DE102018211755A1

DE102018211755A1 - Amplitudenerfassung, amplitudenregelung und richtungserfassung einer schwingung eines schwingkörpers

Info

Publication number: DE102018211755A1
Application number: DE102018211755.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Steiner; Thomas Thurner; Hendrikus VAN LIEROP; Franz Michael Darrer; Marcus Edward Hennecke; Stephan Gerhard Albert
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN110713164A; US10768410B2; CN110713164B; US20200018948A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung und/oder Regelung einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers um eine Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen mindestens einer Elektrode des Schwingkörpers und einer stationären Elektrode stattfindet, weist eine Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Signals, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt, auf. Ferner ist eine Auswerteschaltung vorhanden zum Bestimmen einer Information aus dem Signal, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist, wobei die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers aus der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu berechnen, und/oder die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers unter Verwendung der bestimmten Information und der ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.

Description

Technisches Gebiet
Beispiele der vorliegenden Offenbarung befassen sich mit Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung einer Amplitude, zur Regelung einer Amplitude und/oder zur Erfassung einer Richtung einer Schwingung eines Schwingkörpers, der um eine Schwingungsachse schwingt. Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf entsprechende Vorrichtungen und Verfahren im Zusammenhang mit einem MEMS-Element (MEMS = microelectromechanical system = mikro-elektro-mechanisches System), das einen Körper aufweist, der über eine Aufhängungsstruktur mit einem Träger mechanisch gekoppelt ist, um um eine Schwingungsachse bzw. Rotationsachse zu schwingen.
Hintergrund
Abtast-MEMS-Spiegel werden in zahlreichen Anwendungen, wie z. B. Videoprojektoren, optischen Schaltern für Kommunikationsnetzwerke, Laserdruckern, Laserscannern oder LiDAR-Systemen verwendet. Der Ausdruck „LiDAR“ kann als ein Kunstwort, das aus den Ausdrücken „Licht“ (Licht) und „Radar“ zusammengesetzt ist, betrachtet werden. LiDAR-Verfahren können als Überwachungsverfahren betrachtet werden, die einen Abstand zu einem Ziel messen, indem das Ziel mit gepulstem Laserlicht beleuchtet wird und die reflektierten Pulse mit einem Sensor erfasst werden. Dabei wird Laserlicht auf einen Spiegel gerichtet, der durch einen Spiegelantrieb in Schwingung versetzt wird und den Lichtstrahl nach links und nach rechts ablenkt. Auf diese Weise wird ein Bereich vor dem System durch den Laser abgetastet. Der Winkel zwischen dem äußersten linken und dem äußersten rechten Punkt dieses Bereichs wird als Sichtfeld bezeichnet. Dieser Winkel ist doppelt so groß wie der maximale Ablenkwinkel des Spiegels. Wenn ein Spiegel beispielsweise zwischen -10° und +10° schwingt, wird der Laser zwischen -20° und +20° abgelenkt und das Sichtfeld beträgt 40°. Es ist wünschenswert, ein bestimmtes Sichtfeld sicherzustellen. Das Sichtfeld wird durch die Amplitude der Schwingung, d.h. den maximalen Neigungswinkel der Schwingung, definiert. Daher sollte der Spiegelantrieb eine Einrichtung aufweisen, um den Spiegelneigungswinkel zu erfassen und basierend darauf den maximalen Neigungswinkel oder die Amplitude der Spiegelschwingungen zu regeln. Beispielsweise kann eine bestimmte Anwendung ein Sichtfeld von 40° erfordern. Es ist dann die Aufgabe einer Amplitudenregelung, sicherzustellen, dass sich der Spiegel auf eine solche Art und Weise neigt, dass dieses Sichtfeld mit einer ausreichenden Genauigkeit erreicht wird.
Verschiedene Verfahren wurden implementiert, um solche Spiegel anzutreiben und die Position des Spiegels zu erfassen. Ein solches Verfahren ist ein kapazitiver Antrieb. Bei einem kapazitiven Antrieb wird der Spiegel durch elektrostatische Kräfte angetrieben, die den Spiegel ziehen. Ein Satz von Fingern, der mit dem Spiegel (dem Rotor) verbunden ist, überlappt mit einem Satz von statischen Fingern auf einem Rahmen, dem Stator. Da die Sätze von Fingern die Formen von Kämmen aufweisen, wird dieser Antriebstyp auch als Kammantrieb bezeichnet.
Wenn der Spiegel von seinem höchsten Neigungswinkel einrückt (in Richtung seiner Ruheposition), wird eine konstante Spannung zwischen dem Rotor und dem Stator angelegt, so dass der Rotor durch den Stator angezogen wird. Wenn der Spiegel durch seine Nullposition schwingt, wird die Spannung abgeschaltet und der Spiegel schwingt frei heraus in die entgegengesetzte Stellung. Wenn er beginnt zurückzuschwingen, wird die Spannung wieder eingeschaltet. Die höchste Schwingungsamplitude kann erreicht werden, wenn die Frequenz der Betätigungsspannung gleich dem Doppelten der Resonanzfrequenz des Spiegels ist. Jedoch ist diese Art eines Resonanzbetriebs keine Voraussetzung.
Überblick
Wünschenswert wären Vorrichtungen und Verfahren, die eine Erfassung einer Schwingungsamplitude bzw. Schwingrichtung eines Schwingkörpers ermöglichen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Vorrichtung zur Erfassung und/oder Regelung einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers um eine Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen mindestens einer Elektrode des Schwingkörpers und einer stationären Elektrode stattfindet. Die Vorrichtung weist eine Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Signals, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt, auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Auswerteschaltung zum Bestimmen einer Information aus dem Signal, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist, auf. Die Auswerteschaltung ist ausgelegt, um die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers aus der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu berechnen und/oder die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers unter Verwendung der bestimmten Information und der ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung basieren auf der Erkenntnis, dass es durch die Erfassung eines zeitlichen Abstands eines vorbestimmten Ereignisses von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition möglich ist, die Amplitude der Schwingung unabhängig von Einflußparametern, wie z. B. einem Luftdruck, zu bestimmen und/oder die Amplitude unter Verwendung dieses erfassten zeitlichen Abstands die Amplitude zu regeln. Somit ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung eine genaue Bestimmung der Amplitude auch bei veränderlichen Umgebungsparametern. Ferner ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung eine Kalibrierung der Winkelposition.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Vorrichtung zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, die einen Schwingkörper, eine erste stationäre Elektrode und eine zweite stationäre Elektrode, eine Erfassungsschaltung und eine Auswerteschaltung aufweist. Der Schwingkörper weist zumindest eine bewegliche Elektrode auf. Die erste stationäre Elektrode ist auf einer ersten Seite der Schwingungsachse angeordnet. Bei der Schwingung des Schwingkörpers finden eine erste Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten stationären Elektrode und eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten stationären Elektrode statt. Die Erfassungsschaltung ist ausgelegt, um ein erstes Signal, das ein Maß für die erste Kapazitätsänderung über der Zeit vor einem Durchgang durch eine Referenzposition der Schwingung darstellt, und ein zweites Signal, das ein Maß für die zweite Kapazitätsänderung über der Zeit vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung darstellt, zu erfassen. Die Auswerteschaltung ist ausgelegt, um die Richtung, in der sich der Schwingkörper während der Schwingung vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung bewegt, unter Verwendung des erfassten ersten und zweiten Signals zu bestimmen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es somit, die Bewegungsrichtung eines Schwingkörpers vor einem Durchgang durch eine Referenzposition auf einfache Art und Weise zu bestimmen.
Beispiele der Offenbarung schaffen eine MEMS-Vorrichtung, die eine entsprechende Vorrichtung zur Erfassung einer Amplitude einer Schwingung des Schwingkörpers aufweist, und eine Treibervorrichtung, die ausgelegt ist, um den Schwingkörper anzutreiben, wobei die Treibervorrichtung die Elektrode des Schwingkörpers, die stationären Elektroden und eine Treiberschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine veränderbare Spannung zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und den stationären Elektroden anzulegen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zum Erfassen und/oder Regeln einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers um eine Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen mindestens einer Elektrode des Schwingkörpers und einer stationären Elektrode stattfindet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen eines Signals, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt, über der Zeit; Bestimmen einer Information, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines Zeitpunktes eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist; Bestimmen einer Periode der Schwingung; und Berechnen der Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers basierend auf der bestimmten Information und der Periode der Schwingung und/oder Regeln der Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers unter Verwendung der bestimmten Information und der ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers. Somit ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung eine genaue Bestimmung und/oder Regelung der Amplitude auch bei veränderlichen Umgebungsparametern.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, wobei der Schwingkörper zumindest eine bewegliche Elektrode aufweist, wobei eine erste stationäre Elektrode auf einer ersten Seite der Schwingungsachse und eine zweite stationäre Elektrode auf einer zweiten Seite der Schwingungsachse angeordnet ist, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine erste Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten stationären Elektrode und eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten stationären Elektrode stattfinden, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: Erfassen eines ersten Signals, das ein Maß für die erste Kapazitätsänderung über der Zeit vor einem Durchgang durch eine Referenzposition der Schwingung darstellt; Erfassen eines zweites Signals, das ein Maß für die zweite Kapazitätsänderung über der Zeit vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung darstellt; und Bestimmen der Richtung, in der sich der Schwingkörper während der Schwingung vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung bewegt, unter Verwendung des erfassten ersten und zweiten Signals.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht eines Beispiels einer Vorrichtung zur Erfassung einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers;
2 eine schematische Querschnittansicht entlang einer Linie 2-2 in 1;
3 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel eines MEMS-Abtastspiegels;
4 Diagramme, die die Kapazität zwischen beweglicher Elektrode und stationärer Elektrode von Schwingkörpern über dem Auslenkwinkel φ_x zeigt;
5 ein Diagramm, das einen typischen Verlauf einer Kapazitätsänderung zwischen beweglicher Elektrode und stationärer Elektrode für ein Beispiel eines Schwingkörpers zeigt;
6 bis 8 Diagramme entsprechender Verläufe einer Kapazitätsänderung über der Zeit zur Erläuterung von Beispielen der vorliegenden Offenbarung;
9 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingsachse bewegt;
10 ein Diagramm, dass eine Differenz zwischen Kapazitäten auf zwei unterschiedlichen Seiten einer Schwingungsachse zeigt;
11 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Beispiels eines Schwingkörpers;
12A und 12B schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Schwingbewegung eines Schwingkörpers in einer ersten Richtung;
13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schwingung eines Schwingkörpers in einer zweiten Richtung;
14 ein Diagramm, das eine bei einem Beispiel eines Schwingkörpers erhaltene Kapazitätsänderung über der Zeit darstellt;
15 Diagramme, die Kapazitätsänderungen über der Zeit zwischen beweglicher Elektrode und stationärer Elektrode auf unterschiedlichen Seiten der Schwingungsachse zeigt;
16A und 16B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Beispiels eines mehrschichtigen Systems;
17A und 17B Kapazitätsverläufe bei einer Schwingung des in den 16A und 16B gezeigten Beispiels;
18 eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels eines mehrschichtigen Systems;
19 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Erfassung eines Maßes für die Kapazitätsänderung bei einem Beispiel;
20 schematische Diagramme von Kapazitätsänderungen unterschiedlicher Schichten des in 19 gezeigten Beispiels;
21 schematische Diagramme von Kapazitätsänderungen von Schichten des in 20 gezeigten Beispiels;
22 schematische Diagramme von Kapazitätsänderungen und einem Antriebssignal;
23 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Phasenversatzes; und
24 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels einer Berechnung einer Amplitudenschwingung aus der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, sind gegeneinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Erfassung und Regelung einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers 10. Der Schwingkörper 10 ist um eine Schwingungsachse R schwingbar bzw. drehbar. Der Schwingkörper 10 kann beispielsweise einen Spiegel 12 aufweisen. Der Schwingkörper 10 weist ferner einen Trägerbalken 14 auf, der den Spiegel 12 trägt. Der Trägerbalken 14 ist über Torsionsbalken 16 an einem Trägerrahmen 18 gelagert. Die Torsionsbalken 16 ermöglichen eine Schwingung des Schwingkörpers 10 um die Schwingungsachse R. Der Schwingkörper weist mindestens eine bewegliche Elektrode auf, die einer stationären Elektrode gegenüberliegt. Bei dem gezeigten Beispiel weist der Schwingkörper 10 Kammelektroden 20 mit Elektrodenfingern auf, die mit Elektrodenfingern stationärer Kammelektroden 22 interdigital angeordnet sind und einen Kammantrieb bilden. Die stationären Kammelektroden 22 können beispielsweise an dem Trägerrahmen 18 stationär befestigt sein. Jeweilige Elektrodenflächen der Kammelektroden 20 und 22 liegen sich gegenüber, so dass eine Kapazität zwischen denselben gebildet ist. Wenn der Schwingkörper 10 um die Schwingungsachse R schwingt, findet eine Kapazitätsänderung der Kapazität zwischen den Kammelektroden 20 des Schwingkörpers und den stationären Kammelektroden 22 statt. Die Kammelektroden 22 stellen somit Elektroden des Rotors dar, während die Kammelektroden 22 Elektroden des Stators darstellen.
Die Vorrichtung weist eine Schaltung 24 auf, die eine Erfassungsschaltung 26 und eine Auswerteschaltung 28 aufweist. Wie in 1 schematisch gezeigt ist, ist die Schaltung 24 mit den Elektroden elektrisch verbunden, um ein Signal, das ein Maß für die Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden darstellt, zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungsschaltung 26 ausgelegt sein, um einen Strom zwischen den Kammelektroden 20, 22 zu messen, wobei der Strom ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt. Die Auswerteschaltung 28 ist ausgelegt, um aus dem durch die Erfassungsschaltung 26 erfassten Signal eine Information zu bestimmen, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers 10 entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist. Die Auswerteschaltung 28 ist ausgelegt, um die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers 10 aus der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers 10 zu berechnen und/oder um die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers 10 unter Verwendung der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Teil des in 1 gezeigten Kammantriebs, der durch die Linie 2-2 markiert ist. Wie in 2 gezeigt ist, kann die in der x-y-Ebene zur Schwingungsachse symmetrische Kammelektrode 22 in der x-z-Ebene bezüglich der Schwingungsachse R asymmetrisch angeordnet sein. D.h. der Mittelwert in z-Richtung der sich aus den beiden Enden einer Kammelektrode 22 ergibt (Mittelschwerpunkt), ist in Ruheposition (Auslenkung 0°) versetzt zu der Schwingungsachse R.
Die Kammelektroden 20, 22 bilden einen kapazitiven Antrieb, durch den der Schwingkörper 10 angetrieben werden kann, indem periodisch eine konstante Spannung zwischen Rotorelektrode 20 und Statorelektrode 22 angelegt wird, so dass der Rotor durch den Stator angezogen wird, wenn er sich in einem ausgelenkten Zustand befindet. Wenn der Spiegel von seinem höchsten Neigungswinkel einrückt (in Richtung seiner Ruheposition), wird eine konstante Spannung zwischen dem Rotor und dem Stator angelegt, so dass der Rotor durch den Stator angezogen wird. Wenn der Spiegel durch seine Nullposition schwingt, wird die Spannung abgeschaltet und der Spiegel schwingt frei heraus in die entgegengesetzte Stellung. Wenn er beginnt zurückzuschwingen, wird die Spannung wieder eingeschaltet. Die höchste Schwingungsamplitude kann erreicht werden, wenn die Frequenz der Betätigungsspannung gleich dem Doppelten der Resonanzfrequenz des Spiegels ist. Jedoch ist diese Art eines Resonanzbetriebs keine Voraussetzung. Die Schaltung 24 kann eine Antriebsschaltung 30 aufweisen, um entsprechende Spannungen zwischen den Rotorelektroden 20 und den Statorelektroden 22 anzulegen. Die Auswerteschaltung 28 kann ausgelegt sein, um die Antriebsschaltung 30 zu steuern oder zu regeln, um eine Zielschwingungsamplitude der Schwingung des Schwingkörpers zu erhalten.
Bei Beispielen kann der Schwingkörper 10 in einem Substrat gebildet sein, in dem auch der Trägerrahmen 18 gebildet ist. Bei Beispielen können die Elektroden 20, 22 aus einem dotierten Halbleitermaterial bestehen. Bei Beispielen können sowohl die Rotorelektroden 20 als auch die Statorelektroden 22 mehrere übereinander angeordnete leitende Schichten aufweisen, die jeweils durch eine isolierende Schicht getrennt sein können.
Ein alternatives Beispiel eines MEMS-Abtastspiegels ist in 3 gezeigt. Das in 3 gezeigte Beispiel weist einen Schwingkörper 10a auf, der über Torsionsbalken 16a an einem Trägerrahmen 18a gelagert ist, so dass er um eine Schwingungsachse R schwingbar ist. Ein Spiegel 12a des Schwingkörpers 10a ist wiederum an einem Trägerbalken 14a gelagert. An dem Trägerbalken 14a sind ferner wiederum bewegliche Kammelektroden angebracht, die zusammen mit stationären Kammelektroden an dem Trägerrahmen 18a einen Kammantrieb 32 bilden. Zur Erhöhung der Stabilität ist bei dem gezeigten Beispiel der Trägerbalken 14a ferner über Blattfedern 34 und Entlastungsfedern 36 mit dem Trägerrahmen 18a mechanisch gekoppelt. Bei dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die Rotationsachse in der x-Richtung, die Blattfedern 34 erstrecken sich in der y-Richtung, und Federbalken der Entlastungsfedern 36 erstrecken sich in der x-Richtung. Die Torsionsbalken 16a erstrecken sich in der x-Richtung, so dass der Schwingkörper 10a um die Schwingungsachse R schwingbar ist.
Die in den 1 und 3 gezeigten Beispiele sind lediglich beispielhaft für mögliche Ausgestaltungen von Schwingkörpern und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese begrenzt. Beispiele der vorliegenden Offenbarung verwenden einen Schwingkörper, der um eine Schwingungsachse schwenkbar ist, wobei solche Schwingkörper auch als 1D-Schwingkörper bezeichnet werden. Beispiele der Offenbarung können auch auf Schwingkörper mit mehr als einer Schwingungsachse angewendet werden, beispielsweise Schwingkörper mit zwei Schwingungsachsen, sogenannte 2D-Schwingkörper.
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung Bezug nehmend auf Spiegel beschrieben. Andere Beispiele können sich auf andere MEMS-Bauelemente beziehen, die einen Schwingkörper aufweisen, beispielsweise einen Schwingkörper, der ausgebildet ist, um auf ein Fluid einzuwirken, um beispielsweise einen Lüftungseffekt zu erreichen, oder um einen Fluidweg zu öffnen und zu schließen.
Beispiele weisen einen kapazitiven Antrieb auf, der gleichzeitig verwendet werden kann, um eine Erfassung durchzuführen. Die Erfassung kann mehreren Zwecken dienen:

- um zu erfassen, wann die Antriebsspannung ein- und auszuschalten ist;
- um zu bestimmen, in welche Richtung der Spiegel zu jeder bestimmten Zeit zeigt, d.h. links/rechts;
- als Eingangssignale für eine Regelschleife, die eine gewünschte Schwingungsamplitude sicherstellt; und
- optional auch zur Überwachung der Unversehrtheit des Spiegels.

Zur Erfassung könnte bei einem kapazitiven Antrieb die Kapazität gemessen werden, um den Neigungswinkel des Spiegels zu erfassen. 4 zeigt typische Kurven für die Kapazität eines Kammantriebs abhängig vom Neigungswinkel. Die Kurve 40 zeigt dabei die Kapazität einer Reihe von Fingern, die weiter entfernt von der Schwingungsachse angeordnet sind, während Kurve 42 die Kapazität einer Reihe von Fingern zeigt, die näher an der Schwingungsachse angeordnet sind. Wie Kurve 40 zeigt, nimmt die Kapazität schnell ab, wenn sich der Schwingkörper von dem Nullwinkel wegbewegt, und erreicht 0 bei kleineren Winkeln als eine Reihe von Fingern, die näher an der Achse angeordnet ist, wie durch die Kurve 42 gezeigt ist. Kurve 44 in 4 zeigt die Gesamtkapazität eines Kammantriebs mit zwei entsprechenden Reihen von Fingern und ist eine Überlagerung der Kurven 40 und 42. Ein Beispiel eines Kammantriebs mit zwei Reihen von Fingern, von denen eine näher an einer Schwingungsachse liegt als die andere, wird nachfolgend Bezug nehmend auf 11 beschrieben.
Eine Messung der Kapazität eines Kammantriebs ermöglicht dem Grunde nach eine Abschätzung des Neigungswinkels des Spiegels. Basierend darauf kann der maximale Neigungswinkel des Spiegels auf einen gewünschten Wert geregelt werden. Hier existieren jedoch zwei Unzulänglichkeiten. Da die Kapazitätskurve symmetrisch ist, ist es nicht möglich, die Richtung, in die der Spiegel geschwenkt ist, zu erfassen, links oder rechts. Ferner wird zu größeren Winkeln hin die Kapazität 0, so dass keine Erfassung mehr möglich ist. Beispiele der vorliegenden Offenbarung liefern eine Möglichkeit, den genauen Neigungswinkel unabhängig von Umgebungsbedingungen zu erfassen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird als Signal, das ein Maß für eine Kapazitätsänderung darstellt, ein Ladestrom über die jeweilige Kapazität gemessen. Dies ermöglicht die Erfassung auf einfache Art und Weise. Es kommt jedoch nicht auf ein spezielles Verfahren zum Erfassen der Kapazitäten, um daraus eine Kapazitätsänderung abzuleiten, an. Als Maß für die Kapazitätsänderung kann die zeitliche Ableitung der Kapazität erfasst werden, was bei Beispielen erfolgt, indem der gesamte Ladestrom der Kapazitäten gemessen wird. Der Ladestrom jedes Kondensators kann abgeleitet werden als: $I = \frac{d Q}{d t} = \frac{d}{d t} C U = U \frac{d C}{d t} + C \frac{d U}{d t} = U \frac{d C}{d t}$
wobei das letzte Gleichheitszeichen gilt, wenn die Betätigungsspannung U im eingeschalteten Zustand konstant über die Zeit ist. Es sei bemerkt, dass während der Zeiten, zu denen die Betätigungsspannung ausgeschaltet ist, der Ladestrom 0 beträgt.
Ein Diagramm eines typischen Ladestroms ist in 5 gezeigt. Die 5 bis 8, 14, 15, und 20 bis 23 zeigen jeweils die Ableitung der Kapazität über der Zeit, die multipliziert mit der Betätigungsspannung U dem Ladestrom entspricht. Da die Spannung im eingeschalteten Zustand konstant ist, stellt der Ladestrom ein Maß für die Kapazitätsänderung dar. Bei Beispielen wird die Ableitung der Kapazität über der Zeit durch die Messung eines Stroms zwischen zwei Elektroden erfasst.
Am Beginn der in 5 gezeigten Kurve, zum Zeitpunkt -100 µs, schwingt der Spiegel von der äußersten Stellung, in der die Finger des Kammantriebs nicht in Eingriff sind, einwärts. Wenn die Finger beginnen, Eingriff zu nehmen, beginnt sich die Kapazität des Kammantriebs aufzubauen und der Ladestrom nimmt schnell zu. In einem bestimmten Zeitbereich nimmt die Kapazität nahezu linear zu und der Ladestrom erreicht währenddessen bei 50 ein Plateau. Gerade bevor der Spiegel durch den Winkel von null Grad schwingt, fällt der Ladestrom rapide ab und bei 0° hat er einen Nulldurchgang und wechselt das Vorzeichen. Kurze Zeit nach dem Nulldurchgang wird die Betätigungsspannung abgeschaltet und der Ladestrom geht nach der durch C*dU/dt verursachten Spitze ebenfalls auf 0 Ampere.
Es ist eine wichtige Eigenschaft der Ableitung der Antriebskapazität, dass ihr Nulldurchgang direkt den Nulldurchgang des Spiegels anzeigt. Der Nulldurchgang des Spiegels ist die Stellung des Spiegels, bei der der Auslenkungswinkel desselben 0° beträgt. Der Zeitpunkt der Nulldurchgänge des Spiegels kann somit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass bei Beispielen der Antrieb des Schwingkörpers eine Mehrzahl von beweglichen und stationären Kammelektroden aufweisen kann, von denen jeweils zwei ein Paar bilden, zwischen denen der Ladestrom gemessen wird. Bei Beispielen werden alle gemessenen Ladeströme addiert, um das Signal, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt, zu erfassen.
Wie erwähnt wurde, wird bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung der Ladestrom gemessen, um die Kapazitätsänderung zu bestimmen. Es sei jedoch angemerkt, dass die Kapazitätsänderung auch auf andere Weise gemessen werden könnte. Beispielsweise könnte eine separate Spule mit einer Induktivität L eines LC-Oszillators mit einer Frequenz von $f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}; \frac{d f}{d t} = - \frac{1}{4 π C \sqrt{L C}} \frac{d C}{d t}$
eingestellt werden. Ein Vorteil eines solchen Lösungsansatzes wäre, dass die Kapazität des Kammantriebs zu allen Zeiten unabhängig von der Betätigungsspannung gemessen werden könnte. Jedoch müsste die Ableitung explizit berechnet werden, während die gemessenen Ladeströme bereits die Ableitung darstellen.
Eine einfache Möglichkeit, um die Amplitude des Spiegels zu messen und zu regeln, bestünde darin, die Höhe des Plateaus 50, d. h. den Maximalwert zu messen. Dieser Wert stellt die Geschwindigkeit des Spiegels gerade vor dem Nulldurchgang dar. Nachdem sich der Spiegel mit dieser Geschwindigkeit durch den Nulldurchgang bewegt, schwingt er in die entgegengesetzte Stellung heraus. Der maximale Neigungswinkel, der durch den Spiegel erreicht wird, hängt direkt von der Geschwindigkeit des Spiegels an dem Nulldurchgang ab. Wenn die Geschwindigkeit und somit der maximale Wert des Ladestroms von einem Zyklus zu dem nächsten konstant gehalten wird, ist der maximale Neigungswinkel des Spiegels ebenfalls konstant. Ungünstigerweise hängt jedoch bei einer gegebenen Spiegelgeschwindigkeit der maximale Neigungswinkel auch von Umgebungsbedingungen ab. Wenn der Luftdruck zunimmt, nimmt die Dämpfung zu, so dass der Spiegel bei einer gleichen Nulldurchgangsgeschwindigkeit nicht mehr den gleichen maximalen Neigungswinkel erreicht.
Alternativ könnten Werte des Ladestroms zu zwei vordefinierten Zeitpunkten gemessen werden, einer an der steigenden Flanke und einer an der fallenden Flanke des Pulses. Die Differenz zwischen den zwei Strömen, die zu diesen zwei Zweiten gemessen werden, ist ein Maß des maximalen Neigungswinkels des Spiegels. Dieses Verfahren wäre jedoch unzulänglich, da der Zeitpunkt der Messungen sehr exakt sein müsste. Da die Flanken sehr schnell steigen und fallen, hat ein kleiner Fehler der Zeitpunkte, zu denen gemessen wird, einen großen Fehler in den Strommessungen zur Folge.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung nutzen bestimmte Eigenschaften der Kapazitätsableitungskurven aus, um den maximalen Neigungswinkel des Spiegels, also die Amplitude desselben, abzuschätzen und/oder zu regeln. Es wurde erkannt, dass in Kapazitätsableitungskurven kapazitiv angetriebener Schwingkörper vorbestimmte Ereignisse auftreten, deren Zeitpunkt einer speziellen Winkelposition des Schwingkörpers entsprechen. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann dieses vorbestimmte Ereignis beispielsweise ein Maximum eines Pulses der Kapazitätsableitungskurve sein, eine ansteigende Flanke des Pulses der Kapazitätsableitungskurve oder eine Position des Pulses der Kapazitätsableitungskurve sein. Es handelt sich in diesem Beispiel somit um ein vorbestimmtes Ereignis, bei einer Winkelposition, die zwischen dem Nulldurchgang und der maximalen Auslenkung liegt. Der zeitliche Abstand dieses vorbestimmten Ereignisses von einem anderen Ereignis, nämlich einem Durchgang des Schwingkörpers durch eine Referenzposition, stellt ein Maß für die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers dar. Die Referenzposition kann bei Beispielen der Nulldurchgang der Schwingung des Schwingkörpers sein. Bei Beispielen kann dieser Durchgang durch die Referenzposition einem Zeitpunkt entsprechen, zu dem eine abfallende Flanke in dem Puls unter eine Schwelle fällt, oder einem Zeitpunkt, zu dem die Kapazitätsableitungskurve einen Nulldurchgang hat. Dieser Nulldurchgang kann dem tatsächlichen Nulldurchgang der Schwingung entsprechen.
Bei Beispielen der Offenbarung wird der Zeitpunkt steiler Flanken in der zeitlichen Ableitung der Kapazitätskurve gesucht. Die vorliegende Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass bestimmte Ereignisse in den Ableitungen bestimmten Neigungswinkeln des Spiegels entsprechen. In anderen Worten heißt das, dass, wenn ein solches Ereignis erfasst wird, es bekannt ist, dass der Spiegel zu diesem Zeitpunkt einen bestimmten Neigungswinkel erreicht hat. Von diesem Zeitpunkt relativ zu dem Zeitpunkt einer Referenzposition des Spiegels kann der maximale Neigungswinkel für die momentan vorliegende Schwingung, d.h. die Amplitude, des Spiegels unter Berücksichtigung der aktuellen Periodendauer der Schwingung berechnet werden. Bei Beispielen ist die Referenzposition eine Auslenkung des Spiegels von 0° und der Durchgang durch die Referenzposition ist der Nulldurchgang. Bei anderen Beispielen könnte eine Referenzposition auch ein Maximalwert der Kapazitätsableitung bzw. ein Wendepunkt der Kapazitätsableitung sein.
Wenn eine spezielle Schwingungsamplitude erforderlich ist, ist es alternativ möglich, den erwarteten Zeitpunkt des bestimmten Ereignisses vorab zu berechnen, wobei eine Amplitudenregelung dann konfiguriert sein kann, durch geeignete Steuerung sicherzustellen, dass das Ereignis zu dem erwarteten Zeitpunkt stattfindet. Bei Beispielen kann somit abhängig von der bestimmten Information und der Schwingungsdauer direkt die Amplitude der Schwingung geregelt werden. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der Kammantrieb eine oder mehrere Schichten aufweisen, wie im Nachfolgenden noch erörtert wird.
Bei Beispielen ist das vorbestimmte Ereignis einer von Null verschiedenen Winkelposition zugeordnet, wobei eine Winkelposition von Null einem Ruhezustand des Schwingkörpers entspricht. Bei Beispielen ist das vorbestimmte Ereignis somit ein von einem Nulldurchgang der Schwingung verschiedenes Ereignis. Ferner ist bei Beispielen das vorbestimmte Ereignis ein von dem Erreichen der maximalen Auslenkung verschiedenes Ereignis.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist das vorbestimmte Ereignis eine ansteigende Flanke eines Pulses, der in dem Ladesignal auftritt, bevor der Spiegel seine Nullstellung passiert. Bei Beispielen kann diese ansteigende Flanke erfasst werden, indem das Signal mit einer Schwelle verglichen wird. Der zeitliche Abstand der Position, an der das Signal die Schwelle übersteigt und des Nulldurchgangs des Signals kann dann die erfasste Information darstellen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist die Auswerteschaltung ausgelegt, um eine Pulsbreite 64 des Pulses 60 in dem Signal vor einem Durchgang durch die Referenzposition (Nulldurchgang) der Schwingung zu ermitteln, wobei die Pulsbreite die erfasste Information darstellt. Ein solches Beispiel wird nun Bezug nehmend auf 6 erläutert. Dabei kann zunächst ein Maximalwert 62 des Ladestroms 60 gemessen werden. Aus diesem kann eine Schwelle abgeleitet werden, die beispielsweise die Hälfte des Maximalwerts beträgt. Der Puls des Ladestroms kann dann mit dieser Schwelle verglichen werden und daraus die Pulsbreite ermittelt werden. Bei Beispielen kann somit die Auswerteschaltung ausgelegt sein, um einen Maximalwert des Signals zu messen, eine Schwelle unter Verwendung des Maximalwerts festzulegen, einen Schwellwertvergleich des Signals mit der Schwelle durchzuführen und die Pulsbreite unter Verwendung des Ergebnisses des Schwellwertvergleichs zu ermitteln.
Bei Beispielen kann somit das vorbestimmte Ereignis das Einsetzen der Zunahme der Kapazität, d. h. die ansteigende Flanke, sein, was den Start der beginnenden Eingriff der Finger des Kammantriebs anzeigt. Dieses Ereignis tritt immer bei dem gleichen Winkel auf und hängt nur von dem Entwurf des Kammantriebs ab. Es ist vollständig unabhängig von Druck, Temperatur oder Feuchtigkeit. Da die ansteigende Flanke sehr steil ist, ist der exakte Wert der Schwelle nicht kritisch, da er einen geringen Einfluss auf die Messzeit hat.
Das zweite Ereignis, das den Durchgang des Schwingkörpers durch die Referenzposition der Schwingung anzeigt, kann die fallende Flanke des Pulses 60 sein. Bei Beispielen kann die Auswerteschaltung somit ausgelegt sein, um die Pulsbreite 64 zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem Signal wieder unter die Schwelle fällt, zu ermitteln. Die Pulsbreite kann dann die Information darstellen, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines vorbestimmten Ereignisses, d. h. der ansteigenden Flanke, in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist.
Bei Beispielen kann das zweite Ereignis auch der wirkliche Nulldurchgang des Ladestroms sein, wobei dieser wirkliche Nulldurchgang eine genauere Anzeige des Nulldurchgangs des Spiegels ist, wie in 7 gezeigt ist. Als vorbestimmtes Ereignis kann dabei ein leicht zu findender Punkt 66 auf der ansteigenden Flanke des Pulses 60 sein, beispielsweise ein Überschreiten einer vorbestimmten Schwelle. Das zweite Ereignis ist dann der tatsächliche Nulldurchgang 68 des Ladestroms. Bei Beispielen kann somit die Auswerteschaltung ausgelegt sein, um eine Pulsbreite zwischen einem ersten Zeitpunkt 66, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt 68, zu dem das Signal nach dem ersten Zeitpunkt einen Durchgang durch die Referenzposition hat, zu ermitteln.
Bei Beispielen kann auch der Position des Pulses das bestimmte Ereignis sein. Die Position kann als der Mittelwert der zwei Zeitpunkte, zwischen denen der Puls die Schwelle überschritten hat, abgeleitet werden. Der Mittelwert zeigt den Zeitpunkt an, zu dem der Rotor sich von oben in die obere Schicht hineinbewegt, wenn die Elektroden mehrere übereinander angeordnete Schichten aufweist. Dies ist ein sehr gut definierter Zeitpunkt und entspricht einem speziellen Winkel, der unabhängig von Umgebungseinflüssen ist.
Wenn eine höhere Genauigkeit erwünscht ist und ausreichend Rechenleistung zur Verfügung steht, kann auch ein komplexeres Schema implementiert werden. Bei einem Beispiel kann eine Modellkurve 70, siehe 8, an die gemessene Kurve 72, die dem Puls 60 entspricht, angepasst werden. Die Modellkurve kann im Wesentlichen eine Kurve sein, die beim Hersteller oder im Labor gemessen wurde. Da die Form der Kurve nur sehr wenig variiert, ist es ausreichend, nur drei Parameter anzupassen, die zeitliche Position, die Breite und die Höhe der Kurve, um die Modellkurve 70 an die gemessene Kurve 72 anzupassen. Aus der Breite kann der maximale Neigungswinkel ermittelt werden. Der Vorteil eines solchen Verfahrens kann darin bestehen, dass viele Messungen zu der Gesamtabschätzung der Breite beitragen können, was die Genauigkeit stark erhöhen kann. Jedoch erhöht dies auch stark die erforderliche Rechenleistung. Bei Beispielen kann die Auswerteschaltung somit ausgelegt sein, um die Pulsbreite durch Anpassung einer Modellkurve an das gemessene Signal zu ermitteln.
Bei Beispielen kann die Schaltung 30 ferner eine Überwachungseinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um einen Maximalwert des Signals zu erfassen, um zu überprüfen, ob der Maximalwert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Maximalwert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt. Somit kann bei Beispielen der Maximalwert, beispielsweise der Maximalwert 62 in 6, oder die Höhe der Modellkurve, verwendet werden, um die Unversehrtheit des Spiegels zu überwachen. Wenn dieser Wert innerhalb bestimmter Grenzen bleibt, kann ein ordnungsgemäßer Betrieb des Spiegels sichergestellt sein. Ein Wert außerhalb dieser Grenzen zeigt an, dass der Spiegel nicht wie erwartet schwingt. Bei Beispielen kann die Schaltung 30 ausgelegt sein, um eine Warnung, beispielsweise ein akustisches oder optisches Signal, auszugeben, wenn der Maximalwert nicht innerhalb der bestimmten Grenzen liegt.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung gewinnt die Auswerteschaltung somit eine Zeitinformation aus dem erfassten Ladestrom. Aus der Zeitinformation sowie einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers kann die Amplitude der Schwingung berechnet werden. Die Periode der Schwingung des Schwingkörpers kann dabei aus den Nulldurchgängen der Schwingung, d. h. den Nulldurchgängen des Ladestroms, ermittelt werden. Beispielsweise beträgt bei den 6 bis 8 die Periode der Schwingung 200 µs. Bei dieser Ermittlung der Periode ist zu berücksichtigen, dass der Ladestrom bei Abschalten der Betätigungsspannung jeweils Null wird.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 24 beispielhaft erläutert, wie die gewonnene Zeitinformation und die Schwingungsdauer mit der Amplitude der Schwingung zusammenhängen. 24 zeigt eine erste Schwingung 74 mit einer Amplitude Ampl_1 und eine zweite Schwingung 76 mit einer Amplitude Ampl_2. Die Amplitude Ampl_2 ist größer als die Amplitude Ampl_1. Aus der Darstellung in 24 ist zu erkennen, wie die Zeit von einem Referenzwinkel φ_ref zum Nulldurchgang Δt_1 bzw. Δt_2 von der Amplitude Ampl_1 bzw. Ampl_2 und der Periodendauer T_periode abhängt. Je größer das Verhältnis von Amplitude zu Referenzwinkel Ampl/ <p_ref ist, desto kleiner ist das Verhältnis Δt/T_periode. Wenn das Verhältnis Δt/T_periode auf einen Sollwert geregelt wird, kann dadurch eine Soll-Amplitude erreicht werden. Für sinusförmige Schwingungen gilt: $φ_ref = Ampl*sin (2 π * Δ t/T_periode),$
wobei 2π eine volle Schwingung darstellt. Aus der Zeitinformation Δt und der Schwingungsperiode kann somit die Amplitude berechnet werden. Ferner kann basierend auf der ermittelten Amplitude eine bestimmte Amplitude eingestellt werden, mit dem Sollwert: $Δ t/T_periode = 2 π∗ asin (φ_ref/Ampl) .$
Asin (x) stellt dabei die inverse Sinusfunktion dar. Im linearisierbaren Bereich der Sinuskurve, wenn φ_ref << Ampl, gilt näherungsweise: $Δ t/T_periode = 2 π∗φ_ref/Ampl .$
Wenn die Schwingung des Spiegels nicht exakt sinusförmig ist, dann muss der Sollwert des Verhältnisses Δt/T_periode durch Experimente bzw. durch spiegelindividuelle Trimmung gefunden werden.
Es ist somit offensichtlich, wie auf der Grundlage der erfassten Zeitinformation und der Periode der Schwingung des Schwingkörpers die Amplitude des Schwingkörpers berechnet bzw. geregelt werden kann. Bei Beispielen kann ein Speicher vorgesehen sein, wie z.B. in der Schaltung 30, in dem entsprechende Zusammenhänge zwischen Zeitinformation, Schwingungsdauer und Schwingungsamplitude gespeichert sind, auf den zugegriffen werden kann, um die Schwingungsamplitude zu berechnen. Bei Beispielen kann der Speicher alternative oder zusätzlich entsprechende Zusammenhänge für Antriebsparameter enthalten, die es ermöglichen, die Schwingungsamplitude auf eine Zielamplitude zu steuern oder zu regeln. Dazu kann beispielsweise der Betrag der Betätigungsspannung oder ein Phasenversatz zwischen Betätigungsspannung und Schwingung des Schwingkörpers eingestellt werden.
Um eine glatte und symmetrische Schwingung des Spiegels sicherzustellen, ist der Kammantrieb normalerweise derart entworfen, dass er bezüglich der Rotationsachse symmetrisch ist. Dies bedeutet jedoch, dass die Gesamtkapazitätskurve und folglich der Gesamtladestrom ebenfalls symmetrisch sind und es nicht möglich ist, zu erfassen, in welche Richtung der Spiegel zeigt. In anderen Worten ist es möglich, den Neigungswinkel zu erfassen, nicht jedoch sein Vorzeichen, wenn der Kammantrieb symmetrisch bezüglich der Schwingungsachse ist.
Wenn die Ladeströme der linken Seite und der rechten Seite, bezüglich der Schwingungsachse, des Kammantriebs unabhängig gemessen werden, kann eine bestimmte Asymmetrie beobachtet werden, während die Summe der zwei Ladeströme symmetrisch ist. Diese Asymmetrie kann von der Tatsache stammen, dass die Schwingungsachse nicht strikt im Schwerkraftzentrum des Kammantriebs angeordnet ist. Ihre Position wird durch den Spiegel und die Spiegelbewegung stark beeinflusst.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung nutzen diese Tatsache aus, um eine Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, zu erfassen.
9 zeigt schematisch einen Schwingkörper 100, der um eine Schwingungsachse R schwingt. Bewegliche Elektroden 102 des Schwingkörpers sind schematisch dargestellt. Ferner sind in 9 schematisch eine erste stationäre Elektrode 104, die auf einer ersten Seite der Schwingungsachse R angeordnet ist, und eine zweite stationäre Elektrode 106, die auf einer zweiten Seite der Schwingungsachse angeordnet ist, dargestellt. Eine Schwingung des Schwingkörpers 100 hat eine erste Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 102 und der ersten stationären Elektrode 104 und eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode 102 und der zweiten stationären Elektrode 106 zur Folge. Die bewegliche Elektrode 102 kann dabei eine einzige Elektrode oder mehrere separate Elektroden aufweisen. Die bewegliche Elektrode 102 und die stationären Elektroden 106 sind über in 9 schematisch dargestellte Leitungen L mit einer Schaltung 110 elektrisch verbunden. Die Schaltung 110 weist eine Erfassungsschaltung 112 und eine Auswerteschaltung 114 auf. Die Erfassungsschaltung 112 ist ausgelegt, um ein erstes Signal, das ein Maß für die erste Kapazitätsänderung über der Zeit vor einem Durchgang durch eine Referenzposition der Schwingung darstellt, und ein zweites Signal, das ein Maß für die zweite Kapazitätsänderung über der Zeit vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung darstellt, zu erfassen. Bei Beispielen wird hierzu der jeweilige Ladestrom erfasst. Die Auswerteschaltung 114 ist ausgelegt, um eine Richtung, in der sich der Schwingkörper während der Schwingung vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung bewegt, unter Verwendung des erfassten ersten und zweiten Signals zu bestimmen.
Bei Beispielen bilden jeweils eine bewegliche Elektrode und eine stationäre Elektrode, zwischen denen der Ladestrom gemessen wird, ein Elektrodenpaar. Die Ladeströme von Elektrodenpaaren werden unabhängig voneinander gemessen. Bei Beispielen können die beweglichen Elektroden miteinander elektrisch verbunden sein, während die stationären Elektroden elektrisch voneinander isoliert sind. Bei Beispielen können die stationären Elektroden elektrisch verbunden sein und die beweglichen Elektroden können voneinander elektrisch isoliert sein. Im ersten Fall genügt ein elektrischer Anschluss an den Schwingkörper, was den Aufbau vereinfacht.
Wie oben ausgeführt wurde, kann, wenn die Ladeströme der linken Seite und der rechten Seite des Kammantriebs unabhängig gemessen werden, eine bestimmte Asymmetrie beobachtet werden. 10 zeigt ein Diagramm, das die Differenz der Kapazität zwischen stationärer Elektrode 106 und beweglicher Elektrode 102 auf der rechten Seite minus der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 102 und der stationären Elektrode 104 auf der linken Seite zeigt. 10 zeigt somit eine Asymmetrie der Kapazitätsdifferenz über dem Schwingungswinkel. Diese Asymmetrie kann verwendet werden, um die Richtung des Spiegels zu erfassen, indem die Differenz der Ladeströme der linken Seite und der rechten Seite berechnet wird.
Unter einer Asymmetrie ist dabei insbesondere eine Asymmetrie bezüglich der Rotationsachse in der Richtung senkrecht zur Spiegeloberfläche in Ruhelage zu verstehen, d. h. in z-Richtung in den 1 und 3. Eine Asymmetrie, die zur Folge hat, dass die Schwingungsachse nicht im Schwerkraftzentrum des Kammantriebs ist, kann beispielsweise erreicht werden, indem der Kammantrieb des Rotors und der Kammantriebs des Stators (und damit die Elektroden derselben) unterschiedliche Dicken (in der z-Richtung) aufweisen. Bei anderen Beispielen kann eine Asymmetrie erreicht werden, indem der Kammantrieb des Rotors und der Kammantrieb des Stators in z-Richtung versetzt zueinander sind, wie dies beispielsweise in 2 gezeigt ist. Bei anderen Beispielen kann eine Asymmetrie durch ein in Dickenrichtung mehrschichtiges Kammantriebssystem erreicht werden. Bei Beispielen können in Dickenrichtung oberhalb und unterhalb einer Schwingungsachse angeordnete Schichten des Kammantriebssystems unterschiedliche Dicken aufweisen. Bei Beispielen können Schichten eines mehrschichtigen Kammantriebssystems bezüglich einer Schwingungsachse vertikal versetzt angeordnet sein.
11 zeigt schematisch einen Teil eines Kammantriebssystems eines Spiegels 12b. Lediglich eine rechte Seite des Spiegels 12b ist in 11 dargestellt. Der Spiegel 12b ist an beiden Enden desselben über jeweilige Torsionsbalken 16b an einem Trägerrahmen 18b schwingbar gelagert. Wie in 11 gezeigt ist, weist der Kammantrieb 120 jeweils zwei Rotorkammelektroden und Statorkammelektroden auf. Mit anderen Worten weist der Kammantrieb zwei Reihen von Rotorfingerelektroden und Statorfingerelektroden auf. Die Rotorkammelektroden sind an einem Trägerbalken 14b des Schwingkörpers 10b befestigt und die Statorkammelektroden sind an einem Stator 122 befestigt. Der Stator 122 kann Teil des Trägerrahmens 18b sein.
11 zeigt lediglich einen Ausschnitt einer entsprechenden MEMS-Spiegelstruktur. Entsprechende Kammantriebe sind symmetrisch an beiden Enden des Spiegels in Richtung der Schwingungsachse R und auf beiden Seiten der Schwingungsachse R angeordnet, so dass insgesamt vier entsprechende Kammantriebe vorgesehen sein können.
Die 12A, 12B und 13 zeigen schematisch Querschnittansichten von Kammelektroden des Schwingkörpers und Kammelektroden des Stators. Die 12A, 12B und 13 zeigen dabei jeweils eine schematische Querschnittansicht durch die Kammantriebe auf einer Seite des Spiegels 12b. Zwei Kammelektroden 20a und 20b des Rotors bzw. Schwingkörpers 10b sind auf der linken Seite der Schwingungsachse R angeordnet, und zwei Kammelektroden 20c und 20d des Schwingkörpers 10b sind auf der rechten Seite der Rotationsachse R angeordnet. In gleicher Weise sind zwei Statorkammelektroden 22a und 22b auf der linken Seite der Schwingungsachse R angeordnet, und zwei Statorkammelektroden 22c und 22d sind auf der rechten Seite der Schwingungsachse R angeordnet. Wie zu erkennen ist, weisen die Rotorkammelektroden 20a bis 20d eine größere Dicke auf als die Statorkammelektroden 22a bis 22d. Somit ergibt sich eine Asymmetrie und die Rotationsachse ist nicht im Schwerkraftzentrum (Schwerpunkt) des Kammantriebs. In 12A ist der Schwingkörper in einem Schwingungswinkel von 9,5° angeordnet und bewegt sich in Richtung auf seine Ruhelage zu, wie durch den Pfeil angezeigt ist. In 12B ist der Schwingkörper in einem Winkel von 6° angeordnet und bewegt sich ebenfalls von oben auf seine Ruhelage zu. In 13 bewegt sich der Schwingkörper von unten auf seine Ruhelage zu, d. h. die Schwingrichtung in 13 ist entgegengesetzt zu der Schwingrichtung in den 12A und 12B.
Kapazitätsänderungen zwischen den jeweiligen Kammelektroden auf der rechten Seite der Schwingungsachse und der linken Seite der Schwingungsachse werden separat erfasst. 14 zeigt die Kapazitätsänderung, Ableitung über der Zeit, für die Kammelektroden 20c, 20d, 22c, 22d auf der rechten Seite der Schwingungsachse R. Die Kapazitätsänderung kann beispielsweise durch Messen des Ladestroms ermittelt werden. Wie in 14 zu erkennen ist, besitzt die Kapazitätsänderung zwei Spitzen 130 und 132. Die breite niedrigere Spitze 130 stammt von der Kapazitätsänderung, die durch das Ineinandergreifen der ersten Reihe, d. h. der Kammelektroden 20c und 22c bei einem Winkel von 9,5° auftritt. Die zweite, schmalere und höhere Spitze 132 stammt von der Kapazitätsänderung, die auftritt, wenn die zweite Reihe von Kammelektroden, d. h. die Kammelektroden 20d und 22d, bei 6° ineinandergreifen. Diese zweite scharfe Spitze 132 ist einfach zu erfassen, tritt immer bei dem gleichen Winkel auf und ist unabhängig von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit. Diese Spitze kann bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung als das vorbestimmte Ereignis in dem Signal verwendet werden, um die Amplitude der Schwingung zu ermitteln.
Die Kapazitätsänderungen um den Zeitpunkt von 0 µs in 14 stellen somit den Verlauf dar, der auftritt, wenn der Schwingkörper in der Richtung schwingt, die in den 12A und 12B gezeigt ist, also von oben nach unten. Schwingt der Schwingkörper zurück von unten nach oben, so hat die Kapazitätsänderung vor einem Schwingungsnulldurchgang einen Puls 134. Der Puls 134 stellt eine hohe Spitze dar, die durch die Kapazitätsänderung beider Kammelektrodenpaare bewirkt wird, da bei beiden Kammelektrodenpaaren gleichzeitig eine Kapazitätsänderung stattfindet. Dieser Effekt tritt insbesondere auf, weil die Schwingungsachse R bezüglich der Statorkammelektroden nach unten versetzt ist. Somit zeigen die Kapazitätsänderungen für unterschiedliche Richtungen, in die der Schwingkörper schwingt, unterschiedliche Verläufe, einen Verlauf 136 für eine erste Schwingrichtung (von oben nach unten), und einen Verlauf 138 für eine zweite Schwingrichtung (von unten nach oben).
Da entsprechende Kammelektroden auf beiden Seiten der Schwingungsachse angeordnet sind, die in Ruhelage des Schwingkörpers achsensymmetrisch zu der Schwingungsachse sind, entspricht der Kapazitätsänderungsverlauf 138 auch einem Kapazitätsänderungsverlauf der auf der linken Seite der Schwingungsachse angeordneten Kammelektroden, wenn sich der Schwingkörper im Uhrzeigersinn bewegt. Entsprechend zeigt 15 den Kapazitätsänderungsverlauf 136 der Kammelektrodenpaare auf der rechten Seite und den Kapazitätsänderungsverlauf 138 der Kammelektrodenpaare auf der linken Seite, wenn sich der Schwingkörper im Uhrzeigersinn durch seine Ruhelage bewegt. Wie aus 15 zu erkennen ist, ergibt sich eine große Differenz D zwischen den Maxima der vor dem Nulldurchgang durch die auf den unterschiedlichen Seiten der Schwingungsachse angeordneten Kammelektroden erzeugten Pulse. Durch Berechnung dieser Differenz D kann somit die Schwingrichtung ermittelt werden. Hat die Differenz D zwischen den Pulsen ein erstes Vorzeichen, so bewegt sich der Schwingkörper in einer ersten Richtung, während, wenn die Differenz ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, sich der Schwingkörper in einer zweiten Richtung bewegt. Bei dem in 15 gezeigten Beispiel findet die Bewegung im Uhrzeigersinn statt, wenn die Differenz zwischen dem durch die linke Seite erzeugten Maximum 134 und dem durch die rechte Seite erzeugten Maximum 132 positiv ist, während eine Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn stattfindet, wenn die Differenz negativ ist.
Bei Beispielen ist die Auswerteschaltung 114 somit ausgelegt, um einen Maximalwert des ersten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition mit einem Maximalwert des zweiten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition zu vergleichen und die Richtung abhängig davon zu bestimmen, welcher Maximalwert höher ist.
Bei Beispielen kann die Auswertungsschaltung ausgelegt sein, um eine zweiteilige Erfassung durchzuführen, nämlich zum einen eine Erfassung der Bewegungsrichtung des Schwingkörpers und zum anderen eine Erfassung der Amplitude der Schwingungen des Schwingkörpers. Um die Bewegungsrichtung zu erfassen, kann der Maximalwert in jedem Ladestrom, d. h. der linken Seite und der rechten Seite separat, erfasst werden. Dies kann unter Verwendung von Standardspitzendetektoren erfolgen. Am Nulldurchgang werden diese Werte verglichen. Der Nulldurchgang stellt dabei den Durchgang des Schwingkörpers durch seine Ruheposition dar. Wenn der Maximalwert der linken Seite geringer ist als der der rechten Seite, schwingt der Schwingkörper momentan von links nach rechts. Wenn das Maximum der linken Seite höher ist als das Maximum der rechten Seite, dann schwingt der Schwingkörper in der entgegengesetzten Richtung. Um die Amplitude der Schwingungen zu erfassen, kann von dem geringeren der zwei Maximalwerte eine Schwelle abgeleitet werden, beispielsweise bei drei Viertel des geringeren Maximalwerts. Dann können Zeitpunkte erfasst werden, zu denen die Spitzen die Schwelle überschreiten. Diesbezüglich sei angemerkt, dass die Höhe der Spitzen von einem Zyklus zum nächsten Zyklus nicht stark schwankt, so dass es erlaubt ist, die Schwelle in einem Zyklus abzuschätzen und im nächsten Zyklus zu verwenden. Die Position der niedrigeren Spitze kann unter Verwendung des Durchschnitts der zwei Zeitpunkte, zwischen denen die Spitze die Schwelle überschritten hat, abgeleitet werden. Der Mittelwert zeigt den Zeitpunkt an, zu dem der Rotor sich von oben in die obere Schicht hineinbewegt. Dies ist ein sehr gut definierter Zeitpunkt und entspricht einem speziellen Winkel, der unabhängig von Umgebungseinflüssen ist.
Die bisherigen Beispiele waren auf Systeme, bei denen die Kammantriebe eine leitfähige Schicht aufweisen, gerichtet. Das Prinzip des Erfassens von Ereignissen in den Kapazitäten und des Verwendens von Asymmetrien, um die Ausrichtung und insbesondere die Bewegungsrichtung des Spiegels zu bestimmen, kann mit noch höherer Wirkung verwendet werden, wenn der Kammantrieb aus mehr als einer Schicht besteht und insbesondere, wenn eine Schicht dünner ist als die anderen Schichten. Im Folgenden wird ein Kammantrieb betrachtet, der aus einer ersten leitfähigen Schicht, die von einer zweiten leitfähigen Schicht durch eine dünne Isolationsschicht getrennt ist, besteht. Die erste leitfähige Schicht weist eine erste Dicke auf, die geringer ist als eine zweite Dicke der zweiten leitfähigen Schicht. Es bedarf jedoch keiner separaten Erwähnung, dass die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres auch auf eine größere Anzahl leitfähiger Schichten angewendet werden kann.
16A zeigt schematisch jeweils einen Schwingkörper 100 in unterschiedlichen Stellungen, der um eine Rotationsachse R relativ zu Statorkammelektroden einer ersten Schicht 150 schwingt. 16B zeigt Darstellungen des um die Rotationsachse R schwingenden Schwingkörpers 100 in verschiedenen Stellungen, der relativ zu Statorkammelektroden einer zweiten Schicht 152 schwingt. Wie dargestellt ist, ist die zweite Schicht 152 dicker als die erste Schicht 150.
Die 17A und 17B zeigen nicht maßstabsgerechte vereinfachte Kurven der Kapazitätsverläufe für eine dünne erste Schicht 150 und eine dicke zweite Schicht 152 für die linke Seite und die rechte Seite für einen Kammantrieb mit nur einer Reihe von Fingern auf jeder Seite der Schwingungsachse.
Die 17A zeigt jeweils die Kapazitäten zwischen der Rotorkammelektrode und den Statorkammelektroden der ersten Schicht 150 und der zweiten Schicht 152 auf der linken Seite der Schwingungsachse. Dabei zeigt die Kapazität C_{var_I_1}(φ) die Kapazität zwischen der Rotorkammelektrode und der Statorkammelektrode der ersten Schicht 150 und die Kapazität C_{var_I_2}(φ) zeigt die Kapazität zwischen der Rotorkammelektrode und der Statorkammelektrode 152 der zweiten Schicht.
17B zeigt die Kapazitäten zwischen der Rotorkammelektrode und der jeweiligen Statorkammelektrode der ersten und zweiten Schicht, 150 und 152, auf der rechten Seite der Schwingungsachse. Dabei zeigt C_{var_r_1}(φ) die Kapazität zwischen der Rotorkammelektrode und der Statorkammelektrode der ersten Schicht 150, und C_{var_r_2}(φ) zeigt die Kapazität zwischen der Rotorkammelektrode und der Statorkammelektrode der zweiten Schicht 152.
Wie aus den 17A und 17B zu erkennen ist, unterscheiden sich die Kurven für die erste Schicht und die zweite Schicht signifikant. Ferner unterscheiden sich die Kurven signifikant von der Gesamtkapazität. Es ist zu bemerken, dass die Kurven bestimmte Regionen zeigen, in denen sich die Kapazität nicht ändert. Dies bedeutet, dass die Ableitung in diesen Regionen Null ist. Je dünner die Schicht ist, desto größer sind diese Regionen. Gleichzeitig dazu wird die Region, in der die Kapazität zunimmt, kürzer. Je dünner die Schicht ist, desto schneller erreicht die Kapazität ihr Maximum. Dies bedeutet, dass die Ableitung der Kapazität zu kurzen und gut definierten Pulsen bzw. Spitzen wird. Diesbezüglich kann beispielsweise auf die obige Beschreibung von 14 verwiesen werden.
Die 18 und 19 zeigen sehr schematisch Darstellungen zur Erläuterung eines mehrschichtigen Antriebssystems, das gleichzeitig auch als Erfassungssystem dient. Das System weist zwei leitfähige Schichten DL1 und DL2 auf, die durch eine dünne isolierende Schicht IL getrennt sind. Die Schicht DL1 ist dünner als die Schicht DL2. 18 zeigt einen Querschnitt durch ein Antriebssystem in Richtung einer außerhalb liegenden Rotationsachse. Ein linker Stator 160, ein Rotor 162 und ein rechter Stator 164 sowie ein Rahmen 166 sind schematisch dargestellt. Der linke Stator 160, der Rotor 162 und der rechte Stator 164 weisen jeweilige Kammelektroden auf, zwischen denen Kapazitäten gebildet sind.
19 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zum Antrieb und zur Erfassung unter Verwendung einer entsprechenden mehrschichtigen Struktur. Wie in 19 gezeigt ist, sind die erste Schicht und die zweite Schicht DL1 und DL2 des Rotors 162 verbunden, so dass diese als eine Elektrode betrachtet werden können. Eine Antriebsspannung in Form einer Rechteckspannung wird über eine Spannungsquelle 168 an die Rotorelektrode angelegt. Zwischen der ersten Schicht DL1 und der zweiten Schicht DL2 des linken und rechten Stators, 160 und 164, liegt jeweils eine statische Kapazität C_stat vor. Zwischen der ersten Schicht DL1 des Rotors 162 und der ersten Schicht DL1 des linken Stators 160 existiert eine variable Kapazität C_var1I . Zwischen der zweiten Schicht DL2 des Rotors 162 und der zweiten Schicht DL2 des linken Stators 160 existiert eine zweite variable Kapazität C_var2I . Zwischen der ersten Schicht DL1 des Rotors 162 und der ersten Schicht DL1 des rechten Stators 164 existiert eine variable Kapazität C_var1r und zwischen der zweiten Schicht DL2 des Rotors 162 und der zweiten Schicht DL2 des rechten Stators 164 existiert eine variable Kapazität C_var2r . Strommesser zum Erfassen von Ladeströmen der genannten variablen Kapazitäten sind in 19 schematisch bei 170, 172, 174 und 176 angedeutet.
20 zeigt die Ableitung von Kapazitäten über der Zeit, die bei einer Simulation unter Verwendung der in den 18 und 19 gezeigten Schichtstruktur erhalten wurden. Dabei ist zu beachten, dass die gezeigten Kapazitätsableitungen dahin gehend hypothetisch sind, dass das dauernde Anlegen einer konstanten Spannung angenommen wird. Eine Kurve 200 zeigt dabei die Ableitung der Kapazität C_var2r nach der Zeit. Eine Kurve 202 zeigt die Ableitung der Kapazität C_var1r nach der Zeit. Eine Kurve 204 zeigt eine Summe der Ableitungen der Kapazitäten C_var1r und C_var2r nach der Zeit, d. h. der Summe der Ableitungen der Kapazitäten auf der rechten Seite der Schwingungsachse nach der Zeit. Eine Kurve 206 zeigt die Summe aller vier variablen Kapazitäten nach der Zeit, nämlich C_var1r , C_var2r , C_var1l und C_var2l . Wie 20 zu entnehmen ist, ist die Summe der Ableitungen aller Kapazitäten im Wesentlichen symmetrisch, während die einzelnen Ableitungen bzw. die Summen der Ableitungen von einer Seite asymmetrisch sind. Die separate Erfassung von Kapazitätsänderungen auf beiden Seiten ermöglicht somit eine Erfassung der Bewegungsrichtung. Die Summe der Ableitungen aller Kapazitäten kann verwendet werden, um die Amplitude der Schwingung zu bestimmen.
Generell können bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung erfasste Ströme, die die Kapazitätsänderungen darstellen, summiert werden, um die vorher erörterten Überwachungsstrategien zu implementieren. Generell kann der Nulldurchgang im Fall von mehreren Schichten auf der Grundlage aller erfassten Ströme ermittelt werden.
21 zeigt Kurven der erfassten Ströme zwischen der zweiten Schicht DL2 des Rotors 162 und des linken und rechten Stators, 160 und 164. Dabei zeigt eine Kurve 300 die Ableitung der Kapazität C_var2r über der Zeit, eine Kurve 302 die Ableitung der Kapazität C_var2l über der Zeit, und die Kurve 304 eine Summe der beiden Ableitungen. Die jeweiligen Amplituden sind eine Funktion der Spiegelgeschwindigkeit, der Betätigungsspannung und des Spiegelentwurfs. Der Nulldurchgang der Summe der beiden Ströme der Schicht DL2 zeigt den Nulldurchgang des Spiegels an. Bei mehrschichtigen Systemen kann die Summe der Ladeströme einer Schicht oder die Summe der Ladeströme aller Schichten den Nulldurchgang der Schwingung anzeigen.
22 zeigt die Kurven von 20 für den Fall, dass eine Betätigungsspannung 310 von beispielsweise 100 Volt periodisch angelegt wird. Sobald die Betätigungsspannung auf null geht, fallen alle Ladeströme auf null. Generell kann die Betätigungsspannung mit einem Versatz bezüglich der Schwingung des Schwingkörpers angelegt werden, so dass die Betätigung der Schwingung leicht hinterherhinkt. Dies ist daran zu erkennen, dass die Betätigungsspannung erst nach dem Nulldurchgang der Schwingung, der beispielsweise durch den Nulldurchgang der Summe aller Ströme angezeigt wird, auf null geht. Diesbezüglich zeigt 23 beispielsweise einen Zeitversatz von Δt zwischen dem Nulldurchgang der Schwingung und dem Abstellen der Betätigungsspannung. Durch diesen zeitlichen Versatz kann ein aktives Dämpfen der Schwingung erfolgen, um die Amplitude zu regeln. In dem Zeitraum zwischen dem Nulldurchgang der Schwingung und dem Abschalten der Betätigungsspannung findet ein aktives Dämpfen der Schwingung statt, da die durch die angelegte Spannung bewirkten elektrostatischen Kräfte der Schwingung entgegenwirken.
Bei Beispielen ermöglicht die Schaltung 30 eine Regelung der Amplitude wie folgt. Die vier Ladeströme über die in 19 gezeigten variablen Kapazitäten können beispielsweise dadurch erfasst werden, dass die Spannung über vier Erfassungswiderständen, siehe 19, gemessen wird, während die Betätigung aktiv ist. Die gemessenen Spannungen zumindest der zweiten Schicht DL2 oder beider Schichten werden addiert, um den Nulldurchgang zu erfassen. Die Spitzenspannungen der ersten Schicht DL1, d. h. der dünneren Schicht, können voneinander abgezogen werden, um die Bewegungsrichtung zu erfassen. Die Betätigung kann nach dem Nulldurchgang mit einer variablen Verzögerung Δt abgestellt werden. Die Verzögerungszeit kann verwendet werden, um die Amplitude durch aktives Dämpfen zu regeln. Wenn die Betätigungsspannung abgestellt wird, kann eine Spannungsspitze beobachtet werden, die bei dem gezeigten Beispiel durch die Dioden gedeckelt werden kann. Die Betätigungsspannung wird dann wieder eingeschaltet, wenn sich der Spiegel in seiner vollständig ausgelenkten Stellung befindet.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit eine MEMS-Vorrichtung mit einem um eine Schwingungsachse schwingbaren Schwingkörper, einer Vorrichtung zur Erfassung einer Amplitude einer Schwingung des Schwingkörpers und einer Treibervorrichtung, die ausgelegt ist, um den Schwingkörper anzutreiben, wobei die Treibervorrichtung die Elektrode des Schwingkörpers, die stationäre Elektrode und eine Treiberschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine veränderbare Spannung zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode anzulegen. Die MEMS-Vorrichtung kann ferner eine Regelschaltung aufweisen, die ausgelegt ist, um die zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode angelegte Spannung unter Verwendung der Information zu regeln. Insbesondere kann die Regelschaltung ausgelegt sein, um einen Phasenunterschied zwischen der Spannung, die zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode angelegt wird, und der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.
Bei Beispielen können die Vorrichtungen bzw. Schaltungen Speicher bzw. Register aufweisen, in denen Zielzeitpunkte für die bestimmten Ereignisse, beispielsweise die Spitzen und/oder Flanken, abgelegt sein können. Bei Beispielen können die erfassten Zeitpunkte dann auf die Zielzeitpunkte geregelt werden, so dass eine gewünschte Schwingungsamplitude eingestellt werden kann.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung können insbesondere in LiDAR-Systemen eingesetzt werden. Beispiele beruhen auf der Idee, bestimmte Eigenschaften der Ableitung der Antriebskapazitäten zu verwenden, um die Schwingungsamplitude eines Schwingkörpers, insbesondere eines MEMS-Spiegels, zu bestimmen oder zu regeln. Dies sind Eigenschaften, die rein geometrisch sind und nicht von Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit abhängen, Simulationen haben gezeigt, dass der dargelegte Lösungsansatz robust gegenüber elektromagnetischen Störungen ist und einen stabilen Betrieb ermöglicht.
Die hierein beschriebenen Schaltungen, Insbesondere können bei Beispielen die Erfassungsschaltung, die Auswerteschaltung und/oder die Treiberschaltung durch beliebige geeignete integrierte Schaltungsstrukturen implementiert werden, beispielsweise Mikroprozessorschaltungen, ASIC-Schaltungen (ASIC = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), CMOS-Schaltungen und dergleichen. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Beispiele der Schaltungen in Hardware und Teile in Software implementiert sein. Manche Beispiele können unter Verwendung eines feldprogrammierbaren Gatter-Arrays (FPGA) oder einer ASIC implementiert werden, die mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um die hierin beschriebenen Verfahren und Funktionalitäten zu erreichen. Allgemein können Verfahren und Funktionalitäten, wie sie hierin beschrieben sind, bei Beispielen mittels einer beliebigen Hardwarevorrichtung implementiert werden, beispielsweise einer universell einsetzbaren Hardware, wie z. B. einem Computerprozessor, oder einer spezifischen Hardware, wie beispielsweise einer ASIC. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer DVD, einer Blu-Ray-Disk, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines Flash-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers erfolgen, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können, dass das jeweilige Verfahren bzw. die jeweilige Funktionalität erreicht wird. Bei manchen Beispielen können die hierin beschriebenen Schaltungen auch als ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatter-Array) implementiert werden.
Obwohl manche Aspekte im Kontext einer Vorrichtung, beispielsweise bezüglich einer Funktionalität, beschrieben wurden, ist klar, dass die Aspekte auch eine Beschreibung entsprechender Verfahren darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entsprechen können. Analog dazu können Aspekte, die im Kontext eines Verfahrens bzw. Verfahrensschritts beschrieben sind auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Postens oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung darstellen. Manche oder alle Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwarevorrichtung, wie beispielsweise eines Mikroprozessors, eines programmierten Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Bei manchen Beispielen kann bzw. können eine oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Beispiele sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lediglich veranschaulichen. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten Fachleuten einleuchten werden. Daher soll der Schutzbereich lediglich durch die folgenden Patentansprüche bestimmt sein.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung und/oder Regelung einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers um eine Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen mindestens einer Elektrode des Schwingkörpers und einer stationären Elektrode stattfindet, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Signals, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt; und eine Auswerteschaltung zum Bestimmen einer Information aus dem Signal, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist, wobei die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers aus der bestimmten Information und einer ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu berechnen und/oder die Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers unter Verwendung der bestimmten Information und der ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um eine Pulsbreite eines Pulses in dem Signal vor einem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Ereignis ein Puls in dem Signal vor einem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung ist, wobei das vorbestimmte Ereignis eine zeitliche Position des Pulses ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um eine Pulsbreite des Pulses zu ermitteln und die Position des Pulses basierend auf der Pulsbreite zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um einen Maximalwert des Signals zu messen, eine Schwelle unter Verwendung des Maximalwerts festzulegen, einen Schwellwertvergleich des Signals mit der Schwelle durchzuführen und die Pulsbreite unter Verwendung des Ergebnisses des Schwellwertvergleichs zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um die Pulsbreite zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem das Signal wieder unter die Schwelle fällt, zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um die Pulsbreite zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem das Signal nach dem ersten Zeitpunkt einen Durchgang durch die Referenzposition hat, zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um die Pulsbreite durch Anpassung einer Modellkurve an das gemessene Signal zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die ferner eine Überwachungseinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um einen Maximalwert des Signals zu erfassen, um zu überprüfen, ob der Maximalwert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und ein Fehlfunktionssignal auszugeben, wenn der Maximalwert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Vorrichtung zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, mit folgenden Merkmalen: einem Schwingkörper, der zumindest eine bewegliche Elektrode aufweist; einer ersten stationären Elektrode auf einer ersten Seite der Schwingungsachse und einer zweiten stationären Elektrode auf einer zweiten Seite der Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine erste Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten stationären Elektrode und eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten stationären Elektrode stattfinden, einer Erfassungsschaltung, die ausgelegt ist, um ein erstes Signal, das ein Maß für die erste Kapazitätsänderung über der Zeit vor einem Durchgang durch eine Referenzposition der Schwingung darstellt, und ein zweites Signal, das ein Maß für die zweite Kapazitätsänderung über der Zeit vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung darstellt, zu erfassen; und einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der Richtung, in der sich der Schwingkörper während der Schwingung vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung bewegt, unter Verwendung des erfassten ersten und zweiten Signals.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die zumindest eine bewegliche Elektrode und/oder die erste und zweite stationäre Elektrode eine erste Elektrodenschicht einer ersten Dicke und eine zweite Elektrodenschicht einer zweiten Dicke, die sich von der ersten Dicke unterscheidet, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um einen Maximalwert des ersten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition mit einem Maximalwert des zweiten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition zu vergleichen und die Richtung abhängig davon zu bestimmen, welcher Maximalwert höher ist.
MEMS-Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem um eine Schwingachse schwingbaren Schwingkörper; einer Vorrichtung zur Erfassung einer Information bezüglich einer Amplitude einer Schwingung des Schwingkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 8; einer Treibervorrichtung, die ausgelegt ist, um den Schwingkörper anzutreiben, wobei die Treibervorrichtung die Elektrode des Schwingkörpers, die stationäre Elektrode und eine Treiberschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine veränderbare Spannung zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode anzulegen.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Regelschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um die zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode angelegte Spannung unter Verwendung der Information zu regeln.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Regelschaltung ausgelegt ist, um einen Phasenunterschied zwischen der Spannung, die zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode angelegt wird, und der Schwingung des Schwingkörpers zu regeln.
MEMS-Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Vorrichtung zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, nach einem der Ansprüche 8 bis 11; und einer Vorrichtung zur Erfassung einer Amplitude einer Schwingung des Schwingkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteschaltung zum Bestimmen der Information ausgelegt ist, um die Information unter Verwendung des Signals des ersten und zweiten Signals zu bestimmen, dessen Maximalwert geringer ist.
Verfahren zum Erfassen und/oder Regeln einer Amplitude einer Schwingung eines Schwingkörpers um eine Schwingungsachse, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen mindestens einer Elektrode des Schwingkörpers und einer stationären Elektrode stattfindet, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: Erfassen eines Signals, das ein Maß für die Kapazitätsänderung darstellt, über der Zeit; Bestimmen einer Information, die ein Maß für einen zeitlichen Abstand eines Zeitpunktes eines vorbestimmten Ereignisses in dem Signal, das einer Winkelposition des Schwingkörpers entspricht, von einem Zeitpunkt eines Durchgangs durch eine Referenzposition der Schwingung ist; Bestimmen einer Periode der Schwingung; und Berechnen der Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers basierend auf der bestimmten Information und der Periode der Schwingung und/oder Regeln der Amplitude der Schwingung des Schwingkörpers unter Verwendung der bestimmten Information und der ermittelten Periode der Schwingung des Schwingkörpers.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Pulsbreite eines Pulses in dem Signal vor einem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung ermittelt wird, wobei die Pulsbreite die Information darstellt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das vorbestimmte Ereignis ein Puls in dem Signal vor einem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung ist, wobei das vorbestimmte Ereignis eine zeitliche Position des Pulses ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Auswerteschaltung ausgelegt ist, um eine Pulsbreite des Pulses zu ermitteln und die Position des Pulses basierend auf der Pulsbreite zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Ermitteln der Pulsbreite ein Messen eines Maximalwerts des Signals, ein Festlegen einer Schwelle unter Verwendung des Maximalwerts, ein Durchführen eines Schwellwertvergleichs des Signals mit der Schwelle und ein Ermitteln der Pulsbreite unter Verwendung des Ergebnisses des Schwellwertvergleichs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Pulsbreite zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem das Signal wieder unter die Schwelle fällt, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Pulsbreite zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem das Signal die Schwelle übersteigt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem das Signal nach dem ersten Zeitpunkt einen Durchgang durch die Referenzposition hat, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Ermitteln der Pulsbreite ein Anpassen einer Modellkurve an das gemessene Signal aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, das ferner ein Erfassen eines Maximalwerts des Signals, ein Überprüfen, ob der Maximalwert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und ein Ausgeben eines Fehlfunktionssignals, wenn der Maximalwert außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, das ferner ein Regeln einer zwischen der Elektrode des Schwingkörpers und der stationären Elektrode angelegten Antriebsspannung unter Verwendung der Information aufweist.
Verfahren zur Erfassung einer Richtung, in der sich ein Schwingkörper während einer Schwingung um eine Schwingungsachse bewegt, wobei der Schwingkörper zumindest eine bewegliche Elektrode aufweist, wobei eine erste stationäre Elektrode auf einer ersten Seite der Schwingungsachse und eine zweite stationäre Elektrode auf einer zweiten Seite der Schwingungsachse angeordnet sind, wobei bei der Schwingung des Schwingkörpers eine erste Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten stationären Elektrode und eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten stationären Elektrode stattfinden, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: Erfassen eines ersten Signals, das ein Maß für die erste Kapazitätsänderung über der Zeit vor einem Durchgang durch eine Referenzposition der Schwingung darstellt; Erfassen eines zweiten Signals, das ein Maß für die zweite Kapazitätsänderung über der Zeit vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung darstellt; und Bestimmen der Richtung, in der sich der Schwingkörper während der Schwingung vor dem Durchgang durch die Referenzposition der Schwingung bewegt, unter Verwendung des erfassten ersten und zweiten Signals.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Bestimmen der Richtung ein Vergleichen eines Maximalwerts des ersten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition mit einem Maximalwert des zweiten Signals vor dem Durchgang durch die Referenzposition und ein Bestimmen der Richtung abhängig davon, welcher Maximalwert höher ist, aufweist.