郭向楠， 苑偉政， 王軍平， 虞益挺， 孟慶超， 喬大勇

(1. 中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽 471009; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實驗室， 西安 710072; 3. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室， 西安 710072)

基于FR-4的電磁驅(qū)動微掃描鏡研究

郭向楠1， 苑偉政2,3， 王軍平1， 虞益挺2,3， 孟慶超1， 喬大勇2,3

(1. 中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽 471009; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實驗室， 西安 710072; 3. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室， 西安 710072)

設(shè)計一種基于FR-4材料的電磁驅(qū)動微掃描鏡， 進(jìn)行了有限元仿真， 并利用標(biāo)準(zhǔn)PCB技術(shù)制作了器件。 測試結(jié)果表明， 器件具有約0.015 (°)/mA的靜態(tài)轉(zhuǎn)角， 在50～500 Hz驅(qū)動頻率下光學(xué)轉(zhuǎn)角始終大于±2°， 在360 Hz處達(dá)到最大±34.18°， 同時反饋電壓與掃描角度具有良好的線性關(guān)系。 器件通過了高低溫及壽命試驗， 其可靠性得到了驗證。

FR-4； 微掃描鏡； 電磁驅(qū)動； 有限元仿真； 性能測試

0 引 言

微掃描鏡作為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)中的核心元件[1]， 具有體積小、 能耗低、 可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢， 在手持投影、 車載HUD、 醫(yī)學(xué)OCT等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2-5]。 在眾多驅(qū)動方式中， 采用電磁驅(qū)動的微掃描鏡驅(qū)動能力強(qiáng)、 驅(qū)動電壓低、 線性度好、 支持較大的反射面， 能滿足大部分應(yīng)用場合的需求[6]。 傳統(tǒng)硅基電磁微掃描鏡通常采用圖形化后電鍍的方法制備金屬線圈， 其工藝難度大、 加工成本高、 生產(chǎn)周期長[7]。 為此， 本文設(shè)計了一種基于FR-4材料的電磁驅(qū)動微掃描鏡， 扭轉(zhuǎn)面尺寸為10 mm×12 mm， 具有角度反饋功能。 利用標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計加工技術(shù)完成了器件制作及封裝。

1 設(shè) 計

1.1 材料選擇

FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板是全世界用量最大的PCB基板， 具有耐熱、 耐燃、 耐腐蝕的特性， 平整度好， 厚度公差標(biāo)準(zhǔn)， 且具有較高的機(jī)械性能， 便于加工和制造[8]。 目前FR-4超薄板加工厚度可小于0.2 mm， 滿足微掃描鏡的設(shè)計要求。 同時， 采用標(biāo)準(zhǔn)PCB生產(chǎn)工藝在FR-4基板上制作金屬線圈技術(shù)成熟， 加工質(zhì)量高， 可大大縮短電磁驅(qū)動掃描鏡的加工成本和周期， 因此考慮以FR-4替代傳統(tǒng)硅基材料。

1.2 原理設(shè)計

圖1為FR-4基微掃描鏡結(jié)構(gòu)原理圖， 包含固定框架、 扭轉(zhuǎn)梁、 扭轉(zhuǎn)面、 反射面、 金屬線圈及焊盤。 其中， 固定框架安裝在外部平面上， 對掃描鏡起到定位支撐的作用。 扭轉(zhuǎn)面通過兩端的直型扭轉(zhuǎn)梁與固定框架相連， 正反兩面均有驅(qū)動線圈及反饋線圈， 經(jīng)過梁與固定框架上的焊盤導(dǎo)通， 實現(xiàn)掃描鏡與外部的電連接。 反射面采用拋光硅片單獨(dú)制作， 根據(jù)需求濺射不同反射層， 安裝在扭轉(zhuǎn)面上。

電磁驅(qū)動微掃描鏡工作在穩(wěn)恒磁場中[9]。 當(dāng)驅(qū)動線圈通電時， 平行于Y軸方向的線圈在磁場中受到±Z向的洛倫茲力， 并施加在扭轉(zhuǎn)面上[10]。 對于平面矩形多匝線圈， 以扭轉(zhuǎn)梁為中心軸， 扭轉(zhuǎn)面兩側(cè)受到大小相同、 方向相反的電磁力作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。 當(dāng)驅(qū)動信號為交流信號時， 扭轉(zhuǎn)面往復(fù)運(yùn)動形成掃描。

圖1 FR-4基微掃描鏡結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of the scanning mirror based on FR-4

反饋線圈運(yùn)動時沿±Z方向切割磁場， 產(chǎn)生動生電動勢， 其大小與掃描角度成正比， 輸出后作為位置反饋信號。

1.3 有限元仿真

微掃描鏡的固有模態(tài)頻率主要受扭轉(zhuǎn)剛度影響[11]。 尺寸設(shè)計時既要考慮加工能力， 又要保證除扭轉(zhuǎn)外的其他模態(tài)頻率遠(yuǎn)離工作頻率。 根據(jù)設(shè)計的尺寸， 利用有限元仿真軟件分別對FR-4基掃描鏡及硅基反射面進(jìn)行建模， 代入材料屬性進(jìn)行模態(tài)頻率仿真。 其中FR-4基板為復(fù)合材料， 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12]， 其材料屬性如表1所示。

表1 FR-4基板材料屬性

圖2為仿真得到的微掃描鏡一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)， 頻率為357 Hz， 在該頻率點(diǎn)微掃描鏡將達(dá)到動態(tài)最大轉(zhuǎn)角。 圖3為二階垂直平動模態(tài)， 頻率為549 Hz， 距離一階頻率較遠(yuǎn)， 對扭轉(zhuǎn)運(yùn)動影響不大， 其余各模態(tài)頻率均遠(yuǎn)大于一階扭轉(zhuǎn)頻率。

圖2 一階模態(tài)

圖3 二階模態(tài)

Fig.3 The second mode

為考量抗振性能， 對微掃描鏡模型施加0～500 Hz的隨機(jī)振動激勵。 圖4為垂直方向仿真結(jié)果， 結(jié)果表明微掃描鏡在振動環(huán)境下主要偏移方向為垂直方向， 且距離小于0.01 mm， 具有較好的抗振性能。

圖4 隨機(jī)振動仿真

Fig.4 Random vibration simulation

電磁驅(qū)動掃描鏡工作在穩(wěn)恒磁場中， 磁場強(qiáng)度及磁場方向直接影響其扭轉(zhuǎn)性能[13-14]。 本文采用永磁體加導(dǎo)磁體組合搭建磁路， 其有限元磁場仿真如圖5所示。 由結(jié)果可知， 經(jīng)導(dǎo)磁體作用后， 磁力線集中在工作區(qū)域， 磁場強(qiáng)度約為400 mT， 且較為均勻， 滿足磁路設(shè)計要求。

圖5 磁場仿真

Fig.5 Magnetic field simulation

2 制 造

由于FR-4基板材料適用于PCB加工， 直接利用PCB設(shè)計軟件繪制掃描鏡版圖， 如圖6所示。 按照設(shè)計原理， 以扭轉(zhuǎn)梁為中心軸， 兩側(cè)線圈電流方向相反， 上下兩面對應(yīng)位置的線圈電流方向相同。 其中正面驅(qū)動線圈沿扭轉(zhuǎn)面輪廓順時針從外向內(nèi)繞行， 反面線圈從內(nèi)向外順時針繞行， 并在中點(diǎn)處由過孔上下導(dǎo)通。 反饋線圈布置在驅(qū)動線圈外圍， 由正面一圈與背面半圈組成， 通過側(cè)面過孔導(dǎo)通。 驅(qū)動線圈與反饋線圈經(jīng)過懸臂梁與外部焊盤連接。 設(shè)計時通過優(yōu)化布局得到更多的有效線圈以提高驅(qū)動力， 同時要考慮線寬對最大電流的限制。

圖6 版圖設(shè)計

Fig.6 Layout design

加工后的FR-4基掃描鏡經(jīng)過激光切割成形， 扭轉(zhuǎn)面上粘合硅基反射面， 之后連同內(nèi)嵌電路板、 磁路結(jié)構(gòu)一起封裝在鋁合金基座內(nèi)， 如圖7所示。 封裝提供了機(jī)械支持、 環(huán)境隔離及外部電氣連接， 后期可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步減小體積。

圖7 掃描鏡封裝

Fig.7 Package of the scanning mirror

3 測 試

3.1 性能測試

圖8為搭建的光學(xué)測試平臺， 使用數(shù)字電源向掃描鏡提供直流驅(qū)動， 使用信號發(fā)生器加功率放大器向掃描鏡提供頻率、 電流可變的交流驅(qū)動。 采用激光三角法測量掃描鏡的扭轉(zhuǎn)角度[15]。

圖8 光學(xué)測試平臺

Fig.8 Optical test platform

圖9為直流驅(qū)動時掃描鏡靜態(tài)轉(zhuǎn)角隨驅(qū)動電流的變化曲線， 靜態(tài)轉(zhuǎn)角斜率約為0.015 (°)/mA， 在200 mA時扭轉(zhuǎn)角為3.054°。 圖10為50 Hz交流驅(qū)動時掃描鏡動態(tài)轉(zhuǎn)角隨驅(qū)動電流的變化曲線， 其動態(tài)轉(zhuǎn)角斜率約為±0.02 (°)/mA， 在200 mA時扭轉(zhuǎn)角為±4.01°。 兩種工作模式下扭轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動電流均具有良好的線性度。 圖11為驅(qū)動電流100 mA時動態(tài)轉(zhuǎn)角隨驅(qū)動頻率的變化曲線， 在50～500 Hz頻率范圍內(nèi)， 掃描鏡的扭轉(zhuǎn)角始終大于±2°， 且在360 Hz處達(dá)到最大值±34.18°。 由此可見， 360 Hz為掃描鏡的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)， 與仿真值基本一致。 圖12為放大濾波后的反饋電壓隨扭轉(zhuǎn)角度的變化曲線， 在±4°扭轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)保持良好的線性關(guān)系， 同時波形頻率與驅(qū)動信號相同。

圖9 光學(xué)轉(zhuǎn)角隨驅(qū)動電流變化曲線

圖10 掃描角隨驅(qū)動電流變化曲線

圖11 掃描角隨驅(qū)動頻率變化曲線

圖12 反饋電壓隨掃描角變化曲線

Fig.12 Curve of feedback voltage to scanning angle

3.2 可靠性測試

為了驗證器件的環(huán)境適應(yīng)性， 對FR-4基掃描鏡進(jìn)行了高低溫實驗， 分別在溫箱-40 ℃、 20 ℃、 80 ℃環(huán)境中保溫6 h后進(jìn)行通電測試， 驅(qū)動電流與激光掃描線關(guān)系曲線如圖13所示。 結(jié)果表明， 掃描鏡在高低溫環(huán)境中均能可靠工作并保持線性度， 在不同溫度環(huán)境中扭轉(zhuǎn)角度略有差異。

圖13 高低溫實驗

Fig.13 High and low temperature test

同時， 在常溫25 ℃環(huán)境下進(jìn)行了960 h連續(xù)通電老練試驗， 微掃描鏡始終正常工作， 其性能保持穩(wěn)定， 結(jié)果驗證了FR-4器件的工作壽命。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于FR-4材料的電磁驅(qū)動微掃描鏡， 進(jìn)行了有限元仿真， 完成了制作和封裝。 性能測試表明： 器件具有約0.015 (°)/mA的靜態(tài)轉(zhuǎn)角斜率。 驅(qū)動電流100 mA時， 在工作頻率50～500 Hz范圍內(nèi)動態(tài)光學(xué)轉(zhuǎn)角始終大于±2°， 在諧振點(diǎn)360 Hz處得到最大±34.18°， 同時反饋電壓與角度有良好的線性關(guān)系。 器件經(jīng)過了高低溫及壽命試驗， 驗證了可靠性。 該設(shè)計加工工藝簡單， 成本較低， 具有良好的應(yīng)用前景。

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ResearchofElectromagneticActuatedMicroScanningMirrorBasedonFR-4

GuoXiangnan1，YuanWeizheng2,3，WangJunping1，YuYiting2,3，MengQingchao1，QiaoDayong2,3

(1.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China;2.KeyLaboratoryofMicroandNanoSystemforAerospace,MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China;3.ShanxiProvinceKeyLaboratoryofMicro/NanoSystems,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

An electromagnetic actuated micro scanning mirror based on FR-4is designed and the finite element simulations are implemented to determine the device performance, then it is fabricated using standard printed circuit board technology. Test result shows that the device turns0.015(°)/mA at static mode and gives total optical scan angles more than ±2° at frequency ranging from50to500Hz, and the maximum angle is ±34.18° at frequency of360Hz. The feedback voltage has a good linear relationship with scan angle. High and low temperature test and lifetime test verify the reliability of the electromagnetic actuated micro scanning mirror.

FR-4; scanning mirror; electromagnetic actuated; finite element simulations; performance measurement

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2017.04.013

2017-04-18

中航產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金(CXY2012XG12)

郭向楠(1988-)， 男， 河南洛陽人， 碩士， 研究方向是微機(jī)電系統(tǒng)。

郭向楠， 苑偉政， 王軍平， 等. 基于FR-4的電磁驅(qū)動微掃描鏡研究[ J]. 航空兵器， 2017( 4)： 75-79. Guo Xiangnan, Yuan Weizheng, Wang Junping， et al. Research of Electromagnetic Actuated Micro Scanning Mirror Based on FR-4[ J]. Aero Weaponry, 2017( 4): 75-79. ( in Chinese)

TH74

： A

： 1673-5048(2017)04-0075-05