專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電系統(tǒng)中求系綜平均值的傳感器重復(fù)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器重復(fù)方法和設(shè)備，更具體地說(shuō)，涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中求系綜平均值的傳感器重復(fù)方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)被封閉在無(wú)干擾外殼內(nèi)時(shí)，基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))的伺服定位裝置能夠產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的機(jī)械位移。嵌入基于MEMS的伺服控制系統(tǒng)中的位置傳感器中固有的噪聲決定集成系統(tǒng)的精度。
為了提高精度，必須減小在位置傳感器中產(chǎn)生的噪聲[1-σ]。但是使傳感器噪聲最小化是有基本限度的，需要?jiǎng)?chuàng)造性的方法來(lái)避開(kāi)性能限制。
更一般地，檢測(cè)過(guò)程需要換能器和信號(hào)調(diào)節(jié)方法。換能過(guò)程不僅產(chǎn)生有用信號(hào)，而且不可避免地產(chǎn)生噪聲分量，從而降低檢測(cè)過(guò)程的精度。通過(guò)利用儀表質(zhì)量電子器件，可使來(lái)自傳感器的總噪聲保持極小，但是，不能完全消除歸因于換能過(guò)程的噪聲?？梢詮谋姸嗟膿Q能過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的位置的檢測(cè)。在需要無(wú)摩擦移動(dòng)的非接觸換能過(guò)程中，可采用光、熱和/或磁耦合效應(yīng)。
圖1表示了包括MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))定位系統(tǒng)140的單軸位置伺服控制系統(tǒng)100的例證部件。本例中圖解說(shuō)明的系統(tǒng)140的位置傳感器1404對(duì)設(shè)計(jì)成相對(duì)于固定框架1402移動(dòng)的活動(dòng)裝置1403的邊緣1405的位置敏感。
傳感器電壓V(t)包括噪聲分量n(t)。伺服控制器125根據(jù)指示的位置誤差信號(hào)(例如，從加法器或者求和單元(例如求和點(diǎn))120提供的位置誤差信號(hào))產(chǎn)生控制信號(hào)U，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器130，把動(dòng)力信號(hào)(例如，一般是電流)送入作動(dòng)器1401。
注意從基于MEMS的位置傳感器1404將絕對(duì)位置回送給加法器115，加法器115還接收傳感器噪聲n(t)，從而輸出測(cè)量或者指示的位置V(t)。與目標(biāo)位置信號(hào)結(jié)合的測(cè)量或者指示的位置V(t)產(chǎn)生如上所述由加法器120輸出給伺服控制器125的測(cè)量或指示的位置誤差信號(hào)。
伺服控制器125和相關(guān)的電子器件(例如用于測(cè)量位置，產(chǎn)生控制信號(hào)U等的電子器件)是系統(tǒng)控制器110的子集。系統(tǒng)控制器具有存儲(chǔ)器150(例如存儲(chǔ)體)，在伺服控制系統(tǒng)125的加電操作期間，伺服系統(tǒng)參數(shù)被保存在存儲(chǔ)器150中。
圖2詳細(xì)描述了用于證實(shí)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和價(jià)值的位置傳感器的參數(shù)。圖2中，表示了正在根據(jù)MEMS裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)215，從基于MEMS的機(jī)械位置傳感器225接收輸入的單一傳感器噪聲模型200。無(wú)噪聲(理想)傳感器輸出2002被表示成被輸入加法器2003，加法器2003還接收10MHz寬帶噪聲(1-σ＝10*12.5nm)。
加法器2003把輸出提供給低通濾波器230(例如具有100kHz的截止頻率的低通濾波器)，低通濾波器230再把單個(gè)MEMS位置傳感器240的模擬輸出240提供給采樣器250。采樣器250把輸出提供給低通濾波器(LPF)260，低通濾波器260是一個(gè)二階數(shù)字濾波器。
LPF260把測(cè)量或指示的位置(濾波后的)V(t)提供給伺服控制器205。伺服控制器向放大器210輸出信號(hào)，以便控制MEMS裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
注意，作為舉例，換能器以不是本發(fā)明的主題的熱耦合效應(yīng)為基礎(chǔ)。傳感器的動(dòng)力學(xué)特性2001受熱耦合效應(yīng)支配，它具有50微秒的時(shí)間常數(shù)，并且由一階系統(tǒng)表征。
在100kHz二階模擬低通濾波器230后測(cè)量的噪聲能譜包含等于12.5納米(1-σ)的噪聲。位置傳感器的目標(biāo)位移范圍為100微米。為了通過(guò)模擬如上所述證實(shí)本發(fā)明，位于來(lái)源的傳感器噪聲由寬帶(10MHz)噪聲(10*12.5納米1-σ)表示。
為了捕捉實(shí)際工作條件下，這種應(yīng)用中傳感器噪聲的影響，需要伺服控制系統(tǒng)。經(jīng)行業(yè)檢驗(yàn)的比例積分微分(PID)定位伺服系統(tǒng)(例如，伺服控制器205)被用于基于MEMS的定位裝置。例如呈模擬形式的特征PID控制器傳遞函數(shù)由下面的表達(dá)式代表控制器(輸出/輸入)＝(kP+kDs+kI/s)其中kP、kD和kI是比例增益、微分增益和積分增益，‘s’是拉普拉斯變換算子。計(jì)算增益的參數(shù)化過(guò)程在本領(lǐng)域中眾所周知?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)使用掃描儀的動(dòng)態(tài)模型，并會(huì)得到所述增益值，從而獲得最佳的伺服控制器設(shè)計(jì)。
注意，如果基于MEMS的傳感器噪聲過(guò)大，那么可使用低通濾波器(如上所述)，不過(guò)這樣的低通濾波器會(huì)引入相位滯后。
圖3A-3B表示了具有數(shù)字PID控制器的基于MEMS的典型位置控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。本研究中使用650Hz的交叉頻率，如圖3A中所示?？刂破髋c具有4kHz交叉頻率的數(shù)字低通濾波器(LPF)級(jí)聯(lián)。圖3B表示該區(qū)域中的失相降低穩(wěn)定性能。
圖4表示在4kHz LPF之后獲得的位置傳感器輸出，以及(通過(guò)模擬)估計(jì)的MEMS裝置的位置。注意獨(dú)立(即無(wú)任何伺服動(dòng)作)的傳感器噪聲分量具有為12.5納米的1-σ。
但是，在4kHz之后并在閉環(huán)伺服條件下，傳感器輸出被降低到為4.6納米的1-σ(例如，該分量被稱(chēng)為指示或測(cè)量的傳感器輸出)，因?yàn)樵诘陀诮徊骖l率的頻率下，MEMS系統(tǒng)實(shí)際上跟隨傳感器噪聲(伺服的一個(gè)不良但是必然的效應(yīng))。
伺服的低頻噪聲跟隨能力實(shí)際上產(chǎn)生物理運(yùn)動(dòng)(例如稱(chēng)為絕對(duì)位置)，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的以精度為中心的性能有害。即使噪聲傳感器輸出指示4.6納米，絕對(duì)位置的估計(jì)值為3.6納米。注意，如果采用理想的傳感器(即，零噪聲分量)來(lái)監(jiān)視機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，那么它會(huì)測(cè)得3.6納米。
通過(guò)降低圖2中所示的低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率“fc”，能夠提高伺服控制系統(tǒng)的位置精確度。但是，降低LPF轉(zhuǎn)角頻率會(huì)引入額外的相位滯后，不利地惡化動(dòng)力學(xué)性能，例如穩(wěn)定時(shí)間。
從而，在本發(fā)明之前，不存在說(shuō)明如何規(guī)避這種局限性的方法或系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于常規(guī)方法和結(jié)構(gòu)的上述和其它例證問(wèn)題、缺陷和不足，本發(fā)明的例證特征是提供一種方法和結(jié)構(gòu)，其中在不引入另外的相位滯后，以及在不損害動(dòng)力學(xué)性能的情況下，降低傳感器噪聲。
另一例證特征是提供一種系統(tǒng)和方法，其中實(shí)現(xiàn)用于系綜平均的傳感器重復(fù)。
在本發(fā)明的第一方面，基于MEMS的系統(tǒng)包括一個(gè)傳感器陣列，所述傳感器陣列包括為系綜平均提供基礎(chǔ)的至少兩個(gè)傳感器。
在本發(fā)明的第二方面，降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的方法包括提供包括至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列，并求傳感器陣列的輸出的系綜平均值。
在本發(fā)明的第三方面，有形地包含可由數(shù)字處理設(shè)備執(zhí)行，以便實(shí)現(xiàn)降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的方法的機(jī)器可讀指令程序的信號(hào)承載介質(zhì)包括提供包括至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列，并求傳感器陣列的輸出的系綜平均值。
在本發(fā)明的第四方面，降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的系統(tǒng)包括包含至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列，和求傳感器陣列的輸出的系綜平均值的單元。
借助本發(fā)明的獨(dú)特并且非顯而易見(jiàn)的特征，能夠大大影響MEMS技術(shù)的能力，所需的硅功能以不高的邊際成本被重復(fù)“N”次。雖然可能需要用于MEMS襯底的額外區(qū)域和材料，不過(guò)就位置傳感器來(lái)說(shuō)，它們中的N個(gè)被重復(fù)，以便測(cè)量相同的位置變量，并且借助系綜平均，有效傳感器噪聲被降低到(σ/N0.5)。
當(dāng)利用常見(jiàn)特征，例如邊緣檢測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論存在或不存在邊緣的旋轉(zhuǎn)，系綜平均值都給出邊緣的平均位置(例如被重復(fù)的傳感器陣列所包含的邊緣的平均位置)。
通過(guò)獲得在極值位置的傳感器輸出之間的差值，抽取旋轉(zhuǎn)量度。在應(yīng)用中，例如在與寫(xiě)入、擦除或者伺服格式化/寫(xiě)入過(guò)程相比，讀取或?qū)さ肋^(guò)程可能容忍更大的定位誤差的存儲(chǔ)裝置中，可據(jù)此選擇為該目的而通電的傳感器的數(shù)目。
最后，在有單個(gè)或者多個(gè)故障時(shí)要求冗余的系統(tǒng)中，重復(fù)的傳感器陣列提供額外的一層保護(hù)。在只有噪聲過(guò)大的一個(gè)傳感器可用的最壞情況下，伺服回路或?yàn)V波特性被相應(yīng)修改，以便在低性能模式下恢復(fù)用戶(hù)數(shù)據(jù)。
當(dāng)適當(dāng)時(shí)，傳感器范圍可被分段，漸進(jìn)地覆蓋每個(gè)段的多個(gè)傳感器被接合，從而產(chǎn)生具有優(yōu)良的噪聲特性的單一連續(xù)輸出。分段產(chǎn)生提高的信噪比以及傳感器帶寬。


參考附圖，根據(jù)本發(fā)明的例證實(shí)施例的下述詳細(xì)說(shuō)明，將更好地理解本發(fā)明的上述及其它例證用途、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1圖解說(shuō)明具有單一位置傳感器的MEMS伺服控制系統(tǒng)100；圖2圖解說(shuō)明分析中使用的傳感器噪聲模型200；圖3A-3B圖解說(shuō)明位置控制伺服系統(tǒng)的典型開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；圖4圖解說(shuō)明單傳感器的伺服位置控制性能；圖5圖解說(shuō)明采用具有N個(gè)傳感器的系綜平均方法的結(jié)構(gòu)；圖6圖解說(shuō)明雙傳感器構(gòu)形的伺服位置控制性能；圖7圖解說(shuō)明四傳感器構(gòu)形的伺服位置控制性能；圖8圖解說(shuō)明估計(jì)的和設(shè)計(jì)的位置誤差1-σ值；圖9圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的，采用具有N個(gè)傳感器的非均勻加權(quán)系綜平均方法的結(jié)構(gòu)；圖10圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的包括實(shí)現(xiàn)有效噪聲和總傳感器功率之間的折衷的部件的結(jié)構(gòu)1000；圖11圖解說(shuō)明包括與線(xiàn)性系綜平均化伺服同時(shí)的旋轉(zhuǎn)測(cè)量的結(jié)構(gòu)1100；和圖12圖解說(shuō)明包括用于改進(jìn)的噪聲消減的分段傳感器1230的結(jié)構(gòu)1200。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，更具體地說(shuō)參見(jiàn)圖5-12，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)的例證實(shí)施例。
如上所述，傳統(tǒng)上通過(guò)降低低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率“fc”(例如如圖2中所示)，能夠提高伺服控制系統(tǒng)的位置精度。
但是，降低LPF轉(zhuǎn)角頻率引入額外的相位滯后，不利地降低動(dòng)力學(xué)性能，例如穩(wěn)定時(shí)間。本發(fā)明利用例如如下所述的系綜平均克服了這種局限。
系綜平均的原理在J.Bendat和A.Piersol的Random Data Analysis andMeasurement Procedures，A Wiley-Interscience Publication，1986，p.10中可找到系綜平均的原理。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，假定單個(gè)傳感器輸出電壓Vi(x，t)＝a*x(t)+ni(t)(1)其中“i”表示具有噪聲ni(t)的傳感器，噪聲ni(t)的統(tǒng)計(jì)平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ1。x(t)是時(shí)刻“t”時(shí)的機(jī)械位置?！癮”是假定對(duì)所有傳感器來(lái)說(shuō)都相等的換能器增益。
如果N個(gè)傳感器的輸出被相加，那么總的輸出電壓由下式給出VT(x，t)＝N*(a*x(t))+sum(ni(t)) (1)其中對(duì)“N”個(gè)傳感器進(jìn)行“求和”。公所周知，當(dāng)每個(gè)傳感器的噪聲彼此無(wú)關(guān)，并且如果σ1＝σ時(shí)，那么項(xiàng)“sum(ni(t))”的標(biāo)準(zhǔn)偏差(std)可被表示成(下面的等式中的SQRT表示平方根)Std[sum(ni(t))]＝SQRT(N)*σ (3)總電壓的瞬時(shí)平均值可被表示成VAVE(x，t)＝[VT(x，t)]/N＝(a*x(t))+sum(ni(t))/N(4)
利用等式(3)的結(jié)果，平均電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差可被表示成Std[VAVE(x，t)]＝Std[sum(ni(t))/N]＝Std[sum(ni(t))]/N(5)＝σ/SQRT(N)在上面的情況下，所有傳感器被認(rèn)為同等重要，使用相同的加權(quán)(1/N)。
結(jié)果可被推廣為包括非均勻加權(quán)的系綜平均，而不是由等式(4)表示的簡(jiǎn)單平均。這種情況下，在將電壓相加之前用歸一化增益因子Ki(sum(Ki)＝1)對(duì)每個(gè)傳感器輸出加權(quán)，從而形成加權(quán)電壓。等式(4)和(5)從而變成VW-AVE(x，t)＝sum[Ki*(a*x(t)+ni(t))](6)和Std[VW-AVE(x，t)]＝SQRT(sum[(Ki*σi)*(Ki*σi)]) (7)如果一旦傳感器增益“a”被匹配則一些傳感器具有截然不同的噪聲級(jí)，那么可如下選擇加權(quán)項(xiàng)KiKi＝Li/LT(8)其中Li＝1/(σi)2且LT＝sum(Li)(9)等式(8)和(9)幫助邏輯標(biāo)準(zhǔn)向已知包含較少噪聲的傳感器輸出分配更大的權(quán)重。
現(xiàn)在更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，首先注意就位置伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明最理想地生效的條件是當(dāng)多個(gè)傳感器分布在目標(biāo)上時(shí)，活動(dòng)目標(biāo)(例如，邊緣，光學(xué)測(cè)標(biāo)，磁場(chǎng)等)沿著運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)相同量。
要明白，本發(fā)明適用于具有或不具有伺服的任意類(lèi)型的換能過(guò)程(例如壓力，溫度，加速度等)，其中對(duì)重復(fù)的換能器陣列應(yīng)用相同的物理變量。
此外，注意，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)在基于MEMS的裝置中，如果使用許多相對(duì)較小的傳感器，那么結(jié)果可好于使用單個(gè)較大傳感器的結(jié)果。
圖5圖解說(shuō)明包括在MEMS裝置中部署重復(fù)的位置傳感器陣列510的系統(tǒng)，其中展示了根據(jù)等式(4)的均勻加權(quán)的系綜平均。
即，圖5圖示了對(duì)增強(qiáng)的伺服精度進(jìn)行系綜平均的N重傳感器模型500。附圖標(biāo)記520表示MEMS裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。如圖所示，在模型500內(nèi)，中間求和器503a、503b等將傳感器噪聲501a、501b等與傳感器時(shí)間約束502a、502b等(例如50微秒)相加。
隨后，“N”個(gè)相同(例如基本相同或類(lèi)似)的傳感器510的輸出被求和(例如，由求和單元或求和點(diǎn)504求和)，并應(yīng)用(1/N)的均勻加權(quán)因子(例如，通過(guò)增益放大器505等)。也可在求和器504的加法之前，把“1/N”的加權(quán)因子應(yīng)用于每個(gè)傳感器輸出。之后，放大器505的輸出被輸入LPF525，LPF(100kHz)525的輸出由采樣器530采樣，并被輸入低通濾波器540。注意如上所暗示的，對(duì)于要獲得的本發(fā)明的優(yōu)良結(jié)果來(lái)說(shuō)，傳感器不必完全相同。
如果重復(fù)的傳感器陣列510的單個(gè)傳感器具有σ＝12.5納米，那么系綜平均值將具有12.5/(SQRT(N))的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？捎镁哂羞m當(dāng)?shù)碾娮釉碗娐返哪M、數(shù)字或混合電路實(shí)現(xiàn)圖5中所示的算術(shù)運(yùn)算，不再更詳細(xì)地說(shuō)明系綜平均過(guò)程的自動(dòng)化。
圖6表示當(dāng)2個(gè)傳感器被用于系綜平均時(shí)，獲得3.1納米的指示位置誤差和2.6納米的絕對(duì)位置誤差。從而，圖6表示兩個(gè)位置傳感器的例證情況下的伺服位置，并且與圖4的曲線(xiàn)圖(它表示了使用單個(gè)傳感器的結(jié)果)相比，清楚地表示了改進(jìn)的大小。注意，理論上預(yù)計(jì)的值4.6/(2)0.5＝3.2和3.6/(2)0.5＝2.6非常接近于當(dāng)根據(jù)本發(fā)明，采用系綜平均過(guò)程降低等效傳感器噪聲時(shí)預(yù)期的值。
圖7對(duì)應(yīng)于N＝4(例如，利用4個(gè)位置傳感器的例證情況下的伺服性能)的情況。如圖所示，這兩個(gè)噪聲參數(shù)被進(jìn)一步降低到1.8納米和1.4納米。理想地，σ估計(jì)量應(yīng)為4.6/2＝2.3納米和3.6/2＝1.8納米。但是，由于估計(jì)量由有限的樣本長(zhǎng)度產(chǎn)生，因此可預(yù)期誤差容限。
從而，如圖7中所示，在四個(gè)傳感器的情況下，噪聲逐漸變得更好。從而，如果能夠引入4個(gè)傳感器，就能獲得大得多的面密度能力，因?yàn)橄到y(tǒng)可被更加準(zhǔn)確地被定位。
圖8總結(jié)了該趨勢(shì)，顯示了傳感器的性能，并且表示了本發(fā)明的核心方面。
即，系統(tǒng)中重復(fù)的傳感器的數(shù)目越大，那么在不損害伺服性能的情況下，降低統(tǒng)計(jì)定位誤差的潛力越大。
根據(jù)圖8，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。圖8中表示了一個(gè)重復(fù)傳感器陣列，以便當(dāng)采用系綜平均時(shí)提高定位精度。注意，在獲得的實(shí)際位置誤差和位置誤差的理論值(例如σ除以傳感器數(shù)目的平方根)之間可能存在差異。這樣的差異可能起因于模擬值是基于時(shí)域的估計(jì)量。從而，如圖8中所示，在理論值和在“真實(shí)世界”模擬中觀察到的數(shù)值之間存在一定的差異/變化。
在任何情況下，總體地看圖8很明顯，當(dāng)增加更多的傳感器時(shí)，定位誤差變得更小。曲線(xiàn)圖將具有雙曲線(xiàn)形狀，并且在某一點(diǎn)將變平(但是，例如，它決不會(huì)穿過(guò)零線(xiàn))。從而，利用4個(gè)傳感器，噪聲將被減少到原量的二分之一，利用9個(gè)傳感器，噪聲將被減少到原量的三分之一，利用16個(gè)傳感器，噪聲將被減少到原量的四分之一，等等。
圖9用另外的步驟擴(kuò)展了均勻加權(quán)的系綜平均方法的實(shí)現(xiàn)。即，圖9表示具有用于提高伺服精度的加權(quán)系綜平均的N重傳感器模型。
具體地說(shuō)，在每個(gè)傳感器具有類(lèi)似增益特性的應(yīng)用中，噪聲級(jí)可根據(jù)MEMS構(gòu)成細(xì)節(jié)而變化。在該條件下，傳感器輸出可根據(jù)其可靠性被加權(quán)，例如正比于其信噪比(SNR)。在等式(6)、(7)、(8)和(9)中得到的關(guān)系對(duì)應(yīng)于基于噪聲功率的加權(quán)函數(shù)。從而，在圖9中，代替對(duì)所有傳感器輸出給予相同的權(quán)重，本發(fā)明認(rèn)識(shí)到一些傳感器的表現(xiàn)不同于其它傳感器，從而可根據(jù)傳感器的表現(xiàn)引入增益項(xiàng)。從而，通過(guò)根據(jù)它們的傳感器性能和噪聲級(jí)使用不同的增益，能夠微調(diào)傳感器。
從而，在圖9中，可設(shè)想對(duì)于σi(傳感器噪聲)，代替增加比例數(shù)目的σi，可向性能“良好”的傳感器提供更大的權(quán)重，向性能“較差”的傳感器提供較小的權(quán)重。從而，如下所述，可使用最適比組合。
組合傳感器輸出的方法被稱(chēng)為“最適比組合器(ORC)”。在換能器增益“a”發(fā)生變化的應(yīng)用中，在計(jì)算系綜平均值之前，進(jìn)行校準(zhǔn)過(guò)程，以便確定每個(gè)傳感器的所需“校正”增益。從而，如果傳感器具有不同的增益，那么能夠微調(diào)平均值計(jì)算過(guò)程。
可以理解，通過(guò)利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的部件和恰當(dāng)?shù)乃惴?，易于?shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和增益匹配操作。
另外，注意，可根據(jù)尺寸參數(shù)和電流進(jìn)行校準(zhǔn)，可估計(jì)預(yù)期的增益。從而，例如，在裝運(yùn)傳感器之前，可對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn)。作為另一例子，高精度傳感器可能消耗許多功率而不適合于局部使用(本地使用)，但是在使系統(tǒng)獨(dú)立工作之前，可將其用作校準(zhǔn)器。
回到圖9，圖中表示了包括MEMS裝置中的重復(fù)位置傳感器陣列910的系統(tǒng)，其中進(jìn)行加權(quán)系綜平均。即，圖9表示以加權(quán)系綜平均提高伺服精度的N重傳感器模型900。附圖標(biāo)記920表示MEMS裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。如圖所示，在模型900內(nèi)，中間求和器903a、903b等使傳感器噪聲901a、901b等與傳感器動(dòng)力學(xué)特性(行為)902a、902b等相加。
隨后，中間求和器903a、903b等的輸出被輸入相應(yīng)的增益單元905a、905i、905n等，之后，增益單元905a、905i、905n等的輸出被輸入求和器904。求和器904把輸出提供給LPF925。
注意到，重復(fù)傳感器的缺點(diǎn)在于能耗正比于“N”增大。
但是，可根據(jù)伺服系統(tǒng)的使用模式，考慮一種折衷。就存儲(chǔ)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，和寫(xiě)入或擦除過(guò)程相比，讀取過(guò)程更能容忍定位誤差。于是，讀取伺服操作所需的傳感器的數(shù)目可被減少，從而節(jié)約能量。
圖10表示包含在例證系統(tǒng)1000中的部件的示意圖，該系統(tǒng)包括MEMS定位系統(tǒng)1010，傳感器電源開(kāi)關(guān)1020，系統(tǒng)控制器1030及傳感器濾波和系綜平均模塊1050。
系統(tǒng)1000可利用最適比組合(例如另外還使用增益)，其中可使用增益(例如增益單元1040a-1040d)來(lái)相應(yīng)地調(diào)整(惡化)具有更大或更小噪聲的傳感器。從而，能夠利用增益。
此外，能夠有選擇地使傳感器斷電以節(jié)省能量，因?yàn)椴皇撬袀鞲衅鞫夹枰煌?或者至少完全被通電)。
在圖10中，了解讀/寫(xiě)過(guò)程的系統(tǒng)控制器1030能夠(借助給傳感器電源開(kāi)關(guān)的信號(hào))選擇讀取操作所需的最佳的一組傳感器(例如，兩個(gè)極端傳感器和一個(gè)中間傳感器)，并使讀取操作不需要的剩余傳感器斷電(一般來(lái)說(shuō)，與讀取操作所需的那些傳感器相比，寫(xiě)入/擦除操作需要相對(duì)更多的傳感器)。
對(duì)應(yīng)的信息被同時(shí)傳送給濾波和系綜平均模塊1050，以便計(jì)算傳感器數(shù)目的變化。
或者，重復(fù)的傳感器陣列向系統(tǒng)提供固有的冗余。即，在傳感器出現(xiàn)意外故障的情況下，可將本應(yīng)斷電的另一傳感器激活。模塊1050發(fā)出能量?jī)?yōu)化的系綜平均化位置信號(hào)1060。從而，在圖10的系統(tǒng)中，能夠有選擇地調(diào)整/激活增益和/或傳感器。
在最壞的情況下，在除了一個(gè)傳感器之外的所有傳感器都已發(fā)生故障的存儲(chǔ)應(yīng)用中，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議(例如視覺(jué)和/或音頻報(bào)警單元1070)傳送用戶(hù)警報(bào)，MEMS系統(tǒng)準(zhǔn)備把數(shù)據(jù)備份到存儲(chǔ)器(圖10中未示出)中。為了獲得讀取過(guò)程所需的精度，在伺服回路中可包括一個(gè)低通濾波器，該LPF的轉(zhuǎn)角頻率可被顯著降低，以便在使性能比如存取或穩(wěn)定特性折衷的情況下滿(mǎn)足噪聲要求。
存在這樣的特殊結(jié)構(gòu)其中MEMS定位器的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)被角旋轉(zhuǎn)扭曲。由于制造不對(duì)稱(chēng)的緣故，幫助引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的連接可能未如預(yù)期那樣被蝕刻，可能引起旋轉(zhuǎn)分量。在一些情況下，由于硅的不均勻熱分布，形成MEMS結(jié)構(gòu)的元件可能不均衡地膨脹。在這樣的條件下，必須推斷活動(dòng)平臺(tái)有旋轉(zhuǎn)。位于極限位置的傳感器可反映該旋轉(zhuǎn)信息，如圖11中所示。
更具體地說(shuō)，圖11圖解說(shuō)明包括執(zhí)行系綜平均的MEMS裝置1110(具有邊緣1115)的系統(tǒng)1100。在圖11中，傳感器輸出被提供給求和器1125，兩個(gè)極限傳感器的傳感器輸出還被直接提供給低通濾波器1135a和1135n。
求和器1125把求和后的輸入信號(hào)提供給增益單元1130，增益單元1130輸出系綜平均化線(xiàn)性位置信號(hào)1120。低通濾波器1135a和1135n把輸入提供給求和器1140。
隨后，求和器1140的輸出(它是表示邊緣1115的旋轉(zhuǎn)的信號(hào))被提供給模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)1160。ADC1160向能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器1150的系統(tǒng)控制器1155輸出一個(gè)信號(hào)。系統(tǒng)控制器1155還可發(fā)出設(shè)置低通濾波器的特性(例如設(shè)置轉(zhuǎn)角頻率等)的信號(hào)。從而，低通濾波器可被理想地編程。例如，如果不需要高頻旋轉(zhuǎn)信息，那么低通濾波器的特性可被適當(dāng)?shù)鼐幊?。?duì)于增益單元1130的輸出，也可提供一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。
從而，在圖11中，對(duì)于相同的傳感器，在用于系綜平均過(guò)程的同時(shí)，也可用于旋轉(zhuǎn)測(cè)量。通過(guò)附加的過(guò)濾，能夠降低旋轉(zhuǎn)測(cè)量噪聲級(jí)，因?yàn)樵摐y(cè)量分支不是相位滯后問(wèn)題比較重要的伺服回路的一部分。
傳感器噪聲級(jí)和帶寬強(qiáng)烈可能依賴(lài)于換能器的總的有效范圍。例如，較大的熱敏材料具有較大的時(shí)間常數(shù)，并且易于產(chǎn)生更多的熱噪聲。重復(fù)的概念可被用于產(chǎn)生具有重疊區(qū)域的多個(gè)子檢測(cè)部件，如圖12中所示。
從而，圖12圖示了希望傳感器具有良好的大范圍檢測(cè)能力，同時(shí)又希望具有良好的信噪比的兩難局面。但是，在只有單個(gè)傳感器有上述檢測(cè)范圍與噪聲相矛盾的問(wèn)題的情況下，本發(fā)明目的在于克服如上所述的問(wèn)題。
更具體地說(shuō)，圖12圖解了系統(tǒng)1200包括具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)1210的MEMS裝置，和包括多個(gè)傳感器1230的分段并且重復(fù)的傳感器陣列1220。
例如，由#n表示的傳感器實(shí)際上被分成多個(gè)(例如5個(gè))較短的范圍n-a，n-b…n-e。每個(gè)傳感器段現(xiàn)在具有噪聲和帶寬相應(yīng)改進(jìn)的較短范圍。
某一段(例如由V-H(n-a)表示的段n-a)的高電平輸出被電子轉(zhuǎn)換(即合成)到下一段(V-L(n-b))的低電平輸出，從而提供噪聲和帶寬特性改進(jìn)的更大范圍。通過(guò)用單個(gè)的大范圍傳感器增強(qiáng)分段的傳感器，可稍微簡(jiǎn)化合成傳感器輸出的復(fù)雜性，從而在高速移動(dòng)期間，易于獲得粗略的位置信息和精確的位置信息。
從而，系統(tǒng)1200可把每個(gè)傳感器的檢測(cè)范圍分割成多個(gè)部分/階段(例如圖12中所示的na-ne)，從而使噪聲降至最小。從而，能夠有選擇地采用和轉(zhuǎn)換感興趣的傳感器的較短檢測(cè)范圍部分。
從而，借助本發(fā)明的獨(dú)特并且非顯而易見(jiàn)的各個(gè)方面，能夠利用具有輸入失相的定位系統(tǒng)，在具有(或者不具有)伺服回路的情況下進(jìn)行系綜平均，本發(fā)明能夠降低噪聲級(jí)。這與常規(guī)的低通濾波器完全相反，常規(guī)的低通濾波器只能夠降低高頻噪聲，但是它不影響低頻噪聲。相反，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行系綜平均時(shí)，在整個(gè)帶寬內(nèi)噪聲被降低。從而，本發(fā)明可被應(yīng)用于MEMS裝置，以提高定位能力，而不會(huì)導(dǎo)致失相。
除了上述硬件/軟件環(huán)境之外，本發(fā)明的不同方面包括用于執(zhí)行上述方法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法。例如，該方法可在上述特定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
可通過(guò)操縱由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理設(shè)備具體體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)執(zhí)行一系列的機(jī)器可讀指令，實(shí)現(xiàn)這樣的方法。這些指令可駐留在各種類(lèi)型的信號(hào)承載介質(zhì)上。
這種信號(hào)承載介質(zhì)可包括，例如由快速存取存儲(chǔ)器代表的包含在CPU內(nèi)的RAM?；蛘?，指令可包含在CPU可直接或間接訪問(wèn)的另一信號(hào)承載介質(zhì)，例如存儲(chǔ)器1150，或者磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者CD-ROM盤(pán)中。
不論是包含在存儲(chǔ)器，CD-ROM，磁盤(pán)，計(jì)算機(jī)/CPU中，還是包含在別的地方，指令都可保存在各種機(jī)器可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)上，例如DASD存儲(chǔ)器(例如常規(guī)的“硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器”或者RAID陣列)，磁帶，電子只讀存儲(chǔ)器(例如ROM、EPROM或者EEPROM)，光學(xué)存儲(chǔ)裝置(例如CD-ROM，WORM，DVD，數(shù)字光帶等)，紙質(zhì)“穿孔”卡，或者其它適當(dāng)?shù)男盘?hào)承載介質(zhì)，包括傳輸介質(zhì)，例如數(shù)字和模擬傳輸介質(zhì)，以及通信鏈路和無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)。在本發(fā)明的例證實(shí)施例中，機(jī)器可讀指令可包含從諸如“C”之類(lèi)的語(yǔ)言編譯的軟件目標(biāo)代碼。
雖然就幾個(gè)例證實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，不過(guò)本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，可對(duì)本發(fā)明的實(shí)施加以修改。
此外注意，申請(qǐng)人的意圖是包含所有權(quán)利要求的要素的等同方案。以在獲權(quán)過(guò)程中對(duì)權(quán)利要求進(jìn)行修改后也是如此。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS的系統(tǒng)，包括傳感器陣列，所述傳感器陣列包括為系綜平均提供基礎(chǔ)的至少兩個(gè)傳感器。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器包括至少兩個(gè)重復(fù)的傳感器。
3.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括當(dāng)傳感器陣列包括非均勻噪聲統(tǒng)計(jì)量時(shí)，擴(kuò)展系綜平均的最適比組合器。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括控制傳感器陣列的功率，使得根據(jù)所需的精度，有選擇地調(diào)整所述功率的系統(tǒng)控制器。
5.按照權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)控制器通過(guò)限制為伺服控制而激活的傳感器的數(shù)目來(lái)控制所述功率。
6.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括檢測(cè)傳感器故障，并提供防范故障的冗余的裝置。
7.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器中的至少一個(gè)傳感器是可分段的，以便就所需的范圍和復(fù)雜性有選擇地調(diào)整信噪比。
8.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括把預(yù)定數(shù)目的所述至少兩個(gè)傳感器的故障通知用戶(hù)的報(bào)警單元。
9.按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括耦接為接收所述系綜平均的輸出的低通濾波器；和伺服回路，其與所述低通濾波器耦接，使得當(dāng)所述報(bào)警單元把最后剩余的起作用的傳感器通知用戶(hù)時(shí)，在所述低通濾波器的濾波水平提高的情況下，所述伺服回路允許數(shù)據(jù)備份。
10.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器根據(jù)包含壓力、溫度和加速度任意之一的換能過(guò)程工作。
11.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在有伺服控制的情況下進(jìn)行所述系綜平均。
12.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在無(wú)伺服控制的情況下進(jìn)行所述系綜平均。
13.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器基本相同。
14.按照權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括對(duì)基本相同的傳感器的輸出求和的求和器；和對(duì)求和器的輸出和基本相同的傳感器的輸出之一應(yīng)用相同的加權(quán)因子的增益放大器。
15.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括接收放大器的輸出的低通濾波器；對(duì)低通濾波器的輸出采樣的采樣器；和接收采樣器的輸出的第二低通濾波器。
16.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系綜平均包括加權(quán)的系綜平均，使得根據(jù)其信噪比，對(duì)所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)的輸出加權(quán)。
17.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系綜平均包括均衡加權(quán)的系綜平均，使得對(duì)所述至少兩個(gè)傳感器的所有輸出賦予相同的權(quán)重。
18.按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括根據(jù)所述傳感器的行為，調(diào)整所述至少兩個(gè)傳感器中的一個(gè)傳感器的輸出的增益單元。
19.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括根據(jù)所述至少兩個(gè)傳感器的行為，通過(guò)使用取決于所述至少兩個(gè)傳感器中的任意一個(gè)傳感器的性能和噪聲級(jí)的不同增益，調(diào)整所述至少兩個(gè)傳感器的任意輸出的增益單元。
20.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括組合傳感器輸出的最適比組合器；和校準(zhǔn)所述傳感器，以便在計(jì)算系綜平均值之前，確定每個(gè)傳感器的所需校正增益的校準(zhǔn)器。
21.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括有選擇地控制所述至少兩個(gè)傳感器中的一個(gè)傳感器的激活和減活的系統(tǒng)控制器。
22.按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)控制器控制所述至少兩個(gè)傳感器，從而為預(yù)定的操作選擇一個(gè)最佳傳感器或者一組最佳傳感器，并使預(yù)定操作不需要的剩余傳感器斷電。
23.按照權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，還包括濾波和系綜平均模塊，其中關(guān)于所述系統(tǒng)控制器選擇的傳感器的信息被同時(shí)從所述系統(tǒng)控制器傳送給濾波和系綜平均模塊，以計(jì)算傳感器數(shù)目的變化。
24.按照權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中在某一激活傳感器發(fā)生意外故障的情況下，所述系統(tǒng)控制器激活被斷電的第二傳感器。
25.按照權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器中的第一和第二傳感器位于所述MEMS裝置的兩個(gè)極端位置，并提供所述MEMS裝置的組件的旋轉(zhuǎn)信息。
26.按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，還包括接收來(lái)自第一和第二傳感器的輸出的第一和第二低通濾波器，所述第一和第二低通濾波器提供對(duì)求和器的輸入，所述求和器接收已被施加給除了來(lái)自第一和第二傳感器的輸出之外的傳感器輸出的增益信號(hào)，和系綜平均化線(xiàn)性位置信息，其中求和器的輸出與代表所述MEMS裝置的所述組件的邊緣的旋轉(zhuǎn)的信號(hào)相組合，所述組件包括活動(dòng)平臺(tái)。
27.按照權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器中的用于系綜平均的傳感器還同時(shí)用于所述MEMS裝置的組件的旋轉(zhuǎn)測(cè)量。
28.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器中的一個(gè)傳感器包括具有重疊區(qū)域的多個(gè)子檢測(cè)部件。
29.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)傳感器包括分段并且重復(fù)的傳感器陣列。
30.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中系綜平均降低所述至少兩個(gè)傳感器的整個(gè)帶寬內(nèi)的噪聲。
31.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括控制所述至少兩個(gè)傳感器的系統(tǒng)控制器；和向所述系統(tǒng)控制器和用戶(hù)中的任何一個(gè)通知所述至少兩個(gè)傳感器中的預(yù)定數(shù)目的傳感器已發(fā)生故障，并啟動(dòng)所述至少兩個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)的備份的報(bào)警單元。
32.一種降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的方法，包括提供包括至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列；和求所述傳感器陣列的輸出的系綜平均值。
33.按照權(quán)利要求32所述的方法，其中所述至少兩個(gè)傳感器被重復(fù)，來(lái)測(cè)量同一位置變量，并且其中所述系綜平均把有效傳感器噪聲降低到(σ/N0.5)，其中N是所述至少兩個(gè)傳感器中的傳感器的數(shù)目。
34.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括利用所述對(duì)象的常見(jiàn)特征，檢測(cè)所述對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，所述系綜平均值提供在存在所述常見(jiàn)特征的旋轉(zhuǎn)的情況下，所述常見(jiàn)特征的平均位置。
35.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括利用所述對(duì)象的常見(jiàn)特征，檢測(cè)所述對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，所述系綜平均值提供在不存在常見(jiàn)特征的任何旋轉(zhuǎn)的情況下，所述常見(jiàn)特征的平均位置。
36.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括獲得布置在極端位置的傳感器的輸出之間的差值，從而抽取旋轉(zhuǎn)測(cè)量值。
37.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括有選擇地對(duì)用于系綜平均的多個(gè)傳感器通電。
38.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括修改伺服回路和濾波特性之一，以便在低性能模式下恢復(fù)用戶(hù)數(shù)據(jù)。
39.按照權(quán)利要求32所述的方法，還包括把所述傳感器陣列的傳感器范圍分成多個(gè)段；和接合漸進(jìn)地覆蓋每個(gè)段的多個(gè)傳感器，從而產(chǎn)生具有預(yù)定噪聲特性的單一連續(xù)輸出。
40.一種有形地實(shí)現(xiàn)可由數(shù)字處理設(shè)備執(zhí)行，以執(zhí)行降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的方法的機(jī)器可讀指令的程序的信號(hào)承載介質(zhì)，該包括提供包括至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列；和求所述傳感器陣列的輸出的系綜平均值。
41.一種降低基于MEMS的系統(tǒng)中的噪聲的系統(tǒng)，包括包含至少兩個(gè)傳感器的傳感器陣列；和求所述傳感器陣列的輸出的系綜平均值的裝置。
全文摘要
一種基于MEMS的系統(tǒng)(和方法)，包括一個(gè)傳感器陣列，所述傳感器陣列包括提供進(jìn)行系綜平均值運(yùn)算的基礎(chǔ)的至少兩個(gè)傳感器。
文檔編號(hào)G05B6/00GK1763675SQ200510087698
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者斯里·M·斯里-加揚(yáng)塔, 阿倫·沙馬, 鄧賢, 伊萬(wàn)格羅斯·S·埃列夫特里奧, 馬克·A·蘭茨, 查拉拉姆波斯·波奇蒂斯 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司