Design and evaluation of resonant MEMS scanning systems for high performance automotive applications

Abstract

The potential of driver assistance systems or automated driving to avoid accidents and saving lives led to an increased demand on miniaturized low-cost optical scanning systems for applications such as light detection and ranging (lidar) sensors, augmented reality head-up displays and adaptive headlights, enabling key safety features. Micro-electro-mechanical system (MEMS) mirrors are one of the most promising scanning techniques due to their high performance and cost efficient manufacturing based on silicon technology. As the MEMS scanning system has to operate accurately even in harsh automotive environments, their influence should be analyzed and suppressed to ensure consistent safety.In this thesis 1D resonant electrostatic MEMS mirrors are investigated, start-ing from the accurate modeling and parameter identification including severalhigh order nonlinearities as well as the vibration and mode coupling mechanism implied by the lightweight mirror design using reinforcement structures. A self-sensing concept based on the displacement current caused by the mirror movement is proposed, providing precise and robust feedback signals with a simple implementation. Utilizing the full potential of the phase detection, the digital-asynchronous phase locked loop (DAsPLL) is developed, allowing fast tracking of the MEMS mirror oscillation and stabilization of open loop unstable operation points by an immediate phase compensation. For improved robustness a time-normalized PLL is proposed and designed based on a linearized MEMS mirror model, derived by a period-to-period energy conservation. A dedicated synchronization concept allows a fixed frequency ratio between two MEMS mirrors, enabling stable Lissajous scanning. Considering harsh environments, the use of linear-quadratic-gaussian (LQG) servo controllers provides superior performance compared to proportional-integral (PI) controllers achieving the targeted resolution of 0.1◦ even in a worst case vibration scenario by extending the automotive standard LV124. Two advanced scanning concepts are further proposed, i.e. the laser shot correction (LSC) concept reducing dynamic pixel errors by an adaptive laser scheduling for 1D or raster scanning systems, and the adaptive Lissajous scanning to allow flexible scan pattern design, e.g. region of interest scans. The proposed advanced control and scanning concepts demonstrate superior performance even under harsh vibrations, enabling robust MEMS mirror based scanning systems for automotive applications.

Das Potenzial von Fahrerassistenzsystemen oder automatisiertem Fahren zur Vermeidung von Unfällen und zur Rettung von Menschenleben hat zu einer steigenden Nachfrage nach miniaturisierten, kostengünstigen optischen Abtastsystemen für Anwendungen wie Lidar-Sensoren (Light Detection and Ranging), Augmented-Reality-Head-up-Displays und adaptiven Scheinwerfern geführt, die wichtige Sicherheitsfunktionen ermöglichen. MEMS-Spiegel (Micro-Electro- Mechanical System) sind eine der vielversprechendsten Scantechnolgien aufgrund ihrer hohen Leistung und kosteneffizienten Herstellung auf Basis der Siliziumtechnologie. Da das MEMS-Scansystem auch in rauen Automobilumgebungen genau funktionieren muss, sollten deren Einflüsse analysiert und unterdrückt werden, um eine durchgängige Sicherheit zu gewährleisten. In dieser Arbeit werden 1D-resonante elektrostatische MEMS-Spiegel untersucht, beginnend mit der genauen Modellierung und Parameteridentifikation einschließlich mehrerer Nichtlinearitäten höherer Ordnung sowie dem Vibrations- und Modenkopplungsmechanismus, der durch das leichte Spiegeldesign mit Verstärkungsstrukturen impliziert wird. Es wird ein Selbsterkennungskonzept vorgeschlagen, das auf dem durch die Spiegelbewegung verursachten Verschiebungsstrom basiert und präzise und robuste Rückkopplungssignale mit einer einfachen Implementierung liefert. Unter Ausnutzung des vollen Potenzials der Phasendetektion wird die digital-asynchrone Phasenregelschleife (DAsPLL) entwickelt, die eine schnelle Verfolgung der MEMS-Spiegelschwingung und die Stabilisierung instabiler Betriebspunkte durch eine sofortige Phasenkompensation ermöglicht. Zur Verbesserung der Robustheit wird eine zeitnormierte PLL vorgeschlagen und entworfen, die auf einem linearisierten MEMS-Spiegelmodell basiert, das durch eine Periode-zu-Periode-Energieerhaltung abgeleitet wird. Ein spezielles Synchronisationskonzept ermöglicht ein festes Frequenzverhältnis zwischen zwei MEMS-Spiegeln und damit einen stabilen Lissajous-Scan. Unter Berücksichtigung rauer Umgebungsbedingungen bietet der Einsatz von linear-quadratisch-gaußschen (LQG) Servoreglern im Vergleich zu proportional-integralen (PI) Reglern eine überlegene Performanz und erreicht die angestrebte Auflösung von 0.1◦ sogar in einem Worst-Case-Vibrationsszenario durch Erweiterung des Automobilstandards LV124. Dar-über hinaus werden zwei fortschrittliche Scan-Konzepte vorgeschlagen, d.h. das Konzept der Laserschusskorrektur (LSC), das dynamische Pixelfehler durch eine adaptive Laserplanung für 1D- oder Rasterscansysteme reduziert, und das adaptive Lissajous-Scanning, das eine flexible Gestaltung von Scanmustern ermöglicht, z.B. für hochauflösende Scans nur von bestimmten Bereichen. Die vorgeschlagenen fortschrittlichen Regelungs- und Scankonzepte zeigen selbst bei starken Vibrationen eine überragende Performanz und ermöglichen robuste MEMS-Spiegel-basierte Scan-Systeme für Automobilanwendungen.