專利名稱：一種電熱式mems微鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種MEMS微鏡系統(tǒng)，尤其涉及一種電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalsystems,簡稱 MEMS)是利用微加工技術(shù)制造出來的各種微型器件或系統(tǒng)，主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科，而其中MEMS微鏡系統(tǒng)就是此技術(shù)的一個典型應(yīng)用。微機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力很小，但足以驅(qū)動鏡面使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。MEMS微鏡系統(tǒng)通常應(yīng)用于光譜儀技術(shù)中，也可應(yīng)用于光開關(guān)的相關(guān)領(lǐng)域。在眾多MEMS微鏡中電熱式微鏡系統(tǒng)是一種依靠熱 形變使鏡子偏轉(zhuǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)，通常包括光源、分光鏡、電熱式MEMS微鏡、位置敏感傳感器(PSD)及MEMS控制單元。圖I顯示了一種現(xiàn)有的電熱式MEMS微鏡(詳細(xì)信息見文獻(xiàn)[KemiaoJiaj Sagnik Pal, and Huikai Xiej An Electrothermal Tip - Tilt - Piston MicromirrorBased on Folded Dual S-Shaped Bimorphs， Journal of MicroelectromechanicalSystems, VOL. 18，NO. 5，OCTOBER 2009])，主要包括鏡面、支撐臂和驅(qū)動臂三個部分，其中驅(qū)動臂就是依靠電熱效應(yīng)產(chǎn)生形變來驅(qū)動鏡子，在驅(qū)動臂上加上驅(qū)動電壓后，驅(qū)動臂上的多層加熱材料產(chǎn)生熱量，由于加熱材料的膨脹系數(shù)不同，會使驅(qū)動臂向膨脹系數(shù)小的一方彎曲，從而帶動鏡面的運(yùn)動。MEMS微鏡的一維線性運(yùn)動再配合完整的光學(xué)系統(tǒng)，可應(yīng)用于光譜儀技術(shù)中，加上MEMS微鏡的微型化優(yōu)勢，可將光譜儀做到便攜式，這種微型化的光譜儀會有非常龐大的市場價值，此外該技術(shù)在光開關(guān)上的應(yīng)用前景也會非常廣闊。電熱式微鏡驅(qū)動是一個較復(fù)雜的控制過程，現(xiàn)有電熱式微鏡系統(tǒng)通常采用開環(huán)控制，需要測出MEMS微鏡本身的性能，利用其形變的線性區(qū)域，配合驅(qū)動信號的控制，來驅(qū)動MEMS微鏡做一維的線性運(yùn)動。然而，由于系統(tǒng)本身的非線性，以及外界的干擾，開環(huán)控制策略很難做到精確的線性運(yùn)動控制，在實(shí)際工作過程中，鏡面會發(fā)生一定的角度偏轉(zhuǎn)，而理想的線性運(yùn)動是鏡面與運(yùn)動方向始終保持垂直。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)所存在的鏡面偏轉(zhuǎn)而難以保證MEMS微鏡做精確的線性運(yùn)動的不足，提供一種電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠最大程度消除鏡面偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)精確的線性運(yùn)動。本實(shí)用新型的思路是在電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)中引入閉環(huán)控制策略，利用一反饋模塊對MEMS微鏡是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對MEMS微鏡的驅(qū)動信號進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，從而使微鏡實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的線性運(yùn)動。具體而言，本實(shí)用新型的電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，包括第一光源、第一分光鏡、電熱式MEMS微鏡、位置敏感傳感器及MEMS控制單元；所述電熱式MEMS微鏡包括鏡面以及用于驅(qū)動鏡面作一維線性運(yùn)動的電熱式驅(qū)動器；該電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)還包括反饋模塊；所述反饋模塊包括第二光源、第二分光鏡、光電探測器；所述第二分光鏡為平板式分光鏡，置于第二光源與鏡面背面所形成的光路中；所述光電探測器用于接收經(jīng)由第二分光鏡所反射的鏡面背面的反射光，將其轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸至MEMS控制單元。優(yōu)選地，所述光電探測器為四象限光電探測器。優(yōu)選地，所述第二光源為激光器。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果一、首次將閉環(huán)控制引入電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)的控制，從而能夠有效消除鏡面在一維線性運(yùn)動中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)更精確的控制。二、本實(shí)用新型的反饋模塊光路結(jié)構(gòu)簡單，有利于微型化，符合MEMS微鏡系統(tǒng)的微型化發(fā)展趨勢，且實(shí)現(xiàn)成本低。

圖I為一種現(xiàn)有的電熱式MEMS微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為具體實(shí)施方式
中MEMS控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本實(shí)用新型電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)的控制系統(tǒng)總體框圖；；圖5為具體實(shí)施方式
中反饋模塊的光路圖；圖6為具體實(shí)施方式
中反饋信號采集原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明如圖2所不,本實(shí)用新型的電熱式MEMS微鏡系統(tǒng),包括第一光源、第一分光鏡、電熱式MEMS微鏡、位置敏感傳感器及MEMS控制單元；所述電熱式MEMS微鏡包括鏡面以及用于驅(qū)動鏡面作一維線性運(yùn)動的電熱式驅(qū)動器；該電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)還包括反饋模塊；所述反饋模塊包括第二光源、第二分光鏡、光電探測器；所述第二分光鏡為平板式分光鏡，置于第二光源與鏡面背面所形成的光路中；所述光電探測器用于接收經(jīng)由第二分光鏡所反射的鏡面背面的反射光，將其轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸至MEMS控制單元。為簡便起見，本具體實(shí)施方式
中以圖I所示電熱式MEMS微鏡為例，該電熱式MEMS微鏡具有4個電熱式驅(qū)動臂，MEMS控制單元產(chǎn)生的4路相同的控制信號分別加載在4個驅(qū)動臂上，4個驅(qū)動臂在電熱效應(yīng)下發(fā)生形變帶動鏡面在垂直于鏡面方向發(fā)生一維線性運(yùn)動。圖3顯示了 MEMS控制單元的結(jié)構(gòu)，該控制單元主要包括中央處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波器模塊、放大器模塊。中央處理器控制四路數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生初始的模擬信號，經(jīng)過頻率可調(diào)的濾波器模塊濾除噪聲，再經(jīng)過放大倍數(shù)可控的放大器模塊處理后加載到電熱式MEMS微鏡的四個引腳上actl_act4，控制鏡面的運(yùn)動，其中GND為接地。假如在微鏡的四個引腳上加上完全相同的信號，微鏡的鏡面就會在軸向上做一維的運(yùn)動，但考慮到MEMS四個引腳不可能完全一樣，以及一些外界因素的影響，MEMS不可能做精確地一維線性運(yùn)動，需對系統(tǒng)做一個閉環(huán)控制，來糾正運(yùn)動中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。[0021]本實(shí)用新型通過在微鏡控制系統(tǒng)中加入反饋模塊來對鏡面的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對MEMS控制信號進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，從而消除鏡面偏轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)如圖4所不,第二光源發(fā)出的光通過第二分光鏡(平板式分光鏡)打到MEMS微鏡中心,反射光經(jīng)過分光鏡再打到光電探測器中心，當(dāng)MEMS微鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)后打到光電探測器中心的光點(diǎn)也會偏轉(zhuǎn)，通過鎖定光電探測器中心的光點(diǎn)即可糾正MEMS微鏡在一維運(yùn)動中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過電流轉(zhuǎn)電壓模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊電路將電信號傳輸至MEMS控制單元中的中央處理器，中央處理器根據(jù)光電探測器所采集的信號，通過適當(dāng)調(diào)整MEMS微鏡的四路控制信號來保證MEMS微鏡做一維線性的運(yùn)動。反饋模塊中的光路如圖5所示，第二光源發(fā)出的光射在平板式分光鏡上，一部分透過平板式分光鏡投射在電熱式MEMS微鏡的鏡面背面，另一部分反射出去；鏡面背面反射回的光。一部分透過平板式分光鏡，另一部分被平板式分光鏡反射并進(jìn)入光電探測器。當(dāng)微鏡鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，打在光電探測器的光點(diǎn)就會發(fā)生偏移，導(dǎo)致光電探測器的光電流發(fā)生變化。光電探測器輸出的反映微鏡鏡面偏轉(zhuǎn)情況的反饋信號，通過圖6所示的信號采集電路傳輸至MEMS 控制單元中的中央處理器。中央處理器根據(jù)接收到的反饋信號，通過算法處理，實(shí)時調(diào)整加載在MEMS四個引腳上的控制信號，從而確保確保MEMS微鏡鏡面做精確地一維線性運(yùn)動。本實(shí)用新型中第二光源優(yōu)選激光器，光電探測器優(yōu)選四象限光電探測器。
權(quán)利要求1.一種電熱式MEMS微鏡系統(tǒng),包括第一光源、第一分光鏡、電熱式MEMS微鏡、位置敏感傳感器及MEMS控制單元；所述電熱式MEMS微鏡包括鏡面以及用于驅(qū)動鏡面作一維線性運(yùn)動的電熱式驅(qū)動器；其特征在于，該電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)還包括反饋模塊；所述反饋模塊包括第二光源、第二分光鏡、光電探測器；所述第二分光鏡為平板式分光鏡，置于第二光源與鏡面背面所形成的光路中；所述光電探測器用于接收經(jīng)由第二分光鏡所反射的鏡面背面的反射光，將其轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸至MEMS控制單元。
2.如權(quán)利要求I所述電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測器為四象限光電探測器。
3.如權(quán)利要求I所述電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第二光源為激光器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)，屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型的電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)包括第一光源、第一分光鏡、電熱式MEMS微鏡、位置敏感傳感器及MEMS控制單元；所述電熱式MEMS微鏡包括鏡面以及用于驅(qū)動鏡面作一維線性運(yùn)動的電熱式驅(qū)動器；其特征在于，該電熱式MEMS微鏡系統(tǒng)還包括反饋模塊；所述反饋模塊包括第二光源、第二分光鏡、光電探測器；所述第二分光鏡為平板式分光鏡，置于第二光源與鏡面背面所形成的光路中；所述光電探測器用于接收經(jīng)由第二分光鏡所反射的鏡面背面的反射光，將其轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸至MEMS控制單元。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型能夠有效消除鏡面在一維線性運(yùn)動中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)更精確的控制，且結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)成本低。
文檔編號G02B26/08GK202472117SQ20122005368
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者傅霖來, 蘭樹明, 周亮, 管帥, 謝會開, 陳巧 申請人:無錫微奧科技有限公司