DE102015111620A1

DE102015111620A1 - Selbstkalibrierung kapazitiver Drucksensoren mit elektrostatischen Kräften

Info

Publication number: DE102015111620A1
Application number: DE102015111620.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2035-07-18
Also published as: US9689770B2; CN105277313B; US20160018281A1; CN105277313A; DE102015111620B4

Abstract

Ein Drucksensor-Kalibriersystem umfasst einen oder mehrere Drucksensoren zum Kalibrieren von Sensorparametern auf der Basis einer Membranablenkung oder einer Membranverschiebung aus einer elektrostatischen Kraft. Eine Messkomponente misst Kapazitätswerte, die angelegten Spannungen an den Elektroden des einen oder der mehreren Drucksensoren entsprechen. Sensorparameter werden aus Kapazitätsmessungen und einer Druckmessung abgeleitet, die von einer Kalibrierkomponente zur Kalibrierung und Rekalibrierung des einen oder der mehreren Drucksensoren verwendet werden.

Description

Gebiet
Gebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet von Drucksensoren, und spezifischer auf die Kalibrierung und Rekalibrierung von Drucksensoren mit einer oder mehreren elektrostatischen Kräften.
Hintergrund
Ein kapazitiver Drucksensor verwendet ein bewegbares Diaphragma und einen Druckhohlraum, um einen variablen Kondensator zu erzeugen. Der variable Kondensator zeigt eine Kapazität, die in Entsprechung zu Kräften variiert, welche vom gemessenen Druck eingebracht werden. Zur Integration der Sensorzellen in Elektronik werden diese Sensorzellen oft verbunden, um Anordnungen oder Brücken zu bilden, von einem Systemstandpunkt agieren diese Zellnetze jedoch weiterhin als einzelner Sensor. Sensoren werden anfänglich am Ende eines Herstellungsprozesses oder einer Fertigungslinie kalibriert, üblicherweise unter definierten Messbedingungen. Die Kalibrierung und weitere Rekalibrierung können verschiedene unterschiedliche Druckwerte bei unterschiedlichen Temperaturen umfassen, wobei spezialisierte Testausrüstung und signifikante Testzeiten verwendet werden können.
Es ist daher eine Aufgabe, verbesserte Möglichkeiten zur Kalibrierung von Sensoren bereitzustellen.
Kurzfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 15 sowie ein System nach Anspruch 22 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockbild, das ein Drucksensorsystem zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
2 ist ein Blockbild, das ein weiteres Drucksensorsystem zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
3A–3B sind Darstellungen, die Drucksensormodelle zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulichen.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensorsystems zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Drucksensorsystems zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
6 ist ein Blockbild, das ein weiteres Drucksensorsystem zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
7A–7B sind Darstellungen, die Drucksensormodelle zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulichen.
8 ist eine Darstellung, die ein weiteres Drucksensorsystem zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensorsystems zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Drucksensorsystems zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, worin durchgehend ähnliche Bezugszahlen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet werden, und worin die veranschaulichten Strukturen und Vorrichtungen nicht unbedingt maßstabgetreu sind. Wie hier verwendet, sollen sich Ausdrücke „Komponente”, „System”, „Schnittstelle” und dgl. auf eine computerbezogene Einheit, Hardware, Software (z. B. in Ausführung) und/oder Firmware beziehen. Beispielsweise kann eine Komponente ein Prozessor, ein auf einem Prozessor laufender Prozess, ein Objekt, ein ausführbares, ein Programm, eine Speichervorrichtung und/oder ein Computer mit einer Verarbeitungsvorrichtung sein. Zur Veranschaulichung können auch eine auf einem Server laufende Anwendung und der Server eine Komponente sein. Eine oder mehrere Komponenten können innerhalb eines Prozesses residieren, und eine Komponente kann auf einem Computer lokalisiert sein und/oder zwischen zwei oder mehr Computern verteilt werden.
Diese Komponenten können ferner aus verschiedenen computerlesbaren Speichermedien ausgeführt werden, die verschiedene darauf gespeicherte Datenstrukturen aufweisen, wie beispielsweise mit einem Modul. Die Komponenten können über lokale und/oder entfernte Prozesse kommunizieren, wie gemäß einem Signal mit einem oder mehreren Datenpaketen (z. B. Daten von einer Komponente, die mit einer anderen Komponente in einem lokalen System, verteilten System und/oder quer über ein Netz, wie das Internet, ein lokales Netz, ein Weitverkehrsnetz oder ähnliches Netz mit anderen Systemen über das Signal interagiert).
Als weiteres Beispiel kann eine Komponente eine Vorrichtung mit einer spezifischen Funktionalität sein, die von mechanischen Teilen vorgesehen wird, welche von elektrischen oder elektronischen Schaltungen betrieben werden, wobei die elektrischen oder elektronischen Schaltungen durch eine Software-Anwendung oder eine Firmware-Anwendung betrieben werden können, welche von einem oder mehreren Prozessoren betrieben werden. Der eine oder die mehreren Prozessoren können intern oder extern von der Vorrichtung sein und können wenigstens einen Teil der Software- oder Firmware-Anwendung ausführen. Als noch weiteres Beispiel kann eine Komponente eine Vorrichtung sein, die eine spezifische Funktionalität durch elektronische Komponenten ohne mechanische Teile vorsieht; die elektronischen Komponenten können einen oder mehrere Prozessoren darin umfassen, um Software und/oder Firmware auszuführen, die wenigstens teilweise die Funktionlität der elektronischen Komponenten vorsehen.
Angesichts der oben beschriebenen Defizite werden verschiedene Aspekte zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines oder mehrerer Drucksensoren beschrieben, wie für einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Drucksensor. Beispielsweise werden Drucksensorsysteme zur Kalibrierung und Rekalibrierung von Drucksensoren beschrieben, die durch eine elektrostatische Kraft stimuliert werden können, die über einer Ablenkung liegt, welche durch einen erhaltenen Druck an einem Diaphragma oder einer Membran verursacht wird. Das System ermöglicht ferner eine Selbstextraktion von Drucksensorparametern oder Parameterwerten zur Kalibrierung und Rekalibrierung des Drucksensors. Das offenbarte System und die Verfahren arbeiten, um ein physikalisches Verhalten eines oder mehrerer Drucksensoren durch die Generierung eines vereinfachten physikalischen Modells mit Gleichungen zu modellieren, die eine Kalibrierung oder Rekalibrierung der Sensoren auf der Basis von Sensorparametern ermöglichen, welche eine physikalische Bedeutung haben.
Beispielsweise kann ein Drucksensor-Kalibriersystem einen Drucksensor mit Elektroden und einer Membran umfassen, die eine Ablenkung oder Verschiebung von einer ersten Position zu einer zweiten Position als Funktion einer elektrostatischen Kraft generiert. Sätze (z. B. Mengen, Gruppen etc.), oder Paare, angelegter Spannungen können über eine Vorspannungskomponente an die Elektroden zum Generieren der angelegten Spannungen angelegt werden und dadurch die elektrostatische Kraft für die erhaltene Ablenkung induzieren. Eine Messkomponente des Systems kann Messungen von Sätzen von Kapazitätswerten bestimmen, die Sätzen angelegter Spannungen an den Elektroden eines oder mehrerer Drucksensoren entsprechen, durch die Verschiebung der Membran als Funktion der elektrostatischen Kraft. Eine Kalibrierkomponente des Systems kann ferner einen Drucksensor auf Zielwerte mit den Sensorparametern kalibrieren, die aus den Messungen der Sätze von Kapazitätswerten und aus einem Druck (z. B. Umgebungs- oder Atmosphärendruck) abgeleitet werden. Eine Parameterkomponente kann arbeiten, um den Satz von Sensorparametern auf der Basis eines Modells (z. B. eines kapazitiven Brückenmodells oder eines sich bewegenden Plattenmodells, etc.) zu bestimmen, das durch eine Modellkomponente generiert wird, die ausgelegt ist, die Verschiebung der ersten Membran von der ersten Position zur zweiten Position innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs zu modellieren. Beispielsweise kann die Verschiebung durch eine nichtlineare Funktion einer tatsächlichen Auslegung des Drucksensors und eine zweidimensionale Ablenkkurve an den Elektroden des Sensors gekennzeichnet sein. Beispielsweise wird eine Anordnung oder eine Brücke gleicher Sensorzellen, verschiedener Sensorzellen oder sogar anderer Kondensatoren ohne Druckempfindlichkeit durch ein vereinfachtes Sensorzellmodell abstrahiert, das in der Parameterkomponente verwendet wird. Zusätzliche Aspekte und Details der Anmeldung werden nachstehend mit Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein Beispiel eines Drucksensorsystems 100 zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Drucksensors unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft veranschaulicht. Das System 100 kann ein Teil anderer Systeme oder mit diesen gekoppelt sein, die zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines oder mehrerer Sensoren zusammenarbeiten, wie Drucksensoren zum Abfühlen von Druckkräften oder einer quantifizierbaren Menge einer oder mehrerer Druckkräfte. Das System 100 umfasst einen Drucksensor 102, eine Messkomponente 104, eine Kalibrierkomponente 106, einen oder mehrere Prozessoren 108 und einen Datenspeicher 110.
Der Drucksensor 102 kann ausgelegt sein, verschiedene Druckkräfte aus einer beliebigen einer Anzahl verschiedener Variablen zu messen, wie Fluid/Gasfluss, Luft, Geschwindigkeit, Wasserpegel, Höhe u. a., indem er als Wandler arbeitet und ein Signal als Funktion des abgefühlten Drucks generiert. Beispielsweise kann der Drucksensor 102 einen Kraftkollektor umfassen, der aus einem Diaphragma oder einer Membran besteht, die eine Belastung oder eine Ablenkung misst, welche aus einer angewendeten Kraft über einen Bereich der Membran entsteht. Der Drucksensor 102 kann beispielsweise Elektroden und eine Membran umfassen, die mit einer Ablenkung reagiert, welche durch eine elektrostatische Kraft induziert wird, die durch eine Spannung generiert wird, welche zwischen der Membran und wenigstens einer der Elektroden angelegt wird. Der Drucksensor 102 kann eine einzelne Drucksensorkomponente oder eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Drucksensoren umfassen. Der Drucksensor 102 kann einen mikroelektromechanischen System(MEMS)-Drucksensor umfassen, der beispielsweise Komponenten im Größenbereich von etwa 1 bis 100 Mikrometern oder Komponenten im Nanomaßstab umfasst. Paare oder Sätze angelegter Spannungen können abgefühlt oder an die Elektroden des Drucksensors 102 angelegt werden, um sich langsam bewegende oder stationäre elektrische Ladungen unter verschiedenen Elektrodenanschlüssen zu verursachen, die eine elektrostatische Kraft generieren, welche in der Größe und Richtung als Druckkraft von einer oder mehreren Variablen ähnlich oder gleich sein kann.
Der Drucksensor 102 ist beispielsweise ausgelegt, durch eine elektrostatische Kraft stimuliert zu werden, die induziert wird, um über einem Ablenk- oder Verschiebungsteil des Drucksensors, wie an einer biegbaren Membran, zu liegen. Die Ablenkung über die elektrostatische Kraft ermöglicht eine Extraktion von Sensorparametern, die weiter modelliert, gespeichert und zur Kalibrierung und Rekalibrierung des Drucksensors verwendet werden können, oder einen Vergleich zwischen Messungen in Bezug auf die Zeit quer über ein Zeitdifferential. Dieser Vergleich kann dann über andere Komponenten verwendet werden, die kommunikativ mit dem System 100 gekoppelt sind, um anfänglich den Drucksensor zu kalibrieren, einzustellen oder zu einer späteren Zeit mit verschiedenen Werten zu rekalibrieren, die auf einen oder mehrere der Sensorparameter bezogen sind. Membranfläche (im Folgenden auch als Membranbereich bezeichnet), Federkonstanten, Abmessungen, Distanz zwischen Elektroden, Höhe von der Membran zu einem Hohlraumboden, eine Dielektrizitätskonstante, ausgeübter Druck, Linearisierungspolynomkoeffizienten und andere derartige Variablen sind Beispiele der verschiedenen Sensorparameter, die ein Teil der Sensorfunktion und der Herstellungsspezifikationen sein können, welche innerhalb einer Prozesstoleranz oder eines Herstellungsbereichs liegen.
Der Drucksensor 102 kann anfänglich kalibriert und dann anschließend auf der Basis eines vereinfachten Modells rekalibriert werden, um verschiedene unbeabsichtigte Ungenauigkeiten der Sensorparameter anzupassen, wie über Betriebsabnutzung, Prozesstoleranzen, Temperatureinfluss oder andere Änderungsvariablen. Insbesondere kann die Messkomponente 104 arbeiten, um Messungen oder gemessene Mengen für Kalibrier- und Rekalibrierprozesse des Drucksensors 102 zu bestimmen. Beispielsweise kann die Messkomponente 104 arbeiten, um Sätze von Kapazitätswerten zu messen, die durch an Elektroden des Sensors induzierte Kapazitäten generiert werden. Die Kapazitäten können angelegten Spannungen an den Elektroden des Drucksensors 102 entsprechen und können ferner beispielsweise aus einer Verschiebung oder einer Ablenkung der Membran des Drucksensors 102 als Funktion der elektrostatischen Kraft resultieren.
Die Kalibrierung und Rekalibrierung des Drucksensors 102 kann beispielsweise die Verwendung elektrostatischer Kräfte umfassen, die durch Spannungen generiert werden, welche an die Platten des Drucksensors 102 angelegt werden, und die Evaluierung entsprechender Änderungen der Kapazitätswerte, um ein Modell der Sensorparameter über die Messkomponente 104 zu generieren. Die Evaluierung der Kapazitätsänderungen kann über einen offenen Schleifenweg durch Ändern der Sensorvorspannung und Messen der entsprechenden Reaktion der Sensorkondensatorwerte vorgenommen werden, oder eine Evaluierung kann beispielsweise über eine Rückkopplungsschleife wie eine geschlossene Kraftrückkopplungsschleife vorgenommen werden.
Eine Kalibrierkomponente 106 des Systems 100 ist ausgelegt, den Drucksensor 102 auf einen Satz von Zielwerten mit einem Satz von Sensorparametern zu kalibrieren, die aus den Messungen der Sätze von Kapazitätswerten abgeleitet werden. Die Zielwerte können beispielsweise Fabriks-Betriebsbereichswerte für einen oder mehrere Parameter umfassen, die eine oder mehrere Funktionen des Drucksensors definieren sollen. Eine Kalibrierung und eine Rekalibrierung kann aus Parameterwerten generiert werden, die aus den Messungen und einem oder mehreren Druckwerten abgeleitet werden, wie einem Umgebungsdruck oder anderem Druck. Der Drucksensor 102 kann beispielsweise am Ende einer Herstellungsprozesslinie unter definierten Messbedingungen kalibriert werden, was mit verschiedenem Druck bei verschiedenen Temperaturen vorgenommen werden kann, aber ein vom System generiertes vereinfachtes Modell kann ähnlich und effizienter gegenüber spezialisierter Testausrüstung und signifikanter Zeit zur Kalibrierung funktionieren. Kalibrierungen können beispielsweise oft komplexe Polynome in Bezug auf Druck und Temperatur, stückweise lineare Funktionen oder auch Splinefunktionen involvieren.
Das System 100 generiert beispielsweise einen Kalibrierprozess über die Kalibrierkomponente 106 und einen Rekalibrierprozess des Drucksensors 102 durch das Generieren eines vereinfachten Modells und Extrahieren von Parameterwerten über das Modell. Das Modell kann beispielsweise ein Kapazitätsmodell sein, wie ein Modell auf der Basis einer Kapazitätsbrücke, ein Modell auf der Basis einer sich bewegenden Platte oder ein anderer Typ eines Kapazitätsmodells, um effizientere Kalibrierungen und Rekalibrierungen für einen oder mehrere Drucksensoren 102 vorzunehmen.
Beispielsweise können Elektroden des Drucksensors 102 arbeiten, um eine kapazitive Vollbrücke zu bilden, wobei verschiedene Spannungen an ein Eingangspaar von Knoten oder Anschlüssen der kapazitiven Vollbrücke angelegt werden können. Kapazitätswerte können an einem Ausgangspaar von Knoten der Kapazitätsvollbrücke erhalten und weiter verwendet werden, um Betriebsparameter des Sensors abzuleiten, zu schätzen und erneut zu berechnen. Die Kapazitätswerte können Kapazitätswerte umfassen, die aus einem Differentialausgang abgeleitet werden, der verwendet wird, um verschiedene Parameter des Drucksensors zu modellieren. Die kapazitive Brücke, die quer über die Elektroden modelliert wird, kann mit Elektroden koppeln, die einen oder mehrere Drucksensoren 102 überbrücken, welche verschiedene Betriebsparameter zur Modellierung einer Verschiebung durch eine elektrostatische Kraft umfassen.
Da eine Ablenkung einer Membran oder eines Diaphragmas des Drucksensors 102 durch verteilte Kräfte gebogen oder verschoben wird, kann das Verhalten in einer komplizierten Funktion modelliert werden und verhält sich auch unterschiedlich für Druckkräfte und elektrostatische Kräfte. Daher kann das makroskopische Verhalten des Drucksensors mit einem generierten Modell beschrieben werden, das auf einen reduzierten Betriebsbereich oder einen Betriebsbereich begrenzt wird, der geringer ist als ein hergestellter oder normaler Standard-Betriebsbereich für den Drucksensor 102. Der reduzierte Betriebsbereich kann beispielsweise durch eine kleine Verschiebung in einer Z-Richtung entlang einer Z-Achse eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems verglichen mit einer Herstellungsdistanz d der Elektroden oder Platten des Drucksensors gekennzeichnet sein. Innerhalb des Gültigkeitsbereichs oder reduzierten Betriebsbereichs kann die Verschiebung Z eine Funktion der Membran- oder Diaphragmabiegung w in Bezug auf eine x- und y-Achse als w(x, y) oder des realen/tatsächlichen Diaphragmas, gemittelt über x- und y-Abmessungen des Diaphragmas, repräsentieren.
In einem Aspekt kann der Drucksensor 102 einen MEMS-Sensor mit einer Membran, die durch elektrostatische Kräfte abgelenkt werden kann, mit einem System zur Kalibrierung und Rekalibrierung umfassen. Die Kalibrierung über die Kalibrierkomponente 106 kann auf einer Reduktion von Komplexitäten auf eine Approximation basieren, die durch Gleichungen mit einer physikalischen Bedeutung oder einem physikalischen Hintergrund beschrieben werden. Zusätzlich kann die Rekalibrierung des Drucksensors 102 weiter über das gleiche Modell vorgenommen werden, das weiter zusammen mit den Sensorzielwerten, Parameterwerten, Kapazitäten, etc., im Datenspeicher 110 gespeichert und über einen oder mehrere Prozessoren 108 für eine weitere Referenz oder berechnete Reiterationen über das Modell verarbeitet werden kann.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist ein System zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines oder mehrerer Drucksensoren gemäß weiteren verschiedenen Aspekten veranschaulicht. Das System 200 veranschaulicht ähnliche Komponenten wie oben diskutiert und umfasst ferner eine Vorspannungskomponente 202 und eine Parameterkomponente 204.
Die Vorspannungskomponente 202 kann ausgelegt sein, eine Vorspannung für Elektroden des Drucksensors 102 zu generieren und die Steuerung der Verschiebung einer Drucksensormembran mit einer elektrostatischen Kraft zu erleichtern. Die Vorspannungskomponente 202 kann die elektrostatische Kraft mit den angelegten Spannungen über einen offenen Weg oder einen geschlossenen Schleifenrückkopplungsweg auf der Basis der Sensorparameter (z. B. Diaphragma/Membranbereich) und wenigstens eines Drucks, wie eines Umgebungsdrucks, generieren, ohne dass mehr als ein Druckmesswert oder eine Druckmessung vorliegt. Der Druck kann von einem externen Druckmesswert oder internen Systemmesswert erhalten werden, der beispielsweise ein Umgebungsdruck sein kann.
Die Vorspannungskomponente 202 kann eine Vorspannung oder eine angelegte Spannung für Sensorelektroden des Sensors 102 generieren und die Steuerung der Verschiebung einer Sensormembran mit der elektrostatischen Kraft über einen Steuerweg beispielsweise durch Modifizieren der Vorspannung erleichtern. Die Messkomponente 104 ist ferner ausgelegt, die Sätze von Kapazitätswerten, die den Sätzen angelegter Spannungen quer über ein Zeitdifferential entsprechen, zu einer ersten Zeit und einer zweiten Zeit in Bezug auf die Modifikationen zu messen.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Messkomponente 104 arbeiten, um Sätze oder Paare von Kapazitäten gleichzeitig unter wenigstens zwei Drucksensoren zu messen, die verschiedene Sätze von Sensorparametern umfassen. Einer oder mehrere dieser Sensorparameter können beispielsweise aneinander angepasst werden. Beispielsweise könnten die Sensoren vor der Modellgenerierung ausgewählt werden, um funktionell äquivalent oder nahezu äquivalent zu sein. Beispielsweise können die Bereiche einer Membran variieren, wobei Herstellungsdistanzen zwischen den Platten oder den Elektroden verschiedener Sensoren wenigstens im Wesentlichen gleich sein können. Die Herstellungstoleranzen, die sich aus den Toleranzen während der Fertigungsverarbeitung ableiten, müssen wenigstens im Wesentlichen gleich oder innerhalb derselben Ausbildungstoleranz sein, was beispielsweise ermöglicht, dass die Herstellungstoleranzen der beiden Sensoren durch einen variablen technologischen Parameter innerhalb des Modells beschrieben werden, das zur Eliminierung unabhängiger Variablen aus dem Gleichungssystem generiert wird, welches während der Kalibrierung und Rekalibrierung gelöst werden muss. Aspekte des mit diesem technologischen Parameter generierten Modells werden weiter unten weiter beschrieben und veranschaulicht.
Die Parameterkomponente 204 des Systems 200 ist ausgelegt, Sensorparameter auf der Basis des Modells zu bestimmen oder abzuleiten, das durch das System generiert und/oder im Datenspeicher 110 gespeichert wird. Wie oben angegeben, kann das Modell ein kapazitives Modell sein (z. B. ein kapazitives Brückenmodell, ein sich bewegendes Kondensatorplattenmodell oder dgl.), das die Verschiebung der ersten Membran von einer ersten Position zu einer zweiten Position innerhalb des reduzierten Betriebsbereichs modelliert. Die Verschiebung kann beispielsweise durch eine nichtlineare Funktion einer tatsächlichen Auslegung des ersten Drucksensors und einer zweidimensionalen Ablenkkurve der ersten Mehrzahl von Elektroden gekennzeichnet oder modelliert werden. In einem Aspekt kann das Modell einen Plattenkondensator mit wenigstens zwei Platten umfassen, die eine Distanz umfassen, welche sich in Abhängigkeit von angewendeten Druckfedern, die der Verschiebung und einer elektrostatischen Kraft, die induziert wird, entgegenwirken, ändert.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 3A und 3B sind Darstellungen beispielhafter Drucksensormodelle zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines oder mehrerer Drucksensoren gemäß verschiedenen offenbarten Aspekten veranschaulicht. 3A veranschaulicht ein beispielhaftes Diagrammmodell 300 eines Drucksensors (z. B. Sensors 102), das eine Spannung zeigt, die erforderlich ist, um einen oder mehrere Zielwerte zu erreichen, wie den Kapazitätswert zwischen Platten 302 und 304 des Drucksensors auf der Basis definierter Sensorparameter (z. B. Membranbereich (A), eine Distanz (d), eine Höhe der Membran (h), eine Federkonstante (δ), ein ausgeübter Druck (p), etc.), wobei auch andere Parameter in die Modellgenerierung oder den Modellierungsprozess zur Kalibrierung/Rekalibrierung eingeschlossen werden können, wie eine Dielektrizitätskonstante (ε), ein Expansionskoeffizient, ein Materialkoeffizient, wie der Youngsche Modul, oder andere relevante Parameter. Ein Vorteil der Charakterisierung dieser Parameter über angelegte Spannungen (V), um eine elektrostatische Kraft zu induzieren, ist eine relativ einfache Struktur, die für numerische Evaluierungen auf einem relativ kleinen Prozessor anwendbar sein kann, wie einem digitalen Signalprozessor (DSP), der die Systemkomponenten umfasst oder ein Teil davon ist.
Das Modell gemäß 3B kann ausgelegt sein, die Verschiebung einer Membran des Drucksensors aus dem detaillierteren Modell gemäß 3A von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu modellieren, die eine Funktion einer Biegung innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs sein kann. Auf diese Weise kann ein vereinfachtes Modell gemäß 3B im System anstatt eines komplexen Biegeverhaltens einer realen Membran installiert werden, das als Beispiel in 3A veranschaulicht ist, und Gleichungen werden ermöglicht, die realistisch mit ausreichender Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Praxis gelöst werden können. Die Verschiebung (w) kann beispielsweise durch eine komplexe nichtlineare Funktion einer realen oder tatsächlichen Anordnung des Drucksensors und wenigstens einer zweidimensionalen Ablenkkurve der Membran 306 quer über die Sensorelektroden 302, 304 gekennzeichnet werden. Diese Verschiebung kann beispielsweise entlang einer z-Achse in einer z-Richtung durch eine Biegefunktion in Bezug auf eine x-Achsenverschiebung in einer x-Richtung und eine y-Achsenverschiebung in einer y-Richtung gezeigt werden.
Die folgenden Gleichungen können operieren, um beispielsweise die Modelle 300 und 330 von 3B zu beschreiben, und können als Approximation für die Struktur in 3A innerhalb eines begrenzten Gültigkeitsbereichs dienen:
Die nachstehenden Gleichungen beschreiben Parameter weiter, wie eine angelegte Spannung, die erleichtert, dass eine elektrostatische Kraft eine bestimmte Kapazität zwischen Platten oder Elektroden 302 und 304 des Drucksensors erreicht.
Die Gleichungen 1 bis 6 mit nachstehenden zusätzlichen Funktionen zeigen, dass zwei verschiedene Messungen von wenigstens zwei Paaren elektrostatischer Treibspannungen und Kapazitäten (z. B. V₁, C₁, und V₂, C₂) bei demselben Druck (p), wie bei einem Umgebungsdruck, modelliert und erfasst werden können. Derselbe Druck (p) kann beispielsweise ein einzelner Druck sein, der von irgendeinem anderen Druckmesswert oder externen Druck zur Rekalibrierung des Drucksensors 102 unabhängig ist.
Das Symbol (A) kann beispielsweise einen Membranbereich 306 bezeichnen, der Abmessungen (h) für eine Höhe oder vertikale Breite der Membran und in einer Distanz (d) von einem Boden einer oder mehrerer Platten/Elektroden 302, 304 umfasst. Die Membran 306 kann ein Diaphragma oder eine flexible Struktur sein, die für Druckkräfte empfindlich ist, und spannt sich zwischen den Platten 302 und 304. Eine Biegung der Membran 306 kann durch eine angelegte Spannung induziert werden, die als elektrostatische Treibspannung wirkt. Die quer über die Membran generierte elektrostatische Kraft kann eine Variation in der Membran als Biegung, Ablenkung oder Verschiebung von einer ersten Position zu einer zweiten Position verursachen. Die Biegung kann beispielsweise eine Funktion einer Verschiebung in einer dreidimensionalen Ebene mit einem kartesischen Koordinatensystem mit einer x-Achse, y-Achse und einer z-Achse sein. Die Biegungsfunktion w(x) kann als w(x, y) oder als w(x, y, z) ausgedrückt werden, wobei die Biegung w(x, y) die Verschiebung Z innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs des realen Diaphragmas 306, gemittelt über die x- und y-Abmessungen des Diaphragmas, repräsentieren kann. Der reduzierte Betriebsbereich kann beispielsweise ein Betriebsbereich sein, der relativ zu einem Standard-, einem normalen oder einem hergestellten Betriebsbereich reduziert ist. Der reduzierte Betriebsbereich kann beispielsweise ein Betriebsbereich sein, der ein Subsatz des normalen, Standard- oder hergestellten Betriebsbereichs ist, wie in einem Herstellerspezifikationsblatt oder Produktdatenblatt vorgesehen, oder der reduzierte Betriebsbereich kann ein Betriebsbereich sein, der kleiner ist als dieser normale, Standard- oder hergestellte Betriebsbereich, z. B. ein reduzierter Bereich der gemessenen Druckwerte und ausgeübten elektrostatischen Kräfte, welche die Membran biegen, und die in einer Weise spezifiziert werden, dass die Ablenkung der Membran klein bleibt. Zusätzlich kann der reduzierte Betriebsbereich als kleine Verschiebung z verglichen mit einer Herstellungsdistanz (d) der Platten 302, 304 gekennzeichnet werden.
Die Modelle 300 und 330 können auch über eine inverse Lösung der Gleichung C(V) generiert und gezeigt werden, wie mit dem nachstehenden Satz abgeleiteter Gleichungen:
Durch das Vornehmen von zwei verschiedenen Messungen können zwei Paare entsprechender Werte der Kapazität und elektrostatischen Treibspannung (V1, C1) & (V2, C2) bei demselben Druck (p) erfasst werden. Da die elektrostatische Messung sehr schnell durchgeführt werden kann (z. B. weniger als eine Mikrosekunde), wird sich der Druck (z. B. Atmosphärendruck) zwischen den beiden Messungen bei den meisten Anwendungen nicht merklich ändern. Ansprechend darauf, dass der Bereich (A) des Drucksensordiaphragmas bekannt ist oder bestimmt wird, kann die Federkonstante (δ) abgeleitet werden. In einem Beispiel kann der Drucksensor einen MEMS-Drucksensor mit einem MEMS-Druckdiaphragma mit einem Bereich (A) umfassen, der durch einen lithografischen Prozess, welcher hochgenau ist, und den Herstellungsprozess definiert werden kann, der eine bestimmte Herstellungstoleranz oder Prozesstoleranz aufweist. Die Genauigkeit des lithografischen Bereichs (A) kann für eine Modellierung ausreichend sein, insbesondere für Drucksensoren, die mäßige Präzisionsanforderungen haben, oder solche, die eine sehr große Geometrie verglichen mit der Herstellungsgenauigkeit des Prozesses haben. Sobald die Federkonstante (δ) abgeleitet wird, kann die Herstellungsdistanz der Platten (d) aus einer der elektrostatischen Messungen berechnet werden, wobei nur ein Druck im gesamten Modellierungsprozess bekannt ist. Beispielsweise können die Messungen unter einem bekannten Umgebungsdruck vorgenommen werden, um eine vollständige Kalibrierung des Sensors zu erzielen.
In einem Aspekt kann eine Alternative für die Evaluierung des Bereichs (A) auf einer Messung bei einem zweiten anderen Druck basieren. Beispielsweise kann ein optionaler zweiter Druckmesspunkt in den Kalibrierprozess mit der Kalibrierkomponente 106 eingebracht werden, der beispielsweise eine Extraktion der Größe des Sensordiaphragmas ermöglichen kann. Die Gleichungen zur Erzeugung des Modells für diese Extraktion für den Bereich (A) kann abgeleitet sein. Beispielsweise können der Bereich (A) und andere Parameterwerte iterativ abgeleitet werden. Beispielsweise kann die Kalibrierkomponente 106 ausgelegt sein, eine Hohlraumhöhe (d) und eine Federkonstante (δ) auf der Basis einer wiederholten Messung der Sätze von Kapazitätswerten erneut zu bestimmen, die den Sätzen angelegter Spannungen entsprechen, wobei der Druck einen Umgebungsdruck umfassen kann. Beispielsweise kann ein Bereich A iterativ durch Evaluierung beider Seiten der letzten Gleichung der nachstehenden Gleichungen 8 ermittelt werden.
Die Gleichungen 8 können berechnet werden und operieren, um rasch zu konvergieren, als guter Startpunkt für das Modell, da ein Rechenmodell mit einem Bereich generiert werden kann, wie beispielsweise durch ein Layout der lithografischen Maske während der Herstellungsprozesse des Drucksensors definiert. Die Gleichungen 8 können ferner vereinfacht werden, wie nachstehend mit den Gleichungen 9 gezeigt, wobei die Berechnungen unter Verwendung einer Kraftrückkopplungsschleife, wie einer geschlossenen Kraftrückkopplungsschleife, durchgeführt werden können, wobei die angelegte Spannung angepasst werden kann, um dieselbe Kapazitätsmessung C für beide verschiedenen Druckwerte zu erhalten (einen ersten Druck an einem Punkt der Membran und einen zweiten Druck an einem zweiten Punkt der Membran). In einem Aspekt kann dies beispielsweise in einer Initialkalibrierung des Drucksensors nach dem Herstellungsprozess vorgenommen werden.
Eine Rekalibrierung könnte bei einem einzelnen bekannten Druck (z. B. Umgebungsdruck) erfolgen, da angenommen werden kann, dass der Bereich der Membran 306 durch Alterung nicht beeinträchtigt wird, und dieser ist so keine unbekannte Parametervariable mehr für die Rekalibrierung nach der Ableitung. Der Bereich kann jedoch als Ergebnis der Expansion von Silicium in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert werden. Mit dieser Kenntnis ist eine Rekalibrierung jederzeit möglich, wenn ein bekannter Druck bestimmt werden kann oder ein externer Umgebungsdruck bestimmt wird.
Insbesondere in Bezug auf MEMS-Drucksensoren ist eine Mehrheit von Alterungseffekten das Ergebnis einer sich ändernden Belastung für die Membran 306. Die Belastung kann zwei Hauptgründe haben. Beispielsweise könnte ein erster Teil dieser Belastung durch die Wärmeexpansion verschiedener Materialien (z. B. monokristallines Silicium, Polysilicium, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Aluminium oder Kupfer) des Chips selbst generiert werden, und der zweite Teil der Belastung kann durch die Grenzfläche zwischen dem Chip und der Packung generiert werden. Eine dritte Ursache einer mechanischen Belastung kann aus einem mechanischen Kontakt zwischen der Packung und ihrer Anordnung an der Anwendungsumgebung entstehen. Es kann angenommen werden, dass sich alle Ursachen einer Belastung für den Sensor, insbesondere die zweite Ursache, mit der Zeit ändern und so den Hauptteil von Alterungseffekten bilden, die durch eine Rekalibrierung bearbeitet und korrigiert werden können. Der Effekt der systeminhärenten mechanischen Belastungssituation bewirkt eine Änderung der Ablenkung der Membran unter identischem Druck und elektrostatischer Treibspannung, sogar in einer kraftfreien Situation, wenn die Distanz der Membran des Sensors exakt die Herstellungsdistanz d sein sollte. Diese Änderung kann explizit nur der Parameter (d) im vereinfachten Modell sein. Daher kann diese Distanz eine ungefähre Distanz an den Rändern des Sensorkondensators sein, wo die Membran in dem festen Chip endet, und stattdessen eine virtuelle Position einer bewegbaren Platte eines Plattenkondensatormodells sein, das die Kapazität auf einen Wert setzt, der in Situationen gemessen würde, wenn der reale Sensor frei von Druck und elektrostatischer Kraft ist. Die Rekalibrierung der Distanz (d) kann ohne Kenntnis irgendeines anderen Drucks als eines bekannten Atmosphären- oder externen einzelnen Drucks erfolgen. Es besteht jedoch weiterhin ein starker Vorteil der elektrostatischen Kraft für die Rekalibrierung des Sensors, da sie mit einem einzelnen bekannten Druckpunkt wie dem Umgebungsdruck erfolgen kann, ohne dass beispielsweise wenigstens zwei verschiedene Druckwerte für die Trennung von Versetzung und Empfindlichkeit erforderlich sind.
In einem Aspekt kann ein mikromechanischer Drucksensor mit einer Membran, die von elektrostatischen Kräften gemeinsam abgelenkt werden kann, durch verschiedene Verfahren, die generiert werden, kalibriert und rekalibriert werden. Die Kalibrierung kann beispielsweise auf der Reduktion eines sehr komplexen Systems auf eine Approximation oder ein Modell basieren, das durch einfachere Gleichungen mit einem physikalischen Hintergrund oder einer physikalischen Definition beschrieben werden kann. Die Rekalibrierung kann ferner auf diesem generierten Modell basieren. Beispielsweise kann ein Bereich (A) des Drucksensordiaphragmas als ein Parameter verwendet werden, der bekanntlich mit der Zeit stabil ist, und kann daher aus dem Satz von Kalibrierungsdaten ausgeschlossen werden, die nach der Alterung des Sensors rekalibriert werden müssen. So kann eine Rekalibrierung der Sensorfederkonstante unter einer beliebigen Bedingung in der Praxis oder in Echtzeit nach der Herstellung und Initialkalibrierung ermöglicht werden. Eine Rekalibrierung der Plattenherstellungsdistanz kann beispielsweise ansprechend auf einen einzelnen Druckmesswert oder Informationen (in vielen Fällen kann dies Umgebungsdruck sein) erfolgen, die bestimmt werden. So ist eine volle Rekalibrierung des Sensors bei bekanntem Umgebungsdruck möglich, ohne einen anderen Druck auf den montierten Sensor auszuüben.
Obwohl die mit dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren hier als Serie von Aktionen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben werden, ist es klar, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Aktionen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen ist. Beispielsweise können manche Aktionen in verschiedenen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignissen abgesehen von den hier veranschaulichten und/oder beschriebenen auftreten. Zusätzlich können nicht alle veranschaulichten Aktionen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung hier zu implementieren. Ferner kann einer oder können mehrere der hier gezeigten Aktionen in einer oder mehreren getrennten Aktionen und/oder Phasen durchgeführt werden.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4 wird ein Beispiel eines Flussdiagramms für ein System, das einen Drucksensor modelliert, gemäß verschiedenen Aspekten veranschaulicht. Das Verfahren 400 beginnt bei 402 für eine Initialkalibrierung eines oder mehrerer modellierter Drucksensoren (z. B. Drucksensor 102).
Bei 404 kann ein erster Druck auf den Sensor angewendet werden und ein absoluter Druck kann erhalten werden. Beispielsweise kann ein absoluter Druck aus einer externen Berechnung oder einem Messwert einer externen Quelle oder einer systeminternen Messung (z. B. Messkomponente 104) erhalten werden. Der Druck kann beispielsweise Atmosphärendruck oder ein Druck sein, der beispielsweise durch eine angelegte Spannung an Platten des Sensors oder Sensormodells induziert wird.
Bei 406 werden wenigstens zwei Paare von Messungen erhalten, wie über einen Prozessor, eine Messkomponente über einen Prozessor oder eine andere Messvorrichtung (z. B. die Messkomponente 104), die eine Kapazität und eine Spannung umfassen kann. Die Spannung kann über die Vorspannungskomponente 202, beispielsweise eine Spannungsquelle, oder eine andere Vorspannungskomponente induziert oder angelegt werden, die arbeitet, um eine elektrostatische Spannung quer über die Sensormembran (z. B. Membran 306) zu induzieren. Die Paare, die eine Kapazität und eine Spannung umfassen, können mit offener Schleife vorgenommen werden, indem die Sensorvorspannung geändert wird und die entsprechende Reaktion des Sensorkondensators gemessen wird, oder können über eine Rückkopplungsschleife in mehreren Iterationen ohne Änderung des Drucks evaluiert werden. Da die elektrostatische Messung rasch mit einem kleinen Zeitdifferential (z. B. weniger als eine Mikrosekunde) durchgeführt werden kann, wird keine Änderung im Atmosphären-/Barometerdruck angenommen und der Druck ist konstant.
Bei 408 wird eine Bestimmung dafür generiert, ob eine Bereichsextraktion der Genauigkeit halber vorzunehmen ist. Verschiedene Faktoren können in die Bestimmung involviert sein, wie eine Zeit, eine Membranverschlechterung, Genauigkeit innerhalb eines reduzierten Bereichs, Koeffizienten von Komponenten, die den Drucksensor umfassen, ob Bereiche über eine Herstellervorrichtung über ein Kommunikationsnetz oder dgl. gespeichert oder kommuniziert werden. Falls die Bestimmung bei 408 affirmativ ist (JA), setzt der Prozessfluss bei 410 mit der Bestimmung oder Modellierung von Parametern des Sensors fort. Bei 410 kann oder können beispielsweise eine oder mehrere Federkonstanten bestimmt werden und eine Distanz der Ablenkung zwischen Platten. Die Distanz kann beispielsweise eine äquivalente Herstellungsdistanz (d) eines Modellplattenkondensators oder anderen oben diskutierten Modelltyps sein. Die Berechnungen können mit einem beabsichtigten Bereich (A) des Sensordiaphragmas, wie einem Herstellungsbereich innerhalb einer Prozesstoleranz, generiert werden.
Falls die Bestimmung bei 408 negativ (NEIN) ist, setzt der Prozessfluss bei 412 fort, indem der Druck auf einen zweiten anderen Druckwert geändert und ein Druckmesswert erhalten wird, der ein absoluter Druckwert sein kann, wie jener, der beispielsweise durch eine elektrostatische Kraft induziert wird. Bei 414 können Messungen von wenigstens zwei Paaren von Kapazität und Spannung für den zweiten Druck erhalten oder vorgesehen werden. Bei 416 können Parameter bestimmt werden, die eine Federkonstante und eine Distanz umfassen, wie die Herstellungsdistanz eines modellierten Kondensators des Sensors. Die Parameter können beispielsweise mit einem realen Bereich oder einem abgeleitet werden, der quer über die Membran des Sensors gemessen wird. Der reale Bereich kann gleich oder vom oben diskutierten beabsichtigten Bereich verschieden sein.
Bei 418 werden Parameter im in einem Speicher generierten Rechenmodell gespeichert, der mit dem Prozessor oder einer Komponente des Systems gekoppelt ist. Bei 420 kann eine Kalibrierung (z. B. über die Kalibrierkomponente 106) mit dem Einstellen von Zielwerten des Sensors auf Werte vollendet werden, die den Sensor für einen weiteren Betrieb aufnehmen oder rekalibrieren.
In einem Aspekt können die beschriebenen Messungen oder Messoperationen bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Temperaturkoeffizienten in Bezug aufeinander vorgenommen werden, die für jeden Parameter extrahiert und gespeichert werden können. Eine vereinfachte Form einer Temperaturkompensationssequenz für die hier beschriebenen Verfahren könnte sein: zuerst Vornehmen einer Vollkalibrierung für die Federkonstante (δ) und den Bereich (A) bei einer bekannten Raumtemperatur unter Verwendung von zwei verschiedenen Druckwerten, oder bei zwei verschiedenen elektrostatisch induzierten Druckwerten, und dann Rekalibrieren bei verschiedenen Temperaturen unter erneuter Verwendung der Werte, die für den Plattenbereich aus der ersten Messung erhalten wurden, mit einer Temperaturkorrektur auf der Basis des Materialexpansionskoeffizienten für Silicium (oder ein beliebiges anderes Material, das für den Sensor verwendet wird). Messaktionen oder -schritte, die in dieser Offenbarung beschrieben werden, können auch in ihren Sequenzen ausgetauscht werden oder können durch eine Mehrzahl von Messungen extrahiert werden, um die Genauigkeit durch weiteres Mitteln der Werte zu erhöhen.
Mit Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren 500 veranschaulicht, das bei 502 mit einer Rekalibrierung eines Drucksensors beginnt. Bei 504 wird ein Druck gemessen oder erhalten, wie von einer externen Quelle und als absoluter Druck. Bei 506 werden Messungen erhalten oder vorgesehen, die wenigstens zwei Paare von Kapazität (C) und Spannung (V) für den erhaltenen Druck (z. B. absoluten Druck) umfassen. Der Druck kann ein Atmosphären- oder Barometerdruck sein. Die Messpaare können in einer Zeitdistanz erhalten werden, die kurz genug ist, um sicherzustellen, dass sich der Druck beispielsweise in einem relevanten Bereich zwischen zwei Messungen nicht ändert.
Bei 508 können eine Federkonstante und eine äquivalente Herstellungsdistanz eines Modells des Kondensators (z. B. eines Modellplattenkondensators) mit einem Bereich (A) bestimmt werden, der anfänglich vom Sensordiaphragma gespeichert wird. Bei 510 können die bestimmten Parameter gespeichert werden, und bei 512 wird die Rekalibrierung vollendet.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 6 wird ein Beispiel eines Kalibrier- und Rekalibriersystems 600 gemäß verschiedenen Aspekten veranschaulicht. Das System 600 umfasst ähnliche oben beschriebene Komponenten, und umfasst ferner einen zusätzlichen oder einen zweiten Drucksensor 602, der auch mit einer Membran oder einem Diaphragma arbeitet, das eine Ablenkung als Funktion verschiedener Parameter generiert, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf eine elektrostatische Kraft an einem entsprechenden Satz von Elektroden oder an einem ersten Elektrodenanschluss und einem zweiten Elektrodenanschluss (nicht gezeigt) für beide Sensoren 102 und 602. Obwohl der zweite Drucksensor 602 parallel mit dem ersten Drucksensor 102 gekoppelt ist, sind auch andere Auslegungen oder Architekturen vorgesehen.
Das System 600 mit dem zweiten Drucksensor 602 kann dynamisch arbeiten, um einen oder mehrere Drucksensoren 102, 602 weiter zu modellieren und um die entsprechenden Sensorparameter auf Zielwerte zu kalibrieren und rekalibrieren, die Fabrikseinstellungen nach der Herstellung oder verschiedene Werte zum dynamischen Operieren in der Praxis während der Implementierung in einem oder mehreren zusätzlichen Sensorsystemen oder Sensornetzen umfassen können.
Oben beschriebene Aspekte, welche die obigen Figuren begleiten, sehen Kalibrierungsprinzipien auf der Basis eines generierten Modells des Sensors und des mit dem Sensor gekoppelten Kondensators vor, die in einer Interpretation verschiedene Druckwerte für eine Kalibrierung verwenden und eine Rekalibrierung in einer beliebigen Situation ermöglichen, wo ein Druck bekannt ist, wie ein einzelner Umgebungsdruck oder ein erhaltener Druckmesswert. Das System 600 umfasst den zweiten Drucksensor 602 und erleichtert ferner eine Kalibrierung eines oder mehrerer der Drucksensoren mit demselben Modell, und unter Verwendung eines einzelnen Drucks oder eines Druckmesswerts. Die Kalibrierung und Rekalibrierung können beispielsweise mit dem generierten Modell unter Verwendung des Umgebungsdrucks auf einer Standard-FE/BE-Testausrüstung anstelle spezieller Ausrüstung vorgenommen werden, die es ermöglicht, verschiedene Druckwerte anzuwenden. Der Umgebungsdruck-Messwert- und Modellierungsprozess können daher unabhängig von irgendeinem anderen Druck oder Druckmesswert erfolgen, und mit dem einzelnen Umgebungsdruck allein als dynamischem oder Echtzeit-Feldkalibrierungsprozess.
Beispielsweise kann, anstelle der Verwendung von zwei verschiedenen Druckwerten, um einen realen Zellbereich oder einen tatsächlichen Zellbereich des Sensors 102 zu charakterisieren, das System 600 arbeiten, um ein Rechenmodell mit Sensorzellen verschiedener Bereiche zu generieren. Die Sensoren 102 und 602 können beispielsweise übereinstimmende Charakteristiken oder Funktionsweisen zeigen oder im Wesentlichen angepasst sein, insbesondere indem sie die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Herstellungsdistanz (d) umfassen, die eine Distanz (d) umfassen kann, welche zwischen den Platten oder Elektroden der jeweiligen Sensoren 102, 602 liegt.
In einem Aspekt umfassen der erste Drucksensor 102 und der zweite Drucksensor 602 eine Herstellungstoleranz aus jeweiligen Ausbildungsparametern (Dp), die durch eine Variable bestimmt, beschrieben und modelliert werden können. Beispielsweise kann die einzelne Variable ein technologischer Parameter (Tp) sein, oder als Prozessparameter oder ähnliche Konnotation bezeichnet werden. Der Prozessparameter kann eine Funktion sein oder von einem Hersteller oder hergestellten Toleranzbereich abgeleitet werden. Als Beispiel sind die Drucksensoren 102 und 602 ausgebildet und hergestellt als quadratische Membranen mit einer dimensionalen Länge, wie einer Seitenlänge (x). Wenigstens ein Drucksensor 102 oder 602 kann eine kleinere dimensionale Seitenlänge in Bezug auf den anderen aufweisen, und die Drucksensoren 102 oder 602 können parallel einmal oder mehrere (nc) Male als ein oder mehrere Drucksensoren verbunden sein, um eine vergleichbare Kapazität als größere Kapazität des anderen Sensors zu erzielen (z. B. Drucksensor 102 oder 602), so dass beispielsweise die Kapazität ➔ Dp1 = x1; Dp2 = (x2, nc). Die Prozessvariation könnte beispielsweise das Ergebnis eines Überätzens oder eines Unterätzens eines Hohlraums sein, der unter dem ablenkbaren Diaphragma um eine Distanz (Tp = Δ) angeordnet ist.
Mit Bezugnahme auf 7 wird ein System 700 gemäß einem oder mehreren hier offenbarten Aspekten veranschaulicht. Das System 700 umfasst beispielsweise eine Rekalibrierkomponente 702 und eine Modellierkomponente 704 zusätzlich zu ähnlichen Komponenten, wie oben diskutiert.
Die Rekalibrierkomponente 702 ist beispielsweise ausgelegt, den Satz von Sensorparametern eines oder mehrerer Sensoren, die im System gekoppelt sind, gemäß einem über die Modellkomponente 704 generierten Modell zu rekalibrieren. Die Rekalibrierung und das Modell können gemäß den hier beschriebenen Aspekten sein. Der erste Drucksensor 102 kann parallel mit dem zweiten Drucksensor 602 gekoppelt sein und einen oder mehrere angepasste Parameter haben, die im Wesentlichen gleiche Kapazitäten an einem ersten und einem zweiten Knoten oder Anschluss der parallelen Auslegung von Sensoren ermöglichen können. Der erste Sensor 102 kann einen Sensor umfassen, der mit dem zweiten Drucksensor 602 gekoppelt ist, welcher einen oder mehrere miteinander gekoppelte Sensoren umfassen kann, um einer größeren Kapazität des ersten Drucksensors mit einer an die Kondensatorplatten angelegten Spannung zu gleichen. Die Rekalibrierkomponente kann ausgelegt sein, den Satz von Sensorparametern oder Parameterwerten für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor zu extrahieren, der einen Prozessparameter umfasst, der einen Ausbildungsparameter umfassen kann, welcher sowohl vom ersten Drucksensor 102 als auch vom zweiten Drucksensor 602 abgeleitet wird, und ferner durch eine einzelne Variable oder einen Prozessparameter (Tp), einen ersten Membranbereich des ersten Sensors 102, einen zweiten Membranbereich des zweiten Sensors 602, eine erste Federkonstante der ersten Membran und eine zweite Federkonstante der zweiten Membran, und eine Distanz zwischen der ersten Mehrzahl von Elektroden repräsentiert wird.
Die Modellierkomponente 704 ist ausgelegt, ein Modell zu generieren, das ein Rechenmodell, virtuelles Modell oder ein Satz von Codes sein kann, welche die Funktion des Sensors ansprechend auf eine elektrostatische Spannung gemäß Parametern imitieren, die aus dem ersten Sensor 102 und/oder dem zweiten Sensor 602 extrahiert werden. Das Modell kann ein vereinfachtes virtuelles oder mathematisches Modell sein, das eine rasche Extraktion von Parameterwerten ermöglicht. Das Modell kann beispielsweise ein Kapazitätsmodell sein, wie ein Modell auf der Basis einer Kapazitätsbrücke, ein Modell auf der Basis einer sich bewegenden Platte oder ein anderer Typ eines Kapazitätsmodells, zum Vornehmen effizienterer Kalibrierungen und Rekalibrierungen für einen oder mehrere Drucksensoren 102 oder 602. Die Modellkomponente kann ausgelegt sein, die Verschiebung einer oder mehrerer Membranen der Sensoren 102, 602 innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs zu modellieren. Beispielsweise kann die Verschiebung durch eine nichtlineare Funktion einer tatsächlichen Auslegung des Drucksensors und eine zweidimensionale Ablenkkurve an den Elektroden des Sensors gekennzeichnet sein. Durch entsprechende angelegte Spannungen generierte Kapazitätswerte können aus einem Differentialausgang abgeleitet werden, der verwendet wird, um verschiedene Parameter des Drucksensors im Modell zu modellieren. Das kapazitive Brückenmodell kann arbeiten, um die Werte auf der Basis von Parametern zu modellieren, die quer über die Elektroden des (der) Sensors (Sensoren) abgeleitet werden. In einem Aspekt kann das Modell einen Plattenkondensator mit wenigstens zwei Platten umfassen, die eine Distanz, die sich in Abhängigkeit von den angewendeten Druckfedern, die der Verschiebung und einer induzierten elektrostatischen Kraft entgegenwirken, ändert, umfassen.
Mit Bezugnahme auf 8A und 8B werden beispielhafte Modellauslegungen 800 und 830 oder Architekturen eines zweiten Sensors veranschaulicht und in Verbindung mit einer Bezugnahme auf Elemente von 3A und 3B weiter beschrieben. Der erste Drucksensor 102 und der zweite Drucksensor 602 können jeweils eine dimensionale Länge beispielsweise entlang einer ersten Seite (b, b2) des Sensors umfassen. Der Sensor 102 und 602 können beispielsweise einen modellierten ersten und zweiten Membranbereich A und A2 umfassen, der eine Funktion von dy, dx oder dy2 und dx2 ist. Die erste dimensionale Länge kann von der zweiten dimensionalen Länge des anderen Sensors verschieden sein. Beide Sensoren können eine Höhe h und h2 umfassen, die sich vernachlässigbar als Funktion des Prozessparameters unterscheiden. Eine Distanz kann weiter als die Differenz zwischen der Ablenkung der Membran entlang einer z-Achse und dem Hohlraumboden oder Boden der Elektroden repräsentiert werden, die in Abhängigkeit von einer Biegefunktion auf der Basis der angewendeten Druckfedern variieren kann, welche der Verschiebung der generierten elektrostatischen Kraft entgegenwirken.
Die Kalibrierkomponente 106 kann arbeiten, um in Bezug auf den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor einen geschätzten Prozessparameter zu bestimmen, der von einem hergestellten Toleranzbereich abgeleitet wird. Ein Satz geschätzter Bereiche der ersten Membran und der zweiten Membran kann auf der Basis des geschätzten Prozessparameters abgeleitet werden, und ein Satz geschätzter Federkonstanten kann vom Satz geschätzter Bereiche abgeleitet werden. Zusätzlich kann das Modell diese Schätzungen einschließlich einer geschätzten Hohlraumhöhe generieren, die für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor gemäß guten oder für gute Anpassungscharakteristiken zwischen den beiden Sensoren gültig ist. Die Kalibrierkomponente 106 ist ferner ausgelegt, den geschätzten Prozessparameter erneut zu bestimmen, auf der Basis der geschätzten Hohlraumhöhe, um einen tatsächlichen Prozessparameter, einen ersten Membranbereich der ersten Membran und einen zweiten Membranbereich der zweiten Membran auf der Basis des tatsächlichen Prozessparameters, eine erste Federkonstante der ersten Membran und eine zweite Federkonstante der zweiten Membran, und/oder eine Distanz zwischen der ersten Mehrzahl von Elektroden und der zweiten Mehrzahl von Elektroden zu bestimmen.
Beide Sensorzellen 102 und 602 können beispielsweise durch zwei Paare elektrostatischer Treibspannungen und entsprechenden Kapazitäten charakterisiert werden. Die Modellierkomponente kann beispielsweise eine Modellierung der Sensorparameter gemäß einer oder mehreren der Gleichungen erleichtern, die vorstehend und nachstehend beschrieben werden.
A₂ = F(D_p2, T_p) A₂ = nc·(x_b + Δ)²
Mit einem bestimmten oder bekannten Bereich können die Modelle 800, 830 eine Berechnung beider Federkonstanten ermöglichen, die aufgrund der verschiedenen Geometrien unter den Sensoren verschieden sind, welche die Diaphragmen kleiner oder steifer machen können. In Situationen, wo der Bereich nicht bestimmt wird oder weiterhin unbekannt ist, da er von der technologischen Variation (Δ) oder dem Prozessparameter abhängig sein kann, kann der Modellierprozess die Modelle verwenden, um von einem bekannten Bereich des Technologieparameters (Δ) zu beginnen. Die abgeleiteten berechneten Federkonstanten können dementsprechend auch ungenau sein, da die technologische Variation ein geschätzter Parameter ist. Der Umgebungsdruck (p) kann aus einem Druckmesswert oder einer Quelle (z. B. einem Referenzbarometer oder einer anderen Komponente) ermittelt werden, die eine Berechnung einer Schätzung für die Hohlraumhöhe (da, db) ermöglicht und auch eine Ungenauigkeit aufgrund der Abhängigkeit von der geschätzten Federkonstante und dem geschätzten Bereich umfasst. Ausgehend von den Ergebnissen von (da) und (db), die verschieden sein können, können die Schätzungen für den Technologieparameter (Δ) aktualisiert und für einen tatsächlichen Parameterwert, wie mit (da) und (db), erneut berechnet werden, außer es wird bestimmt, dass sie ausreichend gleich sind. Dieser Modellierprozess kann die realen oder tatsächlichen Werte für den Prozess- oder Technologieparameter (Δ), die Bereiche (A1, A2), die Federkonstanten (δ1, δ2) und die Distanz (d = da = db) ergeben, welche die reale/tatsächliche Herstellungsdistanz zwischen den beiden Sensorplatten eines oder mehrerer der Sensoren 102, 602 sein können.
Eine Rekalibrierung über die Rekalibrierkomponente 702 kann bei einem beliebigen einzelnen bekannten Druck (z. B. Umgebungsdruck) vorgenommen werden, da angenommen werden kann, dass der Bereich der Membran durch Alterung nicht beeinträchtigt wird und daher nicht unbedingt für den Rekalibrierprozess unbekannt ist. Er kann jedoch aufgrund von Änderungen durch die Expansion von Silicium in Abhängigkeit von der Chiptemperatur korrigiert werden. Mit dieser Kenntnis ist eine Rekalibrierung jederzeit möglich, wenn ein bekannter Druck geliefert werden kann.
Auf der Basis dieser Erfindung kann die vorher beschriebene Rekalibrierung bei bekannten Umgebungsbedingungen erweitert werden und kann auf die gleiche Weise durchgeführt werden wie die in anderen Aspekten oben beschriebene Initialkalibrierung. Mit der Verwendung der Sensoren 102 und 602 mit angepassten Hohlraumhöhen und verschiedenen Bereichen ist die Extraktion aller unbekannten Variablen, wie des Technologieparameters (Δ), der Bereiche (A1, A2), der Federkonstanten (δ1, δ2) und der Distanz (d) möglich.
Das über die Modellierkomponente 704 generierte Modell zur Kalibrierung und Rekalibrierung ermöglicht eine verschiedene Rekalibrierung unabhängig vom Umgebungsdruck auf der Basis der beiden verschiedenen Bereiche der Sensorzellen, wobei die jeweiligen Bereiche A1 und A2 des ersten und zweiten Sensors 102, 602 unverändert sind oder durch bekannte Expansionskoeffizienten korrigiert werden können. Die Parameter können über das Modell mit einem Messpaar einer Treibspannung und ihrer entsprechenden Kapazität von jeder Sensorzelle abgeleitet werden. Ansprechend darauf, dass die beiden Messpaare unter denselben Druckbedingungen (z. B. gleicher Barometerdruck) erhalten werden, was einfach zu erfüllen sein sollte, falls die Messungen gleichzeitig oder in einer kurzen Zeitdistanz erfolgen, können dann eine Berechnung und Kalibrierung durchgeführt werden, indem die Distanz (d) direkt aus den nachstehenden Gleichungen berechnet wird. Für eine größere Genauigkeit der Rekalibrierung kann eine weitere Rekalibrierung oder Iteration der Kalibrierberechnung für die Federkonstanten (δ1, δ2) jeder Sensorzelle vorgenommen werden, bevor die Aktualisierung der Distanz (d) berechnet wird. Ein Vorteil des Sensorrekalibriersystems ist, dass es die Wiederholung der Rekalibrierung kontinuierlich im Hintergrund einer Feld- oder Systemanwendung gestattet, und dass sie die Temperaturkompensation auf die Korrektur der Bereichsexpansion des Diaphragmas reduziert, die klein und durch bekannte und stabile Expansionskoeffizienten gut definiert ist.
Mit dem obigen Satz der Gleichungen 13 kann eine Änderung im Bereich der Membran oder des Sensordiaphragmas eine Änderung entsprechender Federkonstanten und der Kapazität des Sensors verursachen. Die hier mit wenigstens zwei verschiedenen Sensoren beschriebenen Systeme können die Bestimmung von Parametern eines Modells erleichtern, das zur Kalibrierung verwendet wird, indem selbstgenerierte elektrostatische Kräfte unter einer oder mehreren bekannten Umgebungsdruckbedingungen angewendet werden, und dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Testens bei verschiedenen Druckwerten; somit ermöglichen diese eine Kalibrierung auf einem unmodifizierten Standard-Tester. Ferner wird eine Rekalibrierung der Parameter ermöglicht, die einem Temperatur- und Alterungsdrift unter einer beliebigen Betriebsbedingung ausgesetzt sind, sogar ohne Kenntnis eines tatsächlichen Drucks, wie eines Drucks am Sensor oder zusätzlicher Druckkräfte.
Zusätzlich können verschiedene Modelle der technologisch induzierten Herstellungsvariationsmodelle des Sensorbereichs vom System verwendet werden. Beispielsweise könnte das früher verwendete Über-/Unterätzmodell, das oben diskutiert wird, durch das Einführen eines Skalierungsfaktors (α) erweitert werden, der das Unterätzen vom Verhältnis der verschiedenen Zellgeometrien abhängig macht. A₁ = F(D_p1, T_p) A₂ = F(D_p2, T_p) A₁ = (x_a + Δ)² A₂ = nc·(x_b + α·Δ)² Gl. 14
Der Skalierungsfaktor (α) ist eine Konstante, die aus den Ausbildungsgeometrien (xa) und (xb) durch eine bekannte Regel berechnet werden kann. Für diesen Fall könnte die Kalibrierung ohne irgendeine Modifikation des Sensormodells geschehen. Ein weiteres Beispiel könnte ein anderer Über-/Unterätzparameter in Abhängigkeit von der Orientierung der Sensorzelle in Bezug auf die Kristallrichtungen sein, wie mit den folgenden Gleichungen: A₁ = F(D_p1, T_p) A₂ = F(D_p2, T_p) A₁ = (x_a + Δ_x)·(x_a + Δ_y) A₂ = nc·[(x_b + Δ_x)·(x_b + Δ_v)] Gl. 15
Im obigen Fall könnten zwei sich ausbreitende Technologieparameter oder Prozessparameter verwendet werden, und das System kann erweitert werden, um drei verschiedene Sensoren zu verwenden, die mit wenigstens einigen angepassten Parametern und einigen variierenden Abmessungen oder anderen Parametern ausgelegt sein können. Beispielsweise können Iterationen vorgenommen werden, um identische Ergebnisse für die Herstellungshöhe des Hohlraums (d) abzuleiten, die für alle drei Sensortypen identisch ist und als Funktion von zwei Abmessungen (Δx) und (Δy) berechnet werden kann.
Zusätzlich können auch andere Parameter der Sensorzellen variiert werden, die den Bereich des Diaphragmas nicht direkt beeinflussen. Dies könnte beispielsweise die Dicke des Diaphragmas sein und würde zu Sensoren führen, die verschiedene Federkonstanten aufweisen. In diesem Fall haben die Sensorzellen denselben Bereich und die Iterationen könnten direkt in (A) mit dem gemeinsamen unbekannten Bereich beider Sensorzellen erfolgen.
Das Diaphragma einer Zelle könnte durch eine Oxidsäule in der Mitte der Zelle stabilisiert werden, was zu einer anderen Empfindlichkeit für denselben Bereich wie im Fall mit der dickeren Membran oben führen würde und in der gleichen Weise einer iterativen Bestimmung der Herstellungshöhe (d) des Hohlraums durch die Variation von (A) handgehabt werden kann, solange das Ergebnis von (d) für beide Zellen übereinstimmt.
Ferner sind Kombinationen von verschiedenem Bereich, Höhe und stabilisierten Membranen mit darunter angeordneten Oxidsäulen möglich.
Falls die Empfindlichkeit einer der Membranen so weit reduziert wird, dass angenommen werden kann, dass die Kapazität innerhalb des Druckbereichs konstant ist, kann der Vorgang vereinfacht werden, da eine Empfindlichkeitseinstellung für diese Sensorzellen nicht mehr notwendig wäre. In diesem Fall können die Zellen als Referenzzellen dienen, die druckunabhängig sind, und sie können daher zur Extraktion der Hohlraumhöhe und des Bereichs auf der Basis des Technologie-Herstellungsausbreitungsparameters wie folgt mit dem Satz der Gleichungen 16 verwendet werden:
Durch die Erweiterung dieses Ansatzes, zwei druckunempfindliche Zelltypen zusätzlich zum druckempfindlichen zu verwenden, der kalibriert werden soll, kann die Berechnung der Herstellungsausbreitung aufgrund eines Über-/Unterätzens weiter vereinfacht und besonders angepasst werden, um eine gute Auflösung für die Berechnung der Hohlraumhöhe vorzusehen, unabhängig von der Berücksichtigung der Empfindlichkeit der Zellen.
Zusätzlich könnte die Rekalibrierung durch den obigen Rechenmodellansatz wie in den Gleichungen 17 weiter vereinfacht werden, da die druckunabhängigen Zellen jederzeit für eine Bestimmung der Hohlraumhöhe und des herstellungsabhängigen Bereichs verwendet werden können, vollständig unabhängig vom tatsächlichen Druck.
Schließlich kann, wie oben angegeben, jede der „Sensorzellen” oder jeder der Drucksensoren (z. B. Drucksensoren 102, 602), die modelliert werden, eine Anordnung kleinerer elementarer Sensorzellen umfassen, auch eine Kapazitätsdifferenz zwischen Anordnungen einer Zelle eines ersten elementaren Typs und einer Zelle eines zweiten elementaren Typs umfassen, da dies durch eine kapazitive Wheatstone-Brücke generiert oder modelliert werden kann.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 9 wird ein Verfahren 900 zur Drucksensorkalibrierung und -rekalibrierung in Sensorsystemen veranschaulicht. Bei 902 umfasst das Verfahren ein Generieren (z. B. über eine Vorspannungskomponente 202) einer Verschiebung einer ersten Membran eines ersten Drucksensors als Funktion einer oder mehrerer elektrostatischer Kräfte. Bei 904 umfasst das Verfahren ein Messen eines Satzes von Kapazitätswerten, die einem Satz angelegter Spannungen an einer ersten Mehrzahl von Elektroden bei einem ersten Druck entsprechen. Bei 906 wird der erste Drucksensor auf einen Satz von Zielwerten mit einem Satz von Sensorparametern, die von dem Satz von Kapazitätswerten abgeleitet sind, die dem Satz angelegter Spannungen entsprechen, und den ersten Druck kalibriert.
In einem Aspekt kann das Verfahren ein Generieren eines Rechenmodells für Sensorkalibrierungen umfassen, durch Schätzen eines geschätzten Prozessvariationsparameters, der auf den ersten Drucksensor und auf einen zweiten Drucksensor bezogen ist, welcher auch als erster Drucksensor gemessen und kalibriert wird. Geschätzte Bereiche und Federkonstanten können dann bestimmt werden, die dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor entsprechen, auf der Basis des geschätzten Prozessvariationsparameters. Dann können geschätzte Höhen der ersten Membran des ersten Drucksensors und einer zweiten Membran des zweiten Drucksensors abgeleitet werden. Dann kann der Satz von Sensorparametern durch Iterationen auf den Satz von Zielwerten unabhängig von einem tatsächlichen Druckmesswert erneut berechnet werden, wobei der erste Druck einen Umgebungsdruck umfasst.
Mit Bezugnahme auf 10 wird ein beispielhafter Prozessfluss zur Kalibrierung und Rekalibrierung eines Sensors gemäß verschiedenen Aspekten veranschaulicht. Das Verfahren 1000 beginnt bei 1002 durch ein Generieren einer Verschiebung einer ersten Membran eines ersten Drucksensors und einer zweiten Membran eines zweiten Drucksensors. Bei 1004 werden Kapazitätswerte am ersten Drucksensor und am zweiten Drucksensor gemessen. Bei 1006 wird der erste Drucksensor mit Parameterwerten kalibriert, die von den gemessenen Kapazitätswerten und einem einzelnen oder ersten Druck (z. B. einem Atmosphären- oder Umgebungsdruck) abgeleitet werden.
Der Ausdruck „computerlesbare Medien”, wie hier verwendet, umfasst computerlesbare Speichermedien und Kommunikationsmedien. Computerlesbare Speichermedien umfassen flüchtige und nicht-flüchtige, entfernbare und nicht-entfernbare Medien, die in einem beliebigen Verfahren oder einer Technologie für ein greifbares Speichern von Informationen implementiert sind, wie computerlesbare Instruktionen oder andere Daten. Daten-Speicher oder Memory-Speicher, die hier offenbart werden, sind Beispiele computerlesbarer Speichermedien. Computerspeichermedien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder eine andere Speichertechnologie, CD-ROM, Digital Versatile Disks (DVDs) oder einen anderen optischen Speicher, Magnetkassetten, Magnetbänder, Magnetplattenspeicher oder andere Magnet speichervorrichtungen oder irgendein anderes Medium, das zum Speichern der gewünschten Informationen verwendet werden kann.
Der Ausdruck „computerlesbare Medien” kann auch Kommunikationsmedien umfassen. Kommunikationsmedien verkörpern typischerweise computerlesbare Instruktionen oder andere Daten, die in einem „modulierten Datensignal”, wie einer Trägerwelle oder einem anderen Transportmechanismus, kommuniziert werden können und umfassen beliebige Informationsabgabemedien. Der Ausdruck „moduliertes Datensignal” kann ein Signal umfassen, bei dem eine oder mehrere seiner Charakteristiken so eingestellt oder geändert werden, dass Informationen im Signal codiert werden.
Eine oder mehrere der beschriebenen Operationen kann oder können computerlesbare Instruktionen darstellen, die auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeichert sind, welche, wenn sie von einer Rechenvorrichtung ausgeführt werden, die Rechenvorrichtung veranlassen, die beschriebenen Operationen vorzunehmen. Die Reihenfolge, in der einige oder alle der Operationen beschrieben sind, ist nicht so auszulegen, dass impliziert wird, dass diese Operationen unbedingt reihenfolgeabhängig sind. Eine alternative Reihenfolge ist für Fachleute mit dem Vorteil dieser Beschreibung klar. Ferner ist es klar, dass nicht alle Operationen unbedingt in jeder hier vorgesehenen Ausführungsform vorliegen.
Insbesondere in Bezug auf verschiedene Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) vorgenommen werden, sollen, wenn nichts anderes angegeben ist, die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel”), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente vornimmt (z. B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie nicht strukturell äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, welche die Funktion in den hier veranschaulichten beispielhaften Implementierungen der Erfindung vornimmt. Obwohl ein besonderes Merkmal in Bezug auf nur eine von einigen Implementierungen offenbart worden sein kann, kann zusätzlich ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht und vorteilhaft sein kann. Ferner sollen, falls die Ausdrücke „aufweisend”, „aufweist”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten davon entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, solche Ausdrücke in einer Weise ähnlich dem Ausdruck „umfassend” einschließend sein.

Claims

Drucksensor-Kalibriersystem, umfassend: einen ersten Drucksensor mit einer ersten Mehrzahl von Elektroden und einer ersten Membran, die eingerichtet ist, eine Verschiebung von einer ersten Position zu einer zweiten Position als Funktion einer elektrostatischen Kraft zu generieren; eine Messkomponente, die eingerichtet ist, Messungen von Sätzen von Kapazitätswerten, die Sätzen angelegter Spannungen an der ersten Mehrzahl von Elektroden entsprechen, und durch die Verschiebung der ersten Membran als Funktion der elektrostatischen Kraft zu bestimmen; und eine Kalibrierkomponente, die eingerichtet ist, den ersten Drucksensor auf einen Satz von Zielwerten mit einem Satz von Sensorparametern, die aus den Messungen der Sätze von Kapazitätswerten und einem ersten Druck erhalten werden, zu kalibrieren.
System nach Anspruch 1, bei welchem die erste Mehrzahl von Elektroden eine kapazitive Vollbrücke bildet, wobei die Sätze angelegter Spannungen an ein Eingangspaar von Knoten der kapazitiven Vollbrücke angelegt werden, und die Sätze von Kapazitätswerten differenzielle Ausgangskapazitätswerte der kapazitiven Vollbrücke umfassen, die an einem Ausgangspaar von Knoten der kapazitiven Vollbrücke erhalten werden.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die erste Mehrzahl von Elektroden Elektroden umfasst, die wenigstens einen anderen Drucksensor überbrücken, der andere Betriebsparameter für die Verschiebung durch den ersten Druck oder die elektrostatische Kraft umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1–3, ferner umfassend: eine Vorspannungskomponente, die eingerichtet ist, eine Vorspannung für die erste Mehrzahl von Elektroden zu erzeugen und eine Steuerung der Verschiebung der ersten Membran mit der elektrostatischen Kraft über einen Steuerpfad durch Modifizieren der Vorspannung zu erleichtern, wobei die Messkomponente ferner eingerichtet ist, die Sätze von Kapazitätswerten, die den Sätzen angelegter Spannungen entsprechen, zu einer ersten Zeit und einer zweiten Zeit gemäß einer Zeitdifferenz, oder gleichzeitig bei dem ersten Drucksensor und einem zweiten Drucksensor, der einen zweiten Satz von Sensorparametern umfasst, die an den ersten Drucksensor angepasst sind, zu messen.
System nach einem der Ansprüche 1–3, ferner umfassend: eine Parameterkomponente, die eingerichtet ist, den Satz von Sensorparametern auf der Basis eines Modells zu bestimmen, das von einer Modellkomponente generiert wird, wobei die Modellkomponente eingerichtet ist, die Verschiebung der ersten Membran von der ersten Position zur zweiten Position innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs zu modellieren, wobei die Verschiebung durch eine nichtlineare Funktion einer tatsächlichen Auslegung des ersten Drucksensors und eine zweidimensionale Ablenkkurve der ersten Mehrzahl von Elektroden gekennzeichnet ist.
System nach Anspruch 5, bei welchem das Modell einen Plattenkondensator umfasst, der wenigstens zwei Platten mit einer Distanz zueinander umfasst, die sich in Abhängigkeit von angelegten Druckfedern ändert, welche der Verschiebung und der elektrostatischen Kraft entgegenwirken.
System nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend: eine Vorspannungskomponente, die eingerichtet ist, eine Vorspannung für die erste Mehrzahl von Elektroden zu generieren und die Steuerung der Verschiebung der ersten Membran mit der elektrostatischen Kraft über einen Regelschleifenrückkopplungspfad gemäß dem Satz von Sensorparametern zu erleichtern, wobei der Satz von Sensorparametern eine erste Membranfläche umfasst und der erste Druck einen Umgebungsdruck umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5–7, bei welchem die Kalibrierkomponente ferner eingerichtet ist, eine Hohlraumhöhe und eine Federkonstante auf der Basis einer wiederholten Messung der Sätze von Kapazitätswerten, die den Sätzen angelegter Spannungen entsprechen, des ersten Drucks, der einen Umgebungsdruck umfasst, und einer Fläche der ersten Mehrzahl von Elektroden, die aus einer anfänglichen Kalibrierung bekannt ist, erneut zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 5–8, ferner umfassend: einen zweiten Drucksensor, der eingerichtet ist, in einer parallelen Konfiguration in Bezug auf den ersten Drucksensor zu arbeiten, um eine Kapazität bereitzustellen, die ungefähr gleich derjenigen des ersten Drucksensors ist, und umfassend: eine zweite Mehrzahl von Elektroden; und eine zweite Membran, die eingerichtet ist, sich von einer Position zu einer anderen Position zu verschieben.
System nach Anspruch 9, wobei der erste Drucksensor umfasst: eine erste dimensionale Länge entlang einer ersten Seite der ersten Membran; eine erste Membranfläche; und eine erste Höhe von der ersten Membran zu einer Bodenfläche eines ersten Hohlraums, der unter der ersten Membran angeordnet ist; und wobei der zweite Drucksensor umfasst: eine zweite dimensionale Länge entlang einer zweiten Seite der zweiten Membran, die von der ersten dimensionalen Länge verschieden ist; eine zweite Membranfläche; und eine zweite Höhe, die sich vernachlässigbar von der ersten Höhe als Funktion eines Prozessparameters unterscheidet.
System nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem die Kalibrierkomponente ferner eingerichtet ist, in Bezug auf den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor einen geschätzten Prozessparameter, der von einem Herstellungstoleranzbereich erhalten wird, einen Satz geschätzter Flächen der ersten Membran und der zweiten Membran auf der Basis des geschätzten Prozessparameters, einen Satz geschätzter Federkonstanten, der vom Satz geschätzter Flächen erhalten wird, und eine geschätzte Hohlraumhöhe, die für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor gilt, zu bestimmen.
System nach Anspruch 11, bei welchem die Kalibrierkomponente ferner eingerichtet ist, den geschätzten Prozessparameter auf der Basis der geschätzten Hohlraumhöhe zur Bestimmung eines tatsächlichen Prozessparameters, einer ersten Membranfläche der ersten Membran und einer zweiten Membranfläche der zweiten Membran auf der Basis des tatsächlichen Prozessparameters, einer ersten Federkonstanten der ersten Membran und einer zweiten Federkonstanten der zweiten Membran und einer gleichen Distanz zwischen der ersten Mehrzahl von Elektroden und der zweiten Mehrzahl von Elektroden erneut zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 5–12, ferner umfassend: eine Rekalibrierkomponente, die eingerichtet ist, den Satz von Sensorparametern des ersten Drucksensors, umfassend eine Kapazität mit einem zweiten Drucksensor, der parallel mit dem ersten Drucksensor gekoppelt ist, zu rekalibrieren, wobei der zweite Drucksensor umfasst: eine zweite Mehrzahl von Elektroden, die eingerichtet sind, die Kapazität bereitzustellen; eine zweite Membran mit einer zweiten Membranfläche, die von einer ersten Membranfläche der ersten Membran des ersten Drucksensors verschieden ist; und eine zweite Hohlraumhöhe eines zweiten Hohlraums, der unter der zweiten Membran angeordnet und gleich einer ersten Hohlraumhöhe eines ersten Hohlraums ist, der unter der ersten Membran des ersten Drucksensors angeordnet ist; wobei die Rekalibrierkomponente ferner eingerichtet ist, den Satz von Sensorparametern für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor zu extrahieren, wobei der Satz einen Prozessparameter, die erste Membranfläche, die zweite Membranfläche, eine erste Federkonstante der ersten Membran und eine zweite Federkonstante der zweiten Membran, und eine Distanz zwischen der ersten Mehrzahl von Elektroden umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5–13, wobei die Kalibrierkomponente ferner eingerichtet ist, einen Initialparameter des Satzes von Sensorparametern abgeleitet aus den Messungen der Sätze von Kapazitätswerten und der Sätze angelegter Spannungen beim ersten Druck und bei einem zweiten Druck zu bestimmen, und den Initialparameter zu verwenden, um weiter andere Parameter des Satzes von Sensorparametern für eine anfängliche Kalibrierung des ersten Drucksensors abzuleiten.
Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, umfassend: Erzeugen, über eine Vorspannungskomponente, einer Verschiebung einer ersten Membran eines ersten Drucksensors als Funktion einer oder mehrerer elektrostatischer Kräfte; Messen eines Satzes von Kapazitätswerten, die einem Satz angelegter Spannungen an einer ersten Mehrzahl von Elektroden bei einem ersten Druck entsprechen; und Kalibrieren des ersten Drucksensors auf einen Satz von Zielwerten mit einem Satz von Sensorparametern, die vom Satz der Kapazitätswerte, welche dem Satz angelegter Spannungen entsprechen, und dem ersten Druck erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Schätzen eines geschätzten Prozessvariationsparameters, der auf den ersten Drucksensor und auf einen zweiten Drucksensor bezogen ist, welcher auch als der erste Drucksensor gemessen und kalibriert wird; Bestimmen von geschätzten Flächen und Federkonstanten, die dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor zugeordnet sind, auf der Basis des geschätzten Prozessvariationsparameters; und Bestimmen geschätzter Höhen der ersten Membran des ersten Drucksensors und einer zweiten Membran des zweiten Drucksensors.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, umfassend: Bestimmen eines geschätzten Prozessvariationsparameters für den ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor als Funktion einer Herstellungstoleranz; Schätzen eines Satzes von Parametern für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor; und Aktualisieren des geschätzten Prozessvariationsparameters auf der Basis eines bekannten Umgebungsdrucks als den ersten Druck und von Differenzen zwischen wenigstens einem Satz von Parametern, der dem ersten Drucksensor und/oder dem zweiten Drucksensor zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–17, ferner umfassend: Bestimmen eines Prozessvariationsparameters, der auf den ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor bezogen ist, auf der Basis einer Differenz einer ersten Fläche der ersten Membran und einer zweiten Fläche einer zweiten Membran eines zweiten Drucksensors, und des Satzes von Kapazitätswerten; und Extrahieren unbekannter Sensorparameter, die dem ersten Drucksensor und/oder dem zweiten Drucksensor zugeordnet sind, als Funktion des Prozessvariationsparameters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–18, ferner umfassend: Rekalibrieren des Satzes von Sensorparametern auf den Satz von Zielwerten unabhängig von einem tatsächlichen Druckmesswert, wobei der erste Druck einen Umgebungsdruck umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–19, ferner umfassend: Erezugen eines Modells der Verschiebung der ersten Membran innerhalb eines reduzierten Betriebsbereichs auf der Basis einer nichtlinearen Funktion einer tatsächlichen Konfiguration des ersten Drucksensors.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend: Bestimmen eines Flächenparameters des Satzes von Sensorparametern, der aus Messungen des Satzes von Kapazitätswerten und des Satzes angelegter Spannungen bei dem ersten Druck und bei einem zweiten anderen Druck erhalten wird; und Verwenden des Flächenparameters, um weiter andere Parameter des Satzes von Sensorparametern für eine Initialkalibrierung von Parametern für den ersten Drucksensor abzuleiten.
System, umfassend: einen ersten Drucksensor mit einer ersten Mehrzahl von Elektroden und einer ersten Membran mit einer ersten Fläche, wobei die erste Membran eingerichtet ist, eine Verschiebung als Funktion einer elektrostatischen Kraft zu generieren, die von angelegten Spannungen an der ersten Mehrzahl von Elektroden generiert wird; und eine Kalibrierkomponente, die eingerichtet ist, den ersten Drucksensor auf einen Satz von Zielwerten mit einem Satz von Sensorparametern, die aus Messungen von Kapazitätswerten von den angelegten Spannungen erhalten werden, und einen ersten Druck zu kalibrieren.
System nach Anspruch 22, ferner umfassend: eine Parameterkomponente, die eingerichtet ist, den Satz von Sensorparametern gemäß einem Kondensatormodell zu bestimmen, das eingerichtet ist, die Verschiebung der ersten Membran innerhalb eines niedrigeren Betriebsbereichs als ein Feldbetriebsbereich zu modellieren, wobei die Verschiebung durch eine nichtlineare Funktion einer realen Konfiguration der ersten Mehrzahl von Elektroden und eine zweidimensionale Ablenkkurve der ersten Mehrzahl von Elektroden gekennzeichnet ist.
System nach Anspruch 23, wobei die Parameterkomponente ferner eingerichtet ist, einen geschätzten Prozessvariationsparameter als Funktion eines Satzes von Herstellungstoleranzen des ersten Drucksensors und eines zweiten Drucksensors und als Teil des Kondensatormodells zu bestimmen, einen Satz geschätzter Sensorparameter, die auf den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor bezogen sind, zu schätzen, und den geschätzten Prozessvariationsparameter als tatsächliche Prozessvariationsparameter auf der Basis des Satzes geschätzter Sensorparameter erneut zu bestimmen.
System nach Anspruch 24, wobei die erste Membran über einem ersten Hohlraum des ersten Drucksensors liegt, der eine erste Höhe dazwischen umfasst und mit einer zweiten Höhe einer zweiten Membran des zweiten Drucksensors übereinstimmt, um den tatsächlichen Prozessvariationsparameter zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 22–25, ferner umfassend: eine Parameterkomponente, die eingerichtet ist, den Satz von Sensorparametern durch Extrahieren geschätzter Werte mit einem geschätzten Prozessvariationsparameter zu bestimmen, der aus den Kapazitätswerten und dem ersten Druck bestimmt wird.