谐振式压电MEMS微镜：兼具宽扫描角和大镜面，助力车载激光雷达应用
2026-07-04 16:50:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

基于MEMS微镜的扫描仪在生物医学成像、光开关、投影显示以及激光雷达（LiDAR）系统等多种激光束扫描应用中发挥着关键作用。凭借微型化及兼容半导体批量制造的优势，MEMS微镜被视为激光雷达和投影显示系统的理想解决方案。在自动驾驶领域，宽扫描角与大镜面尺寸是实现宽视场角（FOV）与远距离探测的核心条件。具体而言，车载激光雷达要求光学扫描角超过120°，并且镜面尺寸大于1 mm，以满足性能要求。然而，在MEMS微镜设计中，扫描角与镜面尺寸这两项关键参数往往存在固有的权衡关系；此外，结构件中的最大应力阈值也通常限制了扫描角的提升。

据麦姆斯咨询报道，针对上述挑战，台湾国立清华大学的研究团队提出一种集成多种应力释放设计的谐振式压电MEMS微镜。该设计采用可输出扭矩的翼形驱动器，使振动能量集中于扭转弹簧和镜面区域，从而提升扫描角；此外，通过优化扭转弹簧和支撑弹簧的关键结构，实现了应力的均匀分布与有效降低，使MEMS微镜能够在较大扫描角下稳定工作，满足车载激光雷达应用对宽角度扫描的需求。相关研究成果以“Wide Scan Angle and Large Aperture (180 Degrees/2.5 MM) Resonant Piezoelectric MEMS Mirror”为题，在Transducers 2025国际会议上发表。

这项研究提出的MEMS微镜芯片尺寸为6.6 mm × 6.2 mm，反射镜面直径为2.5 mm，包含翼形驱动器、扭转弹簧、支撑弹簧及反射镜面。该设计具备三大优势：（1）翼形驱动器：作为转矩发生器，驱动扭转弹簧和镜面；（2）扭转弹簧：在扫描过程中承受最大应力，同时有助于将能量集中于扭转弹簧和镜面区域；（3）支撑弹簧锚点：通过设计局部去除铌酸钾钠（KNN）压电薄膜的悬浮式支撑弹簧，降低大角度扫描过程中的结构应力，提高器件可靠性。该MEMS微镜采用直径为150 mm的绝缘体上硅（SOI）衬底制造，器件层厚度为15 μm，通过反应离子刻蚀（RIE）、深反应离子刻蚀（DRIE）等标准MEMS工艺制备而成。

图1 压电MEMS微镜的结构设计

图2 压电MEMS微镜的简化工艺流程

图3 压电MEMS微镜的制备结果

实测频率响应结果表明，当MEMS微镜以2.8 kHz的频率工作时，可在屏幕上形成扫描线；在25 V驱动电压下，无需真空环境即可实现180°的光学扫描角。该结果表明，所设计的扭转弹簧能够有效承受大扫描角工作状态下的机械应力。此外，研究人员还对扫描角进行了测试，结果显示，在4 V ~ 20 V驱动电压范围内，器件的扫描角频率响应呈现一定非线性特征。随着驱动电压升高，谐振频率会发生上移，这主要与镜面惯性引起的扭转弹簧弯曲及轴向拉伸有关。另一方面，扫描角与驱动电压近似成正比，表明该设计能够实现线性的转矩输出。

图4 采用激光多普勒测振仪测得的频率响应

图5 MEMS微镜实现180°光学扫描角时的激光扫描图样

综上所述，这项研究通过对MEMS微镜的结构进行优化设计，成功开发出一种兼具宽扫描角（180°）和大镜面尺寸（2.5 mm）特征的谐振式压电MEMS微镜。所设计的翼形驱动器能够施加近似纯扭矩，使振动能量集中于扭转弹簧和镜面区域；扭转弹簧采用圆角设计，有助于改善应力分布均匀性；支撑弹簧则通过局部去除压电材料的应力释放设计，提高了MEMS微镜在大扫描角工作状态下的可靠性。该器件整体性能可充分满足车载激光雷达对MEMS激光束扫描技术的应用要求。

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