分析測試百科網 > 行業資訊 > 技術原理

電磁驅動大尺寸MEMS掃描鏡（一）

2020.10.06

電磁驅動大尺寸MEMS掃描鏡的研究

何嘉輝^1,2,?周鵬²,?余暉俊²,?沈文江²,?司金海¹????

摘要：基于微機電系統工藝，設計并制作了一種電磁驅動大尺寸的二維掃描振鏡.分析了兩種不同的電磁驅動方式產生的力的大小，選擇驅動力較大的雙極子方式作為驅動.運用有限元法模擬了器件的諧振頻率靜態及動態響應，仿真結果與實際測得的結果一致.描述了振鏡的工藝流程及封裝方式，并制備了振鏡.實驗測得振鏡在120 mA靜態電流驅動下，慢軸和快軸分別能達到的最大轉角為±4.5°及±5°，慢軸及快軸的諧振頻率分別為348 Hz及660 Hz，并得到在此諧振頻率下的李薩如圖形.將器件用于激光成像系統之中，使得散斑對比度下降到4.2%，激光成像質量得到很大提升.

關鍵詞：微機電系統????激光散斑????有限元仿真????光學掃描????利薩如圖形????

中圖分類號：TN303??????文獻標識碼：A??????文章編號：1004-4213(2017)01-0123003-8

Research on Large Size MEMS Scanning Mirror Driven by Electromagnetic

HE Jia-hui^1,2,?ZHOU Peng²,?YU Hui-jun²,?SHEN Wen-jiang²,?SI jin-hai¹????

Abstract: Based on the Micro Electronic Mechanical System (MEMS) processing, a large size 2-D scanning mirror driven by electromagnetic force was designed and implemented. Two different driving methods were compared, and the method of dipole driving was chosen because of its higher torque. Meanwhile, the static response and dynamic response of the device were analyzed by using finite element simulation, the simulation results matched with the measurement data of the device. The fabrication and packaging steps for the MEMS mirror were described in details, and the mirror was fabricated. The testing results show that when the driving current reaches 120 mA, the MEMS mirror has static titling angles of ±4.5° and ±5° along slow axis and fast axis respectively. The scanning resonant frequency for the mirror along slow axis is 348 Hz, and 660 Hz along fast axis. Finally, the MEMS mirror was used in laser display system to reduce the laser speckle, the speckle contrast can be reduced to 4.2%, and the image quality of a laser display system can be greatly improved with the MEMS mirror.

Key words:?Micro Electronic Mechanical System (MEMS)????Laser speckle????Finite element method????Optical scanning????Lissajous pattern????

OCIS Codes: 230.4040; 230.3990; 120.5800

0 引言

光學掃描鏡是一種優秀的矢量掃描設備，能使入射光束按照特定的方式與時間順序發生反射，從而在像面上實現掃描成像.傳統的光學掃描鏡體積大、成本高，且多為散裝，大大限制了其應用^[1].相較于傳統掃描鏡，微機電系統(Micro Electronic Mechanical System, MEMS)掃描鏡由于其成本低、可靠性高、小型化和重量輕等優點在激光投影、激光雷達、激光散斑消除等領域得到應用.在激光投影系統和激光散斑消除系統中，為了減小光束反射過程中的衍射效應并且得到高分辨率的圖像，光學系統中的光束尺寸均在厘米量級；同時，調查表明，市場家庭影院級別激光光源功率達百瓦級別^[2]，小口徑的振鏡很難承受如此大功率的激光；一方面為了匹配光學系統的尺寸要求，另一方面基于安全考慮，振鏡尺寸應擴大至厘米級別.同樣地，在激光雷達中，為了得到高分辨率的掃描圖像，也需要大尺寸掃描振鏡.

國內外研制的MEMS掃描鏡大多口徑較小，而對于大尺寸MEMS振鏡研究較少.美國Microvision公司研制的MEMS二維掃描振鏡采用電磁驅動的方式，成功用于微型激光投影系統中，但其鏡面直徑僅為1 mm，無法滿足高分辨率成像的要求^[3]；以色列奧寶科技首先應用MEMS掃描振鏡消除了激光散斑，其振鏡口徑為0.8 mm，不能用于激光顯示系統中，無法商業化^[4]；挪威西富爾德大學學院進一步改進了MEMS二維掃描振鏡并提升了激光顯示圖像質量，但其振鏡口徑僅為2 mm，同樣無法應用于大功率激光顯示^[5]；上海微系統所研制成了一種鏡面尺寸達到6 mm×4 mm的MEMS振鏡，但這種振鏡只能單軸掃描，不能用于二維成像^[6].大尺寸的MEMS二維振鏡由于其自身質量較大，只有在驅動力矩足夠的情況下才能達到較大轉角，一般的驅動方式難以產生較大的驅動力；同時，振鏡用于激光掃描成像系統中時還應需要具有較高的工作頻率.基于上述要求，本文設計了一種鏡面尺寸達15 mm×13 mm的電磁驅動MEMS二維掃描振鏡，所采用的高效率電磁驅動方式不僅滿足了大轉角所需的驅動力矩，并且實現了高頻率工作.同時，將器件用于激光成像系統之中，可有效消除激光散斑.

1 振鏡的設計要求

MEMS微掃描鏡按照驅動方式的不同，可以分為靜電驅動式、電熱驅動式、電磁驅動式和壓電驅動式等四類^[7], 這四種驅動方式的優缺點見表 1.

表 1?驅動方式優缺點Tab.1?Advantages and disadvantages of the driven method

如表 1所示，為了得到較大的驅動力矩使得振鏡扭轉較大角度，同時盡可能地降低功耗，通常使用電磁驅動或壓電驅動來驅動大尺寸振鏡.其中，壓電驅動雖然能夠產生比較大的驅動力，但由于其難以與MEMS工藝相結合，并且驅動產生的位移較小，故器件中采用了更加靈活和高效的電磁驅動方式.電磁驅動方式根據其結構的不同，通常有兩種驅動形式：一種為電磁鐵型，將表面附有鐵鈷鎳等導磁性能良好金屬的微掃描鏡放置在按照一定頻率變化的交變磁場中，利用交變磁場與金屬相互作用產生磁力驅動微描鏡扭轉^[8]；另一種為雙極子型，需要在微掃描鏡上沉積磁材料，利用磁材料在交變電場下產生的作用力，驅動微掃描鏡扭轉^[9-12].

為了對比兩種不同的電磁驅動方式，利用Ansoft Maxwell軟件對兩種模型的磁場力進行分析，建立模型如圖 1.同時對兩種模型產生的力進行測量，計算及測量得到的線圈型與雙極子型的電流與力變化關系如圖 2.

圖 1?電磁驅動模型Fig.1?Two types of electromagnet drive

圖 2?電磁驅動不同形式電流與力的變化關系Fig.2?Current-Force relationship for dipole and electromagnet

如圖 2所示，對于雙極子型的驅動方式，模擬計算得到的力與實際測量得到的力有相對較大的差距，這是由于雙極子模型磁阻較大且在計算中無法準確得知磁阻的數值，造成模擬結果偏大；對于電磁鐵型的驅動方式，其模型漏磁相對較小，能夠較為精確地得到力與電流的關系，故模擬與實測結果較為吻合.在同樣的電流下，雙極子型產生的驅動力是電磁鐵型產生的驅動力的兩倍；同時，雙極子型驅動方式更易于對掃描鏡進行雙向驅動，并且驅動電流跟轉角的線性度很好，更符合大尺寸MEMS振鏡的設計要求.基于雙極子型的優勢特性，選取雙極子型的電磁驅動作為振鏡的驅動方式.

振鏡的模型如圖 3.振鏡鏡面為長軸長15 mm、短軸長13 mm的橢圓，與鏡面連接的軸為快軸，與快軸外圍框架連接的軸為慢軸，四周的四個螺紋孔起固定作用.振鏡的背部固定一環形銣鐵硼磁鐵，其充磁方向為磁鐵厚度方向.

圖 3?振鏡微鏡模型Fig.3?Model for MEMS mirror

在鏡面背面放置4個線圈，線圈距離磁鐵具有一定距離，如圖 3(b)，線圈分別對應磁鐵ABCD 4個位置.以AC線圈為例，如圖 4，當A、C兩個線圈施加頻率相同，相位相差90°的交流激勵信號時，線圈產生的磁場的極性恰好相反且交替變化.任意時刻，線圈產生的磁場與磁鐵相互作用，產生方向相反的轉矩，鏡面會以B、D線圈所在軸向發生扭轉.根據對稱性，給BD對應的線圈施加一定電流也會實現同樣效果，從而達到振鏡二維掃描的目的.同時，兩組線圈所加的電流相互獨立，振鏡的雙軸扭轉能保持很好的獨立性、線性度和掃描準確度.