利用稀疏脉冲的MEMS致动设备的制作方法

利用稀疏脉冲的mems致动设备
技术领域
1.本公开涉及微机电系统(mems)设备致动的领域，其使用在逐脉冲的基础上修改单个驱动脉冲以实现具有更快启动时间的期望振荡幅度。


背景技术：

2.微机械加工技术能够在半导体材料的层内制造微机电结构和系统(mems)，这些半导体材料层沉积或生长在牺牲层的顶部，通过化学蚀刻去除牺牲层。利用该技术制作的振荡微镜广泛应用于激光束扫描(lbs)模块中，这些模块可用于不同的小型便携式电子设备中，以执行例如3d感测、基于lidar的感测或投影。例如，扫描投影仪或“皮投影仪”是利用这种lbs模块的小型便携式电子设备。皮投影仪通常与诸如智能眼镜、智能手机、平板电脑、笔记本电脑或数码相机的用户设备配对或结合在其中，并用于将存储在这些用户设备上的虚拟和增强现实、文档、图像或视频投影到投影面上，例如波导、墙、光场、全息表面或虚拟或增强现实眼镜的内部显示表面。
3.更详细地，典型的lbs模块包括激光源和一个或多个mems微镜，以在投影模式中在投影面上扫描由激光源生成的激光束。作为示例，在皮投影仪中使用lbs的情况下，通过根据激光束在投影面上的位置调制激光束，同时以投影模式扫描激光束，显示图像流。通常，尽管可以使用其他设计的光学模块，至少一个透镜在光束被一个或多个mems微镜反射之前或之后，以及在激光束照射到投影面之前，聚焦光束。
4.投影子系统控制激光源的驱动和一个或多个mems微镜的运动的驱动，以及一个或多个mems微镜的运动与激光源的调制的同步。典型地，驱动其中一个mems微镜的运动使其以其自然谐振频率或接近其自然谐振频率振荡，并且驱动另一个mems微镜的运动使其按照预定轨迹运动。
5.谐振驱动的mems微镜通常用方波驱动，如图1所示，其中波随时间在电压0和vin_max之间振荡。这种mems微镜通常配备有反射镜位置传感器，例如倾斜传感器，从而能够对mems微镜本身的运动进行感测以提供反馈。典型的反射镜位置传感器提供正弦输出，如图2所示，正弦波指示反射镜位置。如图所示，当正常工作时，这样的mems微镜在最大θmax和最小θmin角之间振荡，以定义振幅，该振幅可以称为mems微镜的张开角。
6.为了降低功耗和提高对振动噪声的抑制，mems微镜可以被形成为具有高品质因数(q因子)的微镜。然而，高q因子mems微镜在启动时需要很长时间才能达到期望幅度，并且谐振频率带宽很窄，如图3所示。为了在该窄谐振频率带宽随时间移动时正确地工作，以高分辨率生成驱动信号(例如，方波)。虽然这确实允许正确的操作，但这样的驱动信号生成电路是复杂的，并且消耗不希望的面积量，并且不能解决启动时间比希望的要长的问题。图4是使用已知技术驱动的高q因子mems微镜(q为10,000)在启动时的振幅曲线图，其中f0是mems微镜的自然谐振频率，fd是mems微镜的驱动频率。可以观察到，为了使振幅达到稳定状态，经过的时间接近0.5秒，这远远长于某些应用中所期望的，例如虚拟现实、增强现实和混合现实。事实上，在某些情况下，振幅达到稳定状态的时间甚至可以超过0.5秒。
7.因此，需要进一步发展高q因子mems微镜的驱动。


技术实现要素：

8.在本文中描述了一种用于微机电系统(mems)设备的控制电路，该控制电路包括：输入逻辑电路，被配置为接收至少一个mems驱动信号和控制信号，并导致基于此生成至少一个修改后的驱动信号，至少一个修改后的驱动信号被用于驱动mems设备；以及逻辑电路装置。逻辑电路装置被配置为：从mems设备接收反馈信号，并指示反馈信号何时处于其峰值，反馈信号指示mems设备的运动；以及基于反馈信号何时处于其峰值的指示，基于峰值是否至少等于期望峰值来生成控制信号，期望峰值指示mems设备的运动达到期望幅度。输入逻辑电路被配置为当反馈信号至少等于期望峰值时修改至少一个mems驱动信号以生成至少一个修改后的驱动信号，对至少一个mems驱动信号的修改使得至少一个修改后的驱动信号具有依赖于控制信号的可变频率和/或占空比。
9.逻辑电路装置可以包括模数转换器，当逻辑电路装置指示反馈信号处于其峰值时，模数转换器对反馈信号进行数字化；比较器，比较数字化的反馈信号与期望峰值以生成控制信号。
10.当数字化的反馈信号小于期望峰值时，比较器可以断言其输出，否则解除断言其输出。输入逻辑电路可以包括接收控制信号和至少一个mems驱动信号作为输入的至少一个与门，该与门生成至少一个修改后的驱动信号，作为对控制信号和至少一个mems驱动信号执行的逻辑与操作的结果。
11.缓冲器可以耦合在至少一个与门的输出与mems设备之间。
12.当数字化的反馈信号小于期望峰值时，比较器可以断言其输出，否则解除断言其输出。至少一个mems驱动信号可以包括相位彼此相反的第一mems驱动信号和第二mems驱动信号。至少一个修改后的驱动信号可以包括用于驱动mems设备的第一修改后的驱动信号和第二修改后的驱动信号。输入逻辑电路可以包括：第一与门，接收控制信号和第一mems驱动信号作为输入，作为对控制信号和第一mems驱动信号执行的逻辑与运算的结果，第一与门生成第一修改后的驱动信号；以及第二与门，接收控制信号和第二mems驱动信号作为输入，作为对控制信号和第二mems驱动信号执行的逻辑与操作的结果，第二与门生成第二修改后的驱动信号。
13.第一缓冲器可以耦合在第一与门的输出和mems设备之间，第二缓冲器可以耦合在第二与门的输出和mems设备之间。
14.驱动时钟生成器可以被配置为生成驱动频率信号，并且驱动时钟生成器可以被配置为基于驱动频率信号生成至少一个mems驱动信号。
15.相位延迟电路可被配置为接收反馈信号，并对反馈信号施加相位延迟。相位估计电路可以被配置为在相位延迟电路对反馈信号施加相位延迟之后接收反馈信号，接收至少一个mems驱动信号，并生成指示反馈信号是领先还是滞后于至少一个mems驱动信号的相位估计信号。群延迟估计电路可被配置为接收相位估计信号，以考虑系统相位延迟来确定mems设备是否工作在谐振状态，并基于该确定来生成输出信号。谐振比例-积分-微分环路可被配置为基于来自群延迟估计电路的输出信号来操作以生成驱动频率输入。驱动时钟生成器可以被配置为基于驱动频率输入生成驱动频率信号。
16.当反馈信号至少等于期望峰值时，输入逻辑电路可以通过阻止至少一个修改后的驱动信号的生成直到反馈信号小于期望峰值来修改至少一个mems驱动信号。
17.当反馈信号至少等于期望峰值时，输入逻辑电路可以通过缩短至少一个修改后的驱动信号的脉冲宽度来修改至少一个mems驱动信号，直到反馈信号小于期望峰值。
18.mems设备可以包括由至少一个修改后的驱动信号驱动的mems微镜，以及与mems微镜相关联并生成反馈信号的位置传感器。
19.当反馈信号至少等于期望峰值时，输入逻辑电路可以通过对经修改驱动信号反相来修改至少一个修改后的驱动信号。
20.逻辑电路装置可以包括：峰值估计电路，被配置为从mems设备接收反馈信号，并指示反馈信号何时处于其峰值，反馈信号指示mems设备的运动；以及逻辑核心，被配置为从峰值估计电路接收反馈信号何时处于其峰值的指示，并基于峰值是否至少等于期望峰值来生成控制信号，期望峰值指示mems设备的运动达到期望幅度。
21.本文中还公开了一种操作mems设备的方法。该方法包括：生成至少一个mems驱动信号；基于控制信号生成和修改至少一个mems驱动信号，以生成至少一个修改后的驱动信号；以及通过以下来生成控制信号：确定来自mems设备的反馈信号何时处于其峰值，当反馈信号为其峰值时将峰值与期望值进行比较，以及根据峰值是否至少等于期望值来生成控制信号。基于控制信号修改至少一个mems驱动信号以生成至少一个修改后的驱动信号，可以通过在控制信号指示峰值至少等于期望值时跳过至少一个修改后的驱动信号的下一脉冲的生成来执行。
22.当峰值至少等于期望值时，可以断言控制信号，并且可以通过在控制信号和至少一个mems驱动信号之间执行逻辑与操作来完成对至少一个mems驱动信号的修改。
23.当反馈信号至少等于期望值时，至少通过在某些时间内对经修改的驱动信号反相来生成至少一个修改后的驱动信号。
附图说明
24.图1是用于mems微镜的现有技术驱动信号的曲线图。
25.图2是使用现有技术驱动信号操作时mems微镜的张开角的曲线图。
26.图3是示出高q因子现有技术mems微镜的谐振频率的窄带宽的曲线图。
27.图4是使用现有技术驱动的现有技术高q因子mems微镜在启动时的张开角的曲线图。
28.图5是本文公开的包括驱动信号修改核心的驱动电路的框图。
29.图5a是图5的逻辑核心的框图。
30.图6是驱动电路工作时不同信号的曲线图。
31.图7是图5的驱动逻辑电路的框图。
32.图8是驱动逻辑电路生成半宽修改的驱动信号时在操作期间驱动电路的不同信号的曲线图。
33.图9至图10是相同的mems微镜在没有使用以及使用图5的驱动信号修改核心的情况下的张开角和启动时间的比较。
34.图11至图12是示出与使用基于振幅的驱动信号修改核心驱动时相比，在没有本文
描述的基于振幅的驱动信号修改核心的控制的情况下驱动时mems微镜的张开角上的误差的曲线图。
35.图13是本文公开的包括驱动信号修改核心的驱动电路的另一实施例的框图。
36.图14是本文公开的驱动电路的另一实施例的框图，该驱动电路包括嵌入在驱动信号修改核心内的具有锁定谐振的驱动信号修改核心。
具体实施方式
37.以下公开使得本领域技术人员能够制造和使用本文公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可应用于除上述详细描述的实施例和应用之外的实施例和应用。本公开并不旨在限于所示的实施例，而是根据与本文中公开或建议的原理和特征一致的最广泛的范围。
38.现在参照图5描述用于mems微镜11的驱动电路10。驱动电路10包括驱动时钟生成器13，其从驱动频率控制信号生成器27接收驱动频率控制信号freq，并由此生成第一驱动信号drv1和第二驱动信号drv2，第二驱动信号drv2与第一驱动信号drv1相位相反。
39.驱动信号修改核心30接收驱动信号drv1和drv2作为输入，由此生成用于驱动mems微镜11的修改后的驱动信号d1和d2，并生成表示mems微镜11的运动的反馈信号fbk作为输出。下面将详细描述驱动信号修改核心30，但首先将描述驱动电路10的其余部分。
40.相位延迟电路19将延迟加到反馈信号fbk以生成延迟的反馈信号fbk_dly。相位估计电路23(例如，相位频率检测器)将延迟反馈信号fbk_dly的相位与第一驱动信号drv1的相位进行比较，并将比较结果输出到群(group)延迟估计电路24。群延迟估计电路24不仅估计延迟的反馈信号fbk_dly的相位到第一驱动信号drv1的相位之间的相位延迟，而且考虑在系统内添加的附加相位延迟，以便生成指示mems微镜11是否处于谐振状态的输出。该输出由谐振锁定比例-积分-微分(pid)环路25用于生成输出，该输出与作为反馈的驱动频率控制信号freq组合，用于使驱动频率控制信号生成器27生成驱动频率控制信号freq，使得最终导致mems微镜11在谐振时运动。这是通过控制驱动频率控制信号freq的相位来实现的。
41.驱动信号修改核心30包括与门14和15，以及由电压生成器18供电的缓冲器16和17。第一驱动信号drv1和逻辑信号lgk被与门14逻辑与(and)在一起，并被缓冲器16(由电压生成器18供电)缓冲，以生成第一修改后的驱动信号d1。类似地，第二驱动信号drv2和逻辑信号lgk被与门15逻辑与在一起，并被缓冲器17缓冲(也由电压生成器18供电)以生成第二修改后的驱动信号d2。mems微镜11由第一修改后的驱动信号d1和第二修改后的驱动信号d2驱动。位置传感器12(示例性地为压阻式位置传感器，但可以使用任何合适的位置传感器)生成指示mems微镜11的运动的反馈信号fbk。
42.峰值估计电路20确定何时达到延迟反馈信号fbk_dly的峰值幅度值(例如，确定mems微镜11的张开角)，并将其传递给逻辑核心21。注意，峰值估计电路20的目的是避免以高频操作的逻辑核心21连续地分析延迟的反馈信号fbk_dly，而是允许逻辑核心21在其他时间不分析延迟的反馈信号fbk_dly而是分析延迟的反馈信号fbk_dly的峰值。如图5a所示，逻辑核心21包括将该峰值(例如，mems微镜11的张开角)数字化的模数转换器21a，以及将其与由目标张开角电路22生成的参考信号ref进行比较的比较电路21b。参考信号ref是
表示当mems微镜11处于其目标张开角时延迟的反馈信号fbk_dly将处于的电压的数字电压。
43.因此，如果延迟的反馈信号fbk_dly的数字化峰值幅度值小于参考信号ref，指示mems微镜11尚未达到目标张开角，则逻辑核心21将其输出lgk断言为逻辑高，进而允许驱动信号drv1和drv2通过与门14和15。另一方面，如果延迟的反馈信号fbk_dly的数字化峰值幅度值等于参考信号ref，指示mems微镜11已经达到其目标张开角，则逻辑核心21解除断言(deassert)其输出lgk(例如，将其拉到逻辑低)，阻断驱动信号drv1和drv2通过与门14和15，具有切断第一修改后的驱动信号d1和第二修改后的驱动信号d2的效果，其中反射镜继续振荡，但其张开角随时间衰减。
44.这是以循环为基础重复延迟的反馈信号fbk_dly的比较，使得当延迟的反馈信号fbk_dly的峰值处于或高于期望峰值时，驱动信号drv1和drv2被阻塞，并且使得当延迟的反馈信号fbk_dly的峰值低于期望峰值时，驱动信号drv1和drv2被传递以生成修改后的驱动信号d1和d2。注意，由于驱动信号drv1和drv2在相位上彼此相反，在一些情况下，通过将延迟的反馈信号fbk_fly与参考信号ref进行比较，将允许来自它们之一的脉冲通过。作为替代方案，延迟的反馈信号fbk_dly的比较可以在半个周期的基础上重复，使得当延迟的反馈信号fbk_dly的峰值处于或高于期望的正峰值时，驱动信号drv1和drv2被阻塞，并且使得当延迟的反馈信号fbk_dly的峰值处于或低于期望的负峰值时，驱动信号drv1和drv2被阻塞，否则驱动信号drv1和dr2被传递以生成修改后的信号d1和d2。
45.因此，mems微镜11的实际驱动是由包含“稀疏”脉冲的驱动信号d1和d2进行的。所谓稀疏，是指不是与传统驱动信号的情况一样，信号的脉冲具有相同的宽度并且周期性地出现，而是仅当延迟的反馈信号fbk_dly的峰值低于期望峰值时，才从驱动信号drv1和drv2生成驱动信号d1和d2的脉冲，这意味着不同的脉冲可以具有不同的脉冲宽度，并且可以完全跳过任何数量的脉冲。
46.图6是示出此操作随时间变化的曲线图。注意，第一标记时间点的时间t0是启动后的一段时间，在该时间处，mems微镜11的张开角开始接近期望的张开角。记住，在时间t0和t1之间，逻辑核心21的输出lgk处于逻辑高。因此，修改后的驱动信号d1和d2跟随驱动信号drv1和drv2，每个脉冲被再现。然而，在时间t1处，延迟的反馈信号fbk_dly的峰值已经达到其期望峰值(fbk_dly＝ref)，因此逻辑核心21解除断言其输出lgk。因为在时间t1处，当前正在生成d1脉冲，所以lgk变为逻辑低电平导致与门14阻塞drv1(例如，输出逻辑零)，这意味着d1立即被拉到逻辑零。lgk为逻辑低电平还导致与门15阻塞drv2，其结果是在时间t1和t2之间，如可以观察到的那样，没有d2脉冲被生成。在时间t2处，延迟的反馈信号fbk_dly的峰值已经低于其期望峰值(fbk_dly《ref)，因此逻辑核心21断言其输出lgk。因此，在时间t2处，与门14通过drv1，其结果是生成d1脉冲。然而，到时间t3，延迟的反馈信号fbk_dly已经达到其期望峰值(fbk_dly＝ref)，并保持在那里直到t4，导致逻辑核心21解除断言其输出lgk，将d1拉低并阻止生成d2脉冲。在时间t4处，延迟的反馈信号fbk_dly已经低于其期望峰值(fbk_dly《ref)，并保持在那里直到t5，这意味着逻辑核心21断言其输出lgk，允许生成d2脉冲。然而，由于在t5处，延迟的反馈信号fbk_dly已经达到其期望峰值(fbk_dly＝ref)，并且一直保持在那里直到t6，逻辑核心21再次解除断言其输出lgk，阻止d1和d2脉冲的生成。直到d6，如前所述，延迟的反馈信号fbk_dly已经低于其期望峰值(fbk_dly＝ref)，导致逻
辑核心21再次断言其输出lgk，允许生成d2脉冲。
47.因此，在图6中可以观察到，驱动电路30的操作可以导致修改后的驱动信号d1和d2中的任一个或两个被阻塞。注意，尽管未在图6中示出，但在一些情况下，逻辑核心21的输出lgk可被布置成根据延迟的反馈信号fbk_dly是否达到其期望峰值(fbk_dly＝ref)改变驱动信号d1和d2的脉冲宽度而不是简单地阻塞脉冲。应当理解，自然地，当生成较少的修改后的驱动信号d1和d2的脉冲时，功耗降低。
48.在该实例下，与门14和15被生成d1和d2的全宽脉冲或d1和d2的半宽脉冲的逻辑电路14'和15'所取代。这些逻辑电路14'和15'可以在图7中看到，其中可以观察到它们包括接收输出lgk并计数lgk的两个边沿之间的驱动信号边沿的数目的驱动边沿计数器14a'和15a'。因此，驱动边沿计数器14a'计数lgk的两个边沿之间的驱动信号drv1边沿的数目，并且如果边沿的数目大于给定数目n，则修改后的驱动信号d1被生成为具有半宽脉冲，否则被生成为具有全宽脉冲。同样地，驱动边沿计数器15a'计数lgk的两个边沿之间的驱动信号drv2边沿的数目，如果边沿的数目大于给定数目n，则生成具有半宽脉冲的修改驱动信号d2，否则生成削剪的全宽脉冲。这样生成的半宽脉冲可以在图8中观察到，在图8中可以看到，这些脉冲的脉冲宽度不是反射镜运动周期的一半，而是反射镜运动周期的四分之一。
49.当仅使用驱动电路10的基于相位的控制而不使用驱动信号修改核心30的基于振幅的控制时(图9)与当使用驱动信号修改核心30的基于振幅的控制时(图10)的相同mems微镜11的振幅和启动时间的比较有助于说明由驱动信号修改核心30提供的优点。在该示例中，mems微镜11的运动的目标振幅为30
°
(例如，在
±
15
°
之间振荡)，目标频率为28khz，q因子为10,000。注意，没有驱动信号修改核心30，启动时间大于200ms，如图9所示，但有了驱动信号修改核心30，启动时间小于50ms，如图10所示。注意，当使用驱动信号修改核心30时，驱动信号d1和d2的振幅较高，例如在本文中示出为5v，而不使用驱动信号修改核心30时，驱动信号d1和d2的振幅较低，在本文中示出为1.7v，两个示例中的驱动信号都在27.999khz(～28khz)。请注意，可以通过增加驱动电压来减少启动时间。例如，为了将启动时间从大约50ms减少到10ms，驱动电压可以从5v增加到20v。
50.由驱动信号修改核心30提供的快速启动时间对于其中mems微镜11不是经常运行、而是在操作期间多次启动和停止的应用是特别期望的。一个这样的示例是混合现实眼镜，其中在某些时间，mems微镜11被启动以便向用户显示信息，但在其他情况下被停止以便通过眼镜向用户提供不间断的视图。
51.应当理解，驱动信号修改核心30与mems微镜11的机械参数无关，消除或基本上减少了仔细和具体地将驱动信号drv1和drv2与mems微镜11的特定性质匹配的需要。对于现有技术的设计，对驱动电路10执行的校准或修整对于每个单位产品可能是必要的，以说明mems微镜的批次之间的工艺变化，然而，当驱动信号修改核心30达到期望的幅度或张开角时，这被消除，而不管驱动信号drv1和drv2以及驱动电路10是否精确地匹配于mems微镜11的特定性质。此外，由于驱动信号修改核心30，也不需要特别仔细地控制驱动信号drv1和drv2的振幅和频率。
52.图11至图12是示出当仅使用驱动电路10的基于相位的控制而不使用驱动信号修改核心30的基于幅度的控制(图11)来驱动时与使用驱动信号修改核心30的基于幅度的控制(图12)来驱动时相比的mems微镜11的张开角误差的曲线图。示出了使用驱动信号修改核
心30的基于振幅的控制，尽管确实发生振幅误差，但mems微镜11的轨迹不受影响。然而，这种幅度误差可以通过补偿很容易地消除。因此，使用驱动信号修改核心的基于幅度的控制不会降低精度。
53.驱动信号修改核心30'的变体如图13所示。本文中注意，代替与门，驱动逻辑电路14'和15'分别从驱动时钟生成器13接收驱动信号drv1和drv2。此外，驱动逻辑电路14'和15'还从逻辑核心21接收第一逻辑信号lgk1和第二逻辑信号lgk2。如果需要，该变体30'可以精确地操作为图5的驱动信号修改核心30。然而，根据延迟的反馈信号fbk_dly的峰值，该变体30'还可以生成相位反转的修改后的驱动信号d1和d2，从而提供脉冲串，该脉冲串快速停止mems微镜11的运动，或快速将mems微镜11的振幅拉回到期望阈值以下。
54.在一些实例中，使用驱动信号修改核心30或30'可以消除驱动电路装置10中用于提供基于相位的控制的部分。图14中示出了驱动电路装置10
″
的这种示例，其中可以观察到驱动频率生成电路27不接收反馈。取而代之的是，仅通过由驱动信号修改核心30
″
提供的基于振幅的修改就可以实现期望的张开角(例如，振幅)。
55.注意，尽管上面已经关于mems微镜的操作进行了描述，但是本文中描述的驱动信号修改核30、30'和30
″
可以与任何mems设备一起使用，例如陀螺仪或使用mems技术在共振下操作的透镜。
56.尽管已经针对有限数量的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设想不偏离本文公开的本公开范围的其他实施例。因此，所公开的范围仅受所附权利要求的限制。