【摘 要】
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MEMS（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）二维扫描微镜是新一代三维成像激光雷达的核心部件,具有分辨率高、成像速率快、体积小、价格低、对人眼安全的优势。实际应用中,电磁式MEMS扫描微镜受温度影响较大,机械属性和受力状态发生改变。此外,高温和低温会引入施加电压和倾斜角之间的高度非线性关系,这可能导致成像应用的失真,光开关的大损耗等问题。因此研究温度对MEMS
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MEMS（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）二维扫描微镜是新一代三维成像激光雷达的核心部件,具有分辨率高、成像速率快、体积小、价格低、对人眼安全的优势。实际应用中,电磁式MEMS扫描微镜受温度影响较大,机械属性和受力状态发生改变。此外,高温和低温会引入施加电压和倾斜角之间的高度非线性关系,这可能导致成像应用的失真,光开关的大损耗等问题。因此研究温度对MEMS二维扫描微镜的影响及补偿具有非常重要的意义,为其在激光雷达等器件上的应用提供技术支撑。本文针对电磁式MEMS二维扫描微镜的驱动与控制方法开展研究,在研究电磁式MEMS二维扫描微镜机理的基础上,对电磁式MEMS二维扫描微镜进行了结构分析和制备工艺研究,并建立了等效谐振器动力学模型。在此基础上对电磁式MEMS二维扫描微镜测控电路进行了详细分析设计,重点对闭环锁相驱动电路进行了设计,采用自激闭环驱动电路和锁相环电路分别从幅度控制和相位控制两方面对电磁式MEMS二维扫描微镜进行驱动控制。为解决输出随温度变化的问题,开展了基于Ring-Down方法的检测电路研究,设计了基于Ring-Down方法的Q值检测电路,实现了全温条件下对MEMS二维扫描微镜输出的温度补偿。在此基础上,完成了基于Ring-Down方法的MEMS二维扫描微镜驱动与控制电路的设计与性能测试。测试得到,当驱动电压为0.2V时,MEMS二维扫描微镜快轴的光学转角达到42.48°,慢轴的光学转角可达11.80°。在-20℃至40℃温度范围内,通过基于Ring-Down方法的补偿,MEMS二维扫描微镜的幅值温度系数TCA从-0.209%/℃提升至-0.072%/℃,验证了闭环锁相驱动电路实现稳幅输出的功能及Ring-Down电路实现温度补偿的可行性。
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