CN115248034A - 惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种惯性传感器，其包含一感测质量块、一锚点、一挠性件及数个感测电极。该锚点设置于该感测质量块于一第一轴向上的一侧。该挠性件连接该锚点，并且延该第一轴向朝该感测质量块延伸以连接该感测质量块，所述数个感测电极设置于该感测质量块。借此，本发明得有效解决惯性传感器生产与组装难度高及产品可靠度不佳等问题。

Description

惯性传感器
技术领域
本发明是关于一种惯性传感器，尤其指一种利用一感测质量块进行多轴感测的惯性传感器。
背景技术
现今消费电子行业中，为了增进电子产品的功能，需要设置能够精确量测惯性运动的感测装置，例如量测加速度或角速度等物理量的惯性传感器。一般而言，各个方向上的加速度以及各个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，需要具有紧凑尺寸及高精度且具有低制造成本的惯性感测装置。
承上所述，相关惯性感测装置为用以量测惯性力所引起的加速度值，其应用于众多领域。例如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幕后主要推手之一，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，更可达成进阶的游戏体验。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，当一惯性力的施加造成机械结构型变后，使用各种感测方式来反推加速度或角速度大小。由于微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)技术的发展，利用半导体技术整合机械组件与电路所制造出的微型惯性传感器，具有低成本与体积紧凑等优点。
微型惯性传感器依据感测方式的不同又可划分为诸多种类，请参阅图1，为其中一种现有惯性传感器的架构示意图，其包含一感测质量块91、一锚点92及数个挠性件93。如图所示例，其可将该锚点92设置于该感测质量块91的一容置空间中央，并且以至少两个挠性件93分别连接于该锚点92两侧，以将该锚点92通过该两个挠性件93连接至该感测质量块91。借此，当该感测质量块91承受加速度而发生位移时，该两个挠性件93将对应不同方向的位移产生形变，进而使得挠性件93与感测电极之间的距离改变，这些改变被装置的运算电路读取，并被转换成代表加速度的信号，使得现有惯性传感器利用一感测质量块，即能通过数个挠性件93的形变来读取三个轴向的加速度。
然而，上述现有惯性传感器存在待解决的问题，其中之一是为了实现架构的对称性，现有惯性传感器使用了一对挠性件93，这会增加装置在特定状态下的几何非线性，导致应力集中的情形。举例而言，当装置处在较严格的测试条件下，如芯片级的翻滚测试，超过一个轴向的惯性力会同时被施加，故可能会触发意外的运动。由于惯性传感器不是设计在这种条件下运行的，该等测试诱发的应力会显著高于装置正常运动所引起的应力，进而可能导致挠性件93过度受力而损坏甚至断裂。
更糟糕的是，由于现有惯性传感器的感测灵敏度取决于挠性件93的形变量，为了确保各个挠性件93能够在感测质量块91受力时产生足够的形变量，在设计上必须让各个挠性件93的截面积尽可能缩小。这就造成了挠性件93的生产与组装难度大幅提高，而且截面积越小的挠性件93所能承受的应力越小，更加剧了前述应力集中所带来的产品可靠度问题。
发明内容
本发明提出了一种改良的惯性传感器以解决前述生产与组装难度高及产品可靠度不佳等问题。
为达上述目的，本发明提供一种惯性传感器，其包含一感测质量块、一锚点、一挠性件及数个感测电极。该锚点设置于该感测质量块于一第一轴向上的一侧。该挠性件连接该锚点，并且延该第一轴向朝该感测质量块延伸以连接该感测质量块，所述数个感测电极设置于该感测质量块。
通过改采只选用一个挠性件连接于锚点的不对称结构，可以避免应立集中的情形发生，即使承受远高于装置正常运动所引起的应力，也不易发生受力而损坏甚至断裂的情形。再者，本发明惯性传感器的挠性件截面积相较现有技术有更宽裕的设计空间，可有效降低挠性件的生产与组装难度，且该挠性件采用更大的截面积，更可进一步提升产品可靠度。
附图说明
图1：其为一种现有惯性传感器的架构示意图；
图2：其为本发明惯性传感器第一实施例的结构示意图；
图3a：其为本发明的第一实施例的作动示意图；
图3b：其为本发明的第二实施例的结构及作动示意图；
图3c：其为本发明的第三实施例的结构示意图；
图4：其为本发明惯性传感器第二实施例的结构示意图；
图5a：其为本发明惯性传感器实施例的架构示意图；以及
图5b：其为本发明惯性传感器另一实施例的架构示意图。
【图号对照说明】
1 感测质量块
11 接点
12 容置空间
1’ 质量中心
2 锚点
3 挠性件
3’ 质量中心
41 第一感测电极
42 第二感测电极
43 第三感测电极
5 平衡质量块
x 第一轴向
y 第二轴向
z 第三轴向
G1 第一间距
G2 第二间距
L 长度
W 宽度
Fx 第一轴向的惯性力
Fy 第二轴向的惯性力
Fz 第三轴向的惯性力
91 感测质量块
92 锚点
93 挠性件
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，其为本发明惯性传感器第一实施例的结构示意图，其包含一感测质量块1(Proof mass)、一锚点2(Anchor)、一挠性件3(Suspension)，数个感测电极41、42、43及一平衡质量块5。
为便于说明，以下以一三轴坐标描述该第一实施例的惯性传感器，其中一第一轴向x、一第二轴向y及一第三轴向z相互垂直。在该第一轴向x与该第二轴向y构成的x-y平面上，该感测质量块1一般为了便于制造，通常设计为正方形或是短边与该第一轴向x平行的长方形。该锚点2为系统架构的一固定点，该锚点2设置于该感测质量块1于该第一轴向x上的一侧，即依图面而言该感测质量块1于该第一轴向x上的左侧或右侧(图1所例示为右侧)。该挠性件3连接该锚点2，并且延该第一轴向x朝该感测质量块1延伸以连接该感测质量块1。
其中，该锚点2于该第二轴向y上并非位于该感测质量块1中央。详言的，依图面而言，该锚点2于该第二轴向y与该感测质量块1的上边具有一第一间距G1、与该感测质量块1的下边具有一第二间距G2，该第一间距G1并不等于该第二间距G2(图1所例示的第一间距G1大于第二间距G2)。借此，该感测质量块1在该第二轴向y上分布于该锚点2两侧的重量并不相等，使得该感测质量块1承受特定方向(例如第三轴向z)的惯性力时能够发生倾斜，其作动方式说明如后。
该挠性件3可以为弹簧或其他由可挠性材质构成的挠性结构。该挠性件3连接于该感测质量块1的一接点11，且在本实施例中该挠性件3是唯一连接于该挠性件3的挠性结构。其中，该挠性件3于该第一轴向x上的长度愈长，愈容易发生形变。在本实施例中，该挠性件3于该第一轴向x上的长度L较佳大于该感测质量块1于该第一轴向x上的宽度W的50％。其中，该挠性件3的长度L即该感测质量块1的接点11与该锚点2于该第一轴向x上的距离；该感测质量块1的宽度W即该感测质量块1于该第一轴向x上的最大宽度。换言之，该挠性件3较佳由该锚点2延该第一轴向x延伸超出该感测质量块1的宽度W的50％。
数个感测电极41、42、43分别用以感测该挠性件3在各个轴向上的形变量。举例来说，一第一感测电极41可设置于该感测质量块1在该第三轴向z上的一上表面，用以感测该感测质量块1受到第一轴向x惯性力作用时发生的运动；一第二感测电极42同样可设置于该感测质量块1的上表面，用以感测该感测质量块1受到第二轴向x惯性力作用时发生的运动；该第三感测电极43可设置于该感测质量块1在该第三轴向z上的一下表面，用以感测该感测质量块1受到第三轴向x惯性力作用时发生的运动。.
以下以示意图式举例说明该挠性件3受到各个方向的惯性力时可能发生的运动。请参照图3a所示，当受到第一轴向x的一惯性力Fx作用时，该感测质量块1会发生旋转运动，进而使得该挠性件3发生类似于相对该锚点2偏转的形变，可利用该第一感测电极41感测该感测质量块1受到第一轴向x惯性力作用时发生的运动。请参照图3b所示，当受到第二轴向y的一惯性力Fy作用时，该感测质量块1会发生平移运动，由于该挠性件3的一侧连接于该锚点2(不会平移)而该挠性件3的另一侧连接于该感测质量块1的接点11(会平移)，故该挠性件3发生类似于弯曲的形变，可利用该第二感测电极42感测该感测质量块1受到第二轴向y惯性力作用时发生的运动。请参照图3c所示，当该挠性件3受到第三轴向z的一惯性力Fz作用时，基于该感测质量块1在该第二轴向y上分布于该锚点2两侧的重量并不相等，该感测质量块1会发生脱离x-y平面的倾斜运动，进而使得该挠性件3发生类似于扭转的形变，可利用该第三感测电极43感测该感测质量块1受到第三轴向z惯性力作用时发生的运动。
值得注意的是，该感测质量块1具有一质量中心1’，该挠性件3亦具有一质量中心3’，该感测质量块1承受特定方向(例如第一轴向x)的惯性力时会发生旋转，此时该挠性件3的质量中心3’较佳接近于该感测质量块1的旋转中心，以利对各个感测电极41、42、43的感测结果进行判读。通过设计让该挠性件3的质量中心3’在该第一轴向x上与该感测质量块1的质量中心1’对位可达成此一目的。所述对位包含使该挠性件3的质量中心3’与该感测质量块1的质量中心1’在该第一轴向x上直接对齐；或者也包含使该挠性件3的质量中心3’与该感测质量块1的质量中心1’在该第一轴向x上的间距小于该感测质量块1于该第一轴向x上的宽度W的30％，且较佳小于该宽度W的15％。其中，挠性件3的质量中心3’可以通过挠性件3的形状加以控制，该感测质量块1的质量中心1’除可通过感测质量块1的形状控制，亦可附加连接一个或数个平衡质量块5于该感测质量块1上来加以控制。
同理，该感测质量块1承受特定方向(例如第三轴向z)的惯性力时会发生倾斜，该挠性件3的质量中心3’较佳接近于该感测质量块1的倾斜中心。依据本发明前述实施例揭示的内容，本领域技术人员也可以通过类似手法来控制该感测质量块1的倾斜中心，其中将所述平衡质量块5设置于该锚点2外围亦可稳固该感测质量块1的倾斜运动。
另一方面，所述数个感测电极41、42、43通常是依据电容变化量或其他电性特征来感测该挠性件3的变化，故一般而言数个感测电极41、42、43的分布面积亦不宜过小。为了确保各个感测电极41、42、43具有充足的设置空间，在图2所示第一实施例中才会将第一、第二感测电极41、42与第三感测电极43分别设置于该感测质量块1在该第三轴向z上的两个表面，惟本发明并不以此为限。此外，虽然在在图2所示第一实施例中将该第一感测电极41在该第一轴向x上的配置于该第二感测电极42的两侧，但其并不用以限定本发明。请参照图4所示，其为本发明惯性传感器第二实施例的结构示意图，在本实施例中第一感测电极41可改采在该第二轴向y上的配置于该第二感测电极42的两侧。一般而言，当该感测质量块1于该x-y平面上设计为正方形偏向方正的长方形时，较适合采用图2所示实施例的感测电极配置方式；反的，当该感测质量块1于该x-y平面上设计为偏向狭长的长方形时，较适合采用图4所示第二实施例的感测电极配置方式。
综上，请参照图5a，其为本发明惯性传感器实施例的架构示意图，对照图1的现有惯性传感器可以发现，本发明通过对惯性传感器的结构进行改良，改采只选用一个挠性件3连接于锚点2的不对称结构，可以避免应立集中的情形发生。由第3a、3b与3c的示意图即可发现，无论感测质量块1承受任何轴向的惯性力，其所发生的旋转、平移、倾斜等运动对该挠性件3造成的影响都分布于整体挠性件3，故本发明惯性传感器实施例即使承受远高于装置正常运动所引起的应力，也不易发生受力而损坏甚至断裂的情形。再者，相较于的现有惯性传感器必须让各个挠性件93的截面积尽可能缩小，本发明惯性传感器实施例的挠性件3的分布范围较广，甚至可将该挠性件3设计成大于该感测质量块1的宽度W的50％，这在现有惯性传感器中是不可能实现的。因此，本发明惯性传感器实施例的挠性件3截面积相较现有技术有更宽裕的设计空间，可有效降低挠性件3的生产与组装难度，且该挠性件3采用相较现有技术的挠性件93更大的截面积，更有助于避免前述应力可能对挠性件3带来的破坏，以进一步提升产品可靠度。
需额外说明的是，虽然在第2～5图中，该挠性件3均简化以一柱状体表示，然而实际上本领域技术人员了解的是，该感测质量块1会设有一容置空间12以供容纳该挠性件3，故请参照图5b所示，其为本发明惯性传感器另一实施例的架构示意图，当具有设计可能性时，该挠性件3可以为在该容置空间12中呈弯折状的挠性结构，以利设计者对该挠性件3的质量中心、弹性系数、形变量等特性进行弹性控制。
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 (15)

1.一种惯性传感器，其特征在于，其包含：
一感测质量块；
一锚点，该锚点设置于该感测质量块于一第一轴向上的一侧；
一挠性件，该挠性件连接该锚点，并且延该第一轴向朝该感测质量块延伸以连接该感测质量块；及
数个感测电极，设置于该感测质量块。
2.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，一第二轴向垂直于该第一轴向，其中该锚点与该感测质量块于该第二轴向的一边具有一第一间距，该锚点与该感测质量块于该第二轴向的另一边具有一第二间距，该第一间距不等于该第二间距。
3.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中该挠性件于该第一轴向上的长度大于该感测质量块于该第一轴向上的宽度的50%。
4.如权利要求3所述的惯性传感器，其特征在于，其中该挠性件连接于该感测质量块的一接点，该挠性件的长度为该感测质量块的接点与该锚点于该第一轴向上的距离，该感测质量块的宽度为该感测质量块于该第一轴向上的最大宽度。
5.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，一第二轴向垂直于该第一轴向，一第三轴向分别垂直于该第一轴向与该第二轴向，其中，所数数个感测电极包含：
一第一感测电极，用以感测该感测质量块受到一第一轴向惯性力作用时发生的运动；
一第二感测电极，用以感测该感测质量块受到一第二轴向惯性力作用时发生的运动；及
一第三感测电极，用以感测该感测质量块受到一第三轴向惯性力作用时发生的运动。
6.如权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，其中受到该第一轴向惯性力作用时，该感测质量块发生旋转运动；受到该第二轴向惯性力作用时，该感测质量块发生平移运动；第一轴向惯性力作用时，该感测质量块发生脱离该第一轴向与该第二轴向构成的平面的倾斜运动。
7.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中该挠性件的一质量中心在该第一轴向上与该感测质量块的一质量中心对位。
8.如权利要求7所述的惯性传感器，其特征在于，其中所述对位包含使该挠性件的质量中心与该感测质量块的质量中心在该第一轴向上对齐。
9.如权利要求7所述的惯性传感器，其特征在于，其中所述对位包含使该挠性件的质量中心与该感测质量块的质量中心在该第一轴向上的间距小于该感测质量块于该第一轴向上的宽度的30%，其中该感测质量块的宽度为该感测质量块于该第一轴向上的最大宽度。
10.如权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于，其中该挠性件的质量中心与该感测质量块的质量中心在该第一轴向上的间距小于该感测质量块的宽度的15%。
11.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中该挠性件是唯一连接于该挠性件的挠性结构。
12.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，一第二轴向垂直于该第一轴向，其中在该第一轴向与该第二轴向构成的平面上，该感测质量块为正方形。
13.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，一第二轴向垂直于该第一轴向，其中在该第一轴向与该第二轴向构成的平面上，该感测质量块为短边与该第一轴向平形的长方形。
14.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中该感测质量块连接一平衡质量块。
15.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，其中该感测质量块设有一容置空间以容纳该挠性件，该挠性件为在该容置空间中呈弯折状的挠性结构。
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