CN104748669A - 静电式微扫描镜的角度检测电路 - Google Patents

静电式微扫描镜的角度检测电路 Download PDF

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Abstract

一种静电式微扫描镜的角度检测电路，包括一电容值感测单元、一低通滤波放大单元及一角度判断单元。电容值感测单元耦接静电式微扫描镜的一镜面电极，用以感测静电式微扫描镜的等效电容值且提供一电容感测信号。低通滤波放大单元耦接电容值感测单元以接收电容感测信号，且提供一位置信号。角度判断单元耦接低通滤波放大单元以接收位置信号，以判断静电式微扫描镜的镜面电极的一转动角度且提供一角度信号。

Description

静电式微扫描镜的角度检测电路
技术领域
本发明涉及一种检测电路，特别是涉及一种静电式微扫描镜(MEMSScanning Mirror)的角度检测电路。
背景技术
微扫描镜(MEMS Scanning Mirror)为传递光信号的重要元件，其广泛地应用于光机电***整合的产品与技术中，例如：投影机、条码读取器（barcodereader）、光调制器（optical modulator）、光遮断器（optical chopper）、光开关（optical switch）以及光学定位（optical positioning）等。微扫描镜一般是由致动器与面镜所组合而成，致动器负责施加力量于面镜上，使面镜产生角位移，对入射的光信号进行反射，并由面镜角位移决定光信号的传递方向。微扫描镜的驱动方式大致分为静电式（electrostatic）、电磁式（electromagnetic）、热致动式（thermo）、与压电式（piezoelectric）等。其中，静电式微扫描镜具有较大驱动力与半导体制造工艺相容性较佳等优点，因此静电式微扫描镜极具潜力。
在某些应用中（例如影像投射），控制芯片必须与静电式微扫描镜的转动角度同步，才能正常运作。然而，现今的检测技术并无法准确的感测静电式微扫描镜的转动角度，进而影响了静电式微扫描镜的发展。因此，如何准确的感测静电式微扫描镜的转动角度成为发展静电式微扫描镜的一个重要课题。
发明内容
本发明提供一种静电式微扫描镜的角度检测电路，可准确的感测静电式微扫描镜的转动角度。
本发明的静电式微扫描镜的角度检测电路，其中静电式微扫描镜的一驱动电极接收一驱动信号。角度检测电路包括一电容值感测单元、一低通滤波放大单元及一角度判断单元。电容值感测单元耦接静电式微扫描镜的一镜面电极，用以感测静电式微扫描镜的等效电容值且提供一电容感测信号。低通滤波放大单元耦接电容值感测单元以接收电容感测信号，且提供一位置信号。角度判断单元耦接低通滤波放大单元以接收位置信号，以判断静电式微扫描镜的镜面电极的一转动角度且提供一角度信号。
在本发明的一实施例中，电容值感测单元依据镜面电极与驱动电极的耦合电流感测静电式微扫描镜的等效电容值，以提供电容感测信号。
在本发明的一实施例中，电容值感测单元包括一参考电压、一第一二极管及一第二二极管。参考电压具有一第一端及一第二端，第二端接收一接地电压。第一二极管的阴极耦接镜面电极且提供电容感测信号，第一二极管的阳极耦接参考电压的第一端。第二二极管的阳极耦接镜面电极，第二二极管的阴极耦接参考电压的第一端。
在本发明的一实施例中，低通滤波放大单元包括一运算放大器、一第一电容、一第二电容、一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻、一第四电阻及一第五电阻。运算放大器具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，输出端提供位置信号。第一电容耦接第一输入端与一接地电压之间。第一电阻耦接于电容值感测单元与第一输入端之间。第二电阻耦接于第二输入端与输出端之间。第三电阻的一端耦接第二输入端。第四电阻耦接第三电阻的另一端与一***电压之间。第五电阻耦接于第三电阻的另一端与接地电压之间。第二电容耦接第三电阻的另一端与接地电压之间。
在本发明的一实施例中，第一输入端为一正输入端，第二输入端为一负输入端。
在本发明的一实施例中，角度判断单元依据位置信号的电压电平判断静电式微扫描镜的镜面电极的转动角度。
在本发明的一实施例中，当位置信号的电压电平呈现下降缘时，角度判断单元判断镜面电极的转动角度为0。当位置信号的电压电平为于中间电压时，角度判断单元依序判断镜面电极的转动角度为一正向最大转动角度及一逆向最大转动角度。
基于上述，本发明实施例的静电式微扫描镜的角度检测电路，通过电容值感测单元感测静电式微扫描镜的等效电容值的变化并对应地提供电容感测信号，再通过低通滤波放大单元对电容感测信号进行低通滤波放大，以将电容感测信号转换为位置信号。藉此，可准确的感测静电式微扫描镜的转动角度。
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1A为依据本发明一实施例的静电式微扫描镜与角度检测电路的***示意图。
图1B为图1A的静电式微扫描镜与角度检测电路的运作信号示意图。
图2A为图1A中依据本发明一实施例的电容值感测单元的电路示意图。
图2B为依据本发明一实施例的二极管的电流电压特性示意图。
图3为图1A中依据本发明一实施例的低通滤波放大单元的电路示意图。
附图符号说明
10：静电式微扫描镜
11：驱动电极
12：镜面电极
100：角度检测电路
110、110a：电容值感测单元
120：低通滤波放大单元
130：角度判断单元
C1：第一电容
C2：第二电容
D1：第一二极管
D2：第二二极管
is：电流
NE：下降缘
OP1：运算放大器
R1：第一电阻
R2：第二电阻
R3：第三电阻
R4：第四电阻
R5：第五电阻
SANG：角度信号
SDR：驱动信号
SPOS：位置信号
SSC：电容感测信号
T1、T2：时间点
Vdd：***电压
VM：中间电压
Vr：参考电压
θa：正向最大转动角度
θb：逆向最大转动角度
具体实施方式
图1A为依据本发明一实施例的静电式微扫描镜与角度检测电路的***示意图。请参照图1A，在本实施例中，静电式微扫描镜10包括驱动电极11及镜面电极12，其中驱动电极11用以接收驱动信号SDR以对应驱动信号SDR产生电场，镜面电极12感应驱动电极11的电场而对应地产生电场，进而驱使镜面电极12开始摆荡。依据静电式微扫描镜10的结构而言，其类似就是个大电容，而镜面电极12的转动角度（亦即是静电式微扫描镜10的转动角度）会影响静电式微扫描镜10的电容值。并且，当静电式微扫描镜10不动时，静电式微扫描镜10的电容值亦不会有任何变化。
依据上述静电式微扫描镜10的特性，可以导出下述的公式：
i=dQ/dt=C×dV/dt+V×dC/dt
其中，上述Q为静电式微扫描镜10所储存的电荷量，t为时间，C为静电式微扫描镜10的电容值，V为静电式微扫描镜10的跨压。并且，当静电式微扫描镜10的跨压为固定值时，上述公式可以演化为下述公式：
i=dQ/dt=V×dC/dt
换言之，静电式微扫描镜10的电流会反应静电式微扫描镜10的电容值。
在本实施例中，角度检测电路100包括电容值感测单元110、低通滤波放大单元120及角度判断单元130。电容值感测单元110耦接静电式微扫描镜10的镜面电极12，以依据静电式微扫描镜10的镜面电极12与驱动电极11的耦合电压所引起的电流is感测静电式微扫描镜10的等效电容值，并且对应地提供电容感测信号SSC。低通滤波放大单元120耦接电容值感测单元110以接收电容感测信号SSC，且在对电容感测信号SSC进行低通滤波放大后，提供位置信号SPOS。角度判断单元130耦接低通滤波放大单元120以接收位置信号SPOS，以依据位置信号SPOS判断静电式微扫描镜10的镜面电极12的转动角度且提供角度信号SANG。
图1B为图1A的静电式微扫描镜与角度检测电路的运作示意图。请参照图1A及图1B，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。在本实施例中，驱动信号SDR例如为脉冲信号，并且镜面电极12会在正向最大转动角度θa与逆向最大转动角度θb之间进行摆荡。由于镜面电极12的转动角度会影响镜面电极12与驱动电极11之间的距离，因此镜面电极12与驱动电极11之间的等效电容会对应的变化。进一步来说，当镜面电极12的转动角度为0时，镜面电极12与驱动电极11之间的等效电容会达到最大值。
依据低通滤波放大单元120对电容感测信号SSC进行低通滤波放大后所提供位置信号SPOS，角度判断单元130可依据位置信号SPOS的电压电平判断静电式微扫描镜10的镜面电极12的转动角度，其中角度判断单元130可建立一查找表来判断位置信号SPOS的电压电平与镜面电极12的转动角度之间的对应关系。进一步来说，当位置信号SPOS的电压电平呈现下降缘（如NE所示）时，角度判断单元130可判断镜面电极12的转动角度为0；当位置信号SPOS的电压电平位于中间电压VM时，角度判断单元130依序判断镜面电极12的转动角度为正向最大转动角度θa及逆向最大转动角度θb，亦即时间点T1判断镜面电极12的转动角度为正向最大转动角度θa，在时间点T2判断镜面电极12的转动角度为逆向最大转动角度θb，其余则以此类推。
图2A为图1A中依据本发明一实施例的电容值感测单元的电路示意图。请参照图1A及图2A，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。在本实施例中，电容值感测单元110a包括参考电压Vr、第一二极管D1及第二二极管D2。第一二极管D1的阳极及第二二极管D2的阴极耦接参考电压Vr的第一端。第一二极管D1的阴极及第二二极管D2的阳极耦接镜面电极12并以电容感测信号SSC提供给低通滤波放大单元120。参考电压Vr的第二端则接地。
进一步来说，参考电压Vr是作为电容值感测单元110a的基准电压，例如是接地电压或共同电压，并且当静电式微扫描镜10的电容值变化时，电流is对应地变化。详细而言，电流is由驱动电压SDR(交流的方波)所产生，当静电式微扫描镜10的电容值减少时，表示镜面电极12从转动角度0(电容值为最大，电流is为最大负值)往转动角度(θa或θb)的方向转动时，电容值由最大值往下降，产生对应的电流is则由最大负值逐渐往上增加。当镜面电极12到达正向最大转动角度θa或负向最大转动角度θb时，电容值为一最小值，电流is值为0。当镜面电极12从最大转动角度(θa或θb)往转动角度0的方向转动时，电容值由最小值往上增加，产生对应的电流is亦由0逐渐往上增加。当镜面电极12到达转动角度0时，电容值为最大值，电流is增加为最大正值。因此，当电流is为正值(正半周)时，电流is的正半周会经由第二二极管D2流向参考电压Vr，当电流is为负值(负半周)时，电流is的负半周会由参考电压Vr经第一二极管D1流回，以致于电容感测信号SSC当下的电压电平会对应电流is而变化，亦即，电容感测信号SSC的电压电平会对应静电式微扫描镜10的电容值而变化。
图2B为依据本发明一实施例的二极管的电流电压特性示意图。请参照图2A及图2B，一般而言，当二极管的顺向电流越大，二极管的顺向电压会越高。依据上述，静电式微扫描镜10的镜面电极12与驱动电极11的电流is会反应静电式微扫描镜10的等效电容值，以致于本发明实施例可通过D1及D2二极管的顺向电流电压的特性，将静电式微扫描镜10的电流is的变化转换为电容感测信号SSC，以取得运作所需的镜面电极12的转动角度位置信息。
图3为图1A中依据本发明一实施例的低通滤波放大单元的电路示意图。请参照图1A及图3，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。在本实施例中，低通滤波放大单元120包括运算放大器OP1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5。运算放大器OP1的输出端提供位置信号SPOS。第一电容C1耦接于运算放大器OP1的正输入端（对应第一输入端）与接地电压之间。第一电阻R1耦接于电容值感测单元110与运算放大器OP1的正输入端之间。第二电阻耦接于运算放大器OP1的负输入端（对应第二输入端）与输出端之间。第三电阻R3的一端耦接运算放大器OP1的负输入端。第四电阻R4耦接第三电阻R3的另一端与***电压Vdd之间。第五电阻R5耦接于第三电阻R3的另一端与接地电压之间。第二电容C2耦接第三电阻R3的另一端与接地电压之间。
综上所述，本发明实施例的静电式微扫描镜的角度检测电路，通过电容值感测单元感测静电式微扫描镜的等效电容值的变化并对应地提供电容感测信号，再通过低通滤波放大单元对电容感测信号进行低通滤波放大，以将电容感测信号转换为位置信号。藉此，可准确的感测静电式微扫描镜的转动角度。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

Claims (8)

1.一种检测电路，用以检测静电式微扫描镜的角度，包括：
一电容值感测单元，耦接该静电式微扫描镜的一镜面电极，用以感测该静电式微扫描镜的等效电容值且提供一电容感测信号；
一低通滤波放大单元，耦接该电容值感测单元以接收该电容感测信号，且提供一位置信号；以及
一角度判断单元，耦接该低通滤波放大单元并接收该位置信号，以判断该静电式微扫描镜的该镜面电极的一转动角度且提供一角度信号。
2.如权利要求1所述的检测电路，其中该电容值感测单元依据该镜面电极与该静电式微扫描镜的一驱动电极的耦合电流感测该静电式微扫描镜的等效电容值，以提供该电容感测信号，其中该静电式微扫描镜的该驱动电极接收一驱动信号。
3.如权利要求2所述的检测电路，其中该电容值感测单元包括：
一参考电压，具有一第一端及一第二端，该第二端接收一接地电压；
一第一二极管，该第一二极管的阴极耦接该镜面电极且提供该电容感测信号，该第一二极管的阳极耦接该参考电压的该第一端；以及
一第二二极管，该第二二极管的阳极耦接该镜面电极，该第二二极管的阴极耦接该参考电压的该第一端。
4.如权利要求1所述的检测电路，其中该低通滤波放大单元包括：
一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，该输出端提供该位置信号；
一第一电容，耦接于该第一输入端与一接地电压之间；
一第一电阻，耦接于该电容值感测单元与该第一输入端之间；
一第二电阻，耦接于该第二输入端与该输出端之间；
一第三电阻，其一端耦接该第二输入端；
一第四电阻，耦接于该第三电阻的另一端与一***电压之间；
一第五电阻，耦接于该第三电阻的另一端与该接地电压之间；以及
一第二电容，耦接该第三电阻的另一端与该接地电压之间。
5.如权利要求4所述的检测电路，其中该第一输入端为一正输入端，该第二输入端为一负输入端。
6.如权利要求1所述的检测电路，其中该角度判断单元依据该位置信号的电压电平判断该静电式微扫描镜的该镜面电极的该转动角度。
7.如权利要求1所述的检测电路，其中当该位置信号的电压电平呈现下降缘时，该角度判断单元判断该镜面电极的该转动角度为0，当该位置信号的电压电平为于中间电压时，该角度判断单元依序判断该镜面电极的该转动角度为一正向最大转动角度及一逆向最大转动角度。
8.一种静电式微扫描镜的角度检测电路，包括：
一微扫描镜，该微扫描镜的一驱动电极用以接收一驱动信号;
一电容值感测单元，耦接该微扫描镜的一镜面电极，用以感测该微扫描镜的等效电容值且提供一电容感测信号；
一低通滤波放大单元，耦接该电容值感测单元以接收该电容感测信号，且提供一位置信号；以及
一角度判断单元，耦接该低通滤波放大单元并接收该位置信号，以判断该微扫描镜的该镜面电极的一转动角度且提供一角度信号。
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