CN102566041A - 一种电热式mems微镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电热式MEMS微镜系统，属于微机电技术领域。本发明的电热式MEMS微镜系统包括：第一光源、第一分光镜、电热式MEMS微镜、位置敏感传感器及MEMS控制单元；所述电热式MEMS微镜包括镜面以及用于驱动镜面作一维线性运动的电热式驱动器；其特征在于，该电热式MEMS微镜系统还包括反馈模块；所述反馈模块包括第二光源、第二分光镜、光电探测器；所述第二分光镜为平板式分光镜，置于第二光源与镜面背面所形成的光路中；所述光电探测器用于接收经由第二分光镜所反射的镜面背面的反射光，将其转换为电信号并传输至MEMS控制单元。相比现有技术，本发明能够有效消除镜面在一维线性运动中的偏转现象，实现更精确的控制，且结构简单、实现成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS微镜系统，尤其涉及一种电热式MEMS微镜系统，属于微机电技术领域。
背景技术
微机电系统（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的各种微型器件或系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科，而其中MEMS微镜系统就是此技术的一个典型应用。微机电系统驱动结构产生的力很小，但足以驱动镜面使其发生偏转。MEMS微镜系统通常应用于光谱仪技术中，也可应用于光开关的相关领域。在众多MEMS微镜中电热式微镜系统是一种依靠热形变使镜子偏转的微机电系统，通常包括光源、分光镜、电热式MEMS微镜、位置敏感传感器（PSD）及MEMS控制单元。图1显示了一种现有的电热式MEMS微镜（详细信息见文献[Kemiao Jia, Sagnik Pal, and Huikai Xie,An Electrothermal Tip–Tilt–Piston Micromirror Based on Folded Dual S-Shaped Bimorphs，Journal of Microelectromechanical Systems, VOL. 18, NO. 5, OCTOBER 2009]），主要包括镜面、支撑臂和驱动臂三个部分，其中驱动臂就是依靠电热效应产生形变来驱动镜子，在驱动臂上加上驱动电压后，驱动臂上的多层加热材料产生热量，由于加热材料的膨胀系数不同，会使驱动臂向膨胀系数小的一方弯曲，从而带动镜面的运动。
MEMS微镜的一维线性运动再配合完整的光学系统，可应用于光谱仪技术中，加上MEMS微镜的微型化优势，可将光谱仪做到便携式，这种微型化的光谱仪会有非常庞大的市场价值，此外该技术在光开关上的应用前景也会非常广阔。
电热式微镜驱动是一个较复杂的控制过程，现有电热式微镜系统通常采用开环控制，需要测出MEMS微镜本身的性能，利用其形变的线性区域，配合驱动信号的控制，来驱动MEMS微镜做一维的线性运动。然而，由于系统本身的非线性，以及外界的干扰，开环控制策略很难做到精确的线性运动控制，在实际工作过程中，镜面会发生一定的角度偏转，而理想的线性运动是镜面与运动方向始终保持垂直。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有电热式MEMS微镜系统所存在的镜面偏转而难以保证MEMS微镜做精确的线性运动的不足，提供一种电热式MEMS微镜系统，该系统能够最大程度消除镜面偏转，从而实现精确的线性运动。
本发明的思路是在电热式MEMS微镜系统中引入闭环控制策略，利用一反馈模块对MEMS微镜是否发生偏转进行实时监测，并根据监测结果对MEMS微镜的驱动信号进行实时调整，从而使微镜实现精准的线性运动。具体而言，本发明的电热式MEMS微镜系统，包括：第一光源、第一分光镜、电热式MEMS微镜、位置敏感传感器及MEMS控制单元；所述电热式MEMS微镜包括镜面以及用于驱动镜面作一维线性运动的电热式驱动器；该电热式MEMS微镜系统还包括反馈模块；所述反馈模块包括第二光源、第二分光镜、光电探测器；所述第二分光镜为平板式分光镜，置于第二光源与镜面背面所形成的光路中；所述光电探测器用于接收经由第二分光镜所反射的镜面背面的反射光，将其转换为电信号并传输至MEMS控制单元。
优选地，所述光电探测器为四象限光电探测器。
优选地，所述第二光源为激光器。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、首次将闭环控制引入电热式MEMS微镜系统的控制，从而能够有效消除镜面在一维线性运动中的偏转现象，实现更精确的控制。
二、本发明的反馈模块光路结构简单，有利于微型化，符合MEMS微镜系统的微型化发展趋势，且实现成本低。
附图说明
图1为一种现有的电热式MEMS微镜的结构示意图；
图2为本发明电热式MEMS微镜系统结构示意图；
图3为具体实施方式中MEMS控制单元结构示意图；
图4本发明电热式MEMS微镜系统的控制系统总体框图；；
图5为具体实施方式中反馈模块的光路图；
图6为具体实施方式中反馈信号采集原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图2所示，本发明的电热式MEMS微镜系统，包括第一光源、第一分光镜、电热式MEMS微镜、位置敏感传感器及MEMS控制单元；所述电热式MEMS微镜包括镜面以及用于驱动镜面作一维线性运动的电热式驱动器；该电热式MEMS微镜系统还包括反馈模块；所述反馈模块包括第二光源、第二分光镜、光电探测器；所述第二分光镜为平板式分光镜，置于第二光源与镜面背面所形成的光路中；所述光电探测器用于接收经由第二分光镜所反射的镜面背面的反射光，将其转换为电信号并传输至MEMS控制单元。
为简便起见，本具体实施方式中以图1所示电热式MEMS微镜为例，该电热式MEMS微镜具有4个电热式驱动臂，MEMS控制单元产生的4路相同的控制信号分别加载在4个驱动臂上，4个驱动臂在电热效应下发生形变带动镜面在垂直于镜面方向发生一维线性运动。图3 显示了MEMS控制单元的结构，该控制单元主要包括中央处理器、数模转换模块、滤波器模块、放大器模块。中央处理器控制四路数模转换模块产生初始的模拟信号，经过频率可调的滤波器模块滤除噪声，再经过放大倍数可控的放大器模块处理后加载到电热式MEMS微镜的四个引脚上act1-act4，控制镜面的运动，其中GND为接地。假如在微镜的四个引脚上加上完全相同的信号，微镜的镜面就会在轴向上做一维的运动，但考虑到MEMS四个引脚不可能完全一样，以及一些外界因素的影响，MEMS不可能做精确地一维线性运动，需对系统做一个闭环控制，来纠正运动中的偏转现象。
本发明通过在微镜控制系统中加入反馈模块来对镜面的偏转进行实时监测，并根据监测结果对MEMS控制信号进行实时调整，从而消除镜面偏转。本发明的控制系统如图4所示，第二光源发出的光通过第二分光镜（平板式分光镜）打到MEMS微镜中心，反射光经过分光镜再打到光电探测器中心，当MEMS微镜发生偏转后打到光电探测器中心的光点也会偏转，通过锁定光电探测器中心的光点即可纠正MEMS微镜在一维运动中的偏转现象。光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并通过电流转电压模块、A/D转换模块电路将电信号传输至MEMS控制单元中的中央处理器，中央处理器根据光电探测器所采集的信号，通过适当调整MEMS微镜的四路控制信号来保证MEMS微镜做一维线性的运动。反馈模块中的光路如图5所示，第二光源发出的光射在平板式分光镜上，一部分透过平板式分光镜投射在电热式MEMS微镜的镜面背面，另一部分反射出去；镜面背面反射回的光。一部分透过平板式分光镜，另一部分被平板式分光镜反射并进入光电探测器。当微镜镜面发生偏转时，打在光电探测器的光点就会发生偏移，导致光电探测器的光电流发生变化。光电探测器输出的反映微镜镜面偏转情况的反馈信号，通过图6所示的信号采集电路传输至MEMS控制单元中的中央处理器。中央处理器根据接收到的反馈信号，通过算法处理，实时调整加载在MEMS四个引脚上的控制信号，从而确保确保MEMS微镜镜面做精确地一维线性运动。本发明中第二光源优选激光器，光电探测器优选四象限光电探测器。
Claims (3)
1.一种电热式MEMS微镜系统，包括：第一光源、第一分光镜、电热式MEMS微镜、位置敏感传感器及MEMS控制单元；所述电热式MEMS微镜包括镜面以及用于驱动镜面作一维线性运动的电热式驱动器；其特征在于，该电热式MEMS微镜系统还包括反馈模块；所述反馈模块包括第二光源、第二分光镜、光电探测器；所述第二分光镜为平板式分光镜，置于第二光源与镜面背面所形成的光路中；所述光电探测器用于接收经由第二分光镜所反射的镜面背面的反射光，将其转换为电信号并传输至MEMS控制单元。
2.如权利要求1所述电热式MEMS微镜系统，其特征在于，所述光电探测器为四象限光电探测器。
3.如权利要求1所述电热式MEMS微镜系统，其特征在于，所述第二光源为激光器。
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