[发明专利]MOEMS扫描光栅微镜系统有效
申请号: | 201510904374.0 | 申请日: | 2015-12-09 |
公开(公告)号: | CN105301764A | 公开(公告)日: | 2016-02-03 |
发明(设计)人: | 温志渝;周颖;刘海涛 | 申请(专利权)人: | 重庆大学 |
主分类号: | G02B26/08 | 分类号: | G02B26/08;G02B26/00;G02B27/10;G02B27/42 |
代理公司: | 重庆华科专利事务所 50123 | 代理人: | 康海燕 |
地址: | 400030 *** | 国省代码: | 重庆;85 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | moems 扫描 光栅 系统 | ||
技术领域
本发明涉及MEMS扫描光栅微镜,属于光谱分析技术和MEMS技术领域。
背景技术
扫描光栅微镜作为光谱分析仪器的核心元器件,具有分光功能。将光栅(分光)、微镜(扫描)和角度传感器(微镜运动检测)一体化单芯片集成的MOEMS扫描光栅微镜,既可以实现扫描光栅微镜的高控制精度,提高光谱仪的精度,又能减小系统体系与控制难度。面对目前大气环境污染监测、食品安全检测、医药成分检测等众多特殊环境领域的需求,世界各国针对如何精确控制扫描光栅微镜开展了深入研究。
必达泰克公司生产的系列光谱仪由于没有集成驱动器和角度传感器,无法实现微镜的扫描,故只能采用CCD阵列探测器。该类型光谱分析仪器具有性能稳定、探测速度快、光谱分辨率高、便于携带等优点。但是能满足需求的长波CCD阵列探测器成本较高,所以在很大程度上限制了该类光谱仪的研发推广。
南京中地仪器有限公司生产的光谱仪采用了将光栅和步进电机二次集成的技术方案,实现了光栅的扫描分光功能,从而可以采用单管CCD探测器获取光谱信号,大大降低了成本。由于没有集成角度传感器,该系统存在明显的问题:步进电机扫描速度慢,系统输出光谱波长重复性差,尤其是二次集成的步进电机机械轴容易磨损。故很难实现对扫描光栅微镜的精确控制。
重庆大学微系统中心之前针对集成角度传感器的MOEMS扫描光栅微镜开展了初步研究,但MOEMS扫描光栅微镜、驱动线圈和角度传感器均采用的是长方形设计,且集成角度传感器只有一圈。该设计缺点是:首先,MOEMS扫描光栅微镜、驱动线圈和角度传感器均采用长方形设计不仅造成制造成本提高,且无论怎样设计传感线圈都无法实现在面积一定的前提下,角度输出信号的最大化;其次,没有进行角度传感线圈与驱动线圈的比例优化设计,集成角度传感器只有一圈且角度输出信号很小,只有几个毫伏的量级,故角度输出信号很小,和噪声基本处于一个数量级,很难被后端的电路所采集。可见之前设计的集成角度传感器的MOEMS扫描光栅虽初步将角度传感器集成于MOEMS扫描光栅微镜上,但由于设计上存在的不足,角度输出信号较弱、很难采集,故无法精度控制MOEMS扫描光栅微镜的扫描角度及范围。
发明内容
本发明针对现有的集成角度传感器的MOEMS扫描光栅微镜的角度输出信号较弱且控制精度较低的局限性,提出一种MOEMS扫描光栅微镜系统,通过优化对角度传感器的设计,在MOEMS扫描光栅微镜面积一定的基础上,设计最优线圈匝数比,并结合后端控制电路,将角度输出信号提高到近1伏级别,从根本上克服了之前MOEMS扫描光栅微镜控制角度输出信号较弱且控制精度较低的问题,可以实现MOEMS扫描光栅微镜的精确控制。
本发明的技术方案如下:
本发明的MOEMS扫描光栅微镜系统包括MOEMS扫描光栅微镜和后端闭环控制电路。所述MOEMS扫描光栅微镜采用正方形设计,由扫描光栅、扭转梁、固定边框、电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器通过MEMS加工一体集成于偏晶向硅基片上构成。其中,扫描光栅、扭转梁、固定边框集成在硅基片正面,电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器集成在硅基片背面,磁电式角度传感器的角度传感线圈位于电磁驱动线圈内。所述扫描光栅通过扭转梁固定在固定边框中,扭转梁在电磁式驱动线圈的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜绕其转动,固定边框实现支撑和固定。扫描光栅的闪耀角度为7.9o、光栅常数为4um,并在表层镀Al膜,实现对入射复合光的闪耀分光功能。
本MOEMS扫描光栅微镜系统的磁电式角度传感器采用正方形、多圈金线渐开式设计,包括角度传感线圈、外端开线、内端开线、埋层引线和电极板,在MOEMS扫描光栅微镜扫描过程中产生实时、动态的角度输出信号。外端开线由埋层引线引出并与电极板连接,内端开线通过另一埋层引线引出并与电极板连接;两电极板连接后端闭环控制电路,进行角度输出信号的测量与处理。
同样,电磁式驱动线圈也为正方形渐开式线圈。
为了在低电压驱动MOEMS扫描光栅微镜扫描的基础上实现角度输出信号的最大化,本发明将MOEMS扫描光栅微镜面积设计为6*6mm2,电磁驱动线圈与角度传感线圈的宽度设计为80um,线圈间隔为20um,电磁驱动线圈与角度传感线圈的匝数之和为29,匝数分配比例为3:26。
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