一种集成线性角度传感器的微镜的制作方法

本发明涉及微纳光学器件技术领域，具体涉及一种集成线性角度传感器的微镜。

背景技术：

微镜是一类可以有效实现光路调控的微纳芯片，广泛应用于投影、成像、激光导航等领域。目前应用最多的微镜包括静电式、电磁式、压电式以及电热式等几种。目前应用的微镜中一大部分采用无角度反馈的开环控制方式，该种微镜存在的一个严重不足是缺乏有效的角度反馈，造成微镜控制不精确的问题，从而导致投影和成像漂移、导航偏差等问题。现有部分微镜采用了一定的角度反馈，但仍然存在较多问题。

目前应用的微镜，一种角度反馈的方式是在微镜之外设置角度检测装置，用来测量微镜的转角，可以在一定程度上实现微镜的角度反馈。例如专利号为zl200410085274.1的专利公开了一种采用光学组件进行角度测量的微镜方案。但这种方法检测装置需要将激光光源、光路、位置传感器等部件加入微镜模组，极大增加了微镜模组的体积、功耗以及系统复杂程度。更重要的是，这种检测方式由于安装误差等因素，难以实现精准的角度反馈，并且各个微镜模组一致性差。

也有采用集成在微镜中的角度传感器进行角度检测的方案，例如申请公布号为cn109814251a的公开专利设计了一种电热驱动，采用平板电容检测的微镜。该方案在基底上设置电容片，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈。该方案减少了微镜模组中的光路和位置传感器的部件，一定程度上降低了微镜模组的复杂度。然而该方案采用平板电极元件作为角度反馈电容，该反馈电容输出与微镜转角之间是非线性关系，对应关系复杂，输出转换速度慢，非线性关系求解舍去误差大，平板电极电容小，输出信号微弱，对处理电路要求高，信噪比低。该方案采用电热驱动方式，微镜工作频率低，难以适用于高频扫描。

论文“apiezoelectricallyactuatedscaningmicromirrorintegratedwithanglesensors”(keyengineeringmaterials2011，483:437-442)中揭示了一种集成了压电角度传感器的压电驱动式微镜。然而压电驱动以及压电传感器采用pzt材料，工艺兼容性差，加工难度大，易对芯片生产线产生污染。同时，压电传感器对处理电路输入阻抗要求极高，电路复杂，成本高。压电式传感器在低频下性能差，难以适用于微镜的低频扫描。

综上所述，无反馈的微镜控制精度差，而现有带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、测量线性度差、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成线性角度传感器的微镜，解决现有无反馈的微镜控制精度差，带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题。

本发明的实现过程如下：

一种集成线性角度传感器的微镜，包括基座、角度传感器、反射镜元件，所述基座是四周边框包围底部形成的凹槽状结构，所述反射镜元件为平面结构，所述基座与反射镜元件连接形成具有中空结构的盒体，所述盒体的中空结构中轴向设置有角度传感器。

进一步，所述角度传感器包括定子和转子，所述转子设置在定子的上部。

进一步，所述角度传感器的定子和转子均具有扇形阵列电极；定子的扇形阵列电极和转子的扇形阵列电极相互配合形成扇形阵列电容器。

进一步，所述转子的上端面高于定子的上端面，所述扇形阵列电极的扇形角度α范围是小于120°。

进一步，所述定子的下端面与基座的凹槽状结构底部固定连接，所述转子的上端面与反射镜元件的下表面固定连接。

进一步，所述反射镜元件包括镜体、转轴、旋转驱动梳齿阵列、固定驱动梳齿阵列、第一固定框架和第二固定框架；所述第一固定框架和第二固定框架之间设置有凹槽，所述第二固定框架对称设置在反射镜元件的轴向两边；所述镜体的轴向两端分别与转轴连接，所述转轴与第二固定框架连接，所述镜体的径向两端设置有旋转驱动梳齿阵列，所述第一固定框架的径向两侧边向内设置有与旋转驱动梳齿阵列相交错的固定驱动梳齿阵列；所述转子的上端面与镜体的下表面固定连接。

进一步，所述转轴的一端与镜体的轴向侧边连接，另一边与第二固定框架的轴向侧边连接；所述旋转驱动梳齿阵列的梳齿根部与镜体的径向侧边连接，所述固定驱动梳齿阵列的梳齿根部与第一固定框架的径向侧边连接，所述旋转驱动梳齿阵列的梳齿端部与固定驱动梳齿阵列的梳齿端部悬空交错设置；所述第一固定框架上设置有用于施加电压的接电焊盘，第二固定框架上设置有接地焊盘。

进一步，所述第一固定框架和第二固定框架的下表面与基座四周边框的上表面连接形成具有中空结构的盒体。

进一步，所述基座的材质选自单晶硅、多晶硅、石英、玻璃以及高分子聚合物中任意一种；所述反射镜元件的材质选自单晶硅、多晶硅、石英以及高分子聚合物中任意一种；所述角度传感器的材质为高分子聚合物。

进一步，所述高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷、su8胶、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。

本发明所述的集成了圆弧阵列线性角度传感器的微镜可以通过微纳加工工艺一体化制造，无需装配环节，制造效率高、精度高、费用低。

本发明的积极效果：

(1)角度传感器与微镜集成，结构紧凑，系统简单，体积小，功耗低。

(2)角度传感器输出信号反馈到微镜驱动信号，实时调节驱动信号，从而优化微镜控制方法，有效提高微镜的控制精度。

(3)角度传感器的输出信号与微镜转角成正比，即角度传感器的输出与微镜转角成线性关系，反馈信号易于处理，微镜驱动控制调节易于实现，精度高。

附图说明

图1为本发明所述集成线性角度传感器的微镜的外观示意图；

图2为本发明所述集成线性角度传感器的微镜的轴向剖面图；

图3为本发明所述集成线性角度传感器的微镜的径向剖面图；

图4为本发明所述集成线性角度传感器的微镜的俯视图；

图5为本发明所述基座的立体图；

图6为本发明所述角度传感器的立体图；

图7为本发明所述反射镜元件的立体图；

图8为本发明所述集成线性角度传感器的微镜的工作原理；

图中，1基座，2角度传感器，201定子，202转子，3反射镜元件，301镜体，302转轴，303旋转驱动梳齿阵列，304固定驱动梳齿阵列，305第一固定框架，306第二固定框架，307接电焊盘，308接地焊盘，α扇形角度，β镜体和转子转过的角度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

为了解决现有无反馈的微镜控制精度差，带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题，本发明提供一种集成线性角度传感器的微镜。本发明提出的微镜集成了线性角度传感器2，可以对微镜转角进行实时检测，并且角度传感器2输出与微镜转角之间是线性关系，角度传感器2信噪比高，提高了微镜控制精度；并且本发明提出的微镜可适用于低频和高频扫描需求。

实施例1

本实施例所述集成线性角度传感器的微镜，见图1-7，包括基座1、角度传感器2、反射镜元件3，所述基座1是四周边框包围底部形成的凹槽状结构，所述反射镜元件3为平面结构，所述基座1与反射镜元件3连接形成具有中空结构的盒体，所述盒体的中空结构中轴向设置有角度传感器2。所述角度传感器2包括定子201和转子202，所述转子202设置在定子201的上部。所述定子201的下端面与基座1的凹槽状结构底部固定连接，所述转子202的上端面与反射镜元件3的下表面固定连接。所述角度传感器2的定子201和转子202均具有扇形阵列电极；定子201的扇形阵列电极和转子202的扇形阵列电极相互配合形成扇形阵列电容器。所述转子202的上端面高于定子201的上端面，所述扇形阵列电极的扇形角度α范围是小于120°。所述反射镜元件3包括镜体301、转轴302、旋转驱动梳齿阵列303、固定驱动梳齿阵列304、第一固定框架305和第二固定框架306；所述第一固定框架305和第二固定框架306之间设置有凹槽，所述第二固定框架306对称设置在反射镜元件3的轴向两边；所述镜体301的轴向两端分别与转轴302连接，所述转轴302与第二固定框架306连接，所述镜体301的径向两端设置有旋转驱动梳齿阵列303，所述第一固定框架305的径向两侧边向内设置有与旋转驱动梳齿阵列303相交错的固定驱动梳齿阵列304；所述转子202的上端面与镜体301的下表面固定连接。

更具体的是：所述转轴302的一端与镜体301的轴向侧边连接，另一边与第一固定框架305的轴向侧边连接；所述旋转驱动梳齿阵列303的梳齿根部与镜体301的径向侧边连接，所述固定驱动梳齿阵列304的梳齿根部与固定框架305的径向侧边连接，所述旋转驱动梳齿阵列303的梳齿端部与固定驱动梳齿阵列304的梳齿端部悬空交错设置；所述第一固定框架305上设置有用于施加电压的接电焊盘307，第二固定框架306上设置有接地焊盘308。所述第一固定框架305和第二固定框架306的下表面与基座1四周边框的上表面连接形成具有中空结构的盒体。

实施例2

本实施例所述集成线性角度传感器的微镜，包括基座1、角度传感器2、反射镜元件3，所述基座1是四周边框包围底部形成的凹槽状结构，所述反射镜元件3为平面结构，所述基座1与反射镜元件3连接形成具有中空结构的盒体，所述盒体的中空结构中轴向设置有角度传感器2。

实施例3

本实施例所述集成线性角度传感器的微镜，包括基座1、角度传感器2、反射镜元件3，所述基座1是四周边框包围底部形成的凹槽状结构，所述反射镜元件3为平面结构，所述基座1与反射镜元件3连接形成具有中空结构的盒体，所述盒体的中空结构中轴向设置有角度传感器2。所述角度传感器2包括定子201和转子202，所述转子202设置在定子201的上部。所述定子201的下端面与基座1的凹槽状结构底部固定连接，所述转子202的上端面与反射镜元件3的下表面固定连接。所述角度传感器2的定子201和转子202均具有扇形阵列电极；定子201的扇形阵列电极和转子202的扇形阵列电极相互配合形成扇形阵列电容器。所述转子202的上端面高于定子201的上端面，所述扇形阵列电极的扇形角度α范围是小于120°。

实施例4

本实施例所述集成线性角度传感器的微镜，包括基座1、角度传感器2、反射镜元件3，所述基座1是四周边框包围底部形成的凹槽状结构，所述反射镜元件3为平面结构，所述基座1与反射镜元件3连接形成具有中空结构的盒体，所述盒体的中空结构中轴向设置有角度传感器2。所述反射镜元件3包括镜体301、转轴302、旋转驱动梳齿阵列303、固定驱动梳齿阵列304、第一固定框架305和第二固定框架306；所述第一固定框架305和第二固定框架306之间设置有凹槽，所述第二固定框架306对称设置在反射镜元件3的轴向两边；所述镜体301的轴向两端分别与转轴302连接，所述转轴302与第二固定框架306连接，所述镜体301的径向两端设置有旋转驱动梳齿阵列303，所述第一固定框架305的径向两侧边向内设置有与旋转驱动梳齿阵列303相交错的固定驱动梳齿阵列304；所述转子202的上端面与镜体301的下表面固定连接。

更具体的是：所述转轴302的一端与镜体301的轴向侧边连接，另一边与第二固定框架306的轴向侧边连接；所述旋转驱动梳齿阵列303的梳齿根部与镜体301的径向侧边连接，所述固定驱动梳齿阵列304的梳齿根部与第一固定框架305的径向侧边连接，所述旋转驱动梳齿阵列303的梳齿端部与固定驱动梳齿阵列304的梳齿端部悬空交错设置；所述第一固定框架305上设置有用于施加电压的接电焊盘307，第二固定框架306上设置有接地焊盘308。所述第一固定框架305和第二固定框架306的下表面与基座1四周边框的上表面连接形成具有中空结构的盒体。

本发明所述基座1的材质选自单晶硅、多晶硅、石英、玻璃以及高分子聚合物中任意一种；所述反射镜元件3的材质选自单晶硅、多晶硅、石英以及高分子聚合物中任意一种；所述角度传感器2的材质为高分子聚合物。所述高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷、su8胶、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。

本发明所述集成线性角度传感器的微镜的工作原理，见图8：

在固定驱动梳齿阵列304上施加交变的驱动电压v，所述的交变驱动电压为方波、三角波、锯齿波、正弦波和余弦波，旋转驱动梳齿阵列303、镜体301以及转轴302接地，固定驱动梳齿阵列304和旋转驱动梳齿阵列303之间产生交变的静电驱动力，使得镜体301和旋转驱动梳齿阵列303产生绕转轴302的转动(转动原理参考文献(attiliofrangi,andreaguerrieri,robertocarminati,andgianlucamendicino.parametricresonanceinelectrostaticallyactuatedmicromirrors[j].ieeetransactionsonindustrialelectronics,vol.64,no.2,february2017:1544-1551.))，入射到镜体301表面反光镜面的光线被反射，而反射面随着镜体301转动，形成所需的投影图案。镜体301与角度传感器的转子202固定连接，因此镜体301在转动过程中带动转子202转动，从而使得转子202和定子201形成的电容器的电容发生改变。镜体301和转子202转过的角度β与该电容器的电容变化量成正比，即δc＝αεr²/2d，其中ε是空气相对介电常数，r是扇形半径，d是角度传感器的定子201的扇形和转子202的扇形之间的间距。角度传感器的输出信号与微镜转角成正比，即角度传感器的输出与微镜转角成线性关系。角度传感器输出信号反馈到微镜驱动信号，实时调节驱动信号。

其中，本发明所述镜体301可以是表面覆盖金属层或者有机物等反光材料作为反射入射光的镜面，也可以是不需要涂覆层即可实现反射入射光的镜面。所述转子202的上端面与镜体301的下表面固定连接的方式为键合，如果转子202与镜体301的材质是高分子聚合物，则适用参考文献中的常温键合；如果是无机材料则适用参考文献中全部键合方法以及阳极键合方法(王晨曦，王特，许继开，王源，田艳红.晶圆直接键合及室温键合技术研究进展[j].精密成形工程.2018.10(1):67-73)。本发明所述镜体301和转子202转过的角度β为0～60°。此外，第一固定框架305和第二固定框架306的下表面与基座1四周边框的上表面的连接方式也为键合。定子201与基座1的凹槽状结构底部固定连接的方式为键合。所述定子201与转子202之间无连接关系，只有位置关系。

本发明所述集成线性角度传感器的微镜的角度传感器2的定子201和转子202均具有扇形阵列电极，二者相互配合形成扇形阵列电容器，该电容器的电容随着微镜角度改变而变化，从而实现角度传感器2对微镜转角的实时检测。角度传感器2向驱动信号提供反馈，并且该反馈为线性信号，极大提高了微镜的控制精度。本发明所述微镜主要应用于投影、成像、激光导航等设备中。

本发明在微镜结构中集成了线性电容式角度传感器用以检测微镜转角，向微镜驱动信号提供反馈，从而提高微镜控制精度。特征在于采用圆弧式阵列电容传感器设计，可以获得微镜转角的线性信号，极大增强检测精度。并且这一设计可以通过微加工工艺实现，无需微组装工序。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。