Mems傳感器的校準(zhǔn)的制作方法
【專利摘要】微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）傳感器被激發(fā)。該MEMS傳感器的響應(yīng)被測(cè)量。該MEMS傳感器被校準(zhǔn)。
【專利說(shuō)明】MEMS傳感器的校準(zhǔn)
【背景技術(shù)】
[0001]微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備是將電子特征和機(jī)械特征這二者集成在微米尺度或更小尺度上的設(shè)備。一種類型的MEMS設(shè)備是MEMS傳感器。MEMS傳感器能夠測(cè)量外部刺激。例如，地震MEMS傳感器能夠檢測(cè)其中已部署了傳感器的環(huán)境中的振動(dòng)，所述地震MEMS傳感器對(duì)于化石燃料勘探、地震檢測(cè)、和其他目的而言能夠是有用的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0002]圖1是示例性典型微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器的框圖。
[0003]圖2是示出根據(jù)MEMS傳感器的示例性典型實(shí)現(xiàn)的示例性典型MEMS傳感器的撓曲(flexure)的側(cè)截面輪廓。
[0004]圖3是用于校準(zhǔn)MEMS傳感器的示例性方法的流程圖。
[0005]圖4是在施加電脈沖時(shí)MEMS傳感器的示例性典型機(jī)械響應(yīng)的示圖。
[0006]圖5是在施加電掃描時(shí)MEMS傳感器的示例性典型電氣響應(yīng)的示圖。
[0007]圖6是MEMS傳感器的示例性基本陣列的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]如【背景技術(shù)】章節(jié)中所述，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器是將電子和機(jī)械特征這二者集成在微米或更小尺度上的測(cè)量外部刺激的MEMS設(shè)備。通常在制造此類MEMS傳感器之后，在期望的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的部署之前靜態(tài)地校準(zhǔn)MEMS傳感器。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的部署之前校準(zhǔn)MEMS傳感器的意義上，此類校準(zhǔn)是靜態(tài)的。MEMS傳感器可以被部署為例如大量此類MEMS傳感器的陣列。
[0009]然而，一旦在特定的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中已部署MEMS傳感器，它們通常就不能夠被動(dòng)態(tài)地校準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)意味著能夠在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)MEMS傳感器。不具有動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)MEMS傳感器的能力可能是成問(wèn)題的。例如，隨時(shí)間的過(guò)去一些傳感器在準(zhǔn)確度方面可能降級(jí)，導(dǎo)致它們要測(cè)量的外部刺激的不準(zhǔn)確測(cè)量。其他傳感器事實(shí)上甚至可能在現(xiàn)場(chǎng)失效。
[0010]本文所公開(kāi)的是甚至當(dāng)被部署在其中MEMS傳感器要測(cè)量外部刺激的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中時(shí)允許MEMS傳感器被動(dòng)態(tài)地校準(zhǔn)的技術(shù)。激發(fā)(excite) MEMS傳感器，并且測(cè)量由該激發(fā)所產(chǎn)生的MEMS傳感器的響應(yīng)?；谠摐y(cè)量的響應(yīng)來(lái)確定MEMS傳感器的參數(shù)。然后基于該確定的參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器。此類校準(zhǔn)能夠包括如果所測(cè)量的響應(yīng)和所確定的參數(shù)與規(guī)范相差很遠(yuǎn)則斷定MEMS傳感器是有缺陷的。
[0011]圖1示出了示例性典型MEMS傳感器100的框圖。MEMS傳感器100包括撓曲102、電極104、和處理器106。響應(yīng)于諸如MEMS傳感器100的振動(dòng)或移動(dòng)之類的外部刺激，撓曲102被物理地位移?？梢园ㄖ辽僖粚?duì)電極104的電極104測(cè)量或以其他方式檢測(cè)撓曲102的物理位移。(也就是說(shuō)，電極104能夠被視為檢測(cè)撓曲102的物理位移作為它們的測(cè)量與該位移對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的結(jié)果。)可以被實(shí)現(xiàn)為電子半導(dǎo)體集成電路(IC)的處理器106從電極104接收測(cè)量并且能夠基于其來(lái)執(zhí)行處理。[0012]要注意的是，其中能夠存在多于兩個(gè)電極104，以使得一些電極104被用來(lái)激發(fā)MEMS傳感器100，并且其他的電極104被用來(lái)測(cè)量電氣響應(yīng)。例如，可以存在四個(gè)電極104:兩個(gè)用來(lái)激發(fā)MEMS傳感器100，并且兩個(gè)用來(lái)測(cè)量電氣響應(yīng)。作為另一個(gè)示例，可以存在三個(gè)電極104，其中公共電極104被用于激發(fā)MEMS傳感器100和測(cè)量電氣響應(yīng)這二者。
[0013]圖2示出了描繪根據(jù)MEMS傳感器100的示例性典型實(shí)現(xiàn)的示例性典型MEMS傳感器100的撓曲102的截面輪廓。撓曲102被布置在真空室202內(nèi)。因而允許撓曲102在由箭頭204和206所指示的方向上物理地位移。例如，當(dāng)MEMS傳感器100受到移動(dòng)或振動(dòng)時(shí)，作為結(jié)果，撓曲102可以在真空室202內(nèi)物理地位移。例如，該物理位移被圖1的電極104檢測(cè)為電壓并且發(fā)送到圖1的處理器106。
[0014]圖3示出了用于校準(zhǔn)MEMS傳感器100的示例性方法300。能夠在其中采用MEMS傳感器100來(lái)測(cè)量外部刺激的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)部署MEMS傳感器100 (302)。照此，當(dāng)MEMS 100在該現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)時(shí)執(zhí)行方法300的剩余部分。例如，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室或測(cè)試環(huán)境不同。
[0015]激發(fā)MEMS傳感器100 (304)。例如，可以施加撓曲102的已知強(qiáng)制激發(fā)?？梢酝ㄟ^(guò)處理器106引起要被施加到電極104的已知電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器100的激發(fā)，或者在MEMS傳感器100外部的組件或設(shè)備可以將此類已知電壓施加到電極104。在兩種這些情況中，MEMS傳感器100被電氣地激發(fā)，盡管此類電氣激發(fā)導(dǎo)致?lián)锨?02的機(jī)械、或物理的位移。要進(jìn)一步注意的是，在兩種這些情況中，被用來(lái)測(cè)量或以其他方式檢測(cè)撓曲102的物理位移的相同電極104也被用來(lái)物理地激發(fā)撓曲102。
[0016]一旦激發(fā)了 MEMS傳感器100，諸如經(jīng)由電極104來(lái)測(cè)量或以其他方式檢測(cè)由該激發(fā)所產(chǎn)生的MEMS傳感器100的響應(yīng)(306)。討論中的響應(yīng)可以是MEMS傳感器100的物理響應(yīng)、電氣響應(yīng)、和/或不同類型的響應(yīng)。通常，撓曲102對(duì)于激發(fā)的響應(yīng)被測(cè)量或以其他方式被檢測(cè)。
[0017]基于該測(cè)量的MEMS傳感器100的響應(yīng)來(lái)確定MEMS傳感器100的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(308)。能夠由處理器106從電極104接收所測(cè)量的響應(yīng)而確定參數(shù)。所述參數(shù)表征MEMS傳感器100。例如，MEMS傳感器100關(guān)于此類參數(shù)可以具有能夠隨時(shí)間漂移的某些標(biāo)稱值。如以下詳細(xì)描述的，所述參數(shù)能夠包括撓曲102的共振頻率、以及撓曲102的品質(zhì)因數(shù)或Q值。其他參數(shù)能夠包括電極104處所測(cè)量的電壓中的每相位或載波角(carrier angle)單位的改變率。
[0018]照此，基于已確定的參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器100 (310)。處理器106也能夠校準(zhǔn)MEMS傳感器100，在一種實(shí)現(xiàn)中處理器106是MEMS傳感器100的部分。例如，在MEMS傳感器100關(guān)于這些參數(shù)具有已從標(biāo)稱值漂移的參數(shù)的情況，處理器106能夠使用該信息來(lái)調(diào)整由電極104取得的撓曲102的測(cè)量，以使得這些測(cè)量更準(zhǔn)確。
[0019]現(xiàn)在更詳細(xì)地描述方法300的兩種特定的示例性實(shí)現(xiàn)。第一種示例性實(shí)現(xiàn)必須處理校準(zhǔn)MEMS傳感器100的機(jī)械響應(yīng)。第二種示例性實(shí)現(xiàn)必須處理校準(zhǔn)MEMS傳感器100的電氣響應(yīng)。然而，例如諸如對(duì)MEMS傳感器100的機(jī)械和電氣響應(yīng)這二者進(jìn)行校準(zhǔn)的其他實(shí)現(xiàn)也是可能的。
[0020]在第一種示例性實(shí)現(xiàn)中，將電信號(hào)施加到電極104 (304)，這引起撓曲102振動(dòng)并且然后振鈴(ring down)ο電信號(hào)使作為短持續(xù)時(shí)間的電壓脈沖的電脈沖被施加到撓曲102。例如，可以施加在100微秒內(nèi)施加10伏特的電壓。施加該電信號(hào)引起撓曲102振動(dòng)。因?yàn)槊}沖具有短持續(xù)時(shí)間，所以撓曲102的振動(dòng)幾乎立即開(kāi)始衰減直到振動(dòng)停止，這被稱為振鈴。該現(xiàn)象與一旦撞擊，就隨時(shí)間的過(guò)去在振動(dòng)和音量方面減少直到它再次安靜的鈴現(xiàn)象是類似的。
[0021]電極104被用來(lái)測(cè)量由該激發(fā)所產(chǎn)生的撓曲102的機(jī)械響應(yīng)(306)。機(jī)械響應(yīng)特別地被測(cè)量為與撓曲102隨時(shí)間的振動(dòng)和隨后振鈴相對(duì)應(yīng)的電壓。也就是說(shuō)，在特定時(shí)間點(diǎn)處的電極104處的電壓與在該時(shí)間點(diǎn)處的撓曲102的振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。
[0022]圖4示出由通過(guò)電脈沖激發(fā)撓曲102所產(chǎn)生的撓曲102的示例性典型機(jī)械響應(yīng)406的圖表400。X-軸402表示時(shí)間，而y-軸404表示電壓。機(jī)械響應(yīng)406近似阻尼正弦函數(shù)。
[0023]如以下的，處理器106基于該測(cè)量的撓曲102的機(jī)械響應(yīng)來(lái)確定MEMS傳感器100的參數(shù)(308)。處理器106將阻尼正弦函數(shù)擬合到由電極104所測(cè)量的電壓。阻尼正弦函數(shù)具有以下形式:
【權(quán)利要求】
1.一種方法包括: 激發(fā)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器； 測(cè)量由MEMS傳感器的激發(fā)所產(chǎn)生的MEMS傳感器的響應(yīng)； 基于已測(cè)量的MEMS傳感器的響應(yīng)來(lái)確定MEMS傳感器的參數(shù)；以及 基于已確定的MEMS傳感器的參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在激發(fā)MEMS傳感器之前將MEMS傳感器部署在其中將采用MEMS傳感器來(lái)測(cè)量外部刺激的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，以使得在MEMS傳感器被部署于其中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中校準(zhǔn)MEMS傳感器。
3.權(quán)利要求1的方法，其中激發(fā)MEMS傳感器包括將電脈沖施加到MEMS傳感器的多個(gè)電極，所述電脈沖引起MEMS傳感器的撓曲的振動(dòng)和振鈴。
4.權(quán)利要求3的方法，其中測(cè) 量MEMS傳感器的響應(yīng)包括測(cè)量由MEMS傳感器的激發(fā)所產(chǎn)生的MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)，所述機(jī)械響應(yīng)是MEMS傳感器的撓曲的振動(dòng)和振鈴，所述機(jī)械響應(yīng)被測(cè)量為與所述撓曲隨時(shí)間的振動(dòng)和振鈴相對(duì)應(yīng)的電壓，使用MEMS傳感器的電極來(lái)測(cè)量所述電壓。
5.權(quán)利要求4的方法，其中確定MEMS傳感器的參數(shù)包括將阻尼正弦函數(shù)擬合到與所述撓曲隨時(shí)間的振動(dòng)和振鈴相對(duì)應(yīng)的所述電壓，以確定所述撓曲的共振頻率和Q值，由MEMS傳感器的處理器來(lái)確定MEMS傳感器的參數(shù)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中校準(zhǔn)MEMS傳感器包括基于所述撓曲的共振頻率和Q值，通過(guò)校準(zhǔn)MEMS傳感器的撓曲的物理位移與MEMS傳感器的加速度之比來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)，由MEMS傳感器的處理器來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中激發(fā)MEMS傳感器包括將電掃描施加到MEMS傳感器的多個(gè)電極，所述電掃描引起MEMS傳感器的撓曲的振動(dòng)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中測(cè)量MEMS傳感器的響應(yīng)包括測(cè)量由MEMS傳感器的激發(fā)所產(chǎn)生的MEMS傳感器的電氣響應(yīng)，所述電氣響應(yīng)被測(cè)量為由所述撓曲的振動(dòng)所產(chǎn)生的交流(AC)電壓，使用MEMS傳感器的電極來(lái)測(cè)量所述電壓。
9.權(quán)利要求8的方法，其中確定MEMS傳感器的參數(shù)包括確定與AC電壓的每相位的所述撓曲的振動(dòng)對(duì)應(yīng)的AC電壓的改變，由MEMS傳感器的處理器來(lái)確定MEMS傳感器的參數(shù)。
10.權(quán)利要求9的方法，其中校準(zhǔn)MEMS傳感器包括基于AC電壓的改變與AC電壓的相位之比，通過(guò)校準(zhǔn)由MEMS傳感器所輸出的電壓與MEMS傳感器的撓曲的物理位移之比來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的電氣響應(yīng)，由MEMS傳感器的處理器來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的電氣響應(yīng)。
11.權(quán)利要求1的方法，其中測(cè)量MEMS傳感器的響應(yīng)包括測(cè)量MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)和MEMS傳感器的電氣響應(yīng)， 并且其中校準(zhǔn)MEMS傳感器包括基于已測(cè)量的MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)和電氣響應(yīng)來(lái)校準(zhǔn)被表達(dá)為MEMS傳感器的電壓與加速度之比的MEMS傳感器的整體靈敏度。
12.—種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器包括: 響應(yīng)于外部刺激而物理地位移的撓曲； 間接地檢測(cè)所述撓曲的物理位移的多個(gè)電極；以及， 基于由所述電極檢測(cè)所述撓曲的物理位移，響應(yīng)于所述撓曲的已知強(qiáng)制激發(fā)來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的處理器。
13.權(quán)利要求12的MEMS傳感器，其中所述處理器要校準(zhǔn)以下的一個(gè)或多個(gè): 作為由被施加到MEMS傳感器的電脈沖所產(chǎn)生的所述撓曲的已知強(qiáng)制激發(fā)的響應(yīng)的MEMS傳感器的機(jī)械響應(yīng)； 作為由被施加到MEM S傳感器的電掃描所產(chǎn)生的所述撓曲的已知強(qiáng)制激發(fā)的響應(yīng)的MEMS傳感器的電氣響應(yīng)。
14.權(quán)利要求12的MEMS傳感器，其中所述處理器要校準(zhǔn)MEMS傳感器來(lái)至少部分地補(bǔ)償以下的一個(gè)或多個(gè): 由其中部署了 MEMS傳感器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的風(fēng)所產(chǎn)生的過(guò)度噪聲； 由其中部署了 MEMS傳感器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的人類活動(dòng)所產(chǎn)生的過(guò)度噪聲； 其中部署了 MEMS傳感器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的溫度改變； 其中部署了 MEMS傳感器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的氣壓改變。
15.—種系統(tǒng)包括: MEMS傳感器的陣列，在其中部署了該陣列的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中每個(gè)MEMS傳感器是單獨(dú)可校準(zhǔn)的，每個(gè)MEMS傳感器包括: 響應(yīng)于外部刺激而物理地位移的撓曲； 檢測(cè)所述撓曲的物理位移的多個(gè)電極；以及， 基于由所述電極檢測(cè)所述撓曲的物理位移，響應(yīng)于所述撓曲的已知強(qiáng)制激發(fā)來(lái)校準(zhǔn)MEMS傳感器的一個(gè)或多個(gè)處 理器。
【文檔編號(hào)】G01V1/16GK103582607SQ201180071239
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】B.D.霍梅耶爾, R.N.比克內(nèi)爾 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)