压电基底器件及其自校准方法和系统、以及监控系统与流程

[0001]
本公开涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种压电基底器件及其自校准方法和系统、以及监控系统。


背景技术：

[0002]
目前，具有压电特性的材料广泛用于现代监测场景中，例如压电加速度传感器是用于测量振动的主要传感器。但是，在使用过程中由于压电元件的老化、硬化等原因，导致压电器件的灵敏度发生漂移，致使其长期稳定性较差，因而需要经常进行校准。
[0003]
然而迄今为止，对压电器件还没有比较实用的校准方法，业内通常的做法是，一旦压电元件的灵敏度发生漂移，性能不稳定，就直接更换元器件。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本公开提供一种压电基底器件及其自校准方法和系统、以及监控系统，可延长压电基底器件的使用寿命，同时提高准确性，至少部分解决现有技术中存在的问题。
[0005]
为解决上述技术问题，本公开披露一种压电基底器件的自校准方法，该方法包括：关闭被测压电基底器件的应用电路，触发预设的横跨器件的校准电压，获取所述被测压电基底器件的随时间变化的压电波动衰减曲线；将所述压电波动衰减曲线与所述被测压电基底器件出厂时的压电波动衰减曲线进行比较，计算当前相对于新出厂时的压电波动衰减偏离度；根据所述偏离度的百分比、以及内置自校准软件预设的具有器件特异性的校准阈值，判断是否需要进行自校准修正，并在需要进行自校准时启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度。
[0006]
作为一种可选的实现方式，所述判断是否需要进行自校准修正进一步包括：
[0007]
当所述偏离度超过预设的校准阈值时，被测压电基底器件的检测特性下降，灵敏度降低，则启动自我补偿程序，根据所述偏离度的大小，对所述被测压电基底器件的信号发射性能或检测特性进行适应性提高；
[0008]
当所述偏离度未超过预设的校准阈值时，不必对所述被测压电基底器件进行修正，完成本次自校准。
[0009]
作为一种可选的实现方式，所述偏离度在2％-5％之间，则启动自我补偿程序进行校准修正；若所述偏离度小于2％则不需要补偿修正。
[0010]
作为一种可选的实现方式，所述压电基底器件包括各种由gan、gaas、石英晶体、pzt材料作为基底制造的检测或探测器件；其中，所述压电基底器件至少包括雷达部件、红外成像部件、应力传感器、流量传感器、压强传感器、扭矩传感器、超声传感器、振动传感器、加速度传感器、倾角传感器、音叉陀螺仪、气体传感器、化学物质传感器、生物传感器、粘滞度传感器、密度传感器、刻蚀传感器、酸碱传感器、pm2.5石英粉尘传感器、石英微天平、温度传感器、陀螺仪及光学感应器中的一种或以上。
[0011]
作为一种可选的实现方式，所述启动自我补偿程序，修正所述被测压电基底器件
的灵敏度，进一步包括：根据所述偏离度的大小，计算对应的修正值，并根据所述修正值对所述被测压电基底器件进行校准。
[0012]
作为一种可选的实现方式，所述在需要进行自校准时启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度进一步包括：
[0013]
所述压电基底器件为gan雷达时，所述偏离度达到或高于2％时，将所述gan雷达的射频信号提高3％或以上，或者将所述gan雷达的功率放大电路的输出功率提高3％或以上；
[0014]
所述压电基底器件为gan红外装置时，所述偏离度达到或高于5％时，将所述gan红外装置的红外信号检测能力提高10％或以上；
[0015]
所述压电基底器件为sio2石英微天平时，所述偏离度达到或高于5％时，压电特性下降5％，将所述sio2石英微天平的微量物质称重检测能力提高20％或以上。
[0016]
作为一种可选的实现方式，所述校准电压为瞬间脉冲电压，且所述校准电压的取值范围为0.1-500伏特；所述压电基底器件出厂时的灵敏度曲线，为出厂时测得的其压电波动随时间的衰减曲线。
[0017]
相应地，为实现上述方法，本公开还披露一种压电基底器件的自校准系统，该系统包括：
[0018]
校准激发电路，与被测压电基底器件连接，用于产生自校准电压；
[0019]
校准信号检测电路，与所述校准激发电路并联；
[0020]
第一开关电路，设置于所述被测压电基底器件与其应用电路的连接电路上；
[0021]
第二开关电路，设置于所述被测压电基底器件与所述校准激发电路、校准信号检测电路的连接电路上；
[0022]
自校准控制电路，内置自校准软件，用于通过校准信号控制所述第一开关电路、所述第二开关电路，触发自校准程序的启动与停止。
[0023]
另外，本公开还披露一种自校准压电基底器件，包括：
[0024]
压电基底监测模块；
[0025]
应用电路，与所述压电基底监测模块可控连接，所述应用电路包括电源电路和振荡电路；
[0026]
前述任一种自校准系统，与所述压电基底监测模块可控连接。
[0027]
此外，本公开还披露一种监控系统，其该系统包括本地监测装置和远程监控装置，其中：
[0028]
所述本地监测装置进一步包括：前述任一种压电基底器件的自校准系统；
[0029]
所述远程监控装置进一步包括：用于接收监测信号的接收器、用于处理监测信号的处理器、用于显示处理结果的显示器、以及用于存储监测信号和处理结果数据的存储器。
[0030]
与现有技术相比，本公开披露的压电基底器件及其自校准方法和系统、以及监控系统具有以下技术效果：
[0031]
本公开实施例通过自校准系统，触发自校准电路，针对采用不同压电材料作为基底的器件进行校准，并通过设置特异化的补偿修正值，提升被测压电基底器件的灵敏度。因此，通过实施本公开的技术方案，不仅可延长元器件的使用寿命，提高系统准确性，还能够减少后勤维护成本，降低系统全寿命周期使用成本。
[0032]
本公开披露的压电基底器件及其自校准方法和系统、以及监控系统的更进一步的
有益效果，在下文中展开阐述。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0034]
图1本公开实施例披露的压电基底器件的自校准方法流程示意图；
[0035]
图2本公开实施例披露的校准触发的压电波动衰减曲线示意图；
[0036]
图3本公开实施例披露的压电基底器件的自校准系统组成示意图；
[0037]
图4本公开实施例披露的压电基底器件的自校准电路及应用系统的示意图；
[0038]
图5本公开实施例披露的压电基底器件的组成示意图；
[0039]
图6本公开实施例披露的监控系统的组成示意图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0041]
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0042]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0043]
方法实施例：
[0044]
为解决上述压电器件在使用过程中发生器件老化而影响灵敏度的问题，本公开披露一种自校准方法。参照图1所示，本公开披露的压电基底器件的自校准方法包括以下步骤：
[0045]
s100：关闭被测压电基底器件的应用电路，触发预设的横跨器件的校准电压，获取被测压电基底器件的随时间变化的压电波动衰减曲线。
[0046]
本步骤中，在开始自校准之前，断开压电基底器件和应用电路的电连接，并转而电连接自校准电路。
[0047]
其中，应用电路是指压电基底器件的信号匹配电路，包括滤波电路、各种信号放大电路、数模转换电路等。
[0048]
可选的是，本实施例中，压电基底器件中的电路连接模块可以采用各种数字式开关电路。例如，启动自校准时，数字开关电路切断压电基底器件和应用电路的电连接，并开启压电基底器件与自校准电路的电连接。
[0049]
在校准过程中，通过校准电压触发得到的压电波动衰减曲线如图2所示，图中横轴
为触发电压衰减过程的时间值，单位微秒us，纵轴为触发电压衰减过程的电压值，计量单位伏特v。
[0050]
另外，需要说明的是：
[0051]
1)压电基底器件是指基底材料具有压电特性的器件，可以包括各种由gan、gaas、石英晶体、pzt材料作为基底制造的检测或探测器件；
[0052]
2)校准电压：为瞬间脉冲电压，且校准电压的取值范围为0.1-500伏特。
[0053]
例如，在校准时，校准电压可采用0.01毫秒的2伏特的脉冲，以获取其压电波动衰减曲线。
[0054]
s200：将压电波动衰减曲线与被测压电基底器件出厂时的压电波动衰减曲线进行比较，计算当前相对于新出厂时的压电波动衰减偏离度。
[0055]
其中，压电基底器件出厂时测得的其压电波动随时间的衰减曲线，为压电基底器件的灵敏度曲线。
[0056]
本步骤中，当前测得的压电波动衰减曲线与出厂时的压电波动衰减曲线相比，可以看出：
[0057]
本实施例通过获得出厂时压电基底器件的灵敏度曲线，即瞬间脉冲随时间的衰减曲线，对待校准压电基底器件施加相同短脉冲电压，测得待校准压电基底器件的瞬间脉冲随时间的衰减曲线。如图2和图3所示，比较两条衰减曲线(喇叭形)形状变化，如喇叭形曲线出现拖长，说明检测特性下降，灵敏度降低，需要校准修正；如未出现拖长，则不需要校准。
[0058]
例如，上述实施例中，出厂产时，压电基底器件的形变可对应产生3伏特的电压差，那么用了一段时间以后，同样的形变，可能只产生了0.2伏特的电压差，传感器电路cpu预设置有出厂时的传感器灵敏度曲线，当检测发现灵敏度曲线发生变化，已经不是出厂时的样子。
[0059]
因此，为准确校准压电基底器件的灵敏度，下面进一步说明计算当前相对于新出厂时的压电波动衰减偏离度的过程如下：
[0060]
在校准时，采用0.01毫秒的3伏特的校准电压，以获取其压电波动衰减曲线，监测压电波动衰减到初始振幅高度的一半的时间t
x
，，计算t
x
，占波动衰减延续总时间t
衰减
的比值，若设定出厂时，压电基底器件的压电波动衰减到初始振幅高度的一半的时间占比为100％，那么偏离度p为：
[0061]
p＝(1-t
x
/t
衰减
)100％
[0062]
例如，新产品出厂的器件在受到触发校准电压时的压电波动衰减到初始振幅高度的一半时的时间为100％，应用校准时，器件在受到同样触发电压时的压电波动衰减到初始振幅高度的一半时的时间为96％，则偏离度为4％。
[0063]
s300：根据偏离度的百分比，以及内置自校准软件预设的具有器件特异性的校准阈值，判断是否需要进行自校准修正。
[0064]
本步骤中，预设的具有器件特异性的校准阈值是指：对于不同的压电基底器件，具有不同的校准阈值。
[0065]
例如，gan雷达的自校准阈值可以为：压电特性下降2％，也就是说，其偏离度达到或高于2％。本实施例中，偏离度在2％-5％之间，则需要校准修正，控制器发出校准修正信号。如未出现拖长，或偏离度小于2％则不需要校准。
[0066]
s400：在需要进行自校准修正时，启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度。
[0067]
本步骤中，根据s300的判断结果，当确定需要对被测压电基底器件进行校准修正时，根据具有器件特异性的修正值，对被测压电基底器件进行补偿，修正被测压电器件的灵敏度。
[0068]
本实施例的压电基底器件自校准方法，通过针对不同的压电基底材料，设置不同的器件补偿修正值，以完成自校准。进一步来讲，本实施例通过对压电材料制造的各类器件，以及传感器施加非常短脉冲的外部电压，观察监测压电器件，传感器在短脉冲消失后，压电器件，压电器件的脉冲衰减曲线，变化启动自校准修正程序。通过实施本实施例的技术方案，不仅可延长元器件的使用寿命，提高系统准确性，还能够减少后勤维护成本，降低系统全寿命周期使用成本。
[0069]
作为一种可选的实现方式，上述实施例中s300：判断是否需要进行自校准修正进一步包括：
[0070]
s301：判断偏离度是否超过预设的校准阈值，若超过执行步骤s302，若未超过，执行步骤s303；
[0071]
s302：当偏离度超过预设的校准阈值时，被测压电基底器件的检测特性下降，灵敏度降低，则启动自我补偿程序，根据偏离度的大小，对被测压电基底器件的信号发射性能或检测特性进行适应性提高；
[0072]
s303：当偏离度未超过预设的校准阈值时，不必对被测压电基底器件进行修正，完成本次自校准。
[0073]
例如，偏离度在2％-5％之间，则启动自我补偿程序进行自校准修正；若偏离度小于2％，则不需要校准修正。
[0074]
本步骤中，需要说明的是，校准阈值实际上可以根据应用压电基底器件的设备的精度，预先在出厂时设定。例如，雷达的精度要求高，当偏离度达到2％时，就启动自行校准；而温度传感器的应用要求低，偏离度大于5％时才启动校准。
[0075]
因此，概括来讲，本实施例中，校准阈值的取值区间可以设置为：偏离度从2％到10％。
[0076]
作为一种可选的实施方式，上述上述步骤s302中，启动自我补偿程序，修正被测压电基底器件的灵敏度可以进一步包括：根据偏离度的大小，计算对应的修正值，并根据修正值对被测压电基底器件进行校准。
[0077]
作为一种可选的实施方式，上述实施例中，压电基底器件可以包括各种由gan、gaas、石英晶体、pzt材料作为基底制造的检测或探测器件。例如：压电基底器件至少包括雷达部件、红外成像部件、应力传感器、流量传感器、压强传感器、扭矩传感器、超声传感器、振动传感器、加速度传感器、倾角传感器、音叉陀螺仪、气体传感器、化学物质传感器、生物传感器、粘滞度传感器、密度传感器、刻蚀传感器、酸碱传感器、pm2.5石英粉尘传感器、石英微天平、温度传感器、陀螺仪及光学感应器中的一种或以上。
[0078]
作为一种可选的实施方式，上述步骤s302中，在需要进行自校准时启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度进一步包括：
[0079]
压电基底器件为gan雷达时，偏离度达到或高于2％时，将gan雷达的射频信号提高
3％或以上，或者将gan雷达的功率放大电路的输出功率提高3％或以上；
[0080]
压电基底器件为gan红外装置时，偏离度达到或高于5％时，将gan红外装置的红外信号检测能力提高10％或以上；
[0081]
压电基底器件为sio2石英微天平时，偏离度达到或高于5％时，压电特性下降5％，将sio2石英微天平的微量物质称重检测能力提高20％或以上。
[0082]
产品实施例：
[0083]
相应地，为实施上述压电基底器件的自校准方法，本公开还披露一种压电基底器件的自校准系统。
[0084]
参照图3所示，该压电基底器件的自校准系统包括以下组成：
[0085]
校准激发电路，与被测压电基底器件连接，用于产生自校准电压；
[0086]
校准信号检测电路，与校准激发电路并联；
[0087]
第一开关电路k1，设置于被测压电基底器件与其应用电路的连接电路上；
[0088]
第二开关电路k2，设置于被测压电基底器件与校准激发电路、校准信号检测电路的连接电路上；
[0089]
自校准控制电路，内置自校准软件，用于控制校准信号、第一开关电路、第二开关电路，触发自校准程序的启动与停止。校准信号控制电路与所述校准监测电路并联，与压电基底器件的cpu信号连接，用于传输校准信号、及校准后的信号。
[0090]
在一可选实施例中，上述自校准系统还可包括自校准存储器，与所述自校准控制器连接，用于存储自校准相关的监测信号及数据。
[0091]
自校准电路中控制器可以为cpu/dsp/asic/arm、fpga等控制器件，自校准控制器控制自校准存储器，并且通过数字化的信息传输给使用压电基底器件的控制和显示单元。
[0092]
本实施例中，图3所示的自校准系统处于启动状态，第一开关电路处于断开，第二开关电路处于闭合，此时，校准激发电路对压电基底监测模块ps施加横跨器件的校准电压，激发压电波动，通过校准信号检测电路获取被测压电基底器件的随时间变化的压电波动衰减曲线。
[0093]
自校准控制器启动自校准软件，将所述压电波动衰减曲线与所述被测压电基底器件出厂时的压电波动衰减曲线进行比较，计算当前相对于新出厂时的压电波动衰减偏离度。并且，根据所述偏离度的百分比、以及内置自校准软件预设的具有器件特异性的校准阈值，判断是否需要进行自校准修正，并在需要进行自校准修正时启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度。
[0094]
上述实施例中，开关电路为2x2开关电路，启动自校准时切断压电基底器件和应用电路的电连接，并开启压电基底器件与自校准电路的电连接。
[0095]
进一步来讲，以压电材料(pzt、石英晶体等等)为基底的传感器包括：应力传感器，流量传感器，压强传感器，扭矩传感器，超声传感器，振动传感器，加速度传感器，倾角传感器，音叉陀螺仪，气体传感器，化学物质传感器，生物传感器，粘滞度传感器，密度传感器，刻蚀传感器，酸碱传感器，pm2.5石英粉尘传感器，石英微天平，温度传感器，陀螺仪，光学感应器等。
[0096]
由于采用压电材料如gan、gaas等制成的器件容易老化，进而导致器件的射频性能漂移，类似的情形还发生在以gan为基底的红外检测系统，这些传感器在使用过程中都会发
生器件老化，传感器灵敏度漂移的现象。本公开实施例披露的自校准系统适用于上述传感器的自校准过程，可延长元器件的使用寿命，提高系统准确性，减少后勤维护成本，降低系统全寿命周期使用成本。
[0097]
上述实施例中，压电基底器件进行自校准的特异性体现在：不同的压电基底材料，对应不同的补偿修正值，举例说明如下：
[0098]
1)对于gan雷达单元，压电特性下降5％，对应的射频发射能力下降7％；
[0099]
2)对于gan红外单元，压电特性下降5％，对应的红外信号检测能力可能下降10％；
[0100]
3)对于sio2石英微天平，压电特性下降5％，对应的微量物质称重检测能力可能下降20％；
[0101]
例如，gan雷达的压电特性下降5％，对应的射频发射能力下降7％，校准补偿时，将雷达的射频信号提高，或者提高该雷达的功率放大电路的输出功率。一般，一个雷达可能包含2000个雷达射频发射器件。
[0102]
本实施例中，自校准电路触发预设的横跨器件的校准电压，获取被测使用具有压电特性材料作为基底的器件的随时间变化的压电波动衰减曲线；
[0103]
将压电波动衰减曲线与新器件出厂时所做的压电波动衰减曲线进行比较，计算出使用中器件对应新出厂器件的衰减偏离度；
[0104]
自校准电路根据偏离度的百分比，根据内置校准软件预设的，具有器件特异性的阈值，判断是否需要启动自校准，并在需要进行自校准时启动自我补偿程序，修正被测压电器件的灵敏度。
[0105]
同时，参照图4和图5所示，分别示出了本公开实施例披露的压电基底器件及其自校准电路及应用电路的组成。
[0106]
本实施例披露的自校准压电基底器件可包括：压电基底监测模块ps、中央处理器cpu、显示器、自校准系统及应用电路系统。
[0107]
其中，应用电路与压电基底监测模块可控连接，所述应用电路可包括电源电路和振荡放大电路、控制电路及应用设备等。
[0108]
前述任一实施例披露的自校准系统与压电基底监测模块可控连接。本实施例的自校准系统中，校准信号控制电路与所述校准监测电路并联，与压电基底器件的cpu信号连接，用于传输校准信号、及校准后的信号。
[0109]
自校准控制器及存储器通过数字化的信息传输给使用压电基底器件的cpu和显示器，用于接收和显示校准后的信号。
[0110]
另外，参照图6所示，本公开还披露一种监控系统实施例，该监控系统包括本地监测装置和远程监控装置，其中：
[0111]
本地监测装置进一步包括：如前述任一实施例披露的压电基底器件及其自校准系统；
[0112]
远程监控装置进一步包括：用于接收监测信号的接收器、用于处理监测信号的处理器、用于显示处理结果的显示器、以及用于存储监测信号和处理结果数据的存储器。
[0113]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。