應用于激光微顯示中高速掃描的壓電MEMS 微鏡

李浩祥，沈文江，余暉俊

（1 中國科學技術大學 納米技術與納米仿生學院，合肥 230026）

（2 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，蘇州 215123）

0 引言

近年來，隨著元宇宙的概念得到了極大的關注，在增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）和混合現實（Mixed Reality，MR）技術發(fā)展的推動下，包含微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）微鏡的激光束掃描（Laser Beam Scanning，LBS）已經廣泛應用于微型顯示領域［1］。例如，微軟的Hololens 2 AR 頭盔。LBS 技術是一種全反射技術，通過一個微小的鏡面進行投影，不需要復雜的光學系統(tǒng)。相比于其他微顯示技術，LBS 具有更好的顏色鮮艷度、更高的亮度以及更高的對比度。LBS 能夠實現高分辨率、高亮度的微型顯示。

MEMS 微鏡是LBS 中重要的光學器件［2］，在所有可用于微鏡驅動的方法中，靜電、電磁、電熱、壓電驅動是最常用的四種［3］。靜電驅動需要高電壓，以產生足夠的力來驅動微鏡，這給實際VR 應用帶來一些挑戰(zhàn)［4］。電磁驅動可以產生足夠的力來驅動微鏡，但需要大量的電流來激勵，這會導致一些不可避免的熱量和功耗問題，且封裝體積較大［5］。電熱驅動的響應速度相對較慢，因此不適合用于需要快速響應的AR/VR［6］。而壓電材料具有高的驅動效率和響應速度，可以在微秒級別內完成驅動。同時，壓電材料具有可逆性，因此可以在不需要太多能量的情況下進行反復驅動。另外壓電驅動不同于電磁驅動無需外界材料幫助提供驅動力，只依靠本身的壓電特性對MEMS 微鏡進行驅動，因而能夠實現小尺寸，使壓電材料適合用于微型設備。

常用在MEMS 微鏡的壓電薄膜材料［7］有AlN、AlScN 和壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramic，PZT）三種。在壓電微鏡制造方面，AlN，AlScN 具有與半導體工藝兼容、線性度較好、高穩(wěn)定性和低熱漂移等優(yōu)點。但是，AlN［8］和AlScN［9］的壓電系數較低，驅動力較弱，所需驅動電壓高，不適合大轉角微鏡。PZT 是一種常用的壓電材料，雖然與半導體工藝的兼容性相對較差，但是具有高壓電響應、較高的壓電系數和較高的穩(wěn)定性等優(yōu)點，適用于制造微顯示壓電微鏡。

本文設計了一款直徑為1.1 mm、頻率為31 kHz 的微鏡。測試結果顯示在32 V 可以穩(wěn)定達到40.66°，品質因子（Quality factor，Q）為1 155。在改變PZT 極性的情況下，可以觀察到薄膜材料的鐵電性質對微鏡的影響，在0 ℃～100 ℃溫度下，角度的偏離不超過±1°。

1 設計與仿真

1.1 驅動原理

壓電驅動的原理是施加外部電場引發(fā)壓電材料的形變，并導致部分結構發(fā)生位移。本文中的驅動結構由厚度為40 μm 的硅上絕緣體（Silicon-On-Insulator，SOI）器件層、兩側電極和PZT 薄膜構成，其驅動原理如圖1 所示。驅動器的底部和頂部涂覆有氧化銥（IrO）和金（Au）導電薄膜。在未施加電壓時，驅動器、扭轉梁和鏡面與X軸保持水平，如圖1（a）所示。利用PZT 的逆壓電效應，在電極之間施加電壓（左、右兩側的驅動電壓反相），左側的PZT 薄膜會收縮，從而在Si 梁的上表面產生縱向拉應力；而右側的PZT 薄膜會伸長，導致梁的上表面產生壓應力。因此，微驅動的尖端沿Z方向發(fā)生位移，使得梁呈S 形彎曲，如圖1（b）所示。這種扭轉運動傳遞到微鏡，用于觸發(fā)機械共振以進行快速掃描。

圖1 壓電微鏡驅動的原理Fig.1 The principle of piezoelectric micro mirror driving

對于復合多層壓電懸臂梁，要計算尖端位移，首先找到梁的受力中性軸［10］

表1 多層復合梁的物理參數Table 1 Physical parameters of multi-layer composite beams

在多層驅動梁中產生的力矩可以通過第4 層PZT 薄膜產生的力矩MPZT來計算，作為逆壓電效應的結果有

式中，w是驅動部分的寬度，在本文的設計中，近似估計為梯形的中線位置，d31是壓電系數，V是所施加的電壓幅值。6 層復合梁結構的總抗彎剛度C表示為［10］

將驅動的模型視為附接到基底，而沒有在連接梁的另一端設置邊界條件。長為l的驅動器尖端處的靜態(tài)角度θ0近似為

對于諧振狀態(tài)的微鏡，用質量-阻尼-彈簧的二階振動系統(tǒng)來表達，方程為

式中，I為振鏡的轉動慣量，c為阻尼系數，K為扭轉軸的彈性常量。當微鏡的驅動信號頻率與共振頻率相等時，諧振狀態(tài)的θres轉動角度為

1.2 結構設計

圖2 是所設計的壓電微鏡結構。在芯片的中心位置，有一個直徑為1.1 mm 的反射鏡。該反射鏡由一對長1.1 mm、寬200 μm、厚40 μm 的扭轉梁支撐。示意圖中的淺綠色區(qū)域表示壓電驅動部分，這個梯形驅動器由兩個電極和它們之間的PZT 壓電層組成。內側（黃色）和外側（紫色）的布線表示驅動器頂部電極和底部電極的導線，而8 個鍍金的PAD 用于與PCB 板進行電連接，中間的4 個PAD 用于后續(xù)壓阻反饋。4 個壓電驅動器固定在基板的一端，通過連接梁與扭轉梁接觸，以激勵微鏡圍繞扭桿的旋轉軸線進行諧振。為了增強鏡板的剛度并抑制鏡板的動態(tài)變形，SOI 硅襯底的一部分被保留作為肋結構。

圖2 壓電微鏡結構設計Fig.2 Design of piezoelectric micro mirror structure

通過有限元仿真方法（Finite Element Analysis，FEA），可以預測微鏡的模態(tài)。圖3 是設計的諧振頻率和相應諧振模態(tài)的仿真結果。仿真過程中采用了固定約束邊界條件，并進行本征頻率分析。表2 是仿真中使用的重要材料參數。

表2 仿真所需物理參數Table 2 Physical parameters required for simulation

圖3 FEM 模態(tài)分析計算Fig.3 FEM analytical modeling

根據仿真結果，設計的第二模態(tài)是扭轉模態(tài)，也稱為光學掃描模態(tài)，其頻率為31.08 kHz。這個頻率能夠滿足光學掃描的要求。與第一和第三模態(tài)（頻率分別為17 kHz 和60 kHz）相比，頻率差異大，模態(tài)之間的分離較好，不會發(fā)生耦合。該器件的設計目標是在期望的頻率下實現40°的光學掃描角度。根據圖4 顯示，在接近31.08 kHz 的諧振頻率下，最大應力為1 GPa。這個應力低于硅的應力極限，證明此設計的可靠性。

圖4 FEM 最大應力Fig.4 FEM maximum stress

2 制備工藝

在充分設計和仿真準備后，對器件進行加工。圖5 詳細展示了壓電MEMS 掃描鏡的制造流程。首先，在SOI 的器件層上沉積了厚度為170 nm 的IrO 底電極層和厚度為2 μm 的PZT 壓電薄膜，如圖5（a）。接下來，采用電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）技術對PZT 層進行刻蝕，并通過離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）對底電極進行刻蝕，如圖5（b）。隨后，使用Lift-Off 工藝制備出厚度為200 nm 的Au 頂電極，并對PZT 的電容進行測試，結果顯示電容為2.06 nF，如圖5（c）。為了防止PZT 薄膜中的鉛揮發(fā)并為頂電極導線留出通孔，采用等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）方法沉積了厚度為2 μm 的氧化硅薄膜，如圖5（d）。隨后，在頂電極導線上進行電鍍處理，如圖5（e）。接下來，通過深反應離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）技術對器件層進行刻蝕，直到達到埋氧層，形成微鏡的鏡面、扭轉梁、連接梁和驅動結構，如圖5（f）。為了支撐鏡板下方的結構，采用DRIE技術對背面進行刻蝕，并通過反應離子刻蝕釋放整個結構，如圖5（g）。通過以上步驟，成功制造了壓電MEMS 掃描鏡。

圖5 壓電微鏡的工藝流程Fig.5 Process flow of piezoelectric micro mirrors

3 實驗測試

3.1 壓電性能

鐵電反轉功能模塊在AFM 測試中用于研究鐵電薄膜的單點壓電性能，并反映樣品的壓電性［12］。該模塊施加10 V 的驅動交流電壓，得到PZT 鐵電薄膜的單點壓電響應曲線如圖6，該曲線呈現出180°電疇切換的矩形環(huán)和明顯的蝴蝶曲線。矩形相位環(huán)相對于V=0 不嚴格對稱，是由于存在干擾電場所致。

圖6 PFM 壓電測試結果Fig.6 PFM piezoelectric test results

在微觀層面下測試結果顯示，該薄膜的壓電系數為d33test=155 pm/V。根據文獻［13］考慮了位移和壓電效應的連續(xù)性條件，在仿真中，壓電常數設置為d33theory=600 pm/V，最大位移為4.82 nm，d33simulation=482 pm/V，根據公式

可得d33=192.2 pm/V，這是PZT 的本征壓電常數，可以用于模擬仿真計算。

3.2 微鏡的轉角測試

實驗中使用的角度測量裝置如圖7 所示。由下方激光器發(fā)射的入射光被微鏡反射，反射光聚焦呈現在屏幕中。在此示意圖中當鏡子最初未被偏置時，屏幕垂直于反射光放置和固定。測量采用的輸出信號為直流偏置的方波信號，其中，相位差為π 的兩個信號分別施加到放置在外部框架上的兩組驅動器上，如圖1（b）所示。微鏡產生的反射光將偏離原始光路，屏幕上的光點將發(fā)生偏移，偏移距離記為L。測量L和已知的屏幕到反射鏡的距離H，可以推導出光學角度θopt，其定義為偏置狀態(tài)的光路之間形成的角度。

圖7 光學測試實驗裝置Fig.7 Optical testing experimental device

3.2.1 頻響曲線以及電壓位移曲線

在室溫下、標準的1 個大氣壓下，對掃描儀的壓電驅動性能進行測試。圖8 展示了反射鏡在31.11 kHz基本諧振下通過施加到兩組驅動器的激勵所產生的光學角度曲線。測量在不同電壓下的角度，發(fā)現電壓為32 V 的激勵下，當光線垂直入射時，光學掃描角度可達40.66°。隨著電壓的增大，角度呈近似線性增加，但在電壓較大的位置，角度的變化量逐漸變小。這是因為PZT 薄膜的非線性特性以及較大阻尼影響。需要注意的是，理論計算結果相對偏大，這是因為在計算中忽略了連接梁的剛性和加強肋結構的彈性常量。

圖8 電壓角度曲線（測試、仿真、理論計算）Fig.8 Voltage angle curve （testing，simulation，theoretical calculation）

對比已有微鏡的文獻結果（如表3），發(fā)現所設計的壓電微鏡的性能相對較好。不同電壓下的頻率響應曲線如圖9（a）所示，觀察到諧振頻率與設計和仿真結果接近。隨著電壓的增加，諧振頻率也略微增大。這種諧振頻率的漂移主要是由于MEMS 機械部件的非線性特性引起的［19］。在圖9（b）中，品質因子由頻率響應曲線計算得出?？梢杂^察到，隨著角度的增大，品質因子逐漸減小。在40.66°的掃描角度下，品質因子僅為1 155。

表3 不同驅動之間的性能對比Table 3 Performance comparison between different drives

圖9 不同電壓下，頻響曲線以及品質因子和角度的變化關系Fig.9 Frequency response curve under different voltages and relationship between quality factor and angle

3.2.2 極化曲線

在PZT 上施加不同的電場觀察PZT 材料的極化現象對角度的影響。圖10 是正負電場往復作用下，PZT 材料的角度變化過程。由于PZT 材料的特性，對稱軸并不恰好位于V=0 的位置，這是由于鐵電性質導致的［20］，在未來的工作中應始終保持電壓方向的一致性，以避免極化反轉導致角度減小。

圖10 不同極性下的角度測試Fig.10 Angle test at different polarities

3.2.3 溫度曲線

為了研究溫度對MEMS 微鏡性能的影響，進行了不同溫度下的角度曲線測定，結果如圖11 所示。實驗過程中，微鏡首先放置在控制溫度的環(huán)境中，并逐步升高溫度。在每個溫度點上，調節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率，找到不同溫度對應的諧振頻率。觀察微鏡在諧振頻率下的光學角度變化，可以確定不同溫度下的角度曲線。從圖11 可以觀察到隨著溫度的升高，諧振頻率逐漸下降。在0～100 ℃的溫度范圍內，諧振頻率的漂移達到了30 Hz［21］。這種漂移可能是由于材料熱膨脹、溫度相關的阻尼變化或其他熱效應導致的。然而，值得注意的是，在這個溫度范圍內，微鏡的角度變化量僅在±1°的范圍內，表明在這個工作溫度范圍內微鏡的穩(wěn)定性。

在光學掃描角度為40°的條件下，本文所實現的壓電微鏡在AR 領域的應用中，與OQMENTED 公司的產品相比，展現了更高的掃描頻率，并能在激光顯示應用中提供更高的分辨率。與HAMAMATSU 公司的電磁驅動產品（S13989-01H）相比，本文所采用的壓電驅動方式在頻率和角度相近的情況下，能夠實現更小的封裝體積。

4 結論

本文針對激光微顯示應用領域的需求，設計了一種小尺寸、高速大轉角的壓電MEMS 微鏡，并進行了驗證。仿真結果表明，在目標轉角為40°、頻率為31.08 kHz 時，微鏡的最大馮米塞斯應力未超過硅的斷裂極限，證明了設計的可靠性。實驗中測試了PZT 薄膜材料的電學性質，結果顯示其本征壓電系數d33為192.2 pm/V，滿足大轉角驅動力的需求。測試電壓-角度曲線，發(fā)現在32 V、31.11 kHz 的激勵下，微鏡能夠達到40.66°的轉角，且薄膜未發(fā)生擊穿，結構無損傷，品質因子為1 155。此外，在不同極性下施加電壓，驗證了PZT 薄膜鐵電性對器件性能的影響，并指出在未來的工作中應始終保持電壓方向的一致性（例如采用加偏值的方波信號），避免極化反轉導致角度減小。同時，在0～100 ℃的工作范圍內，角度變化不超過1°。本文研究可為微顯示技術的發(fā)展提供有益的參考。