專利名稱：降低mems裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)總體上涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，特別地，本申請(qǐng)涉及降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)利用微制造技術(shù)將電氣和機(jī)械元件集成在單基片上，如硅。典型地，所述電氣元件是利用集成電路方法制造，而所述機(jī)械元件是利用與所述集成電路方法兼容的顯微機(jī)械加工方法制造。
MEMS裝置的用途正變得越來越廣泛，從傳感器技術(shù)到生物醫(yī)學(xué)到無線電通訊。目前，一些最有趣的MEMS裝置的用途是在光學(xué)之中，在這些光學(xué)用途中，微型機(jī)械元件包括光鏡、棱鏡和/或光柵。例如，在無線電通訊領(lǐng)域，光學(xué)MEMS裝置形成光學(xué)開關(guān)、調(diào)制器、衰減器和濾光器。
在大多數(shù)MEMS裝置中，提供一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)器，以確定微型機(jī)械元件的位置。MEMS激勵(lì)器的一些例子包括靜電、熱、電磁和/或壓電激勵(lì)器。為了限制激勵(lì)功率、電流或電壓，并因此而將所述MEMS裝置的尺寸和成本降到最低，一般將MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成要求相對(duì)較低的激勵(lì)能。例如，在通過懸臂或一個(gè)或多個(gè)彈簧將所述機(jī)械元件連接到所述基片上時(shí)，通常優(yōu)選所述彈簧常數(shù)相對(duì)較小。不過，具有小的彈簧常數(shù)的MEMS結(jié)構(gòu)易受到并不希望得到的擾動(dòng)的影響。例如，機(jī)械沖擊或振動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致脈沖的產(chǎn)生，而這種脈沖會(huì)以所述MEMS結(jié)構(gòu)的固有機(jī)械振動(dòng)頻率出現(xiàn)。
若所述MEMS結(jié)構(gòu)是閉環(huán)控制系統(tǒng)的不可分割的一部分，而所述閉環(huán)控制系統(tǒng)又易受到這種脈沖誤差的影響，那么所述控制系統(tǒng)就會(huì)施加反饋，以試圖抵消這種誤差。令人遺憾的是，大多數(shù)控制系統(tǒng)以頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所述MEMS結(jié)構(gòu)的固有機(jī)械頻率的帶寬運(yùn)行，以避免與由于機(jī)械慣性而導(dǎo)致的滯后有關(guān)的困難。因此，由于所述機(jī)械脈沖的衰減，所述控制系統(tǒng)就會(huì)做出延遲的補(bǔ)償反應(yīng)。這種補(bǔ)償并不是所需要的，而且會(huì)由于并不適當(dāng)?shù)难舆t反饋而引起大的額外誤差。這種額外的延遲的誤差對(duì)MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度有著極大的促進(jìn)作用。
本發(fā)明的目的在于降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度。
發(fā)明簡(jiǎn)述
本發(fā)明涉及一種降低所述MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)是通過探測(cè)MEMS裝置的沖擊或振動(dòng)的發(fā)生并降低和/或限制所述MEMS裝置的控制系統(tǒng)的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，利用所述MEMS結(jié)構(gòu)本身來對(duì)所述沖擊或振動(dòng)進(jìn)行探測(cè)。更明確地來講，將所述MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上用作加速計(jì)來測(cè)量由所述沖擊或振動(dòng)所導(dǎo)致的機(jī)械加速度。在探測(cè)到所述瞬時(shí)沖擊或振動(dòng)之后，閉環(huán)參數(shù)就被改變，以降低或消除所述控制系統(tǒng)對(duì)所述沖擊的反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)；根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述MEMS裝置的閉環(huán)參數(shù)，以使其不試圖補(bǔ)償所述震動(dòng)的影響。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括提供MEMS裝置，所述MEMS裝置具有以閉環(huán)結(jié)構(gòu)耦合到控制器的MEMS結(jié)構(gòu)，所述控制器用于提供用來驅(qū)動(dòng)所述MEMS結(jié)構(gòu)的控制信號(hào)；探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)，所述震動(dòng)的強(qiáng)度足夠?qū)е滤鯩EMS結(jié)構(gòu)以其固有的機(jī)械振動(dòng)頻率fo在阻尼時(shí)間td內(nèi)共振；根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述控制信號(hào)，以降低所述MEMS結(jié)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)以回應(yīng)所述震動(dòng)的量。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括利用閉環(huán)控制電路控制所述MEMS裝置，所述閉環(huán)控制電路包括可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)、感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置并提供與所感測(cè)到的位置相關(guān)的反饋信號(hào)的探測(cè)器、接收所述反饋信號(hào)并提供用于控制所述MEMS裝置的控制信號(hào)的處理器，所述控制信號(hào)根據(jù)所述反饋信號(hào)來確定；探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)；以及，根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述控制信號(hào)，以使所述閉環(huán)控制電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的響應(yīng)被降到最小。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的系統(tǒng)，包括控制所述MEMS裝置的閉環(huán)控制電路，所述閉環(huán)控制電路包括可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)、感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置并提供與所感測(cè)到的位置相關(guān)的第一反饋信號(hào)的探測(cè)器、接收所述第一反饋信號(hào)并提供用于控制所述MEMS裝置的控制信號(hào)的處理器，所述控制信號(hào)根據(jù)所述第一反饋信號(hào)來確定；以及，探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)并產(chǎn)生第二反饋信號(hào)的震動(dòng)探測(cè)器，所述第二反饋信號(hào)用于改變所述控制信號(hào)，以使所述閉環(huán)控制電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的響應(yīng)被降到最小。
附圖簡(jiǎn)述[15]結(jié)合附圖，本發(fā)明進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)通過下面的詳細(xì)描述變得清晰起來，在這些附圖中[16]

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中用于MEMS裝置的控制系統(tǒng)的示意圖；[17]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于MEMS裝置的控制系統(tǒng)的示意圖；[18]圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于MEMS裝置的控制系統(tǒng)的示意圖；[19]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于光學(xué)MEMS裝置的控制系統(tǒng)的示意圖；[20]我們會(huì)注意到，在所有附圖中，相同的特征由相同的參考數(shù)字來識(shí)別。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述[21]參看圖1，該圖示出了用于現(xiàn)有技術(shù)中MEMS裝置的控制系統(tǒng)的示意圖。所述控制系統(tǒng)100包括MEMS結(jié)構(gòu)110、探測(cè)器120和控制器130。所述控制器130電氣連接到所述MEMS結(jié)構(gòu)110和所述探測(cè)器120，以使其形成所述閉環(huán)反饋電路140的一部分。所述MEMS結(jié)構(gòu)110具有機(jī)械元件112、電氣元件114和激勵(lì)器116，所有的這些元件在相同的基片118上形成。
在運(yùn)行時(shí)，所述控制器130提供驅(qū)動(dòng)所述激勵(lì)器116的控制信號(hào)，并因此而移動(dòng)所述機(jī)械元件112。在所述機(jī)械元件112移動(dòng)時(shí)，所述探測(cè)器120測(cè)量與所述機(jī)械元件112的位置有關(guān)的參數(shù)，并向所述控制器130提供反饋信號(hào)。所述控制器130根據(jù)所述反饋信號(hào)改變發(fā)送到所述激勵(lì)器116的控制信號(hào)。所改變的控制信號(hào)典型地由誤差信號(hào)產(chǎn)生，所述誤差信號(hào)通過對(duì)所述探測(cè)器120所測(cè)得的參數(shù)與已知的參數(shù)進(jìn)行比較而產(chǎn)生。誤差信號(hào)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，在此將不再進(jìn)行詳述。
當(dāng)所述MEMS裝置受到震動(dòng)時(shí)，如機(jī)械震動(dòng)，所述機(jī)械元件112就在特征時(shí)間內(nèi)受到以其固有機(jī)械頻率fo振動(dòng)的瞬時(shí)機(jī)械振動(dòng)的影響，所述特征時(shí)間一般稱為阻尼時(shí)間td。直到所述機(jī)械振動(dòng)衰減，所述機(jī)械元件112的變化的位置(即，由所述震動(dòng)和/或激勵(lì)而產(chǎn)生)才由所述探測(cè)器120探測(cè)，且所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)140試圖補(bǔ)償所述震動(dòng)的這種影響。不過，由于所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間tr相對(duì)較慢(即tr＞td)，所述機(jī)械元件112所受到的擾動(dòng)通常在所述反饋以及補(bǔ)償控制信號(hào)被處理之前消失。而最終結(jié)果就是所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)實(shí)際上延長(zhǎng)了所述震動(dòng)對(duì)所述MEMS裝置運(yùn)行的影響。
參看圖2，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于MEMS裝置中的控制系統(tǒng)的示意圖。所述控制系統(tǒng)200包括MEMS結(jié)構(gòu)210、沖擊或振動(dòng)探測(cè)器215、探測(cè)器220和控制器230。所述控制器230電氣連接到所述MEMS結(jié)構(gòu)210以及所述探測(cè)器215和220，以使其形成所述閉環(huán)反饋電路240的一部分。所述MEMS結(jié)構(gòu)210具有機(jī)械元件212、電氣元件214和激勵(lì)器216，所有的這些元件在相同的基片218上形成。
在運(yùn)行時(shí)，所述控制器230提供驅(qū)動(dòng)所述激勵(lì)器216的控制信號(hào)，并因此而移動(dòng)所述機(jī)械元件212。在所述機(jī)械元件212移動(dòng)時(shí)，所述探測(cè)器220測(cè)量與所述機(jī)械元件212的位置有關(guān)的參數(shù)，并向所述控制器230提供反饋信號(hào)。所述控制器230根據(jù)所述反饋信號(hào)改變發(fā)送到所述激勵(lì)器216的控制信號(hào)。所改變的控制信號(hào)典型地由誤差信號(hào)產(chǎn)生，所述誤差信號(hào)通過對(duì)所述探測(cè)器220所測(cè)得的參數(shù)與已知的參數(shù)進(jìn)行比較而產(chǎn)生。誤差信號(hào)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，在此將不再進(jìn)行詳述。
當(dāng)所述MEMS裝置受到震動(dòng)時(shí)，如機(jī)械震動(dòng)，所述機(jī)械元件212就在特征時(shí)間內(nèi)受到以其固有機(jī)械頻率fo振動(dòng)的瞬時(shí)機(jī)械振動(dòng)的影響，所述特征時(shí)間一般稱為阻尼時(shí)間td。直到所述機(jī)械振動(dòng)衰減，所述探測(cè)器220才感測(cè)所述機(jī)械元件212的變化的位置(即，由所述震動(dòng)和/或激勵(lì)而產(chǎn)生)，并向所述控制器230提供誤差反饋信號(hào)。同時(shí)，所述探測(cè)器215也感測(cè)所述震動(dòng)并向所述控制器230提供震動(dòng)反饋信號(hào)。在接收到所述震動(dòng)反饋信號(hào)之后，所述控制器230改變發(fā)送到所述MEMS激勵(lì)器216的控制信號(hào)，以使其不試圖補(bǔ)償所述震動(dòng)的影響。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述控制器230發(fā)出臨時(shí)降低或限制所述閉環(huán)電路240的增益的控制信號(hào)。而最終結(jié)果就是所述反饋系統(tǒng)并不極大地延長(zhǎng)震動(dòng)對(duì)所述MEMS裝置運(yùn)行的影響。
本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的好處在于它并不試圖避免所述機(jī)械擾動(dòng)和/或改變所述阻尼時(shí)間，而是允許發(fā)生所述固有的機(jī)械衰減，而同時(shí)所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)的回應(yīng)被改變。因此，具有降低的運(yùn)行沖擊靈敏度的MEMS裝置的制造仍然能夠保持相對(duì)簡(jiǎn)單。
參看圖3，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的、用于MEMS裝置中的控制系統(tǒng)的示意圖。所述控制系統(tǒng)300包括MEMS結(jié)構(gòu)310、探測(cè)器320和控制器330。所述控制器330電氣連接到所述MEMS結(jié)構(gòu)310和探測(cè)器320，以使其形成所述閉環(huán)反饋電路340的一部分。所述MEMS結(jié)構(gòu)310具有機(jī)械元件312、電氣元件314和激勵(lì)器316，所有的這些元件在相同的基片318上形成。
在運(yùn)行時(shí)，所述控制器330提供驅(qū)動(dòng)所述激勵(lì)器316的控制信號(hào)，并因此而移動(dòng)所述機(jī)械元件312。在所述機(jī)械元件312移動(dòng)時(shí)，所述探測(cè)器320測(cè)量與所述機(jī)械元件312的位置有關(guān)的參數(shù)，并向所述控制器330提供反饋信號(hào)。所述控制器330根據(jù)所述反饋信號(hào)改變發(fā)送到所述激勵(lì)器316的控制信號(hào)。所改變的控制信號(hào)典型地由誤差信號(hào)產(chǎn)生，所述誤差信號(hào)通過對(duì)所述探測(cè)器320所測(cè)得的參數(shù)與已知的參數(shù)進(jìn)行比較而產(chǎn)生。
當(dāng)所述MEMS裝置受到震動(dòng)時(shí)，如機(jī)械震動(dòng)，所述機(jī)械元件312就在特征時(shí)間內(nèi)受到以其固有機(jī)械頻率fo振動(dòng)的瞬時(shí)機(jī)械振動(dòng)的影響，所述特征時(shí)間一般稱為阻尼時(shí)間td。直到所述機(jī)械振動(dòng)衰減，所述探測(cè)器320才感測(cè)所述機(jī)械元件312的變化的位置(即，由所述震動(dòng)和/或激勵(lì)而產(chǎn)生)，并向所述控制器330提供錯(cuò)誤反饋信號(hào)(即用于計(jì)算錯(cuò)誤誤差信號(hào)的信號(hào))。所述控制器330將所述誤差信號(hào)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)用作濾波器，以便為機(jī)械脈沖提供監(jiān)控。更明確地來講，所述控制器330提供所述控制系統(tǒng)所運(yùn)行的最大變化率的閾值(受限于所述MEMS結(jié)構(gòu)的共振頻率)。當(dāng)所述誤差項(xiàng)的變化率超過這個(gè)閾值時(shí)，震動(dòng)瞬態(tài)就形成了。作為選擇，由所述探測(cè)器所測(cè)量的參數(shù)隨時(shí)間的變化被直接測(cè)量，以便為機(jī)械脈沖提供監(jiān)控。在探測(cè)到所述震動(dòng)脈沖時(shí)，所述控制器330改變發(fā)送到所述MEMS激勵(lì)器316的控制信號(hào)，以使其并不試圖補(bǔ)償所述震動(dòng)的影響，或所述補(bǔ)償至少是非常少的。例如，可選擇利用所述震動(dòng)瞬態(tài)的強(qiáng)度來在所述MEMS裝置的延遲時(shí)間(settling time)期間內(nèi)按比例地降低所述系統(tǒng)的增益(即，到零或另一個(gè)小的值)。作為選擇，所述控制器330(或另一個(gè)未示出的控制器)降低耦合電路和/或系統(tǒng)的增益，以抑制震動(dòng)所引致的瞬態(tài)的傳播。而最終結(jié)果就是所述反饋系統(tǒng)并不極大地延長(zhǎng)震動(dòng)對(duì)所述MEMS裝置運(yùn)行的影響。
本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的好處在于它并不試圖避免所述機(jī)械擾動(dòng)和/或改變所述阻尼時(shí)間，而是允許發(fā)生所述固有機(jī)械延遲，同時(shí)改變所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)的回應(yīng)。因此，具有降低的運(yùn)行沖擊靈敏度的MEMS裝置的制造仍然能夠保持相對(duì)簡(jiǎn)單。而且，由于對(duì)所述震動(dòng)的探測(cè)是通過監(jiān)控所述閉環(huán)控制反饋來進(jìn)行的(即所述MEMS結(jié)構(gòu)本身實(shí)際上作為加速計(jì))，所述監(jiān)控是利用所述誤差信號(hào)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，所以就無需額外的元件(如單獨(dú)的震動(dòng)探測(cè)器)。
值得注意的是，本發(fā)明特別適用于光通信系統(tǒng)中的MEMS裝置，在這種光通信系統(tǒng)中，所述震動(dòng)的影響常常以光功率信號(hào)水平中的擾動(dòng)形式表現(xiàn)出來，并因此而經(jīng)常被傳送到所述MEMS裝置下游的單獨(dú)的反饋系統(tǒng)。例如，若所述機(jī)械元件是纖維光學(xué)通信發(fā)送器中的光鏡，那么機(jī)械脈沖就會(huì)調(diào)制耦合到單獨(dú)系統(tǒng)的輸出功率。在所述單獨(dú)系統(tǒng)的信號(hào)通道中的系列纖維光學(xué)元件會(huì)試圖調(diào)節(jié)發(fā)射功率中的變化，從而引致復(fù)雜的交互，這些復(fù)雜的交互往往需要幾個(gè)幀來使其衰減。若所述脈沖在所述源受到快速抑制，所述系統(tǒng)就會(huì)很快地恢復(fù)。所述快速恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生誤差群，但也減少切換到冗余路徑的機(jī)會(huì)，后者是一種更加嚴(yán)重的后果。
參看圖4，該圖示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例所描述的是用于纖維光學(xué)發(fā)送器中的控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)400包括激光器410、MEMS鏡420、波長(zhǎng)探測(cè)器430、光調(diào)制器440、分束鏡450、光電探測(cè)器460和微處理器470。
所述MEMS鏡420是在X和Y方向上(Y方向位于圖4的平面內(nèi)，而X方向垂直于所述平面)提供有效準(zhǔn)直的靜電激勵(lì)的2軸結(jié)構(gòu)。與所述光電探測(cè)器460和微處理器470一起，所述MEMS鏡420形成第一閉環(huán)反饋電路480的一部分，所述第一閉環(huán)電路480用于控制由所述調(diào)制器440所發(fā)射的平均光功率。更明確地來講，所述MEMS鏡420被軸向振動(dòng)，以用時(shí)間交錯(cuò)方式(X用50個(gè)周期，Y用50個(gè)周期，X用50個(gè)周期，等等)改變發(fā)送到所述調(diào)制器440的光束的耦合效率。為了能夠區(qū)別在所述光電探測(cè)器460的獨(dú)立的X和Y功率變化，對(duì)由所述光電探測(cè)器460所產(chǎn)生的光電流以時(shí)間交錯(cuò)的X和Y振動(dòng)進(jìn)行同步解調(diào)。所述獨(dú)立的X和Y解調(diào)信號(hào)含有與優(yōu)化的X和Y光束準(zhǔn)直有關(guān)的誤差信息。所述微處理器470利用這些誤差信號(hào)來控制所述獨(dú)立的X和Y MEMS角。
所述激光器410是一種可調(diào)溫的激光器，如分布反饋激光器(DFB)，且耦合到所述熱電冷卻器(TEC)410a，所述熱電冷卻器410a控制所述溫度并因此而控制所述激光器410的波長(zhǎng)。所述波長(zhǎng)探測(cè)器430是一種利用第一分束鏡432和第二分束鏡436的波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)，所述第一分束鏡432用于選擇光信號(hào)的一部分，以在第一光電探測(cè)器434上進(jìn)行測(cè)量，所述第二分束鏡436用于選擇光信號(hào)的另一部分，以在第二光電探測(cè)器438上進(jìn)行測(cè)量。在所述第二分束鏡436與所述第二光電探測(cè)器438之間提供標(biāo)準(zhǔn)具437。所述標(biāo)準(zhǔn)具437是具有周期傳輸峰值的、用于確定所述激光器410的波長(zhǎng)或頻率誤差的光纖裝置。與所述激光器410和所述微處理器470一起，所述波長(zhǎng)探測(cè)器430形成第二閉環(huán)反饋電路的一部分，所述第二閉環(huán)電路用于控制由所述調(diào)制器440所傳送的光的波長(zhǎng)。更明確地來講，來自所述參考光電探測(cè)器434與所述波長(zhǎng)鎖定光電探測(cè)器438的光電流的比率產(chǎn)生關(guān)于所述激光器410的波長(zhǎng)誤差的信息。這些光電流由所述微處理器470進(jìn)行處理，并提供給TEC 410a反饋以對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制。由于所述TEC元件的相對(duì)較大的熱質(zhì)量，重大波長(zhǎng)變化的時(shí)間常數(shù)就處于秒級(jí)。因此，由于這種熱質(zhì)量的原因，處于一千兆赫每毫秒(1GHz/ms)數(shù)量級(jí)的瞬時(shí)激光頻率變化實(shí)際上是不可能的。
光電探測(cè)器434、438和460中的每一個(gè)都是光學(xué)探測(cè)器，如光電二極管。模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器用于將由這些光電探測(cè)器所提供的光電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)剿鑫⑻幚砥?70的適當(dāng)?shù)姆答佇盘?hào)，而數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器將從所述微處理器470所提供的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)剿鯩EMS驅(qū)動(dòng)電路(未示出)的適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流。
在運(yùn)行時(shí)，所述激光器410提供入射在所述光鏡420上并朝著所述波長(zhǎng)探測(cè)器430反射的光束。所述光束的一小部分(如小于10％)由所述波長(zhǎng)探測(cè)器430分流，而剩余的部分被傳輸?shù)剿稣{(diào)制器440。所述調(diào)制器440調(diào)制所述光并將其傳輸?shù)絾为?dú)的系統(tǒng)。所述調(diào)制光的一小部分由所述分束鏡450分流，且所述光學(xué)強(qiáng)度由所述光電探測(cè)器460進(jìn)行測(cè)量。由所述波長(zhǎng)探測(cè)器430和所述光電探測(cè)器460所提供的反饋信號(hào)由所述微處理器470接收，且用于分別對(duì)與所述波長(zhǎng)誤差和光學(xué)強(qiáng)度誤差有關(guān)的誤差信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。所述微處理器根據(jù)所述反饋信號(hào)向所述TEC 410a和所述光鏡420的靜電激勵(lì)器發(fā)送控制信號(hào)。
當(dāng)所述MEMS裝置受到震動(dòng)時(shí)，如機(jī)械震動(dòng)，所述光鏡就在特征時(shí)間內(nèi)受到以其固有機(jī)械頻率fo振動(dòng)的瞬時(shí)機(jī)械振動(dòng)的影響，所述特征時(shí)間一般稱為阻尼時(shí)間td。直到所述機(jī)械振動(dòng)衰減，所述探測(cè)器430和460才感測(cè)所述光鏡的變化位置，并向所述微處理器470提供錯(cuò)誤反饋信號(hào)。更明確地來講，所述錯(cuò)誤反饋信號(hào)由所述振動(dòng)光鏡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，這種振動(dòng)光鏡運(yùn)動(dòng)影響所述調(diào)制器目標(biāo)440的耦合效率，而且也改變所述波長(zhǎng)探測(cè)器430中的標(biāo)準(zhǔn)具437的光束入射角。由于所述標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)入射角非常敏感，所以就會(huì)產(chǎn)生與所述震動(dòng)的大小成比例的傳輸峰值偏置。這種偏置會(huì)被看作是頻率誤差。
為了辨別來自震動(dòng)脈沖的實(shí)際波長(zhǎng)誤差，對(duì)所述波長(zhǎng)誤差信號(hào)的導(dǎo)數(shù)(在光電探測(cè)器434和438的光學(xué)強(qiáng)度比率)進(jìn)行計(jì)算，且導(dǎo)出所述閉環(huán)電路480的正常運(yùn)行條件之外的閾值。特別地，若所述波長(zhǎng)誤差信號(hào)中的變化大于所述波長(zhǎng)所能夠進(jìn)行的物理變化，那么就能夠辨別出震動(dòng)。一旦對(duì)震動(dòng)做出辨別，來自所述微處理器470的MEMS X和Y控制的增益就在所述MEMS固有阻尼時(shí)間和/或所述MEMS裝置的延遲時(shí)間期間內(nèi)被減少。此外，或者作為選擇，來自所述微處理器470的TEC控制的增益在所述MEMS的固有阻尼時(shí)間期間內(nèi)被減少。所述阻尼時(shí)間是所述MEMS結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。
本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的好處在于它并不試圖避免所述機(jī)械擾動(dòng)和/或改變所述阻尼時(shí)間，而是允許發(fā)生所述固有機(jī)械設(shè)置，同時(shí)改變所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)的回應(yīng)。因此，具有降低的運(yùn)行沖擊靈敏度的MEMS裝置的制造仍然能夠保持相對(duì)簡(jiǎn)單。而且，由于對(duì)所述震動(dòng)的探測(cè)是通過監(jiān)控所述閉環(huán)控制反饋來進(jìn)行的(即所述MEMS結(jié)構(gòu)本身實(shí)際上作為加速計(jì))，所述監(jiān)控是利用所述誤差信號(hào)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，所以就無需額外的元件(如單獨(dú)的震動(dòng)探測(cè)器)。
值得注意的是，如前面所述，本發(fā)明特別適用于具有靜電驅(qū)動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)的MEMS裝置。靜電驅(qū)動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)具有小的彈簧常數(shù)，這一點(diǎn)人們一般是熟知的，并且靜電驅(qū)動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)也是人們所希望得到的，因?yàn)槠涑杀镜颓倚矢摺５?，并不希望得到的擾動(dòng)對(duì)靜電驅(qū)動(dòng)MEMS裝置的影響也是眾所周知的，而且，這種影響已在，例如，在美國(guó)專利No.6,532,096、美國(guó)公告No.2002/0113191和美國(guó)公告No.2002/0101129中做過討論，這些專利和公告通過參考結(jié)合到本發(fā)明中。
當(dāng)然，本發(fā)明還適用于其它的MEMS裝置之中，這些MEMS裝置用來提供在更大更復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行前端信號(hào)處理，例如，本發(fā)明還適用于在RF系統(tǒng)中使用的MEMS裝置，在所述RF系統(tǒng)中，所述MEMS裝置是RF開關(guān)、電抗調(diào)諧元件、移相器或衰減器。
當(dāng)然，前面所描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅是示范性的。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求書的范圍來進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)；根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述MEMS裝置的閉環(huán)參數(shù)，以使其不試圖補(bǔ)償所述震動(dòng)的影響。
2.一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括提供MEMS裝置，所述MEMS裝置具有以閉環(huán)結(jié)構(gòu)耦合到控制器的MEMS結(jié)構(gòu)，所述控制器提供用來驅(qū)動(dòng)所述MEMS結(jié)構(gòu)的控制信號(hào)；探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)，所述震動(dòng)的強(qiáng)度足夠?qū)е滤鯩EMS結(jié)構(gòu)以其固有的機(jī)械振動(dòng)頻率fo在阻尼時(shí)間td內(nèi)共振；以及根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述控制信號(hào)，以降低所述MEMS結(jié)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)以回應(yīng)所述震動(dòng)的量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)被改變，以使所述MEMS結(jié)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)的量在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)被減少，所述持續(xù)時(shí)間實(shí)質(zhì)上等于所述阻尼時(shí)間td。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)由與所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置有關(guān)的誤差信號(hào)而產(chǎn)生，且通過監(jiān)控所述誤差信號(hào)的導(dǎo)數(shù)來探測(cè)所述震動(dòng)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)被改變，以降低所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)的增益。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述震動(dòng)的強(qiáng)度用于確定所述所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)增益被降低的量。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述控制信號(hào)的控制器的時(shí)間常數(shù)大于所述阻尼時(shí)間td。
8.一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法，包括利用閉環(huán)控制電路控制所述MEMS裝置，所述閉環(huán)控制電路包括可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)、感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置并提供與所感測(cè)到的位置相關(guān)的反饋信號(hào)的探測(cè)器、接收所述反饋信號(hào)并提供用于控制所述MEMS裝置的控制信號(hào)的處理器，所述控制信號(hào)根據(jù)所述反饋信號(hào)來確定；探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)；以及根據(jù)所探測(cè)到的震動(dòng)改變所述控制信號(hào)，以使所述閉環(huán)控制電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的回應(yīng)降到最小。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述震動(dòng)的探測(cè)通過監(jiān)控所述反饋信號(hào)隨著時(shí)間的變化來進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述震動(dòng)的探測(cè)通過監(jiān)控從所述反饋信號(hào)中所導(dǎo)出的誤差信號(hào)的導(dǎo)數(shù)來進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)所述可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)溫激光器。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，改變所述控制信號(hào)，以使所述閉環(huán)電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的回應(yīng)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)被降到最小，所述時(shí)間段允許由所述震動(dòng)所引起的所述MEMS結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)能夠衰減。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)包括將所述MEMS結(jié)構(gòu)用作加速計(jì)。
15.一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的系統(tǒng)，包括控制所述MEMS裝置的閉環(huán)控制電路，所述閉環(huán)控制電路包括可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)，感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置并提供與所感測(cè)到的位置相關(guān)的第一反饋信號(hào)的探測(cè)器，接收所述第一反饋信號(hào)并提供用于控制所述MEMS裝置的控制信號(hào)的處理器，所述控制信號(hào)根據(jù)所述第一反饋信號(hào)來確定；探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)并產(chǎn)生第二反饋信號(hào)的震動(dòng)探測(cè)器，所述第二反饋信號(hào)用于改變所述控制信號(hào)，以使所述閉環(huán)控制電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的回應(yīng)降到最小。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述震動(dòng)探測(cè)器的回應(yīng)時(shí)間實(shí)質(zhì)上比所述閉環(huán)控制電路的回應(yīng)時(shí)間短。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述閉環(huán)控制電路的帶寬的頻率小于所述MEMS結(jié)構(gòu)的固有共振機(jī)械振動(dòng)頻率。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述震動(dòng)探測(cè)器包括所述MEMS結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反饋信號(hào)包括所述第一反饋信號(hào)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述MEMS結(jié)構(gòu)是由靜電激勵(lì)。
21.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述MEMS結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動(dòng)光鏡，所述光鏡用于可控制地將來自激光器的光耦合到光學(xué)調(diào)制器。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，包括第一光電二極管，所述第一光電二極管用于監(jiān)控由所述光學(xué)調(diào)制器所調(diào)制的光的強(qiáng)度。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，包括監(jiān)控傳輸?shù)剿龉鈱W(xué)調(diào)制器的光的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)探測(cè)器，所述波長(zhǎng)探測(cè)器包括第二光電二極管、第三光電二極管和標(biāo)準(zhǔn)具。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，包括將所調(diào)制的光的一部分導(dǎo)向所述第一光電二極管的第一光束分離器、將朝著所述光學(xué)調(diào)制器傳輸?shù)墓獾囊徊糠謱?dǎo)向所述第二光電二極管的第二光束分離器，和將朝著所述光學(xué)調(diào)制器傳輸?shù)墓獾囊徊糠謱?dǎo)向所述標(biāo)準(zhǔn)具和第三光電二極管的第三光束分離器。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置的探測(cè)器至少包括所述第一光電二極管和所述波長(zhǎng)探測(cè)器中的一個(gè)。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述震動(dòng)探測(cè)器包括所述光鏡和所述處理器，且第二反饋信號(hào)由所述第一反饋信號(hào)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)導(dǎo)出。
全文摘要
一種降低MEMS裝置的運(yùn)行沖擊靈敏度的方法和系統(tǒng)，包括控制所述MEMS裝置的閉環(huán)控制電路和探測(cè)所述MEMS裝置所受到的沖擊的震動(dòng)探測(cè)器。所述閉環(huán)控制電路包括可移動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)、感測(cè)所述MEMS結(jié)構(gòu)的位置并提供與所感測(cè)到的位置相關(guān)的第一反饋信號(hào)的探測(cè)器、接收所述第一反饋信號(hào)并提供用于控制所述MEMS裝置的控制信號(hào)的處理器。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述震動(dòng)探測(cè)器是所述MEMS結(jié)構(gòu)本身，這種震動(dòng)探測(cè)器用于探測(cè)所述MEMS裝置所受到的震動(dòng)并產(chǎn)生第二反饋信號(hào)，所述第二反饋信號(hào)用于改變所述控制信號(hào)，以將所述閉環(huán)控制電路對(duì)所述震動(dòng)所做出的回應(yīng)降到最小。
文檔編號(hào)G05D19/00GK1721318SQ20051008308
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者大衛(wèi)·施耐德 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司