TW201932794A - 可操作於使用多重壓力感測器之定向判定之可移動設備 - Google Patents

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馬汀 平尼斯
虎門 哈比比
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Abstract

一種可移動設備包含在該可移動設備中或上之多重壓力感測器。該等壓力感測器之各者可操作以產生指示壓力之一各自輸出信號。該可移動設備亦包含一或多個處理器，該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該多重壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一定向。技術可整合至廣泛範圍之可移動設備中，包含行動裝置、車輛、遊戲主控台控制器、可穿戴裝置等。

Description

可操作於使用多重壓力感測器之定向判定之可移動設備
本發明係關於可移動設備，其可操作以使用多重壓力感測器來判定該設備之定向。
消費性應用、工業應用、汽車應用、醫學應用及其他應用使用廣泛範圍之感測器。例如，一些應用利用判定一裝置之空間定向之感測器。例如，有時在行動電話中使用加速度計(其係用於量測加速力之機電裝置)來偵測電話之定向。例如，此資訊可用於判定電話是在縱向定向還是橫向定向上(例如，裝置之顯示螢幕是向上、向下還是側向)。
除了小的手持式裝置(諸如智慧型電話)之外，諸如車輛之較大物件亦可使用判定空間定向之感測器。因此，汽車可包含加速度計以判定例如車輛之俯仰。例如，此等感測器在自動上坡起步系統、駐車刹車系統、防盜系統及自動頭燈控制系統等中可為有用的。
然而，在動態狀況下，僅使用一加速度計不容易獲得準確裝置傾斜度及/或定向。例如，在快速手或頭移動期間，在一些應用中(例如，在一遊戲主控台之一遠端控制器中)發生之搖動或模擬擺動、發球(serving)或投擲期間，可發生此等動態狀況。為在動態狀況下量測裝置定向，有時使用感測器融合解決方案以組合加速度計量測與來自其他裝置(諸如一陀螺儀或磁強計)之量測。例如，一陀螺儀可藉由追蹤旋轉或扭轉而為由加速度計供應之資訊提供一額外維度。然而，一陀螺儀趨於消耗相對大量之電力，此可快速地耗盡裝置之電池或其他電源。
本發明描述可移動設備，其可操作以使用在該可移動設備中或上之多重壓力感測器來判定該設備之定向。
例如，在一個態樣中，本發明描述一種可移動設備，其包含在該可移動設備中或上之多重壓力感測器，該等壓力感測器之各者可操作以產生指示壓力之一各自輸出信號。該可移動設備亦包含一或多個處理器，該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該多重壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一定向。
一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，在一些例項中，該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該等壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之傾角(tilt)或傾斜度(inclination)之至少一者。在一些例項中，該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該等壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一平面相對於一預定參考平面(例如，平行於地面之一水平面)之一角度。在一些情況中，該一或多個處理器可操作以產生一控制信號，以回應於該裝置之該經判定定向調整該可移動設備之一特徵。例如，可產生一控制信號以回應於該可移動設備之該經判定定向而在一顯示螢幕之一縱向定向與一橫向定向之間切換。
例如，該等壓力感測器之各者可實施為一電容式壓力感測器。對於一些實施方案，其他類型之壓力感測器可為適當的。在一些例項中，存在至少三個壓力感測器。
技術可整合至廣泛範圍之可移動設備中，包含行動裝置、車輛、無人機、遊戲主控台控制器、可穿戴裝置等。
本發明亦描述一種判定一可移動設備之一定向之方法。該方法包含：自在該可移動設備中之多重壓力感測器獲得輸出信號；及至少部分基於來自該多重壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一定向。在一些實施方案中，該方法亦包含產生一控制信號以回應於該經判定定向調整該可移動設備之一特徵。
一些實施方案包含以下優點之一或多者。例如，使用兩個或更多個壓力感測器可實現獨立於環境壓力判定相對高度差及因此裝置之傾角。壓力感測器趨於比一些其他感測器(諸如加速度計及陀螺儀)便宜。因此，可降低總成本。此外，電容式壓力感測器之電力消耗趨於顯著小於陀螺儀之電力消耗。因此，藉由使用電容式壓力感測器來判定該可移動設備之該定向，該等壓力感測器可在一連續模式中操作，其中該等壓力感測器保持接通，藉此實現高輸出資料速率而未耗盡該可移動設備中之電源(例如，電池)。在一些情況中，此處描述之技術可有利於以相對較高準確度及低延時判定該設備之該定向(例如，其傾斜度、傾角及/或旋轉)。
自以下[實施方式]、隨附圖式及發明申請專利範圍將容易明白其他態樣、特徵及優點。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2017年12月15日申請之美國臨時申請案第62/599,123號之優先權利，該案內容之全文以引用的方式併入本文中。
如上文提及，本發明描述一種可移動設備，其可操作以使用安置於該可移動設備中或上之多重壓力感測器來判定該設備之定向(例如，其傾斜度、傾角及/或旋轉)。例如，如圖1中所示，壓力感測器20可安置於可移動設備內之一印刷電路板或其他基板22上。更一般而言，壓力感測器20可安置於可移動設備內或上之別處，且不需要安置於彼此相同之表面上。然而，壓力感測器20應具有足夠靈敏度及準確度，且應定位於彼此充分分離之位置處，使得當可移動設備旋轉時，可量測壓力感測器20之位置處之壓力差。因此，例如，在一些情況中，將壓力感測器20定位於可移動設備之隅角處或附近以最大化感測器之間之距離。在一些情況中，壓力感測器20定位於可移動設備之相對邊緣處或附近。儘管圖1繪示四個壓力感測器20，然其他實施方案可包含少達兩個壓力感測器，且一些實施方案可包含可移動設備中或上之三個或更多個壓力感測器。儘管兩個感測器20可足以量測一個角度，然可提供至少三個感測器20以量測兩個角度(例如，三維空間中之一平面之傾斜度)。一些實施方案可包含安置於一平台26上之一進一步壓力感測器20’以允許區分繞x軸或y軸之例如一180°旋轉。再者，在一些例項中，增加壓力感測器20之數目可改良準確度。
各種類型之感測器可用作壓力感測器20。在一些例項中，可使用氣壓感測器來量測可移動設備內之多個位置處的環境壓力位準。較佳地，壓力感測器20具有一短量測時間、低雜訊、低電力消耗、高準確度、一小外觀尺寸及有利於快速讀出之一快速輸出頻率。例如，在一些情況中，為解析小於1 cm之高度差，差信號之壓力雜訊應小於0.12 Pa rms，其中一輸出資料速率大於20 Hz。不同應用可要求不同解析度設定及/或資料輸出速率。因此，其他壓力雜訊及/或高度解析度要求可適合於不同輸出資料速率。例如，一些實施方案可要求1 Pa rms解析度(8 cm)與較高輸出資料速率(例如，至少100 Hz)，或0.1 Pa rms解析度與至少5 Hz之輸出資料速率。在一些例項中，壓力感測器20有利地實施為電容式、微機電系統(MEMS)型壓力感測器，其中經由因外部(例如，環境)壓力引起之一薄膜之偏轉量測壓力。在一些情況中，電容式壓力感測器20之各者包含在處於一特定表壓力之一腔上方的一懸浮拉伸薄膜。可量測外部壓力，此係因為外部壓力與表壓力之間之壓力差對薄膜產生一力而引起薄膜偏轉。接著，可藉由電容量測來量測此偏轉。亦可使用其他類型之壓力感測器。
如圖1中進一步展示，壓力感測器20可操作以產生指示壓力之輸出信號。壓力感測器20耦合至可移動設備中之一信號處理單元24。信號處理單元24可操作以獲得(例如，讀取)由壓力感測器20產生之壓力值，以將壓力值轉換為相對高度值，且運算出包含壓力感測器20之位置之一最佳擬合平面，因此產生可移動設備之定向(例如，其相對於一預定平面(諸如水平面)之傾斜度)。
圖2繪示可如何藉由信號處理單元24來基於自兩個壓力感測器20A及20B獲得之量測值判定可移動設備之傾角的一實例。可移動設備之傾角θ引起壓力感測器之各自位置之一高度差及因此一壓力差。直接計算得出傾角θ之以下方程式：

其中h係兩個壓力感測器(20A、20B)之位置之間之高度差，d係感測器之間之距離，p1 及p2 係分別藉由該等感測器量測之壓力值，且k指示每單位距離之壓力變化(例如，在一些情況中，k = 12 Pa/m)。前述實施方案容許對-90°＜ θ＜ 90°之傾角之量測。
在一些實施方案中，可藉由信號處理單元24使用來自分別定位於可移動設備中或上之不同位置處之三個壓力感測器(20A、20B、20C)的輸出信號來判定可移動設備之傾角。可藉由使一線或一平面通過壓力感測器(20A、20B、20C)之位置及一預定參考平面(例如，水平面)而找到傾角θ。假定壓力感測器在三維空間中之位置對於第一感測器20A係(0, 0, 0)，對於第二感測器20B係(x2 , 0, 0)，且對於第三感測器20C係(x3 , y3 , 0)，則可藉由以下方程式判定傾角θ：

其中p1 、p2 、p3 係分別藉由感測器20A、20B、20C量測之壓力值，且其中k指示每單位距離之壓力變化。
在前述實例中，假定信號處理單元24已知壓力感測器之相對位置。例如，位置資訊可儲存於可由信號處理單元24存取之記憶體中，或可硬接線至可由信號處理單元執行之程式碼中。
在一些實施方案中，可移動設備中之一控制單元可操作以產生一控制信號，以回應於行動裝置之經判定定向調整裝置之一特徵。控制單元可實施為與信號處理單元24相同或不同之(若干)處理器。
前述技術可併入於廣泛範圍之不同類型的可移動設備中。因此，壓力感測器20及信號處理單元24可例如整合至一行動裝置(諸如一智慧型電話、蜂巢式電話、平板電腦、筆記型電腦、膝上型電腦、個人資料助理及其他此等手持式或可攜式運算裝置)中。圖3繪示一行動裝置(在此情況中，一智慧型電話30)之一實例，其包含其量測值可用於判定裝置之定向(例如，傾角)之壓力感測器20。在一些實施方案中，智慧型電話中之一控制單元可操作以使用定向來判定裝置是在一縱向定向還是橫向定向上，且在一些情況中可引起裝置上之一顯示螢幕32自縱向定向切換至橫向定向，或反之亦然。來自壓力感測器20之信號亦可用於例如判定傾角(其可受制於行動裝置上之視訊遊戲)或在行動裝置上顯示之一三維(例如，360°)相片或視訊中導航。
此處描述之技術亦可整合至各種類型之車輛(包含汽車、自行車、摩托車、電動腳踏車、卡車、拖車、大篷車、飛機、火車、船及無人機等)中。圖4繪示一車輛(在此情況中，一汽車40)之一實例，其包含其量測值可用於判定車輛之定向(例如，俯仰或傾角)之壓力感測器20。在一些實施方案中，車輛中之一控制單元可操作以使用定向來控制一自動駐車刹車系統、一上坡起步系統、一防盜系統、一自動頭燈控制系統或車輛之其他系統。例如，若定向指示車輛之俯仰，則控制單元可使用車輛之定向來調整車輛之(若干)頭燈之一方向及/或可啟用上坡起步功能性。
此處描述之技術亦可整合至各種類型之可穿戴裝置中。可穿戴裝置指代併入至可穿在身上之服裝及配件品項中之電子及/或運算科技。在一些例項中，可穿戴裝置可操作以執行各種運算任務，且可提供感官及/或掃描特徵，諸如對(若干)生理機能之生物回饋或之追蹤。可穿戴裝置之實例包含智慧型手錶、智慧型眼鏡、健身追蹤器、智慧型織物、智慧型珠寶(諸如手鐲)及虛擬實境耳機等。可穿戴裝置可經無線耦合以與一智慧型電話或其他運算裝置通信。圖5繪示一可穿戴裝置(在此情況中，智慧型眼鏡50)之一實例，其包含其量測值可用於判定可穿戴裝置之定向(例如，傾角)之壓力感測器20。
另外，此處描述之技術可整合至其中使用在遊戲控制器之空間中之位置及定向來提供對遊戲功能之控制之類型的遊戲控制器中。圖6繪示一遊戲控制器60之一實例，其包含其量測值可用於判定遊戲控制器之定向(例如，傾角)之壓力感測器20。當一玩家玩遊戲時，遊戲控制器60向上及向下移動。藉由一信號處理單元將由壓力感測器20量測之壓力差轉譯為對應高度差。隨後，藉由一控制單元使用此資訊以控制遊戲(例如，控制一顯示螢幕上之一品項之位置及/或定向)。
此處描述之技術亦可整合至靜止或部分靜止物件中，該等物件包含一可移動設備作為物件之一組件或部分。此等物件之一實例包含具有一自動門之一車庫或其他建築物。另一實例係包含一可移動橋板(deck)之一橋。此等物件之其他實例包含具有一可移動組件之工業設施及遊戲場設施。壓力感測器可整合至可移動設備中且如上文描述般使用。圖7繪示具有一自動車庫門72之一建築物70之一實例，自動車庫門72包含其量測值可用於判定門之定向(例如，傾角)之壓力感測器20。
在一些應用中，可移動設備中之空間非常珍貴(at a premium)。例如，因為期望一相對較小佔用面積，智慧型電話係通常具有用於額外組件之有限空間的緊湊型手持式裝置。在此等例項中，可有利地將壓力感測器之一或多者與可移動設備之其他組件整合。例如，可將至少一個壓力感測器20可與讀出電路整合。在一些實施方案中，可將一電容式壓力感測器整合於一CMOS讀出電路之頂部上。例如，壓力感測器20可包含形成於CMOS讀出電路之最後鈍化層之頂部上的一底部電極。例如，美國專利第9,340,412號描述此等實施方案之進一步細節，該案之全文以引用的方式併入本文中。
如圖8中繪示，判定一可移動設備之一定向之一方法包含：自在可移動設備中或上之多重壓力感測器獲得輸出信號(202)；及至少部分基於來自壓力感測器之輸出信號判定可移動設備之一定向(204)。在一些實施方案中，方法亦包含產生一控制信號以回應於經判定定向調整可移動設備之一特徵(206)。
在一些例項中，一壓力感測器20可與可移動設備中之某一其他組件(例如，一麥克風ASIC晶粒)整合。由於麥克風需要其等安置於其中之裝置之底部及頂部處的一聲埠，故此等裝置位置尤其適於包含一麥克風及一壓力感測器之一組合封裝。在圖9中繪示一實例，其展示一封裝300，封裝300包含與耦合至麥克風MEMS元件306之一麥克風ASIC 304整合且堆疊於麥克風ASIC 304上的一壓力感測器晶片302。此一實施方案對於已包含一或多個麥克風(例如，用於消除環境噪音)之一些智慧型電話可為有利的。
在一些實施方案中，可移動設備包含一或多個額外感測器，諸如一加速度計、一陀螺儀、一磁強計及/或使用例如GPS、WiFi或4G科技之一位置判定裝置。信號處理單元24可操作以至少部分基於來自壓力感測器20及額外感測器之至少一者的輸出信號判定可移動設備之定向。
可在數位電子電路中或在電腦軟體、韌體或硬體(包含在本說明書中揭示之結構及其結構等效物)中或在其等之一或多者之組合中實施本說明書中所描述之標的物及功能操作之各種態樣。可將本說明書中所描述之標的物之實施例實施為一或多個電腦程式產品，即，編碼於一電腦可讀媒體上以藉由資料處理設備執行或控制資料處理設備之操作的電腦程式指令之一或多個模組。電腦可讀媒體可為一機器可讀儲存裝置、一機器可讀儲存基板、一記憶體裝置、影響一機器可讀傳播信號之一組合物，或其等之一或多者之一組合。
可藉由執行一或多個電腦程式之一或多個可程式化處理器執行本說明書中所描述之程序及邏輯流程，以藉由操作輸入資料且產生輸出而執行功能。亦可藉由專用邏輯電路(例如，一FPGA (場可程式閘陣列)或一ASIC (特定應用積體電路))來執行程序及邏輯流程，且亦可將設備實施為該專用邏輯電路或該ASIC。
可對前述實施方案進行各種修改。此外，在一些例項中，來自上文描述之不同實施方案之特徵可組合在相同實施方案中。因此，其他實施方案在發明申請專利範圍之範疇內。
20‧‧‧壓力感測器
20’‧‧‧壓力感測器
20A‧‧‧壓力感測器/第一感測器
20B‧‧‧壓力感測器/第二感測器
22‧‧‧基板
24‧‧‧信號處理單元
26‧‧‧平台
30‧‧‧智慧型電話
32‧‧‧顯示螢幕
40‧‧‧汽車
50‧‧‧智慧型眼鏡
60‧‧‧遊戲控制器
70‧‧‧建築物
72‧‧‧自動車庫門
202‧‧‧自在可移動設備中或上自多重壓力感測器獲得輸出信號
204‧‧‧至少部分基於來自壓力感測器之輸出信號判定可移動設備之定向
206‧‧‧產生控制信號以回應於经判定定向調整可移動設備之特徵
300‧‧‧封裝
302‧‧‧壓力感測器晶片
304‧‧‧麥克風特定應用積體電路(ASIC)
306‧‧‧麥克風微機電(MEMS)元件
θ‧‧‧傾角
圖1繪示包含多重壓力感測器之一可移動設備之部分之一實例。
圖2繪示可如何基於自兩個壓力感測器獲得之量測值來判定一可移動設備之傾角(tilt angle)的一實例。
圖3繪示包含多重壓力感測器之一行動裝置之一實例。
圖4繪示包含多重壓力感測器之一車輛之一實例。
圖5繪示包含多重壓力感測器之一可穿戴裝置之一實例。
圖6繪示包含多重壓力感測器之一遊戲控制台之一實例。
圖7繪示包含多重壓力感測器之一車庫門之一實例。
圖8係根據本發明之一態樣之一方法之一流程圖。
圖9繪示包含一麥克風及一壓力感測器之一組合封裝之一實例。

Claims (27)

  1. 一種可移動設備，其包括： 複數個壓力感測器，其等在該等可移動設備中或上，該等壓力感測器之各者可操作以產生指示壓力之一各自輸出信號；及 一或多個處理器，其可操作以至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一定向。
  2. 如請求項1之可移動設備，其中該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之傾角或傾斜度之至少一者。
  3. 如請求項1或2之可移動設備，其中該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一平面相對於一預定參考平面之一角度。
  4. 如請求項3之可移動設備，其中該預定參考平面係平行於地面之一水平面。
  5. 如請求項1或2之可移動設備，其中該一或多個處理器可操作以產生一控制信號，以回應於該經判定定向調整該可移動設備之一特徵。
  6. 如請求項5之行動裝置，其中該可移動設備包含具有一縱向定向及一橫向定向之一顯示器，且其中該一或多個處理器可操作以產生一控制信號以回應於該經判定定向而在該縱向定向與該橫向定向之間切換。
  7. 如請求項1或2之可移動設備，其中該等壓力感測器之各者係一電容式壓力感測器。
  8. 如請求項7之可移動設備，其中壓力感測器之間之一差信號具有小於0.12 Pa rms之一壓力雜訊，且該等壓力感測器具有大於20 Hz之一輸出資料速率。
  9. 如請求項7之可移動設備，其中該一或多個處理器可操作以基於來自該等壓力感測器之該等輸出信號解析小於1 cm之高度差。
  10. 如請求項1或2之可移動設備，其中該複數個壓力感測器包含至少三個壓力感測器。
  11. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一行動裝置。
  12. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一車輛。
  13. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一無人機。
  14. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一遊戲主控台控制器。
  15. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一可穿戴裝置。
  16. 如請求項1或2之可移動設備，其中該可移動設備係一靜止物件之一子組件。
  17. 如請求項1或2之可移動設備，其中至少兩個該等壓力感測器安置成鄰近於該可移動設備之彼此相對之側。
  18. 如請求項1或2之可移動設備，其中至少兩個該等壓力感測器安置於該可移動設備之相對邊緣處。
  19. 如請求項1或2之可移動設備，其進一步包含CMOS讀出電路，其中該等壓力感測器之至少一者與該CMOS讀出電路整合。
  20. 如請求項19之可移動設備，其中該等壓力感測器之該至少一者整合於該CMOS讀出電路之頂部上。
  21. 如請求項1或2之可移動設備，其進一步包含含有一麥克風電路及該等壓力感測器之至少一者的一封裝。
  22. 如請求項1或2之可移動設備，其進一步包含不同於該複數個壓力感測器之一類型之至少一個額外感測器，其中該一或多個處理器可操作以至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號及來自該至少一個額外感測器之一輸出信號來判定該可移動設備之該定向。
  23. 一種判定一可移動設備之一定向之方法，該方法包括： 自在該可移動設備中或上之複數個壓力感測器獲得輸出信號；及 至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一定向。
  24. 如請求項23之方法，其包含至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之傾角或傾斜度之至少一者。
  25. 如請求項23之方法，其包含至少部分基於來自該複數個壓力感測器之該等輸出信號判定該可移動設備之一平面相對於一預定參考平面之一角度。
  26. 如請求項23至25中任一項之方法，其包含產生一控制信號以回應於該經判定定向調整該可移動設備之一特徵。
  27. 如請求項26之方法，其包含產生一控制信號以回應於該可移動設備之該經判定定向而在一顯示器之一縱向定向與一橫向定向之間切換。
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