CN112731654A - 一种基于径向磁场分布的mems微镜 - Google Patents

一种基于径向磁场分布的mems微镜 Download PDF

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徐士浩
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Abstract

本发明公开了一种基于径向磁场分布的MEMS微镜，包括基板、外框架、内框架、镜面、第二扭转轴和第一扭转轴；外框架和内框架均为两个半圆组成的圆环，同一框架的两个半圆端部之间间隙设置，镜面设置在内框架中，内框架设置在外框架中；内框架与镜面通过第一扭转轴转动连接，外框架与基板通过第二扭转轴转动连接；镜面下方设置第一磁铁和第二磁铁，第一磁铁和第二磁铁间隙设置，第一磁铁磁极方向为轴向，第一磁铁和第二磁铁磁极方向相反；内框架朝向第一磁铁的一面设置有第一线圈，第一线圈以内框架的间隙处为界分为两部分，每部分均呈蛇形折叠状绕内框架半圆处分布形成回路；外框架朝向第一磁铁的一面设置有第二线圈，第二线圈为圆环形。

Description

一种基于径向磁场分布的MEMS微镜
技术领域
本发明属于微机电领域，涉及一种基于径向磁场分布的MEMS微镜。
背景技术
激光雷达***是一种以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***，综合了激光器技术、光电子技术、微芯片技术和光学技术等多种先进的技术。随着近几年无人驾驶与自主驾驶渐渐成为研究热点，激光雷达因具有扫描速度快、精度高、相比微波雷达体积小重量轻和抗干扰能力强等优点被迅速地应用在汽车的无人驾驶、复杂地形的勘探检测以及城市建筑的三维建模等领域。
MEMS激光雷达其中一个重要的光学器件——MEMS微镜，属于一种光学MEMS执行器芯片，可以在驱动作用下对激光光束进行偏转、调制、开启闭合及相位控制。
现有的电磁MEMS微镜，磁场放置方式大多采用与微镜成斜45°，磁场的X、Y分量分别提供微镜两个轴所需的驱动力矩，这种方式磁场未得到充分利用，从而使驱动力矩受限，微镜无法获得较大偏转角。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于径向磁场分布的MEMS微镜，在微镜下方产生径向磁场实现微镜驱动，有效的提高了驱动力矩。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于径向磁场分布的MEMS微镜，包括基板、外框架、内框架、镜面、第二扭转轴和第一扭转轴；
外框架、内框架和镜面均共面，且均平铺在基板上，外框架和内框架均为两个半圆组成的圆环，同一框架的两个半圆端部之间间隙设置，镜面设置在内框架中，内框架设置在外框架中；内框架与镜面通过第一扭转轴转动连接，外框架与基板通过第二扭转轴转动连接；
镜面下方设置有圆柱体的第一磁铁，第一磁铁周面外部设置有圆环体的第二磁铁，第一磁铁和第二磁铁间隙设置，镜面、第一磁铁和第二磁铁同心设置，第一磁铁磁极方向为轴向，第一磁铁和第二磁铁磁极方向相反；
内框架朝向第一磁铁的一面设置有第一线圈，第一线圈以内框架的间隙处为界分为两部分，每部分均呈蛇形折叠状绕内框架半圆处分布形成回路；外框架朝向第一磁铁的一面设置有第二线圈，第二线圈为圆环形。
优选的，第一转轴和第二转轴的轴向垂直。
优选的，镜面与内框架之间设置有加强筋，加强筋为两个半圆筋组成的圆环，两个半圆筋端部之间间隙设置，加强筋与镜面通过第一扭转轴转动连接。
优选的，第二扭转轴为蛇形折叠结构。
优选的，第一扭转轴为直梁结构。
优选的，第二线圈位于第一磁铁和第二磁铁的间隙处。
优选的，镜面表面镀有反射薄膜。
进一步，反射薄膜材质为金或铝。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述微镜，通过第一磁铁和第二磁铁磁极方向相反，二者耦合形成径向分布稳定磁场，从而获得径向磁场驱动两个扭转轴，通过第一扭转轴和第二扭转轴将镜面转动，进而实现镜面的正交方向的二维偏转工作，有效的提高了驱动力矩。并且本发明的微镜结构中镜面上没有电镀线圈或薄膜，属于无源器件，不会产生由于长时间工作或大电流驱动时，产生欧姆热而导致的镜面变形等失效问题。
进一步，第二扭转轴设计为蛇形折叠梁结构，从而在相同的驱动力矩下，实现更大的扭转位移输出，获取微镜更大的偏转角度，满足MEMS激光雷达***广扫描视场要求。
进一步，第二线圈位于第一磁铁和第二磁铁的间隙处，实现磁场在外框架处耦合得到径向强磁场，获得最大安培力，可以避免因大驱动力矩需求而使得磁铁体积过大。
附图说明
图1为本发明的MEMS微镜结构示意图；
图2为本发明的MEMS微镜俯视图；
图3为本发明的第二扭转轴结构示意图；
图4为本发明的MEMS微镜的外框架图形化线圈示意图；
图5为本发明的MEMS微镜的内框架图形化线圈示意图；
图6为本发明的磁铁布置示意图；
图7为本发明的沿外扭转轴偏转的有限元模态仿真图；
图8为本发明的沿外扭转轴偏转的谐响应位移云图；
图9为本发明的沿内扭转轴偏转的有限元模态仿真图；
图10为本发明的沿内扭转轴偏转的谐响应位移云图。
其中：1-基板；2-外框架；3-内框架；4-镜面；5-第二扭转轴；6-第一扭转轴；7-加强筋；8-第一磁铁；9-第二磁铁；10-铁轭；11-第一线圈；12-第二线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，本发明所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，为二维电磁MEMS微镜，以硅材料为基础结构，包括基板1、外框架2、内框架3、镜面4、第二扭转轴5、第一扭转轴6、加强筋7、第一磁铁8和第二磁铁9。
外框架2、内框架3和镜面4均共面，且均平铺在基板1上，外框架2和内框架3均为两个半圆组成的圆环，同一框架的两个半圆端部之间间隙设置，外框架2的半圆端部向内框架延伸，镜面4设置在内框架3中，内框架3设置在外框架2中，第一转轴和第二转轴的轴向垂直；内框架3与镜面4通过第一扭转轴6转动连接，外框架2与基板1通过第二扭转轴5转动连接；第二扭转轴5为蛇形折叠结构，第一扭转轴6为直梁结构，外框架2可绕第二扭转轴5进行偏转，内框架3和圆形镜面4可绕第一扭转轴6进行偏转，进而实现镜面4的正交方向的二维偏转工作。
镜面4表面镀有反射薄膜，反射薄膜材质为金或铝。
镜面4与内框架3之间设置有加强筋7，加强筋7为两个半圆筋组成的圆环，两个半圆筋端部之间间隙设置，加强筋7与镜面4通过第一扭转轴6转动连接。
如图5和图1所示，本发明的二维电磁MEMS微镜本体下方放置第一磁铁8和第二磁铁9，第一磁铁8周面外部设置第二磁铁9，第一磁铁8和第二磁铁9间隙设置，第二磁铁9下方设置有铁轭10，铁轭10将第一磁铁8和第二磁铁9连接固定，镜面4、第一磁铁8和第二磁铁9同心设置，第一磁铁8为圆柱体的钕铁硼磁体，第二磁铁9为环形的钕铁硼磁体。其中，第一磁铁8磁极方向竖直向上，第二磁铁9磁极方向与之相反，二者耦合形成径向分布稳定磁场。
内框架3朝向第一磁铁8的一面设置有第一线圈11，第一线圈11以内框架3的间隙处为界分为两部分，每部分均呈蛇形折叠状绕内框架3和加强筋7的半圆处分布形成回路；外框架2朝向第一磁铁8的一面设置有第二线圈12，第二线圈12为圆环形。第一线圈11和第二线圈12呈单线单匝设置，第二线圈12位于第一磁铁8和第二磁铁9的间隙处。
二维电磁MEMS微镜工作时，外部信号源通过金属电极给第一线圈11、第二线圈12通电。通电时，置于径向磁场中的第二线圈12产生洛伦兹力，带动外框架2绕第二扭转轴5偏转。因为磁体模型设计使得径向磁场在外框架2处耦合强度最大，对第二线圈12输入60Hz方波信号，外框架2获得最大驱动力矩，强制被动完成绕第二扭转轴5大角度准静态线性偏转。对第一线圈11输入第一扭转轴6相同谐振频率的正弦信号，使其工作在共振状态并发生谐振，主动放大镜面4绕第一扭转轴6的偏转角度。两路不同驱动输入信号分别作用于如图4所示的图形化第二线圈12和第一线圈11，这种信号分离通路设计能够降低扫描轴间的串扰和提高微镜的工作稳定性。
二维电磁MEMS微镜的外扭转梁5设计为蛇形折叠梁结构，通过增加折叠次数和梁长并减小梁宽措施来大大降低支撑梁的刚度系数，在相同电磁驱动力作用下，蛇形折叠梁结构比直梁获得更大的位移输出，放大微镜偏转角度。
二维电磁MEMS微镜设计在圆形镜面4通过第一扭转轴6连接加强筋7结构，完成第一线圈11的部分回路结构，使镜面实现无源，避免线圈通电带来的焦耳热影响镜面平整度；加强筋7结构还可以有效减轻微镜工作偏转过程中镜面动态变形，保证投影扫描画面质量。
设置二维电磁MEMS微镜***结构参数：镜面直径2.6mm，器件厚度70μm；第二扭转轴等效长度800μm，宽度20μm，厚度40μm；第一扭转轴长度300μm，宽度40μm，厚度70μm；永磁体牌号选用N52，圆柱体的钕铁硼磁体直径尺寸为3.2mm，环形的钕铁硼磁体内径3.7mm，外径10mm，二者同圆心放置。在工作态下，微镜沿外扭转轴偏转有限元仿真角度为±16°，微镜沿内扭转轴偏转仿真角度可达±25°，有效提高水平扫描视场。
如图7所示，微镜绕第二扭转轴偏转工作的有限元仿真第一阶模态固有频率为419.16Hz，图8表明当第二扭转轴工作在谐振态时，蛇形折叠梁结构设计显著地提高外框架的位移偏转量，增大偏转角度。如图9所示，微镜绕第一扭转轴偏转工作的第五阶模态固有频率为3376.2Hz，高谐振频率特性满足激光雷达的分辨率、帧率和鲁棒性要求。图10表明当第一扭转轴工作在谐振态时，镜面在竖直方向上位移输出可达1.9577mm，对应偏转角度±25°，大扫描角度特性可以使激光雷达形成更大视场范围内的3D形貌识别与模型构建。本发明所提出的基于径向磁场分布的MEMS微镜适合混合固态式激光雷达应用场景的需求。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，包括基板(1)、外框架(2)、内框架(3)、镜面(4)、第二扭转轴(5)和第一扭转轴(6)；
外框架(2)、内框架(3)和镜面(4)均共面，且均平铺在基板(1)上，外框架(2)和内框架(3)均为两个半圆组成的圆环，同一框架的两个半圆端部之间间隙设置，镜面(4)设置在内框架(3)中，内框架(3)设置在外框架(2)中；内框架(3)与镜面(4)通过第一扭转轴(6)转动连接，外框架(2)与基板(1)通过第二扭转轴(5)转动连接；
镜面(4)下方设置有圆柱体的第一磁铁(8)，第一磁铁(8)周面外部设置有圆环体的第二磁铁(9)，第一磁铁(8)和第二磁铁(9)间隙设置，镜面(4)、第一磁铁(8)和第二磁铁(9)同心设置，第一磁铁(8)磁极方向为轴向，第一磁铁(8)和第二磁铁(9)磁极方向相反；
内框架(3)朝向第一磁铁(8)的一面设置有第一线圈(11)，第一线圈(11)以内框架(3)的间隙处为界分为两部分，每部分均呈蛇形折叠状绕内框架(3)半圆处分布形成回路；外框架(2)朝向第一磁铁(8)的一面设置有第二线圈(12)，第二线圈(12)为圆环形。
2.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，第一转轴和第二转轴的轴向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，镜面(4)与内框架(3)之间设置有加强筋(7)，加强筋(7)为两个半圆筋组成的圆环，两个半圆筋端部之间间隙设置，加强筋(7)与镜面(4)通过第一扭转轴(6)转动连接。
4.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，第二扭转轴(5)为蛇形折叠结构。
5.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，第一扭转轴(6)为直梁结构。
6.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，第二线圈(12)位于第一磁铁(8)和第二磁铁(9)的间隙处。
7.根据权利要求1所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，镜面(4)表面镀有反射薄膜。
8.根据权利要求7所述的基于径向磁场分布的MEMS微镜，其特征在于，反射薄膜材质为金或铝。
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CN115268060A (zh) * 2022-07-27 2022-11-01 杭州士兰微电子股份有限公司 Mems微镜及其制备方法

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