Design optimization of large reflective surface area electromagnetic 2D scanning micromirror for LIDAR applications

Abstract

As the interest in autonomous vehicle technology grows, development of sensor systems that collect the information of the environments surrounding the vehicles is becoming more and more important. In particular, demands for high performance LIDAR (LIght Detection And Ranging) sensor is ever increasing due to its capability of accurate measurement with lower dependency on external environment. However, high cost and large volume are becoming big hurdles for the commercialization of LIDAR sensors. MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) scanning micromirror can be a solution to these issue. In this paper, we present the design optimization of the micromirror structure and scanner packages, and measurement and analysis results of an electromagnetic biaxial scanning micromirror with large reflective surface area. We have optimized the spring-mass-damper system parameters using MATLAB simulation. For larger driving torque generation, we have optimized magnet assembly and scanner package designs. Maximum optical scan angle of 36° and 25.6° have been obtained for the x-axis and y-axis, respectively. Dynamic deformation of the micromirror in various forms have been simulated and compared with analytical data obtained with Brosens’s formula. Several methods for handling this issue are also proposed and compared. A 6.4 mm-diameter micromirror with aluminum reflective surface has been actuated at 300 Hz for vertical scan and at 1 kHz for horizontal scan. Experiments have been conducted to compare the angular displacement of the original model with the optimized model and to confirm the effect of the reinforcement rim structure on resonance frequency. Also, crosstalk has been analyzed using experimental data and finite element analysis, and new designs have been proposed to reduce the crosstalk.;최근 자율주행자동차에 대한 관심이 높아짐에 따라, 차량 주변 환경을 인지하여 판단, 제어를 위한 정보를 수집하는 센서 개발의 중요도가 높아지고 있다. 특히 레이저 광원을 활용하여 외부 환경의 의존도를 줄임과 동시에 고해상도 3차원 영상을 구현할 수 있는 라이다(LIDAR) 센서가 주목 받고 있다. 하지만 라이다 센서는 큰 부피와 높은 비용으로 인해 상용화에 어려움이 있어, 센서의 소형화 및 경량화를 달성하기 위한 해결 방안으로 MEMS 스캐닝 마이크로 미러가 각광받고 있다. 본 논문에서는 미러 구성부의 주파수 응답 특성을 이용하여 미러의 구조를 최적화 하여 원하는 공진 주파수 영역에서 가장 큰 각 변위를 구현 할 수 있는 미러를 설계하였다. 또한, 스캐너 패키지의 크기를 최소화 하고, 구동 토크를 극대화 할 수 있는 자석과 하우징 구조를 제안하였다. 다양한 형태의 미러의 동적 변형을 유한요소해석을 이용하여 시뮬레이션하고, 이론적인 동적 변형 예상치와 비교하였다. 그리고 동적 변형을 해결하기 위한 여러 가지 방법을 비교하였다. 실험을 통해 기존의 미러와 최적화된 미러의 각 변위를 비교하였으며, 동적 변형 개선을 위한 구조물이 공진 주파수에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 미러 구동 시 발생한 크로스토크를 분석하였고, 이를 개선하기 위해 새로운 미러 모델을 제안하였다.