CN112731653B - Mems扫描镜及激光投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MEMS扫描镜及激光投影仪。在一具体实施方式中，该MEMS扫描镜包括反射镜及反射镜偏转角度感测机构；所述反射镜偏转角度感测机构包括压力传感器，所述压力传感器包括对称形状的膜状压敏电阻元件和从该压敏电阻元件引出用于构成惠斯顿电桥的第一端、第二端、第三端和第四端，所述第一端和第二端位于该压敏电阻元件对称轴方向的两端，所述第三端和第四端关于该对称轴对称设置。该实施方式可减少MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器中压敏电阻元件的个数，从而减小压阻式压力传感器的体积，并减少对关于其布线和布局的限制。

Description

MEMS扫描镜及激光投影仪

技术领域

本发明涉及激光投影技术领域。更具体地，涉及一种MEMS扫描镜及激光投影仪。

背景技术

采用MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)扫描镜的激光投影仪，具有低成本、小型化等优点，具有广阔的市场前景。

传统的MEMS扫描镜常采用扭杆致动方式，反射镜被两个、三个或更多的支撑该反射镜的扭杆带动倾斜并扭转，以执行光学扫描，采用共振驱动来实现大的扫描角度，需要通过结构设计将反射镜倾斜运动的共振频率与驱动频率相匹配。

在驱动MEMS扫描镜或监控反射镜角度时，为了维持共振状态，目前的方式是设置用于感测反射镜偏转角度的角度传感器，驱动器根据角度传感器输出的信号控制施加到致动器的驱动电压或驱动频率，来驱动反射镜旋转。对于传统的扭杆型MEMS扫描镜，角度传感器为在扭杆边缘位置设置的采用压电效应或压阻效应的角度传感器。

一方面，对于采用压阻效应的角度传感器，其为压阻式压力传感器，包括在扭杆边缘设置的四个压敏电阻元件，其中，压敏电阻元件具有其电阻值因应力而变化的性质(压阻效应)。如图1所示，现有的压阻式压力传感器由四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d构成惠斯顿电桥，其中，压敏电阻元件4a的引出电极5a接入电压VDD，压敏电阻元件4b的引出电极5b接地，压敏电阻元件4c的引出电极5c和压敏电阻元件4d的引出电极5d用作惠斯顿电桥的输出端，四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d由硅晶片制成，由于需要四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d构成惠斯顿电桥，因此该压阻式压力传感器在制备及形成于MEMS扫描镜中存在许多限制，例如该压阻式压力传感器的体积较大、存在对关于其布线和布局的限制等。

另一方面，对于MEMS扫描镜来说，对于相对较低的驱动频率的应用，需要采用较低的共振频率，为此，现有技术提出了一种采用形成弯曲形悬臂(即折叠弹簧结构，板状铰链)的外部压电致动器的方案，作为适合于低频驱动的设计，以降低共振频率。其结构例如，如图2所示，二维MEMS扫描镜包括：反射镜10；可动支撑件11(内部可动框)，可动支撑件11包围反射镜10以通过一对扭杆12a和12b来支承反射镜10；第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b，第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b分别固定在可动支撑件11与扭杆12a和12b之间并且分别用作悬臂，用于通过扭杆12a和12b使反射镜10绕X轴旋转；固定支撑件14(外部固定框)，固定支撑件14包围可动支撑件11；以及第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b，第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b分别固定在固定支撑件14与可动支撑件11之间并且分别用作弯曲形悬臂，用于通过可动支撑件11使反射镜10绕Y轴旋转(Y轴垂直于X轴)，从而实现二维扫描，其中，驱动第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b的驱动信号通常为频率20kHz以上的正弦波或矩形波信号，驱动第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b的驱动信号通常为频率60Hz左右的锯齿波信号(即X轴为快轴，Y轴为慢轴)，实现二维MEMS扫描镜的快速横向扫描及慢速纵向扫描。在采用形成弯曲形悬臂的外部压电致动器的如图2所示的二维MEMS扫描镜结构的基础上，对于反射镜10绕Y轴旋转的偏转角度的检测，如图3所示，现有的方式为可动支撑件11的边缘设置有感测梁16，该感测梁16上设置有用于感测反射镜10绕Y轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器(图3中未示出)。但这种方式会对反射镜10的旋转造成妨碍，在跟随共振频率时难以准确驱动反射镜10。

因此，需要提供一种新的MEMS扫描镜及激光投影仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS扫描镜及激光投影仪，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜及反射镜偏转角度感测机构；所述反射镜偏转角度感测机构包括压力传感器，所述压力传感器包括对称形状的膜状压敏电阻元件和从该压敏电阻元件引出用于构成惠斯顿电桥的第一端、第二端、第三端和第四端，所述第一端和第二端位于该压敏电阻元件对称轴方向的两端，所述第三端和第四端关于该对称轴对称设置。

可选地，所述压敏电阻元件的形状为圆形、矩形或菱形。

可选地，第三端和第四端为从所述对称形状引出的线性引出端，所述第三端和第四端的引出电极对称设置，所述第三端和第四端用作惠斯顿电桥的输出端。

可选地，所述第一端和第二端的引出电极分别与所述膜状压敏电阻元件线接触且接触面积相同。

可选地，该MEMS扫描镜还包括支撑件、第一感测梁和分别用作悬臂的第一压电致动器及第二压电致动器，所述第一压电致动器及第二压电致动器用于使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧，所述压阻式压力传感器设置于所述第一感测梁上。

可选地，所述第一感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。

可选地，所述压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁端部的位置。

可选地，所述压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁连接支撑件的一端的位置。

本发明第二方面提供了一种激光投影仪，包括本发明第一方面提供的MEMS扫描镜。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可减少MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器中压敏电阻元件的个数，从而减小压阻式压力传感器的体积，并减少对关于其布线和布局的限制。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出现有的压阻式压力传感器的示意图。

图2示出现有的二维MEMS扫描镜的结构示意图。

图3示出现有的二维MEMS扫描镜采用的用于设置压阻式压力传感器的感测梁的示意图。

图4示出本发明实施例提供的MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器的示意图。

图5示出一具体示例中，本发明实施例提供的MEMS扫描镜中的感测梁的示意图。

图6示出图5所示的具体示例中，第一感测梁与固定支撑件的连接示意图。

图7示出图5所示的具体示例中，第一感测梁与可动支撑件的连接示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图4所示，本发明的一个实施例提供了一种MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器30，该压力传感器30包括对称形状的膜状压敏电阻元件6和从压敏电阻元件6引出用于构成惠斯顿电桥的第一端7a、第二端7b、第三端7c和第四端7d，第一端7a和第二端7b位于该压敏电阻元件6对称轴方向(图1中的压敏电阻元件6的中心竖直方向)的两端，所述第三端7c和第四端7d关于该对称轴对称设置。

与如图1所示的现有的压阻式压力传感器相比，本实施例提供的压阻式压力传感器30减少了压敏电阻元件的个数，从而可减小压阻式压力传感器整体的体积，并减少对关于其布线和布局的限制。其中，膜状压敏电阻元件6，具有其电阻值因应力而变化的性质(压阻效应)，其可由硅晶片制成，表面部分由具有压阻效应的材料制成，可将应力变化转换成电阻变化，从而在MEMS扫描镜中使用时可用于感测与应力变化对应的偏转角度变化。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述压敏电阻元件6的形状为圆形、矩形或菱形。

在本实施例的一些可选的实现方式中，第三端7c和第四端7d为从所述对称形状引出的线性引出端，第三端7c的引出电极8c和第四端7d的引出电极8d对称设置，第三端7c和第四端7d用作惠斯顿电桥的输出端。

在本实施例的一些可选的实现方式中，第一端7a的引出电极8a和第二端7b的引出电极8b分别与压敏电阻元件6线接触且接触面积相同。

本发明的另一个实施例提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜，还包括上述实施例提供的压阻式压力传感器30，该压阻式压力传感器30用于感测所述反射镜的偏转角度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该MEMS扫描镜还包括支撑件、第一感测梁和分别用作悬臂的第一压电致动器及第二压电致动器，所述第一压电致动器及第二压电致动器用于使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧，压阻式压力传感器30设置于所述第一感测梁上。

本实现方式可避免对反射镜的旋转造成妨碍，提升对反射镜偏转角度检测的精度，且有利于实现MEMS扫描镜的小型化，特别适用于采用弯曲形悬臂的MEMS扫描镜，有利于实现稳定的驱动，适用于以低频驱动频率实现大角度扫描。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，进一步提升对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻式压力传感器30设置于靠近所述第一感测梁端部的位置。进一步，压阻式压力传感器30设置于靠近所述第一感测梁连接支撑件的一端的位置。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，且可进一步保证对反射镜偏转角度检测的精度。可理解的是，第一感测梁可将反射镜绕第一旋转轴的旋转扭矩传递至压阻式压力传感器30。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一压电致动器及第二压电致动器分别形成弯曲形悬臂。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一感测梁设置为围绕所述第一压电致动器的一侧。此实现方式便于制备第一感测梁，且可保证MEMS扫描镜整体的小型化。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该MEMS扫描镜还包括第二感测梁，所述第二感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的另一侧，所述第二感测梁上设置有用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度的另一个压阻式压力传感器30。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第二感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，进一步提升对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻式压力传感器30设置于靠近所述第二感测梁端部的位置。进一步，压阻式压力传感器30设置于靠近所述第二感测梁连接支撑件的一端的位置。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，且可进一步保证对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第二感测梁设置为围绕所述第二压电致动器的一侧。此实现方式便于制备第二感测梁，且可保证MEMS扫描镜整体的小型化。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器，即，第一压电致动器及第二压电致动器配合用于二维MEMS扫面镜的慢扫描。可理解的是，在第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器的情况下，第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧应理解为第一感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的一侧。另外，第一压电致动器及第二压电致动器也可分别为第一内部压电致动器和第二内部压电致动器，此时，第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧应理解为第一感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的一侧。当然，也可采用对于反射镜绕X轴、Y轴的旋转的偏转角度的检测均采用本实施例提供的MEMS扫描镜的结构实现，进一步，对于反射镜绕X轴、Y轴的旋转的偏转角度的检测均可设置两个本实施例中的感测梁，此种情况下，本实施例提供的MEMS扫描镜的结构可描述为：包括固定支撑件、可动支撑件、反射镜和分别用作悬臂的一号内部压电致动部器、二号内部压电致动器、一号外部压电致动器、二号外部压电致动器，一号内部压电致动部器及二号内部压电致动部器用于使反射镜绕第一旋转轴(X轴)旋转，一号外部压电致动器及二号外部压电致动器用于(通过可动支撑件)使所述反射镜绕第二旋转轴(Y轴)旋转，该MEMS扫描镜还包括一号感测梁、二号感测梁、三号感测梁和四号感测梁，一号感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的一侧，二号感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的另一侧，三号感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的一侧，四号感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的另一侧，一号感测梁和二号感测梁上分别设置有用于感测反射镜绕第一旋转轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器30，三号感测梁和四号感测梁上分别设置有用于感测反射镜绕第二旋转轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器30。

上述实现方式限定了所述第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器，也就是说MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜，可理解的是，对于一维MEMS扫描镜，其也可采用本实施例提供的MEMS扫描镜结构。

在一个具体示例中，结合上述实现方式，以本实施例提供的MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜进行进一步说明：在如图2所示的现有的二维MEMS扫描镜的基础上，如图5-7所示，本示例的二维MEMS扫描镜中，围绕形成弯曲形悬臂的第一外部压电致动器25a的一侧设置有第一感测梁26、围绕形成弯曲形悬臂的第二外部压电致动器25b的一侧设置有第二感测梁27。其中，第一感测梁26与第二感测梁27以X轴呈镜像，以第一感测梁26为例，第一感测梁26一端连接固定支撑件24、另一端连接可动支撑件21的一侧，第一感测梁26连接固定支撑件24的一端及连接可动支撑件21的另一端分别位于Y轴上，如图6所示，第一感测梁26上设置的用于感测反射镜绕Y轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器30设置于靠近第一感测梁26连接固定支撑件24的一端的位置。

本示例中，反射镜由用作振动板的单晶硅支承层、用作反射器的金属层以及硬掩模层制成。可动支撑件21由单晶硅有源层和二氧化硅层构成。形成弯曲形悬臂的第一外部压电致动器25a和第二外部压电致动器25b分别由振动板、下电极、压电体(PZT)和上电极构成。固定支撑件24由单晶硅层、中间硅层、单晶硅有源层、二氧化硅层和硬掩模层构成。

本发明的另一个实施例提供了一种激光投影仪，包括上述实施例提供的MEMS扫描镜，此外，还包括激光光源、准直整形等光学器件及激光驱动电路、MEMS扫描镜驱动电路等。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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发明的限制。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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种MEMS扫描镜，包括反射镜及反射镜偏转角度感测机构；其特征在于，所述反射镜偏转角度感测机构包括压阻式压力传感器，所述压阻式压力传感器包括对称形状的膜状压敏电阻元件和从该压敏电阻元件引出用于构成惠斯顿电桥的第一端、第二端、第三端和第四端，所述第一端和第二端位于该压敏电阻元件对称轴方向的两端，所述第三端和第四端关于该对称轴对称设置；

该MEMS扫描镜还包括支撑件、第一感测梁和分别用作悬臂的第一压电致动器及第二压电致动器，所述第一压电致动器及第二压电致动器用于使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧，所述压阻式压力传感器设置于所述第一感测梁上；

该MEMS扫描镜还包括第二感测梁，所述第二感测梁一端连接所述支撑件，另一端连接所述反射镜的另一侧，所述第二感测梁上设置用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度的另一个压阻式压力传感器；

所述第二感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。

2.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述压敏电阻元件的形状为圆形、矩形或菱形。

3.根据权利要求2所述的MEMS扫描镜，其特征在于，第三端和第四端为从所述对称形状引出的线性引出端，所述第三端和第四端的引出电极对称设置，所述第三端和第四端用作惠斯顿电桥的输出端。

4.根据权利要求3所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述第一端和第二端的引出电极分别与所述膜状压敏电阻元件线接触且接触面积相同。

5.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述第一感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。

6.根据权利要求5所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁端部的位置。

7.根据权利要求6所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁连接支撑件的一端的位置。

8.一种激光投影仪，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的MEMS扫描镜。