DE102010055396A1

DE102010055396A1 - Elektrostatischer MEMS-Treiber mit einer auf dem Chip ausgeführten Kapazitätsmessung für Autofokusanwendungen

Info

Publication number: DE102010055396A1
Application number: DE102010055396A
Authority: DE
Inventors: Roberto Calif. Alini; Roberto Casiraghi
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Hanking Electronics Ltd Solon Us
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN102129145A; CN102129145B; US8188755B2; US20110169509A1

Abstract

Eine Treiber- und Kapazitätsmessschaltung umfasst eine Spannungsquelle, die eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten während eines Treibermodus selektiv erzeugt, um eine Kapazität einer Einrichtung zu verändern, die mit dem ersten Knoten verbunden ist und die eine variable Kapazität aufweist. Eine Stromquelle stellt selektiv einen Lade- oder einen Entladestrom am ersten Knoten während eines Messmodus bereit. Eine Kapazitätsberechnungsschaltung tastet eine Spannung am ersten Knoten während des Messmodus ab, bestimmt eine Spannungsänderungsrate des ersten Knotens während des Messmodus und berechnet die Kapazität der Einrichtung auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Kapazitätsmessschaltungen und insbesondere Kapazitätsmessschaltungen für Einrichtungen mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS-Einrichtungen).
HINTERGRUND
Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck einer allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt des Einreichens nicht anderweitig als Stand der Technik ausgewiesen sind, werden weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung anerkannt.
Mit Bezug nun auf 1 können Einrichtungen 10 mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS-Einrichtungen) verwendet werden, um den Fokus von Linsenfeldern 12 in Kameras 14 zu justieren. Das Linsenfeld 12 kann beispielsweise starre Linsen 22 und 24 und eine dazwischen angeordnete bewegliche Linse 26 umfassen. Eine Position der beweglichen Linse 26 kann durch eine Ausgangsspannung einer Spannungsquelle V_S justiert werden.
Obwohl die Spannung zur Auslenkung der MEMS-Einrichtung 10 allgemein linear ist, kann sie durch Fertigungsvariationen beeinflusst werden. Daher kann der Spannungsbetrag, der einer vorbestimmten Linsenposition entspricht, von einer Kamera zur nächsten variieren. Nach der Fertigung kann eine Kapazitätsmessung verwendet werden, um die Reaktion der MEMS-Einrichtung 10 zu beschreiben. Diese Art der Messung benötigt typischerweise komplexe elektrische Messeinrichtungen und andere externe Komponenten.
Mit Bezug nun auf 2 können Fertigungsvariationen vor der Lieferung durch eine präzise Messung angepasst werden, andere Variationen jedoch nicht. Zum Beispiel kann die Beziehung von Spannung zu Auslenkung auch durch die Schwerkraft beeinflusst werden (die sich mit der Orientierung bzw. Ausrichtung verändert). Folglich hängt die Beziehung der Spannung zur Auslenkung davon ab, ob die Kamera nach oben ausgerichtet ist, nach unten ausgerichtet ist oder horizontal ausgerichtet ist. Die Beziehung der Spannung zur Auslenkung variiert auch mit der Temperatur und einer Hysterese. Alle diese Variationen tendieren dahin, die Verwendung der MEMS-Einrichtung 10 bei Autofokusanwendungen zu begrenzen.
Zur Messung der Auslenkung können optische Messsysteme verwendet werden. Jedoch ist es typischerweise schwierig, optische Messsysteme in tragbare Kompaktkameras zu integrieren. Einige herkömmliche Kapazitätsmesseinrichtungen legen ein AC-Spannungssignal an eine Elektrode einer Einrichtung an und untersuchen die Spannung (oder das Stromsignal) an einer zweiten Elektrode der Einrichtung unter Verwendung eines bekannten seriellen Widerstands. Aus dem Amplitudenverhältnis V_rms kann die Kapazitätsinformation bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Treiber- und Kapazitätsmessschaltung umfasst eine Spannungsquelle, die während eines Treibermodus selektiv eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten erzeugt, um eine Kapazität einer Einrichtung zu verändern, die mit dem ersten Knoten verbunden ist und eine variable Kapazität aufweist. Eine Stromquelle stellt während eines Messmodus selektiv entweder einen Lade- oder einen Entladestrom am ersten Knoten bereit. Eine Kapazitätsberechnungsschaltung tastet eine Spannung am ersten Knoten während des Messmodus ab, bestimmt eine Spannungsänderungsrate bzw. -geschwindigkeit des ersten Knotens während des Messmodus und berechnet die Kapazität der Einrichtung auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms.
Bei anderen Merkmalen stellt die Spannungsquelle während des Messmodus die Ausgangsspannung am ersten Knoten nicht bereit. Während des Treibermodus stellt die Stromquelle den Lade- oder Entladestrom am ersten Knoten nicht bereit.
Bei anderen Merkmalen umfasst die Kapazitätsberechnungsschaltung einen Controller, der mit der Spannungsquelle und der Stromquelle in Verbindung steht. Eine erste Kapazität weist ein Ende auf, das mit dem ersten Knoten verbunden ist. Ein Integrationsverstärker steht mit einem anderen Ende der ersten Kapazität in Verbindung. Ein erster Vergleicher vergleicht einen Ausgang des Integrationsverstärkers mit einem ersten Spannungsschwellenwert. Der Controller empfängt einen Ausgang des ersten Vergleichers.
Bei anderen Merkmalen setzt der Controller den Integrationsverstärker für eine Zeitspanne selektiv zurück, die beginnt, wenn der Messmodus gestartet wird und die nach einer Zeitkonstante aus einem seriellen Widerstandswert der Einrichtung und einer Eingangskapazität der Treiber- und Kapazitätsmessschaltung endet. Die Kapazitätsberechnungsschaltung umfasst ferner einen zweiten Vergleicher, der den Ausgang des Integrationsverstärkers mit einem zweiten Spannungsschwellenwert vergleicht, der sich vom ersten Spannungsschwellenwert unterscheidet. Der Controller empfängt den Ausgang des zweiten Vergleichers und bestimmt die Spannungsänderungsrate in Ansprechen auf die Ausgänge des ersten und zweiten Vergleichers.
Bei anderen Merkmalen umfasst die Kapazitätsberechnungsschaltung ferner eine Spannungsschwellenwert-Erzeugungsschaltung, die den ersten Schwellenwert zu einem ersten Zeitpunkt währen des Messmodus ausgibt. Die Spannungsschwellenwert-Erzeugungsschaltung gibt einen zweiten Spannungsschwellenwert, der sich vom ersten Spannungsschwellenwert unterscheidet, an den ersten Vergleicher zu einem zweiten Zeitpunkt während des Messmodus aus. Der Controller empfängt den Ausgang des ersten Vergleichers und bestimmt in Ansprechen darauf die Spannungsänderungsrate.
Bei anderen Merkmalen umfasst die Einrichtung eine Einrichtung mit einem mikro-elektromechanischen System (MEMS-Einrichtung). Die MEMS-Einrichtung justiert eine Position einer Linse eines Linsenfelds.
Bei anderen Merkmalen variiert die Kapazität der Einrichtung mit dem Spannungsausgang. Eine Dauer des Messmodus ist geringer als eine mechanische Zeitkonstante der Einrichtung.
Bei anderen Merkmalen variiert die Spannungsquelle den Spannungsausgang in einem ersten Spannungsbereich. Der Lade- oder Entladestrom verstellt den Spannungsausgang um weniger als 2% des ersten Spannungsbereichs.
Ein Verfahren zum Treiben bzw. Ansteuern und zur Kapazitätsmessung einer Einrichtung umfasst, dass eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten erzeugt wird, um eine Kapazität der Einrichtung während eines Treibermodus zu verändern, und dass die Ausgangsspannung während eines Messmodus am ersten Knoten nicht ausgegeben wird, dass während des Messmodus entweder ein Lade- oder ein Entladestrom am ersten Knoten bereitgestellt wird und der Lade- oder Entladestrom während des Treibermodus am ersten Knoten nicht ausgegeben wird, dass eine Spannungsänderungsrate einer Spannung am ersten Knoten während des Messmodus bestimmt wird, und dass die Kapazität der variablen Kapazität auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms berechnet wird.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der hier nachstehend bereitgestellten genauen Beschreibung. Es versteht sich, dass die genaue Beschreibung und spezielle Beispiele nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Umfang der Offenbarung nicht einschränken sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der genauen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:
1 ein Funktionsblockdiagramm einer Treiberschaltung für eine MEMS-Einrichtung gemäß dem Stand der Technik ist, die eine bewegbare Linse eines Linsenfelds positioniert;
2 ein Graph ist, der eine Variation bei der Kapazität der MEMS-Einrichtung von 1 relativ zu einer angelegten Spannung und Orientierung zeigt;
3 ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Treiber- und Kapazitätsmessschaltung für eine MEMS-Einrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
4 ein Graph ist, der eine angelegte Spannung während einer Kapazitätsmessung einer beispielhaften MEMS-Einrichtung zeigt;
5 ein Graph ist, der eine Auslenkung der MEMS-Einrichtung während einer Kapazitätsmessung zeigt;
6. ein Funktionsblockdiagramm einer weiteren beispielhaften Treiber- und Kapazitätsmessschaltung für eine MEMS-Einrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
7 ein Funktionsblockdiagramm einer weiteren beispielhaften Treiber- und Kapazitätsmessschaltung für eine MEMS-Einrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
8 ein Funktionsblockdiagramm einer weiteren Beispielhaften Treiber- und Kapazitätsmessschaltung für eine MEMS-Einrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
9 ein Funktionsblockdiagramm einer tragbaren elektronischen Einrichtung ist, welche die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung enthält; und
10 ein Funktionsblockdiagramm einer elektronischen Einrichtung ist, welche die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung enthält.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Der Klarheit halber werden gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Bei der Verwendung hierin soll der Ausdruck A, B und/oder C so aufgefasst werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Messung einer Kapazität einer Einrichtung, die eine variable Kapazität aufweist, welche sich mit einer an die Einrichtung angelegten Spannung oder einem an die Einrichtung angelegten Strom verändert. Obwohl die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit einer MEMS-Einrichtung beschrieben wird, kann die vorliegende Offenbarung auf die Messung einer Kapazität jeder elektronischen Einrichtung, die eine variable Kapazität aufweist, die sich mit einer angelegten Spannung oder einem angelegten Strom ändert, angewendet werden.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht eine Echtzeitmessung der Kapazität einer MEMS-Einrichtung. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht eine präzise Regelung der Position der MEMS-Einrichtung (wie etwa der Brennweite eines Linsenfelds) trotz Variationen bei der Beziehung zwischen der MEMS-Auslenkung (mit anderen Worten der Linsenposition) und der angelegten Spannung aufgrund von Fertigungsprozessvariationen, der Orientierung, der Temperatur und einer Hysterese.
Zum Betrieb in Echtzeit sollte die Kapazitätsmessung Veränderungen bei der MEMS-Position und der angelegten Spannung minimieren. Die Kapazitätsmessung gemäß der vorliegenden Offenbarung legt an einen Knoten einen konstanten Entlade- oder Ladestrom an und untersucht die Spannungsänderung am gleichen Knoten. Aufgrund des Stroms verändert sich die Ausgangsspannung mit einer Steigung oder Rate, die von dem Strom und einem Wert der Kapazität an dem Knoten abhängt.
Mit Bezug nun auf 3 ist eine Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 für eine MEMS-Einrichtung 110 gezeigt. Die MEMS-Einrichtung 110 kann als eine variable Kapazität C_MEMS, ein serieller Widerstand R_S und ein paralleler Widerstand R_P elektrisch modelliert werden. Eine Kapazität C_IN stellt die Anschlusskapazität und/oder eine andere parasitäre Kapazität dar, die zwischen der MEMS-Einrichtung 110 und einem Eingangsanschluss der Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 vorhanden sein kann. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 umfasst eine Kapazitätsberechnungsschaltung 104.
Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 umfasst eine Spannungsquelle 120, die mit der MEMS-Einrichtung 110 in Verbindung steht und eine angelegte Spannung erzeugt, die eine Position der MEMS-Einrichtung 110 variiert. Nur als Beispiel kann die Spannungsquelle 120 eine Ladungspumpe umfassen. Die Kapazitätsberechnungsschaltung 104 umfasst einen Controller 124, der einen Linsenbefehl von einem Kameracontroller (nicht gezeigt) empfängt und der eine gemessene Linsenposition auf der Grundlage der Kapazitätsmessung erzeugt. Der Controller 124 kann eine Kapazitätsmessung in Ansprechen auf ein Messbefehlssignal vom Kameracontroller einleiten. Alternativ kann der Controller 124 eine Messung auf einer Ereignisbasis, auf periodische Weise oder unter Verwendung eines beliebigen anderen Ansatzes unabhängig einleiten. Der Controller 124 steuert einen Zustand von Schaltern S1, S2 und S3, um die Kapazität der MEMS-Einrichtung selektiv zu messen, wie nachstehend beschrieben wird. Der Controller 124 umfasst einen Zähler 128.
Die Kapazitätsberechnungsschaltung 104 umfasst ferner eine Kapazität C₁, die ein Ende, das mit der MEMS-Einrichtung 110 verbunden ist, und ein anderes Ende aufweist, das mit dem Schalter S1 verbunden ist, eine Kapazität C_INT und einen invertierenden Eingang eines Integrationsverstärkers 130. Der nicht invertierende Eingang des Integrationsverstärkers 130 empfängt eine Spannungsreferenz V_EQ.
Ein Ausgang des Integrationsverstärkers 130 wird an erste Eingänge von Vergleichern 132 und 134 eingegeben. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 134 empfängt eine erste Schwellenwertspannung V_TH. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 132 empfängt eine zweite Schwellenwertspannung V_TH + ΔV. Ausgänge der Vergleicher 132 und 134 werden in den Zähler 128 eingegeben. Einer der Ausgänge der Vergleicher 134 und 136 startet den Zähler 128 und der andere der Ausgänge der Vergleicher 132 und 134 stoppt den Zähler 128, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 umfasst ferner eine Stromquelle I. Der Schalter S2 unterbricht die Spannungsquelle 120 während einer Kapazitätsmessung selektiv, um eine hohe Impedanz bereitzustellen. Der Schalter S3 wird während einer Kapazitätsmessung selektiv geschlossen, um einen Entladestrom an die MEMS-Einrichtung 10 zu liefern.
Es ist festzustellen, dass die Stromquelle I auch einen Ladestrom liefern kann. Komponenten der Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 können als eine integrierte Schaltung implementiert sein. Die MEMS-Einrichtung 110 kann über einen einzigen Anschluss mit Systemmasse und der Treiber- und Kapazitätsmessschaltung verbunden sein.
Im Betrieb arbeitet die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 100 in einem Treibermodus und einem Messmodus. Während des Treibermodus ist der Schalter S2 geschlossen, der Schalter S3 ist offen und der Schalter S1 ist geschlossen. Daher liefert Stromquelle I während des Treibermodus keinen Entlade-(oder Lade-)Strom. Die Spannungsquelle 120 steht mit dem Controller 124 in Verbindung und stellt auf der Grundlage des Linsenpositionsbefehls die geeignete angelegte Spannung an die MEMS-Einrichtung bereit.
Wenn der Messmodus eingeleitet wird, wird der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S3 wird geschlossen, um den Entlade-(oder Lade-)Strom bereitzustellen. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne, die größer als eine Zeitkonstante aus R_S und C_IN ist, kann der Schalter S1, der C_INT zurücksetzte, geöffnet werden. Der Vergleicher 134 erzeugt ein Startsignal an den Zähler 128, wenn die Spannung über V_TH ansteigt. Der Vergleicher 132 erzeugt ein Stoppsignal, wenn die Spannung über V_TH + ΔV ansteigt. Der Controller 124 berechnet die Position der MEMS-Einrichtung 110 auf der Grundlage der Zeitdifferenz zwischen den Start- und Stoppsignalen, der Spannungsdifferenz ΔV und eines Werts des Entlade-(oder Lade-)Stroms.
Nur als Beispiel kann die variable Kapazität C_MEMS in Abhängigkeit von der Auslenkung einen Wert von 50 pF bis 700 pF aufweisen. Der serielle Widerstand R_S kann einen Wert von 0 Ω bis 200 kΩ aufweisen. Der parallele Widerstand R_P ist typischerweise ein sehr großer Widerstandswert, etwa ein Widerstandswert größer als 100 MΩ. Es ist festzustellen, dass bei einer speziellen Anwendung andere Werte verwendet werden können.
Der Kapazitätswert von C_MEMS hängt von der DC-Spannung ab, die an die MEMS-Einrichtung 110 angelegt wird. Jede Veränderung bei der an die MEMS-Einrichtung 110 angelegten Spannung, die mit der mechanischen Zeitkonstante der MEMS-Einrichtung vergleichbar ist (typischerweise ~10 ms), wird eine MEMS-Bewegung verursachen. Um die Kapazitäts-(und Auslenkungs-)Information in einer Echtzeitanwendung zu messen, sollte das Kapazitätsmessverfahren eine Störung der Position der MEMS-Einrichtung minimieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kapazitätstestsignal während einer kurzen Zeitspanne (<< 10 ms) angelegt und weist eine kleine Amplitude auf (typischerweise < ein paar Volt).
Die Kapazitätsmessung kann erhalten werden, indem die für einen festgelegten Spannungsabfall benötigte Zeit gemessen wird. Mit anderen Worten ist die gemessene Kapazität gleich: I·Zeit/ΔV, wobei I der Entladestrom ist, Zeit die Zeitdifferenz zwischen Start- und Stoppsignalen ist und ΔV der Spannungsabfall ist. Somit steht die Kapazität in Beziehung mit einer Inversen einer Spannungsänderungsrate oder ΔV/Zeit.
Der Wert des Entlade-(oder Lade-)Stroms kann justiert werden, sodass er zum benötigten Kapazitätsbereich passt und die Impulsdauer kürzer hält als die mechanische Zeitkonstante der MEMS-Einrichtung 110. Bei Verwendung eines kleinen Spannungsabfalls von 0,5 V umfassen typische Werte einen Entladestrom von 16 μA, eine Spannungsdifferenz von weniger als 0,5 V und eine Zeitdifferenz von etwa 25 μs.
Während des Treibermodus gibt die Spannungsquelle 120 eine gewünschte DC-Spannung aus. Wenn die Kapazitätsmessung startet, wird die Spannungsquelle 120 unterbrochen (oder wechselt in einen Zustand mit hoher Impedanz) und der Entladestrom wird an die MEMS-Einrichtung 110 angelegt. Die Spannung am Knoten wird mit einer kleinen Kapazität C1 untersucht und durch den Integrationsverstärker 130 unter Verwendung einer Verstärkung (nur als Beispiel etwa 2 oder 3) verstärkt. Bei einer anderen Implementierung können der Verstärker 130 und die Kapazität C_INT entfernt werden und in diesem Falle beträgt die Verstärkung 1. Der Ausgang des Integrationsverstärkers 130 treibt die abgestimmten Vergleicher 132 und 134, welche die Start- bzw. die Stoppsignale an den Zähler 128 liefern. Nachdem das Stoppsignal erreicht ist, stellt die Treiber- und Kapazitätsmesseinrichtung 100 den Treibermodus wieder her, entfernt den Entladestrom und reaktiviert die Spannungsquelle 120, um das korrekte DC-Niveau am Ausgang wiederherzustellen.
Bei herkömmlichen Kapazitätsmessanwendungen weist ein serieller Widerstandswert der MEMS-Einrichtung allgemein einen wesentlichen Einfluss auf das Messverfahren auf. Der serielle Widerstandswert begrenzt eine Frequenz der angelegten Spannung und/oder die Genauigkeit. Unter Verwendung des Kapazitätsmessansatzes gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Auswirkung des seriellen Widerstands leicht kompensiert werden, indem eine Verzögerung von ein paar μs eingefügt wird, bevor die Vergleicher 132 und 134 aktiviert werden.
Der mit der Anschlusskapazität C_IN verbundene serielle Widerstand erzeugt eine RC-Verzögerung zwischen dem an die MEMS-Kapazität angelegten Stromsignal und dem untersuchten Signal. Da die Kapazität Cm des Eingangsanschlusses relativ klein ist (in der Größenordnung mehrerer zehn pF), kann der Auswirkung des seriellen Widerstands R_S (in der Größenordnung von mehreren 10 kΩ) unter Verwendung einer Verzögerung von ein paar μs leicht Rechnung getragen werden. Bei herkömmlichen Messverfahren wird die RC-Verzögerung durch den seriellen Widerstand R_S und die MEMS-Kapazität (bis zu 800 pF) erzeugt. Die Verzögerung müsste daher zehnmal so lang sein, was Probleme relativ zu der mechanischen Zeitkonstante der MEMS-Einrichtung 110 aufwerfen kann.
Mit Bezug nun auf 4 ist ein Graph gezeigt, der eine Spannung an der MEMS-Einrichtung 110 während einer Kapazitätsmessung zeigt. Vor einem Zeitpunkt t1 liegt die angelegte Spannung bei 30 V. Wenn die Kapazitätsmessung zum Zeitpunkt t1 beginnt, wird der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S3 wird geschlossen. Die Stromquelle liefert einen Entlade-(oder Lade-)Strom. Nach einer Zeitkonstante aus R_S und C_IN wird der Schalter S1 direkt nach dem Zeitpunkt t2 geöffnet. Der Vergleicher erzeugt das Startsignal zum Zeitpunkt t3 und der Vergleicher erzeugt das Stoppsignal zum Zeitpunkt t4. Zum Zeitpunkt t5 wird der Schalter S3 geöffnet, der Schalter S2 wird geschlossen und der Schalter S1 wird geschlossen.
Es ist festzustellen, dass die Kapazitätsmessung bei dem Beispiel von 4 die an die MEMS-Einrichtung 110 angelegte Spannung um weniger als 0,5 V für eine Zeitspanne von weniger als 100 μs verringerte. Da die MEMS-Einrichtung 110 eine Zeitkonstante aufweist, die größer als die Messperiode ist, wird die Auslenkung der MEMS-Einrichtung 110 während des Tests minimiert. Bei diesem Beispiel wird der Arbeitspunkt um 0,5 V über einen Bereich von 30 V oder um weniger als 2% des Spannungsbereichs verstellt.
Mit Bezug nun auf 5 ist ein Graph gezeigt, der die Auslenkung der MEMS-Einrichtung 110 während einer Kapazitätsmessung zeigt. Bei einer anfänglich angelegten Spannung von 20 V verursacht die Kapazitätsmessung eine leichte Bewegung der MEMS-Einrichtung 110 von etwa 0,3 μm, was ein akzeptabler Bewegungsbetrag ist.
Mit Bezug nun auf 6 ist eine weitere Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 160 für die MEMS-Einrichtung 110 gezeigt. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 160 arbeitet auf eine ähnliche Weise, wie es in 3 gezeigt ist. Jedoch wird nur ein einziger Vergleicher 132 verwendet. Bei dieser Implementierung kann der Start des Zählers 128 eingeleitet werden, wenn die Kapazitätsmessung eingeleitet wird (oder eine vorbestimmte Zeitspanne danach). Dann wird das Stoppsignal erzeugt, wenn der Ausgang des Integrationsverstärkers 130 größer als der Schwellenwert V_TH ist. Eine gewisse Kompensation der RC-Verzögerung kann geschätzt werden und bei der Kapazitätsberechnung berücksichtigt werden.
Mit Bezug nun auf 7 ist eine weitere Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 170 für die MEMS-Einrichtung 110 gezeigt. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 170 arbeitet auf ähnliche Weise, wie es in 3 gezeigt ist. Jedoch wird nur ein einziger Vergleicher 132 verwendet. Ein Schwellenwertgenerator 172 erzeugt den ersten Spannungsschwellenwert V_TH. Wenn das Startsignal erzeugt wird, schaltet der Schwellenwertgenerator 172 auf den zweiten Spannungsschwellenwert V_TH + ΔV um. Der Ausgang des Vergleichers 132 wird verwendet, um den Zähler 128 zu starten und zu stoppen. Der Controller 124 kann den Schwellenwertgenerator 172 zum Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert auslösen.
Mit Bezug nun auf 8 ist eine weitere Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 180 für die MEMS-Einrichtung 110 gezeigt. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 180 arbeitet auf ähnliche Weise, wie es in 3 gezeigt ist. Jedoch sind der Integrationsverstärker 130 und zugehörige Elemente entfernt. In diesem Fall werden höhere Spannungsschwellen werte an die Vergleicher 132 und 134 eingegeben, welche den Zähler 128 starten und stoppen.
Es ist festzustellen, dass andere Variationen und Kombinationen der Merkmale in 3 und 6–8 in Betracht gezogen werden.
Mit Bezug nun auf 9 umfasst eine tragbare elektronische Einrichtung 200 einen Kameracontroller 204, der Linsenpositionsbefehle für die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 208 erzeugt. Die tragbare elektronische Einrichtung 200 kann eine Kamera, einen tragbaren digitalen Assistenten, ein Smartphone, ein Handy oder eine andere Einrichtung umfassen. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 208 positioniert eine Linse 206, indem sie eine an die MEMS-Einrichtung 110 angelegte Spannung erzeugt. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 208 misst eine Kapazität der MEMS-Einrichtung, wie hier beschrieben ist, und erzeugt eine gemessene Linsenpositionsinformation für den Kameracontroller 204.
Mit Bezug nun auf 10 umfasst eine elektronische Einrichtung 220 einen Controller 234, der einen Einrichtungsbefehl für eine Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 238 erzeugt. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 238 steuert eine Einrichtung 240 mit einer variablen Kapazität, indem sie auf der Grundlage des Befehls eine angelegte Spannung oder einen angelegten Strom erzeugt. Die Kapazität der Einrichtung 240 variiert mit der angelegten Spannung oder dem angelegten Strom. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung 238 misst die Kapazität der Einrichtung 240, wie es hier beschrieben ist, und erzeugt die gemessene Kapazität und gibt diese an den Controller 234 aus.
Einige der Vorteile des hier beschriebenen Kapazitätsmessansatzes umfassen, dass die MEMS-Einrichtung 110 unter Verwendung eines einzigen Anschlusses sowohl getrieben bzw. angesteuert als auch gemessen wird. Die andere Elektrode der MEMS-Einrichtung 110 kann mit Systemmasse verbunden sein. Zudem kann die Messung in Echtzeit ohne irgendwelche externen Messkomponenten oder Instrumente durchgeführt werden. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung kann in einer Kamera nahe bei der MEMS-Einrichtung 110 angeordnet sein. Als Folge kann eine parasitäre Kapazität aufgrund einer langen Leitung oder einer gedruckten Leiterplatte minimiert werden. Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung erhöht eine parasitäre Kapazität sehr wenig. Eine Kompensation der Auswirkung des seriellen Widerstandswerts (R_S) der MEMS-Einrichtung kann bei der Kapazitätsmessung berücksichtigt werden, indem eine Verzögerung verwendet wird, bevor die Start- und Stopp-Vergleicher aktiviert werden.
Die Verwendung des Integrationsverstärkers 130 ermöglicht einen sehr kleinen Signalabfall am Ausgang, was eine Störung der Position der MEMS-Einrichtung 110 minimiert. Da die Kapazitätsmessung sehr schnell ist und Störungen minimiert, kann eine Echtzeitregelung der MEMS-Auslenkung trotz Hysterese und Veränderungen bei der MEMS-Orientierung durchgeführt werden.
Die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung kann eine Kapazitätsmessung nach jedem Übergang oder mit einer vorgegebenen Auffrischfrequenz automatisch implementieren. Alternativ kann die Treiber- und Kapazitätsmessschaltung die MEMS-Auslenkung unter Verwendung eines Ansatzes mit einem geschlossenen Regelkreis direkt regeln und konfigurieren.
Die breiten Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert sein. Obwohl diese Offenbarung spezielle Beispiele umfasst, soll daher der wahre Umfang der Offenbarung nicht darauf begrenzt sein, da sich dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Modifikationen offenbaren werden.

Claims

Treiber- und Kapazitätsmessschaltung, umfassend: eine Spannungsquelle, die eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten während eines Treibermodus selektiv erzeugt, um eine Kapazität einer Einrichtung zu verändern, die mit dem ersten Knoten verbunden ist und die eine variable Kapazität aufweist; eine Stromquelle, die während eines Messmodus entweder einen Lade- oder einen Entladestrom am ersten Knoten selektiv bereitstellt; eine Kapazitätsberechnungsschaltung, die eine Spannung am ersten Knoten während des Messmodus abtastet, die eine Spannungsänderungsrate des ersten Knotens während des Messmodus bestimmt und die die Kapazität der Einrichtung auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms berechnet.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 1, wobei: die Spannungsquelle die Ausgangsspannung am ersten Knoten während des Messmodus nicht bereitstellt; und die Stromquelle den Lade- oder Entladestrom am ersten Knoten während des Treibermodus nicht bereitstellt.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung eine Einrichtung mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS-Einrichtung) umfasst, wobei die MEMS-Einrichtung vorzugsweise eine Position einer Linse eines Linsenfelds justiert.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 1, wobei: die Kapazität der Einrichtung mit dem Spannungsausgang variiert; und eine Dauer des Messmodus kleiner oder gleich einer mechanischen Zeitkonstante der Einrichtung ist.
Treiber und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 4, wobei: die Spannungsquelle den Spannungsausgang in einem ersten Spannungsbereich variiert; und der Lade- oder Entladestrom den Spannungsausgang um weniger als 2% des ersten Spannungsbereichs verstellt.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung, umfassend: eine Spannungsquelle, die eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten während eines Treibermodus (engl.: driver module) selektiv erzeugt, um eine Position und eine Kapazität einer Einrichtung mit einem mikro-elektromechanischen System (MEMS-Einrichtung) zu verändern, und die die Ausgangsspannung am ersten Knoten während eines Messmodus nicht bereitstellt; eine Stromquelle, die entweder einen Lade- oder einen Entladestrom am ersten Knoten während des Messmodus bereitstellt, und die den Lade- oder Entladestrom während des Treibermodus am ersten Knoten nicht bereitstellt; und eine Kapazitätsberechnungsschaltung, die eine Spannung am ersten Knoten während des Messmodus abtastet, die eine Spannungsänderungsrate des ersten Knotens während des Messmodus bestimmt, und die die Kapazität der Einrichtung auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms berechnet.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 1 oder 6, wobei die Kapazitätsberechnungsschaltung umfasst: einen Controller, der mit der Spannungsquelle und der Stromquelle in Verbindung steht; eine erste Kapazität, die ein Ende aufweist, das mit dem ersten Knoten verbunden ist; einen Integrationsverstärker, der mit einem anderen Ende der ersten Kapazität in Verbindung steht; und einen ersten Vergleicher, der einen Ausgang des Integrationsverstärkers mit einem ersten Spannungsschwellenwert vergleicht, wobei der Controller einen Ausgang des ersten Vergleichers empfängt.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 7, wobei der Controller den Integrationsverstärker eine Zeitspanne lang selektiv zurücksetzt, die beginnt, wenn der Messmodus gestartet wird, und die nach einer Zeitkonstante aus einem seriellen Widerstandswert der Einrichtung und einer Eingangskapazität der Treiber- und Kapazitätsmessschaltung endet.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 7, wobei: die Kapazitätsberechnungsschaltung ferner einen zweiten Vergleicher umfasst, der den Ausgang des Integrationsverstärkers mit einem zweiten Spannungsschwellenwert vergleicht, der sich vom ersten Spannungsschwellenwert unterscheidet; und der Controller den Ausgang des zweiten Vergleichers empfängt und die Spannungsänderungsrate in Ansprechen auf die Ausgänge des ersten und zweiten Vergleichers bestimmt.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 7, wobei: die Kapazitätsberechnungsschaltung ferner eine Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsschwellenwerts umfasst, die den ersten Schwellenwert zu einem ersten Zeitpunkt während des Messmodus und einen zweiten Spannungsschwellenwert, der sich vom ersten Spannungsschwellenwert unterscheidet, zu einem zweiten Zeitpunkt während des Messmodus an den ersten Vergleicher ausgibt; und der Controller den Ausgang des ersten Vergleichers empfängt und die Spannungsänderungsrate in Ansprechen darauf bestimmt.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 6, wobei die MEMS-Einrichtung eine Position einer Linse eines Linsenfelds justiert.
Treiber- und Kapazitätsmessschaltung nach Anspruch 6, wobei: die variable Kapazität der MEMS-Einrichtung mit dem Spannungsausgang variiert; eine Dauer des Messmodus kleiner als eine mechanische Zeitkonstante der MEMS-Einrichtung ist; die Spannungsquelle den Spannungsausgang in einem ersten Spannungsbereich variiert; und der Lade- oder Entladestrom den Spannungsausgang um weniger als 2% des ersten Spannungsbereichs verstellt.
Verfahren zum Treiben und Messen einer Kapazität einer Einrichtung, das umfasst, dass: eine Ausgangsspannung an einem ersten Knoten erzeugt wird, um eine Kapazität der Einrichtung während eines Treibermodus zu verändern, und die Ausgangsspannung an den ersten Knoten während eines Messmodus nicht ausgegeben wird; ein Lade- oder ein Entladestrom am ersten Knoten während des Messmodus bereitgestellt wird und der Lade- oder Entladestrom am ersten Knoten während des Treibermodus nicht ausgegeben wird; eine Spannungsänderungsrate einer Spannung am ersten Knoten während des Messmodus bestimmt wird; und die Kapazität der variablen Kapazität auf der Grundlage der Spannungsänderungsrate und eines Werts des Lade- oder Entladestroms berechnet wird, wobei die Einrichtung vorzugsweise eine Einrichtung mit einem mikro-elektromechanischen System (MEMS-Einrichtung) umfasst, die eine Position einer Linse eines Linsenfelds justiert, und/oder wobei: die variable Kapazität der Einrichtung mit dem Spannungsausgang variiert; eine Dauer des Messmodus kleiner oder gleich einer mechanischen Zeitkonstante der Einrichtung ist, und/oder wobei: die Spannungsquelle den Spannungsausgang in einem ersten Spannungsbereich variiert; und der Lade- oder Entladestrom den Spannungsausgang um weniger als 2% des ersten Spannungsbereichs verstellt.