用于光學mems干涉儀中的反射鏡定位的自校準的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及光學光譜法和干涉度量法，并且特別涉及微機電系統(tǒng)（MEMS)技 術(shù)在光學干涉儀中的使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機電系統(tǒng)（MEMS)是指機械元件、傳感器、致動器和電子器件通過微加工技術(shù)在 共用硅襯底上的集成。例如，微電子器件典型地使用集成電路（IC)工藝來制造，而微機械 組成部件使用選擇性地蝕刻掉硅晶片的一部分或添加新的結(jié)構(gòu)層以形成機械和機電組成 部件的兼容的微機械加工工藝來制造。MEMS器件對于在光譜法、輪廓術(shù)、環(huán)境感測、折射率 測量（或材料識別）以及許多其他傳感器應(yīng)用中的使用是具有吸引力的候選項，歸因于它 們的低成本、批量處理能力和與標準微電子器件的兼容性。另外，MEMS器件的小尺寸有助 于這樣的MEMS器件到移動和手持設(shè)備內(nèi)的集成。
[0003] 此外，MEMS技術(shù)與其眾多的致動技術(shù)一起使得能夠?qū)崿F(xiàn)光子器件的新功能和特 征，如光學調(diào)諧性和動態(tài)感測應(yīng)用。例如，通過使用MEMS致動（靜電、磁或熱）來控制邁克 爾遜干涉儀的可移動反射鏡，可以引入在干涉儀光學路徑長度上的小位移，并且結(jié)果可以 得到干涉光束之間的差分相位。最終的差分相位可以用來測量干涉儀光束的光譜響應(yīng)（例 如，使用傅里葉變換光譜法）、移動的反射鏡的速度（例如，使用多普勒效應(yīng)）或簡單地作為 光學相位延遲元件。
[0004] 這樣的干涉儀的精確度上的關(guān)鍵組成部分是確定可移動反射鏡的位置。傳統(tǒng)上， 激光器和輔助干涉儀已被用來測量移動反射鏡位置。然而，引入體積大的激光源和附加的 干涉儀增加了干涉儀系統(tǒng)的尺寸、成本和復(fù)雜性。
[0005] 因此，存在有具有減小的尺寸、成本和復(fù)雜性的確定可移動反射鏡位置的機制的 需要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的實施例提供一種用于進行反射鏡定位的自校準的微機電系統(tǒng)（MEMS)設(shè) 備。MEMS設(shè)備包括可移動反射鏡和被耦合至可移動反射鏡以引起其位移的具有可變電容的 MEMS致動器。MEMS設(shè)備進一步包括保持有將MEMS致動器的電容映射至可移動反射鏡的位 置的表的存儲器、被耦合至MEMS致動器用于感測MEMS致動器的當前電容的電容感測電路、 用于訪問表以基于MEMS致動器的當前電容來確定可移動反射鏡的當前位置的數(shù)字信號處 理器和用于確定MEMS致動器的在可移動反射鏡的兩個或更多個已知位置處的相應(yīng)實際電 容以確定待施加至可移動反射鏡的當前位置的校正量的校準模塊。數(shù)字信號處理器使用校 正量進一步產(chǎn)生可移動反射鏡的經(jīng)過校正的當前位置。
[0007] 在一個實施例中，MEMS設(shè)備進一步包括用于產(chǎn)生具有已知波長的輸入光束的光 源，并且隨著可移動反射鏡移動通過作為輸入光束和可移動反射鏡的移動的結(jié)果而產(chǎn)生的 干涉圖樣的至少兩個過零點，電容感測電路測量出電容變化。數(shù)字信號處理器基于電容變 化和干涉圖樣填充表。
[0008] 在進一步的實施例中，校準模塊將在兩個或更多個已知位置處的MEMS致動器的 實際電容與表內(nèi)的對應(yīng)的各個電容進行比較，以計算出測得的實際電容與表內(nèi)的對應(yīng)的電 容之間的相應(yīng)誤差。在示例性實施例中，表代表電容感測曲線，并且校準模塊使用電容感測 曲線和計算出的誤差推斷出經(jīng)過校正的電容感測曲線，并使用經(jīng)過校正的電容感測曲線來 確定待施加至當前位置的校正量。
[0009] 在另一實施例中，MEMS設(shè)備進一步包括用于產(chǎn)生寬帶光束的寬帶光源。電容感測 電路確定出在可移動反射鏡的第一基準位置處的第一測量電容和在可移動反射鏡的第二 基準位置處的第二測量電容，其中第一基準位置對應(yīng)于作為寬帶光束和可移動反射鏡的移 動的結(jié)果而產(chǎn)生的干涉圖樣的中央突發(fā)脈沖，并且第二基準位置對應(yīng)于由MEMS致動器施 加至可移動反射鏡的零致動。校準模塊使用第一基準位置處的第一測量電容和第二基準位 置處的第二測量電容來確定校正量。
[0010] 在又一實施例中，MEMS設(shè)備包括具有在其第一端處的第一止擋件和在其第二端處 的第二止擋件的固定結(jié)構(gòu)和被耦合在MEMS致動器與可移動反射鏡之間的致動器臂，其中 致動器臂具有位于第一止擋件與第二止擋件之間的附接至其上的第三止擋件。電容感測電 路確定出當?shù)谌箵跫纸拥谝恢箵跫r的在可移動反射鏡的第一基準位置處的第一測 量電容和當?shù)谌箵跫纸拥诙箵跫r的在可移動反射鏡的第二基準位置處的第二測 量電容。校準模塊使用第一基準位置處的第一測量電容和第二基準位置處的第二測量電容 來確定校正量。
[0011] 在再一實施例中，MEMS設(shè)備包括具有第一側(cè)面和與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面的固 定結(jié)構(gòu)，其中第一側(cè)面和第二側(cè)面中的每一個包括其間具有已知間距的多個電容感測點。 MEMS設(shè)備進一步包括被耦合在MEMS致動器與可移動反射鏡之間的致動器臂。致動器臂可 在電容結(jié)構(gòu)的第一側(cè)面與第二側(cè)面之間移動，并且具有其間有已知間距的多個電容指。電 容感測電路被耦合至固定結(jié)構(gòu)和致動器臂，以隨著可移動反射鏡移動而測量指示了電容感 測點與電容指之間的電容的改變的電容變化。校準模塊使用電容變化來確定校正量。
[0012] 在示例性實施例中，電容感測電路隨著可移動反射鏡移動連續(xù)地測量電容感測點 與電容指之間的相應(yīng)電容以確定電容變化的過零點和峰位，其中過零點對應(yīng)于電容感測點 與電容指之間的最大偏移并且峰位對應(yīng)于電容感測點與電容指之間的最小偏移。電容感測 電路進一步確定出在過零點和峰位中的每一個處的MEMS致動器的相應(yīng)實際電容。校準模 塊確定出在過零點和峰位中的每一個處的可移動反射鏡的基準位置，并基于MEMS致動器 的實際電容和基準位置來確定校正量。
[0013] 在附加的實施例中，MEMS致動器是具有兩個板的靜電致動器，并且電容感測電路 感測兩個板之間的當前電容。在示例性實施例中，MEMS致動器是靜電梳狀驅(qū)動器致動器。
[0014] 在進一步的實施例中，電容感測電路包括用于接收當前電容并產(chǎn)生與電容成正比 的輸出電壓的電容-電壓轉(zhuǎn)換器。
[0015] 本發(fā)明的實施例進一步提供一種微機電系統(tǒng)（MEMS)干涉儀系統(tǒng)，包括具有被光 學地耦合以接收和反射光的可移動反射鏡、被耦合至可移動反射鏡以引起其位移的具有可 變電容的MEMS致動器、保持有將MEMS致動器的電容映射至可移動反射鏡的位置的表的存 儲器和被耦合至MEMS致動器用于感測MEMS致動器的當前電容的電容感測電路的干涉儀。 MEMS干涉儀系統(tǒng)進一步包括用于訪問表以基于MEMS致動器的當前電容來確定可移動反射 鏡的當前位置的數(shù)字信號處理器和用于確定MEMS致動器的在可移動反射鏡的兩個或更多 個已知位置處的相應(yīng)實際電容以確定待施加至可移動反射鏡的當前位置的校正量的校準 模塊。數(shù)字信號處理器使用校正量進一步產(chǎn)生可移動反射鏡的經(jīng)過校正的當前位置。
[0016] 在示例性實施例中，干涉儀進一步包括：被光學地耦合以接收入射光束并將入射 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學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來以產(chǎn)生第一反射干涉光束的固定反射鏡。可移動反 射鏡被光學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來以產(chǎn)生第 二反射干涉光束。檢測器被光學地耦合以檢測作為第一反射干涉光束與第二反射光束之間 的干涉的結(jié)果而產(chǎn)生的干涉圖樣。在一個實施例中，可移動反射鏡的位移產(chǎn)生等于位移的 兩倍的在第一干涉光束與第二干涉光束之間的光學路徑長度差。
【附圖說明】
[0017] 參照結(jié)合附圖進行的以下詳細描述可以得到本發(fā)明的更加完整的理解，其中：
[0018] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定可移動反射鏡的位置的示例性微機電系 統(tǒng)（MEMS)設(shè)備的框圖；
[0019] 圖2是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定可移動反射鏡的位置的MEMS干涉 儀系統(tǒng)的示例性組成部件的框圖；
[0020] 圖3是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS干涉儀系統(tǒng)的進一步示例性組成部件 的框圖；
[0021] 圖4是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在MEMS干涉儀系統(tǒng)內(nèi)使用的專用集成 電路（ASIC)的示例性組成部件的框圖；
[0022] 圖5是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于在圖4的ASIC內(nèi)使用的示例性電容-電 壓電路的電路圖；
[0023] 圖6是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS設(shè)備的示例性架構(gòu)的圖；
[0024] 圖7是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS干涉儀系統(tǒng)的示例性架構(gòu)的圖；
[0025] 圖8是圖示出根據(jù)本發(fā)明的示例性MEMS管芯封裝的圖；
[0026] 圖9圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定MEMS設(shè)備內(nèi)的可移動反射鏡的位置 的示例性方法；
[0027] 圖10是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于進行反射鏡定位的自校準的示例性 MEMS干涉儀系統(tǒng)的框圖；
[0028] 圖IlA和圖IlB是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電容感測曲線的圖；
[0029] 圖12A和圖12B是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電容感測曲線上的漂移的圖；
[0030] 圖13是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的作為電容感測曲線上的漂移的結(jié)果的反射 鏡位置的誤差的圖；
[0031] 圖14是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于進行校準反射鏡位置的線性校正技術(shù) 的MEMS干涉儀系統(tǒng)的示例性組成部件的框圖；
[0032] 圖15是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的白光源的干涉圖的圖；
[0033] 圖16是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于進行校準反射鏡位置的另一線性校正 技術(shù)