Mirrorcle MEMS掃描鏡技術(shù)概述（2）

*的四象限傾斜性能 

幾年前，MirrorcleTech的無框架技術(shù)還處于發(fā)展的早期階段，在一代ARIMEMS1到ARIMEMS6中制造的所有設(shè)備都是單象限(1Q)或單向類型設(shè)備。這指的是每個(gè)軸(仍然是兩軸或雙軸2D設(shè)備)能夠使鏡子從靜止位置(0°)偏轉(zhuǎn)到一邊(例如+8°)，但不能偏轉(zhuǎn)到另一邊(例如-8°)。因此，典型的一象限(1Q)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了X軸上0°到+8°的機(jī)械傾斜，Y軸上0°到+8°的機(jī)械傾斜。今天，在MEMS鏡面行業(yè)的產(chǎn)品中，所有設(shè)備類型都提供四象限(4Q)光束轉(zhuǎn)向能力，通常允許整體更大的總尖duan/傾斜角度(兩個(gè)軸)。

四象限器件的線性化驅(qū)動(dòng)

Mirrorcle Development Kits和OEM MEMS驅(qū)動(dòng)程序使用了一種設(shè)備特定的方法，以偏微分四通道(BDQ)方案驅(qū)動(dòng)4Q MEMS驅(qū)動(dòng)器。如圖1所示，該方案將執(zhí)行器的電壓角關(guān)系線性化，并改善從一個(gè)象限到另一個(gè)象限的平滑過渡，即在設(shè)備內(nèi)形成一個(gè)執(zhí)行器到另一個(gè)。在這種模式下，每個(gè)轉(zhuǎn)子的正旋轉(zhuǎn)部分和負(fù)旋轉(zhuǎn)部分總是(差分地)嚙合，因此電壓和轉(zhuǎn)矩總是連續(xù)的。所有Mirrorcle MEMS驅(qū)動(dòng)器都設(shè)計(jì)為在這種模式下工作，因此有四個(gè)帶偏置輸出的通道(兩個(gè)差分對(duì))。輸入可以是數(shù)字的也可以是模擬的，只需要兩個(gè)通道來控制x軸和y軸的位置。

圖1 用單向和雙向裝置比較可尋址角度/面積；每一個(gè)的代表電壓與角度的測(cè)量

鏡面材料、質(zhì)量和涂層

Mirrorcle Technologies MEMS mirror由單晶硅晶片制成，其質(zhì)量與PC微處理器等集成電路的制造相同。由于采用類似的大規(guī)模生產(chǎn)工藝以獲得蕞高的制造重復(fù)性、質(zhì)量和蕞低的成本，因此硅被用作基礎(chǔ)材料。選擇使用與巨大的硅芯片工業(yè)相同的起始材料有進(jìn)一步的好處，特別是在光學(xué)應(yīng)用方面。晶圓片表面和因此制造的鏡面表面用的拋光技術(shù)拋光到1納米以下的粗糙度。硅的*之處在于，在鏡面金屬化之前，可以使用各種方法使表面超凈。此外，硅材料本身在制造過程中沒有任何殘余應(yīng)力，在鏡面微加工后仍保持這種性能。因此，硅反射鏡具有*的平整度，曲率通常低于用傳統(tǒng)干涉儀測(cè)量的水平。作為MEMS鏡面的基材，硅具有蕞優(yōu)的潔凈度、平整度。

在光束轉(zhuǎn)向應(yīng)用的蕞后制造步驟中，硅鏡面必須涂覆以獲得所需波長的高反射率。在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程中，硅鏡上會(huì)涂上一層薄薄的鋁，所有庫存的MEMS鏡面都用的鋁涂層。一些研發(fā)生產(chǎn)過程中的設(shè)計(jì)被涂上了黃金。一般來說，可以使用其他涂層材料，但有必要找到薄的、低應(yīng)力的涂層，而不會(huì)顯著降低鏡子的平整度特性。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的要求，因?yàn)镸EMS反射鏡的厚度非常小，因此在每個(gè)新情況下都需要大量的研發(fā)工作。在使用鋁涂層的標(biāo)準(zhǔn)工藝中，在任何類型和尺寸的鏡子中都保持>5 m的曲率半徑。

圖2 MEMS鏡面涂層：標(biāo)準(zhǔn)鋁涂層(左)，金涂層（右）

所有設(shè)備都可以處理高達(dá)2W的連續(xù)波激光功率，而不受鏡子尺寸、激光波長和鏡子涂層的影響。要獲得更高的連續(xù)波激光功率，必須考慮特定波長下的涂層反射率和反射鏡尺寸。一般來說，較大的鏡面尺寸可以處理更高的連續(xù)波功率由于二次較高的表面冷卻。對(duì)于平均功率較低的脈沖激光器，會(huì)有其他的影響，即高峰值功率脈沖可能對(duì)金屬涂層造成損傷。在這種情況下鏡面的表現(xiàn)與傳統(tǒng)光學(xué)行業(yè)中的大多數(shù)鋁或鍍金鏡面一樣。

鏡子類型及種類

集成鏡的直徑達(dá)2.4毫米是整體制作的一個(gè)集成部分的萬向節(jié)驅(qū)動(dòng)器裝置結(jié)構(gòu)。它們是硅模具的中心區(qū)域，與周圍的靜電驅(qū)動(dòng)器具有相同的微細(xì)加工步驟。這些鏡子是由同樣的硅層構(gòu)成，具有平面和光滑的硅表面，鏡子雙軸連接到軸向連桿，提供兩軸運(yùn)動(dòng)。所有庫存的集成鏡都涂上了純鋁，在很寬的波長范圍內(nèi)具有很高的反射率。黃金金屬化可以在晶圓規(guī)模上進(jìn)行，因此可以用于更大的訂單生產(chǎn)。

粘結(jié)鏡與硅驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)分開制作，用于在設(shè)備頂部進(jìn)行后續(xù)的微組裝。因?yàn)檫@些鏡子是附加在設(shè)備驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)之上，不占用驅(qū)動(dòng)器區(qū)域的一部分，因此基本上可以在任意大小。粘合鏡方法允許用戶選擇尺寸，以及每個(gè)應(yīng)用的鏡子的幾何形狀，以優(yōu)化速度，光束大小和掃描角度之間的關(guān)系。

以前批量制造硅器件如兩軸MEMS反射鏡器件，只允許一種類型/尺寸的反射鏡作為整個(gè)器件的一部分。為了生產(chǎn)具有不同鏡面尺寸的設(shè)備，大多數(shù)技術(shù)不僅需要新的制造周期，而且在某些情況下還需要*重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器。Mirrorcle Technologies提供了一種基于MEMS的、可定制孔徑大小的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)。即，在自對(duì)準(zhǔn)DRIE制造過程中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一系列針對(duì)速度、角度、面積占用或共振驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的靜電執(zhí)行器。鏡面的直徑和幾何形狀由客戶選擇，以優(yōu)化其特定應(yīng)用的性能。

鏡子大小及角度性能

鏡子MEMS鏡子不受角度限制，不管鏡子的大小，除了在少數(shù)特殊情況下。蕞大角度通常只有在保持高速時(shí)才會(huì)受到限制，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，機(jī)械偏轉(zhuǎn)的角度大約在-5°到+5°之間。所有集成鏡尺寸和通過5.0mm直徑的粘結(jié)鏡都可以在這個(gè)范圍內(nèi)使用。一些鏡子的作動(dòng)器有更高的角度能力，在這種情況下，只有蕞大的鏡受到機(jī)械限制，取決于鏡的大小。在定制研發(fā)項(xiàng)目中，Mirrorcle也展示了6.4mm、8.2mm、9.0mm的鏡子。在這些情況下,較大的反射鏡慣量被換取較低的角度偏轉(zhuǎn)，以保持高速和振動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，在這些尺寸的特殊應(yīng)用中，角度限制在~ -1°到+1°之間。

設(shè)備封裝

Mirrorcle MEMS鏡面的生產(chǎn)有許多封裝選項(xiàng)，因?yàn)樗鼈儾恍枰魏翁厥獾牟牧稀⑿螤罨颦h(huán)境條件才能正常運(yùn)行。雙軸裝置需要12個(gè)引腳和至少4.4毫米或更大的平滑平坦的封裝腔。其他規(guī)格根據(jù)客戶要求，使用方便，光學(xué)安裝等。共有兩種包裝可供選擇：DIP24或LCC包裝。具有24個(gè)引腳的傳統(tǒng)陶瓷雙列直插式封裝(DIP)仍然是許多研發(fā)場(chǎng)景中方便和通用的選擇。這些封裝，如圖3所示，有不同的腔尺寸，可以容納每個(gè)Mirrorcle MEMS芯片大小從4平方毫米到7.25平方毫米。DIP24在處理方面是一種簡(jiǎn)單的解決方案，因?yàn)樗梢院?jiǎn)單地用手沿著陶瓷面拿著，從而輕松地避免與敏感的MEMS和AR涂層窗口區(qū)域接觸。對(duì)于DIP24設(shè)備，也有一個(gè)簡(jiǎn)單的ZIF插座安裝解決方案，允許輕松的光學(xué)工作臺(tái)面包板，設(shè)備交換等。

圖3 （a）TINY20.4的連接器LCC20封裝，安裝在PCB上，便于在光學(xué)工作臺(tái)上集成。(b)帶有鏡面孔徑的定制MEMS連接器封裝。(c)連接器LCC48封裝TINY48.4中的單軸線鏡，LCC48預(yù)焊接到TinyPCB中。(d)帶有定制陶瓷封裝的定制剛性撓性PCB，用于7.5mm的大型MEMS鏡面。

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