TWI567392B - 具有磁性感測機制的運動以及環境感測器 - Google Patents

Description

具有磁性感測機制的運動以及環境感測器

本發明為一種磁性感測裝置，特別是一種關於具有外加磁場以及流體之具有磁性感測機制的運動以及環境感測器。

隨著科技的進步，智慧型手持裝置，例如：手機或者是穿戴式裝置，的應用領域也逐漸增加。一般而言，設置在智慧型手持裝置的感測器可以分成以下3類：位置感測器(Position sensor)：這一類感測器量測行動裝置的實際位置，例如方位感測器(Orientation sensor)、磁力計(Magnetometer)等。運動感測器(Motion sensor)：量測行動裝置3個軸向的加速度或角速度，例如加速計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)等。在一些特殊應用中，智慧型手持裝置也可以支援環境感測器(Environmental sensor)，用以量測其所在環境的不同環境參數，像是量測環境溫度的溫度感測器(Temperature sensor)、量測環境亮度的亮度計(Photometer)等。

習用的加速度計為電容式感測結構，其感測單一軸向的原理為藉由加速度運動造成內部形狀如梳子狀交錯的電容極板移動，使得極板中的雜散電容量產生變化。偵測電容變化量所產生的訊號經過放大後，再經由運算處理裝置，例如：ASIC進行訊號處理，最後以類比或數位式輸出。至於三軸的感測 方式，則將相同的結構擺放不同的位置，X軸擺放橫向，Y軸擺縱向，而Z軸擺垂直方向即可測得。至於電子陀螺儀，其係利用微機電製程形成固定電極與可動電極的結構，如果轉動運動造成固定電極與可移動電極之間的距離變小，電容值變大，代表科氏力愈大，角速度也愈大；反之，如果固定電極與可移動電極之間的距離變大，電容值變小，代表科氏力愈小。

另一方面，傳統磁阻感測裝置主要是由設置在基板上之四個磁阻感測元件，以惠斯通電橋(Wheatstone bridge)方式彼此電性連接所組成，並可藉由讀取電壓計之電壓值來得知空間中與基板表面平行之磁場大小，進而測出沿著單一軸的磁場的強度和方向。藉由這樣的原理，磁阻感測器可用來作為可攜式電子裝置的電子羅盤用來進行定位。此外，習用技術中，有利用磁阻感測器來偵測流體內特定成份的數量或濃度的應用。例如，在美國專利公告第US7179383號專利中，揭露了一種可以偵測液體或氣體內部目標分子或待分析物的技術，透過在巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)感測器上方建立流道空間，並於其間設置導線圈通電產生磁場，因此，當流體通過流道時，GMR可以感測到流體內目標分子或待分析物所產生的磁場資訊，進而分析其數量或濃度。該技術中的基板內形成有導電圈，而在基板上有一空間流道提供含有待測目標物流體通過。而在流道的下方具有GMR用以感測磁場資訊而產生相對應的電訊號。此外，在另一實施例中，如美國專利公告號US8542009，則揭露一種偵測氧濃度的技術，在該技術中提供一磁性感測器以及導線圈用以接收電流產生磁場。磁性感測器為GMR用來感測氧受到磁場而產生的磁場強度。

雖然習用技術中，有將加速度感測器、陀螺儀感測器、以及電子羅盤等元件放置在手持式電子裝置的應用，然而由於前述各種感測器的製成與結構都不相同，而且很多都來自於不同的製造廠商，因此增加了應用端的整合控制與成本。再者，雖然磁性模組有應用在氣體濃度感測的領域，但是仍然缺 乏利用單一感測機制整合其他相關感測資訊的運用，也限縮了其應用的領域。因此，如果可以透過單一感測原理與結構，同時可以達到加速度感測、轉動感測、方向定位以及/或環境資訊的功能，不但可以減少製造與整合前述多種感測器於一體的開發和製造成本，更可以簡化應用端的控制與佈局設計，而擴大感測器的應用領域。

綜合上述，因此亟需一種利用單一感測機制偵測多種訊息的磁性感測裝置來解決習用技術之不足。

本發明提供一種具有磁性感測機制的運動感測器，透過外力的作用使得在一密閉空間內受到磁場作用的流體的濃度分佈產生變化，透過偵測該密閉空間內各區域的磁通密度大小，進而得知該感測器的運動狀態，例如：三軸向的移動狀態或者是三軸向的轉動狀態。

本發明提供一種具有磁性感測機制的環境感測器，在外加磁場的環境下，藉由密閉或半開放空間，或者是實心物體所產生的參考磁場與通過感測器的流體所產生的磁通密度之間的關係，可以分析流體內含特定成份，例如：氧氣、水氣或煙霧顆粒的濃度。

本發明提供一種具有磁性感測機制的運動以及環境感測器，利用單一的感測原理，同時可以達到加速度感測、轉動感測、方向定位以及/或環境資訊的功能，形成具有感測運動狀態及/或環境狀態感測能力的感測器，不但可以減少製造與整合多種感測器於一體的開發和製造成本，更可以簡化應用端的控制與佈局設計，而擴大感測器的應用領域。在一應用面中，本發明提供一種運動以及環境感測器，其係利用流體受外加磁場而產生的磁通密度變化與磁力 感測器結合，形成整合運動狀態感測、流體成分分析以及溼度感測於單一晶片上的架構，進而減少感測晶片的使用數量以節省封裝所需的空間與成本。

在一實施例中，本發明提供一種具有磁性感測機制的運動感測器，包括有一磁場產生部、一磁性感測模組以及一罩體。該磁場產生部，用以產生一磁場。該磁性感測模組，設置在該磁場產生部的一側。該罩體，形成於該磁性感測模組上，該罩體內具有一流體，藉由該磁場而形成一空間磁通密度。其中，該感測器藉由一外力產生運動，而改變該罩體內該流體的濃度分佈，進而改變該空間磁通密度之分佈，而被該磁性感測模組偵測。該感測器更具有一運算處理器用以根據該磁性感測模組所產生的複數個磁性訊號，決定出該感測器之至少一維度的運動狀態。

在另一實施例中，前述之具有磁性感測機制的運動感測器之流體為順磁性流體、具有磁性的流體或含磁性物質之流體、抗磁流體(diamagnetic fluid)或含抗磁性物質(diamagnetic material)之流體，其中之順磁性流體包括有氧氣和至少一氣體。

此外，在另一實施例中，本發明更提供一種具有磁性感測機制的環境感測器，包括有一磁場產生部、一磁性感測模組以及一參考結構。該磁場產生部，用以產生一磁場。該磁性感測模組，設置於該磁場產生部的一側且具有一第一區域以及一第二區域，該第一區域通過有一待測流體，藉由該磁場形成一空間磁通密度，該磁性感測模組用以感測該第一區域的空間磁通密度強度。該參考結構，覆蓋於該第二區域上，該參考結構具有一參考物質，該磁性感測模組感測關於該參考結構之一參考磁場。感測器更具有一運算處理器用以根據該參考磁場以及該第一區之空間磁通密度強度決定該待測流體所含之特定物質的濃度。

在另一實施例中，本發明提供一種具有磁性感測機制的運動感測器，包括有一磁性感測模組以及一罩體。該磁性感測模組，具有一導電線用以產生一外加磁場。該罩體，形成於該磁性感測模組上，該罩體內具有一流體，其係由不同質量的複數種物質所組成，該流體於該導電線通入該電流時形成一空間磁通密度。其中，該感測器產生運動時，該導電線在第一時間點斷電，使得該磁性感測模組偵測到一環境磁場，該導電線在第二時間點通電使得而罩體內該複數種物質因為慣性而產生不同的分佈，進而改變該空間磁通密度之分佈，而被該磁性感測模組偵測。

在另一實施例中，本發明提供一種具有磁性感測機制的運動感測器，包括有一第一感測模組以及一第二感測模組。該第一感測模組，其係具有一第一磁性感測模組以及第一罩體，該第一磁性感測模組設置在一第一導電線的一側，該第一導線藉由通電產生一第一磁場，該第一罩體，形成於該第一磁性感測模組上，該第一罩體內具有一第一流體，於該第一導電線通入該電流時形成一第一空間磁通密度。該第二感測模組，其係具有一第二磁性感測模組以及第二罩體，該第二磁性感測模組設置在一第二導電線的一側，該第二導線藉由通電產生一第二磁場，該第二罩體形成於該第二磁性感測模組上，該第二罩體內具有一第二流體，於該第二導電線通入該電流時形成一第二空間磁通密度。其中，該感測器藉由一外力產生第一或第二運動，當該第一運動產生時，該第一罩體內該第一流體的濃度分佈發生改變，進而改變該第一空間磁通密度之分佈，而被該第一磁性感測模組偵測，當該第二運動產生時，該第二罩體內的該第二流體的濃度分佈發生改變，進而改變該第二空間磁通密度之分佈，而被該第二磁性模組偵測。

在另一實施例中，本發明提供一種具有磁性感測機制的環境感測器，包括有一磁性感測模組以及一第一參考結構。該磁性感測模組，其上具有一導電線，用以產生一外加磁場，該磁性感測模組更具有一第一區域以及一第二區域，該第一區域通過有一待測流體，於該導電線通入該電流時於該第一區域形成一空間磁通密度，該磁性感測模組用以感測該第一區域的空間磁通密度強度。該第一參考結構，覆蓋於該第二區域上，該第一參考結構具有一參考物質，該磁阻感測模組感測關於該第一參考結構之一參考磁場。其中，該導電線在第一時間點斷電，使得該磁性感測模組偵測到一環境磁場，該導電線在第二時間點通電以產生該外加磁場。

在另一實施例中，本發明提供一種具有磁性感測機制的運動與環境感測器，包括有一第一感測模組以及一第二感測模組。該第一感測模組，具有一第一磁性感測模組以及一罩體，該磁性感測模組，設置在一第一導電線的一側，該第一導線藉由通電產生一第一外加磁場，該罩體，形成於該第一磁性感測模組上，該罩體內具有一流體，於該第一導電線通入該電流時形成一第一空間磁通密度，其中，該感測器藉由一外力產生運動，而改變該罩體內該流體的濃度分佈，進而改變該第一空間磁通密度之分佈，而被該第一磁性感測模組偵測。該第二感測模組，其係具有一第二磁性感測模組以及一第一參考結構，該第二磁性感測模組，設置於一第二導電線的一側且具有一第一區域以及一第二區域，該第二導線藉由通電產生一第二外加磁場，該第一區域通過有一待測流體，於該第二導電線通入該電流時於該第一區域形成一第二空間磁通密度，該第二磁性感測模組用以感測該第一區域的第二空間磁通密度強度，該第一參考結構，覆蓋於該第二區域上，該第一參考結構具有一參考物質，該磁性感測 模組感測關於該第一參考結構之一參考磁場。

在一實施例中，前述之具有磁性感測機制的運動與環境感測器之參考結構為一實心結構、具有一容置空間的封閉結構，或與外界相通的半封閉結構，其中該封閉結構內具有一參考流體。該參考流體為氮氣或者是抗磁性物質。

在前述例中，有一電線加以電流以提供磁場，實為一應用方法之說明，方便同時量測地磁及敘述簡化，當分別單獨量測運動狀態或環境磁場時，本發明之磁場不限於內部導線產生、外部導線產生、內部永磁鐵、外部永磁鐵或環境磁場。

在前述例中，所述所有磁性感測機制的運動以及環境感測器，可共同或複數至於單一感測裝置或單一晶片上，除了提供製程的單一方便性，其中複數裝置也可做為彼此訊號的參考及修正，例如使用環境感測裝置感測時，當運動中造成的物理量變化，可藉由運動感測裝置得知，目前的運動狀態，進而用以修正，無需只能在靜態使用，獲得應用的便利性。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

2、2a‧‧‧運動感測器

20、20a、20b‧‧‧導電線

200‧‧‧電流

21、21a、21b‧‧‧磁性感測模組

210a、210b‧‧‧電源供應單元

211a、211b‧‧‧接地端

212‧‧‧X軸向磁性感測元件

213‧‧‧Y軸向磁性感測元件

214‧‧‧Z軸向磁性感測元件

215a~215d、216a~216d‧‧‧X軸向磁性感測元件

217a~217d、218a~218d‧‧‧Y軸向磁性感測元件

22、22a、22b‧‧‧罩體

220‧‧‧蓋體

221‧‧‧本體

23、23a、23b‧‧‧運算處理器

24‧‧‧十字形磁性感測單元

25‧‧‧第一磁性感測單元

26‧‧‧第二磁性感測單元

240~241‧‧‧第一端部

242~243‧‧‧第二端部

3、3a~3c‧‧‧環境感測器

30‧‧‧導電線

31‧‧‧磁性感測模組

310‧‧‧電源供應單元

311‧‧‧接地端

312~315‧‧‧磁性感測元件

32、35‧‧‧第一參考結構

34、36‧‧‧第二參考結構

350‧‧‧通孔

360‧‧‧孔洞結構

4‧‧‧晶片

90‧‧‧流體

91a~91e‧‧‧隔間

92‧‧‧氧氣

93‧‧‧氦氣

A1、A2‧‧‧區域

H‧‧‧磁場

B‧‧‧磁通密度

D‧‧‧間距

F‧‧‧外力

R1‧‧‧第一區域

R2‧‧‧第二區域

圖1為本發明之具有磁性感測機制的運動感測器之一實施例剖面示意圖；圖2A與圖2B為不同設置位置之磁性感測模組感測狀態示意圖； 圖3A與圖3B為本發明具有磁性感測機制的運動感測器之動作示意圖；圖4A與圖4B為本發明具有磁性感測機制的運動感測器之磁性感測模組與導電線之一實施例示意圖；圖5A與圖5B為本發明之具有磁性感測機制的運動感測器另一實施例示意圖；圖6A係為運動感測器繞Y軸轉動示意圖；圖6B為具有磁性感測機制的運動感測器轉動時的氣體濃度分佈示意圖；圖7為本發明之偵測氣體成分之具有磁性感測機制的環境感測器實施例示意圖；圖8為本發明之偵測氣體成分之具有磁性感測機制的環境感測器另一實施例示意圖；圖9為本發明之偵測煙霧之具有磁性感測機制的環境感測器之示意圖；圖10A為本發明之偵測相對溼度之具有磁性感測機制的環境感測器之示意圖；圖10B為本發明之圖10A所示偵測相對溼度之具有磁性感測機制的環境感測器俯視示意圖；以及圖11為本發明整合具有磁性感測機制的運動與環境感測器示意圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各 種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述運動以及環境感測器，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖1所示，該圖為本發明之具有磁性感測機制的運動感測器之一實施例剖面示意圖。運動感測器2，用以偵測運動狀態，其係包括有磁場產生部、磁性感測模組21、罩體22以及運算處理器23。該磁場產生部在本實施例為導電線20，其係由金屬材料所構成，用以接收一電流而產生一磁場。要說明的是，該磁場產生部並不以導電線為限制，在另一實施例中，導電線20也可以置換為永久性磁性物質，以產生一個永久性的外加磁場。此外，導電線或永久性磁性物質的位置配置，可以根據需求而定，並不以本發明所列示的所有實施例為限制。本發明的所有實施例中的磁場產生部，並不限於內部導線、外部導線、內部永磁鐵、外部永磁鐵或環境磁場。該磁性感測模組21，設置在該導電線20的一側。本實施例中，磁性感測模組21係設置於該導電線20的下方。要說明的是，磁性感測模組21設置的位置，並不以圖示的實施例為限制，只要設置在能夠感測到磁場或磁通密度變化的位置即可。例如圖2A或圖2B所示，在圖2A中，導電線20內的電流200產生了磁場H，磁性感測模組21可以設置在導電線20的左側或右側；在圖2B中，磁性感測模組21可以設置在導電線20的上方。磁性感測模組21可以視使用需求選擇常磁阻(ordinary magnetoresistance,OMR)感測器、巨磁阻感測器(GMR)、超巨磁阻(colossal magnetoresistance,CMR)感測器、異向磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感測器、穿隧磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)感測器、霍爾感測器、線圈磁感測器或通量閘感測器(Flux gate)。

再回到圖1所示，在該磁性感測模組21的上方設置有罩體22。本實施例中，罩體22內具有一密閉空間，其內含有流體90。流體90可以為液體或者是氣體，主要由不同質量的複數種物質所組成。流體90可以為順磁性流體、具有磁性的流體、含磁性物質之流體、抗磁性流體或內含物，例如：在一實施例中，具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性，其是由直徑為納米量級(10納米以下)的磁性固體顆粒(magnetic nano-particle)、基載液(也叫媒體)以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀液體。而該流體，可以為氣體，主要可以由具有順磁性的氣體所構成，例如：由氧氣(O₂)或者是氧氣和至少一氣體的混合氣體。在一實施例中，流體為氧氣(O₂)和氦氣(He)的組合；或者，在另一實施例中，流體為氧氣(O₂)和一氧化二氮(N₂O)的組合。

該罩體22內部具有一空間磁通密度，其係由該流體90於該導電線20通入電流時所形成。例如：以流體為氧氣和氦氣的組合為例。由於氧氣為高順磁性的氣體，因此可以受到導電線20通電後所產生的磁場的影響，產生跟外部磁場同樣方向的磁化向量的特性，根據磁場之重疊原理，而與該導電線20所產生的磁場構成了該空間磁通密度梯度。磁性感測模組所產生之關於空間磁通密度大小的感測訊號會傳輸至與其電性連接的運算處理器23，透過演算而得到關於該運動感測器2所處的至少一維度的運動狀態，例如：關於X、Y或Z軸向之移動狀態或者是轉動狀態。在一實施例中，移動狀態可以為各軸向的速度、加速度；而轉動狀態則可以為角速度或角加速度。在一實施例中，該運算處理器23為特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit,ASIC)可以和磁性 感測模組21為相互分離的兩個元件，或者是透過半導體製程與該磁性感測模組整合在一起而成的單一元件。

接下來說明本發明運作的原理，請參閱圖3A與圖3B所示，該圖為本發明運動感測器之動作示意圖。在圖3A所示的運動感測器2中，流體90係由氧氣92與氦氣93所構成。在無重力的時候，氧氣92與氦氣93根據氣體動力學的擴散原理，均勻分佈在罩體22的密閉空間內。此時的磁性感測模組21可以感測到對應靜止狀態下區域R1與區域R2的空間磁通密度大小B1與B2。當運動感測器2為藉由外力F產生向右運動時，由於氧氣92和氦氣93的分子量不同，氧氣分子量為(32)，氦氣分子量為(4)，因此所產生的慣性效應就不同。藉由氣體慣性效應的差異，會改變罩體22內流體中氧氣92與氦氣93的濃度分佈。要說明的是，在一實施例中，外力F可以為使用者手部移動內設有運動感測器的智慧型手持裝置或穿戴式裝置，諸如：智慧型手機、筆電、手環或手錶等，所施加的力；或者是由移動載具，例如：飛機、汽車等，所產生或承受的外力。此外，在另一實施例中，外力可以為重力。請參閱圖3B所示，其係為在運動感測器2向右移動的特定時間點下，運動感測器2內的流體90分佈狀態示意圖。因為氧氣92與氦氣93分子量大小的差異，使得流體90內的各成分濃度產生了變化，其中，氧氣92因為慣性質量大，因此會集中在圖示中運動感測器2的左側，使得氧氣密度或濃度增加；反之，氦氣93因為慣性質量小，所以會向前移動而集中在圖示中運動感測器2的右側，使得氧氣密度或濃度降低。

此時，對應氧氣92集中區域R1的磁性感測模組21可以感測到該區域空間磁通密度B3的大小，而對應氦氣93集中區域R2的磁性感測模組21也可以感測到該區域空間磁通密度B4的大小。由於氧氣92是屬於高順磁性氣體，因此在氧氣92集中的區域R1中的空間磁通密度B3以及氧氣92相對減少的氦氣93集 中區域R2的空間磁通密度B4和原先所感測到的空間磁通密度B1與B2會有差異，根據這個差異，運算處理器23得以演算出運動感測器向右移動的速度或加速度(X軸向)。根據前述的原理，當運動感測器受到上下方向外力作用或垂直於圖面方向的外力作用時，一樣可以感測到Y軸與Z軸的移動狀態。同理，當運動感測器2被轉動的時候，同樣也會因為氣體成分慣性大小的不同，而造成氣體濃度的變化，進而改變罩體22內部空間磁通密度的變化。根據這個變化，運算處理器23可以計算出關於該運動感測器2的轉動狀態。

請參閱圖4A與圖4B所示，該圖本發明之運動感測器之磁性感測模組與導電線之一實施例示意圖。在本實施例中，磁性感測模組21a為AMR感測模組，其係具有電源供應單元210a與210b、接地端211a與211b、具有兩對端部之十字形磁性感測單元24、一第一磁性感測單元25以及一第二磁性感測單元26。其中，所有磁性感測單元，皆有一向外之起始磁向量定義(從圖中心向外)，爾後所有設計皆同於此，故不再贅述，十字形磁性感測單元24，本實施例為Z軸向之磁性感測單元，具有一對第一端部240與241以及一對第二端部242與243，在每一個第一端部與第二端部240~243具有一對磁性感測元件214，其中第一端部240與電源供應單元210a電性連接，另一第一端部241則與接地端211a電性連接。該第一磁性感測單元25，本實施例為X軸向磁性感測單元，其一端係與電源供應單元210a電性連接，另一端則與接地端211a電性連接。該第一磁性感測單元25具有複數個第一磁性感測元件212，本實施例為4個，其係構成惠斯通電橋結構，而設置於其中該對第一端部240與241(Y軸向)之外圍。該第二磁性感測單元26，本實施例為Y軸向磁性感測單元，其一端係與電源供應單元210b電性連接，另一端則與接地端211b電性連接。該第二磁性感測單元26具有複數個第二磁性感測元件213，本實施例為4個，其係構成惠斯通電橋結構，而設置於該對第二端部242與243(X軸向)之外圍。要說明的是，前述的電路佈局設計可 以根據使用需求而定，並不以本發明所例示的實施例為限制。此外，在該磁性感測模組21a的上方則形成一層導電線20a，藉由電流200的輸入而產生了磁場。而形成在該磁性感測模組21a以及導電線20a上方的罩體22a內則填充有流體。流體的特性如前所述，在此不做贅述。根據前述的原理，運算處理器23a可以決定出XYZ三軸向的移動狀態，例如：加速度或者是速度。

請參閱圖5A與圖5B所示，該圖為本發明之運動感測器另一實施例示意圖。在本實施例中，主要是以相同的磁性感測機制，用以感測轉動狀態，其中圖5A為運動感測器2b的立體示意圖，主要顯示罩體22b的結構，而圖5B則為導電線20b以及磁性感測模組21b的佈局示意圖。本實施例中的罩體22b由蓋體220以及本體221所構成，其係透過半導體製程完成。罩體22b內具有複數個隔間91a~91e，其中，該罩體22b的中央部位具有十字形的隔間91e，在十字形的四個角落則具有隔間91a~91d，每一個隔間91a~91e在蓋體220覆蓋於本體221之後形成密閉狀態，隔間內具有流體，其特性如前所述，在此不再贅述。本實施例中，磁性感測模組21b更包括有具有一對第一軸磁性感測單元以及一對第二磁性感測單元，其中之一第一軸(X)磁性感測單元，與電源供應單元210a以及接地端211a電性連接，且具有複數個成惠斯通電橋的磁性感測元件216a~216d而於該十字形隔間91e內沿第二軸向(Y)排列，而其中之一第二軸(Y)磁性感測單元，與電源供應單元210b以及接地端211b電性連接，且具有複數個成惠斯通電橋的磁性感測元件218a~218d而於該十字形隔間91e內沿第一軸向(X)排列。此外，另一第一軸(X)磁性感測單元，與電源供應單元210a以及接地端211a電性連接，且具有複數個構成惠斯通電橋之磁性感測元件215a~215d，分別設置於四個隔間91a~91d中平行第二軸向(Y)之位置，另一第二軸(Y)磁性感測單元，與電源供應單元210b以及接地端211b電性連接，且具有複數個構成惠斯通電橋之磁性感測元件217a~217d，分別設置於四個隔間中平行第一軸向(X)之位置。要說明的是， 前述的電路佈局設計可以根據使用需求而定，並不以本發明所例示的實施例為限制。

接下來說明感測轉動狀態的原理，請參閱圖6A與圖6B所示，其中圖6A係為運動感測器繞Y軸轉動示意圖，圖6B為氣體濃度分佈示意圖。在本實施例中，流體為氧氣92和氦氣93所構成。如圖6A所示，當導電線通電的狀態下，運動感測器2b受到外力作用而產生轉動時，會造成罩體22b內的隔間91a~91e所含的流體的濃度分佈產生變化。如圖6B所示，由於轉動的方向為繞Y軸的逆時針方向轉動，因此慣性質量比較重的氧氣92會集中在磁性感測元件217b、218b、218d以及217d所對應的區域內。反之，慣性質量比較輕的氦氣93則集中在磁性感測元件215a~215d、216a~216d、217a、218a、218c以及217c所對應的區域內。由於氧氣92為高順磁性氣體，因此在轉動時對應磁性感測元件217b、218b、218d以及217d之氧氣密度高的區域所得的空間磁通密度與未轉動時所對應的空間磁通密度之間的磁通密度變化量會大於轉動時對應磁性感測元件215a~215d、216a~216d、217a、218a、218c以及217c等氧氣密度低的空間磁通密度與未轉動時所對應的空間磁通密度之間的磁通密度變化量。透過運算處理器23b的演算，可以得知轉動狀態Wy。同理，Wx與Wz都是用相同的原理來決定。要說明的是，圖示中的氧氣92和氦氣93的分佈僅為說明本發明的概念，實際的氣體濃度分佈情形係根據運動量、環境狀況，例如：氣溫，而定。

要說明的是為了增加感測的準確度，在另一實施例中，更可以量測環境磁場來進行運算，亦即，以外界磁場向量值為基準原點，以提升量測的準確度。在本實施例中，可以透過關閉外加導電線電流，即可讀出運動感測器所受的外界磁場(環境磁場)之向量值(如地磁方向)，接著通電產生外加電流給導電線，量測出該罩體內空間磁通密度的變化，再根據環境磁場以及空間磁通密度的資訊，而解析出所受到的運動狀態參數，例如：加速度計值或者是轉動參 數值，例如：角速度或角加速度。要說明的是，通電與斷電的順序並無特定限制，也可以先通電，再斷電。

請參照圖7所示，其係為根據本發明例示性另一實施例所繪示之環境感測器之示意圖。以下說明的環境感測器可以用來偵測環境狀態，特別是空氣中特定氣體或物質的含量，例如：可以用來偵測空氣中氧氣含量。本實施例的環境感測器3包括磁場產生部、設置於該磁場產生部一側的磁性感測模組31、第一參考結構32與運算處理器33。在本實施例中，磁場產生部為一導電線30，其係藉由通入電流之後產生一磁場。要說明的是，該磁場產生部並不以導電線為限制，在另一實施例中，該磁場產生部也可以由永久性磁性物質所構成，以產生一個永久性的外加磁場。磁性感測模組31，具有第一區域R1以及第二區域R2，其中，該第一區域R1上具有一待測流體通過，本實施例中，磁性感測模組31在第一區域R1具有磁性感測元件314與315而在第二區域R2中則具有磁性感測元件312與313，而且磁性感測元件312~315構成惠斯通電橋電性連接狀態。該待測流體可以為氣體或者是液體，在本實施例中，待測流體為空氣。該磁性感測模組31用以感測該第一區域R1以及該第二區域R2的磁場強度或磁通密度。該磁性感測模組31和電源310以及接地端311電性連接。

第一參考結構32覆蓋於該第二區域R2上，該第一參考結構32具有一參考物質，以提供該磁性感測模組31感測關於該第一參考結構32之一參考磁場。該參考結構32可以為實心結構、具有一容置空間的封閉結構，或與外界相通的半封閉結構。當參考結構32為封閉結構時，其內具有抗磁性物質或參考流體，並且參考流體，其係可以為液體或氣體。在一實施例中，該參考流體為抗磁性氣體，例如：氮氣，但不以此為限制。運算處理器33，用以根據第二區域R2的參考磁場或磁通密度以及該第一區域R1之空間磁通密度，決定出該待測流體所含之特定物質的濃度。本實施例中的特定物質為氧氣。請參照圖8所示，其 係為根據圖7實施例的另一種變化。在本實施例中，基本上與圖7相似，差異的是在第一區域R1上更具有高度不同之第二參考結構34，透過不同高度的參考結構，以去除影響偵測的因素，進而增加量測含氧濃度的精度，一些狀況下可粗估大氣壓力之用，當取樣頻率高時，可取得空氣中瞬間相對濃度變化，換算出音波變化，同麥克風收音之效。

如圖9所示，該為本發明之偵測環境參數之環境感測器另一實施例示意圖。在本實施例中在第二區域R2上形成有中空的第一參考結構35，該第一參考結構35的頂面更具複數個通孔350。通孔350的大小，並無特定的限制，其係根據要量測的顆粒種類與大小而定。利用本實施例的結構可以偵測氣體中特定顆粒大小的濃度。在一實施例中，應用圖9的結構，可以作為空氣中懸浮粉塵偵測器，或者是火災偵煙器，但不以此為限制。以偵煙器為例，在正常情況下，待測氣體中如果沒有含有燃燒不完全的煙霧，環境感測器2的第一區域R1的磁場或磁通密度與第一參考結構35的磁場或磁通密度在量測與比較的過程中，並不會有明顯的差異變化，反之，如果空氣中含有不完全燃燒的特定大小煙霧粒子，透過通孔350孔徑的適當設計，煙霧粒子並不會進入到通孔350內，但是空氣中的氣體分子可以通過通孔350，以作為參考流體，透過導電線30所產生的外加磁場，煙塵粒子中含有順磁性的物質就會受到磁場的影響，進而影響第一區域R1中磁性感測元件314與315所感測到的磁通密度。由於在第一區域R1上可以感測到的為含有煙霧粒子的空氣所具有的磁通密度，而第二區域R2則可以感測到的為第一參考結構35內部中不含有煙霧粒子的空氣(參考流體)所具有的磁通密度，因此磁性偵測模組31所感測到的第一區域R1的磁通密度和第二區域R2磁通密度間的變化，即可作為判斷是否有異常煙霧發生的情形。此外，在另一實施例中，根據前述相同的原理，以空氣中懸浮粉塵偵測器為例，特定大小空氣中懸浮粉塵粒，並不會進入到通孔350內，使第一、二區域磁性感測元件312~315， 因感測空間中氧濃度不同，可作為判斷特定懸浮粉塵粒濃度。此外，在一實施例中，如圖10A所示，第二參考結構36為複數個凸部結構，其中相鄰的凸部結構具有一極小間距D，或形成多孔洞結構360於表面，如圖10B所示，當濕度越高表面孔洞內凝結成水比例越高，也就是空氣比例越低，氧濃度越低，用以作為相對濕度感測器(RH Sensor)，另外可包含一外部加熱線(未標示於圖上)，用於過高濕度時，去除表面凝結之用。

要說明的是為了增加感測的準確度，在另一實施例中，更可以量測環境磁場來進行運算，亦即，以外界磁場向量值為基準原點，以提升量測的準確度。在本實施例中，可以透過關閉外加電線電流，即可讀出環境感測器所受的外界磁場(環境磁場)之向量值(如地磁方向)，接著通電產生外加電流給導電線，而讓環境感測器讀出其在第一區域的空間磁通密度值，第二區域的參考磁場值，接著根據環境磁場以及空間磁通密度還有參考磁場，計算待測氣流中特定物質，例如含氧量或者是煙霧粒子。要說明的是，通電與斷電的順序並無特定限制，也可以先通電，再斷電。

請參閱圖11所示，該圖為本發明整合各種環境感測器示意圖。在另一實施例中，可以透過半導體製程將前述感測不同運動狀態或者是環境參數的運動與環境感測器2a、2b、3、3a、3b與3c整合在單一晶片4上。由於磁性感測模組21a、21b、31的結構相近，雖然整合不同感測用途的磁性感測模組21a、21b、31於一體，但並不會增加製程的困難，反而可以簡化應用端進行感測訊號運算處理與電路佈局設計，在一實施例中，各不同感測用途的磁性感測模組21a、21b、31，可共用一組訊號放大及類比數位轉換訊號電路，依時序取得量測值，並可最後由數位運算電路，換算出運動狀態和環境參數，例如前述實施 例，當開啟外加電線電流讀出加速度計值，接著關閉外加電線電流，可讀出外界磁場(環境磁場)之向量值(如地磁方向)，計算加速度須以外界磁場向量值為原點，由於兩者讀取時間間隔極短，具有參考意義，使一套模組可量出兩種物理量，例如：運動感測器2a所量測到加速度以及環境磁場、運動感測器2b所量測到之轉動量以及環境磁場或者是環境感測器3、3a、3b與3c所量測到氣體內特定成份含量與環境磁場，進而達到節省空間的設計，或者改變設計排列使自然屏蔽外界磁場(電橋變化對稱)，單純只讀取加速度計值，而無需校正原點，是故可以根據使用者的需求而定設計，並不以前述所例示為限。此外，要說明的是圖11中的各個運動與環境感測器2a、2b、3、3a、3b與3c中的導電線30可以統一控制通/斷電或者是個別獨立控制通/斷電，其係可以根據需求而定而無一定的限制。

本發明前述所列示的各種運動或/及環境感測器的實施例，可以設置在智慧型可攜式裝置，例如：智慧型手機，或者是穿戴式裝置，例如：手錶或手環等。此外，運動與環境感測器也可以作為固定式的設計，安裝在室內空間，如：辦公室、教室等公共場所內。在另一實施例中，運動與環境感測器可以設置在可以動的載具，例如飛行機具、路行機具或者是航海以及潛水機具等。其應用領域多元，可以根據使用者的需求而定，並不以前述所例示的位置為限。因本發明之特色為幾乎同步測得數個感測裝置資料，同時比對及運算出，實際運動與環境狀態，大大提升應用的便利性。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆 為本發明專利範圍所涵蓋。

2‧‧‧運動感測器

20‧‧‧導電線

21‧‧‧磁性感測模組

22‧‧‧罩體

23‧‧‧運算處理器

90‧‧‧流體

Claims (19)

1. 一種具有磁性感測機制的運動感測器，包括有：一磁場產生部，用以產生一磁場；一磁性感測模組，設置在該磁場產生部的一側；以及一罩體，形成於該磁性感測模組上，該罩體內具有一流體，藉由該磁場形成一空間磁通密度；其中，該運動感測器藉由一外力產生運動，而改變該罩體內該流體的濃度分佈，進而改變該空間磁通密度之分佈，而被該磁性感測模組偵測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該流體為順磁性流體、具有磁性的流體、含磁性物質之流體、抗磁流體或含抗磁性物質之流體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該順磁性流體包括有氧氣和至少一氣體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該外力為重力。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該磁性感測模組為常磁阻感測器、巨磁阻感測器、超巨磁阻感測器、異向磁阻感測器、穿隧磁阻效應感測器、霍爾感測器、線圈磁感測器或通量閘感測器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其係更具有一運算處理器用以根據該磁性感測模組所產生的關於該空間磁通密度之複數個磁性訊號，決定出該運動感測器之至少一維度的運動狀態。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該磁性感測模組更包括有：具有一對第一端部以及一對第二端部之十字形磁性感測單元、一第一磁性感測單元以及一第二磁性感測單元，該十字形磁性感測單元之每一第一端部具有一對磁性感測元件，該第一磁性感測單元具有構成惠斯通電橋的第一磁性感測元件，其係設置於其該對第一端部之外圍，該第二磁性感測單元具有構成惠斯通電橋的第二磁性感測元件，設置於該對第二端部之外圍。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該罩體內的空間更分成一十字形隔間，在其四個角落更分別具有四個隔間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該磁性感測模組更包括有具有一對第一軸磁性感測單元以及一對第二軸磁性感測單元，其中之一第一軸與第二軸磁性感測單元設置於該十字形隔間內，另一第一軸磁性感測單元具有構成惠斯通電橋之磁性感測元件，分別設置於四個隔間中平行第二軸向之位置，另一第二軸磁性感測單元具有構成惠斯通電橋之磁性感測元件，分別設置於四個隔間中平行第一軸向之位置。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁性感測機制的運動感測器，其中該磁場產生部為藉由通電產生該磁場的導電線或者是永久磁性物質。
11. 一種具有磁性感測機制的環境感測器，包括有：一磁場產生部，用以產生一磁場；一磁性感測模組，設置於該磁場產生部的一側且具有一第一區域以及一第二區域，該第一區域通過有一待測流體，藉由該磁場而於該第一區域形成 一空間磁通密度，該磁性感測模組用以感測該第一區域的空間磁通密度；以及一第一參考結構，覆蓋於該第二區域上，該第一參考結構具有一參考物質，該磁性感測模組感測關於該第一參考結構之一參考磁場。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該第一參考結構為一實心結構、具有一容置空間的封閉結構，或與外界相通的半封閉結構。
13. 如申請專利範圍第12項所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該封閉結構內具有一參考流體。
14. 如申請專利範圍第13項所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該參考流體為抗磁性物質。
15. 如申請專利範圍第11所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該第一區域上更具有與該第一參考結構高度不同之一第二參考結構。
16. 如申請專利範圍第11之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該第一參考結構，其內具有一空間，該第一參考結構之表面上更具複數個通孔與該空間相連通，其中該待測流體經由該複數個通孔流入該空間以形成該參考流體。
17. 如申請專利範圍第11之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該第一區域上更具有複數個凸部結構，相鄰的凸部結構具有一間距或有一孔洞表面。
18. 如申請專利範圍第11項所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其係更具有一運算處理器用以根據該參考磁場以及該第一區之空間磁通密度決定該待測流體所含之特定物質的濃度。
19. 如申請專利範圍第11項所述之具有磁性感測機制的環境感測器，其中該磁場產生部為藉由通電產生該磁場的導電線或者是永久磁性物質。