DE102019128647A1 - Überwachung von mems-spiegeleigenschaften - Google Patents

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Alexander Hulsker
Hendrikus VAN LIEROP
Jaap Verheegen
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Infineon Technologies AG
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Systeme und Verfahren zum Überwachen von Eigenschaften einer mikroelektromechanischen (MEMS-) Oszillationsstruktur werden bereitgestellt. Ein System umfasst eine MEMS-Oszillationsstruktur, die ausgebildet ist als ein nichtlinearer Resonator, um um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Treiber, der ausgebildet ist, um eine Antriebskraft zum Treiben der MEMS-Oszillationsstruktur um die Rotationsachse gemäß einer Betriebsfrequenzgangkurve zu erzeugen, während der die MEMS-Oszillationsstruktur in Resonanz ist, wobei der Treiber ferner ausgebildet ist, um die Antriebskraft zu verringern, wenn die MEMS-Oszillationsstruktur in einem vordefinierten Neigungswinkel ist, um ein Abklingen der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur zu induzieren; eine Messschaltung, die ausgebildet ist, um eine Oszillationsfrequenz und eine Neigungswinkelamplitude der MEMS-Oszillationsstruktur während einer Abklingzeit zu messen; und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um zumindest eine Charakteristik der MEMS-Oszillationsstruktur basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein mikroelektromechanisches (MEMS-; microelectromechanical systems) Oszillationssystem und ein Verfahren zum Betreiben desselben, und genauer gesagt auf das Überwachen von MEMS-Spiegeleigenschaften.
  • HINTERGRUND
  • Licht- und Abstandsmessung (LIDAR; Light Detection and Ranging) ist ein Fernerfassungsverfahren, das Licht in Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Reichweiten (variable Distanzen) zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld zu messen. Insbesondere wird ein mikroelektromechanisches-System- (MEMS-) Spiegel verwendet, um Licht über das Sichtfeld abtastend zu bewegen. Arrays von Photodetektoren empfangen Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden, und die Zeit, die benötigt wird, bis die Reflexionen an verschiedenen Sensoren in dem Photodetektor-Array ankommen, wird bestimmt. Dies wird auch als Laufzeitmessung (TOF; time-of-flight) bezeichnet. LIDAR-Systeme bilden Tiefenmessungen und erstellen Distanzmessungen durch ein Abbilden der Distanz zu Objekten basierend auf den Laufzeitberechnungen. Somit können die Laufzeitberechnungen Distanz- und Tiefen-Abbildungen erzeugen, die zum Erzeugen von Bildern verwendet werden können.
  • MEMS-Spiegel, die bei einer bestimmten Resonanzfrequenz betrieben werden, werden von verschiedenen systematischen und unsystematischen Fehlerquellen beeinflusst. Diese Fehler können zu einem erheblichen Laserschuss-/Ziel-Fehler führen. Diese Probleme können zum Beispiel zu einer Fehlanpassung zwischen der erwarteten Spiegelposition und der gemessenen Position führen. Da die genaue Messung und Schätzung der Position des Spiegels für ein MEMSbasiertes LIDAR-System wichtig sind, kann es wichtig sein, systematische und unsystematische Fehlerquellen detektieren und kompensieren zu können, oder einem Bediener einen Fehler zu signalisieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer mikroelektromechanischen (MEMS-) Oszillationsstruktur zum Betreiben desselben.
  • Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem oder mehreren der Ansprüche erfüllt werden.
  • Einige Ausführungsbeispiele stellen ein Spiegelüberwachungssystem eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und Verfahren zum Betreiben desselben bereit, und insbesondere zum Überwachen eines Betriebs und der Eigenschaften einer nichtlinearen resonanten MEMS-Oszillationsstruktur.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein System, umfassend: eine MEMS-Oszillationsstruktur, die ausgebildet ist als ein nichtlinearer Resonator, um um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Treiber, der ausgebildet ist, um eine Antriebskraft zum Treiben der MEMS-Oszillationsstruktur um die Rotationsachse gemäß einer Betriebsfrequenzgangkurve zu erzeugen, während der die MEMS-Oszillationsstruktur in Resonanz ist, wobei der Treiber ferner ausgebildet ist, um die Antriebskraft zu verringern, wenn die MEMS-Oszillationsstruktur in einem vordefinierten Neigungswinkel ist, um ein Abklingen der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur über eine Abklingzeit zu induzieren; eine Messschaltung, die ausgebildet ist, um eine Oszillationsfrequenz und eine Neigungswinkelamplitude der MEMS-Oszillationsstruktur während der Abklingzeit zu messen; und zumindest einen Prozessor, der ausgebildet ist, um zumindest eine Charakteristik der MEMS-Oszillationsstruktur basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen.
  • Optional ist die Oszillationsfrequenz eine Nullwinkelfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur.
  • Wiederum optional ist die Messschaltung ausgebildet, um die Nullwinkelfrequenz basierend auf der MEMS-Oszillationsstruktur zu messen, die durch einen Nullwinkelbereich während des Abklingens der Oszillation oszilliert.
  • Optional ist zumindest ein Prozessor ausgebildet, um die Nullwinkelfrequenz mit einer erwarteten Nullwinkelfrequenz zu vergleichen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  • Wiederum optional ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um die Abklingzeit basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu messen, die gemessene Abklingzeit mit einer erwarteten Abklingzeit zu vergleichen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  • Optional ist die zumindest eine Charakteristik ein Dämpfungsfaktor der MEMS-Oszillationsstruktur oder ein Q-Faktor der MEMS-Oszillationsstruktur.
  • Wiederum optional umfasst das System ferner ein MEMS-Package, in dem die MEMS-Oszillationsstruktur angeordnet ist, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um einen Druck innerhalb des MEMS-Packages basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen, und wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die gemessene Oszillationsfrequenz und die gemessene Neigungswinkelamplitude basierend auf dem bestimmten Druck zu kompensieren.
  • Optional umfasst das System ferner ein MEMS-Package, in dem die MEMS-Oszillationsstruktur angeordnet ist, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Änderung des Drucks innerhalb des MEMS-Packages basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu detektieren.
  • Wiederum optional ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu erzeugen, die Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve mit einer vorherigen Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu vergleichen, die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  • Optional ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu erzeugen, eine erste Charakteristik an einer ersten Region der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu bestimmen, eine zweite Charakteristik an einer zweiten Region der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu bestimmen, und die zumindest eine Charakteristik basierend auf der ersten Charakteristik und der zweiten Charakteristik zu bestimmen.
  • Wiederum optional ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um die erste Charakteristik und die zweite Charakteristik mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleichsergebnis zu bestimmen.
  • Optional ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um eine Temperaturmessung von einem Temperatursensor zu empfangen, und die gemessene Oszillationsfrequenz und die gemessene Neigungswinkelamplitude basierend auf der Temperaturmessung zu kompensieren.
  • Wiederum optional ist der vordefinierte Neigungswinkel ein maximaler Neigungswinkel vor einem Fallback-Punkt auf der Betriebsfrequenzgangkurve.
  • Optional ist der Treiber ausgebildet, um die Antriebskraft auszuschalten, um das Abklingen der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur zu induzieren.
  • Wiederum optional nimmt die Oszillationsfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur mit einer Erhöhung der Neigungswinkelamplitude nichtlinear zu.
  • Optional umfasst das System ferner zumindest eine Blattfeder-Anordnung, die mit der MEMS-Oszillationsstruktur gekoppelt ist und ausgebildet ist, um Torsionssteifigkeit an die MEMS-Oszillationsstruktur um die Rotationsachse bereitzustellen derart, dass die Oszillationsfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur mit einer Erhöhung der Neigungswinkelamplitude nichtlinear zunimmt.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Überwachen einer MEMS-Oszillationsstruktur, das Verfahren umfassend: Treiben der MEMS-Oszillationsstruktur, die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse gemäß einer Betriebsfrequenzgangkurve zu oszillieren, während der die MEMS-Oszillationsstruktur in Resonanz ist, wobei die MEMS-Oszillationsstruktur ein nichtlinearer Resonator ist; Induzieren eines Abklingens der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur in einem vordefinierten Neigungswinkel derart, dass eine Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur von dem vordefinierten Neigungswinkel über eine Abklingzeit vollständig abklingt; Messen einer Oszillationsfrequenz und einer Neigungswinkelamplitude der MEMS-Oszillationsstruktur während der Abklingzeit; und Bestimmen zumindest einer Charakteristik der MEMS-Oszillationsstruktur basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude.
  • Optional ist die Oszillationsfrequenz eine Nullwinkelfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur, das Verfahren ferner umfassend: Messen der Nullwinkelfrequenz basierend auf der MEMS-Oszillationsstruktur, die durch einen Nullwinkelbereich während des Abklingens der Oszillation oszilliert.
  • Wiederum optional umfasst das Verfahren ferner das Vergleichen der Nullwinkelfrequenz mit einer erwarteten Nullwinkelfrequenz; und Bestimmen der zumindest einen Charakteristik basierend auf dem Vergleich.
  • Optional ist die zumindest eine Charakteristik ein Dämpfungsfaktor der MEMS-Oszillationsstruktur oder ein Q-Faktor der MEMS-Oszillationsstruktur.
  • Wiederum optional umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen einer Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude; Vergleichen der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve mit einer vorherigen Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve; und Bestimmen der zumindest einen Charakteristik basierend auf dem Vergleich.
  • Optional ist der vordefinierte Neigungswinkel ein maximaler Neigungswinkel vor einem Fallback-Punkt auf der Betriebsfrequenzgangkurve.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
    • 1A ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems (scanning system) gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 1B zeigt eine schematische Draufsicht eines Beispiels eines Spiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 3 stellt eine komplette Frequenzgangkurve eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 4A stellt ein Abklingen eines großen Winkels eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 4B stellt eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 4C stellt eine Spiegelfrequenz-Abklingkurve, dargestellt als eine natürliche Frequenz eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 4D stellt eine Abklingkurve eines Abklingens der Oszillation einer MEMS-Oszillationsstruktur gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
    • 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Testsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
    • 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Signalverarbeitungskette, die ausgebildet ist, um elektrische Signale an das Testsystem von 5 zu übertragen und elektrische Signale von dem Testsystem von 5 zu empfangen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass diese Ausführungsbeispiele nur zu darstellenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollen. Zum Beispiel, während Ausführungsbeispiele möglicherweise derart beschrieben sind, dass sie eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisen, soll dies nicht so ausgelegt werden, dass all diese Merkmale oder Elemente zum Implementieren von Ausführungsbeispielen notwendig sind. Stattdessen können bei anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen werden oder können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich dazu können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu jenen, die ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind, bereitgestellt werden, zum Beispiel herkömmliche Komponenten von Sensorbauelementen.
  • Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben. Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um das Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
  • Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auf Draht basierende Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anderweitig angemerkt. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischen liegenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und auf das Erhalten von Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise sichtbares Licht, Infrarot- (IR-) Strahlung oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Bildsensor ein Siliziumchip in einer Kamera sein, der Fotos von Licht, das aus einer Linse kommt, in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
  • Ein Sensorbauelement, wie es hierin verwendet wird, kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und weitere Komponenten aufweist, zum Beispiel eine Vorspannungs-Schaltungsanordnung, einen Analog-Digital-Wandler oder ein Filter. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zum Implementieren eines Sensorbauelements verwendet werden können.
  • In LIDAR-Systemen überträgt eine Quelle Lichtpulse und/oder -strahlen in ein Sichtfeld und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Insbesondere ist LIDAR ein direktes Laufzeit- (TOF-) System, bei dem die Lichtpulse (z.B. Laserpulse von Infrarotlicht) in das Sichtfeld emittiert werden und ein Pixelarray die reflektierten Pulse detektiert und misst. Zum Beispiel empfängt ein Array von Photodetektoren Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden.
  • Differenzen bei Rücklaufzeiten für jeden Lichtpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen oder um andere Sensordaten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtpuls emittieren und ein Zeit-Digital-Wandler (TDC; Time-to-Digital Converter), der elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt ist, kann von der Zeit, zu der der Lichtpuls emittiert wird, bis zu einer Zeit zählen, zu der der reflektierte Lichtpuls an dem Empfänger (d. h. an dem Pixelarray) empfangen wird. Die „Laufzeit“ des Lichtpulses wird dann in eine Distanz übersetzt.
  • Eine Abtastung (Scan), wie beispielsweise ein oszillierender horizontaler Scan (z. B. von links nach rechts und rechts nach links in einem Sichtfeld), kann eine Szene kontinuierlich auf abtastende Weise beleuchten. Durch Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in unterschiedlichen Abtastrichtungen kann ein als „Sichtfeld“ bezeichneter Bereich abgetastet werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert und abgebildet werden. Ein Rasterscan könnte ebenfalls verwendet werden.
  • 1A ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das LIDAR-Abtastsystem 100 ist eine optische Abtastvorrichtung, umfassend einen Sender, umfassend eine Beleuchtungseinheit 10, eine Senderoptik 11 und einen eindimensionalen (1D-) mikroelektromechanischen (MEMS-) Spiegel 12, und einen Empfänger, umfassend eine zweite optische Komponente 14 und ein Photodetektor-Detektorarray 15.
  • Die Beleuchtungseinheit 10 umfasst mehrere Lichtquellen (z. B. Laserdioden oder lichtemittierende Dioden), die linear in Einzelstrich-Formation ausgerichtet sind und ausgebildet sind, um Licht zu übertragen, das zum Abtasten eines Objekts verwendet wird. Das von den Lichtquellen emittierte Licht ist üblicherweise Infrarotlicht, obwohl auch Licht mit anderer Wellenlänge verwendet werden kann. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.lA ersichtlich ist, wird die Form des von den Lichtquellen emittierten Lichts in einer Richtung senkrecht zu der Übertragungsrichtung ausgebreitet, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Übertragung zu bilden. Das Beleuchtungslicht, das aus den Lichtquellen übertragen wird, wird in Richtung der Senderoptik 11 gerichtet, die ausgebildet ist, um jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die Senderoptik 11 kann zum Beispiel eine Linse oder ein Prisma sein.
  • Bei Reflexion durch den MEMS-Spiegel 12 wird das Licht aus den Lichtquellen vertikal ausgerichtet, um für jeden emittierten Laserschuss eine eindimensionale vertikale Abtastlinie (scanning line) SL aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Strich aus Infrarotlicht zu bilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einer unterschiedlichen vertikalen Region der vertikalen Abtastlinie SL bei. Somit können die Lichtquellen gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden, um einen Lichtpuls mit mehreren Segmenten zu erhalten, wobei jedes Segment einer jeweiligen Lichtquelle entspricht. Allerdings kann jede vertikale Region oder Segment der vertikalen Abtastlinie SL auch unabhängig aktiv oder inaktiv sein, indem eine entsprechende der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 ein- oder ausgeschaltet wird. Somit kann eine teilweise oder vollständige vertikale Abtastlinie SL aus Licht von dem System 100 in das Sichtfeld ausgegeben werden.
  • Dementsprechend ist der Sender des Systems 100 eine optische Anordnung, die ausgebildet ist, um Laserstrahlen basierend auf den Laserpulsen zu erzeugen, wobei die Laserstrahlen eine längliche Form aufweisen, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Übertragungsrichtung der Laserstrahlen erstrecken.
  • Während drei Laserquellen gezeigt sind, wird ferner darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Laserquellen nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann die vertikale Abtastlinie SL von einer einzelnen Laserquelle, zwei Laserquellen oder mehr als drei Laserquellen erzeugt werden.
  • Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanischer sich bewegender Spiegel (d. h. ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip (nicht gezeigt) integriert ist. Der MEMS-Spiegel 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist durch mechanische Federn (z.B. Blattfedern, manchmal als Auslegerarme bezeichnet) oder Biegungen aufgehängt und ist ausgebildet, um um eine einzelne Achse zu rotieren, und man kann sagen, dass er nur einen Freiheitsgrad für Bewegung aufweist. Aufgrund dieser einzelnen Rotationsachse wird der MEMS-Spiegel 12 als ein ID-MEMS-Spiegel bezeichnet.
  • Um einen MEMS-Abtastspiegel robust gegenüber Schwingungen zu machen, sollte der Spiegel eine geringe Trägheit, d.h. einen leichten und steifen Spiegelkörper aufweisen. Zusätzlich sollte der Spiegel eine hohe Steifigkeit seiner Aufhängung für alle Freiheitsgrade (DOF; degrees-offreedom) des Spiegelkörpers aufweisen.
  • Um einen leichten und steifen Spiegelkörper zu erreichen, kann der Spiegelkörper einen relativ dünnen Spiegel und eine dickere Verstärkungsstruktur für den Spiegel aufweisen. Der Spiegelkörper kann in einem Spiegelrahmen um eine Rotationsachse drehbar angeordnet sein, die sich in eine durch den Spiegelrahmen definierte Ebene erstreckt. Die Rotationsachse kann sich zu ersten und zweiten, einander gegenüberliegenden Endabschnitten des Spiegelkörpers erstrecken. Der Spiegel kann eine reflektierende Ebene auf einer ersten Hauptoberfläche und gegenüber der ersten Hauptoberfläche eine zweite Hauptoberfläche aufweisen, die mit der Verstärkungsstruktur bereitgestellt ist.
  • Um eine hohe Steifigkeit der Aufhängung zu erreichen, kann der Spiegelkörper in dem Spiegelrahmen unter Verwendung von Stützbalken, die sich entlang der Rotationsachse erstrecken, und zusätzlichen Auslegerarm- oder Blattfeder-Anordnungen gestützt werden, wie in 1B dargestellt ist. Im Allgemeinen, wie hierin definiert, können Blattfeder-Anordnungen als Auslegerarm-Anordnungen bezeichnet werden und umgekehrt. Ebenso können Blattfedern und Auslegerarme austauschbar verwendet werden.
  • Eine Auslegerarm-Anordnung kann eine Längsrichtung aufweisen und sich innerhalb der durch den Rahmen definierten Ebene erstrecken. Die Stützbalken können zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen an zwei gegenüberliegenden Enden des Spiegelkörpers entlang der Rotationsachse verbunden sein. Die Auslegerarm-Anordnung kann einen Auslegerarm aufweisen, der an einem ersten Ende über eine Entlastungsstruktur mit dem Spiegelrahmen gekoppelt und an einem zweiten Ende an dem Spiegelkörper befestigt ist. Der Auslegerarm kann eine Dicke, senkrecht zu einer Ebene des Rahmens aufweisen, die kleiner als seine Breite in der Ebene des Rahmens ist.
  • Ergebnisse der geringen Trägheit und der hohen Aufhängungssteifigkeit des Spiegelkörpers können hohe Resonanzfrequenzen und eine gute dynamische Performance sein. Diese Eigenschaften können das Bauelement, das bei der Resonanzfrequenz um die Hauptrotationsachse betrieben wird, auch sehr schnell machen. Im normalen Betrieb, d.h. bei Resonanz, können Beschleunigungen an den Spiegelenden von üblicherweise 10000 G erreicht werden. Dies kann externe Schwingungen vernachlässigbar machen.
  • Der MEMS-Spiegel 12 weist aufgrund der Steifigkeit der Aufhängungsstruktur (d.h. der Auslegerarme) ein nichtlineares Verhalten auf derart, dass eine Oszillationsfrequenz des Spiegels mit einer Erhöhung der Oszillationsamplitude (d.h. Neigungswinkelamplitude) auf nichtlineare Weise zunimmt. Somit bewirkt die Versteifung der Aufhängung, dass der MEMS-Spiegel 12 stärker nichtlinear ist.
  • Der MEMS-Spiegel 12 kann zum Schutz des Spiegels in einem Chip-Package 27 angeordnet sein, das in 2 gezeigt ist. Der MEMS-Spiegel 12 kann zum Beispiel bei niedrigem Druck (d.h. bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks) in einem Chip-Package hermetisch abgedichtet werden. Dieser niedrige Druck kann eine spannungsarme Umgebung bereitstellen, in der der MEMS-Spiegel 12 arbeitet.
  • Denkbare Packages können umfassen oder sich unterscheiden um eine oder mehrere der folgenden Varianten: unterschiedliche Substrate (z.B. Metall (Leadframe), Keramik, organisch (ähnlich dem gedruckte Schaltungsplatine- (PCB-) Material) und unterschiedliche optische Deckel oder Abdeckungen (z.B. optisches Material aus Glas, Silizium, Saphir, etc.). Ferner können die optischen Deckel oder Abdeckungen hohlraumbildende Kappen sein, können in einen Rahmen (z.B. einen Metallrahmen) integriert werden oder auf einem vorgeformten Hohlraum oder einem keramischen Hohlraum angeordnet werden.
  • Ein oder mehrere Verfahren (z.B. adhäsives Bonden, Kleben, Löten, Schweißen und dergleichen) oder ein oder mehrere unterschiedliche Materialien (z.B. Silikon, Glaslot, AuSn und dergleichen) können verwendet werden, um ein oder mehrere Elemente aneinander zu bonden (z.B. Verbindungs-Kappe oder -Deckel auf Substrat). Es wird darauf hingewiesen, dass Verfahren zum Bonden über unterschiedliche hierin offenbarte Ausführungsbeispiele austauschbar sein können.
  • Alternativ kann ein Ansatz auf Waferebene verwendet werden derart, dass ein hohlraumförmiger Deckel direkt auf den MEMS-Chip (oder sogar auf Waferebene vor der Vereinzelung) befestigt werden kann. Lässt die Deckelbefestigung die elektrischen Anschlussflächen freiliegend, kann der unterhalb befestigte Chip/Deckel unter Verwendung von Formgebungs- oder Gießprozessen zu einem Package weiterverarbeitet werden.
  • Der MEMS-Spiegel 12 selbst ist ein nichtlinearer Resonator (d.h. ein resonanter MEMS-Spiegel), der ausgebildet ist, um von „Seite-zu-Seite“ um eine einzelne Abtastachse 13 bei einer Resonanzfrequenz derart zu oszillieren, dass das Licht, das von dem MEMS-Spiegel 12 (d. h. der vertikalen Abtastlinie von Licht) reflektiert wird, rückwärts und vorwärts in einer horizontalen Abtastrichtung oszilliert. Der MEMS-Spiegel 12 ist aufgrund der Versteifung der Aufhängung stärker nichtlinear. Eine Abtastperiode oder eine Oszillationsperiode wird zum Beispiel durch eine vollständige Oszillation von einem ersten Rand des Sichtfeldes (z. B. linke Seite) zu einem zweiten Rand des Sichtfeldes (z. B. rechte Seite) und dann wieder zurück zu dem ersten Rand definiert. Eine Spiegelperiode des MEMS-Spiegels 12 entspricht einer Abtastperiode.
  • Somit wird das Sichtfeld in horizontaler Richtung durch den vertikalen Lichtstrich abgetastet, indem der Winkel des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Abtastachse 13 verändert wird. Zum Beispiel kann der MEMS-Spiegel 12 ausgebildet sein, um bei einer Resonanzfrequenz von 2 kHz zwischen +/-15 Grad zu oszillieren, um das Licht über 30 Grad zu lenken, was den Abtastbereich des Sichtfeldes ausmacht. Somit kann das Sichtfeld zeilenweise durch eine Rotation des MEMS-Spiegels 12 durch seinen Bewegungsgrad abgetastet werden. Eine solche Sequenz durch den Bewegungsgrad (z. B. von -15 Grad bis +15 Grad) wird als eine einzelne Abtastung oder ein einzelner Abtastzyklus bezeichnet. Mehrfache Abtastungen können verwendet werden, um Distanz- und Tiefen-Abbildungen sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen. Die horizontale Auflösung der Tiefen-Abbildungen und Bilder hängt von der Größe der inkrementellen Schritte bei dem Rotationswinkel des MEMS-Spiegels 12, vorgenommen zwischen den Abtastungen, ab.
  • Während der Übertragungsspiegel im Kontext eines MEMS-Spiegels beschrieben ist, wird darauf hingewiesen, dass auch andere 1D-Spiegel verwendet werden können. Zusätzlich ist die Resonanzfrequenz oder der Rotationsgrad nicht auf 2 kHz bzw. +/-15 Grad beschränkt, und sowohl die Resonanzfrequenz als auch das Sichtfeld können je nach Anwendung vergrößert oder verringert werden. Somit ist ein eindimensionaler Abtastspiegel ausgebildet, um um eine einzelne Abtastachse zu oszillieren und die Laserstrahlen in unterschiedliche Richtungen in ein Sichtfeld zu richten. Somit umfasst eine Übertragungstechnik das Übertragen der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem Übertragungsspiegel, der um eine einzelne Abtastachse oszilliert derart, dass die Lichtstrahlen als eine vertikale Abtastlinie SL in das Sichtfeld projiziert werden, die sich horizontal über das Sichtfeld bewegt, während der Übertragungsspiegel um die einzelne Abtastachse oszilliert.
  • Nach dem Auftreffen auf einem oder mehreren Objekten wird der übertragene vertikale Lichtstrich durch Rückstreuung zurück in Richtung des LIDAR-Abtastsystems 100 als eine reflektierte vertikale Linie reflektiert, wo die zweite optische Komponente 14 (z. B. eine Linse oder ein Prisma) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 richtet das reflektierte Licht auf das Photodetektor-Detektorarray 15, das das reflektierte Licht als eine Empfangsleitung RL (Receiving Line) empfängt und ausgebildet ist zum Erzeugen elektrischer Messsignale. Die elektrischen Messsignale können zum Erzeugen einer 3D-Abbildung der Umgebung und/oder anderer Objektdaten basierend auf dem reflektierten Licht verwendet werden (z.B. über TOF-Berechnungen und Verarbeitung).
  • Die Empfangsleitung wird als eine vertikale Lichtspalte gezeigt, die sich entlang einer der Pixelspalten in einer Längsrichtung der Pixelspalte erstreckt. Die Empfangsleitung hat drei Regionen, die der in 1A gezeigten vertikalen Abtastlinie SL entsprechen. Da sich die vertikale Abtastlinie SL horizontal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich die vertikale Lichtspalte RL, die auf das 2D-Photodetektor-Array 15 auftrifft, auch horizontal über das 2D-Photodetektor-Array 15. Der reflektierte Lichtstrahl RL bewegt sich von einem ersten Rand des Photodetektor-Detektorarrays 15 zu einem zweiten Rand des Photodetektor-Detektorarrays 15, während sich die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL ändert. Die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL entspricht einer Übertragungsrichtung der Abtastlinie SL.
  • Das Photodetektor-Array 15 kann irgendeines aus einer Anzahl von Photodetektortypen sein; umfassend Avalanche-Photodioden (APD; avalanche photodiodes), Photozellen und/oder andere Photodiodenbauelemente. Bilderzeugungssensoren wie beispielsweise ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs; charge-coupled devices) können die Photodetektoren sein. Bei den hierin bereitgestellten Beispielen ist das Photodetektor-Array 15 ein zweidimensionales (2D-) APD-Array, das ein Array von APD-Pixeln aufweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Photodetektor-Array 15 ein ID-Array sein, das eine einzelne Spalte von Photodioden umfasst. Die Aktivierung der Photodioden kann mit von der Beleuchtungseinheit 10 emittierten Lichtpulsen synchronisiert werden.
  • Das Photodetektor-Array 15 empfängt reflektierende Lichtpulse als die Empfangsleitung RL und erzeugt als Antwort darauf elektrische Signale. Da der Zeitpunkt der Übertragung jedes Lichtpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist und da das Licht sich mit einer bekannten Geschwindigkeit bewegt, kann eine Laufzeitberechnung unter Verwendung der elektrischen Signale die Distanz von Objekten von dem Photodetektor-Array 15 bestimmen. Eine Tiefen-Abbildung kann die Distanzinformationen graphisch darstellen.
  • Bei einem Beispiel löst ein Mikrocontroller für jede Distanzabtastung (distance sampling) einen Laserpuls von jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet auch einen Timer in einer integrierten Schaltung (IC) eines Zeit-Digital-Wandlers (TDC; Time-to-Digital Converter). Der Laserpuls wird durch die Übertragungsoptik ausgebreitet, vom Zielfeld reflektiert und von einem APD des APD-Arrays 15 erfasst. Die APD emittiert einen kurzen elektrischen Puls, der dann durch einen elektrischen Signalverstärker verstärkt wird. Eine Komparator-IC erkennt den Puls und sendet ein digitales Signal an den TDC, um den Timer zu stoppen. Der TDC verwendet eine Taktfrequenz, um jede Messung zu kalibrieren. Der TDC sendet die seriellen Daten der Differenzzeit zwischen dem digitalen Start- und Stoppsignal an den Mikrocontroller, der jegliche Fehlerablesungen herausfiltert, mehrere Zeitmessungen mittelt und die Distanz zum Ziel an dieser bestimmten Feldposition berechnet. Durch Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in unterschiedlichen Richtungen, geschaffen durch den MEMS-Spiegel, kann ein Bereich gescannt, ein dreidimensionales Bild erzeugt werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert werden.
  • 1B zeigt eine schematische Draufsicht eines Beispiels eines Spiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Bezugnehmend auf 1B wird nun ein Beispiel eines Spiegel-Bauelements, wie beispielsweise ein MEMS-Abtastmikrospiegel, erläutert. Das Spiegel-Bauelement umfasst ein Spiegelkörper 8. Der Spiegelkörper 8 umfasst einen Spiegel 12 und eine Spiegelhalterung 16. Das Spiegel-Bauelement umfasst ferner einen Rahmen 17. Der Spiegelkörper 8 ist in dem Rahmen 17 angeordnet. Der Rahmen 17 definiert eine Ebene, d.h. die (x, y-) Ebene in 1B. Die durch den Rahmen 17 definierte Ebene kann parallel zu Ebenen sein, die durch Hauptoberflächen einer Schicht oder einer Mehrzahl von Schichten definiert sind, in denen der Rahmen 17 gebildet ist.
  • Der Spiegelkörper 8 ist um eine Rotationsachse 13 drehbar, die sich in der durch den Rahmen 17 definierten Ebene erstreckt. Zwischen dem Spiegelkörper 8 und dem Rahmen 17 sind Stützbalken 18, die auch als Biegebalken bezeichnet werden können, entlang der Rotationsachse 13 verbunden. Genauer gesagt, ist ein erster Stützbalken 18 zwischen einem ersten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 17 verbunden und ein zweiter Stützbalken 18 zwischen einem zweiten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 17 verbunden, wobei das zweite Ende des Spiegelkörpers 8 gegenüberliegend zu dem ersten Ende in Richtung der Rotationsachse 13 ist. Eine vergrößerte Ansicht eines der Stützbalken 18 ist in dem vergrößerten Abschnitt C auf der rechten Seite von 1B gezeigt. Wie ersichtlich ist, verbinden die Stützbalken 18 Teile der Spiegelhalterung 16 mit Teilen des Rahmens 17 und ermöglichen, dass der Spiegelkörper 8 um die Rotationsachse 13 rotiert wird. Die Stützbalken 18 können kollinear mit der Rotationsachse 13 sein.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Form des Spiegels 12 irgendeine für eine bestimmte Anwendung gewünschte Form sein kann, z.B. ein Kreis, eine Ellipse, ein Quadrat, ein Rechteck oder nach Wunsch eine andere Form.
  • Der Spiegelrahmen 17 definiert eine Spiegelaussparung 20, in der der Spiegelkörper 8 angeordnet ist. Die Spiegelaussparung 20 wird durch eine Aussparungsperipherie 28 des Spiegelrahmens 17 definiert. Der Spiegelrahmen 17 kann auch strukturiert sein, um weitere Aussparungen zu definieren, in denen andere Komponenten wie beispielsweise Aktuatoren und Blattfeder-Anordnungen angeordnet sein können.
  • Das Spiegel-Bauelement umfasst zumindest eine Blattfeder-Anordnung 30. Bei dem gezeigten Beispiel umfasst das Spiegel-Bauelement zwei Paare von Blattfeder-Anordnungen 30, wobei sich die Blattfeder-Anordnung bei jedem Paar von dem Spiegelkörper 8 in entgegengesetzte Richtungen erstreckt. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Blattfeder-Anordnungen 30 symmetrisch im Hinblick auf die Rotationsachse 13 angeordnet.
  • Die zumindest eine Blattfeder-Anordnung 30 umfasst eine Blattfeder 32 und eine Entlastungsverbindung 34. Die Entlastungsverbindung 34 kann eine oder mehrere Entlastungsfedern 35 aufweisen. Die Blattfeder 32 umfasst ein erstes Ende 32a und ein zweites Ende 32b. Das erste Ende 32a ist mit dem Spiegelkörper 8 und das zweite Ende ist mit dem Rahmen 17 gekoppelt. Jede Blattfeder 32 weist eine Längsrichtung oder Erstreckung zwischen dem ersten Ende 32a und dem zweiten Ende 32b auf. Das erste Ende 32a ist an der Spiegelhalterung (nicht dargestellt) fixiert und das zweite Ende 32b ist mit dem Rahmen 17 über die Entlastungsverbindung 34 gekoppelt. Bei den Beispielen können die ersten Enden 32a der zwei Blattfedern 32, die sich von dem selben Abschnitt des Spiegelkörpers 8 in unterschiedliche Richtungen erstrecken, miteinander verbunden sein (z.B. die Blattfedern der linken Seite des Spiegels 12 oder die Blattfedern auf der rechten Seite des Spiegels 12).
  • Bei einigen Beispielen kann die Form des Spiegels 12 konkave Abschnitte in der Region der Rotationsachse 13 aufweisen, wobei sich Abschnitte der Blattfedern 32 in die konkaven Abschnitte des Spiegels 12 erstrecken. Bei einigen Beispielen können die Blattfedern 32 und der Spiegel 12 in einer gleichen Materialschicht gebildet sein und benachbart zu der Rotationsachse 13 miteinander verbunden sein.
  • Bei einigen Beispielen können die Blattfedern 32 in einer einkristallinen Siliziumschicht mit einer Richtung geringerer Materialsteifigkeit implementiert sein, wobei die Blattfedern ihre Längsrichtung mit der Richtung geringerer Materialsteifigkeit ausgerichtet haben. Bei einigen Beispielen können die Blattfedern 32 in einer Siliziumschicht mit einer <100> Achse implementiert sein und die Blattfedern haben ihre Längsrichtung mit der <100> Richtung ausgerichtet, die in diesem Fall die geringere Materialsteifigkeit aufweist.
  • Die Torsionssteifigkeit um die Rotationsachse 13 kann unter Verwendung der Blattfeder-Anordnungen 30 eingestellt werden. Das Paar der Stützbalken 18 stützt den Spiegelkörper 8 vertikal, d.h. senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Rahmens 17, an der Rotationsachse 13. Die Stützbalken 18 können jedoch einen vernachlässigbaren Effekt auf die Torsionssteifigkeit haben, so dass die natürliche Frequenz des Spiegelkörpers im Wesentlichen durch die Blattfeder-Anordnungen 30 bestimmt werden kann. Die natürliche Frequenz kann im Wesentlichen unabhängig von den Stützbalken 18 sein. Die natürliche Frequenz, wie hierin definiert, ist die ungedämpfte Frequenz des Spiegelkörpers 8 (d.h. des Spiegels 12) um seine Rotationsachse 13. Die Stützbalken 18 können das Schaukeln außerhalb der Ebene und die Steifigkeit des vertikalen Modus für die entsprechenden dynamischen Modi und die entsprechenden Resonanzfrequenzen definieren. Die Torsionssteifigkeit kann von dem Schaukeln außerhalb der Ebene und der Steifigkeit des vertikalen Modus entkoppelt werden, so dass das Schaukeln außerhalb der Ebene und Vertikalmodus-Frequenzen auf gewünschte Werte, wie beispielsweise höhere Werte, eingestellt werden können, ohne die Torsionsmodus-Steifigkeit und die Resonanzfrequenz zu beeinflussen. Wie hierin definiert, ist die Y-Achse entlang der Rotationsachse 13, die X-Achse ist senkrecht zu der Y-Achse auf der Spiegelebene, wenn der Spiegel 12 in Ruhe ist, und die Z-Achse ist senkrecht zu und aus der Spiegelebene heraus, wenn der Spiegel 12 in Ruhe ist. Die X-, Y- und Z-Achsen sind Achsen eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems.
  • Bei dem in 1B gezeigten Beispiel ist ein Ende der zumindest einen Blattfeder 32 mit dem Spiegelkörper 8 an einer Stelle nahe der Rotationsachse 13 verbunden. Das andere Ende 32b ist mit der zugeordneten Entlastungsverbindung 34 an einer Stelle verbunden, die von der Rotationsachse 13 weiter entfernt ist. Die Blattfeder-Anordnungen 30 können Torsionssteifigkeit an den Spiegelkörper 8 um die Rotationsachse 13 bereitstellen. Die Entlastungsverbindungen 34 können eine nachgiebige oder elastische Kopplung von den Blattfedern 32 zu dem Rahmen 17 bereitstellen. Die Entlastungsverbindungen 34 können eine relativ geringe Steifigkeit longitudinal zu den Blattfedern 32 aufweisen, d.h. in X-Richtung in 1B, was erlaubt, ein Ende der Blattfedern 32 in ihrer Längsrichtung zu bewegen, wenn sich der Spiegelkörper 8 um die Rotationsachse 13 dreht. Die Entlastungsverbindungen 34 können eine relativ hohe Steifigkeit in der transversalen Richtung, d.h. in Z-Richtung und in Y-Richtung in 1B aufweisen.
  • Die Resonanzfrequenz für die Drehung des Spiegels 12 um die Rotationsachse 13 kann hauptsächlich durch die Trägheit des Spiegelkörpers 8 und die Steifigkeit der Blattfeder-Anordnungen 30 definiert werden, die durch die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 und durch die Torsions- und Translationssteifigkeit der Entlastungsverbindungen 34 definiert werden kann. Die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 kann durch die Länge, Breite und insbesondere die Dicke der Blattfedern 32 definiert werden. Die kombinierte Steifigkeit der Stützbalken 18 und der Entlastungsverbindungen 34 in X-Richtung kann eine Bewegung des Spiegelkörpers 8 senkrecht zu der Rotationsachse 13 (in der X-Richtung) während des Betriebs verhindern. Mehr Details zu den Entlastungsverbindungen wird nachfolgend bereitgestellt.
  • Die Stützbalken 18 sind zwischen dem Rahmen 17 und dem Spiegelkörper 8 entlang der Rotationsachse 13 verbunden, um den Spiegelkörper 8 in dem Rahmen 17 zu stützen. Bei einem Beispiel haben die Stützbalken 18 schmale rechteckige Querschnitte senkrecht zu der Rotationsachse 13, wobei die lange Achse des Rechtecks senkrecht zu der Fläche des Spiegels 12 und des Spiegelkörpers 8 und die kurze Achse des Rechtecks parallel zu der Fläche des Spiegels 12 verläuft. Die Torsionssteifigkeit, die einer Drehung des Spiegelkörpers 8 um die Rotationsachse 13 entspricht, kann durch die Blattfeder-Anordnungen 30 bereitgestellt werden. Die Stützbalken 18 können nur zur Abstützung des Spiegelkörpers 8 dienen und können einen vernachlässigbaren Effekt auf die Torsionssteifigkeit haben. Die Stützbalken 18 können so bemessen sein, dass die Steifigkeit gegen vertikale Verschiebung (in Z-Richtung) des Spiegelkörpers 8 und gegen seine Translation außerhalb der Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 13 (die X-Achse) so hoch wie möglich sein kann.
  • Das Spiegel-Bauelement kann auch zumindest einen Aktuator 40 umfassen, um ein Drehmoment zum Antreiben des Spiegelkörpers 8 um die Rotationsachse 13 bereitzustellen. Bei einem Beispiel kann der Aktuator Spiegelkämme umfassen, die an dem Spiegelkörper 8 angebracht sind, die mit Rahmenkämmen verschachtelt sind, die an dem Rahmen 17 angebracht sind. Das Anlegen einer Differenz des elektrischen Potentials zwischen verschachtelten Spiegelkämmen und Rahmenkämmen kann eine Antriebskraft zwischen den Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen erzeugen, die ein Drehmoment auf dem Spiegelkörper 8 um die Rotationsachse 13 erzeugen kann. Ein oszillierendes elektrisches Potential kann angelegt werden, um das Spiegel-Bauelement mit seiner natürlichen Frequenz anzutreiben.
  • Bei anderen Beispielen können Betätigungsverfahren elektromagnetische Betätigung und piezoelektrische Aktuatoren umfassen. Bei der elektromagnetischen Betätigung kann der Mikrospiegel in ein Magnetfeld „getaucht“ werden und ein elektrischer Wechselstrom durch leitfähige Pfade kann das oszillierende Drehmoment um die Rotationsachse 13 erzeugen. Piezoelektrische Aktuatoren können in die Blattfedern integriert sein oder die Blattfedern können aus piezoelektrischem Material hergestellt sein, um ansprechend auf ein elektrisches Signal alternierende Balkenbiegekräfte zu erzeugen und das Oszillationsdrehmoment zu erzeugen.
  • Der MEMS-Spiegel 12 weist ein nichtlineares Verhalten auf aufgrund der Torsionssteifigkeit um die Rotationsachse 13, verursacht durch die Blattfeder-Anordnungen 30, derart, dass eine Oszillationsfrequenz des Spiegels 12 mit einer Erhöhung der Oszillationsamplitude (d.h. Neigungswinkelamplitude) auf nichtlineare Weise zunimmt. Somit bewirkt die Versteifung der Blattfedern 32 beim Rotieren des Spiegels, dass der MEMS-Spiegel 12 stärker nichtlinear ist.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere zeigt 2 zusätzliche Merkmale des LIDAR-Abtastsystems 200, umfassend beispielhafte Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten, wie beispielsweise einen MEMS-Treiber, eine Empfängerschaltung und eine Systemsteuerung.
  • Das LIDAR-Abtastsystem 200 umfasst eine Sendereinheit 21, die für einen Emitterpfad des Systems 200 verantwortlich ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 verantwortlich ist. Das System umfasst auch eine Systemsteuerung 23, die ausgebildet ist, um Komponenten der Sendereinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern und um Rohdaten von der Empfängereinheit 22 zu empfangen und eine Verarbeitung an diesen (z. B. über digitale Signalverarbeitung) auszuführen, um Objektdaten (z. B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Somit umfasst die Systemsteuerung 23 zumindest einen Prozessor und/oder eine Prozessorschaltungsanordnung zur Datenverarbeitung sowie eine Steuerschaltungsanordnung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, die zum Erzeugen von Steuersignalen ausgebildet ist. Das LIDAR-Abtastsystems 200 kann auch einen Temperatursensor 26 umfassen.
  • Die Empfängereinheit 22 umfasst das Photodetektor-Array 15 sowie eine Empfängerschaltung 24. Die Empfängerschaltung 24 kann eine oder mehrere Schaltungsanordnungen oder Teilschaltungsanordnungen zum Empfangen und/oder Verarbeiten von Informationen umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann die analogen elektrischen Signale von den APD-Dioden des Photodetektor-Arrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als analoge Rohdaten oder digitale Rohdaten an die Systemsteuerung 23 übertragen. Um die Rohdaten als digitale Daten zu übertragen, kann die Empfängerschaltung 24 einen Analog-Digital-Wandler (ADC; analog-to-digital converter) und ein feld-programmierbares Gate-Array (FPGA; field programmable gate array) umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Triggersteuersignale von der Systemsteuerung 23 empfangen, die eine Aktivierung einer oder mehrerer APD-Dioden auslöst. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Verstärkungseinstellungs-Steuersignale zum Steuern der Verstärkung einer oder mehrerer APD-Dioden empfangen.
  • Die Sendereinheit 21 umfasst die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12 und einen MEMS-Treiber 25, der ausgebildet ist, um den MEMS-Spiegel 12 zu treiben. Insbesondere betätigt und erfasst der MEMS-Treiber 25 die Rotationsposition des Spiegels und stellt der Systemsteuerung 23 Positionsinformationen (z. B. Neigungswinkel oder Grad der Rotation um die Rotationsachse) des Spiegels bereit. Basierend auf diesen Positionsinformationen werden die Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 durch die Systemsteuerung 23 ausgelöst und die Photodioden (z. B. APD-Dioden) werden aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und damit zu messen. Somit führt eine höhere Genauigkeit bei der Positionserfassung des MEMS-Spiegels zu einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems.
  • Der MEMS-Treiber 25 kann auch eine Spiegelfrequenz und Ströme unter Verwendung einer Kapazitätsänderung in einem Kammantriebsrotor und -stator einer Aktuatorstruktur, die zum Treiben des MEMS-Spiegels 12 verwendet wird, messen und aufzeichnen. Die Aktuatorstruktur des MEMS-Spiegels 12 umfasst ferner die oben erörterte Aufhängungsstruktur. Somit kann der MEMS-Treiber 25 ferner eine Messschaltung umfassen, die ausgebildet ist, um eine oder mehrere Charakteristika des hierin beschriebenen MEMS-Spiegels 12 zu messen. Der MEMS-Treiber 25 kann ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfassen, umfassend zumindest einen Prozessor (z.B. eine analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung), der ausgebildet ist, um Messinformationen von der Messschaltung zu verarbeiten, um eine mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 und/oder den Zustand des Chip-Packages zu bewerten.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Systemsteuerung 23 Messinformationen von der Messschaltung des MEMS-Treibers 25 empfangen und eine Verarbeitung an diesen ausführen. Somit kann die Systemsteuerung 23 ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfassen, umfassend zumindest einen Prozessor (z.B. eine analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung), der ausgebildet ist, um Messinformationen von der Messschaltung zu verarbeiten, um eine mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 und/oder den Zustand des Chip-Packages zu bewerten.
  • Durch das Erfassen der Rotationsposition des MEMS-Spiegels 12 um seine Rotationsachse 13 kann der MEMS-Treiber 25 Nulldurchgangsereignisse des MEMS-Spiegels 12 erfassen. Ein Nulldurchgangsereignis ist ein Fall, wenn der MEMS-Spiegel 12 einen Rotationswinkel von 0° auf seiner Rotationsachse 13 aufweist. Im Besonderen ist es der Moment, wenn der MEMS-Spiegel 12 parallel zu dem Rahmen oder in einer neutralen Position ist. Die neutrale Position kann auch als Ruheposition bezeichnet werden (z.B. wenn der MEMS-Spiegel 12 nach Abschalten der Antriebskraft zum Stillstand kommt). Da der MEMS-Spiegel 12 zwischen zwei Rotationsrichtungen rückwärts und vorwärts (im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn) oszilliert, tritt während einer Abtastperiode zweimal ein Nulldurchgangsereignis auf - einmal, wenn der Spiegel in die erste Rotationsrichtung oszilliert, und einmal, wenn der Spiegel in die zweite Rotationsrichtung oszilliert.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Ereigniszeit einem Nicht-Nulldurchgangsereignis entsprechen. Zum Beispiel kann der erfasste Rotationswinkel ein anderer Winkel als 0° sein. Zu Erklärungszwecken werden Beispiele hierin jedoch im Kontext mit dem Erfassen von Nulldurchgangsereignissen beschrieben.
  • Der MEMS-Treiber 25 ist ausgebildet, um jedes Nulldurchgangsereignis zu detektieren und eine Zeitgebung für jedes Ereignis aufzuzeichnen. Diese Zeitgebungsinformation (d. h. gemessene Nulldurchgangszeit) kann dann von dem MEMS-Treiber 25 mit einer erwarteten Nulldurchgangszeit für jeden Nulldurchgang verglichen werden, um Asymmetrien in der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 zu detektieren. Der MEMS-Treiber 25 kann die Positionsinformation auch an die Systemsteuerung 23 senden, so dass die Systemsteuerung 23 die Positionsinformation verwenden kann, um das Auslösen der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 und die Aktivierung der Photodioden des Photodetektor-Arrays 15 zu steuern. Die Positionsinformation kann von der Systemsteuerung auch als Rückmeldungsinformation verwendet werden derart, dass die Systemsteuerung 23 einen stabilen Betrieb des MEMS-Spiegels 12 über Steuersignale, die an den MEMS-Treiber 25 bereitgestellt werden, aufrechterhalten kann.
  • Der MEMS-Spiegel 12 umfasst eine Aktuatorstruktur, die zum Treiben des Spiegels verwendet wird. Die Aktuatorstruktur umfasst verzahnte Fingerelektroden aus verzahnten Spiegelkämmen und Rahmenkämmen, an die durch den MEMS-Treiber 25 eine Antriebsspannung (z. B. ein Betätigungssignal) angelegt wird. Die an die Fingerstruktur angelegte Antriebsspannung erzeugt eine entsprechende Kapazität. Die Antriebsspannung über die Fingerstruktur erzeugt eine Antriebskraft zwischen den verzahnten Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen, die ein Drehmoment auf dem Spiegelkörper um die Rotationsachse erzeugt. Die Antriebsspannung kann ein- und ausgeschaltet oder in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet werden, was in einer oszillierenden Antriebskraft resultiert. Die oszillierende Antriebskraft verursacht, dass der Spiegel auf seiner Rotationsachse zwischen zwei Extremen rückwärts und vorwärts oszilliert.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein elektromagnetischer Aktuator zum Treiben des MEMS-Spiegels 12 verwendet werden. Bei einem elektromagnetischen Aktuator kann ein Antriebsstrom verwendet werden, um die oszillierende Antriebskraft zu erzeugen. Somit wird darauf hingewiesen, dass Antriebsspannung (drive/driving voltage) und Antriebsstrom (drive/driving current) hierin austauschbar verwendet werden können, und beide können allgemein als eine Antriebskraft bezeichnet werden.
  • Während der Spiegel oszilliert, ändert sich die Kapazität zwischen den Fingerelektroden gemäß der Rotationsposition des Spiegels. Der MEMS-Treiber 25 ist ausgebildet, um die Kapazität zwischen den verzahnten Fingerelektroden zu messen und daraus eine Rotationsposition oder Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu bestimmen. Durch Überwachen der Kapazität kann der MEMS-Treiber 25 die Nulldurchgangsereignisse und eine Zeitgebung derselben detektieren und den Neigungswinkel des MEMS-Spiegels 12 bestimmen. Der MEMS-Treiber 25 kann die gemessene Kapazität auch zum Bestimmen einer Spiegelfrequenz verwenden und die Informationen im Speicher an dem MEMS-Treiber 25 oder an der Systemsteuerung 23 aufzeichnen.
  • Die Erfassung der Position (d.h. des Neigungswinkels) des MEMS-Spiegels 12 wird basierend auf einem Detektor ausgeführt, der zum Messen der Kapazität ausgebildet ist. Wenn sich zum Beispiel der MEMS-Spiegel bewegt, ändert sich die Geometrie der Fingerstruktur, was zu einer Änderung bei der Geometrie der Kapazität führt. Wenn sich die Geometrie der Kapazität ändert, ändert sich die Kapazität selbst. Somit entspricht eine spezifische Kapazität direkt einer spezifischen Position (d. h. einem Neigungswinkel) des MEMS-Spiegels. Durch das Erfassen der Kapazität der Fingerstruktur kann der MEMS-Treiber 25 die Oszillationen des Spiegels überwachen und verfolgen und eine spezifische Position des MEMS-Spiegels bestimmen.
  • Eine Möglichkeit, die Kapazität zu messen, besteht darin, einen Strom zu messen, der durch die Fingerstruktur fließt, den gemessenen Strom in eine Spannung umzuwandeln und dann die Spannung weiter mit einer Kapazität und/oder einem Rotationswinkel zu korrelieren. Es kann jedoch irgendein Verfahren zum Messen der Kapazität verwendet werden. Eine Rotationsrichtung (z. B. positiv oder negativ, von links nach rechts oder von rechts nach links, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn etc.) wird auch durch ein Messen einer Änderung der Kapazität im Laufe der Zeit detektiert, wobei eine positive oder eine negative Änderung entgegengesetzte Rotationsrichtungen anzeigt. Der MEMS-Treiber 25 kann auch die Ströme und Spannungen aufzeichnen, die während des Messens der Kapazität gemessen werden. Somit kann ein Erhöhen der Genauigkeit der Positionserfassung des Spiegels die Gesamtgenauigkeit des LIDAR-Systems verbessern.
  • Da der Spiegel bei einer Oszillationsfrequenz (z.B. 2 kHz) getrieben wird, kreuzt er zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Nullposition (d. h. 0°), wenn der Spiegel in eine erste Rotationsrichtung (z. B. von links nach rechts oder im Uhrzeigersinn) rotiert. Dasselbe gilt, wenn der Spiegel in eine zweite Rotationsrichtung (z. B. von rechts nach links oder gegen den Uhrzeigersinn) rotiert, wird der Spiegel zu einem bestimmten Zeitpunkt die Nullposition kreuzen. Diese Fälle des Kreuzens der Nullposition können als Nulldurchgangsereignisse bezeichnet werden, die zu Nulldurchgangszeiten auftreten.
  • Aufgrund von Variabilitäten, die während der Herstellung und durch das Altern des Spiegels eingeführt werden, können jedoch Asymmetrien in dem Spiegel bestehen und sich mit der Zeit ändern. Diese Asymmetrien verursachen Unterschiede in der Zeitgebung zwischen der Bewegung in die erste Rotationsrichtung im Vergleich zu der Bewegung in die zweite Rotationsrichtung. Anders ausgedrückt, kann sich das Zeitintervall zwischen zwei Nulldurchgängen, wo der spätere der zwei Nulldurchgänge in der ersten Rotationsrichtung ist, von dem Zeitintervall unterscheiden, wo der spätere der zwei Nulldurchgänge in der zweiten Rotationsrichtung ist. Zusätzlich können ein oder beide Nulldurchgänge von einem erwarteten Nulldurchgang abweichen, der basierend auf der Oszillationsfrequenz berechnet wird.
  • Zusätzlich hängen ein Arbeitspunkt und die MEMS-Spiegeleigenschaften von bestimmten Umgebungsparametern wie beispielsweise Temperatur, Druck und Schwingung ab. Die MEMS-Spiegeleigenschaften umfassen beispielsweise Frequenz, Winkel, Antriebsspannung, Phase, Elastizitätsmodul (Young's modulus), Asymmetrien bei kapazitiven Erfassungssignalen (z.B. links vs. rechts, entweder in Abtastrichtung oder Aktuatorquadranten), Q-Faktor und Dämpfungsfaktor oder andere Dämpfungsparameter.
  • Der Arbeitspunkt und die MEMS-Spiegeleigenschaften können über eine Lebensdauer des MEMS-Spiegels 12 oder bei äußeren Belastungen, bei Lecken des MEMS-Packages, Änderung der Package-Atmosphäre/-Bedingungen, Alterung des Klebemittels, usw. driften. Somit kann das Überwachen dieser MEMS-Spiegeleigenschaften, umfassend ein Überwachen der Drift der Eigenschaften über die Lebensdauer, und/oder die Kalibrierung verwendet werden, um die äußeren Einflüsse aufzuheben, die korrekte Befestigung und Handhabung zu verifizieren, die Lebensdauer-Performance zu überwachen, Lecken eines hermetisch abgedichteten Packages zu detektieren und so weiter.
  • Da es ein nichtlinearer Resonator ist, ändert sich die Steifigkeit der Aktuatorstruktur (z.B. Federn, Blätter, etc.) des MEMS-Spiegels 12, wenn sich der Neigungswinkel des MEMS-Spiegels 12 ändert. Somit hängt die Antriebsspannung des MEMS-Spiegels 12 aufgrund der Nichtlinearität des Spiegels von der Phase des Spiegels ab. Während die Messungen der MEMS-Spiegeleigenschaften durch äußere Einflüsse beeinflusst werden, sind sie aufgrund der Nichtlinearität des MEMS-Spiegels 12 und der Abhängigkeit der Antriebsspannung von der Phase (d.h. der Betätigung relativ zu der Spiegelposition) nicht unabhängig voneinander. Somit ist ein genaues Mittel zum Messen dieser Eigenschaften erwünscht.
  • 3 stellt eine komplette Frequenzgangkurve eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Insbesondere stellt 3 die Spiegelphase θSpiegel vs. die Spiegelfrequenz fSpiegel des MEMS-Spiegels 12 graphisch dar. Beide Achsen in der Darstellung sind in beliebigen Einheiten. Die komplette Frequenzgangkurve umfasst eine obere Frequenzgangkurve (1), während der der Spiegel in Resonanz ist, und eine untere Frequenzgangkurve (0), während der der Spiegel nicht in Resonanz ist. Die obere Frequenzgangkurve (1) kann auch als eine Betriebsfrequenzgangkurve bezeichnet werden, wo die Frequenz den Betriebsbereich durchläuft. Im Gegensatz dazu kann die untere Frequenzgangkurve (0) als eine Nichtbetriebsfrequenzgangkurve bezeichnet werden, die vorhanden ist, bevor Resonanz erreicht wird (d.h. während nicht stabiler Oszillation). Die komplette Frequenzgangkurve kann gemessen und im Speicher des LIDAR-Systems 200 (z.B. in der Systemsteuerung 23) gespeichert werden.
  • Der Ablauf des Betriebs des MEMS-Spiegels schreitet von Punkt 1 bis Punkt 7 fort, während dessen durch den MEMS-Treiber 25 eine konstante Antriebsspannung an den MEMS-Spiegel 12 angelegt wird, wird nun beschrieben. „Konstante Antriebsspannung“ bezieht sich hier darauf, dass die Antriebsspannung bei Betätigung die gleiche Spannung ist (d.h. in einen Einzustand umgeschaltet wird). Es versteht sich jedoch, dass die Antriebsspannung in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet wird, um die Spiegeloszillation zu erzeugen.
  • Wie in dem vorherigen Absatz erwähnt, arbeiten alle Punkte auf dem Graph mit der gleichen Antriebsspannung, die durch den MEMS-Treiber 25 bereitgestellt wird. Die Antriebsspannung dehnt oder staucht nur die Kurve (d.h. eine höhere Frequenz und ein höherer Neigungswinkel kann erreicht werden aufgrund von mehr eingebrachter Energie durch eine höhere konstante Antriebsspannung).
  • Der Betrieb des MEMS-Spiegels beginnt an Punkt 1 auf der unteren Frequenzgangkurve (0), wo bei Startfrequenz fstart . Hier startet der MEMS-Treiber 25 das Antriebsspannungssignal zu dem MEMS-Spiegel 12. Darauf ansprechend beginnt sich der MEMS-Spiegel 12 ein wenig zu bewegen (z.B. in einem niedrigen Winkel). Allerdings ist der Spiegel nicht in Phase, also nicht in Resonanz. Beginnend bei der Startfrequenz fstart wird die Spiegelfrequenz nach unten durchlaufen (d.h. fallend, von rechts nach links).
  • Die Frequenz wird abgesenkt, um den Spiegel mit dem bereitgestellten Antriebssignal zu synchronisieren (d.h. um den Phasenversatz zwischen den beiden zu verringern). Da im Laufe der Zeit mehr Energie (d.h. konstante Antriebsspannung) angelegt wird, bewegt sich der Spiegel weiterhin leicht außerhalb der Resonanz, bis zur Sprungfrequenz fSprung (Punkt 2). Das heißt, die Spiegelfrequenz wird weiter abgesenkt, bis eine Resonanz gefunden wird und die Amplitude der Spiegeloszillation bei Punkt 2 zunimmt (180 Phasenverschiebung, somit Sprung). Bei der Sprungfrequenz verschiebt sich die Spiegelphase um 180 Grad von θSprung0 (Punkt 2) nach θSprung1 (Punkt 3), wo die eingebrachte Energie in Bewegung übertragen wird.
  • Bei Punkt 4 beginnt die Spiegelfrequenz fSpiegel nach oben durchzulaufen (d.h. steigend, von links nach rechts). Die Spiegelphase kann entlang der oberen Frequenzgangkurve weiter zunehmen. Bei Punkt 5 ist der Spiegel in einer stabilen Betriebsregion (in Phase, aber versetzt). Der Spiegel kann bei Punkt 5 in einer optimalen Resonanz sein. Wenn die Spiegelphase jedoch weiter auf Punkt 6 ansteigt, erreicht die Spiegelphase eine Fallback-Phase θfb1 bei einer Fallback-Frequenz ffb . Somit ist der Neigungswinkel des Spiegels kurz vor diesem Kipppunkt bei Punkt 6 auf einem Maximum.
  • Die Fallback-Frequenz ffb ist die maximale Frequenz, die der Spiegel bei der festgelegten Antriebsspannung beibehalten kann. Der Fallback-Punkt oder Kipppunkt ist der Punkt, wo die potenzielle Energie, die durch die Antriebsspannung in das Spiegelsystem eingebracht wird, gleich der kinetischen Energie ist, die ihm durch das Spiegelsystem entgegengesetzt wird (in Phase, kein Versatz), wobei das Drücken über diesen Punkt die Balance stört und die Resonanz verloren geht. Somit ist bei Punkt 6 nicht genügend Energie in dem System, um die Spiegelphase aufrechtzuerhalten, und die Phase verschiebt sich um 180 Grad und fällt bei der Fallback-Phase θfb0 auf die untere Frequenzgangkurve (0) zurück.
  • Punkt 7 ist der Fallback-Punkt auf der unteren Frequenzgangkurve (0) und ist der Phasenwinkel, auf den der Spiegel zurückfällt. Dieser Phasenwinkel ist nicht notwendigerweise Null Grad, da die Antriebsspannung noch vorhanden ist, aber der Spiegel ist nicht mehr in Phase. Der Zyklus kann bei Punkt 7 oder bei Punkt 1 erneut beginnen.
  • Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann der MEMS-Treiber 25 ausgebildet sein, um die Frequenz den Betriebsbereich durchlaufen zu lassen (d.h. entlang der oberen Frequenzgangkurve von Punkt 3 bis Punkt 6) und die Neigungsamplitude (Neigungswinkel) des MEMS-Spiegels 12 gemäß den oben beschriebenen Messtechniken aufzuzeichnen. Der MEMS-Treiber 25 kann auch die maximale Neigungsamplitude vor Erreichen des Fallback-Punkts aufzeichnen.
  • 4A stellt ein Abklingen eines großen Winkels eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Insbesondere stellt 4A den mechanischen Winkel (Grad) eines MEMS-Spiegels 12 versus die Zeit (ms) graphisch dar, während der Spiegel an seinem Nullwinkel vorbei rückwärts und vorwärts oszilliert. Beide Achsen in der Darstellung sind in beliebigen Einheiten. Der MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 können das Abklingen des großen Winkels nutzen, um Nulldurchgangsereignisse zu detektieren und die Zeitgebung dieser Ereignisse während des Abklingens der Oszillation aufzuzeichnen.
  • 4B stellt eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Insbesondere stellt 4B den mechanischen Winkel (Grad) eines MEMS-Spiegels 12 versus die Zeit (ms) graphisch dar. Beide Achsen in der Darstellung sind in beliebigen Einheiten.
  • 4C stellt eine Spiegelfrequenz-Abklingkurve, dargestellt als eine natürliche Frequenz eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. 4C stellt die natürliche Frequenz (Hz) eines MEMS-Spiegels versus die Zeit (ms) graphisch dar. Beide Achsen in der Darstellung sind in beliebigen Einheiten.
  • Aus den beiden in den 4B und 4C bereitgestellten Graphen kann der MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 einen anderen in 4D dargestellten Graphen erzeugen, der wiederum in beliebigen Einheiten vorliegt. Insbesondere stellt 4D die natürliche Frequenz (Hz) dar, die gegen den Neigungswinkel (Grad) während eines Abklingens eines Mikrospiegel-Bauelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen aufgetragen wurde. Das heißt, die in 4C gezeigte Kurve wird gegen die in 4B gezeigte Kurve aufgetragen. Der in 4D gezeigte Graph kann als eine Abklingkurve des Abklingens der Oszillation des MEMS-Spiegels 12 bezeichnet werden.
  • Abklingmessungen werden durch den MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 ausgeführt unter Verwendung von Informationen, die in einem oder mehreren der Graphen dargestellt werden, die während des Abklingens der Oszillation aufgezeichnet wurden. Die in 4A-4D gezeigten Graphen oder die daraus repräsentativen Informationen können im Speicher gespeichert werden (z.B. ein Speicher des MEMS-Treibers 25 oder der Systemsteuerung 23). Zum Beispiel kann der MEMS-Treiber 25 eine Messschaltung umfassen, die ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Oszillationsfrequenz (d.h. Spiegelfrequenz) und einer Neigungswinkelamplitude des MEMS-Spiegels 12 über die Ströme zu messen, die von der Kammaktuatorstruktur während eines Abklingens der Oszillation ausgehen.
  • Der MEMS-Treiber 25 kann ausgebildet sein, um das Umschalten (Toggling) des Betätigungssignals (Antriebsspannung) auszuschalten, wenn der Spiegel bei einer maximalen Neigungsamplitude ist, und Informationen aufzuzeichnen, die für das Abklingen der Oszillation repräsentativ sind (z.B. Neigungsamplitude, Spiegelfrequenz, etc.). Insbesondere wird die Abklingmessung ausgeführt durch Abschalten der Antriebsspannung kurz vor Punkt 6 in einem vordefinierten Winkel, um einen gesteuerten Fallback auszulösen, anstatt den Kipppunkt zu überschreiten. Die Oszillation verlangsamt sich und der Spiegel hört schließlich auf zu oszillieren und erreicht einen Stillstand. In einigen Fällen muss das Betätigungssignal möglicherweise hoch genug gehalten werden, um Messströme zu erhalten, die verwendet werden, um die Kapazität der Aktuatorstruktur unter Verwendung der oben beschriebenen Messtechniken herzuleiten. Anders ausgedrückt kann das Betätigungssignal niedriger als die Antriebsspannung eingestellt, aber nicht vollständig abgeschaltet werden, um ein gesteuertes Abklingen des Spiegels zu induzieren. In jedem Fall kann der MEMS-Treiber 25 die Spiegelfrequenz (z.B. Nullwinkelfrequenz), die Neigungsamplitude und die Nulldurchgangszeiten aufzeichnen sowie andere Ableitungen wie beispielsweise einen Dämpfungsfaktor, Abklingneigungsverhältnisse (decay slope ratios), Q-Faktor und dergleichen herleiten.
  • Eine Abweichung der MEMS-Spiegeleigenschaften, wenn er mit einer Amplitude nahe Null oszilliert, in Bezug auf Zeit oder Frequenz kann eine Änderung der Frequenzgangkurve (z.B. der vollständigen Frequenzgangkurve) anzeigen, die eine Änderung der Spiegeleigenschaften anzeigt. Zum Beispiel können die gemessene Zeit oder Zeiten von Nulldurchgangsereignissen, die über ein Abklingen der Oszillation bestimmt wurden, mit gespeicherten Nulldurchgangszeiten verglichen werden, die einer gespeicherten Frequenzgangkurve entsprechen, und ein Abweichungswert kann hergeleitet werden. Dieser Abweichungswert kann mit einem Schwellenabweichungswert verglichen werden, um die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 oder den Zustand des Chip-Packages zu bewerten. Diese gemessenen Zeiten von Nulldurchgangsereignissen können auch von dem MEMS-Treiber 25 verwendet werden, um eine Nullwinkelfrequenz, eine Dämpfungscharakteristik und/oder einen Q-Faktor des Spiegels zu berechnen.
  • Die Nullwinkelfrequenz ist eine Spiegelfrequenz, bei der der MEMS-Spiegel 12 oszilliert, wenn seine Oszillationsamplitude nahe Null Grad ist, in diesem Fall wird er während der Abklingzeit der Oszillation gemessen. Wie bereits erwähnt, weist der Spiegel eine Oszillationsfrequenz auf, die mit der Oszillationsamplitude aufgrund der Versteifung der Aufhängung nichtlinear zunimmt. Somit unterscheidet sich die Nullwinkelfrequenz beispielsweise von einer höheren Oszillationsamplitude. Ferner ist die Spiegelfrequenz bei der Nullwinkelfrequenz auf einem Minimum.
  • Bei einem anderen Beispiel kann die Nullwinkelfrequenz in ähnlicher Weise über ein Abklingen der Oszillation berechnet werden, verglichen mit einer gespeicherten Nullwinkelfrequenz, die einer gespeicherten Frequenzgangkurve entspricht, und ein Abweichungswert kann hergeleitet werden. Dieser Abweichungswert in der Nullwinkelfrequenz, der während des Abklingens der Oszillation aufgezeichnet wird, der außerhalb eines vorbestimmten Abweichungsbereichs liegt, kann anzeigen, dass sich die MEMS-Spiegeleigenschaften oder die Eigenschaften des Chip-Packages außerhalb eines normalen Bereichs verschoben haben, und dass der Spiegel oder das Chip-Package repariert oder ersetzt werden muss.
  • Zusätzlich oder alternativ kann eine Abklingzeitperiode gemessen werden, beginnend mit dem Ausschalten (oder Absenken) des Betätigungssignals, um das Abklingen der Oszillation zu induzieren, bis zu einem Zeitpunkt, wenn der Spiegel einen Stillstand erreicht. Die gemessene Abklingzeitperiode kann mit einer zuvor aufgezeichneten gemessenen Abklingzeitperiode oder mit einer erwarteten Abklingzeitperiode verglichen werden, die einer gespeicherten Frequenzgangkurve entspricht. Das Vergleichsergebnis kann einen Abweichungswert ergeben, der verwendet wird, um eine mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 oder den Zustand des Chip-Packages basierend auf einem vorbestimmten Abweichungsbereich zu bewerten. Die gemessene Abklingzeitperiode kann auch zum Berechnen eines Dämpfungsparameters und/oder eines Q-Faktors des Spiegels verwendet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann eine Änderung der Frequenzgangkurve, z.B. durch Messung einer Spiegelfrequenz bei mehreren Neigungswinkeln während einer Abtastung, durch den MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 auf eine Änderung der Nullwinkelfrequenz extrapoliert werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das in 4B gezeigte aufgezeichnete Abklingen der Neigungswinkelamplitude verwendet werden, um eine erste Winkelabklingneigung (angle decay slope) bei einem hohen Neigungswinkel auf dem Graphen und eine zweite Winkelabklingneigung bei einem niedrigen Neigungswinkel auf dem Graphen zu berechnen. Der MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 können ausgebildet sein, um die erste Winkelabklingneigung mit der zweiten Winkelabklingneigung zu vergleichen und die mechanische Gesundheit des Spiegels und/oder den Zustand des Chip-Packages zu bewerten.
  • Zum Beispiel kann die Systemsteuerung 23 ein Verhältnis zwischen der ersten Winkelabklingneigung und der zweiten Winkelabklingneigung berechnen und das Verhältnis mit einem Referenzverhältnis vergleichen, um einen Differenzwert herzuleiten. Der Differenzwert kann als ein Indikator der mechanischen Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 oder des Zustands des Chip-Packages verwendet werden. Bei einem Beispiel kann der Differenzwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden, und wenn der Differenzwert den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die Systemsteuerung 23 bestimmen, dass die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 ausfällt und repariert oder ersetzt werden sollte.
  • Basierend auf der Erfüllung dieser Bedingung kann die Systemsteuerung 23 einem Bediener signalisieren, dass der MEMS-Spiegel 12 repariert oder ersetzt werden sollte.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die in 4B gezeigte aufgezeichnete Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve mit einer zuvor gespeicherten Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve verglichen und ein Anpassfehler (fit error) basierend auf dem Vergleich berechnet werden. Der gemessene Anpassfehler kann dann mit einem Schwellenwert verglichen werden, um einen unterschiedlichen Wert herzuleiten. Wenn der Differenzwert den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die Systemsteuerung 23 bestimmen, dass die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 ausfällt und repariert oder ersetzt werden sollte. Basierend auf der Erfüllung dieser Bedingung kann die Systemsteuerung 23 einem Bediener signalisieren, dass der MEMS-Spiegel 12 repariert oder ersetzt werden sollte. Eine ähnliche Technik kann auf jede Kurve angewendet werden, die aus den Messungen erzeugt wird, aus denen ein Anpassfehler bestimmt und ausgewertet wird.
  • Um die Frequenz an einem einzelnen Punkt in einer Frequenzgangkurve zu messen, wird ein einzelner, gut definierter Winkel zur Verwendung als ein Referenzpunkt benötigt. Wie bereits erwähnt, zeigt 4D die Abklingkurve, die sich von einem Neigungswinkel von Null Grad bis zu einem maximalen Neigungswinkel erstreckt. Die Neigung (slope) nahe Null Grad (z.B. eine zwischen 0,0-0,5 Grad definierte Nullwinkelregion) ist nahezu horizontal, während die Neigung nahe dem Maximum geneigt ist. Wenn also der Spiegelwinkel über eine Nullwinkelregion hinaus zunimmt, ist die Spiegelfrequenz abhängig vom Spiegelwinkel, während innerhalb der Nullwinkelregion die Spiegelfrequenz unabhängig vom Spiegelwinkel ist.
  • Aufgrund dieses Phänomens kann die Spiegelfrequenz nahe Null Grad exakt gemessen werden, ohne den Spiegelwinkel genau zu kennen. Das heißt, es gibt eine Region nahe Null Grad (z.B. 0,0-0,5 Grad), die aufgrund einer geringen Empfindlichkeit gegenüber dem Spiegelwinkel Flexibilität beim Messen der Spiegelfrequenz bereitstellt. Infolgedessen kann diese Region nahe Null Grad als eine „Nullwinkelregion“ bezeichnet werden, die in der Nähe von Null Grad ist, und die in dieser Region gemessene Frequenz kann als die „Nullwinkelfrequenz“ bezeichnet werden.
  • Somit kann die Nullwinkelfrequenz bei jedem Mal aufgezeichnet werden, wenn der Neigungswinkel des MEMS-Spiegels 12 in dieser Nullwinkelregion ist, ohne den genauen Neigungswinkel zu kennen. Da die Nullwinkelregion ein Bereich von Spiegelwinkeln ist, wird hier vom MEMS-Treiber 25 ein der Nullwinkelregion zugeordneter dedizierter Zeitschlitz verwendet, um die Nullwinkelfrequenz in diesem Bereich zu messen. Der dedizierte Zeitschlitz kann während des Abschaltens des MEMS-Spiegels 12 oder während eines bestimmten Zeitintervalls während des Betriebs des MEMS-Spiegels 12 liegen.
  • Da sich das Elastizitätsmodul (Young's modulus) des Spiegels (z.B. das Elastizitätsmodul der Federn und Blätter der Betätigungsstruktur) mit der Temperatur ändert, gibt es bei der Messung der Spiegelfrequenz eine Temperaturabhängigkeit. Zum Beispiel ändert sich die Spiegelfrequenz üblicherweise um -4,8 Hz pro 50°C Anstieg. Die Abklingkurve oder der Einzelpunkt ändert sich jedoch nicht mit temperaturinduzierter Druckvariation (zumindest nicht in erster Ordnung), nur die Antriebsspannung oder Phase ändert sich. Somit kann die Systemsteuerung 23 mit einem Temperatursensor 26 gekoppelt sein, um Temperaturmessungen zu empfangen. Der Temperatursensor 26 kann, wie in 2 gezeigt, in dem LIDAR-Abtastsystem 200 umfasst oder an anderer Stelle bereitgestellt sein. Die Abklingmessungen können dann entweder an dem MEMS-Treiber 25 oder an der Systemsteuerung 23 kompensiert werden, um den Einfluss der Temperatur zu eliminieren. Die kompensierten Abklingmessungen können dann wie hierin beschrieben ausgewertet werden.
  • Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann auch die Hermetizität des Chip-Packages gemessen werden. Wenn zum Beispiel ein hermetisches Package leckt, ändert sich der Druck innerhalb des Chip-Packages. Im Falle, dass das hermetische Package bei Raumtemperatur unter Druck gesetzt wird, um unter einem atmosphärischen Druck zu sein (d.h. einen „Unterdruck“ zu haben), würde der Druck innerhalb des Packages im Falle eines Lecks zunehmen. Wenn der MEMS-Spiegel 12 nicht hermetisch abgedichtet ist, kann der Druck je nach Umgebungsdruck variieren.
  • Zusätzlich würde bei hoher Temperatur der Druck normalerweise ansteigen. Eine Druckerhöhung würde eine höhere Antriebsspannung für einen gegebenen Arbeitspunkt (d.h. für eine gegebene Frequenz/Winkel/Phase) erfordern, die sich aus einer Erhöhung der Dämpfung ergibt. Eine Erhöhung des Drucks führt auch zu einem geringeren Q-Faktor. Da ein Dämpfungsparameter und der Q-Faktor unter Verwendung der hierin beschriebenen Techniken hergeleitet werden können, kann eine Änderung des Dämpfungsparameters oder eine Änderung des Q-Faktors durch den MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 detektiert und ausgewertet werden. Wenn es ausgewertet ist, können jegliche Änderungen eine Druckänderung anzeigen. Wenn das LIDAR-Abtastsystem 200 hermetisch abgedichtet ist, kann eine Druckerhöhung detektiert und ein Lecken an einen Bediener signalisiert werden.
  • Ferner wird, wie oben erwähnt, eine konstante Antriebsspannung verwendet, um den MEMS-Spiegel 12 zu treiben. Somit kann die Spiegelphase zwischen dem Nulldurchgang des MEMS-Spiegels 12 und der fallenden Flanke des Betätigungssignals genutzt werden. Wenn die Spiegelphase gegen Null driftet, kann dies eine Druckerhöhung anzeigen. Zusätzlich können ein Dämpfungsparameter und der Q-Faktor gemessen werden, wenn die Oszillation abklingt.
  • Der MEMS-Treiber 25 oder die Systemsteuerung 23 kann ausgebildet sein, um einen Druck innerhalb des MEMS-Packages basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen, und kann ferner ausgebildet sein, um die gemessene Oszillationsfrequenz und die gemessene Neigungswinkelamplitude basierend auf dem bestimmten Druck zu kompensieren. Eine Druckänderung kann auch detektiert und an einen Bediener signalisiert werden (z.B. im Falle, dass die Änderung durch ein Leck aus dem Chip-Package verursacht wird).
  • Ein Verfahren zum Messen von Eigenschaften eines MEMS-Spiegels mit Nichtlinearität wird gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufzeichnen von Betriebsparametern (z.B. Spiegelfrequenz, Spiegelneigungsamplitude und Spiegelphase). Dies kann durch das LIDAR-Abtastsystem 200 in einem bestimmten großen Neigungswinkel (im normalen Betrieb des MEMS-Spiegels 12) oder im Nullwinkelbereich ausgeführt werden. Aus der gemessenen Spiegelfrequenz, Spiegelneigungsamplitude und Spiegelphase kann eine vollständige Frequenzgangkurve erzeugt werden. Die Spiegelfrequenz kann eine Nullwinkelfrequenz sein. Optional kann das System 200 die Temperaturempfindlichkeit kompensieren (unter Verwendung von tatsächlicher Messung oder einer Temperaturschätzung). Optional kann das System eine oder mehrere Ableitungen berechnen (z.B. Dämpfungsparameter, Q-Faktoren, Nulldurchgangszeiten, Abklingneigungsverhältnisse, etc.). Das System 200 kann einen oder mehrere Betriebsparameter oder eine oder mehrere Ableitungen jeweils mit zuvor aufgezeichneten Betriebsparametern oder Ableitungen vergleichen. Das System 200 kann dann ausgebildet sein, um einen oder mehrere der Betriebsparameter anzupassen oder einem Bediener anzuzeigen, dass eine vorbeugende Wartung oder ein Austausch empfohlen wird.
  • 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Testsystems 500 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Signalverarbeitungskette 600, die ausgebildet ist, um elektrische Signale an das Testsystem 500 zu übertragen und elektrische Signale von dem Testsystem 500 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zu empfangen.
  • Insbesondere kann das Testsystem 500 einen Prüfstand 50 umfassen, der ausgebildet ist, um Betriebsparameter (z.B. Spiegelfrequenz, Spiegelneigungsamplitude und Spiegelphase) des MEMS-Spiegels 12 unter Verwendung ähnlicher, vorstehend beschriebener Messtechniken zu messen und aufzuzeichnen. So ähnlich wie der MEMS-Treiber 25 oder die vorstehend beschriebene Systemsteuerung 23 kann das Testsystem 500 aus der gemessenen Spiegelfrequenz, Spiegelneigungsamplitude und Spiegelphase eine vollständige Frequenzgangkurve erzeugen. Das Testsystem kann auch berechnen, dass die Spiegelfrequenz eine Nullwinkelfrequenz sein kann. Optional kann das Testsystem 500 die Temperaturempfindlichkeit kompensieren (unter Verwendung von tatsächlicher Messung oder einer Temperaturschätzung). Optional kann das Testsystem 500 eine oder mehrere Ableitungen berechnen (z.B. Dämpfungsparameter, Q-Faktoren, Nulldurchgangszeiten, Abklingneigungsverhältnisse, etc.). Das Testsystem 500 kann einen oder mehrere Betriebsparameter oder eine oder mehrere Ableitungen jeweils mit zuvor aufgezeichneten Betriebsparametern oder Ableitungen vergleichen. Das Testsystem 500 kann dann ausgebildet sein, um einen oder mehrere der Betriebsparameter anzupassen oder einem Bediener anzuzeigen, dass eine vorbeugende Wartung oder ein Austausch empfohlen wird.
  • Das Testsystem 500 umfasst einen optischen Stimulus 51 (d.h. eine Laserquelle), der von einem Lasertreiber 52 getrieben wird. Der optische Stimulus 51 ist ausgebildet, um einen Laser auf den MEMS-Spiegel 53 zu feuern. Der MEMS-Spiegel 53 kann durch ein Antriebssignal getrieben werden, das durch einen MEMS-Treiber 54 bereitgestellt wird. Eine Schaltungsplatine 55 mit offener Regelschleife und konstanter Spannung (CV; constant voltage) empfängt das Antriebssignal und stellt die Antriebsspannung an die Aktuatorstruktur des MEMS-Spiegels 53 bereit.
  • Zusätzlich wird die Antwort des MEMS-Spiegels elektrisch gemessen, um Spiegelfrequenz, Spiegelphase und Spiegelstrom zu bestimmen, und in einen Regelkreis zurückgeführt. Die Offene-Regelschleife-CV-Schaltungsplatine 55 ist zum Beispiel ausgebildet, um die Ströme, die von der Kammaktuatorstruktur während eines Abklingens der Oszillation ausgehen, an einen Transimpedanzverstärker 56 auszugeben. Der Transimpedanzverstärker 56 wandelt die Ströme in Spannungen um, die zur Messung der mechanischen Bewegung des MEMS-Spiegels 53 verwendet werden (z.B. Spiegelfrequenz und Neigungsamplitude).
  • Die Signalverarbeitungskette 600 ist ausgebildet, um die Spannungssignale von dem Transimpedanzverstärker 56 zu empfangen. Insbesondere ist eine Kondensator-Signalkonditionierungsschaltung 61 ausgebildet, um die Spannungssignale in Kapazitätsmesswerte umzuwandeln. Die Kapazitätsmesswerte werden in einen Funktionsgenerator/Phasenregelschleife- (Phase-Locked Loop; PLL-) -Regelkreis 62 zurückgeführt, der einen Spiegelregelkreis schließt, und auch an eine Datenerwerbseinheit 63 übertragen.
  • Die Datenerwerbseinheit 63 speichert die Kapazitätsmesswerte und kann auch frühere Messwerte, aktuelle und voraussichtliche Frequenzgangkurven usw. speichern. Die Datenerwerbseinheit 63 überträgt auch die Kapazitätsmesswerte und/oder Frequenzgangkurven an einen Datenanalysator 64, der ausgebildet ist, um die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 53 oder den Zustand des Chip-Packages zu analysieren. Der Datenanalysator 64 ist ausgebildet, um die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 53 oder den Zustand des Chip-Packages unter Verwendung von irgendeiner der hierin beschriebenen bereitgestellten Techniken zu bewerten und ein Ergebnis an einen Bediener auszugeben (z.B. über eine Anzeige).
  • Das Testsystem 500 umfasst ferner einen lichtempfindlichen Detektor 57, der ausgebildet ist, um einen reflektierten Laser zu empfangen, der von dem MEMS-Spiegel 53 reflektiert wird, und Messsignale in Form von elektrischen Signalen zu erzeugen, so ähnlich wie das vorstehend beschriebene Photodetektor-Array 15. Der lichtempfindliche Detektor (PSD; photo-sensitive detector) 57 kann ausgebildet sein, um eine optische Antwort von dem reflektierten Laser aufzuzeichnen durch Erzeugen von elektrischen Signalen (d.h. PSD-Erfassungssignalen) und Senden der Signale an einen PSD-Treiber 59. Der PSD-Treiber 59 kann dann die PSD-Erfassungssignale an eine PSD-Signalkonditionierungsschaltung 65 übertragen, die dann verarbeitete PSD-Erfassungssignale sowohl an den Funktionsgenerator/PLL-Regelkreis 62 als auch an die Datenerwerbseinheit 63 überträgt.
  • Die Datenerwerbseinheit 63 speichert die verarbeiteten PSD-Erfassungssignale als Messwerte und kann auch frühere Messwerte, aktuelle und voraussichtliche Frequenzgangkurven usw. speichern. Die Datenerwerbseinheit 63 überträgt auch die Messwerte und/oder Frequenzgangkurven an einen Datenanalysator 64, der ausgebildet ist, um die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 53 oder den Zustand des Chip-Packages zu analysieren. Der Datenanalysator 64 ist ausgebildet, um die mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 53 oder den Zustand des Chip-Packages unter Verwendung von irgendeiner der hierin beschriebenen bereitgestellten Techniken zu bewerten und ein Ergebnis an einen Bediener auszugeben (z.B. über eine Anzeige).
  • Obwohl sich die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele auf ein MEMS-Bauelement mit einem Spiegel beziehen, soll darauf hingewiesen werden, dass andere Implementierungen andere optische Bauelemente als MEMS-Spiegel-Bauelemente oder andere MEMS-Oszillationsstrukturen umfassen können. Zusätzlich, obwohl einige Aspekte in dem Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu repräsentieren Aspekte, die in dem Kontext eines Verfahrensschrittes beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie z.B. einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können ein einzelner oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
  • Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können hierin bereitgestellte Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums ausgeführt werden, z.B. einer Diskette, DVD, einer Blue-Ray, einer CD, einem ROM, einem PROM, einem EPROM, einem EEPROM oder einem FLASH-Speicher mit elektronisch lesbaren Steuerungssignalen, die darauf gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenarbeiten (oder in der Lage sind, damit zusammenzuarbeiten), dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Daher kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
  • Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, wie beispielsweise eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU; central processing units), digitale Signalprozessoren (DSPs; digital signal processors), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; application specific integrated circuits), feldprogrammierbare Logik-Arrays (FPGAs; field programmable logic arrays) oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete logische Schaltungsanordnung. Dementsprechend bezieht sich der Ausdruck „Prozessor“, wie hierin verwendet, auf irgendeine der vorangehenden Strukturen oder irgendeine andere Struktur, die für eine Implementierung der hierin beschriebenen Techniken geeignet ist. Zusätzlich kann bei einigen Aspekten die hierin beschriebene Funktionalität innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Software-Module bereitgestellt sein. Ferner könnten die Techniken vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
  • Die oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiele sind ausschließlich darstellend. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Details für andere Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind. Es ist daher die Absicht, dass diese nur durch den Schutzbereich der anhängigen Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details eingeschränkt sind, die durch die Beschreibung und Erklärung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert werden.

Claims (22)

  1. Ein System, umfassend: eine mikroelektromechanische (MEMS-) Oszillationsstruktur, die ausgebildet ist als ein nichtlinearer Resonator, um um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Treiber, der ausgebildet ist, um eine Antriebskraft zum Treiben der MEMS-Oszillationsstruktur um die Rotationsachse gemäß einer Betriebsfrequenzgangkurve zu erzeugen, während der die MEMS-Oszillationsstruktur in Resonanz ist, wobei der Treiber ferner ausgebildet ist, um die Antriebskraft zu verringern, wenn die MEMS-Oszillationsstruktur in einem vordefinierten Neigungswinkel ist, um ein Abklingen der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur über eine Abklingzeit zu induzieren; eine Messschaltung, die ausgebildet ist, um eine Oszillationsfrequenz und eine Neigungswinkelamplitude der MEMS-Oszillationsstruktur während der Abklingzeit zu messen; und zumindest einen Prozessor, der ausgebildet ist, um zumindest eine Charakteristik der MEMS-Oszillationsstruktur basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen.
  2. Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Oszillationsfrequenz eine Nullwinkelfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur ist.
  3. Das System gemäß Anspruch 2, wobei die Messschaltung ausgebildet ist, um die Nullwinkelfrequenz basierend auf der MEMS-Oszillationsstruktur zu messen, die durch einen Nullwinkelbereich während des Abklingens der Oszillation oszilliert.
  4. Das System gemäß Anspruch 3, wobei zumindest ein Prozessor ausgebildet ist, um die Nullwinkelfrequenz mit einer erwarteten Nullwinkelfrequenz zu vergleichen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  5. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die Abklingzeit basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu messen, die gemessene Abklingzeit mit einer erwarteten Abklingzeit zu vergleichen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  6. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Charakteristik ein Dämpfungsfaktor der MEMS-Oszillationsstruktur oder ein Q-Faktor der MEMS-Oszillationsstruktur ist.
  7. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein MEMS-Package, in dem die MEMS-Oszillationsstruktur angeordnet ist, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um einen Druck innerhalb des MEMS-Packages basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu bestimmen, und wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die gemessene Oszillationsfrequenz und die gemessene Neigungswinkelamplitude basierend auf dem bestimmten Druck zu kompensieren.
  8. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein MEMS-Package, in dem die MEMS-Oszillationsstruktur angeordnet ist, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Änderung des Drucks innerhalb des MEMS-Packages basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu detektieren.
  9. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu erzeugen, die Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve mit einer vorherigen Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu vergleichen, die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  10. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude zu erzeugen, eine erste Charakteristik an einer ersten Region der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu bestimmen, eine zweite Charakteristik an einer zweiten Region der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve zu bestimmen, und die zumindest eine Charakteristik basierend auf der ersten Charakteristik und der zweiten Charakteristik zu bestimmen.
  11. Das System gemäß Anspruch 10, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die erste Charakteristik und die zweite Charakteristik mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen und die zumindest eine Charakteristik basierend auf dem Vergleichsergebnis zu bestimmen.
  12. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Temperaturmessung von einem Temperatursensor zu empfangen, und die gemessene Oszillationsfrequenz und die gemessene Neigungswinkelamplitude basierend auf der Temperaturmessung zu kompensieren.
  13. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der vordefinierte Neigungswinkel ein maximaler Neigungswinkel vor einem Fallback-Punkt auf der Betriebsfrequenzgangkurve ist.
  14. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Treiber ausgebildet ist, um die Antriebskraft auszuschalten, um das Abklingen der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur zu induzieren.
  15. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oszillationsfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur mit einer Erhöhung der Neigungswinkelamplitude nichtlinear zunimmt.
  16. Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: zumindest eine Blattfeder-Anordnung, die mit der MEMS-Oszillationsstruktur gekoppelt ist und ausgebildet ist, um Torsionssteifigkeit an die MEMS-Oszillationsstruktur um die Rotationsachse bereitzustellen derart, dass die Oszillationsfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur mit einer Erhöhung der Neigungswinkelamplitude nichtlinear zunimmt.
  17. Ein Verfahren zum Überwachen einer mikroelektromechanischen (MEMS-) Oszillationsstruktur, das Verfahren umfassend: Treiben der MEMS-Oszillationsstruktur, die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse gemäß einer Betriebsfrequenzgangkurve zu oszillieren, während der die MEMS-Oszillationsstruktur in Resonanz ist, wobei die MEMS-Oszillationsstruktur ein nichtlinearer Resonator ist; Induzieren eines Abklingens der Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur in einem vordefinierten Neigungswinkel derart, dass eine Oszillation der MEMS-Oszillationsstruktur von dem vordefinierten Neigungswinkel über eine Abklingzeit vollständig abklingt; Messen einer Oszillationsfrequenz und einer Neigungswinkelamplitude der MEMS-Oszillationsstruktur während der Abklingzeit; und Bestimmen zumindest einer Charakteristik der MEMS-Oszillationsstruktur basierend auf zumindest einer von der gemessenen Oszillationsfrequenz und der gemessenen Neigungswinkelamplitude.
  18. Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die Oszillationsfrequenz eine Nullwinkelfrequenz der MEMS-Oszillationsstruktur ist, das Verfahren ferner umfassend: Messen der Nullwinkelfrequenz basierend auf der MEMS-Oszillationsstruktur, die durch einen Nullwinkelbereich während des Abklingens der Oszillation oszilliert.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, ferner umfassend: Vergleichen der Nullwinkelfrequenz mit einer erwarteten Nullwinkelfrequenz; und Bestimmen der zumindest einen Charakteristik basierend auf dem Vergleich.
  20. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die zumindest eine Charakteristik ein Dämpfungsfaktor der MEMS-Oszillationsstruktur oder ein Q-Faktor der MEMS-Oszillationsstruktur ist.
  21. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, ferner umfassend: Erzeugen einer Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve basierend auf der gemessenen Neigungswinkelamplitude; Vergleichen der Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve mit einer vorherigen Neigungswinkelamplituden-Abklingkurve; und Bestimmen der zumindest einen Charakteristik basierend auf dem Vergleich.
  22. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der vordefinierte Neigungswinkel ein maximaler Neigungswinkel vor einem Fallback-Punkt auf der Betriebsfrequenzgangkurve ist.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017219442B8 (de) * 2017-10-30 2023-03-02 Infineon Technologies Ag Spiegelvorrichtung, die eine Blattfeder mit Öffnungen aufweist
US11061201B2 (en) * 2018-12-07 2021-07-13 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Non-linear springs to unify the dynamic motion of individual elements in a micro-mirror array
IT201900025084A1 (it) * 2019-12-20 2021-06-20 St Microelectronics Srl Dispositivo microelettromeccanico dotato di una struttura orientabile protetta da urti
US11368658B2 (en) * 2020-06-15 2022-06-21 Microsoft Technology Licensing, Llc Amplitude and biphase control of MEMS scanning device
US11662570B2 (en) * 2020-06-17 2023-05-30 Infineon Technologies Ag Mems scanner suspension system enabling high frequency and high mechanical tilt angle for large mirrors
US20220026537A1 (en) * 2020-07-22 2022-01-27 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Systems and methods for sensing rotation angles of a micro mirror in an optical sensing system
US11835710B2 (en) * 2020-12-15 2023-12-05 Infineon Technologies Ag Method of mode coupling detection and damping and usage for electrostatic MEMS mirrors
US11500093B2 (en) 2021-03-26 2022-11-15 Aeye, Inc. Hyper temporal lidar using multiple matched filters to determine target obliquity
US20220308218A1 (en) 2021-03-26 2022-09-29 Aeye, Inc. Hyper Temporal Lidar with Shot-Specific Detection Control
CN113253245B (zh) * 2021-05-11 2024-04-19 苏州深水渔半导体有限公司 基于mems振镜的激光雷达的校准系统和消除图像晃动的方法
WO2023014704A1 (en) * 2021-08-04 2023-02-09 Aeye, Inc. Multi-lens lidar receiver
US20210389431A1 (en) * 2021-08-13 2021-12-16 Intel Corporation Lidar module and methods thereof

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002148554A (ja) * 2000-11-03 2002-05-22 Samsung Electronics Co Ltd 光スキャナ及びこれを適用したレーザ映像投射装置並びにその駆動方法
US7483126B2 (en) 2004-06-23 2009-01-27 Texas Instruments Incorporated Performance analyses of micromirror devices
WO2006088779A1 (en) * 2005-02-14 2006-08-24 Texas Instruments Incorporated Deflection control for resonant scanning mirror
JP4056532B2 (ja) 2005-03-31 2008-03-05 日本航空電子工業株式会社 故障診断機能付きｍｅｍｓデバイス
JP4288275B2 (ja) 2006-08-30 2009-07-01 富士通株式会社 光スイッチ装置
JP5065116B2 (ja) * 2007-06-14 2012-10-31 キヤノン株式会社 揺動体装置、光偏向装置、及びその制御方法
JP5184909B2 (ja) * 2008-02-13 2013-04-17 キヤノン株式会社 揺動体装置及び光偏向装置
US8494854B2 (en) 2008-06-23 2013-07-23 John Nicholas and Kristin Gross CAPTCHA using challenges optimized for distinguishing between humans and machines
US20120236379A1 (en) * 2010-08-23 2012-09-20 Lighttime, Llc Ladar using mems scanning
NL2007554C2 (en) * 2011-10-10 2013-04-11 Innoluce B V Mems scanning micromirror.
NL2007886C2 (en) * 2011-11-29 2013-05-30 Innoluce B V Mems scanning micromirror.
CN104516105A (zh) * 2013-09-29 2015-04-15 中强光电股份有限公司 激光扫描装置及其校准方法
CN106415203A (zh) * 2014-06-26 2017-02-15 路梅戴尼科技公司 用于从来自传感器的非线性周期信号提取系统参数的系统和方法
TWI632345B (zh) * 2016-05-27 2018-08-11 日商村田製作所股份有限公司 振動的微機電陀螺儀之驅動振輻的持續性監控與相關方法
US10048488B2 (en) * 2016-11-10 2018-08-14 Stmicroelectronics Ltd Circuit for detection of failure of movable MEMS mirror
US10718940B2 (en) * 2016-12-12 2020-07-21 Stmicroelectronics Ltd Envelope detection circuit for detection of opening angle of a movable MEMS mirror
DE102017205631A1 (de) * 2017-04-03 2018-10-04 Robert Bosch Gmbh LiDAR-System und Verfahren zum Ermitteln eines Systemzustands eines LiDAR-Systems
US10365474B2 (en) * 2017-06-05 2019-07-30 Stmicroelectronics Ltd Phase error measurement for oscillating mirrors
US10401616B2 (en) * 2017-06-08 2019-09-03 Stmicroelectronics Ltd. Amplitude control during start-up of resonating mirror
CN107450178B (zh) * 2017-09-06 2020-05-12 北京航天长征飞行器研究所 一种二维mems微镜驱动控制系统和方法
US10684465B2 (en) * 2017-10-02 2020-06-16 Stmicroelectronics Ltd MEMS mirror driven by dual pulse drive signal
DE102017219442B8 (de) * 2017-10-30 2023-03-02 Infineon Technologies Ag Spiegelvorrichtung, die eine Blattfeder mit Öffnungen aufweist
DE102017220413A1 (de) * 2017-11-16 2019-05-16 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil
TWI653427B (zh) * 2018-04-09 2019-03-11 宏碁股份有限公司 三維感測系統
DE102018010451B4 (de) * 2018-05-22 2023-11-02 Infineon Technologies Ag MEMS-Bauelement mit Aufhängungsstruktur und Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes

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