多自由度慣性測量單元或IMU是測量并且報告裝置的速度、取向和重力的電子裝置或裝置部件，并且其可以是用于導(dǎo)航和定向目的的移位手持裝置的部件。IMU的一個實施例包括通常集成在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的加速度計、陀螺儀、高度計和羅盤或磁強(qiáng)計的多封裝組合或多芯片組合。盡管IMU的小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和成本降低已經(jīng)使得它們廣泛用作移位應(yīng)用諸如智能電話以及基于導(dǎo)航和定位的特定用途的裝置中的羅盤和磁強(qiáng)計，但是市場上的IMU仍然需要專門制造并且在一些情況下需要昂貴的材料，不必要地增加這些裝置的物料清單(BOM)成本。鑒于目前對小的、經(jīng)濟(jì)有效的、靈敏的羅盤的需求，呈現(xiàn)了各種示例性實施例的簡要概述。在以下概述中進(jìn)行了一些簡化和省略，該概述旨在強(qiáng)調(diào)和引入各種示例性實施例的一些方面，但是不限制本發(fā)明的范圍。在隨后的章節(jié)中將給出足以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂冒l(fā)明概念的優(yōu)選示例性實施例的詳細(xì)描述。各種示例性實施例涉及用于測量振蕩頻率的磁強(qiáng)計裝置，該磁強(qiáng)計裝置包括：包括連接至金屬膜的第一輸入的電壓偏置和放大器的饋通環(huán)路；連接至膜輸出的膜接地部；包括連接至放大器的第二輸入的第一固定板輸出的固定板，其中固定板與金屬膜物理分離但是通過洛倫茲(Lorentz)力連接至金屬膜，以及其中物理分離由于磁場相對于電流方向的角度而不同；對洛倫茲力敏感的第二固定板輸出；以及電路，該電路連接至第二固定板輸出以基于洛倫茲力而計算磁力的角度。在可替選的實施例中，金屬膜包括連續(xù)的金屬片。在一些實施例中，金屬膜還包括以平行線的方式從膜輸入延伸到膜輸出的連續(xù)金屬繞組。在一些另外的示例性實施例中，金屬膜還包括其中嵌入有金屬繞組的電介質(zhì)片。在一些實現(xiàn)方式中，磁力的角度由磁場相對于電流方向的角度給出。在一些實施例中，反饋環(huán)路被配置成驅(qū)動交變電流通過金屬膜。在一些實施例中，電流方向由被反饋環(huán)路驅(qū)動通過金屬膜的交變電流的方向給出。在一些實現(xiàn)方式中，電流方向由金屬膜的第一輸入和膜輸出之間的電流方向給出。在一些實施例中，磁強(qiáng)計裝置，尤其是電路，被配置成測量金屬膜的振蕩頻率和/或該振蕩頻率的移位。在一些實現(xiàn)方式中，振蕩頻率的移位由磁場引起。在一些實現(xiàn)方式中，磁強(qiáng)計裝置，尤其是電路，被配置成基于振蕩頻率和/或振蕩頻率的移位而計算磁力的角度。各種示例性實施例涉及用于測量振蕩頻率的磁強(qiáng)計裝置，該磁強(qiáng)計裝置包括：包括連接至金屬膜的第一輸入的電壓偏置和放大器的饋通環(huán)路；連接至膜輸出的膜接地部；包括連接至放大器的第二輸入的第一固定板輸出的固定板，其中固定板與金屬膜物理分離但是通過洛倫茲力連接至金屬膜，以及其中物理分離由于磁場相對于電流方向的角度而不同；對洛倫茲力敏感的第二固定板輸出；以及電路，該電路連接至第二固定板輸出以基于洛倫茲力而計算磁場的角度。在一些實現(xiàn)方式中，磁場的角度由磁場相對于電流方向的角度給出。在一些實現(xiàn)方式中，磁強(qiáng)計裝置，尤其是電路，被配置成基于振蕩頻率和/或振蕩頻率的移位而計算磁場的角度。在一些實施例中，金屬膜具有與金屬膜的機(jī)械質(zhì)量成比例的等效電感、與金屬膜的機(jī)械剛度成比例的等效電容和與金屬膜的機(jī)械阻尼成比例的等效電阻。在一些實施例中，放大器包括電流控制的電壓源。在一些可替選的實施例中，電流控制的電壓源包括增益。在一些實施例中，固定板具有與金屬膜相同的比例(proportion)。在可替選的實施例中，金屬膜是獨(dú)立的。在一些實施例中，固定板固定到基板。在一些其他可替選的實施例中，固定板固定到晶片。各種示例性實施例涉及測量裝置的取向的方法，該方法包括：驅(qū)動交變電流通過金屬膜；測量金屬膜中的振蕩頻率的移位；以及基于振蕩頻率的移位和電流方向而計算外部磁場相對于金屬膜的角度?？商孢x的實施例還包括創(chuàng)建用于驅(qū)動金屬膜進(jìn)入振蕩的反饋環(huán)路。在一些實施例中，振蕩接近金屬膜的機(jī)械諧振頻率。在一些實現(xiàn)方式中，外部磁場相對于金屬膜的角度對應(yīng)于外部磁場相對于被驅(qū)動通過金屬膜的交變電流的方向的角度。在一些可替選的實施例中，創(chuàng)建反饋環(huán)路的步驟包括產(chǎn)生電容位移電流；將該電容位移電流饋送至放大器；通過放大器將電容位移電流放大；以及將經(jīng)放大的電流作為電壓饋送至金屬膜。在一些可替選的實施例中，該方法還包括在金屬膜和固定接地板之間生成偏置電壓。在一些實施例中，固定接地板距金屬膜的距離是小的。在可替選的實施例中，固定接地板具有與金屬膜相同的比例。在一些實施例中，計算磁力的角度的步驟還包括消除可能引起振蕩頻率失諧的效應(yīng)。在可替選的實施例中，消除效應(yīng)的步驟包括針對一個或更多個電流方向扣除振蕩頻率。該方法的可替選的實施例還包括濾除來自金屬膜振蕩的干擾。在一些實施例中，濾除干擾的步驟包括在足夠的時間段中測量振蕩器的頻率。各種示例性實施例涉及用于測量裝置的取向的磁強(qiáng)計裝置，該磁強(qiáng)計裝置包括：包括金屬膜和反饋環(huán)路的振蕩器；反饋環(huán)路，其被配置成驅(qū)動交變電流通過金屬膜并且驅(qū)動金屬膜進(jìn)入振蕩；以及處理器，其被配置成測量由反饋環(huán)路和金屬膜引起的振蕩頻率的移位，并且基于振動頻率的移位和電流方向而計算外部磁場相對于電流方向的角度。在一些可替選的實施例中，振蕩接近金屬膜的機(jī)械諧振頻率。在可替選的實施例中，反饋環(huán)路還包括放大器并且進(jìn)一步被配置成產(chǎn)生電容位移電流；將該電容位移電流饋送至放大器；通過放大器將電容位移電流放大；以及將經(jīng)放大的電流作為電壓饋送至金屬膜。在一些可替選的實施例中，磁強(qiáng)計裝置還包括固定接地板，該裝置進(jìn)一步被配置成在金屬膜和固定接地板之間生成偏置電壓。在其他實施例中，固定接地板距金屬膜的距離是小的。在一些實施例中，固定接地板具有與金屬膜相同的比例。在可替選的實施例中，在計算外部磁力的角度時，處理器進(jìn)一步被配置成消除振蕩頻率失諧效應(yīng)。在一些可替選的實施例中，處理器進(jìn)一步被配置成在消除振蕩頻率失諧效應(yīng)時，針對一個或更多個電流方向扣除振蕩頻率。在磁強(qiáng)計裝置的可替選的實施例中，處理器進(jìn)一步被配置成濾除來自金屬膜振蕩的干擾。在其他實施例中，處理器進(jìn)一步被配置成在足夠的時間段中測量振蕩器的頻率。在一些實施例中，處理器連接至固定接地板，用于測量振蕩頻率的移位。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以這種方式，各種示例性實施例實現(xiàn)對磁場的角度敏感的、小的、經(jīng)濟(jì)有效的裝置。特別地，通過測量金屬膜經(jīng)受由磁場的作用而生成的力的位移。為了更好地理解各種示例性實施例，參照附圖，在附圖中：圖1圖示了示例性獨(dú)立金屬膜在被激發(fā)至機(jī)械諧振時的行為；圖2A圖示了圖1中的膜的示例性的可替選的實施例；圖2B圖示了圖1的膜的橫截面；圖3圖示了示例性電流相對于示例性磁場的方向?qū)φ袷庮l率的影響；圖4圖示了電等效于圖1所示的振蕩器的示例性電路；圖5圖示了諧振器膜的導(dǎo)納在虛平面中的圖線；圖6圖示了嵌入金屬膜和基板中的繞組的橫截面；圖7圖示了用于將傳感器讀數(shù)輸出以基于膜的位移而計算磁場的電路和膜的橫截面；圖8圖示了電等效于圖7的膜和電路的示例性電路。根據(jù)前文，期望使用不太昂貴的、適于較小外形并且可以用于實現(xiàn)測量各種條件的多個傳感器的材料來測量裝置相對于磁場的取向。本領(lǐng)域中已知的基于洛倫茲力的MEMS傳感器，諸如霍爾(Hall)效應(yīng)傳感器或各向異性磁阻(AMR)傳感器，電子地感測由于作用在磁場中承載電流的導(dǎo)體上的洛倫茲力而引起的MEMS結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動。(注意，已知的洛倫茲力傳感器中的導(dǎo)體由半導(dǎo)體材料構(gòu)造)。換言之，這些傳感器測量機(jī)械位移。在各種應(yīng)用中，機(jī)械結(jié)構(gòu)常常被驅(qū)動至其諧振，以便獲得最大的輸出信號。壓阻換能和靜電換能可以用于電子地檢測磁場的取向。壓阻效應(yīng)是在施加機(jī)械應(yīng)變時半導(dǎo)體或金屬的電阻率改變。針對較低成本的、容易制造的磁強(qiáng)計的期望，描述了一種用于使用標(biāo)準(zhǔn)的、非磁的、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容材料來測量地球磁場的平面內(nèi)取向的系統(tǒng)和方法。例如，本文中描述的系統(tǒng)可以基于振蕩的金屬膜的機(jī)械振蕩頻率移位的測量。這與目前已知的使用霍爾效應(yīng)或AMR傳感器的磁強(qiáng)計應(yīng)用截然不同，霍爾效應(yīng)或AMR傳感器由于它們所需的機(jī)械性質(zhì)(包括，例如測量物理位移和由半導(dǎo)體制造的性質(zhì))而與其他傳感器分立組裝。另外，因為包括獨(dú)立膜的磁強(qiáng)計可以使用與安裝在CMOS頂部的現(xiàn)有MEMS傳感器(諸如，壓力傳感器)的材料相同的材料來制造，所以磁傳感器可以組合在形成慣性測量單元的零部件的單個CMOS芯片上，而不需要增加任何工藝復(fù)雜性或相關(guān)聯(lián)的成本。這對于各種應(yīng)用是有益的，諸如具有多個功能(例如，用于感測氣壓(例如，在高度計中)和物理方位，氣壓和物理方位可以組合以實現(xiàn)3D位置確定)的傳感器的封裝中的一個部件，因為可以被包括在移動裝置或其他手持裝置、導(dǎo)航設(shè)備或車輛中。可以使用洛倫茲力和靜電力的組合來將獨(dú)立的金屬膜激發(fā)至機(jī)械振蕩?？梢愿叨葴?zhǔn)確地測量頻率。洛倫茲力取決于平面內(nèi)磁場和通過金屬膜傳送的電流之間的角度。角度的改變將引起洛倫茲力的改變，并且因此振蕩頻率出現(xiàn)輕微的但可檢測到的失諧。測量振蕩頻率的移位使得能夠確定地球磁場相對于磁強(qiáng)計的取向。在金屬膜具有與用于感測諸如環(huán)境壓力的其他物理環(huán)境條件的膜相同的尺寸和物理性質(zhì)的情況下，同一膜可以用于感測兩種條件。例如，可以采用時分復(fù)用來將同一物理傳感器用作高度計和磁強(qiáng)計。除了節(jié)約制造成本和材料成本以及簡化制造工藝以外，通過將功能組合在單個結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)較小的外形。另外，感應(yīng)器和其他磁場生成元件可以容易地集成在下面的CMOS上，使得能夠使用電激勵對磁強(qiáng)計進(jìn)行原位(in-situ)校準(zhǔn)和調(diào)整。因為所需部件可以是集成的，所以校準(zhǔn)過程可以在現(xiàn)場重復(fù)，從而補(bǔ)償由老化或其他因素引起的任何傳感器漂移。此外，由于壓力和溫度測量會在靠近磁強(qiáng)計的位置進(jìn)行，所以在校準(zhǔn)期間可以更準(zhǔn)確地了解并抑制針對除了磁場以外的諸如環(huán)境壓力或溫度的力的任何磁強(qiáng)計交叉靈敏度。現(xiàn)參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部件或步驟，公開了各種示例性實施例的廣泛方面。圖1圖示了示例性獨(dú)立金屬膜110在通過洛倫茲力Flor和靜電力Fel的組合被激發(fā)至機(jī)械諧振時的行為?；谀さ拇艔?qiáng)計100可以包括在振蕩器環(huán)路(包括iin、Cft、V、膜110、地150、iout、跨阻放大器TIA和地140)中的膜110。洛倫茲力Flor可以通過驅(qū)動諸如AC電流iin的電流120通過膜110、結(jié)合地球磁場B來生成。因為洛倫茲力隨著電流密度線性變化，所以可以使用具有低電阻和較大電流密度的金屬膜110，使得它們(例如，與具有較高電阻的半導(dǎo)體相比)可以生成較大的洛倫茲力。諸如膜110的示例性金屬膜相比于本領(lǐng)域中已知的基于半導(dǎo)體的洛倫茲力傳感器具有若干優(yōu)點。簡言之(稍后討論更詳細(xì)的計算)，洛倫茲力Flor是金屬膜110的長度l乘以電流iin乘以磁場B乘以磁場方向與電流方向之間的角度的正弦的乘積(Flor＝l*iin*B*sinα)，但因為膜是機(jī)械系統(tǒng)，所以隨機(jī)機(jī)械噪聲也將影響膜110的移動。這種隨機(jī)噪聲可以表示為力其中kb是玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)，T是膜110周圍的絕對溫度，γ是膜110的阻尼系數(shù)(因為膜110與其周圍的氣體相互作用)，乘以在其中進(jìn)行測量的帶寬Δf(如同任何白噪聲現(xiàn)象，帶寬是因素)，并且可以在傳感器計算中考慮。信噪比越大，則磁強(qiáng)計將越靈敏。通過產(chǎn)生相對于系統(tǒng)機(jī)械噪聲Fnoise的大的洛倫茲力Flor，可以使信噪比最大化，系統(tǒng)機(jī)械噪聲Fnoise應(yīng)當(dāng)盡可能小。通過使阻尼系數(shù)γ最小化可以使Fnoise最小化，通過使膜110的品質(zhì)因子Q最大化可以實現(xiàn)阻尼系數(shù)γ的最小化。生成洛倫茲力Flor所需的功率P是通過膜110傳送的電流iin和膜的電阻R的函數(shù)(P＝iin2*R)，因為金屬的電阻小于半導(dǎo)體的電阻，所以在金屬膜110中生成大的洛倫茲力Flor所需功率較小。另外，增加長度l將增加洛倫茲力Flor。通過圖2A中示出的示例性的可替選的實施例可以在不增大膜110的尺寸的情況下實現(xiàn)長度l的增加。圖2A示出了膜110的示例性的可替選的實施例210。在一些實施例中，作為針對由連續(xù)的金屬片組成的膜110的替選，金屬膜210可以包括金屬跡線(tracer)220，如圖2B中所示的那樣，金屬跡線220可以嵌入膜110中。跡線220可以作為從輸入vin側(cè)延伸到輸出地150的串聯(lián)金屬線/繞組(圍繞膜的一個連續(xù)延伸形成線圈)而被嵌入，并且一起形成膜210。在長導(dǎo)線的情況下保持低電阻是重要的，因為如上所述，對于較大電流將存在較大洛倫茲力以及小的功率耗散，金屬繞組可以用于使l變長，同時保持R是低的。大部分基于洛倫茲力的傳感器使用摻雜的硅，其具有約1mΩ*cm的電阻系數(shù)，其是金屬繞組的約為1μΩ*cm(微歐姆·厘米)的電阻系數(shù)的1000倍；因此金屬膜在信噪比和功率耗散方面更高效。另外，使用多個跡線繞組而不是單個片將使導(dǎo)線長度最大并且導(dǎo)致跡線的較高的組合總電阻以及與電源電壓的較好的阻抗匹配，因為膜210連接至CMOS，所以可以為1-3V；相比于通過具有較低電阻(例如，0.1Ω)的片，通過具有較高電阻(例如，＞1KΩ)的多個跡線更容易實現(xiàn)從約1V的電源電壓的1mW的示例性輸入電流的耗散?？商孢x地，v轉(zhuǎn)換器可以用于降低通過膜片的電流，但是這種布置將增加可以避免的復(fù)雜度和成本。在示例性膜210中，跡線寬度wt可以為2μm，相鄰跡線之間的間距可以為0.5μm，跡線的數(shù)目N可以為90，并且膜寬度w和長度l可以為220μm。洛倫茲力Flor被示出為與跡線繞組220正交，其中磁力B垂直于繞組220。金屬繞組220可以被嵌入電介質(zhì)片230中以形成膜210。因為跡線的數(shù)目N為90，所以用于產(chǎn)生洛倫茲力Flor的有效長度lwire為膜寬度的N倍或者90*220μm，在圖1的簡單膜中表示為Flor＝l*iin*B*sinα的洛倫茲力的計算變?yōu)槌艘訬倍，使得Flor＝N*l*iin*B*sinα，因此使用金屬繞組的膜中的洛倫茲力相比于單個金屬膜高得多，在單個金屬膜中l(wèi)受限于膜片的長度。通過利用寬2μm間距0.5μm的線進(jìn)行與圖1、2A和2B中所示的相似的測量，可以預(yù)期示例性金屬膜的諧振頻率為878.956KHz，品質(zhì)因子Q為223.8，質(zhì)量m為6.26-10kg，彈簧常數(shù)k為1.914N/m，并且阻尼系數(shù)γ(根據(jù)Q、m、和k計算，因為Q＝sqrt(k*m)/γ)為1.53-5Ns/m。注意，可以預(yù)期連續(xù)的金屬膜與具有由電介質(zhì)覆蓋的刻蝕溝槽以形成跡線繞組的膜具有相對類似的機(jī)械性質(zhì)。如上所述，方塊電阻可以為0.1Ω，并且導(dǎo)線的總電阻為1KΩ。如圖1所示，在電流iin具有垂直于磁場B的分量120并且電流iin和磁場B兩者均在膜110的平面中定向的情況下，洛倫茲力Flor與膜110正交或垂直而定向。除了通過金屬膜110與距金屬膜110距離小的固定接地板130之間的DC偏置電壓V以外，還可以通過AC電壓vin生成靜電力Fel。(注意，在沒有任何電流的情況下，接地板130和膜110將仍然隔開小的距離)。因為金屬膜110具有有限的電阻，所以在AC電流iin被施加至膜110時導(dǎo)致的電壓降引起AC電壓vin。注意，在示例性羅盤100中，因為膜110在一側(cè)接地150，所以跨越膜110的電壓降將等于vin。此外，當(dāng)AC電流iin被驅(qū)動120通過可以包括將相對于固定接地板130(其可以固定到基板或晶片)移動的金屬板的自由移動的膜110時，引起電容位移電流iout，電容位移電流iout可以被饋送至跨導(dǎo)放大器TIA以將信號放大并且將其作為電壓vin反饋至獨(dú)立的金屬膜，使得可以創(chuàng)建反饋環(huán)路以驅(qū)動獨(dú)立的金屬膜以接近其機(jī)械諧振頻率的頻率進(jìn)入振蕩。如果電流iin是頻率與膜110的諧振頻率匹配的AC電流，則在DC磁場中，在膜110的機(jī)械諧振處生成AC洛倫茲力Flor。洛倫茲力Flor和靜電力Fel的相互作用將引起頻率移位；靜電力繼而由金屬膜110和接地板130之間的靜電力生成。振蕩頻率將取決于環(huán)路相位，該環(huán)路相位取決于洛倫茲力的大小，并且因而振蕩頻率將取決于正在被測量的磁場。因此，通過測量振蕩頻率可以得到磁場相對于AC驅(qū)動電流的方向，并且因而確定地球磁場的方向。相對于諸如圖1中的膜110的示例性獨(dú)立膜的俯視圖，圖3圖示了示例性電流iin相對于地球磁場B的方向120對振蕩頻率的影響。如圖3所示，在電流iin在不同方向上傳送通過膜110時，可以建立全360°角度鑒別iy、ixy、ix、iyx等(回到iy)。注意，因為在地球表面的給定區(qū)域中地球磁場B具有相對固定的幅值，所以當(dāng)裝置旋轉(zhuǎn)時將改變的唯一變量是角度α。在x方向120上行進(jìn)的電流iin相比于在y方向上行進(jìn)的電流將引起不同的振蕩頻率失諧，這是因為兩者之間的洛倫茲力的幅值不同。類似地，來自在x＝y(tǒng)對角線上行進(jìn)的電流120的頻率失諧將不同于來自在x＝-y對角線上行進(jìn)的電流120的頻率失諧。通過確定參考頻率，將關(guān)于不同電流方向的這些頻率進(jìn)行比較，并且測量這些不同的失諧頻率的差別，可以360°辨析角度α并且完全辨別磁場。因此，可以預(yù)期基于頻率測量而確定磁場相比于基于機(jī)械測量的確定實現(xiàn)更高的分辨率和準(zhǔn)確度。此外，為了消除也可能引起振蕩頻率失諧的不想要的效應(yīng)，諸如由例如材料老化、溫度和偏置電壓變化引起的頻率移位，可以針對不同電流方向扣除振蕩頻率。由電場引起的任何干擾將添加至輸入電壓vin或輸出電流iout,并將以振蕩幅度噪聲或相位噪聲的形式將噪聲添加至振蕩器。如下文討論的，如果這種噪聲是隨機(jī)的，可以通過在充足的時間段內(nèi)測量振蕩器的頻率來濾除。振蕩頻率或相位的持久移位相比于隨機(jī)干擾不太可能，但是可以通過校準(zhǔn)技術(shù)濾除。在一些實施例中，濾除電磁干擾(EMI)的方法可以是使面向地球外部的板接地。注意，在圖1中，接地板130連接至虛擬地140，但是圖1的布置可以變更，使得膜110連接至地(通過TIA)以便抑制EMI。注意，還可以使用接地板或其他方法將包括磁強(qiáng)計100的CMOS芯片分離地屏蔽。還要注意，如果磁強(qiáng)計100是具有占空周期的(僅按間隔接通或根據(jù)需要接通)，則在可以取得可靠的讀數(shù)之前膜的機(jī)械慣性將需要簡短的“預(yù)熱”延遲。該延遲對于用戶而言可能是不可檢測的，因為在示例性實施例中它可能是1ms(例如，品質(zhì)因子Q*周期，其中示例性Q＝100并且頻率＝100KHz)，但是一些應(yīng)用可能需要頻繁讀數(shù)。因此，如果需要跨越較長時間段(例如1s)的測量時段，則裝置可以具有占空周期，但是如果期望或需要每毫秒的測量，則裝置可以在長達(dá)測量所需的時間內(nèi)接通(因為否則機(jī)械將太慢以致不能適應(yīng)占空周期并且仍不能進(jìn)行準(zhǔn)確的所需測量)。為了計算地球磁場的平面內(nèi)取向，可以確定用于根據(jù)磁場的方向來描述諸如示例性膜110的膜的振蕩頻率與參考頻率之間的關(guān)系的模型。如上文所述，洛倫茲力等于電流乘以磁場的外積。作用在示例性膜110上的時間交變的洛倫茲力Flor可以寫為(式[1])Flor＝liinejωtBsinα，其中l(wèi)為膜的長度，B為磁場幅值，并且α為磁場與電流iin的方向之間的角度。因此，洛倫茲力Flor與電流iin被強(qiáng)制通過的膜110的長度l、磁場B以及電流iin與磁場B之間的角度α的正弦sinα成比例，其中電流iin是頻率為jωt的AC電流并且磁場B為DC場(AC電流乘以DC場產(chǎn)生AC洛倫茲力)。在其中膜110包括一起形成膜110的嵌入的示金屬跡線而不是連續(xù)的金屬片的實施例中，式liinejωtBsinα將乘以對應(yīng)于延伸通過膜110的金屬線的數(shù)目的整數(shù)N。因此，如上所討論的，通過使用多個N跡線而不是連續(xù)的金屬片，洛倫茲力Flor將為原來的N倍并且傳感器的靈敏度也將為原來的N倍。行進(jìn)通過膜110的電流iin和電壓vin通過歐姆定律相關(guān)，(式[2])其中因子1/2將跨越膜110的整個長度的電壓降考慮在內(nèi)(由于如上文討論的地150)，因此平均電壓是總電壓降的一半(換言之，計算假設(shè)電壓等于膜110的中心的電壓)。因此，洛倫茲力Flor可以用電壓vin表示為(式[3])該式從前兩個式[1]、[2]得出。膜110和接地板130之間的靜電力Fel也可以用電壓表示，膜110上的平均AC電壓引起如由(式[4])所表述的吸引靜電力，其中V為靜態(tài)偏置電壓，ε0為介電常數(shù)，A＝lw為膜110的面積，并且g為膜110與接地板130之間的間隙的距離。輸出電流iout與膜110的速度有關(guān)。這在許多MEMS中是標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，其中如果在偏置電壓下的電容發(fā)生改變，則產(chǎn)生位移電流iout。膜的偏轉(zhuǎn)引起電容改變，并且因而位移電流可以表示為(式[5])其中是膜的平面外定向速度。此外，獨(dú)立的膜110可以被認(rèn)為是由運(yùn)動方程(質(zhì)量m乘以膜110的加速度加上阻尼γ乘以膜110的速度加上彈簧力k乘以膜110的位移x)控制的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，(式[6])并且與施加至膜的力，即洛倫茲力Flor和靜電力Fel平衡，通過將[3]、[4]、[5]和[6]組合，其在電學(xué)上可以重寫為阻抗(輸入電壓vin與輸出電流iout之間的關(guān)系)，使得(式[7])(換言之，輸入電壓vin等效于由電感引起的阻抗、由電阻引起的阻抗和由電容引起的阻抗)。LB、RB和CB(機(jī)械質(zhì)量、阻尼和剛度)可以表示為(式[8])(電感與質(zhì)量m成比例)、(式[9])(電阻與阻尼γ成比例)以及(式[10])(電容與彈簧力k成反比)，其中靜電耦合因子η和磁失諧因子δ可以表示為(式[11])和(式[12])如可以看到的，δ是磁場的函數(shù)，如果磁場B＝0，則δ＝0的，并且LB、CB和RB是固定值，如果B≠0且sinα≠0(因為如果電流iin和磁力B平行，則也將不存在洛倫茲力Flor)，則LB、CB和RB將根據(jù)磁場改變值。因此，如果膜220要用作羅盤，則式(式[13])將是相關(guān)的，因為其可以基于地球磁場B和如上記載的隨著裝置旋轉(zhuǎn)而改變的變量α，并且因此通過測量振蕩頻率的移位δ的值的改變，值α的改變可以用于確定方向。其他的磁場B的測量也是可能的。圖4圖示了作為類似于圖1中示出的振蕩器環(huán)路的振蕩器的完整電路的電等效物的示例性電路400。如上述[7]所示，可以用等效電感、電容和電阻來描述機(jī)械諧振器(諸如諧振膜110)的諧振，其在圖4中由電元件電阻器RB、電容器CB和電感器LB表示，其中RB與膜110的機(jī)械阻尼成比例、CB與膜110的機(jī)械剛度成比例并且LB與系統(tǒng)的機(jī)械質(zhì)量成比例。串聯(lián)RLC連接可以由上述運(yùn)動方程描述并且與由膜結(jié)合膜110下面的平面(例如，接地板130)所形成的饋通電容Cft并聯(lián)。跨導(dǎo)放大器TIA可以被視為具有增益M的電流控制的電壓源(CCVS)。因此，TIA/CCVS將進(jìn)入的電流轉(zhuǎn)換為電壓vin，該電壓vin通過并聯(lián)的寄生饋通Cft和諧振電路RB、CB和LB前進(jìn)，需要電容器Cft，因為除了機(jī)械諧振以外，膜110和接地板130之間存在一些電容串?dāng)_。假定CCVS的相移是恒定的，并且在Cft//RB-CB-LB支路上的相移也可以是恒定的，以便滿足振蕩條件(根據(jù)巴克豪森(Barkhausen)穩(wěn)定準(zhǔn)則)。因為相移是恒量，所以其遵循RB-CB-LB的值和振蕩頻率之間存在的關(guān)系。因此，在將磁場施加于電路400(其表示基于膜的羅盤100)時，該場將改變等效電阻RB，使得振蕩頻率將成比例改變，因為振蕩器環(huán)路400中的相移正在移位。例如，如果RB、CB和LB改變一部分△，則示例性電路400的振蕩頻率改變(因為磁場和振蕩頻率之間的關(guān)系)，使得饋通電容Cft與RB、CB和LB之間相互影響。振蕩頻率可以被測量作為輸出，以便使用本文中描述的計算來確定磁場。圖5圖示了在虛平面中的諧振器110的導(dǎo)納(其為1/阻抗)的圖線。諧振器的導(dǎo)納由(式[14])描述。如果ω0被定義為(式[15])Q被定義為(式[16])且ω被定義為(式[17])ω＝ω0+Δω，并且假設(shè)Δω＜＜ω0，則導(dǎo)納([14])可以重寫為(式[18])導(dǎo)納的相位可以是恒量，使得實部和虛部之比是恒量，(式[19])假設(shè)Q<<1，[19]可以進(jìn)一步簡化為(式[20])取關(guān)于RB的微分(式[21])并且Δω將RB的任何改變聯(lián)系至振蕩頻率的改變。在針對接近諧振頻率ω0的頻率在x軸上繪制導(dǎo)納的實部(1/RB,α1,1/RB,α2)而在y軸上繪制RLC支路的虛圖線(ωα1Cft,ωα2Cft)時，產(chǎn)生與諧振點ωα1、ωα2相交的圓的圖線。與ωα1、ωα2相交的圓上的每個點對應(yīng)于頻率ω，并且當(dāng)ω增加時，圓在順時針方向上跟隨；因此，如果對頻率進(jìn)行掃描，則圖線將沿著圓。在繪制總導(dǎo)納時，圓可以沿著虛軸通過等于饋通導(dǎo)納jωCft的量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如由圖5中與原點交叉的直線510所示，在振蕩器環(huán)路中，導(dǎo)納的相位由放大器增益M的相位固定。如果諧振電路400放置在磁場中，則元件RB、CB和LB的值將改變，并且圓將擴(kuò)展(例如，圓與ωα2相交)或收縮(例如，圓與ωα1相交)。線與x軸交叉的角度等于M的相移。固定相位線510與圓的交叉ωα1、ωα2設(shè)定振蕩頻率。振蕩器可以鎖定在對應(yīng)于圓上處于固定相位的點的頻率處。固定相位線510示出諧振頻率(固定相位線與圓圖線的相交點ωα1、ωα2圖示了諧振頻率)。在圓圖線擴(kuò)展或收縮時，交叉點ωα1、ωα2與每個繪制的圓相關(guān)地移動，表示振蕩的頻移。失諧因子δ引起振蕩頻率的移位，因為失諧因子δ引起圓的直徑520的改變，并且因而引起固定相位線與導(dǎo)納圓相交在與相交點ωα1、ωα2不同的交點。因此，總之，磁場相對于磁強(qiáng)計100的取向的改變引起作用于膜110的洛倫茲力Flor改變，從而引起等效阻抗RB改變，引起諧振頻率改變(式[21])。表1圖示了諸如當(dāng)前在一些壓力傳感器應(yīng)用中使用的膜的示例性膜的性質(zhì)。這些膜參數(shù)僅是示例性的，但是這些參數(shù)值可以用于說明諧振頻率移位的幅值?？梢允褂貌煌膮?shù)來實現(xiàn)膜，并且值將通過簡單的縮放規(guī)則彼此相關(guān)地改變，例如，如果膜為原來的2倍，則諧振頻率將為原來的1/2，質(zhì)量將為原來的2倍并且剛度將為原來的1/2等。雖然金屬膜的尺寸和制造可能有一些變化，但是表1的示例性膜是針對低成本、制造簡單且與CMOS集成的示例性尺寸。通過如上所述計算導(dǎo)納圓可以得到表1的示例性膜的振蕩頻率的移位。例如，如果在AC電流平行于磁場行進(jìn)(與ωα1相交的圓)時以及在AC電流垂直于地球磁場(與ωα2相交的圓)時計算導(dǎo)納，則直徑的改變被計算為約1％。放大器相位可以固定在例如60°的值，其固定振蕩頻率并且使得能夠計算由圓直徑520的改變而引起的頻移。因此，地球磁場旋轉(zhuǎn)90°將引起振蕩頻率移位50ppm，其完全在大多數(shù)頻率測量系統(tǒng)的分辨率范圍內(nèi)。表1符號值單位描述B2.50E-05T地球磁場的幅值V10V施加至膜的電壓偏置l3.50E-04m膜的長度w3.50E-04m膜的寬度g1.00E-06m膜下面的間隙f06.00E+05Hz諧振頻率k1.23E+04N/m膜剛度m8.62E-10kg膜質(zhì)量Q1.00E+02品質(zhì)因子Rs1.00E-01W膜的方塊電阻固定相位線510與圓的交叉標(biāo)記振蕩頻率，并且在磁場取向改變引起圓直徑改變時移位。根據(jù)前文，參照膜110的致動、位移或移動可以將磁場的方向測量理解為響應(yīng)于由磁場、偏置電壓和電流生成的洛倫茲力Flor。圖6圖示了如可以嵌入在金屬機(jī)械膜610(敞開于空氣)中的線圈620的一個繞組的橫截面，其中線圈還被示出為嵌入在基板630中。電源電流i開始于基板630中的電流源640處，行進(jìn)通過嵌入在膜610中的導(dǎo)線的質(zhì)量m，并且在繼續(xù)通過導(dǎo)線線圈環(huán)路之前遇到基板630中的電阻R。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的，膜610是彈簧/質(zhì)量系統(tǒng)600，所以膜610具有質(zhì)量m、剛度k和阻尼系數(shù)γ。假設(shè)在膜610的平面中、存在沿著晶片表面的磁場B，則洛倫茲力Flor將如所示的那樣將膜610向下拉出平面。另外，膜也將經(jīng)受布朗(Brownian)(隨機(jī))力Fnoise，如上文所討論的，其是機(jī)械噪聲。注意，在一些實施例中，如果所需測量的是地球磁場，則還可以考慮由線圈自身生成的磁場。影響膜610的總磁場B可以由地球磁場B0和線圈的磁場兩者引起，使得(式[22])為了測量地球磁場B0，可以進(jìn)行計算以消除由線圈引起的磁場的影響總磁場B的效應(yīng)。上文關(guān)于圖2A被表示為N*l*iin*B的洛倫茲力Flor因而可以表示為(式[23])或(式[24])在質(zhì)量/彈簧系統(tǒng)600中，經(jīng)受外力Flor和Fnoise，運(yùn)動x的方程可被得到為(式[25])NlB0i＝-ω2mx+jωγx+kx(僅考慮隨電流i的給定頻率ω變化的項，頻率ω是可以施加在系統(tǒng)上的頻率)。因為如[25]所見，可以得到僅關(guān)于地球磁力B0的運(yùn)動方程，因此可以通過測量膜610的位移x來考慮線圈的磁場。注意，由線圈自身生成的磁場的頻率將不同于由地球磁場生成的磁場的頻率，并且因此線圈自身生成的磁場可以如所示的那樣變得與B0的測量無關(guān)。如上文所討論的，洛倫茲力Flor的大小取決于磁場與嵌入膜中的導(dǎo)線或膜片之間的角度，使得Flor將根據(jù)磁場相對于膜的角度α的角度而不同，因為在x方向上行進(jìn)的電流相比于在y方向上行進(jìn)的電流將引起振蕩頻率的不同失諧。導(dǎo)線或膜610的位移在其諧振頻率處最大。膜610在諧振頻率ω0處的峰值位移xpk可以表示為(式[26])(Q乘以力，除以彈性常數(shù)k，或者Q乘以導(dǎo)線的數(shù)目N、膜的長度(并且因而導(dǎo)線的每個線圈的長度)l、地球磁場B0和通過導(dǎo)線的電流i；除以膜的彈性常數(shù)k)。最后，注意，由提供的另外的位移將提供如上文所討論的信噪比。因此，通過計算洛倫茲力Flor并考慮Fnoise，可以確定地球磁場B0的角度α。通過參照圖2A和圖6所示的示例性膜210、610可以檢測到的最小洛倫茲力Flor可以由質(zhì)量/彈簧系統(tǒng)600的機(jī)械檢測極限來確定，在極限處隨機(jī)噪聲量淹沒洛倫茲力。換而言之，當(dāng)隨機(jī)噪聲等于洛倫茲力時，傳感器處于檢測極限。作為具體示例，如在示例性膜210、610中示出的機(jī)械檢測極限，其中繞組的數(shù)目N可以是90，環(huán)路的深度d可以是5μm，膜210、610的長度l可以是220μm，電流i可以是1mA均方根(rms)，電阻R可以是1KΩ并且?guī)挦可以是4Hz，洛倫茲力Flor可以是8.4*10-10N，噪聲力Fnoise可以是1.0*10-12N，位移x為9.9*10-12m(～10皮米)，以及機(jī)械檢測極限為(25納特斯拉每平方根赫茲)。通過比較，霍爾羅盤傳感器具有的本底噪聲，并且相比于使用如本文中所表述的金屬膜的羅盤靈敏性較低。為了如上所述測量膜610的位移并因此測量磁力B0，可以電地測量位移x。圖7圖示了參照在基板740的頂部上且在膜610之下的電極720的膜610的橫截面。電極720可以是保持在電位Vbias的、與膜610相距間隙距離g的板，使得板720和膜610通過電容C電容性耦接(因為它們彼此接近以及電壓Vbias)，電容C生成可以測量到的位移電流。圖8圖示了電等效于圖7的系統(tǒng)的示例性電路。如在圖7和圖8中可以看到的，兩個位移電流源，isense(由膜位移引起的輸出電流)和inoise可以通過洛倫茲力Flor和隨機(jī)噪聲Fnoise使膜610移動距離x而引起；這兩個電流isense和inoise可以被推動通過偏置電阻器Rbias以及由膜610的板和電極720的板構(gòu)成的電容C。由洛倫茲力Flor的位移并且因此由電容C的位移而生成的電流可以表示為噪聲電流inoise取決于電流的帶寬，膜的剛度和偏置電阻Rbias的數(shù)量，并且可以表示為為了使噪聲的影響最小化，期望使Rbias最大化，其可以表示為因為推動電流通過Rbias和C的阻抗，它們生成輸出信號vsense(由膜的位移引起的輸出電壓)，如本文中所說明的那樣可以測量輸出信號vsense以確定B0?？梢葬槍χ祒(位移)和C(電容)計算輸出讀數(shù)vsense，因為如本文中所討論的那樣針對洛倫茲力Flor的膜的尺寸l2、間隙的尺寸g和電容C將是已知的。Rbias可以非常大，使得等于偏置電壓乘以電容的位移導(dǎo)數(shù)乘以相對于電容歸一化的位移的vsense可以表示為注意，出于檢測的目的，可以通過放大器730對vsense進(jìn)行放大，除了由電路引起的電噪聲vnise以外，這還將引入電噪聲vnoiseamp。然而，示例性計算將表明相比于機(jī)械噪聲，電噪聲對傳感器的檢測極限的影響將是可以忽略的?？梢灶A(yù)期放大器噪聲大于隨機(jī)機(jī)械噪聲。在長度l為220μm、間隙g為500nm、偏置電壓Vbias為10V、帶寬Δf為4Hz、以及針對示例性放大器的放大器噪聲vnoise,amp為～20nVrms的示例性膜610中，電容C可以是860fF，電阻Rbias>>200KΩ并且峰值傳感器電壓vsense,peak＝200V；電檢測極限將為(2納特斯拉每平方根赫茲)。如上所討論的，機(jī)械檢測極限為并且組合將為或者幾乎與單獨(dú)的機(jī)械噪聲沒有不同。根據(jù)前文，各種示例性實施例提供了以廉價、多用途、小尺寸的形式來制造的磁強(qiáng)計。特別地，通過實現(xiàn)嵌入在基于CMOS的磁強(qiáng)計中的金屬膜，感測包括該膜的振蕩器的相移。根據(jù)前文描述將明顯的是，本發(fā)明的各種示例性實施例可以以硬件和/或固件來實現(xiàn)。此外，各種示例性實施例可以實現(xiàn)為存儲在機(jī)器可讀存儲介質(zhì)上的指令，該機(jī)器可讀存儲介質(zhì)可以由至少一個處理器讀取并執(zhí)行以執(zhí)行本文中詳細(xì)描述的操作。機(jī)器可讀存儲介質(zhì)可以包括用于以可由諸如個人計算機(jī)或便攜式計算機(jī)、服務(wù)器或其他計算裝置的機(jī)器讀取的形式存儲信息的任何機(jī)制。因此，機(jī)器可讀存儲介質(zhì)可以包括只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質(zhì)、光學(xué)存儲介質(zhì)、閃速存儲器裝置和類似的存儲介質(zhì)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到的是，本文中的任何框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明的原則的說明性電路的概念視圖。類似地，將認(rèn)識到的是，任何流程圖、過程圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、偽編碼等表示可以基本上在機(jī)器可讀介質(zhì)中表示并且因此由計算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種處理，而不管這種計算機(jī)或處理器是否明確示出。雖然已經(jīng)具體參照其特定示例性方面對各種示例性實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，本發(fā)明能夠具有其他實施例并且其細(xì)節(jié)能夠在各個明顯的方面進(jìn)行修改。如對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，在保持在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的情況下，可以進(jìn)行各種變化和修改。因此，前述公開、描述和附圖僅出于說明性目的并且不以任何方式限制本發(fā)明，本發(fā)明僅由權(quán)利要求限定。當(dāng)前第1頁1 2 3