光學(xué)MEMS和微器件： 技術(shù)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用

光學(xué)MEMS技術(shù)通過(guò)微加工將機(jī)械元件、電子器件和傳感器集成在硅基材上，使光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的小型化和集成化。它已成為光學(xué)系統(tǒng)商業(yè)化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，也是對(duì)光學(xué)相互作用的基本原理進(jìn)行廣泛研究的重點(diǎn)。

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什么是光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)？

光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)合了電氣、機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)，在微米級(jí)檢測(cè)和操縱光學(xué)信號(hào)。它利用半導(dǎo)體行業(yè)的批量制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)微型化、非凡的精度和可靠性。

光學(xué)MEMS已經(jīng)在顯示器、投影儀和光纖通信方面取得了巨大的商業(yè)成功。此外，它還實(shí)現(xiàn)了器件和各種微機(jī)械元件的小型化，導(dǎo)致了與集成電路相同的節(jié)省成本的批量生產(chǎn)。

光學(xué)MEMS器件可以控制和修改光學(xué)參數(shù)，如光束方向和焦距，使小型化的可調(diào)諧鏡、透鏡、調(diào)制器和濾波器的開(kāi)發(fā)成為可能。

盡管開(kāi)發(fā)初期需要付出努力和時(shí)間，但這些器件可以很容易地?cái)U(kuò)大到大批量生產(chǎn)。此外，從半導(dǎo)體行業(yè)采用的微/納米加工技術(shù)使微光學(xué)系統(tǒng)的精度更高。

光學(xué)MEMS是一項(xiàng)相對(duì)較新且發(fā)展迅速的技術(shù)，它有可能徹底改變光子系統(tǒng)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)新的小型化設(shè)備系列而改變電信、光網(wǎng)絡(luò)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

光學(xué)MEMS器件的設(shè)計(jì)和制造

光學(xué)MEMS器件的制造涉及到微加工技術(shù)，如批量和表面微機(jī)械加工以及深X射線光刻。

制造過(guò)程包括光學(xué)和電子結(jié)構(gòu)的功能測(cè)試，然后是開(kāi)發(fā)和分析機(jī)械元件。最后一步包括沉積材料、蝕刻和創(chuàng)建圖案。

光學(xué)MEMS器件的設(shè)計(jì)取決于各種參數(shù)，如形狀、應(yīng)力分布、電氣、機(jī)械、化學(xué)、剛度、材料和熱參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)正常的功能。

光學(xué)MEMS器件的應(yīng)用

光學(xué)MEMS在電信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，特別是在開(kāi)發(fā)全光交換機(jī)，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)路由互聯(lián)網(wǎng)流量方面。對(duì)更快網(wǎng)速的需求推動(dòng)了光學(xué)MEMS系統(tǒng)的發(fā)展，它可以直接操縱光信號(hào)，并消除不必要的轉(zhuǎn)換。

光學(xué)MEMS技術(shù)被廣泛用于投影式、透射式和反射式顯示器。這些顯示器可分為基于掃描的和非掃描的，進(jìn)一步將前者分為線性陣列一維和點(diǎn)源二維掃描式顯示器。

它能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸的光譜系統(tǒng)，如基于光柵的單色儀、傅立葉變換光譜儀和法布里-珀羅干涉儀。此外，使用MEMS元件還可以開(kāi)發(fā)出便攜式光譜系統(tǒng)。

光學(xué)MEMS技術(shù)用于傳感器，可分為相干和非相干。相干傳感器依靠光干擾，而非相干傳感器則檢測(cè)光強(qiáng)度的變化。

光學(xué)MEMS設(shè)備已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了許多應(yīng)用，如光遺傳學(xué)、分子檢測(cè)和無(wú)創(chuàng)內(nèi)窺鏡疾病篩查。此外，通過(guò)生物MEMS器件使生物工具小型化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和操控。

最近的研究和開(kāi)發(fā)

用高靈敏度的光學(xué)MEMS加速器對(duì)車輛和地震應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)感應(yīng)

發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》上的一項(xiàng)研究介紹了一種光學(xué)MEMS加速度計(jì)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和測(cè)試，它利用雙層衍射光柵的塔爾博特效應(yīng)進(jìn)行高靈敏度的加速度檢測(cè)。

研究人員利用有限差分時(shí)域模擬優(yōu)化了光柵參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉檢測(cè)的最佳對(duì)比度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擬議的光學(xué)MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高分辨率（246 μg）、靈敏度（6.1 V/g）和偏置穩(wěn)定性（0.02 mg），并且可以在更高的加速度下工作（～80g）。

這項(xiàng)研究的意義在于其在實(shí)時(shí)地球物理地震和車輛振動(dòng)傳感方面的潛在應(yīng)用，在這種情況下，快速和強(qiáng)烈的振動(dòng)需要精確的檢測(cè)。

基于光學(xué)MEMS的智能玻璃技術(shù)徹底改變了建筑的能源效率

在發(fā)表在《光學(xué)微系統(tǒng)雜志》上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自德國(guó)卡塞爾大學(xué)的研究人員展示了一種新的智能玻璃技術(shù)，該技術(shù)在智能窗戶中使用光學(xué)MEMS微鏡陣列進(jìn)行日光轉(zhuǎn)向，可以提供巨大的能源節(jié)約。

設(shè)計(jì)的MEMS微鏡陣列安裝在隔熱玻璃內(nèi)，通過(guò)根據(jù)用戶的喜好、一天中的時(shí)間、太陽(yáng)的位置和季節(jié)來(lái)反射進(jìn)入的陽(yáng)光，直接實(shí)現(xiàn)光線定制。

這種智能玻璃在夏天可以免費(fèi)防止過(guò)熱，在冬天可以提供太陽(yáng)能加熱，提供健康的自然光，在高層建筑中可以節(jié)省35%的能源，減少30%的二氧化碳，減少10%的鋼筋和混凝土。

這項(xiàng)技術(shù)可以減少對(duì)人工照明的依賴，優(yōu)化自然日光，對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜃龀龇磻?yīng)，全年都能節(jié)省大量能源。

研究人員為大規(guī)模光子集成電路開(kāi)發(fā)先進(jìn)的硅光學(xué)MEMS平臺(tái)

由悉尼大學(xué)的Niels Quack副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)硅光學(xué)MEMS平臺(tái)，該平臺(tái)將高性能的納米光機(jī)電設(shè)備與硅光子學(xué)代工組件完全整合在一起。該成果發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》上。

這項(xiàng)技術(shù)克服了在單個(gè)芯片上集成許多組件的挑戰(zhàn)。它可以為各種應(yīng)用創(chuàng)造大規(guī)模的光子集成電路，包括電信、傳感和量子計(jì)算。

這是首次在標(biāo)準(zhǔn)硅光子技術(shù)平臺(tái)上集成納米電子機(jī)械執(zhí)行器。這是邁向成熟的大規(guī)模、可靠的集成MEMS的光子電路的重要一步。這項(xiàng)技術(shù)正在為大批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備，有可能應(yīng)用于自主車輛的三維成像或新的光子輔助計(jì)算。

尼爾斯-夸克，副教授，該研究的主要作者。

未來(lái)展望

對(duì)系統(tǒng)微型化的高要求導(dǎo)致了全球MEMS和光學(xué)MEMS的數(shù)十億美元的市場(chǎng)，其中有許多產(chǎn)品用于日常生活。

隨著納米加工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在可以將MEMS進(jìn)一步縮小到納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）。此外，NEMS/MEMS與納米光子元件的融合將創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)和功能光子設(shè)備和系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的性能、動(dòng)態(tài)可調(diào)性和更高的集成度。

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