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电磁驱动大尺寸MEMS扫描镜（三）

2020.10.06
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

4 振镜的测试

MEMS扫描镜扫描角度的测量原理为激光三角法[13]，即当一束激光照射至扫描镜表面，当扫描镜静止时，激光会发生反射，同时在接收屏上形成激光光斑，当扫描镜振动时，激光光斑变为一条直线.若扫描镜到接收屏的距离为S，扫描线的长度为L，扫描线顶端到基准点的距离为H，则扫描角度可以表示为

θmax=12(arctanHS−arctanH−LS)
(10)

图 9给出了MEMS振镜在直流激励下的电流-转角测量及仿真结果图，仿真耦合了ANSYS力学模块与Ansoft电磁场模块.从图中可以发现当施加的电流较小时，机械转角随着电流的增加呈线性增加，当电流增加到120 mA左右时，实测机械转角不再增加，由于仿真模型中没有最大转角限制，仿真转角继续增加.实测慢轴、快轴分别在120 mA已经达到了当前封装状态下的最大机械扭转角度±4.5°，±5°.

gzxb-46-1-0123003-1-9.jpg图 9 电流-转角关系Fig.9 Current-angle relationship

图 10为器件的动态响应曲线，对于快轴和慢轴，保证激励信号幅度不变，改变激励信号的频率，记录在不同频率激励下的MEMS振镜的扫描角度.如图 10(a)所示，振镜慢轴在低频远离谐振点时，机械扫描角度很小，随着激励频率的增加，振镜慢轴的机械扫描角度逐渐增大，在激励频率达到348 Hz时，振镜慢轴的扫描角度达到峰值，进一步增加激励频率，振镜慢轴的机械扫描角度逐渐减小，可以得到慢轴谐振频率为348 Hz；同样地，振镜快轴在远离谐振点时，机械扫描角度很小，随着激励频率的增加，快轴的机械扫描角度逐渐增加，当激励频率达到660 Hz时，振镜快轴的扫描角度达到峰值，进一步增加激励频率，快轴的机械扫描角度逐渐减小，得到快轴的谐振频率为660 Hz.从图中的曲线可以得到振镜慢轴、快轴的品质因子Q值，计算公式为

Q=f0Δf
(11)
gzxb-46-1-0123003-1-10.jpg图 10 动态响应Fig.10 Frequency response

式中，f0为共振频率，Δf为带宽.计算可得慢轴的品质因子Q值为174，快轴的的品质因子Q值为330.

将振镜的谐振频率测试结果与有限元仿真结果进行对比，慢轴仿真出的谐振频率为345 Hz，测得谐振频率为348 Hz，误差为0.64%；快轴仿真出的谐振频率为665 Hz，测得谐振频率为660 Hz，误差为0.82%，从上面结果可以看出，谐振频率的模拟结果与实测结果误差很小，振镜满足设计要求.

振镜的谐振频率受振镜的制备工艺、材料特性、封装工艺等多种因素的影响，实测的振镜的谐振频率跟设计频率比较存在偏差，偏差范围在±1%以内，在振镜的实际应用中，会根据不同振镜实测的谐振频率来调整振镜的驱动信号的频率.

MEMS振镜的稳定性能也是衡量其性能的重要指标，表 5给出了振镜在30 mA直流电流驱动下的静态稳定性测试数据.

table-icon.gif表 5 静态稳定性测试Tab.5 Static stability

如表 5所示，振镜在固定直流电流驱动下，其机械转角能保持长时间不变化，静态稳定性能良好；此外，振镜实际工作情况是连续正弦驱动的，在驱动电流为30 mA交流电的情况下，振镜已经连续工作超过8 000 h，振镜的转角保持不变，具有优良的动态稳定性.

李萨如图形沿X轴和Y轴的运动方程可以表示为

X=A1sin(ω1t+φ1)
(12)
Y=A2sin(ω2t+φ2)
(13)

对振镜慢轴及快轴分别施加等幅值的348 Hz及660 Hz的正弦激励，令慢轴及快轴分别工作在其谐振点，图 11为振镜在谐振频率下扫描所得到的李萨如图形.与MATLAB仿真得到的李萨如图形进行对比后发现，实际图案与仿真结果基本一致.

gzxb-46-1-0123003-1-11.jpg图 11 李萨如图形Fig.11 Lissajous pattern

显示技术中，图像具有一定刷新时间，在该时间内，利用振镜的高速扫描特性，使通过振镜反射的光束在散射片上进行扫描，扫描图案如图 11；例如，在t1时刻，光束可能在散射片上方位置，而在t3时刻，光束就会入射到散射片下方位置；实验中，将散射片紧靠匀光管入口处，如图 12，控制光束扫描区域小于匀光管的入射口径大小，通过散射片后的光束会全部进入到匀光管中；入射到散射片上的光束本身具有一定的发散性，散射光束在匀光管内经过多次反射，在出口处形成均匀照明面，通过后续的光学元件和芯片成像到屏幕上，调制芯片形成人们所观察到的图案.不同时刻散射片不同位置所形成的散斑图相互独立，最后在屏幕上相互叠加，根据Goodman提出的散斑消除原理[14-15]，这些大量独立散斑图在一帧图像形成时间内相互叠加，从而实现消除激光散斑.

gzxb-46-1-0123003-1-12.jpg图 12 消除散斑原理Fig.12 Speckle reduction principle
gzxb-46-1-0123003-1-13.jpg图 13 散斑对比Fig.13 Speckle comparison

实验中，利用CCD相机对散斑对比度进行了测量，发现振镜驱动后，散斑对比度降低到4.2%，而此时人眼已经观察不到散斑.可以认为振镜可以很好地用于激光散斑消除技术.

5 总结

本文成功设计制造出了一种镜面尺寸达15 mm×13 mm的MEMS大尺寸二维扫描振镜，获得了振镜扫描的李萨如图形.通过实验表明，此振镜能够在双极子电磁驱动下产生很大的转角，同时制作工艺简单，功耗低.同时，此MEMS二维扫描镜振镜可以有效抑制激光投影系统中产生的激光散斑，提升显示质量.

在振镜使用过程中线圈容易发热，影响振镜的工作寿命，后续考虑在封装中加入散热模块，进一步提升振镜整体性能.

参考文献

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