测量平面内多轴移动和转动的方法和装置.pdf

本发明提供一种测量平面内多轴移动和转动的方法和装置。该方法包括一基材，一悬浮件以及若干斜向支撑件。该基材具有一十字中空区域，该悬浮件通过斜向支撑元件悬浮于该十字区域上，并可在x-y平面做移动和转动。利用MEMS技术在该基材和悬浮件之间形成若干电容，当悬浮件在x-y平面内做运动时，可改变该些电容的电容值，从而达到测量的目的。

1.  一种测量平面内多轴移动和转动的方法，其特征在于：
该方法包括采用一固定件，一悬浮件，在固定件或者悬浮件上设置多组相对电极以形成多个电容，利用悬浮件在一平面内做多轴移动或转动，改变上述电容值，再利用该些电容的变化，测算出该外部运动。

2.  如权利要求1所述的测量平面内多轴移动和转动的方法，其特征在于：所述的电容变化是通过改变电容的两电极间距引起的。

3.  如权利要求1所述的测量平面内多轴移动和转动的方法，其特征在于：所述的电容变化是通过改变电容的两电极重叠面积引起的。

4.  如权利要求1所述的测量平面内多轴移动和转动的方法，其特征在于：所述的电容变化是通过改变电容的两电极间介电材质引起的。

5.  一种测量平面内多轴移动和转动的装置，其特征在于：
该装置包括：一固定件，一悬浮件，多个电极以及支撑元件，该多个电极分布在固定件或者悬浮件上，以组成多个电容；该固定件包括一十字中空区域，该悬浮件为双轴交叉结构，包括多个交叉轴臂，并通过该支撑元件悬浮于该固定件上。

6.  如权利要求5所述的测量平面内多轴移动和转动的装置，其特征在于：所述多个电极分布在悬浮件的多个交叉轴臂和固定件十字中空区域的多条界边上。

7.  如权利要求5所述的测量平面内多轴移动和转动的装置，其特征在于：所述多个电极分布在固定件十字中空区域的多条界边上，所述悬浮件的多个交叉轴臂为梯形结构。

8.  如权利要求5所述的测量平面内多轴移动和转动的装置，其特征在于：所述多个电极分布在悬浮件的一对相邻交叉轴臂和固定件十字中空区域的多条界边上，所述悬浮件的另一对相邻交叉臂为梯形结构。

9.  如权利要求5所述的测量平面内多轴移动和转动的装置，其特征在于：该上述悬浮件由多个双轴交叉结构串联组成。

测量平面内多轴移动和转动的方法和装置
技术领域
本发明设计平面运动的感知测量技术，具体的涉及一种可以测量多轴运动和转动的方法及其装置。
背景技术
电容式加速计是一种用来测量微运动的常用工具，其工作原理是利用微电机(Micro-Electro-Mechanical-System：MEMS)技术在硅基上加工出电容的敏刚探测电路，结合特殊的结构设计，使其电容受力可变，当外部运动量对其作用时，通过测量对应的电容的改变大小，换算成运动量的改变，继而达到测量的目的。
如图1是一种现有的悬浮式电容加速计，其包含一可动选附件11与一固定悬浮件12，以及外围的电容感测电路(图中未示出)，其可动悬浮件包含多个电极111，其固定悬浮件包含多个电极121，电极111与电极121之间形成一个电容103。当电容加速计发生如图示x轴向运动时，其可动悬浮件11受力运动，使电极111与电极121之间的距离发生改变，因而电容103发生改变，由外部电路测量出该电容103的变化值，通过一定的换算关系，转化成运动量的改变数值。
上述电容式加速计，对于单轴线性运动的测量具有精度高，响应快等特点，然则实际运动总是伴有多轴线性运动和转动，对于此类运动，该加速计就无法进行测量，因而需要一个能够测量多轴运动和转动的新型加速计。
发明内容
针对上诉问题，本发明提供一种新型多轴电容加速计，该加速计可以同时测量平面内多轴线性加速运动和转动。
对于一利用电容讯号作为量测依据的装置，可利用两电极间距离、电极面积与电极间介电材料性质等变数，作为量测讯号变化的依据。如图2.1所示的装置，可动电极201、202分别沿x轴和y轴方向设置并交叉，固定电极221、222分别平行于电极201、202并与之保持一定间距，因而可在电极201和221之间形成电容251，在电极202和222之间形成电容252；若可动电极201、202具有x轴方向、y轴方向以及x-y平面轴旋转三个自由度，则当运动产生时，即可测量电容变化：
I.如图2.2所示，当x轴正向运动产生时，电极202和电极222的间距增加，电极201和电极221的重叠面积减少，造成电容251，252分别减小；
II.如图2.3所示，当y轴正向运动产生时，电极201和电极221的间距增加，电极202和电极222的重叠面积减少，造成电容251，252分别减少；
III.如图2.4所示，当x-y平面轴顺时钟转动发生时，电极201和电极221之间的距离减少且重叠面积增加，电极202和电极222之间的距离增加且重叠面积减少，造成电容251增加，电容252减少。
利用上述性质，即可利用两组电容的电容值变化，来达到同时测多轴运动和转动的目的。
附图说明
下面结合附图，对本发明做详细描述：
图1为现有电容式加速计俯视图；
图2.1～2.4为本发明工作原理图；
图3为本发明第一实施例示意图；
图4为本发明第二实施例示意图；
图5为本发明第三实施例示意图；
图6为本发明第四实施例示意图。
具体实施方式
图3所示为第一实施例的俯视示意图。此测量多轴运动和转动的装置具有一可动悬浮件303，该可动悬浮件303具有双轴交叉结构，并通过斜向支撑元件304悬浮于一基材301上，该基材301具有一中空区域302，该中空区域302大小以能容置可动悬浮件303即可；利用半导体制程，在可动悬浮件303双轴臂的部分区域形成电极311～314，并另与基材中空区域302的交叉界边上形成电极321～324，电极311与电极321形成电容331，电极312与电极322形成电容332，电极313与电极323形成电容333，电极314与电极324形成电容334。另该可动悬浮件303可籍由斜向支撑件304在x-y平明移动与转动。
当正向x轴线性运动发生时，电容331和电容332分别因电极重叠面积减少与电极间距增加而减少电容值；而电容333与电容334则因电极重叠面积增加与电极间距减少而增加电容值。再当顺时针方向转动发生时，则全部四组电容皆因电极彼此远离，而造成电容值下降。如此即可利用不实施例作为一能够进行多轴检测的电容式加速计。
图4所示为第二实施例的俯视示意图。将原先悬浮件303中的电极区域移除，并将其四个轴臂由原来的矩形结构改成梯形结构；而基材中空区域302增加四组电极411～418。当外界运动时，悬浮件303的位置变化，会造成电容器的两组电极内介电材质发生改变，从而产生电容值的改变。例如当产生x轴正向运动时，对电极411和电极412所夹电容，以及电极415和电极416所夹电容而言，其电容值会分别减少与增加。而其余运动所造成的电容变化，因原理类似故在此不再赘述。
利用本实施例，因电容器的电极都安置在基材上，故可有效简化量测电路的设计工作，进而提供制作过程之可靠度与良率。
图5是第三个实施例的俯视示意图。该结构是将第一实施例与第二实施例结合起来，即在悬浮件303的一对相邻轴臂上形成电极，而将另一对轴臂做成矩形结构，并在基材中空区域302上，对应悬浮件303的轴臂结构形成相应电极。
图6所示的是本发明的第四个实施例。该实施例提供一具有多个运动测量单元603的电容式加速计，而前面实施例中所提及的电极布局、浮动件结构以及对应的运动量测，都能应用于本实施例中。
本发明所提出的测量多轴运动和转动的装置，可提供包括线性运动、角度转动的多轴运动测量效果；本发明的较佳实施例揭露如上，但是并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明精神和范围内，都可做些许更动和润饰，因此本发明所保护范围应当以申请权利要求范围所界定者为准。