CN112083567A - 一种推挽式扫描光栅 - Google Patents

一种推挽式扫描光栅 Download PDF

Info

Publication number
CN112083567A
CN112083567A CN202011096674.8A CN202011096674A CN112083567A CN 112083567 A CN112083567 A CN 112083567A CN 202011096674 A CN202011096674 A CN 202011096674A CN 112083567 A CN112083567 A CN 112083567A
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
driving
push
piezoresistive
reflection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011096674.8A
Other languages
English (en)
Inventor
姜森林
何文馨
漆锐
冯科
杨玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CISDI Technology Research Center Co Ltd
Original Assignee
CISDI Technology Research Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CISDI Technology Research Center Co Ltd filed Critical CISDI Technology Research Center Co Ltd
Priority to CN202011096674.8A priority Critical patent/CN112083567A/zh
Publication of CN112083567A publication Critical patent/CN112083567A/zh
Priority to PCT/CN2021/120934 priority patent/WO2022078198A1/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/106—Scanning systems having diffraction gratings as scanning elements, e.g. holographic scanners
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements

Abstract

本发明提出一种推挽式扫描光栅，其特征在于，包括，支撑框架、反射光栅、扭转梁、用于驱动所述反射光栅扭转的电磁推挽驱动器和用于检测所述光栅扭转角度的角度传感器；所述反射光栅通过分布于两侧边且位置对称设置的两个扭转梁与所述支撑框架连接；所述两个扭转梁的轴线与所述反射光栅侧边的中线重合；所述角度传感器设置于其中一个所述扭转梁与所述支撑框架的连接处；所述电磁推挽驱动器包括驱动线圈和两个驱动电极；通过所述驱动电极输入驱动信号，控制设置于所述反射光栅的中线两侧边的驱动线圈形成流向相反的电流，驱动所述反射光栅扭转；本发明结构简单，可有效降低功耗，增强扫描光栅的稳定性。

Description

一种推挽式扫描光栅
技术领域
本发明涉及微光机电系统技术领域，尤其涉及一种推挽式扫描光栅。
背景技术
扫描光栅作为微光机电系统(MOEMS)一种重要的器件之一，已被广泛应用于便携式智能监测、食品安全、化学检测等领域。其基本原理为：通过MEMS工艺加工满足紫外需求的光栅镜面，精确控制光栅旋转的驱动力，结合角度传感器角度反馈，实现精确控制光栅镜面的旋转角度，从而达到精确控制光栅扫描。
目前扫描光栅大都采用静电、电热及压电等驱动原理实现驱动。静电驱动只能施加吸引驱动力，因此通常只能做成单极驱动模式。该方案一方面不容易精确驱动力大小实现精确角度控制，另一方面光栅在单极驱动容易产生不稳定状态，也无法快速恢复状态；电热驱动光栅需用电生热再产生驱动力，整个热电驱动响应比较慢，限制了扫描速度。热驱动的方式也会造成比较大的使用功耗，无法满足便携可移动设备的长寿命要求；压电驱动需要使用特殊的压电材料。MOEMS器件中采用特殊材料会加入额外的工艺制程，增加了工艺兼容设计难度，不利于工艺整合，增加了制造成本。电磁式驱动相应速度快、功耗低、驱动力大，是一种理想的驱动方案。传统的电磁式MOEMS扫描微镜一般只具有单极型驱动，在获得同样偏转角度的情况下，往往器件体积大、功耗高。
此外，为获得对光栅转动的精密控制，传统的扫描光栅还需要一个套额外的测量系统对其旋转角度进行测量，非MOEMS测量器件需要额外制备，在工艺上无法与光栅制备实现集成。无法缩小光栅体积，降低系统成本。
最后，由于传统的MOEMS器件受光刻、刻蚀工艺限制及前后工艺兼容性影响，对于紫外波段，较小光栅常数的扫描光栅制备难度大，器件成品率低。这些都限制了扫描微镜在MOEMS中的应用。
发明内容
鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种推挽式扫描光栅，主要解决现有单极驱动方式功耗高且体积大的问题。
为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。
一种推挽式扫描光栅，包括，支撑框架、反射光栅、扭转梁、用于驱动所述反射光栅扭转的电磁推挽驱动器和用于检测所述光栅扭转角度的角度传感器；
所述反射光栅通过分布于两侧边且位置对称设置的两个扭转梁与所述支撑框架连接；所述两个扭转梁的轴线与所述反射光栅侧边的中线重合；所述角度传感器设置于其中一个所述扭转梁与所述支撑框架的连接处；所述电磁推挽驱动器包括驱动线圈和两个驱动电极；通过所述驱动电极输入驱动信号，控制设置于所述反射光栅的中线两侧边的驱动线圈形成流向相反的电流，驱动所述反射光栅扭转。
可选地，所述驱动线圈分别从两个驱动电极引出，并在所述反射光栅侧边的中线的两侧面上分别形成回形线圈；所述光栅侧边的中线两侧分别设置有连接电极，两侧的所述回形线圈通过所述连接电极导通，所述驱动电极和所述驱动线圈通过所述连接电极形成驱动信号回路。
可选地，两侧的所述回形线圈位置沿所述光栅侧边中线对称。
可选地，两侧的所述连接电极分别设置于对应反射光栅两侧面的中心位置。
可选地，通过改变所述回形线圈的缠绕圈数，改变所述反相光栅的最大扭转角度和工作频率。
可选地，所述角度传感器检测对应位置的所述扭转梁的扭转应力，根据所述扭转应力获取所述反射光栅的扭转角度对应的信号。
可选地，所述角度传感器包括压阻单元和压阻电极，所述压阻单元与所述压阻电极连接；所述压阻单元检测对应位置的所述扭转梁的扭转应力，并通过所述压阻电极输出压阻信号。
可选地，所述压阻单元包括两个沿所述扭转梁轴向对称设置的压阻传感器；所述压阻电极包括沿所述扭转梁轴向对称设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别连接其中一个所述压阻传感器；通过两个压阻传感器形成差分压阻信号。
可选地，所述反射光栅的光栅常数不大于0.4微米。
可选地，所述反射光栅包括硅结构层和光学反射层，所述光学反射层采用MEMS工艺制作在所述硅结构层上；所述扭转梁的一端通过所述硅结构层与所述反射光栅连接，另一端通过所述硅结构层及所述支撑框架连接。
如上所述，本发明一种推挽式扫描光栅，具有以下有益效果。
通过光栅两侧的驱动线圈形成推挽结构，驱动光栅扭转，可降低驱动电压，增加光栅扭转角度；利用光栅扭转后的应力能够实现光栅扭转后快速恢复，降低工作功耗，结构简单，工艺复杂度低，有利于提高生产效率。
附图说明
图1为本发明一实施例中推挽式扫描光栅的结构示意图。
图2为本发明一实施例中推挽式扫描光栅沿A-A’向剖面示意图。
图3为推挽式扫描光栅沿B-B’向示意图。
图4为本发明一实施例中推挽式扫描光栅的制作工艺流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种推挽式扫描光栅，包括支撑框架、反射光栅、扭转梁、电磁推挽驱动器和角度传感器。
在一实施例中，反射光栅通过分布于两侧边且位置对称设置的两个扭转梁与支撑框架连接；两个扭转梁的轴线与反射光栅侧边的中线重合；角度传感器设置于其中一个扭转梁与支撑框架的连接处；电磁推挽驱动器包括驱动线圈和两个驱动电极；通过驱动电极输入驱动信号，控制设置于反射光栅的中线两侧边的驱动线圈形成流向相反的电流，驱动反射光栅扭转。
在一实施例中，驱动线圈分别从两个驱动电极引出，并在反射光栅侧边的中线的两侧面上分别形成回形线圈；光栅侧边的中线两侧分别设置有连接电极，回形线圈通过连接电极导通，驱动电极和驱动线圈通过连接电极形成驱动信号回路。
在一实施例中，反射光栅包括硅结构层和光学反射层，光学反射层采用MEMS工艺制作在硅结构层上；扭转梁的一端通过硅结构层与反射光栅连接，另一端通过硅结构层及支撑框架连接。
在一实施例中，角度传感器包括压阻单元和压阻电极，压阻单元与压阻电极连接；压阻单元检测对应位置的扭转梁的扭转应力，并通过压阻电极输出压阻信号。
在一实施例中，压阻单元包括两个沿扭转梁轴向对称设置的压阻传感器；压阻电极包括沿扭转梁轴向对称设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别连接其中一个压阻传感器；通过两个压阻传感器形成差分压阻信号。
具体地，反射光栅(2)、驱动线圈位于支撑框架(6)结构的内部，通过扭转粱(1)与驱动电极连接。扭转梁(1)位于反射光栅(2)的上、下两侧的中部位置，且相互对称。
驱动线圈线圈包括回形线圈I(41)和回形线圈II(42)，两者沿反射光栅(2)的纵向中线对称设置在反射光栅(2)的左、右两侧。回形线圈I(41)的起绕端设置有连接电极I(c)，终绕端设置有驱动电极I(b)；回形线圈II(42)的起绕端设置有连接电极I(c’)，终绕端设置有驱动电极I(b’)；连接电极I(c)与连接电极I(c’)在结构上实现互联；驱动信号通过驱动电极I(b)或驱动电极I(b’)输入，通过两侧的回形线圈、连接电极形成驱动信号流通回路，使得驱动电流从一侧回形线圈流入从另一侧回形线圈流出，保证两侧回形线圈电流大小相等，方向相反。
角度传感器(3)包括压阻传感器I(31)、压阻传感器II(32)，两者沿反射光栅(2)的纵向中线对称设置在扭转梁(1)与支撑框架(6)接连处，通过压阻传感器I(a)与压阻传感器II(a’)读出差分压阻信号；
当驱动电极I(b)或驱动电极I(b’)输入驱动信号时，由于对称的驱动线圈布局，且驱动线圈电流方向相反，在光栅镜面沿扭转粱两侧会产生不同方向的磁场。利用两个方向不同的磁场与外加磁场的作用，可以实现光栅镜面沿扭转粱的偏转。
位于扭转梁(1)与支撑框架(6)接连处，沿反射光栅(2)的纵向中线对称设置的压阻传感器I(31)、压阻传感器II(32)构成了角度传感器(3)。由工艺控制可以精确得到压阻的性能参数，结合扭转梁的应力模型可以推导得出扭转角度信号。利用该信息可以反馈控制驱动线圈电流，精确控制光栅转角。相对于常规扫描光栅而言，具有突出的性能。
特别的，本发明提出的光栅常数不大于0.4μm，可以利用MEMS工艺完备的制造所有结构。工艺精度高，兼容性好，可以实现较高的器件成品率。具有突出的价格优势。制作工艺流程如图5所示，具体实施方式如下所述：
(1)在双抛偏晶向硅片上双面生长SiO2层，背面光刻图形化后去除SiO2层并进行磷扩散，形成线圈驱动器连接电极，如图4(a)所示；
(2)图形化压阻区域，注入形成压阻；双面生长Si3N4层，形成双极型电磁微驱动器线圈，形成驱动线圈及压阻区域连接电极，如图4(b)所示；
(3)正面图形化光栅图形，偏晶向湿法腐蚀形成精密光栅，如图4(c)所示。
(4)涂胶保护，RIE去除表层Si3N4层，湿法去除SiO2层，刻蚀Si基底至一定深度，如图4(d)所示；
(5)背面光刻图形化，RIE刻蚀去除背面Si3N4层，湿法去除SiO2层，RIE刻蚀背面，实现结构释放，如图4(e)所示；
(6)正面溅射金属层，作为微镜面反射层，如图4(f)所示。
本发明具有较大的通用性，在一定的工作电压下，通过改变电磁微驱动器线圈的绕制圈数，可以调节微镜的转动角度和工作频率，以满足不同光学系统的要求。
综上所述，本发明一种推挽式扫描光栅，通过引入推挽式电磁驱动，可以在较小驱动电压下实现较大的扭转驱动。同时，由于电磁作用可以实现吸引和排斥两个方向的作用，扭转后的光栅可以通过方向的扭转作用快速的回到平衡位置。加快了角度扫描的效率。最后，由于在扭转粱的两侧布置了对称驱动电极，有效的消除了光栅在光栅平面内的转动，增强了光栅镜面的稳定性，有助于扫描过程的稳定。相对于常规扫描光栅驱动方法，具有突出的优点；通过采用偏晶向精密光刻腐蚀工艺，在体硅表面制备了周期为0.4μm光栅，实现了在紫外波段的实用性及分辨能力；通过使用对称推挽式微驱动器结构，可实现对称扭转驱动，增加了光栅稳定性；通过使用两个驱动线圈，降低了驱动电压，增加了光栅扭转角度；通过使用电磁驱动，提高了器件响应速度，缩短了光栅恢复时间，减低了工作功耗；通过使用压阻式角度传感器反馈角度信息，可以结合电磁驱动器实现光栅扭转角度的精确控制；结构简单，工艺复杂度低，所有工艺兼容性完备，没有特殊工艺，具有成品率高，可批量生产等优点，在MOEMS扫描光栅领域具有广泛的应用前景。。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种推挽式扫描光栅，其特征在于，包括，支撑框架、反射光栅、扭转梁、用于驱动所述反射光栅扭转的电磁推挽驱动器和用于检测所述光栅扭转角度的角度传感器；
所述反射光栅通过分布于两侧边且位置对称设置的两个扭转梁与所述支撑框架连接；所述两个扭转梁的轴线与所述反射光栅侧边的中线重合；所述角度传感器设置于其中一个所述扭转梁与所述支撑框架的连接处；所述电磁推挽驱动器包括驱动线圈和两个驱动电极；通过所述驱动电极输入驱动信号，控制设置于所述反射光栅的中线两侧边的驱动线圈形成流向相反的电流，驱动所述反射光栅扭转。
2.根据权利要求1所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述驱动线圈分别从两个驱动电极引出，并在所述反射光栅侧边的中线的两侧面上分别形成回形线圈；所述光栅侧边的中线两侧分别设置有连接电极，两侧的所述回形线圈通过所述连接电极导通，所述驱动电极和所述驱动线圈通过所述连接电极形成驱动信号回路。
3.根据权利要求1所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，两侧的所述回形线圈位置沿所述光栅侧边中线对称。
4.根据权利要求2所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，两侧的所述连接电极分别设置于对应反射光栅两侧面的中心位置。
5.根据权利要求3所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，通过改变所述回形线圈的缠绕圈数，改变所述反相光栅的最大扭转角度和工作频率。
6.根据权利要求1所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述角度传感器检测对应位置的所述扭转梁的扭转应力，根据所述扭转应力获取所述反射光栅的扭转角度对应的信号。
7.根据权利要求6所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述角度传感器包括压阻单元和压阻电极，所述压阻单元与所述压阻电极连接；所述压阻单元检测对应位置的所述扭转梁的扭转应力，并通过所述压阻电极输出压阻信号。
8.根据权利要求6所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述压阻单元包括两个沿所述扭转梁轴向对称设置的压阻传感器；所述压阻电极包括沿所述扭转梁轴向对称设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别连接其中一个所述压阻传感器；通过两个压阻传感器形成差分压阻信号。
9.根据权利要求1所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述反射光栅的光栅常数不大于0.4微米。
10.根据权利要求1所述的推挽式扫描光栅，其特征在于，所述反射光栅包括硅结构层和光学反射层，所述光学反射层采用MEMS工艺制作在所述硅结构层上；所述扭转梁的一端通过所述硅结构层与所述反射光栅连接，另一端通过所述硅结构层及所述支撑框架连接。
CN202011096674.8A 2020-10-14 2020-10-14 一种推挽式扫描光栅 Pending CN112083567A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011096674.8A CN112083567A (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种推挽式扫描光栅
PCT/CN2021/120934 WO2022078198A1 (zh) 2020-10-14 2021-09-27 一种推挽式扫描光栅

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011096674.8A CN112083567A (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种推挽式扫描光栅

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112083567A true CN112083567A (zh) 2020-12-15

Family

ID=73729862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011096674.8A Pending CN112083567A (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种推挽式扫描光栅

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN112083567A (zh)
WO (1) WO2022078198A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022078198A1 (zh) * 2020-10-14 2022-04-21 中冶赛迪技术研究中心有限公司 一种推挽式扫描光栅

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001286745A1 (en) * 2000-08-27 2002-03-13 Corning Intellisense Corporation Magnetically actuated micro-electro-mechanical apparatus and method of manufacture
EP2534523B1 (en) * 2010-02-08 2017-08-16 Intel Corporation Method and apparatus for controlling a mems micro-mirror device
CN102707435A (zh) * 2012-05-29 2012-10-03 重庆大学 双极型电磁式扫描微镜
CN105242396B (zh) * 2015-11-20 2017-11-21 重庆大学 集成角度传感器的高衍射效率mems扫描光栅
CN112083567A (zh) * 2020-10-14 2020-12-15 中冶赛迪技术研究中心有限公司 一种推挽式扫描光栅

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022078198A1 (zh) * 2020-10-14 2022-04-21 中冶赛迪技术研究中心有限公司 一种推挽式扫描光栅

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022078198A1 (zh) 2022-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100410724C (zh) 梳齿电极对的制造方法
US6744173B2 (en) Multi-layer, self-aligned vertical combdrive electrostatic actuators and fabrication methods
US7557470B2 (en) 6-axis electromagnetically-actuated meso-scale nanopositioner
CN101852917B (zh) 大转角压电扫描微镜
US7295726B1 (en) Gimbal-less micro-electro-mechanical-system tip-tilt and tip-tilt-piston actuators and a method for forming the same
US20040036942A1 (en) Micro-mechanical system employing electrostatic actuator and fabrication methods of same
US20050018322A1 (en) Magnetically actuated fast MEMS mirrors and microscanners
Ji et al. Electromagnetic two-dimensional scanner using radial magnetic field
US8853804B2 (en) Tilting actuator with close-gap electrodes
Koh et al. A two-dimensional MEMS scanning mirror using hybrid actuation mechanisms with low operation voltage
JP4464186B2 (ja) マイクロ揺動素子
CN112083567A (zh) 一种推挽式扫描光栅
CN113092885A (zh) 压阻式微型电场传感器及其制备方法、电场传感器
JP2000171481A (ja) コ―ム構造物，アクチュエ―タ及び慣性感知センサ―
Park et al. Large displacement bi-directional out-of-plane Lorentz actuator array for surface manipulation
CN212540900U (zh) 一种推挽式扫描光栅
Ji et al. Electromagnetic micromirror array with single-crystal silicon mirror plate and aluminum spring
CN114647077B (zh) 一种集成压阻反馈的电热式微镜
Shen et al. CMOS micromachined cantilever-in-cantilever devices with magnetic actuation
Jang et al. Design, fabrication and characterization of an electromagnetically actuated addressable out-of-plane micromirror array for vertical optical source applications
JPH09159939A (ja) 戻り光制御装置
Gaspar et al. Out-of-plane electrostatic microactuators with tunable stiffness
CN219435137U (zh) 一种基于电磁驱动及压电驱动的二维mems扫描微镜
US20230194790A1 (en) Silicon beam-steering apparatus and method for manufacturing
CN114866056B (zh) 一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination