DE102022129340B3 - CIRCUIT WITH AN OSCILLATING CIRCUIT FOR CONTROLLING AN ACTUATOR FOR DRIVING AN VIBRATIONAL MOVEMENT IN A MEMS - Google Patents

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Abstract

Beschrieben werden verschiedene Schaltungen zur Ansteuerung eines Aktuators zum Antrieb einer Schwingungsbewegung zumindest einer beweglichen Komponente eines mikro-elektromechanischen Systems, MEMS, sowie ein mit einer solchen Schaltung ausgestattetes MEMS. Die Schaltungen weisen zumindest eine MEMS-Kapazität auf, die derart als Bestandteil eines Aktuators ausgebildet ist, dass sie einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet, wobei der Wandler konfiguriert ist, in der MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln. In den Schaltungen ist eine Hochsetztellerschaltung zum Erzeugen einer Ladespannung zum direkten, kapazitiv-ungepufferten, Laden der MEMS-Kapazität und/oder ein pausierbarer Schwingkreis mit der MEMS-Kapazität als Schwingkreiskapazität enthalten.Various circuits for controlling an actuator for driving an oscillatory movement of at least one movable component of a micro-electromechanical system, MEMS, as well as a MEMS equipped with such a circuit are described. The circuits have at least one MEMS capacitance, which is designed as a component of an actuator in such a way that it forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator, the converter being configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance into at least one mechanical one Size to drive a movement of the actuator. The circuits contain a step-up circuit for generating a charging voltage for direct, capacitive-unbuffered charging of the MEMS capacity and/or a pauseable resonant circuit with the MEMS capacitance as resonant circuit capacity.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators, insbesondere eines MEMS-Aktuators, zum Antrieb einer Schwingungsbewegung in einem mikro-elektromechanischen System (MEMS), sowie ein damit ausgestattetes MEMS. Die Schaltung weist einen Schwingkreis mit variierbarer Schwingungsperiode auf. Das MEMS kann insbesondere ein Mikroscannersystem mit einem schwingungsfähig angeordneten Ablenkelement (Spiegel) sein, wobei der Aktuator zum Antrieb einer Schwingungsbewegung (Oszillation) des Ablenkelements eingerichtet ist.The present invention relates to a circuit for controlling an actuator, in particular a MEMS actuator, for driving an oscillatory movement in a micro-electromechanical system (MEMS), as well as a MEMS equipped therewith. The circuit has a resonant circuit with a variable oscillation period. The MEMS can in particular be a microscanner system with a deflection element (mirror) arranged to oscillate, the actuator being set up to drive an oscillation movement (oscillation) of the deflection element.

Viele MEMS, d.h. Systeme mit mehreren Komponenten, deren Ausmaße typischerweise im Bereich von 1 µm bis 100 µm liegen, wobei die MEMS selbst typischerweise jeweils Ausmaße im Bereich von etwa 10 µm bis zu wenigen Millimetern aufweisen, verfügen über bewegliche mechanische Teile, die unter Nutzung elektrischer Energie antreibbar sind, so dass eine mikroskopisch kleine Maschine als elektromechanisches System vorliegt.Many MEMS, i.e. systems with several components, the dimensions of which are typically in the range of 1 µm to 100 µm, with the MEMS themselves typically each having dimensions in the range of about 10 µm to a few millimeters, have movable mechanical parts that are used can be driven with electrical energy, so that a microscopic machine is present as an electromechanical system.

Schwingungsfähig angeordnete Massenelemente von MEMS, insbesondere Ablenkelemente von Mikroscannern, können auf verschiedene Art und Weise zum Schwingen gebracht werden. Dafür ist jedoch stets eine antreibende Kraft erforderlich, welche in der Lage ist, das Ablenkelement (z.B. Spiegelplatte) aus seiner Ruhelage auszulenken. Als eine derartige Kraft liefernde Antriebe für MEMS (insbesondere kleine Mikrophone, Lautsprecher oder Gyroskope, Mikroscanner oder mehrere Mikroscanner aufweisende Mikroscannersysteme) werden typischerweise ein oder mehrere Aktuatoren eingesetzt, die nach einem elektrostatischen, elektromagnetischen, piezoelektrischen, thermischen oder einem anderen Aktuatorprinzip oder nach einer Mischform von zwei oder mehr solcher Aktuatorprinzipien betrieben werden.Mass elements of MEMS arranged to oscillate, in particular deflection elements of microscanners, can be made to oscillate in various ways. However, this always requires a driving force that is able to deflect the deflection element (e.g. mirror plate) from its rest position. One or more actuators are typically used as drives for MEMS (in particular small microphones, loudspeakers or gyroscopes, microscanners or microscanner systems having several microscanners) which provide such force, which operate according to an electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, thermal or another actuator principle or according to a mixed form operated by two or more such actuator principles.

Unter dem Begriff „MEMS-Aktuator“, wie hierin verwendet, ist insbesondere ein Aktuator zu verstehen, der elektrische und/oder magnetische Energie in mechanische Energie wandeln kann, und/oder umgekehrt, und sich dazu eines MEMS bedient oder selbst ein Bestandteil davon ist, insbesondere als dieses selbst oder als Komponente davon. Ein solcher MEMS-Aktuator kann insbesondere so ausgebildet sein, dass er auf Basis des direkten oder inversen piezoelektrischen Effekts arbeitet. Soweit hierin auf einen „Aktuator“ Bezug genommen wird, kann dieser stets insbesondere ein MEMS-Aktuator sein.The term “MEMS actuator”, as used herein, is to be understood in particular as an actuator that can convert electrical and/or magnetic energy into mechanical energy and/or vice versa, and for this purpose uses a MEMS or is itself a component thereof , especially as this itself or as a component of it. Such a MEMS actuator can in particular be designed so that it works based on the direct or inverse piezoelectric effect. As far as an “actuator” is referred to herein, this can always be in particular a MEMS actuator.

Bei Mikroscannern, die in der Fachsprache insbesondere auch als „MEMS-Scanner“, „MEMS-Spiegel“ oder auch „Mikrospiegel“ oder im Englischen insbesondere als „microscanner“ bzw. „micro-scanning mirror“ oder „MEMS mirror" bezeichnet werden, handelt es sich speziell um MEMS oder genauer um mikro-opto-elektro-mechanische Systeme (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zur dynamischen Modulation von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht. Je nach Bauart kann die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder um zumindest eine Achse rotatorisch erfolgen. Im ersten Fall wird eine phasenschiebende Wirkung, im zweiten Fall die Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung erzielt. Im Weiteren werden Mikroscanner betrachtet, bei denen die modulierend wirkende Bewegung eines Einzelspiegels, zumindest auch, rotatorisch erfolgt. in Abgrenzung zu Spiegelarrays, bei denen die Modulation von einfallendem Licht über das Zusammenwirken einer Vielzahl von einzelnen kleinen Spiegeln auf einem einzigen MEMS-Bauelement erfolgt, wird die Modulation bei Mikroscannern typischerweise über einen einzelnen Spiegel je MEMS-Bauelement (Mikroscanner) erzeugt.In the case of microscanners, which in technical language are also referred to as “MEMS scanners”, “MEMS mirrors” or “micro mirrors” or in English in particular as “microscanners” or “micro-scanning mirrors” or “MEMS mirrors”, These are specifically MEMS or, more precisely, micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS) from the class of micromirror actuators for the dynamic modulation of electromagnetic radiation, especially visible light. Depending on the design, the modulating movement of an individual mirror can be translational or um At least one axis takes place rotationally. In the first case, a phase-shifting effect is achieved, in the second case, the deflection of the incident electromagnetic radiation is achieved. Microscanners are also considered in which the modulating movement of an individual mirror, at least also, takes place rotationally. In contrast to mirror arrays , in which the modulation of incident light occurs via the interaction of a large number of individual small mirrors on a single MEMS component, the modulation in microscanners is typically generated via a single mirror per MEMS component (microscanner).

Mikroscanner können somit insbesondere zur Ablenkung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, um mittels eines Ablenkelements („Spiegel“) einen darauf einfallenden elektromagnetischen Strahl bezüglich seiner Ablenkrichtung zu modulieren. Das kann insbesondere dafür genutzt werden, eine Lissajous-Projektion des Strahls in ein Beobachtungsfeld bzw. Projektionsfeld zu bewirken. So lassen sich beispielsweise bildgebende sensorische Aufgaben lösen oder auch Display-Funktionalitäten realisieren. Darüber hinaus können solche Mikroscanner auch dazu eingesetzt werden, Materialien in vorteilhafter Weise zu bestrahlen, insbesondere zu deren Bearbeitung. Mögliche andere Anwendungen liegen im Bereich der Beleuchtung oder Ausleuchtung bestimmter offener oder geschlossener Räume oder Raumbereiche mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Rahmen von Scheinwerferanwendungen.Microscanners can therefore be used in particular to deflect electromagnetic radiation in order to modulate an incident electromagnetic beam with respect to its deflection direction by means of a deflection element (“mirror”). This can be used in particular to effect a Lissajous projection of the beam into an observation field or projection field. For example, imaging sensory tasks can be solved or display functionalities can be implemented. In addition, such microscanners can also be used to irradiate materials in an advantageous manner, in particular for their processing. Possible other applications are in the area of lighting or illuminating certain open or closed rooms or areas of space with electromagnetic radiation, for example in the context of headlight applications.

In vielen Fällen weisen Mikroscanner als Ablenkelement eine Spiegelplatte („Spiegel“) auf, die seitlich an elastisch dehnbaren Federn aufgehängt ist. Man unterscheidet einachsige Spiegel, die vorzugsweise nur um eine einzige Achse drehbar aufgehängt sein sollen, von zweiachsigen und mehrachsigen Spiegeln, bei denen Rotationen, insbesondere rotatorische Schwingungsbewegungen, um eine entsprechende Anzahl verschiedener Achsen möglich sind, insbesondere simultan.In many cases, microscanners have a mirror plate (“mirror”) as a deflection element, which is suspended laterally on elastically stretchable springs. A distinction is made between single-axis mirrors, which should preferably only be suspended so that they can rotate about a single axis, from two-axis and multi-axis mirrors, in which rotations, in particular rotational oscillatory movements, about a corresponding number of different axes are possible, in particular simultaneously.

Ein Mikroscannersystem zum Ablenken eines elektromagnetischen Strahls kann somit insbesondere einen zweiachsigen Mikroscanner, also einen Mikroscanner mit zwei verschiedenen nicht-parallelen, insbesondere zueinander orthogonalen, Schwingungsachsen oder eine Kombination von mehreren einzelnen, insbesondere zwei, einachsigen Mikroscannern aufweisen, die so angeordnet sind, dass der einfallende Strahl nacheinander durch die verschiedenen einzelnen Mikroscanner des Mikroscannersystems abgelenkt werden kann um ein zweidimensionales Ablenkungsmuster, insbesondere eine Lissajous-Figur, zu erzeugen. Bei einem Mikroscannersystem mit einer Kombination aus zwei oder drei einachsigen Mikroscannern können deren nicht-parallele Schwingungsachsen insbesondere paarweise orthogonal zueinander liegen.A microscanner system for deflecting an electromagnetic beam can therefore in particular have a two-axis microscanner, i.e. a microscanner with two different non-parallel, in particular mutually orthogonal, oscillation axes or a combination of several individual, in particular two, single-axis microscanners, which are arranged in such a way that the Incident beam can be deflected one after the other by the various individual microscanners of the microscanner system in order to generate a two-dimensional deflection pattern, in particular a Lissajous figure. In a microscanner system with a combination of two or three single-axis microscanners, their non-parallel oscillation axes can lie orthogonally to one another, in particular in pairs.

Speziell bei sogenannten Lissajous-Mikroscannern bzw. Lissajous-Mikroscannersystemen, werden zwei nicht-parallele, insbesondere zueinander orthogonale Schwingungsachsen simultan, insbesondere in Resonanz, betrieben, um dabei eine Trajektorie der vom Ablenkelement abgelenkten Strahlung in Form einer Lissajous-Figur zu erzeugen. Auf diese Weise lassen sich in beiden Achsen große Amplituden erreichen.Especially in so-called Lissajous microscanners or Lissajous microscanner systems, two non-parallel, in particular mutually orthogonal, oscillation axes are operated simultaneously, in particular in resonance, in order to generate a trajectory of the radiation deflected by the deflection element in the form of a Lissajous figure. In this way, large amplitudes can be achieved in both axes.

Aus der EP 2 514 211 B1 ist eine solche Ablenkeinrichtung für ein Projektionssystem zum Projizieren von Lissajous-Figuren auf ein Beobachtungsfeld bekannt, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, um mindestens eine erste und eine zweite Ablenkachse zur Erzeugung von Lissajous-Figuren umzulenken.From the EP 2 514 211 B1 Such a deflection device for a projection system for projecting Lissajous figures onto an observation field is known, which is designed to deflect a light beam, in particular a laser beam, around at least a first and a second deflection axis for generating Lissajous figures.

Als Antriebe für MEMS, wie insbesondere kleine Mikrophone, Lautsprecher oder Gyroskope, und insbesondere auch für Mikroscanner bzw. Mikroscannersysteme werden typischerweise elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische, thermische und andere Aktuatorprinzipien eingesetzt. Speziell bei piezoelektrischen Aktuatoren („Piezoaktor“) wird dabei ein piezoelektrisches Material in einem durch eine (elektrische) Kapazität erzeugtes elektrisches Feld unter Nutzung des inversen Piezoelektrischen Effekts in Abhängigkeit von der Stärke des Felds verformt. ist das Feld zeitlich variabel, insbesondere aufgrund eine an der Kapazität anliegenden variablen Spannung, so ergibt sich in der Folge eine durch die Feldvariation steuerbare variable Verformung des Piezomaterials die als kleiner Motor zum Antrieb einer mechanischen Bewegung, speziell bei Mikroscannern einer Schwingungsbewegung des Spiegels, genutzt werden kann.Electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, thermal and other actuator principles are typically used as drives for MEMS, such as in particular small microphones, loudspeakers or gyroscopes, and in particular for microscanners or microscanner systems. Especially with piezoelectric actuators (“piezoactuators”), a piezoelectric material is deformed in an electric field generated by an (electrical) capacitance using the inverse piezoelectric effect depending on the strength of the field. If the field is variable over time, in particular due to a variable voltage applied to the capacitance, this results in a variable deformation of the piezo material that can be controlled by the field variation and is used as a small motor to drive a mechanical movement, especially in microscanners, an oscillatory movement of the mirror can be.

Insbesondere bei resonant betriebenen, schwingungsfähigen MEMS-Komponenten, wie etwa dem Ablenkelement bei einem Mikroscanner, sind der bzw. die Aktuatoren oftmals jedoch insgesamt nicht stark genug, um die schwingungsfähigen MEMS-Komponente im Rahmen einer einzigen Aktivierung des Aktuators bzw. der Aktuatoren bis hin zu einer im Betrieb angestrebten Zielamplitude statisch auszulenken. Um trotzdem die Zielauslenkung zu erreichen, muss daher der zumindest eine Aktuator, im Falle eines Piezoaktuators dessen piezoelektrische Material, mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagt werden, deren Frequenz zumindest in guter Näherung, idealerweise genau der mechanischen Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen MEMS-Komponente entspricht. Daraus resultieren dann kleine aber immer zum richtigen Zeitpunkt auftretende Antriebskräfte, die nach einer gewissen Zeit in der Lage sind, den durch die schwingungsfähige MEMS-Komponente nebst ihrer Aufhängung oder Lagerung gebildeten mechanischen Oszillator signifikant aufzuschwingen und somit nach und nach mit mechanischer Energie „aufzuladen“, bis die Zielamplitude erreicht ist (und ggf. über einen längeren Zeitraum auch gehalten werden kann).However, particularly in the case of resonantly operated, oscillatory MEMS components, such as the deflection element in a microscanner, the actuator(s) are often not strong enough overall to control the oscillatory MEMS component within the scope of a single activation of the actuator(s). to statically deflect it to a target amplitude desired during operation. In order to still achieve the target deflection, the at least one actuator, in the case of a piezo actuator its piezoelectric material, must be subjected to a periodic alternating voltage whose frequency corresponds at least to a good approximation, ideally exactly, to the mechanical resonance frequency of the oscillatory MEMS component. This then results in small driving forces that always occur at the right time, which after a certain time are able to significantly oscillate the mechanical oscillator formed by the oscillatory MEMS component and its suspension or bearing and thus gradually “charge” it with mechanical energy. until the target amplitude is reached (and can possibly be maintained over a longer period of time).

Aus elektrischer Sicht entspricht dieser Antriebsvorgang bei einem kapazitiven Aktuator, insbesondere einem Piezoaktor, einem ständigen Umladen seines Kondensators. Speziell im Falle eines Mikroscanners mit piezoelektrischem Antrieb beeinflusst die Amplitude der Wechselspannung über dem Kondensator des Piezoaktors wesentlich den sich einstellenden bzw. im eingeschwungenen Zustand maximal erreichbaren Scanwinkel (Zielamplitude) des Mikroscanners.From an electrical point of view, this drive process in a capacitive actuator, in particular a piezo actuator, corresponds to a constant recharging of its capacitor. Especially in the case of a microscanner with a piezoelectric drive, the amplitude of the alternating voltage across the capacitor of the piezoelectric actuator significantly influences the scanning angle (target amplitude) of the microscanner that is established or is maximum achievable in the steady state.

Insbesondere dann, wenn ein MEMS in einem Gerät zum Einsatz kommen soll, dem nur eine eng begrenzte elektrische Energiemenge oder elektrische Leistung zur Energieversorgung im Betrieb zur Verfügung steht, wie dies etwa bei einem batteriebetriebenen, insbesondere tragbaren Gerät (etwa bei einem mobilen, insbesondere portablen Endgerät, z.B. Smartphone, oder einem sog. „Wearable“, oder einer AR/VR-Brille oder einem in Kleidung integrierten MEMS) meist der Fall ist, sind energieeffiziente Antriebe für die MEMS vorteilhaft oder gar notwendig, um eine möglichst lange, insbesondere eine applikationsbezogen ausreichend lange autarke Nutzungsdauer der Geräte zu ermöglichen.Particularly when a MEMS is to be used in a device that only has a very limited amount of electrical energy or electrical power available to supply energy during operation, such as in a battery-operated, in particular portable device (e.g. in a mobile, in particular portable End device, e.g. smartphone, or a so-called “wearable”, or AR/VR glasses or a MEMS integrated into clothing) is usually the case, energy-efficient drives for the MEMS are advantageous or even necessary in order to last as long as possible, especially one To enable the devices to have a sufficiently long, self-sufficient service life depending on the application.

Zur Reduktion der Leistungsaufnahme der MEMS ist es daher erstrebenswert, die Umladevorgänge am Kondensator des Aktuators so effizient wie möglich zu gestalten. So kann die resultierende Gesamt-Leistungsaufnahme für den Antrieb des MEMS minimiert und insbesondere die Lebensdauer der Batterie(en) bzw. des/der Akkus erhöht werden.In order to reduce the power consumption of the MEMS, it is therefore desirable to make the recharging processes on the actuator capacitor as efficient as possible. So the resulting total leis The power consumption for driving the MEMS can be minimized and, in particular, the service life of the battery(s) or rechargeable batteries can be increased.

Oftmals liegt zudem das dem Gerät zur Verfügung stehende Spannungsniveau, insbesondere eine Batteriespannung, unterhalb eines von dem Aktuator benötigten Spannungsniveau, so dass eine Spannungswandlung benötigt wird, um es zu erreichen.In addition, the voltage level available to the device, in particular a battery voltage, is often below a voltage level required by the actuator, so that a voltage conversion is required to achieve it.

Aus FR 2 829 314 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch gesteuerten Piezoaktors, insbesondere einer piezoelektrischen Stufenkraftstoffeinspritzdüse, bekannt, die vom elektronischen Einspritzcomputer eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug gesteuert wird.Out of FR 2 829 314 A1 a device and a method for controlling an electronically controlled piezo actuator, in particular a piezoelectric stepped fuel injection nozzle, are known, which is controlled by the electronic injection computer of an internal combustion engine in a motor vehicle.

Aus US 2005/0029905 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Ultraschallaktors bekannt, die elektronisch von einem Rechner überwacht wird, der eine Gleichstromspannungsquelle steuert. Die Vorrichtung umfasst einen Gleichspannungswandler, der von der Spannungsquelle gespeist wird und zumindest am Ausgang eine Gleichspannung zwischen zwei Endklemmen liefert, zu denen mindestens ein Arm parallel geschaltet ist, der aus zwei abwechselnd steuerbaren, in Reihe geschalteten Brückenschaltern besteht und dessen Mittelpunkt abwechselnd mit den beiden Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers durch eine Last verbunden ist, die aus mindestens einem mit einer Resonanzinduktivität in Reihe geschalteten Aktor besteht.Out of US 2005/0029905 A1 a device for controlling a piezoelectric ultrasonic actuator is known, which is monitored electronically by a computer that controls a direct current voltage source. The device comprises a DC-DC converter which is powered by the voltage source and delivers, at least at the output, a DC voltage between two end terminals, to which at least one arm is connected in parallel, which consists of two alternately controllable, series-connected bridge switches and whose center alternates with the two Output terminals of the DC-DC converter are connected by a load which consists of at least one actuator connected in series with a resonant inductance.

Aus WO 2003/038918 A2 sind für ultraschall-piezoelektrische Injektoren für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug-Wärmemotor eine Vorrichtung und ein damit ausführbares Verfahren zur Ansteuerung mindestens eines piezoelektrischen Ultraschallaktors bekannt, der von einem Steuerrechner und einer Gleichspannungsquelle elektronisch überwacht wird. Die Vorrichtung umfasst einen von der Gleichspannungsquelle gespeisten Gleich-/Wechselspannungswandler-Verstärker, der aus einer Brücken- oder Gegentaktschaltung besteht, dessen Hochspannungsausgang mit einem Schwingkreis verbunden ist, der aus dem Aktor und einer Resonanzinduktivität besteht, wobei der Wandler aus einer Verbindung mit mindestens einem Transformator besteht, dessen Primärwicklung über mindestens einen steuerbaren Schalter mit der Spannungsquelle verbunden ist und dessen einzige Sekundärwicklung ein Hochspannungs- und Hochfrequenz-Wechselsignal liefert, das den piezoelektrischen Aktor erregt.Out of WO 2003/038918 A2 For ultrasonic-piezoelectric injectors for fuel injection in a motor vehicle heat engine, a device and a method that can be carried out with it for controlling at least one piezoelectric ultrasonic actuator are known, which is electronically monitored by a control computer and a DC voltage source. The device comprises a DC/AC voltage converter amplifier fed by the DC voltage source, which consists of a bridge or push-pull circuit, the high voltage output of which is connected to a resonant circuit which consists of the actuator and a resonant inductor, the converter consisting of a connection with at least one Transformer exists, whose primary winding is connected to the voltage source via at least one controllable switch and whose only secondary winding supplies a high-voltage and high-frequency alternating signal that excites the piezoelectric actuator.

Aus DE 198 54 789 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element9 entladende Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements eingestellt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen unter allen Umständen wunschgemäß schnell und weit durchgeführt werden kann.Out of DE 198 54 789 A1 A method and a device for charging and discharging a piezoelectric element are described. The method and the device are characterized in that the charging current charging the piezoelectric element or the discharge current discharging the piezoelectric element9 is set taking into account the capacity of the piezoelectric element. This means that the charging and discharging of piezoelectric elements can be carried out as quickly and widely as desired under all circumstances.

Aus DE 101 02 286 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien zur Gewinnung von Hochspannung und der Kurvenformgenerierung bekannt. Sie besteht aus einer Spannungsquelle, einer Spule mit einem elektronischen Schalter und einer Diode, wobei zwischen zwei Anschlusspunkten in Form einer Brückenschaltung mindestens 4 elektronische Schalter angeordnet und zwischen den Brückenabgleichpunkten ein Piezoelement angeschlossen und parallel zu zwei elektronischen Schaltern mindestens je eine Stromsenke angeordnet sind.Out of DE 101 02 286 A1 a circuit arrangement for controlling piezoelectric materials to generate high voltage and generate waveforms is known. It consists of a voltage source, a coil with an electronic switch and a diode, with at least 4 electronic switches arranged between two connection points in the form of a bridge circuit and a piezo element connected between the bridge balancing points and at least one current sink each arranged in parallel with two electronic switches.

Aus DE 10 2013 208 870 A1 ist eine Schaltung zur bipolaren Ladungsrückgewinnung eines piezoelektrischen oder elektrostatischen Antriebs bekannt, bei der ein Piezo-Aktor mit einer Spule in Serie geschaltet ist. Ein erster Anschluss des Piezo-Aktors ist mit einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter verbunden, wobei ein erster Anschluss der Spule mit einem dritten Schalter und einem vierten Schalter verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des Piezo-Aktors ist mit einem zweiten Anschluss der Spule verbunden, wobei der erste Schalter und der dritte Schalter mit einem ersten Anschluss einer Spannungsversorgung verbunden sind. Der zweite Schalter und der vierte Schalter sind mit einem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung verbunden.Out of DE 10 2013 208 870 A1 a circuit for bipolar charge recovery of a piezoelectric or electrostatic drive is known, in which a piezo actuator is connected in series with a coil. A first connection of the piezo actuator is connected to a first switch and a second switch, with a first connection of the coil being connected to a third switch and a fourth switch. A second connection of the piezo actuator is connected to a second connection of the coil, with the first switch and the third switch being connected to a first connection of a power supply. The second switch and the fourth switch are connected to a second connection of the power supply.

Aus US 2021/0099105 A1 ist eine piezoelektrisch angetriebenen MEMS-Pumpe bekannt.Out of US 2021/0099105 A1 A piezoelectrically driven MEMS pump is known.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators zum energieeffizienten und/oder platzsparenden Antrieb einer Schwingungsbewegung in einem MEMS sowie ein mit einer solchen Schaltung ausgestattetes MEMS, insbesondere Mikroscannersystem, anzugeben.It is an object of the present invention to provide an improved circuit for controlling an actuator for energy-efficient and/or space-saving driving of an oscillatory movement in a MEMS, as well as a MEMS, in particular a microscanner system, equipped with such a circuit.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und/oder der nachfolgenden Beschreibung, die der besseren Übersichtlichkeit halber in jeweils von einer Überschrift eingeleitete Abschnitte strukturiert ist, die jedoch nicht als inhaltliche Beschränkung der unter sie fallenden Textabschnitte oder darin beschriebener Figuren aufzufassen ist.The solution to this problem is achieved in accordance with the teaching of the independent claims. Various embodiments and further developments of the invention are the subject of the subclaims and/or the following description, which, for the sake of clarity, is structured into sections each introduced by a heading, but which is not to be construed as a restriction on the content of the text sections covered by it or of the figures described therein.

BegrifflichkeitenTerminology

Unter dem Begriff „MEMS-Kapazität“, wie hierin verwendet, ist eine elektrische Kapazität, insbesondere ein einzelner elektrischer Kondensator, zu verstehen, die bzw. der zumindest anteilig als ein Bestandteil eines MEMS-Aktuators ausgebildet und konfiguriert ist, für den Betrieb des Aktuators eingesetzte elektrische Energie für deren (anteilige) Wandlung in mechanische Energie zumindest temporär zu speichern. Insbesondere kann eine solche MEMS-Kapazität einen Kondensator, insbesondere Plattenkondensator, eines Piezoaktors mit einem piezoelektrischen Material als Dielektrikum aufweisen. Eine MEMS-Kapazität kann insbesondere als integriertes Bauelement eines MEMS ausgebildet sein, insbesondere so, dass die Elektroden und das Dielektrikum der MEMS-Kapazität jeweils als eine Schicht einer in oder auf einem Halbleitersubstrat erzeugten Schichtfolge bilden.The term “MEMS capacitance” as used herein is to be understood as meaning an electrical capacity, in particular a single electrical capacitor, which is at least partially designed and configured as a component of a MEMS actuator for the operation of the actuator to store the electrical energy used for its (proportional) conversion into mechanical energy, at least temporarily. In particular, such a MEMS capacitance can have a capacitor, in particular a plate capacitor, of a piezo actuator with a piezoelectric material as a dielectric. A MEMS capacitance can in particular be designed as an integrated component of a MEMS, in particular in such a way that the electrodes and the dielectric of the MEMS capacitance each form a layer of a layer sequence generated in or on a semiconductor substrate.

Unter dem Begriff „Steuerung“, wie hierin verwendet, ist insbesondere ein Vorgang oder eine zum Ausführen eines solchen Vorgang konfigurierte Vorrichtung (Steuerungseinrichtung) zu verstehen, der bzw. die eingerichtet ist, eine oder mehrere Komponenten einer Schaltung, darunter insbesondere eine oder mehrere von deren Schalteinrichtungen, im Sinne einer Steuerung (engl. „open-loop“) oder Regelung (engl. „closed-loop“) über entsprechende Signale anzusteuern. Sie kann insbesondere einen computerprogrammgesteuerten Mikrocontroller oder eine festverdrahtete Steuerschaltung sein oder aufweisen. Eine solche Steuerungseinrichtung kann insbesondere selbst Teil der Schaltung sein.The term “controller” as used herein is understood to mean, in particular, a process or a device (control device) configured to carry out such a process, which is set up to control one or more components of a circuit, including in particular one or more of to control their switching devices in the sense of a control (“open-loop”) or regulation (“closed-loop”) via appropriate signals. In particular, it can be or have a computer program-controlled microcontroller or a hard-wired control circuit. Such a control device can in particular itself be part of the circuit.

Unter dem Begriff „Hochsetzstellerschaltung“ (engl. „Boost-Converter“ oder „Step-Up-Converter“), wie hierin verwendet, ist eine Form eines Gleichspannungswandlers zu verstehen, der konfiguriert ist bei der Wandlung eine Eingangsspannung derart in eine Ausgangsspannung zu wandeln, dass Betrag der Ausgangsspannung größer ist als der Betrag der Eingangsspannung. Der Begriff ist nicht auf eine bestimmte Topologie oder Art eines solchen Gleichspannungswandlers beschränkt.The term “boost converter” or “step-up converter”, as used herein, is to be understood as meaning a form of a DC-DC converter that is configured to convert an input voltage into an output voltage during the conversion that the magnitude of the output voltage is greater than the magnitude of the input voltage. The term is not limited to a specific topology or type of such a DC-DC converter.

Unter dem Begriff „Schalteinrichtung“, wie hierin verwendet, ist eine Schaltung oder Komponente davon zu verstehen, die zumindest eine als Schalter wirkende Schaltung oder Komponente ist bzw. aufweist. Insbesondere kann die Schalteinrichtung einen oder mehrere Schalter aufweisen. Sie kann insbesondere mittels eines oder mehrere Halbleiterbauelemente wie z.B. Transistoren oder Dioden implementiert sein. Beispielsweise kann ein einzelner Transistor oder ein CMOS-Gate bei entsprechender Ansteuerung als Schalter wirken. Auch eine Diode kann, insbesondere in Vorwärtsrichtung, als Schalter wirken, wenn eine über ihr anliegende Spannung wahlweise oberhalb ihrer Schwellspannung (in Durchlassrichtung) oder unterhalb ihrer Durchbruchspannung (in Sperrrichtung) liegt.The term “switching device” as used herein is to be understood as meaning a circuit or component thereof which is or has at least one circuit or component acting as a switch. In particular, the switching device can have one or more switches. In particular, it can be implemented using one or more semiconductor components such as transistors or diodes. For example, a single transistor or a CMOS gate can act as a switch when controlled accordingly. A diode can also act as a switch, especially in the forward direction, if a voltage across it is either above its threshold voltage (in the forward direction) or below its breakdown voltage (in the reverse direction).

Unter dem Begriff „kapazitiv-ungepuffert“, wie hierin verwendet, ist in Bezug auf einen Strompfad zu verstehen, dass dieser Strompfad nicht über eine Kapazität im Sinne eines Spannungspuffers, insbesondere nicht im Sinne eines Pufferkondensators, gepuffert ist. Es liegt somit (von etwaigen parasitären Kapazitäten abgesehen) kein kapazitives Bauelement (insbesondere Kondensator) zur Pufferung (d.h. Stützung) der Eingangsspannung bzw. des Eingangsstroms eines über den Strompfad angesteuerten Bauelements oder Schaltungsteils, insbesondere des Aktuators, vor. Insbesondere kann eine etwaige verbleibende parasitäre Kapazität des Strompfads im Bereich von kleiner oder gleich 40 pF, insbesondere kleiner oder gleich 10 pF liegen.The term “capacitive-unbuffered”, as used herein, in relation to a current path is understood to mean that this current path is not buffered by a capacitance in the sense of a voltage buffer, in particular not in the sense of a buffer capacitor. There is therefore (apart from any parasitic capacitances) no capacitive component (in particular capacitor) for buffering (i.e. supporting) the input voltage or input current of a component or circuit part controlled via the current path, in particular the actuator. In particular, any remaining parasitic capacitance of the current path can be in the range of less than or equal to 40 pF, in particular less than or equal to 10 pF.

Unter dem Begriff „Stromquelle“, wie hierin verwendet, ist einen aktiver Zweipol zu verstehen, der an seinen Anschlusspunkten einen elektrischen Strom liefert. Als wesentliche Eigenschaft hängt die Stärke dieses Stroms nur gering („reale“ Stromquelle) oder gar nicht („ideale“ Stromquelle) von der elektrischen Spannung an seinen Anschlusspunkten ab.The term “power source” as used herein means an active two-terminal circuit that delivers an electrical current at its connection points. As an essential property, the strength of this current depends only slightly (“real” current source) or not at all (“ideal” current source) on the electrical voltage at its connection points.

Unter dem Begriff „eine auf einen dauerhaft geschlossenen Zustand des Schwingkreises bezogene Resonanzfrequenz“, wie hierin verwendet, ist eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verstehen, die dieser im eingeschwungenen Zustand aufweist, wenn er dauerhaft, d.h. zumindest über den Einschwingvorgang hinaus, durchgängig geschlossen ist, d.h. insbesondere nicht durch die erste Schalteinrichtung unterbrochen ist. Bei einem idealen Schwingkreis (d.h. wenn ohmsche Widerstände R vernachlässigbar klein sind, beträgt die Resonanzfrequenz f0: f 0 = 1 2 π L C

Figure DE102022129340B3_0001
wobei C die Kapazität und L die Induktivität des Schwingkreises sind. Beim realen Schwingkreis ist die Resonanzfrequenz aufgrund der ohmschen Verluste in den Widerständen R je nach Stärke dieser Dämpfung niedriger.The term “a resonance frequency related to a permanently closed state of the resonant circuit,” as used herein, is to be understood as meaning a resonant frequency of the resonant circuit that it has in the steady state when it is permanently closed, that is, at least beyond the transient process, ie in particular not through the first switching device is broken. In an ideal resonant circuit (ie when ohmic resistances R are negligibly small), the resonance frequency f 0 is: f 0 = 1 2 π L C
Figure DE102022129340B3_0001
where C is the capacity and L is the inductance of the resonant circuit. In the real resonant circuit, the resonance frequency is lower depending on the strength of this damping due to the ohmic losses in the resistors R.

Unter dem Begriff „Aufwärtswandler“, wie hierin verwendet, ist ein Spannungswandler beliebiger Art und/oder Topologie zu verstehen, der aus einer Eingangsspannung per Spannungswandlung eine Ausgangsspannung erzeugt bzw. in zumindest einem Betriebsmodus erzeugen kann, sodass der Betrag der Ausgangsspannung größer ist als der Betrag der Eingangsspannung. Ein Aufwärtswandler kann zu diesem Zweck insbesondere einen oder mehrere Hochsetzsteller und/oder eine oder mehrere Ladungspumpen aufweisen.The term “up converter”, as used herein, is to be understood as meaning a voltage converter of any type and/or topology that generates an output voltage from an input voltage via voltage conversion or can generate it in at least one operating mode, so that the magnitude of the output voltage is greater than that Amount of input voltage. For this purpose, a step-up converter can in particular have one or more step-up converters and/or one or more charge pumps.

Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.The terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “with,” or any other variation thereof, as may be used herein, are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or device that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements that are not expressly listed or that are inherent to such method or device.

Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).Furthermore, unless expressly stated to the contrary, “or” refers to an inclusive or and not an exclusive “or”. For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).

Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.The terms “a” or “an” as used herein are defined to mean “one or more”. The terms “another” and “another” as well as any other variant thereof are to be understood in the sense of “at least one further”.

Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon), wie er hier gegebenenfalls verwendet wird, ist zu verstehen, dass eine diesbezügliche Vorrichtung oder Komponente davon bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.The term “configured” or “set up” to fulfill a specific function (and respective modifications thereof), as used here where applicable, is to be understood as meaning that a relevant device or component thereof already exists in a configuration or setting, in which it can carry out the function or at least it can be set - i.e. configurable - in such a way that it can carry out the function after the appropriate setting. The configuration can be carried out, for example, by appropriately setting parameters of a process flow or switches or the like to activate or deactivate functionalities or settings. In particular, the device can have several predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.

Die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“, „dritte/r/s“ und ähnliche Begriffe in der Beschreibung und in den Ansprüchen werden zur Unterscheidung zwischen ähnlichen bzw. ansonsten gleich benannten Elementen und nicht unbedingt zur Beschreibung einer sequenziellen, räumlichen oder chronologischen Reihenfolge verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen auch in anderen als den hier beschriebenen oder dargestellten Reihenfolgen funktionieren können.The terms “first”, “second”, “third” and similar terms in the description and in the claims are used to distinguish between similar or otherwise identically named elements and are not necessarily used Description of a sequential, spatial or chronological order used. It is to be understood that the terms so used are interchangeable under appropriate circumstances and that the embodiments described herein may operate in orders other than those described or illustrated herein.

Schaltung mit Hochsetzsteller („erste Schaltung“)Circuit with step-up converter (“first circuit”)

Ein erster Aspekt der hier vorgestellten Lösung betrifft eine erste Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators, insbesondere MEMS-Aktuators, zum Antrieb einer Schwingungsbewegung zumindest einer beweglichen Komponente eines mikro-elektromechanischen Systems, MEMS. Die erste Schaltung kann insbesondere zur Ansteuerung eines Aktuators zum Antrieb einer Spiegelbewegung in einem Mikroscannersystem eingesetzt werden.A first aspect of the solution presented here relates to a first circuit for controlling an actuator, in particular a MEMS actuator, for driving an oscillatory movement of at least one movable component of a micro-electromechanical system, MEMS. The first circuit can be used in particular to control an actuator for driving a mirror movement in a microscanner system.

Sie weist eine Hochsetzstellerschaltung mit einer Induktivität (nachfolgend zur Unterscheidung von anderen im weiteren genannten Induktivitäten als „Booster-Induktivität“ bezeichnet, insbesondere eine oder mehrere Spulen aufweisend), eine elektrische MEMS-Kapazität und eine mittels einer Steuerung ansteuerbare Schalteinrichtung auf. Die MEMS-Kapazität ist derart als Bestandteil eines Aktuators ausgebildet, dass sie einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet, wobei der Wandler konfiguriert ist, in der MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators (insbesondere zumindest einer Komponente davon) zu wandeln. Die Schalteinrichtung ist eingerichtet, in Abhängigkeit von der Steuerung eine erste Schaltungskonfiguration und sequenziell nachfolgend, insbesondere mit der ersten Schaltungskonfiguration mehrfach alternierend, eine zweite Schaltungskonfiguration einzunehmen. Dabei ist (i) in der ersten Schaltungskonfiguration ein erster Strompfad durch die Booster-Induktivität freigeschaltet, um einen von einer Versorgungsspannung gespeisten ansteigenden Stromfluss durch die Booster-Induktivität zu bewirken, und (ii) in der zweiten Schaltungskonfiguration ein (von möglichen parasitären Kapazitäten abgesehen) kapazitiv-ungepufferter zweiter Strompfad zwischen einem ersten Pol der Booster-Induktivität und der MEMS-Kapazität freigeschaltet, um die MEMS-Kapazität mittels eines zumindest anteilig durch die Booster-Induktivität (insbesondere als Stromquelle) gespeisten Stromflusses auf eine erste Spannung aufzuladen, die betragsweise gleich oder höher ist als die Versorgungsspannung.It has a step-up converter circuit with an inductance (hereinafter referred to as “booster inductance” to distinguish it from other inductances mentioned below, in particular having one or more coils), an electrical MEMS capacitance and a switching device that can be controlled by a controller. The MEMS capacitance is designed as a component of an actuator in such a way that it forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator, the converter being configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance into at least one mechanical quantity to drive a movement of the actuator (particularly at least one component of it). The switching device is set up, depending on the control, to assume a first circuit configuration and sequentially, in particular alternating several times with the first circuit configuration, a second circuit configuration. In this case (i) in the first circuit configuration, a first current path is enabled through the booster inductance in order to cause an increasing current flow fed by a supply voltage through the booster inductance, and (ii) in the second circuit configuration (apart from possible parasitic capacitances ) capacitive-unbuffered second current path between a first pole of the booster inductance and the MEMS capacitance is activated in order to charge the MEMS capacitance to a first voltage by means of a current flow fed at least in part by the booster inductance (in particular as a current source), which amount is equal to or higher than the supply voltage.

Die Versorgungsspannung kann insbesondere von der Schaltung selbst erzeugbar oder dieser von extern zuführbar sein.The supply voltage can in particular be generated by the circuit itself or supplied to it externally.

Bei der ersten Schaltung steht die über den zweiten Strompfad zwischen einem ersten Pol der Booster-Induktivität und der MEMS-Kapazität gelieferte elektrische Energie weitgehend unvermindert zur Verfügung, um die MEMS-Kapazität des Aktuators und damit dessen Funktion mittels eines zumindest anteilig durch die Booster-Induktivität gespeisten Stromflusses auf einem gegenüber der Versorgungsspannung hochgesetzten Spannungsniveau zu laden und damit zu versorgen. Das bei herkömmlichen Hochsetzstellern (vgl. 1 und Figurenbeschreibung dazu) auftretende sog. „Kondensator-Paradoxon“ oder „Zwei-Kondensatoren-Paradoxon“, welches dort den Wirkungsgrad schon theoretisch auf maximal 50% begrenzt (vgl. https://en.wikipedia.org/wiki/Two_capacitor_paradox), kann hier vermieden werden, da hier keine Konstellation mit zwei über einen Schalter parallel schaltbaren Kapazitäten im Spannungsverstärkungspfad des Hochsetzstellers erforderlich sind.In the first circuit, the electrical energy supplied via the second current path between a first pole of the booster inductance and the MEMS capacitance is available largely undiminished in order to increase the MEMS capacity of the actuator and thus its function by means of an at least partially determined by the booster Inductance fed current flow to charge and thus supply at a voltage level that is higher than the supply voltage. This with conventional step-up converters (cf. 1 and description of the figures) occurs so-called “capacitor paradox” or “two capacitor paradox”, which theoretically limits the efficiency to a maximum of 50% (see https://en.wikipedia.org/wiki/Two_capacitor_paradox), can be avoided here, since there is no need for a constellation with two capacitances that can be switched in parallel via a switch in the voltage amplification path of the step-up converter.

Auf diese Weise ergibt sich bei der ersten Schaltung eine deutlich reduzierte elektrische Leistungsanforderung für die Ansteuerung des Aktuators, so dass die erste Schaltung einschließlich des Aktuators insbesondere auch in Geräten zum Einsatz kommen kann, denen nur eine eng begrenzte elektrische Energiemenge oder elektrische Leistung zur Energieversorgung im Betrieb zur Verfügung steht.In this way, the first circuit results in a significantly reduced electrical power requirement for controlling the actuator, so that the first circuit including the actuator can also be used in particular in devices that only have a very limited amount of electrical energy or electrical power to supply energy operation is available.

Nachfolgend werden zunächst verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der ersten Schaltung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den im weiteren beschriebenen anderen Aspekten der vorliegenden Lösung kombiniert werden können.Various exemplary embodiments of the first circuit are described below, each of which, unless this is expressly excluded or is technically impossible, can be combined in any way with each other and with the other aspects of the present solution described below.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Steuerung ungeregelt. Es findet folglich keine Regelung im Rahmen der Ansteuerung statt, sondern nur eine reine Steuerung (im Sinne von „open loop“) ohne Regelkreis. Dementsprechend kann die erste Schaltung gegenüber einer geregelten Ansteuerung vereinfacht werden, da insbesondere kein Regler und keine Rückkopplung (Regelschleife) erforderlich sind und die dafür benötigten Schaltungskomponenten somit entfallen können. Damit lassen sich insbesondere auch besonders platzsparende Lösungsvarianten implementieren. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil bei einem periodischen Betrieb, d.h. einem periodischen alternierenden Wechsel zwischen den beiden Schaltungskonfigurationen der Schalteinrichtung, die Spannung über der MEMS-Kapazität im Wesentlichen, d.h. in guter Näherung, als eine lineare Funktion der Periodendauer oder genauer der Dauer der ersten Schaltungskonfiguration modelliert werden kann. So kann auch eine reine Steuerung ohne Regelung für eine ausreichend genaue Einstellung der Spannung über der MEMS-Kapazität und somit einer Ansteuerung des Aktuators mit guter Genauigkeit genügen. Zudem entfallen auch mit einer Regelung einhergehende Energieverluste, so dass die Leistungsaufnahme der erste Schaltung weiter gesenkt und somit ihr Wirkungsgrad bzw. ihre Effizienz weiter gesteigert werden kann.In some embodiments, the control is unregulated. As a result, there is no regulation as part of the control, but only pure control (in the sense of “open loop”) without a control loop. Accordingly, the first circuit can be simplified compared to a regulated control, since in particular no controller and no feedback (control loop) are required and the circuit components required for this can therefore be omitted. This means that particularly space-saving solution variants can be implemented. This is possible in particular because in periodic operation, i.e. a periodic alternating change between the two circuit configurations of the switching device, the voltage across the MEMS capacitance is essentially, i.e. to a good approximation, as a linear function of the period duration or, more precisely, the duration of the first circuit configuration can be modeled. A pure control without regulation can also be sufficient for a sufficiently precise adjustment of the voltage across the MEMS capacitance and thus control of the actuator with good accuracy. In addition, energy losses associated with regulation are eliminated, so that the power consumption of the first circuit can be further reduced and its efficiency can be further increased.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Schalteinrichtung des Weiteren eingerichtet, einen dritten Strompfad wiederholt temporär derart freizuschalten, insbesondere in Abhängigkeit von der Steuerung, dass über diesen dritten Strompfad die MEMS-Kapazität wiederholt, zumindest teilweise, entladen werden kann, um an der MEMS-Kapazität eine ihrer Höhe nach zeitlich variable Versorgungsspannung des elektromechanischen Wandlers zu erzeugen. Das Durchgängigschalten und das dadurch bedingte Entladen können insbesondere periodisch erfolgen. Durch das Entladen lässt sich ein Ladungszustand der MEMS-Kapazität herstellen, der zu einer betragsmäßig niedrigeren Spannung über der MEMS-Kapazität und somit zu einer entsprechend niedrigeren Eingangsspannung am Aktuator führt als im geladenen Ladungszustand (der während der zweiten Konfiguration der Schalteinrichtung erreicht wird). So lässt sich der Aktuator zumindest zwischen zwei Zuständen (geladen/entladen) schalten, die über die elektromechanische Wandlung zu zwei verschiedenen mechanischen Zuständen des Aktuators korrespondieren. Bei einem alternierenden, insbesondere periodischen, Wechsel zwischen den beiden Ladungszuständen lässt sich somit eine korrespondierende, insbesondere periodische, mechanische Bewegung am Aktuator bewirken, die zum Antrieb einer Bewegung, insbesondere Schwingungsbewegung, in einem MEMS (wie etwa einer Spiegelbewegung, insbesondere Spiegeloszillation eines Mikroscannersystems) genutzt werden kann.In some embodiments, the switching device is further set up to repeatedly temporarily activate a third current path, in particular depending on the control, in such a way that the MEMS capacity can be repeatedly, at least partially, discharged via this third current path, in order to generate a supply voltage of the electromechanical converter that varies over time at the MEMS capacitance. The continuous switching and the resulting discharging can take place in particular periodically. By discharging, a state of charge of the MEMS capacitance can be established, which leads to a lower voltage across the MEMS capacitance and thus to a correspondingly lower input voltage at the actuator than in the charged state of charge (which is achieved during the second configuration of the switching device). In this way, the actuator can be switched at least between two states (charged/discharged), which correspond to two different mechanical states of the actuator via the electromechanical conversion. With an alternating, in particular periodic, change between the two charge states, a corresponding, in particular periodic, mechanical movement can be brought about on the actuator, which is used to drive a movement, in particular an oscillatory movement, in a MEMS (such as a mirror movement, in particular a mirror oscillation of a microscanner system). can be used.

Bei einigen Ausführungsformen ist dabei der dritte Strompfad zu einer Pufferkapazität zur Pufferung der Versorgungsspannung geführt, um Ladung von der MEMS-Kapazität bei deren Entladen in die Pufferkapazität zu überführen. So kann die beim Laden der MEMS-Kapazität in diese eingebrachte Ladung zumindest teilweise rückgewonnen und für einen nachfolgenden weiteren Ladevorgang genutzt werden. Auf diese Weise lässt sich die Leistungsaufnahme der erste Schaltung weiter reduzieren und somit deren Wirkungsgrad und damit Effizienz weiter steigern. In dieser Variante wird der dritte Strompfad, zur Unterscheidung von einem alternativen Strompfad gemäß einer anderen Variante zur Entladung ohne Ladungsrückführung bzw. Pufferung, auch als vierter Strompfad bezeichnet.In some embodiments, the third current path is led to a buffer capacity for buffering the supply voltage in order to transfer charge from the MEMS capacity into the buffer capacity when it is discharged. In this way, the charge introduced into the MEMS capacity when charging can be at least partially recovered and used for a subsequent further charging process. In this way, the power consumption of the first circuit can be further reduced and thus its efficiency and thus efficiency can be further increased. In this variant, the third current path is also referred to as the fourth current path to distinguish it from an alternative current path according to another variant for discharging without charge return or buffering.

Bei einigen Ausführungsformen ist die Schalteinrichtung des Weiteren eingerichtet, insbesondere in Abhängigkeit von der Steuerung, wiederholt und jeweils temporär in einem Zeitraum, in dem der zweite Strompfad nicht freigeschaltet ist, einen vierten Strompfad zwischen der MEMS-Kapazität und einem zum dem ersten Pol elektrisch gegenpoligen zweiten Pol der Booster-Induktivität derart freizuschalten, dass die MEMS-Kapazität dabei auf eine zweite Spannung mit einer zur Polarität der ersten Spannung entgegengesetzten Polarität aufgeladen wird. Auf diese Weise lässt sich ein bipolarer Betrieb ermöglichen, bei dem sich die Polarität über der MEMS-Kapazität ändert, insbesondere alternierend. Dementsprechend können bei Verwendung eines Aktuators, wie etwa eines Piezoaktors, der polarisationsabhängig arbeitet, verschiedene Aktuatorzustände in Abhängigkeit von, insbesondere im zeitlichen Einklang mit, dem Wechsel der Polarität der Spannung über der MEMS-Kapazität bewirkt werden. Durch einen solchen bipolaren Antrieb mit positiven und negativen Spannungen kann insbesondere zudem - im Vergleich zu einem unipolarem Antrieb - unter Nutzung lediglich einer positiven und einer negativen Spannung die Leistungsaufnahme erneut halbiert werden, wenn die gleiche Spannungsamplitude (Vmax - Vmin) betrachtet wird.In some embodiments, the switching device is further set up, in particular depending on the control, repeatedly and temporarily in a period of time in which the second current path is not activated, a fourth current path between the MEMS capacitance and one with an electrically opposite polarity to the first pole to unlock the second pole of the booster inductance in such a way that the MEMS capacitance is charged to a second voltage with a polarity opposite to the polarity of the first voltage. In this way, bipolar operation can be enabled, in which the polarity changes across the MEMS capacitance, in particular alternating. Accordingly, when using an actuator, such as a piezo actuator, which operates in a polarization-dependent manner, different actuator states can be brought about depending on, in particular in time with, the change in polarity of the voltage across the MEMS capacitance. With such a bipolar drive with positive and negative voltages, the power consumption can be halved again - compared to a unipolar drive - using only one positive and one negative voltage, if the same voltage amplitude (V max - V min ) is considered.

Bei einigen dieser Ausführungsformen weist die Schaltungseinrichtung auf: (i) einen ersten Schalter, S1, zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen der Versorgungsspannung und dem zweiten Pol der Booster-Induktivität; (ii) einen mit dem ersten Pol der Booster-Induktivität elektrisch verbundenen zweiten Schalter, S2, zum Durchgängigschalten bzw. Unterbrechen des ersten Strompfads; (iii) einen mit dem ersten Pol der Booster-Induktivität elektrisch verbundenen dritten Schalter, S3, zum Durchgängigschalten bzw. Unterbrechen des zweiten Strompfads; und (iv) einen mit dem zweiten Pol der Booster-Induktivität und der MEMS-Kapazität elektrisch verbundenen vierten Schalter, S4, zum Durchgängigschalten bzw. Unterbrechen des vierten Strompfads. So lässt sich auf sehr effiziente, insbesondere komponenten- und somit platz- und energiesparende Weise unter Verwendung von nur vier Schaltern in der Schalteinrichtung eine im o.g. Sinne bipolare Implementierung der ersten Schaltung erreichen.In some of these embodiments, the circuit device includes: (i) a first switch, S 1 , for switching an electrical connection between the supply voltage and the second pole of the booster inductor; (ii) a second switch, S 2 , electrically connected to the first pole of the booster inductance, for switching on or interrupting the first current path; (iii) a third switch, S 3 , electrically connected to the first pole of the booster inductance, for switching on or interrupting the second current path; and (iv) a fourth switch, S 4 , electrically connected to the second pole of the booster inductance and the MEMS capacitance, for switching on or interrupting the fourth current path. In this way, a bipolar implementation of the first circuit in the above-mentioned sense can be achieved in a very efficient, particularly component- and thus space- and energy-saving manner, using only four switches in the switching device.

Unter dem Begriff „elektrisch verbunden“ ist hier eine unmittelbare elektrische Verbindung ohne dazwischenliegenden Schaltungskomponenten (d.h. Bauelemente) oder aber eine mittelbare Verbindung über eine oder mehrere dazwischenliegenden Schaltungskomponenten (d.h. Bauelemente), z.B. Widerstände, zu verstehen, wobei die Verbindung insbesondere die Charakteristik eines (kleinen) Ohm'schen Widerstands R haben kann, z.B. mit R < 10 Ω.The term “electrically connected” here means a direct electrical connection without any intermediate circuit components (i.e. components) or an indirect connection via one or more intermediate circuit components (i.e. components), e.g. resistors, whereby the connection in particular has the characteristics of a ( small) ohmic resistance R, e.g. with R < 10 Ω.

Bei einigen Ausführungsformen weist die Schaltung des Weiteren einen fünften Schalter, S5, zum Durchgängigschalten bzw. Unterbrechen eines zwischen dem zweiten Pol der Induktivität und Masse liegenden Strompfads auf.In some embodiments, the circuit further comprises a fifth switch, S 5 , for switching on or interrupting a current path lying between the second pole of the inductor and ground.

Insbesondere kann dabei gemäß einiger der Ausführungsformen die Steuerung konfiguriert sein, die Schaltungseinrichtung schrittweise gemäß der nachfolgenden Sequenz in verschiedene Schaltzustände zu versetzen, wobei die Sequenz wenigstens einmal, vorzugsweise mehrfach, insbesondere periodisch, durchlaufen wird:

  1. (a) S1 und S2 geschlossen, S3 und S4 offen;
  2. (b) S1 und S3 geschlossen, S2 und S4 offen;
  3. (c) S2 und S3 geschlossen, S1 und S4 offen;
  4. (d) S1 und S2 geschlossen, S3 und S4 offen;
  5. (e) S2 und S4 geschlossen, S1 und S3 offen;
  6. (f) S2 und S3 geschlossen, S1 und S4 offen.
In particular, according to some of the embodiments, the controller can be configured to gradually switch the circuit device into different switching states according to the following sequence offset, the sequence being run through at least once, preferably several times, in particular periodically:
  1. (a) S 1 and S 2 closed, S 3 and S 4 open;
  2. (b) S 1 and S 3 closed, S 2 and S 4 open;
  3. (c) S 2 and S 3 closed, S 1 and S 4 open;
  4. (d) S 1 and S 2 closed, S 3 and S 4 open;
  5. (e) S 2 and S 4 closed, S 1 and S 3 open;
  6. (f) S 2 and S 3 closed, S 1 and S 4 open.

Bei einigen dieser Ausführungsformen weist die erste Schaltung eine Pufferkapazität, insbesondere einen Kondensator, zur kapazitiven Pufferung der Versorgungsspannung auf. Die Sequenz weist zudem zusätzlich einen weiteren Schaltzustand (b1) auf, der zwischen den Schaltzuständen (b) und (c) liegt und dadurch gekennzeichnet ist, dass in ihm S1 und S4 geschlossen und S2 und S3 offen sind. So kann beim Entladen der MEMS-Kapazität Ladung aus der MEMS-Kapazität in die Pufferkapazität überführt werden, um für eine weiteren Schaltzyklus zur Verfügung zu stehen, ohne dass die entsprechende Ladungsmenge von der Versorgungsspannungsquelle zur Verfügung gestellt werden muss. So wird auch auf diese Weise die Leistungsaufnahme reduziert und der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der (bipolaren) ersten Schaltung weiter gesteigert.In some of these embodiments, the first circuit has a buffer capacitance, in particular a capacitor, for capacitive buffering of the supply voltage. The sequence also has a further switching state (b1), which lies between the switching states (b) and (c) and is characterized in that S 1 and S 4 are closed and S 2 and S 3 are open. When discharging the MEMS capacity, charge can be transferred from the MEMS capacity to the buffer capacity in order to be available for another switching cycle without the corresponding amount of charge having to be made available from the supply voltage source. In this way, the power consumption is also reduced and the efficiency of the (bipolar) first circuit is further increased.

Bei einigen Ausführungsformen weist die Sequenz zusätzlich (zu den Zuständen (a) bis (f) und optional auch zu (b1)) einen weiteren Schaltzustand (b2) auf, der zwischen den Schaltzuständen (b) und (c) liegt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass in ihm S2 und S4 geschlossen und S1 und S3 offen sind. So kann beim Entladen der MEMS-Kapazität Ladung aus der MEMS-Kapazität durch die Booster-Induktivität geleitet werden, um sie für einen weiteren Schaltzyklus bereits zumindest anteilig mit Energie (in ihrem Magnetfeld) zu laden, ohne dass die aus diesem Strom resultierende Energieaufladung der Booster-Induktivität nachfolgend stattdessen von der Versorgungsspannungsquelle zur Verfügung gestellt werden muss. So kann auch auf diese Weise die Leistungsaufnahme reduziert und somit der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der (bipolaren) ersten Schaltung weiter gesteigert werden.In some embodiments, the sequence has, in addition (to the states (a) to (f) and optionally also to (b1)), a further switching state (b2), which lies between the switching states (b) and (c), and is characterized thereby is that in it S 2 and S 4 are closed and S 1 and S 3 are open. When discharging the MEMS capacitance, charge from the MEMS capacitance can be passed through the booster inductance in order to at least partially charge it with energy (in its magnetic field) for another switching cycle, without the energy charging resulting from this current Booster inductance must subsequently be provided by the supply voltage source instead. In this way, the power consumption can also be reduced and the efficiency of the (bipolar) first circuit can be further increased.

Bei einigen Ausführungsformen weist die Sequenz zusätzlich einen weiteren Schaltzustand (e1) auf, der dem Schaltzustand (g) folgt und dem Schaltzustand (f) vorausgeht und der dadurch gekennzeichnet ist, dass in ihm S4 und S5 geschlossen und S1, S2 und S3 offen sind. Dies ermöglicht eine Rückgewinnung von Energie auch aus negativen Spannungen über der MEMS-Kapazität CM (anschließend an Schaltzustand (e1)).In some embodiments, the sequence additionally has a further switching state (e1), which follows the switching state (g) and precedes the switching state (f) and which is characterized in that S 4 and S 5 are closed in it and S 1 , S 2 and S 3 are open. This enables energy to be recovered even from negative voltages across the MEMS capacitance C M (following switching state (e1)).

Bei einigen Ausführungsformen weist die Steuerung (genauer die entsprechende Steuerungseinrichtung) eine mehrstufige Verzögerungskette und einen Multiplexer zum zeitlich gestaffelten Abgreifen der jeweiligen Ausgangssignale der Stufen der Verzögerungskette auf, um ein zeitlich variables Steuerungssignal zur Ansteuerung der Schalteinrichtung zu erzeugen. Die Verzögerungsglieder der Verzögerungskette können hierbei insbesondere aus Standardzellen oder auch als speziell definierte („customized“) analoge Komponenten oder Schaltungsteile ausgeführt sein, wobei die benötigte Verzögerung der einzelnen Stufen sich aus dem Quotienten der maximalnotwendigen Einschaltzeit (Dauer der ersten Schaltungskonfiguration) und der Anzahl der Stufen errechnen lässt. Die analoge Ausführung hätte den Vorteil, dass über eine Einstellung eines Treiberstroms für die Verzögerungsglieder (Stromsteuerung, vgl. „current-starved“ Inverter) die Verzögerungszeit jedes einzelnen Verzögerungsgliedes eingestellt werden kann, und somit für beliebige MEMS-Kondensatoren (mit unterschiedlichen Kapazitätswerten und Ausgangsspannungen) optimal einstellbar wäre.In some embodiments, the controller (more precisely, the corresponding control device) has a multi-stage delay chain and a multiplexer for tapping the respective output signals of the stages of the delay chain in a time-staggered manner in order to generate a time-variable control signal for controlling the switching device. The delay elements of the delay chain can in particular be made from standard cells or as specially defined (“customized”) analog components or circuit parts, with the required delay of the individual stages being the quotient of the maximum necessary switch-on time (duration of the first circuit configuration) and the number of levels can be calculated. The analog version would have the advantage that the delay time of each individual delay element can be set by setting a driver current for the delay elements (current control, cf. "current-starved" inverter), and thus for any MEMS capacitors (with different capacitance values and output voltages ) could be optimally adjusted.

Insbesondere kann gemäß einiger dieser Ausführungsformen die Schalteinrichtung mittels des Steuerungssignals derart ansteuerbar sein, dass mittels des Steuerungssignals ein Umschalten zwischen der ersten Schaltkonfiguration und der zweiten Schaltkonfiguration, oder umgekehrt, bewirkt werden kann.In particular, according to some of these embodiments, the switching device can be controlled by means of the control signal in such a way that switching between the first switching configuration and the second switching configuration, or vice versa, can be effected by means of the control signal.

So lässt sich auf einfache und energieeffiziente Weise eine Steuerung für die Schaltung, insbesondere von deren Schalteinrichtung, realisieren.In this way, control for the circuit, in particular its switching device, can be implemented in a simple and energy-efficient manner.

Schaltung mit einem pausierbaren Schwingkreis („zweite Schaltung“)Circuit with a pauseable resonant circuit (“second circuit”)

Ein zweiter Aspekt der Lösung betrifft eine zweite Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators, insbesondere MEMS-Aktuators, zum Antrieb einer Schwingungsbewegung eines Massenelements in einem MEMS. Die Ansteuerung kann insbesondere geregelt oder ungeregelt sein.A second aspect of the solution relates to a second circuit for controlling an actuator, in particular a MEMS actuator, for driving an oscillatory movement of a mass element in a MEMS. The control can in particular be regulated or unregulated.

Diese zweite Schaltung weist auf:

  1. (i) einen elektrischen Schwingkreis, der eine erste Induktivität (nachfolgend zur Unterscheidung von anderen im weiteren genannten Induktivitäten als „Schwingkreis-Induktivität“ bezeichnet, insbesondere eine oder mehrere Spulen aufweisend), eine erste elektrische MEMS-Kapazität, und eine, insbesondere mittels eines Steuersignals, ansteuerbare erste Schalteinrichtung (nachfolgend auch als „Schwingkreis-Schalter“ bezeichnet) zum selektiven Unterbrechen bzw. Schließen des Schwingkreises in Abhängigkeit von einer Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung enthält und eine auf einen dauerhaft geschlossenen Zustand des Schwingkreises bezogene Resonanzfrequenz aufweist; und
  2. (ii) eine Steuerung zur Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung.
This second circuit has:
  1. (i) an electrical resonant circuit, which has a first inductance (hereinafter referred to as “resonant circuit inductance” to distinguish it from other inductors mentioned below, in particular having one or more coils), a first electrical MEMS capacitance, and one, in particular by means of one Control signal, controllable first switching device (hereinafter also referred to as “resonant circuit switch”) for selectively interrupting or closing the resonant circuit depending on a control of the first switching device and has a resonance frequency related to a permanently closed state of the resonant circuit; and
  2. (ii) a controller for controlling the first switching device.

Die Steuerung ist konfiguriert, die erste Schalteinrichtung während einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises, wenn die Spannung über der ersten MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum innerhalb der Schwingungsperiode erreicht, durch eine entsprechende Ansteuerung temporär, insbesondere für ein bestimmten Anteil der Schwingungsperiode, in einen Zustand zu versetzen, in dem sie den Schwingkreis unterbricht, um eine tatsächliche Schwingungsfrequenz des Schwingkreises zu bewirken, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz.Mit der zweiten Schaltung lässt sich die effektive Schwingungsfrequenz des Schwingkreises mittels der ersten Schalteinrichtung variabel einstellen. Das temporäre Unterbrechen des Schwingkreises bewirkt ein dazu korrespondierendes Pausieren der elektrischen Schwingung im Schwingkreis („pausierter Schwingkreis“), was zu einer effektiven Schwingungsfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (in einem dauerhaft geschlossenen Zustand) führt.The controller is configured to temporarily switch the first switching device into a state during a respective oscillation period of the resonant circuit, when the voltage across the first MEMS capacitance reaches a maximum within the oscillation period, by means of a corresponding control, in particular for a certain portion of the oscillation period by interrupting the resonant circuit in order to bring about an actual oscillation frequency of the resonant circuit that is smaller than the resonance frequency. With the second circuit, the effective oscillation frequency of the resonant circuit can be variably adjusted using the first switching device. The temporary interruption of the oscillating circuit causes a corresponding pausing of the electrical oscillation in the oscillating circuit (“paused oscillating circuit”), which leads to an effective oscillation frequency below the resonance frequency of the oscillating circuit (in a permanently closed state).

Somit lässt sich die geringere effektive Schwingungsfrequenz erreichen, ohne gemäß der Beziehung (1) (vgl. Abschnitt „Begrifflichkeiten“ oben) die Werte der (ersten) MEMS-Kapazität C oder der (ersten) Induktivität L vergrößern zu müssen. Wenn schwingungsfähige Komponenten eines MEMS bezüglich ihrer Schwingungsfrequenz eine bestimmte obere Grenzfrequenz nicht überschreiten können oder sollen, dann lassen sich mithilfe des o.g. Konzepts des pausierbaren Schwingkreises effektive Schwingungsfrequenzen erreichen, insbesondere auch variabel einstellen, die bei oder unterhalb der Grenzfrequenz liegen, obwohl dazu Werte für C und L verwendet werden, aus denen sich per Beziehung (1) eine oberhalb der Grenzfrequenz liegende Resonanzfrequenz f0 ergibt. Insbesondere lassen sich somit kleinere und somit platzsparende Induktivitäten L und/oder MEMS-Kapazitäten (insbesondere kapazitive Lasten) C nutzen und so der Platzbedarf für die Schaltung zur Ansteuerung des Aktuators verringern bzw. klein halten.The lower effective oscillation frequency can thus be achieved without having to increase the values of the (first) MEMS capacitance C or the (first) inductance L in accordance with relationship (1) (see “Termology” section above). If oscillatory components of a MEMS cannot or should not exceed a certain upper limit frequency with regard to their oscillation frequency, then with the help of the above-mentioned concept of the pauseable oscillating circuit, effective oscillation frequencies can be achieved, in particular also set variably, which are at or below the limit frequency, although values for C and L are used, from which a resonance frequency f 0 above the cutoff frequency results from relationship (1). In particular, smaller and therefore space-saving inductors L and/or MEMS capacitances (in particular capacitive loads) C can be used and the space required for the circuit for controlling the actuator can be reduced or kept small.

Die im Schwingkreis befindliche Energie wird somit, zumindest größtenteils, während der durch die Unterbrechung bedingten Pausierung der Schwingung in der MEMS-Kapazität in Form von elektrischer Energie gespeichert gehalten, bis durch Schließen des Schwingkreises die Schwingung fortgesetzt wird. Diese Speicherung während der Pausierung des Schwingkreises kann, jedenfalls bei einer verlustarmen MEMS-Kapazität, über eine langen Zeitraum weitgehend aufrechterhalten werden, so dass sich ohne signifikante (insbesondere anwendungsbezogen inakzeptable) Energieverluste eine entsprechend großer Wertebereich für die variable einstellbare effektive Schwingungsfrequenz des Schwingkreises erreichen lässt.The energy in the resonant circuit is therefore, at least largely, stored in the MEMS capacity in the form of electrical energy during the pause in the oscillation caused by the interruption until the oscillation is continued by closing the resonant circuit. This storage during the pause of the resonant circuit can be largely maintained over a long period of time, at least with a low-loss MEMS capacity, so that a correspondingly large range of values for the variable, adjustable effective oscillation frequency of the resonant circuit can be achieved without significant (particularly application-related) energy losses .

Des Weiteren wird zum Umladen der MEMS-Kapazität und somit zum Betrieb des dadurch gespeisten Aktuators die periodisch temporär in der ersten Induktivität gespeicherte Energie verwendet bzw. mitverwendet, so dass sich eine besonders verbrauchsarme (periodische) Ansteuerung des Aktuators realisieren lässt. Aufgrund ihres geringen Platzbedarfs als auch ihrer hohen Energieeffizienz ist die Schaltung insbesondere für den Einsatz in mobilen Anwendungen, vor allem auch in tragbaren Geräten mit geringen Abmessungen (z.B. in sog. „Wearables'“), geeignet.Furthermore, the energy periodically temporarily stored in the first inductance is used or used to reload the MEMS capacitance and thus to operate the actuator fed thereby, so that a particularly low-consumption (periodic) control of the actuator can be achieved. Due to its small space requirement and its high energy efficiency, the circuit is particularly suitable for use in mobile applications, especially in portable devices with small dimensions (e.g. in so-called “wearables”).

Die Möglichkeit, die effektive Schwingungsfrequenz bei gegebenen Werten für C und L anhand der Steuerung mittels der ersten Schalteinrichtung variabel einstellen zu können, kann zudem vorteilhaft dazu genutzt werden, Bauteiltoleranzen, insbesondere im Rahmen einer Massenfertigung, zu kompensieren.The possibility of being able to variably adjust the effective oscillation frequency for given values for C and L based on the control using the first switching device can also be used advantageously to compensate for component tolerances, especially in the context of mass production.

Nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der zweiten Schaltung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den hierin beschriebenen anderen Aspekten der Lösung kombiniert werden können.Various exemplary embodiments of the second circuit are described below, each of which can be combined in any way with each other and with the other aspects of the solution described herein, unless this is expressly excluded or is technically impossible.

Bei einigen Ausführungsformen ist die MEMS-Kapazität derart als Bestandteil des Aktuators ausgebildet, dass sie einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet. Der Wandler ist dabei konfiguriert, in der MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln. Der Aktuator kann insbesondere ein MEMS-Aktuator sein, z.B. ein Piezoaktor. Die über der MEMS-Kapazität im Rahmen der elektrischen Schwingung im Schwingkreis abfallende Spannung kann somit direkt und ohne weitere kapazitive Pufferung dem Aktuator zur Verfügung gestellt werden, so dass ein hoher Wirkungsgrad der zweiten Schaltung erreicht werden kann.In some embodiments, the MEMS capacitance is formed as part of the actuator such that it forms part of an electro-mechanical transducer of the actuator. The converter is configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance into at least one mechanical quantity to drive a movement of the actuator. The actuator can in particular be a MEMS actuator, for example a piezo actuator. The voltage that drops across the MEMS capacitance as part of the electrical oscillation in the resonant circuit can therefore be made available to the actuator directly and without further capacitive buffering, so that a high level of efficiency of the second circuit can be achieved.

Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerungsschaltung insbesondere dazu konfiguriert sein, in einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises die erste Schalteinrichtung in einen Zustand zu versetzen, in dem sie den Schwingkreis unterbricht, wenn die Spannung über der MEMS-Kapazität innerhalb der Schwingungsperiode nach einer während der Schwingungsperiode erfolgenden Umladung der MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum erreicht. So kann erreicht werden, dass die maximal zur Verfügung stehende Energie zum Umladen des Kondensators verwendet wurde und der Resonanzschwingkreis die gesamte Leistungsaufnahme optimal reduziert.In some embodiments, the control circuit may in particular be configured to, in a respective oscillation period of the oscillation circuit, put the first switching device into a state in which it interrupts the oscillation circuit if the voltage across the MEMS capacitance within the oscillation period after a voltage occurring during the oscillation period Reloading of the MEMS capacity reaches a maximum in terms of amount. This ensures that the maximum available energy is used to reload the capacitor and the resonant circuit optimally reduces the total power consumption.

Auch kann so erreicht werden, dass der Strom in der Induktivität ein Minimum erreicht hat bzw. gegen null geht und somit keine Spannungsspitzen durch die Induktivität auftreten.It can also be achieved in this way that the current in the inductance has reached a minimum or approaches zero and therefore no voltage peaks occur through the inductance.

Bei einigen Ausführungsformen weist der Schwingkreis zusätzlich zur MEMS-Kapazität eine davon separat ausgebildete zweite MEMS-Kapazität mit (bezüglich der ersten MEMS-Kapazität) gleichem oder verschiedenen Kapazitätswert auf. Die MEMS-Kapazität und die zweite MEMS-Kapazität sind in dem Schwingkreis so verschaltet, dass ein erster Pol der MEMS-Kapazität mit einem ersten Pol der zweiten MEMS-Kapazität über zumindest einen Schalter der ersten Schalteinrichtung und die Schwingkreis-Induktivität elektrisch verbunden ist und die jeweiligen zweiten Pole der beiden MEMS-Kapazitäten so miteinander elektrisch verbunden sind, dass sie bei Betrieb des Schwingkreises auf einem selben (konstanten oder zeitlich variablen) elektrischen Potenzial gehalten werden.In some embodiments, the resonant circuit has, in addition to the MEMS capacitance, a separately formed second MEMS capacitance with the same or different capacitance value (relative to the first MEMS capacitance). The MEMS capacitance and the second MEMS capacitance are connected in the resonant circuit in such a way that a first pole of the MEMS capacitance is electrically connected to a first pole of the second MEMS capacitance via at least one switch of the first switching device and the resonant circuit inductance and the respective second poles of the two MEMS capacitances are electrically connected to one another in such a way that they are kept at the same (constant or time-variable) electrical potential during operation of the resonant circuit.

Auf diese Weise können an den beiden MEMS-Kapazitäten zueinander bezüglich ihres Vorzeichens komplementäre Spannungen abgegriffen werden. Um auf eine gewünschte Differenzspannung zwischen den potenzialmäßig am weitesten auseinanderliegenden Polen dieser Kombination aus MEMS-Kapazitäten zu kommen, genügt es daher die beiden einzelnen MEMS-Kapazitäten auf eine betragsmäßig geringere Spannung zu laden, da sich die beiden Spannungen addieren. Das o.g. genannte Prinzip des pausierbaren Schwingkreises bleibt dabei, zumindest im Wesentlichen, unberührt. Eine solche Konfiguration kann insbesondere vorteilhaft genutzt werden, um einen differentiellen Antrieb eines schwingungsfähigen MEMS, insbesondere einen Antrieb einer Schwingungsbewegung eines Ablenkelements eines Mikroscanners, zu bewerkstelligen.In this way, voltages that are complementary to each other in terms of their sign can be tapped at the two MEMS capacitances. In order to achieve a desired difference voltage between the poles of this combination of MEMS capacitances that are furthest apart in terms of potential, it is therefore sufficient to charge the two individual MEMS capacitances to a lower voltage, since the two voltages add up. The above-mentioned principle of the pauseable resonant circuit remains, at least essentially, unaffected. Such a configuration can be used particularly advantageously to achieve a differential drive of an oscillatory MEMS, in particular a drive of an oscillatory movement of a deflection element of a microscanner.

Ein solcher Antrieb ist dabei vor allem im Hinblick auf das Erreichen einer möglichst gleichförmigen, ruckfreien Schwingung des Ablenkelements (Spiegels) des Mikroscanners und/oder zur Verringerung der Leistungsaufnahme vorteilhaft. Die zweite MEMS-Kapazität kann dann ebenfalls als MEMS-Kapazität eines (insbesondere zweiten) Aktuators ausgebildet sein und dabei Teil eines Wandlers bilden, der konfiguriert ist, in der zweiten MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung dieses Aktuators zu wandeln.Such a drive is particularly advantageous with regard to achieving the most uniform, smooth oscillation of the deflection element (mirror) of the microscanner and/or for reducing the power consumption. The second MEMS capacitance can then also be designed as a MEMS capacitance of a (in particular second) actuator and thereby form part of a converter that is configured to convert electrical energy stored in the second MEMS capacitance into at least one mechanical quantity to drive a movement of the actuator Actuator to convert.

Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Schaltung des Weiteren eine Energieversorgungsschaltung zur temporären Zufuhr von elektrischer Energie in den Schwingkreis auf. So lässt sich trotz der in der Realität unvermeidlichen Verluste (z.B. durch Wärmeentwicklung in parasitären, insbesondere ohmeschen, Widerständen der realen Schaltung), Abstrahlungen von elektromagnetischen Wellen bei höheren Frequenzen oder Reibungen im MEMS oder Luftreibungen von bewegten Teilen des MEMS) ein längerer, insbesondere sogar dauerhafter Betrieb des MEMS realisieren, in dem die Energieversorgungsschaltung die Energieverluste zumindest teilweise ausgleichen kann. So lässt sich die Energie im Schwingkreis aufrechterhalten oder jedenfalls deren Abbau verlangsamen.In some embodiments, the second circuit further comprises a power supply circuit for temporarily supplying electrical energy to the resonant circuit. Despite the losses that are unavoidable in reality (e.g. due to heat development in parasitic, especially ohmic, resistances of the real circuit), radiation of electromagnetic waves at higher frequencies or friction in the MEMS or air friction from moving parts of the MEMS), a longer, in particular even Realize permanent operation of the MEMS in which the energy supply circuit can at least partially compensate for the energy losses. In this way, the energy in the oscillating circuit can be maintained or at least its degradation can be slowed down.

Bei einigen Ausführungsformen weist die Energieversorgungsschaltung eine zweite Schalteinrichtung auf, die konfiguriert ist, in Abhängigkeit von einer Ansteuerung, insbesondere durch die Steuerung, einen ersten Einspeisungspunkt für elektrische Energie temporär mit dem Schwingkreis zu verbinden, um den Schwingkreis mit am ersten Einspeisungspunkt zugeführter bzw. zuführbarer elektrischer Energie zu versorgen. Damit lässt sich die Energiezufuhr in den Schwingkreis, insbesondere um diesen anfänglich aufzuschwingen bzw. im nachfolgenden Betrieb dessen Energieverluste zu kompensieren, anhand der Ansteuerung genau einstellen, insbesondere deren zeitlicher Verlauf optimieren.In some embodiments, the power supply circuit has a second switching device that is configured to have a first one depending on a control, in particular by the controller The th feed point for electrical energy is to be temporarily connected to the resonant circuit in order to supply the resonant circuit with electrical energy that is supplied or can be supplied at the first feed point. This means that the energy supply to the resonant circuit, in particular in order to initially oscillate it or to compensate for its energy losses in subsequent operation, can be precisely adjusted based on the control, in particular its time course can be optimized.

Speziell kann dazu die zweite Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen konfiguriert sein, insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung, in einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises die zweite Schalteinrichtung dann temporär zu schließen, wenn die Spannung über der MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum innerhalb der Schwingungsperiode erreicht und die gleiche Polung wie eine von der Energieversorgungsschaltung am ersten Einspeisungspunkt zur Verfügung gestellte Spannung aufweist. Die MEMS-Kapazität wird dementsprechend nachgeladen, wenn sie gerade im Rahmen der bereits erfolgenden elektrischen Schwingung im Schwingkreis gerade maximal aufgeladen ist, so dass nur noch eine Zusatzladung zum Auffüllen der Ladung der MEMS-Kapazität auf eine Sollspannung von der Energieversorgungsschaltung geliefert werden muss. im vorgenannten Falle, dass im Schwingkreis auch eine zweite MEMS-Kapazität vorgesehen ist, kann dies dort unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Polung entsprechend implementiert sein.Specifically, according to some embodiments, the second circuit can be configured, in particular by means of a corresponding control, to temporarily close the second switching device in a respective oscillation period of the resonant circuit when the voltage across the MEMS capacitance reaches a maximum within the oscillation period and the same Polarity like a voltage provided by the power supply circuit at the first feed point. The MEMS capacity is recharged accordingly when it is currently maximally charged as part of the electrical oscillation that is already occurring in the resonant circuit, so that only an additional charge to fill the charge of the MEMS capacity to a target voltage needs to be supplied by the energy supply circuit. In the aforementioned case that a second MEMS capacitance is also provided in the resonant circuit, this can be implemented there accordingly, taking the opposite polarity into account.

Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Schaltung konfiguriert, in der jeweiligen Schwingungsperiode mittels der zweiten Schalteinrichtung den ersten Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis zu einem Zeitpunkt zu verbinden, vor dem in der Schwingungsperiode bereits zwei aufeinanderfolgende Umladevorgänge der MEMS-Kapazität des Schwingkreises erfolgt sind, seit zuletzt mittels der zweiten Schalteinrichtung der erste Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis verbunden wurde. Dies kann insbesondere im Hinblick auf eine effiziente und kompakte Realisierung vorteilhaft sein, denn es reicht dann aus, lediglich eine einzige Hochspannungsquelle, wahlweise mit positiver oder negativer Polung der Ausgangsspannung, vorzusehen. Insbesondere dann, wenn eine solche Hochspannungsquelle herkömmliche spulenbasierte Hochsetzsteller zur Spannungserhöhung aufweist, kann auf einer Platine entsprechend eine Spule eingespart werden. Gerade bei der Umsetzung der Schaltung unter Verwendung einer integrierten Schaltung (IC, z.B. ASiC), bei der kaum zusätzliche IC-externe Bauelemente notwendig sind, kann dies ein Vorteil sein.In some embodiments, the second circuit is configured to temporarily connect the first feed point to the oscillating circuit in the respective oscillation period by means of the second switching device at a time before which two consecutive recharging processes of the MEMS capacity of the oscillating circuit have already taken place in the oscillation period, since last The first feed point was temporarily connected to the resonant circuit by means of the second switching device. This can be particularly advantageous with regard to an efficient and compact implementation, because it is then sufficient to provide only a single high-voltage source, either with positive or negative polarity of the output voltage. In particular, if such a high-voltage source has conventional coil-based step-up converters to increase the voltage, one coil can be saved on a circuit board. This can be an advantage, especially when implementing the circuit using an integrated circuit (IC, e.g. ASiC), where hardly any additional IC-external components are necessary.

Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Schaltung konfiguriert, in der jeweiligen Schwingungsperiode mittels der zweiten Schalteinrichtung den ersten Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis elektrisch zu verbinden und dabei die MEMS-Kapazität zu laden, während die erste Schalteinrichtung sich in einem Zustand befindet, in dem sie die Schwingkreis-Induktivität von dem ersten Einspeisungspunkt elektrisch trennt. Der vom ersten Einspeisungspunkt kommende Ladestrom wird somit in den Schwingkreis, genauer in die MEMS-Kapazität, eingespeist, während der Schwingkreis unterbrochen ist. Der Ladestrom wird somit im Wesentlichen vollständig, d.h. insbesondere von etwaigen parasitären Verlusten abgesehen, zum Nachladen der MEMS-Kapazität genutzt, während zu diesem Zeitpunkt die Schwingkreis-Induktivität stromlos bleibt. So lässt sich insbesondere eine sehr schnelle und effektive Energieversorgung des Schwingkreises zur Kompensation von aufgetretenen Energieverlusten realisieren.In some embodiments, the second circuit is configured to temporarily electrically connect the first feed point to the resonant circuit in the respective oscillation period by means of the second switching device and thereby charge the MEMS capacitance while the first switching device is in a state in which it is Resonant circuit inductance electrically separates from the first feed point. The charging current coming from the first feed point is thus fed into the resonant circuit, more precisely into the MEMS capacity, while the resonant circuit is interrupted. The charging current is therefore essentially completely used, i.e. apart from any parasitic losses, to recharge the MEMS capacity, while the resonant circuit inductance remains de-energized at this point. In particular, a very quick and effective energy supply to the resonant circuit can be achieved to compensate for energy losses that have occurred.

Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Schaltung dahingehend konfigurierbar, dass die Menge der dem Schwingkreis in zumindest einer Schwingungsperiode zugeführten elektrische Energie einstellbar ist. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Beispielsweise kann die Dauer der Nachladung zeitlich variiert werden, die Stromstärke des Nachladestroms (insbesondere über Einstellen der ihn treibenden Spannung) eingestellt werden oder die Frequenz, mit der nachgeladen wird angepasst werden, beispielsweise so, dass die Nachladung nur jede m-te Periode der elektrischen Schwingung im Schwingkreis erfolgt, wobei m > 0 eine natürliche Zahl ist.In some embodiments, the second circuit is configurable such that the amount of electrical energy supplied to the resonant circuit in at least one oscillation period is adjustable. This can be achieved in various ways. For example, the duration of the recharging can be varied over time, the current strength of the recharging current can be adjusted (in particular by adjusting the voltage driving it) or the frequency at which recharging is adjusted, for example so that the recharging only occurs every mth period of the electrical Oscillation occurs in the resonant circuit, where m > 0 is a natural number.

Die zweite Schaltung kann hierbei insbesondere dahingehend konfigurierbar sein, dass die Menge der dem Schwingkreis zugeführten elektrische Energie für jede Schwingungsperiode individuell (z.B. mittels einer Regelung) oder global für alle m-ten Schwingungsperioden gleich einstellbar ist, wobei m > 0 wieder eine natürliche Zahl ist.The second circuit can be configured in particular in such a way that the amount of electrical energy supplied to the resonant circuit can be set individually for each oscillation period (e.g. by means of a control) or globally for all mth oscillation periods, where m > 0 is again a natural number .

Bei einigen Ausführungsformen weist die Energieversorgungsschaltung eine induktive Kopplungseinrichtung, insbesondere ein induktiv gekoppeltes Spulenpaar, zur temporären induktiven Einspeisung von elektrischer Energie in den Schwingkreis auf. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einer leitungsgebundenen Stromeinspeisung in den Schwingkreis vorgesehen sein. So kann die Energieversorgungsschaltung, jedenfalls bei Wegfall einer leitungsgebundenen Stromeinspeisung, galvanisch vom Schwingkreis entkoppelt werden.In some embodiments, the energy supply circuit has an inductive coupling device, in particular an inductively coupled coil pair, for temporarily inductively feeding electrical energy into the resonant circuit. This can be provided in addition to or as an alternative to a wired power feed into the resonant circuit. So the power supply circuit, In any case, if there is no wired power supply, it must be galvanically decoupled from the resonant circuit.

Bei einigen Ausführungsformen weist die Energieversorgungsschaltung eine dritte Schalteinrichtung auf, die konfiguriert ist, in Abhängigkeit von einer Ansteuerung einen zweiten Einspeisungspunkt für elektrische Energie temporär mit dem Schwingkreis zu verbinden, um den Schwingkreis derart mit am zweiten Einspeisungspunkt zugeführter bzw. zuführbarer mit elektrischer Energie zu versorgen, dass die Polung einer dabei am ersten Einspeisungspunkt anliegenden ersten elektrischen Versorgungsspannung der Polung einer zugleich am zweiten Einspeisungspunkt anliegenden zweiten elektrischen Versorgungsspannung entgegengesetzt ist und so eine bipolare Energieversorgung des Schwingkreises ermöglicht ist.In some embodiments, the energy supply circuit has a third switching device which is configured, depending on a control, to temporarily connect a second feed point for electrical energy to the resonant circuit in order to supply the resonant circuit with electrical energy that is supplied or can be supplied at the second feed point that the polarity of a first electrical supply voltage present at the first feed point is opposite to the polarity of a second electrical supply voltage present at the second feed point, thus enabling a bipolar energy supply to the resonant circuit.

Die Erzeugung und/oder Einspeisung der zweiten Versorgungsspannung kann insbesondere gemäß einer oder mehrerer hierin im Hinblick auf die dem ersten Einspeisungspunkt zugeführten Versorgungsspannung entsprechen, insbesondere (bis auf die unterschiedliche Polung) identisch damit sein.The generation and/or feeding of the second supply voltage can in particular correspond to one or more of the supply voltage supplied to the first feed point, in particular be identical to it (except for the different polarity).

Kombinierte Schaltung mit Hochsetzsteller und pausierbarem SchwingkreisCombined circuit with step-up converter and pauseable resonant circuit

Die vorgenannten Prinzipien der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung können im Rahmen der Lösung auch in Kombination genutzt werden.The aforementioned principles of the first circuit and the second circuit can also be used in combination as part of the solution.

Eine derart kombinierte Schaltung ergibt sich gemäß einer ersten Betrachtungsweise insbesondere, indem ausgehend von der ersten Schaltung (insbesondere ausgehend von einer ihrer hierin beschriebenen Ausführungsformen), des Weiteren ein Schwingkreis vorgesehen ist bzw. wird, der eine Kapazität, die zumindest anteilig durch die MEMS-Kapazität definiert ist, eine Schwingkreis-Induktivität und eine ansteuerbaren zweite Schalteinrichtung zum selektiven Unterbrechen bzw. Schließen des Schwingkreises in Abhängigkeit von einer Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung aufweist. Dabei weist der Schwingkreis eine auf einen dauerhaft geschlossenen Zustand des Schwingkreises bezogene Resonanzfrequenz auf. Zudem ist die Steuerung des Weiteren zur Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung derart konfiguriert ist, dass sie die zweite Schalteinrichtung während einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises temporär für ein bestimmten Anteil der Schwingungsperiode öffnet, um dadurch eine Unterbrechung des Schwingkreises und somit eine tatsächliche Schwingungsfrequenz des Schwingkreises zu bewirken, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz.According to a first approach, a circuit combined in this way results in particular in that, starting from the first circuit (in particular starting from one of its embodiments described here), a resonant circuit is or is further provided, which has a capacity that is at least partially determined by the MEMS circuit. Capacitance is defined, has a resonant circuit inductance and a controllable second switching device for selectively interrupting or closing the resonant circuit depending on a control of the second switching device. The resonant circuit has a resonance frequency related to a permanently closed state of the resonant circuit. In addition, the controller is further configured to control the second switching device in such a way that it temporarily opens the second switching device for a certain portion of the oscillation period during a respective oscillation period of the oscillating circuit, thereby causing an interruption of the oscillating circuit and thus an actual oscillation frequency of the oscillating circuit , which is smaller than the resonance frequency.

Die Schaltung kann insbesondere jede, insbesondere eine oder mehrere der hierin beschriebenen Ausführungsformen der zweiten Schaltung aufweisen.The circuit can in particular have any, in particular one or more, of the embodiments of the second circuit described herein.

Die im Schwingkreis erzeugten elektrischen Schwingungen führen somit zu einer zeitlich veränderlichen, insbesondere alternierenden, Ladung und somit Spannung der MEMS-Kapazität, so dass auch die mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators, zu dem die MEMS-Kapazität gehört, entsprechend variiert.The electrical oscillations generated in the resonant circuit thus lead to a time-varying, in particular alternating, charge and thus voltage of the MEMS capacity, so that the mechanical quantity for driving a movement of the actuator, to which the MEMS capacity belongs, also varies accordingly.

Eine derart kombinierte Schaltung ergibt sich zudem gemäß einer zweiten Betrachtungsweise insbesondere, indem ausgehend von der zweiten Schaltung mit Energieversorgungsschaltung, diese Energieversorgungsschaltung einen Aufwärtswandler aufweist, der konfiguriert ist, eine am Einspeisungspunkt angelegte Eingangsspannung in eine demgegenüber betragsmäßig höhere Ausgangsspannung zu wandeln, um den Schwingkreis anhand dieser Ausgangsspannung mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn die zweite Schalteinrichtung sich in einem Zustand befindet, in dem sie den Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis elektrisch verbindet. Auf diese Weise kann auf eine Hochvoltquelle verzichtet werden und stattdessen nur eine Niedervoltspannungsquelle zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die zweite Schaltung eingesetzt werden. Der Aufwärtswandler kann insbesondere eine Hochsetzstellerschaltung gemäß der ersten Schaltung aufweisen, wobei die Schwingkreis-Kapazität zumindest anteilig durch die MEMS-Kapazität der Hochsetzstellerschaltung gebildet wird.A circuit combined in this way also results, according to a second approach, in particular, in that, starting from the second circuit with a power supply circuit, this power supply circuit has a step-up converter which is configured to convert an input voltage applied at the feed point into a relatively higher output voltage in order to use the resonant circuit to supply this output voltage with electrical energy when the second switching device is in a state in which it temporarily electrically connects the feed point to the resonant circuit. In this way, a high-voltage source can be dispensed with and instead only a low-voltage source can be used to provide a supply voltage for the second circuit. The step-up converter can in particular have a step-up converter circuit according to the first circuit, the resonant circuit capacitance being at least partially formed by the MEMS capacitance of the step-up converter circuit.

Die Schaltung kann, insbesondere im Falle von mehr als einem Einspeisungspunkt je Einspeisungspunkt individuell oder gleich, jede, insbesondere eine oder mehrere, der hierin beschriebenen Ausführungsformen der Hochsetzstellerschaltung aus der ersten Schaltung als Hochsetzstellerschaltung aufweisen.The circuit can, in particular in the case of more than one feed point per feed point individually or identically, have each, in particular one or more, of the embodiments of the step-up converter circuit described herein from the first circuit as a step-up converter circuit.

MEMS, insbesondere MikroscannersystemMEMS, especially microscanner system

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Lösung betrifft ein MEMS, aufweisend: (i) ein schwingungsfähig konfiguriertes Massenelement; (ii) einen Aktuator zum Antrieb einer Schwingungsbewegung des Massenelements; und (iii) eine Schaltung nach dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt oder eine daraus kombinierte Schaltung, jeweils zur Ansteuerung des Aktuators derart, dass dieser dadurch veranlasst wird, das schwingungsfähige Massenelement in einer Schwingungsbewegung zu bewegen.A third aspect of the present solution relates to a MEMS comprising: (i) a mass element configured to oscillate; (ii) an actuator for driving an oscillatory movement of the mass element; and (iii) a circuit according to the first aspect or the second aspect or a circuit combined therefrom, each for controlling the actuator in such a way that it is thereby caused to move the oscillatory mass element in an oscillatory movement.

Dabei ist die MEMS-Kapazität derart als Bestandteil des Aktuators ausgebildet, dass sie selbst einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet, und der Wandler konfiguriert ist, in der MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln, um damit die Schwingungsbewegung des Massenelements anzutreiben.The MEMS capacitance is designed as a component of the actuator in such a way that it itself forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator, and the converter is configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance into at least one mechanical quantity to drive a movement of the actuator in order to drive the oscillatory movement of the mass element.

Bei einigen Ausführungsformen weist das MEMS ein Mikroscannersystem auf und das Massenelement ist als schwingungsfähig konfiguriertes Ablenkelement des Mikroscannersystems zum Ablenken von auf das Ablenkelement einfallender elektromagnetischer Strahlung ausgebildet. So lässt sich ein besonders energieeffizienter Antrieb der Bewegung, insbesondere des Ablenkelements, insbesondere zum Scannen eines elektromagnetischen Strahls (z.B. Laserstrahl) erreichen.In some embodiments, the MEMS has a microscanner system and the mass element is designed as an oscillatory configured deflection element of the microscanner system for deflecting electromagnetic radiation incident on the deflection element. In this way, a particularly energy-efficient drive of the movement, in particular of the deflection element, can be achieved, in particular for scanning an electromagnetic beam (e.g. laser beam).

Die in Bezug auf den ersten bzw. zweiten Aspekt der Lösung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für das Mikroscannersystem gemäß dem dritten Aspekt der Lösung.The features and advantages explained in relation to the first and second aspects of the solution also apply accordingly to the microscanner system according to the third aspect of the solution.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.Further advantages, features and possible applications of the present solution result from the following detailed description in connection with the figures.

Dabei zeigt:

  • 1 als Ausgangspunkt für die Erläuterung der ersten Schaltung aus 2A: eine herkömmliche Schaltung zum Ansteuern eines kapazitiven Aktuators mit einem geregelten Hochsetzsteller;
  • 2A eine erste beispielhafte Ausführungsform der ersten Schaltung, die ein unipolares Ansteuern des Aktuators ermöglicht;
  • 2B einen Vergleich der Schaltungen aus den 1 und 2A;
  • 3 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Stromverlaufs durch die Induktivität der Schaltung aus 2A/2B bei deren Betrieb, während in der Induktivität die magnetische Energie aufgebaut wird;
  • 4 eine beispielhafte Ausführung einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer ersten Schaltung, insbesondere gemäß 2A.
  • 5 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der ersten Schaltung, die ein bipolares Ansteuern des Aktuators ermöglicht;
  • 6 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Konfiguration der Schalteinrichtung der Schaltung aus 5, insbesondere der Schaltzustände ihrer einzelnen Schalter; und
  • 7 als Ausgangspunkt für die Erläuterung der zweiten Schaltung aus 8: eine herkömmliche Schaltung zur Ansteuerung eines MEMS-Aktuators zum Antrieb eines schwingungsfähigen MEMS, bei der ein Umladen einer MEMS-Kapazität des MEMS-Aktuators anhand einer Halbbrücke unter Verwendung zweier gegenpoliger Versorgungsspannungen erfolgt;
  • 8 eine erste beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltung, mit einem pausierbaren Schwingkreis sowie mit einer Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Schaltung;
  • 9 eine qualitative Darstellung der Verläufe der Spannung an der MEMS-Kapazität des Schwingkreises und des von der Hochspannungsquelle zu liefernden Ladestroms bei der Schaltung aus 8;
  • 10 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltung mit einem pausierbaren Schwingkreis sowie mit einer über ein gekoppeltes Spulenpaar induktiv an den Schwingkreis gekoppelten Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Schaltung;
  • 11 eine dritte beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltung mit einem pausierbaren Schwingkreis sowie mit einer auf zwei separate MEMS-Kapazitäten aufgeteilten Schwingkreiskapazität;
  • 12 eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Schaltung, in der die Konzepte der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung kombiniert sind, um eine Schaltung mit unipolarem Hochsetzsteller und pausierbarem Schwingkreis zu bilden;
  • 13 eine zweite beispielhafte (bipolare) Ausführungsform einer Schaltung in der die Konzepte der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung kombiniert sind, um eine Schaltung mit bipolarem Hochsetzsteller und pausierbarem Schwingkreis zu bilden; und
  • 14 eine dritte beispielhafte (bipolare) Ausführungsform einer Schaltung in der die Konzepte der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung kombiniert sind, um eine Schaltung zum differentiellen und bipolaren Ansteuern eines MEMS-Aktuators zu bilden.
  • 15 eine beispielhafte Ausführungsform eines MEMS, hier speziell als Mikroscanner.
This shows:
  • 1 as a starting point for explaining the first circuit 2A : a conventional circuit for driving a capacitive actuator with a regulated boost converter;
  • 2A a first exemplary embodiment of the first circuit, which enables unipolar control of the actuator;
  • 2 B a comparison of the circuits from the 1 and 2A ;
  • 3 a diagram to show a current curve over time through the inductance of the circuit 2A /2B during their operation, while the magnetic energy is built up in the inductance;
  • 4 an exemplary embodiment of a control device for controlling a first circuit, in particular according to 2A .
  • 5 a second exemplary embodiment of the first circuit, which enables bipolar control of the actuator;
  • 6 an exemplary time course of the configuration of the switching device of the circuit 5 , especially the switching states of their individual switches; and
  • 7 as a starting point for explaining the second circuit 8th : a conventional circuit for controlling a MEMS actuator for driving an oscillatory MEMS, in which a MEMS capacity of the MEMS actuator is reloaded using a half bridge using two supply voltages of opposite polarity;
  • 8th a first exemplary embodiment of the second circuit, with a pauseable resonant circuit and with a high-voltage source for providing a supply voltage for the circuit;
  • 9 a qualitative representation of the curves of the voltage at the MEMS capacitance of the resonant circuit and the charging current to be supplied by the high-voltage source in the circuit 8th ;
  • 10 a second exemplary embodiment of the second circuit with a pauseable resonant circuit and with a high-voltage source inductively coupled to the resonant circuit via a coupled pair of coils to provide a supply voltage for the circuit;
  • 11 a third exemplary embodiment of the second circuit with a pauseable resonant circuit and with a resonant circuit capacity divided into two separate MEMS capacitances;
  • 12 a first exemplary embodiment of a circuit in which the concepts of the first circuit and the second circuit are combined to form a circuit with a unipolar boost converter and a pauseable resonant circuit;
  • 13 a second exemplary (bipolar) embodiment of a circuit in which the concepts of the first circuit and the second circuit are combined to form a circuit with a bipolar step-up converter and a pauseable resonant circuit; and
  • 14 a third exemplary (bipolar) embodiment of a circuit in which the concepts of the first circuit and the second circuit are combined to form a circuit for differentially and bipolarly driving a MEMS actuator.
  • 15 an exemplary embodiment of a MEMS, here specifically as a microscanner.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen regelmäßig gleiche, ähnliche oder einander entsprechende Elemente (außer in einigen Fällen bei der Benennung von Schalteinrichtungen). In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich werden. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Die Steuerung bzw. Steuerungseinrichtung, kann insbesondere mittels Hardware, Software oder mittels einer Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.In the figures, the same reference numerals regularly designate the same, similar or corresponding elements (except in some cases when naming switching devices). Elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements shown in the figures are reproduced in such a way that their function and general purpose are understandable to those skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements shown in the figures can also be implemented as indirect connections or couplings, unless expressly stated otherwise. The control or control device can in particular be implemented using hardware, software or a combination of hardware and software.

Beispielhafte Ausführungsformen der ersten SchaltungExemplary embodiments of the first circuit

Es folgen nun zunächst Erläuterungen zu beispielhaften Ausführungsformen der ersten Schaltung, wobei zunächst von der herkömmliche Schaltung 100 aus 1 ausgegangen wird:

  • Die Schaltung 100 aus 1 entspricht einem typischen Aufbau eines asynchronen Hochsetzstellers (engl. DC/DC-Converter) aus dem Stand der Technik und wird hier zu Referenzzwecken erläutert, insbesondere um wichtige Unterschiede gegenüber lösungsgemäßen Schaltungen kenntlich zu machen.
Explanations of exemplary embodiments of the first circuit now follow, initially starting from the conventional circuit 100 1 is assumed:
  • The circuit 100 off 1 corresponds to a typical structure of an asynchronous step-up converter (DC/DC converter) from the prior art and is explained here for reference purposes, in particular to highlight important differences compared to circuits according to the solution.

Eine Spannungsquelle stellt eine Versorgungsspannung Uv als Gleichspannung zur Verfügung und speist damit eine Induktivität (Spule) L wenn ein Stromkreis durch die Induktivitäten geschlossen wird. Der Widerstand RL stellt im Sinne eines Ersatzschaltbilds den ohmschen Widerstand der Induktivität dar und ist im Rahmen der weiteren Diskussion der Schaltung(en) nicht relevant.A voltage source provides a supply voltage Uv as a direct voltage and thus feeds an inductor (coil) L when a circuit is closed by the inductors. The resistance R L represents the ohmic resistance of the inductance in the sense of an equivalent circuit and is not relevant in the context of further discussion of the circuit(s).

In einer ersten Phase des Betriebs der Schaltung wird der Stromkreis durch die Induktivität L geschlossen, indem der Feldeffekt-Transistor T leitend geschaltet wird. Dies erfolgt über einen Regler Reg, der den Transistor T entsprechend über dessen Gate ansteuert. Durch den Stromfluss durch die Induktivität L baut diese ein Magnetfeld auf, in dem von der Versorgungsspannung Uv zur Verfügung gestellte Energie gespeichert ist (in Form von magnetischer Energie).In a first phase of operation of the circuit, the circuit is closed by the inductance L by switching the field effect transistor T to conduction. This is done via a regulator Reg, which controls the transistor T accordingly via its gate. As the current flows through the inductance L, it creates a magnetic field in which energy provided by the supply voltage Uv is stored (in the form of magnetic energy).

Wird nun in einer zweiten Phase durch den Regler Reg der Transistor T sperrend geschaltet, so versucht die Induktivität L trotz Unterbrechung des bisherigen Stromkreises, ihren magnetischen Fluss gemäß der Lenz'schen Regel bzw. dem Induktionsgesetz aufrechtzuerhalten, indem eine Spannung induziert wird, sodass er dadurch generierte Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt. Die induzierte Spannung führt insbesondere dazu, dass die Diode D oberhalb ihrer Schwellspannung in Durchlassrichtung geschaltet wird und der (zumindest anteilig zusätzlich zur Versorgungsspannung Uv) aus dem magnetischen Feld der Induktivität L gespeiste generierte Strom in die Pufferkapazität C abfließen kann, sodass sich dort eine Ausgangsspannung UA über der Pufferkapazität C aufbaut. Die Diode wirkt hier somit ähnlich einem Schalter.If the transistor T is now switched off in a second phase by the controller Reg, the inductance L tries to maintain its magnetic flux despite the interruption of the previous circuit in accordance with Lenz's rule or the law of induction by inducing a voltage so that it The current generated thereby creates a magnetic field that counteracts the change in the magnetic flux. The induced voltage leads in particular to the diode D being switched in the forward direction above its threshold voltage and the generated current fed (at least in part in addition to the supply voltage Uv) from the magnetic field of the inductor L can flow into the buffer capacitance C, so that an output voltage is formed there U A builds up above the buffer capacity C. The diode acts like a switch here.

Die Erzeugung der Ausgangsspannung UA ist dabei geregelt, wozu eine Regelschleife mit einem Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 sowie einem Operationsverstärker OP vorgesehen ist, dessen Ausgang zum Schließen der Regelschleife mit einem Eingang des Reglers Reg elektrisch leitend verbunden ist. Zur Ansteuerung des Reglers Reg wird die an der Mittelabzapfung des Spannungsteilers auftretende Spannung anhand des Operationsverstärkers OP mit einer festgelegten Referenzspannung Vref verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine variable Frequenz oder ein variabler Duty Cycle (alternative deutsche Begriffe sind „Tastgrad“ und „Aussteuergrad“) eines Ausgangssignals des Reglers Reg bestimmt, mit dem der Transistor T angesteuert wird. So lässt sich mit der Regelung die Ausgangsspannung UA am Pufferkondensator C auf einen im Wesentlichen konstanten Wert auslegen, der insbesondere von der Referenzspannung Vref abhängt.The generation of the output voltage U A is regulated, for which purpose a control loop with a voltage divider made up of resistors R 1 and R 2 and an operational amplifier OP is provided, the output of which is electrically connected to an input of the regulator Reg in order to close the control loop. To control the regulator Reg, the voltage occurring at the center tap of the voltage divider is compared with a fixed reference voltage V ref using the operational amplifier OP and, depending on the result of the comparison, a variable frequency or a variable duty cycle (alternative German terms are “dust cycle” and “ Control level") of an output signal from the regulator Reg, with which the transistor T is controlled. This allows you to control the output voltage Design U A on the buffer capacitor C to a substantially constant value, which depends in particular on the reference voltage V ref .

Die Ausgangsspannung UA kann nun als Treiberspannung verwendet werden, um durch Schließen eines Schalters S1 eine elektrische Verbindung zu einem MEMS-Aktuator freizuschalten, um diesen zu treiben. Der MEMS-Aktuator kann - wie dargestellt - insbesondere eine MEMS-Kapazität CM aufweisen und insbesondere ein Piezoaktuator sein, bei dem die MEMS-Kapazität CM zusammen mit einem zwischen ihren beiden verschiedenpoligen Elektroden angeordneten Piezomaterial als Piezoelement wirkt. Mittels eines parallel zur MEMS-Kapazität CM geschalteten Schalters S2 kann die MEMS-Kapazität CM wieder entladen werden, insbesondere auf 0V. Über eine entsprechende Ansteuerung der Schalter S1 und S2 kann somit eine Anregungsfrequenz für den MEMS-Aktuator festgelegt werden mit der die MEMS-Kapazität CM zwischen einem geladenen und einem ungeladenen Zustand hin und her schwingt und entsprechend den MEMS-Aktuator in eine oszillierende mechanische Bewegung versetzt, die wiederum zum Antrieb einer mechanischen Bewegung einer weiteren Komponente genutzt werden kann. Die Schalter S1 und S2 können insbesondere auch durch Transistoren realisiert sein.The output voltage U A can now be used as a driver voltage in order to activate an electrical connection to a MEMS actuator by closing a switch S 1 in order to drive it. The MEMS actuator can - as shown - in particular have a MEMS capacitance C M and in particular be a piezo actuator in which the MEMS capacitance C M acts as a piezo element together with a piezo material arranged between its two electrodes of different poles. By means of a switch S 2 connected in parallel to the MEMS capacitance C M , the MEMS capacitance C M can be discharged again, in particular to 0V. By appropriately controlling the switches S 1 and S 2 , an excitation frequency for the MEMS actuator can be determined with which the MEMS capacitance C M oscillates back and forth between a charged and an uncharged state and accordingly switches the MEMS actuator into an oscillating one mechanical movement, which in turn can be used to drive a mechanical movement of another component. The switches S 1 and S 2 can in particular also be implemented by transistors.

Die durch die Schaltung 100 erzeugbare Hochspannung kann insbesondere bis zu 200 V bei einer Frequenz von bis zu 100 kHz betragen, sodass die Schalter S1 und S2 dann entsprechend als Hochspannungsschalter auszulegen sind. Wird die Pufferkapazität C mit einer Konstantspannungsquelle für die Versorgungsspannung Uv geladen, wie dies bei der Schaltung 100 der Fall ist, so beträgt der theoretische Wirkungsgrad aufgrund der Speisung der MEMS-Kapazität CM aus der Pufferkapazität C und dem daraus resultierenden Auftreten des sogenannten „Kondensator-Paradoxons“ jedoch maximal nur 50 %. Der verbleibende Teil der aufgebrachten Energie fällt als Verlustleistung an, insbesondere im Widerstand des (Hochspannung-) Schalters S1, dem ohmschen Widerstand RL der Spule und den Zuleitungen als Verlustleistung.The high voltage that can be generated by the circuit 100 can in particular be up to 200 V at a frequency of up to 100 kHz, so that the switches S 1 and S 2 must then be designed accordingly as high-voltage switches. If the buffer capacitance C is charged with a constant voltage source for the supply voltage Uv, as is the case with the circuit 100, the theoretical efficiency is due to the supply of the MEMS capacitance C M from the buffer capacitance C and the resulting appearance of the so-called “capacitor -Paradoxes”, however, a maximum of only 50%. The remaining part of the applied energy occurs as power loss, in particular in the resistance of the (high-voltage) switch S1, the ohmic resistance RL of the coil and the supply lines as power loss.

Typische Eigenschaften einer solchen herkömmlichen Schaltung 100 sind daher:

  • - Geringer Wirkungsgrad aufgrund des Kondensator-Paradoxons
  • - Permanentes Schalten des Transistors T, zum Nachliefern der im Mittel verbrauchten Ladung zum periodischen Umladen der MEMS Kapazität CM (Führt zu höherer Gesamtleistungsaufnahme durch Schaltverluste und kann außerdem zu Rauschen in anderen Schaltungsteilen führen)
  • - Verhältnismäßig hohe Leistungsaufnahme aufgrund der permanenten Regelung der Ausgangsspannung
  • - Großes Systemvolumen (Benötigt eine Regelung der Ausgangsspannung und einen Hochspannungsschalter S1, was zu hohen Regel- und Schaltverlusten führt)
  • - Hohe Schaltungskomplexität insgesamt
  • - Benötigt analoge Baugruppen zur Gewährleistung der Regelstabilität des Hochsetzstellers
  • - Benötigt einen Hochspannungsschalter S1, welcher aufwendig aufgebaut werden muss (z.B. Bootstrap-Schaltung o.Ä.) und somit nicht energieeffizient ist.
Typical properties of such a conventional circuit 100 are therefore:
  • - Low efficiency due to the capacitor paradox
  • - Permanent switching of the transistor T, to replenish the average consumed charge for periodic recharging of the MEMS capacity C M (leads to higher total power consumption due to switching losses and can also lead to noise in other circuit parts)
  • - Relatively high power consumption due to the permanent regulation of the output voltage
  • - Large system volume (Requires output voltage regulation and a high voltage switch S 1 , which leads to high regulation and switching losses)
  • - High overall circuit complexity
  • - Requires analog modules to ensure the control stability of the boost converter
  • - Requires a high-voltage switch S 1 , which has to be constructed in a complex manner (e.g. bootstrap circuit or similar) and is therefore not energy efficient.

2A zeigt dagegen eine erste beispielhafte Ausführungsform 200 einer ersten Schaltung, mit der einer oder mehrere der vorgenannten Nachteile reduziert oder sogar vermieden werden können. In 2B ist im Rahmen eines Vergleichs 205 der Schaltungen 100 und 200 illustriert, welche Schaltungskomponenten bei der Schaltung 200 eingespart werden können. 2A shows, on the other hand, a first exemplary embodiment 200 of a first circuit with which one or more of the aforementioned disadvantages can be reduced or even avoided. In 2 B is illustrated as part of a comparison 205 of the circuits 100 and 200, which circuit components can be saved in the circuit 200.

Im Unterschied zur Schaltung 100, wird der Transistor T nicht mehr durch einen Regler (closed-loop) sondern durch eine Steuerung (open-loop) Ctrl mittels eines Steuersignals Q angesteuert und der Ladestrom fließt nicht in eine Pufferkapazität C, von der aus dann zeitlich nachfolgend die MEMS-Kapazität CM geladen wird, sondern er fließt direkt ohne kapazitive Pufferung in die MEMS-Kapazität CM des Aktuators, insbesondere MEMS-Aktuators, um dort eine Antriebsspannung UM über der MEMS-Kapazität CM aufzubauen.In contrast to circuit 100, the transistor T is no longer controlled by a controller (closed-loop) but by a controller (open-loop) Ctrl using a control signal Q and the charging current does not flow into a buffer capacity C, from which it then flows over time Subsequently, the MEMS capacitance C M is charged, but rather it flows directly without capacitive buffering into the MEMS capacitance C M of the actuator, in particular the MEMS actuator, in order to build up a drive voltage U M above the MEMS capacitance C M.

Die MEMS-Kapazität CM ist als Bestandteil des Aktuators ausgebildet, sodass sie einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet, wobei der Wandler konfiguriert ist, in der MEMS-Kapazität CM gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln. Der Aktuator kann insbesondere ein Piezo-Aktuator bzw. Piezoelement sein, bei dem ein piezoelektrisches Material zwischen den Elektroden der MEMS-Kapazität CM so angeordnet ist, dass es beim Auftreten einer elektrischen Spannung UM zwischen den Elektroden im zugehörige elektrischen Feld liegt und sich gemäß dem inversen Piezoeffekt verformt, wodurch elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt wird.The MEMS capacitance C M is designed as a component of the actuator, so that it forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator, the converter being configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance C M into at least one mechanical quantity for driving a Movement of the actuator to convert. The actuator can in particular be a piezo actuator or piezo element, in which a piezoelectric material is arranged between the electrodes of the MEMS capacitance C M in such a way that when an electrical voltage U M occurs between the electrodes in the associated one electric field and deforms according to the inverse piezo effect, whereby electrical energy is converted into mechanical energy.

Die Schaltung 200 weist eine Schalteinrichtung auf, zu welcher der Transistor T, die Diode D und der Schalter S2' gehören. Optional kann der schon aus 1 bekannte weitere Schalter S2 vorhanden sein, um die MEMS-Kapazität CM darüber optional direkt gegen Masse entladen zu können, insbesondere nach erfolgter Energierückgewinnung in einen versorgungsseitigen Pufferkondensator CB. Angenommen, die Versorgungsspannung sei x, z.B. 3V, dann könnte unter Verwendung des Schalters S2 unterm Strich zusätzlich eine um x erhöhte Spannungsänderung über der MEMS-Kapazität CM erzeugt werden. Allerdings sollte hierzu der Schalter S2 nur kurzzeitig geschlossen werden, um währenddessen ein „Aufladen“ der Induktivität L durch einen aus der Versorgungsspannung Uv gespeisten Strom zu vermeiden. Alternativ kann dafür stattdessen die Versorgungsspannung Uv während der Entladung der MEMS-Kapazität CM durch einen optional vorhandenen weiteren Schalter (nicht dargestellt) von der Induktivität L entkoppelt werden.The circuit 200 has a switching device, which includes the transistor T, the diode D and the switch S 2 ' . Optionally, this can already be done 1 known further switches S 2 may be present in order to be able to optionally discharge the MEMS capacitance C M directly to ground, in particular after energy recovery into a supply-side buffer capacitor C B. Assuming that the supply voltage is x, for example 3V, then using the switch S 2 an additional voltage change increased by x could be generated across the MEMS capacitance C M. However, the switch S 2 should only be closed for a short time in order to avoid “charging” the inductance L by a current fed from the supply voltage Uv. Alternatively, the supply voltage Uv can instead be decoupled from the inductance L during the discharge of the MEMS capacitance C M by an optionally available further switch (not shown).

Wie sich insbesondere mit Blick auf 2B ergibt, weist die Schaltung 200 gegenüber der Schaltung 100 eine deutlich geringere Komplexität bei signifikant höherem Wirkungsgrad auf, insbesondere aufgrund der Vermeidung des (Hochspannungs-) Schalters S1, des Pufferkondensators C und des damit verbundenen Kondensator-Paradoxons sowie der Regelung einschließlich der zugehörigen Regelungsschleife mit dem Spannungsteiler R1, R2, dem Operationsverstärker OP, dem Regler Reg und dessen Schaltfrequenzerzeugungsfunktion für den Transistor T.How in particular with regard to 2 B results, the circuit 200 has a significantly lower complexity compared to the circuit 100 with significantly higher efficiency, in particular due to the avoidance of the (high-voltage) switch S 1 , the buffer capacitor C and the associated capacitor paradox as well as the control including the associated control loop with the voltage divider R 1 , R 2 , the operational amplifier OP, the regulator Reg and its switching frequency generation function for the transistor T.

Die Funktionsweise der Schaltung aus 2A/2B kann wie folgt beschrieben werden:

  • Ist der Transistor T mittels einer entsprechenden Ansteuerung durch die Steuerung Ctrl durchgeschaltet („erste“ Schaltungskonfiguration), so ist dadurch ein erster Strompfad durch die Induktivität L freigeschaltet, um einen von der Versorgungsspannung Uv gespeisten ansteigenden Stromfluss durch die Induktivität L zu bewirken. Dabei steigt der Strom durch die Induktivität L (zunächst näherungsweise linear) an. Der Widerstand RL soll hierbei (im Sinne eines Ersatzschaltbilds) den Wicklungswiderstand der Induktivität L (Spule) repräsentieren.
How the circuit works 2A /2B can be described as follows:
  • If the transistor T is switched on by means of a corresponding control by the control Ctrl (“first” circuit configuration), a first current path through the inductance L is thereby enabled in order to cause an increasing current flow through the inductance L, fed by the supply voltage Uv. The current increases through the inductance L (initially approximately linearly). The resistance R L should represent (in the sense of an equivalent circuit) the winding resistance of the inductor L (coil).

Nach der Zeit tL wird der Transistor T sperrend geschaltet („zweite“ Schaltungskonfiguration), sodass ein kapazitiv-ungepufferter zweiter Strompfad zwischen einem ersten Pol der Induktivität L und der MEMS-Kapazität CM freigeschaltet ist, über den die MEMS-Kapazität CM direkt mittels eines zumindest anteilig durch die Induktivität L gespeisten Stromflusses durch die dann in Durchlassrichtung gepolte Diode D hindurch auf eine erste Spannung aufgeladen wird, die betragsweise gleich oder höher ist als die Versorgungsspannung Uv. Dabei wird die in der Induktivität L gespeicherte magnetische Energie abgebaut und in die sich in der MEMS-Kapazität CM aufbauende elektrische Energie direkt umgewandelt.After the time t L , the transistor T is switched off (“second” circuit configuration), so that a capacitive-unbuffered second current path between a first pole of the inductance L and the MEMS capacitance C M is enabled, via which the MEMS capacitance C M is charged directly by means of a current flow fed at least in part by the inductance L through the diode D, which is then polarized in the forward direction, to a first voltage which is equal to or higher in magnitude than the supply voltage Uv. The magnetic energy stored in the inductance L is broken down and directly converted into the electrical energy that builds up in the MEMS capacitance C M.

Betrachtet man den zeitlichen Verlauf 300 des durch die Induktivität L fließenden Stroms während der ersten Schaltungskonfiguration, so kann dieser, wie in 3 illustriert, durch die folgende Beziehung angegeben werden: I ( t ) = I 0   ( 1 e R L t )

Figure DE102022129340B3_0002
If you look at the time profile 300 of the current flowing through the inductor L during the first circuit configuration, this can be seen, as in 3 illustrated by the following relationship: I ( t ) = I 0 ( 1 e R L t )
Figure DE102022129340B3_0002

Hierbei entspricht R der Summe der parasitären Serienwiderstände der Induktivität L und des Bahnwiderstands des durchgeschalteten Transistors T (die dazwischenliegenden Leitungsbahnen werden hier idealisiert als nur einen vernachlässigbarem Widerstand aufweisend betrachtet) und Uv ist wieder die Versorgungsspannung, die zugleich dem Spannungsabfall über dieser Serienschaltung entspricht. I0 ist eine maximale Stromstärke (Grenzstrom), der sich der Ladestrom I(t) mit der Zeit asymptotisch näher. Der Grenzstrom berechnet sich zu: I 0 = U V R

Figure DE102022129340B3_0003
Here, R corresponds to the sum of the parasitic series resistances of the inductance L and the track resistance of the switched-on transistor T (the intervening conductor tracks are idealized here as having only a negligible resistance) and Uv is again the supply voltage, which at the same time corresponds to the voltage drop across this series circuit. I 0 is a maximum current intensity (limit current) to which the charging current I(t) asymptotically approaches over time. The limit current is calculated as: I 0 = U v R
Figure DE102022129340B3_0003

Zur Vereinfachung der Gleichung (2) kann diese im Ursprung zum Zeitpunkt Zeit t = 0 durch deren Ableitung linearisiert werden: d I ( t ) d t = I 0 R L e R L t

Figure DE102022129340B3_0004
To simplify equation (2), it can be linearized at the origin at time t = 0 by its derivative: d I ( t ) d t = I 0 R L e R L t
Figure DE102022129340B3_0004

Zum Zeitpunkt t = 0 vereinfacht sich diese Beziehung zu: d I ( 0 ) d t = I 0 R L

Figure DE102022129340B3_0005
At time t = 0 this relationship simplifies to: d I ( 0 ) d t = I 0 R L
Figure DE102022129340B3_0005

Mit dem Einsetzen von (3) in (5) ergibt sich mit der Linearisierung zum Zeitpunkt tL, an dem in die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird, für den Strom I durch die Induktivität: I ( t L ) U V L t L

Figure DE102022129340B3_0006
By inserting (3) into (5), the linearization at time t L , at which the switch to the second circuit configuration occurs, results in the current I through the inductance: I ( t L ) U v L t L
Figure DE102022129340B3_0006

Die gespeicherte Energie ELin der Induktivität L zum Zeitpunkt t = tL ergibt sich zu: E L ( t L ) = 1 2 L I 2 ( t L )

Figure DE102022129340B3_0007
The stored energy E in the inductance L at time t = t L results from: E L ( t L ) = 1 2 L I 2 ( t L )
Figure DE102022129340B3_0007

Korrespondierend dazu gilt für die Energie EM der MEMS-Kapazität CM, wobei UM die über CM liegende Kondensatorspannung ist: E M = 1 2 C M U M 2

Figure DE102022129340B3_0008
Correspondingly, the energy E M of the MEMS capacitance C M applies, where U M is the capacitor voltage above C M : E M = 1 2 C M U M 2
Figure DE102022129340B3_0008

Setzt man die beiden Gleichungen (7) und (8) gleich und ersetzt I(tL) durch den Ausdruck aus der Gleichung (6), so ergibt sich für die Spannung UM, auf welche die MEMS-Kapazität CM aufgrund des Energietransfers von der Induktivität L aufgeladen wird, zu: U M 1 L C M U V t L

Figure DE102022129340B3_0009
If you equate the two equations (7) and (8) and replace I(t L ) with the expression from equation (6), this results in the voltage U M , to which the MEMS capacitance C M due to the energy transfer is charged by the inductance L, to: U M 1 L C M U v t L
Figure DE102022129340B3_0009

So skaliert die Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM in guter Näherung proportional zu der Zeitdauer, in der der Transistor durchgeschaltet ist, ebenso proportional mit der Versorgungsspannung Uv, und wurzelförmig mit dem Kehrwert von Werten für die Induktivität L und die MEMS-Kapazität CM. Diese Näherung ist insbesondere dann gültig, wenn die Summe aller parasitären Widerstände (z.B. Serienwiderstand der Spule, Serienwiderstand der MEMS-Kapazität CM und Bahnwiderstände) absolut betrachtet vergleichsweise klein sind. Ansonsten führten diese zu einer schlussendlich geringeren Ladespannung der MEMS-Kapazität CM, da die in der Spule gespeicherte Energie nicht nur in die MEMS-Kapazität transferiert, sondern zum Teil auch in Wärme umgewandelt wird.The voltage U M across the MEMS capacitance C M scales to a good approximation proportionally to the time period in which the transistor is switched on, also proportionally to the supply voltage Uv, and root-shaped to the reciprocal of values for the inductance L and the MEMS Capacity C M . This approximation is particularly valid if the sum of all parasitic resistances (e.g. series resistance of the coil, series resistance of the MEMS capacitance C M and track resistances) are comparatively small in absolute terms. Otherwise, these ultimately led to a lower charging voltage of the MEMS capacitance C M , since the energy stored in the coil is not only transferred to the MEMS capacitance, but is also partially converted into heat.

Die Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM kann somit zumindest näherungsweise als lineare Funktion der Zeitspanne tL betrachtet werden. Da alle Komponenten innerhalb der Schaltung, insbesondere L und CM, bekannt sind, kann somit die Ausgangsspannung UM allein über die steuerbare Einschaltzeit tL des Transistors T eingestellt werden. Dadurch kann der Regler Reg wegfallen, was zu einer deutlichen Vereinfachung der Schaltung 200 gegenüber der herkömmlichen Schaltung 100 führt.The voltage U M across the MEMS capacitance C M can therefore be viewed at least approximately as a linear function of the time period t L. Since all components within the circuit, in particular L and C M , are known, the output voltage U M can be set solely via the controllable switch-on time t L of the transistor T. As a result, the regulator Reg can be omitted, which leads to a significant simplification of the circuit 200 compared to the conventional circuit 100.

Der Schalter S2 zum Entladen der MEMS-Kapazität CM kann entweder entsprechend 1 parallel zu CM geschaltet sein (dritter Strompfad) oder - wie abgebildet - in einem zur Versorgungsspannungsquelle zurückführenden vierten Strompfad (dann zur Kennzeichnung dieser unterschiedlichen Anordnung als Schalter S2' bezeichnet). Die Versorgungsspannungsquelle (nicht aber der zweite Strompfad zwischen Induktivität und MEMS-Kapazität CM) ist über einen Pufferkondensator CB gepuffert, in dem die über den Schalter S2' beim Entladen von CM zurückfließenden Ladungen zwischengespeichert und für einen weiteren Aktivierungszyklus des Aktuators wiederverwendet werden können. So lässt sich der Wirkungsgrad der Schaltung 200 weiter steigern.The switch S 2 for discharging the MEMS capacity C M can either be corresponding 1 be connected in parallel to C M (third current path) or - as shown - in a fourth current path leading back to the supply voltage source (then referred to as switch S 2 ' to identify this different arrangement). The supply voltage source (but not the second current path between inductance and MEMS capacitance C M ) is buffered via a buffer capacitor C B in which the charges flowing back via the switch S 2 ' when C M is discharged are temporarily stored and reused for a further activation cycle of the actuator can be. In this way, the efficiency of the circuit 200 can be further increased.

4 zeigt eine beispielhafte Ausführung 400 der Steuerungseinrichtung Ctrl zur Steuerung einer lösungsgemäßen Schaltung, insbesondere gemäß 2A. Sie dient dazu, die Einschaltzeit bzw. -dauer des Transistors T und somit auch die Ausgangsspannung UM zu steuern und ist mit einer Verzögerungskette 405 mit mehreren hintereinander geschalteten Verzögerungsgliedern 405-1, ..., 405-n, einem Multiplexer 410 und einem Flip-Flop realisiert. 4 shows an exemplary embodiment 400 of the control device Ctrl for controlling a circuit according to the solution, in particular according to 2A . It serves to control the switch-on time or duration of the transistor T and thus also the output voltage U M and is equipped with a delay chain 405 realized with several delay elements 405-1, ..., 405-n connected in series, a multiplexer 410 and a flip-flop.

Im vorliegenden Beispiel ist n = 255 gewählt. Die Verzögerungsglieder 405-1,...,405-255 können hierbei aus Standardzellen oder auch „customized“, insbesondere anwendungsspezifisch, in analoger Schaltungstechnik ausgeführt werden. Die erforderliche Verzögerungsdauer jedes einzelnen Verzögerungsglieds lässt sich aus dem Quotienten der maximalnotwendigen Einschaltzeit und der Anzahl der Verzögerungsglieder errechnen. Im Beispiel wurde der Einfachheit halber für alle Verzögerungsglieder 405-1,...,405-255 die gleiche Verzögerungsdauer von 8 ns gewählt.In the present example, n = 255 is chosen. The delay elements 405-1,...,405-255 can be made from standard cells or “customized”, especially application-specific, using analog circuit technology. The required delay time for each individual delay element can be calculated from the quotient of the maximum required switch-on time and the number of delay elements. In the example, for the sake of simplicity, the same delay period of 8 ns was selected for all delay elements 405-1,...,405-255.

Eine analoge Ausführung hat speziell den Vorteil, dass über eine Stromsteuerung die Verzögerungszeit jedes einzelnen Verzögerungsgliedes individuell eingestellt werden kann und somit für beliebige MEMS-Kondensatoren (mit unterschiedlichen Kapazitätswerten und Ausgangsspannungen) optimal einstellbar ist.An analogue version has the particular advantage that the delay time of each individual delay element can be set individually via current control and can therefore be optimally adjusted for any MEMS capacitors (with different capacitance values and output voltages).

Jeder Takt eines an die Steuerungseinrichtung 400 angelegten Taktsignals CLK wird somit gleichmäßig entsprechend der Anzahl der Verzögerungsglieder 405-1,...,405-255 unterteilt.Each clock of a clock signal CLK applied to the control device 400 is thus divided equally according to the number of delay elements 405-1,...,405-255.

Durch ein an den Multiplexer 410 angelegtes Auswahlsignal SEL kann die gewünschte Stufe der Verzögerungskette ausgewählt werden, die auf den R-Eingang des RS-Flip-Flops 415 ausgegeben wird. Wenn das Taktsignal CLK auf dem Pegel „1“ bzw. „high“ liegt, schaltet das Ausgangssignal Q (z.B. mit dem Pegel „1“) den Transistor T leitend. Sobald jedoch nachfolgend gemäß der ausgewählten Verzögerung das Ausgangssignal des Multiplexers 410 wechselt (z.B. auf den Pegel „1“), ändert sich das Ausgangssignal Q so (z.B. auf den Pegel „0“), dass damit der Transistor T gesperrt wird. Über die Auswahl der Verzögerung mittels des Auswahlsignals SEL lässt sich somit die Zeitdauer tL einstellen, während der die Induktivität L mit magnetischer Energie „aufgeladen“ wird. Da die Höhe der Spannung UM über MEMS-Kapazität CM wiederum von der Zeitdauer tL abhängt, lässt sich mittels des Auswahlsignals SEL die die Höhe der Spannung UM und somit die Aktivität des Aktuators steuern.By means of a selection signal SEL applied to the multiplexer 410, the desired stage of the delay chain can be selected, which is output to the R input of the RS flip-flop 415. If the clock signal CLK is at level “1” or “high”, the output signal Q (e.g. with level “1”) switches the transistor T conductive. However, as soon as the output signal of the multiplexer 410 subsequently changes (for example to level “1”) according to the selected delay, the output signal Q changes in such a way (for example to level “0”) that the transistor T is blocked. By selecting the delay using the selection signal SEL, the time period t L can be set during which the inductance L is “charged” with magnetic energy. Since the level of the voltage U M across MEMS capacitance C M in turn depends on the time period t L , the level of the voltage U M and thus the activity of the actuator can be controlled using the selection signal SEL.

In 5 ist als eine zweite beispielhafte Ausführungsform eine Schaltung 500 zum bipolaren Ansteuern eines Aktuators mit einem gesteuerten Hochsetzsteller dargestellt.In 5 a circuit 500 for bipolar control of an actuator with a controlled step-up converter is shown as a second exemplary embodiment.

Bei der Schaltung 500, die eine Abwandlung bzw. Fortentwicklung der Schaltung 200 darstellt, ist die Schalteinrichtung des Weiteren eingerichtet, wiederholt und jeweils temporär in einem Zeitraum, in dem der zwischen einem ersten Pol der Induktivität L und der MEMS-Kapazität CM liegende zweite Strompfad nicht freigeschaltet ist, einen vierten Strompfad zwischen der MEMS-Kapazität und einem zum dem ersten Pol P1 elektrisch gegenpoligen zweiten Pol P2 der Induktivität L derart freizuschalten, dass die MEMS-Kapazität CM dabei auf eine zweite Spannung mit einer zur Polarität der ersten Spannung entgegengesetzten Polarität aufgeladen wird.In the circuit 500, which represents a modification or further development of the circuit 200, the switching device is further set up, repeatedly and temporarily in a period in which the second pole lying between a first pole of the inductance L and the MEMS capacitance C M Current path is not activated, a fourth current path between the MEMS capacitance and a second pole P 2 of the inductance L, which is electrically opposite in polarity to the first pole P 1 , is to be activated in such a way that the MEMS capacitance C M is switched to a second voltage with a polarity of the first voltage of opposite polarity is charged.

Die Schalteinrichtung der Schaltung 500 weist zu diesem Zweck vier Schalter S1 bis S4 auf. Der Schalter S1 liegt im Strompfad zwischen der Versorgungsspannung Uv und dem zweiten Pol P2 der Induktivität L. Der Schalter S2 liegt im ersten Strompfad zwischen dem ersten Pol P1 der Induktivität L und Masse. Er kann insbesondere - wie in 2A - durch einen Transistor T (oder mehrere Transistoren und/oder Dioden) realisiert sein. Dasselbe gilt auch für alle anderen Schalter. Der dritte Schalter S3 liegt im zweiten Strompfad zwischen dem ersten Pol P1 der Induktivität L und der MEMS-Kapazität CM. Der vierte Schalter S4 liegt in einem weiteren („vierten“) Strompfad zwischen der MEMS-Kapazität CM und der Versorgungsspannung Uv bzw. deren Pufferkondensator CB und entspricht dem Schalter S2', aus 2B.For this purpose, the switching device of the circuit 500 has four switches S 1 to S 4 . The switch S 1 lies in the current path between the supply voltage Uv and the second pole P 2 of the inductance L. The switch S 2 lies in the first current path between the first pole P 1 of the inductance L and ground. He can in particular - as in 2A - be realized by a transistor T (or several transistors and / or diodes). The same applies to all other switches. The third switch S 3 is located in the second current path between the first pole P 1 of the inductance L and the MEMS capacitance C M. The fourth switch S 4 is located in a further (“fourth”) current path between the MEMS capacitance C M and the supply voltage Uv or its buffer capacitor C B and corresponds to the switch S 2 ' 2 B .

Optional kann ein weiterer Schalter S5 zwischen dem zweiten Pol P2 und Masse vorgesehen sein.Optionally, a further switch S 5 can be provided between the second pole P 2 and ground.

Die Funktionsweise der Schaltung 500 ist in 6 anhand des zeitlichen Verlaufs 600 der Konfiguration der Schalteinrichtung der Schaltung 500, insbesondere der Schaltzustände ihrer einzelnen Schalter S1 bis S4, illustriert.The functionality of circuit 500 is in 6 based on the time course 600 of the configuration of the switching device of the circuit 500, in particular the switching states of its individual switches S 1 to S 4 .

Die Schaltzustände der Schalteinrichtung werden durch eine Steuerung (nicht dargestellt) im zeitlichen Verlauf schrittweise gemäß der nachfolgenden Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t0 bis t6 in verschiedene Schaltzustände zu versetzt, wobei in den Diagrammen „1“ einen geschlossenen Schalter und „0“ einen geöffneten Schalter anzeigt und die Sequenz wenigstens einmal durchlaufen wird: Zeitintervall U M S 1 S 2 S 3 S 4 vor t0 Idle 0 0 0 0 t0 0 (Ladevorgang Spule) 1 1 0 0 t1 +V 1 0 1 0 Idle 0 0 0 0 t2 +V↦V1 1 0 0 1 t3 +V1↦0 0 1 1 0 Idle 0 0 0 0 t4 0 (Ladevorgang Spule) 1 1 0 0 t5 -V 0 1 0 1 Idle 0 0 0 0 t6 -V↦0 0 1 1 0 The switching states of the switching device are gradually set into different switching states by a control (not shown) over time in accordance with the following sequence with the successive time intervals t 0 to t 6 , where in the diagrams “1” is a closed switch and “0” is a closed switch indicates that the switch is open and the sequence is run through at least once: time interval AROUND S1 S2 S3 S4 before t 0 Idle 0 0 0 0 t0 0 (charging coil) 1 1 0 0 t1 +V 1 0 1 0 Idle 0 0 0 0 t2 +V↦V 1 1 0 0 1 t3 +V 1 ↦0 0 1 1 0 Idle 0 0 0 0 t4 0 (charging coil) 1 1 0 0 t5 -V 0 1 0 1 Idle 0 0 0 0 t6 -V↦0 0 1 1 0

In 6 ist ein spezieller Fall gezeigt, bei dem diese Sequenz periodisch wiederholt wird (die Übergänge zwischen den aufeinander folgenden Perioden P sind durch vertikale gestrichelten Linien gekennzeichnet). Wie in der Tabelle dargestellt (aber in 6 nicht illustriert) wird nach jeder erfolgten Auf- oder Entladung der MEMS-Kapazität CM bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Induktivität L wieder geladen werden muss, ein Ruhezustand hergestellt, in dem alle Schalter geöffnet sind („Idle“-Zustand) und die MEMS-Kapazität CM „floatend“ ist, d.h. dass sie mangels Verbindung mit einem definierten elektrischen Potenzial selbst kein definiertes elektrisches Potenzial aufweist. Dies dient dazu, zu verhindern, dass die in der MEMS-Kapazität CM beim Aufladen gespeicherte Ladung wieder, insbesondere zur Versorgungsquelle hin, abfließt bzw. die gerade entladene MEMS-Kapazität CM gleich wieder (teil-)geladen wird. Das heißt im Umkehrschluss auch, dass die Steuerungseinrichtung so ausgelegt sein sollte, dass der bzw. die relevanten Schalter (z.B. S3) sofort geöffnet wird bzw. werden, sobald die Energie der Spule vollständig aufgebraucht wurde. Alternativ kann diese Funktion durch einen entsprechenden Aufbau des Schalters selbst mit übernommen werden.In 6 a special case is shown in which this sequence is repeated periodically (the transitions between the successive periods P are marked by vertical dashed lines). As shown in the table (but in 6 not illustrated), after each charge or discharge of the MEMS capacitance C M , a rest state is established in which all switches are open (“idle” state) and until a point in time at which the inductor L has to be charged again the MEMS capacitance C M is “floating”, meaning that it itself does not have a defined electrical potential due to the lack of a connection to a defined electrical potential. This serves to prevent the charge stored in the MEMS capacitance C M during charging from flowing away again, in particular towards the supply source, or the MEMS capacitance C M that has just been discharged from being (partially) charged again immediately. Conversely, this also means that the control device should be designed in such a way that the relevant switch or switches (eg S 3 ) are opened immediately as soon as the energy of the coil has been completely used up. Alternatively, this function can be taken over by a corresponding design of the switch itself.

Vor dem Zeitintervall t0 sind alle Schalter geöffnet („Idle“-Zustand) und die MEMS-Kapazität CM hat daher kein definiertes elektrisches Potenzial (schwebend bzw. floating). Im Zeitintervall t0 liegt die „erste“ Schaltungskonfiguration vor, bei der nur die Schalter S1 und S2 geschlossen sind, sodass der erste Strompfad durch die Induktivität L geschlossen ist und aufgrund eines von der Versorgungsspannung Uv gespeisten Stroms entlang des ersten Strompfads in der Induktivität L ein Magnetfeld mit der zugehörigen magnetischen Energie aufgebaut wird. Die Spule wird somit mit Energie „aufgeladen“.Before the time interval t 0 , all switches are open (“idle” state) and the MEMS capacitance C M therefore has no defined electrical potential (floating). In the time interval t 0 , the “first” circuit configuration is present in which only the switches S 1 and S 2 are closed, so that the first current path is closed by the inductance L and due to a current fed by the supply voltage Uv along the first current path in the Inductance L creates a magnetic field with the associated magnetic energy. The coil is thus “charged” with energy.

Beim Übergang zum nachfolgenden Zeitintervall t1 wird bei weiterhin geschlossenem Schalter S1 der Schalter S2 geöffnet und stattdessen der Schalter S3 geschlossen, sodass dann eine „zweite“ Schaltungskonfiguration vorliegt, bei der der zweite Strompfad von einem ersten Pol der Induktivität L über den geschlossenen Schalter S3 bis zur MEMS-Kapazität CM freigeschaltet ist, sodass die in der Induktivität L inzwischen gespeicherte magnetische Energie einen Stromfluss entlang des zweiten Strompfads bewirkt, mittels dem die MEMS-Kapazität CM auf die positive Spannung UM = +V aufgeladen wird.During the transition to the subsequent time interval t 1 , with switch S 1 still closed, switch S 2 is opened and switch S 3 is closed instead, so that a "second" circuit configuration is then present in which the second current path extends from a first pole of the inductor L via the closed switch S 3 up to the MEMS capacitance C M is enabled, so that the magnetic energy now stored in the inductance L causes a current flow along the second current path, by means of which the MEMS capacitance C M is charged to the positive voltage U M = +V becomes.

Es folgt ein (nicht in 6 illustrierter) Idle-Zustand, bei dem alle Schalter geöffnet sind, um zu vermeiden, dass die in der MEMS-Kapazität CM nun gespeicherte Ladung wieder zur Spannungsquelle für die Versorgungsspannung UV abfließen kann.This is followed by a (not in 6 illustrated) Idle state, in which all switches are open to prevent the charge now stored in the MEMS capacitance C M from flowing back to the voltage source for the supply voltage U V.

Im weiter nachfolgenden Zeitintervall t2 (welches optional ist) ist der Schalter S3 wieder geöffnet und stattdessen der Schalter S4 geschlossen, sodass über den Schalter S4 ein weiterer Strompfad freigeschaltet ist (entspricht insbesondere dem anspruchsgemäßen „vierten“ Strompfad), über den die MEMS-Kapazität CM zumindest anteilig in die Pufferkapazität CB (zur Pufferung der Versorgungsspannung Uv) auf eine niedriger Spannung UM = +V1 entladen wird. So kann ein „Ladungsrecycling“ in dem Sinne betrieben werden, dass ein Teil der Ladung der Pufferkapazität CB für den nächsten Aufbau eines Magnetfelds in der Induktivität L erneut genutzt werden kann und so der Wirkungsgrad der Schaltung 500 erhöht werden kann.In the subsequent time interval t 2 (which is optional), the switch S 3 is opened again and the switch S 4 is closed instead, so that a further current path is activated via the switch S 4 (corresponds in particular to the claimed "fourth" current path), via which the MEMS capacity C M is at least partially discharged into the buffer capacity C B (for buffering the supply voltage Uv) to a lower voltage U M = +V 1 . “Charge recycling” can be carried out in the sense that part of the charge of the buffer capacitance C B can be used again for the next build-up of a magnetic field in the inductance L and so the efficiency of the circuit 500 can be increased.

Alternativ dazu kann durch Schließen der Schalter S2 und S4 bei geöffneten Schaltern S1 und S3 eine Ladungsrückgewinnung aus der MEMS-Kapazität CM unmittelbar durch Bewirken eines entsprechenden Stroms durch die Induktivität L zum Aufbau magnetischer Energie in der Induktivität L genutzt werden (nicht illustriert).Alternatively, by closing the switches S 2 and S 4 with the switches S 1 and S 3 open, charge recovery from the MEMS capacitance C M can be used directly by causing a corresponding current through the inductance L to build up magnetic energy in the inductance L ( not illustrated).

Im Zeitintervall t3 sind nur die Schalter S2 und S3 geschlossen, sodass die MEMS-Kapazität CM darüber vollständig gegen Masse entladen werden kann (dieser Schritt kann bei der vorgenannten Alternative entfallen, das die MEMS-Kapazität CM dort bereits im Zeitintervall t2 entladen wird).In the time interval t 3, only the switches S 2 and S 3 are closed, so that the MEMS capacity C M can be completely discharged to ground (this step can be omitted in the aforementioned alternative, since the MEMS capacity C M is already there in the time interval t 2 is discharged).

Es folgt wieder ein (nicht in 6 illustrierter) „Idle-Zustand, bei dem alle Schalter geöffnet sind, um zu vermeiden, dass die in der MEMS-Kapazität CM nun wieder unkontrolliert (teil-)geladen wird.It follows again (not in 6 illustrated) “Idle state in which all switches are open to prevent the MEMS capacity C M from being (partially) charged again in an uncontrolled manner.

Während des nachfolgenden Zeitintervalls t4 sind nur die Schalter S1 und S2 geschlossen, so dass wie im Zeitintervall t0 die Induktivität über den ersten Strompfad mit magnetischer Energie aufgeladen wird. Der Stromfluss durch die Induktivität L wird dabei aus der Versorgungsspannung Uv und anteilig aus der Pufferkapazität CB gespeist.During the subsequent time interval t 4, only the switches S 1 and S 2 are closed, so that, as in the time interval t 0 , the inductance is charged with magnetic energy via the first current path. The current flow through the inductance L is fed from the supply voltage Uv and proportionally from the buffer capacitance C B.

Im Zeitintervall t5 wird bei weiterhin geschlossenem Schalter S2 der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S4 geschlossen, sodass Ladung aus der MEMS-Kapazität CM über S4 durch die Induktivität L und über S2 abfließt, wobei aufgrund des Bestrebens der Induktivität L, den ursprünglichen Stromfluss durch sie aufrecht zu erhalten (Lenz'sche Regel), der Stromfluss anhält, bis die MEMS-Kapazität CM auf einen negativen Spannungswert geladen wird, der betragsmäßig insbesondere dem positiven Spannungswert +V entsprechen und somit bei -V liegen kann.In the time interval t 5, with the switch S 2 still closed, the switch S 1 is opened and the switch S 4 is closed, so that charge flows from the MEMS capacitance C M via S4 through the inductance L and via S 2 , due to the tendency of the inductance L, to maintain the original current flow through it (Lenz's rule), the current flow stops until the MEMS capacitance C M is charged to a negative voltage value, the amount of which in particular corresponds to the positive voltage value +V and is therefore at -V can.

Es folgtwiederein (nicht in 6 illustrierter) Idle-Zustand, bei dem alle Schalter geöffnet sind, um zu vermeiden, dass die in der MEMS-Kapazität CM nun gespeicherte Ladung wieder zur Spannungsquelle für die Versorgungsspannung Uv abfließen kann.It follows again (not in 6 illustrated) Idle state, in which all switches are open to prevent the charge now stored in the MEMS capacitance C M from flowing back to the voltage source for the supply voltage Uv.

Im Zeitintervall t6 sind schließlich wieder nur die Schalter S2 und S3 geschlossen, sodass die MEMS-Kapazität CM darüber vollständig gegen Masse auf 0V entladen werden kann. Dann kann ein neuer Zyklus mit einem erneuten Durchlauf der Sequenz erfolgen.Finally, in the time interval t 6 only the switches S 2 and S 3 are closed again, so that the MEMS capacitance C M can be completely discharged to ground to 0V. A new cycle can then take place with the sequence running through again.

Der optionale Schalter S5 kann insbesondere wie folgt eingesetzt werden, um analog zur vorausgehend beschriebenen Ladungsrückgewinnung bei positiven Spannungen auch bei negativen Spannungen Ladungen zurückgewinnen zu können: Soll die MEMS-Kapazität CM beispielsweise von -V auf 0 entladen werden, so können z.B. S5 und S3 geschlossen werden. Jetzt baut sich wieder ein Strom in der Induktivität L auf.The optional switch S 5 can be used in particular as follows in order to be able to recover charges at negative voltages, analogous to the previously described charge recovery with positive voltages: If the MEMS capacitance C M is to be discharged from -V to 0, for example, S 5 and S 3 are closed. Now a current builds up again in the inductor L.

Ist die MEMS-Kapazität CM leer, so können sofort S5 und S3 geöffnet und stattdessen S1 und S2 geschlossen werden, um den Strom in der Induktivität L weiter ansteigen zu lassen. Dann nimmt alles den oben bereits beschriebenen weiteren Verlauf.If the MEMS capacitance C M is empty, S 5 and S 3 can be opened immediately and S 1 and S 2 can be closed instead in order to allow the current in the inductance L to increase further. Then everything takes the further course described above.

Beispielhafte Ausführungsformen der zweiten SchaltungExemplary embodiments of the second circuit

Es folgen nun des Weiteren Erläuterungen zu beispielhaften Ausführungsformen der zweiten Schaltung, wobei zunächst von der herkömmliche Schaltung 700 aus 7 ausgegangen wird:

  • Die Schaltung 700 aus 7 stellt eine sogenannte Halbbrückenschaltung dar. Sie verfügt über zwei Versorgungsspannungsquellen 705 und 710, die zueinander komplementäre Spannungen liefern. Der zentrale Schaltungsast der Schaltung 700 weist eine mittels der Halbbrückenschaltung zu treibende Komponente auf, im vorliegenden Beispiel einen kapazitiven MEMS-Aktuator, wie etwa einen Piezoaktor. Die MEMS-Kapazität des MEMS-Aktuators ist hier als CM bezeichnet. Ein in der Realität auftretender Ohm'scher Widerstand des zentralen Schaltungsasts ist, hier im Sinne eines Ersatzschaltbilds, durch den Widerstand R repräsentiert, der im Rahmen der weiteren Erläuterungen jedoch keine Rolle spielt.
Further explanations of exemplary embodiments of the second circuit now follow, initially starting from the conventional circuit 700 7 is assumed:
  • The circuit 700 off 7 represents a so-called half-bridge circuit. It has two supply voltage sources 705 and 710, which supply complementary voltages to one another. The central circuit branch of the circuit 700 has a component to be driven by means of the half-bridge circuit, in the present example a capacitive MEMS actuator, such as a piezo actuator. The MEMS capacity of the MEMS actuator is referred to here as C M. An ohmic resistance of the central circuit branch that occurs in reality is represented, here in the sense of an equivalent circuit diagram, by the resistor R, which, however, plays no role in the further explanations.

Des Weiteren weist die Schaltung zwei Schalteinrichtungen 715 und 725 auf, die jeweils durch eine zugeordnete Steuerspannungsquelle 720 bzw. 730 variabler Steuerspannung ansteuerbar sind, so dass in Abhängigkeit von dieser jeweiligen Steuerspannung die dieser zugeordnete Schalteinrichtung (z.B. Schalter oder Schalttransistor) 715 bzw. 725 einen Strompfad zwischen der zugeordneten Versorgungsspannungsquelle 705 bzw. 715 und der MEMS-Kapazität CM durchgängig schaltet oder unterbricht. Durch alternierendes temporäres Durchgängigschalten der beiden Strompfade durch die Schalteinrichtungen 715 und 725 kann somit die MEMS-Kapazität CM abwechselnd auf eine positive bzw. eine negative Spannung V+ bzw. V-umgeladen werden, wodurch der MEMS-Aktuator entsprechend eine korrespondierende alternierende Bewegung ausführen bzw. antrieben kann.Furthermore, the circuit has two switching devices 715 and 725, which can each be controlled by an assigned control voltage source 720 or 730 of variable control voltage, so that depending on this respective control voltage, the switching device (e.g. switch or switching transistor) 715 or 725 assigned to it Current path between the assigned supply voltage source 705 or 715 and the MEMS capacitance C M continuously switches or interrupts. By alternating temporary continuous switching of the two current paths through the switching devices 715 and 725 The MEMS capacitance C M can therefore be alternately charged to a positive or a negative voltage V+ or V-, whereby the MEMS actuator can execute or drive a corresponding alternating movement.

Diese Art der Schaltung ist aber nicht sehr energieeffizient. Im Mittel muss bei der Schaltung 700 bei ihrem Betrieb insgesamt die Leistung P t o t a l = C M U 2 f

Figure DE102022129340B3_0010
durch die Versorgungsspannungsquellen 705 und 710 aufgebracht werden.However, this type of circuit is not very energy efficient. On average, the circuit 700 must have the total power during operation P t O t a l = C M U 2 f
Figure DE102022129340B3_0010
are applied by the supply voltage sources 705 and 710.

Dabei beschreibt hier CM den Kapazitätswert der MEMS-Kapazität, U die Spitze-zu-Spitze-Spannung über der MEMS-Kapazität und f die Frequenz der sich einstellenden Rechteckspannung. Beim Beispiel eines Mikroscanners als MEMS mit einer typischen MEMS-Kapazität seines Aktuators zum Antrieb des Ablenkelements von 100 pF, einem Spannungshub von 200 V (±100 V) und einer Frequenz von 25 kHz ergäbe sich somit eine theoretische Leistungsaufnahme von 100 mW.Here C M describes the capacitance value of the MEMS capacitance, U the peak-to-peak voltage across the MEMS capacitance and f the frequency of the resulting square-wave voltage. In the example of a microscanner as MEMS with a typical MEMS capacity of its actuator for driving the deflection element of 100 pF, a voltage swing of 200 V (±100 V) and a frequency of 25 kHz, this would result in a theoretical power consumption of 100 mW.

Ein erster Grund für die eher geringe Energieeffizienz der Schaltung 700 liegt darin, dass aufgrund des hier auftretenden, aus der allgemeinen Schaltungstechnik bekannten sog. „Kondensator-Paradoxons“ oder „Zwei-Kondensatoren-Paradoxons“ (vgl. https://en.wikipedia.orq/wiki/Two capacitor paradox) zumindest 50% der aufgenommenen Leistung beim Auf- bzw. Umladen der MEMS Kapazität CM direkt in Wärme umgesetzt werden. Das ist auch dann der Fall, wenn der Leitungswiderstand (z.B. aber auch R) infinitesimal klein wird.A first reason for the rather low energy efficiency of the circuit 700 is that due to the so-called “capacitor paradox” or “two-capacitor paradox” that occurs here and is known from general circuit technology (see https://en.wikipedia .orq/wiki/Two capacitor paradox) at least 50% of the power consumed when charging or recharging the MEMS capacity C M is converted directly into heat. This is also the case if the line resistance (e.g. also R) becomes infinitesimally small.

Ein zweiter Grund liegt darin, dass der verbleibende Anteil der zugeführten Leistung für den Aufbau der unterschiedlichen Energieniveaus in der MEMS-Kapazität CM, d.h. für das alternierende Umladen, benötigt wird, wobei jedoch beim Umladen aus der MEMS-Kapazität CM abfließende Ladung gegen Masse bzw. durch die Spannungsquellen abgeleitet wird, ohne zur weiteren Verwendung zurückgewonnen zu werden.A second reason is that the remaining portion of the supplied power is required to build up the different energy levels in the MEMS capacity C M , ie for the alternating recharging, although charge flowing out of the MEMS capacity C M during recharging is counteracted Mass or through the voltage sources is derived without being recovered for further use.

8 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform 800 der zweiten Schaltung, die ein bipolares Ansteuern des Aktuators, genauer der MEMS-Kapazität CM, ermöglicht. Hier genügt jedoch eine einzige Versorgungsspannungsquelle 805, die in ihrem Aufbau insbesondere der Versorgungsspannungsquelle 705 entsprechen kann und eine Gleichspannung als Versorgungsspannung Uv der Schaltung 800 liefert, insbesondere an einem Einspeisungspunkt E1. Typischerweise handelt es sich hierbei angesichts des Spannungsbedarfs des Aktuators um eine Hochspannungsquelle (im vorliegenden Kontext also um eine Spannungsquelle, die eine Versorgungsspannung liefern kann, die über den typischen Versorgungsspannungen von Logikschaltungen, insbesondere Halbleiterschaltungen, liegt). Die Versorgungsspannung kann betragsmäßig insbesondere größer als 10 V sein, insbesondere auch bei oder oberhalb von 100 V liegen. 8th shows a first exemplary embodiment 800 of the second circuit, which enables bipolar control of the actuator, more precisely the MEMS capacitance C M . However, a single supply voltage source 805 is sufficient here, the structure of which can correspond in particular to the supply voltage source 705 and supplies a DC voltage as the supply voltage Uv of the circuit 800, in particular at a feed point E 1 . Typically, given the voltage requirement of the actuator, this is a high-voltage source (in the present context, a voltage source that can deliver a supply voltage that is above the typical supply voltages of logic circuits, in particular semiconductor circuits). In terms of magnitude, the supply voltage can in particular be greater than 10 V, in particular also at or above 100 V.

Anstelle der zweiten Versorgungsspannungsquelle 710 ist in der Schaltung 800 dagegen eine Induktivität Ls („Schwingkreisinduktivität“) enthalten, die zusammen mit der MEMS-Kapazität CM (und R) und einer Schalteinrichtung 825 einen Schwingkreis bildet. Die Schalteinrichtung 825 kann in ihrem Aufbau insbesondere einer der vorausgehend beschriebenen Schalteinrichtungen 715 und 725 entsprechen. Der Schwingkreis ist über eine Schalteinrichtung 815 mit dem von der Versorgungsspannungsquelle 805 gespeisten Einspeisepunkt E1 elektrisch verbindbar, um bei geschlossener Schalteinrichtung 815 elektrische Energie von der Versorgungsspannungsquelle 805 in den Schwingkreis zu überführen.Instead of the second supply voltage source 710, the circuit 800 contains an inductance Ls (“resonant circuit inductance”), which forms a resonant circuit together with the MEMS capacitance C M (and R) and a switching device 825. The switching device 825 can in particular correspond in structure to one of the switching devices 715 and 725 described above. The resonant circuit can be electrically connected via a switching device 815 to the feed point E 1 fed by the supply voltage source 805 in order to transfer electrical energy from the supply voltage source 805 into the resonant circuit when the switching device 815 is closed.

Wäre die Schalteinrichtung 825 nicht vorhanden oder dauerhaft geschlossen, dann wäre die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises durch seine gemäß der Beziehung (1) (vgl. oben) durch die Werte von CM und Ls bedingten Resonanzfrequenz f0 gegeben.If the switching device 825 were not present or permanently closed, then the oscillation frequency of the oscillating circuit would be given by its resonance frequency f 0 , which is determined by the values of C M and Ls according to relationship (1) (see above).

Speziell im Fall von Mikroscannern, liegen typische Resonanzfrequenzen von Ablenkelementen (Spiegelplatten) im Bereich von bis zu maximal 100 kHz. Die Kapazität des piezoelektrischen Materials liegt typischerweise in einem Bereich bis zu ca. 150 pF. In erster Linie könnte man nun als Schwingkreisinduktivität Ls eine Spule mit geeignetem Induktivitätswert wählen, sodass die Resonanzfrequenz f0 des elektrischen Schwingkreises genau der Resonanzfrequenz des Ablenkelements entspricht.Especially in the case of microscanners, typical resonance frequencies of deflection elements (mirror plates) are in the range of up to a maximum of 100 kHz. The capacity of the piezoelectric material is typically in a range of up to approximately 150 pF. First and foremost, one could now choose a coil with a suitable inductance value as the resonant circuit inductance Ls, so that the resonant frequency f 0 of the electrical resonant circuit corresponds exactly to the resonant frequency of the deflection element.

Es zeigt sich jedoch, dass gemäß der Beziehung (1), nach L aufgelöst, unpraktikabel große Induktivitätswerte resultieren: L S = 1 ( 2 π f 0 ) 2 C M = 1 ( 2 π 100 k H z ) 2 150 p F = 16,9   m H

Figure DE102022129340B3_0011
However, it turns out that according to the relationship (1), solved for L, impractically large inductance values result: L S = 1 ( 2 π f 0 ) 2 C M = 1 ( 2 π 100 k H e.g ) 2 150 p F = 16.9 m H
Figure DE102022129340B3_0011

Derart große Induktivitätswerte für Ls in Verbindung mit kleinen Wicklungswiderständen wären jedoch sehr platzaufwändig und daher in Produkten, in denen es auf eine möglichst kleine Bauform des MEMS ankommt, wie etwa in einer AR/VR-Brille, ungünstig. Je kleiner die Resonanzfrequenz f0 und/oder der Wert für CM spezifiziert wird, desto größer wird die notwendige Induktivität Ls. Bei f0 = 30 kHz und CM = 100 pF würde sich für Ls bereits ein Wert von fast 300 mH ergeben.However, such large inductance values for Ls in conjunction with small winding resistances would take up a lot of space and would therefore be unfavorable in products in which the smallest possible design of the MEMS is important, such as AR/VR glasses. The smaller the resonance frequency f 0 and/or the value for C M is specified, the larger the necessary inductance Ls becomes. At f 0 = 30 kHz and C M = 100 pF, Ls would already have a value of almost 300 mH.

Sofern Ls, insbesondere aus Platzgründen, klein gehalten werden muss, ist eine Schaltungsimplementierung mit einem klassischen, dauerhaft geschlossenen Schwingkreis daher ungünstig bis unmöglich.If Ls has to be kept small, especially for reasons of space, a circuit implementation with a classic, permanently closed resonant circuit is therefore unfavorable or even impossible.

Wie in 9 anhand der Strom- und Spannungsverläufe 900 an der MEMS-Kapazität CM illustriert, kann der Betrieb der Schaltung 800 daher insbesondere wie folgt erfolgen, wobei eine (nicht dargestellte) Steuerung, wie etwa ein computerprogrammgesteuerter Mikrocontroller oder eine festverdrahtete Steuerschaltung, zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen zum Einsatz kommt: Zunächst wird bei geschlossener Schalteinrichtung 815 bei zugleich geöffneter Schalteinrichtung 825 ein Strompfad von der Versorgungsspannungsquelle 805 über die zunächst ungeladene MEMS-Kapazität CM freigeschaltet, um die MEMS-Kapazität CM mittels eines Ladestroms I aus der Versorgungsspannungsquelle 805 erstmals auf einen Spannungspegel +V zu laden. Bei ausreichender Ladezeit steigt dabei die Spannung über der MEMS-Kapazität CM bis auf die Höhe der Versorgungsspannung +V = Uv an (vgl. Detailausschnitt aus 9). Der Schwingkreis ist nun mit Energie versorgt und beginnt nach dem Öffnen der Schalteinrichtung 815 und Schließen der Schalteinrichtung 825 im Sinne einer gedämpften Schwingung zu schwingen. Diese Schwingung wird jedoch dadurch moduliert und somit hin zu einer niedrigeren Schwingungsfrequenz verändert, dass in jeder Schwingungsperiode die Schalteinrichtung 825 für eine bestimmten zeitlichen Anteil der Schwingungsperiode geöffnet wird, wenn die Spannung UM an der MEMS-Kapazität CM gerade ein Maximum erreicht und somit die im Schwingkreis vorhandene, zwischen CM und Ls hin und her schwingende Energie momentan, zumindest weitgehend, als elektrische Energie in CM gespeichert ist. Der zeitlichen Anteil an der Schwingungsperiode kann insbesondere etwa 50% sein, also etwa der halben Periodendauer entsprechen. Genauer wären es 50% abzüglich der Zeit, die der Schwingkreis zum Umladen zwischen zwei Spannungsniveaus braucht. As in 9 illustrated using the current and voltage curves 900 on the MEMS capacitance C M , the operation of the circuit 800 can therefore take place in particular as follows, with a controller (not shown), such as a computer program-controlled microcontroller or a hard-wired control circuit, for controlling the switching devices is used: First, with the switching device 815 closed and the switching device 825 open at the same time, a current path from the supply voltage source 805 is activated via the initially uncharged MEMS capacitance C M in order to charge the MEMS capacitance C M for the first time using a charging current I from the supply voltage source 805 Load voltage level +V. If the charging time is sufficient, the voltage across the MEMS capacitance C M rises to the level of the supply voltage +V = Uv (see detail section from 9 ). The resonant circuit is now supplied with energy and begins to oscillate in the sense of a damped oscillation after the switching device 815 is opened and the switching device 825 is closed. However, this oscillation is modulated and thus changed to a lower oscillation frequency by opening the switching device 825 for a certain portion of the oscillation period in each oscillation period when the voltage U M at the MEMS capacitance C M just reaches a maximum and thus The energy present in the resonant circuit, which oscillates back and forth between C M and Ls, is currently, at least largely, stored as electrical energy in C M. The time portion of the oscillation period can in particular be approximately 50%, i.e. correspond to approximately half the period duration. More precisely, it would be 50% minus the time that the resonant circuit needs to reload between two voltage levels.

Zwischenzeitlich dem Schwingkreis, insbesondere am Widerstand R und den Leitungen durch, insbesondere Ohm'sche, Verluste verloren gegangene Energie (daher gedämpfte Schwingung), kann nun durch regelmäßiges temporäres Schließen der Schalteinrichtung 815 und Öffnen der Schalteinrichtung 825 durch erneutes Aufladen von CM mit einem temporären, Ladestrom I kompensiert werden. Diese Nachladen erfolgt vorzugsweise dann, wenn die Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM gerade ihren in der aktuellen Schwingungsperiode maximalen Wert erreicht. Dies muss jedoch nicht zwingend in jeder Schwingungsperiode bzw. nach jedem Umladen erfolgen. Vielmehr ist es auch möglich, das Nachladen nur nach zwischenzeitlichem mehrfachen Umladen bzw. erst nach mehreren Schwingungsperioden vorzunehmen, z.B. jedes m-te Mal, mit m ∈ ℕ, z.B. mit m = 2.In the meantime, energy lost in the resonant circuit, in particular on the resistor R and the lines due to, in particular ohmic, losses (hence damped oscillation), can now be done by regularly temporarily closing the switching device 815 and opening the switching device 825 by recharging C M with a temporary charging current I can be compensated. This recharging preferably takes place when the voltage U M across the MEMS capacitance C M has just reached its maximum value in the current oscillation period. However, this does not necessarily have to be done in every oscillation period or after every reloading. Rather, it is also possible to reload only after multiple reloading in the meantime or only after several oscillation periods, for example every mth time, with m ∈ ℕ, for example with m = 2.

Das Nachladen kann allgemein sowohl mit einer positiv gepolten Hochvolt-Quelle zu Zeiten stattfinden, zu denen der Schwingkreis pausiert ist und die Spannung über dem MEMS gerade maximal ist, als auch mit einer negativ gepolten Hochvolt-Quelle zu Zeiten, zu denen der Schwingkreis pausiert ist und die Spannung über der MEMS-Kapazität CM gerade minimal ist. In diesem Fall ergibt sich ein etwas gleichmäßigeres Spannungssignal über der MEMS-Kapazität CM.Recharging can generally take place both with a positively polarized high-voltage source at times when the resonant circuit is paused and the voltage across the MEMS is currently at its maximum, as well as with a negatively polarized high-voltage source at times when the resonant circuit is paused and the voltage across the MEMS capacitance C M is just minimal. In this case there is a somewhat more uniform voltage signal across the MEMS capacitance C M .

Der Schwingkreis wird somit regelmäßig pausiert, um einerseits seine Schwingungsfrequenz fs, zu erhalten, die gegenüber der gemäß der Beziehung (1) (vgl. oben) durch die Werte von CM und Ls bedingten Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises (im dauerhaft geschlossenen Fall) herabgesetzt ist, und andererseits die bei der elektrischen Schwingung verlorene Energie nachzuladen.The resonant circuit is therefore paused regularly in order to maintain its oscillation frequency fs, which is compared to the resonant frequency f 0 of the resonant circuit (in the permanently closed case) determined by the values of C M and Ls according to relationship (1) (see above). is reduced, and on the other hand to recharge the energy lost during the electrical oscillation.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Schaltung ist dabei, dass aufgrund der direkten Einspeisung der Versorgungsspannung Uv in die MEMS-Kapazität CM die nachteilige Wirkung des Kondensatorparadoxons in Anlehnung des Prinzip des gestuften, insbesondere adiabatischen Ladens reduziert und Leitungsverluste reduziert werden können. Zudem müssen die beim Umladen von CM fließenden Ladungen nicht mehr einfach gegen Masse abgeleitet werden, sondern sie stehen der fortgesetzten elektrischen Schwingung im Schwingkreis weiterhin zur Verfügung. So lässt sich ein höherer Wirkungsgrad und somit eine höhere Energieeffizienz als bei der Schaltung 700 aus 7 erreichen.A significant advantage of this circuit is that due to the direct feeding of the supply voltage Uv into the MEMS capacitance C M , the disadvantageous effect of the capacitor paradox can be reduced based on the principle of staged, in particular adiabatic, charging and line losses can be reduced. In addition, the charges that flow when C M is reloaded no longer simply have to be diverted to ground, but are still available for the continued electrical oscillation in the resonant circuit. This results in a higher efficiency and therefore a higher energy efficiency than with the 700 circuit 7 to reach.

Zudem können die Werte von CM und Ls kleiner gewählt werden, als es im Falle eines klassischen Schwingkreises zur Erreichung der gewünschten Schwingungsfrequenz fS erforderlich wäre. So können besonders platzsparende Schaltungsimplementierungen erreicht und auch die Abhängigkeiten von Bauteiltoleranzen eliminiert werden.In addition, the values of C M and Ls can be chosen to be smaller than would be required in the case of a classic resonant circuit to achieve the desired oscillation frequency f S. In this way, particularly space-saving circuit implementations can be achieved and dependencies on component tolerances can also be eliminated.

10 illustriert eine zweite beispielhafte Ausführungsform 1000 der zweiten Schaltung, mit einem pausierbaren Schwingkreis sowie mit einer über ein gekoppeltes Spulenpaar induktiv an den Schwingkreis gekoppelten Hochspannungsquelle 1005 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung Uv für die Schaltung 1000. Die Spannungsquelle 1005 kann alternativ, je nach Windungsverhältnis des Spulenpaares, auch eine Niederspannungsquelle sein. 10 illustrates a second exemplary embodiment 1000 of the second circuit, with a pauseable resonant circuit and with a high-voltage source 1005 inductively coupled to the resonant circuit via a coupled coil pair to provide a supply voltage Uv for the circuit 1000. The voltage source 1005 can alternatively, depending on the turns ratio of the coil pair, also be a low voltage source.

Konkret weist die Schaltung 1000 zwei galvanisch entkoppelte Schaltungsteile, vorzugsweise einschließlich entkoppelter erster und zweiter Massen 1045 und 1050, auf, die über ein aus einer ersten Kopplungsspule LV und einer zweiten Kopplungsspule LS bestehendes Spulenpaar induktiv gekoppelt sind. Die zweiten Kopplungsspule LS stellt zugleich die Schwingkreis-Induktivität des Schwingkreises dar. Die Kopplungsspulen weisen zudem jeweils einen Ohm'schen Widerstand RV bzw. RS auf, der hier jeweils im Sinne eines Ersatzschaltbilds dargestellt ist.Specifically, the circuit 1000 has two galvanically decoupled circuit parts, preferably including decoupled first and second masses 1045 and 1050, which are inductively coupled via a pair of coils consisting of a first coupling coil L V and a second coupling coil L S. The second coupling coil L S also represents the resonant circuit inductance of the resonant circuit. The coupling coils also each have an ohmic resistance R V or R S , which is shown here in the sense of an equivalent circuit diagram.

Der erste Schaltungsteil weist eine Schaltungsschleife auf, die neben der Hochspannungsquelle 1005 und der ersten Kopplungsspule Lv (mit Rv) noch eine erste Schalteinrichtung 1015 mit einer zugeordneten Steuerspannungsquelle 1020 zu ihrer zeitlich variablen Ansteuerung enthält. In Abhängigkeit vom momentanen Schaltzustand der Schalteinrichtung 1015 ist die Schleife und somit der Strompfad durch die erste Kopplungsspule Lv geschlossen oder unterbrochen, so dass sich über die Steuerspannungsquelle 1020 die induktive Wirkung der ersten Kopplungsspule LV und somit eine induktive Energieübertragung auf die zweite Kopplungsspule Ls im Schwingkreis steuern lässt.The first circuit part has a circuit loop which, in addition to the high voltage source 1005 and the first coupling coil Lv (with Rv), also contains a first switching device 1015 with an assigned control voltage source 1020 for its time-variable control. Depending on the current switching state of the switching device 1015, the loop and thus the current path through the first coupling coil Lv is closed or interrupted, so that the inductive effect of the first coupling coil L V and thus an inductive energy transfer to the second coupling coil Ls im is via the control voltage source 1020 Oscillating circuit can be controlled.

Der Schwingkreis weist wiederum neben der als Schwingkreisinduktivität vorgesehenen zweiten Kopplungsspule Ls die anzusteuernde MEMS-Kapazität CM eines MEMS-Aktuators (nebst deren Ohm`schen Widerstand R) sowie eine zweite Schalteinrichtung 1025 mit einer zugeordneten Steuerspannungsquelle 1030 zu ihrer zeitlich variablen Ansteuerung auf. Entsprechend der Schalteinrichtung 825 aus 8, kann mit der zweiten Schalteinrichtung 1025 der Schwingkreis pausiert werden.In addition to the second coupling coil Ls provided as a resonant circuit inductance, the resonant circuit in turn has the MEMS capacitance C M of a MEMS actuator to be controlled (along with its ohmic resistance R) and a second switching device 1025 with an assigned control voltage source 1030 for its time-variable control. According to the switching device 825 8th , the resonant circuit can be paused with the second switching device 1025.

Zusätzlich weist der Schwingkreis noch einen parallel zur zweite Schalteinrichtung 1025 geschalteten Schaltungsast mit einer Diode D und einer dritten zweite Schalteinrichtung 1035 mit einer zugeordneten Steuerspannungsquelle 1040 zu ihrer zeitlich variablen Ansteuerung auf.In addition, the resonant circuit also has a circuit branch connected in parallel to the second switching device 1025 with a diode D and a third second switching device 1035 with an assigned control voltage source 1040 for its time-variable control.

Sind die Schalteinrichtungen 1015 und 1035 geöffnet, so dass sie die durch sie verlaufenden Strompfade unterbrechen, während die Schalteinrichtung 1025 geschlossen ist, ist der Schwingkreis geschlossen und „schwingt“. Wenn jedoch die dabei auftretenden Energieverluste wieder ausgeglichen werden sollen (vgl. 9), dann werden die Schalteinrichtungen 1015 und 1035 geschlossen und die Schalteinrichtung 1025 geöffnet.If the switching devices 1015 and 1035 are open so that they interrupt the current paths running through them, while the switching device 1025 is closed, the resonant circuit is closed and “oscillates”. However, if the resulting energy losses are to be compensated for (cf. 9 ), then the switching devices 1015 and 1035 are closed and the switching device 1025 is opened.

Nun kann durch einen einmaligen Strompuls (oder durch mehrere aufeinanderfolgende Strompulse bei entsprechendem mehrfachen Schließen und Öffnen der Schalteinrichtung 1015, ein zeitliche variabler Strom, insbesondere Wechselstrom, durch die erste Kopplungsspule LV generiert werden, der durch induktive Energieübertragung über das Spulenpaar einen Induktionsstrom im zweiten Schaltungsteil bewirkt, der über die Schalteinrichtung 1035 verläuft und über die Diode D gleichgerichtet wird. So kann die MEMS-Kapazität CM mit Gleichstrom (der zeitlich variabel sein kann) nachgeladen werden. Dies erfolgt während einer Zeitspanne, in der die aus der vorangegangenen Schwingung im Schwingkreis resultierende Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM maximal und gleichpolig ist, wie die in der zweiten Kopplungsspule LS generierte Induktionsspannung. Wird die Richtung der Diode umgedreht, so ergibt sich analog dazu die Möglichkeit, den Schwingkreis „nachzuladen“, wenn die Spannung über der MEMS-Kapazität gerade minimal ist. Durch einen zusätzlichen Strompfad besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit der bipolaren Nachladung.Now, by a single current pulse (or by several consecutive current pulses with corresponding multiple closing and opening of the switching device 1015, a time-variable current, in particular alternating current, can be generated through the first coupling coil L V , which generates an induction current in the second through inductive energy transfer via the pair of coils Circuit part causes, which runs via the switching device 1035 and is rectified via the diode D. The MEMS capacitance C M can thus be recharged with direct current (which can be variable over time). This takes place during a period of time in which the from the previous oscillation The voltage U M resulting in the resonant circuit is maximum over the MEMS capacitance C M and has the same pole as the induction voltage generated in the second coupling coil L S. If the direction of the diode is reversed, there is an analogous possibility of “recharging” the resonant circuit. when the voltage across the MEMS capacitance is just minimal. An additional current path also offers the possibility of bipolar recharging.

Anstelle der Gleichspannungsquelle 1005 kann auch eine Wechselspannungsquelle eingesetzt werden, so dass das Erzeugen von Gleichstrompulsen zur Erzeugung eines zeitlich variierenden Stroms durch die erste Kopplungsspule LV entfallen kann.Instead of the DC voltage source 1005, an AC voltage source can also be used, so that the generation of DC pulses to generate a time-varying current through the first coupling coil L V can be omitted.

11 illustriert eine dritte beispielhafte Ausführungsform 1100 der zweiten Schaltung mit einem pausierbaren Schwingkreis, die aus der Schaltung 800 aus 8 hervorgeht, indem die dortige einzige Schwingkreis-Kapazität und zugleich MEMS-Kapazität CM auf zwei separate MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 aufgeteilt wird. In der Schaltung 1100 entsprechen im Hinblick auf einen Vergleich mit der Schaltung 800 die Versorgungsspannungsquelle 1105 der Versorgungsspannungsquelle 805, und die Schalteinrichtungen 1115 und 1125 (mit zugeordneten Steuerspannungsquellen 1120, 1130) den Schalteinrichtungen 815 bzw. 825 (mit zugeordneten Steuerspannungsquellen 820 bzw. 830). 11 illustrates a third exemplary embodiment 1100 of the second circuit with a pauseable resonant circuit, which consists of the circuit 800 8th emerges from the only swing there circuit capacity and at the same time MEMS capacity C M is divided into two separate MEMS capacities C M1 and C M2 . In the circuit 1100, for comparison with the circuit 800, the supply voltage source 1105 corresponds to the supply voltage source 805, and the switching devices 1115 and 1125 (with associated control voltage sources 1120, 1130) correspond to the switching devices 815 and 825 (with associated control voltage sources 820 and 830, respectively) .

Aufgrund der Aufteilung der Schwingkreis-Kapazität auf die zwei separaten MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 in der gezeigten Anordnung, bei der die Schwingkreis-Induktivität LS und die Schalteinrichtung 1125 zwischen die beiden MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 geschaltet sind, ergeben sich beim (pausierbaren) Schwingen des Schwingkreises Spannungen UM1 bzw. UM2 an den MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2, die gegeneinander phasenverschoben sind und speziell bei gleichen Kapazitätswerten eine gleiche Amplitude aufweisen können. Die MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 können insbesondere Teil eines selben MEMS-Aktuators sein, sodass dessen ein differenzieller Antrieb ermöglicht ist. Beispielsweise können die MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 jeweils als Bestandteils eines Piezoaktors derart konfiguriert sein, dass sie, um insbesondre 180°, phasenversetzt in entgegengesetzte Richtungen wirkende piezoelektrische Kräfte bewirken.Due to the division of the resonant circuit capacitance between the two separate MEMS capacitances C M1 and C M2 in the arrangement shown, in which the resonant circuit inductance LS and the switching device 1125 are connected between the two MEMS capacitances C M1 and C M2 During (pauseable) oscillation of the resonant circuit, voltages U M1 and U M2 occur at the MEMS capacitances C M1 and C M2 , which are out of phase with one another and can have the same amplitude, especially with the same capacitance values. The MEMS capacitances C M1 and C M2 can in particular be part of the same MEMS actuator, so that a differential drive is possible. For example, the MEMS capacitances C M1 and C M2 can each be configured as part of a piezo actuator in such a way that they cause piezoelectric forces acting in opposite directions, in particular 180° out of phase.

Beispielhafte Ausführungsformen für eine Kombination von erster Schaltung und zweiter SchaltungExemplary embodiments for a combination of first circuit and second circuit

Wie schon erwähnt, können die vorausgehend eingeführten Schaltungstypen „erste Schaltung“ und „zweite Schaltung“ auch vorteilhaft kombiniert werden. Während es dabei die erste Schaltung insbesondere erlaubt, für den Betrieb von Aktuatoren, insbesondere MEMS-Aktuatoren, erforderliche hohe Spannungen auch ohne Verwendung einer Hochspannungsquelle als solche bereitzustellen, und stattdessen eine Niederspannungsquelle, die insbesondere durch eine Primärbatterie oder Sekundärbatterie eines mobilen Geräts gegeben sein kann, zu verwenden, erlaubt die zweite Schaltung insbesondere eine platzsparende Bauform der Schaltung. Zudem dienen beide Schaltungen einer Steigerung der energetischen Effizienz.As already mentioned, the previously introduced circuit types “first circuit” and “second circuit” can also be advantageously combined. While the first circuit in particular makes it possible to provide the high voltages required for the operation of actuators, in particular MEMS actuators, even without using a high-voltage source as such, and instead a low-voltage source, which can in particular be provided by a primary battery or secondary battery of a mobile device , the second circuit allows, in particular, a space-saving design of the circuit. In addition, both circuits serve to increase energy efficiency.

12 illustriert eine erste beispielhafte Ausführungsform 1200 einer solchen kombinierten Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators, insbesondere eines MEMS-Aktuators, zum Antrieb einer Schwingungsbewegung in einem MEMS. 12 illustrates a first exemplary embodiment 1200 of such a combined circuit for controlling an actuator, in particular a MEMS actuator, for driving an oscillatory movement in a MEMS.

Die Schaltung 1200 kann als Fortentwicklung bzw. Variante der ersten Schaltung aus 2A betrachtet werden, so dass im Folgenden nur noch auf die Unterschiede dazu eingegangen wird.The circuit 1200 can be a further development or variant of the first circuit 2A are considered, so that only the differences will be discussed below.

Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass in der Schaltung 1200 entsprechend dem Konzept der zweiten Schaltung ein pausierbarer Schwingkreis mit der MEMS-Kapazität CM als Schwingkreis-Kapazität enthalten ist. Der Schwingkreis enthält zudem eine Schwingkreis-Induktivität Ls sowie eine Schalteinrichtung S7 zum temporären Unterbrechen (pausieren) des Schwingkreises.A significant difference is that in the circuit 1200, according to the concept of the second circuit, a pauseable resonant circuit with the MEMS capacitance C M is included as the resonant circuit capacity. The resonant circuit also contains a resonant circuit inductance Ls and a switching device S 7 for temporarily interrupting (pausing) the resonant circuit.

Zum Nachladen der MEMS-Kapazität CM wird, wenn sie ihren maximalen Spannungswert im Rahmen der aktuellen Schwingungsperiode erreicht hat, der Schwingkreis mittels der Schalteinrichtung S7 unterbrochen (pausiert) und durch Schließen der weiteren Schalteinrichtung S6 ein Strompfad zwischen der im linken Teil der 12 dargestellten Hochsetzstellerschaltung und dem Schwingkreis, insbesondere der MEMS-Kapazität CM, geschlossen.To recharge the MEMS capacitance C M , when it has reached its maximum voltage value within the current oscillation period, the resonant circuit is interrupted (paused) by means of the switching device S 7 and by closing the further switching device S 6 , a current path is created between the in the left part of the 12 shown boost converter circuit and the resonant circuit, in particular the MEMS capacitance C M , closed.

Das Versorgen des Schwingkreises mit Energie kann hier somit allein mittels einer Niederspannungsquelle zur Bereitstellung der Versorgungsspannung Uv erfolgen, ohne dass eine Hochspannungsquelle erforderlich wäre.The resonant circuit can therefore be supplied with energy solely by means of a low-voltage source to provide the supply voltage Uv, without the need for a high-voltage source.

Die Rückführungsschleife über die Schalteinrichtung S2' sowie die Pufferkapazität CB aus der Schaltung 200 aus 2A können zudem entfallen, da die Energie im Schwingkreis bis auf die typischen, insbesondere Ohm'schen, Verluste im Wesentlichen erhalten wird, sodass eine Pufferung nicht mehr erforderlich ist.The feedback loop via the switching device S 2 ' and the buffer capacity C B from the circuit 200 2A can also be eliminated because the energy in the resonant circuit is essentially preserved apart from the typical, especially ohmic, losses, so that buffering is no longer necessary.

13 illustriert eine zweite beispielhafte Ausführungsform 1300 einer kombinierten Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators, insbesondere eines MEMS-Aktuators, zum Antrieb einer Schwingungsbewegung in einem MEMS. 13 illustrates a second exemplary embodiment 1300 of a combined circuit for controlling an actuator, in particular a MEMS actuator, for driving an oscillatory movement in a MEMS.

Die Schaltung 1300 kann als Fortentwicklung bzw. Variante der ersten Schaltung aus 5 betrachtet werden, so dass im Folgenden nur noch auf die Unterschiede dazu eingegangen wird.The circuit 1300 can be a further development or variant of the first circuit 5 are considered, so that only the differences will be discussed below.

Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass in der Schaltung 1300 wiederum ein pausierbarer Schwingkreis mit der MEMS-Kapazität CM als Schwingkreis-Kapazität und einer Schwingkreis-Induktivität Ls sowie einer Schalteinrichtung S7 zum temporären Unterbrechen (pausieren) des Schwingkreises enthalten ist.A significant difference is that the circuit 1300 again contains a pauseable resonant circuit with the MEMS capacitance C M as the resonant circuit capacity and a resonant circuit inductance Ls as well as a switching device S 7 for temporarily interrupting (pausing) the resonant circuit.

Zum Nachladen der MEMS-Kapazität CM wird einerseits, wenn sie ihren maximalen positiven Spannungswert im Rahmen der aktuellen Schwingungsperiode erreicht hat, der Schwingkreis mittels der Schalteinrichtung S7 unterbrochen (pausiert) und durch Schließen zumindest einer der Schalteinrichtungen S3 und S4 wird ein Strompfad zwischen der im linken Teil der 13 dargestellten Hochsetzstellerschaltung und dem Schwingkreis, insbesondere der MEMS-Kapazität CM, geschlossen. Die Hochsetzstellerschaltung ist dabei so bezüglich ihrer Schalterstellungen konfiguriert (z.B.: S1 und S3 geschlossen, S2 und S4 offen, oder: S1 und S4 geschlossen, S2 und S3 offen), dass sie eine Versorgungsspannung an den Schwingkreis, bzw. genauer die MEMS-Kapazität CM, liefert, die gleichpolig zur (positiven) Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM ist.To recharge the MEMS capacitance C M , on the one hand, when it has reached its maximum positive voltage value within the current oscillation period, the resonant circuit is interrupted (paused) by means of the switching device S 7 and by closing at least one of the switching devices S 3 and S 4 Current path between the in the left part of the 13 shown boost converter circuit and the resonant circuit, in particular the MEMS capacitance C M , closed. The step-up converter circuit is configured in such a way with regard to its switch positions (e.g.: S 1 and S 3 closed, S 2 and S 4 open, or: S 1 and S 4 closed, S 2 and S 3 open) that it supplies a supply voltage to the resonant circuit , or more precisely the MEMS capacitance C M , which has the same pole as the (positive) voltage U M across the MEMS capacitance C M.

Andererseits kann zum (zusätzlichen) Nachladen der MEMS-Kapazität CM, wenn sie ihren maximalen negativen Spannungswert im Rahmen der aktuellen Schwingungsperiode erreicht hat, der Schwingkreis wieder mittels der Schalteinrichtung S7 unterbrochen (pausiert) und durch Schließen zumindest einer der Schalteinrichtungen S3 und S4 wird ein Strompfad zwischen der Hochsetzstellerschaltung und dem Schwingkreis, insbesondere der MEMS-Kapazität CM, geschlossen. Die Hochsetzstellerschaltung ist dabei so bezüglich ihrer Schalterstellungen konfiguriert (z. B: S2 und S4 geschlossen, S1 und S3 offen, oder: S2 und S3 geschlossen, S1 und S4 offen), dass sie eine Versorgungsspannung an den Schwingkreis, bzw. genauer die MEMS-Kapazität CM, liefert, die gleichpolig zur (negativen) Spannung UM über der MEMS-Kapazität CM ist.On the other hand, for (additional) recharging of the MEMS capacitance C M when it has reached its maximum negative voltage value within the current oscillation period, the resonant circuit can be interrupted (paused) again by means of the switching device S 7 and by closing at least one of the switching devices S 3 and S 4, a current path between the step-up converter circuit and the resonant circuit, in particular the MEMS capacitance C M , is closed. The step-up converter circuit is configured in such a way with regard to its switch positions (e.g.: S 2 and S 4 closed, S 1 and S 3 open, or: S 2 and S 3 closed, S 1 and S 4 open) that it supplies a supply voltage the resonant circuit, or more precisely the MEMS capacitance C M , which has the same pole as the (negative) voltage U M across the MEMS capacitance C M.

Auch bei der Schaltung 1300 kann das Versorgen des Schwingkreises mit Energie allein mittels einer Niederspannungsquelle zur Bereitstellung der Versorgungsspannung Uv erfolgen, ohne dass eine Hochspannungsquelle erforderlich wäre. Zudem kann auch die Pufferkapazität CB aus der Schaltung 500 aus 5 wieder entfallen, da die Energie im Schwingkreis bis auf die typischen, insbesondere Ohm'schen, Verluste im Wesentlichen erhalten wird, sodass eine Pufferung nicht mehr erforderlich ist.In the circuit 1300, too, the resonant circuit can be supplied with energy solely by means of a low-voltage source to provide the supply voltage Uv, without the need for a high-voltage source. In addition, the buffer capacity C B can also come out of the circuit 500 5 again eliminated, since the energy in the resonant circuit is essentially preserved apart from the typical, especially ohmic, losses, so that buffering is no longer necessary.

14 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform 1400 einer Schaltung in der die Konzepte der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung kombiniert sind, um eine Schaltung zur bipolaren und differentiellen Ansteuerung eines MEMS-Aktuators, insbesondere Mikroscanners, zu bilden. 14 shows a third exemplary embodiment 1400 of a circuit in which the concepts of the first circuit and the second circuit are combined to form a circuit for bipolar and differential control of a MEMS actuator, in particular a microscanner.

Die Schaltung 1400 weist neben einem Schwingkreis 1425, der mittels einer Schalteinrichtung 1405 unterbrochen werden kann und somit pausierbar ist, zwei Hochsetzstellerschaltungen 1415 und 1420 auf, die hier beispielhaft jeweils dem Konzept der Schaltung aus 13 entsprechen und die dazu dienen, zwei verschiedenpolige, hochgesetzte Versorgungsspannungen +Uv bzw. -Uv für den pausierbaren Schwingkreis 1425, je eine an einem zugeordneten Einspeisungspunkt E1 bzw. E2, bereitzustellen.In addition to an oscillating circuit 1425, which can be interrupted by means of a switching device 1405 and can therefore be paused, the circuit 1400 has two step-up converter circuits 1415 and 1420, which here each exemplify the concept of the circuit 13 correspond and which serve to provide two different-pole, boosted supply voltages +Uv or -Uv for the pauseable resonant circuit 1425, one each at an assigned feed point E 1 or E 2 .

Das Nachladen der MEMS-Kapazitäten CM1 bzw. CM2 erfolgt wiederum vorzugsweise dann, wenn sie ihren jeweils zur zugeordneten Versorgungsspannung gleichpoligen, absolut betrachtet maximalen Spannungswert im Rahmen der aktuellen Schwingungsperiode erreicht haben. Dabei ist der Schwingkreis mittels einer Schalteinrichtung 1415 mit zugeordneter Steuerspannungsquelle 1420 temporär unterbrochen (pausiert). Die erste MEMS-Kapazität CM1 wird somit in einer ersten Polung (+) geladen während zugleich die zweite MEMS-Kapazität CM2 in einer zur ersten Polung entgegengesetzten Polung (-) geladen wird. Die Funktionsweise der Schaltung ist hinsichtlich jeder einzelnen der Polungen identisch zu der aus 13, wobei hier bei den Bezugszeichen ein weiterer Index 1 bzw. 2 eingeführt wird, um die Komponenten der beiden, insbesondere identisch ausführbaren, Hochsetzsteller 1415 und 1420 zu unterscheiden.The recharging of the MEMS capacitances C M1 and C M2 in turn preferably takes place when they have reached their absolute maximum voltage value, which has the same polarity as the assigned supply voltage, within the current oscillation period. The resonant circuit is temporarily interrupted (paused) by means of a switching device 1415 with an assigned control voltage source 1420. The first MEMS capacitance C M1 is thus charged in a first polarity (+) while at the same time the second MEMS capacitance C M2 is charged in a polarity (-) opposite to the first polarity. The functionality of the circuit is identical to that of each of the polarities 13 , whereby a further index 1 or 2 is introduced here in the reference numbers in order to distinguish the components of the two, in particular identically executable, boost converters 1415 and 1420.

Die Ansteuerung der Schaltung 1400 ist so ausgebildet, dass während die Hochsetzsteller 1415 und 1420 arbeiten, die Schalteinrichtung 1405 geöffnet ist, sodass beide Hochsetzsteller 1415 und 1420, jeweils jeder für sich, separat arbeiten können, um insgesamt die MEMS-Kapazitäten CM1 und CM2 auf zueinander entgegengesetzte Spannungsniveaus aufzuladen. Wird danach im Anschluss der Schwingkreis aktiviert, werden beide Hochsetzsteller 1415 und 1420 in den „Idle“-Zustand versetzt, sodass sie die Funktion des dann schwingenden Schwingkreises 1425 nicht beeinträchtigen.The control of the circuit 1400 is designed such that while the step-up converters 1415 and 1420 are working, the switching device 1405 is open, so that both step-up converters 1415 and 1420, each individually, can work separately in order to increase the MEMS capacitances C M1 and C Charge M2 to opposite voltage levels. If the resonant circuit is then activated, both step-up converters 1415 and 1420 are placed in the “idle” state so that they do not impair the function of the then oscillating resonant circuit 1425.

In 15 ist schematisch ein MEMS 1500 dargestellt, das ein Mikroscannersystem mit einem Mikroscanner 1501 aufweist. Der Mikroscanner 1501 weist der eine aus einem Halbleitersubstrat gefertigte Tragestruktur 1505 in Form eines Rahmens auf (Chiprahmen), der ein Ablenkelement (Spiegel) 1510 allseitig umgibt, dessen Basis aus demselben Halbleitersubstrat gefertigt ist wie die Tragestruktur 1505. Das Ablenkelement 1510 ist mittels einer oder mehrerer Federelemente, im vorliegenden Beispiel sind dies die beiden an gegenüberliegenden Seiten des Ablenkelements 1510 ansetzenden Federelemente 1515a und 1515b, an der Tragestruktur 1505 aufgehängt. Diese Aufhängung ist so ausgebildet, dass das Ablenkelement 1055 zumindest um eine Schwingungsachse rotatorisch oszillieren kann. Diese Schwingungsachse verläuft dabei entlang der (im Bild der 15 vertikal verlaufenden) Gerade durch die beiden Ansatzpunkte der Federelemente 1515a und 1515b am Ablenkelement 1510. Bei geeigneter Anregung ist es auch möglich, eine Schwingung um eine zweite, zur ersten Schwingungsachse orthogonale, im Bild der 15 also horizontale, Schwingungsachse anzuregen. Insbesondere zur Förderung einer solchen zweidimensionalen Oszillation können anstelle der hier dargestellten Aufhängung mit zwei gegenüberliegenden meanderförmigen Federelementen auch andersartig geformte und angeordnete Federelemente vorgesehen sein, insbesondere mehrere spiralförmige.In 15 A MEMS 1500 is shown schematically, which has a microscanner system with a microscanner 1501. The microscanner 1501 has a support structure 1505 made of a semiconductor substrate in the form of a frame (chip frame), which has a deflection element (mirror) 1510 on all sides surrounds, the base of which is made of the same semiconductor substrate as the support structure 1505. The deflection element 1510 is suspended from the support structure 1505 by means of one or more spring elements, in the present example these are the two spring elements 1515a and 1515b attached to opposite sides of the deflection element 1510. This suspension is designed so that the deflection element 1055 can oscillate rotationally at least about an oscillation axis. This oscillation axis runs along the (in the picture the 15 vertical) Straight through the two attachment points of the spring elements 1515a and 1515b on the deflection element 1510. With suitable excitation, it is also possible to create an oscillation about a second oscillation axis orthogonal to the first oscillation axis, in the image of the 15 i.e. to stimulate the horizontal axis of oscillation. In particular, to promote such a two-dimensional oscillation, instead of the suspension shown here with two opposite meander-shaped spring elements, differently shaped and arranged spring elements can also be provided, in particular several spiral-shaped ones.

Auf jedem der Federelemente 1515a und 1515b befindet sich ein Piezoelement 1520 bzw. 1525, wobei sich diese Piezoelemente bezüglich ihres Piezomaterials und ihrer Aufgaben unterscheiden.On each of the spring elements 1515a and 1515b there is a piezo element 1520 or 1525, whereby these piezo elements differ in terms of their piezo material and their tasks.

Das erste Piezoelement 1520 dient als Piezoaktor zum Antrieb der Oszillationsbewegung des Ablenkelements 1510 und ist daher auf Basis eines ersten Piezomaterials, wie etwa PZT, als Dielektrikum ausgebildet, welches einen besonders starken Piezoeffekt aufweist. Die durch das Piezomaterial voneinander separierten Elektroden des Piezoelements 1520 bilden zugleich die Elektroden seiner MEMS-Kapazität CM. Das erste Piezoelement 1520 ist somit bei geeigneter Wahl der Federstärken der Federelemente 1515a und 1515b geeignet, insbesondere auch große Auslenkungen und somit Scanwinkel des Mikroscanners 100, insbesondere bis hin zu ± 90° (optischer Scanwinkel) oder sogar mehr, zu ermöglichen.The first piezo element 1520 serves as a piezo actuator to drive the oscillatory movement of the deflection element 1510 and is therefore designed as a dielectric based on a first piezo material, such as PZT, which has a particularly strong piezo effect. The electrodes of the piezo element 1520, which are separated from one another by the piezo material, also form the electrodes of its MEMS capacitance C M . With a suitable choice of the spring strengths of the spring elements 1515a and 1515b, the first piezo element 1520 is therefore suitable for enabling large deflections and thus scanning angles of the microscanner 100, in particular up to ± 90° (optical scanning angle) or even more.

Das zweite Piezoelement 1525 dient dagegen als Piezosensor zur Messung und somit Bestimmung der zeitabhängigen Lage, d. h. konkret der Orientierung bzw. Phasenlage der Oszillation, des Ablenkelements 1510.The second piezo element 1525, on the other hand, serves as a piezo sensor for measuring and thus determining the time-dependent position, i.e. H. specifically the orientation or phase position of the oscillation, of the deflection element 1510.

In 15 sind zudem für beide Piezoelemente 1520 und 1525 die entsprechenden Anschlussleitungen 1535a,b bzw. 1545a,b sowie daran gekoppelte Anschlusspads (Bondpads) 1530a,b bzw. 1540a,b zur Herstellung einer jeweiligen elektrischen Verbindung mit einer externen Antriebs- bzw. Messelektronik, z.B. via Drahtbonds, eingezeichnet. Es ist auch denkbar, dass neben den beiden dargestellten weitere Piezoelemente als Piezoaktoren oder Piezosensoren vorgesehen sind.In 15 In addition, for both piezo elements 1520 and 1525, the corresponding connection lines 1535a, b and 1545a, b as well as connection pads (bond pads) 1530a, b and 1540a, b coupled thereto are used to establish a respective electrical connection with external drive or measuring electronics, for example via wire bonds, shown. It is also conceivable that, in addition to the two shown, further piezo elements are provided as piezo actuators or piezo sensors.

Als Basis dient ein SOI (Silicon-on-Insulator) Substrat. Auf diesem Substrat wird ein SiO2 oder eine anderweitige elektrische Passivierung erzeugt, auf welcher die piezoelektrischen Schichtstapel aufgebracht werden. Die piezoelektrischen Schichtstapel bestehen dabei aus einer Bodenelektrode, meist Metall, dem piezoelektrischen Material, und einer Topelektrode, meist Metall. Zusätzlich kommt eine weitere elektrische Passivierung zum Einsatz zwischen Top- und Bodenelektrode zum Einsatz, um ein elektrisches Kurzschließen zu verhindern.An SOI (Silicon-on-Insulator) substrate serves as the basis. A SiO 2 or another electrical passivation is produced on this substrate, on which the piezoelectric layer stacks are applied. The piezoelectric layer stacks consist of a bottom electrode, usually metal, the piezoelectric material, and a top electrode, usually metal. In addition, further electrical passivation is used between the top and bottom electrodes to prevent electrical short-circuiting.

Zur Ansteuerung des ersten Piezoelements 1520 (und optional zur Verarbeitung von Messignalen des zweite Piezoelements 1525) weist das MEMS 1500 zusätzlich eine Schaltung 1550 gemäß einem der vorgenannten schaltungsbezogenen Aspekte der vorliegenden Lösung, z.B. gemäß einer der 8 oder 10 bis 14. Je nach verwendeter Schaltung können die Piezoelemente nicht- differenziell oder differenziell ausgeführt sein.To control the first piezo element 1520 (and optionally to process measurement signals from the second piezo element 1525), the MEMS 1500 additionally has a circuit 1550 according to one of the aforementioned circuit-related aspects of the present solution, for example according to one of 8 or 10 to 14 . Depending on the circuit used, the piezo elements can be non-differential or differential.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

100100
herkömmliche geregelte Hochsetzsteller-Schaltungconventional regulated boost converter circuit
200200
erste (unipolare) Ausführungsform einer lösungsgemäßen SchaltungFirst (unipolar) embodiment of a circuit according to the solution
205205
Vergleich der Schaltungen 100 und 200Comparison of circuits 100 and 200
300300
zeitlicher Verlauf des Stroms durch die Induktivität L während der ersten SchaltungskonfigurationTime course of the current through the inductor L during the first circuit configuration
400400
Ausführungsform einer Steuerungseinrichtung CtrlEmbodiment of a control device Ctrl
405405
VerzögerungsketteDelay chain
405-x405-x
Verzögerungsglieder der Verzögerungskette 405Delay elements of the delay chain 405
410410
Multiplexermultiplexer
415415
RS-Flip-FlopRS flip flop
500500
zweite (bipolare) Ausführungsform einer lösungsgemäßen SchaltungSecond (bipolar) embodiment of a circuit according to the solution
600600
zeitlicher Verlaufs der Konfiguration der Schalteinrichtung der Schaltung 500Time course of the configuration of the switching device of the circuit 500
700700
herkömmliche Halbbrücken-Schaltungconventional half-bridge circuit
705, 710705, 710
VersorgungsspannungsquellenSupply voltage sources
715, 725715, 725
SchalteinrichtungenSwitching devices
720, 730720, 730
SteuerspannungsquellenControl voltage sources
800800
erste beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltungfirst exemplary embodiment of the second circuit
805805
VersorgungsspannungsquelleSupply voltage source
815, 825815, 825
SchalteinrichtungenSwitching devices
820, 830820, 830
SteuerspannungsquellenControl voltage sources
900900
Strom- und Spannungsverläufe an der MEMS-Kapazität der Schaltung 800Current and voltage curves on the MEMS capacitance of the circuit 800
10001000
zweite beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltungsecond exemplary embodiment of the second circuit
10051005
VersorgungsspannungsquelleSupply voltage source
1015, 10251015, 1025
SchalteinrichtungenSwitching devices
1020, 10301020, 1030
SteuerspannungsquellenControl voltage sources
10351035
weitere Schalteinrichtungfurther switching device
10401040
Steuerspannungsquelle für Schalteinrichtung 1035Control voltage source for switching device 1035
10451045
erste Massefirst mass
10501050
zweite Massesecond mass
11001100
dritte beispielhafte Ausführungsform der zweiten Schaltungthird exemplary embodiment of the second circuit
11051105
VersorgungsspannungsquelleSupply voltage source
1115, 11251115, 1125
SchalteinrichtungenSwitching devices
1120, 11301120, 1130
SteuerspannungsquellenControl voltage sources
12001200
erste beispielhafte Ausführungsform einer kombinierten Schaltungfirst exemplary embodiment of a combined circuit
13001300
zweite beispielhafte Ausführungsform einer kombinierten Schaltungsecond exemplary embodiment of a combined circuit
14001400
dritte beispielhafte Ausführungsform einer kombinierten Schaltungthird exemplary embodiment of a combined circuit
14051405
SchalteinrichtungSwitching device
14101410
Steuerspannungsquelle für Schalteinrichtung 1405Control voltage source for switching device 1405
14151415
erster Hochsetzstellerfirst boost converter
14201420
zweiter Hochsetzstellersecond boost converter
14251425
Schwingkreisoscillating circuit
15001500
MEMSMEMS
15011501
MikroscannerMicroscanner
15051505
Tragestruktur (Chiprahmen)Support structure (chip frame)
15101510
Ablenkelement (Spiegel)Deflecting element (mirror)
1515a1515a
erstes Federelementfirst spring element
1515b1515b
zweites Federelementsecond spring element
15201520
erstes Piezoelement, Piezoaktorfirst piezo element, piezo actuator
15251525
zweites Piezoelement, Piezosensorsecond piezo element, piezo sensor
15530a, b15530a, b
Anschlusspads für das erste PiezoelementConnection pads for the first piezo element
135a, b135a, b
Anschlussleitungen für das erste PiezoelementConnection cables for the first piezo element
1540a, b1540a, b
Anschlusspads für das zweite PiezoelementConnection pads for the second piezo element
1545a, b1545a, b
Anschlussleitungen für das zweite Piezoelement Connection cables for the second piezo element
CC
Pufferkapazität in herkömmlicher SchaltungBuffer capacity in conventional circuit
CBCB
Pufferkondensator für VersorgungsspannungsquelleBuffer capacitor for supply voltage source
CMCM
MEMS-KapazitätMEMS capacity
CM1, CM2CM1, CM2
separate MEMS-Kapazitätenseparate MEMS capacities
ClkClk
Taktsignal (Clock)Clock signal
CtrlCtrl
Steuerung bzw. SteuerungseinrichtungControl or control device
DD
Diodediode
E1, E2E1, E2
Einspeisungspunkte für elektrische EnergieElectrical energy feed-in points
II
Ladestromcharging current
I0I0
GrenzstromLimit current
LL
Induktivität, insbesondere Booster-InduktivitätInductance, especially booster inductance
LSL.S
Schwingkreisinduktivität, zweite KopplungsinduktivitätResonant circuit inductance, second coupling inductance
LVLV
erste Kopplungsinduktivitätfirst coupling inductance
OPOP
Operationsverstärker operational amplifier
PP
Periode bzw. PeriodendauerPeriod or period duration
P1P1
erster Pol der Induktivität Lfirst pole of inductance L
P2P2
zweiter Pol der Induktivität Lsecond pole of inductance L
QQ
Ausgangssignal von CtrlOutput signal from Ctrl
R, SR, S
Eingänge des RS-Flip-Flops 415Inputs of the RS flip-flop 415
RegReg
ReglerRegulator
R1, R2R1, R2
Ohm'sche Widerstände, die Spannungsteiler bildenOhmic resistors that form voltage dividers
RL, RL1, RL2RL, RL1, RL2
Ohm'scher Widerstand der zugeordneten Induktivität L, L1 bzw. L2 Ohmic resistance of the assigned inductance L, L 1 or L 2
RS, RVRS, RV
Ohm'sche Widerstände der Kopplungsinduktivitäten, insbesondere Ohm'scher Widerstand im Schwingkreis gemäß ErsatzschaltbildOhmic resistances of the coupling inductances, in particular ohmic resistance in the resonant circuit according to the equivalent circuit diagram
S1 - S7S1 - S7
Schalteinrichtungen, insbesondere SchalttransistorenSwitching devices, especially switching transistors
SELSEL
AuswahlsignalSelection signal
TT
Transistortransistor
tt
ZeitvariableTime variable
t0,...,t6t0,...,t6
ZeitintervalleTime intervals
UAUA
Spannung über Pufferkapazität CVoltage over buffer capacity C
UMAROUND
Spannung über MEMS-KapazitätVoltage over MEMS capacity
UVUV
Versorgungsspannung bzw. VersorgungsspannungsquelleSupply voltage or supply voltage source
VrefVref
ReferenzspannungReference voltage
+V, -V+V, -V
alternierende Spannungspegel von UM alternating voltage levels of U M

Claims (16)

Schaltung zur Ansteuerung eines Aktuators zum Antrieb einer Schwingungsbewegung eines Massenelements in einem MEMS, wobei die Schaltung aufweist: einen elektrischen Schwingkreis, der eine erste Induktivität, eine erste elektrische MEMS-Kapazität und eine ansteuerbare erste Schalteinrichtung zum selektiven Unterbrechen bzw. Schließen des Schwingkreises in Abhängigkeit von einer Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung enthält und eine auf einen dauerhaft geschlossenen Zustand des Schwingkreises bezogene Resonanzfrequenz aufweist; und eine Steuerung zur Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung; wobei die Steuerung konfiguriert ist, die erste Schalteinrichtung während einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises, wenn die Spannung über der ersten MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum innerhalb der Schwingungsperiode erreicht, durch eine entsprechende Ansteuerung temporär in einen Zustand zu versetzen, in dem sie den Schwingkreis unterbricht, um eine tatsächliche Schwingungsfrequenz des Schwingkreises zu bewirken, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz.Circuit for controlling an actuator for driving an oscillatory movement of a mass element in a MEMS, the circuit having: an electrical resonant circuit which contains a first inductance, a first electrical MEMS capacitance and a controllable first switching device for selectively interrupting or closing the resonant circuit depending on a control of the first switching device and has a resonance frequency related to a permanently closed state of the resonant circuit; and a controller for controlling the first switching device; wherein the controller is configured to temporarily put the first switching device into a state in which it interrupts the resonant circuit during a respective oscillation period of the resonant circuit, when the voltage across the first MEMS capacitance reaches a maximum within the oscillation period, by means of a corresponding control to cause an actual oscillation frequency of the resonant circuit that is smaller than the resonance frequency. Schaltung nach Anspruch 1, wobei: die erste MEMS-Kapazität derart als Bestandteil des Aktuators ausgebildet ist, dass sie einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet; und der Wandler konfiguriert ist, in der ersten MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln.Circuit after Claim 1 , wherein: the first MEMS capacitance is designed as a component of the actuator in such a way that it forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator; and the converter is configured to convert electrical energy stored in the first MEMS capacitance into at least one mechanical quantity for driving movement of the actuator. Schaltung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Steuerung konfiguriert ist, in einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises die erste Schalteinrichtung in einen Zustand zu versetzen, in dem sie den Schwingkreis unterbricht, wenn die Spannung über der ersten MEMS-Kapazität innerhalb der Schwingungsperiode nach einer während der Schwingungsperiode erfolgenden Umladung der ersten MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum erreicht.Circuit according to one of the preceding claims, wherein the controller is configured, in a respective oscillation period of the oscillating circuit, to put the first switching device into a state in which it interrupts the oscillating circuit when the voltage across the first MEMS capacitance within the oscillation period after a while The recharging of the first MEMS capacity during the oscillation period reaches a maximum in terms of amount. Schaltung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: der Schwingkreis zusätzlich zur ersten MEMS-Kapazität eine von der ersten MEMS-Kapazität separat ausgebildete zweite MEMS-Kapazität aufweist; die erste und die zweite MEMS-Kapazität in dem Schwingkreis so verschaltet sind, dass ein erster Pol der ersten MEMS-Kapazität mit einem ersten Pol der zweiten MEMS-Kapazität über zumindest einen Schalter der ersten Schalteinrichtung und die erste Induktivität elektrisch verbunden ist und die jeweiligen zweiten Pole der beiden MEMS-Kapazitäten so miteinander elektrisch verbunden sind, dass sie bei Betrieb des Schwingkreises auf einem selben elektrischen Potenzial gehalten werden.Circuit according to one of the preceding claims, wherein: the resonant circuit has, in addition to the first MEMS capacitance, a second MEMS capacitance formed separately from the first MEMS capacitance; the first and the second MEMS capacitance are connected in the resonant circuit in such a way that a first pole of the first MEMS capacitance is electrically connected to a first pole of the second MEMS capacitance via at least one switch of the first switching device and the first inductance and the respective second poles of the two MEMS capacitances are electrically connected to one another in such a way that they are kept at the same electrical potential when the resonant circuit is in operation. Schaltung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine Energieversorgungsschaltung zur temporären Zufuhr von elektrischer Energie in den Schwingkreis.Circuit according to one of the preceding claims, further comprising a power supply circuit for temporarily supplying electrical energy to the resonant circuit. Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Energieversorgungsschaltung eine zweite Schalteinrichtung aufweist, die konfiguriert ist, in Abhängigkeit von einer Ansteuerung einen Einspeisungspunkt für elektrische Energie temporär mit dem Schwingkreis zu verbinden, um den Schwingkreis mit am Einspeisungspunkt zugeführter bzw. zuführbarer elektrischer Energie zu versorgen.Circuit after Claim 5 , wherein the energy supply circuit has a second switching device which is configured, depending on a control, to temporarily connect a feed point for electrical energy to the resonant circuit in order to supply the resonant circuit with electrical energy that is supplied or can be supplied at the feed point. Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Schaltung konfiguriert ist, in einer jeweiligen Schwingungsperiode des Schwingkreises die zweite Schalteinrichtung dann temporär zu schließen, wenn die Spannung über der ersten MEMS-Kapazität betragsmäßig ein Maximum innerhalb der Schwingungsperiode erreicht und die gleiche Polung wie eine von der Energieversorgungsschaltung am Einspeisungspunkt zur Verfügung gestellte Spannung aufweist.Circuit after Claim 6 , wherein the circuit is configured to temporarily close the second switching device in a respective oscillation period of the resonant circuit when the voltage across the first MEMS capacitance reaches a maximum within the oscillation period and the same polarity as one of the energy supply circuit is available at the feed point has set voltage. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Schaltung konfiguriert ist, in der jeweiligen Schwingungsperiode mittels der zweiten Schalteinrichtung den Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis zu einem Zeitpunkt zu verbinden, vor dem in der Schwingungsperiode bereits zwei aufeinanderfolgende Umladevorgänge der ersten MEMS-Kapazität des Schwingkreises erfolgt sind seit zuletzt mittels der zweiten Schalteinrichtung der Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis verbunden wurde.Circuit after Claim 6 or 7 , wherein the circuit is configured to temporarily connect the feed point to the resonant circuit in the respective oscillation period by means of the second switching device at a time before which two successive recharging processes of the first MEMS capacity of the resonant circuit have already taken place in the oscillation period since the last by means of the second Switching device the feed point was temporarily connected to the resonant circuit. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Schaltung konfiguriert ist, in der jeweiligen Schwingungsperiode mittels der zweiten Schalteinrichtung den Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis elektrisch zu verbinden und dabei die ersten MEMS-Kapazität zu laden, während die erste Schalteinrichtung sich in einem Zustand befindet, in dem sie die erste Induktivität von dem Einspeisungspunkt elektrisch trennt.Circuit according to one of the Claims 6 until 8th , wherein the circuit is configured to temporarily electrically connect the feed point to the resonant circuit in the respective oscillation period by means of the second switching device and thereby charge the first MEMS capacitance while the first Switching device is in a state in which it electrically isolates the first inductance from the feed point. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Schaltung dahingehend konfigurierbar ist, dass die Menge der dem Schwingkreis in zumindest einer Schwingungsperiode zugeführten elektrische Energie einstellbar ist.Circuit according to one of the Claims 5 until 9 , wherein the circuit is configurable such that the amount of electrical energy supplied to the resonant circuit in at least one oscillation period is adjustable. Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Schaltung dahingehend konfigurierbar ist, dass die Menge der dem Schwingkreis zugeführten elektrische Energie für jede Schwingungsperiode individuell oder global für alle m-ten Schwingungsperioden gleich einstellbar ist, wobei m > 0 eine natürliche Zahl ist.Circuit after Claim 10 , whereby the circuit can be configured in such a way that the amount of electrical energy supplied to the resonant circuit can be set individually for each oscillation period or globally for all m-th oscillation periods, where m > 0 is a natural number. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Energieversorgungsschaltung eine induktive Kopplungseinrichtung zur temporären induktiven Einspeisung von elektrischer Energie in den Schwingkreis aufweist.Circuit according to one of the Claims 5 until 11 , wherein the energy supply circuit has an inductive coupling device for temporarily inductively feeding electrical energy into the resonant circuit. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, des Weiteren aufweisend einen Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, eine am Einspeisungspunkt angelegte Eingangsspannung in eine demgegenüber betragsmäßig höhere Ausgangsspannung zu wandeln, um den Schwingkreis anhand dieser Ausgangsspannung mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn die zweite Schalteinrichtung sich in einem Zustand befindet, in dem sie den Einspeisungspunkt temporär mit dem Schwingkreis elektrisch verbindet.Circuit according to one of the Claims 5 until 12 , further comprising a step-up converter which is configured to convert an input voltage applied at the feed point into a relatively higher output voltage in order to supply the resonant circuit with electrical energy based on this output voltage when the second switching device is in a state in which it temporarily electrically connects the feed point to the resonant circuit. Schaltung nach Anspruch 13, wobei: der Aufwärtswandler eine Hochsetzstellerschaltung mit einer zweiten Induktivität und einer mittels der Steuerung ansteuerbaren dritten Schalteinrichtung und einer dritten MEMS-Kapazität, die zumindest anteilig durch die erste und oder die zweite MEMS-Kapazität gebildet ist, aufweist; wobei die dritte Schalteinrichtung eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Steuerung eine erste Schaltungskonfiguration und sequenziell nachfolgend eine zweite Schaltungskonfiguration einzunehmen, sodass in der ersten Schaltungskonfiguration ein erster Strompfad durch die zweite Induktivität freigeschaltet ist, um einen von einer Versorgungsspannung gespeisten ansteigenden Stromfluss durch die zweite Induktivität zu bewirken, und in der zweiten Schaltungskonfiguration ein kapazitiv-ungepufferter zweiter Strompfad zwischen einem ersten Pol der zweiten Induktivität und der dritten MEMS-Kapazität freigeschaltet ist, um die dritte MEMS-Kapazität mittels eines zumindest anteilig durch die zweite Induktivität gespeisten Stromflusses auf eine erste Spannung aufzuladen, die betragsweise gleich oder höher ist als die Versorgungsspannung.Circuit after Claim 13 , wherein: the step-up converter has a step-up converter circuit with a second inductance and a third switching device that can be controlled by the controller and a third MEMS capacitance, which is at least partially formed by the first and/or the second MEMS capacitance; wherein the third switching device is set up, depending on the control, to assume a first circuit configuration and sequentially subsequently a second circuit configuration, so that in the first circuit configuration a first current path through the second inductor is enabled in order to allow an increasing current flow fed by a supply voltage through the second inductor to effect, and in the second circuit configuration a capacitive-unbuffered second current path between a first pole of the second inductance and the third MEMS capacitance is activated in order to bring the third MEMS capacitance to a first voltage by means of a current flow fed at least in part by the second inductance to charge, which is equal to or higher than the supply voltage. MEMS, aufweisend: ein schwingungsfähig konfiguriertes Massenelement; einen Aktuator zum Antrieb einer Schwingungsbewegung des Massenelements; und eine Schaltung nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Ansteuerung des Aktuators derart, dass dieser dadurch veranlasst wird, das schwingungsfähige Massenelement in einer Schwingungsbewegung zu bewegen; wobei die MEMS-Kapazität der Schaltung derart als Bestandteil des Aktuators ausgebildet ist, dass sie selbst einen Bestandteil eines elektro-mechanischen Wandlers des Aktuators bildet, und der Wandler konfiguriert ist, in der MEMS-Kapazität gespeicherte elektrische Energie in zumindest eine mechanische Größe zum Antrieb einer Bewegung des Aktuators zu wandeln, um damit die Schwingungsbewegung des Massenelements anzutreiben.MEMS, comprising: a mass element configured to oscillate; an actuator for driving an oscillatory movement of the mass element; and a circuit according to one of the preceding claims for controlling the actuator in such a way that it is caused to move the oscillatory mass element in an oscillatory movement; wherein the MEMS capacitance of the circuit is designed as a component of the actuator in such a way that it itself forms a component of an electro-mechanical converter of the actuator, and the converter is configured to convert electrical energy stored in the MEMS capacitance into at least one mechanical quantity for driving a movement of the actuator in order to drive the oscillatory movement of the mass element. MEMS nach Anspruch 15, wobei das MEMS ein Mikroscannersystem aufweist; und das Massenelement als schwingungsfähig konfiguriertes Ablenkelement des Mikroscannersystems zum Ablenken von auf das Ablenkelement einfallender elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist.MEMS Claim 15 , wherein the MEMS has a microscanner system; and the mass element is designed as a deflection element of the microscanner system configured to oscillate for deflecting electromagnetic radiation incident on the deflection element.
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