MEMS掃描鏡是激光束掃描應用中的核心組件，已廣泛應用于生物醫學成像、投影顯示以及激光雷達（LiDAR）。這些系統依賴精確且可重復的光束操控來生成高質量的光學圖像和圖案。為實現精準掃描，在長期運行過程中，即使在溫度變化、機械應力或器件老化的情況下，仍需保持鏡面角度的穩定，這一點至關重要。
閉環控制對MEMS掃描鏡至關重要，可以確保其在運行過程中實現精確且穩定的角度定位。在開環系統中，掃描角僅取決于驅動電壓，而該電壓對制造差異、溫度漂移和機械老化極為敏感，這些因素會導致掃描角隨時間發生偏差。通過集成實時反饋，閉環控制可持續監測鏡面角度，并補償干擾，從而保持性能的穩定。這可實現精確的光束控制、長期穩定性和可重復操作，對于要求高精度和可靠性的應用至關重要。
據麥姆斯咨詢報道，臺灣國立清華大學開發了一種單片集成、電磁驅動的雙軸MEMS掃描鏡，具備閉環角度控制功能。與以往設計相比，該器件在長期掃描角穩定性方面實現了數量級的提升。通過將雙軸角度傳感與閉環反饋相結合，所提出的MEMS掃描鏡實現了優異的角度穩定性。這一進步為投影顯示及其它需要嚴格角度控制的精密光學系統提供了高度穩定的運行能力。相關研究成果以“CMOS-Integrated Biaxial MEMS Scanning Mirror with Closed-Loop Control for Stable Long-Term Precision”為題，發表于IEEE MEMS 2026國際會議。
在這項研究工作中，所開發的MEMS掃描鏡采用0.35 μm雙多晶硅四金屬（2P4M）CMOS工藝制造。通過利用該CMOS工藝，電磁線圈和壓敏電阻分別由金屬層和N型阱實現，同時也便于實現信號布線及串擾屏蔽。下圖展示了MEMS掃描鏡設計的三維視圖。它采用萬向節結構，以實現雙軸掃描的解耦運動。外框內包含金屬線圈，該金屬線圈承載用于雙軸掃描的疊加驅動信號。
電磁驅動MEMS掃描鏡示意圖
閉環操作能夠快速并顯著降低掃描角的長期漂移。下圖為諧振頻率下掃描角振幅閉環控制系統的示意圖。壓阻傳感器信號的幅度和相位通過正交解調獲得。通過使用解調相位，鎖相環（PLL）電路用于補償環路相位并實現振蕩。
掃描頻率和振幅閉環控制MEMS掃描鏡的示意圖
MEMS掃描鏡的照片
MEMS掃描鏡的諧振模式通過片上CMOS讀出電路（ROIC）進行表征，慢軸扭轉模式出現在1.79 kHz（Q=304），快軸反相擺動模式出現在31.39 kHz（Q=1902）。為了測量旋轉角度，使用函數發生器將雙軸諧振頻率的正弦電流信號施加到線圈（電阻=300 Ω）上。測量結果表明，在2.5 mA??和30 mA??條件下，慢軸和快軸分別實現了18°和20°的雙軸光學角度。N型阱壓敏電阻表現出0.3 mV/deg（慢軸）和4 mV/deg（快軸）的增強靈敏度，優于前期研究中報道的多晶硅壓敏電阻。
測得的雙軸光學角度與驅動電流的關系
采用UHFLI 600 MHz鎖相放大器實現了閉環頻率與角度控制。閉環角度控制下角分辨率的提升通過傳感器信號的測量艾倫方差（Allan deviations）得到驗證，較無角度控制的情況顯著提高。慢軸和快軸的測量最小值分別為2.5 × 10?? V和2 × 10?? V，對應最小可檢測角度分別為0.3 μdeg和0.8 μdeg。在持續300 s的長期運行中，閉環控制實現了數量級的性能提升，如下圖所示。
在持續300 s的長期運行中，閉環控制實現了數量級的性能提升
綜上，研究人員開發了一種單片集成、電磁驅動的雙軸MEMS掃描鏡，具備閉環角度控制功能。通過集成N型阱壓阻式角度傳感器，并結合正交解調、基于鎖相環的頻率鎖定和基于比例積分（PI）的幅度調節，該系統有效穩定了掃描軸的運動。閉環配置使慢軸和快軸的漂移速率分別達到-2.4 × 10?? deg/s和2.5 × 10?? deg/s，相比傳統的開環MEMS掃描鏡，其長期角度穩定性提升了多個數量級。結果表明，這種閉環控制的電磁驅動MEMS掃描鏡可作為投影顯示與光學系統中各種應用的有前景的組件，能夠提供穩定且精確的掃描振幅與頻率。
論文信息：
10.1109/MEMS64181.2026.11419468
