基于FR-4的电磁驱动微扫描镜研究

郭向楠， 苑伟政， 王军平， 虞益挺， 孟庆超， 乔大勇

(1. 中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009; 2. 西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室， 西安 710072; 3. 西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室， 西安 710072)

基于FR-4的电磁驱动微扫描镜研究

郭向楠1， 苑伟政2,3， 王军平1， 虞益挺2,3， 孟庆超1， 乔大勇2,3

(1. 中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009; 2. 西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室， 西安 710072; 3. 西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室， 西安 710072)

设计一种基于FR-4材料的电磁驱动微扫描镜， 进行了有限元仿真， 并利用标准PCB技术制作了器件。 测试结果表明， 器件具有约0.015 (°)/mA的静态转角， 在50～500 Hz驱动频率下光学转角始终大于±2°， 在360 Hz处达到最大±34.18°， 同时反馈电压与扫描角度具有良好的线性关系。 器件通过了高低温及寿命试验， 其可靠性得到了验证。

FR-4； 微扫描镜； 电磁驱动； 有限元仿真； 性能测试

0 引 言

微扫描镜作为微光机电系统(MOEMS)中的核心元件[1]， 具有体积小、 能耗低、 可批量生产等优势， 在手持投影、 车载HUD、 医学OCT等领域都有广泛的应用[2-5]。 在众多驱动方式中， 采用电磁驱动的微扫描镜驱动能力强、 驱动电压低、 线性度好、 支持较大的反射面， 能满足大部分应用场合的需求[6]。 传统硅基电磁微扫描镜通常采用图形化后电镀的方法制备金属线圈， 其工艺难度大、 加工成本高、 生产周期长[7]。 为此， 本文设计了一种基于FR-4材料的电磁驱动微扫描镜， 扭转面尺寸为10 mm×12 mm， 具有角度反馈功能。 利用标准PCB设计加工技术完成了器件制作及封装。

1 设 计

1.1 材料选择

FR-4环氧玻璃布层压板是全世界用量最大的PCB基板， 具有耐热、 耐燃、 耐腐蚀的特性， 平整度好， 厚度公差标准， 且具有较高的机械性能， 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， 满足微扫描镜的设计要求。 同时， 采用标准PCB生产工艺在FR-4基板上制作金属线圈技术成熟， 加工质量高， 可大大缩短电磁驱动扫描镜的加工成本和周期， 因此考虑以FR-4替代传统硅基材料。

1.2 原理设计

图1为FR-4基微扫描镜结构原理图， 包含固定框架、 扭转梁、 扭转面、 反射面、 金属线圈及焊盘。 其中， 固定框架安装在外部平面上， 对扫描镜起到定位支撑的作用。 扭转面通过两端的直型扭转梁与固定框架相连， 正反两面均有驱动线圈及反馈线圈， 经过梁与固定框架上的焊盘导通， 实现扫描镜与外部的电连接。 反射面采用抛光硅片单独制作， 根据需求溅射不同反射层， 安装在扭转面上。

电磁驱动微扫描镜工作在稳恒磁场中[9]。 当驱动线圈通电时， 平行于Y轴方向的线圈在磁场中受到±Z向的洛伦兹力， 并施加在扭转面上[10]。 对于平面矩形多匝线圈， 以扭转梁为中心轴， 扭转面两侧受到大小相同、 方向相反的电磁力作用产生偏转。 当驱动信号为交流信号时， 扭转面往复运动形成扫描。

图1 FR-4基微扫描镜结构

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

反馈线圈运动时沿±Z方向切割磁场， 产生动生电动势， 其大小与扫描角度成正比， 输出后作为位置反馈信号。

1.3 有限元仿真

微扫描镜的固有模态频率主要受扭转刚度影响[11]。 尺寸设计时既要考虑加工能力， 又要保证除扭转外的其他模态频率远离工作频率。 根据设计的尺寸， 利用有限元仿真软件分别对FR-4基扫描镜及硅基反射面进行建模， 代入材料属性进行模态频率仿真。 其中FR-4基板为复合材料， 根据相关文献[12]， 其材料属性如表1所示。

表1 FR-4基板材料属性

图2为仿真得到的微扫描镜一阶扭转模态， 频率为357 Hz， 在该频率点微扫描镜将达到动态最大转角。 图3为二阶垂直平动模态， 频率为549 Hz， 距离一阶频率较远， 对扭转运动影响不大， 其余各模态频率均远大于一阶扭转频率。

图2 一阶模态

图3 二阶模态

Fig.3 The second mode

为考量抗振性能， 对微扫描镜模型施加0～500 Hz的随机振动激励。 图4为垂直方向仿真结果， 结果表明微扫描镜在振动环境下主要偏移方向为垂直方向， 且距离小于0.01 mm， 具有较好的抗振性能。

图4 随机振动仿真

Fig.4 Random vibration simulation

电磁驱动扫描镜工作在稳恒磁场中， 磁场强度及磁场方向直接影响其扭转性能[13-14]。 本文采用永磁体加导磁体组合搭建磁路， 其有限元磁场仿真如图5所示。 由结果可知， 经导磁体作用后， 磁力线集中在工作区域， 磁场强度约为400 mT， 且较为均匀， 满足磁路设计要求。

图5 磁场仿真

Fig.5 Magnetic field simulation

2 制 造

由于FR-4基板材料适用于PCB加工， 直接利用PCB设计软件绘制扫描镜版图， 如图6所示。 按照设计原理， 以扭转梁为中心轴， 两侧线圈电流方向相反， 上下两面对应位置的线圈电流方向相同。 其中正面驱动线圈沿扭转面轮廓顺时针从外向内绕行， 反面线圈从内向外顺时针绕行， 并在中点处由过孔上下导通。 反馈线圈布置在驱动线圈外围， 由正面一圈与背面半圈组成， 通过侧面过孔导通。 驱动线圈与反馈线圈经过悬臂梁与外部焊盘连接。 设计时通过优化布局得到更多的有效线圈以提高驱动力， 同时要考虑线宽对最大电流的限制。

图6 版图设计

Fig.6 Layout design

加工后的FR-4基扫描镜经过激光切割成形， 扭转面上粘合硅基反射面， 之后连同内嵌电路板、 磁路结构一起封装在铝合金基座内， 如图7所示。 封装提供了机械支持、 环境隔离及外部电气连接， 后期可通过结构优化进一步减小体积。

图7 扫描镜封装

Fig.7 Package of the scanning mirror

3 测 试

3.1 性能测试

图8为搭建的光学测试平台， 使用数字电源向扫描镜提供直流驱动， 使用信号发生器加功率放大器向扫描镜提供频率、 电流可变的交流驱动。 采用激光三角法测量扫描镜的扭转角度[15]。

图8 光学测试平台

Fig.8 Optical test platform

图9为直流驱动时扫描镜静态转角随驱动电流的变化曲线， 静态转角斜率约为0.015 (°)/mA， 在200 mA时扭转角为3.054°。 图10为50 Hz交流驱动时扫描镜动态转角随驱动电流的变化曲线， 其动态转角斜率约为±0.02 (°)/mA， 在200 mA时扭转角为±4.01°。 两种工作模式下扭转角度与驱动电流均具有良好的线性度。 图11为驱动电流100 mA时动态转角随驱动频率的变化曲线， 在50～500 Hz频率范围内， 扫描镜的扭转角始终大于±2°， 且在360 Hz处达到最大值±34.18°。 由此可见， 360 Hz为扫描镜的一阶扭转模态， 与仿真值基本一致。 图12为放大滤波后的反馈电压随扭转角度的变化曲线， 在±4°扭转角范围内保持良好的线性关系， 同时波形频率与驱动信号相同。

图9 光学转角随驱动电流变化曲线

图10 扫描角随驱动电流变化曲线

图11 扫描角随驱动频率变化曲线

图12 反馈电压随扫描角变化曲线

Fig.12 Curve of feedback voltage to scanning angle

3.2 可靠性测试

为了验证器件的环境适应性， 对FR-4基扫描镜进行了高低温实验， 分别在温箱-40 ℃、 20 ℃、 80 ℃环境中保温6 h后进行通电测试， 驱动电流与激光扫描线关系曲线如图13所示。 结果表明， 扫描镜在高低温环境中均能可靠工作并保持线性度， 在不同温度环境中扭转角度略有差异。

图13 高低温实验

Fig.13 High and low temperature test

同时， 在常温25 ℃环境下进行了960 h连续通电老练试验， 微扫描镜始终正常工作， 其性能保持稳定， 结果验证了FR-4器件的工作寿命。

4 结 论

本文设计了一种基于FR-4材料的电磁驱动微扫描镜， 进行了有限元仿真， 完成了制作和封装。 性能测试表明： 器件具有约0.015 (°)/mA的静态转角斜率。 驱动电流100 mA时， 在工作频率50～500 Hz范围内动态光学转角始终大于±2°， 在谐振点360 Hz处得到最大±34.18°， 同时反馈电压与角度有良好的线性关系。 器件经过了高低温及寿命试验， 验证了可靠性。 该设计加工工艺简单， 成本较低， 具有良好的应用前景。

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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

中航产学研创新基金(CXY2012XG12)

郭向楠(1988-)， 男， 河南洛阳人， 硕士， 研究方向是微机电系统。

郭向楠， 苑伟政， 王军平， 等. 基于FR-4的电磁驱动微扫描镜研究[ 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