MEMS谐振器的检测电路和检测方法与流程

mems谐振器的检测电路和检测方法
【技术领域】
1.本发明涉及微机电系统(micro
‑
electro
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mechanical system,mems)技术领域，尤其涉及mems谐振器的检测电路和检测方法。


背景技术：

2.目前对mems谐振器的谐振特性(自然谐振频率f0与品质因子q)的检测方法主要有两种。
3.第一种检测方法为：通过多次扫频(粗扫频加细扫频)得到输出信号最大时所对应的自然谐振频率f0,以及f0两侧
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3db所对应的频率fl以及fh，如图2所示。通过公式q＝f0/(fh
‑
fl)计算得到品质因子q。该方法所存在的不足在于：mems产品由于加工工艺偏差，谐振频率分布较广，即需要扫频的范围较宽；另外mems谐振器的品质因子q一般较高：几千至几十万不等，这就要求必须经过多次的扫频才能获得中心频率，为了准确得到中心频率以及
‑
3db所对应的频率fl以及fh，细扫频时的频率步长要非常小。以自然谐振频率20k hz,q值10000的mems陀螺为例，细扫的频率需要设置为0.1hz或更小。该方法整体时间较长，非常不利于大规模量产器件的测试。
4.第二种检测方法为：激励mems谐振器起振后，测量输出幅值衰减曲线，通过曲线拟合的方法得到自然谐振频率f0与品质因子q。该方法主要的问题在于：为了得到完整的衰减曲线，在一次振动周期(1/f0)内，需要足够采样点，通常需要大于40个点/周期，继续以自然谐振频率20khz,q值10000的mems陀螺为例，采样频率需要达到800khz。这样对电路的带宽提出了非常苛刻的要求，占用过多的电路资源，另外曲线拟合的公式较为复杂，只适合外部cpu(中央处理单元)进行，无法在mems谐振器芯片自身上完成该过程。
5.因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种mems谐振器的检测电路和检测方法，其只需要提供少量的资源，便能快速的、准确的对mems谐振器的谐振频率和品质因子进行测量。
7.根据本发明的一个方面，本发明提供一种mems谐振器的检测电路，其包括：mems谐振器，其被激励后撤离所述激励，以使得所述mems谐振器进入谐振状态；第一感应电容，其一端与mems谐振器的第一端耦接；第二感应电容，其一端与mems谐振器的第二端耦接；电荷放大器，其第一输入端与第一感应电容的另一端耦接，其第二输入端与第二感应电容的另一端耦接，其输出端输出谐振感应信号；整流器，其输入端耦接至所述电荷放大器的输出端，用于将所述谐振感应信号中的负值部分翻转或斩断得到整流后的谐振感应信号；积分器，其被配置的以设定积分时间为周期对整流后的谐振感应信号进行积分；采样电路，其被配置的采样所述积分器输出的谐振积分信号得到积分采样值；比较器，其用于将整流后的谐振感应信号与预定阈值电压进行比较以得到数字方波信号；计数器，其以数字方波信号的预定跳变沿为触发信号进行计数，单位时间的计数值记为n1；处理单元，其根据计数值n1
和单位时间计算获得mems谐振器的自然谐振频率f0，根据自然谐振频率f0、积分采样值计算获得品质因子q。
8.根据本发明的一个方面，本发明提供一种mems谐振器的检测方法，其包括：激励mems谐振器后撤离所述激励，以使得所述mems谐振器进入谐振状态；电荷放大器将第一感应电容和第二感应电容的感应信号转换为谐振感应信号，其中第一感应电容的一端与mems谐振器的第一端耦接，第二感应电容的一端与mems谐振器的第二端耦接，所述电荷放大器的第一输入端与第一感应电容的另一端耦接，所述电荷放大器的第二输入端与第二感应电容的另一端耦接，所述电荷放大器的输出端输出所述谐振感应信号；将所述谐振感应信号中的负值部分翻转或斩断得到整流后的谐振感应信号；以设定积分时间为周期对整流后的谐振感应信号进行积分；采样所述积分器输出的谐振积分信号得到积分采样值；比较器将整流后的谐振感应信号与预定阈值电压进行比较以得到数字方波信号；以数字方波信号的预定跳变沿为触发信号进行计数，单位时间的计数值记为n1；根据计数值n1和单位时间计算获得mems谐振器的自然谐振频率f0，根据自然谐振频率f0、积分采样值计算获得品质因子q。
9.与现有技术相比，本发明中的mems谐振器的检测电路和检测方法，通过以设定积分时间为周期对整流后的谐振感应信号进行积分，计数器以数字方波信号的预定跳变沿为触发信号进行计数，单位时间的计数值记为n1，根据计数值n1和单位时间计算获得mems谐振器的自然谐振频率f0，根据自然谐振频率f0、积分采样值计算获得品质因子q。这样，只需要提供少量的资源，便能快速，准确的对mems谐振器的品质因子q和自然谐振频率f0进行测量，适用于大批量生产器件的有效测试。
【附图说明】
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
11.图1为本发明在一个实施例中的mems谐振器的检测电路的结构示意图；
12.图2为谐振频率与信号赋值的对应关系图；
13.图3为图1中的检测电路中的各个信号的波形示意图；和
14.图4为本发明在一个实施例中的mems谐振器的检测方法的流程示意图。
【具体实施方式】
15.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
16.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、
“
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
18.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种mems谐振器的检测电路。图1为本发明在一个实施例中的mems谐振器的检测电路的结构示意图。如图1所示的，所述检测电路包括mems谐振器1、第一感应电容10、第二感应电容11、电荷放大器3、整流器4、积分器5、采样电路6、比较器8、计数器9和处理器(未显示)。
20.所述mems谐振器1被激励后撤离所述激励，以使得所述mems谐振器进入谐振状态。在一个实施例中，所述检测电路还包括驱动电路2。所述驱动电路2通过给所述mems谐振器施加电压信号以提供所述激励，之后撤离所述激励。目前主流的检测方案需要驱动电路2精确调整谐振频率f至mems谐振器的自然谐振频率f0,并且在其附近进行频率细扫描，来获得
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3db对应的频率fl，以及fh，如图2中所示。而本发明对于自然谐振频率f0以及品质因子q的检测，不需要驱动电路2准确激励到mems谐振器的自然谐振频率f0，只需要一次粗扫描，激励频率调整至f0附近即可，只是要求mems谐振器的输出信号幅值在一个可准确测量的范围内即可。即使原激励频率不是自然谐振频率f0,在所述激励撤离后，mems谐振器1自行恢复至自然谐振频率f0。在另一个实施例中，也可以通过外部物理方式对所述mems谐振器提供激励，比如，所述外部物理方式可以是敲击，振动，声波等方式。
21.第一感应电容10的一端与mems谐振器1的第一端耦接，第二感应电容11的一端与mems谐振器1的第二端耦接，电荷放大器3的第一输入端与第一感应电容10的另一端耦接，电荷放大器3的第二输入端与第二感应电容11的另一端耦接，其输出端输出谐振感应信号12。目前mems谐振器，比如微镜，陀螺等，主要通过静电力进行驱动。mems谐振器的振动会引起第一感应电容10和第二感应电容11的电容值的差分变化，其中一个电容值增大，另一个电容值就减小，其中一个电容值减小，另一个电容值就增大。所述谐振感应信号12为电压信号，其能够反映所述mems谐振器1的谐振状态。如图3所示的，所述谐振感应信号12的幅值由于激励被撤离而逐渐衰减。
22.经过电荷放大器之后的谐振感应信号12正负幅值对称，不能直接进行积分，需要对位于横轴下部的负值部分进行翻转或斩断。所述整流器4的输入端耦接至所述电荷放大器3的输出端，用于将所述谐振感应信号12中的负值部分翻转或斩断得到整流后的谐振感应信号13。在图1所示的实施例中，所述整流器4为全波整流器，所述全波整流器将所述谐振感应信号12中的负值部分翻转为正值得到整流后的谐振感应信号13，如图3中所示，整流后的谐振感应信号13全位于横轴上方。在另一个实施例中，所述整流器4可以为半波整流器，所述半波整流器将所述谐振感应信号12中的负值部分斩断得到整流后的谐振感应信号。
23.所述积分器5被配置的以设定积分时间t_int为周期对整流后的谐振感应信号13进行积分，以得到谐振积分信号14。如图3所示，v1、v2、vi就是所述谐振积分信号14。通过设定积分时间t_int来控制单次设定积分时间内整流后的谐振感应信号13的周期数。在一个
实施例中，所述设定积分时间t_int大于等于mems谐振器的自然谐振周期的10倍，比如所述设定积分时间t_int通常设定为几十至几百个自然谐振周期。
24.采样电路6被配置的采样所述积分器5输出的谐振积分信号14得到积分采样值。该积分采样值可以用于品质因子q的求解。如上所述的，积分时间t_int可设定为几十至几百个谐振周期，以谐振频率为20khz的陀螺为例，设置积分时间t_int为40倍谐振周期，则信号输出频率为500hz。相比现有技术中通过测完整衰减曲线的方式，采样电路6的带宽可从800khz降低至500hz，通用的采样电路都可以实现该功能。
25.在一个具体的实施例中，所述检测电路还包括模数转换器7，所述模数转换器7用于将积分采样值进行模数转换，这样处理单元可以根据模数转换后的积分采样值进行处理。当然，在其他实施例中，也可以将所述模数转换器7提前放置于整流器4或电荷放大器3后。
26.整流后的谐振感应信号13同时也会输出给比较器8。给比较器8设置一个预定阈值电压vt，所述比较器8将整流后的谐振感应信号13与预定阈值电压vt进行比较，从而将整流后的谐振感应信号13转换成与之同频的数字方波信号15。在具体的示例中，比较器8在整流后的谐振感应信号13大于预定阈值电压vt输出高电平，在整流后的谐振感应信号13小于预定阈值电压vt输出低电平。
27.计数器9以数字方波信号15的预定跳变沿为触发信号进行计数，单位时间t_unit的计数值记为n1。具体的，所述预定跳变沿为上升沿，所述计数器9在所述触发信号为上升沿时，其计数值加1，直到单位时间t_unit结束得到计数值n1。
28.所述处理单元根据计数值n1和单位时间t_unit计算获得mems谐振器1的自然谐振频率f0。在所述谐振感应信号中的负值部分被翻转成正值的情况下，f0＝n1/(2*t_unit)，如图3所示。在所述谐振感应信号中的负值部分被斩断的情况下，f0＝n1/t_unit。
29.所述处理单元根据自然谐振频率f0、积分采样值计算获得品质因子q。具体的，所述品质因子q根据如下公式计算：
[0030][0031]
其中ω＝2πf0，v
i
为第i个积分采样值，i大于等于2小于等于n，n为积分采样值的个数，v1为第1个积分采样值，t
_int
为设定积分时间
[0032]
上述最终表达式可以根据如下过程推导而来：
[0033]
电荷放大器3输出的谐振感应信号12为：
[0034][0035]
其中a0为信号初始幅值，ω为角频率，q为品质因子。
[0036]
所述全波整流器4输出的整流后的谐振感应信号13为：
[0037][0038]
积分器5输出的谐振积分信号14为：
[0039]
[0040]
将公式(3)简化，变为：
[0041][0042]
基于公式(4)可以进一步的推导出上文中的最终表达式(5)。
[0043]
关于品质因子q的计算，式1，式2，式3中含有三角函数与指数函数的乘积。大多现有技术中采用高速采样电路采样，然后利用式1进行拟合得到q值。这样的算法需要借助外部计算单元，比如mcu，pc才能实现，耗时也较长，这显然不适用于大规模量产测试产品。本发明的重点之一在于对算法进行简化，形成上述最终表达式(5)，该表达式仅仅需要进行几次的加，减，乘，除，以及一次开根号的运算即可完成，所需计算能力大大降低，处理速度显著增加。换句话说，本发明仅需要消耗非常少的资源就可以快速，准确的测量出自然谐振频率f0与品质因子q，是一种适用于量产产品的出厂测试方案。由于需要的资源少，本发明中的检测电路可以可直接集成在芯片内部。
[0044]
如下表所示的，通过验证发现，对于q值介于7000至10000之间，以10个数据点的样本进行计算，本发明的精度可达到5％，足以满足大多数测试要求。
[0045]
实际q值1000080007000本算法得到q值956377346821误差
‑
4％
‑
3％
‑
3％
[0046]
以mems陀螺为例，单片晶圆上芯片个数在数万颗，如果以传统的多次扫描的方法进行测量，每颗芯片需要扫描频率至少2到3次，每次扫描时间20s左右，每次测试8颗器件，则最少需要约14小时。而本发明只需要一次粗扫即可完成，测试时间可缩短一半。除此之外，如果将本发明也可以适用于外部物理激励，比如敲击，振动，声波，测试速率将大幅提升，这是因为在mems谐振器起振后，本发明能在数十毫秒内完成q值与自然谐振频率的测量。
[0047]
和现有的测衰减曲线测量方案相比，本发明不但将采样频率大幅降低，以20khz的陀螺为例，可将采样频率从800khz降低至500hz，以避免对硬件电路有过高要求，而且对算法也做了大量的简化，不在需要对复杂函数进行拟合，只需要几次简单的加，减，乘，除，以及一次开根号的运算即可完成，并且能保证较高的测量准确性。
[0048]
本发明中的检测方案采用测量mems谐振器1在激励撤离后的衰减曲线来获得自然谐振频率f0以及品质因子q。与现有技术中相关方案不同之处在于，本发明通过测量多谐振周期(通常设定为几十至几百个谐振周期)的积分值，该积分值与品质因子q密切相关。比如说以每40个谐振周期为单位，进行积分采样，获得输出信号在多周期内的平均值，进而获得单位时间内输出信号的衰减趋势。
[0049]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种mems谐振器的检测方法。图4为本发明在一个实施例中的mems谐振器的检测方法400的流程示意图。如图4所示的，所述检测方法400包括如下操作。
[0050]
步骤401，激励mems谐振器后撤离所述激励，以使得所述mems谐振器进入谐振状态。
[0051]
在一个实施例中，利用驱动电路2给所述mems谐振器1提供所述激励。在另一个实施例中，通过外部物理方式对所述mems谐振器1提供激励。在所述激励撤离后，mems谐振器
自行恢复至自然谐振频率f0。
[0052]
步骤402，电荷放大器3将第一感应电容10和第二感应电容11的感应信号转换为谐振感应信号12，其中第一感应电容的一端与mems谐振器的第一端耦接，第二感应电容的一端与mems谐振器的第二端耦接，所述电荷放大器的第一输入端与第一感应电容的另一端耦接，所述电荷放大器的第二输入端与第二感应电容的另一端耦接，所述电荷放大器的输出端输出所述谐振感应信号。
[0053]
具体的，mems谐振器的振动会引起第一感应电容和第二感应电容的电容值的差分变化，所述谐振感应信号为电压信号，其能够反映所述mems谐振器的谐振状态。
[0054]
步骤403，将所述谐振感应信号12中的负值部分翻转或斩断得到整流后的谐振感应信号13。
[0055]
在一个实施例中，利用全波整流器将所述谐振感应信号12中的负值部分翻转为正值得到整流后的谐振感应信号13。在另一个实施例中，利用半波整流器将所述谐振感应信号12中的负值部分斩断得到整流后的谐振感应信号13。
[0056]
步骤404，以设定积分时间为周期对整流后的谐振感应信号进行积分。
[0057]
在一个实施例中，所述设定积分时间大于等于mems谐振器的谐振周期的10倍。
[0058]
步骤405，采样所述积分器输出的谐振积分信号得到积分采样值。
[0059]
步骤406，将积分采样值进行模数转换。
[0060]
步骤408，比较器将整流后的谐振感应信号13与预定阈值电压进行比较以得到数字方波信号。
[0061]
步骤409，以数字方波信号的预定跳变沿为触发信号进行计数，单位时间的计数值记为n1。在一个实施例中，所述预定跳变为上升沿，在所述触发信号为上升沿时，其计数值加1，直到单位时间t_unit结束得到计数值n1。
[0062]
步骤410，根据计数值n1和单位时间计算获得mems谐振器的自然谐振频率f0。在一个实施例中，在所述谐振感应信号中的负值部分被翻转的情况下，f0＝n1/(2*t_unit)。在另一个实施例中，在所述谐振感应信号中的负值部分被斩断的情况下，f0＝n1/t_unit。
[0063]
步骤411，根据自然谐振频率f0、积分采样值计算获得品质因子q。
[0064]
具体的，所述品质因子q根据如下公式计算：
[0065][0066]
其中ω＝2πf0，v
i
为第i个积分采样值，i大于等于2小于等于n，n为积分采样值的个数，v1为第1个积分采样值，t
_int
为设定积分时间。
[0067]
所述检测方法的其他未被详细描述的部分，请参见所述检测电路的相关描述，由于两者原理相同，故这里不再赘述。
[0068]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述
的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0069]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。