CN115524845A - 一种具备有源可调谐镜面的mems微镜扫描*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器包括第一MEMS致动器和第二MEMS致动器，第二MEMS致动器位于第一MEMS致动器内，第一MEMS致动器和第二MEMS致动器扭转方向相互正交；有源可调谐镜面通过第二MEMS致动器支撑。本发明通过在MEMS反射镜面背部耦合镜面致动器，可以自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，能主动调整以改善MEMS反射镜面的动态变形，确保反射镜面的高动态光学平整度；同时利用两个致动器围绕彼此正交的快轴(X)方向和慢轴(Y)方向扭转，为有源可调谐镜面提供二维偏转，确保***高集成度。

Description

一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***
技术领域
本发明涉及一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***。
背景技术
随着消费电子市场的迅速发展，以MEMS(Micro electromechanical systems，微机电***)激光扫描仪为核心组件的增强现实(AR)场景技术备受青睐，以致MEMS激光扫描仪核心器件之一的MEMS微镜也得以广泛关注，其通过空间调制和投射激光，实现成像显示和3D传感，通常分为(快轴)X方向的高频扫描和(慢轴)Y方向的准静态或线性扫描。应用在高分辨率、高光功率、大视场体验、高可靠性AR显示要求核心组件MEMS激光扫描仪实现高分辨率、大视场角度、***高集成度以及承载更高的激光能量，这就需要MEMS微镜在较小的器件体积下，具备高扫描频率、大扫描角度、大反射镜面、可靠的结构断裂强度，以及不高于±λ/10的镜面动态变形以确保镜面动态的高光学平整度，λ是扫描应用中使用的最短激光波长；
Figure BDA0003892713960000011
公式(1)中，δ是镜面的动态变形，f是扫描频率，θ是扫描角度，t是镜面厚度，L是镜面尺寸，E是杨氏模量。镜面的动态变形和镜面尺寸的5次方、扫描频率的2次方、扫描角度成反比，实现更大反射镜面尺寸、高扫描频率、大扫描角都会带来更大的镜面动态变形，因此要实现更大反射镜面尺寸、高扫描频率、大扫描角关键点是要改善镜面的动态变形；
增加镜面厚度可以改善减少镜面的动态变形，但更大的微镜质量和质量惯性矩需要更高的扭转梁刚度来维持一定的谐振频率，同时导致扭转梁的应力增加，限制了实现更高的扫描频率，额外的质量也对驱动力的需求增加，降低了非平面模式的谐振频率以及***的可靠性；
现有解决方案中，采取增大反射镜面的厚度，同时在反射镜面的背部去除部分面积，以减小反射镜面的质量，会降低了扭转梁的扭转刚度，导致对动态变形的改善不足；采取多个扭转梁以改善镜面变形，限制了反射镜面的尺寸和扫描角度；对支撑MEMS反射镜面的架构进行改进，以改善MEMS反射镜面的动态变形，使得更复杂的***架构，同时更复杂的架构也会导致慢轴的负载增大，降低Y方向的扫描频率和扫描角度；
双一维(1D)MEMS微镜将X、Y方向扫描模块设计成独立器件分开放置，虽能实现目标性能，但其提高了光学***的复杂性以及***的集成度低，2D MEMS微镜是针对上述应用场景需求更优的解决方案；
实现2D MEMS微镜驱动的方法有电磁驱动、压电驱动、热电驱动、以及静电驱动。在确保反射镜面平整度的情况下，其中，电磁驱动拥有极大的驱动力，但在实现大镜面、大角度的驱动的同时，又不适用于高频扫描；压电驱动在满足高频扫描、大尺寸镜面的同时，又受限其较小的驱动力，导致慢轴在准静态模式下扫描角度无法进一步提高；热电驱动由于响应速度太慢，不适用于微显示、微扫描等应用场景；静电驱动因为其驱动力小，极难实现大尺寸反镜面的驱动；
现有2D MEMS扫描微镜，除了采用以上单一的驱动方式，还有采用静电驱动和压电驱动组合，电磁驱动和静电驱动组合的方式但都没有解决MEMS反射镜面的动态变形带来的设计约束，无法在实现大反镜面尺寸设计的情况下，同时提高扫描角度和扫描频率以及结构的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过在MEMS反射镜面背部耦合MEMS致动器，可以自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，能主动调整以改善MEMS反射镜面的动态变形，确保反射镜面的高动态光学平整度的有源可调谐的MEMS微镜扫描***；同时通过两个致动器围绕彼此正交的快轴(X)方向和慢轴(Y)方向扭转，为有源可调谐镜面提供二维偏转，确保高集成度的***扫描架构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器包括至少提供一个方向扭转运动的第一MEMS致动器和至少提供一个方向扭转运动的第二MEMS致动器；第二MEMS致动器位于第一MEMS致动器内，第一MEMS致动器和第二MEMS致动器扭转方向相互正交；有源可调谐镜面通过第二MEMS致动器支撑。
进一步地，所述第一MEMS致动器包括外框架和对称设置的两个外扭转梁，第二MEMS致动器包括内框架和对称设置的两个内扭转梁，外框架通过外扭转梁连接内框架，内框架通过内扭转梁固定连接有源可调谐镜面；外扭转梁和内扭转梁相互正交，第一MEMS致动器绕外扭转梁扭转，第二MEMS致动器内通过内扭转梁带动有源可调谐镜面绕内扭转梁扭转。
所述第一MEMS致动器包括外框架，位于外框架内部的第一基底，以及对称设置的两个外扭转梁，外框架分别通过外扭转梁连接并支撑第一基底，第一基底中部设有挖空区域；
第二MEMS致动器包括内框架，位于内框架内部的第二基底，以及对称设置的两个内扭转梁，内框架分别通过内扭转梁连接并支撑第二基底，有源可调谐镜面固定在第二基底内；内框架位于第一基底上的边缘位置，内扭转梁与外扭转梁相互正交，第一MEMS致动器绕外扭转梁扭转，第二MEMS致动器通过内扭转梁带动有源可调谐镜面绕内扭转梁扭转。
进一步地，所述第一MEMS致动器和第二MEMS致动器采用压电驱动、静电驱动或电磁驱动。
第一MEMS致动器采用电磁驱动，在外框架的外侧对称的放置两个永磁体，用于驱动第一MEMS致动器；第一MEMS致动器绕外扭转梁扭转，即为慢轴，记为Y轴；
第一基底内部布有线圈，线圈通过外扭转梁引出，线圈分为反馈线圈和驱动线圈，驱动线圈通过与外置的永磁体耦合产生洛伦兹力实现第一基底的驱动，反馈线圈利用电磁感应现象实现第一基底运动频率和角度的反馈；
一对永磁体提供一个恒定的磁场，通过驱动线圈施加调制过的具有特定波形的交流电信号，会产生一个作用于第一MEMS致动器的洛伦兹力，使得第一MEMS致动器外扭转梁在Y方向上发生扭转并带动第二MEMS致动器外框和有源可调谐镜面实现Y方向的整体偏转，并通过反馈线圈的电磁感应现象产生的电信号，实现对第一MEMS致动器偏转动作的反馈和驱动控制；
第二MEMS致动器采用压电驱动，绕内扭转梁扭转，即为快轴，记为X轴；将压电驱动结构对称设置在内扭转梁两侧的内框架底部或者直接使第二MEMS致动器和外置压电驱动材料粘接组合；
所述压电驱动结构由上电极层、下电极层和上下电极层之间的压电薄膜材料组成；上下电极的导线由内框架边缘引出；第二MEMS致动器通过压电驱动结构的电极引出导线，并施加调制过的具有特定波形的电压信号，根据压电驱动原理，使得内扭转梁带动有源可调谐镜面在扭转谐振模态下实现X方向偏转；
或者第二MEMS致动器和外置压电驱动材料粘接组合，通过从压电驱动材料引出的导线施加调制电压信号，驱动外置压电驱动结构振动，使得内扭转梁带动有源可调谐镜面在扭转谐振模态下实现X方向偏转；
第二MEMS致动器的反馈机制通过压电材料特有的正压电效应实现：通过在内扭转梁与内框架连接部位沉积的压电薄膜材料，拾取内扭转梁偏转导致压电材料发生形变产生的电信号变化，实现X方向的角度和运动频率反馈；或者在第二基底的背面制作反馈线圈，利用电磁感应现象，实现内框架在X扭转方向的角度和运动频率反馈。
进一步地，所述有源可调谐镜面包括MEMS反射镜面和MEMS反射镜面背面的镜面致动器，镜面致动器采用压电驱动；
镜面致动器由两个电极层以及两个电极层之间的压电薄膜材料组成；
镜面致动器能够自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，主动调整以改善MEMS反射镜面的动态变形，确保反射镜面动态的高光学平整度；具体方法为：镜面致动器的电极层导线通过内扭转梁引出，利用压电材料的逆压电效应，通过导线对两个电极层施加调制过具有特定波形的交流电信号，压电薄膜材料会发生变形并对MEMS反射镜面施加预应力，限制微镜高速扫描时的波动，确保镜面动态的高光学平整度。
所述有源可调谐镜面包括MEMS反射镜面和MEMS反射镜面背面的镜面致动器；镜面致动器是电热驱动结构，由发热电极层和基底薄膜层组成或者由不同热膨胀系数薄膜材料制成的两个薄膜层以及两个薄膜层之间的发热电极层组成；发热电极层的导线通过内扭转梁引出，利用热膨胀系数高的材料会向热膨胀系数低的材料偏移的特点，通过导线施加电信号产生焦耳热并传导给两个薄膜层，两个薄膜层根据热膨胀系数的不同产生偏移和应力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
所述有源可调谐镜面包括MEMS反射镜面和MEMS反射镜面背面的镜面致动器；镜面致动器是电驱动结构，由不接触的两个电极组成；
两个电极的导线通过内扭转梁引出，利用电极之间的静电力作用，通过导线对两个电极施加电信号，电极之间会产生静电力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面的动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
所述压电薄膜材料采用锆钛酸铅、氧化锌、聚偏二氟乙烯、氮化铝或由热塑性聚合物与无机压电材料所组成的复合材料中的任意一种。所述MEMS反射镜面采用薄膜材料制成；在MEMS反射镜面上沉积有反射涂层材料，其涂层材料采用金属或介电薄膜叠层。
本发明的有益效果为：本发明通过在MEMS反射镜面背部耦合MEMS致动器组合成有源可调谐镜面，镜面致动器可以自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，能主动调整以改善MEMS反射镜面的动态变形，确保反射镜面的高动态光学平整度，以至于在尽可能减少MEMS反射镜面负载的情况下，解决同步增大扫描频率、扫描角度和反射镜面直径的设计约束。本发明的2D MEMS致动器包括第一MEMS致动器和支撑中心有源可调谐镜面的第二MEMS致动器，两个致动器围绕彼此正交的快轴(X)方向和慢轴(Y)方向扭转，为有源可调谐镜面提供二维偏转，确保高集成度的***扫描架构。
附图说明
图1为实施例1的MEMS微镜扫描***的结构示意图；
图2为实施例1的MEMS微镜扫描***的组装示意图；
图3为实施例2的MEMS微镜扫描***的组装示意图一；
图4为实施例2的MEMS微镜扫描***的组装示意图二；
图5为第一MEMS致动器和第二MEMS致动器的结构示意图；
图6为第二MEMS致动器和外置压电驱动材料粘接组合示意图；
图7为在内框架的背面制作反馈线圈示意图；
图8为MEMS微镜扫描***工作示意图；
图9为压电驱动的镜面致动器结构示意图一；
图10为压电驱动的镜面致动器结构示意图二；
图11为压电驱动的镜面致动器结构示意图三；
图12为电热驱动的镜面致动器结构示意图一；
图13为电热驱动的镜面致动器结构示意图二；
图14为电热驱动的镜面致动器结构示意图三；
图15为电热驱动的镜面致动器结构示意图四；
图16为静电驱动的镜面致动器结构示意图一；
图17为静电驱动的镜面致动器结构示意图二；
图18为静电驱动的镜面致动器结构示意图三；
1-第一MEMS致动器，2-第二MEMS致动器，3-有源可调谐镜面，4-MEMS反射镜面，5-镜面致动器，6-外扭转梁，7、20-内框架，8-内扭转梁，9-外框架，10-压电驱动顶部电极层，11-压电驱动底部电极层，12-压电薄膜材料，13-驱动线圈，14-第二基底，15-永磁体，16-第一基底，17-压电驱动结构，18-反馈线圈，19-压电薄膜材料，21-激光器，22-激光扫描图案，23-顶部薄膜层、24-中间电极层，25-底部薄膜层，26-发热电极层、27-基底薄膜层，28-静电驱动底部电极，29-静电驱动顶部电极，30-支撑腔体，31-反馈线圈，32-外置压电驱动材料。
具体实施方式
本发明提供了一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，该***结构包括有源可调谐镜面；提供双自由度扭转运动的二维(2D)MEMS致动器。该有源可调谐镜面结构包括：镜面致动器和MEMS反射镜面，镜面致动器可以自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，能主动调整以改善MEMS反射镜面的动态变形，确保反射镜面动态的高光学平整度；该2D MEMS致动器包括第一MEMS致动器和支撑中心有源可调谐镜面的第二MEMS致动器，围绕彼此正交的快轴(X)方向和慢轴(Y)方向扭转，确保高集成度的***扫描架构。能够在尽可能减少MEMS反射镜面负载的情况下，改善反射镜面的动态变形，以至于可以维持较小的器件体积下，确保反射镜面的高动态光学平整度，解决同步增大扫描频率、扫描角度和反射镜面直径的设计约束。
下面加和附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面3和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器包括至少提供一个方向扭转运动的第一MEMS致动器1和至少提供一个方向扭转运动的第二MEMS致动器2；第二MEMS致动器2位于第一MEMS致动器1内，第一MEMS致动器1和第二MEMS致动器2扭转方向相互正交；有源可调谐镜面3通过第二MEMS致动器2支撑。
本实施例中，第一MEMS致动器1和第二MEMS致动器2耦合在一个平面内，独立设计有源可调谐镜面3后组合在第二MEMS致动器2上，如图2所示。第一MEMS致动器1包括外框架9和对称设置的两个外扭转梁6，第二MEMS致动器2包括内框架7和对称设置的两个内扭转梁8，外框架9通过外扭转梁6连接内框架7，内框架7通过内扭转梁8固定连接有源可调谐镜面3；外扭转梁6和内扭转梁8相互正交，第一MEMS致动器1绕外扭转梁6扭转，第二MEMS致动器2内通过内扭转梁8带动有源可调谐镜面3绕内扭转梁扭转。
实施例2
一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面3和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器包括至少提供一个方向扭转运动的第一MEMS致动器1和至少提供一个方向扭转运动的第二MEMS致动器2；第二MEMS致动器2位于第一MEMS致动器1内，第一MEMS致动器1和第二MEMS致动器2扭转方向相互正交；
本实施例中第一MEMS致动器1、第二MEMS致动器2和有源可调谐镜面3分别独立设计后组合，如图3所示；或者第一MEMS致动器1独立设计，第二MEMS致动器2和有源可调谐镜面3耦合在一个平面内并组合在第一MEMS致动器1上，如图4所示；
第二MEMS致动器2位于第一MEMS致动器1内；有源可调谐镜面3位于第二MEMS致动器2内，通过第二MEMS致动器2支撑。
如图5所示，所述第一MEMS致动器1包括外框架9，位于外框架9内部的第一基底16，以及对称设置的两个外扭转梁6，外框架9分别通过外扭转梁6连接并支撑第一基底16，第一基底16中部设有挖空区域；
第二MEMS致动器2包括内框架20，位于内框架20内部的第二基底14，以及对称设置的两个内扭转梁8，内框架20分别通过内扭转梁8连接并支撑第二基底14，有源可调谐镜面3固定在第二基底14内；内框架20位于第一基底16上的边缘位置，内扭转梁8与外扭转梁6相互正交，第一MEMS致动器1绕外扭转梁6扭转，第二MEMS致动器2通过内扭转梁8带动有源可调谐镜面3绕内扭转梁扭转。
所述第一MEMS致动器1和第二MEMS致动器2采用压电驱动、静电驱动或电磁驱动。
所述第一MEMS致动器1采用电磁驱动，在外框架的外侧对称的放置两个永磁体15，用于驱动第一MEMS致动器1；永磁体15的材料可以是铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼等；第一MEMS致动器1绕外扭转梁扭转，即为慢轴，记为Y轴；
第一基底16内部布有线圈，线圈通过外扭转梁6引出，线圈分为反馈线圈18和驱动线圈13，驱动线圈13通过与外置的永磁体15耦合产生洛伦兹力实现第一基底16的驱动，反馈线圈18利用电磁感应现象实现第一基底16运动频率和角度的反馈；
一对永磁体15提供一个恒定的磁场，通过驱动线圈13施加调制过的具有特定波形的交流电信号，会产生一个作用于第一MEMS致动器1的洛伦兹力，使得第一MEMS致动器1外扭转梁6在Y方向上发生扭转并带动第二MEMS致动器2外框和有源可调谐镜面3实现Y方向的整体偏转，并通过反馈线圈18的电磁感应现象产生的电信号，实现对第一MEMS致动器1偏转动作的反馈和驱动控制；
第二MEMS致动器2采用压电驱动，绕内扭转梁扭转，即为快轴，记为X轴；将压电驱动结构17对称设置在内扭转梁两侧的内框架底部或者直接使第二MEMS致动器2和外置压电驱动材料32粘接组合；
所述压电驱动结构17由上电极层、下电极层和上下电极层之间的压电薄膜材料组成；上下电极的导线由内框架边缘引出；第二MEMS致动器2通过压电驱动结构17的电极引出导线，并施加调制过的具有特定波形的电压信号，根据压电驱动原理，使得内扭转梁8带动有源可调谐镜面3在扭转谐振模态下实现X方向偏转；
或者第二MEMS致动器2和外置压电驱动材料32粘接组合，如图6所示；通过从压电驱动材料32引出的导线施加调制电压信号，驱动外置压电驱动结构32振动，使得内扭转梁8带动有源可调谐镜面3在扭转谐振模态下实现X方向偏转；外置压电驱动结构32可选用PZT压电陶瓷块或压电陶瓷片。
第二MEMS致动器2的反馈机制通过压电材料特有的正压电效应实现：通过在内扭转梁8与内框架20连接部位沉积的压电薄膜材料19，拾取内扭转梁8偏转导致压电材料发生形变产生的电信号变化，实现X方向的角度和运动频率反馈；或者在第二基底14的背面制作反馈线圈31，如图7所示；利用电磁感应现象，实现内框架20在X扭转方向的角度和运动频率反馈。
如图8所示，当激光器21发射激光至有源可调谐镜面3，同时第一MEMS致动器1和第二MEMS致动器2按照上述方式进行驱动和闭环控制，可生成逐行扫描的激光扫描图案22。同时，可以通过光电传感器对生成的激光扫描图案进行采样，计算基底和内框架的运动信息，实现二者运动反馈。
所述第二基底14、第一基底16、外框架、内框架的材料是硅、玻璃纤维环氧树脂FR-4、形状记忆合金SMA或非晶态合金；线圈采用高导电金属材质制成，包括铜或铝。
所述有源可调谐镜面3包括MEMS反射镜面4和MEMS反射镜面4背面的镜面致动器5，镜面致动器5采用压电驱动；
镜面致动器5由两个电极层以及两个电极层之间的压电薄膜材料组成；如图9～11所示，镜面致动器5由顶部电极层10、底部电极层11以及顶部电极层和底部电极层之间的压电薄膜材料12组成，底部电极层11为一个整体或者分为不规则的N个子区域，顶部电极层10和底部电极层11的尺寸小于或等于MEMS反射镜面4的尺寸，MEMS反射镜面4的直径可大于2mm；；图9中，底部电极11为一个整体；图10中，底部电极层为不规则的N个子区域；
镜面致动器5能够自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，主动调整以改善MEMS反射镜面4的动态变形，确保反射镜面动态的高光学平整度；具体方法为：镜面致动器5的电极层导线通过内扭转梁8引出，利用压电材料的逆压电效应，通过导线对两个电极层施加调制过具有特定波形的交流电信号，压电薄膜材料会发生变形并对MEMS反射镜面4施加预应力，限制微镜高速扫描时的波动，确保镜面动态的高光学平整度。将底部电极层11分为不规则的N个子区域，可以利用底部电极层11的不规则布置实现控制压电材料形变或机械应力的方向及大小，根据MEMS反射镜面4发生在不同区域的变形，对不同区域的内电极或底部电极施加不同大小的电压信号产生以改善MEMS反射镜面4动态变形的预应力，更加精确地调整镜面动态的高光学平整度。
实施例3
一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面3和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器结构与实施例1中相同，不同之处在于所述有源可调谐镜面3包括MEMS反射镜面4和MEMS反射镜面4背面的镜面致动器5；镜面致动器5是电热驱动结构，由发热电极层26和基底薄膜层27组成，如图12所示；或者由不同热膨胀系数薄膜材料制成的两个薄膜层以及两个薄膜层之间的发热电极层组成，如图13、图14和图15所示。本实施例中，MEMS致动器5由不同热膨胀系数薄膜材料制成的顶部薄膜层23和底部薄膜层25、以及顶部和底部薄膜层之间的发热电极层24组成，顶部薄膜层23、底部薄膜层25和中间的发热电极层24为一个整体，如图13所示；或者都划分为不规则的N个子区域，如图14、15所示；发热电极层的导线通过内扭转梁8引出，利用热膨胀系数高的材料会向热膨胀系数低的材料偏移的特点，通过导线施加电信号产生焦耳热并传导给两个薄膜层，两个薄膜层根据热膨胀系数的不同产生偏移和应力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面4动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
实施例4
一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，包括有源可调谐镜面3和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器结构与实施例1中相同，不同之处在于所述有源可调谐镜面3包括MEMS反射镜面4和MEMS反射镜面4背面的镜面致动器5；镜面致动器5是静电驱动结构，由不接触的顶部电极29和底部电极28组成，如图16～18所示；本实施例中，顶部电极29和底部电极28安装在支撑腔体30内，分别位于支撑腔体30的顶部和底部，通过支撑腔体30支撑，保证两个电极不接触(支撑腔体30也可以采用其他形式，只需要支撑两个电极，使二者不接触即可)，顶部电极29位于MEMS反射镜面4的背部；
两个电极的导线通过内扭转梁8引出，利用电极之间的静电力作用，通过导线对两个电极施加电信号，电极之间会产生静电力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面4的动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
上述实施例中，各种电极均采用金属材料制成，如：铂、钛等；压电薄膜材料12采用锆钛酸铅、氧化锌、聚偏二氟乙烯、氮化铝或由热塑性聚合物与无机压电材料所组成的复合材料中的任意一种。
所述MEMS反射镜面4采用薄膜材料制成，例如氮化硅薄膜，或者其他薄膜材料如二氧化硅，氧化硅，硅等；在MEMS反射镜面4上沉积有反射涂层材料，其涂层材料采用金属或介电薄膜叠层。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，包括有源可调谐镜面(3)和能够提供双自由度扭转运动的二维MEMS致动器；二维MEMS致动器包括至少提供一个方向扭转运动的第一MEMS致动器(1)和至少提供一个方向扭转运动的第二MEMS致动器(2)；第二MEMS致动器(2)位于第一MEMS致动器(1)内，第一MEMS致动器(1)和第二MEMS致动器(2)扭转方向相互正交；有源可调谐镜面(3)通过第二MEMS致动器(2)支撑。
2.根据权利要求1所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述第一MEMS致动器(1)包括外框架(9)和对称设置的两个外扭转梁(6)，第二MEMS致动器(2)包括内框架(7)和对称设置的两个内扭转梁(8)，外框架(9)通过外扭转梁(6)连接内框架(7)，内框架(7)通过内扭转梁(8)固定连接有源可调谐镜面(3)；外扭转梁(6)和内扭转梁(8)相互正交，第一MEMS致动器(1)绕外扭转梁(6)扭转，第二MEMS致动器(2)内通过内扭转梁(8)带动有源可调谐镜面(3)绕内扭转梁扭转。
3.根据权利要求1所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述第一MEMS致动器(1)包括外框架(9)，位于外框架(9)内部的第一基底(16)，以及对称设置的两个外扭转梁(6)，外框架(9)分别通过外扭转梁(6)连接并支撑第一基底(16)，第一基底(16)中部设有挖空区域；
第二MEMS致动器(2)包括内框架(20)，位于内框架(20)内部的第二基底(14)，以及对称设置的两个内扭转梁(8)，内框架(20)分别通过内扭转梁(8)连接并支撑第二基底(14)，有源可调谐镜面(3)固定在第二基底(14)内；内框架(20)位于第一基底(16)上的边缘位置，内扭转梁(8)与外扭转梁(6)相互正交，第一MEMS致动器(1)绕外扭转梁(6)扭转，第二MEMS致动器(2)通过内扭转梁(8)带动有源可调谐镜面(3)绕内扭转梁扭转。
4.根据权利要求3所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述第一MEMS致动器(1)和第二MEMS致动器(2)采用压电驱动、静电驱动或电磁驱动。
5.根据权利要求4所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述第一MEMS致动器(1)采用电磁驱动，在外框架的外侧对称的放置两个永磁体(15)，用于驱动第一MEMS致动器(1)；第一MEMS致动器(1)绕外扭转梁(6)扭转，即为慢轴，记为Y轴；
第一基底(16)内部布有线圈，线圈通过外扭转梁(6)引出，线圈分为反馈线圈(18)和驱动线圈(13)，驱动线圈(13)通过与外置的永磁体(15)耦合产生洛伦兹力实现第一基底(16)的驱动，反馈线圈(18)利用电磁感应现象实现第一基底(16)运动频率和角度的反馈；
一对永磁体(15)提供一个恒定的磁场，通过驱动线圈(13)施加调制过的具有特定波形的交流电信号，会产生一个作用于第一MEMS致动器(1)的洛伦兹力，使得第一MEMS致动器(1)外扭转梁(6)在Y方向上发生扭转并带动第二MEMS致动器(2)外框和有源可调谐镜面(3)实现Y方向的整体偏转，并通过反馈线圈(18)的电磁感应现象产生的电信号，实现对第一MEMS致动器(1)偏转动作的反馈和驱动控制；
第二MEMS致动器(2)采用压电驱动，绕内扭转梁(8)扭转，即为快轴，记为X轴；将压电驱动结构(17)对称设置在内扭转梁两侧的内框架底部或者直接使第二MEMS致动器(2)和外置压电驱动材料(32)粘接组合；
所述压电驱动结构(17)由上电极层、下电极层和上下电极层之间的压电薄膜材料组成；上下电极的导线由内框架边缘引出；第二MEMS致动器(2)通过压电驱动结构(17)的电极引出导线，并施加调制过的具有特定波形的电压信号，根据压电驱动原理，使得内扭转梁(8)带动有源可调谐镜面(3)在扭转谐振模态下实现X方向偏转；
或者第二MEMS致动器(2)和外置压电驱动材料(32)粘接组合，通过从压电驱动材料(32)引出的导线施加调制电压信号，驱动外置压电驱动结构(32)振动，使得内扭转梁(8)带动有源可调谐镜面(3)在扭转谐振模态下实现X方向偏转；
第二MEMS致动器(2)的反馈机制通过压电材料特有的正压电效应实现：通过在内扭转梁(8)与内框架(20)连接部位沉积的压电薄膜材料(19)，拾取内扭转梁(8)偏转导致压电材料发生形变产生的电信号变化，实现X方向的角度和运动频率反馈；或者在第二基底(14)的背面制作反馈线圈(31)，利用电磁感应现象，实现内框架(20)在X扭转方向的角度和运动频率反馈。
6.根据权利要求3所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述有源可调谐镜面(3)包括MEMS反射镜面(4)和MEMS反射镜面(4)背面的镜面致动器(5)，镜面致动器(5)采用压电驱动；
镜面致动器(5)由两个电极层以及两个电极层之间的压电薄膜材料组成；
镜面致动器(5)能够自适应产生一个作用于MEMS反射镜面的预应力，主动调整以改善MEMS反射镜面(4)的动态变形，确保反射镜面动态的高光学平整度；具体方法为：镜面致动器(5)的电极层导线通过内扭转梁(8)引出，利用压电材料的逆压电效应，通过导线对两个电极层施加调制过具有特定波形的交流电信号，压电薄膜材料会发生变形并对MEMS反射镜面(4)施加预应力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，确保镜面动态的高光学平整度。
7.根据权利要求3所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述有源可调谐镜面(3)包括MEMS反射镜面(4)和MEMS反射镜面(4)背面的镜面致动器(5)；镜面致动器(5)是电热驱动结构，由发热电极层和基底薄膜层组成或者由不同热膨胀系数薄膜材料制成的两个薄膜层以及两个薄膜层之间的发热电极层组成；发热电极层的导线通过内扭转梁(8)引出，通过导线施加电信号产生焦耳热并传导给两个薄膜层，两个薄膜层由于热膨胀系数失配引发局部应力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面(4)动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
8.根据权利要求3所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述有源可调谐镜面(3)包括MEMS反射镜面(4)和MEMS反射镜面(4)背面的镜面致动器(5)；镜面致动器(5)是静电驱动结构，由平板电容结构及其平行电极板组成；
两个电极的导线通过内扭转梁(8)引出，利用电极之间的静电力作用，通过导线对两个电极施加电信号，电极之间会产生静电力，限制微镜高速扫描时镜面的波动，改善MEMS反射镜面(4)的动态变形，确保镜面动态的高光学平整度。
9.根据权利要求6所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述压电薄膜材料采用锆钛酸铅、氧化锌、聚偏二氟乙烯、氮化铝或由热塑性聚合物与无机压电材料所组成的复合材料中的任意一种。
10.根据权利要求6或7或8所述的具备有源可调谐镜面的MEMS微镜扫描***，其特征在于，所述MEMS反射镜面(4)采用标准的MEMS或半导体工艺制成；在MEMS反射镜面(4)上沉积有反射涂层材料，其涂层材料采用金属或介电薄膜叠层。
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