用于微機電元件的數(shù)字控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于微機電元件（30）的控制電路（300），所述控制電路具有信號形狀發(fā)生器（2）、調(diào)制器（3）和數(shù)字驅(qū)動器裝置（4），所述信號形狀發(fā)生器被設置用于生成用于所述微機電元件（30）的數(shù)字控制信號，所述調(diào)制器被設置用于對所述數(shù)字控制信號進行過采樣、使所述數(shù)字控制信號經(jīng)受噪聲成形以及輸出經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號，所述數(shù)字驅(qū)動器裝置被設置用于以所述經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號驅(qū)動所述微機電元件（30）。
【專利說明】用于微機電元件的數(shù)字控制
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于微機電元件的數(shù)字控制的控制電路和一種用于控制微機電元件的方法。
【背景技術】
[0002]微機電系統(tǒng)(MEMS)目前在微系統(tǒng)技術中用作從控制信號到機械動作的變換器。在此，致動器起很大作用、尤其是微機電致動器。一個應用示例涉及微鏡致動器(SLM，空間光調(diào)制器)的應用，借助于所述微鏡致動器可以在微鏡元件或者微鏡陣列上通過轉(zhuǎn)動、翻轉(zhuǎn)和移動有針對性地偏轉(zhuǎn)光束，例如激光束。
[0003]在此，致動器需要專門的且準確的控制信號，以便能夠確保致動器的機械元件的無干擾的、可復現(xiàn)的且快速的運行。這對用于致動器運行的控制電路提出高要求，尤其因為在微機電部件的微型化范疇內(nèi)必須使這種控制裝置的空間需求保持得小，以便使用于制造的開銷保持得少。
[0004]可以諧振地或準靜態(tài)地運行微機電元件。諧振的運行方式要求在微機電元件的一個或多個模式上運行微機電元件。相反地，在準靜態(tài)運行中在在諧振模式以外的頻率區(qū)域中運行微機電元件。在此重要的是，在控制中盡可能沒有控制信號的頻率部分位于所述模式上，因為可能暫時不穩(wěn)定地控制微機電元件。
[0005]微機電元件的控制方法通常應用線性驅(qū)動器或數(shù)字驅(qū)動器。線性驅(qū)動器可以嵌入到專用集成電路(ASIC)中。但所述專用集成電路在此需要用于構(gòu)成組件——例如運算放大器、調(diào)節(jié)器、電壓基準電路和電流基準電路、穩(wěn)定電容以及類似部件的集成的相對較大的面積。此外，需要數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，這可以導致具有相對較高的能量需求的、復雜的且開銷較聞的總系統(tǒng)。
[0006]出版文獻DE 10 2004 016 196 Al公開了一種用于控制機電系統(tǒng)的方法，其中使用線性驅(qū)動器電路和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。
[0007]數(shù)字驅(qū)動器通常在結(jié)構(gòu)方面簡單、節(jié)省空間且抗干擾。其良好地適于應用在諧振運行中。相反，對于準靜態(tài)運行中的應用，考慮可能具有諧振干擾模式的范圍中的頻率的干擾部分。因此，存在控制具有數(shù)字驅(qū)動器的微機電元件的需求，其考慮前面提到的方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所基于的構(gòu)思在于，實現(xiàn)用于在準靜態(tài)運行中控制微機電元件的方法和裝置，借此可以盡可能無干擾地控制微機電元件并且其需要較少實現(xiàn)開銷。
[0009]根據(jù)權利要求1的根據(jù)本發(fā)明的用于微機電元件的控制電路具有信號形狀發(fā)生器，調(diào)制器和數(shù)字驅(qū)動器裝置。信號形狀發(fā)生器被設置用于生成用于微機電元件的數(shù)字控制信號。調(diào)制器被設置用于對數(shù)字控制信號進行過采樣、使數(shù)字控制信號經(jīng)受噪聲成形以及輸出經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號。數(shù)字驅(qū)動器裝置被設置用于以經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號來驅(qū)動微機電元件。所述控制提供以下優(yōu)點:可以使用傳統(tǒng)的數(shù)字末級，其能夠以簡單的且節(jié)省空間的方式置于集成電路中。
[0010]優(yōu)選地，調(diào)制器是Delta-Sigma調(diào)制器，并且微機電元件是電容式致動器、尤其是微鏡致動器。由此，可以在對控制驅(qū)動器的要求較低的情況下同時實現(xiàn)準靜態(tài)運行中致動器的高偏轉(zhuǎn)準確性。
[0011]優(yōu)選地，Delta-Sigma調(diào)制器的零位可以置于微機電元件的諧振模式的頻率上，由此能夠?qū)崿F(xiàn)微機電元件的諧振模式的頻率處的噪聲分量的有針對性抑制。
[0012]根據(jù)權利要求5的根據(jù)本發(fā)明的用于控制微機電元件的方法包括以下步驟:
[0013]提供具有位于微機電元件(30)的臨界頻率(《g)以下的信號頻率的數(shù)字控制信號;
[0014]以大于臨界頻率(ω8)兩倍的采樣頻率對數(shù)字控制信號進行過采樣；
[0015]通過將在過采樣中形成的噪聲移動到臨界頻率(《g)以上的頻率區(qū)域(23b)中來噪聲成形經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號；
[0016]以經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號驅(qū)動微機電元件(30 )。
[0017]通過所述方法可能使所期望的信號帶保持無噪聲，并且在此尤其有效地防止在準靜態(tài)運行中微機電元件的諧振模式的激勵。
[0018]其他的實施方式和改進方案在從屬權利要求中給出。
[0019]只要有意義，則可以彼此任意組合以上構(gòu)型和改進方案。本發(fā)明的其他的可能構(gòu)型、改進方案和實現(xiàn)也包括以上或以下關于實施例描述的發(fā)明特征的未明確提及的組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]以下根據(jù)在附圖的示意圖中給出的實施例詳細闡明本發(fā)明。附圖示出:
[0021]圖1:微機電致動器的等效電路圖；
[0022]圖2:微機電致動器的頻率特性的波特圖；
[0023]圖3:根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的控制電路；
[0024]圖4:根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的控制電路；
[0025]圖5:根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的用于控制微機電元件的方法。
【具體實施方式】
[0026]在附圖中相同的和功能相同的元件、特征和組件(只要沒有另外說明)分別設有相同的附圖標記。不言而喻地，附圖中的組件和元件出于清楚和理解的原因不一定彼此比例正確地給出。
[0027]本發(fā)明意義上的微機電元件可以尤其包括微機電致動器。通過控制信號控制致動器，以便由輸入信號引起機械動作，尤其是所連接的機械部件的轉(zhuǎn)動、翻轉(zhuǎn)和線性移位。致動器的一個示例是微鏡致動器，借助所述微鏡致動器可以使微鏡沿著一個或多個轉(zhuǎn)動軸線、翻轉(zhuǎn)軸線或移位軸線旋轉(zhuǎn)或移動。
[0028]在微機電部件的線性控制時試圖不激勵微機電元件的諧振模式，即能夠?qū)崿F(xiàn)準靜態(tài)的運行。
[0029]在圖1中示出了微機電致動器100的等效電路圖。在此，所述微機電致動器100包括第一輸入電阻14，其與由第一電容16、第二電容17和第二電阻18組成的并聯(lián)電路串聯(lián)連接。在微機電致動器100的輸入端12上施加控制信號，所述控制信號首先傳導通過輸入電阻14，所述輸入電阻通常是低歐姆的并且反映致動器100的所有線路電阻RaK。致動器100的電容C可以劃分為第一電容16和第二電容17。第一電容16是微機電致動器100的有效電容Cn并且第二電容17是微機電致動器100的寄生電容CP。通常，微機電致動器100的有效電容Cn比微機電致動器100的寄生電容Cp小。其通常根據(jù)致動器100的機械狀態(tài)是動態(tài)的。
[0030]微機電致動器100的圖1中的等效電路圖對于慣性的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)是典型的并且在第一近似中表示二階低通濾波器。因此，本發(fā)明意義上的微機電致動器具有低通特性。
[0031]圖2在波特圖的振幅部分中示出微機電致動器的頻率特性200。在此相對于縱坐標上的振幅(單位:dB)在橫坐標上繪出頻率ω (單位:kHz)。微機電致動器的頻率區(qū)域可以劃分為分別具有兩個帶寬的兩個區(qū)域。
[0032]區(qū)域23a位于臨界頻率cog22以下，通過向左指向的虛線箭頭表明，所述區(qū)域23a表示微機電致動器的有效區(qū)域。在所述有效區(qū)域中，可以在頻率特性的頻率區(qū)域21中準靜態(tài)地控制微機電致動器。在此，所述頻率區(qū)域21尤其不位于具有微機電致動器的諧振模式的頻率區(qū)域中。示例性地，在圖2中示出了具有頻率特性中的振幅超高的三個諧振模式24a、24b、24c。然而，在此根據(jù)致動器也可以出現(xiàn)更多或更少諧振模式。所述諧振模式可以在有效區(qū)域23內(nèi)的不同頻率處出現(xiàn)。諧振模式24a、24b、24c可非常容易激勵并且在激勵時通過振幅增強可以導致微機電致動器的不穩(wěn)定控制。因此希望的是，在準靜態(tài)運行中用于微機電致動器的控制信號在任何時刻都不具有相應于諧振模式24a、24b、24c的頻率的頻率部分。
[0033]區(qū)域23b位于臨界頻率cog22以上，通過向右指向的虛線箭頭表明，所述區(qū)域23b表示微機電致動器的衰減主導的區(qū)域。在所述區(qū)域中，建模為根據(jù)圖1的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的微機電致動器的慣性占主導。雖然在所述區(qū)域中同樣存在諧振模式25a、25b、25c，但這些模式由于微機電致動器的系統(tǒng)慣性嚴重衰減并且因此不容易激勵。
[0034]圖3示出用于根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的微機電元件30的數(shù)字控制的控制電路300。在此，所述控制電路300包括信號形狀發(fā)生器2、調(diào)制器3和數(shù)字驅(qū)動器裝置4。在此，信號形狀發(fā)生器2、調(diào)制器3和數(shù)字驅(qū)動器裝置可以設置在集成電路I中，例如ASIC芯片等等中。信號形狀發(fā)生器2與調(diào)制器3的輸入端耦合，所述調(diào)制器的輸出端又與數(shù)字驅(qū)動器裝置4的輸入端耦合。數(shù)字驅(qū)動器裝置4的輸出端與微機電元件30的控制輸入端耦
八
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[0035]信號形狀發(fā)生器2被設置用于產(chǎn)生用于微機電元件30的數(shù)字控制信號。在此，數(shù)字控制信號具有一個或多個有效信號頻率，其位于微機電元件30的有效區(qū)域中、例如在圖2中示出的區(qū)域23a中，尤其是在以附圖標記21標明的區(qū)域中的頻率處。所述有效信號頻率例如可以位于IOHz和IkHz之間的區(qū)域中，尤其是幾十Hz和幾百Hz之間的區(qū)域中。有效信號頻率如此設置，使得其不與微機電元件30的諧振模式的頻率重合，例如不與如在圖2中示出的諧振模式24a、24b、24c重合。
[0036]在此，例如可以在集成電路I上產(chǎn)生數(shù)字控制信號。但也可以提出，從集成電路上的存儲器中讀取數(shù)字控制信號，其中存儲器包含大量預定義的控制信號并且從存儲器中分別加載預定義的控制信號之一，以便控制微機電元件30。[0037]調(diào)制器3被設置用于對數(shù)字控制信號進行過采樣、使數(shù)字控制信號經(jīng)受噪聲成形以及向數(shù)字驅(qū)動器裝置4輸出經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號。特別地，調(diào)制器3可以是Delta-Sigma調(diào)制器。
[0038]Delta-Sigma調(diào)制器具有兩個特性，所述兩個特性有利地可以用于實現(xiàn)數(shù)字控制信號的所期望的信號成形:
[0039]一方面，Delta-Sigma調(diào)制器以高過采樣率工作。在此，所述高過采樣率可以具有至少是微機電元件30的臨界頻率的兩倍那么大的采樣頻率。在量化數(shù)字控制信號時通過調(diào)制器3產(chǎn)生的量化噪聲在從頻率O直到達到采樣頻率一半的頻率區(qū)域上均勻分布。在此，在所述頻率區(qū)域上分布的總噪聲能量保持不變。即，采樣頻率越高，量化噪聲分布的頻率區(qū)域就越大，并且所述頻率區(qū)域內(nèi)對于每個單個頻率而言信號噪聲距離就越大。
[0040]圖2中的區(qū)域23a是微機電元件30的有效區(qū)域，所述有效區(qū)域?qū)τ诹炕肼暥允侵匾?。因此，隨著調(diào)制器3的采樣頻率的提高，與量化噪聲分布的總頻率區(qū)域相比量化噪聲在區(qū)域23a內(nèi)相對份額降低。因此，通過數(shù)字控制信號的過采樣時的高采樣頻率，使在微機電元件30的相關有效區(qū)域中的信號噪聲距離保持得較高。特別地，在諧振模式24a、24b,24c的區(qū)域中，信號噪聲距離因此同樣高，即，在準靜態(tài)運行中的微機電元件30的控制時，干擾與噪聲信號的份額在諧振模式的頻率時較小并且微機電元件30的控制是穩(wěn)定的。在此，在調(diào)制器3的采樣頻率加倍時導致微機電元件30的有效區(qū)域中大約降低3dB的噪聲水平。
[0041]另一方面,借助Delta-Sigma調(diào)制器實施噪聲成形。噪聲成形表示更強地集中確定頻率區(qū)域中數(shù)字信號的量化噪聲以及由此實現(xiàn)頻譜中噪聲能量的移動的方法。因此，借助Delta-Sigma調(diào)制器可以將量化噪聲的噪聲信號移動到臨界頻率《8以上的頻率區(qū)域23b中。在所述區(qū)域23b中，微機電元件30的慣性占主導，使得根據(jù)在圖2中示出的傳遞函數(shù)通過微機電元件30的固有低通特性來過濾所述頻率區(qū)域中的噪聲信號。
[0042]噪聲成形的度量例如取決于Delta-Sigma調(diào)制器的過采樣頻率和階數(shù)。因此，根據(jù)調(diào)制器參數(shù)的選擇可以實現(xiàn)量化噪聲移動到第二區(qū)域23b中。
[0043]Delta-Sigma調(diào)制器在其前向路徑中根據(jù)階數(shù)具有至少一個積分器，所述至少一個積分器具有信號傳輸函數(shù)。所述信號傳輸函數(shù)具有一個或多個零位。通過積分器的信號傳輸函數(shù)的選擇和零位的相應選擇可以將Delta-Sigma調(diào)制器的噪聲信號傳輸函數(shù)在所述零位處置于零。因此，在相應于零位的頻率時，抑制Delta-Sigma調(diào)制器的輸出信號中的
量化噪聲。
[0044]本發(fā)明以有利的方式利用所述關系，其方式是，Delta-Sigma調(diào)制器的積分器可以在微機電元件30的諧振模式的頻率上具有其傳輸函數(shù)的零位。因此，有效地抑制具有微機電元件30的相應的諧振模式的頻率處的頻率部分的噪聲信號，并且因此微機電元件30的控制在準靜態(tài)中是穩(wěn)定的。
[0045]調(diào)制器3的輸出信號饋給到驅(qū)動器裝置中并且由所述驅(qū)動器裝置用于驅(qū)動微機電兀件30。在此,用于驅(qū)動微機電兀件30的控制信號以有利的方式不具有微機電兀件30的有效區(qū)域23a的諧振模式24a、24b、24c的頻率處的頻率部分或者具有微機電元件30的有效區(qū)域23a的諧振模式24a、24b、24c的頻率處至少強烈下降的頻率部分，由此可以確保準靜態(tài)運行中的穩(wěn)定控制。[0046]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的控制電路400。在此，所述控制電路400尤其可以是控制電路300的示例性實施方式?？刂齐娐?00包括具有N比特的查找表42，從所述查找表中可以提供用于微電機元件30數(shù)字控制的控制信號形式。此外，控制電路400包括Delta-Sigma調(diào)制器43，所述Delta-Sigma調(diào)制器從查找表42接收數(shù)字控制信號并且輸出經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號。所述經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號由門驅(qū)動器44接收，所述門驅(qū)動器根據(jù)控制信號控制兩個晶體管45a和45b、尤其是M0SFET。通過ASIC芯片上的連接端46，驅(qū)動信號可以饋送到微機電元件30中，所述查找表42、所述Delta-Sigma調(diào)制器43、所述門驅(qū)動器44以及所述晶體管45a和45b可以設置在所述ASIC芯片上。
[0047]在圖5中不意性地不出了一種用于控制微機電兀件的方法500。
[0048]在所述方法500的第一步驟51中，提供具有位于微機電元件30的臨界頻率cog以下的信號頻率的數(shù)字控制信號。
[0049]在第二步驟52中，以大于雙倍的臨界頻率的采樣頻率對數(shù)字控制信號進行過采樣。在此，可以借助如以上與圖3相關聯(lián)地描述的Delt-Sigma調(diào)制器進行所述過采樣。
[0050]在第三步驟53中，通過在過采樣時形成的噪聲移動到臨界頻率以上的頻率區(qū)域中來噪聲成形經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號。在此，可以借助如以上與圖3相關聯(lián)地描述的Delta-Sigma調(diào)制器進行噪聲成形。
[0051]在第四步驟54中，以經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號驅(qū)動微機電元件30。特別地，可以在準靜態(tài)運行中使用所述方法500用于驅(qū)動電容致動器、尤其是微鏡致動器。
【權利要求】
1.一種用于微機電元件(30)的控制電路(300)，所述控制電路具有信號形狀發(fā)生器(2)、調(diào)制器(3)和數(shù)字驅(qū)動器裝置(4)，所述信號形狀發(fā)生器被設置用于生成用于所述微機電元件(30)的數(shù)字控制信號，所述調(diào)制器被設置用于對所述數(shù)字控制信號進行過采樣、使所述數(shù)字控制信號經(jīng)受噪聲成形以及輸出經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號，所述數(shù)字驅(qū)動器裝置被設置用于以所述經(jīng)過采樣的且經(jīng)噪聲成形的數(shù)字控制信號驅(qū)動所述微機電元件(30)。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制電路(300)，其中，所述調(diào)制器(3)是Delta-Sigma調(diào)制器。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的控制電路(300)，其中，所述微機電元件(30 )是電容式致動器、尤其是微鏡致動器。
4.根據(jù)權利要求2所述的控制電路(300)，其中，所述Delta-Sigma調(diào)制器的積分器可以在所述微機電元件(30)的諧振模式的頻率上具有其傳輸函數(shù)的零位。
5.一種用于控制微機電元件(30)的方法(500)，所述方法具有以下步驟: 提供具有位于所述微機電元件(30)的臨界頻率(ω8)以下的信號頻率的數(shù)字控制信號; 以大于所述臨界頻率(ω8)兩倍的采樣頻率對所述數(shù)字控制信號進行過采樣； 通過將在所述過采樣中形成的噪聲移動到所述臨界頻率(ω8)以上的頻率區(qū)域(23b)中來噪聲成形所述經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號； 以所述經(jīng)過采樣的數(shù)字控制信號驅(qū)動所述微機電元件(30)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法(500)，其中，借助Delta-Sigma調(diào)制器實施所述過采樣和所述噪聲成形的步驟。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法(500)，其中，將所述Delta-Sigma調(diào)制器的積分器的傳輸函數(shù)的零位置于在所述臨界頻率(ω8)以下的頻率區(qū)域(23a)中所述微機電元件(30)的諧振模式的一個頻率上。
【文檔編號】H02N1/00GK103477551SQ201180056228
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年10月13日 優(yōu)先權日:2010年11月23日
【發(fā)明者】A·文茨勒, M·I·阿爾迪布斯, O·克拉依爾 申請人:羅伯特·博世有限公司