DE102020120906A1

DE102020120906A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers einer MEMS-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020120906A1
Application number: DE102020120906.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Michael Darrer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2022-02-10
Also published as: US20220043254A1; CN114063279A

Abstract

Ein Verfahren umfasst ein Anlegen einer Treiberspannung an einen elektrostatischen Kammantrieb einer MEMS-Vorrichtung und ein Überlagern der Treiberspannung mit einem periodischen Spannungssignal. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers der MEMS-Vorrichtung basierend auf dem periodischen Spannungssignal.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers einer MEMS-Vorrichtung. Ferner betrifft die Offenbarung MEMS-Vorrichtungen, die durch solche Verfahren betrieben werden können.
Hintergrund
Bei MEMS (mikroelektromechanisches System)-Vorrichtungen kann es sich zum Beispiel um LIDAR (Light Detection and Ranging)-Abtastvorrichtungen handeln, wie sie in vollautonomen oder teilautonomen selbstfahrenden Autos eingesetzt werden können. In derartigen Vorrichtungen können Spiegelkörper mit steuerbaren Torsionswinkeln verwendet werden, um Licht in verschiedene Richtungen reflektieren zu können. Der Torsionswinkel des Spiegelkörpers kann dabei von einer an einen elektrostatischen Kammantrieb angelegten Spannung abhängen. Für einen adäquaten Betrieb der MEMS-Vorrichtung sollte sichergestellt sein, dass der Spiegelkörper tatsächlich um den über die Spannung eingestellten Torsionswinkel ausgelenkt wird. Hersteller von MEMS-Vorrichtungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte zu verbessern. Insbesondere kann es wünschenswert sein, verbesserte Verfahren zum Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers einer MEMS-Vorrichtung bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren. Das Verfahren umfasst ein Anlegen einer Treiberspannung an einen elektrostatischen Kammantrieb einer MEMS-Vorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner ein Überlagern der Treiberspannung mit einem periodischen Spannungssignal. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers der MEMS-Vorrichtung basierend auf dem periodischen Spannungssignal.
Verschiedene Aspekte betreffen eine MEMS-Vorrichtung. Die MEMS-Vorrichtung umfasst einen Spiegelkörper und einen oder mehrere elektrostatische Kammantriebe zum Verdrehen des Spiegelkörpers basierend auf einer oder mehreren Treiberspannungen. Die MEMS-Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit zum Überlagern der einen oder mehreren Treiberspannungen mit einem oder mehreren periodischen Spannungssignalen. Die MEMS-Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit zum Bestimmen eines Torsionswinkels des Spiegelkörpers basierend auf den einen oder mehreren periodischen Spannungssignalen.
Figurenliste
Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1 zeigt eine schematische Draufsicht einer MEMS-Vorrichtung 100 gemäß der Offenbarung.
2 zeigt eine schematische Querschnittseitenansicht einer MEMS-Vorrichtung 200 gemäß der Offenbarung.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer MEMS-Vorrichtung 300 gemäß der Offenbarung.
4 zeigt schematisch eine MEMS-Vorrichtung 400 gemäß der Offenbarung.
5 zeigt schematisch eine MEMS-Vorrichtung 500 gemäß der Offenbarung.
6 zeigt Spannungsverläufe und Kapazitätsverläufe in Abhängigkeit eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers einer MEMS-Vorrichtung gemäß der Offenbarung.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung.
8 zeigt schematisch eine MEMS-Vorrichtung 800 gemäß der Offenbarung.
9 zeigt eine schematische Draufsicht einer MEMS-Vorrichtung 900 gemäß der Offenbarung.
10 zeigt schematisch eine MEMS-Vorrichtung 1000 gemäß der Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgend beschriebenen Figuren zeigen MEMS-Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben solcher MEMS-Vorrichtungen. Dabei können die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren in einer allgemeinen Weise dargestellt sein, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben. Die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können weitere Aspekte aufweisen, die in der jeweiligen Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt sein können. Das jeweilige Beispiel kann allerdings um Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit anderen Beispielen gemäß der Offenbarung beschrieben sind. Somit können Ausführungen zu einer bestimmten Figur gleichermaßen für Beispiele anderer Figuren gelten.
Die MEMS-Vorrichtung 100 der 1 kann einen Spiegelkörper (oder Scannerkörper) 2, einen (insbesondere starren) Rahmen 4 und Aufhängungsstrukturen 6 aufweisen. Der Spiegelkörper 2 kann dazu ausgelegt sein, sich um eine Schwenkachse bzw. Drehachse A zu drehen. Die zwei sich gegenüberliegenden Aufhängungsstrukturen 6 können den Spiegelkörper 2 mechanisch mit dem Rahmen 4 verbinden. Beispielsweise kann jede der Aufhängungsstrukturen 6 ein Federelement in Form eines Torsionsstabs aufweisen, wobei die Aufhängungsstrukturen 6 allerdings nicht auf eine solche konkrete beispielhafte Ausführungsform beschränkt sind. Die Aufhängungsstrukturen 6 bzw. die Federelemente können im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse A des Spiegelkörpers 2 verlaufen bzw. eine solche definieren.
Beim Betrieb der MEMS-Vorrichtung 100 kann der Spiegelkörper 2 angetrieben werden, so dass er um die Schwenkachse A schwingt. Von dem Spiegelkörper 2 reflektiertes Licht kann dadurch hin und her schwingen und beispielsweise für eine Abtastung der Umgebung verwendet werden. In einem Beispiel kann das von dem Spiegelkörper 2 reflektierte Licht von einer Laserquelle (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Bei der MEMS-Vorrichtung 100 kann es sich zum Beispiel um eine LIDAR-Abtastvorrichtung handeln, wie sie beispielsweise in vollautonomen oder teilautonomen selbstfahrenden Autos eingesetzt werden kann.
Die MEMS-Vorrichtung 100 kann einen Antrieb zum Antreiben des Spiegelkörpers 2 aufweisen. Ein solcher Antrieb kann durch einen oder mehrere elektrostatische Kammantriebe 8A bis 8D ausgeführt sein, die bei dem Spiegelkörper 2 angeordnet sein können. Jeder der Kammantriebe 8A bis 8D kann erste Antriebsstrukturen, z.B. Kammstrukturen mit ersten Kammelektroden, bei dem Spiegelkörper 2 sowie zweite Antriebsstrukturen, z.B. Kammstrukturen mit zweiten Kammelektroden, bei dem Rahmen 4 aufweisen. Antriebssignale, insbesondere periodisch variierende Antriebsspannungen, können an den Antrieb angelegt werden, um zu bewirken, dass der Spiegelkörper 2 um die Schwenkachse A schwingt.
Im Beispiel der 1 kann die MEMS-Vorrichtung 100 beispielhaft vier Kammantriebe 8A bis 8D aufweisen, welche links und rechts von der Schwenkachse A angeordnet sein können. Dabei können sich jeweils zwei der Kammantriebe 8 gegenüberliegen und symmetrisch zur Schwenkachse A angeordnet sein. Jeder der Kammantriebe 8A bis 8D kann jeweils eine erste Kammstruktur 10 mit einer Vielzahl von Kammfingern 12 aufweisen, die im Beispiel der 1 von einem entlang der Schwenkachse A verlaufenden Abschnitt 14 abgehen können und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen können. Des Weiteren kann jeder der Kammantriebe 8A bis 8D jeweils eine zweite Kammstruktur 16 mit einer Vielzahl von Kammfingern 18 aufweisen, die im Beispiel der 1 von dem Rahmen 4 abgehen können und ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen können. In der Praxis kann jede der Kammstrukturen 10 bzw. 16 bis zu etwa hundert oder mehr Kammfinger 12 bzw. 18 aufweisen.
Die Kammantriebe 8A bis 8D können für eine elektrostatische Ansteuerung und einen Antrieb der MEMS-Vorrichtung 100 bzw. des Spiegelkörpers 2 verwendet werden. Jeder der Kammantriebe 8A bis 8D kann jeweils die zwei (interdigitalen) Kammstrukturen 10 und 16 aufweisen. Die an dem Abschnitt 14 des Spiegelkörpers 2 befestigte erste Kammstruktur 10 kann als „Rotor“ bezeichnet werden. Dementsprechend können die Kammfinger 12 der ersten Kammstruktur 10 als Rotorkammfinger bezeichnet werden. Die an dem Rahmen 4 befestigte zweite Kammstruktur 16 bzw. ihre Kammfinger 18 können als „Stator“ bzw. Statorkammfinger bezeichnet werden. Die Rotorkammfinger 12 und die Statorkammfinger 18 können so zueinander versetzt angeordnet sein, dass sie ineinander greifen und eine Schwingung um die Schwenkachse A ermöglichen.
Der Stator und Rotor jedes der Kammantriebe 8A bis 8D können Elektroden eines Kondensators ausbilden. Eine (resonante) MEMS-Abtastvorrichtung 100 kann als resonant angeregtes Masse-Feder-Dämpfer-System interpretiert werden. Durch Anlegen einer Wechselspannung U an den Kammtreiberkondensator, d.h. zwischen Rotor und Stator, kann Energie in dieses Masse-Feder-Dämpfer-System eingespeist werden. Bei der Spannung U kann es sich insbesondere um eine unipolare Wechselspannung U von etwa der doppelten mechanischen Eigenresonanzfrequenz der MEMS-Abtastvorrichtung handeln. Durch die angelegte Wechselspannung kann der Oszillator in Resonanz getrieben werden. Dabei kann die in dem Kondensator mit einer Kapazität C gespeicherte Energie ½ C U² zweimal pro Schwingungszyklus in die kinetische Energie des Oszillators eingekoppelt werden.
Neben resonant betriebenen MEMS-Abtastvorrichtungen gibt es auch quasistatisch betriebene MEMS-Abtastvorrichtungen 100 mit elektrostatischem Kammantrieb. Bei diesen kann durch Anlegen einer Spannung U an die Kammstruktur auf einer Seite bezüglich der Schwenkachse A, z.B. der rechten Seite, ein Drehmoment auf den Spiegelkörper 2 ausgeübt werden. Dadurch kann sich der Spiegelkörper 2 bis zu einem Winkel auslenken, bei dem das durch die Federelemente 6 erzeugte rückstellende Drehmoment gleich dem elektrostatisch erzeugten Drehmoment ist. Wird die Spannung U an die Kammstruktur auf der anderen Seite bezüglich der Schwenkachse angelegt, lenkt sich der Spiegelkörper 2 in die entgegengesetzte Richtung aus. Dieser Betrieb erfordert eine Topologie von Stator- und Rotorfingern, bei der in der Ruhestellung das elektrostatisch erzeugte Drehmoment nicht verschwindet bzw. hinreichend groß ist. Es ist anzumerken, dass die Rate, mit welcher die Spannung U geändert wird, um verschiedene Winkel abzurastern, hinreichend gering sein sollte, so dass eine resonante Anregung des Masse-Feder-Dämpfer-Systems vermieden werden kann. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Änderungsrate von U deutlich unter der Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Dämpfer-Systems liegen kann. In diesem Zusammenhang ist allerdings anzumerken, dass, eine geeignete Regelungstechnik vorausgesetzt, sich der Rotor durch geeignete Zeitverläufe der Spannung U maximal beschleunigen und dann aktiv bremsen lässt.
Die 2 zeigt eine schematische Querschnittseitenansicht einer MEMS-Vorrichtung 200 gemäß der Offenbarung. Beispielsweise kann die Darstellung der 2 einem Querschnitt der MEMS-Vorrichtung 100 der 1 entlang einer x-z-Ebene auf Höhe der Kammantriebe 8A und 8B entsprechen bzw. ähnlich sein. Die MEMS-Vorrichtung 200 kann einen Rotor 10, einen linken Stator 16A und einen rechten Stator 16B aufweisen, deren Funktion und Ausgestaltung bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben wurden.
Der linke Stator 16A und der rechte Stator 16B können ähnlich aufgebaut sein, so dass im Folgenden nur auf den linken Stator 16A Bezug genommen wird. Der linke Stator 16A kann aus einem Schichtstapel bestehend aus einer oberen Vorrichtungsschicht („device layer“) 20 und einer unteren Vorrichtungsschicht 22 aufgebaut sein, welche elektrisch voneinander isoliert sein können. Jede der Vorrichtungsschichten 20 und 22 kann aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gefertigt sein. In einem Beispiel kann die obere Vorrichtungsschicht 20 polykristallines Silizium und die untere Vorrichtungsschicht 22 monokristallines Silizium umfassen. Dabei kann zwischen den Vorrichtungsschichten 20 und 22 eine elektrisch isolierende Schicht (nicht gezeigt) angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Isolationsschicht aus einem Oxid gefertigt sein, so dass sich ein Schichtstapel SiliziumOxid-Silizium ergibt. Des Weiteren kann sich abhängig von der verwendeten Fertigungstechnik zusätzlich eine Keimschicht (nicht gezeigt) zwischen den Vorrichtungsschichten 20 und 22 befinden. In einem weiteren Beispiel kann jede der Vorrichtungsschichten 20 und 22 aus monokristallinem Silizium gefertigt sein. In diesem Fall können die beiden Vorrichtungsschichten beispielsweise durch einen Bonding-Prozess miteinander verbunden worden sein.
Der Rotor 10 kann ebenfalls aus einem Schichtstapel mit einer oberen Vorrichtungsschicht 24 und einer unteren Vorrichtungsschicht 26 aufgebaut sein. In diesem Zusammenhang können vorhergehende Anmerkungen bezüglich der Statoren 16A und 16B auch für den Rotor 10 gelten. Im Beispiel der 2 kann die obere Vorrichtungsschicht 24 an den Stellen mit Überlapp zu den Statoren 16A und 16B entfernt worden sein, beispielsweise durch einen Ätzprozess. Beim Anlegen einer Spannung an den Rotor 10 und die Statoren 16A und 16B kann die gesamte untere Vorrichtungsschicht 26 des Rotors 10 auf einem gleichen elektrischen Potential liegen. Eine zwischen dem jeweiligen Stator und dem Rotor 10 ausgebildete Kapazität kann abhängig von (und insbesondere proportional zu) einer Überlappfläche zwischen der oberen Vorrichtungsschicht 20 des jeweiligen Stators und der unteren Vorrichtungsschicht 26 des Rotors 10 sein. Somit kann die jeweilige Kapazität von einem Winkel Φ zwischen diesen Schichten abhängen. Der Winkel Φ kann hierbei einem Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 der MEMS-Vorrichtung 200 entsprechen.
Die MEMS-Vorrichtung 300 der 3 kann den MEMS-Vorrichtungen der zuvor beschriebenen Figuren zumindest teilweise ähnlich sein und gleiche Komponenten aufweisen. Aus der perspektivischen Ansicht der 3 ist nochmal ersichtlich, dass bestimmte Abschnitte der oberen Vorrichtungsschicht 24 des Rotors 10 nicht vorliegen bzw. entfernt wurden, wie es bereits im Zusammenhang mit der 2 beschrieben wurde.
Die MEMS-Vorrichtung 400 der 4 ist in einer schematischen Ansicht gezeigt. Die Komponenten der MEMS-Vorrichtung 400 (Stator, Rotor und zugehörige Vorrichtungsschichten) wurden bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Figuren beschrieben. Im Beispiel der 4 kann der Rotor 10 bzw. seine Vorrichtungsschicht 26 gegenüber den Statoren 16A und 16B um einen Torsionswinkel Φ verdreht sein. Durch diese Verdrehung kann zwischen der oberen Vorrichtungsschicht 20 des linken Stators 16A und dem linken Teil des Rotors bzw. dem linken Teil seiner unteren Vorrichtungsschicht 26 eine Kapazität C_L ausgebildet werden. Auf analoge Weise kann zwischen der oberen Vorrichtungsschicht 20 des rechten Stators 16B und dem rechten Teil des Rotors bzw. dem rechten Teil seiner unteren Vorrichtungsschicht 26 eine Kapazität C_R ausgebildet werden.
Die MEMS-Vorrichtung 500 der 5 ist in einer schematischen Ansicht gezeigt. Neben den bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Figuren beschriebenen Komponenten kann die MEMS-Vorrichtung 500 zusätzliche Komponenten zur Bestimmung und Steuerung eines Torsionswinkels des Spiegelkörpers 2 aufweisen. Die MEMS-Vorrichtung 500 kann einen Spiegelkörper 2, einen linken Stator 16A (vgl. SL), einen rechten Stator 16B (vgl. SR) und einen Rotor 10 aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Figuren beschrieben wurden. Des Weiteren kann die MEMS-Vorrichtung 500 eine linke Spannungsquelle 28A (vgl. HV, „high voltage“), eine rechte Spannungsquellen 28B, einen linken elektrischen Widerstand 30A, einen rechten elektrischen Widerstand 30B, einen linken Kondensator 32A, einen rechten Kondensator 32B, einen Spiegeltreiber 34 und einen Prozessor 36 mit Speicher (nicht gezeigt) aufweisen. Die genannten Komponenten können beispielsweise gemäß der in der 5 gezeigten Weise miteinander verschaltet sein.
Über die linke Spannungsquelle 28A kann eine (Hoch)spannung HVL zwischen einem Massepotential und dem linken Stator 16A bzw. dessen oberer Vorrichtungsschicht angelegt werden. Bei der linken Spannungsquelle 28A kann es sich zum Beispiel um einen bipolaren Hochspannungstransistor handeln. Im Falle einer resonant betriebenen MEMS-Vorrichtung kann die Spannung HVL einen Wert von kleiner als etwa 100V annehmen, während im Falle einer quasistatisch betriebenen MEMS-Vorrichtung ein Spannungswert in einem Bereich von etwa 200V bis etwa 300V vorliegen kann. Auf analoge Weise kann über die rechte Spannungsquelle 28B eine (Hoch)spannung HV_R zwischen einem Massepotential und dem rechten Stator 16A bzw. dessen oberer Vorrichtungsschicht angelegt werden.
Der linke elektrische Widerstand 30A kann für eine Messung der linken Spannung HVL verwendet werden, wobei ein Wert des elektrischen Widerstands 30A in einem MΩ-Bereich liegen kann. Der elektrische Widerstand 30A kann insbesondere mit dem Eingang eines Transimpedanzverstärkers (nicht gezeigt) des Spiegeltreibers 36 verbunden sein. Der rechte elektrische Widerstand 30B kann dem linken Widerstand 30A ähnlich sein und ähnliche Funktionen aufweisen. Der linke Kondensator 32A kann dazu ausgelegt sein, eine Regelschleife stabil zu halten, die weiter unten im Zusammenhang mit der 8 beschrieben ist. Ein Kapazitätswert des Kondensators 32A kann in einem pF-Bereich liegen. Der rechte Kondensator 32B kann dem linken Kondensator 32A ähnlich sein und ähnliche Funktionen aufweisen.
Der Spiegeltreiber 34 kann dazu ausgelegt sein, die Spannungsquellen 28A, 28B zu steuern, um dadurch die an die Kammantriebe angelegten Spannungen HVL und HV_R kontrollieren zu können. Ferner kann der Spiegeltreiber 34 dazu ausgelegt sein, von dem Prozessor 36 Befehle zum Steuern der Spannungsquellen 28A, 28B zu empfangen und Berichte an den Prozessor 36 zu senden. Der Spiegeltreiber 34 kann mit einem Messausgang (oder Messknoten) zum Bestimmen eines Messsignals bei dem Rotor 10 elektrisch verbunden sein. Der Messausgang kann beispielsweise in Form eines Rotorpins 38 des Rotors 10 ausgeführt sein. Über den Rotorpin 38 kann der Spiegeltreiber 34 bzw. darin enthaltene Komponenten ein Messsignal erfassen, welches an den Prozessor 36 berichtet werden kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Messsignal um eine elektrische Spannung (insbesondere bei hochohmiger Messung) oder um einen elektrischen Strom (insbesondere bei niederohmiger Messung) handeln. Der Rotorpin 38 kann beispielsweise an einem Rahmen der MEMS-Vorrichtung 500 angeordnet sein und gegenüber einem Massepotential isoliert sein, um ein Abfließen des zu messenden Stroms zu verhindern.
Der Prozessor 36 kann zum Beispiel in Form einer ASIC (Application Specific Integrated Circuit)-Schaltung ausgeführt sein bzw. eine solche umfassen. Der Prozessor 36 kann Befehle an den Spiegeltreiber 34 senden und basierend darauf über diesen die an den Kammantrieben anliegenden Spannungen HVL und HV_R einstellen. Da der Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 von der Differenz HV_R-HV_L abhängen kann, kann der Prozessor 36 über den Spiegeltreiber 34 dazu ausgelegt sein, den Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 zu steuern und einzustellen. Eine Abhängigkeit des Torsionswinkels Φ von der Spannungsdifferenz HV_R-HV_L kann insbesondere nichtlinear sein. Bei einer Änderung des Torsionswinkels Φ kann die zugehörige Drehbewegung des Spiegelkörpers 2 über den am Rotorpin 38 gemessenen Strom erfasst werden. Eine in dem Prozessor 36 implementierte Logik (z.B. in Form einer Software) kann basierend auf dem an dem Rotorpin 38 gemessenen Strom eine Regelung bzw. Nachregelung der Spannungen HV_R und HVL vornehmen. Beispielsweise können im Falle einer quasistatisch betriebenen MEMS-Vorrichtung die Spannungen HV_R, HVL eine beliebige geeignete Form aufweisen, um so schnell wie möglich einen neuen Torsionswinkel Φ einzustellen und die Bewegung des Spiegelkörpers 2 aktiv abzubremsen und mechanische Schwingungen zu verhindern oder zu dämpfen, indem die Bewegung des Spiegelkörpers 2 überwacht und entsprechend reagiert wird. Zum Regeln des Torsionswinkels Φ können in dem Speicher des Prozessors 36 eine oder mehrere Abbildungen gespeichert sein. In der 5 können in dem Speicher zum Beispiel die folgenden Abbildungen hinterlegt sein: Φ(HV), C_L(Φ), C_R(Φ).
In der 6 sind beispielhafte Verläufe der Spannungen HV_R und HV_L gegen einen Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 aufgetragen. Ferner zeigt die 6 beispielhafte Verläufe der Kapazitäten C_L und C_R in Abhängigkeit vom Torsionswinkel Φ. Die Skalierung der Torsionswinkelachse kann in der 6 insbesondere nichtlinear sein. Die dargestellten Winkel können zum Beispiel in einem Bereich von etwa -15 Grad bis etwa +15 Grad liegen.
Der 6 kann im Wesentlichen entnommen werden, dass die Kapazitätswerte in dem dargestellten Bereich mit zunehmenden Torsionswinkel Φ ansteigen. In diesem Zusammenhang können die Werte der Kapazitäten C_L bzw. C_R bei den Maximalwerten des Torsionswinkels Φ von etwa -15 Grad bzw. +15 Grad im Wesentlichen maximal sein. Bei noch höheren Werten des Torsionswinkels Φ (nicht gezeigt) können die Werte der Kapazitäten C_L bzw. C_R wieder abnehmen. In der Praxis kann man sich durch beliebig hohe Spannungen den maximalen Kapazitätswerten annähern, sie allerdings nicht gänzlich erreichen, da bei zu hohen Spannungen in der Luft zwischen den Vorrichtungsschichten des Kondensators elektrische Durchschläge auftreten können. Diese elektrischen Durchschläge können resultieren aus den geringen Abmessungen des Luftspalts von einigen Mikrometern einerseits und den angelegten Spannungen von bis zu mehreren hundert Volt andererseits.
Die 7 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen und Regeln eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers einer MEMS-Vorrichtung gemäß der Offenbarung. Das Verfahren der 7 ist in einer allgemeinen Weise dargestellt, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben. Das Verfahren kann weitere Aspekte aufweisen, die in der 7 der Einfachheit halber nicht gezeigt und beschrieben sind. Beispielsweise kann das Verfahren um einen oder mehrere der Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit anderen hierin beschriebenen Beispielen erläutert sind.
Bei 40 kann eine Treiberspannung an einen elektrostatischen Kammantrieb einer MEMS-Vorrichtung angelegt werden. Bei 42 kann die Treiberspannung mit einem periodischen Spannungssignal überlagert werden. Bei 44 kann ein Torsionswinkel eines Spiegelkörpers der MEMS-Vorrichtung basierend auf dem periodischen Spannungssignal bestimmt werden.
Das Verfahren der 7 kann zum Beispiel mit der MEMS-Vorrichtung 800 durchgeführt werden, welche schematisch in der 8 gezeigt ist. Die MEMS-Vorrichtung 800 kann der MEMS-Vorrichtung 500 der 5 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Die im Folgenden beschriebenen durch die MEMS-Vorrichtung 800 vorgenommenen Verfahrenshandlungen können als eine detailliertere Version des Verfahrens der 7 betrachtet werden.
Im Beispiel der 8 kann in einer Verfahrenshandlung an dem linken Stator 16A eine erste Treiberspannung HVL angelegt werden, welche mit einem ersten periodischen Spannungssignal FuSa_L überlagert werden kann. Mit anderen Worten kann am linken Stator 16A eine Spannung HVL + FuSa_L anliegen. Auf analoge Weise kann an dem rechten Stator 16B eine zweite Treiberspannung HV_R angelegt werden, die mit einem zweiten periodischen Spannungssignal FuSa_R überlagert werden kann, so dass im Ergebnis an dem rechten Stator 16B eine Spannung HV_R + FuSa_R anliegen kann. Eine Überlagerung der Treiberspannungen mit den periodischen Spannungssignalen kann beispielsweise durch den Spiegeltreiber 34 und/oder den Prozessor 36 über Befehle bereitgestellt werden.
Die periodischen Spanungssignale FuSa_L und FuSa_R können insbesondere im Wesentlichen gegenphasig sein. Ferner können die Frequenzen der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R jeweils höher sein als eine Resonanzfrequenz der MEMS-Vorrichtung 800 bzw. des Spiegelkörpers 2. Insbesondere können die Frequenzen der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R jeweils in einem Bereich von etwa 1MHz bis etwa 100MHz liegen, genauer in einem Bereich von etwa 10MHz bis etwa 100MHz. Die Amplituden der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R können jeweils in einem Bereich von etwa 0,1V bis etwa 1V liegen. Dabei sollten die Amplituden einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, so dass eine Verletzung eventueller EMV (Elektro-Magnetische Verträglichkeit)-Vorschriften vermieden werden kann.
Die Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R können einen beliebigen periodischen Verlauf aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei den periodischen Spannungssignalen um AC (Alternating Current, Wechselstrom)-Signale handeln. Insbesondere können die Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R einen zeitlich möglichst gleichverteilten Anteil dV/dt aufweisen, da dieser letztendlich einen messbaren elektrischen Strom an dem Rotorpin 38 bereitstellen kann. Dabei können die periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R im Idealfall einen Dreiecksverlauf aufweisen, welcher in einem rechteckigen Stromverlauf des messbaren elektrischen Stroms an dem Rotorpin 38 resultieren kann. In der Praxis kann der Verlauf der periodischen Spannungssignale einem sinusförmigen Verlauf entsprechen oder sich einem solchen annähern. In einem ersten Beispiel können die periodischen Spannungssignale rauschartige pseudozufällige Signale umfassen oder solchen entsprechen, um keine diskreten Frequenzen auszusenden. In diesem Fall kann eine Demodulation mittels Korrelation bereitgestellt werden. In einem weiteren Beispiel können die periodischen Spannungssignale frequenzgespreizte Signale umfassen.
In einer weiteren Verfahrenshandlung kann der Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 der MEMS-Vorrichtung 800 basierend auf den periodischen Spannungssignalen FuSa_L und FuSa_R bestimmt werden. Hierbei kann ein Messsignal bei dem Rotorpin 38 bestimmt werden, welches auf den periodischen Spannungssignalen FuSa_L und FuSa_R basieren kann. Bei dem Messsignal kann es sich beispielsweise um einen bei dem Rotorpin 38 erfassten elektrischen Strom oder eine dort erfasste Spannung handeln. Im Beispiel der 8 kann dem Rotorpin 38 ein Transimpedanzverstärker 46 nachgeschaltet sein. Die von dem Torsionswinkel Φ abhängigen Kapazitäten C_L und C_R können einen kapazitiven Spannungsteiler für die periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R ausbilden. Das Messsignal kann somit insbesondere auf einem Quotienten FuSa_L der perio-FuSa_R dischen Spannungssignale basieren.
In einer weiteren Verfahrenshandlung kann das an dem Rotorpin 38 gemessene Messsignal auf den Torsionswinkel Φ abgebildet werden. Eine hierfür verwendete Abbildung kann beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein, welcher Teil des Spiegeltreibers 34 und/oder des Prozessors 36 sein kann. Die Abbildung kann eine Zuordnung zwischen Messsignalen bei dem Rotor 10 und Torsionswinkeln Φ bereitstellen, d.h. jedem erfassten Messsignal kann durch die Abbildung der entsprechende momentan vorliegende Torsionswinkel Φ zugeordnet werden. Bei der in dem Speicher hinterlegten Abbildung kann es sich um eine für die MEMS-Vorrichtung 800 individuell abgestimmte Abbildung handeln. In diesem Zusammenhang kann die gespeicherte Abbildung beispielsweise während eines Kalibrierens der MEMS-Vorrichtung 800 erzeugt werden. Ein Anwenden der Abbildung bzw. ein Bestimmen des Torsionswinkels Φ basierend auf den periodischen Spannungssignalen kann durch den Spiegeltreiber 34 und/oder den Prozessor 36 bereitgestellt werden.
In einem ersten Beispiel kann der Torsionswinkel Φ über ein direktes Messverfahren bestimmt werden. Hierbei können die periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R im Wesentlichen eine gleiche Amplitude aufweisen und die Bedingung $U_{F} \sim U_{FuSa} \cdot (C_{L} - C_{R})$
erfüllt sein. Dabei ist U_F das bei dem Rotor 10 erfasste Messsignal, C_L die Kapazität zwischen dem linken Stator 16A und dem Rotor 10, C_R die Kapazität zwischen dem rechten Stator 16B und dem Rotor 10, und U_FuSa die Amplitude der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R.
In einem zweiten Beispiel kann der Torsionswinkel Φ über ein indirektes Messverfahren bestimmt werden. Hierbei können die Amplituden der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R derart reguliert werden, dass die Bedingung ${FuSa}_{L} \cdot C_{L} + {FuSa}_{R} \cdot C_{R} = 0$
erfüllt sein kann. Dabei ist FuSa_L das erste periodische Spannungssignal, FuSa_R das zweite periodische Spannungssignal ist, C_L die Kapazität zwischen dem linken Stator 16A und dem Rotor 10, und C_R die Kapazität zwischen dem rechten Stator 16B und dem Rotor 10.
Dieses indirekte Messverfahren kann auf einer Regelschleife basieren, wobei die periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R angepasst bzw. geregelt werden können, so dass die Bedingung (2) erfüllt bleibt. Insbesondere können die Amplituden der periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R so geregelt werden, dass das am Rotorpin 38 erfasste Messsignal Null ist. Dies kann den Effekt haben, dass der Regler, der den Strom am Rotorpin 38 erfasst, um Winkeländerungen zu beschleunigen, nicht durch das am Rotorpin 38 erfasste Signal beeinflusst werden kann. Ein weiterer Effekt kann darin bestehen, dass bei Verwendung eines Transimpedanzverstärkers zur Messung eines elektrischen Stroms an dem Rotorpin 38 die Transimpedanz höher und damit die Winkelauflösung besser sein kann. Beispielsweise können die periodischen Spannungssignale FuSa_L bzw. FuSa_R über die Kapazitäten 32A bzw. 32B in die Regelschleife eingekoppelt werden.
In einem Beispiel kann die MEMS-Vorrichtung 800 einen resonant betriebenen Spiegelkörper 2 aufweisen. In diesem Fall kann es sich bei den Treiberspannungen HVL und HV_R um Wechselspannungen handeln und der Torsionswinkel Φ kann durch das beschrieben Verfahren kontinuierlich erfasst werden. In einem weiteren Beispiel kann die MEMS-Vorrichtung 800 einen quasistatisch betriebenen Spiegelkörper 2 aufweisen. In diesem Fall kann es sich bei den Treiberspannungen HVL und HV_R jeweils um eine regelbare Gleichspannung handeln und der quasistatische Torsionswinkel Φ kann durch das beschriebene Verfahren erfasst werden.
In einer weiteren Verfahrenshandlung kann der Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers 2 erfasst und verifiziert werden, bevor elektromagnetische Strahlung durch den Spiegelkörper 2 reflektiert wird. Hierdurch kann überprüft und sichergestellt werden, dass sich der Spiegelkörper 2 tatsächlich um den eingestellten Torsionswinkel Φ verdreht hat, d.h. die elektromagnetische Strahlung mit dem richtigen bzw. gewünschten Winkel durch den Spiegelkörper 2 reflektiert wird. Der Reflexionswinkel kann also bestimmt werden, ohne dass bzw. bevor eine tatsächliche Reflexion der elektromagnetischen Strahlung stattfindet. Es ist zu beachten, dass durch die hierin beschriebenen Verfahren der Torsionswinkel Φ auch während eines Reflektierens elektromagnetischer Strahlung erfasst und verifiziert werden kann.
In herkömmlichen MEMS-Vorrichtungen kann eine Überprüfung des Torsionswinkels eines Spiegelkörpers mit einem Überwachungssystem erfolgen, beispielsweise durch eine Kamera. Das Überwachungssystem bzw. die Kamera kann den Winkel zwischen dem von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl und dem von dem Spiegelkörper in eine durch seinen Torsionswinkel festgelegten Richtung reflektierten Lichtstrahl messen. Hierbei kann das Überwachungssystem den Torsionswinkel des Spiegelkörpers erst überwachen, nachdem der Lichtimpuls von der Lichtquelle ausgesendet wurde. Das System kann den Torsionswinkel des Spiegelkörpers jedoch nicht überwachen, bevor der Lichtimpuls ausgesendet wurde. Wie bereits oben erwähnt, kann im Gegensatz hierzu durch die hierin beschriebenen MEMS-Vorrichtungen bzw. zugehörige Verfahren der Torsionswinkel auf genaue Weise bestimmt werden bevor die Lichtimpulse ausgesendet werden. Zudem kann aufgrund der präzisen Erfassung und Regelung des Torsionswinkels eine funktionale Sicherheit („functional safety“) der jeweiligen MEMS-Vorrichtung bzw. der übergeordneten Anwendung (z.B. automotive Anwendungen) bereitgestellt werden.
In herkömmlichen MEMS-Vorrichtungen kann der Torsionswinkel des Spiegelkörpers auch mittels piezoelektrischen Widerständen oder Magneten auf dem Rotor gemessen werden. Ferner kann die Reflexion einer Lichtquelle mit einer PSD (Position Sensing Device, Positionserfassungsvorrichtung) gemessen werden. Diese herkömmlichen Verfahren erfordern einen erheblichen Mehraufwand für den Herstellungsprozess des Spiegelkörpers oder der MEMS-Vorrichtung. Im Gegensatz hierzu kann ein solcher Mehraufwand bei den hierin beschriebenen MEMS-Vorrichtungen bzw. zugehörigen Verfahren vermieden werden, d.h. eine kostengünstige und präzise Erfassung und Regelung des Torsionswinkels bereitgestellt werden.
Das Verfahren der 7 und das im Zusammenhang mit der 8 beschriebene Verfahren können zusätzliche Verfahrenshandlungen aufweisen, die der Einfachheit halber nicht alle näher spezifiziert werden können. Beispielsweise können die beschriebenen Verfahren weitere Handlungen aufweisen, auf Basis derer die beschriebene Messung des Torsionswinkels Φ zusätzlich geprüft werden kann. In einem Beispiel können zur Überprüfung der korrekten Funktion der in der 8 gezeigten Vorrichtung die periodischen Spannungssignale FuSa_L und FuSa_R vorübergehend gleichphasig angelegt werden oder eines der beiden Signale kann vorübergehend ausgeblendet werden. Das resultierende gemessene AC-Signal sollte mit dem erwarteten Wert gemäß dem aktuell erwarteten Torsionswinkel Φ des Spiegelkörpers und den bekannten Werten von C_L und C_R bei diesem Winkel übereinstimmen.
Die MEMS-Vorrichtung 900 der 9 kann der MEMS-Vorrichtung 100 der 1 zumindest teilweise ähnlich sein. Analog zur 1 kann die MEMS-Vorrichtung 900 beispielhaft vier Kämme (oben links, oben rechts, unten links, unten rechts) mit Rotor und Stator aufweisen. Im Gegensatz zur 1 kann jeder der vier Kämme in zwei Abschnitte aufgeteilt sein. Ein erster Abschnitt 48A des jeweiligen Kamms kann (insbesondere ausschließlich) dazu ausgelegt sein, ein Auslenken des Spiegelkörpers 2 zu bewirken (vgl. „antreiben links“, „antreiben rechts“). Zu diesem Zweck kann an diesem ersten Kammabschnitt 48A die bereits oben diskutierte Spannung HV zum Antreiben des Spiegelkörpers 2 anliegen. Der erste Abschnitt 48A des Kamms kann somit dem Kammantrieb 8 der 1 ähnlich sein. Ein zweiter Abschnitt 48B des jeweiligen Kamms kann (insbesondere ausschließlich) dazu ausgelegt sein, den Torsionswinkel des Spiegelkörpers 2 basierend auf periodischen Spannungssignalen zu erfassen bzw. zu messen (vgl. „erfassen links“, „erfassen rechts“), wie bereits weiter oben diskutiert. Dabei kann die Treiberspannung HV nicht an dem zweiten Abschnitt 48B des Kamms anliegen. Eine beispielhafte Verschaltung der beiden getrennten Abschnitte 48A, 48B der Kämme bzw. ihrer Kapazitäten ist in der 10 gezeigt und diskutiert.
Die MEMS-Vorrichtung 1000 10 kann den MEMS-Vorrichtungen 500 und 800 der 5 und 8 zumindest teilweise ähnlich sein. Im Gegensatz zur 8 kann die MEMS-Vorrichtung 1000 vier Kapazitäten C_L act, C_{R_act}, C_{L_sense} und C_{R_sense} aufweisen. Dabei kann die Kapazität C_{L_act} einem ersten Abschnitt 48A eines linken Kamms, die Kapazität C_{R_act} einem ersten Abschnitt 48A eines rechten Kamms, die Kapazität C_{L_sense} einem zweiten Abschnitt 48B eines linken Kamms und die Kapazität C_{R_sense} einem zweiten Abschnitt 48B eines rechten Kamms entsprechen (vgl. 9). Die Kapazitäten C_{L_act} und C_{R_act} können dabei insbesondere den Kapazitäten C_L und C_R der 8 ähnlich sein.
Die Treiberspannungen HVL bzw. HV_R können an dem ersten Abschnitt 48A des linken Kamms bzw. an dem ersten Abschnitt 48A des rechten Kamms anliegen, auf eine Weise, wie sie bereits im Zusammenhang mit den 5 und 8 beschrieben wurde. Des Weiteren können die periodischen Spannungssignale FuSa_L bzw. FuSa_R an dem zweiten Abschnitt 48B des linken Kamms bzw. an dem zweiten Abschnitt 48B des rechten Kamms anliegen. Die in der 10 gezeigte Trennung der Treiberspannungen HV_L, HV_R von den periodischen Spannungssignalen FuSa_L, FuSa_R kann den Vorteil einer Potentialtrennung bereitstellen. Hierdurch kann die Messung des Torsionswinkels direkt im Niederspannungsbereich ablaufen, und die periodischen Spannungssignale FuSa_L, FuSa_R müssen nicht kapazitiv in die Treiberspannung HV eingekoppelt werden.
In den vorhergehend beschriebenen Beispielen kann der Spiegelkörper dazu ausgelegt sein, um nur eine Achse drehbar zu sein. In diesem Zusammenhang wurde eine Erfassung und Steuerung des Torsionswinkels beispielhaft beschrieben durch zwei Treiberspannungen, die mit zwei periodischen Spannungssignalen überlagert sind. Es ist zu beachten, dass die hierin beschriebenen Konzepte auch auf MEMS-Vorrichtungen mit Spiegelkörpern erweitert werden können, die um mehr als eine Achse drehbar sein können. Ein hierzu gehörige Steuerung und Erfassung mehrerer Torsionswinkel kann entsprechend auf zusätzlichen Kammantrieben, zusätzlichen Treiberspannungen und zusätzlichen periodischen Spannungssignalen basieren.
Beispiele
Im Folgenden werden Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist ein Verfahren, umfassend: Anlegen einer Treiberspannung an einen elektrostatischen Kammantrieb einer MEMS-Vorrichtung; Überlagern der Treiberspannung mit einem periodischen Spannungssignal; und Bestimmen eines Torsionswinkels eines Spiegelkörpers der MEMS-Vorrichtung basierend auf dem periodischen Spannungssignal.
Beispiel 2 ist ein Verfahren nach Beispiel 1, wobei das Anlegen der Treiberspannung an den elektrostatischen Kammantrieb umfasst: Anlegen einer ersten Treiberspannung an einen ersten Stator des Kammantriebs; und Anlegen einer zweiten Treiberspannung an einen zweiten Stator des Kammantriebs.
Beispiel 3 ist ein Verfahren nach Beispiel 2, wobei das Überlagern der Treiberspannung mit einem periodischen Spannungssignal umfasst: Überlagern der ersten Treiberspannung mit einem ersten periodischen Spannungssignal; und Überlagern der zweiten Treiberspannung mit einem zweiten periodischen Spannungssignal.
Beispiel 4 ist ein Verfahren nach Beispiel 3, wobei das erste periodische Spanungssignal und das zweite periodische Spannungssignal im Wesentlichen gegenphasig sind.
Beispiel 5 ist ein Verfahren nach Beispiel 3 oder 4, wobei die Frequenzen des ersten periodischen Spannungssignals und des zweiten periodischen Spannungssignals jeweils höher sind als eine Resonanzfrequenz der MEMS-Vorrichtung.
Beispiel 6 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 3 bis 5, wobei die Frequenzen des ersten periodischen Spannungssignals und des zweiten periodischen Spannungssignals jeweils in einem Bereich von 1MHz bis 100MHz liegen.
Beispiel 7 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 3 bis 6, wobei die Amplituden des ersten periodischen Spannungssignals und des zweiten periodischen Spannungssignals jeweils in einem Bereich von 0,1V bis 1V liegen.
Beispiel 8 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 3 bis 7, ferner umfassend: Bestimmen eines Messsignals bei einem Rotor des Kammantriebs, wobei das Messsignal auf dem ersten periodischen Spannungssignal und dem zweiten periodischen Spannungssignal basiert.
Beispiel 9 ist ein Verfahren nach Beispiel 8, wobei das Bestimmen des Torsionswinkels umfasst: Abbilden des Messsignals auf den Torsionswinkel basierend auf einer gespeicherten Abbildung zwischen Messsignalen bei dem Rotor des Kammantriebs und Torsionswinkeln.
Beispiel 10 ist ein Verfahren nach Beispiel 9, ferner umfassend: Erzeugen der gespeicherten Abbildung während eines Kalibrierens der MEMS-Vorrichtung.
Beispiel 11 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 10, wobei das Messsignal auf einem Quotienten $\frac{F u S a_{L}}{F u S a_{R}}$
ba-siert, wobei: FuSa_L das erste periodische Spannungssignal ist, und FuSa_R das zweite periodische Spannungssignal ist.
Beispiel 12 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 11, wobei das erste periodische Spannungssignal und das zweite periodische Spannungssignal im Wesentlichen eine gleiche Amplitude aufweisen und die Bedingung U_F ~ U_FuSa · (C_L - C_R) erfüllt ist, wobei: U_F das Messsignal ist, C_L eine erste Kapazität zwischen dem ersten Stator und dem Rotor ist, C_R eine zweite Kapazität zwischen dem zweiten Stator und dem Rotor ist, und U_FuSa die Amplitude der periodischen Spannungssignale ist.
Beispiel 13 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 11, ferner umfassend: Regulieren der Amplituden der periodischen Spannungssignale, so dass die Bedingung FuSa_L · C_L + FuSa_R · C_R = 0 erfüllt ist, wobei: FuSa_L das erste periodische Spannungssignal ist, FuSa_R das zweite periodische Spannungssignal ist, C_L eine erste Kapazität zwischen dem ersten Stator und dem Rotor ist, und C_R eine zweite Kapazität zwischen dem zweiten Stator und dem Rotor ist.
Beispiel 14 ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Treiberspannung eine Wechselspannung ist und der Spiegelkörper ein resonant betriebener Spiegelkörper ist.
Beispiel 15 ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Treiberspannung eine regelbare Gleichspannung ist und der Spiegelkörper ein quasistatisch betriebener Spiegelkörper ist.
Beispiel 16 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 3 bis 15, wobei das erste periodische Spannungssignal und das zweite periodische Spannungssignal rauschartige pseudozufällige Signale umfassen.
Beispiel 17 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 3 bis 16, wobei das erste periodische Spannungssignal und das zweite periodische Spannungssignal frequenzgespreizte Signale umfassen.
Beispiel 18 ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: Verifizieren des Torsionswinkels des Spiegelkörpers vor einem Reflektieren elektromagnetischer Strahlung durch den Spiegelkörper.
Beispiel 19 ist eine MEMS-Vorrichtung, umfassend: einen Spiegelkörper; einen oder mehrere elektrostatische Kammantriebe zum Verdrehen des Spiegelkörpers basierend auf einer oder mehreren Treiberspannungen; eine Einheit zum Überlagern der einen oder mehreren Treiberspannungen mit einem oder mehreren periodischen Spannungssignalen; und eine Einheit zum Bestimmen eines Torsionswinkels des Spiegelkörpers basierend auf den einen oder mehreren periodischen Spannungssignalen.
Beispiel 20 ist eine MEMS-Vorrichtung nach Beispiel 19, ferner umfassend: einen Messausgang zum Bestimmen eines Messsignals bei einem Rotor der einen oder mehreren Kammantriebe, wobei das Messsignal auf den einen oder mehreren periodischen Spannungssignalen basiert.
Beispiel 21 ist eine MEMS-Vorrichtung nach Beispiel 20, ferner umfassend: einen Speicher zum Bereitstellen einer Abbildung zwischen dem Messsignal und dem Torsionswinkel.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Verfahren, umfassend: Anlegen einer Treiberspannung (HV_L, HV_R) an einen elektrostatischen Kammantrieb (8) einer MEMS-Vorrichtung; Überlagern der Treiberspannung (HV_L, HV_R) mit einem periodischen Spannungssignal (FuSa_L, FuSa_R); und Bestimmen eines Torsionswinkels (Φ) eines Spiegelkörpers (2) der MEMS-Vorrichtung basierend auf dem periodischen Spannungssignal (FuSa_L, FuSa_R) .
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anlegen der Treiberspannung (HV_L, HV_R) an den elektrostatischen Kammantrieb (8) umfasst: Anlegen einer ersten Treiberspannung (HV_L) an einen ersten Stator (16A) des Kammantriebs (8); und Anlegen einer zweiten Treiberspannung (HV_R) an einen zweiten Stator (16B) des Kammantriebs (8).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Überlagern der Treiberspannung (HV_L, HV_R) mit einem periodischen Spannungssignal (FuSa_L, FuSa_R) umfasst: Überlagern der ersten Treiberspannung (HV_L) mit einem ersten periodischen Spannungssignal (FuSa_L); und Überlagern der zweiten Treiberspannung (HV_R) mit einem zweiten periodischen Spannungssignal (FuSa_R).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste periodische Spannungssignal (FuSa_L) und das zweite periodische Spannungssignal (FuSa_R) im Wesentlichen gegenphasig sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Frequenzen des ersten periodischen Spannungssignals (FuSa_L) und des zweiten periodischen Spannungssignals (FuSa_R) jeweils höher sind als eine Resonanzfrequenz der MEMS-Vorrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Frequenzen des ersten periodischen Spannungssignals (FuSa_L) und des zweiten periodischen Spannungssignals (FuSa_R) jeweils in einem Bereich von 1MHz bis 100MHz liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Amplituden des ersten periodischen Spannungssignals (FuSa_L) und des zweiten periodischen Spannungssignals (FuSa_R) jeweils in einem Bereich von 0,1V bis 1V liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, ferner umfassend: Bestimmen eines Messsignals bei einem Rotor (10) des Kammantriebs (8), wobei das Messsignal auf dem ersten periodischen Spannungssignal (FuSa_L) und dem zweiten periodischen Spannungssignal (FuSa_R) basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen des Torsionswinkels (Φ) umfasst: Abbilden des Messsignals auf den Torsionswinkel (Φ) basierend auf einer gespeicherten Abbildung zwischen Messsignalen bei dem Rotor (10) des Kammantriebs (8) und Torsionswinkeln (Φ) .
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Erzeugen der gespeicherten Abbildung während eines Kalibrierens der MEMS-Vorrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Messsignal auf einem Quotienten $\frac{F u S a_{L}}{F u S a_{R}}$
basiert, wobei: FuSa_L das erste periodische Spannungssignal ist, und FuSa_R das zweite periodische Spannungssignal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das erste periodische Spannungssignal (FuSa_L) und das zweite periodische Spannungssignal (FuSa_R) im Wesentlichen eine gleiche Amplitude aufweisen und die Bedingung $U_{F} \sim U_{FuSa} \cdot (C_{L} - C_{R})$
erfüllt ist, wobei: U_F das Messsignal ist, C_L eine erste Kapazität zwischen dem ersten Stator (16A) und dem Rotor (10) ist, C_R eine zweite Kapazität zwischen dem zweiten Stator (16B) und dem Rotor (10) ist, und U_FuSa die Amplitude der periodischen Spannungssignale ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner umfassend: Regulieren der Amplituden der periodischen Spannungssignale (FuSa_L, FuSa_R) , so dass die Bedingung ${FuSa}_{L} \cdot C_{L} + {FuSa}_{R} \cdot C_{R} = 0$
erfüllt ist, wobei: FuSa_L das erste periodische Spannungssignal ist, FuSa_R das zweite periodische Spannungssignal ist, C_L eine erste Kapazität zwischen dem ersten Stator (16A) und dem Rotor (10) ist, und C_R eine zweite Kapazität zwischen dem zweiten Stator (16B) und dem Rotor (10) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Treiberspannung (HV_L, HV_R) eine Wechselspannung ist und der Spiegelkörper (2) ein resonant betriebener Spiegelkörper ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Treiberspannung (HV_L, HV_R) eine regelbare Gleichspannung ist und der Spiegelkörper (2) ein quasistatisch betriebener Spiegelkörper ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 15, wobei das erste periodische Spannungssignal (FuSa_L) und das zweite periodische Spannungssignal (FuSa_R) rauschartige pseudozufällige Signale umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei das erste periodische Spannungssignal (FuSa_L) und das zweite periodische Spannungssignal (FuSa_R) frequenzgespreizte Signale umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Verifizieren des Torsionswinkels (Φ) des Spiegelkörpers (2) vor einem Reflektieren elektromagnetischer Strahlung durch den Spiegelkörper (2).
MEMS-Vorrichtung, umfassend: einen Spiegelkörper (2); einen oder mehrere elektrostatische Kammantriebe (8) zum Verdrehen des Spiegelkörpers (2) basierend auf einer oder mehreren Treiberspannungen (HV_L, HV_R); eine Einheit zum Überlagern der einen oder mehreren Treiberspannungen (HV_L, HV_R) mit einem oder mehreren periodischen Spannungssignalen (FuSa_L, FuSa_R); und eine Einheit zum Bestimmen eines Torsionswinkels (Φ) des Spiegelkörpers (2) basierend auf den einen oder mehreren periodischen Spannungssignalen (FuSa_L, FuSa_R).
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 19, ferner umfassend: einen Messausgang (38) zum Bestimmen eines Messsignals bei einem Rotor (10) der einen oder mehreren Kammantriebe (8), wobei das Messsignal auf den einen oder mehreren periodischen Spannungssignalen (FuSa_L, FuSa_R) basiert.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend: einen Speicher zum Bereitstellen einer Abbildung zwischen dem Messsignal und dem Torsionswinkel (Φ).