CN206282031U - 一种三维电磁悬浮微镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三维电磁悬浮微镜，包括定子和转子，所述定子包括若干块轴向旋转驱动电极、若干块径向旋转驱动电极、公共电极、悬浮线圈、稳定线圈及引脚，若干块轴向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，若干块径向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，公共电极为圆形；悬浮线圈分布于轴向旋转驱动电极所在圆环的外周，稳定线圈分布于悬浮线圈的外周；所述引脚沿着定子的径向引出；所述转子中心设有反射镜。本实用新型由于采用电磁悬浮结合静电驱动技术，实现微镜的轴向大尺度旋转和径向旋转，实现三维成像，尤其是轴向±180度范围大旋转角度成像。
Description
技术领域
本实用新型涉及微机电系统中的微镜角度调节领域，特别是涉及一种三维电磁悬浮微镜。
背景技术
MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。利用微加工技术制造出微型器件并进行相应处理电路设计，可广泛应用于传感器和驱动器中。MEMS微镜是其中的一个典型应用，主要原理是控制微镜和入射光之间的入射角以控制光线的偏转方向，被广泛用于光纤相位调制器、光学衰减器、光谱仪、光开关等领域。
为使MEMS微镜能倾斜一定角度，现有的方法一般是把MEMS微镜安装在扭转梁上，在直流电压的静电驱动下使扭转梁偏转，从而带动微镜旋转一定的角度，改变与入射光之间的入射角度。受机械扭转梁刚度限制，这种方法最多实现±20°范围旋转角，且无法实现微镜三自由度偏转。
实用新型内容
为了解决现有技术所存在的技术问题，本实用新型提供一种三维电磁悬浮微镜，采用电磁悬浮结合静电驱动技术实现微镜的轴向大尺度旋转和径向旋转，实现三维成像，尤其是轴向±180度范围大旋转角度成像。
本实用新型是这样实现的，一种三维电磁悬浮微镜，包括定子和转子，所述定子包括若干块轴向旋转驱动电极、若干块径向旋转驱动电极、公共电极、悬浮线圈、稳定线圈及引脚，若干块轴向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，若干块径向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，公共电极为圆形；悬浮线圈分布于轴向旋转驱动电极所在圆环的外周，稳定线圈分布于悬浮线圈的外周；所述引脚沿着定子的径向引出；所述转子中心设有反射镜。
优选地，所述径向旋转驱动电极所在的圆环大于公共电极所在的圆，小于轴向旋转驱动电极所在的圆环。
优选地，所述三维电磁悬浮微镜还包括电容检测电路、控制器和控制极板；所述控制极板与轴向旋转驱动电极、径向旋转驱动电极连接；所述电容检测电路与控制极板连接，用于获取转子实际转角，并与参考转角比较以获取误差值；所述控制器包括轴向旋转控制器、径向旋转控制器；所述误差值经过轴向旋转控制器后获得电压ΔV1，经过径向转动控制器后输出电压ΔV2～ΔV3，再分别和预载电压Vb叠加后获得施加在控制极板上的控制电压信号V1～V7，其中V1～V3为轴向旋转控制电压，V4～V7为径向旋转控制电压。
优选地，所述定子上设有3个均分于定子所在平面的夹角为120°的引脚间隙，所述引脚沿着定子的径向从引脚间隙引出。
优选地，所述定子为金属平面结构。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
在磁悬浮微镜系统中，转子悬浮在腔体中央时，对轴向旋转驱动电极加电控制转子带动反射镜旋转到指定角度，改变入射光的传播方向，从而改变反射光的传播方向，实现了轴向±180度范围大旋转角度变化。同时可对径向旋转驱动电极加电控制，实现径向旋转角度变化。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的微转角闭环控制原理图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实用新型一个实施例的结构示意图如图1所示，主要由定子10和转子1组成，定子10主要包括6块轴向旋转驱动电极4、8块径向旋转驱动电极8、公共电极9、悬浮线圈6、稳定线圈7、支撑柱5及引脚3等金属平面结构。6块轴向旋转驱动电极4呈环形分布于定子10上，电极夹角为30°，电极之间夹角为30°，8块径向旋转驱动电极8呈环形分布于定子10上，电极夹角为37°，电极之间夹角为8°，公共电极9为圆形，且公共电极9所在的圆、径向旋转驱动电极8所在的圆环及轴向旋转驱动电极4所在的圆环具有相同的圆心，即定子10的圆心；径向旋转驱动电极8所在的圆环大于公共电极9所在的圆，小于轴向旋转驱动电极4所在的圆环。悬浮线圈6、稳定线圈7形成封闭结构，共3个，在圆周方向上呈120°夹角分布，悬浮线圈6分布于轴向旋转驱动电极4所在圆环的外周，稳定线圈7分布于悬浮线圈6的外周。定子10上设有3个均分于定子10所在平面夹角为120°的引脚间隙，所述引脚3沿着定子10的径向从引脚间隙引出公共电极9、轴向旋转驱动电极4和径向旋转驱动电极8以及悬浮线圈6、稳定线圈7等的连接线。
定子10厚度为15μm；转子1厚度为8μm，直径为3.2mm，四周有8个通孔，8个通孔呈环形均匀分布在转子1上，通孔夹角为15°，转子1的中心安装一个反射镜2。当转子1悬浮起来时，需要对轴向旋转驱动电极4加电，控制转子1带动反射镜2旋转到指定角度，改变入射光的传播方向，以满足大角度成像使用需要。径向旋转驱动电极8控制转子1绕径向旋转，在对应轴加电控制转子1径向旋转。公共电极9引出检测信号以获得转子1的实际转角。支撑柱5设置在径向旋转驱动电极8上，减少悬浮时转子1与基底的粘附力，便于悬浮。
其中定子10采用基于UV-LIGA技术加工而成，主要是采用溅射种子层→甩胶→光刻→电镀→去胶→去种子层方法获得。绝缘介质三氧化二铝充满于平面线圈电极层中。支撑柱5采用光刻和腐蚀工艺获得。转子1采用镭射加工机切割铝箔形成，加工精度为2μm，该加工方法精度高，材料无变形。
在磁悬浮微镜系统中，悬浮线圈6通交变电流，该交变电流产生的交变磁场与其在转子1导体中感应出的涡流作用产生电磁力，使转子1悬浮起来，稳定线圈7使转子1稳定悬浮在腔体中央。轴向旋转驱动电极4为三相，当顺序通电，产生的静电力驱动转子1轴向旋转。径向旋转驱动电极8上加电，产生的静电力驱动转子1绕径向旋转。
微转角控制采用闭环控制原理，具体如图2所示，输入参考转角，电容检测电路获取转子实际转角，并与参考转角比较，获得误差值，误差值经过轴向旋转控制器后获得电压ΔV1，经过径向转动控制器后输出电压ΔV2～ΔV3，再分别和预载电压Vb叠加后获得施加在控制极板上的控制电压信号V1～V7。其中V1～V3为轴向旋转控制电压，控制转子绕轴向转动，若所需控制转角大于步进角度15°时，则顺序加电，转子以步进角度旋转，当所需控制转角小于步进角度时，则切换到带预载电压转角闭环控制。控制电压分别为V1＝Vb+ΔV1，V2＝Vb-ΔV1，V3＝Vb，再转换成等量异号电压分别施加在轴向旋转驱动电极的三对电极对上。V4～V7为径向旋转控制电压，控制转子绕径向转动，依靠静电力将转子拉到所需位置，实现闭环控制。控制电压分别为V4＝Vb+ΔV2，V5＝Vb-ΔV3，V6＝Vb-ΔV2，V7＝Vb+ΔV3，再转换成等量异号控制电压分别施加在径向旋转驱动电极的四对电极对上，其中，V4和V6控制转子绕Y轴旋转，V5和V7控制转子绕X轴旋转。
本实用新型采用频分复用技术，实现对转子位置的测量，获取微位移检测的灵敏度、线性度、精度等性能指标。在悬浮电极对上再叠加分别表示转子角位移的不同频率的高频载波电压。公共电极通过电容耦合将产生表示转子相应角位移的交流检测信号。此交流检测信号经过前置放大电路转换成交流检测电压信号。再经同步解调、低通滤波后产生转子转角位置信号，经计算求得相应控制电极对上应加的直流控制电压从而使转子到达指定位置。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维电磁悬浮微镜，其特征在于，包括定子和转子，所述定子包括若干块轴向旋转驱动电极、若干块径向旋转驱动电极、公共电极、悬浮线圈、稳定线圈及引脚，若干块轴向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，若干块径向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，公共电极为圆形；悬浮线圈分布于轴向旋转驱动电极所在圆环的外周，稳定线圈分布于悬浮线圈的外周；所述引脚沿着定子的径向引出；所述转子中心设有反射镜。
2.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述径向旋转驱动电极所在的圆环大于公共电极所在的圆，小于轴向旋转驱动电极所在的圆环。
3.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述三维电磁悬浮微镜还包括电容检测电路、控制器和控制极板；所述控制极板与轴向旋转驱动电极、径向旋转驱动电极连接；所述电容检测电路与控制极板连接，用于获取转子实际转角，并与参考转角比较以获取误差值；所述控制器包括轴向旋转控制器和径向旋转控制器；所述误差值经过轴向旋转控制器后获得电压ΔV1，经过径向转动控制器后输出电压ΔV2～ΔV3，再分别和预载电压Vb叠加后获得施加在控制极板上的控制电压信号V1～V7，其中V1～V3为轴向旋转控制电压，V4～V7为径向旋转控制电压。
4.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述转子上设有呈环形均匀分布在转子上的若干通孔。
5.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述定子上设有3个均分于定子所在平面的夹角为120°的引脚间隙，所述引脚沿着定子的径向从引脚间隙引出。
6.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述轴向旋转驱动电极设有6块，电极夹角为30°，电极之间夹角为30°；所述径向旋转驱动电极设有8块，电极夹角为37°，电极之间夹角为8°。
7.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述定子采用基于UV-LIGA技术加工而成；所述转子用镭射加工机切割铝箔形成。
8.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述定子还包括设置在径向旋转驱动电极上的支撑柱。
9.根据权利要求8所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述支撑柱采用光刻和腐蚀工艺获得。
10.根据权利要求1所述的三维电磁悬浮微镜，其特征在于，所述定子为金属平面结构。
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|---|---|---|---|---|
| CN108427347A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-08-21 | 肇庆学院 | 一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统 |
| CN111830701A (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-27 | 华为技术有限公司 | 电磁微镜及激光设备 |
| CN113728263A (zh) * | 2019-04-26 | 2021-11-30 | 富士胶片株式会社 | 微镜器件 |
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| CN108427347B (zh) * | 2018-04-04 | 2023-08-15 | 肇庆学院 | 一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统 |
| CN111830701A (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-27 | 华为技术有限公司 | 电磁微镜及激光设备 |
| CN111830701B (zh) * | 2019-04-19 | 2022-02-15 | 华为技术有限公司 | 电磁微镜及激光设备 |
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