一种MEMS微镜的角度和方向检测系统及方法

本发明涉及微机电(mems)领域，特别涉及一种mems微镜的角度和方向检测系统及方法。

背景技术：

1、mems微振镜是mems器件中十分重要的一个分支，其主要结构包括驱动电极、驱动结构和光学反射镜面，通过在驱动电极上施加一定的电信号，驱动结构将带动光学反射镜面发生扭转或平移，以实现对激光的指向控制、图形化扫描或图像显示。近年来随着mems技术的发展，mems微振镜的高集成度、高可靠性、小体积、低成本、易量产等优势愈发凸显，在汽车电子，投影显示，无线通信，生化检测等诸多领域中得到了广泛的应用，已经成为我国集成电路产业发展中重要的一环。

2、当mems微振镜被驱动在转动周期时，其偏转角度最大。因此在大多数应用中，为了获得尽可能大的扫描视场，mems微振镜通常被驱动在谐振状态附近。但是在靠近转动周期处，微振镜的角度和相位随频率的变化十分剧烈。当转动周期发生细微的变化时，就会导致微振镜的运动状态面临巨大的不确定性。而且，mems微振镜的转动周期极易受到环境因素的影响，例如温度、湿度和大气压力等的变化引起微振镜的材料特性发生变化(密度、泊松比和弹性常数)或热膨胀失配(由于使用不同材料构成的多层结构)，会导致微振镜的转动周期发生改变，进而导致其偏转角度和相位发生漂移，这给对微振镜的运动状态有较高精度要求的应用带来了巨大的挑战。

3、现有的mems微振镜角度和方向检测技术主要有四种技术方案，分别是光学检测、压阻检测、压电检测和电容检测。

4、光学检测技术是mems微振镜的角度和方向检测技术中较为常见的一种方式，其原理是利用光电传感器件将mems微振镜反射出的光信号转换为电信号，通过对电信号进行测量来追踪微振镜反射出的光斑的位置，进而推算出mems微振镜的偏转角度。该方案的优势在于原理简单，通过对光斑位置的直接测量能够实现较高的检测精度；劣势在于需要进行复杂的光学系统设计，而且整个检测系统的成本和体积难以降低。

5、压阻检测技术利用的是微振镜制造材料的压阻效应。压阻效应是指，当半导体材料受到应力作用时，其能带结构发生变化，导致材料的电阻率发生变化的现象。这种检测方案通常需要在微振镜的扭转结构中设计压阻传感器，当微振镜运动时，驱动力矩会导致扭转结构承受机械应力，从而导致压阻传感器的电阻发生变化，通过测量电阻的变化情况来计算微振镜的偏转位置信息。这种方案通过在微振镜结构中集成压阻传感器，能够实现集成度较高的检测装置；缺点在于会增加微振镜设计和流片的复杂度。

6、压电检测技术利用的是压电材料的正压电效应，当压电材料产生形变时，材料内部的电偶极矩会发生变化，并在材料表面产生正负电荷，进而产生电信号。这种检测方案通常用于压电驱动方式的mems微振镜，当微振镜发生偏转时，其驱动结构中压电材料的会发生形变，进而产生相应的电信号，通过测量该电信号来检测微振镜的位置信息，其优缺点同压阻式检测技术。

7、电容式检测是静电mems微振镜中最常见的位置检测方案，这种检测技术主要通过测量微振镜梳齿驱动结构的电容变化来检测微振镜的偏转位置。微振镜的梳齿驱动结构可以等效为一个可变电容，当微振镜发生偏转时，驱动结构的极板之间的交叠面积会发生变化，进而导致电容值发生改变。通过检测电容变化引起的电信号的变化情况来检测微振镜的偏转信息。可以看出电容式检测方案可以在无需增加额外光学元件、无需在微振镜结构中额外设计传感器的前提下提供连续稳定的位置传感信号。然而由于静电微振镜的梳齿结构通常为对称式设计，因此基于梳齿驱动结构的电容式检测方案存在无法针对微镜实时运动方向进行判断的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了一种mems微镜的角度和方向检测系统及方法，在不额外增加光学器件、不增加微振镜压阻压电结构的前提下，通过改进电极板的电容式检测技术，稳定提取出高精度的反映镜面偏转角度和偏转方向的位置检测信号，最终用于实现高精度mems微镜控制。

2、本发明第一方面提供了一种mems微镜的角度和方向检测系统，包括：

3、mems微镜，其镜面在信号驱动下进行转动；

4、电极板，设置于mems微镜镜面近处，并与mems微镜镜面形成电容，在mems微镜镜面转动时产生反应镜面偏转角度和方向的电信号；

5、信号采集电路，用于采集由mems微镜镜面转动时产生的电信号，并进行预处理后送至处理器；以及

6、处理器，用于为提供控制信号以驱动mems微镜镜面进行转动，以及接收信号采集电路发送的信号，并解析出mems微镜偏转角度和方向信息。

7、进一步的，还包括微镜驱动信号生成电路，用于接收处理器提供的控制信号，并将控制信号转换为驱动mems微镜镜面转动的驱动电压信号。

8、进一步的，所述信号采集电路包括滤波放大电路和模数转换采样电路；其中，

9、所述滤波放大电路与电极板连接，用于对电极板产生的反应镜面偏转角度和方向的电信号进行滤波和放大；

10、所述模数转换采样电路与位置反馈信号滤波放大电路连接，用于将滤波放大后的电信号转换为数字信号，并送至处理器。

11、进一步的，所述电极板由一块均匀金属片组成，根据需求设置在mems微镜镜面的正下方、斜面或侧面。

12、进一步的，所述电极板直接设置于mems微镜封装内的基板上或设置在mems微镜外部固定所需的印制电路板上。

13、进一步的，所述电极板和mems微镜镜面之间存在电隔离。

14、进一步的，所述mems微镜包括单轴或双轴运动的静电微镜、电热微镜、电磁微镜、压电微镜中的任意一种，当接收到驱动电压信号后，mems微镜镜面围绕转轴进行单轴或双轴进行转动。

15、进一步的，所述驱动电压信号根据mems微镜类型的不同为方波信号、正弦波信号、三角波信号或其叠加混合信号，驱动mems微镜镜面按照处理器预设指令进行转动。

16、进一步的，所述滤波放大电路包括滤波电路和放大电路，其中，滤波电容根据信号质量的不同由多级低通、高通、带通、或带阻滤波电路实现。

17、本发明第二方面提供了一种mems微镜的角度和方向检测方法，基于上述的mems微镜的角度和方向检测实现，包括：

18、步骤1、处理器预设mems微镜转动周期及最大偏转角度，并发出控制信号；

19、步骤2、通过控制信号驱动mems微镜镜面进行转动；

20、步骤3、电极板利用电容耦合效应检测mems微镜镜面实时位置以产生反应镜面偏转角度和方向的电信号；

21、步骤4、信号采集电路对电信号进行滤波和放大处理，保留有效信号，再将有效信号转换为数字信号送至处理器；

22、步骤5、处理器解析数字信号得到mems微镜偏转角度和方向信息。

23、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

24、(1)本发明通过改进微镜封装或微镜固定所需印制电路板提供电极板的方式，利用电容耦合微镜镜面获取馈电信号，稳定提取出高精度的反映微镜偏转角度和偏转方向的位置检测信号。

25、(2)本发明在不额外增加光学器件、不增加微振镜压阻或压电反馈结构的前提下，降低微镜设计和制造工艺复杂度，方便进一步提高微镜镜面填充率，并降低微镜生产成本和重量。

26、(3)本发明改进了现有微镜位置电容式检测方法无法判断微镜运动方向的缺点，能够在不影响微镜转动的情况下实时反馈微镜偏转角度的同时获取微镜当前运动方向，极大的方便微镜在光学扫描系统中的精确感知。