CN111487763A - 一种电磁式集成mems扫描微镜 - Google Patents

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陈亮
李丽
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Abstract

本发明涉及一种电磁式集成MEMS扫描微镜，属于微光机电***技术领域，包括固定边框和设于固定边框内侧且在背面集成有驱动线圈和角度传感线圈的偏晶向硅基微镜板，固定边框和偏晶向硅基微镜板之间连接有沿偏晶向硅基微镜板的一侧边延伸的连接板。驱动线圈和角度传感线圈均为非封闭矩形单回路，且在平行于连接板的延伸方向上各自平行、等距地条纹状分布。本发明连接板结构稳定，不易断裂；只需外设一个永磁铁，减小占用体积；并列条纹状分布的驱动线圈和角度传感线圈，节省线圈材料，降低功耗、加工难度和成本。

Description

一种电磁式集成MEMS扫描微镜
技术领域
本发明属于微光机电***技术领域，涉及一种电磁式集成MEMS扫描微镜。
背景技术
MEMS扫描微镜是指采用光学MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微光机电***)制造技术，将微光反射镜和驱动器集成在一起的光学单芯片，以MEMS扫描微镜为核心元器件飞速发展的光谱分析技术能够对未知物质的组分和含量进行定性、定量检测，在消费电子、工农业生产、国防军事等众多领域得到了广泛应用，国内外众多高校以及科研机构纷纷对高性能工作的扫描微镜开展了深入研究。
专利号为CN105301764B的专利公开了一种应用于近红外光谱仪的“MOEMS扫描光栅微镜***”，该微镜***存在以下不足：(1)其对称设置两个扭转梁，硅基片绕扭转梁转动，硅基片转动的中心轴线与扭转梁的长度方向平行，扭转梁的两端分别与硅基片、固定边框连接，为达到理想扫描角度，扭转梁设计的很薄，连接处的接触面积较小，结构稳定性差，容易受加工工艺以及工作环境的影响而产生裂纹甚至断裂，不利于光谱仪的可携带性发展；(2)其采用双边驱动实现硅基片的转动，需要外设两个永磁铁，导致***体积较大；(3)其驱动线圈和角度传感线圈采用渐开线方式多圈排列，线圈结构繁杂，在非提供驱动力方向的驱动线圈以及非产生感应电动势部分的角度传感线圈占有太多的线圈，给工艺加工带来了挑战以及造成材料的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电磁式集成MEMS扫描微镜，通过对扫描微镜的转动轴处的结构进行优化设计，在固定边框和偏晶向硅基微镜板之间设置沿偏晶向硅基微镜板的一侧边延伸的连接板，将二者连接，增加连接面积，增强连接强度，提高结构稳定性，解决现有技术中存在的扭转梁连接面积小导致易开裂的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电磁式集成MEMS扫描微镜，包括固定边框和设于固定边框内侧且在背面集成有驱动线圈和角度传感线圈的偏晶向硅基微镜板，固定边框和偏晶向硅基微镜板之间连接有沿偏晶向硅基微镜板的一侧边延伸的连接板。
进一步，连接板由多个并行等距排列的连接梁组成。
进一步，连接板上设有网状排列的孔。
进一步，连接板上设有多个并行等距排列的矩形槽。
进一步，驱动线圈和角度传感线圈均为非封闭矩形单回路，且在平行于连接板的延伸方向上各自平行、等距地条纹状分布。
进一步，角度传感线圈位于驱动线圈的***或者内侧。
进一步，驱动线圈和/或角度传感线圈叠加设置有至少一层。
进一步，固定边框的远离连接板的外侧平行于连接板的延伸方向设置有永磁铁。
进一步，固定边框上设有与驱动线圈、角度传感线圈的开线端相连的电极。
进一步，偏晶向硅基微镜板的正面刻蚀有闪耀光栅。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中连接板设置在偏晶向硅基微镜板的一侧，沿着偏晶向硅基微镜板的一侧边延伸，连接板的延伸方向与偏晶向硅基微镜板的转动轴线平行，一方面，在连接板的延伸方向上大大增加了连接面积，增强连接强度，提高结构稳定性；另一方面，基于连接板的结构和布设方式，只需要在固定边框的外侧设置一个永磁铁即可为扫描微镜的工作提供恒定磁场，减小了扫描微镜的封装体体积。
(2)本发明中驱动线圈和角度传感线圈呈并列条纹状分布，替代现有技术中渐开线多圈排列方式，最大程度减少非提供驱动力和非产生感应电动势方向上的线圈长度，不仅节省线圈材料，而且使得驱动线圈阻抗降低，有效降低功耗、工艺加工难度和制造成本。
(3)本发明中驱动线圈可以叠加设置多层，可以有效降低驱动线圈的电阻，从而可以减小永磁铁的体积，进一步减小扫描微镜的封装体体积；为了增强角度传感线圈的信号输出，也可以将角度传感线圈叠加设置多层。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明一种电磁式集成MEMS扫描微镜的实施例一的正面结构示意图；
图2为实施例一的背面结构示意图；
图3为实施例二的正面结构示意图；
图4为实施例三的正面结构示意图。
附图标记：固定边框1、电极2、连接板3、偏晶向硅基微镜板4、永磁铁5、角度传感线圈6、驱动线圈7。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例提供电磁式集成MEMS扫描微镜，通过MEMS加工工艺一体化集成制作，包括固定边框1和设于固定边框1内侧且在背面集成有驱动线圈7和角度传感线圈6的偏晶向硅基微镜板4，固定边框1和偏晶向硅基微镜板4之间连接有沿偏晶向硅基微镜板4的一侧边延伸的连接板3。
具体的，偏晶向硅基微镜板4的正面和背面呈长方形，表面积为7*6mm2，厚度为0.4mm。固定边框1为扫描微镜的工作提供自由度约束和支撑，固定边框1的尺寸是与偏晶向硅基微镜板4和连接板3的尺寸相对应设计，组成该框架的框架杆的横截面为正方形，固定边框1的厚度与偏晶向硅基微镜板4的厚度相同，偏晶向硅基微镜板4悬置于固定边框1的内部。
连接板3位于左侧，连接板3的延伸方向是图1和图2中的竖直方向，连接板3由多个并行等距排列的连接梁组成。连接板3通过ICP干法刻蚀工艺刻蚀偏晶向硅基微镜板4而制成，刻蚀的连接板3总的长、宽、厚的值分别为7000μm、400μm、80μm。为便于加工，连接板3与偏晶向硅基微镜板4的正面齐平。固定边框1右外侧平行于连接板3的延伸方向设置一个提供恒定磁场的永磁铁5。固定边框1靠近连接板3的左侧边框上设有与驱动线圈7、角度传感线圈6的开线端相连的电极2。
本实施例中，连接板3的延伸方向与偏晶向硅基微镜板4的转动轴线平行，一方面，在连接板3的延伸方向上大大增加了连接面积，增强连接强度，提高结构稳定性；另一方面，基于连接板3的结构和布设方式，只需要在固定边框1的外侧设置一个永磁铁5即可为扫描微镜的工作提供恒定磁场，减小了扫描微镜的封装体体积。
驱动线圈7和角度传感线圈6通过在偏晶向硅基微镜板4的背面淀积Si3N4薄膜并进行RIE刻蚀后再溅射Al而制成。驱动线圈7和角度传感线圈6均为非封闭矩形单回路，且在平行于连接板3的延伸方向上各自平行、等距地条纹状分布。驱动线圈7和角度传感线圈6各自的两个开线端均朝向连接板3。角度传感线圈6位于驱动线圈7的***(角度传感线圈6也可以设置在驱动线圈7的内侧)。驱动线圈7和角度传感线圈6的线宽均为80μm，厚度均为4μm，线圈间隔均为20μm，为了使线圈分布更合理，图2所示的角度传感线圈6的最右侧线圈和偏晶向硅基微镜板4最右侧边缘距离为20μm。
本实施例中，连接板3的延伸方向是提供驱动力和产生感应电动势的方向，也即在提供驱动力和产生感应电动势的方向上，驱动线圈7和角度传感线圈6均布置有多条并列条纹状分布的线圈，而在非提供驱动力和非产生感应电动势的方向上，则只有一圈非封闭的线圈，从而最大程度减少非提供驱动力和非产生感应电动势方向上的线圈长度，不仅节省线圈材料，而且使得驱动线圈7阻抗降低，有效降低功耗、工艺加工难度和制造成本。
当往驱动线圈7中通入交变电流后，在外设永磁铁5的磁场作用下，驱动线圈7会产生洛伦兹力而驱动偏晶向硅基微镜板4以连接板3和固定边框1的结合线为偏转中心线往复摆动；与此同时，角度传感线圈6在磁场中做切割磁感应线运动，产生感应电动势，该感应电动势经过连接板3引出到相应电极2，并最终输出到***控制电路，***控制电路将其转换为偏晶向硅基微镜板4的机械偏转角度信号并输出，最终实现对扫描微镜扫描状态的实时动态监测。
实施例二：
如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于连接板3的具体结构不同，实施例二中连接板3上设有网状排列的孔，以提升连接板3的弯曲偏转性能。
实施例三：
如图4所示，实施例三与实施例一的区别在于连接板3的具体结构不同，实施例三中连接板3上设有多个并行等距排列的矩形槽，以提升连接板3的弯曲偏转性能。
作为上述实施例的改进，驱动线圈7叠加设置多层，扫描微镜的驱动工作于驱动电流大小和磁场强度有关，驱动线圈7的层数增加，可以有效降低驱动线圈7的电阻，相应地永磁铁5的体积可以减小，进而可以减小扫描微镜的封装体体积。为了增强角度传感线圈6的信号输出，也可以将角度传感线圈6叠加设置多层。
作为上述实施例的改进，可以在偏晶向硅基微镜板4的正面通过采用TMAH溶液各向异性湿法刻蚀闪耀光栅，以进行分光。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电磁式集成MEMS扫描微镜，包括固定边框和设于固定边框内侧且在背面集成有驱动线圈和角度传感线圈的偏晶向硅基微镜板，其特征在于，所述固定边框和偏晶向硅基微镜板之间连接有沿偏晶向硅基微镜板的一侧边延伸的连接板。
2.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述连接板由多个并行等距排列的连接梁组成。
3.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述连接板上设有网状排列的孔。
4.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述连接板上设有多个并行等距排列的矩形槽。
5.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述驱动线圈和角度传感线圈均为非封闭矩形单回路，且在平行于连接板的延伸方向上各自平行、等距地条纹状分布。
6.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述角度传感线圈位于驱动线圈的***或者内侧。
7.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述驱动线圈和/或角度传感线圈叠加设置有至少一层。
8.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述固定边框的远离连接板的外侧平行于连接板的延伸方向设置有永磁铁。
9.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述固定边框上设有与驱动线圈、角度传感线圈的开线端相连的电极。
10.如权利要求1所述的电磁式集成MEMS扫描微镜，其特征在于，所述偏晶向硅基微镜板的正面刻蚀有闪耀光栅。
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