CN210776029U - 一种基于光电反馈的mems振镜模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电检测和微光机电系统领域，具体涉及一种基于光电反馈的MEMS振镜模组。解决振镜研发耗费时间长成本高的问题。包括密封壳体及位于密封壳体内部的振镜驱动组件与振镜反馈组件；振镜反馈组件包括激光器及光电检测电路板；激光器与光电检测电路板均与主控板电连接；激光器出射的光束入射至振镜反面反射面；振镜反面反射面将光束反射后入射至光电检测电路板；光电检测电路板用于检测振镜的振动参数，并将振动参数反馈至主控板；主控板的输出端通过连接线引出密封壳体。通过振镜光电检测反馈组件，直接探测振镜振动位置，得到振镜的幅值和相位信息，可根据振镜振动的实际幅值和相位调节驱动信号，使振镜工作状态稳定在目标角度。

Description

一种基于光电反馈的MEMS振镜模组

技术领域

本实用新型属于光电检测和微光机电系统(MOEMS)领域，具体涉及一种具有光电反馈控制系统的MEMS振镜膜组。

背景技术

MEMS振镜具有尺寸小、功耗低、响应快、易集成，寿命长等优点，其在激光投影、激光雷达、3D视觉、3D测量等领域大放异彩。但MEMS振镜的幅值与相位会随驱动电压、环境温度、湿度、大气压力等的变化而变化，因此，需一套反馈控制系统来实现振镜的精确反馈控制。

光电检测可直接探测振镜振动位置，得到振镜的幅值和相位信息，即得到微扭转镜的实时运动情况。同时，用户要真把MEMS振镜开发到具体应用场景，往往在MEMS振镜的驱动控制部分耗费大量时间与精力，为了加速MEMS振镜的在各场景的成功批量应用，在此，提出一种高度集成的MEMS振镜模组，集成MEMS振镜驱动和光电反馈系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于光电反馈的MEMS振镜模组，解决现有MEMS振镜研发耗费时间长成本高的问题。

本实用新型的技术方案是提供一种基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特殊之处在于：包括密封壳体及位于密封壳体内部的MEMS振镜驱动组件与MEMS振镜反馈组件；

上述MEMS振镜驱动组件包括MEMS振镜、MEMS振镜安装电路板、振镜驱动电路板及主控板；上述MEMS振镜安装电路板、振镜驱动电路板及主控板相互电连接；上述MEMS振镜固定在MEMS振镜安装电路板上；工作激光光束能够透过密封壳体入射至MEMS振镜正面反射面，反射光束再透过密封壳体出射；主控板将控制指令发送至振镜驱动电路板产生驱动信号，MEMS振镜安装电路板将驱动信号施加在MEMS振镜上；

上述MEMS振镜反馈组件包括激光器及光电检测电路板；上述激光器与光电检测电路板均与主控板电连接；上述激光器出射的光束入射至MEMS振镜反面反射面；MEMS振镜反面反射面将光束反射后入射至光电检测电路板；上述光电检测电路板用于检测MEMS振镜的振动参数，并将振动参数反馈至主控板；

上述主控板的输出端通过连接线引出密封壳体。

进一步地，为了使工作激光光束入射至MEMS振镜正面反射面并实现密封，上述密封壳体包括基座及密封盖；上述MEMS振镜驱动组件与MEMS振镜反馈组件均固定在基座上；上述密封盖上开有镂空区域，上述镂空区域上安装有透明盖板，允许工作激光光束入射至MEMS振镜正面反射面。

进一步地，上述MEMS振镜安装电路板为MEMS振镜安装电路板；MEMS振镜安装电路板与MEMS振镜芯片可动部分对应的区域镂空。

进一步地，上述基座包括基板及固定在基板上的至少三个支撑腿，其中相邻的第一支撑腿与第二支撑腿之间形成一个缺口，上述MEMS振镜安装电路板固定在缺口上，缺口与MEMS振镜安装电路板的配合面为台阶面。

进一步地，为了激光线入射方向和出射方向相互垂直，方便入射光路和出射光路布置，MEMS振镜安装电路板与水平面呈45°夹角。

进一步地，上述MEMS振镜反馈组件还包括固定在基板上的激光器座，上述激光器座上开有安装激光器的开孔，上述开孔的中心轴线与MEMS振镜安装电路板之间的锐角夹角为45°。

进一步地，第三支撑腿与第二支撑腿上均包括倒L型固定板，两块倒L型固定板开口相对设置，上述光电检测电路板通过所述两块倒L型固定板固定在基座上；

其中光电检测电路板的上表面与倒L型固定板的水平内表面固定；光电检测电路板的端面与倒L型固定板的竖直内表面固定；

上述光电检测电路板上包含至少一个光电探测器。

进一步地，上述光电探测器为两个，其中一个光电探测器位于MEMS振镜转角为零度时的反射光路中；另一个光电探测器位于MEMS振镜最大转角的30％-100％范围内的反射光路中。

进一步地，上述主控板与光电检测电路板上下平行设置；

上述三个支撑腿远离基板的一端均设有台阶面，振镜驱动电路板与台阶面配合固定在台阶面上，激光器座位于振镜驱动电路板与基板之间。

进一步地，基板四周设有凸台，作为基座和密封盖的配合面。

进一步地，本实用新型膜组还包括FPC连接条带；

上述MEMS振镜安装电路板、振镜驱动电路板及主控板通过FPC连接条带上的对应接口相互电连接；

上述激光器与光电检测电路板通过FPC连接条带的对应接口与主控板电连接；

上述FPC连接条带引出密封壳体。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过MEMS振镜光电检测反馈组件，直接探测振镜振动位置，得到振镜的幅值和相位信息，即得到MEMS振镜的实时运动情况，并将幅值和相位信息反馈至主控板，然后可根据振镜振动的实际幅值和相位调节驱动信号，使振镜工作状态稳定在目标角度，主控板也可把振镜的实时运动情况输出。

2、本实用新型将MEMS振镜及其反馈、驱动模块集成到一起，并密封于壳体内，防止外界粉尘水汽进入，提高了振镜工作可靠性；

3、本实用新型从MEMS振镜反面采集振动信息，振镜工作时，从镜面正面出射的激光整个扫描范围都可以使用，不会牺牲振镜转角，同时光电探测器布置位置也会比较灵活，不受振镜工作角度的限制。

4、本实用新型模块的定位方式紧凑，减小了模组整体体积，便于基于振镜的小型化应用，加速MEMS振镜的在各场景的成功批量应用；通过条带及条带上的接口与外界实现信号交互，实现对振镜的控制和振镜振动信息的反馈，方便用户基于振镜的应用开发。

附图说明

图1为MEMS振镜模组外观图；

图2为MEMS振镜模组爆炸图；

图3a为振镜固定到陶瓷基板正面示意图；

图3b为振镜固定到陶瓷基板反面示意图；

图4a为模组基座示意图一；

图4b为模组基座示意图二；

图5为模组反馈光路示意图；

图6为驱动板安装效果图；

图7a为主控板安装效果图；

图7b为模组基座示意图三；

图8为模组FPC条带结构图；

图9为密封盖示意图；

图中附图标记为：01-密封壳体；

1-MEMS振镜，2-MEMS振镜安装电路板，3-激光器，4-振镜驱动电路板，5-密封盖，6-透明盖板，7-主控板，8-FPC连接条带，9-光电检测电路板，10-基座；

2.1-焊盘，2.2-打线焊盘，2.3-接口；

101-基板，102-第一支撑腿，103-第二支撑腿，104-第三支撑腿；

105-激光器定位孔，106-激光器座，107-倒L型固定板，108-凸台；

10.8-第一台阶面，10.6-第二台阶面，10.7-第三台阶面，109-凹槽，10.11-螺纹孔。

具体实施方式

本实用新型提供一种高度集成的基于光电反馈的MEMS振镜模组，包括模组集成驱动系统和反馈系统，并包含一个基座，来实现模组各组件的装配定位并提供模组整体定位的机械接口，模组还包含一个密封盖，以防止振镜受环境中的污染而失效。密封盖上有镂空区域装透明盖板允许光线射入MEMS振镜正面反射面。模组通过条带及条带上的接口实现与外界信号的交互。

具体如图1，包含密封壳体01及位于密封壳体01内部的MEMS振镜芯片的驱动模块及反馈模块等，从封闭壳体内引出FPC连接条带8，FPC连接条带8上有接口实现信号传输，以实现对振镜的控制及振镜状态的输出。

如图2所示，模组结构具体包含MEMS振镜1、MEMS振镜安装电路板2、激光器3、振镜驱动电路板4、密封盖5、透明盖板6、主控板7、FPC连接条带8、光电检测电路板9及基座10。MEMS振镜1、MEMS振镜安装电路板2、振镜驱动电路板4及主控板7构成MEMS振镜驱动组件；激光器3及光电检测电路板9构成MEMS振镜反馈组件。密封盖5扣设在模组基座10上形成密封壳体。其中，密封盖上有镂空区域装透明盖板6允许光线射入MEMS振镜正面反射面。

MEMS振镜安装电路板用于MEMS振镜芯片的固定，并实现振镜驱动信号与振镜电连接。本实施例选取陶瓷基电路板作为MEMS振镜安装电路板。如图3a及图3b所示，MEMS振镜1固定于陶瓷基电路板上。

陶瓷基电路板上通过设置焊盘2.1或者丝印作MEMS芯片定位标记，在粘接MEMS振镜芯片时，以使其准确定位到MEMS振镜安装电路板2上。振镜金属焊盘附近的陶瓷基电路板上设打线焊盘2.2，以通过打线实现振镜上对应电区域与陶瓷基电路板上对应线路的连接，陶瓷基电路板上再设置焊接焊盘(或接口2.3)分别与正面的打线焊盘连通，以可把振镜驱动信号施加到振镜上；另外振镜下方的陶瓷板电路需部分镂空，以给振镜提供足够活动空间，并允许反馈光路通过。陶瓷基电路板热膨胀系统与单晶硅接近，可减小MEMS振镜芯片在外界温度变化时产生的热应力效应，在此MEMS振镜安装电路板2也可通过普通电路板加应力缓冲片代替，或者对MEMS热应力控制要求不高，MEMS振镜安装电路板2也可用其他材料的电路板代替。

如图4a所示，基座10包括基板101及固定在基板101上的至少三个支撑腿，其中相邻的第一支撑腿102与第二支撑腿103的一个面位于同一平面上，形成斜面，且第一支撑腿102与第二支撑腿103之间形成一个缺口，用来定位粘接到MEMS振镜安装电路板上MEMS振镜；MEMS振镜安装电路板2固定在缺口上，缺口与MEMS振镜安装电路板2的配合面为台阶面。

把MEMS振镜安装电路板限制在所需定位公差范围内，MEMS振镜安装电路板粘接到基座后，以实现MEMS振镜的精确定位。优选的斜面的倾斜角度设置为45°，可使振镜工作时，激光线入射方向和出射方向相互垂直，方便入射光路和出射光路布置。

在基板101上振镜背面区域，设置激光器座106，激光器座106上开设激光器定位孔105，用来固定反馈光路用激光器，使激光线可入射到振镜反射面的反面，并反射。其中激光器定位孔105轴向与用于固定振镜的斜面成45°(优选，不限于45°，也可设置为其他夹角)夹角。

振镜正常工作时，反射激光点便扫描得到一条线，在该条扫描线路径上放置光电检测器，即布置光电检测电路板9。

如图5示，在第三支撑腿104与第二支撑腿103上均包括倒L型固定板107，两个倒L型固定板107开口相对设置，光电检测电路板9通过两块倒L型固定板107固定在基座10上，其中光电检测电路板9的上表面与倒L型固定板107的水平内表面固定；光电检测电路板9的端面与倒L型固定板107的竖直内表面固定。光电检测电路板上包含至少一个光电检测器，反射激光束不断扫描光电探测器，从而得到振镜反射镜面的振动情况。

若光电检测电路板包含有两个光电探测器，可通过设计光电检测电路板距振镜的距离及两个光电探测器的相对位置，控制激光束分别扫描过两个电探测器时振镜的振动幅值。优选的，反射激光束扫描过一个光电探测器时，振镜反射镜面在转角接近零度的位置，反射激光束扫描过另一个光电探测器时振镜反射镜面在转角远零度位置，以分别得到更精确的振镜相位和振动幅值。

模组除了光电检测部分，还需包括主控系统和振镜及激光器驱动系统，它们可根据实际电路及空间需求设置在一块或多块电路板上，在此，为了缩减模组体积，提高内部空间利用率，在振镜下方，激光器座106外侧的空间容纳厚度较大电子器件，并把振镜驱动信号设置在靠近振镜的位置。如图6或图7b，在三个支撑腿远离基板101的一端均有第三台阶面10.7，振镜驱动电路板4与第三台阶面10.7配合固定在第三台阶面10.7上，激光器座106位于振镜驱动电路板4与基板101之间。在倒L型板的背面加设平板，使得第二支撑腿103与第三支撑腿104上均形成第一台阶面10.8，用来固定振镜主控板7，如图7a及图7b所示。倒L型板的高度即图7b中第二台阶面10.6与第一台阶面10.8高度差以光电检测电路板9与主控板7对应区域电子元器件叠加的厚度之和为参考进行设置，同理根据振镜驱动电路板4上电子元器件厚度设置第三台阶面10.7的高度。

激光器3、主控板7、振镜驱动电路板4、光电检测电路板9三者通过FPC连接条带相连8。在主控板定位台阶上加凹槽109用来引出FPC连接条带8。

密封盖5与透明盖板6在模组各部分组装完成后，实现模组的密封。密封盖上条带出线处开深U型允许FPC连接条带8伸出。FPC连接条带效果如图8，密封盖如图9示(也可通过多条带实现目前条带的连接效果，或用刚柔结合板代替目前的几组电路板和FPC条带组合)

为了保证密封效果，基座四周设置凸台108，配合基座上凸台108四周表面，作为模组基座和密封盖5的精确配合表面。

另外，基板101作为基座10的定位平面，可通过该平面把模组定位，或在基板101布置螺纹孔10.11作为机械接口，实现模组定位。机械接口也可以是带耳加孔等其他结构。

在此，为了提高模组集成度，模组各部分之间的固定及最终密封效果的保证，优选不另占空间的胶粘接实现。

Claims (10)

1.一种基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：包括密封壳体及位于密封壳体内部的MEMS振镜驱动组件与MEMS振镜反馈组件；

所述MEMS振镜驱动组件包括MEMS振镜(1)、MEMS振镜安装电路板(2)、振镜驱动电路板(4)及主控板(7)；所述MEMS振镜安装电路板(2)、振镜驱动电路板(4)及主控板(7)相互电连接；所述MEMS振镜(1)固定在MEMS振镜安装电路板(2)上；工作激光光束能够透过密封壳体入射至MEMS振镜正面反射面，反射光束再透过密封壳体出射；主控板(7)将控制指令发送至振镜驱动电路板(4)产生驱动信号，MEMS振镜安装电路板(2)将驱动信号施加在MEMS振镜(1)上；

所述MEMS振镜反馈组件包括激光器(3)及光电检测电路板(9)；所述激光器(3)与光电检测电路板(9)均与主控板(7)电连接；所述激光器(3)出射的光束入射至MEMS振镜(1)反面反射面；MEMS振镜(1)反面反射面将光束反射后入射至光电检测电路板(9)；所述光电检测电路板用于检测MEMS振镜(1)的振动参数，并将振动参数反馈至主控板(7)；

所述主控板(7)的输出端通过连接线引出密封壳体。

2.根据权利要求1所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：所述密封壳体包括基座(10)及密封盖(5)；所述MEMS振镜驱动组件与MEMS振镜反馈组件均固定在基座(10)上；所述密封盖(5)上开有镂空区域，所述镂空区域上安装有透明盖板(6)，允许工作激光光束入射至MEMS振镜正面反射面。

3.根据权利要求2所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：所述MEMS振镜安装电路板(2)为陶瓷基电路板；陶瓷基电路板与MEMS振镜芯片可动部分对应的区域镂空。

4.根据权利要求3所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：

所述基座(10)包括基板(101)及固定在基板(101)上的至少三个支撑腿，其中相邻的第一支撑腿(102)与第二支撑腿(103)之间形成一个缺口，所述MEMS振镜安装电路板(2)固定在缺口上，缺口与MEMS振镜安装电路板(2)的配合面为台阶面。

5.根据权利要求4所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：MEMS振镜安装电路板(2)与水平面呈45°夹角。

6.根据权利要求5所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：所述MEMS振镜反馈组件还包括固定在基板(101)上的激光器座(106)，所述激光器座(106)上开有安装激光器的开孔(105)，所述开孔(105)的中心轴线与MEMS振镜安装电路板(2)之间的锐角夹角为45°。

7.根据权利要求6所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：第三支撑腿(104)与第二支撑腿(103)上均包括倒L型固定板(107)，两块倒L型固定板(107)开口相对；所述光电检测电路板(9)通过所述两块倒L型固定板(107)固定在基座(10)上，

其中光电检测电路板(9)的上表面与倒L型固定板(107)的水平内表面固定；光电检测电路板(9)的端面与倒L型固定板(107)的竖直内表面固定；

所述光电检测电路板上包含至少一个光电探测器。

8.根据权利要求7所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：所述光电探测器为两个，其中一个光电探测器位于MEMS振镜转角为零度时的反射光路中；另一个光电探测器位于MEMS振镜最大转角的30％-100％范围内的反射光路中。

9.根据权利要求8所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：所述主控板(7)与光电检测电路板(9)上下平行设置；

所述三个支撑腿远离基板(101)的一端均设有台阶面，振镜驱动电路板(4)与台阶面配合固定在台阶面上，激光器座(106)位于振镜驱动电路板(4)与基板(101)之间。

10.根据权利要求7所述的基于光电反馈的MEMS振镜模组，其特征在于：

还包括FPC连接条带(8)；

所述MEMS振镜安装电路板(2)、振镜驱动电路板(4)及主控板(7)通过FPC连接条带(8)上的对应接口相互电连接；

所述激光器(3)与光电检测电路板(9)通过FPC连接条带(8)的对应接口与主控板(7)电连接；

所述FPC连接条带(8)引出密封壳体。

Images