CN107797269A - 谐振型mems反射镜控制系统 - Google Patents

谐振型mems反射镜控制系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于控制谐振型MEMS反射镜的操作的系统和方法。该系统和方法包括：经由施加到该MEMS反射镜的激活脉冲集合激活面内或者交错MEMS反射镜；检测该MEMS反射镜处的电流；生成用于检测该MEMS反射镜处的该电流方向的变化的窗口；以及如果在该窗口期间检测到该电流的变化则终止该窗口和该激活脉冲。在一些实施例中，两个激活脉冲集合被施加到该MEMS反射镜。

Description

谐振型MEMS反射镜控制系统
技术领域
本公开总体上涉及微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，“MEMS”)反射镜，并且更具体地涉及一种用于谐振型MEMS反射镜的控制系统。
背景技术
某些设备(诸如晶片缺陷扫描仪、激光打印机、文档扫描仪、投影仪等)利用经常沿着直线路径跨平坦表面进行扫描的窄准直激光束。用于此目的的典型光学扫描系统采用倾斜平面镜以使光束偏转。倾斜微反射镜在许多微机电系统(“MEMS”)设备和/或微光机电系统(Micro Opto Electro Mechanical Systems，“MOEMS”)设备中用作中心元件。为了方便起见，这些设备(即MEMS和/或MOEMS)将在此被称为“MEMS”设备。
这些MEMS设备中的许多MEMS设备包括两种类型的静电反射镜：面内反射镜和交错反射镜。面内反射镜通常以谐振频率被驱动。在单个层上制作面内反射镜的定子和转子，并且反射镜的驱动脉冲通常为矩形类型的信号。交错反射镜典型地包含两个不同的层：包括定子的一层以及包括转子的第二层。然而，在诸如定子和转子在制作之后永久倾斜的一些实施例中，单个层可以用于定子和转子两者。交错反射镜可以以其谐振频率或以降至(且包括)DC的更低频率进行操作。
用于MEMS反射镜设备的传统驱动控制电路需要复杂的处理以及使用用于监测反射镜的A/D转换器、放大器、和滤波器。而且，改变激光功率造成传统控制算法检测和适应起来缓慢的反射镜谐振频率的变化。因此，存在对解决传统MEMS反射镜驱动控制电路的缺陷的简化控制系统的需要。
发明内容
本公开提供了一种用于控制谐振型MEMS反射镜的操作的控制电路，该控制电路包括：定时电路，该定时电路被配置成用于控制对用于操作该MEMS反射镜的激活脉冲的定时；放大器电路，该放大器电路被配置成用于从该定时电路接收第一控制信号，并且用于响应于其而生成用于操作该MEMS反射镜的第一激活脉冲集合；以及检测电路，该检测电路被配置成用于检测该MEMS反射镜处的电流并且用于响应于检测到该MEMS反射镜处的该电流的方向变化而生成复位信号；其中，该定时电路进一步被配置成用于响应于从该检测电路接收该复位信号而终止激活脉冲。
在另一实施例中，本公开提供了一种用于控制谐振型MEMS反射镜的操作的方法，该方法包括：生成用于操作该MEMS反射镜的第一激活脉冲集合；生成用于电流检测的窗口，该窗口与激活脉冲的一端重叠；在该窗口期间检测该MEMS反射镜处的电流；以及响应于在该窗口期间检测到电流方向的变化而终止该激活脉冲。
当结合附图阅读时，本公开的前述和其他特征以及优点将从实施例的以下详细描述中变得进一步明显。详细描述和附图仅为说明本公开，而不是限制如由所附权利要求书及其等效内容限定的本发明的范围。
附图说明
通过示例的方式在未按比例绘制的附图中展示了实施例，在附图中，相同的数字指示类似的部件，并且在附图中：
图1展示了MEMS反射镜装置的实施例的示意性示例；
图2展示了面内MEMS反射镜实施例的电容对反射镜角度特性的简图；
图3展示了交错MEMS反射镜实施例的电容对反射镜角度特性的简图；
图4展示了时序图，示出了在其中MEMS反射镜被制作为面内谐振型反射镜的实施例的示例激活脉冲实例；
图5展示了在其中一个脉冲被施加到每个定子的交错MEMS反射镜实施例的激活脉冲实例的示例时序图；
图6展示了在其中两个脉冲被施加到每个定子的交错MEMS反射镜实施例的激活脉冲实例的示例时序图；
图7展示了针对具有在3°处达到的最大电容的6°开口角度而设计的交错MEMS反射镜实施例的时序图；
图8展示了示例激活脉冲以及在朝向脉冲的末端而打开的窗口周期期间发生的脉冲终止的潜在点的示例波形；
图9展示了图7的波形的时序图，其中，在T1接通和T1断开位置处提供计数器值；
图10展示了使两个脉冲施加到每个定子的交错MEMS反射镜实施例的时序图；
图11展示了图7的波形的时序图，示出了相对于波形的第二定子部分的第二脉冲以及与脉冲的开始和结束相对应的对应计数器值；
图12展示了时序图，示出了图4的波形以及与脉冲的开始(T接通)和结束(T断开)相对应的对应计数器值；
图13A和图13B展示了示例激活脉冲以及表示由脉冲造成的转子的对应时刻的波形的示意性时序图；
图14展示了相对于最大电容的角度与最大开口角度之比的归一化激活脉冲长度的简图；
图15展示了示例时序图，示出了放大的激活脉冲和对应的时刻；
图16展示了针对用于公开的交错MEMS反射镜结构的控制器的实施例的模拟；
图17展示了对用于所公开的具有每定子一个脉冲的交错MEMS反射镜结构的控制器的实施例的稳定状态操作的模拟；
图18展示了对用于所公开的具有每定子两个脉冲的交错MEMS反射镜结构的控制器的实施例的稳定状态操作的模拟；
图19展示了所公开的用于面内MEMS反射镜的控制系统的实施例的示例电路图；以及
图20展示了所公开的用于交错MEMS反射镜的控制系统的实施例的示例电路图。
具体实施方式
在以下详细描述和附图中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，本领域的技术人员将认识到，在一些实例中，本公开可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，已经以示意图或方框图的形式展示了公知单元，以便不以不必要的细节模糊本公开。另外，就大部分而言，已经省略了具体细节等，因为这些细节对于获得对本公开的彻底理解而言不被认为是必要的，并且它们被认为是在相关领域的普通技术人员的理解范围之内。
进一步注意的是，除非另有指示，否则，在此描述的全部功能可以在硬件中或者作为用于使得计算机或其他电子设备执行预定操作的软件指令被执行，其中，这些软件指令在计算机可读存储介质(诸如RAM、硬盘驱动器、闪存或本领域普通技术人员已知的其他类型的计算机可读存储介质)上被具体化。在某些实施例中，计算机、收音机、或其他设备的预定操作由根据代码(诸如计算机程序代码)的处理器(诸如计算机或电子数据处理器)、软件、固件、以及被编码成用于执行这种功能的集成电路(在一些实施例中)来执行。而且，应当理解的是，在此被描述为由用户执行的各种操作可以是由用户手动执行的操作，或者可以是利用或不利用用户提供的指令执行的自动化过程。
本公开提供了一种用于控制谐振型MEMS反射镜的系统和方法。当与常规的谐振型MEMS反射镜控制器进行比较时，所公开的控制系统提供了一种减少了所需的电路并增大了操作速度的更高效、简化的设计。
现在参考图1，示出了MEMS反射镜100的示意性示例。MEMS反射镜100包括具有与其连接的转子指状物110的倾斜反射镜(转子)115、具有与其连接的定子指状物120的MEMS结构(定子)125、以及使转子115移动的扭转弹簧130。MEMS反射镜100可以被制作为两种不同的变体：(i)转子115和定子125驻留在同一平面内的面内设计；以及(ii)转子115和定子125驻留在不同平面上的交错设计。
定子125包括位于定子125的第一部分125A上的第一组定子指状物120A、以及位于该定子125的第二部分125B上的第二组定子指状物120B，其中，该定子125的该第一部分125A与该定子125的该第二部分125B相反。应当理解的是，在此讨论的第一定子部分125A和第二定子部分125B可以包括单个定子结构或者可替代地可以包括两个单独的定子结构。多组定子指状物在被统一标记时由数字120来标记，并且在被单独标记时由对应的数字120A或120B来标记。
类似地，转子115包括位于转子115的第一侧上的第一组转子指状物110A以及位于转子115的与该第一侧相反的第二侧上的第二组转子指状物110B。这些组转子指状物在被统一标记时由数字110来标记并且在被单独标记时由对应的数字110A或110B来标记。
在图1提供的视图中，转子115被定位为使得第一组转子指状物110A与第一组定子指状物120A交叉，从而使得在第一组转子指状物110A与第一组定子指状物120A之间存在电容。类似地，第二组转子指状物110B与第二组定子指状物120B交叉，从而使得在第二组转子指状物110B与第二组定子指状物120B之间存在电容。应当理解的是，在此提供的实施例中，转子指状物110和定子指状物120被认为是交叉的，不管转子115的角度如何。
在一些实施例中，取决于转子115的取向，第一集合的转子指状物110A可以与第一或第二集合的定子指状物120A/120B交叉。类似地，取决于转子115的取向，第二集合的转子指状物110B可以与第一或第二集合的定子指状物120A/120B交叉。在这种实施例中，可以在对应交叉集合的转子指状物110与定子指状物120之间实现电容。
MEMS结构(诸如图1中示出的结构)可以以其自然频率谐振，其可根据以下等式来表示：
其中，fr是以Hz为单位的谐振频率，k是以N x m为单位的总扭转弹簧常数，并且j是以kg x m2为单位的转子转动惯量。
MEMS反射镜100表示由静电力激活的实施例。因此，反射镜100实现了一种设计，其中，第一组定子指状物120A与第一组转子指状物110A交叉，并且第二组定子指状物120B与第二组转子指状物110B交叉。此设计增加了转子115与定子125之间的电容，这增大了在转子115与定子125之间施加电压时生成的静电力。
如以上提及的，MEMS反射镜100可以以两种不同的变体被制作：(i)转子115和定子125驻留在同一面内的面内设计；以及(ii)转子115和定子125驻留在不同平面上的交错设计。图2展示了反射镜100当被制作为面内MEMS反射镜时的电容对反射镜角度特性的简图200。在此实施例中，线202表示定子125的电容对反射镜角度特性。如图2所示，当转子115在角度零处时实现最大电容读取，这将转子指状物110与定子指状物120放置在面内。
图3展示了MEMS反射镜100当被制作为交错MEMS反射镜时的电容对反射镜角度特性的简图300。也就是说，其中，定子125和转子115被制作在不同的平面上。在此实施例中，线302表示定子(例如，定子指状物120A和第一部分125A)的一个部分的电容对反射镜角度特性，并且线304表示定子(例如，定子指状物120B和第二部分125B)的另一部分的电容对反射镜角度特性。如图3所示，最大电容读取不是在转子115在角度零处时，而相反是在两个不同的角度处：针对第一集合的定子指状物120A和第一部分125A实现最大电容读取的负角度、以及针对第二集合的定子指状物120B和第二部分125B实现最大电容读取的正角度(或者反之亦然)。
再次参考图1，施加在定子125与转子115之间的电压产生静电力——更确切地，力矩——该力矩操作用于以增大定子125与转子115之间的电容的方向旋转转子115。在一些实施例中，当转子115和定子125导通电流时产生引力。由于生成了引力，因此在转子115以朝向更大电容的方向移动时可以对在定子125与转子115之间施加的电压进行脉冲。否则，如果在其他实例处对电压进行脉冲，则该引力将抵消转子115的旋转。
图4提供了时序图400，展示了在其中MEMS反射镜100被制作为面内谐振型反射镜的实施例的示例激活脉冲实例。图5和图6提供了时序图，展示了在其中MEMS反射镜100被制作为交错反射镜的实施例的示例激活脉冲实例。
在图4中，相对于表示反射镜角度的波形402示出了脉冲的定时。在图4展示的实施例中，定子部分125A和125B两者均由相同的脉冲404激活。当反射镜角度在其最大正值处时，在波形402的峰值处发起第一脉冲404A。第一脉冲404A在反射镜角度处于0°时终止。当反射镜角度在其最大负值处时，在波形402的谷值处发起第二脉冲404B。第二脉冲404B在反射镜角度处于0°时终止。最后，第三脉冲404C被示出为类似于第一脉冲404A。当反射镜角度在其最大正值处时，第三脉冲404C在波形402的峰值处发起并且在反射镜角度处于0°时终止。
在图5中，时序图500展示了相对于表示反射镜角度的波形502、第一定子部分125A(由线504表示)的最大电容的角度、以及第二定子部分125B(由线506表示)的最大电容的角度而示出的脉冲。在此实施例中，脉冲508被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度在其最大正值处时开始并且在反射镜角度达到线504时终止，这表示第一定子部分125A的最大电容的角度。类似地，脉冲510被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度在其最大负值处时开始并且在反射镜角度达到线506时终止，这表示第二定子部分125B的最大电容的角度。
图6展示了用于脉冲MEMS反射镜100的交错反射镜实施例的另一示例实施例的时序图600，其中，图5中提供的脉冲方案被修改为包括定子部分125A/125B中的每个定子部分的第二脉冲。相对于表示反射镜角度的波形502、第一定子部分125A(由线504表示)的最大电容的角度、以及第二定子部分125B(由线506表示)的最大电容的角度，示出了脉冲的定时。在此实施例中，针对定子的每个部分，每周期发起两个脉冲(初级脉冲和次级脉冲)。与图5的时序图500相一致，第一脉冲508(第一初级脉冲)被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度在其最大正值处时开始并且在反射镜角度达到线504时终止，这表示第一定子部分125A的最大电容的角度。然而，如图6的时序图600所示，第二脉冲602(第一次级脉冲)被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度在其最大负值处时开始并且在反射镜角度达到线504时终止。如图6所示，施加到第一定子部分125A的第二脉冲602(次级脉冲)具有比施加到第一定子部分125A的第一脉冲508(初级脉冲)更短的占空比。
类似地，并且与图5的时序图500相一致，第一脉冲510(第二初级脉冲)被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度在其最大负值处时开始并且在反射镜角度达到线506时终止，这表示第二定子部分125B的最大电容的角度。然而，如图6的时序图600所示，第二脉冲604(第二次级脉冲)被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度在其最大正值处时开始并且在反射镜角度达到线506时终止。如图6所示，施加到第二定子部分125B的第二脉冲604(次级脉冲)具有比施加到第二定子部分125B的第一脉冲510(初级脉冲)更短的占空比。
如图6所示，当反射镜开口角度的绝对值大于对应定子部分125A/125B的最大电容的角度时，第二脉冲602和604被施加到对应第一和第二定子部分125A和125B。
在此讨论的实施例中，MEMS反射镜具有相对高的且主要受空气摩擦控制的质量因数(Q)。在大气压下，通常的质量因数可以在几百到一千的范围内，而在低压环境下封装反射镜可能将质量因数增加至数万或者甚至超过几十万。虽然在质量因数下(例如，在大气压下)，但是控制系统可以相对的简单，因为反射镜可以具有仅赫兹几的带宽。相反，在高质量因数下，控制系统变得更加复杂，带宽是需要跟踪温度变化的赫兹的一小部分，该温度变化可以导致几十赫兹的变化。
在美国专利号8,553,308中描述了一种用于监测面内反射镜的交叉点(即反射镜与平面平行的时间点，也就是说，具有0°反射镜角度)的方法，该专利通过引用结合在此。在美国专利号8,553,308中，通过监测通过定子的电流来检测交叉点。通过定子的电流i由以下等式表示：
其中，cp是配线的寄生电容，其是恒定的，v表示电压，并且c是电容。因此，等式(1)可被简化为以下：
为了消除v的切换效应，美国专利号8,553,308提出了仅使用一个脉冲每反射镜周期并且在剩余监测时间期间添加小DC电压然而，所提出的这种监测交叉点的方法不适合用于面内和交错MEMS反射镜实施例两者。
在此提出的用于MEMS反射镜控制系统的系统和方法适合用于面内反射镜实施例以及交错反射镜实施例两者。其还适合用于高质量因数反射镜，该高质量因数反射镜通常涉及复杂的用于跟踪反射镜操作频率的电子装置。
根据本公开，对通过相关定子部分的电流进行监测以便确定何时终止被施加到对应定子部分的脉冲。再次参考等式(1)，并且假设具有驱动脉冲v的稳定状态(v为该时刻的常数)，通过定子的电流i为：当接近最大电容时，为正并且i为正。在达到最大电容之后的时刻，i变为负。换言之，从电源的角度考虑，只要电源电流为正(来自正极端子的源电流)，则电源将能量转移至负载。在电流朝向正极端子移动的时刻，电源接收能量。在电流变为负的时刻应当切断脉冲。
如以下讨论的，所公开的控制系统创建定位在每个脉冲末端附近的窗口以用于监测并检测电流i的方向变化。一旦观察到此方向变化，则在那个时间终止脉冲。如果未检测到方向变化，则脉冲在其标准脉冲周期结束时终止，如以上关于图4至图6讨论的。换言之，如果在窗口期间发生方向变化，则脉冲提前终止-在方向变化时-否则脉冲终止，如以上指示的。
在一些实施例中，所公开的反射镜控制系统基于为反射镜100提供定时脉冲的自由运行时钟。在一些实施例中，可以实现十级计数器(从0计数到1023的1024个时钟周期)以便提供足够的分辨率以用于定时操纵。例如，图7提供了针对具有在+/-3°处达到的最大电容的+/-6°开口而设计的MEMS反射镜100的交错反射镜实施例的时序图700。时序图700类似于图5中示出的时序图，并且展示了针对角度值+/-3°和+/-6°的被施加到定子部分125A/125B的脉冲。
如图7所示，相对于表示反射镜角度的波形702、第一定子部分125A(由线704表示)的最大电容的角度-3°、以及第二定子部分125B(由线706表示)的最大电容的角度3°，示出了脉冲的定时。在此实施例中，MEMS反射镜100被设计成针对+/-6°开口。因此，波形702具有峰值6°和谷值-6°。脉冲708被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度为6°时的T1接通处开始并且在反射镜角度在线704处达到-3°时的T1断开处终止，这表示第一定子部分125A的最大电容的角度。类似地，脉冲710被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度为-6°时的T2接通处开始并且在反射镜角度在线706处达到3°时的T2断开处终止，这表示第二定子部分125B的最大电容的角度。
根据计数器来控制每个脉冲的占空比。当考虑到反射镜的设计以及任何可接受的变化时，计数器被设计成用于以比针对反射镜100可接受的最低谐振频率更慢的频率完成计数。例如，如果反射镜100被设计成用于方差为+/-700Hz的20KHz操作，则计数器应当被设计成稍微慢于19.3KHz以便解释温度和其他环境变化。例如，将频率设定为19.2KHz应当足以解释由于各种因素(诸如温度变化和空气粘度)造成的小频率变化。
根据本公开，在接近每个脉冲的末端时打开窗口以便监测通过相关定子部分125A/125B的电流。在电流变为负的时刻，计数器被设定为用于指示终止脉冲的特定值，如以下更详细讨论的。
在一些实施例中，从0到1023的计数提供一个反射镜周期，从而解释了脉冲708和脉冲710两者，其中，每个脉冲是512个时钟周期。然而，应当认识到的是，准确的设计可以针对不同的实现方式而改变。在图7中展示的示例中，时钟在T1接通处以计数0开始并且在T2断开处以计数1023结束。计数器之后立即重设为零。由于计数器慢于实际的反射镜谐振速率，因此在时间值511或更早时发生“T1断开”并且在时间值1023或更早时发生“T2断开”。
朝向每个脉冲(即脉冲708和脉冲710)的末端，打开窗口以便监测跨相关定子部分125A/125B的电流。当电流改变方向时(变为负)，计数器被设定为用于指示对应脉冲708/710的末端的相关限定值。例如，如果朝向脉冲708的末端(即在T1断开处)打开窗口，则监测第一定子部分125A的电流(i1)。当电流i1变为负时，计数器被设定为值512。类似地，如果在脉冲710的末端(即在T2断开处)打开窗口，则监测第二定子部分125B的电流(i2)。当电流i2变为负时，计数器被设定为值0。
图8展示了示例激活脉冲802以及在朝向脉冲802的末端而打开的窗口周期806期间发生的脉冲终止的潜在点804的示例波形800。终止的点804表示电流变化可发生并且脉冲802然后将终止的计数器的潜在实例。如果未检测到电流变化，则脉冲802在窗口806的末端808处终止。还应当认识到的是，有限的窗口降低了对嘈杂环境中的错误检测的易感性。
在一些实施例中，可以根据以下等式计算T1接通和T1断开时间的计数器值。脉冲长度等于从图7中的正峰值到负的最大电容点的时间。根据图7中展示的实施例，最大开口角度为+/-6°，并且最大电容的位置是+/-3°。反射镜函数由以下等式表示：
θ(t)＝θmaxsin(2πft)
其中，θmax＝6°，并且f＝20KHz。此公式可以用于确定从θ(t)＝6°到θ(t)＝-3°逝去的时间。因此，
其中，T是反射镜的周期时间。代替对应角度产生以下等式：
其可以被简化为：
在等式(2)中，表示最大开口角度处的T1接通，并且表示最大电容的位置处的T1断开，如图9所示。图9展示了图7的波形702的时序图900，其中，在T1接通和T1断开位置处提供计数器值。
最后，此等式可进一步被简化为如下：
针对1024个周期的计数器，在T1接通处开始且在T1断开处终止的脉冲的计数为：
其中，ΔN表示以比特为单位的计数器的逻辑值，其表示以秒为单位的对应时间。
分别参考图7和图9的时序图700和900，计数器被设定为用于指示脉冲708的正常终止点的512(计数器的最大计数的一半)。因此，和T1接通＝512–341＝171。脉冲708在时钟周期171处开始，并且在大约512处终止，从而具有341个时钟周期的长度。可以以类似的方式计算T2接通和T2断开。假设T2断开计数器值是1024＝0，并且T2接通正好在比T1断开的反射镜周期晚一半时发生，则T2接通如下：T2接通＝1024-341＝683。
如先前提及的，自由运行时钟应当覆盖反射镜100适应的最低谐振频率。再次，假设设计的谐振值20KHz具有+/-500Hz的制造公差，并且假设温度和其他环境条件可以有+/-50Hz公差的变化，谐振频率可以是19450Hz与20550Hz之间的值。因此，用于计数器的时钟应当具有19450x1024≈19.916MHz的操作频率。
简要参考图7和图8，窗口806的长度应当为使得其适应反射镜100的最快谐振频率。在以上示例中，这是20550Hz。因此，最快谐振的脉冲长度是341×(19450/20550)≈322个时钟周期。因此，针对341个时钟周期的脉冲长度，窗口应当在脉冲的时钟周期322(即自脉冲开始的第322个时钟周期)处开始并且在(i)检测对应定子上负电流、或(ii)脉冲的时钟周期431(即自脉冲开始的第431个时钟周期)的更早期时关闭。将此范围施加到图7的脉冲708，窗口在时钟周期493处打开并且在时钟周期512处关闭，这是脉冲708的末端(假设电流i1在窗口期间(即时钟周期493-512)不会变为负)。从上述应当理解的是，可以执行相似的计算以便计算施加到第二定子部分125B的脉冲710的窗口。
正如图5的时序图500在图6中被修改以便适应每个定子部分的第二脉冲，因此也可以是图7的时序图700。通过在图10中示出的时序图1000展示了此修改。
图10展示了与图6中提供的用于脉冲MEMS反射镜100的交错反射镜实施例的时序图相似的时序图1000，其中，图7中提供的脉冲方案被修改为包括定子部分125A/125B中的每个定子部分的第二脉冲(次级脉冲)。相对于表示反射镜角度的波形702、第一定子部分125A(由线704表示)的最大电容的角度、以及第二定子部分125B(由线706表示)的最大电容的角度，示出了初级和次级脉冲的定时。在此实施例中，针对定子的每个部分，每周期发起两个脉冲。与图7的时序图700相一致，第一脉冲708(第一初级脉冲)被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度为6°时开始并且在反射镜角度在线504处达到-3°时终止，这表示第一定子部分125A的最大电容的角度。然而，如图10的时序图1000所示，第二脉冲1002(第一次级脉冲)被施加到第一定子部分125A，从而在反射镜角度在其最低值(-6°)处时开始并且在反射镜角度在线504处达到-3°时终止。如图10所示，施加到第一定子部分125A的第二脉冲1002(次级脉冲)具有比施加到第一定子部分125A的第一脉冲708(初级脉冲)更短的占空比。
类似地，并且与图7的时序图700相一致，第一脉冲710(第二初级脉冲)被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度在其最低值(-6°)处时开始并且在反射镜角度在线706处达到3°时终止，这表示第二定子部分125B的最大电容的角度。然而，如图10的时序图1000所示，第二脉冲1004(第二次级脉冲)被施加到第二定子部分125B，从而在反射镜角度在其最大值(6°)处时开始并且在反射镜角度在线706处达到3°时终止。如图10所示，施加到第二定子部分125B的第二脉冲1004(次级脉冲)具有比施加到第二定子部分125B的第一脉冲710(初级脉冲)更短的占空比。
还可实现前述公开以便产生在以上所描述的且在图10中展示的实施例中提供的第二脉冲的窗口。例如，图11展示了与图9中示出的相类似的波形702的时序图1100。除了在图9中提供的之外，时序图1100示出了相对于波形702的第二定子部分125B的第二脉冲1004以及与脉冲1004的开始和结束相对应的对应计数器值。
如图11所示，脉冲1004的打开时间与T1接通相同，其是计数器值171。脉冲1004在反射镜角度为3°时终止。因此，脉冲1004的长度是将反射镜的角度从6°改变到3°所花费的时间。反射镜等式是θ(t)＝θmaxsin(2πft)。因此，利用θmax＝6°，将正弦波从值1改变到值0.5所花费的时间为因此，脉冲1004的长度为其等于近似170个时钟周期的计数。因此，针对脉冲1004，计数将在计数器值171处开始并且将在值341处终止。
虽然未在图11中示出，但是应当认识到的是，第一定子部分125A的第二脉冲(参见图10中的脉冲1002)相对于图10中的脉冲1004被延迟了反射镜周期的一半、或512个时钟周期。因此，第一定子部分125A的第二脉冲(脉冲1002)将在计数器值683(171+512＝683)处开始并且将在计数器值853(683+170＝853)处终止。
再次假设时钟以19.916MHz进行操作，第二脉冲(即脉冲1002和1004)的窗口长度应当为使得其适应反射镜100的最快谐振频率。在以上示例中，这是20550Hz。因此，针对第二脉冲的长度(每个脉冲170个时钟周期)，最快谐振为170×(19450/20550)≈161个时钟周期。因此，针对170个时钟周期的脉冲长度，窗口应当在脉冲的时钟周期161(即自脉冲开始的第161个时钟周期)处开始并且在(i)检测对应定子上的负电流、或(ii)脉冲的时钟周期170(即自脉冲开始的第170个时钟周期)的更早期时关闭。将此范围施加到图10和图11的脉冲1004，窗口在时钟周期332处打开并且在时钟周期341处关闭，这是脉冲1004的末端(假设电流i2在窗口期间(即时钟周期332-341)不会变为负)。从上述应当理解的是，可以执行相似的计算以便计算施加到第一定子部分125A的第二脉冲1002的窗口。
由于从开始激活第二脉冲1002/1004可能产生模糊性(定子部分两者均正在操作)，因此，可以期望的是，在一些实施例中，在反射镜几乎达到其工作开口角度之后(例如，当反射镜在所需的开口角度的80％-90％处时)使能第二脉冲1002/1004。然后，当利用一个脉冲达到稳定状态时，可激活第二脉冲以便解释开口角度的剩余10％-20％。
应当认识到的是，以上公开还可以应用于MEMS反射镜100的面内实施例。因此，除了脉冲404在过零点处终止之外，可以计算类似于脉冲708和710的、在图4中提供的脉冲404的定时。图12提供了示例时序图1200，示出了图4的波形402以及与脉冲404的开始(T接通)和结束(T断开)相对应的对应计数器值。
现在参考图4和图12，脉冲404在T接通处开始，其在波形402的最大开口角度处。根据以上此角度为6°的示例中，计数器值在T接通处为171。脉冲404在反射镜角度为0°时在T断开处终止。脉冲长度为其等于近似255个时钟周期的计数。因此，脉冲404具有近似255个时钟周期的长度。因此，针对脉冲404，计数将在计数器值171处开始并且将在约426的值处终止。
再次假设时钟以19.916MHz进行操作，脉冲404中的每个脉冲的窗口长度应当为使得其适应反射镜100的最快谐振频率。在以上示例中，这是20550Hz。因此，针对脉冲404的长度(255个时钟周期)，最快谐振为255×(19450/20550)≈241个时钟周期。因此，针对255个时钟周期的脉冲长度，窗口应当在脉冲的时钟周期241(即自脉冲开始的第241个时钟周期)处开始并且在(i)对定子的负电流进行检测、或(ii)脉冲的时钟周期255(即自脉冲开始的第255个时钟周期)的更早期时关闭。将此范围施加到图4和图12的脉冲404，窗口在时钟周期412处打开并且在时钟周期426处关闭，这是脉冲404的末端(假设电流i在窗口期间(即时钟周期412-426)不会变为负)。
在一些实施例中，所公开的控制系统能够控制MEMS反射镜100的交错实施例的开口角度。
现在参考图13A，示出了例如示例激活脉冲1302以及表示由脉冲1302造成的转子115的对应时刻的波形1304的示意性时序图1300。在脉冲1302开始时，时刻1304为低(由于定子部分125A/125B与转子指状物110之间的距离)，该定子部分与转子指状物彼此间隔开。随着转子指状物110接近对应定子部分125A/125B，时刻1304增加，并且在最大电容的点处，其从正向电流1304A快速切换至负向电流1304B。
如在此讨论的，只要感测到负向电流1304B就切换脉冲1302。由于此电流检测以及后续的切换不能在零时进行，因此在切换脉冲1302之前存在固有延迟。此延迟1305(图13B中示出的)导致与图13A中示出的最佳情况的小偏差。这种小延迟通常是可忽略的。
根据等式(1)，测量的电流具有两个分量：一个与电压变化有关，并且另一个与电容变化有关。当生成窗口时，电压变化是可忽略的并且所有瞬变减弱，因此电流测量主要依赖于电容变化。
如等式(2)中演示的，脉冲的最佳长度可以根据反射镜的开口角度发生改变。针对6°的开口角度，等式(2)提供了以下计算：
一般地，Δt是开口角度的函数θmax。因此：
从而，开口角度θmax越大，Δt越短。图14中展示了此关系，其示出了相对于最大电容的角度与最大开口角度之比的归一化激活脉冲长度的简图1400。
在以上示例中，比值为3/6＝0.5，并且结果是0.3333N＝0.3333x 1024≈341。
在图13B中示出的激活脉冲1302开始时，测量等式(1)的电流分量是困难的，因为在那个点处的时刻1304非常低并且与该时刻成比例的电流也非常低。另外，激活脉冲导致了由于需要为所有杂散电容器充电而引起的瞬变。此瞬变为1μs的量级，因为相关的电压分量将掩盖由于电压阶跃函数引起的信号。假设在脉冲1302的上升时间期间发生的瞬变花费T瞬变的时间，可能的是将激活脉冲1302增大至比T瞬变稍长的值并且然后在脉冲1302的前端且再次在脉冲1302的末端测量电流。由于时刻1304在脉冲1302开始时是低的，因此效率降低将是低的。图15提供了示例时序图1500，示出了与图13B提供的那些相类似的激活脉冲1502和时刻1504。然而，在图15中，与图13B中提供的激活脉冲相比，激活脉冲1502被放大。
在图15中的示例时序图1500中，瞬变时间花费21个时钟周期。另外，由于在接近脉冲1502的末端时打开的窗口，因此具有不确定的时间量，因为脉冲1502可提前终止。根据在此提供的示例，此窗口从时钟周期493贯穿512(19个时钟周期)发生。将窗口的19个时钟周期添加至位于脉冲1502前端的21个时钟周期以便产生40个时钟周期。将该40个时钟周期添加至原始脉冲长度的341个时钟周期。因此，脉冲1502被放大至如图15中示出的总长度为381的时钟周期。
可以实现开口角度控制以确保反射镜开口角度在环境变化(诸如气压变化)期间正确且稳定。如在此解释的，开口角度控制与电流(具体地，正向电流检测的定时)相协调。可以测量定子处的正向电流的持续时间，以便判定是增大还是减小激活脉冲1502。位于脉冲1502前端的40个时钟周期提供到位于1506处的开口角度控制点的过渡。
根据在此提供的示例，正向电流应当正好是341个时钟周期以确保所需的开口角度正确。在致力于实现此定时时，在脉冲1502终止时测量计数器时间以便判定脉冲是否是341个时钟周期。如果在关闭时间处的计数器的值指示脉冲超过341个时钟周期，则开口角度低于所需的开口角度。相反，如果该值指示脉冲短于341个时钟周期，则所打开的角度大于所需的角度。根据脉冲的定时大于341个时钟周期还是小于341个时钟周期，可通过改变激活电压的值来实现所期望的开口角度。如果脉冲的定时小于所期望的长度341个时钟周期，则后续脉冲的激活电压减小。如果脉冲的定时大于所期望的长度341个时钟周期，则后续脉冲的激活电压增大。
由于在脉冲开始之前不能预测计数器的关闭时间，因此针对下一周期注册与先前的脉冲的关闭时间相关联的计数器值。换言之，先前的脉冲的定时用于确定下一脉冲的电压振幅。例如，假设先前的脉冲周期实际复位时间正好发生在计数器值500处(即电流在计数器值500处被检测为负)。下一脉冲周期将在下一激活脉冲开始时产生窗口以便监测在计数器值为500-341＝159处(即下一激活脉冲的第159个计数器值)的电流。如果电流在计数器值159处为负，则开口角度太高，并且后续激活脉冲的激活电压应当降低。如果值为正，则开口角度太低，并且后续激活脉冲的激活电压应当增大。
图16提供了与根据在此描述的实施例执行的模拟相对应的各种波形的简图1600。具体地，谐振频率被设定为20KHz，最大电容的角度被设定为3°，并且开口角度控制系统被设定为6V，Q为大约8150。图16展示了开口角度控制器的操作。值1602和线1603表示以度为单位的开口角度，并且值1604和线1605表示施加的激活电压。该激活电压被设定为在80V与120V之间交替。在上升的前76ms中，激活电压始终在120V处。当反射镜实现其设计的开口值时，控制系统通过在两个激活电压之间交替来维持开口值恒定。
图17提供了与根据在此描述的实施例执行的模拟相对应的各种波形的简图1700。简图1700展示了稳定状态期间的三个周期。值1702和线1703表示反射镜角度，值1704和线1705表示定子1激活脉冲，并且值1706和线1707表示计数器值。如图17所示，脉冲值在80V与120V之间交替。计数器将点1710处设定为512，并且在点1715处设定为值0。
图18提供了与根据在此描述的实施例执行的模拟相对应的各种波形的简图1800。简图1800类似于图17中示出的简图，但是提供了具有每定子两个脉冲的稳定状态。第二脉冲1802短于第一脉冲1804。另外，交替激活电压被设定为60V和100V便提供经提升的效率。
图19展示了用于控制根据本公开的面内MEMS反射镜的操作的示例控制器电路1900。控制器1900被示出为连接至与图1中示出的MEMS反射镜100相似的面内MEMS反射镜1901。具体地，高压放大器1902耦合至面内反射镜1901的定子以用于提供根据本公开的激活脉冲。如在此讨论的，比较器1903耦合至面内反射镜1901的转子并且用于检测电流方向。可替代地，高压放大器1902可连接至转子，并且比较器1903可连接至MEMS反射镜1901的定子部分。电路1900还包括连接至比较器1903的输出端的逻辑电路1904(例如，AND门)、以及用于控制激活脉冲和窗口的定时的定时电路1905，如在此讨论的。比较器1903和逻辑电路1904包括检测电路1915，该检测电路用于在反射镜1901处监测电流、检测电流方向的变化并且生成针对定时电路1905的复位信号1908。
在一些实施例中，定时电路1905是自由运行的可重设的多谐振荡器或计数器。定时电路1905产生激活脉冲控制信号1906和窗口激活信号1907，并且从逻辑电路1904接收复位信号1908。当复位信号1908为低时，意味着不具有“定时器复位”，定时电路1905根据制造公差提供面内反射镜1901的最低的可能谐振频率的50％的稳定占空比激活信号脉冲1906。当复位信号1908为高时(这发生在脉冲激活期间，如在此解释的)，定时电路1905禁用激活脉冲1906并且重启新的周期，以无激活信号开始。
定时电路生成用于在可能出现负向电流期间激活逻辑电路1904的窗口激活信号1907。该窗口激活信号1907根据制造公差以面内反射镜1901的最快的可能谐振频率相对应的频率被生成。逻辑电路1904将与脉冲激活信号1906的结束(这可能由于定时电路1905的定时器复位或自动运行操作而发生)同时被去激活(即窗口信号1907将终止)。因此，窗口信号1907仅在激活信号1906被激活时才被激活。窗口信号1907的操作旨在减少错误的负向电流检测信号。这类错误的信号在电流小且嘈杂时尤其可能在操作开始期间出现。
高压放大器1902将激活信号1906转换成MEMS反射镜1901所需的高压电平以便将激活脉冲施加到反射镜1901的定子。
在一些实施例中，比较器1903是具有到地的低阻抗的跨阻放大器(TIA)。比较器1903检测流向地的电流1909的方向。当电流方向朝向比较器1903时，输出1910将是低的。当电流1909反转并从比较器1903流向到面内MEMS反射镜1901时，比较器1903的输出1910对于负向电流的信号检测变高。输出1910进一步由逻辑电路1904(例如，AND门)来选通以确保在适当的定时期间(即在窗口期间)生成复位信号1908。逻辑电路1904然后产生对定时器1905进行复位的复位信号1908。
图20展示了用于控制根据本公开的交错MEMS反射镜2001的操作的示例控制器电路2000。交错MEMS反射镜2001需要两个不用的激活脉冲-一个用于每个定子部分。在图20中提供的控制器与图19中的控制器1900相类似(除了控制器2000连接至交错MEMS反射镜2001之外)，并且包括第二高压放大器2002。第一高压放大器1902连接至反射镜2001的第一定子部分，并且第二高压放大器2002连接至反射镜2001的第二定子部分。第一高压放大器1902接收激活信号1906以便生成针对反射镜2001的第一激活脉冲。具体地，第一放大器1902将第一激活信号1906转换成MEMS反射镜2001所需的高压电平以便将激活脉冲施加到反射镜2001的第一定子部分。第二高压放大器2002从定时电路1905接收第二激活信号2003并且生成针对反射镜2001的第二激活脉冲。具体地，第二放大器2002将第二激活信号2003转换成MEMS反射镜2001所需的高压电平以便将第二激活脉冲施加到反射镜2001的第二定子部分。通常，由于制造工艺的限制，两个定子具有一个共同转子。因此，转子可连接至用于控制两个定子的单个比较器1903。比较器1903检测在检测时间处的一个被激活定子的电流。
如在此公开的，控制器电路2000可以用于每定子部分每周期仅提供一个脉冲，如参考图5和图7讨论的。在其他实施例中，控制器电路2000可以用于每定子部分每周期提供两个脉冲，如参考图6和图10讨论的。在此实施例中，第一脉冲由第一激活信号1906和第一高压放大器1902提供，并且第二脉冲由第二激活信号2003和第二高压放大器2002提供。因此，窗口信号1907仅在第一或第二激活信号1906和2003活跃时才活跃。
在图19和图20中展示的实施例中，应当认识到的是，到定子和转子的连接可以调换，从而使得放大器电路1902和2002耦合至转子并且比较器1903连接至定子部分。这是因为定子与转子之间的电路在本质上是可的电容器。
前述描述已经通过示例性和非限制性的示例提供了对本发明的一个或多个示例性实施例的完整且详实的描述。然而，当结合附图和所附权利要求书进行阅读时，鉴于前面的描述，各种修改和适配对于相关领域技术人员可以变得明显。然而，对本发明教导的所有此类和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (29)

1.一种用于控制谐振型MEMS反射镜的操作的控制电路，所述控制电路包括：
定时电路，所述定时电路被配置成用于控制对用于操作所述MEMS反射镜的激活脉冲的定时；
放大器电路，所述放大器电路被配置成用于从所述定时电路接收第一控制信号，并且用于响应于其而生成用于操作所述MEMS反射镜的第一激活脉冲集合；以及
检测电路，所述检测电路被配置成用于检测所述MEMS反射镜处的电流并且用于响应于检测到所述MEMS反射镜处的所述电流的方向变化而生成复位信号；
其中，所述定时电路进一步被配置成用于响应于从所述检测电路接收所述复位信号而终止激活脉冲。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述MEMS反射镜是面内MEMS反射镜。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述MEMS反射镜是交错MEMS反射镜。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述检测电路包括：
比较器电路，所述比较器电路被配置成用于检测所述MEMS反射镜处的所述电流的方向并且用于生成指示所述MEMS反射镜处的所述电流的所述方向变化的信号；以及
逻辑电路，所述逻辑电路被配置成用于从所述比较器电路接收所述信号并且用于响应于其而生成所述复位信号。
5.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述第一激活脉冲集合包括被施加到所述MEMS反射镜的第一部分的第一初级脉冲以及被施加到所述MEMS反射镜的第二部分的第二初级脉冲。
6.如权利要求5所述的控制电路，其中，所述第一初级脉冲在所述MEMS反射镜的角度处于其最大正值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第一部分的最大电容的角度处终止，并且其中，所述第二初级脉冲在所述MEMS反射镜的所述角度处于其最大负值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第二部分的最大电容的角度处终止。
7.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述放大器电路进一步被配置成用于从所述定时电路接收第二控制信号，并且用于响应于其而生成用于操作所述MEMS反射镜的第二激活脉冲集合。
8.如权利要求7所述的控制电路，其中，所述第二激活脉冲集合包括被施加到所述MEMS反射镜的第一部分的第一次级脉冲以及被施加到所述MEMS反射镜的第二部分的第二次级脉冲。
9.如权利要求8所述的控制电路，其中，所述第一次级脉冲在所述MEMS反射镜的角度处于其最大负值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第一部分的最大电容的角度处终止，并且其中，所述第二次级脉冲在所述MEMS反射镜的所述角度处于其最大正值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第二部分的最大电容的角度处终止。
10.如权利要求7所述的控制电路，其中，所述第二集合中的所述激活脉冲中的每个激活脉冲具有比所述第一集合中的所述激活脉冲中的每个激活脉冲更短的占空比。
11.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述定时电路进一步被配置成用于控制对用于激活所述检测电路来监测所述MEMS反射镜处的所述电流的窗口信号的定时。
12.如权利要求11所述的控制电路，其中，所述定时电路被配置成用于在激活脉冲的末端附近激活所述检测电路以便监测所述MEMS反射镜处的所述电流。
13.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述定时电路被配置成用于测量第一激活脉冲的长度，并且用于基于所述测量调整后续激活脉冲的电压。
14.如权利要求13所述的控制电路，其中，如果所述第一激活脉冲的所述长度小于期望长度，则所述后续激活脉冲的所述电压减小，并且其中，如果所述第一激活脉冲的所述长度大于所述期望长度，则所述后续激活脉冲的所述电压增大。
15.如权利要求14所述的控制电路，其中，按照时钟周期来测量所述第一激活脉冲的所述长度和所述期望长度。
16.如权利要求13所述的控制电路，其中，所述定时电路进一步被配置成用于控制对用于激活所述检测电路来监测所述MEMS反射镜处的所述电流的窗口信号的定时；并且
其中，所述定时电路被配置成用于通过以下方式将所述第一激活脉冲的所述测量长度与期望长度进行比较：在所述第一激活脉冲开始时激活所述窗口信号；以及基于在所述第一激活脉冲开始时激活的所述窗口信号期间所检测的所述电流，如果所述检测电流是第一方向，则确定所述测量长度小于所述期望长度，并且如果所述检测电流是第二方向，则确定所述测量长度大于所述期望长度。
17.一种用于控制谐振型MEMS反射镜的操作的方法，所述方法包括：
生成用于操作所述MEMS反射镜的第一激活脉冲集合；
生成用于电流检测的窗口，所述窗口与激活脉冲的一端重叠；
在所述窗口期间检测所述MEMS反射镜处的电流；以及
响应于在所述窗口期间检测到电流方向的变化而终止所述激活脉冲。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述MEMS反射镜是面内MEMS反射镜。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述MEMS反射镜是交错MEMS反射镜。
20.如权利要求17所述的方法，其中，生成所述第一激活脉冲集合包括：将第一初级脉冲施加到所述MEMS反射镜的第一部分并且将第二初级脉冲施加到所述MEMS反射镜的第二部分。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一初级脉冲在所述MEMS反射镜的角度处于其最大正值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第一部分的最大电容的角度处终止，并且其中，所述第二初级脉冲在所述MEMS反射镜的所述角度处于其最大负值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第二部分的最大电容的角度处终止。
22.如权利要求17所述的方法，进一步包括：生成用于操作所述MEMS反射镜的第二激活脉冲集合。
23.如权利要求22所述的方法，其中，生成所述第二激活脉冲集合包括：将第一次级脉冲施加到所述MEMS反射镜的第一部分并且将第二次级脉冲施加到所述MEMS反射镜的第二部分。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述第一次级脉冲在所述MEMS反射镜的角度处于其最大负值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第一部分的最大电容的角度处终止，并且其中，所述第二次级脉冲在所述MEMS反射镜的所述角度处于其最大正值时开始并且在所述MEMS反射镜的所述第二部分的最大电容的角度处终止。
25.如权利要求17所述的方法，进一步包括：测量第一激活脉冲的长度，并且基于所述测量调整后续激活脉冲的电压。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
如果所述第一激活脉冲的所述长度小于期望长度，则减小所述后续激活脉冲的所述电压；以及
如果所述第一激活脉冲的所述长度大于所述期望长度，则增大所述后续激活脉冲的所述电压。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括：将所述第一激活脉冲的所述测量长度与期望长度进行比较。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述比较包括：
在所述第一激活脉冲开始时激活所述窗口，
在所述第一激活脉冲开始时激活的所述窗口期间检测所述电流，
如果所述检测电流是第一方向，则确定所述测量长度小于所述期望长度，以及
如果所述检测电流是第二方向，则确定所述测量长度大于所述期望长度。
29.如权利要求27所述的方法，其中，按照时钟周期来测量所述第一激活脉冲的所述长度和所述期望长度。
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