Electrostatic and piezoelectric MEMS scanner development for laser displays

Abstract

Lazer tabanlı ekranlar son 50 yıldır geliştirilmektedir ancak lazer kaynaklarının ve tarayıcıların çok yer kaplaması ve yüksek maliyeti nedeniyle ticari uygulanabilirliği sınırlı kalmıştır. Mikro Elektromekanik Sistem (MEMS) teknolojisi ile üretilen mikro tarayıcılar ve doğrudan kontrol edilebilen lazer diyotların gelişimi ile küçük ve verimli lazer tabanlı ekranlar üretilmeye başladı. Mikro tarayıcılar ve kontrol edilebilen lazer diyotların birlikteliği ile lazer yazıcılar, barkot okuyucular ve giyilebilir mikro-görüntüleme sistemleri gibi ticari uygulamalar geliştirilmiştir.Bu teknolojiyle üretilen mikro görüntüleme sistemlerinde ekrandaki görüntü doğru renkte ayarlanmış ışık demetini iki eksende dönen bir ayna yardımıyla piksel piksel tarayarak oluşur. Bu çalışmanın amacı, lazer tabanlı mikro görüntüleme uygulamaları için iki eksende kullanılacak yeni MEMS tarayıcılar geliştirmektir.İki aynalı görüntü motorunun yavaş tarama ekseninde çalışan aynası için, tarak tahrikli dönen bir yapı, modellenip, üretilmiş ve 60 Hz frekansında doğrusal tarama sağlamak için kullanılabileceği ortaya konmuştur. Bu tarayıcıyla birlikte, tarak tahrikli düzlemsel dönen MEMS yapılarda kullanılmak üzere doğrusal hareket sağlayan yeni bir süspansiyon tasarımı geliştirilmiştir. Yeni süspansiyon tasarımı 7 derece mekanik dönme açısına kadar % 98'in üzerinde doğrusal hareket imkânı sunmaktadır.Hızlı tarama ekseni için ise ince film PZT ile çalıştırılan yüksek frekanslı tınlaşım mikro-tarayıcı geliştirilmiştir. 1.4 mm genişliğinde aynası olan bu tarayıcı 40 kHz mekanik tınlaşım frekansında 24 V sinüs ile sürüldüğünde toplam 38.5 derece optik tarama açısı sağlamaktadır. Bu performansıyla güncel kaynakçadaki eşlenikleriyle kıyaslandığında dünyada liderdir ve mikro görüntüleme sistemleri ile 1080p çözünürlüğe ulaşma yolunda önemli bir adımdır.

Laser based displays have been under development over the last 50 years but commercial viability of the technology was limited mainly due to the large size and high cost of laser sources and scanners. The quest for miniaturization and higher efficiency is realized with the development of directly modulatable laser diodes and scanning mirrors based on micro electro mechanical systems (MEMS) technology. Integration of scanners and laser diodes offers a powerful combination for micro-display and imaging applications such as laser printers, barcode readers, and wearable micro-display systems.A displayed image is formed pixel by pixel using a mirror producing angular motion that scans a modulated light beam on a screen. The purpose of this thesis is to develop new MEMS two dimensional raster scanners for laser display applications.For the slow axis of the two-mirror display engine, an electrostatically actuated rotary scanner is conceived and developed to provide a linear ramp scan at 60 Hz. A novel spring design is proposed for linear in-plane rotary MEMS scanner. It offers over 98% linear motion up to 7 deg. mechanical rotation with the novel suspension design.For the fast axis, piezoelectric actuation that requires much lower voltages than electrostatic actuation is used to develop a high frequency resonant torsional MEMS scanner. Sinusoidal actuation with 24 V at a mechanical resonance frequency of 40 kHz provides a total optical scan angle of 38.5 deg. for the 1.4 mm wide mirror. It exceeds the performance specifications cited in the current literature and becomes a significant step towards achieving Full HD (1080p) resolution with mobile laser projectors.