CN206920009U - 一种基于光学检测的微机电系统平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于光学检测的微机电系统平台，包括：平台主体、光学检测机构和外部封装板；平台主体包括振动平台；外部封装板形成密闭空间，将平台主体和光学检测机构封装在密闭空间内部；光学检测机构包括激光器、反射镜、二极管阵列；反射镜水平固定在振动平台顶部，镜面朝向外部封装板的顶部；激光器和二极管阵列位于外部封装板顶部内侧，二极管阵列包括多个光电二极管；二极管阵列围绕在激光器周围；激光器发出的光照射到反射镜上，经反射镜的反射后形成的反射光照射到二极管阵列上；二极管阵列检测反射光的光强。本实用新型公开的微机电系统平台，提高了测量结果的线性度，提高了检测精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及微机电系统领域，特别是涉及一种基于光学检测的微机电系统平台。
背景技术
微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)平台是通过特定支撑结构撑起的一个微尺度平台。微机电系统平台可以在MEMS驱动技术比如静电驱动、电磁驱动、压电驱动等技术的驱动控制下实现多轴运动，包括振动、平移等，可以应用于MEMS小型器件的定位、移动。
利用压电驱动技术实现驱动控制的MEMS压电驱动器因具有体积小、质量轻、价格低廉、位移分辨率高、输出力大、承受载荷大、响应速度快、瞬时加速度大等优势，受到了广泛关注，是一种适用于为微机电系统平台提供高分辨率定位、高动态运动特征的装置。
但是MEMS压电驱动器所使用的压电材料容易发生蠕变，在蠕变的影响下，MEMS压电驱动器的定位精度和位移精度会大幅度下降。蠕变为固定材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。所以，给这种类型的微机电系统平台实施反馈控制是精确控制微机电系统平台的振动状态的有效方法。
反馈控制又称为闭环控制，即根据微机电系统平台的输出信号来对微机电系统平台的振动状态进行控制，即比较输出振动与期望振动之间的偏差，并消除偏差以获得预期的振动输出的控制方式。所以，要对微机电系统平台施加反馈控制，必须对微机电系统平台的振动状态进行监测。
现有技术中对微机电系统平台的振动状态进行监测的技术手段多采用在微机电系统平台背面集成电容检测结构的技术手段实现对微机电系统平台振动状态的检测，即在微机电系统平台下表面和基座上表面集成一平板电容结构，通过测量平板电容的输出电流可以测量得到微机电系统平台产生的振动的加速度值。
然而采用平板电容对振动进行测量最大问题是电容值随微机电系统平台在振动过程中发生的位移的变化不是线性关系，需要额外修正，并且由于电容值较小，对测量电路的输入阻抗要求很高，加上寄生电容等因素的影响，使得信号处理难度很大，使得在微机电系统平台上集成电容检测结构的技术手段的测量结果的线性度较差，检测精度不够高。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种光学检测的微机电系统平台，提高了测量结果的线性度，提高了检测精度。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于光学检测的微机电系统平台，包括：平台主体、光学检测机构和外部封装板；所述平台主体包括振动平台；所述外部封装板形成密闭空间，将所述平台主体和所述光学检测机构封装在所述密闭空间内部；所述光学检测机构包括激光器、反射镜、二极管阵列；所述反射镜水平固定在所述振动平台顶部，镜面朝向所述外部封装板的顶部；所述激光器和所述二极管阵列位于所述外部封装板顶部内侧，所述二极管阵列包括多个光电二极管；所述二极管阵列围绕在所述激光器周围；所述激光器发出的光照射到所述反射镜上，经所述反射镜的反射后形成的反射光照射到所述二极管阵列上；所述二极管阵列检测所述反射光的光强。
可选的，所述二极管阵列包括第一阵列和第二阵列；所述第一阵列位于所述激光器外围；所述第二阵列位于所述第一阵列外围；所述第一阵列中所述光电二极管的数量和排列方式与所述第二阵列中所述光电二极管的数量和排列方式相同。
可选的，所述第一阵列中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形；所述第二阵列中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形。
可选的，所述第二阵列中所述等边多边形的任意一角的所述光电二极管的位置与相对应的所述第一阵列中所述光电二极管的位置的连线均穿过所述激光器所在位置。
可选的，所述光学检测机构还包括偏置电极；所述偏置电极安装在所述外部封装板上，所述激光器和所述二极管阵列均通过所述偏置电极与外部装置进行电连接，所述外部装置包括为所述激光器提供电能的电源和对所述二极管阵列的电信号进行分析的数据处理装置。
可选的，所述平台主体还包括驱动结构，所述驱动结构位于所述振动平台底部和四周，驱动所述振动平台产生振动。
可选的，所述驱动结构包括水平驱动结构和垂直驱动结构；所述水平驱动结构位于所述振动平台的四周，驱动所述振动平台产生水平方向的振动；所述垂直驱动结构位于所述振动平台的底部，驱动所述振动平台产生垂直方向的振动。
可选的，所述平台主体还包括支撑结构；所述支撑结构用于支撑所述振动平台和所述驱动结构。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型在平台主体上集成了一光学检测机构，光学检测机构的反射镜安装在振动平台上，随着振动平台的振动，反射镜会产生相应的位移，从而使照射在二极管上的反射光的光强发生变化，通过检测光强的变化从而能够分析出振动平台的振动状态。本实用新型的这种检测装置，能够保证振动平台在振动过程中产生的位移与检测到的光强具有线性关系，提高了测量结果的线性度，提高了检测精度。同时本实用新型的光学检测机构与平台主体是相互独立的，保证了生产过程的独立性，装卸方便。由于光学检测机构的设置不会影响平台主体的运动状态，在物理结构上没有太大的相关性，使得本实用新型的光学检测机构还可以应用到各种微机电系统中，具有通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例一的装置结构图；
图2为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例一的光学检测机构的装置结构图；
图3为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例二的光学检测机构的装置结构图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例一的装置结构图。
参见图1，该基于光学检测的微机电系统平台，包括：平台主体1、光学检测机构2和外部封装板3；
所述平台主体1包括振动平台101、驱动结构102和支撑结构103；所述驱动结构102位于所述振动平台101底部和四周，驱动所述振动平台101产生振动；所述支撑结构103用于支撑所述振动平台101和所述驱动结构102；所述驱动结构102包括水平驱动结构1021和垂直驱动结构1022；所述水平驱动结构1021位于所述振动平台101的四周，驱动所述振动平台101产生水平方向的振动；所述垂直驱动结构1022位于所述振动平台101的底部，驱动所述振动平台101产生垂直方向的振动；
所述外部封装板3形成密闭空间，将所述平台主体1和所述光学检测机构2封装在所述密闭空间内部；所述外部封装板3采用硅材料，利用深硅刻蚀的方法加工而成。
所述光学检测机构2包括激光器201、反射镜202、二极管阵列203和偏置电极204；所述反射镜202水平固定在所述振动平台101顶部，镜面朝向所述外部封装板3的顶部；所述激光器201为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，所述激光器201和所述二极管阵列203位于所述外部封装板3顶部内侧，所述二极管阵列203包括多个光电二极管；所述二极管阵列203围绕在所述激光器201周围；所述激光器201发出的光照射到所述反射镜202上，经所述反射镜202的反射后形成的反射光照射到所述二极管阵列203上；所述二极管阵列203检测所述反射光的光强。所述偏置电极204安装在所述外部封装板3上，所述激光器201和所述二极管阵列203均通过所述偏置电极204与外部装置进行电连接，所述外部装置包括为所述激光器提供电能的电源和对所述二极管阵列的电信号进行分析的数据处理装置；所述偏置电极204为所述激光器201和所述二极管阵列203上的引出线，所述偏置电极204穿过所述外部封装板3上的引出通孔；所述引出通孔采用硅通孔技术(Through Silicon via，TSV)加工而成；所述激光器201和所述二极管阵列203通过倒装芯片安装在所述外部封装板3的顶部。
所述数据处理装置根据所述二极管阵列203检测到的所述反射光的光强计算所述激光器201发出的光的光程；根据所述光程的变化确定所述振动平台101的振动状态。
图2为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例一的光学检测机构的装置结构图。
参见图2，所述二极管阵列203包括第一阵列2031和第二阵列2032；所述第一阵列2031位于所述激光器201外围；所述第二阵列2032位于所述第一阵列2031外围；所述第一阵列2031中所述光电二极管的数量和排列方式与所述第二阵列2032中所述光电二极管的数量和排列方式相同。在该实施例中，所述第一阵列2031和所述第二阵列2032中所述光电二极管的数量均为8个。
所述第一阵列2031中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形；所述第二阵列2032中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形。所述第二阵列2032中所述等边多边形的任意一角的所述光电二极管的位置与相对应的所述第一阵列2031中所述光电二极管的位置的连线均穿过所述激光器201所在位置，即所述第一阵列2031的所述等边多边形的任意一边与对应的所述第二阵列2032的所述等边多边形的边平行。在该实施例中，所述第一阵列2031中所有相邻光电二极管的连线构成等边八边形，所述第二阵列2032中所有相邻光电二极管的连线构成等边八边形。
本实用新型的振动平台的振动状态的检测原理如下：当所述振动平台101发生振动时，反射镜202会在所述振动平台101的带动下发生同步振动，当所述激光器201发出的光照射到所述反射镜202上时，由于反射镜202的位置不断变化，导致从所述激光器201发出的光的光程会发生变化，进而引起到达所述二极管阵列203的光强发生变化；通过所述二极管阵列203检测到的所述反射光的光强可以得到从所述激光器201发出的光的光程的变化，从而根据所述光程的变化分析得到所述振动平台101的振动状态。
本实用新型的这种检测装置，能够保证振动平台在振动过程中产生的位移与检测到的光强具有线性关系，提高了测量结果的线性度，提高了检测精度。同时本实用新型的光学检测机构与平台主体是相互独立的，保证了生产过程的独立性，装卸方便。由于光学检测机构的设置不会影响平台主体的运动状态，在物理结构上没有太大的相关性，使得本实用新型的光学检测机构还可以应用到各种微机电系统中，具有通用性。
利用本实用新型的基于光学检测的微机电系统平台检测振动平台运动状态的方法包括：
以所述激光器201为原点，以所述激光器201发出的光的出射方向为z轴建立直角坐标系，获取各个坐标位置(x，y，z)的光强：
其中I(x,y,z)表示坐标位置(x，y，z)处的光强；P表示激光器发出的光的总功率；w(z)表示光向下发射z距离之后的半径，且aw表示激光器发出的光的发散角。
获取第一阵列中各个光电二极管检测到的光功率；
获取第二阵列中各个光电二极管检测到的光功率；
计算第一阵列中所有光电二极管检测到的光功率的总和，得到第一阵列总光功率；
计算第二阵列中各个光电二极管检测到的光功率的总和，得到第二阵列总光功率；
将所述第一阵列总光功率、第二阵列总光功率与坐标位置(x，y，z)处的光强综合分析光的光程；
根据所述光的光程确定所述振动平台的振动状态。
或者，
以所述激光器201为原点，以所述激光器201发出的光的出射方向为z轴建立直角坐标系，获取各个坐标位置(x，y，z)的光强；
计算第一阵列中所有相对原点中心对称的两个光电二极管检测到的光功率的差分值，得到第一阵列差分值；
计算第二阵列中所有相对原点中心对称的两个光电二极管检测到的光功率的差分值，得到第二阵列差分值；
计算第一阵列和第二阵列中相对所述原点的方向相反的光电二极管检测到的光功率的差分值，得到阵列间差分值；
将所述第一阵列差分值、第二阵列差分值和阵列间差分值与坐标位置(x，y，z)处的光强综合分析光的光程；
根据所述光的光程确定所述振动平台的振动状态。
在本实用新型中，所述反射镜202与所述激光器201的距离zm直接影响到检测到的光功率与光程之间的线性度，在本实用新型中，以第一阵列总光功率与距离zm的关系和第二阵列总光功率与距离zm的关系为例进行说明。当所述反射镜202与所述激光器201的距离设置为1000μm～1200μm或3900μm～4400μm，可以保证检测到的光功率与光程之间具有良好的线性关系，从而提高检测精确度。当以第一阵列总光功率确定光程时，将所述反射镜202与所述激光器201的距离设置为1000μm～1200μm，可保证检测精度优于0.8μm，测量误差限制在0.4％以内；当以第二阵列总光功率确定光程时，将所述反射镜202与所述激光器201的距离设置为3900μm～4400μm，可保证检测精度优于6μm，测量误差限制在1.2％以内。
图3为本实用新型基于光学检测的微机电系统平台实施例二的光学检测机构的装置结构图。
参见图3，在该实施例中，其他装置与基于光学检测的微机电系统平台实施例一的装置结构相同，区别在于，该实施例的所述第一阵列2031中所有相邻光电二极管的连线构成等边四边形，所述第二阵列2032中所有相邻光电二极管的连线构成等边四边形。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (8)
1.一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，包括：平台主体、光学检测机构和外部封装板；所述平台主体包括振动平台；所述外部封装板形成密闭空间，将所述平台主体和所述光学检测机构封装在所述密闭空间内部；所述光学检测机构包括激光器、反射镜、二极管阵列；所述反射镜水平固定在所述振动平台顶部，镜面朝向所述外部封装板的顶部；所述激光器和所述二极管阵列位于所述外部封装板顶部内侧，所述二极管阵列包括多个光电二极管；所述二极管阵列围绕在所述激光器周围；所述激光器发出的光照射到所述反射镜上，经所述反射镜的反射后形成的反射光照射到所述二极管阵列上；所述二极管阵列检测所述反射光的光强。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述二极管阵列包括第一阵列和第二阵列；所述第一阵列位于所述激光器外围；所述第二阵列位于所述第一阵列外围；所述第一阵列中所述光电二极管的数量和排列方式与所述第二阵列中所述光电二极管的数量和排列方式相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述第一阵列中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形；所述第二阵列中所有相邻光电二极管的连线构成等边多边形。
4.根据权利要求3所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述第二阵列中所述等边多边形的任意一角的所述光电二极管的位置与相对应的所述第一阵列中所述光电二极管的位置的连线均穿过所述激光器所在位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述光学检测机构还包括偏置电极；所述偏置电极安装在所述外部封装板上，所述激光器和所述二极管阵列均通过所述偏置电极与外部装置进行电连接，所述外部装置包括为所述激光器提供电能的电源和对所述二极管阵列的电信号进行分析的数据处理装置。
6.根据权利要求1所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述平台主体还包括驱动结构，所述驱动结构位于所述振动平台底部和四周，驱动所述振动平台产生振动。
7.根据权利要求6所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述驱动结构包括水平驱动结构和垂直驱动结构；所述水平驱动结构位于所述振动平台的四周，驱动所述振动平台产生水平方向的振动；所述垂直驱动结构位于所述振动平台的底部，驱动所述振动平台产生垂直方向的振动。
8.根据权利要求7所述的一种基于光学检测的微机电系统平台，其特征在于，所述平台主体还包括支撑结构；所述支撑结构用于支撑所述振动平台和所述驱动结构。
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