TWI485363B - 振盪擾動之時域測量的設備及方法 - Google Patents

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Description

振盪擾動之時域測量的設備及方法
本發明係大致上關於用於感測應用的振盪設備，在一舉例說明的態樣中，特別有關於時域感測設備、及使用其之方法。
在廣泛的應用中，通常要求準確測量參數(例如力)。例如加速計等微機電感測器(MEMS)裝置已廣泛地用於例如動態距離及速度測量、傾斜、機械振動、建築物及結構監測、製造時的元件置放、製程控制系統、及安全安裝。角旋轉速率MEMS(也稱為陀螺儀或速率感測器)尤其用於航行、車輛(例如，電子穩定度控制)、娛樂(例如，遊戲機台的使用者動作偵測)、攝影(例如，影像穩定)、動物行為研究、及很多其它應用。壓力感測器類似地廣泛用於例如天氣、工業監控、飛機及車輛、石油及天然氣探勘、流量感測、音波、等等應用。存在有很多其它參數測量應用(例如，用於航行及礦物探勘測量之磁力測量、或是用於顯微鏡的靜電力測量、等等)。
但是，目前最可利用的具有充份解析度之給定應用的慣性感測器是昂貴的，因此，限制了它們的使用及廣泛使用。相反地，目前可取得的更便宜之慣性感測器解決之道並未提供例如工業測量等很多應用所要求之足夠的準確度及穩定度。現有的感測器解決之道(不論是更貴的或是更 便宜的各樣式)也要求週期的再校正以及專用的訊號調節電路，且一般易受雜訊干擾，因而限定安裝彈性。
這些先前技術解決之道的又另一缺點與它們的有限動態範圍有關；一般而言，需要二或更多分別的感測器以感測或測量具有顯著不同振幅的參數值，因而又增加能夠在寬廣動態範圍測量的系統之成本及複雜度。
在力測量的背景中，典型的先前技術力感測器測量彈簧懸吊保證質量的位移(通常也稱為「偏斜」)，以估算作用於保證質量上的力量。測量此偏斜的方法之準確度、變異性、及實施成本不同。可以使用各種測量方式，例如，電容式、壓電電阻、電子穿隧感測、及光學干涉，以決定保證質量偏斜。在所有這些方式中，偏斜(因為為力)被推導為測量電壓(或電流)的函數，因此，不可避免地會受到導因於特別是熱及電磁雜訊之測量誤差。結果，大部份現有的力感測器解決之道要求很準確的訊號調節電路(例如精準放大器、濾波器、電壓參考、等等)、應付感測器老化(包含例如物理特性或「彈簧」的特徵及/或保證質量隨著時間改變之變化)之週期的再校正、以及電元件漂移。
因此，顯然需要改良的高準確度及高解析度的力感測設備，其具有增加的動態範圍，同時，相較於現有的解決之道，其成本及複雜度都降低。理想地，此改良的感測設備也將減輕或是完全地免除校正需求(亦即，「自行校正」)，且可用於廣泛多樣的參數感測、測量、或其它應 用。
本發明藉由特別提供時域感測設備及使用其之方法而滿足上述需求。
在本發明的第一態樣中，揭示振盪感測設備。在一實施例中，設備包含：振盪設備；驅動電路，配置成驅動振盪設備；至少一關關設備，包含第一元件及第二元件，以及，特徵在於至少第一閉合狀態；以及，感測電路，耦合至至少一開關。
在一變異中，驅動電路以實質上脈衝方式，驅動振盪設備。在另一變異中，驅動電路驅動使用驅動頻率而以實質上連續的方式，驅動振盪設備。
在另一變異中，感測電路在振盪設備的振盪期間產生實質上數位輸出訊號。
在又一變異中，至少一開關設備包含單一電子穿隧尖端對，第一及第二元件包括該尖端對。或者，至少一開關設備包含眾多電子穿隧尖端對，第一及第二元件包括眾多尖端對中之一。
在又另一變異中，設備包括微電子機械感測器(MEMS)為基礎的設備。
在另一實施例中，設備包含：振盪器；驅動電路，配置成驅動振盪器；開關設備，包括第一元件及第二元件；以及，感測電路，耦合至開關。在一變異中，第一元件或 第二元件中至少之一配置在振盪器上，以及，感測電路配置成輸出代表第一閉合狀態之實質數位訊號，第一閉合狀態對應於振盪器實質上設置於第一參考位置以致於第一及第二元件對齊。訊號包含第一事件及第二事件，第二事件與第一事件以第一時間週期分離，第一時間週期與振盪器的振盪頻率及施加的力至少部份地相關。
在一變異中，施加力實質上不規律的，且振盪器運動的振盪特徵在於實質上非線性恢復力。
在本發明的另一態樣中，揭示時域力感測設備。在一實施例中，設備包含：第一結構，包括：保證質量，包括眾多邊；至少一可移動的電極，配置在保證質量上；以及，接地元件，配置在保證質量的眾多邊的第一邊上，以及，耦合至接地平面；第二結構，包括：至少一參考電極；以及，第一導電元件，延著第二結構的第一邊配置；驅動電路，電耦合至第一導電元件及接地平面，以及，配置成引發出相對於參考電極之保證質量的第一頻率振盪運動；以及，感測電路，耦合至至少一參考電極以及至少一可移動電極，感測電路配置成輸出代表至少一參考電極與至少一可移動電極之間的至少一預定空間配置之訊號。
在一變異中，訊號至少包含與第一時間值相關連的第一脈衝以及與第二時間值相關連之第二脈衝；以及，至少部份地根據第一頻率及慣性力造成的保證質量的位移，規劃第二時間值與第一時間值之間的差。
在本發明的另一態樣中，揭示使用振盪器以測量外部 參數的方法。在一實施例中，振盪器能夠進行相對於參考位置的振盪運動，運動特徵在於第一時間週期，開關特徵在於至少第一閉合狀態。方法包含：在振盪器之內引發振盪運動；以及，使用耦合至開關的感測電路，以輸出代表開關處於至少第一閉合狀態、第一事件及第二事件的訊號，第二事件與第一事件以第二週期相分離，第二週期與第一時間週期及外部參數至少部份地相關。
在方法的一變異中，第一時間週期實質上符合振盪器的自然共振頻率。
在另一變異中，振盪器的振盪運動導因於實質上非線性的恢復力。
在另一變異中，引發步驟包含以第一時間間隔施加正弦力至振盪器。
或者，引發步驟包含施加實質上間歇的驅動力至振盪器。
在本發明的另一態樣中，揭示感測器。在一實施例中，使感測器可以由方法操作，方法包括：耦合感測電路至至少一參考元件以及至至少一感測元件，至少一感測元件能夠相對於至少一參考元件振盪運動，振盪運動特徵在於第一時間週期及參考位置；以及，將感測電路配置成輸出代表至少一感測元件位於相對於至少一參考元件之第一位置的訊號。
在本發明的又一態樣中，揭示感測參數的方法。在一實施例中，方法包含：在振盪器中引發振盪；施加參數至 振盪器，以對其引發影響；從與振盪器相關連的電極產生訊號，所述訊號對應於電極的位置而為時間函數，位置與影響至少部份地相關；以及，根據至少產生的訊號，估算參數。
在本發明的另一態樣中，揭示振盪設備。在一實施例中，設備包含：振盪器，配置成至少部份根據驅動訊號而振盪；以及，開關，包括至少第一及第二感測元件。
在一變異中，當振盪器在第一位置時，設備產生第一實質數位輸出訊號；以及，當振盪器在第二位置時，設備產生第二實質數位輸出訊號。
在另一變異中，第一及第二感測元件包括成對的穿隧電極。
在第二實施例中，振盪設備包含：振盪器，配置成至少部份地根據驅動訊號而振盪；以及，開關，包括至少第一及第二感測元件。根據開關產生的輸出訊號，將振盪器的位置決定為時間函數。
在一變異中，振盪器包含至少一懸臂以及與其相關連的保證質量。
在又另一實施例中，振盪設備包含：振盪器；驅動電路，與振盪器通訊；以及，開關電路，與振盪器通訊。設備產生實質數位輸出訊號，所述實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及，數位輸出訊號的準確度實質上不漂移或是隨著時間變化而與振盪器的一或更多物理特性之變化的函數而變。在另一實施例中，設備包含 ：振盪器；驅動電路，與振盪器通訊；以及，開關電路，與振盪器通訊；設備產生實質數位輸出訊號，所述實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及，驅動電路配置成改變施加至振盪器的驅動訊號以改變振盪器的振盪振幅，振幅的改變能夠使感測器設備的動態範圍變化。
在本發明的仍然又一態樣中，揭示操作振盪裝置的方法。在一實施例中，方法包含：使用驅動訊號，在裝置的振盪器中引發振盪；以及，使用至少第一及第二電極，從裝置產生實質數位輸出，輸出係至少部份地根據時脈訊號而產生的，時脈訊號具有預定顫動。顫動實質上消除輸出的重疊。
在另一實施例中，方法包含：使用驅動訊號，在裝置的振盪器中引發振盪；在驅動訊號之內刻意地引發顫動；使用至少第一及第二電極，從裝置產生實質數位輸出，輸出係至少部份地根據時脈訊號而產生的，時脈訊號具有與其相關連的刻意引發之預定顫動。顫動藉由實質上消除量化誤差而增加數位輸出的精確度。
在本發明的另一態樣中，揭示振盪的微機電感測器(MEMS)設備。在一實施例中，設備包含：微等級振盪器；驅動電路，與振盪器通訊；以及，開關電路，與振盪器通訊。設備產生實質數位輸出訊號，所述實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及，數位輸出訊號的準確度實質上不漂移或是隨著至少部份地根據微等級 振盪器的使用之時間函數變化。
在本發明的又一態樣中，揭示操作振盪設備以致能夠在變化的動態範圍中感測參數之方法。在一實施例中，方法包含：在設備的振盪器中引發第一振盪，振盪具有與其相關連的第一振幅；施加具有第一值的參數至振盪器以引發對其之第一影響；從與振盪器相關連的電極產生第一訊號，訊號對應於電極的位置而為時間函數，位置係至少部份地與第一影響相關；以及，至少根據產生的第一訊號，估算第一值。方法又包含：在振盪器中引發第二振盪，振盪具有與其相關連的第二振幅；施加具有第二值的參數至振盪器以引發對其之第二影響，當施加第一振幅時，第二值不在振盪器的動態範圍之內；從與振盪器相關連的電極產生第二訊號，訊號對應於電極的位置而為時間函數，位置係至少部份地與第二影響相關；以及，至少根據產生的第二訊號，估算第二值。
在本發明的另一態樣中，揭示使用振盪裝置以估算外部施加的參數之方法。在一實施例中，方法包含：使用驅動訊號，在裝置的振盪器中引發振盪；使用至少第一及第二電極，從裝置產生輸出，輸出與眾多位移值有關；以及，從輸出估算施加的參數之值，眾多位移值是適配預定的數學函數。
在一變異中，預定函數包含實質的正弦函數。或者，預定函數包括實質的非正弦函數。
此外，從附圖及下述詳細說明中，將更清楚本發明的 特點、其本質及各種優點。
現在參考圖式，其中，在圖式中類似代號意指類似構件。
如同此處所使用般，「電腦」、「計算裝置」、及「電腦化裝置」包含但不限於大型電腦、工作站、伺服器、不論是桌上型、膝上型、或是其它型式的個人電腦(PC)和微電腦、個人數位助理(PDA)、手持電腦、嵌入式電腦、可編程邏輯裝置、數位訊號處理器系統、個人通訊器、平板電腦、可攜式導航助理、J2ME配備裝置、蜂巢式電話、智慧型電話、個人整合通訊或娛樂裝置、或是字義上任何能夠執行指令集及處理進入的資料訊號之裝置。
如同此處所使用般，「電腦程式」或「軟體」等術語係要包含任何序列或是人或機器可認知的執行功能之步驟。此程式可以虛擬地以例如C/C++、C#、Fortran、COBOL、MATLABTM 、PASCAL、Python、Verilog、VHDL、組合語言、標示語言(例如HTML、SGML、XML、VoXML)、等等任何程式語言或是環境、以及例如公用物件代理請求架構(CROBA)、JavaTM (包含J2ME、Java Beans、等等)、二進執行時間環境(例如BREW)等物件導向環境來施行。
如同此處所使用般，「記憶體」一詞包含用以儲數位資料的任何型式的積體電路或是其它儲存裝，包含但不限 於ROM、PROM、EEPROM、DRAM、SDRAM、DDR/2SDRAM、EDO/FPMS、RLDRAM、SRAM、「快閃」記憶體(例如反及(NAND)/反或(NOR))、憶阻器、及PSRAM。
如同此處所使用般，「微處理器」及「數位處理器」等詞一般意指包含所有型式的數位處理裝置，包含但不限於數位訊號處理器(DSP)、精簡指令集電腦(RISC)、一般用途(CISC)處理器、微處理器、閘陣列(例如，FPGA)、PLD、可重組計算組織(RCF)、陣列處理器、安全微處理器、及特定應用積體電路(ASIC)。這些數位處理器可以含於單獨一元化IC晶粒上、或是分散在多個元件中。
如同此處所述般，「保證質量」一詞一般意指但非限於配置成用於導因於外部影響(例如力)之振盪運動且遭受恢復影響的感測器組件。
如同此處所述般，「振盪器」及「振盪質量」等詞大致上意指但不限於配置成用於相對於參考位置之週期性或非週期性位移的組件。
如同此處所述般，「頂」、「底」、「側邊」、「上」、「下」、「左」、「右」等詞僅暗示一元件相對於另一元件的相對位置或幾何，絕非意指絕對的參考架構或任何要求的方向。舉例而言，當元件安裝至另一裝置時(例如，PCB的下側)，元件的「頂」部事實上位在「底」部之下方。
如同此處所使用般，「彈簧」一詞一般意指但不限於配置成提供恢復力給振盪器或振盪質量之元件。
概論
在一顯著的態樣中，本發明提供堅固的、低成本及高解析振盪設備(例如可用於感測或測量應用)、以及實施及使用其之方法。
在一舉例說明的實施例中，振盪設備包含耦合至開關設備(具有至少一第一元件及至少一第二元件，它們形成一(或更多)閉合開關狀態)的受控振盪器、驅動電路、及感測電路。驅動電路提供驅動訊號，驅動訊號配置成引發振盪運動，接著，使一(或更多)第一開關元件相對於一(或更多)第二元件位移。
在一方式中，驅動訊號包含開啟及關閉(例如，週期地)的時間閘(或是「引發」)訊號。在另一方式中，以例如經由時變波函數等連續方式，驅動振盪器。
當開關的第一元件與第二元件對齊時，由感測電路產生表示閉合開關狀態的觸發訊號。在一舉例說明的實施中，使用二電子穿隧電極(一固定的及一可動的)作為開關，以及，訊號包含穿隧放電脈衝，穿隧放電脈衝是當電極在閉合開關位置對齊時由電極尖端的緊密接近所造成的。藉由測量連續的觸發事件之間的時間間隔(表示振盪器通過參考位置)，決定振盪週期，因此，推導出作用於設備上的外部力。
在另一實施中，使用增加的穿隧電極以標示何時振盪器通過增加的觸發位置。藉由結合對應於振盪器通過連續的觸發位置之時間週期，估算振盪器運動的週期及振幅，因此，能夠與振盪振幅無關地進行參數(例如力)測量。
舉例說明的時域振盪設備配置成提供數位(時間為基礎的)輸出，而不是類比訊號輸出。此配置確保裝置的準確度僅依賴觸發事件的一致性、振盪的本質(不論是諧和的、或是交替地非諧的)、以及相鄰觸發事件的時間測量的準確性。由於觸發事件根據製造期間建立的物理尺寸，所以，提出的設計有利地不要求連續校正；亦即，「自行校正」。
此外，舉例說明的裝置也有利地測量在寬廣動態範圍上變化的參數。在一變異中，此寬度動態範圍能力是經由驅動訊號的變化(及造成振盪的振幅之變化)而取得的；愈大的振幅振盪允許測量愈大的外部影響(例如力)。依此方式，使用根據本發明的單一振盪感測器以測量寬廣的值範圍，藉以排除使用先前技術中調諧至特定(或是更窄的)範圍之多感測器。
也揭示使用顫動以增強裝置準確度的方法及設備。
舉例說明的實施例之詳細說明
現在提供本發明的設備及方法的各式各樣的實施例及變異的詳細說明。雖然主要依微機電感測器(MEMS)裝置與電子穿隧感測尖端元件之背景而作說明，但是，將瞭 解此處所述的設備及方法不限於此。事實上，此處所述的振盪設備及方法(MEMS或其它)可以用於任何收目的不同情形及應用，包含但不限於：光、磁、壓電、熱、電容、化學、及生物參數的感測、以及訊號域轉換。
感測方法
參考圖1，說明感測方法的一實施例。圖1的舉例說明的時域為基礎的方法是在感測力的背景下，且依靠測量被以頻率f drv 驅動的保證質量/彈簧為基礎的振盪器之偏轉(也稱為偏差)。在一配置中，振盪器的振盪是實質上諧和的。或者，振盪可以是實質上非諧的(例如，不完美正弦)。
簡而言之，在古典力學中，諧和振盪器是當從其平衡位置位移時受到與位移x成比例的恢復力F之系統，恢復力如下所示：F =-kx (等式1)
假使恢復力僅是作用在振盪器系統的力，則系統稱為簡諧振盪器，且其進行簡諧運動，其特徵在於圍繞平衡點的正弦振盪，具有固定振幅及固定頻率f0 (不取決於振幅)： 其中： K是彈簧常數；m是振盪器質量f0 是振盪器共振頻率；以及T0 是對應的振盪週期
在圖1的方法中(「和諧」變異)，如圖1的軌跡102所示般，驅動頻率fdrv 配置成符合造成保證質量的正弦運動之保證質量/彈簧為基礎的和諧振盪器的自然共振頻率。被共振地驅動的系統典型上要求高品質因素(Q)振盪保證質量系統。但是，將瞭解本實施例使用共振地維持振盪器的文義上的任何驅動訊號。
在另一實施例中(未顯示)，振盪器的保證質量被「離開共振」驅動，這提供特別精準的振盪週期共振，並因而提供感測器準確度的控制。離開共振驅動系統典型地要求較低的Q振盪。
在無任何外力下，如圖1所示，保證質量軌跡以參考位置104為中心。使用當質量通過對應於預定物理位置的觸發點時產生的「觸發」事件，測量保證質量的振盪運動。在圖1的實施例中，這些位置包括：(i)自然(也稱為零力)點104；(ii)正觸發點106；及(iii)負觸發點108。在圖1的實施例中，觸發位置106、108配置在離參考位置104相同的預定距離d0 105處(也稱為觸發間隙或觸發間隔)。如同習於此技藝者將瞭解般，其它觸發配置與本發明並容，例如不對稱及/或多組正和/或負觸發點 106、108。在一特定變異中，使用單一觸發位置(例如參考位置104)。
在圖1的實施例中，對於每一完整的質量振盪循環，保證質量的和諧振盪(舉例而言，如圖1的零力軌跡102所示)促使各觸發點104、106、108分別產生圓110、三角形112、及方形114標示的成對事件。
使用相同的參考時計，測量觸發事件110、112、114的時序，以及，計算各觸發點的連續交會之間的週期。亦即，藉由減掉連續觸發事件110(對應於參考觸發點104的質量交會)的次數，決定週期Tr1 (由箭頭116表示)。藉由減掉連續觸發事件112(對應於正觸發點106的質量交會)的次數，決定週期Tr2 (由箭頭118表示)。藉由減掉連續觸發事件114(對應於參考點108的質量交會)的次數，決定週期Tr3 (由箭頭120表示)。
當保證質量受到頻率fext <fdrv 的外力Fext 時，保證質量諧和振盪的平衡點從參考零力位置偏移。亦即，作用在保證質量上的低頻力造成平衡點的低頻偏移(也稱為偏轉)。由於施加的慣性力影響簡諧振盪器的DC偏壓，所以，定義上其免於可能耦合至諧和振盪器中的其它零平均頻率；亦即，以平均值(例如，零)為中心圍繞的任何高頻振盪將平均至該平均值。
如同圖1A中軌跡122所標示般，在外力存在下保證質量的振盪從零力振盪軌跡偏移。結果，受力的振盪軌跡122以從參考點104偏轉的位準(由線124標示)為中心 圍繞。
類似於相對於圖1所述的質量運動，對於質量振盪的每一完全循環，在外力存在下保證質量的諧和振盪(例如，圖1A中的軌跡122)造成每一觸發點104-108產生分別由圓130、三角形132、及方形134標示的成對觸發事件。外部力作用以在振盪器中產生偏移(偏壓)，如同下述詳細說明般，藉由測量連續觸發點(例如圖1A中的點130、132、134)之間的時間週期，而偵測此偏移。
使用觸發事件130的測量時序以計算週期T1 (由箭頭138表示)，週期T1 對應於質量振盪的上擺盪上之參考觸發點104的受力質量交會。藉由減掉連續觸發事件132的時間而決定週期T2 (由箭頭136表示)，T2相當於正觸發點106的質量交會。藉由減掉連續觸發事件134的時間而決定週期T3 (由箭頭140表示)，T3 相當於參考點108的質量交會。藉由減掉連續觸發事件130的時間而決定週期T4 (由箭頭142表示)，如圖1A中所示，T4 對應於質量振盪的下擺盪上之參考觸發點104的受力質量交會。
在一舉例說明的方式中，使用測得的連續的觸發事件(亦即，T1至T4)之間的週期以取得離參考點之保證質量偏轉d的估算(圖1A中的箭頭144)。如下所述，藉由結合上擺盪參考點交會週期T1 及正觸發點106交會週期T2 而取得圍繞振盪最大值的保證質量偏轉d+ ： 其中：d0 是參考觸發點與正觸發點之間的距離(觸發間 隙)；A+ 是在振盪最大值的振盪振幅；P是振盪週期，定義為P=T1 +T3 ；d+ 是圍繞振盪最大值的保證質量偏轉估算；T1 是上擺盪參考點交會週期；以及T2 是正觸發點交會週期。
類似地，如下所述，藉由結合上擺盪參考點交會週期T3 及負觸發點交會週期T4 而取得圍繞振盪最大值的保證質量偏轉d_： 其中：d0 是觸發間隙；A_是在振盪最大值的振盪振幅；P是振盪週期，定義為P=T1 +T3 ；d_是圍繞振盪最大值的保證質量偏轉估算；T3 是下擺盪參考點交會週期；以及T4 是負觸發點交會週期。
在一變異中，使用二獨立的估算d+ 和d_ 以在每一振盪循環(可以是或不是每半循環)中提供偏轉測量二次，因而增進感測器頻率響應。在另一變異中，獨立的估算d+ 和d- 相結合以產生平均偏轉，藉以降低測量短項誤差。在又另一變異中，使用可變長度的平均窗以進一步增進測量精確度。
在根據等式3和4的偏轉估算中，每一振盪循環，測量振盪P的週期，以及，在圖1A中界定週期T1 至T4 。注意，計算的偏轉與振盪的振幅相獨立。
在用於加速力測量的一實施例中，如下所述地取得對應於從等式3和4導出的偏轉之加速度：
等式3及4的推導假定在T1 至T4 的測量時外力是固定的，這限定使用這些等式準確地解出的外力的最高頻率。因此，在連續驅動訊號的情形中，需要選取高於最大預期頻率的驅動頻率fdrv ：亦即，fext <fdrv 。
如同等式3及4中所見般，偏轉估算利用參考事件T1 至T4 與受力振盪P的週期之間的測量週期的比例。假設使用相同的參考時脈而取得所有這些時間間隔，則最終偏轉(因此，力)估算有利地變成對例如導因於老化、溫度、或其它環境變化的漂移等時脈系統誤差不靈敏。等式3及4的計算方法也對與溫度或其它環境效應的共振頻率的變化不靈敏。
在本發明的另一實施例中，將時脈顫動或變化(例如，在一實施中為不大於一半時脈循環的等級)刻意地導入參考時脈，以致於施加至感測器的低頻慣性力隨著時間平均；如眾所皆知的，此顫動的導入有利地緩和或消除此量化誤差，因而允許有效平均(因而增加裝置的準確度)。
圖1B顯示一舉例說明之外力存在下的振盪情形(在本實例中為諧和的)。圖1B中的軌跡152顯示時變外力，軌跡150顯示振盪器軌跡，其為振盪器高頻固定振幅振盪與可變振幅施力的疊加。軌跡154、156分別顯示振盪器運動的上及下範圍。注意，藉由選取保證質量驅動振幅以超過上與下觸發點106、108之間的展幅，則即使當偏轉振幅小於觸發點之間的間隔時導因於外力的保證質量偏轉的測量是可能的(如箭頭158所示)。
圖1C及1D顯示根據本發明的一實施例之在高頻白添加雜訊的存在下之保證質量偏轉測量。圖1C中的軌跡160顯示舉例說明之包括疊加於正弦輸入(加速度)力訊號的隨機雜訊訊號的輸入。如同先前所述般，用於振盪器的驅動力為使裝置保持共振的任何事情。軌跡162顯示根據連續的「觸發」事件之間的時序變化之測量演繹法的輸出。注意，即使當輸入160具有顯著的隨意變化時，仍然能準確地重建原始輸入力(如輸出162所標示)。
在另一方式中，對時變振幅A(t)及週期P的正弦振盪的等式施加一般化迴歸技術。在一舉例說明的實施中的適配等式定義為： 其中：D是離參考觸發點的偏轉；A(t)是時變振盪振幅；P是振盪週期； xi 是在時間ti 的振盪位置，以及φ是相位移。
等式7是同屬等式，從此等式可推導出此處的等式3-6。
習於此技藝者將瞭解，很多說明振幅隨著時間變化的振幅A(t)之特定的「曲線適配」模型可以與本發明相符地被使用，包含但不限於指數、三角、多項式、或任何它們的組合。這些可以用以特別考慮例如振盪器的「急動」(快速非線性加速事件)或阻尼等效應。
此外，雖然等式1-7說明線性諧和振盪器，但是，上述說明的方法可擴展至非諧振盪器。舉例而言，一此非諧振盪器可以由運動的非線性等式主導，例如：Fn (k )=-kG (x ) (等式8)其中：x是振盪器位移；及G(x)是位移的非線性函數。
類似於等式3-4的方法，使用多項式(或另一函數)以近似運動的非線性等式(等式8)，以及，取得以週期為函數的振盪器偏轉。
圖2-2B顯示與時域加速力感測的準確度有關的模擬 資料，顯示等式3-4的保證質量偏轉測量方法的一實施例。圖2呈現模擬的相對誤差，其為使用等式5-6之時域加速測量方法及下述時域振盪器的模型參數計算而得的加速度的函數：50 nm的觸發間隙d0 及1000 Hz的驅動頻率、500 nm的驅動振幅、及10 ps的時脈解析度。圖12中的加速度以標準重力g0 =9.8 m/s2 為單位來表示，且其範圍從10-4 g0 至約1 g0 。軌跡200顯示對於量值2×10-4 g0 的輸入訊號(由箭頭202表示)之2×10-8 的相對測量誤差、以及對於在上加速度範圍之1 g0 的輸入訊號(或21.5位元)之約3×10-7 的相對測量誤差(由箭頭214表示)。
誤差衰減以下述等式近似：
如同線206所示，其中：A是振盪器振幅；ω是振盪器共振頻率2 π f0 ；以及△t是時脈解析度。
如同等式9中可見般，愈大的振盪振幅A允許愈大的加速度的測量，因而測量愈大的力量。
圖2模擬中使用的方法的解析度在較低加速度範圍處評估為25.6位元(以箭頭202表示)；在更高的加速度下，其範圍在21.5位元與35.5位元之間，分別如箭頭 212、214所示般。在由線204、206、210形成的三角形之內的區域216稱為機率區，且代表測量到的時間週期有多接近整數倍的時脈循環。一般而言，觸發條件可以發生在給定的時脈循環內的任意處，暗指測量到的時間週期最多偏離一時脈循環。對於觸發事件與時脈循環一致的情形，誤差受限於準確地計算如等式3-6中所示的餘弦函數之能力。一般而言，任何給定的測量時間週期將造成零(0)與一(1)時脈循環之間的誤差，因而位於三角形216之內的某處。
圖2A-1至2A-9呈現對於振盪振幅A及觸發間隙d0 之相對誤差靈敏度的有關資料。對1000 Hz的固定振盪頻率及10微微秒(ps)的取樣時脈解析度，取得圖2A中的資料。由箭頭222、224、226、228、230、232、234、236、及238標示的圖2A-1至2A-9中的線分別計算如下：-圖2A-1至2A-3對應於100 nm的振盪振幅及分別對應於50 nm、20 nm、和10 nm的觸發間隙；-圖2A-4至2A-6對應於200 nm的振盪振幅及分別對應於50 nm、20 nm、和10 nm的觸發間隙；以及-圖2A-7至2A-9分別對應於500 nm的振盪振幅及分別對應於50 nm、20 nm、和10 nm的觸發間隙。
如同從圖2A-1至2A-9中所呈現的資料所見般，較小的電極間隔d0 一般對應於較高的相對誤差(舉例而言，如同相對於圖2A-8中的曲線236向上偏移之圖2A-9中的曲線238所示般)，而較小的振盪振幅對應於較小的相對 誤差及較小的加速度範圍(舉例而言，如同相對於圖2A-9中的曲線238向下及向左偏移之圖2A-1中的曲線222所示般)。
圖2B呈現對於振盪頻率fdrv 及參考時脈解析度的相對誤差靈敏度之有關資料。對50 nm的固定觸發間隔及100 nm的固定振盪振幅，取得圖2B中的資料。圖2B中的不同線(由箭頭242-258標示)計算如下：-箭頭242、244、246標示的線對應於100 Hz的振盪頻率及分別對應於10 ps、1 ns、和100 ns的時脈解析度；-箭頭248、250、252標示的線對應於1 kHz的振盪頻率及分別對應於10 ps、1 ns、和100 ns的時脈解析度；以及-箭頭254、256、258標示的線對應於10 kHz的振盪頻率及分別對應於10 ps、1 ns、和100 ns的時脈解析度。
如同從圖2B中所呈現的資料所見般，較高的時脈解析度一般對應於較低的相對誤差(舉例而言，如同相對於曲線258向下偏移的曲線254所示般)，而較低的振盪頻率對應於較小的相對誤差及較小的加速度範圍(舉例而言，如同相對於曲線258向下及向左偏移之曲線252所示般)。
使用等式5-6，對於振盪器振幅A及週期的加速度相依性表示如下： 其中：a是加速度；A是振盪器振幅；P是振盪週期；d0 是觸發間隙；ω是振盪的弳度頻率，表示為2 π/P；T1 是上擺盪參考點交會週期；以及T2 是正觸發點交會週期。
如同從等式10中所見般，較高的振盪振幅產生較高的加速度(對於相同頻率)。較低的振盪器頻率意指較小的力，因而需要較低的加速度以產生振盪器的給定位移。由感測器測量的最大力是根據振盪器振幅與觸發間隔之間的差。因此，當其它模型參數保持固定時，最大的允許加速度範圍隨著振盪器頻率而變。
注意，舉例說明的由等式3-6及10說明的時域感測設備有利地提供動態可調整測量系統。具體而言，藉由改變振盪器運動的振幅、例如藉由調整驅動訊號，動態地調整感測器動態範圍(例如，等式(10)中可測量的加速度的範圍)。
又注意，雖然與圖1及1A有關之上述顯示的實施例使用三個不同的觸發位置(例如，圖1A中的104、106、108)以取得力估算(經由等式3-6)，但是，可以使用任 何數目之已知的觸發點，這與本發明的原理相符。舉例而言，在一方式中，使用單一觸發點，以及將振盪振幅假定為固定的且從諧和驅動力Fdrv 的量值估算振盪振幅。假設振盪器具有低損耗(高Q因素)，則此實例能夠提供良好的準確度，超過目前可利用的具有類似尺寸、頻寬、及耗電之感測器。在一實施中，使用被放大的穿隧脈衝的寬度以進一步增進單一觸發點方式的準確度。被放大的穿隧脈衝的寬度與穿隧尖端對之間的固定間隔提供相同目的，藉以使單一穿隧尖端配置能夠提供與振盪振幅相獨立的測量。
此外，決定受驅動的保證質量的偏轉之各種其它技術(舉例而言，包括多組觸發點)可以與本發明的時域力感測方法一起使用。
感測設備
現在參考圖3，顯示及說明本發明的時域慣性力感測設備的一實施例。圖3之舉例說明的感測設備300包括密封於基部305與蓋晶圓306之間的懸臂式保證質量組件304及框302，在一變異中使用黃金熱壓縮接合技術。如同習於此技藝者將瞭解般，可以使用很多其它製造方法，包含但不限於黄金一錫共熔合金或其它共熔合金、玻璃熔塊接合、熔融接合、靜電接合、等等。
框及保證質量均包括電子穿隧電極組件，一起形成圖3中的鑲嵌件313(放大視圖)中的數位開關結構310。在 本實施例中，開關結構由一或更多成對的相對立的電子穿隧電極形成開關結構，例如配置在框302上的參考電極組件318及配置在保證質量組件304上的感測電極組件320。在無外力下(零力狀態)，組件318的頂部電極314配置成與組件320的頂部電極314相對齊。如同圖3中的鑲嵌件313中所示，組件318的底部電極312配置成與組件320的底部電極312相對齊。
如圖3中所示，電極312、314包括導電材料層(例如，經過摻雜的多晶矽、或例如鉑、鉻、鋁、鎢、等薄金屬)，由配置在它們之間的絕緣層316(例如，氧化矽、或絕緣體上的矽)分開。參考電極組件318配置在矽框302的塊矽元件上，以及，感測電極組件320配置在保證質量組件304的塊矽元件328上。
如同習於本揭示中的技藝者將瞭解般，存在有廣泛的各式各樣的其它電極組件配置可以符合本發明使用，舉例而言，包含具有不同厚度、材料、位置、及/或形狀的電極312、314。
在零力位置處，電極對312、314水平地對齊及由窄間隙分開。在圖3的實施例中，間隙322在寬度上是1奈米(nm)的等級。在一變異中，間隙被選擇成落在從約1 nm至約50 nm的範圍中。但是，其它值可以替代。
在每一電極對312、314之內的電極的緊密接近造成穿越間隙的電子穿隧放電。簡而言之，電子穿隧原先開發用於掃描式穿隧顯微鏡(STM)。在STM中，尖銳的金屬 尖端位於金屬表面上方約10埃處。電子穿隧先前已應用至慣性測量。穿隧為基礎的加速度儀典型上包括固定式懸臂掃描穿隧顯微鏡(STM)，以懸臂作用於保證質量。穿隧裝置利用穿隧電流與尖端至表面距離之間的關係，以測量保證質量偏轉。當DC電壓偏壓施加於尖端與表面之間時，能測量約1奈安培(nA)的穿隧電流。尖端表面分離的小變化(1埃)以穿隧電流的大變化(例如10-80%)呈現。
現在參考圖3的實施例，為了產生穿隧開關，對立開關側的穿隧電極接受不同的電位。亦即，參考電極組件318的穿隧電極314、312接受不同於感測電極組件320的各別電極314、312的DC電位之DC電位(DC充電)。在一變異中，感測電極組件320的電極312、314接地(零電位)，而參考組件的電極充電至特定正電壓，舉例而言，30V。典型地，跨越電極312、314的電壓差小於50V，足以產生穿越範圍在1 nm與50 nm之間的間隙之電流脈衝。
習於本揭示中的技藝之者將瞭解，其它充電配置與本發明共容，舉例而言：(i)接地的參考電極及充電的感測電極，或者，(ii)一正充電及一負充電電極、等等。
此外，注意，間隙寬度及電極材料選取將一般地影響充電電壓的工作範圍，愈寬的間隙要求更高的電壓電位差。
在一實施中，感測器穴(在基部與蓋晶圓之間的體積 )至少部份地被抽真空，因而產生至少部份真空。真空降低保證質量的阻尼，藉以增加振盪器的Q因素，但是，這絕非意指實施本發明的要求。在替代實施中，感測器穴可以由例如氮或氬等惰性氣體填充。
上述電極電位差形成帶電的電極尖端對。無論這些帶電的尖端何時通過參考位置(例如，零力點)，都會在帶電的尖端之間暫時地形成高電場區，造成跨越穿隧間隙322的放電。在電極312、314中感應的對應穿隧電流作為電極尖端對齊的精確標示器，因而作為用於測量外力的機構。使用各種方法以估算外部力的量值，包含但不限於參考圖1-2A所述的方法。舉例而言，在一實施例中，以對應於零力點之測得的脈衝之間的時間除保證質量的共振頻率週期，而計算力。
注意，在圖3中所示的慣性感測設備的實施例中，穿隧效應僅作為觸發機制(當電極對312、314對齊時產生穿隧電流)以標示何時振盪的保證質量通過觸發點。但是，也可以使用其它方式。
保證質量(因此，感測電極組件320)配置成在與感測器300的平面實質垂直的方向(如圖3中的箭頭311所示)上振盪。由於裝置不需要測量電極尖端之間的真實距離，所以顯示的圖3之電極配置有利地允許電極尖端之間更寬的分離(1 nm相對於1-10埃)。更寬的間隙又防止意外的尖端對尖端接觸，藉以增加裝置的堅固性及壽命。此外，此電極配置未將電極位移限定埃等級，特別是相較 於先前技術的穿隧感測器，因而大幅地增加慣性感測裝置的動態範圍(及實用性)。
此外，裝置的適當操作並不要求任何種類的回饋迴路。相較於典型的STM，例如使用針型感測電極的STM，主要導因於導電層的更大橫向程度(例如圖3中的箭頭307所示的尺寸)之較大的電極312、314的表面積有利地造成更大的穿隧電流。由於在圖3的感測設備中使用穿隧機制作為開關，所以，假使穿隧電流維持在前端放大器的雜訊下限之上，也不受穿隧尖端劣化影響，在一舉例說明的變異中，雜訊下限為3×10-15 A。
取決於感測應用的特定感測器應用的需求，力頻率在約100 Hz至約200 kHz的範圍。保證質量振盪的對應最大振幅在約10 nm與約50μm之間。
根據各種規格或操作參數而選取舉例說明的感測裝置300的大小，這些參數包含但不限於共振頻率、熱雜訊下限、感測器動態範圍、耗電、配置(例如，一軸、二軸)、及成本。在一實施例中，保證質量組件的寬度在50 μm與500μm之間，而長度在100μm與9 mm之間。感測器框構造成足夠大以容納保證質量並允許晶圓等級接合及電互連(典型地，要求圍繞保證質量的周長增加100-500μm)。
上述舉例說明的尺寸加強本發明的又其它優點，亦即，在非常空間保守的形態因素內相當高的性能。這不僅使主裝置能製得更小及更便宜，也能以空間有效率的方式， 使用總體上很多的感測器(例如，以陣列)。
儘管如此，習於此技藝者將瞭解上述尺寸僅為舉例說明，感測裝置可以製得比應用或其它考慮所要求的還大或還小。
現在參考圖3A，顯示及說明圖3的感測設備300的電極觸發配置的一實施例。如同參考圖3所述般，力感測設備包括：(i)振盪器(保證質量組件304)及(ii)雙尖端開關310，由雙尖端參考電極組件318(配置在框302之上)及雙尖端感測電極組件320(配置在保證質量組件上)。
此處所述的型式的開關組件以各種配置設於力感測設備之內。在圖3A的實施例中，單一雙尖端開關310(包括電極對312、314)延著保證質量的橫向邊緣配置，與對框之質量附著點333相對立，圖3B-1中更詳細顯示。此開關設置有利地最大化操作期間感測電極組件320的位移。
在其它實施例中，感測設備336、338、339包括如圖3B1及3B2所示的各種配置設置的多組開關310。在一此替代實施例中，力感測器339包括延著保證質量懸臂304的周長配置之開關陣列。如圖3C的感測器實施例346中所示般，在陣列之內的每一開關由彼此堆疊且以間隔d0 的介質分開的多穿隧尖端構成。
圖3C提供用於本發明的時域振盪設備之開關的各種不同實施例的剖面視圖。第一顯示的振盪設備346之顯示的開關347包括以相同距離相隔的三層穿隧電極(上層 314、中層315及底層312)。
在又其它實施例中，振盪設備350包括開關348，開關348在參考電極組件(安裝於感測器框上)的電極312、314之間具有的電極間隔347不同於感測電極組件(安裝於懸臂式保證質量組件上)的間隔349。在一此實施中，振盪設備356包括使用二個參考電極及單一感測電極的開關353。在另一此實施中，如圖3C中所示，設備358包括使用單一參考電極及單一感測電極的開關357。
圖3B中所示的某些開關陣列實施例(例如，感測器300、336、338、339)包括懸臂式保證質量組件304。在另一方式中，感測器340、342、344、345包括由彈簧支撐件354懸吊的保證質量結構351。如圖3B中所示，支撐件354以各種配置設置圍繞振盪結構355的周長。圖3C顯示包括保證質量351的感測器設備352的剖面視圖，保證質量351經由彈簧支撐元件354懸吊。習於本揭示中所述的一般技藝者，將瞭解產生振盪器(保證質量為基礎或其它)的又其它機制或方式。
雖然力感測設備的操作僅要求單一組電極(例如，圖3A的設備330)，但是，增加的電極組提供備用，因而藉由提供增加的資料及增進感測器可靠度，可以增加感測器解析度、準確度、及精確度。此外，假定非常小的尺寸的穿隧尖端(在一舉例說明的實施例中，厚度為1 nm至50 nm，寬度為100 nm至10 μm)，能夠容易地製造每一振盪器數十個或數佰個穿隧尖端。習於本揭示中所述的技 藝者將瞭解，可以使用各種其它開關配置，舉例而言，包含使用具有不同的電極間垂直間隔的開關組。這些增加的尖端組及/或配置所提供的增加資訊有助於延伸力感測設備的動態範圍、以及降低力感測設備的數位誤差。
現在回至圖3A，在無外力下，電極對312、314以對齊位置配置，以及，形成二個穿隧觸發接點322。此配置稱為參考或零力點330，其對應於參考圖1及1A所述的參考觸發點104。
如同下述更詳細說明般，保證質量組件304由振盪訊號驅動，這使得保證質量相對於參考點330進行諧和振盪。當保證質量304從參考位置330向下位移一距離d0 (相當於電極312與314之間的垂直間隔)時，感測組件320的頂部電極314與參考組件318的底部電極312相對齊，因而形成單一穿隧觸發接點326。此配置稱為第一已知校正點332，其對應於參考圖1及1A所述的負觸發點108。
類似地，當保證質量304從參考位置330向上位移一距離d0 時，感測組件320的底部電極312與參考組件的頂部電極314相對齊，因而形成單一穿隧觸發接點324。此配置稱為第二已知校正點328，其對應於參考圖1及1A所述的正觸發點106。
當保證質量振盪時，電極312、314通過三個觸發配置328、330、332，因而造成產生觸發事件，例如參考圖1A所述的觸發事件130、133、134。
圖3D顯示根據本發明的時域感測設備的另一實施例 之剖面視圖。圖3D的感測器360包括框302及懸臂式保證質量組件304。保證質量組件包括一端固定至框元件302_1的樑結構328、以及配置在樑328的對立端上的保證質量378。使用中間結構372，將框302及保證質量組件304密封在基部晶圓305與蓋晶圓306之間。將瞭解，雖然在所示的實施例中，使用懸臂型方式以「懸吊」保證質量及維持其振盪，但是，任何數目的不同方式或機制可以替代以提供所需的振盪功能，懸臂僅是一可能性而已。舉例而言，如同參考圖3B及3C所示般，也可以使用由彈簧支撐件懸吊的保證質量組件。
在一變異中，樑328由導電材料製成且經由導電元件380(穿透蓋晶圓306)及黃金複合接合層372_2而電連接至感測器接地墊382。樑328藉由非導電層376_2而與保證質量378及框元件302_1電隔離。導電樑328作為保證質量接地平面，且其提供二功能：(i)提供接地以影響保證質量振盪；以及(ii)提供用於穿隧放電的接地電位。
在另一變異中，導電元件370配置在樑328的頂表面上。導電元件370經由導電元件380(穿透蓋晶圓306)及黃金複合接合層372_2而電連接至感測器接地墊382。在此變異中，絕緣層376_2可以省略。
感測設備360包括數位開關組件310，如圖3D所示，數位開關組件310配置在接近保證質量組件304的振盪端。如同參考圖3-3A詳述般，開關310包括感測電極組件320及參考電極組件318。感測電極組件320的電極 312、314經由導體383而電連接至保證質量接地平面。參考電極組件318的底部電極312電連接至導電元件390，接著，經由導電元件388(穿透蓋晶元306)及黃金複合接合層372_4而連接至第一感測器充電墊386。參考電極組件318的頂部電極314經由導體389(穿透蓋晶圓306)及導體部389_1而電連接至第二感測器充電墊387。頂部及底部電極312、314由非導電層316分開。使用非導電層376以使參考電極組件與感測器框302絕緣。
使用充電墊386、387及接地墊382以在感測器操作期間提供充電電壓及感測穿隧電流。
感測器360包括頂部驅動電極362及底部驅動電極363，如圖3D中所示，頂部驅動電極362及底部驅動電極363經由穿透基部及蓋晶圓的導電元件366而連接至感測器驅動墊364、365。如同本說明書中它處詳述般，在所示的實施例中的驅動電極由頻率fdrv 的諧和驅動訊號驅動，以致於施加至電極362的訊號與施加至電極363的驅動訊號相位差90°。由於保證質量接地，所以，在接地平面370與電極362、363之間的電容耦合產生靜電吸力，強迫感測器360的保證質量進入依驅動頻率fdrv 的週期振盪。
在圖3E中所示的替代實施例中，僅有一驅動電極(頂部電極362)用於引發保證質量的振盪。感測器361包括蓋晶圓及整合框/基部晶圓組件302_1。雖然在圖3E中顯示頂部驅動電極362，但是，在單電極感測器配置中可以替代地使用底部安裝動電極(例如，363，未顯示)。
現在參考圖3F至3I，顯示本發明的時域振盪設備的各種替代實施例。圖3F中示的設備367包括浮動保證質量351及二組開關(例如雙尖端開關310)，浮動保證質量351經由彈簧支撐件(未顯示)而懸吊於框302之內。
圖3G中所示的設備369包括包保證質量378(亦即，「夾在」二懸臂328之間)的雙懸臂式保證質量組件371、以及二組開關310。
圖3H中所示的設備373包括浮動保證質量351、以及多組開關(例如，雙尖端開關310)，浮動保證質量351經由彈簧支撐件354而懸吊於框302之內。
圖3I顯示可用於本發明的電極尖端的不同舉例說明的實施例。雖然圖3-3H的實施例的電極尖端顯示為具有直角稜鏡狀(例如圖3I中的尖端375)，但是，尖端可以根據應用需求而選擇形成為各式形狀。一般而言，窄化的尖端(例如三角形、圓錐狀或梯形)降低接近穿隧間隙的尖端延伸。三角形電極尖端374降低尖端垂直延伸(亦即在如圖3I中的箭頭311的振盪器運動的方向)。這些配置因而降低發生穿隧放電的垂直延伸，藉以增加保證質量位置測量的再現性。
在不同的實施例中(圖3I中的箭頭377所示)，電極尖端包括在垂直於運動方向(例如圖3中的箭頭307所示的方向)之方向上的橫向三角形。橫向三角形尖端377雖然仍然具有與長方形尖端375相同的厚度，但仍能降低穿隧放電面積，因而穿隧位置的機率將改變。總體而言， 不論是橫向界定的或垂直界定的窄化尖端(例如三角形尖端374、377)均趨向於有助於局部化穿隧位置。
但是，三角形尖端某些情形中因為穿隧被侷限在較小的表面積之內，所以，可能限定最大穿隧電流。增加穿隧電流的一方式是在垂直於運動方向的方向上(亦即，延著圖3中的箭頭307所示的尺寸)延伸尖端尺寸。此外，可以使用更高的DC偏壓電壓及/或更高靈敏度的放大器，以補償三角形或類似形狀的尖端之縮小的表面積。雖然長方形尖端支援較大的穿隧電流(對於相同的橫向尖端尺寸)，但是，長方形尖端的穿隧可以發生在尖端的垂直延伸(高度)上的任何點。由於穿隧點可以隨著時間或其它參數而變，而可能改變開關的穩定度或準確度，所以，這有可能並非所需。
現在參考圖4，顯示用於時域慣性感測設備(例如設備300或340)的振盪器及電極系統400的一實施例的功能方塊圖。系統400包括二組雙尖端開關(例如，圖3A中的開關310)。雖然系統400的操作僅需單組開關，但是，如同有關圖3B的前述所述般，增加的開關特別提供備用，因而藉由提供增加的資料及增進感測器可靠度而增加感測器精確度。
每一雙尖端開關410包括配置在框402上的參考雙尖端電極組件418、以及配置在保證質量組件404上的感測雙尖端電極組件420。每一開關組件418、420包括由絕緣材料層416分開的成對電極412、414。
保證質量組件404包括配置在保證質量矽元件428的頂部及底部側上的二導電層406、471(作為接地平面)。在另一實施例(未顯示)中，矽元件428是導電的且作為接地平面。每一感測電極組件420旳電極412、414電連接至頂部接地平面406，頂部接地平面406連接至感測器接地482。電壓電位從直流電源421施加至參考電極組件320的頂部電極414和底部電極412。
成對的導電板462、463分別配置在設備400的感測器基部及蓋晶圓(未顯示)上。板462、463作為驅動電極。在系統400操作期間，具有頻率fdrv 的正弦(諧和)驅動訊號由驅動電路430產生，且供應至驅動板462、463。在圖4的實施例中，施加至板463的驅動訊號由相位偏移電路432偏移90°，以致於驅動底部板463的訊號與驅動頂部板462的訊號離相90°，但是，可以使用其它相位移/關係(包含時變相位移/關係)。在一變異中，將驅動頻率選擇成符合保證質量共振頻率，藉以允許感測器的縮減功率汲取以及縮減的驅動工作循環。在另一變異中，保證質量由關閉共振驅動頻率驅動，其中，fdrv ≠f0 。在又另一變異中，使用工作循環及/或驅動頻率以動態地調整裝置(例如，感測器400、470)動態範圍，藉以產生具有擴充及選擇性地可穿透的動態範圍之裝置(例如，感測器)。
取決於特定的感測器需求，驅動頻率在約100 Hz至約200 kHz的範圍。保證質量振盪的對應的最大振幅在10 nm與約50μm之間。
在另一實施例中，(未顯示)藉由使用步進靜電力以啟始諧和振盪，以造成保證質量的振盪。相較於振盪器的共振頻率，靜電力的持續時間短，因而提供使振盪器保持共振之「推動」強化。此力於需要時週期重複，以確保振盪器的振幅維持在最小值之上，在最小值的點時，另一靜電脈衝或「引發」會被施加。
對於每一保證質量振盪循環，無論何時電極412、414處於三個對齊配置中的任一配置時(例如，參考圖3A所述的配置328-332)，在一或二電極對中引發穿越間隙423穿隧放電電流(由箭頭415、417標示)。如同下述中參考圖4A進一步顯示及說明所示般，由頂部及/或底部電極產生的這些放電電流引發短暫的電流脈衝，由低雜訊電流放大器422、424分別感測及放大。
穿隧放電脈衝的寬度具有導因於等式11所示的量子穿隧效應的指數表示之非常短的持續時間：I =KUe -βd (等式11)其中：I是輸出電流；U是施加的穿隧偏壓電壓；d是穿隧間隙寬度；K是描述可取得的來源及目的地狀態的密度之常數 ；以及β 是描述電子釋放至真空電位所需的電子功函數或能量之常數。
此非常短的脈衝有助於精準地準確確定振盪質量通過參位置的準確時刻，這加強本發明的顯著優點(亦即，準確地確定振盪元件的位置為時間的函數之能力)。
如圖4A中所示般，當保證質量電極組件處在下述相對於參考電極的位置時，產生穿隧放電脈衝452-456：-d0 、+d0 、及在零力點(圖3A及4A中分別為點328-332)。由於脈衝452-456因例如施加的穿隧電壓變化(電壓雜訊)及/或穿隧距離而振幅不同，所以，使用低雜訊電流放大器422、424以將放大脈衝452-456放大至電軌(其為感測電路的最大電流位準值)，以致於產生呈現實質上長方形的放大脈衝458-462。雖然振幅資訊遺失，但是放大的方形脈衝458-462有利地良好適合與例如圖4中的控制邏輯434及計數器436等數位電路、及/或例如數位訊號處理器等其它更複雜的裝置交界。
此外，假使放大器(例如，放大器422、424)特徵在於固定時間延遲(包含零時間延遲)，則放大脈衝的相對時序(例如圖4A中的脈衝458-462)被保存。雖然，在一變異中，使用比較器電路偵測放大脈衝的領先邊緣時，計時器436被觸發開啟/關閉，但是，習於本揭示中所示的一般技術者，將易於察覺其它解決之道。當計數器436被觸發開啟時，其啟始計數序列，一直繼續直到收到下一 輸入脈衝及計數器被讀取及/或觸發關閉為止。在「開啟」狀態期間，計數器計數由參考時序單元(TU)438產生的參考時脈訊號所提供的計時脈衝。在系統400的一實施中，可以在由外部介面使用的通道440上取得計數器的輸出。
在圖4的實施例中，使用雙極驅動機制以引發保證質量的諧和振盪。此配置允許更彈性的驅動電壓控制，以及降低累積於振盪器上的電荷的影響。為了進一步降低電荷累積，保證質量接地層406電連接至感測器接地482。
在圖4B中所示的另一實施例中，感測器系統470包括單極驅動電路。亦即驅動電極之一(板463)連接至接地465，而其它驅動電極(板462)由正弦驅動訊號驅動。圖4B中所示的配置簡化感測器驅動電路。
由於例如各種元件例如控制器430產生的數位脈衝、電壓電源中的雜訊等等，所以，在操作期間，力感測系統400、470(分別在圖4、及4B中)中使用的電驅動振盪器幾乎無可避免地產生不必要的電磁輻射。為了防止電雜訊耦合至穿隧電流(因而為力的)測量，使用脈衝式驅動機制。
力感測系統400、470的保證質量(PM)控制器430簡單地開啟及關閉正弦驅動訊號，因而產生脈衝列，其中，每N個正弦振盪循環由M個未驅動循環分開。當驅動訊號簡單地開啟時，保證質量振盪加強。根據感測器特定設計參數(例如振盪器阻尼)，選取驅動訊號(被定為N/ (N+M))的工作循環，且其典型地在0.001至0.1的範圍中。保證質量振盪器的低阻尼特徵確保振盪振幅在驅動脈衝事件之間實質地下降。此外，不論振盪振幅為何(假設振盪振幅保持在上述觸發點106之上及觸發點108之下)，使用三個觸發點(例如，圖1A中的點104、106、108)能夠準確測量保證質量偏轉，以每10-1000振盪器循環1個非常短的脈衝的驅動工作循環，可以容易達成。理想上，脈衝是愈窄愈好。愈常以脈衝驅動，則驅動振盪器的振幅愈大。當對振盪器的驅動訊號關閉時，由力感測器系統400、470執行振盪器位置測量，因此，無雜訊從電驅動電路耦合至感測器設備的位置感測電路。驅動器配置(例如與圖4及圖4B有關的顯示及說明)確保外力真正測量期間無需施加回饋力至保證質量組件。
如同習於此技藝者將瞭解般，此處所提供之上述舉例說明的驅動及感測配置僅顯示本發明的更廣原理。可以使用各種其它感測器驅動配置，例如藉由機械式「引發」的共振交互激發、或是藉由正弦機械驅動力以驅動振盪器。在電振盪器系統的情形中，使用負回饋以保持振盪器操作。
在圖4及4B的實施例中，控制邏輯434配置成根據進入的脈衝是否抵達頂部、底部、或二放器通道422、424，而區別進入的穿隧脈衝，因而分別對應於圖3A的保證質量位置328-332。在一變異中，控制邏輯使用比較器以偵測進入的脈衝。圖4C及表1顯示舉例說明的穿隧脈衝 產生的序列，包括一完整的保證質量振盪循環。在振盪曲線上圖4C中的白圓圈452標示用於電流流動的導電通道被建立之尖端位置(亦即，比較器輸出是邏輯「1」)。陰影圓454相當於沒有導電電流的位置(亦即，比較器輸出是邏輯「0」)。
當保證質量在零力位置330(以標誌1、7、13表示)時，電極組件418和420的二電極相對齊，因而在二放大器通道422、424上造成電流脈衝，如表1中IT 和IB 標示的行中的數字1所示般。當保證質量在負位移位置332時(由代號3,5標示)，參考電極組件418的開關410的底部電極412在底部放大器通道424上造成電流脈衝，如下述表1中的代號IB 中數字1所示般。類似地，當保證質量在正位移位置328(由代號9,11標示)時，參考電極組件418的開關410的頂部電極412在頂部放大器通道422上造成電流脈衝，如表1中的代號IT 中數字1所示般。當保證質量在代號2、4、6、8、10、及12標示的位置時，電極412、414不會產生電流脈衝。
保證質量位置5、7、9分別對應於有關圖1-1A所述的觸發事件114、110、112。無論觸發事件110、112、114何時發生(亦即，無論脈衝452-456何時觸發計時器434)，計時器都開始計數參考時脈訊號的脈衝。
如圖4A所示，如下所述地計算週期T1 -T4 ：-T1 是在第二參考觸發點事件(保證質量位置7)的計數值減掉在第一參考觸發點事件(保證質量位置1)的計數值；-T2 是在第二負觸發點事件(保證質量位置5)的計數值減掉在第一負觸發點事件(保證質量位置3)的計數值；-T3 是在第二參考觸發點事件(保證質量位置11)的計數值減掉在第一正觸發點事件(保證質量位置9)的計數值；以及 -T4 是在第三參考觸發點事件(保證質量位置13)的計數值減掉在第二參考觸發點事件(保證質量位置7)的計數值。
如同從圖4C及上述等式3和4所見般，雙尖端開關(例如圖4的開關410，包括4個電極)提供三個預定的觸發點(110、112、114)，因而使感測系統400能夠每週期(或是每循環二次)取得振盪器偏轉(因而為力)的二個估算。此開關配置用以增加感測器系統頻率響應，或是藉由平均連續測量及降低測量不確定性而增進感測器系統精確度。包括二觸發點的開關(舉例而言，圖3C旳三電極開關348)能夠每一週期測量一次振盪器偏轉。上述二測量配置(例如，使用開關310、348)對振盪器振幅有利地不靈敏。
假定知道振盪器振幅(舉例而言，藉由使用振盪器位移與供應的驅動電壓相關連的工廠校正表)，包括單一電極對的開關可以用以估算振盪器偏轉。雖然此方式依靠準確地知道保證質量振幅，但是，在大部份的實用條件下，其提供良好地超過目前可取得的感測器實施的測量性能。此外，類似於雙電極開關配置(例如，圖4中的開關410，單電極對感測器利用放大脈衝458-462的寬度464(亦即，如圖4A所示，領先邊緣與下降邊緣之間的時間))，結合電極厚度，因而取得獨立於振盪振幅的振盪器位移測量所要求的額外的時序資訊。在此情形中，脈衝寬度有效地提供與例如圖3、3A、3D中所示的雙電極開關實施 例的電極間隔d0 相同的目的。亦即，其在用以觸發計時器開啟/關閉的二事件之間提供固定距離。
在系統的一實施例中，如圖5有關的顯示及說明所示般，使用四個分別的計數器以測量週期T1 至T4 。時域慣性感測器控制區塊500包括例如現場可編程閘極陣列FPGA、可編程邏輯裝置(PLD)、微處理器等可編程邏輯設備502(由圖5中點圖案填充的多邊形表示)、或是任何其它配置成執行機器可讀取碼的電腦化設備。在一變異中，在支援嵌入的微處理器或數位處理器504的FPGA之內實施控制邏輯。設備502包括驅動副區塊510、感測副區塊530、及參考時脈512。驅動副區塊510包括配置成產生驅動時脈訊號516的延遲區塊迴路/鎖相迴路(DLL/PLL)模組514。直接數位合成器/電源(DDS/PS)模組518產生驅動波形(例如，圖2中的波形202)，驅動波形由放大器520放大。放大器520提供諧和振盪訊號522給驅動電極(例如，圖4的電極462、463)。
如同有關圖4A的說明所述般，為了使從驅動訊號交互耦合至穿隧電流測量的潛在雜訊最小，將驅動正弦訊號522脈衝化，亦即，簡單地開啟及關閉。當訊號522簡單地開啟時，保證質量振盪強化。在本實施例中，由控制邏輯模組504經由控制訊號路徑524來控制驅動脈衝化。
由DDS/PS模組518執行的波形產生是由控制邏輯模組504經由路徑526來控制。增益控制模組528控制放大器增益，以調整振盪器的振幅。
感測副區塊530配置成決定振盪保證質量的位置。感測副區塊530包括耦合至頂部電流放大器422及底部電流放大器424輸出頻道534、536的比較器庫532。比較器532的邏輯狀態饋送至計數器有限狀態機(FSM)538，後者控制分別對應於圖1A及4C的週期T1 至T4 的四個週期計數器542-548的操作。計數器輸出耦合至配置成分別儲存週期持續時間計數T1 至T4 的四個暫存器552-558。沒有任何外部力作用在保證質量上，質量以零偏轉偏移振盪。當有外力作用在保證質量上時，質量的振盪軌跡因非零偏轉偏移而改變(如圖1A中所示)。感測副區塊配置成使用不同的觸發點事件(例如圖1中的事件110-112)來偵測保證質量偏轉，以及，使用上述等式3-6來決定力。
如同參考圖4A的上述所述般，使用比較器庫532的多個比較器以偵測穿隧電流脈衝的存在。用於比較器532的邏輯狀態對穿隧電極尖端位置的關係之真假值表顯示於表1中。注意，數字「1」代表產生穿隧電流，數字「0」相當於無電流。
對應於圖4A中的所示的以及圖5中所示的實施例的舉例說明的力感測器中使用之質量振盪之舉例說明的計數序列呈現於圖6中。比較器庫532偵測相當於保證質量的參考觸發位置(圖4C中的點1)之二通道534、536上電流脈衝630。此時，藉由將通道600上的賦能訊號EN1設定在高(邊緣612)，計數器狀態機538啟始計數器542。當穿隧電流脈衝632於底部通道536上由對應於負觸發 點事件(舉例而言，圖4A中的保證質量位置3)的比較器庫532接收時，藉由將通道602上的賦能訊號EN2設定為高(邊緣614)，以啟始計數器544。當下一負觸發點事件由比較器532偵測時(亦即，在通道536上接收脈衝634，舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置5)，賦能訊號602設定為低(邊緣616)，且停止計數器544。計數器544的內容(對應於週期T2 )接著儲存在暫存器554中，以及，計數器544被重設。
當藉由感測二通道534、536上的電流脈衝636而由比較器庫偵測第二參考點觸發事件(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置7的事件)時，藉由將EN1訊號600設定於低(邊緣618)而停止計數器542，以及，藉由將EN3訊號604設定於高(邊緣620)而啟始計數器546。計數器542的內容(對應於週期T1 )儲存在暫存器522中，以及，重設計數器542。
當在頂部通道534上由比較器532接收穿隧電流脈衝638時(對應於正觸發事件，舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置9)，藉由將EN4訊號606設定於高(邊緣622)而啟始計數器548。
當由在通道534上接收脈衝640的比較器532偵測下一正觸發點事件時(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置11)，藉由將EN4訊號606設定於低(邊緣624)而停止計數器548，計數器548的內容(對應於週期T4 )儲存在暫存器558中，以及，重設計數器548。
當比較器在二通道534、536接收電流脈衝642(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置13的事件)時偵測下一參考觸發點事件時，藉由將EN3訊號604設定於低(邊緣626)而停止計數器546，計數器的內容(對應於週期T3 )儲存在暫存器556中，以及，重設計數器546。假使下一計數序列依時程而發生時，計數器542啟始。系統500的時序操作由時脈516控制且重設訊號508用以初始(或重設)圖6的計數序列。
在另一實施例(未顯示)中，單一計數器實例(舉例而言，計數器542)用於所有計數操作，且與作為記憶體緩衝器的數個暫存器相結合。在本實施中，舉例而言，計數序列始於由計數器542接收參考觸發點事件。當接收第一負暫存器事件時(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置3)，序列計數的目前值儲存在負觸發事件_啟始暫存器中。當接收第二負觸發事件時(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置5之事件)，計數器542序列計數的目前值儲存在負暫存器事件_結束暫存器中。當接收第二零參考位準觸發事件時(舉例而言，對應於圖4A中的保證質量位置7)，序列計數的目前值儲存在參考暫存器事件_結束暫存器中。類似地，對應於保證質量位置9、11的計數器序列值儲存在各別暫存器中。其它變異是可能的，例如停止及啟始用於每一進入脈衝的計數序列。
現在參考圖6，顯示時序圖，此時序圖顯示用於圖5的時域力感測系統的舉例說明的操作序列。
由感測系統400、或470產生的力測量的準確度大部份由時脈速率的準確度決定。週期T1 至週期T4 被愈準確地解析，則愈準確地決定偏轉d，因而決定作用在諧和振盪器上的準靜態力。
由於使用保持觸發事件之間的時脈循環的軌跡之數位計數器以測量週期T1 至T4 ，所以，感測器的準確度、穩定度及精確度實質上視輸入至計數器的輸入時脈速率、及時脈源的長期穩定度而定。藉由類比於其它數位感測裝置，以位元數說明感測器系統400解析度及動態範圍，所述位元數是與含於諧和振盪器的一週期之內的有效時脈循環的總數有關。
某些觸發事件發生於時脈循環之間，因而潛在地影響測得的時間週期的精確度。這些時序誤差造成量化雜訊，這限制感測器的觸析度及精確度，但未限制穩定度或準確度。可以使用與本發明相符的多個技術以增進感測器的解析度。在一方式中，經由此技藝中所知型式的游標內插器，降低時間量化雜訊。在另一方式中，應用顫化技術，將刻意的顫動導入參考時脈中(例如，半時脈循環的等級)，以致於施加至感測器的低頻慣性力隨著時間而平均。假定使用連續的計數器值之間的差，計算週期T1 至T4 ，則如同參考圖4C所述般，參考時脈的絕對準確度(漂移)被抵消，因而使得圖4的實施例之感測設備較不易遭受長期的時脈漂移誤差。
另一方面，偏移不穩定度最終由時脈源的不穩定度決 定。由於根據無施加的外力下諧和振盪器將總是具有零平均值的事實，將任何其它機械不穩定度列入考慮，所以，這是真的。藉由對振盪器交替的正及負「引發」，可以消除或至少顯著地減輕導因於保證質量的充電之電漂移，因而提供淨零電荷。此外，在無施加的電力期間，執行任何位置測量。
感測設備校正
由預定的實體間隙d0 分開的雙組穿隧尖端(舉例而言，圖3A中的電極組件318、320的電極314、312)提供方便配置以用於特別是慣性感測設備(舉例而言，圖3中的設備300)的校正。在此情形中，d0 是穿隧尖端之間的實體間隙，且在製程期間被精準地界定。在裝置工廠校正期間，執行電極間隔的最後測量。由於實體間隙d0 是根據實體裝置配置(層沈積)，且不是根據振盪器的動態特性，所以，實體間隙d0 有利地不隨著時間而變。因此，校正有效地「內建」於感測器的操作中，且無須執行後續校正。測量加速度所需的所有參數是固定的(例如d0 )、或是每一振盪週期(例如，T1 至T4 以及P)測得的。因此，沒有參數是漂移的，且不須再校正。每一週期測量可能漂移的參數。這是本發明相對於先前技術之又其它顯著的優點。
舉例說明的用途及應用
相較於習知的MEMS裝置典型地提供的類比訊號輸出，此處所述的時域振盪(TDO)設備及方法有利地提供數位時間基礎的輸出。本發明的TDO裝置的準確度因而僅視觸發事件的一致性、振盪特性(例如，保證質量的諧和振盪)及觸發事件的時序測量準確度而定。由於觸發事件之間的時間分離是根據製造期間建立的實體尺寸，所以，如上所述，本發明的實施例的感測設備不要求連續校正。
此外，此處所述的各種舉例說明的實施例所採用的感測是根據非接觸式觸發事件，非接觸式觸發事件是在振盪器與感測器框之間沒有任何實體接觸下產生的。此方式有利地降低振盪器阻尼及磨損，增加感測器壽命及長期準確度，以及降低耗電(由於振盪器因減少的阻尼而由較低的功率驅動)。不用施加任何靜電或回饋力至保證質量元件，即可執行外力測量，因而增進測量準確度並降低感測器複雜度。
大部份現有的慣性MEMS感測器依賴感測設備的動態特徵(例如振盪頻率f0 、或是振幅A)，以測量外力的效應。這些動態特性取決於因感測器老化、懸臂的「退火」、等等而隨時間改變的感測器參數(例如彈性常數k)。這些改變造成降低感測器準確度隨時間改變，以及使週期校正成為必需。
相反地，根據此處所述的原理構成的時域設備的準確度僅取決於感測元件的實體間隔(由感測器製程界定)，因而動態地增進感測器的長期穩定準確度，以及減輕再校 正的需求。結果，在給定的裝置尺寸、製造精度、感測器操作頻寬、及感測器成本目標下，此處所述的振盪設備的準確度及穩定度顯著地超過任何可以取得的裝置(MEMS或其它)的準確度。此外，藉由改變振盪的振幅，本發明的振盪設備的動態範圍可以動態地調整，且甚至可由使用者或控制器選擇的。
由於先前技術的穿隧基礎加速儀使用穿隧電流與尖端至表面距離之間的關係以測量保證質量偏轉，所以，它們的動態範圍是有限的。相反地，根據本發明的原理構成的舉例說明的力感測設備僅使用穿隧放電以產生觸發事件。因此，相較於以往可以取得的力感測穿隧裝置，其有利地大幅增加測量的動態範圍(例如，在一固定的振幅振盪器實施中，從1×10-4 g0 至2 g0 )。此外，如同先前所示般，動態振盪振幅調整允許進一步增加動態範圍。
如上所述，此處所述的某些感測器實施例根據時脈頻率對保證質量振盪頻率的比例，以測量力，因而使感測器準確度對時脈漂移(對第一階)不靈敏。此外，隨著多振盪循環而平均的測量能夠濾除不必要的雜訊。
雖然主要以電子穿隧感尖端元件為背景作說明，但是，本發明不侷限於此。事實上，很多其它實體切換機制可以用於此處所述的感測器設備及方法，包含但不侷限於：光學(根據例如發光二極體(LED)等光源與光偵測器(例如光偵測器)之間的對齊)、磁(根據例如磁簧開關等二含鐵元件之間的對齊)、壓電、熱、電容、化學、生物 、等等。
將瞭解，雖然以方法的步驟的特定序列來說明本發明的某些觀點，但是，這些說明僅顯示本發明的更廣的方法，且可以隨特定應用的要求而修改。在某些情形下，某些步驟可以是不必要的或是選加的。因此，某些步驟或功能可以加至揭示的實施例，或是二或更多步驟的執行次序可以變更。所有這些變化都被視為包含在此處揭示及申請專利範圍的發明之內。
雖然上述詳細說明顯示、說明、及指出本發明的新穎特徵應用至不同實施例，但是，在不悖離本發明之下，習於此技藝者可作出所示的裝置或製程的形態及細節的各種省略、替代、及改變。上述說明是目前思及的執行本發明的最佳模式。本說明絕非要限定而應僅被視為說明本發明的一般原理。本發明的範圍應由申請專利範圍決定。
300‧‧‧感測設備
302‧‧‧框
304‧‧‧保證質量組件
305‧‧‧基部
306‧‧‧蓋晶圓
310‧‧‧數位開關結構
312‧‧‧底部電極
313‧‧‧鑲嵌件
314‧‧‧頂部電極
316‧‧‧絕緣層
318‧‧‧參考電極組件
320‧‧‧感測電極組件
322‧‧‧間隙
324‧‧‧穿隧觸發接點
326‧‧‧穿隧觸發接點
328‧‧‧樑結構
333‧‧‧質量附著點
336‧‧‧感測設備
338‧‧‧感測設備
339‧‧‧感測設備
340‧‧‧感測器
342‧‧‧感測器
344‧‧‧感測器
345‧‧‧感測器
346‧‧‧振盪設備
347‧‧‧開關
348‧‧‧開關
349‧‧‧間隔
350‧‧‧振盪設備
351‧‧‧保證質量結構
352‧‧‧感測器設備
353‧‧‧開關
354‧‧‧彈簧支撐件
356‧‧‧振盪設備
357‧‧‧開關
358‧‧‧設備
360‧‧‧感測器
361‧‧‧感測器
362‧‧‧頂部
363‧‧‧底部
364‧‧‧感測器驅動墊
365‧‧‧感測器驅動墊
366‧‧‧導電元件
367‧‧‧設備
369‧‧‧設備
370‧‧‧導電元件
371‧‧‧雙懸臂式保證質量組件
372‧‧‧中間結構
373‧‧‧設備
374‧‧‧三角形電極尖端
375‧‧‧長方形尖端
376‧‧‧非導電層
377‧‧‧三角形電極尖端
378‧‧‧保證質量
380‧‧‧導電元件
382‧‧‧感測器接地墊
383‧‧‧導體
386‧‧‧第一感測器充電墊
387‧‧‧第二感測器充電墊
388‧‧‧導電元件
389‧‧‧導體
390‧‧‧導電元件
400‧‧‧電極系統
402‧‧‧框
404‧‧‧保證質量組件
406‧‧‧導電層
410‧‧‧雙尖端開關
412‧‧‧電極
414‧‧‧電極
416‧‧‧絕緣材料層
418‧‧‧參考雙尖端開關組件
420‧‧‧開關組件
421‧‧‧直流電流
422‧‧‧電流放大器
423‧‧‧間隙
424‧‧‧電流放大器
428‧‧‧保證質量矽元件
430‧‧‧驅動電路
432‧‧‧相位偏移電路
434‧‧‧控制邏輯
436‧‧‧計數器
438‧‧‧參考時序單元
440‧‧‧通道
462‧‧‧導電板
463‧‧‧導電板
465‧‧‧接地
470‧‧‧感測器系統
471‧‧‧導電層
482‧‧‧感測器接地
500‧‧‧時域慣性感測器控制區塊
502‧‧‧可編程邏輯設備
504‧‧‧控制邏輯模組
510‧‧‧驅動副區塊
518‧‧‧直接數位合成器/電源
520‧‧‧放大器
524‧‧‧控制訊號路徑
526‧‧‧路徑
528‧‧‧增益控制邏輯
530‧‧‧感測副區塊
532‧‧‧比較器
534‧‧‧輸出通道
536‧‧‧輸出通道
538‧‧‧計數器有限狀態機
542‧‧‧計數器
544‧‧‧計數器
546‧‧‧計數器
548‧‧‧計數器
552‧‧‧暫存器
554‧‧‧暫存器
556‧‧‧暫存器
558‧‧‧暫存器
從配合附圖揭示的詳細說明，本發明的特點、目的、及優點將變得更清楚，其中：圖1顯示在無外力下使用觸發事件以偵測振盪器位置的方法之一實施例。
圖1A顯示在外力下使用觸發事件以偵測振盪器位置的方法之一實施例。
圖1B顯示在時變外力下一舉例說明的振盪器軌跡。
圖1C及1D顯示在隨機雜訊存在下使用觸發事件以偵 測振盪器位置的方法之一實施例。
圖2顯示根據本發明的時域感測方法的一實施例之加速度的函數的加速度測量相對誤差之舉例說明的模擬。
圖2A-1至2A-9是一序列圖形，顯示根據本發明的一實施例之對於振盪振幅及觸發位置分離的不同值之加速度的函數之加速度測量相對誤差的模擬。
圖2B顯示根據本發明的一實施例之對於共振頻率及時脈解析度的不同值之加速度的函數之加速度測量相對誤差的模擬。
圖3是根據本發明的包括穿隧位置標示器之時域感測設備的一實施例的上透視圖。
圖3A顯示圖3的穿隧位置標示器開關的三種(3)舉例說明的參考狀態。
圖3B-1及3B-2是上平面視圖，顯示用於本發明的時域感測設備之開關空間配置的不同實施例。
圖3C是側剖面視圖，顯示用於本發明的時域感測設備之觸發點配置的不同實施例。
圖3D是側剖面視圖，顯示根據本發明的包含雙電極開關的時域感測設備之一實施例。
圖3E是側剖面視圖，顯示根據本發明的包含雙電極開關的時域感測設備之另一實施例。
圖3F是側剖面視圖，顯示根據本發明的包含懸吊保證質量組件及二組雙電極開關之時域感測設備的一實施例。
圖3G是側剖面視圖，顯示根據本發明的包含雙懸臂保證質量組件及二組雙電極開關的時域感測設備之一實施例。
圖3H是上平面視圖，顯示根據本發明的包含吊懸保證質量組件及多組雙電極開關的時域感測設備之另一實施例。
圖3I是上平面及剖面視圖組，顯示用於此處所述的各種時域感測設備實施例之多種不同電極尖端實施例。
圖4是方塊圖，顯示根據本發明的時域力感測設備的一實施例。
圖4A大致地顯示圖4的實施例之感測設備產生的穿隧電流脈衝的放大。
圖4B是方塊圖，顯示根據本發明的時域感測設備的一實施例，其包括二個雙電極開關及單極驅動器設備。
圖4C顯示用於圖4及4B的時域感測設備之舉例說明的觸發事件和雙電極開關位置。
圖5是功能方塊圖，顯示使用本發明的時域感測設備之系統的一實施例。
圖6時序圖，顯示用於圖5的時域力感測系統之舉例說明的操作序列。

Claims (53)

  1. 一種振盪感測設備，包括：振盪設備；驅動電路，配置成驅動振盪設備；至少一關關設備，包含第一元件及第二元件，以及，特徵在於至少第一閉合狀態，其中，該第一元件及該第二元件中至少之一配置在該振盪設備上；以及感測電路，耦合至該至少一開關，其中，該感測電路之輸出訊號係基於該振盪設備之相對於參考位置之振盪運動。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該驅動電路以實質上脈衝方式，驅動該振盪設備。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該驅動電路驅動使用驅動頻率而以實質上連續的方式，驅動該振盪設備。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該感測電路在該振盪設備的振盪期間產生實質數位輸出訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該至少一開關設備包含單一電子穿隧尖端對，該第一及該第二元件包括該尖端對。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該至少一開關設備包含眾多電子穿隧尖端對，該第一及該第二元件包括該眾多尖端對中之一。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該感測電路 配置成輸出代表該第一閉合狀態之第一訊號，該第一閉合狀態至少部份地根據設置於第一位置的該振盪設備。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中，至少一開關設備又包括第三元件，以及，特徵在於該第二閉合狀態；以及該感測電路配置成輸出代表該第二閉合狀態之第二訊號，該第二閉合狀態至少部份地根據設置於第二位置的該振盪設備。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中：該第一訊號包括第一事件及第二事件，該第二事件與該第一事件以第一時間週期分離，該第一時間週期至少部份地根據第一頻率及施加力而配置；該第二訊號包括第三事件及第四事件，該第三事件與該第四事件以第二時間週期分離，該第二時間週期至少部份地根據該第一頻率及該施加力而配置。
  10. 如申請專利範圍第8項之設備，其中：該第一位置特徵在於相對於參考位置之該振盪器設備的第一位移；該第二位置特徵在於相對於該參考位置之該振盪器設備的第二位移；以及該第二位移實質上不同於該第一位移。
  11. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一訊號包括第一事件及第二事件，該第二事件與該第一事件以第一時間週期分離，該第一時間週期至少部份地根據該振 盪器設備的振盪頻率及施加力而配置。
  12. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該設備包括微機電感測器設備。
  13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中，該設備具有之尺寸為小於3mm長度×3mm寬度×1mm高度。
  14. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該振盪器設備包括振盪結構；以及該至少一開關設備包括配置成圍繞該振盪結構周圍的至少一部份的第一開關及第二開關。
  15. 如申請專利範圍第14項之設備，其中，該第一開關的第一閉合狀態對應於該振盪器設備位移，該振盪器設備位移與對應於該第二開關的第一閉合狀態之振盪器設備位移實質上不同。
  16. 如申請專利範圍第14項之設備，其中，該第一開關的第一閉合狀態對應於該振盪器設備位移，該振盪器設備位移與對應於該第二開關的第一閉合狀態之該振盪器設備位移實質上相同。
  17. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該感測設備包括力感測器，以及，該振盪設備包括具有保證質量的實質懸臂結構。
  18. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該振盪設備至少因非線性恢復力而振盪。
  19. 如申請專利範圍第18項之設備，其中，至少部份地因力的時變施加而引發該非諧振盪。
  20. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，來自該感測電路的該數位脈衝用以計數脈衝與脈衝之間的持續時間。
  21. 如申請專利範圍第20項之設備，其中，配合該振盪器運動的一或更多曲線適配，使用該脈衝與脈衝之間的持續時間，以取出關於作用在該振盪器上的參數的資訊。
  22. 一種振盪設備，包括：振盪器，配置成至少部份根據驅動訊號而以相對於參考位置之振盪運動方式來振盪；以及，開關，包括至少第一及第二感測元件；其中：當該振盪器在第一位置時，該設備產生第一實質數位輸出訊號；以及當該振盪器在第二位置時，該設備產生第二實質數位輸出訊號。
  23. 如申請專利範圍第22項之設備，其中，該第一及該第二感測元件包括成對的穿隧電極。
  24. 一種振盪設備，包括：振盪器，配置成至少部份地根據驅動訊號而振盪；以及開關，包括至少第一及第二感測元件；其中，根據該開關產生的輸出訊號，將該振盪器的位置決定為時間的函數，其中，該振盪器包含至少一懸臂以及與該懸臂相關連 的保證質量。
  25. 如申請專利範圍第24項之設備，其中，至少部份地經由橫越該第一及第二感測元件的電子穿隧而產生該輸出。
  26. 一種振盪時域力感測設備，包括：第一結構，包括：保證質量，包括眾多邊；至少一位置感測電極，配置在該保證質量上；以及接地元件，配置在該保證質量的該眾多邊的第一邊上，以及，耦合至接地平面；第二結構，包括：至少一位置界定電極；以及第一電容板，延著該第二結構的第一邊配置；驅動電路，電耦合至該第一電容板及該接地平面，以及，配置成引發相對於該至少一位置界定電極之保證質量的第一頻率振盪運動；以及，感測電路，耦合至該至少一位置界定電極以及至少一位置感測電極，該感測電路配置成輸出代表該至少一位置界定電極與該至少一位置感測電極之間的至少一預定空間配置之訊號；其中：該訊號至少包含與第一時間值相關連的第一脈衝以及與第二時間值相關連之第二脈衝；以及 至少部份地根據該第一頻率及慣性力造成的該保證質量的位移，配置第二時間值與第一時間值之間的差。
  27. 如申請專利範圍第26項之設備，其中：該至少一位置界定電極包括第一位置界定電極及第二位置界定電極；該至少一預定空間配置包括(i)在該第一位置界定電極與該至少一位置感測電極之間的第一空間配置，以及(ii)在該第二位置界定電極與該至少一位置感測電極之間的第二空間配置；以及該訊號又至少包括與第三時間值相關連的第三脈衝、以及與第二時間值相關連的第四脈衝，該第三及該第四脈衝是至少部份根據該第二空間配置而產生的。
  28. 如申請專利範圍第26項之設備，其中：該至少一位置界定電極包括第一位置界定電極及第二位置界定電極；該至少一位置感測電極包括第一位置感測電極及第二位置感測電極；該至少一預定空間配置包括(i)在該第一位置界定電極與該第一位置感測電極之間的第一空間配置，以及在該第二位置界定電極與該第二位置感測電極之間的第一空間配置，(ii)在該第二位置界定電極與該第一位置感測電極之間的第二空間配置，以及(iii)在該第一位置界定電極與該第二位置感測電極之間的第三空間配置；以及該訊號又包括 至少第三脈衝及第四脈衝，該第三脈衝與第三時間值相關連，該第四脈衝與第二時間值相關連，該第三及該第四脈衝是至少部份根據該第二空間配置而產生的；以及至少第五脈衝及第六脈衝，該第五脈衝與第五時間值相關連，該第六脈衝與第六時間值相關連，該第五及該第六脈衝是至少部份根據該第三空間配置而產生的。
  29. 如申請專利範圍第26項之設備，其中：該第二結構包括延著該第二結構的第二側配置的第二電容板，該第二側與該第一側實質上相對立；該驅動電路電耦合至該第二電容板；以及該驅動電路配置成提供第一驅動訊號給該第一電容板以及提供第二驅動訊號給該第二電容板，其中，該第二驅動訊號相是相對於該第一驅動訊號相位偏移。
  30. 一種振盪設備，配置成感測外力，該設備包括：振盪器，能進行相對於第一參考位置之振盪運動；驅動電路，配置成驅動該振盪器；開關設備，包括第一元件及第二元件；以及感測電路，耦合至該開關；其中：該第一元件或該第二元件中至少之一配置在該振盪器上；該感測電路配置成輸出代表第一閉合狀態之實質數位訊號，該第一閉合狀態對應於實質上設置於第一參考 位置以致於該第一及第二元件對齊之該振盪器；以及該訊號包括第一事件及第二事件，該第二事件與該第一事件以第一時間週期分離，該第一時間週期與該振盪器的振盪頻率及該外力至少部份地相關，其中，該第一及第二元件均包括延著該第二方向以間隙分開的穿隧尖端電極對；以及該第一及第二元件的對齊配置成造成穿過該間隙的穿隧電極放電電流。
  31. 如申請專利範圍第30項之設備，其中，該施加力是實質上不規律的，且該振盪器的振盪實質上是非正弦的。
  32. 如申請專利範圍第30項之設備，其中，該振盪器運動特徵在於第一方向上的配置；以及該第一及該第二元件的對齊配置在實質上垂直於該第一方向的第二方向上。
  33. 如申請專利範圍第32項之設備，其中，該第一及第二元件均包括延著該第二方向以間隙分開的磁性尖端電極對；以及該第一及第二元件的對齊配置成造成穿過該間隙的磁脈衝。
  34. 如申請專利範圍第32項之設備，其中，該穿隧尖端電極對的第一電極相對於該穿隧尖端電極對的第二電極是處於不同電位；以及該第一及第二元件的對齊配置成在該第一電極或該第 二電極中至少之一中造成電脈衝。
  35. 如申請專利範圍第30項之設備，其中，該外力包括柯氏力。
  36. 如申請專利範圍第30項之設備，其中，該外力包括加速力。
  37. 一種振盪微機電感測器設備，包括：微等級振盪器，能進行相對於參考位置之振盪運動；驅動電路，與該振盪器通訊；開關電路，與該振盪器通訊；以及感測電路，耦合至該該開關電路，其中該感測電路之輸出訊號係由該振盪器之運動控制；其中：該設備產生實質數位輸出訊號，該實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及該數位輸出訊號的準確度實質上不漂移或是隨著至少部份地根據該微等級振盪器的使用之時間函數而變化。
  38. 一種振盪設備，包括：振盪器，能進行相對於參考位置之振盪運動；驅動電路，與該振盪器通訊；開關電路，與該振盪器通訊；以及感測電路，耦合至該該開關電路，其中該感測電路之輸出訊號係由該振盪器之運動控制；其中： 該設備產生實質數位輸出訊號，該實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及該數位輸出訊號的準確度實質上不漂移或是隨著該振盪器隨著時間的一或更多物理特性之改變的函數而變化。
  39. 一種振盪感測器設備，包括：振盪器，能進行相對於參考位置之振盪運動；驅動電路，與該振盪器通訊；開關電路，與該振盪器通訊；以及感測電路，耦合至該該開關電路，其中該感測電路之輸出訊號係由該振盪器之運動控制，其中：該設備產生實質數位輸出訊號，該實質數位輸出訊號與外部施加的影響至少部份地相關；以及該驅動電路配置成改變施加至該振盪器的驅動訊號以致改變該振盪器的振盪的振幅，該振幅改變使得該感測器設備的動態範圍能改變。
  40. 一種外部參數測量方法，該方法使用振盪器及開關以測量該外部參數，該振盪器能夠進行相對於參考位置的振盪運動，該運動特徵在於第一時間週期，該開關特徵在於至少第一閉合狀態，該方法包括：在該振盪器之內引發振盪運動；以及使用耦合至該開關的感測電路，以輸出代表該開關處於至少該第一閉合狀態、第一事件及第二事件的訊號，該 第二事件與該第一事件以第二週期分離，該第二週期與第一時間週期及該外部參數至少部份地相關，其中，該使用感測電路的步驟包括：將該開關的至少一側相對於該開關的另一側充電至更高的電壓電位；在第二時間間隔期間，測量該開關的電特性。
  41. 如申請專利範圍第40項之方法，其中，該第一時間週期實質上符合該振盪器的自然共振頻率。
  42. 如申請專利範圍第40項之方法，其中，該振盪器的該振盪運動是實質上非正弦的。
  43. 如申請專利範圍第40項之方法，其中，該引發步驟包括以第一時間間隔施加正弦驅動力至該振盪器。
  44. 如申請專利範圍第40項之方法，其中，該引發步驟包括施加實質上間歇的驅動力至該振盪器。
  45. 如申請專利範圍第40項之方法，其中，該測量步驟包括第一測量及第二測量，該第一及該第二測量都發生於該第一時間週期中之一之內。
  46. 一種操作振盪裝置的方法，包括：使用驅動訊號，在該裝置的振盪器中引發振盪，其中該振盪器能進行相對於參考位置之振盪運動；以及使用至少第一及第二電極，從該裝置產生實質數位輸出，該輸出是至少部份根據時脈訊號且至少部份地根據該振盪器的運動而產生的，該時脈訊號具有預定顫動；其中，該顫動實質上消除該輸出的重疊。
  47. 一種感測器，可由方法操作，該方法包括：耦合感測電路至至少一參考元件以及至至少一感測元件，該至少一感測元件能夠相對於該至少一參考元件振盪運動，該振盪運動特徵在於第一時間週期及參考位置；以及將該感測電路配置成輸出代表該至少一感測元件位於相對於該至少一參考元件之第一位置的訊號，其中，該感測器包括力感測器，以及，至少部份地由施加驅動力至與該至少一感測元件相關連的振盪器而引發該振盪運動，該驅動力與被感測的外部施加力不同，其中，該驅動力實質上是脈衝的、間歇的、或連續及正弦的。
  48. 如申請專利範圍第47項之感測器，其中：該訊號包括第一脈衝及第二脈衝，該第二脈衝與該第一脈衝以第二時間週期隔離；以及該第二時間週期至少與該第一週期及該至少一感測元件離該參考位置的該位移相關。
  49. 一種感測參數的方法，包括：在振盪器中引發振盪，該振盪器能進行相對於參考位置之振盪運動；施加該參數至該振盪器，以對該振盪器引發影響；從與該振盪器相關連的電極產生訊號，該訊號對應於該電極的位置而為時間函數，該位置與該影響至少部份地相關；以及 根據至少該產生的訊號，估算該參數。
  50. 一種操作振盪裝置的方法，包括：使用驅動訊號，在該裝置的振盪器中引發振盪，其中該振盪器能進行相對於參考位置之振盪運動；在該驅動訊號之內刻意地引發顫動；使用至少第一及第二電極，從該裝置產生實質數位輸出，該輸出係至少部份地根據時脈訊號且至少部份地根據該振盪器的運動而產生的，該時脈訊號具有與其相關連的刻意引發的顫動，該產生包含訊號的平均；其中，該顫動藉由實質地消除量化誤差而實質地增加該數位輸出的精確度。
  51. 一種振盪設備操作方法，該方法操作該振盪設備以致於能夠在變化的動態範圍中感測參數，該方法包括：在該設備的振盪器中引發第一振盪，該振盪具有與其相關連的第一振幅；施加具有第一值的該參數至該振盪器以對該振盪器引發第一影響；從與該振盪器相關連的電極產生第一訊號，該訊號對應於該電極的位置以及該振盪器的位置而為時間函數，該位置係至少部份地與該第一影響相關；以及至少根據該產生的第一訊號，估算該第一值；在該振盪器中引發第二振盪，該振盪具有與其相關連的第二振幅；施加具有第二值的該參數至該振盪器以對該振盪器引 發第二影響，當施加該第一振幅時，該第二值不在該振盪器的動態範圍之內；從與該振盪器相關連的電極產生第二訊號，該訊號對應於該電極的位置以及該振盪器的位置而為時間函數，該位置係至少部份地與該第二影響相關；以及至少根據該產生的第二訊號，估算該第二值。
  52. 一種使用振盪裝置以估算外部施加的參數之方法，該方法包括：使用驅動訊號，在該裝置的振盪器中引發振盪；使用至少第一及第二電極，從該裝置產生輸出，該輸出與該振盪器的眾多位移值有關；以及從該輸出估算該施加的參數之值，該眾多位移值是適配預定的數學函數，其中，該預定函數包括實質正弦函數。
  53. 如申請專利範圍第52項之方法，其中，該預定函數包括實質非正弦函數。
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