CN101189793B - 用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置包含：微观结构(2)，所述微观结构(2)具有第一基体(10)和第二基体(11)，该第二基体(11)被电容性耦合到该第一基体(10)且可以以可校准的谐振频率(ω_R)相对于其弹性振荡，其中该第二基体(11)和该第一基体(10)之间的相对位移(ΔY)可从外面检测；以及放大器(21)，其耦合到微观结构(2)用于检测相对位移(ΔY)。DC去耦元件(23)设置在放大器(21)和微观结构(2)之间。

Description

用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置

技术领域

本发明涉及用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置。

背景技术

已知各种类型的振荡微机电系统(MEMS)，包括微机电结构以及与其相关的读取和驱动电路。根据质量-弹簧-阻尼模型，所述微机电结构包括固定体或固定片以及通过弹性连接元件限制到该固定片的活动体。特别地，连接元件被配置成使得活动体能够相对于平衡位置以预定自由度有选择地进行小振荡。活动体相对固定片的振荡运动的特征在于固有谐振频率，该固有谐振频率取决于连接元件的弹性常数和活动体本身的质量。

另外，借助于多个相应的梳指(comb-fingered)电极，活动体与固定片电容耦合。活动体关于固定片的相对位置决定电极之间的总耦合电容。因此，能够通过读取和驱动电路测量电极之间的总耦合电容以得到活动体关于固定片的相对位置，且因此得到作用于活动体本身的力。反之亦然，读取和驱动电路能通过适当地偏置电极在固定片和活动体之间施加受控的静电力。

恒定静电力的施加确定活动体关于平衡位置的非零平均位移且具有与被添加到活动体和固定片之间的连接元件的弹性常数的(假设的)弹性常数相同的效果。在实践中，也可以修改质量-弹簧-阻尼系统的固有谐振频率。

这种可能性在诸如MEMS谐振器或陀螺仪之类的微机电装置的制造中非常重要，在这些装置的制造中，固有谐振频率的值起着决定性的作用。事实上，因为能在已完成的装置上而不是在其制造期间对所述值进行校准，所以制造过程不甚关键且因此较简单。

读取和驱动电路其中包括差分放大器，其检测在固定片的电极上的电容变化并提供反馈量，典型地为电压。反馈电压产生固定片和活动体之间的静电力。

现有的读取和驱动电路的限制在于以下事实：谐振频率校准可用的动态特性相当受限。特别地，固定片的电极保持为永久地耦合到差分放大器的输入，然而差分放大器的输入必须偏置在共模电压值上(一般地，共模电压相对于可用的最大和最小的供电电压处于中间)。差分放大器的输入电压绝不能较大地偏离共模电压以防止差分放大器的饱和。因此，能够被施加到固定片的电极以修改弹性常数以及MEMS的固有谐振频率的电压也只能利用最大可用动态特性的有限部分。换言之，MEMS的谐振频率只能在小范围值内被校准。

发明内容

本发明的目的是提供用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置，该系统将没有上述缺陷。

根据本发明，提供如权利要求1所限定的用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅借助非限制性示例并参考附图来描述实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的合并了用于控制谐振频率的装置的微机电谐振器的简化框图；

图2是包含在图1系统中的微观结构(microstructure)的示意性俯视图；

图3示出了图2所示的微观结构的放大细节；

图4a和图4b是合并在图1系统中的用于控制谐振频率的装置在两种不同操作配置中的简化电路图；

图5是关于图4所示的装置的参量的图示；

图6是图4所示的用于控制谐振频率的装置的一部分的简化电路图。

具体实施方式

在以下描述中，将参考本发明在机电谐振器中的应用。然而，这绝不能认为是以任何方式限制本申请的范围，因为本发明也能有利地应用到不同类型的振荡微机电系统，例如MEMS陀螺仪，且无论如何能被应用到其中有必要控制固有振荡频率的所有微机电结构。

图1示出了微机电谐振器1，其包括微机电结构2(为简明起见，在下文中被称作微观结构2)以及与其相关并且与其连接以形成反馈环路4的读取和驱动电路3。如下文所述，微机电谐振器1具有由微观结构2的机械特性确定的固有谐振频率ω_R。读取和驱动电路3保持微观结构2以受控频率振动且与微观结构2本身一起形成用于控制微机电谐振器1的谐振频率的装置。

读取和驱动电路3包含差动级5和反馈级6。已知反馈级6本身例如是基于可变增益放大器(VGA)(典型地为压控放大器)，且其根据巴克豪森准则设置关于反馈环路4的幅度和相位的振荡条件。特别地，由受控振幅和相位的方波反馈信号S_FB来保证振荡条件。微机电谐振器1连接到控制单元7，该控制单元7提供校准信号S_CAL，用于微机电谐振器1的谐振频率的校准。

如图2和3所详细示出的，微观结构2集成在半导体芯片8中并且包括固定部分或固定片10以及活动体11。活动体11通过弹性件12被限定到固定片10上，弹性件12也由半导体材料制成且被配置成使得活动体11可以沿轴Y关于由图3中Y₀指定的平衡位置振荡。

固定片10与活动体11电容耦合。更详细地(图3)，固定片10具有相互绝缘的多个第一固定电极13a和多个第二固定电极13b，而活动体11具有多个活动电极14。第一和第二固定电极13a、13b和活动电极14都被成形为垂直于Y轴延伸的平的半导体片，且呈梳指状。更精确地，固定片10和活动体11被设置使得每个活动电极14在一侧面向相应的固定电极13a，并且在相反侧面向相应的第二固定电极13b，因此分别形成第一电容器15a和第二电容器15b。另外，第一固定电极13a并联地电连接到第一固定片端17a，且第二固定电极13b并联地连接到第二固定片端17b。活动电极14通过活动体11和弹性件12连接到公共端18，活动体11和弹性件12都由半导体材料制成。

活动体11能相对于平衡位置Y₀振荡，具有由固有谐振频率ω_R表征的运动，ω_R由下式给出：

${\mathrm{\ω}}_R=\sqrt{K_M/M}|---\left(1\right)$

其中K_M是与弹性件12相关的(机械)弹性常数，且M是活动体11的质量。

当活动体11相对于平衡位置Y₀具有位移ΔY时，且另外第一和第二固定电极13a、13b相对活动电极14被偏置相同的移位电压V_s时，每个活动电极14受到沿轴Y的两个相反静电力F_E1、F_E2(见图3)，其由以下式子给出：

$\left.\begin{array}{c}{F}_{E1}=\frac{1}{2}\frac{C_{\mathrm{NOM}}{Y}_G^2{V}_S^2}{2Y_G{(Y_G-\mathrm{\ΔY})}^2}\\ F_{E2}=-\frac{1}{2}\frac{C_{\mathrm{NOM}}{Y}_G^2{V}_S^2}{Y_G{(Y_G+\mathrm{\ΔY})}^2}\end{array}\right|---\left(2\right)$

在公式(2)中，Y_G是当活动体11处于平衡位置Y₀时，每个活动电极14和与其相邻的第一和第二固定电极13a、13b之间的距离，C_NOM是电容器15a、15b的电容，活动体11仍处于平衡位置Y₀。施加到每个活动电极14的合成静电力F_ER是：

$F_{\mathrm{ER}}=F_{E1}+F_{E2}=\frac{2C_{\mathrm{NOM}}(\mathrm{\ΔY}/Y_G)V_S^2}{Y_G{(1-{(\mathrm{\ΔY}/Y_G)}^2)}^2}---\left(3\right)$

且在小位移的假设(Y_G＜＜Δy)下：

$F_{\mathrm{ER}}=\frac{2C_{\mathrm{NOM}}(\mathrm{\ΔY}-Y_G)V_S^2}{{Y_G}^2}|---\left(4\right)$

公式(4)表明合成静电力F_ER与位移ΔY之间的正比例。合成静电力F_ER的效果与具有负弹性常数的假定弹力的效果等同。因此可以引入由下式给出的静电弹性常数K_E：

$K_E=-\frac{d{F}_{\mathrm{ER}}}{\mathrm{dY}}=-\frac{2C_{\mathrm{NOM}}{V}_S^2}{{Y_G}^2}|---\left(5\right)$

注意到在公式(5)中，静电弹性常数K_E与移位电压V_s有关。因此，当固定电极13a、13b相对于活动电极14被偏置移位电压V_s时，活动体的运动由等效的弹性常数K_EQ和转换的谐振频率ω_RS表征，两者由下式给出：

K_EQ＝K_M+K_R                   (6)

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RS}}=\sqrt{K_{\mathrm{EQ}}/M}---\left(7\right)$

在图4中，详细示出了差动级5，从电学观点看，微观结构2由第一和第二固定片端17a、17b、公共端18、第一等效电容器19a和第二等效电容器19b以及寄生电容器20表示。第一等效电容器19a连接在第一固定片端17a和公共端18之间且具有可变电容，该可变电容等于所有第一电容器15a的电容之和；同样，第二等效电容器19b连接在第二固定片端17b和公共端18之间且具有可变电容，该可变电容等于所有第二电容器15b的电容之和。而寄生电容器20代表与固定片端17a、17b以及公共端18(向地)相关的寄生电容。另外，图4a和4b示出了本地振荡器16，其产生读取和驱动信号S_SENSE以及复位信号S_RES，两者都是方波信号。读取和驱动信号S_SENSE被提供到公共端18，而复位信号S_RES用于计时(c1ock)差动级5。如图5所示，读取和驱动信号S_SENSE以及复位信号S_RES优选地具有相同的周期T和相反的逻辑值。另外，读取和驱动信号S_SENSE在高电平持续时间长于半周期(例如，周期T的2/3)，并且显而易见地，复位信号S_RES在高电平持续时间短于半周期(例如，周期T的1/3)。

差动级5包括全差分开关电容电荷放大器，其在下文中被简称为差分放大器21，且还包含DC去耦电容器23、反馈电容器25、共模电压源26以及移位电压源27，其在此被示意地表示为电源线。

差分放大器21具有两个输入28和两个输出30，且为电荷放大器配置。

通过由复位信号S_RES激励的相应第一开关31，差分放大器21的输入28有选择地可连接到共模电压源26，该共模电压源26提供共模电压V_CM。优选地，共模电压V_CM是由相应的电源线32、33提供到差分放大器21的最大供给电压V_DD和最小供给电压V_ss的平均值。

差分放大器21的输入还连接到相应DC去耦电容器23的第一端子，所述相应DC去耦电容器23具有分别连接到第一固定片端17a和第二固定片端17b的第二端子。DC去耦电容器23被测定大小以获得差分放大器21的输入28与微观结构2的固定片端17a、17b之间的DC去耦。具有非零频率的、特别是具有固有谐振频率ω_R附近频率的电信号，能替代地通过DC去耦电容器23发送。

通过由复位信号S_RES激励的相应第二开关35，DC去耦电容器23的第二端子，以及因此微观结构2的第一和第二固定片端17a、17b，被有选择地连接到移位电压源27，该移位电压源27提供与共模电压V_CM无关的可调移位电压V_s。如图6所示，移位电压源27包括提供移位电压V_s的可控电压发生器36，以及连接到控制单元7用于接收校准信号S_CAL的调节器电路37。该调节器电路37作用于可变电压发生器36以根据校准信号S_CAL控制移位电压V_S。

再次参考图4，反馈电容器25的每一个都连接在差分放大器21的相应输出30与相应DC去耦电容器23的第二端子之间。

在差分放大器21的输出30的两端上，具有与微观结构2的活动体11相对于固定片10的位移相关的输出电压V_o。

用于控制机电谐振器1的谐振频率的装置的操作设计了循环重复的两个步骤。

在复位步骤(图4a)中，第一开关31和第二开关35处于电路闭合的状态(也参见图5，其示出了复位信号S_RES的波形)。因此，差分放大器21的输入28连接到共模电压源26且为共模电压V_CM，而微观结构2的第一和第二固定片端17a、17b连接到移位电压源27并接收移位电压V_S。在复位步骤中，由于DC去耦电容器23，差分放大器21的输入28与微观结构2的固定片端17a、17b能以相互无关的电压被偏置，在此处描述的实施例中，该DC去耦电容器23用作电池，且在电压V_S-V_CM下充电。

在随后的读取步骤(图4b)中，打开第一开关31和第二开关35以将差分放大器21的输入28和微观结构2的固定片端17a、17b从电压源26、27断开。在该步骤中，DC去耦电容器23用作电池且向第一和第二固定片端17a、17b施加移位电压V_S。因此，机电谐振器1被强制以转换的谐振频率ω_RS进行振荡，该转换的谐振频率ω_RS根据公式(5)-(7)由移位电压值V_S给出且不同于固有谐振频率ω_R。明显地，能借助校准信号S_CAL通过作用于第二电压源27来对转换的谐振频率ω_RS的值进行校准。

在读取步骤中，差分放大器21读取由固定片端17a、17b提供或吸收的、以及部分由第一和第二等效电容器19a、19b的电容之间的电容不平衡引起的、部分由施加到公共端18的读取和驱动信号S_SENSE引起的电荷包ΔQ。电荷包ΔQ被差分放大器5转换，该差分放大器5产生输出电压V_o，其以转换的谐振频率ω_RS振荡。DC去耦电容器23被这样测定大小，以使得它们对输出电压V_o的影响可以忽略。

从以上描述可以看出，本发明有利地使由微机电谐振器的最小和最大供电电压实现的全部动态特性能够得到充分利用，以校准谐振频率。特别地，去除了由差分放大器的输入和微观结构的固定片端之间的连接设置的限制，因此差分放大器的所述输入和微观结构的所述固定片端可能接收独立的移位电压。因此也能在很大的范围值内校准谐振频率。另外，DC去耦电容器23能够使输出电子噪声和偏移减少。

最后，显然而易见的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，可以对在此描述的装置进行修改和变形。

特别地，本发明能够与除了谐振器之外的微机电装置(例如陀螺仪)一起使用。微观结构例如是转动类型的或具有许多平移自由度和/或旋转自由度。每个活动电极都能够被耦合到单独的固定电极，而不是设置在两个固定电极之间。移位电压能够被供应到公共端，而不是被供应到固定片端。

Claims (16)

1.一种用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置，包括：

微观结构(2)，包括第一基体(10)和第二基体(11)，所述第二基体(11)被电容性耦合到所述第一基体(10)且能够以可校准的谐振频率(ω_R)相对于其弹性振荡，其中所述第二基体(11)和所述第一基体(10)之间的相对位移(ΔY)能够从外面检测；以及

电荷放大器(21)，用于将从所述微观结构接收到的电荷或电荷包转换成电压；

所述装置的特征在于包括它设置在所述微观结构(2)和所述电荷放大器(21)之间的DC去耦元件(23)。

2.如权利要求1所述的装置，包括校准电路(27、35)，所述校准电路(27、35)耦合到所述微观结构(2)以用于在所述第一基体(10)和所述第二基体(11)之间施加静电力(F_ER)，以修改所述可校准的谐振频率(ω_R)。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述DC去耦元件(23)被设置在所述校准电路(27、35)和所述电荷放大器(21)之间。

4.如权利要求2或3所述的装置，其中所述微观结构包括设置在所述第一基体(10)和所述第二基体(11)之间的电容耦合元件(13a，13b，14)，且所述校准电路(27、35)包括移位电压源(27)，其向所述电容耦合元件(13a，13b，14)提供移位电压(V_s)以修改所述可校准的谐振频率(ω_R)。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述DC去耦元件(23)连接到所述电荷放大器(21)的输入(28)以及所述电容耦合元件(13a，13b，14)。

6.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中所述DC去耦元件(23)是电容类型的。

7.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中所述电荷放大器(21)是全差分放大器。

8.如权利要求7所述的装置，包括向所述电荷放大器(21)提供共模电压(V_CM)的共模电压源(26)。

9.如权利要求4所述的装置，包括向所述电荷放大器(21)提供共模电压(V_CM)的共模电压源(26)，其中所述电荷放大器(21)是全差分放大器，并且所述移位电压(V_s)与所述共模电压(V_CM)不相关。

10.如权利要求9所述的装置，包括第一开关(31)，用于替换地连接和断开所述电荷放大器(21)的输入(28)和所述共模电压源(26)，以及第二开关(35)，用于替换地连接和断开所述电容耦合元件(13a，13b，14)和所述移位电压源(27)。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述DC去耦元件(23)连接在所述移位电压源(27)和所述共模电压源(26)之间。

12.如权利要求1-3的任一项所述的装置，其中所述微观结构(2)包括弹性连接元件(12)，用于弹性地连接所述第一基体(10)和所述第二基体(11)，所述弹性连接元件(12)被成形以使所述第二基体(11)能够根据预定轴(Y)相对于所述第一基体(10)进行振荡。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述弹性连接元件(12)具有弹性常数(K_M)并且其中所述谐振频率(ω_R)与所述弹性常数(K_M)和所述第二基体(11)的质量(M)相关。

14.一种振荡微机电系统，包括根据权利要求1-13中任一项的用于控制谐振频率(2，3)的装置。

15.如权利要求14所述的微机电系统，包括与所述用于控制谐振频率(2，3)的装置共同操作的控制单元(7)。

16.一种用于控制微机电系统(1)的谐振频率的方法，包括以下步骤：

设置微观结构(2)的振荡，所述微观结构(2)包括第一基体(10)和第二基体(11)，所述第二基体(11)被电容性耦合到所述第一基体(10)且能够以可校准的谐振频率(ω_R)相对于其弹性振荡，其中所述第二基体(11)和所述第一基体(10)之间的相对位移(ΔY)能够从外面检测；以及

将电荷放大器(21)连接到所述微观结构(2)，该电荷放大器用于将从所述微观结构接收到的电荷或电荷包转换成电压；

所述方法的特征在于它包括将所述电荷放大器(21)从所述微观结构(2)DC去耦的步骤。

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