Mirrorcle MEMS掃描鏡技術(shù)概述（1）

高速的點(diǎn)到點(diǎn)以及傾斜性能 

大多數(shù)的Mirrorcle MEMS Mirror設(shè)備類型都是為點(diǎn)對點(diǎn)光束掃描而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的。穩(wěn)態(tài)模擬驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)產(chǎn)生MEMS鏡像的穩(wěn)態(tài)模擬轉(zhuǎn)角。該設(shè)備有一個(gè)一對一的對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓和角度:它是高度可重復(fù)的，沒有檢測到隨時(shí)間而發(fā)生變化。這在很大程度上是由于靜電驅(qū)動(dòng)方法和單晶硅材料的選擇。鏡面運(yùn)行機(jī)構(gòu)開環(huán)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傾斜位置精度在每軸上至少14位(16384點(diǎn))。對于大多數(shù)設(shè)備，每個(gè)軸上的機(jī)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(dòng)電壓對應(yīng)點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)步進(jìn)掃描，目標(biāo)跟蹤等。

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

多個(gè)授予的描述了專有的無平衡環(huán)設(shè)計(jì)方法和*的專有多級(jí)光束制造方法，用于從單晶硅單片創(chuàng)建一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)器。無框架設(shè)計(jì)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在兩個(gè)軸上以相同的速度控制光束或圖像。一個(gè)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(gè)軸上的第一諧振頻率都在3.6 kHz以上。當(dāng)開環(huán)驅(qū)動(dòng)專用輸入整形濾波器時(shí)，<100 us的大角度階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間已經(jīng)在直徑高達(dá)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(dòng)態(tài)諧振模式下工作。當(dāng)工作在諧振頻率附近時(shí)，器件在較低的工作電壓和正弦運(yùn)動(dòng)下給出了更多的角度。即MEMS運(yùn)行機(jī)構(gòu)利用單晶硅彈簧支撐MEMS鏡面，并在運(yùn)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(gè)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(dòng)電壓會(huì)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) 第一種模式為點(diǎn)對點(diǎn)模式或準(zhǔn)靜態(tài)模式。在這種情況下，兩個(gè)軸都利用設(shè)備從直流到某個(gè)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(dòng)，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(gè)典型的用例是快速運(yùn)行一個(gè)軸(例如，幾千赫茲)來創(chuàng)建水平線，并運(yùn)行另一個(gè)具有鋸齒狀波形的軸來創(chuàng)建一個(gè)覆蓋矩形顯示或成像區(qū)域的光柵模式。同樣，在共振時(shí)工作的軸獲得其參數(shù)，開始時(shí)應(yīng)在低電壓和低角度情形下運(yùn)行，以避免超過設(shè)備的最大機(jī)械角度。

c) 第三種模式為共振模式。在這種情況下，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)的幾個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)獲得，因此沒有必要在準(zhǔn)確的諧振峰值處驅(qū)動(dòng)裝置。由此產(chǎn)生的二維運(yùn)動(dòng)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(jì)為點(diǎn)對點(diǎn)模式的器件在共振附近或共振處被驅(qū)動(dòng)時(shí)，它們可能會(huì)超過安全工作角度。因此，在共振附近或共振處進(jìn)行操作時(shí)，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(diǎn)對點(diǎn)掃描模式(準(zhǔn)靜態(tài))兩軸上激光在每個(gè)角度都停下,然后走到下一個(gè)角度,(b)共振掃描模式在x軸上(正弦運(yùn)動(dòng)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(gè)Mirrorcle MEMS鏡拍攝的）

模塊化設(shè)計(jì)

MIRRORCLE驅(qū)動(dòng)器有固定的模塊化設(shè)計(jì)方法。每個(gè)運(yùn)行機(jī)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(jī)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(jì)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(jìn)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(jì)適當(dāng)尺寸的驅(qū)動(dòng)器，在允許的參數(shù)空間內(nèi)獲得最大的性能。由于這種設(shè)計(jì)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(jì)。擁有超過20代主要的設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品，多個(gè)子代的設(shè)計(jì)調(diào)整為特定的客戶或一套規(guī)格，完整的工作設(shè)計(jì)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)的最佳參數(shù)。

設(shè)備運(yùn)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(huì)再次降低。這是一個(gè)非常粗略的估計(jì)，但許多其他參數(shù)影響實(shí)際性能，特別是模具尺寸和角度擺動(dòng)。例如，將直徑0.8mm的集成鏡片與直徑2.0mm的集成鏡片進(jìn)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(jī)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。

圖3.兩個(gè)器件的電壓與角度(靜態(tài)響應(yīng))和小信號(hào)(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）

*優(yōu)的驅(qū)動(dòng)器尺寸

MIRRORCLE已經(jīng)設(shè)計(jì)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(gè)非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是驅(qū)動(dòng)器(硅芯片)的尺寸。更大的驅(qū)動(dòng)器可以提供更高的力和扭矩，以更快的速度驅(qū)動(dòng)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(dòng)器適合小尺寸的鏡子，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器本身也有較小的慣性。目前設(shè)計(jì)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(gè)特定的設(shè)計(jì)，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，以獲得最佳性能，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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