用于校準(zhǔn)基于微機(jī)電系統(tǒng)的傳感器的方法和系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：用于校準(zhǔn)基于微機(jī)電系統(tǒng)的傳感器的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于校準(zhǔn)基于微機(jī)電系統(tǒng)的傳感器的方法和系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域本公開一般而言涉及電流和磁場檢測裝置。更特別地，本公開涉及利用隧道電流檢測的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)電流和磁場傳感器。
背景技術(shù)：
相關(guān)申請本申請是順序號為 11/289,910 、 標(biāo)題為 "MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) BASED CURRENT & MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING IMPROVED SENSITIVITIES的美國專利申"^的部分繼續(xù)，該美國專利申i青又是順序 號為11/129,682、標(biāo)題為"MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) BASED CURRENT & MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING CAPACITIVE SENSE COMPONENTS"的美國專利申請的部分繼續(xù)，該 美國專利申請又是順序號為10/863,442、作為美國專利No. 7,112,951在 2006年9月26日頒發(fā)的、標(biāo)題為"MEMS BASED CURRENT SENSOR USING MAGNETIC-TO-MECHANICAL CONVERSION AND REFERENCE COMPONENTS"的美國專利申請的部分繼續(xù)，所有這些 美國專利申請都被完全結(jié)合于此以作參考。 發(fā)明背景一個載流導(dǎo)體在該載流導(dǎo)體附近產(chǎn)生磁場是已知的。利用布置在該 載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場中的另一個載流導(dǎo)體，該載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場 能夠感應(yīng)出力，這也是已知的。因此，用來才企測電流的一種方法包括利 用傳感器來測量由流過栽流導(dǎo)體的電流所感應(yīng)出的磁場。由于所產(chǎn)生的 磁場與流過載流導(dǎo)體的電流成比例，所以這種傳感器能夠利用磁場的幅 度來確定電 流。從安全性來看，利用磁場來測量電流的電流傳感器非常適合于高壓 應(yīng)用，因為它們不必接觸高壓電路。然而，存在與在高壓應(yīng)用中利用磁 場來測量電流的現(xiàn)有電流傳感器相關(guān)聯(lián)的若干缺點。 一般而言，現(xiàn)有電 流傳感器往往會具有大的形狀因子，因為它們需要厚導(dǎo)體以便能夠承受可能會經(jīng)歷的變化水平的電流。該電流導(dǎo)致發(fā)熱，該發(fā)熱降低了電流傳 感器的效率并且在傳感器準(zhǔn)確度方面引入可能的誤差因子。由于現(xiàn)有電 流傳感器大且笨重，所以它們的物理和電操作特性到現(xiàn)在為止已經(jīng)阻礙 了它們在更小尺度環(huán)境中的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容在一個示例實施例中，本發(fā)明包括一種用于控制微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的第一元件和第二元件之間的隧道電流的系統(tǒng)，其中 該第 一元件和該第二元件相互間隔開，響應(yīng)于作用于至少該第 一元件的 激勵，至少該第一元件相對于該第二元件是活動的。該系統(tǒng)包括隧道 電流激勵源，用于在MEMS傳感器的第一元件和第二元件之間提供隧 道電流；以及隧道電流監(jiān)測器，用于監(jiān)測隧道電流響應(yīng)于至少該第一元 件相對于該第二元件的運動而產(chǎn)生的變化。該系統(tǒng)還包括定位器，用 于將第一元件和第二元件中的至少一個相對于另一個進(jìn)行定位；以及與 隧道電流監(jiān)測器進(jìn)行通信的控制器，用于控制定位器，以便在第一元件 和第二元件之間的第 一間隔定位第 一元件和第二元件中的至少一個，從 而將該系統(tǒng)構(gòu)造成參考才莫式，以及在第二間隔定位第一元件和第二元件 中的至少一個，/人而將該系統(tǒng)構(gòu)造成4企測才莫式，由此該系統(tǒng)相對于該參 考模式進(jìn)行校準(zhǔn)。在另 一個示例實施例中，本發(fā)明包括一種用于控制微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的第一元件和第二元件之間的隧道電流的方法，其中 該第一元件和該第二元件相互間隔開，響應(yīng)于作用于第一元件和第二元 件中的至少 一個的激勵，至少該第 一元件相對于該第二元件是活動的。 該方法包括提供用于產(chǎn)生MEMS傳感器的第一元件和第二元件之間 的隧道電流的隧道電流激勵源；以及提供用于監(jiān)測隧道電流響應(yīng)于至少 該第一元件相對于該第二元件的運動而產(chǎn)生的變化的隧道電流監(jiān)測器。 該方法還包括在第 一元件和第二元件之間的第 一間隔定位第 一元件和 第二元件中的至少一個，從而將該系統(tǒng)構(gòu)造成參考模式，以及在不同于 第一間隔的第二間隔定位第一元件和第二元件中的至少一個，從而將該 系統(tǒng)構(gòu)造成檢測沖莫式，由此該系統(tǒng)相對于該參考沖莫式進(jìn)行校準(zhǔn)。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其他的特征、 方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，其中圖l是表示基于MEMS的電流和磁場傳感器的示意圖；圖2是說明基于隧道電流的MEMS電流傳感器的示例實施例的示意圖；圖3說明基于隧道電流的磁MEMS部件的外觀的示意性截面?zhèn)日?視圖；圖4是說明隧道電流隨間隔距離的指數(shù)變化的隧道電流與間隔距離 的關(guān)系的示例曲線圖；圖5是表示隧道電流部件的示意性方框圖； 圖6是表示隧道電流部件的電路示意圖；圖7是用于控制MEMS傳感器的各元件之間的隧道電流的一種示 例方法的流程圖；以及圖8是用于控制MEMS傳感器的各元件之間的隧道電流的另一示 例方法的流程圖。
具體實施方式
雖然下文描述了被構(gòu)造成用于電流檢測的MEMS傳感器的各實施 例，但是可以想到，這些示例性實施例還可以不受限制地被用于檢測響 應(yīng)于由其他物理現(xiàn)象產(chǎn)生的并且施加到傳感器的激勵的所述其他物理 現(xiàn)象。圖1說明了一個^皮構(gòu)造成用于^r測電流和》茲場的MEMS傳感器的 示例性實施例，該MEMS傳感器在此被描述并且在下文中被通稱為"電 流傳感器100"。如所示，栽有電流I的導(dǎo)體4產(chǎn)生磁場20。根據(jù)本公 開的一個實施例，電流傳感器100可以被用來檢測栽流導(dǎo)體4中的電流 I，而不必與該載流導(dǎo)體進(jìn)行物理接觸。根據(jù)所示實施例，MEMS電流 傳感器100通過利用洛倫茲力來檢測和確定導(dǎo)體4所載有的電流I,該 洛倫茲力是在電流傳感器100位于由電流I所產(chǎn)生的磁場20中時產(chǎn)生 的。在一個實施例中，電流傳感器100包括i茲場才企測部件，該》茲場檢測 部件具有用于檢測磁場以及用于響應(yīng)于該磁場而提供在要測量的各個導(dǎo)體中存在的電流的指示的基于隧道電流的磁MEMS部件。基于MEMS的電流和磁場傳感器(例如在此所述的電流傳感器100 )的有利尺寸有助于在空間受限的應(yīng)用中檢測電流。此外，利用基于MEMS的部件提供的電流傳感器高度精確、可靠、魯棒，并且對所檢測 的電流幾乎沒有引入誤差。至少部分地由于在此所述的利用MEMS電 流傳感器100來檢測電流的非接觸式檢測方法，該MEMS電流傳感器 100優(yōu)選對所檢測的電流的幅度和/或方向沒有任何影響。例如，假定基 于MEMS的部件的尺寸和靈敏度相同，則該MEMS電流傳感器100優(yōu) 選不會引入或?qū)е略谒鶛z測或測量的電流中任何可察覺到的改變或變 化。此外，該MEMS電流傳感器IOO有利于相對于現(xiàn)有電流傳感器減少 其成本以及顯著減小尺寸。而且，由于微光刻和微制造技術(shù)，有利于通 過提高的準(zhǔn)確度和精度來制造該MEMS電流傳感器100。當(dāng)前，MEMS通常是指微米尺度的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)例如能夠通過微制 造技術(shù)在同 一 個襯底上集成多種不同的元件，例如機(jī)械元件、機(jī)電元件、 傳感器、致動器和電子器件。然而，可以設(shè)想到，當(dāng)前在MEMS裝置 中可用的許多技術(shù)和結(jié)構(gòu)將在僅僅若干年之后通過基于納米技術(shù)的裝 置可以獲得，該基于納米技術(shù)的裝置例如是尺寸上可以小于100納米的 結(jié)構(gòu)。因此，即使在本文獻(xiàn)中描述的示例實施例可能是指基于MEMS 的裝置，但是可以認(rèn)為，本發(fā)明的創(chuàng)造性方面應(yīng)當(dāng)從廣義來解釋，而不應(yīng) 當(dāng)限于微米尺寸的裝置。圖2是說明基于MEMS的電流傳感器100的基于MEMS的磁場檢 測部件25的一個實施例的示意圖?；贛EMS的磁場4企測部件25檢測 磁場(例如磁場20),并且提供在對應(yīng)的載流導(dǎo)體(例如導(dǎo)體4)中的 電流的指示。所檢測到的電流的指示可以包括與所檢測的電流有關(guān)的幅 度和方向分量。在一個實施例中，所檢測到的電流的指示是所檢測的電 流的電指示。在圖2所示的實施例中，基于MEMS的磁場檢測部件25包括基于 隧道電流的磁MEMS部件30、輸出部件70和補(bǔ)償器55。基于隧道電流 的磁MEMS部件30檢測磁場，并且響應(yīng)于該磁場而將檢測到的磁場轉(zhuǎn) 換成對應(yīng)的電流I的機(jī)械指示器。輸出部件70提供表示在所測量的導(dǎo)體 中的電流I的輸出。在一個實施例中，來自輸出部件70的輸出可以采取 電信號的形式，該電信號表示和代表流過所測量的導(dǎo)體的電流的幅度和 符號。輸出部件70可以連接存儲器、指示器(例如顯示屏幕)和/或另 一個裝置或設(shè)備(例如數(shù)字信號處理器或基于計算機(jī)的分析器)，以便進(jìn)一步處理。在所示的實施例中，基于隧道電流的磁MEMS部件30包括磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35,用于將電流I的磁性表示轉(zhuǎn)換成機(jī)械變化。在一個實施 例中，磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35可以是諸如線圈之類的導(dǎo)體。另外，所示的 基于隧道電流的磁MEMS部件30包括用于為基于隧道電流的磁MEMS 部件30提供結(jié)構(gòu)支撐的結(jié)構(gòu)部件40。結(jié)構(gòu)部件40可以表示一個或多個 異類或同類的結(jié)構(gòu)、裝置、材料、組件、子系統(tǒng)等等。例如，在一個實 施例中，結(jié)構(gòu)部件40可以表示以第一固定元件的形式的第一結(jié)構(gòu)元件 以及以活動元件的形式的第二結(jié)構(gòu)元件。在一個實施例中，結(jié)構(gòu)部件40 響應(yīng)于由磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35所提供的機(jī)械變化，并且提供表示電流I 的機(jī)械指示器。該機(jī)械指示器可以表示結(jié)構(gòu)部件40所經(jīng)歷的運動，其 記錄或者以別的方式指示對》茲場的檢測。在一個實施例中，該才幾械指示 器可以是結(jié)構(gòu)部件40的位移。在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)部件40可以包 括下列中的一個或多個可偏轉(zhuǎn)膜、懸臂、梁、膜片、撓性構(gòu)件、腔、 表面微機(jī)械加工結(jié)構(gòu)、體微機(jī)械加工結(jié)構(gòu)、梳狀結(jié)構(gòu)、橋或者任何數(shù)量 的其他結(jié)構(gòu)裝置。此外，結(jié)構(gòu)部件40所提供的該機(jī)械指示器可以傳送 該機(jī)械指示器的矢量空間值，其中包括下列中的一個或多個相關(guān)聯(lián)的 幅度、方向、速度以及可以被用來傳送該機(jī)械指示器的矢量空間值的它 的任何其他特性。在一個實施例中，基于隧道電流的》茲MEMS部件30包括至少一個 機(jī)械變化至電的轉(zhuǎn)換器75，用于將結(jié)構(gòu)部件40所提供的機(jī)械指示器轉(zhuǎn) 換成表示所檢測到的電流I的電信號。在一個實施例中，該機(jī)械至電的 轉(zhuǎn)換器75轉(zhuǎn)換所檢測到的機(jī)械指示器，以便由輸出級80進(jìn)行解釋和/ 或進(jìn)一步處理。在一個實施例中，機(jī)械至電的轉(zhuǎn)換器75基于隧道電流 技術(shù)。特別地，機(jī)械至電的轉(zhuǎn)換器75可以包括具有隧道電流部件82的 隧道電流電路76。在一個實施例中，隧道電流部件82可以;f皮構(gòu)造成用 于建立、監(jiān)測和維持在結(jié)構(gòu)部件40的固定元件和響應(yīng)于所檢測到的電 流I而發(fā)生位移的活動元件之間的隧道電流。隧道電流部件82可以被耦合到隧道電流集中元件，例如隧道尖端 84，其例如結(jié)合定位器86進(jìn)行操作以便建立在其間的隧道電流。在本 發(fā)明的一個方面中，隧道尖端84和定位器86之間的隧道電流的值可以 表示活動元件的位移。在一個實施例中，定位器86可以包括一個或多個電極，其例如被布置在結(jié)構(gòu)部件40的固定元件和活動元件之一或二 者上。例如，布置在活動元件上的定位器86的電極可以與布置在固定 元件上的隧道尖端82配對，從而形成隧道尖端/電極對，以便在隧道尖 端84和電極之間建立隧道電流。在一個實施例中，補(bǔ)償器55可以被用來在磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35的線 圈中建立偏置電流，以便機(jī)械地指示磁場的強(qiáng)度。補(bǔ)償器55還可以被 用來補(bǔ)償由于例如機(jī)械容差、傳感器老化、溫度、環(huán)境因素等等而產(chǎn)生 的影響。補(bǔ)償器55可以包括激勵源(例如電流源)60和控制器65。激 .勵源60可以提供MEMS電流傳感器100使用的激勵量(即激勵能量的 量)。控制器65可以控制例如激勵源60的激勵量的切換和施加?？刂?器65可以是例如開關(guān)、模擬處理器、數(shù)字信號處理器、數(shù)字計算裝置 或模擬計算裝置。在本示例中，控制器至少控制導(dǎo)通、關(guān)斷以及供給磁 性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35的偏置電流的值。雖然圖2的輸出部件70、基于隧道電流的磁MEMS部件30和補(bǔ)償 器55作為單獨的部件出現(xiàn)，但是這些部件及其相應(yīng)的功能塊可以被進(jìn) 一步組合或進(jìn)一步分割，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。圖3說明基于隧道電流的磁MEMS部件30的一個實施例。在圖3 中，基于隧道電流的磁MEMS部件30包括示出為第一結(jié)構(gòu)元件40a和 第二結(jié)構(gòu)元件40b的結(jié)構(gòu)部件40 ，其中第二結(jié)構(gòu)元件40b被放置成基本 上與第一結(jié)構(gòu)元件40a相對。如圖3所示，第一結(jié)構(gòu)元件40a可以是固 定元件，而第二結(jié)構(gòu)元件40b可以是活動元件，其遠(yuǎn)離第一結(jié)構(gòu)元件40a 設(shè)置并且相對于第一結(jié)構(gòu)元件40a是活動的。例如，第二結(jié)構(gòu)元件40b 可以包括懸臂，該懸臂被固定在支撐端46b并且在自由端46a能夠自由 運動。在一個實施例中，第二結(jié)構(gòu)元件40b包括機(jī)械傳感部件45，例如導(dǎo) 體線圈，當(dāng)利用電流激勵該線圈時其響應(yīng)于磁場。第一機(jī)械傳感部件45 可以表示由機(jī)械傳感部件45包含或耦合的導(dǎo)電區(qū)或材料(在此被稱為 "電極")。在一個實施例中，第一和第二結(jié)構(gòu)元件40a和40b分別表 示第一和第二襯底。例如，機(jī)械傳感部件45均可以表示布置在例如硅 的襯底上或者形成在例如硅的襯底內(nèi)的導(dǎo)電在另一個實施例中，結(jié)構(gòu)元件40a、 40b包:^舌相應(yīng)的笫一和第二隧 道電流電路元件41a和41b。隧道電流電路元件41a和41b可以分別表 示由第一和第二結(jié)構(gòu)元件40a、 40b包含或耦合的電極。第一隧道電流 電路元件41 a可以被構(gòu)造為用于檢測在第 一 隧道電流電路元件41 a和第 二隧道電流電路元件41b之間建立的隧道電流42的隧道尖端。第一結(jié) 構(gòu)元件40a還可以包括定位元件43,例如由第一結(jié)構(gòu)元件40a包含或耦 合的電極。定位元件43結(jié)合積4成傳感部件45進(jìn)行操作，并且可以;波構(gòu) 造成用于例如響應(yīng)于圖2的定位器86來控制第一和第二結(jié)構(gòu)元件之間 的間隔距離d。根據(jù)一個實施例，在基于隧道電流的磁MEMS部件30的操作期間， 電壓差可以被施加到第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b兩端，從而 導(dǎo)致在隧道電流電路元件41 a和4 lb之間產(chǎn)生隧道電流42。因為隧道電 流電路元件41a和41b之間的隧道電流42的^直是元件41a和41b之間的 距離d的函數(shù)，所以距離d的變化將導(dǎo)致隧道電流42發(fā)生相應(yīng)變化， 例如隧道電流42的值發(fā)生變化。圖4說明一個示例性曲線圖19,其示 出隧道電流42的值可以根據(jù)隧道電流電路元件41 a和41 b之間的距離d 的增大而如何變化。曲線圖19上的點ll表示當(dāng)d-O時(例如當(dāng)隧道 電流電路元件41a和41b接觸時)的歐姆導(dǎo)通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，隧 道電流42變成恒定的歐姆接觸電流。曲線圖19上的點12表示當(dāng)d足 夠大從而在隧道電流電路元件41 a和41 b之間沒有隧道電流時的開路狀 態(tài)。在點11和12之間，曲線17表示在隧道電流階革殳13期間隧道電流 42的指數(shù)型變化。因此，隧道電流電路元件41a和41b之間的距離d可 以基于隧道階段中隧道電流的檢測值來確定?；氐綀D3所示的實施例，包括機(jī)械傳感部件45的磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器 35可以被耦合到第二結(jié)構(gòu)元件40a,以使當(dāng)基于隧道電流的磁MEMS 部件30被放置在外部栽流導(dǎo)體附近，并且小的偏置電流流過磁性-機(jī)械 轉(zhuǎn)換器35的第一機(jī)械傳感部件45時，由外部導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場將對磁 性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35施加力(例如洛倫茲力)。采用的偏置電流可以是在 微安培(pA)或毫安培(mA)的范圍內(nèi)，然而典型的偏置電流可以是 1-10mA。此外，可以采用DC或AC偏置電流，而不改變基于隧道電流 的磁MEMS部件30。此外，通過在與該裝置的諧振頻率一致的頻率下 驅(qū)動AC偏置電流，有可能進(jìn)一步增大該裝置的靈敏度。該洛倫茲力將導(dǎo)致第二結(jié)構(gòu)元件40b (例如活動元件)在自由端46a 繞支撐端46b偏轉(zhuǎn)，例如沿基本垂直于第 一結(jié)構(gòu)元件40a的平面以及從 而垂直于該磁場方向的方向趨于或遠(yuǎn)離于第一結(jié)構(gòu)元件40a。第二結(jié)構(gòu) 元件40b所經(jīng)歷的偏轉(zhuǎn)的幅度和方向與電流I(參見圖1 )及其極性成比 例。因此，流過電流導(dǎo)體的電流I可以基于在第二結(jié)構(gòu)元件40b中產(chǎn)生 的偏轉(zhuǎn)的程度來檢測。所得到的偏轉(zhuǎn)增大或減小距離d， 一并且又例如根 據(jù)圖4的隧道曲線17而改變隧道電流42的值。通過檢測隧道電流42 的值，可以確定距離d。雖然主要在利用洛倫茲力的上下文中進(jìn)行討論，但是該磁性-機(jī)械轉(zhuǎn) 換器35可以被修改為采用互感、運動回路和/或外部栽流導(dǎo)體所產(chǎn)生的 磁場。另外，可以采用其他特性關(guān)系來從機(jī)械指示器導(dǎo)出對應(yīng)于所檢測 的電流的機(jī)械指示器。在一個實施例中，定位元件43 (例如形成為產(chǎn)生洛倫茲力的線圏的或零平衡檢測。例如，可以利用定位元件43來調(diào)節(jié)距離d，以便在隧道 電流電路元件41 a和41 b之間維持所期望的隧道電流值，例如參考電流 值(例如圖4的曲線17上的點15)。在一個示例實施例中，圖4的曲 線17上的點15可以作為對應(yīng)于參考距離的參考電流值被選擇。用于偏 轉(zhuǎn)第二結(jié)構(gòu)元件40b遠(yuǎn)離該參考距離的力(例如靜電力或磁力)可以通 過迫使第二結(jié)構(gòu)元件40b回到隧道電流電路元件41a和41b之間的距離 山而置零。移動偏轉(zhuǎn)的第二結(jié)構(gòu)元件40b回到參考距離所需的恢復(fù)力的 度量可以被解釋為表示流過產(chǎn)生導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)的洛倫茲力的導(dǎo)體的電流的 值。該恢復(fù)力可以通過控制定位元件43中的電流而產(chǎn)生，該定位元件 用于生成產(chǎn)生磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器35上所期望的恢復(fù)洛倫茲力的磁場，該 恢復(fù)洛倫茲力足以將偏轉(zhuǎn)的第二結(jié)構(gòu)元件40b返回到參考距離。在基于隧道電流的MEMS傳感器(例如前述的MEMS電流傳感器) 中，期望控制隧道尖端和傳感器的匹配電極之間的間距。重要的是，相 比于制造過程或電子器件中的各種缺陷(例如偏壓或溫度響應(yīng)電路變 化)所確保的情況，可能需要將更小間距維持到更好的準(zhǔn)確度內(nèi)。如果 該間距過大，則隧道電流會過小而不能測量或者將不會啟動。如果該間 距過小，則可能會產(chǎn)生歐姆接觸，從而改變傳感器的測量特性。因此， 在基于隧道電流的傳感器中，檢測元件的準(zhǔn)確間距和一致隧道電流搡作點的維持是至關(guān)重要的。圖5是一個示例隧道電流控制系統(tǒng)90的方框圖，該隧道電流控制 系統(tǒng)可以被用來控制MEMS傳感器(例如圖2的基于MEMS的磁場檢 測部件25)中的隧道電流。該隧道電流控制系統(tǒng)90可以包括隧道電流 部件82和相關(guān)聯(lián)的元件，用于控制例如圖3所示的基于隧道電流的磁 MEMS部件30的第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b之間的隧道電 流。第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b可以相互隔開距離d。元件 40a、 40b之一或二者可以響應(yīng)于作用于元件40a、 40b之一或二者上的 激勵而相對于彼此運動。隧道電流部件82可以包括用于提供第一結(jié)構(gòu) 元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b之間的隧道電流42的隧道電流激勵源50。 隧道電流激勵源50可^皮構(gòu)造成用于產(chǎn)生隧道電流，該隧道電流可以祐_ 用于監(jiān)測隧道電流電路元件4la和41b之間的距離d。例如，隧道電流 激勵源50可用作用于產(chǎn)生隧道電流42的電流源。在另一個示例實施例 中，隧道電流激勵源50可以產(chǎn)生元件40a、 40b之間的電壓電位差，例 如通過在第一結(jié)構(gòu)元件40a上的隧道尖端41a和笫二結(jié)構(gòu)元件40b上與 隧道尖端41a相對的電極41b之間施加電壓差。隧道電流部件82還可以包括隧道電流監(jiān)測器52,用于監(jiān)測響應(yīng)于 元件40a、 40b之一或二者相對于彼此的運動而導(dǎo)致的隧道電流42的變 化。定位器86可以被構(gòu)造成用于將第一元件40a和第二元件40b中的 至少一個相對于彼此定位。定位器86可以包括定位元件43和/或電極 41b,如圖3所示。定位元件43可以包括哨爭電元件、/磁元件、熱元件和 /或壓電元件，其^皮構(gòu)造成用于相對于彼此對元件40a、 40b進(jìn)行定位。隧道電流部件82還可以包^"與隧道電流監(jiān)測器52通信的隧道電流 控制器88,用于控制定位器86以便將第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元 件40b中的至少一個定位到期望間距。本發(fā)明的發(fā)明人創(chuàng)新地認(rèn)識到， 通過初始定位元件40a、 40b足夠相互靠近以實現(xiàn)它們之間的歐姆接觸 型電流，然后將元件40a、 40b定位成相互間隔足夠遠(yuǎn)以實現(xiàn)期望的隧 道電流，該傳感器可以被構(gòu)造或校準(zhǔn)以便除去偏置，例如電和/或機(jī)械偏 置。例如，這種校準(zhǔn)技術(shù)可被用來補(bǔ)償制造容差，其會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)元件40a、 40b的間距隨著裝置的不同而不同，從而導(dǎo)致對應(yīng)于這些不同間距的隧 道電流操作值的對應(yīng)差異。在一個示例實施例中，基于MEMS的；茲場4企測部件25的結(jié)構(gòu)元件可以被定尺寸為lOOnm范圍。利用當(dāng)前MEMS制造技術(shù)，可能難以在 這么小的尺度上保持足夠嚴(yán)格的容差。因此，在此所述的示例校準(zhǔn)技術(shù) 可能有助于解決與制造容差和/或其他機(jī)械差異相關(guān)聯(lián)的問題，以便確保 基于隧道的MEMS電流傳感器可以被構(gòu)造成用于在期望^^莫式下操作， 例如在一致元件間距下用于實現(xiàn)圖4的曲線17上的點11和12之間的 期望隧道電流。另外，因為所述MEMS傳感器可以在IO毫微安范圍中 操作，所以重要的是除去電偏置以便確保一致操作。因此，該校準(zhǔn)技術(shù) 可被用來補(bǔ)償這樣的偏置，所述偏置可能源自電部件的操作的差異和/ 或部件隨時間和/或溫度的漂移。圖6是一個示例隧道電流部件82的示意性電路圖。隧道電流部件 82可以包括隧道電流激勵源50，其凈皮構(gòu)造成用于產(chǎn)生隧道電流，該隧 道電流被用于監(jiān)測隧道電流電路元件(例如圖3的元件41a和41b)之 間的距離d。例如，隧道電流發(fā)生器50可被構(gòu)造成用于在元件41a和 41b之間建 立能夠在其間產(chǎn)生f迭道電5危的電壓電4立。隧道電流部件82還可以包括隧道電路監(jiān)測器52,用于監(jiān)測所產(chǎn)生 的隧道電流。例如，隧道電路監(jiān)測器52可以包^"比4支器56,用于比庫交 隧道電流電路元件41a和41b上各自的電壓?；诟髯噪妷褐g的比較， 比較器56可以產(chǎn)生定位信號58，以便驅(qū)動圖3的定位元件43相對于第 一結(jié)構(gòu)元件40a定位第二結(jié)構(gòu)元件40b，從而維持在隧道電流電路元件 41b和41a之間的期望隧道電流?；诙ㄎ恍盘?8來驅(qū)動定位元件43 的功率可以由包括電壓源55的驅(qū)動電路54來提供。在一個示例實施例中，隧道電流部件82可以;波構(gòu)造或校準(zhǔn)以便除 去偏置，例如基于MEMS的磁場檢測部件25中的電和/或機(jī)械偏置。因 此，例如與隧道電流監(jiān)測器52通信的控制器88可被構(gòu)造成用于控制定 位器86將第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b中的至少一個定位在 結(jié)構(gòu)元件40a、 40b之間的第一間距上，以便將隧道電流控制系統(tǒng)90構(gòu) 造在參考模式中。該參考模式可以包括參考電流條件，例如源自圖6的 隧道電路元件41a、 41b之間的歐姆接觸的歐姆導(dǎo)通電流條件。該歐姆 接觸可以由控制器88來命令，以便操作定位器43來使元件40a、 40b 之一或二者足夠靠近，以便在隧道電路元件41a、 41b之間創(chuàng)建歐姆接 觸。在另一個實施例中，該參考模式可以包括參考電阻條件，其可以包 括線性電阻特性，例如恒定電阻，其表示隧道電路元件41a、 41b之間的歐姆接觸。隧道電流控制器88還可被構(gòu)造成用于將結(jié)構(gòu)元件40a、 40b之一或 二者定位在不同于第 一 間距的第二間距上，以便將隧道電流控制系統(tǒng)9 0 構(gòu)造在檢測模式中，從而隧道電流控制系統(tǒng)90相對于參考模式進(jìn)行校 準(zhǔn)。例如，隧道電流控制器88可被構(gòu)造成用于移動結(jié)構(gòu)元件40a、 40b 遠(yuǎn)離參考才莫式位置，例如將結(jié)構(gòu)元件40a、 40b進(jìn)一步隔開。隧道電流 控制器88可以定位結(jié)構(gòu)元件40a、 40b,以使在隧道電路元件41a、 41b 之間產(chǎn)生期望隧道電流，以便檢測由于作用于傳感器的其他激勵而導(dǎo)致 的隧道電流的變化，該其他激勵例如是由流過靠近傳感器的導(dǎo)體的電流 所感應(yīng)的磁力。例如，隧道電流控制器88可被構(gòu)造成用于定位結(jié)構(gòu)元 件40a、 40b，以便實現(xiàn)圖4的曲線17上點11和12之間的隧道電流。隧道電流控制器82還可以包括第一控制電路92,例如偏壓發(fā)生器， 用于控制定位器86來使第一元件40a和第二元件40b足夠靠近，以便 將基于MEMS的磁場檢測部件25構(gòu)造在參考模式中，然后將第一元件 40a和第二元件40b移開進(jìn)入檢測模式。例如，第一控制電路92可控制 比較器56的輸入端上的電壓，以便產(chǎn)生用于移動元件40a、 40b的適當(dāng) 信號58。第一控制電路92可包括分壓網(wǎng)絡(luò)94，例如數(shù)字電位計，用于 提供可變電壓以便激勵定位器86。在另一個示例實施例中，第一控制電 路90可包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器92 (由虛線表示)，用于提供可變模擬電壓以 便激勵定位器86。在另一個示例實施例中，隧道電流控制器82可包括第二控制電路 96,用于控制隧道電極41b和隧道電流集中元件41a之間的電位差。例 如，第二控制電路92可控制隧道電極41b的電壓，以便在隧道電極41b 和隧道電流集中元件41之間產(chǎn)生期望電位差。第二控制電路96可包括 分壓網(wǎng)絡(luò)98，例如數(shù)字電位計，用于提供產(chǎn)生期望電位差的可變電壓。 在另一個示例實施例中，第一控制電路96可包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器92 (由虛 線表示)，用于提供產(chǎn)生期望電位差的可變模擬電壓。圖7是用于控制微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器(例如圖5和圖6中 所示的傳感器)的第 一元件和第二元件之間的隧道電流的 一種示例方法 的流程圖102。該方法可包括通過在移動元件106之一或二者的同時 改變或掃描第一結(jié)構(gòu)元件40a和第二結(jié)構(gòu)元件40b之間的電壓電位104 以識別歐姆導(dǎo)通條件，從而確定歐姆導(dǎo)通條件。該方法可包括基于例如變化的電壓電位以及在第 一元件40a和第二元件40b之間響應(yīng)于變化 的電壓電位而產(chǎn)生的電流42,確定電阻特性108。當(dāng)該電阻特性包括表 示非歐姆導(dǎo)通的關(guān)系(例如非線性關(guān)系)時110,該方法可以包括重復(fù) 步驟104-108。當(dāng)該電阻特性包括表示歐姆導(dǎo)通的關(guān)系(例如線性關(guān)系) 時110，該方法可包括識別歐姆導(dǎo)通條件112，然后移動一個或者兩 個元件相互隔開114，直到電阻特性發(fā)生變化，例如從線性特性變化為 非線性特性，其表示歐姆到隧道電流的導(dǎo)通點118。當(dāng)識別出歐姆到隧 道電流的導(dǎo)通點118時，該方法可包括將元件40a、 40b之一或二者 的相對位置相對于彼此調(diào)節(jié)一個預(yù)定量120,以便實現(xiàn)其間的期望隧道 電流。在另一個示例實施例(由虛線表示)中，該方法可包括將元件 40a、 40b留在建立該歐姆到導(dǎo)通過渡點的位置，然后調(diào)節(jié)元件40a、 40b 之間的電流122以便實現(xiàn)期望的隧道電流4直。例如，該電流42可以通 過調(diào)節(jié)圖5的隧道電極41b和隧道電流集中元件41a之間的電壓電位來 調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)期望的隧道電流值。在這一點上，可以執(zhí)行激勵的檢測 124。在另一個示例實施例中，該方法可包括.'周期性執(zhí)行步驟104-120(和/或122 )以便確保傳感器保持校準(zhǔn)。例如，執(zhí)行這些步驟(即校準(zhǔn)) 的頻率可以被選為不同于激勵的頻率，例如所檢測的交變電流的頻率。圖8是用于控制微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器(例如圖5和圖6所 示的傳感器)的第一元件和第二元件之間的隧道電流的方法的另一示例 實施例的流程圖126。該方法可以包括移動圖5的元件40a、 40b之一 或二者130以便識別歐姆導(dǎo)通條件。該方法可以包括確定圖5的隧道 電極41b和隧道電流集中元件41a之間的電流42何時變成恒定的132。 因此，可以移動元件40a、 40b，直到電流42變成恒定的，這是表示歐 姆導(dǎo)通條件的條件。當(dāng)識別出歐姆導(dǎo)通狀態(tài)中的操作134時，該方法可 以包括將元件40a、 40b和歐姆導(dǎo)通條件分離。例如，分離這些元件可 以包括移動元件40a、 40b之一或二者相互隔開136，直到電流42發(fā) 生變化138,例如通過從恒定電流變化為變化電流，其表示歐姆到隧道 電流的導(dǎo)通點140。當(dāng)識別出歐姆到隧道電流的導(dǎo)通點140時，該方法 可以包括將元件40a、 40b之一或二者的相對位置相對于彼此調(diào)節(jié)一 個預(yù)定量142,以便實現(xiàn)其間的期望隧道電流42。在另一個示例實施例(由虛線表示)中，該方法可包括將元件40a、 40b留在建立該歐姆 到導(dǎo)通過渡點的位置，然后調(diào)節(jié)元件之間的電流一個預(yù)定量144以便實現(xiàn)期望的隧道電流值，例如通過調(diào)節(jié)圖5的隧道電極41b和隧道電流集 中元件4la之間的電壓電位。在這一點上，可以扭i行激勵的檢測146。 在另一個示例實施例中，該方法可包括周期性執(zhí)行步驟128-142 (和/ 或144)以便確保傳感器保持校準(zhǔn)。例如，執(zhí)行這些步驟(即校準(zhǔn))的 頻率可以被選為不同于所檢測的激勵(例如交變電流)的頻率。由于微機(jī)械加工的批量制造技術(shù)以及相關(guān)的成本效率，在此所述的 基于MEMS的電流傳感器100可以利用例如光刻和蝕刻進(jìn)行大批量制 造。如上所迷，圖2的MEMS裝置僅僅是根據(jù)本公開設(shè)想的電流傳感器 的 一個示例?；贛EMS的電流傳感器的其他實施例100可以包括利用 電流傳感器中的多個MEMS裝置，以便實現(xiàn)例如磁場成形、磁場檢測、 電流值表示和其他目的。雖然在此已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的某些實施例，但是這些實施例 僅僅是作為例子被提供的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到多種變化、改變和 替代而不脫離所述的本發(fā)明。因此，本發(fā)明打算僅由所附權(quán)利要求書的 精神和范圍來限定。附圖標(biāo)記列表4導(dǎo)體11點12點13隧道電流階段15點17曲線19示例性曲線圖20磁場25基于MEMS的》茲場4企測部件28具有腔的襯底30基于隧道電流的磁MEMS部件35磁性-機(jī)械轉(zhuǎn)換器40結(jié)構(gòu)部件40a第一結(jié)構(gòu)元件40b第二結(jié)構(gòu)元件41a第一隧道電流電路元件41b第二隧道電流電路元件42P迭道電流43定位元件45機(jī)才成;險測部件46a自由端46b支撐端50隧道電流激勵源52隧道電流監(jiān)測器54驅(qū)動電路55補(bǔ)償器56比較器58定位信號60激勵源65控制器70輸出部件75 機(jī)械/變化至電的轉(zhuǎn)換器76 隧道電流電路 80 輸出級82 隧道電流部件84 隧道尖端86 定位器88 隧道電流控制器90 隧道電流控制系統(tǒng)92 第一控制電路94 分壓網(wǎng)絡(luò)96 第二控制電路98 分壓網(wǎng)絡(luò)100 電流傳感器102 流程圖104 通過改變電壓電位來確定歐姆導(dǎo)通條件106 移動一個或兩個元件108 確定電阻特性110 非線性關(guān)系112 識別歐姆導(dǎo)通條件114 移動元件相互隔開116 電阻已經(jīng)改變118 識別電流導(dǎo)通點120 調(diào)節(jié)一個或兩個元件的相對位置122 調(diào)節(jié)元件之間的電流124 檢測126 流程圖132 確定電流何時變成恒定的134 識別歐姆導(dǎo)通狀態(tài)136 移動一個或兩個元件相互隔開138 電流改變140 從恒定電流到變化電流142 調(diào)節(jié)一個或兩個元件的相對位置144 調(diào)節(jié)元件之間的電流一個預(yù)定量 146 4企測激勵源
權(quán)利要求
1.一種用于控制微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的第一元件(40a)和第二元件(40b)之間的隧道電流(42)的系統(tǒng)(90)，其中該第一元件和該第二元件相互間隔開，響應(yīng)于作用于至少該第一元件(40a)的激勵，至少該第一元件(40a)相對于該第二元件(40b)是活動的，該系統(tǒng)(90)包括隧道電流激勵源(50)，用于在MEMS傳感器(100)的第一元件(40a)和第二元件(40b)之間提供隧道電流(42)；隧道電流監(jiān)測器(52)，用于監(jiān)測隧道電流(42)響應(yīng)于至少該第一元件(40a)相對于該第二元件(40b)的運動而產(chǎn)生的變化；定位器(86)，用于將第一元件(40a)和第二元件(40b)中的至少一個相對于另一個進(jìn)行定位；以及與隧道電流監(jiān)測器(52)進(jìn)行通信的控制器(88)，用于控制定位器(86)，以便在第一元件(40a)和第二元件(40b)之間的第一間隔定位第一元件(40a)和第二元件(40b)中的至少一個，從而將該系統(tǒng)(90)構(gòu)造成參考模式，以及在第二間隔定位第一元件(40a)和第二元件(40b)中的至少一個，從而將該系統(tǒng)構(gòu)造成檢測模式，由此該系統(tǒng)(90)相對于該參考模式進(jìn)行校準(zhǔn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(90)，其中該參考模式包括參考 電流條件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(90)，其中該參考模式包括歐姆 導(dǎo)通電流條件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(90),其中該參考模式包括參考 電阻條件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(90),其中該參考電阻條件包括 線性電阻特性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)(90)，其中該線性電阻特性包括恒定電阻。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(90),其中該定位器(86)包括 靜電元件、》茲元件、熱元件和壓電元件中的至少一個。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(卯)，其中該隧道電流激勵源(50) 包括隧道電極(43),其被布置在第一元件(40a)和第二元件(40b) 之一上；以及隧道電流集中元件(41a),其被布置在靠近隧道電極(43)的第 一元件(40a)和第二元件(40b)中相對的一個元件上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所迷的系統(tǒng)(90)，其中該隧道電流集中元件 (41a)包括隧道尖端。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(90)，其中該控制器(88)包括 第一控制電路(例如92),用于激勵定位器(86)來使第一元件(40a) 和第二元件(40b)足夠靠近，以便將該系統(tǒng)構(gòu)造在該參考模式中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于校準(zhǔn)基于微機(jī)電系統(tǒng)的傳感器的方法和系統(tǒng)(90)。該系統(tǒng)(90)包括用于在元件之間提供隧道電流的隧道電流激勵源(50)；以及用于監(jiān)測隧道電流響應(yīng)于至少一個元件的運動而產(chǎn)生的變化的隧道電流監(jiān)測器(52)。該系統(tǒng)還包括用于定位其中至少一個元件的定位器(86)；以及與隧道電流監(jiān)測器進(jìn)行通信的控制器(88)，用于控制定位器，以便在元件之間的第一間隔定位其中至少一個元件，從而將該系統(tǒng)構(gòu)造成參考模式，以及在第二間隔定位元件，從而將該系統(tǒng)構(gòu)造成檢測模式，由此該系統(tǒng)相對于該參考模式進(jìn)行校準(zhǔn)。
文檔編號G01R33/028GK101216539SQ200810001920
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月3日
發(fā)明者E·A·安達(dá)拉威斯, E·伯克坎 申請人:通用電氣公司