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Mirrorcle MEMS掃描鏡技術概述(1)

更新時間:2022-06-17 點擊次數:1050

Mirrorcle MEMS掃描鏡技術概述(1)



高速的點到點以及傾斜性能 

大多數的Mirrorcle MEMS Mirror設備類型都是為點對點光束掃描而設計和優化的。穩態模擬驅動電壓會產生MEMS鏡像的穩態模擬轉角。該設備有一個一對一的對應的驅動電壓和角度:它是高度可重復的,沒有檢測到隨時間而發生變化。這在很大程度上是由于靜電驅動方法和單晶硅材料的選擇。鏡面運行機構開環驅動的機械傾斜位置精度在每軸上至少14位(16384點)。對于大多數設備,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。一系列的驅動電壓對應點對點掃描的一系列角度。Mirrorcle技術公司(MTI)的設備可以在非常寬的帶寬內工作,從直流(它們在恒定電壓下保持位置,設備功耗幾乎為零)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,目標跟蹤等。

 

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

 

多個授予的描述了專有的無平衡環設計方法和*的專有多級光束制造方法,用于從單晶硅單片創建一個完整的驅動器。無框架設計的一個主要優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°,非諧振光束轉向超過1000 rad/s,在兩個軸上的第一諧振頻率都在3.6 kHz以上。當開環驅動專用輸入整形濾波器時,<100 us的大角度階躍響應穩定時間已經在直徑高達0.8 mm的MEMS反射鏡設備上得到了證明。

 

多種掃描模式

MIRRORCLE設備也可以在動態諧振模式下工作。當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運行機構利用單晶硅彈簧支撐MEMS鏡面,并在運行過程中提供恢復力。彈簧和反射鏡的慣性結合在一起形成了一個質量-彈簧系統,其質量因數(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動電壓會導致大的雙向旋轉角,共振頻率在幾千赫的范圍內??梢远x三種操作模式,如圖2中的綠色連續波激光束轉向的照片所示:

a) 第一種模式為點對點模式或準靜態模式。在這種情況下,兩個軸都利用設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,或執行矢量圖形等。

b) 第二種模式為混合模式,其中一軸為準靜態模式,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)來創建水平線,并運行另一個具有鋸齒狀波形的軸來創建一個覆蓋矩形顯示或成像區域的光柵模式。同樣,在共振時工作的軸獲得其參數,開始時應在低電壓和低角度情形下運行,以避免超過設備的最大機械角度。

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最高增益點的幾個百分點以內獲得,因此沒有必要在準確的諧振峰值處驅動裝置。由此產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制。當設計為點對點模式的器件在共振附近或共振處被驅動時,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。

 

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圖2.使用Mirrorcle MEMS鏡的三種例子((a)點對點掃描模式(準靜態)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)和準靜態軸,(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波激光使用同一個Mirrorcle MEMS鏡拍攝的)

 

模塊化設計

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

 

設備運行速度與鏡片大小的關系

由于慣性增加,鏡片直徑較大的設備速度也相應較慢。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器件的第一共振頻率為~6kHz,而2.0mm器件的第一共振頻率為~1.3kHz。

 

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

 

*優的驅動器尺寸

MIRRORCLE已經設計和制造了超過100種不同的設備類型。對關鍵性能規格有很大影響的一個非常重要的設計參數是驅動器(硅芯片)的尺寸。更大的驅動器可以提供更高的力和扭矩,以更快的速度驅動更大的鏡子,但也需要更多的生產成本和更大的包裝。小的驅動器適合小尺寸的鏡子,因為驅動器本身也有較小的慣性。目前設計分為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計,以確定與特定應用程序的適配。一般來說,直徑等于或大于3mm的鏡子,應與尺寸#2或#3一起使用,以獲得最佳性能,而直徑等于或小于2.0mm的鏡子應與尺寸#1或#2一起使用。

 

 

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