CN109387291A - 用于mems谐振传感器阵列的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于MEMS谐振传感器阵列的装置和方法。提供一种方法。所述方法包括：将周期性线性调频传输到MEMS传感器阵列的至少两个像素；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率中的改变；确定入射在接收周期性线性调频的每个像素上的功率电平。在一个实施例中，所述方法还包括校准MEMS传感器阵列。在另一个实施例中，校准包括针对每个MEMS谐振传感器生成参考谐振频率。在另外的实施例中，确定功率电平包括确定所确定的谐振频率与参考谐振频率之间的差。
Description
背景技术
非制冷红外（IR）传感器阵列测量环境红外辐射，并且用于诸如夜视镜的图像传感器。非制冷红外传感器阵列由非制冷IR传感器形成。微测辐射热计是常规的非制冷IR传感器。由于约翰逊、闪烁和热波动噪声，微测辐射热计具有相对高的噪声电平。这类高噪声电平限制微测辐射热计，并因此限制IR传感器阵列、灵敏度。作为结果，微测辐射热计和IR传感器阵列动态范围也受到限制。因此，存在对于使用具有增加的灵敏度的IR传感器的红外传感器阵列的需求。
发明内容
提供一种方法。所述方法包括：将周期性线性调频传输到MEMS传感器阵列的至少两个像素；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率中的改变；确定入射在接收周期性线性调频的每个像素上的功率电平。在一个实施例中，所述方法还包括校准MEMS传感器阵列。在另一个实施例中，校准包括针对每个MEMS谐振传感器生成参考谐振频率。在另外的实施例中，确定功率电平包括确定所确定的谐振频率与参考谐振频率之间的差。
附图说明
要理解绘图仅描绘示例性实施例，并因此不应认为在范围方面是限制性的，将通过使用附图以附加的特性和细节来描述示例性实施例，其中：
图1图示了MEMS红外谐振传感器的阵列的一个实施例的平面视图；
图2图示了MEMS红外谐振传感器的一个实施例的横截面；
图3A图示了MEMS红外谐振传感器阵列***的一个实施例；
图3B图示了像素的谐振频率的一个实施例；
图4图示了检测器的一个实施例；
图5图示了传感器阵列上方的快门***；以及
图6图示了MEMS红外传感器阵列的操作的方法的一个实施例。
根据惯例，各种描述的特征未按比例绘制，而是为强调与示例性实施例相关的具体特征而绘制。参考字符贯穿各图和文本标示同样的要素。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成详细描述的部分的附图，并且其中通过图示的方式示出具体的说明性实施例。然而，要理解的是可以利用其他实施例并且可以做出结构、机械和电气改变。此外，附图和说明书中呈现的方法不应被解释为限制可以执行各个步骤的顺序。因此，不要将以下详细描述当作限制意义。
可以使用微机电***（MEMS）红外（IR）谐振传感器来克服上文提及的问题。 MEMSIR传感器的实施例具有至少一个优点：较低的噪声。MEMS IR谐振传感器具有较低的噪声，这是因为它们仅受热波动噪声限制。虽然出于教学目的而说明MEMS IR谐振传感器，但是本文描述的实施例适用于MEMS谐振传感器（以及MEMS谐振传感器的阵列）。MEMS谐振传感器是其谐振频率基于感兴趣的入射信号的量而变化的传感器，其包括但不限于红外传感器、质量传感器、气体传感器、温度传感器、惯性传感器和磁性传感器。
图1图示了MEMS红外谐振传感器的阵列（传感器阵列）100的一个实施例的平面视图。在图示的实施例中，阵列100具有M行和N列，有示出为像素P1,1到PM,N的共M乘以N个像素。在本文可以将每个MEMS红外谐振传感器称作像素P。在另一个实施例中，M和N中的每个大于一。
图2图示了MEMS红外谐振传感器200的一个实施例的横截面。MEMS红外谐振传感器200包括谐振器202和吸收器204。在另一个实施例中，谐振器202包括将机械能转换成电能（并且反之亦然）的材料，诸如体模压电（例如氮化铝、氮化镓、Y切割石英和铌酸锂）。MEMS红外谐振传感器200在取决于谐振器202的尺寸和温度的谐振频率处谐振。
在一个实施例中，吸收器204是电介质（例如聚合物），其吸收例如生成热量的IR波长——能量，并因此增加谐振器202的温度。归因于它温度中的改变，MEMS红外谐振传感器200的谐振频率改变。在另一个实施例中，使用常规半导体制造技术将吸收器204沉积在谐振器202上。
图3A图示了MEMS红外谐振传感器阵列***（传感器***）330的一个实施例。传感器***330包括耦合到信号发生器***312和检测***314的MEMS红外谐振传感器的阵列（传感器阵列）300。在另一个实施例中，如上文关于图1描述的那样来实现传感器阵列300。
在一个实施例中，信号发生器***312在传感器阵列300中的MEMS红外传感器200的操作频率范围内生成周期性频率线性调频信号（或周期性线性调频），所述周期性频率线性调频信号随时间在频率方面增加（例如，从800MHz到1000MHz）或随时间在频率方面减少。在另一个实施例中，周期性线性调频具有随时间线性地增加或减少的频率。可替换地，周期性线性调频具有随时间非线性地增加或减少的频率。在另外的实施例中，信号发生器***312包括耦合到传感器阵列300的全部像素的一个信号发生器。在又一个实施例中，信号发生器***312包括两个或更多个信号发生器；例如，一个信号发生器可以唯一地耦合到传感器阵列300的像素。
信号发生器（诸如生成周期性线性调频的信号发生器）可以通过CMOS技术建造在与IR检测器相同的基板上。在一个实施例中，信号发生器由555计时器电路和/或运算放大器构造。
周期性线性调频被传播到传感器阵列300。归因于入射在一个或多个像素P上的红外辐射，一个或多个像素P的谐振频率可能偏移。从传感器阵列300输出的结果信号反映（一个或多个）偏移的谐振频率。从传感器阵列300输出的该信号被传播到检测器***316，所述检测器***316确定信号的例如电压或功率的峰值幅度的时间或频率。如果时间被确定，那么将它转换为频率，因为周期性线性调频的每个频率对应于线性调频期间的唯一时间。
现在将说明像素P的谐振频率中的偏移。图3B图示了像素P 331的谐振频率的一个实施例。在例如室温的第一温度T1处，MEMS红外传感器200的谐振频率为fRESONANCE@T1。当IR入射在MEMS红外传感器200上时，MEMS红外传感器200的温度增加到第二温度T2。温度T2大于温度T1。因为可以用于制作谐振器202的材料具有负谐振频率温度系数，所以在第二温度T2处的谐振频率（fRESONANCE@T2）小于fRESONANCE@T1。在另一个实施例中，可以使用具有正谐振频率温度系数的材料。
返回图3A，在一个实施例中，检测***314包括耦合到处理***318的检测器***316。在另一个实施例中，如图3A中图示的，检测器***316包括R乘S个检测器的阵列，包括检测器1,1 316a到检测器R,S 316n；传感器阵列300中的每个像素P耦合到唯一的检测器。
图4图示了检测器416x的一个实施例。检测器***316的一个或多个检测器中的每个包括检测器电路416x-1，所述检测器电路416x-1生成与入射在这类检测器电路上的相应电压或功率相关（例如，成比例）的模拟（电压或电流）信号。在另一个实施例中，模数转换器（ADC）416x-2耦合到一个或多个检测器电路的输出。在另外的实施例中，多路复用器可以将两个或更多个检测器电路的输出耦合到ADC 416x-2的输入；每个检测器电路依次地耦合到ADC 416x-2。每个模数转换器将由检测器电路416x-1生成的模拟信号转换成可以由数字***容易地处理的数字信号。
返回图3A，在可替换实施例中，检测***316包括耦合到两个或更多个像素的至少一个多路复用器。例如，单个多路复用器可以耦合到传感阵列300中的每个像素以及耦合到单个检测器。使用（一个或多个）多路复用器，检测***316可以随时间处理来自全部像素的信号。
返回图4，在一个实施例中，检测器416x包括诸如积分器电路的平均电路416x-3。平均电路426x-3对两个或更多个周期性线性调频上的（一个或多个）像素的谐振频率进行平均。在图示的实施例中，平均电路416耦合在传感器阵列300和检测器电路416x-1之间。可替换地，在另一个实施例中，平均电路416x-3可以耦合在检测器电路416x-1和ADC 416x-2之间。
返回图3，在一个实施例中，图示的处理***318用状态机（诸如耦合到存储器的处理器）来实现。在另一个实施例中，可以使用现场可编程门阵列和/或专用集成电路来代替处理器和存储器的全部或部分。在另外的实施例中，存储器可以用随机存取存储器、只读存储器、闪速存储器和/或磁性存储器来实现。
在一个实施例中，处理***318包括峰值检测器***318A、图像检测***318B和计数器***318C。在另一个实施例中，峰值检测器***318A、图像检测***318B和计数器***318C由处理***318存储和执行。在另外的实施例中，计数器***318C耦合到信号发生器***312。在另外的实施例中，计数器***318C是计数器电路。计数器***318C可以可替换地位于信号发生器***312中或其他位置。计数器频率足够高以提供期望的频率分辨率（例如，1Hz或更小）来准确地确定MEMS红外谐振传感器的谐振频率的偏移。
信号发生器***312被配置为向计数器***318C发信号以在由信号发生器***312生成的每个周期性线性调频的开始处（例如从零）开始计数。在一个周期性线性调频完成之后，计数器***318C重置并在下一个周期性线性调频开始时（例如从零）重新开始计数。每个计数对应于周期性线性调频内的频率间隔（bin）或范围。
峰值检测器***318A被配置为标识传感器阵列300中的每个像素P的谐振频率。在一个实施例中，对于传感器阵列300中的每个像素P，峰值检测器***318A标识并存储计数器***318C的对应于测量振幅最大值或峰值的计数。通过在峰值检测***318A中使用公式和/或查找表数据库，峰值检测***318A使用针对每个像素存储的计数来确定周期性线性调频的对应频率，所述频率基本上是该MEMS红外谐振传感器的谐振频率。如果周期性线性调频是线性的，那么通过测量的计数乘以常数来限定谐振频率；例如，常数将是周期性线性调频的频率范围除以计数范围。峰值检测器***318A将每个像素P的谐振频率传送到图像检测***318B。
如本文所使用的数据库意指常规数据库或任何其他数据存储技术，包括数据文件和/或寄存器的使用。可以将本文描述的两个或更多个数据库组合成单个数据库。
在可替换实施例中，峰值检测器***318A包括至少一个快速傅里叶变换（（一个或多个）FFT）（例如，存储在峰值检测器***318A中并由处理***318执行）。例如，针对每个线性调频周期，对于每个像素在检测器***316的输出上执行FFT，生成R个数据间隔。每个间隔对应于周期性线性调频的频率范围中的一个频率范围。在另一个实施例中，每个间隔的带宽等于周期性线性调频的频率范围除以R。R可以由***设计者选择。对于每个循环，峰值检测器***318A确定具有最大振幅的间隔。在又再一个的实施例中，对于每个周期性线性调频，将具有最大振幅的间隔的中心频率标识为对应像素P的谐振频率。峰值检测器***318A将每个像素P的谐振频率传送到图像检测***318B。
图像检测***318B被配置为基于谐振频率偏移来确定每个像素P上的入射红外辐射的振幅（例如，功率）。更具体地，如随后将描述的，图像检测***318B被配置为基于所确定的谐振频率与对应的参考谐振频率之间的差来确定入射在每个像素P上的红外辐射功率。
在一个实施例中，图像检测***318B包括参考数据库，所述参考数据库存储当没有红外辐射入射在像素上时传感器阵列300的每个像素P的谐振频率；将这类谐振频率称为参考谐振频率。然而，参考数据库可以位于处理***318中的其他位置。随后将描述获得参考谐振频率的一种方法。
图像检测***318B针对每个像素P确定所测量的谐振频率与参考谐振频率之间的差。例如，差是从所测量的谐振频率减去参考谐振频率。差是谐振频率偏移。通过在图像检测***318B中使用公式和/或查找表数据库，图像检测***318B确定每个像素P上的入射红外功率。
为了补偿变化的环境条件（诸如变化的温度）或像素P性能随时间变化的改变（诸如归因于传感器阵列300老化和/或退化的长期像素谐振频率漂移），必须持续地或周期性地重新测量每个像素P的参考谐振频率。为了实现这点，在一个实施例中，传感器***330包括将传感器阵列300从入射的红外辐射隔离的快门***530。图5图示了传感器阵列300上方的快门***530。快门***530包括快门。快门可以是近似于相机中使用的机电快门。可替换地，快门可以是例如由液态金属、液晶和/或可以被电气地激活以阻挡红外辐射的其他材料制作的电光快门。在另一个实施例中，快门***530耦合到例如用图像检测***318B来控制快门的打开与关闭的处理***318。当要执行校准（例如，确定参考谐振频率）时，关闭快门。在另外的实施例中，快门***530包括驱动器电路，所述驱动器电路被配置为耦合到处理***318以将来自处理***318的数字控制信号转换为打开和关闭快门的模拟信号。
当快门被激活时，阻挡红外辐射入射在传感器阵列300的像素P上。使用上述技术之一来测量每个像素P的参考谐振频率（不存在红外辐射），并将它们存储在参考数据库中。在一个实施例中，在每次测量环境红外辐射之前表征参考谐振频率。然而，不需要那么频繁地表征参考谐振频率，并且可以如需要的（例如，如由处理***控制和/或由***设计者确定的）那么频繁地周期性测量参考谐振频率。
可选地，在一个实施例中，可以测量针对每个像素的比例因子。通过使等同、恒定功率电平的红外辐射入射在每个像素P上来确定比例因子。如果像素生成不同的谐振频率，可以针对每个像素计算比例因子。针对每个像素P的比例因子要被乘以例如检测到的电压或功率电平或对应于相应像素的初始确定的谐振频率，以确保当等同、恒定红外功率电平入射在像素P上时针对每个像素确定相同的谐振频率。对于未来的测量，将检测到的电压或功率电平或针对每个像素的确定谐振频率乘以比例因子，使得至少对于第一阶，每个像素P对入射的红外辐射具有相同的响应。可以在例如比例因子数据库中、在处理***318中（例如在图像检测***318B中）存储比例因子。
在一个实施例中，比例因子校准在检测器***316或处理***318（例如图像检测***318B）中执行。对于给定应用，可以如需要的那么频繁地执行比例因子校准。
返回图3A，在一个实施例中，至少一个输入/输出设备（（一个或多个）I/O）313耦合到处理***318。（一个或多个）I/O 313可以传输和接收分别由传感器***330和在传感器***330外部生成的数据和命令。（一个或多个）I/O 313包括调制解调器、显示器（诸如触摸屏）、键盘、光标控制设备（诸如鼠标）、扬声器和/或麦克风以及语音识别***。例如，数据可以被传输到用户和从用户接收，所述用户可以是另一个***和/或人。在另一个实施例中，（一个或多个）I/O 313可以用于输出（例如显示）入射在例如如夜视镜中使用的传感器阵列300上的红外辐射功率电平。
图6图示了MEMS IR传感器阵列600的操作的方法的一个实施例。就图6中示出的方法600的实施例在本文中被描述为是实现在图1到5中示出的***中而言，要理解的是可以以其他方式实现其他实施例。为了便于解释，以大体依次的方式布置了流程图的块；然而，要理解的是该布置仅仅是示例性的，并且应该认识到，与所述方法（和图中示出的块）相关联的处理可以以不同的顺序发生（例如，其中至少一些与块相关联的处理是并行和/或以事件驱动的方式执行的）。虽然出于教学原因关于图6提及了红外，但图示的方法适用于其他MEMS谐振传感器。
在一个实施例中，在块640中校准MEMS红外传感器阵列。在另一个实施例中，通过针对MEMS红外传感器阵列的每个像素生成参考谐振频率来校准，例如，通过关闭快门并且确定每个像素的谐振频率（如上文另外描述的）来校准。在另外的实施例中，通过在快门关闭时执行接下来的块644和646来执行校准。在又一个实施例中，通过针对MEMS红外传感器阵列的每个像素生成比例因子来校准，例如，如上文所述。
在块644中，将周期性线性调频传输到传感器阵列中的至少两个像素，例如一些或全部像素。在块646中，确定接收周期性线性调频的每个像素的谐振频率，例如，如上文所述。在块648中，确定接收周期性线性调频的每个像素的谐振频率中的改变，例如，如上文所述。在块650中，确定入射在接收周期性线性调频的每个像素上的（例如红外辐射的）功率电平，例如，如上文所述。在一个实施例中，在块652中，例如对于周期性线性调频，输出入射在每个像素上的功率电平。
示例实施例
示例1包括一种装置，其包括：信号发生器***，被配置为生成周期性线性调频；检测器***；MEMS谐振传感器阵列，其包括耦合到信号发生器***和检测器***的至少两个MEMS谐振传感器；以及耦合到检测器***的处理***。
示例2包括示例1的装置，其中检测器***包括至少一个检测器。
示例3包括示例2的装置，其中每个检测器包括：检测器电路；以及耦合到检测器电路的模数转换器。
示例4包括示例1-3中任何一个的装置，其中处理***包括：峰值检测器***，被配置为确定MEMS谐振传感器阵列中的每个像素的谐振频率；图像检测***，被配置为基于所确定的谐振频率与对应的参考谐振频率之间的差来确定入射在每个像素P上的红外辐射功率；并且其中图像检测***包括参考数据库和比例因子数据库中的至少一个。
示例5包括示例4的装置，其中所述装置还包括耦合到信号发生器的计数器***。
示例6包括示例1-5中任何一个的装置，还包括快门***。
示例7包括示例6的装置，其中快门***包括电光快门。
示例8包括示例1-7中任何一个的装置，其中在每个周期期间周期性线性调频在频率方面线性地增加。
示例9包括示例1-8中任何一个的装置，其中每个MEMS谐振传感器包括：谐振器；以及谐振器上的吸收器。
示例10包括示例9的装置，其中吸收器是红外吸收器。
示例11包括一种装置，其包括：信号发生器***，被配置为生成周期性线性调频；包括至少一个检测器的检测器***，其中所述至少一个检测器中的每个包括耦合到模数转换器的检测器电路；包括M行和N列的MEMS红外谐振传感器的红外MEMS谐振传感器阵列，其耦合到信号发生器***和检测器***；以及耦合到检测器***的处理***，其包括：峰值检测器***，被配置为确定MEMS谐振传感器阵列中的每个像素的谐振频率；图像检测***，被配置为基于所确定的谐振频率与对应的参考谐振频率之间的差来确定入射在每个像素P上的红外辐射功率；并且其中处理***包括参考数据库和比例因子数据库中的至少一个。
示例12包括示例11的装置，其中所述装置还包括耦合到处理***的快门***。
示例13包括示例12的装置，其中快门***包括电光快门。
示例14包括示例11-13中任何一个的装置，其中所述装置还包括耦合到信号发生器的计数器。
示例15是一种方法，其包括：将周期性线性调频传输到MEMS传感器阵列的至少两个像素；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率；确定接收周期性线性调频的每个MEMS谐振传感器的谐振频率中的改变；以及确定入射在接收周期性线性调频的每个像素上的功率电平。
示例16包括示例15的方法，还包括校准MEMS传感器阵列。
示例17包括示例16的方法，其中校准包括针对每个MEMS谐振传感器生成参考谐振频率。
示例18包括示例15-17中任何一个的方法，其中确定功率电平包括确定所确定的谐振频率与参考谐振频率之间的差。
示例19包括示例15-18中任何一个的方法，其中生成周期性线性调频包括生成具有在周期期间线性增加的频率的周期性线性调频。
示例20包括示例15-19中任何一个的方法，其中确定谐振频率包括：标识对应于从MEMS谐振传感器检测到的最大测量振幅的计数；并且将该计数转换为该MEMS谐振传感器的谐振频率。
如本申请中所使用的相对位置的术语是基于平行于层、晶片或基板的常规平面或工作表面的平面限定的，或在术语共面（与层、晶片或基板的常规平面或工作表面相同的平面）的情况下限定的，而不论取向如何。如本申请中所使用的术语“水平”或“横向”被限定为平行于层、晶片或基板的常规平面或工作表面的平面，而不论取向如何。术语“垂直”指代垂直于水平的方向。诸如“上”、“侧”（如在“侧壁”中）、“较高”、“较低”、“上方”、“顶”和“下”的术语是关于在层、晶片或基板的顶表面上的常规平面或工作表面定义的，而不论取向如何。如本申请中所使用的术语“共面”被限定为与层、晶片或基板的常规平面或工作表面在相同平面中的平面，而不论取向如何。
虽然本文说明并描述了具体实施例，但是本领域的普通技术人员将领会，为达到相同目的而计划的任何布置可以替代示出的具体实施例。因此，清楚地意图本发明仅受权利要求及其等同物限制。
Claims (3)
1.一种装置，包括：
信号发生器***（312），被配置为生成周期性线性调频；
检测器***（316）；
MEMS谐振传感器阵列（300），其包括耦合到信号发生器***和检测器***的至少两个MEMS谐振传感器；
耦合到检测器***的处理***（318）；并且
其中处理***（318）包括：
峰值检测器***（318A），被配置为确定MEMS谐振传感器阵列（300）中的每个像素的谐振频率；
图像检测***（318B），被配置为基于所确定的谐振频率与对应的参考谐振频率之间的差来确定入射在每个像素上的红外辐射功率；并且
其中图像检测***（318B）包括参考数据库和比例因子数据库中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括耦合到信号发生器（312）的计数器***（318C）。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到处理***（318）的快门***（530）。
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