MEMS扫描镜

2020-12-18 17:00:26 浏览:1065

定义

MEMS(Mirco-Electro-Mechanical-System)又称微机电系统,指以半导体为基础的微米级机电系统。MEMS于上世纪80年代诞生于实验室,经过逐步发展在90年代中期逐渐进入市场,应用在一些行业中。

MEMS系统不但可以用于制成加速度、压力、温度、化学和振动传感器,还可以与光学相结合,制成光开关或者用于反射光束进行扫描的MEMS扫描镜。

 

图 1 MEMS加速度计结构示意图[1]

如图1所示为MEMS加速度计结构示意图,图中MEMS加速度计系统分为基底(Fixed plates)和弹簧质量块(Mass)两个部分,质量块突出部分与基底组成电容,当MEMS系统受力产生加速度时,电容极板间距发生变化,导致电容容值发生变化,通过测量相应的电学信号,结合极板间距可以测得MEMS系统所受加速度。

MOEMS

当在MEMS系统中引入光学成分时,此种类型的MEMS系统可以称为MOEMS系统(Mirco-opto-electromechanical-system),MOEMS系统又称微光机电系统。其中MEMS扫描镜、数字光处理器(Digital-Light-Processing)和一些光开关等微型系统均为MOEMS系统。

如图2所示为MEMS光开关结构示意图,图中MEMS mirror为MEMS控制的微型反射镜,通过控制反射镜的反射角度改变输入光信号的输出方向,实现出射传输光纤(Fiber)的选通,实现光开关的功能。

 

图 2 MEMS光开关[2]

MEMS扫描镜定义

MEMS扫描镜为MEMS系统安装微型反射镜,通过MEMS控制反射镜角度,从而改变出射光方向的系统。

MEMS扫描镜工作原理

按工作原理的不同MEMS扫描镜分为电驱动扫描镜、电磁驱动扫描镜、压电驱动扫描镜和电热驱动扫描镜等类型[3],其中静电式扫描镜具有驱动机理简单、与IC工艺完全兼容、功耗低计谐振频率高等优点。

如图3所示为垂直梳齿静电驱动MEMS扫描镜结构示意图,在结构上分为动梳齿(Movable comb)和静梳齿(Fixed comb)两个部分,通过在动、静梳齿间施加电压,使得反射镜(Mirror)以两固定端为轴进行谐振。改变输入信号波形、幅度、频率,控制MEMS扫描镜进行扫描,以应用于所需环境。图中所示结构采用V型结构悬臂梁结构固定动梳齿,降低工艺难度的同时提高反射镜转角幅度。

 

图 3 直梳齿静电驱动MEMS扫描镜结构示意图[4]

参考文献

[1] https://www.digikey.com/en/articles/apply-sensor-fusion-to-accelerometers-and-gyroscopes
[2] https://www.pcmag.com/encyclopedia/term/mems
[3] Schweizer S , Calmes S , Laudon M , et al. Thermally actuated optical microscanner with large angle and low consumption[J]. Sensors & Actuators A, 1999, 76(1-3):470-477.
[4] 刘耀波, 苑伟政, 乔大勇, et al. MEMS扫描镜机电特性测量系统的设计[J]. 光电工程, 2011, 38(12).

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