多折扭转梁及包括其的非线性减弱的MEMS扭转镜的制作方法

多折扭转梁及包括其的非线性减弱的mems扭转镜
技术领域
1.本实用新型属于微光机电领域，具体涉及mems扭转镜，特别是一种多折扭转梁及包括该多折扭转梁的非线性减弱的mems扭转镜。


背景技术：

2.相较于传统的机械光扫描装置，mems扭转镜具有体积小、重量轻、易集成、响应快和寿命长等优点，在激光投影、激光雷达和3d成像等领域内得到越来越多的应用。大多数情况下，mems扭转镜直接决定了整个扫描装置的性能，因此，提高mems扭转镜的性能成为技术人员关注的重点。
3.在mems扭转镜的结构设计中，常选用扭转梁作为弹性元件提供回复力。工作过程中，外部驱动力(可由压电驱动、静电驱动、电磁驱动，热电驱动和磁滞伸缩驱动等常用的驱动方式产生)施加扭矩到扭转梁上，使其发生弹性扭转变形，以产生回复力，而驱动力、阻尼力和回复力的共同作用决定扭转镜的运动状态。回复力与转角之间的非线性关系极大地影响了扭转镜性能，使得谐振运动出现非稳定域和双向扫频谐振频率相差大的现象，限制了运动的频率范围和转角。同时，静态转动出现的驱动力与转角之间的非线性关系，增加了转角控制难度。
4.专利文献(cn102540459b)公开了在扭转梁上设置狭缝的方法，解决了因离扭转中心轴的距离不同导致扭转梁的变形状态不同而产生的位移非线性的问题，实现了高频驱动下减少非线性共振发生的目的。但该文献中所采用的扭转梁为直梁，结构相对简单。然而在不同的设计中，出于芯片尺寸和振动模态等因素的考虑，往往需要将扭转梁设计为多折扭转梁或者蛇形梁(如专利文献 (cn101655602a))。多折扭转梁形状复杂，在扭转过程中外侧梁距离扭转中心轴更远，扭转梁各位置的扭转变形差异更大，因此所呈现的非线性更强。
5.因此，期望通过设计形状特殊的多折扭转梁，实现非线性减弱的mems扭转镜。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种多折扭转梁及包括该多折扭转梁的非线性减弱的mems扭转镜，通过设计形状特殊的多折扭转梁，减弱mems扭转镜的非线性，提高扭转镜的谐振运动和静态运动的性能，解决由非线性引起的频率范围和转角限制以及角度控制难度大等问题。
7.本实用新型的实用新型构思为：
8.本实用新型通过布置多折横梁使各段扭转梁的扭转中心与各自几何中心重合，减弱因多折扭转梁各位置扭转变形差异大而带来的mems扭转镜的运动非线性。结合可以提供线性扭矩的驱动器，实现非线性减弱的mems扭转镜。其在采用多折扭转梁时，不表现出明显的非线性特征，即谐振运动不出现非稳定域和双向扫频相差大的现象，静态转动不出现驱动力和转角之间的非线性关系，提升mems 扭转镜的性能。
9.需要强调的是本实用新型公开的多折扭转梁与公开号为cn109633893a的中国专
利公开的扭转梁虽然在形状上有相似之处，但本实用新型中的多折扭转梁的特殊形状(第二横梁和第五横梁为细长梁，确保在扭转过程中发生一定的变形，变形可将第一扭转梁和第三扭转梁的扭转变形中心由第二扭转梁的几何中心调整到各自的几何中心)可以实现非线性的减弱，而cn109633893a专利中没有描述该部分内容，同时这也是以往公开的多折扭转梁所不具备的。普通的多折扭转梁仅能实现减小扭转梁整体尺寸，增大扭转谐振频率而不增加应力的目的，具有很强的非线性特征。
10.本实用新型的技术方案是提供一种多折扭转梁，其特殊之处在于：包括三组扭转梁、六组横梁及两组过渡梁；
11.上述三组扭转梁相互平行，沿y方向延伸，沿x方向排布，分别为第一扭转梁、第二扭转梁与第三扭转梁，第一扭转梁与第三扭转梁排布在第二扭转梁两侧，且关于第二扭转梁对称；
12.六组横梁均沿x方向延伸，分别为第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁、第五横梁及第六横梁；第一横梁与第四横梁排布在第二扭转梁两侧，且关于第二扭转梁对称；第二横梁与第五横梁排布在第二扭转梁两侧，且关于第二扭转梁对称；第三横梁与第六横梁排布在第二扭转梁两侧，且关于第二扭转梁对称；
13.两组过渡梁分别为第一过渡梁与第二过渡梁，沿y方向延伸，排布在第二扭转梁两侧，且关于第二扭转梁对称；
14.第一横梁、第一扭转梁、第二横梁、第一过渡梁及第三横梁依次首尾相接；
15.第四横梁、第三扭转梁、第五横梁、第二过渡梁及第六横梁依次首尾相接；
16.第三横梁与第六横梁连接后与第二扭转梁一端连接，第二扭转梁的另一端用于与mems扭转镜连接；第一横梁与第四横梁的自由端远离第二扭转梁，用于与 mems扭转镜的固定框架连接；
17.各个梁连接部位设置圆弧倒角；
18.第二横梁和第五横梁为细长梁，确保在扭转过程中发生一定的变形，变形可将第一扭转梁和第三扭转梁的扭转变形中心由第二扭转梁的几何中心调整到各自的几何中心。
19.进一步地，w
2.6
＞w
2.21
＞w
2.6
/2≈w
2.51
＞w
2.11
≈w
2.31
；l
2.11
≈l
2.41
＜l
2.31
/2.5；其中， w
2.6
为第二扭转梁的宽度，w
2.21
为第一扭转梁的宽度，w
2.51
为第三横梁的宽度， w
2.11
为第一横梁的宽度，w
2.31
为第二横梁的宽度，l
2.11
为第一横梁的长度，l
2.41
为第一过渡梁的长度，l
2.31
为第二横梁的长度。
20.进一步地，w
2.6
≈1.4w
2.11
≈2w
2.51
≈4w
2.11
≈4w
2.31
；l
2.41
≈l
2.31
/3。
21.本实用新型还提供一种非线性减弱的mems扭转镜，包括驱动结构、可动结构与及固定框架，上述可动结构包括反射镜与扭转梁；其特殊之处在于：
22.上述扭转梁为两个上述的多折扭转梁；
23.两个上述的多折扭转梁对称布置在反射镜两侧；
24.两个多折扭转梁中第一横梁与第四横梁的自由端均与固定框架连接，驱动结构用于驱动两个多折扭转梁带动反射镜线性运动。
25.进一步地，上述驱动结构包括永磁体基座、永磁体及外部驱动磁路；永磁体基座设置于反射镜背面中心位置，永磁体基座中心开有与永磁体形状相适配的凹槽；永磁体嵌入永磁体基座的凹槽中；
26.两个多折扭转梁中第二扭转梁的另一端分别与永磁体基座的相对两侧连接；
27.外部驱动磁路施加电磁力到永磁体上，通过永磁体将转动力矩作用于两个多折扭转梁，带动反射镜线性运动，实现光扫描。
28.进一步地，上述反射镜为矩形反射镜；还包括设置于反射镜背面的加强筋，加强筋沿镜面长度方向向外延伸，永磁体基座一体成形。
29.进一步地，两个多折扭转梁中第二扭转梁的另一端分别与反射镜相对两侧连接；上述驱动结构包括对称布置在反射镜另外两侧的动梳齿，以及与动梳齿对应的静梳齿，动梳齿与静梳齿组成垂直交错梳齿驱动器；
30.在目标扭转方向一侧的动静梳齿上施加不同的电压，动梳齿受到静电力的作用，向静梳齿方向转动，带动反射镜线性运动，实现光扫描。
31.进一步地，mems扭转镜还包括反射镜锚点与反射镜支柱；反射镜支柱设置于反射镜锚点的中心，反射镜固定在反射镜支柱上；两个多折扭转梁中第二扭转梁的另一端分别与反射镜锚点相对两侧连接；上述驱动结构包括对称布置在反射镜锚点另外两侧的动梳齿，以及与动梳齿对应的静梳齿，动梳齿与静梳齿组成垂直交错梳齿驱动器。
32.进一步地，两个多折扭转梁中第二扭转梁的另一端分别与反射镜相对两侧连接；上述驱动结构包括对称布置在反射镜另外两侧的四组压电驱动器；四组压电驱动器与mems扭转镜的固定框架连接。
33.本实用新型的有益效果是：
34.1、本实用新型设计形状特殊的多折扭转梁减弱了mems扭转镜运动的非线性，实现了扭转镜的线性运动；
35.本实用新型相较于普通多折扭转梁，增加了第二横梁、第一过渡梁、第五横梁和第二过渡梁，且第三横梁和第六横梁形状出现明显变化，长度变长；增加的第二横梁和第五横梁是一根细长梁，在扭转过程中可以发生一定的变形，变形可将外侧扭转梁第一扭转梁和第三扭转梁的扭转变形中心由第二扭转梁的几何中心调整到它们各自的几何中心，减小三根扭转梁之间的扭转变形差异，进而减弱 mems扭转镜的非线性运动，实现扭转镜的线性运动，提升了mems扭转镜的性能。
36.2、本实用新型设计形状特殊的多折扭转梁，实现了扭转镜的线性运动，从而消除了非线性引起的谐振运动的非稳定域，增大了频率范围和转角。
37.3、本实用新型设计形状特殊的多折扭转梁，实现了扭转镜的线性运动，从而消除了静态转动的驱动力和转角的非线性关系，减小了角度控制难度。
38.4、本实用新型多折扭转梁所占用的空间较直梁小，使得芯片整体尺寸减小，在单片晶圆上可制作包含更多芯片，降低了扭转镜制作成本。
附图说明
39.图1(a)为实施例1中电磁驱动非线性减弱扭转镜正面示意图；
40.图1(b)为实施例1中电磁驱动非线性减弱扭转镜背面示意图；
41.图中：1
‑
反射镜，2
‑
第一多折扭转梁，3
‑
第二多折扭转梁，4
‑
加强筋，5
‑
永磁体基座，6
‑
永磁体；
42.2.11
‑
第一横梁，2.21
‑
第一扭转梁，2.31
‑
第二横梁，2.41
‑
第一过渡梁，2.51
‑
第三
横梁，2.6
‑
第二扭转梁，2.12
‑
第四横梁，2.22
‑
第三扭转梁，2.32
‑
第五横梁，2.42
‑ꢀ
第二过渡梁，2.52
‑
第六横梁；
43.图2为实施例1中电磁驱动非线性减弱扭转镜多折扭转梁局部示意图；
44.图3为采用普通多折扭转梁的电磁驱动扭转镜示意图；
45.图中：1
‑
反射镜，2
‑
第一多折扭转梁，3
‑
第二多折扭转梁；
46.2.11
‑
第一横梁，2.21
‑
第一扭转梁，2.51
‑
第三横梁，2.6
‑
第二扭转梁，2.12
‑
第四横梁，2.22
‑
第三扭转梁，2.52
‑
第六横梁；
47.图4(a)为普通多折扭转梁扭转中心示意图；
48.图4(b)为实施例1中多折扭转梁扭转中心示意图；
49.图5为采用普通多折扭转梁的电磁驱动扭转镜的幅频曲线图；
50.图6为实施例1中电磁驱动非线性减弱扭转镜的幅频曲线图；
51.图7为线性和非线性扭转镜的扭矩转角关系图；
52.图8为实施例2中静电驱动非线性减弱扭转镜示意图；
53.图中：8
‑
反射镜，7a
‑
第一多折扭转梁，7b
‑
第二多折扭转梁，9a
‑
第一动梳齿， 9b
‑
第二动梳齿，10a
‑
第一静梳齿，10b
‑
第二静梳齿；
54.图9为实施例3中静电驱动非线性减弱扭转镜示意图；
55.图中：11a
‑
第一多折扭转梁，11b
‑
第二多折扭转梁，12
‑
反射镜锚点，12a
‑
第一动梳齿，12b
‑
第二动梳齿，13a
‑
第一静梳齿，13b
‑
第二静梳齿，14
‑
反射镜，15
‑ꢀ
反射镜支柱；
56.图10(a)为压电驱动非线性减弱扭转镜示意图；
57.图10(b)为压电驱动器局部示意图。
58.图中：16a
‑
第一多折扭转梁，16b
‑
第二多折扭转梁，17
‑
反射镜，18a
‑
第一压电驱动器，18b
‑
第二压电驱动器，18c
‑
第三压电驱动器，18d
‑
第四压电驱动器， 18a.1
‑
支撑梁，18a.21
‑
第一压电层，18a.22
‑
第二压电层，18a.23
‑
第三压电层。
具体实施方式
59.以下结合附图以及具体实施例进一步描述本实用新型。
60.实施例1
61.图1(a)和图1(b)表示实施例1的非线性减弱扭转镜结构，本实施例采用电磁驱动方法产生扭转力矩。图1(a)为电磁驱动非线性减弱扭转镜的正面示意图，图1(b)为电磁驱动非线性减弱扭转镜的背面示意图。
62.如图1(a)和(b)所示，电磁驱动非线性减弱mems扭转镜包括反射镜1、第一多折扭转梁2、第二多折扭转梁3、加强筋4、永磁体基座5及永磁体6，此外，还包括涂敷于反射镜1表面的光反射材料、扭转镜固定框架和外部驱动磁路 (图中未显示)。本实施例反射镜1为矩形形状，加强筋4设置于反射镜1背面，沿镜面长度方向向外延伸，抑制反射镜1在运动中的变形。永磁体基座5与加强筋4一体成形，设置于反射镜背面中心位置，中心开有与永磁体6外侧相配合的用于永磁体6定位和安装的凹槽。永磁体6嵌入永磁体基座5的凹槽中。
63.第一多折扭转梁2与第二多折扭转梁3结构相同，对称布置在反射镜两侧。
64.第一多折扭转梁2包括三组扭转梁、六组横梁及两组过渡梁；三组扭转梁相互平行，沿y方向延伸，沿x方向排布，分别为第一扭转梁2.21、第二扭转梁2.6 与第三扭转梁
2.22，第一扭转梁2.21与第三扭转梁2.22排布在第二扭转梁2.6两侧，且关于第二扭转梁2.6对称；六组横梁均沿x方向延伸，分别为第一横梁2.11、第二横梁2.31、第三横梁2.51、第四横梁2.12、第五横梁2.32及第六横梁2.52；第一横梁2.11与第四横梁2.12排布在第二扭转梁2.6两侧，且关于第二扭转梁2.6 对称；第二横梁2.31与第五横梁2.32排布在第二扭转梁2.6两侧，且关于第二扭转梁2.6对称；第三横梁2.51与第六横梁2.52排布在第二扭转梁2.6两侧，且关于第二扭转梁2.6对称；两组过渡梁分别为第一过渡梁2.41与第二过渡梁2.42，沿y方向延伸，排布在第二扭转梁2.6两侧，且关于第二扭转梁2.6对称；第一横梁2.11、第一扭转梁2.21、第二横梁2.31、第一过渡梁2.41及第三横梁2.51依次首尾相接；第四横梁2.12、第三扭转梁2.22、第五横梁2.32、第二过渡梁2.42及第六横梁2.52依次首尾相接；第三横梁2.51与第六横梁2.52连接后与第二扭转梁 2.6一端连接，第二扭转梁2.6的另一端与永磁体基座连接；第一横梁2.11与第四横梁2.12的自由端远离第二扭转梁2.6，与mems扭转镜的固定框架连接，固定框架用于支撑扭转镜可动部分(包括反射镜1、第一多折扭转梁2、第二多折扭转梁3、加强筋4、永磁体基座5及永磁体6)。多各梁的连接设置圆弧倒角消除应力集中，减小多折扭转梁破坏风险，延长扭转镜使用寿命。合理设置多折扭转梁中第二扭转梁2.6、第一扭转梁2.21与第三扭转梁2.22之间的位置和尺寸，使扭转过程中三段扭转梁中应力分布均匀，降低损坏可能性。
65.实施例1中的非线性减弱扭转镜工作原理为：外部驱动磁路施加电磁力到永磁体6上，通过永磁体6将转动力矩作用于第一多折扭转梁2与第二多折扭转梁3，第一多折扭转梁2与第二多折扭转梁3发生扭转变形，带动反射镜1转动，实现光扫描。电磁驱动力产生线性转动力矩是实现扭转镜线性运动的基础。
66.图2为实施例1中电磁驱动非线性减弱扭转镜多折扭转梁局部示意图，各组成梁的尺寸具有如下关系：w
2.6
＞w
2.21
＞w
2.6
/2≈w
2.51
＞w
2.11
≈w
2.31
，l
2.11
≈l
2.41
＜ l
2.31
/2.5。其中，w
2.6
为第二扭转梁2.6的宽度，w
2.21
为第一扭转梁2.21的宽度， w
2.51
为第三横梁2.51的宽度，w
2.11
为第一横梁2.11的宽度，w
2.31
为第二横梁2.31 的宽度，l
2.11
为第一横梁2.11的长度，l
2.41
为第一过渡梁2.41的长度，l
2.31
为第二横梁2.31的长度。更为优选的可取w
2.6
≈1.4w
2.11
≈2w
2.51
≈4w
2.11
≈4w
2.31
；l
2.41
≈l
2.31
/3。
67.图3表示采用普通多折扭转梁的电磁驱动扭转镜，该扭转镜的第一多折扭转梁2包括第一横梁2.11，第一扭转梁2.21，第三横梁2.51，第二扭转梁2.6，以及关于第二扭转梁2.6对称布置的第四横梁2.12、第三扭转梁2.22及第六横梁2.52。该扭转镜扭转时，三段扭转梁的扭转中心位置在图4(a)中表示，处于内侧的第二扭转梁2.6与处于外侧第一扭转梁2.21和第三扭转梁2.22的扭转中心均为第二扭转梁2.6的几何中心2.6c，第一扭转梁2.21和第三扭转梁2.22绕2.6c转动使得它们的扭转变形相较第二扭转梁2.6存在比较大的差异，因而，具有较强的非线性。
68.相较于图3中的普通多折扭转梁，本实施例1中的多折扭转梁增加了第二横梁2.31、第一过渡梁2.41、第五横梁2.32和第二过渡梁2.42，且第三横梁2.51和第六横梁2.52形状出现明显变化，长度变长。增加的第二横梁2.31和第五横梁2.32 是一根细长梁，在扭转过程中可以发生一定的变形，变形可将外侧扭转梁第一扭转梁2.21和第三扭转梁2.22的扭转变形中心由第二扭转梁的几何中心调整到它们各自的几何中心2.21c、2.22c和2.6c(如图4(b)所示)，减小三根扭转梁之间的扭转变形差异，扭转镜非线性减弱。
69.图5表示采用普通多折扭转梁的电磁驱动扭转镜的幅频曲线，因为存在较强的非线性，升频扫描幅频曲线与降频扫描存在不重合的非稳定域，扭转镜不能在谐振点工作，非稳定域使扭转镜工作频率范围和转角受到限制。
70.图6表示实施例1中非线性减弱扭转镜的幅频曲线，采用形状特殊的多折扭转梁后非线性明显减弱，升频扫描幅频曲线和降频扫描重合，不存在非稳定域。扭转镜可以在谐振点上谐振运动，实现最大的扭转角度，工作频率和扭转角度不受限制。
71.图7为线性和非线性扭转镜的扭矩转角关系图。线性扭转镜为实施例1中的非线性减弱的扭转镜，非线性扭转镜为采用普通多折扭转梁的扭转镜。线性扭转镜扭矩与转角关系呈线性关系，而非线性扭转镜扭矩和转角呈现明显的非线性关系。依据线性扭转镜扭矩和转角之间的简单的线性关系，可以方便地根据转矩得到对应的转角，更容易实现转角的高精度控制。
72.实施例2
73.图8表示实施例2中的非线性减弱扭转镜结构，本实施例采用静电驱动方式提供扭转力矩。
74.如图8所示，本实施例中静电驱动非线性减弱扭转镜包括反射镜8，与反射镜8相对两侧连接的第一多折扭转梁7a和第二多折扭转梁7b(反射镜8相对两侧分别与第一多折扭转梁7a和第二多折扭转梁7b中第二扭转梁的另一端连接)，对称布置在反射镜8另外两侧的第一动梳齿9a和第二动梳齿9b，以及与动梳齿对应的第一静梳齿10a和第二静梳齿10b，动梳齿与静梳齿组成垂直交错梳齿驱动器。此外还包括涂敷于反射镜8表面的光反射材料和扭转镜固定框架(图中未示出)，固定框架固定整个扭转镜的可动部分(包含反射镜8、第一多折扭转梁7a、第二多折扭转梁7b、第一动梳齿9a和第二动梳齿9b)。第一多折扭转梁7a和第二多折扭转梁7b中第一横梁与第四横梁的自由端均与扭转镜的固定框架连接。
75.实施例2中的静电驱动非线性减弱扭转镜工作原理为：在目标扭转方向一侧的动静梳齿上施加不同的电压v0和v1，动梳齿受到静电力的作用，向静梳齿方向转动，带动反射镜转动。垂直交错梳齿驱动器提供的线性扭转力矩和特殊形状的多折扭转梁配合，实现扭转镜的线性运动。
76.实施例3
77.图9表示实施例3中的非线性减弱扭转镜结构，本实施例采用静电驱动方式提供扭转力矩。
78.如图9所示，本实施例中的静电驱动非线性扭转镜包括反射镜锚点12，与反射镜锚点12连接且关于反射镜锚点12对称布置的第一多折扭转梁11a和第二多折扭转梁11b，对称布置在反射镜锚点12另外两侧的第一动梳齿12a和第二动梳齿12b，与动梳齿对应的第一静梳齿13a和第二静梳齿13b，设置于反射镜锚点 12中心的反射镜支柱15，反射镜支柱15支撑的反射镜14。此外还包括涂敷于反射镜14表面的光反射材料和扭转镜固定框架(图中未示出)。扭转镜固定框架与第一多折扭转梁11a和第二多折扭转梁11b中第一横梁与第四横梁的自由端连接，固定框架固定整个扭转镜的可动部分(包含反射镜锚点12、反射镜支柱15、反射镜14、第一多折扭转梁11a、第二多折扭转梁11b、第一动梳齿12a和第二动梳齿12b)。与实施例2相比，本实施例中的扭转镜将梳齿驱动器置于反射镜下方，提高了镜面的填充率。
79.实施例3中的静电驱动非线性扭转镜工作原理与实施例2中的相同。
80.实施例4
81.图10表示实施例4中的非线性减弱扭转镜结构，本实施例采用压电驱动方式提供扭转力矩。图10(a)为压电驱动非线性减弱扭转镜示意图，图10(b)为压电驱动器局部示意图。
82.如图10(a)所示，本实施例中的压电驱动非线性扭转镜包括反射镜17，与反射镜17连接且关于反射镜17对称布置的第一多折扭转梁16a和第二多折扭转梁16b，对称布置在反射镜17另外两侧的第一压电驱动器18a、第二压电驱动器 18b、第三压电驱动器18c和第四压电驱动器18d。此外，还包括涂敷于反射镜 17表面的光反射材料和扭转镜固定框架(图中未示出)，扭转镜固定框架与第一多折扭转梁16a和第二多折扭转梁16b中第一横梁与第四横梁的自由端连接，还与第一压电驱动器18a、第二压电驱动器18b、第三压电驱动器18c和第四压电驱动器18d连接，固定整个扭转镜的可动部分(包含反射镜17、第一多折扭转梁16a、第二多折扭转梁16b、第一压电驱动器18a、第二压电驱动器18b、第三压电驱动器18c和第四压电驱动器18d)。如图10(b)所示，压电驱动器18a包括支撑梁 18a.1和第一压电层18a.21、第二压电层18a.22、第三压电层18a.23。
83.实施例4中的压电驱动非线性扭转镜工作原理：在扭转目标方向一侧的两个压电驱动器上施加相同的使压电驱动器末端向下运动的电压信号，另一侧的两个压电驱动器上施加相反的使压电驱动器末端向上运动的电压信号。压电驱动器产生的扭转力矩带动反射镜转动。压电驱动器提供的线性扭转力矩和特殊形状的多折扭转梁配合，实现扭转镜的线性运动。