一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构技术

本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构，其中，MEMS谐振器闭环控制结构包括了控制振幅的AGC环路8和控制相位的PLL环路13。其中PLL环路13包括了鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12。驱动/检测方法是通过将PLL环路13的压控振荡器11的输出信号经过1/2分频器12进行分频处理，输出两路正交的1f信号，经过驱动电极全差分设计，能够在MEMS谐振器上施加频率为2f的驱动静电力，并使得MEMS谐振器工作在2f谐振状态，实现了倍频驱动。这样就将驱动信号的频率1f和检测信号的频率2f在频域上实现了分离，消除了驱动信号作为电气串扰源对检测的影响；而且1f正交驱动信号无直流偏置电压，避免了偏置电压漂移对MEMS谐振器性能的影响。振器性能的影响。振器性能的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构


[0001]本专利技术属于MEMS谐振器闭环控制技术，具体涉及一种MEMS谐振器闭环控制方法及控制结构。

技术介绍

[0002]MEMS谐振器，作为一类器件，包括了可以测量各种物理量的谐振类MEMS传感器，比如振动式硅微陀螺、谐振式压力传感器、谐振式加速度计，以及MEMS时基等。MEMS谐振器通常需要驱动在谐振状态，而通过特定的驱动和检测方式，建立闭环控制电路，成为实现MEMS谐振器工作状态的基本手段。而基于硅结构MEMS工艺加工完成的典型MEMS谐振器的驱动和检测方式通常为静电驱动/电容检测。
[0003]为了提高静电驱动的线性度，通常将驱动信号设置为同相直流+差分交流或者同相交流+差分直流的方式，从而可以产生单频信号，实现了驱动信号的能量集中。但是作为静电驱动/电容检测类MEMS谐振器，因为芯片级的寄生和耦合电容、板级电气串扰等的影响，使得驱动信号很容易串扰到检测端，影响检测的精度。为了解决该问题，美国密歇根大学的Jun Cao等人发表的“Drive Amplitude Dependence of Micromechanical Resonator Series Motional Resistance”一文中最早提出了机电幅度调制(Electromechanical Amplitude Modulation，EAM)技术以消除电气串扰，但是该方法在驱动端或者质量块上需要增加载波信号，在检测端需要进行二次解调，增加了电路的复杂度。英国剑桥大学J.E.
‑r/>Y.Lee等人发表的“Parasitic feedthrough cancellation techniques for enhanced electrical characterization of electrostatic microresonators”一文中提出了在MEMS谐振器旁边做一个陪衬谐振器，并给该陪衬谐振器施加反向的驱动信号依产生反向的电气串扰信号，这样就实现了在检测端电气串扰误差信号的相互抵消。但是该种方法一方面损失了芯片的面积利用率；另一方面陪衬MEMS谐振器与MEMS谐振器加工的不一致性也会影响电气串扰补偿的效果。

技术实现思路

[0004]为了能够实现MEMS谐振器闭环控制电路，驱动MEMS谐振器谐振的同时，消除电气串扰对检测信号的影响，提出了基于1f正交驱动2f倍频检测的谐振器闭环控制方法及控制结构。
[0005]第一方面，本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制结构，所述MEMS(Micro
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electromechanical Systems)谐振器闭环控制结构包括MEMS谐振器1、C/V转换器2、AGC(Automatic Gain Control)环路8、PLL(Phase Locked Loop)环路13、第一乘法器14和第二乘法器15；所述AGC环路8包括整流器3、低通滤波器4、加法器5、PI(Proportional
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Integral)控制器6、参考基准7；所述PLL环路13包括鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12,其中：
[0006]第一乘法器14的输出和第二乘法器15的输出分别与MEMS谐振器1的输入连接，
MEMS谐振器1的输出与C/V转换器2的输入连接，C/V转换器2的输出分别与整流器3和鉴相器9连接；整流器3依次通过低通滤波器4、加法器5、PI控制器6分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；鉴相器9依次通过环路滤波器10、压控振荡器11和1/2分频器12分别与第一乘法器14的输入和第二乘法器15的输入连接；参考基准7与加法器5的正向输入连接；低通滤波器4的输出与加法器5的负向输入连接；压控振荡器11的第二正交输入信号端与鉴相器9的输入连接。
[0007]优选的，MEMS谐振器1的驱动电极和检测电极，在机械结构上是全差分结构形态。
[0008]第二方面，本申请提供一种MEMS谐振器闭环控制方法，所述方法应用与如权利要求1所述的MEMS谐振器闭环控制结构，方法包括：
[0009]1/2分频器12向第一乘法器(14)输出第一正交信号，向第二乘法器(15)输出第二正交信号，其中，第一正交信号与第二正交信号的相位相差90度；
[0010]第一乘法器(14)对第一正交信号进行幅值调制后获得第一驱动信号v
+
，向MEMS谐振器1的负向输入端输出第一驱动信号v
+
；第二乘法器(15)对第二正交信号进行幅值调制后获得第二驱动信号v
‑
，向MEMS谐振器1的正向输入端输出第二驱动信号v
‑
；
[0011]MEMS谐振器1经过频率为预设信号频率f的正交驱动后，产生驱动静电力F，所述驱动静电力F的频率为2f；
[0012]MEMS谐振器1根据驱动静电力F，产生频率为2f的交变电容C，并将交变电容C输出至C/V转换器2；
[0013]通过C/V转换器2将交变电容C转化为电压信号V，以便完成2f差分电容的检测；
[0014]C/V转换器2输出的电压信号V，分成第一路电压信号和第二路电压信号，第一路电压信号输入至整流器3，第二路电压信号输入至鉴相器9；
[0015]对所述第一路电压信号进行AGC处理，获得幅值调制信号A，并将所述幅值调制信号A分别输出至第一乘法器(14)和第二乘法器(15)，并将作为第一正交信号和第二正交信号的幅值调制信号；
[0016]对所述第二路电压信号进行PLL处理，产生第一正交输入信号和第二正交输入信号，其中，第二正交输入信号反馈回鉴相器9，作为鉴相器的另一路输入信号；
[0017]压控振荡器11将产生的第一正交输入信号和第二正交输入信号，输入至1/2分频器12；
[0018]1/2分频器12产生预设信号频率f的第一正交信号，第二正交信号，并分别将第一正交信号和第二正交信号反馈回第一乘法器(14)和第二乘法器(15)，从而完成的MEMS谐振器闭环控制。
[0019]优选的，所述第一正交信号的相位为cos(2πft)；所述第二正交信号的相位为sin(2πft)。
[0020]优选的，第一正交输入信号的相位为cos(4πft)；第二正交输入信号的相位为sin(4πft)。
[0021]优选的，预设信号频率f为MEMS谐振器1的主谐振频率的一半。
[0022]优选的，对所述第一路电压信号进行AGC处理，获得幅值调制信号A，具体包括：
[0023]第一路电压信号依次通过整流器3、低通滤波器4，并与参考基准7输出的基准信号，通过加法器5，做相减运算后，输入PI控制器6，并产生幅值调制信号A。
[0024]优选的，对所述第二路电压信号进行PLL处理，产生第一正交输入信号和第二正交输入信号，具体包括：
[0025]第二路电压信号依次通过鉴相器9、环路滤波器10、压控振荡器1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS谐振器闭环控制结构，其特征在于，所述MEMS(Micro
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electromechanical Systems)谐振器闭环控制结构包括MEMS谐振器(1)、C/V转换器(2)、AGC(Automatic Gain Control)环路(8)、PLL(Phase Locked Loop)环路(13)、第一乘法器(14)和第二乘法器(15)；所述AGC环路(8)包括整流器(3)、低通滤波器(4)、加法器(5)、PI(Proportional
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Integral)控制器(6)、参考基准(7)；所述PLL环路(13)包括鉴相器(9)、环路滤波器(10)、压控振荡器(11)和1/2分频器(12),其中：第一乘法器(14)的输出和第二乘法器(15)的输出分别与MEMS谐振器(1)的输入连接，MEMS谐振器(1)的输出与C/V转换器(2)的输入连接，C/V转换器(2)的输出分别与整流器(3)和鉴相器(9)连接；整流器(3)依次通过低通滤波器(4)、加法器(5)、PI控制器(6)分别与第一乘法器(14)的输入和第二乘法器(15)的输入连接；鉴相器(9)依次通过环路滤波器(10)、压控振荡器(11)和1/2分频器(12)分别与第一乘法器(14)的输入和第二乘法器(15)的输入连接；参考基准(7)与加法器(5)的正向输入连接；低通滤波器(4)的输出与加法器(5)的负向输入连接；压控振荡器(11)的第二正交输入信号端与鉴相器(9)的输入连接。2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器闭环控制结构，其特征在于，MEMS谐振器(1)的驱动电极和检测电极，在机械结构上是全差分结构形态。3.一种MEMS谐振器闭环控制方法，其特征在于，所述方法应用与如权利要求1所述的MEMS谐振器闭环控制结构，方法包括：1/2分频器(12)向第一乘法器(14)输出第一正交信号，向第二乘法器(15)输出第二正交信号，其中，第一正交信号与第二正交信号的相位相差90度；第一乘法器(14)对第一正交信号进行幅值调制后获得第一驱动信号v
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，向MEMS谐振器1的负向输入端输出第一驱动信号v
+
；第二乘法器(15)对第二正交信号进行幅值调制后获得第二驱动信号v

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉朝，滕霖，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：