Микросканер

Микросканер , или микросканирующее зеркало , представляет собой микрооптоэлектромеханическую систему (МОЭМС) в категории микрозеркальных приводов для динамической модуляции света. В зависимости от типа микросканера модуляционное движение одного зеркала может быть как поступательным, так и вращательным , по одной или двум осям. В первом случае имеет место эффект сдвига фаз. Во втором случае падающая световая волна отклоняется.

Резонансное трансляционное зеркало в конструкции пантографа с отклонением ±500 мкм

Микросканеры отличаются от пространственных модуляторов света и других микрозеркальных приводов, которым нужна матрица индивидуально адресуемых зеркал для достижения желаемой модуляции при любом выходе. Если одно зеркало массива достигает желаемой модуляции, но работает параллельно с другими зеркалами массива для увеличения выхода света, то используется термин массив микросканера.

Характеристики

Обычные размеры чипа составляют 4 мм × 5 мм для зеркал диаметром от 1 до 3 мм. [1] Также могут быть изготовлены более крупные зеркальные апертуры с боковыми размерами до приблизительно 10 мм × 3 мм. [2] Частоты сканирования зависят от конструкции и размера зеркала и находятся в диапазоне от 0,1 до 50 кГц. Отклоняющее движение является либо резонансным , либо квазистатическим. [3] С помощью микросканеров, которые способны наклонять движение, свет может быть направлен на проекционную плоскость.

Во многих приложениях требуется, чтобы была адресована поверхность, а не только одна линия. Для этих приложений приведение в действие с использованием шаблона Лиссажу может выполнять синусоидальное сканирующее движение или двойную резонансную операцию. Механические углы отклонения микросканирующих устройств достигают ±30°. [4] Трансляционные (поршневые) микросканеры могут достигать механического хода приблизительно до ±500 мкм. [5] Такая конфигурация энергоэффективна, но требует сложной управляющей электроники. Для приложений с дисплеями высокого класса обычным выбором является растровое сканирование , где резонансный сканер (для большего размера дисплея) сочетается с квазистатическим сканером (для меньшего размера). [3]

Принципы управления

Требуемые движущие силы для движения зеркала могут быть обеспечены различными физическими принципами. На практике соответствующими принципами для управления таким зеркалом являются электромагнитные , электростатические , термоэлектрические и пьезоэлектрические эффекты. [3] Поскольку физические принципы различаются по своим преимуществам и недостаткам, принцип управления выбирается в соответствии с применением. В частности, механические решения, необходимые для резонансного сканирования, сильно отличаются от решений квазистатического сканирования. Термоэлектрические приводы неприменимы для высокочастотных резонансных сканеров, но остальные три принципа могут применяться для всего спектра применений.

Для резонансных сканеров часто используемой конфигурацией является косвенный привод. В косвенном приводе небольшое движение в большей массе связано с большим движением в меньшей массе (зеркале) посредством механического усиления при благоприятной форме моды. Это отличается от более распространенного прямого привода, где механизм привода перемещает зеркало напрямую. Косвенные приводы были реализованы для электромагнитных , [6] электростатических , [7] а также пьезоэлектрических приводов. [8] [9] Существующие пьезоэлектрические сканеры более эффективны при использовании прямого привода. [3]

Электростатические приводы обеспечивают высокую мощность, аналогичную электромагнитным приводам. В отличие от электромагнитного привода, результирующая движущая сила между структурами привода не может быть изменена по полярности. Для реализации квазистатических компонентов с положительным и отрицательным эффективным направлением требуются два привода с положительной и отрицательной полярностью. [10] Как правило, здесь используются вертикальные гребенчатые приводы . Тем не менее, сильно нелинейные характеристики привода в некоторых частях области отклонения могут препятствовать правильному управлению зеркалом. По этой причине многие высокотехнологичные микросканеры сегодня используют резонансный режим работы, при котором активируется собственная мода . Резонансный режим работы является наиболее энергоэффективным. Для позиционирования луча и приложений, которые должны быть статически активированы или линеаризованно сканированы, требуются квазистатические приводы, и поэтому они представляют большой интерес.

Магнитные приводы обеспечивают очень хорошую линейность угла наклона в зависимости от амплитуды приложенного сигнала, как в статическом, так и в динамическом режиме. Принцип работы заключается в том, что металлическая катушка помещается на само движущееся зеркало MEMS , и когда зеркало помещается в магнитное поле, переменный ток, протекающий в катушке, создает силу Лоренца, которая наклоняет зеркало. Магнитное приведение в действие может использоваться для приведения в действие 1D или 2D зеркал MEMS. Другой характеристикой магнитно-приводимого зеркала MEMS является тот факт, что требуется низкое напряжение (ниже 5 В), что делает это приведение в действие совместимым со стандартным напряжением CMOS. Преимуществом такого типа приведения в действие является то, что поведение MEMS не представляет гистерезиса, в отличие от электростатических приводимых зеркал MEMS, что делает его очень простым в управлении. Потребляемая мощность магнитно-приводимых зеркал MEMS может составлять всего 0,04 мВт. [11]

Термоэлектрические приводы создают высокие движущие силы, но они имеют несколько технических недостатков, присущих их основному принципу. Привод должен быть хорошо термически изолирован от окружающей среды, а также предварительно нагрет, чтобы предотвратить тепловой дрейф из-за влияния окружающей среды. Вот почему необходимая тепловая мощность и потребляемая мощность для термобиморфного привода относительно высоки. Еще одним недостатком является сравнительно низкое смещение, которое необходимо использовать для достижения полезных механических отклонений. Кроме того, термоприводы не подходят для работы на высоких частотах из-за значительного низкочастотного поведения.

Пьезоэлектрические приводы создают большую силу, но, как и в случае с электротермическими приводами, длина хода коротка. Однако пьезоэлектрические приводы менее восприимчивы к тепловым воздействиям окружающей среды и также могут хорошо передавать высокочастотные сигналы привода. Для достижения желаемого угла для большинства приложений потребуется какой-то механизм, использующий механическое усиление . Это оказалось сложным для квазистатических сканеров, хотя в литературе есть многообещающие подходы с использованием длинных извилистых изгибов для усиления отклонения. [12] [13] Для резонансных вращательных сканеров, с другой стороны, сканеры, использующие пьезоэлектрическое приведение в сочетании с косвенным приводом, являются наиболее эффективными с точки зрения угла сканирования и рабочей частоты. [8] [9] [14] Однако эта технология новее, чем электростатические и электромагнитные приводы, и ее еще предстоит реализовать в коммерческих продуктах. [3]

Области применения

Модуль LDC с 1D микросканером и встроенным оптическим датчиком положения на задней стороне
Электростатический 2D микросканер в корпусе DIL20
Модуль сканера MEMS для трехмерного измерения расстояний ( лидар ) с одним передающим зеркалом (размеры зеркала приблизительно (9,5 × 2,5 мм)) и синхронизированной матрицей микросканеров (2 × 7) в качестве приемного устройства.

Области применения наклонных микросканеров многочисленны и включают в себя:

Некоторые области применения поршневых микросканеров:

Производство

Пластина с резонансными микросканерами, готовая к обработке с помощью процесса Fraunhofer AME75 (на основе чистых пластин BSOI), перед нарезкой устройств.
Деталь пластины с микросканерами VarioS, разработанной и изготовленной на основе модульной производственной системы Fraunhofer IPMS.

Микросканеры обычно изготавливаются с использованием поверхностных или объемных микромеханических процессов. Как правило, используется кремний или BSOI (связанный кремний на изоляторе ).

Преимущества и недостатки микросканеров

Микросканеры меньше, имеют меньшую массу и потребляют меньше энергии по сравнению с макроскопическими модуляторами света, такими как сканеры гальванометра . Кроме того, микросканеры могут быть интегрированы с другими электронными компонентами, такими как датчики положения. [17] Микросканеры устойчивы к воздействию окружающей среды и могут выдерживать влажность, пыль, физические удары в некоторых моделях до 2500 г, и могут работать при температурах от -20 °C до +80 °C.

При нынешней технологии производства микросканеры могут страдать от высоких затрат и длительных сроков поставки. Это активная область улучшения процесса

Ссылки

  1. ^ Комплект для конструирования микросканера VarioS. Институт фотонных микросистем им. Фраунгофера IPMS (Описание продукта).
  2. ^ ab Sandner, T.; Grasshoff, T.; Wildenhain, M.; Schenk, H. (2010). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (ред.). "Синхронизированная микросканирующая решетка для оптики приемника с большой апертурой систем LIDAR". Proc. SPIE . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 – MOEMS и миниатюрные системы IX: 75940C. Bibcode : 2010SPIE.7594E..0CS. doi : 10.1117/12.844923. S2CID  108647803.
  3. ^ abcdef Holmstrom, STS; Baran, U.; Urey, H. (2014). «Лазерные сканеры MEMS: обзор». Журнал микроэлектромеханических систем . 23 (2): 259– 275. doi :10.1109/JMEMS.2013.2295470. S2CID  23257771.
  4. ^ ab Drabe, C.; James, R.; Schenk, H.; Sandner, T. (2010). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (ред.). "MEMS-устройства для систем лазерных камер для эндоскопических применений". Proc. SPIE . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 – MOEMS и миниатюрные системы IX: 759404. Bibcode : 2010SPIE.7594E..04D. doi : 10.1117/12.846855. S2CID  111072386.
  5. ^ Sandner, T.; Grasshoff, T.; Schenk, H.; Kenda, A. (2011). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (ред.). "Out-Of-Plane Translatory MEMS actuator with extraniously large stroke for optical path length modulation". Proc. SPIE . MOEMS and Miniaturized Systems X. 7930 – MOEMS and Miniaturized Systems X: 79300I. Bibcode :2011SPIE.7930E..0IS. CiteSeerX 10.1.1.1001.2433 . doi :10.1117/12.879069. S2CID  42065927. 
  6. ^ ab Yalcinkaya, AD; Urey, H.; Brown, D.; Montague, T.; Sprague, R. (2006). «Двухосный электромагнитный микросканер для дисплеев с высоким разрешением». Журнал микроэлектромеханических систем . 15 (4): 786– 794. doi :10.1109/JMEMS.2006.879380. S2CID  43694721.
  7. ^ Арслан, А.; Браун, Д.; Дэвис, У.О.; Холмстром, С.; Гокче, С.К.; Юри, Х. (2010). «Резонансный торсионный микросканер с приводом от гребенки и механическим усилением». Журнал микроэлектромеханических систем . 19 (4): 936–943 . doi :10.1109/JMEMS.2010.2048095. S2CID  9521896.
  8. ^ ab Baran, U.; Brown, D.; Holmstrom, S.; Balma, D.; Davis, WO; Muralt, P.; Urey, H. (2012). "Резонансный сканер PZT MEMS для дисплеев с высоким разрешением". Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (6): 1303– 1310. CiteSeerX 10.1.1.710.550 . doi :10.1109/JMEMS.2012.2209405. S2CID  19273731. 
  9. ^ ab Gu-Stoppel, S.; Janes, J.; Kaden, D.; Quenzer, H.; Hofmann, U.; Benecke, W. (2013). Пьезоэлектрическое резонансное микрозеркало с высокой частотой и большим отклонением, применяющее механическое усиление рычага . Proc. SPIE Micromachining and Microfabrication Process Technology XVIII. Сан-Франциско, Калифорния, США. стр. 86120I–1–86120I–8. doi :10.1117/12.2001620.
  10. ^ D. Jung; T. Sandner; D. Kallweit; T. Grasshoff; H. Schenk (2012), Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool; Noell, Wilfried (ред.), "Вертикальные микросканеры с гребенчатым приводом для управления лучом, линейного сканирования и лазерного проецирования", MOEMS и миниатюрные системы XI , MOEMS и миниатюрные системы XI (на немецком языке), т. 8252, стр. 82520U–1–10, Bibcode :2012SPIE.8252E..0UJ, doi :10.1117/12.906690, S2CID  109410879
  11. ^ "Lemoptix - LSCAN Micromirror". Архивировано из оригинала 2012-02-06 . Получено 2012-02-07 .
  12. ^ Тани, М.; Акамацу, М.; Ясуда, Й.; Тошиёси, Х. (2007). Двухосное пьезоэлектрическое наклонное микрозеркало с недавно разработанным PZT-меандрирующим приводом . Труды IEEE 20-й международной конференции MEMS. Кобе, Япония. стр.  699–702 . doi :10.1109/MEMSYS.2007.4432994.
  13. ^ Kobayashi, T.; Maeda, R.; Itoh, T. (2009). "Низкоскоростной пьезоэлектрический оптический микросканер, приводимый в действие пьезоэлектрическими микроконсолью с использованием тонкой пленки Pb(Zr, Ti)O3 в буфере LaNiO3". Smart Materials and Structures . 18 (6): 065008–1–065008–6. Bibcode : 2009SMaS...18f5008K. CiteSeerX 10.1.1.710.550 . doi : 10.1109/JMEMS.2012.2209405. S2CID  19273731. 
  14. ^ Baran, U.; Holmstrom, S.; Brown, D.; Davis, WO; Cakmak, O.; Urey, H. (2014). Резонансные сканеры PZT MEMS со встроенными датчиками угла . Международная конференция по оптическим MEMS и нанофотонике (OMN) 2014 г. Журнал микроэлектромеханических систем . Глазго, Шотландия. стр.  99–100 . doi :10.1109/OMN.2014.6924612.
  15. ^ Шоллес, Майкл; Бройер, Андреас; Фроммхаген, Клаус; Гервиг, Кристиан; Лакнер, Юбер; Шенк, Харальд; Шварценберг, Маркус (2008). «Сверхкомпактные лазерные проекционные системы на основе двумерных резонансных микросканирующих зеркал». Журнал микро/нанолитографии, MEMS и MOEMS . 7 (2): 021001. дои : 10.1117/1.2911643.
  16. ^ Wolter, A.; Schenk, H.; Gaumont, E.; Lakner, H. (2004). Urey, Hakan; Dickensheets, David L (ред.). "MEMS-микросканирующее зеркало для считывания штрихкодов: от разработки до производства". Proc. SPIE . MOEMS Display and Imaging Systems II. 5348 – MOEMS Display and Imaging Systems II: 32– 39. Bibcode : 2004SPIE.5348...32W. doi : 10.1117/12.530795. S2CID  120908834.
  17. ^ Grahmann, J.; Grasshoff, T.; Conrad, H.; Sandner, T.; Schenk, H. (2011). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (ред.). "Интегрированное пьезорезистивное определение положения для микросканирующих зеркал с электростатическим приводом". Proc. SPIE . MOEMS и миниатюрные системы X. 7930 – MOEMS и миниатюрные системы X: 79300V. Bibcode : 2011SPIE.7930E..0VG. doi : 10.1117/12.874979. S2CID  109599620.
На Викискладе есть медиафайлы по теме Микросканер .
  • Сканирующие микрозеркала. Mirrorcle Technologies Безкарданные, двухкоординатные сканирующие микрозеркала
  • MEMS-сканеры. Институт фотонных микросистем им. Фраунгофера
  • Демонстрационные устройства микрозеркал ARI MEMS. Адриатический научно-исследовательский институт
  • Начало работы с аналоговыми зеркалами. Texas Instruments (страница продукта)
  • Магнитные микрозеркала MEMS [ постоянная мертвая ссылка ‍ ] . Lemoptix (страница описания технологии)
  • Зеркала лазерного сканирования MEMS. Maradin Ltd.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микросканер&oldid=1194882250"