CN108519673B - 集成差分式角传感器的扫描微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成差分式角传感器的电磁驱动式扫描微镜，包括集成了电磁驱动器与角传感器的芯片和紧贴在其上面的硅基MEMS反射镜面。所述芯片由中心镜板、扭转梁和支撑框架构成。为了克服传统硅基MEMS扫描微镜镜面尺寸小和低频器件可靠性差两方面缺陷，本发明采用柔性的FR4或铝作为基底材料；为了提升电磁角传感器的输出信号品质，本发明集成了差分式角传感器，有效减小了非线性误差和共模噪声，并提高了抗干扰能力；为了增大电磁驱动器的驱动能力和角传感器的灵敏度，驱动线圈与传感线圈均采用双层走线的布线方式。本发明结构简单新颖、容易制作、成本低廉且可批量生产，在微型光谱仪、光学扫描系统和生物医学成像等领域有着广泛的应用。

Description

集成差分式角传感器的扫描微镜

技术领域

本发明涉及微机械和光学扫描领域，特别涉及一种扫描微镜。

背景技术

扫描微镜作为一种微型光学扫描元器件，被广泛应用于条形码读取、激光雷达、投影显示、生物医学成像以及微型光谱仪等众多领域。当前，基于MEMS技术的硅微镜以其低成本、低功耗、小体积、可批量生产等众多优点，占据市场主流。然而，硅基MEMS扫描微镜由于硅材料硬而脆的固有属性以及MEMS工艺的限制，使其存在镜面尺寸小和低频器件可靠性差两方面缺陷，极大限制了其在低频、大镜面需求领域的应用，难以满足微型光谱仪、荧光光谱仪以及肠道内窥镜等众多光学微系统的迫切需求。

此外，硅基MEMS扫描微镜一般工作在谐振状态。而环境温度、湿度的变化以及材料自身的疲劳特性等因素都会使得微镜的谐振频率发生改变，使得微镜偏离谐振状态而致扫描角度发生变化。为了实现对微镜扫描角度的精确控制，而同时避免引入外部的光学监测装置引起系统体积的增大，往往在微镜上集成角度传感器提供反馈信号以构成闭环控制。重庆大学微系统中心之前提出了系列集成角度传感器的电磁式扫描微镜，在渐开式驱动线圈的外圈再引入渐开式传感线圈作为角传感器。但是集成的角传感器存在信号微弱、噪声较大且易受环境的干扰等问题，故难以用之真正构成有效的闭环控制以实现对扫描角度的高精度控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种集成差分式角传感器的扫描微镜，不仅克服传统硅基MEMS扫描微镜镜面尺寸小和低频器件可靠性差两方面缺陷，同时提高角传感器信号品质，改善驱动与传感性能。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

提供一种集成差分式角传感器的扫描微镜，包括：集成了电磁驱动器与角传感器的芯片和紧贴在其上面的MEMS反射镜面。

芯片包括中心镜板、扭转梁和支撑框架，中心镜板通过一对扭转梁悬置于支撑框架中。

电磁驱动器的驱动线圈位于中心镜板的表面。

角传感器为差分式结构，由位于中心镜板上偏离扭转轴的两侧角传感线圈构成，每一侧的角传感线圈均在中心镜板的表面。

当通过驱动焊盘施加与微镜固有频率相等的交流电信号时，通电的驱动线圈在外加磁场中将产生洛伦兹力，驱动中心镜板绕扭转梁做谐振扭转，从而带动其上的MEMS反射镜面实现谐振扫描。与之同时，位于中心镜板上偏离扭转轴的两侧角传感线圈上将分别产生大小相等、相位相反且与微镜转角相关的感应电动势，因而将两路角传感信号进行差分输出即可得到高品质的角传感输出信号，实现对微镜转角的实时监测。

进一步，所述芯片以FR4或铝为基底材料，利用PCB技术一体化加工而成。

进一步，所述MEMS反射镜面以单晶硅片为基底材料，利用MEMS技术在其上溅射铝层后直接划片而成。然后，利用环氧树脂将其粘贴于中心镜板上。

进一步，所述驱动线圈与差分式角传感线圈均采用双层走线方式布于中心镜板正反面，两层线圈通过通孔连接，并经由扭转梁引出与焊盘连接。

进一步，所述中心镜板与硅基MEMS反射镜面均为长方体结构，驱动线圈与差分式角传感线圈均为长方形渐开式双层多匝铜线圈，利用PCB技术加工而成。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1.本发明采用柔性的FR4或铝尤其是FR4作为基底材料，显著提高了低频扫描器件的可靠性，使其具有较强的抗冲击和抗振动性能。

2.本发明集成了角传感器，可用于对微镜转角进行实时监测；且集成的角传感器采用差分式结构，有效减小了非线性误差和共模噪声，使得角传感信号品质大为提升，并提高了抗干扰能力。

3.驱动线圈与角传感线圈均采用双层走线的布线方式一体化加工而成，不仅降低了工艺复杂度，而且显著增大了电磁驱动器的驱动能力和角传感器的灵敏度。

4.本发明采用PCB技术与MEMS技术相结合的加工方式，克服了硅基MEMS扫描镜镜面尺寸小的缺陷，而且具有镜面品质高、成本低廉、可批量生产的优势。

附图说明

图1为本发明的集成差分式角传感器的FR4扫描微镜的立体结构示意图。

图2为FR4芯片的顶层布线图（正面布局）。

图3为FR4芯片的底层布线图（背面布局）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下实施例是以FR4作为芯片的基底材料为例，整个FR4芯片以0.4 mm厚的PCB板通用板材FR4为基底材料，利用商业化的PCB技术一体化加工而成。

参见图1至图3，集成差分式角传感器的FR4扫描微镜包括集成电磁驱动器与角传感器的FR4芯片1和紧贴在其上面的硅基MEMS反射镜面2。

FR4芯片包括中心镜板3、扭转梁4、支撑框架5。

中心镜板3为长方体结构，位于整个FR4芯片1中间位置，由一对扭转梁4悬置于支撑框架5中。

电磁驱动器的驱动线圈6与角传感器的差分式角传感线圈9均为集成于中心镜板3上下表面的长方形渐开式双层多匝铜线圈，且上下两层线圈均通过通孔7连接，均分别经由扭转梁4的上下表面引出至位于支撑框架5上的沉金焊盘8处。驱动线圈6位于中心镜板3的中心位置，而一对差分式角传感线圈9则分别位于中心镜板3上偏离扭转轴的两侧。

硅基MEMS反射镜面2以0.5 mm厚的4英寸单晶硅片为基底材料，利用MEMS技术在其表面溅射一层100 nm厚的铝膜后，直接划片而成。然后，利用环氧树脂粘接剂将硅基MEMS反射镜面2粘贴于中心镜板3上表面。

当给驱动线圈6施加与微镜固有频率相等的交流电信号时，通电的驱动线圈6在外加磁场中将产生洛伦兹力，驱动中心镜板3绕扭转梁4做谐振扭转，从而带动其上的硅基MEMS反射镜面2实现谐振扫描。与之同时，位于中心镜板3上偏离扭转轴4的两侧角传感线圈9上将分别产生大小相等、相位相反且与微镜转角相关的感应电动势，因而将两路角传感信号用通用的差分输出电路进行差分输出即可得到高品质的角传感输出信号，实现对微镜转角的实时监测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种集成差分式角传感器的扫描微镜，包括芯片、MEMS反射镜面、电磁驱动器和角传感器；其特征在于：

所述芯片包括中心镜板、扭转梁、支撑框架；中心镜板通过一对扭转梁悬置于支撑框架中；

所述电磁驱动器的驱动线圈位于中心镜板的表面；

所述角传感器为差分式结构，由位于中心镜板上偏离扭转轴的两侧角传感线圈构成，每一侧的角传感线圈均在中心镜板的表面；

所述MEMS反射镜面紧贴在集成了电磁驱动器与角传感器的芯片的中心镜板；所述芯片以FR4或铝为基底材料，利用PCB技术一体化加工而成。

2.根据权利要求1所述的集成差分式角传感器的扫描微镜，其特征在于：所述驱动线圈与差分式角传感线圈均采用双层走线方式布于中心镜板正反面，两层线圈通过通孔连接，并经由扭转梁引出与焊盘连接。

3.根据权利要求1所述的集成差分式角传感器的扫描微镜，其特征在于：所述驱动线圈与角传感线圈均为渐开式双层多匝铜线圈，利用PCB技术加工而成。

4.根据权利要求3所述的集成差分式角传感器的扫描微镜，其特征在于：所述中心镜板与硅基MEMS反射镜面均为长方体结构，渐开式双层多匝铜线圈为长方形。

5.根据权利要求1所述的集成差分式角传感器的扫描微镜，其特征在于：所述中心镜板位于整个芯片的中间位置。

6.根据权利要求1-5之任一项所述的集成差分式角传感器的扫描微镜，其特征在于：所述MEMS反射镜面以单晶硅片为基底材料，利用MEMS技术在其上溅射铝层后直接划片而成；然后，利用环氧树脂将其粘贴于所述中心镜板上。

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