通过新型耦合参数分布结构框架优化 MEMS 扫描镜的抗疲劳性与寿命

为日常感知配备更敏锐的“眼睛”

从自动驾驶汽车到配送无人机，许多新兴技术依赖于将激光束扫过周围环境以构建 3D 地图的微型镜面。这些微镜必须在不破裂的情况下来回运动数十亿次，同时还要经受冲击、温度变化和振动的考验。本研究表明，精心重塑这些微小部件可以显著延长其工作寿命，为未来的车辆和智能设备提供更可靠的传感器。

为何微小镜面面临严重的疲劳问题

现代光探测与测距（LiDAR）使用光束扫描周围并测量距离。许多 LiDAR 系统的核心是微机电系统（MEMS）扫描镜：一块通过细长横梁悬挂、能像弹簧般扭动的小反射板。硅制版本易于制造但在冲击下可能破裂；由韧性合金制成的金属镜能在更大变形下不碎裂，但在高速驱动时往往更容易疲劳。每一次镜面的摆动都会增加其细长支撑梁的应力，随着时间的推移，这种反复载荷会导致缓慢的弯曲和最终断裂，从而限制传感器的有效寿命。

塑形应力，而非仅更换材料

作者没有简单地转用另一种材料，而是着力于如何通过改变支撑梁的形状来更均匀地分散应力。原始设计中，梁保持恒定宽度，在锚固处会出现强烈的应力热点。团队提出通过一组控制点沿梁长度改变局部宽度的方法，允许这些控制点的位置与局部宽度一并调整。利用计算机模拟寻找能减少每个循环中应力波动的模式——该波动量与微观裂纹扩展速度密切相关。随后在这些优化点之间绘制出平滑曲线，确保所得形状可实际制造。

用于探索设计的更智能框架

工作的核心是一个“耦合参数分布”框架，将控制点的布置与其宽度视为共同的设计变量。方法从具有均匀梁的初始镜面出发，首先绘制梁上应力的分布图。随后尝试三种放置控制点的策略：沿梁均匀分布、随机分布或集中在应力最高的位置。对每种情况，数值搜索算法调整宽度与位置，反复运行模拟以在满足镜面转角、振动频率、最小宽度和最大安全应力等实际约束的同时寻求最低的峰值应力范围。该过程很快找到一系列平滑的梁形，将两个尖锐的应力峰转变为沿梁分布的多个较小峰值，而不损害镜面的光学性能。

从计算模型到现实耐久性

为检验重塑梁是否确实更耐用，研究者制造了既有新“调宽”梁也有旧恒宽梁的 MEMS 扫描镜。在相同条件下驱动这些镜面，并跟踪疲劳产生时慢轴运动如何逐渐漂移。72 小时内，优化梁的设备在角度漂移上约减少了三分之一，意味着在反复运动下更稳定。在更高温度下的长期测试中，新梁平均寿命约为 691 小时才发生断裂，而原始设计约为 266 小时，寿命提高约 2.5 倍。利用将高温测试结果换算为常温运营的标准模型，团队估计新设计在实际使用条件下的寿命大约为 7,000 到 10,000 小时级别。

这对未来传感器意味着什么

简而言之，该研究表明智能的几何设计在耐久性方面可以与选择更坚韧材料同样发挥重要作用。通过沿微小支撑梁重新分配应力，作者将最严重的应力波动几乎减半，并显著减缓了导致镜面瞄准随时间模糊的逐步弯曲。他们的框架高效且能与更复杂的优化方法竞争，同时产生可制造的平滑形状。尽管他们在钛合金 MEMS LiDAR 镜上展示了该方法，但相同思路可应用于许多其他微型设备中，那些薄梁在无数扭曲与弯曲循环中工作，从而延长未来传感器内部隐形运动部件的寿命并提升可靠性。

引用: Liu, S., Zhang, G., Zhang, Z. et al. Optimizing fatigue resistance and lifetime of MEMS scanning mirrors with a novel coupled parameter distribution structural framework. Microsyst Nanoeng 12, 189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01279-0

关键词: MEMS 扫描镜, LiDAR, 抗疲劳性, 扭转梁设计, 微执行器可靠性