Biaxial Vector-Graphic Scanning Micromirror Using Radial Magnetic Field

Abstract

최근 증강현실 및 사물인터넷(IoT) 등의 기술 발전에 따라 웨어러블 디바이스, 헤드업 디스플레이, 광학 레이더와 같은 장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 장치의 소형화 및 경량화를 달성하기 위하여 MEMS 기술을 이용한 소자의 활용이 주목 받고 있으며, 특히 가볍고 작은 크기, 적은 생산비용, 높은 에너지 효율과 성능을 지닌 MEMS 마이크로 스캐너가 갈바노미러와 같은 종래 기술에 기반한 장치의 대안으로써 주목 받고 있다. 본 논문에서는 전자기 방식의 이축 벡터 그래픽 스캐닝 마이크로미러의 디자인, 공정 및 제작, 실험 결과를 수록하고 있다. 기존의 벡터 그래픽 마이크로미러가 다수의 자석들로부터 발생된 국부적인 자기장을 사용하는 방식을 사용하고 있는 반면, 본 논문의 소자는 동심원으로 배치된 자석 구조로부터 발생한 방사형의 자기장과 독특한 코일 구조를 이용하여 두 개의 수직축에 대하여 독립적인 이축 회전운동을 구현할 수 있도록 설계하였다. 또한, 스캐너에 적용된 기계적 메커니즘을 수학적으로 모델링 하여 소자의 움직임을 예측하는 것을 가능하게 하였고, 이를 응용해 보다 정밀한 설계를 시도하였다. 논문에 제안된 소자는 MHSA로 수평축으로 11.6도, 수직축으로 3.8도 회전하는 것이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 강제구동으로 마이크로미러 회전시 발생하는 링잉(ringing) 현상을 제거하기 위해 FPGA와 LabView를 사용하여 PID 컨트롤을 수행하였고, 그 결과 패턴의 왜곡을 성공적으로 감소시켰다.;Advances in microfabrication technologies enable the development of electronic devices which are smaller and lighter than ever before. MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)-based microscanners can be utilized in various applications as a substitute for conventional galvanometric mirrors, due to small size and weight, low production cost, high energy efficiency and high performance. This paper presents the design, fabrication, and measurement results of an electromagnetic biaxial vector-graphic scanning micromirror. Instead of utilizing locally distributed magnetic fields from multiple magnets, radial magnetic field from concentric magnet assembly and unique coil geometry have been used to realize independent scan along two perpendicular axes irrespective of operation frequency. Proposed actuation mechanism also enables the use of a compact non-hermetic polymer-based package due to large driving torque and simple structure without any gap-closing microstructures. The magnet assembly is placed under the micromirror die with passive alignment and gap control during assembly process. Mechanical half scan angle of 11.6° and 3.8° have been achieved at DC current of 250mA and 400mA for horizontal and vertical scans, respectively. Feedback control of the fabricated scanner has also been investigated.