CN106643817A - 具有磁性感测机制的运动传感器以及环境传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有磁性感测机制的运动传感器和一种具有磁性感测机制的环境传感器，其中，具有磁性感测机制的运动传感器包括磁场产生部、设置于磁场产生部一侧的磁性感测模块以及形成于磁性感测模块上的罩体。罩体内具有流体，与磁场形成一空间磁通密度。当传感器在外力的作用下运动时，罩体内流体的浓度分布发生改变，进而改变空间磁通密度的分布而被磁性感测模块侦测。根据磁性感测模块所产生的感测信号可以决定该传感器的至少一维度的运动状态。在另一实施例中，磁性感测模块上还具有参考结构，以构成具有磁性感测机制的环境传感器，用以侦测相应于参考结构的参考磁场与通过该传感器的流体的磁通密度关系，从而分析流体内含的特定成分。

Description

具有磁性感测机制的运动传感器以及环境传感器

技术领域

本发明涉及一种磁性感测装置，特别是涉及一种具有外加磁场以及流体的具有磁性感测机制的运动传感器以及环境传感器。

背景技术

随着科技的进步，智能手持装置，例如手机或者穿戴式装置的应用领域也逐渐增加。一般而言，设置在智能手持装置中的传感器可以分成以下3类：位置传感器(Position sensor)：这一类传感器测量行动装置的实际位置，例如方位传感器(Orientation sensor)、磁力计(Magnetometer)等。运动传感器(Motion sensor)：测量行动装置3个轴向的加速度或角速度，例如加速计(Accelerometer)、陀螺仪(Gyroscope)等。在一些特殊应用中，智能手持装置也可以支持环境传感器(Environmental sensor)，用以测量其所在环境的不同环境参数，例如测量环境温度的温度传感器(Temperature sensor)、测量环境亮度的亮度计(Photometer)等。

现有的加速度计为电容式感测结构，其感测单一轴向的原理为通过加速度运动造成内部形状如梳子状交错的电容极板移动，使得极板中的杂散电量产生变化。侦测电容变化量所产生的信号经过放大后，再经由运算处理装置，例如：ASIC进行信号处理，最后以模拟或数字输出。至于三轴的感测方式，则将相同的结构摆放在不同的位置，X轴摆放横向，Y轴摆纵向，而Z轴摆垂直方向即可测得。至于电子陀螺仪，其利用微机电制造过程形成固定电极与可动电极的结构，如果转动运动造成固定电极与可移动电极之间的距离变小，电容值变大，代表科氏力愈大，角速度也愈大；反之，如果固定电极与可移动电极之间的距离变大，电容值变小，代表科氏力愈小。

另一方面，传统磁阻感测装置主要是由设置在基板上的四个磁阻感测元件，以惠斯通电桥(Wheatstone bridge)方式彼此电性连接所组成，并可通过读取电压计的电压值来得知空间中与基板表面平行的磁场大小，进而测出沿着单一轴的磁场的强度和方向。通过这样的原理，磁阻传感器可用来作为可携式电子装置的电子罗盘用来进行定位。此外，现有技术中，有利用磁阻传感器来侦测流体内特定成分的数量或浓度的应用。例如，美国专利公告第US7179383号专利公开了一种可以侦测液体或气体内部目标分子或待分析物的技术，通过在巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)传感器上方建立流道空间，并于其间设置导线圈通电产生磁场，因此，当流体通过流道时，GMR可以感测到流体内目标分子或待分析物所产生的磁场信息，进而分析其数量或浓度。该技术中的基板内形成有导电圈，而在基板上有一空间流道提供含有待测目标物流体通过。而在流道的下方具有GMR用以感测磁场信息而产生相对应的电信号。此外，在另一实施例中，如美国专利公告号US8542009公开了一种侦测氧浓度的技术，在该技术中提供一磁性传感器以及导线圈用以接收电流产生磁场。磁性传感器为GMR用来感测氧受到磁场而产生的磁场强度。

虽然现有技术中，有将加速度传感器、陀螺仪传感器以及电子罗盘等元件放置在手持式电子装置的应用，然而由于前述各种传感器的制成与结构都不相同，而且很多都来自于不同的制造厂商，因此增加了应用端的整合控制与成本。另外，虽然磁性模块有应用在气体浓度感测的领域，但是仍然缺乏利用单一感测机制整合其他相关感测信息的运用，也限制了其应用的领域。因此，如果可以通过单一感测原理与结构，同时可以达到加速度感测、转动感测、方向定位以及/或环境信息的功能，不但可以减少制造与整合前述多种传感器于一体的开发和制造成本，还可以简化应用端的控制与布局设计，从而扩大传感器的应用领域。

综合上述，因此亟需一种利用单一感测机制侦测多种信息的磁性感测装置来解决现有技术的不足。

发明内容

本发明提供了一种具有磁性感测机制的运动传感器，通过外力的作用使得在一密闭空间内受到磁场作用的流体的浓度分布发生变化，通过侦测该密闭空间内各区域的磁通密度大小，进而得知该具有磁性感测机制的运动传感器的运动状态，例如：三轴向的移动状态或者是三轴向的转动状态。

本发明还提供了一种具有磁性感测机制的环境传感器，在外加磁场的环境下，通过密闭或半开放空间，或者是实心物体所产生的参考磁场与通过该具有磁性感测机制的环境传感器的流体所产生的磁通密度之间的关系，可以分析流体内含特定成分，例如：氧气、水气或烟雾颗粒的浓度。

本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器以及环境传感器，利用单一的感测原理，同时可以达到加速度感测、转动感测、方向定位以及/或环境信息的功能，形成具有感测运动状态及/或环境状态感测能力的传感器，不但可以减少制造与整合多种传感器于一体的开发和制造成本，还可以简化应用端的控制与布局设计，从而扩大传感器的应用领域。在一应用面中，本发明提供的运动传感器以及环境传感器，其利用流体受外加磁场而产生的磁通密度变化与磁力传感器结合，形成整合运动状态感测、流体成分分析以及湿度感测于单一芯片上的架构，进而减少感测芯片的使用数量，以节省封装所需的空间与成本。

在一实施例中，本发明提供的一种具有磁性感测机制的运动传感器包括一磁场产生部、一磁性感测模块以及一罩体。该磁场产生部，用以产生一磁场。该磁性感测模块，设置在该磁场产生部的一侧。该罩体，形成于该磁性感测模块上，该罩体内具有一流体，通过该磁场而形成一空间磁通密度。其中，该具有磁性感测机制的运动传感器在一外力的作用下发生运动，从而改变该罩体内该流体的浓度分布，进而改变该空间磁通密度的分布，继而被该磁性感测模块侦测。该具有磁性感测机制的运动传感器还具有一运算处理器，该运算处理器用以根据该磁性感测模块所产生的多个磁性信号决定该具有磁性感测机制的传感器的至少一维度的运动状态。

在另一实施例中，前述的具有磁性感测机制的运动传感器的流体为顺磁性流体、具有磁性的流体或含磁性物质的流体、抗磁流体(diamagneticfluid)或含抗磁性物质(diamagnetic material)的流体，其中，顺磁性流体包括氧气和至少一气体。

此外，在另一实施例中，本发明还提供了一种具有磁性感测机制的环境传感器包括一磁场产生部、一磁性感测模块以及一参考结构。该磁场产生部，用以产生一磁场。该磁性感测模块，设置于该磁场产生部的一侧且具有一第一区域以及一第二区域，该第一区域通过有一待测流体，通过该磁场而于该第一区域形成一空间磁通密度，该磁性感测模块用以感测该第一区域的空间磁通密度强度。该参考结构，覆盖于该第二区域上，该参考结构具有一参考物质，该磁性感测模块感测关于该参考结构的一参考磁场。具有磁性感测机制的环境传感器还具有一运算处理器，该运算处理器用以根据该参考磁场以及该第一区的空间磁通密度强度决定该待测流体所含的特定物质的浓度。

在另一实施例中，本发明提供的一种具有磁性感测机制的运动传感器包括一磁性感测模块以及一罩体。该磁性感测模块具有一导电线用以产生一外加磁场。该罩体形成于该磁性感测模块上，该罩体内具有一流体，其由不同质量的多种物质组成，该流体于该导电线通入该电流时形成一空间磁通密度。其中，该具有磁性感测机制的运动传感器运动时，该导电线在第一时间点断电，使得该磁性感测模块侦测到一环境磁场，该导电线在第二时间点通电使得而罩体内该多种物质因为惯性而产生不同的分布，进而改变该空间磁通密度的分布，从而被该磁性感测模块侦测。

在另一实施例中，本发明提供的一种具有磁性感测机制的运动传感器包括一第一感测模块以及一第二感测模块。该第一感测模块具有一第一磁性感测模块以及第一罩体，该第一磁性感测模块设置在一第一导电线的一侧，该第一导线通过通电产生一第一磁场，该第一罩体形成于该第一磁性感测模块上，该第一罩体内具有一第一流体，于该第一导电线通入该电流时形成一第一空间磁通密度。该第二感测模块具有一第二磁性感测模块以及第二罩体，该第二磁性感测模块设置在一第二导电线的一侧，该第二导线通过通电产生一第二磁场，该第二罩体形成于该第二磁性感测模块上，该第二罩体内具有一第二流体，于该第二导电线通入该电流时形成一第二空间磁通密度。其中，该具有磁性感测机制的运动传感器在一外力的作用下发生第一运动或第二运动，当该第一运动发生时，该第一罩体内该第一流体的浓度分布发生改变，进而改变该第一空间磁通密度的分布，继而被该第一磁性感测模块侦测，当该第二运动发生时，该第二罩体内的该第二流体的浓度分布发生改变，进而改变该第二空间磁通密度的分布，继而被该第二磁性模块侦测。

在另一实施例中，本发明提供的一种具有磁性感测机制的环境传感器包括有一磁性感测模块以及一第一参考结构。该磁性感测模块上具有一导电线，用以产生一外加磁场，该磁性感测模块还具有一第一区域以及一第二区域，该第一区域通过有一待测流体，于该导电线通入该电流时于该第一区域形成一空间磁通密度，该磁性感测模块用以感测该第一区域的空间磁通密度强度。该第一参考结构覆盖于该第二区域上，该第一参考结构具有一参考物质，该磁阻感测模块感测关于该第一参考结构的一参考磁场。其中，该导电线在第一时间点断电，使得该磁性感测模块侦测到一环境磁场，该导电线在第二时间点通电以产生该外加磁场。

在另一实施例中，本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器与环境传感器包括一第一感测模块以及一第二感测模块。该第一感测模块具有一第一磁性感测模块以及一罩体，该磁性感测模块设置在一第一导电线的一侧，该第一导线通过通电产生一第一外加磁场，该罩体形成于该第一磁性感测模块上，该罩体内具有一流体，于该第一导电线通入该电流时形成一第一空间磁通密度，其中，该具有磁性感测机制的运动传感器与环境传感器在一外力的作用下发生运动，从而改变该罩体内该流体的浓度分布，进而改变该第一空间磁通密度的分布，继而被该第一磁性感测模块侦测。该第二感测模块具有一第二磁性感测模块以及一第一参考结构，该第二磁性感测模块设置于一第二导电线的一侧且具有一第一区域以及一第二区域，该第二导线通过通电产生一第二外加磁场，该第一区域通过有一待测流体，于该第二导电线通入该电流时于该第一区域形成一第二空间磁通密度，该第二磁性感测模块用以感测该第一区域的第二空间磁通密度强度，该第一参考结构覆盖于该第二区域上，该第一参考结构具有一参考物质，该磁性感测模块感测关于该第一参考结构的一参考磁场。

在一实施例中，前述的具有磁性感测机制的运动与环境传感器的参考结构为一实心结构、具有一容置空间的封闭结构或与外界相通的半封闭结构，其中该封闭结构内具有一参考流体。该参考流体为氮气或者抗磁性物质。

在前述例中，有一电线加以电流以提供磁场，实为一应用方法的说明，方便同时测量地磁及叙述简化，当分别单独量测运动状态或环境磁场时，本发明的磁场不限于内部导线产生、外部导线产生、内部永磁铁、外部永磁铁或环境磁场。

在前述例中，所述所有磁性感测机制的运动传感器以及环境传感器可共同或多个设置于单一感测装置或单一芯片上，除了能够使制造过程单一且方便性，其中多个装置也可做为彼此信号的参考及修正，例如使用环境感测装置感测时，当运动中造成的物理量变化，可通过运动感测装置得知目前的运动状态，进而进行修正，无需只能在静态使用，使得应用更加便利性。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1为本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器的一实施例剖面示意图；

图2A与图2B为不同设置位置的磁性感测模块感测状态示意图；

图3A与图3B为本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器的工作示意图；

图4A与图4B为本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器的磁性感测模块与导电线的一实施例示意图；

图5A与图5B为本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器另一实施例示意图；

图6A为运动传感器绕Y轴转动示意图；

图6B为具有磁性感测机制的运动传感器转动时的气体浓度分布示意图；

图7为本发明提供的侦测气体成分的具有磁性感测机制的环境传感器实施例示意图；

图8为本发明提供的侦测气体成分的具有磁性感测机制的环境传感器另一实施例示意图；

图9为本发明提供的侦测烟雾的具有磁性感测机制的环境传感器的示意图；

图10A为本发明提供的侦测相对湿度的具有磁性感测机制的环境传感器的示意图；

图10B为本发明的图10A所示侦测相对湿度的具有磁性感测机制的环境传感器俯视示意图；

图11为本发明整合具有磁性感测机制的运动与环境传感器示意图。

附图标记说明：2、2a-运动传感器；20、20a、20b-导电线；200-电流；21、21a、21b-磁性感测模块；210a、210b-电源供应单元；211a、211b-接地端；212-X轴向磁性感测元件；213-Y轴向磁性感测元件；214-Z轴向磁性感测元件；215a～215d、216a～216d-X轴向磁性感测元件；217a～217d、218a～218d-Y轴向磁性感测元件；22、22a、22b-罩体；220-盖体；221-本体；23、23a、23b-运算处理器；3、3a～3c-环境传感器；30-导电线；31-磁性感测模块；310-电源供应单元；311-接地端；312～315-磁性感测元件；32、35-第一参考结构；34、36-第二参考结构；350-通孔；360-孔洞结构；4-芯片；90-流体；91a～91e--隔间；92-氧气；93-氦气；A1、A2-区域；H-磁场；B-磁通密度；D-间距；F-外力；R1-第一区域；R2-第二区域。

具体实施方式

在下文将参看随附图式更充分地描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸图式中，可为了清楚而夸示层及区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但此等元件不应受此等术语限制。此等术语用以区分一元件与另一元件。因此，下文论述的第一元件可称为第二元件而不偏离本发明概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一者及一或多者的所有组合。以下将以多种实施例配合图式来说明所述运动以及环境传感器，然而，下述实施例并非用以限制本发明。

如图1所示为本发明提供的具有磁性感测机制的运动传感器的一实施例剖面示意图。运动传感器2用以侦测运动状态，其包括磁场产生部、磁性感测模块21、罩体22以及运算处理器23。该磁场产生部在本实施例为导电线20，其由金属材料所构成，用以接收一电流而产生一磁场。要说明的是，该磁场产生部并不以导电线为限制，在另一实施例中，导电线20也可以置换为永久性磁性物质，以产生一个永久性的外加磁场。此外，导电线或永久性磁性物质的位置配置可以根据需求而定，并不以本发明所列示的所有实施例为限制。本发明的所有实施例中的磁场产生部并不限于内部导线、外部导线、内部永磁铁、外部永磁铁或环境磁场。该磁性感测模块21设置在该导电线20的一侧。本实施例中，磁性感测模块21设置于该导电线20的下方。要说明的是，磁性感测模块21设置的位置并不以图标的实施例为限制，只要设置在能够感测到磁场或磁通密度变化的位置即可。例如图2A或图2B所示，在图2A中，导电线20内的电流200产生了磁场H，磁性感测模块21可以设置在导电线20的左侧或右侧；在图2B中，磁性感测模块21可以设置在导电线20的上方。磁性感测模块21可以视使用需求选择常磁阻(ordinary magnetoresistance,OMR)传感器、巨磁阻传感器(GMR)、超巨磁阻(colossal magnetoresistance,CMR)传感器、异向磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)传感器、穿隧磁阻(tunnelmagnetoresistance,TMR)传感器、霍尔传感器、线圈磁传感器或通量闸传感器(Flux gate)。

如图1所示，在该磁性感测模块21的上方设置有罩体22。本实施例中，罩体22内具有一密闭空间，其内含有流体90。流体90可以为液体或者气体，主要由不同质量的多种物质所组成。流体90可以为顺磁性流体、具有磁性的流体、含磁性物质的流体、抗磁性流体或内含物，例如：在一实施例中，具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，其是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒(magnetic nano-particle)、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体可以为气体，主要可以由具有顺磁性的气体所构成，例如：由氧气(O2)或者是氧气和至少一气体的混合气体。在一实施例中，流体为氧气(O2)和氦气(He)的组合；或者，在另一实施例中，流体为氧气(O2)和一氧化二氮(N2O)的组合。

该罩体22内部具有一空间磁通密度，其由该流体90于该导电线20通入电流时所形成。例如：以流体为氧气和氦气的组合为例。由于氧气为高顺磁性的气体，因此可以受到导电线20通电后所产生的磁场的影响，产生跟外部磁场同样方向的磁化向量的特性，根据磁场的重迭原理，而与该导电线20所产生的磁场构成了该空间磁通密度梯度。磁性感测模块所产生的关于空间磁通密度大小的感测信号会传输至与其电性连接的运算处理器23，通过演算得到关于该运动传感器2所处的至少一维度的运动状态，例如：关于X、Y或Z轴向的移动状态或者转动状态。在一实施例中，移动状态可以为各轴向的速度、加速度；转动状态则可以为角速度或角加速度。在一实施例中，该运算处理器23为特殊应用集成电路(application-specificintegrated circuit,ASIC)可以和磁性感测模块21为相互分离的两个元件，或者是通过半导体制造过程与该磁性感测模块整合在一起而成的单一元件。

接下来说明本发明工作的原理，如图3A与图3B所示为本发明提供的运动传感器的工作示意图。在图3A所示的运动传感器2中，流体90由氧气92与氦气93构成。在无重力的时候，氧气92与氦气93根据气体动力学的扩散原理，均匀分布在罩体22的密闭空间内。此时的磁性感测模块21可以感测到对应静止状态下区域R1与区域R2的空间磁通密度大小B1与B2。当运动传感器2在外力F的作用下向右运动时，由于氧气92和氦气93的分子量不同，氧气的分子量为32，氦气的分子量为4，因此所产生的惯性效应就不同。通过气体惯性效应的差异改变罩体22内流体中氧气92与氦气93的浓度分布。要说明的是，在一实施例中，外力F可以为使用者通过手部移动内设有运动传感器的智能手持装置或穿戴式装置(例如智能手机、笔电、手环或手表等)所施加的力；或者是由移动载具(例如飞机、汽车等)所产生或承受的外力。此外，在另一实施例中，外力可以为重力。如图3B所示，其为在运动传感器2向右移动的特定时间点下，运动传感器2内的流体90分布状态示意图。由于氧气92与氦气93分子量大小的差异，使得流体90内的各成分浓度产生了变化，其中，氧气92由于惯性质量大，因此会集中在图示中运动传感器2的左侧，使得氧气密度或浓度增加；反之，氦气93由于惯性质量小，所以会向前移动而集中在图示中运动传感器2的右侧，使得氧气密度或浓度降低。

此时，对应氧气92集中区域R1的磁性感测模块21可以感测到该区域空间磁通密度B3的大小，对应氦气93集中区域R2的磁性感测模块21也可以感测到该区域空间磁通密度B4的大小。由于氧气92属于高顺磁性气体，因此在氧气92集中的区域R1中的空间磁通密度B3以及氧气92相对减少的氦气93集中区域R2的空间磁通密度B4和原先所感测到的空间磁通密度B1与B2会有差异，根据这个差异，运算处理器23演算出运动传感器向右移动的速度或加速度(X轴向)。根据前述原理，当运动传感器受到上下方向外力作用或垂直于图面方向的外力作用时，同样可以感测到Y轴与Z轴的移动状态。同理，当运动传感器2被转动的时候，同样也会因为气体成分惯性大小的不同造成气体浓度的变化，进而改变罩体22内部空间磁通密度的变化。根据这个变化，运算处理器23可以计算出该运动传感器2的转动状态。

如图4A与图4B所示为本发明提供的运动传感器的磁性感测模块与导电线的一实施例示意图。在本实施例中，磁性感测模块21a为AMR感测模块，其具有电源供应单元210a与210b、接地端211a与211b、具有两对端部的十字形磁性感测单元、一第一磁性感测单元以及一第二磁性感测单元。其中，所有磁性感测单元皆有一向外的起始磁向量定义(从图中心向外)，之后所有设计皆同于此，故不再赘述，本实施例中的十字形磁性感测单元为Z轴向的磁性感测单元，在每一个端部具有一对磁性感测元件214，其中一端部与电源供应单元210a电性连接，另一端部则与接地端211a电性连接。该第一磁性感测单元，本实施例为X轴向磁性感测单元，其一端与电源供应单元210a电性连接，另一端则与接地端211a电性连接。该第一磁性感测单元具有多个磁性感测元件212，本实施例为4个，其构成惠斯通电桥结构并设置于其中一对端部(Y轴向)的外围。本实施例中的该第二磁性感测单元为Y轴向磁性感测单元，其一端与电源供应单元210b电性连接，另一端则与接地端211b电性连接。该第二磁性感测单元具有多个磁性感测元件213，本实施例为4个，其构成惠斯通电桥结构并设置于另一对端部(X轴向)的外围。要说明的是，前述的电路布局设计可以根据使用需求而定，并不以本发明所例示的实施例为限制。此外，在该磁性感测模块21a的上方则形成一层导电线20a，通过电流200的输入产生了磁场。形成在该磁性感测模块21a以及导电线20a上方的罩体22a内则填充有流体。流体的特性如前所述，在此不做赘述。根据前述的原理，运算处理器23a可以决定出XYZ三轴向的移动状态，例如：加速度或者速度。

如图5A与图5B所示为本发明提供的运动传感器另一实施例示意图。在本实施例中，主要是以相同的磁性感测机制，用以感测转动状态，其中图5A为运动传感器2b的立体示意图，主要显示罩体22b的结构，图5B则为导电线20b以及磁性感测模块21b的布局示意图。本实施例中的罩体22b由盖体220以及本体221构成，其通过半导体制造过程完成。罩体22b内具有多个隔间91a～91e，其中，该罩体22b的中央部位具有十字形的隔间91e，在十字形的四个角落则具有隔间91a～91d，每一个隔间91a～91e在盖体220覆盖于本体221之后形成密闭状态，隔间内具有流体，其特性如前所述，在此不再赘述。本实施例中，磁性感测模块21b还包括具有一对第一轴磁性感测单元以及一对第二磁性感测单元，其中，一第一轴(X)磁性感测单元与电源供应单元210a以及接地端211a电性连接，且具有多个成惠斯通电桥的磁性感测元件216a～216d而于该十字形隔间91e内沿第二轴向(Y)排列，其中的一个第二轴(Y)磁性感测单元与电源供应单元210b以及接地端211b电性连接，且具有多个成惠斯通电桥的磁性感测元件218a～218d而于该十字形隔间91e内沿第一轴向(X)排列。此外，另一第一轴(X)磁性感测单元与电源供应单元210a以及接地端211a电性连接，且具有多个构成惠斯通电桥的磁性感测元件215a～215d，分别设置于四个隔间91a～91d中平行第二轴向(Y)的位置，另一第二轴(Y)磁性感测单元，与电源供应单元210b以及接地端211b电性连接，且具有多个构成惠斯通电桥的磁性感测元件217a～217d，分别设置于四个隔间中平行第一轴向(X)的位置。要说明的是，前述的电路布局设计可以根据使用需求而定，并不以本发明所例示的实施例为限制。

接下来说明感测转动状态的原理，如图6A与图6B所示，其中图6A为运动传感器绕Y轴转动示意图，图6B为气体浓度分布示意图。在本实施例中，流体为氧气92和氦气93所构成。如图6A所示，当导电线通电的状态下，运动传感器2b受到外力作用而产生转动时，会造成罩体22b内的隔间91a～91e所含的流体的浓度分布产生变化。如图6B所示，由于转动的方向为绕Y轴的逆时针方向转动，因此惯性质量比较重的氧气92会集中在磁性感测元件217b、218b、218d以及217d所对应的区域内。反之，惯性质量比较轻的氦气93则集中在磁性感测元件215a～215d、216a～216d、217a、218a、218c以及217c所对应的区域内。由于氧气92为高顺磁性气体，因此在转动时对应磁性感测元件217b、218b、218d以及217d的氧气密度高的区域所得的空间磁通密度与未转动时所对应的空间磁通密度的间的磁通密度变化量会大于转动时对应磁性感测元件215a～215d、216a～216d、217a、218a、218c以及217c等氧气密度低的空间磁通密度与未转动时所对应的空间磁通密度之间的磁通密度变化量。通过运算处理器23b的演算可以得知转动状态Wy。同理，Wx与Wz都是用相同的原理来决定。要说明的是，图示中的氧气92和氦气93的分布仅为说明本发明的概念，实际的气体浓度分布情形根据运动量、环境状况，例如：实际的气体浓度分布情形可以根据气温而定。

要说明的是为了提高感测的准确度，在另一实施例中，还可以测量环境磁场来进行运算，亦即，以外界磁场向量值为基准原点，以提升测量的准确度。在本实施例中，可以通过关闭外加导电线电流，即可读出运动传感器所受的外界磁场(环境磁场)的向量值(如地磁方向)，接着通电产生外加电流给导电线，测量出该罩体内空间磁通密度的变化，再根据环境磁场以及空间磁通密度的信息解析出所受到的运动状态参数，例如：加速度计值或者转动参数值，例如：角速度或角加速度。要说明的是，通电与断电的顺序并无特定限制，也可以先通电，再断电。

如图7所示为本发明另一实施例的环境传感器的示意图。以下说明的环境传感器可以用来侦测环境状态，特别是空气中特定气体或物质的含量，例如：可以用来侦测空气中氧气含量。本实施例的环境传感器3包括磁场产生部、设置于该磁场产生部一侧的磁性感测模块31、第一参考结构32与运算处理器33。在本实施例中，磁场产生部为一导电线30，其通入电流后产生一磁场。要说明的是，该磁场产生部并不以导电线为限制，在另一实施例中，该磁场产生部也可以由永久性磁性物质所构成，以产生一个永久性的外加磁场。磁性感测模块31具有第一区域R1以及第二区域R2，其中，该第一区域R1上具有一待测流体通过，本实施例中，磁性感测模块31在第一区域R1具有磁性感测元件314与315，在第二区域R2中则具有磁性感测元件312与313，而且磁性感测元件312～315构成惠斯通电桥电性连接状态。该待测流体可以为气体或者液体，在本实施例中，待测流体为空气。该磁性感测模块31用以感测该第一区域R1以及该第二区域R2的磁场强度或磁通密度。该磁性感测模块31和电源310以及接地端311电性连接。

第一参考结构32覆盖于该第二区域R2上，该第一参考结构32具有一参考物质，以使该磁性感测模块31感测关于该第一参考结构32的一参考磁场。该参考结构32可以为实心结构、具有一容置空间的封闭结构或与外界相通的半封闭结构。当参考结构32为封闭结构时，其内具有抗磁性物质或参考流体，并且参考流体可以为液体或气体。在一实施例中，该参考流体为抗磁性气体，例如：氮气，但不以此为限制。运算处理器33用以根据第二区域R2的参考磁场或磁通密度以及该第一区域R1的空间磁通密度决定该待测流体所含的特定物质的浓度。本实施例中的特定物质为氧气。如图8所示为根据图7实施例的另一种变化。在本实施例中，基本上与图7相似，差异的是在第一区域R1上具有高度不同的第二参考结构34，通过不同高度的参考结构以去除影响侦测的因素，进而提高测量含氧浓度的精度，一些状况下可粗估大气压力，当取样频率高时，可取得空气中瞬间相对浓度变化，换算出音波变化，与麦克风收音的功效相同。

如图9所示为本发明提供的侦测环境参数的环境传感器另一实施例示意图。在本实施例中在第二区域R2上形成有中空的第一参考结构35，该第一参考结构35的顶面具有多个通孔350。通孔350的大小并无特定的限制，其根据要测量的颗粒种类与大小而定。利用本实施例的结构可以侦测气体中特定颗粒大小的浓度。在一实施例中，应用图9的结构，可以作为空气中悬浮粉尘侦测器或者火灾侦烟器，但不以此为限制。以侦烟器为例，在正常情况下，待测气体中如果没有含有燃烧不完全的烟雾，环境传感器2的第一区域R1的磁场或磁通密度与第一参考结构35的磁场或磁通密度在测量与比较的过程中，并不会有明显的差异变化，反之，如果空气中含有不完全燃烧的特定大小烟雾粒子，通过通孔350孔径的适当设计，烟雾粒子并不会进入到通孔350内，但是空气中的气体分子可以通过通孔350，以作为参考流体，通过导电线30产生的外加磁场，烟尘粒子中含有顺磁性的物质就会受到磁场的影响，进而影响第一区域R1中磁性感测元件314与315所感测到的磁通密度。由于在第一区域R1上可以感测到的为含有烟雾粒子的空气所具有的磁通密度，第二区域R2则可以感测到的为第一参考结构35内部中不含有烟雾粒子的空气(参考流体)所具有的磁通密度，因此磁性侦测模块31所感测到的第一区域R1的磁通密度和第二区域R2磁通密度间的变化，即可作为判断是否有异常烟雾发生的依据。此外，在另一实施例中，根据前述相同的原理，以空气中悬浮粉尘侦测器为例，特定大小空气中悬浮粉尘粒并不会进入到通孔350内，使第一、二区域磁性感测元件312～315因感测空间中氧浓度不同可作为判断特定悬浮粉尘粒浓度。此外，在一实施例中，如图10A所示，第二参考结构36为多个凸部结构，其中相邻的凸部结构具有一极小间距D或形成多孔洞结构360于表面，如图10B所示，当湿度越高表面孔洞内凝结成水比例越高，也就是空气比例越低，氧浓度越低，用以作为相对湿度传感器(RH Sensor)，另外可包含一外部加热线(未标示于图上)，用于过高湿度时，去除表面凝结。

要说明的是为了提高感测的准确度，在另一实施例中，还可以测量环境磁场来进行运算，亦即，以外界磁场向量值为基准原点，以提升测量的准确度。在本实施例中，可以通过关闭外加电线电流，即可读出环境传感器所受的外界磁场(环境磁场)的向量值(如地磁方向)，接着通电产生外加电流给导电线，从而让环境传感器读出其在第一区域的空间磁通密度值和第二区域的参考磁场值，接着根据环境磁场以及空间磁通密度还有参考磁场，计算待测气流中特定物质，例如含氧量或者是烟雾粒子。要说明的是，通电与断电的顺序并无特定限制，也可以先通电，再断电。

如图11所示，该图为本发明整合各种环境传感器示意图。在另一实施例中，可以通过半导体制程将前述感测不同运动状态或者是环境参数的运动与环境传感器2a、2b、3、3a、3b与3c整合在单一芯片4上。由于磁性感测模块21a、21b、31的结构相近，虽然整合不同感测用途的磁性感测模块21a、21b、31于一体，但并不会增加制造过程的困难，反而可以简化应用端进行感测信号运算处理与电路布局设计，在一实施例中，各不同感测用途的磁性感测模块21a、21b、31，可共享一组信号放大及模拟数字转换信号电路，依时序取得测量值，并可最后由数字运算电路换算出运动状态和环境参数，例如前述实施例，当开启外加电线电流读出加速度计值，接着关闭外加电线电流，可读出外界磁场(环境磁场)的向量值(如地磁方向)，计算加速度须以外界磁场向量值为原点，由于两者读取时间间隔极短，具有参考意义，使一套模块可量出两种物理量，例如：运动传感器2a测量到加速度以及环境磁场、运动传感器2b所测量到的转动量以及环境磁场或者是环境传感器3、3a、3b与3c所测量到气体内特定成分含量与环境磁场，进而达到节省空间的设计，或者改变设计排列使自然屏蔽外界磁场(电桥变化对称)，单纯只读取加速度计值，而无需校正原点，所以可以根据使用者的需求而定设计，并不以前述所例示为限。此外，要说明的是图11中的各个运动与环境传感器2a、2b、3、3a、3b与3c中的导电线30可以统一控制通/断电或者是分别独立控制通/断电，其可以根据需求而定而无一定的限制。

本发明前述所列示的各种运动或/及环境传感器的实施例，可以设置在智能型便携设备上，例如智能手机，或者设置在穿戴式装置上，例如手表或手环等。此外，运动与环境传感器也可以作为固定式的设计安装在室内空间，如办公室、教室等公共场所内。在另一实施例中，运动与环境传感器可以设置在可以动的载具，例如飞行机具、路行机具或者是航海以及潜水机具等。其应用领域多元，可以根据使用者的需求而定，并不以前述所例示的位置为限。因本发明的特色为几乎同步测得多个感测装置数据，同时比对及运算出，实际运动与环境状态，大大提升应用的便利性。

以上所述仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利权利要求文义相符，或依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆为本发明的保护范围所涵盖。

Claims (19)

1.一种具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，包括：

一磁场产生部，用以产生一磁场；

一磁性感测模块，设置在该磁场产生部的一侧；以及

一罩体，形成于该磁性感测模块上，该罩体内具有一流体，通过该磁场形成一空间磁通密度；

其中，该具有磁性感测机制的运动传感器在一外力的作用下发生运动，从而改变该罩体内该流体的浓度分布，进而改变该空间磁通密度的分布，继而被该磁性感测模块侦测。

2.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该流体为顺磁性流体、具有磁性的流体、含磁性物质的流体、抗磁流体或含抗磁性物质的流体。

3.根据权利要求2所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该顺磁性流体包括氧气和至少一种气体。

4.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该外力为重力。

5.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该磁性感测模块为常磁阻传感器、巨磁阻传感器、超巨磁阻传感器、异向磁阻传感器、穿隧磁阻效应传感器、霍尔传感器、线圈磁传感器或通量闸传感器。

6.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，还包括一运算处理器，该运算处理器用以根据该磁性感测模块所产生的关于该空间磁通密度的多个磁性信号决定该具有磁性感测机制的运动传感器的至少一维度的运动状态。

7.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该磁性感测模块进一步包括具有两对端部的十字形磁性感测单元、一第一磁性感测单元以及一第二磁性感测单元，该十字形磁性感测单元的每一个端部具有一对磁性感测元件，该第一磁性感测单元具有构成惠斯通电桥的磁性感测元件，其设置于其中一对端部的外围，该第二磁性感测单元具有构成惠斯通电桥的磁性感测元件，其设置于另一对端部的外围。

8.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该罩体内的空间分成一十字形隔间，在其四个角落分别具有四个隔间。

9.根据权利要求8所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该磁性感测模块进一步包括一对第一轴磁性感测单元以及一对第二磁性感测单元，其中一个第一轴磁性感测单元与第二轴磁性感测单元设置于该十字形隔间内，另一个第一轴磁性感测单元具有构成惠斯通电桥的磁性感测元件，分别设置于四个隔间中平行第二轴向的位置，另一个第二轴磁性感测单元具有构成惠斯通电桥的磁性感测元件，分别设置于四个隔间中平行第一轴向的位置。

10.根据权利要求1所述的具有磁性感测机制的运动传感器，其特征在于，该磁场产生部为通过通电产生该磁场的导电线或者永久磁性物质。

11.一种具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，包括：

一磁场产生部，用以产生一磁场；

一磁性感测模块，设置于该磁场产生部的一侧且具有一第一区域以及一第二区域，该第一区域通过有一待测流体，通过该磁场而于该第一区域形成一空间磁通密度，该磁性感测模块用以感测该第一区域的空间磁通密度；以及

一第一参考结构，覆盖于该第二区域上，该第一参考结构具有一参考物质，该磁性感测模块感测关于该第一参考结构的一参考磁场。

12.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该第一参考结构为一实心结构、具有一容置空间的封闭结构或与外界相通的半封闭结构。

13.根据权利要求12所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该封闭结构内具有一参考流体。

14.根据权利要求13所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该参考流体为抗磁性物质。

15.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该第一区域上具有与该第一参考结构高度不同的一第二参考结构。

16.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该第一参考结构内具有一空间，该第一参考结构的表面上具有多个与该空间相连通的通孔，其中该待测流体经由该多个通孔流入该空间以形成该参考流体。

17.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该第一区域上进一步具有多个凸部结构，相邻的凸部结构具有一间距或有一孔洞表面。

18.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，进一步包括一运算处理器，该运算处理器用以根据该参考磁场以及该第一区的空间磁通密度决定该待测流体所含的特定物质的浓度。

19.根据权利要求11所述的具有磁性感测机制的环境传感器，其特征在于，该磁场产生部为通过通电产生该磁场的导电线或者永久磁性物质。