基于温度补偿与应力反馈的MEMS微镜装置及其角度调节方法

本发明涉及微机电控制技术领域，尤其涉及一种基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置及其角度调节方法。

背景技术：

mems(micro-electro-mechanicalsystem)也称为微机电系统，是在纳米/微米技术基础上发展而来的21世纪前沿技术。其中，mems微镜是一种典型的微机电器件，反射镜在微小驱动结构的作用力下发生扭转或者变形，使照射到微镜上的激光的光路发生改变。

因为mems微镜具有体积小、高灵敏、低功耗等优点，并且便于大规模集成，它在现代光通信、激光雷达和激光显示等领域正在发挥着越来越重要的作用。

现有的方案是在mems微镜系统中引入压阻传感器。由于压阻效应，在反射镜转动时，压阻传感器在受到应力作用时会产生电导率变化，在传感器电阻的阻值变化后，传感器会发出电压信号，根据该信号的大小判断微镜的转角，进而改变微镜的驱动电压，达到稳定转角的目的。

然而，在现有的方案中，仅仅引入压阻传感器并不能达到稳定微镜转角的目的，因为半导体不仅存在压阻效应，其电导率和温度也有很大关系，也就是说，在不同的温度环境下，压阻传感器电阻受到同样大小的应力但是阻值的改变却不相同，进而压阻传感器的输出信号也不同，从而产生错误的信号。这是由于压阻传感器在温度改变时，其内部载流子的迁移率会随着温度改变而改变，因此，实际上压阻传感器的输出信号包含了应力和温度两方面的因素，想要获得正确的与转角有关的应力信号，单纯根据压阻效应来控制微镜转角会导致控制精度低、微镜每次转动的角度不稳定。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置及其角度调节方法，可以在压应力反馈的基础上隔离温度因素的影响，精确地实现转角调节的稳定性。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置，包括：

mems微镜，所述mems微镜包括转轴；

压阻传感器，所述压阻传感器集成于所述转轴上，所述压阻传感器的阻值在所述mems微镜发生扭转的过程中发生改变；

温度传感器，所述温度传感器集成于所述mems微镜上除所述转轴外的部位，其电阻阻值根据温度变化而变化。

作为其中一种实施方式，所述压阻传感器、所述温度传感器通过离子注入集成在所述mems微镜上。

作为其中一种实施方式，所述压阻传感器为惠斯通压阻电桥。

本发明的另一目的在于提供一种基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置的角度调节方法，包括：

制作rt-t标定曲线：将静态不工作的mems微镜放置在不同的温度环境下，测出在不同的温度t时的温度传感器的电阻阻值rt；

制作u-t标定曲线：使mems微镜保持在额定转角θ0工作，并将其放置在不同温度环境下，测出在不同的温度t时的压阻传感器的标准输出电压u标；

对mems微镜施加驱动电压；

测量压阻传感器的实时输出电压u测、温度传感器的电阻阻值rt；

将电阻阻值rt带入到rt-t标定曲线中，得出实时的温度t0；

将实时的温度t0带入u-t标定曲线，得出在温度为t0、mems微镜达到额定转角θ0时对应的压阻传感器的理论标准输出电压u标0；

调节驱动电压以改变mems微镜的转角，直至测得的实时输出电压u测＝u标0。

作为其中一种实施方式，压阻传感器集成于mems微镜的转轴上，所述压阻传感器的阻值在mems微镜发生扭转的过程中发生改变。

作为其中一种实施方式，温度传感器集成于mems微镜上除所述转轴外的部位，其电阻阻值根据温度变化而变化。

作为其中一种实施方式，所述压阻传感器、所述温度传感器通过离子注入集成在所述mems微镜上。

作为其中一种实施方式，所述压阻传感器为惠斯通压阻电桥。

作为其中一种实施方式，所述电阻阻值rt的变化的测量是通过反向比例运算电路实现。

本发明同时考虑到应力和温度两方面的因素对于压阻传感器的输出信号的影响，引入只检测温度因素的影响而不感受应力的温度传感器，将温度的变化单独检测出来，从而达到隔离温度因素影响的目的，根据温度变化情况生成反馈信号来调节驱动电压，实现mems微镜的转角稳定的驱动补偿。

附图说明

图1为本发明实施例的mems微镜装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的mems微镜装置的温度补偿原理示意图；

图3为本发明实施例的mems微镜装置的角度调节方法的流程图；

图4为本发明实施例的惠斯通电桥的原理示意图；

图5为本发明实施例的温度传感器的测量原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，为本实施例的基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置的结构示意图。mems微镜装置主要包括mems微镜10、压阻传感器20以及温度传感器30，mems微镜10包括转轴110，压阻传感器20集成于转轴110上，压阻传感器20的阻值可以在mems微镜10发生扭转的过程中发生改变，而温度传感器30与之不同，集成于mems微镜10上除转轴110外的部位，其电阻阻值根据温度变化而变化。

优选压阻传感器20、温度传感器30都通过离子注入的方式集成在mems微镜10上，但是二者的注入位置有所不同。具体地，mems微镜10包括反射镜11和框架12，反射镜11通过转轴110固定在框架12上，驱动线圈制作在框架12上，压阻传感器20以惠斯通压阻电桥的方式通过离子注入工艺集成在反射镜11的转轴110的端点处，温度传感器30通过离子注入工艺集成在mems微镜10的衬底或框架12的衬底上，不受应力作用影响，仅用于感受温度变化对电阻的影响。

反射镜11可在驱动线圈的驱动下绕转轴110转动，而反射镜11在发生转动的过程中，会对转轴110上的压阻传感器20施加应力，根据半导体的压阻效应，压阻传感器20在受到应力作用时电导率会产生变化，在检测到压阻传感器20电阻的阻值变化后，反射镜11的转角也会发生改变。

但考虑到温度对于电阻阻值也有一定影响，仅仅引入压阻传感器20并不能达到稳定mems微镜转角的目的，在不同的温度环境下，压阻传感器20受到同样大小的应力但是阻值的改变却不相同，进而压阻传感器20的输出电压信号也不同，从而产生错误的角度调节信号。结合图2，本实施例的温度传感器不受应力的影响，只检测温度因素对电阻值的影响，这样便可以将温度的变化影响单独检测出来，在检测出压阻传感器的输出电压信号后，只需要根据温度的影响作出驱动补偿，再次对mems微镜10的驱动电压进行调节，即可将mems微镜的反射镜11精确调节至预定的转角。

该温度传感器30的电阻在mems微镜芯片上的温度发生变化时，阻值也会发生变化，在驱动工作前，可将其阻值随温度的变化规律标定为rt-t标定曲线备用。在工作时，只需要通过电路实时测量温度传感器30的电阻阻值rt的大小，并将rt的值带入到rt-t标定曲线中，即可反解出实时的温度t0。

当得出实时的温度t0后，将温度t0值带入u-t标定曲线，即可得到温度为t0、mems微镜达到额定转角θ0时对应的压阻传感器的理论标准输出电压u标0。u-t标定曲线可以事前通过将mems微镜保持在额定转角θ0工作，在不同的温度t时分别测出压阻传感器20所对应的理论标准输出电压u标0得到。

具体地，当对mems微镜施加驱动电压进行工作后，反射镜11会对转轴110上的压阻传感器20施加应力，由于压阻效应，传感器会发出实时输出电压u测，在接收到u测后，将u测与同样温度下的理论标准输出电压u标进行比较，得到反馈信号r，r＝u标-u测，将该反馈信号r反馈至驱动端，对驱动电压进行调整，从而改变反射镜11的转角，在转角改变后，u测也会随之发生变化，反馈信号r也发生变化，当r＝0时，驱动电压的调整过程结束，即可认为mems微镜工作在额定转角θ0。

结合图2和图3所示，本实施例的基于温度补偿与应力反馈的mems微镜装置的角度调节方法，主要包括：

s01、制作rt-t标定曲线：将静态不工作的mems微镜10放置在不同的温度环境下，测出在不同的温度t时的温度传感器30的电阻阻值rt。

标定该曲线目的是通过测量温度传感器30的阻值rt实时监测温度t的大小。

s02、制作u-t标定曲线：利用光学的方法，使mems微镜10保持在额定转角θ0工作，并将其放置在不同温度环境下，测出在不同的温度t时的压阻传感器20的标准输出电压u标。

mems微镜10的转角θ会对压阻传感器20上的电阻施加应力，从而压阻传感器会有输出，所以压阻传感器20的输出信号实际上是表征微镜转角的信号。因此该曲线的意义是：在温度t下，当mems微镜10工作在额定转角θ0时，u标0为压阻传感器20的正确输出，即当u测＝u标0时，可以认为mems微镜10达到了额定转角θ0。

实验标定的rt-t标定曲线和u-t标定曲线可通过编程写入fpga或dsp等芯片中作为查表依据。

s03、对mems微镜10施加驱动电压，该驱动电压为初始的驱动电压，在接下来会进行调整。

s04、测量压阻传感器20的实时输出电压u测、温度传感器30的电阻阻值rt；

s05、将温度传感器30的电阻阻值rt带入到rt-t标定曲线中，得出实时的温度t0；

s06、将实时的温度t0带入u-t标定曲线，得出在温度为t0、mems微镜达到额定转角θ0时对应的压阻传感器的理论标准输出电压u标0；

s07、调节驱动电压以改变mems微镜的转角，直至测得的实时输出电压u测＝u标0。在此调节过程中，作为调节依据的反馈信号r＝u标-u测，反馈信号r被反馈至驱动端，通过对驱动电压进行调整，反射镜11的转角θ发生改变，当r＝0时，θ＝转角θ0，则调整过程结束。

如图4，本实施例的压阻传感器为惠斯通压阻电桥，惠斯通压阻电桥的电阻的材料可以采用压阻陶瓷材料(pzt)等。在该惠斯通压阻电桥中，r1、r2、r3和r4为阻值相等的四个电阻，在无应力时，r1与r3之间、r2与r4之间分别接电压输入端子，r1与r2之间、r3与r4之间分别接电压输出端子。

输出电压uo应当为零；当电阻r2的阻值发生变化时，输出电压uo为：

当mems微镜发生扭转时，会造成惠斯通压阻电桥相应位置电阻的应力发生变化，从而产生信号。

如图5，本实施例的电阻阻值rt的变化的测量是通过反向比例运算电路实现的。在mems微镜10无应力的衬底处，以与压阻传感器一样的离子注入工艺集成阻值rt的压阻传感器20，并用导线引出，以感受温度对集成电阻造成的影响，通过将这个影响关系用实验标定的方法形成rt-t标定曲线，在后期过程中对惠斯通压阻电桥的输出信号进行温度补偿。

该反向比例运算电路中，压阻传感器20连接在运算放大器的反相输入端与输出端之间，运算放大器的同相输入端通过匹配电阻r1接地，其中：

当偏置电压vi和匹配电阻r5设定好以后，vo为随着rt变化的量，因此，通过测量运算放大器的输出电压vo变化情况即可得出电阻阻值rt的变化情况。在其他实施方式中，测量温度电阻的电路也可以采用其他的拓扑结构，比如比例微分电路等。

综上所述，本发明同时考虑到应力和温度两方面的因素对于压阻传感器的输出信号的影响，引入只检测温度因素的影响而不感受应力的温度传感器，将温度的变化单独检测出来，从而达到隔离温度因素影响的目的，根据温度变化情况生成反馈信号来调节驱动电压，实现温度的实时监控和闭环补偿，从而实现mems微镜的转角稳定的驱动补偿。使得这种具有反馈与补偿的mems器件在静态特性和动态特性上都有明显的改善，可以显著提高mems微镜在转角调节方面的稳定性和频率的动态性能，也使得mems微镜的使用寿命延长，增强其耐用性。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。