基于電磁原理的掃描微鏡封裝結(jié)構設計

吳 軻 黃明洋

（重慶川儀自動化股份有限公司技術中心，重慶401121）

隨著分析檢測水平的不斷發(fā)展，由于近紅外光譜儀運用在分析檢測中得到了極大的運用。近紅外光譜分析技術進行分析時，不需要對分析樣品進行要預處理，具有快速、能定性定量檢測固體、液體和氣體物質(zhì)組分和含量的明顯優(yōu)勢，被廣泛應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、石油化工、食品安全、環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)[1]。傳統(tǒng)的紅外光譜儀基于的是陣列探測器，成本高，體積大，嚴重制約了近紅外光譜在檢測領域中的應用[2]，因此研制出一款體積小，低功率，高性能的近紅外管光譜儀顯得尤為迫切[3]。使用掃描微鏡作為核心部件的近紅外光譜儀可以用單管探測器來代替昂貴的陣列探測器，且掃描微鏡本身體積較小，這樣既降低了成本，又縮小了光譜儀的體積，因此基于掃描微鏡的近紅外光譜儀已經(jīng)成為國內(nèi)外重要的研究方向。

常見的掃描微鏡驅(qū)動方式有靜電式、壓電式、熱電式、電磁式。采用靜電方式驅(qū)動的微鏡優(yōu)點是結(jié)構簡單，在穩(wěn)定性和重復性上具有良好的特性，缺點是在由于在轉(zhuǎn)動角度較小，在靜電驅(qū)動下存在靜電吸附現(xiàn)象；采用壓電式的驅(qū)動方式，受限于壓電材料的制造工藝和MEMS 工藝兼容性差，制造性能較好的壓電驅(qū)動薄膜技術難度大；對于采用熱電式驅(qū)動方式的掃描微鏡具有驅(qū)動電壓低，轉(zhuǎn)動角度大的優(yōu)點，但掃描微鏡工作時存在相應速度慢，能耗高，且對工作環(huán)境有著嚴格的要求；電磁式需要把微鏡組件放置在外部的磁場中，具有驅(qū)動力大，線性度好的特點。[4]本產(chǎn)品的封裝結(jié)構正是基于電磁式的原理來進行設計。

1 設計原理

圖1 為掃描微鏡的工作原理簡圖，兩邊為磁鐵，中間為微鏡核心芯片組件，通過芯片組件上的驅(qū)動線圈使得中心芯片在磁場中擺動[4]。掃描微鏡封裝結(jié)構設計的思路是在保證較小體積和實現(xiàn)微鏡工作性能的前提下，確保微鏡芯片組價及磁鐵安裝固定。現(xiàn)在使用的掃描微鏡封裝主要滿足于整機的性能測試，如圖2 為該結(jié)構的整機示意圖。整個封裝結(jié)構電路部分采用兩塊PCB 板，即芯片連接板和底部PCB 板，芯片連接板板作為微鏡芯片的底板，與微鏡芯片通過膠粘后成為一個組件，排針將芯片連接板、微鏡座4 及底部PCB 板連接起來，兩端在排針上的焊錫將三個零部件固定，微鏡座上預留有兩排排針穿過的方形孔，兩塊磁鐵放入到微鏡座的磁鐵卡槽內(nèi)，再通過微鏡蓋和螺釘將磁鐵固定。該結(jié)構安裝復雜，兩塊磁鐵距離芯片位置較遠，磁鐵個體差異可能會造成磁力不夠。通過排針和焊錫的這種連接方式不夠穩(wěn)定，一致性差，無法適應產(chǎn)業(yè)化。針對以前設計的結(jié)構問題，在原有的基礎上對封裝結(jié)構進行重新設計，該結(jié)構主要分為兩部分，即電路部分和結(jié)構部分。

圖1 微鏡基本原理簡圖

圖2 掃描微鏡封裝測試版結(jié)構示意圖

1.1 電路部分

如圖3 所示為電路結(jié)構部分的PCB 板組件，該組件主要由PCB 底板1、排線端子2 及掃描微鏡芯片3 組成，掃描微鏡芯片通過粘膠的方式與PCB 底板固定，通過點焊連線的方式實現(xiàn)與PCB 板觸點的連接。排線端子通過焊盤實現(xiàn)與PCB 底板的固定，微鏡芯片通過排線端子與外部電路進行通信。相比以前的結(jié)構，將原有兩塊PCB 板整合為一塊，使得裝配過程更為簡單，且縮小了原有PCB 板的面積，在PCB 板上設計有磁鐵的卡槽，與測試版的結(jié)構相比，兩塊磁鐵之間的安裝位置更近，從而增強了磁鐵之間的磁場強度，能有效降低掃描微鏡芯片的驅(qū)動電壓，減小外部電路負載，整體結(jié)構也顯得給外緊湊。

圖3 PCB 板組件原理圖

1.2 結(jié)構部分

如圖4 為掃描微鏡封裝結(jié)構原理圖，封裝結(jié)構的主體由封裝上端蓋2 和封裝底座4 構成，PCB 底板上設計有磁鐵的定位孔，安裝時候先PCB 板組件放置在封裝底座上，然后嵌入兩塊磁鐵3，再將封裝上端蓋蓋上，通過四個鎖緊螺釘將PCB 板組件壓緊。封裝上端蓋和封裝底座都開有磁鐵的定位槽，通過公差的控制，保證磁鐵安裝時不會與封裝上端蓋、PCB 電路板和封裝底座的磁鐵限位槽發(fā)生干涉。封裝底座除了有磁鐵的安裝槽，還設計了方形孔，為微鏡工作時核心芯片來回擺動提供充足的空間，底座背面還設計有安裝螺紋孔，整機的測試和與外設機構的安裝。整體結(jié)構相比之前的結(jié)構更為緊湊，核心電路部分都包裹在主體結(jié)構內(nèi)部，能對電路部分起到保護作用。

圖4 微鏡封裝結(jié)構原理圖

2 結(jié)論

掃描微鏡封裝在參考測試版微鏡封裝結(jié)構的基礎上進行重新設計，著眼于產(chǎn)品想工業(yè)化方向發(fā)展，真正實現(xiàn)產(chǎn)品從測試型向產(chǎn)品化過渡。電路部分將以兩塊PCB 板合成一塊，不僅減低了產(chǎn)品的成本，還減小是裝配難度，結(jié)構上新封裝結(jié)構主體靠封裝上端蓋和封裝底座，依靠四顆螺釘將整個封裝結(jié)構固定起來，體積更小結(jié)構穩(wěn)定性好，安裝過程更為簡單，不需要過多依賴裝配師傅的技能大小，能夠保證產(chǎn)品的一致性，底座的底部的螺紋孔能夠預留了整機與外設的連接，更好的將掃描微鏡應用到各種光學分析測量設備中去