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专利名称：传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号传感装置，特别涉及应用于微机电系统的加速度传感装置。
背景技术：
图I为现有运用于微机电系统(micro-electromechanical system,MEMS)中的位移加速计(displacement accelerometer) 100。如图I所不，此加速计100是以弹簧120将标准质量块(proof mass) 110悬置于基质(图未示)上。位移加速计100是用以量测标准质量块110在一输入轴X方向上因加速度而产生的位移。然而，现有的加速计所采用的读取电路皆难以和其它诸如温度传感器、压力传感 器等的读取电路互相集成以节省微机电系统中芯片所占用的空间。因此，需要一种适用于微机电系统的新式传感装置，能够在量测加速度之余，也能兼作其它传感器之用，进而达到缩减多功能传感装置尺寸的效果。

发明内容
本发明提供一种传感装置。该传感装置包括一加速度传感单元，用以量测施加于一质量块上的一加速度，还包括该质量块；一载波信号源，用以提供一载波；一电容性半桥，包括一第一电容及一第二电容，其中该第一电容与该第二电容分别以相反的电极I禹接至该质量块及该载波信号源，其中施加于该质量块上的该加速度使得该载波在其流经的该第一电容及该第二电容上分别产生反相的一第一电压变化及一第二电压电变化；以及一仪表放大器，用以接收并放大该第一电压变化及该第二电压变化，藉以判读施加于该质量块上的该加速度的大小与方向。


图I为现有运用于微机电系统中的位移加速计100 ；图2为依据本发明一实施例的传感装置200示意图；图3为依据本发明一实施例的混频器与低通滤波器示意图。100 加速计；120 弹簧；110 标准质量块；200 传感装置；212 质量块；214 电容性加速度传感组件；216 载波信号源；218 仪表放大器；310 混频器；320 低通滤波器;A1 A3 运算放大器；R1 R7 电阻；CS+ 第一电容；CS_ 第二电容。
具体实施例方式下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以后附的权利要求项为准。图2为依据本发明一实施例的传感装置200示意图。本发明提供一应用于微机电系统的传感装置，其主要目的在于量测加速度，因此，该传感装置200包括一质量块212，其构造可参照图I所示，当外力在输入轴X方向使该质量块212产生一加速度时，会使该质量块212发生位移。值得注意的是，本发明是采用电容性加速度传感组件214作为量测该质量块212位移输入的接口，其耦接于该质量块212以及后述的读取电路之间。使用该电容性位置传感组件的目的，在于其非常适合与后述读取电路集成。本发明中，该电容性加速度传感组件214可等效为一电容性半桥(capacitive half-bridge),如图中所示，该电容性半桥可由一第一电容Cs+与一第二电容Cs_所组成。图2中的载波信号源216,用以提供一载波,在本实施例中，该载波为一电压弦波信号，具有振幅Vm及频率f。上述的该第一电容Cs+与该第二电容Cs_分别以相反的电极耦接至该质量块212及该载波信号源216，如图中所示。在一理想实施例中，该第一电容Cs+与该第二电容Cs_可互相匹配，此即表示两者具有相同的电容值Cs。在此实施例中，当一加速度使该质量块212发生位移时,会得该第一电容Cs+与该第二电容Cs_的电容值发生反相的变化，意即使该第一电容Cs+与该第二电容Cs_的其中一者增加了 Δ Cs/2,而另一者减少了ACs/2。同时,该载波会在其流经的该第一电容Cs+与该第二电容Cs_上分别产生反相的一 第一电压变化Vwt+及一第二电压变化V。*。举例而言，若与该电容性加速度传感组件214输出耦接的后述读取电路具有输入电容值Ci,且电容性加速度传感组件214与该读取电路间的寄生电容相对于上述电容非常大而可被忽略时，则该第一电压变化Vwt+及该第二电压变化ν__可分别表示为增加AVmX Λ Cs/2 Λ Ci，以及减少了本发明中，与电容性加速度传感组件214耦接的读取电路是一仪表放大器(instrumentation amplifer) 218,用以接收并放大该第一电压变化Vrat+及该第二电压变化V。*，藉以判读施加于该质量块212上的该加速度的大小与方向。其中该仪表放大器包括一第一运算放大器Al、一第二运算放大器Α2、一第三运算放大器A3、一第一电阻Rl、一第二电阻R2、一第三电阻R3、一第四电阻R4、一第五电阻R5、一第六电阻R6、一第七电阻R7,该第一运算放大器Al包括一第一正端输入、一第一负端输入、以及一第一输出，其中该第一正端输入用以接收该第一电压变化V—+。该第二运算放大器Α2包括一第二正端输入、一第二负端输入、以及一第二输出，其中该第二正端输入用以接收该第二电压变化V。*该第三运算放大器A3包括一第三正端输入、一第三负端输入、以及一第三输出。该第一电阻Rl率禹接于该第一负端输入与该第一输出之间；该第二电阻R2稱接于该第二负端输入与该第二输出之间；该第三电阻R3耦接于该第三负端输入与该第三输出之间；该第四电阻R4耦接于该第三正端输入与一接地端之间；该第五电阻R5稱接于该第一输出与该第三负端输入之间；该第六电阻R6耦接于该第二输出与该第三正端输入之间；而该第七电阻R7耦接于该第一负端输入与该第二负端输入之间。在此实施例中，该第一电阻Rl必须与该第二电阻R2互相匹配(举例而言，具有相同的电阻值Rf)、该第三电阻R3与该第四电阻R4互相匹配(举例而言，具有相同的电阻值Ry)、而该第五电阻R5与该第六电阻R6互相匹配(举例而言，具有相同的电阻值Rx)。当第七电阻具有电阻值Rg时，此实施例的仪表放大器输出可表示为νο = (\ + ψ-]^(νοΜ + -FoaiJ
I Rg JRx在另一实施例中，可进一步将上述第四电阻移除以节省电路组件(图未示)，此时，仪表放大器输出则可表不为
Vo = I + -J- (Vout+ - Vout_ ) + Vout_
{ Rg ) Rx经由仪表放大器的作用，即可判断出施加于该质量块212上的加速度的大小与方向。现有技术无法将仪表放大器应用于加速计之中，然而，本发明利用电容性加速度传感组件214作为质量块212与仪表放大器218的接口，藉以克服先前技术中无法与其它传感装置共享读取电路的缺陷。此外，仪表放大器具有低噪声的特性，非常适合作为各种传感信号的读取电路。综上所述，本发明的传感装置200中移除第四电阻的仪表放大器218，不仅限于量测加速度信号，更可用来量测其它传感信号。举例而言，在一实施例中，移除第四电阻的仪表放大器218除了读取电容性加速度传感组件214外，以切换方式读取另一温度传感组件(图未显示)，用以量测温度变化。该传感装置200亦可包括一压力传感组件(图显未示)，用以量测压力变化，或者，还包括一红外线传感组件(图未显示)，用以检测红 外线。上述不论温度传感组件、压力传感组件或红外线传感组件，皆可与该电容性加速度传感组件214共享该仪表放大器，不同的传感单元与仪表放大器间的连接采用各种开关进行控制及选择，藉以达成节省微机电传感系统尺寸的效果。上述的各种传感单元仅为例示，并不用于限制本发明，本领域技术人员可依照本发明的精神自行选用所需的传感组件，并将之与加速度传感单元予以集成。为了进一步降低噪声并增高传感装置200的敏感度，在一较佳实施例中，本发明可另外再包括一混频器及一低通滤波器，如图3所示。其中，该混频器310耦接至该仪表放大器218的输出，而该低通滤波器320耦接至该混频器310的输出。举例而言，若仪表放大器218的输出信号约为500kHz，而背景噪声约在IOkHz左右，则该混频器310可另外混合一499kHz的参考信号，并将该499kHz的参考信号分别与上述500kHz的输出信号及IOkHz的背景噪声相减，而产生混频后的IkHz输出信号以及混频后的489kHz背景噪声。最后，该低通滤波器320可将低频的IkHz输出信号予以保留，并将高频的489kHz背景噪声予以滤除。前述的混频器310及滤波器320仅为例示，本领域技术人员可采用各种形态及数量电子组件，并以各种适当的组合达成相同的功效。本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种传感装置，包括 加速度传感单元，用以量测施加于质量块上的加速度，还包括 该质量块； 载波信号源，用以提供载波；电容性半桥，包括第一电容及第二电容，其中该第一电容与该第二电容分别以相反的电极耦接至该质量块及该载波信号源，其中施加于该质量块上的该加速度使得该载波在其流经的该第一电容及该第二电容上分别产生反相的第一电压变化及第二电压电变化；以及仪表放大器，用以接收并放大该第一电压变化及该第二电压变化，藉以判读施加于该质量块上的该加速度的大小与方向。
2.如权利要求I所述的传感装置，其中该第一电容与该第二电容互相匹配。
3.如权利要求I所述的传感装置，其中该仪表放大器包括 第一运算放大器，还包括 第一正端输入，用以接收该第一电压变化； 第一负端输入；以及 第一输出； 第二运算放大器，还包括 第二正端输入，用以接收该第二电压变化； 第二负端输入；以及 第二输出； 第三运算放大器，还包括 第三正端输入； 第三负端输入；以及 第三输出； 第一电阻，稱接于该第一负端输入与该第一输出之间； 第二电阻，稱接于该第二负端输入与该第二输出之间； 第三电阻，耦接于该第三负端输入与该第三输出之间； 第四电阻，耦接于该第三正端输入与接地端之间； 第五电阻，稱接于该第一输出与该第三负端输入之间； 第六电阻，耦接于该第二输出与该第三正端输入之间；以及 第七电阻，稱接于该第一负端输入与该第二负端输入之间。
4.如权利要求3所述的传感装置，其中该第一电阻与该第二电阻互相匹配，该第三电阻与该第四电阻互相匹配，而该第五电阻与该第六电阻互相匹配。
5.如权利要求I所述的传感装置，其中该仪表放大器包括 第一运算放大器，还包括 第一正端输入，用以接收该第一电压变化； 第一负端输入；以及 第一输出； 第二运算放大器，还包括 第二正端输入，用以接收该第二电压变化；第二负端输入；以及 第二输出； 第三运算放大器，还包括 第三正端输入； 第三负端输入；以及 第三输出； 第一电阻，稱接于该第一负端输入与该第一输出之间； 第二电阻，稱接于该第二负端输入与该第二输出之间； 第三电阻，耦接于该第三负端输入与该第三输出之间； 第五电阻，稱接于该第一输出与该第三负端输入之间； 第六电阻，耦接于该第二输出与该第三正端输入之间；以及 第七电阻，稱接于该第一负端输入与该第二负端输入之间。
6.如权利要求5所述的传感装置，其中该第一电阻与该第二电阻互相匹配，而该第五电阻与该第六电阻互相匹配。
7.如权利要求I所述的传感装置，还包括混频器及低通滤波器，用以滤除该传感装置中发生的噪声，其中该混频器耦接至该仪表放大器的输出，而该低通滤波器耦接至该混频器的输出。
8.如权利要求I所述的传感装置，其中该传感装置还包括温度传感单元，用以量测温度变化，并与该加速度传感单元共享该仪表放大器。
9.如权利要求I所述的传感装置，其中该传感装置还包括压力传感单元，用以量测压力变化，并与该加速度传感单元共享该仪表放大器。
10.如权利要求I所述的传感装置，其中该传感装置还包括红外线传感单元，用以检测红外线，并与该加速度传感单元共享该仪表放大器。
全文摘要
一种传感装置，包括一加速度传感单元，用以量测施加于一质量块上的一加速度，还包括该质量块；一载波信号源，用以提供一载波；一电容性半桥，包括一第一电容及一第二电容，其中该第一电容与该第二电容分别以相反的电极耦接至该质量块及该载波信号源，其中施加于该质量块上的该加速度，使得该载波在其流经的该第一电容及该第二电容上，分别产生反相的一第一电压变化及一第二电压电变化；以及一仪表放大器，用以接收并放大该第一电压变化及该第二电压变化，藉以判读施加于该质量块上的该加速度的大小与方向。
文档编号G01P15/125GK102778585SQ20111015791
公开日2012年11月14日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年5月9日
发明者庄英宗, 张介斌, 王是琦, 王永和, 赵传珍, 陈家豪, 黄志伟 申请人:立积电子股份有限公司