TWI591343B - 感測裝置 - Google Patents

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Description

感測裝置
本發明係關於訊號感測裝置，更係關於應用於微機電系統的加速度感測裝置。
第1圖為習知運用於微機電系統(micro-electromechanical system，MEMS)中之位移加速計(displacement accelerometer)100。如第1圖所示，此加速計100係以彈簧120將標準質量塊(proof mass)110懸置於基質(圖未示)上。位移加速計100係用以量測標準質量塊110在一輸入軸X方向上因加速度而產生之位移。
然而，習知的加速計所採用之讀取電路皆難以和其他諸如溫度感測器、壓力感測器等之讀取電路互相整合以節省微機電系統中晶片所佔用的空間。
因此，需要一種適用於微機電系統的新式感測裝置，能夠在量測加速度之餘，亦能兼作其他感測器之用，進而達到縮減多功能感測裝置尺寸之效果。
本發明提供一種感測裝置。該感測裝置包括一加速度感測單元，用以量測施加於一質量塊上之一加速度，更包括：該質量塊；一載波訊號源，用以提供一載波；一電容性半橋，包括一第一電容及一第二電容，其中該第一電容與該第二電容分別以相反的電極耦接至該質量塊及該載波 訊號源，其中施加於該質量塊上之該加速度使得該載波在其流經的該第一電容及該第二電容上分別產生反相的一第一電壓變化及一第二電壓變化；以及一儀表放大器，用以接收並放大該第一電壓變化及該第二電壓變化，藉以判讀施加於該質量塊上之該加速度之大小與方向。
下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。
第2圖為依據本發明一實施例之感測裝置200示意圖。本發明提供一應用於微機電系統之感測裝置，其主要目的在於量測加速度，因此，該感測裝置200包括一質量塊212，其構造可參照第1圖所示，當外力在輸入軸X方向使該質量塊212產生一加速度時，會使該質量塊212發生位移。
值得注意的是，本發明係採用電容性加速度感測元件214作為量測該質量塊212位移輸入之界面，其耦接於該質量塊212以及後述的讀取電路之間。使用該電容性位置感測元件的目的，在於其非常適合與後述讀取電路整合。本發明中，該電容性加速度感測元件214可等效為一電容性半橋(capacitive half-bridge)，如圖中所示，該電容性半橋可由一第一電容CS+與一第二電容CS-所組成。
第2圖中之載波訊號源216，用以提供一載波，在本 實施例中，該載波為一電壓弦波訊號，具有振幅Vm及頻率f。上述的該第一電容CS+與該第二電容CS-分別以相反的電極耦接至該質量塊212及該載波訊號源216，如圖中所示。在一理想實施例中，該第一電容CS+與該第二電容CS-可互相匹配，此即表示兩者具有相同的電容值CS。在此實施例中，當一加速度使該質量塊212發生位移時，會得該第一電容CS+與該第二電容CS-之電容值發生反相的變化，意即使該第一電容CS+與該第二電容CS-之其中一者增加了△CS/2，而另一者減少了△CS/2。同時，該載波會在其流經的該第一電容CS+與該第二電容CS-上分別產生反相的一第一電壓變化Vout+及一第二電壓變化Vout-。舉例而言，若與該電容性加速度感測元件214輸出耦接的後述讀取電路具有輸入電容值Ci，且電容性加速度感測元件214與該讀取電路間之寄生電容相對於上述電容非常大而可被忽略時，則該第一電壓變化Vout+及該第二電壓變化Vout-可分別表示為增加△Vm×△CS/2△Ci，以及減少了△Vm×△CS/2△Ci。
本發明中，與電容性加速度感測元件214耦接的讀取電路係一儀表放大器(instrumentation amplifier)218，用以接收並放大該第一電壓變化Vout+及該第二電壓變化Vout-，藉以判讀施加於該質量塊212上之該加速度之大小與方向。其中該儀表放大器包括一第一運算放大器A1、一第二運算放大器A2、一第三運算放大器A3、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4、一第五電阻R5、一第六電阻R6、一第七電阻R7，該第一運算放大器 A1包括一第一正端輸入、一第一負端輸入、以及一第一輸出，其中該第一正端輸入用以接收該第一電壓變化Vout+。該第二運算放大器A2包括一第二正端輸入、一第二負端輸入、以及一第二輸出，其中該第二正端輸入用以接收該第二電壓變化Vout-。該第三運算放大器A3包括一第三正端輸入、一第三負端輸入、以及一第三輸出。該第一電阻R1耦接於該第一負端輸入與該第一輸出之間；該第二電阻R2耦接於該第二負端輸入與該第二輸出之間；該第三電阻R3耦接於該第三負端輸入與該第三輸出之間；該第四電阻R4耦接於該第三正端輸入與一接地端之間；該第五電阻R5耦接於該第一輸出與該第三負端輸入之間；該第六電阻R6耦接於該第二輸出與該第三正端輸入之間；而該第七電阻R7耦接於該第一負端輸入與該第二負端輸入之間。在此實施例中，該第一電阻R1必須與該第二電阻R2互相匹配(舉例而言，具有相同的電阻值Rf)、該第三電阻R3與該第四電阻R4互相匹配(舉例而言，具有相同的電阻值Ry)、而該第五電阻R5與該第六電阻R6互相匹配(舉例而言，具有相同的電阻值Rx)。當第七電阻具有電阻值Rg時，此實施例之儀表放大器輸出可表示為： 在另一實施例中，可進一步將上述第四電阻移除以節省電路元件(圖未示)，此時，之儀表放大器輸出則可表示為： 經由儀表放大器之作用，即可判斷出施加於該質量塊212 上之加速度之大小與方向。
習知技術無法將儀表放大器應用於加速計之中，然而，本發明利用電容性加速度感測元件214作為質量塊212與儀表放大器218之界面，藉以克服先前技術中無法與其他感測裝置共用讀取電路之缺陷。此外，儀表放大器具有低雜訊之特性，非常適合作為各種感測訊號之讀取電路。綜上所述，本發明之感測裝置200中移除第四電阻之儀表放大器218，不僅限於量測加速度訊號，更可用來量測其他感測訊號。舉例而言，在一實施例中，移除第四電阻之儀表放大器218除了讀取電容性加速度感測元件214外，以切換方式讀取另一溫度感測元件(圖未顯示)，用以量測溫度變化。該感測裝置200亦可包括一壓力感測元件(圖顯未示)，用以量測壓力變化，或者，更包括一紅外線感測元件(圖未顯示)，用以偵測紅外線。上述不論溫度感測元件、壓力感測元件或紅外線感測元件，皆可與該電容性加速度感測元件214共用該儀表放大器，不同的感測單元與儀表放大器間的連接採用各種開關進行控制及選擇，藉以達成節省微機電感測系統尺寸之效果。上述的各種感測單元僅為例示，並不用於限制本發明，熟悉本技藝人士可依照本發明之精神自行選用所需的感測元件，並將之與加速度感測單元予以整合。
為了進一步降低雜訊並增高感測裝置200之敏感度，在一較佳實施例中，本發明可另外再包括一混波器及一低通濾波器，如第3圖所示。其中，該混波器310耦接至該 儀表放大器218之輸出，而該低通濾波器320耦接至該混波器310之輸出。舉例而言，若儀表放大器218之輸出訊號約為500kHz，而背景雜訊約在10kHz左右，則該混波器310可另外混合一499kHz的參考訊號，並將該499kHz的參考訊號分別與上述500kHz的輸出訊號及10kHz的背景雜訊相減，而產生混頻後的1kHz輸出訊號以及混頻後的489kHz背景雜訊。最後，該低通濾波器320可將低頻的1kHz輸出訊號予以保留，並將高頻的489kHz背景雜訊予以濾除。前述之混波器310及濾波器320僅為例示，熟悉本技藝人士可採用各種形態及數量電子元件，並以各種適當之組合達成相同之功效。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
100‧‧‧加速計
120‧‧‧彈簧
110‧‧‧標準質量塊
200‧‧‧感測裝置
212‧‧‧質量塊
214‧‧‧電容性加速度感測元件
216‧‧‧載波訊號源
218‧‧‧儀表放大器
310‧‧‧混波器
320‧‧‧低通濾波器
A1~A3‧‧‧運算放大器
R1~R7‧‧‧電阻
CS+‧‧‧第一電容
CS-‧‧‧第二電容
第1圖為習知運用於微機電系統中之位移加速計100。
第2圖為依據本發明一實施例之感測裝置200示意圖。
第3圖為依據本發明一實施例之混波器與低通濾波器示意圖。
200‧‧‧感測裝置
212‧‧‧質量塊
214‧‧‧電容性加速度感測元件
216‧‧‧載波訊號源
218‧‧‧儀表放大器
310‧‧‧混波器
320‧‧‧低通濾波器
A1~A3‧‧‧運算放大器
R1~R7‧‧‧電阻
CS+‧‧‧第一電容
CS-‧‧‧第二電容

Claims (11)

  1. 一種感測裝置，包括：一加速度感測單元，用以量測施加於一質量塊上之一加速度，更包括：該質量塊；一載波訊號源，用以提供一載波；一電容性半橋，包括一第一電容及一第二電容，其中該第一電容與該第二電容分別以相反的電極耦接至該質量塊及該載波訊號源，其中施加於該質量塊上之該加速度使得該載波在其流經的該第一電容及該第二電容上分別產生反相的一第一電壓變化及一第二電壓變化；以及一儀表放大器，用以接收並放大該第一電壓變化及該第二電壓變化，藉以判讀施加於該質量塊上之該加速度之大小與方向，其中該儀表放大器包括：一第一運算放大器，更包括：一第一正端輸入，用以接收該第一電壓變化；一第一負端輸入；以及一第一輸出；一第二運算放大器，更包括：一第二正端輸入，用以接收該第二電壓變化；一第二負端輸入；以及一第二輸出；一第三運算放大器，更包括： 一第三正端輸入；一第三負端輸入；以及一第三輸出；一第一電阻，耦接於該第一負端輸入與該第一輸出之間；一第二電阻，耦接於該第二負端輸入與該第二輸出之間；一第三電阻，耦接於該第三負端輸入與該第三輸出之間；一第五電阻，耦接於該第一輸出與該第三負端輸入之間；一第六電阻，耦接於該第二輸出與該第三正端輸入之間；以及一第七電阻，耦接於該第一負端輸入與該第二負端輸入之間，其中該第三正端輸入只連接至該第六電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該第一電容與該第二電容互相匹配。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該第一電阻與該第二電阻互相匹配，而該第五電阻與該第六電阻互相匹配。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之感測裝置，其中該儀表放大器係接收並放大該第一電壓變化及該第二電壓變化以產生一輸出，藉以判讀施加於該質量塊上之該加速度之 大小與方向，且該儀表放大器所產生之該輸出係表示為 其中Vo該儀表放大器所產生之該輸出、Rf為該第一電阻與該第二電阻之電阻值、Ry為該第三電阻之電阻值、Rx為該第五電阻與該第六電阻之電阻值、Rg為該第七電阻之電阻值、Vout+為該第一電壓變化，而Vout-為該第二電壓變化。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測裝置更包括一溫度感測單元，用以量測溫度變化，並與該加速度感測單元共用該儀表放大器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測裝置更包括一壓力感測單元，用以量測壓力變化，並與該加速度感測單元共用該儀表放大器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測裝置更包括一紅外線感測單元，用以偵測紅外線，並與該加速度感測單元共用該儀表放大器。
  8. 一種感測裝置，包括：一加速度感測單元，用以量測施加於一質量塊上之一加速度，更包括：該質量塊；一載波訊號源，用以提供一載波；一電容性半橋，包括一第一電容及一第二電容，其中該第一電容與該第二電容分別以相反的電極耦接至該質量塊及該載波訊號源，其中施加於該質量塊上之該加速度使 得該載波在其流經的該第一電容及該第二電容上分別產生反相的一第一電壓變化及一第二電壓變化；一儀表放大器，用以接收並放大該第一電壓變化及該第二電壓變化，藉以判讀施加於該質量塊上之該加速度之大小與方向；以及一混波器及一低通濾波器，用以濾除該感測裝置中發生的雜訊，其中該混波器耦接至該儀表放大器之輸出以及一參考訊號，其中該儀表放大器之輸出具有一第一頻率，並且該參考訊號具有不同於該第一頻率之一第二頻率，而該低通濾波器耦接至該混波器之輸出。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之感測裝置，其中該混波器將該參考訊號與該儀表放大器之輸出相減，以產生一混頻後的輸出，並且將該參考訊號與具有一第三頻率之一背景雜訊相減，以產生一混頻後的背景雜訊，其中該混頻後的輸出具有一第四頻率，而該混頻後的背景雜訊具有一第五頻率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中該低通濾波器濾除該混頻後的背景雜訊，並保留該混頻後的輸出。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中該第一頻率大於該第二頻率，並且該第四頻率為該第一頻率減去該第二頻率。
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