微型掃描鏡是一種專為精確光束轉向而設計的光學元件，通常采用微機電系統（MEMS）技術制造。MEMS掃描鏡具有體積小、掃描頻率高和成本較低等優勢，適用于微型投影儀、3D傳感與成像、醫療儀器和物聯網（IoT）等應用領域。例如，采用MEMS掃描鏡的激光雷達（LiDAR）系統，與電機驅動的系統相比，可實現更高的掃描頻率、更優的能效和更小的尺寸。
據麥姆斯咨詢報道，臺灣國立清華大學的研究人員設計并實現了一種壓電MEMS掃描鏡，旨在降低光束轉向應用中的非線性和應力。該研究的創新之處在于采用帶有傳動彈簧的混合驅動器替代雙端固定驅動器。因此，由雙端固定驅動器引起的壓電薄膜非線性與應力得以降低。此外，由于采用混合驅動器，掃描角度得以增大。相關研究成果以“Hybrid Actuators with Transmission-Spring for Piezoelectric Mems Scanning Mirror”為題，發表于IEEE MEMS 2025國際會議。
在這項工作中，為解決應力和非線性問題，研究人員提出了一種混合驅動器（彎曲驅動器與扭轉驅動器），采用下圖中的傳動彈簧設計來驅動反射鏡。除扭轉驅動器外，彎曲驅動器還通過傳動彈簧與三角形板（位于扭轉驅動器上）對反射鏡產生扭矩，其中三角形板作為力矩臂。該設計增強了扭轉驅動器支撐端的靈活性，使其能夠實現平面外及旋轉運動，從而減少支撐處壓電薄膜周圍的應力集中。仿真結果表明，在等效機械掃描條件下，壓電薄膜的最大應力降至427 MPa，相比參考設計（1.61 GPa的最大應力）有顯著改善。對模態圖的分析進一步表明，所提出的混合設計通過引入傳動彈簧，能夠在扭轉驅動器的端部實現平面外位移，從而提高了系統的靈活性并降低了非線性。
壓電MEMS掃描鏡的示意圖
壓電MEMS掃描鏡應力分布有限元（FEM）分析
參考設計和所提出的設計在SOI晶圓上用KNN壓電薄膜制造。在微加工制造工藝完成后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對參考器件和所提出的器件進行了檢測。在混合驅動器設計的放大圖中，突出了彎曲驅動器、傳動彈簧和扭轉驅動器。
壓電MEMS掃描鏡微加工工藝
制造獲得的壓電MEMS掃描鏡
為了研究MEMS掃描鏡的動態行為，采用激光多普勒振動儀（LDV）測量其諧振頻率。結果表明，參考設計的偏轉模態諧振頻率測得為29.9 kHz，與仿真結果的偏差為2.4%。在所提出的設計中，同相偏轉模態諧振頻率為25.7 kHz。傳動彈簧的引入提高了靈活性，降低了非線性；然而，由于驅動器的剛度降低，導致了諧振頻率下降。
通過LDV測量的參考設計和所提出設計的頻率響應
光學測量證實，所提出設計的線性度得到改善，掃描角度增加了44.6%。此外，光束掃描模式表明，所提出的設計在整個頻率掃描過程中保持穩定的線性掃描，而參考設計則表現出明顯的非線性和不可預測的行為。
光束掃描實驗
總而言之，本研究介紹了壓電MEMS掃描鏡的設計、制造和表征，旨在解決傳統設計中的非線性和應力問題。研究人員提出了一種帶有傳動彈簧的混合驅動器配置，其為驅動器結構引入了額外的靈活性，以減輕非線性。通過仿真應力分析表明，壓電薄膜上的最大應力從參考設計的1.61 GPa降低至所提出設計的427 MPa，顯著提升了可靠性。盡管該設計使諧振頻率降低了14%，但仍實現了更高的可靠性、更大的掃描角度以及更好的線性度，使其適用于高精度光束偏轉應用。
論文信息：
DOI: 10.1109/MEMS61431.2025.10917568
