CN105403997A - 一种压电驱动二维扫描微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电驱动二维扫描微镜，包括二维扫描微镜主体以及紧贴在其下面的压电驱动器，所述压电驱动器包括基板以及紧贴在所述基板上面的压电陶瓷块；所述二维扫描微镜主体具有能够在两相垂直的方向上分别做谐振转动的反射镜。本发明的压电驱动二维扫描微镜相比平面放置的压电悬臂梁驱动器，大大减小了器件尺寸，驱动结构稳定可靠；另外，使用万向节结构实现反射镜的二维扫描，相比其它结构，反射镜扫描更稳定，变形更小。

Description

一种压电驱动二维扫描微镜
技术领域
本发明涉及微光机电***技术领域，尤其涉及一种压电驱动二维扫描微镜。
背景技术
微光机电***(Micro-optical-electromechanicalsystems，MEMS)是指利用微加工技术用于光学***的MEMS(Micro-electromechanicalsystems)器件与***。扫描微镜或微镜阵列是一种重要的MEMS器件，在驱动力的作用下微镜的反射镜面发生偏转从而改变入射光束的反射角度，实现反射光束的扫描。可广泛应用于医学影像、光谱仪、条形码阅读等领域。
按照微镜驱动方式的不同，主要分为：静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动等。静电驱动微镜是目前研究最多的一种，一般在结构中引入一对或多对电极，通过电极间的静电力驱动微镜运动，该驱动方式需要较高的工作电压(≥50V)，工作电压高不利于器件与电路的一体化集成；电磁驱动微镜是利用电磁体或者永磁体产生的磁场力作为驱动力，该驱动方式的驱动电流大；电热驱动微镜是利用驱动电流使材料受热膨胀产生驱动力，因此响应速度低，功耗大，且受环境温度影响较大；而现有技术中，MEMS压电制造工艺还不成熟，制造难度大，性能不稳定，使得MEMS压电驱动器件还未能在市场上得到成熟的应用。
美国专利US8553307B2所述的扫描微镜，通过左右两侧压电悬臂梁6的振动，驱动悬臂梁顶端中间的反射镜5绕扭转梁4和扭转梁3扭转运动。当两个悬臂梁6振动方向相反时，如图1a所示，并且振动频率达到反射镜5绕扭转梁4的谐振频率时，反射镜5绕扭转梁4做往复扭转谐振运动，并且扭转角度达到最大。当两个悬臂梁6振动方向相同时，如图1b所示，并且振动频率达到反射镜5、扭转梁4和内框架2绕扭转梁3的谐振频率时，反射镜5绕扭转梁3做往复扭转谐振运动，并且扭转角度达到最大。从而使反射镜实现二维扫描。该驱动结构由于是以悬臂梁支撑反射镜并使其振动，因此应力会集中在悬臂梁的端部上，容易产生疲劳破坏，从而存在长期驱动时的可靠性较低的问题。
专利CN101630063B所述振动镜元件，如图2所示，微反射镜21通过放置在微反射镜中心轴的扭转梁24a，连接在四根压电悬臂梁30a/30b/30c/30d的顶端，悬臂梁的底部连接固定在结构框架10。扭转梁两侧的压电悬臂梁，被施加相反的电压信号，使两侧悬臂梁发生相反形变，从而使扭转梁产生扭转，带动连接在扭转梁上的反射镜产生扭转。当电压信号频率达到微反射镜绕扭转梁扭转的谐振频率时，微反射镜绕扭转梁做往复扭转谐振运动，并且这是扭转角度最大。同样也是以悬臂梁支撑反射镜并使其振动，因此应力会集中在悬臂梁上，容易产生疲劳破坏，从而存在长期驱动时的可靠性较低的问题。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的压电驱动二维扫描微镜，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种体积小、驱动结构稳定可靠的压电驱动二维扫描微镜。
本发明的压电驱动二维扫描微镜，包括二维扫描微镜主体以及紧贴在其下面的压电驱动器，所述压电驱动器包括基板以及紧贴在所述基板上面的压电陶瓷块；所述二维扫描微镜主体具有能够在两相垂直的方向上分别做谐振转动的反射镜。
进一步的，所述二维扫描微镜主体包括具有背腔的外框架，所述外框架通过第一扭转轴连接有置于所述背腔内的内框架，所述内框架通过垂直于所述第一扭转轴的第二扭转轴连接所述反射镜。
进一步的，所述第一扭转轴为两个，分别连接所述内框架相对的两侧。
进一步的，所述第二扭转轴为两个，分别位于所述反射镜中心轴的两端。
进一步的，所述基板为PCB板、金属板中的一种。
进一步的，所述压电陶瓷块通过环氧树脂粘结、金属焊料粘结中的一种连接方式紧贴在所述外框架下面。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、使用传统压电陶瓷材料作为MEMS二维扫描微镜主体的驱动，成本更低、制造技术成熟、容易获得且驱动结构稳定可靠；
2、使用MEMS加工技术可以制造出结构更小的反射镜，并且加工成本更低，易于批量制造；
3、相比现有驱动技术中的静电驱动，本发明采用的压电驱动所需电压更低，相比电磁驱动，所需电流更小，相比电热驱动响应速度更快；
4、本发明使用万向节结构实现反射镜的二维扫描，相比其它结构，反射镜扫描更稳定，变形更小。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1a是美国专利US8553307B2悬臂梁振动方向相反时的结构示意图；
图1b是美国专利US8553307B2悬臂梁振动方向相同时的结构示意图；
图2专利CN101630063B的结构示意图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4是本发明的分体结构示意图；
图5是本发明中二维扫描微镜主体的结构示意图；
图6是本发明中压电驱动器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图3至图6，本发明一较佳实施例所述的一种压电驱动二维扫描微镜，包括二维扫描微镜主体10和压电驱动器20，压电驱动器20紧贴放置在二维扫描微镜主体10的下方，二维扫描镜主体10由反射镜16，第二扭转轴15，内框架14，第一扭转轴13和外框架12组成，内框架14置于外框架12的背腔11内。反射镜16和内框架14通过第二扭转轴15连接在一起，第二扭转轴15位于反射镜16中心轴的两端，连接在方形内框架14的对角位置。内框架14和外框架12通过第一扭转轴13连接在一起。第一扭转轴13位于方形内框架14对角线两端垂直于第二扭转轴15，连接在方形外框架12对角位置。在外框架12上设置背腔11，使得第一扭转轴13和第二扭转轴15悬空，从而使反射镜16具有扭转的空间。
压电驱动器20包括压电陶瓷块22以及基板21，压电陶瓷块22紧贴在基板21的上面。
本发明压电驱动二维扫描微镜的原理为，通过施加一定频率的电压信号至压电驱动器20，由于逆压电效应，压电驱动器20产生和电压信号相同频率的振动，振动传递到紧贴在压电驱动器20上的二维扫描微镜主体10部分。当振动频率达到内框架14、第二扭转轴15和反射镜16绕第一扭转轴13转动的谐振频率时，反射镜16绕第一扭转轴13往复扭转，并在一定的驱动电压下达到最大扭转角度；当振动频率达到反射镜16绕第二扭转轴15转动的谐振频率时，反射镜16绕第二扭转轴15往复扭转，并在一定的驱动电压下达到最大扭转角度。这样，反射镜16通过绕第一扭转轴13和第二扭转轴15的往复扭转，完成反射光束的二维扫描。
优选的，本发明中压电驱动器20使用传统压电陶瓷块22制造，不限于哪种材料的压电陶瓷块22，放置在基板21上，基板21可以是PCB板，金属板等材料；本发明中二维扫描的反射镜16为万向节结构，反射镜16不限于圆形，方形或其它异形等，两根相互垂直的第一扭转轴13、第二扭转轴15分别连接在内框架与外框架的对角线上；另外，本发明中压电驱动器20紧贴在二维扫描微镜主体10下方的方式，不限于使用环氧树脂胶粘结，金属焊料粘结或其它连接方式。
本发明的压电驱动二维扫描微镜与美国专利US8553307B2相比，本发明结构的优点如下：
1、本发明二维扫描微镜主体采用MEMS制造技术加工，结构可以做的更小，批量加工成本低；
2、本发明使用一块压电陶瓷块作为驱动结构，放置在二维扫描微镜主体的下面，相比平面放置的压电悬臂梁驱动器，可以有效减小器件面积；
与专利CN101630063B所述发明相比，本发明结构的优点如下：
1、本发明避免使用压电薄膜制造技术，使用业界比较成熟的传统压电陶瓷块，制造工艺简单，易于加工；
2、本发明使用万向节结构实现二维扫描，结构牢固。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：包括二维扫描微镜主体以及紧贴在其下面的压电驱动器，所述压电驱动器包括基板以及紧贴在所述基板上面的压电陶瓷块；所述二维扫描微镜主体具有能够在两相垂直的方向上分别做谐振转动的反射镜。
2.根据权利要求1所述的压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述二维扫描微镜主体包括具有背腔的外框架，所述外框架通过第一扭转轴连接有置于所述背腔内的内框架，所述内框架通过垂直于所述第一扭转轴的第二扭转轴连接所述反射镜。
3.根据权利要求2所述的压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述第一扭转轴为两个，分别连接所述内框架相对的两侧。
4.根据权利要求2所述的压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述第二扭转轴为两个，分别位于所述反射镜中心轴的两端。
5.根据权利要求1所述的压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述基板为PCB板、金属板中的一种。
6.根据权利要求2所述的压电驱动二维扫描微镜，其特征在于：所述压电陶瓷块通过环氧树脂粘结、金属焊料粘结中的一种连接方式紧贴在所述外框架下面。
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