CN105103030B - 自校准的微机电***设备 - Google Patents

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Abstract

一种微机电***(MEMS)干涉仪提供了可移动反射镜的反射镜定位的自校准。可移动反射镜被耦合至具有可变电容的MEMS致动器。MEMS干涉仪包括用于确定在可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的MEMS致动器的电容的电容感测电路和用于使用在已知位置处的致动器电容来补偿电容感测电路中的任何漂移的校准模块。

Description

自校准的微机电***设备
技术领域
本发明总体涉及光学光谱法和干涉度量法，并且特别涉及微机电***(MEMS)技术在光学干涉仪中的使用。
背景技术
微机电***(MEMS)是指机械元件、传感器、致动器和电子器件通过微加工技术在共用硅衬底上的集成。例如，微电子器件典型地使用集成电路(IC)工艺来制造，而微机械组成部件使用选择性地蚀刻掉硅晶片的一部分或添加新的结构层以形成机械和机电组成部件的兼容的微机械加工工艺来制造。MEMS器件对于在光谱法、轮廓术、环境感测、折射率测量(或材料识别)以及许多其他传感器应用中的使用是具有吸引力的候选项，归因于它们的低成本、批量处理能力和与标准微电子器件的兼容性。另外，MEMS器件的小尺寸有助于这样的MEMS器件到移动和手持设备内的集成。
此外，MEMS技术与其众多的致动技术一起使得能够实现光子器件的新功能和特征，如光学调谐性和动态感测应用。例如，通过使用MEMS致动(静电、磁或热)来控制迈克尔逊干涉仪的可移动反射镜，可以引入在干涉仪光学路径长度上的小位移，并且结果可以得到干涉光束之间的差分相位。最终的差分相位可以用来测量干涉仪光束的光谱响应(例如，使用傅里叶变换光谱法)、移动的反射镜的速度(例如，使用多普勒效应)或简单地作为光学相位延迟元件。
这样的干涉仪的精确度上的关键组成部分是确定可移动反射镜的位置。传统上，激光器和辅助干涉仪已被用来测量移动反射镜位置。然而，引入体积大的激光源和附加的干涉仪增加了干涉仪***的尺寸、成本和复杂性。
因此，存在有具有减小的尺寸、成本和复杂性的确定可移动反射镜位置的机制的需要。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于进行反射镜定位的自校准的微机电***(MEMS)设备。MEMS设备包括可移动反射镜和被耦合至可移动反射镜以引起其位移的具有可变电容的MEMS致动器。MEMS设备进一步包括保持有将MEMS致动器的电容映射至可移动反射镜的位置的表的存储器、被耦合至MEMS致动器用于感测MEMS致动器的当前电容的电容感测电路、用于访问表以基于MEMS致动器的当前电容来确定可移动反射镜的当前位置的数字信号处理器和用于确定MEMS致动器的在可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的相应实际电容以确定待施加至可移动反射镜的当前位置的校正量的校准模块。数字信号处理器使用校正量进一步产生可移动反射镜的经过校正的当前位置。
在一个实施例中，MEMS设备进一步包括用于产生具有已知波长的输入光束的光源，并且随着可移动反射镜移动通过作为输入光束和可移动反射镜的移动的结果而产生的干涉图样的至少两个过零点，电容感测电路测量出电容变化。数字信号处理器基于电容变化和干涉图样填充表。
在进一步的实施例中，校准模块将在两个或更多个已知位置处的MEMS致动器的实际电容与表内的对应的各个电容进行比较，以计算出测得的实际电容与表内的对应的电容之间的相应误差。在示例性实施例中，表代表电容感测曲线，并且校准模块使用电容感测曲线和计算出的误差推断出经过校正的电容感测曲线，并使用经过校正的电容感测曲线来确定待施加至当前位置的校正量。
在另一实施例中，MEMS设备进一步包括用于产生宽带光束的宽带光源。电容感测电路确定出在可移动反射镜的第一基准位置处的第一测量电容和在可移动反射镜的第二基准位置处的第二测量电容，其中第一基准位置对应于作为宽带光束和可移动反射镜的移动的结果而产生的干涉图样的中央突发脉冲，并且第二基准位置对应于由MEMS致动器施加至可移动反射镜的零致动。校准模块使用第一基准位置处的第一测量电容和第二基准位置处的第二测量电容来确定校正量。
在又一实施例中，MEMS设备包括具有在其第一端处的第一止挡件和在其第二端处的第二止挡件的固定结构和被耦合在MEMS致动器与可移动反射镜之间的致动器臂，其中致动器臂具有位于第一止挡件与第二止挡件之间的附接至其上的第三止挡件。电容感测电路确定出当第三止挡件抵接第一止挡件时的在可移动反射镜的第一基准位置处的第一测量电容和当第三止挡件抵接第二止挡件时的在可移动反射镜的第二基准位置处的第二测量电容。校准模块使用第一基准位置处的第一测量电容和第二基准位置处的第二测量电容来确定校正量。
在再一实施例中，MEMS设备包括具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面的固定结构，其中第一侧面和第二侧面中的每一个包括其间具有已知间距的多个电容感测点。MEMS设备进一步包括被耦合在MEMS致动器与可移动反射镜之间的致动器臂。致动器臂可在电容结构的第一侧面与第二侧面之间移动，并且具有其间有已知间距的多个电容指。电容感测电路被耦合至固定结构和致动器臂，以随着可移动反射镜移动而测量指示了电容感测点与电容指之间的电容的改变的电容变化。校准模块使用电容变化来确定校正量。
在示例性实施例中，电容感测电路随着可移动反射镜移动连续地测量电容感测点与电容指之间的相应电容以确定电容变化的过零点和峰位，其中过零点对应于电容感测点与电容指之间的最大偏移并且峰位对应于电容感测点与电容指之间的最小偏移。电容感测电路进一步确定出在过零点和峰位中的每一个处的MEMS致动器的相应实际电容。校准模块确定出在过零点和峰位中的每一个处的可移动反射镜的基准位置，并基于MEMS致动器的实际电容和基准位置来确定校正量。
在附加的实施例中，MEMS致动器是具有两个板的静电致动器，并且电容感测电路感测两个板之间的当前电容。在示例性实施例中，MEMS致动器是静电梳状驱动器致动器。
在进一步的实施例中，电容感测电路包括用于接收当前电容并产生与电容成正比的输出电压的电容-电压转换器。
本发明的实施例进一步提供一种微机电***(MEMS)干涉仪***，包括具有被光学地耦合以接收和反射光的可移动反射镜、被耦合至可移动反射镜以引起其位移的具有可变电容的MEMS致动器、保持有将MEMS致动器的电容映射至可移动反射镜的位置的表的存储器和被耦合至MEMS致动器用于感测MEMS致动器的当前电容的电容感测电路的干涉仪。MEMS干涉仪***进一步包括用于访问表以基于MEMS致动器的当前电容来确定可移动反射镜的当前位置的数字信号处理器和用于确定MEMS致动器的在可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的相应实际电容以确定待施加至可移动反射镜的当前位置的校正量的校准模块。数字信号处理器使用校正量进一步产生可移动反射镜的经过校正的当前位置。
在示例性实施例中，干涉仪进一步包括：被光学地耦合以接收入射光束并将入射光束分束成第一干涉光束和第二干涉光束的分束器和被光学地耦合以接收第一干涉光束并使第一干涉光束朝向分束器反射回来以产生第一反射干涉光束的固定反射镜。可移动反射镜被光学地耦合以接收第二干涉光束并使第二干涉光束朝向分束器反射回来以产生第二反射干涉光束。检测器被光学地耦合以检测作为第一反射干涉光束与第二反射光束之间的干涉的结果而产生的干涉图样。在一个实施例中，可移动反射镜的位移产生等于位移的两倍的在第一干涉光束与第二干涉光束之间的光学路径长度差。
附图说明
参照结合附图进行的以下详细描述可以得到本发明的更加完整的理解，其中：
图1是根据本发明的实施例的用于确定可移动反射镜的位置的示例性微机电***(MEMS)设备的框图；
图2是图示出根据本发明的实施例的用于确定可移动反射镜的位置的MEMS干涉仪***的示例性组成部件的框图；
图3是图示出根据本发明的实施例的MEMS干涉仪***的进一步示例性组成部件的框图；
图4是图示出根据本发明的实施例的用于在MEMS干涉仪***内使用的专用集成电路(ASIC)的示例性组成部件的框图；
图5是图示出根据本发明的实施例的用于在图4的ASIC内使用的示例性电容-电压电路的电路图；
图6是图示出根据本发明的实施例的MEMS设备的示例性架构的图；
图7是图示出根据本发明的实施例的MEMS干涉仪***的示例性架构的图；
图8是图示出根据本发明的示例性MEMS管芯封装的图；
图9图示出根据本发明的实施例的用于确定MEMS设备内的可移动反射镜的位置的示例性方法；
图10是图示出根据本发明的实施例的用于进行反射镜定位的自校准的示例性MEMS干涉仪***的框图；
图11A和图11B是图示出根据本发明的实施例的电容感测曲线的图；
图12A和图12B是图示出根据本发明的实施例的电容感测曲线上的漂移的图；
图13是图示出根据本发明的实施例的作为电容感测曲线上的漂移的结果的反射镜位置的误差的图；
图14是图示出根据本发明的实施例的用于进行校准反射镜位置的线性校正技术的MEMS干涉仪***的示例性组成部件的框图；
图15是图示出根据本发明的实施例的白光源的干涉图的图；
图16是图示出根据本发明的实施例的用于进行校准反射镜位置的另一线性校正技术的MEMS干涉仪***的示例性组成部件的框图；
图17是图示出根据本发明的实施例的用于进行校准反射镜位置的非线性校正技术的MEMS干涉仪***的示例性组成部件的框图；
图18是图示出根据本发明的实施例的图17的电容感测非线性校正技术的图；以及
图19图示出根据本发明的实施例的用于光学MEMS干涉仪内的反射镜定位用的自校准的示例性方法。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供一种自校准技术以确定诸如干涉仪/光谱仪应用等的微机电***(MEMS)应用中的可移动反射镜的位置。该技术使得能够实现干涉仪/光谱仪***在小芯片上的集成并降低了***的成本和复杂性。
现在参见图1，图示有根据本发明的实施例的示例性MEMS设备100。MEMS设备100包括MEMS致动器110和可移动反射镜120。MEMS致动器110是静电致动器，如梳状驱动器致动器、平行板致动器或其他类型的静电致动器。可移动反射镜120被耦合至MEMS致动器110，使得MEMS致动器的运动引起可移动反射镜120的位置的位移。
在很多MEMS应用中，有必要知道可移动反光镜120的位置。例如，在干涉仪应用中，可移动反光镜120的位置被用来处理干涉仪的输出。MEMS干涉仪***105的示例在图2中示出。如可以在图2中看出的，MEMS致动器110和可移动反射镜120与干涉仪140的其他组成部件，诸如分束器、固定反射镜和光电检测器等(如结合图7在下面更加详细地描述的)一起形成MEMS干涉仪150。MEMS干涉仪150可以例如是傅里叶变换红外光谱(FTIR)光谱仪、迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。
可移动反射镜120的位移产生了在干涉仪140的两个臂之间的光学路径长度差，以便获得在光电检测器处的期望的干涉图样。为了有效地处理从光电检测器输出的信号，必须查明可移动反射镜120的在至少一个平面中的位置。
因此，现在参见图1和图2，为了测量可移动反光镜的位置，MEMS设备100还包括被耦合至MEMS致动器110的电容感测电路130。由于MEMS致动器110是静电致动器，所以MEMS致动器110具有可以由电容感测电路130测量的可变电容。例如，在一个实施例中，电容感测电路130可以被耦合至MEMS致动器110的两个板以检测板之间的电容(即，测量电容的当前值，下文称作MEMS致动器的“当前电容”)。
基于测得的当前电容，可以确定可移动反射镜120的位置。如可以理解的，MEMS致动器110的两个板之间的间隔(距离)随着反射镜120移动而变化。由于MEMS致动器110是静电致动器，所以两个板之间的电容与两个板之间的间隔直接成正比(或者在某些情况中成反比)。这样，板之间的电容可以用来确定该间隔，该间隔进而可以用来确定反射镜位置。
图3是图示出根据本发明实施例的MEMS干涉仪***105的示例性组成部件的框图。在图3中，电容感测电路(CSC)130被实施在专用集成电路(ASIC)160内。ASIC 160进一步被耦合至MEMS干涉仪150和数字信号处理器(DSP)170。在一个实施例中，DSP 170被实施在ASIC 160上。将DSP 170集成在ASIC 160上产生了可容易地集成在较大***中的有吸引力的自包含的解决方案。然而，这强加了在ASIC技术选择上的限制并且可能会导致数字部件与敏感的模拟前端之间的干扰。因此，在其他实施例中，DSP 170可以被实施在另一ASIC上或者实施为可在通用个人计算机上执行的软件。
ASIC 160内的CSC 130被耦合以接收来自MEMS干涉仪150的MEMS致动器的电容感测信号190。CSC 130测量电容感测信号190以确定MEMS致动器的当前电容并将当前电容的值传送至DSP 170。DSP 170处理当前电容值以确定移动的反射镜在MEMS干涉仪150内的位置。
ASIC 160还包括用于生成致动信号180并将致动信号180传送至MEMS干涉仪150的MEMS致动器以控制MEMS致动器的移动的电路。例如，在示例性实施例中，ASIC 160包括支持任何任意致动轮廓(profile)的数字-模拟转换器(DAC)。DAC也可以是非常高的分辨率的以便降低致动噪声并具有非常高的无杂散动态范围以确保不期望的谐振模式不被激励。
另外，ASIC 160进一步被耦合以接收从MEMS干涉仪150输出的光学干涉图样195并将光学干涉图样195提供至DSP 170用于处理。例如，在示例性实施例中，MEMS干涉仪***105是使用通用MEMS接口CMOS ASIC 160的MEMS FTIR光谱仪***。在该实施例中，MEMS干涉仪150包括光电检测器、固定反射镜和可移动反射镜。随着可移动反射镜的运动，光电检测器捕获光学干涉图样195。ASIC 160可以包括将信号放大、去除任何dc偏移并且提供必要的抗混叠滤波的低噪声信号调节路径。信号调节可以以高度线性的方式进行以减少最后的输出光谱中的任何杂散波(spurious tone)。在DSP 170处，在知道可移动反射镜的位置的情况下对经调节的图案的光谱分析可以识别出光学路径中的任何材料的光波长和光谱印(spectral print)。
现在参见图4，示出了示例性CRC 130。CRC 130包括电容-电压转换器(C/V)200、放大器210和低通滤波器220。C/V 200被耦合以接收指示出MEMS致动器的当前电容的电容感测信号190，并且操作以将当前电容转换成电压。特别地，C/V产生与MEMS致动器的两个端子之间的电容成正比的电压输出。放大器210将从C/V 200输出的电压放大，并且低通滤波器220将电压过滤以去除任何杂散信号。在示例性实施例中，C/V 200是具有宽增益范围和dc偏移去除以支持叠加在各种固定电容上的宽的电容范围的非常低噪声的C/V。低噪声水平对于CRC 130是期望的，因为反射镜位置不精确度直接影响***信噪比(SNR)。ASIC 160还可以展现出非常低的电压和噪声水平以允许超过18位的分辨率。在进一步的实施例中，ASIC 160还可以包括电容校准电路以校准C/V 200。
图5中示出C/V 200的示例。C/V 200包括用于接收作为被测量的电容C的输入端子、用于接收基准电容Cref的输入端子、运算放大器202、反馈电容器Co和包络检测器电路204。在示例性操作中，已知频率(例如，10kHz)的ac信号被施加至电容C的一个端子，而相同激励信号的负版本被施加至基准电容器Cref。运算放大器202的输出是其幅度与值(C-Cref)成正比的相同频率的ac信号。
包络检测器电路204检测运算放大器202的输出的包络。特别地，包络检测器电路204操作以生成与从运算放大器202输出的ac信号的幅度(包络)成正比的输出电压。如图5所示，包络检测器电路204检测从运算放大器202输出的信号Vo1的包络并产生与作为被测量的电容的值成正比的电压Vout。应该理解的是，用于C/V 200的其他电路设计是可以的，并且本发明不限于任何特定C/V电路设计。例如，在另一实施例中，C/V 200可以具有多个端子以感测两个电容器上的差，其中差值与反射镜位置成正比。
图6是图示出根据本发明的实施例的MEMS设备100的示例性架构的图。MEMS设备100包括ASIC 160和MEMS器件155，诸如MEMS干涉仪。MEMS器件155包括静电梳状驱动器MEMS致动器110和可移动反射镜120。图6中示出的静电梳状驱动器MEMS致动器110由各具有相应的端子112和114的梳状驱动器115和发条(spring)118形成。通过将电压在端子112处施加至梳状驱动器115，电势差横跨致动器110产生，这诱导了在其中的电容，引起驱动力生成以及来自发条118的回复力，由此引起可移动反射镜120的至期望位置的位移。被诱导的电容C可变可以通过将端子112和114连接至ASIC 160上的端口162和164而横跨端子112和114测量。
在一个实施例中，来自ASIC 160的致动信号利用时分复用或频分复用作为电容感测信号通过相同端口(端口162)传送。通过在单一个端口上具有两个功能(致动和电容感测)，必要的最大致动电压可以被减小，同时还增加了感测到的电容。然而，这可能导致感测与致动电路之间的不期望的相互作用。因此，在其他实施例中，致动信号通过ASIC 160上的不同端口(未示出)发送。应该理解的是，图6中示出的MEMS致动器110的布局和特征仅是示例性的，并且本发明可以用任何静电MEMS致动器设计来实现，不管是梳状驱动器致动器、平行板致动器或其他类型的静电MEMS致动器。
图7是图示出根据本发明的实施例的MEMS干涉仪***105的示例性架构的图。MEMS干涉仪***105包括MEMS干涉仪150和ASIC 160。MEMS干涉仪150可以是例如在SOI晶片之上实现以允许MEMS致动移动的反射镜的傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。
MEMS干涉仪150包括MEMS致动器110和干涉仪140。如图7所示，干涉仪140包括光源300、分束器310、固定反射镜320、光电检测器330和可移动反射镜120。光源300产生入射光束I，该入射光束行进通过干涉仪140直到它到达半平面分束器310。在示例性实施例中，分束器310形成在第一介质(即，硅(Si))与第二介质(即，空气)之间的界面处。硅/空气界面分束器310被定位成与入射光束I成角度(例如，45度)。可以例如通过限定了硅介质的表面的光刻来产生期望的角度。
当撞击半平面分束器310时，入射光束I被分成两个干涉光束L1和L2。L1来源于入射光束I的由于硅/空气半平面分束器310的部分反射，并因此具有等于光束入射角度的反射角度。L2来源于入射光束I的通过硅/空气半平面分束器310的部分透射并且以折射角度(通过斯涅尔定律来确定)至少部分地在硅中传播。作为结果，L1朝向可移动反射镜120传播，而L2朝向固定反射镜320传播。
光束L1被可移动反射镜120反射，因此产生反射光束L3，而光束L2固定反射镜320反射，因此产生反射光束L4。如图7所示，光束L3和L4两者在分别从反射镜120和320反射之后分别采用L1和L2的相同的光学路径(在相反方向上)朝向半平面分束器310反射回来。因此，在光谱仪/干涉仪被用作傅里叶变换(FT)光谱仪的实施例中，一个干涉仪臂由光束L1/L3形成并包括分束器310和可移动反射镜120，而另一干涉仪臂由光束L2/L4形成并包括固定反射镜320。
干涉图样L5由在分束器310处干涉的反射光束L3和L4形成。干涉图样L5通过检测器330来检测。检测器330的输出经由端子166被输入至ASIC 160。在一个实施例中，检测器330包括通过在衬底中微机械加工而组装的(例如，通过蚀刻衬底的顶表面以实现光电检测器可以置于其内的开口)或者通过掺杂(例如，以实现P-I-N二极管)或通过部分金属化(例如，以实现金属-半导体-金属MSM光电检测器)而在衬底内单片实现的光电检测器。
还是如图7所示，可移动反射镜120可利用SOI静电MEMS致动器110而移动。与图6中一样，静电MEMS致动器110示出为由梳状驱动器115和发条118形成。电压可以经由端子114被施加至梳状驱动器114，由此诱导了横跨端子112和114的电容并引起可移动反射镜120的至用于光束L1的反射的期望位置的位移。这样，可以获得基本上等于反射镜位移的两倍的光束L3与L4之间的光学路径长度差(OPD)。
另外，横跨端子112和114的电容可以经由端口162和164通过ASIC 160来测量以确定可移动反光镜120的位置。基于确定出的可移动反射镜位置和检测器330的输出，可以产生干涉图340(例如通过图3中示出的DSP 170)以识别光学路径中的任何材料的波长和光谱印。
图7中的可移动反射镜120示出为被定位成在两个光学路径(L1/L3和L2/L4)之间的零路径差处。然而，在其他实施例中，为了去除作为电容感测技术的结果产生的相位噪声和误差，可移动反射镜120可以被定位在零路径位置后面的距离δ处，并且可移动反射镜120可以移动通过零路径位置使得在零路径位置的正侧和负侧两者上进行测量。在该情况中，源300是宽带源(即，白光源)并且负侧和正侧可以相等或不等。在DSP 170(图3中示出)处，可以进行干涉图340的复变傅里叶变换以补偿反射镜位置中的任何相位误差。在另一实施例中，取代记录干涉图的正侧和负侧两者，干涉图的在负(左)侧上的只一小部分可以被采用并通过DSP用来提取正确的信号并去除由电容感测技术产生的相位噪声和误差中的一些。
在一个实施例中，反射镜120和320是金属反射镜，其中使用选择性金属化(例如在金属化步骤期间使用投影掩模)以保护分束器。在另一实施例中，使用非金属垂直布拉格反射镜以得到小占位面积的光谱仪。布拉格反射镜可以使用深反应离子刻蚀(DRIE)来实现，由此产生连续的垂直硅/空气界面。另外，布拉格反射镜可以设计成具有宽谱反射响应以充当简单的反射器或者具有波长选择性响应，取决于应用。
虽然硅/空气界面在这里被描述用于分束器310，但是提供半波平面分束器的其他介质可以被用来实现本发明。例如，在另一示例性实施例中，微机械加工的或组装的玻璃半平面或诸如耐热玻璃(Pyrex)等的其他材料可以用来代替硅以允许操作的较宽的光谱窗口。另外，诸如液体或不同气体等的其他材料可以用来代替空气以提供修改半平面分束界面的反射系数的自由度。
图8是图示出根据本发明的示例性MEMS管芯封装400的图。通过使用电容感测来确定可移动反射镜的位置，MEMS干涉仪150可以与ASIC 160芯片一起集成在相同MEMS管芯封装400上，由此减小了MEMS***的尺寸、成本和复杂性。
图9图示出根据本发明的实施例的用于确定MEMS设备内的可移动反射镜的位置的示例性方法500。方法开始于510，其中提供耦合至可移动反射镜的具有可变电容的静电MEMS致动器。在520处，使用MEMS致动器使可移动反射镜位移。此后，在530处，感测MEMS致动器的当前电容，并且在540处，基于MEMS致动器的当前电容来确定可移动反射镜的位置。
现在参见图10，在一些实施例中，电容感测电路可能会归因于应力、温度、湿度、电子组成部件的正常漂移以及其他原因而遭受性能漂移。电容感测电路中的这样的漂移影响到可移动反射镜的位置的精确度，这直接影响到光谱仪/干涉仪操作。因此，如图10所示，校准模块600可以被包括在MEMS干涉仪105中以校准用于光学路径差调制的确定的电容感测电路(CSC)130。在一个实施例中，校准模块600是可由DSP 170执行的算法并且可以存储在例如存储器620中。在另一实施例中，校准模块600被包括在CSC 130的ASIC内，或在附加的ASIC内。
如上面所讨论的，可移动反射镜120在干涉仪140的一个路径中引入光学路径差，导致输出干涉图，可以通过如下面公式1和2中所指示的傅里叶变换从该输出干涉图中提取光谱。
为了得到准确的光谱，需要归因于可移动反射镜位移的光学路径差(OPD)的精确测量。OPD的精确度初始用如上面所讨论的CSC 130来校准以随着移动反射镜120移动通过运动的全范围而电容性地感测MEMS致动器150的运动。最终测得的电容(电容数据640)被映射到对应的OPD(位置数据650)，并接着可以存储在存储器620中的表630内。
例如，可以将特定已知波长λ0的光束102注入MEMS干涉仪105内以在生产线上针对每个光谱试样对CSC 130校准一次。如可以在图11A和图11B中看出的，电容-OPD关系是使用所得到的干涉图的两个连续的峰位代表λ0的OPD的事实并将其映射到测得的电容变化上以产生电容感测曲线720而确定的，如下：
其中两个连续的过零点710之间的距离(Δx)等于λ0/2。
再次参见图10，图11B的电容感测曲线720可以用来填充C(电容数据640)-x(位置数据650)关系的查找表620，该查找表接着可以用来在MEMS干涉仪105的随后的操作期间确定可移动反射镜120的位置。例如，在MEMS干涉仪105的随后的操作期间，可以通过CSC 130测量横跨MEMS致动器150的电容，并且可以将测得的电容提供至DSP 170以通过访问存储器620中的表630来确定可移动反射镜120的位置。
另外，如图10所示，为了补偿CSC 130中的任何漂移，校准模块600可以进一步确定校正量610并将该校正量610提供至DSP 170。DSP 170可以使用校正量610和之前确定的反射镜位置(基于由CSC 130提供的测得的电容和表630查找)来确定经过校正的反射镜位置。基于经过校正的可移动反射镜位置和干涉仪140的输出，DSP 170可以接着产生干涉图以识别光学路径中的任何材料的波长和光谱印。此外，DSP 170和/或含有CSC 130的ASIC可以生成致动信号以控制MEMS致动器150的移动以使反射镜120使用校正量610移动至期望位置。
在示例性实施例中，校准模块600通过在可移动反射镜120的两个或更多个已知位置处确定MEMS致动器150的实际电容来确定校正量610。例如，校准模块600可以将两个或更多个已知位置处的MEMS致动器150的实际测得电容与表630内的对应的各个电容进行比较，以计算出测得的实际电容与表630内的对应电容之间的相应误差。校准模块600可以接着使用初始电容感测曲线和计算出的误差来推断出经过校正的电容感测曲线，并基于经过校正的电容感测曲线与初始电容感测曲线之间的差来确定出待施加至反射镜位置的校正量610。
例如，如图12A和图12B所示，初始电容值(存储在图10的表630中)的漂移可以以偏移误差(Bd)和/或增益误差(Ad)的形式发生。如可以在图12A和图12B中看出的，存储在表中的初始值提供了具有A0增益的在零OPD处的B0的电容值。在MEMS干涉仪的随后的操作中，发生了CSC中的漂移，使得零OPD对应于Bd的电容值并且此时增益为Ad。如进一步如图13所示，当这样的漂移存在时，使用初始值映射电容感测-OPD关系导致错误的OPD值(与x实际相比的x误差)，这可以导致波长误差和光谱漂移。因此，需要初始电容值的附加校准来校正OPD值。附加校准产生如上所述的校正量，该校正量可以包括偏移误差量和/或增益误差量。
图14至图18图示出考虑到电容感测漂移的示例性校正技术，因此使得能够实现用于MEMS干涉仪的光学路径调制的自我维持(self-sustained)的校准。在一个实施例中，如图14和图15所示，宽带光源800被用来自校准MEMS干涉仪。在该实施例中，假定电容测量对位置的误差是线性的。因此，只需要在已知反光镜位置处的两个电容测量来校正用于C-x关系的漂移误差。
宽带光源800具有被注入干涉仪140内的光谱S(v)。图15中示出的所得到的白光干涉图可以如下地表达，用于在从v1至v2的波数范围内工作的MEMS干涉仪：
其中
Wv＝v1-v2 (公式6)
s(x)＝Fourier Transform[S(v)] (公式7)
如可以在图15中看出的，白光干涉图的中央突发脉冲830处的反射镜位置与源光谱形状无关，这使得依赖于该位置更多地免疫于源波动和漂移。因此，如图14所示，CSC 130可以在得到白光干涉图的情况下连续地测量MEMS致动器150的电容，并且将测得的电容值提供至校准模块600。从由干涉仪140所提供的所得到的干涉图，校准模块600可以确定当移动反射镜120处于对应于中央突发脉冲830的突发脉冲位置820处时的测量的电容并且将该突发脉冲位置820映射至零OPD，零OPD可视为用于自校准的第一基准位置。
另外，CSC 130可以测量当MEMS致动器是空闲(即，没有致动施加至移动反射镜120)时的MEMS致动器150的电容，并且将空闲测量电容提供至校准模块600。很明显，当MEMS致动器150空闲时，移动反射镜120处于已知的静止位置810，该位置可以视为用于自校准的第二基准位置。使用在基准位置中的每一个处的测量电容以及存储在表630中的初始电容和位置值，校准模块600可以确定在随后的MEMS干涉仪操作期间通过DSP 170施加至电容感测曲线(存储在表630中的值)的校正量610。因此，随后干涉图中的任何电容感测线性漂移都可以使用校正量610来补偿。
图16图示出使用致动器止挡件930a至930c自校准MEMS干涉仪的另一线性校正技术。在图16中示出的实施例中，MEMS致动器150经由致动器臂900被耦合至移动反射镜120。固定结构920包围致动器臂900，使得致动器臂900处于固定结构920的相对的侧面之间。固定结构920具有在其第一端处的第一止挡件930a和处于其第二端处的第二止挡件930c。致动器臂900具有附接至其上的被定位在固定结构920的第一止挡件930a与第二止挡件930c之间的第三止挡件930b。
MEMS致动器150被配置成使反射镜120在固定结构920的第一止挡件930a与第二止挡件930c之间延伸的范围内移动。另外，当致动器臂920上的第三止挡件930b抵接第一止挡件930a和第二止挡件930c时，可移动反射镜120的相应位置(位移)是已知的。因此，CSC 130可以测量出当致动器臂900的第三止挡件930b抵接固定结构920的第一止挡件930a时的MEMS致动器150的电容，该电容对应于用于自校准的可移动反射镜120的第一基准位置。同样，CSC 130可以测量出当致动器臂900的第三止挡件930b抵接固定结构920的第二止挡件930c时的MEMS致动器150的电容，该电容对应于用于自校准的可移动反射镜120的第二基准位置。从两个基准位置处的测量的电容和表630内的初始存储电容，校准模块600可以确定在随后MEMS干涉仪操作期间待由DSP 170施加至电容感测曲线(存储在表620中的值)的校正量610。
在另一实施例中，将图14和图16中图示出的线性技术组合可以提供用于当存在非线性误差时的MEMS干涉仪中的非线性校正。图14和图16中的技术中的每一个使用两个测量点来确定误差。因此，将两个技术组合提供了可以用来校正用于第四阶误差的四个测量点。
甚至更高阶的误差(第四阶或更高)可以使用图17中图示出的电容感测技术来校正。在图17中，固定的电容结构1000被设置在致动器臂900的任一侧上，使得致动器臂900被定位在固定结构1000的相对的侧面之间。固定结构的每一侧包括其间具有已知间距的多个电容感测点1010。另外，致动器臂900包括其间具有已知间距的多个电容指1020。
致动器臂900被耦合至CSC的第一端口(端口A)，而固定结构1000被耦合至CSC的第二端口(端口B)，以使得CSC能够随着MEMS致动器150使可移动反射镜120移动而测量出指示了电容感测点1010与电容指1020之间的电容的改变的电容变化。电容变化可以接着由校准模块使用来确定校正量。
例如，CSC可以随着可移动反射镜120移动而连续地测量出电容感测点1010与电容指1020之间的相应电容，以确定电容变化的过零点和峰位。如应该理解的，过零点对应于电容感测点1010与电容指1020之间的最大偏移，并且峰位对应于电容感测点1010与电容指1020之间的最小偏移。
另外，如上面结合图6和图7所描述的，在过零点和峰位中的每一个处横跨MEMS致动器150的相应实际电容可以在CSC的端口C和D处测得。校准模块可以接着测量出在过零点和峰位中的每一个处的可移动反射镜120的基准位置，并基于MEMS致动器与基准位置的实际电容来确定校正量。
因此，图17的电容感测校准技术使得能够得到N个基准点，其中电容过零点或电容峰位之间的间距对应于基准固定周期x周期，如可以在图18中看出的。通过感测移动反射镜臂900与固定结构1000之间的电容改变，可以使用图18中示出的电容过零点和电容峰位来校准反射镜位移并结果校准OPD。
图19图示出根据本发明的实施例的用于光学MEMS干涉仪内的反射镜定位用的自校准的示例性方法1900。方法开始于1910，其中进行反射镜位置的初始校准以填充MEMS致动器电容和对应的反射镜位置的初始值的表。在1920处，在反射镜的两个或更多个已知位置处再次测量MEMS致动器电容。接着，在1930处，基于已知位置处的测得的电容来确定待施加至表中存储的初始值的校正量。
如本领域技术人员将认识到的，本发明中所描述的创新性构思可以在应用的宽范围内修改和变化。因此，专利主题的范围不应该限于所讨论的特定示例性教导中的任一个，而是由随附权利要求限定。

Claims (23)

1.一种微机电***(MEMS)设备，包括：
可移动反射镜；
MEMS致动器，被耦合至所述可移动反射镜以引起其位移，所述MEMS致动器具有可变的电容；
存储器，保持有将所述MEMS致动器的电容映射至所述可移动反射镜的位置的表；
电容感测电路，被耦合至所述MEMS致动器，用于感测所述MEMS致动器的当前电容；
数字信号处理器，用于访问所述表以基于所述MEMS致动器的所述当前电容来确定所述可移动反射镜的当前位置；以及
校准模块，用于通过确定所述MEMS致动器的在所述可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的相应实际电容，以确定待施加至所述可移动反射镜的所述当前位置的校正量，来校正所述MEMS致动器的所述当前电容的漂移并因此校正所述当前电容与所述可移动反射镜的所述当前位置之间的关系；
其中所述数字信号处理器使用所述校正量进一步产生所述可移动反射镜的经过校正的当前位置，
其中所述MEMS设备进一步包括：
宽带光源，用于产生宽带光束；
干涉仪，包括：
分束器，被光学地耦合以接收所述宽带光束并将所述宽带光束分束成第一干涉光束和第二干涉光束；
固定反射镜，被光学地耦合以接收所述第一干涉光束并使所述第一干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第一反射干涉光束；
所述可移动反射镜，被光学地耦合以接收所述第二干涉光束并使所述第二干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第二反射干涉光束，所述可移动反射镜的位移在所述第一干涉光束和所述第二干涉光束之间产生等于所述位移的两倍的光学路径长度差；以及
检测器，被光学地耦合以检测作为所述第一反射干涉光束与所述第二反射光束之间的干涉的结果而产生的干涉图样；
其中所述电容感测电路确定出在所述可移动反射镜的第一已知位置处的第一测量电容，所述第一已知位置对应于作为所述宽带光束和所述可移动反射镜的移动的结果而产生的干涉图样的中央突发脉冲；
其中所述电容感测电路确定出在所述可移动反射镜的第二已知位置处的第二测量电容，所述第二已知位置对应于由所述MEMS致动器施加至所述可移动反射镜的零致动；以及
其中所述校准模块使用所述第一已知位置处的所述第一测量电容和所述第二已知位置处的所述第二测量电容来确定所述校正量；
其中所述第一已知位置不同于所述第二已知位置。
2.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是具有两个板的静电致动器，所述电容感测电路感测所述两个板之间的所述当前电容。
3.根据权利要求2所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是静电梳状驱动器致动器。
4.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述电容感测电路包括用于接收所述当前电容并产生与所述电容成正比的输出电压的电容-电压转换器。
5.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中：
所述表代表电容感测曲线；
所述校准模块将在所述两个或更多个已知位置处的所述MEMS致动器的所述实际电容与所述表内的对应的各个电容进行比较，以计算出测得的所述实际电容与所述表内的对应的电容之间的相应误差；
所述校准模块使用所述电容感测曲线和计算出的所述误差推断出经过校正的电容感测曲线；并且
所述校准模块使用经过校正的所述电容感测曲线来确定待施加至所述当前位置的所述校正量。
6.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述干涉仪是傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。
7.一种微机电***(MEMS)设备，包括：
可移动反射镜；
MEMS致动器，被耦合至所述可移动反射镜以引起其位移，所述MEMS致动器具有可变的电容；
存储器，保持有将所述MEMS致动器的电容映射至所述可移动反射镜的位置的表；
电容感测电路，被耦合至所述MEMS致动器，用于感测所述MEMS致动器的当前电容；
数字信号处理器，用于访问所述表以基于所述MEMS致动器的所述当前电容来确定所述可移动反射镜的当前位置；以及
校准模块，用于通过确定所述MEMS致动器的在所述可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的相应实际电容，以确定待施加至所述可移动反射镜的所述当前位置的校正量，来校正所述MEMS致动器的所述当前电容的漂移并因此校正所述当前电容与所述可移动反射镜的所述当前位置之间的关系；
其中所述数字信号处理器使用所述校正量进一步产生所述可移动反射镜的经过校正的当前位置；并且
其中所述MEMS设备进一步包括：
固定结构，具有在其第一端处的第一止挡件和在其第二端处的第二止挡件；
致动器臂，被耦合在所述MEMS致动器与所述可移动反射镜之间，所述致动器臂具有附接至其上的第三止挡件，所述第三止挡件位于所述第一止挡件与所述第二止挡件之间；
其中所述电容感测电路确定出当所述第三止挡件抵接所述第一止挡件时的在所述可移动反射镜的第一已知位置处的第一测量电容；
其中所述电容感测电路确定出当所述第三止挡件抵接所述第二止挡件时的在所述可移动反射镜的第二已知位置处的第二测量电容；以及
其中所述校准模块使用所述第一已知位置处的所述第一测量电容和所述第二已知位置处的所述第二测量电容来确定所述校正量。
8.根据权利要求7所述的MEMS设备，进一步包括：
宽带光源，用于产生宽带光束；
干涉仪，包括：
分束器，被光学地耦合以接收所述宽带光束并将所述宽带光束分束成第一干涉光束和第二干涉光束；
固定反射镜，被光学地耦合以接收所述第一干涉光束并使所述第一干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第一反射干涉光束；
所述可移动反射镜，被光学地耦合以接收所述第二干涉光束并使所述第二干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第二反射干涉光束，所述可移动反射镜的位移在所述第一干涉光束和所述第二干涉光束之间产生等于所述位移的两倍的光学路径长度差；以及
检测器，被光学地耦合以检测作为所述第一反射干涉光束与所述第二反射光束之间的干涉的结果而产生的干涉图样；
其中所述电容感测电路确定出在所述可移动反射镜的第三已知位置处的第三测量电容，所述第三已知位置对应于作为所述宽带光束和所述可移动反射镜的移动的结果而产生的干涉图样的中央突发脉冲；
其中所述电容感测电路确定出在所述可移动反射镜的第四已知位置处的第四测量电容，所述第四已知位置对应于由所述MEMS致动器施加至所述可移动反射镜的零致动；以及
其中所述校准模块使用所述第一已知位置处的所述第一测量电容、所述第二已知位置处的所述第二测量电容、所述第三已知位置处的所述第三测量电容、所述第四已知位置处的所述第四测量电容来确定所述校正量；
其中所述第三已知位置不同于所述第四已知位置。
9.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是具有两个板的静电致动器，所述电容感测电路感测所述两个板之间的所述当前电容。
10.根据权利要求8所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是静电梳状驱动器致动器。
11.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中所述电容感测电路包括用于接收所述当前电容并产生与所述电容成正比的输出电压的电容-电压转换器。
12.根据权利要求7所述的MEMS设备，进一步包括：
光源，用于产生具有已知波长的输入光束；
干涉仪，包括：
分束器，被光学地耦合以接收所述输入光束并将所述输入光束分束成第一干涉光束和第二干涉光束；
固定反射镜，被光学地耦合以接收所述第一干涉光束并使所述第一干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第一反射干涉光束；
所述可移动反射镜，被光学地耦合以接收所述第二干涉光束并使所述第二干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第二反射干涉光束，所述可移动反射镜的位移在所述第一干涉光束和所述第二干涉光束之间产生等于所述位移的两倍的光学路径长度差；以及
检测器，被光学地耦合以检测作为所述第一反射干涉光束与所述第二反射光束之间的干涉的结果而产生的干涉图样；
其中随着所述可移动反射镜移动通过所述干涉图样的至少两个过零点，所述电容感测电路测量出电容变化；以及
其中所述数字信号处理器基于所述电容变化和所述干涉图样填充所述表。
13.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中：
所述表代表电容感测曲线；
所述校准模块将在所述两个或更多个已知位置处的所述MEMS致动器的所述实际电容与所述表内的对应的各个电容进行比较，以计算出测得的所述实际电容与所述表内的对应的电容之间的相应误差；
所述校准模块使用所述电容感测曲线和计算出的所述误差推断出经过校正的电容感测曲线；并且
所述校准模块使用经过校正的所述电容感测曲线来确定待施加至所述当前位置的所述校正量。
14.根据权利要求6或12所述的MEMS设备，其中所述干涉仪是傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。
15.一种微机电***(MEMS)设备，包括：
可移动反射镜；
MEMS致动器，被耦合至所述可移动反射镜以引起其位移，所述MEMS致动器具有可变的电容；
存储器，保持有将所述MEMS致动器的电容映射至所述可移动反射镜的位置的表；
电容感测电路，被耦合至所述MEMS致动器，用于感测所述MEMS致动器的当前电容；
数字信号处理器，用于访问所述表以基于所述MEMS致动器的所述当前电容来确定所述可移动反射镜的当前位置；以及
校准模块，用于通过确定所述MEMS致动器的在所述可移动反射镜的两个或更多个已知位置处的相应实际电容，以确定待施加至所述可移动反射镜的所述当前位置的校正量，来校正所述MEMS致动器的所述当前电容的漂移并因此校正所述当前电容与所述可移动反射镜的所述当前位置之间的关系；
其中所述数字信号处理器使用所述校正量进一步产生所述可移动反射镜的经过校正的当前位置；并且
其中所述MEMS设备进一步包括：
固定结构，具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面中的每一个包括其间具有已知间距的多个电容感测点；
致动器臂，被耦合在所述MEMS致动器与所述可移动反射镜之间，并且可在所述电容结构的所述第一侧面与所述第二侧面之间移动，所述致动器臂具有其间有已知间距的多个电容指；以及
所述电容感测电路被耦合至所述固定结构和所述致动器臂，以随着所述可移动反射镜移动而测量指示了所述电容感测点与所述电容指之间的电容的改变的电容变化，其中所述电容变化中的峰位对应于所述致动器臂的物理基准点，在所述物理基准点处存在所述电容感测点与所述电容指之间的最小偏移，所述可移动反射镜的所述两个或更多个已知位置中的至少一个第一已知位置在所述致动器臂的所述物理基准位置处确定。
16.根据权利要求15所述的MEMS设备，其中所述电容感测电路随着所述可移动反射镜移动而连续地测量所述电容感测点与所述电容指之间的相应电容以进一步确定所述电容变化的过零点，所述过零点对应于所述致动器臂的附加的物理基准位置，在所述附加的物理基准位置处存在所述电容感测点与所述电容指之间的最大偏移，所述可移动反射镜的所述两个或更多个已知位置中的至少一个第二已知位置在所述致动器臂的所述附加的物理基准位置处确定。
17.根据权利要求16所述的MEMS设备，其中：
所述电容感测电路进一步确定出在所述过零点和所述峰位中的每一个处的所述MEMS致动器的相应实际电容；并且
所述校准模块基于所述MEMS致动器的所述实际电容和所述可移动反射镜的所述两个或更多个已知位置来确定所述校正量。
18.根据权利要求15所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是具有两个板的静电致动器，所述电容感测电路感测所述两个板之间的所述当前电容。
19.根据权利要求18所述的MEMS设备，其中所述MEMS致动器是静电梳状驱动器致动器。
20.根据权利要求15所述的MEMS设备，其中所述电容感测电路包括用于接收所述当前电容并产生与所述电容成正比的输出电压的电容-电压转换器。
21.根据权利要求15所述的MEMS设备，进一步包括：
光源，用于产生具有已知波长的输入光束；
干涉仪，包括：
分束器，被光学地耦合以接收所述输入光束并将所述输入光束分束成第一干涉光束和第二干涉光束；
固定反射镜，被光学地耦合以接收所述第一干涉光束并使所述第一干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第一反射干涉光束；
所述可移动反射镜，被光学地耦合以接收所述第二干涉光束并使所述第二干涉光束朝向所述分束器反射回来以产生第二反射干涉光束，所述可移动反射镜的位移在所述第一干涉光束和所述第二干涉光束之间产生等于所述位移的两倍的光学路径长度差；以及
检测器，被光学地耦合以检测作为所述第一反射干涉光束与所述第二反射光束之间的干涉的结果而产生的干涉图样；
其中随着所述可移动反射镜移动通过所述干涉图样的至少两个过零点，所述电容感测电路测量出电容变化；以及
其中所述数字信号处理器基于所述电容变化和所述干涉图样填充所述表。
22.根据权利要求15所述的MEMS设备，其中：
所述表代表电容感测曲线；
所述校准模块将在所述两个或更多个已知位置处的所述MEMS致动器的所述实际电容与所述表内的对应的各个电容进行比较，以计算出测得的所述实际电容与所述表内的对应的电容之间的相应误差；
所述校准模块使用所述电容感测曲线和计算出的所述误差推断出经过校正的电容感测曲线；并且
所述校准模块使用经过校正的所述电容感测曲线来确定待施加至所述当前位置的所述校正量。
23.根据权利要求21所述的MEMS设备，其中所述干涉仪是傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。
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