CN112904553B - 一种超大角度电磁驱动微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大角度电磁驱动微镜，涉及微机电系统技术领域，包括微镜以及设于微镜两侧的新型磁体结构、驱动线圈和锚点，微镜通过两个对称的扭转梁分别连接锚点的一侧，锚点的另一侧通过扭转梁连接微镜的硅基板，锚点用于固定微镜；驱动线圈设置在微镜两侧的硅基板上，每侧的新型磁体结构围绕驱动线圈设置，用于产生与驱动线圈运动轨迹相切的辐射状磁场；驱动线圈外接电源时，使作用于硅基板上的扭转力矩方向相同，微镜通过硅基板传递的扭转力矩以扭转梁为轴发生偏转。该结构能够在小电流下得到更大的偏转角度，减低了功率；且偏转时磁场强度不变，驱动线圈的电磁力只沿扭转力矩方向，并与驱动电流呈线性关系，可控性高。

Description

一种超大角度电磁驱动微镜
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，尤其是一种超大角度电磁驱动微镜。
背景技术
电磁微镜是一种应用MEMS技术研制的光反射型器件，电磁微镜是在电磁力的作用下，通过扭转结构带动镜面偏转，改变反射光路的一种微镜，可以通过控制电流的大小和频率来控制微镜的偏转角度和频率。
现有的电磁驱动微镜的简易示意图如图1所示，首先，空间中平行放置的永磁体1产生的磁场是近似水平分布的，驱动线圈2在两个永磁体之间通过电磁力的作用下产生偏转，随着微镜偏转角度θ的增大，驱动线圈2距离永磁体1的距离d增大，根据毕奥-萨伐尔定律描述的恒定磁体在空间中磁感应强度和距离的关系中，磁感应强度B和距离的平方d2成反比，驱动线圈受到的总电磁力F也与磁体距离的平方d2成反比，磁感应强度变弱，同时驱动线圈2所在扭转方向上的电磁力F·cosθ也会减小。在这样的驱动情况下，控制偏转角度θ时需要考虑驱动线圈2与永磁体1的距离d，角度变化带来的有效扭转电磁力F·cosθ的减小，偏转力矩与电流大小关系呈非线性，可控性差，无法达到大于180°的光学反射角。若现有的电磁驱动微镜要达到大于180°的光学反射角度，需要采用透镜扩束方法或者由多个电磁微镜拼接完成。如图2所示的透镜扩束方法中，光束通过微镜4反射后再穿过透镜3会造成能量损耗，经扩束后的分辨精度也会下降。如图3所示的多电磁微镜拼接方法中，微镜5a、5b、5c要求体积大，功耗大，如图3阴影表示的视场叠加处需要裁剪、拼接和融合，同时在驱动和算法上的难度也会因为拼接方法大大提升。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种超大角度电磁驱动微镜，本发明的技术方案如下：
一种超大角度电磁驱动微镜，包括微镜以及设于微镜两侧的新型磁体结构、驱动线圈和锚点，微镜通过两个对称的扭转梁分别连接锚点的一侧，锚点的另一侧通过扭转梁连接微镜的硅基板，锚点用于固定微镜；驱动线圈设置在微镜两侧的硅基板上，每侧的新型磁体结构围绕驱动线圈设置，用于产生与驱动线圈运动轨迹相切的辐射状磁场；驱动线圈的两端位于锚点上，外接电源时使作用于硅基板上的扭转力矩方向相同，微镜通过硅基板传递的扭转力矩以扭转梁为轴发生偏转。
其进一步的技术方案为，新型磁体结构的底部通过外部支架固定，微镜的偏转角度不超过外部支架，每侧的新型磁体结构包括两个极性相对摆放的弧形永磁体和圆柱形导磁体；弧形永磁体为圆弧柱状，圆柱形导磁体和承载有驱动线圈的硅基板位于两个弧形永磁体之间，承载驱动线圈的硅基板为中空矩形，圆柱形导磁体位于硅基板的中空部，圆柱形导磁体用于强化辐射状磁场强度，圆柱形导磁体的中轴线、弧形永磁体的组合轴线和扭转梁同轴，使驱动线圈和弧形永磁体的距离在任意角度相等。
其进一步的技术方案为，弧形永磁体的弧长夹角大于90°，使微镜达到大于180°的光学反射角度。
其进一步的技术方案为，锚点无需包裹微镜设置，超大角度电磁驱动微镜的最外侧无需设置外部固定边框连接锚点，增大了占空比、减小了超大角度电磁驱动微镜的整体平面面积。
其进一步的技术方案为，弧形永磁体的材料为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铝镍钴磁铁；圆柱形导磁体的材料为纯铁、硅钢或铝铁合金；硅基板的材料为单晶硅或多晶硅。
其进一步的技术方案为，驱动线圈在辐射状磁场中获得的电磁力只沿扭转力矩方向，没有其他方向分力，电磁力与驱动电流呈线性关系。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
采用弧长夹角大于90°的弧形永磁体，与圆柱形导磁体形成辐射状磁场，利用一个微镜就可以达到大于180°的光学反射角度，在更小的电流下得到更大的偏转角度，减低了功率；且驱动线圈和弧形永磁体的距离在任意角度相等，所以磁场强度不变，驱动线圈在辐射状磁场中获得的电磁力只沿扭转力矩方向，没有其他方向的电磁力分量，电磁力与驱动电流呈线性关系，可控性高，驱动线圈不会因此变形，安全性增加。
附图说明
图1是现有技术提供的电磁驱动微镜的侧视图。
图2是现有技术提供的大角度电磁驱动微镜的透镜扩束方法示意图。
图3是现有技术提供的大角度电磁驱动微镜的多微镜拼接方法示意图。
图4是本申请提供的超大角度电磁驱动微镜的正视图。
图5是本申请提供的超大角度电磁驱动微镜的A-A剖面图。
图6是本申请和现有技术在电磁驱动时得到的光学角度的比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
结合图4、图5所示，本申请提供的超大角度电磁驱动微镜包括微镜6以及设于微镜6两侧的新型磁体结构、驱动线圈2和锚点7，这样不会直接遮挡镜面入射和反射的光路。其中新型磁体结构和锚点7通过与外部支架连接起到支撑超大角度电磁驱动微镜的作用，本申请不限制外部支架的具体结构，在此不做详细介绍。由于微镜6两侧的结构为镜面对称，因此下面着重介绍微镜6一侧的各个结构。
微镜6两侧延伸有硅基板8，硅基板8用于固定驱动线圈2，还用于向微镜6传递扭转力矩。可选的，承载驱动线圈2的硅基板8为中空矩形，材料为单晶硅或多晶硅。微镜6通过两个对称的扭转梁9分别连接锚点7的一侧，锚点7的另一侧通过扭转梁9连接微镜6的硅基板8，锚点7用于固定微镜6。本申请的锚点7与传统的微镜结构采用的锚点相比，锚点7无需包裹微镜6设置，超大角度电磁驱动微镜的最外侧无需设置外部固定边框连接锚点7，增大了占空比、减小了电磁驱动微镜的整体平面面积。
新型磁体结构的底部通过外部支架固定，微镜6的偏转角度不超过外部支架，新型磁体结构围绕驱动线圈2设置。具体的，新型磁体结构包括两个N极、S极相对摆放的弧形永磁体101a、101b和圆柱形导磁体11，可选的，弧形永磁体101a、101b的材料为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铝镍钴磁铁等其他磁铁材料；圆柱形导磁体11的材料为纯铁、硅钢或铝铁合金等其他磁铁材料。弧形永磁体101a、101b为圆弧柱状，在本申请中，弧形永磁体101a、101b的弧长夹角大于90°，这样微镜6的机械偏转角度大于45°，从而使微镜6达到大于180°的光学反射角度。圆柱形导磁体11和承载有驱动线圈2的硅基板8位于两个弧形永磁体101a、101b之间，且圆柱形导磁体11位于硅基板8的中空部，圆柱形导磁体11用于强化辐射状磁场强度，并与弧形永磁体101a、101b配合产生与驱动线圈2运动轨迹相切的辐射状磁场，圆柱形导磁体11的中轴线、弧形永磁体101a、101b的组合轴线和扭转梁9同轴，使驱动线圈2和弧形永磁体101a、101b的距离d在任意角度相等。
驱动线圈2设置在微镜6两侧的硅基板8上，且围绕圆柱形导磁体11设置，可选的，驱动线圈2的材料为铜或铝等其他导电材料。两侧的驱动线圈2可以采用同一线圈围绕制成，也可以采用两个线圈分别围绕制成，当采用同一线圈时，需在微镜6的背面走线。驱动线圈2的两端位于锚点7上，外接电源时使作用于两侧硅基板8上的扭转力矩方向相同，也即两侧驱动线圈2的驱动电流I方向须保证扭转力矩方向相同。微镜6通过硅基板8传递的扭转力矩以扭转梁9为轴发生偏转，也即微镜6、两侧的硅基板8及位于其上的驱动线圈2处于同一平面且均以扭转梁9为轴发生偏转。
当驱动线圈2上电时，在任意时刻，驱动线圈2在辐射状磁场中与弧形永磁体101a、101b的距离d不变，磁感应强度不变，获得的电磁力F只沿扭转力矩方向，没有其他方向分力，这种情况下，电磁力F与驱动电流I呈线性关系，可控性高，驱动线圈2不会因此变形，安全性增加，如图6所示，与现有的电磁驱动微镜相比，本申请仅利用一个微镜6就可以达到大于180°的光学反射角度。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超大角度电磁驱动微镜，其特征在于，包括微镜以及设于微镜两侧的新型磁体结构、驱动线圈和锚点，所述微镜通过两个对称的扭转梁分别连接所述锚点的一侧，所述锚点的另一侧通过所述扭转梁连接微镜两侧的硅基板，所述锚点用于固定所述微镜；所述驱动线圈设置在微镜两侧的硅基板上，每侧的所述新型磁体结构围绕所述驱动线圈设置，用于产生与驱动线圈运动轨迹相切的辐射状磁场；所述驱动线圈的两端位于所述锚点上，外接电源时使作用于所述硅基板上的扭转力矩方向相同，所述微镜通过所述硅基板传递的扭转力矩以所述扭转梁为轴发生偏转；
所述新型磁体结构的底部通过外部支架固定，所述微镜的偏转角度不超过所述外部支架，每侧的所述新型磁体结构包括两个极性相对摆放的弧形永磁体和圆柱形导磁体；所述弧形永磁体为圆弧柱状，所述圆柱形导磁体和承载有所述驱动线圈的硅基板位于两个所述弧形永磁体之间，承载所述驱动线圈的硅基板为中空矩形，所述圆柱形导磁体位于所述硅基板的中空部，所述圆柱形导磁体用于强化辐射状磁场强度，所述圆柱形导磁体的中轴线、弧形永磁体的组合轴线和扭转梁同轴，使所述驱动线圈和所述弧形永磁体的距离在任意角度相等。
2.根据权利要求1所述的超大角度电磁驱动微镜，其特征在于，所述弧形永磁体的弧长夹角大于90°，使所述微镜达到大于180°的光学反射角度。
3.根据权利要求1所述的超大角度电磁驱动微镜，其特征在于，所述锚点无需包裹所述微镜设置，所述超大角度电磁驱动微镜的最外侧无需设置外部固定边框连接所述锚点，增大了占空比、减小了所述超大角度电磁驱动微镜的整体平面面积。
4.根据权利要求1所述的超大角度电磁驱动微镜，其特征在于，所述弧形永磁体的材料为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铝镍钴磁铁；所述圆柱形导磁体的材料为纯铁、硅钢或铝铁合金；所述硅基板的材料为单晶硅或多晶硅。
5.根据权利要求1-4任一所述的超大角度电磁驱动微镜，其特征在于，所述驱动线圈在所述辐射状磁场中获得的电磁力只沿扭转力矩方向，没有其他方向分力，所述电磁力与驱动电流呈线性关系。
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