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MEMS微镜介绍

   日期:2013-05-09    

MEMS 变形镜采用 MEMS 技术制造的微变形镜由于其具有体积小、成本低、响应快以及集成度高等传统变形镜不具备的特点,目前已成为变形镜技术发展的重要方向。全世界有大量的科研单位和公司正在进行 MEMS 微变形镜设计、加工和应用研究,已经报道的 MEMS 变形镜的结构和性质各不相同,但可以根据变形镜的镜面面型、加工工艺和驱动器的驱动方式把它们分成几类,因此它们具有某些相似的特性。

1. 根据镜面面形分类

与传统的压电变形镜类似,MEMS 变形镜也可根据镜面面型分为连续镜面MEMS 变形镜和分立镜面 MEMS 变形镜两类。连续镜面 MEMS 变形镜是在一块薄反射镜下面连接各种类型的微驱动器,通过对微驱动器的控制使反射镜面产生局部变形。而分立镜面 MEMS 变形镜则是由大量紧密排列的微变形镜单元组成,每个微镜单元则通过一个或多个微驱动器独立地控制,通过精确控制每一个微镜的空间位置,使微镜阵列构成校正的波前畸变所需的形状。由于分立镜面的 MEMS变形镜各个微镜单元独立控制,相邻驱动器之间不存在相互影响,因此控制算法相对简单,而且响应速度较快,但是单元之间的间隙使衍射产生的光学损耗增加,因此光学效率没有连续镜面的变形镜高。尽管如此,因为分立式微变形镜更容易将整个系统集成到硅片上,有效地降低了生产成本,而填充比(定义为光学有效面积与整个微变形镜面积的比值)是可以通过改进设计和提高工艺水平来改善的,因此成为当前 MEMS 微变形镜研究的主流方向。

2 .根据驱动方式分类

MEMS 变形镜主要依靠微驱动器来推动工作的,有静电驱动、电磁驱动、热力驱动等几种。静电驱动是通过两电极间的静电力来控制驱动器的运动的,按照驱动器的形状可以分为平行板电容器式和梳状电容器式,静电驱动力跟电极的公共面积和电压的平方成正比。电磁驱动器一般由多圈导线绕成的微线圈构成,通过控制微线圈中电流的方向和大小来产生电磁场吸引或排斥微磁铁或磁性膜,电磁驱动力根线圈的匝数和电流的平方成正比。一般在几个微米的距离上,电磁驱动力可以比静电驱动力大一千倍,因此电磁驱动具有更大的驱动距离和更高的频率。热力驱动主要是靠电极供电,加热由两种热膨胀系数相差较大的材料构成的制动器,使这种双层结构的驱动器在热应力作用产生位移或改变表面的曲率,来驱动变形镜。尽管电磁驱动和热力驱动可以产生比静电驱动更大的驱动距离,但由于静电驱动具有设计简单、制作方便、能耗低等优点,成为 MEMS 微变形镜首选的驱动方式,目前报导的 MEMS 微变形镜绝大多数均采用这种驱动方式。

3. 根据加工工艺分类

MEMS 微变形镜所采用的加工工艺主要由两种:表面微加工技术和体微加工技术。体微加工技术由于操作简便,在早期的变形镜设计中采用较多,它通过选择性地去除硅基底材料,对体硅进行三维加工,从而形成微机械结构,用该技术制作的 MEMS 微变形镜,具有镜面面积大、光学质量高、冲程大等优点,但是由于该技术需要消耗大量硅片,加工成本高,不适合大批量生产,而且加工出的微镜之间的间隔较大,微镜阵列的有效填充率较低,无法满足自适应光学系统的要求;表面微加工技术采用对多层硅的沉积、刻蚀等基本工艺,用该技术制作的MEMS 微变形镜集成度高、体积小、结构设计灵活,由于其可采用与 IC 兼容的标准工艺设备加工,因此非常适合大批量生产,制造成本显著降低,不过由于表面工艺本身的局限性,制作的微变形镜冲程较小,而且工艺过程中产生的残余应力会对微变形镜的机械性能和光学性能产生很大影响。尽管如此,日渐成熟的表面工艺正得到越来越广泛的应用,如美国 Sandia 国家实验室的 SUMMIT V 工艺和MEMSCAP 公司的 MUMPs 工艺均是商用化表面工艺的典范,并由此诞生了许多成功的应用案例。

几种商用 MEMS 变形镜

①MEMS 薄膜变形镜:

属于静电驱动的连续镜面变形镜,是通过在涂了氮化硅层的 1mm 厚的硅片上远离掩模区域蚀刻硅而形成。其加工工艺是以体硅加工工艺为主,目前已经商用化的 MEMS 薄膜变形镜产品是 OKO 公司生产的 37通道的 MEMS 薄膜变形镜。

②电磁驱动 MEMS 变形镜:

电磁驱动 MEMS 变形镜的结构类似于薄膜变形镜,镜体由厚度为 2-5um 的聚合物薄膜构成,薄膜上表面镀有一层银作为高反射镜面,下表面则粘贴有微磁体阵列,驱动器为在硅基底上沉积的金属微线圈阵列,每个微线圈的位置与薄膜上的微磁体相对应,当一定电流通过微线圈时,就会在微线圈上相应的电磁场,吸引或者排斥微线圈上方的微磁铁,从而使薄膜镜面产生局部的位移,最终形成所需要的镜面轮廓。目前商用化的 MEMS 电磁变形镜主要有法国的 Imagine Eyes 公司的 MIRAO52 MEMS 电磁变形镜和法国的 ALPAO 公司的 MEMS 电磁变形镜,它们主要面向光束整形、自由空间光通信和人眼视网膜检测等应用领域。

特点是驱动电压低(只需 1V)、响应快、形变量大,但工作时需要较大的电流来产生电磁场(最大 1A),因而功耗较大,主要适用于人眼自适应光学系统等低阶相差为主且相差变化幅度较大的系统中。

③表面硅微加工技术制作的 MEMS 变形镜

目前商业化的最成功的 MEMS 变形镜是 BMC 公司的带有对氧化层抛光的三层多晶硅表面微加工工艺制作的 MEMS 变形镜和 Iris AO公司采用混合的表面微加工工艺制作 MEMS 变形镜。

 
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