全硅多点二维光束扫描MEMS微镜：MEMS-DOE架构同时实现激光分束和操控
2026-05-10 08:59:52   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS微镜已成为激光雷达（LiDAR）等小型化光学扫描系统的关键组件。这类系统基于动态测距技术（通过探测激光束并测量其从物体反射的飞行时间），已广泛应用于从自动化到大气测量等多个领域。市场对自动驾驶汽车的需求不断增长，推动了激光雷达系统的小型化，以获取车辆周围三维空间的高密度、高分辨率信息。典型的激光雷达系统采用庞大的电动扫描机构来操控探测激光束的方向。而基于MEMS微镜的扫描装置凭借体积小、扫描速度快、成本低和功耗低等优势，提供了一种可行的替代方案。

最简单的MEMS扫描系统由一个二维MEMS微镜和一个单光束光源组成。然而，用于自动驾驶场景的激光雷达系统需要大视场（FoV）和高帧率，这对单点静电式二维扫描MEMS微镜提出了极具挑战性的要求。为满足这些要求，业界研究了多点转向系统，但现有技术方案在多激光器对准和校准、热漂移以及额外组件方面增加了系统的复杂性。将MEMS扫描器与衍射光学元件（DOE）结合为实现大视场和高分辨率激光雷达提供了潜力，但现有架构均依赖于多个组件，这意味着组件之间需要精确对准，进而导致封装过程复杂。

据麦姆斯咨询介绍，葡萄牙伊比利亚国际纳米技术实验室（NIL）等机构的联合研究团队提出将衍射结构直接集成到MEMS扫描器的微镜上，进而构建了一种紧凑型、高性价比且高性能的新型激光雷达系统，该系统仅需一个激光源和一个集成的MEMS-DOE器件即可运行。相关研究成果已经以“All-Silicon Multispot 2-D Beam Steering MEMS Mirror”为题发表于近期的IEEE Sensors Journal。

论文摘要图

该研究基于单光束光源和MEMS结构构建了一种多点系统，可同时实现光束转向与分束功能。该系统将MEMS扫描器与DOE直接集成，实现了86°x 13°的视场以及20 Hz的帧率。

多点MEMS分束与扫描系统示意图

基于万向节架构的静电二维MEMS微镜示意图，包含（a）非对称电极和（b）交错电极

该静电驱动MEMS微镜采用万向节结构，其镜面集成了反射式浮雕型Dammann光栅（目标波长1550 nm），能够将入射光束分裂为5束均匀分布的光束，从而在相同垂直机械偏转条件下，将探测视场提升至原来的5倍。垂直方向非对称电极用于驱动内轴（对应水平视场）在谐振状态下工作，而外轴（对应垂直视场）则通过交错式驱动器优化，实现准静态扫描。

用作反射式分束器的Dammann光栅示意图及几何细节

该器件采用50 μm厚绝缘体上硅（SOI）晶圆，通过多层级、自对准、无切割工艺制造而成。实验结果表明，衍射光斑的角分离度达到2.57°，光束均匀性为68%。

本文所提出的多点二维MEMS微镜在综合解析模型、有限元（FEM）仿真结果以及微加工工艺约束的基础上设计完成。下图给出了该MEMS器件布局的顶部与底部视图。MEMS结构经过优化，其衍射反射表面尺寸为1.1 x 1.1 mm²。

所提出的MEMS器件设计顶/俯视图，以及带有相应布线的截面示意图。（a）外轴可动电极；（b）DOE反射面；（c）电极焊盘；（d）内轴非对称电极；（e）MEMS腔体；（f）减薄框架；（g）外轴固定电极；（h）MEMS框架。

固定的内轴垂直非对称电极板与可动电极板交替排列（每组电极对由不同高度的固定电极与可动电极组成），形成两组梳齿状结构。这种设计能够在较小器件面积内实现较高电容，从而简化器件布局与制造工艺。此外，这些电极还被划分为两组，以支持未来闭环工作模式中的同步检测与驱动功能。

内层结构由微镜表面与电极组成，并与一个减薄的支撑框架相连接。该框架通过外轴扭转弹簧悬挂支撑。扭转弹簧被设计为沿扭转轴两侧等距分布的双梁结构，不仅实现了可动结构的机械锚定，还承担了内轴与外轴驱动及检测过程中不同电压电位的电气布线功能。

该减薄支撑框架作为器件层中不同电气通路的机械连接结构，在实现机械耦合的同时保持电气隔离，并允许MEMS结构实现自由的面外运动。背面交错式电极的电连接则通过器件层中开设的接入窗口实现，从而能够对器件的支撑层进行引线键合。

微镜表面、扭转弹簧以及驱动与检测电极均设计于SOI器件层中。而在背面支撑层中，仅对微镜空腔、内轴减薄框架以及背面电极进行了图形化加工。为了满足Dammann光栅所需的反射特性，在微镜表面镀覆了一层500 nm厚的铝合金（AlSiCu）薄膜，以提高其在近红外激光目标波长下的反射率。

MEMS器件主要工艺步骤

所制备的MEMS器件SEM图像

所制备的MEMS器件分束特性表征

在标称工作条件下，所提出的多点二维光束扫描系统可实现N × Nₗᵢₙₑₛ=1200水平扫描线，并在20 Hz帧率下覆盖13°的垂直视场。作为对比，若采用不带DOE的单光束扫描MEMS微镜，仅可实现240水平扫描线；同时，其垂直视场受限于微镜的最大机械偏转角。在初步测试中，提高驱动电压可使垂直扫描视场扩展3°以上，但当电压超过80 V时，会因拉入效应或电弧击穿导致器件损坏。

总体而言，该研究展示了一种兼具光束转向与分束功能的MEMS微镜，可同步扩大视场范围、提升扫描线分辨率，为下一代多点激光雷达系统的集成应用提供了新思路。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11400666

延伸阅读：

《光学MEMS器件对比分析-2026版》

《光学MEMS产业现状-2026版》

《激光雷达（LiDAR）技术及市场-2024版》

《汽车雷达技术及市场-2025版》

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