专利名称：降低mems装置的运行冲击灵敏度的方法和系统的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及微机电系统(MEMS)，特别地，本申请涉及降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法和系统。
背景技术：
微机电系统(MEMS)利用微制造技术将电气和机械元件集成在单基片上，如硅。典型地，所述电气元件是利用集成电路方法制造，而所述机械元件是利用与所述集成电路方法兼容的显微机械加工方法制造。
MEMS装置的用途正变得越来越广泛，从传感器技术到生物医学到无线电通讯。目前，一些最有趣的MEMS装置的用途是在光学之中，在这些光学用途中，微型机械元件包括光镜、棱镜和/或光栅。例如，在无线电通讯领域，光学MEMS装置形成光学开关、调制器、衰减器和滤光器。
在大多数MEMS装置中，提供一个或多个激励器，以确定微型机械元件的位置。MEMS激励器的一些例子包括静电、热、电磁和/或压电激励器。为了限制激励功率、电流或电压，并因此而将所述MEMS装置的尺寸和成本降到最低，一般将MEMS结构设计成要求相对较低的激励能。例如，在通过悬臂或一个或多个弹簧将所述机械元件连接到所述基片上时，通常优选所述弹簧常数相对较小。不过，具有小的弹簧常数的MEMS结构易受到并不希望得到的扰动的影响。例如，机械冲击或振动往往会导致脉冲的产生，而这种脉冲会以所述MEMS结构的固有机械振动频率出现。
若所述MEMS结构是闭环控制系统的不可分割的一部分，而所述闭环控制系统又易受到这种脉冲误差的影响，那么所述控制系统就会施加反馈，以试图抵消这种误差。令人遗憾的是，大多数控制系统以频率远远低于所述MEMS结构的固有机械频率的带宽运行，以避免与由于机械惯性而导致的滞后有关的困难。因此，由于所述机械脉冲的衰减，所述控制系统就会做出延迟的补偿反应。这种补偿并不是所需要的，而且会由于并不适当的延迟反馈而引起大的额外误差。这种额外的延迟的误差对MEMS装置的运行冲击灵敏度有着极大的促进作用。
本发明的目的在于降低MEMS装置的运行冲击灵敏度。
发明简述
本发明涉及一种降低所述MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法和系统，所述方法和系统是通过探测MEMS装置的冲击或振动的发生并降低和/或限制所述MEMS装置的控制系统的反应来实现的。
根据一个优选实施例，利用所述MEMS结构本身来对所述冲击或振动进行探测。更明确地来讲，将所述MEMS结构实质上用作加速计来测量由所述冲击或振动所导致的机械加速度。在探测到所述瞬时冲击或振动之后，闭环参数就被改变，以降低或消除所述控制系统对所述冲击的反应。
根据本发明的一个方面，提供一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括探测所述MEMS装置所受到的震动；根据所探测到的震动改变所述MEMS装置的闭环参数，以使其不试图补偿所述震动的影响。
根据本发明的另一个方面，提供一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括提供MEMS装置，所述MEMS装置具有以闭环结构耦合到控制器的MEMS结构，所述控制器用于提供用来驱动所述MEMS结构的控制信号；探测所述MEMS装置所受到的震动，所述震动的强度足够导致所述MEMS结构以其固有的机械振动频率fo在阻尼时间td内共振；根据所探测到的震动改变所述控制信号，以降低所述MEMS结构被驱动以回应所述震动的量。
根据本发明的再一个方面，提供一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括利用闭环控制电路控制所述MEMS装置，所述闭环控制电路包括可移动MEMS结构、感测所述MEMS结构的位置并提供与所感测到的位置相关的反馈信号的探测器、接收所述反馈信号并提供用于控制所述MEMS装置的控制信号的处理器，所述控制信号根据所述反馈信号来确定；探测所述MEMS装置所受到的震动；以及，根据所探测到的震动改变所述控制信号，以使所述闭环控制电路对所述震动所做出的响应被降到最小。
根据本发明的再一个方面，提供一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的系统，包括控制所述MEMS装置的闭环控制电路，所述闭环控制电路包括可移动MEMS结构、感测所述MEMS结构的位置并提供与所感测到的位置相关的第一反馈信号的探测器、接收所述第一反馈信号并提供用于控制所述MEMS装置的控制信号的处理器，所述控制信号根据所述第一反馈信号来确定；以及，探测所述MEMS装置所受到的震动并产生第二反馈信号的震动探测器，所述第二反馈信号用于改变所述控制信号，以使所述闭环控制电路对所述震动所做出的响应被降到最小。
附图简述[15]结合附图，本发明进一步的特征和优点会通过下面的详细描述变得清晰起来，在这些附图中[16]
图1是现有技术中用于MEMS装置的控制系统的示意图；[17]图2是根据本发明的一个实施例的用于MEMS装置的控制系统的示意图；[18]图3是根据本发明的另一个实施例的用于MEMS装置的控制系统的示意图；[19]图4是根据本发明的一个实施例的用于光学MEMS装置的控制系统的示意图；[20]我们会注意到，在所有附图中，相同的特征由相同的参考数字来识别。
优选实施例详细描述[21]参看图1，该图示出了用于现有技术中MEMS装置的控制系统的示意图。所述控制系统100包括MEMS结构110、探测器120和控制器130。所述控制器130电气连接到所述MEMS结构110和所述探测器120，以使其形成所述闭环反馈电路140的一部分。所述MEMS结构110具有机械元件112、电气元件114和激励器116，所有的这些元件在相同的基片118上形成。
在运行时，所述控制器130提供驱动所述激励器116的控制信号，并因此而移动所述机械元件112。在所述机械元件112移动时，所述探测器120测量与所述机械元件112的位置有关的参数，并向所述控制器130提供反馈信号。所述控制器130根据所述反馈信号改变发送到所述激励器116的控制信号。所改变的控制信号典型地由误差信号产生，所述误差信号通过对所述探测器120所测得的参数与已知的参数进行比较而产生。误差信号是现有技术中已知的，在此将不再进行详述。
当所述MEMS装置受到震动时，如机械震动，所述机械元件112就在特征时间内受到以其固有机械频率fo振动的瞬时机械振动的影响，所述特征时间一般称为阻尼时间td。直到所述机械振动衰减，所述机械元件112的变化的位置(即，由所述震动和/或激励而产生)才由所述探测器120探测，且所述闭环反馈系统140试图补偿所述震动的这种影响。不过，由于所述闭环反馈系统的反应时间tr相对较慢(即tr＞td)，所述机械元件112所受到的扰动通常在所述反馈以及补偿控制信号被处理之前消失。而最终结果就是所述闭环反馈系统实际上延长了所述震动对所述MEMS装置运行的影响。
参看图2，该图示出了根据本发明的一个实施例的用于MEMS装置中的控制系统的示意图。所述控制系统200包括MEMS结构210、冲击或振动探测器215、探测器220和控制器230。所述控制器230电气连接到所述MEMS结构210以及所述探测器215和220，以使其形成所述闭环反馈电路240的一部分。所述MEMS结构210具有机械元件212、电气元件214和激励器216，所有的这些元件在相同的基片218上形成。
在运行时，所述控制器230提供驱动所述激励器216的控制信号，并因此而移动所述机械元件212。在所述机械元件212移动时，所述探测器220测量与所述机械元件212的位置有关的参数，并向所述控制器230提供反馈信号。所述控制器230根据所述反馈信号改变发送到所述激励器216的控制信号。所改变的控制信号典型地由误差信号产生，所述误差信号通过对所述探测器220所测得的参数与已知的参数进行比较而产生。误差信号是现有技术中已知的，在此将不再进行详述。
当所述MEMS装置受到震动时，如机械震动，所述机械元件212就在特征时间内受到以其固有机械频率fo振动的瞬时机械振动的影响，所述特征时间一般称为阻尼时间td。直到所述机械振动衰减，所述探测器220才感测所述机械元件212的变化的位置(即，由所述震动和/或激励而产生)，并向所述控制器230提供误差反馈信号。同时，所述探测器215也感测所述震动并向所述控制器230提供震动反馈信号。在接收到所述震动反馈信号之后，所述控制器230改变发送到所述MEMS激励器216的控制信号，以使其不试图补偿所述震动的影响。例如，根据一个实施例，所述控制器230发出临时降低或限制所述闭环电路240的增益的控制信号。而最终结果就是所述反馈系统并不极大地延长震动对所述MEMS装置运行的影响。
本发明的这个实施例的好处在于它并不试图避免所述机械扰动和/或改变所述阻尼时间，而是允许发生所述固有的机械衰减，而同时所述闭环反馈系统的回应被改变。因此，具有降低的运行冲击灵敏度的MEMS装置的制造仍然能够保持相对简单。
参看图3，该图示出了根据本发明的另一个实施例的、用于MEMS装置中的控制系统的示意图。所述控制系统300包括MEMS结构310、探测器320和控制器330。所述控制器330电气连接到所述MEMS结构310和探测器320，以使其形成所述闭环反馈电路340的一部分。所述MEMS结构310具有机械元件312、电气元件314和激励器316，所有的这些元件在相同的基片318上形成。
在运行时，所述控制器330提供驱动所述激励器316的控制信号，并因此而移动所述机械元件312。在所述机械元件312移动时，所述探测器320测量与所述机械元件312的位置有关的参数，并向所述控制器330提供反馈信号。所述控制器330根据所述反馈信号改变发送到所述激励器316的控制信号。所改变的控制信号典型地由误差信号产生，所述误差信号通过对所述探测器320所测得的参数与已知的参数进行比较而产生。
当所述MEMS装置受到震动时，如机械震动，所述机械元件312就在特征时间内受到以其固有机械频率fo振动的瞬时机械振动的影响，所述特征时间一般称为阻尼时间td。直到所述机械振动衰减，所述探测器320才感测所述机械元件312的变化的位置(即，由所述震动和/或激励而产生)，并向所述控制器330提供错误反馈信号(即用于计算错误误差信号的信号)。所述控制器330将所述误差信号与时间的导数用作滤波器，以便为机械脉冲提供监控。更明确地来讲，所述控制器330提供所述控制系统所运行的最大变化率的阈值(受限于所述MEMS结构的共振频率)。当所述误差项的变化率超过这个阈值时，震动瞬态就形成了。作为选择，由所述探测器所测量的参数随时间的变化被直接测量，以便为机械脉冲提供监控。在探测到所述震动脉冲时，所述控制器330改变发送到所述MEMS激励器316的控制信号，以使其并不试图补偿所述震动的影响，或所述补偿至少是非常少的。例如，可选择利用所述震动瞬态的强度来在所述MEMS装置的延迟时间(settling time)期间内按比例地降低所述系统的增益(即，到零或另一个小的值)。作为选择，所述控制器330(或另一个未示出的控制器)降低耦合电路和/或系统的增益，以抑制震动所引致的瞬态的传播。而最终结果就是所述反馈系统并不极大地延长震动对所述MEMS装置运行的影响。
本发明的这个实施例的好处在于它并不试图避免所述机械扰动和/或改变所述阻尼时间，而是允许发生所述固有机械延迟，同时改变所述闭环反馈系统的回应。因此，具有降低的运行冲击灵敏度的MEMS装置的制造仍然能够保持相对简单。而且，由于对所述震动的探测是通过监控所述闭环控制反馈来进行的(即所述MEMS结构本身实际上作为加速计)，所述监控是利用所述误差信号与时间的导数来实现，所以就无需额外的元件(如单独的震动探测器)。
值得注意的是，本发明特别适用于光通信系统中的MEMS装置，在这种光通信系统中，所述震动的影响常常以光功率信号水平中的扰动形式表现出来，并因此而经常被传送到所述MEMS装置下游的单独的反馈系统。例如，若所述机械元件是纤维光学通信发送器中的光镜，那么机械脉冲就会调制耦合到单独系统的输出功率。在所述单独系统的信号通道中的系列纤维光学元件会试图调节发射功率中的变化，从而引致复杂的交互，这些复杂的交互往往需要几个帧来使其衰减。若所述脉冲在所述源受到快速抑制，所述系统就会很快地恢复。所述快速恢复会产生误差群，但也减少切换到冗余路径的机会，后者是一种更加严重的后果。
参看图4，该图示出了本发明的一个实施例，该实施例所描述的是用于纤维光学发送器中的控制系统。所述控制系统400包括激光器410、MEMS镜420、波长探测器430、光调制器440、分束镜450、光电探测器460和微处理器470。
所述MEMS镜420是在X和Y方向上(Y方向位于图4的平面内，而X方向垂直于所述平面)提供有效准直的静电激励的2轴结构。与所述光电探测器460和微处理器470一起，所述MEMS镜420形成第一闭环反馈电路480的一部分，所述第一闭环电路480用于控制由所述调制器440所发射的平均光功率。更明确地来讲，所述MEMS镜420被轴向振动，以用时间交错方式(X用50个周期，Y用50个周期，X用50个周期，等等)改变发送到所述调制器440的光束的耦合效率。为了能够区别在所述光电探测器460的独立的X和Y功率变化，对由所述光电探测器460所产生的光电流以时间交错的X和Y振动进行同步解调。所述独立的X和Y解调信号含有与优化的X和Y光束准直有关的误差信息。所述微处理器470利用这些误差信号来控制所述独立的X和Y MEMS角。
所述激光器410是一种可调温的激光器，如分布反馈激光器(DFB)，且耦合到所述热电冷却器(TEC)410a，所述热电冷却器410a控制所述温度并因此而控制所述激光器410的波长。所述波长探测器430是一种利用第一分束镜432和第二分束镜436的波长锁定系统，所述第一分束镜432用于选择光信号的一部分，以在第一光电探测器434上进行测量，所述第二分束镜436用于选择光信号的另一部分，以在第二光电探测器438上进行测量。在所述第二分束镜436与所述第二光电探测器438之间提供标准具437。所述标准具437是具有周期传输峰值的、用于确定所述激光器410的波长或频率误差的光纤装置。与所述激光器410和所述微处理器470一起，所述波长探测器430形成第二闭环反馈电路的一部分，所述第二闭环电路用于控制由所述调制器440所传送的光的波长。更明确地来讲，来自所述参考光电探测器434与所述波长锁定光电探测器438的光电流的比率产生关于所述激光器410的波长误差的信息。这些光电流由所述微处理器470进行处理，并提供给TEC 410a反馈以对波长进行调制。由于所述TEC元件的相对较大的热质量，重大波长变化的时间常数就处于秒级。因此，由于这种热质量的原因，处于一千兆赫每毫秒(1GHz/ms)数量级的瞬时激光频率变化实际上是不可能的。
光电探测器434、438和460中的每一个都是光学探测器，如光电二极管。模数(A/D)转换器用于将由这些光电探测器所提供的光电流转换成传输到所述微处理器470的适当的反馈信号，而数模(D/A)转换器将从所述微处理器470所提供的控制信号转换成传输到所述MEMS驱动电路(未示出)的适当的驱动电流。
在运行时，所述激光器410提供入射在所述光镜420上并朝着所述波长探测器430反射的光束。所述光束的一小部分(如小于10％)由所述波长探测器430分流，而剩余的部分被传输到所述调制器440。所述调制器440调制所述光并将其传输到单独的系统。所述调制光的一小部分由所述分束镜450分流，且所述光学强度由所述光电探测器460进行测量。由所述波长探测器430和所述光电探测器460所提供的反馈信号由所述微处理器470接收，且用于分别对与所述波长误差和光学强度误差有关的误差信号进行计算。所述微处理器根据所述反馈信号向所述TEC 410a和所述光镜420的静电激励器发送控制信号。
当所述MEMS装置受到震动时，如机械震动，所述光镜就在特征时间内受到以其固有机械频率fo振动的瞬时机械振动的影响，所述特征时间一般称为阻尼时间td。直到所述机械振动衰减，所述探测器430和460才感测所述光镜的变化位置，并向所述微处理器470提供错误反馈信号。更明确地来讲，所述错误反馈信号由所述振动光镜运动产生，这种振动光镜运动影响所述调制器目标440的耦合效率，而且也改变所述波长探测器430中的标准具437的光束入射角。由于所述标准具对入射角非常敏感，所以就会产生与所述震动的大小成比例的传输峰值偏置。这种偏置会被看作是频率误差。
为了辨别来自震动脉冲的实际波长误差，对所述波长误差信号的导数(在光电探测器434和438的光学强度比率)进行计算，且导出所述闭环电路480的正常运行条件之外的阈值。特别地，若所述波长误差信号中的变化大于所述波长所能够进行的物理变化，那么就能够辨别出震动。一旦对震动做出辨别，来自所述微处理器470的MEMS X和Y控制的增益就在所述MEMS固有阻尼时间和/或所述MEMS装置的延迟时间期间内被减少。此外，或者作为选择，来自所述微处理器470的TEC控制的增益在所述MEMS的固有阻尼时间期间内被减少。所述阻尼时间是所述MEMS结构的物理实现的函数。
本发明的这个实施例的好处在于它并不试图避免所述机械扰动和/或改变所述阻尼时间，而是允许发生所述固有机械设置，同时改变所述闭环反馈系统的回应。因此，具有降低的运行冲击灵敏度的MEMS装置的制造仍然能够保持相对简单。而且，由于对所述震动的探测是通过监控所述闭环控制反馈来进行的(即所述MEMS结构本身实际上作为加速计)，所述监控是利用所述误差信号与时间的导数来实现，所以就无需额外的元件(如单独的震动探测器)。
值得注意的是，如前面所述，本发明特别适用于具有静电驱动MEMS结构的MEMS装置。静电驱动MEMS结构具有小的弹簧常数，这一点人们一般是熟知的，并且静电驱动MEMS结构也是人们所希望得到的，因为其成本低且效率高。但，并不希望得到的扰动对静电驱动MEMS装置的影响也是众所周知的，而且，这种影响已在，例如，在美国专利No.6,532,096、美国公告No.2002/0113191和美国公告No.2002/0101129中做过讨论，这些专利和公告通过参考结合到本发明中。
当然，本发明还适用于其它的MEMS装置之中，这些MEMS装置用来提供在更大更复杂的信号处理系统中进行前端信号处理，例如，本发明还适用于在RF系统中使用的MEMS装置，在所述RF系统中，所述MEMS装置是RF开关、电抗调谐元件、移相器或衰减器。
当然，前面所描述的本发明的实施例仅是示范性的。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书的范围来进行限制。
权利要求
1.一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括探测所述MEMS装置所受到的震动；根据所探测到的震动改变所述MEMS装置的闭环参数，以使其不试图补偿所述震动的影响。
2.一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括提供MEMS装置，所述MEMS装置具有以闭环结构耦合到控制器的MEMS结构，所述控制器提供用来驱动所述MEMS结构的控制信号；探测所述MEMS装置所受到的震动，所述震动的强度足够导致所述MEMS结构以其固有的机械振动频率fo在阻尼时间td内共振；以及根据所探测到的震动改变所述控制信号，以降低所述MEMS结构被驱动以回应所述震动的量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制信号被改变，以使所述MEMS结构被驱动的量在一段持续时间内被减少，所述持续时间实质上等于所述阻尼时间td。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述控制信号由与所述MEMS结构的位置有关的误差信号而产生，且通过监控所述误差信号的导数来探测所述震动。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制信号被改变，以降低所述闭环结构的增益。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述震动的强度用于确定所述所述闭环结构增益被降低的量。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述控制信号的控制器的时间常数大于所述阻尼时间td。
8.一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法，包括利用闭环控制电路控制所述MEMS装置，所述闭环控制电路包括可移动MEMS结构、感测所述MEMS结构的位置并提供与所感测到的位置相关的反馈信号的探测器、接收所述反馈信号并提供用于控制所述MEMS装置的控制信号的处理器，所述控制信号根据所述反馈信号来确定；探测所述MEMS装置所受到的震动；以及根据所探测到的震动改变所述控制信号，以使所述闭环控制电路对所述震动所做出的回应降到最小。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述震动的探测通过监控所述反馈信号随着时间的变化来进行。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述震动的探测通过监控从所述反馈信号中所导出的误差信号的导数来进行。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制信号用于驱动所述可移动MEMS结构。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制信号用于驱动可调温激光器。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，改变所述控制信号，以使所述闭环电路对所述震动所做出的回应在一个时间段内被降到最小，所述时间段允许由所述震动所引起的所述MEMS结构的机械振动能够衰减。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，探测所述MEMS装置所受到的震动包括将所述MEMS结构用作加速计。
15.一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的系统，包括控制所述MEMS装置的闭环控制电路，所述闭环控制电路包括可移动MEMS结构，感测所述MEMS结构的位置并提供与所感测到的位置相关的第一反馈信号的探测器，接收所述第一反馈信号并提供用于控制所述MEMS装置的控制信号的处理器，所述控制信号根据所述第一反馈信号来确定；探测所述MEMS装置所受到的震动并产生第二反馈信号的震动探测器，所述第二反馈信号用于改变所述控制信号，以使所述闭环控制电路对所述震动所做出的回应降到最小。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述震动探测器的回应时间实质上比所述闭环控制电路的回应时间短。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述闭环控制电路的带宽的频率小于所述MEMS结构的固有共振机械振动频率。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述震动探测器包括所述MEMS结构。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第二反馈信号包括所述第一反馈信号与时间的导数。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述MEMS结构是由静电激励。
21.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述MEMS结构包括静电驱动光镜，所述光镜用于可控制地将来自激光器的光耦合到光学调制器。
22.如权利要求21所述的系统，包括第一光电二极管，所述第一光电二极管用于监控由所述光学调制器所调制的光的强度。
23.如权利要求22所述的系统，包括监控传输到所述光学调制器的光的波长的波长探测器，所述波长探测器包括第二光电二极管、第三光电二极管和标准具。
24.如权利要求23所述的系统，包括将所调制的光的一部分导向所述第一光电二极管的第一光束分离器、将朝着所述光学调制器传输的光的一部分导向所述第二光电二极管的第二光束分离器，和将朝着所述光学调制器传输的光的一部分导向所述标准具和第三光电二极管的第三光束分离器。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，感测所述MEMS结构的位置的探测器至少包括所述第一光电二极管和所述波长探测器中的一个。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述震动探测器包括所述光镜和所述处理器，且第二反馈信号由所述第一反馈信号与时间的导数导出。
全文摘要
一种降低MEMS装置的运行冲击灵敏度的方法和系统，包括控制所述MEMS装置的闭环控制电路和探测所述MEMS装置所受到的冲击的震动探测器。所述闭环控制电路包括可移动MEMS结构、感测所述MEMS结构的位置并提供与所感测到的位置相关的第一反馈信号的探测器、接收所述第一反馈信号并提供用于控制所述MEMS装置的控制信号的处理器。根据一个优选实施例，所述震动探测器是所述MEMS结构本身，这种震动探测器用于探测所述MEMS装置所受到的震动并产生第二反馈信号，所述第二反馈信号用于改变所述控制信号，以将所述闭环控制电路对所述震动所做出的回应降到最小。
文档编号G05D19/00GK1721318SQ20051008308
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月14日 优先权日2004年7月14日
发明者大卫·施耐德 申请人:Jds尤尼弗思公司