1、微光機電系統(tǒng)(MOEMS)研究綜述一、引言20世紀80年代后期，隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，微型機械完成了從單元到系統(tǒng)的發(fā)展過程，微型致動器、傳感器、控制器和微能源被集成到一個非常小的幾何空間里面，這樣就誕生了MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）這一完備的微機電系統(tǒng)。MEMS的制作工藝利用了常規(guī)的IC制作工藝，比如批量微機械加工、表面微機械處理、深層反應(yīng)離子腐蝕和LIGA技術(shù)，把微型的電子系統(tǒng)和微型機械系統(tǒng)復合到納米，甚至是微米量級的尺寸刻度里面，從根本上打破了一直以來人們制造器件設(shè)備的宏觀壁壘，為很多問題的解決提供了新的方法與研究思路。事實證明，MEMS

2、已經(jīng)在相當多的領(lǐng)域里發(fā)揮了極其重要的作用。MEMS器件非常適合應(yīng)用于光學領(lǐng)域。這是因為MEMS器件的尺寸和作用距離可以達到光的波長量級，并且絕緣體、半導體、金屬可以平滑的構(gòu)成一體；另外，光子幾乎沒有質(zhì)量，所以即使是單薄的MEMS器件也可以輕松的控制它。近來，基于MEMS原理的光學器件MOEMS（MicroOpticElectroMechanicalSystem）已經(jīng)出現(xiàn)了，作為利用光學原理并應(yīng)用于光學領(lǐng)域的MEMS，其在很多方面已經(jīng)得到了應(yīng)用，如光通信、微小衛(wèi)星、工控系統(tǒng)、家電以及大型投影設(shè)備等消費類電子產(chǎn)品等。隨著MOEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了定期召開的MOEMS國際研討會，1999

3、年在美國圣地亞哥召開的的光纖通信大會把MOEMS列為一個專題。美國很多研究機構(gòu)和公司都在致力于發(fā)展這門新興技術(shù)，歐共體也制定了有五國二十七個機構(gòu)參加的三年微光系統(tǒng)計劃。目前，一些比較成熟的MOEMS產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)在消費領(lǐng)域，隨著大量研究工作的進行，MOEMS的研究將成為一個新興的熱點，其研究成果必將關(guān)系到國家的科技、經(jīng)濟和國防的未來。二、MOEMS的特點比較成熟的MEMS技術(shù)為MOEMS的集成與微動作的實現(xiàn)提供了標準工藝和結(jié)構(gòu)，MOEMS能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器、光電檢測器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能部件或系統(tǒng)。其成為一個重要的技術(shù)發(fā)展方向主要是因

4、為具有以下幾個特點：1.生產(chǎn)中的優(yōu)勢與特點MOEMS可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。由于采用了集成電路芯片的生產(chǎn)技術(shù)，MOEMS芯片本身的封裝已經(jīng)達到了高度的集成化，其生產(chǎn)成本也大幅度降低。2、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢與特點MOEMS的體積非常小，尺寸小至幾微米，大也不過幾毫米；響應(yīng)速度在100ns1s的范圍內(nèi)；其可動結(jié)構(gòu)通常由靜電致動，致動能為CV22；其結(jié)構(gòu)可以做到相當復雜，包含元件數(shù)目達到1個106個。3.動作上的優(yōu)勢與特點通過精確的驅(qū)動和控制，MOEMS中的微光學元件可實現(xiàn)一定程度或范圍的動作，這種動態(tài)的操作包括光波波幅或波長的調(diào)整、瞬態(tài)的延遲、衍射、反射、折射及簡單的空間自調(diào)整。上述任何兩、三種操作的結(jié)合，

5、都可以對入射光形成復雜的操作，甚至實現(xiàn)光運算和信號處理。如何通過微型光學元件來實現(xiàn)上述操作是MOEMS區(qū)別于傳統(tǒng)物理光學系統(tǒng)的關(guān)鍵。三、MOEMS的制作工藝MEMS的制作工藝可以達到微米、納米量級，制作MEMS的技術(shù)主要有三種：第一種是以美國為代表的利用化學腐蝕技術(shù)或集成電路工藝對硅材料進行加工，形成硅基MEMS器件的方法。第二種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段，即利用大機器制造出小機器，再利用小機器制造出微機器的方法。第三種是以德國為代表的LIGA(德文Lithograpie光刻、Galvanoformung電鑄和Abformung塑鑄三個詞的縮寫)技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄

6、成型和注塑形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。其中硅基加工技術(shù)與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實現(xiàn)微機械和微電子的系統(tǒng)集成，而且該方法適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。20世紀80年代，表面犧牲層工藝的發(fā)明使人們意識到集成電路技術(shù)也可以用來制作可動部件，這也使在微小空間里集成傳感器、制動器等部件成為可能。到了90年代初，美國AD公司成功的把利用這一技術(shù)制作出來的微型加速度計應(yīng)用于汽車的安全氣囊。90年代中期，隨著深層反應(yīng)離子刻蝕(DRIE：DeepReactiveIonEtching)技術(shù)特別是自感應(yīng)耦合等離子(ICP：InductanceCouplingPlasma)技術(shù)的出現(xiàn)，體硅加工技術(shù)的發(fā)展也

7、邁上了一個新臺階，多種基于深槽刻蝕技術(shù)的新工藝相繼被開發(fā)出來。下面著重介紹一下硅基加工工藝。硅基加工可以分為兩種：表面犧牲層技術(shù)和體硅加工技術(shù)。1.表面犧牲層技術(shù)表面犧牲層技術(shù)是典型的薄膜工藝，其技術(shù)特點與集成電路相似，通過使用掩模成型，再腐蝕掉犧牲層的方法，來實現(xiàn)對器件的加工，與集成電路集成制作的可行性最大。目前，這一技術(shù)中最為常用的是CMOSMEMS工藝，其特點是先按標準集成電路注塑工藝(ICFoundry)制作處理電路，再制作可動部件，這種方法避免了其它工藝可能會玷污設(shè)備的不足，也不用單獨建立加工線，充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)線，其成本和成品率都能得到保證。表面犧牲層工藝現(xiàn)在正向著多層化發(fā)展，美

8、國Sandia國家實驗室已經(jīng)開發(fā)出了五層結(jié)構(gòu)，其工藝難點是化學機械拋光技術(shù)（CMP）和多晶硅應(yīng)力控制技術(shù)。2.體硅加工工藝體硅加工工藝指的是對硅襯底片進行加工，獲得由襯底材料構(gòu)成的有用部件的技術(shù)。鍵合技術(shù)和硅深刻蝕（DRIE）技術(shù)的出現(xiàn)使多種體硅加工新工藝隨之產(chǎn)生。融合鍵合工藝結(jié)合深刻蝕工藝就是其中的代表，其特點是利用DRIE技術(shù)制作大的質(zhì)量塊，再通過鍵合技術(shù)將多層結(jié)構(gòu)組合起來。由于采用單晶硅作結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力被減到最小。四、MOEMS的應(yīng)用舉例MOEMS的新進展主要體現(xiàn)在通過微工藝使光學器件小型化。目前已經(jīng)比較成功的應(yīng)用研究主要集中在兩方面：一是研究如何通過反射面的物理運動對光進行空間調(diào)制，比如

9、基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，其成果以數(shù)字微鏡陣列芯片（DMD）和光柵光閥（GLV）為代表；二是通信系統(tǒng)的應(yīng)用，主要研究如何通過微鏡的物理運動來控制光路發(fā)生預期的改變，其研究成果主要有光開關(guān)1520、光柵2124、光濾波器2527及復用器等光通信器件。1.MOEMS投影顯示系統(tǒng)如前文所述，MEMS可以和光學系統(tǒng)很自然的結(jié)合到一起。下面就介紹一種比較成熟的MOEMS的應(yīng)用成果投影顯示器。投影顯示器可以分為衍射式和折射式兩種，這里介紹的是后者。德州儀器（TI）公司的以MEMS為基礎(chǔ)的投影顯示設(shè)備是一種非常成功的MOEMS設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)成功的商品化。其主要的MEMS技術(shù)是依靠可以轉(zhuǎn)動的數(shù)字化微

10、鏡（DMD：DigitalMicromirrorDeviceTM）來實現(xiàn)的，。目前這種技術(shù)還主要是應(yīng)用在投影設(shè)備上，不過它在光通信設(shè)備中也有著相當重要的應(yīng)用前景。DMD可以在會議、教室、家庭影院、大禮堂中的顯示系統(tǒng)中使用。目前為止，投影顯示設(shè)備主要使用的是CRT或者LCD顯示技術(shù)，但是CRT和LCD能提供的亮度有限，并且其穩(wěn)定性和均勻性也存在很多問題，LCD系統(tǒng)在對比度顯示方面也存在問題，而新生的MOEMS技術(shù)卻有效地袮補了這一缺陷。利用MEMS技術(shù)可以在一塊CMOS硅基上面制作數(shù)以萬計的微鏡，用這樣的微鏡組成的顯示系統(tǒng)可以達到800×600的分辨率。這些微鏡都是由16m見方的鋁片構(gòu)

11、成的，它們可依靠靜電力驅(qū)動在10°和10°這兩個角度間變換轉(zhuǎn)動，能夠向這兩個方向反射光線。通過機械的控制，微鏡的轉(zhuǎn)動可在±10°時停止，不受外加電壓的影響。整個設(shè)備直接制作在SRAM上面，最上層是一個鋁片；中間層有帶動鋁片的轉(zhuǎn)板和與其相連的鉸鏈，轉(zhuǎn)板可以以鉸鏈為軸轉(zhuǎn)動，另兩邊有電極，用以實現(xiàn)靜電驅(qū)動；最下面是固定以上元件的底板。其中，SRAM的具體結(jié)構(gòu)沒有畫出。整個MEMS結(jié)構(gòu)制作在SRAM基底的頂部，如果存儲器置1，微鏡旋轉(zhuǎn)10°，當存儲器置0，微鏡旋轉(zhuǎn)10°。機械轉(zhuǎn)換時間（微鏡從一種工作狀態(tài)變換到另一種工作狀態(tài)的時間）約為16s，

12、光轉(zhuǎn)換時間（入射到投影鏡頭入瞳的光脈沖的上升時間）大約是2s。與傳統(tǒng)的微機械結(jié)構(gòu)相比，在低溫下制作的DMD使MEMS與CMOSSRAM集成到了一起，即MEMS的機械部分和CMOSSRAM的電路部分是直接的制作在一起的，不需要額外連接電路就可以用電路部分實現(xiàn)對機械部分的控制。因為使用的是鋁片的連接結(jié)構(gòu)，所以溫度不能夠超過450，制作過程必須在低溫下完成。同時，在犧牲層中使用光刻膠來代替硅的氧化物。SRAM的制作是采用的0.8m工藝，它與兩個鍍金層直接鑄接在一起，同時把厚厚的氧化物層堆積在SRAM的第二個鍍金層上面。氧化物是通過化學機械拋光(CMP：ChemicalMechanicalPolish

13、ing)技術(shù)來研磨的。CMP技術(shù)主要針對的是制作鏡面結(jié)構(gòu)，它可以保證鏡面的平整水平，這樣也可以使微鏡的亮度和對比率在整個消散過程中得到保證。在第二層上面的第三層金屬可用來形成轉(zhuǎn)板的鍍電電極和偏置/復位總線、鉸鏈、微鏡等結(jié)構(gòu)。整個空間部分都使用作為犧牲層的光刻膠來填充。芯片可以被封裝成不同的陣列規(guī)格，如：SVGA(800×600)、XGA(1024×768)和SXGA(1280×1024)。DMD是一種非常可靠的MEMS設(shè)備，它可以承受1500g機械打擊的考驗、20g的振動測驗和1000g的加速度測驗，設(shè)備的使用壽命超過了1000000小時。這里介紹的投影顯示設(shè)備是

14、工作在微鏡的反射光線的基礎(chǔ)上的，類似的結(jié)構(gòu)設(shè)置也可用以改變光通信系統(tǒng)中從一根光纖到另一根的光路。此外，還有很多顯示工作組建立在光的衍射基礎(chǔ)上的。其應(yīng)用設(shè)備也不斷的出現(xiàn)。 2.MEMS光開關(guān)由于傳輸光在自由空間存在發(fā)散現(xiàn)象，使得光在自由空間有較大的傳輸損耗，因此選用光纖和光波導作為光傳輸?shù)膬煞N傳輸介質(zhì)。傳統(tǒng)的光開關(guān)是基于光纖的機械位移和波導材料的特性來研制的。前者體積大、速度慢且價格昂貴，后者有較高的插入損耗和較大的串話問題，這些缺陷嚴重制約了波導光開關(guān)在光學網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨著微機械制作技術(shù)的進一步發(fā)展以及與光束直徑一樣大的微驅(qū)動器、微反射鏡和微懸臂梁的研制成功，微機械光開關(guān)的研究取得了一定的進

15、展。在微小的自由空間內(nèi)，發(fā)散產(chǎn)生的損耗和插入損耗已經(jīng)不是光開關(guān)的主要問題了。（1）光開關(guān)的特點光學網(wǎng)絡(luò)對于開關(guān)的兩個最重要的指標是要有較小的插入損耗和較小的串話，而這正是微機械光開關(guān)所具備的。除此之外，微機械光開關(guān)還具有小型、低能耗、易制作，能集成多通道開關(guān)及成本低等優(yōu)點。制作MEMS光開關(guān)所使用的光刻技術(shù)和蝕刻工藝具有亞微米量級的精度，可以滿足光耦合系統(tǒng)的要求。為了滿足光纖準直的要求，還出現(xiàn)了利用MEMS技術(shù)制作的V槽結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)尺寸上來看，MEMS加工技術(shù)制成的光開關(guān)的可動范圍在數(shù)微米到數(shù)毫米之間，平行和傾斜范圍在1m到數(shù)百微米之間，非常適合以最小尺寸構(gòu)成的光纖耦合系統(tǒng)。但是其開關(guān)時間在1

16、ms到數(shù)百毫秒間，不能用于要求納秒量級的分組編輯，而主要用于光交叉連接（OXC）、光時分轉(zhuǎn)換開關(guān)（OADM）以及保護裝置上。從光學特性上看，使用微反射鏡的微電子機械系統(tǒng)光開關(guān)的消光比高于波導式光開關(guān)，且對波長依賴性小，對溫度變化反應(yīng)穩(wěn)定。這一特性非常適合于以波分復用為基礎(chǔ)的，波長范圍越來越大的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。（2）光開關(guān)的分類MEMS光開關(guān)可以分為二維和三維的兩種。二維的優(yōu)點是可以制成超小型、低損耗的小規(guī)模光開關(guān)（1×2，2×2等）。二維光開關(guān)可以制作得非常小，使輸入輸出光纖接近基本元件邊緣。因此，將許多小規(guī)模光開關(guān)并列使用。三維光開關(guān)可以實現(xiàn)大規(guī)模（N×N）光開關(guān)

17、陣列。因為N一般大于3，所以其基本的器件數(shù)量（2N）要少于二維光開關(guān)的基本器件數(shù)量（N2）。不過由于大規(guī)模化時，為了減少衍射的影響，需要將光束加寬，由此引起的反射鏡的大型化會導致光路長度的增加，這樣就會造成惡性循環(huán)，因此這種光開關(guān)的極限規(guī)模為32×3264×64左右。（3）光開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)微鏡是光開關(guān)的主要元件之一，加工工藝主要有兩種方式，即表面硅微加工和體硅微加工。表面硅微加工方法就是先在水平方向上刻蝕出微鏡，然后通過相應(yīng)的機構(gòu)(如鉸鏈)，利用熱變形等原理將所加工的微鏡旋轉(zhuǎn)90°，并用固定機構(gòu)將微鏡固緊。使微鏡旋轉(zhuǎn)并固緊的機構(gòu)是利用MEMS加工工藝與微鏡和微致動

18、器一起加工出來的，通電后即可自動完成微鏡陣列的裝配(即旋轉(zhuǎn)與固緊)。這里要注意的是：利用深層離子刻蝕工藝直接加工出垂直式微鏡，盡管光纖的直徑約為10，而微鏡深度則要求7080，其主要原因是所刻蝕的微鏡不能形成一個理想的平面，只有最上端的一部分可作為微鏡使用。因為體硅微加工可以進行高和寬比較大的加工，如果具備體硅微加工設(shè)備,用其制作微鏡是較好的選擇。微鏡刻蝕完后，還不能直接使用，需在其刻蝕表面鍍膜，鍍膜材料與鍍膜工藝將影響光的反射質(zhì)量，常用的鍍膜材料主要有金、銀和銅等。另外，所刻蝕微鏡的表面粗糙度對鍍膜質(zhì)量影響很大。現(xiàn)在我們需要研究的微鏡基礎(chǔ)理論主要是微光學理論、微鏡刻蝕工藝與微鏡表面粗糙度之間

19、的關(guān)系、微鏡鍍膜材料及工藝與光損耗之間的關(guān)系、微鏡幾何參數(shù)優(yōu)化與仿真等。微致動器是光開關(guān)的另一個主要元件，它的結(jié)構(gòu)要復雜得多，因此其制造也很復雜。常用的微致動器按致動原理分有靜電式、壓電式、電磁式和熱致動式等幾種。壓電式微致動器利用了電場變化引起壓電材料膨脹的原理，使微鏡在一定范圍內(nèi)移動，其特點是位移控制精確并且加工簡單；但由于其具有移動范圍小、電壓要求大等缺陷，因此在光開關(guān)中還未獲得廣泛應(yīng)用。靜電式微致動器是通過絕緣體介質(zhì)（如對空氣間隙隔離的兩個電容器平板）施加電壓從而產(chǎn)生靜電力的原理，使微鏡在一定范圍內(nèi)移動的，其特點是電極間的間隙可做得很小。同時，現(xiàn)有的硅技術(shù)允許在一個片子上把電極設(shè)計成一

20、體，因此靜電梳狀微致動器在微鏡型光開關(guān)中獲得了廣泛應(yīng)用。電磁式微致動器采用電磁線圈加載使微鏡致動的原理，因其移動范圍較大，被一些光開關(guān)樣機采用。熱致動式微致動器采用材料受熱變形原理來實現(xiàn)微鏡的致動，該種微致動器也是微鏡型光開關(guān)中應(yīng)用較廣的類型之一。不管是哪一種微致動器，在加工過程中均需將有關(guān)材料進行多次沉積和刻蝕，最后才能加工出滿足移入/移出或轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出要求的微致動器。以平移式微致動器為例，常常采用靜電梳狀懸臂梁式結(jié)構(gòu)，也有的采用彈簧式結(jié)構(gòu)的。涉及微致動器的研究主要包括：結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，動態(tài)建模與仿真，適用于大批量自動化加工的制造工藝及裝備，動態(tài)性能實驗以及遲滯特性等，只有對上述基礎(chǔ)理

21、論及技術(shù)進行系統(tǒng)和深入地研究，才能制造出價格便宜且性能可靠的微致動器16。除了微鏡和微致動器兩個主要元件外，輸入通道光纖與輸出通道光纖之間的相互位置關(guān)系，開關(guān)的一致性，封裝材料與工藝及封裝的自動化及其裝備，插入損耗，由光纖引起的光發(fā)散問題等都需要進行系統(tǒng)的研究。五、MOEMS的發(fā)展前景MOEMS是以MEMS為基礎(chǔ)的技術(shù)，近十年來，這一技術(shù)的發(fā)展勢頭十分迅猛。在2003年，MOEMS的市場份額達到45億美元95億美元（美國國防預先研究計劃局DARPA公布）11。從目前的MOEMS技術(shù)的研究狀態(tài)看，未來一段時間內(nèi)MOEMS技術(shù)的研究發(fā)展趨勢可能體現(xiàn)在以下三個方面:1.理論探索和研究(1)多學科交叉

22、的理論和方法研究，特別是微系統(tǒng)機、電、光等的耦合理論研究。目前MOEMS研究主要還是依賴經(jīng)驗，而相應(yīng)的系統(tǒng)理論和研究方法的指導比較少，因此交叉耦合理論的研究顯得非常迫切。(2)MOEMS的CAD計算機輔助設(shè)計工具的研究和對MOEMS的機械、電子、光學各方面的綜合仿真軟件的開發(fā)。MOEMS的發(fā)展是多領(lǐng)域多學科相結(jié)合的產(chǎn)物，相對微電子領(lǐng)域而言，包括MOEMS在內(nèi)的微系統(tǒng)的開發(fā)嚴重缺乏建模和仿真工具，而CAD工具很顯然可以減少MOEMS研發(fā)過程中的資源浪費，并且可以方便快捷地洞悉其復雜物理過程。2.新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)的研制(1)光學微機械以及基于納米結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)光學裝置的設(shè)計和實現(xiàn)。微工藝目前已經(jīng)由毫米量級發(fā)展到微米量級。而納米技術(shù)則可以使加工進入亞微米甚至分子的量級，將來還有可能在原子量級加工機械結(jié)構(gòu)，如NASA提出的納米齒輪。(2)智能MOEMS的設(shè)計和實現(xiàn)，包括研制低能耗、大應(yīng)變量、高穩(wěn)定性和長壽命的致動器材料；耐高溫、低成本、易與基體材料融合的光傳感器；可植入基體材料中的高性能微電子器件；新的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)及智能MEMS/MOEMS的設(shè)計