CN104793331A - 使用边缘场感测反射镜的位置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用边缘场感测反射镜的位置。机械装置(20，60)包括基座(22)和移动元件(24)，移动元件被安装成围绕轴相对于基座旋转。电容式旋转传感器包括：在邻近基座的位置在移动元件上布置的至少一个第一电极(34，38，66)，以及在所述至少一个第一电极的附近在基座上布置的至少一个第二电极(32，36，62，64)。感测电路(50)被耦接以感测第一电极和第二电极之间的可变电容。

Description

使用边缘场感测反射镜的位置
技术领域
本发明涉及监测旋转机械设备的运动，并且具体涉及监测扫描微镜的运动。
背景技术
PCT国际公开WO 2014/016794描述了基于微机电系统(MEMS)的扫描微镜，此公开通过参考被结合在此。在此公开中描述的实施例提供了扫描镜组件，包括：支撑结构；基座(也称为平衡架)，其被安装成围绕第一轴相对于支撑结构旋转；以及反射镜，其被安装以围绕第二轴相对于基座旋转。
在WO 2014/016794中描述的一种实施例中，使用在旋转轴的相对侧上的反射镜附近布置的电容式传感器板，电容式感测被用于监测反射镜的旋转。在所公开的实施例中，所述板相对于支撑结构的平面成一定角度，不过在其他实施中，所述板可以与支撑结构的平面平行。测量所述板和所述反射镜之间的电容变化以监测反射镜的旋转。
发明内容
在此描述的本发明的实施例提供了用于微型移动元件的电容式感测的改进技术。
根据本发明的实施例，因而提供了一种机械装置，所述机械装置包括：基座和移动元件，所述移动元件被安装成围绕轴相对于基座旋转。电容式旋转传感器包括：在邻近基座的位置在移动元件上布置的至少一个第一电极，以及在所述至少一个第一电极的附近在基座上布置的至少一个第二电极。感测电路被耦接以感测第一电极和第二电极之间的可变电容。
在所公开的实施例中，基座限定一平面，以及移动元件在所述平面中具有机械均衡位置，使得当移动元件处于机械均衡位置时，第一电极和第二电极共面。基座和移动元件可以由半导体衬底在微机电系统(MEMS)工艺中形成，其中电极和将电极连接到感测电路的导电迹线作为MEMS工艺的一部分被沉积在半导体衬底上。
在一种实施例中，移动元件包括平衡架，并且基座包括在其上安装平衡架的框架。额外地或替代地，移动元件可以包括反射镜，而基座包括在其上安装反射镜的平衡架。
通常，第一电极和第二电极具有沿着与移动元件围绕其旋转的轴垂直的和/或平行的方向伸长的相应形状。
在所公开的实施例中，感测电路被配置为响应于感测到的电容输出移动元件相对于基座的旋转角的指示。在某些实施例中，由感测电路感测到的电容随着移动元件的旋转角非线性变化，并且感测电路被配置为在依据感测到的电容变化得出旋转角的过程中，随着移动元件的旋转应用电容幅值和电容变化斜率这两者。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于感测的方法，所述方法包括：安装移动元件以围绕轴相对于基座旋转。在邻近基座的位置在移动元件上布置至少一个第一电极，以及在所述至少一个第一电极的附近在基座上布置至少一个第二电极。随着移动元件围绕轴旋转，感测第一电极和第二电极之间的可变电容。
附图说明
结合附图，从本发明实施例的下述详细描述中可以更充分理解本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的扫描组件的简要主视图，所述扫描组件包括具有电容式旋转传感器的装有平衡架的扫描镜；
图2是根据本发明的其他实施例的扫描组件的简要主视图，所述扫描组件包括具有电容式旋转传感器的装有平衡架的扫描镜；
图3是根据本发明的实施例示出计算得到的电容随平衡架的旋转角变化的曲线的图；
图4是根据本发明的实施例简要说明扫描系统的框图；以及
图5是根据本发明的实施例简要说明用于扫描的方法的流程图。
具体实施方式
在此描述的本发明的实施例提供了移动元件相对于基座旋转的电容式感测。在所公开的实施例中，移动元件是保持扫描镜的平衡架，而基座是平衡架在其上旋转的框架。替代地或额外地，反射镜可以是移动元件，而平衡架是基座。进一步替代地，所公开实施例的原理可应用于包括移动元件的其他类型的设备，尤其是诸如MEMS设备之类的平面型设备。
所公开的实施例感测移动元件的旋转而无需设备平面外的电极，设备平面在典型MEMS实施中是晶片的平面。因此，在扫描镜或平衡架的情况中，例如旋转的感测是使用仅在反射镜结构的平面中已形成的电极完成的。这些实施例使用电极对之间的电容改变，所述电极对并排放置于反射镜结构本身的平面内。作为边缘电场随着电极之间距离而变化的结果，电容在此情况中变化，并且因此提供用于精确监测旋转角的手段。
此感测方法不仅使得能够精确测量，而且对实施来说也是便宜和简单的。因为电容随着角度非线性变化，其可以基于电容曲线中的峰值位置(通常对应于旋转设备的平面内、零转矩角)以及曲线的形状被用于绝对化位置测量。此测量模式因此在面对感测电路中放大器的增益变化以及可以以其他方式扭曲电容测量尺度的其他因素时具有灵活性。
在图中示出并且在以下详细描述的实施例中，此种电容式传感器被用以感测旋转平衡架和框架之间的相对运动，所述框架用作用于平衡架和反射镜的支撑结构。在替代实施例中，未在图中示出，可选地或替代地，基于边缘电场的电容式传感器可以被用于测量反射镜相对于平衡架的旋转角。更一般地，本方面的原理可以被应用于监测其它类型尤其是MEMS设备中的旋转结构，其中此种传感器可以作为在制备设备本身时使用的光刻生产工艺的一部分而被制造。
图1是根据本发明实施例的扫描组件20的简要主视图，所述扫描组件20包括具有电容式旋转传感器的装有平衡架的扫描镜26。反射镜26在扭转铰链对30上(沿着图中的Y轴定向)相对于平衡架24旋转，平衡架24接着在另一扭转铰链对28上(沿着X轴定向)相对于框架22旋转。反射镜26和平衡架24的旋转可以由例如在以上提及的PCT公开中描述的那种磁力驱动或本领域已知的任意其他合适种类的驱动来驱动。
扫描组件20可以通常由MEMS微制备工艺从半导体晶片中生产，其中反射镜26的边框、平衡架24和铰链28、30，由光刻掩膜限定，并且所述晶片接着被刻蚀以从晶片的周围部分中得到移动反射镜和平衡架。作为此工艺中的另一步骤，金属反射涂层(未示出)被沉积在反射镜表面。在此相同步骤，或在其他金属沉积步骤中，内部金属电极34和38沿着平衡架24的边缘沉积，并且外部金属电极32和36被沉积在框架22的邻近区域，如图所示。导电迹线40、44、46也被沉积在晶片表面，将电极32、34、36、38连接到连接焊盘48。还期望在沉积金属电极之前在晶片上沉积诸如氧化层之类的绝缘层，以便消除平衡架24上的电极34和38与框架22上的电极32和36之间的任何可能电阻耦合。
每个金属电极对-平衡架24上的一个电极34或38与框架22上的另一个电极32或36-限定一电容器。由于电极的边缘场，每对中电极之间的电容根据电极之间的间隙变化并且因此随着平衡架的倾角而改变。框架22限定一平面，为方便起见被标识为图1中的X-Y平面。平衡架24(以及反射镜26)在所述平面中具有机械均衡位置(零转矩角)，使得当平衡架处于机械均衡位置时电极32、34、36和38共面。电极32、34、36和38具有伸长形状，电极对32/34和36/38的长轴在垂直于铰链28的轴的Y方向上定向，平衡架24围绕铰链28的轴的旋转将被测量。
为测量电容，以及因此的平衡架24的旋转角(也称为倾角)，感测电路50被连接到触点焊盘48并且感测电极32和34之间以及电极36和38之间的可变阻抗。感测电路50可以感测阻抗，例如通过导电迹线40、44和46在电极之间施加调制电压，并且感测得到的电流(或相反)。感测电路50通常基于预先确定的校准函数将感测到的阻抗转换为对应的旋转角度值。为此目的，感测电路50可以包括例如具有频率合成器的数字逻辑电路和用于模拟地耦合到组件20的电极的适合的数/模和模/数转换器，以及输出旋转角的指示的数字输出。
在典型应用中，感测电路50将此旋转角的指示输出到系统控制器(未在图中示出)，其可在例如组件20旋转的闭环控制中使用此角度值。可选地或替代地，系统控制器可以将感测电路50提供的角度测量应用到基于扫描组件20来校准和控制系统操作的过程中，所述扫描组件20例如是扫描LIDAR或投影系统。此种系统的细节在图4中示出，而此系统的控制和校准方法则在图5中示出并且参考这些附图在以下被详细描述。
图2是根据本发明的替换实施例的扫描组件60的简要主视图。组件60在机械上大致与组件20一致(图1)，但是在本实施例中，作为电容式旋转传感器的电极62、64和66的金属焊盘位于平衡架24和框架22的不同区域中。组件60中的电极对62/66和64/66的长轴沿着平行于铰链28的轴的X方向定向。在其他方面，图2中电容式旋转传感器的操作类似于前述实施例中的操作。图1的电极配置对测量旋转角是尤其有效的，但图2的电极配置提供了平衡架的平面内、零转矩位置的精确感测。在实践中，该两个实施例可有利地组合，使得电极相对铰链28的轴垂直(如图1所示)和平行(如图2所示)部署，平衡架24围绕铰链28的轴旋转。
如以前指出的，组件60中反射镜26相对于平衡架24的旋转可以通过在反射镜上和平衡架的邻近区域上沉积电极来以类似方式被监测。因为不管怎样反射镜具有反射金属涂层，此金属涂层还可以可选地用作电容式传感器的电极。
图3是根据本发明的实施例示出计算得到的电容曲线80、82、84、86、88随平衡架24相对于框架22的旋转角变化的曲线的图。该计算基于针对侧电极(32/34和36/38)的不同长度L组合图1和图2的电极的配置。该长度在曲线80中最小并且到曲线88逐步增加，曲线88代表使用最长电极的电容。如图3中所示，尽管图1和图2示出特定电极形状和尺寸，但电极的这些特征可容易被修改以给出期望的电容范围和传感器特性。
如由图3中曲线所示，电容的变化在角度上不是线性的。因此，电容幅值和曲线的局部斜率这两者都被用在测量旋转角的过程中，并且可以因此增强测量的精确度。因为该两组电极-在平衡架24上的那些电极和在框架22上的那些电极-是在相同晶片上形成的，任何温度变化会对该两组电极有大致相同的影响，并且因此对测量精确度几乎没有影响。
而且，电容随着角度变化的非线性可以用于基于曲线的中心峰值位置(对应于平面内、零转矩角)和形状来绝对化位置测量。此测量模式因此在面对放大器的增益变化和可以以其他方式扭曲电容测量尺度的其他因素时具有灵活性。在线性感测配置中对此类因素的补偿可能需要困难的校准过程。
此外，虽然图1和2示出了框架22和平衡架24上的电容式感测电极的某些特定配置，但是一个或多个电极对的任何其他合适布置可用于此目的，只要电极之间的尺寸和空间得以给出随着平衡架或其他结构的旋转变化的大致电容响应。
图4是根据本发明的实施例简要说明扫描系统100的框图。如上所述，系统100包括光学头102，其结合了扫描组件200和感测电路50。光学发送器/接收器104将光脉冲向扫描组件20中的反射镜26发送并且接收从反射镜返回的光。替代地，光学头102可以仅包括发送器或仅包括接收器。驱动器电路106控制扫描组件20的扫描频率、相位和幅值，以及控制发送器/接收器104的操作，诸如发送的脉冲的幅值和重复率。
控制器108包括控制电路110，其接收来自感测电路50的信号并且相应地根据系统处理器112命令向驱动器106提供控制输出，系统处理器112包括一个或多个处理单元。控制输出可以例如使得驱动器106根据需要调整扫描组件20的频率、相位和/或幅值。处理器112还可以在由光学头102中的接收器处理信号输出的过程中使用由感测电路提供的扫描角度读数。控制器108通常包括辅助电路，诸如本领域已知的电源114和其他部件。为概念清晰起见，尽管图4中作为单独块示出了控制器108的功能元件，但这些元件中的一些或全部可以在单个集成电路中组合。
图5是根据本发明的实施例简要说明使用系统100用于扫描的方法的流程图。在感测输入步骤120，控制器108从感测电路50接收一系列输入信号或数据，指示扫描组件20随时间变化的旋转角。在角度计算步骤122，基于这些信号或数据，控制器计算随时间变化的实际旋转角。计算得到的角度可被用于(至少)两个目的：
●在频率计算步骤124，基于角度读数，控制器108计算扫描组件20的旋转频率、以及旋转的相位和幅值。在参数检查步骤126，控制器对着对应的基准，诸如预设频率和幅值目标，检查这些值。如果计算得到的值偏离这些基准，则控制器108将合适命令发送到驱动器电路106，以便使得驱动器调整扫描参数。控制循环(不管步骤126的结果如何)接着返回到步骤120用于下次迭代。
●在信号校准步骤130，控制器108还可在校准从光学头102中的发送器/接收器104接收到的信号的过程中使用角度读数。例如，可以使用角度读数以便精确确定来自接收器的每个信号在其处被接收的角度。
因此要意识到以上描述的实施例仅作为示例引用，并且本发明不限于上述在此已经被具体示出和描述的实施例。相反，本发明的范围包括上述描述的各种特征的组合和子组合两者，以及本领域技术人员在阅读上述描述以及未在现有技术中公开的描述时可能出现的它的变种和修改。

Claims (18)

1.一种机械装置，包括：
基座；
移动元件，所述移动元件被安装成围绕轴相对于基座旋转；以及
电容式旋转传感器，包括：
在邻近基座的位置在移动元件上布置的至少一个第一电极；
在所述至少一个第一电极的附近在基座上布置的至少一个第二电极；以及
感测电路，所述感测电路被耦接以感测第一电极和第二电极之间的可变电容。
2.根据权利要求1所述的机械装置，其中基座限定一平面，以及移动元件在所述平面中具有机械均衡位置，使得当移动元件处于机械均衡位置时，第一电极和第二电极共面。
3.根据权利要求1所述的机械装置，其中基座和移动元件由半导体衬底在微机电系统(MEMS)工艺中形成，并且其中电极和将电极连接到感测电路的导电迹线作为MEMS工艺的一部分被沉积在半导体衬底上。
4.根据权利要求1所述的机械装置，其中移动元件包括平衡架，并且基座包括在其上安装平衡架的框架。
5.根据权利要求1所述的机械装置，其中移动元件包括反射镜，并且基座包括在其上安装反射镜的平衡架。
6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的机械装置，其中第一电极和第二电极具有沿着与移动元件围绕其旋转的轴垂直的方向伸长的相应形状。
7.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的机械装置，其中第一电极和第二电极具有沿着与移动元件围绕其旋转的轴平行的方向伸长的相应形状。
8.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的机械装置，其中感测电路被配置为响应于感测到的电容输出移动元件相对于基座的旋转角的指示。
9.根据权利要求8所述的机械装置，其中由感测电路感测到的电容随着移动元件的旋转角非线性变化，并且其中感测电路被配置为在依据感测到的电容变化得出旋转角的过程中，随着移动元件的旋转应用电容幅值和电容变化斜率这两者。
10.一种用于感测的方法，包括：
安装移动元件以围绕轴相对于基座旋转；
在邻近基座的位置在移动元件上布置至少一个第一电极；
在所述至少一个第一电极的附近在基座上布置至少一个第二电极；以及
随着移动元件围绕轴旋转，感测第一电极和第二电极之间的可变电容。
11.根据权利要求10所述的方法，其中基座限定一平面，以及移动元件在所述平面中具有机械均衡位置，使得当移动元件处于机械均衡位置时，第一电极和第二电极共面。
12.根据权利要求10所述的方法，其中安装移动元件包括由半导体衬底在微机电系统(MEMS)工艺中形成基座和移动元件，并且其中布置第一电极和第二电极包括在半导体衬底上作为MEMS工艺的一部分沉积电极和连接到电极的导电迹线。
13.根据权利要求10所述的方法，其中移动元件包括平衡架，并且基座包括在其上安装平衡架的框架。
14.根据权利要求10所述的方法，其中移动元件包括反射镜，并且基座包括在其上安装反射镜的平衡架。
15.根据权利要求10-14中任意一项权利要求所述的方法，其中第一电极和第二电极具有沿着与移动元件围绕其旋转的轴垂直的方向伸长的相应形状。
16.根据权利要求10-14中任意一项权利要求所述的方法，其中第一电极和第二电极具有沿着与移动元件围绕其旋转的轴平行的方向伸长的相应形状。
17.根据权利要求10-14中任意一项权利要求所述的方法，其中感测可变电容包括响应于感测到的电容输出移动元件相对于基座的旋转角的指示。
18.根据权利要求17所述的方法，其中感测到的电容随着移动元件的旋转角非线性变化，并且其中输出指示包括在依据感测到的电容变化得出旋转角的过程中，随着移动元件的旋转应用电容幅值和电容变化斜率这两者。
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