专利名称：一种带有电容测量电路的微机电系统设备驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容测量电路，尤其是一种微机电系统(MEMQ设备的电容测量 电路。
背景技术：
该背景说明是用于大致叙述本发明公开的背景。针对该背景部分描述的技术程度 以及本发明的说明书中的内容在本发明申请日前也未被授权成为在先技术，故相对现有公 开本发明的发明人的所做的工作既没有明确地也没有隐含地被视为在先技术。如图1所示，微机电系统(MEMS)设备10可以用于调整相机14中透镜阵列12的焦 距。比如，透镜阵列12通常包括固定透镜22和M以及一个设置在其间的可移动透镜26。 可移动透镜26的位置可以由电压源Vs的输出电压调整。用于调整MEMS设备10的电压通常是线性的，并受到生产误差所影响。这样，对应 预设的透镜位置的电压值在不同的相机中可能会有所不同。在相机生产完成后通常采用电 容测量来表征微机电设备10的反应。此类测量通常使用复杂的电子测量设备以及其它外 部组件。如图2所示，在发货前厂家可以利用准确的测量来消除一些生产误差的影响，但 另外一些误差的影响却不可能被消除。比如，电压和位移之间的关系会被重力所影响(其随 方向而变化)。这样，电压和位移之间的对应关系依赖于相机是向上、向下还是水平放置。电 压与位移之间的关系也会根据温度和磁滞现象而变化。所有这些误差会局限微机电设备10 在自动对焦领域中的应用。光学测量系统可以用于测量位移。然而，光学测量系统通常难以整合在便携相机 中。一些传统的电容测量设备施加AC电压信号于设备的一个电极上并使用一个已知阻值 的电阻检测第二个电极上的电压(或者电流信号)。这样设备的电容信息就可以通过振幅比 Vrms得以确定。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提出一种微机电系统设备的驱动和电容测量电路。本发明采用的技术方案可以描述为
本发明所提出的一种驱动和电容测量电路包络电压源、电流源和电容测量电路，其中 在驱动模式下所述电压源有选择性地在一个第一节点上产生一个输出电压以改变一个连 接到所述第一节点并带有可变电容量的设备的电容量。在测量模式下所述电流源有选择地 在第一节点上提供充放电流(charging and discharging current)中的一个。在测量模 式下，所述电容计算电路在第一节点上采集电压值，确定第一节点电压的变化率并在电压 变化率和充放电流中的一个的数值基础上计算设备的电容值。另外，在测量模式中所述电压源不在第一节点上提供输出电压；在驱动模式下所述电流源不在第一节点上提供充放电电流。进一步，所述电容计算电路包括一连接电压源和电流源的控制器。第一电容一端 连接到第一节点上，另一端连接到积分放大器。第一比较器比较积分放大器的输出电压和 第一阈值电平。所述控制器接收第一比较器的输出信号。进一步，所述控制器在一个时间段内有选择地重置所述积分放大器，此时间段从 测量模式启动时开始，并经历一个由设备的串联电阻和所述驱动和电容测量电路的输入电 容量所定义的时间常数后结束。所述电容计算电路还包括第二比较器，用于比较积分放大 器的输出信号和第二电压阈值，所述第二电压阈值与所述第一电压阈值不同。所述控制器接 收第二比较器的输出信号并测定对应于第一比较器和第二比较器的输出信号的电压变化率。进一步，电容计算电路还包括一个电压阈值生成电路，阈值其在电容测量模式中 的第一时间点上输出第一电压阈值。所述电压阈值生成电路还在电容测量模式中的第二时 间点上输出一个与前述第一电压阈值不同的第二电压阈值。控制器接收第一比较器的输出 信号后测定其中电压的变化率。进一步，本发明中的设备还含有一个微机电系统设备。所述微机电系统设备调整 透镜阵列中的一个透镜的位置。进一步，设备的电容量随着输出电压的不同而变化。测量模式的持续时间小于设 备的机械时间常数。进一步，所述电压源在第一电压范围内改变输出电压值。其中充放电流中的一个 调整输出电压的幅度小于第一电压范围的1。本发明还提出了一种驱动和测量设备的电容的方法，其包括在驱动模式下在第一 个节点产生一个输出电压以改变设备的电容量，但在测量模式下并不在此第一个节点上输 出电压；在测试模式下在所述第一个节点上输出充放电流中的一个，但在驱动模式下并不 在此第一个节点上输出此充放电流中的一个；在测试模式下测定在第一个节点上的电压的 变化率，并在电压变化率和此充放电流中的一个的数值基础上计算可变电容的电容量。本发明进一步的适用领域从以下的具体描述中变得清晰可见。应该明白这些具体 描述和范例只是用于示范用途，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本发明的有益效果是
本发明所提出的电容测试方法的优点包括使用单个引脚驱动并测量微机电系统设备。 微机电系统设备的另一个电极可以用于接地。另外，还可以在不使用任何额外的设备或者 工具的情况下实现实时测量。本发明所提出的驱动和电容测量电路可以整合到相机中并靠 近微机电系统设备设置。这样，由于线路板上的走线所导致的寄生电容可以被最小化。此 驱动和电容测量电路只增加了非常小的寄生电容。对于微机电系统设备的串联电阻影响的 补偿可以在电容测量中通过在激活启动和停止比较器之前插入延迟所实现。使用积分放大器使输出端的小信号跌幅影响成为可能，此跌幅通常会干扰微机电 系统设备的精确定位。只要电容测量足够快，并最小化其干扰，实时微机电系统设备的位移 控制就可以实现，尽管迟滞现象和微机电系统设备的朝向变化依然存在。
结合下面的实施方案的具体描述和附图有助于进一步了解本发明，其中图1是一个现有技术中定位可移动透镜的微机电设备的驱动电路的原理框图； 图2是一显示了图1中的微机电系统设备相对于采用的电压和方向的电容误差的表； 图3是本发明的一个实施例中的微机电系统设备的驱动和电容测量电路的原理框图； 图4是一显示了本发明中一个微机电系统设备在电容测量过程中电压的变化的表； 图5是一显示了电容测量过程中微机电系统设备的位移量的表； 图6为本发明的另一个实施例中微机电系统设备的驱动和电容测量电路的原理框图； 图7为本发明的另一个实施例中微机电系统设备的驱动和电容测量电路的原理框图； 图8为本发明的另一个实施例中微机电系统设备的驱动和电容测量电路的原理框图； 图9是一个包括有驱动和电容测量电路的便携式电子设备的原理框图；以及 图10是一个包括有驱动和电容测量电路的电子设备的原理框图。
具体实施例方式下面的描述只是作为示范性的，并不能视为对本发明或者本发明的应用领域的任 何限制。为了更清晰地解释，附图中相同的号码用于指示相似部件。正如其中所使用的，词 组“A，B和C中的至少一个”意味着一个逻辑(“A或者B或者C”)，这里使用了一个非独占 的逻辑词“或者”。我们还应该明白在不改变本发明的原则的前提下，方法中的“步骤”不一 定要按次序执行。本发明涉及一种带有容量随施加电压或者电流变化而变化的电容的设备的电容 量测量电路。本说明书会结合一种微机电系统设备对本发明所提出的一种对于带有可变电 容的设备的电容测量电路加以描述。本发明使微机电系统设备的实时电容测量成为可能。本发明还使微机电系统设备 定位(比如透镜阵列的焦距)的精确控制成为可能，尽管微机电系统设备的位移(用另外的 话说，其为透镜的位置)和施加电压之间的对应关系中偏差因为生产误差、方向、温度以及 磁场的关系仍然存在。为了实现实时运作，电容测量应该使微机电系统设备和施加的电压的变化最小 化。根据本发明的电容测量在一个节点上施加了 一个恒定的充电或放电电流并检测其电压 的变化。由于该电流，此输出电压以一个依赖于节点上的电流和电容值的斜率或者比率变 化。图3中，微机电系统设备110的驱动和电容测量电路100得以描述。微机电系统 设备Iio在电气上可以等效为一可变电容Cmems，一串联电阻&和一并联电阻&。引脚电容 和/或其它出现在微机电系统设备110和驱动和电容测量电路100的输入引脚之间的寄生 电容可以用电容Cin来代表。驱动和电容测量电路100还包括一个电容量计算电路104。所述驱动和电容计算电路100还包括一个电压源120，所述电压源120连接所述微 机电系统设备并产生一个改变微机电系统设备Iio位置的外加电压。比如，所述电压源120 可以包括一个电荷泵。所述电容计算电路104包括一个控制器124，其接收相机控制器(未 在图中显示)的透镜指令并根据此指令在电容测量的基础上产生一个校正了的透镜位置指 令。所述控制器1 可以初始化电容测量以回应相机控制器的测量指令。替换地，控制器 124也可以基于一事件，周期地或者以其它方式独立地启动电容测量。控制器IM通过控制 开关S1，S2和S3的开关状态有选择地测量微机电系统设备的电容量，如下所述。控制器还包括一个计数器128。电容计算电路104还包括一个电容C1,此电容C1 一端连接到微机电系统设备110 上，其另一端与开关Si、电容Cint和积分放大器130的倒置输入端相连接。所述积分放大器130的输出值为比较器132和134的第一输入端的输入值。比较 器134的第二输入端接收第一电压阈值VTH。比较器132的第二输入端接收第二电压阈值 Vth +AV0比较器132和134的输出端连接到计数器128的输入端。比较器134和132的 一个输出端启动计数器128，另一个输出端停止计数器128，这在后面会被进一步解释。驱动和电容测量电路100还包括有一个电流源I。开关S2在电容测量期间有选择 地断开电压源120以提供高阻抗。开关S3在电容测量期间有选择地关闭以为微机电系统 设备10提供放电电流。可以理解，电流源I也可以提供一个充电电流。驱动和电容测量电路100的组件 可以整合为一集成电路。微机电系统设备110可以连接到系统地线，并通过一个单引脚连 接到驱动和电容测量电路。使用时，所述驱动和电容测量电路100在驱动模式和测量模式两种模式下运行。 在驱动模式期间，开关S2关闭，开关S3打开，开关Sl关闭。这样，电流源I在驱动模式下 没有充电(或者放电)电流输出。电压源120连通控制器IM并基于透镜位置指令向微机电 系统设备输出合适的施加电压。在测量模式开始时，开关S2打开，S3关闭以提供充电(或放电)电流。在经过一个 大于&和Cin的时间常数的预设时间后，开关Sl打开以重置CINT。在电压升高并超过Vth 后，比较器134产生一开始信号到计数器128中。在电压升高并超过Vth +ΔΥ后，另一个 比较器132产生一终止信号。控制器IM在开始和终止信号的时间差、电压差Δ V和放电 (或者充电)电流值的基础上计算微机电系统设备110的位置。举例来说，可变电容Cmems的值可以根据位移量在50pF到700pF之间变化。串联电 阻Rs的值可以在0 Ω到200kΩ之间变化。并联电阻&的阻值通常很高，例如高于100ΜΩ。 可以理解，其它不同的数值可以用在其它不同的应用中。电容值Cmems依赖于施加在微机电系统设备110上的直流电压。施加在微机电系统 设备110上的任何相当于微机电系统设备的机械时间常数(通常小于10 ms)的电压变化都 会引起微机电系统设备的移动。为了在一个实时应用中测量电容(和位移)信息，电容测量 的方法应该尽量减少对微机电系统设备位置的干扰。在本发明中，电容测试信号只施加于 一个非常短的时间段内(远远小于10 ms)，并带有一个非常小的振幅(通常小于几伏特)。电容测量可以通过测量一个固定的电压跌幅的时间长度来实现。用另外的话说， 所测量的电容等于
I*time /ΔV,
其中I为放电电流，time为开始和终止信号之间的时间差，Δ V为电压跌幅。这样，电 容就涉及逆向电压变化率或者ΔV /time。放电(或充船电流值可以被调整到适合需要的电容范围内并保持脉冲持续时间 低于微机电系统设备110的机械时间常数。使用一个0. 5V的低电压跌幅，其它典型参数值 包括16 μΑ的放电电流，小于0.5V的电压差，和大约为25 μ s的时间差。在处于驱动模式时，电压源120输出一个需要的直流电压。当电容测量开始时，电压源120断开(或者进入高阻抗状态)，并施加放电电流到微机电系统设备上。通过一个小 电容Cl检测节点上的电压并通过积分放大器130使用一个特定的增益系数(比如2或者3) 放大此电压。在另外一个实施例中，可以移走放大器130和电容Cint，此时增益为1。积分 放大器130的输出分别驱动匹配的比较器134和132为计数器1 提供启动和终止信号。 在终止信号到达后，驱动和电容测量设备100回复为驱动模式，移走放电电流并重新激活 电压源120以在输出端恢复正确的电压水平。在传统的电容测量应用中，微机电系统设备的串联电阻通常会影响到所采用的测 量方法。串联电阻限制了施加的电压的频率和/或精度。使用本发明所提出的电容测量方 法，串联电阻的影响可以很容易的通过在激活比较器132和134之前插入一个μ s级的延 迟而被补偿抵消掉。连接到引脚电容Cin上的串联电阻在施加到微机电系统设备上电流信号和所检测 的信号之间产生一个RC延迟。由于输入端的引脚电容Cin相对较小(大约为数十个pF)，串 联电阻& (大约为数十个kQ)的影响可以通过使用数μ s的延迟很容易地被抵消。在传 统测量方法中，微机电系统设备的电容(最大为800pf)和串联电阻&产生RC延迟。这样 就需要十倍长的延迟，此延迟可能会导致与微机电系统设备110的机械时间常数相关的问 题。图4是一显示了微机电系统设备上的电压在电容测量期间的变化的表。在时间tl 之前，施加的电压为30V。当电容测量在时间tl开始后，开关S2打开，开关S3关闭。电流 源提供一个放电(或充电)电流。在经过一个&和Cin的时间常数后，开关Sl在时间t2处 打开。比较器在时间t3处产生开始信号，并在时间t4处产生终止信号。在时间t5处，开 关S3打开，开关S2和Sl关闭。如图4所示，电容测量在一个少于100 μ s的时间段内施加在微机电系统设备110 上的电压减少0. 5V。由于微机电系统设备110的时间常数大于电容测试时间，微机电系统 设备的位移在测试期间被最小化。在这个例子中，工作点在30V范围内以0. 5V为单位调整， 或者以一个小于电压范围的2、的值为单位调整。图5是一显示了微机电系统设备110在测量模式期间的位移的表。带有一个初 始值为20V的施加电压，电容测量导致一个极小的微机电系统设备110的位移，大约为0. 3 Mffl，这是可以接受的。图6描述了另外一个微机电系统设备110的驱动和电容测量电路160。驱动和电 容测量电路160的运行原理和图3中所描述相类似。然而其只使用了单个比较器132。在 这个实施例中，在电容测量开始时(或者延迟一个预定的时间)计数器1 初始化。然后，当 积分放大器130的输出电压大于电压阈值Vth时产生终止信号。RC延迟的补偿可以在电容 测量中被消除或者抵消。图7描述了另外一个微机电系统设备的驱动和电容测量电路170。驱动和电容测 量电路170的运行原理和图3所描述的类似。然而，其只使用了单个的比较器132。一个阈 值电压发生器172产生第一阈值电压VTH。当启动信号产生时，阈值电压发生器172切换到 第二阈值电压Vth +AV0比较器132的输出信号用于启动和终止计数器128。控制器124 触发阈值电压发生器172切换其第一和第二阈值电压。图8描述了另外一个微机电系统设备的驱动和电容测量电路180。此驱动和电容测量电路180的运行原理和图3所描述的类似。然而，其移除了积分放大器130及其相关 部件。在这个例子中，较高的阈值电压被输入到启动和停止计数器1 的比较器132和134中。可以理解，图3和图6-8中的特征的其它变更合组合是可以预料到的。如图9所示，一个便携式电子设备200包括一个相机控制器204，此相机控制器 204生成透镜位置指令给驱动和电容测量电路208。这个便携式电子设备可以包括一相机、 一便携式电子助理，一智能手机、移动电话或者其它设备。驱动和电容测量电路208通过对 微机电系统设备110产生一个外加电压而达到定位透镜206的目的。驱动和电容测量电路 208使用其中所述的方法测量微机电系统设备的电容并为相机控制器204生成测量了的透 镜位置信息。如图10所示，一电子设备220包括一控制器234，其产生设备指令给驱动和电容测 量电路238。驱动和电容测量电路238基于所述设备指令通过产生一个外加电压或者电流 控制带有可变电容的设备M0。设备MO的电容随着施加的电压或者电流变化。驱动和电 容测量电路238如同其中所描述的一样测量设备240的电容量并产生和输出测量的电容量 给控制器234。本发明所提出的电容测试方法的优点包括使用单个引脚驱动并测量微机电系统 设备110。微机电系统设备的另一个电极可以用于接地。另外，还可以在不使用任何额外的 设备或者工具的情况下实现实时测量。本发明所提出的驱动和电容测量电路可以整合到相 机中并靠近微机电系统设备设置。这样，由于线路板上的走线所导致的寄生电容可以被最 小化。此驱动和电容测量电路只增加了非常小的寄生电容。对于微机电系统设备的串联电 阻( )影响的补偿可以在电容测量中通过在激活启动和停止比较器之前插入延迟实现。使用积分放大器130使输出端的小信号跌幅成为可能，这样最小化了微机电系统 设备110的定位干扰。由于电容测量足够块，并最小化其干扰，实时微机电系统设备的位移 控制就可以实现，尽管迟滞现象和微机电系统设备的朝向变化依然存在。本发明所提出的驱动和电容测量电路可以在每一个转换后或者根据一个给定的 刷新频率自动执行电容测量。可选地，所述驱动和电容测量电路可以通过使用一个闭环系 统直接控制和设置微机电系统设备的位移。本发明可以通过不同的方式实现。尽管本发明公开包括许多特定的例子，但由于 对于那些研究过本发明的附图、说明书和权利要求的行内人士来说，本发明的其它变更是 显而易见的，故本发明的保护范围不受到这些例子的限制。
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权利要求
1.一种驱动和电容测量电路，包括电压源，其在驱动模式下有选择性地在第一节点上产生一个输出电压以改变一个连接 到所述第一节点的并带有可变电容的设备的电容量；电流源，其在测量模式下有选择性地在所述第一节点提供一个充放电流； 电容计算电路，其在测量模式下在所述第一节点对电压进行采样，测定在测量模式下 的第一节点上的电压的变化率，并在电压变化率和充放电流值中的一个的基础上计算所述 设备的电容量。
2.根据权利要求1所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述电压源在测量模式下在 所述第一节点上不提供输出电压；并且所述电流源在驱动模式下在所述第一节点上不提供 充放电流。
3.根据权利要求1所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述电容计算电路包括 与所述电压源和所述电流源相连接的控制器；一端和所述第一节点相连接的第一电容； 与所述第一电容的另一端相连接的积分放大器； 用于比较积分放大器的输出信号和第一电压阈值的第一比较器； 其中所述控制器接收第一比较器的输出信号。
4.根据权利要求3所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述控制器在一个时间段内 有选择地重置所述积分放大器，此时间段从测量模式启动时开始，并经历一个由设备的串 联电阻和所述驱动和电容测量电路的输入电容量所定义的时间常数后结束。
5.根据权利要求3所述的一种驱动和电容测量电路，其中电容计算电路还包括第二比较器，用于比较积分放大器的输出信号和第二电压阈值， 此第二电压阈值与所述第一电压阈值不同；并且所述控制器接收第二比较器的输出信号并测定对应于第一和第二比较器的输出信号 的电压变化率。
6.根据权利要求3所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述电容计算电路还包括一个电压阈值生成电路，阈值其在测量模式下在第一时间向 第一比较器输出第一电压阈值并在第二时间向该比较器输出一个与第一电压阈值不同的 第二电压阈值；所述控制器接收所述第一比较器的输出信号并测定其中的电压变化率。
7.根据权利要求1所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述设备包含有微机电系统 (MEMS)设备。
8.根据权利要求7所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述微机电系统设备调整透 镜阵列的一个透镜的位置。
9.根据权利要求1所述的一种驱动和电容测量电路，其中 所述设备的电容随输出电压的变化而变化；并且测量模式的持续时间小于或者等于所述设备的机械时间常数。
10.根据权利要求9所述的一种驱动和电容测量电路，其中 所述电压源的输出电压在第一电压范围内变化；并且充放电流中的一个调整输出电压的幅度小于第一电压范围的洲。
11.一种驱动和电容测量电路，包括电压源，其在驱动模式下在第一节点上有选择地产生一个输出电压以改变微机电系统 (MEMS)设备的位置和电容量，但在测量模式下在所述第一节点上不输出电压；电流源，其在测量模式下在所述第一节点上提供充放电流，但在驱动模式下在所述第 一节点上不提供充放电流；以及电容计算电路，其在测量模式下在所述第一节点对电压进行采样，在测量模式下测定 第一节点上的电压变化率，并在电压变化率和充放电流值中的一个的基础上计算设备的电 容量。
12.根据权利要求11所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述电容计算电路包括 控制器，其与所述电压源和电流源相连接；第一电容，其一端与所述第一节点相连接；积分放大器，其与所述第一电容的另一端相连接；以及第一比较器，其将积分放大器的输出信号和第一电压阈值进行比较；其中控制器接收所述第一比较器的输出信号。
13.根据权利要求12所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述控制器在一时间段内 有选择地重置所述积分放大器，此时间段在测量模式启动后开始，并经历一个由所述设备 的串联电阻和所述驱动和电容测量电路的输入电容所定义的时间常数后结束。
14.根据权利要求12所述的一种驱动和电容测量电路，其中电容计算电路还包括一个第二比较器，其用于比较积分放大器的输出信号和第二电压 阈值，所述第二电压阈值与所述第一电压阈值不同；并且所述控制器接收第二比较器的输出信号，并测定对应于第一和第二比较器的输出信号 的电压变化率。
15.根据权利要求12所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述电容计算电路还包括一个电压阈值生成电路，阈值其在测量模式下在第一时间向 第一比较器输出第一电压阈值并在第二时间向该比较器输出一个与第一电压阈值不同的 第二电压阈值；并且控制器接收所述第一比较器的输出信号并测定其中的电压变化率。
16.根据权利要求11所述的一种驱动和电容测量电路，其中所述微机电系统设备调整 透镜阵列的一个透镜的位置。
17.根据权利要求11所述的一种驱动和电容测量电路，其中 所述微机电系统设备的可变电容随输出电压变化而变化；测量模式的持续时间小于所述微机电系统设备的机械时间常数；电压源的输出电压在第一电压范围内变化；并且所述充放电流中的一个调整输出电压的幅度小于第一电压范围的^)。
18.一种设备的驱动和电容测量方法，包括在驱动模式下在第一节点产生一个输出电压以改变设备的电容量，但在测量测量模式 下不在所述第一节点上输出此电压；在测量模式下在所述第一节点上提供充放电流中的一个，但在驱动模式下不在所述第 一节点上提供此充放电流中的一个；测定所述第一节点在测量模式下的电压改变率；并且在测得的电压改变率和所述充放电流值中的一个的基础上计算可变电容的容量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述设备包含有用于调整透镜阵列中透镜的位 置的微机电系统(MEMS)设备。
20.根据权利要求18所述的方法，其中设备的可变电容的电容量随着输出电压的变化而变化； 测试模式的持续时间小于或者等于所述设备的机械时间常数。
21.根据权利要求18所述的方法，其中 电压源的输出电压在第一电压范围内改变；并且所述充放电流中的一个调整输出电压的幅度小于所述第一电压范围的^)。
全文摘要
本发明公开了一种驱动和电容测量电路，其包括在驱动模式下有选择地在第一节点产生一输出电压以改变一个连接到所述第一节点的并带有可变电容的设备的电容量的电压源，在测量模式下有选择地在所述第一节点提供充放电流中的一个的电流源，以及在测量模式下对所述第一节点上的电压进行采样的电容计算电路，该电路在测量模式下测定所述第一节点的电压变化率并根据测得的电压变化率和充放电流值中的一个计算所述设备的电容量。
文档编号G01R27/26GK102129145SQ201110004649
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月11日 优先权日2010年1月12日
发明者罗伯托·卡西拉奇, 罗伯托·阿丽尼 申请人:马克西姆综合产品公司