微光机电
微机电系统技术与应用
微机电系统技术与应用随着科技的不断进步，微机电系统技术作为新兴技术在应用领域中迅速崛起，并取得了极大的进展。
本文将深入探讨微机电系统技术的基础知识、发展历程以及其在各种领域中的应用。
一、微机电系统技术的基础知识微机电系统，简称MEMS，是指微小机电系统，主要由微机电元器件组成。
其主要原理是“微小化、整合化、智能化、多功能化”。
微机电系统技术自20世纪60年代就开始出现，随着纳米技术、信息技术、生物技术等相关技术的发展，它的应用领域也越来越广泛。
微机电系统技术主要包括微机械、微传感、微制造、微流体、微生物等学科，涵盖了力学、电学、光学、生物学等多个学科的交叉研究。
它不仅能够实现微小化的设计和制造，而且在许多领域中应用非常广泛，例如，医疗、航空航天、通讯、汽车等领域。
二、微机电系统技术的发展历程微机电系统技术的发展历程可以概括为四个阶段：起源期、发展期、成熟期和全面应用期。
起源期是20世纪60年代到70年代初，当时主要以生物学、医学为主要应用领域，主要研究微机械和微生物学。
发展期是70年代中期到80年代末期。
随着信息技术和微电子技术的快速发展，微机电元器件的制造技术得到了飞速发展，微传感器、微流体系统、微光机电系统等得到了广泛的应用。
成熟期是90年代，微机电技术逐步成熟、产业化，已发展起了芯片级、封装级和系统级的MEMS制造技术路线。
全面应用期是21世纪，微机电技术逐渐从传统的行动终端领域，向智能家居、智慧物流、智能医疗等领域延伸，未来其应用领域将更加广泛。
三、微机电系统技术在各种领域中的应用1. 医疗领域微机电系统技术在医疗领域的应用非常广泛，例如微型心脏起搏器、微型“人工肝”、体内检测等。
除此之外，微流控芯片、微制造技术也在医疗设备的制造中扮演着重要的角色，为医疗诊断和治疗提供了更多的选择。
2. 航空航天领域在航空和航天领域，微机电系统技术主要应用于姿态控制、气动力学、失速预警等方面。
微型惯性器件也可以用于导航和制导。
MOEMS介绍20111129
学科定位
MEMS：集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路， 甚至接口电路、通信和电源于一体。 微光机电系统是MEMS 技术的一个重要的研究方向，它是由微 光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构 系统。 一种可控的微光学系统，微光学元件在微电子和微机械装置的 作用下对光束进行汇聚、衍射、反射等控制，从而实现光开关、 衰减、扫描和成像等功能。
2．微光机电系统在空间的应用
◦ 光通信和光遥感是MOEMS在空间的主要应用
体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀 体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀
湿法腐蚀
◦ 各向同性 各向异性
体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀 体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀
干法刻蚀
◦ 特点：各向异性、尺寸精确、高深宽比 ◦ 主要方式：溅射刻蚀、等离子体刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀 (RIE) 及深反应离子刻蚀(DRIE) 等
代表性器件
光互联
◦ 计算机或其他电子系统内建立面板间或芯片间GHz带宽互联的需要 ◦ 电互连在高频时具有信号完整性和交扰等问题 ◦ 光互连可避免电互连系统的互连带宽瓶颈
前景与展望
多学科综合交叉的新兴技术体系 具有对光束在时间和空间上的精确控制能力以及体积小、可批 生产、功耗低和价格合理等优势 广泛应用于光通信、大规模数据存储、图像显示、光互连计算、 大型光学孔径的航天器实现小型化等方面 既可以带动一些重要的基础课题研究，又可以带动大量概念全 新的功能部件开发
参考文献
《微光机电系统》 . 张文栋，熊继军编著. 机械工业出版社. 2006-8-1 微光机电系统及其应用. 李文军,赵小林,蔡炳初,戴旭涵. 微细加 工技术. 2001年第3期 国外微光电子机械系统技术的研究现状. 罗家强. 世界电子元器 件. 2002年03期 MOEMS光学系统的发展与应用. 耿凡. 红外与激光工程. 第34卷 第一期. 2005年2月
基于三维微光机电系统光开关的研究
设计光学 系统时 ， 我们采用对称共焦光学系统 。即光束 束腰 正好处于光学系统的中心 ， 瞄准仪的准直透镜 对输 这样 入输 出端 口具有相 同的放大倍数 ， 而能补 偿光学 发散 ， 从 因
而具有 高的耦合效率 、 并且具有较大的装 配公差 。此外束腰
硕士研 究生
维普资讯
关 键 词 ： 型 光 机 电 系统 ； 分插 复 用 器 ； 开 关 ； 交叉 连 接 ； 网络 ； 微 光 光 光 光 波分 复 用 中 图分 类号 ￣ ９ ９ ｌ ＴＮ ２ 、 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
随着通信数据量的急剧增加和波分复用技术 （ Ｍ） ＷＤ 的
２ 新 型微镜 反射 型三维 ＭＥ ＭＳ光 开关 结构 和工 作
大容量 的光开关结构 ， 并与常规 结构的三维微光机 电系统的光开关进行对 比， 在保证设 计参数 不变的情况下 ， 保证
系统全连接的情 况下， 可以减 少微镜的最大偏转 角， 而实现快速的光路切换 ， 从 并且采用静 电梳状 微致动 器能进 一
步 降低工作 电压 ， 实现低 功耗 和快速 的交叉连接 ， 并对 系统设计需 注意的事项进行分析 。
反射到回射器 ， 经由回射器反射到第二个反射镜阵列的微反
射镜 ， 微反射镜对准光束 瞄准仪变成输出光。这里 任意光束 进入回射器将平行反射 回来 ， 但是具有确定的位置 平移。和 普通的平面镜相 比， 最基本 的不 同在于 ， 回射器具有“ 行位 平
图 Ｉ 三维微光机电系统大型多端 口开关结构 图
原 理
发展 ， 促进 了全光 网络的发展。作为全光 网核心器件 的光交
叉连接 （ Ｃ 和光分插复用器（ Ａ Ｍ）其关键技术在 于光 ０ｘ ） Ｏ Ｄ ，
微光机电系统
微光机电系统总结MOEMS(Micro Optical Electro-Mechanical-System) 是指微电子、微机械与光电子技术的整合，它是在微机电（MEMS）的基础上发展起来的一种新技术系，在信息、工业、医学等方面有广阔的应用前景。
它的前身可追溯到1946年2月15日在美国诞生的第一台电子计算机ENIAC。
随着技术和工艺的的革新，渐渐趋于小型化，微型化。
1987年10月IEEE的机器人和自动化委员会组织了有关讨论会，会后来自MIT、Berkeley、Stanford和NSF的15名科学家提出了“小机器,大机遇:关于新兴领域——微动力学的报告”的国家计划建议书，并引起美国政府的高度重视，从此微机电系统——MEMS技术正式诞生。
微光技术的发展可以追溯到1960年半导体激光波导的出现，微电子技术的发展则来自于1958年完整晶体管电路的出现，1967年Nathanson发明的谐振闸电晶体结合了电与机械。
MOEMS是MEMS在21世纪产生的重要应用之一，光子学的引入使常见的MEMS机械部件更为可靠。
光的引用体现了以下的优势：比率高，消耗低，干扰低；光与微机电都具有高度的平行性；很小的芯片上可以集成许多微型的设备。
普通机械和MOEMS最重要的区别是，MOEMS不需要体力性质的装配，而是装置在螺线管中以构造出三维结构。
MOEMS微光学设备可完成普通光学设备的基本功能，这样会减小许多光学系统的成本、尺寸和重量，特别是在一些特殊的环境下使用的光学仪器，如航天、核生化、机器人、汽车、生物医学等。
因而微光机电系统在通信、军事、航空航天、工业、医学等领域有着广阔的应用前景，尤其是在通信领域中有着非常诱人的发展前景。
采用微光机电系统的技术将光纤通信系统中的许多诸如波分复用器、光发射与接收装置以及其它补偿器、调制器、隔离器、衰减器、光开关等重要器件集成于微光机电系统中，对于开发新一代高速光纤传输系统 ,以及提高通信系统的容量、传输速率、信噪比等都具有十分重要的意义。
WLP能够改变MOEMS,MEMS
。
间倾斜镜子 来产生 静 电驱动 。这种快 速转换 允许模拟灰度 ，三个 Ｄ 阵列 ＭＤ
连 就 可形成彩 色。ＭＥ 镜制作在 采用 ＭＳ 表面加工几 个铝层 的标准ＣＭＯＳ 电路
业化速度至关重要 。预计未来５ 年ＭＥ 器件 的 成本是 降低器件总成本的最有效方 法 。采用特 Ｍｓ Ｐ，而 非芯 片级封装 ， 年复合增长率 为１％，主要得益 于于消费类应 殊 的制造创新 ，例如ｗＬ ３ 用 ，也有可能上浮或下 调 ，主要取决于封装 中 可带来 巨大的竞争优势。 的创新速率 。 典型 的ＭＥ 器件 需要 一个特殊 的加工过 ＭＳ 程 ，带有器件 的晶圆被键合到 另一个 晶圆上 ，
圆级 别进行 。虽然基本 的ｗＬ 结构 已经 出现好 Ｐ
对准晶圆键合技 术能 够降低这些成本 ，得 益于 几年了 （ 晶圆级封帽 ），但这种技术还没有被 总体封装尺 寸的变小 ，产品性能得到提 高 ，也 采用 ，因为现有 的封 装方案已经满足市场 的需 要 。当尺寸要求持续 减小及成本 目标无 法满足
微光机电系统 （ Ｅ Ｍｏ Ｍｓ）
聚焦于增长速度最快 的ＭＥ ＭＳ 、微光机电
ＭＯＥ ＭＳ） 场 ，新型封装技术 极大地 市 可有效地封装敏感 的ＭＥ 结构 。该方法被称 系统 （ ＭＳ
为 “ 零级封装 ” ，能使器件在真 空或惰性气体 影响着器件 最终 成本 以及最终产 品的商业化。
集成 度 。相 对于用 于ＭＥ 器 件的 晶 常 的晶 圆永久 键合 工 艺是随 后 的检测 目前正 在开展 此 类工作 ，以改善 ＭＳ
圆 密封技 术 ，晶圆键 合 在已确 定的 成 与评估 （ ） 。 表 本标 准和新 型 后道技 术 的封装 舞 台上 键合 ， 以下几个要点 。 有 从研发到ｌ产的工艺转换一 生
OESOC(光电系统级芯片)
3.1 国际研究现状
提出“微光电系统级芯片”概念的机构---台湾中 提出“微光电系统级芯片”概念的机构---台湾中 央大学光电研究中心在积极地 央大学光电研究中心在积极地开展微光机电整合技术 的研究，如semiconductor laser， 的研究，如semiconductor laser，semiconductor detector，micromirror，microlens， detector，micromirror，microlens，beam splitter 及 DOE （Diffractive Optical Element）等，并将 Element） 它们组合在同一基底上，作到光电元件集成化，且将 在不同基底上的各种次系统，以晶片键合技术作在一 起，增加光电系统的微型化及功能化，并要以下一代 的蓝光光学读取头为载具，以研发微光学集成化硅晶 片技术，以及研发在光电次系统及高速与高频 片技术，以及研发在光电次系统及高速与高频工作的 电路系统与硅晶片微光学桌的键合系统 电路系统与硅晶片微光学桌的键合系统。
三、技术的发展现状与趋势
像微电子领域一样，运用了MOEMS工艺的光电SOC 像微电子领域一样，运用了MOEMS工艺的光电SOC 采用了大规模的系统芯片设计，要将设计建立在 较高的层次上，需要采用功能模块（IP） 较高的层次上，需要采用功能模块（IP）核复用 技术。对光电体系来说，不像微电子的模拟或数 字逻辑IP核已经有许多现成的可以运用技术的不 字逻辑IP核已经有许多现成的可以运用技术的不 成熟性，还没有现成的IP核可以用，所以，设计 成熟性，还没有现成的IP核可以用，所以，设计 与开发时，就必须与底层工艺研究结合的非常紧 密。在作仿真时，可将光电器件的行为映射到微 电子器件的行为上（比方说，把光探测阵列对光 的响应映射成外部电信号激励）。这样的话有利 于借助微电子成熟的研制和实际方法来加快光电 系统设计，并保证设计制造价格低的光电SOC， 系统设计，并保证设计制造价格低的光电SOC，满 足市场需求。
光机电一体化技术
光机电一体化技术一、光机电一体化技术的基本概念光机电一体化技术是指将光学、机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。
光机电一体化系统主要有五个组成部分:动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是光机电一体化技术的重要组成要素。
光机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机械产品比较,光机电一体化产品至少有以下3 个优点:1. 原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件,来替代原有产品的部分机械控制机构,不仅提高了自动化程度,而且能大大提高产品质量,降低生产成本,提高经济效益。
2. 以光机电一体化技术为主的新型产品,与原机械产品相比,不仅结构简单,而且功能增加,精度提高。
3. 将光电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,形成综合化优势,可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。
二、光机电一体化技术的运用光机电一体化技术的运用主要包括在设计中和在加工制造中的运用。
光机电一体化技术在设计中的运用也就是光机电一体化设计,它要求设计者不仅要熟悉光学系统、机械结构、传感学、信息处理和控制等方面的知识,而且要熟悉计算机的硬件接口和软件设计方面的知识。
光机电一体化技术在加工制造中的运用主要包括各种激光加工技术、先进制造技术、工业生产过程控制和精密检测技术。
1.设计中的运用1) 信息处理技术(1) 计算机①进行大量的数据采集和处理; ②数字式或图像式生动明确的显示结果; ③对误差进行修正和补偿; ④利用计算机的高速运算和存储能力,提高系统的分析、实时反应速度; ⑤对图像信息进行自动处理和自动识别; ⑥通过网络进行协同工作和信息共享;⑦以计算机作为上位机、可编程控制器( PLC) 作为下位机可使系统具有层次结构,接口合理,便于维护。
(2) 软件①人工智能(包含各种遗传算法、神经网络数据处理方法、专家系统及决策支持系统) ,可优化数据处理,提高运行速度,并可提高决策能力和正确率; ②网络技术,可共享资源(包括数据、硬件和信息)和协同工作; ③仿真技术,可评估运行效果以辅助决策; ④良好、简便的人机交互界面。
mems光开关的控制
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System s，微机电系统）是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。
而MOEMS是 Micro-Opto-Electro- Mechanical Sy ST em的缩写，意为微光机电系统，把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。
微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。
随着光通信的快速发展，作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要。
光交换器件是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件，不存在光电转换。
MEMS光开关具备了低损耗和高稳定的优点，且与传输的数据速率和信号协议无关。
实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光直接送到或反射到光开关的不同输出端。
MEMS光开关是利用机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。
MEMS光开关响应速度和可靠性大大提高，插入损耗和串音低，偏振和波长相关损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能。
2 MEMS光开关控制原理2.1 MEMS光开关简介典型的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妆电极。
转换状态通过调节梳妆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。
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MOEMS微光机电
——微光机电
----MOEMS
摘要：MOEMS(Micro Optical Electro-Mechanical-System) 是指微电子、微机械与光电子技术的整合，它是在微机电MEMS的基础上发展起来的一种新技术系统，在信息、工业、医学等方面有广阔的应用前景。
关键词：MOEMS，微光机电系统，微光学
目录：
1.MOEMS的定义和发展历史
2.MOEMS的应用
3.MOEMS的发展前景
4.MOEMS涉及的相关原理和课程
1.MOEMS的定义和发展历史
MOEMS英文全称为Micro Optical Electro-Mechanical-System，这个名词由MEMS（微机电）发展而来，光学技术的组合使得原本的MEMS再次形成一个多学科交叉的研究领域。
它是三种技术的融合：微光技术（Micro Optics），微电子技术（Micro Electronics），微机械（Micro Mechanics）。
其中，微光技术的发展可以追溯到1960年半导体激光波导的出现，微电子技术的发展则来自于1958年完整晶体管电路的出现，1967年Nathanson发明的谐振闸电晶体结合了电与机械。
2.MOEMS的应用和发展前景
MOEMS是MEMS在21世纪产生的重要应用之一，光子学的引入使常见的MEMS机械部件更为可靠。
光的引用体现了以下的优势：比率高，消耗低，干扰低；光与微机电都具有高度的平行性；很小的芯片上可以集成许多微型的设备。
普通机械和MOEMS最重要的区别是，MOEMS不需要体力性质的装配，而是装置在螺线管中以构造出三维结构。
MOEMS已经实现的具体应用有如下：
MARS(Mechanical Anti-Reflection Switch)
机械增透开关，能够改变全反射条件
Fiber Switch光纤交换机
新型的交换机设备，采用传输速率较高的光纤通道与服务器网络，使整个存储网络就具有非常宽的带宽，为高性能的数据存储提供了保障。
Optical Scanner光扫描器；2x2 FDDI optical stwitch 等等
按照用途分类，MOEMS的应用可以分为传感，光控制，光制造三类。
传感方面的应用包括了光编码器，光存储，波导传感器等；光控制包括了光纤开关，光扫描器等；光制造则包括光刻等技术。
3. MOEMS的发展前景
MOEMS 微光学设备可完成普通光学设备的基本功能，这样会减小许多光学系统的成本、尺寸和重量，特别是在一些特殊的环境下使用的光学仪器，如航天、核生化、机器人、汽车、生物医学等。
因而微光机电系统在通信、军事、航空航天、工业、医学等领域有着广阔的应用前景，尤其是在通信领域中有着非常诱人的发展前景。
采用微光机电系统的技术将光纤通信系统中的许多诸如波分复用器、光发射与接收装置以及其它补偿器、调制器、隔离器、衰减器、光开关等重要器件集成于微光机电系统中，对于开发新一代高速光纤传输系统,以及提高通信系统的容量、传输速率、信噪比等都具有十分重要的意义。
微光机电系统的出现将会对通信技术的发展起到很大的促进作用。
另外,军用光电侦察装备要求重量轻、功耗低,采用MOEMS 也是未来军用光电侦察装备的主要趋势之一。
4.MOEMS涉及的相关原理和课程
这是一些有趣的例子
DWDM Transmission: Rainbow Principle彩虹原理（多颜色合并后经光纤传输后分开波段）
液晶式光开关，气泡式光开关，热光式光开关。
在各种光开关性能的比较中，MEMS optical switch的各项性能都表现得极好。
在MOEMS涉及到的switch设计以及其他器件中，几何光学的应用十分突出。
MOEMS 涉及到的其它课程还包括半导体物理学，物理光学，光波导理论，电磁场理路等。
[1] 《微光机电系统与应用技术》国立台湾师范大学机电科技学系杨启荣博士
[2] 《微光机电系统(MOEMS)》张文栋熊继军
[3] 《微光机电系统及其应用》李文军,赵小林,蔡炳初,戴旭涵。