MEMS掃描鏡介紹,MEMS微鏡按原理區分

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MEMS掃描鏡介紹,MEMS微鏡按原理區分

李倩 發表於 2018-10-22 10:26:18

MEMS微鏡是指採用光學MEMS技術製造的，把微光反射鏡與MEMS驅動器集成在一起的光學MEMS器件。MEMS微鏡的運動方式包括平動和扭轉兩種機械運動。對於扭轉MEMS微鏡，當其光學偏轉角度較大（達到10°以上），主要功能是實現雷射的指向偏轉、圖形化掃描、圖像掃描時，可被稱為「MEMS掃描鏡」，以區別於較小偏轉角度的扭轉MEMS微鏡。

MEMS掃描鏡是雷射應用必不可少的關鍵雷射元器件，應用領域已滲透到消費電子、醫療、軍事國防、通訊等。這其中有已經量產的應用，還有許多概念性的應用。主要應用領域有三個方面：雷射掃描、光通訊、數字顯示。掃描鏡主要可用在雷射雷達LiDAR、3D攝像頭、條形碼掃描、雷射印表機、醫療成像；光通訊主要指光分插復用器、光衰減器、光開關、光柵；數字顯示指高畫質電視、雷射微投影、數字影院、汽車抬頭顯示（HUD）、雷射鍵盤、增強現實（AR）等方面的應用。

MEMS微鏡在雷射雷達的應用

MEMS微鏡在3D攝像頭中的應用

MEMS微鏡在光學通訊中的應用

MEMS微鏡在雷射虛擬鍵盤的應用

MEMS微鏡在DLP的應用是一個成功的例子。DLP顯示的核心技術則是採用靜電原理的MEMS微鏡組成的陣列，每一面微鏡構成一個單色像素，由微鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開關狀態間的高速切換，將不同顏色的像素糅合在一起。DLP技術在1987年問世，最初僅用於國防，直到1996年才投入商業化應用：投影儀。

與傳統的35毫米膠片電影相比，DLP影院顯示技術所呈現的影像色彩更鮮豔、更精準。這多虧了DLP顯示引擎光學效率的BrillianColor（極致色彩）技術，這種技術不僅讓電影公司在影片的包裝和發行上變得更得心應手，同時也讓觀眾能享受到更精彩的視覺盛宴。更重要的是，DLP晶片出色的高穩定性和高可靠性也是讓其能夠在影院大放異彩的重要原因之一。

德州儀器DLP晶片技術發明者Larry Hornbeck博士，他因其與多名工程師發明的微鏡裝置，於2015年的奧斯卡「科學技術獎」上被授予奧斯卡獎！

MEMS微鏡按原理區分，主要包括四種：靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動、壓電驅動。其中前兩種技術比較成熟，應用也更廣泛。比如德州儀器的DLP中的MEMS微鏡陣列採用的是靜電驅動模式，且在投影領域一家獨大；而博世最新推出的全新交互式雷射投影微型掃描儀BML050中的MEMS微鏡、濱松今年發布的MEMS微鏡S12237-03P、意法半導體與美國MicroVision公司合作生產的MEMS微鏡，均採用電磁驅動原理；MEMSCAP和微奧科技的MEMS微鏡採用電熱驅動原理。而壓電驅動的產品還未看到大規模量產的企業。

1.  靜電驅動

所謂靜電驅動技術，就是利用電荷間的庫侖力作為驅動力進行驅動的技術。通過靜電作用使可以活動的微鏡面轉動，從而改變光路。雖然驅動力較其他原理的器件相比偏小，但工藝兼容性較好，可以使用體矽和表面矽機械加工工藝製作，便於實現集成。

靜電驅動技術按結構分，主要有平行板電容結構、抓刮結構（scratch drive actuator，SDA）和梳齒結構三大類。所謂的平板電容結構，就是在平板電容的兩端施加電壓，上級板可動，下極板固定。當外加驅動電壓時，靜電力使極板間距減小，造成靜電力增大；靜電力的增大進一步引起極板間距的減小，又使靜電力進一步增大，這是一個正反饋過程。因此，通過對外加電壓的控制實現鏡面的扭轉，但只有當驅動電壓在一定範圍內才是穩定的。

下圖是平行板電容結構MEMS微鏡的原理示意圖。

抓刮結構SDA驅動的MEMS微鏡，當懸空平面上沒有施加電壓時，懸空平面與基底平行，當懸空平面上施加電壓時，平面被拉下，當電壓消失時由於末端與連接器相連而不能復位，所以整個平面就實現了橫向的移動。

梳齒驅動結構具有兩排交錯的梳齒，其中一排與基底連接，另外一排與鏡面相連接。當兩排梳齒結構的電場變化時，梳齒之間的電場發生變化產生作用力而使得鏡面偏轉。下圖是西北工業大學研製的MEMS微鏡（左：平行分布梳齒；右：發散分布梳齒）

2.  電磁驅動

電磁驅動為電流驅動，驅動電壓低，無需升壓晶片。此外，電磁驅動具有扭轉角度大、可以實現電流型線性驅動的技術優勢。但總體來說，與靜電驅動掃描鏡比較，電磁驅動掃描鏡的驅動功耗相對較高，還需要配置永磁鐵，模塊尺寸相對較大。

就工作原理而言，在鏡面背後放置4個線圈，線圈距離磁鐵有一定的距離。下圖中，線圈對應磁鐵A、B、C、D的4個位置，當A、C線圈施加電流時，產生相位相差90°的交流激勵信號，線圈產生的磁場的極性恰好相反且交替變化。線圈產生的磁場於磁鐵相互作用，產生方向相反的轉矩，鏡面以B、D線圈所在軸發生扭轉，同理，如果給B、D線圈施加電流，也會出現同樣效果，這就是二維微鏡的工作原理。下圖是二維電磁驅動MEMS微鏡示意圖。

3.  電熱驅動

電熱驅動是利用材料對溫度的敏感而產生不同的形變量，從而引起鏡面的扭轉。可以採用兩個相同材料的膨脹臂，有V型結構、U型結構、Z型結構等。也可以採用雙材料結構，利用不同材料的熱膨脹係數的差異，在溫度變化時產生不同的形變，從而驅動鏡面扭轉。微奧科技MEMS微鏡採用一種獨特的電熱式雙S型Bimorph（雙層材料梁）驅動結構，使用熱膨脹率不同的兩種材料製作成懸臂梁，當溫度發生變化時，Bimorph就會產生形變。在Bimorph頂端連接一個鏡面並在Bimorph中集成一個加熱電阻，在改變加熱電阻的電壓時Bimorph變形並帶動鏡面轉動。

4.  壓電驅動

壓電驅動是指利用材料的逆壓電效應，通過外界電場來產生微位移。主要有兩種實現方式：一種是多層相同的壓電體疊加的純壓電變形產生大位移；另一種是雙壓電晶片驅動。但目前暫未看到商業化應用的壓電驅動MEMS微鏡問世。下圖是蘇州納米所研發的壓電驅動MEMS微鏡。

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