CN102928950A

CN102928950A - 一种基于微机电系统的微透镜

Info

Publication number: CN102928950A
Application number: CN2012104283176A
Authority: CN
Inventors: 王元光; 谢会开; 陈巧; 兰树明; 傅霖来; 丁金玲; 王东琳
Original assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于微机电系统的微透镜，在MEMS微平台的最底端为基座，基座上安装有驱动器，驱动器支撑住镜架，镜架上安装有微透镜，通过驱动器带动镜架移动，进而带动微透镜的移动，实现透镜焦点的变化，所述驱动器由两个驱动臂组成，每个驱动臂由一个或一个以上的连接梁和将基座、连接梁、镜架依次连接起来的双压电晶片组成，其中双压电晶片由两种或者两种以上的金属层组成，每个双压电晶片加电压产生热温度升高，由于两种材料的热膨胀系数不同，从而导致双压电晶片产生弯曲，将连接梁抬高。该发明可以解决现有技术中透镜驱动装置结构比较大，消耗功率比较高，装置的装配工序繁多，不易于控制产品的合格率，从而造成了资源浪费的问题。

Description

一种基于微机电系统的微透镜

技术领域

本发明涉及与微机电系统相关的光学领域，更具体的，涉及一种基于微机电系统的微透镜。

背景技术

透镜是光学系统中最基本的元件之一，它能够对光进行调制而产生特定的光学效果，已经成为光学仪器和光学系统中不可缺少的组件。随着信息技术的发展，轻便型、轻量级的便携式电子设备越来越受到消费者的青睐，对各种元件的小型化技术研究成为目前研究人员的研究热点，尤其随着微机电系统（MEMS）的发展以及在光通信、成像等领域的应用，透镜的微型化成为一种趋势。

微透镜是一种尺寸极为微小的透镜，其可应用于光电元件如数码相机、手机或太阳能电池等，用以聚焦所接收到的光束，或扩散光电元件所发射的光束。而微型镜头驱动装置主要是驱动对焦镜头沿着光轴方向直线移动，以将影像光线对焦在影像传感器上，目前已大量使用于具有照相或摄影功能的电子装置中，而微型镜头驱动装置有许多相关的驱动模式，

专利号为200610157001.2的一个发明专利文献中公开的一种方案，使用步进马达驱动镜头对焦的结构，由定子组与转子上的螺纹结构驱动镜头做上下移动对焦的方法。专利号为200410017724.3一个专利文献中所公开的方案，利用电磁感应作用，使安置在磁轭环中间的透镜受到平行的电磁力作用产生位移，同时安置在透镜移动载体的前后侧的簧片产生反作用力，当作用的透镜移动载体上的电磁力和簧片弹力达到平衡时，该透镜移动载体保持在一定的位置。

上述的透镜驱动装置均利用马达或电磁感应形式来驱动透镜的移动，这样结构比较大，增加了系统的功率，同时难以实现驱动装置的小型化，装置的装配工序繁多，不易于控制产品的合格率，从而造成了资源浪费。

基于上述描述，亟需要一种体积小、重量轻、结构简单、所需驱动功率小的微透镜的装置，且该装置安装方便、成本低、便于整体系统微型化，并且能够保证微透镜可以快速准确的移动。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于微机电系统的微透镜，以解决现有技术中透镜驱动装置驱动结构复杂，体积和重量大，所需驱动能量很大，线性移动位移小，消耗功率高，从而造成了资源浪费的问题。并且本发明微透镜焦点不仅能够在一维垂直方向移动还能够在二维方向做大范围移动，而且变焦能力强。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于微机电系统的微透镜，在MEMS微平台的最底端为基座，基座上安装有驱动装置，驱动装置支撑住镜架，镜架上安装有微透镜，通过驱动装置带动镜架移动，进而带动微透镜的移动，实现透镜焦点的变化，所述驱动装置由两个驱动臂组成，每个驱动臂由一个或一个以上的连接梁和将基座、连接梁、镜架依次连接起来的双压电晶片组成，其中双压电晶片由两种或者两种以上的金属层组成，每个双压电晶片加电压产生热温度升高，由于两种材料的热膨胀系数不同，从而导致双压电晶片产生弯曲，将连接梁抬高。

作为优选，每个驱动臂由两个对称的驱动分支连接而成，每个驱动分支包括两个连接梁和三个双压电晶片，第一双压电晶片连接基底和第一连接梁，第二双压电晶片连接第一连接梁和第二连接梁，第三双压电晶片连接第二连接梁和镜架。

作为优选，在镜架上设置有一个或一个以上的热敏电阻。

作为优选，所述微透镜与MEMS微平台的连接方式为，镜架上预留一个直径小于微透镜直径的安装孔，在安装孔周围加工出与微透镜直径大小一致的凹槽，可以恰好将微透镜放在凹槽中，利用粘结物质将微透镜固定在凹槽中。

作为优选，所述微透镜与MEMS微平台的连接方式为，在微透镜边缘加工出几个凸起，同时在镜架上对应位置加工几个凹孔，之后将微透镜和镜架组装在一起，凸起与凹孔一一对应。

作为优选，所述微透镜与MEMS微平台的连接方式为，微透镜边缘部分大于整体尺寸，将微透镜穿过镜架上的凹孔，微透镜边缘部分可以卡住透镜。

作为优选，所述镜架上加工有多个微结构。

作为优选，所述MEMS微平台通过双压电晶片与电连接基座连接在一起，给电连接基座加电可以驱动MEMS微平台上的镜架运动，同时也可以通过给双压电晶片加电压以带动微平台偏转。

作为优选，所述MEMS微平台直接封装在电连接基座上。

作为优选，所述微透镜为圆柱状、方形状、球面状或非球面状。

本发明的有益效果为，由于利用新型垂直大位移的MEMS微平台带动微透镜移动，可以实现透镜焦点的线性变化。同时利用MEMS驱动方式，可以使驱动结构简单，体积小，所用MEMS驱动功率小，从而减小装置驱动的能量利用。由于MEMS所需驱动电压小于10伏，但其线性位移却可以达到1mm，所以MEMS线性位移定位快速准确，重复性好。相比于传统透镜驱动方式，本发明微透镜焦点不仅能够在一维垂直方向移动还能够在二维方向做大范围移动。由于利用半导体加工工艺，使的MEMS微透镜制造工艺简单，易于批量生产，成本低。由于所用MEMS微平台与透镜组装方式简单，透镜安装方便、快捷、组装牢固，同时可达到较高的装配精度。由于MEMS适合于大批量生产，所以可以降低生产成本。由于通过3个双压电晶片、2个连接梁的相互配合作用使镜架抬高，所以增大了镜架的移动距离，实现了垂直方向比较大的移动。由于通过2个驱动臂带动镜架来驱动微透镜的垂直方向的上下移动，如果两个驱动臂所加不同的驱动电压，则微平台控制的镜面将发生偏转，从而实现了焦点在二维空间内移动。所以给两个驱动臂施加不同的电压，就可以控制透镜焦点在二维空间内大范围移动，增大了焦点移动范围。由于在微平台镜架上加工出许多的微结构，这样不仅可以减小驱动重量，降低系统的功率，还能够增加驱动平台的散热。

附图说明

图1为本发明提供的MEMS微透镜装置的立体结构示意图；

图2为本发明提供的MEMS微平台结构示意图；

图3为本发明提供的MEMS微透镜第一种组装方式示意图；

图4为本发明提供的MEMS微透镜第二种组装方式示意图；

图5为本发明提供的微透镜组装在MEMS微平台上的背面示意图；

图6为本发明提供的双凸透镜与微平台的组装示意图；

图7为本发明提供的微透镜镜架表面微结构示意图；

图8为本发明提供的MEMS微平台利用双压电晶片连接示意图；

图9为本发明提供的MEMS微平台封装示意图。

图中:

1、微透镜；101、凸起；2、镜架；201、安装孔；202、凹槽；203、凹孔；204、微结构；3、基座；4、驱动臂；5、驱动臂；501、第一双压电晶片；502、第二双压电晶片；503、第三双压电晶片；511、第一连接梁；512、第二连接梁；6、热敏电阻；7、双压电晶片；8、电连接基座；9、双凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1至图9示出了本发明的一种实施例，在该种实施例中，如图1和图2所示，MEMS微透镜包括微透镜1、MEMS微平台。在MEMS微平台的最底端为基座3，基座3上安装有两个驱动臂，分别为驱动臂4和驱动臂5。每个驱动臂由两个对称的驱动分支连接而成，每个驱动分支包括两个连接梁和三个双压电晶片。连接梁分别为第一连接梁511、第二连接梁512。双压电晶片分别为第一双压电晶片501、第二双压电晶片502、第三双压电晶片503。第一双压电晶片501连接基底3和第一连接梁511，第二双压电晶片502连接第一连接梁511和第二连接梁512，第三双压电晶片503连接第二连接梁512和镜架2。中双压电晶片由两种或者两种以上的金属层组成，每个双压电晶片加电压产生热温度升高，由于两种材料的热膨胀系数不同，从而导致双压电晶片产生弯曲，将连接梁抬高，带动镜架2移动，通过镜架2的移动进而带动微透镜1的移动，实现透镜焦点的变化。

本发明通过3个双压电晶片和两个连接梁的相互作用使镜架2抬高，这样的结构增大了镜架2的移动距离，实现了垂直方向比较大的移动。

上述微透镜1不仅仅可以通过两个驱动臂带动镜架2来驱动微透镜1的垂直方向的上下移动，如果两个驱动臂所加不同的驱动电压，则MEMS微平台控制的镜面将发生偏转，从而实现了焦点在二维空间内移动。因此给两个驱动臂施加不同的电压，就可以控制微透镜1焦点在二维空间内大范围移动，增大了焦点移动范围。

于本实施例中，还可以仅设置有一个连接梁和两个双压电晶片，其中一个双压电晶片连接基底3和连接梁，另一个双压电晶片连接镜架2和连接梁。通过一个连接梁和两个双压电晶片的相互作用同样可以实现微透镜1的移动，实现微透镜1焦点的变化。只是垂直方向的移动距离不如第一种连接方式大。

于本实施例中，如图2所示，在镜架2的四个角上分别设置有一个热敏电阻6，利用热敏电阻6可以实时监控镜面温度的变化，可根据温度的变化来进行电压调整。当然，热敏电阻的数量不仅限于4个，也可以为一个3个或者2个。

如图7所示，为了减小MEMS微平台驱动的重量，不影响系统性能的前提下，在MEMS微平台镜架2上加工出许多的微结构204，这样不仅可以减小驱动重量，降低系统的功率，还能够增加MEMS微平台的散热，微结构204不局限与图中所画类型。

如图2所示，所述微透镜1与MEMS微平台的连接方式为，在MEMS微平台的镜架2上预留一个直径略小于微透镜1直径的安装孔201，在安装孔201周围加工出与微透镜1直径大小一致的凹槽202，可以恰好将微透镜1放在凹槽202中，利用粘结物质沿凹糟202均匀涂抹，将微透镜1和MEMS微平台组装在一起即可。

如图3所示，所述微透镜1与MEMS微平台的连接方式也可以为，在微透镜1边缘加工出几个凸起101，同时在镜架2上对应位置加工几个凹孔203，之后将微透镜1和镜架2组装在一起，凸起101与凹孔203一一对应。这样可以方便微透镜1放置，同时也可起到固定的作用，在引脚处分别使用少量胶水加固即可。

如图4所示，微透镜1与MEMS微平台的连接方式也可以为，微透镜1边缘部分大于整体尺寸，将微透镜1穿过镜架2上的安装孔201，微透镜1边缘部分可以卡住微透镜1，之后将胶水涂在微透镜1边缘部分，即可将微透镜1和MEMS微平台组装在一起。该方案可以结合上面两种安装方式使用。

如图5所示，也可以将微透镜1反过来安装，在微透镜1边缘部分加工一些凸起101或者边缘整体延伸一部分，当微透镜1放入MEMS微平台凹孔203时，凸起101或者边缘部分就会把微透镜1卡住，同时用胶水把微透镜1固定住。此方案亦可以把微透镜1直接在MEMS微平台背面组装，实现透镜焦点位置变化。

如图6所示，以上所用微透镜可以是双凸透镜9，在双凸透镜9中间部位加工几个小凸起，或者双凸透镜9中间部分向外延伸比镜架2上设置的凹孔大，利用双凸透镜9中间部分来卡住双凸透镜9，同时可利用胶水加固，将双凸透镜9和MEMS微平台固定。

图8和图9是MEMS微平台的两种电连接方式，电连接部分可以实现外部控制系统和MEMS微平台的连接。如图8所示，所述MEMS微平台通过双压电晶片7与电连接基座8连接在一起，给电连接基座8加电可以驱动微平台上的镜架2运动，同时也可以通过给双压电晶片7加电压以带动MEMS微平台偏转，实现了在二维空间内进行大范围调制，从而增大了焦点移动范围。图9是将MEMS微平台直接封装在电连接基座8上，这样可以直接用导线与外部连接，也可以将插针焊在焊盘上，制作成直插式连接方式，连接方式更加方便。

于本实施例中，所用微透镜1可以为圆柱状、方形状、球面状或非球面状。

本发明制造所使用的微透镜的方法包括光刻胶熔融法、灰度光刻法、玻璃刻蚀法、金刚石切削法、反应离子束刻蚀法、电子束和激光直写和光敏玻璃热成型法等。所使用的微透镜大都可通过半导体加工工艺来实现的。亦可以使用液滴透镜，将光学胶液滴滴在安装孔201上，由于表面张力作用自然形成透镜面形，同时也可以加电场控制液滴面形，之后再利用紫外光照射使液滴固化，从而在微平台上获得微透镜。

MEMS驱动相比于传统机械或音圈压电驱动方式相比具有更加显著的优势，更加准确的线性移动，定位准确，减小驱动结构体积，增加循环使用寿命，性能优越，成本更低，尺寸更小，减小装配复杂性，易于批量生产。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微机电系统的微透镜，在MEMS微平台的最底端为基座（3），基座（3）上安装有驱动装置，驱动装置支撑住镜架（2），镜架（2）上安装有微透镜（1），通过驱动装置带动镜架（2）移动，进而带动微透镜（1）的移动，实现透镜焦点的变化，其特征在于：所述驱动装置由两个驱动臂（4,5）组成，每个驱动臂由一个或一个以上的连接梁和将基座（3）、连接梁、镜架（2）依次连接起来的双压电晶片组成，其中双压电晶片由两种或者两种以上的金属层组成，每个双压电晶片加电压产生热温度升高，由于两种材料的热膨胀系数不同，从而导致双压电晶片产生弯曲，将连接梁抬高。

2.根据权利要求1所述的微透镜，其特征在于：每个驱动臂由两个对称的驱动分支连接而成，每个驱动分支包括两个连接梁和三个双压电晶片，第一双压电晶片（501）连接基底（3）和第一连接梁（511），第二双压电晶片（502）连接第一连接梁（511）和第二连接梁（512），第三双压电晶片（503）连接第二连接梁（512）和镜架（2）。

3.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：在镜架（2）上设置有一个或一个以上的热敏电阻（6）。

4.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述微透镜（1）与MEMS微平台的连接方式为，镜架（2）上预留一个直径小于微透镜（1）直径的安装孔（201），在安装孔（201）周围加工出与微透镜（1）直径大小一致的凹槽（202），可以恰好将微透镜（1）放在凹槽（202）中，利用粘结物质将微透镜（1）固定在凹槽（202）中。

5.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述微透镜（1）与MEMS微平台的连接方式为，在微透镜（1）边缘加工出几个凸起（101），同时在镜架（2）上对应位置加工几个凹孔（203），之后将微透镜（1）和镜架（2）组装在一起，凸起（101）与凹孔（203）一一对应。

6.根据权利要求5所述的微透镜，其特征在于：所述微透镜（1）与MEMS微平台的连接方式为，微透镜（1）边缘部分大于整体尺寸，将微透镜（1）穿过镜架（2）上的凹孔（201），微透镜（1）边缘部分可以卡住透镜。

7.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述镜架（2）上加工有微结构（204）。

8.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述MEMS微平台通过双压电晶片（7）与电连接基座（8）连接在一起，给电连接基座（8）加电可以驱动MEMS微平台上的镜架（2）运动，同时也可以通过给双压电晶片（7）加电压以带动微平台偏转。

9.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述MEMS微平台直接封装在电连接基座（8）上。

10.根据权利要求1或2所述的微透镜，其特征在于：所述微透镜（1）为圆柱状、方形状、球面状或非球面状。