两用共振型磁力计制造技术

本发明专利技术揭示一种磁力计与加速度计两用共振型磁力计，包括：侦测器结构体，具有质量块及位移侦测电极；电容电压转换器及放大器，用于将侦测电极侦测结果，转变成电压信号，作为该磁力计的输出信号；一振动驱动电路，将该输出信号以电流型态提供予该质量块，用于驱动该质量块产生振动；及一选择电路，用于选择使该磁力计提供磁场量测功能或加速度量测功能。该振动驱动电路可为比较器。该选择电路可以一滤波器取代，连接该转换器电路的输出，以供选择该输出信号的频段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种两用共振型磁力计，特别是关于一种不须外接震荡器，且可用以量测加速度的共振型磁力计。
技术介绍
微型磁力计是一种广泛应用在例如智能型手机、穿戴型装置及物联网装置(Internet of Things–IOT–devices)的组件。微型磁力计也可以应用在其他工程、科学及工业应用领域。为能在现代的应用上提供磁力量测的功能，微型磁力计必须高度集积化，低耗电且能提供正确的磁力/磁场量测。在各种微型磁力计中，应用罗伦兹力(the Lorentz forces)原理制作的磁力计，较合于实用。因为这种微型磁力计可以标准的CMOS制程制作。此外，共振型磁力计，亦即在共振频率下工作的磁力计，可以提供相对较高的敏感度，且侦测器所产生的反应可以利用依照其质量因子(quality factor–Q-factor或Q值)所设计的放大器放大，故可提供较强的输出信号与较佳的讯号噪声比。在此条件下，新型的微型磁力计结构，都是应用罗伦兹力原理，在其共振频率下工作。应用罗伦兹力的磁力计基本上包括一质量块，以弹簧悬吊在结构上或基板上。对该质量块提供一定电流，该电流与存在地球的磁场或其他磁性物体发出的磁场(magnetic field)发生交互作用，会产生罗伦兹力，将该质量块向垂直于该电流方向及该磁力方向的方向移动。侦测用电极通常形成梳形或指状，与该质量块边缘形成的梳形或指状
交错，并维持一距离；两者间等同一电容。该侦测用电极可侦测到因质量块移动，导致质量块与侦测用电极间的相对位置变化，产生的电容值变化，而产生侦测信号。该侦测信号经过转变成电压形式并放大后，作为输出信号。所产生的输出信号代表该质量块在磁力影响下的位移方向与位移量，可据以计算出该磁力值。共振型磁力计的架构与工作原理基本上上述罗伦兹力磁力计相同，但在操作时，使用一驱动电路将一固定值的电流信号提供到该磁力块。该电流信号的频率与该质量块的机械共振频率相同，用于驱动该质量块以其共振频率振动。当该质量块在其共振频率下振动时，撷取该质量块因罗伦兹力而产生的位移以及位移量，可以据以计算该质量块所受到的磁场。其信号强度高于非共振型罗伦兹力磁力计数个数量级。已知的共振型磁力计大多需使用一外接震荡器，以驱动该微机电磁力计的质量块在其共振频率下振动。在这种先前技术中，是使用一外接震荡器，产生一固定频率的震荡信号，以驱动该磁力计的质量块振动，并将其振动频率锁定在其共振频率。关于这种外接式震荡器的应用以及该质量块在其共振频率下振动，用于侦测当地磁场的技术，可参考Dominguez-Nicolas所发表的「Signal Conditioning System With a 4–20mA Output for a Resonant Magnetic Field Sensor Based on MEMS Technology」一文，刊登在Sensors Journal,IEEE,Vol.12,No.5,pp.935-942,May 2012。已知的共振型磁力计使用外接震荡器虽可驱动该微机电磁力计
的质量块在其共振频率下振动，但该外接震荡器的设置不但会提高磁力计的制作成本与体积，更会造成该共振结构校正上的困难。主要原因是组件制程本身的不稳定性会使各震荡器的共振结构的共振频率发生变化，无法达成一致。因此，磁力计在使用之前，必须经过调校，才能使各个磁力计都能在其共振频率下振动，并锁定到该频率。此外，微机电侦测器的高Q值同时也代表该侦测器作为震荡器的频率响应带宽相当狭窄。例如，如果微机电侦测器的共振频率为1kHz，其Q值为10,000，则其频率响应的带宽只有1000/10000＝0.1Hz。这种特性使得该外接震荡器必须具备高度的频率稳定性，使其能够提供数百ppm级的稳定性。不但如此，该共振驱动用频率稳定性也会直接影响其振幅，进而影响所得信号的分辨率。此外，应用罗伦兹力的磁力计可以用来量测加速度，为已知的技术。简言之，这种磁力计在对质量块提供定电流时，电流会与地磁或其他磁场作用，产生罗伦兹力。但如不对该质量块提供电流，该质量本身在加速度作用下，也会发生位移。由于该磁力计本身即具有量测该质量块的位移量与位移方向的功能，在无罗伦兹力作用下量得的质量块位移量与位移方向，即可用来计算该质量块的加速度。不过，如何控制该磁力计，以分别提供磁场与加速度的量测功能，则有赖针对不同磁力计架构，提供特殊设计的控制电路。因此，目前业界亟须提供一种两用共振型磁力计的新颖结构，以提供稳定的共振频率。同时也需要提供一种新颖的两用共振型磁力计结构，可以选择性
的提供磁场与加速度的量测功能，并将其共振结构锁定在其共振频率。同时也需要提供一种不需使用外接震荡器的两用共振型磁力计。同时也需要有一种能正确选择提供磁场与加速度的量测功能的两用共振型磁力计。
技术实现思路
本专利技术提供一种不需使用外接震荡器的两用共振型磁力计，可以选择性的提供磁场与加速度的量测功能。根据本专利技术的两用共振型磁力计，乃是包括：一侦测器结构体，一转换器电路及一振动驱动电路。其中，该侦测器结构体具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧，用于侦测该质量块在特定方向的位移量。该转换器电路连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号。该转换器电路可包括一放大器，用于将该电容电压转换器输出的电压信号放大，输出放大后之侦测信号。该转换器电路的输出信号可提供后级计算电路根据该位移侦测电极所侦测到的位移量，计算一磁场磁力值或一加速度值。该振动驱动电路连接该转换器电路的输出，将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，用于驱动该质量块产生振动。该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向。在本专利技术的一种实施例中，该两用共振型磁力计另包括一选择电
路，连接该振动驱动电路，以选择性的停止该振动驱动电路供应该驱动电流到该质量块。在本专利技术的一种实施例中，该磁力计的转换器电路包括一带通滤波器，用于从该侦测信号中滤出对应于磁场强度的信号成分，以及一低通滤波器，用于从该侦测信号中滤出对应于加速度的信号成分。在本专利技术之较佳实例中，该振动驱动电路可包括一比较器电路，其输入为该放大器的输出，以及一参考电位，用于输出该放大器输出信号与该参考电位的比较结果，作为该质量块的振动驱动信号。该振动驱动电路的输出提供至该侦测器结构体的质量块，用于驱动该质量块振动。该振动的频率即为该质量块的共振频率。该质量块的振幅随时间加大，经过短暂的时间后达成稳定。该在本专利技术的较佳实例中，该参考电位为接地电位。如该两用共振型磁力计配备选择电路，当该选择电路未停止该振动驱动电路的操作时，该转换器电处输出的侦测信号即代表该质量块在罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块在特定方向所受的磁场；当该选择电路停止该振动驱动电路的操作时，该转换器电处输出的侦测信号即代表该质量块在无罗伦兹力影响下的位移量及位移方向，可据以计算当时该质量块运动的加速度。如该两用共振型磁力计配备该带通滤波器与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两用共振型磁力计，包括：一侦测器结构体，具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧；一转换器电路，连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号，作为该两用共振型磁力计的输出信号；一振动驱动电路，连接该转换器电路的输出，以将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，作为振动驱动信号，用于驱动该质量块产生振动；及一选择电路，用于选择性的停止该振动驱动电路供应该驱动电流到该质量块；其中，该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向。

【技术特征摘要】
2014.09.18 TW 1031322201.一种两用共振型磁力计，包括：一侦测器结构体，具有一质量块，悬浮于该侦测器结构体；两组位移侦测电极，配置在该侦测器结构体上，该质量块所在平面上的第一方向X两侧；一转换器电路，连接该侦测器结构体的位移侦测电极，用于将由该位移侦测电极所输出的侦测结果，转变成电压信号，作为该两用共振型磁力计的输出信号；一振动驱动电路，连接该转换器电路的输出，以将该输出以电流型态提供予该侦测器结构体内的质量块，作为振动驱动信号，用于驱动该质量块产生振动；及一选择电路，用于选择性的停止该振动驱动电路供应该驱动电流到该质量块；其中，该振动驱动电路提供的电流以一第二方向Y流经该质量块；该第二方向Y为在该质量块所在平面上，与该第一方向X直交的方向。2.根据权利要求1所述的两用共振型磁力计，其中，该振动驱动电路包括一比较器电路，其输入为该放大器的输出，以及一参考电位，用于输出该放大器输出信号与该参考电位的比较结果，作为该质量块的振动驱动信号。3.根据权利要求2所述的两用共振型磁力计，其中，该参考电位为接地电位。4.根据权利要求1、2或3所述的两用共振型磁力计，其中，该
\t侦测器结构体的质量块是以弹簧悬吊在该侦测器结构体上，该弹簧悬吊之处形成两电极；该振动驱动电路经由该电极对该质量块供应该第二方向Y的电流。5.根据权利要求1、2或3所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块两侧伸出多个的指状突出，该位移侦测电极在相对于该指状突出的一侧，也各延伸出多个指状突出，且该位移侦测电极的指状突出分别与对应的质量块的指状突出沿该Y方向交错配置。6.根据权利要求1、2或3所述的两用共振型磁力计，其中，该质量块与位移侦测电极均包括一层或数层金属层，以及包覆该金属层或界接两金属层的介电层。7.根据权利要求1、2或3所述的两用共振型磁力计，其中，该转换器电路包括一放大器，用于将该位移侦测电极所输出的侦测信号放大。8.根据权利要求1、2或3所述的两用共振型磁力计，其中，该转换器电路包括一带通滤波器，以滤出该位移侦测电极侦测信号中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：温瓌岸，张嘉夆，
申请(专利权)人：硕英股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71