阅读说明：本技术 用于电容式驱动mems设备的电容式位置感测 (Capacitive position sensing for capacitively driven MEMS devices ) 是由 S·弗吕格尔 A·J·萨顿 B·T·布拉德福德 Y·格尔森 于 2019-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明题为“用于电容式驱动MEMS设备的电容式位置感测”。一种用于在梳状驱动致动器中进行驱动和位置感测的装置包括发生器、驱动器电路、感测电路和信号处理电路。发生器被配置为将感测电压施加到梳状驱动致动器的第一电极。驱动器电路被配置为向梳状驱动致动器相对于第一电极具有相反极性的第二电极施加驱动电压。感测电路被配置为在第二电极处测量由施加到第一电极的感测电压引起的所感测波形。信号处理电路被配置为基于所感测波形估计第一电极相对于第二电极的位置。(the invention provides capacitive position sensing for a capacitively driven MEMS device. An apparatus for driving and position sensing in a comb drive actuator includes a generator, a driver circuit, a sensing circuit, and a signal processing circuit. The generator is configured to apply a sensing voltage to a first electrode of the comb drive actuator. The driver circuit is configured to apply a drive voltage to a second electrode of the comb drive actuator having an opposite polarity relative to the first electrode. The sensing circuit is configured to measure a sensed waveform at the second electrode resulting from a sensing voltage applied to the first electrode. The signal processing circuit is configured to estimate a position of the first electrode relative to the second electrode based on the sensed waveform.)

用于电容式驱动MEMS设备的电容式位置感测

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年6月6日提交的美国临时专利申请62/681,112的权益，其公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及微机电系统(MEMS)，具体地讲，涉及MEMS元件的位置测量。

背景技术

已提出过用于感测MEMS设备的偏转和/或位置的各种设计。例如，美国专利6,744,173描述了一种多层垂直梳状驱动致动器，其包括具有多个第一梳齿的第一梳状结构和具有多个第二梳齿的第二梳状结构，其中第一梳齿和第二梳齿基本叉指交错。第一梳齿和第二梳齿可以包括两个或更多由空气隙电隔离的堆叠导电层。在第一梳齿和第二梳齿之间施加电压导致第二梳状结构相对于第一梳状结构移动。本发明包括2D万向接头配置以沿两个轴转动可移动元件。在一个实施方案中，位置感测元件可耦接到反馈元件，反馈元件耦接到电压源。位置感测元件可将高频抖动施加到第一梳齿或第二梳齿。位置传感器感测元件然后可感测未被驱动的梳齿处的返回信号。抖动信号和返回信号之间的相位差决定了电容。此类电容可与第二梳状驱动器和第一梳状驱动器的相对位置相关联，以获得非常精确的位置测量值。

又如，美国专利6,536,280描述了一种用于以电子方式降低MEMS设备层对振动、加速或旋转的灵敏度的方法。通过在可移动微加工结构上的一个或多个点处使用位置感测和力反馈来实现电子硬化。Z轴高度的精密伺服控制使得有可能显著降低一个或多个可移动MEMS层与固定电极之间的间距，该间距可能会导致灵敏度和/或致动力的显著增大。MEMS结构上指形电极和附近静止指形电极之间的电容可通过观测施加到MEMS结构的高频信号在那些导体上感应的电流、电压或电荷来测量。这通常通过使用电荷感测放大器来完成。这样，可测量MEMS结构的位置，因为电容随MEMS结构的运动而变化。

美国专利9,784,558描述了一种机械装置，该机械装置包括基座和移动元件，移动元件被安装成围绕轴线相对于基座旋转。电容式旋转传感器包括设置于移动元件上与基座相邻的位置的至少一个第一电极和设置于基座上接近至少一个第一电极的至少一个第二电极。感测电路被耦接成感测第一电极和第二电极之间的可变电容。

美国专利8,553,308描述了一种用于监测包括一个或多个移动反射镜的MEMS设备中至少一个移动反射镜的移动的方法，并且其中监测基于MEMS设备中电容随时间的变化。该方法包括以下步骤：如果至少一个移动反射镜是共面反射镜，则：a.除了该至少一个移动反射镜的移动所需的驱动电压之外，还向MEMS设备提供DC电压；b.测量与和至少一个移动反射镜的移动相关联的电容变化成比例的电流；以及c.基于所测量的电流监测至少一个移动反射镜的移动。如果该至少一个移动反射镜为交错反射镜，则：d.测量与该至少一个移动反射镜的移动相关联的电流；e.在所测量的电流中识别与MEMS设备中的电容随时间的变化相关联的多个纹波；以及f.基于所识别的多个纹波监测至少一个移动反射镜的移动。

发明内容

本文所述的本发明的实施方案提供了一种用于在梳状驱动致动器中进行驱动和位置感测的装置。该装置包括发生器、驱动器电路、感测电路和信号处理电路。发生器被配置为将感测电压施加到梳状驱动致动器的第一电极。驱动器电路被配置为向梳状驱动致动器相对于第一电极具有相反极性的第二电极施加驱动电压。感测电路被配置为在第二电极处测量由施加到第一电极的感测电压产生的所感测波形。信号处理电路被配置为基于所感测波形估计第一电极相对于第二电极的位置。

在一些实施方案中，所感测波形落在串联连接到第二电极的电阻器上。

在一些实施方案中，所感测波形是由具有自适应参考地的电路测量的。

在一个实施方案中，感测电压包括正弦波形。

在一些实施方案中，发生器被配置为将感测电压施加到两个或更多梳状驱动致动器的公共第一电极。驱动器电路包括被配置为向两个或更多梳状驱动致动器的两个或更多相应第二电极施加相应驱动电压的两个或更多驱动器电路。感测电路被配置为在第二电极处测量由施加到公共第一电极的感测电压产生的相应所感测波形。信号处理电路被配置为基于相应所感测波形估计第一电极相对于相应第二电极的位置。

根据本发明的一个实施方案，另外提供了一种用于在梳状驱动致动器中进行驱动和位置感测的方法，该方法包括将感测电压施加到梳状驱动致动器的第一电极。向梳状驱动致动器相对于第一电极具有相反极性的第二电极施加驱动电压。在第二电极处测量由施加到第一电极的感测电压产生的所感测波形。基于所感测波形估计第一电极相对于第二电极的位置。

结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的装有万向接头的微镜阵列的示意性顶视图；

图2是根据本发明的一个实施方案，用于测量可变电容的电路的示意性框图；

图3是根据本发明的一个实施方案，同时驱动梳状驱动致动器并感测梳状驱动致动器的相应电容的电路的示意性框图；

图4是根据本发明的一个实施方案，独立地驱动两个梳状驱动致动器并感测其相应电容的电路的示意性框图；以及

图5是示意性地示出根据本发明的一个实施方案，用于同时驱动MEMS设备并通过感测梳状驱动致动器的电容来指示梳状驱动致动器位置的方法的流程图。

具体实施方式

概述

下文描述的本发明的实施方案提供了用于感测MEMS设备的元件的位置(诸如MEMS镜的位置)的装置和方法。在一些实施方案中，MEMS设备包括致动器，该致动器包括定子和转子。定子和转子具有交错的梳，其形成本文称为“梳状驱动致动器”或“可变电容器”的电容链路。在定子和转子之间施加高电压产生静电力，使得梳状驱动致动器的转子移动。所施加的高电压在本文中称为“驱动电压”。

定子梳和转子梳之间的重叠程度的变化导致电容链路(即，梳状驱动致动器的)的电容变化，最大电容发生在最大重叠处。这种效应可用于精确地测量梳状驱动致动器的位置。可通过在可变电容器的一个电极上施加高频低电压波形并测量另一电极(即，具有相反极性)上的所得高频波形来测量电容链路的电容值。所施加的高频低电压波形在本文中称为“感测电压”。在相反极性的电极上得到的高频波形在本文中称为“感测波形”。在一个实施方案中，施加并测量正弦波形。

在一些实施方案中，位置控制器控制驱动器电路(诸如高电压源)，其产生低KHz范围中的驱动电压，以向梳状驱动致动器的电极施加驱动电压。接收驱动电压的电极在本文中称为“第二电极”。在一个实施方案中，梳状驱动致动器的第二电极电连接到梳状驱动致动器的转子。同时，感测电压源，诸如在低MHz频率范围内产生电压波形的函数发生器，将感测电压施加到另一个电极(即，施加到具有与第二电极相反极性的电极)。接收感测电压的电极在本文中称为“第一电极”。在一个实施方案中，梳状驱动致动器的第一电极电连接到梳状驱动致动器的定子。另选地，第一电极可连接到梳状驱动致动器的定子，而第二电极将连接到转子。

在一个实施方案中，由感测电压产生的所得所感测波形落在串联连接在高电压驱动器和梳状驱动致动器的第二电极之间的电阻器上。此类电阻器在本文中称为“感测电阻器”。所感测波形包括振幅受到驱动电压缓慢调制的高频低幅波形。如下所示，所感测波形的振幅与梳状驱动致动器的瞬时(例如，瞬间)电容成比例，因此提供了一种用于梳状驱动致动器的位置测量的直接方法。

在一个实施方案中，为了测量感测电阻器上的所感测波形，增强的隔离放大器将差分所感测波形电压从高电压域转换到低电压域。在低电压域中，差分所感测波形由诸如电压表的感测电路进行测量，并由模数转换器(ADC)进行数字化。另选地，差分所感测波形最初被数字化，然后数字读取电路对数字化电压值进行评估。

在一些实施方案中，MEMS设备结合了多个独立的梳状驱动致动器，例如，以移动多个反射镜或围绕两个正交轴旋转单个万向镜。本发明所公开的感测方法用于独立地测量多个梳状驱动致动器的不同电容，以便指示每个梳状驱动致动器的不同位置。

在一个实施方案中，多个独立的高电压源经由多个相应的第二电极将独立的驱动电压施加到多个相应的梳状驱动致动器，其中第二电极的每个都与另一个电隔离。多个梳状驱动致动器的第一电极(即，相反极性的电极)全部电连接到公共第一电极。感测电压被施加到公共(即，第一)电极。一个或多个测量电路独立地测量包括在一个或多个测量电路中的相应不同感测电阻器上的多个所得相应所感测波形。

本发明所公开的感测电路和方法优于依赖于将致动器的梳分成驱动部和感测部的可能方案，后者导致驱动强度降低，并且由于电容减小而提供较不精确的感测。本发明所公开的方法将驱动电压和低电压独立施加到梳状驱动致动器的相反极上，在与从同一极施加高电压和低电压两者相比时，这是有利的，后者导致所感测波形的失真并且导致较不精确的位置测量。

系统描述

图1是根据本发明的一个实施方案的装有万向接头的微镜阵列20的示意顶视图。通常通过蚀刻半导体晶片，诸如外延硅晶片，以限定具有中央开口(包含镜板32，镜板包括反射镜22)的框架30，从而生产出阵列20。一对铰链28(诸如蚀刻的扭转铰链)连接于框架30和板32之间在框架相对侧上的中心轴线上的位置处，以便使板32能够相对于框架30围绕x轴缓慢旋转。通常，在反射镜22的区域中的晶片表面上沉积反射涂层。通常在其他表面省略反射涂层，其一部分甚至可涂覆有光吸收层，以减少不期望的镜面反射。

在图示实施方案中，反射镜22通过铰链34旋转地连接到板32，以便使反射镜22能够相对于板32围绕y轴快速旋转。因此，板32充当万向接头，其相对于框架30围绕垂直于反射镜22的轴线的框架轴线缓慢旋转，而反射镜22相对于板32具有快速旋转。在美国专利9,703,096中描述了与阵列20共享相似性的微镜阵列的示例，其公开以引用方式并入本文。

通常，板32被配置为通过在板32的谐振频率特征处施加驱动电压而围绕铰链28和铰链34旋转。类似地，反射镜22被配置为通过在反射镜22的谐振频率特征处再次施加驱动电压而围绕板32旋转。如本领域中所公知的，正在努力设计微镜阵列20，使得板32和反射镜22具有相同的特征谐振频率，其在本文中称为微镜阵列20的“谐振频率”。另选地，可以非谐振的方式驱动板32。

为了驱动板32的旋转，蚀刻半导体晶片以限定交错的梳状驱动致动器36b，包括从板32向外延伸的一组梳和从框架30向内延伸的第二组梳(即，一起形成交错的梳状驱动致动器36b)。类似地，为了驱动反射镜22的旋转，蚀刻半导体晶片以限定交错的梳状驱动致动器36a，包括从反射镜22向外延伸的一组梳和从板32向内延伸的第二组梳。

活动部分，诸如板32和反射镜22，在说明书中被称为“转子”。静态部分，诸如框架30，在说明书中被称为“定子”。梳36a和36b包括导电材料(通常沉积在半导体表面上)，导电材料通过驱动迹线耦接到电驱动电路(未示出)。因此，如本领域中所公知的，通过改变定子和转子梳36a和36b之间的静电力来驱动(例如，板32和反射镜22的)转子的旋转(其中板32也充当反射镜22的定子)。

经由电极51a向梳36a供应使反射镜22快速旋转的驱动电力。经由电极51b向梳36b供应使板32缓慢旋转的驱动电力。电极51a和51b彼此电隔离。定子和转子梳36a和36b之间变化的静电力是以相反极性的电荷对相应定子和转子进行可变充电的结果。因此，梳36a和36b可通过电气方式被建模为可变电容器。电极41用于连接到阵列20的电气位置感测电路中，以测量梳36a和36b的变化电容，以便指示它们的不同位置，如下所述。

用于电容式驱动MEMS设备的电容式位置感测

图2是根据本发明的一个实施方案，用于测量可变电容的电路的示意性框图。图2的描述充当用于感测梳状驱动致动器的可变电容的概念和原理的引言，公开的实施方案部分地基于该描述。

如图2所示，函数发生器39向电容链路40，即可变电容器40的电极41施加感测电压，该感测电压包括幅度为V_i的高频f_i、低电压V_i(t)、正弦波V_i(t)＝V_i·sin(2πf_it)。本文中的高频具有几MHz的典型值。感测电路，诸如电压表44读取落在感测电阻器42上的所得高频所感测波形V_s(t)。

假设可变电容器40的电容C和感测电阻器42的电阻R_s都小到足以获得(1/R_sC)＜＜f_i，则由下式提供诱发在感测电阻器42中流动的电流i(t)的感测电压V_s：

对于正弦波而言，可以求解公式1获得：

感测电阻器42上的所感测波形的实测峰到峰(即，振幅的双倍)由以下公式给出：

公式1 V_s，PP＝I_PP·R_s＝4π·C·f_i·V_i·R_s

可根据系统需求选择感测波形频率(f_i)、输入电压(V_i)和感测电阻器42(R_s)。观测到的所感测波形的双倍幅度(V_s，PP)与给定电容C成正比，从而提供了测量可变电容的直接方法。在一个实施方案中，基于上述输入，并且基于公式1，处理器计算梳状驱动致动器的电容C。

图2所示的框图纯粹是为了概念清晰起见而选择的。图2仅示出了与利用本发明的一些实施方案的概念相关的部分。省略了其他系统元件，诸如施加到可变电容器40的另一个电极的驱动电压，并且在下文中描述。

图3是根据本发明的一个实施方案，同时驱动梳状驱动致动器并感测梳状驱动致动器的相应电容的电路的示意性框图。

如图3所示，函数发生器39向可变电容器40的第一电极41(电极41在功能上与图2中的电极41相同)施加感测电压。响应于转子位置控制器55发送的命令，高电压源50并行地向可变电容器40的第二电极51施加驱动电压。参考图1，电极41可表示通往反射镜22旋转所相对的板32的定子梳的电连接。在相同的组件中，电极51表示连接到反射镜22的梳状驱动致动器的转子部分的电极(即，电极51a)。

典型的驱动电压将具有高达几十伏的振幅，谐振频率高达几十kHz。可变电容器40对交错梳的，诸如梳状驱动致动器36a和36b的可变电容进行建模，其随着定子梳和转子梳之间的重叠而变化。

原则上，感测电压和驱动电压可从同一电极(例如，电极51)施加。然而，这种连接方案需要耦合驱动电压和低电压(例如，通过使用AC耦合器电路)，这增加了失真和衰减阻抗。可能的所得失真的示例是输出波形的场-时间失真，本领域称为“场倾斜”。

尽管如此，在所公开的相反极性连接方案中发生了电压振幅调制的某种测量，其中例如所得的所感测波形被驱动电压缓慢调制。然而，通过从设备的相对端施加感测电压，所公开的方法消除了对附加耦合电路的需要，从而实现了所感测波形的最小失真。

在一个实施方案中，感测电路读取落在感测电阻器42上的所得所感测波形。如图3所示，能够测量高频所感测波形(提供于驱动电压基准顶部)的一个具体实施是，使用强化的隔离放大器56将来自高电压域的差分所感测波形转换到低电压域中。放大器的自适应参考地将因此跟随驱动电压。在低电压域中，差分所感测波形信号连接到电压表44电路，然后连接到模数转换器(ADC)57。因此，在本实施例中，感测电路包括放大器56和ADC 57。基于经数字转换的所感测波形，信号处理电路(诸如处理器60和/或分立解调电路)估计第一电极相对于第二电极的位置。

图3所示的框图纯粹是为了概念清晰起见而选择的。图3仅示出了本发明的一些实施方案所展示的概念的一种可能实现。例如，在一个另选的实施方案中，放大器56将所感测波形电压直接输出至ADC 57，并且仅在一开始被数字化之后才读取所感测波形电压。

图4是根据本发明的一个实施方案，独立地驱动两个梳状驱动致动器并感测其相应电容的电路的示意性框图。具体地讲，图4中所示的框图描述了用于图1装有万向接头的微镜阵列20的反射镜22和板32的驱动和位置感测两者的电路。

响应于由转子位置控制器55a和55b设置的命令，高电压源50a和50b独立地向可变电容器40a和40b的电极51a和51b施加驱动电压。在一个实施方案中，驱动电压源50a驱动反射镜22快速运动，而驱动电压源50b驱动板32缓慢运动。在图4中，电极51a将驱动电压连接到反射镜22的梳状驱动致动器36a的转子，而电极51b将驱动电压连接至梳状驱动致动器36b的定子。

函数发生器39将感测电压施加到可变电容器40a和40b的公共电极41。在图4中，电极41并联地电连接梳状驱动致动器36a的定子和梳状驱动致动器36b的转子。如图所示，在致动器36a和36b两者中，感测电压和驱动电压都是同时从相反极施加的。

在一个实施方案中，落在感测电阻器42a和42b上的所得感测波形分别用作放大器56a和56b的独立输入。如图4所示，实现提供于放大器56a和56b顶部的感测电压测量的一个具体实施是，将相应的差分感测波形从高电压域转换到低电压域，然后将低电压域中的相应信号分别输出至ADC57a和ADC 57b。基于经过数字转换的所感测波形，处理器60估计第一电极相对于梳状驱动致动器36a和36b的每者的第二电极的位置。

图4所示的框图纯粹是为了概念清晰起见而选择的。图4仅示出了本发明的一些实施方案所展示的概念的一种可能实现。例如，可将所提出的同一方法扩展以适用于独立驱动众多梳状驱动致动器并感测其电容。

图5是示意性地示出根据本发明的一个实施方案，用于同时驱动MEMS设备并通过感测相应电容来指示致动器位置的方法的流程图。在感测步骤70处，函数发生器39将感测电压施加到MEMS设备的梳状驱动致动器的第一电极。第一电极可连接到MEMS反射镜的致动器的定子。同时，在驱动步骤72处，位置控制器55命令高电压源50向MEMS设备的梳状驱动致动器的第二电极施加驱动电压。第二电极可连接到MEMS反射镜的致动器的转子。

接着，在所感测波形采集步骤74处，放大器56在高电压域中采集所得所感测波形。放大器56然后在过滤步骤76处滤出基准高电压(即，驱动电压)。感测电路(诸如电压表44)在所感测波形测量步骤78处在低电压域中测量所得所感测波形。在电容计算步骤80处，处理器使用所测量的所感测波形来计算梳状驱动致动器的电容。最后，它在位置计算步骤82处处理或计算梳状驱动致动器的位置(例如，对应的MEMS反射镜位置)。

图5所示的流程图纯粹是为了概念清晰起见而选择的。例如，其他流程图可描述使用用于测量多个不同所感测波形的通用时分测量架构来进行多个MEMS设备的位置感测。

虽然本文所述的实施方案主要涉及光学MEMS应用，但本文所述的方法和系统也可用于其他MEMS应用中，诸如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS致动器(例如，在透镜聚焦设备中)。

因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反地，本发明的范围包括上文所描述的各种特征的组合和子组合两者，以及本领域的技术人员在阅读前述描述时将想到的并且在现有技术中未公开的所述各种特征的变型和修改。在本专利申请中以引用方式并入的文献被认为是本申请不可分割的一部分，但如果任何术语在这些并入的文献中被定义成与本说明书中明确地或隐含地作出的定义相冲突，应仅考虑本说明书中的定义。