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Mirrorcle MEMS扫描镜技术概述(1)

时间:2022-06-17 点击次数:240

Mirrorcle MEMS扫描镜技术概述(1)



高速的点到点以及倾斜性能 

大多数的Mirrorcle MEMS Mirror设备类型都是为点对点光束扫描而设计和优化的。稳态模拟驱动电压会产生MEMS镜像的稳态模拟转角。该设备有一个一对一的对应的驱动电压和角度:它是高度可重复的,没有检测到随时间而发生变化。这在很大程度上是由于静电驱动方法和单晶硅材料的选择。镜面运行机构开环驱动的机械倾斜位置精度在每轴上至少14位(16384点)。对于大多数设备,每个轴上的机械倾斜范围为-5°到+5°,这种倾斜分辨率在0.6毫米或10微弧度内。一系列的驱动电压对应点对点扫描的一系列角度。Mirrorcle技术公司(MTI)的设备可以在非常宽的带宽内工作,从直流(它们在恒定电压下保持位置,设备功耗几乎为零)到几千赫兹。这种快速和宽带能力允许几乎任意的波形,如矢量图形,匀速线扫描,点对点步进扫描,目标跟踪等。

 

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图1 Mirrorcle的无框架两轴扫描驱动器的示例示意图(该驱动器基于四个静电双向旋转器,通过特殊的硅支架连接)

 

多个授予的描述了专有的无平衡环设计方法和*的专有多级光束制造方法,用于从单晶硅单片创建一个完整的驱动器。无框架设计的一个主要优点是能够在两个轴上以相同的速度控制光束或图像。一个具有0.8 mm直径镜的典型装置的倾斜角从-6°到+6°,非谐振光束转向超过1000 rad/s,在两个轴上的第一谐振频率都在3.6 kHz以上。当开环驱动专用输入整形滤波器时,<100 us的大角度阶跃响应稳定时间已经在直径高达0.8 mm的MEMS反射镜设备上得到了证明。

 

多种扫描模式

MIRRORCLE设备也可以在动态谐振模式下工作。当工作在谐振频率附近时,器件在较低的工作电压和正弦运动下给出了更多的角度。即MEMS运行机构利用单晶硅弹簧支撑MEMS镜面,并在运行过程中提供恢复力。弹簧和反射镜的惯性结合在一起形成了一个质量-弹簧系统,其质量因数(Q)相对较高,为50-100。因此,在这种模式下,近共振频率处的低驱动电压会导致大的双向旋转角,共振频率在几千赫的范围内。可以定义三种操作模式,如图2中的绿色连续波激光束转向的照片所示:

a) 第一种模式为点对点模式或准静态模式。在这种情况下,两个轴都利用设备从直流到某个频率的工作带宽,不允许共振。因此,镜子可以保持直流电的位置匀速移动,或执行矢量图形等。

b) 第二种模式为混合模式,其中一轴为准静态模式,另一轴为共振模式。一个典型的用例是快速运行一个轴(例如,几千赫兹)来创建水平线,并运行另一个具有锯齿状波形的轴来创建一个覆盖矩形显示或成像区域的光栅模式。同样,在共振时工作的轴获得其参数,开始时应在低电压和低角度情形下运行,以避免超过设备的最大机械角度。

c) 第三种模式为共振模式。在这种情况下,两个轴都利用窄的高增益共振来获得大的偏转角和相对低的电压。运动被限制在窄带宽的正弦轨迹中,其相位滞后于外加电压。由于谐振模式可以在最高增益点的几个百分点以内获得,因此没有必要在准确的谐振峰值处驱动装置。由此产生的二维运动描述了圆、椭圆和各种高阶李萨如模式,并且可以以某种速率调制。当设计为点对点模式的器件在共振附近或共振处被驱动时,它们可能会超过安全工作角度。因此,在共振附近或共振处进行操作时,电压要明显降低,而且要格外小心。

 

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图2.使用Mirrorcle MEMS镜的三种例子((a)点对点扫描模式(准静态)两轴上激光在每个角度都停下,然后走到下一个角度,(b)共振扫描模式在x轴上(正弦运动光束)和准静态轴,(c)两轴共振扫描模式,为二维共振李萨如模式。所有的图像都是用连续波激光使用同一个Mirrorcle MEMS镜拍摄的)

 

模块化设计

MIRRORCLE驱动器有固定的模块化设计方法。每个运行机构都可以使用任意长度的静电转子、任意刚性连杆和任意位置的机械旋转变压器。此外,该装置由较多种镜面直径。无二维框架设计的概念示意图如图1所示。由于这种模块化,设备很容易根据特定的应用程序需求进行定制。根据硅模具的可用面积/尺寸(在一些应用中,如生物医学成像的尺寸受成像设备规格的限制),可以设计适当尺寸的驱动器,在允许的参数空间内获得最大的性能。由于这种设计的灵活性和广泛的应用需要波束转向,具有广泛不同的规格,MIRRORCLE提供多种类型的无框架两轴执行器设计。拥有超过20代主要的设计和制造产品,多个子代的设计调整为特定的客户或一套规格,完整的工作设计清单有超过100种设备类型。这些设备类型中的大多数在研发数量上都是可用的,为我们的客户提供了快速找到应用程序开发的最佳参数。

 

设备运行速度与镜片大小的关系

由于惯性增加,镜片直径较大的设备速度也相应较慢。圆形镜片的惯量与半径的四次方成正比,因此,随着反射镜尺寸的增加,速度会再次降低。这是一个非常粗略的估计,但许多其他参数影响实际性能,特别是模具尺寸和角度摆动。例如,将直径0.8mm的集成镜片与直径2.0mm的集成镜片进行比较,两者都具有相同的硅模具尺寸,并且都具有非常相似的机械端面/倾斜角(-5°到+5°)。0.8mm器件的第一共振频率为~6kHz,而2.0mm器件的第一共振频率为~1.3kHz。

 

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图3.两个器件的电压与角度(静态响应)和小信号(频率)响应图(上面为集成0.8mm镜的A7M8.1设备,以下为集成2.0mm镜的A7M20.1设备)

 

*优的驱动器尺寸

MIRRORCLE已经设计和制造了超过100种不同的设备类型。对关键性能规格有很大影响的一个非常重要的设计参数是驱动器(硅芯片)的尺寸。更大的驱动器可以提供更高的力和扭矩,以更快的速度驱动更大的镜子,但也需要更多的生产成本和更大的包装。小的驱动器适合小尺寸的镜子,因为驱动器本身也有较小的惯性。目前设计分为3种尺寸:

1) 4.23mm x 4.23mm 

2) 5.20mm x 5.20mm

3) 7.25mm x 7.25mm

重要的是查看每个特定的设计,以确定与特定应用程序的适配。一般来说,直径等于或大于3mm的镜子,应与尺寸#2或#3一起使用,以获得最佳性能,而直径等于或小于2.0mm的镜子应与尺寸#1或#2一起使用。

 

 

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