上海微系统所卫星激光通信用高精度MEMS快反镜取得进展

　　中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室制备的MEMS快反镜镜面尺寸大，封装体积小，并具备良好的线性度、角分辨率、响应速度、重复定位精度和镜面动态形变，同时集成了高灵敏度角度传感器，能够实现更精确的激光光束闭环控制，在激光卫星通信方面具有巨大的应用潜力。近日，相关成果以“A high-performance 10 mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links”为题发表于微系统技术领域一区学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》，论文的第一作者为博士研究生薛文立，通信作者为武震宇研究员和王栎皓助理研究员。
 

　　快反镜在卫星激光通信中承担着光束的指向、捕获和跟踪等重要作用。为了满足激光星间链路对高精度光束控制的需求，快反镜需要具备高指向精度、高工作带宽和高光学质量等一系列极限性能指标。针对传统机械快反镜体积大、功耗高、存在迟滞，以及原有MEMS快反镜镜面小(3-6 mm)、带宽低(<1 kHz)、无集成角度传感器等问题，研究团队在近五年间设计并开发了一系列适用于航空航天苛刻需求的高精度、高可靠MEMS快速反射镜。
 

　　本工作中，研究团队为解决现有产品镜面尺寸小、动态带宽不足等问题，开发了一种10 mm大口径压电驱动MEMS快反镜(图1)。该设计采用双层异构集成技术以实现更高的填充因子和谐振频率。采用晶圆级键合工艺实现快反镜的高均一制备，器件具备高线性度(99.95%)、超高角度分辨率(0.3 μrad)、快速阶跃响应(0.41 ms)以及高重复定位精度(图2)。
 

图1 封装后的MEMS快反镜
 

　　图2 MEMS快反镜测试结果：a双轴转角线性度；b角分辨率；c二维扫描重复定位精度；d双轴阶跃响应

 

　　另外，该MEMS快反镜集成了硅压阻应变原理的片上角度传感器，在结构设计方面，创新性地引入力学定向结构形成应力集中区域(SCR)，将角度传感器灵敏度从3.3 mV/(V·mrad)提升至5.4 mV/(V·mrad)，增幅达63%，显著优化了光束控制的精确性。
 

　　图3压阻角度传感器的结构设计图：a压阻传感器原理与硅晶体取向；b显微镜下SCR结构图像；c驱动电压为90 VDC时压阻位置正向应力比较

 

　　在性能表征方面，首次针对10 mm大口径镜面动态变形进行表征(图4)，结合理论计算、有限元仿真和实验测试，证明在准静态驱动(500 Hz@±2 mrad)下最大动态表面形变仅2 nm，满足远距离卫星激光通信对镜面面型的严苛要求。
 

图4 镜面动态形变的表征
 

　　综上所述，本研究开发的一种高性能的10 mm大口径压电MEMS 快反镜满足激光星间链路对高精度、快速响应与稳定性的需求，为卫星通信终端提供小型化高性能解决方案。与传统机械快反镜及现有商用MEMS快反镜相比，该器件优势显著，在航空航天领域具有重要的应用前景。未来，研究团队将继续针对镜面尺寸、闭环控制以及器件可靠性进行优化研究。