TWI474003B - 光學式加速度計 - Google Patents

Description

光學式加速度計

本發明係關於一種加速度偵測裝置，特別是關於一種光學式加速度計，其用以偵測三維加速度。

加速度計通常係利用一彈簧連接一質量塊，並透過偵測該質量塊因加速度所造成的一位置變化來計算加速度的大小及方向。習知加速度計一般包含電容式加速度計及光學式加速度計。

習知電容式加速度計係於一質量塊上形成複數梳狀(comb-like)第一電極板，並同時於一基板上形成複數梳狀第二電極板，且每一該第二電極板係置入於兩該第一電極板間。同時，該質量塊並經由一彈簧連接該基板。當加速度發生時，該等第一電極板及該等第二電極板間的電容會產生變化，因此可透過監測一電容變化量來計算加速度。然而，電容式加速度計的問題在於該電容變化量很小而不易量測並且不容易進行二個維度以上的加速度偵測。

習知光學式加速度計係於一質量塊上設置一發射光纖並於一基板上設置一偵測光纖，一光源所發出的光經由該發射光纖被光耦合至該偵測光纖。同時，該質量塊並經由一彈簧連接該基板。當發生震動時，該發射光纖及該偵測光纖間的光耦合則會改 變，故可透過監測一光耦合率來計算加速度。然而，該發射光纖及該偵測光纖間的對位並不容易進行。

有鑑於此，本發明另提出一種可同時進行三維加速度偵測之光學式加速度計。

本發明之一目的在提供一種根據繞射圖案進行三維加速度偵測之光學式加速度計。

本發明提供一種光學式加速度計，包含一第一基板、一第二基板、一間隙層及一處理單元。該第一基板包含一框體、一可動件及至少一彈性元件；該可動件沿至少一方向形成有週期性開口以作為一繞射光柵；該至少一彈性元件連接於該框體與該可動件間，以使該可動件可相對該框體進行相對運動。該第二基板包含至少一感測單元用以感測該繞射光柵形成之一零階繞射圖案及一第一階繞射圖案。該間隙層設置於該第一基板及該第二基板間用以界定一預設高度。該處理單元耦接該感測單元用以根據該零階繞射圖案及該第一階繞射圖案計算一三維加速度。

本發明另提供一種光學式加速度計，包含一感測基板、一光柵基板、一同調光源及一處理單元。該感測基板包含至少一感測單元。該光柵基板相對該感測基板並包含一可動件，其中該可動件上形成 有至少一繞射光柵並且加速時該可動件相對該感測基板可進行相對運動。該同調光源發光照射該至少一繞射光柵以於該至少一感測單元上形成一繞射圖案。該處理單元耦接該至少一感測單元用以根據該繞射圖案計算一三維加速度。

一實施例中，該處理單元根據該零階繞射圖案之一位置變化計算一共平面加速度，並根據該零階繞射圖案與該第一階繞射圖案之一相對關係計算一出平面加速度。

一實施例中，該繞射光柵可為一穿透式繞射光柵或一反射式繞射光柵。

一實施例中，另包含一同調光源發出同調光(coherent light)照射該繞射光柵以形成該零階繞射圖案及該第一階繞射圖案。

一實施例中，該繞射光柵可為週期性開口或平行指部(parallel fingers)，當該繞射光柵被同調光照射時，可於同調光的相同側或相對側形成繞射圖案。

一實施例中，該繞射光柵包含形成於一第一方向之一第一繞射光柵及形成於一第二方向之一第二繞射光柵；該第二基板包含一第一感測單元對應該第一繞射光柵及一第二感測單元對應該第二繞射光柵；該處理單元根據該第一感測單元感測之該繞射 圖案計算一第一共平面加速度並根據該第二感測單元感測之該繞射圖案計算一第二共平面加速度。

本發明實施例之光學式加速度計中，同調光的波長、光柵間距、週期性開口的形狀以及光柵與感測單元間的距離等並無特定限制，只要能在感測單元上至少形成該零階繞射圖案及該第一階繞射圖案以使該處理單元能夠據以計算一三維加速度即可。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。於本發明之說明中，相同的構件係以相同的符號表示，於此合先敘明。

請參照第1圖所示，其顯示本發明實施例之光學式加速度計1，包含一第一基板11、一第二基板13、一間隙層15及一處理單元17；其中，該間隙層15用以設置於該第一基板11及該第二基板13間，用以界定一預設高度H。該間隙層15之材質並無特定限制，只要能維持該第一基板11及該第二基板13間之一預設距離(即該預設高度H)即可，且該預設距離例如可根據該光學式加速度計1所包含之一影像感測器的影像解析度決定；例如，若該影像感測器之解析度愈高，該預設距離可縮短。本實施例中，該第一基板11係作為一光柵基板(grating substrate)而該第二基板13係作為一感測基板。

請參照第1及2圖所示，第2圖顯示本發明實施例之光學式加速度計1之第一基板11之立體圖。該第一基板11包含一框體111，一可動件113及至少一彈性元件115。可以了解的是第2圖中各元件之比例關係僅為例示性，並非用以限定本發明。

該可動件113係為一質量塊(proof mass)，其上沿至少一方向形成有週期性開口以作為一繞射光柵，例如第2圖中該可動件113上沿一第一方向x形成有第一週期性開口1131並沿一第二方向y形成有第二週期性開口1132；其中，該第一方向x較佳大致垂直該第二方向y。換句話說，本實施例中該可動件113上形成有至少一繞射光柵，其例如包含形成於該第一方向x之一第一繞射光柵及形成於該第二方向y之一第二繞射光柵；本實施例中，該繞射光柵為一週期性開口(例如開口1131、1132)。可以了解的是，由於該週期性開口係用作為繞射光柵，該等開口(slots)係穿透於該可動件113的兩面。當該光學式加速度計1僅用以偵測橫向方向的一維加速度時，可以只沿一個方向(x或y)形成繞射光柵。

該至少一彈性元件115連接於該框體111與該可動件113間，以使該可動件113可相對該框體111進行相對運動。藉此，當該第一基板11透過該間隙 層15相對地結合於該第二基板13時，加速時該可動件113即可相對該第二基板13進行相對運動。

一種實施例中，該第一基板11例如可為一矽基板(silicon)，並經由微影蝕刻(photolithography)製程分別製作出該框體111、該彈性元件115、該可動件113及其上的至少一繞射光柵(例如1131、1132)。其他實施例中，該第一基板11亦可利用微機電製程(MEMS process)或微電鍍製程製作，並無特定限制，而該第一基板11之材質則根據形成該框體111、該彈性元件115、該可動件113及該繞射光柵的製程而決定。。

該第二基板13包含至少一感測單元131，用以感測該繞射光柵(例如1131、1132)形成之一繞射圖案；其中，一繞射光柵可產生零階、一階、二階及高階繞射圖案。本實施例中，該處理單元17耦接該至少一感測單元131(例如於該第二基板13形成焊墊或凸塊等)，用以根據零階繞射圖案0th及第一階繞射圖案±1th計算一三維加速度(詳述於後)。該感測單元131例如可為光電二極體，其可以習知方式(例如離子佈植)直接形成於該第二基板13，但並不以此為限，該感測單元131亦可為一CCD影像感測器、一CMOS像感測器或其他光感測元件，並以其他方式設置或直接形成於該第二基板13上；製作該 感測單元131的方式以為習知，故於此不再贅述。該處理單元17例如可為一數位處理器(DSP)，用以後處理該感測單元131所輸出的影像資料。

此外，當該可動件113上形成有兩組或兩組以上的繞射光柵(例如第2圖之1131、1132)時，該第二基板13上可包含相對數目的感測單元，其彼此分離但電性連接至該處理單元17。例如，若該第一基板11上形成有一第一繞射光柵1131及一第二繞射光柵1132，該第二基板13可包含一第一感測單元對應該第一繞射光柵1131及一第二感測單元對應該第二繞射光柵1132。該處理單元17則根據該第一感測單元感測之繞射圖案(例如零階繞射圖案0th)計算一第一共平面加速度並根據該第二感測單元感測之繞射圖案(例如零階繞射圖案0th)計算一第二共平面加速度，但本發明不以此為限，該第二基板11上亦可僅包含單一感測單元131，其例如具有較大的面積，用以同時感測該第一繞射光柵(例如1131)及該第二繞射光柵(例如1132)形成之繞射圖案。該繞射光柵的數目則根據不同應用而決定。

本實施例中，為了於該感測單元131上形成繞射圖案，另包含一同調光源Lc發出同調光照射該至少一繞射光柵以於該至少一感測單元131之一感測面131S上形成一繞射圖案，包含該零階繞射圖案 0th及該第一階繞射圖案+1th(如第1圖所示)。此外，該同調光源Lc的設置位置可根據該繞射光柵的種類而有所不同，例如當該繞射光柵為一穿透式繞射光柵時，該同調光源Lc及該感測單元131係位於該第一基板11的相對側；當該繞射光柵為一反射式繞射光柵時，該同調光源Lc及該感測單元131係位於該第一基板11的同一側。

接著說明本實施例之光學式加速度計1計算三維加速度的方式。本發明中，所述三維加速度包含一共平面(in-plane)加速度及一出平面(out of plane)加速度；其中，該共平面加速度包含兩個維度(橫向移動)而該出平面加速度包含一個維度(縱向移動)。

請參照第3A~3C圖所示，其顯示本發明實施例之光學式加速度計1計算三維加速度之示意圖；其中為簡化圖示，省略了第1圖的部分元件而僅顯示了繞射光柵1131(或1132)及繞射圖案，且此時係以穿透式繞射光柵進行說明，而反射式繞射光柵的運作方式與穿透式繞射光柵相類似，故於此不再贅述。

例如第3A圖中，同調光源Lc透過該繞射光柵1131(1132)以於該感測單元113之感側面131S上形成一零階繞射圖案0th(此時未繪示較高階繞射圖案以簡化圖示)，其中該零階繞射圖案0th對應於該繞射光柵1131之開口(slot)。當該可動件113發生共平 面移動時(例如朝向x方向)，此時表示該光學式加速度計1朝向相反方向(例如-x方向)存在加速度，該零階繞射圖案0th的位置則同時發生相對變化。藉此，該處理單元17可根據該零階繞射圖案0th之一位置變化計算一共平面加速度。可以了解的是，與x方向垂直的加速度(例如y方向)可根據另一組繞射光柵所產生的零階繞射圖案0th以相同方式計算而得；亦即，利用兩組繞射光柵(例如1131、1132)則可計算共平面上的二維加速度。

第1圖中，假設光柵間距(pitch)為D、預設高度(即光柵與感測單元11之距離)為H、同調光源Lc之波長為λ，則可根據下列公式得到零階繞射圖案0th及第一階繞射圖案±1th的相對關係P，D×sinθ=mλ (1)

P=H×tanθ (2)

其中m為繞射階數(order)。藉此，當該可動件113發生出平面移動時(例如z方向)，該預設高度H改變，因而第一階繞射圖案±1th的位置則發生變化。

例如第3B圖中，同調光源Lc透過該繞射光柵1131(1132)以於該感測單元113之感側面131S上形成一零階繞射圖案0th及第一階繞射圖案±1th。當該可動件113發生出平面移動時(例如+z方向)，此時 表示該光學式加速度計1朝向相反方向(例如-z方向)存在加速度；此時，該預設高度H增加導致該第一階繞射圖案±1th遠離該零階繞射圖案0th。例如第3C圖中，當該可動件113發生出平面移動時(例如-z方向)，此時表示該光學式加速度計1朝向相反方向(例如+z方向)存在加速度；此時，該預設高度H降低導致該第一階繞射圖案±1th靠近該零階繞射圖案0th。藉此，該處理單元17可根據該零階繞射圖案0th與該第一階繞射圖案±1th之一相對關係計算一出平面加速度。當然，該處理單元17也可根據該第一階繞射圖案±1th本身的位置變化或彼此間的相對關係計算該出平面加速度。本發明中，所述共平面係指該繞射光柵所位於的平面而所述出平面係指垂直該共平面之平面。

另一實施例中，該光學式加速度計1之該間隙層15可一體成型於該第一基板11，此時該第一基板11包含一側壁位於該第一基板11之周緣朝向該第二基板13垂直延伸而出一預設高度H，如第4A圖所示，該第一基板11經由該側壁結合於該第二基板11。另一實施例中，該光學式加速度計1之該間隙層15可一體成型於該第二基板13，此時該第二基板13包含一側壁位於該第二基板13之周緣朝向該第一基板11垂直延伸而出一預設高度H，如第4B圖所示，該第二基板13經由該側壁結合於該第一基 板11。換句話說，本發明之該光學式加速度計1可由兩基板，或者由兩基板及一間隙層所構成。

必須說明的是，本發明實施例中該零階繞射圖案0th及該第一階繞射圖案±1th之位置例如定義為繞射圖案中亮度最高的位置。

另一實施例中，該繞射光柵可製作成平行指部(fingers)從該可動件13垂直的延伸而出。例如第5圖中，該可動件13包含一第一平行指部1131'沿一第一方向x延伸而出及一第二平行指部1132'沿一第二方向y延伸而出；其中，該第一方向x較佳垂直該第二方向y。該可動件113同樣經由至少一彈性元件115連接至該框體111，以使加速時該可動件113可相對該框體111進行相對動作。該第一基板11同樣可利用微影蝕刻、維電鍍或維機電製成製作。

必須說明的是，第2及5圖中的彈性元件115的數量、位置及形狀等僅為例示性，並非用以限定本發明。例如，該彈性元件115亦可形成於該可動件113的角落，只要於加速時能使該可動件113可相對該框體111進行相對運動即可，並無特定限制。

本發明實施例中，同調光源Lc的設置位置可根據繞射光柵之種類及型態來決定，並無特定限制。此外，同調光源Lc的波長λ並無特定限制，只要能配合光學式加速度計1之尺寸及距離等系統參數， 在至少一感測單元131上形成繞射圖案即可。該繞射光柵的形狀及數量並無特定限制，只要能在至少一感測單元131上至少形成零階繞射圖案及第一階繞射圖案，並使該處理單元17能夠根據該零階繞射圖案及該第一階繞射圖案計算三維加速度即可；其中，該繞射圖案的形狀則取決於該繞射光柵(或開口)的形狀。

綜上所述，習知電容式加速度計具有不易偵測兩個維度以上的加速度而習知光學式加速度計需進行兩光纖間的光耦合。本發明另提出一種光學式加速度計(第1圖)，其利用零階繞射圖案來偵測共平面(in-plane)加速度並利用一階繞射圖案來偵測出平面(out of plane)加速度，故可同時偵測三維加速度。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧光學式加速度計

11、11'‧‧‧第一基板

111‧‧‧框體

113‧‧‧可動件

1131‧‧‧第一週期性開口

1131'‧‧‧第一平行指部

1132‧‧‧第二週期性開口

1132'‧‧‧第二平行指部

115‧‧‧彈性元件

13‧‧‧第二基板

131‧‧‧感測單元

131S‧‧‧感測單元表面

15‧‧‧間隙層

17‧‧‧處理單元

Lc‧‧‧同調光源

H‧‧‧預設高度

D‧‧‧光柵間距

P‧‧‧繞射圖案相對關係

0th‧‧‧零階繞射圖案

±1th‧‧‧第一階繞射圖案

第1圖顯示本發明實施例之光學式加速度計之剖視圖。

第2圖顯示本發明實施例之光學式加速度計之第一基板之立體圖。

第3A~3C圖顯示本發明實施例之光學式加速度計偵測三維加速度之運作示意圖。

第4A~4B圖顯示本發明另一實施例之光學式加速度計之剖視圖。

第5圖顯示本發明另一實施例之光學式加速度計之第一基板之立體圖。

1‧‧‧光學式加速度計

11‧‧‧第一基板

13‧‧‧第二基板

131‧‧‧感測單元

131S‧‧‧感測單元表面

15‧‧‧間隙層

17‧‧‧處理單元

Claims (18)

1. 一種光學式加速度計，包含：一第一基板，包含：一框體；一可動件，沿至少一方向形成有週期性開口以作為一繞射光柵；及至少一彈性元件，連接於該框體與該可動件間；一第二基板，包含至少一感測單元用以感測該繞射光柵形成之一零階繞射圖案及一第一階繞射圖案；一間隙層，設置於該第一基板及該第二基板間，用以界定一預設高度；以及一處理單元，耦接該感測單元，用以根據該零階繞射圖案之一位置變化計算一共平面加速度。
2. 依申請專利範圍第1項之光學式加速度計，其中該間隙層一體成型於該第一基板或該第二基板。
3. 依申請專利範圍第1或2項之光學式加速度計，其中該處理單元另用以根據該零階繞射圖案與該第一階繞射圖案之一相對關係計算一出平面加速度。
4. 依申請專利範圍第1或2項之光學式加速度計，其中該可動件上沿一第一方向形成有第一週期性開口並沿一第二方向形成有第二週期性開口。
5. 依申請專利範圍第4項之光學式加速度計，其中該第二基板包含一第一感測單元對應該第一週期性開口及一第二感測單元對應該第二週期性開口。
6. 依申請專利範圍第5項之光學式加速度計，其中該處理單元根據該第一感測單元感測之該零階繞射圖案計算一第一共平面加速度並根據該第二感測單元感測之該零階繞射圖案計算一第二共平面加速度。
7. 依申請專利範圍第1或2項之光學式加速度計，其中該繞射光柵為一穿透式繞射光柵或一反射式繞射光柵。
8. 依申請專利範圍第7項之光學式加速度計，另包含一同調光源發光照射該繞射光柵以形成該零階繞射圖案及該第一階繞射圖案。
9. 一種光學式加速度計，包含：一感測基板，包含至少一感測單元；一光柵基板，相對該感測基板並包含一可動件，該可動件上形成有至少一繞射光柵，加速時該可動件相對該感測基板進行相對運動；一同調光源，發光照射該至少一繞射光柵以於該至少一感測單元上形成一繞射圖案，其中該繞射圖案包含一零階繞射圖案；以及一處理單元，耦接該至少一感測單元，用以根據該零階繞射圖案之一位置變化計算一共平面加速度。
10. 依申請專利範圍第9項之光學式加速度計，其中該繞射圖案另包含一第一階繞射圖案。
11. 依申請專利範圍第10項之光學式加速度計，其中該處理單元另用以根據該零階繞射圖案與該第一階繞射圖案之一相對關係計算一出平面加速度。
12. 依申請專利範圍第9項之光學式加速度計，其中該至少一繞射光柵為一穿透式繞射光柵或一反射式繞射光柵。
13. 依申請專利範圍第9項之光學式加速度計，其中該至少一繞射光柵為週期性開口或平行指部。
14. 依申請專利範圍第13項之光學式加速度計，其中該至少一繞射光柵包含形成於一第一方向之一第一繞射光柵及形成於一第二方向之一第二繞射光柵。
15. 依申請專利範圍第14項之光學式加速度計，其中該感測基板包含一第一感測單元對應該第一繞射光柵及一第二感測單元對應該第二繞射光柵。
16. 依申請專利範圍第15項之光學式加速度計，其中該處理單元根據該第一感測單元感測之該零階繞射圖案計算一第一共平面加速度並根據該第二感測單元感測之該零階繞射圖案計算一第二共平面加速度。
17. 依申請專利範圍第9項之光學式加速度計，其中該感測基板包含一側壁位於該感測基板之周緣朝向該光柵基板垂直延伸而出一預設高度。
18. 依申請專利範圍第9項之光學式加速度計，其中該光柵基板包含一側壁位於該光柵基板之周緣朝向該感測基板垂直延伸而出一預設高度。