專利名稱：帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型二維掃描鏡，屬于微掃描技術(shù)(Micro Scanning)和MOEMS技術(shù)(MicroOptical-Electro-MechanicalSystem)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自主掃描是用于空間目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于掃描探測(cè)空間某一區(qū)域中的目標(biāo)航天器，并對(duì)其相對(duì)距離和相對(duì)方位進(jìn)行測(cè)量。自主掃描技術(shù)可分為衛(wèi)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(wèi)星本體掃描增加了衛(wèi)星姿態(tài)控制的復(fù)雜性，吊艙跟蹤掃描在重量、功耗和體積等方面相對(duì)較大，不合適微型衛(wèi)星(質(zhì)量小于20kg)和納型/皮型衛(wèi)星(質(zhì)量小于l0kg)的使用。而反射鏡二維空間掃描傳統(tǒng)的反射鏡掃描方式有轉(zhuǎn)鏡掃描和振鏡掃描，多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，隨著微機(jī)械和微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，微反射鏡掃描作為一種新型的掃描方式，具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、功耗低等特點(diǎn)，可取代傳統(tǒng)的激光掃描機(jī)構(gòu)，更加適用于微小型衛(wèi)星。
微掃描鏡尤其是基于MOEMS技術(shù)的微型二維掃描鏡(簡(jiǎn)稱MOEMS二維掃描鏡)目前在國(guó)際上是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。由美國(guó)德州儀器公司研制的DMD(DigitalMicro mirror Device)數(shù)字微鏡陣列，是目前應(yīng)用最成功的MOEMS微反射鏡器件，成功的應(yīng)用于圖像顯示領(lǐng)域。美國(guó)Florida大學(xué)、日本Hyogo大學(xué)以及歐洲等國(guó)的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也在從事MOEMS二維掃描鏡方面的工作。國(guó)內(nèi)目前在這方面的研究還比較少，尚處于起步階段。
MOEMS二維掃描鏡在結(jié)構(gòu)上對(duì)傳統(tǒng)的掃描鏡進(jìn)行了改進(jìn)和微型化，在工藝上結(jié)合了先進(jìn)的微/納米技術(shù)和微加工技術(shù)。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(xiàn)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(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，功率消耗相對(duì)較小，但是其驅(qū)動(dòng)電壓往往較高，偏轉(zhuǎn)角度較小，工藝流程較為復(fù)雜，因此如何提高加工可靠性，提高致動(dòng)效率是目前靜電型MOEMS二維掃描鏡面臨的主要問(wèn)題。
2.電磁型MOEMS二維掃描鏡，其驅(qū)動(dòng)方式的輸出力矩比較大，因此鏡片的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較大，致動(dòng)效率較高，但是器件需要工作在外部磁場(chǎng)環(huán)境下，需要通過(guò)裝配技術(shù)將外部磁場(chǎng)與器件集成在一起，大大增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造的復(fù)雜性。
3.電熱型MOEMS二維掃描鏡，驅(qū)動(dòng)通過(guò)集成于金屬氧化物中的多晶硅加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在電流驅(qū)動(dòng)下的偏轉(zhuǎn)角度較大，但是由于熱致動(dòng)器的遲滯效應(yīng)，微掃描鏡的響應(yīng)速度往往比較慢，不適合應(yīng)用于自主掃描技術(shù)領(lǐng)域。
4.壓電型MOEMS二維掃描鏡，由于壓電材料高分辨率的致動(dòng)特性，比較適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)位移的精密控制，但在較大驅(qū)動(dòng)電壓下的運(yùn)動(dòng)幅度很小，所以直接驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)效率比較低。
5.現(xiàn)有的幾種MOEMS二維掃描鏡，可用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的較少，主要是因?yàn)楦黝悞呙桤R基本沒有涉及到對(duì)鏡片偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量問(wèn)題，不能在掃描探測(cè)時(shí)對(duì)偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有MOEMS二維掃描鏡致動(dòng)效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，無(wú)法測(cè)量鏡片偏轉(zhuǎn)角度的問(wèn)題。
本發(fā)明提供了一種帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，結(jié)構(gòu)見圖1，其特征在于含有反射鏡片1、慣性產(chǎn)生器2、受激塊3、壓電驅(qū)動(dòng)器4和柔性梁5，其中，反射鏡片1和慣性產(chǎn)生器2形成一個(gè)整體，呈“”形，水平部分是反射鏡片1，垂直部分是慣性產(chǎn)生器2，其質(zhì)心偏離柔性梁5的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉(zhuǎn)軸；壓電驅(qū)動(dòng)器4是一塊壓電陶瓷片，其輸入信號(hào)是相互疊加的兩個(gè)具有不同頻率的正弦直流脈動(dòng)電壓，分別使反射鏡片1對(duì)彎曲軸作彎曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及對(duì)扭轉(zhuǎn)軸作扭曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述的正弦直流脈動(dòng)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(gè)正弦直流脈動(dòng)電壓的幅值，ω1和ω2分別為反射鏡片1作彎曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和作扭曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的諧振頻率；受激塊3，與所述壓電驅(qū)動(dòng)器4相粘結(jié)；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(shè)有惠斯頓電橋電路B和惠斯頓電橋電路T，結(jié)構(gòu)見圖4，其中惠斯頓電橋電路B位于柔性梁5靠近受激塊3的端部，由四個(gè)P型壓阻6~9組成，壓阻6和壓阻8形成對(duì)角，布置于[110]晶向，壓阻7和壓阻9形成對(duì)角，布置于[-110]晶向，該惠斯頓電橋電路B用于反射鏡片1彎曲偏轉(zhuǎn)角θB的測(cè)量，送往外部信號(hào)處理器的輸出電壓VB與彎曲偏轉(zhuǎn)角θB的關(guān)系用下式表示θB=1.45l·VBh·E·Vi]]>其中l(wèi)為柔性梁的長(zhǎng)度，h為柔性梁的厚度，單位均為mm；E為硅的楊氏模量，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(zhuǎn)角θB的單位為rad；惠斯頓電橋電路T由四個(gè)N型電阻10~13組成，位于柔性梁5的中部，壓阻10和壓阻13形成對(duì)角，布置于[-100]晶向，壓阻11和電阻12形成對(duì)角，布置于
晶向，用于測(cè)量反射鏡片1的扭曲偏轉(zhuǎn)角θT，該惠斯頓電橋電路送往外部信號(hào)處理器的輸出電壓VT與扭曲偏轉(zhuǎn)角θT的關(guān)系式如下θT=0.64α·l·VTβ·b·G·Vi]]>
其中b為柔性梁的寬度，單位為mm；G為硅的剪切模量，單位為GPa；電橋輸出電壓VT的單位為V；扭曲偏轉(zhuǎn)角θT的單位為rad；α和β為矩形截面柔性梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)設(shè)定值；所述反射鏡片1、慣性產(chǎn)生器2、受激塊3和柔性梁5作為一個(gè)整體，選用001晶向的單晶硅，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP工藝加工而成，通過(guò)受激塊3與壓電驅(qū)動(dòng)器4相粘結(jié)；所述壓阻6至壓阻13采用在硅材料中摻雜硼和磷形成。
本發(fā)明所述的P型壓阻采用硼離子注入和阱推擴(kuò)散方式形成，N型壓阻采用磷離子注入和阱推擴(kuò)散的方式形成，聯(lián)接各壓阻之間的導(dǎo)線14采用金材料。
本發(fā)明的特點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在一個(gè)驅(qū)動(dòng)源下實(shí)現(xiàn)反射鏡片的二維偏轉(zhuǎn)掃描，集成了角度測(cè)量器件，能對(duì)反射鏡片兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。和現(xiàn)有MOEMS二維掃描鏡相比，本發(fā)明有以下特點(diǎn)1)慣性產(chǎn)生器和反射鏡片形成一個(gè)整體，其質(zhì)心偏離柔性梁的彎曲軸和扭轉(zhuǎn)軸，使反射鏡片同時(shí)具有彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度；2)反射鏡片與受激塊之間僅采用一個(gè)柔性梁相連，使整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造容易；3)驅(qū)動(dòng)源僅采用一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器，提高施加兩種諧振頻率合成的驅(qū)動(dòng)電壓，使系統(tǒng)在一個(gè)驅(qū)動(dòng)源下能夠?qū)崿F(xiàn)反射鏡片的二維掃描運(yùn)動(dòng)；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(shí)時(shí)角度測(cè)量成為可能，使系統(tǒng)能夠閉環(huán)工作。


圖1為微型二維掃描鏡的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為微型二維掃描鏡的彎曲偏轉(zhuǎn)振動(dòng)圖。
圖3為微型二維掃描鏡的扭曲偏轉(zhuǎn)振動(dòng)圖。
圖4為壓電電阻布局設(shè)計(jì)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(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明。
1.微型二維掃描鏡整體結(jié)構(gòu)圖1所示是微型二維掃描鏡的整體結(jié)構(gòu)，由反射鏡片1、慣性產(chǎn)生器2、受激塊3、壓電驅(qū)動(dòng)器4和柔性梁5組成，其中反射鏡片1與慣性產(chǎn)生器2形成一個(gè)整體，受激塊3與壓電驅(qū)動(dòng)器4粘結(jié)，上下兩部分通過(guò)柔性梁5連接。
反射鏡片1具有彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，圖2所示是微型二維掃描鏡的彎曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圖3所示是微型二維掃描鏡的扭曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)方向的振動(dòng)上具有不同的諧振頻率。當(dāng)向壓電驅(qū)動(dòng)器4施加彎曲方向諧振頻率的正弦波驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，反射鏡片1將繞x軸在彎曲方向上產(chǎn)生共振；當(dāng)向壓電驅(qū)動(dòng)器4施加扭曲方向諧振頻率的正弦波驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，反射鏡片1將繞y軸在扭轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生共振；當(dāng)同時(shí)施加兩個(gè)方向上諧振頻率合成的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，反射鏡片1將同時(shí)繞x軸和y軸在彎曲和扭轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)大角度二維偏轉(zhuǎn)掃描。
微型二維掃描鏡的反射鏡片1、慣性產(chǎn)生器2、受激塊3和柔性梁5作為一個(gè)整體，選用(001)晶面的單晶硅，采用ICP(感應(yīng)耦合等離子刻蝕)工藝加工而成，并與壓電驅(qū)動(dòng)器4采用粘結(jié)的方式進(jìn)行裝配。
2.壓電電阻的設(shè)計(jì)詳細(xì)說(shuō)明圖4所示是壓電電阻的布局設(shè)計(jì)，分別采用了四個(gè)P型壓阻6～9和四個(gè)N型壓阻10～13。其中四個(gè)P型壓阻6～9位于柔性梁5靠近受激塊3的端部，壓阻6和壓阻8布置于[110]晶向，壓阻7和壓阻9布置于[-110]晶向，用于反射鏡片1彎曲偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量；四個(gè)N型壓阻10～13位于柔性梁5的中部，壓阻10和壓阻13布置于[-100]晶向，壓阻11和壓阻12布置于
晶向，用于反射鏡片1扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量。聯(lián)接各壓電電阻之間的導(dǎo)線14選用金材料。
P型壓阻6～9采用硼離子注入和阱推擴(kuò)散的方式形成，N型壓阻10～13采用磷離子注入和阱推擴(kuò)散的方式形成，導(dǎo)線14采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(gòu)成，布局形式如圖5所示，這種設(shè)計(jì)能通過(guò)讀取電橋的輸出電壓VB和VT，分別解算出彎曲和扭轉(zhuǎn)方向上的偏轉(zhuǎn)角，并能補(bǔ)償溫度對(duì)電阻的影響，提高測(cè)量精度和靈敏度。
本發(fā)明所述帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡可構(gòu)成閉環(huán)控制的微掃描系統(tǒng)，如圖6所示。由于本發(fā)明所述帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡內(nèi)集成了測(cè)量偏轉(zhuǎn)角的惠斯頓電橋，使微掃描系統(tǒng)能夠?qū)ΧS掃描鏡的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)所探測(cè)目標(biāo)的角度信息反饋，形成閉環(huán)控制，以調(diào)節(jié)微型二維掃描鏡的掃描范圍。
權(quán)利要求
1.帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，其特征在于，含有反射鏡片(1)、慣性產(chǎn)生器(2)、受激塊(3)、壓電驅(qū)動(dòng)器(4)和柔性梁(5)，其中，反射鏡片(1)和慣性產(chǎn)生器(2)形成一個(gè)整體，呈“”形，水平部分是反射鏡片(1)，垂直部分是慣性產(chǎn)生器(2)，其質(zhì)心偏離柔性梁(5)的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉(zhuǎn)軸；壓電驅(qū)動(dòng)器(4)是一塊壓電陶瓷片，其輸入信號(hào)是相互疊加的兩個(gè)具有不同頻率的正弦直流脈動(dòng)電壓，分別使反射鏡片(1)對(duì)彎曲軸作彎曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和對(duì)扭轉(zhuǎn)軸作扭曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述的正弦直流脈動(dòng)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(gè)正弦直流脈動(dòng)電壓的幅值，ω1和ω2分別為反射鏡片(1)作彎曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和作扭曲偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的諧振頻率；受激塊(3)，與所述壓電驅(qū)動(dòng)器(4)相粘結(jié)；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(shè)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)位于柔性梁(5)靠近受激塊(3)的端部，由四個(gè)P型壓阻(6)、(7)、(8)、(9)組成，壓阻(6)和壓阻(8)形成對(duì)角，布置于[110]晶向，壓阻(7)和壓阻(9)形成對(duì)角，布置于[-110]晶向，該惠斯頓電橋電路(B)用于反射鏡片(1)彎曲偏轉(zhuǎn)角θB的測(cè)量，送往外部信號(hào)處理器的輸出電壓VB與彎曲偏轉(zhuǎn)角θB的關(guān)系用下式表示θB=1.45l·VBh·E·Vi]]>其中l(wèi)為柔性梁的長(zhǎng)度，h為柔性梁的厚度，單位均為mm；E為硅的楊氏模量，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(zhuǎn)角θB的單位為rad；惠斯頓電橋電路(T)由四個(gè)N型電阻(10)、(11)、(12)、(13)組成，位于柔性梁(5)的中部，壓阻(10)和壓阻(13)形成對(duì)角，布置于[-100]晶向，壓阻(11)和電阻(12)形成對(duì)角，布置于
晶向，用于測(cè)量反射鏡片(1)的扭曲偏轉(zhuǎn)角θT，該惠斯頓電橋電路送往外部信號(hào)處理器的輸出電壓VT與扭曲偏轉(zhuǎn)角θT的關(guān)系式如下θT=0.64α·l·VTβ·b·G·Vi]]>其中b為柔性梁的寬度，單位為mm；G為硅的剪切模量，單位為GPa；電橋輸出電壓VT的單位為V；扭曲偏轉(zhuǎn)角θT的單位為rad；α和β為矩形截面柔性梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)設(shè)定值；所述反射鏡片(1)、慣性產(chǎn)生器(2)、受激塊(3)和柔性梁(5)作為一個(gè)整體，選用(001)晶向的單晶硅，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP工藝加工而成，通過(guò)受激塊(3)與壓電驅(qū)動(dòng)器(4)相粘結(jié)；所述壓阻(6)至壓阻(13)采用在硅材料中摻雜硼和磷形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡，其特征在于，所述的P型壓阻采用硼離子注入和阱推擴(kuò)散方式形成，N型壓阻采用磷離子注入和阱推擴(kuò)散的方式形成，聯(lián)接各壓阻之間的導(dǎo)線(14)采用金材料。
全文摘要
帶壓阻傳感器的微型二維掃描鏡屬于微掃描技術(shù)和MOEMS技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，該微型二維掃描鏡由集成在單晶硅上的反射鏡片、慣性產(chǎn)生器、受激塊和柔性梁以及另外一個(gè)與所述受激塊粘結(jié)的壓電驅(qū)動(dòng)器構(gòu)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(qū)動(dòng)器上疊加兩個(gè)不同頻率的正弦直流脈動(dòng)電壓后，反射鏡片同時(shí)相對(duì)于柔性梁的x方向的彎曲軸和y方向的扭轉(zhuǎn)軸作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彎曲偏轉(zhuǎn)角和扭曲偏轉(zhuǎn)角分別由位于靠近受激塊端部的以及位于柔性梁中部的兩個(gè)惠斯頓電橋測(cè)出的電壓V
文檔編號(hào)G01D5/12GK101082702SQ20071011847
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者尤政, 張弛, 張高飛, 于世潔 申請(qǐng)人:清華大學(xué)