CMOS集成双轴MEMS扫描镜：采用闭环控制实现长期稳定的高性能
2026-07-12 09:51:56   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS扫描镜是激光束扫描应用中的核心组件，已广泛应用于生物医学成像、投影显示以及激光雷达（LiDAR）。这些系统依赖精确且可重复的光束操控来生成高质量的光学图像和图案。为实现精准扫描，在长期运行过程中，即使在温度变化、机械应力或器件老化的情况下，仍需保持镜面角度的稳定，这一点至关重要。

闭环控制对MEMS扫描镜至关重要，可以确保其在运行过程中实现精确且稳定的角度定位。在开环系统中，扫描角仅取决于驱动电压，而该电压对制造差异、温度漂移和机械老化极为敏感，这些因素会导致扫描角随时间发生偏差。通过集成实时反馈，闭环控制可持续监测镜面角度，并补偿干扰，从而保持性能的稳定。这可实现精确的光束控制、长期稳定性和可重复操作，对于要求高精度和可靠性的应用至关重要。

据麦姆斯咨询报道，台湾国立清华大学开发了一种单片集成、电磁驱动的双轴MEMS扫描镜，具备闭环角度控制功能。与以往设计相比，该器件在长期扫描角稳定性方面实现了数量级的提升。通过将双轴角度传感与闭环反馈相结合，所提出的MEMS扫描镜实现了优异的角度稳定性。这一进步为投影显示及其它需要严格角度控制的精密光学系统提供了高度稳定的运行能力。相关研究成果以“CMOS-Integrated Biaxial MEMS Scanning Mirror with Closed-Loop Control for Stable Long-Term Precision”为题，发表于IEEE MEMS 2026国际会议。

在这项研究工作中，所开发的MEMS扫描镜采用0.35 μm双多晶硅四金属（2P4M）CMOS工艺制造。通过利用该CMOS工艺，电磁线圈和压敏电阻分别由金属层和N型阱实现，同时也便于实现信号布线及串扰屏蔽。下图展示了MEMS扫描镜设计的三维视图。它采用万向节结构，以实现双轴扫描的解耦运动。外框内包含金属线圈，该金属线圈承载用于双轴扫描的叠加驱动信号。

电磁驱动MEMS扫描镜示意图

闭环操作能够快速并显著降低扫描角的长期漂移。下图为谐振频率下扫描角振幅闭环控制系统的示意图。压阻传感器信号的幅度和相位通过正交解调获得。通过使用解调相位，锁相环（PLL）电路用于补偿环路相位并实现振荡。

扫描频率和振幅闭环控制MEMS扫描镜的示意图

MEMS扫描镜的照片

MEMS扫描镜的谐振模式通过片上CMOS读出电路（ROIC）进行表征，慢轴扭转模式出现在1.79 kHz（Q=304），快轴反相摆动模式出现在31.39 kHz（Q=1902）。为了测量旋转角度，使用函数发生器将双轴谐振频率的正弦电流信号施加到线圈（电阻=300 Ω）上。测量结果表明，在2.5 mAₚₚ和30 mAₚₚ条件下，慢轴和快轴分别实现了18°和20°的双轴光学角度。N型阱压敏电阻表现出0.3 mV/deg（慢轴）和4 mV/deg（快轴）的增强灵敏度，优于前期研究中报道的多晶硅压敏电阻。

测得的双轴光学角度与驱动电流的关系

采用UHFLI 600 MHz锁相放大器实现了闭环频率与角度控制。闭环角度控制下角分辨率的提升通过传感器信号的测量艾伦方差（Allan deviations）得到验证，较无角度控制的情况显著提高。慢轴和快轴的测量最小值分别为2.5 × 10⁻⁸ V和2 × 10⁻⁸ V，对应最小可检测角度分别为0.3 μdeg和0.8 μdeg。在持续300 s的长期运行中，闭环控制实现了数量级的性能提升，如下图所示。

在持续300 s的长期运行中，闭环控制实现了数量级的性能提升

综上，研究人员开发了一种单片集成、电磁驱动的双轴MEMS扫描镜，具备闭环角度控制功能。通过集成N型阱压阻式角度传感器，并结合正交解调、基于锁相环的频率锁定和基于比例积分（PI）的幅度调节，该系统有效稳定了扫描轴的运动。闭环配置使慢轴和快轴的漂移速率分别达到-2.4 × 10⁻⁷ deg/s和2.5 × 10⁻⁷ deg/s，相比传统的开环MEMS扫描镜，其长期角度稳定性提升了多个数量级。结果表明，这种闭环控制的电磁驱动MEMS扫描镜可作为投影显示与光学系统中各种应用的有前景的组件，能够提供稳定且精确的扫描振幅与频率。

论文信息：10.1109/MEMS64181.2026.11419468

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