CN101711348A - 压力计 - Google Patents

Abstract

一种压力/真空传感器和方法，包括：将MEMS压阻式谐振器(8)驱动为谐振；对谐振器(8)施加焦耳加热；以及感测可变参数，所述可变参数响应于MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率(f₀)依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势而变化，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。所述可变参数是谐振器(8)的谐振频率或谐振频率的变化，或可以从反馈回路中得到，例如是感测电流(22)的时间积分信号(82)或读数(94)，所述回路与上述趋势相反地保持谐振频率恒定。参考MEMS电容谐振器(62)可以位于谐振器(8)附近用于补偿。

Description

压力计

技术领域

本发明涉及压力计(也称为压力传感器)。本发明具体适于但不限于用作真空计(或传感器)的压力计(或传感器)。

背景技术

已知压力计(也称为压力传感器，下文中术语“计”和传感器都含有计或传感器的意思)，具体地，真空计。

真空计的一个公知示例是皮拉尼真空计。皮拉尼真空计包括：置于待测环境/气体中的加热元件，以及用于感测加热元件的温度的装置。在环境充当热沉(heat sink)的情况下，从加热元件到环境的热传导性依赖于气压。为加热元件连续地供应恒定的焦耳加热，所述焦耳加热最终与热损耗达到平衡。所得到的元件温度用于指示压力，其中所述元件温度依赖于通常通过测量加热元件上的电压变化而检测到的热损耗，从而取决于压力。

图1示出了皮拉尼计的典型响应曲线2，其中水平轴4是对数尺度上的压力，垂直轴6是信号电压，区域7是响应曲线的最灵敏区域。

现有的皮拉尼计具有以下缺点。这些皮拉尼计受诸如1/f噪声(其中f是噪声谱中的频率)和热噪声等噪声的影响。通过增大感测电流可以提高信号热噪声比，然而功率消耗也随之提高了。此外，使用标准调制技术无法容易地减小1/f噪声，因为典型地使用检测原理中的热传递不可能在设备中调制高频。

EP-A-0330385公开了一种压力计，包括与温度有关的石英振荡器以及与该振荡装置相邻以加热该振荡装置的单独加热装置。

与压力计的领域完全分开，已知微型机电系统(MEMS)谐振器。例如，MEMS压阻式谐振器是一种纵模谐振器，通过静电驱动来产生该纵模谐振器的激励，通过对构成该谐振器的掺杂材料(典型地，硅)进行感测来执行对该谐振器的感测。在WO 2004/053431中描述了这样的MEMS压阻式谐振器，其全部内容通过参考包含在本文中。MEMS压阻式谐振器的谐振频率是与温度有关的。传统地，在MEMS压阻式谐振器领域中，认为这种谐振频率的温度相关性是一种缺点。

发明内容

本发明的发明人认识到，希望提供一种压力计，具体地，真空计，减轻或减少上述缺点，优选地不需要单独的加热装置和感测装置。此外，考虑与压力计完全分开的领域，本发明的发明人还认识到，传统地被看作是缺点的MEMS压阻式谐振器的特征(即，谐振频率的温度相关性)令人惊讶地可以用来对提供一种新型压力计带来有利效果。

在第一方面，本发明提供了一种压力感测方法，该方法包括：将MEMS压阻式谐振器驱动为谐振；对MEMS压阻式谐振器施加焦耳加热；以及感测可变参数，所述可变参数响应于MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势而变化，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

所述可变参数可以是MEMS压阻式谐振器的谐振频率或MEMS压阻式谐振器的谐振频率的变化。

所述可变参数可以是从反馈回路中得到的，所述反馈回路被布置为与MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势相反向MEMS压阻式谐振器提供变化的感测电流以保持谐振频率恒定，所述MEMS压阻式谐振器的温度依赖于压力。

所述可变参数可以是反馈回路中在时间上积分的反馈信号。

所述可变参数可以是与MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势相反变化以保持谐振频率恒定的感测电流的分量，所述MEMS压阻式谐振器的温度依赖于压力。

该方法还可以包括：驱动MEMS压阻式谐振器附近的参考MEMS电容谐振器，以及利用参考MEMS电容谐振器的输出来补偿感测的可变参数。

可以使所述感测电流变化，以保持MEMS压阻式谐振器的谐振频率与参考MEMS电容谐振器的谐振频率相同。

所述参考MEMS电容谐振器可以被布置为与MEMS压阻式谐振器相邻。

所述参考MEMS电容谐振器可以在结构上与MEMS压阻式谐振器相同。

所述参考MEMS电容谐振器可以被集成在与MEMS压阻式谐振器的衬底相同的衬底上。

所述感测的压力可以是真空压力。

所述感测的压力可以是MEMS的微腔内的压力，所述MEMS压阻式谐振器可以被集成在该微腔内。

在另一方面，本发明提供了一种压力传感器，包括：MEMS压阻式谐振器；以及用于确定可变参数的装置，所述可变参数响应于MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势而变化，所述MEMS压阻式谐振器的温度依赖于压力。

用于确定可变参数的所述装置可以包括用于测量MEMS压阻式谐振器的谐振频率或MEMS压阻式谐振器的谐振频率的变化的频率计数器。

用于确定可变参数的所述装置可以包括反馈回路，所述反馈回路被布置为与MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势相反向MEMS压阻式谐振器提供变化的感测电流以保持谐振频率恒定，所述MEMS压阻式谐振器的温度依赖于压力。

所述可变参数可以是反馈回路中在时间上积分的反馈信号。

所述可变参数可以是与MEMS压阻式谐振器的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器的温度的趋势相反变化以保持谐振频率恒定的感测电流的分量，所述MEMS压阻式谐振器的温度依赖于压力。

该压力传感器还可以包括：参考MEMS电容谐振器，位于MEMS压阻式谐振器附近，被布置为利用参考MEMS电容谐振器的输出来补偿感测的可变参数。

所述感测电流可以变化以保持MEMS压阻式谐振器的谐振频率与参考MEMS电容谐振器的谐振频率相同。

所述参考MEMS电容谐振器可以被布置为与MEMS压阻式谐振器相邻。

所述参考MEMS电容谐振器可以在结构上与MEMS压阻式谐振器相同。

所述参考MEMS电容谐振器可以被集成在与MEMS压阻式谐振器的衬底相同的衬底上。

在另一方面，本发明提供了一种包括根据上述可能性中任一可能性的压力传感器的真空传感器。

在另一方面，本发明提供了一种MEMS，包括：微腔；以及根据上述可能性中任一可能性的压力或真空传感器；其中，所述压力或真空传感器的MEMS压阻式谐振器被集成在微腔中。

本发明的以上方面旨在提供以下优点中的一个或更多个。

读数可以不受1/f噪声影响，并且与传统压力传感器相比受热噪声影响更小。

可以在单个芯片上集成完整的压力计或真空计，从而提供高效的制造、潜在的低成本、以及紧凑的尺寸。

由于可能存在更高的信噪比而使得感测电流可以更低，所以与传统的皮拉尼计相比，可以使用更低的功率。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了皮拉尼计的典型响应曲线；

图2是MEMS压阻式谐振器的示意性三维图示(不是按比例绘制的)；

图3示出了相关性曲线；

图4示出了使用MEMS压阻式谐振器进行的压力测量；

图5是示出了压力传感器配置的细节的简化电路图/框图；

图6是MEMS压阻式谐振器配置的示意性二维图示(不是按比例绘制的)；

图7是示出了压力传感器配置的细节的简化电路图/框图；

图8是示出了压力传感器配置的特定细节的简化电路图/框图；以及

图9是示出了压力传感器配置的特定细节的简化电路图/框图。

具体实施方式

首先将描述在皮拉尼计中采用的原理的特定方面，这有助于理解下文将描述的本发明的实施例。

皮拉尼计的一般结构包括：与环境良好地热绝缘的加热元件(在该元件与其环境之间必须存在一些空气空间)，以及用于感测该加热元件的温度的装置。从加热元件到热沉(环境)的导热率k依赖于气压p，并且可以写成：

$k\left(p\right)=k_{\mathrm{solid}}+k_{\mathrm{gas}}(\∞)\left(\frac{p/p_0}{1+p/p_0}\right)---\left(1\right)$

其中，k_solid是加热元件固体部分(例如将加热元件固定到设备框架或电连接的部分)的导热率，并且k_solid不依赖于压力；k_gas(∞)是非常高压的气体的导热率，p₀是经验转变压力(empirical transition pressure)，在p₀处导热率不再对压力敏感。连续地为加热元件提供焦耳加热Q_joule：

Q_joule＝RI²t＝R₀(1+αΔT)I²t    (2)

同时向环境中连续地损失热量(Q_loss)：

$Q_{\mathrm{loss}}=\frac{\mathrm{\ΔTk}\left(p\right)\mathrm{At}}{d}---\left(3\right)$

其中，R0是室温的电阻，ΔT是元件温度与室温之差，α是电阻率的热系数，d是加热元件与热沉之间的距离，A是元件面对热沉的表面面积，t是时间。

温度升高ΔT与总热能之间的关系是：

Q_joule-Q_loss＝CΔT              (4)

其中C是元件的热容。

对上述方程求解ΔT并考虑平衡状态，在所述平衡状态下，t→∞，元件温度与压力有关：

$\underset{t\→\∞}{\lim }\mathrm{\ΔT}=\frac{R_0{I}^2}{[k_{\mathrm{solid}}+k_{\mathrm{gas}}(\∞)\left(\frac{p/p_0}{1+p/p_0}\right)]\frac{A}{d}-\mathrm{\α}{R}_0{I}^2}---\left(5\right)$

在皮拉尼计中，温度差ΔT用作压力的指示。通常，在向元件提供恒定电流时，通过测量加热元件上的电压变化(其线性依赖于ΔT)，来检测ΔT。对应对数尺度的压力绘制信号时，典型地得到图1所示的反S形状的曲线，该曲线良好地满足方程(5)。

图2是用于压力计的实施例中的MEMS压阻式谐振器8的示意性三维图示(不是按比例绘制的)。MEMS压阻式谐振器8是纵模硅谐振器。MEMS压阻式谐振器8由掺杂硅制成。在本实施例中，MEMS压阻式谐振器8包括第一锚件9和第二锚件10。锚件9、10将MEMS压阻式谐振器8的别的独立式结构连接至衬底(未示出)。MEMS压阻式谐振器8还包括四个梁(也称为弹簧)，即，第一梁11、第二梁12、第三梁13、以及第四梁14。MEMS压阻式谐振器8还包括两个头(也称为谐振器质量块或简称质量块)，即，第一头16和第二头17。如下所述，每个梁附着到锚件之一和头之一，或在锚件之一与头之一之间延伸。第一梁11附着到第一锚件9和第一头16或在第一锚件9与第一头16之间延伸。第二梁12附着到第二锚件10和第一头16或在第二锚件10与第一头16之间延伸。第三梁13附着到第一锚件9和第二头17或在第一锚件9与第二头17之间延伸。第四梁14附着到第二锚件10和第二头17或在第二锚件10与第二头17之间延伸。在本实施例中，梁都是直的或至少实质上直的，并且是平行的。此外，在本实施例中，第一和第二梁11、12与第三和第四梁13、14(相对于锚件9、10)对称或至少实质上对称。

MEMS压阻式谐振器8还包括两个驱动电极，即，第一电极18和第二电极19。第一电极18位于第一头16距梁最远的那端，在第一电极18与第一头16的该端之间有第一间隙20。第二电极19位于第二头17距梁最远的那端，在第二电极19与第二头17的该端之间有第二间隙21。

在操作中，通过静电驱动来产生谐振器的激励，利用掺杂硅梁的压阻效应来执行感测。更详细地，向电极18、19施加AC电压和DC电压以驱动谐振器结构谐振。如图2所示，经由锚件9、10通过形成谐振器臂的梁11、12、13、14来发送感测电流22。借助于掺杂硅的压阻效应，可以通过测量梁11、12、13、14的电阻变化来检测梁的谐振。由于焦耳加热，梁11、12、13、14略微比环境热。由于梁11、12、13、14和头16、17悬挂在衬底上方，所以使传导热损耗最小。梁11、12、13、14的温度依赖于电流所提供的热量与通过锚件9、10损耗的以及由于谐振器与环境之间的气体对流而损耗的热量之间的竞争。

硅MEMS压阻式谐振器，如上述MEMS压阻式谐振器8，具有传统地被视为缺点的特性：它们的谐振频率是与温度有关的。然而在本发明中，通过使用谐振频率偏移作为梁11、12、13、14的温度的指示符，从而还用作MEMS压阻式谐振器8周围环境中气压的指示符，这一特性被用来提供压力计。

本发明的发明人进行以下分析，以使用上述原理得到合适的实现方式。

由以下方程来限定纵模谐振器的谐振频率：

$f_0=\sqrt{\frac{w}{16L(\mathrm{Lw}+A)}}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(6\right)$

其中，L是梁长度；w是梁宽度，A是头之一的面积，E是材料(这里是硅)的杨氏模量，ρ是材料(这里是硅)的密度。L、w、A、E和ρ的值都与温度有关，其中对于硅来说E的温度相关性是主要的：

E＝E₀(1+α_EΔT)；L＝L₀(1+α_LΔT)；ρ＝ρ₀(1+α_ρΔT)；(7)

谐振频率的温度相关性可以被近似为：

$f_0^2\≈\frac{w_0}{16(L_0{w}_0+A_0)}\frac{E_0(1-{\mathrm{\α}}_E\mathrm{\ΔT})}{{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(8\right)$

将方程(8)和(5)组合，组合了谐振频率的温度相关性。在图3中示出了通过组合方程(5)和(8)得到的相关性曲线32，其中水平轴34是对数尺度的压力，垂直轴36是谐振频率，区域37是相关性曲线32的最灵敏区域。如图3所示，当以对数尺度绘制压力时，相关性曲线32具有反S形状。

图4示出了使用根据本发明的MEMS压阻式谐振器并且采用3mA感测电流而进行的压力测量。(随后在下文中参考图4给出了测量设备的其他细节)。更具体地，图4示出了通过测量点43而绘制的测量相关性曲线42，其中水平轴44是对数尺度的压力(以mbar为单位)，垂直轴46是谐振频率(以Hz为单位)，区域47是测量相关性曲线42的最灵敏区域。测量相关性曲线42仅延伸到100mbar的压力，然而到这里测量相关性曲线42仍遵循预测相关性曲线32，可以预期的是，如果在更高压力下可以测量，则将显示出区域47可以延伸到大约几百mbar，此后随着后来S形特性向内弯灵敏度响应下降。此外，即使仅考虑针对图4而实现的测量，也存在大约350ppm(百万分之)的最大频率变化，这容易用在谐振器频率变化的领域中。

图5是示出了使用上述MEMS压阻式谐振器8的压力传感器配置50的进一步细节的简化电路图/框图。压力传感器配置50包括布置在具有集成放大器52的反馈回路中的上述MEMS压阻式谐振器8。MEMS压阻式谐振器8和集成放大器52一起提供振荡电路54，所述振荡电路54的振荡频率f₀(p)如上所述随压力而变化。振荡电路54还包括电流源53和电容器55。电流源提供如上所述流经MEMS压阻式谐振器8的梁的感测电流22。电容器55阻止感测电流22进入振荡电路的RF信号回路。

压力传感器配置50还包括与振荡电路54串联的数字频率计数器56、以及与数字频率计数器56的输出串联的处理器58。数字频率计数器56确定频率f₀(p)的值，并将该频率值的表示转发至处理器58。利用从以上参考图3至4描述的各种响应特性得到的频率/压力特性来对处理器58预编程。处理器58与预编程的频率/压力特性相关地处理数字频率值，以提供表示所确定的压力值的输出59。

根据所考虑的环境，可以根据需要或需求将输出59馈送至其他设备。例如，可以将输出59馈送至显示器，以使得可以显示该压力值，或以其他方式指示。备选地，或此外，可以将输出59馈送至自动测试设备或控制设备，在所述自动测试设备或控制设备中分别地将感测的压力读数用作测试输入参数或用作控制输入变量。

另一可能情况是，由处理器58来执行的一些或全部处理，或者由数字频率计数器56和处理器58来执行的一些或全部处理，可以代替地由最终使用设备的一部分(如，显示器和/或控制设备)来执行。在这些情况下，振荡电路54自身或振荡电路54与数字频率计数器56相结合来分别表示压力传感器元件或压力传感器。

在上述实施例中，由数字频率计数器56来对频率进行计数。然而，在其他实施例中，可以由任何其他合适的设备(例如，锁相频率计数器或外差频率计数器)来计数或确定频率。

上述实施例可能受到对环境温度的相关性的影响。因此，在进一步的实施例中包括温度传感器，优选地，与MEMS压阻式谐振器一起在“片上”，并且提供一种可以基于温度传感器的输出来进行温度校正的电路。该电路可以作为处理器58的一部分，或可以是单独的模块。

上述实施例中可能受到的影响是：由于材料和/或制造工艺的变化，MEMS压阻式谐振器8的谐振频率因设备的不同而不同。利用传统的校准处理可以减轻这种问题。

现在将描述另一实施例，该实施例旨在减轻或去除上面两段中提到的限制的影响，即，环境温度相关性和材料/制造变化。以下实施例的基本方法可以用于上述任何实施例或其变体。

图6是MEMS压阻式谐振器配置60的示意性二维图示(不是按比例绘制的)。MEMS压阻式谐振器配置60包括：与先前实施例中所述的MEMS压阻式谐振器类型相同的MEMS压阻式谐振器8(并且在图6中，采用与图2中相同的参考数字来指示相同的项目)，以及另外的集成MEMS谐振器，更具体地，电容谐振器。在与MEMS压阻式谐振器8相同的衬底上形成该电容谐振器，优选地，该电容谐振器位于MEMS压阻式谐振器8的旁边。该电容谐振器起到参考谐振器62的作用。

参考谐振器62旨在减小或去除任何环境温度相关性和/或设备之间的变化。以类似于MEMS压阻式谐振器8的结构，优选地，采用MEMS压阻式谐振器8的复制品，来制造参考谐振器62。这样，参考谐振器62包括第一锚件109和第二锚件110。锚件109、110将参考谐振器62的别的独立式结构连接至衬底(未示出)，即，与MEMS压阻式谐振器8的衬底相同的衬底。参考谐振器62还包括四个梁(也称为弹簧)，即，第一梁111、第二梁112、第三梁113以及第四梁114。参考谐振器62还包括两个头(也称为谐振器质量块或简称质量块)，即，第一头116和第二头117。如下所述，每个梁附着到锚件之一和头之一，或在锚件之一与头之一之间延伸。第一梁111附着到第一锚件109和第一头116或在第一锚件109与第一头116之间延伸。第二梁112附着到第二锚件110和第一头116或在第二锚件110与第一头116之间延伸。第三梁113附着到第一锚件109和第二头117或在第一锚件109与第二头117之间延伸。第四梁114附着到第二锚件110和第二头117或在第二锚件110与第二头117之间延伸。在本实施例中，梁都是直的或至少实质上直的，并且是平行的。此外，在本实施例中，第一和第二梁111、112与第三和第四梁113、114(相对于锚件109、110)对称或至少实质上对称。

在操作中，如上述实施例中一样为MEMS压阻式谐振器8提供感测电流22。然而，没有电流通过参考谐振器62的梁111、112、113、114，而是代替地是利用电极118、119与谐振器质量块-梁结构(由梁111、112、113、114和头116、117形成的)之间的电容变化来感测振动。由于没有感测电流通过梁111、112、113、114，所以梁111、112、113、114保持在环境温度。因此，参考谐振器62的谐振频率几乎与压力无关，并且仅依赖于环境温度。通过将用作感测谐振器的MEMS压阻式谐振器8的谐振频率与参考谐振器62的谐振频率相比较，可以提取压力信息，同时可以消除或至少减小环境温度和制造工艺变化的影响。由于两个设备(MEMS压阻式谐振器8和参考谐振器62)彼此之间的接近性意味着尺寸变化或不精确性应当是相同的(或至少比其他情况下彼此更相近)，所以导致后者减小。出于公共响应的原因，MEMS压阻式谐振器8和参考谐振器62优选地彼此尺寸相同。

图7是示出了使用上述MEMS压阻式谐振器8和参考谐振器62的组合的压力传感器配置70的其他细节的简化电路图/框图。压力传感器配置70包括布置在具有集成放大器72的反馈回路中的上述MEMS压阻式谐振器8。MEMS压阻式谐振器8和集成放大器72一起提供如上所述振荡频率f₀(p)随压力变化的感测振荡电路74。为了附图清楚的目的，仅以简化的示意性形式示出了感测振荡电路74，并未在图7中示出与感测振荡电路74相关联的其他方面，如与图5所示的电流源53和电容器55相对应的电流源和电容器，尽管这样的元件实际上是根据需要而存在的。此外，出于相同原因，以简化的示意性形式示出了至/自MEMS压阻式谐振器8和集成放大器72的连接，而没有涉及梁等的准确细节。

压力传感器配置70还包括布置在具有集成放大器76的反馈回路中的上述参考谐振器62。参考谐振器62和集成放大器76一起提供如上所述振荡频率f_ref不随压力变化的参考振荡电路78。同样，为了附图清楚的目的，在图7中并未示出与参考振荡电路78有关的其他方面，如与图5所示的电流源53和电容器55相对应的电流源和电容器，尽管这样的元件实际上是根据需要而存在的。此外，出于相同原因，以简化的示意性形式示出了至/自参考谐振器62和集成放大器76的连接，而没有涉及梁等的准确细节。

压力传感器配置70还包括混频器80。将感测振荡电路74和参考振荡电路78布置为使得它们的输出信号(具有频率f_ref和f₀(p))分别被馈送至混频器80，在混频器80中将这些信号混频。由于两个谐振频率彼此相近，所以在混频器的输出中出现等于差值f_ref-f₀(p)的低频分量以及等于f_ref+f₀(p)的高频分量。

压力传感器配置70还包括与混频器80的输出串联的高通滤波器82。高通滤波器82提取低频分量f_ref-f₀(p)，并提供该低频分量f_ref-f₀(p)作为输出。

压力传感器配置70还包括与高通滤波器82的输出串联的数字频率计数器84、以及与数字频率计数器84的输出串联的处理器86。数字频率计数器84确定低频分量f_ref-f₀(p)的值，并将该频率值的表示转发至处理器86。利用从以上参考图3和4描述的各种响应特性得到的频率/压力特性、以及从参考谐振器62的特性得到的补偿值，来对处理器86预编程。处理器86与预编程的频率/压力/参考特性相关地对该数字频率值进行处理，以提供表示所确定的压力值的输出88。

根据所考虑的环境，可以根据需要或需求将输出88馈送至其他设备。例如，可以将输出88馈送至显示器以使得可以显示该压力值，或以其他方式指示。备选地，或此外，可以将输出88馈送至控制设备，在所述控制设备中使用感测的压力读数作为控制输入变量。

另一可能性是，由处理器86、频率计数器84、高通滤波器82以及混频器80当中的任何一个来执行的一些或所有处理可以代替地由最终使用设备(如，显示器和/或控制设备)来执行。在这些情况下，感测振荡电路74和参考振荡电路78的组合，或振荡电路74和78与混频器80、高通滤波器82、频率计数器84、以及处理器86当中的任何一个和多个相组合，表示压力传感器，其中所述组合的处理并不是由这样的最终使用设备来执行的。

在上述实施例中，由数字频率计数器84来对频率进行计数。然而在其他实施例中，可以由任何其他合适的设备(例如锁相频率计数器或外差频率计数器)来计数或确定频率。

对于完整性，注意到电容谐振器的谐振频率f_ref通过不同机制略微依赖于压力，这仅出现在高压范围下。这是因为在梁之间的间隙中的薄空气层起到附加弹簧的作用，所述附加弹簧的弹簧常数依赖于压力。然而，这种相关性与压阻情况相比是非常小的，并且由于这种机制还存在于MEMS压阻式谐振器8中使得这种相关性无论如何被有效地全部抵销。

在上述实施例中，感测并处理谐振频率的变化，以提供最终的与压力相关的输出。在以下参考图8和9描述的其他实施例中，压力传感器被布置为以另外的反馈模式工作，在所述另外的反馈模式下，通过以下方式来使谐振频率保持恒定：测量频率，以及使用所测量的频率提供反馈信号以改变感测电流22从而例如使保持频率不变。可以从该反馈信号(如在以下参考图8所描述的实施例的情况下)或从感测电流22的DC分量(如在以下参考图9所描述的实施例的情况下)确定MEMS压阻式谐振器8的温度以及从而确定环境的压力。

图8是示出了使用上述MEMS压阻式谐振器8的压力传感器配置80的另一实施例的特定细节的简化电路图/框图。压力传感器配置80包括布置在具有集成放大器52的反馈回路中的上述MEMS压阻式谐振器8。MEMS压阻式谐振器8和集成放大器52一起提供振荡电路54，所述振荡电路54的振荡频率f₀倾向于如上所述随压力而变化，然而在本实施例中被下述另外的反馈回路保持在f₀(或某一其他固定值)。振荡电路54还包括电流源53和电容器55。电流源提供如上所述流经MEMS压阻式谐振器8的梁的感测电流22。电容器55阻止感测电流22进入振荡电路的RF信号回路。

压力传感器配置50还包括与振荡电路54串联的数字频率计数器56、以及与数字频率计数器56的输出串联的处理器58。数字频率计数器56确定振荡电路54谐振时的频率值。在数字频率计数器56与电流源53之间提供上述另外的反馈回路，以便将反馈信号82馈送至电流源53。电流源53改变其输出使得感测电流22变化以保持振荡电路54的谐振频率恒定而与变化的压力无关。反馈信号82是数字频率计数器56的输出。在本实施例中，还将反馈信号82转发至处理器58。处理器58包括用于在时间上对反馈信号82进行积分以提供积分反馈信号的积分电路。(在其他实施例中，可以在频率计数器56与处理器58之间提供单独的积分电路。)利用从以上参考图3和4描述的各种响应特性以及压力传感器配置80的反馈电路得到的积分反馈信号/压力特性来对处理器58预编程。处理器58与预编程的积分反馈信号/压力特性相关地对积分反馈信号82进行处理，以提供表示所确定的压力值的输出59。

根据所考虑的环境，可以根据需要或需求将输出59馈送至其他设备。例如，可以将输出59馈送至显示器，以使得可以显示该压力值，或以其他方式指示。备选地，或此外，可以将输出59馈送至自动测试设备或控制设备，在所述自动测试设备或控制设备中分别地将感测的压力读数用作测试输入参数或用作控制输入变量。

另一可能情况是，由处理器58来执行的一些或全部处理可以代替地由最终使用设备的一部分(如，显示器和/或控制设备)来执行。

在上述实施例中，由数字频率计数器56来对频率进行计数。然而，在其他实施例中，可以由任何其他合适的设备(例如，锁相频率计数器或外差频率计数器)来计数或确定频率。

基于图8配置的上述实施例可能受到对环境温度的相关性的影响。因此，在进一步的实施例中包括温度传感器，优选地，与MEMS压阻式谐振器8一起在“片上”，并且提供一种可以基于温度传感器的输出来进行温度校正的电路。该电路可以作为处理器58或数字频率计数器56的一部分，或可以是单独的模块。

基于图8配置的上述实施例中可能受到的影响是：由于材料和/或制造工艺的变化，MEMS压阻式谐振器8的谐振频率因设备的不同而不同。利用传统的校准处理可以减轻这种问题。

在基于图8配置的其他实施例中，压力传感器配置80可以适于使用与以上参考图7描述的实施例相对应的形式的参考谐振器。在这种情况下，将从图7的混频器、滤波器以及频率计数器得到的信号馈送至电流源中，以使MEMS压阻式谐振器8的频率与参考谐振器的频率相同。

图9是示出了使用上述MEMS压阻式谐振器8的压力传感器配置90的另一实施例的特定细节的简化电路图/框图。压力传感器配置90包括布置在具有集成放大器52的反馈回路中的上述MEMS压阻式谐振器8。MEMS压阻式谐振器8和集成放大器52一起提供振荡电路54，所述振荡电路54的振荡频率f₀倾向于如上所述随压力而变化，然而在本实施例中被下述另外的反馈回路保持在f₀(或某一其他固定值)。振荡电路54还包括电流源53、电容器55和电流计92。电流源提供由振荡电路54控制的电流以提供如上所述流经MEMS压阻式谐振器8的梁的感测电流22。电容器55阻止感测电流22进入振荡电路的RF信号回路。

压力传感器配置90还包括与振荡电路54串联的数字频率计数器56、以及与电流计92的输出串联的处理器96。数字频率计数器56确定振荡电路54谐振时的频率值。在数字频率计数器56与电流源53之间提供上述另外的反馈回路，以便将信号82馈送至电流源53。电流源53改变其输出使得感测电流22变化以保持振荡电路54的谐振频率恒定而与变化的压力无关。反馈信号82是数字频率计数器56的输出。在本实施例中，还将电流计92所测量的感测电流22的DC分量以及DC电流读数94转发至处理器96。利用从以上参考图3和4描述的各种响应特性以及压力传感器配置90的反馈电路得到的感测电流/压力特性来对处理器96预编程。处理器96与预编程的感测电流/压力特性相关地对DC电流读数94进行处理，以提供表示所确定的压力值的输出59。

根据所考虑的环境，可以根据需要或需求将输出59馈送至其他设备。例如，可以将输出59馈送至显示器，以使得可以显示该压力值，或以其他方式指示。备选地，或此外，可以将输出59馈送至自动测试设备或控制设备，在所述自动测试设备或控制设备中分别地将感测的压力读数用作测试输入参数或用作控制输入变量。

另一可能情况是，由处理器96来执行的一些或全部处理可以代替地由最终使用设备的一部分(如，显示器和/或控制设备)来执行。

在上述实施例中，由数字频率计数器56来对频率进行计数。然而，在其他实施例中，可以由任何其他合适的设备(例如，锁相频率计数器或外差频率计数器)来计数或确定频率。

基于图9配置的上述实施例可能受到对环境温度的相关性的影响。因此，在进一步的实施例中包括温度传感器，优选地，与MEMS压阻式谐振器8一起在“片上”，并且提供可以基于温度传感器的输出来进行温度校正的电路。该电路可以作为处理器96或数字频率计数器56的一部分，或可以是单独的模块。

基于图9配置的上述实施例中可能受到的影响是：由于材料和/或制造工艺的不同，MEMS压阻式谐振器8的谐振频率因设备的不同而不同。利用传统的校准处理可以减轻这种问题。

在基于图9配置的其他实施例中，压力传感器配置90可以适于使用与以上参考图7描述的实施例相对应的形式的参考谐振器。在这种情况下，将从图7的混频器、滤波器以及频率计数器得到的信号馈送至电流源中，以使MEMS压阻式谐振器8的频率与参考谐振器的频率相同。

在任何合适的应用或环境中，可以将上述实施例的压力传感器全都用作一般压力传感器和/或真空计。

使用上述压力传感器的一个具体优点是构建这样的传感器作为包括薄膜微腔在内的MEMS设备的一部分，需要所述微腔内具有良好质量的真空。作为MEMS制造工艺的一部分，可以在微腔内制造根据上述实施例中任一实施例的压力传感器。然后，例如作为在微腔MEMS制造工艺期间或在微腔MEMS的操作期间的测试的一部分，所述压力传感器可以根据需要来提供原位读数。微腔MEMS是公知的，参见例如US 7,029,829和WO 2006/081636，其全部内容通过引用包含在本文中。

所有上述实施例都使用如以上参考图2描述的MEMS压阻式谐振器。然而，在其他实施例中MEMS压阻式谐振器的材料和组成可以不同。例如，MEMS压阻式谐振器不需要是“狗骨”形状的，其中头的宽度可以与梁所占用的总宽度相同。此外，可以利用替代的结构来替换梁和锚件。此外，可以使用比以上所述对称性更低的MEMS压阻式谐振器，例如，可以仅在锚件的一侧存在头和梁。此外，可以使用完全不同形状的MEMS谐振器，例如，在四个边上伸长和缩短的方盘，或圆周可以伸长或缩短的圆，等等。

以上针对上述实施例描述了各种特定读出和测量处理电路和配置。然而，在其他实施例中，可以采用任何其他合适形式的读出和测量处理电路和配置。例如，可以使用(或进一步使用)差分技术，例如，确定谐振频率变化而不是谐振频率值本身。其他可能性包括：值的时间平均、数字至模拟转换、模拟至数字转换、等等。

在上述实施例中，仅使用一个压力感测MEMS压阻式谐振器(在具有或不具有参考谐振器的情况下)来提供给定的压力感测配置。然而，在其他实施例中，可以使用多于一个的压力感测MEMS压阻式谐振器(在具有或不具有参考谐振器的情况下)来提供给定的压力感测配置。可以以任何合适的形式将来自这样的多个压力感测MEMS压阻式谐振器的读数相组合，以提供总压力输出。例如，可以对不同的读数求平均。可以在最终压力指示输出上或在任何中间确定点上(如，感测谐振器频率确定)执行任何这种对输出的组合。在使用参考谐振器的这些实施例中，因此也可以提供多个参考谐振器，例如，针对每个感测MEMS压阻式谐振器提供一个参考谐振器，或针对每对感测MEMS压阻式谐振器提供一个参考谐振器。

在使用参考谐振器的上述实施例中，参考谐振器可以位于感测MEMS压阻式谐振器的旁边，并且被制造成尽可能地相同。然而，在其他实施例中，参考谐振器可以位于除了位于感测MEMS压阻式谐振器的旁边的位置以外的其他位置，和/或可以与感测MEMS压阻式谐振器不同地构造参考谐振器。在这些情况下，其他的优点是例如：可以提高制造产量，同时仍然实现对温度变化和/或制造变化的有利程度的补偿，尽管潜在地采用较低程度的补偿。

在使用参考谐振器的上述实施例中，例如在图7中描述了多种特定的读出和测量处理电路和配置。然而，在其他实施例中，可以采用任何其他合适形式的读出和测量处理电路和配置，以利用使用参考谐振器提供的补偿行为。

在使用参考谐振器的上述实施例中，仅使用一个参考谐振器(除了以上简要讨论的、存在多个感测MEMS压阻式谐振器的特定示例之外)。然而，在其他实施例中，即使当仅存在一个感测MEMS压阻式谐振器时，也可以在给定的压力传感器配置中使用多个参考谐振器。可以以任何合适的形式来组合多个参考谐振器的参考特性。这给出了更精确补偿的潜在可能。这在以下实施例中是尤其有利的：在该实施例中，在感测MEMS压阻式谐振器的旁边布置一对参考谐振器，其中将这对参考谐振器中的第一谐振器置于感测MEMS压阻式谐振器的一侧(就衬底平面而言)，而将这对参考谐振器中的第二谐振器置于感测MEMS压阻式谐振器的另一侧(就衬底平面而言)，即，穿过图6所示的页面。采用这种配置，提供了对横跨感测MEMS压阻式谐振器(就衬底平面而言)而发生的任何温度变化和/或工艺变化的补偿的平均。以相应的形式，可以在感测MEMS压阻式谐振器上方或下方(就衬底平面而言)另外地或代替地提供两个参考谐振器，从而提供对从衬底顶部到底部(就衬底平面而言)(即，从图6页面的顶部到底部)发生的任何温度变化和/或工艺变化的补偿的平均。

上述实施例旨在提供以下优点当中的一个或更多。

读数可以不受1/f噪声影响，或者与传统压力传感器相比受热噪声影响更小。

通过在单个芯片上集成感测谐振器、任何参考谐振器、以及其他电子设备，可以制造完整的压力计或真空计，从而提供高效的制造、潜在的低成本、以及紧凑的尺寸。

由于更高的信噪比而使得感测电流可以更低，所以与传统的皮拉尼计相比，可以使用低功率。

可以在MEMS微腔内原位提供压力计。

Claims (24)

1.一种压力感测方法，该方法包括：

将MEMS压阻式谐振器(8)驱动为谐振；

对MEMS压阻式谐振器(8)施加焦耳加热；以及

感测可变参数，所述可变参数响应于MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势而变化，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可变参数是MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率或MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率的变化。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可变参数是从反馈回路中得到的，所述反馈回路被布置为与MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势相反地向MEMS压阻式谐振器(8)提供变化的感测电流(22)，以保持谐振频率恒定，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述可变参数是反馈回路中在时间上积分的反馈信号(82)。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述可变参数是与MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势相反变化以保持谐振频率恒定的感测电流(22)的分量(94)，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：驱动位于MEMS压阻式谐振器(8)附近的参考MEMS电容谐振器(62)，以及利用参考MEMS电容谐振器(62)的输出来补偿感测的可变参数。

7.根据引用权利要求3的权利要求6所述的方法，其中，使所述感测电流(22)变化，以保持MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率与参考MEMS电容谐振器(62)的谐振频率相同。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)被布置为与MEMS压阻式谐振器(8)相邻。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)在结构上与MEMS压阻式谐振器(8)相同。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)被集成在与MEMS压阻式谐振器(8)的衬底相同的衬底上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所感测的压力是真空压力。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述感测的压力是MEMS的微腔内的压力，所述MEMS压阻式谐振器(8)被集成在该微腔内。

13.一种压力传感器，包括：

MEMS压阻式谐振器(8)；以及

用于确定可变参数的装置，所述可变参数响应于MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势而变化，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

14.根据权利要求13所述的压力传感器，其中，用于确定可变参数的所述装置包括用于测量MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率或MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率的变化的频率计数器(56)。

15.根据权利要求13所述的压力传感器，其中，用于确定可变参数的所述装置包括反馈回路，所述反馈回路被布置为与MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势相反地向MEMS压阻式谐振器(8)提供变化的感测电流(22)，以保持谐振频率恒定，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

16.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，所述可变参数是反馈回路中在时间上积分的反馈信号(82)。

17.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，所述可变参数是与MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率依赖MEMS压阻式谐振器(8)的温度的趋势相反地变化以保持谐振频率恒定的感测电流(22)的分量(94)，所述MEMS压阻式谐振器(8)的温度依赖于压力。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的压力传感器，还包括：参考MEMS电容谐振器(62)，位于MEMS压阻式谐振器(8)附近，并被布置为利用参考MEMS电容谐振器(62)的输出来补偿感测的可变参数。

19.根据引用权利要求15的权利要求18所述的压力传感器，其中，所述感测电流(22)变化以保持MEMS压阻式谐振器(8)的谐振频率与参考MEMS电容谐振器(62)的谐振频率相同。

20.根据权利要求18或19所述的压力传感器，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)被布置为与MEMS压阻式谐振器(8)相邻。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的压力传感器，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)在结构上与MEMS压阻式谐振器(8)相同。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的压力传感器，其中，所述参考MEMS电容谐振器(62)被集成在与MEMS压阻式谐振器(8)的衬底相同的衬底上。

23.一种包括根据权利要求13至22中任一项所述的压力传感器的真空传感器。

24.一种MEMS，包括：

微腔；以及

根据权利要求13至23中任一项所述的压力或真空传感器；

其中，所述压力或真空传感器的MEMS压阻式谐振器(8)被集成在微腔中。

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