关于低压一维压电MEMS扫描微镜的设计

《Journal of Microelectromechanical Systems》：On the Design of Low Voltage One-Dimensional Piezoelectric MEMS Scanning Micromirror

微机电系统（MEMS）扫描微镜研究采用铋酸锆钛矿（PZT）薄膜，通过创新设计的C-beam悬臂结构实现驱动电压效率突破。实验对比显示，在相同30°扫描角下，C-beam结构驱动电压从T型梁的70Vpp降至6Vpp，降幅达91.42%；预极化处理（-30V，25min）后，C-beam微镜在24Vpp驱动下可实现87.56°光学扫描角。该成果为微型化低功耗光学器件开发提供了新范式。

　　

摘要：

为了满足推进微型化技术对低压设备的需求，本研究提出了一种创新的压电微机电系统（MEMS）扫描微镜架构，该架构采用了C形梁悬臂结构。本研究使用了具有优异横向压电系数（d31）和介电常数的锆钛酸铅（PZT）薄膜，并创新地设计制造了三种微镜装置（参考设计、T形梁设计和C形梁设计），这些装置保持了相同的驱动面积。实验表明，C形梁结构在驱动电压效率方面表现出色。在相同的扫描角度（30°）条件下，与T形梁设计相比，驱动电压从70 Vpp降低到了6 Vpp，降幅达到了91.42%。此外，在经过预极化处理（-30 V，25分钟）后，C形梁微镜在24 Vpp的驱动电压下能够实现87.56°的光学扫描角度。这一显著改进突显了结构几何形状和预极化处理对MEMS执行器性能的关键作用。[2025-0061]

引言

微机电系统（MEMS）扫描微镜[1]作为核心光学执行器，已广泛应用于激光雷达[2]、[3]、[4]、[5]、二维光栅扫描[6]、[7]、显示器[8]、[9]、[10]、[11]、增强现实（AR）[12]、[13]、[14]以及医学成像[15]、[16]等领域。光学相干断层扫描（OCT）和其他生物医学成像技术，以及微型化激光显示设备，与基于MEMS的微镜系统具有极佳的兼容性。这种协同作用主要归功于MEMS设备的固有优势，包括其紧凑的尺寸、低功耗和高速动态响应能力，这些对于实现快速扫描和高精度光束转向在先进的成像和投影应用中至关重要。OCT作为一种非侵入性干涉成像技术，利用近红外光获取高分辨率的横截面图像[17]，在癌症和肿瘤诊断中对空腔器官的体内成像具有巨大潜力[18]、[19]。MEMS扫描微镜的集成通过实现OCT探头的微型化（毫米级直径）并具备千赫级的高速扫描能力，显著提高了成像采集速率和实时性能[20]。此外，在AR应用中，MEMS扫描微镜与激光束扫描（LBS）系统的结合实现了设备的紧凑性和延长了操作寿命，满足了可穿戴AR系统的关键要求[21]。MEMS扫描微镜的卓越执行器性能得益于迭代设计优化，重点关注三个关键参数：驱动电压[22]、共振频率和扫描角度[23]，这些参数分别对应功耗水平[24]、分辨率和视场（FOV）[25]。