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Microscanner

A microscanner , or micro scanning mirror , is a microoptoelectromechanical system (MOEMS) in the category of micromirror actuators for dynamic light modulation . Depending upon...

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A microscanner, or micro scanning mirror, is a microoptoelectromechanical system (MOEMS) in the category of micromirroractuators for dynamic light modulation. Depending upon the type of microscanner, the modulatory movement of a single mirror can be either translatory or rotational, on one or two axes. In the first case, a phase shifting effect takes place. In the second case, the incident light wave is deflected.

Resonant translational mirror in pantograph design with a deflection of ±500 μm

Microscanners are different from spatial light modulators and other micromirror actuators which need a matrix of individually addressable mirrors in order to accomplish the desired modulation at any yield. If a single array mirror accomplishes the desired modulation but is operated in parallel with other array mirrors to increase light yield, then the term microscanner array is used.

Characteristics

Common chip dimensions are 4 mm × 5 mm for mirror diameters between 1 and 3 mm.[1] Larger mirror apertures with side measurements of up to approx. 10 mm × 3 mm can also be produced.[2] The scan frequencies depend upon the design and mirror size and range between 0.1 and 50 kHz. The deflection movement is either resonant or quasi-static.[3] With microscanners that are capable of tilting movement, light can be directed over a projection plane.

Many applications requires that a surface is addressed instead of only a single line. For these applications, actuation using a Lissajous pattern can accomplish sinusoidal scan motion, or double resonant operation. Mechanical deflection angles of micro scanning devices reach up to ±30°.[4] Translational (piston type) microscanners, can attain a mechanical stroke of up to approx. ±500 μm.[5] This configuration is energy efficient, but requires complicated control electronics. For high end display applications the common choice is raster scanning, where a resonant scanner (for the longer display dimension) is paired with quasi-static scanner (for the shorter dimension).[3]

Drive principles

Las fuerzas motrices necesarias para el movimiento del espejo pueden ser proporcionadas por diversos principios físicos. En la práctica, los principios relevantes para accionar dicho espejo son los efectos electromagnético , electrostático , termoeléctrico y piezoeléctrico . [ 3 ] Debido a que los principios físicos difieren en sus ventajas y desventajas, el principio de accionamiento se elige según la aplicación. Específicamente, las soluciones mecánicas requeridas para el escaneo resonante son muy diferentes a las del escaneo cuasiestático. Los actuadores termoeléctricos no son aplicables a los escáneres resonantes de alta frecuencia, pero los otros tres principios pueden aplicarse a todo el espectro de aplicaciones.

Para escáneres resonantes, una configuración frecuentemente empleada es el accionamiento indirecto. En un accionamiento indirecto, un pequeño movimiento en una masa mayor se acopla a un gran movimiento en una masa menor (el espejo) mediante amplificación mecánica en un modo de vibración favorable. Esto contrasta con el accionamiento directo, más común, donde el mecanismo actuador mueve el espejo directamente. Los accionamientos indirectos se han implementado para actuadores electromagnéticos , [ 6 ] electrostáticos , [ 7 ] así como piezoeléctricos . [ 8 ] [ 9 ] Los escáneres piezoeléctricos existentes son más eficientes utilizando accionamiento directo. [ 3 ]

Los actuadores electrostáticos ofrecen una alta potencia similar a la de los accionamientos electromagnéticos. A diferencia de un accionamiento electromagnético, la fuerza de accionamiento resultante entre las estructuras de accionamiento no puede invertirse en polaridad. Para la realización de componentes cuasiestáticos con dirección efectiva positiva y negativa, se requieren dos accionamientos con polaridad positiva y negativa. [ 10 ] Como regla general, se utilizan aquí accionamientos de peine vertical . Sin embargo, las características de accionamiento altamente no lineales en algunas partes del área de deflexión pueden ser un obstáculo para el control adecuado del espejo. Por esa razón, muchos microescáneres altamente desarrollados en la actualidad utilizan un modo de operación resonante , donde se activa un modo propio . La operación resonante es la más eficiente energéticamente. Para el posicionamiento del haz y aplicaciones que se van a accionar estáticamente o escanear linealmente, se requieren accionamientos cuasiestáticos y, por lo tanto, son de gran interés.

Los actuadores magnéticos ofrecen una excelente linealidad del ángulo de inclinación en función de la amplitud de la señal aplicada, tanto en funcionamiento estático como dinámico. Su principio de funcionamiento consiste en colocar una bobina metálica sobre el espejo MEMS móvil . Al situarse el espejo en un campo magnético, la corriente alterna que circula por la bobina genera una fuerza de Lorentz que inclina el espejo. La actuación magnética puede utilizarse para accionar espejos MEMS unidimensionales o bidimensionales. Otra característica de los espejos MEMS accionados magnéticamente es que requieren un bajo voltaje (inferior a 5 V), lo que los hace compatibles con el voltaje CMOS estándar. Una ventaja de este tipo de actuación es que el comportamiento MEMS no presenta histéresis , a diferencia de los espejos MEMS accionados electrostáticamente, lo que simplifica enormemente su control. El consumo de energía de los espejos MEMS accionados magnéticamente puede ser tan bajo como 0,04  mW. [ 11 ]

Los actuadores termoeléctricos generan fuerzas motrices elevadas, pero presentan algunas desventajas técnicas inherentes a su principio fundamental. El actuador debe estar bien aislado térmicamente del entorno y precalentarse para evitar la deriva térmica debida a las influencias ambientales. Por ello, la potencia calorífica y el consumo energético necesarios para un actuador bimorfo térmico son relativamente altos. Otra desventaja es el desplazamiento relativamente bajo que se requiere para alcanzar deflexiones mecánicas útiles. Además, los actuadores térmicos no son adecuados para operar a alta frecuencia debido a su importante comportamiento de paso bajo .

Los actuadores piezoeléctricos producen una fuerza elevada, pero al igual que los actuadores electrotérmicos, la longitud de carrera es corta. Sin embargo, los actuadores piezoeléctricos son menos susceptibles a las influencias ambientales térmicas y también pueden transmitir bien señales de accionamiento de alta frecuencia. Para lograr el ángulo deseado, se requerirá algún mecanismo que utilice amplificación mecánica en la mayoría de las aplicaciones. Esto ha demostrado ser difícil para los escáneres cuasiestáticos, aunque existen enfoques prometedores en la literatura que utilizan flexiones largas y sinuosas para la amplificación de la deflexión. [ 12 ] [ 13 ] Por otro lado, para los escáneres rotacionales resonantes, los escáneres que utilizan actuación piezoeléctrica combinada con un accionamiento indirecto son los de mayor rendimiento en términos de ángulo de escaneo y frecuencia de trabajo. [ 8 ] [ 9 ] [ 14 ] Sin embargo, la tecnología es más reciente que los accionamientos electrostáticos y electromagnéticos y aún no se ha implementado en productos comerciales. [ 3 ]

Campos de aplicación

Las aplicaciones de los microescáneres basculantes son numerosas e incluyen:

Algunas de las aplicaciones de los microescáneres de tipo pistón son:

Fabricar

Los microescáneres se fabrican habitualmente mediante procesos micromecánicos superficiales o volumétricos . Por lo general, se utiliza silicio o BSOI ( silicio unido sobre aislante ).

Ventajas y desventajas de los microescáneres

Los microescáneres son más pequeños, menos pesados ​​y consumen menos energía que los moduladores de luz macroscópicos, como los escáneres de galvanómetro . Además, los microescáneres se pueden integrar con otros componentes electrónicos, como sensores de posición. [ 17 ] Los microescáneres son resistentes a las inclemencias del tiempo y toleran la humedad, el polvo y, en algunos modelos, impactos físicos de hasta 2500 g. Pueden operar en temperaturas de -20  °C a +80  °C.

Con la tecnología de fabricación actual, los microescáneres pueden sufrir altos costos y largos plazos de entrega. Esta es un área activa de mejora de procesos.

Referencias

  1. ↑ Kit de construcción del microescáner VarioS . Instituto Fraunhofer de Microsistemas Fotónicos IPMS (Descripción del producto).
  2. 1 2 Sandner, T.; Grasshoff, T.; Wildenhain, M.; Schenk, H. (2010). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (eds.). "Arreglo de micro escáneres sincronizados para óptica de receptor de gran apertura de sistemas LIDAR". Proc. SPIE . MOEMS y sistemas miniaturizados IX. 7594 – MOEMS y sistemas miniaturizados IX: 75940C. Bibcode : 2010SPIE.7594E..0CS . doi : 10.1117/12.844923 . S2CID 108647803 . 
  3. 1 2 3 4 5 6 Holmstrom, STS; Baran, U.; Urey, H. (2014). "Escáneres láser MEMS: una revisión". Journal of Microelectromechanical Systems . 23 (2): 259– 275. doi : 10.1109/JMEMS.2013.2295470 . S2CID 23257771 . 
  4. 1 2 Drabe, C.; James, R.; Schenk, H.; Sandner, T. (2010). Schenk, Harald; Piyawattanametha, Wibool (eds.). "Dispositivos MEMS para sistemas de cámaras láser para aplicaciones endoscópicas". Proc. SPIE . MOEMS y sistemas miniaturizados IX. 7594 – MOEMS y sistemas miniaturizados 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 (eds.). "Actuador MEMS traslacional fuera del plano con carrera extraordinariamente grande para modulación de longitud de trayectoria óptica". 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. 1 2 Yalcinkaya, AD; Urey, H.; Brown, D.; Montague, T.; Sprague, R. (2006). "Microescáner electromagnético de dos ejes para pantallas de alta resolución". Journal of Microelectromechanical Systems . 15 (4): 786– 794. doi : 10.1109/JMEMS.2006.879380 . S2CID 43694721 . 
  7. ↑ Arslan, A.; Brown, D.; Davis, WO; Holmstrom, S.; Gokce, SK; Urey, H. (2010). "Microescáner torsional resonante accionado por peine con amplificación mecánica". Journal of Microelectromechanical Systems . 19 (4): 936– 943. doi : 10.1109/JMEMS.2010.2048095 . S2CID 9521896 . 
  8. 1 2 Baran, U.; Brown, D.; Holmstrom, S.; Balma, D.; Davis, WO; Muralt, P.; Urey, H. (2012). "Escáner MEMS PZT resonante para pantallas de alta resolución". Journal of Microelectromechanical Systems . 21 (6): 1303– 1310. CiteSeerX 10.1.1.710.550 . doi : 10.1109/JMEMS.2012.2209405 . S2CID 19273731 .  
  9. 1 2 Gu-Stoppel, S.; Janes, J.; Kaden, D.; Quenzer, H.; Hofmann, U.; Benecke, W. (2013). Micromirror resonante piezoeléctrico con alta frecuencia y gran deflexión aplicando amplificación de palanca mecánica . Proc. SPIE Micromachining and Microfabrication Process Technology XVIII. San Francisco, CA, EE. UU. pp. 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 (eds.), "Microescáneres de accionamiento de peine vertical para aplicaciones de dirección de haz, escaneo lineal y proyección láser" , MOEMS and Miniaturized Systems XI , MOEMS and Miniaturized Systems XI (en alemán), vol. 8252, pp. 82520U–1–10, Bibcode : 2012SPIE.8252E..0UJ , doi : 10.1117/12.906690 , S2CID 109410879   
  11. ↑ "Lemoptix - LSCAN Micromirror" . Archivado del original el 6 de febrero de 2012. Consultado el 7 de febrero de 2012 .
  12. ↑ Tani, M.; Akamatsu, M.; Yasuda, Y.; Toshiyoshi, H. (2007). Un micromirror piezoeléctrico basculante de dos ejes con un actuador meandriforme PZT de reciente desarrollo . Actas de la 20.ª Conferencia Internacional IEEE sobre MEMS. Kobe, Japón. págs. 699–702 . doi : 10.1109/MEMSYS.2007.4432994 . 
  13. ↑ Kobayashi, T.; Maeda, R.; Itoh, T. (2009). "Microescáner óptico piezoeléctrico de baja velocidad accionado por microcantilever piezoeléctricos utilizando una película delgada de Pb(Zr,Ti)O 3 con capa amortiguadora de LaNiO 3 ". Smart Materials and Structures . 18 (6). Bibcode : 2009SMaS...18f5008K . doi : 10.1088/0964-1726/18/6/065008 .
  14. ↑ Baran, U.; Holmstrom, S.; Brown, D.; Davis, WO; Cakmak, O.; Urey, H. (2014). "Escáneres MEMS PZT resonantes con sensores de ángulo integrados". Conferencia Internacional de 2014 sobre MEMS Ópticos y Nanofotónica . págs. 99–100 . doi : 10.1109/OMN.2014.6924612 . ISBN  978-0-9928-4140-9.
  15. ^ Scholles, Michael; Bräuer, Andreas; Frommhagen, Klaus; Gerwig, cristiano; Lakner, Hubert; Schenk, Harald; Schwarzenberg, Markus (2008). "Sistemas de proyección láser ultracompactos basados ​​en espejos de microescaneo resonantes bidimensionales". Revista de micro/nanolitografía, MEMS y MOEMS . 7 (2): 021001. doi : 10.1117/1.2911643 .
  16. ↑ Wolter, A.; Schenk, H.; Gaumont, E.; Lakner, H. (2004). Urey, Hakan; Dickensheets, David L (eds.). "Espejo de microescaneo MEMS para lectura de códigos de barras: del desarrollo a la producción". 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 (eds.). "Detección de posición piezorresistiva integrada para microespejos de escaneo accionados electrostáticamente" . Proc. SPIE . MOEMS y sistemas miniaturizados X. 7930 – MOEMS y sistemas miniaturizados X: 79300V. Bibcode : 2011SPIE.7930E..0VG . doi : 10.1117/12.874979 . S2CID 109599620 . 
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