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我國科學家打造衛(wèi)星激光通信 MEMS 快反鏡,封裝后僅 1 元硬幣大小

2025年7月1日 10:51  IT之家  作 者:浩渺

6 月 30 日消息,據(jù)“中科院之聲”公眾號,在衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中,光束控制精度決定了通信質(zhì)量。如果把衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)視作遨游太空的“數(shù)字生命體”,那么控制激光的快速反射鏡(以下簡稱快反鏡)就是維持它運轉(zhuǎn)的“精密心臟”。這顆“硅基心臟”精準調(diào)節(jié)激光束,可以確保星間通信的“生命信號”不中斷。

近日,中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功研制了一款集成角度傳感器的高性能 MEMS 快反鏡。它的鏡面尺寸大、封裝體積小,集成了高靈敏度角度傳感器,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(tài)形變,可以實現(xiàn)更精確的激光光束閉環(huán)控制,在激光衛(wèi)星通信方面具有巨大的應用潛力。如圖,封裝后的 MEMS 快反鏡僅 1 元硬幣大小。

▲ 封裝后的 MEMS 快反鏡

IT之家從官方介紹獲悉,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(zhì)量等一系列極限性能指標。

研究團隊直面兩大技術(shù)瓶頸:傳統(tǒng)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、帶寬低、無集成角度傳感器。為此,研究團隊在近五年間打造出航天級的高精度、高可靠 MEMS 快反鏡。

研究團隊采用雙層異構(gòu)集成技術(shù),如同給器件裝上“復合骨骼”,實現(xiàn) MEMS 快反鏡更高的填充因子和諧振頻率。

同時采用晶圓級鍵合工藝,實現(xiàn)快反鏡的高均一制備,器件具備高線性度、超高角度分辨率、快速階躍響應以及高重復定位精度。

值得一提的是,該 MEMS 快反鏡具備 μrad(微弧度)量級的指向精度,最小能分辨 0.3μrad 的角度變化,相當于能分辨出 1000 公里外物體 0.3 米的位置變化。

▲ MEMS 快反鏡性能表征結(jié)果

團隊從按壓手機屏幕中獲得靈感,利用硅壓阻應變原理,在 MEMS 快反鏡上集成了片上角度傳感器。通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計,引入力學定向結(jié)構(gòu)形成應力集中區(qū)域(SCR),將角度傳感器靈敏度從 3.3mV/(V・mrad) 提升至 5.4mV/(V・mrad),增幅達 63%,顯著優(yōu)化了光束控制的精確性。

這種設(shè)計就好像普通人忽然獲得了超人的聽力,能夠發(fā)現(xiàn)那些以前被忽視的細節(jié),清晰地聽到遠處細微的聲音。

▲ 壓阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

為了保證太空激光通信信號“毫發(fā)無損”,研究團隊進行了理論計算、有限元仿真以及實驗測試,首次針對 10 毫米大口徑鏡面動態(tài)變形開展“全維度體檢”。

結(jié)果表明,在準靜態(tài)驅(qū)動(500Hz@±2mrad),也就是 500Hz(赫茲)的頻率下,MEMS 快反鏡的角度精度能夠達到 ±2mrad(毫弧度),最大動態(tài)表面形變僅 2 納米。

這就相當于在足球場大小的鏡面上,所有起伏不超過一根頭發(fā)絲的直徑,滿足遠距離衛(wèi)星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。

▲ 鏡面動態(tài)形變的表征

此次開發(fā)的 MEMS 快反鏡優(yōu)勢顯著,在航空航天領(lǐng)域具有重要的應用前景。未來,研究團隊將繼續(xù)針對鏡面尺寸、閉環(huán)控制以及器件可靠性進行優(yōu)化研究。

編 輯:章芳
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