CN110764253A - 一种二维矢量扫描微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维矢量扫描微镜，包括外围框架、设于外围框架内的内框架、连接外围框架和内框架的第一扭转梁、设于内框架内的微反射镜及连接内框架和微反射镜的第二扭转梁，其中，内框架可绕第一扭转梁旋转，微反射镜可绕第二扭转梁旋转。本发明的二维矢量扫描微镜采用双轴解耦驱动设计，即以第一扭转梁为对称轴，在内框架背面电镀线圈，当线圈中通过电流时，在磁场的作用下，为内框架的偏转提供驱动力；同时，以第二扭转梁为对称轴，在微反射镜背面电镀线圈，为第二扭转梁的偏转提供驱动力，从而实现二维方向的准静态驱动，实现二维空间的矢量扫描。

Description

一种二维矢量扫描微镜

技术领域

本发明涉及微光机电系统领域，具体地涉及一种二维矢量扫描微镜。

背景技术

MEMS矢量扫描型微镜，可以使入射光束按照特定的方式与时间顺序发生反射，从而在像面上实现扫描成像，是当前显示和扫描等领域重要的研究之一。低成本、低能耗、高精度、高扫速、高转角、高可靠性是当前研究的主要趋势。

MEMS扫描镜的驱动方式主要有静电驱动式、电热驱动式、电磁驱动式和压电驱动式等四类。静电驱动是通过平行板电极或者梳齿电极间施加高压来产生静电力，结构比较简单且尺寸可以做到很小，工艺很成熟，但驱动电压比较高，容易发生吸合现象；电热驱动是依靠材料的热膨胀效应来使振镜振动起来，驱动电压低，而且制造工艺简单，缺点在于响应频率低，动态特性差；压电驱动是使用金属/压电材料/金属三层材料作为驱动器，功耗低驱动力较大但加工有难度，难以与MEMS工艺相结合；电磁驱动的驱动力很大，一般有两种，一种是利用磁性薄膜与外部通电线圈的静磁力来驱动振镜偏转，但由于磁性薄膜与通电线圈的作用只有引力而没有斥力，需要微镜两端的通电线圈配合开关，一边的线圈通电，另一端的线圈就需要断电，控制起来困难，二是利用外部磁铁和平面线圈相互作用产生的洛伦兹力，但是现有的平面线圈均是处于外部磁铁构建的统一的磁场环境，导致微镜在不同方向上的准静态驱动会由于磁场的耦合作用而相互影响，尚不能实现微镜多方向间的独立扫描。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种二维矢量扫描微镜，以实现微镜在二维方向的准静态驱动，实现二维空间里的矢量扫描。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

在一个总体方面，本发明提供一种二维矢量扫描微镜，包括外围框架、设于所述外围框架内的内框架、连接所述外围框架和所述内框架的第一扭转梁、设于所述内框架内的微反射镜及连接所述内框架和所述微反射镜的第二扭转梁，其中，所述内框架可绕所述第一扭转梁旋转，所述微反射镜可绕所述第二扭转梁旋转。

优选地，还包括用于驱动所述内框架和所述微反射镜旋转的磁组和线圈组，所述磁组包括设于所述内框架下方的第一磁组和设于所述微反射镜下方的第二磁组；

所述线圈组包括设于所述内框架背面且与所述第一磁组相对的第一驱动线圈组和设于所述微反射镜背面且与所述第二磁组相对的第二驱动线圈组；

所述第一磁组与所述第一驱动线圈组用于配合使所述内框架绕所述第一扭转梁旋转；所述第二磁组与所述第二驱动线圈组用于配合使所述反射镜绕所述第二扭转梁旋转。

优选地，所述第一磁组包括第一磁体，所述第二磁组包括第二磁体；所述第一驱动线圈组包括与所述第一磁体相对的第一驱动线圈，所述第二驱动线圈组包括与所述第二磁体相对的第二驱动线圈；

所述第一磁体与所述第一驱动线圈用于配合使所述内框架绕所述第一扭转梁旋转；所述第二磁体与所述第二驱动线圈用于配合使所述微反射镜绕所述第二扭转梁旋转。

优选地，每个所述第一磁组包括多个所述第一磁体，每个所述第一磁组的所述第一磁体位于所述第一扭转梁的一侧；所述第一驱动线圈设有多个，每个所述第一驱动线圈与一所述第一磁体相对，每个所述第一驱动线圈与对应的所述第一磁体之间形成的作用力方向相同。

优选地，每相邻的两个所述第一磁体的磁极方向相反。

优选地，所述第一磁组和所述第一驱动线圈组均设有两组，两组所述第一磁组和所述第一驱动线圈分别位于所述第一扭转梁的两侧，且两组中所述第一磁组与第一驱动线圈组之间形成的作用力方向相反。

优选地，位于所述第一扭转梁的两侧的所述第一磁组和所述第一驱动线圈组关于所述第一扭转梁对称。

优选地，所述第二磁体设有多个，多个所述第二磁体分别位于所述第二扭转梁的两侧；所述第二驱动线圈设有多个，每一所述第二驱动线圈与一所述第二磁体相对，其中，位于所述第二扭转梁同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相同，位于所述第二扭转梁不同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相反。

优选地，位于所述第二扭转梁两侧的所述第二磁体关于所述第二扭转梁对称设置。

优选地，每相邻的两个所述第二磁体的磁极方向相反。

与现有技术相比，本发明的二维矢量扫描微镜采用双轴解耦驱动设计，即以第一扭转梁为对称轴，在内框架背面电镀线圈，当线圈中通过电流时，在磁场的作用下，为内框架的偏转提供驱动力；同时，以第二扭转梁为对称轴，在微反射镜背面电镀线圈，为第二扭转梁的偏转提供驱动力，从而实现二维方向的准静态驱动，实现二维空间的矢量扫描。另外本发明的磁体采用梯度磁场设计，最大化优化磁场，使驱动线圈受到的安培力最大，得到最大的旋转角。另外，本发明中用于驱动内框架的驱动线圈设于内框架背面，增大了微镜芯片的表面利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的二维矢量扫描微镜的一俯视结构示意图；

图2为本发明实施例的二维矢量扫描微镜的另一俯视结构示意图；

图3为图2中A-A’部的剖视结构示意图；

图4为图2中B-B’部的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例的二维矢量扫描微镜中内框架和微反射镜在不同电流下的偏转角图；

图6为多个磁体的排布示意图；

图7为图5中多个磁体的磁通量分布示意图；

图8为本发明实施例的二维矢量扫描微镜置于均匀磁场中受到的磁场分析示意图；

图9为本发明实施例的二维矢量扫描微镜置于梯度磁场中受到的磁场分析示意图；

图10为本发明实施例的二维矢量扫描微镜置于不同磁场中的偏转角的比对图。

具体实施方式

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详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。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，都属于本发明保护范围。

如图1所示，为本发明的一种二维矢量扫描微镜的俯视结构示意图，所述二维矢量扫描微镜包括外围框架1、设于所述外围框架1内的内框架2、连接所述外围框架1和所述内框架2的第一扭转梁21、设于所述内框架2内的微反射镜3及连接所述内框架2和所述微反射镜3的第二扭转梁32，其中，所述内框架2可绕所述第一扭转梁21旋转，所述微反射镜3可绕所述第二扭转梁32旋转。其中，本实施例的微反射镜3具有作为反射面的正面和与所述反射面相对的背面，同样内框架2具有与微反射镜3的正面同侧的正面和与正面相对的背面。

本实施例的内框架2和微反射镜3分别在两个方向上进行偏转，以实现二维的矢量扫描，其中作为实现内框架2和微反射镜3的偏转的一种实现方式，参照图1，本实施例中借助通电线圈在磁场中受到的安培力来实现内框架2和微反射镜3的旋转。本实施例的二维矢量扫描微镜还包括用于驱动所述内框架2和所述微反射镜3旋转的磁组4和线圈组5，结合图1～图4所示，所述磁组4包括设于所述内框架2下方(内框架2的背面的下方)的第一磁组和设于所述微反射镜3下方(微反射镜3背面的下方)的第二磁组。

其中，所述线圈组5包括设于所述内框架2的背面且与所述第一磁组相对的第一驱动线圈组和设于所述微反射镜3的背面且与所述第二磁组相对的第二驱动线圈组；

参照图3和图4所示，所述第一磁组与所述第一驱动线圈组用于配合使所述内框架2绕所述第一扭转梁21旋转；所述第二磁组与所述第二驱动线圈组用于配合使所述微反射镜3绕所述第二扭转梁32旋转。且进一参照图5所示，内框架2的旋转与微反射镜3的旋转相互独立，互不影响，均可实现直线偏转。

实施例1

本实施例作为一种基本的实现内框架2和微反射镜3旋转的方式，具体如下。

参照图1～图3所示，本实施例的所述第一磁组包括第一磁体，所述第一驱动线圈组包括与所述第一磁体相对的第一驱动线圈；第一驱动线圈可电镀于内框架2的背面使其与内框架2背面下方的第一磁体相对，旨在使内框架2下的第一驱动线圈在第一磁体的作用下受到磁力，使内框架2随第一驱动线圈绕第一扭转梁21发生旋转，进而使微反射镜4实现第一个维度的偏转。

由于内框架2可绕所述第一扭转梁21旋转，那么内框架2则存在两个自由的摆动端，为了使得内框架2实现大的旋转角，优选的，第一驱动线圈设于内框架2的背面，且靠近内框架2的自由的摆动端，使得在获得相同大小的安培力时，内框架2具有更大的旋转角，或者是为了获得相同的旋转角，则内框架2受到的安培力更小，降低能耗。

优选的，为了保证内框架2偏转的平稳性与可靠性，则在只有第一磁体和第一驱动线圈作用时，第一磁体和第一驱动线圈设于内框架2背面的自由的摆动端的中间位置。

当然，在只有第一磁体和第一驱动线圈作用时，为了实现内框架2不同方向的偏转，可通过改变通入第一驱动线圈的电流方向，从而改变内框架2受到的安培力方向，以改变内框架2的旋转方向，进一步改变微反射镜4的偏转方向。

结合图2和图4所示，为了实现微反射镜4在第二个维度的偏转，所述第二磁组包括第二磁体；所述第二驱动线圈组包括与所述第二磁体相对的第二驱动线圈；第二驱动线圈可电镀于微反射镜4的背面使其与微反射镜4背面下方的第二磁体相对，旨在使微反射镜4下方的第二驱动线圈在第二磁体的作用下受到磁力，使微反射镜4随第二驱动线圈绕第二扭转梁32发生旋转，以使微反射镜4实现第二个维度的偏转。

同样的，参照上述第一驱动线圈与第一磁体的设置方式，优选的，为了使微反射镜4在第二个维度上获得较大的偏转角，优选的，第二磁体和第二驱动线圈设于微反射镜4的摆动的自由端；另外为了偏转的平稳与可靠性，第二磁体和第二驱动线圈设于微反射镜4的摆动的自由端的中间位置。也同样可通过改变通入第二驱动线圈的电流方便，以改变微反射镜4的偏转方向。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，为了使得内框架2获得更大的安培力，以具有更大的旋转角，参照图2和图4，本实施例的所述第一磁组和所述第一驱动线圈组均设有一组，本实施例的一组所述第一磁组包括多个所述第一磁体，多个所述第一磁体位于所述第一扭转梁21的一侧；对应的，所述第一驱动线圈设有多个，每一所述第一驱动线圈与一所述第一磁体相对，多对所述第一驱动线圈和所述第一磁体之间形成的作用力方向相同，即位于第一扭转梁21同侧的第一驱动线圈和第一磁体之间形成的作用力方向相同。

同样，基于同样的理由，可将多个第一磁体和第一驱动线圈均靠近内框架2的摆动自由端的一侧设置，优选的，可将多个第一磁体和第一驱动线圈均匀设置，这样不仅保证可具有大的偏转角，且受力均匀，偏转稳定性高。

另外，如图2所示，为了进一步获得大的偏转角，一组所述第一磁组中多个所述第一磁体中每相邻的两个所述第一磁体的磁极方向相反，以获得梯度磁场。经研究发现，如图6所示，将多个磁体依次排布，并使得每相邻的两个磁体之间的磁体方向相反，那么能够使磁体外部的磁通量产生梯度，形成梯度磁场，如图7所示，为磁体的磁通量分布情况，能看到磁体外部磁场形成了梯度。

基于上述，发明人将内框架2上的第一驱动线圈分别置于梯度磁场和均匀磁场(即将多个磁体同方向设置产生的磁场)中进行分析，一并参照图8和图9所示，其中图8为第一驱动线圈置于均匀磁场中受到的磁场分析，图9为第一驱动线圈置于梯度磁场中受到的磁场分析，图9的梯度磁场中线圈处受到的磁感应强度为0.57T，而图8的均匀磁场中线圈受到的磁感应强度为0.39T，从模拟结果能看到当将驱动磁场梯度化之后，线圈受到的磁感应强度比均匀磁场要强。由公式F＝BIL得到，当电流I与线圈长度L不变时，在磁场中受到的磁感应强度越大，则驱动力越大，则能获得更大的偏转角度。

进一步参照图10，为二维矢量扫描微镜在梯度磁场和均匀磁场中的实际测试的偏转角。毫无疑义的，梯度磁场使得二维矢量扫描微镜具有更大的偏转角。

具体的参照图2和图3，第一磁体设有2个，分别为第一磁体41a和第一磁体41b，第一磁体41a和第一磁体41b两个磁极方向相反，即与驱动线圈相对的一侧第一磁体41a的为N极，第一磁体41b的为S极，第一磁体41a和第一磁体41b均靠近内框架2的摆动的自由端，且第一磁体41a和第一磁体41b关于第二扭转梁32对称，对应的，第一驱动线圈设有2个，分别为与第一磁体41a相对的第一驱动线圈51a和与第一磁体41b相对的第一驱动线圈51b。当通入第一驱动线圈51a的电流方向为顺时针，则需通入第一驱动线圈51b的电流方向为逆时针，此时第一驱动线圈51a和第一磁体41a的作用力为朝外的F1，第一驱动线圈51b和第一磁体41b的作用力为朝外的F2，F1和F2的力的朝向相同，一起驱动内框架2旋转；当需要切换内框架2的旋转方向时，则改变通入第一驱动线圈51a和第一驱动线圈51b的电流方向，实现反向偏转。

实施例3

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，为了进一步使内框架2获得较大的偏转，且便于对内框架2进行控制，本实施例的所述第一磁组和所述第一驱动线圈组均设有两组，两组所述第一磁组和所述第一驱动线圈分别位于所述第一扭转梁21的两侧，且两组中所述第一磁组与第一驱动线圈组之间形成的作用力方向相反。

优选的，位于所述第一扭转梁21的两侧的所述第一磁组和所述第一驱动线圈组关于所述第一扭转梁21对称。

具体的，本实施例具体在实施例2的基础上进行描述，参照图2所示，其中一组(第一组)中第一磁组和第一线圈组的设置、及第一磁体和第一驱动线圈的设置参照实施例2，本实施例重点对另一组(第二组)进行说明。

参照图2和图3，第二组中第一磁组同样包括2个第一磁体，分别为第一磁体41a’和第一磁体41b’，第一磁体41a’和第一磁体41b’两个磁极方向相反，即与驱动线圈相对的一侧第一磁体41a’的为N极，第一磁体41b’的为S极，第一磁体41a’和第一磁体41b’均靠近内框架2的摆动的自由端，且第一磁体41a’和第一磁体41b’关于第二扭转梁32对称，对应的，第二组中第一驱动线圈设有2个，分别为与第一磁体41a’相对的第一驱动线圈51a’和与第一磁体41b’相对的第一驱动线圈51b’。当通入第一驱动线圈51a’的电流方向为逆时针，则需通入第一驱动线圈51b’的电流方向为顺时针，此时第一驱动线圈51a’和第一磁体41a’的作用力为朝内的F1’，第一驱动线圈51b’和第一磁体41b’的作用力为朝内的F2’，F1’和F2’的力的朝向相同，一起驱动内框架2旋转；当需要切换内框架2的旋转方向时，则改变通入第一驱动线圈51a’和第一驱动线圈51b’的电流方向，实现反向偏转。

第一组中的作用力为朝外的F1与F2，第二组中的作用力为朝内的F1’与F2’，第一组中的作用力与第二组中的作用力相反，使得内框架2可获得更大的驱动力，旋转角更大。

实施例4

参照实施例2和实施例3中第一磁体与第一驱动线圈的设置，同样的，参照图2和图4，为了使得微反射镜3获得更大的安培力，以具有更大的旋转角。用于控制所述微反射镜3旋转的第二磁组中的所述第二磁体设有多个，多个所述第二磁体分别位于所述第二扭转梁32的两侧；所述第二驱动线圈设有多个，每一所述第二驱动线圈与一所述第二磁体相对，其中，位于所述第二扭转梁32同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相同，位于所述第二扭转梁32不同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相反。

优选的，为了保证微反射镜3旋转的稳定性，位于所述第二扭转梁32两侧的多个所述第二磁体关于所述第二扭转梁32对称。

作为优选的实施例，多个所述第二磁体中每相邻的两个所述第二磁体的磁极方向相反，使得微反射镜3可具有更大的旋转角。

具体的参照2和图4所示，第二磁组包括2个第二磁体，分别为第二磁体42a和第二磁体42b，第二磁体42a和第二磁体42b两个磁极方向相反，即与驱动线圈相对的一侧第二磁体42a的为N极，第二磁体42b的为S极，第二磁体42a和第二磁体42b均靠近内框架2的摆动的自由端，且第二磁体42a和第二磁体42b关于第二扭转梁32对称，对应的，第二驱动线圈设有2个，分别为与第二磁体42a相对的第二驱动线圈52a和与第二磁体42b相对的第二驱动线圈52b。当通入第二驱动线圈52a的电流方向为顺时针，则需通入第二驱动线圈52b的电流方向为顺时针，此时第二驱动线圈52a和第二磁体42a的作用力为朝外的F3，第二驱动线圈52b和第二磁体42b的作用力为朝内的F3’，F3和F3’的力的朝向相反，一起驱动微反射镜3旋转；当需要切换微反射镜3的旋转方向时，则改变通入第二驱动线圈52a和第二驱动线圈52b的电流方向，实现反向偏转。

应当说明的是，可将本实施例中为了使得微反射镜3获得更大的安培力的设置方式应用与上述所有实施例中，以使得内框架2和微反射镜3都可获得大的驱动力，以具有较大的旋转角。

本发明的二维矢量扫描微镜采用双轴解耦驱动设计，即以第一扭转梁为对称轴，在内框架背面电镀线圈，当线圈中通过电流时，在磁场的作用下，为内框架的偏转提供驱动力；同时，以第二扭转梁为对称轴，在微反射镜背面电镀线圈，为第二扭转梁的偏转提供驱动力，从而实现二维方向的准静态驱动，实现二维空间的矢量扫描。另外本发明的磁体采用梯度磁场设计，最大化优化磁场，使驱动线圈受到的安培力最大，得到最大的旋转角。另外，本发明中用于驱动内框架的驱动线圈设于内框架背面，增大了微镜芯片的表面利用率。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种二维矢量扫描微镜，其特征在于，包括外围框架、设于所述外围框架内的内框架、连接所述外围框架和所述内框架的第一扭转梁、设于所述内框架内的微反射镜及连接所述内框架和所述微反射镜的第二扭转梁，其中，所述内框架可绕所述第一扭转梁旋转，所述微反射镜可绕所述第二扭转梁旋转。

2.根据权利要求1所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，还包括用于驱动所述内框架和所述微反射镜旋转的磁组和线圈组，所述磁组包括设于所述内框架下方的第一磁组和设于所述微反射镜下方的第二磁组；

所述线圈组包括设于所述内框架背面且与所述第一磁组相对的第一驱动线圈组和设于所述微反射镜背面且与所述第二磁组相对的第二驱动线圈组；

所述第一磁组与所述第一驱动线圈组用于配合使所述内框架绕所述第一扭转梁旋转；所述第二磁组与所述第二驱动线圈组用于配合使所述反射镜绕所述第二扭转梁旋转。

3.根据权利要求2所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，所述第一磁组包括第一磁体，所述第二磁组包括第二磁体；所述第一驱动线圈组包括与所述第一磁体相对的第一驱动线圈，所述第二驱动线圈组包括与所述第二磁体相对的第二驱动线圈；

所述第一磁体与所述第一驱动线圈用于配合使所述内框架绕所述第一扭转梁旋转；所述第二磁体与所述第二驱动线圈用于配合使所述微反射镜绕所述第二扭转梁旋转。

4.根据权利要求3所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，每个所述第一磁组包括多个所述第一磁体，每个所述第一磁组的所述第一磁体位于所述第一扭转梁的一侧；所述第一驱动线圈设有多个，每个所述第一驱动线圈与一所述第一磁体相对，每个所述第一驱动线圈与对应的所述第一磁体之间形成的作用力方向相同。

5.根据权利要求4所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，每相邻的两个所述第一磁体的磁极方向相反。

6.根据权利要求3所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，所述第一磁组和所述第一驱动线圈组均设有两组，两组所述第一磁组和所述第一驱动线圈分别位于所述第一扭转梁的两侧，且两组中所述第一磁组与第一驱动线圈组之间形成的作用力方向相反。

7.根据权利要求6所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，位于所述第一扭转梁的两侧的所述第一磁组和所述第一驱动线圈组关于所述第一扭转梁对称。

8.根据权利要求3～7任意一项所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，所述第二磁体设有多个，多个所述第二磁体分别位于所述第二扭转梁的两侧；所述第二驱动线圈设有多个，每一所述第二驱动线圈与一所述第二磁体相对，其中，位于所述第二扭转梁同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相同，位于所述第二扭转梁不同侧的所述第二驱动线圈与所述第二磁体之间的作用力相反。

9.根据权利要求8所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，位于所述第二扭转梁两侧的所述第二磁体关于所述第二扭转梁对称设置。

10.根据权利要求8所述的二维矢量扫描微镜，其特征在于，每相邻的两个所述第二磁体的磁极方向相反。

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