微光机电系统(MOEMS)研究综述

微光机电系统(MOEMS)研究综述一、引言20世纪80年代后期，随着大规模集成电路制造技术的发展，微型机械完成了从单元到系统的发展过程，微型致动器、传感器、控制器和微能源被集成到一个非常小的几何空间里面，这样就诞生了MEMS（Micro－Electro－Mechanical－System）这一完备的微机电系统。MEMS的制作工艺利用了常规的IC制作工艺，比如批量微机械加工、表面微机械处理、深层反应离子腐蚀和LIGA技术，把微型的电子系统和微型机械系统复合到纳米，甚至是微米量级的尺寸刻度里面，从根本上打破了一直以来人们制造器件设备的宏观壁垒，为很多问题的解决提供了新的方法与研究思路。事实证明，MEMS已经在相当多的领域里发挥了极其重要的作用。MEMS器件非常适合应用于光学领域。这是因为MEMS器件的尺寸和作用距离可以达到光的波长量级，并且绝缘体、半导体、金属可以平滑的构成一体；另外，光子几乎没有质量，所以即使是单薄的MEMS器件也可以轻松的控制它。近来，基于MEMS原理的光学器件—MOEMS（Micro－Optic－Electro－Mechanical－System）已经出现了，作为利用光学原理并应用于光学领域的MEMS，其在很多方面已经得到了应用，如光通信、微小卫星、工控系统、家电以及大型投影设备等消费类电子产品等。随着MOEMS技术的不断发展，现在已经有了定期召开的MOEMS国际研讨会，1999年在美国圣地亚哥召开的的光纤通信大会把MOEMS列为一个专题。美国很多研究机构和公司都在致力于发展这门新兴技术，欧共体也制定了有五国二十七个机构参加的三年微光系统计划。目前，一些比较成熟的MOEMS产品已经出现在消费领域，随着大量研究工作的进行，MOEMS的研究将成为一个新兴的热点，其研究成果必将关系到国家的科技、经济和国防的未来。二、MOEMS的特点比较成熟的MEMS技术为MOEMS的集成与微动作的实现提供了标准工艺和结构，MOEMS能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能部件或系统。其成为一个重要的技术发展方向主要是因为具有以下几个特点：1.生产中的优势与特点MOEMS可以实现大批量生产。由于采用了集成电路芯片的生产技术，MOEMS芯片本身的封装已经达到了高度的集成化，其生产成本也大幅度降低。2、结构上的优势与特点MOEMS的体积非常小，尺寸小至几微米，大也不过几毫米；响应速度在100ns～1s的范围内；其可动结构通常由静电致动，致动能为CV2／2；其结构可以做到相当复杂，包含元件数目达到1个～106个。3.动作上的优势与特点通过精确的驱动和控制，MOEMS中的微光学元件可实现一定程度或范围的动作，这种动态的操作包括光波波幅或波长的调整、瞬态的延迟、衍射、反射、折射及简单的空间自调整。上述任何两、三种操作的结合，都可以对入射光形成复杂的操作，甚至实现光运算和信号处理。如何通过微型光学元件来实现上述操作是MOEMS区别于传统物理光学系统的关键。三、MOEMS的制作工艺MEMS的制作工艺可以达到微米、纳米量级，制作MEMS的技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀技术或集成电路工艺对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件的方法。第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法。第三种是以德国为代表的LIGA(德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和Abformung塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和注塑形成深层微结构的方法。其中硅基加工技术与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。20世纪80年代，表面牺牲层工艺的发明使人们意识到集成电路技术也可以用来制作可动部件，这也使在微小空间里集成传感器、制动器等部件成为可能。到了90年代初，美国AD公司成功的把利用这一技术制作出来的微型加速度计应用于汽车的安全气囊。90年代中期，随着深层反应离子刻蚀(DRIE：DeepReactiveIonEtching)技术特别是自感应耦合等离子(ICP：InductanceCouplingPlasma)技术的出现，体硅加工技术的发展也迈上了一个新台阶，多种基于深槽刻蚀技术的新工艺相继被开发出来。下面着重介绍一下硅基加工工艺。硅基加工可以分为两种：表面牺牲层技术和体硅加工技术。1.表面牺牲层技术表面牺牲层技术是典型的薄膜工艺，其技术特点与集成电路相似，通过使用掩模成型，再腐蚀掉牺牲层的方法，来实现对器件的加工，与集成电路集成制作的可行性最大。目前，这一技术中最为常用的是CMOSMEMS工艺，其特点是先按标准集成电路注塑工艺(ICFoundry)制作处理电路，再制作可动部件，这种方法避免了其它工艺可能会玷污设备的不足，也不用单独建立加工线，充分利用现有的生产线，其成本和成品率都能得到保证。表面牺牲层工艺现在正向着多层化发展，美国Sandia国家实验室已经开发出了五层结构，其工艺难点是化学机械抛光技术（CMP）和多晶硅应力控制技术。2.体硅加工工艺体硅加工工艺指的是对硅衬底片进行加工，获得由衬底材料构成的有用部件的技术。键合技术和硅深刻蚀（DRIE）技术的出现使多种体硅加工新工艺随之产生。融合键合工艺结合深刻蚀工艺就是其中的代表，其特点是利用DRIE技术制作大的质量块，再通过键合技术将多层结构组合起来。由于采用单晶硅作结构，其应力被减到最小。四、MOEMS的应用举例MOEMS的新进展主要体现在通过微工艺使光学器件小型化。目前已经比较成功的应用研究主要集中在两方面：一是研究如何通过反射面的物理运动对光进行空间调制，比如基于MOEMS的新型显示、投影设备，其成果以数字微镜阵列芯片（DMD）和光栅光阀（GLV）为代表；二是通信系统的应用，主要研究如何通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，其研究成果主要有光开关[15－20]、光栅[21－24]、光滤波器[25－27]及复用器等光通信器件。1.MOEMS投影显示系统如前文所述，MEMS可以和光学系统很自然的结合到一起。下面就介绍一种比较成熟的MOEMS的应用成果―投影显示器。投影显示器可以分为衍射式和折射式两种，这里介绍的是后者。德州仪器（TI）公司的以MEMS为基础的投影显示设备是一种非常成功的MOEMS设备，现在已经成功的商品化。其主要的MEMS技术是依靠可以转动的数字化微镜（DMD：DigitalMicromirrorDeviceTM）来实现的，。目前这种技术还主要是应用在投影设备上，不过它在光通信设备中也有着相当重要的应用前景。DMD可以在会议、教室、家庭影院、大礼堂中的显示系统中使用。目前为止，投影显示设备主要使用的是CRT或者LCD显示技术，但是CRT和LCD能提供的亮度有限，并且其稳定性和均匀性也存在很多问题，LCD系统在对比度显示方面也存在问题，而新生的MOEMS技术却有效地袮补了这一缺陷。利用MEMS技术可以在一块CMOS硅基上面制作数以万计的微镜，用这样的微镜组成的显示系统可以达到800×600的分辨率。这些微镜都是由16μm见方的铝片构成的，它们可依靠静电力驱动在－10°和10°这两个角度间变换转动，能够向这两个方向反射光线。通过机械的控制，微镜的转动可在±10°时停止，不受外加电压的影响。整个设备直接制作在SRAM上面，最上层是一个铝片；中间层有带动铝片的转板和与其相连的铰链，转板可以以铰链为轴转动，另两边有电极，用以实现静电驱动；最下面是固定以上元件的底板。其中，SRAM的具体结构没有画出。整个MEMS结构制作在SRAM基底的顶部，如果存储器置1，微镜旋转＋10°，当存储器置0，微镜旋转－10°。机械转换时间（微镜从一种工作状态变换到另一种工作状态的时间）约为16μs，光转换时间（入射到投影镜头入瞳的光脉冲的上升时间）大约是2μs。与传统的微机械结构相比，在低温下制作的DMD使MEMS与CMOSSRAM集成到了一起，即MEMS的机械部分和CMOSSRAM的电路部分是直接的制作在一起的，不需要额外连接电路就可以用电路部分实现对机械部分的控制。因为使用的是铝片的连接结构，所以温度不能够超过450℃，制作过程必须在低温下完成。同时，在牺牲层中使用光刻胶来代替硅的氧化物。SRAM的制作是采用的0.8μm工艺，它与两个镀金层直接铸接在一起，同时把厚厚的氧化物层堆积在SRAM的第二个镀金层上面。氧化物是通过化学机械抛光(CMP：ChemicalMechanicalPolishing)技术来研磨的。CMP技术主要针对的是制作镜面结构，它可以保证镜面的平整水平，这样也可以使微镜的亮度和对比率在整个消散过程中得到保证。在第二层上面的第三层金属可用来形成转板的镀电电极和偏置/复位总线、铰链、微镜等结构。整个空间部分都使用作为牺牲层的光刻胶来填充。芯片可以被封装成不同的阵列规格，如：SVGA(800×600)、XGA(1024×768)和SXGA(1280×1024)。DMD是一种非常可靠的MEMS设备，它可以承受1500g机械打击的考验、20g的振动测验和1000g的加速度测验，设备的使用寿命超过了1000000小时。。这里介绍的投影显示设备是工作在微镜的反射光线的基础上的，类似的结构设置也可用以改变光通信系统中从一根光纤到另一根的光路。此外，还有很多显示工作组建立在光的衍射基础上的。其应用设备也不断的出现。2.MEMS光开关由于传输光在自由空间存在发散现象，使得光在自由空间有较大的传输损耗，因此选用光纤和光波导作为光传输的两种传输介质。传统的光开关是基于光纤的机械位移和波导材料的特性来研制的。前者体积大、速度慢且价格昂贵，后者有较高的插入损耗和较大的串话问题，这些缺陷严重制约了波导光开关在光学网络中的应用。随着微机械制作技术的进一步发展以及与光束直径一样大的微驱动器、微反射镜和微悬臂梁的研制成功，微机械光开关的研究取得了一定的进展。在微小的自由空间内，发散产生的损耗和插入损耗已经不是光开关的主要问题了。（1）光开关的特点光学网络对于开关的两个最重要的指标是要有较小的插入损耗和较小的串话，而这正是微机械光开关所具备的。除此之外，微机械光开关还具有小型、低能耗、易制作，能集成多通道开关及成本低等优点。制作MEMS光开关所使用的光刻技术和蚀刻工艺具有亚微米量级的精度，可以满足光耦合系统的要求。为了满足光纤准直的要求，还出现了利用MEMS技术制作的V槽结构。从结构尺寸上来看，MEMS加工技术制成的光开关的可动范围在数微米到数毫米之间，平行和倾斜范围在1μm到数百微米之间，非常适合以最小尺寸构成的光纤耦合系统。但是其开关时间在1ms到数百毫秒间，不能用于要求纳秒量级的分组编辑，而主要用于光交叉连接（OXC）、光时分转换开关（OADM）以及保护装置上。从光学特性上看，使用微反射镜的微电子机械系统光开关的消光比高于波导式光开关，且对波长依赖性小，对温度变化反应稳定。这一特性非常适合于以波分复用为基础的，波长范围越来越大的宽带通信网络。（2）光开关的分类MEMS光开关可以分为二维和三维的两种。二维的优点是可以制成超小型、低损耗的小规模光开关（1×2，2×2等）。二维光开关可以制作得非常小，使输入输出光纤接近基本元件边缘。因此，将许多小规模光开关并列使用。三维光开关可以实现大规模（N×N）光开关阵列。因为N一般大于3，所以其基本的器件数量（2N）要少于二维光开关的基本器件数量（N2）。不过由于大规模化时，为了减少衍射的影响，需要将光束加宽，由此引起的反射镜的大型化会导致光路长度的增加，这样就会造成恶性循环，因此这种光开关的极限规模为32×32～64×64左右。（3）光开关的关键技术微镜是光开关的主要元件之一，加工工艺主要有两种方式，即表面硅微加工和体硅微加工。表面硅微加工方法就是先在水平方向上刻蚀出微镜，然后通过相应的机构(如铰链)，利用热变形等原理将所加