(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳセンサを利用するシステムに様々な刺激を加える物理的試験は高価かつ手間である。外部から物理的な力を加えることなく、ＭＥＭＳデバイスパラメータの電気的測定を行うためのシステムおよび方法が必要とされる。【解決手段】電磁信号に応答して運動可能に構成されている可動機械要素と、電磁出力信号を提供するように構成されているセンスコンタクトとを備え、ＭＥＭＳセンサと、ＭＥＭＳセンサの可動機械要素と電気的に通信しており、少なくとも２つの発振周波数を含む電磁入力信号をＭＥＭＳセンサの可動機械要素に提供するように構成されている制御回路と、ＭＥＭＳセンサのセンスコンタクトおよび制御回路と電気的に通信しており、可動機械要素の運動に対応する電磁出力信号を復調し、制御回路に復調信号を提供するように構成されている復調回路とを備えるシステムを提供する。【選択図】図２
2015021971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のパラメータ認識システムであって、
印加される電磁信号に応答して運動可能に構成されている可動機械要素を備え、出力として前記可動機械要素の運動に対応する電磁出力信号を提供するように構成されているセンスコンタクトをさらに備える、ＭＥＭＳセンサと、
前記ＭＥＭＳセンサの可動機械要素と電気的に通信しており、少なくとも２つの発振周波数を含む電磁入力信号を前記ＭＥＭＳセンサの可動機械要素に提供するように構成されている制御回路と、
前記ＭＥＭＳセンサのセンスコンタクトおよび制御回路と電気的に通信しており、前記可動機械要素の運動に対応する電磁出力信号を復調し、前記制御回路に復調信号を提供するように構成されている復調回路とを備え、前記制御回路は、前記復調信号を評価して前記ＭＥＭＳセンサの少なくとも１つの特性を決定するように構成されている、システム。
【請求項２】
前記復調回路および前記制御回路と電気的に通信している信号評価回路をさらに備え、該信号評価回路は、前記制御回路から前記電磁入力信号を、および、前記復調回路から前記復調信号を受信し、少なくとも１つの特性について該電磁入力信号と該復調信号とを比較し、比較した前記特性を示す特性信号を前記制御回路に提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの特性は、位相および振幅のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御回路および前記ＭＥＭＳセンサに電気的に結合されているデジタル−アナログ変換回路をさらに備え、前記制御回路によって生成される前記電磁入力信号はデジタル信号であり、前記デジタル−アナログ変換回路は、該デジタル信号をアナログ信号に変換し、該アナログ信号をアナログ電磁入力信号として前記ＭＥＭＳセンサに提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御回路と電気的に通信しているとともに前記信号評価回路に電気的に結合されている第１の信号フィルタをさらに備え、前記制御回路によって提供される前記電磁入力信号は、１つのより低い周波数の信号と１つのより高い周波数の信号とを少なくとも含み、前記第１の信号フィルタは、前記電磁入力信号から前記より高い周波数の信号を除去し、フィルタリング済みの信号であって前記より低い周波数の信号を前記信号評価回路に提供するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記復調回路および前記信号評価回路に電気的に結合されている第２の信号フィルタをさらに備え、前記復調回路によって提供される前記復調信号は、１つのより低い周波数の信号および１つのより高い周波数の信号を少なくとも含み、前記第２の信号フィルタは、前記復調信号からより高い周波数の信号を除去した結果生じるフィルタリング済みの信号であってより低い周波数の復調信号を前記信号評価回路に提供するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＭＥＭＳセンサおよび前記復調回路に電気的に結合されている増幅回路をさらに備え、該増幅回路は、前記センスコンタクトにおいて提供される電磁出力信号を増幅し、増幅された該電磁出力信号を前記復調回路に提供するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御回路は、コードを記憶しているメモリをさらに備え、該コードは、前記制御回路によって実行されると、前記電磁入力信号を生成して前記復調信号を評価し、該復調信号を使用して少なくとも１つのＭＥＭＳ特性を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御回路は、コードを記憶しているメモリをさらに備え、該コードは、前記制御回路によって実行されると、前記電磁入力信号を生成して前記特性信号を評価し、該特性信号を使用して少なくとも１つのＭＥＭＳ特性を決定する、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの発振周波数は、より低い第１の周波数およびより高い第２の周波数を含み、より低い該第１の周波数は、前記可動機械要素を、より低い該第１の周波数に応答して物理的に振動させる周波数であり、より高い前記第２の周波数は、前記可動機械要素を物理的に振動させない周波数である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
より低い前記第１の周波数は１キロヘルツ〜１０キロヘルツの周波数であり、より高い前記第２の周波数は５００キロヘルツよりも高い周波数である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）適用対象モジュールであって、
印加される電磁信号に応答して変調可能に構成されている可動機械要素を備え、出力として前記可動機械要素の運動に対応する電磁出力信号を提供するように構成されているセンスコンタクトをさらに備える、ＭＥＭＳセンサと、
前記ＭＥＭＳセンサの可動機械要素と電気的に通信しており、前記可動機械要素を物理的に振動させるために十分低い周波数である第１の低周波成分、および、前記可動機械要素において振動を引き起こさないために十分高い周波数である第２の高周波成分を含む電磁入力信号を提供するように構成されている制御回路と、
前記ＭＥＭＳセンサのセンスコンタクトと電気的に通信しており、前記可動機械要素の運動に対応する電磁出力信号を復調して搬送波成分を除去し、復調信号を復調出力として提供するように構成されている復調回路と、
前記制御回路と電気的に通信している第１の信号フィルタであって、該第１の信号フィルタは、前記電磁入力信号を受信し、該電磁入力信号から前記より高い周波数の信号を除去し、フィルタリング済みの信号であって前記より低い周波数の信号を出力として提供するように構成されている、第１の信号フィルタと、
前記復調回路に電気的に結合されている第２の信号フィルタであって、該復調回路によって提供される復調信号は、１つのより低い周波数の信号および１つのより高い周波数の信号を少なくとも含み、該第２の信号フィルタは、前記復調信号から前記より高い周波数の信号を除去した結果生じるフィルタリング済みの信号であってより低い周波数の復調信号を出力として提供するように構成されている、第２の信号フィルタと、
前記第１の信号フィルタと第２の信号フィルタと前記制御回路とに電気的に結合されている信号評価回路であって、該信号評価回路は、前記第１の信号フィルタからフィルタリング済みの信号であって前記より低い周波数の信号を、および、前記第２の信号フィルタからフィルタリング済みの信号であって前記低い周波数の復調信号を受信し、少なくとも１つの特性についてそれらの信号を比較し、少なくとも１つの比較された前記特性を示す特性信号を前記制御回路に提供するように構成されている、信号評価回路とを備える、ＭＥＭＳ適用対象モジュール。
【請求項１３】
センスコンタクトに電気的に結合されており、電磁出力信号を電圧に変換し、該電圧を出力電圧として提供するように構成されているキャパシタンス−電圧変換回路と、
前記キャパシタンス−電圧変換回路に電気的に結合されているとともに前記制御回路と電気的に通信しているアナログ−デジタル変換回路であって、前記出力電圧をデジタル出力に変換し、該デジタル出力を前記制御回路に提供するように構成されている、アナログ−デジタル変換回路とをさらに備え、前記制御回路は、前記デジタル出力をモニタリングし、該デジタル出力に基づいて、前記ＭＥＭＳ適用対象モジュールの運動の変化、または、前記ＭＥＭＳ適用対象モジュールに加えられる力の変化のうちの少なくとも１つを決定するようにさらに構成されている、請求項１２に記載のＭＥＭＳ適用対象モジュール。
【請求項１４】
前記電磁入力信号のより低い第１の周波数は、前記可動機械要素を、より低い該第１の周波数に応答して物理的に振動させる周波数であり、前記電磁入力信号のより高い第２の周波数は、前記可動機械要素を物理的に振動させない周波数である、請求項１２に記載のＭＥＭＳ適用対象モジュール。
【請求項１５】
システムにおけるＭＥＭＳセンサのパラメータを決定する方法であって、
ＭＥＭＳセンサの可動機械要素の物理的振動を引き起こさないように選択されている１つの高周波成分、および、ＭＥＭＳセンサの可動機械要素の物理的振動を引き起こすように選択されている１つの低周波成分を少なくとも含む入力信号を生成する工程と、
高周波成分および低周波成分を含む変調出力信号が前記ＭＥＭＳセンサから提供されるように、前記入力信号を、少なくとも１つの可動機械要素を備えるＭＥＭＳセンサに提供する工程と、
前記ＭＥＭＳセンサによって提供された前記変調出力信号を復調する工程と、
復調された前記変調出力信号をフィルタリングして、前記高周波成分を除去する工程と、
フィルタリング済みの復調された前記変調出力信号を評価して、前記ＭＥＭＳセンサの少なくとも１つの特性を決定する工程とを備える、方法。
【請求項１６】
復調された前記変調出力信号を評価することは、フィルタリング済みの復調された前記変調出力信号と前記入力信号とを比較して、これらの信号間の少なくとも１つの差を決定することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの決定された前記差は、振幅差および位相差のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＭＥＭＳセンサの少なくとも１つの特性を利用して、前記ＭＥＭＳセンサのための補償パラメータまたは較正パラメータのうちの少なくとも１つを更新する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
適用対象モジュールに搭載されているＭＥＭＳセンサからの出力を使用して専用の試験を行うこと以外の機能を実行するようにも構成されている適用対象モジュールによって前記工程が実行され、該適用対象モジュールは、前記ＭＥＭＳセンサからの出力を使用して該適用対象モジュールによって実行される機能を決定するように構成されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
ＭＥＭＳセンサを試験する目的で様々なＭＥＭＳセンサに一時的に電気的に結合されるように構成されている機器において前記工程が実行される、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には電子システムにおいて利用される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、変調波形を利用したＭＥＭＳデバイスの電気試験およびパラメータ識別に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサは、カーエレクトロニクス、慣性誘導システム、家庭用電化機器、消費者向け電子機器、保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、工学およびポータブルシステムなどの用途に広く使用されている。そのようなＭＥＭＳセンサは、たとえば、加速、圧力、角回転、または温度などの物理的状態を検知し、検知された物理的状態を表す信号をＭＥＭＳセンサを利用している適用対象および／またはシステムに提供するのに使用され得る。適用対象および／またはシステムは、ＭＥＭＳセンサによって提供される情報を利用して、検知された物理的状態に基づいて計算を実行し、判断を行い、かつ／または一定の動作をすることができる。
【０００３】
容量検知式ＭＥＭＳ設計は、それらが相対的に低コストであることに起因して、加速、角回転、圧力環境において、および小型デバイスにおいて動作するのに非常に望ましい。ＭＥＭＳデバイスが応答するように設計されている加速、角回転、圧力、または何らかの他の外的刺激を受けると容量検知式ＭＥＭＳデバイスは、加えられた刺激の大きさに対応する電気容量の変化をもたらす。言い換えれば、ＭＥＭＳデバイスの所与の時点における電気出力は、その時点においてＭＥＭＳデバイスに加えられている刺激の大きさに対応する。このように、ＭＥＭＳデバイスの電気出力をモニタリングすることによって、システムは、様々なＭＥＭＳデバイスに加えられる外部刺激（圧力、加速、角回転など）の大きさを決定し、その刺激に応答してシステムがどのような動作をするべきかを決定するのに役立てるために、その情報を使用することができる。たとえば、ＭＥＭＳ加速度計デバイスの電気出力に基づいて自動車の急激な減速を検知する自動車エアバッグシステムは、車両乗員を保護するためにエアバッグを展開する必要があると決定することができる。１つの一般的な形態のＭＥＭＳデバイスは、「シーソー」（“ｔｅｅｔｅｒ−ｔｏｔｔｅｒ”または“ｓｅｅ  ｓａｗ”）構成を有する容量性二層トランスデューサの形態の加速度計である。この一般的に利用されるトランスデューサタイプは、基板の上の、ｚ軸加速を受けて回転する可動要素またはプレートを使用する。加速度計構造体は、差分または相対する容量を決定するために２つの別個の容量を測定し、その情報を出力としてＭＥＭＳ加速度計に提供することができる。他の加えられる刺激を検知するように設計された他のＭＥＭＳデバイスは、ＭＥＭＳデバイスの出力がモニタリングされている刺激の大きさに対応するように構成されることを条件として、様々な形態をとってもよい。
【０００４】
パラメータとも称される各ＭＥＭＳデバイスの電気機械的特性は、様々な要因（製造公差、すなわち、ＭＥＭＳデバイスが製造された場所および時に応じた処理における微差、など）に起因して異なり得る。これは、一定の大きさの刺激に応答した１つのＭＥＭＳデバイスの電気出力が、同じ大きさの刺激に応答した第２のＭＥＭＳデバイスの電気出力と異なる場合があることを意味する。ＭＥＭＳデバイスを利用するシステムは電気出力を使用して刺激の程度を計算してもよく、その計算結果を使用して一定の動作（たとえば、エアバッグの展開など）を行うべきか否かを決定し得るため、ＭＥＭＳセンサからの所与の電気出力が特定の量の加えられた刺激に相関するようにＭＥＭＳセンサを利用するシステムが（オフセットを）補償され（利得について）較正されるように、ＭＥＭＳデバイスのパラメータが識別および評価されることは重要である。一般的に、ＭＥＭＳパラメータの識別および評価、ならびにＭＥＭＳセンサを利用するシステムの較正は、ＭＥＭＳセンサを利用するシステムを出荷する前に行われる。パラメータ識別および評価は、実際の物理的刺激（たとえば、加速）をシステムに加え、ＭＥＭＳセンサの電気的応答を測定し、ＭＥＭＳパラメータに照らしてＭＥＭＳセンサの電気出力に適用する必要がある任意の「補正」または較正係数を表す値とともに、システムにＭＥＭＳパラメータを表す値を記憶することによって達成され得る。ＭＥＭＳパラメータの識別およびＭＥＭＳ出力に対する補正または較正係数の適用によって、ＭＥＭＳセンサ出力が加えられる刺激の大きさに対応することが保証されることを補助する。
【０００５】
なお、ＭＥＭＳ共振器によって、変調信号を生成するためのデバイスおよび方法について、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，８１２，６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＥＭＳセンサ、およびＭＥＭＳセンサを利用するシステムに様々な刺激を物理的に加えることによって、ＭＥＭＳパラメータを識別し、その結果生じる較正データを提供することができ、それによってシステムは適切に機能することができるが、そのような物理的試験は高価であり、手間を要し、被試験システムに損傷を与える可能性がある。さらに、ＭＥＭＳセンサを利用する様々なシステムおよび適用対象を物理的に試験する必要があるために、被試験適用対象ごとに、多くの適用対象特有のテストステーションの設計および構築を要する可能性があり、そのような試験に関連する費用および時間が増大する。加えて、ＭＥＭＳセンサ、およびＭＥＭＳを利用するシステムの出荷前に物理的試験を行うことによって、試験の時点では正確であろうパラメータ値を提供することができるが、経時的に（および使用および／または損傷の結果として）、ＭＥＭＳデバイスの電気機械的パラメータが変化する場合があり、初期パラメータ値をもはや正確でなくし、そのような試験ではシステム機能不全を引き起こす可能性があることが無視されている。最後に、システム機能不全になったとき、機能不全の原因を決定する試みは、ＭＥＭＳデバイスが評価されたＭＥＭＳパラメータを再び物理的に試験されることができるように、ＭＥＭＳデバイスを利用するシステムを最終適用対象（たとえば、自動車など）から物理的に取り外す必要があることで、複雑になる可能性がある。そのような要件によって、ＭＥＭＳデバイスを利用するシステムの保守管理および修復は法外な費用がかかる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、一形態において、ＭＥＭＳデバイスの外部から物理的な力を加える必要なしに、電磁信号の変調を利用したＭＥＭＳデバイスパラメータの電気的測定のためのシステムおよび方法が提供される。さらなる形態において、ＭＥＭＳデバイスの寿命全体を通じて、および、それらのデバイスがＭＥＭＳデバイスを利用するシステムに位置したままで、その中で機能している間、電磁信号の変調を利用してＭＥＭＳデバイスパラメータを試験、モニタリングおよび評価するためのシステムおよび方法が提供される。したがって、いくつかの実施形態において、低コストでＭＥＭＳセンサを試験し、ＭＥＭＳセンサの寿命全体を通じてＭＥＭＳセンサパラメータを繰り返し識別および評価し、センサを適用対象から取り外すことなくＭＥＭＳセンサを試験し、ＭＥＭＳデバイスの寿命の間にＭＥＭＳデバイスを利用するシステムを再較正するという設計目標を達成するシステムおよび方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
以下の図面（必ずしも原寸に比例して描かれてはいない）と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般に亘り同様の参照符号は類似の項目を示している。
【図１】一実施形態の教示に応じて構成されているＭＥＭＳセンサの概略側面図。
【図２】一実施形態の教示に応じて構成されている図１のＭＥＭＳセンサを含むセンサパラメータ識別評価システムのブロック図。
【図３】代替的な実施形態の教示に応じて構成されているセンサパラメータ識別評価システムのブロック図。
【図４】別の代替的な実施形態の教示に応じて構成されているセンサパラメータ識別評価システムのブロック図。
【図５】一実施形態に応じた、センサパラメータ識別評価方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、一実施形態の教示に応じて構成されているＭＥＭＳセンサ１０の概略側面図を示す。ＭＥＭＳセンサ１０は、少なくとも１つの可動機械要素１４を有して構成されている電気機械ｚ軸センサである。可動機械要素１４は、マウントシステムによってＭＥＭＳセンサ１０の基板１２に物理的に結合されている導電性の半金属プレートである。代替的な実施形態において、可動機械要素１４は、電気信号を伝導することが可能な任意の材料から作成される。図１の簡略図は、基板１２に物理的に結合されている台座１９と、台座１９および可動機械要素１４に物理的に結合されているたわみ軸であって、それを中心に可動機械要素１４が回転することができるたわみ軸を形成するトーションバー１１とを備えるマウントシステムを示している。トーションバー１１および台座１９は導電性材料から作成される。可動機械要素１４、トーションバー１１、および台座１９はすべて導電性材料から作成され、ともに結合されているため、可動機械要素１４、トーションバー１１、および台座１９はすべて同電位となり、それによって、台座１９に印加される電磁信号が可動機械要素１４に伝導される。台座１９およびトーションバー１１は、物理的なまたは他の力がＭＥＭＳセンサ１０に加えられていない状態で、可動機械要素１４を基板１２の表面の上に、この表面に実質的に平行に浮かせる役割を担う。ＭＥＭＳセンサ１０の外部の回路への電気的接触を可能にするために、台座１９が基板１２の表面上に位置する、ＭＥＭＳセンサ１０の表面コンタクトに電気的に結合されるように、および、表面コンタクトに印加される電磁信号が台座１９に伝導されるように、図示されていない導体が基板１２内に形成される。ＭＥＭＳセンサ１０は、導電性材料から作成されて基板１２の上面に結合されているセンスコンタクト１８および９をさらに備える。ＭＥＭＳセンサ１０の外部の回路への電気的接触を可能にするために、センスコンタクト１８および９が各々、基板１２の表面上に位置する、ＭＥＭＳセンサ１０の表面コンタクトに電気的に結合されるように、および、表面コンタクトに印加される電磁信号がセンスコンタクト１８および９に伝導されるように、および、センスコンタクト１８および９に対して機械要素１４が運動することによって生成される電磁信号が表面コンタクトに伝導されるように、図示されていない導体が基板１２内に形成される。コンタクト１８の上面と可動機械要素１４の下面との間の領域が第１のキャパシタを形成し、コンタクト９の上面と可動機械要素１４の下面との間の領域が第２のキャパシタを形成する。可動機械要素１４とセンスコンタクト１８との間に電圧差を適用することによって可動機械要素１４の運動を誘導することができ、可動機械要素１４とセンスコンタクト９との間に電圧差を適用することによって可動機械要素１４の運動を誘導することができる。さらに、可動機械要素１４が物理的に運動することによって、第１のキャパシタおよび／または第２のキャパシタのキャパシタンスが変化する。
【００１１】
可動機械要素１４は、ＭＥＭＳセンサ１０および／または可動機械要素１４に加えられる物理的および／または電気的刺激に応答して、ＭＥＭＳセンサ１０の基板１２の表面ならびにセンスコンタクト１８および９に対して（トーションバー１１によって形成される軸を中心として）運動するように構成されている。可動機械要素１４は、基板１２に対する運動距離の所定範囲を有する。可動機械要素１４が曝される物理的、電磁的、または他の刺激によって可動機械要素１４が運動させられると、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８および９、ならびにそれらの表面コンタクトに電磁信号が伝導される。この電磁信号は、センスコンタクト１８および９に対する可動機械要素１４の運動距離の所定範囲内での運動に従って変化する。一実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が運動すると、可動機械要素１４の運動の大きさに対応するセンスコンタクト１８および９におけるキャパシタンス値を連続的に提供するように構成されている。
【００１２】
加えて、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４は電磁入力信号を受信するように構成されており、それによって、電磁入力信号が、たとえば、台座１９の表面コンタクトを通じてなどによりＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４に提供されると、電磁入力信号に応答して、入力信号の大きさおよび特性に対応する量だけ可動機械要素１４が運動する。一実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、可動機械要素１４にアナログ電圧が印加されると、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４がアナログ電圧の大きさに対応する量だけ運動し、入力信号における任意の電圧変化に応答して運動し続けるように構成されている。一実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が運動すると、可動機械部分１４の運動に対応するアナログ電圧が、センスコンタクト１８および９を通じてＭＥＭＳセンサ１０の出力として提供されるように構成されている。代替的な実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が運動すると、可動機械要素１４の運動に対応する電圧またはキャパシタンス以外の信号が、センスコンタクト１８および９を通じてＭＥＭＳセンサ１０の出力として提供されるように構成されている。
【００１３】
一実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、ＭＥＭＳセンサ１０、またはＭＥＭＳセンサ１０が内部に存在するデバイスの加速または減速に応答して可動機械要素の運動に対応する出力信号を提供するＭＥＭＳ加速度計である。代替的な実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、たとえば、慣性センサ、ジャイロスコープ、圧力センサ、または、物理的刺激に応答して出力信号を提供するように構成されており、ＭＥＭＳデバイスの可動機械要素または試験質量体に加えられる電磁入力を有することが可能な任意の他のＭＥＭＳデバイスとして構成される任意のＭＥＭＳセンサであってもよい。各ＭＥＭＳデバイスは、たとえば、共振周波数、減衰特性、変位特性、バネ定数特性、厚み、可動機械要素間の間隔、および他の応答特性などの特性であって各ＭＥＭＳデバイスに固有のいくつかの特性を有し得ることが理解されるであろう。これらの固有の特性は、経時的に、かつ／またはＭＥＭＳデバイスに加えられる物理的な力もしくは温度などの環境条件に応答して変化し得ることも理解されるであろう。ＭＥＭＳセンサ１０は、たとえば、堆積、パターニング、およびエッチングを含む、既存のおよび将来のＭＥＭＳ作製設計規則およびプロセスを使用して形成されてもよい。一実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、加えられる刺激に応答して出力信号を提供することによって、物理的刺激および電磁的刺激の両方に応答するように構成されているＭＥＭＳセンサである。
【００１４】
図２は、一実施形態の教示に応じて構成されている図１のＭＥＭＳセンサ１０を含むセンサパラメータ識別評価システム１００のブロック図を示す。センサパラメータ識別評価システム１００は、ＭＥＭＳセンサ１０に信号を提供し、提供された信号に対するＭＥＭＳセンサ１０の応答に基づいてＭＥＭＳセンサ１０の様々なパラメータを決定するように構成されている。図２では、図１に全体的に示されているＭＥＭＳセンサの詳細のいくつかを省略している。さらに、図１のＭＥＭＳセンサ１０は、各々が図１のＭＥＭＳセンサの別個のキャパシタと関連付けられている２つのセンスコンタクト１８および９を有するように示されているが、図２はそれらのキャパシタのうちの一方と関連付けられているセンスコンタクト１８のみを示している。センスコンタクト９および第２のキャパシタに関する動作は、センスコンタクト１８および第１のキャパシタに関する動作と同様であることが理解されるであろう。代替的な実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０は、１つのキャパシタおよび１つのセンスコンタクトのみを有してもよい。
【００１５】
センサパラメータ識別評価システム１００は、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８に電気的に結合されている利得回路６０を含む。利得回路６０は、ＭＥＭＳセンサ１０からセンスコンタクト１８を通じて電磁信号１７を受信し、電磁信号１７を増幅して、増幅された電磁信号を増幅済み信号６１として復調器７０に提供するように構成されている。電磁信号１７は、搬送波成分およびデータ成分を含む正弦波振幅変調信号である。電磁信号１７は、部分的にはＭＥＭＳセンサ１０の電磁的特性に応じ、部分的にはＭＥＭＳセンサ１０に印加される入力信号に応じた情報を含む。
【００１６】
センサパラメータ識別評価システム１００は、利得回路６０に電気的に結合されている復調器７０をさらに備える。復調器７０は、利得回路６０から増幅済み信号６１を入力として受信し、受信した増幅済み信号６１を処理して、増幅済み信号６１をその成分部分に復調し（搬送波成分を除去する）、増幅済み復調出力信号７１として提供するように構成されている。一実施形態において、復調器７０は、振幅復調を可能にし、増幅済み信号６１を通じて復調器７０に提供される振幅変調信号を、振幅変調搬送波成分と、搬送波成分によって搬送されるデータ成分とに復調し、振幅変調搬送波成分を除去し、復調済みデータ成分を増幅済み復調信号７１として提供するように構成されている。
【００１７】
センサパラメータ識別評価システム１００は、復調器７０に電気的に結合されているローパスフィルタ８０をさらに備える。ローパスフィルタ８０は、復調済みデータ成分、すなわち、増幅済み復調信号７１を入力として復調器７０から受信し、増幅済み復調信号７１からより高い周波数成分をフィルタリング除去した結果生じるフィルタリングされた信号を、フィルタリングされた復調済み出力信号８１として提供するように構成されているローパスフィルタである。一実施形態において、ローパスフィルタ８０は、５００キロヘルツ（ｋＨｚ）を上回る高い周波数をフィルタリング除去し、５００ｋＨｚを下回る低い周波数を通すように構成されている。
【００１８】
センサパラメータ識別評価システム１００は、ローパスフィルタ８０およびセンサパラメータ識別評価システム１００の他の要素に電気的に結合されている信号評価回路５０も含む。信号評価回路５０は、ローパスフィルタ８０からフィルタリングされた復調済み信号８１を受信するように構成されており、信号評価回路５０に電気的に結合されているセンサパラメータ識別評価システム１００の他の要素から少なくとも１つの発振基準信号を受信するようにさらに構成されている。信号評価回路５０は、フィルタリングされた復調済み信号８１および発振基準信号の両方の振幅および位相を決定するようにさらに構成されている。信号評価回路５０は、フィルタリングされた復調済み信号８１と発振基準信号とを比較して信号間の振幅差および位相差を決定し、この情報を出力として信号５１を通じて提供するように、さらに構成されている。
【００１９】
センサパラメータ識別評価システム１００は、信号評価回路５０およびセンサパラメータ識別評価システム１００の他の様々な構成要素に電気的に結合されているプロセッサ２０も含む。代替的な実施形態において、プロセッサ２０は、マイクロコントローラもしくはステートマシン、または、信号５１を評価して入力信号を提供する目的で使用される任意の測定回路を含む、任意のタイプのプロセッサであってもよい。プロセッサ２０は論理部を含み、メモリ２２と、メモリ２２内に位置し、センサパラメータ識別評価システム１００のための様々な機能をプロセッサ２０に実行させるように構成されているプログラム２００とを有するよう示されている。メモリ２２は不揮発性メモリである。代替的な実施形態において、メモリ２２は揮発性メモリであってもよい。メモリ２２は、メモリ２２内に記憶されている、ＭＥＭＳセンサ１０と関連付けられている較正値および／またはトリム値を有するようさらに示されている。図２に示すように、プロセッサ２０は、信号評価回路５０およびデジタル−アナログ変換器３０に電気的に結合されている。プロセッサ２０は、プログラム２００に応答して正弦デジタル波形信号（繰り返しデジタル波形信号）を生成し、それらの正弦デジタル波形信号を、信号２１を通じてデジタル−アナログ変換器３０に提供するように構成されている。デジタル波形信号は、高周波成分および低周波成分を含む。一実施形態において、プロセッサ２０は、一部には信号５１を通じて信号評価回路５０によって提供される情報に基づいてＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを識別および評価するように構成されているパラメータ決定処理プログラム２００を含む。パラメータ決定処理プログラム２００は、メモリ２２内に記憶されるよう示されている。代替的な実施形態において、パラメータ決定処理プログラム２００は、プロセッサ２０の外部の揮発性もしくは不揮発性メモリロケーションに記憶されてもよく、すなわち、プロセッサ２０に物理的に結線（ハードワイヤ）されてもよい。また別の代替的な実施形態において、プロセッサ２０は、それ自体が物理的に接続可能な（ハードワイヤード）デバイスであってもよい。
【００２０】
プロセッサ２０は、パラメータ決定処理プログラム２００に応答して、信号５１を通じてＭＥＭＳセンサ１０の動作をモニタリングし、低周波振動成分および高周波振動成分の両方を含む正弦波入力信号をＭＥＭＳセンサ１０に提供して、同正弦波入力信号に応答してＭＥＭＳセンサ１０の機械要素１４の運動を開始し、信号５１を通じて信号評価回路５０によって提供されるＭＥＭＳセンサ１０の出力に基づいてＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを計算、モニタリング、および評価するように構成されている。プロセッサ２０は、信号評価回路５０によって信号５１を通じて提供される情報および入力信号の特性を使用して、プロセッサ２０によって信号２１を通じてＭＥＭＳセンサ１０に提供される入力信号に応答するＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを決定するようにさらに構成されている。プロセッサ２０は、入力信号、信号５１、およびセンサパラメータを使用して計算を実行し、計算に基づいて、ＭＥＭＳセンサ１０が適切に動作しているか、および／または、センサパラメータ識別評価システム１００内のＭＥＭＳセンサ１０と関連付けられている補償値および較正値に調整を行う必要があるかを決定するようにさらに構成されている。一実施形態において、入力信号２１、または入力信号２１の派生物が、信号評価回路５０によって、ＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを決定するための基準波形として使用される。一実施形態において、プロセッサ２０は、パラメータ情報を利用して、ＭＥＭＳセンサ１０に対する更新された補償値および較正値を計算するようにさらに構成されている。
【００２１】
センサパラメータ識別評価システム１００は、プロセッサ２０に電気的に結合されているデジタル−アナログ変換器３０も備える。デジタル−アナログ変換器３０は、高周波成分および低周波成分の両方を含む正弦波信号２１をプロセッサ２０から受信し、信号２１をデジタル波形信号からアナログ波形信号に変換し、高周波成分および低周波成分の両方を含む結果生じるアナログ信号波形を、信号３１を通じてデジタル−アナログ変換器３０の外部へと、台座１９を通じてＭＥＭＳデバイス１０に提供するように構成されている。
【００２２】
引き続き図２を参照して、センサパラメータ識別評価システム１００は、デジタル−アナログ変換器３０に電気的に結合されているローパスフィルタ４０を含む。ローパスフィルタ４０は、高周波成分および低周波成分の両方を含むアナログ波形信号、すなわち信号３１を入力としてデジタル−アナログ変換器３０から受信し、信号３１からより高い周波数成分をフィルタリング除去した結果生じる基準信号として機能するフィルタリングされた信号を、フィルタリング基準出力信号４１として提供するように構成されているローパスフィルタである。一実施形態において、ローパスフィルタ４０は、５００ｋＨｚを上回る高い周波数をフィルタリング除去し、５００ｋＨｚを下回る低い周波数を通すように構成されている。ローパスフィルタ４０は、さらに信号評価回路５０に電気的に結合されており、フィルタリング基準信号４１を基準信号として信号評価回路５０に提供するように構成されている。信号評価回路５０は、ローパスフィルタ４０からフィルタリング基準信号４１を受信するように構成されており、フィルタリング基準信号４１の振幅および位相を決定するようにさらに構成されている。信号評価回路５０は、フィルタリングされた復調済み信号８１とこの基準信号、すなわちフィルタリング基準信号４１とを比較して信号間の振幅差および位相差を決定し、この情報を出力として信号５１を通じて提供するように、さらに構成されている。
【００２３】
図２のデジタル−アナログ変換器３０に戻って参照すると、デジタル−アナログ変換器３０は、さらにＭＥＭＳセンサ１０に電気的に結合されるよう示されている。上記のように、デジタル−アナログ変換器３０は、正弦波信号２１をプロセッサ２０から受信し、信号２１をデジタル波形信号からアナログ波形信号に変換し、その結果生じるアナログ正弦信号波形を、信号３１を通じてデジタル−アナログ変換器３０の外部へと提供するように構成されている。デジタル−アナログ変換器３０は、その結果生じるアナログ信号波形、すなわち信号３１を、台座１９を通じてＭＥＭＳセンサ１０に提供するようにさらに構成されており、それによって、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が信号３１に応答して運動する。
【００２４】
図１および図２を参照して、センサパラメータ識別評価システム１００のＭＥＭＳセンサ１０のパラメータおよび特性が決定され評価されている、本発明の一実施形態に応じた、センサパラメータ識別評価システム１００の動作を全体的に説明する。前提事項として、ＭＥＭＳセンサの一般的な可動機械要素は、一定の閾値周波数を下回る刺激を受けたときには機械的運動およびリアクタンス応答の両方を示すが、閾値周波数を上回る刺激を受けたときにはリアクタンス応答のみを示すことが理解されるであろう。より具体的には、より高い周波数に応答して、ＭＥＭＳセンサは電気的にはキャパシタのように動作するが、一般的に物理的運動を示さない。しかしながら、より低い周波数に応答して、ＭＥＭＳセンサは一般的に、物理的／機械的運動とともにリアクタンス応答も示す。より高い周波数に応答して、リアクタンス応答は一般的に、復調器７０によって検出されない程度に十分小さい。ＭＥＭＳセンサの各可動機械要素は一般的に、可動機械要素の物理的特性に応じた異なる閾値周波数を有するが、同様の設計特性を有する可動機械要素およびＭＥＭＳセンサは一般的に、同様の閾値周波数を有することも理解されるであろう。１０ｋＨｚよりも小さい周波数がより低い周波数と考えられ、この周波数に対して、ＭＥＭＳセンサは一般的に、物理的／機械的およびリアクタンスの両方の応答を示す。５００ｋＨｚよりも大きい周波数がより高い周波数と考えられ、この周波数に対して、ＭＥＭＳセンサは一般的に、リアクタンス応答のみを示す。
【００２５】
パラメータ決定処理プログラム２００に応答して、プロセッサ２０は、高周波デジタル波形および低周波デジタル波形の両方を生成する。高周波デジタル波形は、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の閾値周波数よりも高い周波数を有し、低周波デジタル波形は、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の閾値周波数よりも低い周波数を有する。一実施形態において、高周波デジタル波形は５００ｋＨｚを上回る、たとえば、１メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数を有し、低周波デジタル波形は、たとえば、１ヘルツ（Ｈｚ）〜１０ｋＨｚの、ＭＥＭＳセンサ１０の機械的帯域幅以下の周波数を有する。次いで、プロセッサ２０は、２つの波形を加算または合計することによって、２つのデジタル波形を組み合わせ、組み合わされたデジタル波形をデジタル波形出力信号、すなわち信号２１としてデジタル−アナログ変換器３０に提供する。デジタル−アナログ変換器３０は、デジタル波形信号、すなわち信号２１を変換してアナログ波形信号３１にする。アナログ波形信号３１は、高周波成分および低周波成分の両方を含むことが理解されるであろう。一実施形態において、高周波成分は５００ｋＨｚを上回る、たとえば、１ＭＨｚの周波数を有し、低周波成分は、たとえば、ＭＥＭＳセンサ１０の機械的帯域幅以下の１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数を有する。
【００２６】
デジタル−アナログ変換器３０は、アナログ波形信号３１を入力としてローパスフィルタ４０に提供する。ローパスフィルタ４０は、受信信号３１をフィルタリングして高周波成分を除去し、残った低周波成分を低周波基準波形として信号評価回路５０に提供する。一実施形態において、残った低周波成分は、たとえば、ＭＥＭＳセンサ１０の機械的帯域幅以下の１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数を有する。
【００２７】
デジタル−アナログ変換器３０は、信号３１をアナログ波形信号入力として、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４にも提供する。ＭＥＭＳセンサ１０は、信号３１の低周波成分および高周波成分に基づいて印加された信号３１に対して２つの形式で応答する。信号３１の低周波成分に応答して、可動機械要素１４はＭＥＭＳセンサ１０の基板１２に対する物理的変位による運動応答を示す。これは、ＭＥＭＳセンサ１０の基板１２に対して上および／または下に可動機械要素１４を引きつける電磁力を生成する信号３１の低周波成分の結果であり、それによって、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４は、信号３１の低周波成分に応答して運動する。信号３１に対する運動応答を示すことに加えて、ＭＥＭＳセンサ１０は、信号３１の低周波成分に対して電子容量性リアクタンス応答も示す。信号３１の高周波成分に応答して、可動機械要素１４は運動応答を示さないが、ＭＥＭＳセンサ１０は高周波成分に対して容量性リアクタンス応答を示す。
【００２８】
ＭＥＭＳセンサ１０の基板１２およびセンスコンタクト１８に対するＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の物理的運動によって、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８におけるキャパシタンスは、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の運動の大きさおよび周波数に対応するように変化する。加えて、信号３１の低周波成分および高周波成分の両方に対するＭＥＭＳセンサ１０の容量性リアクタンス応答によって、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８におけるキャパシタンスは、信号３１に応答して変化する。結果として、信号１７、すなわち、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８において存在する信号は、信号３１の低周波成分に対する可動機械要素１４の物理的運動応答と、信号３１の低周波成分および高周波成分に対するＭＥＭＳセンサ１０の容量性リアクタンス応答との両方に応じるか、これに対応する。可動機械要素１４の物理的変調を含め、低周波成分および高周波成分の両方の効果が組み合わせられているため、信号１７は、振幅変調波形の形式である。
【００２９】
信号１７は利得回路６０に提供され、ここで信号１７は増幅され、増幅された信号、すなわち増幅済み信号６１が復調器７０に渡される。上記のように、信号１７は振幅変調波形の形態にある。復調器７０は信号１７を処理して、信号１７を復調し信号１７の搬送波部分を除去する。一実施形態において、信号１７の搬送波部分は、５００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数を有する。復調後、復調器７０は、復調された信号、すなわち、高周波成分および低周波成分の両方を含む増幅済み復調信号７１を出力として提供する。ローパスフィルタ８０は増幅済み復調信号７１を受信し、増幅済み復調信号７１をフィルタリングして高周波成分を除去し、残った低周波成分をフィルタリングされた復調済み信号８１として提供する。
【００３０】
信号評価回路５０は、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８において出力された信号の増幅、復調された低周波成分であるフィルタリングされた復調済み信号８１を受信する。上記のように、信号評価回路５０は、信号４１、すなわち、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４への信号入力として提供される信号３１のフィルタリングされた低周波成分（基準信号と称されることもある）も受信する。信号評価回路５０は、フィルタリングされた復調済み信号８１の振幅と、信号４１の振幅とを比較して、ＭＥＭＳセンサ１０によって入力信号３１に導入された（振幅差と称される）振幅の変化を決定する。信号評価回路５０は、フィルタリングされた復調済み信号８１の位相と、信号４１の位相とも比較して、ＭＥＭＳセンサ１０によって入力信号３１に導入された（位相差と称される）位相の差を決定する。信号評価回路５０は、振幅差および位相差の情報を出力信号５１を通じてプロセッサ２０に提供する。
【００３１】
パラメータ決定処理プログラム２００に応答して、プロセッサ２０は、信号評価回路５０から信号５１を通じて受信された振幅差および位相差の情報を評価して、計算に基づいて、ＭＥＭＳセンサ１０の様々なパラメータを決定する。一実施形態において、プロセッサ２０は、振幅差および位相差の情報を使用して、たとえば、共振周波数、高調波歪み、減衰および周波数応答など、ＭＥＭＳセンサ１０の様々なパラメータを決定することができる。一実施形態において、プロセッサ２０は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して、振幅差および位相差の情報を評価し、ＭＥＭＳセンサ１０の高調波特性およびパラメータを決定する。プロセッサ２０は、振幅差および位相差の情報を使用して、ＭＥＭＳセンサ１０の品質および完全性、あるいは、ＭＥＭＳセンサ１０の通常動作に対する障害、たとえば、構造の破損もしくは無応答または異物に起因する異常動作があるか否かを決定することもできる。プロセッサ２０は、振幅差および位相差の情報を使用して、たとえば、バネ定数、ＭＥＭＳセンサ１０の厚み、ＭＥＭＳセンサ１０上のビームおよび／またはキャパシタ間の間隔、および、ＭＥＭＳセンサ１０の他の特性など、他のパラメータを決定することもできる。代替的な実施形態において、プロセッサ２０内のパラメータ決定処理プログラム２００は、最初に、信号評価回路５０から受信される信号５１を評価して、たとえば、ＭＥＭＳセンサ１０のシリコンのエッチングバイアスの厚み、ＭＥＭＳセンサ１０の傾斜面、ＭＥＭＳセンサ１０の限界寸法（ＣＤ）、およびＭＥＭＳセンサ１０のフリンジなど、様々なパラメータを計算および／または推定する。パラメータ決定処理プログラム２００は、次いで、これらのパラメータを使用して、ＭＥＭＳセンサ１０の質量、バネ定数、および他の特性の推定値を計算する。最後に、パラメータ決定処理プログラム２００は、振幅差および位相差の情報、および／または、振幅差および位相差の情報を使用して部分的に決定されたＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを使用して、ＭＥＭＳセンサ１０と関連付けられたトリム値、補償値および／または較正値を決定することができる。ＭＥＭＳセンサ１０を使用する適用対象システムは、決定されたトリム値を補償および／または較正に使用することができ、ＭＥＭＳセンサ１０の出力信号が適用対象によって適切に利用されることが可能になる。パラメータ決定処理プログラム２００は、補償および／または較正のためのトリム値を定期的に計算し直すように構成されてもよく、それによって、それらの特性が経時的にシフトするときに、それらの値がＭＥＭＳセンサ１０の特性をより正確に反映させることを理解されるであろう。パラメータ決定処理プログラム２００は、補償および／または較正のためのトリム値を、ＭＥＭＳセンサ１０を利用する他のデバイスおよびシステムがアクセスおよび使用するために、メモリロケーションに記憶するように構成され得ることも理解されるであろう。
【００３２】
要約すると、高周波正弦波成分および低周波正弦波成分の両方を有する既知の信号をＭＥＭＳセンサ１０に印加することによって、ＭＥＭＳセンサ１０は、高周波成分および低周波成分を含む振幅変調波形を出力として提供する。この波形の低周波成分は、印加された既知の信号と比較されて、既知の信号が通過したＭＥＭＳセンサ１０の共振周波数、高調波歪み、およびダンピングなどの、電気機械的パラメータが決定される。これらのパラメータは、次いで、ＭＥＭＳセンサ１０を利用するシステムが、ＭＥＭＳセンサ１０によって提供される出力信号を、システムが受ける外力と相関させるのに使用することができる。一実施形態において、様々なＭＥＭＳセンサの測定値の代表データセットによって確立および検証される電気機械的物理モデルおよび／または統計モデルを使用して、その周波数より高い周波数においてはＭＥＭＳセンサが加えられる周波数に応答して機械的に運動しない周波数を決定することができる。
【００３３】
パラメータ決定処理プログラム２００がＭＥＭＳセンサ１０のパラメータを決定すると、パラメータ決定処理プログラム２００は、たとえば、ＭＥＭＳセンサ１０の補償および／または較正のためのトリム値を含む、ＭＥＭＳセンサ１０と関連付けられた決定されたパラメータを、ＭＥＭＳセンサ１０を利用するシステムのメモリロケーションに記憶することができるか、または、決定されたパラメータと、システムに既に記憶されているパラメータとを比較し、ＭＥＭＳセンサ１０を適切に補償および／または較正された状態に保つために適切である場合には、記憶されている値を新たに決定された値で上書きすることができる。更新されたパラメータを使用することによって、ＭＥＭＳセンサ１０の物理的および／または電気機械的特性の経時的な変化にもかかわらず、ＭＥＭＳセンサ１０に加えられる様々な刺激の特性を正確に決定し続けることができる。補償および／または較正のためのこれらの更新されたトリム値は、ＭＥＭＳセンサ１０を利用する適用対象によって、ＭＥＭＳセンサ１０によって提供される出力信号を適切に調整してＭＥＭＳセンサ１０の特性、および経時的なこれらの特性の変化を補償するのに使用され得る。一実施形態において、パラメータ決定は、デバイスが製造された後であるが、適用対象に置かれる前にＭＥＭＳセンサ１０に対して実行される（この場合、ＭＥＭＳセンサ１０自体を除く図２の要素は、試験装置、または、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１８および可動機械要素１４が電気的に接続される他のハードウェアデバイスに実装されてもよい）。代替的に、パラメータ決定は、デバイスが適用対象に置かれた後にＭＥＭＳセンサ１０に対して実行され、その場合、パラメータ試験を実行するために必要な（図２に全体的に示す）論理部およびメモリは、ＭＥＭＳセンサ１０が位置しているのと同じ適用対象モジュールまたはシステムに存在してもよい。この場合、パラメータ決定は、ＭＥＭＳセンサ１０が動作しているシステムの寿命の間の任意の時点において行われ得る。
【００３４】
図３は、別の代替的な実施形態の教示に応じて構成されているセンサパラメータ識別評価システムのブロック図を示す。この実施形態において、ＭＥＭＳセンサ１０自体を除く、図２に全体的に示されている要素が、別個の試験装置ハードウェア１１０に実装されるよう示されている。試験装置ハードウェア１１０は、センスコンタクト１８と台座１９の表面コンタクトを通じた可動機械要素１４とにおいてＭＥＭＳセンサ１０に電子的に結合されている。試験装置ハードウェア１１０は、ＭＥＭＳセンサ１０に電気的に結合されて上述のようにプログラム２００を実行しているとき、図２に全体的に示されている実施形態と同様に機能することが理解されるであろう。加えて、また他の代替的な実施形態において、試験装置ハードウェア１１０は、たとえば、信号フィルタ８０および４０、復調器７０、利得回路６０、および信号評価回路５０などの機能のうちのいくつかが、試験装置１１０における１つ以上の集積回路チップに組み合わされ得るか、または、試験装置１１０において動作するソフトウェアが実装されるように構成されてもよい。
【００３５】
図４は、別の代替的な実施形態の教示に応じて構成されているセンサパラメータ識別評価システムのブロック図を示す。この代替的な実施形態において、図２に全体的に示す要素は、スタンドアロン適用対象モジュール１２０における追加の適用対象回路とともに実装されるよう示されている。ＭＥＭＳセンサ１０は、スタンドアロン適用対象モジュール１２０の残りの部分とは別個の集積回路に実装され得る。追加の適用対象回路以外の回路は、図２を参照して上述したように動作する。追加の適用対象回路は、スタンドアロン適用対象モジュール１２０のプロセッサ２０が、追加の回路によって提供される情報およびＭＥＭＳセンサ１０から導出される情報を使用して、適用対象システムにおいて動作可能に構成される。追加の適用対象回路は、キャパシタンス−電圧回路９０（本明細書においてはＣ−Ｖ９０と称する）に電気的に結合されている、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１６を含む。Ｃ−Ｖ９０は、ＭＥＭＳセンサ１０からの入力キャパシタンスを受信してこれを出力電圧に変換するように構成されている。Ｃ−Ｖ９０は、アナログ−デジタル（Ａ−Ｄ）変換回路Ａ−Ｄ９２に電気的に結合されている。Ａ−Ｄ９２は、Ｃ−Ｖ９０から電圧信号を受信し、受信したアナログ電圧信号を、同アナログ電圧信号を表すデジタル信号に変換し、このデジタル電圧信号をＡ−Ｄ９２からのデジタル電圧信号出力として提供するように構成されている。Ａ−Ｄ９２は、バッファ９４に電気的に結合されて示されている。バッファ９４は、Ａ−Ｄ９２によって提供されるデジタル電圧信号を記憶し、デジタル電圧信号をプロセッサ２０に提供するように構成されており、それによって、プロセッサ２０は、この信号を使用して、ＭＥＭＳセンサ１０の動作をモニタリングし、デジタル電圧信号を利用する様々なプログラムおよびアルゴリズムを実行することができる。
【００３６】
動作時、追加の適用対象回路は、ＭＥＭＳセンサ１０のセンスコンタクト１６において、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の運動に対応する出力キャパシタンス信号をモニタリングするように構成されている。Ｃ−Ｖ９０は、このキャパシタンス信号を電圧に変換し、この出力電圧信号をＡ−Ｄ９２に提供する。出力電圧信号はバッファ９４によってバッファリングされ、次いでプロセッサ２０に提供される。ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４は、ＭＥＭＳセンサ１０が受けている物理的な力（刺激）に応じて運動していることが理解されるであろう。この場合、ＭＥＭＳセンサ１０の出力容量は、物理的な力に応答したＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４の運動に対応する。Ｃ−Ｖ９０は、ＭＥＭＳセンサ１０のこの出力容量を受信して、これを電圧に変換し、この電圧信号をバッファ９４に提供する。バッファ９４は、電圧信号をバッファリングして、バッファリングされた信号をプロセッサ２０に提供する。プロセッサ２０において動作している適用対象プログラムに応答して、プロセッサ２０はバッファリングされた信号を評価し、この信号に基づいて（また、ＭＥＭＳセンサ１０と関連付けられた補償および／または較正のためのトリム値を使用して）、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４がどれだけ運動したかを決定する。補償および／または較正のためのトリム値は以前に決定され記憶されているものであり、ＭＥＭＳセンサ１０を利用する適用対象によって、経時的なＭＥＭＳセンサ１０の特性の変化を補償するために使用され得る。ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が所定量を超えて運動している、または、所定パターンにおいて運動している場合、プロセッサ２０は、スタンドアロン適用対象モジュール１２０において、または、スタンドアロン適用対象１２０が存在し得るシステムにおいて所定の動作が行われるように、構成されている。たとえば、プロセッサ２０は、適用対象モジュール１２０、または、適用対象モジュール１２０が内部に位置づけられ得る車両もしくは構造体の運動またはそれに加えられる力の変化が生じたことを決定することができる。運動の変化は、加速、加速度の変化、速度、回転、圧力、または他の力もしくは運動を含み得る。プロセッサ２０は、そのような変化の大きさを決定することもできる。
【００３７】
適用対象および試験機能の両方を含む１つの適用対象モジュール１２０を利用することによって、目標適用対象においてＭＥＭＳセンサ１０を利用し続けながら、目標適用対象をディセーブルして、すなわち、試験のためにＭＥＭＳセンサ１０を適用対象から物理的に取り除く必要なしに、適用対象モジュール１２０のリアルタイムの試験および較正を実行することができる。代替的な実施形態において、センスコンタクト１６および１８は、Ｃ−Ｖ９０および利得回路６０の両方に電気的に結合されている単一のコンタクトであってもよい。
【００３８】
図５は、一実施形態に応じた、センサパラメータ識別評価方法２００のフローチャートである。一実施形態において、方法２００は、パラメータ決定処理プログラム２００を実行することによって実施される。第１の動作２０２において、高周波デジタル信号および低周波デジタル信号が、プロセッサ２０（図１）によって生成される。高周波信号は、ＭＥＭＳセンサ１０にこの信号を印加しても、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が機械的に運動することにはならない程度に十分に高い周波数である。一実施形態において、高周波信号は５００ＫＨｚを上回る、たとえば、１ＭＨｚの周波数である。低周波信号は、ＭＥＭＳセンサ１０にこの低周波信号を印加すると、ＭＥＭＳセンサ１０の可動機械要素１４が機械的に運動するような、十分に低い周波数である。一実施形態において、低周波信号は、たとえば、ＭＥＭＳセンサ１０の機械的帯域幅以下の１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数である。
【００３９】
第２の動作２０４において、高周波デジタル信号および低周波デジタル信号が、２つの信号を加算または合計することによって、組み合わされて単一の結合デジタル信号とされる。第３の動作２０６において、結合デジタル信号が変換されて結合アナログ信号とされる。第４の動作２０８において、結合アナログ信号がＭＥＭＳセンサ１０およびローパス信号フィルタに提供される。第５の動作２１０において、結合アナログ信号に応答して変調信号がＭＥＭＳセンサ１０内で生成される。第６の動作２１２において、変調信号がＭＥＭＳセンサ１０の出力において検出される。
【００４０】
第７の動作２１４において、検出済み変調信号が増幅される。第８の動作２１６において、増幅された検出済み変調信号が復調されて、信号の搬送波成分が除去される。第９の動作２１８において、復調信号がローパスフィルタでフィルタリングされて、高周波成分が除去される。第１０の動作２２０において、フィルタリングされた復調信号が評価され、フィルタリングされた結合アナログ信号と比較されて、信号間の振幅差および位相差が決定される。第１１の動作２２２において、振幅差および位相差がプロセッサに提供される。第１２の動作２２４において、振幅差および位相差が処理されて、ＭＥＭＳセンサ１０のパラメータが決定される。第１３の動作２２６において、ＭＥＭＳセンサ１０を利用するシステムが、新たな補償および較正パラメータを用いて更新される。
【００４１】
代替的な実施形態（図示せず）において、図２に一般的に示す構成要素のすべてがともに単一の基板上に形成され、単一デバイスとして提供されてもよい。また別の代替的な実施形態（図示せず）において、図２に一般的に示す構成要素のすべてがともに単一のモジュール内で結合されてもよい。
【００４２】
本明細書に記載の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスの外部の物理的な力を加える必要なしに、また、ＭＥＭＳデバイスが内部で動作しているシステムからＭＥＭＳデバイスを取り除く必要なしに、ＭＥＭＳデバイスのパラメータを識別することを可能にする。ＭＥＭＳデバイスの寿命全体を通じて、さらには連続的に、それらのデバイスがＭＥＭＳデバイスを利用するシステムに位置し機能しているままで、ＭＥＭＳデバイスを試験し、ＭＥＭＳデバイスパラメータを識別するためのシステムおよび方法が提供される。したがって、低コストでＭＥＭＳパラメータを識別し、ＭＥＭＳセンサの寿命全体を通じてＭＥＭＳセンサを繰り返し試験してＭＥＭＳパラメータを識別し、センサを適用対象から取り外すことなくＭＥＭＳセンサを試験し、ＭＥＭＳデバイスの寿命の間にＭＥＭＳデバイスを再較正するという設計目標を達成するシステムおよび方法が提供される。システムおよび方法は、試験費用の低減、リアルタイムの較正、および、ＭＥＭＳデバイスを利用するシステムの信頼性の向上をさらに可能にする。システムおよび方法は、ＭＥＭＳデバイスの可動要素への電磁信号を受信し、ＭＥＭＳデバイスの可動機械要素の運動を示す出力信号を提供することが可能な任意のＭＥＭＳデバイスの電気機械的応答の試験および評価を可能にする。
【００４３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）システムは、ＭＥＭＳセンサと、ＭＥＭＳセンサの可動機械要素と電気的に通信している制御回路と、ＭＥＭＳセンサおよび制御回路と電気的に通信している復調回路とを備える。ＭＥＭＳシステムは、可動機械要素の運動に対応するＭＥＭＳ出力信号を復調し、復調信号を制御回路に提供するように構成されている。制御回路は、復調信号を評価して、ＭＥＭＳセンサの少なくとも１つの特性を決定するように構成されている。本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこに様々な改変を行うことができることが当業者であれば容易に理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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