Investigation on nonlinear dynamics of a piezoelectric biresonant micromirror

Micromirrors are optical MEMS adopted in a variety of applications for Laser Beam Scanning, such as AR/VR headsets and LiDAR. Micromirrors can project the reflected light beams in two patterns depending on the geometry and design of the device; the scan- ning techniques are named raster scanning and Lissajous scanning. The latter projection scheme has gained importance in recent years because it combines good image quality and reduced die size. Projection shape and pattern are affected by parameters that can be varied during operations, such as the frequency of the driving force. In order to maintain adequate control during operations, nonidealities and nonlinearities must be well assessed. The source of this nonlinearity can be attributed to geometrical effects and material, and the consequence is the increase in complexity of dynamics. This constitutes a challenge for Reduced Order Models (ROMs) that are used to decrease computational cost of the analysis. In this work, the dynamics of a biresonant piezoelectric micromirror displaying large rotation is studied. The MEMS’ dynamics is investigated by comparing the experimental frequency response functions over the entire actuation range with the simulation. To adequately build a ROM able to simulate the device’s response, modes that contribute to the motion must be correctly identified. Vibrometric analyses are therefore done to collect displacement data in time. The data are then subjected to post-processing to identify spurious modes. Determination of relative phase differences between points on the mirror while in motion and calculation of Fast Fourier Transforms allow to assess what modes contribute to the overall dynamics of the system.

I microspecchi sono MEMS di tipo ottico utilizzati in una pletora di applicazioni per scansioni a raggio laser, come visori per realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR). I microspecchi possono proiettare i raggi luminosi riflessi in due schemi a seconda della geometria e del design; le tecniche con cui lo schema è ottenuto sono chiamati raster scanning e Lissajous scanning. La seconda tecnica di proiezione citata ha acquisito importanza negli ultimi anni poichè combina buona qualità di immagine e dimensioni del chip di alloggiamento. La forma dello schema proiettato dipende da parametri che pos- sono essere variati durante le operazioni, come le frequenze delle forzanti di attuazione. Per mantenere sufficiente controllo durante il funzionamento, non-idealità e nonlinearità devono essere valutate correttamente. L’origine di tali nonlinearità può essere attribuita ad effetti di natura geometrica e del materiale, e la conseguenza è l’incremento della complessità della dinamica. Questo pone una sfida per i sistemi di ordine ridotto (ROM) che sono utilizzati per diminuire il costo di computazione. In questo lavoro viene investigata la dinamica nonlineare di uno specchio birisonante attuato piezoelettricamente che mostra elevate rotazioni. La dinamica del MEMS viene studiata tramite il confronto di Funzioni in risposta di frequenza sull’intero intervallo di attuazione con le simulazioni derivanti dall’applicazione del ROM. Per costruire un ROM adeguato e che sia in grado di simulare la risposta del dispositivo, è necessario identificare correttamente i modi che partecipano al moto. Vengono quindi condotte analisi delle vibrazioni per raccogliere dati sullo spostamento nel tempo. I dati vengono sottoposti a post produzione per identificare i modi spuri. La determinazione dello sfasamento relativo tra punti sullo specchio durante il movimento e il calcolo di Trasformate di Fourier veloci permettono di determinare quali modi contribuiscano alla dinamica complessiva del sistema.