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 

大多數的Mirrorcle MEMS Mirror設備類(lèi)型都是為點(diǎn)對點(diǎn)光束掃描而設計和優(yōu)化的。穩態(tài)模擬驅動(dòng)電壓會(huì )產(chǎn)生MEMS鏡像的穩態(tài)模擬轉角。該設備有一個(gè)一對一的對應的驅動(dòng)電壓和角度:它是高度可重復的，沒(méi)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動(dòng)方法和單晶硅材料的選擇。鏡面運行機構開(kāi)環(huán)驅動(dòng)的機械傾斜位置精度在每軸上至少14位(16384點(diǎn))。對于大多數設備，每個(gè)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(dòng)電壓對應點(diǎn)對點(diǎn)掃描的一系列角度。Mirrorcle技術(shù)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(xiàn)掃描，點(diǎn)對點(diǎn)步進(jìn)掃描，目標跟蹤等。

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

多個(gè)授予的描述了專(zhuān)有的無(wú)平衡環(huán)設計方法和*的專(zhuān)有多級光束制造方法，用于從單晶硅單片創(chuàng )建一個(gè)完整的驅動(dòng)器。無(wú)框架設計的一個(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°，非諧振光束轉向超過(guò)1000 rad/s，在兩個(gè)軸上的第一諧振頻率都在3.6 kHz以上。當開(kāi)環(huán)驅動(dòng)專(zhuān)用輸入整形濾波器時(shí)，<100 us的大角度階躍響應穩定時(shí)間已經(jīng)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(dòng)態(tài)諧振模式下工作。當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動(dòng)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(guò)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(gè)質(zhì)量-彈簧系統，其質(zhì)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(dòng)電壓會(huì )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(diǎn)對點(diǎn)模式或準靜態(tài)模式。在這種情況下，兩個(gè)軸都利用設備從直流到某個(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(tài)模式，另一軸為共振模式。一個(gè)典型的用例是快速運行一個(gè)軸(例如，幾千赫茲)來(lái)創(chuàng )建水平線(xiàn)，并運行另一個(gè)具有鋸齒狀波形的軸來(lái)創(chuàng )建一個(gè)覆蓋矩形顯示或成像區域的光柵模式。同樣，在共振時(shí)工作的軸獲得其參數，開(kāi)始時(shí)應在低電壓和低角度情形下運行，以避免超過(guò)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(gè)軸都利用窄的高增益共振來(lái)獲得大的偏轉角和相對低的電壓。運動(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?xún)全@得，因此沒(méi)有必要在準確的諧振峰值處驅動(dòng)裝置。由此產(chǎn)生的二維運動(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制。當設計為點(diǎn)對點(diǎn)模式的器件在共振附近或共振處被驅動(dòng)時(shí)，它們可能會(huì )超過(guò)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(正弦運動(dòng)光束)和準靜態(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波激光使用同一個(gè)Mirrorcle MEMS鏡拍攝的）

模塊化設計

MIRRORCLE驅動(dòng)器有固定的模塊化設計方法。每個(gè)運行機構都可以使用任意長(cháng)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(wú)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(jìn)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(xué)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(dòng)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(lèi)型的無(wú)框架兩軸執行器設計。擁有超過(guò)20代主要的設計和制造產(chǎn)品，多個(gè)子代的設計調整為特定的客戶(hù)或一套規格，完整的工作設計清單有超過(guò)100種設備類(lèi)型。這些設備類(lèi)型中的大多數在研發(fā)數量上都是可用的，為我們的客戶(hù)提供了快速找到應用程序開(kāi)發(fā)的最佳參數。

設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(zhù)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，但許多其他參數影響實(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)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(yōu)的驅動(dòng)器尺寸

MIRRORCLE已經(jīng)設計和制造了超過(guò)100種不同的設備類(lèi)型。對關(guān)鍵性能規格有很大影響的一個(gè)非常重要的設計參數是驅動(dòng)器(硅芯片)的尺寸。更大的驅動(dòng)器可以提供更高的力和扭矩，以更快的速度驅動(dòng)更大的鏡子，但也需要更多的生產(chǎn)成本和更大的包裝。小的驅動(dòng)器適合小尺寸的鏡子，因為驅動(dòng)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(gè)特定的設計，以確定與特定應用程序的適配。一般來(lái)說(shuō)，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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