Mirrorcle MEMS掃描鏡技術概述（2）

*的(de)四象(xiang)限傾斜性(xing)能(neng) 

幾年前，MirrorcleTech的(de)(de)無框架(jia)技(ji)術還處(chu)于發展的(de)(de)早期(qi)階段(duan)，在一代ARIMEMS1到ARIMEMS6中制造的(de)(de)所有設(she)(she)(she)備(bei)(bei)都是(shi)(shi)單(dan)象(xiang)限(xian)(1Q)或(huo)單(dan)向類(lei)型(xing)設(she)(she)(she)備(bei)(bei)。這指的(de)(de)是(shi)(shi)每個軸(zhou)(zhou)(zhou)(仍然是(shi)(shi)兩(liang)(liang)軸(zhou)(zhou)(zhou)或(huo)雙(shuang)軸(zhou)(zhou)(zhou)2D設(she)(she)(she)備(bei)(bei))能(neng)夠使鏡子從靜(jing)止(zhi)位置(0°)偏(pian)轉(zhuan)到一邊(例如(ru)+8°)，但(dan)不(bu)能(neng)偏(pian)轉(zhuan)到另(ling)一邊(例如(ru)-8°)。因此，典型(xing)的(de)(de)一象(xiang)限(xian)(1Q)設(she)(she)(she)備(bei)(bei)實現了X軸(zhou)(zhou)(zhou)上0°到+8°的(de)(de)機械傾(qing)斜，Y軸(zhou)(zhou)(zhou)上0°到+8°的(de)(de)機械傾(qing)斜。今天，在MEMS鏡面行業的(de)(de)產品中，所有設(she)(she)(she)備(bei)(bei)類(lei)型(xing)都提供(gong)四象(xiang)限(xian)(4Q)光束轉(zhuan)向能(neng)力，通常(chang)允許整體(ti)更大的(de)(de)總(zong)尖duan/傾(qing)斜角(jiao)度(兩(liang)(liang)個軸(zhou)(zhou)(zhou))。

四(si)象(xiang)限器件(jian)的線性化驅動

Mirrorcle Development Kits和(he)OEM MEMS驅動程序使用(yong)了(le)一(yi)種(zhong)(zhong)設(she)備特定的(de)方(fang)(fang)法，以偏微分(fen)四通道(dao)(BDQ)方(fang)(fang)案驅動4Q MEMS驅動器。如圖(tu)1所(suo)示，該(gai)方(fang)(fang)案將執(zhi)行器的(de)電(dian)壓(ya)角關系線(xian)性化，并(bing)改善從一(yi)個象限到另(ling)(ling)一(yi)個象限的(de)平滑過渡，即在(zai)設(she)備內形(xing)成一(yi)個執(zhi)行器到另(ling)(ling)一(yi)個。在(zai)這種(zhong)(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)，每個轉子的(de)正旋轉部分(fen)和(he)負旋轉部分(fen)總(zong)是(差(cha)分(fen)地)嚙合，因此電(dian)壓(ya)和(he)轉矩(ju)總(zong)是連續的(de)。所(suo)有(you)Mirrorcle MEMS驅動器都設(she)計為在(zai)這種(zhong)(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)工作，因此有(you)四個帶偏置輸出的(de)通道(dao)(兩(liang)個差(cha)分(fen)對)。輸入可以是數字的(de)也(ye)可以是模(mo)擬的(de)，只需(xu)要兩(liang)個通道(dao)來控制x軸和(he)y軸的(de)位置。

圖1 用單向和(he)雙(shuang)向裝置比(bi)較可尋址角(jiao)度/面積；每一個的代(dai)表(biao)電壓與角(jiao)度的測量(liang)

鏡(jing)面材(cai)料、質量(liang)和涂層

Mirrorcle Technologies MEMS mirror由單晶硅晶片(pian)制(zhi)(zhi)成，其質(zhi)量與PC微(wei)處理器等集成電(dian)路的(de)(de)制(zhi)(zhi)造相(xiang)同。由于采用(yong)類似(si)的(de)(de)大規模生產(chan)工藝以(yi)(yi)獲得(de)蕞(zui)高的(de)(de)制(zhi)(zhi)造重復性(xing)、質(zhi)量和蕞(zui)低(di)的(de)(de)成本，因(yin)此硅被用(yong)作(zuo)基礎材(cai)料(liao)。選(xuan)擇使用(yong)與巨大的(de)(de)硅芯片(pian)工業(ye)相(xiang)同的(de)(de)起始(shi)材(cai)料(liao)有(you)進一步的(de)(de)好處，特(te)別是在光學應用(yong)方面(mian)(mian)(mian)。晶圓片(pian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)和因(yin)此制(zhi)(zhi)造的(de)(de)鏡面(mian)(mian)(mian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)用(yong)的(de)(de)拋(pao)光技術拋(pao)光到1納米以(yi)(yi)下的(de)(de)粗糙度(du)(du)。硅的(de)(de)*之處在于，在鏡面(mian)(mian)(mian)金屬化之前，可以(yi)(yi)使用(yong)各(ge)種方法使表(biao)面(mian)(mian)(mian)超凈(jing)。此外，硅材(cai)料(liao)本身(shen)在制(zhi)(zhi)造過程中沒有(you)任何殘余應力，在鏡面(mian)(mian)(mian)微(wei)加工后仍保持這種性(xing)能。因(yin)此，硅反射鏡具有(you)*的(de)(de)平整度(du)(du)，曲率(lv)通常低(di)于用(yong)傳統干涉儀測量的(de)(de)水(shui)平。作(zuo)為MEMS鏡面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)基材(cai)，硅具有(you)蕞(zui)優的(de)(de)潔凈(jing)度(du)(du)、平整度(du)(du)。

在(zai)光束轉向應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)蕞后制(zhi)造(zao)步驟中(zhong)(zhong)，硅(gui)鏡(jing)面必須涂(tu)(tu)覆以獲得所需波長的(de)(de)高(gao)反射率。在(zai)標準生(sheng)產過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，硅(gui)鏡(jing)上會(hui)涂(tu)(tu)上一層薄薄的(de)(de)鋁，所有庫存的(de)(de)MEMS鏡(jing)面都用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)鋁涂(tu)(tu)層。一些研發生(sheng)產過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)設計被(bei)涂(tu)(tu)上了黃(huang)金。一般來說，可以使用(yong)(yong)(yong)其他涂(tu)(tu)層材(cai)料，但有必要(yao)找(zhao)到薄的(de)(de)、低應(ying)力(li)的(de)(de)涂(tu)(tu)層，而不會(hui)顯(xian)著降低鏡(jing)子(zi)(zi)的(de)(de)平整度(du)特(te)性(xing)(xing)。這是一個非(fei)常具有挑戰性(xing)(xing)的(de)(de)要(yao)求，因(yin)為MEMS反射鏡(jing)的(de)(de)厚度(du)非(fei)常小，因(yin)此(ci)在(zai)每個新(xin)情況(kuang)下都需要(yao)大量的(de)(de)研發工(gong)(gong)作。在(zai)使用(yong)(yong)(yong)鋁涂(tu)(tu)層的(de)(de)標準工(gong)(gong)藝中(zhong)(zhong)，在(zai)任何(he)類(lei)型和(he)尺(chi)寸的(de)(de)鏡(jing)子(zi)(zi)中(zhong)(zhong)都保(bao)持>5 m的(de)(de)曲率半(ban)徑(jing)。

圖(tu)2 MEMS鏡(jing)面涂(tu)層：標(biao)準鋁涂(tu)層(左)，金涂(tu)層（右）

所有(you)設備(bei)都可(ke)以(yi)處理高(gao)(gao)達2W的(de)連(lian)續(xu)(xu)波(bo)(bo)激(ji)光功(gong)率(lv)，而不受鏡(jing)(jing)子(zi)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)、激(ji)光波(bo)(bo)長(chang)和鏡(jing)(jing)子(zi)涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)影響。要獲得更(geng)高(gao)(gao)的(de)連(lian)續(xu)(xu)波(bo)(bo)激(ji)光功(gong)率(lv)，必須考慮特定波(bo)(bo)長(chang)下的(de)涂(tu)層(ceng)(ceng)反射率(lv)和反射鏡(jing)(jing)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)。一般來說，較(jiao)(jiao)大(da)的(de)鏡(jing)(jing)面尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)可(ke)以(yi)處理更(geng)高(gao)(gao)的(de)連(lian)續(xu)(xu)波(bo)(bo)功(gong)率(lv)由于二(er)次較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)的(de)表面冷(leng)卻。對于平均功(gong)率(lv)較(jiao)(jiao)低的(de)脈沖激(ji)光器，會有(you)其他的(de)影響，即高(gao)(gao)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)脈沖可(ke)能對金屬(shu)涂(tu)層(ceng)(ceng)造成損傷。在(zai)這種(zhong)情(qing)況下鏡(jing)(jing)面的(de)表現與(yu)傳(chuan)統光學(xue)行(xing)業(ye)中的(de)大(da)多(duo)數(shu)鋁或鍍金鏡(jing)(jing)面一樣。

鏡(jing)子(zi)類型及種類

集(ji)成鏡的直徑達(da)2.4毫(hao)米是整(zheng)體制(zhi)作的一個集(ji)成部分(fen)的萬向節驅動器裝(zhuang)置(zhi)結構。它們是硅模具(ju)(ju)的中心區域，與周圍(wei)的靜(jing)電驅動器具(ju)(ju)有(you)相同(tong)的微細(xi)加工步驟。這些鏡子是由同(tong)樣(yang)的硅層構成，具(ju)(ju)有(you)平面(mian)和(he)光滑(hua)的(de)硅表面(mian)，鏡(jing)子雙軸連(lian)接到軸向連(lian)桿，提供兩軸運動。所有(you)庫存的(de)集成鏡(jing)都涂上(shang)了純鋁，在很(hen)寬的(de)波(bo)長范(fan)圍內具有(you)很(hen)高的(de)反(fan)射率。黃金金屬(shu)化可以(yi)在晶圓(yuan)規模上(shang)進行，因此可以(yi)用于更(geng)大的(de)訂單生產。

粘(zhan)結鏡與硅驅動器結構(gou)分開制作，用于在設(she)備(bei)頂部進行后續的微組裝。因為(wei)這些鏡子是附加在設(she)備(bei)驅動器結構(gou)之上，不(bu)占用驅動器區域的一部分，因此基(ji)本上可以在任意大小。粘(zhan)合鏡方法允許(xu)用戶選擇尺(chi)寸，以及(ji)每個應用的鏡子的幾(ji)何形狀，以優化速度，光(guang)束大小和掃描角度之間的關系。

以前批量制造硅器件如兩軸MEMS反(fan)(fan)射鏡(jing)器件，只允許一(yi)種類(lei)型/尺寸的(de)反(fan)(fan)射鏡(jing)作為整個器件的(de)一(yi)部分。為了生(sheng)產具(ju)有不同鏡(jing)面尺寸的(de)設(she)備，大多(duo)數技(ji)術不僅(jin)需(xu)要新的(de)制造周期，而且(qie)在某些(xie)情況下還(huan)需(xu)要*重新設(she)計驅動器。Mirrorcle Technologies提(ti)供(gong)了一(yi)種基于MEMS的(de)(de)、可定制孔徑(jing)大小的(de)(de)光束轉向技術。即，在(zai)自對準(zhun)DRIE制造過程(cheng)中，設計并實現了一(yi)系列(lie)針對速度(du)、角度(du)、面積占用(yong)或共振(zhen)驅動(dong)優化的(de)(de)靜電執行器(qi)。鏡面的(de)(de)直徑(jing)和(he)幾(ji)何(he)形狀由(you)客戶選擇，以優化其特定應用(yong)的(de)(de)性能。

鏡子大小(xiao)及(ji)角度性能(neng)

鏡(jing)子MEMS鏡(jing)子不(bu)受(shou)角度(du)限(xian)(xian)制，不(bu)管(guan)鏡(jing)子的(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)，除了(le)在(zai)少數特殊(shu)情(qing)況(kuang)(kuang)下。蕞大(da)(da)角度(du)通(tong)常只(zhi)有在(zai)保持(chi)高(gao)速時才會受(shou)到限(xian)(xian)制，在(zai)大(da)(da)多(duo)數設計中，機(ji)械偏轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)(de)角度(du)大(da)(da)約在(zai)-5°到+5°之間(jian)。所有集成(cheng)鏡(jing)尺寸(cun)和通(tong)過5.0mm直(zhi)徑的(de)(de)(de)粘(zhan)結鏡(jing)都可以在(zai)這(zhe)個范(fan)圍內(nei)使用。一些(xie)鏡(jing)子的(de)(de)(de)作動(dong)器有更高(gao)的(de)(de)(de)角度(du)能(neng)力，在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)(kuang)下，只(zhi)有蕞大(da)(da)的(de)(de)(de)鏡(jing)受(shou)到機(ji)械限(xian)(xian)制，取(qu)決于鏡(jing)的(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。在(zai)定制研發(fa)項(xiang)目中，Mirrorcle也展(zhan)示了(le)6.4mm、8.2mm、9.0mm的(de)(de)(de)鏡(jing)子。在(zai)這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)(kuang)下,較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)反射(she)鏡(jing)慣量被換取(qu)較(jiao)低的(de)(de)(de)角度(du)偏轉(zhuan)(zhuan)，以保持(chi)高(gao)速和振動(dong)的(de)(de)(de)穩定性(xing)。因此(ci)，在(zai)這(zhe)些(xie)尺寸(cun)的(de)(de)(de)特殊(shu)應用中，角度(du)限(xian)(xian)制在(zai)~ -1°到+1°之間(jian)。

設備封(feng)裝

Mirrorcle MEMS鏡(jing)面(mian)的(de)(de)生產有(you)許多封(feng)裝選(xuan)項(xiang)，因為它(ta)們不需(xu)要(yao)任何特殊的(de)(de)材料、形狀或環境條件才能正常運行。雙軸(zhou)裝置需(xu)要(yao)12個(ge)引腳和(he)(he)至少4.4毫米或更大的(de)(de)平滑平坦的(de)(de)封(feng)裝腔(qiang)。其他規格(ge)根(gen)據客戶要(yao)求，使用方便，光(guang)學安裝等(deng)。共有(you)兩種(zhong)包裝可供選(xuan)擇：DIP24或LCC包裝。具有(you)24個(ge)引腳的(de)(de)傳統陶(tao)(tao)瓷雙列(lie)直插(cha)式封(feng)裝(DIP)仍(reng)然是許多研發場景中方便和(he)(he)通(tong)用的(de)(de)選(xuan)擇。這些封(feng)裝，如圖3所示(shi)，有(you)不同的(de)(de)腔(qiang)尺寸，可以容納每個(ge)Mirrorcle MEMS芯片大小從(cong)4平方毫米到(dao)7.25平方毫米。DIP24在處理方面(mian)是一種(zhong)簡單的(de)(de)解(jie)決(jue)方案，因為它(ta)可以簡單地(di)用手沿著(zhu)陶(tao)(tao)瓷面(mian)拿著(zhu)，從(cong)而輕(qing)(qing)松地(di)避免與敏感的(de)(de)MEMS和(he)(he)AR涂層窗口區域接觸。對于(yu)DIP24設備，也有(you)一個(ge)簡單的(de)(de)ZIF插(cha)座安裝解(jie)決(jue)方案，允許輕(qing)(qing)松的(de)(de)光(guang)學工作臺面(mian)包板(ban)，設備交(jiao)換等(deng)。

圖3 （a）TINY20.4的連(lian)接器LCC20封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)，安裝(zhuang)(zhuang)在PCB上(shang)(shang)，便于在光學工作臺(tai)上(shang)(shang)集(ji)成。(b)帶有鏡面(mian)孔(kong)徑的定制MEMS連(lian)接器封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)。(c)連(lian)接器LCC48封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)TINY48.4中的單軸線鏡，LCC48預焊接到TinyPCB中。(d)帶有定制陶(tao)瓷(ci)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)的定制剛性(xing)(xing)撓性(xing)(xing)PCB，用于7.5mm的大型MEMS鏡面(mian)。

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