集成角度传感器的MOEMS扫描微镜研究

摘要

MEOMS扫描微镜作为微光学系统的核心器件，被广泛地应用于光通信、图像显示、自适应光学和光谱分析技术等领域。与传统电机驱动的反射镜相比，基于MOEMS技术的扫描微镜具有体积小、功耗低、成本低、可批量制造等优点，成为MOEMS技术的研究热点之一。微型光谱仪、医学影像和条形码阅读等光学系统对扫描微镜提出了反射镜面面积大、扫描角度大、功耗低、稳定性好等要求。为此，本论文提出采用MOEMS技术制作大面积、大角度扫描微镜，实现角度传感器与扫描微镜的单芯片集成，采用闭环控制方法实现对扫描微镜的精确控制，具有重要的研究意义与实用价值。
　　论文研究了集成角度传感器的MOEMS扫描微镜的理论模型，进行了扫描微镜结构设计和仿真优化，完成了芯片加工和封装设计，制作出了MOEMS扫描微镜原理样机，研究了扫描微镜的驱动控制方法，搭建了实验电路并进行了电路调试和扫描微镜性能测试。本文主要研究内容如下：
　　1.论文调研了国内外MOEMS扫描微镜的研究现状，对典型扫描微镜的工作原理、优点和缺点进行了分析，针对微型光谱仪的应用需求以及现有技术的不足，确定了集成角度传感器的MOEMS扫描微镜的主要研究内容；
　　2.提出集成角度传感器的电磁驱动MOEMS扫描微镜新型结构,分析了扫描微镜和角度传感器的工作原理;建立了扫描微镜的系统运动模型、电磁驱动器和角度传感器的理论模型；根据微型光谱仪的应用需求，设计了扫描微镜的结构参数，并采用有限元软件对扫描微镜结构进行了仿真、分析和结构优化；
　　3.设计了扫描微镜加工版图,分析了扫描微镜关键加工工艺，设计了加工流程，完成了扫描微镜芯片制作。提出了磁路设计方案,采用有限元磁场分析，完成了扫描微镜的封装设计；
　　4.研究了扫描微镜的驱动控制电路，完成了信号发生、角度检测、反馈控制和可变增益放大等模块的设计，搭建了驱动控制实验电路并进行了调试；
　　5.研究了扫描微镜性能测试方案，搭建了性能测试平台，对扫描微镜的谐振频率、扫描角度以及角度传感器的灵敏度和分辨率等重要性能参数进行测试。测试结果表明，MOEMS扫描微镜面积为5×6mm2，在空气中的谐振频率为543Hz，品质因数180.8，驱动电压为0.65Vrms时，扫描角度达到±12.3°，角度传感器灵敏度为0.35V/°，分辨率为0.5'。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 MOEMS扫描微镜国内外研究现状

1.3 论文的研究意义及主要内容

1.4 本章小结

2 集成角度传感器的扫描微镜理论分析与结构设计

2.1 引言

2.2 集成角度传感器的扫描微镜结构与工作原理

2.3 集成角度传感器的扫描微镜理论模型

2.4 扫描微镜的结构设计、优化与性能仿真

2.5 本章小结

3 扫描微镜的加工和封装

3.1 引言

3.2 扫描微镜加工版图设计

3.3 扫描微镜关键加工工艺

3.4 扫描微镜加工流程

3.5 扫描微镜封装设计

3.6 本章小结

4 驱动控制电路设计

4.1 引言

4.2 扫描微镜驱动控制电路总体设计

4.3 各模块设计

4.4 驱动控制电路测试

4.5 本章小结

5 扫描微镜性能测试

5.1 引言

5.2 扫描微镜性能测试系统

5.3 扫描微镜谐振频率测试

5.4 微镜扫描角度测试

5.5 角度传感器测试

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文主要工作内容

6.2 进一步工作与展望

致谢

参考文献

附 录