用于求取MEMS设备的动态参数的方法和装置以及MEMS设备与流程

当前所述发明涉及一种用于确定微机电(mems)设备动态参数的方法和用于确定微机电装置动态参数的装置。此外，本发明涉及一种mems设备。

背景技术：

1、mems系统可用于测量加速度、旋转率、磁场、压力等诸如此类的测量。在de 102014 200 512 b4中已知一个示例性压力传感器设备。此类系统可以包含机械或电子元件，所述元件可以动态激发，特别是可以周期性激发。所述元件的频率特性属于最重要的设备特性。例如，pt2系统可以通过共振频率f0和阻尼常数d或莱尔阻尼系数dl来表征。

2、由于这些涉及到动态特性，因此通常通过动态测试来确定。例如，可对设备施加正弦或一般的周期性测试信号，并且设备的响应可以从振幅或相位针对两个或多个频率测试点来确定。另一种用以确定动态特性的可能性是通过记录和分析开启或关闭瞬态实现的，所述动态特性可以同时通过回归或拟合提取。

3、所述方法因为高的时间分辨率(即短的平均时间)很有可能有误差。此外，强过阻尼系统不会表现出任何有说服力的频率行为，因此难以评估。尤其是，过阻尼系统难以进行动态激励。

4、如果需要强激励刺激，由于测试仪器对传感器结构的反馈机制，所述强激励另外可以改变自然固有频率和阻尼值。例如，弹簧元件的刚度会降低。

5、另一个挑战是，频率和阻尼展现出差的互相调节，特别是在临界情况下(如过阻尼)。因此，在测试数据受噪声干扰的情况下，提取所述参数很难实现。

6、利用特别的仪器费用和使用实验室测试装置，可以通过对精心制作的芯片施加大的刺激获得更好的测量结果。然而，所述使用在更常见的生产或现场条件下，对已集成的元件几乎不可能做到。同样，自主模块的校准步骤到目前为止也几乎无法施行。

技术实现思路

1、本发明提供具有独立专利权利要求的特征的用于求取mems设备的动态参数的方法和装置以及mems设备。

2、优选实施方式案是各从属权利要求的主题。

3、根据第一方面，本发明因此涉及一种用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法，其中，所述mems设备具有至少一个可运动部件，并且所述至少一个动态参数描述所述至少一个可运动部件的动态特性。向mems设备施加测试信号，其中，测试信号具有至少一个具有恒定振幅的静态激励，并且检测mems设备对测试信号的响应信号。mems设备的至少一个静态参数在使用mems设备的至少一个可运动部件的模型的情况下通过在所述至少一个静态激励方面评估所述响应信号来求取，其中，所述至少一个静态参数描述所述至少一个可运动部件的几何和/或结构特性。所述mems设备的至少一个动态参数根据所求取的至少一个静态参数来计算。

4、根据第二方面，本发明涉及一种用于求取mems设备的至少一个动态参数的装置，其中，所述mems设备包括至少一个可运动部件，并且所述至少一个动态参数描述所述至少一个可运动部件的动态特性。该装置包括测试装置，所述测试装置构造为用于向mems设备施加测试信号，其中，所述测试信号具有至少一个具有恒定振幅的静态激励，并且测试装置还构造为用于接收mems设备对测试信号的响应信号。此外，mems设备还包括评估装置，所述评估装置构造为用于，在使用至少mems设备的可运动部件的模型的情况下通过在至少一个静态激励方面评估响应信号来求取mems设备的至少一个静态参数，其中，所述至少一个静态参数描述所述至少一个可运动部件的几何和/或结构特性。所述评估装置还构造为用于，根据所求取的至少一个静态参数来计算mems设备的至少一个动态参数。

5、根据第三方面，本发明涉及一种具有至少一个可运动部件的mems设备以及一种根据本发明的用于求取mems设备的至少一个动态参数的装置。

6、发明优势

7、本发明使得能够在所选择的模型的范畴内完全确定mems设备的动态行为。在此，至少一个动态参数通过非动态的方法来确定，这大大简化了通过经验和仪器确定动态特性。简化之所以可能，是至少mems设备的可运动部件的相应复杂而有效的数学模型被补偿性地引入。

8、本发明尤有利于可激励性有限且动态信噪比差的过阻尼系统。此外，本发明也适用于对于高频(hf)分析访问受限的高度集成部件。这种高集成度在未来的传感器设备中可预期，例如可以直接集成asic(专用集成电路)读取电子装置。由此不能够访问mems设备本身并且对动态参数进行表征。

9、本发明因此使得在高元件集成度情况下也能够继续非常精确地表征动态特性。可以避免费事地在读出电子装置的硅基板上集成相应的大体积的量hf分析器资源。

10、静态测量典型地在制造后已经进行，因此不需要额外的时间耗费。优选可以仅几毫秒执行测量。

11、该方法尤其适用于对自主边缘设备(autonomen edge-devices)进行动态高级表征。将动态表征拆分为较简单的静态表征和动态补充表征大大减少了设备集成工作。由于微控制器和数字信号处理器的可用性，补偿措施(例如运算器和存储器)非常有利或者已经作为标准被包含在当前的mems设备中。

12、实施时只需用于简化静态行动的选项，例如通过测试电压，测试电压通常也是标准。静态信号采集和准备通常可以通过典型地已经存在的asic电路的信号处理来完成。

13、为了执行动态局部测量，只需要有限的测量基础设施，因为静态测量和模型方程涵盖了复杂性的主要部分。根据一个实施方式，设置fifo(先进先出)存储器，用于记录一次性的短的时间瞬态。

14、特别是通过几何特性能够计算出mems设备的重要性能特性。例如可使用杠杆公式(balkenformel)求取弹簧常数，根据体积和密度求取质量。根据弹簧常数和质量可以求取谐振频率。对几何变量例如结构元件的长度和高度或对电掺杂的认识使得能够计算性能参数如带宽或功率消耗。

15、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，测试信号具有大量的具有恒定振幅的静态激励，其中，通过在两个静态激励之间的瞬态行为方面评估响应信号来求取mems设备的至少一个另外的动态参数。然而所述动态测量可以通过静态测试和根据模型进行评估而减少。

16、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，至少一个动态参数的计算包括求取mems设备的可运动部件的质量、求取mems设备的可运动部件的弹簧常数以及根据质量和弹簧常数计算可运动部件的固有频率作为mems设备的动态参数。固有频率在此仅取决于质量和弹簧常数。

17、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，mems设备的至少一个可运动部件的模型包括精细的结构机械描述，特别是有限元模型。

18、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，至少一个静态参数的求取通过至少一个力平衡方程来进行。所述力平衡方程描述静态行为的条件。

19、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，至少一个静态参数包括mems设备的可运动部件的几何结构特性，特别是mems设备的可运动部件的结构宽度和/或mems设备的可运动部件的结构高度。

20、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，至少一个另外的动态参数包括mems设备的可运动部件的阻尼系数。

21、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，可运动部件被建模为pt2系统，即弹簧-质量阻尼系统，至少一个动态参数包括可运动部件的共振频率和/或可运动部件的阻尼程度。pt2系统由这两个动态参数确定。例如，可运动部件的共振频率可以单独地由纯静态激励来确定。这样的好处是，与动态测试相比，静态试验更不易受到噪音影响和误差影响。紧接着可以通过动态表征技术根据模型隔离并精确确定另外的动态参数，在pt2描述情况下例如是第二动态参数，即在这种情况下的阻尼变量，因为相关动态变量事先已通过精确的静态测试确定并且在真正的动态实验中保持固定。如果(如在过阻尼系统中那样)动力学实验中需要确定的变量相互之间协调较差，就会产生特别的优势。

22、用所述方案避免了两个频率参数的数学调节能力差，而且有噪声的敏感动态测试数据仅用于确定更易于管理的动态参数子集。

23、然而，本发明不局限于pt2系统。例如，mems设备的至少一个可运动部件的模型可以包括简单pt2描述之外的修正，即具有更高复杂性的动态描述。

24、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的方法的另一实施方式，可以根据所求取的动态参数进行漂移识别、密封性识别等。特别是，由于硬件要求简单，这些测试方法还可以在自主设备上借助微控制器在现场执行。

25、根据用于求取mems设备的至少一个动态参数的装置备的另一实施方式，测试信号具有大量的具有恒定振幅的静态激励，其中，评估装置还构造为用于通过在两个静态激励之间的瞬态行为方面评估响应信号来求取mems设备的至少一个另外的动态参数。如果有多个激励级可供使用，则或者可以减少确定至少一个参数时的误差，或者可以利用可供使用的较大信息量来确定另外的设计参数。

26、本发明的进一步的优点、特征和细节从下面的说明书中得出，在说明书中参照附图详细地描述不同的实施例。