CN105180915B - 多微机电元件讯号处理方法与用此方法的复合微机电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多微机电元件的讯号处理方法，包含：提供至少两微机电元件；对各微机电元件施加不同频率的振动讯号，使各微机电元件分别产生振动响应；以及组合上述振动响应，构成一个或多个多频段讯号后输出，其中该多频段讯号的数目小于该振动响应的数目。同时还提供一种适用此方法的复合微机电装置。

Description

多微机电元件讯号处理方法与用此方法的复合微机电装置

技术领域

本发明涉及一种多微机电元件的讯号处理方法，特别为提供不同频率的多个振动讯号，作用于共构的多个微机电元件，以产生对应各机电元件的多个主频响应讯号，并通过数目远低于主频响应讯号的至少一多频段讯号以及至少一共同接点，传递主频响应讯号至一解调单元，并利用解调单元分离各主频响应讯号，以减少对外传递所需的线路与讯号的讯号处理方法。

背景技术

微机电元件已普遍应用于日常生活中。就微机电元件的应用而言，元件的微小化程度常是产品成功的重要因素之一，例如携带式电子产品常需具有轻薄外形以符合时尚感或方便携带。目前微机电元件中整合了微机电结构与集成电路，但该微机电结构仅是单一感测类型的单一微机电结构。当产品需要使用并整合两种类型以上的微机电元件(例如重力传感器与加速度计、角速度计与加速度计等)，则现有技术仍是采用两个分开独立的微机电元件。在此情况下，多个微机电元件所需占较大体积，且相关的外接电路也十分占空间，妨碍产品微小化。

因此，如何通过简单、有效的方法减少对应于多个微机电元件的外接电路所占的空间，为产品开发重要的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种多微机电元件的讯号处理方法，通过简单、有效的方法减少对应于多个微机电元件的外接电路所占的空间。同时提出一种适用此方法的复合微机电装置，

为达上述目的，就其中一个观点，本发明提供一种多微机电元件的讯号处理方法，此方法包含：提供至少两微机电元件；对各微机电元件施加不同频率的振动讯号，使各微机电元件分别产生振动响应；以及组合上述振动响应，构成一个或多个多频段讯号后输出，其中该多频段讯号的数目小于该振动响应的数目。

在一实施例中，该讯号处理方法可更包含：将多频段讯号传递至一解调单元，并通过该解调单元分离该多频段讯号，以得到多个频率响应讯号；以及根据该频率响应讯号，分析微机电元件的感测结果。

在一实施例中，至少一微机电元件的振动响应包含一主频响应与至少一非主频响应。

在一实施例中，该包含一主频响应与至少一非主频响应的微机电元件为一角速度计，且该主频响应与该主频响应具有九十度的相位差。

在一实施例中，至少一微机电元件为一线性加速度计，而该线性加速度计具有多个感测分量。对该多个感测分量可施加相同或不同频率的振动讯号。

在一实施例中，对各微机电元件施加不同频率的振动讯号的步骤使用机械式振动源或感应式振动源达成。

在一实施例中，该至少两微机电元件共构于一微机电装置内。

为达上述目的，就另一个观点，本发明提供一种微机电装置，包含：多个微机电元件；多个振动源，分别产生多个不同频率的振动讯号以施加于该多个微机电元件；以及至少一共同接点，用以收集该多个微机电元件对应于该多个振动讯号的振动响应，以组合产生至少一多频段讯号，并将该多频段讯号输出，其中该共同接点的数目少于振动响应的数目。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示根据本发明一实施例的微机电装置与外部处理单元；

图2显示根据本发明一实施例的多微机电元件的讯号处理方法的流程图；

图3A、3B分别显示根据本发明的微机电装置内微机电元件的两种设置实施例。

图中符号说明

10、20、30 微机电装置

100 外部处理单元

C 共同接点

D1、D2、D3 微机电元件

F1、F2、F3 振动讯号

f1、f2、f3 振动响应

fd11、fd12、fd2 频率响应讯号

fm 多频段讯号

V1、V2、V3 振动源

S1～S5 步骤

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

参照图1左侧，其显示根据本发明的一观点所提供的一种微机电装置10，其包含：多个微机电元件D1、D2，共构于微机电装置10内；多个振动源V1、V2，分别产生多个不同频率的振动讯号F1、F2以施加于微机电元件D1、D2，振动源V1、V2或振动讯号F1、F2的数目例如但不限于对应于该多个微机电元件的数目，或对应于所有微机电元件D1、D2的多个感测分量的总数目(一个微机电元件可能感测产生多个维度的感测讯号，本说明书中称为多个感测分量，此部分容后详述)；以及至少一共同接点C，分别收集微机电元件D1、D2对应于振动讯号F1、F2的振动响应f1、f2，以组合产生至少一多频段讯号fm，并将多频段讯号fm传递至一外部处理单元100以分析微机电元件D1、D2的感测结果，其中该共同接点C的数目少于振动响应f1、f2的数目。

所谓“共构”是指该多个微机电元件D1、D2共享对外连接的线路、且较佳为构成单一模块。

本发明将多个微机电元件D1、D2所产生的感测讯号调变于不同的频率，并组合构成至少一多频段讯号fm，这样可以仅以较少数目的接点C来传递，减少微机电装置10与外部进行讯号连接时所需的接点数目。

需说明的是，虽然在较佳实施方式中，本发明仅需要一个单一共同接点C，但本发明并不限于通过单一共同接点C来组合多个振动响应产生单一多频段讯号。在另一实施例中，共同接点C的数目可为多个，但其数目少于振动响应的总数目。举例而言，假设D1为角速度计、D2为三维线性加速度计且其三维的感测分量对应于同一振动源V2产生不同的振动响应，则可通过不同的共同接点以分别收集各感测分量的振动响应，以产生多个讯号，且可将其中一个或多个讯号与前述角速度计的振动响应组合产生多频段讯号，以降低所需对外接点以及多频段讯号的数目。也就是说，原本如果D1(角速度计)、D2(三维线性加速度计)各自独立，则需要四个对外接点以传递一个角速度和三个(三维)加速度讯号，但将至少一个加速度讯号与角速度讯号组合成多频段讯号后，就可降低对外接点的数目。

微机电元件于实施时不限于前述的两个微机电元件D1、D2，也可为三个或更多个，例如：D1为角速度计，D2为线性加速度计，外加压力计等(例如图3A、3B的D3)。而对应微机电元件D1、D2的振动源V1、V2的设置方式与数目也不限于图式所示，例如当微机电元件D2为线性加速度计时，其对应于三维方向的各感测分量(例如平面内(in-plane)的X、Y方向与出平面(out-of-plane)的Z方向，图式未显示)亦可分别设置个别频率的振动源(当然也可对微机电元件D2使用单一频率的振动源，而使各感测分量根据同一振动源产生振动响应；虽然频率相同，但因感测分量的方向不同，故可以分离出来)。

前述的振动源例如但不限于机械式振动源(例如以机械方式振线性加速度计D2)，也可为感应式(例如提供不同频率的多个高低压讯号，分别耦接于差分式电容结构中的上下电极)。在使用机械式振动源的一较佳实施例中，所施加的振动方向宜与感测分量的方向不同。(不过，即使所施加的振动方向与感测分量的方向相同，经由适当的解调，仍可予以分离。)此外，前述的微机电元件的共构有各种设计方式，可参照同一申请人同日申请的另一专利，当中有详细说明。

在一实施例中，对某些类型的微机电元件而言，振动响应中包含微机电元件对应于振动讯号所分别产生的一主频响应与至少一非主频响应；所谓主频响应是指响应中的主要频率成分、而非主频响应是指响应中的次要频率成分。例如，当微机电元件为科氏角速度感测计(Coriolis sensor)时，所产生的振动响应中会包含相位差九十度的频率成分。参照图1右侧，处理单元100接收来自微机电装置10的多频段讯号fm，分离出各频率响应讯号，并根据频率响应讯号分析各微机电元件的感测结果。处理单元100包含一解调单元以及多个分析单元，其中解调单元根据所接收的多频段讯号fm的频率或相位等，以分离得出各频率响应讯号fd11、fd12、fd2，并传送各频率响应讯号fd11、fd12、fd2至对应的分析单元。举例而言，在本实施例中，D1为科氏角速度感测计，D2为线性加速度计，频率响应讯号fd11、fd12分别为与振动讯号同相位的非主频响应讯号fd11以及与振动讯号相位差九十度的主频响应讯号fd12(主频响应讯号fd12代表由科氏角速度感测计所产生的科氏加速度振动响应(frequency response by Coriolis acceleration))。主频响应讯号fd2为线性加速度计D2的一主频响应讯号。各分析单元根据所接收的频率响应讯号fd11、fd12、fd2进行分析，以产生各微机电元件的感测结果。上述实施例以各微机电元件具有一感测分量为例，但若微机电元件具有多个感测分量时，也可依照相同原理类推实施方式以产生感测结果。

根据频域(frequency domain)的观点，非主频响应讯号fd11以及相位差九十度的主频响应讯号fd12属于同一频率的讯号。根据时域(time domain)的观点，非主频响应讯号fd11与主频响应讯号fd12具有九十度或接近九十度的相位差。解调单元可根据此特性分离非主频响应讯号fd11与主频响应讯号fd12。

处理单元100所接收的多频段讯号fm数目不限于图式所示，也可因需要而增加数目，例如同一机械式振动源同步应用于线性加速度计D2的三个正交的感测分量(例如前述的X、Y、Z方向的感测分量)时，可产生三个或更多个振动响应。这些振动响应可以与其它微机电元件的振动响应组合而构成多个多频段讯号。如前所述，与各微机电元件各自独立对外传递讯号相较，上述方式中多频段讯号的数目仍然较低，亦即可减少接点的数目。

参照图2，其显示根据本发明的一观点所提供的一种多微机电元件的讯号处理方法的流程图，其可应用于微机电装置10，讯号处理方法包括：提供至少两微机电元件(S1)；对各微机电元件施加不同频率的振动讯号，使各微机电元件分别产生振动响应(S2)；以及组合振动响应构成一个或多个多频段讯号后输出(S3)，其中该多频段讯号的数目小于该振动响应的数目。参阅图1，在一实施例中，以上步骤可由微机电装置10执行，而此至少两微机电元件共构于该微机电装置10中。

该多频段讯号可传递至一解调单元，并通过解调单元分离多频段讯号，以得到多个频率响应讯号(S4)；之后可根据频率响应讯号，分析微机电元件的感测结果(S5)。参阅图1，在一实施例中，以上步骤可由外部处理单元100执行。

前述“对各微机电元件施加不同频率的振动讯号”表示对不同微机电元件施加的振动讯号彼此间频率不同，但作用于同一微机电元件的各感测分量的振动讯号可为同一频率也可为不同频率，前者例如可使用机械式振动源来达成，后者例如可使用感应式振动源来达成。亦即，同一微机电元件可能接受到多个强弱不一的振动讯号，而分别产生对应的至少一振动响应。

在图1实施例中，振动源V1、V2的数目对应于微机电元件D1、D2的数目，然而实施时不限于此，振动源的数目和微机电元件的数目可以不相同。此外，共构的方式不限于图1中微机电元件D1、D2重迭于同一区域，也可依需要而将不同微机电元件的部分或全部设置于分开独立的区域，而通过至少一共同接点，收集各振动响应以产生多频段讯号。

因各微机电元件结构中可能有阻尼效应，且传递的主频响应讯号可能受到阻抗的影响，并微机电元件制作过程中也可能有些许误差。因此，不同的振动讯号间的频率间隔宜够大，以避免不同主频响应讯号落在相近的频率区间以致造成混淆。

图3A、3B显示不同实施例中三种微机电元件的设置关系，微机电装置20、30可例如包含三种微机电元件，其中D1例如但不限于为角速度计、D2例如但不限于为线性加速度计、D3例如但不限于为压力计。实施本发明时，三种微机电元件不限于前述的三种微机电元件，或可应用于三种以上的微机电元件，而此两实施例以三种微机电元件为例方便说明。当微机电元件D3的特性无显著影响微机电元件D1的操作，则微机电元件D3可与微机电元件D2共构于微机电元件D1内(例如图3B、微机电装置30)，但例如当微机电元件D3中的质量块与弹簧特性接近微机电元件D1的质量块与弹簧特性时，同一频率驱动会相互影响，则微机电元件D3可能需独立于微机电元件D1外设置(例如图3A、微机电装置20)。无论哪种微机电元件的共构方式，皆可应用本发明的讯号处理方法进行分析各微机电元件的感测结果。

多个振动讯号中可包含多个不同频率，不同频率的频率间距须大于一可鉴别区间，可根据系统特性或讯号特性决定，例如相邻频率的振动讯号，其重迭区的振幅不得超于此振动讯号的最高振幅的一预定比例等，其预定比例的设定可视需要而定。

简言之，若与现有技术相比较，本发明的微机电元件所需的尺寸较小、所需对外线路少、所需对外线路搭配的脚位(Pad)也减少，因而寄生效应降低，讯号精度得以提升。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。例如，微机电元件非为共构而为各自独立设置，也仍可利用本发明施加不同频率的振动讯号于各微机电元件，并组合产生多频段讯号。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (9)

1.一种多微机电元件的讯号处理方法，其特征在于，包含：

提供至少两微机电元件，该至少两微机电元件包含一角速度计或一线性加速度计；

对各微机电元件施加不同频率的振动讯号，使各微机电元件分别产生振动响应；

组合上述振动响应，构成一个或多个多频段讯号后输出，其中该多频段讯号的数目小于该振动响应的数目；

将多频段讯号传递至一解调单元，并通过该解调单元分离该多频段讯号，以得到多个频率响应讯号；以及

根据该频率响应讯号，分析各该微机电元件的感测结果；

其中，上述振动响应包含对应于该角速度计产生的一主频响应与至少一非主频响应的振动响应、或对应于该线性加速度计产生的三个感测分量的振动响应，其中该主频响应与该非主频响应具有九十度的相位差，该三个感测分量为该线性加速度计中彼此正交的三个感测分量。

2.如权利要求1所述的多微机电元件的讯号处理方法，其中，对该多个感测分量施加不同频率的振动讯号。

3.如权利要求1所述的多微机电元件的讯号处理方法，其中，对该多个感测分量施加相同频率的振动讯号。

4.如权利要求1所述的多微机电元件的讯号处理方法，其中，对各微机电元件施加不同频率的振动讯号的步骤使用机械式振动源或感应式振动源达成。

5.如权利要求1所述的多微机电元件的讯号处理方法，其中，该至少两微机电元件共构于一微机电装置内。

6.一种微机电装置，其特征在于，包含：

多个微机电元件，该多个微机电元件包含一角速度计或一线性加速度计；

多个振动源，分别产生多个不同频率的振动讯号以施加于该多个微机电元件；

至少一共同接点，用以收集该多个微机电元件对应于该多个振动讯号的振动响应，以组合产生至少一多频段讯号，并将该多频段讯号输出，其中该共同接点的数目少于振动响应的数目；以及

一解调单元，接收该多频段讯号，将该多频段讯号分离得到多个频率响应讯号，其中该多个频率响应讯号，分别表示各该微机电元件的感测结果；

其中，上述振动响应包含对应于该角速度计产生的一主频响应与至少一非主频响应的振动响应、或对应于该线性加速度计产生的三个感测分量的振动响应，其中该主频响应与该非主频响应具有九十度的相位差，该三个感测分量为该线性加速度计中彼此正交的三个感测分量。

7.如权利要求6所述的微机电装置，其中，该多个微机电元件共构于该微机电装置内。

8.如权利要求6所述的微机电装置，其中，该振动讯号的数目对应于该多个微机电元件的数目。

9.如权利要求6所述的微机电装置，其中，至少一微机电元件产生多个感测分量，且该振动讯号的数目对应于所有微机电元件的感测分量的总数目。