CN106199463B - 两用共振型磁力计 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种磁力计与加速度计两用共振型磁力计，包括：侦测器结构体，具有质量块及位移侦测电极；电容电压转换器及放大器，用于将侦测电极侦测结果，转变成电压信号，作为该磁力计的输出信号；一振动驱动电路，将该输出信号以电流型态提供予该质量块，用于驱动该质量块产生振动；及一选择电路，用于选择使该磁力计提供磁场量测功能或加速度量测功能。该振动驱动电路可为比较器。该选择电路可以一滤波器取代，连接该转换器电路的输出，以供选择该输出信号的频段。
Description
技术领域
本发明是关于一种两用共振型磁力计，特别是关于一种不须外接震荡器，且可用以量测加速度的共振型磁力计。
背景技术
微型磁力计是一种广泛应用在例如智能型手机、穿戴型装置及物联网装置(Internet of Things–IOT–devices)的组件。微型磁力计也可以应用在其他工程、科学及工业应用领域。为能在现代的应用上提供磁力量测的功能，微型磁力计必须高度集积化，低耗电且能提供正确的磁力/磁场量测。
在各种微型磁力计中，应用罗伦兹力(the Lorentz forces)原理制作的磁力计，较合于实用。因为这种微型磁力计可以标准的CMOS制程制作。此外，共振型磁力计，亦即在共振频率下工作的磁力计，可以提供相对较高的敏感度，且侦测器所产生的反应可以利用依照其质量因子(quality factor–Q-factor或Q值)所设计的放大器放大，故可提供较强的输出信号与较佳的讯号噪声比。在此条件下，新型的微型磁力计结构，都是应用罗伦兹力原理，在其共振频率下工作。
应用罗伦兹力的磁力计基本上包括一质量块，以弹簧悬吊在结构上或基板上。对该质量块提供一定电流，该电流与存在地球的磁场或其他磁性物体发出的磁场(magneticfield)发生交互作用，会产生罗伦兹力，将该质量块向垂直于该电流方向及该磁力方向的方向移动。侦测用电极通常形成梳形或指状，与该质量块边缘形成的梳形或指状交错，并维持一距离；两者间等同一电容。该侦测用电极可侦测到因质量块移动，导致质量块与侦测用电极间的相对位置变化，产生的电容值变化，而产生侦测信号。该侦测信号经过转变成电压形式并放大后，作为输出信号。所产生的输出信号代表该质量块在磁力影响下的位移方向与位移量，可据以计算出该磁力值。
共振型磁力计的架构与工作原理基本上上述罗伦兹力磁力计相同，但在操作时，使用一驱动电路将一固定值的电流信号提供到该磁力块。该电流信号的频率与该质量块的机械共振频率相同，用于驱动该质量块以其共振频率振动。当该质量块在其共振频率下振动时，撷取该质量块因罗伦兹力而产生的位移以及位移量，可以据以计算该质量块所受到的磁场。其信号强度高于非共振型罗伦兹力磁力计数个数量级。
已知的共振型磁力计大多需使用一外接震荡器，以驱动该微机电磁力计的质量块在其共振频率下振动。在这种先前技术中，是使用一外接震荡器，产生一固定频率的震荡信号，以驱动该磁力计的质量块振动，并将其振动频率锁定在其共振频率。关于这种外接式震荡器的应用以及该质量块在其共振频率下振动，用于侦测当地磁场的技术，可参考Dominguez-Nicolas所发表的「Signal Conditioning System With a 4–20mA Output fora Resonant Magnetic Field Sensor Based on MEMS Technology」一文，刊登在SensorsJournal,IEEE,Vol.12,No.5,pp.935-942,May 2012。
已知的共振型磁力计使用外接震荡器虽可驱动该微机电磁力计的质量块在其共振频率下振动，但该外接震荡器的设置不但会提高磁力计的制作成本与体积，更会造成该共振结构校正上的困难。主要原因是组件制程本身的不稳定性会使各震荡器的共振结构的共振频率发生变化，无法达成一致。因此，磁力计在使用之前，必须经过调校，才能使各个磁力计都能在其共振频率下振动，并锁定到该频率。此外，微机电侦测器的高Q值同时也代表该侦测器作为震荡器的频率响应带宽相当狭窄。例如，如果微机电侦测器的共振频率为1kHz，其Q值为10,000，则其频率响应的带宽只有1000/10000＝0.1Hz。这种特性使得该外接震荡器必须具备高度的频率稳定性，使其能够提供数百ppm级的稳定性。不但如此，该共振驱动用频率稳定性也会直接影响其振幅，进而影响所得信号的分辨率。
此外，应用罗伦兹力的磁力计可以用来量测加速度，为已知的技术。简言之，这种磁力计在对质量块提供定电流时，电流会与地磁或其他磁场作用，产生罗伦兹力。但如不对该质量块提供电流，该质量本身在加速度作用下，也会发生位移。由于该磁力计本身即具有量测该质量块的位移量与位移方向的功能，在无罗伦兹力作用下量得的质量块位移量与位移方向，即可用来计算该质量块的加速度。不过，如何控制该磁力计，以分别提供磁场与加速度的量测功能，则有赖针对不同磁力计架构，提供特殊设计的控制电路。
因此，目前业界亟须提供一种两用共振型磁力计的新颖结构，以提供稳定的共振频率。
同时也需要提供一种新颖的两用共振型磁力计结构，可以选择性的提供磁场与加速度的量测功能，并将其共振结构锁定在其共振频率。
同时也需要提供一种不需使用外接震荡器的两用共振型磁力计。
同时也需要有一种能正确选择提供磁场与加速度的量测功能的两用共振型磁力计。
发明内容
本发明提供一种不需使用外接震荡器的两用共振型磁力计，可以选择性的提供磁场与加速度的量测功能。根据本发明的两用共振型磁力计，乃是包括：一侦测器结构体，一转换器电路及一振动驱动电路。其中，该侦测器结构体具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧，用于侦测该质量块在特定方向的位移量。
该转换器电路连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号。该转换器电路可包括一放大器，用于将该电容电压转换器输出的电压信号放大，输出放大后之侦测信号。该转换器电路的输出信号可提供后级计算电路根据该位移侦测电极所侦测到的位移量，计算一磁场磁力值或一加速度值。该振动驱动电路连接该转换器电路的输出，将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，用于驱动该质量块产生振动。该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向。
在本发明的一种实施例中，该两用共振型磁力计另包括一选择电路，连接该振动驱动电路，以选择性的停止该振动驱动电路供应该驱动电流到该质量块。在本发明的一种实施例中，该磁力计的转换器电路包括一带通滤波器，用于从该侦测信号中滤出对应于磁场强度的信号成分，以及一低通滤波器，用于从该侦测信号中滤出对应于加速度的信号成分。
在本发明之较佳实例中，该振动驱动电路可包括一比较器电路，其输入为该放大器的输出，以及一参考电位，用于输出该放大器输出信号与该参考电位的比较结果，作为该质量块的振动驱动信号。该振动驱动电路的输出提供至该侦测器结构体的质量块，用于驱动该质量块振动。该振动的频率即为该质量块的共振频率。该质量块的振幅随时间加大，经过短暂的时间后达成稳定。该在本发明的较佳实例中，该参考电位为接地电位。
如该两用共振型磁力计配备选择电路，当该选择电路未停止该振动驱动电路的操作时，该转换器电处输出的侦测信号即代表该质量块在罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块在特定方向所受的磁场；当该选择电路停止该振动驱动电路的操作时，该转换器电处输出的侦测信号即代表该质量块在无罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块运动的加速度。如该两用共振型磁力计配备该带通滤波器与低通滤波器，则该带通滤波器的输出信号即代表该质量块在罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块在特定方向所受的磁场；该低通滤波器的输出信号即代表该质量块在无罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块在特定方向的加速度场。
附图说明
图1为本发明两用共振型磁力计一种实施例之系统图。
图2为适用在本发明两用共振型磁力计之一种侦测器结构体10之平面图。
图3为对第1图之电路中输出Vout(上图)与Vdrive(下图)进行瞬时模拟分析结果。
图4为第3图之放大图。
图5为第3图另一放大图。
图6为适用于本发明一实施例之带通滤波器信号频率分布图。
具体实施方式
以下将利用多种实施例，说明本发明两用共振型磁力计的结构。该等实施例是用来例示本发明两用共振型磁力计的可能结构及应用，并非用来穷尽列举本发明所有可能的实施方式。本发明的专利范围，仍应以申请专利范围记载为准。
图1显示本发明两用共振型磁力计一种实施例的系统图。如图所示，本实施例之共振型磁力计包括：一侦测器结构体10，一转换器电路20，及一振动驱动电路30。该侦测器结构体10是由任何适用的制程制作的微型磁力计结构体，用以提供代表该结构体所受磁力及磁力方向，以及加速度的侦测信号。该转换器电路20将该侦测信号转变成电压型态后，成为输出信号。该振动驱动电路30则是用于驱动该侦测器结构体10内的质量块振动，并将其振动频率锁定在其共振频率。
图2显示适用在本发明两用共振型磁力计之一种侦测器结构体10的平面图。如图所示，该侦测器结构体10具有一质量块11，以弹簧16、17、18、19悬吊在该侦测器结构体10上，呈悬浮状态。该弹簧16、17、18、19悬吊在该侦测器结构体10之处，形成两电极14a与14b。
该侦测器结构体10另包括两组位移侦测电极12、13，配置在该侦测器结构体10上，该质量块11所在平面上的第一方向X两侧，用来侦测该质量块11在特定方向的位移量。在图中所示的实施例中，该质量块11在X方向两侧伸出多个的指状或梳形突出11a、11b。该位移侦测电极12、13在相对于该指状突出11a、11b的一侧，也各延伸出指状或梳形突出12a、13a。该位移侦测电极12、13的指状突出12a、13a，分别与对应的质量块11指状突出11a、11b沿该平面上与该X方向垂直的Y方向，交错配置。使得任两支位移侦测电极12、13的指状突出12a、13a，分别夹置一支质量块11指状突出11a、11b。当然，这种交错配置的形式，只是本发明一种较佳实例。在微型磁力计，乃至于微型加速度计的技术领域中，早已发展出各种质量块指状电极与侦测方指状电极的配置方式，各有其优缺点。均可应用在本发明。再者，该质量块与该位移侦测电极也未必须要使用指状或梳状电极。凡是可以用来侦测该质量块任一方向移动及其移动量的侦测方式，都可应用在本发明。该质量块11与位移侦测电极12、13的形状，结构并非本发明的重点，且属习知技术的范畴，其技术细节即不须在此多加赘述。
该质量块11与位移侦测电极12、13须具备电导体，以供侦测质量块11在磁力影响下的位移与位移方向。通常而言，使用任何微机电技术制作的含导体质量块与位移侦测电极，都可应用在本发明。不过，在本发明的较佳实例中，该质量块11与位移侦测电极12、13是使用标准CMOS制程制作。在这种实例中，该质量块11与位移侦测电极12、13均会包括一层或数层金属层，以及包覆该金属层或界接两金属层的介电层。此外，该质量块11的悬浮结构与该弹簧16、17、18、19、电极14a与14b等的制作，都可以应用标准的CMOS制程完成制作。详细技术也不须在此赘述。
共振型磁力计所用来驱动该质量块振动的电流供应器在本实施例中为该振动驱动电路30，经由该电极14a与14b连接该质量块11。以对该质量块11供应一第二方向Y的电流Idrive(jω)。该第二方向Y是指在该质量块11所在平面上，与该第一方向X直交的方向。
该转换器电路20连接该侦测器结构体10的输出V-与V+，亦即该位移侦测电极12、13的输出，用以将该位移侦测电极12、13输出的侦测信号，转变成电压信号。该转换器电路20可包括一电容电压转换器21，以及放大器22、23，连接于该电容电压转换器21之后级，用以将该电容电压转换器21输出的电压信号放大，输出放大后的侦测信号Vout。其中，该放大器22的输出可提供后级计算电路(未图标)计算该位移侦测电极12、13所侦测到的磁场磁力值。而该放大器23的输出则可提供后级计算电路计算该质量块11运动时的加速度。该放大后之输出信号Vout即为本发明两用共振型磁力计的侦测结果。根据洛兰兹力原理，该放大器22的输出信号Vout与该质量块11在Z方向所受的磁力成正比。
该振动驱动电路30为本发明的重点之一。振动驱动电路30连接该放大器22的输出Vout，将该输出信号以电流型态提供予该侦测器结构体10内的质量块11，用以驱动该质量块11产生振动。该振动驱动电路30并提供放大功能，以放大该放大器22的输出信号。
在本发明之较佳实例中，该振动驱动电路30包括一比较器电路，其一输入为该转换器电路20的输出Vout，另一输入为一参考电位Vref，输出该转换器电路20输出信号Vout与该参考电位Vref的比较结果，作为共振驱动信号Vdrive，以电流Idrive的形式，经由该电极14a与14b提供给该质量块11。该振动驱动电路30的输出连接该侦测器结构体10上的驱动信号输入Vdrive/Idrive，用以驱动该侦测器结构体10内的质量块11，产生振动。该振动的频率即为该质量块11的共振频率。经过短暂时间后，即可使该质量块11以其共振频率，稳定的振动。
该共振型磁力计另可包括一时钟信号产生器15，连接至该侦测器10，用以提供取样所需的频率信号Vm。
根据先前技术已知的原理，当对该质量块11供给第二方向Y(Y方向或负Y方向)的电流时，若该质量块11所受磁场方向为向图面接近的方向(负Z方向)，受到罗伦兹力的牵引，该质量块11及会发生向第一方向(负X方向或X方向)的位移。如果该电流的频率与该质量块11之共振频率相同，则该质量块11将会产生同于其共振频率的振动。
虽不欲为任何理论所拘束，然而经本发明人发现，在上述电路架构下，该侦测器结构体10输出的侦测信号，转换成电流后，可用以驱动该质量块振动。该质量块11起振后，振动频率即会达到该质量块11之共振频率。该频率信号与一参考电位Vref比较后的结果，所输出的信号振幅会随着时间经过而放大，达到稳定。该质量块11即可在其共振频率下以稳定的振幅振动。
在本发明的较佳实例中，该参考电位Vref为接地电位。但该参考电位可以根据应用上的需求，做适当的设定。在该参考电位Vref为接地电位的情况下，只要该比较器30的输出不是0电位，该输出将以电流形式驱动该质量块11起振。其振动频率即为共振频率。而在本发明的电路设计下，该比较器30的输出信号会逐渐放大，直到达到稳定为止。第3图即显示对第1图的电路中，放大器32的输出Vout(上图)与Vdrive(下图)的进行瞬时模拟分析结果。在第3图的模拟分析中，该参考电位Vref设为接地电位。该瞬时仿真分析结果显示约在开始振动后250ms范围内的结果，显示系统在短暂的初始阶段后，振动即达到稳定。其中，114mV的振幅与Vout的频率，与仿真条件即输入磁场10μT与共振频率5.3kHz相符。虽然该回馈驱动信号Vdrive为方波型态，但侦测器的电容变化为正弦波信号。该微型侦测器为一高Q值的共振器，可提供窄频段带通滤波器的功能。
图4为图3的放大图。图中显示该质量块11在该比较器30的输出不是0电位时，即可发振。其振幅随时间增大，但频率则为该质量块11的共振频率。图5为图3另一放大图。图中显示在输入磁力于1ms内由10μT改变成70μT，并维持3ms后，变回10μT的过程中所测得的波形变化。此时，Vout发生良好的响应，但Vdrive的频率并无变化。证明本发明共振型磁力计确能用来驱动质量块起振，并将其振动频率锁定在其共振频率。该共振型磁力计并能立即响应所受磁力变化，并呈现正确的量测结果。
为提供本发明的两用共振型磁力计可选择的提供磁场与加速度的量测功能，该磁力计可另配备一选择电路(未图标)，用来选择性的停止该振动驱动电路30供应该驱动电流到该质量块11。该选择电路40的实施方式有许多种可能。任何已知用来选择性的停止该振动驱动电路30功能的组件或软件，都可以使用在本发明。例如，以一开关(未图示)连接在该转换器电路20与该振动驱动电路30之间，即为可行的做法。在该开关断开时，即停止该振动驱动电路30供应驱动电流到该质量块11。此时，该转换器电路20的输出即代表该质量块11在未受罗伦兹力的影响下，在特定方向的位移量。反之，该转换器电路20的输出即代表该质量块11在受罗伦兹力的影响下，在特定方向的位移量。在这种实施例中，并无必要设置该放大器23。同时，在这种实施例中，该放大器22即为一低通滤波器，截止频率大于磁力计的共振频5.3kHz且小于装置15提供给装置21的取样频率500kHz，用以滤除装置21输出信号的取样频率500kHz并根据操作状态得到加速度或磁场强度讯号，使结构放置静止不动时讯号输出为磁场强度讯号，结构受外力摇动时则输出为加速度讯号。
在本发明另一种较佳实施例中，并不使用该选择电路。在这种实例中(参考第1图)，该放大器22为一带通滤波器，而放大器则可为一低通滤波器。根据本发明，不论是劳伦兹力还是其他外力，都会使质量块11与位移侦测电极12、13间的电容产生变化。侦测器结构体10输出的电容变化信号事实上已经混和了两个主要成分，亦即对应于磁场的电容变化与对应于加速度的电容变化。而不同外力对该电容的改变，主要表现在不同的信号频率。例如，因劳伦兹力而产生的电容变化，信号频率可锁定在质量块的共振频，例如5kHz。而外力加速度产生的电容变化，信号频率一般应用约在100Hz以下。因此，只要使用两个滤波器，分别设定其通过频率，即可分别滤出该侦测器结构体10输出信号中，对应于磁场的电容变化成分与对应于加速度的电容变化成分。
该带通滤波器22与低通滤波器23可依据系统的设定，输出选定频段的信号。例如，电路如果设定加速度值的取样频率为小于100Hz，共振频磁场讯号为5000Hz，且电路取样频率为500kHz，则可：
1.将低通滤波器23设定成滤除100Hz以上的讯号，即得到小于100Hz的加速度侦测信号。
2.将带通滤波器23设定成滤除小于100Hz和大于6000Hz的讯号，得到5000Hz的共振频磁场侦测信号。
图6为适用于本发明一实施例之带通滤波器信号频率分布图。如图所示，本发明可以利用低通滤波器(LPF)，得到加速度侦测信号。并可利用带通滤波器(BPF)，得到共振频磁场侦测信号。本发明这种实施例可以不使用选择电路，同时量测磁场与加速度并同时输出对应的电压讯号，获得一个双物理量同时输出的加速度计/磁力计，且磁力计的部分采用自振型设计，提高侦测的灵敏度。
如上所述，本发明提供一种不须外接震荡器的两用共振型磁力计。该磁力计在发振之后可以将质量块的振动频率锁定在其共振频率，并不需使用一外接震荡器。该磁力计在停止供应共振驱动信号到质量块时，则提供加速度的侦测功能。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种两用共振型磁力计，包括：
一侦测器结构体，具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧；
一转换器电路，连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号，作为该两用共振型磁力计的输出信号；
一振动驱动电路，连接该转换器电路的输出，以将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，作为振动驱动信号，用于驱动该质量块产生振动；及
一选择电路，用于选择性的停止该振动驱动电路供应该驱动电流到该质量块；
其中，该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向；
其中，该振动驱动电路包括一比较器电路，其输入为放大器的输出，以及一参考电位，用于输出该放大器输出信号与该参考电位的比较结果，作为该质量块的振动驱动信号。
2.根据权利要求1所述的两用共振型磁力计，其中，该参考电位为接地电位。
3.根据权利要求1或2所述的两用共振型磁力计，其中，该侦测器结构体的质量块是以弹簧悬吊在该侦测器结构体上，该弹簧悬吊之处形成两电极；该振动驱动电路经由该电极对该质量块供应该第二方向Y的电流。
4.根据权利要求1或2所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块两侧伸出多个的指状突出，该位移侦测电极在相对于该指状突出的一侧，也各延伸出多个指状突出，且该位移侦测电极的指状突出分别与对应的质量块的指状突出沿该Y方向交错配置。
5.根据权利要求1或2所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块与位移侦测电极均包括一层或数层金属层，以及包覆该金属层或界接两金属层的介电层。
6.根据权利要求1或2所述的两用共振型磁力计，其中，该转换器电路包括一放大器，用于将该位移侦测电极所输出的侦测信号放大。
7.根据权利要求1或2所述的两用共振型磁力计，其中，该转换器电路包括一带通滤波器，以滤出该位移侦测电极侦测信号中，代表磁场强度的成分。
8.一种两用共振型磁力计，包括：
一侦测器结构体，具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧；
一转换器电路，连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号，作为该两用共振型磁力计的输出信号；及
一振动驱动电路，连接该转换器电路的输出，以将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，作为振动驱动信号，用于驱动该质量块产生振动；
其中，该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向；且
该转换器电路包括：
一带通滤波器，用于滤出该位移侦测电极输出信号中，代表该质量块在罗伦兹力影响下在特定方向之位移量的成分；及
一低通滤波器，用于滤出该位移侦测电极的输出信号中，代表该质量块在无罗伦兹力影响下在特定方向的位移量的成分；
其中，该振动驱动电路包括一比较器电路，其输入为放大器的输出，以及一参考电位，用于输出该放大器输出信号与该参考电位的比较结果，作为该质量块的振动驱动信号。
9.根据权利要求8所述的两用共振型磁力计，其中，该参考电位为接地电位。
10.根据权利要求8或9所述的两用共振型磁力计，其中，该侦测器结构体的质量块是以弹簧悬吊在该侦测器结构体上，该弹簧悬吊之处形成两电极；该振动驱动电路经由该电极对该质量块供应该第二方向Y的电流。
11.根据权利要求8或9所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块两侧伸出多个的指状突出，该位移侦测电极在相对于该指状突出的一侧，也各延伸出多个指状突出，且该位移侦测电极的指状突出分别与对应的质量块的指状突出沿该Y方向交错配置。
12.根据权利要求8或9所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块与位移侦测电极均包括一层或数层金属层，以及包覆该金属层或界接两金属层的介电层。
13.根据权利要求8或9所述的两用共振型磁力计，其中，该转换器电路包括一放大器，用于将该位移侦测电极所输出的侦测信号放大。
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