电磁驱动大尺寸MEMS扫描镜（一）

电磁驱动大尺寸MEMS扫描镜的研究

何嘉辉^1,2, 周鹏², 余晖俊², 沈文江², 司金海¹    

摘要：基于微机电系统工艺，设计并制作了一种电磁驱动大尺寸的二维扫描振镜.分析了两种不同的电磁驱动方式产生的力的大小，选择驱动力较大的双极子方式作为驱动.运用有限元法模拟了器件的谐振频率静态及动态响应，仿真结果与实际测得的结果一致.描述了振镜的工艺流程及封装方式，并制备了振镜.实验测得振镜在120 mA静态电流驱动下，慢轴和快轴分别能达到的最大转角为±4.5°及±5°，慢轴及快轴的谐振频率分别为348 Hz及660 Hz，并得到在此谐振频率下的李萨如图形.将器件用于激光成像系统之中，使得散斑对比度下降到4.2%，激光成像质量得到很大提升.

关键词：微机电系统    激光散斑    有限元仿真    光学扫描    利萨如图形    

中图分类号：TN303      文献标识码：A      文章编号：1004-4213(2017)01-0123003-8

Research on Large Size MEMS Scanning Mirror Driven by Electromagnetic

HE Jia-hui^1,2, ZHOU Peng², YU Hui-jun², SHEN Wen-jiang², SI jin-hai¹    

Abstract: Based on the Micro Electronic Mechanical System (MEMS) processing, a large size 2-D scanning mirror driven by electromagnetic force was designed and implemented. Two different driving methods were compared, and the method of dipole driving was chosen because of its higher torque. Meanwhile, the static response and dynamic response of the device were analyzed by using finite element simulation, the simulation results matched with the measurement data of the device. The fabrication and packaging steps for the MEMS mirror were described in details, and the mirror was fabricated. The testing results show that when the driving current reaches 120 mA, the MEMS mirror has static titling angles of ±4.5° and ±5° along slow axis and fast axis respectively. The scanning resonant frequency for the mirror along slow axis is 348 Hz, and 660 Hz along fast axis. Finally, the MEMS mirror was used in laser display system to reduce the laser speckle, the speckle contrast can be reduced to 4.2%, and the image quality of a laser display system can be greatly improved with the MEMS mirror.

Key words: Micro Electronic Mechanical System (MEMS)    Laser speckle    Finite element method    Optical scanning    Lissajous pattern    

OCIS Codes: 230.4040; 230.3990; 120.5800

0 引言

光学扫描镜是一种优秀的矢量扫描设备，能使入射光束按照特定的方式与时间顺序发生反射，从而在像面上实现扫描成像.传统的光学扫描镜体积大、成本高，且多为散装，大大限制了其应用^[1].相较于传统扫描镜，微机电系统(Micro Electronic Mechanical System, MEMS)扫描镜由于其成本低、可靠性高、小型化和重量轻等优点在激光投影、激光雷达、激光散斑消除等领域得到应用.在激光投影系统和激光散斑消除系统中，为了减小光束反射过程中的衍射效应并且得到高分辨率的图像，光学系统中的光束尺寸均在厘米量级；同时，调查表明，市场家庭影院级别激光光源功率达百瓦级别^[2]，小口径的振镜很难承受如此大功率的激光；一方面为了匹配光学系统的尺寸要求，另一方面基于安全考虑，振镜尺寸应扩大至厘米级别.同样地，在激光雷达中，为了得到高分辨率的扫描图像，也需要大尺寸扫描振镜.

国内外研制的MEMS扫描镜大多口径较小，而对于大尺寸MEMS振镜研究较少.美国Microvision公司研制的MEMS二维扫描振镜采用电磁驱动的方式，成功用于微型激光投影系统中，但其镜面直径仅为1 mm，无法满足高分辨率成像的要求^[3]；以色列奥宝科技首先应用MEMS扫描振镜消除了激光散斑，其振镜口径为0.8 mm，不能用于激光显示系统中，无法商业化^[4]；挪威西富尔德大学学院进一步改进了MEMS二维扫描振镜并提升了激光显示图像质量，但其振镜口径仅为2 mm，同样无法应用于大功率激光显示^[5]；上海微系统所研制成了一种镜面尺寸达到6 mm×4 mm的MEMS振镜，但这种振镜只能单轴扫描，不能用于二维成像^[6].大尺寸的MEMS二维振镜由于其自身质量较大，只有在驱动力矩足够的情况下才能达到较大转角，一般的驱动方式难以产生较大的驱动力；同时，振镜用于激光扫描成像系统中时还应需要具有较高的工作频率.基于上述要求，本文设计了一种镜面尺寸达15 mm×13 mm的电磁驱动MEMS二维扫描振镜，所采用的高效率电磁驱动方式不仅满足了大转角所需的驱动力矩，并且实现了高频率工作.同时，将器件用于激光成像系统之中，可有效消除激光散斑.

1 振镜的设计要求

MEMS微扫描镜按照驱动方式的不同，可以分为静电驱动式、电热驱动式、电磁驱动式和压电驱动式等四类^[7], 这四种驱动方式的优缺点见表 1.

表 1 驱动方式优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of the driven method

如表 1所示，为了得到较大的驱动力矩使得振镜扭转较大角度，同时尽可能地降低功耗，通常使用电磁驱动或压电驱动来驱动大尺寸振镜.其中，压电驱动虽然能够产生比较大的驱动力，但由于其难以与MEMS工艺相结合，并且驱动产生的位移较小，故器件中采用了更加灵活和高效的电磁驱动方式.电磁驱动方式根据其结构的不同，通常有两种驱动形式：一种为电磁铁型，将表面附有铁钴镍等导磁性能良好金属的微扫描镜放置在按照一定频率变化的交变磁场中，利用交变磁场与金属相互作用产生磁力驱动微描镜扭转^[8]；另一种为双极子型，需要在微扫描镜上沉积磁材料，利用磁材料在交变电场下产生的作用力，驱动微扫描镜扭转^[9-12].

为了对比两种不同的电磁驱动方式，利用Ansoft Maxwell软件对两种模型的磁场力进行分析，建立模型如图 1.同时对两种模型产生的力进行测量，计算及测量得到的线圈型与双极子型的电流与力变化关系如图 2.

图 1 电磁驱动模型Fig.1 Two types of electromagnet drive

图 2 电磁驱动不同形式电流与力的变化关系Fig.2 Current-Force relationship for dipole and electromagnet

如图 2所示，对于双极子型的驱动方式，模拟计算得到的力与实际测量得到的力有相对较大的差距，这是由于双极子模型磁阻较大且在计算中无法准确得知磁阻的数值，造成模拟结果偏大；对于电磁铁型的驱动方式，其模型漏磁相对较小，能够较为精确地得到力与电流的关系，故模拟与实测结果较为吻合.在同样的电流下，双极子型产生的驱动力是电磁铁型产生的驱动力的两倍；同时，双极子型驱动方式更易于对扫描镜进行双向驱动，并且驱动电流跟转角的线性度很好，更符合大尺寸MEMS振镜的设计要求.基于双极子型的优势特性，选取双极子型的电磁驱动作为振镜的驱动方式.

振镜的模型如图 3.振镜镜面为长轴长15 mm、短轴长13 mm的椭圆，与镜面连接的轴为快轴，与快轴外围框架连接的轴为慢轴，四周的四个螺纹孔起固定作用.振镜的背部固定一环形铷铁硼磁铁，其充磁方向为磁铁厚度方向.

图 3 振镜微镜模型Fig.3 Model for MEMS mirror

在镜面背面放置4个线圈，线圈距离磁铁具有一定距离，如图 3(b)，线圈分别对应磁铁ABCD 4个位置.以AC线圈为例，如图 4，当A、C两个线圈施加频率相同，相位相差90°的交流激励信号时，线圈产生的磁场的极性恰好相反且交替变化.任意时刻，线圈产生的磁场与磁铁相互作用，产生方向相反的转矩，镜面会以B、D线圈所在轴向发生扭转.根据对称性，给BD对应的线圈施加一定电流也会实现同样效果，从而达到振镜二维扫描的目的.同时，两组线圈所加的电流相互独立，振镜的双轴扭转能保持很好的独立性、线性度和扫描准确度.

图 4 振镜驱动原理Fig.4 Driving principle for MEMS mirror