光学MEMS技术三大发展趋势及深度解析！

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随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(光学MEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。光学MEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。目前较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:

一、基于光学MEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀；

二、通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。光学MEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

多端口无阻赛全光交叉连接器

数字微镜器件

数字形象投影

图1-光学传感MEMS相关器件及相关技术

光学MEMS技术应用主要分为光学执行器、光学传感器、光学加工制造三类。

光学MEMS器件设计包括MEMS光芯片设计和光学设计两个关键部分。MEMS光芯片采用专业的MEMS设计软件，对芯片的运动模态、驱动特性、微结构应力、阻尼特性、抗震动特性、工艺容差等进行仿真分析，进而确定芯片微结构的各项技术参数。光学设计是完成器件的光学封装的光路设计和仿真，通常还涉及光纤耦合设计。光学MEMS芯片的制造，分为体硅工艺、表面硅工艺两种工艺路线，这些工艺大部分来自于IC工艺，也有一部分是MEMS的特色工艺，如硅-硅键合、硅深刻蚀、牺牲层工艺等。

光学MEMS芯片制造完成后的测试，采用晶圆级测试可以大大加快测试速度，但晶圆级测试机台往往需要定制开发。光学MEMS晶圆的切割是最有挑战性的工艺，这主要缘于光学芯片的微细可动结构和微镜面不能冲水、不能贴蓝膜、不能沾污颗粒。光学MEMS器件的光电封装是产品化的关键步骤，其不同于IC及其他MEMS器件的封装，需要采用带光学窗口的密封金属管壳进行电连接、气密封装，再完成光学对光耦合。与标准封装方式不同，光学MEMS封装属于特殊封装，其封装成本在器件或系统总成本占据很大的比重，可高达60%-70%。

光学MEMS的主要应用领域如表1所示。此外，由于智能手机和平板电脑越来越普及以及用户对用户体验的要求越来越高，环境光传感器和接近传感器等光学MEMS传感器的需求也在不断增长。同时，CMOS图像传感器在消费电子、生物医学、汽车电子以及智能安防等各领域的广泛应用也使得其成为最大的细分市场领域。光学MEMS传感器因为应用和市场驱动呈现高速的增长趋势。

表1-光学MEMS的主要应用领域

相关分类

光学MEMS器件是集成制造的微型光学元件与MEMS执行器，其光学原理分为反射、干涉、衍射、透射、遮挡等几种，以反射型器件为主。光学MEMS器件中制造的微型光学元件包括微反射镜、微透镜、微棱镜、光栅、衍射光学元件、FP干涉仪等。光学MEMS器件中的MEMS执行器的驱动方式包括静电驱动（平板驱动器/平面梳齿驱动器/垂直梳齿驱动器）、电磁驱动器、压电驱动器和电热驱动器等；其运动方式包括离面垂直运动、面内平动、扭转运动、谐振等。目前光学MEMS传感器可以分为三类：MEMS光开关、可调式光衰减器（VOA）和MEMS微镜。

1．MEMS光开关

MEMS光开关在光通信中起到光路切换、光路保护等作用，还广泛应用于光纤线路的监测、光器件测试系统。MEMS光开关的基本原理是采用光学微镜或光学微镜阵列改变光束的传播方向实现光路的切换，已发展出了很多新颖的MEMS光开关结构。MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能，如：低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中，与波长、偏振、速率及调制方式无关，寿命长、可靠性高，并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。

MEMS光开关有二维数字和三维模拟两种结构。在二维结构中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“跷跷板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能。二维结构的优点是控制简单，缺点是由于受光程和微镜面积的限制，交换端口数不能做得很大。在三维结构中，所有微反射镜处于相向的两个平面上，通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换。与二维结构相反，三维结构的优点是交换端口数能做得很大，可实现上千端口数的交换能力，缺点是控制机理和驱动结构相当复杂，控制部分的成本很高。

图2-不同类型MEMS光开关结构

MEMS光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL（偏振相关损耗）和串扰方面，MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。在成本方面，MEMS光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。MEMS器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。执行器与光器件集成在单个芯片上，可以在一个硅片上重复多次，从而可以提供价格更低的光器件。这些在成本方面的节约将使器件价格下降，最终降低设备和营运成本。

2．可调式光衰减器

光衰减器是光纤通信中使用最广泛的光器件之一，其功能是完成对光信号功率的控制。MEMS可调光衰减器能够快速电响应、动态可调谐、体积小、成本低，是目前应用量最大的MEMS光器件。

MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA。

· 反射式VOA

工作原理是在硅基上制作一块微反射镜。以unblocking型VOA为例。光经过双光纤准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的；而未加电压时，微反射镜呈水平状态，光反射后能量完全耦合进双芯准直器的另一端。

· 衍射式VOA

衍射式VOA是基于动态衍射光栅技术，采用MEMS平移执行器控制光学衍射元件（如光栅）的相位，改变光衍射效率，实现对光信号功率的控制。这种动态衍射光栅由平行微栅条阵列构成，微栅条上表面镀以200~300nm厚的铝膜，起电极和反射光的双重作用，下表面是特殊设计的由Si₃N₄和SiO₂膜形成的双簧结构以提供弹性力，其下刻蚀的空气隙厚度与所欲应用的光谱波段相关。当施加电压信号时，在静电力的作用下相间隔的光栅条位置向下移动以产生衍射光栅效应。通过调节电压来控制一级衍射光从而达到对光信号衰减量进行调节的目的。这种动态衍射光栅首先在成像及显示技术中得到应用，它在性能上具有响应速度快、衰减控制精度高、消光系数大、抗疲劳磨损等特点，能被用于制作许多其他光通信器件的核心部件，如光开关阵列等。

MEMS VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。同时因为成品率的问题，在价格方面也面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性相对来说有时不够理想。

(a)反射式                                         (b)衍射式

图3-MEMS VOA工作原理

3．MEMS微镜

MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。对于扭转MEMS微镜，当其光学偏转角度较大（达到10°以上），主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描、图像扫描时，可被称为“MEMS扫描镜”，以区别于较小偏转角度的扭转MEMS微镜。

图4-MEMS微镜示意图

MEMS扫描镜是激光应用必不可少的关键激光元器件，应用领域已渗透到消费电子、医疗、军事国防、通讯等。这其中有已经量产的应用，还有许多概念性的应用。主要应用领域有三个方面：激光扫描、光通讯、数字显示。扫描镜主要可用在激光雷达、3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像；光通讯主要指光分插复用器、光衰减器、光开关、光栅；数字显示指高清电视、激光微投影、数字影院、汽车抬头显示（HUD）、激光键盘、增强现实（AR）等方面的应用。

3D摄像头

光学通讯

激光虚拟键盘

图5-MEMS微镜典型应用

MEMS微镜按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。

· 静电驱动

利用电荷间的库仑力作为驱动力进行驱动的技术。通过静电作用使可以活动的微镜面转动，从而改变光路。虽然驱动力较其他原理的器件相比偏小，但工艺兼容性较好，可以使用体硅和表面硅机械加工工艺制作，便于实现集成。

· 电磁驱动

电磁驱动为电流驱动，驱动电压低，无须升压芯片。此外，电磁驱动具有扭转角度大、可以实现电流型线性驱动的技术优势。但总体来说，与静电驱动扫描镜比较，电磁驱动扫描镜的驱动功耗相对较高，还需要配置永磁铁，模块尺寸相对较大。

就工作原理而言，在镜面背后放置4个线圈，线圈距离磁铁有一定的距离。下图中，线圈对应磁铁A、B、C、D的4个位置，当A、C线圈施加电流时，产生相位相差90°的交流激励信号，线圈产生的磁场的极性恰好相反且交替变化。线圈产生的磁场于磁铁相互作用，产生方向相反的转矩，镜面以B、D线圈所在轴发生扭转，同理，如果给B、D线圈施加电流，也会出现同样效果，这就是二维微镜的工作原理。

图6-二维电磁驱动MEMS微镜示意图

· 电热驱动

电热驱动是利用材料对温度的敏感而产生不同的形变量，从而引起镜面的扭转。可以采用两个相同材料的膨胀臂，有V型结构、U型结构、Z型结构等。也可以采用双材料结构，利用不同材料的热膨胀系数的差异，在温度变化时产生不同的形变，从而驱动镜面扭转。

图7-MEMS电热驱动微镜（微奥科技）

· 压电驱动

压电驱动是指利用材料的逆压电效应，通过外界电场来产生微位移。主要有两种实现方式：一种是多层相同的压电体叠加的纯压电变形产生大位移；另一种是双压电晶片驱动。但目前暂未看到商业化应用的压电驱动MEMS微镜问世。

图8-压电驱动MEMS微镜（苏州纳米）

表2为四种原理的MEMS微镜性能比较。

表2-四种原理的MEMS微镜性能比较

发展及现状

光学MEMS技术在20世纪80年代左右开始起步，至今发展已经有三十多年的历史。光学MEMS应用与市场目前还只是“冰山露出一角”，处于发展的早期阶段。光学MEMS在20世纪90年代后期经历了大规模的商业化努力，向宽带光纤通信中广为看好的信道开关市场发展。同时，光学MEMS在提高当代MEMS执行器的技术发展水平方面起到了重要作用。

1.光学MEMS开启“动态”光学新型技术方向

传统光学技术实现运动、可调谐需要采用笨重、高能耗、低速且昂贵的精密机械装置，因而将光学束缚为“静态”，也就是说传统光学是“静态”光学技术。光学MEMS将MEMS执行器与微光学元件集成制造，产生革命性的“动态”光学，通俗地说，光学MEMS技术让光学元件踏上了“风火轮”，使传统光学提升到“动态光学”的高度，开启了“可重构”、“参数可调谐”的智能光学系统的新型技术方向，也将打开一系列高价值的技术应用，如可调谐智能光通信器件、激光扫描、激光微投影、摄像头自动对焦/防抖/光学变焦、自适应光学、光信号调制/功率控制、傅里叶变换光谱仪等。光学MEMS给光学技术注入“运动”元素，将实现光学技术“质”的飞跃，进入“动态”、智能光学的新境界。

2.光学MEMS开创光学传感技术的新方向——MEMS光传感器

光学传感技术是光学技术、光电技术的重要技术领域，传统光学传感技术主要是基于光电探测技术，可以实现的光传感器种类有限。通过引入MEMS敏感结构/驱动器，将MEMS敏感/驱动技术与光电技术结合，产生光学传感技术的新方向——MEMS光传感器，新颖的传感器包括MEMS激光雷达（LiDAR）、3D深度传感器、3D扫描仪、微型光谱仪、IR传感器、红外图像传感器（热像仪）、MEMS光声气体传感器。

MEMS敏感器与光纤传感技术的结合，还生成了光纤传感的新方向——MEMS光纤传感器，如MEMS光纤加速度计、MEMS光纤压力传感器、MEMS光纤位移传感器、MEMS光纤挠度计、MEMS光纤声/超声传感器、MEMS光纤水听器、MEMS光纤磁传感器等。

· MEMS光开关

MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。二维MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接可平移梳状电极。转换状态通过调节梳状电极使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。

MEMS开关驱动方法主要包括：静电和磁感应法。静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引，这是MEMS技术中使用的主要的驱动方法，它具有可重复性和容易屏蔽等优点。磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度，但由于磁感应应用中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最佳选择。

目前拥有MEMS技术设备并能提供相关光器件的公司主要有：JDSU、Santec、Memscap、Intpax、Umachines等。

· 可调式光衰减器

可调节光衰减器（VOA）是光通信系统中重要的光器件之一。长期以来，它一直停留在机械式水平，因为体积大，不利于集成，一般只适合于单通道衰减方式。MEMS VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。同时因为成品率的问题，在价格方面也面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性相对来说有时不够理想。早期的MEMS VOA都采用激光焊接的方式，设备投入较大，而且生产效率低、装配成本高。目前，市场也推出了全胶工艺的MEMS VOA，很好地解决了这一问题。随着DWDM系统的发展，以及市场对可灵活升级的可重构光分插复用器（ROADM）的潜在的巨大需求，越来越需要通道数多而体积小的可调节光衰减器阵列，特别是一些集成型的VOA产品。传统的机械方式已不能解决这些难题。随着光纤网络的发展，VOA的发展趋势是：低成本、高集成、响应时间快以及和其他光通信器件的混合集成。

已可以大批量生产MEMS VOA的厂商主要有：Lightconnect（已被Neophotonics收购）、JDSU（现已拆分为二）、Oplink、Avanex、Santec、Lightwave2020等。在国内，高意光通讯有限公司已经具备批量生产MEMS VOA的能力，并且具有激光焊接和全胶的技术平台。主要的产品包括单个VOA器件、4通道和8通道VOA模块。此外，还有海宁华平光电、广州永大通信和广州银讯光电三家公司。国内比较完整的MEMS工艺线有两条，分别属于中科院上海微系统与信息技术研究所和北京大学微电子中心，海宁华平光电就是在这些国内工艺线进行流片，推出完全国产化的MEMS VOA系列产品。前述三家公司，均有MEMS VOA封装能力，而国内一些其他公司，在其模块或者子系统中有大量的MEMS VOA需求，或者直接购买封装好的器件，但是为了提升利润空间，均倾向于购买MEMS芯片来自行封装，如武汉光讯科技、福州高意科技等公司。

· MEMS微镜

TI公司DMD投影显示是MEMS最成功的商业应用，除图像投影市场外，TI公司近年来也积极开拓DMD在3D扫描仪、微小型光谱仪、无掩膜光刻等应用市场。美国Microvision公司推出的激光微投影（PicoProjector）是基于单激光扫描镜的投影技术，具有高清、小体积、低成本的巨大优势，将在汽车激光抬头显示（HUD）、智能激光车头灯、AR/MR智能眼镜等应用中具有良好的市场前景。MEMS在平板显示领域也取得了很大的技术发展，夏普与高通子公司合作开发出了MEMS快门型平板显示器具有很高的光效率；高通收购的IridigmDisplay公司研发出了光干涉调制（iMoD）平板显示器无须背光源，具有极低功耗、双稳态、响应速度快等优点，具有良好的市场前景。

总而言之，光学MEMS的技术优势，使光学MEMS在智能光通信器件、MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等应用中具有“不可替代性”，具有巨大的市场前景，可以到达百亿美元级的市场规模。我国早在2000年就在国家973计划的支持下开展了光学MEMS技术的工作。中科院上海微系统所作为国内最早、最强的MEMS技术研究机构，一直致力于光学MEMS技术的研究，长期在国内处于领先地位，并在近几年启动了光学MEMS的产业化工作。国内开展相关研究的机构和高校还有中电十三所、清华大学、北京大学、上海交大等。在光学MEMS产业方面国内尚处于起步阶段。

机遇与挑战

过去几年中开发了大量光学MEMS器件，仅有为数不多的器件实现了批量生产。从目前的光学MEMS技术的研究状态看，未来一段时间内光学MEMS技术的研究发展趋势可能体现在以下三个方面：

1.理论探索和研究主要包括：多学科交叉理论和方法研究以及光学MEMS的CAD计算机辅助设计工具的研究和对光学MEMS的机械、电子、光学各方面的综合仿真软件的开发。

目前光学MEMS研究主要还是依赖经验，而相应的系统理论和研究方法的指导比较少，因此交叉耦合理论的研究，特别是微系统机、电、光等的耦合理论研究显得非常迫切。相对微电子领域而言，包括光学MEMS在内的微系统的开发严重缺乏建模和仿真工具，而CAD工具很显然可以减少光学MEMS研发过程中的资源浪费，并且可以方便快捷地洞悉其复杂物理过程。

2.光学微机械以及基于纳米结构的自适应光学装置的设计和实现以及智能光学MEMS的设计和实现等新结构、新系统的研制。

微工艺目前已经由毫米量级发展到微米量级。而纳米技术则可以使加工进入亚微米甚至分子的量级，将来还有可能在原子量级加工机械结构，如NASA提出的纳米齿轮。而智能光学MEMS的设计和实现，包括研制低能耗、大应变量、高稳定性和长寿命的致动器材料；耐高温、低成本、易与基体材料融合的光传感器；可植入基体材料中的高性能微电子器件；新的结构控制技术及智能MEMS/光学MEMS的设计、制造技术等。

同时，还面临在微机械部件上制备抛光平滑的镜面通常都比较困难，使光学微镜不太理想。光MEMS器件也面临来自固态和光电器件的竞争。

3.光学MEMS应用的开发以实现光学MEMS对光谱、偏振和光空间属性的操作和控制而衍生的更多更广的功能性开发和光学MEMS与传统物理光学系统相结合的研究和开发。

实现光学MEMS对光谱、偏振和光空间属性的操作和控制而衍生的更多更广的功能性开发。如将微光学元件或光学MEMS用于武器制导、瞄准的安全性与可靠性的提高；用于敌我识别系统；以及用于分布式无人值守环境检测、监督及信号处理系统等。同时，目前的光学MEMS多为二维系统，而传统的物理光学系统多是三维的，二者存在较大差异，将它们结合起来可能使光学MEMS的应用有更大的空间。

光学MEMS有其迅速发展壮大的潜力和广阔的应用前景，但也正是由于其自身的一些特点，光学MEMS技术的进一步发展也面临着一些困难和挑战，主要体现在:

① 光学MEMS研究中存在对经验的过多依赖，仍需反复摸索；

② 微工艺和封装方面面临的困难。

很多光学MEMS都需要复杂的微工艺过程来加工，而微工艺水平直接决定批量生产的成本和成品率。现有的工艺水平离实际的应用需求还有一定的距离，如叠层多晶硅工艺，在保证一定成品率的情况下，目前国内的水平只能到2～3层，国外也只能做到5层。另外，众所周知，IC和MEMS器件的封装成本比较高，而光学MEMS器件的封装难度更大，封装成本更高，有的封装可能占装置总加工费用的80%以上。

③ 在系统级性能测试方面面临的困难。

由于光学MEMS技术比较新，目前还很少有与之配套的系统级性能测试仪器和设备，因此往往是测试困难而且效率低，性能评定标准也很难一致。

光学MEMS技术的发展趋势是MEMS光通信器件基础上，向MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等更广阔的领域发展。未来，随着国内MEMS技术与产业链的迅猛发展和日趋完善，光学MEMS技术也将步入快速发展通道，催生一个高速成长的光学MEMS产业，将诞生数家专注于光学MEMS技术的高技术公司，并快速成长壮大。

主要内容来自

《一砂一世界》

一本书读懂MEMS产业的现状与未来

作者：冯锦锋 马进

简介：对于半导体行业从业者:本书以全新的视角，独特的解析，全景展现了MEMS行业的风云际会有助于从业者找到自身奋斗方向。对于半导体行业投资者:本书以清晰的政策分析，前瞻性的预测，完美描绘了MEMS行业的投资未来，有助于投资者制定投资策略。

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