CN110737088A - 用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，包括：FPCB结构，FPCB结构包括中间座和设置在中间座上的两个扭转梁；镜面，镜面安装在中间座的上方；两个永磁盘，两个永磁盘安装在中间座的下方；两个电磁铁，两个电磁铁位于对应永磁盘的下方；一个电磁铁与一个永磁盘之间产生吸力，另一个电磁铁与另一个永磁盘之间产生斥力，通过吸力和斥力旋转镜面。本发明在FPCB结构下面布置两个移动永磁盘和两个外置电磁铁，因此这种形式在FPCB结构旁边不需要额外的永磁铁，能够减少在镜面外的整体宽度；本发明的FPCB结构上无移动线圈，不产生洛伦兹力；因此，扭转梁可有纯聚酰亚胺制作，以获得更大的最大旋转角。

Description

用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜

技术领域

本发明涉及微镜技术领域，具体涉及一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜。

背景技术

由于小尺寸，高集成度，高可靠性和低成本，微机电系统微镜已经在显示器，光学开关和医疗设备上广泛并成功的应用。激光扫描仪是微镜一个主要应用之一，即条形码读取，光探测和测距(激光雷达)，结构光深度传感和生物成像等。

根据镜面的制作方法和孔径大小，微机电系统微镜可分为两种类型。第一种类型是镜面和执行机构作为一体，孔径通常小于1mm和平面度的曲率半径通常小于1m。第二种类型是在高平面度(曲率半径大于10m)下实现大孔径(数毫米)，并且镜面和执行机构分别制作，之后固定在一起。大多像激光雕刻和激光雷达等激光扫描设备，孔径大(如1mm～几毫米)和平面度高，可适应较高的激光功率或较低的激光功率密度，并能获得较好的准直效果。然而，第二种类型需要将镜面粘贴到运动和易碎的微执行机构，由于硅柔性结构的低应变极限，粘贴非常困难，且导致成键率低。为了克服这个问题，本发明作者在之前的专利2019105734076中提出并设计了FPCB微镜，将镜面固定在FPCB结构上。FPCB结构的柔性部件是聚酰亚胺和铜薄膜层，它比硅具有较高的应变极限。因此，粘贴过程变得容易并有高成键率。除此之外，由于高应变极限，大旋转角也能实现。这些FPCB微镜与第二种微机电系统微镜具有共同的优点：即大孔径和高平面度。FPCB微镜采用两种驱动方法，即静电和带移动线圈加外置永磁铁产生的磁力。

但是，对于上述的FPCB磁力微镜具有两个局限，即：1)由于FPCB结构旁边固定两个外置永磁铁，在镜面外需要大量额外空间(宽度)，远大于在4mm×4mm镜孔径外的14.7mm(宽)×6mm(沿轴向的长度)；2)即使最大旋转角也高于第二种类型的传统硅微机电系统微镜，如果FPCB梁由纯聚酰亚胺代替聚酰亚胺和铜薄膜制作，由于铜薄膜与聚酰亚胺相比具有更低的应变极限，旋转角将进一步增加。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜。

本发明公开了一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，包括：

FPCB结构，所述FPCB结构包括中间座和设置在所述中间座上的两个扭转梁；

镜面，所述镜面安装在所述中间座的上方；

两个永磁盘，两个所述永磁盘安装在所述中间座的下方；

两个电磁铁，两个所述电磁铁位于对应所述永磁盘的下方；一个所述电磁铁与一个所述永磁盘之间产生吸力，另一个所述电磁铁与另一个所述永磁盘之间产生斥力，通过所述吸力和斥力旋转所述镜面。

作为本发明的进一步改进，所述FPCB结构的基板材料为聚酰亚胺，两个所述扭转梁同轴设置。

作为本发明的进一步改进，两个所述扭转梁的两端通过夹紧板固定在机械支架上。

作为本发明的进一步改进，所述夹紧板为FR4夹紧板。

作为本发明的进一步改进，所述中间座为椭圆中间座，两个所述扭转梁连接在所述中间座的短轴两端，两个所述永磁盘安装在所述中间座的长轴两端。

作为本发明的进一步改进，所述中间座的长轴两端处设有圆形部件，所述永磁盘安装在所述圆形部件的下方。

作为本发明的进一步改进，两个所述永磁盘的中心距与两个所述电磁铁的中心距相等。

作为本发明的进一步改进，所述镜面粘接在所述中间座上。

作为本发明的进一步改进，通过切割涂有金属膜的硅晶片制造孔径为1～10mm、曲率半径≥10m的所述镜面。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用在FPCB结构下面布置两个移动永磁盘和两个外置电磁铁，因此这种形式在FPCB结构旁边不需要额外的永磁铁，能够减少在镜面外的整体宽度；

本发明的FPCB结构上无移动线圈，不产生洛伦兹力；因此，扭转梁可有纯聚酰亚胺制作，以获得更大的最大旋转角；

与检流计扫描仪和旋转多边形镜相比，本发明提出的FPCB微镜成本低，采用成熟和低成本的FPCB和镜面制造工艺(仅切割金属涂层薄片)；更可靠，无轴承和润滑要求。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜的结构示意图；

图2为本发明一种实施例公开的在旋转角θ和加载电压V下两个电磁铁与永磁盘之间的转矩T_e的仿真；

图3为本发明一种实施例公开的FPCB微镜谐振模态的仿真图；

图4为本发明一种实施例公开的仿真和测试FPCB微镜的静态性能图；

图5为本发明一种实施例公开的FPCB微镜动态旋转的测试结果图；

图6a为本发明一种实施例公开的-1V～+1V的阶跃响应曲线图；

图6b为本发明一种实施例公开的-5V～+5V的阶跃响应曲线图；

图7为本发明一种实施例公开的疲劳测试结果图。

图中：

10、FPCB结构；11、中间座；12、扭转梁；13、圆形部件；14、FR4夹紧板；20、永磁盘；30、电磁铁；40、镜面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，包括：FPCB结构，FPCB结构包括中间座和设置在中间座上的两个扭转梁；镜面，镜面安装在中间座的上方；两个永磁盘，两个永磁盘安装在中间座的下方；两个电磁铁，两个电磁铁位于对应永磁盘的下方；一个电磁铁与一个永磁盘之间产生吸力，另一个电磁铁与另一个永磁盘之间产生斥力，通过吸力和斥力旋转镜面。本发明在FPCB结构下面布置两个移动永磁盘和两个外置电磁铁，因此这种形式在FPCB结构旁边不需要额外的永磁铁，能够减少在镜面外的整体宽度；本发明的FPCB结构上无移动线圈，不产生洛伦兹力；因此，扭转梁可有纯聚酰亚胺制作，以获得更大的最大旋转角。

对外置电磁铁柔性印刷电路板微镜进行建模与仿真，制作样机和测试并验证设计。所获得的性能优于原设计：在驱动电压为±3V、频率为191Hz时，最大谐振旋转角为62°(光学)，要求镜面外额外宽度6mm，粗糙度<10nm和平面度>10m(曲率半径)的8mm×5.5mm孔径。以前设计FPCB微镜的性能：应变极限最大旋转角为40°(光学)，4mm×4mm孔径，超过具有相似粗糙度和平面度镜面14.7mm的额外宽度。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，包括：FPCB结构10、永磁盘20、电磁铁30和镜面40；其中：

本发明的FPCB结构10包括中间座11和设置在中间座11上的两个扭转梁12；进一步，FPCB结构10的基板材料为纯聚酰亚胺，两个扭转梁12同轴设置；进一步，两个扭转梁12的两端通过FR4夹紧板14固定在机械支架上(图中没有显示)；进一步，中间座11为椭圆中间座，两个扭转梁12连接在中间座11的短轴两端；

本发明的镜面40安装在中间座11的上方；进一步，镜面粘接在中间座上；进一步，通过切割涂有金属膜的硅晶片制造孔径为1～10mm、曲率半径≥10m的镜面。

本发明的两个永磁盘20安装在中间座11的下方；进一步，两个永磁盘20安装在中间座11的长轴两端；进一步，中间座11的长轴两端处设有圆形部件13，永磁盘20安装在圆形部件13的下方；若封装尺寸进一步减小，则无需圆形部件13。

本发明的两个电磁铁30位于对应永磁盘20的下方；当电流加载到电磁铁上后，一个电磁铁30与一个永磁盘20之间产生吸力，另一个电磁铁30与另一个永磁盘20之间产生斥力，通过吸力和斥力旋转镜面40；进一步，两个永磁盘20的中心距与两个电磁铁30的中心距相等。

由于本发明的外置电磁铁是布置在FPCB结构的底部，而不是旁边，因此与以前的设计(外置电磁铁是固定在FPCB结构的旁边)相比，FPCB微镜具有较小的封装尺寸。同时，因为扭转梁采用纯聚酰亚胺制作，比以前设计采用聚酰亚胺和铜薄膜相比具有较高的应变强度(2～3％)，所以本发明提出的FPCB微镜能实现一个较大的最大旋转角。

FPCB扭转梁是由两层聚酰亚胺(每层57μm)制作，一层铜薄膜仅仅固定镜面的中间座上。柔性结构是指两个扭转梁，每个扭转梁尺寸为长3mm、宽1mm、厚114μm。椭圆镜面尺寸为长8mm、宽5.5mm、厚0.12mm。每个永磁盘尺寸为直径1mm、厚1mm。每个电磁线圈尺寸是长19mm、直径6mm的1600匝铜线。并且两个电磁线圈的中心距离为8mm。

一、本发明对外置电磁铁柔性印刷电路板微镜进行建模与仿真：

1、静态模型

建立旋转角与电压(或电流)之间的关系如式(1)所示。刚度引起的机械转矩与机械旋转角和刚度成正比。

T_m＝Kθ (1)

其中，T_m是机械转矩，θ是FPCB微镜的机械旋转角，K是旋转刚度，它能通过ANSYSWorkbench仿真得到。首先，对于在任何驱动电压V(电流)产生的任何旋转角θ，通过ANSYSMa×well 3D模块仿真获得在两个电磁铁(电磁线圈)与永磁盘之间的电磁转矩T_e，如图2所示。然后改变驱动电压V(电流)直到在旋转角θ下T_e等于T_m。因此，最终的电压V对应于旋转角θ。由于静态或者很低的驱动频率(<100Hz)，电磁线圈的阻抗认为是不变的，即：电阻72.5Ω。因电压实际上更容易调整，所以它代替电流用于建模和控制。

在仿真中采用以下参数，即：1)磁盘：体电导率为5.5e5 S/m，磁矫顽力为-9.0e5A/m；2)聚酰亚胺：杨氏模量为2.5～4GPa，在仿真中采用三个模量值，即：2.5GPa，3.2GPa和4GPa。泊松比为0.34。这里使用的聚酰亚胺的性质是通用参数。然而FPCB制作会影响聚酰亚胺的性质。图4表示了仿真结果，表明FPCB微镜在±5V下能实现±3°光学旋转。由于本发明的应用是针对谐振旋转大角度激光扫描，故不追求高的静态角度。

2、动态仿真

利用ANSYS Workbench软件对其谐振模态进行仿真，结果如图3所示。一阶模态是绕扭转梁旋转，如图3中a)、c)所示；第二阶模态是平移，如图3中b)、d)所示。当模量为2.5GPa，频率为207Hz，437Hz，1480Hz和3726Hz。当模量为3.2GPa，频率为235Hz，487Hz，1648Hz和4204Hz。当模量为4GPa，频率为261Hz，546Hz，1847Hz和4669Hz。，磁盘、镜面、椭圆中间座上铜薄膜和聚酰亚胺的密度分别为7500kg/m³、2330kg/m³、8970kg/m³和1420kg/m³。

3、应力分析

利用ANSYS静力学模块得到FPCB结构的等效应力。采用FPCB聚酰亚胺的屈服强度为86～89MPa，对应于能允许FPCB微镜最大旋转角接近于100°(光学)。作为对比分析，采用移动线圈和外置永磁铁，以及在扭转梁上粘贴铜薄膜的FPCB微镜被仿真分析。由于铜薄膜具有低应变极限，这个设计所允许最大旋转角被限制在40°(光学)内。

二、样机与测试

1、样机

FPCB结构和镀金硅镜面是独立制作的，之后用环氧树脂固定在一起。镜面是通过以下两个步骤制作：1)在厚度为100nm的硅片上镀金；2)深层反应离子刻蚀。两个磁盘安装在FPCB中间座的圆形部件上。这个孔径为8×5.5mm。表面粗糙度小于10nm，平面度是曲率半径大于10m(光学三维轮廓仪，Zygo显微镜)。该样机放置在一个框架内，使用光电二极管进行角度传感。镜面外额外的空间/宽度是6mm，小于以前的设计(14.7mm)。由于手工装配和电磁线圈形状和尺寸的缺陷，电磁线圈与永磁盘不是完全对齐的，即：两个电磁线圈的距离大于8mm，经过装配后很难测量，中间的间隙估计在2.5～3mm。

2、静态测试

利用准直激光(532nm,<5mW)和网格纸来获得静态性能。在驱动电压-5V～5V，得到光学旋转角是-3°～3°，结果如图4所示，为进行对比仿真结果也包含在图中。仿真值和测试值存在差异，主要归纳为有两个原因：1)电磁盘和电磁线圈间隙值不准确，任何小的装配误差会造成电磁盘和电磁线圈之间间隙值的不准确，从而导致仿真值和测试值存在差异。2)聚酰亚胺的特性不准确(特别是模量)，只有在FPCB制作之前聚酰亚胺的通用特性目前能得到，并不能从制造商获得FPCB制作之后的特性。FPCB制作会影响聚酰亚胺的特性。3.2GPa的模量值似乎能实现仿真值和测试值吻合良好。除此之外，尽管聚酰亚胺是各向异性的，但在仿真分析时为了简化，将它假定为各向同性。由于聚酰亚胺的粘弹特性，采用主方法进行静态试验，即：FPCB微镜采用1Hz方波，振幅为±1，±2，±3，±4，±5V。

在本发明的仿真分析中，聚酰亚胺梁简化为弹性材料而不是粘弹材料，今后还需研究其粘弹特性。

3、动力学测试

图5表示在正弦驱动电压-3V～3V和0Hz～1000Hz频率下测试的动态旋转角。在光学旋转62°时，谐振频率为191Hz，谐振频率低于仿真值。这主要是由于边界条件不同，即：仿真分析认为完全固定边界，但测试样机的边界并不能完全固定。实验测试表明，当样机拉伸良好时，谐振频率可以提高20～30Hz，反之亦然。

当施加±3V，能够获得谐振扫描62°(光学)。即使最大允许是100°，为留出足够的安全裕度，在样机测试中实际小于70°。然而，以前FPCB磁力微镜只能实现一个最大允许光学扫描40°。图6a表示当加载一个阶跃电压-1V～+1V(-0.89°～+0.89°)的阶跃响应，稳定时间为226ms。图6b表示当加载一个阶跃电压-5V～+5V(-3°～+3°)的阶跃响应，稳定时间为206ms。其中最终值波动在±5％内作为稳定值。在438Hz附近出现平移模态，然而，测试装置不能检测出这个平移模态，这就是图5在1000Hz之前除了旋转波峰外没有其它波峰的原因。

4、疲劳试验

FPCB微镜的疲劳寿命已经被测试，还需进一步进行疲劳测试。如图7所示，研究发现，疲劳试验中断时，谐振频率降低。在试验过程中可以观察到小波动的旋转角，没有观察到连续增长(如蠕变)。这可能是因为疲劳试验完全是逆振荡，即±34°。疲劳测试是在一张桌子上，各种样机进行疲劳测试。

本发明用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，能够克服以前外置永磁铁和运动线圈FPCB微镜的两个局限，即：1)增加镜面孔径(4×4mm至8×5.5mm)并将封装空间由26×17.7mm降低至23×14mm；2)将允许的最大光学旋转角从40°增加到62°(允许最大旋转角为100°)。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种用于大角度激光扫描的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，包括：

FPCB结构，所述FPCB结构包括中间座和设置在所述中间座上的两个扭转梁；

镜面，所述镜面安装在所述中间座的上方；

两个永磁盘，两个所述永磁盘安装在所述中间座的下方；

两个电磁铁，两个所述电磁铁位于对应所述永磁盘的下方；一个所述电磁铁与一个所述永磁盘之间产生吸力，另一个所述电磁铁与另一个所述永磁盘之间产生斥力，通过所述吸力和斥力旋转所述镜面。

2.如权利要求1所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，所述FPCB结构的基板材料为聚酰亚胺，两个所述扭转梁同轴设置。

3.如权利要求1或2所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，两个所述扭转梁的两端通过夹紧板固定在机械支架上。

4.如权利要求3所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，所述夹紧板为FR4夹紧板。

5.如权利要求1所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，所述中间座为椭圆中间座，两个所述扭转梁连接在所述中间座的短轴两端，两个所述永磁盘安装在所述中间座的长轴两端。

6.如权利要求5所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，所述中间座的长轴两端处设有圆形部件，所述永磁盘安装在所述圆形部件的下方。

7.如权利要求1、5或6所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，两个所述永磁盘的中心距与两个所述电磁铁的中心距相等。

8.如权利要求1所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，所述镜面粘接在所述中间座上。

9.如权利要求1所述的外置电磁铁柔性印刷电路板微镜，其特征在于，通过切割涂有金属膜的硅晶片制造孔径为1～10mm、曲率半径≥10m的所述镜面。

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