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
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
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。
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 |
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