使用调制波形的mems参数识别的制作方法
【专利摘要】本发明涉及使用调制波形的MEMS参数识别。传感器系统包括微机电系统(MEMS)传感器(10)、控制电路(20)、信号评估电路(50)、数模转换器(30)、信号滤波器(40，80)、放大器(60)、解调电路(70)和存储器(22)。所述系统(100)被配置为生成高和低频率信号、将其结合并且将结合的输入信号(19)提供给MEMS传感器。所述MEMS传感器(10)被配置为提供调制的输出信号(17)，该信号是结合的信号(19)的函数。所述系统(100)被配置为解调和过滤所述调制的输出信号(17)、将所解调、过滤的信号(81)和所述输入信号(19)进行比较以确定振幅和相位差异，并且基于所述振幅和相位差异，确定所述MEMS传感器的各种参数。还提供了一种确定MEMS传感器参数的方法(200)。
【专利说明】使用调制波形的MEMS参数识别
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及在电子系统中利用的微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本发明涉及利用调制波形，电测试和识别MEMS器件的参数。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)传感器被广泛使用于例如汽车用电子设备、惯性制导系统、家用电器、消费性电子产品、保护系统以及许多其它工业的、科学的、工程的和便携系统的应用中。这样的MEMS传感器被用于感应物理状态，例如，加速度、压力、角旋转或温度，并且将代表了感应的物理状态的电信号提供给采用了 MEMS传感器的应用和/或系统。该应用和/或系统可以利用MEMS传感器提供的信息以基于感应的物理状态执行计算、做出决定和/或采取特定行为。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]结合附图(不一定按比例绘制)并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明会有比较完整的理解。其中在附图中，类似的参考符号表示相似的元素，并且:
[0004]图1显示了根据一个实施例所教之内容被配置的MEMS传感器的简化侧视图；
[0005]图2显示了根据一个实施例所教之内容被配置的包括图1的MEMS传感器的传感器参数识别和评估系统的方框图；
[0006]图3显示了根据替代实施例所教之内容被配置的传感器参数识别和评估系统的方框图；
[0007]图4显示了根据另一个替代实施例所教之内容被配置的传感器参数识别和评估系统的方框图；
[0008]图5根据一个实施例，显示了传感器参数识别和评估方法的流程图。
【具体实施方式】
[0009]由于相对低的成本，电容感应MEMS设计迫切需要在加速度、角旋转、压力环境中以及在小型化的器件中的操作。当经受MEMS器件被设计为对其进行响应的加速度、角旋转、压力或一些其它外部刺激时，电容感应MEMS器件提供了电容的变化，其对应于所应用的刺激的大小。换句话说，在MEMS器件的给定时间的电输出对应于在那个给定时间被应用到MEMS器件的刺激的大小。以这种方式，通过监测MEMS器件的电输出，系统可以确定被应用到不同的MEMS器件的外部刺激(压力、加速度、角旋转等等)的大小，并且使用该信息以帮助确定该系统应该采取什么行为以响应这些刺激。例如，基于MEMS加速计器件的电输出感应汽车的快速减速的汽车气囊系统可以确定有必要展开气囊以保护汽车用户。MEMS器件的一种常见形式是以具有“跷跷板”或“秋千”配置的双层电容换能器的加速计。这种通常利用的换能器类型使用了可移动元件或板，其在衬底上方的Z-轴加速度下旋转。该加速计构造可以测量两个不同的电容以确定差分电容或相对电容，并且将该信息作为输出提供给MEMS加速计。假定MEMS器件的输出被配置为对应于被监测的刺激的大小，被设计为感应其它所应用的刺激的其它MEMS器件可能采用不同的形式。
[0010]由于各种因素(制作公差、在取决于制作MEMS器件的地点和时间的处理中的轻微差异等等)，每一个MEMS器件的机电特性(也被称为参数)可能不同。这意味着响应了特定大小的刺激的一个MEMS器件的电输出可能不同于响应了完全相同大小的刺激的第二MEMS器件的电输出。因为使用了 MEMS器件的系统可能使用电输出计算刺激的程度，并且可能使用计算的结果确定是否采取特定行为(例如，展开气囊)，所以识别和评估MEMS器件的参数是重要的，以便使用了 MEMS传感器的系统可以被补偿(抵消)和校准(对增益)以将来自MEMS传感器的给定电输出与应用的刺激的特定的量进行关联。通常，MEMS参数的识别和评估，以及使用了 MEMS传感器的系统的校准，发生在使用了 MEMS传感器的系统出厂之前。参数识别和评估可以通过将实际物理刺激(例如，加速度)应用到系统、测量MEMS传感器的电响应以及将代表了 MEMS参数的值连同代表了任何“改正”或校准因素的值存储在系统中来完成，其中“改正”或校准系数的值需要根据MEMS参数被应用到MEMS传感器的电输出。MEMS参数的识别以及将改正或校准因素应用到MEMS输出有助于确保MEMS传感器输出对应于所应用的刺激的大小。
[0011 ] 虽然将不同的刺激物理地应用到MEMS传感器、使用了 MEMS传感器的系统，可以用来识别MEMS参数并提供作为结果的校准数据，以便系统可以正常发挥作用，这样的物理测试可能成本高、费时并且可能对受测系统造成损坏。而且,物理测试各种使用了 MEMS传感器的系统和应用可能需要为受测的每一个应用设计并建立多个特定应用测试站，从而增加了与该测试相关联的成本和时间。此外，虽然在MEMS传感器、使用了 MEMS传感器的系统出厂之前的物理测试可以提供可能在测试的时候是准确的参数值，但是这样的测试忽视了随着时间(以及作为使用和/或损坏的结果)，MEMS器件的机电参数可能改变，从而使初始参数值不再准确，并且可能引起系统故障。最后，如果系统发生故障，通过要求使用了 MEMS器件的系统从端应用(例如，一辆汽车)中被物理地移除以便MEMS器件可以再次被物理地测试评估的MEMS参数，确定故障原因的尝试可能被复杂化。这样的要求可能使使用了 MEMS器件的系统的保养和维修的成本望而却步。
[0012]一方面，提供了利用调制电磁信号，而无须将外部物理力应用到MEMS器件的MEMS器件参数的电确定的系统及方法。另一方面，提供了在那些MEMS器件的使用寿命期间利用调制机电信号以测试、监测和评估MEMS器件参数，同时那些器件仍然保持位于使用了 MEMS器件的系统中并且在该系统中发挥作用的系统和方法。因此，在一些实施例中，提供了实现低成本MEMS传感器测试的设计目标、在MEMS传感器的寿命期间重复MEMS传感器参数的识别和评估、没有从应用中移除传感器的MEMS传感器测试、以及在MEMS器件的寿命期间重新校准使用了 MEMS器件的系统的系统及方法。
[0013]图1显示了根据一个实施例所教之内容被配置的MEMS传感器10的简化侧视图。MEMS传感器10是被配置了至少一个可移动机械元件14的机电z轴传感器。可移动机械元件14是通过安装系统物理耦合于MEMS传感器10的衬底12的导电准金属(metalloid)板。在替代实施例中，可移动机械元件14是由能够传导电信号的任何材料制成的。图1的简化图显示了该安装系统，其包括物理耦合于衬底12的基架19，和限定可移动机械元件14可以围绕其旋转的挠性轴、物理耦合于基架19和可移动机械元件14的扭力杆11。扭力杆11和基架19由导电材料制成。因为可移动机械元件14、扭力杆11和基架19全都是由导电材料制成并且耦合在一起，所以可移动机械元件14、扭力杆11和基架19全都处于相同电势，使得被施加到基架19的电磁信号将被传导到可移动机械元件14。在不存在被应用到MEMS传感器10的物理力或其它力的情况下，基架19和扭力杆11用来将可移动机械元件14悬浮在衬底12的表面上方并基本上与其平行。未示出的导体在衬底12中形成使得基架19电耦合于位于衬底12的表面上的MEMS传感器10的表面接触件以允许电接触MEMS传感器10外部的电路，并且使得被施加到表面接触件的电磁信号被传导到基架19。MEMS传感器10还包括由电导电材料制成并且稱合于衬底12的上表面的传感接触件18和9。未示出的导体在衬底12中形成使得传感接触件18和9各自电耦合于位于衬底12的表面上的MEMS传感器10的表面接触件以允许电接触MEMS传感器10外部的电路，并且使得被施加到表面接触件的电磁信号被传导到传感接触件18和9，并且使得由可移动机械元件14相对于传感接触件18和9的运动产生的电磁信号被传导到表面接触件。在接触件18的上表面和可移动机械元件14的下表面之间的区域形成了第一电容器，而接触件9的上表面和可移动机械元件14的下表面之间的区域形成了第二电容器。在可移动机械元件14和传感接触件18之间电压差的施加可以引起可移动机械元件14的移动，而在可移动机械元件14和传感接触件9之间电压差的施加可以引起可移动机械元件14的移动。而且，可移动机械元件14的物理移动引起第一电容器和/或第二电容器的电容的改变。
[0014]可移动机械元件14被配置为相对于衬底12的表面和MEMS传感器10的传感接触件18和9移动(围绕由扭力杆11形成的轴)以响应被施加到MEMS传感器10和/或可以移动机械元件14的物理和/或电刺激。可移动机械元件14相对于衬底12有预先确定的运行范围。当可移动机械元件14被由可移动机械元件14经受的物理的、电磁的或其它的刺激引起移动时，电磁信号被传导到MEMS传感器10的传感接触件18和9，并且传导到它们的表面接触件。该电磁信号根据可移动机械兀件14相对于传感接触件18和9在预先确定的运动范围内的移动而变化。在一个实施例中，MEMS传感器10被配置使得当传感器10的可移动机械元件14移动时，它连续地在传感接触件18和9处提供对应于可移动机械元件14的移动的大小的电容值。
[0015]此外，MEMS传感器10的可移动机械元件14被配置为接收电磁输入信号，使得当电磁输入信号，例如经由基架19的表面接触，被提供给传感器10的可移动机械元件14时，传感器10的可移动机械兀件14响应于电磁输入信号移动对应于输入信号的大小和特性的量。在一个实施例中，传感器10被配置为使得当模拟电压被施加到机械元件14时，传感器10的可移动机械元件14移动对应于模拟电压的大小的量，并且继续移动对应于输入信号中的任何电压改变。在一个实施例中，传感器10被配置为使得当传感器10的可移动机械兀件14移动时,对应于可移动机械兀件14的移动的模拟电压作为传感器10的输出经由传感接触件18和9被提供。在替代实施例中，传感器10被配置为使得当传感器10的可移动机械元件14移动时，对应于可移动机械元件14的移动的信号而不是电压或电容可以作为传感器10的输出经由传感接触件18和9被提供。
[0016]在一个实施例中，传感器10是MEMS加速计，提供对应于可移动机械元件的移动的输出信号以响应传感器10或传感器10存在于其中的器件的加速或减速。在替代实施例中，传感器10可以是任何MEMS传感器，其被配置为例如，惯性传感器、陀螺仪、压力传感器或被配置为提供输出信号以响应物理刺激并且能将电磁输入施加到MEMS器件的可移动机械兀件或检测质量的其它任何MEMS器件。应了解，每一个MEMS器件可以有多个对每一个单独的MEMS器件是独特的特性，例如，共振频率、阻尼特性、位移特性、弹簧常数特性、厚度、可移动机械元件之间的间距、以及其它响应特性。也应了解，这些独特的特性可以随着时间改变，和/或响应被施加到MEMS器件的物理力或例如温度的环境条件。传感器10可以使用现有的和即将到来的MEMS制作设计规则以及包括例如沉积、图案化和蚀刻的工艺被形成。在一个实施例中，传感器10是被配置为通过提供对应于所应用的刺激的输出信号来响应物理的和电磁的两种刺激的MEMS传感器。
[0017]图2显示了根据一个实施例所教之内容被配置的包括图1的MEMS传感器10的传感器参数识别和评估系统100的方框图。传感器参数识别和评估系统100被配置为将信号提供给MEMS传感器10并且基于传感器10对被提供信号的响应来确定MEMS传感器10的不同参数。图2省略了在图1中总体地说明的MEMS传感器的一些细节。此外，虽然图1的MEMS传感器10被示出为有两个传感接触件18和9，每一个传感接触件和图1的MEMS传感器的单独的电容器相关联，但图2只示出了和其中一个电容器相关联的传感接触件18。应了解，关于传感接触件9和第二电容器的操作和关于传感接触件18和第一电容器的操作相类似。在替代实施例中，MEMS感应器10可以只有一个电容器和一个传感接触件。
[0018]传感器参数识别和评估系统100包括电耦合于MEMS传感器10的传感接触件18的增益电路60。增益电路60被配置为通过传感接触件18从MEMS传感器10接收电磁信号17、放大电磁信号17、以及将该放大的电磁信号作为放大信号61提供给增益电路60。电磁信号17是包括载波和数据成分的正弦振幅调制信号。电磁信号17包括部分地是MEMS传感器10的功能机电特性、并且部分地是被施加到MEMS传感器10的输入信号的功能的信息。
[0019]传感器参数识别和评估系统100还包括电耦合于增益电路60的解调器70。解调器70被配置为从增益电路60接收放大的信号61作为输入、处理接收的放大信号61以将放大信号61解调成它的成分部分(移除载波成分)，并且作为输出提供放大解调信号71。在一个实施例中，解调器70提供了振幅解调，并且被配置为通过放大信号61将提供给解调器70的振幅调制的信号解调成振幅调制的载波成分和被载波成分承载的数据成分、移除振幅调制的载波成分、并且提供解调数据成分作为放大解调信号71。
[0020]传感器参数识别和评估系统100还包括电耦合于解调器70的低通滤波器80。低通滤波器80是被配置为作为输入从解调器70接收解调数据成分、放大解调信号71、从放大解调信号71中过滤较高的频率成分并且作为输出提供作为结果的过滤信号、过滤解调信号81的低通滤波器。在一个实施例中，低通滤波器80被配置为过滤掉超过500千赫(KHz)的高频率和通过低于500千赫的低频率。
[0021]传感器参数识别和评估系统100还包括电耦合于低通滤波器80和传感器参数识别和评估系统100的其它元件的信号评估电路50。信号评估电路50被配置为从低通滤波器80接收过滤解调信号81，并且还被配置为从电耦合于信号评估电路50的传感器参数识别和评估系统100的其它元件接收至少一个振荡参考信号。信号评估电路50还被配置为确定过滤解调信号81和振荡参考信号两者的振幅和相位。信号评估电路50还被配置为将过滤解调信号81和振荡参考信号进行比较以确定信号之间的振幅差和相位差，并且作为输出通过信号51提供该信息。
[0022]传感器参数识别和评估系统100还包括电耦合于信号评估电路50和传感器参数识别和评估系统100的各种其它元件的处理器20。在替代实施例中，处理器20可以是任何类型的处理器，包括微控制器或状态机或用于评估信号51和提供输入信号的任何测量电路。处理器20包括逻辑部件，并且显示具有存储器22和位于存储器22中并且被配置为引起处理器20实现传感器参数识别和评估系统100的各种功能的程序200。存储器22是非易失性存储器。在替代实施例中，存储器22可以是易失性存储器。存储器22还显示具有和存储在存储器22中的与MEMS传感器10相关的校准和/或调整值(trim value)。如图2所不,处理器20电稱合于信号评估电路50和数模转换器30。处理器20被配置为响应于程序200而生成正弦的数字波形信号，并且将那些正弦的数字波形信号通过信号21提供给数模转换器30。数字波形信号包括高频率成分和低频率成分。在一个实施例中，处理器20包括被配置为部分地基于信号评估电路50通过信号51提供的信息识别和评估MEMS传感器10的参数的确定和处理程序200。参数确定和处理程序200被显示为存储在存储器22中。在替代实施例中，参数确定和处理程序200可以被存储在处理器20之外的易失性或非易失性存储单元(memory locat1ns)中，或者可以能被硬接线到处理器20。在另一个替代实施例中，处理器20可以本身是硬接线器件。
[0023]处理器20被配置为，响应于参数确定和处理程序200，通过信号51监测MEMS传感器10的操作、将包括低和高频率振荡成分的正弦的输入信号提供给MEMS传感器10以启动响应正弦的输入信号的MEMS传感器10的机械元件的移动，并且基于信号评估电路50通过信号51提供的MEMS传感器10的输出计算、监测和评估MEMS传感器10的参数。处理器20还被配置为通过使用信号评估电路50通过信号51提供的信息和输入信号的特性来响应于处理器20通过信号21提供给MEMS传感器10的输入信号确定EMS传感器的参数。处理器20还被配置为通过使用输入信号即信号51和传感器参数执行计算，并且基于该计算确定MEMS传感器10是否正常操作和/或是否需要对和传感器参数识别和评估系统100中的MEMS传感器10相关联的补偿和校准值做出调整。在一个实施例中，输入信号21或输入信号21的推导信号被信号评估电路50用作参考波形以确定MEMS传感器10的参数。在一个实施例中，处理器20还被配置为利用参数信息来计算MEMS传感器10的更新的补偿和校准值。
[0024]传感器参数识别和评估系统100还包括电耦合于处理器20的数模转换器30。数模转换器30被配置为从处理器20接收包括高和低频率成分的正弦信号21、将信号21从数字波形信号转换成模拟波形信号、并且将包括高和低频率成分的在数模转换器30外的作为结果的模拟信号波形通过信号31经由基架19提供给MEMS传感器10。
[0025]继续图2，传感器参数识别和评估系统100包括电耦合于数模转换器30的低通滤波器40。低通滤波器40是被配置为作为输入从数模转换器30接收包括高和低频率成分的模拟波形信号即信号31，从信号31中过滤掉较高的频率成分，并且作为输出的过滤参考信号41提供充当参考信号的作为结果的过滤信号的低通滤波器。在一个实施例中，低通滤波器40被配置为过滤掉超过500千赫的高频率和通过低于500千赫的低频率。低通滤波器40还电耦合于信号评估电路50，并且被配置为将过滤参考信号41作为参考信号提供给信号评估电路50。信号评估电路50被配置为从低通滤波器40接收过滤参考信号41，并且还被配置为确定过滤参考信号41的振幅和相位。信号评估电路50还被配置为将过滤解调信号81和参考信号即过滤参考信号41进行比较，确定信号之间的振幅差和相位差，并且作为输出通过信号51提供该信息。
[0026]回到图2的数模转换器30，数模转换器30还被显示为电耦合于MEMS传感器10。如上所述，数模转换器30被配置为从处理器20接收正弦信号21、将信号21从数字波形信号转换成模拟波形信号，并且通过信号31将作为结果的模拟正弦信号波形提供到数模转换器30之外。数模转换器30还被配置为将作为结果的模拟信号波形即信号31经由基架19提供给MEMS传感器10，这将会引起MEMS传感器10的可移动机械元件14响应于信号31移动。
[0027]参照图1和2，根据本发明的一个实施例，传感器参数识别和评估系统100的操作被总体描述，其中在该实施例中，传感器参数识别和评估系统100的MEMS传感器10的参数和特性被确定和评估。作为基础事实，应了解，当经受低于特定阈值频率的刺激时，MEMS传感器的典型可移动机械元件展示了机械运动和电抗响应，但是当经受高于该阈值频率的刺激时，只展示了电抗响应。更具体地说，响应于较高频率，MEMS传感器电表现得像电容器，但是通常不展示物理运动。然而，响应于较低频率，MEMS传感器通常展示物理/机械运动并且也显示电抗响应。响应于较低频率，电抗响应通常足够小到不被解调器70检测到。也应了解，虽然MEMS传感器的每一个可移动机械元件通常有不同的阈值频率(其中该阈值频率是可移动机械元件的物理性能的函数)，但是具有相似设计特性的可移动机械元件和MEMS传感器通常将会有相似的阈值频率。小于10千赫的频率将被认为是较低频率，对于该较低频率，MEMS传感器通常展示物理/机械和电抗响应。高于500千赫的频率将被认为是较高频率，对于该较高频率，MEMS传感器通常只展示电抗响应。
[0028]响应于参数确定和处理程序200，处理器20生成高频率数字波形和低频率数字波形。高频率数字波形具有高于MEMS传感器10的可移动机械元件14的阈值频率的频率，而低频率数字波形具有低于MEMS传感器10的可移动机械元件14的阈值频率的频率。在一个实施例中，高频率数字波形有高于500千赫的频率，例如I兆赫(MHz)，而低频率数字波形有低于或等于MEMS传感器10的机械频带宽度的频率，例如I赫兹和10千赫之间。随后，处理器20通过相加或对两个波形求和而结合两个数字波形，并且将结合的数字波形作为输出数字波形信号即信号21提供给数模转换器30。数模转换器30将数字波形信号即信号21转换成模拟波形信号31。应了解，模拟波形信号31包括高频率成分和低频率成分。在一个实施例中，高频率成分有高于500千赫的频率，例如I兆赫，而低频率(频)成分有低于或等于MEMS传感器10的机械频带宽度的频率，例如I赫兹和10千赫之间。
[0029]数模转换器30将模拟波形信号31作为输入提供给低通滤波器40。低通滤波器40过滤接收的信号31以移除高频率成分，并且将剩余的低频率成分作为参考低频率波形提供给信号评估电路50。在一个实施例中，剩余的低频率成分有低于或等于MEMS传感器10的机械频带宽度的频率，例如I赫兹和10千赫之间。
[0030]数模转换器30也将信号31作为模拟波形信号输入提供给MEMS传感器10的可移动机械元件14。基于信号31的低频率成分和高频率成分，MEMS传感器10以两种方式响应被施加的信号31。响应于信号31的低频率成分,可移动机械兀件14通过相对于MEMS传感器10的衬底12物理地位移以展示运动响应。这是来自于信号31的低频率成分的结果，建立了将可移动机械元件14相对于MEMS传感器10的衬底12上拉和/或下拉的电磁力，从而引起MEMS传感器10的可移动机械元件14移动以响应于信号31的低频率成分。除了展示响应于信号31的移动，MEMS感应器10也展示了对信号31的低频率成分的电子容抗响应。响应于信号31的高频率成分，可移动机械元件14不展示运动响应，但是MEMS感应器10对高频率成分展示了容抗响应。
[0031 ] MEMS传感器10的可移动机械元件14相对于MEMS传感器10的衬底12和传感接触件18的物理移动引起在MEMS传感器10的传感接触件18处的电容以对应于MEMS传感器10的可移动机械元件14的移动的大小和频率的方式变化。此外，MEMS传感器10对信号31的低和高频率成分的容抗响应引起在MEMS传感器10的传感接触件18处的电容变化以响应信号31。结果，信号17即存在于MEMS传感器10的传感接触件18处的信号是可移动机械元件14对信号31的低频率成分的物理移动响应以及MEMS传感器10对信号31的低和高频率成分的容抗响应两者的函数，并且与这些响应对应。由于低频率成分作用和高频率成分作用两者的结合，包括可移动机械元件14的物理调制，信号17是一种振幅调制的波形的形式。
[0032]信号17被提供给增益电路60，在此，信号17被放大，被放大的信号即放大信号61被传给解调器70。如上所述，信号17是一种振幅调制的波形的形式。解调器70将信号17处理成解调信号17，并且移除信号17的载波部分。在一个实施例中，信号17的载波部分有在500千赫和10兆赫之间的频率。解调之后，解调器70作为输出提供解调信号、包括高频率和低频率成分的放大的解调信号71。低通滤波器80接收放大解调信号71、过滤放大解调信号71以移除高频率成分，并且提供剩余的低频率成分作为过滤解调信号81。
[0033]信号评估电路50接收过滤解调信号81，该信号是在MEMS传感器10的传感接触件18处输出的信号的放大的解调的低频率成分。如上所述，信号评估电路50也接收信号41即信号31的过滤低频率成分，其中该信号作为信号输入被提供给MEMS传感器10的可移动机械元件14(有时被称为参考信号)。信号评估电路50将过滤解调信号81的振幅和信号41的振幅进行比较以确定被MEMS传感器10引入到输入信号31的振幅变化(被称为振幅差)。信号评估电路50也将过滤解调信号81的相位和信号41的相位进行比较以确定被MEMS传感器10引入到输入信号31的相位差异(被称为相位差)。信号评估电路50通过输出信号51将振幅和相位差信息提供给处理器20。
[0034]响应于参数确定和处理程序200，处理器20通过信号51评估接收自信号评估电路50的振幅和相位差信息，并且基于计算确定MEMS传感器10的各种参数。在一个实施例中，处理器20可以使用振幅和相位差信息来确定MEMS传感器10的各种参数，例如，共振频率、谐波失真、阻尼和频率响应。在一个实施例中，处理器20利用快速傅里叶变换(FFT)评估振幅和相位差信息以确定MEMS传感器10的谐波特性和参数。处理器20也可以使用振幅和相位差信息确定MEMS传感器10的质量和完整性，或者MEMS传感器10的正常操作是否有损坏，例如，由于破碎或无响应结构或外来粒子造成的非正常操作。处理器20也可以使用振幅和相位差信息确定其它参数，例如，弹簧常数、MEMS传感器10的厚度、MEMS传感器10的梁和/或电容器之间的间距、以及MEMS传感器10的其它特性。在替代实施例中，处理器20中的参数确定和处理程序200首先评估接收自信号评估电路50的信号51以计算和/或评估各种参数，例如，MEMS传感器10的硅的蚀刻偏置厚度、MEMS传感器10的边坡、MEMS传感器10的临界尺寸(CD)、以及MEMS传感器10的条纹(fringe)。参数确定和处理程序200随后使用这些参数计算MEMS传感器10的质量、弹簧常数和其它性能的评估。最后，参数确定和处理程序200可以使用振幅和相位差信息和/或部分地通过使用振幅和相位差信息确定的MEMS传感器10参数来确定和MEMS传感器10相关联的调整、补偿、和/或校准值。使用了 MEMS传感器10的应用系统可以使用确定的调整值来进行补偿和/或校准，从而允许MEMS传感器10的输出信号被应用所正确地利用。应了解，参数确定和处理程序200可以被配置为周期性地重新计算用于补偿和/或校准的调整值，使得那些值更加准确地反映MEMS传感器10的特性(因为那些特性随时间发生变化)。也应了解，参数确定和处理程序200可以被配置为将用于补偿和/或校准的调整值存储在存储单元以便被利用了MEMS传感器10的其它器件和系统访问和使用。
[0035]总之，通过将有高频率和低频率正弦成分的已知信号施加到MEMS传感器10，使得MEMS传感器10提供作为输出的包括高频率和低频率成分的振幅调制的波形。该波形的低频率成分和施加的已知信号进行比较以确定机电参数，例如该已知信号通过的MEMS传感器10的共振频率、谐波变形和阻尼，其中所述已知信号通过MEMS传感器10。这些参数随后被利用了 MEMS传感器10的系统使用以将由MEMS传感器10提供的输出信号与该系统经受的外力进行关联。在一个实施例中，被各种MEMS传感器的测量值的代表数据集建立并核实的机电物理模型和/或统计模型可以被用于确定如下频率:在该频率以上，MEMS传感器不响应所施加的频率而机械移动。
[0036]一旦参数确定和处理程序200确定了 MEMS传感器10的参数，参数确定和处理程序200可以存储与MEMS传感器10相关联的确定参数(例如包括位于使用了 MEMS传感器10的系统的存储单元中的用于MEMS传感器10的补偿和/或校准的调整值)，或者可以将确定的参数与已经存储在系统中的参数进行比较，并且如果适当的话，用新确定的值重写存储的值以保持MEMS传感器10被正确地补偿和/或校准。通过使用更新的参数，被施加到MEMS传感器10的各种刺激的特性的准确确定可以继续被做出(尽管传感器10的物理和/或机电特性随时间变化)。用于补偿和/或校准的这些更新的调整值可以被利用了 MEMS传感器10的应用所使用以正确调整由MEMS传感器10提供的输出信号以补偿MEMS传感器10的特性以及这些特性随时间的变化。在一个实施例中，该器件在被制作之后，但是在被置于应用中之前(在这种情况下，除了 MEMS传感器10本身之外，图2的元件可以在测试器中或者可以在MEMS传感器10的传感接触件18和移动机械元件14所电连接的其它硬件器件中被实现)参数确定在MEMS传感器10上被执行。或者，在该器件被置于应用中之后，参数确定在MEMS传感器10上被执行，在这种情况下，执行参数测试所需的逻辑部件和存储器(总体如图2所示)可以存在于MEMS传感器10所在的相同的应用模块或系统中。在此情况下，参数确定可以在MEMS传感器10被操作于其中的系统的整个寿命期间的任何时间做出。
[0037]图3显示了根据另一个替代实施例所教之内容被配置的传感器参数识别和评估系统的方框图。在这个实施例中，除了 MEMS传感器10本身之外，图2总体所示的元件被显示为在单独的测试器硬件110中被实现。测试器硬件110通过基架19的表面接触件在传感接触件18和可移动机械元件14电耦合于MEMS传感器10。应了解，如上所述，当电耦合于MEMS传感器10和执行程序200时，测试器硬件110以和图2总体所示的实施例类似的方式执行功能。此外，在另一个替代实施例中，测试器硬件110可以被配置为使得特定功能，例如，信号滤波器80和40、解调器70、增益电路60和信号评估电路50可以在测试器硬件110中被结合成一个或多个集成电路芯片，或可以在测试器I1运行的软件中被实现。
[0038]图4显示了根据另一个替代实施例所教之内容被配置的传感器参数识别和评估系统的方框图。在这个替代实施例中，图2总体所示的元件被显示为和独立应用模块120中的附加应用电路一起被实现。MEMS传感器10可以在来自独立应用模块120的其余部分的单独集成电路上实现。不同于附加应用电路的电路如同关于如上图2所述的进行操作。附加应用电路被配置为允许独立应用模块120的处理器20使用由附加电路提供的信息以及从MEMS传感器10导出的信息在应用系统中操作。附加应用电路包括MEMS传感器10的电耦合于电容-电压电路90(在本发明被称为C-to-V90)的传感接触件16。C-to-V90被配置为从MEMS传感器10接收输入电容并将它转化为电压输出。C-to-V90电耦合于模拟-数字(A-to-D)转换电路A-to-D92。A_to_D92被配置为从C-to_V56接收电压信号并将接收的模拟电压信号转换成表示该模拟电压信号的数字信号，并且提供数字电压信号作为从A-to-D92输出的数字电压信号。A-to-D92被显示为电耦合于缓冲器94。缓冲器94被配置为存储由A-to-D92提供的数字电压信号，并且将该数字电压信号提供给处理器20，使得处理器20可以使用该信号来监测MEMS传感器10的操作并且利用该数字电压信号执行各种程序和算法。
[0039]在操作中，附加应用电路被配置为在MEMS传感器10的传感接触件16处监测对应于MEMS传感器10的可移动机械兀件的移动的输出电容信号。C-to_V90将该电容信号转换成电压，并且将该输出电压信号提供给A-to-D92。该输出电压信号被缓冲器94缓冲，并且随后被提供给处理器20。应了解，MEMS传感器10的可移动机械元件14将响应MEMS传感器10经受的物理力(刺激)而移动。在这种情况下，MEMS传感器10的电容输出将对应于响应了物理刺激的MEMS传感器10的可移动机械元件14的移动。C-to-V90接收MEMS传感器10的这个电容输出，并将它转换成电压，并且将该电压信号提供给缓冲器94。缓冲器94缓冲电压信号并且将缓冲的信号提供给处理器20。响应于在处理器20中运行的应用程序，处理器20评估缓冲的信号，并且基于该信号(并且使用了与MEMS传感器10关联的用于补偿和/或校准的调整值)确定MEMS传感器10的可移动机械元件14移动了多少。用于补偿和/或校准的调整值已经被确定并且被预先存储，并且可以被使用了 MEMS传感器10的应用所使用以补偿MEMS传感器10的随着时间的特性改变。如果MEMS传感器10的可移动机械元件14的移动超过了预定量，或者以预定模式移动，处理器20被配置为弓I起在独立应用模块120中或在存在独立应用模块120的系统中采取的一些行为。例如，处理器20可以确定被施加到应用模块120或应用模块120位于其中的车辆或结构中的力或运动的改变已经发生。运动的改变可以包括加速度，加速度、速率、旋转、压力或其它力或移动的改变。处理器20也可以确定这种改变的大小。
[0040]通过利用一个应用模块120来包括应用和测试功能两者，应用模块120的实时测试和校准可以被执行，同时继续利用目标应用中的MEMS传感器10，而无须禁用目标应用或将MEMS传感器10从该测试的应用中物理移除。在替代实施例中，传感接触件16和18可以是电耦合于C-to-V90和增益电路60两者的单一接触件。
[0041]图5根据一个实施例，显示了传感器参数识别和评估方法200的流程图。在一个实施例中，方法200通过参数确定和处理程序200的执行被实施。在第一操作202中，高频率数字信号和低频率数字信号由处理器20生成(图1)。该高频率信号处于足够高的频率，其中将该信号应用于MEMS传感器10将不引起MEMS传感器10的可移动机械元件14机械移动。在一个实施例中，高频率信号是高于500千赫的频率，例如I兆赫。低频率信号处于足够低的频率，使得将该信号应用于MEMS传感器10将引起MEMS传感器10的可移动机械兀件14机械移动。在一个实施例中，低频率信号处于低于或等于MEMS传感器10的机械频带宽度的频率，例如I赫兹和10千赫之间。
[0042]在第二操作204中，通过对两个信号相加或求和，高频率信号和低频率信号被结合成单一结合的数字信号。在第三操作206中，结合的数字信号被转换成结合的模拟信号。在第四操作208中，结合的模拟信号被提供给MEMS传感器10和低通信号滤波器。在第五操作210中，响应于结合的模拟信号调制信号在MEMS传感器10中产生。在第六操作212中，调制信号在MEMS传感器10的输出处被检测。
[0043]在第七操作214中，检测的调制信号被放大。在第八操作216中，放大的、检测的调制信号被解调以移除信号的载波成分。在第九操作218中，解调信号在低通滤波器中被过滤以移除高频率成分。在第十操作220中，过滤的解调信号被评估并且被和过滤的结合的模拟信号进行比较以确定信号之间的振幅差和相位差。在第十一操作222中，振幅差和相位差被提供给处理器。在第十二操作224中，振幅差和相位差被处理以确定MEMS传感器10的参数。在第十三操作226中，使用了 MEMS传感器10的系统以新的补偿和校准参数被更新。
[0044]在替代实施例中(未显示)，图2总体所示的所有部件可以在单一衬底上一起形成，并且作为单一器件被提供。在另一个替代实施例中(未显示)，图2总体所示的所有部件可以在单一|旲块中f禹合在一起。
[0045]本发明所描述的实施例提供了 MEMS器件参数的识别，而无需施加MEMS器件外部的物理力，并且无需将MEMS器件从其运行的系统中移除。甚至在持续的基础上，提供了用于在那些MEMS器件的使用寿命测试MEMS器件并且识别MEMS传感器参数的系统及方法，同时那些器件仍然处于使用了 MEMS器件的系统中并且在该系统中发挥作用。因此，提供了实现了低成本MEMS参数识别的设计目标、在MEMS传感器的整个使用寿命重复MEMS传感器的测试以识别MEMS参数、MEMS传感器的测试而不从应用中移除传感器，并且在MEMS器件的整个使用寿命期间重新校准使用MEMS器件的系统的系统及方法。该系统及方法还允许降低测试成本、实时校准并且改进利用MEMS器件的系统的可靠性。该系统及方法提供了能够接收机电信号进入MEMS器件的可移动元件并且提供表示MEMS器件的可移动机械元件的移动的输出信号的任何MEMS器件的机电响应的测试和评估。
[0046]—种微机电系统(MEMS)系统包括MEMS传感器、与所述MEMS传感器的所述可移动机械元件电互通(in electrical communicat1n)的控制电路，以及与所述MEMS传感器和所述控制电路电互通的解调电路。所述MEMS系统被配置为解调对应于所述可移动机械元件的移动的MEMS输出信号并且将解调的信号提供给所述控制电路。所述控制电路被配置为评估所述解调信号以确定所述MEMS传感器的至少一个特性。虽然本发明的优选实施例已经被示出并且被详细描述，很明显对于本领域所属技术人员来说，在不脱离本发明的精神及附属权利要求书的范围的情况下可以做出修改。
【权利要求】
1.一种微机电系统MEMS系统,包括: MEMS传感器，具有可移动机械元件，所述可移动机械元件被配置为响应于施加到所述可移动机械元件的电磁信号而可移动，并且还包括传感接触件，所述传感接触件被配置为提供作为输出的对应于所述可移动机械兀件的移动的电磁输出信号； 控制电路，与所述MEMS传感器的所述可移动机械元件电互通，并且被配置为将包括至少两个振荡频率的电磁输入信号提供给所述MEMS传感器的所述可移动机械元件；以及 解调电路，与所述MEMS传感器的所述传感接触件和所述控制电路电互通，并且被配置为解调对应于所述可移动机械元件的移动的所述电磁输出信号并且将解调信号提供给所述控制电路，其中所述控制电路被配置为评估所述解调信号以确定所述MEMS传感器的至少一个特性。
2.根据权利要求1所述的MEMS参数识别系统，还包括:与所述解调电路和所述控制电路电互通的信号评估电路，其中所述信号评估电路被配置为从所述控制电路接收所述电磁输入信号以及从所述解调器接收所述解调信号，比较所述电磁输入信号和解调信号的至少一个特性，以及将表示所比较的特性的特性信号提供给所述控制电路。
3.根据权利要求2所述的MEMS参数识别系统，其中所述至少一个特性是相位和振幅中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的MEMS参数识别系统，还包括:电耦合于所述控制电路和所述MEMS传感器的数模转换电路，其中由所述控制电路生成的所述电磁输入信号是数字信号，并且其中所述数模转换电路被配置为将所述数字信号转换成模拟信号并且将它作为模拟电磁输入信号提供给所述MEMS传感器。
5.根据权利要求2所述的MEMS参数识别系统，还包括:与所述控制电路电互通并且电耦合于所述信号评估电路的第一信号滤波器，其中由所述控制电路提供的所述电磁输入信号包括至少一个较低频率信号和一个较高频率信号，并且其中所述第一信号滤波器被配置为从所述电磁输入信号中移除所述较高频率信号并且将过滤的较低频率信号提供给所述 号评估电路。
6.根据权利要求5所述的MEMS参数识别系统，还包括:电耦合于所述解调电路和所述信号评估电路的第二信号滤波器，其中由所述解调电路提供的所述解调信号包括至少一个较低频率信号和一个较高频率信号，其中所述第二信号滤波器被配置为从所述解调信号中移除较高频率信号并且将作为结果的过滤的解调的较低频率信号提供给所述信号评估电路。
7.根据权利要求6所述的MEMS参数识别系统，还包括:电耦合于所述MEMS传感器和所述解调电路的放大电路，其中所述放大电路被配置为放大在所述传感接触件处提供的所述电磁输出信号并且将所放大的电磁输出信号提供给所述解调电路。
8.根据权利要求1所述的MEMS参数识别系统，其中所述控制电路还包括存储器存储代码，其中所述代码当被所述控制电路执行时生成所述输入信号、评估所述解调信号以及使用所述解调信号确定至少一个MEMS特性。
9.根据权利要求2所述的MEMS参数识别系统，其中所述控制电路还包括存储器存储代码，其中所述代码当被所述控制电路执行时生成所述输入信号、评估所述特性信号以及使用所述特性信号确定至少一个MEMS特性。
10.根据权利要求1所述的MEMS参数识别系统，其中所述至少两个振荡频率包括第一较低频率和第二较高频率，并且其中所述第一较低频率是引起所述可移动机械元件物理振荡以响应所述第一较低频率的频率，并且其中所述第二较高频率是不引起所述可移动机械元件物理振荡的频率。
11.根据权利要求10所述的MEMS参数识别系统，其中所述第一较低频率是在I千赫和10千赫之间的频率，并且其中所述第二较高频率是大于500千赫的频率。
12.—种微机电系统(MEMS)应用模块,包括: MEMS传感器，具有可移动机械元件，所述可移动机械元件被配置为响应于被施加到所述机械元件的电磁信号而能够调制，并且还包括传感接触件，所述传感接触件被配置为提供作为输出的对应于所述可移动机械元件的移动的电磁输出信号； 控制电路，与所述MEMS传感器的所述可移动机械元件电互通，并且被配置为提供电磁输入信号，所述电磁输入信号包括足够低以引起所述可移动机械元件物理振荡的频率的第一低频率成分，和足够高以不引起所述可移动机械元件振荡的频率的第二高频率成分； 解调电路，与所述MEMS传感器的所述传感接触件电互通，并且被配置为解调对应于所述可移动机械元件的移动的所述电磁输出信号以移除载波成分，并且提供解调信号作为解调输出； 第一信号滤波器，与所述控制电路电互通，其中所述第一信号滤波器被配置为接收所述电磁输入信号，从所述电磁输入信号中移除较高频率信号，并且提供过滤的较低频率信号作为输出； 第二信号滤波器，电耦合于所述解调电路，其中由所述解调电路提供的所述解调信号包括至少一个较低频率信号和一个较高频率信号，并且其中所述第二信号滤波器被配置为从所述解调信号中移除所述较高频率信号，并且提供作为结果的过滤的解调的较低频率信号作为输出； 信号评估电路，电耦合于所述第一信号滤波器和第二信号滤波器以及所述控制电路，其中所述信号评估电路被配置为从所述第一信号滤波器接收所述过滤的较低频率信号以及从所述第二信号滤波器接收所述过滤的解调的较低频率信号，比较这些信号的至少一个特性，并且将表示至少一个所比较的特性的特性信号提供给所述控制电路。
13.根据权利要求12所述的MEMS应用模块，还包括: 电容电压转换电路，电耦合于传感接触件，并且被配置为将电磁输出信号转换成电压并且提供所述电压作为电压输出；以及 模数转换电路，电耦合于所述电压转换电路并且与所述控制电路电互通，其中所述模数转换电路被配置为将所述电压输出转换成数字输出并且将它提供给所述控制电路，并且其中所述控制电路还被配置为监测所述数字输出，并且基于所述数字输出，确定所述MEMS应用模块的移动的变换或施加到所述MEMS应用模块的力的变化中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的MEMS参数识别系统，其中所述电磁输入信号的第一较低频率是引起所述可移动机械元件物理振荡以响应所述第一较低频率的频率，并且其中所述电磁输入信号的第二较高频率是不引起所述可移动机械元件物理振荡的频率。
15.—种确定系统内的MEMS传感器的参数的方法,包括: 生成输入信号，所述输入信号包括被选择为不引起MEMS传感器的可移动机械兀件的物理振荡的至少一个高频率成分，和被选择为MEMS传感器的可移动机械元件的物理振荡的一个低频率成分； 将所述输入信号提供给MEMS传感器，所述MEMS传感器包括至少一个可移动机械元件以使得从所述MEMS传感器提供包括高频率成分和低频率成分的调制输出信号； 解调由所述MEMS传感器提供的所述调制输出信号； 过滤所解调的输出信号以移除所述高频率成分；以及 评估所解调的过滤的信号以确定所述MEMS传感器的至少一个特性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中评估所述解调输出信号的步骤还包括将所解调的过滤的信号与所述输入信号进行比较以确定所述信号之间的至少一个差异的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所确定的所述至少一个差异包括振幅差和相位差中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括利用所述MEMS传感器的所述至少一个特性来更新所述MEMS传感器的至少一个补偿或校准参数的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，其中这些步骤在应用模块中被执行，所述应用模块被配置为执行除使用来自在所述应用模块中安装的MEMS传感器的输出进行的专门测试以外的功能，并且其中所述模块被配置为使用来自所述MEMS传感器的输出来确定由所述应用模块执行的功能。
20.根据权利要求15所述的方法，其中这些步骤在被配置为临时地电耦合于不同的MEMS传感器以测试所述MEMS传感器的设备中执行。
【文档编号】G01D18/00GK104344844SQ201410311293
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2013年7月23日
【发明者】R·P.·塞斯戈, T·M.·达尔, B·J.·德伯瑞 申请人:飞思卡尔半导体公司