2D PZT MEMS Resonant Scanner Using a Three-Mask Process
作者: Mehrdad Khodapanahandeh, Parviz Zolfaghari, Hakan Urey
分类: eess.SY
发布日期: 2025-05-30
备注: The first two listed authors contributed equally. Parviz Zolfaghari and Hakan Urey are the corresponding authors
💡 一句话要点
提出一种新型2D PZT MEMS扫描镜以提升激光扫描性能
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: MEMS扫描镜 PZT驱动 激光扫描 三掩模工艺 高分辨率成像
📋 核心要点
- 现有的MEMS扫描镜在复杂性和性能之间存在权衡，难以实现高效的激光扫描。
- 本研究提出了一种基于三掩模工艺的机械耦合双轴架构，简化了制造过程并提升了性能。
- 实验结果显示，该设备在垂直和水平方向上分别实现了4.8°和11.5°的扫描角，质量因子高达1050，性能优越。
📝 摘要（中文）
本研究展示了一种新颖的紧凑型二维（2D）谐振MEMS扫描镜的设计、仿真、制造与表征，该镜由薄膜铅锆钛酸盐（PZT）驱动。该设备采用创新的机械耦合双轴架构，通过在SOI-PZT沉积晶圆上使用三掩模工艺制造，显著降低了系统复杂性，同时实现了高性能。扫描镜集成了一个1×1.4 mm的椭圆镜，整体尺寸为7×4.7 mm，PZT薄膜元件优化为在3.6 kHz（垂直）和54.2 kHz（水平）下以12 V$_{ ext{p-p}}$的周期脉冲驱动进行谐振操作。该系统在垂直和水平方向上实现了4.8°和11.5°的光学扫描角，质量因子分别为750（垂直）和1050（水平），这些数值为2D PZT-MEMS扫描仪中较高的扫描带宽效率产品。有限元分析确认了镜面应力和变形最小，实验验证与仿真结果高度一致。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决现有MEMS扫描镜在复杂性与性能之间的权衡问题，现有方法往往难以同时满足高效激光扫描的需求。
核心思路：论文提出了一种新型的机械耦合双轴架构，利用三掩模工艺制造，旨在简化设计并提高谐振性能。
技术框架：整体架构包括PZT薄膜元件的设计、扫描镜的几何结构优化以及驱动电路的集成，确保系统的高效能和稳定性。
关键创新：该研究的核心创新在于采用三掩模工艺制造双轴扫描镜，显著降低了制造复杂性，同时实现了高质量因子和扫描效率。
关键设计：关键参数包括优化的PZT薄膜厚度和驱动频率，确保在3.6 kHz和54.2 kHz的谐振操作下，镜面应力和变形最小化。
📊 实验亮点
实验结果表明，该MEMS扫描镜在垂直和水平方向上的光学扫描角分别为4.8°和11.5°，质量因子达到750和1050，扫描带宽效率产品分别为24.2 deg·mm·kHz和623 deg·mm·kHz，显示出优越的性能表现。
🎯 应用场景
该研究的成果在光学相干断层扫描（OCT）、激光雷达（LiDAR）和显示技术等领域具有广泛的应用潜力。高分辨率的激光扫描能力将推动这些技术的发展，提升成像质量和测量精度，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
This work presents the design, simulation, fabrication, and characterization of a novel architectural compact two-dimensional (2D) resonant MEMS scanning mirror actuated by thin-film lead zirconate titanate (PZT). The device employs an innovative mechanically coupled dual-axis architecture fabricated using a three-mask process on an SOI-PZT deposited wafer, significantly reducing system complexity while achieving high performance. The scanner integrates a 1 $\times$ 1.4 mm oval mirror within a 7 $\times$ 4.7 mm die, actuated by PZT thin-film elements optimized for resonant operation at 3.6 kHz (vertical) and 54.2 kHz (horizontal) under 12 V$_{\mathrm{p-p}}$ periodic pulse driving. The system achieves optical scan angles of 4.8$^\circ$ and 11.5$^\circ$ in vertical and horizontal directions, respectively, with quality factors of 750 (vertical) and 1050 (horizontal). These values contribute to high scanning bandwidth-efficiency products of 24.2 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz (vertical) and 623 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz (horizontal), among the higher values reported for 2D PZT-MEMS scanners. Finite element analysis confirmed minimal stress and mirror deformation, and experimental validation demonstrated excellent agreement with simulation results. This architecture demonstrates the feasibility of high-resolution laser scanning, as required in applications such as OCT, LiDAR, and displays, by achieving performance levels in line with those used in such systems.