DE102006045723A1

DE102006045723A1 - Resonatorbasierte Transmitter für kapazitive Sensoren

Info

Publication number: DE102006045723A1
Application number: DE102006045723A
Authority: DE
Inventors: Steven A. Mountain View Rosenau; Michael Louis San Jose Frank
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US20070089513A1; GB0619288D0; GB2430752A

Abstract

Oszillatorschaltungen, die unter Verwendung diverser unterschiedlicher Topologien gebildet werden, können verwendet werden, um Signale als Funktion der Kapazität eines kapazitiven Sensors zu erzeugen. Die Sensorkapazität wird dazu verwendet, die Resonanzfrequenz eines in einer Oszillatorschaltung enthaltenen Resonators zu ziehen. Wenn sich die Kapazität ändert, ändert sich die Oszillatorfrequenz in direkter Beziehung. Das Oszillatorsignal wird anschließend über eine geeignete Übertragungsstrecke an einen Empfänger übertragen, wo es wiederhergestellt und nach Wunsch verarbeitet wird.

Description

Zahlreiche Vorrichtungen verwenden einen oder mehrere Sensoren, um physikalische Phänomene, die mit den Vorrichtungen zusammenhängen, Aspekte der Umgebung, in der Vorrichtungen betrieben werden, oder die Art und Weise, auf die die Vorrichtungen betrieben werden, zu erfassen, zu überwachen und/oder zu messen. Während diese Vorrichtungen komplexer, reicher an Merkmalen und in manchen Fällen tragbarer werden, werden Einschränkungen bezüglich der Sensorgröße und Ressourcenanforderungen strenger. Viele dieser Sensoren sind in Vorrichtungen eingebaut, die einen niedrigen Stromverbrauch, variierende Arbeitszyklen, einen robusten Betrieb und eine langfristige Stabilität erfordern. Da derartige Sensoren zunehmend an zahlreichen unterschiedlichen Positionen oder Arten von Positionen innerhalb einer Vorrichtung eingesetzt werden, sollten die Sensoren auch robuste Mechanismen zum Kommunizieren von Sensorwerten an eine relevante Anzeige oder Steuerschaltungsanordnung verwenden.

Es gibt viele verschiedene Beispiele von mikrobearbeiteten mechanischen Wandlern, die als MEMS-Sensoren verwendet werden können. Unter diesen Erfassungsmechanismen befinden sich Vorrichtungen, die sich auf die folgenden Effekte stützen: spezifischer Piezowiderstand, Piezoelektrizität, variable Kapazität, optische und Resonanztechniken. Desgleichen verwenden viele Sensoren (entweder direkt oder indirekt) mechanische Betätigungsverfahren, einschließlich elektrostatischer, piezoelektrischer, thermischer und magnetischer Verfahren.

Kapazitive Techniken werden häufig bei MEMS-Sensoren verwendet, da die benötigten physischen Strukturen relativ einfach sind, während Kapazitiverfassungstechniken trotzdem präzise Möglichkeiten eines Erfassens der Bewegung eines Objekts oder Material liefern.

Mit der Fähigkeit, zu bewirken, dass sich die Kapazität eines Sensors als Reaktion auf ein physikalisches Phänomen ändert, geht das Erfordernis einher, die Kapazität zu messen und gemessene Kapazitätswerte an eine relevante Anzeige oder Steuerschaltungsanordnung zu liefern. Wie oben erwähnt wurde, muss dies oft auf eine Art und Weise durchgeführt werden, bei der die Gesamtleistungsfähigkeitskriterien des Sensorsystems, z. B. geringe Größe, niedriger Leistungsverbrauch usw., erfüllt sind. Beispielsweise leiten manche MEMS-basierten kapazitiven Sensoren ihre Daten durch HF-Signale weiter. Es wurden bereits verschiedene leistungsarme Funkgeräte entwickelt, um Kapazitätsinformationen an einen entsprechenden Empfänger zu übertragen, jedoch arbeiten derartige Vorrichtungen üblicherweise in Mikrowellenbändern, die Quarzoszillatoren und Phasenregelschleifen verwenden, die einen beträchtlichen Leistungsverbrauch aufweisen und für den Betrieb eine beträchtliche Anlaufzeit benötigen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 20 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.

Gemäß der Erfindung können Oszillatorschaltungen, die unter Verwendung diverser unterschiedlicher Topologien gebildet werden, dazu verwendet werden, Signale als Funktion der Kapazität eines kapazitiven Sensors zu erzeugen. Die Sensorkapazität wird dazu verwendet, die Resonanzfrequenz eines in einer Oszillatorschaltung enthaltenen Resonators zu ziehen. Wenn sich die Kapazität verändert, verändert sich die Oszillatorfrequenz in direkter Beziehung. Dann wird das Oszillatorsignal über eine geeignete Übertragungsstrecke an einen Empfänger übertragen, wo es wiederhergestellt und nach Wunsch verarbeitet wird.

Das Vorstehende ist eine Zusammenfassung und enthält somit notwendigerweise Vereinfachungen, Verallgemeinerungen und Auslassungen von Einzelheiten; folglich werden sich Fachleute darüber im Klaren sein, dass die Zusammenfassung lediglich veranschaulichend ist und in keiner Weise einschränkend sein soll. Wie Fachleuten ebenfalls einleuchten wird, können die hierin offenbarten Vorgänge auf vielerlei Arten implementiert werden, und derartige Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung und ihren breiter gefassten Aspekten abzuweichen. Andere Aspekte, erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie sie allein durch die Patentansprüche definiert sind, ergeben sich aus der nachstehend dargelegten nicht-einschränkenden ausführlichen Beschreibung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A bis 1C mehrere unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung;
2A bis 2B ein Beispiel eines akustischen Filmvolumenresona tors (FBAR – film bulk acoustic resonator) und einer Ersatzschaltung;
3 ein schematisches Diagramm einer Oszillatorschaltung zur Verwendung bei Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung;
4 ein ausführlicheres schematisches Diagramm einer Oszillatorschaltung zur Verwendung bei Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung; und
5 ein weiteres schematisches Diagramm einer Oszillatorschaltung zur Verwendung bei Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung.
Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung des besten in Betracht gezogenen Modus zum Durchführen der Erfindung dargelegt. Die Beschreibung soll die Erfindung veranschaulichen und soll nicht als Einschränkung angesehen werden.
In der gesamten vorliegenden Anmeldung wird auf diverse MEMS-Sensorvorrichtungen, Entwürfe und Herstellungsprozesse Bezug genommen, die Fachleuten hinreichend bekannt sind. Viele dieser Prozesse und Techniken sind der Halbleiterbauelement-Herstellungstechnologie entliehen, z. B. Photolithographietechniken, Dünnfilmaufbringungs- und -wachstumstechniken, Ätzprozesse usw., wohingegen andere Techniken speziell für MEMS-Anwendungen entwickelt bzw. weiterentwickelt wurden. Außerdem können die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auch in Verbindung mit kapazitiv überwachten Sensoren verwendet werden, die streng genommen keine MEMS-Vorrichtungen sind. Kurz gesagt können die vorliegend offenbarten Vorrichtungen und Techniken allgemein in Verbindung mit jeglicher Sensorvorrichtung verwendet werden, die eine variierende Kapazität gemäß der Quantität oder dem Effekt, die bzw. den sie erfasst, erzeugt.
Wie oben angemerkt wurde, können die Strukturen von kapazitiven Sensoren relativ einfach sein, und sie stützen sich allgemein darauf, eine Änderung der Kapazität zu bestimmen, während sich ein Teil des kapazitiven Sensors (z. B. Teile, die einer oder mehreren Kondensatorelektroden oder dem Kondensatordielektrikum entsprechen) bewegt. Kapazitive Sensoren sind allgemein durch ein bestimmtes nicht-lineares Verhalten und eine Temperaturabhängigkeit gekennzeichnet, diese Effekte können jedoch oft durch einen umsichtigen Entwurf und/oder durch Integrieren einer geeigneten Signalkonditionierungsschaltungsanordnung in der Nähe des Sensors berücksichtigt werden. Beispielsweise ist die Kapazität einer einfachen Parallelplattenkondensatorstruktur (wobei Randfelder und andere Effekte ignoriert werden) durch
gegeben, wobei ε₀ die Permittivität des freien Raums ist, ε_r die relative Permittivität des dielektrischen Materials zwischen den Elektroden ist, A der Überlappungsbereich zwischen den Elektroden ist und d die Entfernung zwischen den Elektroden ist.
Der Ausdruck, der die Kapazität beschreibt, demonstriert, dass die Kapazität durch Verändern einer oder mehrerer der anderen Variablen variiert werden kann. Bei einem Beispiel ist eine Elektrode des Kondensators in einer feststehenden Position hergestellt, wohingegen sich die andere Elektrode ansprechend auf einen Stimulus bewegen darf. Die Bewegung der Elektrode kann derart konfiguriert sein, dass sie sich zu der feststehenden Elektrode hin oder von derselben weg bewegt, wodurch der Abstand d variiert und die Kapazität invers verändert wird. Wenn die Elektrodenbewegung stattdessen lateral ist, bleibt der Wert von d konstant, jedoch ändert sich der Überlappungsbereich A, wodurch eine lineare Veränderung der Kapazität bewirkt wird. Bei einem wieder anderen Beispiel verbleiben die Elektroden in einer feststehenden Position, und das dielektrische Material zwischen den Elektroden darf sich bewegen, wodurch die Kapazität verändert wird, indem die effektive Permittivität des Materials zwischen den Elektroden verändert wird.
Obwohl ein Parallelplattenkondensator ein sinnvolles Beispiel abgibt, müssen kapazitive Sensoren nicht so aufgebaut sein, dass sie sich streng nach dieser Architektur richten. Somit können zahlreiche kapazitive Vorrichtungen und Geometrien implementiert werden, einschließlich, z. B., Differentialkapazitätssensoren (nützlich zum Aufheben anderer Effekte wie der Temperaturabhängigkeit), Sensoren mit mehr als zwei Elektroden, Sensoren, bei denen eine oder beide der Elektroden durch Flüssigmetalltröpfchen oder Festkörperteile (Slugs) gebildet sind, deren Fluss (und somit relative Position) eine Kapazität bewirkt, Sensoren, bei denen die Kondensatorplatten koplanar und nebeneinander angeordnet sind, und dergleichen. Im Fall von kapazitiven Sensoren, die Flüssigmetall verwenden, umfassen Beispiele geeigneter Flüssigmetalle Quecksilber, Galliumlegierungen und Indiumlegierungen. Andere Beispiele geeigneter Flüssigmetalle, z. B. mit akzeptabler Leitfähigkeit, Stabilität und akzeptablen Oberflächenspannungseigenschaften, sind Fachleuten bekannt. Allgemein werden Fachleute eine Vielzahl unterschiedlicher Kondensatorsensorkonfigurationen erkennen, die implementiert werden können.
MEMS-Techniken sind beim Konstruieren von kapazitiven Sensoren besonders nützlich, da sie die Konstruktion von kompakten und dennoch sensiblen beweglichen Teilen ermöglichen. Beispielsweise eignen sich MEMS-Techniken gut für Vorrichtungen vom Membrantyp, die oft als Basis für Drucksensoren und Mikrophone verwendet werden. Komplexere Strukturen wie z. B. Interdigitalkondensatoren können ebenfalls hergestellt werden, obwohl das Parallelplattenkondensatormodell eventuell nicht dafür geeignet ist, ihr Verhalten zu charakteristisieren. Kapazitive Techniken sind allgemein weniger rauschbehaftet als viele andere Sensortechniken, z. B. die auf Piezowiderstand basierenden, da sie nicht empfänglich für thermisches Rauschen sind. Jedoch weisen mikrobearbeitete kapazitive Vorrichtungen üblicherweise sehr geringe Kapazitätswerte auf, z. B. in der Größenord nung von 10^–15 bis 10^–18 Farad, wodurch die Möglichkeit erhöht wird, dass Rauschen von elektronischen Schnittstellenschaltungen ihr Signal untergehen lässt.
1A veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kapazitivsensorsignalübertragungssystems gemäß der Erfindung. Das Sensorsystem 100 umfasst einen kapazitiv überwachten Sensor 101, z. B. einen unter Verwendung von MEMS-Techniken hergestellten kapazitiven Sensor. Der Sensor 101 befindet sich in einer bestimmten Vorrichtung, um eine gewisse Umweltqualität wie z. B. Temperatur, Druck, Beschleunigung, Neigung oder dergleichen genau zu erfassen oder zu messen. Statt herkömmliche Kapazitätsmesstechniken wie z. B. Ladungsverstärker, Ladungsausgleichstechniken und Wechselstrombrückenimpedanz zu verwenden, wird durch ein Koppeln des Sensors 101 mit einer entsprechenden Resonatorschaltung 103 eine direkte Umwandlung der Kapazität des Sensors 101 in ein HF-Signal geliefert. Der Resonator 103 wiederum ist ein Bestandteil einer Oszillatorschaltung 105. Die Kapazität des Sensors 101 wird an den Resonator 103 angelegt, wobei die Schaltung verstimmt und ein Frequenzziehen des Oszillators bewirkt wird. Während sich die Kapazität des Sensors 101 ansprechend auf den Stimulus, den er überwacht, verändert, verändert sich die Oszillatorfrequenz in direkter Beziehung. Das Ergebnis der Kombination ist im Wesentlichen eine Kapazität-zu-Frequenz-Umwandlung. Je nach der Beschaffenheit des kapazitiven Sensors können Veränderungen der Kapazität kontinuierlich oder diskret (entweder monoton oder mit variierenden Skalen) sein.
Wie bei System 100 gezeigt ist, kann dieses Signal anschließend unter Verwendung eines Leistungsverstärkers 107 auf geeignete Weise verstärkt und über eine Antenne 109 auf drahtlose Weise gesendet werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die inhärente Signalstärke des durch den Oszillator 105 erzeugten Signals derart sein, dass der Verstärker 107 nicht benötigt wird. Überdies können, wenn der Verstärker 107 in dem System 100 implementiert ist, diverse unterschiedliche Verstärkerschaltungen und -techniken verwendet werden, die für die beteiligten Signale und die verwendete Übertragungstechnik geeignet sind. Wie gezeigt ist, verwendet das System 100 ein drahtloses HF-Übertragungsschema. Somit empfängt eine Antenne 111 das durch die Antenne 109 gesendete HF-Signal. Dieses Signal wird anschließend durch eine Empfängerschaltung 113 wiedergewonnen und zur zusätzlichen Verarbeitung an eine andere Schaltungsanordnung, z. B. ein Computersystem 115, weitergeleitet. Die Empfängerschaltung 113 demoduliert im Wesentlichen das empfangene Signal, um das variierende Frequenzsignal in einen Gleichstromwert umzuwandeln. Bei vielen Beispielen ist das Computersystem 115 ein einfaches Datenverarbeitungssystem, das dahin gehend entworfen ist, Sensorwerte zu überwachen, aufzuzeichnen und/oder anzuzeigen. Allgemein kann das Computersystem 115 so einfach oder so komplex sein, wie dies für die Erfassungsanwendung erforderlich ist. Überdies können diverse Komponenten des Systems 100 miteinander integriert sein, wie Fachleuten bekannt ist.
Obwohl der Entwurf des Systems 100 allgemein durch das Erfordernis bestimmt wird, Sensorwerte zu extrahieren und zu senden, veranschaulicht das System 100 ferner ein drahtloses Übertragungsschema im Vergleich zu vielen anderen drahtlosen Übertragungsschemata. Bei vielen drahtlosen Systemen wird das lokale Oszillatorsignal durch eine Frequenzsynthese erzeugt. Frequenzsyntheseschaltungen verwenden üblicherweise eine Frequenzvervielfachung von niedrigerfrequenten Quarzoszillatoren mittels Rückkopplungstechniken wie z. B. Phasenregelschleifen (PLLs – phase lock loops). Jedoch können derartige Frequenzsynthetisatoren aufgrund des niedrigen Qualitätsfaktors des spannungsgesteuerten Oszillators und aufgrund der endlichen Schleifenbandbreite der PLL ein verschlechtertes Phasenrauschen aufweisen. Überdies erfordern derartige Frequenzsynthetisatoren oft eine beträchtliche Leistung bei dem Oszillator und den Frequenzteilern, was ein besonderes Problem dar stellt, da die Trägerfrequenz aufgrund von Anwendungsanforderungen, Antennengeometrie usw. zunimmt. Frequenzsynthetisatoren können auch relativ ineffizient sein und relativ lange Anlaufzeiten aufweisen. Somit ist das System 100 insofern einfacher, als der resonatorbasierte Oszillator die gewünschte HF-Frequenz direkt erzeugt und diese Frequenz ohne weiteres gemäß Sensorwerten verstimmt wird.
Obwohl Systemkomponenten wie z. B. der Resonator 103, der Oszillator 105, der Verstärker 107 und die Antenne 109 unter Verwendung herkömmlicher Integrierte-Halbleiterschaltung-Entwürfe und -Techniken (z. B. CMOS, bipolar, BiCMOS usw.) hergestellt werden können, können manche oder alle Komponenten auch unter Verwendung von MEMS-Entwürfen und -Techniken hergestellt werden. Beispielsweise kann der Resonator 103 unter Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Resonatorschaltungen und -bauelemente implementiert werden, einschließlich LC-Tankschaltungen, Quarzresonatoren, Oberflächenwellenresonatoren (SAW-Resonatoren, SAW = surface acoustic wave), akustischer Filmvolumenresonatoren (FBARs – film bulk acoustic resonators) und anderer mikromechanischer Resonatoren.
Bei vielen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird der Resonator 143 unter Verwendung eines FBAR-Vorrichtung bzw. eines FBAR-Bauelements implementiert. 2A veranschaulicht ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung. Ein FBAR 200 ist aus einer piezoelektrischen Dünnfilmschicht 220 gebildet, die zwischen einem Paar von Elektroden 210 und 230 angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht 220 kann aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Materialien gebildet sein wie z. B. aus Aluminiumnitrid (AlN), Bleizirconattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO), Polyvinylidenfluorid(PVDF)-Polymerfilmen, Quarz, Lithiumniobat (LiNbO₃) oder aus anderen geeigneten Materialien. Die Elektroden 210 und 230 werden aus einem Metall hergestellt, das mit dem ausgewählten piezoelektrischen Material kompatibel und für den FBAR-Herstellungsprozess geeignet ist. Beispiele umfassen Metalle wie z. B. Molybdän, Aluminium, Wolfram, Gold, Silber, Titan sowie diverse Legierungen. Die Sandwich-Struktur ist über einem Hohlraum 240 schwebend aufgehängt, der in einem Substrat 250 gebildet ist. Der FBAR 200 wird üblicherweise unter Verwendung herkömmlicher Silizium-Mikrobearbeitungstechniken hergestellt, es können jedoch auch verschiedene MEMS- und Halbleiterherstellungsprozesse verwendet werden. Eine Spannungsversorgung 260 legt zwischen den Elektroden 210 und 220 ein elektrisches Feld an. Die piezoelektrische Dünnfilmschicht 220 wandelt einen Teil der angelegten elektrischen Energie in mechanische Energie in Form von Schallwellen um. Diese Schallwellen breiten sich in der Richtung des angelegten elektrischen Feldes aus und werden von der Grenzfläche zwischen dem Hohlraum 240 und der Elektrode 230 abreflektiert. Dann kehren sie durch die piezoelektrische Dünnfilmschicht 220 zurück und werden von der Grenzfläche zwischen der Elektrode 210 und der Atmosphäre über der Vorrichtung erneut reflektiert. Der FBAR 200 besitzt eine mechanische Resonanzfrequenz, die der Frequenz entspricht, bei der die halbe Wellenlänge einer sich in der Vorrichtung ausbreitenden Schallwelle etwa gleich der Gesamtdicke der Vorrichtung bei einer gegebenen Schallgeschwindigkeit in der FBAR-Vorrichtung ist.
FBARs können eine in engen Toleranzgrenzen gehaltene Hochfrequenzresonanz mit einem Ungeladene-Reihenresonanz-Q-Wert von 1.000 oder mehr erreichen. Wie in 2B gezeigt ist, kann der Resonator als LCR-Reihenschaltung ausgeführt sein, wobei eine Reihenresonanz bei ω_s = (L_xC_x)^–1/2 erfolgt, wobei L_x und C_x effektive Induktivität bzw. Kapazität sind. R_x stellt den Bewegungswiderstand der Vorrichtung dar, der allgemein von Eigenschaften des piezoelektrischen Materials und der Vorrichtungsfläche abhängt. Die Kapazität C₀ stellt die durch die Parallelplatten des Resonators erzeugte Durchführungskapazität dar. FBAR-Vorrichtungen wie z. B. die Vorrichtung 200 können so hergestellt werden, dass sie relativ klein sind, z. B. 10.000 μm² aufweisen, und dass sie entweder mit anderen Teilen des Sensorsystems (z. B. dem Sensor selbst oder anderen Schaltungselementen) integriert oder direkt an eine integrierte Schaltung, die andere Systemschaltungsanordnungen enthält, drahtgebondet sind.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1A zeigt das System 100 den Sensor 101 (z. B. die durch den Sensor 101 erzeugte Kapazität) parallel mit dem Resonator 103 gekoppelt. Da die effektive Kapazität des Resonators 103 üblicherweise größer ist (z. B. eine Größenordnung größer) als die Kapazität des Sensors 101, ist bevorzugt, dass die beiden parallel gekoppelt sind, so dass ihre Kapazitäten miteinander addiert werden, statt zu erlauben, dass die relativ geringe Kapazität des Sensors 101 im Fall einer Reihenkopplung dominiert. Jedoch kann bei manchen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung die Größe der relativen Kapazitäten und/oder anderer Systementwurfsmerkmale eine Reihenkopplung nahe legen. Überdies kann es ferner wünschenswert sein, den Resonator 103 mit Blick auf Schaltungsmerkmale oder Sensormerkmale umsichtig zu entwerfen. Eine umsichtige gemeinsame Optimierung kann wünschenswert sein, um einen verringerten Leistungsverbrauch, ein geringes Rauschen usw. zu erreichen.
1B veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kapazitivsensorsignalübertragungssystems gemäß der Erfindung. Das Sensorsystem 120 umfasst einen kapazitiv überwachten Sensor 121, der parallel mit einem Resonator 123 gekoppelt ist. Der Resonator 123 ist Teil einer Oszillatorschaltung 125, die ein HF-Signal erzeugt, dessen Frequenz durch die Kapazität des Sensors 121 gezogen wird. Während sich die Kapazität des Sensors 121 ansprechend auf den Stimulus, den er überwacht, verändert, verändert sich die Oszillatorfrequenz in direkter Beziehung. Wie im System 120 gezeigt ist, kann dieses Signal anschließend unter Verwendung eines Leistungsverstärkers 127 auf geeignete Weise verstärkt und über eine Übertragungsleitung 129 übertragen werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die inhärente Signalstärke des durch den Oszillator 125 erzeugten Signals derart sein, dass der Verstärker 127 nicht benötigt wird. Überdies können, wenn der Verstärker 127 in dem System 120 implementiert ist, diverse unterschiedliche Verstärkerschaltungen und -techniken verwendet werden, die für die beteiligten Signale und die verwendete Übertragungstechnik geeignet sind. Die Übertragungsleitung 129 ist dahin gehend konfiguriert und hergestellt, die Anforderungen des Systems 120 zu erfüllen, und kann somit mehrere Segmente, dazwischen liegende Verbinder, Drähte, Integrierte-Schaltung-Leiter, PCB-Bahnen (PCB = printed circuit board, gedruckte Schaltungsplatine), Mikrostreifenübertragungsleitungen, Mikroabschirmungsübertragungsleitungen, koplanare Wellenleiter usw. umfassen. Das entlang der Übertragungsleitung 129 übertragene Signal wird anschließend durch die Empfängerschaltung 133 wiederhergestellt und zur zusätzlichen Verarbeitung an eine andere Schaltungsanordnung, z. B. ein Computersystem 135, weitergeleitet. Bei vielen Beispielen ist das Computersystem 115 ein einfaches Datenverarbeitungssystem, das dahin gehend entworfen ist, Sensorwerte zu überwachen, aufzuzeichnen und/oder anzuzeigen. Allgemein kann das Computersystem 115 so einfach oder so komplex sein, wie dies für die Erfassungsanwendung erforderlich ist. Abgesehen von der Beschaffenheit des Übertragungsschemas arbeitet das System 120 auf ähnliche Weise wie das System 100 der 1A. Wie Fachleuten jedoch bekannt ist, kann die spezifische Implementierung der Übertragungsleitung 129 bestimmte Implementierungsveränderungen bei anderen Systemkomponenten nahe legen oder vorgeben.
1C veranschaulicht ein wieder anderes Ausführungsbeispiel eines Kapazitivsensorsignalübertragungssystems gemäß der Erfindung. Das Sensorsystem 140 umfasst einen kapazitiv überwachten Sensor 141, der parallel mit einem Resonator 143 gekoppelt ist. Der Resonator 143 ist Teil einer Oszillatorschaltung 145, die ein HF-Signal erzeugt, dessen Frequenz durch die Kapazität des Sensors 141 gezogen wird.
Während sich die Kapazität des Sensors 141 ansprechend auf den Stimulus, den er überwacht, verändert, verändert sich die Oszillatorfrequenz in direkter Beziehung. Dieses Signal kann anschließend unter Verwendung eines Leistungsverstärkers 147 auf geeignete Weise verstärkt über eine optische Übertragungsstrecke, die durch eine Licht emittierende Diode (LED) 149 und eine Photodiode 151 gebildet wird, übertragen werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die inhärente Signalstärke des durch den Oszillator 145 erzeugten Signals derart sein, dass der Verstärker 147 nicht benötigt wird. Überdies können, wenn der Verstärker 147 in dem System 140 implementiert ist, diverse unterschiedliche Verstärkerschaltungen und -techniken verwendet werden, die für die beteiligten Signale und die verwendete Übertragungstechnik geeignet sind. Die durch die LED 149 und den Photodetektor 151 gebildete optische Übertragungsstrecke wird üblicherweise dort verwendet, wo es wünschenswert ist, den Sender- und den Empfängerteil des Systems elektrisch zu isolieren. Die Photodiode 149 erzeugt ein optisches Ausgangssignal, das einem Treibersignal auf der Basis der Kapazität des Sensors 141 entspricht, und somit kann in dem System 140 auch eine zusätzliche (nicht gezeigte) Treiberschaltungsanordnung enthalten sein. Licht, das durch die LED 149 erzeugt wird, wird durch den Photodetektor 151 erfasst und in ein geeignetes Signal umgewandelt, das durch die Empfängerschaltung 153 wiederhergestellt wird, und wird zur zusätzlichen Verarbeitung an eine andere Schaltungsanordnung, z. B. ein Computersystem 155, weitergeleitet. Es können diverse verschiedene optische und elektrooptische Komponenten verwendet werden, z. B. Linsen, Fasern, LEDs, Laserdioden, PIN-Photodioden, PN-Photodioden und Lawinenphotodioden.
1A – 1C veranschaulichen mehrere unterschiedliche Arten von Übertragungswegen (d. h. drahtloser Funk, verdrahtet und optisch), Fachleuten sind jedoch zahlreiche unterschiedliche Übertragungswege und Übertragungsschemata sowie Variationen der offenbarten bekannt.
Zum Implementieren der in den 1A – 1C veranschaulichten Systeme können diverse unterschiedliche Oszillatorschaltungen und -topologien verwendet werden, die meisten können jedoch allgemein als Resonanztank-abstimmbare Oszillatoren (resonant tank tuned oscillators) beschrieben werden. Resonanztank-abstimmbare Oszillatoren sind besonders für drahtlose Systeme nützlich, da sie aufgrund der höheren Energiespeicherfähigkeit (d. h. des hohen Q-Faktors) von LC-Tanks oder deren Äquivalent ein geringeres Phasenrauschen liefern können. Für Sensoranwendungen ist allgemein ein Niedrigspannungsbetrieb wünschenswert, und es können einseitige oder differentielle Topologien gewählt werden. Einseitige Topologien sind allgemein einfacher zu implementieren und können weniger Leistung erfordern als differentielle Topologien, jedoch weisen differentielle Topologien die zusätzlichen Vorteile auf, dass sie (1) inhärent weniger empfindlich in Bezug auf ein Gleichtaktrauschen sind und (2) einen größeren Ausgangsspannungshub liefern, wenn die Versorgungsspannung den Hub beschränkt.
3 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Oszillatorschaltung zur Verwendung bei Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung. Im Einzelnen umfasst eine Schaltung 300 Oszillatorkomponenten (die schematisch als 310 veranschaulicht sind) wie z. B. passive und aktive Komponenten. Bei der Schaltung 300 ist die traditionelle LC-Tankschaltung, die vielen Oszillatorentwürfen gemein ist, stattdessen als Resonatortankschaltung 320 veranschaulicht, die mit der Sensorkapazität 330 parallel gekoppelt ist. Obwohl die Resonatortankschaltung 320 als einfacher LC-Tank implementiert sein kann, wird sie allgemeiner als Resonatortankschaltung dargestellt, da sie unter Verwendung diverser unterschiedlicher Resonatoren wie z. B. LC-Tankschaltungen, Quarzresonatoren, SAW-Resonatoren, FBARs und anderer mikromechanischer Resonatoren hergestellt werden kann. Obwohl der Sensor 330 in der Darstellung parallel mit einer entsprechenden Resonator tankschaltung gekoppelt ist, muss dies nicht der Fall sein. Da die effektive Kapazität eines Resonators üblicherweise größer ist als die Kapazität eines Sensors, kann bei manchen Implementierungen eine parallele Kopplung bevorzugt sein, wie oben angemerkt wurde. Bei anderen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann die Größe der relativen Kapazitäten und/oder anderer Systementwurfsmerkmale eine Reihenkopplung der Sensoren und entsprechenden Resonatoren nahe legen.
Die Schaltung 300 kann als so genannte „Ein-Transistor"-Vorrichtung implementiert sein. Obwohl die meisten diskreten HF-Oszillatoren unter Verwendung lediglich einer einzigen aktiven Vorrichtung implementiert sind (z. B. um Rauschen zu minimieren und die Kosten zu senken), sind viele der Oszillatorschaltungen gemäß der Erfindung als integrierte Schaltungen oder zumindest teilweise integrierte Schaltungen implementiert, d. h. bei ihnen werden der Resonator (im Fall mancher MEMS-Resonatoren) und/oder der Sensor separat hergestellt.
Die Schaltung 300 kann unter Verwendung von bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren implementiert sein. Wie in der Technik bekannt ist, können diverse verschiedene Rückkopplungssysteme implementiert sein. Wenn die Resonatortankschaltung vom Konzept her parallel als Induktor und Kondensator dargestellt ist, ist die Impedanz der Tankschaltung bei Resonanz real. Folglich ist die Phasendifferenz zwischen ihrem Strom und ihrer Spannung null, und um eine Gesamtphase zu erzielen, die gleich null ist, wird ein Rückkopplungssignal an den entsprechenden Transistoranschluss (z. B. an den Emitter eines bipolaren Transistors) zurückgegeben. Ein direkter Rückkopplungspfad von der Tankschaltung zu dem Transistor muss üblicherweise mit einer widerstandsbehafteten Last kämpfen, die an dem Emitter/Quelle-Anschluss auftritt, d. h. dem Inversen der Transkonduktanz des Transistors. Durch ein einfaches Anlegen der Kollektor/Drain-Spannung an den Emitter/die Quelle wird der Q-Wert des Tanks aufgrund des Widerstands üblicherweise verringert. Stattdessen wandeln diverse Oszillatortopologien die Emitter/Quelle-Impedanz in einen höheren Wert um, bevor sie parallel mit dem Tank erscheint. Die gewünschte Impedanzumwandlung kann mit passiven Komponenten unter Verwendung von entweder kapazitiven oder induktiven Teilern erreicht werden. Technisch ausgefeiltere Implementierungen umfassen eine integrierte Schaltung mit mehreren aktiven und passiven Bauelementen.
Oszillatorschaltungen, die einen kapazitiven Teiler verwenden, werden allgemein als Colpitts-Oszillatoren bezeichnet, während diejenigen, die induktive Teiler verwenden, als Hartley-Oszillatoren bezeichnet werden. Die Tankschaltung für einen Colpitts-Oszillator umfasst üblicherweise einen Induktor, der zu zwei Kondensatoren parallel ist, und die Rückkopplung zu dem Emitter/der Quelle des Transistors wird an dem Knoten zwischen den zwei Kondensatoren abgegriffen. Der kapazitive Transformator wird durch ein Kondensatorpaar gebildet, und die Rückkopplung zu dem Transistor stellt die zur Schwingung benötige positive Rückkopplung dar. Wie Fachleuten einleuchten wird, variieren die spezifischen Einzelheiten der Schaltungsimplementierung je nach der Art der verwendeten Resonatorschaltung und der verwendeten spezifischen Oszillatortopologie. Beispiele anderer Oszillatortopologien gemäß der Erfindung umfassen Pierce- und Butler-Oszillatoren. Wieder andere Oszillatortopologien und ihre Variationen je nach der Transistorimplementierung (z. B. bipolar gegenüber CMOS) sind Fachleuten ebenfalls bekannt.
4 veranschaulicht ein ausführlicheres schematisches Diagramm einer Oszillatorschaltung zur Verwendung bei Kapazitivsensorsignalübertragungssystemen gemäß der Erfindung. Bei diesem Beispiel wird ein bipolarer Oszillator mit einem Resonator, z. B. einem MEMS-Resonator wie z. B. einem FBAR, stabilisiert. Ähnliche Entwürfe können ebenfalls in CMOS-Prozessen implementiert sein.
Ein Oszillator 400 ist ein Colpitts-Oszillator, bei dem der Resonator (420) im Wesentlichen als Induktor verwendet wird. Ein Sensor 410 verwendet seine Kapazität, um die Resonanzfrequenz des Oszillators zu ziehen, wie oben beschrieben wurde.
Somit ist eine Seite des Resonators 420 an Masse gebunden, und der Resonator ist in Resonanz mit der Kombination eines Kondensators C₁, der mit einem Kondensator C₂ in Reihe geschaltet ist. Bei einer Schaltungsresonanz, wobei angenommen wird, dass die reaktiven Elemente die Schaltungsimpedanzen dominieren, beträgt die Basis-zu-Emitter-Spannungsverstärkung, die durch die Tankschaltung geliefert wird, die durch den Resonator 420 und die Kondensatoren C₁ und C₂ gebildet wird, 1 + C₁/C₂. Die Reaktanz von C₂ wird üblicherweise so gewählt, dass sie größer ist als die der Last, durch Widerstand R_L dargestellt. Ein Transistor Q₁, der in einer Emitterfolgerkonfiguration verwendet wird, liefert weniger als einen Verstärkungsfaktor Eins, um die Schwingung aufrechtzuerhalten, und das Ausgangssignal kann direkt von C₂ genommen werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann die Last in Reihe mit dem Resonator 420 platziert werden, solange die Resonatorimpedanz bedeutend größer ist als die Last. Obwohl typische Implementierungen dahin gehend entworfen sind, den Resonator 420 in einem Grundschwingungsmodus zu betreiben, können manche Implementierungen an einer Oberschwingung wirken, indem sie beispielsweise entweder C₁ oder C₂ durch eine LC-Tankschaltung ersetzen.
5 veranschaulicht eine weitere Oszillatorimplementierung, die auf der hinreichend bekannten Pierce-Topologie beruht. Ein Oszillator 500 ist ein Pierce-Oszillator mit einem Grundschwingungsmodenoszillator 520 (z. B. und FBAR), der durch die Kapazität eines Sensors 510 gezogen wird. Wie der Oszillator 400 der 4 verwendet diese Schaltung den Resonator 520 als induktives Element. Der Wert des Wider stands R_C wird üblicherweise für den gewünschten Gleichstromvorspannungsstrom gewählt. Wenn beispielsweise der Wert von R_F so gewählt wird, dass er etwa das 50fache des Werts von R_C beträgt, so ist der Transistor bei ungefähr der Hälfte der Versorgungsspannung mit der Kollektorspannung (Gleichstrom) vorgespannt. Das Verhältnis der Schwingungsamplitude (Kollektor zu Basis) beträgt ungefähr C₁/C₂, und somit wird der Wert von C₁ üblicherweise so gewählt, dass er die Transistoreingangsimpedanz dominiert. Wenn C₂ zwei bis fünf Mal kleiner gemacht wird als C₁, kann dies eine große Schwingungsamplitude an dem Kollektor liefern, wobei eine gute Impedanzübereinstimmung mit der Last R_L geliefert wird. Allgemein ist der Resonator dahin gehend entworfen, dass er mit der Reihenkapazität von C₁ und C₂ bei der gewünschten Betriebsfrequenz in Resonanz ist. Wie bei dem Oszillator 400 können andere Implementierungen des Oszillators 500 Resonatoroberschwingungen verwenden.
Der Colpitts- und der Pierce-Oszillatorentwurf sind zwei übliche Oszillatorentwürfe, da sie wenige Komponenten verwenden, relativ leicht zu entwerfen sind und allgemein zu einer hohen Leistungsfähigkeit fähig sind. Trotzdem können unter Verwendung anderer Oszillatortopologien und bekannter Variationen derartiger Oszillatortopologien ähnliche Implementierungen konstruiert werden.
Fachleuten werden zahlreiche Variationen und Modifikationen der in den 1A – 1C und 3 – 5 beschriebenen Schaltungen einleuchten. Beispielsweise können viele der veranschaulichten Widerstände unter Verwendung einer Vielzahl von programmierbaren und/oder zeitlich steuerbaren Vorrichtungen bzw. Bauelementen implementiert werden. Desgleichen sind die offenbarten Vorrichtungen und Techniken nicht unbedingt durch die Größe eines Transistors, Widerstands, Kondensators oder einer anderen Komponente oder durch hierin offenbarte Spannungspegel beschränkt. Überdies ist die Implementierung der offenbarten Vorrichtungen und Techniken nicht durch eine Prozesstechnologie beschränkt, und somit können Implementierungen CMOS-, NMOS-, PMOS- und diverse bipolare oder andere Halbleiterherstellungstechnologien verwenden. Obwohl die offenbarten Vorrichtungen und Techniken angesichts der oben erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, werden Fachleute auch erkennen, dass bestimmte Ersetzungen in den Schaltungen ohne weiteres durchgeführt werden können, ohne von den Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können viele Schaltungen, die bipolare Transistoren verwenden, stattdessen so implementiert werden, dass sie NMOS- oder PMOS-Transistoren verwenden, wie in der Technik bekannt ist. Auf diese Weise kann der Leitfähigkeitstyp des Transistors (d. h. N-Kanal oder P-Kanal) innerhalb einer CMOS-Schaltung häufig umgekehrt werden, während gleichzeitig ein ähnlicher oder ein analoger Betrieb beibehalten wird.
Bezüglich der hierin verwendeten Terminologie wird Fachleuten einleuchten, dass bei der Beschreibung des Betriebs einer Schaltung, einschließlich der verschiedenen Signale und Knoten in der Schaltung, beliebige von mehreren Ausdrücken gleichermaßen verwendet werden können. Jede Art von Signal, ob ein logisches Signal oder ein allgemeineres analoges Signal, weist die physikalische Form eines Spannungspegels (oder, für manche Schaltungstechnologien, eines Strompegels) eines Knotens in der Schaltung auf. Derartige hierin verwendete Kurzausdrücke zum Beschreiben eines Schaltungsbetriebs sind effizienter darin, Einzelheiten eines Schaltungsbetriebs zu vermitteln, besonders da die schematischen Diagramme in den Figuren diverse Signalnamen eindeutig den entsprechenden Namen von Schaltungsblöcken und -knoten zuordnen.
Fachleuten wird ohne weiteres einleuchten, dass statt der oben erörterten Komponenten und Materialien eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von Komponenten und Materialien verwendet werden können. Überdies ist die hierin dargelegte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung veranschaulichend und soll den Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Patentansprüchen dargelegt ist, nicht einschränken. Variationen und Modifikationen der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele können auf der Basis der hierin dargelegten Beschreibung vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang und der Wesensart der Erfindung gemäß der Darlegung in den folgenden Patentansprüchen abzuweichen.

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: einen Sensor (101, 121, 141), der dahin gehend wirksam ist, ansprechend auf einen Stimulus eine Kapazität zu erzeugen; einen mit dem Sensor gekoppelten Resonator (103, 123, 143); eine Oszillatorschaltung (105, 125, 145), wobei die Oszillatorschaltung ferner den Resonator umfasst; und einen Übertragungsweg (129), der mit der Oszillatorschaltung gekoppelt ist und dahin gehend wirksam ist, ein Signal, das der Kapazität des Sensors entspricht, zu übertragen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Sensor ferner dahin gehend wirksam ist, die Kapazität ansprechend auf zumindest einen der folgenden Faktoren zu erzeugen: Beschleunigung, Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Neigung, Kraft, Fluidfluss und pH-Wert des Materials.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Sensor ferner ein mikroelektromechanisches Bauelement umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das mikroelektromechanische Bauelement ferner zumindest entweder eine Elektrode, die sich ansprechend auf den Stimulus bewegt, und/oder ein dielektrisches Material, das sich ansprechend auf den Stimulus bewegt, umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Resonator ferner zumindest eines der folgenden E lemente umfasst: eine LC-Tankschaltung, einen Quarzresonator, einen Oberflächenwellenresonator (SAW-Resonator) und einen akustischen Filmvolumenresonator (FBAR).
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die durch den Sensor erzeugte Kapazität entweder mit dem Resonator in Reihe gekoppelt oder mit dem Resonator parallel gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die durch den Sensor erzeugte Kapazität die Resonanzfrequenz des Oszillators zieht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Resonator als Tankschaltung (320) in der Oszillatorschaltung fungiert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Resonator als Komponente (420, 520) einer Tankschaltung in der Oszillatorschaltung fungiert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Oszillatorschaltung zumindest entweder ein Colpitts-Oszillator, ein Pierce-Oszillator, ein Hartley-Oszillator und/oder ein Butler-Oszillator ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der mit der Oszillatorschaltung gekoppelte Übertragungsweg ferner zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: eine Übertragungsleitung, eine Antenne, eine elektrooptische Komponente und eine optische Komponente.
Verfahren, das folgende Schritte umfasst: Variieren einer Kapazität ansprechend auf eine erfasste Umweltbedingung; Anpassen der Resonanzfrequenz eines Resonators unter Verwendung der Kapazität; und Erzeugen eines Signals, das der Kapazität entspricht, unter Verwendung der angepassten Resonanzfrequenz des Resonators.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner folgenden Schritt umfasst: Verstärken des Signals als Vorbereitung auf eine Übertragung des Signals.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, das ferner folgenden Schritt umfasst: Übertragen des Signals unter Verwendung zumindest eines der folgenden Elemente: einer Übertragungsleitung, einer Antenne und einer optischen Komponente.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die erfasste Umweltbedingung ferner zumindest einen der folgenden Faktoren umfasst: Beschleunigung, Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Neigung, Kraft, Fluidfluss und pH-Wert des Materials.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Variieren der Kapazität ferner zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: Bewegen einer Elektrode ansprechend auf die Umweltbedingung; und Bewegen eines dielektrischen Materials ansprechend auf die Umweltbedingung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem das Anpassen der Resonanzfrequenz des Resonators ferner einen der folgenden Schritte umfasst: Anlegen der Kapazität parallel zu dem Resonator; und Anlegen der Kapazität in Reihe mit dem Resonator.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Resonator ferner zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: eine LC-Tankschaltung, einen Quarzresonator, einen Oberflächenwellenresonator (SAW-Resonator) und einen akustischen Filmvolumenresonator (FBAR).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem das Erzeugen des Signals ferner folgenden Schritt umfasst: Erzeugen eines Schwingungssignals unter Verwendung zumindest entweder eines Colpitts-Oszillators, eines Pierce-Oszillators, eines Hartley-Oszillators und/oder eines Butler-Oszillators.
Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Variieren einer Kapazität ansprechend auf eine erfasste Umweltbedingung; eine Einrichtung zum Anpassen der Resonanzfrequenz einer Einrichtung zum Schwingen unter Verwendung der Kapazität; und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das der Kapazität entspricht, unter Verwendung der angepassten Resonanzfrequenz der Einrichtung zum Schwingen.