CN104236596A - 微机电***谐振传感器及其控制方法 - Google Patents

微机电***谐振传感器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

微机电***(MEMS)谐振传感器包括：MEMS单元，其产生与质量体的振动分量相应的输出信号，该质量体可在第一驱动电极与第二驱动电极之间振动；自动增益控制(AGC)单元，其通过控制输出信号的增益来自动产生比较电压；以及偏置单元，其接收参考电压，并使用比较电压和参考电压产生偏置电压，其中将正弦驱动电压施加到第一驱动电极和第二驱动电极，且将偏置电压施加到质量体。这可以在MEMS谐振传感器中稳定保持质量体的振幅，并且通过减少MEMS谐振传感器的响应误差来防止电子电路的故障。

Description

微机电***谐振传感器及其控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年6月7日提交的韩国专利申请第10-2013-0065508号的优先权，其全部内容针对所有目的引入本文以作参考。
技术领域
本发明涉及微机电***(MEMS)谐振传感器和控制该MEMS谐振传感器的方法。
背景技术
谐振传感器通过检测因从外部施加物理量而改变的谐振特征，计算物理量输入的大小。谐振传感器由于其宽输入范围和通过数字接口的易连接性而通常被用作MEMS谐振传感器。
MEMS谐振传感器以质量体-弹簧-阻尼器为模型，并检测诸如通过从外部施加物理量而引起的质量体的振幅和谐振频率的变换系数的谐振特征。通过重复由以下三部分组成的谐振回路(resonant loop)使MEMS谐振传感器的质量体振动：通过从外部施加物理量使MEMS谐振传感器的质量体初始精确地振动；初始振动信号通过放大器放大并产生静电力；以及质量体根据静电力会具有一个较宽的振幅。
同时，由于质量体的处理误差或谐振回路的放大器误差，MEMS谐振传感器可导致弹簧常数误差或放大器增益误差。因此，出现诸如质量体的振幅不规律的问题。这个问题成为MEMS谐振传感器的响应误差，并且其导致电子电路的故障。
本发明的该背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明一般背景的理解，不应该被认为是承认或任何形式地暗示该信息构成本领域技术人员已经知晓的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供MEMS谐振传感器和控制该传感器的方法，其具有稳定保持质量体振幅的优点。
在本发明的一方面，微机电***(MEMS)谐振传感器可包括：MEMS单元，其产生与质量体的振动分量相应的输出信号，该质量体可在第一驱动电极与第二驱动电极之间振动；自动增益控制(AGC)单元，其通过自动控制MEMS单元的输出信号的增益来产生比较电压；以及偏置单元，其接收比较电压和参考电压并使用比较电压和参考电压来产生偏置电压，其中将正弦驱动电压施加到第一驱动电极和第二驱动电极，且将偏置电压施加到质量体。
MEMS谐振传感器还可包括通过使MEMS单元的输出信号放大来产生输入MEMS单元的输入信号的保持放大器。
偏置单元产生参考电压与比较电压的和或差作为偏置电压。
本发明的另一示例性实施方式提供使用可通过静电力在第一驱动电极与第二驱动电极之间振动的质量体控制MEMS谐振传感器的方法，包括：产生与质量体振动分量相应的输出信号，通过自动控制输出信号的增益来产生与输出信号相应的比较电压，通过使用参考电压和比较电压来调整施加到质量体的偏置电压的水平，以及通过将调整后的偏置电压施加到质量体来控制静电力。
产生与输出信号相应的比较电压的步骤可以包括将正弦驱动电压施加到第一驱动电极和第二驱动电极。通过自动控制输出信号的增益来产生与输出信号相应的比较电压的步骤可以包括产生参考电压与比较电压的和或差作为偏置电压。
本发明的又一实施方式提供控制MEMS谐振传感器的方法，包括：将正弦驱动电压施加到第一驱动电极和第二驱动电极；将偏置电压施加到质量体，该质量体通过静电力在第一驱动电极与第二驱动电极之间在第一方向上振动；产生与质量体的振动分量相应的输出信号；通过检测输出信号来计算在第二方向上从外部输入的物理量的大小，其中将偏置电压施加到质量体的步骤可以包括通过自动控制输出信号的增益来产生与输出信号相应的比较电压，通过使用参考电压和比较电压来调整施加到质量体的偏置电压的水平，以及通过将调整后的偏置电压施加到质量体来控制静电力。
通过自动控制输出信号的增益来产生与输出信号相应的比较电压的步骤可以包括产生参考电压与比较电压的和或差作为偏置电压。
根据本发明，可以在MEMS谐振传感器中稳定地保持质量体的振幅，并且可以通过减少MEMS谐振传感器的响应误差来防止电子电路的故障。
而且，可以显著降低在MEMS谐振传感器中振幅处于初始弱条件下的质量体的上升(rising time)时间。
本发明的方法和装置具有其他特征和优点，这些特征和优点根据一起用来解释本发明的某些原理的本文引入的附图和以下具体实施方式将更为明显或在附图和具体实施方式中更详细地阐述。
附图说明
图1是示意性示出根据本发明示例性实施方式的MEMS谐振传感器的框图。
图2是示意性示出根据本发明示例性实施方式的MEMS单元的框图。
图3是示出根据本发明示例性实施方式的控制MEMS谐振传感器的方法的流程图。
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
与描述无关的部分被省略以便清楚地描述本发明，并且相同的附图标记在整个说明书中指代相同的元件。
在整个说明书和权利要求书中，当描述到一个元件“连接”到另一个元件时，该元件可以“直接连接”到另一个元件或通过第三元件“电连接”到另一个元件。此外，除非有明确的相反说明，术语“包括(comprise)”及其各种变形(comprises，comprising)应当被理解为包括所陈述的元件而不是排除其它元件。
图1是示意性示出MEMS谐振传感器的框图，且图2是示意性示出根据本发明示例性实施方式的MEMS单元的框图。
参考图1，MEMS谐振传感器100包括MEMS单元110、AGC(自动增益控制)单元120、保持放大器130和偏置单元140。
参考图2，MEMS单元110可包括第一驱动电极111、第二驱动电极112、和第一驱动电极与第二驱动电极之间的可振动质量体113。将正弦驱动电压施加到第一驱动电极111和第二驱动电极112，并将偏置电压V偏置施加到质量体113。正弦驱动电压产生第一驱动电极111与第二驱动电极112之间的质量体113的静电力，且质量体113根据该静电力在第一驱动电极111与第二驱动电极112之间振动。
当质量体113在第一驱动电极111与第二驱动电极112之间在第一方向上振动时，通过将物理量从外部输入到与第一方向不同的第二方向来改变第一方向的振动的弹性系数，使得改变MEMS单元110的谐振频率。在这种情况下，通过测量谐振频率的变化来计算物理量输入的大小。
MEMS单元110产生与质量体113的振动分量(component)相应的输出信号Do。
AGC单元120通过自动控制输出信号Do的增益来产生比较电压Vo。也就是说，当输出信号Do是具有取决于质量体113振动的振幅和频率的脉冲信号时，AGC单元120通过控制输出信号Do的增益来自动保持比较电压Vo。比较电压Vo被传送到偏置单元140。
保持放大器130接收输出信号Do，并通过使输出信号Do放大来输出输入信号Di。将输入信号Di输入到MEMS单元110，且MEMS单元110通过使用输入信号Di保持输出信号Do的输出。
偏置单元140接收参考电压Vdc，并通过使用参考电压Vdc和比较电压Vo产生偏置电压V偏置。例如，偏置单元140可产生参考电压Vdc与比较电压Vo的和或差作为偏置电压V偏置。偏置电压V偏置被传送到MEMS单元110的质量体113。
在质量体113根据从质量体113非振动初始条件下自然产生的机械或电噪声而初始精确地振动的情况下，AGC单元120的增益增加。因此，将更高的偏置电压V偏置施加到MEMS单元110的质量体113。也就是说，相应于自动控制MEMS单元110的输出信号Do的增益的比较电压Vo，调整施加到MEMS单元110的质量体113的偏置电压V偏置，使得调整后的偏置电压V偏置控制MEMS单元110的静电力。根据MEMS单元110的被控静电力，显著减少质量体113以稳定的初始振动振幅振动的时间。
此外，在由于例如来自外部的电噪声、机械噪声、温度变化等因素导致质量体113振动之后没有稳定保持质量体113的振幅时，通过根据AGC单元120增益的自动控制而控制MEMS单元110的静电力，来稳定保持质量体113的振幅。
图3是示出根据本发明示例性实施方式的控制MEMS谐振传感器的方法的流程图。
参考图3，MEMS单元110通过将正弦驱动电压施加到第一驱动电极111和第二驱动电极112并将偏置电压施加到质量体113来使质量体113在第一驱动电极111与第二驱动电极112之间振动，并产生与质量体113的振动分量相应的输出信号(S110)。当质量体113在第一驱动电极111与第二驱动电极112之间在第一方向上振动时，通过将物理量从外部输入到与第一方向不同的第二方向来改变第一方向上的振动的弹性系数，使得改变作为质量体113振动分量的MEMS单元110的谐振频率。通过检测与质量体113振动分量相应的输出信号来计算物理量输入的大小。
通过自动控制输出信号Do的增益，AGC单元120产生与输出信号Do相应的比较电压Vo(S120)。输出信号Do是脉冲信号，其振幅和频率取决于质量体113的振动。比较电压Vo可具有与输出信号Do的包络特征(envelope characteristic)相应的电压水平。
偏置单元140通过使用参考电压Vdc和比较电压Vo调整偏置电压V偏置的水平(S130)。偏置电压V偏置可被产生为参考电压Vdc与比较电压Vo的和或差。也就是说，相应于自动控制MEMS单元110的输出信号Do增益的比较电压Vo，调整施加到MEMS单元110的质量体113的偏置电压V偏置。
将偏置电压V偏置施加到MEMS单元110的质量体113，并且通过偏置电压V偏置控制MEMS单元110的静电力(S140)。通过控制MEMS单元110的静电力，稳定保持质量体113的振幅。
当稳定保持质量体113的振幅并且质量体113在第一驱动电极111与第二驱动电极112之间在第一方向上振动时，通过将物理量从外部输入到与第一方向不同的第二方向来改变第一方向上的振动的弹性系数，使得改变MEMS单元110的谐振频率。在这种情况下，通过测量谐振频率的变化来计算物理量输入的大小。
前述本发明具体示例性实施方式的描述提供用于示例说明和描述的目的。它们不旨在穷尽或将本发明限制到所公开的精确形式，并且明显的是根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和说明示例性实施方式是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够制造和利用本发明各个示例性实施方式，及其各种替换方式和修改。本发明的范围由所附权利要求书及其等价物限定。

Claims (8)

1.一种微机电***(MEMS)谐振传感器，包括：
MEMS单元，其产生与质量体的振动分量相应的输出信号，所述质量体能够在第一驱动电极与第二驱动电极之间振动；
自动增益控制(AGC)单元，其通过自动控制所述MEMS单元的输出信号的增益来产生比较电压；以及
偏置单元，其接收所述比较电压和参考电压，并使用所述比较电压和所述参考电压来产生偏置电压，
其中将正弦驱动电压施加到所述第一驱动电极和所述第二驱动电极，且将所述偏置电压施加到所述质量体。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振传感器，还包括通过使所述MEMS单元的输出信号放大而产生输入所述MEMS单元的输入信号的保持放大器。
3.根据权利要求1所述的MEMS谐振传感器，其中所述偏置单元产生所述参考电压与所述比较电压的和或差作为所述偏置电压。
4.一种使用能够通过静电力在第一驱动电极与第二驱动电极之间振动的质量体控制MEMS谐振传感器的方法，包括：
产生与所述质量体的振动分量相应的输出信号；
通过自动控制所述输出信号的增益来产生与所述输出信号相应的比较电压；
通过使用参考电压和所述比较电压来调整施加到所述质量体的偏置电压的水平；以及
通过将调整后的偏置电压施加到所述质量体来控制所述静电力。
5.根据权利要求4所述的方法，其中产生与所述输出信号相应的比较电压的步骤包括将正弦驱动电压施加到所述第一驱动电极和所述第二驱动电极。
6.根据权利要求4所述的方法，其中通过自动控制所述输出信号的增益来产生与所述输出信号相应的比较电压的步骤包括产生所述参考电压与所述比较电压的和或差作为所述偏置电压。
7.一种控制MEMS谐振传感器的方法，包括：
将正弦驱动电压施加到第一驱动电极和第二驱动电极；
将偏置电压施加到质量体，所述质量体通过静电力在所述第一驱动电极与所述第二驱动电极之间在第一方向上振动；
产生与所述质量体的振动分量相应的输出信号；以及
通过检测所述输出信号来确定在第二方向上从外部输入的物理量的大小，
其中将所述偏置电压施加到所述质量体的步骤包括：
通过自动控制所述输出信号的增益来产生与所述输出信号相应的比较电压；
通过使用参考电压和所述比较电压来调整施加到所述质量体的所述偏置电压的水平；以及
通过将调整后的偏置电压施加到所述质量体来控制所述静电力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过自动控制所述输出信号的增益来产生与所述输出信号相应的比较电压的步骤包括产生所述参考电压与所述比较电压的和或差作为所述偏置电压。
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