帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡的製作方法

2023-05-03 15:41:01 3

專利名稱：帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型二維掃描鏡，屬於微掃描技術(Micro Scanning)和MOEMS技術(MicroOptical-Electro-MechanicalSystem)領域。
背景技術：
自主掃描是用於空間目標探測的關鍵技術，主要用於掃描探測空間某一區域中的目標太空飛行器，並對其相對距離和相對方位進行測量。自主掃描技術可分為衛星本體掃描、吊艙跟蹤掃描和反射鏡二維空間掃描等方式，其中衛星本體掃描增加了衛星姿態控制的複雜性，吊艙跟蹤掃描在重量、功耗和體積等方面相對較大，不合適微型衛星(質量小於20kg)和納型/皮型衛星(質量小於l0kg)的使用。而反射鏡二維空間掃描傳統的反射鏡掃描方式有轉鏡掃描和振鏡掃描，多採用電機驅動。目前，隨著微機械和微機電技術的發展，微反射鏡掃描作為一種新型的掃描方式，具有體積小、質量輕、精度高、功耗低等特點，可取代傳統的雷射掃描機構，更加適用於微小型衛星。
微掃描鏡尤其是基於MOEMS技術的微型二維掃描鏡(簡稱MOEMS二維掃描鏡)目前在國際上是一個新興的研究領域。由美國德州儀器公司研製的DMD(DigitalMicro mirror Device)數字微鏡陣列，是目前應用最成功的MOEMS微反射鏡器件，成功的應用於圖像顯示領域。美國Florida大學、日本Hyogo大學以及歐洲等國的大學和科研機構也在從事MOEMS二維掃描鏡方面的工作。國內目前在這方面的研究還比較少，尚處於起步階段。
MOEMS二維掃描鏡在結構上對傳統的掃描鏡進行了改進和微型化，在工藝上結合了先進的微/納米技術和微加工技術。目前研究的MOEMS二維掃描鏡，按照工作原理分主要有靜電型、電磁型、電熱型和壓電型幾大類。
現有的幾種MOEMS二維掃描鏡存在以下不足1.靜電型MOEMS二維掃描鏡，雖然驅動方式簡單，功率消耗相對較小，但是其驅動電壓往往較高，偏轉角度較小，工藝流程較為複雜，因此如何提高加工可靠性，提高致動效率是目前靜電型MOEMS二維掃描鏡面臨的主要問題。
2.電磁型MOEMS二維掃描鏡，其驅動方式的輸出力矩比較大，因此鏡片的扭轉運動幅度相對較大，致動效率較高，但是器件需要工作在外部磁場環境下，需要通過裝配技術將外部磁場與器件集成在一起，大大增加了系統結構設計和加工製造的複雜性。
3.電熱型MOEMS二維掃描鏡，驅動通過集成於金屬氧化物中的多晶矽加熱器來實現，在電流驅動下的偏轉角度較大，但是由於熱致動器的遲滯效應，微掃描鏡的響應速度往往比較慢，不適合應用於自主掃描技術領域。
4.壓電型MOEMS二維掃描鏡，由於壓電材料高解析度的致動特性，比較適用於對運動位移的精密控制，但在較大驅動電壓下的運動幅度很小，所以直接驅動的致動效率比較低。
5.現有的幾種MOEMS二維掃描鏡，可用於對目標進行掃描探測技術領域的較少，主要是因為各類掃描鏡基本沒有涉及到對鏡片偏轉角度的測量問題，不能在掃描探測時對偏轉角進行實時獲取。

發明內容
本發明的目的是解決現有MOEMS二維掃描鏡致動效率低，結構複雜，加工難度大，無法測量鏡片偏轉角度的問題。
本發明提供了一種帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，結構見圖1，其特徵在於含有反射鏡片1、慣性產生器2、受激塊3、壓電驅動器4和柔性梁5，其中，反射鏡片1和慣性產生器2形成一個整體，呈「」形，水平部分是反射鏡片1，垂直部分是慣性產生器2，其質心偏離柔性梁5的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉軸；壓電驅動器4是一塊壓電陶瓷片，其輸入信號是相互疊加的兩個具有不同頻率的正弦直流脈動電壓，分別使反射鏡片1對彎曲軸作彎曲偏轉運動以及對扭轉軸作扭曲偏轉運動，所述的正弦直流脈動電壓U入表示如下U入＝U1m(1+sinω1t)+U2m(1+sinω2t)其中U1m和U2m分別為兩個正弦直流脈動電壓的幅值，ω1和ω2分別為反射鏡片1作彎曲偏轉運動和作扭曲偏轉運動的諧振頻率；受激塊3，與所述壓電驅動器4相粘結；柔性梁5，上下兩端分別與反射鏡片1和受激塊3相連接，在柔性梁5上設有惠斯頓電橋電路B和惠斯頓電橋電路T，結構見圖4，其中惠斯頓電橋電路B位於柔性梁5靠近受激塊3的端部，由四個P型壓阻6~9組成，壓阻6和壓阻8形成對角，布置於[110]晶向，壓阻7和壓阻9形成對角，布置於[-110]晶向，該惠斯頓電橋電路B用於反射鏡片1彎曲偏轉角θB的測量，送往外部信號處理器的輸出電壓VB與彎曲偏轉角θB的關係用下式表示B=1.45lVBhEVi]]>其中l為柔性梁的長度，h為柔性梁的厚度，單位均為mm；E為矽的楊氏模量，單位為GPa；Vi為電橋的輸入電壓，與電橋輸出電壓VB的單位均為V；彎曲偏轉角θB的單位為rad；惠斯頓電橋電路T由四個N型電阻10~13組成，位於柔性梁5的中部，壓阻10和壓阻13形成對角，布置於[-100]晶向，壓阻11和電阻12形成對角，布置於
晶向，用於測量反射鏡片1的扭曲偏轉角θT，該惠斯頓電橋電路送往外部信號處理器的輸出電壓VT與扭曲偏轉角θT的關係式如下T=0.64lVTbGVi]]>
其中b為柔性梁的寬度，單位為mm；G為矽的剪切模量，單位為GPa；電橋輸出電壓VT的單位為V；扭曲偏轉角θT的單位為rad；α和β為矩形截面柔性梁的扭轉係數設定值；所述反射鏡片1、慣性產生器2、受激塊3和柔性梁5作為一個整體，選用001晶向的單晶矽，採用感應耦合等離子刻蝕ICP工藝加工而成，通過受激塊3與壓電驅動器4相粘結；所述壓阻6至壓阻13採用在矽材料中摻雜硼和磷形成。
本發明所述的P型壓阻採用硼離子注入和阱推擴散方式形成，N型壓阻採用磷離子注入和阱推擴散的方式形成，聯接各壓阻之間的導線14採用金材料。
本發明的特點是整體結構簡單，能在一個驅動源下實現反射鏡片的二維偏轉掃描，集成了角度測量器件，能對反射鏡片兩個方向上的偏轉角度進行實時測量。和現有MOEMS二維掃描鏡相比，本發明有以下特點1)慣性產生器和反射鏡片形成一個整體，其質心偏離柔性梁的彎曲軸和扭轉軸，使反射鏡片同時具有彎曲和扭轉兩個自由度；2)反射鏡片與受激塊之間僅採用一個柔性梁相連，使整體結構簡單，加工製造容易；3)驅動源僅採用一個壓電驅動器，提高施加兩種諧振頻率合成的驅動電壓，使系統在一個驅動源下能夠實現反射鏡片的二維掃描運動；4)柔性梁上集成了惠斯頓電橋布局形式的壓阻傳感器，使微型二維掃描鏡實時角度測量成為可能，使系統能夠閉環工作。


圖1為微型二維掃描鏡的整體結構示意圖。
圖2為微型二維掃描鏡的彎曲偏轉振動圖。
圖3為微型二維掃描鏡的扭曲偏轉振動圖。
圖4為壓電電阻布局設計示意圖。
圖5為壓電電阻的惠斯頓電橋連接圖。
圖6為帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡系統的框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖來具體說明本發明。
1.微型二維掃描鏡整體結構圖1所示是微型二維掃描鏡的整體結構，由反射鏡片1、慣性產生器2、受激塊3、壓電驅動器4和柔性梁5組成，其中反射鏡片1與慣性產生器2形成一個整體，受激塊3與壓電驅動器4粘結，上下兩部分通過柔性梁5連接。
反射鏡片1具有彎曲和扭轉兩個自由度，圖2所示是微型二維掃描鏡的彎曲偏轉運動，圖3所示是微型二維掃描鏡的扭曲偏轉運動，兩個方向的振動上具有不同的諧振頻率。當向壓電驅動器4施加彎曲方向諧振頻率的正弦波驅動電壓時，反射鏡片1將繞x軸在彎曲方向上產生共振；當向壓電驅動器4施加扭曲方向諧振頻率的正弦波驅動電壓時，反射鏡片1將繞y軸在扭轉方向上產生共振；當同時施加兩個方向上諧振頻率合成的驅動電壓時，反射鏡片1將同時繞x軸和y軸在彎曲和扭轉方向上產生共振，實現大角度二維偏轉掃描。
微型二維掃描鏡的反射鏡片1、慣性產生器2、受激塊3和柔性梁5作為一個整體，選用(001)晶面的單晶矽，採用ICP(感應耦合等離子刻蝕)工藝加工而成，並與壓電驅動器4採用粘結的方式進行裝配。
2.壓電電阻的設計詳細說明圖4所示是壓電電阻的布局設計，分別採用了四個P型壓阻6～9和四個N型壓阻10～13。其中四個P型壓阻6～9位於柔性梁5靠近受激塊3的端部，壓阻6和壓阻8布置於[110]晶向，壓阻7和壓阻9布置於[-110]晶向，用於反射鏡片1彎曲偏轉角的測量；四個N型壓阻10～13位於柔性梁5的中部，壓阻10和壓阻13布置於[-100]晶向，壓阻11和壓阻12布置於
晶向，用於反射鏡片1扭轉偏轉角的測量。聯接各壓電電阻之間的導線14選用金材料。
P型壓阻6～9採用硼離子注入和阱推擴散的方式形成，N型壓阻10～13採用磷離子注入和阱推擴散的方式形成，導線14採用濺射和剝離的方式形成。
壓阻傳感器由壓電電阻按照惠斯頓電橋連接構成，布局形式如圖5所示，這種設計能通過讀取電橋的輸出電壓VB和VT，分別解算出彎曲和扭轉方向上的偏轉角，並能補償溫度對電阻的影響，提高測量精度和靈敏度。
本發明所述帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡可構成閉環控制的微掃描系統，如圖6所示。由於本發明所述帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡內集成了測量偏轉角的惠斯頓電橋，使微掃描系統能夠對二維掃描鏡的偏轉角進行實時測量，根據所探測目標的角度信息反饋，形成閉環控制，以調節微型二維掃描鏡的掃描範圍。
權利要求
1.帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，其特徵在於，含有反射鏡片(1)、慣性產生器(2)、受激塊(3)、壓電驅動器(4)和柔性梁(5)，其中，反射鏡片(1)和慣性產生器(2)形成一個整體，呈「」形，水平部分是反射鏡片(1)，垂直部分是慣性產生器(2)，其質心偏離柔性梁(5)的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉軸；壓電驅動器(4)是一塊壓電陶瓷片，其輸入信號是相互疊加的兩個具有不同頻率的正弦直流脈動電壓，分別使反射鏡片(1)對彎曲軸作彎曲偏轉運動和對扭轉軸作扭曲偏轉運動，所述的正弦直流脈動電壓U入表示如下U入＝U1m(1+sinω1t)+U2m(1+sinω2t)其中U1m和U2m分別為兩個正弦直流脈動電壓的幅值，ω1和ω2分別為反射鏡片(1)作彎曲偏轉運動和作扭曲偏轉運動的諧振頻率；受激塊(3)，與所述壓電驅動器(4)相粘結；柔性梁(5)，上下兩端分別與反射鏡片(1)和受激塊(3)相連接，在柔性梁(5)上設有惠斯頓電橋電路(B)和惠斯頓電橋電路(T)，其中惠斯頓電橋電路(B)位於柔性梁(5)靠近受激塊(3)的端部，由四個P型壓阻(6)、(7)、(8)、(9)組成，壓阻(6)和壓阻(8)形成對角，布置於[110]晶向，壓阻(7)和壓阻(9)形成對角，布置於[-110]晶向，該惠斯頓電橋電路(B)用於反射鏡片(1)彎曲偏轉角θB的測量，送往外部信號處理器的輸出電壓VB與彎曲偏轉角θB的關係用下式表示B=1.45lVBhEVi]]>其中l為柔性梁的長度，h為柔性梁的厚度，單位均為mm；E為矽的楊氏模量，單位為GPa；Vi為電橋的輸入電壓，與電橋輸出電壓VB的單位均為V；彎曲偏轉角θB的單位為rad；惠斯頓電橋電路(T)由四個N型電阻(10)、(11)、(12)、(13)組成，位於柔性梁(5)的中部，壓阻(10)和壓阻(13)形成對角，布置於[-100]晶向，壓阻(11)和電阻(12)形成對角，布置於
晶向，用於測量反射鏡片(1)的扭曲偏轉角θT，該惠斯頓電橋電路送往外部信號處理器的輸出電壓VT與扭曲偏轉角θT的關係式如下T=0.64lVTbGVi]]>其中b為柔性梁的寬度，單位為mm；G為矽的剪切模量，單位為GPa；電橋輸出電壓VT的單位為V；扭曲偏轉角θT的單位為rad；α和β為矩形截面柔性梁的扭轉係數設定值；所述反射鏡片(1)、慣性產生器(2)、受激塊(3)和柔性梁(5)作為一個整體，選用(001)晶向的單晶矽，採用感應耦合等離子刻蝕ICP工藝加工而成，通過受激塊(3)與壓電驅動器(4)相粘結；所述壓阻(6)至壓阻(13)採用在矽材料中摻雜硼和磷形成。
2.根據權利要求1所述的帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，其特徵在於，所述的P型壓阻採用硼離子注入和阱推擴散方式形成，N型壓阻採用磷離子注入和阱推擴散的方式形成，聯接各壓阻之間的導線(14)採用金材料。
全文摘要
帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡屬於微掃描技術和MOEMS技術領域，其特徵在於，該微型二維掃描鏡由集成在單晶矽上的反射鏡片、慣性產生器、受激塊和柔性梁以及另外一個與所述受激塊粘結的壓電驅動器構成，其中，柔性梁的上下兩端分別與反射鏡片和受激塊相連，在壓電驅動器上疊加兩個不同頻率的正弦直流脈動電壓後，反射鏡片同時相對於柔性梁的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉軸作偏轉運動，彎曲偏轉角和扭曲偏轉角分別由位於靠近受激塊端部的以及位於柔性梁中部的兩個惠斯頓電橋測出的電壓V
文檔編號G01D5/12GK101082702SQ20071011847
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月6日 優先權日2007年7月6日
發明者尤政, 張弛, 張高飛, 於世潔 申請人:清華大學