本實用新型涉及微機(jī)電系統(tǒng)中的微鏡角度調(diào)節(jié)領(lǐng)域，特別是涉及一種三維電磁懸浮微鏡。

背景技術(shù)：

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。利用微加工技術(shù)制造出微型器件并進(jìn)行相應(yīng)處理電路設(shè)計，可廣泛應(yīng)用于傳感器和驅(qū)動器中。MEMS微鏡是其中的一個典型應(yīng)用，主要原理是控制微鏡和入射光之間的入射角以控制光線的偏轉(zhuǎn)方向，被廣泛用于光纖相位調(diào)制器、光學(xué)衰減器、光譜儀、光開關(guān)等領(lǐng)域。

為使MEMS微鏡能傾斜一定角度，現(xiàn)有的方法一般是把MEMS微鏡安裝在扭轉(zhuǎn)梁上，在直流電壓的靜電驅(qū)動下使扭轉(zhuǎn)梁偏轉(zhuǎn)，從而帶動微鏡旋轉(zhuǎn)一定的角度，改變與入射光之間的入射角度。受機(jī)械扭轉(zhuǎn)梁剛度限制，這種方法最多實現(xiàn)±20°范圍旋轉(zhuǎn)角，且無法實現(xiàn)微鏡三自由度偏轉(zhuǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題，本實用新型提供一種三維電磁懸浮微鏡，采用電磁懸浮結(jié)合靜電驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)微鏡的軸向大尺度旋轉(zhuǎn)和徑向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)三維成像，尤其是軸向±180度范圍大旋轉(zhuǎn)角度成像。

本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種三維電磁懸浮微鏡，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子包括若干塊軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、若干塊徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、公共電極、懸浮線圈、穩(wěn)定線圈及引腳，若干塊軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極呈環(huán)形分布于定子上，若干塊徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極呈環(huán)形分布于定子上，公共電極為圓形；懸浮線圈分布于軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極所在圓環(huán)的外周，穩(wěn)定線圈分布于懸浮線圈的外周；所述引腳沿著定子的徑向引出；所述轉(zhuǎn)子中心設(shè)有反射鏡。

優(yōu)選地，所述徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極所在的圓環(huán)大于公共電極所在的圓，小于軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極所在的圓環(huán)。

優(yōu)選地，所述三維電磁懸浮微鏡還包括電容檢測電路、控制器和控制極板；所述控制極板與軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極連接；所述電容檢測電路與控制極板連接，用于獲取轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)角，并與參考轉(zhuǎn)角比較以獲取誤差值；所述控制器包括軸向旋轉(zhuǎn)控制器、徑向旋轉(zhuǎn)控制器；所述誤差值經(jīng)過軸向旋轉(zhuǎn)控制器后獲得電壓ΔV₁，經(jīng)過徑向轉(zhuǎn)動控制器后輸出電壓ΔV₂～ΔV₃，再分別和預(yù)載電壓V_b疊加后獲得施加在控制極板上的控制電壓信號V₁～V₇，其中V₁～V₃為軸向旋轉(zhuǎn)控制電壓，V₄～V₇為徑向旋轉(zhuǎn)控制電壓。

優(yōu)選地，所述定子上設(shè)有3個均分于定子所在平面的夾角為120°的引腳間隙，所述引腳沿著定子的徑向從引腳間隙引出。

優(yōu)選地，所述定子為金屬平面結(jié)構(gòu)。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

在磁懸浮微鏡系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子懸浮在腔體中央時，對軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極加電控制轉(zhuǎn)子帶動反射鏡旋轉(zhuǎn)到指定角度，改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?，從而改變反射光的傳播方向，實現(xiàn)了軸向±180度范圍大旋轉(zhuǎn)角度變化。同時可對徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極加電控制，實現(xiàn)徑向旋轉(zhuǎn)角度變化。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的微轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制原理圖；

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由定子10和轉(zhuǎn)子1組成，定子10主要包括6塊軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4、8塊徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8、公共電極9、懸浮線圈6、穩(wěn)定線圈7、支撐柱5及引腳3等金屬平面結(jié)構(gòu)。6塊軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4呈環(huán)形分布于定子10上，電極夾角為30°，電極之間夾角為30°，8塊徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8呈環(huán)形分布于定子10上，電極夾角為37°，電極之間夾角為8°，公共電極9為圓形，且公共電極9所在的圓、徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8所在的圓環(huán)及軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4所在的圓環(huán)具有相同的圓心，即定子10的圓心；徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8所在的圓環(huán)大于公共電極9所在的圓，小于軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4所在的圓環(huán)。懸浮線圈6、穩(wěn)定線圈7形成封閉結(jié)構(gòu)，共3個，在圓周方向上呈120°夾角分布，懸浮線圈6分布于軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4所在圓環(huán)的外周，穩(wěn)定線圈7分布于懸浮線圈6的外周。定子10上設(shè)有3個均分于定子10所在平面夾角為120°的引腳間隙，所述引腳3沿著定子10的徑向從引腳間隙引出公共電極9、軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4和徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8以及懸浮線圈6、穩(wěn)定線圈7等的連接線。

定子10厚度為15μm；轉(zhuǎn)子1厚度為8μm，直徑為3.2mm，四周有8個通孔，8個通孔呈環(huán)形均勻分布在轉(zhuǎn)子1上，通孔夾角為15°，轉(zhuǎn)子1的中心安裝一個反射鏡2。當(dāng)轉(zhuǎn)子1懸浮起來時，需要對軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4加電，控制轉(zhuǎn)子1帶動反射鏡2旋轉(zhuǎn)到指定角度，改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较颍詽M足大角度成像使用需要。徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8控制轉(zhuǎn)子1繞徑向旋轉(zhuǎn)，在對應(yīng)軸加電控制轉(zhuǎn)子1徑向旋轉(zhuǎn)。公共電極9引出檢測信號以獲得轉(zhuǎn)子1的實際轉(zhuǎn)角。支撐柱5設(shè)置在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8上，減少懸浮時轉(zhuǎn)子1與基底的粘附力，便于懸浮。

其中定子10采用基于UV-LIGA技術(shù)加工而成，主要是采用濺射種子層→甩膠→光刻→電鍍→去膠→去種子層方法獲得。絕緣介質(zhì)三氧化二鋁充滿于平面線圈電極層中。支撐柱5采用光刻和腐蝕工藝獲得。轉(zhuǎn)子1采用鐳射加工機(jī)切割鋁箔形成，加工精度為2μm，該加工方法精度高，材料無變形。

在磁懸浮微鏡系統(tǒng)中，懸浮線圈6通交變電流，該交變電流產(chǎn)生的交變磁場與其在轉(zhuǎn)子1導(dǎo)體中感應(yīng)出的渦流作用產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子1懸浮起來，穩(wěn)定線圈7使轉(zhuǎn)子1穩(wěn)定懸浮在腔體中央。軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極4為三相，當(dāng)順序通電，產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子1軸向旋轉(zhuǎn)。徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極8上加電，產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子1繞徑向旋轉(zhuǎn)。

微轉(zhuǎn)角控制采用閉環(huán)控制原理，具體如圖2所示，輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)角，電容檢測電路獲取轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)角，并與參考轉(zhuǎn)角比較，獲得誤差值，誤差值經(jīng)過軸向旋轉(zhuǎn)控制器后獲得電壓ΔV₁，經(jīng)過徑向轉(zhuǎn)動控制器后輸出電壓ΔV₂～ΔV₃，再分別和預(yù)載電壓V_b疊加后獲得施加在控制極板上的控制電壓信號V₁～V₇。其中V₁～V₃為軸向旋轉(zhuǎn)控制電壓，控制轉(zhuǎn)子繞軸向轉(zhuǎn)動，若所需控制轉(zhuǎn)角大于步進(jìn)角度15°時，則順序加電，轉(zhuǎn)子以步進(jìn)角度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)所需控制轉(zhuǎn)角小于步進(jìn)角度時，則切換到帶預(yù)載電壓轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制?？刂齐妷悍謩e為V₁＝V_b+ΔV₁，V₂＝V_b-ΔV₁，V₃＝V_b，再轉(zhuǎn)換成等量異號電壓分別施加在軸向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極的三對電極對上。V₄～V₇為徑向旋轉(zhuǎn)控制電壓，控制轉(zhuǎn)子繞徑向轉(zhuǎn)動，依靠靜電力將轉(zhuǎn)子拉到所需位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂齐妷悍謩e為V₄＝V_b+ΔV₂，V₅＝V_b-ΔV₃，V₆＝V_b-ΔV₂，V₇＝V_b+ΔV₃，再轉(zhuǎn)換成等量異號控制電壓分別施加在徑向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極的四對電極對上，其中，V₄和V₆控制轉(zhuǎn)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)，V₅和V₇控制轉(zhuǎn)子繞X軸旋轉(zhuǎn)。

本實用新型采用頻分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的測量，獲取微位移檢測的靈敏度、線性度、精度等性能指標(biāo)。在懸浮電極對上再疊加分別表示轉(zhuǎn)子角位移的不同頻率的高頻載波電壓。公共電極通過電容耦合將產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)子相應(yīng)角位移的交流檢測信號。此交流檢測信號經(jīng)過前置放大電路轉(zhuǎn)換成交流檢測電壓信號。再經(jīng)同步解調(diào)、低通濾波后產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置信號，經(jīng)計算求得相應(yīng)控制電極對上應(yīng)加的直流控制電壓從而使轉(zhuǎn)子到達(dá)指定位置。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。