改進(jìn)mems振蕩器啟動(dòng)的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】MEMS諧振器系統(tǒng)包括MEMS諧振器、啟動(dòng)電路、反饋電路、振蕩器以及開關(guān)。所述MEMS諧振器系統(tǒng)被配置為提供有頻率和周期的脈沖的啟動(dòng)信號(hào)，以便傳送給所述MEMS諧振器的能量在短時(shí)間被優(yōu)化，這就縮短了振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)所述MEMS諧振器的振蕩已實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，所述MEMS諧振器系統(tǒng)被配置為斷開所述啟動(dòng)信號(hào)，并且在反饋電路中切換以將所述MEMS諧振器維持在振蕩狀態(tài)。
【專利說明】改進(jìn)MEMS振蕩器啟動(dòng)的系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及用于電子系統(tǒng)中的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件。更具體地說，本發(fā)明涉及縮短與MEMS振蕩器相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)間的系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件被廣泛應(yīng)用于例如汽車、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、家用電器、各種器件的保護(hù)系統(tǒng)、蜂窩通信器件以及很多其它工業(yè)、科學(xué)、以及工程系統(tǒng)的應(yīng)用中。這樣的MEMS器件可被用于感測(cè)物理狀況，例如加速度、壓力、角旋轉(zhuǎn)或溫度，并向使用了該MEMS傳感器的系統(tǒng)和/或應(yīng)用提供表示所感測(cè)的物理狀況的電信號(hào)。這樣的MEMS器件還可以包括或被用于給各種機(jī)電系統(tǒng)提供振蕩器功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]結(jié)合附圖(不一定按比例繪制)并參閱詳細(xì)說明書以及權(quán)利要求，對(duì)本發(fā)明可以有比較完整的理解。其中在附圖中類似的參考符號(hào)表示相同的元件，以及:
[0004]圖1顯示了典型的MEMS諧振器電路的方框圖；
[0005]圖2顯示了表明與圖1的典型的MEMS諧振器電路相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)間的圖表；
[0006]圖3顯示了根據(jù)實(shí)施例的教導(dǎo)配置的MEMS諧振器系統(tǒng)的方框圖；
[0007]圖4a和圖4b顯示了大體上說明了與圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的特定信號(hào)和力的圖表;
[0008]圖4c顯示了大體上說明了與圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的頻率與能量密度的圖表；
[0009]圖5顯示了大體上說明了與圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的近似的力能量和頻率失配的圖表;
[0010]圖6顯示了大體上比較了與典型的MEMS諧振器電路和圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)間的圖表；
[0011]圖7根據(jù)實(shí)施例，顯示了縮短與MEMS振蕩器相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)間的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]由于相對(duì)低的成本，電容傳感MEMS設(shè)計(jì)在加速度、角旋轉(zhuǎn)、壓力環(huán)境以及微型化裝置的操作中非常需要。當(dāng)受到加速度、角旋轉(zhuǎn)、壓力或MEMS器件被設(shè)計(jì)成對(duì)其響應(yīng)的其它一些外部激勵(lì)的時(shí)候，電容傳感MEMS器件提供了對(duì)應(yīng)于所應(yīng)用激勵(lì)的幅值的電容變化。換句話說，在給定時(shí)間的MEMS器件的電輸出對(duì)應(yīng)于在該給定時(shí)間施加于該MEMS器件的激勵(lì)的幅值。以這種方式，通過監(jiān)測(cè)MEMS器件的電輸出，系統(tǒng)可以確定施加于各種MEMS器件的外部激勵(lì)(壓力、加速度等等)的幅值，并使用該信息來幫助確定系統(tǒng)應(yīng)該采取哪些操作以響應(yīng)于激勵(lì)。例如，基于MEMS加速計(jì)裝置的電輸出，感測(cè)了汽車的迅速減速的汽車氣囊系統(tǒng)可以確定有必要彈出安全氣囊以保護(hù)車輛乘員。MEMS器件的常見形式是在以有“蹺蹺板”或“上下?lián)u動(dòng)”配置的2層電容傳感器形式的加速計(jì)。這種通常使用的傳感器類型使用了以Z軸加速度在襯底上旋轉(zhuǎn)的可運(yùn)動(dòng)元件或板。加速計(jì)結(jié)構(gòu)可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的電容以確定差分或相對(duì)電容，并將該信息作為輸出提供給MEMS加速計(jì)。被設(shè)計(jì)用于感測(cè)其它施加的激勵(lì)的其它MEMS器件可以采取各種形式，其前提是MEMS器件的輸出被配置為對(duì)應(yīng)于被監(jiān)測(cè)的激勵(lì)的幅值。
[0013]在某些應(yīng)用中，包括在MEMS器件也用作傳感器的某些應(yīng)用中，MEMS器件也可被配置為提供振蕩器功能。在一些應(yīng)用中，MEMS器件可被配置為只作為振蕩器運(yùn)行。當(dāng)作為振蕩器運(yùn)行的時(shí)候，MEMS器件的功能可以是提供有特定頻率和預(yù)定輸出信號(hào)幅值的輸出信號(hào)。由MEMS電路提供的該振蕩輸出信號(hào)可以作為到要求指定輸入頻率信號(hào)以進(jìn)行運(yùn)作的其它系統(tǒng)器件以及組件的輸入，并且還可以作為參考信號(hào)或參考點(diǎn)以確定MEMS傳感器是否受到某些力。
[0014]在涉及MEMS慣性傳感器應(yīng)用的一個(gè)實(shí)施例中，振蕩信號(hào)或MEMS器件的機(jī)械部分的振蕩可被MEMS傳感器使用以確定相對(duì)于某一軸是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)。該信息隨后可被采用了MEMS慣性傳感器的器件用于確定包含了或利用了 MEMS慣性傳感器的器件的行進(jìn)方向和/或距離。在這樣的應(yīng)用中，由MEMS器件所提供的振蕩是必要的，以便系統(tǒng)確定是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)以及這種運(yùn)動(dòng)的特性。
[0015]所有的振蕩器，包括MEMS振蕩器，需要給振蕩器系統(tǒng)提供外部能量以保持振蕩器在所需的頻率和所需的振幅進(jìn)行正確地操作。此外，當(dāng)在非振蕩狀態(tài)的時(shí)候，所有的振蕩器需要給振蕩器提供能量以進(jìn)入振蕩狀態(tài)。此外，在所有的振蕩器中，在能量被應(yīng)用于振蕩器的時(shí)間以及在振蕩器開始在所需的頻率和所需的振幅正確振蕩的時(shí)間之間有延遲。
[0016]在很多電子系統(tǒng)中，例如，手持電話和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及其它電池供電系統(tǒng),例如汽車，低功耗是重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)是提供用戶需要的功能，而不會(huì)不必要地消耗系統(tǒng)電池。很多這樣的系統(tǒng)都采用MEMS傳感器和/或振蕩器來提供功能，例如，導(dǎo)航功能。很多導(dǎo)航系統(tǒng)都采用MEMS振蕩器給該系統(tǒng)提供參考點(diǎn)，以便其能夠確定有關(guān)導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。如果沒有MEMS振蕩器參考點(diǎn)，導(dǎo)航系統(tǒng)提供關(guān)于導(dǎo)航系統(tǒng)行程的準(zhǔn)確信息的能力就會(huì)受到損害。因此，當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)被使用的時(shí)候，MEMS振蕩器的正確操作是很重要的。然而，正如上面所指出的，所有的振蕩器都要求提供能量以保持振蕩器振蕩。因?yàn)樾枰芰?，保持MEMS振蕩器持續(xù)運(yùn)行將是問題，因?yàn)殡姵仉娏繒?huì)耗盡。
[0017]另一方面，雖然用于降低功耗，“根據(jù)需要”開啟MEMS振蕩器也將是問題。這樣的系統(tǒng)的用戶通常希望能夠立即使用設(shè)備(例如，有導(dǎo)航功能的手機(jī)或者汽車導(dǎo)航系統(tǒng))。然而，正如上面所指出的，在能量被應(yīng)用于不在諧振狀態(tài)的MEMS諧振器的時(shí)間以及當(dāng)MEMS振蕩器在適當(dāng)頻率和幅值諧振以允許器件依賴它來正常運(yùn)作的時(shí)間之間有延遲。啟動(dòng)時(shí)間的延遲可能很長(zhǎng)，以使“按需”振蕩不能被很多應(yīng)用接受。
[0018]“按需”振蕩可以被使用的一個(gè)例子是處在基于手機(jī)的導(dǎo)航或追蹤的區(qū)域中。手機(jī)可以包含感測(cè)手機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速計(jì)電路，并且還可以包含采用了追蹤手機(jī)(行程方向和距離)運(yùn)動(dòng)的MEMS傳感器的導(dǎo)航電路。當(dāng)加速計(jì)感測(cè)表示手機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度的時(shí)候，它可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)中的電路“開啟”MEMS振蕩器，以便慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以開始追蹤手機(jī)運(yùn)動(dòng)。然而，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將不能運(yùn)行，直到MEMS振蕩器在所需的頻率和幅值振蕩為止。當(dāng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)“等待”MEMS振蕩器啟動(dòng)的時(shí)候，在啟動(dòng)階段與手機(jī)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的有價(jià)值數(shù)據(jù)會(huì)丟失。
[0019]所需的是縮短MEMS振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間(MEMS振蕩器達(dá)到振蕩所需的頻率和幅值的時(shí)間量)的系統(tǒng)和方法。當(dāng)不需要的時(shí)候，這樣做將允許系統(tǒng)采用MEMS振蕩器關(guān)閉MEMS振蕩器，從而降低功耗，并以“按需”方式迅速開啟MEMS振蕩器，以便采用了 MEMS振蕩器的應(yīng)用不會(huì)被MEMS振蕩器的啟動(dòng)過程不必要地延遲。
[0020]圖1顯示了典型的MEMS諧振器電路10的方框圖。MEMS諧振器電路10包括MEMS諧振器12。MEMS諧振器12被配置為具有基于MEMS諧振器12的機(jī)電特性預(yù)定的基本或固有諧振頻率。當(dāng)在基本或固有頻率處的包含了能量的激勵(lì)被施加于MEMS諧振器12的時(shí)候，MEMS諧振器12被配置為諧振或振蕩。如果MEMS諧振器12在非諧振狀態(tài)，如果缺乏一些激勵(lì)的施加，MEMS諧振器12將不會(huì)開始振蕩。如果MEMS諧振器12已處于諧振或振蕩狀態(tài)，除非附加激勵(lì)能量被施加于MEMS諧振器12，MEMS諧振器12將不繼續(xù)振蕩。
[0021 ] 繼續(xù)圖1，MEMS諧振器電路10還包括電耦合于MEMS諧振器12的電容-電壓電路
14。電容-電壓電路14被配置為從MEMS諧振器12接收對(duì)應(yīng)于MEMS諧振器12的運(yùn)動(dòng)(振蕩)的輸出電容信號(hào)，并且將該輸出電容信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)于MEMS諧振器12的振蕩的電壓信號(hào)。作為輸入提供給電容-電壓電路14以及作為由電容-電壓電路14提供的輸出電壓的信號(hào)頻率將與MEMS諧振器12的固有或諧振頻率類似。
[0022]圖1還顯示了包括了電耦合于電容-電壓電路14的輸出和MEMS諧振器12的增益電路16的MEMS諧振器電路10。增益電路16被配置為監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)于MEMS諧振器12的振蕩的電壓信號(hào)的幅值，并放大該電壓信號(hào)以將其維持在最小參考電平。增益電路16還被配置為將對(duì)應(yīng)于MEMS諧振器12的振蕩的放大的電壓信號(hào)作為輸入提供給MEMS諧振器12，從而在MEMS諧振器12的固有頻率附近將能量提供給MEMS諧振器12，并且保持MEMS諧振器12在MEMS諧振器12的固有頻率附近的所需幅值處振蕩。通過使用電容-電壓電路14和增益電路16提供這種正反饋系統(tǒng)，只要放大的電壓信號(hào)由增益電路16提供給MEMS諧振器12，MEMS諧振器12將在其諧振或固有頻率處無限期地繼續(xù)諧振。
[0023]如果MEMS諧振器12已經(jīng)不振蕩，假定施加于MEMS諧振器12的電壓信號(hào)在MEMS諧振器12的諧振或固有頻率處或其附近包含能量，則通過增益電路16施加于MEMS諧振器12的電壓信號(hào)可以最終導(dǎo)致MEMS諧振器12開始振蕩。一旦MEMS諧振器12開始振蕩，包括了電容-電壓電路14和增益電路16的正反饋回路將導(dǎo)致MEMS諧振器12如上所述繼續(xù)振蕩。
[0024]圖2顯示了表明了與圖1的典型的MEMS諧振器電路10相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)間的圖表。如上所述，如果MEMS諧振器12已經(jīng)不振蕩，假定電壓在MEMS諧振器12的固有頻率處包含至少一些能量，則通過增益電路16施加于MEMS諧振器12的電壓可以最終導(dǎo)致MEMS諧振器12開始振蕩。然而，還如上所述，從增益電路16到MEMS諧振器12的電壓初始施加和在MEMS諧振器12的所需振幅或幅值開始振蕩之間需要時(shí)間。從增益電路16到MEMS諧振器12的電壓初始施加和MEMS諧振器12達(dá)到MEMS諧振器12被認(rèn)為是正常運(yùn)行的最小振幅Yref所需的時(shí)間量通常如圖2中的時(shí)間Ta所示。除了通過增益電路16提供的電能量，通過將其暴露于其它電激勵(lì)或機(jī)械激勵(lì)，包括噪聲(假定噪聲在MEMS諧振器12的固有頻率處包括能量)，MEMS諧振器12可被使得開始振蕩。
[0025]圖3顯示了根據(jù)實(shí)施例教導(dǎo)配置的MEMS諧振器系統(tǒng)20的方框圖。MEMS諧振器系統(tǒng)20包括MEMS諧振器22。MEMS諧振器22包括通過懸掛元件25耦合于MEMS諧振器22的諧振元件24 (有時(shí)被稱為檢測(cè)質(zhì)量)。在實(shí)施例中，諧振元件24是小的金屬板，以及懸掛元件25是耦合于諧振元件24的彈簧。諧振元件24被配置為在MEMS諧振器22內(nèi)的預(yù)定行程范圍內(nèi)是可運(yùn)動(dòng)的以響應(yīng)于施加于諧振元件24的電激勵(lì)或機(jī)械激勵(lì)。MEMS諧振器22可以具有基于MEMS諧振器22的機(jī)電特性預(yù)定的基本或固有諧振頻率。在實(shí)施例中，MEMS諧振器22的固有或諧振頻率可以是諧振元件24的大小、形狀和質(zhì)量的函數(shù)，并且是懸掛元件25的大小、形狀、位置和其它特性(例如，彈簧常量)的函數(shù)。當(dāng)在MEMS諧振器22的基本或固有頻率處包含能量的激勵(lì)被施加于MEMS諧振器22的時(shí)候，MEMS諧振器22的諧振元件24被配置為產(chǎn)生諧振或振蕩。如果MEMS諧振器22在非諧振狀態(tài)，如果缺乏施加一些激勵(lì)，MEMS諧振器22不會(huì)開始振蕩。如果MEMS諧振器22已處于諧振或振蕩狀態(tài)，除非附加激勵(lì)能量被施加于MEMS諧振器22，MEMS諧振器22將不繼續(xù)振蕩。
[0026]諧振元件24還被顯示為電耦合于驅(qū)動(dòng)器電路52 (下文討論)。MEMS諧振器22還包括驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，其中每一個(gè)都電耦合于驅(qū)動(dòng)器電路52。如圖所示，驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30位于諧振元件24上方，并且與諧振元件24隔開，而驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32位于諧振元件24下方，并且與諧振元件24隔開。圖3還大體上顯示了存在于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和諧振元件24之間的驅(qū)動(dòng)電容器31和存在于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32和諧振元件24之間的驅(qū)動(dòng)電容器33。雖然通過驅(qū)動(dòng)電容器31和驅(qū)動(dòng)電容器33表示電容器，驅(qū)動(dòng)電容器31和驅(qū)動(dòng)電容器33在圖3的實(shí)施例中不代表物理電容器。相反，當(dāng)電子信號(hào)被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和諧振元件24的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電容器31說明了驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30、諧振元件24以及驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和諧振元件24之間的間隔具有電容器的特性的事實(shí)。當(dāng)電子信號(hào)被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32和諧振元件24的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電容器33說明了驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32、諧振元件24以及驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32和諧振元件24之間的間隔具有電容器的特性的事實(shí)。
[0027]在操作中，當(dāng)相對(duì)于施加于諧振元件24的電壓的電壓被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30 (無論正或負(fù))的時(shí)候，電荷將被置于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30上。驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和諧振元件24之間的電荷差(其有效地用作驅(qū)動(dòng)電容器31)導(dǎo)致諧振元件24被吸引到驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30，并且導(dǎo)致諧振元件24朝著驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30向上運(yùn)動(dòng)。一旦電壓(和相應(yīng)的電荷)從驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30移除，懸掛元件25將趨向于導(dǎo)致諧振元件24向后向下朝其初始位置運(yùn)動(dòng)。當(dāng)相對(duì)于施加于諧振元件24的電壓的電壓被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32 (無論正或負(fù))的時(shí)候，電荷將被置于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32上。驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32和諧振元件24之間的電荷差(其有效地用作驅(qū)動(dòng)電容器33 )導(dǎo)致諧振元件24被吸引到驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，并且導(dǎo)致諧振元件24朝著驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32向下運(yùn)動(dòng)。一旦電壓(和相應(yīng)的電荷)從驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32移除，懸掛元件25將趨向于導(dǎo)致諧振元件24向后向上朝其初始位置運(yùn)動(dòng)。以這種方式，通過將電壓施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，可使得諧振元件24向上和向下運(yùn)動(dòng)以響應(yīng)于所施加的電壓。應(yīng)了解，通過改變施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32的電壓以及施加電壓的時(shí)間，可使得諧振元件24振蕩，并且，如果施加電壓的時(shí)間和順序適當(dāng)，可使得諧振元件24在其固有或諧振頻率振蕩。
[0028]MEMS諧振器22還包括驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36，其中每一個(gè)都電耦合于電容-電壓電路42。如圖所示，驅(qū)動(dòng)測(cè)量輸出34位于諧振元件24上方，并且與諧振元件24隔開，而驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36位于諧振元件24下方，并且與諧振元件24隔開。圖3還大體上顯示了存在于驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和諧振元件24之間的測(cè)量電容器35和存在于驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36和諧振元件24之間的測(cè)量電容器37。雖然通過測(cè)量電容器35和測(cè)量電容器37說明了電容器的表示，但是測(cè)量電容器35和測(cè)量電容器37在圖3的實(shí)施例中不代表物理電容器。相反，測(cè)量電容器35說明了驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34、諧振元件24以及驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和諧振元件24之間的間隔具有電容器的特性的事實(shí)。測(cè)量電容器37說明了驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36、諧振元件24以及驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和諧振元件24之間的間隔具有電容器的特性的事實(shí)。
[0029]在操作中，當(dāng)諧振元件24相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36移動(dòng)的時(shí)侯，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34、驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36以及諧振元件24 (測(cè)量電容器35和測(cè)量電容器37)的類似電容器的特性，存在于驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出34和驅(qū)動(dòng)器測(cè)量輸出36上的電荷有變化。電荷的這個(gè)變化(實(shí)際上是測(cè)量電容器35和測(cè)量電容器37的電容有變化)被提供給電容-電壓電路42。應(yīng)了解，隨著諧振元件24的移動(dòng)和/或諧振，提供給電容-電壓電路42的電容值改變的模式將對(duì)應(yīng)于諧振元件24的運(yùn)動(dòng)，并且電容值改變的幅值將對(duì)應(yīng)于諧振元件24的運(yùn)動(dòng)的幅值。例如，如果諧振元件24在特定頻率和幅值振蕩，則電容值改變的模式將對(duì)應(yīng)于振蕩頻率和幅值。隨著時(shí)間的推移變化，通過監(jiān)測(cè)電容值改變，可以確定諧振元件24在什么頻率振蕩以及振蕩的幅值。
[0030]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電耦合于MEMS諧振器22的電容-電壓電路42、相移電路45以及自動(dòng)增益控制電路47。如上所述，電容-電壓電路42被配置為從MEMS諧振器22接收對(duì)應(yīng)于諧振元件24在MEMS諧振器22內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電容值。電容-電壓電路42被配置為將這些接收的電容值轉(zhuǎn)換成電壓值。電容-電壓電路42還被配置為將也對(duì)應(yīng)于諧振元件24的運(yùn)動(dòng)(幅值和頻率)的電壓值提供給電容-電壓電路42外部的電路。
[0031]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電稱合于電容_電壓電路42和乘法器46的相移電路45。相移電路45被配置為采取由電容-電壓電路42提供的電壓信號(hào)，將90度相移引入該信號(hào)，以及將相移信號(hào)作為輸入提供給乘法器46。應(yīng)了解，該90度相移被提供以維持振蕩諧振元件24。MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電耦合于電容-電壓電路42和乘法器46的自動(dòng)增益控制電路47。自動(dòng)增益控制電路47還被顯示為接收參考電壓Vref。自動(dòng)增益控制電路47被配置為接收由電容-電壓電路42提供的電壓信號(hào)以及將電壓信號(hào)的振幅與參考電壓Vref進(jìn)行比較。自動(dòng)增益控制電路47還被配置為至少部分基于電壓信號(hào)和Vref振幅之間的差值給乘法器46提供信號(hào)，其中所述差值確定了乘法器46需要放大其輸出信號(hào)多大。自動(dòng)增益控制電路47調(diào)節(jié)振蕩振幅，以便由電容-電壓電路42提供的電壓信號(hào)的振幅等于參考電壓。
[0032]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電耦合于相移電路45、自動(dòng)增益控制電路47和開關(guān)50的乘法器46。乘法器46是可變?cè)鲆娣糯笃?，其被配置為從相移電?5接收相移電壓信號(hào)、基于從自動(dòng)增益控制電路47接收的信號(hào)將所述相移電壓信號(hào)放大預(yù)定量以及將所述相移放大信號(hào)提供給開關(guān)50。
[0033]應(yīng)了解，相移電路45、乘法器46以及自動(dòng)增益控制電路47被配置為維持諧振元件24內(nèi)的振蕩狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，為了維持系統(tǒng)中的振蕩，“回路”(在這種情況下，通過電容-電壓電路42從MEMS諧振器22的輸出到相移電路45、乘法器46、開關(guān)50、驅(qū)動(dòng)器電路52，并返回到MEMS諧振器22的輸入)周圍的相位必須為360度的整數(shù)倍，而且回路周圍的總增益必須正好是I。MEMS諧振器22在其固有或諧振頻率將有90度相移。相移電路45給這個(gè)相移增加了另一個(gè)90度，而其他組件在MEMS諧振器22的固有頻率附近有可忽略不計(jì)的相移。在一些實(shí)施例中，為了滿足360度相移的要求所需的附加的180度相移是通過翻轉(zhuǎn)回路某處的信號(hào)極性獲得的。通過調(diào)節(jié)乘法器46放大該信號(hào)多大，自動(dòng)增益控制電路47主動(dòng)工作以確?；芈分車目傇鲆嬲檬?，以便由電容-電壓電路42提供給自動(dòng)增益控制電路47的電壓信號(hào)的振幅等于參考電壓Vref。
[0034]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電耦合于乘法器46、啟動(dòng)邏輯54以及驅(qū)動(dòng)器電路52的開關(guān)50。通常，在圖3所示的實(shí)施例中，根據(jù)開關(guān)50是否處于第一狀態(tài)或第二“啟動(dòng)”狀態(tài)，開關(guān)50被配置為在兩組輸入之間切換。驅(qū)動(dòng)器電路52包括放大電路，以確保提供給MEMS諧振器22的信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓在一定限制內(nèi)。由驅(qū)動(dòng)器電路52提供給MEMS諧振器22的信號(hào)將根據(jù)由開關(guān)50選擇的輸入源而有所不同。開關(guān)50被配置為切換乘法器46和啟動(dòng)邏輯54之間的驅(qū)動(dòng)器電路52的輸入。在第一狀態(tài)下，開關(guān)50將放大的相移信號(hào)從乘法器46提供給驅(qū)動(dòng)器電路52。驅(qū)動(dòng)器電路52隨后被配置為將從乘法器46接收的信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32處提供給MEMS諧振器22。在該第一狀態(tài)下，從乘法器46在驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32處提供給MEMS諧振器22的信號(hào)可以導(dǎo)致MEMS諧振器22的諧振元件24最終開始振蕩，或者如果MEMS諧振器22的諧振元件24已經(jīng)在振蕩狀態(tài)下，從乘法器46提供的信號(hào)可以導(dǎo)致MEMS諧振器22的諧振元件24繼續(xù)振蕩。
[0035]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括電稱合于開關(guān)50和電子振蕩器56的啟動(dòng)邏輯54。啟動(dòng)邏輯54還電稱合于反相器58,反相器58依次又電稱合于開關(guān)50。電子振蕩器56被配置為將在預(yù)定頻率和幅值振蕩的預(yù)定義信號(hào)，也被稱為啟動(dòng)脈沖提供給啟動(dòng)邏輯54。電子振蕩器56被顯示為有可被調(diào)節(jié)的調(diào)整輸入以確定由電子振蕩器56提供給啟動(dòng)邏輯54的脈沖信號(hào)的頻率、周期或持續(xù)時(shí)間。在實(shí)施例中，電子振蕩器56被配置為在MEMS諧振器24的固有諧振頻率附近的頻率振蕩。在實(shí)施例中，固有諧振頻率的附近包括MEMS諧振器22的固有諧振頻率。在替代實(shí)施例中，固有諧振頻率的附近包括在MEMS諧振器22的固有諧振頻率的250Hz內(nèi)的頻率。在另一個(gè)替代實(shí)施例中，固有諧振頻率的附近包括在MEMS諧振器22的固有諧振頻率的500Hz內(nèi)的頻率。啟動(dòng)邏輯54被配置為從電子振蕩器56接收振蕩信號(hào)，將振蕩信號(hào)提供給開關(guān)50以及將振蕩信號(hào)提供給反相器58，其接著將振蕩信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)提供給開關(guān)50。啟動(dòng)邏輯54還被配置為確定MEMS諧振器系統(tǒng)20何時(shí)需要啟動(dòng)信號(hào)。啟動(dòng)邏輯54可以基于通過系統(tǒng)狀態(tài)輸入53提供給啟動(dòng)邏輯54的信息確定需要啟動(dòng)信號(hào)。例如，MEMS諧振器系統(tǒng)20或MEMS諧振器系統(tǒng)20在其中運(yùn)行的系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)狀態(tài)輸入53給啟動(dòng)邏輯54提供信號(hào)，其表示MEMS諧振器22需要開始振蕩以支持特定功能。當(dāng)啟動(dòng)邏輯54確定需要啟動(dòng)信號(hào)開始MEMS振蕩器22的振蕩的時(shí)候，啟動(dòng)邏輯54被配置為給開關(guān)50提供信號(hào)，其導(dǎo)致開關(guān)50切換到第二“啟動(dòng)”狀態(tài)。在該第二“啟動(dòng)”狀態(tài)，通過啟動(dòng)邏輯54提供的振蕩脈沖信號(hào)，以及通過啟動(dòng)邏輯54和反相器58提供的振蕩脈沖信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)通過開關(guān)50被提供給驅(qū)動(dòng)器電路52。
[0036]MEMS諧振器系統(tǒng)20還包括驅(qū)動(dòng)器電路52。根據(jù)開關(guān)50的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器電路52被配置為通過開關(guān)50從乘法器46或啟動(dòng)邏輯54接收輸入信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器電路52被配置為處理作為輸入接收的信號(hào)，將這些信號(hào)的電壓調(diào)節(jié)在規(guī)定范圍內(nèi)以及將處理后的信號(hào)作為輸出提供給驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30、驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32和諧振元件24。由驅(qū)動(dòng)器電路52提供[于信號(hào)，輸入信號(hào)導(dǎo)致諧振元件24繼續(xù)振！器系統(tǒng)20移除電源而被斷開，或直到開關(guān)52被提供給1213諧振器22。
I常描述了 1213諧振器系統(tǒng)20在第二“啟搭22可以已經(jīng)不在1213諧振器22的固有周節(jié)以提供信號(hào)脈沖(在本發(fā)明也被“啟動(dòng)”1的頻率。在實(shí)施例中，電子振蕩器56還被時(shí)間是1213諧振器22的固有頻率的倒數(shù)。:沖提供給啟動(dòng)邏輯54。在實(shí)施例中，脈沖:替代實(shí)施例中，最大值可高于或低于5伏。勺脈沖提供給驅(qū)動(dòng)器電路52。在實(shí)施例中，代實(shí)施例中，啟動(dòng)邏輯54可被配置為提供和64個(gè)啟動(dòng)脈沖之間。啟動(dòng)邏輯54將信“啟動(dòng)”狀態(tài)，其中在該狀態(tài)中，啟動(dòng)脈沖通沖的互補(bǔ)信號(hào)通過反相器58和開關(guān)50被女動(dòng)輸入30處被提供給1213諧振器22，并于諧振兀件24以響應(yīng)于啟動(dòng)信號(hào)62和64的靜電力。
[0040]參照第一脈沖(I)的出現(xiàn)，可以看出信號(hào)62在第一脈沖的第一半期間處于高值(例如，5伏),而在脈沖的第二半期間在O值。同時(shí),信號(hào)64,即信號(hào)62的互補(bǔ)信號(hào)在脈沖的第一半期間在O值，而在脈沖的第二半期間在高值(例如，5伏)。參照?qǐng)D4b，可以看出在脈沖的第一半期間，由于信號(hào)62和信號(hào)64分別被施加于驅(qū)動(dòng)器輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，使得諧振元件24在向上方向上運(yùn)動(dòng)，并且，在第一脈沖周期的第二半時(shí)，由于信號(hào)62和信號(hào)64被施加于驅(qū)動(dòng)器輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，使得諧振元件24在向下方向上運(yùn)動(dòng)。更具體地說，在脈沖的第一半期間，正電壓通過信號(hào)62被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30，0伏電壓通過信號(hào)64被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，以及諧振元件24朝著驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30被向上拉。在脈沖的第二半期間，正電壓通過信號(hào)64被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32,0伏電壓通過信號(hào)62被施加于驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32，以及諧振元件24朝著驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32被向下拉。在實(shí)施例中，諧振元件24可被恒定值O伏驅(qū)動(dòng)。
[0041]由于通常在圖4b說明的隨后的脈沖(脈沖2至N)，諧振元件24將發(fā)生類似運(yùn)動(dòng)(向上和向下)。以這種方式，通過啟動(dòng)邏輯54施加脈沖I至N使得MEMS諧振器22的諧振元件24開始。此外，由于所施加的脈沖頻率與MEMS諧振器22的固有或基本頻率相同或接近，MEMS諧振器22的諧振元件24將更快地開始振蕩，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過如果MEMS諧振器22簡(jiǎn)單地受到白色噪聲、隨機(jī)信號(hào)或DC電壓時(shí)的速度。在通常在圖3、圖4a和4b中說明的實(shí)施例中，啟動(dòng)邏輯54被配置為傳送預(yù)定數(shù)量的脈沖以最小化MEMS諧振器22在其固有頻率振蕩所需的時(shí)間量。
[0042]應(yīng)了解，雖然脈沖在圖4a中被顯示為方波，被施加脈沖的電抗部件(包括諧振元件24以及驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入30和驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)輸入32)實(shí)際上響應(yīng)所施加的脈沖，就好像脈沖是多個(gè)正弦波的組合，包括頻率接近由啟動(dòng)邏輯54所提供的MEMS諧振器22的固有頻率的正弦波。
[0043]圖4c顯示了通常說明了與圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的頻率能量密度的圖表。更具體地說，通過提供有與MEMS諧振器22的固有頻率(例如，假定固有頻率大約是18KHZ)相同的頻率的啟動(dòng)脈沖，圖4c顯示了在MEMS諧振器22的基本或固有頻率處傳送給MEMS諧振器22的能量可以通過增加傳送的啟動(dòng)脈沖數(shù)量而急劇增加。例如，雖然由I個(gè)啟動(dòng)脈沖傳送的能量確實(shí)在18kHz處提供了一些附加聚焦能量，然而更多能量還分布在其它頻率。然而，當(dāng)啟動(dòng)脈沖數(shù)量增加至8的時(shí)候，在18kHz傳送的聚焦能量的數(shù)量急劇增加。通過提供這種附加的聚焦能量，可以使得MEMS諧振器22比僅使用一個(gè)脈沖更迅速地達(dá)到其預(yù)期的振蕩幅值。
[0044]圖5顯示了通常說明了與圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的頻率失配與近似力能量的圖表。更具體地說，圖5顯示了，由電子振蕩器56提供的啟動(dòng)脈沖的頻率越接近MEMS諧振器22的固有頻率，則傳送給MEMS諧振器22的能量就越多。當(dāng)頻率相同的時(shí)候，由啟動(dòng)脈沖傳送的能量被最大化。通常，啟動(dòng)脈沖頻率和固有頻率之間的差值越大，傳送給MEMS諧振器22用于啟動(dòng)的聚焦能量的量就越小。如圖所示，利用電子振蕩器56提供具有在MEMS諧振器22的固有頻率的250Hz以內(nèi)的頻率的啟動(dòng)脈沖提供了顯著的聚焦能量，而無需電子振蕩器56的頻率精確地匹配固有頻率。
[0045]圖6顯示了通常比較與典型的MEMS諧振器電路和圖3的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)！被制作的時(shí)候，操作102和104在工廠進(jìn)
1固有諧振頻率和/或啟動(dòng)脈沖數(shù)量的信息中說明的所有組件可在單一襯底上一起形例中(未顯示),通常在圖3中說明的所有組5施例中，1213振蕩器可以是不同于圖3中5器，或具有被配置為在固有或基本頻率處短1218在1213振蕩器的諧振頻率處開始I統(tǒng)和方法允許采用1213振蕩器的系統(tǒng)關(guān)1218振蕩器的系統(tǒng)以“按需”方式迅速開不會(huì)被1213振蕩器的啟動(dòng)過程不必要地延或小數(shù)量的總能量以啟動(dòng)1213振蕩器的振己各種1213振蕩器的諧振頻率。
苗述，很明顯對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說各種修著神及范圍的情況下被做出。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS諧振器系統(tǒng),包括: MEMS諧振器，具有被配置為在固有諧振頻率處振蕩的可移動(dòng)構(gòu)件； 振蕩器，被配置為提供一系列具有在所述MEMS諧振器的所述固有諧振頻率附近的頻率和具有持續(xù)時(shí)間的脈沖；以及 啟動(dòng)電路，電耦合于所述振蕩器和所述MEMS諧振器，其中所述啟動(dòng)電路被配置為從所述振蕩器接收所述系列脈沖，并且給所述MEMS諧振器提供所述系列脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中每一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間接近所述MEMS諧振器的所述固有頻率的倒數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路被配置為給所述MEMS諧振器提供預(yù)定數(shù)量的所述脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述脈沖的預(yù)定數(shù)量在I和64之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述系列脈沖的所述頻率在所述MEMS諧振器的固有頻率的250Hz以內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，還包括電耦合于所述MEMS諧振器的輸入和所述MEMS諧振器的輸出的反饋電路，其中所述反饋電路被配置為改變?cè)谒鯩EMS諧振器的所述輸出處提供的信號(hào)的相位和振幅中的至少一個(gè)，并且將所改變的信號(hào)提供給所述MEMS諧振器的所述輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路和所述反饋電路通過開關(guān)電耦合于所述MEMS諧振器，并且其中所述開關(guān)被配置為在給所述MEMS諧振器提供所述系列脈沖和所改變的信號(hào)之間進(jìn)行選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路還被配置為確定所述MEMS諧振器是否在振蕩，并且基于確定所述MEMS諧振器沒有振蕩，使得所述開關(guān)給所述MEMS諧振器提供所述系列脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路還被配置為基于確定所述MEMS諧振器沒有振蕩，使得所述振蕩器給所述啟動(dòng)電路提供所述系列脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路被配置為響應(yīng)于提供給所述啟動(dòng)電路的輸入信號(hào)給所述MEMS諧振器提供所述系列脈沖。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所提供的系列脈沖使得所述MEMS諧振器在所述MEMS諧振器的所述固有頻率附近振蕩。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，還包括電耦合于所述啟動(dòng)電路和所述開關(guān)的反相器電路，其中所述反相器電路被配置為接收所述系列脈沖作為輸入并且提供所述系列脈沖的互補(bǔ)信號(hào)作為輸出，并且其中所述開關(guān)還被配置為從給所述MEMS諧振器提供所述系列脈沖和互補(bǔ)脈沖以及所改變的信號(hào)之間進(jìn)行選擇。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，還包括電耦合于所述啟動(dòng)電路和所述MEMS諧振器的反相器電路，其中所述反相器電路被配置為接收所述系列脈沖作為輸入并且提供所述系列脈沖的互補(bǔ)信號(hào)作為輸出給所述MEMS諧振器。
14.一種MEMS諧振器系統(tǒng),包括: MEMS諧振器，具有被配置為在固有諧振頻率處振蕩的可移動(dòng)構(gòu)件和具有MEMS輸出和第一和第二 MEMS輸入；反饋電路，電耦合于所述MEMS輸出并且被配置為改變?cè)谒鯩EMS輸出處提供的信號(hào)的相位并且放大其振幅以提供改變的信號(hào)； 振蕩器，被配置為提供一系列具有在所述MEMS諧振器的所述固有諧振頻率附近的頻率和具有持續(xù)時(shí)間的脈沖； 啟動(dòng)電路，電耦合于所述振蕩器，其中所述啟動(dòng)電路被配置為從所述振蕩器接收所述系列脈沖，并且提供所述系列脈沖作為輸出； 反相器，電耦合于所述啟動(dòng)電路并且被配置為接收所述系列脈沖作為輸入并且提供所述系列脈沖的互補(bǔ)信號(hào)作為互補(bǔ)系列脈沖； 開關(guān)，電耦合于所述反饋電路、啟動(dòng)電路以及反相器，其中所述開關(guān)被配置為在提供所述系列脈沖和互補(bǔ)系列脈沖或所改變的信號(hào)作為切換的輸出之間進(jìn)行切換； 驅(qū)動(dòng)器電路，電耦合于所述開關(guān)和所述MEMS諧振器的所述第一和第二MEMS輸入，其中當(dāng)所述開關(guān)將所述系列脈沖和互補(bǔ)系列脈沖提供給所述驅(qū)動(dòng)器電路的時(shí)候，所述驅(qū)動(dòng)器電路被配置為將所述系列脈沖提供給所述第一 MEMS輸入和將所述互補(bǔ)系列脈沖提供給所述第二 MHMS輸入。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述系列脈沖具有在所述MEMS諧振器的固有頻率的250Hz以內(nèi)的基本頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的MEMS諧振器系統(tǒng)，其中所述啟動(dòng)電路被配置為將所述系列脈沖的預(yù)定數(shù)量脈沖提供給所述MEMS諧振器。
17.一種加速包括MEMS諧振器和啟動(dòng)電路的系統(tǒng)內(nèi)的MEMS諧振器的啟動(dòng)時(shí)間的方法，包括: 生成具有在所述MEMS諧振器的所述諧振頻率附近的基本頻率的脈沖流； 將所述脈沖流電耦合于所述MEMS諧振器以將所述脈沖流提供給所述MEMS諧振器；以及 將所述脈沖流從所述MEMS諧振器斷開。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括確定在所述脈沖流內(nèi)提供的所述脈沖的數(shù)量，其中所述斷開操作發(fā)生在已經(jīng)提供了預(yù)定數(shù)量的脈沖之后。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述斷開操作通過開關(guān)被執(zhí)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括檢測(cè)所述MEMS諧振器是否振蕩，并且當(dāng)沒有檢測(cè)到振蕩的時(shí)候，電耦合所述脈沖流。
【文檔編號(hào)】H03B5/04GK104052401SQ201410095374
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】M·E·施拉曼, 方德有, K·L·卡拉維爾 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司