用于可穿戴激光雷达的MEMS微镜
2026-06-28 15:12:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

轻量化、低能耗的激光雷达（LiDAR）系统的开发，对于将其集成到可穿戴设备中至关重要。此类系统需在紧凑性与功能性之间取得平衡，以实现持续运行且不产生过高能耗。可穿戴激光雷达系统开辟了广阔的应用前景，尤其适用于需要精确实时空间感知的场景。例如，可穿戴激光雷达系统能为视障人士提供导航辅助、障碍物检测以及增强空间定位能力。除了导航，可穿戴激光雷达系统在增强现实（AR）体验、医疗保健监测以及紧凑动态环境下的环境测绘中亦发挥着关键作用。

在各类扫描式激光雷达中，MEMS微镜已成为一项关键创新技术。这类准固态器件兼具固态系统与机械系统的优势，能够以高精度引导光束，同时保持结构紧凑、低功耗及成本效益。MEMS微镜尤其适用于可穿戴激光雷达系统，因为在这类系统中，重量与能效至关重要。

据麦姆斯咨询报道，斯洛伐克科希策技术大学在Studia i Materiały Informatyki Stosowanej期刊上发表了题为“MEMS MIRRORS FOR WEARABLE LIDAR”的文章。文中探讨了用于可穿戴激光雷达系统的MEMS微镜的选择与性能表征，强调了能效、紧凑性和性能。工作于谐振频率下的MEMS微镜因其能耗需求极低且稳定性高而被选用，尽管其存在视场角（FoV）固定、谐振频率限制等局限性。通过分析谐振频率、视场角和微镜面板尺寸等关键参数，旨在识别出能够在紧凑外形尺寸内实现最大视场角和扫描速度的微镜。此外，文中还评估了多种MEMS微镜，包括静电驱动和电磁驱动机制，重点介绍了其工作原理、扫描角度、谐振频率及设计权衡。

1D MEMS微镜

文中介绍的首款MEMS微镜引自文献“High-Q MEMS Resonators for Laser Beam Scanning Displays”。该器件代表了一种高性能扫描机制，适用于投影显示和激光雷达系统等多种应用。其工作原理基于静电驱动，采用堆叠式垂直梳齿驱动结构实现精确的扭摆振荡。梳齿电极间产生的静电力可实现高效稳定的运动，尤其是当该器件以其谐振频率驱动时。梳齿驱动设计对于MEMS器件特别有利，因为它能够在低能耗下提供较大的驱动力。

用于激光束扫描显示的MEMS微镜

该MEMS微镜具有高达30.8 kHz的高谐振频率，非常适合高速扫描应用。在此频率下工作可实现快速光束偏转，这对于要求高帧率和快速数据采集的激光雷达系统至关重要。该器件实现了高达86°的光学扫描角，确保了宽视场角，适用于大范围空间信息的采集。高谐振频率与宽视场角的结合，使该MEMS微镜成为需要快速、精准空间测绘的动态环境的理想选择。

第二种展示的MEMS微镜是一种平面高频扫描镜，基于交错扭转静电梳状驱动（STEC）机制，旨在实现具有大角度偏转的高速光学扫描。该MEMS微镜通过在由薄二氧化硅层隔开的两层单晶硅之间施加静电电压来工作。移动梳齿和固定梳齿之间产生的静电扭矩，使MEMS微镜的镜面发生倾斜，从而实现静态定位和共振扫描。连接到底部硅层的扭转铰链提供了其振荡运动所需的恢复力。

具有两个STEC微镜的扫描电镜图

该MEMS微镜的光学扫描角度为24.9°，工作在34 kHz的高谐振频率下，非常适合需要快速扫描的应用。凭借这种性能，该MEMS微镜能够实现350像素的总光学分辨率，接近655 nm光的衍射极限分辨率。高扫描速度和高精度使这种设计特别适合紧凑型高性能激光雷达系统。

2D MEMS微镜

文献“An electrostatically driven 2D micro-scanning mirror with capacitive sensing for projection display”中介绍的MEMS微镜是一种双轴微型扫描器，专为激光束扫描应用而设计，特别是在投影显示器中。该MEMS微镜通过静电驱动工作，使用梳状驱动电极来产生其振荡运动所需的扭矩。该器件还集成了电容式传感，允许使用共用电极同时实现MEMS微镜的位置监测与驱动，从而最大限度地降低设计的复杂性。

具有万向节微结构的双轴MEMS微镜

垂直轴和水平轴的测量谐振频率分别为1.4 kHz和21.9 kHz，光学扫描角度分别为22.5°和40°。这种高速运行特性，结合4.3 mm × 4.3 mm × 70 μm的紧凑尺寸，使该MEMS微镜适合集成到紧凑的光学系统中。

文献“Two-Axis Electromagnetic Microscanner for High Resolution Displays”中描述的MEMS微镜是一种专为高分辨率显示系统（包括视网膜扫描显示器）设计的双轴扫描器件。它采用电磁驱动方式工作，其中集成到微镜中的载流线圈与外部磁场相互作用，产生洛伦兹力。这些力引起围绕两个正交轴的扭转运动，从而实现精确的二维扫描。

电磁驱动MEMS微镜

尽管依赖磁场，这种MEMS微镜在速度、分辨率和视场方面仍表现出优异性能。其紧凑的设计和可靠的制造工艺使其成为需要精确、动态光束扫描的先进显示和成像应用的理想选择。

总结

对用于可穿戴激光雷达系统的MEMS微镜的探索已经证明它们在结合紧凑性、能效和精确光学扫描方面的巨大潜力。这些MEMS微镜，特别是那些在在谐振频率下工作的微镜，提供了性能和低能耗的最佳平衡，使其成为可穿戴应用的理想选择。然而，诸如有限的视场角和对环境因素的敏感性等挑战需要进一步改进。

从所分析的驱动机制来看，静电和电磁驱动方法都具有明显的优势，可以根据具体的应用要求加以利用。静电驱动MEMS微镜在能效和紧凑性方面表现出色，而电磁驱动MEMS微镜则提供了更强的鲁棒性，使其成为动态环境中可穿戴激光雷达的可行候选者。驱动机制的选择应根据可穿戴设备的具体要求来指导，例如抗振性、视场角和功率限制。

未来的研究应着重提升两种驱动方式在可穿戴应用中的适应性，特别是在现实环境条件下的稳定性方面。材料、设计以及集成反馈系统的进步将进一步改善性能，确保即使在充满挑战的环境中也能可靠运行。此外，探索这些机制的优化组合或新型方法，有望推动可穿戴激光雷达技术的突破，从而实现更灵活高效的设备。

论文链接：https://doi.org/10.34767/SIMIS.2025.01.06

延伸阅读：

《光学MEMS产业现状-2026版》

《光学MEMS器件对比分析-2026版》

《汽车激光雷达专利全景分析-2025版》

《激光雷达（LiDAR）技术及市场-2024版》