CN117031735A - 用于准静态转动和非谐振扫描的mems压电微镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连。本发明基于一体化制造的压电驱动器，通过将压电驱动器布置在反射镜面两侧，支撑梁内插于压电驱动器中间，从而保证反射镜面较高的占空比，同时，在较低电压驱动下实现对反射镜面的准静态驱动，结构简单、功耗低、易于加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学MEMS器件领域的技术，具体是一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜。
背景技术
现有的静电MEMS微镜需要较高的驱动电压；电磁MEMS微镜需要外部永磁铁，封装体积较大；电热MEMS微镜受环境干扰较大；压电MEMS微镜相较于前述三种微镜，具有驱动电压低、功耗低、封装体积小、环境稳定高等优点。但由于压电驱动器的位移行程较小，现有压电MEMS微镜的工作方式基本为谐振式扫描，在准静态转动和非谐振扫描时存在转角过小，无法满足光学视场的要求。
发明内容
本发明针对现有高占空比扫描镜技术中器件制造难度和成本高、装配精度要求高的不足，提出一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，基于反射镜面和压电驱动器一体化制造的技术，通过将压电驱动器布置在反射镜面两侧，支撑梁内插于压电驱动器中间，从而保证反射镜面较高的占空比，同时，在较低电压驱动下实现对反射镜面的准静态驱动，结构简单、功耗低、易于加工制造。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连。
所述的支撑梁采用变截面设计，近反射镜面一侧截面积更小，从而有效降低反射镜面的扭转刚度，从而降低压电MEMS微镜的驱动电压的同时增大支撑梁和固定框架连接处的结构强度，进而提高压电MEMS微镜的可靠性。同时支撑梁的存在减小压电MEMS微镜的模态复杂度。
所述的压电驱动器为半圆环或半椭圆环结构，整体与反射镜面的形状相匹配，从而减小压电MEMS微镜的尺寸，提高压电材料的利用率，提高压电MEMS微镜的占空比。
所述的锚点位于压电驱动器的中央位置。
所述的四根弹性连接折叠梁形状相同且互相对称，其连接点对称分布于支撑梁与反射镜面连接点的两侧。
所述的支撑梁下方的固定衬底上对应设有开槽口结构以提供反射镜面和支撑梁的运动空间。
所述的压电驱动器下方的固定衬底位于中心位置，固定衬底的宽度和压电驱动器与固定框架的连接锚点的宽度保持一致，该固定衬底用以限制压电驱动器在垂直反射镜面方向上的运动自由度，从而提高压电驱动器对反射镜面的驱动效率。
在压电驱动器的顶电极和底电极上施加驱动电压，压电驱动器会沿下方的固定衬底向上或向下发生弯曲，从而通过两组弹性支撑梁驱动反射镜面转动。
本发明涉及一种基于上述压电MEMS微镜的应用，具体为：用于准静态转动和非谐振扫描，其中：
准静态转动是指：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加驱动正电压，在另一个压电驱动器的顶电极上施加等幅值的驱动负电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面准静态转动，转动角度由所施加驱动电压的幅值决定。
非谐振扫描是指：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加定频率的交流电压，该频率与压电MEMS微镜的谐振频率不等，在另一个压电驱动器的顶电极上施加幅值和频率均相同但相位相反的交流电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面非谐振扫描。
技术效果
本发明针对现有技术中MEMS微镜器件的反射镜面占空比较低以及压电MEMS微镜的低电压驱动下准静态转动和非谐振扫描的技术问题；通过设置反射镜面和压电驱动器位于同一平面内，可以通过微纳工艺实现一体化制造，避免了后续装配，本发明制造难度和成本低，易于实现；通过将压电驱动器对称布置于反射镜面两侧，通过将支撑梁内插于两个压电驱动器中间，从而降低压电MEMS微镜器件的整体尺寸，从而提高了反射镜面的占空比；通过将压电驱动器的固定衬底置于驱动器的中间位置，从而将压电驱动器的两端作为自由运动端，在电压作用下，压电驱动器的两个自由端向上或向下弯曲，从而在较低电压作用下能够实现反射镜面的准静态转动和非谐振扫描。
附图说明
图1为本发明立体图；
图2为本发明正面图；
图3为本发明背面图；
图4为本发明的反射镜面、弹性连接折叠梁和支撑梁的连接关系和空间位置关系图；
图5为本发明一组弹性连接折叠梁和支撑梁放大图；
图6为本发明压电驱动器截面图；
图7为本发明工作时反射镜面和压电驱动器的变形图；
图8为本发明反射镜面截面图；
图9为本发明第一阶振动模态图；
图10为本发明准静态转角和驱动电压变化曲线图；
图11为本发明在60Hz交流电驱动下的机械转角变化图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种圆形镜面的压电MEMS微镜，包括：固定衬底6和设置于其上的固定框架5、设置于固定框架5内的一对压电驱动器401、402以及位于压电驱动器内的圆形反射镜面1，其中：圆形反射镜面1的两端分别设有一对支撑梁201、202，压电驱动器靠近支撑梁的一侧设有弹性连接折叠梁301-304，一对压电驱动器401、402分别设置于弹性连接折叠梁3和支撑梁2的两侧。
所述的圆形反射镜面1的直径为2000μm，压电驱动器4内径尺寸为2010μm，压电驱动器内外径尺寸之比为2。
所述的压电驱动器401、402关于圆形反射镜面1的旋转轴对称分布于两侧。
所述的第一和第二弹性连接折叠梁301、302与第一压电驱动器401相连，第三和第四弹性连接折叠梁303、304与第二压电驱动器402相连。
如图2所示，所述的一对支撑梁201、202分别设置于圆形反射镜面1的旋转轴上，并为轴对称结构。
如图3所示，所述的固定衬底6包括：主体10、设置于主体10上位于支撑梁2下方的一对开槽口901、902和设置于主体10上位于压电驱动器下方的一对固定衬底1101、1102，其中：开槽口901、902给支撑梁201、202的扭转运动提供了空间。
所述的固定结构1101、1102的宽度与压电驱动器4和固定框架5的连接锚点701、702的宽度保持一致，使得压电驱动器401和402的中心位置保持不动，驱动器的两侧自由端向上或向下弯曲，从而驱动圆形反射镜面1进行转动或扫描。
如图4所示，所述的反射镜面1置于压电驱动器401、402的中间；压电驱动器401通过弹性连接折叠梁301、302与反射镜面1相连，压电驱动器402通过弹性连接折叠梁303、304与反射镜面1相连；支撑梁2内插于压电驱动器401、402之中，与弹性连接折叠梁3相邻。
如图5所示，所述的压电驱动器4的驱动力通过弹性连接折叠梁3作用于反射镜面1上，从而驱动反射镜面1转动；折叠梁形状的设计可以弱化连接梁对反射镜面1转动刚度的强化程度，保证压电驱动力的传递效率。
所述的支撑梁201近反射镜面1一侧的截面面积更小，在本实施例中支撑梁1的宽度与弹性连接折叠梁3的宽度保持一致；远离反射镜面1的部分截面面积较大，前述支撑梁1不同截面积的两部分通过圆弧实现光滑过渡。该支撑梁的设计在保证反射镜面1的转动刚度处于较低水平的同时，能够增强支撑梁2与外框架5的连接强度，从而压电MEMS微镜的可靠性。
如图6所示，所述的压电驱动器401、402包括：由下而上依次设置的硅基底12、下金属层13、PZT薄膜14、上金属层15；特别地，下金属层13与硅基底12之间的结合层、上金属层15与PZT薄膜14之间的结合层未在图中体现。在本实施例中，下金属层13和上金属层15均为铂(Pt)，中间PZT薄膜14的厚度为2μm。
实际应用过程中，在上金属层13和下金属层15之间施加电压信号，压电驱动器4以位于压电驱动器下方的固定结构9为中心向上或向下弯曲。一般地，作用于压电驱动器401和402上的驱动电压信号相位相同，幅值等大，峰峰值符号相反，两组压电驱动器4变形方向相反，从而带动反射镜面1发生转动，如图7所示。
如图8所示，所述的圆形反射镜面1包括：硅基底16和反射金属层17，特别地，反射金属层17与硅基底16之间的结合层未在图中体现。在本实施例中，反射金属层17的材料为铝(Al)，从而使得压电MEMS微镜实施例工作在可见光波段。
本实施例涉及一种基于上述压电MEMS微镜的应用，具体包括：
准静态转动：对压电驱动器401、402的下金属层13进行接地，同时在压电驱动器401的上金属层15施加20V电压；在压电驱动器402的上金属层15上施加-20V电压，此时压电驱动器401的自由端向上弯曲，压电驱动器402的自由端向下弯曲，通过弹性连接折叠梁3驱动反射镜面1发生转动，从而实现准静态转动。
非谐振扫描：对压电驱动器401、402的下金属层13进行接地，同时在压电驱动器401的上金属层15施加频率为60Hz、幅值为40V、偏置电压为0V以及初始相位为0的正弦交流电压U1＝40sin(120πt)，在压电驱动器402的上金属层15上施加频率为60Hz、幅值为40V、偏置电压为0V以及初始相位为π的正弦交流电压U2＝40sin(120πt+π)，此时压电驱动器401、402的自由端以60Hz的频率向上或向下弯曲，通过弹性连接折叠梁3驱动反射镜面1发生转动，从而实现以60Hz的非谐振式扫描。
如图9所示，为所述的压电MEMS微镜的第一阶振动模态图。第一阶振动模态是反射镜面1绕旋转轴的转动模态，由此证明反射镜面1的转动刚度足够低，能够实现压电MEMS微镜的准静态转动和非谐振式扫描。
本实施例中应用的PZT薄膜14的击穿电压为40V/μm，因此对于本实施例中的最大驱动电压为80V。
通过有限元软件仿真，当在压电驱动器401、402的下金属层13上施加0V电压，同时在压电驱动器401的上金属层15和压电驱动器402的上金属层15施加幅值相等，符号相反的驱动电压，提取反射镜面1在不同驱动电压作用下的准静态转角，如图10所示。由此可知，当驱动电压为50V时，此时反射镜面1的机械准静态转角约为9.3°，此时光学转角(FieldofView,FOV)为37.2°。
当在压电驱动器401、402的下金属层13上施加0V电压，同时在压电驱动器401的上金属层15施加正弦交流电压U1，同时在压电驱动器402的上金属层15施加正弦交流电压U2，提取反射镜面1转角，如图11所示。由此可知，当驱动电压为60Hz、40V的正弦交流电，此时反射镜面1以60Hz的频率进行扫描，扫描角度约为5.8°，此时光学转角(Field of View,FOV)为23.2°。
由上述准静态转动和非谐振扫描仿真结果可知，本发明可实现准静态转动和非谐振式扫描。
与现有技术相比，本发明采用压电驱动器对称分布于反射镜面两侧，支撑梁内插于两个压电驱动器中间，减小了整体压电MEMS微镜器件的尺寸，该设计能够提高反射镜面的占空比，同时可以基于MEMS工艺进行一体化制造；本发明中的压电驱动器的形状由反射镜面形状决定，将压电驱动器的固定衬底布置于中间位置，在驱动电压作用下，压电驱动器的双自由端通过弹性连接折叠梁对反射镜面进行驱动，提升了压电材料的驱动效率，从而实现准静态转动和非谐振式扫描。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征在于，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连；
所述的支撑梁采用变截面设计，近反射镜面一侧截面积更小；
所述的压电驱动器为半圆环或半椭圆环结构，整体与反射镜面的形状相匹配；
所述的四根弹性连接折叠梁形状相同且互相对称。
2.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的锚点位于压电驱动器的中央位置。
3.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的四根弹性连接折叠梁的连接点对称分布于支撑梁与反射镜面连接点的两侧。
4.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的支撑梁下方的固定衬底上对应设有开槽口结构以提供反射镜面和支撑梁的运动空间。
5.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的压电驱动器下方的固定衬底位于中心位置，固定衬底的宽度和压电驱动器与固定框架的连接锚点的宽度保持一致，该固定衬底用以限制压电驱动器在垂直反射镜面方向上的运动自由度，从而提高压电驱动器对反射镜面的驱动效率。
6.一种基于权利要求1-5中任一所述压电MEMS微镜的应用，其特征在于，用于准静态转动，具体为：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加驱动正电压，在另一个压电驱动器的顶电极上施加等幅值的驱动负电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面准静态转动，转动角度由所施加驱动电压的幅值决定。
7.根据权利要求6所述的压电MEMS微镜的应用，其特征是，对两个压电驱动器的下金属层进行接地，同时在第一压电驱动器的上金属层施加20V电压；在第二压电驱动器的上金属层上施加-20V电压，此时第一压电驱动器的自由端向上弯曲，第二压电驱动器的自由端向下弯曲，通过弹性连接折叠梁驱动反射镜面发生转动，从而实现准静态转动。
8.一种基于权利要求1-5中任一所述压电MEMS微镜的应用，其特征在于，用于非谐振扫描，具体为：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加定频率的交流电压，该频率与压电MEMS微镜的谐振频率不等，在另一个压电驱动器的顶电极上施加幅值和频率均相同但相位相反的交流电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面非谐振扫描。
9.根据权利要求8所述的压电MEMS微镜的应用，其特征是，对两个压电驱动器的下金属层进行接地，同时在第一压电驱动器的上金属层施加频率为60Hz、幅值为40V、偏置电压为0V以及初始相位为0的正弦交流电压U1＝40sin(120πt)，在第二压电驱动器的上金属层上施加频率为60Hz、幅值为40V、偏置电压为0V以及初始相位为π的正弦交流电压U2＝40sin(120πt+π)，此时两个压电驱动器的自由端以60Hz的频率向上或向下弯曲，通过弹性连接折叠梁驱动反射镜面发生转动，从而实现以60Hz的非谐振式扫描。
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