一种静电梳齿驱动的振镜制造技术

本发明专利技术属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种静电梳齿驱动的振镜。包括结构层、绝缘层及支撑层；结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为V形质量块的宽度方向。保证镜面与梳齿锚点的连接刚度，同时降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，以使振镜实现更大的转角。

A vibrating mirror driven by electrostatic comb

The invention belongs to the field of micro optical electromechanical (MOEMS), in particular to a vibrating mirror driven by an electrostatic comb. Including the structure layer, insulating layer and support layer; structure layer distributed on the comb drive mechanism, torsion beam, torsion beam fixed anchor and reflective mirror; comb on the set in both sides of the torsion beam and torsion angle and distribution of teeth between the beams is greater than 0 degrees less than 90 degrees, the anchor point for the movable wedge, fixed the large end of the reflector, moving end comb anchor is larger than the width of the small end of the width, defined in the structure layer plane and torsional direction of the beam is perpendicular to the width direction of the block shaped V quality. The stiffness of the connection between the mirror and the comb anchors is ensured, and the energy loss caused by the synovium damping between the comb teeth is reduced, so that the vibrating mirror can achieve a greater turning angle.

【技术实现步骤摘要】
一种静电梳齿驱动的振镜
本专利技术属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种静电梳齿驱动的振镜。
技术介绍
MEMS振镜与传统光束偏转元件相比，具有微型化、能耗低、响应快、易集成、寿命长等优点，随着人工智能的发展和对装置高精度、小型化、低成本需求，MEMS振镜在三色激光投影、激光雷达、3D测量等领域大放异彩。基于静电梳齿驱动的MEMS振镜，其结构简单，能量密度大，可以实现大转角扫描，并大大简化了工艺难度，便于批量化，显著降低了制作成本。对于谐振式静电梳齿驱动的MEMS振镜来说，MEMS振镜的扭转角度的大小取决于驱动电压大小、梳齿对间电容变化量和振镜运动过程中的梳齿阻尼带来的能量损耗的大小。在相同电压驱动且动静梳齿间同等电容变化情况下，梳齿消耗阻尼越小，越有利于振镜驱动，振镜振动过程中阻尼主要有两类，一类是压膜阻尼，另一类是滑膜阻尼，滑膜阻尼远大于压膜阻尼，为主要考虑因素。滑膜阻尼主要来自动梳齿与静梳齿之间的滑膜阻尼，动静梳齿错开后，变为动梳齿与动梳齿之间滑膜阻尼，梳齿相对于转轴的位置对滑膜阻尼有影响，影响最明显的是动梳齿与动梳齿之间的滑膜阻尼消耗功率：阻尼功率损耗：W＝∫Mdθ其中：M∝vv＝R*ω式中：W为阻尼能量损耗；M为阻尼产生的力矩；v梳齿运动速度，ω为转动角速度，R为梳齿距扭转轴的距离。可见动梳齿与动梳齿间的阻尼损耗，与动梳齿分布位置与扭转轴的距离成正比。在振镜运动相同的情况下，把动齿靠近转轴分布可有效限低其阻尼损耗，利于增大振镜扭转角度。现有静电驱动振镜的梳齿对有如下两种分布：1、分布在镜面周围,如图1a；2、分布在扭转梁两侧，且排布方式与扭转梁保持平行,如图1b；图1a中，当振镜反射镜面尺寸比较大时，镜面周围布置的梳齿会距转轴比较远，大大增大了梳齿间阻尼能量损耗；同时，振镜大角度工作时，动静梳齿对会完全错开，不再能提供振镜位置与梳齿间电容量的一一对应关系，就无法通过电容反馈振镜实时位置。图1b中需要另加与镜面刚性连接的质量块，使梳齿与扭转轴平行分布，可能存在如下问题：1)距转轴过近，造成动梳齿锚点质量块过窄，不能保证其与镜面的刚性连接；同时可能会带来振镜起动力矩过小，可能导致振镜无法正常起振的问题；2)若梳齿距转轴比较远，会有和梳齿分布在镜面周围类似的问题。另外，2017年MicroelectronicsReliability期刊公开的一篇论文“Anexplorationforthedegradationbehaviorof2-Delectrostaticmicroscannersbyacceleratedlifetimetest”指出经加速寿命时间验证，静电梳齿驱动振镜长时间工作后最主要的失效形式是因梳齿吸附而引起的短路失效，即避免梳齿吸附很大程度上可提高振镜的可靠性，并延长振镜的工作寿命。
技术实现思路
为了解决现有的静电驱动振镜时梳齿间阻尼能量损耗大、不能通过电容反馈振镜实时位置、动梳齿锚点与镜面的连接刚性差、驱动力矩过小，以致振镜无法正常起振等问题，本专利技术提供一种梳齿驱动器结构以及静电梳齿驱动的振镜，保证镜面与梳齿锚点的连接刚度，同时降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，以使振镜实现更大的转角；可使在振镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，从而可建立梳齿间电容大小和振镜扭转角大小之间一一对应的关系，实现电容反馈，使得振镜工作更加可靠。另外，针对现在振镜工作过程中产生的因动静梳齿吸附而导致的失效问题，提出加设限位梳齿结构，防止振镜梳齿吸附，从而延长振镜工作寿命。本专利技术的具体是技术方案是提供一种静电梳齿驱动的振镜，包括结构层、绝缘层及支撑层；其中，上述结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；上述梳齿驱动机构包括驱动梳齿，上述驱动梳齿包括至少一对梳齿对，上述梳齿对包括动梳齿、动梳齿锚点、静梳齿、静梳齿锚点，上述动梳齿与动梳齿锚点连接，上述静梳齿与静梳齿锚点连接，静梳齿与动梳齿交错并部分重叠分布；上述动梳齿、动梳齿锚点、扭转梁及反射镜面连接为一个整体；上述静梳齿锚点、扭转梁固定锚点由支撑层固定；其特殊之处在于：上述梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，上述动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，其宽度变化可沿一固定斜率逐渐变化，也可按变化斜率变化(就是动梳齿锚点即V形质量块的斜边也可以是指定的曲线分布)，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为动梳齿锚点的宽度方向。优选地，上述动梳齿锚点大端的宽度小于反射镜面的半径。为了使在振镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，动梳齿锚点小端宽度的尺寸满足下式：(n+c_tip)*sin(θmax)＜t其中t为结构层的厚度，c_tip为静梳齿端部到动梳齿根的距离，θmax为振镜要实现的最大单边机械转角，n为动梳齿锚点小端的宽度；动梳齿锚点的长L根据振镜所需驱动梳齿中梳齿对的对数确定，扭转梁与其的位置关系，由所需梁的长度和振镜的模态振型和所需频率确定。优选地，静梳齿端距动梳齿根的距离与动梳齿端距静梳齿根的距离不小于梳齿间隙。为了防止驱动梳齿发生吸附，导致振镜失效，上述梳齿驱动机构还包括至少一个限位梳齿对，组成限位梳齿对的动、静梳齿位于同一电连接区域，无电势差，或者组成限位梳齿对的动、静梳齿中其中之一位于不加电区域，另一位于加电区；上述限位梳齿对中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙b小于驱动梳齿中静梳齿和动梳齿的梳齿间隙a。优选地，至少有一对限位梳齿对限定驱动梳齿两个方向偏移，或有至少两对限位梳齿对各限定一个方向偏移。优选地，限位梳齿的尺寸应满足：为了实现动、静梳齿对间的电绝缘，动梳齿锚点与静梳齿锚点之间开设有电隔离沟道。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术设置的梳齿对分布与扭转梁之间保持一定夹角，在同等电容变化下，可有效降低因梳齿间的滑膜阻尼带来的能量损耗，反射镜能够实现更大程度的扭转；2、梳齿对斜向分布也可让电容变化比较平缓，使驱动比较稳定，也利于提高转角和反馈电容之间的线性关系；3、梳齿对斜向分布使得其动梳齿锚点及质量块为楔形，其与镜面连接处交接尺寸比较大，保证了其与镜面的连接刚度，通过调整其小端的具体尺寸保证振镜达到最大转角时，不少于一对动静梳齿对不完全分离，使反射镜从初始位置到其可实现的最大转角扭转过程中，梳齿对之间一直存在电容变化，并且随时保持动梳齿和静梳齿间电容大小和反射镜扭转角大小之间一一对应的关系，以便于实现电容反馈，使得振镜工作更加可靠；4、本专利技术采用限位梳齿对，解决了静电梳齿驱动的振镜长时间工作过程中的存在的因动静梳齿吸附而导致的失效问题，防止振镜最常见的失效类型——梳齿吸附的发生，从而延长微振镜工作寿命。附图说明图1a为一种现有MEMS振镜结构示意图；图1b为另一种现有MEMS振镜结构示意图；图2为本专利技术MEMS振镜结构示意图；图3为动梳齿锚点尺寸示意图；图4为限位梳齿梳齿间距布置图；图5为限位梳齿结构图一；图6为限位梳齿结构图二；图7为限位梳齿位置图。图中附图标记为：1-结构层，11-扭转梁，12-扭转梁固定锚点，13-反射镜面，14-动梳齿，15-动梳齿锚点，16-静梳齿，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电梳齿驱动的振镜，包括结构层、绝缘层及支撑层；其中，所述结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；所述梳齿驱动机构包括驱动梳齿，所述驱动梳齿包括至少一对梳齿对，所述梳齿对包括动梳齿、动梳齿锚点、静梳齿、静梳齿锚点，所述动梳齿与动梳齿锚点连接，所述静梳齿与静梳齿锚点连接，静梳齿与动梳齿交错并部分重叠分布；所述动梳齿、动梳齿锚点、扭转梁及反射镜面连接为一个整体；所述静梳齿锚点、扭转梁固定锚点由支撑层固定；其特征在于：所述梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，所述动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为动梳齿锚点的宽度方向。

【技术特征摘要】
1.一种静电梳齿驱动的振镜，包括结构层、绝缘层及支撑层；其中，所述结构层上分布有梳齿驱动机构、扭转梁、扭转梁固定锚点及反射镜面；所述梳齿驱动机构包括驱动梳齿，所述驱动梳齿包括至少一对梳齿对，所述梳齿对包括动梳齿、动梳齿锚点、静梳齿、静梳齿锚点，所述动梳齿与动梳齿锚点连接，所述静梳齿与静梳齿锚点连接，静梳齿与动梳齿交错并部分重叠分布；所述动梳齿、动梳齿锚点、扭转梁及反射镜面连接为一个整体；所述静梳齿锚点、扭转梁固定锚点由支撑层固定；其特征在于：所述梳齿对设置在扭转梁的两侧并且梳齿对分布与扭转梁之间的夹角大于0度小于90度，所述动梳齿锚点为楔形，其大端与反射镜面固连，动梳齿锚点的大端的宽度大于小端的宽度，定义在结构层平面内与扭转梁垂直的方向为动梳齿锚点的宽度方向。2.根据权利要求1所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：所述动梳齿锚点大端的宽度小于反射镜面的半径。3.根据权利要求1所述的一种静电梳齿驱动的振镜，其特征在于：动梳齿锚点小端宽度的尺寸满足下式：(n+c_tip)*sin(θmax)＜t其中t为结...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长锋，宋秀敏，乔大勇，何伟，
申请(专利权)人：西安知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61