全新机械耦合串联MEMS微镜，破解微镜开闭速度失衡难题
2026-07-18 13:56:37   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS微镜在光通信、激光雷达（LiDAR）、投影显示、增强现实（AR）以及光学成像等领域获得了广泛应用。MEMS微镜的功能与驱动机制息息相关。目前，驱动微镜的常用技术主要有四种：电磁式、电热式、压电式和静电式。

静电驱动是MEMS微镜最古老且最常用的技术，这是因为其功耗极低、扫描速度快、易于小型化、制造和集成也更为简便。通过固定电极与可移动镜面之间吸引或排斥的静电力，即可实现所需要的微镜偏转角。然而，静电驱动也存在固有缺陷，即由非线性行为引发的吸合现象、运动范围有限、输出力小以及需要高电压。此外，MEMS微镜的重新开启时间始终长于闭合时间，并且，在单个微镜的一维驱动模式下，微镜仅能利用一个表面进行光束偏转。对于部分要求微镜关闭和开启速度完全一致的应用来说，开关时间的差异可能会产生重大影响。

据麦姆斯咨询介绍，近期，德国卡塞尔大学（University of Kassel）的研究团队提出了一种全新的机械耦合串联MEMS微镜（Tandem Micromirror，TMM），两个带有公共锚点的独立微镜通过耦合元件相互连接，从而在驱动过程中能够跟随彼此运动，进而使微镜实现近乎一致的闭合与开启速度。相关研究成果已经以“Mechanically Coupled MEMS Tandem Micromirrors for Bidirectional Electrostatic Actuation”为题发表于Actuators期刊。

图1 串联MEMS微镜结构示意图，图中展示了微镜和耦合元件等主要组件

串联MEMS微镜的概念与设计

静电驱动的串联MEMS微镜由两个相互对置并通过耦合元件连接的独立微镜（典型尺寸为200 µm × 230 µm）组成，分别称为“微镜1”和“微镜2”。这些微镜由铝和铬的多金属层薄膜制成。顶部电极通过锚点连接两个微镜，以便在驱动过程中实现电连接。每个微镜的顶部电极和结构化的对置底部电极，即掺氟氧化锡（FTO）底电极区域，通过二氧化硅（SiO₂）隔离层隔开。当顶部电极与对置底部电极之间未施加电压时，由于铰链和耦合元件处金属薄膜层的固有残余应力，串联MEMS微镜处于自由悬置的打开状态。

当在顶部电极与FTO底电极区域1之间施加电压时，微镜1会在静电吸引力的作用下向基底移动，并通过机械耦合元件拉动微镜2。当微镜1越过吸合点向FTO底电极区域1快速闭合时，微镜2会保持在与基底呈90°角的垂直位置。随后，当在顶部电极与FTO底电极区域2之间施加电压，并撤去FTO底电极区域1的电压时，微镜2会被FTO底电极区域2吸引，耦合元件则将微镜1推至开启位置。与微镜1类似，当微镜2闭合时，微镜1处于与基底呈90°的垂直位置。因此，一个微镜的闭合有助于另一个微镜的重新开启，借助耦合元件即可实现双向串联特性。此外，采用串联MEMS微镜技术可实现较宽的光转向角度，两个微镜均可通过其表面实现光束偏转。

图2 串联MEMS微镜工作原理示意图

串联MEMS微镜的工艺制备

本文所提出的串联MEMS微镜（微镜的长和宽通常为200 µm × 200 µm，耦合元件的长和宽为490 µm × 30 µm）采用标准半导体工艺制造流程制备，包括光刻、沉积、湿法化学刻蚀和干燥等工艺。

图3 掺氟氧化锡（FTO）结构的显微照片

图4 玻璃基底上串联MEMS微镜工艺流程

MEMS微镜的公共锚定区域与顶部电极线对齐，以便在金属沉积过程中实现连接。随后执行进一步的光刻和湿法化学刻蚀工艺，从铰链处部分去除铝，以在金属层中获得足够的本征应力。最后通过光刻和金属刻蚀工艺得到最终的串联MEMS微镜结构。牺牲层通过在80 °C下使用二甲基亚砜（DMSO）的剥离工艺去除，随后采用异丙醇（IPA）蒸汽进行干燥处理，最终借助铰链区域的本征残余应力形成自支撑的平面型串联MEMS微镜。

图5 （a）自支撑平面串联MEMS微镜的SEM显微图，（b）插图，（c）耦合元件的亚结构

串联MEMS微镜的双向运动表征

研究人员将器件封装于氮气环境中，利用多通道波形发生器分别驱动顶部电极和两个FTO底电极，并结合显微镜、高速CMOS相机、光电探测器和示波器，对微镜运动过程进行实时观测和测量。实验结果显示，当施加约80 V驱动电压时，两个微镜均能够实现预期的双向机械联动：驱动其中一个微镜闭合时，另一个微镜能够被机械耦合拉升至接近90°的位置，成功验证了机械耦合双向驱动设计的可行性。

图6 串联MEMS微镜驱动装置的示意图

图7 静电驱动过程中串联MEMS微镜的俯视图显微照片

结论

该研究提出了一种全新的机械耦合串联MEMS微镜架构。借助机械耦合实现了微镜的双向运动，测得的传输时间曲线显示两个微镜的闭合电压一致。经测量，微镜1和微镜2的闭合时间分别为42 ms和52 ms，由于几何差异以及耦合元件带来的潜在阻尼，这一数值远低于预期值，也比单个微镜的闭合时间更短。通过优化几何设计，可进一步提升驱动速度，这种串联MEMS微镜有望应用于车载激光雷达，为汽车安全提供有力支持。

论文链接：https://doi.org/10.3390/act15050278

延伸阅读：

《德州仪器汽车级MEMS数字微镜器件DLP5531产品分析》

《光学MEMS产业现状-2026版》

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