共振型磁力计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种共振型磁力计，特别涉及一种不须外接振荡器的共振型磁力计。
【背景技术】
[0002]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 -1OT - 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测量的功能，微型磁力计必须高度集积化，低耗电且能提供正确的磁力/磁场测量。
[0003]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。另外，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。
[0004]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(magneticfield)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；两者间隔同一电容。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。
[0005]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，擷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。
[0006]现有的共振型磁力计大多需使用一外接振荡器，以驱动该微机电磁力计的质量块在其共振频率下振动。在这种现有技术中，是使用一外接振荡器，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。关于这种外接式振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 Condit1ning System With a 4-20 mA Outputfor a Resonant Magnetic Field Sensor Based on MEMS Technology」一文，刊登在Sensors Journal, IEEE, Vol.12，N0.5，pp.935-942，May 2012。
[0007]现有的共振型磁力计使用外接振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，但该外接振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振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。另外，微机电侦测器的高Q值同时也代表该侦测器作为振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 = 0.1Hz0这种特性使得该外接振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。
[0008]因此，目前业界亟须提供一种共振型磁力计的新颖结构，以提供稳定的共振频率。
[0009]同时也需要提供一种新颖的共振型磁力计结构，以将其共振结构锁定在其共振频率。
[0010]同时也需要提供一种不需使用外接振荡器的共振型磁力计。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种不需使用外接振荡器的共振型磁力计。
[0012]共振型磁力计，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。
[0013]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，连接于该电容电压转换器的后级，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，提供后级计算电路计算该位移侦测电极所侦测到的磁场磁力值。该振动驱动电路连接该放大器的输出，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。该振动驱动电路并可提供放大功能，以放大该放大器的输出信号。
[0014]在本发明的较佳实例中，该振动驱动电路可包括一比较器电路，输入为连接该放大器的输出，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。在本发明的较佳实例中，该参考电位为接地电位。
【附图说明】
[0015]图1为本发明共振型磁力计一种实施例的系统图。
[0016]图2为适用在本发明共振型磁力计的一种侦测器结构体10的平面图。
[0017]图3为对图1的电路中输出Vout (上图)与Vdrive (下图)进行瞬时模拟分析结果。
[0018]图4为图3的放大图。
[0019]图5为图3的另一放大图。
[0020]符号说明
[0021]10侦测器结构体
[0022]11质量块
[0023]IlaUlb指状或梳形突出
[0024]12、13位移侦测电极
[0025]12a、13a指状或梳形突出
[0026]14a、14b电极
[0027]16、17、18、19弹簧
[0028]15时钟信号产生器
[0029]20转换器电路
[0030]30振动驱动电路
[0031]21电容电压转换器
[0032]22放大器
【具体实施方式】
[0033]以下将采用多种实施例，说明本发明共振型磁力计的结构。这些实施例乃是用来说明本发明共振型磁力计的可能结构及应用，并非用来穷尽列举本发明所有可能的实施方式。本发明的专利范围，仍应以权利要求范围记载为准。
[0034]图1为本发明共振型磁力计一种实施例的系统图。如图所示,本实施例的共振型磁力计包括:一侦测器结构体10，一转换器电路20，及一振动驱动电路30。该侦测器结构体10是由任何适用的制程制作的微型磁力计结构体，用于提供代表该结构体所受磁力及磁力方向的侦测信号。该转换器电路20包括一电容电压转换器21，用于将该侦测信号转变成电压型态后，以放大器22放大，成为输出侦测信号。该振动驱动电路30则是用于驱动该侦测器结构体10内的质量块振动,并将其振动频率锁定在其共振频率。
[0035]图2为适用在本发明共振型磁力计的一种侦测器结构体10的平面图。如图所示，该侦测器结构体10具有一质量块11，以弹簧16、17、18、19悬吊在该侦测器结构体10上，呈悬浮状态。该弹簧16、17、18、19悬吊在该侦测器结构体10之处，形成两电极14a与14b。
[0036]该侦测器结构体10还包括两组位移侦测电极12、13，配置在该侦测器结构体10上，该质量块11所在平面上的第一方向X两侧。在图中所示的实施例中，该质量块11在X方向两侧伸出若干的指状或梳形突出lla、llb。该位移侦测电极12、13在相对于该指状突出IlaUlb的一侧，也各延伸出指状或梳形突出12a、13a。该位移侦测电极12、13的指状突出12a、13a，分别与对应的质量块11指状突出IlaUlb沿该平面上与该X方向垂直的Y方向，交错配置。使得任两支位移侦测电极12、13的指状突出12a