衬底。当加速度发生时，所述第一电极板及所述第二电极板间的电容会产生变化，因此可通过监测电容变化量来计算加速度。然而，电容式加速度计的问题在于所述电容变化量很小而不易测量并且不容易进行二个维度以上的加速度检测。

已知光学式加速度计是在质量块上设置发射光纤并在衬底上设置检测光纤，光源所发出的光经由所述发射光纤被光耦合至所述检测光纤。同时，所述质量块并经由弹簧连接所述衬底。当发生震动时，所述发射光纤及所述检测光纤间的光耦合则会改变，故可通过监测光耦合率来计算加速度。然而，所述发射光纤及所述检测光纤间的对位并不容易进行。

有鉴于此，本发明还提出一种可同时进行三维加速度检测的光学式加速度计。

发明内容

本发明的目的在提供一种根据衍射图案进行三维加速度检测的光学式加速度计。

本发明提供一种光学式加速度计，包含第一衬底（firstsubstrate）、第二衬底（secondsubstrate）、间隙层及处理单元。所述第一衬底包含框体、可移动件及至少一弹性元件；所述可移动件沿至少一方向形成有间隔的开口以作为衍射光栅；所述至少一弹性元件连接于所述框体与所述可移动件之间，以使所述可移动件可相对所述框体进行相对运动。所述第二衬底包含至少一感测单元用以感测所述衍射光栅形成的零阶衍射图案及第一阶衍射图案。所述间隙层设置于所述第一衬底及所述第二衬底间用以界定一预设高度。所述处理单元耦接所述感测单元用以根据所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案计算三维加速度。

本发明还提供一种光学式加速度计，包含感测衬底、光栅衬底、同调光源及处理单元。所述感测衬底包含至少一感测单元。所述光栅衬底相对所述感测衬底并包含可移动件，其中所述可移动件上形成有至少一衍射光栅并且加速时所述可移动件相对所述感测衬底可进行相对运动。所述同调光源发光照射所述至少一衍射光栅用于在所述至少一感测单元上形成一衍射图案。所述处理单元耦接所述至少一感测单元用以根据所述衍射图案计算三维加速度。

一实施例中，所述处理单元根据所述零阶衍射图案的位置变化计算共平面加速度，并根据所述零阶衍射图案与所述第一阶衍射图案的相对关系计算出平面加速度。

一实施例中，所述衍射光栅可为穿透式衍射光栅或反射式衍射光栅。

一实施例中，还包含同调光源发出同调光（coherentlight）照射所述衍射光栅以形成所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案。

一实施例中，所述衍射光栅可为间隔的开口或平行条状部（parallelfingers），当所述衍射光栅被同调光照射时，可于同调光的相同侧或相对侧形成衍射图案。

一实施例中，所述衍射光栅包含形成于第一方向的第一衍射光栅及形成于第二方向的第二衍射光栅；所述第二衬底包含第一感测单元对应所述第一衍射光栅及第二感测单元对应所述第二衍射光栅；所述处理单元根据所述第一感测单元感测的所述衍射图案计算第一共平面加速度并根据所述第二感测单元感测的所述衍射图案计算第二共平面加速度。

本发明实施例的光学式加速度计中，同调光的波长、光栅间距、间隔的开口的形状以及光栅与感测单元之间的距离等并无特定限制，只要能在感测单元上至少形成所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案以使所述处理单元能够据此计算三维加速度即可。

附图说明

图1显示本发明实施例的光学式加速度计的剖视图；

图2显示本发明实施例的光学式加速度计的第一衬底的立体图；

图3A-3C显示本发明实施例的光学式加速度计检测三维加速度的运作示意图；

图4A-4B显示本发明另一实施例的光学式加速度计的剖视图；

图5显示本发明另一实施例的光学式加速度计的第一衬底的立体图。

附图标记说明

1光学式加速度计11、11'第一衬底

111框体113可移动件

1131第一间隔的开口1131'第一平行条状部

1132第二间隔的开口1132'第二平行条状部

115弹性元件13第二衬底

131感测单元131S感测单元表面

15间隙层17处理单元

Lc同调光源H预设高度

D光栅间距P衍射图案相对关系

0th零阶衍射图案±1th第一阶衍射图案。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。在本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，于此合先叙明。

请参照图1所示，其显示本发明实施例的光学式加速度计1，包含第一衬底11、第二衬底13、间隙层15及处理单元17；其中，所述间隙层15用以设置于所述第一衬底11及所述第二衬底13间，用以界定一预设高度H。所述间隙层15的材质并无特定限制，只要能维持所述第一衬底11及所述第二衬底13间的预设距离（即所述预设高度H）即可，且所述预设距离例如可根据所述光学式加速度计1所包含的图像传感器的图像解析度确定；例如，若所述图像传感器的解析度越高，所述预设距离可缩短。本实施例中，所述第一衬底11是作为光栅衬底（gratingsubstrate）而所述第二衬底13是作为感测衬底。

请参照图1及图2所示，图2显示本发明实施例的光学式加速度计1的第一衬底11的立体图。所述第一衬底11包含框体111，可移动件113及至少一弹性元件115。可以了解的是图2中各元件的比例关系仅为例示性，并非用以限定本发明。

所述可移动件113是质量块（proofmass），其上沿至少一方向形成有间隔的开口以作为衍射光栅，例如图2中所述可移动件113上沿第一方向x形成有第一间隔的开口1131并沿第二方向y形成有第二间隔的开口1132；其中，所述第一方向x较佳大致垂直所述第二方向y。换句话说，本实施例中所述可移动件113上形成有至少一衍射光栅，其例如包含形成于所述第一方向x的第一衍射光栅及形成于所述第二方向y的第二衍射光栅；本实施例中，所述衍射光栅为间隔的开口（例如开口1131、1132）。可以了解的是，由于所述间隔的开口是用作为衍射光栅，所述开口（slots）是穿透于所述可移动件113的两面。当所述光学式加速度计1仅用以检测横向方向的一维加速度时，可以只沿一个方向（x或y）形成衍射光栅。

所述至少一弹性元件115连接于所述框体111与所述可移动件113间，以使所述可移动件113可相对所述框体111进行相对运动。借此，当所述第一衬底11通过所述间隙层15相对地结合于所述第二衬底13时，加速时所述可移动件113即可相对所述第二衬底13进行相对运动。

一种实施例中，所述第一衬底11例如可为硅衬底（silicon），并经由微影蚀刻（photolithography）制程分别制作出所述框体111、所述弹性元件115、所述可移动件113及其上的至少一衍射光栅（例如1131、1132）。其他实施例中，所述第一衬底11也可利用微机电制程（MEMSprocess）或微电镀制程制作，并无特定限制，而所述第一衬底11的材质则根据形成所述框体111、所述弹性元件115、所述可移动件113及所述衍射光栅的制程而确定。

所述第二衬底13包含至少一感测单元131，用以感测所述衍射光栅（例如1131、1132）形成的衍射图案；其中，衍射光栅可产生零阶、一阶、二阶及高阶衍射图案。本实施例中，所述处理单元17耦接所述至少一感测单元131（例如在所述第二衬底13形成焊垫或凸块等），用以根据零阶衍射图案0th及第一阶衍射图案±1th计算三维加速度（详述于后）。所述感测单元131例如可为光电二极体，其可用已知方式（例如离子布植）直接形成于所述第二衬底13，但并不以此为限，所述感测单元131也可为CCD图像传感器、CMOS像传感器或其他光感测元件，并以其他方式设置或直接形成于所述第二衬底13上；制作所述感测单元131的方式已为已知，故于此不再赘述。所述处理单元17例如可为数位处理器（DSP），用来后处理所述感测单元131所输出的图像数据。

此外，当所述可移动件113上形成有两组或两组以上的衍射光栅（例如图2的1131、1132）时，所述第二衬底13上可包含相对数目的感测单元，其彼此分离但电性连接至所述处理单元17。例如，若所述第一衬底11上形成有第一衍射光栅1131及第二衍射光栅1132，所述第二衬底13可包含第一感测单元对应所述第一衍射光栅1131及第二感测单元对应所述第二衍射光栅1132。所述处理单元17则根据所述第一感测单元感测的衍射图案（例如零阶衍射图案0th）计算第一共平面加速度并根据所述第二感测单元感测的衍射图案（例如零阶衍射图案0th）计算第二共平面加速度，但本发明不以此为限，所述第二衬底11上也可仅包含单一感测单元131，其例如具有较大的面积，用以同时感测所述第一衍射光栅（例如1131）及所述第二衍射光栅（例如1132）形成的衍射图案。所述衍射光栅的数目则根据不同应用而确定。

本实施例中，为了于所述感测单元131上形成衍射图案，还包含同调光源Lc发出同调光照射所述至少一衍射光栅用于在所述至少一感测单元131的感测面131S上形成衍射图案，包含所述零阶衍射图案0th及所述第一阶衍射图案+1th（如图1所示）。此外，所述同调光源Lc的设置位置可根据所述衍射光栅的种类而有所不同，例如当所述衍射光栅为穿透式衍射光栅时，所述同调光源Lc及所述感测单元131是位于所述第一衬底11的相对侧；当所述衍射光栅为反射式衍射光栅时，所述同调光源Lc及所述感测单元131是位于所述第一衬底11的同一侧。

接着说明本实施例的光学式加速度计1计算三维加速度的方式。本发明中，所述三维加速度包含共平面（in-plane）加速度及出平面（outofplane）加速度；其中，所述共平面加速度包含两个维度（横向移动）而所述出平面加速度包含一个维度（纵向移动）。

请参照图3A~3C所示，其显示本发明实施例的光学式加速度计1计算三维加速度的示意图；其中为简化图示，省略了图1的部分元件而仅显示了衍射光栅1131（或1132）及衍射图案，且此时是以穿透式衍射光栅进行说明，而反射式衍射光栅的运作方式与穿透式衍射光栅相类似，故于此不再赘述。

例如图3A中，同调光源Lc通过所述衍射光栅1131（1132）用于在所述感测单元113的感测面131S上形成零阶衍射图案0th（此时未绘示较高阶衍射图案以简化图示），其中所述零阶衍射图案0th对应于所述衍射光栅1131的开口（slot）。当所述可移动件113发生共平面移动时（例如朝向x方向），此时表示所述光学式加速度计1朝向相反方向（例如-x方向）存在加速度，所述零阶衍射图案0th的位置则同时发生相对变化。借此，所述处理单元17可根据所述零阶衍射图案0th的位置变化计算共平面加速度。可以了解的是，与x方向垂直的加速度（例如y方向）可根据另一组衍射光栅所产生的零阶衍射图案0th以相同方式计算而得；也即，利用两组衍射光栅（例如1131、1132）则可计算共平面上的二维加速度。

图1中，假设光栅间距（pitch）为D、预设高度（即光栅与感测单元11的距离）为H、同调光源Lc的波长为λ，则可根据下列公式得到零阶衍射图案0th及第一阶衍射图案±1th的相对关系P，

D×sinθ=mλ（1）

P=H×tanθ（2）

其中m为衍射阶数（order）。借此，当所述可移动件113发生出平面移动时（例如z方向），所述预设高度H改变，因而第一阶衍射图案±1th的位置则发生变化。

例如图3B中，同调光源Lc通过所述衍射光栅1131（1132）用于在所述感测单元113的感测面131S上形成零阶衍射图案0th及第一阶衍射图案±1th。当所述可移动件113发生出平面移动时（例如+z方向），此时表示所述光学式加速度计1朝向相反方向（例如-z方向）存在加速度；此时，所述预设高度H增加导致所述第一阶衍射图案±1th远离所述零阶衍射图案0th。例如图3C中，当所述可移动件113发生出平面移动时（例如-z方向），此时表示所述光学式加速度计1朝向相反方向（例如+z方向）存在加速度；此时，所述预设高度H降低导致所述第一阶衍射图案±1th靠近所述零阶衍射图案0th。借此，所述处理单元17可根据所述零阶衍射图案0th与所述第一阶衍射图案±1th的相对关系计算出平面加速度。当然，所述处理单元17也可根据所述第一阶衍射图案±1th本身的位置变化或彼此间的相对关系计算所述出平面加速度。本发明中，所述共平面是指所述衍射光栅所位于的平面而所述出平面是指垂直所述共平面的平面。

另一实施例中，所述光学式加速度计1的所述间隙层15可一体成型于所述第一衬底11，此时所述第一衬底11包含侧壁位于所述第一衬底11的边缘朝向所述第二衬底13垂直延伸出一预设高度H，如图4A所示，所述第一衬底11经由所述侧壁结合在所述第二衬底11。另一实施例中，所述光学式加速度计1的所述间隙层15可一体成型于所述第二衬底13，此时所述第二衬底13包含侧壁位于所述第二衬底13的边缘朝向所述第一衬底11垂直延伸出一预设高度H，如图4B所示，所述第二衬底13经由所述侧壁结合于所述第一衬底11。换句话说，本发明的所述光学式加速度计1可由两衬底，或者由两衬底及一间隙层所构成。

必须说明的是，本发明实施例中所述零阶衍射图案0th及所述第一阶衍射图案±1th的位置例如定义为衍射图案中亮度最高的位置。

另一实施例中，所述衍射光栅可制作成平行条状部（fingers）从所述可移动件13垂直的延伸而出。例如图5中，所述可移动件13包含第一平行条状部1131'沿第一方向x延伸而出及第二平行条状部1132'沿第二方向y延伸而出；其中，所述第一方向x较佳垂直所述第二方向y。所述可移动件113同样经由至少一弹性元件115连接至所述框体111，以使加速时所述可移动件113可相对所述框体111进行相对动作。所述第一衬底11同样可利用微影蚀刻、维电镀或维机电制成制作。

必须说明的是，图2及图5中的弹性元件115的数量、位置及形状等仅为例示性，并非用以限定本发明。例如，所述弹性元件115也可形成于所述可移动件113的角落，只要在加速时能使所述可移动件113可相对所述框体111进行相对运动即可，并无特定限制。

本发明实施例中，同调光源Lc的设置位置可根据衍射光栅的种类及型态来确定，并无特定限制。此外，同调光源Lc的波长λ并无特定限制，只要能配合光学式加速度计1的尺寸及距离等系统参数，在至少一感测单元131上形成衍射图案即可。所述衍射光栅的形状及数量并无特定限制，只要能在至少一感测单元131上至少形成零阶衍射图案及第一阶衍射图案，并使所述处理单元17能够根据所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案计算三维加速度即可；其中，所述衍射图案的形状则取决于所述衍射光栅（或开口）的形状。

综上所述，已知电容式加速度计不易检测两个维度以上的加速度而已知光学式加速度计需进行两光纤间的光耦合。本发明还提出一种光学式加速度计（图1），其利用零阶衍射图案来检测共平面（in-plane）加速度并利用一阶衍射图案来检测出平面（outofplane）加速度，故可同时检测三维加速度。

虽然本发明通过以前述实施例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种光学式加速度计，该光学式加速度计包含：

第一衬底，该第一衬底包含：

框体；

可移动件，该可移动件沿至少一方向形成有间隔的开口以作为衍射光栅；及

至少一弹性元件，连接于所述框体与所述可移动件之间；

同调光源，该同调光源发光照射所述衍射光栅以形成零阶衍射图案及第一阶衍射图案；

第二衬底，包含至少一感测单元以用以感测所述衍射光栅形成的所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案；

间隙层，设置于所述第一衬底与所述第二衬底之间，用以界定一预设高度；以及

处理单元，耦接所述感测单元，该处理单元用以根据所述零阶衍射图案及所述第一阶衍射图案计算三维加速度。

2.根据权利要求1所述的光学式加速度计，其中所述间隙层一体成型于所述第一衬底或所述第二衬底。

3.根据权利要求1或2所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述零阶衍射图案的位置变化对共平面加速度进行计算。

4.根据权利要求1或2所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述零阶衍射图案与所述第一阶衍射图案的相对关系对出平面加速度进行计算。

5.根据权利要求1或2所述的光学式加速度计，其中在所述可移动件上沿第一方向形成有第一间隔的开口且沿第二方向形成有第二间隔的开口。

6.根据权利要求5所述的光学式加速度计，其中所述第二衬底包含对应所述第一间隔的开口的第一感测单元及对应所述第二间隔的开口的第二感测单元。

7.根据权利要求6所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述第一感测单元感测的所述零阶衍射图案计算第一共平面加速度并根据所述第二感测单元感测的所述零阶衍射图案计算第二共平面加速度。

8.根据权利要求1或2所述的光学式加速度计，其中所述衍射光栅为穿透式衍射光栅或反射式衍射光栅。

9.一种光学式加速度计，该光学式加速度计包含：

感测衬底，包含至少一感测单元；

光栅衬底，该光栅衬底相对所述感测衬底并包含可移动件，所述可移动件上形成有至少一衍射光栅，加速时所述可移动件相对所述感测衬底进行相对运动；

同调光源，发光照射所述至少一衍射光栅以在所述至少一感测单元上形成衍射图案，其中，所述衍射图案包含零阶衍射图案及第一阶衍射图案；以及

处理单元，耦接所述至少一感测单元以根据所述衍射图案计算三维加速度。

10.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述零阶衍射图案与所述第一阶衍射图案的相对关系对出平面加速度进行计算。

11.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述零阶衍射图案的位置变化对共平面加速度进行计算。

12.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述至少一衍射光栅为穿透式衍射光栅或反射式衍射光栅。

13.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述至少一衍射光栅为间隔的开口或平行条状部。

14.根据权利要求13所述的光学式加速度计，其中所述至少一衍射光栅包含形成于第一方向的第一衍射光栅及形成于第二方向的第二衍射光栅。

15.根据权利要求14所述的光学式加速度计，其中所述感测衬底包含对应所述第一衍射光栅的第一感测单元及对应所述第二衍射光栅的第二感测单元。

16.根据权利要求15所述的光学式加速度计，其中所述处理单元根据所述第一感测单元感测的所述衍射图案计算第一共平面加速度并根据所述第二感测单元感测的所述衍射图案计算第二共平面加速度。

17.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述感测衬底包含位于所述感测衬底的边缘并朝向所述光栅衬底垂直延伸出一预设高度的侧壁。

18.根据权利要求9所述的光学式加速度计，其中所述光栅衬底包含位于所述光栅衬底的边缘并朝向所述感测衬底垂直延伸出一预设高度的侧壁。