基于DDS的双轴MEMS扫描微镜驱动电路设计文献综述

 2022-11-24 09:11

1 MEMS微镜及DDS技术

1.1 MEMS微镜

微机电系统(Microclectromechanical Systems,MEMS)微机电系统是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路及接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统,广义上讲,机、光、电、热、化学、生物等领域的微型化都属于MEMS范畴。MEMS具有微型化、智能化、集成化、成木低,可以大批量生产等优点,已经广泛应用在无线通信、生物医学、航空航天、消费电子、汽车电子、军事国院、仪器测量及能源环境等诸多领域,对人类科学技术,工业、军事、经济和日常生活领域产生深远影响。根据应用领域不同,将MEMS应用于光学、无线通信、生物医学、能源等领域,就分别产生了MOEMS(Micro-opto-mechanical Sytems),RF MEMS,BioMEMS和Power MEMS等。

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(如反射镜、光栅、透镜等)在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射、反射等控制作用,从而实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。这种把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在-一起的系统,能够充分发挥三者的综合性能,不仅能够使光学系统微型化而降低成本,而且这种组合还会产生新的光学器件和装置。近年来,MOEMS的发展目标不再局限于取代传统大型光学系统,而是要引入新的光学系统。
基于MOEMS技术的微镜是许多微光学系统的核心器件,基本原理是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。按照工作模式的不同,MOEMS微镜分为数字式微镜和模拟式微镜。数字式微镜,仅以二元方式控制镜面实现两个角度的偏转:模拟式微镜,以诸振方式工作,通过对微镜施加正弦驱动信号,使其在一定运动范围内往复扫描。与传统的电机驱动反射镜相比,MOEMS微镜在体积、重量和功耗上具有明显的优势,并且能够以低成本实现大批量的制造。因此,MOEMS微镜被广泛地应用于光通信、图像显示、自适应光学和光谱分析技术等领域中。按照驱动方式,MOEMS微镜分为静电式、电热式、压电式和电磁式四种类型.

1.2 DDS技术

随着集成电路工艺的迅猛发展,以及数字信号处理领域相关理论的突破,出现了直接数字频率合成技术(DDS技术)。这种技术的显著特点是相对带宽较宽,捷变速度快,频率分辨率明显增加,同时可以产生正交信号,频率切换时相位连续,利于单片集成。用DDS技术实现的信号源,可以通过数控电路对DDS输出波形的频率、幅度相位等进行精确的控制,利用这种方法实现的系统具有稳定、可靠、精度高等优点。与其他频率合成方法相比较,采用直接频率合成技术设计的信号发生器,其产生的信号波形更好。因此,DDS在近二十年左右发展迅速,应用越来越普遍。
直接频率合成技术在发展中遇到两个问题: 一是输出信号的频率不纯净,杂散较大,二是输出信号的带宽较小。因此,开发出时钟频率高并且杂散小的DDS芯片是一个重要的发展方向。为了尽可能的减小杂散,Tiemey等人在最初提出DDS的概念时,就给出了频谱特性的统计结果,同时他们也提出了减小杂散的两种方法:Sunderiand等人把单象限查表算法作进一步的发展,得到压缩存储查表法,也即Sunderiand结构。在此基础上,Nicholas等人通过改进Sunderiand结构。成功研制出了时钟频率高、杂散好的DDS芯片。oleary第一次提出了噪声整形的概念,采用这种方法,可有效提高输出频谱性能。

2 国内外研究现状

2.1 MOEMS扫描微镜国内外研究现状
常见的MOEMS扫描微镜按照驱动方式的不同主要分为静电式、电热式、压电式和电磁式四种类型,以下为几种国内外研制的MOEMS扫描微镜。

2.1.1 静电式扫描微镜
静电式扫描微镜是目前研究最为广泛的一种扫描微镜,一般在结构中引入平行板电容或梳齿电容,通过电极间的静电力来驱动扫描微镜工作。静电式扫描微镜的优点是结构简单、工艺成熟、易与检测和控制电路集成。但对于反射镜面较大的静电式扫描微镜,为了实现微镜的大角度扫描,通常需要施加几十伏乃至上百伏的工作电压,并且静电驱动机理的“吸合效应”(Pull-in)限制了扫描微镜的扫描角度范围。
图2.1所示为成都光电研究所研制的静电式微镜。位于器件中心的镜面(400times;400mu;msup2;)由分布于其四周的L型梁支承,L型梁另一端固定于制作在衬底上的锚。L型梁作为上电极,且每根L型梁下均分布有制作在衬底上的3个固定的下电极。当在L型梁和对应的固定电极上施加电压,产生的静电力驱动镜面向上或向下运动。微镜采用表面微加工技术制作,其谐振频率为2.5kHz,在100V的工作电压下,微镜可实现1.65mu;m的垂直位移。

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