TW201310005A - 慣性感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種慣性感測裝置，其包含一基板、一第一慣性感測單元與一第二慣性感測單元。第一慣性感測單元，連接於基板上，並具有一容置空間，第二慣性感測單元連接於基板上，並設置於第一慣性感測單元之容置空間內，其中，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元除分別連接於基板之外，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元均各自獨立互不相連，且分別獨立感測慣性感測裝置之至少一慣性運動。如此，本發明係藉由第二慣性感測單元設置於第一慣性感測單元的容置空間內，並分別獨立感測慣性感測裝置的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置的面積，進而節省晶片整體的體積，以及避免兩慣性感測裝置互相影響而降低感測精確度。

Description

慣性感測裝置

    本發明係有關於一種慣性感測裝置，其係尤指一種可節省整體晶片面積以及提高感測精確度的慣性感測裝置。

    按，現今消費電子的行業中，為了提高電子產品的功能，所以需要設置能夠精確量測慣性運動的感測裝置，例如加速度或角速度之物理量的慣性感測單元。一般而言，任何方向上的加速度以及任何旋轉方向上的角速度會作用於在三維空間中自由移動的一物件。因此，為精確掌握該物件之運動，必須測量沿XYZ三維座標系統之各座標軸線的加速度以及圍繞各座標軸線的角速度。因此，需要具有緊湊尺寸及高精度且採用低製造成本的慣性感測裝置。
    承上所述，加速度計係用以量測外力所引起之加速度值，其係應用於很多領域，例如車輛自動安全系統以收集有關車輛動能以及作用於車輛之外力等資訊。再者，現今各種電子產品快速發展的情況，人機互動介面的進步實為背後主要推手之一，即透過人體直覺性的操作模式，例如在翻轉電子產品而造成螢幕的切換，將使操作介面相對簡化並能增進使用者體驗，同時透過感測人體動作，將可達成進階的遊戲體驗。上述大多數的電子產品皆以慣性感測裝置，例如加速度計來達成此一功能，藉由一外力的施加造成機械結構型變後，使用各種感測方式來反推其外力大小。由於微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技術的發展，利用半導體技術整合機械元件與電路，製造出微加速度計，可具有低成本、體積與重量降低與產品可靠度提升等優點。
    微加速度計依據感測方式之不同可分為壓阻式、電容式與壓電式等等，其中電容式微加速度計係運用電容的改變量，推算加速度大小，而依據結構設計又可分為出平面(out of plane)與同平面(in plane)感測機制，出平面感測係利用大面積平行電極板感測，而同平面感測係利用交錯插設之梳狀電極作為感測方式。
    請參閱第一圖，係為習知技術之加速度感測裝置的結構示意圖。如圖所示，習知技術之加速度感測裝置1’包含一X軸加速度計10’、一Y軸加速度計20’與一Z軸加速度計30’。習知技術之加速度感測裝置1’為了同時感測XYZ三軸方向的加速度，而分別使用X軸加速度計10’、Y軸加速度計20’與Z軸加速度計30’，以分別感測X軸方向的加速度、Y軸方向的加速度與Z軸方向的加速度。然而，為了達成產品的競爭力，加速度計的縮小實為主要發展方向之一，除了價格的降低之外，也增加了置入手持式行動產品的彈性。而隨著體積縮小，Z軸加速度計之質量不對稱所造成的差異性將不明顯，以致於質量塊的位移量下降使得電容變化值減少，造成電容感測電路在偵測上的困難。
    而另一增加輸出訊號知方法為增加加速度計質量之大小，共同使用一塊較大之質量塊同時感測三個軸向之加速度值，現今的加速度感測裝置1’已有將三個加速度計整合在一起，並且三個加速計係連接在一起，以增加感應的效率，但由於三個加速度計連接在一起，則會因為三者會相互影響而容易有雜訊產生，進而影響其加速度感應的精確度。
    因此，針對上述問題而提出一種新穎慣性感測裝置，其可有效縮小慣性感測裝置整體晶片的面積，並可有效利用有限面積來增加感測能力的設計，使可解決上述之問題。

    本發明之目的之一，在於提供一種慣性感測裝置，其藉由一第二慣性感測單元設置於一第一慣性感測單元的一容置空間內，並分別獨立感測慣性感測裝置的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置的面積，進而節省慣性感測晶片整體的體積，且提高慣性感測裝置的感測精確度。
    本發明之目的之一，在於提供一種慣性感測裝置，其藉由第一慣性感測單元的容置空間容置第二慣性感測單元，而增加第一慣性感測單元之質量不對稱性，以增加了第一慣性感測單元的感測能力。
    本發明之慣性感測裝置包含一基板、一第一慣性感測單元與一第二慣性感測單元。第一慣性感測單元連接於基板上並具有一容置空間，第二慣性感測單元連接於基板上，並設置於第一慣性感測單元之容置空間內，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元除分別連接於基板之外，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元均各自獨立互不相連，且分別獨立感測慣性感測裝置之至少一慣性運動。如此，本發明係藉由第二慣性感測單元設置於第一慣性感測單元的容置空間內，並分別獨立感測慣性感測裝置的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置的面積，進而節省晶片整體的體積，且提高慣性感測裝置的感測精確度。
    再者，本發明之第一慣性感測單元與第二慣性感測單元為一加速度感測單元，慣性運動包含慣性感測裝置之一第一軸方向的加速度與一第二軸方向的加速度，第一慣性感測單元感測第一軸方向的加速度，第二慣性感測單元感測第二軸方向的加速度。如此，本發明可藉由第一慣性感測單元的容置空間容置第二慣性感測單元，而增加第一慣性感測單元之質量不對稱性，以增加第一慣性感測單元的感測能力。

    茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    請參閱第二圖、第三A圖與第三B圖，係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖、前視圖與動作示意圖。如圖所示，本發明之慣性感測裝置1包含一基板5、一第一慣性感測單元10與一第二慣性感測單元20。第一慣性感測單元10連接於基板5上，並具有一容置空間12，第二慣性感測單元20係連接於基板5上，並設置於第一慣性感測單元10之容置空間12內，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20除分別連接基板5之外，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20均各自獨立互不相連，且分別獨立感測慣性感測裝置1的至少一慣性運動。如此，本發明藉由第二慣性感測單元20設置於第一慣性感測單元10的容置空間12內，並分別獨立感測慣性感測裝置1的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置1的面積，進而節省慣性感測晶片整體的體積。並且本發明更藉由第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20除分別連接基板5之外，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20均各自獨立互不相連，而避免第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20間互相干擾，而提高慣性感測裝置1的感測精確度。
    此外，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20分別包含一第一固定件11與至少一第二固定件21(如第三A圖所示)，第一固定件11與第二固定件21係分別固定第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20於基板5，此外，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20除了與基板5連接之外，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20均各自獨立不相連，並分別獨立感測慣性感測裝置1之至少一慣性運動，如此，本發明藉由第二慣性感測單元20設置於第一慣性感測單元10的容置空間12內，並分別獨立感測慣性感測裝置1的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置1的面積，進而節省慣性感測晶片整體的體積，且提高慣性感測裝置1的感測精確度。
    於本實施中，第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20為一加速度感測單元，慣性運動包含慣性感測裝置1之一第一軸方向的加速度與一第二軸方向的加速度，所以，第一慣性感測單元10用以感測慣性感測裝置1之第一軸方向的加速度，第二慣性感測單元20用以感測慣性感測裝置之第二軸方向的加速度。此外，本發明之第一慣性感測單元10所感測第一軸方向的加速度與第二軸方向的加速度可為同一軸方向的加速度而不侷限於不同軸方向的加速度。
    承上所述，此實施例之第一慣性感測單元10所感測之第一軸方向的加速度為一Z軸方向的加速度，而第二慣性感測單元20所感測之第二軸方向的加速度為一X軸方向的加速度或一Y軸方向的加速度。此外，本實施例之慣性感測裝置1更可包含一第三慣性感測單元30。第三慣性感測單元30係設置於第一慣性感測單元10之一側，並第三慣性感測單元30亦為加速度感測單元，用以感測慣性感測裝置1之第三軸方向的加速度，於本實施例中，慣性感測裝置1用以感測XYZ三軸方向，則需要三個慣性感測單元，以分別感測XYZ三軸方向的加速度，第一慣性感測單元10為一Z軸的加速度感測單元，而第二慣性感測單元20可為一X軸的加速度感測單元，第三慣性感測單元30是一Y軸的加速度感測單元；或是第二慣性感測單元20為Y軸的加速度感測單元，而第三慣性感測單元30為X軸的加速度感測單元。其中，第一慣性感測單元10，第二慣性感測單元20與第三慣性感測單元30除分別連接於基板5之外，其餘各部份均各自獨立互不相連，且分別獨立感測慣性感測裝置1的慣性運動。
    請復參閱第三A圖與第三B圖，如圖所示，此實施例之慣性感測裝置1的第一慣性感測單元10為Z軸加速度感測單元，第一慣性感測單元10包含一質量塊14、一第一感測電容板18。質量塊14具有至少一組彈性元件15(例如彈簧)與容置空間12，彈性元件15係支撐質量塊14，而彈性元件15連接固定件11，容置空間12位於彈性元件15的一側，並且質量塊14位於基板5之上方，第一感測電容板18設置於基板5，並用以感測質量塊14的位移，而產生不同的電容值變化，以得知慣性感測裝置1的慣性運動。於此實施例中，容置空間12係位於彈性元件15之左方，當然也可設置於彈性元件15之右方，此為該技術具有通常知識者所容易推知，所以不再贊述。
    請一併參閱第三C圖與第三D圖，係為本發明之另一較佳實施例之慣性感測裝置的前視圖與動作示意圖。如圖所示，本實施例與第三A圖之實施例不同之處，在於本發明之第一慣性感測單元10更包含一第二感測電容板19。第一感測電容板18與第二感測電容板19感測質量塊14的位移而產生複數感測訊號，外部電路(圖中未示)依據該些感測訊號之差異，以得知Z軸方向的加速度。於此實施例中，第一感測電容板18與第二感測電容板19分別位於固定件11的二側，以感測質量塊14的位移而產生該些感測訊號。
    再者，彈性元件15設置於第一慣性感測單元10的質量塊14之中心的左側或右側，以增加質量不對稱性，以增加了第一慣性感測單元10的感測能力。由於本實施例之第一慣性感測單元10為Z軸加速度感測單元，其利用翹翹板的原理，即利用質量不平衡的結構的原理來達到感測Z軸加速度的目的，當外力施加於Z軸時，因為質量塊14上力矩不平衡的原理，位於感測單元10之質量較重的那一端會產生較大的位移，於本實施例中，位移較大那一端由於質量塊14與第二感測電容板19之間隙減少而導致第二感測電容板19感應電容值上升，位移較小的那一端之感測電容板(即第一感測電容板18)則反之，其感應電容值減少，如此，第一慣性感測單元10即可利用電容差分感測的電路(圖中未示)，分析出電容值差異的變化而推斷出加速度值的大小。因此，本發明係利用第一慣性感測單元10的容置空間12而增加力臂的長度，進而增加第一慣性感測單元10之質量不對稱性，以增加了第一慣性感測單元的感測能力。
    請復參閱第二圖，本發明之第二慣性感測單元20可為X軸加速度感應單元或Y軸加速度感測單元。於此實施例中，第二慣性感測單元20為X軸加速度感測單元，第二慣性感測單元20包含一質量塊22、複數感測元件24與複數彈性元件26。該些感測元件24呈一梳狀結構，並分別設置於質量塊22之二側邊，並感測質量塊22之位移量，以得知第二軸方向的加速度，該些彈性元件26係設置於質量塊22之二側邊，使質量塊22可以移動而讓該些感測元件24可感測質量塊22的位移量，以得知第二軸方向的加速度，由於本實施例之第二加速感測單元20係用以感測X軸方向的加速度，所以，該些彈性元件26係設置於質量塊22之左右二側，使該些感測元件24可感測質量塊22左右移動的位移量，以得知X軸方向的加速度。上述之第二慣性感測單元20的結構為該技術領域中具有通常知識者所皆知的技術，所以，於此將不再加以贊述。同理，第三慣性感測單元30之結構與第二慣性感測單元20的結構相同，僅差異於感測不同軸方向的加速度，故，於此不再加以贊述。
    請參閱第四圖，係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例與第二圖之實施例不同之處，在於本實施例之第一慣性感測單元10之容置空間12可同時容置第二慣性感測單元20與第三慣性感測單元30，而第一慣性感測單元10、第二慣性感測單元20與第三慣性感測單元30係分別獨立感測慣性感測裝置1的第一軸方向的加速度、第二軸方向的加速度與第三軸方向的加速度即XYZ三軸方向的加速度，以達到縮小慣性感測裝置的面積，進而節省晶片整體的體積。
    請參閱第五圖，係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例與上述的實施例不同之處，在於本實施例之第二慣性感測單元20為一複合式加速度感測單元，並容置於第一慣性感測單元10的容置空間12內，第二慣性感測單元20用以感測慣性感測裝置1的複數慣性運動，即第一慣性感測單元10用以感測第一軸方向的加速度，而第二慣性感測單元20用以感測第二軸方向的加速度與第三軸方向的加速度，於本實施例中，第一慣性感測單元10感測慣性感測裝置1的第一軸方向的加速度為Z軸方向的加速度，第二慣性感測單元20感測第二軸方向的加速度與第三軸方向的加速度為一X軸方向的加速度與Y軸方向的加速度。如此，本實施例藉由複合式第二慣性感測單元20設置於第一慣性感測單元10的容置空間12內，更能達到縮小慣性感測裝置1的面積，進而節省慣性感測晶片整體的體積，並且提高了慣性感測裝置1的感測精確度。
    請參閱第六圖，係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例與第二圖之實施例不同之處，在於本實施例之第二慣性感測元件20可設置一容置空間28，容置空間28可用以容置第三慣性感測元件30，即當第二慣性感測元件20為X軸加速度感測元件，而第三慣性感測單元30則為Y軸加速度感測元件時，可在第二慣性感測單元20設置容置空間28，並在容置空間28內容置第三慣性感測單元30，如此，亦可達到縮小慣性感測裝置1的面積，進而節省晶片整體的體積的目的。
    請參閱第七圖，係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例與上述之實施例不同之處，在於本實施例之第一慣性感測單元10之容置空間可容置一角度感測單元40，亦可達到達到縮小慣性感測裝置1的面積，進而節省晶片整體的體積的目的。其中，角度感測單元40為一陀螺儀。
    另外，本發明之第一慣性感測單元10與第二慣性感測單元20可為加速度感測單元或角度感測單元及其二者任意組合，也就是說，除了上述之實施例之外，第一慣性感測單元10可為角度感測單元，而第二慣性感測單元20為加速度感測單元，此為該領域具有通常知識者經由上述實施例而可輕易得知其他各種組合的可能性，所以，於此將不再加以贊述。
    綜上所述，本發明之慣性感測裝置係由第一慣性感測單元連接於基板上，並具有容置空間，第二慣性感測單元連接於基板上，並設置於第一慣性感測單元之容置空間內，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元除分別連接於基板之外，第一慣性感測單元與第二慣性感測單元均各自獨立互不相連，且分別獨立感測慣性感測裝置之至少一慣性運動。如此，本發明係藉由第二慣性感測單元設置於第一慣性感測單元的容置空間內，並分別獨立感測慣性感測裝置的慣性運動，以達到縮小慣性感測裝置的面積，進而節省晶片整體的體積，以及避免兩慣性感測裝置互相影響而降低感測精確度。
    本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。
    惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

習知技術：

1’．．．加速度感測裝置

10’．．．X軸加速度計

20’．．．Y軸加速度計

30’．．．Z軸加速度計

本發明：

1．．．慣性感測裝置

10．．．第一慣性感測單元

12．．．容置空間

14．．．質量塊

15．．．彈性元件

18．．．第一感測電容板

19．．．第二感測電容板

20．．．第二慣性感測單元

22．．．質量塊

24．．．感測元件

26．．．彈性元件

28．．．容置空間

30．．．第三加速度感測單元

40．．．角度感測單元

5．．．基板

第一圖係為習知技術之加速度感測裝置的結構示意圖；
第二圖係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖；
第三A圖係為本發明之一較佳實施例之慣性感測裝置的前視圖；
第三B圖係為第三A圖之慣性感測裝置的動作示意圖；
第三C圖係為本發明之另一較佳實施例之慣性感測裝置的前視圖；
第三D圖係為第三C圖之慣性感測裝置的動作示意圖；
第四圖係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；
第五圖係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；
第六圖係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；以及
第七圖係為本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。

1．．．慣性感測裝置

10．．．第一慣性感測單元

12．．．容置空間

14．．．質量塊

20．．．第二慣性感測單元

22．．．質量塊

24．．．感測元件

26．．．彈性元件

30．．．第三慣性感測單元

Claims (11)

1. 一種慣性感測裝置，其包含：
   一基板；
   一第一慣性感測單元，連接於該基板上，並具有一容置空間；以及
   一第二慣性感測單元，連接於該基板上，並設置於該第一慣性感測單元之該容置空間內；
   其中，該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元除分別連接於該基板之外，該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元均各自獨立互不相連，且分別獨立感測該慣性感測裝置之至少一慣性運動。
2.  如申請專利範圍第1項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元為一加速度感測單元，該慣性運動包含該慣性感測裝置之一第一軸方向的加速度與一第二軸方向的加速度，該第一慣性感測單元感測該第一軸方向的加速度，該第二慣性感測單元感測該第二軸方向的加速度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元感測該第一軸方向的加速度為一Z軸方向的加速度，而該第二慣性感測單元感測該第二軸方向的加速度為一X軸方向的加速度或一Y軸方向的加速度。
4. 如申請專利範圍第2項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元用以感測該第一軸方向的加速度為一X軸方向的加速度，而該第二慣性感測單元感測該第二軸方向的加速度為一Y軸方向的加速度。
5. 如申請專利範圍第2項所述之慣性感測裝置，其中該加速度感測單元包含：
   一質量塊，具有至少一組彈性元件與該容置空間，該組彈性元件支撐該質量塊，該容置空間位於該組彈性元件之一側，該質量塊位於該基板之上方；以及
   至少一感測電容板，設置於該基板，並感測該質量塊的位移所產生之電容變化，以得知該慣性測裝置的該慣性運動。
6. 如申請專利範圍第1項所述之慣性感測裝置，其更包含：
   一第三慣性感測單元，設置於該第一慣性感測單元之該容置空間內，並獨立感測該慣性感測裝置之該慣性運動;
   其中，該第一慣性感測單元，該第二慣性感測單元，與該第三慣性感測單元除分別連接於該基板之外,其餘各部份均各自獨立互不相連,且分別獨立感測該慣性感測裝置的慣性運動。
7. 如申請專利範圍第1項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元為一加速度感測單元或一角度感測單元。
8. 一種慣性感測裝置，其包含：
   一基板；
   一第一慣性感測單元，連接該基板，具有一容置空間；以及
   一第二慣性感測單元，用以感測該慣性感測裝置的複數慣性運動，並連接該基板，且設置於該第一慣性感測單元之該容置空間內；
   其中，該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元除分別連接於該基板之外，該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元均各自獨立互不相連，且分別獨立感測該慣性感測裝置之該慣性運動。
9. 如申請專利範圍第8項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元為一加速度感測單元或一角度感測單元。
10. 如申請專利範圍第8項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元與該第二慣性感測單元為一加速度感測單元，該慣性運動包含該慣性感測裝置之一第一軸方向的加速度、一第二軸方向的加速度與一第三軸方向的加速度，該第一慣性感測單元感測該第一軸方向的加速度，該第二慣性感測單元感測該第二軸方向的加速度與該第三軸方向的加速度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之慣性感測裝置，其中該第一慣性感測單元感測該第一軸方向的加速度為一Z軸方向的加速度，而該第二慣性感測單元感測該第二軸方向的加速度與第三軸方向的加速度為一X軸方向的加速度與一Y軸方向的加速度。