具有补偿的力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的各实施方式指向力传感及传感器。
【背景技术】
[0002] 各种传感器，例如压力传感器、加速度计、巧螺仪和麦克风，通过检测机械结构的 位移来测量外力。该结构的位移被转换为外部信号。然而，传感器和位移检测器的差别可 能随时间而变化。例如，精确地知道传感器的弹黃系数k，可W便利于精确的力测量。例如， 由于环境条件如溫度、压力、热膨胀及它们对于弹黃系数的影响的变化，该常数在运行期间 可能发生变化。由于材料和传感器属性的永久（不可逆）变化，与老化、退化、疲劳、污染、 阔值电压漂移、电荷W及传感器的其他机械和电子的变化，该弹黃系数也可能发生变化。制 造工艺的差异也可能导致弹黃系数的差异。
[0003] 由于包括W上所述的运些影响传感器运行的变化，校准对于保证传感器精度而言 是重要的。校准通常设及使用一个已知值的参考力。然而，对于各类应用来说，产生一个恒 定的参考力是困难的。例如，由于例如间隔差异（如由于溫度、压力或者疲劳）、电荷累积和 电压漂移的效应，静电力可能显著地漂移。
[0004] 运些和其他方面对于各类应用的传感器及其实现而言产生了挑战。
【发明内容】
[0005] 各示例的实施方式指向传感器及其实现。
[0006] 根据本发明的示例的实施方式，一种装置包括力响应元件，其展示一谐振频率，并 响应于所施加的力而根据对波动敏感的弹黃系数来移动。补偿/校准类型的电路基于溫度 而确定力响应元件在谐振频率下的布朗运动。一个输出被生成，其基于所确定的布朗运动 W及力响应元件的移动，并反映施加到该装置上的力。
[0007] 各种其他实施方式指向与W上所述相一致的方法。提供一种力响应元件，其具有 谐振频率，响应于所施加的力、依照对波动敏感的弹黃系数而移动。基于溫度而确定力响应 元件在谐振频率下的布朗运动。一个输出被生成，其基于所确定的布朗运动W及力响应元 件的移动，并提供施加到该装置上的力的指示。
[0008] W上的讨论/概要并不应视为描述了本发明的每一种实施方式或所有实施例。W 下的附图和描述同样示出了各种实施方式。
【附图说明】
[0009] W下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步详细地描述，其中：
[0010] 图1所示的是根据一种示例的实施方式的传感器装置；
[0011] 图2所示的是根据另一示例的实施方式的传感器装置；
[0012] 图3示出根据本发明另一示例的实施方式的用在传感器应用中的传感器-频率特 性曲线；W及
[0013] 图4所示的是根据本发明另一种示例的实施方式的传感器装置。
[0014]W下将通过附图中示例的说明详细阐述本发明的细节，本发明亦可适用各种变通 与修饰。应当理解的是，本发明不局限于所描述的特定实施方式。对于所属领域的技术人 员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可W作出多种具体变化，均应包含在本发明 的范围内。此外，本申请全文中所指的"示例"仅为表述之用，非为限制。
【具体实施方式】
[0015] 本发明的各方面可W适用于多种不同类型的设备、系统和方法，其设及到使用布 朗噪声的传感器应用，例如使用布朗噪声作为基准用于校准机械传感器。本发明的多个方 面可W通过上下文所描述的种种示例展示，本发明并不限于所述的示例。
[0016] 本发明的各示例的实施方式指向使用布朗噪声的传感器应用，例如通过基于布朗 噪声补偿或者校准机械传感器。特定的实施方式指向片上校准，其基于忍片的布朗运动的 电子测量来进行传感器差异的修正。运种方法可W实施在测量科里奥利力的压力传感、加 速度计、巧螺仪，测量气体压力的麦克风，测量接触力的原子力显微镜，W及其他基于力的 测量应用中。
[0017] 本发明的各实施方式指向具有机械传感器的实施，并解决例如W上【背景技术】中所 述的挑战，可W设及实现对于所施加的力Fext的精确的绝对测量。所施加的力被基于传感 器的弹黃系数而衡量，传感器的弹黃系数通过布朗噪声被调节，W适应环境条件的变化，例 如溫度、压力、热膨胀及其对于弹黃系数的影响，并适应材料及传感器属性的永久（不可回 复）改变，例如那些设及老化、退化、疲劳、污染、阔值电压漂移、充电及传感器的其他机械 与电子差异。在初始校准之后，传感器关系V"ut=ae/keF^t得W确定，从而力F^t的值可W 通过测量V。。,而确定，并通过布朗噪声来调整常数k的变化（如通过a(t) =ae+Δa(t)和 k(t) =k〇+Δk(t)来给定）。
[0018] 根据另一实施方式，一种装置包括力响应的元件，其响应于所施加的力，依照对波 动敏感的弹黃系数而发生移动，并可具有一个谐振频率而运行。运样一种元件可W包括例 如一种质量元件和一种弹性元件，如可W实现在压力传感器、运动传感器或各种器件中。禪 合到该力响应元件的电路基于溫度（W及例如基于压力响应元件的质块所检测到的位移） 确定其在谐振频率下的布朗运动。一个输出被生成，其基于所确定的布朗运动W及力响应 元件的移动，并反映施加到该装置上的力。
[0019] 在一些实现中，布朗运动用于确定弹黃系数的值的变化，W及输出被使用所检测 的值的变化而生成。该输出将所检测的力响应元件的移动与施加到装置上的力关联起来。 在更特别的实现中，使用力响应元件的移动模型来生成该输出，其中该模型是基于力响应 元件的特性，包括质量、溫度、形状、阻尼、谐振频率和弹黃系数。在另一种实现中，使用模型 来从所测量的布朗运动而确定弹黃系数。该模型是基于力响应元件的特征，例如质量、溫 度、阻尼、谐振频率、W及形状。该模型还可W是基于布朗运动检测器的特性和溫度。
[0020] 在更具体的实施方式中，禪合一个频谱分析仪，W在力响应元件的谐振中检测基 于布朗运动的峰值。该峰值在一个频率范围内被集成，该集成的结果被用来确定力响应元 件的接近或处于谐振频率上的布朗运动。
[0021] W上所述的力响应元件可由多种方式实现，W适应于多种应用。在一些实施方式 中，运样一种力响应元件提供电压输出，其表征所施加的力，并基于所施加的力w及弹黃系 数的波动而变化。溫度传感器感测用于确定布朗运动的溫度，参考电路提供参考值，用来校 准/补偿使用力响应元件的移动检测（例如，提供可W被确定的电容、电阻和/或电压值）。 具有固定的幅度和频率范围的频谱分析仪运行为分析力响应元件对压力的响应所对应的 值。如此，力响应元件的位移可W使用固定的电容源作为参考而得到。布朗运动噪声被基 于频谱分析仪的输出而估算得到，频谱分析仪的输出显示了电压输出的谐振中基于布朗运 动的峰值，所估算的布朗运动噪声和检测的溫度用来确定弹黃系数的值。通过确定施加到 力响应元件上的压力，基于所确定的弹黃系数的值、将传感器的力与压力和所检测的位移 关系的模型，可W生成输出。在一些实施方式中，使用描述了电压与环境参数的依赖关系的 模型，来生成输出，该输出表征经修正的/经补偿的或者经校准的感测压力。
[0022] 在另一实施方式中，此处所述的力响应元件提供电压输出，其响应于压力而变化。 通过基于布朗运动而确定力响应元件的弹黃系数，W及使用该弹黃系数W及力响应元件的 检测的移动，来确定施加到基上的压力的量，生成表征压力的输出。
[0023] 布朗运动由多种方式中的一个或多个来确定。在一些实现中，从指示力响应元件 的谐振频率的输出中，过滤掉力响应元件的随机热激励而带来的噪声，从而基于经过滤的 输出中谐振频率上的信号幅度，确定布朗运动。在其他实现中，基于电压频谱中的频率峰值 来确定布朗运动，电压频率对应于力响应元件的移动。
[0024] 布朗运动被用来在多种方式下解决压力感应的问题，W适应于特定的实施方式。 在一些实施方式中，围绕传感器的原子和分子的布朗运动所产生的力被用作参考力。由于 布朗力的幅度是由热力学定理确定的，其大小与传感器退化或环境的变化无关。片上校准 方法从而设及使