CN107490857B - 一种静电梳齿驱动的振镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种静电梳齿驱动的振镜。包括结构层、绝缘层及支撑层；结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为V形质量块的宽度方向。保证镜面与梳齿锚点的连接刚度，同时降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，以使振镜实现更大的转角。

Description

一种静电梳齿驱动的振镜

技术领域

本发明属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种静电梳齿驱动的振镜。

背景技术

MEMS振镜与传统光束偏转元件相比，具有微型化、能耗低、响应快、易集成、寿命长等优点，随着人工智能的发展和对装置高精度、小型化、低成本需求，MEMS振镜在三色激光投影、激光雷达、3D测量等领域大放异彩。

基于静电梳齿驱动的MEMS振镜，其结构简单，能量密度大，可以实现大转角扫描，并大大简化了工艺难度，便于批量化，显著降低了制作成本。对于谐振式静电梳齿驱动的MEMS振镜来说，MEMS振镜的扭转角度的大小取决于驱动电压大小、梳齿对间电容变化量和振镜运动过程中的梳齿阻尼带来的能量损耗的大小。

在相同电压驱动且动静梳齿间同等电容变化情况下，梳齿消耗阻尼越小，越有利于振镜驱动，振镜振动过程中阻尼主要有两类，一类是压膜阻尼，另一类是滑膜阻尼，滑膜阻尼远大于压膜阻尼，为主要考虑因素。滑膜阻尼主要来自动梳齿与静梳齿之间的滑膜阻尼，动静梳齿错开后，变为动梳齿与动梳齿之间滑膜阻尼，梳齿相对于转轴的位置对滑膜阻尼有影响，影响最明显的是动梳齿与动梳齿之间的滑膜阻尼消耗功率：

阻尼功率损耗：

W＝∫Md_θ

其中：

M∝v

v＝R*ω

式中：W为阻尼能量损耗；M为阻尼产生的力矩；v梳齿运动速度，ω为转动角速度，R为梳齿距扭转轴的距离。

可见动梳齿与动梳齿间的阻尼损耗，与动梳齿分布位置与扭转轴的距离成正比。在振镜运动相同的情况下，把动齿靠近转轴分布可有效限低其阻尼损耗，利于增大振镜扭转角度。

现有静电驱动振镜的梳齿对有如下两种分布：

1、分布在镜面周围,如图1a；

2、分布在扭转梁两侧，且排布方式与扭转梁保持平行,如图1b；

图1a中，当振镜反射镜面尺寸比较大时，镜面周围布置的梳齿会距转轴比较远，大大增大了梳齿间阻尼能量损耗；同时，振镜大角度工作时，动静梳齿对会完全错开，不再能提供振镜位置与梳齿间电容量的一一对应关系，就无法通过电容反馈振镜实时位置。

图1b中需要另加与镜面刚性连接的质量块，使梳齿与扭转轴平行分布，可能存在如下问题：1)距转轴过近，造成动梳齿锚点质量块过窄，不能保证其与镜面的刚性连接；同时可能会带来振镜起动力矩过小，可能导致振镜无法正常起振的问题；2)若梳齿距转轴比较远，会有和梳齿分布在镜面周围类似的问题。

另外，2017年Microelectronics Reliability期刊公开的一篇论文“Anexploration for the degradation behavior of 2-D electrostatic microscannersby accelerated lifetime test”指出经加速寿命时间验证，静电梳齿驱动振镜长时间工作后最主要的失效形式是因梳齿吸附而引起的短路失效，即避免梳齿吸附很大程度上可提高振镜的可靠性，并延长振镜的工作寿命。

发明内容

为了解决现有的静电驱动振镜时梳齿间阻尼能量损耗大、不能通过电容反馈振镜实时位置、动梳齿锚点与镜面的连接刚性差、驱动力矩过小，以致振镜无法正常起振等问题，本发明提供一种梳齿驱动器结构以及静电梳齿驱动的振镜，保证镜面与梳齿锚点的连接刚度，同时降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，以使振镜实现更大的转角；可使在振镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，从而可建立梳齿间电容大小和振镜扭转角大小之间一一对应的关系，实现电容反馈，使得振镜工作更加可靠。另外，针对现在振镜工作过程中产生的因动静梳齿吸附而导致的失效问题，提出加设限位梳齿结构，防止振镜梳齿吸附，从而延长振镜工作寿命。

本发明的具体是技术方案是提供一种静电梳齿驱动的振镜，包括结构层、绝缘层及支撑层；

其中，上述结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；

上述梳齿驱动机构包括驱动梳齿，上述驱动梳齿包括至少一对梳齿对，上述梳齿对包括动梳齿、动梳齿锚点、静梳齿、静梳齿锚点，上述动梳齿与动梳齿锚点连接，上述静梳齿与静梳齿锚点连接，静梳齿与动梳齿交错并部分重叠分布；

上述动梳齿、动梳齿锚点、扭转梁及反射镜面连接为一个整体；

上述静梳齿锚点、扭转梁固定锚点由支撑层固定；

其特殊之处在于：上述梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，上述动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，其宽度变化可沿一固定斜率逐渐变化，也可按变化斜率变化(就是动梳齿锚点即V形质量块的斜边也可以是指定的曲线分布)，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为动梳齿锚点的宽度方向。

优选地，上述动梳齿锚点大端的宽度小于反射镜面的半径。

为了使在振镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，动梳齿锚点小端宽度的尺寸满足下式：

(n+c_tip)*sin(θ_max)＜t

其中t为结构层的厚度，c_tip为静梳齿端部到动梳齿根的距离，θ_max为振镜要实现的最大单边机械转角，n为动梳齿锚点小端的宽度；

动梳齿锚点的长L根据振镜所需驱动梳齿中梳齿对的对数确定，扭转梁与其的位置关系，由所需梁的长度和振镜的模态振型和所需频率确定。

优选地，静梳齿端距动梳齿根的距离与动梳齿端距静梳齿根的距离不小于梳齿间隙。

为了防止驱动梳齿发生吸附，导致振镜失效，上述梳齿驱动机构还包括至少一个限位梳齿对，组成限位梳齿对的动、静梳齿位于同一电连接区域，无电势差，或者组成限位梳齿对的动、静梳齿中其中之一位于不加电区域，另一位于加电区；上述限位梳齿对中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙b小于驱动梳齿中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙a。

优选地，至少有一对限位梳齿对限定驱动梳齿两个方向偏移，或有至少两对限位梳齿对各限定一个方向偏移。

优选地，限位梳齿的尺寸应满足：

为了实现动、静梳齿对间的电绝缘，动梳齿锚点与静梳齿锚点之间开设有电隔离沟道。

本发明的有益效果是：

1、本发明设置的梳齿对分布与扭转梁之间保持一定夹角，在同等电容变化下，可有效降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，反射镜能够实现更大程度的扭转；

2、梳齿对斜向分布也可让电容变化比较平缓，使驱动比较稳定，也利于提高转角和反馈电容之间的线性关系；

3、梳齿对斜向分布使得其动梳齿锚点及质量块为楔形，其与镜面连接处交接尺寸比较大，保证了其与镜面的连接刚度，通过调整其小端的具体尺寸保证振镜达到最大转角时，不少于一对动静梳齿对不完全分离，使反射镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，并且随时保持动梳齿和静梳齿间电容大小和反射镜扭转角大小之间一一对应的关系，以便于实现电容反馈，使得振镜工作更加可靠；

4、本发明采用限位梳齿对，解决了静电梳齿驱动的振镜长时间工作过程中的存在的因动静梳齿吸附而导致的失效问题，防止振镜最常见的失效类型——梳齿吸附的发生，从而延长微振镜工作寿命。

附图说明

图1a为一种现有MEMS振镜结构示意图；

图1b为另一种现有MEMS振镜结构示意图；

图2为本发明MEMS振镜结构示意图；

图3为动梳齿锚点尺寸示意图；

图4为限位梳齿梳齿间距布置图；

图5为限位梳齿结构图一；

图6为限位梳齿结构图二；

图7为限位梳齿位置图。

图中附图标记为：1-结构层，11-扭转梁，12-扭转梁固定锚点，13-反射镜面，14-动梳齿，15-动梳齿锚点，16-静梳齿，17-静梳齿锚点，18-限位梳齿，19-电隔离沟道；

2-绝缘层，3-支撑层。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明所涉及静电梳齿驱动的振镜结构如图2示；

MEMS振镜有三层结构：结构层1、绝缘层2、支撑层3；其中结构层1上分布有MEMS振镜的梳齿驱动机构、扭转梁11及扭转梁固定锚点12和反射镜面13；

梳齿驱动机构包括动梳齿14、动梳齿锚点15、静梳齿16、静梳齿锚点17；

其中，动梳齿14、动梳齿锚点15与扭转梁11、反射镜面13机械连接为一整体；

静梳齿锚点17、扭转梁固定锚点12由支撑层3固定；

动梳齿14和静梳齿16相互交错形成驱动梳齿对。

至少有一组梳齿对驱动反射镜面，静梳齿16与其相连的静梳齿锚点17连接；动梳齿14由与其相连的动梳齿锚点15连接；静梳齿16与动梳齿14交错并部分重叠分布，且动、静梳齿侧面交叠部分留有间隙，为梳齿间隙；静齿端距动齿根的距离与动齿距静齿根的距离不小于梳齿间隙；动梳齿及其锚点与静梳齿及其锚点间有电隔离沟道19，从而可实现动、静梳齿对间的电绝缘，当给动、静梳齿间加一定频率具有一定电势差的信号时，梳齿对可驱动振镜扭转。

本发明提出的MEMS振镜驱动器梳齿对分布特征具体如下：

扭转梁的根部或扭转梁两侧布置V形(楔形)质量块作为动梳齿锚点，其与反射镜面部分连接为一整体，V形质量块的宽从与反射镜面相连接处向扭转梁延伸方向逐渐减小，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为V形质量块的宽度方向，宽度变化可沿一固定斜率逐渐变化，也可按变化斜率变化；V型质量块作为动梳齿锚点，其上分布有驱动梳齿对中的动梳齿，静梳齿与静梳齿锚点相连，与动梳齿交错布置，即实现驱动梳齿对到扭转轴的距离从镜面部分向扭转梁延伸方向由大到小逐渐变化的分布形式。

从图3可以看出，V形质量块与镜面连接处交接尺寸比较大，保证了其与镜面的连接刚度，使镜面的扭转角度与动梳齿锚点一致，设此处宽度为m，m<R，R为镜面半径；V形质量块末端宽度较小，设宽度为n，n<m，具体尺寸参考振镜要实现的最大转角确定，即保证振镜达到最大转角时，不少于一组动静梳齿对不完全分离，即(n+c_tip)*sin(θ_max)＜t，t为结构层厚度，c_tip为静梳齿端部到动梳齿锚点的距离，θ_max为振镜要实现的最大单边机械转角，即镜面绕扭转梁转动的角度。动梳齿锚点的长L根据振镜所需驱动梳齿中梳齿对的对数确定，扭转梁与其的位置关系，由所需梁的长度和振镜的模态振型和所需频率确定。

需要指出的是，本发明不排除在镜面四周布置梳齿与本专利提到的梳齿分布形式组合设置驱动梳齿对的情况。

优化的，为了解决MEMS振镜工作过程中由于运动失衡而导致梳齿吸附而导致短路失效的问题，在梳齿对中加设限位梳齿对结构；限位梳齿对也由动梳齿和静梳齿组成，但限位梳齿对的梳齿间隙b小于驱动梳齿对中梳齿间隙a，如

如图4示，从而使限位梳齿在梳齿吸附前即可机械接触以阻止驱动梳齿对吸附的发生。

限位梳齿的数量：至少有一组梳齿来限定梳齿两个方向偏移，如图5示，或有至少两对限位梳齿各限定一个方向偏移，如图6示。

限位梳齿位置：组成限位梳齿对的动、静梳齿要位于同一电连接区域，如在动梳齿所在加电区域，如图5和图6示，或动齿或静齿一个加电区域，一个在不加电区域，如图7示。

Claims (7)

1.一种静电梳齿驱动的振镜，包括结构层、绝缘层及支撑层；

其中，所述结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；

所述梳齿驱动机构包括驱动梳齿，所述驱动梳齿包括至少一对梳齿对，所述梳齿对包括动梳齿、动梳齿锚点、静梳齿、静梳齿锚点，所述动梳齿与动梳齿锚点连接，所述静梳齿与静梳齿锚点连接，静梳齿与动梳齿交错并部分重叠分布；

所述动梳齿、动梳齿锚点、扭转梁及反射镜面连接为一个整体；

所述静梳齿锚点、扭转梁固定锚点由支撑层固定；

其特征在于：所述梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，所述动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为动梳齿锚点的宽度方向；

动梳齿锚点小端宽度的尺寸满足下式：

(n+c_tip)*sin(θ_max)＜t

其中t为结构层的厚度，c_tip为静梳齿端部到动梳齿根的距离，θ_max为振镜要实现的最大单边机械转角，n为动梳齿锚点小端的宽度；

动梳齿锚点的长L根据振镜所需驱动梳齿中梳齿对的对数确定。

2.根据权利要求1所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：所述动梳齿锚点大端的宽度小于反射镜面的半径。

3.根据权利要求2所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：静梳齿端距动梳齿根的距离与动梳齿端距静梳齿根的距离不小于梳齿间隙。

4.根据权利要求1至3任一所述的静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：所述梳齿驱动机构还包括至少一个限位梳齿对，组成限位梳齿对的动、静梳齿位于同一电连接区域；或者组成限位梳齿对的动、静梳齿中其中之一位于不加电区域，另一位于加电区；所述限位梳齿对中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙b小于驱动梳齿中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙a。

5.根据权利要求4所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：至少有一对限位梳齿对限定驱动梳齿两个方向偏移，或有至少两对限位梳齿对各限定一个方向偏移。

6.根据权利要求4所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：

7.根据权利要求4所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：动梳齿锚点与静梳齿锚点之间开设有电隔离沟道。

Images