微电子机械系统和使用方法 |
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申请号 | CN201380042767.4 | 申请日 | 2013-05-31 | 公开(公告)号 | CN104684841A | 公开(公告)日 | 2015-06-03 |
申请人 | 普渡研究基金会; | 发明人 | J·V·克拉克; | ||||
摘要 | 测量微 电子 机械系统(MEMS)中的可移动 质量 的位移的方法包括抵靠着两个位移停止表面驱动所述质量以及测量诸如梳齿的感测电容器的对应差动电容。描述了具有位移停止表面的MEMS装置。在测量具有悬臂和偏转 传感器 的 原子 力 显微镜 (AFM)的属性的方法中、或者在具有用于感测被允许沿着位移轴振动的可移动质量的位移感测单元的 温度 传感器中,能够使用这种MEMS装置。运动测量装置能够包括90°异相地驱动的 加速 计和回转仪对。 | ||||||
权利要求 | 1.一种测量微电子机械系统(MEMS)中的可移动质量的位移的方法,所述方法包括: |
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说明书全文 | 微电子机械系统和使用方法[0001] 相关申请的交叉参考 [0002] 本申请是2012年6月13日提交的第61/659,179号、2012年11月8日提交的第61/723,927号、2012年11月9日提交的第61/724,325号、2012年11月9日提交的第61/724,400号、2012年11月9日提交的第61/724,482号和2012年6月13日提交的第 61/659,068号美国临时专利申请的非临时申请并且要求所述美国临时专利申请的优先权,每个美国临时专利申请的整体通过引用结合到本文中。 技术领域[0003] 本申请涉及微电子机械系统(MEMS)和纳米电子机械系统(NEMS)。 背景技术[0004] 一般在硅(Si)和绝缘体上硅(SOI)晶片上加工微电子机械系统(MEMS),非常像标准的集成电路那样。然而MEMS装置包括晶片上的移动部分以及电部件。MEMS装置的示例包括回转仪、加速仪和麦克风。MEMS装置还能够包括执行器,执行器移动以在对象上施加力。示例包括微机器人操纵器。然而,当加工MEMS装置时,所加工的结构的尺寸经常不匹配在布局中指定的尺寸。这能够由例如不足的蚀刻或过度的蚀刻引起。 [0005] 对以下文献进行引用: [0006] [A1]D.H.Titterton,J.L.Weston,“捷联惯性导航技术(Strapdown Inertial Navigation Technology)”Peter Peregrinus Ltd.UK,1997. [0007] [A2]Y.Yazdi,F.Ayazi,K.Najafi,“微机械惯性传感器(Micromachined inertial sensors)”Proceedings of the IEEE,vol.86,no.8,pp.1640-1659,1998. [0008] [A3]I.Skog,P. “对MEMS惯性测量单元的校准(Calibration of aMEMS inertial measurement unit)”XVII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable Development,September,17-22,2006. [0009] [A4]I.Skog.P. “用于惯性导航的多用途的基于PC的平台(A Versatile PC-Based Platform for Inertial Navigation)”,in Proc.NORSIG 2006,Nordic Signal Processing Symposium,pp.262-265,June.2006. [0010] [A5]A.Kim,M.F Golnaraghi,“使用光学位置跟踪系统的惯性测量单元的初始校 准(Initial calibration of an inertial measurement unit using an optical position tracking system)”,in Proc.PLANS 2004,IEEE Position Location and Navigation Symposium,pp.96-101,April.2004. [0011] [A6]R M.Rogers,“在集成导航系统中的应用数学(Applied Mathematics In integrated Navigation Systems)”Second Edition.AIAA Education Series,2003.[0012] [A7]F.Li and J.Clark,“MEMS的刚度、位移和梳齿驱动器力的实际测量(Practical measurements of stiffness,displacement,and comb drive force ofMEMS)”IEEE UGIM,2010. [0013] [A8]A.Shkel,C.Acar.“用于改善鲁棒性的MEMS振动回转仪结构方法(MEMS Vibratory Gyroscopes Struetural Approaches to Improve Robustness)”Springer Verlag,2008. [0014] [A9]Tang W C.“用于谐振传感器和执行器应用的静电梳齿驱动器(Electrostatic comb drive for resonant sensor and actuator applications)”PhD Dissertation,University of Califomia,Berkeley,CA.1990. [0015] [A11]AD7746电容到数字转换器(Capacitance-to-Digital Convertor),模拟装置(Analog Devices),MA,2011. [0016] 还对以下文献进行引用: [0017] [B1]Udrea,F.,Santra,S.,and Gardner,J.W.,2008,“CMOS温度传感器-构思、本领域状态和前景(CMOS Temperature Sensors-Concepts,State-of-the-art and Prospects)”,IEEE Semiconductor Conference,1pp.31-40. [0018] [B2]Webb,C.,1997,“红外线:更快、更小、更便宜(Infrared:Faster,Smaller,Cheaper)”Control Instrumentation 44. [0019] [B3]Childs,P.R.N.,Greenwood,J.R.and Long,C.A.,2000,“温度测量的回顾(Review of Temperature Measurement)”,Review of Scientific Instruments,71(8)pp.2959-2978. [0020] [B4]Preston-Thomas,H.,1990,“1990的国际温标(ITS-90)(The International Temperature Scale of 1990(ITS-90))”,Metrologia 27,pp.186-193. [0021] [B5]Hutter,J.L.,and Bechhoefer,J.,1993,“原子力显微镜针尖的校准(Calibration of atomic-force microscope tips)”Review of Scientific Instruments64(7),pp.1868-1873. [0022] [B6]Matei,G.A.,Thoreson,E.J.,Pratt,J.R.,Newell,D.B.and Bumham,N.A.,2006,“原子力显微镜悬臂的热校准的准确度和精度(Precision and accuracy ofthermal calibration of atomic force microscopy cantilevers)”Review of Scientific Instruments77(8),pp.1-6. [0023] [B7]Press,W.H.,Flannery,B.P.,Teukolsky,S.A.and Vetterling,W.T.,1989,“FORTRAN的数值算法(Numerical Recipes in FORTRAN)”,Cambridge University Press,Cambridge,Chap.12. [0024] [B8]Stark,R.W.,Drobek,T.,and Heckl,W.M.,2001,“用于原子力显微镜的自由V形悬臂的热机械噪声(Thermomechanical Noise of a Free V-Shaped Cantilever for Atomic Force Microscopy)”,Ultramicroscopy,86,pp.201-215. [0025] [B9]Butt,H.J.,and Jaschke,M.,1995,“原子力显微镜中的热噪声的计算(Calculation of Thermal Noise in Atomic Force Microscopy)”,Nanotechnology,6(1),pp.1-7. [0026] [B10]Levy,R.,and Maaloum,M.,2002,“测量原子力显微镜悬臂的弹簧常量:热涨落和其他方法(Measuring the Spring Constant of Atomic Force Microscope Cantilevers:Thermal Fluctuations and Other Methods)”,Nanotechnology,13(1),pp.34-37. [0027] [B11]Jayich,A.C.,and Shanks,W.E.,2008,“1开尔文下的悬臂上采样系统的噪声测温法和电子测温法(Noise Thermometry and Electron Thermometry of a Sample-On-Cantilever System Below 1Kelvin)”,Applied Physics Letters,92(1),pp.1-3. [0028] [B12]Li,F.,and Clark,J.V.,2010,“MEMS的刚度、位移和梳齿驱动器力的实际测量(Practical Measurements of Stiffness,Displacement,and Comb Drive Force of MEMS)”,EEE UGIM(University Government Industry Micro/nano)Symposium,pp.1-6.[0029] [B15]COMSOL,Inc.744Cowper Street,Palo Alto,CA 94301,USA,www.comsol.com [0030] 还对以下文献进行引用: [0031] [C1]Gabrielson,T.B.,1993,“微机械声学和振动传感器中的机械热噪声(Mechanical-Thermal Noise in Micromachined Acoustic and Vibration Sensors)”IEEE Trans.Electron Dev.,40(5),pp.903-909. [0032] [C2]Leland,R.P.,2005,“MEMS回转仪中的机械热噪声(Mechanical-Thermal Noise in MEMS Gyroscopes)”IEEE Sensors J.,5(3),pp.493-500. [0033] [C3]Vig,J.R.,and Kim,Y.,1999,“微电子机械系统谐振器中的噪声(Noise in Microelectromechanical System Resonators)”IEEE Trans.Ultrasonics,Ferroelectrics,Freq.Control,46(6),pp.1558-1565. [0034] [C4]Butt,H-J.,andJaschke,M.,1995,“原子力显微镜中的热噪声的计算(Calculation of thermal noise in atomic force microscopy)”Nanotechnology,6,pp.1-7. [0035] [C5]Shao,Z.,Mou,J.,Czajkowsky,D.M.,Yang,J.,Yuan,J-Y.,1996,“生物原子力显微镜:实现了什么以及需要什么(Biological atomic force microscopy:what is achieved and what is needed)”Adv.Phys.,45(1),pp.1-86. [0036] [C6]Gittes,F.,and Schmidt,C.F.,1998,“对微机械实验的热噪声限制(Thermal noise limitations on micromechanical experiments)”Eur.Biophys.J.,27,pp.75-81.[0037] [C7]Rief,M.,Gautel,M.,Oesterhelt,F.,Femandez,J.M.,Gaub,H.E.,1997,“由AFM进行的单独肌联蛋白免疫球蛋白功能区的可逆展开(Reversible unfolding of individual titin immunoglobulin domains by AFM)”Science,276,pp.1109-1112.[0038] [C8]Boser,B.E.,and Howe,R.T.,1996,“表 面 微 机 械 加 速 计 (Surface Micromachined Accelerometers)”IEEE J.Solid-State Circuits,31,pp.366-375.[0039] [C9]Dong,Y.,Kraft,M.,Gollasch,C.,Redman-White,W.,2005,“具 有 五 阶∑-Δ调制器的高性能加速计(A high-performance accelerometer with a fifth order sigma-delta modulator)”J.Micromech.Microeng.,15,pp.S22-S29. [0040] [C10]Jiang,X.,Seeger,J.I.,Kraft,M.,Boser,B.E.,2000,“具有数字输出的单片表面微机械加工的Z轴回转仪(A Monolithic Surface Micromachined Z-Axis Gyroscope with Digital Output)”2000Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers,Honolulu,HI,pp.16-19. [0041] [C11]Handtmann,M.,Aigner,R.,Meckes,A.,Wachutka,G.K.M.,2002,“使用负压弹簧和有源控制的MEMS惯性传感器的敏感度增强(Sensitivity enhancement of MEMS inertial sensors using negative springs and active control)”Sensor Actuat A-Phys,97-98,pp.153-160. [0042] [C12]Huber,D.,Corredoura,P.,Lester,S.,Robbins,V.,Kamas,L.,2004,“减少静电可调谐MEMS激光器中的布朗运动(Reducing Brownian Motion in an Electrostatically Tunable MEMS Laser)”J.Microelectromech.Syst.,13(5),pp.732-736. [0043] [C13]Friswell,F.I.,Inman,D.J.,Rietz,R.W.,1997,“热诱导振动的主动阻尼(Active Damping of Thermally Induced Vibration)”J.Intel.Mat.Syst.Struct.,8,pp.678-685. [0044] [C14]Wlodkowski,P.A.,Deng,K.,Kahn,M.,2001,“利用单晶压电材料的高敏感度、低噪声加速计的开发(The development of high-sensitivity,low-noise accelerometers utilizing single crystal piezoelectric materials)”Sensor Actuat A-Phys.,90,pp.125-131. [0045] [C15]Levinzon,F.A.,2005,“具有积分FET放大器的压电加速计的噪声(Noise of Piezoelectric Accelerometer With Integral FET Amplifier)”IEEE Sensors J.,5(6),pp.1235-1242. [0046] [C16]Riewruja,V.and Rerkratn,A.,2010,“使用运算放大器的模拟乘法器(Analog Multipliers Using Operational Amplifiers)”,Indian J.of Pre&Applied Physics,48,pp.67-70. [0047] 还对以下文献进行引用: [0048] [D1]J.C.Marshall,D.L.Herman,P.T.Vemier,D.L.DeVoe,and M.Gaitan,“使用MEMS测试结构在标准IC COMS过程中的杨氏模量测量(Young’s Modulus Measurements in Standard IC CMOS Processes Using MEMS Test Structures)”,IEEE Electron Device Letters,(2007). [0049] [D2]J.Yan,A.A.Seshia,P.Steeneken,J.V.Beek,“通过电容电压测量进行的针对杨氏模量提取的测试结构(A Test Structure for Young Modulus Extraction through Capacitance-Voltage Measurements)”,Sensors(2005). [0050] [D3]L.M.Fok,C.K.M.Fung,Y.H.Liu,and W.J.Liz,“由原子力显微镜进行的MEMS结构的纳米尺度机械测试(Nano-scale Mechanical Test of MEMS Structures by Atomic Force Microscope)”Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation,(2004). [0051] [D4]W.N.Sharpe,B.Yuan,and R.Vaidyanathan,“用于MEMS材料的机械属性的测量的新测试结构和技术(New Test Structures and Techniques for Measurement of Mechanical Properties of MEMS Materials)”,Proc.SPIE,(1996). [0052] [D5]L.M.Zhang,D.Uttamchandani,and B.Culshaw,“硅谐振器的机械属性的测量(Measurement of the Mechanical Properties of Silicon Resonators)”,Sensors and Actuators,(1991). [0053] [D6]COMSOL,Inc.744Cowper Street,Palo Alto,CA 94301,USA,www.comsol.com[0054] [D7]M.Paz,“结构动力学:理论和计算(Structural Dynamics:Theory and Computation)”,Chapman&Hall,(2004). [0055] [D8]R.C.Hibbeler,“结构分析(Structural Analysis)”,Prentice Hall,Eighth edition,(2012). [0056] [D9]L.L.Yaw,“2D 渐 缩 梁 的 刚 度 矩 阵 (Stiffness Matrix of 2D Tapered Beam)”,online at Web site people.wallawalla.edu/ ~ louie.yaw/structuralanalysis/ [0057] [D10]J.R.Barber,“固 体 机 械 及 其 应 用 (Solid Mechanics and Its Applications),Volume 107,(2004). [0058] [D11]F.Li,J.V.Clark,“MEMS的刚度、位移和梳齿驱动器力的实际测量(Practical Measurements of Stiffness,Displacement,and Comb Drive Force of MEMS)”,EEE UGIM(University Government Industry Micro/nano)Symposium,(2010).[0059] 上面的讨论仅被提供用于一般的背景信息并且不旨在于在确定所要保护的主题内容的范围时被用作辅助。发明内容 [0060] 根据一个方面,提供了一种测量微电子机械系统(MEMS)中的可移动质量的位移的方法,所述方法包括: [0061] 将所述可移动质量移动至第一位置中,在所述第一位置中,所述可移动质量与第一位移停止表面基本静态接触; [0062] 使用控制器,在所述移动质量处于所述第一位置的同时自动测量两个间隔开的感测电容器的各自电容之间的第一差,其中,所述两个感测电容器中的每个包括附接至所述可移动质量并且可与所述可移动质量一起移动的各自的第一板和基本固定在适当的位置的各自的第二板; [0063] 将所述可移动质量移动至第二位置中,在所述第二位置中,所述可移动质量与第二位移停止表面基本静态接触,所述第二位移停止表面与所述第一位移停止表面间隔开; [0064] 使用所述控制器,在所述可移动质量处于所述第二位置的同时自动测量所述各自电容之间的第二差; [0065] 将所述可移动质量移动至参照位置,在所述参照位置中,所述可移动质量与所述第一位移停止表面和所述第二位移停止表面基本间隔开,其中,所述第一位置和所述参照位置之间的第一距离不同于所述第二位置和所述参照位置之间的第二距离; [0066] 使用所述控制器,在所述可移动质量处于所述参照位置的同时自动测量所述各自电容之间的第三差; [0067] 使用所述控制器,使用所测量到的第一差、所测量到第二差、所测量到的第三差以及分别与所述第一位置和第二位置对应的第一所选布局距离和第二所选布局距离来自动计算驱动常量; [0069] 使用所述控制器,在所述可移动质量处于所述测试位置的同时自动测量所述各自电容之间的第四差;以及 [0070] 使用所述控制器,使用所计算出的驱动常量和所测量到的第四差来自动确定所述测试位置中的所述可移动质量的位移。 [0071] 根据另一方面,提供了一种测量具有悬臂和偏转传感器的原子力显微镜(AFM)的属性的方法,所述方法包括: [0072] 使用控制器,自动测量两个电容器的在可移动质量的参照位置处以及在所述可移动质量的第一特征位置和第二特征位置处的各自差动电容,所述第一特征位置和所述第二特征位置沿着位移轴与所述参照位置间隔开各自的不同第一距离和第二距离,所述两个电容器具有附接至所述可移动质量并且可与所述可移动质量一起移动的各自的第一板; [0073] 使用所述控制器,使用所测量到的差动电容以及分别与所述第一特征位置和所述第二特征位置对应的第一所选布局距离和第二所选布局距离来自动计算驱动常量; [0074] 使用AFM悬臂,沿着所述位移轴在第一方向上在所述可移动质量上施加力,从而所述可移动质量向第一测试位置移动; [0075] 在所述可移动质量处于所述第一测试位置的同时,使用所述偏转传感器来测量所述AFM悬臂的第一测试偏转并测量所述两个电容器的第一测试差动电容; [0076] 将驱动信号施加至执行器以沿着所述位移轴与所述第一方向相反地将所述可移动质量移动至第二测试位置; [0077] 在所述可移动质量处于所述第二位置的同时,使用所述偏转传感器来测量所述AFM悬臂的第二测试偏转并测量所述两个电容器的第二测试差动电容;以及 [0078] 使用所述驱动常量、所述第一测试偏转和所述第二测试偏转以及所述第一测试差动电容和所述第二测试差动电容来自动计算光学级敏感度。 [0079] 根据另一方面,提供了一种微电子机械系统(MEMS)装置,包括: [0080] a)可移动质量; [0081] b)执行系统,适用于参照参照位置沿着位移轴选择性地平移所述可移动质量; [0082] c)两个间隔开的感测电容器,每个包括附接至所述可移动质量并且可与所述可移动质量一起移动的各自的第一板以及基本固定在适当位置的各自的第二板,其中,所述感测电容器的各自的电容随着所述可移动质量沿着所述位移轴移动而变化;以及 [0083] d)一个或多个位移停止器,被布置为形成第一位移停止表面和第二位移停止表面,其中,所述第一位移停止表面和所述第二位移停止表面限制所述可移动质量在各自的相反方向上沿着所述位移轴向远离所述参照位置的各自的第一距离和第二距离行进,其中,所述第一距离不同于所述第二距离。 [0084] 根据另一方面,提供了一种运动测量装置,包括: [0085] a)位于平面内的第一加速计和第二加速计,每个加速计包括各自的执行器和各自的传感器; [0086] b)位于所述平面内的第一回转仪和第二回转仪,每个回转仪包括各自的执行器和各自的传感器; [0087] c)执行源,适合于彼此90度异相地驱动所述第一加速仪和所述第二加速仪,并且适合于彼此90度异相地驱动所述第一回转仪和所述第二回转仪;以及 [0088] d)控制器,适合于从所述加速仪和所述回转仪的各自的传感器接收数据,并且确定作用在所述运动测量装置上的平移、离心、科里奥利或横向力。 [0089] 根据另一方面,提供了一种温度传感器,包括: [0090] a)可移动质量; [0091] b)执行系统,适合于参照参照位置沿着位移轴选择性地平移所述可移动质量; [0092] c)两个间隔开的感测电容器,每个包括附接于所述可移动质量并且可与所述可移动质量一起移动的各自的第一板以及基本固定在适当位置的各自的第二板,其中,所述感测电容器的各自的电容随着所述可移动质量沿着所述位移轴移动而变化; [0093] d)一个或多个位移停止器,被布置为形成第一位移停止表面和第二位移停止表面,其中,所述第一位移停止表面和所述第二位移停止表面限制所述可移动质量在各自的相反方向上沿着所述位移轴向远离所述参照位置的各自的第一距离和各自的第二距离的行进,其中,所述第一距离不同于所述第二距离,并且其中,所述执行系统进一步适合于选择性地允许所述可移动质量沿着所述位移轴在由所述第一位移停止表面和所述第二位移停止表面限定的界限内振动; [0094] e)差动电容传感器,被电连接至所述各自的第二板;以及 [0095] f)位移感测单元,被电连接至所述可移动质量以及所述感测电容器中的至少一个的第二板,并且适合于提供与所述可移动质量沿着所述位移轴的位移相关的位移信号; [0096] g)控制器,适合于自动地: [0097] 操作所述执行系统以将所述可移动质量定位在基本位于所述参照位置的第一位置处、在与所述第一位移停止表面基本静态接触的第二位置处、以及在与所述第二位移停止表面基本静态接触的第三位置处; [0098] 使用所述差动电容传感器,测量分别与所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置对应的所述感测电容器的第一差动电容、第二差动电容和第三差动电容; [0099] 接收分别与所述第一位置和所述第二位置对应的第一布局距离和第二布局距离; [0100] 使用所测量到的第一差动电容、第二差动电容和第三差动电容以及所述第一布局距离和所述第二布局距离来计算驱动常量; [0101] 将驱动信号施加至所述执行系统以将所述可移动质量移动至测试位置中; [0102] 使用所述差动电容传感器来测量与所述测试位置对应的测试差动电容; [0103] 使用所计算出的驱动常量、所施加的驱动信号和所述测试差动电容来计算刚度; [0104] 使所述执行系统允许所述可移动质量振动; [0105] 在所述可移动质量被允许振动的同时,使用所述位移感测单元来测量多个连续位移信号并且使用所计算出的驱动常量来计算所述可移动质量的各自的位移;以及[0106] 使用所测量到的位移和所计算出的刚度来确定温度。 [0107] 该发明内容仅旨在于提供对根据一个或多个说明性实施例的本文中公开的主题内容的简要概括,并且不用作对解释权利要求的引导或者限定或限制本发明的范围,本发明的范围仅由所附权利要求来限定。该发明内容被提供以按照简化形式来介绍说明性的构思选择,下面在具体实施方式中进一步描述所述构思。该发明内容不旨在于确定所要保护的主题内容的关键特征或必不可少的特征,也不旨在于在确定所要保护的主题内容的范围时被用作辅助。所要保护的主题内容不限于解决在背景技术中提到的任何或所有缺点的实施方式。附图说明 [0108] 当结合以下描述和附图来理解时,本发明的上面的以及其他的目的、特征和优点将变得更加明显,其中,在可能的情况下使用了相同的参照标号来指明图所共有的相同特征,并且其中: [0109] 图1是示例性的能自校准的MEMS装置的平面图; [0110] 图2是能校准的MEMS校准原子力显微镜的位移和刚度的示例性应用的透视图; [0111] 图3示出了各种传统重力计的照片的代表图; [0112] 图4示出了传统的亚微米G加速仪的透视图; [0113] 图5示出了根据各个方面的能自校准的MEMS重力计的布局示意图; [0114] 图6示出作为弯曲部长度的函数的电容中的不确定性的模拟结果; [0115] 图7A-B示出了作为弯曲部长度的函数的频率中的模拟的不确定性; [0116] 图8示出了示例性的能自校准的回转仪; [0117] 图9示出了示例性的能自校准的加速仪; [0118] 图10是示出示例性的检测质量的速度的模拟的曲线图; [0119] 图11是能自校准的加速仪和电容计的图像的局部示意代表图; [0120] 图12是传感器噪声对间隔测量不确定性的敏感度的曲线图; [0121] 图13是不匹配对间隔测量不确定性的敏感度的曲线图; [0122] 图14示出了位移幅度对刚度的变化; [0123] 图15是示出幅度对温度的依赖性的曲线图; [0124] 图16示出了幅度对刚度的敏感度; [0125] 图17示出了幅度对温度的敏感度; [0126] 图18A和18B示出了示例性的MEMS结构; [0127] 图19是确定梳齿驱动器常量的示例性方法的流程图; [0128] 图20是在确定梳齿驱动器常量之后的示例性的进一步处理的流程图; [0129] 图21示出了用于瞬时位移感测的示例性系统; [0130] 图22示出了用于模拟以确定梳齿驱动器常量的模型; [0131] 图23示出了在初始状态下图22中的模型的模拟的结果; [0132] 图24示出了在中间状态下图22中的模型的模拟的结果; [0133] 图25示出了用于刚度的静态偏转的模拟的结果; [0135] 图27是示例性跨阻放大器(TIA)的电路图; [0136] 图28是示例性微分器和示例性解调器的电路图; [0137] 图29是示例性低通频率滤波器的电路图; [0138] 图30是示例性微分器的电路图; [0139] 图31是示例性滤波器的电路图; [0140] 图32是示例性过零检测器的电路图; [0141] 图33是示例性条件电路的电路图; [0142] 图34示出了示例性跨阻放大器的输出电压Vout和输入电压Vin之间的模拟比较; [0143] 图35示出了模拟解调信号; [0144] 图36示出了模拟滤波信号; [0145] 图37示出了来自示例性微分器的模拟输出信号; [0146] 图38示出了来自示例性滤波器的模拟输出信号; [0147] 图39和40示出了两个过零检测器的模拟输出信号; [0148] 图41示出了来自条件电路的模拟反馈信号; [0149] 图42示出了静电反馈力的影响的模拟的结果; [0150] 图43示出了多晶硅的杨氏模量对公布年份的数据; [0151] 图44示出了根据各个方面的所加工的MEMS装置的显微图的代表图; [0152] 图45示出了对具有和不具有圆角的示例性梁的静态位移和谐振频率进行比较的模拟网格和结果; [0153] 图46示出了对具有和不具有圆角的示例性渐缩梁的静态位移和谐振频率进行比较的模拟网格和结果; [0154] 图47示出了示例性渐缩梁部件和各种其自由度; [0155] 图48A和48B示出了MEMS结构和刚度的测量; [0156] 图49示出了确定刚度的示例性方法; [0157] 图50示出了示例性梳齿驱动器的部分的配置; [0158] 图51示出了初始状态下的图50中示出的配置的模拟的结果; [0159] 图52示出了中间状态下的图50中示出的配置的模拟的结果; [0160] 图53示出了用于确定刚度的静态偏转的模拟的结果; [0162] 图55示出了测量微电子机械系统中的可移动质量的位移的示例性方法; [0163] 图56示出了测量原子力显微镜的属性的示例性方法;以及 [0164] 图57是根据各个方面的运动测量装置的轴测投影图。 [0165] 所附附图用于说明性的目的并且不一定成比例。 具体实施方式[0166] 还对以下文献进行引用,每个的公开内容通过引用结合到本文中。 [0167] [A10]F.Li,J.V.Clark,“用于具有梳齿驱动器的MEMS的自校准:间隔的测量(Self-Calibration for MEMS with Comb Drives:Measurement of Gap)”Journal of Microelectromechanical Systems,accepted May,2012. [0168] [B13]Clark,J.V.,2012,“MEMS位移、力、刚度、质量和阻尼的后成型封装的测量(Post-Packaged Measurement of MEMS Displacement,Force,Stiffness,Mass,and Damping)”,International Microelectronics and Packaging Society. [0169] [B14]Li.F,Clark,J.V.,2012,“用于具有梳齿驱动器的MEMS的自校准:间隔的测量(Self-Calibration of MEMS with Comb Drives:Measurement of Gap)”,Journal of Microelectromechanical Systems,Dec.2012. [0170] [D12]J.V.Clark,“MEMS位移、力、刚度、质量和阻尼的后成型封装的测量(Post-Packaged Measurement of MEMS Displacement,Force,Stiffness,Mass,and Damping)”,International Microelectronics and Packaging Society,March(2012).[0171] 在本文中使用用于各种量的符号(例如,Δgap)。该公开内容通篇中,这些符号的斜体和非斜体变体(例如,“Δgap”和“Δgap”)是等同的。 [0172] 各个方面涉及利用能自校准的微电子机械系统(MEMS)来校准原子力显微镜(AFM)。在本文中公开了使用微电子机械系统(MEMS)的原子力显微镜(AFM)的校准的各种布置。本文中的一些方法使用能自校准的MEMS技术来可追踪地测量AFM悬臂刚度和位移。位移的校准包括测量每位移的改变的光传感器电压的改变,或光学级敏感度(OLS),并且对刚度连同位移的校准产生对力的精确测量。对AFM校准是有用的,因为超过二十年来对于纳米技术者来说AFM一直是有用的工具,然而AFM的精确度有很大未知。用于校准AFM的之前的工作,诸如热振动法、加权法和布局几何构型法,为10%的不确定。因此,这种AFM测量产生约1个有效位数的精确度。本文中的各个方面有利地使用具有可追踪校准的力、刚度和位移的MEMS装置作为传感器来校准AFM的位移读数和悬臂刚度。本文中描述的各种方法和装置是实际的,易于使用的,并且适合于标准的绝缘体上硅(SOI)处理中的加工。在本公开中,描述了一般MEMS设计的使用,并且提出了相关联的精确度、敏感度和不确定性分析。 [0173] 由于AFM的特定能力,纳米技术的领域已经看到了非凡的增长。AFM被用于应用和感测力或位移以更好的理解作为物质的关键构建材料尺度的纳米尺度下的现象。 [0174] AFM包括用于探测物质的悬臂探针。通过将光束从悬臂反射到检测该光束的位置的光电二极管上来感测位移。通过将该偏转乘以悬臂刚度来找到力的测量。问题在于找到校准AFM悬臂刚度的精确和实用的方式以及其位移已困难。以下描述用于校准AFM的若干普通方法。 [0175] 在要求悬臂几何构型和材料属性的精确知识的AFM校准方法中,由于过程变化,应当测量这种属性;然而,没有过用于这种测量的精确和实用的手段。 [0176] 在利用AFM悬臂的热诱导振动的校准方法中,要求悬臂温度和位移的精确测量;然而,没有过用于这种测量的精确和实用的手段。 [0177] 混合方法依赖于几何构型和动力学。 [0178] 可追踪的方法使用由静电力平衡方法校准的一系列均匀悬臂作为用于AFM悬臂刚度的校准参照。然而,该方法是不切实际的并且因此难以广泛使用。 [0179] AFM的光学级敏感度(OLS)是光电二极管电压的改变与位移的改变之比。该校准在一些实施例中是通过将悬臂按压到不可变形的表面上来完成的。假设能够由压电定位级来规定特定位移;然而,对该定位级的精确度和准确度进行校准是困难的且不切实际的。 [0180] 为了解决上面的不精确、不准确和不切实际的问题,通过使用根据本文中的各个方面的能自校准的MEMS来校准AFM的刚度和位移。该能自校准在本文中被称作电微计量(EMM),并且有利地能够在电被测变量的方面提取精确且准确的机械属性。使用诸如SOIMUMP的标准铸造过程能够完成MEMS微装置的微加工。一旦能够精确地校准MEMS的力、位移和刚度,通过测量AFM的刚度和偏转,微装置就能够被用于校准AFM。 [0181] 以下,在表格1中给出本文中使用的各种术语。 [0182] 表格1:命名法 [0183]h 装置层的厚度(未知) g 梳齿指之间的间隔(未知) ε 介质的介电常熟(未知) β 电容校正因数(未知) L 初始指重叠(未知) C,CP 电容(测量) Δ,δ 差和不确定性(测量) x 梳齿驱动器位移(测量) F 梳齿驱动器力(测量) k 系统刚度(测量) gap 间隔停止尺寸(测量) ψ 梳齿驱动器常量(测量) Δgap 布局至加工(测量) V 施加的电压(已知) N 梳齿指的数量(已知) n n=gap2,layout/gap1,layout≠1(已知) [0184] 电微计量(EMM)是用于提取MEMS的有效机械测量的精确的、准确的且实用的方法。EMM的各种方法使用两个不等间隔来确定布局和加工之间的间隔几何构型中的差(由于从布局到加工MEMS装置改变)。这些间隔停止构建了在电容的改变方面使界限明确的距离相等的手段。 [0185] 图1是根据本公开内容的各个方面的能自校准的MEMS 100的平面图,MEMS 100包括插入围绕锚(inset around anchor)151。MEMS 100被建立在衬底105之上。两个不等间隔111、112被限定在该布局中。通过gap2,layout=n gap1,layout,这两个间隔是相关的。它们被用于提供两个有用的测量以确定表格1中列出的未知属性。 [0186] 图1能够是例如能自校准的力-位移传感器。执行器101由锚150、151经由弯曲部160(仅示出一部分)来支持。执行梳齿驱动器120已经将执行器移动直到闭合间隔112。T形施加器130下的衬底是背侧蚀刻的,用于与AFM悬臂侧壁交互。各种方法如下地继续: [0187] 使用例如感测梳齿140的差动电容感测,通过施加足够的执行电压进行的零状态下的且在闭合间隔111和间隔112时的测量可以被表达为: [0188] [0189] 其中,限定Δgap=gap1-gap1,layout,并且寄生效应抵消。类似地,闭合第二间隔产生 [0190] [0191] 通过采用比率来消除未知量 [0192] [0193] 这允许从布局到加工间隔停止的精确测量的改变为 [0194] [0195] 一旦ΔC1和Δgap被测量,就校准梳齿驱动器位移。梳齿驱动器常量ψ能够被确定为: [0196] [0197] 其中ψ是在之前的部分中表达的量4Nβεh/g。 [0198] 即,ψ是将间隔停止距离横穿到该距离的电容改变的比。该比适用于任何中间位移x≤gap1和电容ΔC的对应改变。该位移可以被计算为: [0199] [0200] 接下来能够校准梳齿驱动器力。静电力被限定为: [0201] [0202] 当在其大线性操作范围内被施加至梳齿驱动器时,(7)中的偏导数能够由差来替代, [0203] [0204] 其中,已经代入了来自(5)的所测量到的梳齿驱动器常量。有用的是要注意到,(8)中的力说明边缘场的原因并且适应由于过程变化导致的梳齿驱动器中的一些非理想不对称几何构型。 [0205] 然后能够校准系统刚度。根据梳齿驱动器位移和力的测量,系统刚度被限定作为它们的比,为 [0206] [0207] 其能够说明大线性偏转。即,对于小偏转,(9)中的量V2/ΔC是近似常量,但是对于大偏转,预期增大。 [0208] 不确定性伴随所有测量,然而报告对测量的不确定性在微和纳米尺度经同行评议的文章中是显著缺少的。它们的缺乏通常是由于困难或不切实际的测量学方法导致的。 [0209] 通过采用大量测量并且计算测量中与所计算出的平均值的标准差来完成用于测量不确定性的一个方法。随着测量数量增大,标准差变得更小。如果采用大数量的测量是不切实际的,能够如下地使用测量由于单个测量导致的不确定性的更有效的方法。 [0210] 关于上述分析,所测量到的电容δC和电压δV的电不确定性产生位移δx、力δF和刚度δk的对应机械不确定性。为了确定这种不确定性,在上面的分析中电容和电压的所有量能够被重写为ΔC→ΔC+δC和ΔV→ΔV+δV。然后它们的多元泰勒展开的一阶项能够被识别作为机械不确定性。例如,单个测量的位移δx的不确定性是关于δC的(6)的泰勒展开的一阶项。结果, [0211] [0212] 其中δC的括号系数是敏感度 类似地,在力δF和刚度δk中能够找到不确定性,力δF和刚度δk如 [0213] [0214] 以及 [0215] [0216] 其中,δC和δV的括号系数是各自的敏感度。 [0217] 利用诸如图1所示的MEMS装置能够执行AFM校准。例如,能够校准AFM位移。 [0218] 图2是用于校准原子力显微镜的位移和刚度的能校准的MEMS 100(具有衬底105)的示例性应用的透视图。由于在平面中校准MEMS 100(如上面讨论的),传感器100被定位在AFM悬臂210竖直下方。在竖直方位中,SOI装置层的厚侧壁被用作以下表面,AFM悬臂探针211将与该表面物理接触。能够执行背侧蚀刻以暴露MEMS T形施加器130。 [0219] 在AFM校准的各个方面中,校准的MEMS 100能够被用作用于校准AFM的精确的且实用的方法。由于针对平面内操作来校准该装置,该装置的侧壁被用作动作线。通过将携带传感器100的MEMS芯片放置在AFM悬臂探针211竖直下方,利用AFM能够探测该芯片。通过将MEMS传感器100的交互位移和力测量与对应的AFM输出读数相关,能够校准AFM位移和刚度。 [0220] 在各个方面中能够如下地校准AFM悬臂位移。AFM悬臂210被配置为在校准的MEMS上竖直向下按压。该动作将导致MEMS的弯曲部和梳齿驱动器的初始偏转、以及悬臂的对应偏转及其AFM的光束。 [0221] 从该初始状态起,注意到光电二极管电压Uinitial的读数,并且电压V被施加至MEMS梳齿驱动器120(图1),从而它将倚靠AFM悬臂210向上偏转。在静态平衡时,光电二极管的最终读数用符号表示为Ufindl,并且使用(6)来电容地测量梳齿驱动器的偏转Δx(即,在使用这两个间隔的传感器100的校准之后)。光学级敏感度(OLS)被测量为 [0222] [0223] 其中,在(13)中Δx=ΔxAFM,因为关于彼此固定AFM基座和MEMS衬底。应当注意到在初始接合期间,AFM基座或MEMS衬底不被固定,因为由压电级或其他机构使这两个装置接触。对于任意ΔU,可以通过以下来确定AFM悬臂位移的所校准的测量-1 [0224] ΔxAFM=Θ ΔU. (14) [0225] 可以通过在部分2.5中提到的两个方法中的任一个来确定AFM位移或刚度的不确定性。 [0226] AFM悬臂刚度例如能够如下地校准。给定AFM悬臂位移(14)从初始U的初始光电二极管读数到最终U的最终读数的测量,AFM悬臂刚度能够被测量为 [0227] [0228] 其中,通过(6)和(9)来测量MEMS的Δx和k。此处Δx≠ΔxAFM,不像(13)中,因为AFM基座和MEMS衬底在该交互期间关于彼此移动。在(15)中,AFM和MEMS交互力是静态平衡,并且是相等且相反的,kΔx=kAFMΔxAFM。 [0229] 本文中描述的能自校准的MEMS的各个方面有利地允许AFM悬臂位移和刚度的校准。描述MEMS传感器设计和应用方法。使用该方法的测量不确定性是可识别的并且容易被确定。通过消除未知量并实施力、位移和刚度的精确测量来实现测量精确性。 [0230] 各个方面涉及芯片上的重力仪。在本公开内容中,公开了芯片上的新重力仪的布置。重力仪是用于测量重力和重力的改变的装置。有若干种传统重力仪:摆式重力仪、自由落体重力仪和弹簧重力仪。它们全部大、昂贵、易损,并且要求用于校准的外部参照。本公开内容的重力仪的一个新方面是增大可携带性、鲁棒性并降低其成本的其微尺度尺寸;以及它在芯片上能自校准,这增大了其自主性。重力仪经常被用在地球物理学应用中,诸如为导航、石油勘探、重力梯度、地震监测和可能的地震预测而测量重力场。这种梯度的准确度2 能够要求量级在20μGal(Gal=0.01m/s)上的测量不确定性。本公开内容中描述的各个方面提供了能够实现用作重力仪或亚微米G加速计所需要的精确度和准确度的微电子机械系统(MEMS)重力仪的自校准方法。出于实用原因,本文中描述的MEMS设计的各个方面依附于标准的绝缘体上硅(SOI)铸造过程的设计限制。 [0231] 重力仪是用于测量重力或重力的改变的装置。它们经常分别被称作绝对或相对重力仪。重力仪已经找到地球物理和测量学领域中的应用,诸如在导航、石油勘探、重力梯度、地震监测和可能的地震预测中。在用于分辨空间重力变化的上面的地球物理应用中经常要-8 2求的测量分辨率为~20μGal=20×10 m/s。然而,用于许多地壳变形过程的重力改变的时间率在每年1μGal的量级上。重力仪还被用在多个测量学测量中,诸如用于机械力标准的负荷传感器的校准。重力仪的期望属性是小尺寸、低成本、增大的鲁棒性和增大的分辨率。减小它们的尺寸增大了它们的可携带型。降低它们的成本允许更大数量的它们被同时部署用于精细的空间分辨率。改善它们对温度、寿命和操纵的变化的鲁棒性改善了它们的可靠性或可重复性。改善的精确度和分辨率增大了测量中的置信度。 [0232] 这里公开了各种重力仪,其能够比之前的重力仪小约100倍(米尺寸到厘米尺寸),在成本上低1000倍($500k-$100k到~$50),并且是同样精确的且准确的,并且有利地适合于在任何期望时刻自校准。通过能够同时批加工大量微米尺度装置,微加工减少了这种装置的尺寸和成本。自校准特征允许这些装置在经历了残酷的环境改变或长期的休眠之后重新校准。 [0233] 图3示出了各种传统重力仪的照片的代表图。通过测量其长度、最大角度和振荡周期,摆式重力仪(代表图301)被用于测量绝对重力。其精确度依赖于这些量的外部校准。通过测量激光脉冲从下落镜返回的时间,通过测量真空中的自由下落镜的加速度,自由落体(或“自由下落”)重力仪(代表图302)被用于测量绝对重力。它要求激光脉冲定时系统的外部校准。通过使用弹簧支持的质量以测量参照重力位置和测试重力位置之间的静态偏转的改变,弹簧重力仪(代表图303)被用于测量相对重力。它要求弹簧刚度、检测质量和位移的外部校准。 [0234] 图4示出了传统亚微米G加速计(用于测量亚微米G加速度(<μG=2 μ9.80665m/s)的微尺度装置)的透视图。由于已知加速度而导致它要求外部校准。相反,关于校准,能够测量其自己的刚度、位移和质量的MEMS装置在本文中加以描述,并且对于绝对或相对重力仪、或亚微米G加速计是有用的。在表格2中给出了各种命名法。 [0235] 表格2:命名法 [0236]h 装置层的厚度(未知) g 梳齿指之间的间隔(未知) e 介质的介电常数(未知) b 电容校正因数(未知) L 初始指重叠(未知) C,CP 电容(测量) Δ,δ 差和不确定性(测量) x 梳齿驱动器位移(测量) F 梳齿驱动器力(测量) k 系统刚度(测量) gap 间隔停止尺寸(测量) ψ 梳齿驱动器常量(测量) Δgap 布局到加工(测量) V 施加的电压(已知) N 梳齿指的数量(已知) n n=gap2,layout/gap1,layout≠1(已知) gaplayout 布局间隔(已知) [0237] 本文中描述的自校准的各个方面涉及从布局到加工的改变。电微计量(EMM)是用于提取MEMS的有效机械测量的精确的、准确的且实用的方法。通过使用两个不等间隔以确定布局与加工之间的间隔几何构型的差,EMM的方法开始。这些间隔停止构建了在电容的改变方面使界限明确的距离相等的手段。 [0238] 图5示出了根据各个方面的能自校准的MEMS重力仪500的布局示意图,具有用于间隔511、512的插图。这两个不等间隔511、512通过gap2,layout=n gap1,layout而相关。它们被用于提供两个有用的测量以如下地确定在表格2中列出的未知属性。位移停止器521、522被布置为分别形成与执行器501有关系的间隔511(gap1)、512(gap2)。在所示示例中,执行梳齿驱动器520已经闭合gap2(间隔512)。检测质量下方的衬底能够被背侧蚀刻以释放检测质量。该设计能够依附于例如用于SOIMUMP过程的设计规则。 [0239] 使用不同的电容感测,通过施加足够的执行而进行的在零状态下和在闭合间隔511和间隔512时的测量,电压可以被表达为: [0240] ΔC1=-4Nβεh(gap1,layout+Δgap)/g, (16) [0241] 限定Δgap≡gap1-gap1,layout;在该差中抵消寄生效应。类似地,闭合第二间隔产生 [0242] ΔC2=4Nβεh(n gap1,layout+Δgap)/g. (17) [0243] 通过采用(16)到(17)的比来消除未知量,并且解决从布局到加工的间隔停止的改变的测量,为 [0244] Δgap=-gap1,layout(nΔC1+ΔC2)/(ΔC1+ΔC2). (18) [0245] 然后校准位移、刚度和质量。 [0246] 一旦测量ΔC1和Δgap,就校准梳齿驱动器。梳齿驱动器常量被测量为[0247] ψ≡ΔC1/(gap1,layout+Δgap)=ΔC1/gap1, (19) [0248] 其中ψ是上面表达的量4Nβεh/g。 [0249] 关于位移,ψ是将间隔停止距离横穿到该距离的电容改变的比。该比适用于任何中间位移x≤gap1和电容ΔC的对应改变。该位移能够基于以下来测量 [0250] [0251] 关于静电力,当在它们的大线性操作范围内被施加至梳齿驱动器时,静电力等式中的偏导数能够由差来替代。静电力被测量为 [0252] [0253] 其中,已经代入了来自(19)的所测量到的梳齿驱动器常量。(21)中的该力说明边缘场的原因并且适应由于过程变化导致的梳齿驱动器中的一些非理想不对称几何构型。 [0254] 关于刚度,根据位移和力的测量,系统刚度被限定为它们的比,为 [0255] k≡F/Δx=0.5ψ2V2/ΔC (21B) [0256] 其能够说明大非线性偏转的原因。对于小偏转,(21B)中的量V2/ΔC是近似常量,但是对于大片转,预期增大。 [0257] 质量。根据来自(21B)的刚度的测量和谐振ω0,系统质量能够被测量为[0258] [0259] 其中,ω0不是受阻尼影响的位移谐振,而是独立于阻尼并且等于无阻尼位移频率的谐振速度。 [0260] 通过采用大量测量并且计算测量中与所计算出的平均值的标准差来完成用于测量不确定性的一个方法。随着测量数量增大,标准差变得更小。如果采用大数量的测量是不切实际的,能够使用如下描述的测量由于单个测量导致的不确定性的更有效的方法。 [0261] 关于上述分析,所测量到的电容δC和电压δV的电不确定性产生位移δx、力δF、质量δm和刚度δk的对应机械不确定性。为了确定这种不确定性,在上面的分析中电容的所有量和电压的所有量能够被重写为ΔC→ΔC+δC和ΔV→ΔV+δV。然后它们的多元泰勒展开的一阶项作为机械不确定性能够被识别。位移、力、刚度和质量的不确定性为: [0262] [0263] [0264] [0265] 以及 [0266] [0267] 现在讨论芯片上的重力仪的性能预测。在预测MEMS重力仪的期望分辨率时,上面的EMM结果能够被用作设计因数。即,能够识别电容、电压和频率的必要不确定性以得知重力加速度的装置测量中的准确度。然后弯曲部长度能够被参数化。诸如质量、梳齿指数量、指重叠、弯曲部宽度、层厚度等的其他参数也能够影响准确度。在示例中,能够选择以下参数:总共1000梳齿指,每个指之间2μm间隔,2μm弯曲部宽度,3500μm-平方检测质量,以及单晶体硅材料。 [0268] 关于设计问题,除了上述参数之外,能够考虑的其他问题是间隔停止的尺寸、重力的范围和梳齿驱动器悬浮效应。 [0269] 在图5中标识了根据本公开内容的MEMS重力仪设计之一上作用的重力加速度(“位移(DISPLACEMENT)”)。MEMS的几何构型和材料属性上的这些限制能够符合25μm厚SOIMUMP设计规则。梳齿驱动器附近的锚(例如,位移停止器521、522)提供如上面讨论的用于自校准的所要求的间隔停止。由于重力的预期范围而导致这些间隔的尺寸大于正常的操作位移。这些间隔尺寸能够如此大使得不要求不寻常大的电压来关闭和校准该装置。 [0270] 对于上面给出的EMM分析的类型,梳齿驱动器的平移保留在平面中。梳齿驱动器悬浮能够导致轻微的平面外偏转。当关于梳齿指有表面电荷的不对称分布时,产生这种悬浮。这通常是由于下层衬底的紧靠导致的。在各个方面中,在梳齿驱动器下方实施背侧蚀刻以减小该悬浮效应。 [0271] 结果。为了确定MEMS重力仪的测量的不确定性,测量被表达如下。重力加速度的标称测量为g=kx/m。测量的不确定性产生 [0272] g+δg=(k+δk)(x+δx)/(m+δm). (26B) [0273] 代入不确定性(23)、(25)、(26),多元泰勒产生 [0274] [0275] 其示出了重力加速度的分辨率依赖于δC和δm的不确定性。 [0276] 在(27)的示例中,典型的测量值被用于以下量:基于弯曲部长度L的刚度k=3 3 4Ehw/L用于进行如下推导,质量m=密度×体积,x=mg/k,基于x的ΔC,以及来自(22)的ω0。如之前提到的,1-20μGal分辨率是期望的。通过限制(27)使得δg=1μGal,能够执行模拟。在图6和图7中,δC和δm分别被绘制作为弯曲部长度L(L改变刚度)的函数。 [0277] 图6示出了作为弯曲部长度L的函数的电容δC的模拟不确定性。y轴(δC)范围在从0到575仄普陀法拉(zeptofarad),并且x轴(L)范围在从212.6到213.4微米。具体地,Y轴示出了实现1μGal分辨率的所要求电容分辨率。如所示,在近似L=213.023μm处的峰处,电容的不确定性的影响被大大减少。然而,该峰在小范围<0.1微米上出现,这不允许几何构型上的很多过程变化。加宽该曲线的该宽度和或作出对过程变化更不敏感的设计能够是有利的。通过设计来消除对电容的不确定性的敏感度可以是可能的。作为曲线图中的该峰,可以被看到,其中不确定性能够大;并且在(27)中在能够可能抵消对设计参数的选择的依赖的括号表达式内能够被看到。 [0278] 图7A-B示出了作为弯曲部长度L的函数的频率δω的模拟不确定性。在图7A中,y轴(δω)范围在从0到1.2微赫兹(μHz),并且x轴(L)范围在从100到400微米。图7B是图7A中的盒子区域的插图。图7B具有从200μm到230μm的x轴,并且示出了从 212.6到213.4微米的高亮范围(厚轨迹)。图7B的Y轴从0.32μHz延伸到0.4μHz。曲线图(图7A)和插图(图7B)两者的Y轴示出了实现1μGal分辨率所要求的频率分辨率。 如图7中所示,频率的不确定性扮演着重要角色。由于关于频率的敏感度大,频率的不确定性应当小使得δg=1μGal分辨率被实现。在图7的特定模拟测试情况中,能够使用约1到10μHz的分辨率。 [0279] 上面描述了芯片上的重力仪布置的各个方面。上面描述了测试情况,根据该测试情况,电被测变量的不确定性被用于实现重力加速度的期望不确定性。能够消除由于电压和电容而导致的不确定性。这使得频率的不确定性能够在微赫兹的量级上。 [0280] 本文中描述的各个方面涉及能自校准的惯性测量单元。本文中描述的各种方法允许惯性测量单元(IMU)自校准。IMU的自校准对于以下是有用的:感测精确度、减少制造成本、在残酷的环境改变时的重新校准、在长期休眠之后的重新校准、以及对全球定位系统的减少的依赖性。本文中描述的各个方面不同于之前的方案,提供了位移、力、系统刚度和系统质量的后成型封装的校准。根据各个方面的IMU包括位于该系统的xy-、xz-和yz平面内的三对加速计-回转仪系统。每对传感器90度异相地振荡(oscillate),用于在速度成为零处的转折振荡点期间连续感测。以下讨论原型系统的自校准的示例,这是通过敏感度分析对IMU精确度和不确定性建模的结果。各个方面涉及能自校准回转仪、能自校准加速计或IMU系统配置。 [0281] IMU(惯性测量单元)是能够测量空间中的其平移和旋转位移和速度便携式装置。通常利用加速计来测量平移运动,并且通常利用回转仪来测量旋转运动。在军事和民事应用中使用IMU,其中,需要位置和方位信息[A1]。微电子机械系统(MEMS)技术中的进步已经使得可能加工廉价的加速计和回转仪,它们已被采用于传统惯性传感器成本太高或太大的许多应用中[A2]。 [0282] IMU精确度、成本和尺寸在确定它们的使用时经常是关键因数。由于初始错误的各种源和错误的累积,利用全球定位系统的辅助经常重新校准IMU。IMU的校准对于总体的系统性能是重要的,但是这种校准能够是制造成本的30%到40%[A3-A5]。 [0283] 传统上,已经使用机械平台完成了IMU的校准,其中,该平台使IMU受到受控的平移和旋转[A6]。在各种状态下,来自加速计和回转仪的输出信号被观测并与规定的输入相关。然而,该方法学仅在机械平台处是比较精确的,并且该方法将IMU作为黑盒子对待,其中,对于其运动的数学描述为有用的IMU系统的质量、梳齿驱动器力、位移、刚度和其他量仍然未知。 [0284] 传统校准方案的一个问题是信号输出经常是标量,然而由能够产生不唯一的结果的若干未知因素来确定。即,两个以上不同的条件可以产生同一输出信号。在不知道IMU的运动等式内的物理量的情况下,则可靠的预测、清楚标示的改善、以及对正准确感测的事物的更彻底的理解仍然不确定。而且,对这种物理量的更彻底的理解能够便于在长期休眠之后或在残酷的环境改变(诸如温度)之后的重新校准。例如,温度的变化能够影响传感器的几何构型或应力或其封装。本文中的各个方面包括电探测的自校准技术,其能够是封装的IMU的集成部分(参见例如控制器1186,图11)。各个方面能够测量代表加速计和回转仪的运动等式的量,并且确定IMU的实验上精确的集约模型。以下描述了自校准方案;能够帮助消除由于在速度成为零处的检测质量振荡的旋转点而导致的传感器信息的损失的系统配置;以及IMU测试情况的分析。在表格3中描述了各种命名法。 [0285] 表格3:命名法 [0286]β 电容校正因数(未知) ε 介质的介电常数(未知) L 初始指重叠(未知) h 层厚度(未知) g 梳齿指之间的间隔(未知) n 布局参数(已知) V 施加的电压(已知) N 梳齿指的数量(已知) gapi,layout 用于EMM的布局间隔(已知) ψ 梳齿驱动器常量(测量) ΔCi 通过闭合间隔i的差动电容(测量) F 梳齿驱动器力(测量) k 系统刚度(测量) Δgap EMM的布局到加工的不确定性(测量) [0287] 关于MEMS IMU的自校准,电微计量(EMM)是用于提取MEMS的有效机械测量的精确的、准确的且实用的方法[A7]。它通过利用经由基础电子机械关系在微尺度机械学和电子学之间的强且敏感的耦合来工作。结果是使电被测变量方面的加工机械属性相关的表达式。 [0288] 图8示出了示例性能自校准的回转仪。该MEMS回转仪包括2000个梳齿指和正交的可移动引导的弯曲部。这些弯曲部允许检测质量以两个自由度平移,并且抵制旋转。该组固定引导的弯曲部允许每个梳齿驱动器仅一个自由度。节点C的x坐标的幅度和相位从10k..1Mrad/sec起扫。该设计修改自Shkel和Trusov的设计[A8]以包括用于例如刚度、质量或位移的自校准的间隔停止。 [0289] 图9示出了示例性能自校准的加速计。该装置修改自Tang的谐振器[A9]。图9中示出的该装置包括两个非对称间隔以及两组相对的梳齿驱动器。每组梳齿驱动器是专用的传感器或执行器。 [0290] 除了图8和图9中示出的该组能自校准的MEMS回转仪和加速计之外,许多类型的MEMS加速计和回转仪也能够使用本文中描述的各个方面。各个方面包括被修改为集成或包括一对非对称间隔的预先存在的设计,该对非对称间隔被用于唯一地校准该装置。这是因为由于加工过程变化的积累而导致没有两个MEMS是相同的。在图8和图9中标识了两个不等间隔;这些间隔使得能够进行该类型的校准。图8示出了间隔811和812,并且图9示出了间隔911和912;为了清楚,用阴影线示出这些间隔。这两个间隔通过gap2,layout=ngap1,layout而相关,其中n≠1是布局参数。使用差动电容感测,零状态下的测量以及间隔gap1和gap2的执行闭合(closure)为: [0291] [0292] 以及 [0293] [0294] 其中,N是梳齿指的数量,L是初始指重叠,h是层厚度,g是梳齿指之间的间隔,β是电容校正因数,ε是介质的介电常数,Δgap=gap1-gap1,layout是从布局到加工的不确定性,σ是说明这两个间隔之间的非相同过程变化的原因的相对误差(或不匹配), 知是未知寄生电容。 [0295] 通过采用(1)和(2)的比,去除了Δgap之外的所有未知量。Δgap能够被写为: [0296] [0297] 其中,加工的间隔现在可以测量,为gap1=gap1,layout+Δgap;如果不匹配不显著,则可以忽略σ。 [0298] 所给定的装置的梳齿驱动器常量被限定为间隔与横穿该间隔所要求的电容的改变之间的比。即: [0299] [0300] 其中,梳齿驱动器也能够与(28)中的关系ψ=4Nβεh/gin(28)相关联。 [0301] 关于位移,(31)中的电容与间隔距离之比适用于电容的任何中间改变ΔC和位移Δx<gap,由于梳齿驱动器在电容和位移之间是线性的。因此,使用以下能够确定位移: [0302] [0303] 静电力经常被表达为: [0304] [0305] 对于在其线性操作范围内横向地横穿的梳齿驱动器,能够由差来替代偏导数,差是来自(31)的梳齿驱动常量。因此: [0306] [0307] 重要的是注意到(34)中的力说明边缘场的原因并且适应由于过程变化导致的梳齿驱动器中的一些非理想不对称几何构型。 [0308] 根据位移和力的测量,系统刚度能够被表达为: [0309] [0310] 对于大偏转,其变为非线性。 [0311] 根据刚度和谐振频率ω0的测量,系统质量能够被测量为 [0312] [0313] 其中,ω0在阻尼存在的情况下为速度谐振,或者在该系统为真空的情况下为位移谐振。 [0314] 从(31)-(36),能够看到在自校准的过程中,梳齿驱动器常量扮演了重要角色。从(31)能够看到梳齿驱动器常量的精确度依赖于Δgap和ΔC1。同时,(30)表明Δgap和ΔC1是相关的。为了清楚地看到该关系,由泰勒展开针对(30)中的间隔的测量的不确定性和敏感度来推导表达式。 [0315] 通过用 替代ΔC的实例,将测量电容的不确定性包括到(30)中。即,是以求积(quadrature)添加独立的随机不确定性导致的扰动。 [0316] [0317] 其中,O(δCinitial)=O(δCfinal)。将(37)代入(38)中,关于δC和σ的其一阶多元泰勒展开为 [0318] [0319] 其中,(38)的右手侧的第一项为Δgap,并且其他项代表δgap。波形括号中的被乘数分别是间隔不确定性对电容不确定性的敏感度、以及间隔不确定性对不匹配的敏感度。以下进一步讨论。 [0320] 各个方面中的能自校准的IMU包括分别位于IMU的xy-、xz-和yz-平面内的三对加速计-回转仪系统。每个振荡系统包括邻近的拷贝(neighboring copy),邻近的拷贝90度异相地操作以对抗由于在速度成为零处的检测质量振荡的转折点而导致的所丢失的信息。 [0321] 图10是示出示例性检测质量的速度的模拟的曲线图。横坐标示出了从0-2π弧度的ωt,并且纵坐标示出了从-Aω到Aω的速度(m/s)的幅度。曲线1024对应于回转仪1,并且曲线1025对应于回转仪2。 [0322] 图10涉及驱动轴中的激发信号。示出了代表90度异相地操作的双回转仪的速度对时间曲线图。正弦曲线1024、1025代表其检测质量的速度。范围1034、1035标识了时间上的状态,其中,其各自的速度(曲线1024、1025)足够大以允许以期望的精确度感测科里奥利力。峰速度为Aω。该模拟假设以谐振或接近谐振来驱动这些结构。 [0323] 考虑科里奥利力和速度之间的成比例的关系,小速度可能会导致接近振荡的转折点的无法解析的(resolvable)科里奥利力。尽管一个测量质量慢下来,但是其他加速,以致感测到科里奥利力在所有时间内最大。该配置允许不仅表征系统的机械量,还有各种非惯性力,例如,平移力、离心力、科里奥利力或横向力。 [0324] 本文中描述的方法的一个方面被应用于具有非对称间隔的加速计。本文中描述的方法的各个方面可应用于振动回转仪。 [0325] 图11是能自校准的加速计和电容计的图像的局部示意代表图。加速计被用作测试自校准的过程的示例。加速计1100包括具有2μm梳齿间隔的25μm厚的SOI。加速计1100电连接至外部电容计[A11]。电容计的差动感测模式被用于减少由该电容计的感测信号所生成的相反静电力。 [0326] 图11示出了电容计1110和MEMS加速计1100。来自电压源1130的所施加的电压通过移动可移动的质量101来闭合gapR和gapL。电容芯片1114,例如,模拟装置(ADI)AD7746,测量横穿间隔1111、1112时电容的改变。示出了到电容芯片1114的两个输入1115。如所示,由地环来保护输入。MEMS装置1100具有连接至各自的输入1115的两个传感器梳齿1120、以及由电压源1130驱动的四个驱动梳齿1140(“执行器”)。由两个折叠弯曲部来支持MEMS装置1120中的可移动的质量。电容芯片1114经由轨迹(trace)1116(示意示出)提供激励信号,用于测量差动电容。背侧蚀刻被用于减少梳齿驱动悬浮[A10]。 [0327] 控制器1186能够将控制信号提供至电压源1130以操作执行器1140。控制器1186还能够从电容芯片1114或另一电容计接收电容测量。控制器1186能够使用电容测量来执行本文中描述的各种计算,例如,以计算ψ、位移、梳齿驱动器力、刚度和质量。控制器1186和本文中描述的其他数据处理装置(例如,数据处理系统5210,图54)能够包括一个或多个微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程的逻辑器件(PLD)、可编程的逻辑阵列(PLA)、可编程的阵列逻辑器件(PAL)或数字信号处理器(DSP)。 [0328] 在所测试的能自校准的加速计中,参数包括2μm和4μm的左和右间隔、11μm的指重叠,感测指的数量是90,指宽是3μm,以及指间隔是3μm。在零和间隔闭合的状态下,利用产生标称电容和21aF的标准差的AD7746(每个5msec)进行300个电容测量。ADI指定4aF的分辨率[A11]。 [0329] 使 用(38),假 设σ =0,采 用ΔC1和ΔC2的测量并且确定Δgap=0.150±0.001μm。通过使用监测像素化软件(monitor pixilation software)提取测量条(refining measurement bars)来执行对设计1100的光学和电子显微镜测量。通过在定位侧壁边缘处的实验者的最佳猜测,间隔被估计为Δgapoptical=0.1±0.2μm和Δgapelectron=0.19±0.07μm。如本文中描述的使用EMM的结果在光学和扫描电子显微镜(SEM)的结果的范围内[A10]。 [0330] 然后,根据(31),能够获得梳齿驱动器常量。然后,自校准方案能够被实施如下: [0331] 1)位移:Δx=ΔC/ψ [0332] 2)梳齿驱动器力:F=ψV2/2 [0333] 3)刚度:k=(ψ2V2)/(2ΔC) [0334] 4)质量:m=k/ω02 [0335] 通过执行如在(38)中完成的一阶多元泰勒展开能够获得用于位移、梳齿驱动器力、系统刚度和系统质量的测量的不确定性。即,在(38)中,对于所测试的设计,对电容误8 -7 差δC的敏感度在10m/F的量级上,并且对不匹配σ的敏感度在10 m的量级上。按照(38),对电容的敏感度还依赖于设计参数。 [0336] 图12和图13是作为一些设计参数的函数的敏感度的曲线图。例如,通过将设计参数n从2改变到5,该设计对不匹配的敏感度能够减少一个量级的幅度。 [0337] 图12示出了传感器噪声对δgap的敏感度。图13示出了不匹配对δgap的敏感度。使用(36),示例性设计的敏感度被表示为圈。保持其他参数为恒定,沿着横轴,每个参数被扫频为: [0338] n=[1.25..4.15] [0339] h=[1..97]×10-6m [0340] N=[30..190] [0341] g=[1..9]×10-6m [0342] gapA,layout=[1..5]×10-6m [0343] 本文中描述的是允许IMU自校准的各种方法。各个方面包括施加足够的电压以闭合两个不等间隔以及测量所导致的电容的改变。通过该测量,能够获得布局与加工之间的几何构型差。在所加工的间隔的确定时,能够确定位移、梳齿驱动器力和刚度。通过测量速度谐振,还能够确定质量。 [0344] 根据各个方面的IMU配置包括分别位于xy-、xz-和yz-平面内的三对加速计-回转仪系统。每对传感器中的传感器彼此90度异相地振荡。这有利地帮助对抗由于在速度成为零处的检测质量振荡的转折点而导致的所丢失的信息。 [0345] 本文中描述的各个方面涉及能自校准的微电子机械系统绝对温度传感器。根据各个方面的能够自校准的MEMS绝对温度传感器能够在大范围的温度上提供精确的且准确的测量。 [0346] 由于一些实验和装置要求的高精确度和准确度,诸如涉及基本法则和由于热膨胀导致的传感器漂移的研究,精确的温度感测是必要的。传统的温度传感器要求工厂校准,这显著地增大制造成本。使用均分定理,纳米技术学家通过测量温度和悬臂的位移早已确定他们的原子力显微镜(AFM)悬臂的刚度。本文中描述的各个方面测量MEMS刚度和位移并且使用那些测量来确定温度。本文中描述用于精确地且准确地测量非线性刚度和预期的位移的各种方法,这是在测量温度时用于对不确定性量化的表达式。在表格4中描述了各种命名法。 [0347] 表格4:命名法 [0348]A 幅度 C0 零状态电容 ΔC 电容的改变 ΔCR 用于闭合gapR电容的改变 ΔCL 用于闭合gapL电容的改变 δC 电容的不确定性 F 梳齿驱动器力 gapL 用于测试结构的左侧间隔 gapR 用于测试结构的右侧间隔 kB 布尔兹曼常量 k 刚度 N 测量数量 P 功率谱的面积 SD 标准差 T 绝对温度 Tn 绝对温度的采样 δT 温度的不确定性 V 施加的电压 δV 电压的不确定性 y 位移 ψ 梳齿驱动器常量 [0349] 由于温度传感器在个人计算机、汽车和医疗设备中的大量应用[B1],为了监测并控制温度,它们占有了世界范围的传感器市场的75-80%[B2]。用于测量温度的这些类型的技术包括热电、电导体的电阻依赖于温度的变化、荧光和光谱特征[B3]。温度传感器的最重要的性能度量是测量的可重现性。由于校准过程中的限制而导致该度量难以实现。典型地,采用称作国际温标(ITS)的标准[B4]来校准温度传感器。该尺度限定了范围在从0K到1300K的用于校准温度测量的标准,其被再分为多个重叠范围。位于13.8033K到1234.93K的温度范围内的应用,该标准被用于对照所限定的固定点来校准。依赖于测量的类型,这些点能够是精确已知的不同材料的三相点、熔点或凝固点。对这些校准标准的限制是这些过程是困难的,使得它们的重新校准或批校准不切实际。 [0351] [0352] 其中,k是AFM悬臂的刚度, 5-10%[B6]。测量AFM中的位移的问题是由于在找到AFM的光电二极管的电压读出与悬臂的真实竖直位移之间的精确关系时的困难导致的。并且测量AFM悬臂的温度的问题是,不知道悬臂附近的热计量表与正被测量的AFM悬臂是否为同一温度。在悬臂的机械支持与光电二极管的机械支持之间还存在解耦的机械振动,增加了不确定性。 [0353] 本文中描述了能自校准的并且在大温度范围上提供精确且准确的温度测量的MEMS温度传感器。本文中的各种方法包括测量为了闭合两个非对称间隔的电容的改变以精确地确定位移、梳齿驱动器力和系统刚度。通过将MEMS刚度和均方位移代入均分定理中,测量温度及其不确定性。 [0354] 如果由绝对温度T下的等分中的经典统计力学能够描述系统,则其能量中的它们的每个独立二次项具有等于kBT/2的平均值[B5,B9-B11]。应用于悬臂势能的均分定理[B11]给出了(39)。均分定理已被广泛用在纳米测量学的领域中。 [0355] Hutter在[B5]中示出了该定理在测量AFM中所使用的单独悬臂和针尖的刚度的使用。在[B5]中,他陈述到,对于弹簧常量0.05N/m,在作为相对小的偏转的室温下,热涨落将在0.3nm的量级上,从而AFM悬臂能够近似为谐振子。Hutter利用高于悬臂的谐振频率的采样频率来测量了自由移动的悬臂的均方根涨落,以估计弹簧常量。他在时序数据中计算与涨落的均方相等的功率谱的积分[B7]。然后弹簧常量为k=kBT/P,其中,P是热涨落本身的功率谱的面积。 [0356] Stark在[B8]中通过有限元分析来计算了AFM V形悬臂的热噪声。他示出了根据等分定理能够计算刚度。 [0357] Butt在[B9]中示出了等分定理在计算矩形悬臂的热噪声的使用。Levy在[B10]中将Butt的方法应用于V形悬臂。Jayich在[B11]中示出了通过测量悬臂的自由端的均方位移能够确定热机械噪声温度。 [0358] 本文中描述了:位移幅度对温度和刚度的依赖性;均分定理的一些应用;用于精确地且准确地测量MEMS位移和刚度的方法;以及测量MEMS温度的细节。 [0359] 关于位移幅度对刚度和温度的依赖性,能够表征幅度对刚度和温度的依赖性。对于正弦地振动的装置,预期的或均方位移为 [0360] [0361] 其中,yrms是其位移的均方根,并且A其运动幅度。将(40)代入(39)中,给出以下的幅度 [0362] [0363] 图14示出了位移幅度对刚度的变化。x轴上的刚度从0.5变化到10N/m,这是MEMS刚度的典型范围。在(41)中通过将T设置到300K来确定幅度。图14是示出幅度对刚度的示例性依赖性的曲线图,其中温度被设置在300K,并且刚度从0.5变化到10N/m,这是微结构的典型范围。 [0364] 图15是示出了幅度对温度的依赖性的曲线图。该曲线图示出了该幅度与温度的平方根成比例。对于该曲线图,刚度被假设为2N/m并且温度从94变化到1687K。图15示出了幅度对温度的变化。x轴上的温度从94变化到1687K(温度的范围包括硅的熔点)。在(41)中通过将k设置为2N/m来确定幅度。该曲线图示出了该幅度与温度的平方根成比例。 [0365] 通过关于刚度和温度对(40)求微分,幅度对刚度和温度的敏感度被确定为: [0366] 以及 (42) [0367] [0368] 图16示出了幅度对刚度的敏感度。x轴上的刚度从0.5变化到10N/m,这是MEMS刚度的典型范围。在(42)中通过将T设置到300K来确定幅度的敏感度。如在该曲线图中看到的,幅度对刚度的敏感度随着刚度减小而增大。从图16中,能够看到对于刚度的更小值幅度最敏感,并且对于刚度的更大值最不敏感,其中拐点约为2N/m。 [0369] 图17示出了幅度对温度的敏感度。x轴上的温度从94变化到1687K。在(43)中通过将k设置为2N/m来确定幅度的敏感度。如在该曲线图中看到的,幅度对温度的敏感度随着温度增大而减小。从图17中,能够看到对于温度的更低值幅度最敏感,并且对于温度的更高值最不敏感。 [0370] 关于位移和刚度,本文中描述的是用于使用电被测变量来测量刚度和位移的能自校准的测量技术[B12-B14]。本文中的各种方法涉及将以下描述的步骤应用于MEMS结构。 [0371] 图18A和图18B示出了具有梳齿驱动器1820和两个非对称间隔1811、1822的示例性MEMS结构。灰色阴影代表距静止位置的位移。这里示出的间隔的位置不是唯一的;能够使用其他位置。为了清楚在图18A中用阴影线示出间隔1811、1812。图18A示出了静止位置。 [0372] 图18A、18B是涉及刚度的测量的模拟的代表图。图18A示出了具有被用于自校准的梳齿驱动器和两个不等间隔(gapL和gapR)的MEMS结构。利用“X”标记来标识锚。图18A示出了不偏转的零状态;图18B示出了闭合间隔(gapL)处的状态(b)。零状态提供初始C0电容测量。通过横穿间隔gapL和gapR,所施加的电压提供ΔCR和ΔCL。 [0373] 图19是确定梳齿驱动器常量的示例性方法的流程图。参照图19并且还通过示例且不带限制地参照图18,步骤1910包括施加充足量的梳齿驱动器电压以闭合每个间隔1811、1812(gapR和gapL),一次一个。在步骤1920中,测量电容(ΔCR和ΔCL)的对应改变。 在步骤1930中,计算梳齿驱动器常量ψ;ψ是电容的改变与位移之比。它能够被表达为[0374] [0375] 图20示出了示例性的进一步处理。在步骤2010中,采用电容测量ΔC。根据(44),梳齿驱动器常量等于电容的改变与位移的任何中间比。因此,在步骤2020中,位移的精确测量被确定为 [0376] [0377] 在步骤2030中,梳齿驱动器被确定为 [0378] [0379] 系统刚度为k≡F/Δy。使用位移(45)和力(46)的表达式,在步骤1940中,非线性刚度被确定为 [0380] [0381] 关于MEMS温度感测,本文中用于使用MEMS来测量温度的示例性方法涉及通过使用(45)代入所测量到的位移并且使用(47)代入刚度来针对绝对温度解决均分定理(39)。用于(39)的位移的均方根值为 [0382] [0383] 其中,通过使用互阻抗放大器来动态地测量位移,如图21中所示。 [0384] 图21示出了用于瞬时位移感测的示例性系统。图21示出了使用互阻抗放大器(TIA)2130来感测位移的方法,互阻抗放大器2130将梳齿驱动器2120的电容转换为放大后的电压信号。来自互阻抗放大器的值能够被用于校准位移。低通滤波器能够被插入在TIA 2130和信号放大器2140之间以调节区分的噪声。间隔闭合状态(分别闭合间隔2111、2112)下的电压值被用于校准输出电压,如上面讨论的那样。通过插值来获得中间位移(例如,步骤2020,图20)。通过在间隔闭合的位移状态下确定电压值能够校准放大器2140的输出电压。中间位移量是基于已知间隔闭合位移的简单插值。检测质量由于温度T而振动,如由双头箭头所指示的。电压源2119施加激励信号以将电容转换为阻抗,例如,Vin=Vdc+Vac sin(ωZt)。对于电容C(x),感测梳齿2120的阻抗为Z=j/(w0C(x))。间隔2111为gapL。 间隔2112为gapR。来自右梳齿驱动器的信号能够被馈送到左梳齿驱动器2140中以停止振动。 [0385] 回头参照图20,根据如上面描述地测量的刚度和位移(例如,步骤2020、2040),在步骤2050中,MEMS的温度被确定为: [0386] T=k [0387] 关于平均差和标准差,所采用的每个温度测量均基于预期的位移,这是平均过程。因此,每个温度测量实际来自对平均温度的分布的采样,假设真实温度不改变。总所周知,根据中心极限定理,温度的平均测量的平均值迅速收敛到真实温度,而不管分布类型如何。 一旦温度分布的标准被测量, [0388] [0389] 则平均的平均的采样标准差为 [0390] [0391] 关于不确定性,由关于电容δC和电压δV的不确定性的多元泰勒展开的一阶项能够找到温度的不确定性。通过确定电容计或电压计上的最大闪烁数字的小数位的量级来实际找到这些不确定性。温度的标准差和不确定性分别为: [0392] [0393] 其中,由于位移(45)和刚度(47)导致来自(39)的T是电容和电压的函数。 [0394] 通过将(40)和(47)代入(49)中,温度T能够被确定为: [0395] [0396] 关于电容的改变ΔC和电压V对(53)求微分,产生温度的不确定性(54),为: [0397] [0398] 对于测试情况,称作COMSOL的有限元分析软件包[B15]被用于对机械和电学物理建模。如上面讨论的,当闭合2个不等间隔时,测量电容的改变。通过将这些值代入(54)中,能够预测测量温度时的不确定性。 [0399] 关于梳齿驱动器常量,为了使用最大数量的元素通过收敛性分析来增大准确度,能够与结构的机械属性分离地对梳齿驱动器常量建模。假设每个梳齿驱动器指能够被相同地建模,能够如图22所示地对单个梳齿指部分建模。使用21000个二次有限元,模拟梳齿-11驱动器常量,并且该模拟收敛到ψ=8.917×10 F/m。对于二十个指,梳齿驱动器常量因-10 此为17.834×10 F/m。 [0400] 图22-24示出了用于模拟以确定梳齿驱动器常量的模型和各种模拟结果。图22示出了梳齿驱动器的该部分的配置。图23示出了在初始状态下的电压和位置。图24示出了在中间状态下的电压和位置。转子2207是该模型中的上梳齿指。定子2205是该模型中的下梳齿指。使用约21000个网格元素(mesh element)来执行模拟;该模拟收敛到梳齿-11驱动器常量ψ=8.917×10 F/m。在该模拟中,指宽为2mm,长度为40mm,并且初始重叠为 20mm。偏移是可见的,例如,在图24的点2400处。 [0401] 图25示出了用于刚度的静态偏转的模拟的结果。2.944μm的静态偏转被示出为-7针对所施加的电压50V,其被生成作为力1.1146×10 N。利用34000有限二次元来执行模拟。该图像中示出的偏转被放大。最小特征尺寸为2μm。该模拟和(47)之间的刚度的相对误差为0.107% [0402] 为了确定刚度,使用34000个元素,施加模拟的梳齿驱动器电压50V,并且经由模-14拟,电容的对应改变被确定为ΔC=1.04×10 F。与模拟的计算机模型的刚度0.38156N/m相比,将这些值代入(47)中,图25中示出的结构的刚度被确定为k=0.38197N/m。 [0403] 关于幅度,与刚度0.38197N/m对应地,从图14中,在T=300K,该幅度被确定为-101.4742×10 m。这是均分定理的直接应用。 [0404] 关于不确定性,将k=0.38197N/m、A=1.4742×10-10m、kB=1.38×10-23NmK-1、V-14 -6 -18=50V、ΔC=1.04×10 F、δV=1×10 V、δC=1×10 F代入到(54)中,敏感度为[0405] [0406] 以及 [0407] [0408] 由于电容的不确定性导致的T的测量的不确定性为由于电压的不确定性导致的T的测量的不确定性为 在T =300K,总的不确定性为0.029K。这里使用的电容和电压的不确定性是来自ANALOG DEVICE INC(模拟装置公司)的电容计的典型准确规格。并且电压源来自KEITHLEY INSTRUMENTS(吉时利仪器)。从该测试情况中的敏感度的幅度中,能够看到温度的不确定性对电压的不确定性微弱地敏感,然而对电容的不确定性强敏感。幸运地,仄普陀法拉O(10-24)电容分辨率是可能的,这将看来似乎将由于电容而导致的温度的不确定性减少又三个数量级。此外,如在(54)中所示,敏感度依赖于诸如刚度和间隔尺寸的设计参数。 [0409] 本文中描述的各个方面包括基于电子探测来测量MEMS温度的方法。各个方面使用具有梳齿驱动器的装置。各个方面允许使用能够自校准的后成型封装的MEMS的温度感测。各个方面包括测量用于闭合2个非对称间隔的电容的改变。间隔的测量被用于确定几何构型、位移、梳齿驱动器力,并且包括刚度。通过将精确且准确的刚度测量和均方位移代入均分定理中,确定精确且准确的绝对温度的测量。上面讨论了用于绝对温度的平均、标准差和不确定性的测量的表达式。 [0410] 各个方面涉及用于减少微电子机械系统的热诱导振动的静电力反馈布置。静电力反馈被用于对抗微电子机械系统(MEMS)中的热诱导结构振动。通过减小用于传感器和位置控制器的准确度,来自于许多不同源的噪声经常负面地影响N/MEMS的性能。随着尺寸变小,机械刚度减小并且由于温度导致的幅度增大,从而使得热振动变得更显著。热噪声最常被视为传感器准确度的最终限制。准确度上的该限制阻碍探索的进步、标准的开发和新NEMS装置的开发。因此,极大地需要用于减少热噪声的实际方法。用于减少热振动的之前的方法包括冷却和增大弯曲部刚度。然而,该冷却增大了系统的总尺寸以及操作功率。并且增大弯曲部刚度会带来性能的降低。静电位置反馈已被用在加速计和回转仪中以保护免受震动并改善性能。通过使用速度受控力反馈,本文中描述的各个方面有利地使用这种技术来减少来自噪声的振动。本文中描述的是通过模拟来验证的具有寄生效应的分析模型。使用瞬态分析,能够确定MEMS上的白热噪声的振动效应。由于包括单个静电反馈系统导致能够实现极大减少的振动。 [0411] 之前已经由微机械装置中的噪声设置了大多感测性能的最终低限制。存在影响性能的许多噪声源。然而,在已经减少来自电子器件的噪声之后 [0413] Gabrielson[C1]提出了对MEMS中的机械热振动或热噪声的分析。在基础等级上,热噪声被理解为由布朗运动描述的粒子的随机路径和碰撞导致的。根据量子统计力学,给定节点的预期的势能等于结构的特定自由度中的热能,产生 [0414]2 [0415] 其中,k是该自由度中的刚度,kB是布尔兹曼常量,T是温度,并且x 是位移幅度的均方。等同地,能够由奈奎斯特关系将热噪声描述为涨落力。 [0416] [0417] 其中,D是机械阻力或阻尼[C1]。从(55)或(56),清楚的是对于所有温度将存在机械结构的涨落或振动x的预期幅度。该振动是这里被称作热噪声的事物。Leland[C2]将机械热噪声分析扩展用于MEMS回转仪。Vig and Kim[C3]提供了对MEMS谐振器中的热噪声的分析。 [0418] 在原子力显微镜(AFM)中,热噪声的问题是显著的,其中,AFM的探测包括受到由热噪声导致的振动的悬臂。引用文献[C4]演示了该计算,产生特别针对AFM的热噪声的类似于等式(55)和(56)的结果。使用来自[C5]的示例,给定具有刚度k=0.06N/m的在T=306K的微结构,则其预期的振动幅度将为约0.3nm,这为约~1到3原子的长度。这种振动经常不适合于分子尺度操纵。具有这种从10-40%的AFM刚度的测量的不确定性和位移的不确定性,则AFM力不确定多达 [0419] 为了移动到该热噪声限制之外,根据本文中的各个方面,使用静电力反馈控制来减少由于热噪声导致的机械振动的幅度。Boser和Howe[C8]讨论MEMS中的位置受控静电力反馈的使用以改善传感器性能。他们的方法使用位置受控反馈来增大装置稳定性并扩展带宽。扩展的带宽是重要的,因为他们提出了通过具有优化的谐振频率以及因此的小可用带宽的高Q结构的设计来使热噪声最小化。因此,Boser和Howe提出位置受控反馈作为扩展使用带宽的手段并利用改善的机械设计来解决热噪声,这仍然是受限于热噪声的。相比之下,本文中使用的方法使用速度受控静电力反馈以直接限制MEMS结构的热振动。 [0420] 存在MEMS中的反馈的使用的许多示例。Dong等人在[C9]中描述了对具有MEMS加速计的力反馈的使用以降低噪声基底。然而,该反馈被用于改善线性、带宽和动态范围。该方案使用数字反馈(离散脉冲)来减少电和量化噪声,采用机械噪声作为限制情况。相比之下,本文中的方法使用反馈来减少热(限制机械分量)噪声。类似于[C9],Jiang等人在[C10]中将数字力反馈的使用扩展到了MEMS回转仪以将噪底降低到热噪声限制。该方案考虑机械热噪声作为限制因数,并且该反馈设计仅解决电噪声和采样误差,而忽略了热噪声。 Handtmann等人在[C11]中描述具有MEMS惯性传感器的位置受控数字力反馈的使用以通过使用静电电容传感器和执行器对来感测位移和反馈力脉冲用于位置重新调零来增强敏感度和稳定性。该方案还解决其他类型噪声,并且留下机械热噪声作为限制。在现有技术中,反馈被用于改善热噪声限制之上的性能并且正在解决除了热噪声之外的其他问题(线性、带宽、稳定性等)。 [0421] Gittes和Schmidt在[C6]中讨论了针对AFM中的力调零的反馈的使用。关于热噪声限制,他们在理论讨论中提出两个典型的反馈方法。AFM共有第一类型的反馈是位置锁定(position clamp)实验,通过使用探测针尖的位置作为反馈信号以控制悬臂锚的运动,其中探测针尖被保持不动。该结果是使悬臂上的应变改变但保持探测针尖不动的反馈。AFM共有的第二类型反馈是力锁定(force clamp)实验,其中,锚的运动受反馈信号的控制以保持探测应变恒定。因此,探测针尖与悬臂一起移动,而同时维持所测量的表面上的恒定的力。在任一情况下,反馈是测量设备的一部分并且不旨在于解决热振动。相反,Gittes和Schmidt描述热噪声作为反馈系统中的不确定性的源。 [0422] Huber等人在[C12]中提出了可调谐MEMS镜的基于位置的反馈控制针对激光带宽变窄的使用。他们的方法利用基于波长的反馈系统来解决热振动。布朗运动导致MEMS镜振动,导致激光波长模糊。使用标准具和差分放大器,所得到的波长与预期值相比较,并且该差被用作反馈信号。这些作者能够演示从1050到400MHz的缩小的线宽,62%的减少。尽管他们的系统是成功的,但是它使用了基于静态位置的反馈控制。相比之下,本文中描述的方法和系统使用速度受控反馈,这不依赖于指定位置,而相反使用速度来直接减少振动。 在宏观尺度,已经演示了用于减少热振动的反馈。Friswell等人在[C13]中使用压电传感器和执行器来针对0.5m铝梁中的热振动而反馈阻尼信号。他们使用铝梁作为单纯实验示例以演示反馈阻尼在热振动上的效果。对于量级在0.1mm上的振动,针对热激励,他们能够表现出极大地减少的稳定时间。 [0423] 不管施加到MEMS的反馈如何,都要求执行机构。最普通的执行方法中的两种是压电执行器和静电梳齿驱动器。Wlodkowski等人在[C14]中提出低噪声压电加速计的设计,并且Levinzon在[C15]中针对压电加速计推导热噪声表达式,看到机械和电热噪声两者。压电现象能够被应用以减少固有振动。在本文中描述了使用静电梳齿驱动器执行器的各个方面,静电梳齿驱动器在MEMD中是普通执行机构。使用MEMS来针对由热噪声诱导的振动而检测并提供校正力的主要挑战之一是位移的极小尺寸。为了提供将随机热振动幅度从纳米减少到埃或以下的速度受控反馈,MEMS传感器和反馈电子器件应当迅速地感测运动并且立即反馈相反的静电力以优选地使用模拟电路来对抗该运动。 [0424] 本文中描述了:示例性电路的部件,示例性电路感测MEMS梳齿驱动器中的振动检测质量运动并且然后使用另一组梳齿驱动器来施加对抗这种运动的静电反馈力;举例说明了它们的角色的每个系统部件的模拟;包括反馈电路和受到白噪声扰动的MEMS结构的集成系统的模拟;以及面对噪声源在激活反馈电路之前和之后的MEMS的运动的模拟。 [0425] 本文中的各个方面包括力反馈阻尼电路。该电路产生静电反馈力以抵制噪声诱导的运动。反馈力与速度成比例仿真检测质量上众所周知的粘滞阻尼力。电子器件被用于仿真能够减少噪声诱导的运动的大阻尼机械系统动力学。 [0426] 图26示出了具有一对梳齿驱动器2620、2640和折叠弯曲部支持2660的MEMS结构。通过静电力反馈,各个方面执行单侧阻尼;其他方面使用另一对梳齿驱动器在双向上提供阻尼。 [0427] 图26是MEMS 2600及其力反馈系统2610的示意图。该MEMS结构包括该图右手侧(RHS)上的梳齿驱动器传感器2620、左手侧(LHS)上的梳齿驱动器执行器2640、折叠弯曲部2660以及电子反馈控制部件。检测质量2610水平地谐振,由全频率(白)噪声激励。随着检测质量向右移动,其运动被RHS上的梳齿驱动器传感器2620感测。该信号被转换为电反馈电压,其产生抵制向右运动的LHS执行器2640上的静电力。随着检测质量2610向左移动,LHS执行器两端的电压变为零,使得该力为零。 [0428] 图26中的右手侧(RHS)上的梳齿驱动器2620是运动传感器,并且左手侧(LHS)上的梳齿驱动器2640是反馈力执行器。热诱导激发将导致该装置的检测质量2601水平地谐振。由于梳齿指重叠的量的改变而导致检测质量2601的位置的该改变将改变RHS梳齿驱动器2620的电容C(x(t))。RHS梳齿驱动器的阻抗ZC为例如 [0429] [0430] 附接至RHS梳齿驱动器2620的电路将感测电容的改变并通过互阻抗放大器2650来产生成比例的电压信号。通过该电路的不同部分对该信号进一步处理(参见图26)以跟踪右梳齿驱动器2620电容的变化的属性。如果梳齿驱动器2620电容增大,则它意味着平行板之间的距离减小,即,检测质量2601向右移动。类似地,电容的减小指示检测质量2601向左移动。反馈电路被设计为使得随着检测质量向右移动,反馈电压信号被施加在左梳齿驱动器2640上。该非零电压差将产生反馈力F(在图26中利用指向左的箭头代表),该力将检测质量2601向左吸引以抵制其向右的运动。但是随着检测质量2601向左移动,左梳齿驱动器2620上的反馈信号为Vin。该零电压差将不产生力以不吸引检测质量;否则,它可能增大幅度。即,如果检测质量2601的运动为向右,则反馈力F与速度成比例,并且如果检测质量的运动为向左,则力为0。电路2610包括电压源2625、互阻抗放大器2650、解调器2655、滤波器2660、微分器2665、滤波器2670、过零检测器(ZCD)2675和条件电路2680。这些一起提供反馈。 [0431] 由于白噪声源导致,梳齿驱动器2601的检测质量在其机械谐振频率ωm 2πfm振动。该热振动导致MEMS电容作为时间的函数而变化,为 [0432] [0433] 其中,N是梳齿驱动器指的数量,ε是介质的介电常数,h是层厚度,g是梳齿指之2 间的间隔,L0是梳齿指的重叠,并且xmax是由于噪声导致的最大偏转幅度。关于(55), [0434] [0435] 为了通过电容的改变感测该噪声诱导的机械运动,电流信号(IC)经过依赖于位置的电容器。该输入信号是比ωm高很多的频率ω的正弦曲线以不进一步激励机械运动。频率ω是可调谐的并且由输入电压源2625(Vin)来提供(图26) [0436] Vin=Vac sin(ωt) (60) [0437] 电流信号IC经过电容器,然后该电流信号被转换为电压信号并且通过反相放大器来放大,如图27所示。 [0438] 图27示出了互阻抗放大器(TIA)2650。正弦电流信号经过梳齿驱动器电容器(图26)以感测热噪声诱导的电容的时间变化属性。使用电流到电压转换器2710,该电流信号被转换为电压信号并且然后通过反向放大器2720来放大。该电路的增益通过电阻器可调节使得输出信号Vout能够比输入信号Vin更大。 [0439] 由于电容器的时间变化属性导致通过电容器的电流IC被调制幅度和相位两者。输出信号Vout能够被表达为 [0440] Vout=A1A2Vacsin(ωt-θ(t)),其中 (61) [0441] [0442] 以及 (63) [0443] θ(t)=-tan-1[1/ωR1C(t)]. (64) [0444] 这里,A1是图2中的电路的总增益。此外,ω=2πf,其中,f是Vin的频率。电容的改变的趋势能够从该信号中感测。难以一起解调幅度和相位调制信号;然而,各个方面利用以下的近似: [0445] 1.项ωR1C(t)小,例如ωR1C(t)<<1。 [0446] 2.输入信号的频率比梳齿驱动器的检测质量的固有频率充分大,即,f>>fm。 [0447] 使用该第一假设,等式(63)能够被简化为: [0448] [0449] 进一步地,这里所考虑的装置展现了皮法拉范围中的电容,而由于热振动导致的电容的改变是若干幅度更小的。因此,能够忽略三次项,导致线性依赖性: [0450] A2(t)≈ωC(t). (66) [0451] 再次,该第一假设产生1/(ωR1C(t))作为指示θ(t)≈-π/2的大值。由于电容的改变相对小,存在该角度中的可忽略的改变。而且,第二近似确保ωt的速率改变比θ(t)大很多。因此,输出电压Vout能够被线性化为 [0452] Vout≈ωA1VacC(t)cos(ωt). (67) [0453] 取回电容的时间变化属性的过程是简单的幅度解调。输出电压被乘以解调信号Vaccos(ωt),该解调信号是通过使输入信号Vin经过微分器2665来导出的(图26)。该微分器被设计为诸如R5C2l/ω(参见图28)。 [0454] 图28示出了微分器2665和解调器2670。输出信号Vout是输入信号Vin的幅度调制版本。输出信号的幅度与梳齿驱动器电容的时间变化属性成正比。通过利用解调信号Vac cos(ωt)对信号Vout解调来提取该幅度,解调信号Vaccos(ωt)与输入信号Vin的幅度和频率相同。通过使该解调信号通过微分器,从输入信号Vin导出该解调信号。 [0455] 乘法器2870被用于用Vout乘以Vaccos(ωt)。利用在[C16]中报告的运算放大器能够预见该乘法器电路。该乘法器的输出由以下给定 [0456] [0457] 乘法器的输出包含与电容成正比的项,电容在相对低频(~30kHz)和高频分量处变化,这能够由如图29所示的6阶巴特沃思滤波器来消除,其中截止频率ωc≈0.35ω。 [0458] 图29示出了低通频率滤波器。通过级联三级2阶巴特沃斯低通滤波器来实施6阶巴特沃斯低通滤波器。每级的截止频率被设置为ωc≈0.35ω。滚降为-140dB/dec。该滤波器成功地使信号Vm中的高频项衰减并且提供与梳齿驱动器电容成正比的信号。 [0459] 滤波器的输出与梳齿驱动器的电容成本比:2 [0460] Vf≈ωAVacC(t). (69) [0461] 如果信号经由图30中所示的另一微分器,则该微分器的输出将跟踪电容的改变的方向, [0462] [0463] 图30示出了微分器。该微分器电路被设计使得R17C9=1/ω。这允许该微分器的增益约为-1。增益-1的另一反相放大器被与该微分器串联地添加,从而该电路的总增益为1。 [0464] 滤波的第一步骤不一起消除噪声(高频分量)。因此,该微分器可以使该让人联想到的噪声突出。因此,使用如图31所示的低阶低通巴特沃斯滤波器,能够将该信号进一步滤波以减少噪声。 [0465] 图31示出了滤波器。通过级联两个2阶巴特沃斯低通滤波器来实施4阶巴特沃斯低通滤波器。每级的截止频率被设置为ωc≈0.35ω。该滤波器的目的是使微分输出信号中的噪声衰减。 [0466] 该微分器的经滤波的输出经过非反相和反相过零检测器两者(参见图32)以产生频率等于检测质量的固有频率的两个脉冲信号。 [0467] 图32示出了过零检测器(ZCD)3200、3201。检测器3200是非反相过零检测器。当Vdiff为正时,输出为+Vsat。当Vdiff为正时,输出为+Vsat。检测器3201是反相过零检测器。当Vdiff为正时,输出为+Vsat。当Vdiff为正时,输出为+Vsat。这些电路产生频率基本等于MEMS的机械频率的两个控制方波信号。 [0468] 图33示出了根据各个方面的条件电路。来自过零检测器3200、3201(图32)的两个方波信号被施加至条件电路。使用两个双极结晶体管来实施该电路。该电路被设计为使得当电容减小时该电路的输出为Vin,并且当电容增大时电路的输出为Vout。当电容增大时,该微分器输出为正(即,正斜率),这使VZC1等于+Vsat并且VZC2等于-Vsat。因此,Q1晶体管被驱动到截止而接通Q2晶体管。因此,Vout信号被提供作为反馈信号Vfeedback。然后,该信号被反馈给左梳齿驱动器2640,左梳齿驱动器2640产生静电力以停止检测质量2601的向右移动(图26两者)。 [0469] 当电容减小时,微分器输出变为负(即,负斜率),这使VZC1等于-Vsat并且VZC2等于+Vsat。因此,Q2晶体管为驱动到截止而接通Q1晶体管。因此,Vin信号被提供作为反馈信号Vfeedback。这里,|Vsat|是运算放大器的饱和电压。 [0470] 电容的增大指示由于梳齿指重叠的增大导致检测质量2601正在向右移动。类似地,电容的减小指示由于减小梳齿指重叠而导致检测质量2601正在向左移动。微分器2665输出将这些运动分别感测为正斜率或负斜率,并且使用过零检测器2675来生成方波信号以控制条件电路2680(所有图26)。 [0471] 仍参照图33,在各个方面中,使用两个共射极放大器来实施条件电路2680。正偏压被设置为+Vsat。使用控制信号VZC1和VZC2来给定负偏压。当VZC1等于-Vsat时,VZC2等于+Vsat。这使得Q1晶体管接通并且Q2晶体管断开。当VZC1等于+Vsat时,VZC2等于-Vsat。这使得Q1晶体管断开并且Q2晶体管接通。 [0472] 通过使用典型的参数值来考察每个系统部件的输出,执行模拟以测试图26中所示的力反馈系统。利用结构参数N=100、h=20μm、g=2μm和L0=20μm来模拟梳齿驱动器装置。在MEMS中,由于噪声导致的最大偏转幅度典型地小于1nm。 [0473] 图34示出了用于验证所进行的近似的输出电压Vout和输入电压Vin之间的比较。曲线3401是Vin并且曲线3402是Vout。在输出信号中从输入信号有常量π/2的滞后,这从近似来预期。这里,采用输入信号频率为10V,1MHz正弦波,这比检测质量的固有频率高很多。因此,在该示例中由于电容的改变导致的相位调制是可忽略的。图27中的电路的增益被选择使得输入和输出幅度水平约相同。图10示出了包括高频分量~2MHz的乘法器的输出。 [0474] 图34示出了TIA(来自图27的部件)的Vin和Vout之间的示例性比较。输入信号被用于通过互阻抗放大器(TIA)来感测梳齿驱动器电容的改变。这两个近似确保在这两个信号之间保留常量π/2相位差。TIA被设计为使得输出信号的幅度与输入信号相同。 [0475] 图35示出了示例性的经解调的信号(来自图28的部件)。该经解调的信号包括两个分量。分量之一与梳齿驱动器电容成正比并且以等于该装置的机械频率的频率改变。另一分量以等于输入信号的频率两倍的频率非常迅速地改变。 [0476] 乘法器的输出经过具有-140dB/dec的滚降的6阶低通巴特沃斯滤波器,如在图29中提到的,以消除2MHz频率分量。截止频率被设置为fC=0.35MHz。因此,取回与电容的改变成正比的信号,如图36中所示。 [0477] 图36示出了示例性的经滤波的信号(来自图29的部件)。6阶低通巴特沃斯滤波器被用于消除来自该经解调的信号的更高频分量。因此,仅留下与电容成正比的该分量。该滤波器的输出在约30μs之后稳定并跟踪梳齿驱动器电容的改变。如所示,例如,在该插图中,噪声能够存在但是不使该电路无功能。 [0478] 能够观察到该滤波器的输出在~30μs之后稳定。利用依赖于电压分别增大还是减小来给出正或负电压的微分器来确定电容的改变的方向。由于在滤波之后留下噪声而导致来自微分器的输出信号能够是有噪声的,如图37中所示。 [0479] 图37示出了来自微分器(来自图30的部件)的示例性输出信号。微分器被用于跟踪梳齿驱动器电容的改变的方向(增大还是减小)。来自微分器的正输出指示正斜率,即,电容的增大属性,并且反之亦然。微分器增大剩余噪声的显著性,例如,如该插图中所示。 [0480] 使用相同截止频率(fC=0.35MHz)的滤波器能够对该信号滤波。在图38中示出了经滤波的输出。因此,用于反馈电路的稳定时间增大到~50μs。 [0481] 图38示出了微分信号(来自图31的部件)的示例性地经滤波的版本。使用4阶低通巴特沃斯滤波器来减少微分器信号中的噪声。该信号以与检测质量的谐振频率相同的频率来变化。能够观察到进一步的微分和滤波使该稳定时间几乎到50μs。 [0482] 然后该信号被馈送到上面描述的两个过零检测器。这两个过零检测器产生电容正在变化的相同频率的方波信号。在图39和图40中示出这些方波信号。这两个信号被用于控制图33中的条件电路,条件电路一次保持晶体管中的任一个接通。 [0483] 图39示出了来自非反相过零检测器(来自图32的部件3200)的示例性输出信号。只要微分器输出(ZCD输入,曲线3900)保留正,非反相过零检测器的输出(曲线3901)就保留在+Vsat,并且在微分器输出一变为负,非反相过零检测器的输出就变为-Vsat。因此,方波信号被生成为与梳齿驱动器电容器的频率相同。 [0484] 图40示出了来自反相过零检测器(来自图32的部件3201)的示例性输出信号。只要微分器输出(ZCD输入,曲线3900)保留正,反相过零检测器的输出(曲线4001)就保留在-Vsat,并且在微分器输出一变为负,反相过零检测器的输出就变为+Vsat。因此,方波信号被生成为与梳齿驱动器电容器的频率相同。 [0485] 在图41中示出了来自条件电路的反馈信号。能够观察到当“切换”发生时存在失真。在短时间段内,两个晶体管均变为接通。该失真存在大约原始信号的1.5个周期。适当地设计该电路并使用适当的晶体管能够减少该失真。 [0486] 图41示出了示例性反馈信号(来自图33的部件)。互补信号VZC1和VZC2使条件电路中晶体管中的任一个接通并且另一个关断。因此,Vin或Vout经过该电路。该电路被设计为使得在机械运动的半个周期,电路经过Vout(检测质量向右移动),并且在该周期的另一半中,经过Vin(检测质量向左移动)。曲线4100示出了Vfeedback,曲线4101(虚线)示出了VZC1,并且曲线4102(点线)示出了VZC2。 [0487] 该反馈信号被施加至左梳齿驱动器以产生静电反馈力。当该装置的检测质量向左移动时,净静电力为~0N,因为条件电路的输出为Vin,从而执行器2640(图26)的两个板具有基本相同的电压Vin。但是当检测质量向右移动时,反馈信号等于Vout≠Vin并且由LHS梳2 齿驱动器所生成的静电力与抵制检测质量的运动的(Vout-Vin)成正比。图42示出了在没有反馈系统的情况下,检测质量以~1nm的幅度振动。该幅度由噪声扰动导致。当反馈系统在t=0.6ms接通时,噪声开始衰退并最终消失。在该模拟中,通过在整个模拟的每个时间步骤处施加非常小但随机的机械力来仿真诱导振动的白噪声扰动。最大随机扰动力的量被选择为使得运动的幅度将最终渐进约1nm,它是由于寄生噪声的各种源导致的大多数MEMS的上限幅度。在图42中未示出由于白噪声(随机激发力)导致的从0nm到~1nm的幅度的该收敛。在该收敛之后0.6ms处,启动力反馈系统。仅在所有向右运动期间,该力反馈系统施加与振动的速度成比例的力。效果是振动幅度的显著减小,如在图42中看到的。 [0488] 图42示出了静电反馈力的效果的模拟的结果。由于噪声扰动而导致检测质量在其固有频率以~1nm的幅度被动地振动,没有反馈系统是启动的。当反馈系统在t=0.6ms处接通时,静电反馈力抵制检测质量的向右移动,并且不对向左移动产生效果。对向右运动的抵制力减少由噪声扰动的出现所导致的幅度。该幅度被大大减少。 [0489] 本文中描述了能够有利地减少由于诸如热噪声的寄生扰动而导致的MEMS的被动振动的静电力反馈电路的各个方面。上面描述了具有MEMS结构的各种集成电路部件的模型和模拟,MEMS结构包括一对梳齿驱动器和折叠弯曲部支持。本文中的各种电路对一个梳齿驱动器来感测振动并对其它梳齿驱动器来应用反馈力。反馈力能够与MEMS检测质量的速度成比例,使得反馈力类似于简单的机械系统所共有的粘滞阻尼。模拟结果演示了通过施加静电粘滞力反馈能够大大地减少MEMS装置中的噪声诱导的幅度。各种参数能够被调节以提供欠阻尼、临界阻尼和过阻尼的各种强度。 [0490] 各个方面涉及用于通过电子探测来测量杨氏模量的方法和布置。本文中描述了用于通过电容的电子探测来测量具有梳齿驱动器的MEMS的杨氏模量的精确且准确的方法。能够为了质量控制在芯片外或者为了自校准在封装之后在芯片上执行电子测量。杨氏模量是影响MEMS的静态或动态性能的重要材料属性。对于工业尺度自动化,杨氏模量的电探测测量也可以是有用的。用于测量杨氏模量的传统方法包括分析应力应变曲线,这是典型有害的,或者包括分析变化尺寸的大阵列测试结构,这要求大量的芯片不动产。本文中的方法通过独特地消除未知量并且提取加工的几何构型、位移、梳齿驱动器力和刚度来测量杨氏模量。由于杨氏模量与使用电子被测变量能够确定的几何构型和刚度有关,杨氏模量能够被表达为电子被测变量的函数。在本文中还描述了使用本文中的方法来预测计算机模型的杨氏模量的模拟的结果。该计算机模型被作为仅在其电子被测变量上使用的实验来看待。 在0.1%内预测计算机模型中的精确已知的杨氏模量时,模拟结果示出良好的一致性。 [0491] 杨氏模量是确定许多微电子机械系统(MEMS)的性能的最重要材料属性之一。已经存在被开发用于测量MEMS的杨氏模量的许多方法。例如,Marshall在[D1]中提出使用激光多普勒振动计用于测量微机械加工的悬臂的阵列的谐振频率以确定杨氏模量。该方法要求实验设备的使用,并且要求能够引入显著误差的局部密度和几何构型的估计。该方法的不确定性被报告为约3%。在[D2]中,Yan等人使用MEMS测试以使用电子探测来估计杨氏模量。Yan的方法要求对许多未知量的估计,包括寄生电容、间隔间距、梁宽度、梁长度、残余应力、介电常数、层厚度、圆角和位移,这能够在杨氏模量的测量中引入显著的误差。在最后的示例中,在[D3]中,Fok等人使用刻痕法用于测量杨氏模量。即,施加压痕力,导致表面变形。变形的区域的尺寸被用于估计杨氏模量,未报告不确定性。本文中的各种方法有利地消除了未知量,并且测量的不确定性是利用仅单个测量就可量化的。本文中的各种方法使用电子探测。 [0492] 图43示出了多晶硅的杨氏模量对公布年份的数据。每个数据点对应于用于在各种设施处测量多晶硅的不同方法。数据出自Sharpe[D4]。平均测量为160GPa(虚线),极值为95GPa和240GPa。 [0493] 目前,没有用于测量微尺度杨氏模量的ASTM标准。开发标准的该困难必须处理彼此不一致的各种方法以及在跟踪微尺度测量到所接受的宏观尺度标准时的困难。 [0494] 由于过程变化以及MEMS性能对杨氏模量的依赖性而导致对用于测量杨氏模量的有效且实际的方法的需要是关键的。图43示出了多晶硅(最普通的MEMS材料)的杨氏模量的变化。数据采集自通过各种研究组测量的并使用各种测量方法的在各种设施处加工的各种加工运行(fabrication runs)。 [0495] 除了材料属性的变化之外,在加工时还存在能够显著地影响性能的几何构型的变化。在[D5]中,Zhang做了一些工作以示出几何构型和性能之间的高敏感度。发现了几何构型的小改变能够导致对于所预测的性能的大改变。图44示出了所加工的装置的图像。典型地,从布局几何构型修改宽度、间隔和长度,并且锋利的90度角变成圆角状的。圆角的益处是它们减少梁弯曲中的顶点处的应力。然而,在文献中找到的大多数模型忽略了圆角,其实际上对梁偏转具有可测量的加强效果。 [0496] 本文中描述的各种方法通过包括渐缩梁的存在以几乎消除圆角的效果来预测杨氏模量,并且使用刚度的测量来确定杨氏模量。本文中描述的用于确定刚度和杨氏模量的分析模型接近地匹配有限元分析。 [0497] 本文中描述了:由于对具有和不具有渐缩末端的梁的加工而导致的圆角的效果的比较;几乎消除圆角的存在并且能够被用于获得杨氏模量的用于渐缩梁的分析表达式;用于测量刚度的电微计量(EMM)的各种方法;以及用于验证用于提取杨氏模量的本文描述的方法的模拟实验。 [0498] 关于圆角状梁对渐缩梁,确定弯曲部的杨氏模量的一个问题是出现在尖锐顶点的位置处的圆角的存在。参照图44。与具有90度顶点而没有圆角相比,圆角的存在往往增大弯曲部的有效刚度。圆角的效果显著地影响静态位移和谐振频率。 [0499] 图44示出了圆角状顶点的电子显微图的代表图。示出了附接到锚的所加工的MEMS弯曲部的电子显微镜。在(a)中示出了成角度的视图,并且在(b)中示出了附接到锚的弯曲部的放大部分。弯曲部的布局宽度为准确地为2μm,对应的加工宽度w略微小于2μm,厚度h为约20μm,并且圆角的曲率半径ρ为约1.5μm。该结构的布局几何构型被规定有尖锐的90度顶点;然而,作为不精确的加工过程的结果,在所有顶点处形成圆角。在一些加工技术中,圆角看上去是不可避免的。 [0500] 例如,图45和图46对具有和不具有圆角的梁的静态位移和谐振频率进行比较。梁在其他方面是相同的。梁具有长度100μm、宽度2μm、厚度20μn、侧面上的锚尺寸22μm、杨氏模量160GPa、泊松比0.3、密度2300kg/m3和竖直针尖力50mN。圆角状梁具有曲率半径1.5μm。 [0501] 使用有限元分析使用COMSOL[D6]利用超过32000个线性二次元以及超过130000个自由度的高网格细化来完成模拟。图45,在(a)中,示出了关于圆角状区域的网格质量,其中,梁附接至锚。图45,在(b)和(c)中,分别示出了非圆角状(3.827μm)和圆角状(3.687μm)悬臂梁的静态偏转。这两个类型之间的相对误差为3.66%,其中,由于来自其圆角的增大的刚度而导致圆角状梁具有更小的竖直位移。图45,在(d)和(e)中,分别示出了非圆角状和圆角状悬臂之间的特征频率分析。在(d)中,模式1是433.5396kHz,并且模式2是2707.831kHz。在(e)中,模式1是444.4060kHz,并且模式2是2774.172kHz。这两个类型之间的相对误差针对模式1为-2.50%,并且针对模式2为-2.45%,其中,由于圆角导致增大的刚度,从而导致圆角状梁以更高的频率谐振。 [0502] 图45示出了具有和不具有圆角的悬臂梁的静态和特征频率模拟。(a)示出了这些FEA模拟的网格细化的类型的图像。该结构的特写部分是梁附接至锚的地方。元素的数量为32256线性二次,并且自由度的数量为131458.(b)-(c)示出了具有在最右界限施加的竖直力100mN的梁的静态偏转。在所有结构上固定最左界限。静态偏转之间的相对误差为3.66%,这足够大到使第二位数改变。由于圆角导致增大的刚度,从而导致圆角状梁具有更小的偏转。(d)-(e)示出了在非圆角状和圆角状结构之间针对模式1和2的特征频率分析。 模式1和2的相对误差分别为-2.50%和-2.45%。由于圆角导致增大的刚度,从而导致圆角状梁具有更高的谐振频率。圆角的质量具有可以忽略的效果,因为圆角的位置为移动最小的位置处。 [0503] 圆角对MEMS的静态和动态性能具有显著效果是清楚的。分析家的问题是难以预测适合于任一加工的曲率半径。为了解决该问题,本文中描述的各个方面使用梁和锚之间的渐缩梁部分来减少圆角对弯曲部的影响。由于渐缩梁具有大钝角,而不是尖锐的锐角,在加工期间形成的任何圆角将对静态和动态性能有更小的影响。 [0504] 图46示出了针对渐缩梁的静态和特征频率分析。该分析与针对非渐缩梁(图45)执行的分析相同,除了如所示出的或者如下面所讨论的。使用超过42000个线性二次元和超过170000个自由度的高网格细化,图46,在(a)中示出了关于渐缩梁已经被放置在直梁和锚之间的圆角状区域的网格质量。(b)和(c)分别示出了非圆角状(2.191μm)和圆角状(2.189μm)渐缩悬臂梁的静态偏转。这两个类型之间的相对误差为0.091%(与针对非渐缩悬臂的3.66%相对)。由于来自其圆角的增大的刚度而导致圆角状梁具有略微更小的竖直位移。(d)和(e)分别示出了非圆角状和圆角状渐缩悬臂之间的特征频率分析。在(d)中,模式1为628260.4kHz,并且模式2为3888.614kHz。在(e)中,模式1为628763.5kHz,并且模式2为3891.521kHz。这两个类型之间的相对误差针对模式1为-0.080%,并且针对模式2为-0.075%(与针对非渐缩悬臂的-2.50%和-2.45%相对)。由于圆角导致增大的刚度,从而导致圆角状渐缩悬臂在略微更高的频率处谐振。 [0505] 图46示出了具有和不具有圆角的渐缩悬臂梁的静态和特征频率模拟。(a)示出了用于这些FEA模拟的网格细化的类型的图像。该结构的该特写部分是渐缩梁被配置在直梁和锚之间的地方。元素的数量为42240线性二次并且自由度的数量为170978。(b)-(c)示出了具有在最右界限施加的竖直力50μN的梁的静态偏转。在所有结构上固定最左界限。静态偏转之间的相对误差为0.091%,这是小的并且导致约第四有效位数的改变。由于圆角导致增大的刚度,从而导致圆角状梁具有略微更小的偏转。(d)-(e)示出了在非圆角状和圆角状渐缩结构之间针对模式1和2的特征频率分析。模式1和2的相对误差分别为-0.080%和-0.075%。由于来自圆角的增大的刚度而导致圆角状梁具有略微更高的谐振频率。 [0506] 因此在末端使弯曲部渐缩能够减少圆角的显著性。具有比从任意加工的圆角所预期的曲率半径更大的曲率半径的弯曲渐缩(即,具有弯曲侧壁的渐缩部分)基本能够从加工中减少圆角状效果。以下描述具有直侧壁的渐缩部分。 [0507] 以下描述用于预测杨氏模量的分析模型和示例性方法。通过使用在[D7-D8]中给出的方法,如图47中所示地开发用于找到渐缩元件的刚度的分析等式,并且以下将其结果与从FEA获得的刚度进行比较。 [0508] 能够用于预测杨氏模量的关系为 [0509] kmeasured=kmodel (71) [0510] 其中,kmodel为来自分析模型的刚度,kmeasured为来自诸如本文中描述的电微计量(EMM)的方法的实验的刚度[D12]。通过使用矩阵凝聚[D7]技术来将渐缩梁的刚度矩阵结合到直梁的刚度矩阵来开发用于净刚度的分析模型。通过使用虚功方法来开发用于渐缩梁的分析模型[D8-D9]。“虚功”指的是物理领域中已知的各种技术的应用。 [0511] 图47示出了渐缩梁部件。示出了用于渐缩梁的完全的自然的自由度。它具有长度3 L、厚度h的尺寸、样式模量E、面矩hwtapered/12,并且它从宽度w2渐缩到w1,其中,wtapered(x)=w1+(w2-w1)x/L。左界限将被固定,并且右界限将被附接至直梁。 [0512] 如图47中所示,考虑在每个末端节点具有6个自由度(x,y,θ)的2D渐缩梁紧凑元(compact element)。如在[D8-D9]中阐述的,通过构建变换矩阵来获得完全的自由度和自然的自由度之间的关系。通过使用虚功法来产生用于该系统的柔度矩阵f。柔度矩阵fij中的每个矩阵元素是在所有其他自由度被保持在零的情况下当在自由度j放置单位真实力(unit real force)时在自由度i的位移。用于自然系的柔度矩阵为: [0513] [0514] 通过麦斯威尔的互等定理位移[D10],柔度矩阵是对称的,并且由于f12=f21=0和f13=f31=0,有必要仅找到f11、f22、f33和f23。对于图47中示出的渐缩部件,沿着该长度的截面面积为: [0515] [0516] 为了找到柔度系数f11,在自然系中的自由度1放置单位实际负载。这给出N(x)=1。在自然系中的自然度1放置的虚拟负载给出n(x)=1。通过针对轴向位移使用虚功法,f11被计算为: [0517] [0518] 为了找到f22,在自然系中的自由度2放置的单位实际负载给出力矩M(x)=x/L-1。在自然系中的自由度2放置单位虚拟负载给出力矩m(x)=x/L-1。通过针对弯曲位移使用虚拟方法,柔度系数被计算为 [0519] [0520] 为了找到f33,在自然系中的自由度3放置的单位实际负载给出力矩M(x)=x/L。在自然系中的自由度3放置单位虚拟负载给出力矩m(x)=x/L。通过针对弯曲位移使用虚拟方法,柔度系数被计算为 [0521] [0522] 为了找到f23,在自然系中的自由度3放置的单位实际负载给出力矩M(x)=x/L。在自然系中的自由度2放置单位虚拟负载给出力矩m(x)=x/L-1。通过针对弯曲位移使用虚拟方法,柔度系数被计算为 [0523] [0524] 上面的等式能够被代入柔度矩阵中。从自然到完全自由度的变换矩阵Γ为[D9][0525] [0526] 用于渐缩梁的刚度矩阵为 [0527] [0528] 其中 [0529] [0530] [0531] [0532] [0533] [0534] 以及 [0535] [0536] 类似地,针对长度1且面矩I=hw13/12的直梁使用虚功法,Kbeam为: [0537] [0538] 其中,A=w1h是直梁的截面面积,并且c=EI/l3。 [0539] 将渐缩(79)和直(80)刚度结合到单个弯曲部中,净弯曲部刚度为: [0540] [0541] 其中, [0542] K66=4cl2,K14=-EA/l,K22=k22+12c, [0543] K23=-k26+6cl,K11=k11+EA/l,K33=k66+4cl2, [0544] K36=2cl2,K25=-12c,and K26=6cl [0545] 并且其中,弯曲部的右界限被固定在宽度为w2的位置,从而消除固定的界限节点的行和列。 [0546] 考虑位于弯曲部的右自由端处的竖直施加的力, [0547] [0548] 由竖直位移在力的施加点处看到的刚度为 [0549] [0550] 使用图46中在(c)处示出的圆角状的测试情况的参数,即,渐缩长度L=14μm,w1=2μm,w2=14μm,厚度h=20μm,E=160GPa,F=50N的力,w=2μm,以及1=64μm,根据(83),刚度被计算为kmodel=22.8393N/m。将刚度的该值与具有圆角的在图46中(在(c)处)的模拟比较,其中F/y=k4c=22.8415N/m,该紧凑模型具有0.0096%的相对误差。 [0551] 然后,(83)被用于确定所加工的装置的杨氏模量。即,使用EMM来测量所加工的刚度,然后由于杨氏模量是未知的,使用不具有杨氏模量的(83)来对该刚度建模。该真实的杨氏模量因此为: [0552] [0553] 关于使用电微计量的刚度测量,以下描述了用于使用电微计量的系统刚度的测量的理论基础[D11-D12]。一种示例性方法涉及将以下步骤应用于诸如在图48A-B中示出的结构的状态。 [0554] 图48A和图48B示出了MEMS结构和刚度的测量。该结构包括梳齿驱动器和两个不等间隔(gapL和gapR),它们被用于自校准。用“X”标识锚。这些图像示出了未偏转的零状态(图48A)和闭合间隔之一(gapL)的状态(图48B)。零状态提供C0测量。通过横穿间隔gapL和gapR,所施加的电压提供ΔCL和ΔCR。 [0555] 图49示出了确定刚度的示例性方法。参照图49,并且仅为了示例性的目的而参照图48A和图48B,不限制于本文中示出的这些结构,在步骤4910中,充足量的梳齿驱动器电压被施加以闭合每个间隔(gapR和gapL)。在步骤4920中,测量电容的改变(ΔCL和ΔCR)。在步骤4930中,梳齿驱动器常量ψ为梳齿驱动器电容的改变与位移之比,被计算例如为[0556] ψ≡ΔC/gapR=ΔC/y. (85) [0557] 在随后的步骤4940中,使用(85)中的关系将梳齿驱动器的位移计算为 [0558] y=ΔC/ψ. (86) [0559] 在步骤4950中,梳齿驱动器力被计算为 [0560] [0561] 在步骤4960中,计算刚度。该系统刚度被限定为k≡F/Δy。使用位移(86)和力(87)的表达式,非线性刚度能够被计算为 [0562] [0563] 图50-52涉及梳齿驱动器常量。图50示出了梳齿驱动器的该部分的配置。图51示出了其位置在初始状态的模拟的结果。图52示出了其位置在中间状态的模拟的结果。偏移是可见的,例如,在图52中的点5200处。上梳齿指代表转子5007。下梳齿指代表定子-105005。能够使用约21000网格元素以收敛到梳齿驱动器常量ψ=4.942×10 F/m。指间隔为2μm,长度为40μm并且初始重叠为20μm。 [0564] 图53示出了用于刚度的静态偏转。0.2698μm的静态偏转由所施加的50V导致,-7所施加的50V产生F=6.1719×10 N的力。放大图53中所示的偏转。最小特征尺寸为 2μm。利用34000个有限二次元来完成该模拟。计算机模型的刚度与(88)的刚度之间的刚度中的相对误差为0.138%。 [0565] 执行模拟实验(SE)。完成该项是因为用于杨氏模量的一些实验测量方法具有未知精确度和比数值误差更大的不确定性。在SE中,仿真电容的测量,因为电容将是在真实实验中可获得的一个类型的测量。如上面所讨论的,通过测量闭合2个不等间隔所要求的电容,能够获得待测试的结构的系统刚度(88)。 [0566] 关于梳齿驱动器常量,为了通过使用最大数量的元素的有限元网格细化通过收敛分析来改善准确度,与该结构的机械属性分离地对梳齿驱动器常量建模。通过假设每个梳齿驱动器指能够以它们的整体被相同地建模,能够如图50-52中所示地对单个梳齿指部分-10建模。使用21000个二次有限元,梳齿驱动器常量在模拟中收敛到ψ=4.942×10 F/m。 [0567] 关于刚度,使用34000个机械元素,使用50V的电压来施加模拟梳齿驱动器力,并且模拟电容的对应改变(参见图53)。将这些值代入(88)中,该结构的SE刚度被确定为[0568] kmeasured=22.907N/m. (89) [0569] 通过将(89)代入到(84)中,所测量到的杨氏模量被确定为Emeasured=160.18GPa。真实的杨氏模量(即,作为到FEA模型的输入的杨氏模量)精确地为Etrue=160GPa。从而杨氏模量的SE预测具有0.11%的相对误差。 [0570] 如所加工的材料属性和几何构型经常显著不同于从模拟和布局几何构型中预测的。几何构型改变之一为圆角的形成,圆角具有难以预测的曲率半径,并且圆角能够对刚度有显著影响。另一个改变的属性是杨氏模量,由于刚度的不精确的测量而导致杨氏模量难以测量。本文中描述的各种方法和系统通过使用渐缩梁来基本减少圆角的影响。本文中描述的各种方法和系统通过测量刚度来允许对杨氏模量的精确的、准确的和实际的测量。使用模拟实验测试了示例性方法,并且示例性方法示出了与杨氏模量的真实值的一致性在 0.11%内。 [0571] 鉴于前述,各个方面测量差动电容。技术效果是允许MEMS结构的机械属性的确定,该确定进而能够允许MEMS装置的例如温度、方位或运动的确定。 [0572] 在该描述通篇中,在将通常作为软件程序来实施的方面描述了一些方面。本领域技术人员能容易认识到,也能够以硬件(硬接线的或可编程的)、固件或微代码来构造这种软件的等同物。相应地,本发明的方面可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件或微代码)或结合软件和硬件方面的实施例的形式。软件、硬件和结合能够在本文中全部统称为“服务”、“电路”、“线路”、“模块”或“系统”。各个方面能够被实施为系统、方法或计算机程序产品。因为数据操纵算法和系统是众所周知的,本描述特别针对形成本文中描述的系统和方法的部分或者与本文中描述的系统和方法更直接地协作的算法和系统。在本文中没有特别示出或描述的这种算法和系统的其他方面、以及用于产生或以其他方式处理其所涉及的信号或数据的硬件或软件选自本领域中已知的这种系统、算法、部件和元件。假设如本文中描述的系统和方法、对于任意方面的实施方式来说有用的在本文中未特别示出、提出或描述的软件是传统的并且处于这种领域的普通技术内。 [0573] 图54是示出用于分析数据并执行本文中描述的其他分析的示例性数据处理系统的部件的高级图。该系统包括数据处理系统5410、外围系统5420、用户接口系统5430和数据存储系统5440。外围系统5420、用户接口系统5430和数据存储系统5440被通信地连接至数据处理系统5410。数据处理系统5410能够被通信地连接至网络5450,例如,因特网或X.25网络,如下面讨论的那样。例如,控制器1186(图11)能够包括系统5410、5420、5430、5440中的一个或多个,并且能够连接至一个或多个网络5450。 [0574] 数据处理系统5410包括实施本文中描述的各个方面的过程的一个或多个数据处理器。“数据处理器”是用于对数据自动操作的装置并且能够包括中央处理器单元(CPU)、桌上型计算机、膝上型计算机、大型计算机、个人数字助理、数字摄像机、蜂窝电话、智能电话或用于对数据进行处理、对数据进行管理或对数据进行操纵的任意其他装置,而不管是利用电、磁、光、生物部件还是以其他方式来实施。 [0575] 术语“通信地连接”包括在其中能够对数据进行通信的装置、数据处理器或程序之间任意类型的连接(有线的或无线的)。与数据处理系统5410分离地示出了诸如外围系统5240、用户接口系统5430和数据存储系统5440的子系统,但是子系统能够被完全地或部分地存储在数据处理系统5410内。 [0576] 数据存储系统5440包括一个或多个有形非瞬时性计算机可读存储介质,或者与一个或多个有形非瞬时计算机可读存储介质通信地连接,一个或多个有形非瞬时计算机可读存储介质被配置为存储信息,信息包括需要执行根据各个方面的过程的信息。如本文中使用的“有形非瞬时计算机可读存储介质”指的是参与存储以下指令的任意非瞬时装置或制造产品,所述指令可以被提供至处理器1186或另一数据处理系统5410供执行。这种非瞬时介质能够是非易失性或易失性的。非易失性介质的示例包括软盘、柔性盘或其他便携式计算机盘、硬盘、磁带或其他磁介质,压缩盘和压缩盘只读存储器(CD-ROM)、DVD、蓝光盘、HD-DVD盘、其他光学存储介质,闪存、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EPROM或EEPROM)。易失性介质的示例包括动态存储器,诸如寄存器或随机存取存储器(RAM)。存储介质能够电地、磁地、光学地、化学地、机械地或以其他方式存储数据,并且能够包括电、磁、光学、电磁、红外或半导体部件。 [0577] 本发明的方面能够采用具有在其上实施的计算机可读程序代码的一个或多个有形非瞬时计算机可读介质中实施的计算机程序产品的形式。例如通过压制CD-ROM能够制造这种介质,这对于这种产品来说是传统的。在该介质中实施的程序包括以下计算机程序指令,当所述计算机程序指令被加载时能够指引数据处理系统5410执行特定系列的操作步骤,从而实施本文中指定的功能或动作。 [0578] 在示例中,数据存储系统5440包括代码存储器5441(例如,随机存取存储器)和盘5443(例如,诸如硬盘驱动器的有形计算机可读转动存储装置)。将计算机程序指令从盘5443、或者无线的、有线的、光纤、或其他连接中读取到代码存储器5441中。然后,数据处理系统5410执行被加载到代码存储器5441中的计算机程序指令的一个或多个序列,作为执行本文中描述的过程步骤的结果。以该方式,数据处理系统5410执行计算机实施的过程。 例如,本文中的流程图图示的块或块图以及那些的结合能够由计算机程序指令来实施。代码存储器5441还能够存储数据,或者不存储数据:数据处理系统5410能够包括哈佛体系结构部件、改进的哈佛体系结构部件或冯·诺伊曼体系结构部件。 [0579] 能够以一个或多个编程语言(例如,JAVA、闲谈(Smalltalk)、C++、C)的任意组合或适当的汇编语言来编写计算机程序代码。用于执行本文中描述的方法的程序代码能够在单个数据处理系统5410上整体地、或者在多个可通信地连接的数据处理系统5410上执行。例如,代码能够在用户的计算机上全部或部分地以及在远程计算机或服务器上全部或部分地执行。该服务器能够通过网络5450连接至用户的计算机。 [0580] 外围系统5420能够包括被配置为将数字内容记录提供至数据处理系统5410的一个或多个装置。例如,外围系统5420能够包括数字静物摄像机、数字视频摄像机、蜂窝电话或其他数据处理器。数据处理系统5410在从外围系统5420中的装置接收到数字内容记录时,能够将这种数字内容记录存储在数据存储系统5440中。 [0581] 用户接口系统5430能够包括鼠标、键盘、另一计算机(例如经由网络或无调制解调器线缆而连接的)、或者以下任意装置或装置的组合,将数据从所述任意装置或装置的组合输入到数据处理系统5410。在这点上,尽管与用户接口系统5430分离地示出了外围系统5420,但是外围系统5420能够被包括作为用户接口系统5430的一部分。 [0582] 用户接口系统5430还能够包括显示装置、处理器可存取存储器、或者以下任意装置或装置的组合,由数据处理系统5410将数据输出到所述任意装置或装置的组合。在这点上,如果用户接口系统5430包括处理器可存取存储器,则即使在图54中分离地示出用户接口系统5430和数据存储系统5440,这种存储器仍能够是数据存储系统5440的一部分。 [0583] 在各个方面中,数据处理系统5410包括经由网络链路5416耦合至网络5450的通信接口5415。例如,通信接口5415能够是用于向对应类型的电话线提供数据通信连接的综合服务数字网(ISDN)卡或调制解调器。作为另一示例,通信接口5415能够是用于向兼容局域网(LAN)(例如,以太LAN)或广域网(WAN)提供数据通信连接的网卡。还能够使用无线链路,例如,WiFi或GSM。通信接口5415横跨到网络5450的网络链路5416来发送和接收电、电磁或光学信号,所述信号承载代表各种类型的信息的数字数据流。网络链路5416能够经由交换机、网关、集线器、路由器或其他联网装置而连接至网络5450。 [0584] 网络链路5416能够通过一个或多个网络向其他数据装置提供数据通信。例如,网络链路5416能够通过本地网络向由因特网服务提供商(ISP)操作的主机或数据设备提供连接。 [0585] 数据处理系统5410能够通过网络5450、网络链路5416和通信接口5415来发送消息并接收数据,包括程序代码。例如,服务器能够在它所连接至的有形非易失性计算机可读存储介质上存储用于应用程序(例如,JAVA小应用程序)的所请求的代码。该服务器能够从该介质取回代码并通过因特网从本地ISP那里、从本地网络那里、从通信接口5415那里传送它。在代码被接收到或被存储在数据存储系统5440中供后来执行时,能够由数据处理系统5410来执行所接收到的代码。 [0586] 图55示出了测量微电子机械系统(MEMS)中的可移动质量的位移的示例性方法。为了阐述的清楚,在本文中对能够执行、参与或者被用在该示例性方法的步骤中的上面讨论的各种部件和量进行参照。然而,应当注意到,能够使用其他部件;即,在图55中示出的示例性方法不限于由所标识的部件来执行。 [0587] 在步骤5510中,可移动质量101移动到第一位置,在第一位置中,可移动质量与第一位移停止表面基本静态接触。 [0588] 在随后的步骤5515中,使用控制器,在可移动质量处于第一位置中的同时自动测量两个间隔开的感测电容器120的各自电容之间的第一差。这两个感测电容器中的每个包括附接至可移动质量并且可与可移动质量一起移动的各自的第一板和基本固定在适当的位置的各自的第二板(例如,图1)。 [0589] 在步骤5520中,将可移动质量移动至第二位置中,在第二位置中,可移动质量与第二位移停止表面基本静态接触,第二位移停止表面与第一位移停止表面间隔开。 [0590] 在随后的步骤5525中,使用控制器,在可移动质量处于第二位置的同时自动测量各自电容之间的第二差。 [0591] 在步骤5530中,将可移动质量移动至参照位置中,在参照位置中,可移动质量与第一位移停止表面和第二位移停止表面基本间隔开。第一位置和参照位置之间的第一距离不同于第二位置和参照位置之间的第二距离(例如,gap1对gap2)。 [0592] 在随后的步骤5535中,使用控制器,在可移动质量处于参照位置中的同时自动测量各自电容之间的第三差。 [0593] 在步骤5540中,使用控制器,使用所测量到的第一差(例如,ΔC1)、所测量到第二差(例如,ΔC2)、所测量到的第三差(例如,ΔC3)以及分别与第一位置和第二位置对应的第一所选布局距离和第二所选布局距离(gap1,layout和gap1,layout)来自动计算驱动常量。在一些方面中,计算驱动常量步骤5540包括使用控制器自动计算以下: [0594] a)使用所测量到的第一差和所测量到的第三差计算的第一差动电容改变; [0595] b)使用所测量到的第二差和所测量到的第三差计算的第二差动电容改变; [0596] c)使用第一差动电容改变和第二差动电容改变以及第一布局距离和第二布局距离计算的几何构型差值;以及 [0597] d)使用第一差动电容改变、几何构型差值和第一布局距离计算的驱动常量。 [0598] 在随后的步骤5545中,使用控制器,将驱动信号自动施加至执行器140以将可移动质量移动到测试位置中。 [0599] 在随后的步骤5550中,使用控制器,在可移动质量处于测试位置中的同时自动测量各自电容之间的第四差。 [0600] 在随后的步骤5555中,使用控制器,使用所计算出的驱动常量和所测量到的第四差来自动确定测试位置中的可移动质量的位移。 [0601] 在各个方面中,步骤5560跟随步骤5555。在步骤5560中,使用控制器,使用所计算出的驱动常量和所施加的驱动信号来计算力。 [0602] 在步骤5565中,使用控制器,使用所计算出的驱动常量、所施加的驱动信号和所测量到的第四差来确定刚度。 [0603] 在步骤5570中,测量可移动质量的谐振频率。 [0604] 在步骤5575中,使用控制器,使用所计算出的刚度和所测量到的谐振频率来确定用于可移动质量101的质量的值。 [0605] 图56示出了测量具有悬臂和偏转传感器的原子力显微镜(AFM)的属性的示例性方法。为了阐述的清楚,在本文中对能够执行、参与或被用在示例性方法的步骤中的上面讨论的各种部件和量进行参照。然而,应当注意到,能够使用其他部件;即,在图55中示出的示例性方法不限于由所标识的部件来执行。 [0606] 在步骤5610中,使用控制器,测量具有附接至可移动质量并且可与可移动质量一起移动的各自的第一板的两个电容的差动电容。在可移动质量的参照位置处以及在可移动质量的第一特征位置和第二特征位置处测量电容,第一特征位置和第二特征位置沿着位移轴与参照位置间隔开各自的不同第一距离和第二距离。 [0607] 在步骤5615中,使用控制器,使用所测量到的差动电容以及分别与第一特征位置和第二特征位置对应的第一所选布局距离和第二所选布局距离来自动计算驱动常量。 [0608] 在步骤5620中,使用AFM悬臂,沿着位移轴在第一方向上在可移动质量上施加力,从而可移动质量移动至第一测试位置。 [0609] 在随后的步骤5625中,在可移动质量处于第一测试位置中的同时,使用偏转传感器来测量AFM悬臂的第一测试偏转。还测量这两个电容器的第一测试差动电容。 [0610] 在步骤5630中,将驱动信号施加至执行器以沿着位移轴与第一方向相反地将可移动质量移动至第二测试位置。 [0611] 在步骤5635中,在可移动质量处于第二位置中的同时,使用偏转传感器来测量AFM悬臂的第二测试偏转。还测量这两个电容器的第二测试差动电容。 [0612] 在步骤5640中,使用驱动常量、第一测试偏转和第二测试偏转以及第一测试差动电容和第二测试差动电容来自动计算光学级敏感度。 [0613] 在各个方面中,步骤5645跟随步骤5640。在步骤5645中,所选的驱动电压被施加至执行器。 [0614] 在步骤5650中,在施加驱动电压的同时,使用AFM悬臂,沿着位移轴在可移动质量上施加力。使用偏转传感器来同时测量AFM悬臂的连续的第三偏转和第四偏转以及连续的第三测试差动电容和第四测试差动电容。 [0615] 在步骤5655中,使用所选驱动电压以及第三测试差动电容和第四测试差动电容以及驱动常量来自动计算可移动质量的刚度。 [0616] 在步骤5660中,使用可移动质量的所计算出的刚度、以及AFM悬臂的第三偏转和第四偏转、以及第三测试差动电容和第四测试差动电容、以及驱动常量来自动计算AFM悬臂的刚度。 [0617] 再次参照图1,在各个方面中,微电子机械系统(MEMS)装置包括可移动质量101。例如包括执行器140和电压源1130的执行系统(图11)适合于沿着位移轴参照参照位置(未示出;间隔111、112两者均开放的位置)选择性地平移可移动质量101。 [0618] 两个间隔开的感测电容器120,每个包括附接至可移动质量(一组指)并且利用可移动质量可移动的各自的第一板以及基本固定在适当位置(另一组指,例如,被安装至衬底105)的各自的第二板121。感测电容器的各自的电容随着可移动质量101沿着位移轴199移动而变化。 [0619] 可移动质量101能够包括施加器130,施加器形成可移动质量101的沿着位移轴199的末端。 [0620] 一个或多个位移停止器被布置为形成第一位移停止表面和第二位移停止表面。在该示例中,锚151是单个位移停止器,并且位移停止表面是锚151的上边缘和下边缘,即,垂直于位移轴199的锚151的面。第一位移停止表面和第二位移停止表面限制可移动质量101在各自的相反方向上沿着位移轴199向远离参照位置的各自的第一距离和第二距离行进,其中,第一距离不同于第二距离(gap1,layout≠gap2,layout)。 [0621] 图5示出了其中使用两个位移停止器521、522的另一示例。每个停止器521、522具有一个位移停止表面,即,距锚最远的表面。 [0622] 参照图8,该装置能够具有多个弯曲部820、821,弯曲部820、821支持可移动质量801并且适合于允许可移动质量801沿着位移轴899或者与位移轴正交的第二轴(例如,该图中的上/下或左/右)平移。 [0623] 图11示出了MEMS装置和系统,其包括差动电容传感器(电容芯片1114)和控制器1186,控制器1186适合于:自动操作执行系统(电压源1130)以将可移动质量101基本定位在参照位置处;使用差动电容传感器1114来测量间隔开的感测电容器1120的第一差动电容;操作执行系统以将可移动质量101定位在与第一位移停止表面基本静态接触的第一位置中;使用差动电容传感器1114测量间隔开的感测电容器1120的第二差动电容;操作执行系统以将可移动质量101定位在与第二位移停止表面基本静态接触的第二位置中;使用差动电容传感器测量间隔开的感测电容器的第三差动电容;接收分别与第一位置和第二位置对应的第一布局距离和第二布局距离;并且使用第一布局距离和第二布局距离以及第一测量到的差动电容、第二测量到的差动电容和第三测量到的差动电容来计算第一距离和第二距离的值。 [0624] 执行系统能够包括多个梳齿驱动器1140和对应的电压源1130。 [0625] 图57示出了根据各个方面的运动测量装置。 [0626] 第一和第二加速计5741、5742位于XY平面内,每个加速计包括各自的执行器和各自的传感器(图1,140和120)。 [0627] 第一和第二回转仪5781、5782位于XY平面内,每个回转仪包括各自的执行器和各自的传感器(参见图8)。 [0628] 执行源5710适合于彼此90度异相地驱动第一加速计和第二加速计,并且适合于彼此90度异项地驱动第一回转仪和第二回转仪。控制器5786适合于从加速计和回转仪的各自的传感器接收数据并且确定作用在运动测量装置上的平移、离心、科里奥利或横向力。在XY、XZ和YZ平面中示出其他加速计和回转仪。 [0629] 在各个方面中,每个加速计和每个回转仪包括各自的可移动质量。执行源5710进一步适合于参照各自的参照位置沿着各自的位移轴选择性地平移各自的可移动质量。每个加速计和每个回转仪进一步包括:两个间隔开的感测电容器120的各自组,每个包括附接至各自的可移动质量并且利用各自的可移动质量可移动的各自的第一板以及基本固定在适当位置的各自的第二板,其中,感测电容器的各自的电容随着各自的可移动质量沿着各自的位移轴移动而变化;以及一个或多个位移停止器(例如,锚151)的各自组,被布置为形成各自的第一位移停止表面和各自的第二位移停止表面,其中,各自的第一位移停止表面和各自的第二位移停止表面限制各自的可移动质量在各自的相反方向上沿着各自的位移轴向远离所述各自的参照位置的各自的第一距离和各自的第二距离的行进,其中,每个各自的第一距离不同于各自的第二距离。 [0630] 在Clark的美国公开第20100192266号中描述了诸如控制器5786的控制器的进一步的细节,该公开通过引用结合到本文中。该控制器可以与MEMS装置加工在同一芯片上。能够由计算机来控制MEMS装置,该计算机可以在主要装置的同一芯片上,或者与主要装置的芯片分离。该计算机可以是任意类型的计算机或处理器,例如,如上面讨论的。如本文中讨论的,EMM技术能够被用于提取MEMS装置的机械属性作为电子被测变量的函数。这些属性可以是几何构型、动力、材料或其他属性。因此,提供电子被测变量传感器以测量测试结构上的期望的电被测变量。例如,电子被测变量传感器可以测量电容、电压、频率等。电子被测变量传感器可以与MEMS装置在同一芯片上。在其他实施例中,电子被测变量传感器可以与MEMS装置的芯片分离。 [0631] 再次参照图21,温度传感器包括可移动质量2101。执行系统(未示出)适合于沿着位移轴参照参照位置选择性地平移可移动质量。提供两个间隔开的感测电容器2120,每个包括附接至可移动质量并且可与可移动质量一起移动的各自的第一板以及基本固定在适当位置的各自的第二板,其中,感测电容器的各自的电容随着可移动质量沿着位移轴移动而变化。 [0632] 一个或多个位移停止器(挨着间隔2111、2112)被布置为形成第一位移停止表面和第二位移停止表面,其中,第一位移停止表面和第二位移停止表面限制可移动质量在各自的相反方向上沿着位移轴向远离参照位置的各自的第一距离和各自的第二距离的行进,其中,第一距离不同于第二距离,并且其中,执行系统进一步适合于选择性地允许可移动质量沿着位移轴在由第一位移停止表面和第二位移停止表面限定的界限内振动(“由于T导致的振动”)。 [0633] 差动电容传感器(图11)被电连接至各自的第二板。位移感测单元(电压源2119;TIA 2130;放大器2140)被电连接至可移动质量2102以及感测电容器2120中的至少一个的第二板,并且适合于提供与可移动质量沿着位移轴的位移相关的位移信号。控制器 1186(图11)适合于:自动地操作执行系统以将可移动质量定位在基本位于参照位置的第一位置中、在与第一位移停止表面基本静态接触的第二位置中、以及在与第二位移停止表面基本静态接触的第三位置中;使用差动电容传感器,测量分别与第一位置、第二位置和第三位置对应的感测电容器的第一差动电容、第二差动电容和第三差动电容;接收分别与第一位置和第二位置对应的第一布局距离和第二布局距离;使用所测量到的第一差动电容、第二差动电容和第三差动电容以及第一布局距离和第二布局距离来计算驱动常量;将驱动信号施加至执行系统以将可移动质量移动至测试位置中;使用差动电容传感器来测量与测试位置对应的测试差动电容;使用所计算出的驱动常量、所施加的驱动信号和测试差动电容来计算刚度;使执行系统允许可移动质量振动;在可移动质量被允许振动的同时,使用位移感测单元来测量多个连续位移信号并且使用所计算出的驱动常量来计算可移动质量的各自的位移;以及使用所测量到的位移和所计算出的刚度来确定温度。 [0634] 如所示,每个第一和第二板能够包括各自的梳齿。执行系统能够包括电压源(未示出),电压源适合于将电压选择性地施加至第二板以使各自的第一板受到拉力。 [0635] 在所示的示例中,感测电容器2120中的所选一个(RHS)的第一板被电连接至可移动质量2102。位移感测单元包括:电压源2119,被电连接至可移动质量2101并且适合于提供激励信号,从而第一电流经过感测电容器2120中的所选一个;以及互阻抗放大器2130,被电连接至感测电容器2120中的所选一个的第二板并且适合于提供与第一电流对应的位移信号。 [0636] 激励信号能够包括DC分量和AC分量。 [0637] 第二电流能够经过感测电容器2120中的非所选一个(LHS),差动电容传感器能够包括:第二互阻抗放大器(未示出),被电连接至感测电容器中的非所选一个(2120,LHS)的第二板并且适合于提供与第二电流对应的第二位移信号;以及装置,用于从互阻抗放大器接收位移信号并且使用该位移信号和第二位移信号来计算差动电容。 [0638] 本发明包括本文中描述的方面的组合。对“一个特定方面”等的引用指的是在本发明的至少一个方面中存在的特征。对“一个方面”或“多个特定方面”等的单独引用不一定指的是相同的一个或多个方面;然而,这种方面不相互排除,除非这样指示或者这样对于本领域技术人员来说容易明显之外。在参照“一个方法”或“多个方法”等中对单数或复数的使用不是限制的。在本公开内容中在非排除的意义上使用词语“或”,除非以其他方式明确指出之外。 [0639] 已经特定参照本发明的优选方面详细描述了本发明,但是将理解到能够由本领域普通技术人员在本发明的精神和范围内产生变化、组合和修改。 |