基于 PCB 工艺低成本二维扫描微镜设计
摘要
扫描微镜是微光学系统的核心器件，在投影显示、条形码阅读器、微分光仪和生物医学 显像等方面有着广泛的应用。它的基本原理是微反射镜面在不同的驱动力机制作用下发生偏 转，从而改变光束的出射角度，按照工作模式的不同分为数字式微镜和模拟式微镜；根据驱 动机制的不同，扫描微镜可分为静电式、电热式、压电式和电磁式四种类型。微镜在体积、 重量和功耗上具有明显的优势，并且能够以低成本实现大批量的制造。本文介绍了传统微镜 制作的四种方法，并详细介绍电磁微镜和集成角度传感器的制作原理与方法。除此之外还对 微镜制作中的各向异性湿法刻蚀、凸角补偿、电镀等加工工艺作了介绍，最后介绍了以 PCB 为平台的设计信号发生模块、角度检测模块、反馈控制模块以及可变增益放大模块的设计。
关键词:扫描微镜 驱动机制 角度传感器 加工工艺 PCB 设计
Abstract
Scanner microscopes are the core devices of MicroOptical systems and are widely used in projection display, bar code reader, differential spectrometer and biomedical imaging. Its basic principle is that the micro-reflection mirror deflects under the action of different driving mechanisms, thereby changing the angle of emission of the beam, and is divided into digital microscopes and analog micromirrors according to the different working modes; According to the different driving mechanisms, scanning microscopes can be divided into four types: electrostatic, electro-thermal, piezoelectric and electromagnetic. Microscopes have obvious advantages in volume, weight and power consumption, and can be manufactured in large quantities at low cost. This paper introduces four methods of traditional microscopes and introduces the principle and method of electromagnetic microscopes and integrated angle sensors in detail. In addition, anisotropic wet etching, convex angle compensation, electroplating and other processing processes in the production of microscopes are also introduced. Finally, the design of signal generation module, angle detection module, feedback control module and variable gain amplification module based on PCB are introduced.
Key words: Scan Microscope; Driver mechanism;
Angle sensor; PCB design; processing process
1 引言：
扫描微镜是微光学系统的核心器件，在投影显示、条形码阅读器、微分光仪 和生物医学显像等方面有着广泛的应用。它的基本原理是微反射镜面在不同的驱 动力机制（的作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度。按照工作模式的不同， 微镜分为数字式微镜和模拟式微镜。数字式微镜以二元方式控制镜面实现角度偏 转；模拟式微镜以谐振方式对微镜施加正弦驱动信号，使其在一定运动范围内往 复扫描。与传统电机驱动反射镜相比，微镜在体积、重量和功耗上具有明显的优 势，并且能够以低成本实现大批量的制造。
根据驱动机制的不同，扫描微镜可分为静电式、电热式、压电式和电磁式四种类型，四种微镜系统各有优劣之处。硅微机电扫描微镜凭着小尺寸、低功耗和 高速度的优点在高频率扫描应用上有这独特的优势。但是，低频率硅微镜由于硅 的脆弱性而不能经受住环境的冲击与振动。而且当微机电结构增加时，硅的疲劳 强度也会随之下降，从而限制镜板孔径大小。 如果使用金属材料代替硅作为扫描微镜的基底材料，在一定程度上可以改善了系 统的稳定性，却需要增加额外的分离过程来形成促动器，不可避免地增加了过程 复杂性和生产成本。另一种选择是 FR4，FR4 是种杨氏模量 20Mpa 左右的软材料，有着良好的电、机械和热特性，成为了 PCB 制作过程中应用广泛的材料。 因而，二维扫描微镜能够使用 FR4 为基底材料通过低成本 PCB 制作方式快速制作而成。
本文将介绍了一种以 PCB 为基底平台的电磁扫描微镜，旨在克服传统微机 电微镜在大孔径和低频率扫描应用方面的限制以及使用商用 PCB 制作模式流程 来获取低成本、短周期的高效工作过程。用于驱动的铜线圈刷印在 PCB 平台的 底层，形成稳固的电磁驱动机制，为微镜的工作提供驱动力。PCB 平台上安有 电磁角度传感器，用来实时地监测偏转角度。偏转角度能够形成精确的闭合电路 控制，能够提高微镜的工作精确度。创新之处在于，驱动和角度传感器使用低成 本的商用 PCB 来制作，可以通过大规模的制作过程降低生产成本，有利于批量 生产，而不是采用高成本的以硅为基础的微机电制作过程，突破了传统的限制， 既发掘出新的实现方式，也极大了削减了生产成本。下文我将简单介绍传统的微 镜制作原理与方法，并将系统地论证本次设计的电磁微镜和角度传感器的原理与 作用，也会将两者做简单的比较说明本次设计做出的改进的优势。当然，我也会 在下文中介绍微镜的制作工艺，即 PCB 的布线、封装、刻录板子以及大规模生产制作的一些流程和注意事项，给以一个比较全面的解释和说明。
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