准静态压电MEMS微镜扫描角优化方案：多环形驱动器与交叉电极布局
2026-07-05 16:36:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS微镜可应用于各类基于激光束扫描（LBS）的系统，例如激光雷达（LiDAR）、微型投影仪以及增强现实（AR）眼镜。MEMS微镜凭借其微型化与批量制造的优势，成为实现激光雷达和投影系统的有力候选方案。通常，宽视场角（FOV）和高刷新率是显示应用的关键指标，因此，准静态MEMS微镜设计更倾向于采用大镜面尺寸与宽扫描角度。然而，大孔径与宽扫描角之间的权衡是设计中的一大难题。此外，由于缺乏能够放大扫描角的谐振效应，准静态MEMS微镜在实现宽角度扫描方面具有挑战。

据麦姆斯咨询报道，台湾国立清华大学的研究人员开发了一种新型准静态压电MEMS微镜，其具有多环形驱动器，旨在通过多个扫描角度累积来实现角度优化。所提出的设计方案具有三大优势:（1）多环形驱动器（扭矩发生器）：可累积外环、中环、内环驱动器的扫描角度；（2）驱动电极布置：增强角度累积以提高总扫描角度；（3）大反射镜面尺寸（3 mm × 2 mm）：增强LBS图像投影质量。因此，实现了准静态驱动下的宽扫描角度。相关研究成果以“Scan-Angle Enhancement of Quasi-Static Piezoelectric Mems Mirror by Multiple Ring-Shaped Design and Cross-Electrode Arrangement”为题，发表于IEEE MEMS 2025国际会议。

在这项研究工作中，所开发的压电MEMS微镜（芯片尺寸：7 mm × 5.3 mm，反射镜面尺寸：3 mm × 2 mm）具有集成多环驱动器、枢轴连接、扭转弹簧、支撑弹簧以及椭圆形镜面的设计。驱动器以多环结构排列，由外环、中环和内环驱动器组成。这些环状结构通过锚点或连接件（作为枢轴）进行连接/固定，使每个驱动器都能独立作为扭矩发生器工作。此外，所提出的MEMS微镜采用下图中的电气布线设计，以提升环形驱动器的驱动性能。独特的交叉侧电气布线布局可实现环状结构更优的偏转配置，确保驱动器高效运行。

准静态压电MEMS微镜设计概念

准静态压电MEMS微镜工艺流程简图

下图进一步展示了在准静态驱动过程中实现的扫描角度的叠加。角度θ₁和θ₃分别由外部和内部驱动器产生，而θ₂则由中间驱动器贡献。值得注意的是，角度累积取决于每个驱动器的曲率。为了减少残余应力对反射区域的影响，PZT压电薄膜层被从反射镜面的中心移除。这种设计减少了可能影响扫描性能的应力效应。

采用本文所提出的电气布线设计驱动时，反射镜面和驱动器的偏转示意图

对于本文所提出的多环形驱动器，在准静态驱动过程中，其电气布线布置比参考布置的扫描角度提升了70%以上。这一显著提升表明了环形驱动器和优化布线布置的有效性，使其成为宽视场角扫描准静态应用的一种极具吸引力的解决方案。

测量结果表明，在60/120 Hz的准静态驱动和80 V单极驱动电压下，该MEMS微镜的光学扫描角为18度（机械扫描角为±4.5度）。与现有的准静态MEMS微镜相比，所提出的设计在优值因子（FOM）方面具有竞争力。

准静态压电MEMS微镜的测量结果

总而言之，研究人员开发了一种广角、大孔径的准静态压电MEMS微镜。所提出的新型多环驱动器可以持续叠加反射镜面的角位移。此外，所提出的电气布线设计能够实现驱动器更好的偏转配置，尤其是中间驱动器，其在准静态驱动下呈现相反的曲率。仿真结果进一步验证了设计的有效性。由所提出的电气布线布置实现的偏转轮廓与预期性能高度吻合，使得准静态驱动下的扫描角增大70%以上。该MEMS微镜在80 V下以60/120 Hz驱动时显示出具有竞争力的FOM，其光学扫描角可达18度，反射镜面尺寸为3 mm × 2 mm。

论文信息：DOI: 10.1109/MEMS61431.2025.10917521

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