CN103399402A - 一种电磁驱动微型二维扫描镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动微型二维扫描镜装置，属于微扫描技术和MEMS技术领域，采用体硅及表面微加工技术制作，是一种带两对正交磁极的微型二维扫描镜装置。该电磁驱动微型二维扫描镜装置包括：反射镜面、内基板、外基板、基座、内扭转梁、外扭转梁；所述反射镜面位于内基板上且连为一体，内基板通过一对位置相对的内扭转梁与外基板相连，外基板通过一对位置相对的外扭转梁与固定的基座连接，内扭转梁与外扭转梁相正交。微型二维扫描镜器件采用硬铝结构封装，内部采用两组磁极和磁轭形成正交磁场，输入信号由封装结构侧壁引入，封装结构顶端采用透明玻璃封盖。本发明致动效率高，扭转力大，结构紧凑，可实现较大角度的二维扫描。

Description

一种电磁驱动微型二维扫描镜装置

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动微型二维扫描镜装置，属于微扫描技术(Micro Scanning)和MEMS技术(Micro-Electro-Mechanical System)领域。

背景技术

随着MEMS技术的不断发展，特别是由于无线传感网络等高科技领域的需要，各式各样的MEMS器件不断涌现。基于MEMS技术的微反射镜是一种新型的扫描方式，其拥有重量轻、体积小、能耗低、准确性高等众多优点，可以替代传统的复杂的机械扫描机构。微扫描镜可应用于激光扫描系统，作为无线传感网络和物联网中的信息传感设备。

激光扫描是用于信息传感设备的关键技术，主要用于扫描探测某一区域的目标物体，并对其目标物体的特性进行测量。在无线传感网络和物联网中，激光扫描技术主要采用反射镜反射激光束实现扫描，而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，更加适用于无线传感网络和物联网。

MEMS微镜是目前国际上新兴的研究领域。目前来说，最成功的MEMS微镜设计是由美国德州仪器公司研制的DMD(Digital Micro mirrorDevice)数字微镜阵列，其已经成功的应用于投影设备等领域。除此之外，美国Michigan大学、Florida大学、日本Hyogo大学以及欧洲等国的大学和科研机构，也都在从事MEMS微扫描镜的研究工作。就国内来说，这方面的工作尚处于初级阶段。

MEMS微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MEMS二维扫描镜，按照工作原理分静电型、电磁型、电热型和压电型几大类。

现有的几种MEMS扫描镜存在以下不足：

1.静电型MEMS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MEMS扫描镜面临的主要问题。

2.电磁型MEMS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MEMS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，不适合广泛应用于激光扫描技术领域。

4.压电型MEMS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.现有扫描镜器件的整体集成度较低，体积较大，不方便使用。

发明内容

本发明的目的是解决传统扫描镜机械结构复杂，现有MEMS扫描镜致动效率低等问题，并可实现高可靠性的二维扫描。

为此，本发明公开了一种电磁驱动微型二维扫描镜装置，其包括：反射镜面、内基板、外基板、基座、内扭转梁、外扭转梁；其中，所述反射镜面位于内基板上且连为一体，内基板通过一对位置相对的内扭转梁与外基板相连，外基板通过一对位置相对的外扭转梁与固定的基座连接，内扭转梁与外扭转梁相正交。

其中，所述内基板可通过内扭转梁相对于外基板发生扭转；所述外基板可通过外扭转梁相对于基座发生扭转。

其中，所述反射镜面为矩形的薄膜结构，内基板为矩形的板状结构，外基板为矩形的框状结构。

其中，内扭转梁和外扭转梁为截面是矩形的轴状结构，以便导线从其表面引出。

其中，在内基板的背面具有一凸台，用于增加所述微型二维扫描镜器件的质量，降低其固有频率。

其中，所述微型二维扫描镜装置具有两个输入信号，分别为经由内线圈和外线圈的交流驱动信号，其频率分别为所述微型二维扫描镜器件整体结构的一阶谐振频率和二阶谐振频率。

其中，所述一阶谐振频率为内基板绕内扭转梁扭转运动的谐振频率，二阶谐振频率为外基板绕外扭转梁扭转运动的谐振频率。

其中，所述内线圈和外线圈分别形成在内基板的边缘位置以及外基板的表面，并分别通过内扭转梁和外扭转梁的表面引出。

其中，所述电磁驱动微型二维扫描镜装置的外加磁场由两对正交的磁极组成，分别放置于基座的边缘，外电路通过导线分别连接至内线圈和外线圈，分别输入一阶谐振频率和二阶谐振频率的所述交流驱动信号。

其中，所述电磁驱动微型二维扫描镜装置还包括封装结构，该封装结构为具有可开合封盖的封闭空间结构，其包括：固定在所述封装结构底部的下层电路板；固定在封装结构内壁四个角上的上层电路板，所述电磁驱动微型二维扫描镜位于所述上层电路板上；连接下层电路板和上层电路板的插接件，且插接件对上层电路板起到支撑作用；固定在下层电路板且位于所述封装结构四个内壁边缘的两对磁极；放置在两对磁极上的磁轭，且磁轭与所述电磁驱动微型二维扫描镜保持在同一水平高度上；开设在所述封装结构侧壁的窗口，用于向所述电磁驱动微型二维扫描镜引入导线。

本发明的特点是：采用MEMS加工工艺，实现了反射镜的二维区域扫描，集成了磁场环境，能通过电流对反射镜片两个方向上的偏转扫描进行驱动和控制。和现有MEMS扫描镜相比，本发明有以下特点：1)镜面尺寸较大；2)电磁驱动效率强，扭转力矩大，可实现较大角度的扫描偏转；3)在两个正交的方向上分别布置一对磁极，通过向微驱动线圈输入驱动电流，可以实现镜面的二维偏转扫描，并可分别对两个方向上的扫描进行控制。

附图说明

图1为本发明中电磁驱动微型二维扫描镜的正面结构示意图；

图2为本发明中电磁驱动微型二维扫描镜的反面结构示意图；

图3为本发明中电磁驱动微型二维扫描镜的外加磁场示意图；

图4为本发明中电磁驱动微型二维扫描镜的封装结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1所示是本发明提出的微型二维扫描镜100的正面结构图。如图1所示，所述微型二维扫描镜100包括：反射镜面1、内基板2、外基板3、基座4、内扭转梁5、外扭转梁6。其中，反射镜面1优选地由金属溅射而形成，其位于内基板2上且连为一体，内基板2优选地由体硅加工形成，其通过一对位置相对的内扭转梁5与外基板3相连，外基板3通过一对位置相对的外扭转梁6与固定的基座4连接，内扭转梁5与外扭转梁6相正交；所述内基板2可通过内扭转梁5相对于外基板3发生扭转；所述外基板3可通过外扭转梁6相对于基座4发生扭转。反射镜面1为矩形的薄膜结构，内基板2为矩形的板状结构，外基板3为矩形的框状结构，内扭转梁5和外扭转梁6为截面是矩形的轴状结构，其结构有利于导线从其表面引出。

图2所示是本发明提出的微型二维扫描镜100的反面结构图。如图2所示，在内基板2的背面设计有一凸台7，其作用为增加质量，降低微型二维扫描镜100的固有频率，在镜片扫描振动时，凸台7能有助于结构应力的平衡，增强运动时的稳定性。

图3示出了将本发明所述的微型二维扫描镜100放置于特定的外加磁场中的结构示意图。如图3所示，在内基板2的边缘位置以及外基板3的表面由金电镀工艺加工形成内线圈9与外线圈8，并分别通过内扭转梁5和外扭转梁6的表面引出。外加磁场由两对正交的磁极组成，分别放置于基座的边缘，外电路通过导线分别连接至内外线圈，输入各自谐振频率的驱动信号，反射镜面1和内基板2会在安培力的作用下发生倾斜和振动，造成与之相连的内扭转梁5绕其轴向扭转变形。外基板3也会在安培力的作用下发生倾斜和振动，造成与之相连的外扭转梁6绕其轴向扭转变形。

内扭转梁5和外扭转梁6的扭转变形方向如图1中箭头所示。由于两对扭转梁相正交，内基板2与外基板3的扭转轴相互垂直，因而内基板2与反射镜面1的实际运动为两正交方向扭转运动合成的结果，从而实现了反射镜面1的二维偏转。

在工作中，输入至内线圈9和外线圈8的交流驱动信号分别为I1和I2，其频率分别为微型二维扫描镜100整体结构的一阶谐振频率和二阶谐振频率。一阶谐振频率为内基板2绕内扭转梁5扭转运动的谐振频率，二阶谐振频率为外基板3绕外扭转梁6扭转运动的谐振频率。两个谐振频率均由微型二维扫描镜100的结构尺寸决定。交流驱动信号I1和I2能够使得内外基板在各自运动方向上达到最大的振幅，即最大的扭转角度，从而实现镜面的大范围二维扫描。

图4所示为本发明中微型二维扫描镜100的封装结构示意图。如图4所示，将两对磁场方向正交的磁极17放置在微型二维扫描镜100的四周，两对磁轭10分别放置在磁极17的顶端。磁极17优选4mm×6mm×7mm的立方体汝铁硼磁铁，磁场方向沿7mm厚度方向，表面磁场强度为0.41T，吸附力为1kg。磁轭10优选4mm×6mm×2mm的碳钢。磁极17的设计为微型二维扫描镜100提供了结构运动所需的磁场强度，保证了镜片在线圈通电时有较大的偏转角，同时也保证了封装结构的小体积和紧凑性。磁轭10的设计使其与磁极17构成半封闭的环路，使得磁场线集中在磁轭10以及磁极17内，保证较小的磁漏，并可减少能量损耗。

采用硬铝材料制作的封装结构11对微型二维扫描镜100、磁极17和磁轭10一同进行封装，形成结构紧凑的整体器件。封装结构11为四周封闭且具有封盖的立体状封闭空间结构，其内有一个下层电路板16和四个上层电路板12。下层电路板16位于封装结构11的底部，用螺钉固定在封装结构11上。上层电路板12分别位于封装结构11内壁的四个角，两层电路板间用接插件13连接，接插件13对上层电路板12起到支撑作用。微型二维扫描镜100的四个角分别粘接在四个上层电路板12上，四个上层电路板12对微型二维扫描镜100起到支撑作用，微型二维扫描镜100的中间部分悬空，以保证足够的空间振动扫描，其四角由四个上层电路板12支撑。所述封装结构11的侧壁上具有引入导线的窗口15。两对磁极17固定在下层电路板16上，分别位于封装结构11的四个内壁边缘。磁轭10与微型二维扫描镜100保持在同一水平高度上，以使镜片所在位置的磁场尽量强。封装结构11的上端开口，并采用透明的有机玻璃封盖14，该封盖可开合。该封装结构为本发明人独创，具有集成度高、体积小的明显优势。

微型二维扫描镜100的输入信号由导线从窗口15引入至下层电路板16，通过接插件13引至上电路板12，并通过导线输入至微型二维扫描镜100的两组线圈，以实现对微型二维扫描镜100的电磁驱动。

封装结构11的总体积优选小于32mm×24mm×17mm，其中下层电路板16的面积优选为22mm×22mm，上层电路板12的面积优选为6mm×8mm，接插件13的高度优选为6.4mm，窗口15的开窗面积优选为18mm×2mm，封盖14的厚度优选为2mm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁驱动微型二维扫描镜装置，其包括：反射镜面(1)、内基板(2)、外基板(3)、基座(4)、内扭转梁(5)、外扭转梁(6)；其中，所述反射镜面(1)位于内基板(2)上且连为一体，内基板(2)通过一对位置相对的内扭转梁(5)与外基板(3)相连，外基板(3)通过一对位置相对的外扭转梁(6)与固定的基座(4)连接，内扭转梁(5)与外扭转梁(6)相正交。

2.如权利要求1所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述内基板(2)可通过内扭转梁(5)相对于外基板(3)发生扭转；所述外基板(3)可通过外扭转梁(6)相对于基座(4)发生扭转。

3.如权利要求1-2任一项所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述反射镜面(1)为矩形的薄膜结构，内基板(2)为矩形的板状结构，外基板(3)为矩形的框状结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，内扭转梁(5)和外扭转梁(6)为截面是矩形的轴状结构，以便导线从其表面引出。

5.如权利要求1-4任一项所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，在内基板(2)的背面具有一凸台(7)，用于增加所述微型二维扫描镜器件的质量，降低其固有频率。

6.如权利要求1-5任一项所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述微型二维扫描镜装置具有两个输入信号，分别为经由内线圈(9)和外线圈(8)的交流驱动信号，其频率分别为所述微型二维扫描镜器件整体结构的一阶谐振频率和二阶谐振频率。

7.如权利要求6所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述一阶谐振频率为内基板(2)绕内扭转梁(5)扭转运动的谐振频率，二阶谐振频率为外基板(3)绕外扭转梁(6)扭转运动的谐振频率。

8.如权利要求6所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述内线圈(9)和外线圈(8)分别形成在内基板(2)的边缘位置以及外基板(3)的表面，并分别通过内扭转梁(5)和外扭转梁(6)的表面引出。

9.如权利要求6或8所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述电磁驱动微型二维扫描镜装置的外加磁场由两对正交的磁极组成，分别放置于基座(4)的边缘，外电路通过导线分别连接至内线圈(9)和外线圈(8)，分别输入一阶谐振频率和二阶谐振频率的所述交流驱动信号。

10.如权利要求1-9任一项所述的电磁驱动微型二维扫描镜装置，其特征在于，所述电磁驱动微型二维扫描镜装置还包括封装结构；该封装结构为具有可开合封盖(14)的封闭空间结构，其包括：固定在所述封装结构底部的下层电路板(16)；固定在封装结构内壁四个角上的上层电路板(12)，所述电磁驱动微型二维扫描镜位于所述上层电路板(12)上；连接下层电路板(16)和上层电路板(12)的插接件(13)，且插接件(13)对上层电路板(12)起到支撑作用；固定在下层电路板(16)且位于所述封装结构四个内壁边缘的两对磁极(17)；放置在两对磁极(17)上的磁轭(10)，且磁轭(10)与所述电磁驱动微型二维扫描镜保持在同一水平高度上；开设在所述封装结构侧壁的窗口(15)，用于向所述电磁驱动微型二维扫描镜引入导线。

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