雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，鏡面組件包括扭轉(zhuǎn)鏡板，扭轉(zhuǎn)鏡板兩側(cè)分別通過扭轉(zhuǎn)軸與固定框架連接，所述扭轉(zhuǎn)鏡板上環(huán)繞有驅(qū)動線圈，驅(qū)動線圈兩側(cè)分別引出輸入端和輸出端導線，所述導線與驅(qū)動線圈為兩種不同材質(zhì)金屬線，且導線與驅(qū)動線圈的厚度為可調(diào)節(jié)式的。通過上述方式，本發(fā)明采用雙金屬材料作為線圈，在微鏡的扭轉(zhuǎn)軸上的金屬導線使用剪切模量較小的金屬材料，可以降低扭轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量?？梢允刮㈢R的轉(zhuǎn)角更大。而驅(qū)動線圈使用密度更小的金屬材料作為線圈，可以降低質(zhì)量，提高微鏡的響應頻率，并且鐵磁材料可使驅(qū)動線圈的磁感應強度增大從而增加驅(qū)動力。
【專利說明】
雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及微光電機系統(tǒng)領域，特別是涉及一種雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡。
【背景技術】
[0002] -般來說，電磁驅(qū)動的微鏡有兩種最主要的驅(qū)動方案:可動磁體和可動線圈?？蓜?磁體使用一個外部線圈結(jié)合一塊磁體或沉積的磁性薄膜。在可動線圈方案中，線圈被制作 在掃描鏡器件的結(jié)構(gòu)上，外部磁鐵提供一個靜態(tài)磁場。當可動線圈通入變化的電流時，線圈 產(chǎn)生的洛侖茲力提供微鏡振動的扭矩。
[0003] 采用可動線圈的方案目前來說線圈一般采用單種材料(金、鎳、銅等等）。單材料的 線圈由于材料本身性質(zhì)所限，不能使微鏡的性能達到最優(yōu)化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種采用雙金屬復合材料做線圈的電磁驅(qū)動 微鏡，能夠使微鏡獲得更大的轉(zhuǎn)角以及更高的響應頻率。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：提供一種雙金屬線圈的電 磁驅(qū)動微鏡，包括固定框架，所述固定框架內(nèi)圍設有鏡面組件，外圍為磁場系統(tǒng);鏡面組件 包括扭轉(zhuǎn)鏡板，扭轉(zhuǎn)鏡板兩側(cè)分別通過扭轉(zhuǎn)軸與固定框架連接，所述扭轉(zhuǎn)鏡板上環(huán)繞有驅(qū) 動線圈，驅(qū)動線圈兩側(cè)分別引出輸入端和輸出端導線，所述導線與驅(qū)動線圈為兩種不同材 質(zhì)金屬線，且導線與驅(qū)動線圈的厚度為可調(diào)節(jié)式的。
[0006] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述導線采用剪切模量小的金屬，并通過減小導線 厚度，從而增大微鏡的轉(zhuǎn)角。
[0007] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，剪切模量小的金屬包括金。
[0008] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，驅(qū)動線圈采用密度小的金屬，并通過增加驅(qū)動線圈 厚度，從而保證線圈的整體有足夠小的電阻同時不影響扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。
[0009] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，密度小的金屬包括鎳或銅。
[0010]在本發(fā)明一個較佳實施例中，輸入端和輸出端導線分別從兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)軸引出，并 與連接芯片上的金屬電極連接。
[0011] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述扭轉(zhuǎn)鏡板上環(huán)繞的驅(qū)動線圈中至少包括一圈封 閉式線圈。
[0012] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述驅(qū)動線圈相圍形成的區(qū)域內(nèi)設有反射鏡面。
[0013] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述驅(qū)動線圈和導線設于扭轉(zhuǎn)鏡板一側(cè)，扭轉(zhuǎn)鏡板 另一側(cè)為反射鏡面。
[0014] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，磁場系統(tǒng)包括多個永磁體組成。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用雙金屬材料作為線圈，在微鏡的扭轉(zhuǎn)軸上的金 屬導線使用剪切模量較小的金屬材料，可以降低扭轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。在相同的驅(qū)動力的作 用下，扭轉(zhuǎn)軸上的金屬導線材料使用金相比于鎳或銅等材料，可以使微鏡的轉(zhuǎn)角更大。而驅(qū) 動線圈使用密度更小的金屬材料作為線圈，可以降低質(zhì)量，提高微鏡的響應頻率，并且鐵磁 材料可使驅(qū)動線圈的磁感應強度增大從而增加驅(qū)動力。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1是本發(fā)明雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡一較佳實施例中鏡面組件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1所示的鏡面組件的截面圖； 圖3是本發(fā)明雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡另一較佳實施例中鏡面組件的截面圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范 圍。
[0018] 本發(fā)明實施例包括： 一種雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，包括固定框架，所述固定框架內(nèi)圍設有鏡面組件，外 圍是包括多個永磁體組成的磁場系統(tǒng)。
[0019] 如圖1所示，鏡面組件包括扭轉(zhuǎn)鏡板1，扭轉(zhuǎn)鏡板1兩側(cè)分別通過扭轉(zhuǎn)軸2與固定框 架連接，所述扭轉(zhuǎn)鏡板1上環(huán)繞有驅(qū)動線圈3,且驅(qū)動線圈3中至少包括一圈封閉式線圈。
[0020] 當驅(qū)動線圈3通入電流之后，驅(qū)動線圈3與外部永磁體的相互作用下產(chǎn)生的電磁力 會使扭轉(zhuǎn)鏡板繞扭轉(zhuǎn)軸2扭轉(zhuǎn)。
[0021] 驅(qū)動線圈3兩側(cè)分別引出輸入端和輸出端導線4,輸入端和輸出端導線4分別從兩 側(cè)的扭轉(zhuǎn)軸2引出，并與連接芯片上的金屬電極連接。
[0022] 所述導線4與驅(qū)動線圈3為兩種不同材質(zhì)金屬線，且導線4與驅(qū)動線圈3的厚度為可 調(diào)節(jié)式的，調(diào)節(jié)范圍在1 〇μπι-40μηι之間。
[0023] 其中，所述導線4采用剪切模量小的金屬，優(yōu)選金，在相同的驅(qū)動力的作用下，扭轉(zhuǎn) 軸2上的導線材料使用金相比于鎳或銅等材料，可以使微鏡的轉(zhuǎn)角更大。并通過減小導線厚 度，從而增大微鏡的轉(zhuǎn)角。
[0024]金的剪切模量為27Gpa，而鎳的剪切模量為76Gpa，銅的剪切模量為48GPa，采用剪 切模量小的金屬，導線4的厚度可以適當降低到10μηι-20μηι，例如導線的厚度為12μηι、15μηι或 18μηι等等。
[0025]驅(qū)動線圈3采用密度小的金屬，優(yōu)選鎳或銅，可以降低質(zhì)量，提高微鏡的響應頻率， 并且鎳為鐵磁材料可使驅(qū)動線圈3的磁感應強度增大從而增加驅(qū)動力。并通過增加驅(qū)動線 圈3厚度，從而保證線圈的整體有足夠小的電阻同時不影響扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。
[0026] 鎳的密度為8.908g/cm3,銅的密度為8.96 g/cm3,金的密度為19.30 g/cm3,驅(qū)動線 圈3為鎳或銅時，厚度可以增加到20μηι到30μηι之間甚至30μηι以上，例如驅(qū)動線圈3的厚度為 22μηι、25μηι、28μηι 或 40μηι 等等。
[0027] 而銅和鎳的密度差不多，本發(fā)明優(yōu)選的是鎳，原因是因為鎳是鐵磁材料，可以增大 線圈的磁感應強度從而增大驅(qū)動力使微鏡轉(zhuǎn)角變大。
[0028] 這樣雙金屬的結(jié)構(gòu)通過自由調(diào)節(jié)金屬導線4與驅(qū)動線圈3的材料以及厚度來實現(xiàn) 微鏡大轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)的目的。
[0029]本發(fā)明具體的工作原理:將如圖1所示的微鏡放在由外部永磁體組成的磁場系統(tǒng) 中，將交流電從扭轉(zhuǎn)軸2上的金屬導線4一端輸入，經(jīng)過微鏡扭轉(zhuǎn)鏡板1上環(huán)繞的驅(qū)動線圈3， 從扭轉(zhuǎn)軸2的金屬導線4另一端輸出，驅(qū)動線圈3在磁場的作用下會產(chǎn)生洛倫茲力，使微鏡發(fā) 生扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)掃描的功能。
[0030]如圖2所示，驅(qū)動線圈3相圍形成的區(qū)域內(nèi)設有反射鏡面。扭轉(zhuǎn)軸2上沉積剪切模量 小的金屬材料且適當?shù)臏p小厚度可以有效提高微鏡的轉(zhuǎn)角；而驅(qū)動線圈3電鍍密度小的金 屬材料如鎳并適當?shù)脑黾雍穸葋頊p小電阻，微鏡的響應頻率將提高而且由于電阻的減小同 樣的電流驅(qū)動下線圈的發(fā)熱會減輕。
[0031 ]如圖3所不，將驅(qū)動線圈3和導線4全沉積到扭轉(zhuǎn)鏡板1 一側(cè)，扭轉(zhuǎn)鏡板1另一側(cè)為反 射鏡面。
[0032] 上述結(jié)論的推理過程為：
上述理論公式中推導出微鏡的轉(zhuǎn)角以及諧振頻率，可以看到微鏡的扭轉(zhuǎn)軸剪切模量G 越小，在相同的力的作用下，微鏡的轉(zhuǎn)角8越大(轉(zhuǎn)角越大可以實現(xiàn)更大范圍的掃描）;微鏡 的密度P越小，微鏡的響應頻率越高(響應頻率越高，響應時間越短，抗干擾能力越強）。
[0033] 而目前一般采用的都是單金屬線圈材料。例如：金的剪切模量小但是密度大而鎳 的剪切模量大但密度小。這就使單一的使用金材料可以使微鏡轉(zhuǎn)角較大，但會降低微鏡的 響應頻率;而使用鎳材料可以提高微鏡的響應頻率，但會降低微鏡的轉(zhuǎn)角。
[0034] 為了解決目前的問題，提出使用雙金屬線圈，可以同時提高微鏡的轉(zhuǎn)角并提高微 鏡的響應頻率。
[0035]公式(2)中的G為材料的剪切模量，a為扭轉(zhuǎn)軸寬度，b為扭轉(zhuǎn)軸厚度，Lf為扭轉(zhuǎn)軸長 度。雙金屬的優(yōu)點在于可以靈活的控制金屬導線與驅(qū)動線圈的材料以及厚度，如金屬導線 采用剪切模量小的金屬，而且金屬導線的厚度可以薄一點來減小轉(zhuǎn)動慣量從而增大微鏡的 轉(zhuǎn)角；驅(qū)動線圈除了可以采用密度較小的金屬以外可以電鍍厚一點，這樣可以保證線圈的 整體有足夠小的電阻同時不影響扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。這樣雙金屬的設計通過自由調(diào)節(jié)金屬導 線與驅(qū)動線圈的材料以及厚度來實現(xiàn)微鏡大轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)的目的。
[0036] 因此，根據(jù)理論公式，在微鏡結(jié)構(gòu)確定的情況下即扭轉(zhuǎn)軸長、寬等參數(shù)確定，以及 外部磁場力固定的情況下，轉(zhuǎn)角@主要跟扭轉(zhuǎn)軸的剪切模量以及厚度有關，即剪切模量越 小，厚度越小，轉(zhuǎn)角i越大。因此選擇剪切模量較小的金屬材料作為扭轉(zhuǎn)軸上的線圈且厚度 適當?shù)谋∫稽c，從而使微鏡實現(xiàn)大轉(zhuǎn)角。
[0037] 而微鏡的響應頻率在結(jié)構(gòu)確定的情況下，扭轉(zhuǎn)軸材料的剪切模量也確定的情況 下，驅(qū)動線圈材料的密度越小，微鏡的響應頻率越尚。另外適當?shù)脑黾域?qū)動線圈的厚度可以 減小線圈整體的電阻，從而降低線圈的發(fā)熱量，降低功耗。
[0038] 綜上所述，得出結(jié)論:使用雙金屬材料作為線圈的方法將提高微鏡的性能。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用雙金屬材料作為線圈，在微鏡的扭轉(zhuǎn)軸上的金 屬導線使用剪切模量較小的金屬材料，可以降低扭轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。在相同的驅(qū)動力的作 用下，扭轉(zhuǎn)軸上的金屬導線材料使用金相比于鎳或銅等材料，可以使微鏡的轉(zhuǎn)角更大。而驅(qū) 動線圈使用密度更小的金屬材料作為線圈，可以降低質(zhì)量，提高微鏡的響應頻率，并且鐵磁 材料可使驅(qū)動線圈的磁感應強度增大從而增加驅(qū)動力。
[0040] 以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領 域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，包括固定框架，所述固定框架內(nèi)圍設有鏡面組件， 外圍為磁場系統(tǒng);其特征在于， 鏡面組件包括扭轉(zhuǎn)鏡板，扭轉(zhuǎn)鏡板兩側(cè)分別通過扭轉(zhuǎn)軸與固定框架連接，所述扭轉(zhuǎn)鏡 板上環(huán)繞有驅(qū)動線圈，驅(qū)動線圈兩側(cè)分別引出輸入端和輸出端導線，所述導線與驅(qū)動線圈 為兩種不同材質(zhì)金屬線，且導線與驅(qū)動線圈的厚度為可調(diào)節(jié)式的。2. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，所述導線采用剪切 模量小的金屬，并通過減小導線厚度，從而增大微鏡的轉(zhuǎn)角。3. 根據(jù)權利要求2所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，剪切模量小的金屬 包括金。4. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，驅(qū)動線圈采用密度 小的金屬，并通過增加驅(qū)動線圈厚度，從而保證線圈的整體有足夠小的電阻同時不影響扭 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。5. 根據(jù)權利要求4所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，密度小的金屬包括 鎳或銅。6. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，輸入端和輸出端導 線分別從兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)軸引出，并與連接芯片上的金屬電極連接。7. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)鏡板上環(huán) 繞的驅(qū)動線圈中至少包括一圈封閉式線圈。8. 根據(jù)權利要求7所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，所述驅(qū)動線圈相圍 形成的區(qū)域內(nèi)設有反射鏡面。9. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，所述驅(qū)動線圈和導 線設于扭轉(zhuǎn)鏡板一側(cè)，扭轉(zhuǎn)鏡板另一側(cè)為反射鏡面。10. 根據(jù)權利要求1所述的雙金屬線圈的電磁驅(qū)動微鏡，其特征在于，磁場系統(tǒng)包括多 個永磁體組成。
【文檔編號】G02B26/08GK105866942SQ201610399981
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】沈文江, 余暉俊
【申請人】常州創(chuàng)微電子機械科技有限公司