[发明专利]控制装置、微系统装置和用于控制微机械致动器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制装置、一种微系统装置和一种用于控制微机械致动器的方法。

背景技术

一般而言，微系统、以下也称作MEMS(Micto-Electro-Mechanical-System：微机电系统)包括一个或多个传感器、微机械致动器和所属的控制电子装置，这些集成在载体衬底或芯片上。集成的控制电子装置通常或者使用线性驱动器(Linear-Treiber)或者使用数字驱动器(Digital-Treiber)。

Veljko 在2009年3月25日的光纤通信展览会及研讨会(圣地亚哥、加利福尼亚州)上发表的文章《Linearized Gimbal-less Two-Axis MEMS Mirros》描述了不使用万向悬挂装置的两轴MEMS扫描镜。在那里描述的MEMS扫描镜在低功率消耗下提供在两个轴上在直至32°的角度范围内的快速扫描，其中，MEMS扫描镜由于空间偏差而损失的光功率小于1mW。线性的驱动器控制和可四象限寻址的设计实现了MEMS扫描镜的近似线性的电压-角度变化曲线。所描述的MEMS扫描镜完全由硅单晶体制成，其作为衬底既用于MEMS扫描镜的电子组件也用于MEMS扫描镜的机械组件。

HiperScan有限责任公司(01109，德累斯顿，德国)在2009年1月30日的媒体报道中描述了由小的硅芯片制成的、以基于MEMS的微系统为基础的微扫描镜。所描述的扫描镜可以具有0.5mm和3mm之间的直径并且可在150Hz和32kHz之间的机械谐振频率下在16°至80°的光学范围内摆动。作为用于微扫描镜的控制电子装置的控制电路使用数字控制的驱动器电路。

基于MEMS的微系统的微机械致动器在其机械振动谱中具有多个谐振位置——所谓的模式(Mode)，其可以通过相应的电信号激励。微机械致动器的模式分为有用模式和干扰模式。干扰模式的激励损害基于MEMS的微系统的功能。

在机械方面，微机械致动器是惯性的弹簧-质量系统，其形成谐振子并且可以通过具有固定在其上的质量块的弹簧进行建模。由于真实微机械致动器的通常微梁(Miniatur-Balken)形式的构型以及由于其他偏差——例如系统的非线性，真实的微机械致动器具有更多谐振位置。微机械致动器的角频率通过在频率中出现的第一个模式定义。

因此，原则上可以在一个或多个有用模式上谐振地运行MEMS的微机械致动器。微机械致动器的谐振的高效控制的前提条件是，仅仅激励所期望的有用模式或有用谐振位置并且不出现干扰模式。替代地，可以通过在机械上准静态的方式运行MEMS。在这种运行中，不应当激励微机械致动器的各模式。在线性激励中，通常准静态地运行MEMS元件。

在用于控制的集成线性驱动器中，专用集成电路(ASIC)具有用于集成运算放大器、调节器、电压和电流参考电路、稳定电容和其他电子单元的相对较大的面积。为了偏转微机械致动器而使用的信号形状在ASIC中通常数字地存放在存储器中或查找表LUT中。因此，使用线性驱动器需要实现数/模转换器，以便将经量化的数字信号或单个值转换成模拟信号。因为数/模转换器的电流消耗和面积需求正比于信号带宽和信号精度，所以MEMS总系统由于所述实现而变得复杂且开销较大，并且需要大的整体面积，并且具有高的功率消耗。此外，面积需求由于其他参考电路、驱动器电路以及调节与控制电路而增大。通过简单示例可以认识到，在ASIC中存在怎样的复杂性，以便为致动器提供所期望的信号。

使用数字驱动器更简单并且更节省空间。但为此在使用数字驱动器时施加在MEMS的微机械致动器上的无功功率线性地随着频率f并且平方地随着电压增大，因为对于具有电容C并且以电压U控制的微机械致动器的消耗的无功功率P有：

P＝0.5×U²×C×f

如果如此确定数字末级的规模，使得其满足对由其输出的电流形状在待提供的无功功率、带宽和精度方面的高要求，则数字末级由于其高开销的结构而产生集成时的较高面积需求以及集成电路的较高电流消耗。由于包含在用于控制的信号形状中的高频率，往往不期望地激励致动器的干扰模式，即使在微机械致动器的纯准静态运行中。

发明内容

本发明实现一种具有权利要求1的特征的控制装置，其被设计用于控制微机械致动器，根据权利要求9所述的包括微机械致动器的微系统装置和根据权利要求10所述的用于控制微机械装置的方法。