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Mirrorcle MEMS掃描鏡技術概述(2)

更新時間:2022-06-17 點擊次數:1055

Mirrorcle MEMS掃描鏡技術概述(2)



*的四象限傾斜性能 

幾年前,MirrorcleTech的無框架技術還處于發展的早期階段,在一代ARIMEMS1到ARIMEMS6中制造的所有設備都是單象限(1Q)或單向類型設備。這指的是每個軸(仍然是兩軸或雙軸2D設備)能夠使鏡子從靜止位置(0°)偏轉到一邊(例如+8°),但不能偏轉到另一邊(例如-8°)。因此,典型的一象限(1Q)設備實現了X軸上0°到+8°的機械傾斜,Y軸上0°到+8°的機械傾斜。今天,在MEMS鏡面行業的產品中,所有設備類型都提供四象限(4Q)光束轉向能力,通常允許整體更大的總尖duan/傾斜角度(兩個軸)。



四象限器件的線性化驅動

Mirrorcle Development Kits和OEM MEMS驅動程序使用了一種設備特定的方法,以偏微分四通道(BDQ)方案驅動4Q MEMS驅動器。如圖1所示,該方案將執行器的電壓角關系線性化,并改善從一個象限到另一個象限的平滑過渡,即在設備內形成一個執行器到另一個。在這種模式下,每個轉子的正旋轉部分和負旋轉部分總是(差分地)嚙合,因此電壓和轉矩總是連續的。所有Mirrorcle MEMS驅動器都設計為在這種模式下工作,因此有四個帶偏置輸出的通道(兩個差分對)。輸入可以是數字的也可以是模擬的,只需要兩個通道來控制x軸和y軸的位置。

圖1 用單向和雙向裝置比較可尋址角度/面積;每一個的代表電壓與角度的測量



鏡面材料、質量和涂層

Mirrorcle Technologies MEMS mirror由單晶硅晶片制成,其質量與PC微處理器等集成電路的制造相同。由于采用類似的大規模生產工藝以獲得蕞高的制造重復性、質量和蕞低的成本,因此硅被用作基礎材料。選擇使用與巨大的硅芯片工業相同的起始材料有進一步的好處,特別是在光學應用方面。晶圓片表面和因此制造的鏡面表面用的拋光技術拋光到1納米以下的粗糙度。硅的*之處在于,在鏡面金屬化之前,可以使用各種方法使表面超凈。此外,硅材料本身在制造過程中沒有任何殘余應力,在鏡面微加工后仍保持這種性能。因此,硅反射鏡具有*的平整度,曲率通常低于用傳統干涉儀測量的水平。作為MEMS鏡面的基材,硅具有蕞優的潔凈度、平整度。


在光束轉向應用的蕞后制造步驟中,硅鏡面必須涂覆以獲得所需波長的高反射率。在標準生產過程中,硅鏡上會涂上一層薄薄的鋁,所有庫存的MEMS鏡面都用的鋁涂層。一些研發生產過程中的設計被涂上了黃金。一般來說,可以使用其他涂層材料,但有必要找到薄的、低應力的涂層,而不會顯著降低鏡子的平整度特性。這是一個非常具有挑戰性的要求,因為MEMS反射鏡的厚度非常小,因此在每個新情況下都需要大量的研發工作。在使用鋁涂層的標準工藝中,在任何類型和尺寸的鏡子中都保持>5 m的曲率半徑。

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圖2 MEMS鏡面涂層:標準鋁涂層(左),金涂層(右)


所有設備都可以處理高達2W的連續波激光功率,而不受鏡子尺寸、激光波長和鏡子涂層的影響。要獲得更高的連續波激光功率,必須考慮特定波長下的涂層反射率和反射鏡尺寸。一般來說,較大的鏡面尺寸可以處理更高的連續波功率由于二次較高的表面冷卻。對于平均功率較低的脈沖激光器,會有其他的影響,即高峰值功率脈沖可能對金屬涂層造成損傷。在這種情況下鏡面的表現與傳統光學行業中的大多數鋁或鍍金鏡面一樣。



鏡子類型及種類

集成鏡的直徑達2.4毫米是整體制作的一個集成部分的萬向節驅動器裝置結構。它們是硅模具的中心區域,與周圍的靜電驅動器具有相同的微細加工步驟。這些鏡子是由同樣的硅層構成,具有平面和光滑的硅表面,鏡子雙軸連接到軸向連桿,提供兩軸運動。所有庫存的集成鏡都涂上了純鋁,在很寬的波長范圍內具有很高的反射率。黃金金屬化可以在晶圓規模上進行,因此可以用于更大的訂單生產。


粘結鏡與硅驅動器結構分開制作,用于在設備頂部進行后續的微組裝。因為這些鏡子是附加在設備驅動器結構之上,不占用驅動器區域的一部分,因此基本上可以在任意大小。粘合鏡方法允許用戶選擇尺寸,以及每個應用的鏡子的幾何形狀,以優化速度,光束大小和掃描角度之間的關系。


以前批量制造硅器件如兩軸MEMS反射鏡器件,只允許一種類型/尺寸的反射鏡作為整個器件的一部分。為了生產具有不同鏡面尺寸的設備,大多數技術不僅需要新的制造周期,而且在某些情況下還需要*重新設計驅動器。Mirrorcle Technologies提供了一種基于MEMS的、可定制孔徑大小的光束轉向技術。即,在自對準DRIE制造過程中,設計并實現了一系列針對速度、角度、面積占用或共振驅動優化的靜電執行器。鏡面的直徑和幾何形狀由客戶選擇,以優化其特定應用的性能。



鏡子大小及角度性能

鏡子MEMS鏡子不受角度限制,不管鏡子的大小,除了在少數特殊情況下。蕞大角度通常只有在保持高速時才會受到限制,在大多數設計中,機械偏轉的角度大約在-5°到+5°之間。所有集成鏡尺寸和通過5.0mm直徑的粘結鏡都可以在這個范圍內使用。一些鏡子的作動器有更高的角度能力,在這種情況下,只有蕞大的鏡受到機械限制,取決于鏡的大小。在定制研發項目中,Mirrorcle也展示了6.4mm、8.2mm、9.0mm的鏡子。在這些情況下,較大的反射鏡慣量被換取較低的角度偏轉,以保持高速和振動的穩定性。因此,在這些尺寸的特殊應用中,角度限制在~ -1°到+1°之間。



設備封裝

Mirrorcle MEMS鏡面的生產有許多封裝選項,因為它們不需要任何特殊的材料、形狀或環境條件才能正常運行。雙軸裝置需要12個引腳和至少4.4毫米或更大的平滑平坦的封裝腔。其他規格根據客戶要求,使用方便,光學安裝等。共有兩種包裝可供選擇:DIP24或LCC包裝。具有24個引腳的傳統陶瓷雙列直插式封裝(DIP)仍然是許多研發場景中方便和通用的選擇。這些封裝,如圖3所示,有不同的腔尺寸,可以容納每個Mirrorcle MEMS芯片大小從4平方毫米到7.25平方毫米。DIP24在處理方面是一種簡單的解決方案,因為它可以簡單地用手沿著陶瓷面拿著,從而輕松地避免與敏感的MEMS和AR涂層窗口區域接觸。對于DIP24設備,也有一個簡單的ZIF插座安裝解決方案,允許輕松的光學工作臺面包板,設備交換等。

圖3 (a)TINY20.4的連接器LCC20封裝,安裝在PCB上,便于在光學工作臺上集成。(b)帶有鏡面孔徑的定制MEMS連接器封裝。(c)連接器LCC48封裝TINY48.4中的單軸線鏡,LCC48預焊接到TinyPCB中。(d)帶有定制陶瓷封裝的定制剛性撓性PCB,用于7.5mm的大型MEMS鏡面。


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