[发明专利]用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置

说明书

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。