MOEMS 2D掃描鏡的研究進展

馬天義，余　躍，許　敬，吳建東（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海01109；.中國航天科技集團公司紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海01109）

綜述與評論

MOEMS 2D掃描鏡的研究進展

馬天義1，2，余躍1，2，許敬1，2，吳建東2
（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109；2.中國航天科技集團公司紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海201109）

微光電子機械系統(tǒng)（MOEMS）掃描鏡憑借其在成本、功耗和封裝上的優(yōu)勢，在軍民用多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在分析MOEMS掃描鏡的分類方式的基礎(chǔ)上，針對靜電驅(qū)動中的微機械集成方式，展開框架式和無框架式兩種MOEMS掃描鏡的工作原理的探討，并給出了典型產(chǎn)品及系統(tǒng)應(yīng)用，總結(jié)了目前在MOEMS掃描鏡的系統(tǒng)應(yīng)用方面存在的難點問題。介紹了國內(nèi)MOEMS掃描鏡的研究現(xiàn)狀，并分析了與國外產(chǎn)品的差距。

微光電子機械系統(tǒng)；掃描鏡；靜電驅(qū)動；框架式

0　引言

微光電子機械系統(tǒng)（micro-opto-electro-mechanical system，MOEMS）是指利用微加工技術(shù)實現(xiàn)的微光機電器件與系統(tǒng)，系統(tǒng)中的微光學元件（如透鏡、反射鏡、光柵等）在微電子和微機械裝置的作用下能夠?qū)馐M行匯聚、反射、衍射等控制作用，從而實現(xiàn)光的開關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。MOEMS掃描鏡通常是指微反射鏡面在驅(qū)動力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變光束的出射角度，與傳統(tǒng)光學掃描方式相比，MOEMS掃描鏡在體積、重量、功耗以及動態(tài)響應(yīng)方面的優(yōu)點尤為突出，此外還具備MEMS器件所共有的成本低、易于實現(xiàn)批量制造的優(yōu)點。鑒于此，MOEMS掃描鏡逐漸成為微光學系統(tǒng)的一個核心器件，廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)、電子消費和軍工等領(lǐng)域［1］。

1　MOEMS掃描鏡分類

按照工作模式，MOEMS掃描鏡分為數(shù)字式和模擬式。數(shù)字式掃描鏡僅以二元方式控制鏡面實現(xiàn)“通”（ON）或“斷”（OFF）狀態(tài)；模擬式掃描鏡通常是在某種驅(qū)動力的激勵下控制鏡面在一定范圍內(nèi)往復(fù)運動［2］。

按照驅(qū)動方式，MOEMS掃描鏡分為靜電式、電熱式、壓電式和電磁式四種類型，其性能如表1所示。

表1　不同驅(qū)動方式下的MOEMS掃描鏡性能比較Tab 1　Performance comparision of MOEMS scanning mirrors under differ actuating mechanism

按照掃描維度，MOEMS掃描鏡可分為1D和2D。2D掃描鏡可在一個器件上實現(xiàn)兩個方向上的光路轉(zhuǎn)換，具有集成度高、占用空間小的優(yōu)點。而1D掃描鏡只在一個方向上實現(xiàn)光路的掃描，但在驅(qū)動鏡面尺寸、諧振頻率性能指標上稍優(yōu)于2D掃描鏡。

按照反射鏡面、支撐結(jié)構(gòu)及驅(qū)動器等集成方式的不同，可分為框架式和非框架式。集成在一起，得到大的角轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)范圍和諧振頻率，一直是MEMS反射鏡研制需要解決的最大難題。經(jīng)過長時間的努力，研究人員研究出兩種集成技術(shù)，即框架式和無框架式。

圖1　1D和2D掃描微鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Structure diagram of 1D and 2D scanning micromirror

2　MOEMS微掃描鏡工作原理

目前對MOEMS掃描鏡的研究主要是采用靜電驅(qū)動方式，且該類型的MOEMS掃描鏡已經(jīng)有成熟產(chǎn)品，并且應(yīng)用在了激光投影、機器人3D感知等行業(yè)。下面就靜電驅(qū)動方式，分別對框架式和非框架式的掃描微鏡的工作原理展開分析，并介紹其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1框架式MOEMS掃描鏡

框架式2D掃描微鏡基本原理如圖2所示［3］。中心鏡片通過兩個扭轉(zhuǎn)彈簧懸吊在外部的偏轉(zhuǎn)框架上，鏡面圓周的保留區(qū)域配置梳狀電極激發(fā)運動，采用矩形電壓和2倍的振蕩頻率。如果鏡片處于非零位狀態(tài)，靜電合力會驅(qū)動鏡面返回至零位狀態(tài)。電壓斷開，鏡面自由振蕩，直到由扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生的反方向的運動開始。此時電壓接通，直到鏡面重新回到零位。因為兩對梳狀電極靜電激發(fā)的距離非常小，不超過100 V的電壓即可滿足鏡面的運動。鏡面的原理同樣適用于偏轉(zhuǎn)框架。后者是通過兩個附加扭轉(zhuǎn)彈簧懸掛在固定框架電極上。兩個旋轉(zhuǎn)軸的運動互相垂直，從而實現(xiàn)光線的2D偏轉(zhuǎn)，投射出李薩如圖像。偏轉(zhuǎn)框架和固定框架通過填充隔離溝槽彼此隔離，所以互相垂直的振蕩可以獨立激發(fā)。因為鏡面支架式的固定方式，類似于兩個1D掃描微鏡的串行布置，因此圖像不會發(fā)生畸變。驅(qū)動器芯片采用CMOS兼容微機械加工技術(shù)。通過在鏡面上鍍一層很薄的鋁提高鏡面的反射率。

框架式MEMS掃描鏡技術(shù)典型應(yīng)用研究機構(gòu)國外的有德國的Fraunhofer光子微系統(tǒng)研究所（IPMs），其產(chǎn)品鏡面尺寸規(guī)格覆蓋從0.5 mm×0.5 mm到3 mm×3 mm，掃描范圍（光學反射峰峰值）達到140°，諧振頻率范圍從150 Hz到320 kHz。工作在最大諧振曲線下，機械振蕩幅度和所產(chǎn)生的光學反射角度可以通過調(diào)整驅(qū)動電壓進行改變。在最大角度時，反射角度與驅(qū)動電壓近似呈線性關(guān)系。目前IPMs已經(jīng)將研制的2D MEMS微鏡器件應(yīng)用于激光投影系統(tǒng)中，如圖3所示。

圖2　框架式2D諧振微掃描結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2　Structure diagram of frame style 2D resonant microscanning

圖3　激光投射模塊Fig 3　Laser projection module

2.2無框架式MOEMS掃描鏡

以美國MTI公司（Mirrorcle Technologies Inc）的無框架式MOEMS掃描鏡為例介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。MTI基于多級光束SOI—MEMS制造技術(shù)的無框架二軸掃描鏡由單片單晶硅材料組成，具有優(yōu)良的重復(fù)性和可靠性。其反射光束在兩軸方向上的掃描角度可達32°，典型器件的功耗不到1 mW。MTI公司MOEMS掃描鏡有集成式（integrated）和綁定式（bonded）兩種封裝形式，如圖4所示［4］。

圖4　MTI公司MOEMS掃描鏡封裝Fig 4　Package of MOEMS scanning mirrors of MTI

MTI公司無框架MOEMS掃描鏡的工作原理是基于單軸旋轉(zhuǎn)器的聯(lián)合，允許一個軸的操作近乎獨立于另外一個軸，不會有框架式結(jié)構(gòu)的附加慣性，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。在這個二維掃描器中，兩個單軸旋轉(zhuǎn)器分別用于驅(qū)動每一個軸。對于x軸，利用驅(qū)動器A和A＇；對于y軸，利用驅(qū)動器B和B＇；驅(qū)動器通過一系列的聯(lián)動裝置和一個機械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器連接到鏡片上。每一個連接到旋轉(zhuǎn)器上的聯(lián)動裝置都允許兩自由度的機械分量，允許通過轉(zhuǎn)換器的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)正交的解耦［5］。

美國Army Research Laboratory（ARL）和波音子公司Spectrolab基于MTI的MOEMS掃描鏡研制出一種用于機器人領(lǐng)域的短距離人眼安全MEMS掃描雷達系統(tǒng)，樣機如圖6所示［6］。

圖5　無框架兩軸掃描驅(qū)動器原理示意圖Fig 5　Principle diagram of frame-less two-axis scanning actuator

圖6　波音公司的LADAR成像系統(tǒng)樣機Fig 6　Prototype LADAR imaging system of spectrolab

2.3MOEMS系統(tǒng)難點問題

1）閉環(huán)控制問題

隨著MOEMS掃描鏡的應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，在很多領(lǐng)域中對掃描鏡掃描角度的精度要求非常高。目前掃描微鏡的控制方式通常采用開環(huán)方式，需要在性能測試階段建立驅(qū)動電壓與掃描角度的對應(yīng)表格，在器件運行期間，根據(jù)已知數(shù)據(jù)由控制器如FPGA給出角度命令，該方法簡單易行。但是由放大電壓漂移、抖動以及掃描微鏡自身因發(fā)熱等原因產(chǎn)生的諧振頻率漂移等對開環(huán)控制精度產(chǎn)生交大的影響，可能會出現(xiàn)圖像畸變或者錯幀等問題。為解決上述問題，需要采用閉環(huán)控制方法實現(xiàn)對掃描微鏡的精確控制。

2）靜電吸合問題

靜電驅(qū)動MOEMS掃描鏡的最大缺點就是存在靜電吸合現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)靜電吸合現(xiàn)象，將會導致整個器件因短路而被永久性毀壞［7］。

3）高速掃描時的動態(tài)變形問題

高速轉(zhuǎn)動引起的鏡面的動態(tài)形變是影響MOEMS掃描微鏡成像系統(tǒng)光學分辨率的重要因素，尤其是當鏡面不平整度與所反射光束最小波長相當時，產(chǎn)生的反射光束波前像差就會嚴重降低其可獲得的光學分辨率。由高速轉(zhuǎn)動引起的鏡面動態(tài)形變，無法通過靜態(tài)的光學元件獲得校正，所以，只能通過對MOEMS掃描微鏡的優(yōu)化設(shè)計減小其影響［8］。

3　國內(nèi)研究現(xiàn)狀與差距分析

中國科學院光電技術(shù)研究所馬文英等人［9］給出了一種靜電驅(qū)動2D微掃描鏡的設(shè)計和制造方案，鏡面尺寸為100 μm×75 μm，經(jīng)仿真計算在120 V和160 V的電壓下，掃描鏡可分別產(chǎn)生沿x軸方向的±5.0°和沿y軸方向±4.4°的偏轉(zhuǎn)角。

無錫微奧科技有限公司章皓等人基于電熱式Bimorph驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，建立了一種雙S形Bimorph二維模型［10］，微鏡示意圖如圖7所示。目前無錫微奧已經(jīng)有相應(yīng)的成熟產(chǎn)品。

圖7　雙S形Bimorph結(jié)構(gòu)微鏡SEM電鏡圖Fig 7　SEM image of MOEMS mirror based double S shape Bimorph structure

西北工業(yè)大學空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室的喬大勇團隊已經(jīng)成功研制出MEMS 2D掃描鏡，如圖8所示［11］。該二維微掃描鏡是由垂直梳齒所產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動的，鏡面尺寸近似1.25 mm。在10 V的方波信號驅(qū)動下，微掃描鏡在兩個軸上的諧振頻率分別可達1870Hz和375Hz，掃描鏡的機械掃描角度可達±8°。該團隊并以此器件為基礎(chǔ)，搭建出平視顯示系統(tǒng)，分辨率為168×56，刷新率為20 Hz。

圖8　MOEMS 2D微掃描鏡Fig 8　MOEMS 2D micro scanning mirror

目前國內(nèi)MOEMS掃描技術(shù)隨著MEMS技術(shù)的成熟得到了快速發(fā)展，在基本概念和關(guān)鍵技術(shù)上得到論證與完善，并有多家研究機構(gòu)和公司開展MOEMS掃描鏡的驅(qū)動及系統(tǒng)設(shè)計，并在MOEMS掃描顯示系統(tǒng)應(yīng)用的研究上取得了一些進展。但在國內(nèi)的MOEMS掃描鏡驅(qū)動器性能指標上如驅(qū)動鏡面尺寸、諧振頻率以及封裝等距離國外的技術(shù)水平仍舊存在著巨大的差距。

4　結(jié)束語

MOEMS掃描技術(shù)是多種學科交叉融合產(chǎn)生的前沿技術(shù)，它將為掃描成像和投影應(yīng)用領(lǐng)域開辟新的思路和方法，其高性能、低成本、微型化、集成化和可批量生產(chǎn)的技術(shù)優(yōu)勢為其在軍民用多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用帶來無限的潛在可能。隨著MOEMS掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，其基本理論和系統(tǒng)技術(shù)仍舊需要持續(xù)深入的研究，如高分辨率大視場角的微鏡掃描成像理論、高速掃描下的微鏡的動態(tài)變形理論及對分辨率的影響、閉合控制問題以及靜電驅(qū)動下的靜電吸合問題等。

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許敬，通訊作者，E—mail：ruole@163.com。

Research progress of MOEMS 2D scanning mirror

MA Tian-yi1，2，YU Yue1，2，XU Jing1，2，WU Jian-dong2
（1.Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology，Shanghai 201109，China；
2.Infrared Detection Technology Research&Development Center，CASC，Shanghai 201109，China）

Micro-opto-electro-mechanical system（MOEMS）has wide application prospects in field of military and civilian due to its advantages of low cost，low power dissipation and tiny package.On the basis of analysis on classification mode of MOEMS scanning mirrors，frame and frame-less MOEMS scanning mirrors are disscussed for electrostatic-driven micromechanical integration types，then typical products and its system application are introduced.Difficult problems in system application is summed.The research status of domestic MOEMS scanning mirrors is introduced，as well as gap compared with foreign products is analyzed.

micro-opto-electro-mechanical system（MOEMS）；scanning mirror；electrostatic drive；frame style

TN27；TN249

A

1000—9787（2016）06—0001—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0001—03

2016—04—14

馬天義（1976-），男，吉林省吉林人，高級工程師，主要研究方向為探測與制導技術(shù)。