CN114208006A - 具有电磁致动的力平衡微镜 - Google Patents

Abstract

一种扫描设备(20)包括平面扫描镜(28)，该平面扫描镜设置在框架(26)内并且具有反射上表面(30)。一对挠曲件(34)在该镜的旋转轴线(36)的相对端部处具有连接到框架的相应第一端部和连接到镜的相应第二端部。转子(38)包括设置在该镜的下表面上的永磁体。定子(24)包括在旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近转子设置的第一芯和第二芯(40、42)以及分别缠绕在该芯上的第一导线线圈和第二导线线圈(44、46)。驱动电路(50)利用相应电流驱动第一线圈和第二线圈，该相应电流包括被选择以便控制该镜的横向位移的第一分量和被选择以便控制该镜围绕旋转轴线的旋转的第二分量。

Description

具有电磁致动的力平衡微镜

技术领域

本发明整体涉及小型机电设备，并且具体涉及微型扫描镜和此类镜的致动。

背景技术

微型扫描镜在各种应用中用于扫描光束，例如，三维(3D)感测和映射。尺寸为约厘米或更小的此类的镜通常由于其小尺寸而被称为“微镜”。此类微镜可以使用微机电***(MEMS)技术方便地生产。

例如，美国专利7,952,781描述了扫描光束的方法和制造MEMS的方法，所述方法可结合到扫描设备中。在所公开的实施方案中，具有至少一个微镜的转子组件由安装在其上的永久性磁性材料形成，并且定子组件具有用于在至少一个微镜上施加预定力矩的线圈的布置。

发明内容

下文描述的本发明的实施方案提供了用于扫描光束的改进的设备和方法。

因此，提供了根据本发明的实施方案的扫描设备，其包括框架和设置在框架内的平面扫描镜，该平面扫描镜具有反射上表面和与上表面相对的下表面。一对挠曲件在平面扫描镜的旋转轴线的相对端部处具有连接到框架的相应第一端部和连接到平面扫描镜的相应第二端部。转子包括设置在平面扫描镜的下表面上的永磁体。定子包括在平面扫描镜的旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近转子设置的第一芯和第二芯，以及分别缠绕在第一芯和第二芯上的第一导线线圈和第二导线线圈。驱动电路被配置为利用相应电流驱动第一线圈和第二线圈，该相应电流包括被选择以便控制平面扫描镜相对于框架的平面的横向位移的第一分量和被选择以便控制平面扫描镜围绕旋转轴线的旋转的第二分量。

在所公开的实施方案中，挠曲件具有螺线形状。

附加地或另选地，第一芯和第二芯利用选定极性磁化以便排斥转子中的永磁体。在所公开的实施方案中，转子中的永磁体以及第一芯和第二芯沿着垂直于框架的平面的磁轴线在相反方向上被极化。

在一些实施方案中，定子还包括分别靠近第一芯和第二芯的在平面扫描镜的旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近转子设置的第三芯和第四芯，以及分别缠绕在第三芯和第四芯上的第三线圈和第四线圈。通常，驱动电路被耦接以连同第一线圈和第二线圈分别驱动第三线圈和第四线圈。

在一个实施方案中，该设备包括一个或多个电容传感器，该一个或多个电容传感器被配置为输出指示平面扫描镜的横向位移和旋转的信号，其中驱动电路被配置为响应于该信号而生成电流。

在一些实施方案中，框架、平面扫描镜和挠曲件从硅晶片蚀刻所得。附加地或另选地，框架、平面扫描镜和挠曲件包括厚度小于100μm的金属。

在所公开的实施方案中，驱动电路被耦接以驱动第一线圈和第二线圈，使得电流的第一分量在平行方向上流动通过第一线圈和第二线圈，而电流的第二分量在反平行方向上流动通过第一线圈和第二线圈。

根据本发明的一个实施方案，提供了一种用于扫描的方法，该方法包括：通过在平面扫描镜的旋转轴线的相对端部处将一对挠曲件的相应第一端部连接到框架并将挠曲件的相应第二端部连接到平面扫描镜，将具有反射上表面和与上表面相对的下表面的平面扫描镜安装在框架内。转子包括固定到在平面扫描镜的下表面的永磁体。将定子的第一芯和第二芯在平面扫描镜的旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近转子放置，第一导线线圈和第二导线线圈分别缠绕在第一芯和第二芯上。利用相应电流驱动第一线圈和第二线圈，该相应电流包括被选择以便控制平面扫描镜相对于框架的平面的横向位移的第一分量和被选择以便控制平面扫描镜围绕旋转轴线的旋转的第二分量。

在一个实施方案中，框架、平面扫描镜和挠曲件通过在MEMS工艺中蚀刻硅晶片来形成。

另选地，框架、平面扫描镜和挠曲件通过在LIGA工艺中蚀刻牺牲性介电材料、将金属电镀到所蚀刻的牺牲性介电材料上并且去除牺牲性介电材料来形成。

进一步另选地，框架、平面扫描镜和挠曲件通过蚀刻和切割金属片材来形成。

结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施方案的光学扫描设备的示意性图示；

图2是根据本发明的一个实施方案的从下面看到的扫描微镜组件的示意性图示；

图3是示出根据本发明的一个实施方案的用于光学扫描设备中的电磁定子组件的示意性图示；

图4是根据本发明的一个实施方案的示出微镜的旋转运动的示意性图示；并且

图5是根据本发明的一个实施方案的示出微镜的横向位移的示意性图示。

具体实施方式

通过MEMS工艺生产的扫描微镜设备具有尺寸小、重量轻和制造成本低的优点，并且它们可被设计为在高扫描速度下操作。随着尺寸减小并且扫描速率增大，此类设备遭受快速磨损和操作寿命短的问题。较大且较重的扫描微镜可能具有增加的寿命，但在驱动扫描时通常消耗更多的电力。

本文描述的本发明的实施方案在新颖设计中缓解了这些问题，在新颖设计中，微镜上的机械力和磁力是平衡的，使得仅需要最小的能量投资来使镜旋转。这种设计减少了挠曲件上的压力，使微镜在其框架中保持，并且因此延长设备寿命，同时允许在宽范围的频率上扫描微镜。这种种类的扫描仪可以使用各种MEMS工艺来生产，诸如蚀刻硅晶片或在LIGA工艺中蚀刻牺牲性介电层，然后电镀金属并去除该牺牲层，如本领域已知的。

在所公开的实施方案中，具有反射上表面的平面扫描镜包括在框架内。该镜通过一对挠曲件连接到框架，每个挠曲件在该镜的旋转轴线的相对端部处具有连接到框架的一个端部，以及连接到该镜的另一端部。该镜由电磁驱动器扫描，其中转子包括固定到该镜的下表面的永磁体，而定子包括靠近该转子设置在该镜的旋转轴线的相对侧上的一对或多对芯，其中导线线圈缠绕在该芯上。定子芯可以利用所选极性磁化以排斥转子；例如，转子和定子线圈可以具有垂直于框架的平面的相反极性。该磁力连同挠曲件的机械弹性使得微镜在框架内“悬浮”，使得仅需较小的力来使微镜相对于该平面偏转。

偏转力由驱动电路提供，该驱动电路利用包括平行分量和反平行分量的相应电流驱动定子线圈。反平行分量围绕旋转轴线在转子上产生扭力，并且因此控制微镜围绕轴线的旋转。可以调制此反平行分量以设置微镜的旋转扫描的频率和幅值。驱动电流的平行分量产生垂直于框架平面的横向力，并且因此控制该镜相对于该平面的横向位移。此平行分量因此设置微镜“悬浮”的位置(即使定子芯不被磁化)，并且可以例如用于调整扫描设备的焦距。

现在参考图1-图3，其是示出根据本发明的一个实施方案的光学扫描设备20的示意性图示。图1呈现了设备20的概况。图2示出了设备20中从下面看到的扫描微镜组件22的细节。图3示出了设备20中的电磁定子组件24。(在本说明书中提及取向的术语，诸如“向上”、“上方”和“下方”仅为了方便参考图中所示的观看视角而用，图中所示的X轴、Y轴和Z轴也是如此。正Z方向是任意取的，在此上下文中为向上的方向。实际上，设备20基本上可以任何取向操作)。

如本领域已知的，设备20可特别用作扫描3D映射***或其它深度感测(LIDAR)设备的一部分，与合适的光学发射器、接收器以及控制和处理电路相结合。(然而，为简单起见，图中省略了这些部件的详细信息。)另选地，设备20可以适于在其它应用中用于扫描光束。

微镜组件22包括框架26，其中平面扫描镜28(通常是微镜，这取决于尺寸)包括在该框架内。镜28具有反射上表面30，该反射上表面可以例如通过在制造框架26的材料的上表面上方镀覆或以其它方式沉积薄金属层来形成。镜28通过一对挠曲件34连接到框架26，每个挠曲件在该镜的旋转轴线36的相对端部处具有连接到框架的外端部和连接到镜28的内端部。挠曲件34具有螺线形状，其允许镜28在框架26内围绕轴线36(其平行于图中的X轴)的扭转运动和从框架26的平面向外进行的横向运动(沿Z轴)两者。这些运动在图4和图5中具体示出。另选地，可以使用允许这两种运动模式的其它挠曲设计。

为了驱动镜28的旋转运动和横向运动，将包括永磁体的转子38固定到镜28的下表面32。例如，镜28可以是约25μm厚，而转子的磁性材料为约100μm厚并且沿着垂直于框架26的平面的磁轴线被极化，即，在+Z方向上。这种磁性材料可以包括电镀镍，该电镀镍还为薄镜提供结构支撑。在此示例中，微镜组件22的总体尺寸为3x12mm。另选地，可以使用其它尺寸和构型。

定子组件24包括一对芯40和42，其在镜28的旋转轴线36的相对侧上靠近转子38设置。在图示的示例中，定子组件在轴线36的相对侧上包括两个芯40和两个对应的芯42；但是另选地，可以使用更大或更小数量的芯。芯40和42包括铁磁材料，该铁磁材料在来自转子38的相反方向(本示例中的-Z方向)上被磁性极化。(另选地，芯可以没有永磁极化。)芯40和42分别用线圈44和46缠绕。在图示的实施方案中，定子组件24的元件包括在壳体48中，该壳体可以由陶瓷材料制成，例如，其中框架26附接到壳体的上边缘。

驱动电路50利用相应的电流驱动线圈44和46，该电流产生沿Z轴的对应磁场。驱动电路50包括例如DC电源、用于产生期望驱动波形的调制电路(数字或模拟)，以及耦接到调制电路用于生成适当的幅值范围内的输出电流的放大器。(这些元件是本领域技术人员众所周知的，并且为了简单起见，从附图中省略。)如前所述，输出电流通常包括在线圈44和46中沿相同方向流动的平行分量，以及在线圈44和46中沿相反方向流动的反平行分量。

电流的平行分量产生从所有芯40和42发出的沿着Z轴的磁场。在镜28的基线位置处，例如镜28在框架26的平面中，设置平行驱动电流，使得该磁场平衡定子38与芯40和42的永磁场之间的排斥，并且因此镜在该位置“悬浮”。驱动电路50可以改变平行电流分量的幅值和方向，以便控制镜28相对于框架26的平面的横向位移。

电流的反平行分量在轴线36的相对侧上产生相反方向的磁场，并且因此使镜28围绕轴线旋转。该反平行电流的幅值和频率确定镜的旋转扫描的速率和幅值。

一个或多个传感器可用于监测镜28相对于框架26的横向位移和旋转，并且将对应信号输出到驱动电路50。电容传感器可用于此目的，例如以沉积在壳体48上和镜28的下表面32上的电极52和54的形式。随电极52与54之间的距离变化而变的电容变化向驱动电路50提供反馈，该驱动电路然后相应地生成电流以根据需要定位和旋转镜28。

各种制造工艺可用于生产微镜组件22。例如，框架26、镜28和挠曲件34可以包括硅，其通过在MEMS工艺中蚀刻硅晶片来形成。另选地，框架26、镜28和挠曲件34可以包括金属，其可以具有小于100μm的厚度。如本领域已知的，金属可以在LIGA工艺中形成，其中在光刻工艺中图案化和蚀刻牺牲性介电材料，诸如合适的光致抗蚀剂，以限定微镜组件的形状。将诸如镍的金属电镀到所蚀刻的牺牲性介电材料上，然后例如在NaOH溶液中去除该牺牲性介电材料。在此工艺之后微镜组件22中的残余应力可忽略不计。进一步另选地，金属可以包括薄金属片材，诸如铜-钛合金，其被蚀刻并切割成期望的形状。在阅读本发明的具体实施方式之后，可用于制造微镜组件22的其他制造工艺对本领域的技术人员来说将是显而易见的并被视为在本发明的范围内。

图4和图5是分别示出根据本发明的一个实施方案的镜28的旋转运动和横向位移的示意性图示。这些图是模拟的，假设框架26由镀覆镍的薄层制成。图4示出了围绕轴线36的21^O的旋转，其由施加的仅0.65μN*m的扭矩产生。挠曲件34中弹簧元件上的最大应力为约110MPa。图5示出了约55μm的横向位移，其中挠曲件34中的弹簧常数为18N/m。

尽管以上描述和附图示出了光学扫描设备20的一个特定设计，但是本发明的原理可以在其它尺寸和形状的设备中类似地实施。因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种扫描设备，包括：

框架；

平面扫描镜，所述平面扫描镜设置在所述框架内并且具有反射上表面和与所述上表面相对的下表面；

一对挠曲件，所述一对挠曲件在所述平面扫描镜的旋转轴线的相对端部处具有连接到所述框架的相应第一端部和连接到所述平面扫描镜的相应第二端部；

转子，所述转子包括设置在所述平面扫描镜的所述下表面上的永磁体；

定子，所述定子包括：

第一芯和第二芯，所述第一芯和所述第二芯在所述平面扫描镜的所述旋转轴线的相对的第一侧和第二侧靠近所述转子设置；和

第一导线线圈和第二导线线圈，所述第一导线线圈和所述第二导线线圈分别缠绕在所述第一芯和所述第二芯上；和

驱动电路，所述驱动电路被配置为利用相应电流驱动所述第一线圈和所述第二线圈，所述相应电流包括被选择以便控制所述平面扫描镜相对于所述框架的平面的横向位移的第一分量和被选择以便控制所述平面扫描镜围绕所述旋转轴线的旋转的第二分量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述挠曲件具有螺线形状。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一芯和所述第二芯利用选定极性磁化以便排斥所述转子中的所述永磁体。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述转子中的所述永磁体以及所述第一芯和所述第二芯沿着垂直于所述框架的所述平面的磁轴线在相反方向上被极化。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述定子还包括分别靠近所述第一芯和所述第二芯的在所述平面扫描镜的所述旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近所述转子设置的第三芯和第四芯，以及分别缠绕在所述第三芯和所述第四芯上的第三线圈和第四线圈。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述驱动电路被耦接以连同所述第一线圈和所述第二线圈分别驱动所述第三线圈和所述第四线圈。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，并且包括一个或多个电容传感器，所述一个或多个电容传感器被配置为输出指示所述平面扫描镜的横向位移和旋转的信号，其中所述驱动电路被配置为响应于所述信号而生成所述电流。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述框架、所述平面扫描镜和所述挠曲件从硅晶片蚀刻所得。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述框架、所述平面扫描镜和所述挠曲件包括厚度小于100μm的金属。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述驱动电路被耦接以驱动所述第一线圈和所述第二线圈，使得所述电流的所述第一分量在平行方向上流动通过所述第一线圈和所述第二线圈，而所述电流的所述第二分量在反平行方向上流动通过所述第一线圈和所述第二线圈。

11.一种用于扫描的方法，所述方法包括：

通过在平面扫描镜的旋转轴线的相对端部处将一对挠曲件的相应第一端部连接到框架并将所述挠曲件的相应第二端部连接到所述平面扫描镜，将具有反射上表面和与所述上表面相对的下表面的所述平面扫描镜安装在所述框架内；

将包括永磁体的转子固定到所述平面扫描镜的所述下表面；

将定子的第一芯和第二芯在所述平面扫描镜的所述旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近所述转子放置，第一导线线圈和第二导线线圈分别缠绕在所述第一芯和所述第二芯上；以及

利用相应电流驱动所述第一线圈和所述第二线圈，所述相应电流包括被选择以便控制所述平面扫描镜相对于所述框架的平面的横向位移的第一分量和被选择以便控制所述平面扫描镜围绕所述旋转轴线的旋转的第二分量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述框架、所述平面扫描镜和所述挠曲件通过在MEMS工艺中蚀刻硅晶片来形成。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述框架、所述平面扫描镜和所述挠曲件通过在LIGA工艺中蚀刻牺牲性介电材料、将金属电镀到所蚀刻的牺牲性介电材料上并且去除所述牺牲性介电材料来形成。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述框架、所述平面扫描镜和所述挠曲件通过蚀刻和切割金属片材来形成。

15.根据权利要求11所述的方法，其中驱动所述第一线圈和所述第二线圈包括施加所述电流的所述第一分量以在平行方向上流动通过所述第一线圈和所述第二线圈，同时施加所述电流的所述第二分量以在反平行方向上流动通过所述第一线圈和所述第二线圈。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述挠曲件具有螺线形状。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述第一芯和所述第二芯利用选定极性磁化以便排斥所述转子中的所述永磁体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述转子中的所述永磁体以及所述第一芯和所述第二芯沿着垂直于所述框架的所述平面的磁轴线在相反方向上被极化。

19.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述定子还包括分别靠近所述第一芯和所述第二芯的在所述平面扫描镜的所述旋转轴线的相对的第一侧和第二侧上靠近所述转子设置的第三芯和第四芯，以及分别缠绕在所述第三芯和所述第四芯上的第三线圈和第四线圈，并且其中所述方法包括连同所述第一线圈和所述第二线圈分别驱动所述第三线圈和所述第四线圈。

20.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中驱动所述第一线圈和所述第二线圈包括从一个或多个电容传感器接收指示所述平面扫描镜的横向位移和旋转的信号，并且响应于所述信号而生成所述电流。

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