CN105301764B - Moems扫描光栅微镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种MOEMS扫描光栅微镜系统，包括MOEMS扫描光栅微镜和后端闭环控制电路两部分。MOEMS扫描光栅微镜采用正方形设计，主要由扫描光栅、扭转梁、固定边框、电磁式驱动器和磁电式角度传感器通过MEMS加工技术一体化三维集成于单晶硅片。磁电式角度传感器采用正方形、表层镀金多圈渐开式设计。MOEMS扫描光栅微镜与磁电式角度传感器同时采用正方形设计可以保证在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的最大角度输出信号。同时电磁式驱动器和磁电式角度传感器的最佳匝数比设计，可以在低电压驱动MOEMS扫描光栅微镜扫描的基础上实现角度输出信号的最大化。后端闭环控制电路可以实现对MOEMS扫描光栅微镜的精确控制。本发明可广泛用于微型光谱仪。

Description

MOEMS扫描光栅微镜系统
技术领域
本发明涉及MEMS扫描光栅微镜，属于光谱分析技术和MEMS技术领域。
背景技术
扫描光栅微镜作为光谱分析仪器的核心元器件，具有分光功能。将光栅（分光）、微镜（扫描）和角度传感器（微镜运动检测）一体化单芯片集成的MOEMS扫描光栅微镜，既可以实现扫描光栅微镜的高控制精度，提高光谱仪的精度，又能减小系统体系与控制难度。面对目前大气环境污染监测、食品安全检测、医药成分检测等众多特殊环境领域的需求，世界各国针对如何精确控制扫描光栅微镜开展了深入研究。
必达泰克公司生产的系列光谱仪由于没有集成驱动器和角度传感器，无法实现微镜的扫描，故只能采用CCD阵列探测器。该类型光谱分析仪器具有性能稳定、探测速度快、光谱分辨率高、便于携带等优点。但是能满足需求的长波CCD阵列探测器成本较高，所以在很大程度上限制了该类光谱仪的研发推广。
南京中地仪器有限公司生产的光谱仪采用了将光栅和步进电机二次集成的技术方案，实现了光栅的扫描分光功能，从而可以采用单管CCD探测器获取光谱信号，大大降低了成本。由于没有集成角度传感器，该系统存在明显的问题：步进电机扫描速度慢，系统输出光谱波长重复性差，尤其是二次集成的步进电机机械轴容易磨损。故很难实现对扫描光栅微镜的精确控制。
重庆大学微系统中心之前针对集成角度传感器的MOEMS扫描光栅微镜开展了初步研究，但MOEMS扫描光栅微镜、驱动线圈和角度传感器均采用的是长方形设计，且集成角度传感器只有一圈。该设计缺点是：首先，MOEMS扫描光栅微镜、驱动线圈和角度传感器均采用长方形设计不仅造成制造成本提高，且无论怎样设计传感线圈都无法实现在面积一定的前提下，角度输出信号的最大化；其次，没有进行角度传感线圈与驱动线圈的比例优化设计，集成角度传感器只有一圈且角度输出信号很小，只有几个毫伏的量级，故角度输出信号很小，和噪声基本处于一个数量级，很难被后端的电路所采集。可见之前设计的集成角度传感器的MOEMS扫描光栅虽初步将角度传感器集成于MOEMS扫描光栅微镜上，但由于设计上存在的不足，角度输出信号较弱、很难采集，故无法精度控制MOEMS扫描光栅微镜的扫描角度及范围。
发明内容
本发明针对现有的集成角度传感器的MOEMS扫描光栅微镜的角度输出信号较弱且控制精度较低的局限性，提出一种MOEMS扫描光栅微镜系统，通过优化对角度传感器的设计，在MOEMS扫描光栅微镜面积一定的基础上，设计最优线圈匝数比，并结合后端控制电路，将角度输出信号提高到近1伏级别，从根本上克服了之前MOEMS扫描光栅微镜控制角度输出信号较弱且控制精度较低的问题，可以实现MOEMS扫描光栅微镜的精确控制。
本发明的技术方案如下：
本发明的MOEMS扫描光栅微镜系统包括MOEMS扫描光栅微镜和后端闭环控制电路。所述MOEMS扫描光栅微镜采用正方形设计，由扫描光栅、扭转梁、固定边框、电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器通过MEMS加工一体集成于偏晶向硅基片上构成。其中，扫描光栅、扭转梁、固定边框集成在硅基片正面，电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器集成在硅基片背面，磁电式角度传感器的角度传感线圈位于电磁驱动线圈内。所述扫描光栅通过扭转梁固定在固定边框中，扭转梁在电磁式驱动线圈的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜绕其转动，固定边框实现支撑和固定。扫描光栅的闪耀角度为7.9o、光栅常数为4um，并在表层镀Al膜，实现对入射复合光的闪耀分光功能。
本MOEMS扫描光栅微镜系统的磁电式角度传感器采用正方形、多圈金线渐开式设计，包括角度传感线圈、外端开线、内端开线、埋层引线和电极板，在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的角度输出信号。外端开线由埋层引线引出并与电极板连接，内端开线通过另一埋层引线引出并与电极板连接；两电极板连接后端闭环控制电路，进行角度输出信号的测量与处理。
同样，电磁式驱动线圈也为正方形渐开式线圈。
为了在低电压驱动MOEMS扫描光栅微镜扫描的基础上实现角度输出信号的最大化，本发明将MOEMS扫描光栅微镜面积设计为6*6mm2，电磁驱动线圈与角度传感线圈的宽度设计为80um，线圈间隔为20um，电磁驱动线圈与角度传感线圈的匝数之和为29，匝数分配比例为3:26。
进一步，所述角度传感线圈是通过在SiO2表面淀积Si3N4薄膜并进行RIE刻蚀，之后在表层溅射Au制作；埋层引线是通过对SiO2进行RIE刻蚀并采用离子注入B的方式制作。
进一步，所述驱动线圈的外端开线采用表层引线工艺，内段开线采用埋层引线工艺；电磁驱动线圈、角度传感线圈与Si基片之间通过LPCVD工艺淀积SiO2和Si3N4薄膜作为绝缘层。
具体地，所述闭环控制电路包括驱动器控制模块、MOEMS扫描光栅微镜控制模块和闭环控制模块，驱动器控制模块对驱动线圈产生的驱动信号进行控制和调节并使其具有稳定的输出，MOEMS扫描光栅微镜控制模块接收稳定的驱动信号，控制MOEMS扫描光栅微镜以适当的角度进行扫描，闭环控制模块接收角度传感线圈产生的角度输出信号并将该角度输出信号进行处理和放大，用于对驱动器控制模块进行反馈控制，同步调整驱动器控制模块中驱动线圈产生的驱动信号大小，使该信号能够稳定驱动MOEMS扫描光栅微镜进行扫描；所述闭环控制模块具有前端反馈控制及后端获取处理同步实施的功能。
与现有集成角度的MOEMS扫描光栅微镜相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过设计正方形MOEMS扫描光栅微镜，且角度传感器也为正方形设计。可以确保在同等面积的前提下，正方形设计总能保证角度传感器产生最大的角度输出信号。
2、本发明采用多圈渐开式角度传感器设计并在表层溅射Au，大大降低了电阻值，提高了角度输出信号。在正方形MOEMS扫描光栅微镜设计保证单圈最大角度信号的基础上，设计最优电磁驱动线圈与角度传感线圈线圈的匝数比3:26，实现角度传感信号达到近1伏级别，在保证驱动电压较低的前提下极大提高了角度输出信号的强度。
3、通过结合后端闭环控制电路，可以将角度传感信号转化为电信号作为反馈信号对驱动信号进行实时监测和调制，极大提高了MOEMS扫描微镜的准确性、精度、稳定性，进而实现对MOEMS扫描光栅微镜的精确控制。
4、本发明的角度传感器可以通过MEMS加工工艺集成于MOEMS扫描光栅微镜，大大减小了微型光谱仪的体积，且降低了整体制造成本。
附图说明
图1为本发明的MOEMS扫描光栅微镜正面结构图。
图2为本发明的MOEMS扫描光栅微镜背面结构图。
图3为本发明的MOEMS扫描光栅微镜系统的闭环控制电路原理图。
图中：1、扫描光栅，2、扭转梁，3、固定边框，4、驱动线圈，5、传感线圈， 6、外端开线，7、内端开线，8、外端埋层引线，9、内端埋层引线，10、11分别为连接外端埋层引线及内端埋层引线的电极，12、驱动器控制模块，13、MOEMS扫描光栅微镜控制模块，14、闭环控制模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，本发明的MOEMS扫描光栅微镜为正方形，其是由扫描光栅1、扭转梁2、固定边框3、驱动线圈4、角度传感线圈5、外端开线6、内端开线7、埋层引线8、9、电极10、11通过MEMS加工工艺共同集成在同一单晶硅基片上。
其中，扫描光栅1、扭转梁2、固定边框3集成在硅基片正面，扭转梁2将扫描光栅1和固定边框3连接起来，扭转梁2可以在驱动线圈4的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜绕其转动，固定边框3对其实现支撑和固定作用。MOEMS扫描光栅微镜正面通过各向异性湿法刻蚀偏晶向（111）硅片形成扫描光栅3，该光栅具有7.9o的闪耀角度和4um的光栅常数，并在表层镀Al膜，实现对入射复合光的闪耀分光功能。
电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器集成在硅基片背面，磁电式角度传感器的角度传感线圈5位于电磁驱动线圈4内，磁电式角度传感器在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的角度输出信号。驱动线圈外端开线采用表层引线工艺，内段开线采用埋层引线工艺。电磁驱动线圈4、角度传感线圈5与Si之间通过LPCVD工艺淀积SiO2和Si3N4薄膜作为绝缘层。
参见图2， MOEMS扫描光栅微镜的背面外部3圈为正方形渐开式线圈，形成电磁式驱动线圈4，内部26圈也为正方形渐开式线圈，形成磁电式角度传感线圈5。驱动线圈4、角度传感线圈5是通过在SiO2表面淀积Si3N4薄膜并进行RIE刻蚀，之后在表层溅射Au制作而得。埋层引线8、9通过对SiO2进行RIE刻蚀并采用离子注入B的工艺制成。外端开线6由埋层引线8通过扭转梁引出并与电极10连接，内端开线7通过另一埋层引线9通过扭转梁引出并与电极11连接。MOEMS扫描光栅微镜在电磁驱动线圈4带动下进行扫描的同时会在角度传感线圈5中产生感应电动势，通过埋层引线8、9将角度传感线圈5中产生感应电动势引出，后端控制电路与固定边框3上的电极10、 11相连并同步接收角度传感线圈5产生的实时、动态角度输出信号，并将该角度输出信号通过算法与驱动信号一一对应，实现MOEMS扫描光栅微镜扫描角度的精确控制。
本发明的MOEMS扫描光栅微镜面积设计为6*6mm2，电磁驱动线圈4与角度传感线圈5的宽度设计为80um，线圈间隔为20um，为了实现MOEMS扫描光栅微镜扫描角度的精确控制，必须保证角度传感线圈5产生的角度输出信号较大，不被噪声淹没，因此本发明针对角度传感线圈5采用正方形、金线渐开式的设计，保证在MOEMS扫描光栅微镜面积一定的前提下角度输出信号最大；同时，设计电磁驱动线圈4与角度传感线圈5的最优线圈匝数比为3:26，保证在较低驱动电压的基础上实现角度输出信号的最大。
参见图3，本图显示的是MOEMS扫描光栅微镜的闭环控制电路原理图。其主要由驱动器控制模块12、MOEMS扫描光栅微镜控制模块13和闭环控制模块14三部分组成。驱动器控制模块12对驱动线圈4产生的驱动信号进行控制和调节并使其具有稳定的输出。MOEMS扫描光栅微镜控制模块13主要接收稳定的驱动信号，控制MOEMS扫描光栅微镜以适当的角度进行扫描。闭环控制模块14主要接收角度传感线圈5产生的角度输出信号并将该角度输出信号进行处理和放大，用于对驱动器控制模块12进行反馈控制，同步调整驱动器控制模块12中驱动线圈4产生的驱动信号大小，使该信号能够稳定驱动MOEMS扫描光栅微镜进行扫描。闭环控制模块14是后端闭环控制电路中的核心部分，该模块具有前端反馈控制及后端获取处理同步实施的功能。通过后端闭环控制电路可以得到角度输出信号与转动角度的一一对应关系，能够对MOEMS扫描光栅微镜运动过程中扫描角度进行实时、精确监控，实现对扫描角度的精确定标功能。
本发明将MOEMS扫描光栅微镜与磁电式角度传感器同时采用正方形设计可以保证在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的最大角度输出信号。后端闭环控制电路将该角度输出信号转化为电信号并作为反馈信号对电磁式驱动器产生的驱动信号进行实时、动态调制，实现对扫描角度的高精度闭环控制，进而实现对MOEMS扫描光栅微镜的精确控制。本发明采用电磁式驱动器和磁电式角度传感器的最MOEMS扫描光栅微镜扫描的基础上实现角度输出信号的最大化。本发明可广泛用于微型光谱仪。

Claims (4)

1.MOEMS扫描光栅微镜系统，包括MOEMS扫描光栅微镜和后端闭环控制电路；其特征在于：所述MOEMS扫描光栅微镜采用正方形设计，由扫描光栅（1）、扭转梁（2）、固定边框（3）、电磁式驱动线圈（4）和磁电式角度传感器通过MEMS加工一体集成于偏晶向（111）硅基片上构成；其中，扫描光栅（1）、扭转梁（2）、固定边框（3）集成在硅基片正面，电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器集成在硅基片背面，磁电式角度传感器的角度传感线圈（5）位于电磁式驱动线圈（4）内；所述扫描光栅（1）通过扭转梁（2）固定在固定边框（3）中，扭转梁（2）在电磁式驱动线圈的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜绕其转动，固定边框（3）实现支撑和固定；所述扫描光栅（1）的闪耀角度为7.9o、光栅常数为4um，并在表层镀Al膜，实现对入射复合光的闪耀分光功能；
所述磁电式角度传感器采用正方形、多圈金线渐开式设计，包括角度传感线圈（5）、外端开线（6）、内端开线（7）、埋层引线（8、9）和第一电极板（10）、第二电极板（11），在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的角度输出信号；外端开线（6）由埋层引线（8）引出并与第一电极板（10）连接，内端开线（7）通过另一埋层引线（9）引出并与第二电极板（11）连接；两电极板连接后端闭环控制电路，进行角度输出信号的测量与处理；
所述电磁式驱动线圈（4）也为正方形渐开式线圈；
所述MOEMS扫描光栅微镜面积为6*6mm2，电磁式驱动线圈（4）与角度传感线圈（5）的宽度为80um，线圈间隔为20um，电磁式驱动线圈（4）与角度传感线圈（5）的匝数之和为29圈，匝数分配比例为3:26，可以在低电压驱动MOEMS扫描光栅微镜扫描的基础上实现角度输出信号的最大化。
2.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜系统，其特征在于，所述角度传感线圈（5）通过在SiO2表面淀积Si3N4薄膜并进行RIE刻蚀，之后在表层溅射Au制作；埋层引线（8、9）是通过对SiO2进行RIE刻蚀并采用离子注入B的方式制作。
3.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜系统，其特征在于，所述电磁式驱动线圈（4）的外端开线采用表层引线工艺，内端开线采用埋层引线工艺；电磁式驱动线圈（4）、角度传感线圈（5）制作在硅基片上并通过LPCVD工艺淀积SiO2和Si3N4薄膜作为绝缘层。
4.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜系统，其特征在于，所述闭环控制电路包括驱动器控制模块（12）、MOEMS扫描光栅微镜控制模块（13）和闭环控制模块（14），驱动器控制模块（12）对电磁式驱动线圈（4）产生的驱动信号进行控制和调节并使其具有稳定的输出，MOEMS扫描光栅微镜控制模块（13）接收稳定的驱动信号，控制MOEMS扫描光栅微镜以适当的角度进行扫描，闭环控制模块（14）接收角度传感线圈（5）产生的角度输出信号并将该角度输出信号进行处理和放大，用于对驱动器控制模块（12）进行反馈控制，同步调整驱动器控制模块（12）中电磁式驱动线圈（4）产生的驱动信号大小，使驱动信号能够稳定驱动MOEMS扫描光栅微镜进行扫描；所述闭环控制模块（14）具有前端反馈控制及后端获取处理同步实施的功能。
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