摆动体的摆动的幅度检测、幅度调节和方向检测
阅读说明：本技术 摆动体的摆动的幅度检测、幅度调节和方向检测 (Amplitude detection, amplitude adjustment, and direction detection of oscillation of an oscillating body ) 是由 C·斯坦纳 S·G·阿尔伯特 F·M·达勒 M·E·亨内克 T·图尔纳 H·范利罗普 于 2019-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于检测和/或调节摆动体围绕摆动轴线的摆动幅度的设备、用于检测摆动体在围绕摆动轴线摆动期间的运动方向的设备、一种MEMS设备和相应方法,其中摆动体摆动时发生在摆动体的至少一个电极与一个固定电极之间的电容的电容变化,设备具有：检测电路,用于检测表示电容变化量度的信号。此外,存在评估电路用于从信号确定信息,该信息是用于信号中的预定事件距通过摆动的基准位置的时间点的时间间隔的量度,该预定事件对应于摆动体的角位置,其中评估电路被设计为从所确定的信息和摆动体的摆动的所测定的周期计算摆动体的摆动幅度,和/或在使用所确定的信息和所测定的摆动体摆动周期的情况下调节摆动体的摆动幅度。(The invention relates to a device for detecting and/or adjusting the oscillation amplitude of an oscillating body about an oscillation axis, a device for detecting the direction of movement of the oscillating body during oscillation about the oscillation axis, a MEMS device and a corresponding method, wherein a change in capacitance of a capacitance between at least one electrode and a fixed electrode of the oscillating body occurs upon oscillation of the oscillating body, the device having: a detection circuit for detecting a signal indicative of a measure of the change in capacitance. Furthermore, an evaluation circuit is present for determining information from the signal, which information is a measure for the time interval of a predetermined event in the signal from a point in time through a reference position of the wobble, which predetermined event corresponds to the angular position of the wobble body, wherein the evaluation circuit is designed to calculate the wobble amplitude of the wobble body from the determined information and the determined period of the wobble body and/or to adjust the wobble amplitude of the wobble body using the determined information and the determined wobble period of the wobble body.)
技术领域
本发明的示例涉及用于检测摆动体的摆动幅度、调节摆动体的摆动幅度和/或检测摆动体的摆动方向的设备和方法，该摆动体围绕摆动轴线摆动。本发明的示例涉及与MEMS元件(MEMS＝microelectromechanical system＝mikro-elektro-mechanischesSystem微机电系统)相关联的相应设备和方法，该元件具有主体，该主体经由悬架结构与支撑体机械耦合，以围绕摆动轴线或旋转轴线摆动。
背景技术
采样MEMS镜被使用在许多应用中，例如视频投影仪、用于通信网络的光学开关、激光打印机、激光扫描仪或LiDAR系统。术语“LiDAR”可以被认为是由术语“光”(Licht)和“雷达”(Radar)组成的人造词。LiDAR方法可以被认为是通过一种测量至目标的距离的监测方法，该测量由此实现，即用脉冲激光照射目标并用传感器来检测反射脉冲。该激光被引导到镜体，镜体通过镜体驱动器进行摆动并且使光束向左和向右偏转。以这种方式，激光扫描系统前面的区域。该区域的最外左侧点与最外右侧点之间的角度称为视野。该角度是镜体最大偏转角的两倍。例如，如果镜体在-10°和+10°之间摆动，则激光在-20°和+20°之间偏转，并且视场为40°。所期望的是，确保某个视野。视场由摆动的幅度决定，即，定义摆动的最大倾斜角度。因此，镜驱动器应包括一设备，以检测镜倾斜角并且基于此调节镜摆动的最大倾斜角或幅度。例如，确定应用可能需要40°视野。则幅度调节的任务是确保镜体倾斜，使得以足够的精度实现该视野。
已经实施了各种方法来驱动这种镜体并检测镜体的位置。一种这样的方法是电容驱动。在电容驱动的情况下，镜体通过拉动镜体的静电力驱动。与镜体(转子)连接的一组指状物与框架(定子)上的一组静止的指状物重叠。因为这些组的指状物具有梳状，所以这种类型的驱动器也称为梳状驱动器。
当镜体从其最大倾斜角度(在其静止位置的方向上)开动(einrückt)时，在转子和定子之间施加恒定电压，使得转子被定子吸引。当镜体摆动通过其零位置时，电压关断，并且镜体向外自由摆动到相反的位置。当它开始摆回时，电压重新接通。如果操纵电压的频率等于镜体共振频率的两倍，则可以实现最高的摆动幅度。然而，这种类型的共振操作并不是必需的。
发明内容
所期望的是一种设备和方法，其能够检测摆动体的摆动幅度或摆动方向。
本发明的一个示例实现了实现一种设备，用于检测和/或调节摆动体围绕摆动轴线的摆动幅度，其中摆动体摆动时发生在摆动体的至少一个电极与一个固定电极之间的电容的电容变化。该设备具有检测电路，用于检测表示电容变化量度的信号。该设备还具有评估电路，用于从该信号确定信息，该信息是用于信号中的预定事件距通过摆动的基准位置的时间点的时间间隔的量度，该预定事件对应于摆动体的角位置。评估电路被设计为，从所确定的信息和所测定的摆动体摆动周期计算摆动体的摆动幅度，和/或在使用所确定的信息和所测定的摆动体摆动周期的情况下调节摆动体的摆动幅度。
本发明的示例基于的认识是，通过检测预定事件距通过基准位置的时间间隔，可以确定摆动幅度而与影响参数、例如空气压力无关，和/或在使用所检测的时间间隔的情况下调节幅度。因此，即使在改变环境参数的情况下，本发明的示例也能够准确地确定幅度。此外，本发明的示例能够校准角位置。
本发明的实施例一个示例实现了一种用于检测摆动体在围绕摆动轴线摆动期间的运动方向的设备，该设备具有摆动体、第一固定电极和第二固定电极、检测电路和评估电路。摆动体具有至少一个可动运动的电极。第一固定电极设置在摆动轴线的第一侧上。在摆动体摆动时，发生可运动的电极与第一固定电极之间的电容的第一电容变化以及发生可运动的电极与第二固定电极之间的第二电容变化。检测电路被设计为，检测第一信号和第二信号，第一信号代表用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第一电容变化的量度，第二信号表示用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第二电容变化的量度。评估电路被设计为，在使用所检测的第一和第二信号的情况下，确定摆动体在摆动期间通过摆动的基准位置之前的运动方向。
因此，本发明的示例使得可以以简单的方式和方法确定摆动体在通过基准位置之前的运动方向。
本发明的示例实现了一种MEMS设备，其具有：相应的设备，用于检测摆动体的摆动幅度；驱动设备，被设计为驱动摆动体，其中驱动设备具有摆动体的电极、固定电极和驱动电路，驱动电路被设计为，在摆动体的电极与固定电极之间施加可变电压。
本发明的示例实现了一种用于检测和/或调节的摆动体围绕摆动轴线的摆动幅度的方法，其中摆动体摆动时发生在摆动体的至少一个电极与一个固定电极之间的电容的电容变化，其中方法包括以下步骤：随时间检测表示电容变化量度的信号；确定信息，该信息是用于在信号中的预定事件的时间点距通过摆动的基准位置的时间点的时间间隔的量度，该预定事件对应于摆动体的角位置；确定摆动周期；以及基于所确定的信息和摆动的周期计算摆动体的摆动幅度，和/或在使用所确定的信息和所确定的摆动体摆动周期的情况下调节摆动体的摆动幅度。因此，即使在环境参数变化时，本发明的示例也能够准确地确定和/或调节幅度。
本发明的示例实现了一种用于检测摆动体围绕摆动轴线摆动期间的运动方向的方法，其中摆动体具有至少一个可运动的电极，其中第一固定电极设置在摆动轴线的第一侧上，并且第二固定电极设置在摆动轴线的第二侧上，其中摆动体摆动时发生可运动的电极与第一固定电极之间的电容的第一电容变化以及可运动的电极与第二固定电极之间的电容的第二电容变化，其中该方法具有如下特征：检测第一信号，第一信号表示用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第一电容变化的量度；检测第二信号，第二信号表示用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第二电容变化的量度；并且在使用所检测的第一和第二信号的情况下，确定摆动体在摆动期间在通过摆动的基准位置之前的运动方向。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例。在图中：
图1是用于检测摆动体的摆动幅度的设备的示例的示意性俯视图；
图2是沿图1中2-2线的示意性截面图；
图3是MEMS扫描镜的一个示例的示意性俯视图；
图4是表示摆动体的可运动的电极与固定电极之间的电容经过偏转角的图表；
图5是表示用于摆动体的一个示例的可运动的电极与固定电极之间的电容变化的典型走势的图表；
图6-8是电容变化随时间的相应走势的图表，以说明本发明的示例；
图9是用于检测摆动体在围绕摆动轴线摆动期间的运动方向的设备的示例的示意图；
图10是表示在摆动轴线两个不同侧上的电容之间的差值的图表；
图11是摆动体的一个示例的一个片段的示意性俯视图；
图12A和12B是用于说明摆动体在第一方向上摆动运动的示意图；
图13是用于说明摆动体在第二方向上摆动的示意图；
图14是表示摆动体的一个示例中得到的随时间的电容变化的图表；
图15是表示在摆动轴线不同侧上的可运动的电极与固定电极之间的随时间的电容变化的图表；
图16A和16B是用于说明多层系统的示例的示意图；
图17A和17B是图16A和16B中所示示例的摆动时的电容走势；
图18是多层系统的一个示例的示意性截面图；
图19是用于说明检测用于示例中的电容变化的量度的示意图；
图20是图19中所示示例的不同层的电容变化的示意图表；
图21是图20中所示示例的多个层的电容变化的示意图表。
图22是电容变化和驱动信号的示意图表；
图23是用于说明相移的示意图；和
图24是用于说明从所确定的信息和检测到的摆动体摆动周期计算幅度摆动的示意图。
具体实施方式
在下文中，将使用附图详细描述本发明的示例。应当指出的是，具有相同功能的相同元件或元件设置有相同或类似的附图标记，其中典型地省略重复描述设有相同或相似的附图标记的元件。具有相同或相似附图标记的元件的描述是可互换的。在以下描述中，阐述了许多细节以便更彻底地解释本发明的示例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实现其他示例。所描述的不同示例的特征可以彼此组合，除非相应组合的特征是相互排斥的或明确排除了这种组合。
图1示出了用于检测和调节摆动体10的摆动幅度的设备的示意性俯视图。摆动体10可绕摆动轴线R摆动或旋转。摆动体10例如可以具有镜体12。摆动体10还具有支撑梁14，支撑梁14承载镜体12。支撑梁14通过扭杆16安装在支撑框架18上。扭杆16使得摆动体10绕摆动轴线R摆动。摆动体具有至少一个可运动的电极，其与固定电极相对置。在所示的示例中，摆动体10具有带电极指的梳状电极20，这些电极指与固定梳状电极22的电极指相互交叉设置并形成梳状驱动器。例如，固定梳状电极22可以固定地紧固在支撑框架18上。梳状电极20和22的相应的电极表面彼此相对置，从而在它们之间形成电容。当摆动体10围绕摆动轴线R摆动时，发生摆动体的梳状电极20与固定梳状电极22之间的电容的电容变化。梳状电极22因此代表转子的电极，而梳状电极22代表定子的电极。
该设备具有电路24，其具有检测电路26和评估电路28。如图1中示意性所示，电路24与电极电连接，以检测表示用于电极之间的电容变化的量度的信号。例如，检测电路26可以被设计为测量梳状电极20，22之间的电流，其中该电流表示用于电容变化的量度。评估电路28被设计为，从通过检测电路26所检测的信号确定信息，该信息是用于在信号中的预定事件距通过摆动的基准位置的时间点的时间间隔的量度，该预定事件对应于摆动体10的角度位置。评估电路28被设计为，从所确定的信息和所测定的摆动体10的摆动周期计算摆动体10的摆动幅度，和/或在使用所确定的信息和所测定的摆动体摆动周期的情况下调节摆动体10的摆动幅度。
图2示意性地示出了图1中所示的梳状驱动器的一部分的横截面，其由线2-2标记。如图2所示，在x-y平面内相对于摆动轴线对称的梳齿状电极22可以在x-z平面中关于摆动轴线R非对称地设置。即，由梳状电极22的两端得出z方向上的平均值(重心)，其在静止位置(0°偏转)相对于摆动轴线R偏移。
梳状电极20，22形成可以驱动摆动体10的电容驱动器，这由此实现，即通过周期性地在转子电极20与定子电极22之间施加恒定电压，使得在转子处于偏转状态时通过定子来吸引转子。当镜体从其最大倾斜角度(在其静止位置的方向上)开动时，在转子与定子之间施加恒定电压，使得转子被定子吸引。当镜体摆动通过其零位置时，电压关断，并且镜体向外自由摆动到相反的位置。当它开始要摆回时，电压重新接通。如果操纵电压的频率等于镜体的共振频率的两倍，则可以实现最高的摆动幅度。然而，这种类型的共振操作不是必需的。电路24可以具有驱动电路30，用于在转子电极20与定子电极22之间施加相应电压。评估电路28可以被设计为控制或调解驱动电路30以获得摆动体的摆动的目标摆动幅度。
在示例中，摆动体10可以形成在基板中，支撑框架18也形成在该基板中。在示例中，电极20，22可以由掺杂的半导体材料制成。在示例中，转子电极20和定子电极22都可以具有多个叠置的导电层，这些导电层可以分别通过绝缘层分开。
MEMS扫描镜的一个可替代的示例如在图3中所示。在图3中所示的示例具有摆动体10a，其通过扭杆16a安装在支撑框架18a上，使得摆动体可以围绕摆动轴线R摆动。摆动体10a的镜体12a又安装在支撑梁14a上。此外，在支撑梁14a上又安置有可运动的梳状电极，其与支撑框架18a上的固定梳状电极一起形成梳状驱动器32。为了增加稳定性，在所示的示例中，支撑梁14a还经由板簧34和释放弹簧36与支撑框架18a机械耦联。在所示的示例中，旋转轴线在x方向上延伸，板簧34在y方向上延伸，并且释放弹簧36的悬臂在x方向上延伸。扭杆16a在x方向上延伸，使得摆动体10a可绕摆动轴线R摆动。
图1和图3中示出的示例仅仅示例性地用于摆动体的可能实施例，并且本发明不限于这些实施例。本发明的示例使用可绕摆动轴线枢转的摆动体，其中这种摆动体也称为1D摆动体。本发明的示例还可以应用于具有多于一个摆动轴线的摆动体，例如，具有两个摆动轴线的摆动体，即所谓的2D摆动体。
在下文中，将参考镜体描述本发明的示例。其它实例可以涉及其它MEMS元件，其具有一个摆动体，例如被设计成与流体相互作用的摆动体，以便例如实现通风效果、或打开和关闭的流体路径。
示例具有可以同时用于执行检测的电容驱动器。该检测可用于多种用途：
-检测何时必须接通和关断驱动电压；
-确定镜体在每个确定时间指向哪个方向，即左/右；
-作为调节环路的输入信号，确保所需的摆动幅度；和
-还可选择监控镜体的完整性。
为了检测，可以在电容驱动中测量电容，以便检测镜体的倾斜角度。图4示出了根据倾斜角度的梳状驱动器的电容的典型曲线。曲线40示出了远离摆动轴线设置的一排指状物的电容，而曲线42示出了更靠近摆动轴线设置的一排指状物的电容。如曲线40所示，当摆动体运动远离零角度时电容迅速减小，并且达到0时的角度比如曲线42所示的位于更靠近轴线的一排指状物更小。在图4中的曲线44示出了具有相应的两排指状物的梳状驱动器的总电容，并且是曲线40和42的叠加。下面参考图11描述具有两排指状物的梳状驱动器的一个示例，其中一排指状物比另一排更靠近摆动轴线。
梳状驱动器的电容的测量基本上允许估计镜体的倾斜角度。基于此，可以将镜体的最大倾斜角度调节到期望值。然而，这里存在两个缺点。由于电容曲线是对称的，因此不可能检测到镜体向左或向右摆动的方向。此外，在角度较大时，电容变为0，从而无法再进行检测。本发明的示例提供了一种在任何环境条件下都能检测精确倾斜角的可能性。
在本发明的示例中，测量跨越相应电容的充电电流作为表示电容变化的量度的信号。这允许以简单的方式进行检测。然而，用于检测电容以便由此导出电容变化的具体方法并不重要。作为电容变化的量度，可以检测电容的时间导数，这在示例中通过测量电容器的总充电电流来实现。每个电容器的充电电流可以推导为：
其中当处于接通状态的操纵电压U随时间恒定时，应用最后的等号。应注意，在操纵电压关断的时间期间，充电电流为0。
典型的充电电流的示意图如在图5中所示。图5至图8、14、15和20至23分别示出了电容随时间的导数，其乘以操纵电压U对应于充电电流。由于接通状态中的电压是恒定的，所以充电电流代表用于电容变化的量度。在示例中，通过测量两个电极之间的电流来检测电容随时间的导数。
在图5所示的曲线的开始处，在时间点-100μs，镜体从最外侧位置向内摆动，在该最外侧位置梳状驱动器的指状物未接合。当指状物开始接合时，梳状驱动器的电容开始形成并且充电电流迅速增加。在一定的时间范围内，电容几乎呈线性增加，同时充电电流在50时达到高台部。在镜体即将摆动通过零度角之前，充电电流迅速下降，在0°时，它过零并改变符号。在过零后不久，操纵电压关断，充电电流也在由C*dU/dt引起的尖峰后变为0安培。
驱动电容的导数的一个重要特性是其过零直接表示镜体的过零。镜体的过零是镜体偏转角度是0°的位置。因此可以高精度地确定镜体过零的时间点。
不需要单独说明的是，在摆动体的驱动的示例中，可以具有多个可运动和固定的梳状电极，其中每两个形成一对，在它们之间测量充电电流。在示例中，将所有测量的充电电流加在一起以测定表示用于电容变化的量度的信号。
如上所述，在本发明的示例中，测量充电电流以确定电容变化。然而，应该注意，还可以以其他方式测量电容变化。例如能设定，具有LC振荡器的电感L的单独线圈，其频率为
这种解决方法的优点在于，可以始终与操纵电压无关地测量梳状驱动器的电容。但是，必须明确地计算导数，而测量的充电电流已经代表导数。
测量和调节镜体幅度的简单方法是测量高台部50的高度、即最大值。该值表示镜像在即将过零前的速度。镜体以该速度运动通过过零后，它会向外摆动到相反的位置。由镜体实现的最大倾斜角度直接取决于镜体在过零处的速度。如果该速度以及充电电流的最大值从一个周期到下一个周期保持恒定，则镜体的最大倾斜角度也是恒定的。不利的是，在镜体速度被给定时，最大倾斜角度也取决于环境条件。当气压增加时阻尼增加，因此镜体在过零速度相同时不再达到相同的最大倾斜角度。
可替代地，可以在两个预定时间点测量充电电流的值，一个在脉冲的上升沿，一个在脉冲的下降沿。在这两个第二(Zweiten)测量的两个电流之间的差异是镜体的最大倾斜角度的量度。然而，这种方法无法令人满意，因为测量的时间点必须非常精确。由于脉冲沿非常快速地上升和下降，因此在测量的时间点中的小误差导致电流测量中的大误差。
本发明的示例利用电容导数曲线的某些特性来估计和/或调节镜体的最大倾斜角度，即其幅度。已知的是，预定事件出现在电容驱动的摆动体的电容导数曲线中，其时间对应于摆动体的确定角位置。在本发明的示例中，该预定事件可以是例如电容导数曲线的脉冲最大值、电容导数曲线的脉冲上升沿、或电容导数曲线的脉冲位置。因此，在该示例中，预定事件是在过零与最大位移之间的角位置。预定事件距另一预定事件(即摆动体通过基准位置)的时间间隔表示用于摆动体的摆动幅度的量度。基准位置例如可以是摆动体的摆动的过零。在示例中，通过基准位置可以对应于脉冲中的下降沿下降到阈值以下的时间，或者电容导数曲线过零的时间。该过零可以对应于摆动的实际过零。
在本发明的示例中，在电容曲线的时间导数中寻找边沿倾斜的时间。本发明基于以下认识：导数中的确定事件对应于镜体的确定倾斜角度。换句话说，当检测到这样的事件时，已知镜体此时已达到一定的倾斜角度。从这个时间点开始，相对于镜体的基准位置的时间，可以在考虑摆动的实际周期持续时间的情况下，计算镜体瞬时存在的摆动的最大倾斜角度、即幅度。在示例中，基准位置是0°的镜像偏转，并且通过基准位置是过零。在其他示例中，基准位置也可以是电容导数的最大值或电容导数的拐点。
可替代地，如果需要特殊的摆动幅度，则可以预先计算确定事件的预期时间点，其中幅度调节然后可以被配置为通过适当的控制确保事件在预期时间点发生。在示例中，因此可以取决于确定的信息和摆动的持续时间直接调节摆动幅度。在本发明的示例中，梳状驱动器可以具有一层或多层，如下所述。
在示例中，预定事件与除零之外的角位置相关联，其中角位置零对应于摆动体的静止状态。在示例中，预定事件因此是除摆动的过零之外的事件。此外，在示例中，预定事件是除达到最大偏转之外的事件。
在本发明的示例中，预定事件是在镜体经过其零位置之前在负载信号中出现的脉冲上升沿。在示例中，可以通过将信号与阈值进行比较来检测该上升沿。然后，信号超过阈值的位置和信号过零的时间间隔可以表示所检测的信息。
在本发明的示例中，评估电路被设计为，在通过摆动的基准位置(零点)之前测定信号中的脉冲60的脉冲宽度64，其中，脉冲宽度表示所检测的信息。现在参考图6解释这种示例。在此首先测量充电电流60的最大值62。由该最大值可以导出阈值，该阈值例如是最大值的一半。然后可以将充电电流的脉冲与该阈值进行比较并由此测定脉冲宽度。在实施例中，评估电路因此可以被设计为测量信号的最大值，以在使用最大值的情况下规定阈值，执行信号与所述阈值的阈值比较并在使用阈值比较的结果的情况下测定脉冲宽度。
因此，在示例中，预定事件可以是电容增加的开始，即上升沿，这指示梳状驱动器的指状物初始接合的开始。该事件始终以相同的角度出现，并且仅取决于梳状驱动器的设计。该事件完全与压力、温度或湿度无关。由于上升沿非常陡，因此阈值的准确值并不重要，这是因为它对测量时间几乎没有影响。
指示摆动体通过摆动的基准位置的第二事件可以是脉冲60的下降沿。在示例中，评估电路因此可以被设计为，在第一时间点与第二时间点之间测定脉冲宽度64，信号在第一时间点超过阈值，并且信号在第二时间又降到阈值以下。然后，脉冲宽度可以表示用于信号中的预定事件(即上升沿)距通过摆动的基准位置的时间点的时间间隔的量度，其中信号对应于摆动体的角位置。
在示例中，第二事件也可以是充电电流真实的过零，其中该真实的过零是镜体过零的更精确的指示，如图7中所示。在脉冲60的上升沿上易于找到的点66可以作为预定事件，例如，超过预定阈值。第二事件然后是充电电流的实际过零68。在示例中，评估电路因此可以被设计为，在第一时间点66与第二时间点68之间测定脉冲宽度，信号在第一时间点超过阈值，信号在第一时间点之后在第二时间点通过基准位置。
在示例中，脉冲的位置也可以是确定事件。该位置可以被推导出作为两个时间点(脉冲在此期间超过阈值)的平均值。平均值表示当电极具有多个重叠设置的层时转子从上方运动到上层的时间。这是一个被非常好地定义的时间点，并且对应于一个不受环境影响的特殊角度。
如果期望更高的准确度并且获得足够的计算能力，还可以实施一个更复杂的方案。在一个示例中，可以使模型曲线70(参见图8)适应对应于脉冲60的测量曲线72。模型曲线基本上可以是在制造商处或实验室中测量的曲线。由于曲线的形状变化很小，因此调整时间位置、曲线宽度和高度这三个参数就足以使模型曲线70适应测量曲线72。由宽度可以测定最大倾斜角度。这种方法的优点在于，大量测量可以有助于宽度的总体估计，这可以大大提高精度。但是，这也显著增加了所需的计算能力。在示例中，评估电路因此可以被设计为，通过使模型曲线适应测量信号来测定脉冲宽度。
在示例中，电路30还可以具有监控装置，其被设计为检测信号的最大值，以检查该最大值是否在预定范围内，并且当最大值位于预定范围外时输出故障信号。因此在示例中，可以使用的最大值、例如图6中的最大值62，或模型曲线的高度，以监控镜体的完整性。如果该值保持在确定限度内，则可以确保镜体的正确操作。在这些限制外的值指示镜体没有按预期摆动。在示例中，电路30可以被设计为，当最大值不在驱动限度内时输出警告、例如声学或光学信号。
因此，在本发明的示例中，评估电路从所检测的充电电流获得时间信息。从时间信息以及摆动体的摆动的所测定的摆动周期可以计算摆动幅度。摆动体的摆动周期在此可以从摆动的过零、即充电电流的过零测定。例如，在图6至图8中，摆动的周期是200μs。在测定该周期时要考虑的是，充电电流在关断操纵电压时分别为零。
现在参考图24示例性地描述所获得的时间信息和摆动持续时间与摆动幅度的关系。图24示出了具有幅度Ampl_1的第一摆动74和具有幅度Ampl_2的第二摆动76。幅度Ampl_2大于幅度Ampl_1。从图24的图示可以看出，从基准角度
其中2π代表全摆动。因此，可以从时间信息Δt和摆动周期计算幅度。此外，根据所测定的幅度，可以设定一确定幅度，具有额定值：
Asin(x)是反正弦函数。在正弦曲线的线性化的范围中，当
当镜体的摆动不是精确的正弦形时，则必需通过实验或通过镜区别调整发现比例Δt/T_periode的额定值。
因此，显而易见的是，如何能基于所检测的时间信息和摆动体的摆动周期来计算或调节摆动体的幅度。在示例中，例如在电路30中，可以提供存储器，其中存储了时间信息、摆动周期和摆动幅度之间的相应关系，存储器可以被访问以便计算摆动幅度。在示例中，存储器可替换或附加地可以包含有用于驱动参数的关系，其使得能将摆动幅度控制或调节到额定幅度。为此例如可以设定操纵电压的数值或在操纵电压与摆动体的摆动之间的相移。
为了确保镜体平滑和对称的摆动，梳状驱动器通常设计成其关于旋转轴线对称。然而这意味着，总电容曲线以及因此的总充电电流也是对称的，并且不可能检测镜体所指出的方向。换句话说，当梳状驱动器相对于摆动轴线对称时，可以检测倾斜角度但是不能检测器其符号。
当梳状驱动器的(关于摆动轴线)左侧和右侧的充电电流被独立地测量时，可以观察到确定的非对称性，而两个充电电流的总和是对称的。这种非对称性可能是由于摆动轴线不严格地设置在梳状驱动器的重力心中所造成的。其位置受到镜体和镜体运动的强烈影响。
本发明的示例利用该事实来检测摆动体在围绕摆动轴线摆动期间的运动方向。
图9示意性地示出了围绕摆动轴线R摆动的摆动体100。示意性地示出了摆动体的可运动的电极102。此外，在图9中，示意性地示出了设置在摆动轴线R的第一侧上的第一固定电极104和设置在摆动轴线的第二侧上的第二固定电极106。摆动体100的摆动引起在可运动的电极102与第一固定电极104之间的电容的第一电容变化以及在可运动的电极102和第二结果的固定电极106之间的第二电容变化。可运动的电极102在此可以具有单个电极或多个单独的电极。可运动的电极102和固定电极106经由图9中示意性示出的导线L与电路110电连接。电路110具有检测电路112和评估电路114。检测电路112被设计为，检测第一信号和第二信号，第一信号代表用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第一电容变化的量度，第二信号是代表用于在通过摆动的基准位置之前随时间的第二电容变化的量度。在示例中，为此检测相应的充电电流。评估电路114被设计为，在使用所检测的第一和第二信号的情况下确定摆动体在摆动期间在通过摆动的基准位置之前的运动方向。
在示例中，各一个可运动的电极和固定电极形成一对电极，在这两个电极之间测量充电电流。电极对的充电电流被独立测量。在示例中，可运动的电极可以彼此电连接，而固定电极彼此电隔离。在示例中，固定电极可以电连接，并且可运动电极可以彼此电隔离。在第一种情况下，电连接摆动体就足够了，这简化了结构。
如上所述，在独立测量梳状驱动器的左侧和右侧的充电电流时，可以观察到确定的非对称。图10示出的图表显示了右侧的固定电极106与可运动的电极102之间的电容减去左侧的可运动的电极102与固定电极104之间的电容的差。因此，图10示出了电容差异随摆动角度的非对称。这种对称可用于通过计算左侧和右侧充电电流的差来检测镜体的方向。
在此，非对称应理解为特别是指关于旋转轴线在静止位置中在垂直于镜体表面的方向上的非对称，即在图1和3中的z方向上。非对称引起摆动轴线并不在梳状驱动器的重力心中，例如，可以通过转子的梳状驱动器和定子的梳状驱动器(进而其电极)具有不同的厚度(在z方向上)来实现该非对称。在其他示例中，可以通过在z方向上将转子的梳状驱动器和定子的梳状驱动器彼此偏移来实现非对称，如示例性地在图2中所示。在其他示例中，可以通过厚度方向上的多层梳状驱动系统来实现非对称。在示例中，沿厚度方向设置在摆动轴线上方和下方的梳状驱动系统的层可以具有不同的厚度。在示例中，多层梳状驱动系统的层可以关于摆动轴线垂直偏移设置。
图11示意性地示出了镜体12b的梳状驱动系统的一部分。在图11中仅示出了镜体12b的右侧。镜体12b在其两端经由相应的扭杆16b可摆动地安装在支撑框架18b上。如图11所示，梳状驱动器120分别具有两个转子梳状电极和定子梳状电极。换句话说，梳状驱动器具有两排转子指状电极和定子指状电极。转子梳状电极固定在摆动体10b的支撑梁14b上，并且定子梳状电极固定在定子122上。定子122可以是支撑框架18b的一部分。
图11仅示出了相应的MEMS镜结构的一个片段。对称地在镜体的两端在摆动轴线R的方向上并且在摆动轴线R的两端可以设置相应的梳状驱动器，从而可以提供总共四个相应的梳状驱动器。
图12A，12B和13示意性地示出了摆动体的梳状电极和定子的梳状电极的横截面图。图12A，12B和13各自示出了在镜体12b的一侧上的梳状驱动器的示意性截面图。转子或摆动体10b的两个梳状电极20a和20b被设置在摆动轴线R的左侧，并且摆动体10b的两个梳状电极20c和20d被设置在摆动轴线R的右侧。以相同的方式，将两个定子梳状电极22a和22b设置在摆动轴线R的左侧，并且将两个定子梳状电极22c和22d设置在摆动轴线R的右侧。如可以看出的，转子梳状电极20a至20d的厚度大于定子梳状电极22a至22d的厚度。由此引起非对称，并且旋转轴线不在梳状驱动器的重力心(重心)中。在图12A中，摆动体以9.5°的摆动角设置，并如箭头所示在朝向其静止位置的方向上运动。在图12B中，摆动体以6°的角度设置，并且同样从上方运动到其静止位置。在图13中，摆动体从下方运动到其静止位置，即图13中的摆动方向与图12A和12B中的摆动方向相反。
在摆动轴线右侧和摆动轴线左侧的相应梳状电极之间的电容变化被分开检测。图14示出了用于在摆动轴线R右侧的梳状电极20c，20d，22c，22d的电容变化(关于时间的导数)。例如可以通过测量充电电流来测定电容变化。如在图14中可以看出的，电容变化有两个尖峰130和132。宽而且较低的尖峰130源于通过第一排、即梳状电极20c和22c在角度为9.5°时的相互交叉出现的电容变化。更窄并且更高的第二尖峰132源于在第二排梳状电极、梳状电极20d和22d在6°相互交叉时出现的电容变化。该尖锐的第二尖峰132易于检测，总是在相同的角度出现并且与温度、压力和湿度无关。在本发明的示例中，该尖峰可以用作信号中的预定事件，以测定摆动的幅度。
在图14中在时间点0μs时的电容变化因此是如下走势，其在摆动体在图12A和12B中所示的方向上、即从上向下摆动时出现，所以电容变化具有在摆动过零之前的脉冲134。脉冲134表示一个高的尖峰，其通过两个梳状电极对的电容变化引起，这是因为电容变化在两个梳状电极对的情况下同时发生。特别是由于摆动轴线R关于定子梳状电极向下偏移而出现这种效果。因此用于不同的摆动体摆动方的电容变化示出了不同的走势，用于第一摆动方向(从上向下)的走势136和用于第二摆动方向(从下向上)的走势138。
由于相应的梳状电极设置在摆动轴线的两侧，它们在摆动体的静止位置中相对于摆动轴线轴线对称，因此电容变化走势138在摆动体顺时针运动时对应于设置在摆动轴线左侧的梳状电极的电容变化走势。相应地，图15示出，当摆动体顺时针运动通过其静止位置时，梳状电极对在右侧的电容变化走势136和梳状电极在对左侧的电容变化走势138。如可从图15中可以看出的，在过零之前通过设置在摆动轴线不同侧的梳状电极产生的脉冲的最大值之间存在显著的差D。通过计算该差D，因此可以测定摆动方向。如果脉冲之间的差d具有第一符号，则摆动体在第一方向上运动，而当差具有相反的符号，摆动体在第二方向上运动。在图15所示的示例中，当通过左侧产生的最大值132和通过右侧产生的最大值132之间的差为正时进行顺时针的运动，而当差为负时进行逆时针的方向。
在示例中，评估电路114因此被设计为，将通过基准位置之前的第一信号的最大值与通过基准位置之前的第二信号的最大值进行比较，并取决于哪个最大值更高来确定该方向。
在示例中，评估电路可以被设计为执行一个两部分的检测，即一方面检测摆动体的运动方向，并且另一方面检测摆动体的摆动幅度。为了检测运动方向，检测每个充电电流的最大值，即左侧和右侧分开。这可以在使用标准峰值检测器来完成。在过零处比较这些值。过零表示摆动体通过其静止位置。当左侧最大值低于右侧最大值时，摆动体瞬间从左到右摆动。当左侧最大值高于右侧最大值时，摆动体则沿相反方向摆动。为了检测摆动幅度，可以从两个最大值中较低的一个导出阈值，例如在较低的最大值的四分之三处。然后可以检测到尖峰超过阈值的时间点。在这方面应该注意，尖峰的高度从一个循环到下一个循环并不显著波动，从而允许在一个循环中估计该阈值并且在下一个循环中使用。可以在使用两个时间点的平均值的情况下导出较低尖峰的位置，在这两个时间点之间尖峰超过阈值。平均值表示转子从上方运动到上层的时间点。这是一个被非常好地定义的时间点并且对应于一个与环境影响无关的特殊角度。
至此的示例针对如下系统，在该系统中梳状驱动器具有传导层。当梳状驱动器由多于一个的层组成并且特别是当一个层比其他的层更薄时，检测电容中的事件以及应用非对称来确定镜体的定向和尤其是运动方向的原理可以以更大的效果来应用。以下考虑由第一传达层构成的梳状驱动器，该第一传导层通过薄绝缘层与第二传导层分开。第一传导层的第一厚度小于第二传导层的第二厚度。然而，不需要单独提及的是，本发明也可以容易地应用更多数量的传导层。
图16A示意性地分别示出处于不同位置的摆动体100，其围绕旋转轴线R相对于第一层150的定子梳状电极摆动。图16B示出了摆动体100在各个位置围绕旋转轴线R摆动的图示，其相对于第二层152的定子梳状电极摆动。如图所示，第二层152比第一层150厚。
图17A和17B示出电容走势未按比例的简化曲线，这些电容走势针对梳状驱动器的左侧和右侧的薄的第一层150和厚的第二层152，梳状电容在摆动轴线的每侧具有仅一排指状物。
图17A分别示出转子梳状电极和定子梳状电极在摆动轴线左侧的第一层150和第二层152之间的电容。在此，电容Cvar_l_1
图17B示出转子梳状电极和相应的定子梳状电极在摆动轴线右侧的第一层150和第二层152之间的电容。在此，Cvar_r_1
从图17A和17B可以看出，第一层和第二层的曲线显著不同。此外，曲线与总电容显著不同。应该注意，曲线显示了电容不变的确定区域。这意味着这些区域的导数为零。层越薄，这些区域就越大。与此同时，电容增加的区域变得更短。层越薄，电容达到其最大值的速度就越快。这意味着电容之导变短并且良好定义了脉冲或尖峰。在这方面，可以参考例如图14的上述描述。
图18和19非常示意性地示出用于阐述多层驱动系统的图示，该驱动系统同时也用作检测系统。该系统具有两个传导层DL1和DL2，它们被薄绝缘层IL分开。层DL1比层DL2薄。图18示出了沿外部旋转轴线方向通过驱动系统的横截面。示意性地示出了左定子160、转子162和右定子164以及框架166。左定子160、转子162和右定子164具有各自的梳状电极，在它们之间形成电容。
图19示意性地示出了在使用相应的多层结构情况下用于驱动并且用于检测的电路装置。如图19所示，转子162的第一层和第二层DL1和DL2连接成使得它们可以被视为一个电极。通过电压源168将方波电压形式的驱动电压施加到转子电极。在左定子160和右定子164的第一层DL1和第二层DL2之间分别存在静电电容Cstat。在转子162的第一层DL1和左定子160的第一层DL1之间存在可变电容Cvar1l。在转子162的第二层DL2和左定子160的第二层DL2之间存在第二可变电容Cvar2l。在转子162的第一层DL1和右定子164的第一层DL1之间存在可变电容Cvar1r，并且在转子162的第二层DL2和右定子164的第二层DL2之间存在可变电容Cvar2r。用于检测所述可变电容的充电电流的电流表示意性地在图19中在170，172，174和176处被指出。
图20示出了在使用图18和19中所示层结构的模拟中已获得的电容随时间的导数。在此应当注意，所示的电容导数基于如下假设，即假定持续施加恒定电压。曲线200示出电容Cvar2r根据时间的导数。曲线202示出电容Cvar1r根据时间的导数。曲线204示出了电容Cvar1r和Cvar2r根据时间的导数之和，即摆动轴线右侧电容的根据时间的导数之和。曲线206示出了所有四个可变电容、即Cvar1r，Cvar2r，Cvar1l和Cvar2l根据时间的导数的总和。从图20中可以看出，所有电容的导数之和基本上是对称的，而单个导数或来自一侧的导数之和是非对称的。因此，单独检测两侧的电容变化能够实现检测运动方向。所有电容的导数之和可用于确定摆动的幅度。
通常可以在本发明的示例中，将表示电容变化的所检测的电流相加以实施先前讨论的监测策略。通常，在多层的情况下，可以基于所有所检测的电流来测定过零。
图21示出了在转子162和左、右定子160和164的第二层DL2之间所检测的电流的曲线。在此，曲线300表示电容Cvar2r随时间的导数，曲线302表示电容Cvar2l随时间的导数，并且曲线304是这两个导数之和。相应的幅度是镜速、操纵电压和镜设计的函数。层DL2的两个电流之和的过零表示镜体的过零点。在多层系统中，一个层的充电电流之和或所有层的充电电流之和可以指示摆动的过零。
图22示出了图20对于周期性地施加例如100伏的操纵电压310的情况的曲线。一旦操纵电压变为零，所有充电电流都降至零。通常，可以以关于摆动体的摆动的一个偏移来施加操纵电压，使得摆动的操纵稍微滞后。这可以由此识别出，即操纵电压仅在摆动的过零后才降到零，该过零例如通过所有电流的总和的过零示出。在这方面，图23例如示出了在摆动过零与切断操纵电压之间的时间偏移Δt。通过该时间偏移可以进行摆动的主动衰减以调节幅度。在摆动过零和切断操纵电压之间的时段中发生摆动的主动衰减，这是因为通过所施加的电压引起的静电力反作用于摆动。
在示例中，电路30能实现如下的幅度调节。经过在图19中示出的可变电容的四个电流中例如可以由此检测，即测量经过四个检测电阻器(参见图19)的电压，同时操纵是主动的。至少第二层DL2或两个层的测量电压被相加，以检测过零。第一层DL1、即较薄层的峰值电压可以相互去除，以检测运动方向。在过零之后可以以可变的延迟Δt停止操纵。延迟时间可以用于通过主动衰减来调节幅度。当切断操纵电压时，可以观察到电压峰值，在所示的示例中，电压峰值可以通过二极管来掩盖。当镜体处于其完全偏转位置时，则再次接通操纵电压。
因此，本发明的示例实现了：一种MEMS设备，其具有可绕摆动轴线摆动的摆动体；用一种于检测摆动体的摆动幅度的设备；一种驱动设备，其被设计成驱动摆动体，其中驱动设备具有摆动体的电极、固定电极和驱动电路，驱动电路被设计为在摆动体的电极与固定电极之间施加可变电压。MEMS设备还可包括调节电路，该调节电路被设计为，在使用该信息的情况下调节施加在摆动体的电极与固定电极之间的电压。特别地，调节电路可以被设计为调节在施加在摆动体的电极和固定电极之间的电压与摆动体的摆动之间的相位差。
在示例中，设备或电路可以具有存储器或寄存器，其中可以存储确定事件、例如尖峰和/或侧沿的目标时间点。在示例中，然后可以将所检测的时间点调节到目标时间点，从而可以设定期望的摆动幅度。
本发明的示例尤其可以用于LiDAR系统。示例基于的思想是，使用驱动器电容的推导的确定特征，以确定或调节摆动体、特别是MEMS镜的摆动幅度。这些属性是纯几何的，并且与温度、压力或湿度无关。模拟表明，所提出的解决方案对电磁干扰具有鲁棒性并且能够稳定运行。
本文中的所描述的电路、特别在示例中的检测电路、评估电路和/或驱动器电路，可以通过任意合适的集成电路结构来实施，例如微处理器电路、ASIC电路(ASIC＝专用集成电路)、CMOS电路等。根据确定的实施要求，电路的示例可以用硬件并且部分用软件来实施。可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或与微处理器协作的ASIC来实施一些示例，以实现本文描述的方法和功能。通常，这里描述的方法和功能可以在示例中借助任意硬件设备来实施，例如通用的硬件(诸如计算机处理器)或特别的硬件(诸如ASIC)。可以在使用数字存储介质，如DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM，EPROM，或者闪存、硬盘或其它磁性或光学存储器来进行该实施，电子可读控制信号被存储在该存储介质/存储器上，这些信号可以与可编程计算机系统协作，从而实现相应的方法或相应的功能。在一些示例中，本文描述的电路还可以实施为可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)。
尽管已经在设备的上下文中描述了一些方面，例如关于功能性，但是应当理解，这些方面也表示了对相应方法的描述，其中块或设备可以对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法或方法步骤的上下文中描述的方面还可以表示对相应的块或项目或相应设备的特征的描述。一些或所有方法步骤可以由硬件设备(或在对其使用的情况下)执行，硬件设备例如是微处理器、编程计算机或电子电路。在一些示例中，一个或多个方法步骤可以通过这样的设备来执行。
以上描述的示例仅仅是对本发明的原理的说明。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，保护范围应仅由以下的权利要求确定。