專利名稱：一種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種微機電系統(tǒng)裝置的精確開環(huán)控制方案，屬于針對微機電系統(tǒng)的電子電路設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalsystems,簡稱 MEMS)是利用微加工技術(shù)制造出來的三維裝置，至少包括一個可運動結(jié)構(gòu)滿足某種機械作用。MEMS器件由于借鑒了集成電路的工藝因此應(yīng)用于很多不同的領(lǐng)域。本世紀(jì)越來越多的傳感器和執(zhí)行器都傾向于米用MEMS技術(shù),其中微機電系統(tǒng)微鏡就是其中一個絕佳的例證。微機電系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力很小，但足以驅(qū)動鏡面使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在眾多MEMS微鏡中電熱式微鏡是一款依靠熱形變使鏡子偏轉(zhuǎn)的微機電系統(tǒng)。電熱式微鏡系統(tǒng)主要包括鏡面、支撐臂和驅(qū)動臂三個部分， 其中驅(qū)動臂就是依靠電熱效應(yīng)產(chǎn)生形變驅(qū)動鏡子偏轉(zhuǎn)。電熱式微鏡精確控制是一個較復(fù)雜的過程，需要利用外部電路系統(tǒng)衡量系統(tǒng)本身的屬性，以此來標(biāo)定微鏡偏轉(zhuǎn)的角度。電熱式微鏡圖形掃描方案配合激光顯不技術(shù)，應(yīng)用于光學(xué)相干層析(Optical Coherence Tomography,簡稱OCT)技術(shù)可以用于生物組織的無創(chuàng)斷層掃描成像，特別適用于人體內(nèi)臟器官癌癥的早期診斷，其市場價值相當(dāng)龐大，另外在光通信上的應(yīng)用上前景也十分廣闊。雖然在MEMS微鏡領(lǐng)域已經(jīng)有一些較為成熟的控制方案，但是在電熱式微鏡領(lǐng)域尚未有通過電熱方式進行精確開環(huán)控制的方案，尤其是低成本，可靠性較高的開環(huán)控制方案。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的在于針對熱驅(qū)動微鏡的特性提供一種精確開環(huán)控制的電熱式微鏡系統(tǒng)及其控制方法。本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案—種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制系統(tǒng)，包括激光光源、第一分光鏡、第二分光鏡、微鏡裝置、屏幕和位置敏感傳感器；激光光束通過第一分光鏡達到微鏡鏡面上，微鏡鏡面反射的光束通過第一分光鏡達到第二分光鏡上，第二分光鏡將光束分成兩束，一束打在位置敏感傳感器上，一束打在坐標(biāo)屏幕上；其特征在于所述微鏡裝置具有精確開環(huán)控制電路，所述精確開環(huán)控制電路包括中央處理器，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，信號處理模塊，采樣模塊和安全保護模塊，其中所述采樣模塊包括采樣電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，通過采樣電阻實時采集微鏡裝置各個驅(qū)動臂的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送給所述中央處理器；所述中央處理器存儲有輸出電壓變化量△ V與相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)微鏡偏轉(zhuǎn)角度變化量A 0，輸出微鏡驅(qū)動信號，并根據(jù)接收到的所述采樣模塊傳送的實際驅(qū)動臂的驅(qū)動電壓變化信號和微鏡鏡面偏轉(zhuǎn)角度變化值與存儲的值相比較、計算出偏差值對輸出信號進行補償；所述輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將中央處理器的輸出的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號;所述信號處理模塊用于將所述輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成微鏡驅(qū)動電壓；所述安全保護模塊是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。一種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制方法，包括如下步驟(I)系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定激光光束垂直入射到微鏡鏡面后，鏡面反射出一束光通過第二分光鏡打到屏幕和 位置敏感傳感器上，當(dāng)鏡面受到驅(qū)動電壓的驅(qū)動后發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，屏幕上的激光點會發(fā)生一定的偏移，記錄相應(yīng)的偏移量和位置敏感傳感器輸出的坐標(biāo)位置，將所加電壓的信息和位置敏感傳感器坐標(biāo)信息發(fā)送到電腦上位機軟件中，自動擬合出所加電壓值與偏角的關(guān)系曲線；標(biāo)定出微鏡工作的電壓線性區(qū)，每個偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的電壓值，角度的分辨率和微鏡所加載電壓的最大值；(2)開環(huán)控制根據(jù)標(biāo)定的微鏡裝置系統(tǒng)參數(shù)控制驅(qū)動系統(tǒng)輸出電壓值來控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，輸出電壓每變化A V的量會有一個標(biāo)準(zhǔn)的A 0值與其一一對應(yīng)；通過采樣電阻的實時采樣來反饋微鏡驅(qū)動臂上加載電壓的大??；一旦微鏡的偏轉(zhuǎn)角度與電壓的關(guān)系對應(yīng)出現(xiàn)誤差，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的差值電壓作為補償，使鏡面的偏角能夠正確的轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。本實用新型具有下述優(yōu)點I、首次將電熱式標(biāo)定方法用于微鏡的偏轉(zhuǎn)控制上。2、從電子線路角度控制，無需在微鏡工藝和封裝上做任何加工改動。3、成本低，容易實現(xiàn)。4、光路元件較少，實現(xiàn)簡單，實用性強，一次標(biāo)定參數(shù)后，可針對同一版微鏡使用。5、外圍控制電路簡單，容易重復(fù)實現(xiàn)。6、通過上位機與電路系統(tǒng)的通信，將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件進行計算，自動擬合出微鏡電壓與角度的關(guān)系。7、開環(huán)系統(tǒng)內(nèi)包含閉環(huán)控制，大大優(yōu)化系統(tǒng)的精確度，可精確控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。

圖I為實用新型示意圖；圖中，I、激光光源；2、第一分光鏡；3、微鏡裝置；4、第二分光鏡；5、位置敏感傳感器；6、屏幕；7、米樣電阻；8、米樣電路；9、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；10、中央處理器；11、信號處理模塊；12、上位機軟件；13、安全保護模塊。
具體實施方式
光路設(shè)計如圖I所示主要是光路搭建的方法和尺寸的設(shè)計，本實用新型中第一分光鏡2將激光光源I發(fā)射出的一束光打到微鏡鏡面上，最重要的是激光與微鏡的鏡面要保持嚴格的垂直關(guān)系。微鏡裝置3受到驅(qū)動電壓的驅(qū)動鏡面發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，光束會通過第一分光鏡2達到第二分光鏡4上,第二分光鏡4將光束分成兩束,一束打在位置敏感傳感器5 (PSD)上，一束打在坐標(biāo)屏幕6上。第一分光鏡2距離微鏡鏡面的距離要保持最近距離，第二分光鏡4位置要保證第一分光鏡2射出的光線打在第二分光鏡4上時既能嚴格垂直的打在位置敏感傳感器5 (PSD)上，又要保證光線不會偏離分光鏡面。屏幕6和位置敏感傳感器5 (PSD)距離第二分光鏡4的距離要盡量遠一些，盡量用滿量程的范圍測量數(shù)據(jù)，以保證微鏡偏轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動電壓關(guān)系建立時的高分辨率。開環(huán)電路系統(tǒng)設(shè)計如圖I所示開環(huán)系統(tǒng)的電路包括中央處理器10，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊9，信號處理模塊11，采樣電阻7、采樣電路8和安全保護模塊13。中央處理器10是程序運算的中心，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊9是將中央處理器10的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。模擬電壓信號經(jīng)過信號處理模塊11得到我們設(shè)定的驅(qū)動微鏡的電壓信號加載到微鏡上。采樣模塊包括采樣電阻7和采樣電路8是實時監(jiān)控微鏡驅(qū)動臂所加電壓的情況，安全保護模塊13是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定方法標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)是微鏡的偏轉(zhuǎn)角度與所加電壓的關(guān)系。激 光垂直入射到微鏡鏡面后，鏡面反射出一束光打到屏幕6和位置敏感傳感器5 (PSD)上，當(dāng)鏡面受到驅(qū)動電壓的驅(qū)動后發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，屏幕6上的激光點會發(fā)生一定的偏移，記錄相應(yīng)的偏移量和位置敏感傳感器5 (PSD)輸出的坐標(biāo)位置，將所加電壓的信息和PSD坐標(biāo)信息發(fā)送到電腦上位機軟件12中，自動擬合出所加電壓值與偏角的關(guān)系曲線。標(biāo)定出微鏡工作的電壓線性區(qū)，每個偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的電壓值，角度的分辨率和微鏡所加載電壓的最大值。電熱式精確開環(huán)控制的方法利用微鏡的電熱特性控制驅(qū)動系統(tǒng)輸出電壓值來控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，輸出電壓每變化AV的量會有一個標(biāo)準(zhǔn)的A 0值與其一一對應(yīng)。通過米樣電阻的實時米樣來反饋微鏡驅(qū)動臂上加載電壓的大小。一旦微鏡的偏轉(zhuǎn)角度與電壓的關(guān)系對應(yīng)出現(xiàn)誤差，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的差值電壓作為補償，使鏡面的偏角能夠正確的轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。按圖I所示搭建好光路后將MEMS的4路引腳連接到外接采樣電阻上，驅(qū)動電路輸出0-4V步進IOOmV的電壓值，分別在屏幕的坐標(biāo)紙上和位置敏感傳感器(PSD)輸出端讀出坐標(biāo)值，上位機軟件記錄為(X，Y，V)和(X1，Y1，V1)其中X代表橫坐標(biāo)，Y代表縱坐標(biāo)，V代表電壓。將所有的坐標(biāo)值輸出并擬合出相應(yīng)曲線。根據(jù)曲線特征，標(biāo)定采樣電阻的電壓和偏轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。再標(biāo)定MEMS電阻電壓與采樣電阻電壓差值與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。利用采樣電路采集監(jiān)控加載到MEMS引腳上的電壓是否符合曲線上對應(yīng)角度的電壓值，如果存在偏差則數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的補償電壓，使微鏡能夠達到理想的偏轉(zhuǎn)位置。電熱式MEMS微鏡主要是驅(qū)動臂通過不同材料電熱效應(yīng)發(fā)生形變產(chǎn)生應(yīng)力帶動鏡面偏轉(zhuǎn)。每個微鏡有4個完全相同的驅(qū)動臂，當(dāng)加載電壓值為U的電壓時，在驅(qū)動臂上產(chǎn)生的熱量Q可以表示為
JJ[j -Jm = Is = = I,,,2 RJ = f / Q = cm A T+Q福射 +Q 對流
RsK,U = Um+UsR = Rm+RsRm為MEMS驅(qū)動臂的加熱電阻，Rs為外界采樣電阻。U為驅(qū)動信號的電壓，Um為MEMS驅(qū)動臂上的電壓，Us為采樣電阻兩端的電壓。由于驅(qū)動臂體積小質(zhì)量輕，熱量值Q在微鏡的驅(qū)動臂上都會轉(zhuǎn)換成溫度T，每一個T都會有一個偏轉(zhuǎn)角度與其對應(yīng)，因此熱量的變化量A Q對應(yīng)了 AT，AT與鏡面的偏轉(zhuǎn)角度A a的對應(yīng)關(guān)系可由此建立起來。在恒壓驅(qū)動的條件下，微鏡的偏轉(zhuǎn)角度與兩個參數(shù)有關(guān)，即Um和Rm，其中Rm受溫度的影響會產(chǎn)生變化，可表示為Rm2 = Rml (1+ A T TCR)TCR為電阻的溫度系數(shù)，Rml為加熱電阻常溫下的電阻值，Rm2為熱導(dǎo)致的變化后電阻值。因此實際描繪出的電壓與角度的關(guān)系曲線包含了兩種關(guān)系，一個是Um的變化導(dǎo)致Q的變化,一個是Q的變化導(dǎo)致驅(qū)動臂溫度T的變化從而導(dǎo)致Rm的變化。采樣電阻值不受溫度的影響，Um = U-Us因此可以將Um的變化導(dǎo)致Q的變化曲線從這兩種關(guān)系中分離出來，同時根據(jù)Im = Us/Rs得出消耗在驅(qū)動臂上的功率值，并與偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)起來。建立驅(qū)動電壓與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線后，根據(jù)需求可以任意設(shè)定微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。同時根據(jù)AD采集的電壓監(jiān)控偏轉(zhuǎn)角度的位置情況，一旦電壓產(chǎn)生變化，DA輸出的電壓自動補償?shù)较鄳?yīng)的驅(qū)動臂上保持微鏡角度為設(shè)定角度不變。
權(quán)利要求1.一種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制系統(tǒng),包括激光光源、第一分光鏡、第二分光鏡、微鏡裝置、屏幕和位置敏感傳感器；激光光束通過第一分光鏡達到微鏡鏡面上，微鏡鏡面反射的光束通過第一分光鏡達到第二分光鏡上，第二分光鏡將光束分成兩束，一束打在位置敏感傳感器上，一束打在坐標(biāo)屏幕上；其特征在于所述微鏡裝置具有精確開環(huán)控制電路，所述精確開環(huán)控制電路包括中央處理器，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，信號處理模塊，米樣模塊和安全保護模塊，其中 所述采樣模塊包括采樣電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，通過采樣電阻實時采集微鏡裝置各個驅(qū)動臂的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送給所述中央處理器； 所述中央處理器用于接收所述采樣模塊傳送的實際驅(qū)動臂的驅(qū)動電壓變化信號和微鏡鏡面偏轉(zhuǎn)角度變化值； 所述輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將中央處理器的輸出的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號； 所述信號處理模塊用于將所述輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成微鏡驅(qū)動電壓； 所述安全保護模塊是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。
專利摘要本實用新型公布了一種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制系統(tǒng)，包括激光光源、第一分光鏡、第二分光鏡、微鏡裝置、屏幕和位置敏感傳感器；其特征在于所述微鏡裝置具有精確開環(huán)控制電路，所述精確開環(huán)控制電路包括中央處理器，輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，信號處理模塊，采樣模塊和安全保護模塊。一種電熱式微鏡的精確開環(huán)控制方法，包括系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定和開環(huán)控制步驟。本實用新型無需在微鏡工藝和封裝上做任何加工改動，成本低，容易實現(xiàn)。光路元件較少，實現(xiàn)簡單，實用性強，一次標(biāo)定參數(shù)后，可針對同一版微鏡使用。外圍控制電路簡單，容易重復(fù)實現(xiàn)。開環(huán)系統(tǒng)內(nèi)包含閉環(huán)控制，大大優(yōu)化系統(tǒng)的精確度，可精確控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。
文檔編號G02B26/08GK202502296SQ20122004658
公開日2012年10月24日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者傅霖來, 蘭樹明, 周亮, 管帥, 謝會開, 陳巧 申請人:無錫微奧科技有限公司