微光機電系統(tǒng)(MOEMS)研究

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、深層反應離子腐蝕和LIGA技術，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)在相當多的領域里發(fā)揮了極其重要的作用。MEMS器件非常適合應用于光學領域。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、金屬可以平滑的構成一體；另外，光子幾乎沒有質量，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用于光學領域的MEMS，其在很多方面已經(jīng)得到了應用，如光通信、微小衛(wèi)星、工控系統(tǒng)、家電以及大型投影設備等消費類電子產(chǎn)品等。隨著MOEMS技術的不斷發(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。美國很多研究機構和公司都在致力于發(fā)展這門新興技術，歐共體也制定了有五國二十七個機構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技術為MOEMS的集成與微動作的實現(xiàn)提供了標準工藝和結構，MOEMS能把各種MEMS結構件與微光學器件、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，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、結構上的優(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；響應速度在100ns1s的范圍內(nèi)；其可動結構通常由靜電致動，致動能為CV22；其結構可以做到相當復雜，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整、瞬態(tài)的延遲、衍射、反射、折射及簡單的空間自調整。上述任何兩、三種操作的結合，

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的技術主要有三種：第一種是以美國為代表的利用化學腐蝕技術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，它是利用X射線光刻技術，通過電鑄

6、成型和注塑形成深層微結構的方法。其中硅基加工技術與傳統(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。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制作出來的微型加速度計應用于汽車的安全氣囊。90年代中期，隨著深層反應離子刻蝕(DRIE：DeepReactiveIonEtching)技術特別是自感應耦合等離子(ICP：InductanceCouplingPlasma)技術的出現(xiàn)，體硅加工技術的發(fā)展也

7、邁上了一個新臺階，多種基于深槽刻蝕技術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：表面犧牲層技術和體硅加工技術。1.表面犧牲層技術表面犧牲層技術是典型的薄膜工藝，其技術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)出了五層結構，其工藝難點是化學機械拋光技術（CMP）和多晶硅應力控制技術。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，獲得由襯底材料構成的有用部件的技術。鍵合技術和硅深刻蝕（DRIE）技術的出現(xiàn)使多種體硅加工新工藝隨之產(chǎn)生。融合鍵合工藝結合深刻蝕工藝就是其中的代表，其特點是利用DRIE技術制作大的質量塊，再通過鍵合技術將多層結構組合起來。由于采用單晶硅作結構，其應力被減到最小。四、MOEMS的應用舉例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制，比如

9、基于MOEMS的新型顯示、投影設備，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)很自然的結合到一起。下面就介紹一種比較成熟的MOEMS的應用成果投影顯示器。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為基礎的投影顯示設備是一種非常成功的MOEMS設備，現(xiàn)在已經(jīng)成功的商品化。其主要的MEMS技術是依靠可以轉動的數(shù)字化微

10、鏡（DMD：DigitalMicromirrorDeviceTM）來實現(xiàn)的，。目前這種技術還主要是應用在投影設備上，不過它在光通信設備中也有著相當重要的應用前景。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，投影顯示設備主要使用的是CRT或者LCD顯示技術，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技術卻有效地袮補了這一缺陷。利用MEMS技術可以在一塊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

11、成的，它們可依靠靜電力驅動在10°和10°這兩個角度間變換轉動，能夠向這兩個方向反射光線。通過機械的控制，微鏡的轉動可在±10°時停止，不受外加電壓的影響。整個設備直接制作在SRAM上面，最上層是一個鋁片；中間層有帶動鋁片的轉板和與其相連的鉸鏈，轉板可以以鉸鏈為軸轉動，另兩邊有電極，用以實現(xiàn)靜電驅動；最下面是固定以上元件的底板。其中，SRAM的具體結構沒有畫出。整個MEMS結構制作在SRAM基底的頂部，如果存儲器置1，微鏡旋轉10°，當存儲器置0，微鏡旋轉10°。機械轉換時間（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)的微機械結構相比，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構，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)技術來研磨的。CMP技術主要針對的是制作鏡面結構，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板的鍍電電極和偏置/復位總線、鉸鏈、微鏡等結構。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?？煽康腗EMS設備，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，設備的使用壽命超過了1000000小時。這里介紹的投影顯示設備是

14、工作在微鏡的反射光線的基礎上的，類似的結構設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上的。其應用設備也不斷的出現(xiàn)。 2.MEMS光開關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。傳統(tǒng)的光開關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在光學網(wǎng)絡中的應用。隨著微機械制作技術的進一步發(fā)展以及與光束直徑一樣大的微驅動器、微反射鏡和微懸臂梁的研制成功，微機械光開關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)不是光開關的主要問題了。（1）光開關的特點光學網(wǎng)絡對于開關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所具備的。除此之外，微機械光開關還具有小型、低能耗、易制作，能集成多通道開關及成本低等優(yōu)點。制作MEMS光開關所使用的光刻技術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技術制作的V槽結構。從結構尺寸上來看，MEMS加工技術制成的光開關的可動范圍在數(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成的光纖耦合系統(tǒng)。但是其開關時間在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）、光時分轉換開關（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)光開關的消光比高于波導式光開關，且對波長依賴性小，對溫度變化反應穩(wěn)定。這一特性非常適合于以波分復用為基礎的，波長范圍越來越大的寬帶通信網(wǎng)絡。（2）光開關的分類MEMS光開關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（1×2，2×2等）。二維光開關可以制作得非常小，使輸入輸出光纖接近基本元件邊緣。因此，將許多小規(guī)模光開關并列使用。三維光開關可以實現(xiàn)大規(guī)模（N×N）光開關

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)，因此這種光開關的極限規(guī)模為32×3264×64左右。（3）光開關的關鍵技術微鏡是光開關的主要元件之一，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，然后通過相應的機構(如鉸鏈)，利用熱變形等原理將所加工的微鏡旋轉90°，并用固定機構將微鏡固緊。使微鏡旋轉并固緊的機構是利用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量影響很大。現(xiàn)在我們需要研究的微鏡基礎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、的關系、微鏡鍍膜材料及工藝與光損耗之間的關系、微鏡幾何參數(shù)優(yōu)化與仿真等。微致動器是光開關的另一個主要元件，它的結構要復雜得多，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，因此在光開關中還未獲得廣泛應用。靜電式微致動器是通過絕緣體介質（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)有的硅技術允許在一個片子上把電極設計成一

20、體，因此靜電梳狀微致動器在微鏡型光開關中獲得了廣泛應用。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中應用較廣的類型之一。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/移出或轉入/轉出要求的微致動器。以平移式微致動器為例，常常采用靜電梳狀懸臂梁式結構，也有的采用彈簧式結構的。涉及微致動器的研究主要包括：結構及其參數(shù)的優(yōu)化設計，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，只有對上述基礎理

21、論及技術進行系統(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系，開關的一致性，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為基礎的技術，近十年來，這一技術的發(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技術的研究狀態(tài)看，未來一段時間內(nèi)MOEMS技術的研究發(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)展是多領域多學科相結合的產(chǎn)物，相對微電子領域而言，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.新結構、新系統(tǒng)的研制(1)光學微機械以及基于納米結構的自適應光學裝置的設計和實現(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構，如NASA提出的納米齒輪。(2)智能MOEMS的設計和實現(xiàn)，包括研制低能耗、大應變量、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；新的結構控制技術及智能MEMS/MOEMS的設計