大尺寸电磁驱动式MEMS微扫描镜有限元分析

彭旭蕊,李庆党,祝方舟

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

作者简介：彭旭蕊(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为MEMS微镜结构设计，952025750@qq.com.

摘要：针对微扫描镜镜面尺寸过小、分辨率过低等问题，设计了一种镜面尺寸为4 mm的大尺寸电磁驱动式MEMS微扫描镜。使用COMSOL对设计的结构进行仿真模拟，分析MEMS微扫描镜在不同频率下的振动模态和扭转梁应力，并通过频响曲线分析其运动过程。结果表明，所设计的MEMS微扫描镜能够满足VGA显示模式的要求，水平扫描和垂直扫描的最大光学扫描角度分别为24.36°和59.30°。对比结果还表明，随着镜面尺寸的增加，水平扫描频率逐渐减小，屏幕分辨率逐渐降低，显示模式逐渐变差。

关键词：电磁驱动；微扫描镜；水平扫描；垂直扫描

中图分类号：TH122      文献标识码：A      文章编号：2095-509X(2021)06-0016-05

随着互联网的快速发展，人们使用的通信终端产品体积越来越小，于是对高分辨率显示信息的需求越来越多。为了迎合小型化高分辨率的趋势，微显示系统的出现就显得尤为重要。作为其核心器件的MEMS微扫描镜，正在发挥着越来越重要的作用。MEMS微扫描镜是一种采用光学MEMS技术制造，把微光反射镜与驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微扫描镜是在半导体硅上加工制作而成，尺寸一般在微米级。相比于体积大、成本高、不易携带、高功耗的传统扫描镜，MEMS微扫描镜的微型化、智能化、集成度高、可批量生产等优点使其在电子、医疗、军事国防、通讯等领域得到广泛的应用^［1-2］。

为了得到高分辨率图像，如何实现大尺寸MEMS微扫描镜的大角度偏转和高频率摆动，是现阶段研究的重难点。2008年上海微系统所的穆参军等^［3］设计了一种镜面尺寸为6 mm× 4 mm的大尺寸电磁驱动MEMS光学扫描镜，能在381 Hz的谐振频率下得到±10.2°的光学扭转角度，但只能实现一维扫描。目前性能较高的微扫描镜是基于组合扭矩实现共振增大摆幅的二维电磁驱动微扫描镜。2006年Yalcinkaya等^［4］基于这种模型提出了一种用于视网膜扫描显示和成像的新型微机电系统驱动技术，其慢轴和快轴扫描方向的全光学扫描角度达到65°和53°，但其镜面尺寸只有1.5mm。2018年Ju等^［5］基于此优化了MEMS微扫描镜的外框架，采用双框架结构，使其水平扫描和垂直扫描的最大扫描角达到52°和33°，且其镜面尺寸较小，仅为1.2 mm。

本文基于运用组合扭矩通过共振增大摆幅的原理设计了一种尺寸为4 mm的电磁驱动式微扫描镜，运用有限元法对其进行了模态分析和应力分析，并与已有的两种微扫描镜进行了对比。