CN107003161A - 用于传感器校准的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于具有至少一个传感器的MEMS器件的装置和方法。热元件邻近MEMS器件设置，以选择性地调节MEMS器件的温度。对于传感器启动校准操作，以基于该温度确定将要应用于传感器测量的校正值。校正值被存储。

Description

用于传感器校准的装置和方法

技术领域

本发明一般涉及微机电系统(MEMS)器件，并且更具体地涉及在MEMS器件中的传感器的校准。

背景技术

使用各种半导体制造工艺形成MEMS器件。MEMS器件可以具有固定的和可移动的部分。MEMS器件可以包括一个或更多个MEMS传感器。MEMS传感器需要针对一个或更多个参数进行校准。MEMS器件有时可能会受到不期望的外部影响。有时，不期望的外部影响可能使得MEMS传感器的校准不太可靠或者在某些情况下不可用。进一步地，外部影响可能基于MEMS器件所受到的环境而改变。定期校准MEMS器件中的MEMS传感器的一个或更多个参数可能是有益的。

考虑到这些需要，出现了本公开。已经提供了该简要概述，以便可以迅速地理解本公开的性质。通过参考以下结合附图对本公开的各种实施例的详细描述，可以获得对本公开的更完整的理解。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种具有MEMS器件的装置，该MEMS器件具有至少一个传感器。热元件邻近MEMS器件设置以选择性地调节MEMS器件的温度。

在又一实施例中，公开了一种方法。该方法包括提供具有至少一个传感器的MEMS器件。热元件邻近MEMS器件设置。热元件被选择性地激励以调节MEMS器件的温度。启动用于传感器的校准操作，以基于温度确定将要应用于传感器测量的校正值。校正值被存储。

提供该简要概述，以便可以迅速地理解本公开的性质。通过参考下面结合附图对本公开的优选实施例的详细描述，可以获得对本公开的更完整的理解。

附图说明

参照附图描述几个实施例的前述和其它特征。在附图中，相同的部件具有相同的参考标号。所示实施例旨在说明而不是限制本发明。附图包括以下内容：

图1示出根据本公开的一个方面的具有MEMS器件的示例性装置；

图2示出根据本公开的另一方面的具有MEMS器件的另一示例性装置；

图3示出根据本公开的又一方面的具有MEMS器件的又一示例性装置；

图4A示出根据本公开的一个方面的热元件的示例性配置；

图4B示出根据本公开的一个方面的热元件的另一示例性配置；

图5示出根据本公开的另一方面的示例性主机装置；

图6示出根据本公开的一个方面的示出偏移和温度之间的关系的示例性曲线图；

图7示出根据本公开的一个方面的第一示例性MEMS器件；以及

图8示出根据本公开的一个方面的示例性流程图，其用于确定用于MEMS器件的传感器的偏移值。

具体实施方式

为了便于理解本公开的自适应方面，描述了用于MEMS器件校准的示例性装置和方法。参考具有MEMS器件的示例性装置描述本公开的用于MEMS器件校准的装置和方法的自适应方面的具体结构和操作。

图1示出具有MEMS器件102和电路板104的装置100。粘合剂层106将MEMS器件102附接到电路板104。MEMS器件102包括器件层108和IC层110。传感器(未示出)形成在MEMS器件102中。在一些示例中，传感器可以形成在器件层108上。稍后将详细描述具有传感器的示例性MEMS器件102。

在一个示例中，热元件112邻近MEMS器件102设置。当被激励时，热元件112选择性地经配置改变MEMS器件102的温度。例如，热元件112可以选择性地被激励，以调节MEMS器件102的温度。在一些示例中，热传感器(未示出)可以设置在MEMS器件102中，以监测MEMS器件102的温度，以便将MEMS器件102的温度调节到预定的温度。

在一个示例中，热元件112设置在粘合剂层106中。在一些示例中，器件均热器(thermal spreader)114可以设置在MEMS器件102之上。器件均热器114可以围绕MEMS器件102的顶表面115设置。器件均热器114可以是导热材料。器件均热器114可以传导热量并且基本上维持MEMS器件102的顶表面周围的均匀温度。

在一些示例中，一个或更多个板均热器116可以围绕电路板104设置。板均热器116可以是导热材料。板均热器116可以传导热量并且基本上维持电路板104周围的均匀温度。在一些示例中，电路板104可以是具有多个层的层压板。电路板104的一个或更多个层可以选择性地配置为板均热器116。在一些示例中，至少一对板均热器116可以围绕电路板104设置。例如，板均热器中的至少一个可以设置成更靠近电路板104的顶表面118，并且板均热器中的另一个可以设置成更靠近电路板104的底表面120。

现在参照图2，示出具有MEMS器件102的另一示例性装置100。在该示例中，粘合剂层106将MEMS器件102附接到电路板104。热元件112设置在电路板104内。在一些示例中，电路板104可以是具有多个层的层压板，并且至少一层经配置为热元件112。在一些示例中，至少一个板均热器116可以围绕电路板104设置。在一些示例中，至少一对板均热器116可以围绕电路板104设置。热元件112可以设置在该对板均热器116之间。在一些示例中，一个或更多个通孔122可以将热元件112热联接到板均热器116。例如，通孔122可以是导热的并且可以联接到围绕电路板104的顶表面118设置的板均热器116。在一些示例中，通孔122可以选择性地设置并联接到板均热器116，以便有助于均匀的热传递到板均热器116。尽管示出板均热器116围绕电路板104的顶表面118和底表面120设置，但是如本领域技术人员所理解的，电路板104内的一层或更多层可以经配置为板均热器116。在一些示例中，器件均热器114可以设置在MEMS器件102之上。

现在，参考图3，示出另一示例性装置100。在该示例中，热元件112可以配置为选择性地加热和选择性地冷却MEMS器件102。例如，热元件112可以是珀耳帖(peltier)热元件，其可以经配置选择性地加热或选择性地冷却MEMS器件102。如本领域的技术人员所理解的，珀耳帖热元件112可以具有第一表面124和第二表面126。并且，当珀耳帖热元件112被选择性地激励时，随着第一表面124的温度降低，第二表面126的温度相应地升高。因此，必须要规定从第二表面126去除或消散热量。在一些示例中，板均热器116可以经配置从第二表面126消散热量。在一些示例中，一个或更多个通孔(未示出)可以用于将第二表面126热联接到板均热器116。在一些示例中，珀耳帖热元件112可以设置在粘合剂层106中。

现在，参考图4A，示出热元件112的一个示例性配置。在该示例中，热元件112具有曲折的加热器图案。热元件112可以由镍和铬的合金制成。当电流通过热元件112时，热元件112产生热量。

现在，参考图4B，示出热元件112的另一示例性配置。在该示例中，多个热子元件112A-112D形成热元件112。在该示例中，多个热子元件112A-112D关于X轴和Y轴对称，其中Y轴与X轴正交。热子元件112A-112D可以具有第一端128和第二端130。在一个示例中，例如如先前参考图2所述，热元件112A-112D可以设置在电路板内。

在一些示例中，热子元件112A-112D中的每个的第二端130可以热联接到板均热器，例如如图2所示，设置在电路板104的顶表面118之上的板均热器116。在一些示例中，多个导热通孔122可以将热子元件112的第二端130热联接到设置在电路板104的顶表面118之上的板均热器116，如图2所示。如本领域技术人员所理解的，通过将热子元件112A-112D设置成对称地围绕X轴和Y轴并且将热子元件112A-112D中的每个的第二端130联接到板均热器116，板均热器116可以维持在其表面周围的基本均匀的温度。热元件112A-112D可以由镍和铬的合金制成。当电流通过热元件112A-112D时，热元件112A-112D产生热量。在一个示例中，热元件112A-112D可以设置在电路板内，例如，如先前参考图2所述。

现在参考图5，描述了一个示例性主机设备500。主机设备500包括全部通过主机总线510进行通信的显示器502、应用处理器504、应用存储器506和运动处理单元508(有时称为MPU)。应用处理器504可以经配置执行涉及主机设备500的一般功能的各种计算和操作。应用存储器506可以包括利用由MPU 508提供的信息的程序、驱动器或其他数据。

在一个示例中，MPU 508包括处理器510、一个或更多个传感器512、存储器514，其全部通过MPU总线516彼此通信。一个或更多个外部传感器518可以通过链路520与MPU 508通信。传感器512可以包括一个或更多个传感器，例如加速度计、陀螺仪、磁力仪、压力传感器、湿度传感器、麦克风、温度传感器和其它传感器。外部传感器518可以包括一个或更多个传感器，例如加速度计、陀螺仪、磁力仪、压力传感器、湿度传感器、麦克风、温度传感器和其它传感器。存储器514的数据524部分可以用于存储在MPU 508的操作期间生成的永久和瞬时值。例如，与传感器相关的信息、定向信息、在操作期间生成的信号、执行的各种操作的时间戳、偏移值、校正值等可以存储在存储器514的数据524部分中。

在一些示例中，MPU 508可以实施一个或更多个功能模块，例如，系统监视器522和校准逻辑526。在一些示例中，这些功能模块中的一个或更多个可以用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施。在一些示例中，这些功能模块中的一个或更多个可以实施为存储在存储器514中的由处理器510执行的软件功能。在一些示例中，这些功能模块中的一些可以实施为存储在应用存储器506中的由应用处理器504执行的软件功能。这些功能的结果可以被报告回到MPU 508。例如，校准逻辑526可以在MPU 508的外部实施，并且MPU 508可以向处理器504发送信号以启动重新校准。

可以使用关于传感器512和外部传感器518之一或两者的校准操作来估计偏移误差或灵敏度误差。这些误差可以表示要添加到传感器测量的校正值或偏移值。校准操作可以使用处理器510、应用处理器504或其任何组合来执行。类似地，与校准操作相关的指令和校准操作的结果可以存储在存储器514、应用存储器506或外部存储器530的任何组合中。例如，网络模块532可以经配置与外部存储器530通信，以存储校准操作的结果和相应的校正值。网络模块532可以通过有线或无线链路与外部存储器530通信。在一些示例中，外部存储器530可以是本地计算设备或远程计算设备上可用的数据存储的一部分，其可以通过有线链路、无线链路或有线链路和无线链路的组合来访问。在一些示例中，校正值或偏移值可以基于传感器的温度而改变。在一些示例中，传感器的温度可以基本上类似于主机设备500的温度。

器件热元件528设置在主机设备500中。在一些示例中，器件热元件528可以设置在MPU 508中。在一些示例中，器件热元件528可以设置在MPU 508的外部。器件热元件528可以类似于先前描述的热元件112。器件热元件528可以联接到MPU总线516。校准逻辑526可以经配置选择性地激活器件热元件528以选择性地改变传感器512和外部传感器518的温度。温度传感器(未示出)可以测量传感器512和外部传感器518的温度。在一个示例中，测量的温度可以被传达到校准逻辑526，使得校准逻辑526可以基于测量的温度来选择性地激励或去激励器件热元件528，以达到期望的温度。

系统监视器522可以经配置从任何可用的来源(包括处理器510、传感器512、外部传感器518和/或应用处理器504)收集关于主机设备500的状况的信息。至少部分地基于该信息，校准逻辑可以然后启动校准操作。在一方面，关于主机设备500的状况的信息可以涉及主机设备500的物理状态。例如，系统监视器522可以收集反映主机设备500当前正在经历的运动的信息。

如本领域技术人员已知的，某些运动状态有助于校准操作。尤其，可以在静止状态下有利地执行涉及陀螺仪的校准。类似地，加速度计或陀螺仪的校准可以受益于当主机设备500经历相对较小量的线性加速时被执行。因此，系统监视器522可以收集指示主机设备500的运动状态的信息，并且校准逻辑526可以响应于运动状态而启动校准操作。如前所述，在启动传感器的校准操作之前，校准逻辑526可以选择性地激励器件热元件528直到达到期望的温度。

现在，参考图6，示出一个示例性曲线图600，其中X轴描绘温度并且Y轴描绘用于传感器的偏移值。在该示例中，用于传感器的多个偏移值测量可以在各种温度下执行。例如，可以构造线602以表示在各种温度下的偏移值。作为一个示例，在温度T1处，对应的偏移值可以是OS1。类似地，在温度T2处，对应的偏移值可以是OS2。类似地，在温度T3处，偏移值可以是OS3。如本领域技术人员所理解的，在该示例中，在温度T3处的偏移值OS3是最低的偏移值。如本领域技术人员所理解的，传感器在各种温度处的偏移值可以选择性地测量并存储在主机设备500中。在一个示例中，在传感器的正常操作期间，基于测量的温度，对应的偏移值可以被添加到测量的传感器值。在另一示例中，例如通过选择性地激励器件热元件，并且通过传感器将对应于该优选温度的偏移添加到测量的值，传感器的温度可以在正常操作期间维持在一个优选的温度。在一个示例中，一个优选温度可以是主机设备通常例如基于主机设备操作的环境所承受的环境温度。

现在参考图7，公开了一个示例性第一MEMS器件700。第一MEMS器件700可以类似于如前所述的MEMS器件102。第一MEMS器件700包括处理层702、器件层108和IC层110。在器件层108上形成一个或更多个传感器。融合结合层(fusion bond layer)714将处理层702结合到器件层108，以形成由处理层702的下侧717和器件层108的上侧718所限定的上腔体716。

图7还示出沟槽图案720-1和720-2以及致动器722。致动器722是可移动的并且附接到至少一个弹性元件(spring)(未示出)。通过在器件层108上形成多个沟槽图案，例如使用干反应离子蚀刻(DRIE)工艺来创建弹性元件。传感器724形成在致动器722之上。

器件层108包括支架(standoff)732。支架732围绕形成在器件层108上的一个或更多个传感器。密封环734设置在支架732和IC层110的顶表面736之间，以便密封第一MEMS器件700的传感器724。

在一些示例中，IC层110可以是CMOS衬底。一个或更多个电子电路(未示出)可以设置在IC层110之上。第一端子710和第二端子712可以经配置电耦合到设置在IC层110之上的电子电路。热传感器740可以设置在IC层110之上。

现在，参考图8，将描述一个示例性流程图800。在方框S802中，提供MEMS器件。例如，提供MEMS器件102。MEMS器件102可以参考图1至图3来描述。在一些示例中，MEMS器件102可以类似于参考图7所述的第一MEMS器件。

在方框S804中，热元件邻近MEMS器件设置。热元件经配置选择性地改变MEMS器件的温度。例如，参考图1至图3所述的热元件112可以邻近MEMS器件设置。进一步地，如参考图5所述，热元件可以选择性地被激励以改变MEMS器件的温度。

在方框S806中，热元件被激励以改变MEMS器件的温度。例如，如参考图5所述，可以选择性地激励热元件以改变MEMS器件的温度。

在方框S808中，基于温度来确定用于传感器测量的校正值。例如，如参考图5所述，确定用于传感器测量的校正值。

在方框S810中，基于MEMS器件的温度将校正值应用到传感器测量。例如，如参考图5和图6所述，基于MEMS器件的温度将校正值应用到传感器测量。在一些示例中，在主机设备的正常操作期间将校正值应用到传感器测量。

虽然上面参考当前被认为是其优选实施例的内容描述了本发明的实施例，但是应当理解，本发明不限于以上描述。相反，本发明旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (27)

1.一种装置，其包括：

MEMS器件，其具有至少一个传感器；以及

热元件，其邻近所述MEMS器件设置，所述热元件经配置选择性地调节所述MEMS器件的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中电路板邻近所述热元件设置，并且所述MEMS器件附接到所述电路板。

3.根据权利要求2所述的装置，其中粘合剂层设置在所述MEMS器件和所述电路板之间，以将所述MEMS器件附接到所述电路板。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述热元件设置在所述粘合剂层中。

5.根据权利要求1所述的装置，其中器件均热器设置在所述MEMS器件之上，以基本维持所述MEMS器件的顶表面周围的均匀的温度，并且所述热元件围绕所述MEMS器件的底表面设置。

6.根据权利要求2所述的装置，其中至少一个板均热器围绕所述电路板设置，以基本维持所述电路板周围的均匀的温度。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述至少一个板均热器设置在所述电路板内。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述电路板是具有至少一个导热层的层压板，所述至少一个导热层经配置为板均热器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中电路板邻近所述MEMS器件设置，所述热元件设置在所述电路板内，并且所述MEMS器件附接到所述电路板。

10.根据权利要求9所述的装置，其中粘合剂层设置在所述MEMS器件和所述电路板之间，以将所述MEMS器件附接到所述电路板。

11.根据权利要求9所述的装置，其中器件均热器设置在所述MEMS器件之上，以基本维持所述MEMS器件的顶表面周围的均匀的温度。

12.根据权利要求9所述的装置，其中至少一个板均热器围绕所述电路板设置，以基本维持所述电路板周围的均匀的温度。

13.根据权利要求12所述的装置，其中至少一个板均热器设置在所述电路板内，并且所述热元件围绕所述板均热器设置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述电路板是具有至少一个导热层的层压板，所述至少一个导热层经配置为板均热器。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述热元件经配置选择性地加热所述MEMS器件。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述热元件经配置选择性地加热和冷却所述MEMS器件。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述热元件为珀耳帖热元件。

18.根据权利要求17所述的装置，其中电路板邻近所述珀耳帖热元件设置，并且所述MEMS器件邻近所述珀耳帖热元件设置。

19.根据权利要求18所述的装置，其中至少一个板均热器围绕所述电路板设置。

20.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：

校准逻辑，其经配置以：

选择性地激励所述热元件，以调节所述MEMS器件的温度；

启动用于所述传感器的校准操作，以基于所述温度确定将要应用到所述传感器测量的校正值；以及

存储所述校正值。

21.根据权利要求20所述的装置，其中在所述传感器的激活状态期间，基于所述MEMS器件的所述温度，将校正值应用到所述传感器测量。

22.根据权利要求20所述的装置，其进一步包括，

选择性地选择第一校正值和对应的第一温度；

通过选择性地激励所述热元件，选择性地将所述MEMS器件温度维持在所述第一温度；以及

将所述第一校正值应用到所述传感器测量。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一温度对应于用于所述装置的最佳温度。

24.一种方法，其包括：

提供具有至少一个传感器的MEMS器件；

邻近所述MEMS设置热元件；

选择性地激励所述热元件，以调节所述MEMS器件的所述温度；

启动用于所述传感器的校准操作，以基于所述温度确定将要应用到所述传感器测量的校正值；以及

存储所述校正值。

25.根据权利要求24所述的方法，其中在所述传感器的激活状态期间，基于所述MEMS器件的所述温度，将校正值应用到所述传感器测量。

26.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括，

选择性地选择第一校正值和对应的第一温度；

通过选择性地激励所述热元件，选择性地将所述MEMS器件温度维持在所述第一温度；以及

将所述第一校正值应用到所述传感器测量。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一温度对应于用于所述装置的最佳温度。