基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜及其驱动方法

本发明涉及微电子机械系统(mems)，特别是涉及一种基于非线性内共振现象的二维mems微镜及其驱动方法。

背景技术：

1、mems(micro electro mechanical system，微机电系统)微镜是一种用于光束转向光学mems器件，可以扫描一维或二维的激光束，具有扫描频率高、功耗低、成本低、设备体积小等优点，已广泛应用于激光显示、生物医学成像、光探测与测距等领域。

2、传统的二维mems微镜的反射镜可以在水平方向(x轴)与垂直方向(y轴)扭转。分别在互相垂直的x轴与y轴中设计对应的驱动梁，实现x轴和y轴模态同时驱动以及二维物体扫描。

3、专利文献cn112817141a介绍了一种二维mems微镜及其驱动方法，通过外部压电换能器施加频率为ω1的第一驱动信号va(压电信号)和第二驱动信号vb，由于第一驱动信号va和第二驱动信号vb的相位相反，压电驱动梁发生的弯曲变形与压电驱动梁发生的弯曲变形相反。外部扭转弹簧受到压电驱动梁的扭转力矩，从而使可动支撑件、内部压电换能器、内部扭转弹簧和反射镜关于x轴偏转，即第一旋转共振模态；在内部换能器施加频率为ω2的第三驱动信号vc(压电信号)和第四驱动信号vd，由于第三驱动信号vc和第四驱动信号vd的相位相反，另一压电驱动梁发生的弯曲变形与压电驱动梁发生的弯曲变形相反。内部扭转弹簧受到压电驱动梁5a-1、的扭转力矩，从而使反射镜关于y轴偏转，即第二旋转共振模态。从能量流动的角度来看，外部能量通过外部压电换能器和内部换能器分别输入到二维mems微镜的第一和第二旋转共振模态之中，并且两模态相互独立，无相互作用和能量交换，通过分别控制内外驱动梁实现反射镜的二维扫描运动。

4、可见，对反射镜进行二维共振驱动，需要在水平方向(x轴)与垂直方向(y轴)分别设置换能器(驱动器和感应器)，而内部换能器往往设计为随反射镜一起绕y轴偏转，存在结构设计和制备工艺较复杂、控制电路复杂、成本较高和反射镜面积较小的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二维mems微镜及其驱动方法，以解决现有二维微镜驱动结构复杂、镜面面积小、控制回路复杂以及稳定性有待提高等技术难点。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明提供一种基于非线性内共振现象的二维mems微镜，包括反射镜、可动支撑件、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴(x轴)偏转的外部扭转弹簧、使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴(y轴)偏转的内部扭转弹簧以及控制电路。所述水平轴(x轴)垂直于垂直轴(y轴)，所述第一旋转共振模态为反射镜和可动支撑件绕x轴扭转运动，所述第二旋转共振模态为反射镜y轴扭转运动。通过调节二维mems微镜在不同旋转共振模态的转动惯量和扭转刚度，将第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值设计为1∶n或n∶1(其中n为正整数)。

4、进一步，所述驱动梁可设计为压电换能器或静电换能器或电磁换能器或电热换能器，所述内部扭转弹簧一端连接反射镜另一端连接可动框架，所述外部扭转弹簧一端连接可动框架另一端连接驱动梁，所述控制电路可通过将驱动信号施加到所述驱动梁，实现对两个垂直扫描模态进行闭环控制。

5、另一方面，本发明提供一种二维mems微镜的非线性内共振驱动方法，在满足第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1∶n或n∶1(其中n为正整数)的二维mems微镜中，在非线性振动情况下第一和第二旋转共振模态会发生非线性内共振现象，即振动能量可以在两旋转共振模态间相互传递。通过驱动梁直接激励第一旋转共振模态至非线性振动区间，从而可间接激励第二旋转共振模态，实现二维共振扫描。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

7、1)通过一对外部驱动梁实现二维mems微镜扫描，减少了二维mems微镜驱动梁结构的数量，简化了二维mems微镜的驱动结构设计，增大了反射镜的面积以及降低了对高聚焦激光源的要求；

8、2)通过非线性内共振驱动方法，实现单一驱动信号同时控制二维微镜的第一以及第二旋转模态振动，简化二维微镜控制回路的复杂性；

9、3)通过非线性内共振驱动方法，可以提高二维微镜的振动稳定性，降低微镜的扫描误差。

技术特征：

1.一种基于非线性内共振现象的二维mems微镜，包括反射镜、可动框架、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴偏转的外部扭转弹簧，使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴偏转的内部扭转弹簧，以及控制电路，其特征在于，所述第一旋转共振模态为反射镜与可动框架绕外部扭转弹簧旋转振动，所述第二旋转共振模态为反射镜绕内部扭转弹簧旋转振动，所述第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1：n或n：1，其中n为正整数，确保所述第一旋转共振模态和第二旋转共振模态发生非线性内共振现象。

2.根据权利要求1所述的二维mems微镜，其特征在于，通过驱动梁直接激励第一旋转共振模态至非线性振动区间，从而间接激励第二旋转共振模态，使振动能量能在两旋转共振模态间相互传递，实现单一驱动信号控制二维扫描振动。

3.根据权利要求2所述的二维mems微镜驱动方法，其中能量传递包括电信号能量通过外置换能器转化为驱动梁机械能，驱动梁机械能直接激励第一旋转共振模态，第一旋转共振模态振动能量通过非线性内共振现象传递至第二旋转共振模态。

4.根据权利要求1所述的二维mems微镜，其特征在于，n≤6。

5.根据权利要求1所述的二维mems微镜，其特征在于，所述驱动梁可通过压电换能器、静电换能器、电磁换能器或电热换能器实现旋转模态的驱动与感应。

6.根据权利要求1所述的二维mems微镜，其特征在于，所述内部扭转弹簧一端连接反射镜另一端连接可动框架，所述外部扭转弹簧一端连接可动框架另一端连接驱动梁。

7.根据权利要求1所述的二维mems微镜控制电路，其特征在于，通过将驱动信号施加到驱动梁并采集驱动梁变形产生的感应信号或反射镜旋转产生的偏转光信号，调整驱动信号频率，实现对两个垂直扫描模态闭环控制。

8.权利要求1-7任一所述的二维mems微镜的驱动方法，其特征在于，通过施加相位相反的两个驱动信号，从而使反射镜以及可动框架关于水平轴偏转，即第一旋转共振模态；当向二维mems微镜输入的能量足够大时，第一旋转共振模态可被驱动到非线性区间并在微镜系统内产生高阶非线性力，即产生与第一旋转共振模态成整数倍的倍频信号，从而振动能量在第一、第二旋转共振模态间实现倍频振动能量相互传递，使反射镜绕垂直轴的振动可被水平轴的非线性振动间接激励，即驱动梁换能器产生的扭矩可以分别直接激振第一旋转模态和间接激振第二旋转模态，实现反射镜的二维扫描振动。

技术总结
一种基于非线性内共振现象的二维MEMS微镜及其驱动方法，包括反射镜、可动框架、驱动梁、使反射镜以及可动框架以第一旋转共振模态绕水平轴偏转的外部扭转弹簧，使反射镜以第二旋转共振模态绕垂直轴偏转的内部扭转弹簧，以及控制电路，第一旋转共振模态为反射镜与可动框架绕外部扭转弹簧扭转运动，第二旋转共振模态为反射镜绕内部扭转弹簧扭转运动，所述第一旋转共振模态与第二旋转共振模态的固有频率比值为1：N或N：1，其中N为正整数，确保所述第一旋转共振模态和第二旋转共振模态发生非线性内共振现象。本发明通过非线性内共振驱动，实现单一驱动信号同时控制二维微镜的第一、第二旋转模态振动，简化二维微镜结构设计以及控制回路的复杂性。

技术研发人员：陈建霖,王楠,古元冬,王昌浩
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14