CN102967934B - 一种电磁驱动微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁驱动微镜，它包括微反射镜板，所述微反射镜板的中心设置有一反射镜面，所述微反射镜板的边缘部设置有至少一闭合环状的驱动线圈，两端则分别通过一扭转梁与一支撑框架连接，所述支撑框架两侧分别设有至少一永磁磁铁，在所述驱动线圈被通入电流后，所述微反射镜板可在驱动线圈与永磁磁铁相互作用产生的电磁力驱动下绕扭转梁扭转。本发明具有扭转角度大、驱动电压低等优点，既可以实现高频谐振大角度扫描，又可以实现非谐振低速大角度扫描，可应用在光束扫描投影显示系统、光谱仪、条形码扫描器、共聚焦显微镜、内窥镜等光学仪器。
Description
技术领域
本发明涉及微光机电系统技术领域，特别提供了一种电磁驱动微镜。
背景技术
一般而言，微镜的驱动方式有四种，分别为静电驱动、压电驱动、电热驱动以及电磁驱动等。采用不同驱动方式的微镜具有不同的性能特点。
目前，静电驱动是微镜最为广泛采用的驱动方式。静电驱动微镜有平板电容式和梳状叉指式两种类型。相比较，梳状叉指式静电驱动微镜可以在相对较小的驱动电压下，获得更大的扭转角度，但是仍然存在驱动力不足，驱动电压过高的问题，使其在非谐振态下，很难获得较大的扭转角度。另外，反射镜周围过多的梳齿电极增加了微镜的转动惯量，使得微镜的谐振频率难以进一步提高，限制了微镜的扫描速度。
压电驱动微镜利用了压电材料的逆压电效应，一般是采用压电薄膜悬臂梁或是压电块作为驱动结构。压电驱动具有驱动力大、响应速度快的优点，但是，压电驱动结构需要与反射镜直接相连，限制了驱动位移并可能会造成镜面变形。
电热驱动微镜较常见的方式是采用电热双镜片悬臂梁作为驱动结构。虽然电热驱动具有较大的驱动力，但是其响应速度慢、能耗高的缺点限制了它在微镜中的进一步使用。
电磁驱动具有驱动力大、驱动电压低、双向驱动等优点，并且使用磁场力作为驱动力，驱动结构无须与被驱动结构直接相连，避免了位移限制。因此，电磁驱动微镜不仅可以在低电压谐振态下实现高频大扭转角度扫描，而且还可以在低电压非谐振态实现低速大扭转角度扫描。
发明内容
本发明的目的是针对现有微镜的局限性，提供了一种电磁驱动微镜，该电磁驱动微镜具有扭转角度大、驱动电压低等优点，既可以实现高频谐振大角度扫描，又可以实现非谐振低速大角度扫描，可应用在光束扫描投影显示系统、光谱仪、条形码扫描器、共聚焦显微镜、内窥镜等光学仪器。
为了实现上述的发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种电磁驱动微镜，包括微反射镜板，所述微反射镜板的中心设置有一反射镜面，其特征在于：所述微反射镜板的边缘部设置有至少一闭合环状的驱动线圈，两端则分别通过一扭转梁与一支撑框架连接，所述支撑框架两侧分别设有至少一永磁磁铁，在所述驱动线圈被通入电流后，所述微反射镜板可在驱动线圈与永磁磁铁相互作用产生的电磁力驱动下绕扭转梁扭转。
进一步的，所述的驱动线圈相对于扭转梁具有对称结构。
优选的，所述的驱动线圈在平行于扭转梁的方向上的长度大于反射镜面的长度。
优选的，所述的微反射镜板由上而下依次包括聚酰亚胺介质层、氧化硅介质层和硅基板；所述的驱动线圈设置于氧化硅介质层上。
进一步的，所述的驱动线圈包括由聚酰亚胺介质层隔离的上层驱动线圈和下层驱动线圈,上层驱动线圈和下层驱动线圈之间设置有一个连接点。
所述的驱动线圈的材料为高电导率的金属材料，优选为金材料。
所述的永磁磁铁为高磁场强度磁铁材料，优选为钕铁硼系磁材料。
所述的反射镜面为金属薄膜层；该金属薄膜层的材料为反光金属材料。
优选的，扭转梁与微反射镜板以及支撑框架连接处采用过渡圆角结构。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用电磁驱动方式对微镜进行驱动，相对于其它驱动方式的微镜可以在较低电压下实现大扭转角度；
2、驱动线圈在平行于扭转梁的方向上的长度大于反射镜面的长度，在没有延长平行于扭转梁方向的微镜长度的同时，适当延长垂直于磁场方向的驱动线圈的导线的长度，增大驱动力；并且在垂直于微反射镜板的方向上可以采用多层线圈结构，进一步增加驱动能力，减小驱动电压或电流；
3、该电磁驱动微镜不仅可以在低电压谐振态下实现高频大扭转角度扫描，而且还可以在低电压非谐振态实现低速大扭转角度扫描；
4、反射金属薄膜和驱动线圈制作在微镜同一面，降低工艺制作难度，本发明可应用在光束扫描投影显示系统、光谱仪、条形码扫描器、共聚焦显微镜、内窥镜等光学仪器中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一较佳实施例的电磁驱动微镜结构原理图；
图2为沿图1中A-A′向剖面示意图；
图3为图2中驱动线圈的结构的放大示意图；
附图中各个附图标记的含义为：1、微反射镜板；1a、聚酰亚胺介质层；1b、氧化硅介质层；1c、硅基板；2、驱动线圈；2a、上层驱动线圈；2b、下层驱动线圈；3、扭转梁；4、永磁磁铁；5、支撑框架；6、反射镜面；7、上下线圈连接点；8、过渡圆角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-3，该电磁驱动微镜包括微反射镜板1，所述微反射镜板1的中心设置有一反射镜面6，所述微反射镜板1的边缘部设置有至少一闭合环状的驱动线圈2，两端则分别通过一扭转梁3与一支撑框架5连接，所述支撑框架5的两侧分别设有至少一永磁磁铁4，在所述驱动线圈2被通入电流后，所述微反射镜板1可在驱动线圈2与永磁磁铁4相互作用产生的电磁力驱动下绕扭转梁3扭转。
优选的，所述的驱动线圈2相对于扭转梁3具有对称结构。
如上所述，设置于微反射镜板1的边缘部的驱动线圈2具有关于所述扭转梁3相互对称的两部分；当驱动线圈2中通入电流时，所述永磁磁铁4产生的磁场与流过所述驱动线圈2的电流相互作用后产生的电磁力F；由于驱动线圈2具有闭合环状的结构，相互对称的两部分的导线中电流方向相反，受到的电磁力F的方向相反，从而围绕扭转梁3产生扭矩，使得微反射镜板1绕扭转梁3发生扭转。当线圈2中通入适当频率的交变电流时，微反射镜板1就会按一定频率做往复扭转振动。
本优选实施例的电磁驱动微镜采用硅材料做基底材料，其中微反射镜板1、支撑框架5和一对扭转梁3制作在同一结构层上；扭转梁3连接微反射镜板1和支撑框架5，扭转梁3的形状尺寸影响微镜的谐振频率以及扭转刚度的大小，可以根据微镜性能要求做出调整；扭转梁3与微反射镜板1以及支撑框架5连接部，采用圆角结构8过渡处理，减小应力集中。
本实施例中，所述的微反射镜板1由上而下依次包括聚酰亚胺介质层1a、氧化硅介质层1b和硅基板1c；硅基板1c的厚度根据微镜性能可以做出调整，可以通过干法刻蚀实现。
进一步的，驱动线圈2设置于氧化硅介质层1b上，围绕在反光镜面6的周围，位于微反射镜板1的边缘。驱动线圈2的材料为具有高电导率的金，采用电镀工艺制得。与离扭转梁3的垂直距离越远的驱动线圈2的导线产生的扭矩越大，因此驱动线圈2围绕反光镜面6放置在微反射板1边缘。微反射板1中间位置留作反光镜面6，使得驱动线圈2和反光镜面6制作在同一侧，可以降低工艺难度。驱动线圈2在平行于扭转梁3的方向上的长度大于反射镜面6的长度，在没有延长平行于扭转梁3方向的微镜长度的同时，适当延长垂直于磁场方向的驱动线圈2的导线的长度，增大驱动力。
优选的，所述的驱动线圈2包括上层驱动线圈2a和下层驱动线圈2b,上层驱动线圈2a和下层驱动线圈2b之间由聚酰亚胺介质层1a隔离；上层驱动线圈2a和下层驱动线圈2b之间设置有一个连接点7；采用两层驱动线圈的结构，用以增大输出驱动力。
所述的反光镜面6为由反光金属材料形成的金属薄膜，用来反射光束获得高反射率；金属薄膜的形状、面积、厚度以及金属薄膜种类根据反射率、光波长以及实际应用需求可以做出调整。
优选的，所述的永磁磁铁4为钕铁硼系磁材料；磁场强度越高，单位电流产生的驱动力越大。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (6)
1.一种电磁驱动微镜，包括微反射镜板，所述微反射镜板的中心设置有一反射镜面，其特征在于：所述微反射镜板的边缘部设置有至少一“H”型闭合环状的驱动线圈，两端则分别通过一扭转梁与一支撑框架连接，所述支撑框架两侧分别设有至少一永磁磁铁，在所述驱动线圈被通入电流后，所述微反射镜板可在驱动线圈与永磁磁铁相互作用产生的电磁力驱动下绕扭转梁扭转，所述的驱动线圈在平行于扭转梁的方向上的长度大于反射镜面的长度，所述驱动线圈和反射镜面位于同一侧且所述驱动线圈和反射镜面都位于所述微反射镜板之上，所述的微反射镜板由上而下依次包括聚酰亚胺介质层、氧化硅介质层和硅基板；所述的驱动线圈设置于氧化硅介质层上，所述的驱动线圈包括由聚酰亚胺介质层隔离的上层驱动线圈和下层驱动线圈,上层驱动线圈和下层驱动线圈之间设置有一个连接点。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动微镜，其特征在于：所述的驱动线圈相对于扭转梁具有对称结构。
3.根据权利要求1所述的电磁驱动微镜，其特征在于：所述的驱动线圈的材料为金。
4.根据权利要求1所述的电磁驱动微镜，其特征在于：所述的永磁磁铁为钕铁硼系磁材料。
5.根据权利要求1所述的电磁驱动微镜，其特征在于：扭转梁与微反射镜板以及支撑框架连接部采用过渡圆角结构。
6.根据权利要求1所述的电磁驱动微镜，其特征在于：所述的反射镜面为由反光金属材料制成的金属薄膜层。
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