Sense-drive time-multiplexing system for piezoelectric MEMS micromirrors

Devices that can improve the perception of the world surrounding us spread nowadays at incredibly high speed, giving us information not otherwise available, using electronics devices which integrate different sorts of sensors or actuators. The development, in recent years, of the MEMS technology has pushed the diffusion of this kind of systems even more, especially of wearable devices, thanks to their high miniaturization capability, their low power consumption and the possibility to integrate them on silicon. In this field we can find the microactuators MEMS, by STMicroelectronics, called micromirrors, used in Laser Beam Scanning systems. These systems, as it is easily understandable from their name, integrate two technologies, the laser one with the MEMS micromirrors one: mirrors, indeed, are used to deviate and direct laser beams as desired to create the wanted pattern. For visible laser beams these generates images, for example on smartglasses or visor for the Augmented Reality. Infrared laser beams are instead used to develop lidar system, particular types of radar which exploit laser beams as electromagnetic waves. The aim of this thesis is to study and realize an innovative system tu actuate and sense PZT MEMS mirror in order to find if it’s possible to use sensors other than the current PZR bridges, evaluate their performances and benefits derived from the area occupation and fabrication complexity’s reduction. In the beginning the actual micromirrors will be described, their model and their working conditions.After that will be presented the solutions proposed to realize this system and eventual constrains that can arise, as predict by the simulations performed. This work has been realized in the Application group inside the Microactuators division in STMicroelectronics which works on micromirrors.

Al giorno d’oggi sono sempre più diffusi dispositivi volti ad aumentare la percezione sensoriale del mondo intorno a noi, fornendoci informazioni altrimenti non acquisibili, attraverso l’uso di dispositivi elettronici che integrano sensori o attuatori di varia natura. Lo sviluppo, negli ultimi anni, della tecnologia MEMS ha spinto ulteriormente la diffusione di questo genere di applicazioni, soprattutto di dispositivi wearable, grazie alla loro alta miniaturizzazione, ai bassi consumi di potenza e alla possibilità di integrarli su silicio. In questo filone si inseriscono i dispositivi che integrano i microattuatori MEMS, chiamati microspecchi, di STMicroelectronics, utilizzati in sistemi di Laser Beam Scanning. Questi sistemi, come facilmente intuibile dal nome, combinano la tecnologia laser con quella degli specchi mems: gli specchi, infatti, vengono utilizzati al fine di riflettere i fasci laser come desiderato. Nel caso di fasci nel range del visibile questi generano delle immagini, ad esempio su occhialini o caschi per la realtà aumentata. Qualora, invece, la luce utilizzata sia infrarossa può essere utilizzata per lo sviluppo di sistemi lidar ovvero particolare sistemi radar che utilizzano appunto fasci laser. Questa tesi si prefigge l’obiettivo di studiare e realizzare un innovativo sistema di attuazione e sensing degli specchi MEMS PZT con l’obiettivo di indagare la possibilità di utilizzare sensori diversi dagli attuali ponti piezoresistivi, valutarne le prestazioni ed eventuali benefici derivanti dalla riduzione di occupazione di area e complessità di fabbricazione. Inizialmente verranno descritti gli attuali micromirrors, il loro modello e le attuali modalità di utilizzo.Successivamente verranno presentate le soluzioni proposte come modifica ed eventuali criticità evidenziate dalle simulazioni eseguite. Infine si descriverà l’effettiva implementazione circuitale di una di queste soluzioni, analizzandone i risultati sperimentali su specchi reali. Il lavoro è stato svolto nel gruppo di Application della divisione microattuatori di STMicroelectronics che si occupa di microspecchi.