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、
陀螺仪和麦克
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
弹簧系数k，可以便利于精确的力测量。例如，由于环境条件如
温度、压力、
热膨胀及它们对于弹簧系数的影响的变化，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、
阈值电压漂移、电荷以及传感器的其他机械和
电子的变化，该弹簧系数也可能发生变化。制造工艺的差异也可能导致弹簧系数的差异。
[0003] 由于包括以上所述的这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。校准通常涉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(如由于温度、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] 这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
波动敏感的弹簧系数来移动。补偿/校准类型的
电路基于温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以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以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簧系数而移动。基于温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以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] 以上的讨论/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。以下的
附图和描述同样示出了各种实施方式。
附图说明
[0009] 以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；以及
[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] 以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以作出多种具体变化，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] 本发明的各方面可以适用于多种不同类型的设备、系统和方法，其涉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以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，其基于芯片的布朗运动的电子测量来进行传感器差异的修正。这种方法可以实施在测量
科里奥利力的压力传感、加速度计、陀螺仪，测量气体压力的麦克风，测量
接触力的
原子力
显微镜，以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，并解决例如以上背景技术中所述的挑战，可以涉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簧系数而衡量，传感器的弹簧系数通过布朗噪声被调节，以适应环境条件的变化，例如温度、压力、热膨胀及其对于弹簧系数的影响，并适应材料及传感器属性的永久(不可回复)改变，例如那些涉及老化、退化、疲劳、污染、阈值电压漂移、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Vout＝a0/k0Fext得以确定，从而力Fext的值可以通过测量Vout而确定，并通过布朗噪声来调整常数k的变化(如通过a(t)＝a0+Δa(t)和k(t)＝k0+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簧系数而发生移动，并可具有一个谐振频率而运行。这样一种元件可以包括例如一种
质量元件和一种弹性元件，如可以实现在压力传感器、运动传感器或各种器件中。耦合到该力响应元件的电路基于温度(以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以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簧系数的值的变化，以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、温度、形状、阻尼、谐振频率和弹簧系数。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簧系数。该模型是基于力响应元件的特征，例如质量、温度、阻尼、谐振频率、以及形状。该模型还可以是基于布朗
运动检测器的特性和温度。
[0020] 在更具体的实施方式中，耦合一个
频谱分析仪，以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] 以上所述的力响应元件可由多种方式实现，以适应于多种应用。在一些实施方式中，这样一种力响应元件提供电压输出，其表征所施加的力，并基于所施加的力以及弹簧系数的波动而变化。温度传感器感测用于确定布朗运动的温度，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，提供可以被确定的电容、
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以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温度用来确定弹簧系数的值。通过确定施加到力响应元件上的压力，基于所确定的弹簧系数的值、将传感器的力与压力和所检测的位移关系的模型，可以生成输出。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簧系数，以及使用该弹簧系数以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，以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。片上校准方法从而涉及使用单个芯片对于基于温度的传感器运动响应的测量，该传感器运动响应是对于在传感器谐振频率的一个或多个上的布朗力激励的响应。
[0025] 根据各实施方式，布朗运动可以被如下地表征。在热平衡(例如，没有快速瞬时温度变化)下，弹簧质量谐振模式具有
动能和
势能E＝Ekin+Epot＝kBT，其中一半以速度起伏
的形式作为动能存储，计为＝1/2m＝1/2kB T，而另一半以位置起伏的形式作为势能存储，计为＝1/2k＝1/2kBT。符号<>表示时间平均或总体均值，有时称为均方位移。位置起伏的范围由以下等式给出：[0026]
[0027] 其中ω0＝2pi fres为谐振
角频率，kB为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为温度，Q为
谐振器的品质因子Qfactor。尽管传感器的频谱依赖于随时间而漂移的参数Q和ω0，位置范围的积分(例如仅仅)取决于温度T：
[0028]
[0029] 尽管所述积分是对所有频率进行的，的精确值可以通过将在fres-5fres/Q到fres+5fres/Q上进行积分(并乘以2，以计入负频率)。弹簧系数可以利用以下公式确定：
[0030] k＝kBT/
[0031] 在室温下对于布朗运动的精确电子测量可以通过在0.2mA时的电学测量来实现。对于涉及布朗运动的基本信息，以及涉及可以与一个或多个实施方式相连实现的布朗运动的应用的特定信息，可以参考P.G.Steeneken，K.Le Phan，M.J.Goossens，G.E.J.Koops，G.J.A.M.Brom，C.van der Avoort和J.T.M.van Beek，“Piezoresistive heat engine and refrigerator，”Nature Physics 7，354-359(2011)，其通过引用结合在此。
[0032] 各实施方式都指向机械力传感器的实现，其一般被建模为具有三个未知参数的机械谐振器：质量m、阻尼b和弹簧系数k。这些参数可以重写为弹簧系数k、谐振频率ω0和品质因数Q。这种谐振器的谐振频谱由下式给出：
[0033]
[0034] ω0和Q的值可以通过适配谐振频谱的形状来确定。
[0035] 当传感器只通过布朗力被激励于其谐振频率时，使用以下的布朗噪声频谱公式来进行校准，其并不包括F，但包括温度T以表征布朗力的大小：
[0036]
[0037] 通过使用绝对温度测量电路，可以预期地实现校准。
[0038] 在一些涉及到具有布朗运动的传感器的实现中，位移检测器的
输出电压由
＝a2+给出，其中Vbg是与传感器无关的信号源的信号贡献。对于具有足够高Q因数(Q＞～10)的机械结构，根据图3中的图线所示的可能的实现中，由布朗运动导致的谐振模式作为输出电压频谱中的峰值被检测到，并可以与频率无关的背景噪声贡献相分离开来。片上频谱分析仪被用来测量该峰值，其在减去背景噪声之后在一个足够大的频率范围上积分。在部分实现方式中，该积分使用大于峰值宽度的频谱分析仪的分辨带宽来电子地进行。在另一实现方式中，该积分是通过采用小于峰值宽度的分辨带宽进行的，在多个点上进行测量然后累加各点。[0039] 现在参考图示，图1所示的是根据一种示例的实施方式的传感器装置100。该装置100包括传感器芯片110，其包括力响应元件120，具有一个谐振频率和机械结构，并具有质量m和对波动敏感的弹簧系数k。位移传感器130检测质块x的位移，从而该装置通过该位移上的影响而测量外部的力。位移检测器130将力响应元件120的输出转换为
输出信号(如电压Vout)。校准和压力测定电路140运行为，基于温度输入和确定的布朗运动，补偿弹簧系数k的变化。在一些实现方式中，电路140基于温度在而确定力响应元件在谐振频率下的布朗运动，并基于该确定的布朗运动及力响应元件的移动而生成输出，该输出可指示施加到该装置上的力。
[0040] 图2示出根据本发明另一示例的实施方式的另一种传感器装置200，其包括芯片210。力响应元件220包括质块m和具有弹簧系数k的弹簧类型的部分，并基于所施加的外力Fext以及由于布朗噪声的力FBrownian noise，而提供一个输出。位移检测器230检测质块的位移，并将指示了所检测的位移的电压Vout提供给频率分析仪240。
[0041] 为进行校准和/或补偿，频率分析仪240将位移分析出来以确定峰值，温度传感器250检测芯片210上的温度。校准模块260利用从这些元件而来的值，以及由参考电路270所提供的参考值，来确定校准/补偿输出k/a，其被用来校准或另外地补偿由于以上所述的原因而在所检测的位移中出现的误差。
[0042] 具体地，＝的测量是在与传感器200的谐振频率相差一个频率间隔Δf＞＞fres/Q的频率上进行的。模式＝∫BW(-)df是在全谐振峰值宽度上(至少为4fres/Q的宽度BV上)测量和积分的，同时在相同的频率范围内进行背景修正。
[0043] 在一些实现方式中，位移检测器230通过将其连接到参考电路270而校准，参考电路270可以提供相应于参考位移距离x0的值。该参考电路270可以实现为例如具有固定电容值的电容器，以使用关系式a(t)＝Vout/x0来精确地确定常数a(t)。
[0044] 关系式∫BWdf＝kBT/(2k)被用来从先前的测量中使用所确定的温度和以下公式而确定数a2/k：
[0045]
[0046] 校准常数β＝a/α＝k/a以及α可以依据上式来确定，并被校准模块260使用来根据式子Fext＝βVout而校准的输出。
[0047] 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。对于0.2mA、0.4mA、0.6mA、0.8mA和1.045mA，示出了各自的图线。在电压频谱(如来自图2中的传感器220)中示出了峰值，其可表示为，以及来自于Q＝～10000的谐振器的布朗运动。示例地，这些峰值可以使用电学(压阻)读出而被测量。0.2mA曲线是在室温，其他曲线是利用反馈系统推动布朗运动而测量的。该反馈系统可以实现为，其漂移随时间的变化远小于该图线被使用的传感器和位移检测器的漂移。在谐振频率下推动布朗运动，在特定实现方式中可以便于检测和校准方法与系统。
[0048] 图4所示的是根据另一实施方式的传感器装置400。该装置400包括衬底410，在其上形成有电学隔离层或介电层412、414(可以实现为一个或多个此种层)。隔离/介电层414上设有分别的
电极420、422，压阻膜430在电极之间延伸，并定义密闭腔440。压阻膜430上的箭头表示小幅的布朗/热运动。膜430的电阻响应于
变形幅度，从而通过电极420、422提供该形变的可检测的特征。
[0049] 该装置400还包括频谱分析仪460，其使用带通
滤波器463在膜430的谐振峰值上积分谱功率。
带通滤波器463的输出通过
整流器/积分器462而将输出整流并积分。伏特计461被使用带隙参考和布朗运动而校准。
电阻器470具有比较低的温度电阻系数，并如图所示地与直流伏特计(提供Vdc)480并联，以及与直流电压源V0 450
串联。从而，伏特计461的输出可2
以用来确定
，而来自伏特计480的直流电压Vdc作为(直流位移)的测量。膜具有弹簧系数，由k＝kB T/给出。其中成立关系A(Pambient-Pref)＝k，A为膜区域，Pambient为环境压力，以及Pref为参考压力。照这样地，根据传感器所给出的温度，Pambient＝Pref+(kB T)/(A)。
[0050] 本发明所述的各实施方式可以结合进特定的实施方式中，以及各实施方式的各方面可以实现为单独的实施方式。例如，图2中的方面可以使用图3中所示的图线而实现。类似地，图4中所示的方面可以与图2中所示的装置200一起实现，例如取代力响应元件220。另外，各实施方式涉及与以上所述的和其他所述的相关的方法，关于制造和/或运行所描述的和其他感应元件。各实施方式涉及与以上所述的和其他所述的相关的方法，关于制造和/或运行所描述的和其他感应元件。
[0051] 各种模块、模组或其他电路也可实现用来进行此处所述的和/或图中所示的动作和行为中的一个或多个。在这些情况中，“模块”(有时为“
逻辑电路”或“模组”)是一种电路，其进行这些或相关的动作/行为中的一个或多个(如检测位移、分析频谱、或者校准)。例如，在以上所讨论的一些实施方式中，一个或多个模组为分立的逻辑电路或可编程逻辑电路，配置和布置为进行如图2中的电路模组的这些动作/行为。在特定实施方式中，这样的可编程电路是一个或多个计算机电路，被编程用来执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)。所述指令(和/或配置数据)可以
固件或
软件的形式存储于
存储器(电路)，并可自所述存储器(电路)读出。作为一种示例，第一模块和第二模块包括由CPU基于
硬件的电路和一组以固件形式存在的指令的集合，其中第一模块包括第一CPU硬件电路和一组指令，第二模块包括第二CPU硬件电路和另一组指令。
[0052] 特定的实施方式指向
计算机程序产品(例如
非易失性存储器装置)，其包括机器或计算机可读媒介，在其上存储有指令，指令可以由计算机(或其他电子设备)运行，来执行这些动作/行为。
[0053] 根据以上讨论和描述，所属技术领域的技术人员可以在无须严格遵从于前述实施方式和应用的情况下对各实施方式作出种种
修改或变动。例如，与此处所述的压力感应有关的实施方式可以以多种方式中的一种或多种类型的感应方法来实现。此等修改并不背离本发明的各方面的真实精神和范围，包括权利要求的各方面。
