摘 要

MEMS微鏡由于體積小，響應(yīng)快，價(jià)格低，控制簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)而備受光學(xué)醫(yī)療檢測(cè)、微顯示、光通信等領(lǐng)域的關(guān)注。MEMS微鏡發(fā)展迅速，本文簡(jiǎn)單介紹MEMS微鏡的原理，著重介紹靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡，包括其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等。

關(guān)鍵詞：MEMS，微鏡，靜電，平行板電容，抓刮，梳齒

1  引言

MOEMS的市場(chǎng)份額據(jù)Yole預(yù)測(cè)2012大約為$369M^[1]。其中MEMS微鏡作為MOEMS中的典型代表備受市場(chǎng)關(guān)注，其潛力巨大。MEMS微鏡應(yīng)用領(lǐng)域包括光通信，生物醫(yī)學(xué)成像，微型投影，條形碼掃描和自適應(yīng)光學(xué)等。近來(lái)，特別吸引眼球的是智能手機(jī)高歌猛進(jìn)，正在變成一個(gè)超強(qiáng)傳感平臺(tái)^[1]（圖1）。智能手機(jī)的大力發(fā)展促進(jìn)了MEMS產(chǎn)業(yè)，MEMS微鏡在智能手機(jī)上同樣占有一席之地。

圖1. 智能手機(jī)平臺(tái)（Yole）

2 什么是MEMS微鏡?

MEMS微鏡是一種使用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）加工技術(shù)制作的可驅(qū)動(dòng)的微小可驅(qū)動(dòng)反射鏡。其中，MEMS加工技術(shù)是指由半導(dǎo)體加工技術(shù)發(fā)展而來(lái)，并結(jié)合一些特有的體硅和表面硅的加工技術(shù)。

MEMS微鏡通常在半導(dǎo)體硅上制作，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是微米級(jí)結(jié)構(gòu)。圖2為一最簡(jiǎn)單的MEMS微鏡。MEMS微鏡的基本工作原理如圖3，它通過(guò)鏡面的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制反射后光線的方向。當(dāng)微面旋轉(zhuǎn)角度θ，出射光線隨之旋轉(zhuǎn)2θ.

圖2. MEMS微鏡簡(jiǎn)圖

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

MEMS微鏡按驅(qū)動(dòng)方式不同大體可以分為靜電型，電磁型，壓電型和電熱型^[2]。每一種類型的MEMS微鏡有其優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。各式MEMS微鏡性能比較如下表1。靜電MEMS微鏡研究最早最成熟，它的驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)較高，偏轉(zhuǎn)角度小，單是掃描頻率高，適合微型投影和光通信產(chǎn)品。電磁MEMS微鏡性能優(yōu)異，掃描范圍大，頻率高，但是由于需要外加磁場(chǎng)整體體積大，適合對(duì)體積要求不是太高的體外成像。壓電MEMS微鏡可以產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)力，但是掃描范圍很小，研究的公司有限。電熱MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)電壓低，頻率低，適合大角度體內(nèi)成像產(chǎn)品。

表1. MEMS微鏡性能之比較

2.2 自由度和機(jī)械連接

MEMS微鏡的自由度越來(lái)越高，已經(jīng)由一軸（x）經(jīng)二軸（xy）進(jìn)入三軸（xyz）。一軸MEMS微鏡鏡面與基底的連接方式主要有懸臂梁結(jié)構(gòu)和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)。二軸及以上的MEMS微鏡鏡面與基底的連接方式基本可以分為萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)（gimbal）（圖4）和無(wú)萬(wàn)向節(jié)（gimbal-less）結(jié)構(gòu)（圖5）。Gimal結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鏡面通過(guò)一個(gè)中間結(jié)構(gòu)與基底鏈接，鏡面與中間結(jié)構(gòu)，中間結(jié)構(gòu)與基底都為一軸的自由度，而組合成一起即可以成為二軸自由度。Gimbal-less結(jié)構(gòu)一般通過(guò)鏡面與基底通過(guò)懸臂梁直接相連。

3 靜電MEMS微鏡

早在1980年，Petersen制作出第一個(gè)MEMS微鏡^[3]，即為靜電驅(qū)動(dòng)，其示意圖見(jiàn)下圖6。靜電MEMS微鏡中最著名具有代表性的產(chǎn)品為TI公司的DMD（圖7）。

圖6. 第一個(gè)MEMS微鏡         圖7. TI MEMS微鏡

靜電驅(qū)動(dòng)的原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，作用力來(lái)自電荷間的相互作用：同性相斥，異性想吸。

3.1 靜電MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

靜電MEMS微鏡可以平行板電容結(jié)構(gòu)、抓刮結(jié)構(gòu)（scratch drive actuator， SDA）和梳齒結(jié)構(gòu)三大類。圖8為平行板電容結(jié)構(gòu)靜電MEMS示意圖[2],鏡面上分布一可動(dòng)電極，鏡面正下方兩側(cè)分布兩固定點(diǎn)擊。通過(guò)在固定電極施加不同的電壓就可以控制鏡面的偏轉(zhuǎn)。

靜電驅(qū)動(dòng)的原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，作用力來(lái)自電荷間的相互作用：同性相斥，異性想吸。

SDA驅(qū)動(dòng)的基本原理如圖9^[2]，當(dāng)懸空平面上沒(méi)有施加電壓時(shí)，懸空平面與基底平行，當(dāng)懸空平面上施加電壓時(shí)，平面被拉下，當(dāng)電壓消失時(shí)由于末端與連接器相連而不能復(fù)位，所以整個(gè)平面就實(shí)現(xiàn)了橫向的移動(dòng)。

梳齒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的一般又可以分成垂直結(jié)構(gòu)（圖10），卷曲結(jié)構(gòu)^[4](11）以及側(cè)向搖擺結(jié)構(gòu)^[5]（圖12）等等。它們的共同特征是具有兩排交錯(cuò)的梳齒，其中一排與基底連接，另外一排與鏡面相連接。當(dāng)兩排梳齒結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)變化時(shí)，梳齒之間的電場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生作用力而使得鏡面偏轉(zhuǎn)。

圖10.垂直梳齒結(jié)構(gòu)

圖11.卷曲梳子結(jié)構(gòu)

圖12.斜向搖擺結(jié)構(gòu)

3.2 相關(guān)公司產(chǎn)品

4   總結(jié)
本文介紹了MEMS微鏡的基本原理，各種驅(qū)動(dòng)方式的性能比較，自由度，鏡面與基底的連接方式。同時(shí)重點(diǎn)介紹了靜電MEMS微鏡的驅(qū)動(dòng)原理，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)公司產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
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