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静电MEMS微镜
发布时间:2018.11.27  浏览次数:

摘 要

MEMS微镜由于体积小,响应快,价格低,控制简易等优点而备受光学医疗检测、微显示、光通信等领域的关注。MEMS微镜发展迅速,本文简单介绍MEMS微镜的原理,着重介绍静电驱动MEMS微镜,包括其驱动结构和产业现状等。

关键词:MEMS,微镜,静电,平行板电容,抓刮,梳齿

1  引言

MOEMS的市场份额据Yole预测2012大约为$369M[1]。其中MEMS微镜作为MOEMS中的典型代表备受市场关注,其潜力巨大。MEMS微镜应用领域包括光通信,生物医学成像,微型投影,条形码扫描和自适应光学等。近来,特别吸引眼球的是智能手机高歌猛进,正在变成一个超强传感平台[1](图1)。智能手机的大力发展促进了MEMS产业,MEMS微镜在智能手机上同样占有一席之地。

图1. 智能手机平台(Yole)

2 什么是MEMS微镜?

MEMS微镜是一种使用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)加工技术制作的可驱动的微小可驱动反射镜。其中,MEMS加工技术是指由半导体加工技术发展而来,并结合一些特有的体硅和表面硅的加工技术。

MEMS微镜通常在半导体硅上制作,驱动结构是微米级结构。图2为一最简单的MEMS微镜。MEMS微镜的基本工作原理如图3,它通过镜面的旋转来控制反射后光线的方向。当微面旋转角度θ,出射光线随之旋转2θ.

图2. MEMS微镜简图

图3. MEMS微镜工作原理图

2.1 驱动方式

MEMS微镜按驱动方式不同大体可以分为静电型,电磁型,压电型和电热型[2]。每一种类型的MEMS微镜有其优点,应用场合也不尽相同。各式MEMS微镜性能比较如下表1。静电MEMS微镜研究最早最成熟,它的驱动电压相对较高,偏转角度小,单是扫描频率高,适合微型投影和光通信产品。电磁MEMS微镜性能优异,扫描范围大,频率高,但是由于需要外加磁场整体体积大,适合对体积要求不是太高的体外成像。压电MEMS微镜可以产生很大的驱动力,但是扫描范围很小,研究的公司有限。电热MEMS微镜驱动电压低,频率低,适合大角度体内成像产品。

表1. MEMS微镜性能之比较

2.2 自由度和机械连接

MEMS微镜的自由度越来越高,已经由一轴(x)经二轴(xy)进入三轴(xyz)。一轴MEMS微镜镜面与基底的连接方式主要有悬臂梁结构和扭转梁结构。二轴及以上的MEMS微镜镜面与基底的连接方式基本可以分为万向节结构(gimbal)(图4)和无万向节(gimbal-less)结构(图5)。Gimal结构的特点是镜面通过一个中间结构与基底链接,镜面与中间结构,中间结构与基底都为一轴的自由度,而组合成一起即可以成为二轴自由度。Gimbal-less结构一般通过镜面与基底通过悬臂梁直接相连。

3 静电MEMS微镜

早在1980年,Petersen制作出第一个MEMS微镜[3],即为静电驱动,其示意图见下图6。静电MEMS微镜中最著名具有代表性的产品为TI公司的DMD(图7)。


 

图6. 第一个MEMS微镜         图7. TI MEMS微镜


静电驱动的原理相当简单,作用力来自电荷间的相互作用:同性相斥,异性想吸。

3.1 静电MEMS微镜驱动结构

静电MEMS微镜可以平行板电容结构、抓刮结构(scratch drive actuator, SDA)和梳齿结构三大类。图8为平行板电容结构静电MEMS示意图[2],镜面上分布一可动电极,镜面正下方两侧分布两固定点击。通过在固定电极施加不同的电压就可以控制镜面的偏转。

静电驱动的原理相当简单,作用力来自电荷间的相互作用:同性相斥,异性想吸。


SDA驱动的基本原理如图9[2],当悬空平面上没有施加电压时,悬空平面与基底平行,当悬空平面上施加电压时,平面被拉下,当电压消失时由于末端与连接器相连而不能复位,所以整个平面就实现了横向的移动。


图9. SDA结构

梳齿驱动结构的一般又可以分成垂直结构(图10),卷曲结构[4](11)以及侧向摇摆结构[5](图12)等等。它们的共同特征是具有两排交错的梳齿,其中一排与基底连接,另外一排与镜面相连接。当两排梳齿结构的电场变化时,梳齿之间的电场发生变化产生作用力而使得镜面偏转。

图10.垂直梳齿结构

图11.卷曲梳子结构

图12.斜向摇摆结构

3.2 相关公司产品

4   总结
本文介绍了MEMS微镜的基本原理,各种驱动方式的性能比较,自由度,镜面与基底的连接方式。同时重点介绍了静电MEMS微镜的驱动原理,驱动结构和相关公司产品。
参考文献
[1]  Yole developpement,www.i-micronews.com
[2]  M. E. Motamedi, MOEMS: micro-opto-electro-mechanical systems[M]. SPIE, 2005
[3]  Kurt E. Petersen, Silicon Torsional Scanning Mirror[J]. IBM J. RES. DEVELOP. VOL. 24, NO. 5 • SEPTEMBER 1980
[4]  H. Xie and G.K. Fedder, ASME International Mechanical Engineering. Congress and Exposition, New York, NY, Nov. 11-16, 2001
[5]  Robert A. Conant, Jocelyn T. Nee, Kam Y. Lau, and Richard S. Muller, A FLAT HIGH-FREQUENCY SCANNING MICROMIRROR. Proc. Solid-State Sensor and Actuator Workshop Hilton Head Island, 2000

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