電磁式二維CMOS微機電微掃描鏡之慢軸軌跡控制

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研究生：	蔡卓勳 Tsai, Cho-Chuan
論文名稱：	電磁式二維CMOS微機電微掃描鏡之慢軸軌跡控制 Slow-Axis Control for an Electromagnetic CMOS MEMS Scanning Micromirror
指導教授：	盧向成 Lu, Shiang-Cheng
口試委員:	劉承賢 Liu, Cheng-Hsien 傅建中 Fu, Chien-Chung
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2019
畢業學年度：	107
語文別：	中文
論文頁數：	75
中文關鍵詞：	電磁式、微掃描鏡、壓阻感測、閉迴路控制系統
外文關鍵詞：	Electromagnetic, Micromirror, Piezoresistive Sensing, Closed-loop control system
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本論文期望設計一個用於電磁式驅動、壓阻式感測微掃描鏡的慢軸軌跡控制迴圈。為了得到其運動時的訊號，我們在其轉軸上沉積了使用多晶矽製成的壓阻感測器。
在本研究中使用了台積電2P4M 0.35μm CMOS製程，設計了整合了機械結構、感測電路的微掃描鏡晶片，晶片面積為4× 3.8 mm2。本研究期望設計一個適用於電磁式驅動、壓阻式感測微掃描鏡的慢軸軌跡控制系統，目的是使用負回授閉迴路系統建立一個穩健的控制器，確保受控系統在系統參數不能準確確定之下仍保有穩定性。在設計控制器之前必須先了解受控系統的特性，並建立數學模型，因此本論文先經由CoventorWare有限元素分析軟體模擬結構模態的振頻以及彈簧常數，藉由從模擬和量測所得到機械扭轉的二階系統參數，組成一個完整的受控體模型，做為增益補償以及控制器設計的參考，並經由Simulink去確認設計出的電路在暫態分析的穩定性，最後將電路實現。
經由測量後，本研究所設計的電磁式驅動壓阻式感測雙軸微掃描鏡有著解析度規格 =2689.2deg mm kHz達到HD720(1280×720)的標準，並且有著閉迴路控制系統，其穩態誤差為4.66%。在閉迴路步階響應中擁有過衝31%、安定時間330μs以及上升時間82.9μs。

An electromagnetic scanning micromirror driven by Lorentz force is studied in this thesis for application in a laser beam scanning projector. In order to produce repetitive scanning signals during the motion, polycrystalline silicon deposited on the torsion axis is used to provide piezoresistive sensing of the motion.
The integrated chip containing the mechanical structure and sensing circuit, is implemented by using the TSMC 2P4M 0.35μm CMOS process. The chip area is 4× 3.8 mm2. This thesis proposed to design a slow-axis trajectory control system for an piezoresistively transduced scanning micromirror to achieve robust performance. To design a controller, we first establish the mathematical model of the plant which includes the mode shape frequency and the spring constant by CoventorWare. By applying the second plant model parameters derived from measurement and simulation, the complete plant model can be established. Furthermore, we can derive the Bode diagram based on this model, as a design reference of the controller and the compensation of gain. Finally, we do the time domain analysis of the control system by using Simulink to confirm system stability, followed by implementation of the control circuits.
By the measurement , this bi-axial electromagnetically-driven piezoresistively sensed scanning mirror achieves HD720(1280×720) with the parameter =2689.2deg mm kHz and have a closed loop control system with a steady-state error 4.66%. The closed-loop step response measurement results show that the overshoot is 31%, rise time is 82.9μs and settling time is 330μs.
Keyword：Electromagnetic、Micromirror、Piezoresistive Sensing、Closed-loop control system

    目錄
摘要    I
Abstract    II
致謝    III
目錄    IV
圖目錄    VI
表目錄    X
第1章 緒論    1
1-1 前言    1
1-2 微投影技術………………………………………………………………….2
1-3 文獻回顧    3
1-4 研究動機    7
第2章 微掃描鏡結構設計與製作    10
2-1 解析度計算    10
2-2 羅倫茲力制動原理    14
2-3 結構分析與設計    17
2-4 結構模擬    22
2-5 後製程設計    26
2-6 磁場模擬    28
2-7 電路板設計    30
第3章 電路設計與模擬    32
3-1 系統架構    32
3-2 負回授閉迴路系統    32
3-3 機械動態    34
3-4 感測電路    36
3-5 增益補償與控制器電路    38
第4章 量測與討論    43
4-1 製程量測    43
4-2 結構模態量測    47
4-3 光學量測    51
4-4 系統量測    53
第5章 結論與未來工作    65
第6章 參考文獻    67
第7章 附錄    72
7-1 商用放大器規格表    72
7-2 快軸震盪迴圈量測    73

圖目錄
圖 1-1掃描機制示意圖(a)Raster scan (b) Lissajous scan。..………………………7
圖 1-2 Simulink模擬三角波在二階機械系統的暫態響應(a)Input signal (b) Deflection…8
圖 1-3 二階系統的三角波響應(b)與理想的Raster scan掃描軌跡(a)比較。……………9
圖 2 1從艾里圖形強度的半高寬定義出一個像素的大小範圍，如圖上紅框所示。
12
圖 2 2瑞利準則與解析度模型，兩光點間距為瑞利條件的可辨識極限距離(RA)，此時兩光點與微掃描鏡形成的夾角為最小解析角∆θ，各自會與鏡面直徑D、投影距離f有關(式2.1和式2.2)。    13
圖 2 3電荷受到電場與磁場作用產生羅倫茲力說明(以正電荷為例)。。    15
圖 2 4羅倫茲力由電力(a)與磁力(b)組成。    15
圖 2 5羅倫茲力致動說明圖，a、b兩點為入平面力矩，c、d兩點為出平面力矩，而b、d兩點之反向驅動力可以驅動慢軸模態，沿著慢軸旋轉，而a、c兩點讓鏡框分別上下振動甩動鏡面以驅動快軸模態，使得鏡面沿著快軸旋轉    15
圖 2 6微掃描鏡結構模型，包含鏡面、鏡框與快慢軸，其中快軸旋轉標示為 、鏡框旋轉標示為 、慢軸旋轉標示為 。    20
圖 2 7設計之微掃描描鏡3D圖，深紅色圓形區域為圓形鏡面，綠色區域為鏡框，驅動線圈埋於鏡框之下使用寬度20m繞線每層繞線14匝，鏡框連接固定端的部分為慢軸而鏡面與鏡框連接的部分為快軸。    21
圖 2 8微掃描鏡結構與尺寸(a)整體結構(b)快軸彈簧(c)慢軸彈簧。    21
圖 2 9後製程流程圖，(a)下線完成之晶片、(b)背面深矽蝕刻、(c)硫酸濕蝕刻金屬層、(d)正面矽蝕刻貫穿結構、(e)XeF2側向矽蝕刻、(f)RIE蝕刻掉保護層Si3N4與殘留光阻。    27
圖 2 10光阻定義蝕刻區域與晶片固定在4吋晶圓上。    28
圖 2 11 Halbach圓環與方形磁鐵。    29
圖 2 12模擬Halbach圓環與方形磁鐵之磁場方向與磁場強度。    29
圖 2 13模擬方形磁鐵磁場方向與磁場強度。    30
圖 2 14軟體模擬之材料特性。    30
圖 2 15 PCB板Layout圖。    31
圖 2 16 PCB板製作完成照片。    31
圖 3 1微掃描鏡慢軸軌跡控制系統方塊圖。    32
圖 3 2負回授控制系統基本架構圖。    33
圖 3 3負回授控制系統基本架構圖考慮受控體變化。    34
圖 3 4藉由CoventorWare做鏡面轉角對於力矩的關係作圖，得到kθ。    35
圖 3 5驅動力矩與受控體示意圖。    35
圖 3 6壓阻感測器讀取電路架構。    37
圖 3 7機械結構轉動角度對於壓組感測器訊號關係。    38
圖 3 8 Voltage to Torque、Plant與Sensor三個部分的開迴路波德圖。    39
圖 3 9使用電路實現超前控制器。Stage1為操前控制器，Stage2為增益補償。    40
圖 3 10 圖3-9加入超前控制器與增益補償後的開迴路波德圖。………………41
圖 3 11 圖3-10加入低通濾波器後開迴路波德圖。    42
圖 3 12微掃描鏡慢軸軌跡控制系統，各區域方塊物理量轉換示意圖。    42
圖 4 1 SEM量測ICP蝕刻深度。    44
圖 4 2 TSMC 2P4M 0.35μm CMOS 製程剖面示意圖。    44
圖 4 3正面ICP蝕刻後，結構釋放，SEM正面照。。    45
圖 4 4 SEM下慢軸彈簧釋放圖，寬度約為28 m。    45
圖 4 5可由SEM確認是否有釋放結構(a)釋放失敗(b)蝕刻完成。    46
圖 4 6完成後製程之晶片正面照(由CIC拍攝)。    46
圖 4 7結構電路遭到打穿晶片正面圖。    47
圖 4 8 LDV量測結果。    48
圖 4 9 PSV網格動態圖：慢軸模態(1.13KHz)    48
圖 4 10 PSV網格動態圖：同相位震動模態(8.42KHz)。    49
圖 4 11 PSV網格動態圖：反相位震動模態(41.5KHz)。    49
圖 4 12外部磁鐵與微掃描鏡晶片組合。    50
圖 4 13光學平台示意圖，包含雷射光源、投影屏幕、組裝後的微掃描鏡，可由微掃描鏡的距離與投影出來的長度來計算光學角度θopt。    51
圖 4 14輸入2mA(peak-peak)電流驅動，慢軸頻率響應(Q值=67)。    52
圖 4 15輸入6mA(peak-peak)電流驅動，快軸頻率響應(Q值=34)。    52
圖 4 16光學投影 (a)垂直投影 (b)水平投影。    53
圖 4 17光學二維投影畫面。    53
圖 4 18電流驅動與鏡面轉動角度關係。    54
圖 4 19微掃描鏡開迴路掃描軌跡控制系統方塊圖。    55
圖 4 20微掃描鏡閉迴路掃描軌跡控制系統方塊圖。    55
圖 4 21開迴路下，輸入-100mV至100mV的步階輸入，量測與模擬比較。
56
圖 4 22閉迴路下，模擬與量測給予2V(peak-peak)步階訊號驅動。    56
圖 4 23閉迴路下，輸入給予2V(peak-peak)步階訊號，模擬與量測之輸出步階響應波型。    57
圖 4 24閉迴路下，輸入給予2V(peak-peak)步階訊號，模擬與量測之誤差波型。    58
圖 4 25閉迴路下，輸入給予2V(peak-peak)步階訊號，模擬與量測之控制器波型。
58
圖 4 26開迴路下，輸入為200mV(peak-peak)三角波，輸出模擬與量測結果。60
圖 4 27閉迴路下，輸入為5V(peak-peak)，輸入訊號模擬與量測波型。    60
圖 4 28閉迴路下，輸入為5V(peak-peak)，輸出訊號模擬與量測波型。……….61
圖 4 29閉迴路下，輸入為5V(peak-peak)，誤差訊號模擬與量測波型。……….61
圖 4 30閉迴路下，輸入為5V(peak-peak)，控制器訊號模擬與量測波型。    62
圖 4 31閉迴路操作下，量測到的輸入與輸出波型比較。    63
圖 4 32感測電路之雜訊量測。    64
圖 7-1由頻譜分析儀量測快軸共振頻為47.05kHz。    73
圖 7-2量測在快軸共振頻為47.05kHz，此時壓阻相位為82.68度。    74
圖 7 3整體電路架構，包含壓阻感測器、增益與相位補償電路。    74
圖 7-4閉迴路起振時，外接op操作在4Vp-p，SR560放大前後訊號波形。    75
圖 7-5驅動電流對於鏡面轉動和壓阻訊號關係。    75


表目錄
表 1 1比較與排名致動原理的特性    4
表 2 1藉由解析度所推算的成像規格    13
表 2 2共振模態模擬    22
表 4 1模擬結果、PSV掃描結果與厚度修正後模擬結果比較    50
表 4-2模擬與實際晶片比較    55
表 4-3閉迴路步階響應上升時間(Rise time)、安定時間(Settling time)與過衝
(Overshoot)模擬與量測比較    59
表 7 1商用放大器晶片LM6172操作在±15V之規格    72

 
                                

第6章參考文獻
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