压电MEMS谐振式扫描镜，用于广角高频扫描
2025-10-25 11:30:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

扫描微镜在激光束控制领域有着广泛的应用，包括激光雷达（LiDAR）、微型投影仪、混合现实（MR）头戴式设备和增强现实（AR）眼镜等。基于微机电系统（MEMS）技术的微镜因其小型化、高精度及与批量制造工艺兼容的特点，在激光雷达和投影系统中尤具吸引力。现有的压电MEMS微镜设计通常由压电驱动器驱动，通过传动弹簧传递激励或由惯性力诱发激励。因此，扭簧在扫描过程中会受到横向和轴向载荷，这可能导致在大扫描角度下的非线性响应。此外，设计兼具高工作频率与大扫描角度的MEMS扫描镜通常是一项具有挑战性的任务。

据麦姆斯咨询报道，台湾国立清华大学的研究人员设计并实现了一种用于高分辨率激光束扫描显示的压电MEMS扫描镜，兼具大扫描角度与高频特性。在这种设计中，微镜由镜板（直径1.2 mm）、扭簧、两对翼形驱动器和支撑梁组成。翼形驱动器作为纯扭矩发生器驱动扭簧与镜板，并且具备良好的线性度（因为没有轴向/横向载荷），同时将能量限制在扭簧与镜板处，以实现大扫描角度（在扫描模式下）。通过改变支撑梁的宽度，不仅可以抑制模态耦合，还能降低扫描过程中梁上的最大应力。相关研究成果以“On the design of a KNN piezoelectric MEMS resonant scanner for wide-angle and high-frequency scanning”为题发表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

在这项工作中，所设计的压电MEMS扫描镜包含镜板、扭簧、两对翼形驱动器和支撑梁。该扫描镜通过两个关键设计实现了宽扫描角度和高工作频率。首先，翼形压电驱动器被设计为在扭簧上施加纯扭矩来驱动扫描镜。在这种驱动条件下（即纯扭矩施加在扭簧上），扫描过程中不会对扭簧施加横向或轴向载荷，可以有效地防止在大角度扫描期间由扭簧的刚度变化（变硬或变软）引起的非线性响应。其次，镜板、扭簧、支撑梁和翼形驱动器被设计成在更高的扫描模式下呈现“能量局部化”现象。在这种模式下，能量主要集中在镜板和扭簧上，从而在较高的工作频率下实现大的扫描角度。

压电MEMS扫描镜的设计理念

这项研究提出了一种扭簧设计，通过同时增大弹簧的宽度和长度，在保持扭转刚度不变的前提下降低了最大剪切应力。除了扭簧，支撑梁的应力分布是另一个重要的设计考虑因素。通过改变支撑梁的宽度，可避免非期望模态的耦合，并降低支撑梁所承受的最大应力。

压电MEMS扫描镜的有限元仿真结果

该压电MEMS微镜采用150 mm（6英寸）SOI晶圆制造而成，器件层厚度为50 μm。制造工艺如下图所示。无铅铌酸钾钠（KNN）压电材料用作驱动膜。值得注意的是，无铅KNN薄膜表现出高压电性能，已成为常用的PZT（Pb(Zr, Ti)O₃）材料的环保替代品。扫描电子显微镜（SEM）照片显示，所制造的压电MEMS微镜芯片包含镜板、扭簧和驱动器。

压电MEMS微镜的制造工艺

压电MEMS微镜的SEM显微照片

测试结果表明，该压电MEMS扫描镜在37.7 kHz的谐振频率和20 V的单极驱动电压下具有70°的光学扫描角（±17.5°的机械扫描角）。值得注意的是，该扫描镜无需真空环境即可实现上述扫描角度。总之，与现有的MEMS扫描镜相比，本文提出的扫描镜在谐振频率驱动下的优值系数（FOM）具有竞争优势，可满足1080 P分辨率的要求。

a）光学扫描角度随不同电压变化的实验结果，以及（b）所提出的设计与各种已发表的MEMS谐振式扫描镜的性能比较。

总而言之，研究人员开发了一种采用创新翼形驱动器设计的压电MEMS谐振式扫描镜，实现了大光学扫描角和高频驱动下的稳定性能。基于KNN压电薄膜的广角高频MEMS微镜的实现，标志着光学扫描技术的进步。所提出的翼形驱动器产生纯扭矩，有效抑制了通常由扭簧弯曲引起的非线性响应。通过使设计在特定谐振模态下工作，实现了能量在扭簧与镜面区域的局域化，从而显著放大扫描角度。扭簧的有限元应力分析为设计其长度和宽度以适应更大的扫描角度提供了指导。有限元仿真还表明，扭簧的边界经受更高的应力水平，这可能导致Si-KNN或Si-金属复合层发生分层。这一现象已通过实验得到证实。此外，通过调整支撑梁的宽度，能有效抑制与非期望振动模态的耦合，并降低其承受的最大应力。该压电MEMS扫描镜在37.7kHz驱动频率与20 V电压下，在大气环境中实现了70°光学扫描角，并且优值系数具有竞争力。该性能同时满足高清分辨率的频率要求。该研究成果证实了压电MEMS扫描镜在激光束扫描应用中的可行性，并为该领域的后续发展奠定了坚实基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116586

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