利用靜電力對(duì)電容式壓力傳感器的自校準(zhǔn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)內(nèi)容設(shè)及壓力傳感器的領(lǐng)域，并且更具體地設(shè)及利用一個(gè)或多個(gè)靜電力對(duì) 壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容式壓力傳感器使用可移動(dòng)隔膜和壓力空腔來(lái)創(chuàng)建可變電容器?？勺冸娙萜鞒?現(xiàn)與由所測(cè)量的壓力引入的力相對(duì)應(yīng)地變化的電容。對(duì)于將傳感器單元集成到電子器件中 而言，運(yùn)些傳感器單元通常被連接為形成陣列或橋，然而從系統(tǒng)角度而言，運(yùn)些單元網(wǎng)絡(luò)仍 然像單個(gè)傳感器那樣工作。起初在制造工藝或制造線結(jié)束時(shí)，通常在所定義的測(cè)量條件下 校準(zhǔn)傳感器。該校準(zhǔn)W及進(jìn)一步的再校準(zhǔn)可W包括在不同溫度下的各種不同壓力，運(yùn)會(huì)利 用專(zhuān)口的測(cè)試設(shè)備和明顯的測(cè)試時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本申請(qǐng)旨在提供一種改進(jìn)的對(duì)壓力傳感器的校準(zhǔn)方案。
[0004] 根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的一個(gè)方面，提供一種壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括：第一壓力傳 感器，包括第一多個(gè)電極和第一薄膜，所述第一薄膜被配置為根據(jù)靜電力產(chǎn)生從第一位置 到第二位置的位移；測(cè)量部件，被配置為通過(guò)所述第一薄膜根據(jù)所述靜電力的所述位移并 且確定對(duì)與在所述第一多個(gè)電極處的成組的所施加電壓相對(duì)應(yīng)的成組的電容值的測(cè)量；W 及校準(zhǔn)部件，被配置為利用第一壓力和從所述成組的電容值的測(cè)量得到的一組傳感器參數(shù) 來(lái)將所述第一壓力傳感器校準(zhǔn)到一組目標(biāo)值。
[0005] 根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的另一方面，提供一種用于校準(zhǔn)壓力傳感器的方法，包括：經(jīng)由 偏置組件，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)靜電力來(lái)生成第一壓力傳感器的第一薄膜的位移；在第一壓力 下測(cè)量與在第一多個(gè)電極處的一組所施加的電壓相對(duì)應(yīng)的一組電容值；W及利用所述第一 壓力和從與所述一組所施加的電壓相對(duì)應(yīng)的所述一組電容值得到的一組傳感器參數(shù)，來(lái)將 所述第一壓力傳感器校準(zhǔn)到一組目標(biāo)值。
[0006] 根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的又一方面，提供一種系統(tǒng)，包括：第一壓力傳感器，包括第一 多個(gè)電極和具有第一面積的第一薄膜；其中所述第一薄膜被配置為根據(jù)由在所述第一多個(gè) 電極處的所施加的電壓產(chǎn)生的靜電電荷來(lái)產(chǎn)生位移；W及校準(zhǔn)部件，被配置為利用第一壓 力和從根據(jù)所施加的電壓對(duì)電容值的測(cè)量得到的一組傳感器參數(shù)來(lái)將所述第一壓力傳感 器校準(zhǔn)到一組目標(biāo)值。
[0007] 根據(jù)本申請(qǐng)的方案，可W實(shí)現(xiàn)利用靜電力對(duì)壓力傳感器的自校準(zhǔn)。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)的框圖。
[0009] 圖2是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的另一壓 力傳感器系統(tǒng)的框圖。
[0010] 圖3A和圖3B是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的 壓力傳感器模型的示圖。
[0011] 圖4是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)的操作方法的流程圖。
[0012] 圖5是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)的另一操作方法的流程圖。
[0013] 圖6是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的另一壓 力傳感器系統(tǒng)的框圖。
[0014] 圖7是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的另一壓 力傳感器系統(tǒng)的示圖。
[0015] 圖8A和圖8B是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的 壓力傳感器模型的示圖。
[0016] 圖9是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)的操作方法的流程圖。
[0017] 圖10是圖示根據(jù)所描述的各種方面的用于壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)的另一操作方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 現(xiàn)在將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中貫穿整個(gè)附圖，相同的參考標(biāo)記用于指代相同 的元素，并且其中所圖示的結(jié)構(gòu)和設(shè)備不一定按比例繪制。如運(yùn)里所用的，術(shù)語(yǔ)"部件"、"系 統(tǒng)"、"接口 "等旨在于指代計(jì)算機(jī)相關(guān)的實(shí)體、硬件、軟件（例如，用于執(zhí)行）和/或固件。 例如，部件可W是處理器、在處理器上運(yùn)行的進(jìn)程、對(duì)象、可執(zhí)行程序、存儲(chǔ)設(shè)備和/或具有 處理設(shè)備的計(jì)算機(jī)。作為例示，在服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用和服務(wù)器也可W是部件。一個(gè)或多 個(gè)部件可W駐留在進(jìn)程內(nèi)，并且部件可W被局域化在一個(gè)計(jì)算機(jī)上和/或被分布在兩個(gè)或 多個(gè)計(jì)算機(jī)之間。
[0019] 此外，運(yùn)些部件可W從其上存儲(chǔ)有各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)諸如具有例如模塊的各種計(jì)算機(jī) 可讀存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)執(zhí)行。部件可W經(jīng)由本地和/或遠(yuǎn)程的進(jìn)程、諸如根據(jù)具有一個(gè)或多個(gè)數(shù) 據(jù)分組的信號(hào)（例如來(lái)自與本地系統(tǒng)中、分布式系統(tǒng)中的另一部件對(duì)接和/或跨網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由 該信號(hào)與其它系統(tǒng)對(duì)接的一個(gè)部件的數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)諸如因特網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或類(lèi)似網(wǎng) 絡(luò)）來(lái)通信。
[0020] 作為另一示例，部件可W是具有由電路或電子電路操作的機(jī)械部分提供的特定功 能性的裝置，其中電路或電子電路可W通過(guò)由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行的軟件應(yīng)用或固件應(yīng) 用來(lái)操作。一個(gè)或多個(gè)處理器可W是裝置內(nèi)部或外部的，并且可W至少執(zhí)行軟件或固件應(yīng) 用中的一部分。作為另一示例，部件可W是通過(guò)不具有機(jī)械部分的電子部件提供特定功能 性的裝置；電子部件在其中可W包括一個(gè)或多個(gè)處理器W執(zhí)行至少部分地給予電子部件的 功能性的軟件和/或固件。
[0021] 考慮到上述缺陷，描述用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的各種方 面，諸如用于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEM巧壓力傳感器。例如，描述用于對(duì)如下壓力傳感器進(jìn)行 校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳感器系統(tǒng)，該壓力傳感器可w通過(guò)對(duì)在隔膜或薄膜處由產(chǎn)生的壓力 引起的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行覆蓋的靜電力來(lái)激勵(lì)。系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)用于壓力傳感器的校準(zhǔn)或再校準(zhǔn) 的壓力傳感器參數(shù)或參數(shù)值的自提取。所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法操作為：通過(guò)利用基于具有物 理含義的傳感器參數(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)或再校準(zhǔn)的等式來(lái)產(chǎn)生簡(jiǎn)化的物理模型，由此對(duì)一 個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的物理性質(zhì)進(jìn)行建模。
[0022] 例如，壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)可W包括具有電極和薄膜的壓力傳感器，薄膜根據(jù)靜 電力產(chǎn)生從第一位置到第二位置的偏轉(zhuǎn)或位移?？蒞經(jīng)由偏置部件向用于產(chǎn)生所施加的電 壓的電極施加成組或成對(duì)的所施加的電壓，并由此針對(duì)所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)引發(fā)靜電力。系統(tǒng)的 測(cè)量部件可W通過(guò)薄膜根據(jù)靜電力的位移來(lái)確定與在一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器的電極處的 成組的所施加電壓相對(duì)應(yīng)的成組電容值的測(cè)量。系統(tǒng)的校準(zhǔn)部件可W進(jìn)一步利用從壓力 (例如周?chē)颦h(huán)境壓力）和從一組電容值的測(cè)量得到的傳感器參數(shù)來(lái)將壓力傳感器校準(zhǔn)到 目標(biāo)值。參數(shù)部件可W操作為基于由模型部件生成的模型（例如電容橋模型或移動(dòng)平板模 型等）確定該組傳感器參數(shù)，該模型部件被配置為在減小的操作范圍內(nèi)對(duì)第一薄膜從第一 位置到第二位置的位移進(jìn)行建模。例如，位移可W通過(guò)在傳感器的電極處的兩維偏轉(zhuǎn)曲線 和壓力傳感器的實(shí)際配置的非線性函數(shù)來(lái)表征。例如，通過(guò)在參數(shù)部件中使用的簡(jiǎn)化傳感 器單元模型來(lái)使相同傳感器單元、不同傳感器單元或甚至沒(méi)有壓力靈敏度的其它電容器的 陣列或橋抽象化。下面參考附圖進(jìn)一步描述本公開(kāi)內(nèi)容的附加方面和細(xì)節(jié)。
[0023] 現(xiàn)在參考圖1，圖示了用于利用靜電力對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)的壓力傳 感器系統(tǒng)100的示例。該系統(tǒng)100可W為其它系統(tǒng)的一部分或者禪合到其它系統(tǒng)，結(jié)合地 操作用于對(duì)一個(gè)或多個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)，該一個(gè)或多個(gè)傳感器諸如用于對(duì)壓力或 者可量化數(shù)量的一個(gè)或多個(gè)壓力進(jìn)行感測(cè)的壓力傳感器。系統(tǒng)100包括壓力傳感器102、測(cè) 量部件104、校準(zhǔn)部件106、一個(gè)或多個(gè)處理器108W及數(shù)據(jù)庫(kù)110。
[0024] 壓力傳感器102可W被配置為通過(guò)用作換能器并根據(jù)壓力傳感器生成信號(hào)而從 諸如流體/氣體流動(dòng)、空氣、速度、水位、海拔和其它之類(lèi)的多種不同變量中的任何一個(gè)變 量來(lái)測(cè)量各種壓力。例如，壓力傳感器102可W包括力收集器，該力收集器包括隔膜或薄膜 并且測(cè)量由在薄膜的區(qū)域之上的所施加的力導(dǎo)致的應(yīng)變或偏轉(zhuǎn)。壓力傳感器102例如可W 包括電極和薄膜，該薄膜與由靜電力引發(fā)的偏轉(zhuǎn)相互作用，該靜電力由在薄膜和至少電極 之一之間施加的電壓所產(chǎn)生。壓力傳感器102可W包括單個(gè)壓力傳感器部件或禪合在一起 的多個(gè)壓力傳感器。壓力傳感器102可W包括微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEM巧壓力傳感器，該MEMS 壓力傳感器包括大小在約1微米到100微米范圍內(nèi)的部件或例如納米尺度的部件。成對(duì)或 成組的所施加電壓可W被感測(cè)或被施加到壓力傳感器102的電極，用于引起產(chǎn)生靜電力的 不同電極端子之間的慢速移動(dòng)或靜止的電荷，該靜電力在幅度和方向上可W與來(lái)自一個(gè)或 多個(gè)其它變量的壓力類(lèi)似或相同。
[0025] 壓力傳感器102例如被配置為由如下靜電力所激勵(lì)，該靜電力被引發(fā)用于覆蓋諸 如在彎曲的薄膜處的壓力傳感器的偏轉(zhuǎn)或位移部分。經(jīng)由靜電力的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)的 提取，傳感器參數(shù)可W進(jìn)一步被建模、存儲(chǔ)和利用，W用于對(duì)壓力傳感器的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)， 或者用于在跨時(shí)間差而關(guān)于時(shí)間的測(cè)量之間的比較。然后該比較可W經(jīng)由與系統(tǒng)100通信 禪合的其它部件而被用于在稍后時(shí)間利用與傳感器參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)相關(guān)的各種 值來(lái)初始校準(zhǔn)、調(diào)整或再校準(zhǔn)壓力傳感器。薄膜面積、彈黃常數(shù)、尺寸、電極之間的距離、從 薄膜到空腔底部的高度、介電常數(shù)、所施加壓力、線性化多項(xiàng)式系數(shù)和其它運(yùn)樣的變量是不 同傳感器參數(shù)的示例，運(yùn)些不同傳感器參數(shù)可W是駐留在工藝容限或制造范圍內(nèi)的制造規(guī) 范和傳感器功能的一部分。
[0026] 可W基于簡(jiǎn)化模型對(duì)壓力傳感器102進(jìn)行初始地校準(zhǔn)并且然后后續(xù)進(jìn)行再校準(zhǔn)， W諸如經(jīng)由操作耐久性、工藝容限、溫度影響或其它更改的變量，調(diào)整傳感器參數(shù)的各種不 期望的不準(zhǔn)確性。具體地，測(cè)量部件104可W操作為確定用于壓力傳感器102的校準(zhǔn)和再 校準(zhǔn)工藝的測(cè)量或測(cè)量量。例如，測(cè)量部件104可W操作為測(cè)量由在傳感器的電極處引發(fā) 的電容所產(chǎn)生的成組的電容值。電容可W對(duì)應(yīng)于在壓力傳感器102的電極處提供的所施加 電壓，并且可W進(jìn)一步起因于例如壓力傳感器102的薄膜根據(jù)靜電力的位移或偏轉(zhuǎn)。
[0027] 壓力傳感器102的校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)例如可W包括利用由施加到壓力傳感器的平板 的電壓所產(chǎn)生的靜電力W及估計(jì)電容值的對(duì)應(yīng)變化W經(jīng)由測(cè)量部件104生成傳感器參數(shù) 的模型。電容變化的估計(jì)可W經(jīng)由開(kāi)路路徑、通過(guò)改變傳感器偏置電壓和測(cè)量傳感器電容 器值的對(duì)應(yīng)反應(yīng)來(lái)執(zhí)行，或者估計(jì)可W例如經(jīng)由諸如閉合力反饋環(huán)路之類(lèi)的反饋環(huán)路來(lái)執(zhí) 行。
[0028] 系統(tǒng)100的校準(zhǔn)部件106被配置為利用從成組電容值的測(cè)量得到的一組傳感器參 數(shù)來(lái)將壓力傳感器102校準(zhǔn)到一組目標(biāo)值。目標(biāo)值例如可W包括用于旨在限定壓力傳感器 的一個(gè)或多個(gè)功能的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的工廠操作范圍值?？蒞從由測(cè)量得到的參數(shù)值W及 諸如環(huán)境壓力或其它壓力的一個(gè)或多個(gè)壓力來(lái)產(chǎn)生校準(zhǔn)和再校準(zhǔn)。壓力傳感器102例如可 W在制造工藝線結(jié)束時(shí)在定義的測(cè)量條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，運(yùn)可W利用在不同溫度下的不同壓 力來(lái)執(zhí)行，但由系統(tǒng)產(chǎn)生的簡(jiǎn)化模型可W通過(guò)用于校準(zhǔn)的明顯測(cè)試時(shí)間和專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備類(lèi) 似地并且更有效地工作。校準(zhǔn)例如通常可W設(shè)及關(guān)于壓力和溫度的復(fù)雜多項(xiàng)式，但也可W 設(shè)及分段線性函數(shù)或樣條函數(shù)。
[0029] 系統(tǒng)100例如