DE102021128669A1

DE102021128669A1 - Verfahren zur Detektion und Dämpfung einer Modenkopplung und Verwendung für elektrostatische MEMS-Spiegel

Info

Publication number: DE102021128669A1
Application number: DE102021128669.7A
Authority: DE
Inventors: David Brunner; Stephan Gerhard Albert; Franz Michael Darrer; Georg Schitter; Richard Schroedter; Han Woong Yoo
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Ein Abtastsystem enthält eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf einem Antriebssignal ausgelegt ist; eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt; einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen; eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs repräsentativ ist; und eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen.

Description

Hintergrund
LIDAR (Light Detection and Ranging) ist ein Fernerfassungsverfahren, das Licht in Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Entfernungen (variable Distanzen) zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld zu messen. Insbesondere wird ein MEMS (mikroelektromechanisches System)-Spiegel verwendet, um das Licht über das Sichtfeld zu führen. Arrays von Fotodetektoren empfangen Reflektionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden, und die Zeit, welche die Reflexionen benötigen, um an verschiedenen Sensoren in dem Fotodetektorarray anzukommen, wird bestimmt. Dies wird auch als Messen der Flugzeit (ToF, Time-of-Flight) bezeichnet. LIDAR-Systeme bilden Tiefenmessungen und nehmen Entfernungsmessungen vor, indem sie die Entfernung zu Objekten basierend auf den Flugzeitberechnungen abbilden. Somit können die Flugzeitberechnungen Entfernungs- und Tiefenkarten erstellen, die zur Erzeugung von Bildern verwendet werden können.
Um die MEMS-Spiegel-Abtastleistung durch Erreichen hoher Abtastfrequenzen zu verbessern, ist es ein Ziel, den MEMS-Spiegel so zu konstruieren, dass er leicht ist. Das Trägheitsmoment des Spiegels kann durch die Wahl einer geringen Dicke der Spiegelplatte reduziert werden. Leichtere Spiegelplatten mit geringer Dicke führen jedoch zu einer erhöhten dynamischen Verformung beim Spiegel für eine feste Frequenz oder Trajektorie (entspricht einer Reihe von Frequenzen). Diese Verformung führt zu Verzerrungen der ausgesendeten und/oder empfangenen Lichtstrahlen. Aus diesem Grund wird die Spiegelplatte durch Verstärkungsstrukturen unterstützt, die helfen, die dynamische Verformung zu unterdrücken. Die Verstärkungsstrukturen führen jedoch zu einer Kopplung der gewünschten Drehmode Rx um die Abtastachse des Spiegels mit einer unerwünschten Translationsmode Ty in der Ebene. Der Betriebspunkt, bei dem die Ty-Resonanz auftritt, ist bei jeder Vorrichtung unterschiedlich und lässt sich daher nur schwer vorhersagen oder durch das Design vermeiden. Eine weitere unerwünschte parasitäre Mode, eine Giermode Rz, hängt ebenfalls von der Umgebungstemperatur ab. Da zum Beispiel der Elastizitätsmodul (Young Modul) im Allgemeinen temperaturabhängig ist, können sich parasitäre Moden wie die Giermode Rz in ihrer Resonanzfrequenz verschieben. Darüber hinaus können solche parasitären Moden durch die Oberwellenanteile hoher Ordnung des Antriebssignals oder der Hauptschwingungsbewegung angeregt werden, die mit anderen Starrkörpermoden zusammenfallen. Die Detektion und Vermeidung solcher Betriebspunkte, die eine starke Kopplung mit unerwünschten parasitären Moden aufweisen, kann entscheidend sein, um den ordnungsgemäßen Betrieb des MEMS-Spiegels sicherzustellen. Um eine hohe Positionsgenauigkeit und entsprechende Bildauflösung während einer Aufnahme eines Laserpulses zu gewährleisten, ist eine präzise Positionsbestimmung des Spiegels erforderlich.
Daher kann eine verbesserte Steuerstruktur zum Detektieren, Messen, und/oder Entgegenwirken parasitärer Moden wünschenswert sein.
Kurzdarstellung
Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Abtastsystem (Scansystem) bereit, aufweisend:

eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur (Scanstruktur), die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs ist; und
eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen.

Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Abtastsystem bereit, aufweisend:

eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs ist; und
eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.

eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorantriebskammelektrode und eine Statorantriebskammelektrode aufweist;
einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
eine Vielzahl von Erfassungskämmen, wobei jeder Erfassungskamm eine Rotorerfassungskammelektrode und eine Statorerfassungskammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Erfassungskämmen gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Erfassungskamms repräsentativ ist; und
eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.

eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebsfrequenz des mindestens einen Antriebssignals zu verschieben, um eine parasitäre Modenkopplung zwischen der gewünschten Drehbewegungsmode und einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur hervorzurufen;
eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs ist; und
eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Frequenzbereich der Antriebsfrequenz zu bestimmen, bei dem die parasitäre Kopplung auftritt,
wobei der Systemcontroller das mindestens eine Antriebssignal steuert, um die parasitäre Mode zu vermeiden.

eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorantriebskammelektrode und eine Statorantriebskammelektrode aufweist;
einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
eine Vielzahl von Erfassungskämmen, wobei jeder Erfassungskamm eine Rotorerfassungskammelektrode und eine Statorerfassungskammelektrode enthält, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
ein Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebsfrequenz des mindestens einen Antriebssignals zu verschieben, um eine parasitäre Modenkopplung zwischen der gewünschten Drehbewegungsmode und einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur zu erzeugen;
eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Erfassungskämmen gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Erfassungskamms ist; und
eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Frequenzbereich der Antriebsfrequenz zu bestimmen, bei dem die parasitäre Modenkopplung auftritt,
wobei der Systemcontroller das mindestens eine Antriebssignal steuert, um die parasitäre Mode zu vermeiden.

Figurenliste
Ausführungsformen sind hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1A ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems (Scansystem) gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
1B zeigt eine schematische Draufsicht eines Beispiels einer Spiegelvorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
1C zeigt eine schematische Unteransicht eines Beispiels der in der 1B gezeigten Spiegelvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
1D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines MEMS-Spiegels und Antriebselektroden gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
3 veranschaulicht ein Signaldiagramm verschiedener Signale, die von einem MEMS-Treiber basierend auf einem Spiegelwinkel θ und/oder einer Position gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen erzeugt werden;
4A veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der in einer nominalen zentrierten Position (links) und einer translatorisch verschobenen Position (rechts) angeordnet ist gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4B ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung und Dämpfung einer Translationsmode Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4C ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung und Dämpfung einer parasitären Mode gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4D veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung als Reaktion auf die Detektion einer Translationsbewegung Ty kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
4E zeigt ein Zeitdiagramm für ein Implementieren des ersten Dämpfungsverfahrens (Verfahren 1) zur Dämpfung der parasitären Mode mit Ty gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4F zeigt ein Zeitdiagramm für ein Implementieren des zweiten Dämpfungsverfahrens (Verfahren 2) zur Dämpfung der parasitären Mode Tz gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
5A veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der in einer nominalen zentrierten Position (links) und einer gierverschobenen Position (rechts) angeordnet ist gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
5B ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung und Kompensation einer Giermode Rz gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
5C veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung als Reaktion auf die Detektion einer Gierbewegung Rz kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
6A und 6B veranschaulichen Querschnittsansichten eines MEMS-Spiegels und von Antriebselektroden gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
6C ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung und Kompensation einer Tz-Mode gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
6D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung in Reaktion auf eine Detektion einer Tz-Bewegung kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
6E zeigt vier Kondensatorströme DL1R, DL2R, DL1L, und DL2L in einem Anregungsfrequenzdurchlauf (Sweep) über einen breiten Bereich von 4 kHz bis 45 kHz für einen MEMS-Spiegel gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
7A veranschaulicht eine Draufsicht eines quasistatischen (QS) MEMS-Spiegels, der in einer nominal zentrierten Position (links) und einer translatorisch verschobenen Position (rechts) angeordnet ist gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
7B ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung und Kompensation für einen QS-MEMS-Spiegel gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
7C veranschaulicht eine Draufsicht eines QS-MEMS-Spiegels, der als Reaktion auf eine Detektion einer Translationsbewegung Ty mit einer Dämpfungsspannung kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
7D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines QS-MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung als Reaktion auf eine Detektion einer Translationsbewegung Ty kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
7E veranschaulicht eine Draufsicht eines QS-MEMS-Spiegels, der mit einem alternativen Verfahren unter Verwendung dedizierter Erfassungskämme zur Detektion einer Translationsbewegung Ty kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen; und
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Vermeidung einer parasitären Kopplung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsformen nur veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Während beispielsweise Ausführungsformen beschrieben werden können, die eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassen, ist dies nicht so zu verstehen, dass alle diese Merkmale oder Elemente für die Umsetzung der Ausführungsformen erforderlich sind. Stattdessen können in anderen Ausführungsformen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich zu den explizit gezeigten und beschriebenen Merkmalen oder Elementen können weitere Merkmale oder Elemente bereitgestellt sein, beispielsweise herkömmliche Komponenten von Sensorvorrichtungen.
Merkmale aus verschiedenen Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein. In einigen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form von Blockdiagrammen und nicht im Detail dargestellt, um die Ausführungsformen nicht unklar zu machen.
Ferner werden äquivalente oder ähnliche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder ähnlicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da gleiche oder funktional äquivalente Elemente in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente mit denselben Bezugszeichen entfallen. Daher sind die Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen untereinander austauschbar.
Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen dargestellt oder hierin beschrieben sind, können drahtgebundene Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anders angegeben. Darüber hinaus können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche Zwischenelemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen Zwischenelementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel zum Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder zum Übertragen einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen beibehalten wird.
Der Begriff „im Wesentlichen“ kann hierin verwendet werden, um geringe Fertigungstoleranzen (z.B. innerhalb von 5 %) zu berücksichtigen, die in der Industrie als akzeptabel gelten, ohne von den Aspekten der hierin beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
Richtungsbezogene Begriffe wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „oberhalb“, „unterhalb“, „vorne“, „hinten“, „hinter“, „vorderer“ „hinterer“ „über“, „unter“, usw. können in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren und/oder Elemente verwendet werden. Da die Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Ausrichtungen positioniert werden können, dient die richtungsbezogene Terminologie der Veranschaulichung und ist in keiner Weise einschränkend. In einigen Fällen kann die richtungsbezogene Terminologie durch eine äquivalente richtungsbezogene Terminologie basierend auf der Ausrichtung einer Ausführungsform ausgetauscht werden, solange die allgemeinen richtungsbezogenen Beziehungen zwischen Elementen, und deren allgemeiner Zweck, beibehalten werden.
In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen enthalten, wie „erste“, „zweite“, und/oder dergleichen, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente sind jedoch nicht durch die obigen Ausdrücke beschränkt. Die obigen Ausdrücke schränken zum Beispiel nicht die Reihenfolge und/oder die Bedeutung der Elemente ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zur Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Beispielsweise bezeichnen ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen unterschiedliche Kästchen, obwohl beide Kästchen sind. Ein weiteres Beispiel ist, dass ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden kann, und ähnlich, ein zweites Element auch als erstes Element bezeichnet werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Ausführungsformen beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und auf die Gewinnung von Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann, zum Beispiel, elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht, Infrarot (IR)-Strahlung, oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, ein Strom, oder eine Spannung umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein Bildsensor kann zum Beispiel ein Siliziumchip in einer Kamera sein, der von einer Linse kommende Lichtphotonen in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors ist, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
Eine Sensorvorrichtung, wie sie hierin verwendet wird, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und weitere Komponenten umfasst, zum Beispiel eine Vorspannungsschaltung, einen Analog-Digital-Wandler oder einen Filter. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl in anderen Ausführungsformen eine Vielzahl von Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zur Implementierung einer Sensorvorrichtung verwendet werden können.
In LIDAR (Light Detection and Ranging)-Systemen sendet eine Lichtquelle Lichtimpulse in ein Sichtfeld und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Insbesondere ist LIDAR ein direktes Time-of-Flight (ToF)-System, bei dem die Lichtimpulse (z.B., Laserstrahlen aus Infrarotlicht) in das Sichtfeld ausgesendet werden, und eine Pixelarray die reflektierten Strahlen detektiert und misst. Beispielsweise empfängt ein Array von Fotodetektoren Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden.
Unterschiede in den Rückkehrzeiten für jeden Lichtimpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen oder andere Sensordaten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtimpuls aussenden, und ein Zeit-Digital-Wandler (TDC, Time-to-Digital Converter), der elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt ist, kann von dem Zeitpunkt, an dem der Lichtimpuls ausgesendet wird, was einem Startsignal entspricht, bis zu einem Zeitpunkt zählen, an dem der reflektierte Lichtimpuls am Empfänger (d.h. bei dem Pixelarray) empfangen wird, was einem Stoppsignal entspricht. Die „Laufzeit“ des Lichtimpulses wird dann in eine Entfernung übersetzt.
In einem anderen Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-to-Digital Converter) elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt sein (z.B., indirekt mit dazwischenliegenden Elementen), um die Pulsdetektion und die ToF-Messung durchzuführen. Ein ADC kann zum Beispiel verwendet werden, um ein Zeitintervall zwischen Start-/Stoppsignalen mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen. Zum Beispiel kann ein ADC verwendet werden, um ein analoges elektrisches Signal von einer oder mehreren Fotodioden zu detektieren, um ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d.h., entsprechend einem Zeitpunkt eines übertragenen Lichtimpulses) und einem Stoppsignal (d.h., entsprechend einem Zeitpunkt eines Empfangs eines analogen elektrischen Signals bei einem ADC) mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
Eine Abtastung (ein Scan) wie eine schwingende horizontale Abtastung (z.B. von links nach rechts und von rechts nach links eines Sichtfeldes) oder eine schwingende vertikale Abtastung (z.B. von unten nach oben und von oben nach unten eines Sichtfeldes) kann eine Szene in einer kontinuierlichen Abtastungsweise beleuchten. Jedes Abfeuern des Laserstrahls durch die Lichtquellen kann zu einer Abtastlinie (Scanlinie) in dem „Sichtfeld“ führen. Durch Aussenden aufeinander folgender Lichtimpulse in verschiedenen Abtastrichtungen kann ein Bereich, das so genannte Sichtfeld, abgetastet (gescannt) werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert und abgebildet werden. Das Sichtfeld stellt also eine Abtastebene mit einem Projektionszentrum dar. Es könnte auch ein Rasterabtastung verwendet werden.
1A ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems (Scansystem) 100 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das LIDAR-Abtastsystem 100 ist eine optische Abtastvorrichtung, die einen Sender, mit einer Beleuchtungseinheit 10, einer Senderoptik 11, und einem eindimensionalen (1D) mikroelektromechanischen System (MEMS)-Spiegel 12, und einen Empfänger, mit einer zweiten optischen Komponente 14 und einem Fotodetektordetektorarray 15, aufweist.
Die Beleuchtungseinheit 10 enthält mehrere Lichtquellen (z.B., Laserdioden oder lichtemittierende Dioden), die linear in Form eines einzelnen Balkens ausgerichtet sind und dazu ausgelegt sind, Licht zum Abtasten eines Objekts auszusenden. Das von den Lichtquellen emittierte Licht ist typischerweise Infrarotlicht, obwohl auch Licht mit einer anderen Wellenlänge verwendet werden kann. Wie in der Ausführungsform der 1A zu sehen ist, wird die Form des von den Lichtquellen emittierten Lichts in einer Richtung senkrecht zur Übertragungsrichtung gespreizt, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Übertragung auszubilden. Das von den Lichtquellen ausgesandte Beleuchtungslicht wird auf die Sendeoptik 11 gerichtet, die dazu ausgelegt ist, jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die Sendeoptik 11 kann, zum Beispiel, eine Linse oder ein Prisma sein.
Bei der Reflexion durch den MEMS-Spiegel 12 wird das Licht von den Lichtquellen vertikal ausgerichtet, um für jeden emittierten Laserschuss eine eindimensionale vertikale Abtastlinie SL aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Balken aus Infrarotlicht auszubilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einem anderen vertikalen Bereich der vertikalen Abtastlinie SL bei. Somit können die Lichtquellen gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden, um einen Lichtimpuls mit mehreren Segmenten zu erhalten, wobei jedes Segment einer entsprechenden Lichtquelle entspricht. Jeder vertikale Bereich oder jedes Segment der vertikalen Abtastlinie SL kann jedoch auch unabhängig voneinander aktiviert oder inaktiviert werden, indem eine entsprechende Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 ein- oder ausgeschaltet wird. Auf diese Weise kann eine teilweise oder vollständige vertikale Abtastlinie SL von Licht aus dem System 100 in das Sichtfeld ausgegeben werden.
Dementsprechend ist der Sender des Systems 100 eine optische Anordnung, die dazu ausgelegt ist, basierend auf den Laserimpulsen Laserstrahlen zu erzeugen, wobei die Laserstrahlen eine längliche Form haben, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Übertragungsrichtung der Laserstrahlen erstreckt.
Außerdem, auch wenn drei Laserquellen dargestellt sind, wird es gewürdigt, 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 mechanisch beweglicher Spiegel (d.h., ein MEMS-Mikrospiegel), der in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Der MEMS-Spiegel 12 gemäß dieser Ausführungsform ist an mechanischen Federn (z.B., Blattfedern, manchmal auch als Auslegerbalken bezeichnet) oder Biegeelementen aufgehängt und ist dazu ausgelegt, sich um eine einzelne Achse zu drehen, und man kann sagen, dass er nur einen gewünschten Freiheitsgrad für die Bewegung hat (d.h. eine gewünschte Drehmode um die einzelne Achse). Während andere Freiheitsgrade existieren können, z.B., Bewegungen, die mit anderen Freiheitsgraden des starren Körpers assoziiert sind, sind diese Moden unerwünscht und werden als unerwünschte parasitäre Moden bezeichnet. Ein Ziel der offenbarten Ausführungsformen ist es, die parasitären Moden zu unterdrücken, die mit diesen anderen, unerwünschten Freiheitsgraden assoziiert sind.
Die parasitären/unerwünschten Schwingungen werden als die Anregung mindestens einer der Starrkörpermoden des MEMS-Spiegels 12 beschrieben, die sich von der gewünschten Betriebsmode (d.h., der gewünschten Drehmode um die einzelne Achse) unterscheidet. Die parasitären/unerwünschten Schwingungen können aufgrund einer direkten Anregung parasitärer Moden über die Aktuatoren (z.B., elektrostatische Kammantriebe, elektromagnetische Antriebe, usw.) oder Oberwellenbewegungen hoher Ordnung der Hauptmode durch nichtlineare Schwingung, oder aufgrund einer indirekten Anregung parasitärer Moden über Modenkopplungsmechanismen auftreten.
Eine direkte Anregung parasitärer Moden über die Aktuatoren kann dadurch verursacht werden, dass in resonanten Spiegeln ein höherer Oberwellengehalt des periodischen Antriebssignals eine Bedingung für eine parametrische Resonanz einer parasitären Mode erfüllt, oder, dass in quasistatischen Spiegeln ein Umschalten der Antriebsspannung zur Änderung des Abtastwinkels ein Erklingen der parasitären Mode hervorruft, weil der Kammantrieb nicht nur die beabsichtigte Drehung hervorruft, sondern auch andere Kräfte erzeugt, z.B. eine y-Kraft. Somit führt die Änderung des Winkels eines quasistatischen MEMS-Spiegels zu Transienten aller Moden, einschließlich der gewünschten und unerwünschten Moden.
Eine indirekte Anregung der parasitären Moden über Modenkopplungsmechanismen kann durch eine Eulerkraft verursacht werden, welche die gewünschte Rx-Mode mit der parasitären Mode Ty koppelt. Die Eulerkraft kann durch einen Versatz zwischen einem Massenschwerpunkt und der Drehachse 13 verursacht werden. Die indirekte Anregung der parasitären Moden über Modenkopplungsmechanismen kann durch eine Zentrifugalkraft hervorgerufen werden, welche die gewünschte Rx-Mode mit der parasitären Mode Tz koppelt. Die Zentrifugalkraft kann auf einen Versatz zwischen einem Massenschwerpunkt und der Drehachse 13 zurückzuführen sein. Die indirekte Anregung der parasitären Moden über Modenkopplungsmechanismen kann durch eine Kopplung aller Drehmoden Rx, Ry, und Rz über die Eulerschen Gleichungen verursacht werden. Die Nichtlinearität der Schwingung, z.B. durch geometrische Verfestigung, kann spezifische Frequenzanteile anderer parasitärer Moden enthalten, die eine Anregung bewirken. Ebenfalls möglich ist die so genannte autoparametrische Anregung und/oder die Drei-Wellen-Mischkopplung, beides eine Folge geometrischer Nichtlinearitäten, die durch große Auslenkungen hervorgerufen werden.
Um einen MEMS-Abtastspiegel robust gegen Vibrationen zu machen, sollte der Spiegel eine geringe Trägheit haben, d.h., einen leichten Spiegelkörper, aber steif genug, um dynamische Verformungen akzeptabel zu halten. Darüber hinaus sollte der Spiegel eine hohe Steifigkeit seiner Aufhängung für alle parasitären Freiheitsgrade (DOF, Degrees-of-Freedom) des Spiegelkörpers aufweisen. Die Steifigkeit assoziiert mit der Drehung um die Betriebsachse sollte konzipiert sein, der gewünschten Betriebsfrequenz zu entsprechen.
Um einen leichten und steifen Spiegelkörper zu erreichen, kann der Spiegelkörper einen relativ dünnen Spiegel und eine dickere Verstärkungsstruktur für den Spiegel umfassen. Der Spiegelkörper kann in einem Spiegelrahmen um eine Drehachse (d.h., eine Abtastachse) drehbar angeordnet sein, die sich in einer durch den Spiegelrahmen definierten Ebene (z.B., in einer x-y-Ebene) erstreckt. In den folgenden Beispielen wird davon ausgegangen, dass sich die Drehachse parallel zu der x-Dimension der x-y-Ebene erstreckt. Die Drehachse kann sich bis zu den ersten und zweiten, einander gegenüberliegenden Endabschnitten des Spiegelkörpers erstrecken. Die z-Achsen-Lage der Drehachse ist hauptsächlich durch die z-Achsen-Ausdehnung der Federn und Biegungen bestimmt. 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, die im Allgemeinen eine größere sich in der z-Richtung erstreckende Dicke hat als die Biegungen und Federn. Somit ist die Verstärkungsstruktur in der z-Dimension sowohl von der ersten Hauptfläche des Spiegelkörpers als auch von der Drehachse versetzt. Aus diesem Grund ist auch der Massenschwerpunkt des gesamten Drehkörpers im Allgemeinen in der z-Dimension von der Drehachse versetzt.
Um eine hochsteife Aufhängung zu erreichen, kann der Spiegelkörper in dem Spiegelrahmen unter Verwendung von Stützbalken, die sich entlang der Drehachse erstrecken, und zusätzlichen Auslegerbalken oder Blattfederanordnungen gestützt werden, wie in der 1B veranschaulicht. Im Allgemeinen, wie hierin definiert, können Blattfederanordnungen auch als Auslegerbalkenanordnungen bezeichnet werden, und umgekehrt. Ähnlich können Blattfedern und Auslegerbalken austauschbar verwendet werden.
Eine Auslegerbalkenanordnung kann eine Längsrichtung haben und sich innerhalb der durch den Rahmen definierten Ebene erstrecken. Die Stützbalken können zwischen dem Spiegelkörper und dem Rahmen bei zwei gegenüberliegenden Enden des Spiegelkörpers entlang der Drehachse verbunden sein. Die Auslegerbalkenanordnung kann einen Auslegerbalken aufweisen, der bei einem ersten Ende über eine Entlastungsstruktur mit dem Spiegelrahmen verbunden und bei einem zweiten Ende an dem Spiegelkörper befestigt ist. Der Auslegerbalken kann eine Dicke senkrecht zu einer Ebene des Rahmens haben, die kleiner ist als seine Breite in der Ebene des Rahmens.
Ergebnisse der geringen Trägheit und der hohen Federungssteifigkeit des Spiegelkörpers können hohe Resonanzfrequenzen und eine gute dynamische Performance sein. Diese Eigenschaften können die Vorrichtung, die bei der Resonanzfrequenz um die Hauptdrehachse betrieben wird, sehr schnell machen. Im Normalbetrieb, d.h., bei Resonanz, können bei den Spiegelspitzen Beschleunigungen von typischerweise 10000 G erreicht werden.
Der MEMS-Spiegel 12 kann zum Schutz des Spiegels in ein in der 2 dargestelltes Chip-Gehäuse (Package) 27 eingebaut werden. Zum Beispiel kann der MEMS-Spiegel 12 hermetisch bei einem niedrigen Druck (d.h., bei einem Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist) in einem Chipgehäuse versiegelt werden. Dieser niedrige Druck kann eine Umgebung mit geringer Dämpfung bereitstellen, in welcher der MEMS-Spiegel 12 arbeitet.
Denkbare Gehäuse können eine oder mehrere der folgenden Varianten enthalten oder sich durch sie unterscheiden: unterschiedliche Substrate (z.B., Metall (Leadframe), Keramik, organisches Material (ähnlich wie Leiterplatten(PCB)material)), und unterschiedliche optische Deckel oder Abdeckungen (z.B., optisches Material aus Glas, Silizium, Saphir, usw.). Außerdem können die optischen Deckel oder Abdeckungen hohlraumausbildende Kappen sein, in einen Rahmen (z.B., einen Metallrahmen) integriert sein, oder auf einen vorgeformten (Pre-Mold-)Hohlraum oder einen Keramikhohlraum montiert 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 miteinander zu verbinden (z.B., die Kappe oder den Deckel an das Substrat verbinden). Es wird gewürdigt, dass die Bondingverfahren in den verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen austauschbar sind.
Alternativ kann auch ein Ansatz auf Waferebene (Wafer-Level) verwendet werden, so dass ein hohlraumförmiger Deckel direkt auf den MEMS-Chip (oder sogar auf Waferebene vor der Vereinzelung) montiert wird. Hierbei, wenn die Deckelbefestigung die elektrischen Pads freilässt, kann der Submount-Chip/Deckel durch Form- oder Gussverfahren zu einem Gehäuse weiterverarbeitet werden.
Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanisch beweglicher Spiegel (d.h., ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip (nicht dargestellt) integriert ist. Der MEMS-Spiegel 12 in dieser Ausführungsform ist dazu ausgelegt, sich um eine einzelne Abtastachse zu drehen, und man kann sagen, dass er nur einen Freiheitsgrad für die Abtastung hat, da andere Freiheitsgrade, z.B. Bewegungen, die mit anderen Freiheitsgraden starrer Körper assoziiert sind, im Vergleich zu der genannten Drehung um die einzelne Achse erheblich unterdrückt werden. Dies spiegelt sich in deutlich höheren Eigenfrequenzen der Schwingungen wider, die mit den anderen Freiheitsgraden assoziiert sind, im Vergleich zu der besagten Drehbewegung um die einzelne Achse. Im Unterschied zu 2D-MEMS-Spiegeln (2D-MEMS-Abtaster) ist beim 1D-MEMS-Spiegel die einzelne Abtastachse an einem nicht drehenden Substrat fixiert und behält daher ihre räumliche Ausrichtung während der Schwingung des MEMS-Spiegels bei. Daher ist ein 1D-schwingender MEMS-Spiegel per Design robuster gegenüber Vibrationen und Stößen als 2D-MEMS-Spiegellösungen. Aufgrund dieser einzelnen Drehachse wird der MEMS-Spiegel 12 auch als 1D-MEMS-Spiegel oder 1D-MEMS-Abtaster bezeichnet. Während die hierin beschriebenen Ausführungsformen 1D-schwingende MEMS-Spiegel verwenden, können die hierin beschriebenen Verfahren auch auf 2D-MEMS-Spiegel erweitert werden. In diesem Fall werden beide Achsen eines einzelnen 2D-MEMS-Spiegels von verschiedenen Controllern gesteuert (im Falle von resonanten MEMS mit Phasenregelkreisen (PLLs)), so dass eine erste Abtastrichtung der 2D-MEMS-Spiegel gemäß einer ersten Achse gemäß einer der hierin beschriebenen Synchronisationstechniken synchronisiert wird, und eine zweite Abtastrichtung der 2D-MEMS-Spiegel gemäß einer zweiten Achse gemäß einer der hierin beschriebenen Synchronisationstechniken synchronisiert wird. Es ist ferner möglich, dass die verschiedenen Controller (z.B. PLLs) in separaten MEMS-Treibern bereitgestellt oder in einen einzelnen MEMS-Treiber für beide Achsen des 2D-MEMS-Spiegels integriert sind.
Der MEMS-Spiegel 12 selbst kann ein statisch kippbarer Beweger oder Oszillator (quasistatischer MEMS-Spiegel oder Resonator) sein, der sich „Seite-zu-Seite“ um eine einzelne Abtastachse 13 bewegt oder schwingt und dabei einer statischen Position, einer Trajektorie, oder einer Resonanzschwingung folgt. Der MEMS-Spiegel 12 kann zum Beispiel entweder ein resonanter Spiegel oder ein quasistatischer (QS) Spiegel sein. Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgelegt, sich „ Seite-zu-Seite“ um die einzelne Abtastachse 13 zu bewegen oder zu schwingen, so dass sich das von dem MEMS-Spiegel 12 reflektierte Licht (d.h., die vertikale Abtastlinie des Lichts) in einer horizontalen Abtastrichtung bewegt.
Als Resonanzspiegel kann der MEMS-Spiegel 12 ein nichtlinearer Resonator sein, der aufgrund der zunehmenden Steifigkeit der Aufhängung nichtlineare Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann der MEMS-Spiegel 12 ein nichtlineares Verhalten aufweisen aufgrund der von den Blattfederanordnungen 30 bereitgestellten Torsionssteifigkeit um die Abtastachse 13, die nicht konstant ist, sondern mit zunehmendem Winkel zunimmt. Diese sogenannte geometrische Versteifung hat zur Folge, dass eine Schwingungsfrequenz des Spiegels mit zunehmender Schwingungsamplitude (d.h., Auslenkwinkelamplitude θ) zunimmt. Die Versteifung der Aufhängung bewirkt also, dass der MEMS-Spiegel 12 nichtlineare Eigenschaften aufweist.
Es wird angemerkt, dass der Auslenkwinkel θ des MEMS-Spiegels 12 um die Abtastachse 13 als Kippwinkel, Drehwinkel, Abtastwinkel, Spiegelwinkel θ_mirror oder θ_m, oder Ähnliches, bezeichnet werden kann und dass diese Begriffe in der gesamten Offenbarung austauschbar verwendet werden.
Als ein QS-MEMS-Spiegel kann der MEMS-Spiegel 12 statisch kippen, Trajektorien folgen (z.B., stufen-, dreieck-, und sägezahnförmigen Trajektorien) oder bei seiner Resonanzfrequenz (d.h., seiner Eigenfrequenz) schwingen. Das QS-MEMS hat in der Regel eine schwache bis keine nichtlineare Frequenz-Amplituden-Abhängigkeit, da die Torsionssteifigkeit vielmehr linear ist.
Eine Abtastperiode oder eine Schwingungsperiode ist, zum Beispiel, definiert durch eine vollständige Schwingung von einem ersten Rand des Sichtfeldes (z.B., linke Seite) zu einem zweiten Rand des Sichtfeldes (z.B., rechte Seite) und dann wieder zurück zum ersten Rand. Eine Spiegelperiode des MEMS-Spiegels 12 entspricht einer Abtastperiode.
Somit wird das Sichtfeld in der horizontalen Richtung durch den vertikalen Lichtbalken abgetastet, indem der Winkel θ des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Abtastachse 13 verändert wird. Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 12 dazu ausgelegt sein, mit einer Resonanzfrequenz von 2 kHz, zwischen +/-15 Grad zu schwingen, um das Licht über +/-30 Grad zu lenken, was den Abtastbereich des Sichtfelds ausmacht. Somit kann das Sichtfeld zeilenweise durch eine Drehung des MEMS-Spiegels 12 um die Achse seines Bewegungsgrads abgetastet werden. Eine solche Sequenz durch den Bewegungsgrad (z.B., von -15 Grad bis +15 Grad) wird als einzelne Abtastung oder Abtast-Zyklus bezeichnet. Mehrere Abtastungen können verwendet werden, um Entfernungs- und Tiefenkarten, sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen.
Während der Übertragungsspiegel im Zusammenhang mit einem MEMS-Spiegel beschrieben wird, können natürlich auch andere 1D-Spiegel verwendet werden. Darüber hinaus ist die Resonanzfrequenz oder der Drehgrad nicht auf 2 kHz bzw. +/-15 Grad beschränkt, und sowohl die Resonanzfrequenz als auch das Sichtfeld können je nach Anwendung erhöht oder verringert werden. Ein eindimensionaler Abtastspiegel ist somit dazu ausgelegt, um eine einzige Abtastachse zu schwingen und die Laserstrahlen bei verschiedenen Richtungen in ein Sichtfeld zu lenken. Eine Übertragungstechnik enthält daher die Übertragung der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem Übertragungsspiegel, der um eine einzelne Abtastachse schwingt, so dass die Lichtstrahlen als vertikale Abtastlinie SL in das Sichtfeld projiziert werden, die sich horizontal über das Sichtfeld bewegt, wenn der Übertragungsspiegel um die einzelne Abtastachse schwingt.
Beim Auftreffen auf ein oder mehrere Objekte wird der übertragene vertikale Lichtbalken durch Rückstreuung zurück in Richtung des LIDAR-Abtastsystems 100 als 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 lenkt das reflektierte Licht auf das Fotodetektordetektorarray 15, welches das reflektierte Licht als Empfangslinie RL empfängt und dazu ausgelegt ist, elektrische Messsignale zu erzeugen. Die elektrischen Messsignale können zur Erzeugung einer 3D-Karte der Umgebung und/oder anderer Objektdaten basierend auf dem reflektierten Licht verwendet werden (z.B., über ToF-Berechnungen und -Verarbeitung).
Die Empfangslinie ist als eine vertikale Lichtsäule dargestellt, die sich entlang einer der Pixelspalten in einer Längsrichtung der Pixelspalte erstreckt. Die Empfangslinie hat drei Bereiche, die der in der 1A dargestellten vertikalen Abtastlinie SL entsprechen. Während sich die vertikale Abtastlinie SL horizontal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich die vertikale Lichtsäule RL, die auf das 2D-Fotodetektorarray 15 einfällt, ebenfalls horizontal über das 2D-Fotodetektorarray 15. Der reflektierte Lichtstrahl RL bewegt sich von einem ersten Rand des Fotodetektorarrays 15 zu einem zweiten Rand des Fotodetektorarrays 15, wenn sich die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL ändert. Die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL entspricht einer Übertragungsrichtung der Abtastlinie SL.
Das Fotodetektorarray 15 kann aus einer beliebigen Anzahl von Fotodetektortypen bestehen, einschließlich Avalanche-Fotodioden (APD), Silizium-Fotomultiplier (SiPMs)-Fotozellen, und/oder anderen Fotodiodenvorrichtungen. Bildgebende Sensoren, wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs, Charge-Coupled Devices), können die Fotodetektoren sein. In den hierin bereitgestellten Beispielen ist das Fotodetektorarray 15 ein zweidimensionales (2D) APD-Array, das ein Array von APD-Pixeln umfasst. In anderen Ausführungsformen kann das Fotodetektorarray 15 ein 1D-Array sein, das eine einzelne Spalte von Fotodioden aufweist. Die Aktivierung der Fotodioden kann mit von der Beleuchtungseinheit 10 ausgesandten Lichtimpulsen synchronisiert werden. Alternativ kann auch ein(e) einzelne(s) Fotodetektorzelle/Pixel, im Gegensatz zu einem Array, verwendet werden. Beispielsweise kann ein(e) einzelne(s) Fotodetektorzelle/Pixel im Falle eines 2x1D-Abast-Senders in einer koaxialen LIDAR-Architektur verwendet werden.
Das Fotodetektorarray 15 empfängt reflektierende Lichtimpulse als die Empfangslinie RL und erzeugt als Reaktion darauf elektrische Signale. Da die Sendezeit jedes Lichtimpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist, und da sich das Licht mit einer bekannten Geschwindigkeit ausbreitet, kann eine Flugzeitberechnung unter Verwendung der elektrischen Signale die Entfernung von Objekten von dem Fotodetektorarray 15 bestimmen. Eine Tiefenkarte kann die Abstandsinformationen darstellen.
In einem Beispiel löst ein Mikrocontroller, für jede Entfernungsabtastung, einen Laserpuls von jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet auch einen Timer in einer Zeit-Digital-Wandler (TDC, Time-to-Digital Converter) integrierten Schaltung (IC). Der Laserpuls breitet sich durch die Übertragungsoptik aus, wird von dem Zielfeld reflektiert, und von einer APD des APD-Arrays 15 erfasst. Die APD sendet einen kurzen elektrischen Impuls aus, der dann durch einen elektrischen Signalverstärker verstärkt wird. Ein Komparator-IC erkennt den Impuls 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 den Start- und Stopp-Digitalsignalen an den Mikrocontroller, der jegliche Lesefehler herausfiltert, mehrere Zeitmessungen mittelt, und die Entfernung zu dem Ziel bei der jeweiligen Feldposition berechnet. Durch Aussenden von aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen in verschiedene Richtungen, die durch den MEMS-Spiegel festgelegt werden, kann ein Bereich (d.h., ein Sichtfeld) abgetastet, ein dreidimensionales Bild erzeugt, und Objekte innerhalb des Bereichs detektiert werden.
Alternativ können anstelle einer Verwendung des TDC-Ansatzes ADCs zur Signaldetektion und ToF-Messung verwendet werden. Zum Beispiel kann jeder ADC verwendet werden, um ein analoges elektrisches Signal von einer oder mehreren Fotodioden zu detektieren, um ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d.h., entsprechend einem Zeitpunkt eines übertragenen Lichtimpulses) und einem Stoppsignal (d.h., entsprechend einem Zeitpunkt eines Empfangs eines analogen elektrischen Signals bei einem ADC) mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
Es wird gewürdigt, dass das oben beschriebene horizontale Abtastsystem 100 auch für eine vertikale Abtastung verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Abtastanordnung so angeordnet, dass die Abtastrichtung um 90° gedreht ist, so dass sich die Abtastlinie SL und die Empfangslinie RL in vertikaler Richtung (d.h., von oben nach unten oder von unten nach oben) bewegen. Die Abtastlinie ist somit eine horizontale Abtastlinie SL, die in das Sichtfeld projiziert wird und sich vertikal über das Sichtfeld bewegt, wenn der Übertragungsspiegel um die einzelne Abtastachse schwingt. Ferner, da sich die horizontale Abtastlinie SL vertikal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich auch die horizontale Lichtsäule RL, die auf das 2D-Fotodetektorarray 15 einfällt, vertikal über das 2D-Fotodetektorarray 15.
Es wird ferner gewürdigt, dass ein LIDAR-Abtastsystem synchronisierte MEMS-Spiegel enthalten kann, die in einem 2x1D-System, wie einem Lissajous-Abtastsystem, verwendet werden. In diesem Fall sind die MEMS-Spiegel an der gleichen Stelle in dem Fahrzeug montiert und dazu ausgelegt, die zwei Dimensionen (horizontal und vertikal) eines gemeinsamen Sichtfeldes abzutasten.
1B zeigt eine schematische Draufsicht eines Beispiels für eine Spiegelvorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Unter Bezugnahme auf die 1B wird nun ein Beispiel einer Spiegelvorrichtung, wie einem MEMS-Abtast-Mikrospiegel, erläutert. Die Spiegelvorrichtung umfasst einen Spiegelkörper 8. Der Spiegelkörper 8 umfasst einen Spiegel 12 und einen Spiegelträger 16. Die Spiegelvorrichtung enthält 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 der 1B. Die durch den Rahmen 17 definierte Ebene kann parallel zu Ebenen verlaufen, die durch Hauptoberflächen einer Schicht oder einer Vielzahl von Schichten definiert sind, in denen der Rahmen 17 ausgebildet ist.
Der Spiegelkörper 8 ist um eine Abtastachse 13 drehbar, die in der durch den Rahmen 17 definierten Ebene verläuft. Zwischen dem Spiegelkörper 8 und dem Rahmen 17 sind entlang der Abtastachse 13 Stützbalken 18, die auch als Torsionsbalken bezeichnet werden können, verbunden. Genauer gesagt ist ein erster Stützbalken 18 zwischen einem ersten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 17 und ein zweiter Stützbalken 18 zwischen einem zweiten Ende des Spiegelkörpers 8 und dem Rahmen 17 verbunden, wobei das zweite Ende des Spiegelkörpers 8 dem ersten Ende in der Richtung der Abtastachse 13 gegenüberliegt. Eine vergrößerte Ansicht eines der Stützbalken 18 ist in dem vergrößerten Abschnitt C auf der rechten Seite der 1B dargestellt. Wie zu sehen ist, verbinden die Stützbalken 18 Teile des Spiegelträgers 16 mit Teilen des Rahmens 17 und ermöglichen eine Drehung des Spiegelkörpers 8 um die Abtastachse 13. Die Stützbalken 18 können kollinear mit der Abtastachse 13 sein.
Der Fachmann wird würdigen, dass die Form des Spiegels 12 jede für eine bestimmte Anwendung gewünschte Form haben kann, z.B., einen Kreis, eine Ellipse, ein Quadrat, ein Rechteck oder eine andere gewünschte Form.
Der Spiegelrahmen 17 definiert eine Spiegelaussparung 20, in welcher der Spiegelkörper 8 angeordnet ist. Die Spiegelaussparung 20 wird durch einen Aussparungsperipherie 28 des Spiegelrahmens 17 festgelegt. Der Spiegelrahmen 17 kann auch so ausgebildet sein, dass er weitere Aussparungen festlegt, in denen andere Komponenten, wie Aktuatoren, Sensoren und Blattfederanordnungen, angeordnet werden können.
Die Spiegelvorrichtung kann eine Blattfederanordnung 30 aufweisen. In dem gezeigten Beispiel enthält die Spiegelvorrichtung zwei Paare von Blattfederanordnungen 30, wobei sich die Blattfederanordnung in jedem Paar von dem Spiegelkörper 8 in entgegengesetzte Richtungen erstreckt. In dem gezeigten Beispiel sind die Blattfederanordnungen 30 symmetrisch zur Abtastachse 13 angeordnet. Bei QS-MEMS-Spiegeln werden die Blattfedern jedoch nicht verwendet. Stattdessen stützen Torsionsbalken (oder gleichwertige Strukturen mit mehreren Torsionsbalken, z.B., V-Form, PI-Form) den MEMS-Spiegel.
Die mindestens eine Blattfederanordnung 30 enthält eine Blattfeder 32 und ein Entlastungsglied 34. Das Entlastungsglied 34 kann eine oder mehrere Entlastungsfedern 35 aufweisen. Die Blattfeder 32 enthält 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 verbunden. Jede Blattfeder 32 hat eine Längsrichtung oder Verlängerung zwischen dem ersten Ende 32a und dem zweiten Ende 32b. Das erste Ende 32a ist am Spiegelträger (nicht veranschaulicht) befestigt und das zweite Ende 32b ist über das Entlastungsglied 34 mit dem Rahmen 17 verbunden. In den Beispielen können die ersten Enden 32a von zwei Blattfedern 32, die sich von demselben 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) und nur in der Nähe der Abtastachse 13 durch eine Verstärkungsstruktur (nicht veranschaulicht) versteift sein, so dass die beiden Blattfedern 32 ein Drehmoment auf den Spiegelkörper 8 ausüben können.
In einigen Beispielen kann die Form des Spiegels 12 im Bereich der Abtastachse 13 konkave Abschnitte aufweisen, wobei sich Teile der Blattfedern 32 in die konkaven Abschnitte des Spiegels 12 erstrecken. In einigen Beispielen können die Blattfedern 32 und der Spiegel 12 in einer gleichen Materialschicht ausgebildet werden und können in der Nähe der Abtastachse 13 miteinander verbunden sein.
In einigen Beispielen können die Blattfedern 32 in einer einkristallinen Siliziumschicht mit einer Richtung geringerer Materialsteifigkeit implementiert sein, wobei die Längsrichtung der Blattfedern mit der Richtung geringerer Materialsteifigkeit ausgerichtet ist. In einigen Beispielen können die Blattfedern 32 in einer Siliziumschicht mit einer <100>-Achse implementiert sein, und die Längsrichtung der Blattfedern ist mit der <100>-Richtung ausgerichtet, die in diesem Fall die geringere Materialsteifigkeit aufweist.
Die Torsionssteifigkeit um die Abtastachse 13 kann unter Verwendung der Blattfederanordnungen 30 eingestellt werden. Das Stützbalkenpaar 18 stützt den Spiegelkörper 8 vertikal, d.h., senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Rahmens 17, bei der Abtastachse 13. Die Stützbalken 18 können jedoch einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Torsionssteifigkeit haben, so dass die Eigenfrequenz des Spiegelkörpers im Wesentlichen durch die Blattfederanordnungen 30 bestimmt sein kann. Die Eigenfrequenz kann im Wesentlichen unabhängig von den Stützbalken 18 sein. Die hierin definierte Eigenfrequenz ist die ungedämpfte Frequenz der Eigenmode des Spiegelkörpers 8 (d.h., des Spiegels 12) um seine Abtastachse 13 bei kleinen Winkeln. Die Stützbalken 18 können das Aus-der-Ebene-Kippen und die Vertikaltranslationsmodensteifigkeit für die entsprechenden Starrkörpermoden sowie die entsprechenden Eigenfrequenzen bestimmen. Die Torsionssteifigkeit kann von dem Aus-der-Ebene-Kippen und der Vertikaltranslationsmodensteifigkeit entkoppelt werden, so dass das Aus-der-Ebene-Kippen und Vertikaltranslationsmodenfrequenzen auf gewünschte Werte, wie höhere Werte, eingestellt werden können, ohne die Torsionsmodensteifigkeit und Resonanzfrequenz zu beeinflussen.
Wie hierin definiert, verläuft die X-Achse entlang der Abtastachse 13, die Y-Achse ist senkrecht zur X-Achse in der Spiegelebene, wenn der Spiegel 12 in Ruhe ist, und die Z-Achse ist senkrecht zu und aus der Spiegelebene, wenn der Spiegel 12 in Ruhe ist. Die X-, Y-, und Z-Achse sind Achsen eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems.
In dem in der 1B dargestellten Beispiel ist ein Ende der mindestens einen Blattfeder 32 mit dem Spiegelkörper 8 bei einer Stelle nahe der Abtastachse 13 verbunden. Das andere Ende 32b ist mit dem zugehörigen Entlastungsglied 34 bei einer Stelle verbunden, die weiter von der Abtastachse 13 entfernt ist. Die Blattfederanordnungen 30 können dem Spiegelkörper 8 eine Torsionssteifigkeit um die Abtastachse 13 bereitstellen. Die Entlastungsglieder 34 können eine nachgiebige oder flexible Verbindung von den Blattfedern 32 zu dem Rahmen 17 bereitstellen. Die Entlastungsglieder 34 können eine relativ geringe Steifigkeit in Längsrichtung der Blattfedern 32 aufweisen, d.h., in der Y-Richtung in der 1B, wodurch sich ein Ende der Blattfedern 32 in ihrer Längsrichtung bewegen kann, wenn sich der Spiegelkörper 8 um die Abtastachse 13 dreht. Die Entlastungsglieder 34 können eine relativ hohe Steifigkeit in der Querrichtung haben, d.h., in der Z-Richtung und in der X-Richtung in der 1B.
Die Resonanzfrequenz für die Drehung des Spiegels 12 um die Abtastachse 13 kann hauptsächlich durch die Trägheit des Spiegelkörpers 8 und die Steifigkeit der Blattfederanordnungen 30 bestimmt sein, die durch die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 und durch die Torsions- und Translationssteifigkeit der Entlastungsglieder 34 definiert sein kann. Die Biegesteifigkeit der Blattfedern 32 kann durch die Länge, Breite, und, insbesondere die Dicke der Blattfedern 32 bestimmt sein. Die kombinierte Steifigkeit in der Y-Richtung der Stützbalken 18 und der Entlastungsglieder 34 kann eine Bewegung des Spiegelkörpers 8 senkrecht zur Abtastachse 13 (in der X-Richtung) während des Betriebs verhindern. Weitere Einzelheiten zu den Entlastungsgliedern sind im Folgenden bereitgestellt.
Die Stützbalken 18 sind zwischen dem Rahmen 17 und dem Spiegelkörper 8 entlang der Abtastachse 13 verbunden, um den Spiegelkörper 8 in dem Rahmen 17 zu stützen. In einem Beispiel haben die Stützbalken 18 einen schmalen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Abtastachse 13, wobei die lange Achse des Rechtecks senkrecht zur Fläche des Spiegels 12 und des Spiegelkörpers 8 und die kurze Achse des Rechtecks parallel zur Fläche des Spiegels 12 verläuft. Die Torsionssteifigkeit, die einer Drehung des Spiegelkörpers 8 um die Abtastachse 13 entspricht, kann durch die Blattfederanordnungen 30 bereitgestellt werden. Die Stützbalken 18 können nur zur Stützung des Spiegelkörpers 8 dienen und einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Torsionssteifigkeit haben. Die Stützbalken 18 können so bemessen sein, dass die Steifigkeit gegen eine vertikale Verschiebung (in der Z-Richtung) des Spiegelkörpers 8 und gegen seine Verschiebung in der Ebene senkrecht zur Abtastachse 13 (d.h., entlang der Y-Achse) so hoch wie möglich sein kann.
Die Spiegelvorrichtung kann auch mindestens einen Aktuator aufweisen, um ein Drehmoment zum Antrieb des Spiegelkörpers 8 um die Abtastachse 13 bereitzustellen. In einem Beispiel kann der Aktuator ein Kammantrieb sein, der an dem Spiegelkörper 8 angebrachte Spiegelkämme aufweist, die mit an dem Rahmen 17 angebrachten Rahmenkämmen verschachtelt sind. Ein Anlegen einer Differenz im elektrischen Potenzial zwischen den verschachtelten Spiegelkämmen und Rahmenkämmen erzeugt eine Antriebskraft zwischen den Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen, die ein Drehmoment auf den Spiegelkörper 8 um die Abtastachse 13 erzeugt. Ein schwingendes elektrisches Potenzial kann angelegt werden, um die Spiegelvorrichtung nahe ihrer Eigenfrequenz in Resonanz zu versetzen. In diesem Beispiel sind vier Kammantriebe 40TL (oben links), 40BL (unten links), 40TR (oben rechts), und 40BR (unten rechts) bereitgestellt. Die linke Seite ist links von der Abtastachse 13 angeordnet, während die rechte Seite rechts von der Abtastachse 13 angeordnet ist. Jeder Kammantrieb umfasst eine Statorkammantriebselektrode, die an dem Rahmen 17 befestigt ist und eine Rotorkammantriebselektrode, die mit dem Spiegelkörper 8 beweglich ist, wenn sich dieser um die Abtastachse 13 dreht.
In anderen Beispielen können die Betätigungsverfahren elektromagnetische Betätigung und piezoelektrische Betätigung aufweisen. Bei der elektromagnetischen Betätigung kann der Mikrospiegel in ein Magnetfeld „getaucht“ werden, und ein elektrischer Wechselstrom durch leitende Pfade auf dem Spiegelkörper kann das schwingende Drehmoment um die Abtastachse 13 erzeugen. Piezoelektrische Aktuatoren können in die Blattfedern integriert sein oder die Blattfedern können aus piezoelektrischem Material bestehen, um als Reaktion auf ein elektrisches Signal alternierende Balkenbiegekräfte zu erzeugen und das schwingende Drehmoment zu erzeugen.
Die gewünschte Drehmode Rx des MEMS-Spiegels 12 um die Abtastachse 13 ist in der 1B dargestellt. Der bidirektionale Pfeil, welcher der Drehmode Rx entspricht, zeigt an, dass der MEMS-Spiegel 12 dazu ausgelegt ist, um die Abtastachse 13 zu schwingen, um einen Abtastvorgang durchzuführen. Unerwünschte parasitäre Moden sind ebenfalls dargestellt. Beispielsweise ist eine in der Ebene liegende Translationsmode Ty dargestellt, die eine Translationsbewegung des Spiegelkörpers 8 in der Y-Richtung darstellt. Insbesondere gibt es eine resonante Kopplung von der gewünschten Drehmode Rx zu einer Translationsmode in der Y-Richtung, Ty. Die Kopplung der Mode Rx an die Translationsmode Ty wird vor allem durch die Verstärkungsstrukturen verursacht. Darüber hinaus kann eine nichtlineare Kopplung von der gewünschten Drehmode Rx zu einer unerwünschten falschen Giermode Rz auftreten. Somit führt die falsche Giermode Rz dazu, dass sich der Spiegelkörper 8 um die Z-Achse bewegt. Außerdem kann die Mode Rx mit der Translationsmode in der Z-Richtung, Tz, koppeln. Diese Kopplung von Rx an Tz wird vor allem durch die Verstärkungsstrukturen verursacht. Die Kopplung von Rx an Ty bzw. Tz entsteht durch Trägheitskräfte, die durch eine rotatorische Unwucht verursacht werden, da der Massenschwerpunkt aufgrund der Masse der Verstärkungsstrukturen gegenüber der Drehachse entlang der Z-Achse versetzt ist.
1C zeigt eine schematische Unteransicht eines Beispiels der in der 1B dargestellten Spiegelvorrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Insbesondere sind eine Unterseite des Spiegelkörpers 8 und der Rahmen 17 dargestellt. Die vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR sind ebenfalls sichtbar. Hierbei ist die Verstärkungsstruktur 9 zu sehen, die den Spiegelkörper 8 stützt.
1D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines MEMS-Spiegels und Antriebselektroden gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Insbesondere ist der MEMS-Spiegel 12 dargestellt, der sich um eine Drehachse 13 dreht, die sich orthogonal zur Seite erstreckt. Der MEMS-Spiegel 12 beinhaltet Spiegelkammelektroden 41 und 42, an die eine Antriebsspannung v_drive angelegt wird. Wie oben beschrieben, wird der MEMS-Spiegel 12 von einem Spiegelrahmen 17 (nicht veranschaulicht) gestützt. Der Spiegelrahmen 17 beinhaltet statische Kammelektroden 43 und 44. Die Spiegelkammelektroden 41 und 42, die mit gegenüberliegenden Enden des Spiegelkörpers 8 verbunden sind, bewegen sich mit der Schwingung des MEMS-Spiegels 12. Die Antriebsspannung v_drive induziert eine Antriebskraft zwischen den ineinandergreifenden Spiegelkammelektroden 41, 42 und den statischen Kammelektroden 43, 44. Insbesondere wird der MEMS-Spiegel 12 durch eine Rechteckspannung mit einem Tastgrad (Duty Cycle) von 50 % (oder anders) in parametrische Resonanz versetzt.
Ein erster Antriebskondensator C_A (auch als C_A(θ) bezeichnet) wird durch eine Überlappung der Elektroden 41 und 44 ausgebildet. Die Überlappung der zwei Elektroden 41 und 44 variiert mit dem Drehwinkel θ_mirror des MEMS-Spiegels 12 um die Drehachse 13. Mit zunehmender Überlappung nimmt auch die Kapazität des ersten Antriebskondensators C_A zu. Umgekehrt nimmt die Kapazität des ersten Antriebskondensators C_A ab, wenn die Überlappung abnimmt.
In ähnlicher Weise wird ein zweiter Antriebskondensator C_B (auch als C_B(θ) bezeichnet) durch eine Überlappung der Elektroden 42 und 43 ausgebildet. Die Überlappung der zwei Elektroden 42 und 43 variiert mit dem Drehwinkel θ_mirror des MEMS-Spiegels 12 um die Drehachse 13. Mit zunehmender Überlappung nimmt auch die Kapazität des zweiten Antriebskondensators C_B zu. Umgekehrt nimmt die Kapazität des zweiten Antriebskondensators C_B ab, wenn die Überlappung abnimmt.
Somit ist der erste Antriebskondensator C_A eine Funktion des Drehwinkels θ, der eine erste Ladung basierend auf dem Drehwinkel θ_mirror des MEMS-Spiegels 12 speichert, was zu einem ersten Verschiebungsstrom führt, der ebenfalls von dem Drehwinkel θ des MEMS-Spiegels 12 abhängig ist. In ähnlicher Weise ist der zweite Antriebskondensator C_B ebenfalls eine Funktion des Drehwinkels θ_mirror, der eine zweite Ladung basierend auf dem Drehwinkel des MEMS-Spiegels 12 speichert, was zu einem zweiten Verschiebungsstrom führt, der ebenfalls von dem Drehwinkel des MEMS-Spiegels 12 abhängig ist.
Für den QS-MEMS ist die Betätigung unipolar, d.h. bei positivem Auslenkwinkel vergrößert sich der eine Kondensator (eingetauchte Kämme) und die andere Kapazität liegt bei Null (nicht eingetauchte Kämme). Bei negativer Auslenkung verhält es sich umgekehrt. Für resonante MEMS haben die zwei Antriebskondensatoren jeweils eine symmetrische Kapazitätskennlinie entsprechend der Auslenkrichtung (z.B., der Kipprichtung) des MEMS-Spiegels 12. Es kann jedoch auch eine bipolare Betätigung verwendet werden, bei der ein dritter Kondensator mit der mittleren Elektrode (wie die Resonanzelektrode) ausgebildet wird.
Genauer bedeutet dies, dass bei perfekt ausgerichteten Kämmen C_A (-θ_mirror) = C_A (θ_mirror) und C_B(-θ_mirror) = C_B(θ_mirror), d. h . beide Kapazitäten sind gerade Funktionen mit symmetrischer Kapazitätsabhängigkeit, die ihren Wert nicht ändern, wenn der Winkel des Spiegels umgekehrt wird. Aufgrund der Symmetrie der Konstruktion gilt auch C_A(θ_mirror) = C_B(θ_mirror). Es ist auch zu beachten, dass in der Querschnittsansicht zwar zwei Antriebskondensatoren C_A und C_B dargestellt sind, aber vier Antriebskondensatoren vorhanden sind, wie in den 1B und 1C gezeigt. Somit werden vier Verschiebungsströme in Abhängigkeit von dem Drehwinkel θ_mirror erzeugt. Aufgrund der Symmetrie der Kapazitäten für θ → -θ konnte die Abtastrichtung (z.B., im oder gegen den Uhrzeigersinn) für eine ideale und reine Rx-Drehbewegung nicht detektiert werden.
1D zeigt ferner die Modenkopplung zwischen der Rx-Mode und der Ty-Mode, die durch eine Verschiebung L des Massenschwerpunkts M von der Drehachse (Abtastachse 13) verursacht wird aufgrund der Verstärkungsstruktur 9. Die Kopplungskraft ergibt sich aus der Eulerkraft gemäß Gleichung 1: $f_{Y} (t) = - m L {\ddot{θ}}_{m} (t)$
mit der Spiegelmasse m und der Drehbeschleunigung θ̈_mirror(t). Somit wird die Ty-Mode durch die Trägheitskraft f_Y(t) angeregt, die aufgrund der Abhängigkeit von der Drehbeschleunigung, welche die zweite Ableitung der Trajektorie ist, den gleichen Frequenzgehalt hat wie die Rx-Trajektorie θ(t). Darüber hinaus sind die Rx- und Ty-Eigenmoden nicht vollkommen reine Dreh- bzw. Translationsmoden, was bedeutet, dass eine Ungleich-Null-Amplitude der Ty-Mode auch eine kleine Drehbeimischung aufweist, d.h., eine Drehung um die X-Achse.
Eine oder mehrere Ausführungsformen verwenden die Änderung des Erfassungssignals (z.B., eines Stromsignals) einer Untergruppe der Kammantriebselektroden, die durch eine angeregte parasitäre Mode verursacht wird, um die Abtastrichtung (z.B., im oder gegen den Uhrzeigersinn) sowie die Bewegungsamplitude und -phase der parasitären Moden, d.h., Ty, Tz, und Rz, zu detektieren. Eine Untergruppe von Kammantriebselektroden kann eine beliebige Kombination von linken/rechten, oberen/unteren, vorderseitigen/rückseitigen Elektroden aufweisen.
Die Eulerkraft, die durch die endliche Verschiebung L zwischen dem Massenschwerpunkt M und der Drehachse 13 verursacht wird, führt zu einer kleinen Anregung von Ty, die der Rx-Bewegung überlagert wird. Diese überlagerte Bewegung entfernt die Symmetrie der Verschiebungsströme für θ und -θ, so dass das Vorzeichen des Winkels, d.h., die Abtastrichtung, detektiert werden kann.
Die Untergruppe der Kammantriebselektroden kann eine Untergruppe der Stator- oder Rotorelektroden oder im Fall des 2D-MEMS-Spiegels eine Untergruppe des Rotors, des Innenrahmens, und/oder des Außenrahmens (d.h., des eigentlichen Stators) sein. Als Beispiel sind verschiedene Fälle gezeigt, in denen zwei Stromsignale subtrahiert werden (z.B., ein linkes Stromsignal von einem rechten Stromsignal), um die höchste Effizienz zu erzielen. Es wäre jedoch auch möglich, die Moden anhand nur eines Seitenstroms oder sogar nur des Stroms eines Kammantriebs zu detektieren, allerdings mit geringerer Effizienz. Außerdem muss das Erfassen nicht auf dem Strom basieren. Es kann jedes Verfahren angewendet werden, das ein Erfassungssignal bereitstellt, das mit der Kapazität oder Kapazitätsänderung eines oder mehrerer Antriebskondensatoren zusammenhängt (z.B., Ladungserfassung, Stromerfassung, oder frequenzmodulationsbasierte Erfassung).
Nach der Detektion können die parasitären Moden Ty, Tz, Ry, und Rz aktiv gedämpft werden. Insbesondere kann ein Systemcontroller 23 durch geeignete Auswahl von Kammelektroden in beliebiger Kombination (entweder Kämme für die gemeinsame Nutzung von Betätigung/Erfassung/Dämpfung oder sogar einzelne Kämme nur zur Dämpfung) eine Gegenkraft/ein Gegenmoment aufbringen. Eine geeignete Auswahl von Kammelektroden bedeutet, dass die Auswahl ein(e) Kraft/Drehmoment hat, die/das der identifizierten parasitären Mode entspricht und der Spiegelbewegung in dieser identifizierten parasitären Mode entgegenwirken kann. Die Auswahl der Kammelektroden, an die eine Gegenkraft (z.B., eine Dämpfungsspannung) angelegt werden soll, basiert also auf der parasitären Mode Ty, Tz, Ry, Rz, usw., die von dem Systemcontroller 23 basierend auf seiner Detektion durch den Systemcontroller zur Dämpfung anvisiert wird. Ein Schaltnetzwerk kann von dem Systemcontroller 23 verwendet werden, um die Gegenkraft auf ausgewählte Kammelektroden, die der angestrebten parasitären Mode entsprechen, zu einem Zeitpunkt anzuwenden, der für die Dämpfung der angestrebten parasitären Mode wirksam ist. Diese Parasitärmodendetektion, Identifizierung, und gezielte Dämpfung wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems 200 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. 2 zeigt insbesondere zusätzliche Merkmale des LIDAR-Abtastsystems 200, einschließlich beispielhafter Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten wie einen MEMS-Treiber, eine Empfängerschaltung, und einen Systemcontroller.
Das LIDAR-Abtastsystem 200 enthält eine Sendeeinheit 21, die für einen Senderpfad des Systems 200 verantwortlich ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 verantwortlich ist. Das System beinhaltet auch einen Systemcontroller 23, der dazu ausgelegt ist, Komponenten der Sendeeinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern, und Rohdaten von der Empfängereinheit 22 zu empfangen und darauf eine Verarbeitung durchzuführen (z.B., über digitale Signalverarbeitung), um Objektdaten (z.B., Punktwolkendaten) zu erzeugen. Der Systemcontroller 23 enthält daher mindestens einen Prozessor und/oder eine Prozessorschaltung zur Datenverarbeitung, sowie eine Steuerschaltung, wie einen Mikrocontroller, der zur Erzeugung von Steuersignalen ausgelegt ist. Das LIDAR-Abtastsystem 200 kann auch einen Temperatursensor 26 aufweisen.
Die Empfängereinheit 22 enthält das Fotodetektorarray 15 sowie eine Empfängerschaltung 24. Die Empfängerschaltung 24 kann einen oder mehrere Schaltkreise oder Unterschaltkreise zum Empfangen und/oder Verarbeiten von Informationen enthalten. Die Empfängerschaltung 24 kann die analogen elektrischen Signale von den APD-Dioden des Fotodetektorarrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als analoge Rohdaten oder digitale Rohdaten an den Systemcontroller 23 übertragen. Um die Rohdaten als digitale Daten zu übertragen, kann die Empfängerschaltung 24 einen ADC und ein FPGA (Field Programmable Gate Array) enthalten. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Auslösesteuersignale von dem Systemcontroller 23 empfangen, die eine Aktivierung einer oder mehrerer APD-Dioden auslösen. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Verstärkungseinstellungssteuersignale zur Steuerung der Verstärkung einer oder mehrerer APD-Dioden empfangen.
Die Sendeeinheit 21 enthält die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12, und einen MEMS-Treiber 25, der zum Antreiben des MEMS-Spiegels 12 ausgelegt ist. Insbesondere betätigt und erfasst der MEMS-Treiber 25 die Drehposition des Spiegels und stellt Positionsinformationen (z.B., Neigungswinkel oder Grad der Drehung um die Drehachse) des Spiegels an den Systemcontroller 23 bereit. Basierend auf diesen Positionsinformationen werden die Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 von dem Systemcontroller 23 ausgelöst und die Fotodioden (z.B., APD-Dioden) aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und somit zu messen. Somit führt eine höhere Genauigkeit in der Positionserfassung des MEMS-Spiegels zu einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems.
Der MEMS-Treiber 25 kann auch die Spiegelfrequenz und -ströme messen und aufzeichnen, indem er eine Kapazitätsänderung in einem Kammantriebsrotor und -stator einer Aktuatorstruktur verwendet, um den MEMS-Spiegel 12 anzutreiben. Der MEMS-Spiegel 12 enthält ferner die oben beschriebene Aufhängungsstruktur. Daher kann der MEMS-Treiber 25 ferner eine Messschaltung enthalten, die dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere der hierin beschriebenen Eigenschaften des MEMS-Spiegels 12 zu messen. Der MEMS-Treiber 25 kann ferner eine Verarbeitungsschaltung enthalten, die mindestens einen Prozessor (z.B., eine analoge Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltung) aufweist, der dazu ausgelegt ist, Messinformationen von der Erfassungsschaltung zu verarbeiten, um einen mechanischen Zustand des MEMS-Spiegels 12 und/oder den Zustand des Chipgehäuses zu bewerten.
Zusätzlich, oder alternativ, kann der Systemcontroller 23 Messinformationen von der Messschaltung des MEMS-Treibers 25 empfangen und darauf eine Verarbeitung durchführen. Somit kann der Systemcontroller 23 ferner eine Verarbeitungsschaltung enthalten, die mindestens einen Prozessor (z.B., eine analoge Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltung) aufweist, der dazu ausgelegt ist, Messinformationen von der Erfassungsschaltung zu verarbeiten, um einen mechanischen Zustand des MEMS-Spiegels 12 und/oder den Zustand des Chipgehäuses zu bewerten.
Für den QS-MEMS wird die Drehposition unter Verwendung der Erfassungsschaltung (bei dem Rotor) kontinuierlich gemessen (und gesteuert).
Für ein resonantes MEMS: Durch Erfassen der Drehposition des MEMS-Spiegels 12 um seine Drehachse (Abtastachse) kann der MEMS-Treiber 25 Nulldurchgangsereignisse des MEMS-Spiegels 12 erfassen. Ein Nulldurchgangsereignis liegt vor, wenn der MEMS-Spiegel 12 einen Drehwinkel von 0° um seine Drehachse (Abtastachse) hat. Dies ist insbesondere der Moment, in dem 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 Drehrichtungen hin- und herschwingt (z.B., im und gegen den Uhrzeigersinn), findet während einer Abtastperiode zweimal ein Nulldurchgang statt - einmal, wenn der Spiegel in der ersten Drehrichtung schwingt, und einmal, wenn der Spiegel in der zweiten Drehrichtung schwingt. Es wird auch gewürdigt, dass anstelle eines Nulldurchgangsereignisses auch Winkeldurchgangsereignisse bei einem anderen vordefinierten Winkel verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen kann ein Ereigniszeitpunkt einem Nicht-Nulldurchgangsereignis entsprechen. Zum Beispiel kann der erfasste Drehwinkel ein anderer Winkel als 0° sein. Zur Erläuterung werden die Beispiele hierin jedoch im Zusammenhang mit der Erfassung von Nulldurchgangsereignissen beschrieben.
Der MEMS-Treiber 25 ist dazu ausgelegt, jedes Nulldurchgangsereignis zu detektieren und einen Zeitpunkt für jedes Ereignis aufzuzeichnen. Diese Zeitinformation (d.h., die gemessene Nulldurchgangszeit) kann dann als Positionsinformation an den Systemcontroller 23 übertragen werden. Insbesondere löst der MEMS-Treiber 25 bei jedem Nulldurchgangsereignis oder Winkeldurchgangsereignis eine Änderung in der Ausgabe eines Positionssignals (position_L) aus.
3 veranschaulicht ein Signaldiagramm verschiedener Signale, die von einem MEMS-Treiber 25 basierend auf dem Spiegelwinkel θ und/oder der Position erzeugt werden, einschließlich eines Positionssignals (position L). Zum Beispiel kann das Positionssignal (position_L) ein gepulstes Signal sein, während dem ein erster Impulsübergang (z.B., ein Übergang mit fallender Flanke) bei einem Nulldurchgang ausgelöst wird, wenn der Spiegel in einer ersten Drehrichtung (z.B., von links nach rechts) schwingt, und ein zweiter Impulsübergang (z.B., ein Übergang mit steigender Flanke) bei einem Nulldurchgang ausgelöst wird, wenn der Spiegel in einer zweiten Drehrichtung (z.B., von rechts nach links) schwingt. Außerdem ist das Signal „hoch“, wenn der Spiegel in eine Richtung zeigt (z.B., nach links), und das Signal ist „niedrig“, wenn der Spiegel in eine zweite Richtung zeigt (z.B., nach rechts). Somit zeigt das Positionssignal nicht nur ein Nulldurchgangsereignis an, indem es einen Impulsübergang auslöst, sondern zeigt auch absolute Phaseninformationen an, indem es die Richtungsneigung des Spiegels anzeigt. Wenn das Intervall zwischen Nulldurchgangsereignissen größer wird, nimmt die Frequenz des Positionssignals ab. Basierend auf diesem Positionssignal kann beides, eine Phase und/oder eine Frequenz von zwei oder mehr Positionssignalen verglichen werden.
Alternativ kann der MEMS-Treiber 25 bei jedem Nulldurchgangsereignis einen kurzen Impuls erzeugen, so dass ein gepulstes Positionssignal (position_L) an den Systemcontroller 23 ausgegeben wird. Das heißt, das Signal bleibt zwischen Nulldurchgangsimpulsen niedrig (oder hoch). In diesem Fall würde die absolute Phaseninformation, die angibt, in welche Richtung sich der Spiegel bewegt, fehlen, da der niedrige (hohe) Pegel des Positionssignals (position_L) nicht angibt, ob der Spiegel nach links oder rechts zeigt. Basierend auf diesem Positionssignal kann eine Phase und/oder eine Frequenz von zwei oder mehr Positionssignalen verglichen werden.
Der MEMS-Treiber 25 kann die Positionsinformationen an den Systemcontroller 23 senden, so dass der Systemcontroller 23 die Positionsinformationen verwenden kann, um die Auslösung der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 und die Aktivierung der Fotodioden des Fotodetektorarrays 15 zu steuern. Die Positionsinformationen können von dem Systemcontroller auch als Rückkopplungsinformationen verwendet werden, so dass der Systemcontroller 23 einen stabilen Betrieb des MEMS-Spiegels 12 über Steuersignale aufrechterhalten kann, die an den MEMS-Treiber 25 bereitgestellt werden, und auch eine Synchronisation mit anderen MEMS-Spiegeln aufrechterhalten kann.
Der MEMS-Spiegel 12 enthält eine Aktuatorstruktur, die zum Antrieb des Spiegels verwendet wird. Die Aktuatorstruktur beinhaltet ineinandergreifende Fingerelektroden, die aus ineinandergreifenden Spiegelkämmen und Rahmenkämmen bestehen, an die der MEMS-Treiber 25 eine Antriebsspannung v_drive (d.h., ein Betätigungs- oder Antriebssignal) anlegt. Die Antriebsspannung kann als Hochspannung (HV, High Voltage) bezeichnet werden. Die Rahmenkammfinger und die Spiegelkammfinger bilden die Elektroden eines Kondensators aus. Die Antriebspannung über die Fingerstruktur erzeugt eine Antriebskraft zwischen ineinandergreifenden Spiegelkammelektroden und den Rahmenkammelektroden, die ein Drehmoment auf den Spiegelkörper 8 um die Drehachse erzeugt. Die Antriebsspannung kann umgeschaltet oder ein- und ausgeschaltet werden, was zu einer schwingenden Antriebskraft führt. Die antreibende Wellenform der Antriebsspannung kann eine beliebige Wellenform sein, einschließlich sinusförmig, dreieckig, rechteckig, usw. Die schwingende Antriebskraft bewirkt, dass der Spiegel um seine Drehachse zwischen zwei Extrema hin- und herschwingt. Abhängig von der Konfiguration kann diese Betätigung reguliert oder eingestellt werden, indem die Abschaltzeit der Antriebsspannung, ein Spannungspegel der Antriebsspannung, oder ein Tastgrad eingestellt wird.
In anderen Ausführungsformen kann ein elektromagnetischer Aktuator zum Antrieb des MEMS-Spiegels 12 verwendet werden. Für einen elektromagnetischen Aktuator kann ein Antriebsstrom (d.h., ein Betätigungs- oder Antriebssignal) verwendet werden, um die schwingende Antriebskraft zu erzeugen. Es wird daher gewürdigt, dass Treiber-/Antriebsspannung und Treiber-/Antriebsstrom hierin austauschbar verwendet werden können, um ein Betätigungssignal oder ein Antriebssignal zu bezeichnen, und beide können allgemein als Antriebskraft bezeichnet werden.
Wenn der Spiegel schwingt, ändert sich die Kapazität oder Ladung zwischen den Fingerelektroden entsprechend der Drehposition des Spiegels. Der MEMS-Treiber 25 ist dazu ausgelegt, die Kapazität oder Ladung zwischen den ineinandergreifenden Fingerelektroden beispielsweise über die vier Quadrantenkammantriebsverschiebungsströme zu messen und daraus eine Drehposition oder Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu bestimmen. Genauer sind die Verschiebungsströme die zeitlichen Ableitungen der jeweiligen Kapazitäten multipliziert mit der Spannung, d.h. es werden anstelle der Kapazität oder Ladung abgeleitete Größen gemessen. Durch die Überwachung der Verschiebungsströme kann der MEMS-Treiber 25 die Nulldurchgangsereignisse und andere Nicht-Nullwinkelereignisse und deren Zeitpunkte detektieren und können die Auslenkung oder den Kippwinkel des MEMS-Spiegels 12 zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmen. Der MEMS-Treiber 25 kann die gemessenen Verschiebungsströme auch dazu verwenden, eine Spiegelfrequenz zu bestimmen und die Informationen in einem Speicher des MEMS-Treibers 25 oder bei dem Systemcontroller 23 zu speichern.
Die Erfassung der Position des MEMS-Spiegels 12 erfolgt basierend auf einem Detektor, der dazu ausgelegt ist, die Kapazität durch den Verschiebungsstrom oder die Verschiebungsladung (d.h. den integrierten Strom) zu messen. Die Kapazitäts- oder Ladungsmessung kann indirekt durch Messung abgeleiteter Größen, wie der Verschiebungsströme, durchgeführt werden. Wenn sich zum Beispiel der MEMS-Spiegel bewegt, ändert sich die Geometrie der Fingerstruktur, was zu einer Änderung in der Geometrie des Kondensators führt. Wenn sich die Geometrie des Kondensators ändert, ändert sich die Kapazität des Kondensators. Somit entspricht eine bestimmte Kapazität direkt einer bestimmten Auslenkposition (z.B., einem Kippwinkel) des MEMS-Spiegels. Durch Erfassen der Kapazität der Fingerstruktur kann der MEMS-Treiber 25 die Schwingungen des Spiegels überwachen und verfolgen und eine bestimmte Position des MEMS-Spiegels, einschließlich des Nulldurchgangs, bestimmen.
Eine Möglichkeit, die Kapazität zu messen, besteht darin, einen durch die Fingerelektrodenstruktur fließenden Strom zu messen, den gemessenen Strom in eine Spannung umzuwandeln, und dann ferner die Spannung mit einer Kapazität und/oder einem Drehwinkel θ zu korrelieren. Jedoch kann jegliches Verfahren zur Messung der Kapazität verwendet werden.
Das Vorzeichen der Ströme (d.h., positive oder negative Kapazitätsänderung über die Zeit) zeigt nur an, ob sich der MEMS-Spiegel auf die Ruheposition zubewegt (positive Ströme → Kondensator laden) oder sich von der Ruheposition wegbewegt (negative Ströme → Kondensator entladen). Bewegt sich der MEMS-Spiegel in Richtung der Ruhelage (sich Null nähernd), kann dies sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn erfolgen. Für Kammantriebe mit symmetrischer Kapazitätsabhängigkeit, C_A(-θ_mirror) = C_A(θ_mirror) und C_B(θ_mirror) = C_B(θ_mirror), lässt sich die Drehrichtung nicht durch das Vorzeichen der Ströme unterscheiden.
Da der Spiegel bei einer Schwingungsfrequenz (z.B., 2 kHz) angetrieben wird, wenn sich der Spiegel in eine erste Drehrichtung dreht (z.B. links-nach-rechts oder im Uhrzeigersinn), durchläuft er eine Nullposition (d.h., 0°) bei einem bestimmten Zeitpunkt. Dasselbe gilt, wenn sich der Spiegel in eine zweite Drehrichtung dreht (z.B., rechts-nach-links oder gegen den Uhrzeigersinn), der Spiegel wird die Nullposition zu einem bestimmten Zeitpunkt durchqueren. Diese Durchquerungen der Nullposition können als Nulldurchgangsereignisse bezeichnet werden, die bei Nulldurchgangszeiten auftreten.
Wie bereits oben erwähnt, wird in einer oder mehreren Ausführungsformen die Änderung in einem Erfassungssignal (z.B., einem Stromsignal) einer Untergruppe der Kammantriebselektroden, die durch eine angeregte parasitäre Mode verursacht wird, verwendet, um die Abtastrichtung (z.B., im oder gegen den Uhrzeigersinn) sowie die Bewegungsamplitude und - phase parasitärer Moden, d.h. Ty, Tz, und Rz, zu detektieren. Hierbei kann die Differenz in der Kapazität jedes Kammantriebs, die Differenz in jedem der vier Quadrantenkammantriebsverschiebungsströme, oder die Differenz der Verschiebungsströme bestimmter Kombinationen der Quadranten verwendet werden. Nach der Detektion kann jede der parasitären Moden Ty, Rz, Ry, und/oder Tz vermieden oder aktiv gedämpft werden.
4A veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der in einer nominal zentrierten Position (links) und einer translatorisch verschobenen Position (rechts) angeordnet ist gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Auf der linken Seite arbeitet der MEMS-Spiegel 12 (Spiegelkörper 8) in einer reinen Drehmode Rx um die Abtastachse 13 und die Torsionsbalken 18 biegen sich nicht. Die vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR sind symmetrisch innerhalb des Rahmens 17 angeordnet. Auf der rechten Seite hingegen ist der MEMS-Spiegel 12 (Spiegelkörper 8) in der translatorischen Y-Richtung nach rechts verschoben und schwingt aufgrund der Modenkopplung der Rx-Mode mit der Ty-Mode in der Y-Richtung hin und her. Hierbei biegen sich die Torsionsbalken 18 in der Y-Richtung hin und her. Eine Statorelektrode eines Kammantriebs ist mechanisch mit dem Rahmen 17 verbunden, während die Rotorelektrode eines Kammantriebs mechanisch mit dem Spiegelkörper 8 verbunden ist. Die Statorkammantriebselektroden sind in linke Paare (Statoren der Kammantriebe 40TL und 40BL) und rechte Paare (Statoren der Kammantriebe 40TR und 40BR) unterteilt, um die Rx-Ty-Modenkopplung zu detektieren.
Ausführungsformen enthalten ferner eine Erfassungsschaltung, die elektrisch mit den Statorkammantriebselektroden jedes Kammantriebs 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR gekoppelt ist, um deren jeweilige Verschiebungsströme zu empfangen. Die Statorkammantriebselektroden sind elektrisch so mit der Erfassungsschaltung gekoppelt, um die Mode von Interesse, wie die Ty-Mode, die Rz-Mode, oder die Tz-Mode, zu detektieren. Es ist auch möglich, die Rotorkammantriebselektroden zu trennen und diese Elektroden anstelle der des Stators zu erfassen. Außerdem ist es nicht erforderlich, den Verschiebungsstrom zu messen oder alle Kammantriebe für die Erfassung zu verwenden. Jedes Signal, das mit einer Kapazität oder Kapazitätsänderung zusammenhängt, kann verwendet werden.
4B ist ein schematisches Diagramm eines Systems 400A zur Messung und Dämpfung einer Translationsmode Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das System 400A zur Messung der Translationsmode Ty enthält den MEMS-Treiber 25, den MEMS-Spiegel 12 mit vier Kammantrieben 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR, eine Erfassungsschaltung 50, und den Systemcontroller 23.
Der MEMS-Treiber 25 empfängt ein digitales Steuersignal D_Hvact und treibt die Rx-Mode des MEMS-Spiegels 12 an (d.h., die Drehung um die Abtastachse 13) in Übereinstimmung mit dem digitalen Steuersignal D_EVact. Das digitale Steuersignal DHVact kann ein digitales Ein-Bit-Signal sein (d.h., 0 für Aus und 1 für Ein), oder ein digitales Multi-Bit-Signal sein, das verschiedene Pegel (z.B., verschiedene Spannungspegel) anzeigen kann. Der MEMS-Treiber 25 kann einen Digital-Analog-Wandler (DAC, Digital-to-Analog Converter) enthalten, der die Antriebsspannung v_drive basierend auf dem digitalen Wert des digitalen Steuersignals DHVact erzeugt. Wie nachstehend erläutert, kann der MEMS-Treiber 25 auch einen Wert eines Dämpfungssignals Vdmp auf den Wert des digitalen Steuersignals DHVact addieren oder überlagern, um eine Antriebsspannung mit einer Dämpfungsspannung oder nur eine Dämpfungsspannung zu erzeugen (z.B., wenn die Antriebsspannung Null ist). Auf diese Weise ist DHVact eine digitale Eingabe für einen DAC, der Spannungen im Bereich von 0V-200V erzeugt. Die Antriebsspannung Vdrive kann dann eine beliebige Wellenform sein.
Der MEMS-Treiber 25 erzeugt die Antriebsspannung v_drive mit dem entsprechenden Tastgrad und legt die Antriebsspannung v_drive an die Spiegelkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR an. Infolge der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 um seine Abtastachse 13 ändern sich die Antriebskapazitäten C_TL, C_BL, C_TR, und CBR der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR und es werden Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR durch ihre jeweiligen Antriebskapazitäten erzeugt. Die Erfassungsschaltung 50 ist mit den Statorkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR gekoppelt und entnimmt daraus die Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR.
Um die Translationsmode Ty zu messen, werden die zwei linken Verschiebungsströme i_TL und i_BL einem Eingang eines Transimpedanzverstärkers (TIA) 51 der Erfassungsschaltung 50 bereitgestellt. Obwohl in diesem Beispiel ein TIA verwendet wird, können auch andere Erfassungselemente für die kapazitive Erfassung verwendet werden. Zum Beispiel kann jegliche Erfassungsschaltung, die Ladungserfassung, Stromerfassung, oder frequenzmodulierte Erfassung durchführt, zur Erzeugung von Erfassungssignalen verwendet werden. Der TIA 51 kann über einen Schalter SW1 mit dem MEMS-Spiegel 12 und insbesondere mit den Statoren zugeordneter Kammantriebe gekoppelt sein. Der Schalter SW1 kann von dem Systemcontroller 23 (über ein Schaltersteuersignal SW CTRL) gesteuert werden, um Modenmessungen durchzuführen, wenn sich der Schalter SW1 in der Position „m“ befindet, oder um einen Dämpfungsvorgang durchzuführen, wenn sich der Schalter SW1 in der Position „d“ befindet, wobei „m“ eine Messposition des Schalters zur Durchführung von Messungen entsprechender Kammantriebe darstellt und „d“ eine Dämpfungsposition des Schalters darstellt, die zum Anlegen einer Dämpfungsspannung Vdmp,left an die entsprechenden linksseitigen Kammantriebe verwendet wird. Nachdem der TIA 51 die Verschiebungsströme i_TL und i_BL erhalten hat, wird die Summe der zwei linken Verschiebungsströme i_TL und i_BL durch den TIA 51 in eine linksseitige Spannung V_L umgewandelt.
In ähnlicher Weise werden die beiden rechtsseitigen Verschiebungsströme i_TR und i_BR einem Eingang eines TIA 52 der Erfassungsschaltung 50 bereitgestellt. Auch wenn wieder in diesem Beispiel ein TIA verwendet wird, können auch andere Erfassungselemente für die kapazitive Erfassung verwendet werden. Beispielsweise kann jede Erfassungsschaltung, die Ladungserfassung, Stromerfassung, oder frequenzmodulierte Erfassung durchführt, zur Erzeugung von Erfassungssignalen verwendet werden. Der TIA 52 kann durch einen Schalter SW2 mit dem MEMS-Spiegel 12 und insbesondere mit den Statoren zugeordneter Kammantriebe gekoppelt sein. Der Schalter SW2 kann von dem Systemcontroller 23 (über ein Schaltersteuersignal SW CTRL) gesteuert werden, um Modenmessungen durchzuführen, wenn sich der Schalter SW2 in der Position „m“ befindet, oder um einen Dämpfungsvorgang durchzuführen, wenn sich der Schalter SW1 in der Position „d“ befindet, wobei „m“ eine Messposition des Schalters zur Durchführung von Messungen der entsprechenden Kammantriebe darstellt und „d“ eine Dämpfungsposition des Schalters darstellt, die zum Anlegen einer Dämpfungsspannung Vdmp,right an die entsprechenden rechtsseitigen Kammantriebe verwendet wird. Nachdem der TIA 51 die Verschiebungsströme i_TR und i_BR erhalten hat, wird die Summe der beiden rechtsseitigen Verschiebungsströme i_TR und i_BR durch den TIA 52 in eine rechtsseitige Spannung V_R umgewandelt.
Alternativ kann jede Kammantriebselektrode mit einem separaten TIA verbunden werden, und dann können die einzelnen Spannungssignale addiert und/oder subtrahiert werden, so dass die Erfassungsschaltung 50 in der Lage ist, jede Mode gleichzeitig zu detektieren. Mit anderen Worten, können vier TIAs verwendet werden, die jeweils einzeln mit einer entsprechenden Antriebselektrode (d.h., den Kapazitäten C_TL, C_BL, C_TR, und C_BR) der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR und 40BR verbunden sind.
4C ist ein schematisches Diagramm eines Systems 400B zur Messung und Dämpfung einer parasitären Mode gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das System 400B zur Messung parasitärer Moden ähnelt dem System 400A, mit der Ausnahme, dass die Erfassungsschaltung 50 ein Schaltnetzwerk 55 enthält, das die Antriebselektrode (d.h., die Kapazitäten C_TL, C_BL, C_TR, und C_BR) der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR in beliebiger Kombination mit den TIAs 51 und 52 schaltbar koppelt. Das Schaltnetzwerk 55 kann ein Netzwerk von acht Schaltern sein - zwei für jede Antriebselektrode -, die ihre jeweilige Antriebselektrode schaltbar mit den TIAs 51 und 52 verbinden. Mit einem solchen Schaltnetzwerk kann die Eingangskonfiguration für die TIAs 51 und 52 vollständig konfigurierbar sein, um Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR in jeder beliebigen Kombination zu empfangen, damit die Erfassungsschaltung 50 einzelne parasitäre Moden messen oder jede Mode gleichzeitig detektieren kann (z.B., wenn auch einzelne TIAs bereitgestellt sind). Das Schaltersteuersignal SW CTRL, das für ein oder mehrere Steuersignale repräsentativ ist, kann die Schalter des Schaltnetzwerks 55 steuern. Es ist auch möglich, dass ein Netzwerk von Multiplexern verwendet wird.
Als Beispiel sind zwei Schalterpaare für zwei Antriebselektroden dargestellt, die den Kammantrieben 40TL und 40BR entsprechen, wobei ein Schalter jedes Paares mit dem TIA 51 und der andere Schalter jedes Paares mit dem TIA 52 verbunden ist. Andere Schalterpaare sind in ähnlicher Weise für die verbleibenden Kammantriebe bereitgestellt, wenn auch nicht veranschaulicht, so dass ihre jeweiligen Verschiebungsströme schaltbar entweder an den TIA 51 oder den TIA 52 bereitgestellt werden.
Zurückkommend auf die 4B enthält die Erfassungsschaltung 50 ferner einen Summierer 53 und einen Subtrahierer 54. Der Summierer 53 empfängt sowohl die linksseitige Spannung V_L als auch die rechtsseitige Spannung V_R und summiert sie zusammen, um eine Summenspannung V_I zu erzeugen, welches die Summe aller Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR darstellt. Umgekehrt erhält der Subtrahierer 54 sowohl die linksseitige Spannung V_L als auch die rechtsseitige Spannung V_R und subtrahiert die rechtsseitige Spannung V_R von der linksseitigen Spannung V_L, um eine Differenzspannung ΔV_I zu erzeugen, welche die Differenz zwischen den linkseitigen Strömen i_TL, i_BL und den rechtsseitigen Strömen i_TR, i_BR darstellt. Die Summenspannung V_I (d.h., das Summenstromsignal oder Messsignal) ermöglicht präzise Phasen- und Amplitudenmessungen der Rx-Mode, die der Systemcontroller 23 für eine geeignete MEMS-Spiegelsteuerung verwendet. Die summierte Spannung V_I stellt jedoch keine Auskunft bereit über die Abtastrichtung, da die vier Kammantriebe symmetrisch sind. Andererseits stellt die Differenzspannung ΔV_I (d.h., das Differenzstromsignal oder Differenzmesssignal) abtastrichtungsabhängige Signale für die Rx-Mode bereit. Sie stellt auch die Amplitude der Ty-Mode und die Phase der Ty-Mode relativ zur Rx-Mode bereit. Somit kann der Systemcontroller 23 die Abtastrichtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) des MEMS-Spiegels 12 basierend auf der Differenzspannung ΔV_I bestimmen. Der Systemcontroller 23 kann das digitale Steuersignal D_Hvact basierend auf der Phase, der Amplitude (θ₀), und der Abtastrichtung erzeugen. Zum Beispiel kann das Vorzeichen der Differenzspannung ΔV_I die Abtastrichtung angeben.
In der Implementierung kann ein zusätzlicher Speicher von dem Systemcontroller 23 verwendet werden, um die Abtastrichtung aufzuzeichnen, auch wenn die Differenzspannung ΔV_I bei bestimmten Betriebspunkten schwach ist. Der Speicher oder Filter kann dazu verwendet werden, die Richtung basierend auf einem schwachen Signal zu bestätigen oder das Rauschen in den Messungen zu reduzieren, z.B. durch Mittelwertbildung.
Eine weitere Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, die Ty-Modenamplitude durch Auswertung der Differenzspannung ΔV_I (d.h., des Differenzstromsignals) durch den Systemcontroller 23 zu detektieren. Dies kann für Sicherheitsaspekte wie Materialversagen oder die Möglichkeit eines elektrostatischen Einzugs genutzt werden.
Falls die Rx-Trajektorie keine einzelne Sinuswelle ist, sondern aus mehreren Oberwellen besteht, kann eine Oberwelle die Ty-Modenresonanzfrequenz treffen. Experimente haben gezeigt, dass für den MEMS-Spiegel 12 die 5^te Harmonische der Rx-Trajektorie zu einer Ty-Modenresonanz führen kann, wenn sie die Ansprechkurve des MEMS-Spiegels durchstreicht (Sweep). Je nach Design des MEMS-Spiegels 12 können die Trennfaktoren zwischen den Rx- und Ty-Moden jedoch unterschiedlich sein, so dass eine andere Harmonische der Rx-Trajektorie zur Ty-Modenresonanz führen kann.
Wenn die Rx-Ty-Kopplung über die Eulerkraft eine solche Resonanzbedingung erfüllt, wird die Ty-Mode zu wesentlich höheren Amplituden angeregt als im nicht-resonanten Kopplungsfall. Die Drehbewegung des Spiegels kann durch eine starke 5^te (oder andere) Harmonische verzerrt werden, aufgrund der großen Bewegungsamplitude der Ty-Mode. Dies ist eine Folge davon, dass die Ty-Mode keine reine Translationsmode ist. Vielmehr enthält sie eine kleine Drehkomponente, die zu einer Verzerrung der Gesamtdrehung führt, die sich aus dem Gesamteffekt der Rx-Drehung und dem kleinen Drehbeitrag der Ty-Mode ergibt.
Der fünfte 5^te Oberwellengehalt der Gesamtdrehbewegung, der durch einen Sweep durch einen Teil der MEMS-Spiegelantwortkurve für verschiedene Antriebsspannungen erhalten wird, zeigt, dass die Ty-Antwortkurve einen oberen Zweig (obere Antwortkurve) mit einer hohen Ty-Modenamplitude sowie einen unteren Zweig (untere Antwortkurve) mit niedriger Ty-Modenamplitude hat.
Der Systemcontroller 23 kann dazu ausgelegt sein, die Differenzspannung ΔV_I bei verschiedenen Betriebspunkten (z.B., bei der Ty-Modenresonanzspitze und außerhalb der Resonanz) zu überwachen. Basierend auf der Signalform der Differenzspannung ΔV_I können beide Betriebspunkte eindeutig unterschieden werden. Somit kann der Systemcontroller 23 bestimmen, ob sich der aktuelle Betriebspunkt des MEMS-Spiegels auf dem oberen Zweig oder dem unteren Zweig der 5^ten Harmonischen der Antwortkurve der Gesamtdrehung befindet ohne die Notwendigkeit einer Trajektorienmessung. Basierend auf dieser Information kann der Systemcontroller 23 das digitale Steuersignal D_Hvact einstellen, um einen Sprung vom oberen Zweig zum unteren Zweig der 5^ten Harmonischen zu erzwingen. Dies kann durch eine Erhöhung der Antriebsfrequenz des digitalen Steuersignals D_Hvact jenseits der Rückfallfrequenz der oberen Antwortkurve der Ty-Modenresonanz erreicht werden, so dass die Ty-Modenanregung zusammenbricht. Außerdem kann die vorgeschlagene Modendämpfung auch über das Dämpfungssignal Vdmp angewendet werden, um einen Sprung zum unteren Zweig zu erzwingen.
Mit anderen Worten kann der Systemcontroller 23 die Ty-Modenamplitude aus der Differenzspannung ΔV_I ermitteln und basierend auf der bestimmten Ty-Modenamplitude bestimmen, ob sich der MEMS-Spiegel 12 auf dem oberen oder dem unteren Zweig der 5^ten Harmonischen befindet. Wenn die Ty-Modenamplitude einen vorbestimmten Amplitudenschwellenwert überschreitet, bestimmt der Systemcontroller 23, dass der MEMS-Spiegel 12 auf dem oberen Zweig der 5^ten Harmonischen der Rx-Mode liegt, und ergreift eine Gegenmaßnahme, indem er das digitale Steuersignal D_Hvact anpasst.
Nachdem eine unerwünschte parasitäre Schwingung detektiert wurde (z.B., Mode Ty, Mode Rz, Mode Ry, oder Mode Tz), kann sie aktiv gedämpft werden. Da im Normalbetrieb typischerweise eine kleine Ty-Modenamplitude vorhanden ist, sollte ein Schwellenwert für eine stärkere unerwünschte Anregung der Ty-Mode durch resonante Kopplung definiert werden. Das heißt, dass eine aktive Dämpfung erfolgt, wenn ein Schwellenwert ungleich Null überschritten wird, wobei der Schwellenwert so festgelegt wird, dass eine kleine Ty-Modenamplitude, die normalerweise auftritt, erlaubt wird. Der Schwellenwert kann für ein bestimmtes Design durch Experimente und numerische Simulationen so bestimmt werden, dass Off-Resonanzamplituden der Ty-Mode von bis zu 1-3 µm auftreten können. Eine On-Resonanzkopplung über eine Harmonische der Rx-Trajektorie oder durch direkte Anregung des Kammantriebs kann zu höheren Amplituden führen. Daher kann basierend auf einem dynamischen Modell der Kopplung ein Schwellenwert gewählt werden, der festlegt, dass Amplituden von mehr als 3 µm der Ty-Amplitude als durch On-Resonanzkopplung verursacht angesehen werden. Dieser Schwellenwert für die mechanische Amplitude der Ty-Mode kann in einen entsprechenden Schwellenwert für die Größe der Differenzspannung ΔV_I umgewandelt werden.
Alternativ kann der Frequenzgehalt der Differenzspannung ΔV_I von dem Systemcontroller 23 überwacht werden. Eine Off-Resonanzkopplung wird zu einer Ty-Bewegung bei der gleichen Frequenz wie Rx führen. Im Gegensatz dazu wird eine On-Resonanzkopplung, z.B. über den Anteil der fünften Harmonischen der Spiegeltrajektorie bei einem bestimmten Design, zu einem starken Anstieg des Anteils der fünften Harmonischen in der Differenzspannung ΔV_I führen. Es kann bestimmt werden, dass ein Anstieg der Spektralkomponente der Differenzspannung ΔV_I, die der fünften Harmonischen entspricht, um einen bestimmten Faktor, z.B. um den Faktor 5, als Detektion für eine On-Resonanzkopplung gilt. Dies kann während des normalen Betriebs des MEMS-Spiegels 12 über den Systemcontroller 23 erfolgen.
Während einer Beobachtungsphase, während die Antriebsspannung v_drive eingeschaltet ist (z.B. entsprechend einer An-Zeit, in der D_Hvact = 1 ist und v_drive auf einen Wert zwischen 0-200 V eingestellt ist), werden der Typ der parasitären Schwingung, ihre Frequenz, und ihre Phase von dem Systemcontroller 23 aus der entsprechenden Differenzspannung ΔV_I bestimmt. Somit wertet der Systemcontroller 23 die Differenzspannung ΔV_I aus und detektiert die translatorischen Ty-Mode basierend auf vorgegebenen Schwellenwerten der Größe der Differenzspannung ΔV_I und der relativen Stärke der Oberwellengehalte der Differenzspannung ΔV_I.
Während der Aus-Phase der Antriebsspannung v_drive (z.B., entsprechend einer Aus-Zeit, während der D_HVact = 0 und v_drive 0V ist) werden die TIAs 51 und 52 von den Statorelektroden getrennt (z.B., über einen geöffneten Schalter SW1 und SW2), und eine Dämpfungsspannung Vdmp wird an die Statorelektroden angelegt, um der parasitären Translationsbewegung Ty entgegenzuwirken.
Insbesondere veranschaulicht die 4D eine Draufsicht auf einen MEMS-Spiegel, der in einem ersten Dämpfungsverfahren (Verfahren 1) mit einer Dämpfungsspannung als Reaktion auf die Detektion einer Translationsbewegung Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kompensiert wird. Um die Translationsbewegung Ty zu dämpfen und zu reduzieren, wird die Dämpfungsspannung Vdmp an die beiden Statorelektroden angelegt, die sich auf der gleichen Seite des Spiegelkörpers 8 befinden (d.h., auf der gleichen lateralen Seite der Abtastachse 13). Die Dämpfungsspannung Vdmp kann also entweder an beide Statorelektroden der Kammantriebe 40TL und 40BL oder an beide Statorelektroden der Kammantriebe 40TR und 40BR angelegt werden. Das andere Statorelektrodenpaar auf der gegenüberliegenden Seite des Spiegelkörpers 8 (d.h., auf der gegenüberliegenden Seite der Abtastachse 13) ist auf 0 V geerdet. Als Ergebnis wird die detektierte Ty-Mode durch Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp gedämpft, um der Translationsbewegung entgegenzuwirken.
Alternativ können bei einem zweiten Dämpfungsverfahren (Verfahren 2) die TIAs 51 und 52 während der Dämpfung mit den Statorelektroden verbunden bleiben (z.B., sind die Schalter SW1 und SW2 geschlossen oder nicht vorhanden), und die Dämpfungsspannung Vdmp wird der Antriebsspannung Vdrive überlagert. Die gestrichelten Linien der Dämpfungsspannung Vdmp veranschaulichen somit die beiden Möglichkeiten, wie die Dämpfungsspannung Vdmp je nach Dämpfungsverfahren angelegt werden kann. Alternativ zum direkten Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp an die Signalleitung der Antriebsspannung Vdrive kann der Systemcontroller 23 ein Dämpfungssteuersignal Ddmp an den MEMS-Treiber 25 übertragen, und der MEMS-Treiber 25 kann die Dämpfungsspannung Vdmp erzeugen, wobei sie der Antriebsspannung Vdrive überlagert wird.
Beide Dämpfungsverfahren funktionieren prinzipiell für jegliche Mode und sind abhängig von der spezifischen Kapazitätsabhängigkeit der Gesamtkapazität aller vier Statorquadranten von dem jeweiligen Freiheitsgrad (DOF, Degree of Freedom). Aufgrund der Symmetrie wird die Gesamtkapazität immer ein lokales Extremum für jeden Freiheitsgrad ausbilden. Für die Rx- und Tz-Moden ist das lokale Extremum ein Maximum, während für Rz das lokale Extremum ein Minimum ist.
Für die Ty-Mode ist die Situation komplizierter. Bei einer reinen Translation ist die Gesamtkapazität als Funktion von der DOF Ty im Wesentlichen konstant, da die Kapazitätszunahme auf der einen Seite durch die Kapazitätsabnahme auf der anderen Seite genau ausgeglichen wird. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die Finger von Rotor und Stator bereits in der Ruheposition ineinander greifen (bei einem echten Antrieb in der Ebene wie bei einem Kreisel würde man die Spitzen von Rotor und Stator so konstruieren, dass sie in derselben Position enden, dann ist die Situation anders). Wenn die Drehkomponente der Ty-Mode hinzugefügt wird, hat die Kapazität für die Ty-Mode ebenfalls ein lokales Maximum, aber die Abhängigkeit ist immer noch ziemlich schwach.
Die Kraft (für Translationsbewegungen Ty und Tz) und das Moment (für Drehbewegungen Rz), die von dem Antrieb auf eine bestimmte DOF ausgeübt werden können, hängen von der Stärke der Kapazitätsabhängigkeit der Kondensatorkonfiguration ab, die dafür verwendet wird diesen DOF zu erzwingen. Genauer kann die Kraft oder das Drehmoment bei der Position q, wobei q die betrachtete DOF ist, durch F(q) oder $τ (q) = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial q} V^{2}$
ausgedrückt werden. Hierbei enthält C die Statorkämme, die für den Dämpfungsbetrieb verwendet werden. In dem ersten Dämpfungsverfahren enthält C die Statoren, an die Vdmp angelegt wird. Da C(q) für den Ty-Fall in dem ersten Dämpfungsverfahren im Wesentlichen linear ist, ist die Ableitung im Wesentlichen konstant, was zu einem konstanten Faktor führt, der die angelegte Dämpfungsspannung zum Quadrat multipliziert. In dem zweiten Dämpfungsverfahren enthält C alle vier Statorquadranten, was zu einer parabolischen Abhängigkeit von C um q = 0 führt. Folglich hat die Kraft oder das Drehmoment aufgrund der Ableitung eine lineare Abhängigkeit von q, wobei die Steigung der linearen Abhängigkeit proportional zur Krümmung des lokalen Extremwerts ist, den die Kapazität bei q = 0 ausbildet. Antreiben oder Dämpfen mit dem zweiten Dämpfungsverfahren ist in perfekter Analogie zur parametrischen Anregung der Rx-Mode im Normalbetrieb.
Da die Krümmung des lokalen Maximums für Ty sehr gering ist, kann das Verfahren 1 für Ty bevorzugt werden, da es zu einer viel höheren Kraft führt, indem die lineare Kapazitätsabhängigkeit nur des linken oder nur des rechten Statorpaares abwechselnd genutzt wird.
Für die anderen DOFs, z.B. Tz, Rz, Ry, kann das Verfahren 2 gewählt werden, da jeder Quadrant alleine bereits eine im Wesentlichen parabolische Kapazitätsabhängigkeit ausbildet. Das Verfahren 2 verdoppelt also die Antriebskraft/das Drehmoment. Es erfordert auch keine Schalter und andere Vorspannung, sondern die Dämpfungsspannung kann einfach dem regulären Antriebssignal Vdrive überlagert werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren 2 im Allgemeinen präferiert werden, da das Dämpfungssignal für die parasitäre Bewegung kontinuierlich während der An-Zeiten und Aus-Zeiten der Antriebsspannung (und nicht nur während der Aus-Zeiten) angelegt werden kann. Daher enthält das Dämpfungssignal nur höhere Harmonische des Antriebssignals und beeinflusst die über eine Rx-Periode gemittelte Rx-Bewegung nicht. Wird das Dämpfungssignal dagegen nur während der Aus-Zeiten des Antriebssignals angelegt, verlangsamt es die Rx-Bewegung aufgrund der Kapazitätsabhängigkeit vom Winkel θ, $\frac{d C}{d θ'},$
des für den Dämpfungsvorgang verwendeten Statorpaares tatsächlich, wobei θ der Spiegelwinkel und dC/dθ die Kapazitätsableitung nach dem Spiegelwinkel ist. Aus diesem Grund hat das Dämpfungsverfahren 1 einen Einfluss auf die Rx-Modenamplitude. 4E zeigt ein Zeitdiagramm für die Implementierung des ersten Dämpfungsverfahrens (Verfahren 1) zur Dämpfung der parasitären Mode Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Hierbei ist die Translationsbewegung des MEMS-Spiegels 12 für die Ty-Mode als Ymirror dargestellt, während θmirror der Spiegelwinkel um die Abtastachse 13 (d.h., die Rx-Mode) ist. Zwei Dämpfungssignale (Spannungen) Vdmp,left und Vdmp,right werden an die linken Statorelektroden bzw. an die rechten Statorelektroden angelegt, um die Dämpfung während der Aus-Zeiten der Antriebsspannung Vdrive zur Dämpfung der Ty-Schwingung anzuwenden.
4F zeigt ein Zeitdiagramm für die Implementierung des zweiten Dämpfungsverfahrens (Verfahren 2) zur Dämpfung der parasitären Mode Tz gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Hierbei ist die Translationsbewegung des MEMS-Spiegels 12 für die Tz-Mode als Zmirror dargestellt, während θmirror der Spiegelwinkel um die Abtastachse 13 (d.h. die Rx-Mode) ist. Ein Dämpfungssignal (Spannung) Vdmp wird der Antriebsspannung Vdrive sowohl während der An-Zeiten als auch während der Aus-Zeiten basierend auf der Detektion der Tz-Mode überlagert, um die Tz-Schwingung zu dämpfen. Unter Berücksichtigung der nichtlinearen Betätigungskraft oder - moments kann Vdmp lokal während der An-Zeit und der Aus-Zeit von Vdrive angepasst werden, z.B., eine geringere Amplitude von Vdmp während der An-Zeit von Vdrive.
Während der Beobachtungsphase bestimmt der Systemcontroller 23 aus dem Vorzeichen der Differenzspannung ΔV_I die Phasenrelation der Ty-Modenbewegung relativ zur Beobachtungsphase, welche die Betätigungsphase der Rx-Mode ist. Das heißt, sie bestimmt, in welchen Zeitintervallen der Beobachtungsphase sich der Spiegelkörper 8 von links nach rechts und in welchen Zeitintervallen er sich von rechts nach links in der translatorischen Y-Richtung bewegt. Da im Fall der On-Resonanzkopplung die Frequenz der Ty-Modenbewegung im Allgemeinen bei einem ganzzahligen Vielfachen der Rx-Modenbewegung liegt (z.B., könnte die Ty-Mode durch den Gehalt der fünften Harmonischen der Rx-Trajektorie resonant angeregt werden), kann die Beobachtungsphase sowohl Phasen aufweisen, in denen sich der Spiegelkörper 8 von links nach rechts bewegt, als auch Phasen, in denen sich der Spiegelkörper 8 von rechts nach links bewegt.
Während der Aus-Phase muss die Dämpfungsspannung Vdmp (Vdmp,left und Vdmp,right) abwechselnd entweder an das von den beiden linken Statorelektroden 40TL und 40BL ausgebildete Paar oder an das von den beiden rechten Statorelektroden 40TR und 40BR ausgebildete Paar angelegt werden, während das jeweils andere Paar auf 0V oder einen anderen kleineren Absolutwert als die andere Kammantriebsseite eingestellt werden kann. Dieses alternierende Signal muss mit einer Zeit- oder Phasenbeziehung so aufgebaut sein, dass die Dämpfungsspannung Vdmp an das linke Paar in Zeitabschnitten angelegt wird, in denen die Ty-Bewegung von links nach rechts verläuft, und an das rechte Paar in den Zeitabschnitten, in denen die Ty-Bewegung von rechts nach links verläuft. Für diese Signalkonstruktion verwendet der Systemcontroller 23 die während der Beobachtungsphase abgeleitete Phaseninformation über den Ty-Mode.
Ein weiterer Aspekt der Modenkopplung für einen kammantriebbetätigten MEMS-Spiegel ist die Kopplung der Drehmode Rx mit der Giermode Rz. Insbesondere kann eine Kopplung von der gewünschten Drehmode Rx zu einer unerwünschten Giermode Rz auftreten. Die Giermode Rz ist anfällig für eine direkte parametrische Anregung durch die Kammantriebe. Eine direkte parametrische Anregung ist aufgrund der sehr starken Kapazitätsabhängigkeit für diesen Freiheitsgrad möglich, wenn höhere Harmonische des Rechteck-Antriebssignals Vdrive für die Rx-Mode das Kriterium für parametrische Resonanz der Rz-Mode erfüllen. Genauer gesagt, wenn ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Antriebsfrequenz dem Zweifachen der Eigenfrequenz der Rz-Mode entspricht, kann eine parametrische Anregung der Rz-Mode auftreten. Für die parametrische Resonanz ist jedoch eine Schwellenwertanregungsstärke erforderlich. Aus diesem Grund tritt die parametrische Resonanz der Rz-Mode nicht auf, wenn die ungerade ganze Zahl, d.h. die Ordnung der höheren Harmonischen, welche die Resonanzbedingung erfüllt, zu hoch ist. Der genaue Schwellenwert hängt von der Krümmung der Kapazitätsabhängigkeit für die Rz-Mode und der angelegten Spannung ab. Sobald die Giermode Rz angeregt wird, d.h. wenn eine anfängliche Rz-Bewegung vorliegt, führen träge Kopplungsterme gemäß der Eulerschen Rotationsgleichung zu einer Kopplung der Rz- und Rx-Mode. Die Giermode Rz kann durch Subtraktion diagonaler Verschiebungsstromsignale detektiert und gemessen werden.
5A veranschaulicht eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der in einer nominalen zentrierten Position (links) und einer gierverschobenen Position (rechts) gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen angeordnet ist. Auf der linken Seite arbeitet der MEMS-Spiegel 12 (Spiegelkörper 8) in einer reinen Drehmode Rx um die Abtastachse 13 und die Torsionsbalken 18 sind nicht gebogen. Die vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR sind symmetrisch innerhalb des Rahmens 17 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist rechts der MEMS-Spiegel 12 (Spiegelkörper 8) um die Z-Richtung verschoben (d.h., um eine Z-Achse gedreht) und schwingt über Modenkopplung mit der Rz-Mode um die Z-Achse hin und her. Dabei biegen sich die Torsionsbalken 18 in der Y-Richtung hin und her. Die Statorkammantriebselektroden sind in diagonale Paare einer ersten Diagonalen quer zu dem MEMS-Chip (Statoren der Kammantriebe 40TL und 40BR) und in diagonale Paare einer zweiten Diagonalen quer zu dem MEMS-Chip (Statoren der Kammantriebe 40BL und 40TR) aufgeteilt, um die RxRz-Modenkopplung zu detektieren.
Ausführungsformen enthalten ferner eine Erfassungsschaltung, die mit den Statorkammantriebselektroden jedes Kammantriebs 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR gekoppelt ist, um deren jeweilige Verschiebungsströme zu empfangen. Die Statorkammantriebselektroden sind mit der Erfassungsschaltung so gekoppelt, dass die interessierende Mode wie die Ty-Mode oder die Rz-Mode detektiert wird.
5B ist ein schematisches Diagramm eines Systems 500 zur Messung und Kompensation einer Giermode Rz gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das System 500 zur Messung und Kompensation der Giermode Rz enthält den MEMS-Treiber 25, den MEMS-Spiegel 12 mit vier Kammantrieben 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR, eine Erfassungsschaltung 60, und den Systemcontroller 23. Es wird weiter gewürdigt, dass die Erfassungsschaltungen 50 und 60 kombiniert werden können, um sowohl die Ty-Mode als auch die Rz-Mode zu erfassen.
Der MEMS-Treiber 25 empfängt ein digitales Steuersignal D_Hvact und treibt den MEMS-Spiegel 12 in Übereinstimmung mit dem digitalen Steuersignal D_Hvact an. Der MEMS-Treiber 25 erzeugt die Antriebsspannung v_drive mit dem entsprechenden Tastgrad und legt die Antriebsspannung v_drive an die Spiegelkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR an. Infolge der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 um seine Abtastachse 13 ändern sich die Antriebskapazitäten C_TL, C_BL, C_TR, und C_BR der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR und es werden Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR durch ihre jeweiligen Antriebskapazitäten erzeugt. Die Erfassungsschaltung 60 ist mit den Statorkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR gekoppelt und entnimmt daraus die Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR.
Um die Giermode Rz zu messen, werden die beiden diagonalen oder quer gegenüberliegenden Verschiebungsströme i_TL und i_BR einem Eingang eines TIA 61 der Erfassungsschaltung 60 bereitgestellt. Während in diesem Beispiel ein TIA verwendet wird, können auch andere Sensorelemente für das kapazitive Erfassen verwendet werden. Zum Beispiel kann jede Erfassungsschaltung, die eine Ladungserfassung, eine Stromerfassung, oder eine auf frequenzmodulationsbasierende Erfassung durchführt, zur Erzeugung von Erfassungssignalen verwendet werden. Der TIA 61 kann mit dem MEMS-Spiegel 12 und insbesondere mit den Statoren der zugeordneten Kammantriebe gekoppelt werden. Die diagonalen Verschiebungsströme i_TL und i_BR werden den Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TL und 40BR entnommen, die diagonal über den Spiegelkörper 8 zueinander angeordnet sind. Folglich wird die Summe der beiden Diagonalverschiebungsströme i_TL und i_BR durch den TIA 61 in eine erste Diagonalspannung V_D1 umgewandelt.
In ähnlicher Weise werden die beiden anderen diagonalen oder quer gegenüberliegenden Verschiebungsströme i_TR und i_BL an einen Eingang eines TIA 62 der Erfassungsschaltung 60 bereitgestellt. Auch wenn in diesem Beispiel ein TIA verwendet wird, können auch andere Sensorelemente für das kapazitive Erfassen verwendet werden. Beispielsweise kann jede Erfassungsschaltung, die Ladungserfassung, Stromerfassung, oder frequenzmodulationsbasierte Erfassung durchführt, zur Erzeugung von Messsignalen verwendet werden. Der TIA 62 kann mit dem MEMS-Spiegel 12 und insbesondere mit den Statoren der zugeordneten Kammantriebe gekoppelt werden. Die diagonalen Verschiebungsströme i_TR und i_BL werden den Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TR und 40BL entnommen, die diagonal über den Spiegelkörper 8 zueinander angeordnet sind. Folglich wird die Summe der beiden anderen Diagonalverschiebungsströme i_TR und i_BL durch den TIA 62 in eine zweite Diagonalspannung V_D2 umgewandelt.
Die Erfassungsschaltung 60 enthält ferner einen Summierer 63 und einen Subtrahierer 64. Der Summierer 63 empfängt sowohl die erste Diagonalspannung V_D1 als auch die zweite Diagonalspannung V_D2 und summiert sie zusammen, um eine Summenspannung V_I zu erzeugen, welche die Summe aller Verschiebungsströme i_TL, i_BL, i_TR, und i_BR darstellt. Umgekehrt empfängt der Subtrahierer 64 sowohl die erste Diagonalspannung V_D1 als auch die zweite Diagonalspannung V_D2 und subtrahiert die zweite Diagonalspannung V_D2 von der ersten Diagonalspannung V_D1, um eine Differenzspannung ΔV_I zu erzeugen, welche die Differenz zwischen dem ersten Paar von Diagonalströmen i_TL, i_BR (d.h., eine Summe davon) und dem zweiten Paar von Diagonalströmen i_TR, i_BL (d.h., eine Summe davon) darstellt. Die summierte Spannung V_I (d.h., das summierte Stromsignal) ermöglicht präzise Phasen- und Amplitudenmessungen der Rx-Mode, die der Systemcontroller 23 für eine korrekte MEMS-Spiegelsteuerung verwendet. Allerdings stellt die Summenspannung V_I keine Informationen über die Abtastrichtung bereit, da die vier Kammantriebe symmetrisch sind. Andererseits stellt die Differenzspannung ΔV_I (d.h., das Differenzstromsignal) Informationen über die Amplitude der Giermode Rz und die Phase der Giermode Rz relativ zur Rx-Mode bereit. Beispielsweise kann die Differenzspannung ΔV_I zwischen positiven und negativen Werten schwingen, wenn der MEMS-Spiegel 12 um die Z-Achse schwingt. Der Systemcontroller 23 kann das digitale Steuersignal D_Hvact basierend auf der Phase und der Amplitude der Rx-Mode (Drehwinkel θ_mirror) erzeugen.
Zusätzlich, nachdem eine unerwünschte parasitäre Schwingung detektiert wurde (z.B., Mode Ty, Mode Rz, Mode Ry, oder Mode Tz), kann sie mit dem oben beschriebenen Verfahren 2 aktiv gedämpft werden, wobei dem Antriebssignal Vdrive ein Dämpfungssignal Vdmp überlagert wird.
Ein Schwellenwert in der Differenzspannung ΔV_I kann definiert werden, um zu bestimmen, dass die Giermode Rz angeregt ist. Der Schwellenwert der Differenzspannung ΔV_I kann so bestimmt werden, dass er einem Rz-Drehwinkel entspricht, der als kritisch angesehen wird. Da sich in der Rz-Mode die Kammfinger des Rotors und des Stators aufgrund einer beträchtlichen transversalen Verschiebungskomponente einander annähern, was zu der potenziell zerstörerischen Wirkung des elektrostatischen Einzugs führen kann, wird der Schwellenwertwinkel für die kritische Rz-Bewegung in der Regel sehr niedrig gewählt. In einigen Ausführungsformen kann er im Bereich von 0,015° bis 0,15° gewählt werden. Ein geeigneter Schwellenwertwinkel kann für ein bestimmtes Design durch Experimente und numerische Simulationen bestimmt und in einen entsprechenden Schwellenwert für die Größe der Differenzspannung ΔV_I unter Berücksichtigung der Ausleseelektronik umgerechnet werden. Zusätzlich können die spektralen Komponenten der Differenzspannung ΔV_I analysiert werden, um zu bestimmen, ob eine verstärkte Komponente bei der erwarteten Frequenz der Giermode Rz vorhanden ist. Das oben beschriebene Schwellenwertkriterium kann nur auf die Spektralkomponente bei der erwarteten Frequenz der Giermode Rz angewendet werden, um die Detektion robuster zu machen, indem andere Spektralkomponenten ausgeschlossen werden, die auf kleine akzeptable nicht-resonante Bewegungen in der Giermode Rz hinweisen können, z.B. verursacht durch herstellungsbedingte Asymmetrien. Diese Prozeduren können während des normalen Betriebs des MEMS-Spiegels 12 über den Systemcontroller 23 angewendet werden.
Während einer anfänglichen Beobachtungsphase, während die Antriebsspannung v_drive eingeschaltet ist (z.B. entsprechend einer An-Zeit, während der D_Hvact = 1 und v_drive auf eine vorgegebene Spannung, z.B. 0-200V, eingestellt ist), werden der Typ der parasitären Schwingung, ihre Amplitude, ihre Frequenz, und ihre Phase relativ zur Betriebsmode Rx von dem Systemcontroller 23 aus der entsprechenden Differenzspannung ΔV_I bestimmt. Der Systemcontroller 23 wertet also die Differenzspannung ΔV_I aus und detektiert die Drehgiermode Rz basierend auf bestimmten Schwellenwerten der Größe der Differenzspannung ΔV_I oder der Größe der spektralen Komponente der Differenzspannung ΔV_I bei der erwarteten Frequenz der Giermode Rz.
Nach einer anfänglichen Beobachtungsphase wird der Antriebsspannung v_drive eine Dämpfungsspannung Vdmp überlagert. Das heißt, sie liegt an den Rotorelektroden an, während die Statorelektroden geerdet bleiben. Die Dämpfungsspannung Vdmp hat die doppelte Frequenz der parasitären Giermode und ihre Phase relativ zu v_drive wird basierend auf der Bestimmung der Phase der Giermode Rz relativ zu der Betriebsmode Rx so gewählt, dass die Bewegung der Rz-Mode verlangsamt wird. Beispielsweise können sowohl die Antriebsspannung v_drive als auch die Dämpfungsspannung Vdmp unipolare Rechteckwellen sein, und die Frequenz der Dämpfungsspannung Vdmp ist ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Antriebsspannung v_drive im Falle einer resonanten parasitären Anregung. Im Gegensatz zu dem für die Dämpfung der parasitären Ty-Mode beschriebenen Verfahren 1 wird die Dämpfungsspannung für die Rz-Mode nicht nur während der Aus-Phase der Antriebsspannung, sondern auch während der An-Phase angelegt. Dies ist möglich, da es mit der gleichen Vorspannung des Rotors bzw. der Statoren durchgeführt werden kann, wie das Anlegen der Antriebsspannung v_drive. Außerdem sind keine Schalter erforderlich.
Insbesondere veranschaulicht die 5C eine Draufsicht eines MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung als Reaktion auf die Detektion einer Gierbewegung Rz kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Hierbei wird der an den Rotor angelegten Antriebsspannung v_drive eine Dämpfungsspannung Vdmp überlagert. Die Statorelektroden von 40TL, 40TR, 40BL und 40BR sind geerdet. Vdmp kann während der An-Zeit und Aus-Zeit von Vdrive unter Berücksichtigung der nichtlinearen Betätigungskraft oder des Drehmoments lokal angepasst werden.
Um die Gierbewegung Rz zu dämpfen und zu reduzieren, wird die Dämpfungsspannung Vdmp durch Überlagerung auf die Antriebsspannung v_drive an die Rotorelektrode angelegt, während die Statorelektroden zur Überwachung der Verschiebungsströme auf 0 V geerdet bleiben. Als Ergebnis wird die detektierte Rz-Mode durch Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp durch Überlagerung auf die Antriebsspannung v_drive gedämpft, um der unerwünschten Drehbewegung entgegenzuwirken.
In nachfolgenden Beobachtungsphasen können die Amplitude und die Phase der Giermode Rz kontinuierlich überwacht und die Dämpfungsspannung Vdmp in Amplitude und Phase an die aktualisierten Informationen über die Amplitude und die Phase der Rz-Mode angepasst werden.
Während der Beobachtungsphase bestimmt der Systemcontroller 23 aus der Differenzspannung ΔV_I die Phase der Rz-Bewegung. Genauer gesagt bestimmt er, ob sich der Spiegelkörper 8, bezogen auf den Rz-Freiheitsgrad, der Ruhelage nähert oder von der Ruhelage wegbewegt. Nähert sich der Spiegel der Rz-bezogenen Ruhelage, verringert er die Rz-bezogene Kapazität, was zu Entladeströmen führt. Entfernt sich der Spiegel von der Rz-bezogenen Ruhelage, vergrößert er die Rz-bezogene Kapazität, was zu Ladeströmen führt. Die Lade- und Entladeströme führen zu entsprechenden Differenzspannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen. Durch diesen Vorgang kann die Phase der Rz-Bewegung relativ zum Antriebssignal bestimmt werden. Als Reaktion auf diese Phasendetektion der Bewegung um die Z-Achse kann anschließend durch Überlagerung auf das Antriebssignal v_drive während der Phasen, in denen sich der Spiegel der Rz-bezogenen Ruhe(mittel)position nähert, die Dämpfungsspannung Vdmp angelegt werden, während in den Phasen, in denen sich der Spiegel von der Rz-bezogenen Ruheposition entfernt, keine zusätzliche Spannung überlagert wird. Die Rz-bezogene Kapazität hat ein Minimum bei der Rz-bezogenen Ruhelage. Aus diesem Grund zieht das Anlegen einer Spannung Vdmp zwischen Rotor und Statoren den Spiegel von der Rz-bezogenen Ruhelage weg. Wird während der Phasen, in denen sich der Spiegel der Rz-bezogenen Ruhelage nähert, eine Spannung angelegt, wird die Rz-Bewegung verlangsamt, d.h. gedämpft. Die Rz-Bewegung wird kontinuierlich überwacht und das Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp wird basierend auf aktualisierten Phasen- und Amplitudeninformationen über die Bewegung der Giermode Rz angepasst.
Ferner, wenn die Statorkammantriebselektroden jedes der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR in zwei Schichten gleicher Dicke aufgeteilt sind, kann eine Translationsmode Tz in der Z-Richtung (d.h., eine Translationsbewegung aus der Ebene nach oben und nach unten) durch die Differenz der Schichtströme der Vorderseite der Rückseite detektiert werden, wobei sich „Vorderseite“ auf die Schicht bezieht, die sich bei einer größeren (d.h. positiveren) z-Koordinate in Bezug auf das Koordinatensystem der 1B befindet. Umgekehrt bezeichnet „Rückseite“ die Schicht, die sich bei einer niedrigeren (d.h. negativeren) z-Koordinate in Bezug auf das Koordinatensystem der 1B befindet.
6A und 6B veranschaulichen Querschnittsansichten eines MEMS-Spiegels und Antriebselektroden gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Insbesondere in der 6A enthält die linke Statorkammantriebselektrode 43 zwei Schichten, eine vorderseitige Schicht 43a und eine rückseitige Schicht 43b, mit gleicher Dicke. In ähnlicher Weise enthält die rechte Statorkammantriebselektrode 44 zwei Schichten, eine vorderseitige Schicht 44a und eine rückseitige Schicht 44b, mit gleicher Dicke. Im Gegensatz dazu haben in der 6B die jeweilige Vorder- und Rückseitenschicht unterschiedliche Dicken.
Eine Modenkopplung zwischen der Rx-Mode und der Tz-Mode kann durch eine Verschiebung L des Massenschwerpunkts M von der Drehachse (Abtastachse 13) aufgrund der Verstärkungsstruktur 9 verursacht werden. Diese Trägheitskopplung ergibt sich aus der Summe einer Eulerkraftkomponente und einer Zentrifugalkomponente gemäß Gleichung 2: $f_{Z} (t) = - m L θ_{m} (t) {\ddot{θ}}_{m} (t) - m L {({\dot{θ}}_{m} (t))}^{2}$
mit der Spiegelmasse m, dem Spiegelwinkel θ_m(t), der Spiegelwinkelgeschwindigkeit ̇̇θ̇̇̇_m(t) und der Spiegeldrehbeschleunigung θ̈̈_m(t). Die Tz-Mode wird also durch die Trägheitskraft f_z(t) angeregt, deren Frequenzgehalt aufgrund der Abhängigkeit von dem Spiegelwinkel und seinen zeitlichen Ableitungen doppelt so hoch ist wie die harmonischen Frequenzen der Rx-Trajektorie θ(t). Wenn f_z(t) einen Frequenzgehalt bei der Resonanzfrequenz der Tz-Mode aufweist, kann eine Resonanzanregung der Tz-Mode auftreten. Ein anderer Kopplungsmechanismus zwischen der Rx-Mode und der Tz-Mode ist die direkte parametrische Anregung der Tz-Mode durch einen höheren Oberwellengehalt der Antriebsspannung v_drive der Rx-Mode.
Die Subtraktion aller rückseitigen Schichtverschiebungsströme von allen Verschiebungsströmen der vorderseitigen Schicht ermöglicht die Detektion der Tz-Bewegung über ein Differenzsignal. Die Detektion der Tz-Bewegung ist auch bei ungleich dicken Schichten möglich, aber der erhaltene Differenzstrom muss von dem Systemcontroller 23 weiterverarbeitet werden, da die gewünschte Rx-Mode ebenfalls ein Nicht-Null-Signal verursacht. Nicht gleich dicke Schichten verursachen somit sowohl für die Rx- als auch für die Tz-Mode einen Unterschied in den Vorder- und Rückseitenströmen.
6C ist ein schematisches Diagramm eines Systems 600 zur Messung und Kompensation einer Tz-Mode gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das System 600 zur Messung und Kompensation der Tz-Mode enthält den MEMS-Treiber 25, den MEMS-Spiegel 12 mit vier Kammantrieben 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR, die jeweils aus einer vorderseitigen Schicht und einer rückseitigen Schicht bestehen, eine Erfassungsschaltung 70, und den Systemcontroller 23. Es wird ferner gewürdigt, dass die Erfassungsschaltungen 50, 60 und 70 kombiniert werden können, um sowohl die Ty-Mode, die Rz-Mode als auch die Tz-Mode zu erfassen.
Der MEMS-Treiber 25 empfängt ein digitales Steuersignal D_Hvact und treibt den MEMS-Spiegel 12 in Übereinstimmung mit dem digitalen Steuersignal D_Hvact an. Der MEMS-Treiber 25 erzeugt die Antriebsspannung v_drive mit dem entsprechenden Tastgrad und legt die Antriebsspannung v_drive an beide Schichten der Spiegelkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR an. Als Ergebnis der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 um seine Abtastachse 13 ändern sich die Antriebskapazitäten C_TL-FS, C_BL-FS, C_TR-FS, C_BR-FS, C_TL-BS, C_BL-BS, C_TR-BS und C_BR-BS der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR und Verschiebungsströme i_TL-FS, i_BL__FS, i_{TR_FS}, i_BR-FS, I_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS} und i_{BR_BS} werden durch ihre jeweiligen Antriebskapazitäten erzeugt. Die Erfassungsschaltung 70 ist mit den Statorkammelektroden der vier Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR gekoppelt und entnimmt daraus die Verschiebungsströme i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR_FS}, i_BR-FS, i_TL-BS, i_{BL_BS},i_{TR_BS} und i_BR-BS.
Um die Tz-Mode zu messen, werden alle vorderseitigen Verschiebungsströme i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR_FS} und i_BR-FS einem Eingang eines TIA 71 der Erfassungsschaltung 70 bereitgestellt. Der TIA 71 kann mit dem MEMS-Spiegel 12 gekoppelt werden, und insbesondere mit den vorderseitigen Schichten der Statoren aller Kammantriebe. Die vorderseitigen Verschiebungsströme i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR_FS} und i_BR-FS werden aus den vorderseitigen Schichten der Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR abgeleitet. Als Ergebnis wird die Summe aller vorderseitigen Verschiebungsströme i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR_FS} und i_BR-FS von dem TIA 71 in eine erste Spannung V_FS umgewandelt.
In ähnlicher Weise werden alle rückseitigen Verschiebungsströme i_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS}, und i_{BR_BS} einem Eingang eines TIA 72 der Erfassungsschaltung 70 bereitgestellt. Die TIA 72 kann mit dem MEMS-Spiegel 12 und insbesondere mit den rückseitigen Schichten der Statoren aller Kammantriebe verbunden sein. Die rückseitigen Verschiebungsströme i_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS} und i_{BR_BS} werden von den rückseitigen Schichten der Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TL, 40BL, 40TR, und 40BR abgeleitet. Als Ergebnis wird die Summe aller rückseitigen Verschiebungsströme i_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS} und i_{BR_BS} durch den TIA 72 in eine zweite Spannung V_BS umgewandelt.
Die Erfassungsschaltung 70 enthält ferner einen Summierer 73 und einen Subtrahierer 74. Der Summierer 73 empfängt sowohl die erste Spannung V_FS als auch die zweite Spannung V_BS und summiert sie zusammen, um eine Summenspannung V_I zu erzeugen, welche die Summe aller Verschiebungsströme i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR _FS}, i_BR-FS, i_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS} und i_{BR_BS} darstellt. Umgekehrt empfängt der Subtrahierer 74 sowohl die erste Spannung V_FS als auch die zweite Spannung V_BS und subtrahiert die zweite Spannung V_BS von der ersten Spannung V_FS, um eine Differenzspannung ΔV_I zu erzeugen, welche die Differenz zwischen allen vorderseitigen Strömen i_TL-FS, i_{BL_FS}, i_{TR_FS} und i_BR-FS und allen rückseitigen Strömen I_TL-BS, i_{BL_BS}, i_{TR_BS} und i_{BR_BS} darstellt. Die Summenspannung V_I (d.h., das Summenstromsignal) ermöglicht präzise Phasen- und Amplitudenmessungen der Rx-Mode, die der Systemcontroller 23 für eine ordnungsgemäße MEMS-Spiegelsteuerung verwendet. Die Differenzspannung ΔV_I (d.h., das Differenzstromsignal) stellt Informationen entsprechend der Amplitude der Tz-Mode und der Phase der Tz-Mode relativ zu der Rx-Mode bereit. Beispielsweise kann die Differenzspannung ΔV_I zwischen positiven und negativen Werten schwingen, wenn der MEMS-Spiegel 12 entlang der Z-Richtung schwingt. Der Systemcontroller 23 kann das digitale Steuersignal D_Hvact basierend auf der Phase und der Amplitude der Rx-Mode (Drehwinkel θ_mirror) erzeugen.
Zusätzlich, nachdem eine unerwünschte parasitäre Schwingung der Tz-Mode detektiert wurde, kann diese aktiv gedämpft werden. Es kann ein Schwellenwert in der Differenzspannung ΔV_I festgelegt werden, um zu bestimmen, dass die Tz-Mode angeregt ist. Der Schwellenwert der Differenzspannung kann so bestimmt werden, dass er einer Tz-Verschiebung entspricht, die als kritisch angesehen wird. Da in der Tz-Mode eine zusätzliche mechanische Belastung auf die Spiegelaufhängungen, insbesondere die Torsionsbalken, ausgeübt wird, wird die Schwellenwertverschiebung für die kritische Tz-Bewegung in der Regel niedrig gewählt. In Ausführungsformen kann er im Bereich von 1,5-10 um gewählt werden. Eine geeignete Schwellenwertverschiebung kann für ein bestimmtes Design durch Experimente und numerische Simulationen ermittelt und in einen entsprechenden Schwellenwert für die Größe der Differenzspannung ΔV_I unter Berücksichtigung der Ausleseelektronik konvertiert werden. Zusätzlich können die spektralen Komponenten der Differenzspannung ΔV_I analysiert werden, um zu bestimmen, ob eine verstärkte Komponente bei der erwarteten Frequenz der Tz-Mode vorhanden ist. Das oben beschriebene Schwellenwertkriterium kann nur auf die Spektralkomponente bei der erwarteten Frequenz der Tz-Mode angewendet werden, um die Detektion robuster zu machen, indem andere Spektralkomponenten ausgeschlossen werden, die auf eine kleine akzeptable nichtresonante Bewegung in der Tz-Mode hinweisen können, z.B. verursacht durch herstellungsbedingte Asymmetrien. Diese Prozeduren können während des normalen Betriebs des MEMS-Spiegels 12 über den Systemcontroller 23 angewendet werden.
Während einer anfänglichen Beobachtungsphase, während die Antriebsspannung v_drive an ist (z.B. entsprechend einer An-Zeit, während der D_Hvact = 1 und v_drive auf eine vorgegebene Spannung, z.B. 0-200V, eingestellt ist), werden der Typ der parasitären Schwingung, ihre Frequenz, und ihre Phase relativ zur Betriebsmode Rx von dem Systemcontroller 23 aus der entsprechenden Differenzspannung ΔV_I bestimmt. Somit wertet der Systemcontroller 23 die Differenzspannung ΔV_I aus und detektiert die translatorische Tz-Mode basierend auf vorgegebenen Schwellenwerten der Größe der Differenzspannung ΔV_I oder der Größe der Spektralkomponente der Differenzspannung ΔV_I bei der erwarteten Frequenz der translatorischen Tz-Mode.
Nach einer anfänglichen Beobachtungsphase wird der Antriebsspannung v_drive eine Dämpfungsspannung Vdmp überlagert. Das heißt, sie wird an den Rotor angelegt, während die Statorelektroden geerdet bleiben. Die Dämpfungsspannung Vdmp hat die doppelte Frequenz der parasitären translatorischen Tz-Mode und ihre Phase relativ zu v_drive wird basierend auf der Bestimmung der Phase der translatorischen Tz-Mode relativ zur Betriebsmode Rx gewählt, so dass die Tz-Modenbewegung verlangsamt wird. Beispielsweise können sowohl die Antriebsspannung v_drive als auch die Dämpfungsspannung Vdmp unipolare Rechteckwellen sein, und die Frequenz der Dämpfungsspannung Vdmp ist ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Antriebsspannung v_drive im Falle einer resonanten parasitären Anregung. Im Unterschied zu dem für die Dämpfung der parasitären Ty-Mode beschriebenen Verfahrens, wird die Dämpfungsspannung für die Tz-Mode nicht nur während der Aus-Phase der Antriebsspannung v_drive, sondern auch während der An-Phase angelegt. Dies ist möglich, da sie mit der gleichen Vorspannung von Rotor bzw. Statoren erfolgen kann, wie das Anlegen der Antriebsspannung v_drive. Außerdem werden keine Schalter benötigt.
Insbesondere veranschaulicht die 6D eine Querschnittsansicht eines MEMS-Spiegels, der als Reaktion auf die Detektion einer Tz-Bewegung mit einer Dämpfungsspannung kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Um die Tz-Bewegung zu dämpfen und zu reduzieren, wird die Dämpfungsspannung Vdmp an die Rotorelektrode durch Überlagerung auf die Antriebsspannung v_drive angelegt, während die Statorelektroden zur Überwachung der Verschiebungsströme auf 0 V geerdet bleiben. Als Ergebnis wird die detektierte Tz-Mode durch Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp durch Überlagerung auf die Antriebsspannung v_drive gedämpft, um der unerwünschten Translationsbewegung entgegenzuwirken.
In den nachfolgenden Beobachtungsphasen können die Amplitude und die Phase der Tz-Mode kontinuierlich überwacht werden, und die Dämpfungsspannung Vdmp kann in Amplitude und Phase entsprechend den aktualisierten Informationen über die Amplitude und die Phase der Tz-Mode angepasst werden.
Während der Beobachtungsphase bestimmt der Systemcontroller 23 aus der Differenzspannung ΔV_I die Phase der Tz-Bewegung. Genauer bestimmt er, ob sich der Spiegelkörper 8, bezogen auf den Tz-Freiheitsgrad, der Ruhelage nähert oder sich von der Ruhelage entfernt. Nähert sich der Spiegel der Tz-bezogenen Ruhelage, erhöht er die Tz-bezogene Kapazität, was zu Strömen führt, welche die Kammkondensatoren aufladen. Nähert er sich von der negativen Z-Seite, werden hauptsächlich die Kondensatoren der Vorderseitenschichten aufgeladen, was zu Strömen ungleich Null i_TL-FS, i_BL-FS, i_TR-FS und i_{BR_FS} führt. Nähert er sich von der positiven Z-Seite, werden hauptsächlich die Kondensatoren der Rückseitenschichten aufgeladen, was zu Strömen ungleich Null führt: i_TL-BS, i_BL-BS, i_TR-BS und i_BR-BS. Entfernt sich der Spiegel von der Tz-bezogenen Ruhelage, verringert sich die Tz-bezogene Kapazität, was zu Strömen führt, welche die Kammkondensatoren entladen. Bei einer Abstandsänderung auf der negativen Z-Seite werden hauptsächlich die Kondensatoren der Vorderseitenschichten entladen, was zu Strömen ungleich Null i_TL-FS, i_BL-FS, i_TR-FS und i_BR-FS mit umgekehrtem Vorzeichen im Vergleich zum Annäherungsfall führt. Bei einer Distanzierung auf der positiven Z-Seite werden vor allem die Kondensatoren der Rückseitenschichten entladen, was zu Strömen ungleich Null i_TL-BS, i_BL-BS, i_TR-BS und i_BR-BS mit umgekehrten Vorzeichen im Vergleich zum Annäherungsfall führt. Diese Signale führen zu entsprechenden Differenzspannungen. Die Beladung und Entladung der rück- oder vorderseitigen Ströme hängt auch vom momentanen Drehwinkel ab.
Durch eine geeignete Auswertung der Differenzspannung kann die Phase der Tz-Bewegung relativ zum Antriebssignal ermittelt werden. Als Reaktion auf diese Phasendetektion der Bewegung entlang der Z-Achse kann anschließend die Dämpfungsspannung Vdmp in den Phasen, in denen sich der Spiegel von der Tz-bezogenen Ruhe(Mittel)position entfernt, auf das Antriebssignal v_drive überlagert werden, während in den Phasen, in denen sich der Spiegel der Tz-bezogenen Ruhelage nähert, keine zusätzliche Spannung überlagert wird. Die Tz-bezogene Kapazität hat ein Maximum in der Tz-bezogenen Ruhelage. Aus diesem Grund zieht das Anlegen einer Spannung Vdmp zwischen Rotor und Statoren den Spiegel in Richtung der Tz-bezogenen Ruhelage. Wird während der Phasen, in denen sich der Spiegel von der Tz-bezogenen Ruhelage wegbewegt, eine Spannung angelegt, wird die Tz-Bewegung daher verlangsamt, d.h. gedämpft. Die Tz-Bewegung wird kontinuierlich überwacht und das Anlegen der Dämpfungsspannung Vdmp wird basierend auf aktualisierten Phasen- und Amplitudeninformationen über die Bewegung der translatorischen Tz-Mode angepasst.
Die Tz-Modenkopplung kann durch Überwachung des Differenzsignals der Vorderseitenschicht des Stators und der Rückseitenschichten des Stators detektiert werden. Der Frequenzort der Modenkopplung mit der Tz-Mode kann aufgezeichnet und in dem Speicher gespeichert werden, um die künftige Anregung der Tz-Mode zu vermeiden, zum Beispiel in einer erneuten Inbetriebnahme des Spiegels, wenn die Frequenz der Antriebsspannung im offenen Regelkreis abgefahren wird, um die Rx-Schwingungen zur Erfassung der Anfangssignale zu starten. Eine große Änderung der Spiegelposition in der translatorischen Z-Richtung kann von dem Systemcontroller 23 zur Detektion einer Fehlfunktion des Spiegels 12 verwendet werden. Zum Beispiel, wenn das Differenzsignal einen vorgegebenen Amplitudenschwellenwert überschreitet.
6E zeigt vier Kondensatorströme DL1R, DL2R, DL1L und DL2L in einem Anregungsfrequenz-Sweep über einen breiten Bereich von 4 kHz bis 45 kHz für einen MEMS-Spiegel gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Kondensatorströme DL1R, DL2R, DL1L, und DL2L beziehen sich auf die 6B und 6C. DL1R bedeutet zum Beispiel die Summe der Vorderseitenschichtströme (DL1 ... Device Layer 1 = Vorderseitenschicht) der rechten Seite. DL2L bedeutet die Summe der Rückseitenschichtströme auf der linken Seite, usw. Die Kondensatorströme DL1R, DL2R, DL1L, und DL2L können als Verschiebungsströme ixL-FS = DL1L, ixR-FS = DL1R, ixL-BS = DL2L, ixR-BS = DL2R verallgemeinert werden, wobei „untere“ und „obere“ Schichtströme hierbei nicht unterschieden werden (durch gemeinsame Kontaktierung summiert), so dass „x“ für einen unteren oder oberen Schichtstrom gelten kann. Es werden direkte Erregungen der Betriebsmode Rx und der parasitären Moden Tz und Rz bei der doppelten Frequenz ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz beobachtet. Dies bedeutet, dass sie in parametrischer Resonanz erster Ordnung angeregt werden. Die Mode Rz wird jedoch auch bei einem Drittel ihrer parametrischen Resonanzfrequenz angeregt. Dies lässt sich durch die Rechteckwelle erklären, die über v_drive antreibt und höhere, ungerade Harmonische beim 3-, 5-, 7-, ...fachen der Grundfrequenz aufweist. Somit erfüllt der Anteil der dritten Harmonischen des Rechteckwellenantriebs das Resonanzkriterium für die parametrische Resonanz erster Ordnung der Giermode Rz. Durch den Anregungsfrequenz-Sweep wird dieses Verhalten provoziert. Solche unerwünschten Erregungen können jedoch auch im Normalbetrieb auftreten, d.h., wenn die Antriebsfrequenz das Doppelte der Rx-Frequenz beträgt, wenn eine parasitäre Mode das Kriterium Rx·(2n+1) = Rp erfüllt, wobei Rp die Frequenz der parasitären Mode ist und n = 0,1,2,... Solche parasitären Anregungen können durch die zuvor beschriebenen Verfahren detektiert und identifiziert werden.
Nachdem eine unerwünschte parasitäre Schwingung (z.B., Mode Ty, Mode Rz, Mode Ry, oder Mode Tz) detektiert wurde, kann sie aktiv gedämpft werden. Dies kann während des normalen Betriebs des MEMS-Spiegels 12 über den Systemcontroller 23 erfolgen.
Während einer Beobachtungsphase, während die Steuerspannung v_drive an ist (z.B. während D_Hvact = 1 und v_drive auf einen Wert zwischen 0-200V eingestellt ist), werden der Typ der parasitären Schwingung, ihre Frequenz, und ihre Phase von dem Systemcontroller 23 aus der entsprechenden Differenzspannung ΔV_I bestimmt.
Insbesondere kann die Tz-Mode als Reaktion auf ihre Detektion aktiv gedämpft werden. Wenn sich der Rotor von der Mitte nach oben oder unten bewegt, wird eine Spannung Vdamp zwischen Rotor- und Statorelektroden angelegt. Wenn sich der Rotor zurück zur Mitte bewegt, wird keine Spannung (0 V) angelegt.
7A veranschaulicht eine Draufsicht eines quasistatischen (QS) MEMS-Spiegels, der in einer nominalen, zentrierten Position (links) und einer translatorisch verschobenen Position (rechts) gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen angeordnet ist. Beim QS-MEMS-Spiegel 12 werden die Statorkämme für den Antrieb des MEMS-Spiegels 12 um die Drehachse 13 und der Rotor für die Erfassung über eine Erfassungsschaltung verwendet. Für QS-Spiegel werden die Statorkammelektroden (typischerweise entweder die linke oder die rechte, wobei die andere auf Nullspannung gesetzt wird) mit zwei individuellen Antriebsspannungen beaufschlagt, während die Rotorkammelektroden mit Masse verbunden sind.
7B ist ein schematisches Diagramm eines Systems 700 zur Messung und Dämpfung einer Ty-Mode für einen QS-MEMS-Spiegel gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Das System 700 zur Messung der Ty-Mode enthält einen MEMS-Treiber 25, der zwei Hochspannungs(HV)treiber 25a und 25b aufweist, die jeweils eine individuelle Antriebsspannung an einen entsprechenden Satz von Statorkammelektroden anlegen. Insbesondere legt der HV-Treiber 25a eine Antriebsspannung an die Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TL und 40BL (d.h., die linke Seite) und der HV-Treiber 25b eine Antriebsspannung an die Statorkammelektroden der Kammantriebe 40TR und 40BR (d.h., die rechte Seite) an. Für QS-Spiegel werden die beiden einzelnen Antriebsspannungen so angelegt, dass der QS-MEMS-Spiegel 12 entweder in positiver oder negativer Richtung kippt. Das Anlegen beider Steuerspannungen zur gleichen Zeit wird normalerweise vermieden, um die Tz-Mode nicht anzuregen. Jeder HV-Treiber 25a und 25b empfängt ein entsprechendes digitales Steuersignal D_Hvleft oder ein digitales Steuersignal D_HVright und treibt den MEMS-Spiegel 12 in Übereinstimmung mit seinem jeweiligen digitalen Steuersignal in ähnlicher Weise an, wie oben bei Verwendung des digitalen Steuersignals D_Hvact beschrieben.
Für die QS-Spiegelerfassung der Rx-Nominalmode und der Ty-Parasitärmode wird eine Erfassungsschaltung 80 (z.B., ein TIA) mit den Rotorkämmen verbunden, um die Kapazität durch die von dem Rotor (d.h., den Rotorkammelektroden) empfangene Verschiebungsladung oder den Verschiebungsstrom zu messen.
Für die QS-Spiegelerfassung kann eine hochfrequente Modulationsspannung zur nominalen Antriebsspannung addiert werden, um eine von der angelegten Antriebsspannung unabhängige Spiegelpositionserfassung (Rx) und parasitäre Modenerfassung (Ty) zu ermöglichen.
Für die QS-Spiegelerfassung wird die Ty-Parasitärmode von der Rx-Nominalmode unterschieden durch ihre Frequenzkomponente durch den Systemcontroller 23. Sobald der Systemcontroller 23 die Ty-Mode detektiert und bestimmt, dass ihr Wert über einem bestimmten vorbestimmten Schwellenwert liegt, kann der Systemcontroller 23 die Ty-Mode aktiv dämpfen, indem er eine Gegenspannung Vdmp zu den Antriebskammelektroden auf der einen oder anderen Seite hinzufügt, bzw. auf alternative Weise, wenn die Antriebsspannungen angelegt werden. Das heißt, eine Gegenspannung Vdmp wird auf eine Antriebsspannung überlagert, wenn die Antriebsspannung an die rechtsseitigen Statorkammelektroden an die linksseitigen Statorkammelektroden angelegt wird. Die Summierer 81 und 82 können verwendet werden, um die Gegenspannung (Dämpfungsspannung) Vdmp auf die digitalen Steuersignalen D_Hvleft und D_HVright zu addieren oder zu kombinieren, so dass die Gegenspannung Vdmp auf die Antriebsspannung Vdrive durch den jeweiligen HV-Treiber 25a, 25b überlagert wird. Die Statorkammelektroden der gegenüberliegenden Seite sind geerdet, wenn sie nicht angetrieben/gedämpft werden. Vdmp kann unter Berücksichtigung der nichtlinearen Betätigungskraft und des Drehmoments durch Vdrive skaliert werden.
7C veranschaulicht eine Draufsicht eines QS-MEMS-Spiegels, der mit einer Dämpfungsspannung kompensiert wird als Reaktion auf eine Detektion einer Translationsbewegung Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die Dämpfungsspannung, die angelegt wird, um der Ty-Mode entgegenzuwirken, wird abwechselnd an die linksseitigen Statorkammelektroden und die rechtsseitigen Statorkammelektroden angelegt, um der Antriebsspannung Vdrive überlagert zu werden, wenn sie abwechselnd gemäß den digitalen Steuersignalen D_Hvleft und D_HVright angelegt wird. Die Masse alterniert wie dargestellt mit Vdrive/Vdmp.
7D veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines QS-MEMS-Spiegels, der als Reaktion auf die Detektion einer Translationsbewegung Ty mit einer Dämpfungsspannung kompensiert wird gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Wenn hierbei die Statorkammantriebselektroden 43 und 44 zwei Schichten haben (die obere Schicht 43a, 44a auf der Vorderseite und die untere Schicht 43b, 44b auf der Rückseite), können die Antriebsspannung Vdrive und die Dämpfungsspannung Vdmp abwechselnd mit der Masse von Seite zu Seite angelegt werden. Hierbei kann die Statorelektrode (44a in der 7D oben und 43a in der 7D unten) mit der Dämpfungsspannung Vdmp beaufschlagt werden, so dass nominaler Rx-Antrieb und Ty-Kompensation getrennt voneinander angelegt werden.
7E veranschaulicht eine Draufsicht eines QS-MEMS-Spiegels, der mit einem alternativen Verfahren kompensiert wird, bei dem dedizierte Erfassungskämme verwendet werden, um eine Translationsbewegung Ty gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zu detektieren. Es wird gewürdigt, dass ein resonanter MEMS-Spiegel auch dedizierte Erfassungskämme verwenden kann. Daher sind dedizierte Erfassungskämme nicht auf QS-MEMS-Spiegel beschränkt, sondern können auf jeden MEMS-Spiegel angewendet werden, einschließlich der hierin beschriebenen.
Hierbei enthält der QS-MEMS-Spiegel 12 vier dedizierte Messkämme 45TL, 45BL, 45TR, und 45BR, von denen jeder mit einer Statorkammelektrode an dem Spiegelrahmen 17 befestigt ist und zur Messung der Kapazität durch die von den Statorkammelektroden empfangene Verschiebungsladung oder den Verschiebungsstrom verwendet wird, wie oben in ähnlicher Weise in Bezug auf, zum Beispiel, die 4B und 4C beschrieben. Die dedizierten Messkämme 45TL, 45BL, 45TR, und 45BR haben auch eine entsprechende Rotorkammelektrode, die geerdet ist.
Sobald der Systemcontroller 23 die Ty-Mode detektiert und bestimmt, dass ihr Wert über einem bestimmten vorbestimmten Schwellenwert liegt, kann der Systemcontroller 23 die Ty-Mode aktiv dämpfen, indem er eine Gegenspannung Vdmp zu den antreibenden Statorkammelektroden addiert, wenn eine entsprechende Antriebsspannung Vdrive an diese Elektrode angelegt wird. Das Anlegen von Vdrive/Vdmp alterniert von Seite zu Seite basierend auf den digitalen Steuersignalen D_Hvleft und D_HVright.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Erfassungskämme 45TL, 45BL, 45TR, und 45BR elektrisch mit einer Erfassungsschaltung (z.B., TIAs, Addierer und Subtrahierer) in ähnlicher Weise wie in 4B, 4C, 5B, 6C, und 7B gezeigt gekoppelt werden können (z.B., wie bei den Kammantrieben 40TL, 405BL, 40TR, und 40BR), nicht nur zum Detektieren und Identifizieren einer oder mehrerer parasitärer Moden, sondern auch zum Bestimmen der Phase, Amplitude, und Abtastrichtung der drehenden Rx-Mode. Darüber hinaus können der Typ der parasitären Schwingung (d.h., ob es sich um eine Ty-, Rz-, Ry-, oder Tz-Mode handelt), ihre Frequenz, und ihre Phase in ähnlicher Weise wie oben beschrieben bestimmt werden, zum Beispiel, durch Analysieren eines Differenzmesssignals. Somit werden die Erfassungskämme zum Abtasten und Erzeugen von Messsignalen verwendet, und die Antriebskämme werden zum Antreiben des MEMS-Spiegels 12 und zum Dämpfen identifizierter parasitärer Moden verwendet.
Nach der Detektion kann jede der parasitären Moden Ty, Rz, Ry, und/oder Tz nicht nur aktiv gedämpft, sondern auch präventiv vermieden werden. Die parasitären Moden Ty und Tz haben jeweils einen hohen Q-Faktor ihrer parasitären Dynamik der Rx-Mode. Der hohe Q-Faktor verursacht eine starke Kopplung mit der Rx-Mode, was zu einer Ungenauigkeit des Abtastwinkels durch Verzerrung der Abtasttrajektorien und zu einer Fehlfunktion des Spiegelsteuerungssystems führen kann. Im schlimmsten Fall kann eine parasitäre Mode den MEMS-Spiegel durch eine große Verschiebung der Kammantriebe und Ermüdungserscheinungen in einer schwachen Struktur des MEMS-Spiegels zerstören. Aufgrund des hohen Q-Faktors tritt eine starke Kopplung jedoch nur bei einem sehr kleinen Frequenzbereich auf und variiert auch durch die Betriebsbedingungen, wie der Spitzeneingangsspannung, dem Tastgrad, und der Form der Anregungswellenform. Eine parasitäre Mode kann hysterisches Verhalten zeigen, wenn sie eine nichtlineare Federkonstante enthält, z.B. Versteifung oder Erweichung. Diese großen parasitären Modenkopplungen sollten nicht als Betriebspunkte für den LIDAR-Betrieb verwendet werden oder sollten während der Inbetriebnahme (Start-Up) des MEMS-Spiegels 12 vermieden werden, um mögliche Schäden oder Ermüdung zu vermeiden.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Vermeidung parasitärer Modenkopplung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Wenn eine parasitäre Kopplungsmode während des Betriebs des MEMS-Spiegels 12 detektiert wird (Vorgang 805), wird der Einfluss der Modenkopplung ausgewertet (Vorgang 810), z.B. die Bedingungen und der Frequenzbereich der parasitären Mode, wie intensiv die Modenkopplung ist, und ob es der katastrophaler Punkt ist, der als kritisch beeinflussend detektiert wird oder für den MEMS-Spiegel zerstörend sein kann. Insbesondere kann der Frequenzort der Rx-Modenkopplung mit der parasitären Mode zusammen mit der Amplitude der parasitären Mode bestimmt werden, und die Amplitude und der Frequenzort (Bereich) der parasitären Modenkopplung werden in dem Speicher aufgezeichnet (Vorgang 820). Wenn für die Amplitude und den Frequenzort (Bereich) der parasitären Modenkopplung in dem Vorgang 825 bestimmt wird, dass sie sich bei einem Betriebspunkt der Rx-Mode befinden, und bestimmt wird, dass sie den MEMS-Spiegel kritisch beeinflussen oder zerstören, dann blockiert oder vermeidet der Systemcontroller 23 diesen Betriebspunkt in dem Vorgang 830, durch Modifizieren des Betriebszustands des MEMS-Spiegels 12 über Anwenden einer Frequenzverschiebung oder einer Änderung des Tastgrads für das Treiben der Rx-Mode. Das heißt, wenn die Oberschwingungszahlen der parasitären Modenkopplung entsprechend ihrer Frequenzlage relativ zum Betriebspunkt der Rx-Mode und/oder entsprechend der Amplitude der parasitären Modenkopplung kritisch sind, wird dieser Betriebspunkt des Antreibens der Rx-Mode vermieden, um die entsprechende parasitäre Mode nicht anzuregen.
Wenn der Systemcontroller 23 bestimmt, dass die Harmonischen (Frequenzlage) der parasitären Mode nicht bei dem Betriebspunkt der Rx-Mode liegen, sondern nur bei einigen der Start-Up-Punkte des MEMS-Spiegels und möglicherweise eine Beschädigung des MEMS-Spiegels 12 verursachen, zum Beispiel basierend darauf, dass ihre Amplitude einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet (Vorgang 835), dann kann der Systemcontroller 23 den Start-Up des MEMS-Spiegels 12 in dem Vorgang 840 modifizieren, um solche Spitzenkopplungsfrequenzen oder deren Nahfrequenzen zu vermeiden. Der Systemcontroller 23 kann auch die Betriebsbedingungen während des Start-Ups modifizieren, z.B., Spitzeneingangsspannungen, Tastgrade, und Eingangswellenform der Antriebsspannung Vdrive in dem Vorgang 840.
Wenn der Betriebspunkt für eine gewünschte Betriebsfrequenz und Amplitude der Mode Rx erreicht ist, können die Betriebsfrequenz und Amplitude der Antriebsspannung Vdrive auf den anderen Wert in dem Vorgang 830 verschoben werden, z.B., Verschieben auf eine etwas höhere Betriebsfrequenz, die geringere parasitäre Kopplungen aufweist. Die Amplitude kann für den Zielbetriebszustand von Rx durch den Systemcontroller 23 eingestellt werden, indem entweder der Tastgrad oder die Spannungsskala der Antriebsspannung Vdrive angepasst wird.
Wenn der Systemcontroller 23 nicht bestimmt, dass sich eine parasitäre Mode bei dem Betriebspunkt der Rx-Mode in dem Vorgang 825 befindet oder für den MEMS-Spiegel in dem Vorgang 835 zerstörerisch ist, fährt der Systemcontroller 23 fort, das parasitäre Kopplungsverhalten zur Rx-Mode in dem Vorgang 845 aufzuzeichnen, und kehrt zu dem Vorgang 825 zur kontinuierlichen Überwachung zurück, bis alle Frequenzen für einen Bereich einer parasitären Mode vollständig analysiert sind.
Im Falle einer Duffing-Schwingung der Kopplungsmode kann deren hysterisches Verhalten verwendet werden, z.B. eine leichte Erhöhung der Frequenz für den Rückfall der Kopplungsmode und ein leichter Abwärtssweep zum Betrieb bei der gleichen Betriebsbedingung, was den Kopplungseffekt durch das hysterische Verhalten deutlich reduzieren kann, während die Betriebsbedingung wie gewünscht beibehalten wird. Beispielsweise kann der Systemcontroller 23 den Unterschied in der Rx-Trajektorie auswerten, wenn die Ty-Mode bei hoher Amplitude und bei niedriger Amplitude angeregt wird. Dies ist auf das Hysterese(Duffing)-Verhalten der Ty-Mode zurückzuführen. Beispielsweise kann der Anteil der 5^ten Harmonischen der Rx-Trajektorie des MEMS-Spiegels 12 ausgewertet werden, der durch eine hohe Ty-Modenamplitude verursacht wird. Beim Wobbein (Sweep) des Antriebssignals von niedrigen zu hohen Frequenzen (Starten des MEMS-Spiegels bis zum gewünschten Betriebspunkt) wird ein oberer Zweig der Antwortkurve des MEMS-Spiegels 12 verfolgt, bis ein Rückfallpunkt bei hoher Ty-Amplitude zum unteren Zweig der Antwortkurve auftritt. Wird die hohe Ty-Modenamplitude detektiert (z.B. durch kapazitives Auslesen), kann der Systemcontroller 23 einen Sprung vom oberen Zweig zum unteren Zweig initiieren, um eine große parasitäre Ty-Modenkopplung zu vermeiden. Eine ähnliche Bewertung kann für die anderen parasitären Moden angewendet werden.
Weitere Ausführungsformen sind im Folgenden bereitgestellt:

1. Abtastsystem, umfassend:
- eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignals zu drehen;
- eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
- einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
- eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs ist; und
- eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen.
2. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
3. Abtastsystem nach Ausführungsform 2, wobei das Vorzeichen des Differenzmesssignals die Abtastrichtung angibt.
4. Abtastsystem nach Ausführungsform 2, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal basierend auf der bestimmten Abtastrichtung zu modifizieren.
5. Abtastsystem nach Ausführungsform 2, wobei:
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Erfassungssignal, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, und das mindestens eine Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, zu addieren, um ein summiertes Messsignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens eines von einer Phase oder einer Amplitude der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem summierten Messsignal zu bestimmen.
6. Abtastsystem nach Ausführungsform 5, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal basierend auf mindestens einem von der bestimmten Phase der gewünschten Drehbewegungsmode oder der bestimmten Amplitude der gewünschten Drehbewegungsmode zu modifizieren.
7. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.
8. Abtastsystem nach Ausführungsform 7, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung ist dazu ausgelegt, die parasitären Bewegungsmode zu identifizieren, eine Amplitude der parasitären Bewegungsmode zu bestimmen, und eine Phase der parasitären Bewegungsmode relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
9. Abtastsystem nach Ausführungsform 8, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
10. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller,
- wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine Amplitude und eine Phase einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen, und
- der Systemcontroller ist dazu ausgelegt, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
11. Abtastsystem nach Ausführungsform 7, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals direkt an mindestens eine Untergruppe von Statorkammelektroden der Vielzahl von Kammantrieben oder direkt an jede Rotorkammelektrode der Vielzahl von Kammantrieben.
12. Abtastsystem nach Ausführungsform 7, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern des mindestens einen Dämpfungssignals auf das mindestens eine Antriebssignal.
13. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
14. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die seitlich von der Achse in einer ersten Richtung angeordnet sind, und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben, die seitlich von der Achse in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung angeordnet sind,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
15. Abtastsystem nach Ausführungsform 1, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die diagonal zueinander über die Achse auf einer ersten Diagonalen angeordnet sind, und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben, die diagonal zueinander über die Achse auf einer zweiten Diagonalen angeordnet sind, die sich mit der ersten Diagonalen schneidet,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
16. Abtastsystem, umfassend:
- eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
- eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
- einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
- eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs repräsentativ ist; und
- eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.
17. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Anlegen eines Dämpfungssignals an mindestens eine Untergruppe von Statorkammelektroden der Vielzahl von Kammantrieben oder an jede Rotorkammelektrode der Vielzahl von Kammantrieben.
18. Abtastsystem nach Ausführungsform 17, wobei der Systemcontroller selektiv die Untergruppe von Statorkammelektroden bestimmt, an die das mindestens eine Dämpfungssignal basierend auf der identifizierten parasitären Mode angelegt wird.
19. Abtastsystem nach Ausführungsform 17, wobei der Systemcontroller dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Dämpfungssignal auf das mindestens eine Antriebssignal zu überlagern.
20. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die Erfassungsschaltung selektiv mit mindestens der Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben zu koppeln, damit die Erfassungsschaltung Erfassungssignale von diesen empfängt, basierend auf einem Typ der ausgewerteten parasitären Bewegungsmode.
21. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, wobei:
- die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur zu identifizieren, eine Amplitude der parasitären Bewegungsmode zu bestimmen, und eine Phase der parasitären Bewegungsmode relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
22. Abtastsystem nach Ausführungsform 21, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
23. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Vorspannen eines Paars von Statorkammelektroden während einer Antriebsspannungs-Aus-Zeit des Antriebssignals, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode in Übereinstimmung mit der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu verlangsamen,
- wobei die MEMS-Abtaststruktur eine resonante MEMS-Abtaststruktur ist.
24. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern einer Dämpfungsspannung auf das mindestens eine Antriebssignal, das an jede der Rotorkammelektroden angelegt wird, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu verlangsamen,
- wobei die MEMS-Abtaststruktur eine resonante MEMS-Abtaststruktur ist.
25. Abtastsystem nach Ausführungsform 16, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern einer Dämpfungsspannung auf das mindestens eine Antriebssignal, das an ein Paar von Statorkammelektroden angelegt wird, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu verlangsamen,
- wobei die MEMS-Abtaststruktur eine quasistatische MEMS-Abtaststruktur ist.
26. Abtastsystem, umfassend:
- eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
- eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorantriebskammelektrode und eine Statorantriebskammelektrode umfasst;
- einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
- eine Vielzahl von Erfassungskämmen, wobei jeder Erfassungskamm eine Rotorerfassungskammelektrode und eine Statorerfassungskammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
- eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Erfassungskämmen gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Erfassungskamms repräsentativ ist; und
- eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.
27. Abtastsystem nach Ausführungsform 26, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode gemäß der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals an mindestens eine Untergruppe von Statorantriebskammelektroden der Vielzahl von Kammantrieben oder an jede Rotorantriebskammelektrode der Vielzahl von Kammantrieben.
28. Abtastsystem nach Ausführungsform 27, wobei der Systemcontroller selektiv die Untergruppe der Statorantriebskammelektroden bestimmt, an die das mindestens eine Dämpfungssignal basierend auf der identifizierten parasitären Mode angelegt wird.
29. Abtastsystem nach Ausführungsform 27, wobei der Systemcontroller dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Dämpfungssignal auf das mindestens eine Antriebssignal zu überlagern.
30. Abtastsystem nach Ausführungsform 26, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen.
31. Abtastsystem nach Ausführungsform 30, wobei:
- die Vielzahl von Erfassungskämmen eine erste Untergruppe von Erfassungskämmen und eine zweite Untergruppe von Erfassungskämmen aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Erfassungskämmen bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Erfassungskämmen bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
32. Abtastsystem nach Ausführungsform 31, wobei:
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Erfassungskämmen und der zweiten Untergruppe von Erfassungskämmen zu addieren, um ein summiertes Messsignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens eines von einer Phase oder einer Amplitude der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem summierten Messsignal zu bestimmen.
33. Abtastsystem nach Ausführungsform 26, wobei:
- die Vielzahl von Erfassungskämmen eine erste Untergruppe von Erfassungskämmen und eine zweite Untergruppe von Erfassungskämmen aufweist,
- die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Erfassungskämmen bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Erfassungskämmen bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und
- die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die parasitäre Bewegungsmode zu identifizieren, eine Amplitude der parasitären Bewegungsmode zu bestimmen, und eine Phase der parasitären Bewegungsmode relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
34. Abtastsystem nach Ausführungsform 33, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
35. Abtastsystem nach Ausführungsform 26, ferner umfassend:
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern einer Dämpfungsspannung auf das mindestens eine Antriebssignal, das an ein Paar von Statorantriebskammelektroden angelegt wird, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu verlangsamen.
36. Abtastsystem, umfassend:
- eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
- eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
- einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebsfrequenz des mindestens einen Antriebssignals zu verschieben, um eine parasitäre Modenkopplung zwischen der gewünschten Drehbewegungsmode und einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur hervorzurufen;
- eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal repräsentativ für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs ist; und
- eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Frequenzbereich der Antriebsfrequenz zu bestimmen, bei dem die parasitäre Kopplung auftritt,
- wobei der Systemcontroller das mindestens eine Antriebssignal steuert, um die parasitäre Mode zu vermeiden.
37. Abtastsystem nach Ausführungsform 36, wobei der Systemcontroller mindestens eines von der Antriebsfrequenz, einer Spitzeneingangsspannung, einem Tastgrad (Duty Cycle), oder einer Wellenform des mindestens einen Antriebssignals steuert, so dass die parasitäre Mode vermieden wird.
38. Abtastsystem, umfassend:
- eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen;
- eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorantriebskammelektrode und eine Statorantriebskammelektrode umfasst;
- einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen;
- eine Vielzahl von Erfassungskämmen, wobei jeder Erfassungskamm eine Rotorerfassungskammelektrode und eine Statorerfassungskammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt;
- einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebsfrequenz des mindestens einen Antriebssignals zu verschieben, um eine parasitäre Modenkopplung zwischen der gewünschten Drehbewegungsmode und einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur hervorzurufen;
- eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Erfassungskämmen gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Erfassungskamms repräsentativ ist; und
- eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Frequenzbereich der Antriebsfrequenz zu bestimmen, bei dem die parasitäre Modenkopplung auftritt,
- wobei der Systemcontroller das mindestens eine Antriebssignal steuert, um die parasitäre Mode zu vermeiden.
39. Abtastsystem nach Ausführungsform 38, wobei der Systemcontroller mindestens eines von der Antriebsfrequenz, einer Spitzeneingangsspannung, einem Tastgrad, oder eine Wellenform des mindestens einen Antriebssignals steuert, so dass die parasitäre Mode vermieden wird.

Obwohl sich die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf eine MEMS-Vorrichtung mit einem Spiegel beziehen, ist es zu verstehen, dass andere Implementierungen andere optische Vorrichtungen als MEMS-Spiegelvorrichtungen aufweisen können, einschließlich anderer schwingender Strukturen, einschließlich solcher, die nicht mit LIDAR in Verbindung stehen. Auch wenn einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können von einer Hardware-Vorrichtung (oder unter Verwendung einer solchen) ausgeführt werden, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung. In einigen Ausführungsformen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass viele weitere Ausführungsformen und Implementierungen im Umfang der Offenbarung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich des Verweises auf ein „Mittel“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, sofern nicht anders angegeben, jeder Komponente oder Struktur entsprechen, welche die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h., die funktionell äquivalent ist), selbst wenn sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, welche die Funktion in den hierin veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausführt.
Darüber hinaus sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als separates Ausführungsformbeispiel stehen kann. Während jeder Anspruch für sich als separates Ausführungsformbeispiel stehen kann, ist anzumerken, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsformbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs aufweisen können. Solche Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus ist es beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in einen anderen unabhängigen Anspruch einzubeziehen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Es ist ferner zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert sein können, die Mittel zur Durchführung jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren aufweist.
Ferner ist zu verstehen, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden können, innerhalb der spezifischen Reihenfolge zu liegen. Daher wird die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränkt, es sei denn, solche Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne Handlung mehrere Unterhandlungen aufweisen oder in mehrere Unterhandlungen unterteilt sein. Solche Unterhandlungen können einbezogen sein und Teil der Offenbarung dieser einzelnen Handlung sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie einer oder mehreren CPUs (Central Processing Units), DSPs (Digital Signal Processors), Allzweck-Mikroprozessoren, ASICs (Application Specific Integrated Circuits), FPGAs (Field Programmable Logic Arrays), oder anderen gleichwertigen integrierten oder diskreten Logikschaltungen. Dementsprechend bezieht sich der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltung“, wie er hierin verwendet wird, auf jede der vorgenannten Strukturen oder jede andere Struktur, die sich für die Implementierung der hierin beschriebenen Techniken eignet. Darüber hinaus kann in einigen Aspekten die hierin beschriebene Funktionalität in speziellen Hardware- und/oder Softwaremodulen bereitgestellt werden. Die Techniken können auch vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
Somit können die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken mindestens teilweise in Hardware, Software, Firmware, oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken in einem oder mehreren Prozessoren implementiert sein, einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, DSPs, ASICs, oder anderer gleichwertiger integrierter oder diskreter Logikschaltungen, sowie beliebiger Kombinationen solcher Komponenten.
Ein Controller mit Hardware kann auch eine oder mehrere der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken ausführen. Solche Hardware, Software, und Firmware können in der gleichen Vorrichtung oder in separaten Vorrichtungen implementiert sein, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen. Software kann auf einem nicht-flüchtigen, computerlesbaren Medium gespeichert sein, so dass das nicht-flüchtige, computerlesbare Medium einen Programmcode oder einen Programmalgorithmus enthält, welcher, wenn er ausgeführt wird, den Controller über ein Computerprogramm veranlasst, die Schritte eines Verfahrens durchzuführen.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen offenbart worden sind, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbarten Konzepte erreichen, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, welche die gleichen Funktionen erfüllen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläutert werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch wenn diese nicht ausdrücklich erwähnt sind. Derartige Modifikationen des allgemeinen Erfindungskonzepts sollen durch die beigefügten Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente abgedeckt sein.

Claims

Abtastsystem, umfassend: eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen; eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt; einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen; eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs repräsentativ ist; und eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 2, wobei das Vorzeichen des Differenzmesssignals die Abtastrichtung angibt.
Abtastsystem nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal basierend auf der bestimmten Abtastrichtung zu modifizieren.
Abtastsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei: die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Erfassungssignal, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, und das mindestens eine Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, zu addieren, um ein summiertes Messsignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens eines von einer Phase oder einer Amplitude der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem summierten Messsignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal basierend auf mindestens einem von der bestimmten Phase der gewünschten Drehbewegungsmode oder der bestimmten Amplitude der gewünschten Drehbewegungsmode zu modifizieren.
Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.
Abtastsystem nach Anspruch 7, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, das mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die parasitäre Bewegungsmode zu identifizieren, eine Amplitude der parasitären Bewegungsmode zu bestimmen, und eine Phase der parasitären Bewegungsmode relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
Abtastsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Systemcontroller, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine Amplitude und eine Phase einer parasitären Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf den Erfassungssignalen zu bestimmen, und der Systemcontroller dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
Abtastsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals direkt an mindestens eine Untergruppe von Statorkammelektroden der Vielzahl von Kammantrieben oder direkt an jede Rotorkammelektrode der Vielzahl von Kammantrieben.
Abtastsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern des mindestens einen Dämpfungssignals auf das mindestens eine Antriebssignal.
Abtastsystem nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben, die seitlich von der Achse in einer ersten Richtung angeordnet sind, und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben, die seitlich von der Achse in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung angeordnet sind, aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben, die diagonal zueinander über die Achse auf einer ersten Diagonalen angeordnet sind, und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben, die diagonal zueinander über die Achse auf einer zweiten Diagonalen angeordnet sind, die sich mit der ersten Diagonalen schneidet, aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Erfassungssignale von der ersten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein erstes summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, die Erfassungssignale von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben zu addieren, um ein zweites summiertes Erfassungssignal zu erzeugen, und das zweite summierte Erfassungssignal von dem ersten summierten Erfassungssignal zu subtrahieren, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Abtastrichtung der MEMS-Abtaststruktur in der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem, umfassend: eine MEMS (mikroelektromechanisches System)-Abtaststruktur, die dazu ausgelegt ist, sich um eine Achse mit einer gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf mindestens einem Antriebssignal zu drehen; eine Vielzahl von Kammantrieben, die dazu ausgelegt sind, die MEMS-Abtaststruktur um die Achse gemäß der gewünschten Drehbewegungsmode basierend auf dem mindestens einen Antriebssignal anzutreiben, wobei jeder Kammantrieb eine Rotorkammelektrode und eine Statorkammelektrode umfasst, die ein kapazitives Element ausbilden, das eine Kapazität aufweist, die von dem Auslenkwinkel der MEMS-Abtaststruktur abhängt; einen Treiber, der dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Antriebssignal zu erzeugen; eine Erfassungsschaltung, die selektiv mit mindestens einer Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben gekoppelt ist, um Erfassungssignale von diesen zu empfangen, wobei jedes Erfassungssignal für die Kapazität eines entsprechenden Kammantriebs repräsentativ ist; und eine Verarbeitungsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur basierend auf den Erfassungssignalen zu detektieren und identifizieren.
Abtastsystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode basierend auf der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu dämpfen durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals an mindestens eine Untergruppe von Statorkammelektroden der Vielzahl von Kammantrieben oder an jede Rotorkammelektrode der Vielzahl von Kammantrieben.
Abtastsystem nach Anspruch 17, wobei der Systemcontroller die Untergruppe der Statorkammelektroden, an die das mindestens eine Dämpfungssignal angelegt wird, selektiv basierend auf der identifizierten parasitären Mode bestimmt.
Abtastsystem nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Systemcontroller dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Dämpfungssignal auf das mindestens eine Antriebssignal zu überlagern.
Abtastsystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die Erfassungsschaltung selektiv mit mindestens der Untergruppe der Vielzahl von Kammantrieben zu koppeln, damit die Erfassungsschaltung Erfassungssignale von diesen empfängt basierend auf einem Typ der ausgewerteten parasitären Bewegungsmode.
Abtastsystem nach Anspruch 16, wobei: die Vielzahl von Kammantrieben eine erste Untergruppe von Kammantrieben und eine zweite Untergruppe von Kammantrieben aufweist, die Erfassungsschaltung dazu ausgelegt ist, mindestens ein Erfassungssignal, das von der zweiten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, von mindestens einem Erfassungssignal zu subtrahieren, das von der ersten Untergruppe von Kammantrieben bereitgestellt wird, um ein Differenzmesssignal zu erzeugen, und die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, eine parasitäre Bewegungsmode der MEMS-Abtaststruktur zu identifizieren, eine Amplitude der parasitären Bewegungsmode zu bestimmen, und eine Phase der parasitären Bewegungsmode relativ zu dem mindestens einen Antriebssignal basierend auf dem Differenzmesssignal zu bestimmen.
Abtastsystem nach Anspruch 21, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode durch Anlegen mindestens eines Dämpfungssignals zu dämpfen, wobei der Systemcontroller eine Amplitude und eine Phase des mindestens einen Dämpfungssignals basierend auf der Amplitude und der Phase der parasitären Bewegungsmode einstellt.
Abtastsystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Vorspannen eines Paares von Statorkammelektroden während einer Antriebsspannungs-Aus-Zeit des Antriebssignals, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode in Übereinstimmung mit der identifizierten parasitären Bewegungsmode zu verlangsamen, wobei die MEMS-Abtaststruktur eine resonante MEMS-Abtaststruktur ist.
Abtastsystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern einer Dämpfungsspannung auf das mindestens eine Antriebssignal, das an jede der Rotorkammelektroden angelegt wird, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu verlangsamen, wobei die MEMS-Abtaststruktur eine resonante MEMS-Abtaststruktur ist.
Abtastsystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen Systemcontroller, der dazu ausgelegt ist, die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu dämpfen durch Überlagern einer Dämpfungsspannung auf das mindestens eine Antriebssignal, das an ein Paar von Statorkammelektroden angelegt wird, um die identifizierte parasitäre Bewegungsmode zu verlangsamen, wobei die MEMS-Abtaststruktur eine quasistatische MEMS-Abtaststruktur ist.