CN111585463B - 一种用于确定致动器的位置的方法 - Google Patents

Abstract

系统和方法提供了致动器控制。致动器控制经由与电压控制相反的电荷控制提供。用于驱动致动器的驱动器可以包括用于将电荷注入到致动器的一个或多个电容元件中的电荷泵。驱动器可以进一步包括用于检测致动器的电容元件的电容的电容检测方面以确定致动器的位置。

Description

一种用于确定致动器的位置的方法

本发明是2015年10月15日递交的、申请号为ZL201580070431.8、发明名称为《MEMS驱动器》的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及机电装置和系统，诸如，微机电系统(MEMS)。更具体地，本文中所公开的技术的各种实施方式针对经由电荷控制的MEMS驱动器的使用。

背景技术

MEMS静电致动器或者变换器具有大量应用，从加速计至螺旋仪、至压力传感器、麦克风等。MEMS通常包括可以小于1μm至几毫米的部件或者元件，其中，至少一些元件具有某些机械功能或者关于它们的方面。例如，已经开发了用于数字照相机的基于MEMS的运动传感器以解决由于人手颤抖或者其他模糊诱导的动作导致的图像退化，例如，基于MEMS的陀螺仪可用于感测照相机运动。响应于所感测到的运动，光学图像稳定性(OIS)系统尝试移动透镜或者图像传感器以减少或消除产生的图像的运动诱导的模糊，这还可以使用基于MEMS的致动器实现。

基于MEMS的致动器的一个实例依赖于在类似于联锁齿的对立方位中具有至少两个梳状结构的梳状驱动器的使用。当电压施加到梳状驱动器时可生成有吸引力的静电力，导致梳状结构被靠拢到一起，其中，那些力与梳状结构之间的电容的变化成比例。因此，这种装置是传统的压控装置。此外，梳状驱动器的运行可以基于例如通过数模转换器(DAC)提供的粒度或者分辨率。DAC通常用于驱动这种装置，因为相关静电力是非线性的，并且因此适当的数字值必须用于提供适当量的电压以驱动该装置。

发明内容

在经由电荷控制MEMS致动器的各种实施方式中提供了系统和方法。根据本文中所公开的技术的一个实施方式，驱动器装置包括生成将电荷注入到致动器中所需要的电压的电荷泵。驱动器装置进一步包括电荷吸收器，致动器通过该电荷吸收器可以放电，其中，致动器的充电和放电实现致动器的移动。又进一步地，驱动器装置包括用于将电荷泵和电荷吸收器操作性地连接至致动器的开关。

根据本文中所公开的技术的另一实施方式，驱动器装置包括驱动器电路，该驱动器电路用于经由电荷控制驱动MEMS致动器以便感应导致MEMS致动器的期望移动的电压同时允许电压改变。驱动器电路包括：电荷泵，被配置为将电荷注入到MEMS致动器上；电荷吸收器，被配置为从MEMS致动器吸收电荷；以及开关，被配置为将电荷泵和电荷吸收器中的至少一个切换至MEMS致动器的适当的电容元件。

根据本文中所公开的技术的又一实施方式，一种方法包括为致动器连续充电和放电以实现致动器的移动。该方法进一步包括通过感测致动器的输入处的电压来确定致动器的电容以便确定由于致动器的移动导致的致动器的位置。

从结合附图进行的以下详细描述中，本公开内容的其他特征和方面将变得显而易见，附图通过举例的方式示出了根据各种实施方式的特征。该总结不旨在限制本发明的范围，该范围唯一地由所附权利要求进行限定。

附图说明

根据一个或多个各种实施方式，本文中公开的技术参考以下附图进行详细描述。仅为了说明的目的提供了附图并且仅描述了所公开的技术的一般或者示例性实施方式。这些附图提供为促进读者对所公开的技术的了解并且不应认为是对它的宽度、范围或者适用性的限制。应当注意的是，为了清楚和易于说明的目的，这些附图不必按比例示出。

图1A是其中可实现本文中公开的技术的各种实施方式的示例性移动装置的立体图。

图1B是图1A的示例性移动装置的断裂立体图。

图2是根据本文中所公开的技术的各种实施方式利用的示例性MEMS致动器的顶视图。

图3是根据本文中所公开的技术的一个实施方式的包括电荷控制MEMS驱动器的示例性相机模块的示意图。

图4是根据本文中所公开的技术的另一实施方式的包括电荷控制MEMS驱动器的示例性相机模块的示意图。

图5是图4的电荷控制MEMS驱动器的示例性仅高电压驱动器的示意图。

图6是图5的仅高电压驱动器的示例性电路图。

图7是在图5的仅高电压驱动器中利用的示例性电荷泵的电路图。

图8是在图5的仅高电压驱动器中利用的示例性电荷吸收器的电路图。

图9是在图5的仅高电压驱动器中利用的示例性开关的电路图。

图10示出了在本文中公开的技术的各种实施方式中利用的示例性定时波形。

图11是图5的仅高电压驱动器的可替代实施方式的电路图。

图12是图5的仅高电压驱动器的另一可替代实施方式的电路图。

图13是图5的仅高电压驱动器的又一可替代实施方式的电路图。

图14示出了根据本文中公开的技术的各种实施方式的使用电荷用于控制MEMS驱动器的实现结构和方法中可以利用的示例性芯片组。

附图不旨在彻底地或者将本发明限制为所公开的精确形式。应当理解，可以利用修改和改变实践本发明，并且仅由权利要求及其等同物限制所公开的技术。

具体实施方式

致动器装置可包括一个或多个MEMS致动器或者其他静电装置/机构，并且可适合用于多种不同的电子装置中。例如，致动器装置可以适合于在照相机(诸如，小型照相机)中使用，以便例如手动或者自动使小型照相机聚焦，使小型照相机缩放，或者提供用于小型照相机的OIS。此外，致动器装置可用于使小型照相机内的光学器件对准，或者用于其中可利用致动器装置的电子装置中的任何其他期望应用。

可使用整体式或者非整体式构造形成致动器装置。例如，可使用现代制造技术(诸如，蚀刻和微加工)形成致动器装置。也设想各种其他制造技术。致动器装置可由硅(例如，单晶硅和/或多晶硅)、或者诸如硅、锗、金刚石和砷化镓的其他半导体形成。形成致动器装置的材料可以被掺杂以获得其期望的导电性。可替换地，致动器装置可由诸如钨、钛、锗、铝、或者镍、或者它们的一些期望组合的金属形成。致动器可由诸如塑料、光阻材料、或者环氧树脂的有机材料制成，填充或者涂覆有导电材料以获得期望的导电性。

致动器装置和/或通过致动器装置移动的项目的运动控制可用于促进项目的期望移动同时缓和项目的不期望移动。例如，运动控制可用于促进透镜沿着透镜的光轴移动，同时抑制透镜的其他移动。因此，运动控制可用于促进透镜在单一期望的平移自由度中的移动，同时抑制透镜在所有其他平移自由度中的移动并且同时抑制透镜在所有旋转自由度中的移动。在另一实例中，运动控制可促进透镜在全部三个平移自由度中的移动同时抑制透镜在全部旋转自由度中的移动。

因此，可提供用于独立使用并且用在电子装置中的增强的小型照相机。小型照相机适合用于多种不同的电子装置中。例如，小型照相机适合用于诸如蜂窝电话、便携式计算机、电视机、手持装置和监视装置的电子装置中。然而，并且再次，各种实施方式可以应用于并且在无数MEMS装置和背景中执行。

如前所述，控制致动器装置中的移动的常规系统和方法依靠电压控制以驱动一个或多个MEMS致动器。即，期望电压可以施加至MEMS致动器，诸如梳状驱动器(电容致动器的实例)以通过利用两个导电梳之间起作用的静电力来诱导移动。当电压被施加在静止梳与移动梳之间时生成有吸引力的静电力，导致它们靠拢在一起。通过致动器形成的力与两个梳之间的电容变化成比例，增加驱动电压、梳齿的数量和齿之间的间隙。即，施加的电压越多，可以诱导的移动越多。然而，这种系统具有非线性响应，并且高压系统(例如，要求30V、45V，甚至更大电压)，其中，梳状驱动器的位置与驱动电压的平方V2成比例(因为力与电压的平方成比例)，当尝试控制移动时需要大量比特以实现所要求的分辨率。此外，当期望的操作电压超过被称为插入电压时(插入是指不稳定性现象，因此，例如移动梳可以横向插入静止梳中)，梳状驱动器致动器的不稳定性是显著的设计局限。最终，静电致动器的电压控制导致通常所说的静电弹簧软化，这降低致动器的刚度。

因此，各种实施方式针对使用电荷控制而不是尝试控制驱动电压来控制MEMS致动器的系统和方法(与例如电阻器(其被看做电流或电荷依赖装置)相反，传统看法将诸如电容器的静电装置表征为电压依赖或者可变装置)。应当理解，电容器的电容(C)等于存储在电容器上的电荷(Q)除以电压(V)。数学上，弹簧力(与梳状驱动器的挠曲相关联)等于压缩距离乘以刚度因数，并且弹簧力(不存在其他力，诸如，重力)相当于静电力。因此，如上所述，MEMS致动器的位置与V2成比例，或者与Q2/3成比例，其中，可以理解的是，位置对电荷具有更多线性依赖，Q2/3。因此，当控制电荷而不是电压时，所要求的分辨率更小并且更容易实现。

此外，可以在梳状驱动器设计及其运动控制系统中改善稳定性。具体地，当控制电荷而不是电压时，可以放宽有关挠曲刚度要求的限制因素，或者可以增加最高电压(同时仍然避免插入)。在棘爪被水平放置的梳状驱动器中，在没有任何施加电场的情况下机械平衡位置在：x＝0；y＝Δ处，其中，Δ表示棘爪偏移量。梳状驱动器棘爪可具有初始重叠1，以及平衡间隙g(即，零棘爪偏移量的情况)，其中，棘爪具有统一宽度。这个系统可以表示为平行板电容模型，其中，棘爪变形是可以忽略的。前述运动控制系统可以被认为是在x和y方向上移动的两个独立的弹簧。当将驱动与电荷而不是电压进行比较时，如果棘爪保留在中心位置处，即，a＝0，则为了稳定性的目的，电压驱动的梳状驱动器和电荷驱动的梳状驱动器具有相同的刚度比要求。一旦棘爪离开中心，则至于小棘爪和大棘爪都偏移的情形，电压驱动的梳状驱动器的刚度比要求增加得比电荷驱动的梳状驱动器情况的刚度比要求更快。因此，并且再次，利用电荷驱动MEMS致动器提供了超过利用电压驱动的显著优点。

进一步有关弹簧刚度，与电压控制的静电弹簧软化的鲜明对比下，静电致动器的充电控制导致静电弹簧变硬。可以有利地使用这个效果，因为结构可以设计为具有需要更少力用以移动的更低刚度，同时仍然运转仿佛其具有更高的刚度，例如，更低的重力下垂和更高的谐振频率。即，并且当充电控制用在静电致动器(诸如，梳状驱动器)上时，当电容减小(即，梳状驱动器断开)时电压增加并且当电容增加(即，梳状驱动器啮合)时电压减小。因此，静电致动器具有将其保持在它的稳定位置上的静电力。当电压保持不变时，这添加至将其保持在适当位置上的弹簧力。再次，这个静电力基本上是弹簧力，并且可以称为静电弹簧变硬力。静电弹簧常数等于机械(或者实际物理)弹簧常数的两倍，假定梳状驱动器具有零重叠，x＝0，当电荷等于零时，Q＝0。

又进一步地，致动器经由电荷的控制可以比实现电压控制更简单，其中，利用电荷控制的致动器类似于充当步进电机，其中，注入的每个电荷包导致移动增加。例如，在OIS控制系统中，陀螺仪用于感测旋转速度(θ点)。确定基于期望的图像传感器的移动的期望的电容率(t的C点)以补偿通过陀螺仪测量的旋转速度。通过测量电容并且减去所希望的电容来测量电容(位置)中的误差。可以通过考虑期望的电容变化、电容中的误差和期望的电容率来计算提供下一个电荷脉冲之前所等待的时间。当需要增加电容时，可以发送充电命令。当需要减小电容时，可以发送放电命令。

因此，可以通过注入电荷控制MEMS致动器。当电压施加到电容器时，实际上它正在充电。然而，代替通过结合电压反馈并且依靠模拟数字转换器设置电压(例如，施加mV的1/10的驱动电压并且仍然诱导太多移动)来尝试精确地控制电压以实现所期望的影响，不再考虑电压。相反地，电荷可以添加到基于电压的装置(诸如，MEMS致动器)以诱导导致MEMS致动器的移动的电压。

图1A示出了包含其中可实现各种实施方式的小型照相机12的示例性移动装置11的立体图，该移动装置可以是移动电话。小型照相机12可采用图像传感器封装件，诸如，移动图像传感器封装件。小型照相机12可实现与图像传感器移动相关的各种功能，诸如，OIS、自动聚焦(AF)、透镜与图像传感器之间的对准等。图1B示出了根据本文中所公开的技术的一个实施方式的图1A的移动装置10，其中壳体/机壳部分暴露以显示小型照相机12。应当注意的是，尽管在小型照相机模块用于移动装置(诸如，移动电话、平板个人计算机(PC)、膝上型PC等)的背景下提出了本文中所公开的各种实施方式，但是所公开的技术可以适合于在包含MEMS装置的驱动的其他装置或者背景下使用。

如上述提到的，本文中所公开的技术的各种实施方式可以采用OIS功能(诸如，操作的三轴OIS)，或者可以补偿包括通过移动图像传感器而滚动(roll)、俯仰(pitch)和偏航(yaw)的照相机移动。因此，诸如照相机12的装置可包括透镜镜筒、自动聚焦(AF)致动器和移动图像传感器封装件。AF致动器可以是音圈电机(VCM)类型的致动器、MEMS致动器、压电致动器、形状记忆合金致动器或者任何其他类型的致动器。

图2示出了根据本文中所公开的技术的各种实施方式的可以利用其实现前述OIS功能的示例性MEMS致动器17的顶部平面图。为了启用OIS，MEMS致动器17可用于根据“三个自由度”来移动移动图像传感器封装件内部的图像传感器。在美国申请序号61/975,617中描述了适用于移动图像传感器的MEMS致动器的一些实例，通过引证将其全部内容结合于本文中。

在一个实施方式中，MEMS致动器17可以包括具有接触垫19的中间框架18、分离为两个电杆20的外部框架、四个致动区域21、具有粘合孔24的中心锚23、以及多个电连接挠曲部分22。粘合孔24的数量不限于一个，因为根据相关的电连接要求可能有多个孔。粘合孔24可具有多用途，例如，包括通过应用热环氧树脂使结构粘合剂能够将MEMS致动器17安装至载体基板，以及通过应用导电环氧树脂、焊料、金属膏、或者其他电连接方法从MEMS致动器17电连接至导电迹线或者基板。外部电杆20可以在MEMS致动器17与移动图像传感器封装件的剩余部分之间提供连接。中间框架18上的接触垫19可以提供图像传感器(未示出)与MEMS致动器17之间的电连接。

每个致动区域21可包含在一个线性方向上提供原动力的静电梳状驱动器。四个致动区域21一起提供在X和Y方向上的移动，以及关于Z轴的旋转。因此，MEMS致动器17可以在两个线性自由度和一个旋转自由度上移动以在所有三个旋转自由度上实现小型照相机的OIS。致动区域21通过平行运动控制挠曲部分43连接至中心锚23并且通过在运动自由度上是刚性的并且在其他自由度上是柔软的连接挠曲部分44连接至中间框架18。在一个实施方式中，致动区域21包括在下降或者震动期间限制机械移动的特征以减少平行运动控制挠曲部分43和连接挠曲部分44上的应力。在一个实施方式中，图像传感器附接至外部框架20和中心锚23，同时中间框架18附接至移动图像传感器封装件的剩余部分。

应当注意的是，MEMS致动器17的X/Y尺寸与移动图像传感器封装件的大小相关。在一个实施方式中，中间框架18的外形尺寸基本上与图像传感器的大小匹配。在另一实施方式中，外部框架20的外形尺寸基本上与图像传感器的大小匹配。在又一实施方式中，MEMS致动器17的厚度大约150微米并且平面内的尺寸在X维度中大约8mm并且在Y维度中大约6mm。

图3示出了可包括移动图像传感器的一些或者全部前述元件的示例性照相机模块50。照相机模块50中包括的是用于控制OIS功能的数字信号处理(DSP)OIS控制器70、图像传感器72、以及用于检测移动(诸如，滚动、俯仰和偏航滚动、俯仰和偏航)的OIS陀螺仪74。照相机模块50中还包括的是包括一个或多个MEMS阵列54的MEMS致动器52、以及MEMS驱动器56。MEMS驱动器56可以通过将电荷注入到MEMS致动器52中并且在一些实施方式中从MEMS致动器52接收位置反馈来控制MEMS致动器52的移动。在一个实施方式中，DSP OIS控制器70和MEMS驱动器56一起集成为单一混合信号集成电路(IC)。

MEMS驱动器56可以通过注入与来自DSP OIS控制器70的控制信令相称的电荷来驱动MEMS致动器52。如以下将更详细描述的，通过增加或者减小电压输出(通过使电荷泵58(充电电容器)充电并且使电荷吸收器60(放电电容器)放电)使MEMS驱动器56运行。如这个实施方式中所示，MEMS驱动器56可以是混合的信号集成电路(IC)或者芯片。即，MEMS驱动器56可具有用于驱动高压装置(例如，MEMS致动器52)的高压部分、以及数字信号/低压部分(例如，串并接口(SPI)接口)。根据另一实施方式，诸如以下将描述的，将分开执行高压控制器。

因此，MEMS驱动器56可以配置为高压驱动器同时还提供电容感测。即，电容感测模块64可以感测可以是一个或多个电容梳状驱动元件的MEMS致动器52以便确定电容的大小，并且因此确定MEMS致动器52的位置，然后可以将其传达至DSP OIS控制器70。

具体地，通过使用电荷泵58注入电荷来提供高压(例如，45V)以以驱动MEMS致动器52，电荷泵58还经由SPI(或者在其他实施方式中，I2C总线)与DSP OIS控制器70连接。诸如本文中描述的电荷控制模拟电路可以用于使用SPI而不是并行数字接口的混合信号IC以减少引脚需求。因此，电荷驱动的装置适用于数字控制并且使得所得到的电子设备的复杂性的减少。开关62可以将电荷泵58和电荷吸收器60电路切换至适当装置。通过用于注入和吸收电荷的相同连接，可以通过检测MEMS致动器52的适当电容并且经由SPI或者I2C将这个信息传达至DSP OIS控制器70来实现电容感测。可通过各种方法进行电容感测，包括但不限于感测通过MEMS电容器反馈的AC信号(变化电压)的振幅和相位；使MEMS电容器充电或者放电并且关注充电或者放电所花费的时间；或者使MEMS电容器充电和放电并且利用微分器关注电压的斜率。此外，DSP OIS控制器70可以例如经由数字接口与图像传感器72和OIS陀螺仪74通信。

图4示出了可包括移动图像传感器的一些或者全部前述元件的示例性照相机模块80。照相机模块80中包括的是用于控制OIS功能的DSP OIS控制器84、图像传感器72、以及用于检测移动(诸如，滚动、俯仰和偏航滚动、俯仰和偏航)的OIS陀螺仪74。照相机模块80中还包括的是：MEMS致动器52，该MEMS致动器包括可以是图2的MEMS致动器17的一个实施方式的一个或多个MEMS阵列54；以及MEMS驱动器82，其可以是仅高压的MEMS驱动器。即，MEMS驱动器82在没有任何低功率电路或者数字块的情况下仅包括仅高压的驱动器电路。

MEMS驱动器82可以通过将电荷注入MEMS致动器52中并且将电荷吸到MEMS致动器52的外部来控制MEMS致动器52的移动。MEMS驱动器82可以通过注入与经由脉宽调制(PWM)的时钟脉冲和DSP OIS控制器84的时钟模块86相称的电荷来驱动MEMS致动器52。如以下将更详细地描述的，PWM和时钟模块86的PWM方面运行以与MEMS驱动器82连接(并行数字接口)以通过从由电荷泵生成的高压或者生成高压(例如，45V以上)的其他电路充电并且放电至电荷吸收器来增加或者减小电压输出。

独立于MEMS驱动器84，在DSP OIS控制器82中执行电容感测，其中，AC信号可以发送(经由AC模块88)至MEMS驱动器82的一部分(以下更详细描述的)并且发送到MEMS致动器52上，MEMS致动器可以是一个或多个电容梳状驱动元件以感测耦接以确定电容的大小，并且因此确定MEMS致动器52的位置。应当注意的是，尽管附图示出了ADC 90和AC发电机88一起工作来感测MEMS致动器52的电容，但是可使用电容感测的许多其他方法，使用低压DSPOIS控制器84和高压MEMS驱动器82的组合。例如，可通过各种方法进行电容感测，包括但不限于感测通过MEMS电容器反馈的AC信号的振幅和相位；使MEMS电容器充电或者放电并且关注充电或者放电所花费的时间；或者使MEMS电容器充电和放电并且利用微分器关注电压的斜率。

图5是包括电荷泵81、电荷吸收器83和开关85的仅高压MEMS驱动器82的示意图。电荷泵81接收时钟信号Φ1和Φ2以及输入电压Vin(其可以乘以由于输出电压Vout(例如，45V)导致的期望量)。图6示出了图5的MEMS驱动器82的示例性电路图，进一步示出了电荷泵81连接至开关85并且在这个实例中连接到6个MEMS致动器的输出(C_memsl、C_mems2、C_mems3......C_mems6)。充电电容器C_charge可以是大约1pF以实现近似0.5μm的位移分辨率。放电电容器C_discharge也可以是大约lpF以实现近似0.5μm的位移分辨率。用于电容感测的AC信号可以是具有10KHz的频率的正弦波，例如，其中，电容感测具有12位的分辨率。ADC速度可以是例如100KHz，其中，ADC速度越高越好。尽管利用电容感测精确性可能有折衷，但是充电/放电电容越小，可以实现的位移分辨率越高。例如，利用10KHz的AC信号、100kHz 12位的ADC、以及1pF充电/放电电容器，实现1pF电容感测精确性可包括从不同路径注入AC(例如，来自充电和放电的单独的电容感测)。进一步有关电容感测，应当注意的是，为了实现精确的电容测量，AC正弦波优选地具有很稳定的振幅和频率，其中，振幅误差小于0.1％。此外，可以编程或者优化AC正弦波频率(以及充电/放电的频率)以避免击中MEMS致动器的任何机械共振频率。用于PWM的时钟可以是大约48MHz。

图7示出了电荷泵的一个简单实例，在这种情况下，具有二极管配线的金属氧化物半导体FET(MOSFET)MD1-MD5的4级(x5)Dickson电荷泵分级(V1至V2至V3至V4)促进Vin增长，最后一个电容器C_charge，在设置最终将被发送至MEMS致动器52的电荷注入的量的链中。其他更先进的电荷泵设计存在于本领域中以达到所希望的Vout，例如，45V以上。如上所述，注入到MEMS致动器52中的电荷根据各种实施方式进行控制而不是尝试控制施加到MEMS致动器52的电压。应当注意的是，电流控制可以添加到电荷泵81。

图5的并且在图8中更详细地示出的电荷吸收器83设置吸收的电荷的量。电荷吸收器83接收时钟信号Φ3并且当切换为连接至MEMS致动器54时，使MEMS致动器54放电。具体地，FET、MD6可用于排空单一电容器电荷。应当注意的是，电荷吸收器83的放电电容器C_discharge设置了电荷的量的分辨率以从MEMS致动器54放电。根据电容感测，可以在充电和放电循环期间提供AC信号，其中，MEMS地连接至数字芯片以感测传递至MEMS致动器54的AC信号。应当注意的是，电流控制可以添加到电荷泵81和电荷吸收器83(如以下将更详细地描述的)。

电荷吸收器83和电荷泵81结合操作，其中，在时钟脉冲或者信号期间，电荷泵81的电容器C_charge充电并且电荷吸收器83的电容器C_discharge放电。对于MEMS致动器54，其再次是或者可以认为是电容元件，如果期望更多电荷起到期望的移动量的效果，则可以翻转开关85(如图9所示，可以是FET阵列)以将电荷泵81(具体地，电容器C_charge)连接至MEMS致动器54。MEMS致动器54和电荷泵81电容器然后将在充电中平衡直到这两个具有相同电压。如果期望断开梳，则可以翻转开关85以将MEMS致动器54连接至电荷吸收器83(具体地，电容器C_discharge)使得MEMS致动器54中的电荷将驱散直到电荷吸收器83和MEMS致动器54平衡至相同电压。这个过程可以根据例如是时钟脉冲1MHz、10MHz、100MHz等的时钟脉冲持续重复，其中，充电和放电可以同时发生。电荷泵81和电荷吸收器83的持续充电和放电保证电荷泵81的最后一个电容器始终完全充电，并且电荷吸收器83的电容器始终完全放电。应当注意的是，电荷泵81和电荷吸收器83的相应电容相对于MEMS致动器54的电容尽可能的小以获得最佳分辨率。

如上所提到的，AC信号可以注入到电荷吸收器83中以通过监测有多少AC信号使得它到达MEMS致动器54来测量MEMS致动器54的电容。

图10示出了根据各种实施方式的用于控制上述电路的定时脉冲波形。如图10所示，当Φ2为高时，MEMS致动器中的一个可以通过接通它的开关(图6中的phi 2)通过电荷泵电容器(例如，图6中的C_charge)进行充电。当Φ3为高时，一个MEMS致动器可以通过接通它的相应开关(图6中的phi 3)通过电荷吸收器电容器(C_discharge)进行放电。应当注意的是，定时脉冲波形使得Φ2和Φ3不会同时是高的，并且Φ1＝Φ3，并且Φ2＝Φ4。时钟信号Φ4及其对应的开关phi 4允许在其已经通过phi 3通过连接至MEMS电容器进行充电之后使放电电容器接地。在充电或者放电期间可以感测电容，其中，当电容被确定时，被感测的具体MEMS致动器处于连通状态，即，以致可以确定使得它到达MEMS致动器的AC信号的量。

在前述实例和附图(例如，图6)中，示例性电路图是具有十个接口端口(包括六个开关，每个开关控制一个MEMS致动器/电容器的充电和放电)的电路的电路图。图11示出了其中接口端口的数量可以减少至例如七个的可替换的电路图。用于开关的控制端口的数量可以通过将它们编码为二进制格式而减少为三个而不是六个。例如，111接通SW1，110接通SW2等。应当注意的是，在高压驱动器芯片中将利用逆变器。如前所述，还可以结合数字电路以将并行数字接口转换为串行接口(例如，SPI或者I2C)以进一步减少引脚需求。

图12示出了根据另一实施方式的用于感测电容的可替换的电路。具体地，这个实例中的电容感测包括在充电(即，Φ2)与放电(即，Φ3)之间切换MEMS电容器。被引入和引出MEMS电容器的电流通过在MEMS电容器的输出端上连接至地的电阻器转换为电压。低通滤波器(LPF)可以在输出端上实现以结合该电压并且生成可以由低压电子设备读取的低压信号以确定连接的MEMS致动器的电容。即，如果在充电与放电之间切换，则可以测量峰值至峰值电压以确定电容。当使用多个连续的充电和放电脉冲时，则可以使波形图数字化。

图13示出了其他可替换的电路，其中，MEMS电容器的连续充电和放电生成电压的线性斜升和斜降。利用微分器电路和模拟数字转换器测量是MEMS电容的函数的这个三角形电压斜升的斜率。可替换地，可以使用例如比较器和计数器测量改变输出电压所花费的时间。电流源I1元件和电流吸收器I2元件可用于取代充电和放电电容器(图6、图11和图12的C_charge和C_discharge)。电流源I1可以是例如大约10μA的电流源，并且电流吸收器可以是例如大约-10μA的电流吸收器。再次，可以利用FET阵列开关以将充电和放电电路连接至MEMS电容器。在这种情况下，如由PWM控制脉冲的长度所控制的，MEMS电容器连接至电流源或者电流吸收器的时间量确定从MEMS电容器注入或者除去的电荷的量。

可以为每一个MEMS电容器提供电容感测RC电路，其中，电容感测输出(cap_sense1-6)使用例如FET开关或者通过多路复用全部发送至单一输出端口。具体地，适当开关(SW1-SW6)可以用于连接至适当的/选择的MEMS致动器(C_mems1-C_mems6)，并且可以接通充电开关SW_charge一些充电时间，T_charge(例如，250μs)。随后，可以断开充电开关SW_charge，并且放电开关，SW_discharge，可以接通一些放电时间T_discharge(例如，250μs)。可以测量相关参考电阻器R_ref1-R_ref6上的电压。在充电周期期间，参考电阻器上的电压将稳定在R_ref*I_source*C_ref/(Cmems+C_ref)处。用于充电/放电的时间常数是R_ref*C_ref*Cmems/(C_ref+C_mems)。因此，MEMS致动器的电容可以从参考电阻器的稳定电压的测量得出。例如，为了测量图13中的MEMS致动器的电容，其中，Cmems1-C_mems6中的每一个能够以1pf精确度从大约200pf变化至500pf(包括寄生电容)，所需要的分辨率是1.3mV。因此，11比特2V的ADC足以。也可以通过测量时间常数获得MEMS致动器的电容。为了在全部范围获得1pf精确度，将利用大约72MHz的系统时钟。作为又一个可选方案，可以在不等到电压稳定的情况下通过取样电压然后拟合数据来确定MEMS致动器的电容以便确定充电时间常数或者推断稳定电压。

应当注意的是，在OIS的背景下，为了补偿例如20Hz的信号交换，可以要求在25ms内用于三个致动器的全部行程。按照以上实例，时间常数将为大约50μs。如果为致动器充电0.25ms并且放电0.25ms，则将需要大约0.5ms以便测量单一时间(尽管基于精细调校某些参数可以缩短这个测量时间)的电容。为了驱动致动器，相对于T_discharge可以将T_charge延长或者缩短一些期望的时间周期，其中，测量致动器的电容也包括驱动致动器。为了获得例如0.5μm的精确度水平，T_charge和T_discharge的控制将需要0.25μs的分辨率。如由本领域中的技术人员应当理解的，这个电路可以进行许多修改，包括减少微分器的电阻和电容并且增加电流以更快速度测量电容，并且利用有源电路替换无源RC微分器。

图14示出了其中本文中所公开的技术的实施方式可实现的芯片组/计算模块90。芯片组90可以包括例如处理器、存储器、结合在一个或多个物理封装件中的其他图像部件。通过举例的方式，物理封装件包括结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、部件和/或配线的布置以提供一个或多个特性，诸如，物理强度、尺寸保持、和/或电交互作用的局限性。

在一个实施方式中，芯片组90包括用于在芯片组90的部件中传递信息的通信机构，诸如，总线92。处理器94，诸如图像处理器连接至总线92以执行存储在存储器96中的指令和处理信息。处理器可包括一个或多个处理核心，其中每个核心被配置为单独执行。或者此外，处理器可包括经由总线92串接配置的一个或多个微处理器以便能够独立执行指令、通过管道传递和多线程。处理器94还可伴有一个或多个专用部件以执行某些处理功能和任务，诸如，一个或多个数字信号处理器，例如，DSP 98，诸如，OIS DSP、图像传感器、OIS陀螺仪、和/或一个或多个专用集成电路(IC)(ASIC)100，诸如，可以利用其例如驱动MEMS致动器用于实现OIS、缩放和/或AF功能。DSP 98通常可以被配置为独立于处理器94实时处理现实世界的信号(例如，声音)。类似地，ASIC 100可以被配置为执行通过通用型处理器不容易执行的专用功能。帮助执行本文中描述的发明功能的其他专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)或者一个或多个其他专用的计算机芯片。

前述部件经由总线92连接至存储器96。存储器96包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM)和静态存储器(例如，ROM)，该指令在由处理器94、DSP 98和/或ASIC 100执行时，执行本文中所描述的示例性实施方式的过程。存储器96还存储与该过程的执行相关联的或者通过该过程的执行生成的数据。

如本文中使用的，术语模块可描述可以根据本申请的一个或多个实施方式执行的功能的给定单元。如本文中使用的，模块可利用硬件、软件或者它们的组合的任何形式执行。例如，一个或多个处理器、控制器、ASIC、PLA、PAL、CPLD、FPGA、逻辑元件、软件程序或者其他机构可实现为组成模块。在实现中，本文中所描述的各种模块可实现为分立模块或者所描述的功能和特征可以在一个或多个模块中部分地或者全部共享。换言之，在阅读这个说明书之后，如对本领域普通技术人员而言将是显而易见的，本文中描述的各种特征和功能可在任何给定的应用中实现并且可以不同组合和交换在一个或多个单独或共享模块中实现。即使功能的各种特征或者元件可单独描述或者要求为单独的模块，但是本领域中的普通技术人员将理解，这些特征和功能可以在一个或多个通用软件和硬件元件中共享，并且该说明书不应要求或者暗示单独的硬件或者软件成分用于实现这种特征或者功能。

在应用的部件或者模块整体或部分地使用软件执行的情况下，在一个实施方式中，这些软件元件可以实现为利用能够执行有关此描述的功能的计算或者处理模块进行操作。图10中示出了一个这种示例性计算模块。根据这个示例性计算模块90描述了各种实施方式。在阅读本说明书后，对于相关领域的技术人员来说，如何实现使用其他计算模块和/或架构执行该应用将会变得显而易见。

在这个文件中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”用于泛指易失性或者非易失性介质，诸如，存储器96、或者其他存储器/存储单元。这些和其他各种形式的计算机程序介质或者计算机可用介质可包括在执行用于执行的处理装置的一个或多个指令的一个或多个序列中。体现在介质上的这种指令通常称为“计算机程序编码”或者“计算机程序产品”(这可以计算机程序或者其他分组的形式进行组合)。当执行时，如本文中所讨论的，这种指令可使计算模块90能够执行本申请的特征或功能。

尽管以上已经描述了公开的方法和设备的各种实施方式，但是应当理解，仅以举例而不是限制的方式呈现。同样，各种示图可描述用于所公开的方法和设备的示例性结构或者其他配置，这帮助理解可包括在所公开的方法和设备中的特征和功能。所公开的方法和设备不局限于所示出的示例性结构或者配置，但是可以使用各种可替换的结构和配置实现所期望的特征。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，可替换的功能的、逻辑的或者物理划分和配置如何能够实现，以执行所公开的方法和设备的所希望的特征。另外，除了本文中描述的那些之外的许多不同的构成模块名称可以应用于各个部分。此外，关于流程图、操作说明和方法权利要求，其中本文中呈现的步骤的顺序不应要求各种实施方式实现为按相同的顺序执行所陈述的功能，除非另外有上下文指示。

尽管以上根据各种示例性实施方式和实现描述了所公开的方法和设备，但是应当理解，在单独实施方式的一个或多个中描述的各种特征、方面和功能不局限在描述它们所利用的具体实施方式的适用性中，但是反而可以单独地或者以不同组合地应用于所公开的方法和设备的其他实施方式中的一个或多个，是否描述这种实施方式并且这种特征是否呈现为所描述的实施方式的一部分。因此，所要求保护的发明的幅度和范围不应受到任何上述示例性实施方式的限制。

在本文中使用的术语和短语及其变体，除非另外明确地陈述，否则应当解释为开放式的，与限制相反。如上述实例：术语“包括”应当解释为意指“包括而不限于”等；术语“实例”用于提供讨论中的项目的示例性实例，而不是它的完全或者限制列表；术语“一”或者“一个”应该解释为意指“至少一个”、“一个或多个”等；并且形容词诸如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”以及相似含义的术语不应当被解释为将所描述的项目限制在特定的时期或者限制为特定时间的可用的项目，相反应当被理解为包括现在的或将来的任何时间的可用的或者已知的常规的、传统的、正常的、或者标准的技术。同样，在本文中是指对于本领域中的普通技术人员将是清晰可见或者所知的技术中，这种技术包含技术人员现在或者将来任何时候所清晰可见或者所知的技术。

用连词“和”相连的一组项目不应当理解为要求存在于分组中那些项目的每一个，但是除非另外明确地陈述，否则应当理解为“和/或”。类似地，与连词“或”相连的一组项目不应当理解为要求在该分组中彼此排斥，但是除非另外明确地陈述，否则应当理解为“和/或”。此外，尽管所公开的方法和设备的项目、元件或者部件可以单数进行描述或者要求，但是除非明确陈述局限于单数，否则预期多数在其范围内。

在有些情况下，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或者其他类似短语的扩展词语和短语的存在将不会被理解为意味着在这类扩展短语不存在的实例中想要或需要更有限的情况。术语“模块”的使用不暗示部分模块所描述或者要求的部件或者功能被全部配置在普通封装件中。实际上，模块的任何或者全部各种部件，控制逻辑或者其他部件，可以组合在单一封装件中或者单独保持并且可以进一步分配在多个分组或者封装件中或者跨越多个位置。

此外，本文中阐述的各种实施方式根据示例性框图、流程图以及其他示意图进行描述。在阅读这个文件之后，如对本领域中的普通技术人员而言将变得显而易见，在没有局限于所示出的实例的情况下可以实现所示出的实施方式及其各种替换。例如，框图及其补充描述不应被解释为要求具体结构或者配置。

Claims (6)

1.一种用于确定致动器的位置的方法，包括：

为致动器连续充电和放电以实现所述致动器的移动；

通过感测所述致动器的输入处的电压确定所述致动器的电容，以便确定由所述致动器的移动产生的所述致动器的位置；并且

利用微分器电路和模拟数字转换器(ADC)测量由所述连续充电和放电产生的电压斜升或斜降的斜率，所述电压斜升是所述致动器的所述电容的函数；

其中，将所述充电的周期和所述放电的周期调整为相对于彼此更长或者更短以允许所述致动器的期望移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述充电和放电的频率大于所述致动器的机械谐振频率以防止所述致动器的非故意移动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压斜升的测量包括测量输出电压中的斜升。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用比较器测量由所述电压斜升和斜降反映的输出电压的变化之间的时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述致动器的电容的确定进一步包括取样通过所述致动器的连续充电和放电所感应的电压。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述致动器的电容的确定包括在所述致动器的输入处生成导致所述电压的变化电压并且经由电容器感测耦合。

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