[發明專利]共振型磁力計

在審

• 申請號: 201410513564.5
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN105445681A
• 公開（公告）日: 2016-03-30
• 發明（設計）人: 溫瓌岸;張家夆
• 申請（專利權）人: 碩英股份有限公司
• 主分類號: G01R33/24
• 分類號: G01R33/24
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 湯喜友

技術領域

本發明涉及一種共振型磁力計，特別涉及一種不須外接振蕩器的共振型磁力計。

背景技術

微型磁力計是一種廣泛應用在例如智能型手機、穿戴型裝置及物聯網裝置(InternetofThings–IOT–devices)的組件。微型磁力計也可以應用在其他工程、科學及工業應用領域。為能在現代的應用上提供磁力測量的功能，微型磁力計必須高度集積化，低耗電且能提供正確的磁力/磁場測量。

在各種微型磁力計中，應用羅倫茲力(theLorentzforces)原理制作的磁力計，較合于實用。因為這種微型磁力計可以標準的CMOS制程制作。另外，共振型磁力計，亦即在共振頻率下工作的磁力計，可以提供相對較高的敏感度，且偵測器所產生的反應可以利用依照其質量因子(qualityfactor–Q-factor或Q值)所設計的放大器放大，故可提供較強的輸出信號與較佳的訊號噪聲比。在此條件下，新型的微型磁力計結構，都是應用羅倫茲力原理，在其共振頻率下工作。

應用羅倫茲力的磁力計基本上包括一質量塊，以彈簧懸吊在結構上或基板上。對該質量塊提供一定電流，該電流與存在地球的磁場或其他磁性物體發出的磁場(magneticfield)發生交互作用，會產生羅倫茲力，將該質量塊向垂直于該電流方向及該磁力方向的方向移動。偵測用電極通常形成梳形或指狀，與該質量塊邊緣形成的梳形或指狀交錯，并維持一距離；兩者間隔同一電容。該偵測用電極可偵測到因質量塊移動，導致質量塊與偵測用電極間的相對位置變化，產生的電容值變化，而產生偵測信號。該偵測信號經過轉變成電壓形式并放大后，作為輸出信號。所產生的輸出信號代表該質量塊在磁力影響下的位移方向與位移量，可據以計算出該磁力值。

共振型磁力計的架構與工作原理基本上上述羅倫茲力磁力計相同，但在操作時，使用一驅動電路將一固定值的電流信號提供到該磁力塊。該電流信號的頻率與該質量塊的機械共振頻率相同，用于驅動該質量塊以其共振頻率振動。當該質量塊在其共振頻率下振動時，擷取該質量塊因羅倫茲力而產生的位移以及位移量，可以據以計算該質量塊所受到的磁場。其信號強度高于非共振型羅倫茲力磁力計數個數量級。

現有的共振型磁力計大多需使用一外接振蕩器，以驅動該微機電磁力計的質量塊在其共振頻率下振動。在這種現有技術中，是使用一外接振蕩器，產生一固定頻率的震蕩信號，以驅動該磁力計的質量塊振動，并將其振動頻率鎖定在其共振頻率。關于這種外接式振蕩器的應用以及該質量塊在其共振頻率下振動，用于偵測當地磁場的技術，可參考Dominguez-Nicolas所發表的「SignalConditioningSystemWitha4–20mAOutputforaResonantMagneticFieldSensorBasedonMEMSTechnology」一文，刊登在SensorsJournal,IEEE,Vol.12,No.5,pp.935-942,May2012。

現有的共振型磁力計使用外接振蕩器雖可驅動該微機電磁力計的質量塊在其共振頻率下振動，但該外接振蕩器的設置不但會提高磁力計的制作成本與體積，更會造成該共振結構校正上的困難。主要原因是組件制程本身的不穩定性會使各振蕩器的共振結構的共振頻率發生變化，無法達成一致。因此，磁力計在使用之前，必須經過調校，才能使各個磁力計都能在其共振頻率下振動，并鎖定到該頻率。另外，微機電偵測器的高Q值同時也代表該偵測器作為振蕩器的頻率響應帶寬相當狹窄。例如，如果微機電偵測器的共振頻率為1kHz，其Q值為10,000，則其頻率響應的帶寬只有1000/10000＝0.1Hz。這種特性使得該外接振蕩器必須具備高度的頻率穩定性，使其能夠提供數百ppm級的穩定性。不但如此，該共振驅動用頻率穩定性也會直接影響其振幅，進而影響所得信號的分辨率。

因此，目前業界亟須提供一種共振型磁力計的新穎結構，以提供穩定的共振頻率。

同時也需要提供一種新穎的共振型磁力計結構，以將其共振結構鎖定在其共振頻率。

同時也需要提供一種不需使用外接振蕩器的共振型磁力計。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的旨在于提供一種不需使用外接振蕩器的共振型磁力計。

共振型磁力計，包括：一偵測器結構體，一轉換器電路及一振動驅動電路。其中，該偵測器結構體具有一質量塊，懸浮于該偵測器結構體；兩組位移偵測電極，配置在該偵測器結構體上，該質量塊所在平面上的第一方向X兩側。