清华大学提出MEMS扫描镜抗疲劳性能与寿命优化新方法
2026-05-23 11:28:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，激光雷达（LiDAR）发展迅速，已成为自动驾驶汽车、自主机器人、智能监控以及智慧城市基础设施等应用中的关键技术。激光雷达核心部件之一是微机电系统（MEMS）扫描镜——一种能够精确操控激光束偏转的光学执行器，其性能决定了系统的角分辨率、扫描效率以及空间覆盖范围。

据麦姆斯咨询报道，为了解决MEMS扫描镜中因疲劳引起的性能退化问题，近日，清华大学精密仪器系研究团队提出了一种耦合参数分布的结构优化框架，用于提升MEMS扫描镜的抗疲劳能力并延长其使用寿命。通过同时优化控制点的数量、分布以及局部宽度，可使最大应力范围幅值（SRA）降低44.5%，并使角度蠕变速率下降36.2%。在50 °C加速老化条件下，器件寿命由266.0 h提升至超过690.7 h；推算至室温环境，其寿命可达到6658.3 h至9780.3 h。

该研究的关键创新包括：（1）参数分布优化策略，以最小化扭转梁中的最大SRA，同时保持光学性能不变；（2）确保鲁棒收敛的控制点分布策略；（3）用于生成平滑且适合实际制造的结构几何形貌的三次样条插值方法。该优化框架能够在所探索的设计空间内确定局部最优结构配置，为延长MEMS扫描镜的寿命以及管理MEMS执行器疲劳问题提供了一种通用的技术路径。上述研究成果以“Optimizing fatigue resistance and lifetime of MEMS scanning mirrors with a novel coupled parameter distribution structural framework”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本研究提出的优化方案融合了结构优化与有限元仿真，以系统性降低应力累积并延长器件疲劳寿命。为便于阐释核心理念及整体工作流程，首先对该方法进行了图示化总结（图1）。如图1a所示，该优化流程首先引入一种宽度调制策略，旨在降低最大应力范围幅值（MSRA），并使其在扭转梁上的分布更加均匀。图1b通过有限元仿真验证了这一效果，结果表明优化后最大应力范围幅值降低了44.5%。图1c展示了沿扭转梁的宽度分布（上部）曲线与SRA分布曲线（下部）。这种双图联合展示方式定量揭示了几何结构调制对内部SRA分布的影响机制。最后，图1d给出了关键实验结果，显示角度蠕变速率降低了36.2%，同时疲劳寿命提升至原来的2.59倍。

图1 用于提升MEMS扫描镜寿命的耦合参数分布优化框架、SRA分析以及实验验证的图示化总结

耦合参数分布优化框架

图2展示了耦合参数分布优化框架的示意图。该优化框架由以下四个步骤组成：（1）基于初始SRA仿真确定控制点的数量及空间分布，以确定结构控制变量的分辨率和布置方式；（2）生成n+1个初始宽度分布，作为Nelder–Mead优化算法的初始单纯形，并通过三次样条插值构建平滑的宽度分布曲线；（3）通过SRA驱动的搜索与迭代优化持续更新宽度分布，直至收敛；（4）输出优化后的宽度分布曲线及最小化后的最大应力范围幅值。

图2 耦合参数分布优化框架示意图

实验验证

为验证本研究所提出结构优化框架的有效性，研究人员对采用两种不同扭转梁设计的MEMS扫描镜开展了一系列疲劳与寿命测试。这些测试旨在定量评估其在抗疲劳性能与使用寿命方面的提升效果，具体指标包括蠕变速率与断裂时间。

MEMS扫描镜设计

MEMS扫描镜采用双轴扭转梁结构，以实现高精度光学扫描。如图3a所示，该系统包括扫描镜、驱动线圈、驱动磁体、角度传感器以及保护性封装。主要实验样品采用了宽度调制扭转梁设计，旨在实现SRA的重新分布并增强抗疲劳性能；而等宽矩形扭转梁则在后续实验中作为对照组。图3b、3c展示了左右两侧宽度调制扭转梁的扫描电子显微镜（SEM）图像，突出了优化设计所引入的几何结构调制特征。图3d给出了MEMS扫描镜的爆炸示意图。外部封装提供物理防护与环境密封，从而保证电磁驱动的可靠性以及实时角度检测的高精度。

图3 MEMS扫描镜设计的结构总览

图4展示了MEMS扫描镜的光学配置。扫描镜面下方沿水平方向呈弧形布置了5个反射镜（R₁–R₅），每个反射镜对应一路自扫描镜面下方垂直入射的激光通道。该配置实现了对5路不同输入光束的角度复用，并将系统的水平视场（FOV）扩展至120°。

图4 MEMS扫描镜的光学配置

图5展示了用于评估MEMS扫描镜长期耐久性的加速寿命测试平台。在相同测试条件下，对两类器件进行了失效前测试：其中，快轴以其谐振频率驱动，以施加高周疲劳载荷；同时，慢轴以10 Hz运行，以模拟典型工作状态下的驱动条件。

图5 在受控热条件下用于MEMS扫描镜寿命测试的实验装置

抗疲劳性能测试与结果

图6a展示了MEMS扫描镜在72 h测试周期内的角度蠕变行为。图6b给出了两种设计的重复性测试结果，显示不同独立样品之间的总角度蠕变具有良好一致性。这些结果表明，该器件具有较好的角度稳定性以及对疲劳诱导变形的抵抗能力。

图6 采用宽度调制扭转梁（蓝色）和等宽扭转梁（绿色）的MEMS扫描镜的慢轴角度随时间的蠕变行为

寿命测试与结果

图7a、7b展示了在整个测试期间，MEMS扫描镜快轴与慢轴光学扫描角随时间的变化过程。与图中所示的代表性波形一致，宽度调制扭转梁在相同测试条件下实现了688 h的寿命，而等宽扭转梁则在248 h后发生失效。为保证统计可靠性，每种设计方案均测试了3个样品（n = 3）。优化结构的寿命分别为660 h、688 h和724 h（平均值 ± 标准差：690.7 ± 32.1 h）；而原始等宽结构的寿命分别为248 h、267 h和283 h（平均值 ± 标准差：266.0 ± 17.5 h）。基于上述平均结果，所提出的宽度调制设计相较于基准设计实现了2.59倍的疲劳寿命提升，表明寿命增强效果具有统计学上的鲁棒性，而非仅由个别样品差异造成。

图7 50 °C加速老化条件下MEMS扫描镜的疲劳诱导性能变化

结论

综上所述，这项研究提出了一种综合性结构优化框架，旨在提升MEMS扫描镜的抗疲劳性能并延长其使用寿命。所提出的耦合参数分布优化框架能够同时调节扭转梁上控制点的数量、空间分布以及局部宽度。仿真结果表明，最大应力范围幅值由247 MPa降低至137 MPa，降幅达44.5%。实验结果显示，平均角度蠕变速率由1.41°/72 h降低至0.90°/72 h，下降了36.2%。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01279-0

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