用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜制造技术

一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连。本发明专利技术基于一体化制造的压电驱动器，通过将压电驱动器布置在反射镜面两侧，支撑梁内插于压电驱动器中间，从而保证反射镜面较高的占空比，同时，在较低电压驱动下实现对反射镜面的准静态驱动，结构简单、功耗低、易于加工制造。易于加工制造。易于加工制造。

【技术实现步骤摘要】
用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜


[0001]本专利技术涉及的是一种光学MEMS器件领域的技术，具体是一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜。

技术介绍

[0002]现有的静电MEMS微镜需要较高的驱动电压；电磁MEMS微镜需要外部永磁铁，封装体积较大；电热MEMS微镜受环境干扰较大；压电MEMS微镜相较于前述三种微镜，具有驱动电压低、功耗低、封装体积小、环境稳定高等优点。但由于压电驱动器的位移行程较小，现有压电MEMS微镜的工作方式基本为谐振式扫描，在准静态转动和非谐振扫描时存在转角过小，无法满足光学视场的要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有高占空比扫描镜技术中器件制造难度和成本高、装配精度要求高的不足，提出一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，基于反射镜面和压电驱动器一体化制造的技术，通过将压电驱动器布置在反射镜面两侧，支撑梁内插于压电驱动器中间，从而保证反射镜面较高的占空比，同时，在较低电压驱动下实现对反射镜面的准静态驱动，结构简单、功耗低、易于加工制造。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连。
[0006]所述的支撑梁采用变截面设计，近反射镜面一侧截面积更小，从而有效降低反射镜面的扭转刚度，从而降低压电MEMS微镜的驱动电压的同时增大支撑梁和固定框架连接处的结构强度，进而提高压电MEMS微镜的可靠性。同时支撑梁的存在减小压电MEMS微镜的模态复杂度。
[0007]所述的压电驱动器为半圆环或半椭圆环结构，整体与反射镜面的形状相匹配，从而减小压电MEMS微镜的尺寸，提高压电材料的利用率，提高压电MEMS微镜的占空比。
[0008]所述的锚点位于压电驱动器的中央位置。
[0009]所述的四根弹性连接折叠梁形状相同且互相对称，其连接点对称分布于支撑梁与反射镜面连接点的两侧。
[0010]所述的支撑梁下方的固定衬底上对应设有开槽口结构以提供反射镜面和支撑梁的运动空间。
[0011]所述的压电驱动器下方的固定衬底位于中心位置，固定衬底的宽度和压电驱动器与固定框架的连接锚点的宽度保持一致，该固定衬底用以限制压电驱动器在垂直反射镜面
方向上的运动自由度，从而提高压电驱动器对反射镜面的驱动效率。
[0012]在压电驱动器的顶电极和底电极上施加驱动电压，压电驱动器会沿下方的固定衬底向上或向下发生弯曲，从而通过两组弹性支撑梁驱动反射镜面转动。
[0013]本专利技术涉及一种基于上述压电MEMS微镜的应用，具体为：用于准静态转动和非谐振扫描，其中：
[0014]准静态转动是指：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加驱动正电压，在另一个压电驱动器的顶电极上施加等幅值的驱动负电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面准静态转动，转动角度由所施加驱动电压的幅值决定。
[0015]非谐振扫描是指：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加定频率的交流电压，该频率与压电MEMS微镜的谐振频率不等，在另一个压电驱动器的顶电极上施加幅值和频率均相同但相位相反的交流电压，此时两个压电驱动器分别产生向上和向下的弯曲变形，从而驱动反射镜面非谐振扫描。技术效果
[0016]本专利技术针对现有技术中MEMS微镜器件的反射镜面占空比较低以及压电MEMS微镜的低电压驱动下准静态转动和非谐振扫描的技术问题；通过设置反射镜面和压电驱动器位于同一平面内，可以通过微纳工艺实现一体化制造，避免了后续装配，本专利技术制造难度和成本低，易于实现；通过将压电驱动器对称布置于反射镜面两侧，通过将支撑梁内插于两个压电驱动器中间，从而降低压电MEMS微镜器件的整体尺寸，从而提高了反射镜面的占空比；通过将压电驱动器的固定衬底置于驱动器的中间位置，从而将压电驱动器的两端作为自由运动端，在电压作用下，压电驱动器的两个自由端向上或向下弯曲，从而在较低电压作用下能够实现反射镜面的准静态转动和非谐振扫描。
附图说明
[0017]图1为本专利技术立体图；
[0018]图2为本专利技术正面图；
[0019]图3为本专利技术背面图；
[0020]图4为本专利技术的反射镜面、弹性连接折叠梁和支撑梁的连接关系和空间位置关系图；
[0021]图5为本专利技术一组弹性连接折叠梁和支撑梁放大图；
[0022]图6为本专利技术压电驱动器截面图；
[0023]图7为本专利技术工作时反射镜面和压电驱动器的变形图；
[0024]图8为本专利技术反射镜面截面图；
[0025]图9为本专利技术第一阶振动模态图；
[0026]图10为本专利技术准静态转角和驱动电压变化曲线图；
[0027]图11为本专利技术在60Hz交流电驱动下的机械转角变化图。
具体实施方式
[0028]如图1所示，为本实施例涉及一种圆形镜面的压电MEMS微镜，包括：固定衬底6和设
置于其上的固定框架5、设置于固定框架5内的一对压电驱动器401、402以及位于压电驱动器内的圆形反射镜面1，其中：圆形反射镜面1的两端分别设有一对支撑梁201、202，压电驱动器靠近支撑梁的一侧设有弹性连接折叠梁301
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304，一对压电驱动器401、402分别设置于弹性连接折叠梁3和支撑梁2的两侧。
[0029]所述的圆形反射镜面1的直径为2000μm，压电驱动器4内径尺寸为2010μm，压电驱动器内外径尺寸之比为2。
[0030]所述的压电驱动器401、402关于圆形反射镜面1的旋转轴对称分布于两侧。
[0031]所述的第一和第二弹性连接折叠梁301、302与第一压电驱动器401相连，第三和第四弹性连接折叠梁303、304与第二压电驱动器402相连。
[0032]如图2所示，所述的一对支撑梁201、202分别设置于圆形反射镜面1的旋转轴上，并为轴对称结构。
[0033]如图3所示，所述的固定衬底6包括：主体10、设置于主体10上位于支撑梁2下方的一对开槽口901、902和设置于主体10上位于压电驱动器下方的一对固定衬底1101、1102，其中：开槽口901、902给支撑梁201、202的扭转运动提供了空间。
[0034]所述的固定结构1101、1102的宽度与压电驱动器4和固定框架5的连接锚点701、702的宽度保持一致，使得压电驱动器401和402的中心位置保持不动，驱动器的两侧自由端向上或向下弯曲，从而驱动圆形反射镜面1进行转动或扫描。
[0035]如图4所示，所述的反射镜面1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征在于，包括：固定衬底和设置于其上的固定框架、位于固定框架内的压电驱动器以及位于压电驱动器内的反射镜面，其中：反射镜面的两端通过支撑梁连接至固定框架上，压电驱动器关于支撑梁对称分布于反射镜面两侧，压电驱动器分别通过弹性连接折叠梁与反射镜面相连的同时通过锚点与固定框架相连；所述的支撑梁采用变截面设计，近反射镜面一侧截面积更小；所述的压电驱动器为半圆环或半椭圆环结构，整体与反射镜面的形状相匹配；所述的四根弹性连接折叠梁形状相同且互相对称。2.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的锚点位于压电驱动器的中央位置。3.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的四根弹性连接折叠梁的连接点对称分布于支撑梁与反射镜面连接点的两侧。4.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的支撑梁下方的固定衬底上对应设有开槽口结构以提供反射镜面和支撑梁的运动空间。5.根据权利要求1所述的用于准静态转动和非谐振扫描的MEMS压电微镜，其特征是，所述的压电驱动器下方的固定衬底位于中心位置，固定衬底的宽度和压电驱动器与固定框架的连接锚点的宽度保持一致，该固定衬底用以限制压电驱动器在垂直反射镜面方向上的运动自由度，从而提高压电驱动器对反射镜面的驱动效率。6.一种基于权利要求1
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5中任一所述压电MEMS微镜的应用，其特征在于，用于准静态转动，具体为：对两个压电驱动器的底电极进行接地，同时在一个压电驱动器的顶电极上施加驱动正电压，在另...

【专利技术属性】
技术研发人员：方肖勇，屠尔琪，易志然，张文明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：