High-accuracy control of MEMS micromirrors

Microscanners based on the MEMS (Micro-Electromechanical System) technology have experienced an ever increasing demand since the fabrication of the first simple prototype in 1980. The demand for such devices comes from a wide range of different fields: from Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) and picoprojectors systems for the entertainment industry, to systems for imaging, spectroscopy and medical instrumentation, as far as LiDAR applications. The world of picoprojection, in particular, nowadays requires higher and higher resolutions. This thesis discusses the implementation of positioning control systems for micromirrors based on piezoelectric actuation and piezoresistive sensing, which represents the most recent technology adopted in the field. Such technology offers many advantages, while posing new challenges that are analysed and solved in the thesis. The implementation of control systems for both the horizontal and the vertical image scan is discussed: the developed systems demonstrate a control accuracy within the diffraction limited spot-size, frequency stability of the horizontal scan within 1 ppm and linearity of the vertical trace within 1 %, whilst managing undesired resonant mode coupling to the piezoresistive (PZR) position sensor embedded on the device. Concurrently, the discussion also tackles characterization of the lead zirconate titanate (PZT) thin-films used for driving the scanners. The material is characterized both for actuation and sensing, in terms of transduction efficiency, polarization hysteresis and temperature dependence, with the goal of a future transition from a piezoresistive to a piezoelectric approach to sensing of the scanner position.

I microscanner basati sulla tecnologia MEMS (Micro-Electromechanical System) hanno osservato una crescente domanda sin dalla fabbricazione del primo prototipo nel 1980. La domanda di tali dispositivi viene da una vasta gamma di campi applicativi: da realtà aumentata (AR), realtà virtuale (VR) e sistemi di picoproiezione per l’industria dell’intrattenimento, ai sistemi per l’imaging, la spettroscopia e la strumentazione medica, fino alle applicazioni LiDAR. Il mondo della picoproiezione, in particolare, ad oggi richiede risoluzioni sempre maggiori. La tesi discute l’implementazione di sistemi di controllo del posizionamento per microspecchi basati su attuazione piezoelettrica e lettura piezoresistiva, che rappresenta la più recente tecnologia adottata nel campo. Tale tecnologia offre diversi vantaggi, ponendo allo stesso tempo nuove sfide che vengono analizzate e risolte nella tesi. Viene discussa l’implementazione di sistemi di controllo sia per la scansione orizzontale che verticale dell’immagine: i sistemi sviluppati mostrano un’accuratezza del controllo entro la dimensione di macchia da limite di diffrazione, stabilità di frequenza della scansione orizzontale entro 1 ppm e linearità della traccia verticale entro 1 %, gestendo l’accoppiamento di risonanze spurie al sensore piezoresistivo (PZR) integrato sul dispositivo. Allo stesso tempo la discussione affronta la caratterizzazione dei film sottili di piombo-zirconato di titanio (PZT) utilizzati per l’attuazione degli scanner. Il materiale è caratterizzato sia per l’attuazione che per la lettura, in termini di efficienza di trasduzione, isteresi di polarizzazione e dipendenza dalla temperatura, con lo scopo di una futura transizione da un approccio piezoresistivo ad uno piezoelettrico per la lettura della posizione dello specchio.