用于振荡扰动时域测量的设备及方法
【专利摘要】一种振荡设备及使用该设备的方法。在一个实施例中，设备包括具有保证质量的力传感器，该力传感器具有配置于其上的一个或多个感测电子隧穿电极，以及包括一个或多个参考电子隧穿电极的框架。配置于传感器基部及封盖晶圆上的导电板引起保证质量的振荡。感测及参考电极对以面对面的方式配置，因而形成以一个或多个闭合状态为特征的数字开关。在闭合状态中，开关产生触发事件，因而使得感测设备能够产生指示质量位置的数字输出。连续的触发事件之间的时间周期用于获取因外力导致的质量偏移。在触发事件之间的时间间隔基于制造期间建立的物理尺寸，因而不需要进行传感器校正。
【专利说明】用于振荡扰动时域测量的设备及方法
[0001]优先权及相关申请
[0002]本申请要求2012年6月22日提交的申请号为PCT / US2012 / 043851的共同拥用及共同未决PCT申请的优先权，其名称为“用于振荡扰动时域测量的设备及方法”、并要求了 2011年6月24日提交的申请号为13 / 168，603的相同名称的共同拥用及共同未决美国专利申请的优先权，上述各项全部结合于此作为参考。
[0003]本申请与2009年10月I日提交的申请号为12 / 571，958，名称为“纳米机电隧
道电流开关系统”的美国专利申请有关，也将其全部结合于此作为参考。
【技术领域】
[0004]本发明一股涉及用于感测应用的振荡设备，在一个示例性方面，特别涉及时域感测设备及使用该设备的方法。
【背景技术】
[0005]在广泛应用中，通常要求准确测量参数(例如，力)。例如加速计等微机电传感器(MEMS)已广泛应用于例如动态距离及速度测量、倾斜、机械振动、建筑物及结构检测、制造业元件布局、过程控制系统以及安全安装。角旋转速率MEMS(也称为陀螺仪或速率传感器)尤其用于导航、汽车(例如，电子稳定度控制)、娱乐(例如，游戏机台的用户动作探测)、摄影(例如，图像稳定)、动物行为研究以及很多其它应用。压力传感器类似地广泛应用于例如天气、工业监控、飞机及汽车、石油及天然气勘探、流量感测、声学等应用。还存在很多其他参数测量应用(例如，用于导航和矿物勘探的磁力测量或用于显微镜的静电力测量等)。
[0006]然而，目前最易获取的用于特定应用的具有充分分辨率的惯性传感器是昂贵的，因此，限制了它们的使用及广泛应用。相反地，当前可用的较便宜的惯性传感器方案不能提供例如工业测量等多种应用所要求的足够的准确度及稳定度。现有的传感器方案(不论是较贵或是较便宜的种类)还需要周期性的再校正以及专用的信号调节电路，且一股易受噪声干扰，因而限制了安装的灵活性。
[0007]这些现有技术中方案的另一缺点与它们有限的动态范围有关。一股而言，需要两个或更多分别的传感器来感测或测量具有显著不同振幅的参数值。因而，进一步增加了能够在宽动态范围测量的系统的成本及复杂度。
[0008]在力测量背景下，典型的现有技术中的力传感器测量弹簧悬挂保证质量的位移(通常也称为“偏斜”)，以估算作用于保证质量上的力。测量此类偏斜的方法准确度、可变性及实施成本不同。可以使用各种测量方法，例如电容式、压电电阻、电子隧穿感测以及光学干涉，以确定保证质量偏斜。在所有这些方式中，偏斜(以及由此的力)被推导为测量电压(或电流)的函数，因此，不可避免地会遭受特别由热及电磁噪声等导致的测量误差。结果，大多数现有力传感器方案要求非常准确的信号调节电路(例如，精准放大器、滤波器、参考电压等)来应付传感器老化(包含例如物理特性或“弹簧”性能和/或保证质量随时间的变化)的周期性再校正以及电元件漂移。[0009]因此，显然需要改进的高准确度及高分辨率的力传感器设备，其具有增加的动态范围，同时，与现有方案相比，成本和复杂度都更低。理想地，这种改进的感测设备也将减轻或完全地消除校正需求(即，“自校正”)，且可用于多种多样的参数感测、测量或其它应用。
【发明内容】
[0010]本发明通过特别提供时域感测设备及使用该设备的方法来满足上述需求。
[0011]本发明的第一方面，公开了一种振荡感测设备。在一个实施例中，该设备包括振荡设备、配置为驱动振荡设备的驱动电路以及至少一个包括第一元件和第二元件的开关设备，其特征在于，至少一个第一闭合状态，以及耦合到至少一开关的感测电路。
[0012]在一个变型中，驱动电路以实质上脉冲的方式驱动振荡设备。在另一变型中，驱动电路使用驱动频率以实质上连续的方式驱动振荡设备。
[0013]在另一变型中，感测电路在振荡设备的振荡期间生成实质数字输出信号。
[0014]在又一变型中，至少一个开关设备包括单一电子隧穿尖端对，第一和第二元件包括该尖端对。可选地，至少一个开关设备包括多个电子隧穿尖端对，第一和第二元件包括多个尖％5对之一。
[0015]在又另一变型中，设备包括基于微电子机械传感器(MEMS)的设备。
[0016]在另一实施例中，设备包括:振荡器；配置为驱动振荡器的驱动电路；包括第一元件和第二元件的开关设备；以及耦合于该开关的感测电路。在一个变型中，第一元件或第二元件中的至少之一配置在振荡器上，感测电路配置为输出指示第一闭合状态的实质数字信号，第一闭合状态对应于振荡器实质上设置于第一参考位置以使第一和第二兀件对齐。信号包括第一事件和第二事件，第二事件与第一事件以第一时间周期分隔，第一时间周期至少部分地与振荡器的振荡频率及施加的力相关。
[0017]在一个变型中，施加的力是实质上不规律的，且振荡器运动的振荡特征在于实质上非线性的恢复力。
[0018]在本发明的另一方面，公开了一种时域力感测设备。在一个实施例中，设备包括:包含具有多个侧面的保证质量的第一结构；至少一可移动的电极，配置在保证质量上；接地元件，配置在保证质量的第一侧上，并耦合至接地平面；第二结构，包括至少一参考电极；第一导电元件，沿着第二结构的第一侧配置；驱动电路，电耦合至第一导电元件及导电平面，并配置为引发保证质量相对于参考电极的在第一频率上的振荡运动；以及耦合至至少一个参考电极以及至少一个可移动电极的感测电路，该感测电路配置为输出指示至少一参考电极与至少一可移动电极之间的预定空间配置的信号。
[0019]在一个变型中，信号包括至少一个与第一时间值相关联的第一脉冲，与第二时间值相关联的第二脉冲；以及，至少部分地基于第一频率及由惯性力导致的保证质量的位移，配置第二时间值和第一时间值之间的差。
[0020]在本发明的另一方面，公开了一种使用振荡器测量外部参数的方法。在一个实施例中，振荡器能够进行相对于参考位置的振荡运动，运动以第一时间周期为特征，且开关以至少第一闭合状态为特征。该方法包括:在振荡器内引发振荡运动；以及使用耦合至该开关的感测电路，以输出指示开关处于至少第一闭合状态、第一事件及第二事件的信号，其中第二事件与第一事件以第二周期分隔，第二周期与第一时间周期和外部参数至少部分地相关。
[0021]在方法的一个变型中,第一时间周期实质上符合振荡器的自然共振频率。
[0022]在另一变型中，振荡器的振荡运动由实质上非线性的恢复力导致。
[0023]在另一变型中，引发步骤包括施加正弦驱动力至振荡器。
[0024]可选地，该引发步骤包括施加实质上实质上间断的驱动力至振荡器。
[0025]在本发明的另一方面，公开了一种传感器。在一个实施例中，该传感器可由方法操作，该方法包括:耦合感测电路至至少一个参考元件及至少一个感测元件，其中至少一个感测元件能够相对于至少一个参考元件进行振荡运动，振荡运动以第一时间周期以及参考位置为特征；以及，将感测电路配置为输出指示至少一个感测元件位于相对于至少一个参考兀件的第一位置的信号。
[0026]在本发明的又一方面，公开了一种感测参数的方法。在一个实施例中，该方法包括:在振荡器中引发振荡；施加参数至振荡器以对其引发影响；从与振荡器相关联的电极产生信号，该信号以时间的函数对应于电极位置，该位置与影响至少部分地相关；以及，至少根据产生的信号，估算参数。
[0027]在本发明的另一方面,公开了一种振荡设备。在一个实施例中，设备包含:振荡器，配置为至少部分地根据驱动信号而振荡；以及开关，包括至少第一和第二感测元件。
[0028]在一个变形中，当振荡器在第一位置时，设备产生第一实质数字输出信号；以及当振荡器在第二位置时，设备产生第二实质数字输出信号。
[0029]在另一变型中，第一和第二感测元件包括一对隧穿电极。
[0030]在第二实施例中，振荡设备包括:振荡器，配置为至少部分地根据驱动信号而振荡；以及开关，包括至少第一和第二感测元件。基于由开关产生的输出信号，确定振荡器的位置为时间的函数。
[0031 ] 在一个变型中，振荡器包括至少一个悬臂以及与其相关联的保证质量。
[0032]在又一实施例中，振荡设备包括:振荡器；与振荡器通信的驱动电路；以及与振荡器通信的开关电路。设备产生至少部分地与外部施加的影响相关的实质数字输出信号；所述数字输出信号的准确度实质上不漂移或者随时间以振荡器的一个或多个物理特性的变化为函数而变化。在另一实施例中，设备包括:振荡器；与振荡器通信的驱动电路；以及与振荡器通信的开关电路。设备产生至少部分地与外部施加的影响相关的实质数字输出信号；驱动电路配置为改变施加至振荡器的驱动信号以改变振荡器的振荡振幅，该振幅的改变能够使得传感器设备的动态范围变化。
[0033]仍在本发明的又一方面，公开了操作振荡装置的方法。在一个实施例中，该方法包括:使用驱动信号在装置的振荡器中引发振荡；以及，使用至少第一和第二电极，从装置产生实质数字输出，该输出至少部分地基于时钟信号产生，其中该时钟信号具有预定抖动。抖动实质上消除输出的重叠。
[0034]在另一实施例中，该方法包括:使用驱动信号在装置的振荡器中引发振荡；以及，使用至少第一和第二电极，从装置产生实质数字输出，该输出至少部分地基于时钟信号产生，其中该时钟信号具有与其关联的刻意引发的抖动。抖动通过实质上消除量化误差而增加数字输出的准确度。
[0035]在本发明的另一方面，公开了一种振荡微机电传感器(MEMS)设备。在一个实施例中，设备包括:微等级振荡器；与振荡器通信的驱动电路；以及与振荡器通信的开关电路。设备产生至少部分地与外部施加的影响相关的实质数字输出信号；所述数字输出信号的准确度实质上不漂移或者至少部分地基于微等级振荡器的使用而以时间的函数变化。
[0036]仍在本发明的又一方面，公开了一种操作振荡设备以能再变化的动态范围中感测参数的方法。在一个实施例中，该方法包括:在设备的振荡器中引发第一振荡，该振荡具有与其相关联的第一振幅；施加具有第一值的参数至振荡器以引发对其的第一影响；从与振荡器相关联的电极产生第一信号，该信号以时间的函数对应于电极的位置，且该位置至少部分地与第一影响相关；以及，至少基于所产生的第一信号，估算所述第一值。该方法进一步包括:在振荡器中引发第二振荡，该振荡具有与其相关联的第二振幅；施加具有第二值的参数至振荡器以引发对其的第二影响，且当施加第一振幅时，第二值不在振荡器的动态范围之内；从与振荡器相关联的电极产生第二信号，该信号以时间的函数对应于电极的位置，且该位置至少部分地与第二影响相关；以及，至少基于所产生的第二信号，估算所述第二值。
[0037]在本发明的另一方面，公开了一种使用振荡装置估算外部施加参数的方法。在一个实施例中，该方法包括:使用驱动信号在装置的振荡器中引发振荡；使用至少第一和第二电极，从装置产生输出，该输出与多个位移值相关；以及，从输出估算所施加的参数的值，其中多个位移值是适于预定数学函数的。
[0038]在一个变型中，预定的函数包括实质的正弦函数。可选地，预定函数可以包括实质的非正弦函数。
[0039]由附图及下述详细说明，本发明进一步的特征、性质以及各种优点将会更加明显。【专利附图】
【附图说明】
[0040]通过下面的详细说明，结合附图，本发明的特征、目的与优点将变得更加明显，其中:
[0041]图1是示出在无外力时，使用触发事件来检测振荡器位置的方法的一个实施例的绘图。
[0042]图1A是示出存在外力时，使用触发事件来检测振荡器位置的方法的一个实施例的绘图。
[0043]图1B是示出在存在随时间变化的外力时，一个示例性振荡器轨迹的绘图。
[0044]图1C和图1D是示出存在随机噪声时，使用触发事件来检测振荡器位置的方法的一个实施例的绘图。
[0045]图2是描述了根据本发明的时域感测方法的一个实施例，以加速度为函数的加速度测量相对误差的示例性仿真绘图。
[0046]图2A-1到图2A-9是一系列描述了根据本发明的时域感测方法的一个实施例，对于振荡幅度和触发位置间隙的不同值，以加速度为函数的加速度测量相对误差的仿真绘图。
[0047]图2B是描述了根据本发明的一个实施例，对于谐振频率和时钟分辨率的不同值，以加速度为函数的加速度测量相对误差的仿真绘图。
[0048]图3是根据本发明的包括隧穿位置指示器开关的时域感测设备的顶视图。[0049]图3A是描述了 3个如图3的隧穿位置指示器开关的示例性参考状态的示意图。
[0050]图3B-1和图3B-2是示出了用于本发明的时域感测设备的开关空间配置的各种实施例的俯视图。
[0051]图3C是示出了用于本发明的时域感测设备的触发点配置的各种实施例的侧剖面视图。
[0052]图3D是示出了根据本发明的包括双电极开关的时域感测设备的一个实施例的侧剖面视图。
[0053]图3E是示出了根据本发明的包括双电极开关的时域感测设备的另一实施例的侧剖面视图。
[0054]图3F是示出了根据本发明的包括一个悬挂保证质量组件和两组双电极开关的时域感测设备的一个实施例的侧剖面视图。
[0055]图3G是示出了根据本发明的包括一个双悬臂保证质量组件和两组双电极开关的时域感测设备的一个实施例的侧剖面视图。
[0056]图3H是示出了根据本发明的包括一个悬挂保证质量组件和多组双电极开关的时域感测设备的另一实施例的俯视图。
[0057]图31是示出了用于在此描述的多种时域感测设备实施例的多个不同电极尖端实施例的一系列俯视和剖面视图。
[0058]图4是描述了根据本发明的时域力感测设备的一个实施例的结构图，该设备包括两个双电极开关和一个双极驱动设备。
[0059]图4A是描述了由图4的实施例的感测设备生成的隧穿电流脉冲的放大的图形示意图。
[0060]图4B是描述了根据本发明的时域力感测设备的一个实施例的结构图，该设备包括两个双电极开关和一个单极驱动设备。
[0061]图4C是描述了用于图4和图4B的时域感测设备的示例性触发事件和双电极开关位置的图形示意图。
[0062]图5是描述了使用本发明的时域感测设备的系统的一个实施例的功能性结构图。
[0063]图6是示出了用于图5的时域力感测系统示例性操作顺序的时序图。
【具体实施方式】
[0064]现在根据图示作出参考，贯穿始终地，类似的数字代表类似的构件。
[0065]如同在此处使用的，术语“电脑”、“计算装置”及“电脑化装置”包括但不限于大型电脑、工作站、服务器、不管是桌上型、膝上型或是其它形式的个人电脑(PC)和微电脑、个人数字助理(PDA)、手持电脑、嵌入式电脑、可编程逻辑装置、数字信号处理器系统、个人通信器、平板电脑、便携导航助理、J2ME配备装置、蜂窝电话、智能电话、个人集成通信或娱乐装置、或是字面上能够执行指令集并处理进入的数据信号的任何其它装置。
[0066]如同在此处使用的，术语“电脑程序”或“软件”意指包含任何序列或是人或机器可认知的执行功能的步骤。此程序可虚拟地以包括例如C / C++、C#、Fortran、COBOL、MATLAB?、PASCAL、Python、Verilog、VHDL、组合语言、标记语言(例如 HTML、SGML、XML、VoXML)等任何程序语言，或者是包括例如公共对象请求代理体系结构(CORBA)、Java?(包括J2ME、Java Beans等)、二进制运行时间环境(例如BREW)等任何面向对象的环境来执行。
[0067]如同在此处使用的，术语“存储器”包括用于存储数字数据的任何类型的集成电路或其它存储装置，包含但不限于R0M、PR0M、EEPR0M、DRAM、SDRAM、DDR / 2SDRAM、ED0 / FPMS,RLDRAM、SRAM、“闪存”存储器(例如反及NAND /反或N0R)、可调电阻存储器及PSRAM。
[0068]如同在此处使用的，术语“微处理器”和“数字处理器”意指包括所有类型的数字处理装置，包含但不限于数字信号处理器(DSP)、精简指令集电脑(RISC)、一股用途(CISC)处理器、微处理器、门阵列(例如FPGA)、PLD、可配置计算结构(RCF)、阵列处理器、安全微处理器及特定用途集成电路(ASIC)。这些数字处理器可以包括在一个单独一元化IC晶片上，或是分散在多个元件中。
[0069]如同在此处使用的，术语“保证质量”一股但不限于指配置为因外部影响(如，力)而导致振荡运动且易受恢复影响的传感器组件。
[0070]如同在此处使用的，术语“振荡器”和“振荡质量” 一股意指但不限于配置为相对于参考位置的周期性或非周期性位移的组件。
[0071]如同在此处使用的，术语“顶”、“底”、“侧”、“上”、“下”、“左”、“右”等仅暗示一元件
相对于另一元件的相对位置或几何，绝非意指绝对的参考架构或任何要求的方向。例如，当元件安装至另一装置时(例如，PCB的下侧)，元件的“顶”部实际上位于“底”部的下方。
[0072]如同在此处使用的，术语“弹簧” 一股意指但不限于配置为提供恢复力给振荡器或振荡质量的元件。
[0073]概论
[0074]在一个显著方面，本发明提供坚固的、低成本及高分辨率振荡设备(例如可被用于感测或测量应用)，以及执行及使用该设备的方法。
[0075]在一个示例性实施例中，振荡设备包括耦合至开关设备(具有至少一个第一元件以及至少一个第二元件，它们形成一个(或多个)闭合开关状态)的受控振荡器、驱动电路以及感测电路。驱动电路提供驱动信号，驱动信号配置为引发振荡运动，接着，使一个(或多个)第一开关元件相对于一个(或多个)第二元件位移。
[0076]在一方式中，驱动信号包括开启及关闭(例如，周期性地)的时间闸(或“引发”)的信号。在另一方式中，以例如经由时变波函数等连续方式，驱动振荡器。
[0077]当开关的第一元件与第二元件对齐时，由感测电路产生指示闭合开关状态的触发信号。在一个示例性的实施中，使用两个电子隧穿电极(一个固定及一个可动)作为开关，以及信号包含隧穿放电脉冲，隧穿放电脉冲是当电极在闭合开关位置对齐时由电极尖端的紧密接近所造成的。通过测量连续的触发事件(指示振荡器通过参考位置)之间的时间间隔，确定振荡周期。因此，推导出作用于设备上的外部力。
[0078]在另一实施中，使用附加隧穿电极来指示振荡器何时通过附加触发位置。通过结合对应于振荡器通过连续的触发位置的时间周期，估算振荡器运动的周期及振幅。因此，能够与振荡振幅无关地进行参数(例如，力)的测量。
[0079]示例性的时域振荡设备配置为提供数字(基于时间的)输出，而不是模拟信号输出。此配置确保装置的准确度仅依赖于触发事件的一致性、震荡的本质(不论是谐波还是交替地非谐波)以及相邻触发事件的时间测量的准确性。由于触发事件基于制造期间建立的物理尺寸，因此，提出的设计有利于不要求连续校正，也即“自校正”。
[0080]此外，示例性的装置也有利于测量在宽度动态范围上变化的参数。在一个变型中，此宽度动态范围能力是经由驱动信号的变化(及造成振荡的振幅的变化)而取得的；越大的振幅振荡允许测量愈大的外部影响(例如，力)。以此方式，使用根据本发明的单一振荡传感器以测量宽广的值范围，从而，排除使用现有技术中调谐至特定(或是更窄的)范围的多传感器。
[0081]还公开了使用抖动以增强装置准确度的方法及设备。
[0082]示例性实施例的详细说明
[0083]现在提供本发明的设备及方法的各式各样的实施例及其变型的详细说明。虽然主要以微机电传感器(MEMS)装置与电子隧穿感测尖端元件的背景作出说明，但是，应当了解，此处所述的设备和方法不限于此。实际上，此处所述的振荡设备和方法(MEMS或其它)可用于任何不同情形及应用，包括但不限于:光、磁、压电、热、电容、化学及生物参数的感测以及信号域转换。
[0084]感测方法
[0085]参考图1，描述感测方法的一个实施例。图1的示例性基于时域的方法是在感测力的背景下，且依靠于测量在频率上驱动的基于保证质量/弹簧的振荡器的偏转(也称为偏差)。在一配置中，振荡器的振荡是实质上的谐波。或者，振荡可以是实质上的非谐波(例如，不完美的正弦)。
[0086]简言之，在古典力学中，谐波振荡器是当从其平衡位置位移时，受到与位移X成比例的恢复力的系统，恢复力F如下所示:
【权利要求】
1.一种振汤感测设备，包括: 振荡设备； 驱动电路，配置为驱动振荡设备； 至少一个开关设备，包含第一元件和第二元件，且以至少一个闭合状态为特征；以及 感测电路，耦合至该至少一个开关。
2.如权利要求1所述的设备，其中，该驱动电路以实质上脉冲的方式驱动该振荡设备。
3.如权利要求1所述的设备，其中，该驱动电路使用驱动频率以实质上连续的方式驱动该振荡设备。
4.如权利要求1所述的设备，其中，该感测电路在该振荡设备的振荡期间产生实质数字输出信号。
5.如权利要求1所述的设备，其中，该至少一个开关设备包括单一电子隧穿尖端对，该第一和第二元件包括该尖端对。
6.如权利要求1所述的设备，其中，该至少一个开关设备包括多个电子隧穿尖端对，该第一和第二兀件包括该多个尖端对之一。
7.如权利要求1所述 的设备，其中，该第一元件和/或第二元件中的至少其一配置在该振荡设备上。
8.如权利要求7所述的设备，其中，该感测电路配置为输出指示该第一闭合状态的第一信号，该第一闭合状态至少部分地基于设置于第一位置的该振荡设备。
9.如权利要求8所述的设备，其中，该至少一个开关设备还包括第三元件，其以第二闭合状态为特征，以及 该感测电路配置为输出指示该第二闭合状态的第二信号，该第二闭合状态至少部分地基于设置于第二位置的该振荡设备。
10.根据权利要求9的设备，其中: 该第一信号包括第一事件及第二事件，该第二事件与该第一事件以第一时间周期分隔，该第一时间周期至少部分地基于第一频率及施加的力而配置； 该第二信号包括第三事件及第四事件，该第三事件与该第四事件以第二时间周期分隔，该第二时间周期至少部分地基于第一频率及施加的力而配置。
11.根据权利要求9的设备，其中: 该第一位置以该振荡器设备相对于参考位置的第一位移为特征； 该第二位置该振荡器设备以相对于参考位置的第二位移为特征；以及 该第二位移与第一位移实质上不同。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，该第一信号包括第一事件和第二事件，该第二事件与该第一事件以第一时间周期分隔，该第一时间周期至少部分地基于所述振荡设备的振荡频率及施加的力而配置。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备包括微机电传感器(MEMS)设备。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，该设备具有的尺寸为小于3mm长度X3mm宽度X Imm闻度。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，该振荡器设备包括振荡结构；以及 该至少一个开关设备包括配置为围绕该振荡结构周围的至少一部分的第一开关及第二开关。
16.根据权利要求15所述的设备,其中，该第一开关的第一闭合状态对应于该振荡器设备位移，该振荡器设备位移与对应于该第二开关的第一闭合状态的振荡器设备位移实质上不同。
17.根据权利要求15所述的设备,其中，该第一开关的第一闭合状态对应于该振荡器设备位移，该振荡器设备位移与对应于该第二开关的第一闭合状态的振荡器设备位移实质上相同。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，该感测设备包括力传感器，且该振荡设备包括具有保证质量的实质悬臂结构。
19.根据权利要求1所述的设备,其中，该振荡设备至少因非线性恢复力而振荡。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，至少部分地因力的时变施加而引发非谐波振荡。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，来自该感测电路的数字脉冲用于计数脉冲与脉冲之间的持续时间。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，使用该脉冲与脉冲之间的持续时间，结合适于该振荡器运动的一个或多个曲线，以提取有关作用在该振荡器上的参数的信息。
23.—种振荡设备,包括: 振荡器，配置为至 少部分基于驱动信号而振荡；以及 开关，包括至少第一及第二感测元件； 其中: 当该振荡器在第一位置时，该设备产生第一实质数字输出信号；以及 当该振荡器在第二位置时，该设备产生第二实质数字输出信号。
24.如权利要求23所述的设备，其中，该第一及第二感测元件包括一对隧穿电极。
25.—种振荡设备,包括: 振荡器，配置为至少部分基于驱动信号而振荡；以及 开关，包括至少第一及第二感测元件； 其中，基于该开关产生的输出信号，将该振荡器的位置确定为时间的函数。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，至少部分地经由穿过该第一及第二感测元件的电子隧穿而产生该输出。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，该振荡器包含至少一悬臂以及与该悬臂相关联的保证质量。
28.一种振荡时域力感测设备，包括: 第一结构，包括: 保证质量，包括多个侧； 至少一个位置感测电极，配置在该保证质量上；以及 接地元件，配置在该保证质量的多个侧的第一个侧上并耦合至接地平面； 第二结构，包括: 至少一个位置界定电极；以及 第一电容板，沿着该第二结构的第一侧配置；驱动电路，电耦合至该第一电容板及该接地平面，被配置为引发相对于该至少一个位置界定电极的保证质量在第一频率上的振荡运动；以及 感测电路，耦合至该至少一个位置界定电极以及至少一个位置感测电极，该感测电路配置为输出指示该至少一个位置界定电极与该至少一个位置感测电极之间的至少一个预定的空间配置的信号； 其中: 该信号包含至少第一脉冲与第二脉冲，第一脉冲与第一时间值相关联，第二脉冲与第二时间值相关联；以及 至少部分地基于第一频率及由惯性力导致的该保证质量的位移，配置第二时间值与第一时间值之间的差。
29.如权利要求28所述的设备，其中: 该至少一个位置界定电极包括第一位置界定电极及第二位置界定电极； 该至少一个预定的空间配置包括:(i)在该第一位置界定电极与至少一个位置感测电极之间的第一空间配置，以及(ii)在该第二位置界定电极与至少一个位置感测电极之间的第二空间配置；以及 该信号还包括至少第三脉冲与第四脉冲，该第三脉冲与第三时间值相关联，该第四脉冲与第二时间值相关联，且该第三和第四脉冲至少部分地基于该第二空间配置而生成。
30.根据权利要求28所述的设备，其中: 该至少一个位置界定电极包括第一位置界定电极及第二位置界定电极； 该至少一个位置感测电极包括第一位置感测电极及第二位置感测电极； 该至少一个预定的空间配置包括:(i)在该第一位置界定电极与第一位置感测电极之间的第一空间配置以及在该第二位置界定电极与第二位置感测电极之间的第一空间配置，(?)在该第二位置界定电极与第一位置感测电极之间的第二空间配置，以及(iii)在该第一位置界定电极与第二位置感测电极之间的第三空间配置；以及该信号还包括: 至少第三脉冲与第四脉冲，该第三脉冲与第三时间值相关联，该第四脉冲与第二时间值相关联，且该第三及第四脉冲至少部分地基于该第二空间配置而生成；以及 至少第五脉冲与第六脉冲，该第五脉冲与第五时间值相关联，该第六脉冲与第六时间值相关联，且该第五及第六脉冲至少部分地基于该第三空间配置而生成。
31.根据权利要求28的设备，其中: 该第二结构包括沿着该第二结构的第二侧配置的第二电容板，该第二侧与该第一侧实质上相对立； 该驱动电路电耦合至该第二电容板；以及 该驱动电路配置为提供第一驱动信号给该第一电容板以及提供第二驱动信号给该第二电容板，其中，该第二驱动信号相对于该第一驱动信号的相位偏移。
32.一种振荡设备，配置为感测外力，该设备包括: 振荡器； 驱动电路，配置为驱动该振荡器； 开关设备，包括第一元件及第二元件；以及感测电路，耦合至该开关； 其中: 该第一元件或该第二元件的至少之一配置在该振荡器上； 该感测电路配置为输出指示第一闭合状态的实质数字信号，该第一闭合状态对应于实质上设置于第一参考位置以使该第一与第二元件对齐的振荡器；以及 该信号包括第一事件和第二事件，该第二事件与第一事件以第一时间周期分隔，该第一时间周期与该振荡器的振荡频率及外力至少部分地相关。
33.根据权利要求32的设备，其中，施加的力是实质上不规律的，且该振荡器的振荡实质上是非正弦的。
34.根据权利要求32的设备，其汇总， 该振荡器运动以第一方向上的位移为特征；以及 该第一及第二元件的对齐配置在实质上垂直于该第一方向的第二方向上。
35.根据权利要求34的振荡设备，其中，第一及第二元件均包括沿着该第二方向以间隙分开的隧穿尖端电极对；以及 该第一和第二元件的对齐配置为引起穿过该间隙的隧穿电极放电电流。
36.根据权利要求34的振荡设备，其中，第一及第二元件均包括沿着该第二方向以间隙分开的磁性电极对；以及 该第一和第二元件的对齐配置为引起穿过该间隙的磁脉冲。
37.根据权利要求34的振荡设备，其中，该隧穿尖端电极对的第一电极处于相对于该隧穿尖端电极对的第二电极所不同的电位；以及 该第一及第二元件的对齐配置为在该第一电极或第二电极中的至少一个中引起电脉冲。
38.根据权利要求32所述的振荡设备，其中，该外力包括柯氏力。
39.根据权利要求32所述的振荡设备，其中，该外力包括加速力。
40.一种振荡微机电传感器(MEMS)设备,包括: 微等级振荡器； 驱动电路，与该振荡器通信；以及 开关电路，与该振荡器通信； 其中: 该设备产生实质数字输出信号，该实质数字输出信号与外部施加的影响至少部分地相关；以及 该数字输出信号的准确度实质上不漂移或是至少部分地基于微等级振荡器的使用而以时间的函数变化。
41.一种振荡设备,包括: 振荡器； 驱动电路，与该振荡器通信；以及 开关电路，与该振荡器通信； 其中: 该设备产生实质数字输出信号，该实质数字输出信号与外部施加的影响至少部分地相关；以及 该数字输出信号的准确度实质上不漂移或是依该振荡器随着时间的一个或多个物理特性的改变的函数而变化。
42.—种振荡传感器设备,包括: 振荡器； 驱动电路，与该振荡器通信；以及 开关电路，与该振荡器通信； 其中: 该设备产生实质数字输出信号，该实质数字输出信号与外部施加的影响至少部分地相关；以及 该驱动电路配置为改变施加至该振荡器的驱动信号以改变该振荡器的振荡振幅，该振幅改变使得该传感器设备的动态范围能够改变。
43.一种外部参数测量方法，该方法使用振荡器及开关以测量该外部参数，该振荡器能够进行相对于参考位置的振荡运动，该运动以第一时间周期为特征，该开关以至少第一闭合状态为特征，该方法包括: 在该振荡器内引发振荡运动；以及 使用耦合至该开关 的感测电路，以输出指示该开关处于至少第一闭合状态、第一事件和第二事件的信号，该第二事件与第一事件以第二周期分隔，且该第二周期与第一时间周期与该外部参数至少部分地相关。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，该第一时间周期实质上符合该振荡器的自然共振频率。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，该振荡器的振荡运动是实质上非正弦的。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，该引发步骤包括以第一时间间隔施加正弦驱动力至该振荡器。
47.如权利要求44所述的方法，其中该引发步骤包括施加实质上间断的驱动力至该振荡器。
48.如权利要求43所述的方法，其中该使用感测电路的步骤包括: 将该开关的至少一侧相对于该开关的另一侧充电至更高的电位； 在第二时间间隔期间，测量该开关的电特性。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，该测量步骤包括第一测量与第二测量，该第一及第二测量都发生于该第一时间周期之一之内。
50.一种操作振荡装置的方法，包括: 使用驱动信号，在该装置的振荡器中引发振荡；以及 使用至少第一及第二电极，从该装置产生实质数字输出，该输出是至少部分地基于时钟信号而产生的，该时钟信号具有预定抖动； 其中，该抖动实质上消除该输出的重叠。
51.—种传感器,可由方法操作,该方法包括: 耦合感测电路至至少一个参考元件以及至少一个感测元件，该至少一个感测元件能够相对于该至少一个参考元件进行振荡运动，该振荡运动以第一时间周期及参考位置为特征；以及 将该感测电路配置为输出指示该至少一个感测元件位于相对于该至少一个参考元件的第一位置的信号。
52.根据权利要求51的传感器，其中: 该信号包括第一脉冲及第二脉冲，该第二脉冲与第一脉冲以第二时间周期分隔；以及 该第二时间周期至少与该第一周期和至少一个感测元件从该参考位置的位移相关。
53.根据权利要求51的传感器，其中，该传感器包括力传感器，以及，至少部分地由施加驱动力至与该至少一个感测元件相关联的振荡器而引发该振荡运动，该驱动力与被感测的外部施加力不同。
54.根据权利要求53的传感器，其中，该驱动力是实质上脉冲的或间断的。
55.根据权利要求53的传感器，其中，以实质上连续的及正弦的方式，施加该驱动力。
56.一种感测参数的方法，包括: 在振汤器中引发振汤； 施加该参数至该振荡器以对该振荡器引发影响； 从与该振荡器相关联的电极产生信号，该信号以时间的函数对应于该电极的位置，且该位置至少部分地与该影响相关；以及基于至少该产生的信号，估算该参数。
57.一种 操作振荡装置的方法，包括: 使用驱动信号，在该装置的振荡器中引发振荡； 在该驱动信号内刻意地引发抖动； 使用至少第一及第二电极，从该装置产生实质数字输出，该输出至少部分地基于时钟信号产生，该时钟信号具有与其相关联的刻意引发的抖动，该产生包括信号的平均； 其中，该抖动通过实质地消除量化误差而实质地增加该数字输出的精确度。
58.一种振荡设备操作方法，该方法操作该振荡设备以使其能够在变化的动态范围中感测参数，该方法包括: 在该设备的振荡器中引发第一振荡，该振荡具有与其相关联的第一振幅； 施加具有第一值的参数至该振荡器以对该振荡器引发第一影响； 从与该振荡器相关联的电极产生第一信号，该信号对应于以该电极的位置而为时间的函数，该位置至少部分地与第一影响相关；以及至少基于产生的第一信号，估算该第一值； 在该振荡器中引发第二振荡，该振荡具有与其相关联的第二振幅； 施加具有第二值的参数至该振荡器以对该振荡器引发第二影响，当施加第一振幅时，该第二值不在该振荡器的动态范围之内； 从与该振荡器相关联的电极产生第二信号，该信号以时间的函数对应于该电极的位置，该位置至少部分地与第二影响相关；以及至少基于产生的第二信号，估算该第二值。
59.一种使用振荡装置以估算外部施加的参数的方法，该方法包括: 使用驱动信号，在该装置的振荡器中引发振荡； 使用至少第一及第二电极，从该装置产生输出，该输出与多个位移值有关；以及从该输出中估算该施加的参数的值，该多个位移值适于预定的数学函数。
60.如权利要求59所述的方法，其中，该预定的函数包括实质正弦函数。
61.如权利要求59所述的 方法，其中，该预定函数包括实质非正弦函数。
【文档编号】H03L7/00GK103891147SQ201280040523
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月24日
【发明者】保罗·D·史万森, 理查德·L·沃特斯 申请人:路梅戴尼科技公司, 海军部长代表的美国政府