Controllo analogico in anello chiuso dell'angolo di scansione in microspecchi MEMS lineari

MEMS micromirrors are devices used in a variety of applications, where a miniaturized projection of images is required. The actuation of a linear scanning MEMS micromirror must ensure an accurate torsional movement of the device relative to its axis. However, the rather high quality factor of the device, at the resonance frequency of the fundamental mode, alters the accuracy of the movement control. Therefore, driving the mirror with a sawtooth input signal generates an unwanted ringing of the tilt angle. If the device were used for a raster scanning system, this would result in a distortion of the projected final image. Open-loop solutions shown in literature do not allow to remove this ringing altogether. Hence in this Thesis, analog closed-loop circuit solutions have been proposed and experimentally characterized, for the rejection of spurious oscillations, induced on the tilt angle by a sawtooth signal by which the mirror is driven. A piezoresistive position sensor, integrated on the mirror, allows to implement a stable control in closed loop, whose purpose is both to dampen the mirror quality factor obtaining good tracking and to compensate for mechanical non-linearities by nulling the error between angle and control signal. The analog implementation is designed from a theoretical basis to check its limits in terms of the tracking accuracy and noise. Experimental measurements for the characterization of the control board are then presented.

I microspecchi MEMS sono dispositivi utilizzati in svariate applicazioni, dove è richiesta una proiezione miniaturizzata di immagini. L’attuazione di un microspecchio MEMS lineare a scansione deve garantire un accurato movimento torsionale del dispositivo rispetto al proprio asse. Tuttavia il fattore di qualità piuttosto elevato del dispositivo, alla frequenza di risonanza del modo fondamentale, altera l’accuratezza del controllo del movimento. Dunque, pilotando lo specchio mediante un segnale di ingresso a dente di sega, si genera un ringing indesiderato dell’angolo di inclinazione. Se il dispositivo venisse utilizzato per un sistema di scansione raster, ciò risulterebbe in una distorsione dell’immagine finale proiettata. Le soluzioni circuitali in anello aperto presenti in letteratura non consentono di rimuovere del tutto questo ringing. In questa Tesi sono quindi state proposte e caratterizzate sperimentalmente delle soluzioni circuitali analogiche in anello chiuso, per la reiezione delle oscillazioni spurie, indotte sull’angolo di inclinazione da un segnale a dente di sega con il quale si pilota lo specchio. Un sensore di posizione piezoresistivo, integrato sullo specchio, consente di implementare un controllo stabile in anello chiuso, il cui scopo è sia quello di smorzare il fattore di qualità dello specchio ottenendo un buon tracciamento, sia di compensare le non-linearità meccaniche annullando l’errore tra angolo e segnale di controllo. L’implementazione analogica è studiata a partire da una base teorica per verificarne i limiti in termini di accuratezza della traccia e rumore. Vengono poi presentate le misure sperimentali effettuate per la caratterizzazione della board di controllo.