CN109814251A - 基于电容位置检测反馈控制的mems微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，属于微机电控制技术领域。该微镜包括玻璃基板、硅结构框架、驱动梁、微镜片和四块电容片；四块电容片呈矩形布置在玻璃基板的表面，微镜片通过对驱动梁加电压受热变形实现偏转；通过建立驱动电压与微镜片的偏转角度关系作为对控制器的信号输入，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈，形成对控制器中微镜片扭转角的闭环控制。

Description

基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜

技术领域

本发明涉及微机电系统在微执行器的应用，具体涉及一种微镜闭环控制器，属于微机电控制技术领域。

背景技术

微机电系统(Micro-Electromechanical Systems，MEMS)在微传感器与微执行器方面得到了广泛的应用，毫米量级的传感器与执行器能够承受高过载、大冲击，广泛应用于通信、汽车、航天、生物等领域，随着各领域对MEMS产品需求量的增长，反向刺激了MEMS技术的发展。MEMS微镜就是一种典型的MEMS产品，结构上包括光学反射镜与驱动部件，主要通过平动与扭转实现机械运动，具有功耗低、可靠性高、尺寸小以及重量轻等优点。可以应用于通信网络，比如光学开关，实现光信息互联，提高信号传输的效率、质量、带宽与速度。在激光领域，应用于激光扫描、激光微投影以及激光打印等。在数字显示领域，应用于高分辨率显示器，实现高清输出显示。同时，MEMS微镜可以应用于光学相干断层成像、共聚焦显微镜系统、投影键盘、AR系统等。

微机电系统按照驱动工作方式可以分为四类：静电式、电热式、压电式与电磁式。其中，静电式微镜利用电荷间的库伦力进行微镜的驱动，通过外加电压控制静电力的大小，从而实现镜面的扭转。电热式微镜利用热敏材料的热效应工作的，工作时将电能转换成热能，驱动部件热能的变化导致自身形状产生伸缩，进而带动微镜发生运动。压电式微镜的驱动部件是压敏材料，该材料受到应力作用时，会在材料的表面集聚电荷，形成电压，这一过程是可逆的，当对材料施加电压时，会引起压电材料产生位移。电磁式微镜的驱动部件包括永磁体与线圈，分别置于微镜的背面，当线圈中通过电流，在磁场的作用下驱动微镜产生运动。

微镜在应用中依赖高精度、快速响应的驱动系统，而大多数的微镜驱动系统中常采用开环控制方式，通过电压直接控制微镜的运动，并没有形成反馈机制，虽然较为简单，但控制精度不高，对于复杂条件下的应用很难满足要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，控制器通过电容板距离的变化测出微镜片扭转角，再反馈到控制电路，实现对微镜片的精确控制。

基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，该控制器包括玻璃基板、硅结构框架、驱动梁、微镜片和四块电容片；所述四块电容片呈矩形布置在玻璃基板的表面，微镜片通过对驱动梁加电压受热变形实现偏转；通过建立驱动电压与微镜片的偏转角度关系作为对控制器的信号输入，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈，形成对控制器中微镜片扭转角的闭环控制。

进一步地，所述驱动梁为S型结构的驱动梁。

进一步地，所述电容片上的电容值与微镜片实际扭转角θ_x之间的关系为：

其中：h为微镜片与电容片的初始距离，l_c为微镜片倾斜边低端到高端对应电容片中点处的垂直距离，C为电容器上的电容，C₁为电容片与微镜片组成的电容器电容。

进一步地，所述电容片上的电容值与微镜片实际扭转角θ_x之间的关系推导过程为：

电容板的长宽分别为l₁、w₁，镜面为正方形，边长为L，与电容板的初始距离为h；基底作为共用电极与镜片底部的四个电容板组成四对平行板电容器系统；镜片静止时，由电容器计算公式可知，电容器上的电容C表示如下：

C＝ε_rl₁w₁/4πkh (1)

式中ε_r为相对介电常数，k为静电力常数；

A、B表示镜面的两端，当镜面绕A端扭转，扭转角度为θ_x时，镜片B端的上升高度为Δd，则下式成立：

sin(θ_x)＝Δd/L (2)

E为电容板I的中点，ED⊥AB，其中AD的长度可以在制作微镜时给定，设为1。。微镜扭转角为θ_x时，微镜与电容板I之间的间距增大Δd₁，由三角函数关系可以得出Δd₁与θ_x之间的关系如下：

tan(θ_x)＝Δd₁/l_c (3)

由于微镜的边长远大于微镜的上升距离，(3)式可以近似为：

sin(θ_x)≈Δd₁/l_c (4)

此时，电容板I与微镜组成的电容器电容C₁为：

C₁＝ε_rl₁w₁/4πk(h+Δd₁) (5)

将(1)、(4)式带入(5)，可以得到电容值与微镜扭转角之间的关系：

进一步地，所述驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系为：

进一步地，所述驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系推导过程如下：

驱动梁的形变量Δd是每段S结构的驱动形变量的二倍，Δd与驱动器上的温度平均变化量ΔT的关系如下式：

其中，t₁与t₂分别为Al与SiO₂的厚度，α₁、α₂为Al与SiO₂的热膨胀系数，B_b为联合曲率系数，l为Al/SiO₂与SiO₂/Al端的弧长，l_a为SiO₂/Al/SiO₂的弧长；

温度平均变化量ΔT与驱动电压U之间的关系为：

其中，γ为电阻温度系数，R₀为初始阻值，R_T为驱动器的联合热阻；

联立(2)、(7)、(8)式，可以得到驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系。

有益效果：

本发明通过在玻璃基板上设置四块电容片，微镜片通过对驱动梁加电压受热变形实现偏转，建立驱动电压与微镜片的偏转角度关系作为对控制器的信号输入，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈，形成对控制器中微镜片扭转角的闭环控制。因此能够抑制环境因素造成的扰动，实现微镜控制的一致性以及图像高可靠性的传输。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图(去掉镜片)；

图3为电容检测微镜镜片扭转原理示意图；

图4为微镜驱动梁的侧视图；

图5为微镜闭环控制原理图。

其中：1-玻璃基板，2-硅结构框架，3-电容电极连接线，4-顶端支撑架，5-底端支撑架，6-微镜片，7-电容片，8-驱动梁。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1和2所示，本发明提供了一种基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，该闭环控制器包括玻璃基板1、硅结构框架2、驱动梁8、微镜片6和四块电容片7；硅结构框架2为矩形框架，硅结构框架2的底面与玻璃基板1的上表面贴合，四块电容片7呈矩形布置在玻璃基板1的表面，电容片7通过电容电极连接线3引出后与外部的控制器连接；微镜片6的四个侧边分别连接一个底端支撑架5，硅结构框架2的内侧壁对应连接四个顶端支撑架4，驱动梁8的两端分别与底端支撑架5和顶端支撑架4连接后将微镜片6固定在四块电容片7的正上方。

其中，基底上的四片电容片分别用I、II、III和IV表示，电容片7的长宽分别为l₁、w₁，镜面为正方形，边长为L，与电容片的初始距离为h。基底作为共用电极与镜片底部的四个电容片组成四对平行板电容器系统。镜片静止时，由电容器计算公式可知，电容器上的电容C表示如下：

C＝ε_rl₁w₁/4πkh (1)

式中ε_r为相对介电常数，k为静电力常数。

图3(b)中，A、B表示镜面的两端，当镜面绕A端扭转，扭转角度为θ_x时，镜片B端的上升高度为Δd，则下式成立：

sin(θ_x)＝Δd/L (2)

E为电容片I的中点，ED⊥AB，其中AD的长度可以在制作微镜时给定，设为l_c。微镜扭转角为θ_x时，微镜与电容片I之间的间距增大Δd₁，由三角函数关系可以得出Δd₁与θ_x之间的关系如下：

tan(θ_x)＝Δd₁/l_c (3)

由于微镜的边长远大于微镜的上升距离，(3)式可以近似为：

sin(θ_x)≈Δd₁/l_c (4)

此时，电容片I与微镜组成的电容器电容C₁为：

C₁＝ε_rl₁w₁/4πk(h+Δd₁) (5)

将(1)、(4)式带入(5)，可以得到电容值与微镜扭转角之间的关系：

图4(a)是双S折叠式驱动梁的结构图，4(b)为驱动梁的侧视图，其中点虚线表示SiO₂，实线表示Al，虚线表示Pt。该驱动梁每段结构包括Al/SiO₂层、SiO₂/Al/SiO₂层和SiO₂/A1层，图4(c)为驱动梁的单段结构。

驱动梁的形变量Δd是每段S结构的驱动形变量的二倍，Δd与驱动器上的温度平均变化量ΔT的关系如下式：

其中，t₁与t₂分别为Al与SiO₂的厚度，α₁、α₂为Al与SiO₂的热膨胀系数，B_b为联合曲率系数，l为Al/SiO₂与SiO₂/Al端的弧长，l_a为SiO₂/Al/SiO₂的弧长。

温度平均变化量ΔT与驱动电压U之间的关系为：

其中，γ为电阻温度系数，R₀为初始阻值，R_T为驱动器的联合热阻。

联立(2)、(7)、(8)式，可以得到驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系：

同理，由驱动梁的一致性，可以得出在y轴上的微镜偏转角θ_y与驱动电压之间的关系。

如附图5所示，微镜在工作时，假定只沿着某个方向扭转，即四个驱动梁不同时工作。在上述推导过程中，虽然得出驱动电压U与微镜的偏转角θ_x之间的关系，可以实现开环控制，但由于环境因素的影响，无法准确知道微镜的扭转信息。当环境温度发生改变，热驱动梁将受到很大程度的影响。因此，将电容反馈机制引入微镜控制，形成闭环回路。微镜的控制反馈原理如图4所示，采用四输入、四输出的控方式，微镜的角度驱动信号θ_x1(t)、θ_x2(t)、θy₁(t)、θ_y2(t)分别与实际的扭转信号θ_x1、θ_x2、θ_y1、θ_y1经过加法器输入控制器，控制器输出的信号经过放大器放大，然后驱动微镜发生扭转，微镜的扭转角度信息经过反馈回路馈送给输入端的加法器，从而实现闭环控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，该微镜包括玻璃基板、硅结构框架、驱动梁、微镜片和四块电容片；所述四块电容片呈矩形布置在玻璃基板的表面，微镜片通过对驱动梁加电压受热变形实现偏转；通过建立驱动电压与微镜片的偏转角度关系作为对控制器的信号输入，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈，形成对控制器中微镜片扭转角的闭环控制。

2.如权利要求1所述的基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，所述驱动梁为S型结构的驱动梁。

3.如权利要求1所述的基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，所述电容片上的电容值与微镜片实际扭转角θ_x之间的关系为：

其中：h为微镜片与电容片的初始距离，l_c为微镜片倾斜边低端到高端对应电容片中点处的垂直距离，C为电容器上的电容，C₁为电容片与微镜片组成的电容器电容。

4.如权利要求3所述的基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，所述电容片上的电容值与微镜片实际扭转角θ_x之间的关系推导过程为：

电容板的长宽分别为l₁、w₁，镜面为正方形，边长为L，与电容板的初始距离为h；基底作为共用电极与镜片底部的四个电容板组成四对平行板电容器系统；镜片静止时，由电容器计算公式可知，电容器上的电容C表示如下：

C＝ε_rl₁w₁/4πkh (1)

式中ε_r为相对介电常数，k为静电力常数；

A、B表示镜面的两端，当镜面绕A端扭转，扭转角度为θ_x时，镜片B端的上升高度为Δd，则下式成立：

sin(θ_x)＝Δd/L (2)

E为电容板Ⅰ的中点，ED⊥AB，其中AD的长度可以在制作微镜时给定，设为l_c。微镜扭转角为θ_x时，微镜与电容板Ⅰ之间的间距增大Δd₁，由三角函数关系可以得出Δd₁与θ_x之间的关系如下：

tan(θ_x)＝Δd₁/l_c (3)

由于微镜的边长远大于微镜的上升距离，(3)式可以近似为：

sin(θ_x)≈Δd₁/l_c (4)

此时，电容板Ⅰ与微镜组成的电容器电容C₁为：

C₁＝ε_rl₁w₁/4πk(h+Δd₁) (5)

将(1)、(4)式带入(5)，可以得到电容值与微镜扭转角之间的关系：

。

5.如权利要求4所述的基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，所述驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系为：

6.如权利要求5所述的基于电容位置检测反馈控制的MEMS微镜，其特征在于，所述驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系推导过程如下：

驱动梁的形变量Δd是每段S结构的驱动形变量的二倍，Δd与驱动器上的温度平均变化量ΔT的关系如下式：

其中，t₁与t₂分别为Al与SiO₂的厚度，α₁、α₂为Al与SiO₂的热膨胀系数，B_b为联合曲率系数，l为Al/SiO₂与SiO₂/Al端的弧长，l_a为SiO₂/Al/SiO₂的弧长；

温度平均变化量ΔT与驱动电压U之间的关系为：

其中，γ为电阻温度系数，R₀为初始阻值，R_T为驱动器的联合热阻；

联立(2)、(7)、(8)式，得到驱动电压与微镜的偏转角度θ_x之间的关系。