Mikroskanner

En mikroskanner , eller mikroavsökningsspegel , är ett mikrooptoelektromekaniskt system (MOEMS) i kategorin mikrospegelställdon för dynamisk ljusmodulering . Beroende på typen av mikroskanner kan den modulerande rörelsen hos en enda spegel vara antingen translatorisk eller roterande, på en eller två axlar. I det första fallet sker en fasskiftande effekt. I det andra fallet avböjes den infallande ljusvågen.

Resonant translationsspegel i strömavtagaredesign med en avböjning på ±500 μm

Mikroskannrar skiljer sig från rumsliga ljusmodulatorer och andra mikrospegelaktuatorer som behöver en matris av individuellt adresserbara speglar för att åstadkomma den önskade moduleringen vid varje utbyte. Om en enda arrayspegel åstadkommer den önskade moduleringen men drivs parallellt med andra arrayspeglar för att öka ljusutbytet, används termen mikroskannermatris.

Egenskaper

Vanliga spånmått är 4 mm × 5 mm för spegeldiametrar mellan 1 och 3 mm. Större spegelöppningar med sidomått på upp till ca. 10 mm × 3 mm kan också tillverkas. Skanningsfrekvenserna beror på design och spegelstorlek och sträcker sig mellan 0,1 och 50 kHz. Avböjningsrörelsen är antingen resonant eller kvasistatisk. Med mikroskanner som kan luta rörelser kan ljuset riktas över ett projektionsplan.

Många applikationer kräver att en yta adresseras istället för endast en enda rad. För dessa applikationer kan aktivering med ett Lissajous-mönster åstadkomma sinusformad avsökningsrörelse eller dubbel resonansdrift. Mekaniska avböjningsvinklar för mikroskanningsenheter når upp till ±30°. Translationella (kolvtyp) mikroskannrar, kan uppnå ett mekaniskt slag på upp till ca. ±500 μm. Denna konfiguration är energieffektiv, men kräver komplicerad styrelektronik. För avancerade skärmtillämpningar är det vanliga valet rasterskanning , där en resonansskanner (för den längre visningsdimensionen) är ihopkopplad med en kvasistatisk skanner (för den kortare dimensionen).

Drivprinciper

De erforderliga drivkrafterna för spegelrörelsen kan tillhandahållas av olika fysikaliska principer. I praktiken är de relevanta principerna för att driva en sådan spegel de elektromagnetiska , elektrostatiska , termoelektriska och piezoelektriska effekterna. Eftersom de fysiska principerna skiljer sig åt i sina fördelar och nackdelar, väljs drivprincipen enligt applikationen. Specifikt är de mekaniska lösningarna som krävs för resonansavsökning mycket olika för de för kvasistatisk avsökning. Termoelektriska ställdon är inte tillämpliga för högfrekventa resonansskannrar, men de andra tre principerna kan tillämpas på hela spektrumet av applikationer.

För resonansskannrar är en ofta använd konfiguration den indirekta enheten. I en indirekt drivning kopplas en liten rörelse i en större massa till en stor rörelse i en mindre massa (spegeln) genom mekanisk förstärkning vid en gynnsam modform. Detta till skillnad från den vanligare direktdriften, där manövermekanismen flyttar spegeln direkt. Indirekta drivningar har implementerats för elektromagnetiska , elektrostatiska och piezoelektriska ställdon. Befintliga piezoelektriska skannrar är mer effektiva med direktdrift.

Elektrostatiska ställdon erbjuder hög effekt som liknar elektromagnetiska enheter. I motsats till en elektromagnetisk drivning kan den resulterande drivkraften mellan drivstrukturerna inte vändas i polaritet. För realisering av kvasistatiska komponenter med positiv och negativ effektiv riktning krävs två frekvensomriktare med positiv och negativ polaritet. Som en tumregel används vertikala kamdrev här. Icke desto mindre kan de mycket icke-linjära drivegenskaperna i vissa delar av avböjningsområdet hindra spegeln ordentligt. Av den anledningen använder många högt utvecklade mikroskannrar idag en resonansdriftsmod , där ett egenmode aktiveras. Resonansdrift är den mest energieffektiva. För strålpositionering och tillämpningar som ska vara statiskt aktiverade eller linjäravsökta krävs kvasistatiska drivningar och därför av stort intresse.

Magnetiska ställdon erbjuder mycket god linjäritet av lutningsvinkeln kontra den applicerade signalamplituden, både i statisk och dynamisk drift. Arbetsprincipen är att en metallisk spole placeras på själva den rörliga MEMS-spegeln och eftersom spegeln placeras i ett magnetfält genererar växelströmmen som flyter i spolen Lorentzkraft som lutar spegeln. Magnetisk aktivering kan antingen användas för att aktivera 1D- eller 2D MEMS-speglar. En annan egenskap hos den magnetiskt aktiverade MEMS-spegeln är det faktum att lågspänning krävs (under 5V) vilket gör denna aktivering kompatibel med standard CMOS-spänning. En fördel med en sådan aktiveringstyp är att MEMS-beteendet inte uppvisar hysteres, till skillnad från elektrostatiskt aktiverade MEMS-speglar, vilket gör det mycket enkelt att styra. Strömförbrukningen för magnetiskt aktiverade MEMS-speglar kan vara så låg som 0,04 mW.

Termoelektriska drivenheter producerar höga drivkrafter, men de har några tekniska nackdelar som är inneboende i deras grundläggande princip. Ställdonet måste vara termiskt välisolerat från omgivningen, samt vara förvärmt för att förhindra termisk drift på grund av miljöpåverkan. Det är därför den nödvändiga värmeeffekten och energiförbrukningen för ett termiskt bimorft ställdon är relativt hög. En ytterligare nackdel är den jämförelsevis låga förskjutningen som måste utnyttjas för att nå användbara mekaniska avböjningar. Termiska ställdon är inte heller lämpliga för högfrekvensdrift på grund av betydande lågpassbeteende .

Piezoelektriska drivenheter producerar hög kraft, men som med elektrotermiska ställdon är slaglängden kort. Piezoelektriska frekvensomriktare är dock mindre känsliga för termisk miljöpåverkan och kan också överföra högfrekventa frekvensomriktarsignaler bra. För att uppnå den önskade vinkeln kommer någon mekanism som använder mekanisk förstärkning att krävas för de flesta tillämpningar. Detta har visat sig vara svårt för kvasistatiska skannrar, även om det finns lovande tillvägagångssätt i litteraturen som använder långa slingrande böjningar för avböjningsförstärkning. För resonansrotationsskannrar, å andra sidan, är skannrar som använder piezoelektrisk aktivering i kombination med en indirekt drivning den bästa prestanda när det gäller avsökningsvinkel och arbetsfrekvens. Tekniken är dock nyare än elektrostatiska och elektromagnetiska enheter och återstår att implementeras i kommersiella produkter.

Användningsområden

LDC-modul med 1D mikroskanner och integrerad optisk positionssensor på baksidan
En elektrostatisk 2D-mikroskanner i ett DIL20-hölje
MEMS skannermodul för 3D-avståndsmätning ( LIDAR ) med en enda sändande spegel (spegelmått ca (9,5 × 2,5 mm)) och en synkroniserad mikroskanneruppsättning (2 × 7) som mottagarenhet.

Tillämpningar för lutande mikroskanner är många och inkluderar:

Några av applikationerna för mikroskanner av kolvtyp är:

Tillverkning

Wafer med resonansmikroskanner, färdigbearbetad med Fraunhofer AME75-processen (baserad på tomma BSOI-wafers), innan enheterna skärs i tärningar.
Detalj av en wafer med VarioS-mikroskanner, utvecklad och producerad baserat på ett modulärt tillverkningssystem hos Fraunhofer IPMS.

Mikroskannrar tillverkas vanligtvis med yt- eller bulkmikromekaniska processer. Som regel används kisel eller BSOI (bonded silicon on isolator ).

Fördelar och nackdelar med mikroskanner

Mikroskannrar är mindre, har lägre massa och förbrukar mindre mängder ström jämfört med makroskopiska ljusmodulatorer som galvanometerskannrar . Dessutom kan mikroskannrar integreras med andra elektroniska komponenter såsom positionssensorer. Mikroskannrar är resistenta mot miljöpåverkan och tål fukt, damm, fysiska stötar i vissa modeller upp till 2500g, och kan fungera i temperaturer från -20 °C till +80 °C.

Med nuvarande tillverkningsteknik kan mikroskannrar drabbas av höga kostnader och långa ledtider till leverans. Detta är ett aktivt område för processförbättringar

externa länkar

Hämtad från " https://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Microscanner&oldid=1111582754 "