CN111780736A - 微机械结构驱动幅度校正系统及方法 - Google Patents

微机械结构驱动幅度校正系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微机械结构驱动幅度校正系统及方法，所述微机械结构驱动幅度校正系统包括C/V转换器、幅度读出模块、频率读出模块、幅度校正模块和自动增益模块，C/V转换器的输入端与微机械结构的检测电容的输出端相连接；幅度读出模块用于输出其输入端电信号的幅度表示信号，其输入端与C/V转换器的输出端相连接；频率读出模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号，其输入端与C/V转换器的输出端相连接；幅度校正模块分别与幅度读出模块的输出端和频率读出模块的输出端相连接，并根据幅度表示信号和频率表示信号输出幅度校正信号；自动增益模块的输入端与幅度校正模块的输出端相连接，输出端与微机械结构的驱动电容的输入端相连接。

Description

微机械结构驱动幅度校正系统及方法
技术领域
本发明涉及微机电领域，尤其涉及一种微机械结构驱动幅度校正系统。
背景技术
近年来各种由微机械结构和相应的接口电路构成的传感器和执行器，即所谓的MEMS器件，被广泛应用于生产和生活的各个方面，比如在手机中用于姿态和方向检测的MEMS陀螺和加速度计以及用于工业检测和汽车上的谐振式压力传感器等。
驱动幅度的控制是很多MEMS器件中的关键技术，比如在微机械陀螺中，感应信号产生的原理可以简单地描述为角速度作用于高速振动的质量块，产生与振动方向垂直的科里奥利力(科氏力)，科氏力使质量块沿感应方向发生位移，从而产生感应信号。根据科氏力的计算公式，当质量块的质量一定时，科氏力的大小正比于驱动幅度和外加角速度的乘积，因此驱动幅度可以说是影响MEMS陀螺性能的最重要的因素之一。又比如在谐振式压力传感器中，除了压力能导致传感器的谐振频率变化，由于材料弹性系数存在非线性，驱动幅度的变化也会导致谐振频率变化，造成额外的测量误差。类似地，驱动幅度对于MEMS微镜、MEMS开关等微机械结构器件的性能也有重要的影响。
为了保持驱动幅度的相对稳定，闭环驱动技术被广泛应用于微机械结构的驱动系统中，闭环驱动简单地说就是电路根据检测到的驱动幅度的大小通过自动增益控制实时地调整驱动激励，以实现驱动幅度的动态稳定。在电容型微机械结构器件中，输入到驱动幅度检测模块的信号通常是电容经过电容-电压转换器(C/V转换器)后的电压信号，即所谓的驱动幅度检测实际上检测的是“电驱动幅度”而不是机械驱动幅度。在微机械机构的内部，电容的变化是电容变化率与机械驱动幅度的乘积，所谓电容变化率即微机械结构沿特定方向运动单位长度所引起的电容变化量。对于同一微机械结构，因为电容变化率不随时间变化，所以保持电驱动幅度的稳定即可保持机械驱动幅度的稳定。然而对于大批量生产的微机械器件，即使是同一圆片上的器件也会因为工艺偏差导致圆片上不同区域的关键尺寸存在显著差异，而关键尺寸的不同会导致不同区域微机械结构的电容变化率不同，最终导致不同器件的机械驱动幅度不同，这种差异对于保持批量生产的器件的一致性是极为不利的。
发明内容
鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种微机械结构驱动幅度校正系统，其包括：
C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接；
幅度读出模块，所述幅度读出模块用于输出其输入端电信号的幅度表示信号，所述幅度读出模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；
频率读出模块，所述频率读出模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号，所述频率读出模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；
幅度校正模块，所述幅度校正模块分别与所述幅度读出模块的输出端和所述频率读出模块的输出端相连接，所述幅度校正模块根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出幅度校正信号；
自动增益模块，所述自动增益模块的输入端与所述幅度校正模块的输出端相连接，所述自动增益模块的输出端与所述微机械结构的驱动电容的输入端相连接。
进一步地，所述C/V转换器与所述频率读出模块间设置有通断开关。
进一步地，在对所述微机械结构或采用所述微机械结构的传感器进行标定或校准时，所述通断开关保持导通状态。
进一步地，当所述通断开关处于断开状态时，所述频率读出模块输出固定的频率表示信号。
进一步地，所述驱动电容包括第一驱动电容和第二驱动电容；所述自动增益模块的输出端与所述第一驱动电容的输入端相连接；所述自动增益模块的输出端还经反相器连接所述第二驱动电容的输入端。
进一步地，所述微机械结构包括第一检测电容和第二检测电容；所述第一检测电容的电容值变化趋势和所述第二检测电容的电容值变化趋势相反。
进一步地，所述微机械结构驱动幅度校正系统还包括第三驱动电容，所述检测电容的电容值的变化由所述第三驱动电容所接收到的驱动信号所限定。
进一步地，所述C/V转换器包括第一C/V转换器和第二C/V转换器；所述第一C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接，输出端与所述幅度读出模块的输入端相连接；所述第二C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接，输出端与所述频率读出模块的输入端相连接。
进一步地，所述驱动电容所限定的驱动方向与所述第三驱动电容所限定的驱动方向相垂直。
本发明还提供了一种微机械结构驱动幅度校正方法，其主要设计思想在于通过所述微机械结构的检测信号的频率来校正驱动幅度。
本发明的微机械结构驱动幅度校正系统及方法的原理在于，通过微机械加工工艺批量生产的微机械结构，在晶圆片上不同区域的结构其关键尺寸存在差异，导致不同区域的电极的电容变化率不一致，造成驱动幅度检测的误差。由于微机械结构器件的尺寸小，其电容的量级通常在fF或者pF量级，而其机械振动的幅度一般在微米量级，所以对电容变化率的直接测量几乎不可能。而关键尺寸的差异在造成电容变化率差异的同时也导致了弹簧刚度的差异，弹簧刚度的差异可以通过机械结构的谐振频率计算，更重要的是，在微机械结构中，测量谐振频率比测量电容变化率要简单并且精确得多。因此本发明提出了通过微机械结构的谐振频率来校正驱动幅度的系统及方法，可大幅度校正由关键尺寸差异造成的电学测量误差，提高批量生产的微机械结构器件的机械驱动幅度的一致性。本发明的微机械结构驱动幅度校正系统及方法适用于各类谐振式MEMS器件，如谐振式陀螺仪、加速度计等。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的实施例一的系统框架示意图；
图2是一个实验中所选取的晶圆中所有样本的梳齿间隙实测值分布图；
图3是现有技术的系统框架示意图；
图4是一个实验中选取的晶圆中部分样本在不进行驱动幅度校正时的实际驱动幅度的分布图；
图5是一个实验中选取的晶圆中部分样本在进行驱动幅度校正时的实际驱动幅度的分布图；
图6是本发明的实施例二的系统框架示意图；
图7是本发明的实施例三的系统框架示意图；
图8是本发明的实施例四的系统框架示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
实施例一
图1示出了本发明的一个实施例的系统框架示意图，其中包括可动质量快100、弹簧梁101～104、可动梳齿111和112、固定梳齿121和122、固定锚点130～132、C/V转换器142、幅度读出模块143、频率读出模块144、幅度校正模块145、自动增益模块146。
可动质量快100通过弹簧梁101～104与固定锚点130相连接，构成谐振系统，弹簧梁101～104均沿X方向(附图视角的水平方向)布置，从而质量块100可在Y方向(附图视角的竖直方向)活动，进一步地可以在Y方向以特定频率振动，其理论谐振频率为：
Figure BDA0002513119810000041
式中，m为质量块100的质量，k为弹簧梁101～104的等效刚度系数。
固定锚点131上设置有固定梳齿121，质量块100上设置有与固定梳齿121相配合的可动梳齿111，固定梳齿121与可动梳齿111构成驱动电容，两者分别为固定电极和可动电极，在固定锚点131上，连接驱动激励，即为固定梳齿121提供驱动信号。
当可动梳齿111和固定梳齿121之间存在电势差V时，产生的作用于质量块100上的Y方向的静电力为：
Figure BDA0002513119810000042
式中，
Figure BDA0002513119810000043
为驱动电容在Y方向的电容变化率。
在质量块100上施加直流电压Vdc，在固定梳齿121施加驱动激励Vacsin(ωt)，则质量块100受到的静电力可以表示为：
Figure BDA0002513119810000044
当Vdc远大于Vac时，可以忽略静电力表达式中的高次项。
固定锚点132上设置有固定梳齿122，质量块100上设置有与固定梳齿122相配合的可动梳齿112，固定梳齿122与可动梳齿112构成检测电容，两者分别为固定电极和可动电极。将固定梳齿122的电势设置为0，则固定梳齿122与质量块100之间的电势差为Vdc，根据公式(2)和(3)，并忽略高次项后，质量块100在Y方向受到的合力即驱动力近似为：
Figure BDA0002513119810000045
驱动力为一个角频率为ω的简谐力，调节所加驱动激励的频率，当其与质量块100和弹簧梁101～104构成的谐振系统的谐振频率f相同时，质量块100在Y方向具有最大的振动幅度。
质量块100带动可动梳齿112运动时，可动梳齿112和固定梳齿122之间的正对面积发生变化。假设可动梳齿112和固定梳齿122的梳齿状电极中相邻的固定梳齿与可动梳齿之间的间隙为d，则检测电容的电容值可以表示为：
Figure BDA0002513119810000051
式中，N为检测电容中梳齿的对数，ε为介电常数，h为梳齿的厚度，l为可动梳齿与固定梳齿的交叠长度，质量块100带动可动梳齿112运动时，交叠长度l发生相应变化，检测电容的电容值与交叠长度成正比。
当质量块100以一定的频率振动时，检测电容的电容值以相同的频率变化，该电容变化量经过C/V转换器142转化为一个交变的电压信号，该电压信号的幅度被幅度读出模块143读出，同时其频率被频率读出模块144读出，幅度和频率信号输入幅度校正模块145，经幅度校正模块145校正后的幅度信号输入自动增益模块146产生驱动激励，自动增益模块146的输出端为驱动电容提供驱动信号，具体地，是将驱动激励施加到固定锚点131上。
为了验证本发明的驱动幅度校正系统的作用，在一个现实的实验中，选取了一片8英寸的硅圆片，其上制作了22000个微机械谐振器，该谐振器的梳齿间隙的设计值为2um，其实测值的分布如图2所示，可以看出间隙的实测值大部分分布在1.85～2.15um之间，大致呈正态分布。
选取硅圆片上的1500颗芯片，对本实施例的校正系统进行实验验证，本实验中，幅度校正模块的输入输出关系为:
Figure BDA0002513119810000052
式中，Ampout为幅度校正模块的输出，Ampin为幅度读出模块读出的驱动幅度，fin为频率读出模块读出的频率值(单位为Hz)，K和f0是预设常数，其与具体的结构设计相关，在本实验中K＝0.635，f0＝20150。
为了与现有技术进行对比，同时采用如图3所示的传统控制系统对该批芯片进行了测试，图1和图3所示系统中的自动增益模块是完全相同的。
具体的测试结果如图4和图5所示，其中图4为不进行驱动幅度校正时的实际驱动幅度的分布，图5为进行驱动幅度校正后的实际驱动幅度的分布，两者的标准差分别为0.15um和0.12um。
根据数据统计，不进行驱动幅度校正时有677颗芯片的驱动幅度在5.4～5.6um之间，进行驱动幅度校正后则有875颗芯片的驱动幅度在上述区间内。由此可见，在使用相同的自动增益控制模块的条件下，利用本发明的驱动幅度校正系统能够有效地提高该批次芯片的驱动幅度的一致性。
实施例二
在实施例一中，幅度读出模块143和频率读出模块144同时接收C/V转换器142的输出对驱动幅度进行实时校正，而实际应用中，在稳定的外界环境下微机械结构的谐振频率十分稳定，基本不随时间变化。
因此，本实施例中，如图6所示，在实施例一的基础上，在C/V转换器142和频率读出模块144之间设置一开关147。在应用中，设置开关147只有在标定或者校准微机械结构或采用相应的微机械结构的传感器时闭合，在开关147断开时，频率读出模块144将之前读出的信号频率，以固定值的方式写入幅度校正模块145。这样做的效果，一方面是使得频率读出模块144不需要连续实时工作，节约了整个系统的能耗；另一方面是将谐振频率以固定值写入幅度校正模块后，系统可以不再必须工作在谐振频率下，幅度校正模块145可以校正该微机械结构在任意频率下的驱动幅度。
实施例三
在实施例一和实施例二中，为了使驱动力近似为简谐力，加在质量块100上的直流电压的幅度需要远大于加在驱动电容上的交流电压的幅度，为了适应更普遍的情况，本实施例中，如图7所示，质量块100的两边对称地设置有固定锚点231和固定锚点232，以及固定锚点234和固定锚点233。
固定锚点231上设置有固定梳齿221，固定梳齿221与部分可动梳齿111相配合，构成第一驱动电容。相应地，固定锚点232上设置有固定梳齿222，固定梳齿222与部分可动梳齿112相配合，构成第二驱动电容。自动增益模块146输出的驱动激励施加在第一驱动电容，并且该驱动激励经反相器149后施加到第二驱动电容，根据静电力公式，两个驱动电容产生的驱动力的直流部分和高次项互相抵消，驱动力的合力为简谐力：
Figure BDA0002513119810000061
式中，Vdc是在质量块100上施加的直流电压，Vacsin(ωt)是在固定梳齿221上施加的驱动激励。由公式(4)和(7)可知，本实施例中质量块100的驱动力是实施例一中的两倍，从而增大了驱动的幅度。
另一方面，固定锚点234上设置有固定梳齿224，固定梳齿224与部分可动梳齿111相配合，构成第一检测电容。相应地，固定锚点233上设置有固定梳齿223，固定梳齿223与部分可动梳齿112相配合，构成第二检测电容。C/V转换器142接收第一检测电容和第二检测电容的输出信号，鉴于当可动质量块在Y方向运动时，第一检测电容和第二检测电容的电容值变化趋势相反，从而取两者的差分信号，可增大检测到的电容变化量。
实施例四
如图8所示，本实施例的微机械结构中，质量块弹簧梁101～104分别与固定锚点130相连接，并且弹簧梁101和102还与质量块151相连接，弹簧梁103和104还与质量块152相连接，质量块151和152对称地设置在固定锚点130的两侧。质量块151的两端分别通过弹簧梁201和301与质量块200和300相连接，对应地，质量块152的两端分别通过弹簧梁202和302与质量块200和300相连接。弹簧梁201、202、301、302采用U型结构，U型开口沿Y方向延伸。
固定锚点131与质量块300上分别设置有相配合的固定梳齿与可动梳齿，构成驱动电容360；固定锚点132与质量块200上分别设置有相配合的固定梳齿与可动梳齿，构成检测电容260。
与上述固定锚点和质量块的梳齿结构相类似的，质量块200还与其它的固定锚点配合设置有梳齿结构，分别构成驱动电容270和检测电容280；质量块300还与其它的固定锚点配合设置有梳齿结构，分别构成驱动电容370和检测电容380。
在本实施例中，质量块151和152与弹簧梁101～104配合构成第一谐振系统，在驱动电容360的驱动下，质量块300可沿Y方向活动，在弹簧梁301和302的带动下质量块151和152也可以沿Y方向活动，在弹簧梁201和202的带动下质量块200也可以沿Y方向活动，从而使检测电容260的电容值发生变化。
质量块200与弹簧梁201和202构成第二谐振系统，在驱动电容270的驱动下，可沿X方向活动，从而可以使检测电容280的电容值发生变化。
质量块300与弹簧梁301和302构成第三谐振系统，在驱动电容370的驱动下，可沿X方向活动，从而可以使检测电容380的电容值发生变化。
上述的第二谐振系统和第三谐振系统的谐振频率相同，第一谐振系统和第二谐振系统及第三谐振系统的谐振频率可以相同，也可以不同。
在之前的三个实施例中，频率读出模块144读出的是相当于本实施例中的第一谐振系统的谐振频率，从结构上看，弹簧梁101～104的延伸方向与驱动电容360和检测电容260中的梳齿的延伸方向互相垂直，在微机械加工中，由于工艺以及材料本身的各向异性，通常相同延伸方向的结构的关键尺寸误差会更具相似性，所以设置与驱动电容360和检测电容260中的梳齿延伸方向同向延伸的弹簧梁201、202以及301、302，分别与质量块200和300构成第二谐振系统和第三谐振系统，由于工艺造成的各芯片间的第二谐振系统和第三谐振系统的读出频率的非一致性，对于因梳齿尺寸的变化而引起的电容变化率的非一致性，会有更好的表征作用，从而第二谐振系统和第三谐振系统的读出频率更利于用来校正驱动幅度。
驱动激励模块150同时与第二谐振系统和第三谐振系统的驱动电容270和370相连接，施加驱动激励驱动质量块200和300运动，该驱动激励可以是脉冲信号，也可以是扫频信号。
检测电容260将质量块151和152的机械振动转化为电容信号输入C/V转换器142的电容输入端，C/V转换器142的电压输出端与幅度读出模块143相连接，幅度读出模块143将驱动幅度读出后将其送入幅度校正模块145。
检测电容280和380分别将质量块200和300的机械振动转化为电容信号输入C/V转换器148的电容输入端，C/V转换器148的电压输出端与频率读出模块144相连接，频率读出模块144将频率值读出后将其送入幅度校正模块145对驱动幅度进行校正，并输出至自动增益模块146。
与实施例二类似，为了简化系统结构以及节约系统的能耗，可以在驱动激励模块150与驱动电容270和370之间，以及检测电容280和380与C/V转换器148之间设置开关结构，在系统读出第二谐振系统和第三谐振系统的谐振频率后将驱动激励模块150、C/V转换器148以及频率读出模块144从系统断开，并将之前已读取的频率作为固定值来对驱动幅度进行校正。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，包括
C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接；
幅度读出模块，所述幅度读出模块用于输出其输入端电信号的幅度表示信号，所述幅度读出模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；
频率读出模块，所述频率读出模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号，所述频率读出模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；
幅度校正模块，所述幅度校正模块分别与所述幅度读出模块的输出端和所述频率读出模块的输出端相连接，所述幅度校正模块根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出幅度校正信号；
自动增益模块，所述自动增益模块的输入端与所述幅度校正模块的输出端相连接，所述自动增益模块的输出端与所述微机械结构的驱动电容的输入端相连接。
2.如权利要求1所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，所述C/V转换器与所述频率读出模块间设置有通断开关。
3.如权利要求2所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，在对所述微机械结构或采用所述微机械结构的传感器进行标定或校准时，所述通断开关保持导通状态。
4.如权利要求2所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，当所述通断开关处于断开状态时，所述频率读出模块输出固定的频率表示信号。
5.如权利要求1所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，所述驱动电容包括第一驱动电容和第二驱动电容；所述自动增益模块的输出端与所述第一驱动电容的输入端相连接；所述自动增益模块的输出端还经反相器连接所述第二驱动电容的输入端。
6.如权利要求1所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，所述微机械结构包括第一检测电容和第二检测电容；所述第一检测电容的电容值变化趋势和所述第二检测电容的电容值变化趋势相反。
7.如权利要求1所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，还包括第三驱动电容，所述检测电容的电容值的变化由所述第三驱动电容所接收到的驱动信号所限定。
8.如权利要求7所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，所述C/V转换器包括第一C/V转换器和第二C/V转换器；所述第一C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接，输出端与所述幅度读出模块的输入端相连接；所述第二C/V转换器的输入端与所述微机械结构的检测电容的输出端相连接，输出端与所述频率读出模块的输入端相连接。
9.如权利要求7所述的微机械结构驱动幅度校正系统，其特征在于，所述驱动电容所限定的驱动方向与所述第三驱动电容所限定的驱动方向相垂直。
10.一种微机械结构驱动幅度校正方法，其特征在于，通过所述微机械结构的检测信号的频率来校正驱动幅度。
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