面向压电MEMS扫描镜的混合驱动器，解决应力和非线性问题
2026-07-18 14:44:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微型扫描镜是一种专为精确光束转向而设计的光学元件，通常采用微机电系统（MEMS）技术制造。MEMS扫描镜具有体积小、扫描频率高和成本较低等优势，适用于微型投影仪、3D传感与成像、医疗仪器和物联网（IoT）等应用领域。例如，采用MEMS扫描镜的激光雷达（LiDAR）系统，与电机驱动的系统相比，可实现更高的扫描频率、更优的能效和更小的尺寸。

据麦姆斯咨询报道，台湾国立清华大学的研究人员设计并实现了一种压电MEMS扫描镜，旨在降低光束转向应用中的非线性和应力。该研究的创新之处在于采用带有传动弹簧的混合驱动器替代双端固定驱动器。因此，由双端固定驱动器引起的压电薄膜非线性与应力得以降低。此外，由于采用混合驱动器，扫描角度得以增大。相关研究成果以“Hybrid Actuators with Transmission-Spring for Piezoelectric Mems Scanning Mirror”为题，发表于IEEE MEMS 2025国际会议。

在这项工作中，为解决应力和非线性问题，研究人员提出了一种混合驱动器（弯曲驱动器与扭转驱动器），采用下图中的传动弹簧设计来驱动反射镜。除扭转驱动器外，弯曲驱动器还通过传动弹簧与三角形板（位于扭转驱动器上）对反射镜产生扭矩，其中三角形板作为力矩臂。该设计增强了扭转驱动器支撑端的灵活性，使其能够实现平面外及旋转运动，从而减少支撑处压电薄膜周围的应力集中。仿真结果表明，在等效机械扫描条件下，压电薄膜的最大应力降至427 MPa，相比参考设计（1.61 GPa的最大应力）有显著改善。对模态图的分析进一步表明，所提出的混合设计通过引入传动弹簧，能够在扭转驱动器的端部实现平面外位移，从而提高了系统的灵活性并降低了非线性。

压电MEMS扫描镜的示意图

压电MEMS扫描镜应力分布有限元（FEM）分析

参考设计和所提出的设计在SOI晶圆上用KNN压电薄膜制造。在微加工制造工艺完成后，使用扫描电子显微镜（SEM）对参考器件和所提出的器件进行了检测。在混合驱动器设计的放大图中，突出了弯曲驱动器、传动弹簧和扭转驱动器。

压电MEMS扫描镜微加工工艺

制造获得的压电MEMS扫描镜

为了研究MEMS扫描镜的动态行为，采用激光多普勒振动仪（LDV）测量其谐振频率。结果表明，参考设计的偏转模态谐振频率测得为29.9 kHz，与仿真结果的偏差为2.4%。在所提出的设计中，同相偏转模态谐振频率为25.7 kHz。传动弹簧的引入提高了灵活性，降低了非线性；然而，由于驱动器的刚度降低，导致了谐振频率下降。

通过LDV测量的参考设计和所提出设计的频率响应

光学测量证实，所提出设计的线性度得到改善，扫描角度增加了44.6%。此外，光束扫描模式表明，所提出的设计在整个频率扫描过程中保持稳定的线性扫描，而参考设计则表现出明显的非线性和不可预测的行为。

光束扫描实验

总而言之，本研究介绍了压电MEMS扫描镜的设计、制造和表征，旨在解决传统设计中的非线性和应力问题。研究人员提出了一种带有传动弹簧的混合驱动器配置，其为驱动器结构引入了额外的灵活性，以减轻非线性。通过仿真应力分析表明，压电薄膜上的最大应力从参考设计的1.61 GPa降低至所提出设计的427 MPa，显著提升了可靠性。尽管该设计使谐振频率降低了14%，但仍实现了更高的可靠性、更大的扫描角度以及更好的线性度，使其适用于高精度光束偏转应用。

论文信息：DOI: 10.1109/MEMS61431.2025.10917568

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