的MEMS干涉儀系統(tǒng)的示例性組成部件的框圖；
[0034] 圖17是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于進行校準(zhǔn)反射鏡位置的非線性校正技 術(shù)的MEMS干涉儀系統(tǒng)的示例性組成部件的框圖；
[0035] 圖18是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖17的電容感測非線性校正技術(shù)的圖；以 及
[0036] 圖19圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于光學(xué)MEMS干涉儀內(nèi)的反射鏡定位用的自 校準(zhǔn)的示例性方法。
【具體實施方式】
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種自校準(zhǔn)技術(shù)以確定諸如干涉儀/光譜儀應(yīng)用等的 微機電系統(tǒng)（MEMS)應(yīng)用中的可移動反射鏡的位置。該技術(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)干涉儀/光譜儀 系統(tǒng)在小芯片上的集成并降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
[0038] 現(xiàn)在參見圖1，圖示有根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性MEMS設(shè)備100。MEMS設(shè)備100 包括MEMS致動器110和可移動反射鏡120。MEMS致動器110是靜電致動器，如梳狀驅(qū)動器 致動器、平行板致動器或其他類型的靜電致動器?？梢苿臃瓷溏R120被耦合至MEMS致動器 110,使得MEMS致動器的運動引起可移動反射鏡120的位置的位移。
[0039] 在很多MEMS應(yīng)用中，有必要知道可移動反光鏡120的位置。例如，在干涉儀應(yīng)用 中，可移動反光鏡120的位置被用來處理干涉儀的輸出。MEMS干涉儀系統(tǒng)105的示例在圖2 中示出。如可以在圖2中看出的，MEMS致動器110和可移動反射鏡120與干涉儀140的其 他組成部件，諸如分束器、固定反射鏡和光電檢測器等（如結(jié)合圖7在下面更加詳細(xì)地描述 的）一起形成MEMS干涉儀150。MEMS干涉儀150可以例如是傅里葉變換紅外光譜（FTIR) 光譜儀、邁克爾遜干涉儀、馬赫曾德干涉儀或法布里-珀羅干涉儀。
[0040] 可移動反射鏡120的位移產(chǎn)生了在干涉儀140的兩個臂之間的光學(xué)路徑長度差， 以便獲得在光電檢測器處的期望的干涉圖樣。為了有效地處理從光電檢測器輸出的信號， 必須查明可移動反射鏡120的在至少一個平面中的位置。
[0041] 因此，現(xiàn)在參見圖1和圖2,為了測量可移動反光鏡的位置，MEMS設(shè)備100還包括 被耦合至MEMS致動器110的電容感測電路130。由于MEMS致動器110是靜電致動器，所以 MEMS致動器110具有可以由電容感測電路130測量的可變電容。例如，在一個實施例中，電 容感測電路130可以被耦合至MEMS致動器110的兩個板以檢測板之間的電容（即，測量電 容的當(dāng)前值，下文稱作MEMS致動器的"當(dāng)前電容"）。
[0042] 基于測得的當(dāng)前電容，可以確定可移動反射鏡120的位置。如可以理解的，MEMS致 動器110的兩個板之間的間隔（距離）隨著反射鏡120移動而變化。由于MEMS致動器110 是靜電致動器，所以兩個板之間的電容與兩個板之間的間隔直接成正比（或者在某些情況 中成反比）。這樣，板之間的電容可以用來確定該間隔，該間隔進而可以用來確定反射鏡位 置。
[0043] 圖3是圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例的MEMS干涉儀系統(tǒng)105的示例性組成部件的框 圖。在圖3中，電容感測電路（CSC) 130被實施在專用集成電路（ASIC) 160內(nèi)。ASIC 160進 一步被耦合至MEMS干涉儀150和數(shù)字信號處理器（DSP) 170。在一個實施例中，DSP 170被 實施在ASIC 160上。將DSP 170集成在ASIC 160上產(chǎn)生了可容易地集成在較大系統(tǒng)中的 有吸引力的自包含的解決方案。然而，這強加了在ASIC技術(shù)選擇上的限制并且可能會導(dǎo)致 數(shù)字部件與敏感的模擬前端之間的干擾。因此，在其他實施例中，DSP 170可以被實施在另 一 ASIC上或者實施為可在通用個人計算機上執(zhí)行的軟件。
[0044] ASIC 160內(nèi)的CSC 130被耦合以接收來自MEMS干涉儀150的MEMS致動器的電容 感測信號190。CSC 130測量電容感測信號190以確定MEMS致動器的當(dāng)前電容并將當(dāng)前電 容的值傳送至DSP 170。DSP 170處理當(dāng)前電容值以確定移動的反射鏡在MEMS干涉儀150 內(nèi)的位置。
[0045] ASIC 160還包括用于生成致動信號180并將致動信號180傳送至MEMS干涉儀150 的MEMS致動器以控制MEMS致動器的移動的電路。例如，在示例性實施例中，ASIC 160包 括支持任何任意致動輪廓（profile)的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC)。DAC也可以是非常高的 分辨率的以便降低致動噪聲并具有非常高的無雜散動態(tài)范圍以確保不期望的諧振模式不 被激勵。
[0046] 另外，ASIC 160進一步被耦合以接收從MEMS干涉儀150輸出的光學(xué)干涉圖樣195 并將光學(xué)干涉圖樣195提供至DSP 170用于處理。例如，在示例性實施例中，MEMS干涉儀 系統(tǒng)105是使用通用MEMS接口 CMOS ASIC 160的MEMS FTIR光譜儀系統(tǒng)。在該實施例中， MEMS干涉儀150包括光電檢測器、固定反射鏡和可移動反射鏡。隨著可移動反射鏡的運動， 光電檢測器捕獲光學(xué)干涉圖樣195。ASIC 160可以包括將信號放大、去除任何dc偏移并且 提供必要的抗混疊濾波的低噪聲信號調(diào)節(jié)路徑。信號調(diào)節(jié)可以以高度線性的方式進行以減 少最后的輸出光譜中的任何雜散波（spurious tone)。在DSP 170處，在知道可移動反射鏡 的位置的情況下對經(jīng)調(diào)節(jié)的圖案的光譜分析可以識別出光學(xué)路徑中的任何材料的光波長 和光譜印（spectral print)。
[0047] 現(xiàn)在參見圖4,示出了示例性CRC 130。CRC 130包括電容-電壓轉(zhuǎn)換器（C/V) 200、 放大器210和低通濾波器220。C/V 200被耦合以接收指示出MEMS致動器的當(dāng)前電容的電 容感測信號190,并且操作以將當(dāng)前電容轉(zhuǎn)換成電壓。特別地，C/V產(chǎn)生與MEMS致動器的兩 個端子之間的電容成正比的電壓輸出。放大器210將從C/V 200輸出的電壓放大，并且低 通濾波器220將電壓過濾以去除任何雜散信號。在示例性實施例中，C/V 200是具有寬增 益范圍和dc偏移去除以支持疊加在各種固定電容上的寬的電容范圍的非常低噪聲的C/V。 低噪聲水平對于CRC 130是期望的，因為反射鏡位置不精確度直接影響系統(tǒng)信噪比（SNR)。 ASIC 160還可以展現(xiàn)出非常低的電壓和噪聲水平以允許超過18位的分辨率。在進一步的 實施例中，ASIC 160還可以包括電容校準(zhǔn)電路以校準(zhǔn)C/V 200。
[0048] 圖5中示出C/V 200的示例。C/V 200包括用于接收作為被測量的電容C的輸入 端子、用于接收基準(zhǔn)電容Cref的輸入端子、運算放大器202、反饋電容器Co和包絡(luò)檢測器 電路204。在示例性操作中，已知頻率（例如，IOkHz)的ac信號被施加至電容C的一個端 子，而相同激勵信號的負(fù)版本被施加至基準(zhǔn)電容器Cref。運算放大器202的輸出是其幅度 與值（C-Cref)成正比的相同頻率的ac信號。
[0049] 包絡(luò)檢測器電路204檢測運算放大器202的輸出的包絡(luò)。特別地，包絡(luò)檢測器電 路204操作以生成與從運算放大器202輸出的ac信號的幅度（包絡(luò)）成正比的輸出電壓。 如圖5所示，包絡(luò)檢測器電路204檢測從運算放大器202輸出的信號Vol的包絡(luò)并產(chǎn)生與 作為被測量的電容的值成正比的電壓Vout。應(yīng)該理解的是，用于C/V 200的其他電路設(shè)計 是可以的，并且本發(fā)明不限于任何特定C/ν電路設(shè)計。例如，在另一實施例中，C/V 200可 以具有多個端子以感測兩個電容器上的差，其中差值與反射鏡位置成正比。
[0050] 圖6是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS設(shè)備100的示例性架構(gòu)的圖。MEMS設(shè) 備100包括ASIC 160和MEMS器件155,諸如MEMS干涉儀。MEMS器件155包括靜電梳狀 驅(qū)動器MEMS致動器110和可移動反射鏡120。圖6中示出的靜電梳狀驅(qū)動器MEMS致動器 110由各具有相應(yīng)的端子112和114的梳狀驅(qū)動器115和發(fā)條（spring) 118形成。通過將 電壓在端子112處施加至梳狀驅(qū)動器115,電勢差橫跨致動器110產(chǎn)生，這誘導(dǎo)了在其中的 電容，引起驅(qū)動力生成以及來自發(fā)條118的回復(fù)力，由此引起可移動反射鏡120的至期望位 置的位移。被誘導(dǎo)的電容可以通過將端子112和114連接至ASIC 160上的端口 162 和164而橫跨端子112和114測量。
[0051] 在一個實施例中，來自ASIC 160的致動信號利用時分復(fù)用或頻分復(fù)用作為電容 感測信號通過相同端口（端口 162)傳送。通過在單一個端口上具有兩個功能（致動和電 容感測），必要的最大致動電壓可以被減小，同時還增加了感測到的電容。然而，這可能導(dǎo)致 感測與致動電路之間的不期望的相互作用。因此，在其他實施例中，致動信號通過ASIC 160 上的不同端口（未示出）發(fā)送。應(yīng)該理解的是，圖6中示出的MEMS致動器110的布局和特 征僅是示例性的，并且本發(fā)明可以用任何靜電MEMS致動器設(shè)計來實現(xiàn)，不管是梳狀驅(qū)動器 致動器、平行板致動器或其他類型的靜電MEMS致動器。
[0052] 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)105的示例性架構(gòu)的圖。 MEMS干涉儀系統(tǒng)105包括MEMS干涉儀150和ASIC 160。MEMS干涉儀150可以是例如在 SOI晶片之上實現(xiàn)以允許MEMS致動移動的反射鏡的傅里葉變換紅外（FTIR)光譜儀。
[0053] MEMS干涉儀150包括MEMS致動器110和干涉儀140。如圖7所示，干涉儀140包 括光源300、分束器310、固定反射鏡320、光