CN109521561A - 一种电磁mems微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁MEMS微镜，其中，包括框架，所述框架内还设置有镜面，所述镜面通过第一转轴与所述框架内侧连接，所述框架外侧还设置有第二转轴，所述镜面的背面设置有软磁薄膜。上述电磁MEMS微镜，软磁薄膜和带有磁芯的第一驱动线圈产生的电磁力，为第一转轴(快轴)提供驱动力；永磁体和第二驱动线圈产生的电磁力，为第二转轴(慢轴)提供驱动力；以此实现光栅扫描，增加快轴扫描频率，同时对慢轴能够实现静态驱动控制。

Description

一种电磁MEMS微镜
技术领域
本发明涉及微机电领域，尤其涉及一种电磁MEMS微镜。
背景技术
MEMS微镜是基于微纳加工工艺制作的一种光学器件，其基本原理如图1，即反射镜在微小驱动结构的作用力下，发生扭转或变形，通过微镜一定角度的偏转从而改变光束的传播方向。激光投影、激光雷达、三维扫描、MEMS光开关等光电技术已成为研究热点，其中MEMS微镜作为关键元件，对于相关技术的开发研究有着重要意义。MEMS微镜具有扫描速度快，结构紧凑，机械性能良好等优点，在条码识别、激光通信、光纤光开关、激光雷达及激光显示等领域具有重要应用。
MEMS微镜的驱动方式通常分为四种：静电驱动、电热驱动、压电驱动和电磁驱动。静电驱动是通过平行板电极或者梳齿电极的相互运动来产生静电力，结构简单且封装尺寸小，工艺成熟，但容易发生吸合现象。电热驱动是依靠材料的热膨胀效应，使得轴部结构变形来驱动微镜振动。一般来说静电驱动和电热驱动所产生的力较小，多用于小尺寸微镜(即镜面面积小)的应用领域。压电驱动是将金属-压电材料-金属三层材料作为驱动器，基于晶体的逆压电效应，交变电场引起材料发生机械变形从而产生力。电磁驱动的研究较为广泛，利用外部磁铁和平面线圈相互作用来产生洛伦兹力驱动，工艺成熟。压电驱动和电磁驱动所产生的力较大，可用于大尺寸微镜的应用领域。压电驱动的MEMS微镜难以与MEMS工艺相结合，并不适用于量产。
现有的电磁MEMS微镜，镜面尺寸较大的情况下，一般工作在谐振状态以满足大扫描角度，无法实现静态扫描；同时电磁驱动力不足，无法进行大角度的偏转完成光栅扫描；可动线圈-静止磁铁的电磁驱动MEMS微镜，制作工艺复杂，成本高昂；微镜长时间工作或大电流驱动时，产生的热量会使微镜的谐振频率发生漂移，严重的情况下会造成微镜损坏(由于产生的热量过高使线圈发生氧化)。
发明内容
本发明实施例中提供了一种电磁MEMS微镜，能够增加镜面尺寸、增加微镜的扫描角度，同时不降低微镜的谐振频率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
提供了一种电磁MEMS微镜，其中，包括框架，所述框架内还设置有镜面，所述镜面通过第一转轴与所述框架内侧连接，所述框架外侧还设置有第二转轴，所述镜面的背面设置有软磁薄膜。
优选的，所述框架外侧通过所述第二转轴与基板连接，所述第一转轴和所述第二转轴的方向呈交叉设置。
优选的，所述第一转轴的方向垂直于所述第二转轴的方向，呈十字交叉设置。
优选的，所述软磁薄膜的下方设置有第一驱动线圈，两个所述第一驱动线圈沿所述第一转轴的方向排列。
优选的，所述第一驱动线圈内设置有磁芯。
优选的，所述第一驱动线圈的底端通过磁棒相连。
优选的，所述框架上设置有永磁体，两个所述永磁体沿所述第一转轴延伸的方向排列。
优选的，所述框架上开设有刻蚀槽，所述永磁体固定于所述蚀刻槽中。
优选的，所述永磁体的下方对应设置有第二驱动线圈。
优选的，所述框架、所述第一转轴、所述第二转轴均采用单晶硅材料。
本发明公开了一种电磁MEMS微镜，其镜面通过第一转轴与框架内侧连接，镜面的背面设置有软磁薄膜；框架外侧通过第二转轴与基板连接；第一转轴和第二转轴的方向呈交叉设置；软磁薄膜的下方沿第一转轴的方向排列有两个第一驱动线圈；框架上沿第一转轴延伸的方向排列有两个永磁体；永磁体下方对应设置有第二驱动线圈。上述电磁MEMS微镜，在镜面的背面设置软磁薄膜，与外部的第一驱动线圈产生电磁力，为第一转轴提供驱动力；框架上设置永磁体，与外部的第二驱动线圈产生电磁力，为第二转轴提供驱动力；增加快轴的扫描频率，慢轴能够同时实现静态驱动控制。微镜上没有线圈，即没有发热源，避免由于长时间工作或大电流驱动时，产生欧姆热而导致的镜面变形等失效问题。第一转轴和第二转轴均采用单晶硅材料，能够使镜面在第一转轴方向运动时有足够大的Q值，提高了谐振状态下的转角。镜面下方的第一驱动线圈，利用电磁力能够将镜面固定，防止冲击过大对器件带来损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为技术背景所述MEMS微镜基本原理示意图；
图2所示为实施例一所述电磁MEMS微镜的正面结构示意图；
图3所示为实施例一所述电磁MEMS微镜的背面结构示意图；
图4所示为实施例一所述电磁MEMS微镜的第一转轴驱动的工作示意图；
图5所示为实施例一所述电磁MEMS微镜在正常使用状态示意图；
图6所示为实施例一所述电磁MEMS微镜在受到一定强度的外在冲击状态示意图；
图7所示为实施例一所述电磁MEMS微镜的第二转轴驱动的工作示意图。
附图标记
1、镜面；2、框架；3、第一转轴；4、第二转轴；5、软磁薄膜；6、基板；7、第一驱动线圈；8、磁芯；9、磁棒；10、永磁体；11、第二驱动线圈。
具体实施方式
本发明如下实施例提供了电磁MEMS微镜，能够增加镜面尺寸、增加微镜的扫描角度，同时不降低微镜的谐振频率。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图2-3所示，电磁MEMS微镜，包括框架2，框架2内还设置有镜面1，镜面1通过第一转轴3与框架2内侧连接，框架2外侧还设置有第二转轴4，镜面1的背面设置有软磁薄膜5。框架2外侧通过第二转轴4与基板6连接，第一转轴3和第二转轴4的方向呈交叉设置。框架2、第一转轴3、第二转轴4均采用单晶硅材料。
单晶硅材料结构简单，内部缺陷较少，转轴结构在运动时内部阻尼较小，进而Q值(即品质因子)大幅度提高，可达到1000；而转轴结构由硅和金属共同组成时，Q值仅100。Q值大小直接影响微镜在谐振状态下工作的转角，Q值越大转角越大。因此第一转轴3和第二转轴4均采用单晶硅材料，能够增加镜面1偏转的角度。
示例性的，第一转轴3的方向垂直于第二转轴4的方向，呈十字交叉设置。
如图4所示，软磁薄膜5的下方设置有第一驱动线圈7，两个第一驱动线圈7沿第一转轴3的方向排列。第一驱动线圈7内设置有磁芯8。第一驱动线圈7的底端通过磁棒9相连。
软磁薄膜5和外置第一驱动线圈7构成闭合磁路，产生电磁力使镜面1绕第一转轴3偏转。两个第一驱动线圈7的底端通过磁棒9相连，使两个独立的第一驱动线圈7产生的磁场形成闭合回路，增加驱动力；软磁薄膜5在磁芯8的磁场中运动时内部产生感应电流，形成感应磁场，促进镜面1的偏转；第一转轴3的偏转明显增大。
如图5-6所示，当MEMS微镜受到一定强度的外在冲击时，对镜面1下的第一驱动线圈7同时输入电流，利用电磁力将镜面1固定在磁芯8顶部，以此防止冲击带来的器件损坏。
如图7所示，框架2上设置有永磁体10，两个永磁体10沿第一转轴3延伸的方向排列。框架2上开设有蚀刻槽，永磁体10固定于蚀刻槽中。永磁体10的下方对应设置有第二驱动线圈11。
永磁体10与第二驱动线圈11作用产生电磁力，使镜面1绕第二转轴4偏转；这种驱动方式可以同时提供引力和斥力，有利于实现静态驱动控制。在蚀刻槽内放置永磁体10，既能蚀刻掉部分厚度减少微镜的质量，增加微镜的响应频率，又能对永磁体10进行定位。
本发明实施例一中所述的MEMS微镜在使用过程中，第一转轴3和第二转轴4在电磁力或力矩的驱动下发生偏转，带动镜面1快速运动；当光束入射到镜面1上时，随着MEMS微镜的偏转角度不断发生变化，将光束反射到不同的位置。
本发明实施例一中所述的MEMS微镜，其镜面通过第一转轴与框架内侧连接，框架外侧通过第二转轴与基板连接；镜面的背面设置有软磁薄膜；软磁薄膜的下方沿第一转轴的方向排列有两个第一驱动线圈；框架上沿第一转轴延伸的方向排列有两个永磁体；永磁体下方对应设置有第二驱动线圈。软磁薄膜和带有磁芯的第一驱动线圈产生的电磁力，为第一转轴(快轴)提供驱动力；永磁体和第二驱动线圈产生的电磁力，为第二转轴(慢轴)提供驱动力；以此实现光栅扫描，增加快轴扫描频率，同时对慢轴能够实现静态驱动控制。镜面上没有线圈，即没有发热源，避免由于长时间工作或大电流驱动时，产生欧姆热而导致的镜面变形等失效问题。通过将外部的第一驱动线圈闭合以及放置磁芯形成外置磁场来提高软磁薄膜受到的电磁力。第一转轴和第二转轴均采用单晶硅材料，能够使镜面在第一转轴方向运动时有足够大的Q值，提高了谐振状态下的转角。镜面下方的第一驱动线圈，利用电磁力能够将镜面固定，防止冲击过大对器件带来损坏。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁MEMS微镜，其特征在于，包括框架，所述框架内还设置有镜面，所述镜面通过第一转轴与所述框架内侧连接，所述框架外侧还设置有第二转轴，所述镜面的背面设置有软磁薄膜。
2.如权利要求1所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述框架外侧通过所述第二转轴与基板连接，所述第一转轴和所述第二转轴的方向呈交叉设置。
3.如权利要求2所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述第一转轴的方向垂直于所述第二转轴的方向，呈十字交叉设置。
4.如权利要求1所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述软磁薄膜的下方设置有第一驱动线圈，两个所述第一驱动线圈沿所述第一转轴的方向排列。
5.如权利要求4所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述第一驱动线圈内设置有磁芯。
6.如权利要求4所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述第一驱动线圈的底端通过磁棒相连。
7.如权利要求1所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述框架上设置有永磁体，两个所述永磁体沿所述第一转轴延伸的方向排列。
8.如权利要求7所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述框架上开设有刻蚀槽，所述永磁体固定于所述蚀刻槽中。
9.如权利要求7所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述永磁体的下方对应设置有第二驱动线圈。
10.如权利要求2所述的一种电磁MEMS微镜，其特征在于，所述框架、所述第一转轴、所述第二转轴均采用单晶硅材料。
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