Rotary micro-electro-mechanical scanner for chip-level beam steering application

Gour, Amit (2021). Rotary micro-electro-mechanical scanner for chip-level beam steering application. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Advanced systems, such as optical coherence tomography (OCT), light detection and ranging (LIDAR) and advanced driving assisting systems (ADAS), consist of various modules that are designed to meet stringent specifications. These modules require electronic, mechanical and optical components, which can make the system large, bulky, power hungry and expensive. With the use of micro-and-nano technologies, such modules can be miniaturized without compromising the system performance. Accordingly, the vision of this work is to develop compact and affordable components that can be used in advanced systems by leveraging the benefits of micro-electro-mechanical system (MEMS) technology and batch manufacturing. It can not only enable system miniaturization but also improve system performance in terms of power consumption. Polygon scanners are crucial devices for systems such as OCT and LIDAR that are widely used in biomedical imaging and environment sensing, respectively. Typically, these scanners consist of a metallic polygon mirror mounted on a DC micromotor, providing a range of high-speed operation depending upon the application. Current polygon scanners have a large footprint, consume a large amount of power and are heavy. Moreover, these features of polygon scanners become serious impediments when they are used in resource limited systems, such as LIDAR for navigation systems in drones or unmanned aerial vehicles. Consequently, there is a need for miniaturized polygon scanners that can accomplish similar functionality as conventional polygon scanners but that require less power and occupy a smaller real-estate. This research work is focused on exploiting MEMS technologies in order to realize chip scale versions of rotary polygon scanners through innovation in the integration of MEMS based micro-devices. A miniaturized polygon scanner requires a vertical micromirror mounted on a chip-level high speed rotary platform. Novel techniques to overcome the challenges of polygon scanner miniaturization using MEMS and micro-assembly technologies are presented. A micromotor based on electrostatic actuation was designed and fabricated using the PolyMUMPS process to implement the rotary platform. Various micro-polyhedron of different size for beam deflection were designed and fabricated using the PiezoMUMPS process and a simple integration technique was developed to mount these micro-polyhedrons onto the micromotor. The realized micro-scanner has an overall size of 1 mm3 and consumes power less than 1 milliwatts.

Titre traduit

Scanner micro-électromécanique rotatif sur puce pour le contrôle de faisceau lumineux

Résumé traduit

Plusieurs systèmes avancés, tels que la tomographie par cohérence optique (OCT), la détection et la télémétrie de la lumière (LIDAR) et les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), se composent de divers modules conçus pour répondre à des spécifications strictes. Ces modules comprennent des composants électroniques, mécaniques et optiques, ce qui peut rendre le système volumineux, encombrant, gourmand en énergie et coûteux. Avec l’utilisation de technologies micro et nano, ces modules peuvent être miniaturisés sans compromettre les performances du système. En conséquence, la vision de ce travail est de développer des composants compacts et abordables pouvant être utilisés dans des systèmes avancés en tirant parti des avantages de la technologie des micro-systèmes électromécaniques (MEMS) et de la fabrication par lots. Elle peut non seulement permettre la miniaturisation du système, mais également en améliorer les performances en termes de consommation d’énergie. Les scanners polygonaux sont des dispositifs essentiels pour les systèmes tels que l’OCT et le LIDAR qui sont largement utilisés dans l’imagerie biomédicale et la détection de l’environnement, respectivement. En règle générale, ces scanners se composent d’un miroir polygonal métallique monté sur un moteur à courant continu, offrant une plage de fonctionnement à grande vitesse en fonction de l’application. Les scanners polygonaux actuels ont une grande taille, consomment une grande quantité d’énergie et sont lourds. De plus, ces caractéristiques des scanners polygonaux deviennent de sérieux obstacles lorsqu’ils sont utilisées dans des systèmes aux ressources limitées, tels que le LIDAR pour les systèmes de navigation dans les drones ou les véhicules aériens sans pilote. Par conséquent, il existe un besoin pour des scanners polygonaux miniaturisés qui peuvent accomplir des fonctionnalités similaires à celles des scanners conventionnels mais qui nécessitent moins d’énergie et occupent un espace plus petit. Ce travail de recherche est axé sur l’exploitation des technologies MEMS afin de réaliser des versions à l’échelle de puces de scanners polygonaux rotatifs grâce à l’innovation dans l’intégration de micro-dispositifs basés sur MEMS. Un scanner polygonal miniaturisé nécessite un micromiroir vertical monté sur une plate-forme rotative à haute vitesse au niveau de la puce. De nouvelles techniques pour surmonter les défis de la miniaturisation des scanners polygonaux à l’aide des technologies MEMS et de micro-assemblage sont présentées. Un micromoteur basé sur l’actionnement électrostatique a été conçu et fabriqué en utilisant le procédé PolyMUMPS pour mettre en oeuvre la plate-forme rotative. Divers micro-polyèdres de différentes tailles pour le contrôle du faisceau ont été conçus et fabriqués en utilisant le procédé PiezoMUMPS et une technique d’intégration simple a été développée pour monter ces micro-polyèdres sur le micromoteur. Le micro-scanner réalisé a une taille globale de 1 mm3 et consomme une puissance inférieure à 1 milliwatt.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 155-184).
Mots-clés libres:	scanner polygonal, LIDAR, OCT, micromoteur électrostatique, micro-scanner, micro-polyèdre, micro-assemblage, procédé PolyMUMPS
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Ménard, Michaël
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 janv. 2022 20:40
Dernière modification:	28 janv. 2022 20:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2861

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