Large Area Scanning Micromirror for LIDAR Sensor Applications

Abstract

최근 소형 경량화가 가능하고, 소모전력과 회로와의 집적 측면에서 장점을 가진 MEMS optical actuator의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 무인 자동차, 자율 주행 기술의 발달에 따라 응용 분야가 확대되고 있는 LIDAR 센서에의 적용을 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 LIDAR 센서의 레이저 송신부에 적용하여 고출력 레이저 광원에 대응 가능한 대면적 반사면을 갖는 2축 구동 마이크로 미러를 제안하였다. 전자력 방식으로 수직 축은 강제 구동, 수평 축은 공진 구동되며, 2중 김블 구조로 각변위 증폭 메커니즘을 이용하였다. 설계된 마이크로 스캐너를 3중 질량체 구조로 모델링 하였으며, 운동 방정식을 통하여 미러와 안쪽 김블, 바깥쪽 김블의 각변위를 유도하였고, 이를 주파수 도메인에 적용하여 공진주파수와 주파수 특성을 예측하였다. 제안된 해석적인 방법에 의한 예측 결과를 유한요소해석을 이용한 시뮬레이션, 실험 결과와의 비교를 통하여 검증하였다. 개발된 모델을 이용하여 구동시 미러의 각변위를 극대화할 수 있는 최적 설계가 가능해지고, 제작된 스캐너의 성능을 평가하는 데에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.;Microfabricated optical scanner is an actuator based on MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology which can change the reflection angle of the input laser beam in a controlled manner. Application of microscanner is on a rising trend due to the small size, low power consumption and potential to be integrated with other devices. Particularly, need for a small form-factor scanning LIDAR (LIght Detection And Ranging) sensor, which can be utilized in autonomous vehicle, robot and space exploration, have necessitated the development of a MEMS-based microscanner with large reflection area. In this research, an electromagnetically-driven biaxial microscanner with large deflection angle has been proposed for scanning LIDAR sensor applications. Proposed microscanner consists of rotating mirror capable of 2-DOF (degree-of-freedom) motion enabled by gimbal structure. Dual gimbal structure has been used for mechanical amplification of angular displacement and unique rim structure has been added around the mirror plate for a better optical performance. Single coil on the gimbal generates driving torque by reaction with the permanent magnet placed under the silicon structure. An analytical model using rotational spring-mass-damper system has been developed to predict the dynamic behavior of the microscanner and developed model has been verified with FEA (Finite Element Analysis) results. Furthermore, experimental verification of the developed model has been performed using a high frequency microscanner developed for projection display systems.