中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感器技術全國重點實驗室制備的MEMS快反鏡鏡面尺寸大，封裝體積小，并具備良好的線性度、角分辨率、響應速度、重復定位精度和鏡面動態形變，同時集成了高靈敏度角度傳感器，能夠實現更精確的激光光束閉環控制，在激光衛星通信方面具有巨大的應用潛力。近日，相關成果以“A high-performance 10 mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links”為題發表于微系統技術領域一區學術期刊《Microsystems & Nanoengineering》，論文的第一作者為博士研究生薛文立，通信作者為武震宇研究員和王櫟皓助理研究員。 
快反鏡在衛星激光通信中承擔著光束的指向、捕獲和跟蹤等重要作用。為了滿足激光星間鏈路對高精度光束控制的需求，快反鏡需要具備高指向精度、高工作帶寬和高光學質量等一系列極限性能指標。針對傳統機械快反鏡體積大、功耗高、存在遲滯，以及原有MEMS快反鏡鏡面小(3-6 mm)、帶寬低(<1 kHz)、無集成角度傳感器等問題，研究團隊在近五年間設計并開發了一系列適用于航空航天苛刻需求的高精度、高可靠MEMS快速反射鏡。
本工作中，研究團隊為解決現有產品鏡面尺寸小、動態帶寬不足等問題，開發了一種10 mm大口徑壓電驅動MEMS快反鏡(圖1)。該設計采用雙層異構集成技術以實現更高的填充因子和諧振頻率。采用晶圓級鍵合工藝實現快反鏡的高均一制備，器件具備高線性度(99.95%)、超高角度分辨率(0.3 μrad)、快速階躍響應(0.41 ms)以及高重復定位精度(圖2)。
圖1 封裝后的MEMS快反鏡
圖2 MEMS快反鏡測試結果：a雙軸轉角線性度；b角分辨率；c二維掃描重復定位精度；d雙軸階躍響應
另外，該MEMS快反鏡集成了硅壓阻應變原理的片上角度傳感器，在結構設計方面，創新性地引入力學定向結構形成應力集中區域(SCR)，將角度傳感器靈敏度從3.3 mV/(V·mrad)提升至5.4 mV/(V·mrad)，增幅達63%，顯著優化了光束控制的精確性。
圖3壓阻角度傳感器的結構設計圖：a壓阻傳感器原理與硅晶體取向；b顯微鏡下SCR結構圖像；c驅動電壓為90 VDC時壓阻位置正向應力比較
在性能表征方面，首次針對10 mm大口徑鏡面動態變形進行表征(圖4)，結合理論計算、有限元仿真和實驗測試，證明在準靜態驅動(500 Hz@±2 mrad)下最大動態表面形變僅2 nm，滿足遠距離衛星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。
圖4 鏡面動態形變的表征
綜上所述，本研究開發的一種高性能的10 mm大口徑壓電MEMS 快反鏡滿足激光星間鏈路對高精度、快速響應與穩定性的需求，為衛星通信終端提供小型化高性能解決方案。與傳統機械快反鏡及現有商用MEMS快反鏡相比，該器件優勢顯著，在航空航天領域具有重要的應用前景。未來，研究團隊將繼續針對鏡面尺寸、閉環控制以及器件可靠性進行優化研究。
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