Metrology Development for 2D MEMS Scanning Mirror

Abstract

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Charakterisierung von 2D MEMS Spiegeln. Die Charakterisierung dieser MEMS Spiegel ist notwendig um zu überprüfen ob das reelle Verhalten dieser Spiegel mit dem geplanten Verhalten der Spiegel übereinstimmt. Im ersten Teil wird die 2D PSD charakterisiert, um deren Genauigkeit zu verbessern. Dazu wird die 2D PSD Oberfläche vermessen und die Positionsverzerrung auf lokaler Ebene bestimmt. Mit dieser Positionsverzerrung wird eine Verzerrungskarte erstellt, um Verzerrungseffekte zu korrigieren. Messungen zeigen, dass sich die Verzerrungen des Sensor sehr gut kompensieren lassen mit einer maximalen Verzerrung von 1.5 μm. Im zweiten Teil wird ein Versuch mit einem LDV gebaut, um den 2D MEMS Spiegel zu vermessen. Dabei wird der 2D MEMS Spiegel mit einer konstanten Frequenz angeregt und verschiedene Punkte gemessen, welche nachträglich synchronisiert werden um eine Oberflächenmessung zu erhalten. Dadurch kann die Frequenz und Amplitude von unterschiedlichen Spiegel Regionen bestimmt werden. Dabei zeigt sich, dass es zu ungewollten Bewegungen und Deformationen im Spiegel kommt. Die Bewegungen der nicht angeregten Achse hat dabei eine Amplitude bis in die Höhe von 1/250 der Amplitude der angeregten Achse. Die Deformation der Spiegels ist bis zu 0.5 μm groß. Im dritten Teil geht es um den 2D PSD basierten Prüfstand und die 2D MEMS Spiegel Charakterisierung. Die 2D PSD misst dabei die Trajektorie des vom 2D MEMS Spiegel reflektierten Laserstrahls und bestimmt die Amplitude und Frequenz. Mit Messungen in denen die Anregung gestoppt wird und der Spiegel ausschwingt, können Spiegel Parameter berechnet werden. Die Steifheit und Dämpfung werden mithilfe eines Ein-Freiheitsgrad-Model und einer Parameter-Schätzmethode, die auf gemessenen Daten beruht, bestimmt. Der Kamm-Antrieb des 2D MEMS Spiegel erzeugt einen messbaren Strom. Dieser wird genutzt, um die winkelabhängige Kapazität zu bestimmen, womit das Trägheitsmoment des Spiegels berechnet wird. Mithilfe von verschiedenen Frequenzmessungen, wobei die Nebenachse auf eine fixe Frequenzen eingestellt wird und die Frequenz der Hauptachse kontinuierlich geändert und gemessen wird, wird ein Kooplungsträgheitsmoment des Spiegels bestimmt. Die ermittelten Größen werden mit einer Simulation verglichen und stimmen weitgehend überein, wodurch die 2D-MEMS- Spiegel-Charakterisierung durch die entwickelte Prüfstand- und Identifikationsmethoden verifiziert wird.

This master thesis deals with the characterization of 2D MEMS mirrors. The characterization of these MEMS mirrors is necessary to verify that the actual behavior of these mirrors corresponds to the designed behavior of the mirrors. In the first part, 2D PSD is characterized in order to improve its spatial resolution accuracy. For this purpose, the 2D PSD surface is measured with a PSD characterization setup and the position distortion is determined at a local level. This measured position displacement is used to create a distortion map to correct the distortion effects. Measurements show that the distortions of the sensor can be compensated down to a maximum distortion of 1.5 μm. In the second part, a LDV measurement setup is built and used to measure the 2D MEMS mirror. The 2D MEMS mirror is actuated with a constant frequency and various points are measured, which are afterwards synchronized to give a surface measurement. In this way, the frequency, amplitude and deformation of the different mirror parts can be measured, proving that undesired crosscoupling movements in the range of up to1/250 of the main axis amplitude and mirror surface deformations up to 0.5 μm occur in the mirror. The third part is about the 2D PSD based testbench and the 2D MEMS mirror characterization. The 2D PSD measures the trajectory of a laser beam, reflected by the2D MEMS mirror and thus determines the amplitude and frequency. Mirror parameters can be calculated with various measurements in which the mirror activation is stopped and the mirror decays. Stiffness and damping are determined using a simplified one degree-of-freedom model and a parameter estimation method based only on measured data. The comb drive of the 2D MEMS mirror generates a current as long as a voltage is applied. This current is used to determine the angle-dependent capacitance, which is used to calculate the moment of inertia of the mirror. A coupling moment of inertia of the mirror is determined by means of various frequency measurements, whereby the other axis is set to a fixed frequency and the main axis frequency is continuously changed and measured. The variables determined are compared with a simulation and largely show agreement, verifying the 2D MEMS mirror characterization by the developed testbench and identification methods.