CN108140718A - 微机电***和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微机电***(1)，该微机电***具有压电驱动器(2)和控制装置(3)，该控制装置与压电驱动器耦合并且构造成用于基于压电驱动器的导纳(10)和/或阻抗的变化来操控压电驱动器。此外，本发明公开一种相应的控制方法。

Description

微机电***和控制方法

技术领域

本发明涉及一种微机电***和一种相应的控制方法。

背景技术

微机电***(也被称为MEMS)如今使用在大量应用中，例如使用在传感器或微镜中。尤其在这样的***中使用压电致动器，以便例如使微镜偏转。为了精确地操控这样的MEMS***或相应的压电致动器，必须感测其位置或运动并且将所述位置或运动供应给相应的调节器。

传统的MEMS***为了对这样的MEMS致动器进行位置或运动感测而通常具有专用探测元件。这样的探测元件例如可以构造为电容式结构，该电容式结构的电容在MEMS致动器运动时改变。因此，通过感测改变的电容也可以推断出MEMS致动器的位置或运动。

DE4442033 A1例如示出这样的基于MEMS的转速传感器，在该转速传感器中电容式元件被分析处理。

发明内容

本发明公开一种具有权利要求1的特征的微机电***和一种具有权利要求8的特征的控制方法。

与此相应地设置有：

一种微机电***，该微机电***具有压电驱动器和控制装置，该控制装置与压电驱动器耦合并且构造成用于基于压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化来操控压电驱动器。

此外设置有：

一种用于微机电***的控制方法，该控制方法具有以下步骤：感测微机电***的压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化，并且基于压电驱动器的导纳和/或阻抗的所感测的变化控制压电驱动器。

本发明所基于的认知在于，压电驱动器的位置或运动的单独感测是耗费的并且提升微机电***的复杂性。

那么本发明所基于的想法在于，考虑到该认知并且设置如下可能性：即使在没有单独的位置感测的情况下也可以精确地调节压电驱动器。

为此本发明设置为：仅将压电驱动器自身的导纳或阻抗用作为用于操控压电驱动器的基础。

在微机电***的共振情况中、即在共振运行中，压电驱动器或形成该驱动器的压电元件拉伸并且压缩。压电元件的长度变化也自动地导致压电元件的电容变化。这种变化可以通过测量流经压电驱动器的电流或通过测量压电驱动器的导纳或阻抗来感测。

因此，控制装置能够感测压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化，而不会为此使用单独的测量元件。

因此，本发明能够在没有用于感测压电驱动器的当前位置的附加元件的情况下实现压电驱动器的操控。由此，在微机电***的制造方面节省了耗时和复杂的工艺步骤。此外，减少了为了微机电***所需要的面积、节省了通向在其他情况下所需要的传感器元件的连接线路并且节省了在其他情况下为了接触传感器元件所需要的连接盘。

有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及由说明书参考附图得出。

在实施方式中，控制装置可以构造成用于在正常运行中给压电驱动器提供控制器控制电压，该控制器控制电压具有直流电压分量和叠加给该直流电压分量的交流电压分量。在此，通常交流电压分量在量值方面小于直流电压分量。也就是说，控制电压的电压走向通常处于正的范围中。在此，正常运行应理解为这样的运行，在该运行中微机电***以符合用途的方式运行，即例如将微镜置于振荡中。通过直流电压可以防止压电驱动器的永久换极。交流电压分量激励压电驱动器产生相应的振动。

在实施方式中，微机电***可以具有电流测量设备，该电流测量设备构造成用于感测流经压电驱动器的电流并且将所述电流提供给控制装置，其中，控制装置构造成用于在校准阶段仅以交流电压分量激励压电驱动器，并且在这种激励的情况下基于所感测的电流感测压电驱动器的第一阻抗。在此，交流电压分量的频率可以处于压电驱动器的共振频率之外。然而，如果压电驱动器的与起激励作用的电压的频率成比例的分量进行校准，则可以经过整个频率范围，包括压电驱动器的共振频率所在的频率。在压电驱动器中，以频率处于压电驱动器共振频率处的交流电压分量所进行的激励导致在压电驱动器中的移动电流但是，为了能够分析处理这种移动电流，需要了解压电驱动器的特性。这可以通过测量压电驱动器的阻抗实现。压电驱动器的由此所要确定的特征例如可以是压电驱动器每单位长度变化的电容变化dCdx。该量值例如可以借助于在压电驱动器上的电容-电压测量或光学测量来确定。对于光学测量例如可以光学地感测压电驱动器的偏移。

在实施方式中，控制装置可以构造成用于在微机电***的正常运行中基于第一阻抗和在压电驱动器的正常运行中所感测的流经压电驱动器的电流来确定压电驱动器的振动幅度。

为了对压电驱动器进行建模，可以利用所谓的Butterworth-Van Dyke模型。该模型的出发点是：压电驱动器由寄生电容和与此并联的串联振荡电路组成，该串联振荡电路由L、C和R组成，该压电驱动器的共振频率通常处于几兆赫的范围内。压电驱动器与待驱动的元件的耦合(该耦合通常本身具有仅几千赫的共振)显示出压电驱动器的共振之外的激励。由于整体结构的机械运动，该压电驱动器发生变形，由此压电驱动器的电容C发生变化。在上面所提及的模型中，这可以仅被视为电容C的变化，因为L小到可忽略并且R通常也非常小。因此，压电驱动器可以近似地建模为电容C。

在形式上可以将机械学和电学如下地相关联：

压电驱动器的机械运动可以如下地描述：

x：＝A(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))

其中，Α(Ω)是压电驱动器的偏移幅度，并且余弦项表明随时间的改变。

压电驱动器的电容C可以如下地描述：

C：＝-dCdxA(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))+C0 (1)

其中，C0表明压电驱动器的基本电容。

此外，流经压电驱动器的电流可以表示为：

如果现在将第一公式(1)***到第二公式(2)中，并且假设

u:＝AC cos(Ωt)+DC，则得出：

ACA(Ω)ΩdCdxsin(-φ(Ω)+2Ωt)+DCsin(Ωt-φ(Ω))A(Ω)ΩdCdx-

ACΩsin(Ωt)C0 (3)

为了确定压电驱动器的振动幅度，观察公式(3)的与控制电压的交流电压分量的频率成比例的dCdx分量。此外，分量AC*Ω*sin(*Ω*t)*C0起干扰作用并且必须通过适合的校准来考虑：

DCsin(Ωt-φ(Ω))A(Ω)ΩdCdx (3.1)

乘以cos(Ωt)带来：

为了获得同相分量X，消去与2Ω成比例的项！要注意的仅是最后一项为了求得异相分量Y，将公式(3.1)乘以sin(Ω*t)，得出Y＝+1/2*DC*A(Ω)*Ω*dCdx*cos(Ω*t)。

由X和Y的平方和得出根：

已知DC、Ω和dCdx。在此，DC是直流电压分量的幅度、Ω是激励频率、即交流电压分量的频率，并且dCdx是压电驱动器每单位长度变化的电容变化。因此，可以通过方程式的简单转换计算当前的幅度Α(Ω)。

在实施方式中，控制装置可以具有调节器、尤其是PI调节器，该调节器构造成用于基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度实施压电驱动器的幅度调节。PI调节器能够实现幅度的精确和简单的调节。

在实施方式中，控制装置可以构造成用于在正常运行中基于第一阻抗和在压电驱动器的正常运行中所感测的流经压电驱动器的电流确定压电驱动器的振动相位。

上面的公式(4)中项X和Y也可以用于计算压电驱动器的振动相位。

由此得出所述相位：

在实施方式中，控制装置可以具有调节器、尤其是PI调节器，该调节器构造成用于基于所确定的相位和预先给定的额定相位实施压电驱动器的相位调节。

为了调节控制电压的尤其是与控制电压的交流电压分量的频率成比例的分量，在此重要的是，公式(3)中的项-ACΩsin(Ωt)C0被补偿。该分量例如可以在操控压电驱动器时在没有直流电压的情况下测定，因为该分量仅与控制电压的交流电压分量有关。也就是说，所述项例如可以通过阻抗/导纳测量或测量流经压电驱动器的电流来确定。

如果压电驱动器不是仅具有一个致动器而是具有两个差分地受激励的致动器、即例如两个压电驱动器元件，则当直流电压分量分别彼此相反时，可以实现自补偿。

其中：

C1：＝-dCdxA(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))+C0U1：＝ACcos(Ωt)+DC

C2：＝dCdxA(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))+C0U2：＝-ACcos(Ωt)-DC

得出总电流：

2ACA(Ω)ΩdCdxsin(2Ωt-φ(Ω))+2DCA(Ω)sin(Ωt-φ(Ω))ΩdCdx

与公式3相比，所述项具有二倍幅度，并且消除了与电容C0的相关性。此外，在此要注意与控制电压的直流电压分量成比例的项。对于控制电压的与控制电压的交流电压分量的频率成比例的分量，类似于上面所显示的那样得出X和Y。

对于经过压电致动器的电流的与控制电压的交流电压分量的二倍频率成比例的分量，得出X和Y：

这种关系也适用于仅一个驱动元件。如下：

由此又得出幅度Α(Ω)。

对于相位角或相位相应地得出：

只要有意义，上面的构型方案和扩展方案就能够任意相互组合。本发明的其他可行的构型方案、扩展方案和实施方案也包括本发明的前面或下面关于实施例所描述的特征的未详细提到的组合。在此，本领域专业人员尤其也可以将各个方面作为改善或补充添加至本发明的相应的基本形式。

附图说明

下面根据附图的示意性图示中所说明的实施例详细阐释本发明。在此：

图1示出根据本发明的微机电***的实施方式的框图；

图2示出根据本发明的方法的实施方式的流程图；

图3示出根据本发明的微机电***的另一实施方式的框图；

图4示出根据本发明的方法的另一实施方式的流程图；和

图5示出用于阐明本发明主题的具有电流测量的图表。

所有附图中，只要没有另外说明，相同的或功能相同的元件和设备设有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的具有压电驱动器2和控制装置3的微机电***1的实施方式的框图，该控制装置驱动压电驱动器2。

为此，控制装置3产生控制器控制电压4。控制电压4具有直流电压分量5和叠加给直流电压分量5的交流电压分量6(见图3)。那么压电驱动器2几乎可以说能够沿正或负方向通过直流电压分量被预加载。压电驱动器2的真正的振动通过控制电压4的叠加的交流电压分量6引起。由此可以避免压电驱动器的永久换极。

为了产生控制电压4，控制装置3感测压电驱动器2的导纳10并且基于该导纳的大小调整控制电压4。

图2示出根据本发明的用于微机电***1、11的方法的实施方式的流程图。

所述方法以感测S1微机电***1、11的压电驱动器2的导纳10和/或阻抗的变化这一步骤开始。如上面已经描述的那样，基于导纳10和/或阻抗的变化可以计算出压电驱动器的幅度或相位。

因此，在第二步骤S2中，基于压电驱动器2的导纳10和/或阻抗的所感测的变化来控制压电驱动器2。

图3示出根据本发明的微机电***11的另一实施方式的框图。微机电***11基于图1的微机电***1并且以电流测量设备7对该微机电***进行扩展，该电流测量设备感测流经压电驱动器2的电流9并且将该电流提供给控制装置13。因此，导纳10或阻抗的感测也可以构造为电流测量。

控制装置13与控制装置3的区别如下：所述控制装置13具有调节器12，该调节器操控直流电压源16和交流电压源17，所述直流电压源和交流电压源的输出电压被合并，以便形成控制电压4。在图3中，仅示例性地在控制装置13中示出直流电压源16和交流电压源17。显然，直流电压源16和交流电压源17也可以在控制装置13外部，所述直流电压源和交流电压源被该控制装置操控。

在控制装置13中还设置有转换器15。在实际的实施方式中，转换器15也可以简单地是控制装置13的运行程序中的软件请求。转换器15可以在微机电***11的校准阶段中这样转换控制装置13，使得该控制装置探测和存储压电驱动器2的阻抗8。控制装置13也可以从阻抗8中提取出压电驱动器2的为以后在正常运行中的控制所需要的特征。控制装置13例如可以在校准阶段基于阻抗8确定(上面已经提及的)每单位长度变化的电容变化dCdx。

如果控制装置13处于正常运行中、即处于校准阶段之外，则电流9被直接提供给调节器12，该调节器由该电流(如上面所描述的那样)计算出压电驱动器2的幅度和相位并且实施相应的调节。

图4示出根据本发明的方法的另一实施方式的流程图。

所述方法在开始时要么分岔到正常运行S1、S3、S2中要么分岔到校准阶段S5、S4、S6中。当还不是这种情况时，校准阶段例如可以在微机电***1、11开始时自动地实施。

在校准阶段中，仅以交流电压分量6来激励S5压电驱动器2。在步骤S4中，感测流经压电驱动器2的电流，并且在步骤S6中由该电流确定压电驱动器2的第一阻抗8。由阻抗8可以(如上面所描述的那样)确定每单位长度变化的电容变化dCdx，需要每单位长度变化的电容变化用于以后计算压电驱动器2的运动的幅度和相位。

在校准阶段结束之后，所述方法在步骤S1中继续。在此，在步骤S1中(如已经阐释的那样)感测压电驱动器2的导纳10和/或阻抗8的变化。

在步骤S3中，为了运行压电致动器2而提供控制器控制电压4，该控制器控制电压具有直流电压分量5和叠加给直流电压分量5的交流电压分量6。

图4的步骤S2具有一系列子步骤S7-S10。步骤S7设置为，基于第一阻抗8和所感测的流经压电驱动器2的电流9确定压电驱动器2的振动幅度。然后基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度实施压电驱动器2的幅度调节，即S8。为此，例如可以控制控制电压4的直流电压分量5和/或交流电压分量6。

为了不仅可以调节幅度，而且可以调节压电驱动器2的相位，在步骤S9中基于第一阻抗8和所感测的电流9确定压电驱动器2的振动相位。这可以如上面已经描述的那样进行。然后基于所确定的相位和预先给定的额定相位实施压电驱动器2的相位调节，即S10。为此，例如同样可以控制控制电压4的直流电压分量5和/或交流电压分量6。

图5示出用于阐明本发明主题的具有电流测量的四个图表。在图表中，横轴分别以kHz示出频率。在上面的两个图表中，纵轴分别以mA示出电流，并且在下面的两个图表中，纵轴分别以μΑ示出电流。

在此，上面的两个图表示出上面已经提及的方程式(3)的电流分量，这两个图表与激励频率、即交流电压分量6的频率有关。下面的两个图表示出上面已经提及的方程式(3)的与双重激励频率成比例的电流分量。在此，左边的两个图表分别示出电流的同相分量Y，并且右边的两个图表示出相应的异相分量X。

在所有四个图表中明显可以看出这样的频率：在该频率的情况下微机电***1、11处于共振运行中。

由这些图表和上面的描述变得明显的是：如何能够仅通过电流测量或阻抗或导纳确定而在微机电***1、11中实施幅度和相位调节。

虽然前面已根据优选实施例描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式进行修改。本发明尤其能够以各种方式来改变或修改，而不会偏离本发明的核心。

Claims (14)

1.微机电***(1；11)，

具有压电驱动器(2)，

具有控制装置(3；13)，该控制装置与所述压电驱动器(2)耦合并且构造成用于基于所述压电驱动器(2)的导纳(10)和/或阻抗的变化来操控所述压电驱动器(2)。

2.根据权利要求1所述的微机电***(1；11)，其中，所述控制装置(3；13)构造成用于在正常运行中给所述压电驱动器(2)提供控制器控制电压(4)，该控制器控制电压具有直流电压分量(5)和叠加给所述直流电压分量(5)的交流电压分量(6)。

3.根据权利要求2所述的微机电***(1；11)，所述微机电***具有电流测量设备(7)，该电流测量设备构造成用于感测流经所述压电驱动器(2)的电流(9)并且将该电流提供给所述控制装置(3；13)，其中，所述控制装置(3；13)构造成用于在校准阶段仅以交流电压分量(6)激励所述压电驱动器(2)，该交流电压分量的频率处于所述压电驱动器(2)的共振频率之外，并且在该激励的情况下基于所述电流(9)感测所述压电驱动器(2)的第一阻抗(8)。

4.根据权利要求3所述的微机电***(1；11)，其中，所述控制装置(3；13)构造成用于在所述微机电***(1、11)的正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)来确定所述压电驱动器(2)的振动幅度。

5.根据权利要求4所述的微机电***(1；11)，其中，所述控制装置(3；13)具有调节器、尤其是PI调节器，所述调节器构造成用于基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度实施所述压电驱动器(2)的幅度调节。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的微机电***(1；11)，其中，所述控制装置(3；13)构造成用于在正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)确定所述压电驱动器(2)的振动相位。

7.根据权利要求6所述的微机电***(1；11)，其中，所述控制装置(3；13)具有调节器、尤其是PI调节器，所述调节器构造成用于基于所确定的相位和预先给定的额定相位实施所述压电驱动器(2)的相位调节。

8.用于微机电***(1；11)的控制方法，具有以下步骤：

感测(S1)所述微机电***(1、11)的压电驱动器(2)的导纳和/或阻抗的变化，

基于所述压电驱动器(2)的导纳和/或阻抗的所感测的变化来控制(S2)所述压电驱动器(2)。

9.根据权利要求8所述的控制方法，所述方法具有：在正常运行中为所述压电驱动器(2)提供(S3)控制器控制电压(4)，该控制器控制电压具有直流电压分量(5)和叠加给所述直流电压分量(5)的交流电压分量(6)。

10.根据权利要求9所述的控制方法，所述方法具有：感测(S4)流经所述压电驱动器(2)的电流(9)，其中，在校准阶段仅以交流电压分量(6)激励(S5)所述压电驱动器(2)，该交流电压分量的频率处于所述压电驱动器(2)的共振频率之外，并且在该激励的情况下基于所述电流(9)感测(S6)所述压电驱动器(2)的第一阻抗(8)。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，在控制(S2)时，在所述微机电***(1、11)的正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)来确定(S7)所述压电驱动器(2)的振动幅度。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其中，在控制(S2)时，调节器、尤其是PI调节器基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度来实施(S8)所述压电驱动器(2)的幅度调节。

13.根据权利要求11和12中任一项所述的控制方法，其中，在控制(S2)时，在正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)来确定(S9)所述压电驱动器(2)的振动相位。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其中，在控制时，调节器、尤其是PI调节器基于所确定的相位和预先给定的额定相位来实施(S10)所述压电驱动器(2)的相位调节。