Electromagnetic resonant 1D MEMS scanning micromirror with 3D printed parts for LIDAR applications

Abstract

With the advancement of autonomous driving technology, scanning micromirrors based on MEMS (Microelectromechanical System) technology are in the spotlight as a major component of LiDAR (Light Detection and Ranging) sensors. In the LiDAR systems based on MEMS technology, scanning micromirror takes the role of scanning output beams in the region of interest. Unlike existing scanning micromirrors fabricated with a silicon substrate, we propose a 1D (1-dimensional) scanner based on a 3D (3-dimensional) printing process. The core structural part of the scanning micromirror has been fabricated with PA12 (Polyamide 12) using MJF (Multi Jet Fusion) 3D printing process. Separately prepared silicon mirror plate with gold coating, self-supported coil, and the neodymium-iron-boron permanent magnets have been assembled with the printed structure. In the proposed device, the optical scan angle is maximized by driving the scanning micromirror with an indirect driving architecture, where the driving torque is applied to the coil attached to the gimbal. For the structural design, finite element analysis (FEA) using Ansys Workbench and analytic modeling of the movable part have been performed. The magnetic circuit has been optimized using 2D (2-dimensional) FEA using FEMM (Finite Element Method Magnetics). The fabricated 1D scanning micromirror with 4.2 mm x 15 mm reflective surface area with rounded edges can be utilized in a 2D scanning module implemented with two 1D scanning micromirrors. The fabricated device had an optical scan angle of 17º at a resonant frequency of 1,385 Hz and an input current of 30 mArms. As a substantial decrease in optical scan angle and resonant frequency was observed at higher input current, salt bath annealing has been performed to improve the overall mechanical properties of the device. Also, forced air cooling has been applied to diminish the effect of coil temperature increase during the actuation. At 50 mArms input current with use of forced air cooling, device annealed for 5 hours had the largest optical scan angle increase from 17° to 24° compared to the unannealed sample. The use of forced air cooling using three external cooling fans improved both the resonant frequency and optical scan angle drop due to coil temperature increase. This study can be a steppingstone to the verification of utilizing a 3D printed scanning micromirror in various LiDAR applications. And this study suggests that a detailed analysis of temperature dependence is needed for a study based on 3D printing.;자율주행 기술의 발전으로 MEMS (Microelectromechanical System) 기술을 기반으로 한 스캐닝 마이크로 미러가 LiDAR(Light Detection and Range)센서의 주요 부품으로 각광받고 있다. MEMS 기술에 기반한 LiDAR 시스템에서, 마이크로 미러는 탐지 영역의 출력 빔을 주사하는 역할로서 주목받고 있다. 본 논문에서는 실리콘 기판으로 제작된 기존 스캐닝 마이크로 미러와 다르게, 3D 프린팅 공정을 이용하여 제작한 1차원 스캐닝 마이크로 미러를 제안한다. 제안된 스캐닝 마이크로 미러의 주요 구조는 MJF (Multi Jet Fusion) 3D 프린팅 공정이 사용되었고, PA12로 제작되었다. 추가로 실리콘 기반 금 코팅의 미러 기판, 코일, 네오디뮴 영구 자석 등이 조립되었다. 제안된 구조는 김블에 부착된 코일이 구동 토크를 만들어내는 간접 구동 방식을 활용하여 광학 스캔 각도를 만들어낸다. 설계는 Ansys Workbench를 이용한 FEA (Finite Element Analysis)와 가동부의 해석적 모델링을 기반으로 하여 최적화되었다. 자기 회로는 FEMM (Finite Element Method Magnetics)을 사용하여 2차원 FEA를 통해 최적화되었다. 제안된 미러는 입력 전류 30 mArms 와 1,385 Hz의 공진 주파수에서 17°의 광학 스캔 각도를 만들어냈다. 더 높은 입력 전류에서 광학 스캔 각도 및 공진 주파수의 감소가 관찰되어, 소자의 전반적인 기계적 특성을 개선하기 위해 어닐링이 수행되었다. 5시간동안 어닐링한 소자는 어닐링하지 않은 경우와 비교했을때, 입력 전류 50mArms에서 광학스캔각도가 17°에서 24°로 증가했다. 또한, 공기 냉각 시스템을 추가하여 작동 중 코일 온도 상승의 영향을 감소시켰다. 공기 냉각을 통해, 어닐링하지 않은 소자는 입력 전류 90mArms에서 광학스캔각도가 8°에서 34°로 증가했으며 공진주파수 감소폭는 400 Hz에서 160 Hz로 감소했다. Long term reliability test를 수행하여, 5시간 어닐링한 소자의 광학 스캔 각도와 공진 주파수가 어닐링하지 않은 경우보다 모두 더 높은 것을 확인했으며 두 파라미터 모두 감소 추세를 보이지 않아 소자 성능의 실질적인 향상을 확인할 수 있었다. 본 연구는 LiDAR 시스템의 응용 분야에서 3D 프린팅 기반의 스캐닝 마이크로 미러를 활용하는 것을 검증하기 위한 발판의 역할로서 중요하다. 또한, 3D 프린팅을 기반으로 한 연구의 경우, 온도 의존성에 대한 상세한 분석이 필요함을 제안한다.