Микросканер

Микросканер микрооптоэлектромеханическая , или микросканирующее зеркало , — это система (МОЭМС) из разряда микрозеркальных приводов для динамической модуляции света . В зависимости от типа микросканера модулирующее движение одного зеркала может быть как поступательным, так и вращательным, по одной или двум осям. В первом случае имеет место эффект фазосдвигания. Во втором случае падающая световая волна отклоняется.

Резонансное поступательное зеркало в исполнении пантографа с отклонением ±500 мкм.

Микросканеры отличаются от пространственных модуляторов света и других приводов микрозеркал, которым необходима матрица из индивидуально адресуемых зеркал для достижения желаемой модуляции с любой производительностью. Если одна зеркальная матрица обеспечивает желаемую модуляцию, но работает параллельно с другими зеркальной решеткой для увеличения светоотдачи, тогда используется термин «матрица микросканеров».

Характеристики

Обычные размеры чипа составляют 4 × 5 мм для зеркал диаметром от 1 до 3 мм. ^[1] Зеркальные апертуры большего размера с размерами сторон до прибл. Также возможно изготовление размером 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 бывает либо резонансным , либо квазистатическим. ^[3] С помощью микросканеров, способных совершать наклонные движения, свет можно направлять по плоскости проекции.

Во многих приложениях требуется адресация поверхности, а не одной строки. В этих приложениях приведение в действие с использованием шаблона Лиссажу может выполнять синусоидальное сканирующее движение или работу с двойным резонансом. Углы механического отклонения микросканирующих устройств достигают ±30°. ^[4] Поступательные (поршневого типа) микросканеры могут достигать механического хода до прибл. ±500 мкм. ^[5] Эта конфигурация является энергоэффективной, но требует сложной управляющей электроники. Для приложений с дисплеями высокого класса обычным выбором является растровое сканирование , где резонансный сканер (для более длинного размера дисплея) сочетается с квазистатическим сканером (для более короткого размера). ^[3]

Принципы привода

Необходимые движущие силы для движения зеркала могут быть обеспечены различными физическими принципами. На практике соответствующими принципами управления таким зеркалом являются электромагнитный , электростатический , термоэлектрический и пьезоэлектрический эффекты. ^[3] Поскольку физические принципы различаются по своим преимуществам и недостаткам, принцип движения выбирается в соответствии с применением. В частности, механические решения, необходимые для резонансного сканирования, сильно отличаются от решений для квазистатического сканирования. Термоэлектрические приводы неприменимы для высокочастотных резонансных сканеров, но остальные три принципа могут применяться ко всему спектру применений.

Для резонансных сканеров часто используется конфигурация с непрямым приводом. В непрямом приводе небольшое движение большей массы связано с большим движением меньшей массы (зеркала) посредством механического усиления при благоприятной форме моды. В этом отличие от более распространенного прямого привода, в котором приводной механизм перемещает зеркало напрямую. Косвенные приводы были реализованы для электромагнитных , ^[6] электростатический , ^[7] а также пьезоэлектрические приводы. ^[8]^[9] Существующие пьезоэлектрические сканеры более эффективны при использовании прямого привода. ^[3]

Электростатические приводы обладают высокой мощностью, аналогичной электромагнитным приводам. В отличие от электромагнитного привода результирующая движущая сила между структурами привода не может быть изменена на обратную полярность. Для реализации квазистатических составляющих с положительным и отрицательным действующим направлением требуются два привода с положительной и отрицательной полярностью. ^[10] Как правило, вертикальные гребенчатые приводы здесь используются . Тем не менее, сильно нелинейные характеристики привода в некоторых частях области отклонения могут препятствовать правильному управлению зеркалом. По этой причине многие современные микросканеры сегодня используют резонансный режим работы, при котором собственный режим активируется . Резонансный режим работы является наиболее энергоэффективным. Для позиционирования луча и приложений, в которых требуется статическое управление или линеаризованное сканирование, необходимы квазистатические приводы, которые поэтому 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 МЭМС , а когда зеркало помещается в магнитное поле, переменный ток, текущий в катушке, генерирует силу Лоренца, которая наклоняет зеркало. Магнитное срабатывание можно использовать для приведения в действие 1D- или 2D-зеркал MEMS. Еще одной характеристикой зеркала МЭМС с магнитным приводом является тот факт, что требуется низкое напряжение (ниже 5 В), что делает это срабатывание совместимым со стандартным напряжением КМОП. Преимущество такого типа срабатывания заключается в том, что поведение МЭМС не вызывает гистерезиса, в отличие от зеркал МЭМС с электростатическим приводом, что значительно упрощает управление. Потребляемая мощность МЭМС-зеркал с магнитным приводом может составлять всего 0,04 мВт. ^[11]

Термоэлектрические приводы создают высокие движущие силы, но имеют ряд технических недостатков, присущих их основному принципу. Привод должен быть теплоизолирован от окружающей среды, а также предварительно нагрет, чтобы предотвратить тепловой дрейф из-за воздействия окружающей среды. Поэтому необходимая тепловая мощность и потребляемая мощность термобиморфного привода относительно высоки. Еще одним недостатком является сравнительно небольшое смещение, которое необходимо использовать для достижения полезных механических отклонений. Кроме того, термоприводы не подходят для работы на высоких частотах из-за значительных характеристик нижних частот .

Пьезоэлектрические приводы создают большую силу, но, как и в случае с электротермическими приводами, длина хода короткая. Однако пьезоэлектрические приводы менее подвержены тепловым воздействиям окружающей среды, а также могут хорошо передавать высокочастотные сигналы привода. Для достижения желаемого угла какой-либо механизм, использующий механическое усиление в большинстве случаев потребуется . Это оказалось трудным для квазистатических сканеров, хотя в литературе существуют многообещающие подходы с использованием длинных извилистых изгибов для усиления отклонения. ^[12]^[13] С другой стороны, для резонансно-ротационных сканеров сканеры, использующие пьезоэлектрический привод в сочетании с непрямым 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 внедрить в коммерческие продукты. ^[3]

Области применения

Сферы применения наклонных микросканеров многочисленны и включают в себя:

Проекционные дисплеи ^[3]^[6]^[15]
Запись изображения, например, для технических и медицинских эндоскопов ^[4]
Сканирование штрих-кода ^[16]
Спектроскопия
Лазерная маркировка и обработка материалов
Измерение объекта/триангуляция ^[2]
3D-камеры
Распознавание объектов
1D и 2D световая сетка
Конфокальная микроскопия / ОКТ
Флуоресцентная микроскопия
Модуляция длины волны лазера

Некоторые области применения микросканеров поршневого типа:

Инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье
Конфокальная микроскопия
Изменение фокуса

Производство

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

Преимущества и недостатки микросканеров

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

При нынешних технологиях производства микросканеры могут иметь высокие затраты и длительные сроки поставки. Это активная область улучшения процессов.

Ссылки

^ Конструктор VarioS Mikroscanner . Институт фотонных микросистем Фраунгофера IPMS (Описание продукта).
^ Jump up to: ^а ^б Санднер, Т.; Грассхофф, Т.; Вильденхайн, М.; Шенк, Х. (2010). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Синхронизированная матрица микросканеров для оптики приемников с большой апертурой лидарных систем». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 - MOEMS и миниатюрные системы IX: 75940C. Бибкод : 2010SPIE.7594E..0CS . дои : 10.1117/12.844923 . S2CID 108647803 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хольмстрем, СТС; Баран, У.; Юри, Х. (2014). «Лазерные сканеры MEMS: обзор». Журнал микроэлектромеханических систем . 23 (2): 259–275. дои : 10.1109/JMEMS.2013.2295470 . S2CID 23257771 .
^ Jump up to: ^а ^б Драбе, К.; Джеймс, Р.; Шенк, Х.; Санднер, Т. (2010). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «МЭМС-устройства для лазерных камерных систем эндоскопического применения». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 - MOEMS и миниатюрные системы IX: 759404. Бибкод : 2010SPIE.7594E..04D . дои : 10.1117/12.846855 . S2CID 111072386 .
^ Санднер, Т.; Грассхофф, Т.; Шенк, Х.; Кенда, А. (2011). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Внеплоскостной поступательный МЭМС-привод с необычайно большим ходом для оптической модуляции длины пути». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы X. 7930 – MOEMS и миниатюрные системы X: 79300I. Бибкод : 2011SPIE.7930E..0IS . CiteSeerX 10.1.1.1001.2433 . дои : 10.1117/12.879069 . S2CID 42065927 .
^ Jump up to: ^а ^б Ялцинкая, А.Д.; Юри, Х.; Браун, Д.; Монтегю, Т.; Спраг, Р. (2006). «Двухосевой электромагнитный микросканер для дисплеев высокого разрешения». Журнал микроэлектромеханических систем . 15 (4): 786–794. дои : 10.1109/JMEMS.2006.879380 . S2CID 43694721 .
^ Арслан А.; Браун, Д.; Дэвис, Висконсин; Хольмстрем, С.; Гекче, Словакия; Юри, Х. (2010). «Гребенчатый резонансный крутильный микросканер с механическим усилением». Журнал микроэлектромеханических систем . 19 (4): 936–943. дои : 10.1109/JMEMS.2010.2048095 . S2CID 9521896 .
^ Jump up to: ^а ^б Баран, У.; Браун, Д.; Хольмстрем, С.; Бальма, Д.; Дэвис, Висконсин; Муральт, П.; Юри, Х. (2012). «Резонансный PZT MEMS-сканер для дисплеев высокого разрешения». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (6): 1303–1310. CiteSeerX 10.1.1.710.550 . дои : 10.1109/JMEMS.2012.2209405 . S2CID 19273731 .
^ Jump up to: ^а ^б Гу-Стоппель, С.; Джейнс, Дж.; Каден, Д.; Квенцер, Х.; Хофманн, У.; Бенеке, В. (2013). Пьезоэлектрическое резонансное микрозеркало с высокой частотой и большим отклонением, применяющее механическое усиление . Учеб. SPIE Микрообработка и технология микрообработки XVIII. Сан-Франциско, Калифорния, США. стр. 86120I–1–86120I–8. дои : 10.1117/12.2001620 .
^ Д. Юнг; Т. Санднер; Д. Каллвейт; Т. Грассхофф; Х. Шенк (2012), Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул; Ноэлл, Уилфрид (ред.), «Микросканеры с вертикальным гребенчатым приводом для управления лучом, линейного сканирования и лазерной проекции» , MOEMS and Miniaturized Systems XI , MOEMS and Miniaturized Systems XI (на немецком языке), vol. 8252, стр. 82520U–1–10, Bibcode : 2012SPIE.8252E..0UJ , doi : 10.1117/12.906690 , S2CID 109410879
^ «Лемоптикс-LSCAN Микрозеркало» . Архивировано из оригинала 6 февраля 2012 г. Проверено 7 февраля 2012 г.
^ Тани, М.; Акамацу, М.; Ясуда, Ю.; Тосиёси, Х. (2007). Двухосное пьезоэлектрическое наклоняемое микрозеркало с недавно разработанным извилистым приводом PZT . Учеб. 20-й международный конгресс IEEE. Конф. МЭМС. Кобе, Япония. стр. 699–702. дои : 10.1109/MEMSYS.2007.4432994 .
^ Кобаяши, Т.; Маэда, Р.; Ито, Т. (2009). «Низкоскоростной пьезоэлектрический оптический микросканер, приводимый в действие пьезоэлектрическими микрокантилеверами с использованием тонкой пленки Pb (Zr, Ti)O3, забуференной LaNiO3». Умные материалы и конструкции . 18 (6): 065008–1–065008–6. Бибкод : 2009SMaS...18f5008K . CiteSeerX 10.1.1.710.550 . дои : 10.1109/JMEMS.2012.2209405 . S2CID 19273731 .
^ Баран, У.; Хольмстрем, С.; Браун, Д.; Дэвис, Висконсин; Чакмак, О.; Юри, Х. (2014). Резонансные PZT MEMS-сканеры со встроенными датчиками угла . 2014 Международная конференция по оптической МЭМС и нанофотонике (OMN). Журнал микроэлектромеханических систем . Глазго, Шотландия. стр. 99–100. дои : 10.1109/OMN.2014.6924612 .
^ 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 .
^ Уолтер, А.; Шенк, Х.; Гомонт, Э.; Лакнер, Х. (2004). Юри, Хакан; Дикеншитс, Дэвид Л. (ред.). «Микросканирующее зеркало MEMS для считывания штрих-кодов: от разработки к производству». Учеб. ШПИОН . Системы отображения и визуализации MOEMS II. 5348 – Системы отображения и визуализации MOEMS II: 32–39. Бибкод : 2004SPIE.5348...32W . дои : 10.1117/12.530795 . S2CID 120908834 .
^ Граманн, Дж.; Грассхофф, Т.; Конрад, Х.; Санднер, Т.; Шенк, Х. (2011). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Встроенное пьезорезистивное определение положения микросканирующих зеркал с электростатическим приводом» . Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы X. 7930 – MOEMS и миниатюрные системы X: 79300V. Бибкод : 2011SPIE.7930E..0VG . дои : 10.1117/12.874979 . S2CID 109599620 .

Внешние ссылки

Сканирующие микрозеркала . Mirrorcle Technologies Бескарданные микрозеркала с двухосным сканированием
МЭМС-сканеры . Институт фотонных микросистем Фраунгофера
Демонстрационные микрозеркальные устройства ARI MEMS . Адриатический научно-исследовательский институт
Начало работы с аналоговыми зеркалами . Texas Instruments (Страница продукта)
Магнитные МЭМС микрозеркала ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}. Лемоптикс (Страница описания технологии)
Зеркала лазерного сканирования MEMS . Марадин, ООО

[1] Конструктор VarioS Mikroscanner . Институт фотонных микросистем Фраунгофера IPMS (Описание продукта).

[Sandner75940C-2] Jump up to: ^а ^б Санднер, Т.; Грассхофф, Т.; Вильденхайн, М.; Шенк, Х. (2010). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Синхронизированная матрица микросканеров для оптики приемников с большой апертурой лидарных систем». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 - MOEMS и миниатюрные системы IX: 75940C. Бибкод : 2010SPIE.7594E..0CS . дои : 10.1117/12.844923 . S2CID 108647803 .

[Holmstrom2014-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хольмстрем, СТС; Баран, У.; Юри, Х. (2014). «Лазерные сканеры MEMS: обзор». Журнал микроэлектромеханических систем . 23 (2): 259–275. дои : 10.1109/JMEMS.2013.2295470 . S2CID 23257771 .

[Drabe759404-4] Jump up to: ^а ^б Драбе, К.; Джеймс, Р.; Шенк, Х.; Санднер, Т. (2010). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «МЭМС-устройства для лазерных камерных систем эндоскопического применения». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы IX. 7594 - MOEMS и миниатюрные системы IX: 759404. Бибкод : 2010SPIE.7594E..04D . дои : 10.1117/12.846855 . S2CID 111072386 .

[5] Санднер, Т.; Грассхофф, Т.; Шенк, Х.; Кенда, А. (2011). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Внеплоскостной поступательный МЭМС-привод с необычайно большим ходом для оптической модуляции длины пути». Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы X. 7930 – MOEMS и миниатюрные системы X: 79300I. Бибкод : 2011SPIE.7930E..0IS . CiteSeerX 10.1.1.1001.2433 . дои : 10.1117/12.879069 . S2CID 42065927 .

[Yalcinkaya2006-6] Jump up to: ^а ^б Ялцинкая, А.Д.; Юри, Х.; Браун, Д.; Монтегю, Т.; Спраг, Р. (2006). «Двухосевой электромагнитный микросканер для дисплеев высокого разрешения». Журнал микроэлектромеханических систем . 15 (4): 786–794. дои : 10.1109/JMEMS.2006.879380 . S2CID 43694721 .

[Arslan2010-7] Арслан А.; Браун, Д.; Дэвис, Висконсин; Хольмстрем, С.; Гекче, Словакия; Юри, Х. (2010). «Гребенчатый резонансный крутильный микросканер с механическим усилением». Журнал микроэлектромеханических систем . 19 (4): 936–943. дои : 10.1109/JMEMS.2010.2048095 . S2CID 9521896 .

[Baran2012-8] Jump up to: ^а ^б Баран, У.; Браун, Д.; Хольмстрем, С.; Бальма, Д.; Дэвис, Висконсин; Муральт, П.; Юри, Х. (2012). «Резонансный PZT MEMS-сканер для дисплеев высокого разрешения». Журнал микроэлектромеханических систем . 21 (6): 1303–1310. CiteSeerX 10.1.1.710.550 . дои : 10.1109/JMEMS.2012.2209405 . S2CID 19273731 .

[Gu-Stoppel-9] Jump up to: ^а ^б Гу-Стоппель, С.; Джейнс, Дж.; Каден, Д.; Квенцер, Х.; Хофманн, У.; Бенеке, В. (2013). Пьезоэлектрическое резонансное микрозеркало с высокой частотой и большим отклонением, применяющее механическое усиление . Учеб. SPIE Микрообработка и технология микрообработки XVIII. Сан-Франциско, Калифорния, США. стр. 86120I–1–86120I–8. дои : 10.1117/12.2001620 .

[10] Д. Юнг; Т. Санднер; Д. Каллвейт; Т. Грассхофф; Х. Шенк (2012), Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул; Ноэлл, Уилфрид (ред.), «Микросканеры с вертикальным гребенчатым приводом для управления лучом, линейного сканирования и лазерной проекции» , MOEMS and Miniaturized Systems XI , MOEMS and Miniaturized Systems XI (на немецком языке), vol. 8252, стр. 82520U–1–10, Bibcode : 2012SPIE.8252E..0UJ , doi : 10.1117/12.906690 , S2CID 109410879

[11] «Лемоптикс-LSCAN Микрозеркало» . Архивировано из оригинала 6 февраля 2012 г. Проверено 7 февраля 2012 г.

[Tani2007-12] Тани, М.; Акамацу, М.; Ясуда, Ю.; Тосиёси, Х. (2007). Двухосное пьезоэлектрическое наклоняемое микрозеркало с недавно разработанным извилистым приводом PZT . Учеб. 20-й международный конгресс IEEE. Конф. МЭМС. Кобе, Япония. стр. 699–702. дои : 10.1109/MEMSYS.2007.4432994 .

[Kobayashi2009-13] Кобаяши, Т.; Маэда, Р.; Ито, Т. (2009). «Низкоскоростной пьезоэлектрический оптический микросканер, приводимый в действие пьезоэлектрическими микрокантилеверами с использованием тонкой пленки Pb (Zr, Ti)O3, забуференной LaNiO3». Умные материалы и конструкции . 18 (6): 065008–1–065008–6. Бибкод : 2009SMaS...18f5008K . CiteSeerX 10.1.1.710.550 . дои : 10.1109/JMEMS.2012.2209405 . S2CID 19273731 .

[Baran2014-14] Баран, У.; Хольмстрем, С.; Браун, Д.; Дэвис, Висконсин; Чакмак, О.; Юри, Х. (2014). Резонансные PZT MEMS-сканеры со встроенными датчиками угла . 2014 Международная конференция по оптической МЭМС и нанофотонике (OMN). Журнал микроэлектромеханических систем . Глазго, Шотландия. стр. 99–100. дои : 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] Уолтер, А.; Шенк, Х.; Гомонт, Э.; Лакнер, Х. (2004). Юри, Хакан; Дикеншитс, Дэвид Л. (ред.). «Микросканирующее зеркало MEMS для считывания штрих-кодов: от разработки к производству». Учеб. ШПИОН . Системы отображения и визуализации MOEMS II. 5348 – Системы отображения и визуализации MOEMS II: 32–39. Бибкод : 2004SPIE.5348...32W . дои : 10.1117/12.530795 . S2CID 120908834 .

[17] Граманн, Дж.; Грассхофф, Т.; Конрад, Х.; Санднер, Т.; Шенк, Х. (2011). Шенк, Харальд; Пияваттанамета, Вибул (ред.). «Встроенное пьезорезистивное определение положения микросканирующих зеркал с электростатическим приводом» . Учеб. ШПИОН . MOEMS и миниатюрные системы X. 7930 – MOEMS и миниатюрные системы X: 79300V. Бибкод : 2011SPIE.7930E..0VG . дои : 10.1117/12.874979 . S2CID 109599620 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]