MOEMS 2D扫描镜的研究进展

马天义，余　跃，许　敬，吴建东（1.上海航天控制技术研究所，上海01109；.中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海01109）

综述与评论

MOEMS 2D扫描镜的研究进展

马天义1，2，余跃1，2，许敬1，2，吴建东2
（1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海201109）

微光电子机械系统（MOEMS）扫描镜凭借其在成本、功耗和封装上的优势，在军民用多领域都有广泛的应用前景。在分析MOEMS扫描镜的分类方式的基础上，针对静电驱动中的微机械集成方式，展开框架式和无框架式两种MOEMS扫描镜的工作原理的探讨，并给出了典型产品及系统应用，总结了目前在MOEMS扫描镜的系统应用方面存在的难点问题。介绍了国内MOEMS扫描镜的研究现状，并分析了与国外产品的差距。

微光电子机械系统；扫描镜；静电驱动；框架式

0　引言

微光电子机械系统（micro-opto-electro-mechanical system，MOEMS）是指利用微加工技术实现的微光机电器件与系统，系统中的微光学元件（如透镜、反射镜、光栅等）在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、反射、衍射等控制作用，从而实现光的开关、衰减、扫描和成像等功能。MOEMS扫描镜通常是指微反射镜面在驱动力作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度，与传统光学扫描方式相比，MOEMS扫描镜在体积、重量、功耗以及动态响应方面的优点尤为突出，此外还具备MEMS器件所共有的成本低、易于实现批量制造的优点。鉴于此，MOEMS扫描镜逐渐成为微光学系统的一个核心器件，广泛应用于信息技术、医疗设备、工业、电子消费和军工等领域［1］。

1　MOEMS扫描镜分类

按照工作模式，MOEMS扫描镜分为数字式和模拟式。数字式扫描镜仅以二元方式控制镜面实现“通”（ON）或“断”（OFF）状态；模拟式扫描镜通常是在某种驱动力的激励下控制镜面在一定范围内往复运动［2］。

按照驱动方式，MOEMS扫描镜分为静电式、电热式、压电式和电磁式四种类型，其性能如表1所示。

表1　不同驱动方式下的MOEMS扫描镜性能比较Tab 1　Performance comparision of MOEMS scanning mirrors under differ actuating mechanism

按照扫描维度，MOEMS扫描镜可分为1D和2D。2D扫描镜可在一个器件上实现两个方向上的光路转换，具有集成度高、占用空间小的优点。而1D扫描镜只在一个方向上实现光路的扫描，但在驱动镜面尺寸、谐振频率性能指标上稍优于2D扫描镜。

按照反射镜面、支撑结构及驱动器等集成方式的不同，可分为框架式和非框架式。集成在一起，得到大的角转偏转范围和谐振频率，一直是MEMS反射镜研制需要解决的最大难题。经过长时间的努力，研究人员研究出两种集成技术，即框架式和无框架式。

图1　1D和2D扫描微镜结构示意图Fig 1　Structure diagram of 1D and 2D scanning micromirror

2　MOEMS微扫描镜工作原理

目前对MOEMS扫描镜的研究主要是采用静电驱动方式，且该类型的MOEMS扫描镜已经有成熟产品，并且应用在了激光投影、机器人3D感知等行业。下面就静电驱动方式，分别对框架式和非框架式的扫描微镜的工作原理展开分析，并介绍其相应的应用领域。

2.1框架式MOEMS扫描镜

框架式2D扫描微镜基本原理如图2所示［3］。中心镜片通过两个扭转弹簧悬吊在外部的偏转框架上，镜面圆周的保留区域配置梳状电极激发运动，采用矩形电压和2倍的振荡频率。如果镜片处于非零位状态，静电合力会驱动镜面返回至零位状态。电压断开，镜面自由振荡，直到由扭转弹簧产生的反方向的运动开始。此时电压接通，直到镜面重新回到零位。因为两对梳状电极静电激发的距离非常小，不超过100 V的电压即可满足镜面的运动。镜面的原理同样适用于偏转框架。后者是通过两个附加扭转弹簧悬挂在固定框架电极上。两个旋转轴的运动互相垂直，从而实现光线的2D偏转，投射出李萨如图像。偏转框架和固定框架通过填充隔离沟槽彼此隔离，所以互相垂直的振荡可以独立激发。因为镜面支架式的固定方式，类似于两个1D扫描微镜的串行布置，因此图像不会发生畸变。驱动器芯片采用CMOS兼容微机械加工技术。通过在镜面上镀一层很薄的铝提高镜面的反射率。

框架式MEMS扫描镜技术典型应用研究机构国外的有德国的Fraunhofer光子微系统研究所（IPMs），其产品镜面尺寸规格覆盖从0.5 mm×0.5 mm到3 mm×3 mm，扫描范围（光学反射峰峰值）达到140°，谐振频率范围从150 Hz到320 kHz。工作在最大谐振曲线下，机械振荡幅度和所产生的光学反射角度可以通过调整驱动电压进行改变。在最大角度时，反射角度与驱动电压近似呈线性关系。目前IPMs已经将研制的2D MEMS微镜器件应用于激光投影系统中，如图3所示。

图2　框架式2D谐振微扫描结构示意图Fig 2　Structure diagram of frame style 2D resonant microscanning

图3　激光投射模块Fig 3　Laser projection module

2.2无框架式MOEMS扫描镜

以美国MTI公司（Mirrorcle Technologies Inc）的无框架式MOEMS扫描镜为例介绍其结构和工作原理。MTI基于多级光束SOI—MEMS制造技术的无框架二轴扫描镜由单片单晶硅材料组成，具有优良的重复性和可靠性。其反射光束在两轴方向上的扫描角度可达32°，典型器件的功耗不到1 mW。MTI公司MOEMS扫描镜有集成式（integrated）和绑定式（bonded）两种封装形式，如图4所示［4］。

图4　MTI公司MOEMS扫描镜封装Fig 4　Package of MOEMS scanning mirrors of MTI

MTI公司无框架MOEMS扫描镜的工作原理是基于单轴旋转器的联合，允许一个轴的操作近乎独立于另外一个轴，不会有框架式结构的附加惯性，结构示意图如图5所示。在这个二维扫描器中，两个单轴旋转器分别用于驱动每一个轴。对于x轴，利用驱动器A和A＇；对于y轴，利用驱动器B和B＇；驱动器通过一系列的联动装置和一个机械旋转转换器连接到镜片上。每一个连接到旋转器上的联动装置都允许两自由度的机械分量，允许通过转换器的旋转，实现正交的解耦［5］。

美国Army Research Laboratory（ARL）和波音子公司Spectrolab基于MTI的MOEMS扫描镜研制出一种用于机器人领域的短距离人眼安全MEMS扫描雷达系统，样机如图6所示［6］。

图5　无框架两轴扫描驱动器原理示意图Fig 5　Principle diagram of frame-less two-axis scanning actuator

图6　波音公司的LADAR成像系统样机Fig 6　Prototype LADAR imaging system of spectrolab

2.3MOEMS系统难点问题

1）闭环控制问题

随着MOEMS扫描镜的应用领域的扩展，在很多领域中对扫描镜扫描角度的精度要求非常高。目前扫描微镜的控制方式通常采用开环方式，需要在性能测试阶段建立驱动电压与扫描角度的对应表格，在器件运行期间，根据已知数据由控制器如FPGA给出角度命令，该方法简单易行。但是由放大电压漂移、抖动以及扫描微镜自身因发热等原因产生的谐振频率漂移等对开环控制精度产生交大的影响，可能会出现图像畸变或者错帧等问题。为解决上述问题，需要采用闭环控制方法实现对扫描微镜的精确控制。

2）静电吸合问题

静电驱动MOEMS扫描镜的最大缺点就是存在静电吸合现象，一旦出现静电吸合现象，将会导致整个器件因短路而被永久性毁坏［7］。

3）高速扫描时的动态变形问题

高速转动引起的镜面的动态形变是影响MOEMS扫描微镜成像系统光学分辨率的重要因素，尤其是当镜面不平整度与所反射光束最小波长相当时，产生的反射光束波前像差就会严重降低其可获得的光学分辨率。由高速转动引起的镜面动态形变，无法通过静态的光学元件获得校正，所以，只能通过对MOEMS扫描微镜的优化设计减小其影响［8］。

3　国内研究现状与差距分析

中国科学院光电技术研究所马文英等人［9］给出了一种静电驱动2D微扫描镜的设计和制造方案，镜面尺寸为100 μm×75 μm，经仿真计算在120 V和160 V的电压下，扫描镜可分别产生沿x轴方向的±5.0°和沿y轴方向±4.4°的偏转角。

无锡微奥科技有限公司章皓等人基于电热式Bimorph驱动器结构，建立了一种双S形Bimorph二维模型［10］，微镜示意图如图7所示。目前无锡微奥已经有相应的成熟产品。

图7　双S形Bimorph结构微镜SEM电镜图Fig 7　SEM image of MOEMS mirror based double S shape Bimorph structure

西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室的乔大勇团队已经成功研制出MEMS 2D扫描镜，如图8所示［11］。该二维微扫描镜是由垂直梳齿所产生的静电力驱动的，镜面尺寸近似1.25 mm。在10 V的方波信号驱动下，微扫描镜在两个轴上的谐振频率分别可达1870Hz和375Hz，扫描镜的机械扫描角度可达±8°。该团队并以此器件为基础，搭建出平视显示系统，分辨率为168×56，刷新率为20 Hz。

图8　MOEMS 2D微扫描镜Fig 8　MOEMS 2D micro scanning mirror

目前国内MOEMS扫描技术随着MEMS技术的成熟得到了快速发展，在基本概念和关键技术上得到论证与完善，并有多家研究机构和公司开展MOEMS扫描镜的驱动及系统设计，并在MOEMS扫描显示系统应用的研究上取得了一些进展。但在国内的MOEMS扫描镜驱动器性能指标上如驱动镜面尺寸、谐振频率以及封装等距离国外的技术水平仍旧存在着巨大的差距。

4　结束语

MOEMS扫描技术是多种学科交叉融合产生的前沿技术，它将为扫描成像和投影应用领域开辟新的思路和方法，其高性能、低成本、微型化、集成化和可批量生产的技术优势为其在军民用多领域内的应用带来无限的潜在可能。随着MOEMS扫描技术应用领域的延伸，其基本理论和系统技术仍旧需要持续深入的研究，如高分辨率大视场角的微镜扫描成像理论、高速扫描下的微镜的动态变形理论及对分辨率的影响、闭合控制问题以及静电驱动下的静电吸合问题等。

［1］钱蓉蓉.集成角度传感器的MOMES扫描微镜研究［D］.重庆：重庆大学，2011：3-9.

［2］蒋军彪，韩宗虎.微光学电子机械系统中的微型反射镜阵列的应用前景［J］.激光与光电子学进展，2001（4）：40-45.

［3］Andreas Bruer，Klaus Frommhagen，Christian Gerwig，et al. Ultracompact laser projection systems based on two-dimensional resonant microscanning mirrors［J］.J Micro/Nanolith MEMS MOEMS，2008，7（2）：0212001—1—0212001—11.

［4］Milanovi＇c V.Linearized gimbal-less two-axis MEMS mirrors［C］∥2009 Optical Fiber Communication Conference and Exposition （OFC＇09），San Diego，CA，2009.

［5］Milanovic＇ V，Matus G A，McCormick D T.Gimbal-less monolithic silicon actuators for tip-tilt-piston micromirror applications［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2004，10（3）：462-471.

［6］Moss R，Yuan P，Bai X，et al.Low-cost compact MEMS scanning ladar system for robotic applications［C］∥SPIE Defense，Security，and Sensing：International Society for Optics and Photonics，2012：837903—3-837903—9.

［7］胡放荣，姚军.静电排斥型微机电系统变形镜驱动器［J］.强激光与粒子束，2010，22（1）：41-44.

［8］ 穆参军，赵本刚，吴亚明.高速MEMS扫描微镜动态变形特性研究［J］.传感技术学报，2008，21（4）：640-643.

［9］马文英，姚军，任豪，等.MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析［J］.微纳电子技术，2009，46（5）：296-300.

［10］章皓，徐大诚，陈巧，等.一种电热式MEMS微镜多自由度模型解析方法［J］.传感器与微系统，2014，33（10）：17-20.

［11］乔大勇，吴蒙，李昭.基于二维微扫描镜的平视显示系统研究［J］.航空工程进展，2013，4（4）：469-473.

许敬，通讯作者，E—mail：ruole@163.com。

Research progress of MOEMS 2D scanning mirror

MA Tian-yi1，2，YU Yue1，2，XU Jing1，2，WU Jian-dong2
（1.Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology，Shanghai 201109，China；
2.Infrared Detection Technology Research&Development Center，CASC，Shanghai 201109，China）

Micro-opto-electro-mechanical system（MOEMS）has wide application prospects in field of military and civilian due to its advantages of low cost，low power dissipation and tiny package.On the basis of analysis on classification mode of MOEMS scanning mirrors，frame and frame-less MOEMS scanning mirrors are disscussed for electrostatic-driven micromechanical integration types，then typical products and its system application are introduced.Difficult problems in system application is summed.The research status of domestic MOEMS scanning mirrors is introduced，as well as gap compared with foreign products is analyzed.

micro-opto-electro-mechanical system（MOEMS）；scanning mirror；electrostatic drive；frame style

TN27；TN249

A

1000—9787（2016）06—0001—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0001—03

2016—04—14

马天义（1976-），男，吉林省吉林人，高级工程师，主要研究方向为探测与制导技术。