CN116626880A - 基于非线性内共振现象的二维mems微镜及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜及其驱动方法，包括反射镜、可动框架、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴偏转的外部扭转弹簧，使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴偏转的内部扭转弹簧，以及控制电路，第一旋转共振模态为反射镜与可动框架绕外部扭转弹簧扭转运动，第二旋转共振模态为反射镜绕内部扭转弹簧扭转运动，所述第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1：N或N：1，其中N为正整数，确保所述第一旋转共振模态和第二旋转共振模态发生非线性内共振现象。本发明通过非线性内共振驱动，实现单一驱动信号同时控制二维微镜的第一、第二旋转模态振动，简化二维微镜结构设计以及控制回路的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统(MEMS)技术领域，特别是涉及一种基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜及其驱动方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)微镜是一种用于光束转向光学MEMS器件，可以扫描一维或二维的激光束，具有扫描频率高、功耗低、成本低、设备体积小等优点，已广泛应用于激光显示、生物医学成像、光探测与测距等领域。
传统的二维MEMS微镜的反射镜可以在水平方向(X轴)与垂直方向(Y轴)扭转。分别在互相垂直的X轴与Y轴中设计对应的驱动梁，实现X轴和Y轴模态同时驱动以及二维物体扫描。
专利文献CN112817141A介绍了一种二维MEMS微镜及其驱动方法，通过外部压电换能器施加频率为ω1的第一驱动信号VA(压电信号)和第二驱动信号VB，由于第一驱动信号VA和第二驱动信号VB的相位相反，压电驱动梁发生的弯曲变形与压电驱动梁发生的弯曲变形相反。外部扭转弹簧受到压电驱动梁的扭转力矩，从而使可动支撑件、内部压电换能器、内部扭转弹簧和反射镜关于X轴偏转，即第一旋转共振模态；在内部换能器施加频率为ω2的第三驱动信号VC(压电信号)和第四驱动信号VD，由于第三驱动信号VC和第四驱动信号VD的相位相反，另一压电驱动梁发生的弯曲变形与压电驱动梁发生的弯曲变形相反。内部扭转弹簧受到压电驱动梁5a-1、的扭转力矩，从而使反射镜关于Y轴偏转，即第二旋转共振模态。从能量流动的角度来看，外部能量通过外部压电换能器和内部换能器分别输入到二维MEMS微镜的第一和第二旋转共振模态之中，并且两模态相互独立，无相互作用和能量交换，通过分别控制内外驱动梁实现反射镜的二维扫描运动。
可见，对反射镜进行二维共振驱动，需要在水平方向(X轴)与垂直方向(Y轴)分别设置换能器(驱动器和感应器)，而内部换能器往往设计为随反射镜一起绕Y轴偏转，存在结构设计和制备工艺较复杂、控制电路复杂、成本较高和反射镜面积较小的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维MEMS微镜及其驱动方法，以解决现有二维微镜驱动结构复杂、镜面面积小、控制回路复杂以及稳定性有待提高等技术难点。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜，包括反射镜、可动支撑件、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴(X轴)偏转的外部扭转弹簧、使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴(Y轴)偏转的内部扭转弹簧以及控制电路。所述水平轴(X轴)垂直于垂直轴(Y轴)，所述第一旋转共振模态为反射镜和可动支撑件绕X轴扭转运动，所述第二旋转共振模态为反射镜Y轴扭转运动。通过调节二维MEMS微镜在不同旋转共振模态的转动惯量和扭转刚度，将第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值设计为1∶N或N∶1(其中N为正整数)。
进一步，所述驱动梁可设计为压电换能器或静电换能器或电磁换能器或电热换能器，所述内部扭转弹簧一端连接反射镜另一端连接可动框架，所述外部扭转弹簧一端连接可动框架另一端连接驱动梁，所述控制电路可通过将驱动信号施加到所述驱动梁，实现对两个垂直扫描模态进行闭环控制。
另一方面，本发明提供一种二维MEMS微镜的非线性内共振驱动方法，在满足第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1∶N或N∶1(其中N为正整数)的二维MEMS微镜中，在非线性振动情况下第一和第二旋转共振模态会发生非线性内共振现象，即振动能量可以在两旋转共振模态间相互传递。通过驱动梁直接激励第一旋转共振模态至非线性振动区间，从而可间接激励第二旋转共振模态，实现二维共振扫描。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)通过一对外部驱动梁实现二维MEMS微镜扫描，减少了二维MEMS微镜驱动梁结构的数量，简化了二维MEMS微镜的驱动结构设计，增大了反射镜的面积以及降低了对高聚焦激光源的要求；
2)通过非线性内共振驱动方法，实现单一驱动信号同时控制二维微镜的第一以及第二旋转模态振动，简化二维微镜控制回路的复杂性；
3)通过非线性内共振驱动方法，可以提高二维微镜的振动稳定性，降低微镜的扫描误差。
附图说明
图1是现有的二维MEMS微镜的结构示意图
图2是现有的二维MEMS微镜的驱动方法示意图
图3是本发明实施例提供的二维MEMS微镜的结构示意图
图4是本发明实施例提供的二维MEMS微镜的非线性内共振驱动方法示意图
图5是本发明实施例提供的二维MEMS微镜的截面图
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施例提供了一种二维MEMS微镜，如图3所示，包括反射镜1；可动支撑件2包围反射镜1以通过一对内部扭转弹簧3a和3b来支撑反射镜1；压电换能器，包括对称设置的压电换能器5a和压电换能器5b，对置压电换能器5a包括压电驱动器6a和压电感测器7a，压电驱动器6a包括压电驱动梁6a-1和6a-2，压电感测器7a包括压电感测梁7a-1和压电感测梁7a-2，对置压电换能器5b包括压电驱动器6b和压电感测器7b，压电驱动器6b包括压电驱动梁6b-1和压电驱动梁6b-2，压电感测器7b包括压电感测梁7b-1、和压电感测梁7b-2，对置压电换能器5a和对置压电换能器5b分别一端通过外部扭转弹簧4a和4b与可动支撑件2连接，另一端与固定支撑件8连接，可以作为驱动梁通过可动支撑件2驱动反射镜1关于水平轴(X轴)偏转，同时可以作为感测器感测反射镜1关于水平轴(X轴)的偏转。此外，利用非线性内共振效应，X轴旋转振动模态可通过非线性耦合力将振动能量传递到为倍频关系的Y轴旋转振动模态，从而实现反射镜1二维振动扫描。
二维MEMS微镜的第一旋转共振模态是反射镜1、可动支撑件2与内部扭转弹簧3a和3b通过外部扭转弹簧4a和4b绕X轴偏转运动，该模态的固有频率为ω1；二维MEMS微镜的第二旋转共振模态是反射镜1通过内部扭转弹簧3a和3b绕Y轴偏转运动，该模态的固有频率为ω2。当ω1与ω2的比值近似等于1：N或N：1(N为正整数)时，二维MEMS微镜在非线性振动下会发生内共振现象。该现象是指两个或多个共振模态可发生非线性能量交换，通过非线性振动引起机械系统内的非线性力，从而产生倍频振动信号实现整数倍频率比模态之间的非线性耦合，实现第一和第二旋转模态的非线性耦合以及提高微镜的振动稳定性。本实施例提供的二维MEMS微镜，在对置压电换能器5a和对置压电换能器5b上施加频率为ω1的驱动信号，直接激发MEMS微镜的第一旋转共振模态，使反射镜1绕X轴偏转振动，同时利用内共振现象间接激振MEMS微镜的第二旋转共振模态，通过非线性内共振现象，使得第一旋转模态振动能量传递至第二旋转共振模态，实现反射镜的双轴振动。本实施例可通过一对外部驱动梁实现双轴旋转模态激振，减少了二维MEMS微镜的驱动梁数量，简化了MEMS微镜的驱动结构以及控制系统，同时由于取消了内部驱动梁可大大增加反射镜1的面积。
二维MEMS微镜的第一旋转共振模态的固有频率ω1满足公式ω1＝(k1/J1)1/2,其中k1为外部扭转弹簧4a和4b关于X轴的扭转刚度，J1为反射镜1、可动支撑件2与内部扭转弹簧3a和3b关于X轴的转动惯量；二维MEMS微镜的第二旋转共振模态的固有频率ω2满足公式ω2＝(k2/J2)1/2，其中k2为内部扭转弹簧3a和3b关于Y轴的扭转刚度，J2为反射镜1关于Y轴的转动惯量。通过分别对内外扭转刚度和内外转动惯量进行优化设计，实现二维MEMS微镜的第一和第二旋转共振模态的固有频率的比值ω1∶ω2≈1∶2，因此二维MEMS微镜的模态频率比满足非线性内共振的倍频要求。
下面对非线性内共振驱动方法进行说明，在本实施例提供的二维MEMS微镜中，第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值设计为整数比1∶2，这样设计可以使二维MEMS微镜的第一旋转共振模态和第二旋转共振模态在非线性振动情况下发生非线性内共振耦合现象，即频率比为整数的模态之间可实现能量相互传输。非线性内共振的驱动方法如图4所示，在对置压电换能器5a和5b施加频率为ω1的第一驱动信号VA(压电信号)和第二驱动信号VB，由于第一驱动信号VA和第二驱动信号VB的相位相反，压电驱动梁5a-1和5b-1发生的弯曲变形与压电驱动梁5a-2和5b-2发生的弯曲变形相反。外部扭转弹簧4a和4b受到压电驱动梁9a-1、9b-1、9a-2和9b-2的扭转力矩，从而使可动支撑件2、内部扭转弹簧3a和3b和反射镜1关于X轴偏转，即第一旋转共振模态。当压电换能器5a和5b向二维MEMS微镜输入的能量足够大时，第一旋转共振模态可被驱动到非线性区间并在微镜系统内产生高阶非线性力，即产生与第一旋转共振模态成整数倍的倍频信号，从而振动能量可以在第一(ω1)、第二(2ω1)旋转共振模态间实现倍频振动能量相互传递，因此第二旋转共振模态会以2ω1的频率被激发，即反射镜1绕Y轴的振动可被X轴的非线性振动间接激励。从能量流动的角度来看，外部能量通过压电换能器直接输入到第一旋转共振模态中，通过第一模态和第二模态间的非线性内共振效应，能量经过第一旋转共振模态传递到了第二旋转共振模态。因此，利用非线性内共振驱动方法，压电换能器产生的扭矩可以分别直接激振X轴和间接激振Y轴的旋转模态，实现反射镜的二维扫描。
在一个具体示例中，结合上述实现方式，在本示例的二维MEMS微镜中，需要设置Pa1、Pa2、Pa3、Pb1、Pb2、Pb3共六个焊盘来实现对对置压电换能器的驱动和检测，其中，焊盘Pa1连接到压电驱动梁6a-1和6b-1的上电极层208；焊盘Pa2连接到压电感测梁7a-1和7b-1的上电极层208；焊盘Pa3连接到压电驱动梁6a-1、6b-1和压电感测梁7a-1、7b-1的下电极层206；焊盘Pb1连接到压电驱动梁6a-2和6b-2的上电极层208；焊盘Pb2连接到压电感测梁7a-2和7b-2的上电极层208；焊盘Pb3连接到压电驱动梁6a-2、6b-2和压电感测梁7a-2和7b-2的下电极层206。控制电路(控制器)20，用于：通过将频率为ω1的第一驱动信号(电压信号)施加到焊盘Pa1、向压电驱动梁6a-1和6b-1提供驱动电压；通过将频率为ω1的第二驱动信号施加到焊盘Pb1、向压电驱动梁6a-2和6b-2提供驱动电压，第一与第二驱动信号频率相等相位相反，可通过单一锁相环对二维微镜实现闭环控制；通过向焊盘Pa3施加复合基准电压，向压电驱动梁6a-1、6b-1和压电感测梁7a-1、7b-1提供基准电压；通过向焊盘Pb3施加复合基准电压，向压电驱动梁6a-2、6b-2和压电感测梁7a-2、7b-2提供基准电压；通过焊盘Pa2检测压电感测梁7a-1和7b-1的第一感测信号(电压信号)；通过焊盘Pb3检测压电感测梁7a-2和7b-2的第二感测信号；使用差分检测的方法处理第一感测信号与第二感测信号，并基于检测结果对第一驱动信号与第二驱动信号进行闭环控制。
下面对本示例的二维MEMS微镜的各个元件的结构作进一步说明，如图5所示，通过绝缘体上硅(SOI)基板形成了单晶硅支承层202、中间氧化硅层203和单晶硅有源层204。另外，附图标记205表示二氧化硅层，206表示由MO等制成的下电极层，207表示氮化铝钪(AlScN)层，208表示由Cr、Au等制成的上电极层，209表示由Cr、Au等制成的金属反射层，201表示由二氧化硅等制成的硬掩模层。反射镜1由用作振动板的单晶硅支承层202、用作反射器的金属反射层209制成。可动框架2以及扭转弹簧3a、3b、4a和4b由单晶硅有源层204和二氧化硅层205构成。压电驱动梁6a-1、6a-2、6b-1、6b-2和压电感测梁7a-1、7a-2、7b-1、7b-2由单晶硅有源层204、二氧化硅层205、下电极层206、压电(AlScN)层207和上电极层208构成。固定支撑件8由硬掩模层201、单晶硅支撑层202、中间氧化硅层203、单晶硅有源层204、二氧化硅层205构成。
Claims (8)
1.一种基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜，包括反射镜、可动框架、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴偏转的外部扭转弹簧，使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴偏转的内部扭转弹簧，以及控制电路，其特征在于，所述第一旋转共振模态为反射镜与可动框架绕外部扭转弹簧旋转振动，所述第二旋转共振模态为反射镜绕内部扭转弹簧旋转振动，所述第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1：N或N：1，其中N为正整数，确保所述第一旋转共振模态和第二旋转共振模态发生非线性内共振现象。
2.根据权利要求1所述的二维MEMS微镜，其特征在于，通过驱动梁直接激励第一旋转共振模态至非线性振动区间，从而间接激励第二旋转共振模态，使振动能量能在两旋转共振模态间相互传递，实现单一驱动信号控制二维扫描振动。
3.根据权利要求2所述的二维MEMS微镜驱动方法，其中能量传递包括电信号能量通过外置换能器转化为驱动梁机械能，驱动梁机械能直接激励第一旋转共振模态，第一旋转共振模态振动能量通过非线性内共振现象传递至第二旋转共振模态。
4.根据权利要求1所述的二维MEMS微镜，其特征在于，N≤6。
5.根据权利要求1所述的二维MEMS微镜，其特征在于，所述驱动梁可通过压电换能器、静电换能器、电磁换能器或电热换能器实现旋转模态的驱动与感应。
6.根据权利要求1所述的二维MEMS微镜，其特征在于，所述内部扭转弹簧一端连接反射镜另一端连接可动框架，所述外部扭转弹簧一端连接可动框架另一端连接驱动梁。
7.根据权利要求1所述的二维MEMS微镜控制电路，其特征在于，通过将驱动信号施加到驱动梁并采集驱动梁变形产生的感应信号或反射镜旋转产生的偏转光信号，调整驱动信号频率，实现对两个垂直扫描模态闭环控制。
8.权利要求1-7任一所述的二维MEMS微镜的驱动方法，其特征在于，通过施加相位相反的两个驱动信号，从而使反射镜以及可动框架关于水平轴偏转，即第一旋转共振模态；当向二维MEMS微镜输入的能量足够大时，第一旋转共振模态可被驱动到非线性区间并在微镜系统内产生高阶非线性力，即产生与第一旋转共振模态成整数倍的倍频信号，从而振动能量在第一、第二旋转共振模态间实现倍频振动能量相互传递，使反射镜绕垂直轴的振动可被水平轴的非线性振动间接激励，即驱动梁换能器产生的扭矩可以分别直接激振第一旋转模态和间接激振第二旋转模态，实现反射镜的二维扫描振动。
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2023
- 2023-04-23 CN CN202310441906.6A patent/CN116626880A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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