CN100451728C - 带压阻传感器的微型二维扫描镜 - Google Patents

Abstract

带压阻传感器的微型二维扫描镜属于微扫描技术和MOEMS技术领域，其特征在于，该微型二维扫描镜由集成在单晶硅上的反射镜片、惯性产生器、受激块和柔性梁以及另外一个与所述受激块粘结的压电驱动器构成，其中，柔性梁的上下两端分别与反射镜片和受激块相连，在压电驱动器上叠加两个不同频率的正弦直流脉动电压后，反射镜片同时相对于柔性梁的x方向的弯曲轴和y方向的扭转轴作偏转运动，弯曲偏转角和扭曲偏转角分别由位于靠近受激块端部的以及位于柔性梁中部的两个惠斯顿电桥测出的电压V_B和V_T计算出，各惠斯顿电桥由分别采用掺硼或掺磷的压阻构成。本发明能对反射镜片两个方向上的偏转角进行实时测量，致动效率高，整体结构简单，加工容易。

Description

带压阻传感器的微型二维扫描镜

技术领域

本发明涉及一种微型二维扫描镜，属于微扫描技术(Micro Scanning)和MOEMS技术(MicroOptical-Electro-Mechanical System)领域。

背景技术

自主扫描是用于空间目标探测的关键技术，主要用于扫描探测空间某一区域中的目标航天器，并对其相对距离和相对方位进行测量。自主扫描技术可分为卫星本体扫描、吊舱跟踪扫描和反射镜二维空间扫描等方式，其中卫星本体扫描增加了卫星姿态控制的复杂性，吊舱跟踪扫描在重量、功耗和体积等方面相对较大，不合适微型卫星(质量小于20kg)和纳型/皮型卫星(质量小于10kg)的使用。而反射镜二维空间扫描传统的反射镜扫描方式有转镜扫描和振镜扫描，多采用电机驱动。目前，随着微机械和微机电技术的发展，微反射镜扫描作为一种新型的扫描方式，具有体积小、质量轻、精度高、功耗低等特点，可取代传统的激光扫描机构，更加适用于微小型卫星。

微扫描镜尤其是基于MOEMS技术的微型二维扫描镜(简称MOEMS二维扫描镜)目前在国际上是一个新兴的研究领域。由美国德州仪器公司研制的DMD(Digital Micro mirror Device)数字微镜阵列，是目前应用最成功的MOEMS微反射镜器件，成功的应用于图像显示领域。美国Florida大学、日本Hyogo大学以及欧洲等国的大学和科研机构也在从事MOEMS二维扫描镜方面的工作。国内目前在这方面的研究还比较少，尚处于起步阶段。

MOEMS二维扫描镜在结构上对传统的扫描镜进行了改进和微型化，在工艺上结合了先进的微/纳米技术和微加工技术。目前研究的MOEMS二维扫描镜，按照工作原理分主要有静电型、电磁型、电热型和压电型几大类。

现有的几种MOEMS二维扫描镜存在以下不足：

1.静电型MOEMS二维扫描镜，虽然驱动方式简单，功率消耗相对较小，但是其驱动电压往往较高，偏转角度较小，工艺流程较为复杂，因此如何提高加工可靠性，提高致动效率是目前静电型MOEMS二维扫描镜面临的主要问题。

2.电磁型MOEMS二维扫描镜，其驱动方式的输出力矩比较大，因此镜片的扭转运动幅度相对较大，致动效率较高，但是器件需要工作在外部磁场环境下，需要通过装配技术将外部磁场与器件集成在一起，大大增加了系统结构设计和加工制造的复杂性。

3.电热型MOEMS二维扫描镜，驱动通过集成于金属氧化物中的多晶硅加热器来实现，在电流驱动下的偏转角度较大，但是由于热致动器的迟滞效应，微扫描镜的响应速度往往比较慢，不适合应用于自主扫描技术领域。

4.压电型MOEMS二维扫描镜，由于压电材料高分辨率的致动特性，比较适用于对运动位移的精密控制，但在较大驱动电压下的运动幅度很小，所以直接驱动的致动效率比较低。

5.现有的几种MOEMS二维扫描镜，可用于对目标进行扫描探测技术领域的较少，主要是因为各类扫描镜基本没有涉及到对镜片偏转角度的测量问题，不能在扫描探测时对偏转角进行实时获取。

发明内容

本发明的目的是解决现有MOEMS二维扫描镜致动效率低，结构复杂，加工难度大，无法测量镜片偏转角度的问题。

本发明提供了一种带压阻传感器的微型二维扫描镜，结构见图1，其特征在于：含有反射镜片1、惯性产生器2、受激块3、压电驱动器4和柔性梁5，其中，反射镜片1和惯性产生器2形成一个整体，呈

形，水平部分是反射镜片1，垂直部分是惯性产生器2，其质心偏离柔性梁5的x方向的弯曲轴和y方向的扭转轴；压电驱动器4是一块压电陶瓷片，其输入信号是相互叠加的两个具有不同频率的正弦直流脉动电压，分别使反射镜片1对弯曲轴作弯曲偏转运动以及对扭转轴作扭曲偏转运动，所述的正弦直流脉动电压U_入表示如下：

U_入＝U_1m(1+sinω₁t)+U_2m(1+sinω₂t)

其中U_1m和U_2m分别为两个正弦直流脉动电压的幅值，ω₁和ω₂分别为反射镜片1作弯曲偏转运动和作扭曲偏转运动的谐振频率；受激块3，与所述压电驱动器4相粘结；柔性梁5，上下两端分别与反射镜片1和受激块3相连接，在柔性梁5上设有；惠斯顿电桥电路B和惠斯顿电桥电路T，结构见图4，其中：惠斯顿电桥电路B位于柔性梁5靠近受激块3的端部，由四个P型压阻6~9组成，压阻6和压阻8形成对角，布置于[110]晶向，压阻7和压阻9形成对角，布置于[-110]晶向，该惠斯顿电桥电路B用于反射镜片1弯曲偏转角θ_B的测量，送往外部信号处理器的输出电压V_B与弯曲偏转角θ_B的关系用下式表示：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1.45l\·V_B}{h\·E\·V_i}$

其中l为柔性梁的长度，h为柔性梁的厚度，单位均为mm；E为硅的杨氏模量，单位为GPa；V_i为电桥的输入电压，与电桥输出电压V_B的单位均为V；弯曲偏转角θ_B的单位为rad；惠斯顿电桥电路T由四个N型电阻10~13组成，位于柔性梁5的中部，压阻10和压阻13形成对角，布置于[-100]晶向，压阻11和电阻12形成对角，布置于[010]晶向，用于测量反射镜片1的扭曲偏转角θ_T，该惠斯顿电桥电路送往外部信号处理器的输出电压V_T与扭曲偏转角θ_T的关系式如下：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{0.64\mathrm{\α}\·l\·V_T}{\mathrm{\β}\·b\·G\·V_i}$

其中b为柔性梁的宽度，单位为mm；G为硅的剪切模量，单位为GPa；电桥输出电压V_T的单位为V；扭曲偏转角θ_T的单位为rad；α和β为矩形截面柔性梁的扭转系数设定值；所述反射镜片1、惯性产生器2、受激块3和柔性梁5作为一个整体，选用001晶向的单晶硅，采用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺加工而成，通过受激块3与压电驱动器4相粘结；所述压阻6至压阻13采用在硅材料中掺杂硼和磷形成。

本发明所述的P型压阻采用硼离子注入和阱推扩散方式形成，N型压阻采用磷离子注入和阱推扩散的方式形成，联接各压阻之间的导线14采用金材料。

本发明的特点是：整体结构简单，能在一个驱动源下实现反射镜片的二维偏转扫描，集成了角度测量器件，能对反射镜片两个方向上的偏转角度进行实时测量。和现有MOEMS二维扫描镜相比，本发明有以下特点：1)惯性产生器和反射镜片形成一个整体，其质心偏离柔性梁的弯曲轴和扭转轴，使反射镜片同时具有弯曲和扭转两个自由度；2)反射镜片与受激块之间仅采用一个柔性梁相连，使整体结构简单，加工制造容易；3)驱动源仅采用一个压电驱动器，提高施加两种谐振频率合成的驱动电压，使系统在一个驱动源下能够实现反射镜片的二维扫描运动；4)柔性梁上集成了惠斯顿电桥布局形式的压阻传感器，使微型二维扫描镜实时角度测量成为可能，使系统能够闭环工作。

附图说明

图1为微型二维扫描镜的整体结构示意图。

图2为微型二维扫描镜的弯曲偏转振动图。

图3为微型二维扫描镜的扭曲偏转振动图。

图4为压电电阻布局设计示意图。

图5为压电电阻的惠斯顿电桥连接图。

图6为带压阻传感器的微型二维扫描镜系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

1.微型二维扫描镜整体结构

图1所示是微型二维扫描镜的整体结构，由反射镜片1、惯性产生器2、受激块3、压电驱动器4和柔性梁5组成，其中反射镜片1与惯性产生器2形成一个整体，受激块3与压电驱动器4粘结，上下两部分通过柔性梁5连接。

反射镜片1具有弯曲和扭转两个自由度，图2所示是微型二维扫描镜的弯曲偏转运动，图3所示是微型二维扫描镜的扭曲偏转运动，两个方向的振动上具有不同的谐振频率。当向压电驱动器4施加弯曲方向谐振频率的正弦波驱动电压时，反射镜片1将绕x轴在弯曲方向上产生共振；当向压电驱动器4施加扭曲方向谐振频率的正弦波驱动电压时，反射镜片1将绕y轴在扭转方向上产生共振；当同时施加两个方向上谐振频率合成的驱动电压时，反射镜片1将同时绕x轴和y轴在弯曲和扭转方向上产生共振，实现大角度二维偏转扫描。

微型二维扫描镜的反射镜片1、惯性产生器2、受激块3和柔性梁5作为一个整体，选用(001)晶面的单晶硅，采用ICP(感应耦合等离子刻蚀)工艺加工而成，并与压电驱动器4采用粘结的方式进行装配。

2.压电电阻的设计详细说明

图4所示是压电电阻的布局设计，分别采用了四个P型压阻6～9和四个N型压阻10～13。其中四个P型压阻6～9位于柔性梁5靠近受激块3的端部，压阻6和压阻8布置于[110]晶向，压阻7和压阻9布置于[-110]晶向，用于反射镜片1弯曲偏转角的测量；四个N型压阻10～13位于柔性梁5的中部，压阻10和压阻13布置于[-100]晶向，压阻11和压阻12布置于[010]晶向，用于反射镜片1扭转偏转角的测量。联接各压电电阻之间的导线14选用金材料。

P型压阻6～9采用硼离子注入和阱推扩散的方式形成，N型压阻10～13采用磷离子注入和阱推扩散的方式形成，导线14采用溅射和剥离的方式形成。

压阻传感器由压电电阻按照惠斯顿电桥连接构成，布局形式如图5所示，这种设计能通过读取电桥的输出电压V_B和V_T，分别解算出弯曲和扭转方向上的偏转角，并能补偿温度对电阻的影响，提高测量精度和灵敏度。

本发明所述带压阻传感器的微型二维扫描镜可构成闭环控制的微扫描系统，如图6所示。由于本发明所述带压阻传感器的微型二维扫描镜内集成了测量偏转角的惠斯顿电桥，使微扫描系统能够对二维扫描镜的偏转角进行实时测量，根据所探测目标的角度信息反馈，形成闭环控制，以调节微型二维扫描镜的扫描范围。

Claims (2)

1.带压阻传感器的微型二维扫描镜，其特征在于，含有：反射镜片(1)、惯性产生器(2)、受激块(3)、压电驱动器(4)和柔性梁(5)，其中，反射镜片(1)和惯性产生器(2)形成一个整体，呈

形，水平部分是反射镜片(1)，垂直部分是惯性产生器(2)，所述整体的质心偏离柔性梁(5)水平方向的弯曲轴和垂直方向的扭转轴；压电驱动器(4)是一块压电陶瓷片，其输入信号是相互叠加的两个具有不同频率的正弦直流脉动电压，分别使反射镜片(1)对弯曲轴作弯曲偏转运动和对扭转轴作扭曲偏转运动，所述的正弦直流脉动电压  U_λ表示如下：

U_λ＝U_1m(1+sinω₁t)+U_2m(1+sinω₂t)

其中U_1m和U_2m分别为两个正弦直流脉动电压的幅值，ω₁和ω₂分别为反射镜片(1)作弯曲偏转运动和作扭曲偏转运动的谐振频率；受激块(3)，与所述压电驱动器(4)相粘结；柔性梁(5)，上下两端分别与反射镜片(1)和受激块(3)相连接，在柔性梁(5)上设有：第一惠斯顿电桥电路(B)和第二惠斯顿电桥电路(T)，其中：第一惠斯顿电桥电路(B)位于柔性梁(5)靠近受激块(3)的端部，由第一P型压阻(6)、第二P型压阻(7)、第三P型压阻(8)和第四P型压阻(9)组成，第一P型压阻(6)和第三P型压阻(8)形成对角，布置于[110]晶向，第二P型压阻(7)和第四P型压阻(9)形成对角，布置于[-110]晶向，第一惠斯顿电桥电路(B)用于反射镜片(1)弯曲偏转角θ_B的测量，送往外部信号处理器的输出电压V_B与弯曲偏转角θ_B的关系用下式表示：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1.45l\·V_B}{h\·E\·V_i}$

其中l为柔性梁的长度，h为柔性梁的厚度，单位均为mm；E为硅的杨氏模量，单位为GPa；V_i为电桥的输入电压，与电桥输出电压V_B的单位均为V；弯曲偏转角θ_B的单位为rad；第二惠斯顿电桥电路(T)由第一N型压阻(10)、第二N型压阻(11)、第三N型压阻(12)和第四N型压阻(13)组成，位于柔性梁(5)的中部，第一N型压阻(10)和第四N型压阻(13)形成对角，布置于[-100]晶向，第二N型压阻(11)和第三N型压阻(12)形成对角，布置于[010]晶向，用于测量反射镜片(1)的扭曲偏转角θ_T，第二惠斯顿电桥电路(T)送往外部信号处理器的输出电压V_T与扭曲偏转角θ_T的关系式如下：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{0.64\mathrm{\α}\·l\·V_T}{\mathrm{\β}\·b\·G\·V_i}$

其中b为柔性梁的宽度，单位为mm；G为硅的剪切模量，单位为GPa；电桥输出电压V_T的单位为V；扭曲偏转角θ_T的单位为rad；α和β为矩形截面柔性梁的扭转系数设定值；所述反射镜片(1)、惯性产生器(2)、受激块(3)和柔性梁(5)作为一个整体，选用(001)晶面的单晶硅，采用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺加工而成。

2.根据权利要求1所述的带压阻传感器的微型二维扫描镜，其特征在于，所述所有的P型压阻采用硼离子注入和阱推扩散方式形成，所述所有的N型压阻采用磷离子注入和阱推扩散的方式形成，联接各压阻之间的导线(14)采用金材料。

Images