CN213182193U - 电磁式mems扭转微镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电磁式MEMS扭转微镜，其包括基板、支撑结构和线圈；基板上设置有微镜镜面，所述基板设置在所述支撑结构上，所述支撑结构支撑所述微镜镜面，所述线圈设置在电路板上，所述电路板与所述线圈连接，为所述线圈通电；所述支撑结构包括扭梁和支撑柱，所述支撑柱为圆柱体，其设置在所述电路板上，所述支撑柱的上端与所述扭梁的一端连接，所述扭梁设置有两个，对称设置在所述基板的侧面，所述基板悬挂在所述扭梁的另一端上。扭梁连接有基板，扭梁在外部洛仑兹力的作用下，发生轻微扭动时带动微镜进行角度的偏移，从而带动微镜镜面的转动，而控制洛仑兹力的大小则可以间接控制镜面转动的角度，为了实现对镜面角度的精确控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及微控制领域，尤其涉及一种电磁式MEMS扭转微镜。
背景技术
微机电系统(MEMS)是基于微电子技术发展起来的一项技术，集合了微传感器、微执行器、微机械结构等集成器件于一体的器件或者说系统，是一项技术革新并且具有广泛应用的一项技术产业。MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的新领域就是将基础系统与光学相结合，开发新型光器件，称为微光电系统(MOEMS)。它的意义在于把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。
基于MOEMS的新型显示投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀；另一个方面就是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MEMS扭转微镜是采用MEMS的技术，并在尺寸微纳米量级的半导体上面加工制成的，通常是由微镜镜面、微驱动器、弹性结构以及制成结构四大部分组成，工作原理是利用微驱动器驱动微镜镜面的旋转，从而控制反射后光线的方向。因此对于微镜镜面的驱动效果决定着MEMS扭转微镜的性能，也影响着扭转微镜的精度。
实用新型内容
为此，本实用新型提供一种电磁式MEMS扭转微镜，解决了对于扭转微镜角度进行控制的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供一种电磁式MEMS扭转微镜，包括：包括：基板、支撑结构和线圈；基板上设置有微镜镜面，所述基板设置在所述支撑结构上，所述支撑结构支撑所述微镜镜面，所述线圈设置在电路板上，所述电路板与所述线圈连接，为所述线圈通电；所述支撑结构包括扭梁和支撑柱，所述支撑柱为圆柱体，其设置在所述电路板上，所述支撑柱的上端与所述扭梁的一端连接，所述扭梁设置有两个，对称设置在所述基板的侧面，所述基板悬挂在所述扭梁的另一端上。
进一步地，所述基板为正方体，以所述微镜镜面所在的平面建立笛卡尔坐标系，沿着所述扭梁的设置方向为X轴，与所述扭梁的设置方向垂直的为Y轴，所述线圈沿着所述X轴或所述Y轴对称设置在所述电路板上。
进一步地，所述线圈的结构为矩形螺旋线圈，每个所述线圈内相邻的两圈距离为254um。
进一步地，所述线圈设置有四个。
进一步地，所述微镜镜面为金属板层。
进一步地，所述金属板层的厚度为100nm。
进一步地，在所述金属板层的上方还设置有固化层。
进一步地，所述扭梁为阴性光刻胶SU－8 2100材料。
进一步地，所述矩形螺旋线圈通过双线接入所述电路板。
与现有技术相比，扭梁连接有基板，扭梁在外部洛仑兹力的作用下，发生轻微扭动时带动微镜进行角度的偏移，从而带动微镜镜面的转动，而控制洛仑兹力的大小则可以间接控制镜面转动的角度，为了实现对镜面角度的精确控制，就要对线圈内的电流大小进行控制，在实际应用中，通过电路板和线圈连接，实现对线圈内电流的控制，进而实现对扭转微镜的控制，具有控制精度高，易于实现，能够精准定量化控制镜面的转动角度。
进一步地，采用正方体的基板，便于加工制作，降低加工难度，而线圈可以沿着坐标系的任何一个坐标轴对称设置，还可以沿着坐标原点呈圆周对称设置，使得基板处于均匀的电磁场中，以坐标原点为中心的扭转微镜受力均匀，角度偏转稳定，防止作用力不均匀产生力的偏差，影响转动角度。
进一步地，采用矩形螺旋线圈，使得线圈的每一个部分均为直线，其内的电流方向便于判断，电场内的作用力方向容易进行判断。且采用线圈内相邻两圈距离为等间距设置，且距离为254um，使得线圈结构紧凑，实现微小电磁场的建立，实现对在电磁场内的扭转微镜的控制。
进一步地，在表面加覆一层无任何额外物质相掺的聚二甲基硅氧烷层作为固化剂，可以减弱MEMS微镜的表面粗糙度，使得扭镜镜面更为光滑，反射效果更好，对于光线的聚合性更为明显，便于进行后续的扭转微镜的性能，因为在实际应用中，若镜面特别粗糙，会形成漫反射，影响实验效果，无法获取应得的实验结果。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的电磁式MEMS扭转微镜的结构俯视图；
图2为本实用新型实施例提供的电磁式MEMS扭转微镜中的线圈结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本实用新型作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非在限制本实用新型的保护范围。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参阅图1所示，本实用新型实施例提供的电磁式MEMS扭转微镜包括基板30、支撑结构和线圈；基板30上设置有微镜镜面，所述基板30设置在所述支撑结构上，所述支撑结构支撑所述微镜镜面，所述线圈设置在电路板20上，所述电路板20与所述线圈连接，为所述线圈通电；所述支撑结构包括扭梁10和支撑柱，所述支撑柱为圆柱体，其设置在所述电路板20上，所述支撑柱的上端与所述扭梁10的一端连接，所述扭梁10设置有两个，对称设置在所述基板30的侧面，所述基板30悬挂在所述扭梁10的另一端上。
具体而言，电磁式MEMS扭转微镜是利用电生磁的原理，电磁产生的力作用在基板30上，基板30通常为磁性基板30，从而使得设置在基板30上的微镜偏转角改变，当扭转微镜的偏转角发生改变时，激光照射在镜面上就会发生反射，转角改变的大小可以通过控制电磁产生的力来调节，从而改变光线的反射光路。电磁式MEMS扭转微镜由可以进行反射的平面、支撑的旋转轴、基本电路板20、两侧的扭梁10和平行的线圈组成。按照空间分类的话，MEMS扭转微镜可以分为二维和三维两种结构。三维的扭转微镜就具有两个自由度主要用于3－D成像和扫描作用，而二维结构的电磁式MEMS扭转微镜具有一个自由度，可以沿着单轴实现顺时针或者逆时针的两个方向旋转，基本实现原理是MESM扭转微镜悬挂在两个扭梁10之上，并且下附有反射板，并利用电路驱动使得微镜旋转，过程中产生的洛伦兹力使得MEMS微镜产生偏转角以及位移。
本实用新型实施例提供的电磁式MEMS扭转微镜，扭梁10连接有基板30，扭梁10在外部洛仑兹力的作用下，发生轻微扭动时带动微镜进行角度的偏移，从而带动微镜镜面的转动，而控制洛仑兹力的大小则可以间接控制镜面转动的角度，为了实现对镜面角度的精确控制，就要对线圈内的电流大小进行控制，在实际应用中，通过电路板20和线圈连接，实现对线圈内电流的控制，进而实现对扭转微镜的控制，具有控制精度高，易于实现，能够精准定量化控制镜面的转动角度。
具体而言，所述基板30为正方体，以所述微镜镜面所在的平面建立笛卡尔坐标系，沿着所述扭梁10的设置方向为X轴，与所述扭梁10的设置方向垂直的为Y轴，所述线圈沿着所述X轴或所述Y轴对称设置在所述电路板20上。
具体而言，基板30的截面可以是方形的，可以是圆形的，还可以是其他多边形，在此并不做具体要求，优选的采用正方体的基板30，便于加工制作，降低加工难度，而线圈可以沿着坐标系的任何一个坐标轴对称设置，还可以沿着坐标原点呈圆周对称设置，使得基板30处于均匀的电磁场中，以坐标原点为中心的扭转微镜受力均匀，角度偏转稳定，防止作用力不均匀产生力的偏差，影响转动角度。
在实际制作过程中，选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为扭转微镜的基板30，主要利用其便于制备成复合材料且杨氏模型量比较低，粘结相容性也较好的特点，以80％的重量百分比把MQFP－12－5磁性粉末通过超声波喇叭探针头，使其均匀地与聚二甲基硅氧烷相掺制作成复合材料备用。
具体而言，所述线圈的结构为矩形螺旋线圈，每个所述线圈内相邻的两圈距离为254um。
在实际应用中，如图2所示，线圈的结构可以是圆环形状的，还可以是矩形环形状的，还可以是多边形环状构造，再次不做限制，优选采用矩形螺旋线圈，使得线圈的每一个部分均为直线，其内的电流方向便于判断，电场内的作用力方向容易进行判断。且采用线圈内相邻两圈距离为等间距设置，且距离为254um，使得线圈结构紧凑，实现微小电磁场的建立，实现对在电磁场内的扭转微镜的控制。
具体而言，所述线圈设置有四个。在所述方形的扭转微镜的四周均设置有线圈，设置数量为4个，设置的过多或过少均会对电磁场的建立造成影响，采用四个方向上设置线圈，使得形成的电磁场均匀且易于实现，且可以节约实验线圈，经济环保，防止对实验耗材的过度消耗。
具体而言，所述微镜镜面为金属板层，所述金属板层的厚度为100nm，在所述金属板层的上方还设置有固化层。
利用电子束蒸镀的方法处于无尘室设施当中的反射金属板层镀到复合材料的表面，选用厚度为100nm的反射金属板为宜，并且在表面加覆一层无任何额外物质相掺的聚二甲基硅氧烷层作为固化剂，可以减弱MEMS微镜的表面粗糙；使得扭镜镜面更为光滑，发射效果更好，对于光线的聚合性更为明显，便于进行后续的扭转微镜的性能，因为在实际应用中，若镜面特别粗糙，会形成漫反射，影响实验效果，无法获取应得的实验结果。
具体而言，所述扭梁10为阴性光刻胶SU－8 2100材料。SU－8材料具有良好的生物相容性和稳定性，该材料为现有的材料，并且目前已经被广泛的应用于MEMS扭转微镜的原型材料中，符合实验环境。
具体而言，所述矩形螺旋线圈通过双线接入所述电路板20。将平面线圈通过标准的PCB制造方法在基板30上制作，用来作为电磁式扭转微镜的电磁驱动，并使用双线设置将平面线圈加入电连接。接入简单，易于实现，便利性极高。
MEMS扭转微镜两端的固定扭梁10会因为电磁产生的洛伦兹力而产生弹性形变，就可以为扭转微镜提供恢复力的支撑作用，已知系统中的电磁力和恢复力是一对作用力与反作用力，同时产生与消失，并且扭梁10的弹性形变和系数K有关。
在本实用新型实施例中，所提供的电磁式扭转微镜中的线圈、扭梁以及微镜镜面参数可参考下表1：
表1微镜的材料属性
由上表可知，电磁式MEMS扭转微镜的杨氏模量比扭梁大得多，如果假设微镜的镜面是刚性物体的话，那么当微镜偏转的时候可能会产生的形变就可以忽略不计，那么扭转微镜的动态机械模型就可以表示成：
其中
代表为MEMS扭转微镜的偏转角，
表示偏转角的速度，θ则为偏转角的加速度，J表示MEMS扭转微镜的转动惯量，b为MEMS扭转微镜系统的阻尼系数，K表示MEMS扭转微镜旋转轴结构的形变系数，Tfield是用来表示驱动MEMS扭转微镜偏转的磁力矩。
MEMS扭转微镜两端的固定扭梁会因为电磁产生的洛伦兹力而产生弹性形变，就可以为扭转微镜提供恢复力的支撑作用，已知系统中的电磁力和恢复力是一对作用力与反作用力，同时产生与消失，并且扭梁的弹性形变和系数K有关，所以可以利用胡克定理将MEMS扭转微镜的系统弹性形变系数表示出来
该式子中，Kab表示弹性扭梁的形变因数，用Lbeam表示弹性扭梁的长度，Kab可以利用下面式子表示出来：
公式中的α表示扭转杆复合材料的各向形变异性常数，材料的每个方向同性常数都满足α＝1，并且聚二甲基硅氧烷如果在两个相互垂直的方向上，可以认为形变状态是相同的，所以上面式子就满足α＝1，式中Wbeam是扭转杆轴的宽度，tbeam则对应表示扭转杆的厚度，G表示扭转杆的复合材料的剪切模量，是一个用来表示材料受到剪切变形难易程度的常数，数值越大说明收到剪切的时候不容易变形，承受能力较好。那么G则可以用下面式子表示出来：
式中E表示扭转微镜扭转杆所用复合材料的杨氏模量，大小已知。v表示扭转杆复合材料的泊松比。所以综合上面四个公式即可得出，扭转杆的形变量K与扭转杆结构大小和复合材料的杨氏模量、泊松比和形变异性常数是有关系的。扭转微镜的转动惯量J决定于刚体的形状以及质量分布旋转杆的位置，可以得到：
式中LM、Wm、tm分别表示扭转微镜的长、宽和厚度，ρ表示扭转微镜复合材料的密度。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型；对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，包括：基板、支撑结构和线圈；
基板上设置有微镜镜面，所述基板设置在所述支撑结构上，所述支撑结构支撑所述微镜镜面，所述线圈设置在电路板上，所述电路板与所述线圈连接，为所述线圈通电；
所述支撑结构包括扭梁和支撑柱，所述支撑柱为圆柱体，其设置在所述电路板上，所述支撑柱的上端与所述扭梁的一端连接，所述扭梁设置有两个，对称设置在所述基板的侧面，所述基板悬挂在所述扭梁的另一端上。
2.根据权利要求1所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述基板为正方体，以所述微镜镜面所在的平面建立笛卡尔坐标系，沿着所述扭梁的设置方向为X轴，与所述扭梁的设置方向垂直的为Y轴，所述线圈沿着所述X轴或所述Y轴对称设置在所述电路板上。
3.根据权利要求2所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述线圈的结构为矩形螺旋线圈，每个所述线圈内相邻的两圈距离为254um。
4.根据权利要求3所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述线圈设置有四个。
5.根据权利要求1所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述微镜镜面为金属板层。
6.根据权利要求5所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述金属板层的厚度为100nm。
7.根据权利要求6所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，在所述金属板层的上方还设置有固化层。
8.根据权利要求1-7任一所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述扭梁为阴性光刻胶SU-8 2100材料。
9.根据权利要求3所述的电磁式MEMS扭转微镜，其特征在于，所述矩形螺旋线圈通过双线接入所述电路板。
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