MEMS微镜及其阵列
DMD介绍
DMD芯片显示原理的介绍DMD精微反射镜面是一种整合的微机电上层结构电路单元 (MEMS superstructure cell)，它是利用CMOS SRAM记忆晶胞所制成。
DMD上层结构的制造是从完整CMOS内存电路开始，再透过光罩层的使用，制造出铝金属层和硬化光阻层(hardened photoresist) 交替的上层结构，铝金属层包括地址电极 (address electrode)、绞链(hinge)、轭 (yoke) 和反射镜，硬化光阻层则作为牺牲层 (sacrificial layer)，用来形成两个空气间 (air gaps)。
铝金属会经过溅镀沉积 (sputter-deposited)以及电浆蚀刻 (plasma-etched)处理，牺牲层则会经过电浆去灰 (plasma-ashed) 处理，以便制造出层间的空气间隙每个微反射镜都能将光线从两个方向反射出去，实际反射方向则视底层记忆晶胞的状态而定；当记忆晶胞处于「ON」状态时，反射镜会旋转至+12度，记忆晶胞处于「OFF」状态，反射镜会旋转至-12度。
只要结合DMD以及适当光源和投影光学系统，反射镜就会把入射光反射进入或是离开投影镜头的透光孔，使得「ON」状态的反射镜看起来非常明亮，「OFF」状态的反射镜看起来就很黑暗。
利用二位脉冲宽度调变可以得到灰阶效果，如果使用固定式或旋转式彩色滤镜，再搭配一颗或三颗DMD芯片，即可得到彩色显示效果。
DMD的输入是由电流代表的电子字符，输出则是光学字符，这种光调变或开关技术又称为二位脉冲宽度调变 (binary pulsewidth modulation)，它会把8位字符送至DMD的每个数字光开关输入端，产生28或256个灰阶。
最简单的地址序列 (address sequence) 是将可供使用的字符时间 (field time) 分成八个部份，再从最高有效位 (MSB) 到最低有效位(LSB)，依序在每个位时间使用一个地址序列。
微电子机械系统(MEMS)
Small high-resolution electrodes that
– do not degrade when passing high current levels in saline – high-density hermetic packaging – fully integrated electronics including power supplies – bidirectional high-rate data telemetry
MEMS技术
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微 型执行器、信号处理和控制电路、接口电 路、通信系统以及电源于一体的微型机电 系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领 域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有 领域，如电子、机械、光学、物理学、化 学、生物医学、材料科学、能源科学等
力 传 光 声 感 温度 化学 其它 感测量 器
研究领域
技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层 微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一 门非常重要的学问。人们不仅要开发各种 制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS 器件用于实际系统，并从中受益。
MEMS的分类
微传感器：
– 机械类：力学、力矩、加速度、速 度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器 – 磁学类：磁通计、磁场计 – 热学类：温度计 – 化学类：气体成分、湿度、PH值和离 子浓度传感器 – 生物学类：DNA芯片
衬底 掩膜 胶 金属 铸塑 材料
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
体硅工艺
Meomes 光开关
重庆大学的光开关SEM 北京Байду номын сангаас学的光开关SEM
清华大学应力诱导式光开关照片
Momes光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式 MOEMS光开关的驱动方式目前主要有两种，静 光开关的驱动方式目前主要有两种， 光开关的驱动方式目前主要有两种 电驱动和电磁驱动方式。 电驱动和电磁驱动方式。
全光网络图解
光开关在全光通信网络中的应用： 光开关在全光通信网络中的应用： 1.光路通断 光路通断 2.光纤通道的自愈保护 光纤通道的自愈保护 3.光开关在 光开关在OADM和OXC系统中的使用 光开关在 和 系统中的使用
Momes光开关结构设计： 光开关结构设计： 光开关结构设计
MOEMS光开关的指标主要有插入损耗、开关速度和驱动 光开关的指标主要有插入损耗、 光开关的指标主要有插入损耗 电压等，另外还要考虑MOEMS光开关的可靠性以及开关 电压等，另外还要考虑 光开关的可靠性以及开关 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容， 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容，开关速度 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。
Moemes
光开关
Company
LOGO
主要内容
1 2 3 4
课题研究背景 Momes技术简介 Momes光开关介绍 Momes光开关基本结构设计
研究背景
全光通信：
信息时代人们对信息获取和信息处理的极大需求， 又直接促进了光通信技术的进步。随着WDM， DWDM技术的应用虽然满足了大容量、高带宽、高 速率的网络需求，但同时对光通信技术提出了新的 挑战。传统的电交换网络已经不能满足大规模网络 信息交换的需求。 组建全光通信网络成为未来光通信网络发展的必然 趋势。
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。
MEMS光栅光调制器阵列的控制系统设计
个 可偏 转 的微镜 构成 二维 阵 面 ，利用 光 的反射 偏 转原 理实 现光 的开关 调制 ，它 的加 工工 艺复 杂［ 习 ； Ｇ Ｖ是 由一 系 列 交 替 可 动 的 栅 条 构 成 的一 维 线 Ｌ
阵， 通过控制栅条与下反射面的距离 ， 利用光的衍 射原理对光进行调制 ，需借助机械扫描装置实现
Ｌ ｈ， Ｚ Ｉ ｉ Ｚ ＨＡＮＧ ｈ — ａ， Ｆ ｎ － ｉｏ ＪＮ Ｚ ｕ Ｚ ｉｈ ｉ Ｕ Ｈｏ ｇ ｑａ ， Ｉ ｈ
（ ｅ ａ ｆ ｐｏ ｌ ｔ ｎｃＴ ｃ ｎ ｌ ｙａ ｄＳｓ ｍ ｏ Ｅ Ｃ ｏ ｇ ｉ ｎｖｒ ｔ， Ｋ ｙＬ ｂｏ ｔｅ ｃ ｏ ｉ ｅｈ ｏｏ ｎ ｙｔ ｆ Ｏ ｅｒ ｇ ｅ ＭＯ ， ｈ ｎｑｎ Ｕ ｉ ｓ ｙ ｇ ｅｉ
李 志， 张智海 ， 付 红桥 ， 金 珠
４ ０３ ） ０ ００ （ 重庆 大学光 电技术及 系统教 育部 重点 实验 室 ， 重 庆
摘
要 ： 对光栅 光调 制器 阵列 的显示控 制 ， 出 了一种 控制 系统设 计 方案 。设计 应 用软件 ， 生 针 提 产
显 示数据 源 ， Ｕ Ｂ数 据 线发 送到 Ｆ Ｇ 芯 片 ， Ｆ Ｇ 由 Ｓ ＰＡ 在 Ｐ Ａ芯 片上 实现格 式转换 、 乒乓 操作 、 宽调 脉
平面显 示 ［ 本文讨 论 的光栅 光调 制器 是一种新 型 ３ １ 。
制器件在数字投影显示的应用取得 了巨大成功［ １ Ｊ ， 典 型 的例 子有 德州仪 器公 司 Ｔｘｓ ｎｔ ｍｅｔ） ｅａ ｓｕ ｎｓ的 Ｉ ｒ
数 字 微 镜器 件 （ ｉｉｌ ｃｏ ｉｏ ｅｉｅ和 硅 光 Ｄｇｔ ｒｍｒ ｒＤ ｖｃ ） ａ Ｍｉ ｒ 机 械 公 司 （ｉｃｎＬｇｔＭａｈｎｓ 的光 栅 光 阀 Ｓｌｏ ｉｈ ｃｉｅ） ｉ
微电子机械系统简介
微电子机械系统陈迪微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。
它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。
MEMS的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和可批量制造。
微电子机械系统技术微电子机械系统技术在欧洲也称为微系统技术（Microsystem Technology，MST），是近年来飞速发展的一门高新技术，它综合集成了微电子工艺和其他微加工工艺，加工制造各种微型传感器和微型执行器，并将其综合集成。
微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。
MEMS的材料包括导体、半导体和绝缘材料几类。
根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。
在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。
MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。
MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。
MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。
MEMS技术与微电子技术的区别是，前者可以制造悬空或可活动的微结构，以及具有高深宽比的三维立体微结构，它主要采用硅表面工艺和体硅工艺技术（包括牺牲层工艺，湿法、干法各向同性和各向异性刻蚀工艺以及键合工艺等）来实现。
非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。
MEMS微针
制备工艺
目前微针制作工艺主要是硅微加工工艺和LIGA工艺。 （1）利用硅微加工工艺制作微针。工艺流程大概有热氧化， 光刻，体硅腐蚀，反应离子刻蚀 等。 （2）微针对MEMS 加工来讲是一种高深宽比微结构。目前 的微细加工技术中只有少数技术可以获得高深宽比, 其中 比较成功的是LIGA 技术。该技术的优点是能够获得具有 深宽比高、结构精细、侧壁陡峭、表面平整的微结构。
硅微针
R L P．Gassend等人用深度 反应离子刻蚀(depth reactive ion etching，DRIE)制作了复 杂的硅针状结构。 这种针是具有高深宽比的针 状硅结构，有几百微米的高度， 具有亚微米级的锋利凸出结构。 由于刻蚀和曝光的不均匀性， 制作出的结构跟设计的针结构 之间存在较大偏差，除此之外， 用刻蚀的方法刻蚀深高宽比的 结构对于工艺条件的要求也过 于苛刻，不易实现。
硅微针
硅材料的性能优异，便于集成化，成本低，制作工艺技术 成熟。 硅微针主要利用各向同性和各向异性腐蚀（或刻蚀）相结 合的工艺制成，有腐蚀法和微模具法。 湿法腐蚀或干法刻蚀硅基底形成空腔和针头，再利用固相 键合或沟道再填充技术形成封闭的结构，可制成异平面实 心微针、异平面空心微针或同平面空心微针；微模具法可 制成同平面空心微针。
优势：
（1）针头极其锋利，对生物组织器官的破坏量小，可避免与痛觉感受器 官接触；表面处理后，MEMS微针可避免被刺入区域的感染和发炎；还 可通过制作微结构过滤细菌，降低注射引起的细菌感染。 （2）可精确控制注射的剂量、速率和位置；可利用多个微针和流体控制 技术混合药物溶液，并注射到生物体内。 （3）可穿透皮肤提取体液样品进行分析；可通过其上的微电极反馈体内 药物浓度的变化情况；可制成便携式装置监测生物体在药物传输与释 放过程中的新陈代谢。 （4）具有高集成度，传统的药物传输系统高考样品存储与供应系统、控 制系统、推进系统和检测系统，MEMS微针将这些系统集成并封装到极 小的体积内实现未定的药物/基因传输过程。 （5）可大批量加工，可以大大降低成本。
东南大学mems简介
MEMS CAD
•MEMS 设计与优化/CMOS MEMS 设计与优化 •基于标准工艺的 MEMS 设计/商用 MEMS 设计软件的集成 •特定 MEMS 设计工具开发 •版图设计/器件级模拟/工艺模拟/系统模拟 •测试结构设计/建库
Simulation of thermal actuator
Etch rate diagram of silicon
Medical Technology
➢ Clinical diagnostics, drug delivery systems
Biotechnology
➢ DNA sequencing chips, Micro total analysis system (μTAS)
IT-peripherals and wireless
Mechanical Material”
26
MEMS的发展史（续2）
80年代后期： LPCVD、RIE、 Lithography
Polysilicon Surface Micromaching 技术的发展
– Polysilicon Cantilevers and Flexures (Howe - UCB) – Polysilicon Micromotors (UCB, MIT) – Accelerometer (Analog Devices) – Integration of Ferromagnetic Materials with MEMS
• 尺寸可调(几百微米-几毫米) • 圆片级制备
• IEEE Transactions on CPMT，2013； • IEEE ECTC，2012
三、 SEU-MEMS相关基础
技术基础-3：系统级封装基板埋入技术（SIP+Embeded）
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Nippon Signal、Fraunhofe rIPMS、Inte lliSe ns e 等国际知名公司，积
极从事着 MEMS 微镜及其阵列的生产、应用、设计和研制。 举例如
下：
图 ６ 一种基于平动扫描型 ＭＥＭＳ 微镜的傅立叶光谱采集系统示意图
这种基于平动微镜的傅立叶光谱采集系统一般要求微镜：1） 具有 大的镜面面积 （毫米量级） 以获得高的光通量和性噪音比；2） 具有较 大的平动扫描范围 （毫米量级以上） 以获得高的光谱分辨率；3） 较低 的扫描频率 （小于 500Hz） 以降低对数据采集电路的带宽要求；4） 另 外微镜梁臂的材料的机械特性对温度不敏感以获得较高的稳定性。即使 Fraunhofe r IPMS 的平动微镜也不能完全满足傅立叶光谱采集系统的 技术要求。
MEMS （m icro- e le ctro- m e chanical- s ys te m s） 是由半导体材 料或 （(/ 和） 其它适用于微加工的材料，如 Si、PDMS 等，构成的可控 的微机械结构系统。通常情况下，它将电、机械和光 （或热，压电等） 的传感器，执行器和信号取样与控制 IC 集成为一块芯片系统。MEMS 技术经过几十年的发展，已广泛应用在工业、农业和信息系统等领域。 MEMS 微镜的基本原理就是通过静电 （或磁力） 的作用使可以活动的 微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向或相位。 MEMS 微镜及其阵列可广泛用于光通讯中的光交换、光谱分析仪器和光投影成 像、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。
图 ５ 一种平动扫描型 ＭＥＭＳ 微镜
图 １ 二维 ＭＥＭＳ微镜阵列光开关
图２ 一种微镜结构示意图
二维 MEMS 微镜阵列的控制电路较简单，由 TTL 驱动器和电压
变换器来提供微镜所需的电压。开关矩阵的规模可以扩展到上千个端
口。而三维 MEMS 阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波
长带同时从一根光纤交换到另一根光纤上。因为三维 MEMS 微镜阵列
例一：用于成像的 MEMS 微镜 （转动） （见图 3） 图 3 所示是一种用于光投影成像的磁力驱动的扫描微镜。通常因 为扫描成像需要在人眼的像滞留时间内 （小于 40m s） 扫描形成一幅完 整图像并且不抖动的显示，因此对微镜的扫描频率和稳定性都有一定要 求。通常人们使用两个微镜，激光束依次经过两个微镜并使用电路控制 来实行扫描控制管理微镜的扫描。最终在屏幕上利用人眼的像滞留效应 形成图像 （见图 4） 。图 4 中的扫描微镜的扫描频率达到 7.9 赫兹。国 际上有个别公司近期已经开发出系统样机 （如：Nippon Signa）l ，但是 离能够实用的产品还有距离。国内在基于 MEMS 微镜的显示系统的研 发中方面还须努力赶上。
实现交换，任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏微镜阵列，所以三维
MEMS 微镜阵列的制作和控制难度也相当的大。
尽管，MEMS 微镜及其阵列在光通讯中的应用受到光纤主干网市
场饱和的影响，但是 MEMS 微镜及其阵列在光谱分析仪器，成像显示
等领域的广泛应用和市场前景仍然鼓舞着 Sony、TI、Sam s ung、
当 MEMS 微镜阵列用于光交换时，它既有机械微镜阵列开关的低 损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开 关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于 MEMS 微镜阵列开关 交换技术的已广泛应用于骨干网或大型交换网。
典型的 MEMS 微镜阵列器件可分为二维和三维结构。 基于 MEMS 二维镜面器件由一种受静电 （或磁力） 控制的二维微小镜面阵 列组成，并安装在硅基底座上。典型的尺寸是 10cm。准直光束和旋转 微镜构成多端口微镜阵列。其原理如图 1 所示。对于光网络的交换和恢 复，基于旋转铰接微镜阵列是一种较好的选择，因为对于这样的应用， 微镜阵列无需经常变换，并且 MEMS 微镜的亚毫秒的开关时间也能适 应全光网光交换的要求。二维 MEMS 的空间微调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。如图 2 所示的一种微镜结构，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，另一端连接平移 盘铰接点。通过调节平移盘使微镜发生转动，从而使该光束从该微镜对 应的输出端口输出。
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。镜面的位置必须控制得非常精，达到百万分之一度。三维
MEMS 主要靠两个 NxN 微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，
每个微镜都有多个可能的位置。由于 MEMS 微镜阵列是靠镜面转动来
应用科技
MEMS 微镜及其阵列
叶坤涛 程显明 徐 波 李广勇
（江苏英特神斯科技有限公司，江苏南京 210005）
［摘 要］ 通过对 MEMS微镜及其阵列的原理和结构，以及 MEMS微镜及其阵列在光交换、光谱采集和投影成像领域的应用和国际研究进 展进行了阐述。指出了我国在微镜及其应用系统的开发研究方面与国际上的差距并指出了努力的方向。 ［关键词］ MEMS；MEMS微镜；光谱
［参考文献］
[1] 高晓萍等." 美国微电子机械系统的研究计划 "[J].光机电信息,1995. [2] 蒋剑良,孙琼,刘玉杰." 微反射镜阵列器件技术及其应用 "[J].光学与光电 技术,2008.
200 TECHNOLOGY TREND
图 ３ 一种磁力驱动的转动微镜 图 ４ 一种基于 ＭＥＭＳ 微镜的扫描成像系统
例二：用于光谱分析仪器的 MEMS 微镜 （平动） （见图 5） 图 5 所示是 Fraunhofe rIPMS 公司开发的一种平动扫描微镜,它可 用于改变光线的波前相位。这种特性的微镜可用于傅立叶的光谱扫描系 统。 （见图 6）