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电气工程与系统科学 > 系统与控制

arXiv:2505.24566 (eess)
[提交于 2025年5月30日 ]

标题: 采用三掩膜工艺的2D PZT MEMS谐振扫描仪

标题: 2D PZT MEMS Resonant Scanner Using a Three-Mask Process

Authors:Mehrdad Khodapanahandeh, Parviz Zolfaghari, Hakan Urey
摘要: 本研究展示了新型紧凑型二维(2D)谐振MEMS扫描镜的设计、仿真、制造和表征,该扫描镜由薄膜钛酸铅锆(PZT)驱动。 该器件采用了一种创新的机械耦合双轴架构,在SOI-PZT沉积晶圆上通过三层掩膜工艺制造,显著降低了系统复杂性,同时实现了高性能。 扫描器在7$\times$4.7毫米的芯片内集成了一个1$\times$1.4毫米的椭圆形镜,由优化用于在12伏特$_{\mathrm{p-p}}$周期脉冲驱动下的3.6千赫兹(垂直方向)和54.2千赫兹(水平方向)谐振操作的PZT薄膜元件驱动。 该系统分别在垂直和水平方向上实现了4.8$^\circ$和11.5$^\circ$的光学扫描角度,品质因数分别为750(垂直方向)和1050(水平方向)。 这些值使得扫描带宽-效率积高达 24.2 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz(垂直)和 623 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz(水平),这是已报道的二维 PZT-MEMS 扫描仪中较高的值之一。 有限元分析证实了应力和镜面变形最小,实验验证表明与仿真结果具有极好的一致性。 该架构通过实现与用于此类系统中的性能水平相当的性能,展示了实现高分辨率激光扫描的可行性,例如在 OCT、LiDAR 和显示等应用中所需要的那样。
摘要: 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.
评论: 前两位作者贡献相同。帕尔维兹·左尔法加里和哈坎·乌雷是通讯作者。
主题: 系统与控制 (eess.SY)
引用方式: arXiv:2505.24566 [eess.SY]
  (或者 arXiv:2505.24566v1 [eess.SY] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.24566
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Parviz Zolfaghari [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 5 月 30 日 13:20:10 UTC (1,442 KB)
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