DE102016200599A1 - MEMS device and method of operation for a MEMS device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine MEMS-Vorrichtung (100; 500), mit einer auf einem Substrat (101) angeordneten Mikrospiegelvorrichtung (112), welche mindestens einen Mikrospiegel (102) aufweist und um mindestens eine Achse (201) aus einer Ruheposition heraus um einen Schwenkwinkel (α) schwenkbar ist; mindestens einem auf dem Substrat (101) angeordneten ersten Anschlag (103, 104); einer Aktuatorvorrichtung (203), ausgebildet, durch Anlegen eines Stroms (I) die Mikrospiegelvorrichtung (112) zu schwenken; einer Messvorrichtung (204), ausgebildet, den Strom (I) zu messen und eine Abhängigkeit einer Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung (112) vom Strom (I) zu messen; einer Erkennungsvorrichtung (205), ausgebildet, eine Anschlagsposition der Mikrospiegelvorrichtung (112) zu erkennen, in welcher die Mikrospiegelvorrichtung (112) um einen maximalen Schwenkwinkel (αmax) geschwenkt ist und mindestens einen ersten Anschlag (103, 104) berührt, falls die Messvorrichtung (204) gemessen hat, dass bei einer Änderung des Stroms (I) keine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung (112) erfolgt und/oder eine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung (112) bei einer Änderung des Stroms (I) sich mindestens um einen vorgegebenen Wert ändert; und einer Berechnungsvorrichtung (206), ausgebildet, eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels (α) vom Strom (I) zu berechnen, anhand der Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung (112) vom Strom (I), der erkannten Anschlagsposition und eines bekannten maximalen Schwenkwinkels (αmax) in der Anschlagsposition.The invention relates to a MEMS device (100; 500) having a micromirror device (112) arranged on a substrate (101), which has at least one micromirror (102) and about a pivot angle about at least one axis (201) from a rest position (α) is pivotable; at least one first stop (103, 104) arranged on the substrate (101); an actuator device (203) configured to pivot the micromirror device (112) by applying a current (I); a measuring device (204) configured to measure the current (I) and to measure a dependence of a pivot position of the micromirror device (112) on the current (I); a recognition device (205), designed to detect a stop position of the micromirror device (112), in which the micromirror device (112) is swiveled by a maximum swivel angle (αmax) and contacts at least one first abutment (103, 104) if the measuring device ( 204) has measured that with a change in the current (I) no change in the pivot position of the micromirror device (112) takes place and / or a change in the pivot position of the micromirror device (112) at a change of the current (I) at least by a predetermined value changes; and a computing device (206) configured to calculate a dependence of the swivel angle (α) on the current (I) on the basis of the dependence of the swivel position of the micromirror device (112) on the current (I), the detected stop position and a known maximum swivel angle (αmax ) in the stop position.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Vorrichtung und ein Betriebsverfahren für eine MEMS-Vorrichtung.The present invention relates to a MEMS device and an operating method for a MEMS device.
Stand der TechnikState of the art
Bei adaptiven Scheinwerfersystemen für Fahrzeuge können Mikrospiegel und entsprechende MEMS-Aktuatoren zur horizontalen Lichtverteilung zur Anwendung kommen. Aus der
Zur exakten Steuerung des Mikrospiegels ist eine genaue Kenntnis des Zusammenhangs zwischen einem an die Leiterschleifen angelegten Antriebsstrom und dem entsprechenden Drehwinkel nötig. Dieser Zusammenhang kann sich jedoch im Laufe der Zeit aufgrund verschiedener Ursachen verändern, beispielsweise bei einer teilweisen Entmagnetisierung des Magneten, welcher das äußere Magnetfeld erzeugt.For exact control of the micromirror, precise knowledge of the relationship between a drive current applied to the conductor loops and the corresponding rotation angle is necessary. However, this relationship can change over time due to various causes, for example, in a partial demagnetization of the magnet, which generates the external magnetic field.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine MEMS-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to a first aspect, the invention provides a MEMS device having the features of
Die vorliegende Erfindung schafft demnach eine MEMS-Vorrichtung, mit einem Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten Mikrospiegelvorrichtung, welche mindestens einen Mikrospiegel aufweist und um mindestens eine Achse herum aus einer Ruheposition heraus um einen Schwenkwinkel schwenkbar ist. Die MEMS-Vorrichtung umfasst weiter mindestens einen auf dem Substrat angeordneten ersten Anschlag und eine Aktuatorvorrichtung, welche ausgebildet ist, durch Anlegen eines Stroms die Mikrospiegelvorrichtung zu schwenken, sowie eine Messvorrichtung, welche ausgebildet ist, den von der Aktuatorvorrichtung angelegten Strom zu messen und eine Abhängigkeit einer Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom zu messen. Eine Erkennungsvorrichtung ist ausgebildet, eine Anschlagsposition der Mikrospiegelvorrichtung zu erkennen, in welcher die Mikrospiegelvorrichtung um einen maximalen Schwenkwinkel geschwenkt ist und mindestens einen ersten Anschlag berührt, falls die Messvorrichtung gemessen hat, dass bei einer Änderung des angelegten Stroms keine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung erfolgt und/oder eine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung bei einer Änderung des angelegten Stroms sich mindestens um einen vorgegebenen Wert bzw. einen vorgegebenen Prozentsatz ändert. Eine Berechnungsvorrichtung ist ausgebildet, eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom zu berechnen, anhand der von der Messvorrichtung gemessenen Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom, der von der Erkennungsvorrichtung erkannten Anschlagsposition und eines bekannten maximalen Schwenkwinkels in der Anschlagsposition.The present invention accordingly provides a MEMS device comprising a substrate, a micromirror device arranged on the substrate, which has at least one micromirror and is pivotable about a pivoting angle about at least one axis out of a rest position. The MEMS device further comprises at least one first stop arranged on the substrate and an actuator device which is designed to pivot the micromirror device by applying a current, and a measuring device which is designed to measure the current applied by the actuator device and a dependency a pivotal position of the micromirror device of the applied current to measure. A detection device is designed to detect a stop position of the micromirror device, in which the micromirror device is pivoted by a maximum pivot angle and touches at least one first stop, if the measuring device has measured that no change in the pivot position of the micromirror device takes place when the applied current changes / or a change in the pivot position of the micromirror device changes with a change in the applied current at least by a predetermined value or a predetermined percentage. A computing device is configured to calculate a dependence of the swivel angle on the applied current, based on the dependence of the swivel position of the micromirror device on the applied current, the stop position detected by the recognition device and a known maximum swivel angle in the abutment position measured by the measuring device.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Betriebsverfahren für eine MEMS-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.According to a further aspect, the invention provides an operating method for a MEMS device having the features of patent claim 7.
Die vorliegende Erfindung schafft demnach ein Betriebsverfahren einer MEMS-Vorrichtung, mit einem ersten Verfahrensschritt des Schwenkens der Mikrospiegelvorrichtung durch Anlegen eines Stroms durch die Aktuatorvorrichtung. Die Messvorrichtung misst den von der Aktuatorvorrichtung angelegten Strom. Die Messvorrichtung misst weiter eine Abhängigkeit einer Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom. Die Erkennungsvorrichtung erkennt eine Anschlagsposition der Mikrospiegelvorrichtung, sobald gemessen wurde, dass bei einer Änderung des angelegten Stroms keine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung erfolgt und/oder eine Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung bei einer Änderung des angelegten Stroms sich mindestens um einen vorgegebenen Wert bzw. einen vorgegebenen Prozentsatz verändert hat. Die Berechnungsvorrichtung berechnet eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom anhand einer von der Messvorrichtung gemessenen Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom, der von der Erkennungsvorrichtung erkannten Anschlagsposition und eines bekannten maximalen Schwenkwinkels in der Anschlagsposition.The present invention accordingly provides an operating method of a MEMS device, comprising a first method step of pivoting the micromirror device by applying a current through the actuator device. The measuring device measures the current applied by the actuator device. The measuring device further measures a dependence of a pivot position of the micromirror device on the applied current. The detection device recognizes a stop position of the micromirror device as soon as it has been measured that no change in the swivel position of the micromirror device occurs when changing the applied current and / or a change in the swivel position of the micromirror device at a change in the applied current at least by a predetermined value or a predetermined percentage has changed. The calculating device calculates a dependence of the swivel angle on the applied current on the basis of a measured dependence of the pivot position of the micromirror device of the applied current, the detected by the recognition device stop position and a known maximum swivel angle in the stop position.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße MEMS-Vorrichtung hat den Vorteil, dass durch die ersten Anschläge wohl definierte Anschlagspositionen der Mikrospiegelvorrichtung gegeben sind. Der maximale Schwenkwinkel ist in diesen Anschlagspositionen beispielsweise durch vorheriges optisches Ausmessen bekannt. Eine Anschlagsposition kann daher als Referenzposition für die genaue Bestimmung einer Winkelauslenkung um einen bestimmten Schwenkwinkel hergenommen werden. Während die Messvorrichtung eine Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von einem Strom messen kann, ohne jedoch eine absolute Skala, das heißt den Zusammenhang zwischen Schwenkstellung und Schwenkwinkel bestimmen zu können, kann dieser Zusammenhang durch die Berechnungsvorrichtung anhand des bekannten maximalen Schwenkwinkels bereitgestellt werden. Dazu kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen, beispielsweise beim Aktivieren der MEMS-Vorrichtung, die Mikrospiegelvorrichtung zuerst in die Anschlagsposition verfahren werden und die Berechnungsvorrichtung kann dann die Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom berechnen. In einem normalen Betriebszustand kann dann für beliebige Schwenkwinkel die Steuerung der Mikrospiegelvorrichtung durch die Aktuatorvorrichtung anhand dieser berechneten Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom durchgeführt werden.The MEMS device according to the invention has the advantage that well-defined stop positions of the micromirror device are given by the first stops. The maximum tilt angle is known in these stop positions, for example, by prior optical measurement. An abutment position can therefore be taken as a reference position for the accurate determination of an angular deflection by a certain pivot angle. While the measuring device a Depending on the pivot position of the micromirror device of a current can measure, but without being able to determine an absolute scale, that is, the relationship between the pivot position and pivot angle, this relationship can be provided by the computing device based on the known maximum pivot angle. For this purpose, for example, at regular intervals, for example, when activating the MEMS device, the micro-mirror device are first moved to the stop position and the calculation device can then calculate the dependence of the pivot angle of the applied current. In a normal operating state, the control of the micromirror device by the actuator device can then be carried out for any pivoting angle on the basis of this calculated dependence of the pivoting angle on the applied current.
Die MEMS-Vorrichtung hat dadurch den Vorteil, dass eine genaue Kenntnis des äußeren angelegten magnetischen Feldes nicht benötigt wird. Wenn sich die Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom im Laufe der Zeit ändert, wie dies aufgrund einer Änderung der Magnetisierung des äußeren Magneten der Fall sein kann, kann durch die Berechnungsvorrichtung die Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom neu berechnet werden. Dadurch ist eine hohe Genauigkeit der Ansteuerung der Mikrospiegelvorrichtung auf einen beliebigen Schwenkwinkel über die gesamte Lebenszeit der MEMS-Vorrichtung gegeben. Die MEMS-Vorrichtung ist dadurch auch für hochsensitive Verfahren, welche ein genaues Einstellen des Schwenkwinkels erfordern, einsetzbar. Die MEMS-Vorrichtung ist insbesondere für Laserbildprojektoren oder Fahrzeugscheinwerfer verwendbar.The advantage of the MEMS device is that exact knowledge of the external applied magnetic field is not required. If the dependence of the swivel angle on the applied current changes over time, as may be the case due to a change in the magnetization of the external magnet, the dependence of the swivel angle on the applied current can be recalculated by the computing device. Thereby, a high accuracy of the driving of the micromirror device is given to an arbitrary swivel angle over the entire lifetime of the MEMS device. The MEMS device can thereby also be used for highly sensitive processes which require precise adjustment of the swivel angle. The MEMS device is particularly useful for laser image projectors or vehicle headlamps.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der MEMS-Vorrichtung ist die Mikrospiegelvorrichtung über mindestens zwei Federelemente mit dem Substrat verbunden. Auf einem ersten Federelement ist eine erste Wheatstone-Halbbrücke angeordnet und auf einem zweiten Federelement ist eine zweite Wheatstone-Halbbrücke angeordnet. Die erste Wheatstone-Halbbrücke und die zweite Wheatstone-Halbbrücke sind zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet. Die Messvorrichtung ist ausgebildet, durch Messen von an der Wheatstone-Vollbrücke anliegenden Spannungen die Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom zu messen. Durch Messen der an der Wheatstone-Vollbrücke anliegenden Spannung kann eine Abhängigkeit der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung von dem angelegten Strom genau bestimmt werden.According to a preferred development of the MEMS device, the micromirror device is connected to the substrate via at least two spring elements. On a first spring element, a first Wheatstone half-bridge is arranged and on a second spring element, a second Wheatstone half-bridge is arranged. The first Wheatstone half bridge and the second Wheatstone half bridge are connected to form a Wheatstone full bridge. The measuring device is designed to measure the dependence of the pivot position of the micromirror device on the applied current by measuring voltages applied to the Wheatstone full bridge. By measuring the voltage applied to the Wheatstone full bridge, a dependence of the slew position of the micromirror device on the applied current can be accurately determined.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der MEMS-Vorrichtung weist die Mikrospiegelvorrichtung eine Trägervorrichtung auf.According to a preferred development of the MEMS device, the micromirror device has a carrier device.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der MEMS-Vorrichtung berührt die Trägervorrichtung mindestens einen ersten Anschlag, falls die Mikrospiegelvorrichtung um einen maximalen Schwenkwinkel geschwenkt ist.According to a preferred development of the MEMS device, the carrier device touches at least one first stop if the micromirror device is pivoted by a maximum pivoting angle.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der MEMS-Vorrichtung weist die Trägervorrichtung mindestens einen zweiten Anschlag auf, und mindestens ein zweiter Anschlag der Trägervorrichtung berührt mindestens einen ersten Anschlag, falls die Mikrospiegelvorrichtung um einen maximalen Schwenkwinkel geschwenkt ist.According to a preferred development of the MEMS device, the carrier device has at least one second stop, and at least one second stop of the carrier device touches at least one first stop, if the micromirror device is pivoted by a maximum pivoting angle.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Vorrichtung eine Winkelmessvorrichtung, welche ausgebildet ist, den maximalen Schwenkwinkel in der Anschlagsposition zu messen.According to a preferred development, the MEMS device comprises an angle measuring device, which is designed to measure the maximum pivot angle in the stop position.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Betriebsverfahren das Schwenken der Mikrospiegelvorrichtung durch die Aktuatorvorrichtung um einen festgelegten Schwenkwinkel durch Anlegen eines Stroms, anhand der berechneten Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom.According to a preferred development, the operating method comprises pivoting the micromirror device by the actuator device by a fixed pivot angle by applying a current, based on the calculated dependence of the pivot angle of the applied current.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Betriebsverfahren das Messen des maximalen Schwenkwinkels in der Anschlagsposition durch die Winkelmessvorrichtung. Der maximale Schwenkwinkel kann beispielsweise bei der Produktion der MEMS-Vorrichtung optisch vermessen werden und ist somit bekannt. Dadurch kann die Berechnungsvorrichtung eine exakte Abhängigkeit des Schwenkwinkels von dem angelegten Strom berechnen.According to a preferred development, the operating method comprises measuring the maximum pivoting angle in the stop position by the angle measuring device. The maximum tilt angle can be optically measured, for example, in the production of the MEMS device and is thus known. This allows the computing device to calculate an exact dependence of the swivel angle on the applied current.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die MEMS-Vorrichtung
Auf dem Substrat
Weiter sind auf der Trägervorrichtung
In
Unterhalb des Substrats
Eine Aktuatorvorrichtung
Wie
Die MEMS-Vorrichtung
Bei einer Änderung der Schwenkstellung der Mikrospiegelvorrichtung
In
In
Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. So kann auch nur ein unterer erster Anschlag
In der in
Die MEMS-Vorrichtung
Die Erkennungsvorrichtung
Die Erkennungsvorrichtung
Die MEMS-Vorrichtung
In
Wie in
In
In einem vierten Schritt S4 erkennt die Erkennungsvorrichtung
In einem fünften Schritt S5 berechnet die Berechnungsvorrichtung
In einem optionalen Schritt S5a kann hierbei zuvor der maximale Schwenkwinkel αmax in der Anschlagsposition durch eine Winkelmessvorrichtung
Weiter kann in einem optionalen Schritt S6 die Aktuatorvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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