意法半导体：多个MEMS微镜的同步技术及应用
2026-07-05 17:23:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS微镜为实现光束的空间扫描提供了一种极佳的方案，目前已被广泛用于各类场景，例如在显示引擎中对RGB光束进行光栅扫描，以及利用结构光或飞行时间（ToF）技术实现深度相机（3D传感）的红外光束扫描。然而，很多情况下需要部署多个MEMS微镜并使其协同工作，例如为双目头戴式显示（HMD，涵盖AR/VR/MR）实现显示引擎时，需分别向左右眼各生成一幅图像。在这种情况下，必须同步MEMS微镜的运动，以便呈现给用户的图像能够形成均匀且一致的画面。另一个可能的应用场景是扩大视场角，例如在汽车激光雷达（LiDAR）应用中，每个搭载MEMS微镜的扫描引擎将覆盖扫描场景的一部分区域，但整体上可提供更大的扫描视场角。各扫描引擎对相应区域的扫描操作需按顺序进行，并与其他引擎保持同步。

图1 MEMS微镜的典型商业应用图

据麦姆斯咨询报道，意法半导体（STMicroelectronics）的研究团队提出一种可行的多个MEMS微镜同步机制，针对两种主要类型的MEMS微镜：谐振式MEMS微镜和准静态MEMS微镜。研究团队将探讨系统时钟、主从模式、克服抖动和噪声所面临的挑战及注意事项，并通过仿真建模来预测预期结果。此外，他们还展示了该系统实际部署测试结果。相关研究成果以“Multiple MEMS mirrors synchronization techniques, modeling and applications”为题发表于SPIE OPTO会议论文集MOEMS and Miniaturized Systems XX。

谐振驱动模式与准静态驱动模式

MEMS微镜是一种既可在谐振模式下、也可在准静态模式下驱动的谐振结构。尽管这两种模式下的MEMS微镜物理结构相同，但其设计目标各异。在谐振模式下，驱动频率接近MEMS微镜的固有频率；而在准静态模式下，MEMS微镜则以远低于其固有谐振频率的低频进行驱动。一般而言，谐振式MEMS微镜的制造、驱动和控制更为简单。谐振式MEMS微镜可通过简单的数字控制信号和相对简单的脉冲驱动器进行驱动。而准静态MEMS微镜通常需要更复杂的数字驱动信号、数模转换器（DAC）以及模拟驱动器。准静态工作模式的优势在于可采用多种方式驱动MEMS微镜，而不仅仅局限于正弦运动。准静态驱动需要控制环，以抑制MEMS微镜谐振频率的激励并扩展MEMS微镜的带宽。

图2 MEMS微镜的谐振驱动/准静态驱动模式对比图

谐振式MEMS微镜驱动关键点：开环和闭环

传统上，谐振式MEMS微镜的驱动频率接近或等于其谐振频率。谐振式MEMS微镜偏离谐振频率的程度，受限于可施加的最大驱动电压、MEMS微镜所能承受的最大电流以及期望达到的扫描角。MEMS微镜的谐振频率是设计目标之一，由反射镜面的转动惯量和弹簧刚度决定。采用低谐振频率（<5K）设计的MEMS微镜将具有更低的Q值（<200），并且工作带宽更宽。这些MEMS微镜通常设计用于非可见光应用的单轴扫描，例如结构光3D相机、直接ToF闪光式激光雷达。谐振式MEMS微镜可在开环模式下驱动。具有高谐振频率（>20khz）的MEMS微镜往往具有较小的质量（反射镜面较小）且弹簧刚度更高，以便满足目标谐振频率的要求。这些MEMS微镜通常用于实现光栅扫描仪的快轴的可见投影。虽然这些MEMS微镜在恒定的环境条件下表现稳定，但MEMS微镜（主要是弹簧）温度的任何变化都会改变其谐振频率。用于跟踪MEMS微镜谐振频率的控制环可以是简单的锁相控制环（即闭环）。

多个准静态MEMS微镜的同步扫描（现有技术）

在某些情况下，需要驱动两个或多个MEMS微镜在频率和相位上相互同步。在准静态MEMS微镜中，尽管驱动和控制较为复杂，但以同步方式驱动两个MEMS微镜相对简单。相同信号源产生标准化的驱动信号，每个MEMS微镜驱动器会对驱动信号进行适当调整，以实现相同的扫描角，并补偿每个MEMS微镜的驱动非线性。由于直流状态下的相位接近于零，MEMS微镜的相位不是问题。然而，准静态MEMS微镜却并非那么容易控制。

图3 准静态MEMS微镜谐振纹波效果

多个谐振式MEMS微镜的非同步扫描（技术难点）

谐振式MEMS微镜的同步则面临更本质的挑战。由于制造工艺的离散性，即使是同批次采用相同设计的谐振式MEMS微镜，其固有谐振频率也会存在差异。若简单采用同一驱动信号驱动两个MEMS微镜，二者都会偏离自身谐振点，且偏离程度不同，最终表现为摆幅不一致、相位存在固定偏差。更关键的是，谐振频率会随温度变化发生漂移，高Q值器件的相位随频率变化极为陡峭，开环同频驱动下，温漂会导致摆幅与相位持续变化，无法满足高精度应用要求。此前的非同步方案中，通常以其中一个微镜的谐振频率为基准做锁相环控制，保证其摆幅与相位稳定；另一个微镜则开环同频运行，单独做摆幅补偿。这种方案无法保证相位同步，并且相位随温度漂移明显，仅适用于对相位不敏感的场景。如何让多个谐振频率不同的微镜，在宽温范围内保持摆幅一致、相位对齐，是多个谐振式MEMS微镜扫描系统的核心技术瓶颈。

图4 驱动两个谐振式MEMS微镜（其中一个的谐振频率为400 Hz，另一个谐振频率为410 Hz），二者均以相同频率驱动，但振幅和相位不同。

问题解决：双闭环同步架构

针对低Q值谐振式MEMS微镜的多镜同步需求，研究团队提出了“统一驱动频率 + 双独立闭环”的解决方案，从频率选择、摆幅控制、相位匹配三个层面系统解决同步问题。

多个谐振式MEMS微镜的同步扫描（驱动频率折中方案）

目前，研究人员不再将驱动频率设置为其中一个MEMS微镜的谐振频率，而是将其设置为不属于其中任何一个MEMS微镜的谐振频率。如果选择的驱动频率与MEMS微镜的谐振频率相差太大，可能无法产生足够的作用力将MEMS微镜开启到期望的振幅。选择驱动频率在增益曲线的交叉点处，可确保其与任何MEMS微镜的谐振频率都不会相差过大。

图5 为两个谐振式MEMS微镜选择位于幅值曲线交叉点处的驱动频率

恒定扫描角控制环

每个MEMS微镜控制器实现一个控制环，该环可检测反射镜面的振幅，并通过补偿驱动振幅来保持恒定的扫描角。反射镜面振幅检测的实现取决于MEMS微镜所配备的传感器类型。对于采用电容式检测的静电式MEMS微镜，实现起来并不简单，但在电容式检测的关键位置上设置一些恒定的采样点，可以指示振幅的变化。虽然绝对振幅可能未知，但控制环将能够保持恒定的扫描角。在具有薄膜压阻传感器（PZR）的电磁式MEMS微镜和压电式MEMS微镜中，该传感器与反射镜面倾斜角呈线性关系，因此可以从传感器数据中推断出实时的扫描角。因此，实现恒定扫描振幅的控制环是最直接的方法。

相位匹配控制环

另一个需要考虑的因素是两个MEMS微镜的相位匹配。当两个谐振式MEMS微镜具有单一驱动频率时，会导致每个MEMS微镜的扫描相位不同。在这种情况下，必须实现一个额外的控制环。该控制环的实现可再次依赖于MEMS微镜的感应信号，通过识别反射镜面穿过静止位置时的零点交叉点来实现。在实现这两个控制环后，最终得到一个系统架构：在谐振频率跟踪方面，采用开环驱动两个MEMS微镜；但有两个控制环分别补偿每个MEMS微镜的振幅和相位，从而实现两个MEMS微镜的完全同步运动。

总结

综上所述，这项研究展示了一种同步驱动多个低Q值谐振式MEMS微镜的方法。本研究提出的附加控制环，为驱动MEMS微镜提供了良好的扫描视场角和相位同步性。该解决方案使得投影显示和3D传感应用能够突破MEMS微镜的机械限制，通过简单增加MEMS微镜数量来扩展扫描视场角，同时保持视频源流复制或3D点云渲染的架构简洁性。未来的工作可对这些提出的技术进行扩展，以支持需要更高谐振频率、中等Q值谐振式MEMS微镜的应用场景。

延伸阅读：

《光学MEMS产业现状-2026版》

《光学MEMS器件对比分析-2026版》

《德州仪器汽车级MEMS数字微镜器件DLP5531产品分析》

《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》