Mirrorcle MEMS掃描鏡技術(shù)概述（1）

 

高速的點到點以及傾斜性能
大多數(shù)的Mirrorcle MEMS Mirror設(shè)備類型都是為點對點光束掃描而設(shè)計和優(yōu)化的。穩(wěn)態(tài)模擬驅(qū)動電壓會產(chǎn)生MEMS鏡像的穩(wěn)態(tài)模擬轉(zhuǎn)角。該設(shè)備有一個一對一的對應(yīng)的驅(qū)動電壓和角度:它是高度可重復(fù)的，沒有檢測到隨時間而發(fā)生變化。這在很大程度上是由于靜電驅(qū)動方法和單晶硅材料的選擇。鏡面運行機構(gòu)開環(huán)驅(qū)動的機械傾斜位置精度在每軸上至少14位(16384點)。對于大多數(shù)設(shè)備，每個軸上的機械傾斜范圍為-5°到+5°，這種傾斜分辨率在0.6毫米或10微弧度內(nèi)。一系列的驅(qū)動電壓對應(yīng)點對點掃描的一系列角度。Mirrorcle技術(shù)公司(MTI)的設(shè)備可以在非常寬的帶寬內(nèi)工作，從直流(它們在恒定電壓下保持位置，設(shè)備功耗幾乎為零)到幾千赫茲。這種快速和寬帶能力允許幾乎任意的波形，如矢量圖形，勻速線掃描，點對點步進掃描，目標(biāo)跟蹤等。

圖1 Mirrorcle專利的無框架兩軸掃描驅(qū)動器的示例示意圖（該驅(qū)動器基于四個靜電雙向旋轉(zhuǎn)器，通過特殊的硅支架連接）

多個授予的專利描述了專有的無平衡環(huán)設(shè)計方法和獨特的專有多級光束制造方法，用于從單晶硅單片創(chuàng)建一個完整的驅(qū)動器。無框架設(shè)計的一個主要優(yōu)點是能夠在兩個軸上以相同的速度控制光束或圖像。一個具有0.8 mm直徑鏡的典型裝置的傾斜角從-6°到+6°，非諧振光束轉(zhuǎn)向超過1000 rad/s，在兩個軸上的第yi諧振頻率都在3.6 kHz以上。當(dāng)開環(huán)驅(qū)動專用輸入整形濾波器時，<100 us的大角度階躍響應(yīng)穩(wěn)定時間已經(jīng)在直徑高達0.8 mm的MEMS反射鏡設(shè)備上得到了證明。

多種掃描模式
MIRRORCLE設(shè)備也可以在動態(tài)諧振模式下工作。當(dāng)工作在諧振頻率附近時，器件在較低的工作電壓和正弦運動下給出了更多的角度。即MEMS運行機構(gòu)利用單晶硅彈簧支撐MEMS鏡面，并在運行過程中提供恢復(fù)力。彈簧和反射鏡的慣性結(jié)合在一起形成了一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，其質(zhì)量因數(shù)(Q)相對較高，為50-100。因此，在這種模式下，近共振頻率處的低驅(qū)動電壓會導(dǎo)致大的雙向旋轉(zhuǎn)角，共振頻率在幾千赫的范圍內(nèi)。可以定義三種操作模式，如圖2中的綠色連續(xù)波激光束轉(zhuǎn)向的照片所示:

a) 第yi種模式為點對點模式或準(zhǔn)靜態(tài)模式。在這種情況下，兩個軸都利用設(shè)備從直流到某個頻率的工作帶寬，不允許共振。因此，鏡子可以保持直流電的位置勻速移動，或執(zhí)行矢量圖形等。
b) 第二種模式為混合模式，其中一軸為準(zhǔn)靜態(tài)模式，另一軸為共振模式。一個典型的用例是快速運行一個軸(例如，幾千赫茲)來創(chuàng)建水平線，并運行另一個具有鋸齒狀波形的軸來創(chuàng)建一個覆蓋矩形顯示或成像區(qū)域的光柵模式。同樣，在共振時工作的軸獲得其參數(shù)，開始時應(yīng)在低電壓和低角度情形下運行，以避免超過設(shè)備的蕞大機械角度。
c) 第三種模式為共振模式。在這種情況下，兩個軸都利用窄的高增益共振來獲得大的偏轉(zhuǎn)角和相對低的電壓。運動被限制在窄帶寬的正弦軌跡中，其相位滯后于外加電壓。由于諧振模式可以在蕞高增益點的幾個百分點以內(nèi)獲得，因此沒有必要在準(zhǔn)確的諧振峰值處驅(qū)動裝置。由此產(chǎn)生的二維運動描述了圓、橢圓和各種高階李薩如模式，并且可以以某種速率調(diào)制。當(dāng)設(shè)計為點對點模式的器件在共振附近或共振處被驅(qū)動時，它們可能會超過安全工作角度。因此，在共振附近或共振處進行操作時，電壓要明顯降低，而且要格外小心。

圖2.使用Mirrorcle MEMS鏡的三種例子（(a)點對點掃描模式(準(zhǔn)靜態(tài))兩軸上激光在每個角度都停下,然后走到下一個角度,(b)共振掃描模式在x軸上(正弦運動光束)和準(zhǔn)靜態(tài)軸,(c)兩軸共振掃描模式，為二維共振李薩如模式。所有的圖像都是用連續(xù)波激光使用同一個Mirrorcle MEMS鏡拍攝的）

 

模塊化設(shè)計
MIRRORCLE驅(qū)動器有固定的模塊化設(shè)計方法。每個運行機構(gòu)都可以使用任意長度的靜電轉(zhuǎn)子、任意剛性連桿和任意位置的機械旋轉(zhuǎn)變壓器。此外，該裝置由較多種鏡面直徑。無二維框架設(shè)計的概念示意圖如圖1所示。由于這種模塊化，設(shè)備很容易根據(jù)特定的應(yīng)用程序需求進行定制。根據(jù)硅模具的可用面積/尺寸(在一些應(yīng)用中，如生物醫(yī)學(xué)成像的尺寸受成像設(shè)備規(guī)格的限制)，可以設(shè)計適當(dāng)尺寸的驅(qū)動器，在允許的參數(shù)空間內(nèi)獲得蕞大的性能。由于這種設(shè)計的靈活性和廣泛的應(yīng)用需要波束轉(zhuǎn)向，具有廣泛不同的規(guī)格，MIRRORCLE提供多種類型的無框架兩軸執(zhí)行器設(shè)計。擁有超過20代主要的設(shè)計和制造產(chǎn)品，多個子代的設(shè)計調(diào)整為特定的客戶或一套規(guī)格，完整的工作設(shè)計清單有超過100種設(shè)備類型。這些設(shè)備類型中的大多數(shù)在研發(fā)數(shù)量上都是可用的，為我們的客戶提供了快速找到應(yīng)用程序開發(fā)的蕞佳參數(shù)。

設(shè)備運行速度與鏡片大小的關(guān)系
由于慣性增加，鏡片直徑較大的設(shè)備速度也相應(yīng)較慢。圓形鏡片的慣量與半徑的四次方成正比，因此，隨著反射鏡尺寸的增加，速度會再次降低。這是一個非常粗略的估計，但許多其他參數(shù)影響實際性能，特別是模具尺寸和角度擺動。例如，將直徑0.8mm的集成鏡片與直徑2.0mm的集成鏡片進行比較，兩者都具有相同的硅模具尺寸，并且都具有非常相似的機械端面/傾斜角(-5°到+5°)。0.8mm器件的第yi共振頻率為~6kHz，而2.0mm器件的第yi共振頻率為~1.3kHz。

圖3.兩個器件的電壓與角度(靜態(tài)響應(yīng))和小信號(頻率)響應(yīng)圖（上面為集成0.8mm鏡的A7M8.1設(shè)備，以下為集成2.0mm鏡的A7M20.1設(shè)備）

蕞優(yōu)的驅(qū)動器尺寸
MIRRORCLE已經(jīng)設(shè)計和制造了超過100種不同的設(shè)備類型。對關(guān)鍵性能規(guī)格有很大影響的一個非常重要的設(shè)計參數(shù)是驅(qū)動器(硅芯片)的尺寸。更大的驅(qū)動器可以提供更高的力和扭矩，以更快的速度驅(qū)動更大的鏡子，但也需要更多的生產(chǎn)成本和更大的包裝。小的驅(qū)動器適合小尺寸的鏡子，因為驅(qū)動器本身也有較小的慣性。目前設(shè)計分為3種尺寸:

1) 4.23mm x 4.23mm 

2) 5.20mm x 5.20mm

3) 7.25mm x 7.25mm

重要的是查看每個特定的設(shè)計，以確定與特定應(yīng)用程序的適配。一般來說，直徑等于或大于3mm的鏡子，應(yīng)與尺寸#2或#3一起使用，以獲得蕞佳性能，而直徑等于或小于2.0mm的鏡子應(yīng)與尺寸#1或#2一起使用。

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