一种mems谐振器闭环控制方法及控制结构
阅读说明：本技术 一种mems谐振器闭环控制方法及控制结构 (MEMS resonator closed-loop control method and control structure ) 是由 王玉朝 滕霖 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构,其中,MEMS谐振器闭环控制结构包括了控制振幅的AGC环路8和控制相位的PLL环路13。其中PLL环路13包括了鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12。驱动/检测方法是通过将PLL环路13的压控振荡器11的输出信号经过1/2分频器12进行分频处理,输出两路正交的1f信号,经过驱动电极全差分设计,能够在MEMS谐振器上施加频率为2f的驱动静电力,并使得MEMS谐振器工作在2f谐振状态,实现了倍频驱动。这样就将驱动信号的频率1f和检测信号的频率2f在频域上实现了分离,消除了驱动信号作为电气串扰源对检测的影响；而且1f正交驱动信号无直流偏置电压,避免了偏置电压漂移对MEMS谐振器性能的影响。(The application provides a closed-loop control method and a control structure of a MEMS resonator, wherein the closed-loop control structure of the MEMS resonator comprises an AGC loop 8 for controlling amplitude and a PLL loop 13 for controlling phase. Where the PLL loop 13 comprises a phase detector 9, a loop filter 10, a voltage controlled oscillator 11 and a frequency divider 12 of 1/2. The driving/detecting method is that the output signal of the voltage-controlled oscillator 11 of the PLL loop 13 is subjected to frequency division processing through a 1/2 frequency divider 12, two paths of orthogonal 1f signals are output, and through the full-differential design of a driving electrode, a driving electrostatic force with the frequency of 2f can be applied to the MEMS resonator, so that the MEMS resonator works in a 2f resonance state, and frequency multiplication driving is realized. Therefore, the frequency 1f of the driving signal is separated from the frequency 2f of the detection signal in the frequency domain, and the influence of the driving signal as an electrical crosstalk source on the detection is eliminated; and the 1f orthogonal driving signal has no direct current bias voltage, so that the influence of bias voltage drift on the performance of the MEMS resonator is avoided.)
技术领域
本发明属于MEMS谐振器闭环控制技术，具体涉及一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构。
背景技术
MEMS谐振器，作为一类器件，包括了可以测量各种物理量的谐振类MEMS传感器，比如振动式硅微陀螺、谐振式压力传感器、谐振式加速度计，以及MEMS时基等。MEMS谐振器通常需要驱动在谐振状态，而通过特定的驱动和检测方式，建立闭环控制电路，成为实现MEMS谐振器工作状态的基本手段。而基于硅结构MEMS工艺加工完成的典型MEMS谐振器的驱动和检测方式通常为静电驱动/电容检测。
为了提高静电驱动的线性度，通常将驱动信号设置为同相直流+差分交流或者同相交流+差分直流的方式，从而可以产生单频信号，实现了驱动信号的能量集中。但是作为静电驱动/电容检测类MEMS谐振器，因为芯片级的寄生和耦合电容、板级电气串扰等的影响，使得驱动信号很容易串扰到检测端，影响检测的精度。为了解决该问题，美国密歇根大学的Jun Cao等人发表的“Drive Amplitude Dependence of Micromechanical ResonatorSeries Motional Resistance”一文中最早提出了机电幅度调制(ElectromechanicalAmplitude Modulation，EAM)技术以消除电气串扰，但是该方法在驱动端或者质量块上需要增加载波信号，在检测端需要进行二次解调，增加了电路的复杂度。英国剑桥大学J.E.-Y.Lee等人发表的“Parasitic feedthrough cancellation techniques for enhancedelectrical characterization of electrostatic microresonators”一文中提出了在MEMS谐振器旁边做一个陪衬谐振器，并给该陪衬谐振器施加反向的驱动信号依产生反向的电气串扰信号，这样就实现了在检测端电气串扰误差信号的相互抵消。但是该种方法一方面损失了芯片的面积利用率；另一方面陪衬MEMS谐振器与MEMS谐振器加工的不一致性也会影响电气串扰补偿的效果。
发明内容
为了能够实现MEMS谐振器闭环控制电路，驱动MEMS谐振器谐振的同时，消除电气串扰对检测信号的影响，提出了基于1f正交驱动2f倍频检测的谐振器闭环控制方法及控制结构。
第一方面，本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制结构，所述MEMS(Micro-electromechanical Systems)谐振器闭环控制结构包括MEMS谐振器1、C/V转换器2、AGC(Automatic Gain Control)环路8、PLL(Phase Locked Loop)环路13、第一乘法器14和第二乘法器15；所述AGC环路8包括整流器3、低通滤波器4、加法器5、PI(Proportional-Integral)控制器6、参考基准7；所述PLL环路13包括鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12,其中：
第一乘法器14的输出和第二乘法器15的输出分别与MEMS谐振器1的输入连接，MEMS谐振器1的输出与C/V转换器2的输入连接，C/V转换器2的输出分别与整流器3和鉴相器9连接；整流器3依次通过低通滤波器4、加法器5、PI控制器6分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；鉴相器9依次通过环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；参考基准7与加法器5的正向输入连接；低通滤波器4的输出与加法器5的负向输入连接；压控振荡器11的第二正交输入信号端与鉴相器9的输入连接。
优选的，MEMS谐振器1的驱动电极和检测电极，在机械结构上是全差分结构形态。
第二方面，本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制方法，所述方法应用与如权利要求1所述的MEMS谐振器闭环控制结构，方法包括：
1/2分频器12向第一乘法器(14)输出第一正交信号，向第二乘法器(15)输出第二正交信号，其中，第一正交信号与第二正交信号的相位相差90度；
第一乘法器(14)对第一正交信号进行幅值调制后获得第一驱动信号v+，向MEMS谐振器1的负向输入端输出第一驱动信号v+；第二乘法器(15)对第二正交信号进行幅值调制后获得第二驱动信号v-，向MEMS谐振器1的正向输入端输出第二驱动信号v-；
MEMS谐振器1经过频率为预设信号频率f的正交驱动后，产生驱动静电力F，所述驱动静电力F的频率为2f；
MEMS谐振器1根据驱动静电力F，产生频率为2f的交变电容C，并将交变电容C输出至C/V转换器2；
通过C/V转换器2将交变电容C转化为电压信号V，以便完成2f差分电容的检测；
C/V转换器2输出的电压信号V，分成第一路电压信号和第二路电压信号，第一路电压信号输入至整流器3，第二路电压信号输入至鉴相器9；
对所述第一路电压信号进行AGC处理，获得幅值调制信号A，并将所述幅值调制信号A分别输出至第一乘法器(14)和第二乘法器(15)，并将作为第一正交信号和第二正交信号的幅值调制信号；
对所述第二路电压信号进行PLL处理，产生第一正交输入信号和第二正交输入信号，其中，第二正交输入信号反馈回鉴相器9，作为鉴相器的另一路输入信号；
压控振荡器11将产生的第一正交输入信号和第二正交输入信号，输入至1/2分频器12；
1/2分频器12产生预设信号频率f的第一正交信号，第二正交信号，并分别将第一正交信号和第二正交信号反馈回第一乘法器(14)和第二乘法器(15)，从而完成的MEMS谐振器闭环控制。
优选的，所述第一正交信号的相位为cos(2πft)；所述第二正交信号的相位为sin(2πft)。
优选的，第一正交输入信号的相位为cos(4πft)；第二正交输入信号的相位为sin(4πft)。
优选的，预设信号频率f为MEMS谐振器1的主谐振频率的一半。
优选的，对所述第一路电压信号进行AGC处理，获得幅值调制信号A，具体包括：
第一路电压信号依次通过整流器3、低通滤波器4，并与参考基准7输出的基准信号，通过加法器5，做相减运算后，输入PI控制器6，并产生幅值调制信号A。
优选的，对所述第二路电压信号进行PLL处理，产生第一正交输入信号和第二正交输入信号，具体包括：
第二路电压信号依次通过鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11，产生第一正交输入信号和第二正交输入信号。
本发明的优点是：提出的一种基于1f正交驱动2f倍频检测的MEMS谐振器闭环控制方法，通过在差分驱动电极上施加1f正交驱动信号，在MEMS谐振器上产生2f的驱动静电力，从而驱动MEMS谐振器实现2f倍频位移和2f倍频电容的变化，将驱动交流信号与检测电容信号在频域上实现了分离，彻底消除了1f的电气串扰信号对检测信号的影响，提高了信号检测的精度和信噪比；而且驱动电压为纯交流信号，没有直流偏置电压，避免了偏置电压漂移对MEMS谐振器性能的影响。
附图说明
图1是本发明提出的基于1f正交驱动2f倍频检测的MEMS谐振器闭环控制电路结构功能框图；
其中：1-MEMS谐振器、2-C/V转换器、3-整流器、4-低通滤波器、5-加法器、6-PI控制器、7-参考基准、9-鉴相器、10-环路滤波器、11-压控振荡器、12-1/2分频器、14-第一乘法器、15-第二乘法器、8-AGC环路、13-PLL环路。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本申请提供了一种MEMS谐振器闭环控制结构包括MEMS谐振器1、C/V转换器2、AGC环路8、PLL环路13、第一乘法器14和第二乘法器15；其中，AGC环路8包括整流器3、低通滤波器4、加法器5、PI控制器6、参考基准7；PLL环路13包括鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12。
第一乘法器14的输出和第二乘法器15的输出分别与MEMS谐振器1的输入连接，MEMS谐振器1的输出与C/V转换器2的输入连接，C/V转换器2的输出分别与整流器3和鉴相器9连接；整流器3依次通过低通滤波器4、加法器5、PI控制器6分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；鉴相器9依次通过环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；参考基准7与加法器5的正向输入连接；低通滤波器4的输出与加法器5的负向输入连接；压控振荡器11的第二正交输入信号端与鉴相器9的输入连接。
需要说明的是，被控对象MEMS谐振器的驱动电极和检测电极，在机械结构上是全差分结构形态。
可以理解的是，本申请提供的MEMS谐振器闭环控制结构的工作原理为：
MEMS谐振器1的机械运动会导致电容C的变化，电容C的变化通过C/V转换器2进行电容到电压的转换。C/V转换器2的输出电压V分成两路，一路进入AGC环路8，分别通过整流器3将交流信号进行整流处理，后通过低通滤波器4进行低通滤波，完成交流信号的振幅提取，参考基准7输出目标振幅对应的电压，与低通滤波器4的输出同时进加法器5，进行相减运算，得到误差电压，该误差电压通过PI控制器6后作为驱动交流的幅值调制信号A输出到第一乘法器14和第二乘法器15。C/V转换器2的输出电压V另一路进入PLL环路13，分别通过鉴相器9、环路滤波器10和压控振荡器11和1/2分频器12，其中压控振荡器11的输出第二正交输入信号反馈回鉴相器10，与C/V转换器3的输出电压进行相位比较，输出相位误差信号，该相位误差信号经过环路滤波器10进行滤波处理，输出到压控振荡器11，控制压控振荡器11输出信号第一正交输入信号cos(4πft)和第二正交输入信号sin(4πft)经过1/2分频器12输出分别为第一正交信号cos(2πft)和第二正交信号sin(2πft)两路正交信号，这两路正交信号作为1f正交驱动电压分别输入到第一乘法器14和第二乘法器15，与PI控制器6输出的幅值调制信号A相乘后，输入到MEMS谐振器1的全差分结构形态的驱动电极上。
实施例二
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
建立图1所示的MEMS谐振器闭环控制电路结构的数学描述。本申请提供的一种MEMS谐振器闭环控制方法，包括：
步骤一：1/2分频器12向第一乘法器14输出相位为cos(2πft)的第一正交信号，向第二乘法器15输出相位为sin(2πft)的第二正交信号；
步骤二：第一乘法器14对第一正交信号进行幅值调制后获得第一驱动信号v+，向MEMS谐振器1的负向输入端输出第一驱动信号v+；第二乘法器(15)对第二正交信号进行幅值调制后获得第二驱动信号v-，向MEMS谐振器1的正向输入端输出第二驱动信号v-；
需要说明的是，MEMS谐振器闭环控制结构的预设信号频率为f。
可以看出，第一驱动信号v+和第二驱动信号v-作为MEMS谐振器全差分结构的两路驱动信号，以便实现MEMS谐振器的正交驱动。
步骤三：MEMS谐振器1经过频率为预设信号频率f的正交驱动后，产生驱动静电力F，所述驱动静电力F的频率为2f；
需要说明的是，1/2分频器12输出的两路正交信号第一正交信号和第二正交信号分别为cos(2πft)和sin(2πft)，PI控制器6的输出为幅值调制信号A，MEMS谐振器1的驱动电极间电容为Cd，施加到MEMS谐振器1上的驱动静电力F为：
也就是说，MEMS谐振器1经过1f正交驱动后，产生2f的驱动静电力。
步骤四：MEMS谐振器1根据驱动静电力F，产生频率为2f的交变电容C，并将交变电容C输出至C/V转换器2。
具体的，MEMS谐振器1根据产生的驱动静电力F，驱动MEMS谐振器1在2f频率点振荡，进而产生频率为2f的交变电容C；
步骤五：通过C/V转换器2将交变电容C转化为电压信号V，以便完成2f差分电容的检测；
步骤六：C/V转换器2输出的电压信号V，分成第一路电压信号和第二路电压信号，第一路电压信号输入至整流器3，第二路电压信号输入至鉴相器9；
步骤七：第一路电压信号依次通过整流器3、低通滤波器4，并与参考基准7输出的基准信号，通过加法器5，做相减运算后，输入PI控制器6；PI控制器6将产生的幅值调制信号A分别输出至第一乘法器14和第二乘法器15，并将作为第一正交信号和第二正交信号的幅值调制信号；
步骤八：第二路电压信号依次通过鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11，产生第一正交输入信号cos(4πft)和第二正交输入信号sin(4πft)，其中，第二正交输入信号反馈回鉴相器9，作为鉴相器的另一路输入信号；
步骤九：压控振荡器11将产生的第一正交输入信号cos(4πft)和第二正交输入信号sin(4πft)，输入至1/2分频器12；
步骤十：1/2分频器12产生预设信号频率f的第一正交信号，第二正交信号，并分别将第一正交信号和第二正交信号反馈回第一乘法器(14)和第二乘法器(15)，从而完成的MEMS谐振器闭环控制。
举例来说，PI控制器6的输出幅值调制信号A为2V，则驱动电极上施加的第一驱动信号v+＝2cos(2π×5000)(V)，第二驱动信号v-＝2sin(2π×5000)(V)，驱动端电容Cp对位移x的梯度为3.6×10-8(F/m)，则产生的驱动静电力F为：
从而使得针对谐振频率10kHz的MEMS谐振器，其两路交流驱动信号的频率为5kHz，而产生的驱动静电力F的频率为10kHz，实现了MEMS谐振器的闭环谐振驱动，保证了MEMS谐振器的谐振工作状态；将交流驱动信号的频率与检测电容信号的频率在频域上实现了分离，消除了电气串扰。
综上所述，本发明属于MEMS谐振器闭环控制技术，具体涉及一种基于1f正交驱动2f倍频检测的MEMS谐振器闭环控制方法。它包括了MEMS谐振器闭环控制结构形式和驱动/检测方法。其中MEMS谐振器闭环控制结构包括了控制振幅的AGC环路8和控制相位的PLL环路13。其中PLL环路13包括了鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12。驱动/检测方法是通过将PLL环路13的压控振荡器11的输出信号频率经过1/2分频器12进行分频处理，输出两路正交的1f信号，经过驱动电极全差分设计，能够在MEMS谐振器上施加频率为2f的驱动静电力，并使得MEMS谐振器工作在2f谐振状态，实现了倍频驱动。这样就将驱动信号的频率1f和检测信号2f在频域上实现了分离，消除了驱动信号作为电气串扰源对检测的影响；而且1f正交驱动信号无直流偏置电压，避免了偏置电压漂移对MEMS谐振器性能的影响。
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