用于光学mems干涉仪中的反射镜定位的自校准的制作方法
【技术领域】
[0001] 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系统（MEMS)技 术在光学干涉仪中的使用。
【背景技术】
[0002] 微机电系统（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。
[0003] 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。
[0004] 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系统的尺寸、成本和复杂性。
[0005] 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】
[0006] 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系统（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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 本发明的实施例进一步提供一种微机电系统（MEMS)干涉仪系统，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干涉仪系统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。
[0016] 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】
[0017] 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：
[0018] 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系 统（MEMS)设备的框图；
[0019] 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 仪系统的示例性组成部件的框图；
[0020] 图3是图示出根据本发明的实施例的MEMS干涉仪系统的进一步示例性组成部件 的框图；
[0021] 图4是图示出根据本发明的实施例的用于在MEMS干涉仪系统内使用的专用集成 电路（ASIC)的示例性组成部件的框图；
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 图7是图示出根据本发明的实施例的MEMS干涉仪系统的示例性架构的图；
[0025] 图8是图示出根据本发明的示例性MEMS管芯封装的图；
[0026] 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；
[0027] 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干涉仪系统的框图；
[0028] 图IlA和图IlB是图示出根据本发明的实施例的电容感测曲线的图；
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 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干涉仪系统的示例性组成部件的框图；
[0032] 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；
[0033] 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