一种e31压电驱动的双轴MEMS微射镜

本发明涉及一种压电驱动的双轴微机电系统光学微型反射镜。

背景技术：

1、基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems)的微型反射镜(简称微镜)广泛应用于光学领域。比如：微型投影仪、激光测试系统、3d成像、光学开关等。在不同的应用领域，对mems微镜尺寸、频率、光学偏转角有不同要求。现有的mems微镜在高频工作时很难达到较高的光学偏转角，这极大地限制了光学系统的性能。

2、一般地，mems微镜可以通过控制镜面运动来控制反射光束的偏转，镜面的运动自由度一般可以分为整体面内运动、整体面外运动、扭转三类自由度，本发明仅涉及镜面的扭转运动。

3、微镜的驱动方式主要有静电、电磁、热电、压电这四类，其中：静电式的微镜通过静电吸引使得结构移动，需要施加相对高的激励电压(通常在几十至数百伏特)；电磁式微镜，在磁场中工作，线圈通入电流后，线圈在磁场中产生洛伦兹力使得镜面偏转。然而这种驱动方式一方面需要较高的电流，使得功耗较高，另一方面还需要集成磁性块体材料，增加了系统的体积；热电式的微镜，通过加热部分悬臂产生热应变让镜面偏转。这种驱动方式响应时间长，工作频率较低，应用场景较为有限。

4、压电式微镜避免了上述驱动方式的缺点，具有驱动电压低、工艺简单、响应快、能量密度高的优势。压电式驱动原理通常需要两层或以上的材料叠层，即压电层和非压电层，或者两层压电极性相反的材料。对其中一层压电材料施加电压，压电材料内部产生应力，由于另一层是非压电材料或者应力极性相反的压电材料，导致内部应力为零或者极性相反，两层材料之间的应力差异导致了应变，从而驱动微镜运动。压电材料可以选取钛锆酸铅(pzt)、氮化铝(aln)和氧化锌(zno)、钽酸锂(lt)、铌酸锂(ln)、钛酸钡(bto)、钛酸锶钡(bst)、铁酸铋(bfo)、铌酸钾钠(knn)、铌镁酸铅(pmn)-钛酸铅(pt)(pmn-pt)、铌锌酸铅(pzn-pt)等材料的其中一种或多种。

5、相比于单轴微镜，双轴微镜的其优势在于：镜面在不同的工作模式下可以沿着两个不同的轴做扭转运动。在需要进行二维平面扫描时，双轴微镜可以极大地光学系统的复杂性和体积。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种压电式双轴微型反射镜装置。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种e31压电驱动的双轴mems微射镜。所发明的微镜由上电极、下电极、压电层以及应变层组成的多层薄膜构成，结构上包括反射镜面、内扭转梁、内框架、外扭转梁、外框架以及锚点。反射镜面通过内扭转梁连接内框架；内框架通过外扭矩梁连接外框架；最后外框架通过锚点固定在衬底上。在外框架上覆盖了至少4个上电极，上下电极之间为压电层。在施加电场时，根据施加的电压极性不同，能够驱动所述双轴mems微射镜结构工作于两个不同的本征模式。根据频率高低称为慢速扫描模态以及快速扫描模态。当电压频率达到或者接近其中一个本征模式时，所述双轴mems微射镜谐振状态接近该本证模式。通常，慢速扫描模态对应内框架和镜面同时绕着外扭转梁旋转的模式(此时等效质量高，因此频率较低)；快速扫描模态对应镜面绕着内扭转梁旋转的模式(此时等效质量低，因此频率较高)。当撤去电场后，所述双轴mems微射镜工作在用于检测偏转角的传感模式。

3、当所述双轴mems微射镜工作于慢速扫描模态时，外框架在外扭转梁(慢速旋转轴)两侧产生的应力相反，应力使得内框架和镜面同时绕着外扭转梁旋转，驱使镜面绕着外扭转梁(慢速旋转轴)旋转做简谐运动。

4、当所述双轴mems微射镜工作于快速扫描模态时，外框架在内扭转梁(快速旋转轴)两侧产生的应力相反，应力使得镜面绕着内扭转梁旋转，驱使镜面绕着内扭转梁(快速旋转轴)旋转做简谐运动。

5、由慢速旋转轴及快速旋转轴将上电极分割为四个子电极，且压电层应当在面内沿慢速旋转轴及快速旋转轴方向分别拥有两个较大的等效压电系数e31,f。对于铌酸锂材料等效压电系数e31,f应当至少大于2c/m2。等效压电系数e31,f包含了压电系数e31和e33分量的贡献，e31,f＝d31/(s11+s33)＝e31+υ13e33。其中υ13表示泊松比(1，3方向)，d31表示压电系数(3,1方向)，s11表示柔度系数(1,1方向)，s33表示柔度矩阵(3,3方向)。

6、所述慢速旋转轴与所述快速旋转轴的夹角为60°-120°。

7、优选地，所述慢速旋转轴与所述快速旋转轴的夹角为90°。此时要求压电材料在面内两个正交的方向上拥有两个较大的e31,f等效压电系数，从而在两个旋转轴上都实现较大的光学偏转角。

8、优选地，通过优化所述压电层所采用的有压电性质的薄膜(压电薄膜)的切向来获得更大的偏转角。在特定的切向上，压电薄膜沿慢速旋转轴及快速旋转轴方向应当拥有两个较大的e31,f等效压电系数，从而驱使双轴mems微镜绕着所述慢速旋转轴或所述快速旋转轴进行偏转。

9、优选地，所述双轴mems微射镜的尺寸从数十微米到数千微米，其谐振频率从数百赫兹至数兆赫兹变化。

10、优选地，所述双轴mems微射镜采用交流信号驱动，能够独立或者同时实现慢速旋转轴及快速旋转轴上的振荡振幅。取决于材料、结构设计以及空气阻尼，振荡振幅是直流振幅的100-10000倍。

11、优选地，所述压电层所采用的压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或者惨杂氮化铝(掺杂元素可以是钪、镁等三族元素)，所述压电层厚度从0.1微米到10微米。

12、优选地，所述弯曲层所采用的非压电材料包括硅、氧化硅氮化硅等，所述弯曲层厚度从0.1微米到10微米。

13、本发明通过优化单晶压电材料(例如铌酸锂)的的切向，可以使得双轴微射镜工作的两个模态实现较高的光学偏转角(＞30°)。由于本发明的结构特性，双轴微射镜可以在相对高的频率下(＞50khz)工作。本发明的双轴微射镜在机电耦合系数(k2)、光学偏转角(θ)、反射镜面直径(d)、频率(f)都占据一定的优势，这意味着本发明将具有较高的优值fom＝f·θ·d，f决定了扫描刷新率，θ·d决定了扫描分辨率。

技术特征：

1.一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，为由上电极、下电极、压电层以及弯曲层组成的多层结构，包括反射镜面、内扭转梁、内框架、外扭转梁、外框架以及锚点；反射镜面通过内扭转梁连接内框架；内框架通过外扭矩梁连接外框架；外框架通过锚点固定在衬底上；当施加电场后，所述双轴mems微射镜能够工作于两个不同的本征模式，分别定义为慢速扫描模态以及快速扫描模态，其中，慢速扫描模态为频率低的本征模式，快速扫描模态为频率高的本征模式；当撤去电场后，所述双轴mems微射镜工作在用于检测偏转角的传感模式；

2.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述慢速旋转轴与所述快速旋转轴的夹角为60°-120°。

3.如权利要求2所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述慢速旋转轴与所述快速旋转轴的夹角为90°。

4.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，通过优化所述压电层所采用的有压电性质的薄膜的切向来获得更大的偏转角，其中，在特定的切向上，有压电性质的薄膜沿慢速旋转轴及快速旋转轴方向分别拥有两个较大的等效压电系数e31,f，从而使双轴mems微射镜绕着所述慢速旋转轴或所述快速旋转轴进行偏转。

5.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述双轴mems微射镜的尺寸从数十微米到数千微米，其谐振频率从数百赫兹至数兆赫兹变化。

6.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述双轴mems微射镜采用交流信号驱动，能够独立或者同时实现慢速旋转轴及快速旋转轴上的振荡振幅。

7.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述压电层所采用的压电材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或掺杂三族元素的氮化铝，所述压电层厚度从0.1微米到10微米。

8.如权利要求1所述的一种e31压电驱动的双轴mems微射镜，其特征在于，所述弯曲层所采用的材料包括硅、氧化硅或氮化硅，所述弯曲层厚度从0.1微米到10微米。

技术总结本发明公开了一种e31压电驱动的双轴MEMS微射镜，为由上电极、下电极、压电层以及弯曲层组成的多层结构，包括反射镜面、内扭转梁、内框架、外扭转梁、外框架以及锚点。反射镜面通过内扭转梁连接内框架；内框架通过外扭矩梁连接外框架；最后外框架通过锚点固定在衬底上。本发明通过优化单晶压电材料的切向，可以使得双轴微镜工作的两个模态实现较高的光学偏转角。由于本发明的结构特性，双轴微镜可以在相对高的频率下工作。本发明的双轴微镜在机电耦合系数、光学偏转角、反射镜面直径、频率都占据一定的优势。这意味着本发明将具有较高的优值。技术研发人员：吴涛,刘康福,陆瑶卿受保护的技术使用者：上海科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11