CN101216539B - 用于校准基于微机电系统的传感器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于校准基于微机电系统的传感器的方法和系统(90)。该系统(90)包括：用于在元件之间提供隧道电流的隧道电流激励源(50)；以及用于监测隧道电流响应于至少一个元件的运动而产生的变化的隧道电流监测器(52)。该系统还包括：用于定位其中至少一个元件的定位器(86)；以及与隧道电流监测器进行通信的控制器(88)，用于控制定位器，以便在元件之间的第一间隔定位其中至少一个元件，从而将该系统构造成参考模式，以及在第二间隔定位元件，从而将该系统构造成检测模式，由此该系统相对于该参考模式进行校准。

Description

用于校准基于微机电系统的传感器的方法和系统
技术领域
本公开一般而言涉及电流和磁场检测装置。更特别地，本公开涉及利用隧道电流检测的微机电系统(MEMS)电流和磁场传感器。
背景技术
相关申请
本申请是顺序号为11/289,910、标题为“MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM(MEMS)BASEDCURRENT&MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING IMPROVEDSENSITIVITIES的美国专利申请的部分继续，该美国专利申请又是顺序号为11/129,682、标题为“MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM(MEMS)BASED CURRENT&MAGNETIC FIELD SENSOR HAVINGCAPACITIVE SENSE COMPONENTS”的美国专利申请的部分继续，该美国专利申请又是顺序号为10/863,442、作为美国专利No.7,112,951在2006年9月26日颁发的、标题为“MEMS BASED CURRENT SENSORUSING MAGNETIC-TO-MECHANICAL CONVERSION ANDREFERENCE COMPONENTS”的美国专利申请的部分继续，所有这些美国专利申请都被完全结合于此以作参考。
发明背景
一个载流导体在该载流导体附近产生磁场是已知的。利用布置在该载流导体所产生的磁场中的另一个载流导体，该载流导体所产生的磁场能够感应出力，这也是已知的。因此，用来检测电流的一种方法包括利用传感器来测量由流过载流导体的电流所感应出的磁场。由于所产生的磁场与流过载流导体的电流成比例，所以这种传感器能够利用磁场的幅度来确定电流。
从安全性来看，利用磁场来测量电流的电流传感器非常适合于高压应用，因为它们不必接触高压电路。然而，存在与在高压应用中利用磁场来测量电流的现有电流传感器相关联的若干缺点。一般而言，现有电流传感器往往会具有大的形状因子，因为它们需要厚导体以便能够承受可能会经历的变化水平的电流。该电流导致发热，该发热降低了电流传感器的效率并且在传感器准确度方面引入可能的误差因子。由于现有电流传感器大且笨重，所以它们的物理和电操作特性到现在为止已经阻碍了它们在更小尺度环境中的应用。
发明内容
在一个示例实施例中，本发明包括一种用于控制微机电系统(MEMS)传感器的第一元件和第二元件之间的隧道电流的系统，其中该第一元件和该第二元件相互间隔开，响应于作用于至少该第一元件的激励，至少该第一元件相对于该第二元件是活动的。该系统包括：隧道电流激励源，用于在MEMS传感器的第一元件和第二元件之间提供隧道电流；以及隧道电流监测器，用于监测隧道电流响应于至少该第一元件相对于该第二元件的运动而产生的变化。该系统还包括：定位器，用于将第一元件和第二元件中的至少一个相对于另一个进行定位；以及与隧道电流监测器进行通信的控制器，用于控制定位器，以便在第一元件和第二元件之间的第一间隔定位第一元件和第二元件中的至少一个，从而将该系统构造成参考模式，以及在第二间隔定位第一元件和第二元件中的至少一个，从而将该系统构造成检测模式，由此该系统相对于该参考模式进行校准。
在另一个示例实施例中，本发明包括一种用于控制微机电系统(MEMS)传感器的第一元件和第二元件之间的隧道电流的方法，其中该第一元件和该第二元件相互间隔开，响应于作用于第一元件和第二元件中的至少一个的激励，至少该第一元件相对于该第二元件是活动的。该方法包括：提供用于产生MEMS传感器的第一元件和第二元件之间的隧道电流的隧道电流激励源；以及提供用于监测隧道电流响应于至少该第一元件相对于该第二元件的运动而产生的变化的隧道电流监测器。该方法还包括：在第一元件和第二元件之间的第一间隔定位第一元件和第二元件中的至少一个，从而将该系统构造成参考模式，以及在不同于第一间隔的第二间隔定位第一元件和第二元件中的至少一个，从而将该系统构造成检测模式，由此该系统相对于该参考模式进行校准。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其他的特征、方面和优点将变得更好理解，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
图1是表示基于MEMS的电流和磁场传感器的示意图；
图2是说明基于隧道电流的MEMS电流传感器的示例实施例的示意图；
图3说明基于隧道电流的磁MEMS部件的外观的示意性截面侧正视图；
图4是说明隧道电流随间隔距离的指数变化的隧道电流与间隔距离的关系的示例曲线图；
图5是表示隧道电流部件的示意性方框图；
图6是表示隧道电流部件的电路示意图；
图7是用于控制MEMS传感器的各元件之间的隧道电流的一种示例方法的流程图；以及
图8是用于控制MEMS传感器的各元件之间的隧道电流的另一示例方法的流程图。
具体实施方式
虽然下文描述了被构造成用于电流检测的MEMS传感器的各实施例，但是可以想到，这些示例性实施例还可以不受限制地被用于检测响应于由其他物理现象产生的并且施加到传感器的激励的所述其他物理现象。图1说明了一个被构造成用于检测电流和磁场的MEMS传感器的示例性实施例，该MEMS传感器在此被描述并且在下文中被通称为“电流传感器100”。如所示，载有电流I的导体4产生磁场20。根据本公开的一个实施例，电流传感器100可以被用来检测载流导体4中的电流I，而不必与该载流导体进行物理接触。根据所示实施例，MEMS电流传感器100通过利用洛伦兹力来检测和确定导体4所载有的电流I，该洛伦兹力是在电流传感器100位于由电流I所产生的磁场20中时产生的。在一个实施例中，电流传感器100包括磁场检测部件，该磁场检测部件具有用于检测磁场以及用于响应于该磁场而提供在要测量的各个导体中存在的电流的指示的基于隧道电流的磁MEMS部件。
基于MEMS的电流和磁场传感器(例如在此所述的电流传感器100)的有利尺寸有助于在空间受限的应用中检测电流。此外，利用基于MEMS的部件提供的电流传感器高度精确、可靠、鲁棒，并且对所检测的电流几乎没有引入误差。至少部分地由于在此所述的利用MEMS电流传感器100来检测电流的非接触式检测方法，该MEMS电流传感器100优选对所检测的电流的幅度和/或方向没有任何影响。例如，假定基于MEMS的部件的尺寸和灵敏度相同，则该MEMS电流传感器100优选不会引入或导致在所检测或测量的电流中任何可察觉到的改变或变化。此外，该MEMS电流传感器100有利于相对于现有电流传感器减少其成本以及显著减小尺寸。而且，由于微光刻和微制造技术，有利于通过提高的准确度和精度来制造该MEMS电流传感器100。
当前，MEMS通常是指微米尺度的结构，该结构例如能够通过微制造技术在同一个衬底上集成多种不同的元件，例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件。然而，可以设想到，当前在MEMS装置中可用的许多技术和结构将在仅仅若干年之后通过基于纳米技术的装置可以获得，该基于纳米技术的装置例如是尺寸上可以小于100纳米的结构。因此，即使在本文献中描述的示例实施例可能是指基于MEMS的装置，但是可以认为，本发明的创造性方面应当从广义来解释，而不应当限于微米尺寸的装置。
图2是说明基于MEMS的电流传感器100的基于MEMS的磁场检测部件25的一个实施例的示意图。基于MEMS的磁场检测部件25检测磁场(例如磁场20)，并且提供在对应的载流导体(例如导体4)中的电流的指示。所检测到的电流的指示可以包括与所检测的电流有关的幅度和方向分量。在一个实施例中，所检测到的电流的指示是所检测的电流的电指示。
在图2所示的实施例中，基于MEMS的磁场检测部件25包括基于隧道电流的磁MEMS部件30、输出部件70和补偿器55。基于隧道电流的磁MEMS部件30检测磁场，并且响应于该磁场而将检测到的磁场转换成对应的电流I的机械指示器。输出部件70提供表示在所测量的导体中的电流I的输出。在一个实施例中，来自输出部件70的输出可以采取电信号的形式，该电信号表示和代表流过所测量的导体的电流的幅度和符号。输出部件70可以连接存储器、指示器(例如显示屏幕)和/或另一个装置或设备(例如数字信号处理器或基于计算机的分析器)，以便进一步处理。
在所示的实施例中，基于隧道电流的磁MEMS部件30包括磁性-机械转换器35，用于将电流I的磁性表示转换成机械变化。在一个实施例中，磁性-机械转换器35可以是诸如线圈之类的导体。另外，所示的基于隧道电流的磁MEMS部件30包括用于为基于隧道电流的磁MEMS部件30提供结构支撑的结构部件40。结构部件40可以表示一个或多个异类或同类的结构、装置、材料、组件、子系统等等。例如，在一个实施例中，结构部件40可以表示以第一固定元件的形式的第一结构元件以及以活动元件的形式的第二结构元件。在一个实施例中，结构部件40响应于由磁性-机械转换器35所提供的机械变化，并且提供表示电流I的机械指示器。该机械指示器可以表示结构部件40所经历的运动，其记录或者以别的方式指示对磁场的检测。在一个实施例中，该机械指示器可以是结构部件40的位移。在一个实施例中，该结构部件40可以包括下列中的一个或多个：可偏转膜、悬臂、梁、膜片、挠性构件、腔、表面微机械加工结构、体微机械加工结构、梳状结构、桥或者任何数量的其他结构装置。此外，结构部件40所提供的该机械指示器可以传送该机械指示器的矢量空间值，其中包括下列中的一个或多个：相关联的幅度、方向、速度以及可以被用来传送该机械指示器的矢量空间值的它的任何其他特性。
在一个实施例中，基于隧道电流的磁MEMS部件30包括至少一个机械变化至电的转换器75，用于将结构部件40所提供的机械指示器转换成表示所检测到的电流I的电信号。在一个实施例中，该机械至电的转换器75转换所检测到的机械指示器，以便由输出级80进行解释和/或进一步处理。在一个实施例中，机械至电的转换器75基于隧道电流技术。特别地，机械至电的转换器75可以包括具有隧道电流部件82的隧道电流电路76。在一个实施例中，隧道电流部件82可以被构造成用于建立、监测和维持在结构部件40的固定元件和响应于所检测到的电流I而发生位移的活动元件之间的隧道电流。
隧道电流部件82可以被耦合到隧道电流集中元件，例如隧道尖端84，其例如结合定位器86进行操作以便建立在其间的隧道电流。在本发明的一个方面中，隧道尖端84和定位器86之间的隧道电流的值可以表示活动元件的位移。在一个实施例中，定位器86可以包括一个或多个电极，其例如被布置在结构部件40的固定元件和活动元件之一或二者上。例如，布置在活动元件上的定位器86的电极可以与布置在固定元件上的隧道尖端82配对，从而形成隧道尖端/电极对，以便在隧道尖端84和电极之间建立隧道电流。
在一个实施例中，补偿器55可以被用来在磁性-机械转换器35的线圈中建立偏置电流，以便机械地指示磁场的强度。补偿器55还可以被用来补偿由于例如机械容差、传感器老化、温度、环境因素等等而产生的影响。补偿器55可以包括激励源(例如电流源)60和控制器65。激励源60可以提供MEMS电流传感器100使用的激励量(即激励能量的量)。控制器65可以控制例如激励源60的激励量的切换和施加。控制器65可以是例如开关、模拟处理器、数字信号处理器、数字计算装置或模拟计算装置。在本示例中，控制器至少控制导通、关断以及供给磁性-机械转换器35的偏置电流的值。
虽然图2的输出部件70、基于隧道电流的磁MEMS部件30和补偿器55作为单独的部件出现，但是这些部件及其相应的功能块可以被进一步组合或进一步分割，而不会脱离本发明的精神和范围。
图3说明基于隧道电流的磁MEMS部件30的一个实施例。在图3中，基于隧道电流的磁MEMS部件30包括示出为第一结构元件40a和第二结构元件40b的结构部件40，其中第二结构元件40b被放置成基本上与第一结构元件40a相对。如图3所示，第一结构元件40a可以是固定元件，而第二结构元件40b可以是活动元件，其远离第一结构元件40a设置并且相对于第一结构元件40a是活动的。例如，第二结构元件40b可以包括悬臂，该悬臂被固定在支撑端46b并且在自由端46a能够自由运动。
在一个实施例中，第二结构元件40b包括机械传感部件45，例如导体线圈，当利用电流激励该线圈时其响应于磁场。第一机械传感部件45可以表示由机械传感部件45包含或耦合的导电区或材料(在此被称为“电极”)。在一个实施例中，第一和第二结构元件40a和40b分别表示第一和第二衬底。例如，机械传感部件45均可以表示布置在例如硅的衬底上或者形成在例如硅的衬底内的导电材料(例如金属)的层、区或踪迹。在一个实施例中，第一结构元件40a表示具有在其中限定的腔28的衬底。
在另一个实施例中，结构元件40a、40b包括相应的第一和第二隧道电流电路元件41a和41b。隧道电流电路元件41a和41b可以分别表示由第一和第二结构元件40a、40b包含或耦合的电极。第一隧道电流电路元件41a可以被构造为用于检测在第一隧道电流电路元件41a和第二隧道电流电路元件41b之间建立的隧道电流42的隧道尖端。第一结构元件40a还可以包括定位元件43，例如由第一结构元件40a包含或耦合的电极。定位元件43结合机械传感部件45进行操作，并且可以被构造成用于例如响应于图2的定位器86来控制第一和第二结构元件之间的间隔距离d。
根据一个实施例，在基于隧道电流的磁MEMS部件30的操作期间，电压差可以被施加到第一结构元件40a和第二结构元件40b两端，从而导致在隧道电流电路元件41a和41b之间产生隧道电流42。因为隧道电流电路元件41a和41b之间的隧道电流42的值是元件41a和41b之间的距离d的函数，所以距离d的变化将导致隧道电流42发生相应变化，例如隧道电流42的值发生变化。图4说明一个示例性曲线图19，其示出隧道电流42的值可以根据隧道电流电路元件41a和41b之间的距离d的增大而如何变化。曲线图19上的点11表示当d＝0时(例如当隧道电流电路元件41a和41b接触时)的欧姆导通状态。在这种状态下，隧道电流42变成恒定的欧姆接触电流。曲线图19上的点12表示当d足够大从而在隧道电流电路元件41a和41b之间没有隧道电流时的开路状态。在点11和12之间，曲线17表示在隧道电流阶段13期间隧道电流42的指数型变化。因此，隧道电流电路元件41a和41b之间的距离d可以基于隧道阶段中隧道电流的检测值来确定。
回到图3所示的实施例，包括机械传感部件45的磁性-机械转换器35可以被耦合到第二结构元件40a，以使当基于隧道电流的磁MEMS部件30被放置在外部载流导体附近，并且小的偏置电流流过磁性-机械转换器35的第一机械传感部件45时，由外部导体所产生的磁场将对磁性-机械转换器35施加力(例如洛伦兹力)。采用的偏置电流可以是在微安培(μA)或毫安培(mA)的范围内，然而典型的偏置电流可以是1-10mA。此外，可以采用DC或AC偏置电流，而不改变基于隧道电流的磁MEMS部件30。此外，通过在与该装置的谐振频率一致的频率下驱动AC偏置电流，有可能进一步增大该装置的灵敏度。
该洛伦兹力将导致第二结构元件40b(例如活动元件)在自由端46a绕支撑端46b偏转，例如沿基本垂直于第一结构元件40a的平面以及从而垂直于该磁场方向的方向趋于或远离于第一结构元件40a。第二结构元件40b所经历的偏转的幅度和方向与电流I(参见图1)及其极性成比例。因此，流过电流导体的电流I可以基于在第二结构元件40b中产生的偏转的程度来检测。所得到的偏转增大或减小距离d，并且又例如根据图4的隧道曲线17而改变隧道电流42的值。通过检测隧道电流42的值，可以确定距离d。
虽然主要在利用洛伦兹力的上下文中进行讨论，但是该磁性-机械转换器35可以被修改为采用互感、运动回路和/或外部载流导体所产生的磁场。另外，可以采用其他特性关系来从机械指示器导出对应于所检测的电流的机械指示器。
在一个实施例中，定位元件43(例如形成为产生洛伦兹力的线圈的导电电极)可以被用来获得力平衡或均衡条件和/或被用来执行有源检测或零平衡检测。例如，可以利用定位元件43来调节距离d，以便在隧道电流电路元件41a和41b之间维持所期望的隧道电流值，例如参考电流值(例如图4的曲线17上的点15)。在一个示例实施例中，图4的曲线17上的点15可以作为对应于参考距离的参考电流值被选择。用于偏转第二结构元件40b远离该参考距离的力(例如静电力或磁力)可以通过迫使第二结构元件40b回到隧道电流电路元件41a和41b之间的距离d1而置零。移动偏转的第二结构元件40b回到参考距离所需的恢复力的度量可以被解释为表示流过产生导致偏转的洛伦兹力的导体的电流的值。该恢复力可以通过控制定位元件43中的电流而产生，该定位元件用于生成产生磁性-机械转换器35上所期望的恢复洛伦兹力的磁场，该恢复洛伦兹力足以将偏转的第二结构元件40b返回到参考距离。
在基于隧道电流的MEMS传感器(例如前述的MEMS电流传感器)中，期望控制隧道尖端和传感器的匹配电极之间的间距。重要的是，相比于制造过程或电子器件中的各种缺陷(例如偏压或温度响应电路变化)所确保的情况，可能需要将更小间距维持到更好的准确度内。如果该间距过大，则隧道电流会过小而不能测量或者将不会启动。如果该间距过小，则可能会产生欧姆接触，从而改变传感器的测量特性。因此，在基于隧道电流的传感器中，检测元件的准确间距和一致隧道电流操作点的维持是至关重要的。
图5是一个示例隧道电流控制系统90的方框图，该隧道电流控制系统可以被用来控制MEMS传感器(例如图2的基于MEMS的磁场检测部件25)中的隧道电流。该隧道电流控制系统90可以包括隧道电流部件82和相关联的元件，用于控制例如图3所示的基于隧道电流的磁MEMS部件30的第一结构元件40a和第二结构元件40b之间的隧道电流。第一结构元件40a和第二结构元件40b可以相互隔开距离d。元件40a、40b之一或二者可以响应于作用于元件40a、40b之一或二者上的激励而相对于彼此运动。隧道电流部件82可以包括用于提供第一结构元件40a和第二结构元件40b之间的隧道电流42的隧道电流激励源50。隧道电流激励源50可被构造成用于产生隧道电流，该隧道电流可以被用于监测隧道电流电路元件41a和41b之间的距离d。例如，隧道电流激励源50可用作用于产生隧道电流42的电流源。在另一个示例实施例中，隧道电流激励源50可以产生元件40a、40b之间的电压电位差，例如通过在第一结构元件40a上的隧道尖端41a和第二结构元件40b上与隧道尖端41a相对的电极41b之间施加电压差。
隧道电流部件82还可以包括隧道电流监测器52，用于监测响应于元件40a、40b之一或二者相对于彼此的运动而导致的隧道电流42的变化。定位器86可以被构造成用于将第一元件40a和第二元件40b中的至少一个相对于彼此定位。定位器86可以包括定位元件43和/或电极41b，如图3所示。定位元件43可以包括静电元件、磁元件、热元件和/或压电元件，其被构造成用于相对于彼此对元件40a、40b进行定位。
隧道电流部件82还可以包括与隧道电流监测器52通信的隧道电流控制器88，用于控制定位器86以便将第一结构元件40a和第二结构元件40b中的至少一个定位到期望间距。本发明的发明人创新地认识到，通过初始定位元件40a、40b足够相互靠近以实现它们之间的欧姆接触型电流，然后将元件40a、40b定位成相互间隔足够远以实现期望的隧道电流，该传感器可以被构造或校准以便除去偏置，例如电和/或机械偏置。例如，这种校准技术可被用来补偿制造容差，其会导致结构元件40a、40b的间距随着装置的不同而不同，从而导致对应于这些不同间距的隧道电流操作值的对应差异。
在一个示例实施例中，基于MEMS的磁场检测部件25的结构元件可以被定尺寸为100nm范围。利用当前MEMS制造技术，可能难以在这么小的尺度上保持足够严格的容差。因此，在此所述的示例校准技术可能有助于解决与制造容差和/或其他机械差异相关联的问题，以便确保基于隧道的MEMS电流传感器可以被构造成用于在期望模式下操作，例如在一致元件间距下用于实现图4的曲线17上的点11和12之间的期望隧道电流。另外，因为所述MEMS传感器可以在10毫微安范围中操作，所以重要的是除去电偏置以便确保一致操作。因此，该校准技术可被用来补偿这样的偏置，所述偏置可能源自电部件的操作的差异和/或部件随时间和/或温度的漂移。
图6是一个示例隧道电流部件82的示意性电路图。隧道电流部件82可以包括隧道电流激励源50，其被构造成用于产生隧道电流，该隧道电流被用于监测隧道电流电路元件(例如图3的元件41a和41b)之间的距离d。例如，隧道电流发生器50可被构造成用于在元件41a和41b之间建立能够在其间产生隧道电流的电压电位。
隧道电流部件82还可以包括隧道电路监测器52，用于监测所产生的隧道电流。例如，隧道电路监测器52可以包括比较器56，用于比较隧道电流电路元件41a和41b上各自的电压。基于各自电压之间的比较，比较器56可以产生定位信号58，以便驱动图3的定位元件43相对于第一结构元件40a定位第二结构元件40b，从而维持在隧道电流电路元件41b和41a之间的期望隧道电流。基于定位信号58来驱动定位元件43的功率可以由包括电压源55的驱动电路54来提供。
在一个示例实施例中，隧道电流部件82可以被构造或校准以便除去偏置，例如基于MEMS的磁场检测部件25中的电和/或机械偏置。因此，例如与隧道电流监测器52通信的控制器88可被构造成用于控制定位器86将第一结构元件40a和第二结构元件40b中的至少一个定位在结构元件40a、40b之间的第一间距上，以便将隧道电流控制系统90构造在参考模式中。该参考模式可以包括参考电流条件，例如源自图6的隧道电路元件41a、41b之间的欧姆接触的欧姆导通电流条件。该欧姆接触可以由控制器88来命令，以便操作定位器43来使元件40a、40b之一或二者足够靠近，以便在隧道电路元件41a、41b之间创建欧姆接触。在另一个实施例中，该参考模式可以包括参考电阻条件，其可以包括线性电阻特性，例如恒定电阻，其表示隧道电路元件41a、41b之间的欧姆接触。
隧道电流控制器88还可被构造成用于将结构元件40a、40b之一或二者定位在不同于第一间距的第二间距上，以便将隧道电流控制系统90构造在检测模式中，从而隧道电流控制系统90相对于参考模式进行校准。例如，隧道电流控制器88可被构造成用于移动结构元件40a、40b远离参考模式位置，例如将结构元件40a、40b进一步隔开。隧道电流控制器88可以定位结构元件40a、40b，以使在隧道电路元件41a、41b之间产生期望隧道电流，以便检测由于作用于传感器的其他激励而导致的隧道电流的变化，该其他激励例如是由流过靠近传感器的导体的电流所感应的磁力。例如，隧道电流控制器88可被构造成用于定位结构元件40a、40b，以便实现图4的曲线17上点11和12之间的隧道电流。
隧道电流控制器82还可以包括第一控制电路92，例如偏压发生器，用于控制定位器86来使第一元件40a和第二元件40b足够靠近，以便将基于MEMS的磁场检测部件25构造在参考模式中，然后将第一元件40a和第二元件40b移开进入检测模式。例如，第一控制电路92可控制比较器56的输入端上的电压，以便产生用于移动元件40a、40b的适当信号58。第一控制电路92可包括分压网络94，例如数字电位计，用于提供可变电压以便激励定位器86。在另一个示例实施例中，第一控制电路90可包括数模转换器92(由虚线表示)，用于提供可变模拟电压以便激励定位器86。
在另一个示例实施例中，隧道电流控制器82可包括第二控制电路96，用于控制隧道电极41b和隧道电流集中元件41a之间的电位差。例如，第二控制电路92可控制隧道电极41b的电压，以便在隧道电极41b和隧道电流集中元件41之间产生期望电位差。第二控制电路96可包括分压网络98，例如数字电位计，用于提供产生期望电位差的可变电压。在另一个示例实施例中，第一控制电路96可包括数模转换器92(由虚线表示)，用于提供产生期望电位差的可变模拟电压。
图7是用于控制微机电系统(MEMS)传感器(例如图5和图6中所示的传感器)的第一元件和第二元件之间的隧道电流的一种示例方法的流程图102。该方法可包括：通过在移动元件106之一或二者的同时改变或扫描第一结构元件40a和第二结构元件40b之间的电压电位104以识别欧姆导通条件，从而确定欧姆导通条件。该方法可包括：基于例如变化的电压电位以及在第一元件40a和第二元件40b之间响应于变化的电压电位而产生的电流42，确定电阻特性108。当该电阻特性包括表示非欧姆导通的关系(例如非线性关系)时110，该方法可以包括重复步骤104-108。当该电阻特性包括表示欧姆导通的关系(例如线性关系)时110，该方法可包括：识别欧姆导通条件112，然后移动一个或者两个元件相互隔开114，直到电阻特性发生变化，例如从线性特性变化为非线性特性，其表示欧姆到隧道电流的导通点118。当识别出欧姆到隧道电流的导通点118时，该方法可包括：将元件40a、40b之一或二者的相对位置相对于彼此调节一个预定量120，以便实现其间的期望隧道电流。在另一个示例实施例(由虚线表示)中，该方法可包括：将元件40a、40b留在建立该欧姆到导通过渡点的位置，然后调节元件40a、40b之间的电流122以便实现期望的隧道电流值。例如，该电流42可以通过调节图5的隧道电极41b和隧道电流集中元件41a之间的电压电位来调节，从而实现期望的隧道电流值。在这一点上，可以执行激励的检测124。在另一个示例实施例中，该方法可包括：周期性执行步骤104-120(和/或122)以便确保传感器保持校准。例如，执行这些步骤(即校准)的频率可以被选为不同于激励的频率，例如所检测的交变电流的频率。
图8是用于控制微机电系统(MEMS)传感器(例如图5和图6所示的传感器)的第一元件和第二元件之间的隧道电流的方法的另一示例实施例的流程图126。该方法可以包括：移动图5的元件40a、40b之一或二者130以便识别欧姆导通条件。该方法可以包括：确定图5的隧道电极41b和隧道电流集中元件41a之间的电流42何时变成恒定的132。因此，可以移动元件40a、40b，直到电流42变成恒定的，这是表示欧姆导通条件的条件。当识别出欧姆导通状态中的操作134时，该方法可以包括将元件40a、40b和欧姆导通条件分离。例如，分离这些元件可以包括：移动元件40a、40b之一或二者相互隔开136，直到电流42发生变化138，例如通过从恒定电流变化为变化电流，其表示欧姆到隧道电流的导通点140。当识别出欧姆到隧道电流的导通点140时，该方法可以包括：将元件40a、40b之一或二者的相对位置相对于彼此调节一个预定量142，以便实现其间的期望隧道电流42。在另一个示例实施例(由虚线表示)中，该方法可包括：将元件40a、40b留在建立该欧姆到导通过渡点的位置，然后调节元件之间的电流一个预定量144以便实现期望的隧道电流值，例如通过调节图5的隧道电极41b和隧道电流集中元件41a之间的电压电位。在这一点上，可以执行激励的检测146。在另一个示例实施例中，该方法可包括：周期性执行步骤128-142(和/或144)以便确保传感器保持校准。例如，执行这些步骤(即校准)的频率可以被选为不同于所检测的激励(例如交变电流)的频率。
由于微机械加工的批量制造技术以及相关的成本效率，在此所述的基于MEMS的电流传感器100可以利用例如光刻和蚀刻进行大批量制造。如上所述，图2的MEMS装置仅仅是根据本公开设想的电流传感器的一个示例。基于MEMS的电流传感器的其他实施例100可以包括利用电流传感器中的多个MEMS装置，以便实现例如磁场成形、磁场检测、电流值表示和其他目的。
虽然在此已经示出和描述了本发明的某些实施例，但是这些实施例仅仅是作为例子被提供的。本领域技术人员将会想到多种变化、改变和替代而不脱离所述的本发明。因此，本发明打算仅由所附权利要求书的精神和范围来限定。
附图标记列表
4     导体
11    点
12    点
13    隧道电流阶段
15    点
17    曲线
19    示例性曲线图
20    磁场
25    基于MEMS的磁场检测部件
28    具有腔的衬底
30    基于隧道电流的磁MEMS部件
35    磁性-机械转换器
40    结构部件
40a   第一结构元件
40b   第二结构元件
41a   第一隧道电流电路元件
41b   第二隧道电流电路元件
42    隧道电流
43    定位元件
45    机械检测部件
46a   自由端
46b   支撑端
50    隧道电流激励源
52    隧道电流监测器
54    驱动电路
55    补偿器
56    比较器
58    定位信号
60    激励源
65    控制器
70    输出部件
75     机械/变化至电的转换器
76     隧道电流电路
80     输出级
82     隧道电流部件
84     隧道尖端
86     定位器
88     隧道电流控制器
90     隧道电流控制系统
92     第一控制电路
94     分压网络
96     第二控制电路
98     分压网络
100    电流传感器
102    流程图
104    通过改变电压电位来确定欧姆导通条件
106    移动一个或两个元件
108    确定电阻特性
110    非线性关系
112    识别欧姆导通条件
114    移动元件相互隔开
116    电阻已经改变
118    识别电流导通点
120    调节一个或两个元件的相对位置
122    调节元件之间的电流
124    检测
126    流程图
132    确定电流何时变成恒定的
134    识别欧姆导通状态
136    移动一个或两个元件相互隔开
138    电流改变
140    从恒定电流到变化电流
142    调节一个或两个元件的相对位置
144    调节元件之间的电流一个预定量
146    检测激励源

Claims (10)

1. 一种用于控制微机电系统（MEMS）传感器的第一元件（40a）和第二元件（40b）之间的隧道电流（42）的系统（90），其中该第一元件和该第二元件相互间隔开，响应于作用于至少该第一元件（40a）的激励，至少该第一元件（40a）相对于该第二元件（40b）是活动的，该系统（90）包括：
隧道电流激励源（50），用于在MEMS传感器（100）的第一元件（40a）和第二元件（40b）之间提供隧道电流（42）；
隧道电流监测器（52），用于监测隧道电流（42）响应于至少该第一元件（40a）相对于该第二元件（40b）的运动而产生的变化；
定位器（86），用于将第一元件（40a）和第二元件（40b）中的至少一个相对于另一个进行定位；以及
与隧道电流监测器（52）进行通信的控制器（88），用于控制定位器（86），以便在第一元件（40a）和第二元件（40b）之间的第一间隔定位第一元件（40a）和第二元件（40b）中的至少一个，从而将该系统（90）构造成参考模式，以及在第二间隔定位第一元件（40a）和第二元件（40b）中的至少一个，从而将该系统构造成检测模式，由此该系统（90）相对于该参考模式进行校准。
2. 根据权利要求1所述的系统（90），其中该参考模式包括参考电流条件。
3. 根据权利要求1所述的系统（90），其中该参考模式包括欧姆导通电流条件。
4. 根据权利要求1所述的系统（90），其中该参考模式包括参考电阻条件。
5. 根据权利要求4所述的系统（90），其中该参考电阻条件包括线性电阻特性。
6. 根据权利要求5所述的系统（90），其中该线性电阻特性包括恒定电阻。
7. 根据权利要求1所述的系统（90），其中该定位器（86）包括静电元件、磁元件、热元件和压电元件中的至少一个。
8. 根据权利要求1所述的系统（90），其中该隧道电流激励源（50）包括：
隧道电极（41b），其被布置在第一元件（40a）和第二元件（40b）中的一个元件上；以及
隧道电流集中元件（41a），其被布置在第一元件（40a）和第二元件（40b）中的相对一个元件上，靠近隧道电极（41b）。
9. 根据权利要求8所述的系统（90），其中该隧道电流集中元件（41a）包括隧道尖端。
10. 根据权利要求8所述的系统（90），其中该控制器（88）包括第一控制电路（92），用于激励定位器（86）来使第一元件（40a）和第二元件（40b）足够靠近，以便将该系统构造在该参考模式中。
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