CN108061966A - 一种兼具平动和转动工作模式的微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼具平动和转动工作模式的微镜，其特征在于，所述微镜包括：镜面；第一外框架，所述第一外框架环绕所述镜面设置，且所述第一外框架与所述镜面之间通过第一分布式弹簧动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿；第二外框架，所述第二外框架环绕所述第一外框架设置，且在所述第二外框架内侧与所述动梳齿对应的位置设置静梳齿；所述第一外框架与所述第二外框架之间通过第二分布式弹簧链接。该结构拥有镜面以及外框架结构，并且将梳齿布置在了外框架的四周，既可以在垂直于微镜表面的方向上平行振动，也可以微镜的转轴转动。

Description

一种兼具平动和转动工作模式的微镜

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS:Micro-electromechanical Systems)技术领域，具体涉及一种具有分布式弹性结构的微镜。

背景技术

微镜是基于半导体微加工技术的光学装置。由于具有体积小、扫描频率高和能耗低的特点，微镜在激光雷达、激光扫描投影、内窥镜、光开关和红外光谱仪等领域，拥有广泛的应用前景。其中激光雷达等应用对探测视场有很高的要求，这就需要微镜进行大角度的机械偏转。而红外光谱仪等应用又需要微镜在垂直方向进行振动，并且要求有较大的行程。此外，为了实现更高的帧频和分辨率，微镜必须工作在高频模态。其次，过大的动态形变会导致出射激光光斑畸变，严重影响激光雷达的探测精度或扫描式投影的质量，通常要求微镜的最大动态形变不超过激光波长的十分之一。成熟的微镜芯片必须同时满足以上三个条件，对器件的设计和加工提出了很高的要求。微镜的驱动手段分为多种，其中静电驱动微镜工艺简单、结构紧凑，具有最广阔的应用前景。但是传统的静电驱动微镜中，梳齿和镜面构成近似刚性的整体，拥有相同的偏转角度。该类微镜通常有两种设计：其一，动梳齿直接分布在镜面边缘，当偏转角度增大时，动静梳齿对的极板间距会迅速变大，致使驱动力矩不足，角度无法持续增加；而且动梳齿直接与镜面边缘相连，会显著增大微镜的动态形变。其二，动梳齿分布在与微镜相连的刚性连接体上，此时梳齿的数量受微镜总尺寸限制，电容极板面积有限，静电驱动力无法支撑高频、大角度扫描。除上述缺陷外，传统微镜设计中动梳齿与镜面一起进行高速振动，面临更大的空气阻尼。因此，传统的微镜结构难以同时满足高频、大角度和低动态形变的指标。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了本发明提出一种微镜结构，旨在实现高频、大角度和低动态形变的机械扫描功能，其具体技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种兼具平动和转动工作模式的微镜，所述微镜包括：镜面；第一外框架，所述第一外框架环绕所述镜面设置，且所述第一外框架与所述镜面之间通过第一分布式弹簧动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿；第二外框架，所述第二外框架环绕所述第一外框架设置，且在所述第二外框架内侧与所述动梳齿对应的位置设置静梳齿；所述第一外框架与所述第二外框架之间通过第二分布式弹簧连接。

优选地，所述第一分布式弹簧为平面弹簧结构，相互垂直的两对所述第一分布式弹簧呈十字状分布且定义所述微镜的平动轴。

优选地，所述第二分布式弹簧设置于所述第一外框架外侧，形成呈十字状分布的两对弹簧，相互垂直的两对弹簧分别定义所述微镜的第一转动轴和第二转动轴。

优选地，所述平动模式下，镜面的振动幅度是第一外框架振动幅度的M1倍，实现振动幅度的放大；所述转动模式下，所述镜面的角速度是第一外框架角速度的M2倍，以实现旋转角度的放大。

优选地，所述第二分布式弹簧的分布与所述微镜的转动轴重合。

本发明的第二方面，提供另一种兼具平动和转动工作模式的微镜，所述微镜包括：

镜面；第一外框架，所述第一外框架环绕所述镜面设置，且所述第一外框架与所述镜面之间通过第一分布式弹簧动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿；

第二外框架，所述第二外框架环绕所述第一外框架设置，且在所述第二外框架内侧与所述动梳齿对应的位置设置静梳齿；

所述第一外框架与所述第二外框架之间通过第二分布式弹簧链接。

优选地，所述第一分布式弹簧为平面弹簧结构，相互垂直的两对所述第一分布式弹簧呈十字状分布且定义所述微镜的平动轴。

优选地，所述第二分布式弹簧设置于所述第一外框架外侧，形成呈十字状分布的两对弹簧，相互垂直的两对弹簧分别定义所述微镜的第一转动轴和第二转动轴呈45°夹角；所述第二分布式弹簧的分布与所述微镜的转动轴夹角为45°。

优选地，镜面的振动幅度是第一外框架振动幅度的M1倍，以实现振动幅度的放大；所述转动模式下，所述镜面的角速度是第一外框架角速度的M2倍，以实现旋转角度的放大。

本发明的第三方面，提供一种激光雷达，包含前述兼具平动和转动工作模式的微镜。

本发明能够达到的有益效果：

一、微镜可以在平动工作模式和转动工作模式之间自由切换。

二、外框架尺寸较大，可以布置更多的梳齿对，提升电容极板面积，为微镜的振动提供更强大的力矩。

三、工作于机械耦合模态时，可以将动梳齿的小幅振动放大为镜面的大幅度振动。

四、可以降低空气阻尼对动梳齿的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是本发明实施例提供的兼具平动和转动工作模式的微镜结构示意图。

图2是本发明实施例提供的另一种兼具平动和转动工作模式的微镜结构示意图。

图3(a)是本发明实施例提供的微镜平动模式原理示意图。

图3(b)是本发明实施例提供的微镜平动模式原理示意图。

图3(c)是本发明实施例提供的微镜转动模式原理示意图。

图3(d)是本发明实施例提供的微镜转动模式原理示意图。

图4(a)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图4(b)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图4(c)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图4(d)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图4(e)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图4(f)是本发明实施例提供的分布式弹簧弹性结构示意图。

图5是本发明实施例提供的具有垂直梳齿结构的微镜结构示意图。

图6是本发明实施例提供的具有垂直梳齿结构的微镜结构示意图。

本实施例涉及的附图标记解释如下：

101-静梳齿，102-动梳齿，103-第一外框架，104-第二弹性结构，105-固定锚点，106-第一弹性结构，107-微镜镜面，108，109-转轴，110-第二外框架。

201-静梳齿，202-动梳齿，203-第一外框架，204-第二弹性结构，205-固定锚点，206-第一弹性结构，207-微镜镜面，210-第二外框架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一(描述弹簧设置于框架中央的微镜结构)：

如图1所示，其中提供一种微镜结构，所述微镜可以在不同的驱动模式下兼具平动和转动的工作模式，所述微镜包括：

微镜镜面107，所述微镜镜面107会在外部驱动的作用下，沿着微镜转轴发生偏转。根据转轴的不同，偏转包括平动或者转动两种，平动是指微镜镜面107沿着所述镜面法相的方向平行振动；转动是指镜面107绕着所述微镜平面的一个或多个转轴发生的偏转。

微镜镜面107四周环绕设置有第一外框架103，第一外框架103与镜面107通过第一分布式弹性结构106连接，分布式弹性结构106起到支撑镜面107的作用，同时会在镜面发生偏转时提供回复力。第一分布式弹性结构106会在微镜镜面107发生偏转时产生扭转或者拉伸，其与微镜镜面107之间是一种动态连接。

所述第一外框架103外侧设置有动梳齿102，动梳齿102分布在第一外框架103的每一条边。具体地，动梳齿102对称分布在第一分布式弹性结构的两侧，且梳齿均匀分布，第一外框架103受到的驱动力是均匀的。

第二外框架110环绕所述第一外框架103设置，且在所述第二外框架110内侧与所述动梳齿102对应的位置设置静梳齿101。静梳齿101是与动梳齿102对应的梳齿，二者交错设置。所述动梳齿和所述静梳齿之间通过第二弹性结构连接，第二弹性结构为四个，四个第二弹性结构分别位于第一框架103四边的中部，与第二框架上110上的锚点105弹性连接，弹性的结构的作用力作用在所述第二外框架110的中央。并且四个第二弹性结构104呈十字状分布，定义了两个互相垂直的旋转轴108和109。这样，在静梳齿与动梳齿之上施加电压，二者产生相互作用力之后，所述微镜面会有三种偏转方式，沿着镜面法线方向平动，绕着旋转轴108偏转，绕着旋转轴109偏转。第一弹性结构和第二弹性结构在平动和偏转过程中为微镜镜面提供支撑和回复力。

在一个具体的示例中，第一分布式弹性结构106也同样为四个，且在微镜平面上的两两相互，构成十字状。四个第一分布式弹性结构与四个第二分布式弹性结构所在选择轴呈一角度。为了保证转动过程对第一弹性结构的扰动最小，第一分布式弹性的结构和第二分布式弹性结构之间的夹角为45°，这样相邻弹性结构的受力可以相互抵消，减少由于受力不均带来的扰动，以及可能产生动态形变。

在一个具体的示例中，通过改变施加的电压可以实现微镜在可以在平动工作模式和转动工作模式之间自由切换，保证微镜工作于不同的模态。

在一个具体的示例中，设置较大尺寸的第一外框架和第二外框架，从而提供更多的空间布置平面梳齿对和更大的电容极板面积，保证微镜镜面可以具有更大的驱动力矩。

在一个具体的示例中，当所述微镜工作于机械耦合模态时，可以将动梳齿的小幅振动放大为镜面的大幅度振动，由于梳齿的振动速率小于镜面的震动速率，可以减少空气阻尼对微镜镜面的影响。

综上所示，本实施例提供的微镜结构，能够保证微镜工作于不同的模态，同时使微镜具有更大的驱动力矩，减少微镜收到的空气阻尼。

实施例二(描述弹簧设置于框架四角的微镜结构)：

如图2所示，其中提供一种微镜结构，所述微镜可以在不同的驱动模式下兼具平动和转动的工作模式，所述微镜包括：

微镜镜面207，所述微镜镜面207会在外部驱动的作用下，沿着微镜转轴发生偏转。根据转轴的不同，偏转包括平动或者转动两种，平动是指微镜镜面207沿着所述镜面法相的方向平行振动；转动是指镜面207绕着所述微镜平面的一个或多个转轴发生的偏转。

微镜镜面207四周环绕设置有第一外框架203，第一外框架203与镜面207通过第一分布式弹性结构206连接，分布式弹性结构206起到支撑镜面207的作用，同时会在镜面发生偏转时提供回复力。第一分布式弹性结构206会在微镜镜面207发生偏转时产生扭转或者拉伸，其与微镜镜面207之间是一种动态连接。

所述第一外框架203外侧设置有动梳齿202，动梳齿202分布在第一外框架103的每一条边。具体地，动梳齿202对称分布在第一分布式弹性结构的两侧，且梳齿均匀分布，第一外框架203受到的驱动力是均匀的。

第二外框架210环绕所述第一外框架203设置，且在所述第二外框架210内侧与所述动梳齿102对应的位置设置静梳齿201。静梳齿201是与动梳齿202对应的梳齿，二者交错设置。所述动梳齿和所述静梳齿之间通过第二弹性结构连接，第二弹性结构为四个，四个第二弹性结构分别位于第一框架203边框的四角，与第二框架上210上位于四角的锚点205弹性连接，弹性的结构的作用力作用在所述第二外框架210的四角锚点处。并且四个第二弹性结构204呈十字状分布，通过该结构确定两个互相垂直的旋转轴(该结构的旋转轴为边框中点连线，图中未示出)。这样，在静梳齿与动梳齿之上施加电压，二者产生相互作用力之后，所述微镜面会有三种偏转方式，沿着镜面法线方向平动，绕着两个旋转轴偏转。第一弹性结构和第二弹性结构在平动和偏转过程中为微镜镜面提供支撑和回复力。

在一个具体的示例中，所述第一外框架具有延对象方向外延伸的梁208，所述梁208的末端连接第二弹性结构204的一端。所述第二弹性结构204的另一端连接锚点205，所述梁208与所述第一外框架接触部两侧具有深刻蚀槽209，所述深刻蚀槽209可以减小第一外框架的非均匀形变。在一个具体的示例中，第一分布式弹性结构206也同样为四个，且在微镜平面上的两两相互，构成十字状。四个第一分布式弹性结构与四个第二分布式弹性结构所在选择轴呈一角度。为了保证转动过程对第一弹性结构的扰动最小，第一分布式弹性的结构和第二分布式弹性结构之间的夹角为0°，这样相邻弹性结构的受力在同一直线上，且与旋转轴的夹角为45°，从而保证分解在两个旋转轴上的力是周期性动态平衡的。

在一个具体的示例中，通过改变施加的电压可以实现微镜在可以在平动工作模式和转动工作模式之间自由切换。保证微镜工作于不同的模态下。

在一个具体的示例中，设置较大尺寸的第一外框架和第二外框架，从而提供更多的空间布置平面梳齿对和更大的电容极板面积，保证微镜镜面可以具有更大的驱动力矩

在一个具体的示例中，当所述微镜工作于机械耦合模态时，可以将动梳齿的小幅振动放大为镜面的大幅度振动，由于梳齿的振动速率小于镜面的震动速率，可以减少空气阻尼对微镜镜面的影响。

实施例三(驱动原理和驱动特性)：

实施例一、二所述结构的微镜，若在动梳齿202和静梳齿201之间施加周期电压信号，即可在特定频率下激发共振模式，使镜面发生偏转。

如图3(a)、3(b)所示，初始态将动梳齿整体置于零电压，当在所有静梳齿上施加相同的周期性驱动电压时，可以激发起平动共振模态。在所述平动共振模态下，镜面在垂直于芯片表面的方向上振动。

第一分布式弹性结构连接于镜面和第一外框架之间，第二分布式弹性结构连接于第一外框架和第二外框架之间。

当第二分布式弹性结构的平动劲度系数大于第一分布式弹性结构时，微镜可以工作在同相放大模式。在所述同相放大模式下，外框架与镜面的振动没有相位差，且外框架振动幅度明显小于镜面。图3(a)描述了同相放大平动模态的工作方式，第一外框架319相对于静梳齿318发生小幅的垂直运动，而镜面320相对于静梳齿318进行大幅度的垂直运动，两者之间通过第一分布式弹性结构机械耦合，且相对于初始位置的振动方向相同。

当第二分布式弹性结构的平动劲度系数小于第一分布式弹性结构时，微镜可以工作在异相放大模式。在所述异相放大模式下，外框架与镜面的振动相位相差π，且外框架振动幅度明显小于镜面。图3(b)描述了异相放大平动模态的工作方式，第一外框架319相对于静梳齿318发生小幅的垂直运动，而镜面320相对于静梳齿318进行大幅度的垂直运动，两者之间通过第一分布式弹性结构机械耦合，且相对于初始位置的振动方向相反。

在上述同相放大平动模态和异性放大平动模态下，由外框架到镜面的振动幅度放大倍数M1，根据具体的参数设计为2～50倍。此时，镜面的振动幅度是第一外框架振动幅度的M1倍，实现振动幅度的放大。

如图3(c)、3(c)所示，初始态将动梳齿整体置于零电压，当在某一组呈180°相对分布的静梳齿上施加周期性驱动电压时，可以激发起转动共振模态，镜面绕位于芯片平面内的转轴振动。

当第二分布式弹性结构相对于该转轴的扭转劲度系数大于第一分布式弹性结构时，微镜可以工作在同相放大模式。在所述同相放大模式下，外框架与镜面的振动没有相位差，且外框架振动幅度明显小于镜面。图3(c)描述了同相放大转动模态的工作方式,第一外框架319相对于转轴321发生小幅的转动，而镜面320相对于转轴321进行大幅度的转动，两者之间通过第一分布式弹性结构进行机械耦合，且二者的偏转频率相同，偏转方向一致。

当第二分布式弹性结构相对于该转轴的扭转劲度系数小于第一分布式弹性结构时，微镜可以工作在异相放大模式，即外框架319与镜面320的振动相位相差π，且外框架319振动幅度明显小于镜面320。此时的工作情形可由图3(d)进行描述，描述了异相放大转动模态的工作方式,第一外框架319相对于转轴321发生小幅的转动，而镜面320相对于转轴321进行大幅度的转动，两者之间通过第一分布式弹性结构进行机械耦合，且二者的偏转频率相同，偏转方向相反。

在上述同相放大平动模态和异性放大平动模态下，一旦确定分布式弹簧的劲度系数，以及外框架3、环形支撑件10和镜面11的转动惯量，即可确定镜面偏转角度相对于外框架偏转角度的放大倍数M2，根据具体的参数设计为2～50倍。此时外框架的最大角速度是镜面最大角速度的M分之一，有效缓解了空气阻力对外框架和动梳齿施加的阻力力矩。由于处于外框架上的动梳齿偏转角度小，与静梳齿之间的极板间距保持在有限的范围内，静电驱动力矩不会出现过大的衰减，从而扩大了镜面振幅与驱动电压曲线的线性范围，有利于实现更大角度扫描。

在本发明实施例中，第一外框架和第二外框架可以具有比较大的尺寸比较大，有利于布置更多的梳齿对，增大电容极板面积，提高梳齿驱动力，使微镜器件能够满足高频、大角度的工作要求。

实施例四(弹簧结构的具体结构)：

图1、图2中展示了在平面上回旋曲折的单弹簧结构作为分布式弹性结构。其中位于内部的第一分布式弹簧可以是平面回转弧形结构，所述平面回转弧形结构，在平面内回转弯折，每个弯折的宽度沿弹簧的径向方向逐渐减少，弯折的边沿基本沿镜面的半径分布，且每个弯折具有弧度，弧度与所述镜面外轮廓弧度相同，使得整个弹簧结构的轮廓为一个扇形(扇环)形状；平面回转弧形结构与第一外框架和镜面之间的连接部位于所述平面回转弧形结构的中央。图1中展示的弹簧结构由于每个弯折是弧形的，在镜面平动过程中，有利于弹簧受力的均匀，也能够保证镜面在不同位置时受力的线性度。

位于外部的第二分布式弹簧是一个平面的弯折弹簧，平面弯折弹簧为偏转提供回复力和支持力。

分布式弹性结构的具体结构还可以具有除图1、图2所示的分布式弹簧之外的其他结构。不同的分布式弹性结构在不同的扫描方式和微镜结构相配合。不同的分布式弹性结构还可以在同一个微镜结构中的不同位置。

如图4(a)所示，分布式弹簧结构116将弹簧曲折横向排布，固定端沿弹簧可伸长方向延伸一距离后，连续弯折90°，并与弹簧方向平行，之后，在弹簧中央位置再次弯折90°作为与镜面和支架连接的固定端。

如图4(b)所示，分布式弹簧结构117,第一固定端在弹簧的中部，弹簧本体自固定端向其左右两个方向延伸，并在延伸方向的末端设置两个第二固定端，固定部的方向与固定端在弹簧中部的固定部延伸方向相反；分布式弹簧结构117以其第一固定端为对称轴，在轴线呈对称分布。

如图4(c)所示，分布式弹性结构包括沿转轴方向曲折的弹簧结构1181、1182，结构1181、1181是曲折的数量不限。

如图4(d)所示，分布式弹性结构包括一个或多个Z字形曲折所构成的弹簧结构119。

如图4(e)所示，分布式弹性结构包括直线轴与一个或多个方形框架构成的弹簧结构2010、2020。

如图4(f)所示，分布式弹性结构包括一个或多个由直线轴和菱形框架构成的弹簧结构2030。

上述分布式弹簧可以根据不同的力学设置作为设置在内部的第一分布式弹簧和设置在外部的第二分布式弹簧，由于分布式弹簧设置在不同的位置，不同位置的弹簧可以由一个或多个相同形貌的弹簧单元组成；每个位置也可以由单个弹簧或者多个弹簧的组合来实现对应的力学设置。利用多种弹簧的组合有利于抑制只有单个弹簧形貌时微镜的干扰模式，从而使微镜保持在设计振动模态上稳定工作。

实施例五(垂直梳齿结构)：

图5一种基于垂直梳齿的微镜结构，其基本结构与图1所对应的实施例基本相同：

第一外框架环绕所述镜面设置，且所述第一外框架与所述镜面之间通过第一分布式弹簧动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿。第二外框架环绕所述第一外框架设置，且在所述第二外框架内侧与所述动梳齿对应的位置设置静梳齿。所述第一外框架与所述第二外框架之间通过第二分布式弹簧链接，第二分布式弹簧分别于第一外框架和第二外框架对应边框的中部连接，与所述微镜的偏转轴重合。

不同之处在于第一外框架和第二外框架之间使用垂直梳齿对结构替换平面梳齿对结构，该结构中动梳齿与静梳齿不完全处于一个平面内。具体如图5所示，与第一外框架连接的动梳齿与第一外框架以及镜面位于第一平板，第二外框架以及与第二外框架相连的静梳齿位于第二平板，第一平板与第二平板基本平行且位于所述第二平板上方，即动梳齿在上、静梳齿在下。

除上述结构外，第一平板和第二平板的位置也可以是第一平板位于第二平板下方。

第一平板和第二平板中的动梳齿和静梳齿可以是完全错开，也可以具有一定的重叠面积。

第一平板和第二平板中的动梳齿和静梳齿的厚度可以相同，也可以不同。

使用本实施例中的垂直错位梳齿可以快速地激发微镜的振动，并且有利于电容检测时判断振动方向，其可以工作在平动和转动工作模式下。

实施例六(垂直梳齿结构)：

图6一种基于垂直梳齿的微镜结构，其基本结构与图2所对应的实施例基本相同：

第一外框架环绕所述镜面设置，且所述第一外框架与所述镜面之间通过第一分布式弹簧动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿。第二外框架环绕所述第一外框架设置，且在所述第二外框架内侧与所述动梳齿对应的位置设置静梳齿。所述第一外框架与所述第二外框架之间通过第二分布式弹簧链接，第二分布式弹簧分别于第一外框架和第二外框架对应边框的四角，与所述微镜的偏转轴夹角为45°。

不同之处在于第一外框架和第二外框架之间为垂直梳齿对结构，该结构中动梳齿与静梳齿不完全处于一个平面内。具体如图6所示，与第一外框架连接的动梳齿与第一外框架以及镜面位于第一平板，第二外框架以及与第二外框架相连的静梳齿位于第二平板，第一平板与第二平板基本平行且位于所述第二平板上方，即动梳齿在上、静梳齿在下。

除上述结构外，第一平板和第二平板的位置也可以是第一平板位于第二平板下方。

第一平板和第二平板中的动梳齿和静梳齿可以是完全错开，也可以具有一定的重叠面积。

第一平板和第二平板中的动梳齿和静梳齿的厚度可以相同，也可以不同。

使用本实施例中的垂直错位梳齿可以快速地激发微镜的振动，并且有利于电容检测时判断振动方向，其可以工作在平动和转动工作模式下。

实施例七(在激光雷达中的具体应用，例如激光雷达的光路图)：

本实施例提出一种应用前述实施例的微镜结构的激光雷达，本发明提供的兼具平动和转动模式的微镜是光路中重要的光学中继部件和扫描器件，可以在平动工作模式和转动工作模式之间自由切换。从而实现对出射、入射光束的偏转。

实施例八(具体尺寸参数设计):

本发明提出一种新颖的微镜设计，旨在实现高频、大振幅和低动态形变的机械扫描功能。该微镜加工所使用的SOI晶圆，由一层或多层单晶硅器件层，一层或多层二氧化硅掩埋层和底部单晶硅衬底层构成。其中单晶硅器件层厚度在10～100μm之间。通过选择性干刻可以定义微镜的整体结构，在特定区域蒸镀上金属薄层即可获得高反射率的镜面以及用于引线接合的焊盘区域。

具体而言，该微镜含有一个镜面部分，特征尺寸在0.25～10mm之间。镜面通过若干个内部弹簧与外框架相连，该内部弹簧为镜面提供回复力矩。动梳齿对称分布于外框架外侧的各个方位，与静梳齿构成平面梳齿对或垂直错位梳齿对。外框架与外围固定锚点由若干个外部弹簧相连，该外部弹簧为外框架提供回复力矩。

将动梳齿整体置于零电压。当在所有静梳齿上施加相同的周期性驱动电压时，可以激发起平动共振模态，镜面在垂直于芯片表面的方向上振动。当外部弹簧的平动弹簧平动劲度系数大于内部弹簧时，微镜可以工作在同相放大模式，即外框架与镜面的振动没有相位差，且外框架振动幅度明显小于镜面。当外部弹簧的平动弹簧劲度系数小于内部弹簧时，微镜可以工作在异相放大模式，即外框架与镜面的振动相位相差π，且外框架振动幅度明显小于镜面。由外框架到镜面的振动幅度放大倍数设计为2～50倍。

将动梳齿整体置于零电压。当在某一组呈180°相对分布的静梳齿上施加周期性驱动电压时，可以激发起转动共振模态，镜面绕位于芯片平面内的转轴振动。当外部弹簧相对于该转轴的扭转劲度系数大于内部弹簧时，微镜可以工作在同相放大模式，即外框架与镜面的振动没有相位差，且外框架振动幅度明显小于镜面。当外部弹簧相对于该转轴的扭转劲度系数小于内部弹簧时，微镜可以工作在异相放大模式，即外框架与镜面的振动相位相差π，且外框架振动幅度明显小于镜面。由外框架到镜面的振动幅度放大倍数设计为2～50倍。

本发明所述结构可以在平动和转动模态之间自由切换，可以布局更多的梳齿对数，以增强静电驱动力矩，有利于进行大幅度、高频扫描；由于梳齿振动速度小，微镜受到的空气阻尼有限；振幅放大原理提升了镜面的最大扫描角度；动梳齿没有直接布置在镜面附近，可以有效压制动态形变。该微镜工艺简单、性能优良，适合于多样的光束扫描应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兼具平动和转动工作模式的微镜，其特征在于，所述微镜包括：

镜面(107)；

第一外框架(103)，所述第一外框架(103)环绕所述镜面(107)设置，且所述第一外框架(103)与所述镜面(107)之间通过第一分布式弹簧(106)动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿(102)；

第二外框架(110)，所述第二外框架(110)环绕所述第一外框架(103)设置，且在所述第二外框架(110)内侧与所述动梳齿(102)对应的位置设置静梳齿(101)；

所述第一外框架(103)与所述第二外框架(110)之间通过第二分布式弹簧(104)连接。

2.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述第一分布式弹簧(106)为平面弹簧结构，相互垂直的两对所述第一分布式弹簧(106)呈十字状分布且定义所述微镜的平动轴。

3.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述第二分布式弹簧(104)设置于所述第一外框架(103)外侧，形成呈十字状分布的两对弹簧，相互垂直的两对弹簧分别定义所述微镜的第一转动轴(108)和第二转动轴(109)。

4.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述平动模式下，镜面(107)的振动幅度是第一外框架(103)振动幅度的M1倍，实现振动幅度的放大；所述转动模式下，所述镜面(107)的偏转角速度是第一外框架(103)偏转角速度的M2倍，以实现旋转角度的放大。

5.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述动梳齿(102)和所述静梳齿(101)构成平面梳齿对或者垂直梳齿对。

6.一种兼具平动和转动工作模式的微镜，其特征在于，所述微镜包括：

镜面(207)；

第一外框架(203)，所述第一外框架(203)环绕所述镜面(207)设置，且所述第一外框架(203)与所述镜面(207)之间通过第一分布式弹簧(206)动态连接；所述第一外框架外侧设置有动梳齿(202)；

第二外框架(210)，所述第二外框架(210)环绕所述第一外框架(203)设置，且在所述第二外框架(210)内侧与所述动梳齿(202)对应的位置设置静梳齿(201)；

所述第一外框架(203)与所述第二外框架(210)之间通过第二分布式弹簧(204)链接；所述第二分布式弹簧(204)连接于所述第一外框架的四角与所述第二外框架四角的锚点之间。

7.根据权利要求6所述的微镜，其特征在于，所述第一分布式弹簧(106)为平面弹簧结构，相互垂直的两对所述第一分布式弹簧(206)呈十字状分布且定义所述微镜的平动轴。

8.根据权利要求6所述的微镜，其特征在于，所述第二分布式弹簧(204)设置于所述第一外框架(203)外侧，形成呈十字状分布的两对弹簧，相互垂直的两对弹簧分别定义所述微镜的第一转动轴和第二转动轴呈45°夹角；所述第二分布式弹簧(204)的分布与所述微镜的转动轴夹角为45°。

9.根据权利要求6所述的微镜，其特征在于，所述平动模式下，镜面(207)的振动幅度是第一外框架(203)振动幅度的M1倍，以实现振动幅度的放大；所述转动模式下，所述镜面(207)的角速度是第一外框架(203)角速度的M2倍，以实现旋转角度的放大。

10.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述动梳齿(202)和所述静梳齿(201)构成平面梳齿对或者垂直梳齿对。