CN207752230U - 基于电磁原理驱动的大尺寸mems微镜芯片及其封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片及其封装结构。基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片具有一个以上的转轴、与所述转轴连接的框架，所述芯片具有背对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有反射镜面，所述反射镜面能够以所述转轴为轴发生偏转，所述第二表面形成有软磁薄膜层，其至少能够与电感线圈配合为所述镜面偏转提供磁力。本实用新型通过电镀软磁材料并结合外部通电线圈的方法来实现MEMS微镜偏转的驱动方式，可以通过改***磁薄膜料层的厚度来改变最大饱和磁场强度从而提高驱动力，电镀软磁薄膜层的形状可以根据实际受力位置而调整，微镜工作时，微镜结构本身不需施加任何驱动电压或者电流，更容易实现其温度的精确控制。

Description

基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片及其封装结构

技术领域

本实用新型特别涉及一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片及其封装结构，属于微纳制造及激光显示技术领域。

背景技术

MEMS微镜可以通过扭转来实现光束的一维或者二维扫描，目前已广泛应用于3D扫描、激光显示、激光雷达等领域。低成本、低能耗、高精度、大转角和高可靠性是MEMS微镜的主要特点。MEMS微镜的驱动方式一般分为四种：静电驱动、电热驱动、压电驱动以及电磁驱动。一般来说前两种驱动方式即静电驱动和电热驱动多用于如小尺寸微镜(即镜面面积小)的应用领域，如OCT医学领域。而压电驱动与电磁驱动由于驱动力大等特点多应用于需要较大镜面的应用领域，如激光切割、激光雷达等。其中，压电驱动虽然能够产生比较大的驱动力，但由于其难以与MEMS工艺相结合，并不适用于量产。电磁驱动一般制作工艺较复杂，而根据不同的驱动机制又分为两种，一是利用外部磁铁和平面线圈相互作用来产生洛伦兹力驱动；二是利用磁性薄膜与外部通电线圈的静磁力来驱动振镜偏转。基于第一种驱动机制的微镜，电镀线圈工艺复杂，且往往容易产生热量不易耗散从而缩短器件的使用寿命，因此本实用新型基于第二种电磁驱动机制设计了一种简易的电磁驱动装置，克服了电磁驱动式工艺复杂的劣势。

如图1a-b，展示了现有微镜的驱动方案，是将MEMS扫描振镜芯片放置于上下永磁体之间，由于MEMS扫描振镜芯片上有导电线圈，当电流通过线圈时，线圈会在磁场中受到安培力的作用，从而在产生使振镜偏转的力矩，使MEMS振镜工作。

现有技术中，可动线圈-静止磁铁的电磁驱动式MEMS微镜的工艺比较成熟但是步骤相当复杂，需要经过复杂的工艺过程才能完成一批微镜的制作，极大的提高了制作成本；其外部的封装结构也较复杂，微镜的封装过程繁琐，不易封装。且现有MEMS振镜的镜面尺寸都相对较小，无法满足需要大镜面的应用领域。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片及其封装结构，以克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，所述芯片具有一个以上的转轴、与所述转轴连接的框架，所述芯片具有背对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有反射镜面，所述反射镜面能够以所述转轴为轴发生偏转，所述第二表面形成有软磁薄膜层，其至少能够与电感线圈配合为所述镜面偏转提供磁力。

本实用新型实施例还提供了一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的封装结构，包括所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，以及，

PCB板，其至少用以与连接电感线圈和外部电源，

封装底座，其至少用以固定电感线圈组，

第一垫片，其至少用以为MEMS微镜芯片提供偏转空间，

和第二垫片，其至少用以固定所述MEMS微镜芯片。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

(1)通过电镀软磁材料并结合外部通电线圈的方法来实现MEMS微镜偏转的驱动方式，工艺简单；

(2)可以通过改***磁薄膜料层的厚度来改变最大饱和磁场强度从而提高驱动力，电镀软磁薄膜层的形状可以根据实际受力位置而调整；

(3)可以通过调整外部电感线圈的匝数，磁芯的直径和高度，气隙的距离来增加驱动力，以实现大角度的扫描；

(4)本实用新型工的封装结构，封装方式以及结构简单，易实现；

(5)微镜工作时，微镜结构本身不需施加任何驱动电压或者电流，是个无源器件，更容易对微镜工作时实现其温度的精确控制，有利于微镜更稳定地工作；

(6)由于微镜结构本身是无源器件，更容易实现多个微镜(大规模多微镜)的阵列化。

附图说明

图1a是现有技术中基于电磁驱动的MEMS振镜的结构示意图；

图1b是现有技术中基于电磁驱动的MEMS振镜的磁场***的截面示意图；

图2a、图2b分别是本实用新型一典型实施案例中一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的正面结构示意图和反面结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例中一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的封装结构中封装底座的结构示意图；

图4a、图4b分别是本实用新型一典型实施案例中一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的封装结构的仰视图和立体结构示意图；

图5是本实用新型方案的电磁驱动原理；

附图标记说明：1-封装底座；2-微镜芯片；3-快轴；4-慢轴；5-软磁薄膜层；6-PCB板； 7-垫片；8-垫片；9-框架。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，所述芯片具有一个以上的转轴、与所述转轴连接的框架，所述芯片具有背对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有反射镜面，所述反射镜面能够以所述转轴为轴发生偏转，所述第二表面形成有软磁薄膜层，其至少能够与电感线圈配合为所述镜面偏转提供磁力。

进一步的，所述软磁薄膜层包括镍层或铁镍合金层。

进一步的，任一所述转轴至少分布于镜面两端，并经所述框架连接。

在一些较为具体的实施方案中，所述芯片设置有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴经第一框架连接，所述第二转轴经第二框架连接，所述第一框架和第一转轴设置于由第二框架和第二转轴围合形成的区域内。

更进一步的，所述第一转轴的轴向方向与第二转轴的轴向方向交叉设置，所述第一转轴的轴向方向与第二转轴的轴向方向呈十字交叉设置。

本实用新型实施例还提供了一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的封装结构，包括所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，以及，

PCB板，其至少用以与连接电感线圈和外部电源，

封装底座，其至少用以固定电感线圈组，

第一垫片，其至少用以为MEMS微镜芯片提供偏转空间，

和第二垫片，其至少用以固定所述MEMS微镜芯片。

进一步的，所述电感线圈组设置于软磁薄膜层的下方。

更进一步的，所述封装底座上设置有电感线圈组，所述电感线圈组包括两个电感线圈，所述两个电感线圈所在轴线方向与芯片的转轴所在轴向方向垂直，所述电感线圈组与软磁薄膜层配合为所述芯片沿所述转轴偏转提供磁力。

在一些较为具体的实施方案中，所述封装底座上设置有第一电感线圈组和第二电感线圈组，所述第一电感线圈组至少用以为所述芯片沿第一转轴偏转提供磁力，所述第二电感线圈组至少用以为所述芯片沿第二转轴偏转提供磁力。

进一步的，所述第二电感线圈组沿所述第一转轴的轴线方向设置于所述第一转轴外侧，所述第一电感线圈组沿所述第二转轴的轴线方向设置于所述第一转轴内侧。

进一步的，所述封装底座至少由非导磁材料制成。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在一些较为具体的实施方案中，请参阅图2a和图2b，一种MEMS微镜芯片2包括镜面、快轴3、慢轴4、框架9及软磁薄膜层5，镜面形成于所述微镜芯片的表面，软磁薄膜层5形成于镜面的背面，软磁薄膜层5的材质可为镍，铁镍合金等高磁导率材料，旨在在外部磁场的作用下受到磁力，从而带动镜面发生转动(电磁驱动原理可参阅图5所示)；快轴3所在轴线方向和慢轴4所在轴线方向垂直交叉，快轴3和慢轴4分别经一框架连接，且快轴3设置于慢轴4 与一框架围合形成的区域内，软磁薄膜层5至少分布于框架围合形成的区域内，本实用新型的 MEMS微镜镜面和部分驱动(软磁材料薄膜)结构可以采用表面微加工和体硅工艺制作。微镜芯片2制作完成后，需要对其进行封装，图3为封装结构所用封装底座1，两个电感线圈组的四个电感线圈分别固定于封装底座1的A，B，C，D四个位置，其中线圈A、C分别设置在快轴的外侧，至少为慢轴的偏转提供磁力；线圈B、D分别设置于镜面的正下方，并至少为快轴的偏转提供磁力。快慢轴的驱动相互没有干扰，二维扫描可独立控制。其余四角的4个孔和下面2个孔分别用于芯片的固定和器件的固定。请参阅图4a和图4b，整体的封装结构从下到上分别为PCB 板6、封装底座1、垫片7、微镜芯片2和垫片8，其至少通过PCB板6将电感线圈引线到焊盘上，从而能输入外部激励电流，当激励电流的频率为微镜芯片谐振频率的2倍时，转角达到最大；封装底座的材质可为铝合金等非导磁材料，用于固定带磁芯的电感线圈，磁芯可将磁场强度集中起来，从而提高驱动力效率；垫片7为微镜芯片的偏转提供空间，其厚度即为气隙的距离，原则上垫片7越薄产生的力越大，但也要根据具体应用兼顾到实际需要达到的转角来调整厚度；垫片8用于固定微镜，同时对微镜起到保护作用。

本实用新型采用单晶硅作为微镜芯片的基底，工艺简单，成本低；通过改变通电线圈的电流，匝数和绕线的直径，以及气隙的大小，这种驱动方式能够为大尺寸镜面实现大的偏转角度提供大的驱动力；外置线圈的方式可以避免电镀线圈的复杂工艺，同时避免由于长时间工作平面线圈产生欧姆热而导致的性能不稳定和镜面变形等失效现象发生，且本实用新型提供的封装结构具有优异的机械性能，抗冲击和抗振性好；由于电磁力是长程力，不需要真空封装；本实用新型提供的封装结构自身无磁性，不易受到环境干扰；由于微镜上无通电线圈，通过对外部驱动线圈的绝缘封装，可以实现在生物领域内的应用(应用于水下)。

本实用新型具体实施方式部分只列举了双轴的微镜(即二维扫描的微镜)，单轴微镜(即一维扫描)的微镜应用相同的驱动方式也应在保护的范围内。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，其特征在于：所述芯片具有一个以上的转轴、与所述转轴连接的框架，所述芯片具有背对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有反射镜面，所述反射镜面能够以所述转轴为轴发生偏转，所述第二表面形成有软磁薄膜层，其至少能够与电感线圈配合为所述镜面偏转提供磁力。

2.根据权利要求1所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，其特征在于：所述软磁薄膜层包括镍层或铁镍合金层。

3.根据权利要求1所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，其特征在于：任一所述转轴至少分布于镜面两端，并经所述框架连接。

4.根据权利要求1所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，其特征在于：所述芯片设置有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴经第一框架连接，所述第二转轴经第二框架连接，所述第一框架和第一转轴设置于由第二框架和第二转轴围合形成的区域内；和/或，所述第一转轴的轴向方向与第二转轴的轴向方向交叉设置，所述第一转轴的轴向方向与第二转轴的轴向方向呈十字交叉设置。

5.一种基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片的封装结构，其特征在于包括权利要求1-4中任一项所述的基于电磁原理驱动的大尺寸MEMS微镜芯片，以及，

PCB板，其至少用以与连接电感线圈和外部电源，

封装底座，其至少用以固定电感线圈，

第一垫片，其至少用以为MEMS微镜芯片提供偏转空间，

和第二垫片，期至少用以固定所述MEMS微镜芯片。

6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于：所述电感线圈设置于软磁薄膜层的正下方。

7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于：所述封装底座上设置有电感线圈组，所述电感线圈组包括两个电感线圈，所述两个电感线圈所在轴线方向与芯片的转轴所在轴向方向垂直，所述电感线圈组与软磁薄膜层配合为所述芯片沿所述转轴偏转提供磁力。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于：所述封装底座上设置有第一电感线圈组和第二电感线圈组，所述第一电感线圈组至少用以为所述芯片沿第一转轴偏转提供磁力，所述第二电感线圈组至少用以为所述芯片沿第二转轴偏转提供磁力。

9.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于：所述第二电感线圈组沿所述第一转轴的轴线方向设置于所述第一转轴外侧，所述第一电感线圈组沿所述第二转轴的轴线方向设置于所述第一转轴内侧。

10.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于：所述封装底座至少由非导磁材料制成。