一种压电微镜和控制方法与流程

本发明实施例涉及光电子产品领域，尤其涉及一种压电微镜和控制方法。

背景技术：

近年来随着互联网、移动互联网、云计算等信息交互技术的高速发展，人们可以随时随地通过各类终端接入互联网，享受高清视频、可视通话、网络购物、信息查询等便捷的数据服务，由此导致产生的数据总量急剧增长，大概每六个月人类社会产生的数据总量是以往的数据量之和。如此庞大的数据量必然会给现有的网络设备传输和交换能力提出了更高的要求。全光交换技术是一种能够提高信息交换处理速率的革新性技术。

采用三维微机电系统(3-Dimensional Micro-Electro-Mechanical System,3D-MEMS)微镜阵列结构可以灵活的应对大规模光交换端口的需求，提高光交换的容量。3D-MEMS微镜的重要性能指标之一为切换时间，即微镜从一个位置扭转至另一位置并稳定下来所需的时间。在光交换过程中，微镜的切换时间可认为是信息包与包之间的等待时间，高速的微镜结构带来的有益结果就是高速率的光信息交换。

现有技术中的3D-MEMS微镜采用驱动力较小的静电驱动结构，因此微镜的切换速度不高，切换时间仅能达到毫秒量级。未来的大型光信息交换应用对3D-MEMS微镜的性能提出了更高的要求，切换时间需要降低至微秒量级，甚至更低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种压电微镜和控制方法，用于解决现有技术中微镜切换速度不高的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种压电微镜，包括N个第一压电悬臂梁和转动件，N为大于1的整数，所述转动件上包括反射镜片；所述第一压电悬臂梁的第一端固定，所述第一压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第一边连接；第一压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动所述转动件转动至第一角度并固定在第一角度。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，，还包括M个第二压电悬臂梁，M为大于0的整数；所述第二压电悬臂梁的第一端固定，所述第二压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第二边连接；第二压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动所述转动件转动至第一角度并固定在第一角度。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，两个所述第一压电悬臂梁的一边相互连接。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，两个所述第二压电悬臂梁的一边相互连接。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一压电悬臂梁的第二端通过S型弹簧和所述转动件的第一边连接。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述第二压电悬臂梁的第二端通过S型弹簧和所述转动件的第二边连接。

第二方面，本发明实施例提供一种压电微镜的控制方法，用于控制第一方面提供的压电微镜，所述方法包括：在第一时间段内控制N个第一悬臂梁的第二端产生向第一方向位移的力；在第二时间段内控制N个第一悬臂梁中的O个第一悬臂梁的第二端产生向第一方向位移的力，控制N个第一悬臂梁中的P个第一悬臂梁的第二端产生向第二方向位移的力，O和P均为大于等于1的整数，第一方向和第二方向不同。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，还包括：在第一时间段内控制M个第二悬臂梁的第二端产生向第二方向位移的力；在第二时间 段内控制M个第二悬臂梁中的R个第二悬臂梁的第二端产生向第二方向位移的力，控制M个第二悬臂梁中的S个第二悬臂梁的第二端产生向第一方向位移的力，R和S均为大于等于1的整数。

结合第一方面或者第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，还包括：在第三时间段内控制N个第一悬臂梁的第二端不产生位移，控制M个第一悬臂梁的第二端不产生位移。

本发明实施例提供一种压电微镜，包括N个第一压电悬臂梁和转动件，N为大于1的整数，所述转动件上包括反射镜片；所述第一压电悬臂梁的第一端固定，所述第一压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第一边连接；第一压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动所述转动件转动至第一角度并固定在第一角度。使用压电悬臂梁可以提高转动件的转动速度，从而可以提高微镜的切换速度。为了提高转动件的转动速度，第一压电悬臂梁的个数大于1。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的一种压电微镜的结构图。

图2是本发明一个实施例的一种压电悬臂梁驱动转动件转动的示意图。

图3是本发明一个实施例的一种压电悬臂梁的一种横截面结构示意图。

图4是本发明一个实施例的一种压电微镜的控制方法流程图。

图5是本发明一个实施例的一种压电微镜的控制示意图。

图6是本发明一个实施例的另一种压电微镜的控制示意图。

图7是本发明一个实施例的一种压电微镜的结构图。

图8是本发明一个实施例的另一种压电微镜的结构图。

图9是本发明一个实施例的再一种压电微镜的结构图。

图10是本发明一个实施例的再一种压电微镜的结构图。

图11是本发明一个实施例的再一种压电微镜的结构图。

图12是本发明一个实施例的一种压电微镜阵列的结构图。

图13是本发明一个实施例的另一种压电微镜阵列的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种压电微镜，包括一个转动件102，所述转动件102上包括反射镜片，N个第一压电悬臂梁，分别为第一压电悬臂梁101A、第一压电悬臂梁101B…，第一压电悬臂梁101N，其中N为大于1的整数。

所述第一压电悬臂梁的第一端固定，所述第一压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第一边连接。例如第一压电悬臂梁101A的第一端固定，第一压电悬臂梁101A的第二端和转动件102的第一边连接；第一压电悬臂梁101B的第一端固定，第一压电悬臂梁101B的第二端和转动件102的第一边连接；第一压电悬臂梁101N的第一端固定，第一压电悬臂梁101N的第二端和转动件102的第一边连接。

所述第一压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动转动件102转动至第一角度并固定在第一角度。

在其它实施例中，转动件102的另一侧也可以连接有压电悬臂梁以提高转动件的转动速度，例如如图1所示，压电微镜还包括M个第二压电悬臂梁，分别为第二压电悬臂梁103A、第二压电悬臂梁103B…，第二压电悬臂梁103M，其中M为大于1的整数。优选的，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁的个数相等，即M和N相等。优选的，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁沿转动件102 的两边对称排列，即第一压电悬臂梁101A和第二压电悬臂梁103A沿转动件102的两边对称排列；第一压电悬臂梁101B和第二压电悬臂梁103B沿转动件102的两边对称排列…。

所述第二压电悬臂梁的第一端固定，所述第二压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第二边连接。例如第二压电悬臂梁103A的第一端固定，第二压电悬臂梁103A的第二端和转动件102的第二边连接；第二压电悬臂梁103B的第一端固定，第二压电悬臂梁103B的第二端和转动件102的第二边连接；第二压电悬臂梁103N的第一端固定，第二压电悬臂梁103N的第二端和转动件102的第二边连接。

第二压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动所述转动件转动至第一角度并固定在第一角度。

在一个实施例中，N个第一压电悬臂梁的第一端和M个第二压电悬臂梁的第一端可以固定在同一个固定件上。例如如图1所示，N个第一压电悬臂梁的第一端和M个第二压电悬臂梁的第一端都固定在固定件104上。当然也可以采用其它固定方式，本发明对此不作限定。

在一个实施例中，为了限制转动件的转动，转动件可以包括转动轴，转动件围绕转动轴转动。例如如图1所示，转动件102包括转动轴105A和105B，转动件102围绕转动轴105A和105B转动，当然，转动轴并不是必须的。在一些实施例中，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁可以直接连接在转动轴上驱动转动轴转动，从而带动转动件转动。

下面根据图2说明利用压电悬臂梁驱动转动件转动的示意图。在第一压电悬臂梁和第一压电悬臂梁均未施加电压的情况下，第一压电悬臂梁的悬臂(第二端)和第一压电悬臂梁的悬臂(第二端)均未发生形变，这时转动件保持原始状态，属于零偏转。当对第一压电悬臂梁施加正向电压，压电材料收缩使得悬臂上翘，第二压电悬臂梁施加反向电压，压电材料伸张使得悬臂下探，由此带动转动区实现正转角的偏转。另一种情况是第一压电悬臂梁施加反向电压，压电材料伸张使得悬臂下探，第二压电悬臂梁施加正向电压，压电材料收缩使 得悬臂上翘，由此带动转动区实现负转角的偏转。压电悬臂梁的电压和压电薄膜的形变的关系，压电薄膜的形变和压电悬臂梁的形变的关系，这两种关系依赖于压电悬臂梁的结构和成分，上面的例子仅为了方便理解。

如图3所述，为压电悬臂梁的一种横截面结构示意图，包括上电极301、压电薄膜302、下电极303以及衬底304。其中上电极301和下电极303的成分可以为Ti，Au等金属或其合金；压电薄膜302的成分可以为PZT、氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)等压电材料；衬底304的成分可以为可以作为弹性支撑的单晶硅等。可以通过上电极301和下电极303对压电薄膜302施加电压，从而导致压电薄膜302产生收缩或伸张等形变，压电薄膜302的收缩或伸张等形变主要是水平方向的形变，压电悬臂梁的第一端固定，压电悬臂梁的衬底304成分为弹性的单晶硅，因此会导致压电悬臂梁的第二端即悬梁端产生向上或向下的位移力，从而导致压电悬臂梁的第二端上翘或下探。

本发明实施例提供的压电微镜上的第一压电悬臂梁的第一端固定，第一压电悬臂梁的第二端和所述转动件的第一边连接，并且第一压电悬臂梁的第二端可以在电压控制下产生位移带动所述转动件转动至第一角度并固定在第一角度。使用压电悬臂梁可以提高转动件的转动速度，从而可以提高微镜的切换速度。为了提高转动件的转动速度，第一压电悬臂梁的个数大于1，还可以在转动件的第二边增加第二压电悬臂梁。

本发明实施例还提供了一种压电微镜的控制方法。如图4所示，包括：

S401，在第一时间段内控制N个第一悬臂梁的第二端产生向第一方向位移的力。

S402，在第二时间段内控制N个第一悬臂梁中的O个第一悬臂梁的第二端产生向第一方向位移的力，控制N个第一悬臂梁中的P个第一悬臂梁的第二端产生向第二方向位移的力，O和P均为大于等于1的整数，第一方向和第二方向不同。

该控制方法包括两个阶段，即第一时间段和第二时间段，在第一时间段所有的第一悬臂梁均提供相同的制动动力，以加速转动件的转动，在第二时间段 部分第一悬臂梁提供相反的制动动力，从而实现转动件的快速稳定，以稳定在所需的转动角度。

如图5所示，为本发明实施例提供的一种压电微镜的控制示意图，以控制图1中的压电微镜为例进行说明，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁对称排布，第一压电悬臂梁的个数和第二压电悬臂梁的个数相等。初始状态，即所有的压电悬臂梁均无驱动电压时，悬臂均处于舒展状态，转动件102属于零偏转状态。当有指令要求转动件102偏转至角度θ1时，通过计算偏转角度的数值大小，分配启动和制动阶段所需的驱动电压V11和V12、施加时间t11和t12，然后通过驱动电路对第一压电悬臂梁(101A、101B、…101N)施加电压V11，通过驱动电路对第二压电悬臂梁(103A、103B、…103N)施加电压-V11，转动件102启动转动，持续时间为t11，即第一时间段；在制动阶段，对选定的部分第一压电悬臂梁施加电压-V12进行反向驱动，对选定的部分第二压电悬臂梁施加电压V12进行反向驱动，其它未选定的压电悬臂梁可以继续施加之前的电压，通过减弱的动力、反向制动力和继续转动带来的逐渐增加的阻尼相互配合，使得转动件102快速停止至角度θ1并维持静止状态，t12和稳定时间阶段，电压的施加情况可以不变，即为第二时间段。图5的上部分给出了第一压电悬臂梁的电压施加示意，如果某个时间点只有实线，则所有的第一压电悬臂梁的电压相同，如果某个时间点既有实线也有虚线，则虚线表明选定的部分第一压电悬臂梁的电压，实线表明未选定的第一压电悬臂梁的电压。图5的下部分给出转动件102的转动速度，t11阶段为转动件102的加速阶段，t12为转动件102的减速阶段。

如果下一个指令要求转动件102偏转至角度θ2时，通过需要偏转角度的值大小θ2-θ1，分配启动和制动阶段所需的驱动电压V21和V22、施加时间t21和t22，然后通过驱动电路将第一压电悬臂梁(101A、101B、…101N)的驱动电压全部改变至V21，将第二压电悬臂梁(103A、103B、…103N)的驱动电压全部改变至-V21，转动件102启动转动，持续时间为t21，即第一时间段；在制动阶段，对选定的部分第一压电悬臂梁施加电压-V22进行反向驱动，对选定的部分第二压电悬臂梁施加电压V22进行反向驱动，其它未选定的压电悬臂梁可以继 续施加之前的电压，通过减弱的动力、反向制动力和继续转动带来的逐渐增加的阻尼相互配合，使得转动件102快速停止至角度θ2并维持静止状态，t12和后续稳定时间阶段，电压的施加情况可以不变，即为第二时间段。

本发明实施例提供的控制方法在加速阶段采用相比于被动制动结构更高的驱动电压实现转动件102的快速启动，在减速阶段进行主动可控的反向制动，使得转动件102能够快速停止。

下面通过图6简单说明本发明实施例提供的控制方法为什么能够提高转动件的转动速度，图6中细线为单一电压V1驱动转动件时转角随时间的变化曲线，粗线为采用本发明实施例提供的控制方法驱动转动件时转角随时间的变化曲线。对于单一电压驱动转动件的方法，一个电压值即对应一个转角值，相应的转动件稳定下来所需的时间也是固定的。根据结构力学的原理，在临界阻尼状态下，不同电压驱动下转动件稳定下来的时间近乎相等，只是在在起步阶段转角和时间的曲线上升斜率不同。高压V2驱动的转动曲线在起步阶段的斜率高于低压V1驱动的转动曲线。这样，对于采用本发明实施例提供的控制方法，我们可以将转动件稳定下来之前的状态分为两个阶段，启动阶段和制动阶段，在启动阶段，我们采用高于驱动电压V1(单一电压驱动转动件的方法，V1对应的转角是θ)的电压V2对多个悬臂梁同时驱动，这样转动件的转角随时间变化的速率就会高于单一压电压驱动转动件的方法，在制动阶段，我们采用对多个悬臂梁中的部分悬臂梁施加反向电压来对制动件进行制动，这样转动件就能够快速的稳定于转角θ，所需时间t2便会小于t1。相比于单一电压驱动转动件的方法，本发明实施例提供的控制方法可以采用主动制动的控制方法，有效地提高压电驱动转动件到达指定转角的速度。

如图7所示，为本发明实施例提供的一种压电微镜。其中第一压电悬臂梁的个数为3个，第二压电悬臂梁的个数也为3个，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁对称排列，第一压电悬臂梁的第一端和固定框相连固定，第一压电悬臂梁的第二端通过S型弹簧和转动件相连，第二压电悬臂梁的第一端和固定框相连固定，第二压电悬臂梁的第二端通过S型弹簧和转动件相连，转动件绕转动 件的转动轴转动，转动件上包括反射镜。

如图8所示，为本发明实施例提供的另一种压电微镜，其是对图7所示的一轴压电微镜结构进行扩展后的两轴压电微镜结构，如图8所示，这种结构可以实现镜片的两轴转动，内框内的悬臂梁电驱动和外框所示的悬臂梁电驱动相对独立，内外框悬臂梁均可以采用主动制动驱动方式，实现镜片两轴快速的位置切换。外框悬臂梁对应的转动件为内框悬臂梁的固定件，外框悬臂梁对应的转动件上的反射镜和内框悬臂梁对应的转动件上反射镜是同一个反射镜。

如图9所示为本发明实施例提供的再一种压电微镜。其中第一压电悬臂梁的个数为6个，第二压电悬臂梁的个数也为6个，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁对称排列，第一压电悬臂梁的第一端和固定框相连固定，第一压电悬臂梁的第二端和转动件相连，第二压电悬臂梁的第一端和固定框相连固定，第二压电悬臂梁的第二端和转动件相连，转动件上包括反射镜。第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁连接处的转动件较窄，转动件的中心部分较宽，反射镜设置在转动件的中心部分。图9的压电微镜是图7的压电微镜的扩展，即压电悬臂梁的第二端直接连接到转动件的转动轴上，从而可以提高转动的速度和角度。

如图10所示，为本发明实施例提供的再一种压电微镜，其是对图9所示的一轴压电微镜结构进行扩展后的两轴压电微镜结构，如图10所示，这种结构可以实现镜片的两轴转动，内框内的悬臂梁电驱动和外框所示的悬臂梁电驱动相对独立，内外框悬臂梁均可以采用主动制动驱动方式，实现镜片两轴快速的位置切换。外框悬臂梁对应的转动件为内框悬臂梁的固定件，外框悬臂梁对应的转动件上的反射镜和内框悬臂梁对应的转动件上反射镜是同一个反射镜。

如图11所示，为本发明实施例提供的再一种压电微镜。其中第一压电悬臂梁的个数为6个，第二压电悬臂梁的个数也为6个，第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁对称排列，第一压电悬臂梁两两相互连接，并通过一个S型弹簧和转动件相连，第二压电悬臂梁两两相互连接，并通过一个S型弹簧和转动件相连，转动件绕转动轴转动，转动件上包括反射镜。图11中的两个第一压电悬臂梁连接在一起，但是它们的压电薄膜相互之间电隔离，因此可以施加不同的电压进 行控制，以实现反向制动的目的。使用图11中的压电微镜时，在减速阶段，可以直接选择相互连接的两个压电悬臂梁中的一个做反向制动。

如图12所示，为本发明实施例提供的一种压电微镜阵列，为一种3×3压电微镜阵列，可以进一步扩展为更大的微镜阵列。

如图13所示，为本发明实施例提供的另一种压电微镜阵列，3×3压电微镜阵列，可以进一步扩展为更大的微镜阵列。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器，使得通过该计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令可实现流程图中的一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。