CN105091915A - 微机电装置的位置侦测装置及其侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置侦测装置，用以侦测微机电装置的位置信息。位置侦测装置包括振荡电路、载波频率侦测器以及解调变器。振荡电路依据微机电装置所提供的等效电容来产生振荡信号。载波频率侦测器侦测振荡信号以获得振荡信号的载波频率信息。解调变器依据载波频率信息以对振荡信号进行解调变，并据以获得微机电装置的位置信息。

Description

微机电装置的位置侦测装置及其侦测方法

技术领域

本发明是有关于一种位置侦测装置，特别是有关于一种侦测微机电装置的位置信息的侦测装置及其侦测方法。

背景技术

近来，电容侦测在微机电(micro-electromechanicalsystem,MEMS)领域的应用越来越广泛。由于微机电装置具有小尺寸、微型比例及可携式的特性，使其内部的元件对环境中的变动因子如温度、噪声等的敏感度因而提高，而较不易取得微机电装置的位置信息。因此，通过使用如电容侦测的技术，可以较精确的侦测得到微机电装置的位置信息以提升其使用效能。

然而，在现有技术中，大多是利用锁相回路(PhaseLockLoop，PLL)或微电流侦测等方式来实现电容侦测，该方式容易受到温度、噪声及各元件(如电感、电阻及电容)的相异性的影响，而导致侦测结果的不准确。因此，解决侦测微机电装置的位置信息技术，仍需克服侦测可能不准确的问题。

发明内容

本发明提供一种位置侦测装置及其侦测方法，用以侦测微机电装置的位置信息。

本发明的位置侦测装置包括振荡电路、载波频率侦测器以及解调变器，且可以将其应用在微机电装置的位置侦测。振荡电路耦接微机电装置，依据微机电装置所提供的等效电容来产生振荡信号。载波频率侦测器耦接振荡电路，且侦测所述振荡信号以获得振荡信号的载波频率信息。解调变器耦接振荡电路以及载波频率侦测器，且依据载波频率侦测器所侦测得到的载波频率信息来对振荡信号进行解调变，据以获得微机电装置的位置信息。

本发明的侦测微机电装置的位置信息的方法包括，依据所要侦测的微机电装置提供的等效电容来产生振荡信号；侦测振荡信号并据以获得振荡信号的载波频率信息；以及，依据所侦测得到的载波频率信息来对振荡信号进行解调变，据此获得微机电装置的位置信息。

基于上述，本发明提出的方法是使用解调变方式来实现电容侦测，且发明所提出的方法可以不受到温度、噪声及各元件(如电感、电阻及电容)的相异性的影响，而侦测出较精确的微机电装置的位置信息。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的位置侦测装置的方块图。

图2是根据本发明一实施例，说明图1中的振荡电路的一实施例的示意图。

图3是根据本发明一实施例，说明图1中的解调变器的一实施例的示意图。

图4是根据本发明另一实施例的位置侦测装置的方块图。

图5是根据本发明另一实施例，绘示图4中的模拟低通滤波器的一实施例的示意图。

图6是根据本发明一实施例的微机电装置的位置信息侦测方法的流程图。

【附图标记说明】

100：位置侦测装置

101：微机电装置

110：振荡电路

120：载波频率侦测器

130：解调变器

301：振荡器

302-303：混波器

304：微分器

305：算术运算器

306-308：滤波器

400：位置侦测装置

401：微机电装置

410：振荡电路

420：载波频率侦测器

430：解调变器

440：模拟低通滤波器

450：模拟数字转换器

501：运算放大器

CEQ：等效电容

C1-C4：电容

GND：参考接地端

Inv1-Inv2：反相器

L1：电感

R1-R5：电阻

S610-S630：微机电装置的位置信息的侦测步骤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本说明书中描述的位置侦测装置可以应用在微机电装置上，其中所述微机电装置例如是微投影机、微型麦克风、听力辅助器及其他可携式的微机电装置，但并不仅限于此。

图1为根据本发明一实施例的侦测装置的示意图。请参照图1，位置侦测装置100包括振荡电路110、载波频率侦测器120及解调变器130，位置侦测装置100用以侦测微机电装置101的位置信息。其中，微机电装置101可提供等效电容CEQ。而等效电容CEQ的电容值由微机电装置101的位置信息的改变而产生变化。以应用在微投影机的微机电装置101为范例，微机电装置101可用来带动微投影机中的光学元件，并据此改变微投影机投射影像光束的位置以进行影像扫描的功能。其中，当微机电装置101带动微投影机中的光学元件的同时，其位置信息的改变会使其所提供的等效电容CEQ的电容值随之改变。

振荡电路110耦接至所要侦测的微机电装置101，并依据微机电装置101所提供的等效电容CEQ的电容值来产生振荡信号S1。在此，振荡信号S1的载波频率可以依据等效电容CEQ的电容值来决定，并且，在微机电装置101的位置信息的变化是周期性的改变的前提下，振荡信号S1的载波频率也是对应于微机电装置101的位置信息而产生周期性的变化，具体来说，振荡信号S1的载波频率变化可以表示为ωc±df，其中，ωc代表振荡信号S1的主要频率，而df则为其可能产生的频率飘移。

载波频率侦测器120耦接至振荡电路110的输出端，并侦测振荡电路110产生的振荡信号S1，以获得有关振荡信号S1的载波频率信息S2，载波频率侦测器120所获得的载波频率信息S2可以提供给解调变器130，以便于对振荡信号S1进行解调变来得知微机电装置101的位置信息。在一具体实施例中，载波频率侦测器120利用取样频率信号对振荡信号S1进行一段时间的取样，来得到多个取样结果，之后计算所得的多个取样结果的平均值，来进一步得知载波频率信息S2。更具体地说，载波频率侦测器120利用取样频率信号来对振荡信号S1的多个周期进行取样，且经过一段时间的取样后，可以得到振荡信号S1的多个周期结果。基于振荡信号S1的周期的长短的变化是周期性的，载波频率侦测器120可以计算取得的多个周期结果的平均值而得到载波频率信息S2。其中，载波频率信息S2为振荡信号S1的主要频率ωc的侦测结果。然而，可能因为某些因素，如环境中温度的变化、电感或电容元件的温度系数的影响以及电感电容元件本身的误差等，使得振荡信号S1的主要频率ωc动态的产生变化，而载波频率侦测器120可以实时的侦测出振荡信号S1的主要频率ωc，并将其提供至解调变器130。

解调变器130耦接振荡电路110以及载波频率侦测器120，且在耦接至振荡电路110的输入端时接收由振荡电路110产生的振荡信号S1，而在耦接至载波频率侦测器120的输入端时接收从载波频率侦测器120得到的载波频率信息S2。其中，解调变器130可以利用接收到的载波频率信息S2来对振荡信号S1作解调变，进一步得知微机电装置的位置信息。在一具体实施例中，解调变器130可以是数字解调器，利用数字解调变的技术进行解调变而取得关于振荡信号S1的频率信息，再经由算术运算后获得微机电装置的位置信息。具体来说，所述数字解调变的技术可以采用振幅键控(AmplitudeShiftKeying，ASK)、移频键控(FrequencyShiftKeying，FSK)或相移键控(PhaseShiftKeying，PSK)或正交相移键控(QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)等解调变的技术，据以获得微机电装置的位置信息。

图2绘示本发明图1的振荡电路110的一实施方式。请参照图2，振荡电路110可以是电感电容振荡器，包含有电感L1、电容C1和C2、反相器Inv1和Inv2以及电阻R1和R2。在本实施方式中，受测的微机电装置101提供的等效电容CEQ，且等效电容CEQ串接在振荡电路110的输入端以及参考接地端GND间。其中，等效电容CEQ的电容值会随着微机电装置101的位置信息的改变而有变化。

在图2的绘示中，电容C1的第一端耦接至等效电容CEQ的第一端，第二端耦接至电感L1的第一端。电感L1的第二端耦接至电容C2的第一端。电容C2的第二端耦接至参考接地端GND。反相器Inv1的输入端耦接至电容C1的第二端，而输出端则耦接至反相器Inv2的输入端。电阻R1串接在电容C2的第一端与反相器Inv1的输出端间。电阻R2，串接在反相器Inv1的输入端及输出端间。反相器Inv2的输入端耦接至反相器Inv1的输出端，且在反相器Inv2的输出端产生振荡信号S1。

振荡电路110可依据电感L1的电感值、电容C1和C2的电容值以及等效电容CEQ的电容值来决定振荡信号S1的振荡频率。而随着等效电容CEQ对应微机电装置101的位置信息的改变而产生的变化，振荡信号S1的频率也会产生周期性的变化。

图3绘示本发明图1的解调变器130的一实施方式。请参照图3，解调变器130包括振荡器301、混波器302和303、微分器304、算术运算器305以及滤波器306、307和308。解调变器130接收振荡电路110产生的振荡信号S1以及载波频率侦测器120所侦测到的载波频率信息S2，并利用载波频率信息S2对振荡信号S1进行解调变的动作。

振荡器301接收载波频率侦测器120所侦测到的载波频率信息S2，并依据载波频率信息S2来产生参考振荡信号S3及参考振荡信号S4，并且，参考振荡信号S3及参考振荡信号S4互为正交信号，并分别被提供至混波器302和303。举例来说，参考振荡信号S3可以是正弦波sin(ωt+Φ)，而参考振荡信号S4则可以是余弦波cos(ωt+Φ)。其中，频率ωt是参考振荡信号S3和S4的主要频率，并且可以依据载波频率信息S2来决定，其中，载波频率信息S2可以是振荡信号S1的主要频率ωc。

滤波器306耦接在混波器302和303要接收振荡电路110产生的振荡信号S1的路径上，以针对振荡信号S1进行滤波，因此，混波器302接收滤波后的振荡信号S1以及振荡器301所产生的参考振荡信号S3，并将两个信号进行混波，以产生混波信号S5。混波器303接收滤波后的振荡信号S1以及振荡器301所产生的参考振荡信号S4，并将两个信号进行混波，以产生混波信号S6。

滤波器307耦接在微分器304接收混波信号S5的路径上，以针对混波信号S5进行滤波并产生信号I。滤波器308则是耦接在微分器304接收混波信号S6的路径上，以针对混波信号S6进行滤波并产生信号Qj。接着利用产生的信号I和Qj来重建关于振荡信号S1的载波信息，微分器304接收信号I和Qj并对其分别进行微分，来产生微分信号M和Nj，以通过算术运算器305得知微机电装置101的位置信息。

在本发明的一实施例中，滤波器306、307和308皆为低通滤波器。其中，滤波器306可以滤除振荡电路110所产生的振荡信号S1的噪声。滤波器307接收混波信号S5，并滤除因为经由混波器302的混波而具有的高频谐波成份，滤波器308接收混波信号S6，并滤除因为经由混波器303的混波而具有的高频谐波成份。

算术运算器305接收微分器304所产生的微分信号M和Nj，并进行算术运算以获得微机电装置101的位置信息。在本发明的一实施例中，算术运算器305针对微分信号M和Nj进行反正切的函数运算，再利用运算结果如actan(N/M)来得到微机电装置101的位置信息。

图4绘示本发明的另一实施例的侦测微机电装置的位置侦测装置的示意图。请参照图4，位置侦测装置400包括振荡电路410、载波频率侦测器420、解调变器430、模拟低通滤波器440及模拟数字转换器450。位置侦测装置400用以侦测微机电装置401的位置信息。其中，微机电装置401可提供等效电容CEQ，且等效电容CEQ的电容值随着微机电装置401的位置信息的改变而产生变化，而振荡电路410、载波频率侦测器420及解调变器430的效果与实施方式可以和图1的实施例的实施方式相同，故下文中省略详细的描述。此外，位置侦测装置400中加入模拟低通滤波器440以消除因为外在环境因素产生的噪声而造成的信号失真，模拟低通滤波器440可以使特定载波频率的信号被突显出来而其他频率的信号则被衰减，而达到消除噪声的目的。模拟数字转换器450则可以接收滤波后的模拟振荡信号S1'，并将其转为数字的格式后，提供给解调变器430进行解调变，以获得微机电装置401的位置信息。

附带一提的，模拟低通滤波器440可以是主动式滤波电路，具有截断频率(cut-offfrequency)而能滤除振荡信号S1中高于截断频率的信号成分，来达到滤除噪声的效果。在本发明的另一实施例中，振荡信号S1可以是载波频率为ωc的方波，而经模拟式的滤波后，可以得到主要频率为ωc且具有较少噪声的正弦波为模拟振荡信号S1'。

模拟数字转换器450的输入端耦接模拟低通滤波器440以接收模拟振荡信号S1'，并转换模拟振荡信号S1'为数字格式，提供给模拟数字转换器450的输出端耦接的解调变器430，以进行解调变动作，并据以获得微机电装置401的位置信息。在本发明的另一实施例中，模拟数字转换器450可以将输入的模拟振荡信号S1'转为数字格式，例如将正弦波转为方波。

图5绘示本发明图4的模拟低通滤波器440的一实施方式。参照图5，模拟低通滤波器440包括电阻R3、R4和R5、电容C3和C4及运算放大器501。

在图5中，电阻R3的第一端接收振荡信号S1，电阻R4的第一端耦接至电阻R3的第二端，电阻R5的第一端耦接至电阻R3的第二端。电容C3的第一端耦接至电阻R3的第二端，而其第二端耦接至参考接地端GND。电容C4耦接在电阻R4的第二端和电阻R5的第二端之间。而运算放大器501的第一输入端耦接电阻R4的第二端，而其第二端耦接参考接地端GND，运算放大器501的输出端耦接至电阻R5的第二端，且产生模拟振荡信号S1'。模拟振荡信号S1'可以输入到模拟数字转换器450中而转为数字格式，以通过解调变器430来进行信号的解调变，取得微机电装置401的位置信息。

其中，模拟低通滤波器440中的运算放大器501配合如电阻R3、R4和R5以及电容C3和C4等被动元件，可以决定模拟低通滤波器440的截断频率，以及运算放大器501的增益大小。

图6绘示本发明的一实施例的微机电装置的位置信息的侦测方法的流程图。参照图6，所述侦测方法包括以下步骤，首先依据微机电装置所提供的等效电容来产生振荡信号(S610)。之后侦测振荡信号以取得振荡信号的载波频率信息(S620)。再依据载波频率信息对振荡信号进行解调变，以得到微机电装置的位置信息(S630)。

关于上述各实施步骤的实施细节，在前述的多个实施例及实施方式都有明确的说明，以下恕不多赘述。

综上所述，本发明所提出的利用解调变的方法来做电容侦测，以得到微机电装置的位置信息。因此微机电装置的位置侦测能够不受到温度、噪声及各元件(如电感、电阻及电容)的相异性的影响，而侦得较精确的微机电装置的位置信息。此外，微机电装置因其位置的改变所产生的抖动(jitter)也可以因侦测变得较准确而变得较小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种位置侦测装置，用以侦测微机电装置的位置信息，其特征在于，包括：

振荡电路，耦接该微机电装置，依据该微机电装置所提供的等效电容来产生振荡信号；

载波频率侦测器，耦接该振荡电路，侦测该振荡信号以获得该振荡信号的载波频率信息；以及

解调变器，耦接该振荡电路以及该载波频率侦测器，依据该载波频率信息以对该振荡信号进行解调变，并据以获得该微机电装置的位置信息。

2.如权利要求1所述的位置侦测装置，其中该等效电容依据该微机电装置的位置信息的改变而产生变化。

3.如权利要求1所述的位置侦测装置，其中该振荡电路为电感电容振荡器，该振荡电路包括电感，并依据该电感的电感值以及该等效电容来决定该振荡信号的振荡频率。

4.如权利要求3所述的位置侦测装置，其中该振荡电路还包括：

第一电容，其一端耦接该等效电容的第一端，该第一电容的第二端耦接至该电感的第一端；

第一反相器，其输入端耦接至该第一电容的第二端；

第二反相器，其输入端耦接至该第一反相器的输出端，该第二反相器的输出端产生该振荡信号；

第二电容，其第一端耦接至该电感的第二端，该第二电容的第二端耦接至参考接地端；

第一电阻，串接在该第二电容的第一端与该第一反相器的输出端间；

以及

第二电阻，串接在该第一反相器的输出端及输入端间，

其中，该等效电容的第二端耦接至该参考接地端。

5.如权利要求1所述的位置侦测装置，其中该解调变器包括：

振荡器，接收并依据该载波频率信息产生正交的第一参考振荡信号以及第二参考振荡信号；

第一混波器，接收该振荡信号以及该第一参考振荡信号，并针对该振荡信号以及该第一参考振荡信号进行混波以产生第一混波信号；

第二混波器，接收该振荡信号以及该第二参考振荡信号，并针对该振荡信号以及该第二参考振荡信号进行混波以产生第二混波信号；

微分器，接收并针对该第一混波信号以及该第二混波信号进行微分，以分别产生第一微分后混波信号以及第二微分后混波信号；以及

算术运算器，接收并针对该第一微分后混波信号以及该第二微分后混波信号进行算术运算以获得该微机电装置的位置信息。

6.如权利要求5所述的位置侦测装置，其中该解调变器还包括：

第一滤波器，耦接在该第一混波器及该第二混波器接收该振荡信号的路径上，以针对该振荡信号进行滤波；

第二滤波器，耦接在该微分器接收该第一混波信号的路径上，以针对该第一混波信号进行滤波；以及

第三滤波器，耦接在该微分器接收该第二混波信号的路径上，以针对该第二混波信号进行滤波。

7.如权利要求1所述的位置侦测装置，其中该载波频率侦测器依据计算该振荡信号的多个周期的周期平均值来获得该载波频率信息。

8.如权利要求7所述的位置侦测装置，其中该载波频率侦测器利用一取样频率信号以针对该振荡信号的这些周期进行取样，并据以获得多个取样结果，该载波频率侦测器并计算这些取样结果的平均值来获得该载波频率信息。

9.如权利要求1所述的位置侦测装置，其中还包括：

模拟低通滤波器，耦接该振荡电路以接收该振荡信号，并针对该振荡信号进行模拟式的滤波动作以产生滤波后的模拟振荡信号；以及

模拟数字转换器，耦接该模拟低通滤波器以接收该滤波后的模拟振荡信号并转换该滤波后的模拟振荡信号为数字格式，

其中，该滤波后的模拟振荡信号用以提供至该解调变器以进行解调变动作，并据以获得该微机电装置的位置信息。

10.如权利要求9所述的位置侦测装置，其中该模拟低通滤波器包括：

第一电阻，其第一端接收该振荡信号；

第二电阻，其第一端耦接至该第一电阻的第二端；

第三电阻，其第一端耦接至该第一电阻的第二端；

第一电容，其第一端耦接至该第一电阻的第二端，该第一电容的第二端耦接至该参考接地端；

第二电容，串接在该第二电阻的第二端以及该第三电阻的第二端间；

以及

运算放大器，其第一输入端耦接该第二电阻的第二端，该运算放大器的第二端耦接该参考接地端，该运算放大器的输出端耦接至该第三电阻的第二端，且该运算放大器的输出端产生该滤波后模拟振荡信号。

11.一种微机电装置的位置信息的侦测方法，其特征在于，包括：

依据该微机电装置所提供的等效电容来产生振荡信号；

侦测该振荡信号以获得该振荡信号的载波频率信息；以及

依据该载波频率信息以对该振荡信号进行解调变，并据以获得该微机电装置的位置信息。

12.如权利要求11所述的侦测方法，其中该等效电容依据该微机电装置的位置信息的改变而产生变化。

13.如权利要求11所述的侦测方法，其中依据该微机电装置所提供的该等效电容来产生该振荡信号的步骤包括：

借由电感电容振荡器以依据该电感的电感值以及该等效电容来决定该振荡信号的振荡频率。

14.如权利要求11所述的侦测方法，其中侦测该振荡信号以获得该振荡信号的该载波频率信息的步骤包括：

依据计算该振荡信号的多个周期的周期平均值来获得该载波频率信息。

15.如权利要求14所述的侦测方法，其中依据计算该振荡信号的这些周期的周期平均值来获得该载波频率信息的步骤包括：

利用一取样频率信号以针对该振荡信号的这些周期进行取样，并据以获得多个取样结果；以及

计算这些取样结果的平均值来获得该载波频率信息。

16.如权利要求11所述的侦测方法，其中还包括：

针对该振荡信号进行模拟式的滤波动作以产生滤波后的模拟振荡信号；

接收该滤波后的模拟振荡信号并转换该滤波后的模拟振荡信号为数字格式；以及

提供该滤波后的模拟振荡信号以进行解调变动作，并据以获得该微机电装置的位置信息。