專利名稱：Mems傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法、使用mems的有源傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法、以及使用MEMS的有源傳感器。
背景技術(shù)：
在使用MEMS構(gòu)成諸如角速度傳感器或加速度傳感器等有源傳感器的情況下，需要以某種力驅(qū)動(dòng)振子，一般公知有利用靜電力或勞倫茲力的驅(qū)動(dòng)。此外，由于能夠通過以MEMS構(gòu)造的共振頻率振動(dòng)而以較小的力得到較大的振幅，所以大多在期望的振動(dòng)的共振頻率附近振動(dòng)。此時(shí)，一般采用從外部輸入共振頻率的結(jié)構(gòu)(例如參照非專利文獻(xiàn)1《マィクロマシニングによるジヤィロスコ一プとその集積化に関すゐ研究》，姬路工業(yè)大學(xué)，2000年博士論文，p123-124)。
但是，如果采用從外部輸入共振頻率的結(jié)構(gòu)，則不能跟隨對(duì)應(yīng)于樣本偏差或溫度變化的共振頻率的變化，所以產(chǎn)生振幅因外部環(huán)境或樣本偏差而發(fā)生較大變化的問題。
此外，MEMS常常因彈簧的彈性界限附近的驅(qū)動(dòng)或彈簧的圓弧運(yùn)動(dòng)等而在非線性區(qū)域振動(dòng)，但如果在峰值附近使用，則會(huì)因干擾等影響而產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象，從而使共振頻率與振幅發(fā)生變化，不能得到如假設(shè)那樣的增益等。為了進(jìn)行恢復(fù)，需要進(jìn)行自由振蕩(Free-Run)頻率的設(shè)定、頻率的掃描方向或掃描速度的明示等細(xì)微條件的設(shè)定，從而使驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜化。
對(duì)于上述情況進(jìn)行更為具體的說明。如圖9所示，在硬性彈簧的情況下，在掃描方向?yàn)榈皖l率→高頻率時(shí)是A→B→C→D、在掃描方向?yàn)楦哳l率→低頻率時(shí)是D→C’→B’→A的狀況下，具有由頻率的掃描方向引起的滯后作用。此外，掃描速度越慢，B點(diǎn)的峰值越向高頻率、高增益?zhèn)妊由臁Ｔ谲浶詮椈傻那闆r下，圖9所示特性左右反轉(zhuǎn)。
在此狀態(tài)下，進(jìn)行基于使用VCO(電壓控制振蕩器)的PLL(PhaseLocked Loop，鎖相環(huán))電路的峰值探測(cè)，并且，在使用作為高增益的B點(diǎn)處的共振的情況下，需要對(duì)·掃描方向的明示(硬性彈簧的情況下，低頻率→高頻率)·PLL電路的環(huán)路濾波器時(shí)間常數(shù)(掃描速度)·自由振蕩頻率(掃描開始頻率)·用于決定鎖定相位的相移量等分別進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法、以及使用MEMS的有源傳感器，即使對(duì)于對(duì)應(yīng)于溫度等外部環(huán)境變化等的共振頻率的偏差，其也能夠?qū)崿F(xiàn)使增益幾乎不變化的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。
為了達(dá)到上述目的，在本發(fā)明中采用下述驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，即，在具有設(shè)在基板表面上的支撐部、一端連接在所述支撐部上的彈性體、和以相對(duì)于所述基板的表面懸浮的狀態(tài)支撐在所述彈性體的另一端上、并可相對(duì)于所述基板位移的振子的MEMS傳感器中，檢測(cè)所述振子的振動(dòng)、并將該檢測(cè)到的信號(hào)放大而作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到所述MEMS傳感器中。該驅(qū)動(dòng)電路與MEMS傳感器一起，被用于諸如角速度傳感器或加速度傳感器等有源傳感器中。
在所述結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器或使用該MEMS傳感器的有源傳感器中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)MEMS傳感器時(shí)，檢測(cè)MEMS傳感器的振子的振動(dòng)，并將該檢測(cè)到的信號(hào)放大而作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋給MEMS傳感器，由此能夠使MEMS傳感器自激振蕩。并且，由于是自激振蕩，所以能夠跟隨過程偏差或溫度等干擾帶來的共振頻率的變化。
根據(jù)本發(fā)明，即使對(duì)于對(duì)應(yīng)于溫度等外部環(huán)境變化等的共振頻率的偏差，也能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎不使增益變化的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。


圖1是示出MEMS傳感器的基本構(gòu)造的平面圖；圖2是圖1的A-A’線剖視圖；圖3是示出本發(fā)明第一實(shí)施例的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是示出MEMS驅(qū)動(dòng)電路的各部的信號(hào)波形的波形圖；圖5是MEMS傳感器的頻率-增益特性和頻率-相位特性的一個(gè)示例的示意圖；圖6是示出以具有單片振子的MEMS傳感器為驅(qū)動(dòng)對(duì)象時(shí)的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖7是示出被用作執(zhí)行器的MEMS傳感器為驅(qū)動(dòng)對(duì)象時(shí)的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖8是示出本發(fā)明第二實(shí)施例的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖9是以往技術(shù)的課題的說明圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(MEMS傳感器)首先，利用圖1及圖2對(duì)有關(guān)本發(fā)明的作為驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)對(duì)象的MEMS傳感器的基本構(gòu)造及動(dòng)作原理進(jìn)行說明。圖1是示出MEMS傳感器的基本構(gòu)造的平面圖，圖2是圖1的A-A’線剖視圖。另外，在圖2的剖視圖中，比例尺與圖1的平面圖不一致。
如圖1及圖2所示，MEMS傳感器10并列地具備第一振子101-1和第二振子101-2。這些第一、第二振子101-1、101-2均由矩形的薄膜構(gòu)成，例如作為一個(gè)示例而由硅層形成。第一振子101-1和第二振子101-2的相對(duì)側(cè)的角部分由支撐彈性體102-5、102-6連結(jié)。
第一振子101-1在與第二振子101-2相反側(cè)的角部分上受支撐彈性體102-1、102-2的一端側(cè)支撐。支撐彈性體102-1、102-2的另一端側(cè)分別支撐固定在支撐部103-1、103-2上。此外，第二振子101-2在與第一振子101-1相反側(cè)的角部分上受支撐彈性體102-3、102-4的一端側(cè)支撐。支撐彈性體102-3、102-4的另一端側(cè)分別支撐固定在支撐部103-3、103-4上。
支撐彈性體102-1～102-4例如分別是板彈簧，例如由硅層形成為例如U字形。支撐部103-1～103-4分別經(jīng)由絕緣體122固定在第一基板100上。因而，第一振子101-1及第二振子101-2僅受支撐彈性體102-1、102-2、102-3、102-4支撐，以相對(duì)于第一基板100完全浮動(dòng)的狀態(tài)配置。
在有關(guān)本例的MEMS傳感器10中，支撐彈性體102-1～102-4的電極形成面在比第一振子101-1、第二振子101-2的上表面更靠第一基板100側(cè)較低地形成。此外，第一振子101-1、第二振子101-2的電極形成部形成于將第一振子101-1、第二振子101-2的上表面的一部分挖開而形成的挖開部111-1、111-2上。
在第一振子101-1的挖開部111-1上，經(jīng)由絕緣膜107配設(shè)有電極108-1，該電極108-1從支撐部103-1通過支撐彈性體102-1、第一振子101-1的挖開部111-1、支撐彈性體102-2到達(dá)支撐部103-2，并用來電磁驅(qū)動(dòng)第一振子101-1。
同樣，在上述第二振子101-2的挖開部111-2上，經(jīng)由絕緣膜107配設(shè)有電極108-2，該電極108-2從支撐部103-3通過支撐彈性體102-3、第二振子101-2的挖開部111-2、支撐彈性體102-4達(dá)到支撐部103-4，并用來電磁驅(qū)動(dòng)第二振子101-2。
驅(qū)動(dòng)電極108-1配置在由后述的磁性體124的磁力線與流過驅(qū)動(dòng)電極108-1的電流(電流在相對(duì)于圖面垂直的方向上流動(dòng))產(chǎn)生的力(勞倫茲力)的方向與由第一振子101-1及驅(qū)動(dòng)電極108-1構(gòu)成的振子系統(tǒng)的重心相一致的位置上。
同樣，上述驅(qū)動(dòng)電極108-2配置在由磁性體124的磁力線與流過驅(qū)動(dòng)電極108-2的電流(電流在相對(duì)于圖面垂直的方向上流動(dòng))產(chǎn)生的力(勞倫茲力)的方向與由第二振子101-2及驅(qū)動(dòng)電極108-2構(gòu)成的振子系統(tǒng)的重心相一致的位置上。
此外，在第一、第二振子101-1、101-2上設(shè)有多個(gè)用于緩和空氣阻力(dumping)的貫通孔104。該貫通孔104起到減輕與設(shè)在第一、第二振子101-1、101-2的上方的第二基板200的狹窄間隙帶來的擠壓效果的作用。因而，為取得第一、第二振子101-1、101-2的平衡而優(yōu)選均勻分布來形成。下面說明該第二基板200。
在第一基板100上，經(jīng)由框架部121而形成第二基板200。該第二基板200例如由玻璃基板構(gòu)成。此外，在第二基板200的與第一基板100相對(duì)的面中與第一振子101-1、第二振子101-2相對(duì)的位置上，形成有相對(duì)電極(檢測(cè)電極)210-1、210-2。
此外，在第一基板100的下方配置有用來進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)的磁鐵124。通過該磁鐵124電磁驅(qū)動(dòng)第一振子101-1、第二振子101-2等振子系統(tǒng)。關(guān)于該磁鐵124，例如可以采用將第一基板100挖開而在其內(nèi)部中設(shè)置磁鐵124、或設(shè)置在第二基板200的上部、或者設(shè)置在第一基板100和第二基板200兩者上的結(jié)構(gòu)，雖然在任一種情況下都有輸出上的差異，但作為動(dòng)作可得到相同的結(jié)果。
下面，以將該MEMS傳感器10用作角速度傳感器的情況為例，對(duì)上述結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器10的動(dòng)作原理進(jìn)行說明。
在上述結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器10中，在電極108-1中流過具有某個(gè)周期的電流。例如，假設(shè)在某個(gè)時(shí)刻，電流I1流經(jīng)電極108-1。此時(shí)，相位偏離了180°的電流I2流到電極108-2。由于電流I1、I2具有周期性，因此，在其它時(shí)刻也有流動(dòng)方向相反的情況。如果電流流到電極108-1、108-2，則在設(shè)于第一基板100的下部的磁鐵124的磁場(chǎng)的作用下，在X方向上產(chǎn)生勞倫茲力FL。
勞倫茲力FL由下述的(1)式表示，在垂直于布線的方向上感應(yīng)出該力。
FL＝IBL……(1)這里，I是流到作為驅(qū)動(dòng)電極的電極108-1、108-2的電流，B是磁通密度，L是電極108-1、108-2的長度。
勞倫茲力FL具有與所施加的流動(dòng)電流I1、I2相同的周期性，且該勞倫茲力FL被施加到第一、第二振子101-1、101-2上。第一振子101-1以與支撐彈性體102-1及支撐彈性體102-2連接的支撐部103-1及支撐部103-2為固定點(diǎn)，重復(fù)振幅運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)第二振子101-2以與支撐彈性體102-3及支撐彈性體102-4連接的支撐部103-3及支撐部103-4為固定點(diǎn)，在具有相位偏差(例如180°的相位偏差)的同時(shí)重復(fù)振幅運(yùn)動(dòng)。
此時(shí)，如果從外部繞Y軸賦予角速度Ω，則在與振動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生科里奧利力FC。該科里奧利力FC由下述的(2)式表示。
FC＝2mvΩ ……(2)這里，m是振子的質(zhì)量，v是驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)速度，Ω是從外部賦予的角速度。
為了增大由科里奧利力FC產(chǎn)生的位移，需要取較大的質(zhì)量m、驅(qū)動(dòng)位移Xm(Xm是驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)速度v的對(duì)應(yīng)參數(shù))。在電磁驅(qū)動(dòng)的情況下，由于不通過靜電驅(qū)動(dòng)所需的梳齒電極來限制位移，所以能夠取較大的位移。
如果發(fā)生了科里奧利力FC，則第一、第二振子101-1、101-2在Z軸方向上振動(dòng)。此時(shí)，在設(shè)置于第二基板200側(cè)的檢測(cè)電極210-1與第一振子101-1以及檢測(cè)電極210-2與第二振子101-2之間出現(xiàn)電容的變化。這里，通過控制上述的電壓施加的頻率，一個(gè)振子向接近第二基板200的方向活動(dòng)，另一個(gè)振子向遠(yuǎn)離第二基板200的方向活動(dòng)。通過檢測(cè)其電容差，計(jì)算所施加的角速度。
在施加了角速度Ω時(shí)，在檢測(cè)電極210-1與第一振子101-1以及檢測(cè)電極210-2與第二振子101-2產(chǎn)生的電容變化量不同，但當(dāng)施加平移加速度時(shí)，產(chǎn)生的電容變化量相同，所以，即使取差量也不產(chǎn)生電容差。由此能夠去除在施加角速度時(shí)產(chǎn)生的加速度成分。
此外，在產(chǎn)生勞倫茲力FL時(shí)，在形成于第二振子101-2上的電極108-2中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有與勞倫茲力FL相同的周期而產(chǎn)生。在讀取電容變化時(shí)，在檢測(cè)電極210-1、210-2與第一、第二振子101-1、101-2之間加入載波，通過放大因電容變化而產(chǎn)生的電流來提取實(shí)際的信號(hào)。通過同步檢波來去除載波，即使對(duì)于驅(qū)動(dòng)波，也可以通過以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的周期成分進(jìn)行檢波來提取與角速度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)。
(驅(qū)動(dòng)裝置)下面，對(duì)驅(qū)動(dòng)上述結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)裝置、即有關(guān)本發(fā)明的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行說明。
(第一實(shí)施例)圖3是示出本發(fā)明第一實(shí)施例的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置(以下記作“MEMS驅(qū)動(dòng)裝置”)的結(jié)構(gòu)框圖。
如圖3所示，本第一實(shí)施例的MEMS驅(qū)動(dòng)裝置具有檢測(cè)(監(jiān)視)MEMS傳感器10的振子(相當(dāng)于圖1、圖2的第一、第二振子101-1、101-2)的振動(dòng)的檢測(cè)部20；以及將該檢測(cè)部20檢測(cè)到的信號(hào)放大，并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)將其輸入到MEMS傳感器10中的反饋電路30。
檢測(cè)部20如上述那樣電磁檢測(cè)(監(jiān)視)MEMS傳感器10的振子的振動(dòng)。但是，作為檢測(cè)部20的檢測(cè)原理并不限于電磁檢測(cè)，也可以使用靜電檢測(cè)或壓電檢測(cè)等，只要能夠檢測(cè)MEMS傳感器10的振子的振動(dòng)即可，對(duì)其檢測(cè)原理沒有限制。
反饋電路30具有放大器31、噪聲去除電路32、相位調(diào)節(jié)器33以及振幅調(diào)節(jié)器34。由檢測(cè)部20檢測(cè)出的信號(hào)經(jīng)由截留(current cut)用電容器35輸入到該反饋電路30中。通過經(jīng)過截留電容器35，將包含在檢測(cè)部20的監(jiān)視信號(hào)中的直流噪聲成分去除。
在反饋電路30中，放大器31例如包括一端與電容器35連接的電阻R11；一個(gè)輸入端與該電阻R11的另一端連接的運(yùn)算放大器OP11；以及連接在該運(yùn)算放大器OP11的一個(gè)輸入端與輸出端之間的電阻R11。并且，放大器31具有相當(dāng)于在MEMS傳感器10中進(jìn)行兩次機(jī)電轉(zhuǎn)換的增益，并起到提升由檢測(cè)部20檢測(cè)到的信號(hào)的電平的作用。
噪聲去除電路32例如包括一端與放大器31的輸出端(運(yùn)算放大器OP11的輸出端)連接的電阻R21；一端與該電阻R21的另一端連接的電容器C21；一個(gè)輸入端與該電容器C21的另一端連接的運(yùn)算放大器OP21；連接在該運(yùn)算放大器OP21的一個(gè)輸入端與輸出端之間的電阻R22；以及連接在電阻R21的另一端和運(yùn)算放大器OP21的輸出端之間的電容器C22。
該噪聲去除電路32例如是將MEMS傳感器10的期望模式的共振頻率附近、例如Ω值＝1、共振頻率±20％作為通過頻帶的帶通濾波器(BPF)，限制放大器31的輸出信號(hào)的通過頻帶，并去除包含在信號(hào)中的噪聲，由此來提高SN比，防止以進(jìn)入噪聲等不需要的頻率進(jìn)行振蕩。
相位調(diào)節(jié)器33使噪聲去除電路32的輸出信號(hào)的相位與對(duì)應(yīng)于MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)側(cè)和監(jiān)視(檢測(cè))側(cè)的期望的動(dòng)作模式的相位相一致。所述噪聲去除電路32包含當(dāng)放大器31的輸出信號(hào)通過噪聲去除電路32時(shí)反轉(zhuǎn)的相位成分。
振幅調(diào)節(jié)器34是電流反饋系統(tǒng)的振幅調(diào)節(jié)器，通過用電阻或AGC(Automatic Gain Control，自動(dòng)增益控制)等進(jìn)行電流限制，對(duì)相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)進(jìn)行正弦波的振幅調(diào)節(jié)。振幅調(diào)節(jié)器34的輸出信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)被輸入到MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)側(cè)。
在上述結(jié)構(gòu)的MEMS驅(qū)動(dòng)電路中，如果投入了該驅(qū)動(dòng)電路的電源，則放大白噪聲(包含在單位頻帶(1Hz)中的成分是強(qiáng)度與頻率無關(guān)的固定噪聲)、并作為其驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋給MEMS傳感器10，由此在該MEMS傳感器10中以期望的共振頻率開始自激振蕩。
圖4中分別示出各部(A)～(E)的信號(hào)波形，即放大器31的輸入信號(hào)(A)的波形；放大器31的輸出信號(hào)的波形，即噪聲去除電路32的輸入信號(hào)(B)的波形；噪聲去除電路32的輸出信號(hào)的波形，即相位調(diào)節(jié)器33的輸入信號(hào)(C)的波形；相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)的波形，即振幅調(diào)節(jié)器34的輸入信號(hào)(D)的波形；以及振幅調(diào)節(jié)器34的輸出信號(hào)的波形，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)(E)的波形。
由圖4的波形圖可知，由檢測(cè)部20檢測(cè)出的信號(hào)、即放大器31的輸入信號(hào)(A)的電平較弱，該微弱電平的信號(hào)(A)被放大器31放大。此時(shí)，由放大器31的輸入信號(hào)(B)的波形可知，不僅信號(hào)(S)的水平被放大，噪聲(N)的水平也被放大。
包含該噪聲的放大器31的輸出信號(hào)(B)通過經(jīng)過構(gòu)成噪聲去除電路32的帶通濾波器來去除噪聲，并作為SN比較好的信號(hào)(C)被輸出。此時(shí)，通過經(jīng)過噪聲去除電路32，該輸出信號(hào)(C)相對(duì)于輸入信號(hào)(B)相位有一些偏離(反轉(zhuǎn))。
對(duì)于包含當(dāng)放大器31的輸出信號(hào)(B)通過噪聲去除電路32時(shí)反轉(zhuǎn)了的相位成分的噪聲去除電路32的輸出信號(hào)(C)的相位，通過相位調(diào)節(jié)器33中的相位調(diào)節(jié)，進(jìn)行與對(duì)應(yīng)于MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)側(cè)和監(jiān)視(檢測(cè))側(cè)所期望的動(dòng)作模式的相位相一致的處理。相位調(diào)節(jié)后的信號(hào)(D)由振幅調(diào)節(jié)器34進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)。接著，振幅調(diào)節(jié)后的信號(hào)(D)作為MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被反饋給其驅(qū)動(dòng)側(cè)。
這里，圖5中示出MEMS傳感器10的特性的一個(gè)示例。圖5分別示出MEMS傳感器10的頻率-增益特性(A)以及頻率-相位特性(B)。這里，舉在2個(gè)頻率f1、f2具有峰值增益的MEMS傳感器10的情況為例。
在使用這種MEMS傳感器10的情況下，在相位調(diào)節(jié)器33進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，使相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)(D)的相位相對(duì)于放大器31的輸入信號(hào)(A)的相位前進(jìn)例如180°、或者延遲180°，由此，MEMS傳感器10的振子振蕩，在以圖5的頻率f2為共振頻率的動(dòng)作模式下，MEMS傳感器10進(jìn)行自激振蕩。
當(dāng)然，也可以是在相位調(diào)節(jié)器33進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，以使相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)(D)的相位與放大器31的輸入信號(hào)(A)的相位相等(0°)，由此，MEMS傳感器10的振子振蕩，在以圖5的頻率f1為共振頻率的動(dòng)作模式下，MEMS傳感器10進(jìn)行自激振蕩。
如上所述，由于在驅(qū)動(dòng)MEMS傳感器10時(shí)，能夠檢測(cè)MEMS傳感器10的振子的振動(dòng)，將該檢測(cè)出的信號(hào)放大并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋給MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)側(cè)，由此來使MEMS傳感器10進(jìn)行自激振蕩，所以，對(duì)于對(duì)應(yīng)于過程偏差或溫度等外部環(huán)境變化等的共振頻率的偏移，也能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎不使增益變化的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。
特別是，由于采用了下述結(jié)構(gòu)，即通過包含在使用了反饋電路30的反饋環(huán)中的相位調(diào)節(jié)器33的相位調(diào)節(jié)，根據(jù)相位信息鎖定MEMS傳感器10的共振頻率的結(jié)構(gòu)，所以能夠跟隨過程偏差或溫度等干擾所帶來的共振頻率的變化，即使是Q值在一定程度上較高的系統(tǒng)中，也能夠?qū)⒎逯灯扑鶐淼脑鲆娴淖儎?dòng)抑制在最小限度內(nèi)。并且，在具有多個(gè)峰值增益的MEMS傳感器的情況下，可以通過相位調(diào)節(jié)器33的相位調(diào)節(jié)任意地設(shè)定所期望的共振頻率的動(dòng)作模式。
此外，即使在彈簧的彈性界限附近的驅(qū)動(dòng)、或者因彈簧的圓弧運(yùn)動(dòng)等而在非線性區(qū)域中振動(dòng)的非線性驅(qū)動(dòng)中，也會(huì)根據(jù)相位信息來鎖定MEMS傳感器10的共振頻率，所以，能夠在不受跳躍現(xiàn)象等的影響下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。此外，通過由振幅調(diào)節(jié)器34適當(dāng)調(diào)節(jié)MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振幅，能夠?qū)?yīng)MEMS傳感器10的各種機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)。進(jìn)而，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定驅(qū)動(dòng)側(cè)與監(jiān)視側(cè)(檢測(cè)側(cè))的各信號(hào)的相位差，能夠進(jìn)行期望的驅(qū)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)。
在上述第一實(shí)施例中，將帶通濾波器用作了噪聲去除電路32，但并不需要一定是帶通濾波器，也可以是單獨(dú)的低通濾波器、高通濾波器，或者是低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器的組合。
此外，如果預(yù)先知道作為噪聲的頻率，則也可以使用陷波濾波器來去除特定的頻率成分。進(jìn)而，并不需要一定使用濾波器來作為噪聲去除電路32，也可以采用下述結(jié)構(gòu)，即，制作與噪聲反相位的信號(hào)，在取阻抗匹配后混入到噪聲中，并通過相互抵消來去除噪聲的結(jié)構(gòu)。
此外，在上述第一實(shí)施例中，通常也可以使用增益1的全通濾波器來構(gòu)成相位調(diào)節(jié)器33。但是，當(dāng)因過程偏差等不能抑制濾波器的相位反轉(zhuǎn)時(shí)，也可以采用下述結(jié)構(gòu)，即，比較輸入到噪聲去除電路32中之前的信號(hào)與振幅調(diào)節(jié)器34的輸出信號(hào)的相位，乘以反饋以使該相位反轉(zhuǎn)，由此使相位差固定的結(jié)構(gòu)。
此外，在上述第一實(shí)施例中，在振幅調(diào)節(jié)器34中，使用AGC進(jìn)行正弦波的振幅調(diào)節(jié)，但并不限于此。例如，也可以使用比較器或施密特電路(Schmitt circuit) (通過比較器和正反饋而具有電壓滯后作用的電路)等，使相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)成為方波后再進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)。
如果在方波的振幅調(diào)節(jié)中使用傅立葉級(jí)數(shù)展開，則成為F、3F、5F、……(F是共振頻率)的疊加。如果參照?qǐng)D4所示的共振波形，則三倍波以后的增益與一倍波相比小到可以忽視，所以可得到與正弦波的振幅調(diào)節(jié)的情況沒有變化的響應(yīng)。如果使正弦波與方波的振幅相同，則方波的輸入能量為正弦波的輸入能量的4/π倍，所以需要改變AGC的系數(shù)或進(jìn)行振幅的調(diào)節(jié)。
(變形例)另外，在上述第一實(shí)施例中，以下述情況為例進(jìn)行了說明，即，將其結(jié)構(gòu)為用支撐彈性體102-5、102-6來弱耦合多個(gè)振子、例如2個(gè)振子101-1、101-2的MEMS傳感器作為驅(qū)動(dòng)對(duì)象的情況，但作為驅(qū)動(dòng)對(duì)象并不限于此。例如，如圖6所示，即使是具有單片振子的MEMS傳感器，也可以通過將驅(qū)動(dòng)側(cè)與監(jiān)視側(cè)的相位差比第一實(shí)施例的情況偏移180°而進(jìn)行自激振蕩。在此情況下，由于對(duì)應(yīng)于一軸平移的驅(qū)動(dòng)模式只有一個(gè)，所以不能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)模式的選擇。
此外，如圖7所示，在用作光開關(guān)或開閉器等的執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)單元的情況下，也可以設(shè)置檢測(cè)(監(jiān)視)該MEMS傳感器的振子的振動(dòng)的檢測(cè)部來將由該檢測(cè)部檢測(cè)到的信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過包含有例如放大器31、噪聲去除電路32以及相位調(diào)節(jié)器33的反饋電路30’而輸入到MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)側(cè)，并由此來進(jìn)行基于自激振蕩的振蕩驅(qū)動(dòng)。
(第二實(shí)施例)圖8是示出本發(fā)明第二實(shí)施例的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框圖，圖中，對(duì)于與圖3相同的部分標(biāo)以相同的標(biāo)號(hào)來表示。
如圖8所示，在本第二實(shí)施例的MEMS驅(qū)動(dòng)裝置中，除了使用第一實(shí)施例的MEMS驅(qū)動(dòng)裝置的反饋電路30的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之外，還具備使用了PLL電路40的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這里，反饋電路30用于在MEMS傳感器10處于上升沿時(shí)，使該MEMS傳感器10成為自激振蕩的狀態(tài)。
眾所周知，PLL電路40具有VCO(voltage controlled oscillator，電壓控制振蕩器)、相位比較器及環(huán)路濾波器等，在通過反饋電路30的驅(qū)動(dòng)而使MEMS傳感器10處于自激振蕩的狀態(tài)下，基于檢測(cè)部20檢測(cè)出的信號(hào)開始動(dòng)作。
具體而言，PLL電路40將MEMS傳感器10處于自激振蕩狀態(tài)時(shí)的例如相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)作為輸入而開始動(dòng)作，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于MEMS傳感器10的共振頻率的頻率的方波信號(hào)。另外，作為在MEMS傳感器10處于自激振蕩狀態(tài)時(shí)對(duì)PLL電路40的輸入信號(hào)，也可以是噪聲去除電路32的輸出信號(hào)等，而并不限于相位調(diào)節(jié)器33的輸出信號(hào)。
當(dāng)PLL電路40鎖定時(shí)，由鎖定檢測(cè)電路41檢測(cè)該情況。另一方面，在MEMS傳感器10的驅(qū)動(dòng)側(cè)的輸入部中設(shè)有切換開關(guān)42。切換開關(guān)42將反饋電路30的輸出信號(hào)和PLL電路40的輸出信號(hào)作為兩個(gè)輸入，在PLL電路40鎖定之前處于選擇反饋電路30的輸出信號(hào)的狀態(tài)，在鎖定檢測(cè)電路41檢測(cè)到PLL電路40的鎖定時(shí)，響應(yīng)該檢測(cè)輸出而選擇PLL電路40的輸出信號(hào)，并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到MEMS傳感器10中。
這樣，在驅(qū)動(dòng)MEMS傳感器10時(shí)，首先通過反饋電路30的驅(qū)動(dòng)使MEMS傳感器10自激振蕩，在該狀態(tài)下將檢測(cè)部20檢測(cè)到的信號(hào)輸入到PLL電路40中，使該P(yáng)LL電路40鎖定，同時(shí)從反饋電路30的驅(qū)動(dòng)切換為PLL電路40的驅(qū)動(dòng)(方波驅(qū)動(dòng))，由此，除了反饋電路30的驅(qū)動(dòng)帶來的第一實(shí)施例的作用效果以外，還能夠通過PLL電路40的時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)而將沒有完全被噪聲去除電路32去除的噪聲成分及跳動(dòng)成分去除，所以能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲較少的共振驅(qū)動(dòng)。
(應(yīng)用例)包括前述結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器10的MEMS傳感器例如可以用于角速度傳感器、角度傳感器或角加速度傳感器；或者加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器或加加速度傳感器等的有源傳感器中，更具體地講，可以用于利用科里奧利力測(cè)量位移的陀螺儀等的參照振動(dòng)所需要的傳感器、或利用參照振動(dòng)和載子來實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高的傳感器中。并且，在這些有源傳感器中，上述第一、第二實(shí)施例的MEM驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選與MEMS傳感器一起作為其驅(qū)動(dòng)裝置使用。
權(quán)利要求
1.一種MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置，其具有設(shè)在基板表面上的支撐部；一端連接在所述支撐部上的彈性體；以及振子，其以相對(duì)于所述基板的表面懸浮的狀態(tài)支撐在所述彈性體的另一端上，并可相對(duì)于所述基板位移；所述MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置的特征在于，具備檢測(cè)單元，檢測(cè)所述振子的振動(dòng)；反饋單元，將所述檢測(cè)單元檢測(cè)到的信號(hào)放大，并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到所述MEMS傳感器中。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述反饋單元具有噪聲去除單元，將包含在放大后的信號(hào)中的噪聲成分去除；和相位調(diào)節(jié)單元，對(duì)經(jīng)過了所述噪聲去除單元的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述反饋單元具有對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)的振幅調(diào)節(jié)單元。
4.如權(quán)利要求1所述的MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，具備PLL電路，其在通過所述反饋單元的驅(qū)動(dòng)而使所述MEMS傳感器處于自激振蕩的狀態(tài)下，基于所述檢測(cè)單元檢測(cè)到的信號(hào)開始動(dòng)作，當(dāng)所述PLL電路鎖定時(shí)，將所述MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)從所述反饋單元的驅(qū)動(dòng)切換成所述PLL電路的驅(qū)動(dòng)。
5.一種MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)方法，該MEMS傳感器具有設(shè)在基板表面上的支撐部；一端連接在所述支撐部上的彈性體；和振子，其以相對(duì)于所述基板的表面懸浮的狀態(tài)支撐在所述彈性體的另一端上，并可相對(duì)于所述基板位移，所述MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)方法的特征在于，檢測(cè)所述振子的振動(dòng)，將該檢測(cè)到的信號(hào)放大，并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到所述MEMS傳感器中。
6.一種有源傳感器，其特征在于，具備MEMS傳感器，其具有設(shè)在基板表面上的支撐部；一端連接在所述支撐部上的彈性體；和振子，其以相對(duì)于所述基板的表面懸浮的狀態(tài)支撐在所述彈性體的另一端上，并可相對(duì)于所述基板位移；驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)所述振子的振動(dòng)，將該檢測(cè)到的信號(hào)放大，并作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到所述MEMS傳感器中。
全文摘要
如果采用從外部輸入共振頻率的結(jié)構(gòu)，則不能跟隨對(duì)應(yīng)于樣本偏差或溫度變化的共振頻率的變化，因此，振幅會(huì)因外部環(huán)境或樣本偏差而較大的變化。本發(fā)明提供一種MEMS傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法、以及使用MEMS的有源傳感器。在驅(qū)動(dòng)MEMS傳感器(10)時(shí)，通過檢測(cè)部(20)檢測(cè)MEMS傳感器(10)的振子的振動(dòng)，由反饋電路(30)放大該檢測(cè)部(20)檢測(cè)到的信號(hào)，并將其作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋給MEMS傳感器(10)，由此使MEMS傳感器(10)自激振蕩。
文檔編號(hào)G01P15/08GK1951798SQ20061015067
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者松久和弘, 福元康司, 長田昌也, 安井淳人 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社