專利名稱：用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的諧振頻率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的諧振頻率的裝置。
背景技術(shù)：
已知各種類型的振蕩微機電系統(tǒng)(MEMS)，包括微機電結(jié)構(gòu)以及與 其相關(guān)的讀取和驅(qū)動電路。根據(jù)質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，所述微機電結(jié)構(gòu) 包括固定體或固定片以及通過彈性連接元件限制到該固定片的活動體。特 別地，連接元件被配置成使得活動體能夠相對于平衡位置以預定自由度有 選擇地進行小振蕩?；顒芋w相對固定片的振蕩運動的特征在于固有諧振頻 率，該固有諧振頻率取決于連接元件的彈性常數(shù)和活動體本身的質(zhì)量。
另外，借助于多個相應(yīng)的梳指(comb-fingered)電極，活動體與固定 片電容耦合。活動體關(guān)于固定片的相對位置決定電極之間的總耦合電容。 因此，能夠通過讀取和驅(qū)動電路測量電極之間的總耦合電容以得到活動體
關(guān)于固定片的相對位置，且因此得到作用于活動體本身的力。反之亦然， 讀取和驅(qū)動電路能通過適當?shù)仄秒姌O在固定片和活動體之間施加受控
的靜電力。
恒定靜電力的施加確定活動體關(guān)于平衡位置的非零平均位移且具有 與被添加到活動體和固定片之間的連接元件的彈性常數(shù)的(假設(shè)的)彈性 常數(shù)相同的效果。在實踐中，也可以修改質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的固有諧
振頻率。
這種可能性在諸如MEMS諧振器或陀螺儀之類的微機電裝置的制造 中非常重要，在這些裝置的制造中，固有諧振頻率的值起著決定性的作 用。事實上，因為能在已完成的裝置上而不是在其制造期間對所述值進行 校準，所以制造過程不甚關(guān)鍵且因此較簡單。
讀取和驅(qū)動電路其中包括差分放大器，其檢測在固定片的電極上的電 容變化并提供反饋量，典型地為電壓。反饋電壓產(chǎn)生固定片和活動體之間 的靜電力。
現(xiàn)有的讀取和驅(qū)動電路的限制在于以下事實諧振頻率校準可用的動 態(tài)特性相當受限。特別地，固定片的電極保持為永久地耦合到差分放大器
的輸入，然而差分放大器的輸入必須偏置在共;f莫電壓值上(一般地，共才莫 電壓相對于可用的最大和最小的供電電壓處于中間)。差分放大器的輸入 電壓絕不能較大地偏離共模電壓以防止差分放大器的飽和。因此，能夠被
施加到固定片的電極以修改彈性常數(shù)以及MEMS的固有諧振頻率的電壓 也只能利用最大可用動態(tài)特性的有限部分。換言之，MEMS的諧振頻率只 能在小范圍值內(nèi)被校準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的諧振頻率的裝置，該 系統(tǒng)將沒有上述缺陷。
根據(jù)本發(fā)明，提供如權(quán)利要求1所限定的用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的 諧振頻率的裝置。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在僅借助非限制性示例并參考附圖來描述 實施例，在附圖中
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的合并了用于控制諧振頻率的裝置的微機電諧振 器的簡化框圖2是包含在圖1系統(tǒng)中的微觀結(jié)構(gòu)(microstructure )的示意性俯視
圖3示出了圖2所示的微觀結(jié)構(gòu)的放大細節(jié)；
圖4a和圖4b是合并在圖1系統(tǒng)中的用于控制諧振頻率的裝置在兩種 不同操作配置中的簡化電路圖5是關(guān)于圖4所示的裝置的參量的圖示；
圖6是圖4所示的用于控制諧振頻率的裝置的一部分的簡化電路圖。
具體實施例方式
在以下描述中，將參考本發(fā)明在機電諧振器中的應(yīng)用。然而，這絕不 能認為是以任何方式限制本申請的范圍，因為本發(fā)明也能有利地應(yīng)用到不 同類型的振蕩微機電系統(tǒng)，例如MEMS陀螺儀，且無論如何能被應(yīng)用到 其中有必要控制固有振蕩頻率的所有微機電結(jié)構(gòu)。
圖1示出了微機電諧振器1，其包括微機電結(jié)構(gòu)2 (為簡明起見，在 下文中被稱作微觀結(jié)構(gòu)2)以及與其相關(guān)并且與其連接以形成反饋環(huán)路4 的讀取和驅(qū)動電路3。如下文所述，微機電諧振器1具有由微觀結(jié)構(gòu)2的 機械特性確定的固有諧振頻率(or。讀取和驅(qū)動電路3保持微觀結(jié)構(gòu)2以 受控頻率振動且與微觀結(jié)構(gòu)2本身一起形成用于控制微機電諧振器1的諧 振頻率的裝置。
讀取和驅(qū)動電路3包含差動級5和反饋級6。已知反饋級6本身例如 是基于可變增益放大器(VGA)(典型地為壓控放大器)，且其根據(jù)巴克 豪森準則設(shè)置關(guān)于反饋環(huán)路4的幅度和相位的振蕩條件。特別地，由受控 振幅和相位的方波反饋信號Sra來保證振蕩條件。微機電諧振器1連接到 控制單元7，該控制單元7提供校準信號SCAL，用于微機電諧振器1的諧 振頻率的校準。
如圖2和3所詳細示出的，微觀結(jié)構(gòu)2集成在半導體芯片8中并且包 括固定部分或固定片lO以及活動體ll。活動體11通過彈性件12被限定 到固定片10上，彈性件12也由半導體材料制成且被配置成使得活動體11 可以沿軸Y關(guān)于由圖3中Yo指定的平衡位置振蕩。
固定片lO與活動體ll電容耦合。更詳細地(圖3),固定片10具有 相互絕緣的多個第一固定電極13a和多個第二固定電極13b，而活動體11 具有多個活動電極14。第一和第二固定電極13a 、 13b和活動電極14都 被成形為垂直于Y軸延伸的平的半導體片，且呈梳指狀。更精確地，固定 片10和活動體11 一皮設(shè)置使得每個活動電極14在一側(cè)面向相應(yīng)的固定電 極13a,并且在相反側(cè)面向相應(yīng)的第二固定電極13b，因此分別形成第一 電容器15a和第二電容器15b。另外，第一固定電極13a并聯(lián)地電連接到 第一固定片端17a，且第二固定電極13b并聯(lián)地連接到第二固定片端17b。 活動電極14通過活動體11和彈性件12連接到公共端18，活動體11和彈 性件12都由半導體材料制成。
活動體11能相對于平衡位置Y。振蕩，具有由固有諧振頻率o)r表征 的運動，Wr由下式給出
其中Km是與彈性件12相關(guān)的(機械)彈性常數(shù)，且M是活動體ll
的質(zhì)量。
當活動體11相對于平衡位置Yo具有位移AY時，且另外笫一和第二 固定電極13a、 13b相對活動電極14被偏置相同的移位電壓Vs時，每個
活動電極14受到沿軸Y的兩個相反靜電力Fm、 fe2(見圖3)，其由以下 式子給出
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
在公式(2)中，YG是當活動體11處于平衡位置Yo時，每個活動電 極14和與其相鄰的第一和第二固定電極13a、 13b之間的距離，C恥m是電 容器15a、 15b的電容，活動體11仍處于平衡位置YQ。施加到每個活動電 極14的合成靜電力F肌是
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3)
且在小位移的假設(shè)(YG AY)下:<formula>formula see original document page 7</formula>公式(4)表明合成靜電力fer與位移ay之間的正比例。合成靜電力 fer的效果與具有負彈性常數(shù)的假定彈力的效果等同。因此可以引入由下 式給出的靜電彈性常數(shù)KE:
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
注意到在公式(5)中，靜電彈性常數(shù)KE與移位電壓Vs有關(guān)。因此， 當固定電極13a、 13b相對于活動電極14 一皮偏置移位電壓Vs時，活動體 的運動由等效的彈性常數(shù)Keq和轉(zhuǎn)換的諧振頻率ooRS表征，兩者由下式給 出<formula>formula see original document page 7</formula>
和第二固定片端17a、 17b、公共端18、第一等效電容器19a和第二等效電 容器19b以及寄生電容器20表示。第一等效電容器19a連接在第一固定 片端17a和/:共端18之間且具有可變電容，該可變電容等于所有第一電 容器15a的電容之和；同樣，第二等效電容器19b連接在第二固定片端17b 和公共端18之間且具有可變電容，該可變電容等于所有第二電容器15b 的電容之和。而寄生電容器20代表與固定片端17a、 17b以及/>共端18 (向地)相關(guān)的寄生電容。另外，圖4a和4b示出了本地振蕩器16，其產(chǎn)
生讀取和驅(qū)動信號S犯nse以及復位信號Sres，兩者都是方波信號。讀取和 驅(qū)動信號Ssense被提供到公共端18,而復位信號SRES用于計時(cl0Ck) 差動級5。如圖5所示，讀取和驅(qū)動信號SsENSE以及復位信號SRES優(yōu)選地 具有相同的周期T和相反的邏輯值。另外，讀取和驅(qū)動信號SsENSE在高電
平持續(xù)時間長于半周期(例如，周期T的2/3),并且顯而易見地，復位 信號SREs在高電平持續(xù)時間短于半周期(例如，周期T的1/3)。
差動級5包括全差分開關(guān)電容電荷放大器，其在下文中被簡稱為差分 放大器21，且還包含DC去耦電容器23、反饋電容器25、共模電壓源26 以及移位電壓源27，其在此一皮示意地表示為電源線。
差分》t大器21具有兩個輸入28和兩個輸出30,且為電荷;改大器配置。
通過由復位信號SREs激勵的相應(yīng)第一開關(guān)31，差分放大器21的輸入 28有選擇地可連接到共模電壓源26，該共模電壓源26提供共模電壓Vcm。 優(yōu)選地，共模電壓VcM是由相應(yīng)的電源線32、 33提供到差分放大器21的
最大供給電壓VDD和最小供給電壓Vss的平均值。
差分放大器21的輸入還連接到相應(yīng)DC去耦電容器23的第一端子， 所述相應(yīng)DC去耦電容器23具有分別連接到第一固定片端17a和第二固定 片端17b的第二端子。DC去耦電容器23 ^L測定大小以獲得差分放大器21 的輸入28與微觀結(jié)構(gòu)2的固定片端17a、 17b之間的DC去耦。具有非零 頻率的、特別是具有固有諧振頻率odr附近頻率的電信號，能替代地通過 DC去耦電容器23發(fā)送。
通過由復位信號S肌s激勵的相應(yīng)第二開關(guān)35， DC去耦電容器23的 第二端子，以及因此微觀結(jié)構(gòu)2的第一和第二固定片端17a、 17b,被有選 擇地連接到移位電壓源27,該移位電壓源27提供與共才莫電壓VcM無關(guān)的 可調(diào)移位電壓Vs。如圖6所示，移位電壓源27包括提供移位電壓Vs的可 控電壓發(fā)生器36，以及連接到控制單元7用于接收校準信號SCAL的調(diào)節(jié) 器電路37。該調(diào)節(jié)器電路37作用于可變電壓發(fā)生器36以根據(jù)校準信號
ScAL控制移位電壓VS。
再次參考圖4，反饋電容器25的每一個都連接在差分放大器21的相 應(yīng)輸出30與相應(yīng)DC去耦電容器23的第二端子之間。
在差分放大器21的輸出30的兩端上，具有與微觀結(jié)構(gòu)2的活動體11 相對于固定片10的位移相關(guān)的輸出電壓V。。
用于控制機電諧振器1的諧振頻率的裝置的操作設(shè)計了循環(huán)重復的兩 個步驟。
在復位步驟(圖4a)中，第一開關(guān)31和第二開關(guān)35處于電路閉合的 狀態(tài)(也參見圖5，其示出了復位信號Sres的波形)。因此，差分放大器 21的輸入28連接到共模電壓源26且為共模電壓VCM,而微觀結(jié)構(gòu)2的第 一和第二固定片端17a、 17b連接到移位電壓源27并接收移位電壓Vs。在 復位步驟中，由于DC去耦電容器23,差分放大器21的輸入28與微觀結(jié) 構(gòu)2的固定片端17a、 17b能以相互無關(guān)的電壓一皮偏置，在此處描述的實 施例中，該DC去耦電容器23用作電池，且在電壓Vs-VcM下充電。
在隨后的讀取步驟(圖4b)中，打開第一開關(guān)31和第二開關(guān)35以將 差分放大器21的輸入28和微觀結(jié)構(gòu)2的固定片端17a、 17b從電壓源26、 27斷開。在該步驟中，DC去耦電容器23用作電池且向第一和第二固定片 端17a、 17b施加移位電壓Vs。因此，機電諧振器1被強制以轉(zhuǎn)換的諧振 步貞率CO RS進4亍4展蕩，該專爭4灸的i皆才展步貞率CO RS 根據(jù)公式(5) - (7)由移位電
壓值Vs給出且不同于固有諧振頻率COR。明顯地，能借助校準信號Scal通
過作用于第二電壓源27來對轉(zhuǎn)換的諧振頻率coRs的值進行校準。
在讀取步驟中，差分放大器21讀取由固定片端17a、 17b提供或吸收 的、以及部分由第一和第二等效電容器19a、 19b的電容之間的電容不平
衡引起的、部分由施加到公共端18的讀取和驅(qū)動信號SsENSE引起的電荷
包AQ。電荷包AQ被差分放大器5轉(zhuǎn)換，該差分放大器5產(chǎn)生輸出電壓 V。，其以轉(zhuǎn)換的諧振頻率o)Rs振蕩。DC去耦電容器23被這樣測定大小， 以使得它們對輸出電壓V。的影響可以忽略。
從以上描述可以看出，本發(fā)明有利地使由微機電諧振器的最小和最大 供電電壓實現(xiàn)的全部動態(tài)特性能夠得到充分利用，以校準諧振頻率。特別 地，去除了由差分放大器的輸入和微觀結(jié)構(gòu)的固定片端之間的連接設(shè)置的 限制，因此差分放大器的所述輸入和微觀結(jié)構(gòu)的所述固定片端可能接收獨 立的移位電壓。因此也能在很大的范圍值內(nèi)校準諧振頻率。另外，DC去 耦電容器23能夠使輸出電子噪聲和偏移減少。
最后，顯然而易見的是，在不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范 圍的前提下，可以對在此描述的裝置進行修改和變形。
特別地，本發(fā)明能夠與除了諧振器之外的微機電裝置(例如陀螺儀) 一起使用。微觀結(jié)構(gòu)例如是轉(zhuǎn)動類型的或具有許多平移自由度和/或旋轉(zhuǎn)自 由度。每個活動電極都能夠^皮耦合到單獨的固定電極，而不是設(shè)置在兩個 固定電極之間。移位電壓能夠被供應(yīng)到公共端，而不是被供應(yīng)到固定片端。
權(quán)利要求
1.一種用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的諧振頻率的裝置，包括微觀結(jié)構(gòu)(2)，包括第一基體(10)和第二基體(11)，所述第二基體(11)被電容性耦合到所述第一基體(10)且可以以可校準的諧振頻率(ωR)相對于其彈性振蕩，其中所述第二基體(11)和所述第一基體(10)之間的相對位移(ΔY)可從外面檢測；以及放大器(21)，其耦合到所述微觀結(jié)構(gòu)(2)用于檢測所述相對位移(ΔY)；所述裝置的特征在于包括它設(shè)置在所述微觀結(jié)構(gòu)(2)和所述放大器(21)之間的DC去耦元件(23)。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，包括校準電路(27、 35)，所述校準電 路(27、 35)耦合到所述微觀結(jié)構(gòu)(2)以用于在所述第一基體(10)和 所述第二基體(11 )之間施加靜電力(FER),以修改所述可校準的諧振頻 率(wR)。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述DC去耦元件(23 )被設(shè)置在 所述校準電路(27、 35)和所述力文大器(21)之間。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中所述微觀結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述 第一基體(10)和所述第二基體(11 )之間的電容耦合元件(13a， 13b, 14)，且所述校準電路(27、 35)包括移位電壓源(27),其向所述電容 耦合元件(13a, 13b, 14)提供移位電壓(Vs)以修改所述可校準的諧振 頻率(Wr)。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述DC去耦元件(23 )連接到所 述力文大器(21)的輸入(28)以及所述電容耦合元件(13a， 13b, 14)。
6. 如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述DC去耦元 件(23)是電容類型的。
7. 如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所迷的裝置，其中所述放大器(21 ) 是全差分放大器。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，包括向所述放大器(21 )提供共模電壓 (VCM)的共模電壓源(26)。
9. 如從屬于權(quán)利要求4的權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述移位電壓 (Vs)與所述共模電壓(VCM)不相關(guān)。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，包括第一開關(guān)(31),用于可替換地連接和斷開所述放大器(21)的輸入(28)和所述共^t電壓源(26)，以及 第二開關(guān)(35),用于可替換地連接和斷開所述電容耦合元件U3a， 13b， 14)和所述移位電壓源(27)。
11. 如權(quán)利要求8到10中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述DC去 耦元件(23 )連接在所述移位電壓源(27 )和所述共沖莫電壓源(26 )之間。
12. 如前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述微觀結(jié)構(gòu) (2)包括彈性連接元件(12)，用于彈性地連接所述第一基體(10)和所述第二基體(11 )，所述彈性連接元件(12)被成形以使所述第二基體 (11)能夠根據(jù)預定軸(Y)相對于所述第一基體(10)進行振蕩。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述彈性連接元件(12)具有彈 性常數(shù)(KM)并且其中所述諧振頻率(coR)與所述彈性常數(shù)(KM)和所 述第二基體(11 )的質(zhì)量(M)相關(guān)。
14. 一種振蕩微機電系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一權(quán)利要求的 用于控制諧振頻率(2， 3)的裝置。
15. 如權(quán)利要求14所述的微機電系統(tǒng)，包括與所述用于控制諧振頻率 (2, 3)的裝置共同操作的控制單元(7)。
16. —種用于控制微機電系統(tǒng)(1)的諧振頻率的方法，包括以下步驟 設(shè)置微觀結(jié)構(gòu)(2)的振蕩，所述微觀結(jié)構(gòu)(2)包括第一基體(10)和第二基體(11 )，所述第二基體(11)被電容性耦合到所述第 一基體(10 ) 且可以以可校準的諧振頻率(wR)相對于其彈性振蕩，其中所述第二基 體(11 )和所述第一基體(10)之間的相對位移(AY)可從外面檢測； 以及將放大器(21)連接到所述微觀結(jié)構(gòu)(2),用于檢測所述相對位移 (AY);所述方法的特征在于它包括將所述放大器(21)從所述微觀結(jié)構(gòu)(2) DC去耦的步驟。
全文摘要
一種用于控制振蕩微機電系統(tǒng)的諧振頻率的裝置包含微觀結(jié)構(gòu)(2)，所述微觀結(jié)構(gòu)(2)具有第一基體(10)和第二基體(11)，該第二基體(11)被電容性耦合到該第一基體(10)且可以以可校準的諧振頻率(ω_R)相對于其彈性振蕩，其中該第二基體(11)和該第一基體(10)之間的相對位移(ΔY)可從外面檢測；以及放大器(21)，其耦合到微觀結(jié)構(gòu)(2)用于檢測相對位移(ΔY)。DC去耦元件(23)設(shè)置在放大器(21)和微觀結(jié)構(gòu)(2)之間。
文檔編號G01C19/56GK101189793SQ200680019453
公開日2008年5月28日 申請日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者E·拉薩蘭德拉, L·普蘭迪, T·昂加雷蒂 申請人:意法半導體股份有限公司