CN212181160U - 一种大转角高频率一维电磁驱动微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，包括驱动外框、驱动线圈、外框扭转轴、内部镜面和内部扭转轴；所述驱动线圈固定安装在驱动外框内部；所述外框扭转轴一端伸出驱动外框，另一端穿过驱动线圈向内延伸；所述外框扭转轴向内延伸端与内部扭转轴连接；所述内部镜面通过内部扭转轴安装在驱动外框内；所述外框扭转轴上设有驱动导线；所述驱动导线将驱动信号引入驱动线圈；所述驱动线圈控制内部扭转轴驱动使内部镜面发生偏转运动；本实用新型采用驱动外框与内部镜面分离的设计，驱动外框与内部镜面具有不同的工作频率，且内部镜面的内部扭转轴上没有驱动导线，实现了高频率大转角的扫描，提高了微镜的使用寿命。

Description

一种大转角高频率一维电磁驱动微镜

技术领域

本实用新型涉及一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，属于微光电机系统技术领域。

背景技术

人工智能时代背景下，激光投影，激光雷达，三维扫描，MEMS光开关等光电技术已成为众多科研机构研究的热点，其中MEMS微镜作为关键元件，对于相关技术的开发研究有着重要意义。MEMS微镜是基于微纳加工工艺制作的一种光学器件，其基本原理为反射镜在微小驱动结构的作用力下，发生扭转或变形，通过微镜一定角度的偏转从而改变光束的传播方向。MEMS微镜具有快的扫描速度，紧凑的结构，良好的机械性能等优点，在条码识别、激光通信、光纤光开关、激光雷达以及激光显示等诸多领域扮演着重要的角色。

MEMS微镜的驱动方式通常分为四种：静电驱动、电热驱动、压电驱动以及电磁驱动。静电驱动是通过平行板电极或者梳齿电极的相互运动来产生静电力，结构简单且封装尺寸小，工艺成熟，但容易发生吸合现象；电热驱动是依靠材料的热膨胀效应使得轴部结构变形来使微镜振动；一般来说静电驱动和电热驱动所产生的力较小，多用于如小尺寸微镜（即镜面面积小）的应用领域，静电驱动提供的驱动力在高驱动电压下最大为0.1mN左右；压电驱动是将金属/压电材料/金属三层材料作为驱动器，基于晶体的逆压电效应，交变电场引起材料发生机械变形从而产生力，压电驱动与电磁驱动由于驱动力大等特点可用于大尺寸镜面的MEMS微镜的驱动，压电驱动的MEMS微镜由于难以与MEMS工艺相结合，并不适用于量产，电磁驱动式MEMS微镜研究较为广泛，通常利用外部磁铁和平面线圈相互作用来产生洛伦兹力驱动，工艺成熟。

目前的电磁驱动微镜都是将通电线圈做到扭转梁上，而通电线圈一般为电镀沉积上的金属，而电镀沉积的金属缺陷较多，由于扭转梁上的导线金属的这些缺陷无法实现高Q值，无法满足在MEMS微镜高的工作频率下的大转角的应用；再者，由于电镀金属缺陷的问题，在抗疲劳方面也不如单晶硅，长时间工作在大转角的谐振状态，寿命会明显降低，电镀金属在大转角下容易断裂。

实用新型内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，实现了高频率大转角的扫描，提高了微镜的使用寿命。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，包括驱动外框、驱动线圈、外框扭转轴、内部镜面和内部扭转轴；所述驱动线圈固定安装在驱动外框内部；所述外框扭转轴一端伸出驱动外框，另一端穿过驱动线圈向内延伸；所述外框扭转轴向内延伸端与内部扭转轴连接；所述内部镜面通过内部扭转轴安装在驱动外框内；所述外框扭转轴上设有驱动导线；所述驱动导线将驱动信号引入驱动线圈；所述驱动线圈控制内部扭转轴驱动使内部镜面发生偏转运动。

优选的，所述驱动外框及内部镜面具有不同的工作频率。

优选的，所述驱动导线为沉积金属。

优选的，所述沉积金属的厚度为10um-30um。

优选的，所述驱动外框及内部镜面转动时不同步转动。

优选的，所述驱动线圈通过梯度磁场的驱动方式提供驱动力，驱动力大于1mN。

优选的，所述驱动线圈形变受到的应力小于200MPa。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型方案的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，通过驱动线圈在外部磁场的作用下，提供给内部镜面驱动力使内部镜面发生偏转，外框扭转轴上的驱动导线将驱动信号引入驱动线圈上，驱动外框与内部镜面有不同的工作频率，内部镜面能够工作在较高的工作频率且满足大的转角，而驱动外框的扭转工作在低频段，由于驱动线圈的驱动导线为沉积金属，在金属的影响下会使驱动外框在扭转时具有较大的阻尼，无法实现在较高的频率下的大转角，驱动外框与内部镜面不同的工作状态，工作在内部镜面的谐振频率不工作在驱动外框的谐振模态下，采用驱动外框与内部镜面分离的设计，驱动外框与内部镜面具有不同的工作频率，且内部镜面的内部扭转轴上没有驱动导线，实现了高频率大转角的扫描，提高了微镜的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

附图1为本实用新型的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜的结构示意图；

附图2为本实用新型的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜的内部镜面工作状态图；

附图3为本实用新型的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜的电流转角曲线；

其中：1、驱动外框；2、驱动线圈；3、外框扭转轴；4、内部镜面；5、内部扭转轴；6、驱动导线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如附图1-3所示为本实用新型所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，包括驱动外框1、驱动线圈2、外框扭转轴3、内部镜面4和内部扭转轴5；所述驱动线圈2固定安装在驱动外框1内部；所述外框扭转轴3一端伸出驱动外框1，另一端穿过驱动线圈2向内延伸；所述外框扭转轴3向内延伸端与内部扭转轴5连接；所述内部镜面4通过内部扭转轴5安装在驱动外框1内；所述外框扭转轴3上设有驱动导线6；所述驱动导线6将驱动信号引入驱动线圈2；所述驱动线圈2控制内部扭转轴5驱动使内部镜面4发生偏转运动。

所述驱动外框1及内部镜面4具有不同的工作频率，使微镜只工作在内部镜面上，驱动外框1不振动，避免驱动外框1上的驱动导线6由于形变过大造成断裂。

为了更好的解决驱动导线6的应力问题，所述驱动导线6为沉积金属，所述沉积金属的厚度为10um-30um。

为了实现更大角度的微镜转动，所述驱动外框1及内部镜面4转动时不同步转动。

为了给微镜提供更高的驱动力，能够使微镜实现更大的偏转角度，所述驱动线圈2通过梯度磁场的驱动方式提供驱动力，驱动力大于1mN。

为了防止在应力较大的情况下驱动线圈2发生断裂，所述驱动线圈2形变受到的应力小于200MPa。

实施例一，本实用新型采用内部镜面4与驱动外框1分离的设计，驱动线圈2在外部磁场的作用下，提供给内部镜面4驱动力使内部镜面4发生偏转，外框扭转轴3上的驱动导线6将驱动信号引入驱动线圈2上，实际工作时，驱动外框1与内部镜面4有不同的工作频率，内部镜面4能够工作在较高的工作频率且满足大的转角，而驱动外框1的扭转工作在低频段，主要由于驱动线圈2的驱动导线6为沉积金属，在金属的影响下会使驱动外框1在扭转时具有较大的阻尼作用，内部镜面4大角度扭转时，外框扭转轴3不发生形变，故外框扭转轴3上的金属不会发生断裂失效，无法实现较高的频率下的大转角。

当驱动外框1和内部镜面4都工作在机械转角15°的状态时，从微镜工作时驱动外框1上的驱动导线6所受到的应力可以看出，驱动外框1工作状态下，驱动导线6受到的应力为529MPa；内部镜面4工作状态下，驱动导线6受到的应力为83MPa，由于驱动线圈2一般为沉积金属，沉积金属一般的厚度为10um-30um，由于金属较厚在沉积的过程中易产生缺陷，故驱动导线6的屈服强度不如单晶硅，在应力较大的情况下易发生断裂，从我们的测试结果得出驱动线圈2的应力超过200MPa时易失效。

当高频工作时内部扭转轴5上有没有驱动导线6的转角，可以看到驱动导线6会明显影响微镜的Q值，通过驱动外框1与内部镜面4分离驱动的方式，由于内部扭转轴5上没有金属，可实现高Q值，内部扭转轴5上没有驱动导线6时Q值可以达到1200，而有驱动导线6时只能达到110，光学转角在驱动电流一定的情况下也有明显的差别。

本实用新型的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，通过驱动线圈2在外部磁场的作用下，提供给内部镜面4驱动力使内部镜面4发生偏转，外框扭转轴3上的驱动导线6将驱动信号引入驱动线圈2上，驱动外框1与内部镜面4有不同的工作频率，内部镜面4能够工作在较高的工作频率且满足大的转角，而驱动外框1的扭转工作在低频段，由于驱动线圈2的驱动导线6为沉积金属，在金属的影响下会使驱动外框1在扭转时具有较大的阻尼，无法实现在较高的频率下的大转角，驱动外框1与内部镜面4不同的工作状态，工作在内部镜面4的谐振频率不工作在驱动外框1的谐振模态下，采用驱动外框1与内部镜面4分离的设计，驱动外框1与内部镜面4具有不同的工作频率，且内部镜面4的内部扭转轴5上没有驱动导线6，实现了高频率大转角的扫描，提高了微镜的使用寿命。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：包括驱动外框、驱动线圈、外框扭转轴、内部镜面和内部扭转轴；所述驱动线圈固定安装在驱动外框内部；所述外框扭转轴一端伸出驱动外框，另一端穿过驱动线圈向内延伸；所述外框扭转轴向内延伸端与内部扭转轴连接；所述内部镜面通过内部扭转轴安装在驱动外框内；所述外框扭转轴上设有驱动导线；所述驱动导线将驱动信号引入驱动线圈；所述驱动线圈控制内部扭转轴驱动使内部镜面发生偏转运动。

2.如权利要求1所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述驱动外框及内部镜面具有不同的工作频率。

3.如权利要求1所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述驱动导线为沉积金属。

4.如权利要求3所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述沉积金属的厚度为10um-30um。

5.如权利要求1所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述驱动外框及内部镜面转动时不同步转动。

6.如权利要求1所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述驱动线圈通过梯度磁场的驱动方式提供驱动力，驱动力大于1mN。

7.如权利要求1所述的一种大转角高频率一维电磁驱动微镜，其特征在于：所述驱动线圈形变受到的应力小于200MPa。

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