CN103477551A

CN103477551A - 用于微机电元件的数字控制

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Publication number: CN103477551A
Application number: CN2011800562287A
Authority: CN
Inventors: A·文茨勒; M·I·阿尔迪布斯; O·克拉依尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: US9722521B2; KR20140009198A; EP2643925A1; US20130293161A1; TW201234759A; EP2643925B1; JP5657131B2; CN103477551B; DE102010061790A1; TWI555322B; JP2013545143A; KR101845112B1; WO2012069248A1

Abstract

本发明涉及一种用于微机电元件（30）的控制电路（300），所述控制电路具有信号形状发生器（2）、调制器（3）和数字驱动器装置（4），所述信号形状发生器被设置用于生成用于所述微机电元件（30）的数字控制信号，所述调制器被设置用于对所述数字控制信号进行过采样、使所述数字控制信号经受噪声成形以及输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号，所述数字驱动器装置被设置用于以所述经过采样的且经噪声成形的数字控制信号驱动所述微机电元件（30）。

Description

用于微机电元件的数字控制

技术领域

本发明涉及一种用于微机电元件的数字控制的控制电路和一种用于控制微机电元件的方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）目前在微系统技术中用作从控制信号到机械动作的变换器。在此，致动器起很大作用、尤其是微机电致动器。一个应用示例涉及微镜致动器（SLM，空间光调制器）的应用，借助于所述微镜致动器可以在微镜元件或者微镜阵列上通过转动、翻转和移动有针对性地偏转光束，例如激光束。

在此，致动器需要专门的且准确的控制信号，以便能够确保致动器的机械元件的无干扰的、可复现的且快速的运行。这对用于致动器运行的控制电路提出高要求，尤其因为在微机电部件的微型化范畴内必须使这种控制装置的空间需求保持得小，以便使用于制造的开销保持得少。

可以谐振地或准静态地运行微机电元件。谐振的运行方式要求在微机电元件的一个或多个模式上运行微机电元件。相反地，在准静态运行中在在谐振模式以外的频率区域中运行微机电元件。在此重要的是，在控制中尽可能没有控制信号的频率部分位于所述模式上，因为可能暂时不稳定地控制微机电元件。

微机电元件的控制方法通常应用线性驱动器或数字驱动器。线性驱动器可以嵌入到专用集成电路（ASIC）中。但所述专用集成电路在此需要用于构成组件——例如运算放大器、调节器、电压基准电路和电流基准电路、稳定电容以及类似部件的集成的相对较大的面积。此外，需要数字模拟转换器，这可以导致具有相对较高的能量需求的、复杂的且开销较高的总系统。

出版文献DE 10 2004 016 196 A1公开了一种用于控制机电系统的方法，其中使用线性驱动器电路和数字模拟转换器。

数字驱动器通常在结构方面简单、节省空间且抗干扰。其良好地适于应用在谐振运行中。相反，对于准静态运行中的应用，考虑可能具有谐振干扰模式的范围中的频率的干扰部分。因此，存在控制具有数字驱动器的微机电元件的需求，其考虑前面提到的方面。

发明内容

本发明所基于的构思在于，实现用于在准静态运行中控制微机电元件的方法和装置，借此可以尽可能无干扰地控制微机电元件并且其需要较少实现开销。

根据权利要求1的根据本发明的用于微机电元件的控制电路具有信号形状发生器，调制器和数字驱动器装置。信号形状发生器被设置用于生成用于微机电元件的数字控制信号。调制器被设置用于对数字控制信号进行过采样、使数字控制信号经受噪声成形以及输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号。数字驱动器装置被设置用于以经过采样的且经噪声成形的数字控制信号来驱动微机电元件。所述控制提供以下优点：可以使用传统的数字末级，其能够以简单的且节省空间的方式置于集成电路中。

优选地，调制器是Delta-Sigma调制器，并且微机电元件是电容式致动器、尤其是微镜致动器。由此，可以在对控制驱动器的要求较低的情况下同时实现准静态运行中致动器的高偏转准确性。

优选地，Delta-Sigma调制器的零位可以置于微机电元件的谐振模式的频率上，由此能够实现微机电元件的谐振模式的频率处的噪声分量的有针对性抑制。

根据权利要求5的根据本发明的用于控制微机电元件的方法包括以下步骤：

提供具有位于微机电元件（30）的临界频率（ω_g）以下的信号频率的数字控制信号；

以大于临界频率（ω_g）两倍的采样频率对数字控制信号进行过采样；

通过将在过采样中形成的噪声移动到临界频率（ω_g）以上的频率区域（23b）中来噪声成形经过采样的数字控制信号；

以经过采样的数字控制信号驱动微机电元件（30）。

通过所述方法可能使所期望的信号带保持无噪声，并且在此尤其有效地防止在准静态运行中微机电元件的谐振模式的激励。

其他的实施方式和改进方案在从属权利要求中给出。

只要有意义，则可以彼此任意组合以上构型和改进方案。本发明的其他的可能构型、改进方案和实现也包括以上或以下关于实施例描述的发明特征的未明确提及的组合。

附图说明

以下根据在附图的示意图中给出的实施例详细阐明本发明。附图示出：

图1：微机电致动器的等效电路图；

图2：微机电致动器的频率特性的波特图；

图3：根据本发明的一种实施方式的控制电路；

图4：根据本发明的另一种实施方式的控制电路；

图5：根据本发明的另一种实施方式的用于控制微机电元件的方法。

具体实施方式

在附图中相同的和功能相同的元件、特征和组件（只要没有另外说明）分别设有相同的附图标记。不言而喻地，附图中的组件和元件出于清楚和理解的原因不一定彼此比例正确地给出。

本发明意义上的微机电元件可以尤其包括微机电致动器。通过控制信号控制致动器，以便由输入信号引起机械动作，尤其是所连接的机械部件的转动、翻转和线性移位。致动器的一个示例是微镜致动器，借助所述微镜致动器可以使微镜沿着一个或多个转动轴线、翻转轴线或移位轴线旋转或移动。

在微机电部件的线性控制时试图不激励微机电元件的谐振模式，即能够实现准静态的运行。

在图1中示出了微机电致动器100的等效电路图。在此，所述微机电致动器100包括第一输入电阻14，其与由第一电容16、第二电容17和第二电阻18组成的并联电路串联连接。在微机电致动器100的输入端12上施加控制信号，所述控制信号首先传导通过输入电阻14，所述输入电阻通常是低欧姆的并且反映致动器100的所有线路电阻R_线路。致动器100的电容C可以划分为第一电容16和第二电容17。第一电容16是微机电致动器100的有效电容C_N并且第二电容17是微机电致动器100的寄生电容C_P。通常，微机电致动器100的有效电容C_N比微机电致动器100的寄生电容C_P小。其通常根据致动器100的机械状态是动态的。

微机电致动器100的图1中的等效电路图对于惯性的弹簧质量系统是典型的并且在第一近似中表示二阶低通滤波器。因此，本发明意义上的微机电致动器具有低通特性。

图2在波特图的振幅部分中示出微机电致动器的频率特性200。在此相对于纵坐标上的振幅（单位：dB）在横坐标上绘出频率ω（单位：kHz）。微机电致动器的频率区域可以划分为分别具有两个带宽的两个区域。

区域23a位于临界频率ω_g22以下，通过向左指向的虚线箭头表明，所述区域23a表示微机电致动器的有效区域。在所述有效区域中，可以在频率特性的频率区域21中准静态地控制微机电致动器。在此，所述频率区域21尤其不位于具有微机电致动器的谐振模式的频率区域中。示例性地，在图2中示出了具有频率特性中的振幅超高的三个谐振模式24a、24b、24c。然而，在此根据致动器也可以出现更多或更少谐振模式。所述谐振模式可以在有效区域23内的不同频率处出现。谐振模式24a、24b、24c可非常容易激励并且在激励时通过振幅增强可以导致微机电致动器的不稳定控制。因此希望的是，在准静态运行中用于微机电致动器的控制信号在任何时刻都不具有相应于谐振模式24a、24b、24c的频率的频率部分。

区域23b位于临界频率ω_g22以上，通过向右指向的虚线箭头表明，所述区域23b表示微机电致动器的衰减主导的区域。在所述区域中，建模为根据图1的弹簧质量系统的微机电致动器的惯性占主导。虽然在所述区域中同样存在谐振模式25a、25b、25c，但这些模式由于微机电致动器的系统惯性严重衰减并且因此不容易激励。

图3示出用于根据本发明的一种实施方式的微机电元件30的数字控制的控制电路300。在此，所述控制电路300包括信号形状发生器2、调制器3和数字驱动器装置4。在此，信号形状发生器2、调制器3和数字驱动器装置可以设置在集成电路1中，例如ASIC芯片等等中。信号形状发生器2与调制器3的输入端耦合，所述调制器的输出端又与数字驱动器装置4的输入端耦合。数字驱动器装置4的输出端与微机电元件30的控制输入端耦合。

信号形状发生器2被设置用于产生用于微机电元件30的数字控制信号。在此，数字控制信号具有一个或多个有效信号频率，其位于微机电元件30的有效区域中、例如在图2中示出的区域23a中，尤其是在以附图标记21标明的区域中的频率处。所述有效信号频率例如可以位于10Hz和1kHz之间的区域中，尤其是几十Hz和几百Hz之间的区域中。有效信号频率如此设置，使得其不与微机电元件30的谐振模式的频率重合，例如不与如在图2中示出的谐振模式24a、24b、24c重合。

在此，例如可以在集成电路1上产生数字控制信号。但也可以提出，从集成电路上的存储器中读取数字控制信号，其中存储器包含大量预定义的控制信号并且从存储器中分别加载预定义的控制信号之一，以便控制微机电元件30。

调制器3被设置用于对数字控制信号进行过采样、使数字控制信号经受噪声成形以及向数字驱动器装置4输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号。特别地，调制器3可以是Delta-Sigma调制器。

Delta-Sigma调制器具有两个特性，所述两个特性有利地可以用于实现数字控制信号的所期望的信号成形：

一方面，Delta-Sigma调制器以高过采样率工作。在此，所述高过采样率可以具有至少是微机电元件30的临界频率ω_g的两倍那么大的采样频率。在量化数字控制信号时通过调制器3产生的量化噪声在从频率0直到达到采样频率一半的频率区域上均匀分布。在此，在所述频率区域上分布的总噪声能量保持不变。即，采样频率越高，量化噪声分布的频率区域就越大，并且所述频率区域内对于每个单个频率而言信号噪声距离就越大。

图2中的区域23a是微机电元件30的有效区域，所述有效区域对于量化噪声而言是重要的。因此，随着调制器3的采样频率的提高，与量化噪声分布的总频率区域相比量化噪声在区域23a内相对份额降低。因此，通过数字控制信号的过采样时的高采样频率，使在微机电元件30的相关有效区域中的信号噪声距离保持得较高。特别地，在谐振模式24a、24b、24c的区域中，信号噪声距离因此同样高，即，在准静态运行中的微机电元件30的控制时，干扰与噪声信号的份额在谐振模式的频率时较小并且微机电元件30的控制是稳定的。在此，在调制器3的采样频率加倍时导致微机电元件30的有效区域中大约降低3dB的噪声水平。

另一方面，借助Delta-Sigma调制器实施噪声成形。噪声成形表示更强地集中确定频率区域中数字信号的量化噪声以及由此实现频谱中噪声能量的移动的方法。因此，借助Delta-Sigma调制器可以将量化噪声的噪声信号移动到临界频率ω_g以上的频率区域23b中。在所述区域23b中，微机电元件30的惯性占主导，使得根据在图2中示出的传递函数通过微机电元件30的固有低通特性来过滤所述频率区域中的噪声信号。

噪声成形的度量例如取决于Delta-Sigma调制器的过采样频率和阶数。因此，根据调制器参数的选择可以实现量化噪声移动到第二区域23b中。

Delta-Sigma调制器在其前向路径中根据阶数具有至少一个积分器，所述至少一个积分器具有信号传输函数。所述信号传输函数具有一个或多个零位。通过积分器的信号传输函数的选择和零位的相应选择可以将Delta-Sigma调制器的噪声信号传输函数在所述零位处置于零。因此，在相应于零位的频率时，抑制Delta-Sigma调制器的输出信号中的量化噪声。

本发明以有利的方式利用所述关系，其方式是，Delta-Sigma调制器的积分器可以在微机电元件30的谐振模式的频率上具有其传输函数的零位。因此，有效地抑制具有微机电元件30的相应的谐振模式的频率处的频率部分的噪声信号，并且因此微机电元件30的控制在准静态中是稳定的。

调制器3的输出信号馈给到驱动器装置中并且由所述驱动器装置用于驱动微机电元件30。在此，用于驱动微机电元件30的控制信号以有利的方式不具有微机电元件30的有效区域23a的谐振模式24a、24b、24c的频率处的频率部分或者具有微机电元件30的有效区域23a的谐振模式24a、24b、24c的频率处至少强烈下降的频率部分，由此可以确保准静态运行中的稳定控制。

图4示出根据本发明的另一种实施方式的控制电路400。在此，所述控制电路400尤其可以是控制电路300的示例性实施方式。控制电路400包括具有N比特的查找表42，从所述查找表中可以提供用于微电机元件30数字控制的控制信号形式。此外，控制电路400包括Delta-Sigma调制器43，所述Delta-Sigma调制器从查找表42接收数字控制信号并且输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号。所述经过采样的且经噪声成形的数字控制信号由门驱动器44接收，所述门驱动器根据控制信号控制两个晶体管45a和45b、尤其是MOSFET。通过ASIC芯片上的连接端46，驱动信号可以馈送到微机电元件30中，所述查找表42、所述Delta-Sigma调制器43、所述门驱动器44以及所述晶体管45a和45b可以设置在所述ASIC芯片上。

在图5中示意性地示出了一种用于控制微机电元件的方法500。

在所述方法500的第一步骤51中，提供具有位于微机电元件30的临界频率ω_g以下的信号频率的数字控制信号。

在第二步骤52中，以大于双倍的临界频率ω_g的采样频率对数字控制信号进行过采样。在此，可以借助如以上与图3相关联地描述的Delt-Sigma调制器进行所述过采样。

在第三步骤53中，通过在过采样时形成的噪声移动到临界频率ω_g以上的频率区域中来噪声成形经过采样的数字控制信号。在此，可以借助如以上与图3相关联地描述的Delta-Sigma调制器进行噪声成形。

在第四步骤54中，以经过采样的数字控制信号驱动微机电元件30。特别地，可以在准静态运行中使用所述方法500用于驱动电容致动器、尤其是微镜致动器。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于控制微机电元件（30）的方法（500），所述方法具有以下步骤：

提供具有位于所述微机电元件（30）的临界频率（ω_g）以下的信号频率的数字控制信号；

以大于所述临界频率（ω_g）两倍的采样频率对所述数字控制信号进行过采样；

通过将在所述过采样中形成的噪声移动到所述临界频率（ω_g）以上的频率区域（23b）中来噪声成形所述经过采样的数字控制信号；

以所述经过采样的数字控制信号驱动所述微机电元件（30）。

2.根据权利要求1所述的方法（500），其中，借助Delta-Sigma调制器实施所述过采样和所述噪声成形的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法（500），其中，将所述Delta-Sigma调制器的积分器的传输函数的零位置于在所述临界频率（ω_g）以下的频率区域（23）中所述微机电元件（30）的谐振模式的一个频率上。

4.一种用于微机电元件（30）的控制电路（300），所述微机电元件执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述控制电路具有信号形状发生器（2）、调制器（3）和数字驱动器装置（4），所述信号形状发生器被设置用于生成用于所述微机电元件（30）的数字控制信号，所述调制器被设置用于对所述数字控制信号进行过采样、使所述数字控制信号经受噪声成形以及输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号，所述数字驱动器装置被设置用于以所述经过采样的且经噪声成形的数字控制信号在准静态运行中驱动所述微机电元件（30）。

5.根据权利要求4所述的控制电路（300），其中，所述调制器（3）是Delta-Sigma调制器。

6.根据权利要求4或5所述的控制电路（300），其中，所述微机电元件（30）是电容式致动器、尤其是微镜致动器。

7.根据权利要求5所述的控制电路（300），其中，所述Delta-Sigma调制器的积分器可以在所述微机电元件（30）的谐振模式的频率上具有其传输函数的零位。

8.根据权利要求5或6所述的控制电路（300），其中，所述控制信号在任何时刻都不具有相应于所述微机电元件（30）、尤其是所述致动器的谐振模式的频率的频率部分。

Claims

1.一种用于微机电元件（30）的控制电路（300），所述控制电路具有信号形状发生器（2）、调制器（3）和数字驱动器装置（4），所述信号形状发生器被设置用于生成用于所述微机电元件（30）的数字控制信号，所述调制器被设置用于对所述数字控制信号进行过采样、使所述数字控制信号经受噪声成形以及输出经过采样的且经噪声成形的数字控制信号，所述数字驱动器装置被设置用于以所述经过采样的且经噪声成形的数字控制信号驱动所述微机电元件（30）。

2.根据权利要求1所述的控制电路（300），其中，所述调制器（3）是Delta-Sigma调制器。

3.根据权利要求1或2所述的控制电路（300），其中，所述微机电元件（30）是电容式致动器、尤其是微镜致动器。

4.根据权利要求2所述的控制电路（300），其中，所述Delta-Sigma调制器的积分器可以在所述微机电元件（30）的谐振模式的频率上具有其传输函数的零位。

5.一种用于控制微机电元件（30）的方法（500），所述方法具有以下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法（500），其中，借助Delta-Sigma调制器实施所述过采样和所述噪声成形的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法（500），其中，将所述Delta-Sigma调制器的积分器的传输函数的零位置于在所述临界频率（ω_g）以下的频率区域（23a）中所述微机电元件（30）的谐振模式的一个频率上。