[實(shí)用新型]一種梯形梳齒、靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器及MEMS掃描鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202022767909.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-25
• 公開（公告）號(hào): CN214097963U
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭俊興;杜先鵬;金傳廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州小優(yōu)智能科技有限公司
• 主分類號(hào): G02B26/08
• 分類號(hào): G02B26/08;G02B26/10
• 代理公司: 北京金碩果知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11259
• 代理人: 郝曉霞

本實(shí)用新型公開了一種梯形梳齒，所述梯形梳齒的根部寬度大于頭部寬度，且所述梯形梳齒的寬度從梯形梳齒根部到梯形梳齒頭部單調(diào)減小。梯形梳齒設(shè)計(jì)，其梳齒根部的寬度大于梳齒頭部寬度，在保持梳齒平均寬度不變的情況下，可以大幅度增加梳齒根部的剛度；在芯片尺寸一定的情況下，采用本實(shí)用新型的梯形狀梳齒結(jié)構(gòu)，相較于現(xiàn)有技術(shù)中的矩形梳齒結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高梳齒驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)扭矩、增大驅(qū)動(dòng)角度，或者減小芯片尺寸、降低驅(qū)動(dòng)電壓，大幅度提高芯片的技術(shù)性能、降低芯片的成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種梯形梳齒、MEMS掃描鏡及制備方法。

背景技術(shù)

光學(xué)掃描技術(shù)是電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件如光學(xué)反射鏡、光學(xué)透鏡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束或成像點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)作掃描，在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，成為光學(xué)技術(shù)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。特別是對(duì)于激光技術(shù)，激光一般為準(zhǔn)直光束，需要通過激光掃描鏡來實(shí)現(xiàn)激光掃描或指向，從而實(shí)現(xiàn)特定圖案的激光掃描、特定方向的激光指向，完成激光掃描、激光指向、激光跟蹤、激光投影成像、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光生成、激光三維測(cè)量、激光3D打印、激光加工等應(yīng)用。因此，光學(xué)掃描鏡具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)需求。

光學(xué)掃描鏡通常是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)光學(xué)反射鏡實(shí)現(xiàn)光束的掃描，包括振鏡掃描和多面轉(zhuǎn)鏡掃描兩種。傳統(tǒng)的掃描振鏡是一種特殊的擺動(dòng)電機(jī)，基本原理是通電線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生力矩，其轉(zhuǎn)子上通過機(jī)械紐簧產(chǎn)生與扭轉(zhuǎn)角度成正比的回復(fù)力矩。當(dāng)線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，電磁力矩與回復(fù)力矩大小相等，不像普通電機(jī)一樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是往復(fù)式的角度偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角與驅(qū)動(dòng)電流成正比，與電流計(jì)的工作原理一樣，因此振鏡又叫電流計(jì)掃描振鏡(galvanometric scanner)，也稱為做高速掃描振鏡(Galvo scanning system)。由于傳統(tǒng)掃描鏡的掃描系統(tǒng)、反射鏡的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，掃描振鏡的掃描頻率難以提高，通常只能達(dá)到數(shù)百Hz。多面轉(zhuǎn)鏡掃描是由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)多面轉(zhuǎn)鏡，電機(jī)單方向的連續(xù)掃描，其掃描的角速度一般是恒定的，由多面鏡輪流反射光束實(shí)現(xiàn)光束無回掃的單向光束掃描。由于采用了多面鏡掃描，可以實(shí)現(xiàn)光束掃描的加速，從而獲得較高的掃描速度，但其掃描角度也受到一定的限制；并且，高速轉(zhuǎn)動(dòng)將產(chǎn)生巨大的離心力，使反射鏡變形，最終限制多面轉(zhuǎn)鏡掃描的掃描速度，掃描轉(zhuǎn)速為每秒數(shù)百轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的光學(xué)掃描鏡為精密復(fù)雜的掃描機(jī)構(gòu)，成本高昂、體積大、控制復(fù)雜，極大的限制了掃描鏡的應(yīng)用范圍與市場(chǎng)。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的激光掃描器成為光學(xué)掃描鏡技術(shù)發(fā)展方向，其具有掃描速度快、多軸掃描、體積小、成本低等許多優(yōu)勢(shì)，成為低功率、小尺寸鏡面激光掃描的主要技術(shù)，極大的拓展了光學(xué)掃描的應(yīng)用市場(chǎng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。MEMS掃描鏡目前已得到廣泛的研究，目前市場(chǎng)上多家公司可以提供MEMS掃描鏡芯片。根據(jù)MEMS掃描鏡的應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可以分為諧振式的MEMS掃描振鏡和準(zhǔn)靜態(tài)的MEMS掃描鏡。從MEMS驅(qū)動(dòng)方式看，MEMS掃描鏡主要包括靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)和電熱驅(qū)動(dòng)四種，其中靜電驅(qū)動(dòng)是最成熟、應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。靜電驅(qū)動(dòng)MEMS掃描鏡主要采用靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)角度。

靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器是MEMS技術(shù)最主要的驅(qū)動(dòng)技術(shù)之一，其主要特征是包括由多對(duì)運(yùn)動(dòng)梳齒、固定梳齒交錯(cuò)排列的梳齒陣列，這樣的梳齒陣列通常包含一組至多組，共同構(gòu)成靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器。其驅(qū)動(dòng)的基本原理是梳齒對(duì)構(gòu)成梳齒電容，驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)梳齒電容充電，在梳齒電容兩電極上注入正、負(fù)靜電荷，靜電荷吸引力驅(qū)動(dòng)梳齒水平或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于梳齒扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，靜電荷吸引力通過MEMS扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)扭矩，該扭矩與扭轉(zhuǎn)軸的回復(fù)力矩平衡，決定著掃描鏡的扭轉(zhuǎn)角度大小。靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)扭矩是扭轉(zhuǎn)運(yùn)行的根本原因，正比于梳齒垂直方向靜電力和力臂的乘積。因此，為了增大靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)扭矩，增加梳齒垂直方向靜電力和驅(qū)動(dòng)力臂是主要的設(shè)計(jì)方向。