基于电磁原理的扫描微镜封装结构设计

吴 轲 黄明洋

（重庆川仪自动化股份有限公司技术中心，重庆401121）

随着分析检测水平的不断发展，由于近红外光谱仪运用在分析检测中得到了极大的运用。近红外光谱分析技术进行分析时，不需要对分析样品进行要预处理，具有快速、能定性定量检测固体、液体和气体物质组分和含量的明显优势，被广泛应用于现代农业、石油化工、食品安全、环境监控等行业[1]。传统的红外光谱仪基于的是阵列探测器，成本高，体积大，严重制约了近红外光谱在检测领域中的应用[2]，因此研制出一款体积小，低功率，高性能的近红外管光谱仪显得尤为迫切[3]。使用扫描微镜作为核心部件的近红外光谱仪可以用单管探测器来代替昂贵的阵列探测器，且扫描微镜本身体积较小，这样既降低了成本，又缩小了光谱仪的体积，因此基于扫描微镜的近红外光谱仪已经成为国内外重要的研究方向。

常见的扫描微镜驱动方式有静电式、压电式、热电式、电磁式。采用静电方式驱动的微镜优点是结构简单，在稳定性和重复性上具有良好的特性，缺点是在由于在转动角度较小，在静电驱动下存在静电吸附现象；采用压电式的驱动方式，受限于压电材料的制造工艺和MEMS 工艺兼容性差，制造性能较好的压电驱动薄膜技术难度大；对于采用热电式驱动方式的扫描微镜具有驱动电压低，转动角度大的优点，但扫描微镜工作时存在相应速度慢，能耗高，且对工作环境有着严格的要求；电磁式需要把微镜组件放置在外部的磁场中，具有驱动力大，线性度好的特点。[4]本产品的封装结构正是基于电磁式的原理来进行设计。

1 设计原理

图1 为扫描微镜的工作原理简图，两边为磁铁，中间为微镜核心芯片组件，通过芯片组件上的驱动线圈使得中心芯片在磁场中摆动[4]。扫描微镜封装结构设计的思路是在保证较小体积和实现微镜工作性能的前提下，确保微镜芯片组价及磁铁安装固定。现在使用的扫描微镜封装主要满足于整机的性能测试，如图2 为该结构的整机示意图。整个封装结构电路部分采用两块PCB 板，即芯片连接板和底部PCB 板，芯片连接板板作为微镜芯片的底板，与微镜芯片通过胶粘后成为一个组件，排针将芯片连接板、微镜座4 及底部PCB 板连接起来，两端在排针上的焊锡将三个零部件固定，微镜座上预留有两排排针穿过的方形孔，两块磁铁放入到微镜座的磁铁卡槽内，再通过微镜盖和螺钉将磁铁固定。该结构安装复杂，两块磁铁距离芯片位置较远，磁铁个体差异可能会造成磁力不够。通过排针和焊锡的这种连接方式不够稳定，一致性差，无法适应产业化。针对以前设计的结构问题，在原有的基础上对封装结构进行重新设计，该结构主要分为两部分，即电路部分和结构部分。

图1 微镜基本原理简图

图2 扫描微镜封装测试版结构示意图

1.1 电路部分

如图3 所示为电路结构部分的PCB 板组件，该组件主要由PCB 底板1、排线端子2 及扫描微镜芯片3 组成，扫描微镜芯片通过粘胶的方式与PCB 底板固定，通过点焊连线的方式实现与PCB 板触点的连接。排线端子通过焊盘实现与PCB 底板的固定，微镜芯片通过排线端子与外部电路进行通信。相比以前的结构，将原有两块PCB 板整合为一块，使得装配过程更为简单，且缩小了原有PCB 板的面积，在PCB 板上设计有磁铁的卡槽，与测试版的结构相比，两块磁铁之间的安装位置更近，从而增强了磁铁之间的磁场强度，能有效降低扫描微镜芯片的驱动电压，减小外部电路负载，整体结构也显得给外紧凑。

图3 PCB 板组件原理图

1.2 结构部分

如图4 为扫描微镜封装结构原理图，封装结构的主体由封装上端盖2 和封装底座4 构成，PCB 底板上设计有磁铁的定位孔，安装时候先PCB 板组件放置在封装底座上，然后嵌入两块磁铁3，再将封装上端盖盖上，通过四个锁紧螺钉将PCB 板组件压紧。封装上端盖和封装底座都开有磁铁的定位槽，通过公差的控制，保证磁铁安装时不会与封装上端盖、PCB 电路板和封装底座的磁铁限位槽发生干涉。封装底座除了有磁铁的安装槽，还设计了方形孔，为微镜工作时核心芯片来回摆动提供充足的空间，底座背面还设计有安装螺纹孔，整机的测试和与外设机构的安装。整体结构相比之前的结构更为紧凑，核心电路部分都包裹在主体结构内部，能对电路部分起到保护作用。

图4 微镜封装结构原理图

2 结论

扫描微镜封装在参考测试版微镜封装结构的基础上进行重新设计，着眼于产品想工业化方向发展，真正实现产品从测试型向产品化过渡。电路部分将以两块PCB 板合成一块，不仅减低了产品的成本，还减小是装配难度，结构上新封装结构主体靠封装上端盖和封装底座，依靠四颗螺钉将整个封装结构固定起来，体积更小结构稳定性好，安装过程更为简单，不需要过多依赖装配师傅的技能大小，能够保证产品的一致性，底座的底部的螺纹孔能够预留了整机与外设的连接，更好的将扫描微镜应用到各种光学分析测量设备中去