无锡微奥科技开发多个光学MEMS应用产品
2013-04-05 11:57:29   来源：微迷   评论：0   点击：

据YOLE研究报道，2011年全球光学MEMS市场超过10亿美元，未来5年将按复合增长率16%的速度快速增长，到2017年市场容量将突破26亿美元，其增速仅次于传感器和微流控计，成为第三类增速最快的MEMS器件。

一、什么是光学MEMS？

光学MEMS是由微机电系统（MEMS）与微光学结合而产生的一种微光学结构系统。

微光机电系统是一种自带驱动的微光学系统，该系统中的微光学元件能够主动式地对光束进行汇聚、衍射和反射等控制，从而实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。

二、微奥的MEMS微镜

1、微奥MEMS微镜技术原理

微奥MEMS微镜利用电热驱动原理，使用热膨胀率不同的两种材料(Bimorph)制作悬臂梁结构（图1），并利用嵌入电阻加热悬臂梁产生位移。虽然由双Bimorph所组成的MEMS微镜(图2)能够确保镜面运动，但是工作时有侧向移位。微奥采用全新的双S折叠梁驱动方案(图3(a);3(b)为此MEMS微镜完整SEM图片)。此结构与以前的设计相比，垂直运动距离大，同时还能确保旋转时不产生侧向移位。

2、微奥MEMS微镜与其它微镜对比

微奥采用独特的MEMS设计，与同类产品相比，具有以下显著优势：创纪录的大角度扫描、创纪录的垂直线性扫描、低驱动电压、高镜面填充率、简单的制作和封装工艺等。

微奥采用电热式驱动原理，与其它驱动方式比较如下表：

三、微奥的MEMS微镜应用产品

1、MEMS光通信芯片

在国家重点发展光纤入户以及宽带提速的市场驱动之下，基于MEMS的光开关、光衰减器因其性能卓越，具有与波长无关、体积小、响应快、低插入损耗、低功耗、低成本等众多优点，被广大国内外通信器件商所青睐，近两年出现爆炸性增长局面。

目前国内主要的光通信器件商均采用海外进口的MEMS芯片，其主要的供应商包括 Precisely、DiCon、Mirrorcle、Sercalo等，微奥的MEMS光开关产品以上述企业相比，具有价格及性能双重优势，深受国内客户所期待。

微奥的MEMS光通信芯片正在进行紧锣密鼓的试流片过程中，预计2013年第一季度即可提供合格样品。

2、MEMS微型红外光谱仪

1）行业背景

红外光谱技术可以用于包括固体、液体、气体等类型样品的分析和检测，其应用领域包括材料、医药卫生、环保、食品安全、国防公安等。但在过去的很长一段时间内，红外光谱仪都是体积庞大、结构复杂的高端设备，一直被高校、研究所等机构作为室内检测设备使用，很难在食品检验、安全检查、野外探矿、环境监测等现场应用，其昂贵的价格，更是令其不可能在日常社会生活中应用。目前，世界便携式微型红外光谱仪的研发与需求正在与日俱增。在近年来，随着科学技术的进步，光谱仪中核心元件不断的小型化，这促使了小型光谱仪的出现，比如Ahura、Hyperspan、Block Engineering等公司推出了手持式红外光谱仪。这种小型的设备便于移动，使红外光谱分析这种技术走出了实验室，发展出更大的应用空间。但这种设备的价格都是上万美元一台，离民用化有很大的距离。如果能实现微型化和低成本，将普及到基层检疫部门、超市、菜市场，大大提高我国的食品安全程度，产生重要的社会和经济价值。

在MEMS技术基础上的芯片式集成对光谱检测仪器的便携化发展和低成本化生产具有重要的促进作用，对最终仪器的体积大小、成本高低和检测性能优劣都有着重要的影响。因此，MEMS红外光谱仪的研制具有重要的实际意义和市场应用价值，是光谱仪研制领域的一个重大趋势。因其独特的优势和广阔的应用前景，基于MEMS技术的傅里叶变换（FT）红外光谱仪近两三年来逐渐成为热门研究方向。

2）微奥产品特征

产品性能特征：微奥开发的MEMS微型光谱仪是在传统光谱仪基础上的颠覆性革新，具有功耗低、易于携带、便于集成、成本低廉、应用领域广泛等优势。其分辨率比同类MEMS光谱仪高一个量级。做成单独的系统可以比一个小鼠标还小，若作为单独的模块如一块SD卡，则可集成在手机上。同时MEMS微型光谱仪还具有结构简单、控制方便、可以批量生产等优势。

产品技术特征：MEMS微镜是MEMS光谱仪最核心的器件之一，目前其它研究机构均采用静电驱动或电磁驱动，所能取得的位移范围（50～100微米）离实际应用仍然差一个数量级。微奥产品采用电热驱动方式，其位移范围可达1000微米左右，比其它研究机构的MEMS位移范围高出一个数量级，完全能满足实际应用需要。

产品价格特征：微奥产品市场价将仅为传统光谱仪的几十分之一，且除了在现有国防、安全等光谱仪市场上有替代竞争优势外，还可快速进入广大普通民众家用消费市场，市场容量非常巨大。

3）产品开发状况

已完成全部原理性验证、第一代产品设计与部件生产、以及信号采集及信号处理软件的设计，将于2013年一季度完成第一台样机的组装并开始测试。

图5 微奥第一代MEMS微型红外光谱仪

3、MEMS光学影像内窥镜

1）行业背景

目前的医学难题：大约人体中80%的早期癌症都发生在内腔的上皮组织层内（~2mm深），而目前的医学影像技术无法满足早期癌症诊断所需的高分辨率要求，而具有高分辨率的三维光学成像技术因其穿透深度小而无法对人体内器官进行诊断。这些高分辨率的三维光学成像技术包括OCT，DOT，非线性光学，共聚焦等。近几年来，MEMS技术得到很大的发展，为三维光学成像的微型化提供了基础。

现有内窥诊断检测技术的局限性：传统的医学影像技术（MRI、CT和B类超声）只有毫米量级的低分辨率；活体切片检测的安全性、可靠性和准确性不能保证，并且检查周期长、效率低；MRI价格昂贵、CT有X射线危险。

MEMS光学影像内窥镜可进入人体复杂内脏器官，获取高分辨率的断层图像，并实时在计算机显示屏上呈现出病变组织直观的三维图像，让医疗人员对可疑病灶进行仔细观察及诊断。该产品不仅能用于早期细胞组织的形态或结构异常变化的检测，也可帮助医生更准确地确定活检取样点，还可让医生实时了解手术中切除组织的病理情况，并可用于术后监测细胞组织生长复原情况。

2）微奥产品特征

世界范围内，从事光学影像技术研究的研究机构和公司存在数十家，但均停留在体外检测或较易实现的器官检测，如眼科OCT、皮肤科和牙科等较易实现的领域。能够将OCT技术引入内窥镜对人体内脏器官的疾病诊断检查一直是医疗工作者的梦想，现有的电子内镜虽能对人体内的组织、消化道进行检查，但只能帮助医生辨别内脏管道表面信息，无法获得组织内层病变信息。因此三维光学影像技术在内窥镜方向的应用显得尤为重要，特别在早期癌症诊断方向。

但三维光学内窥镜的实现一直受限于内窥镜探头的微型化，微奥尚属全球少数几家将MEMS微镜技术应用于内窥镜进行产品开发的公司，利用MEMS微镜技术微型化后的探头可直接插入内镜通道直接使用。

基于MEMS的微型内窥镜探头的主要功能包括三维成像、侧向扫描、前景扫描和360度圆周扫描等。因其具有分辨率高、体积小、扫描范围大、驱动电压小、制作工艺和封装简单等特点，在国际上具有很大的技术领先性和独特性，在OCT内窥镜市场上将具有非常强的市场竞争力。它可广泛应用于医学临床的各种关节镜和内窥镜，如支气管镜、肠镜、膀胱镜等。并可以制作成硬性内窥镜或软性内窥镜。这类MEMS内窥镜不仅可用于活体非侵入诊断早期肿瘤和癌症，而且可实时监测肿瘤或癌症切除手术过程以达到完全去除恶性细胞但又不伤及任何良性组织。该技术也可用于工业内窥镜。

3）产品开发现状

微奥的MEMS光学影像内窥镜已于2012年初完成组装测试，目前在进行一系列的临床试验及产品优化完善阶段。有望在2014完成临床实现产品注册上市。

4、MEMS光学探头

MEMS光学探头作为MEMS光学影像内窥镜系统的核心部件，还可分别与双光子技术、共聚焦成像技术、漫射光断层层析技术（DOT）、光学相干层析技术（OCT）、光声成像技术等结合，开发出可用于任何狭小空间成像的仪器或探头，包括医学内窥镜、工业内窥镜、显微镜等。

目前微奥已成功开发出多种外径（6mm、5.0mm、4.0mm、3.5mm、2.7mm）的MEMS光学探头，可满足侧向扫描、前向扫描、一定角度的侧前向扫描和环周向扫描等各种工作方式的需要。

近日，微奥更是成功研制开发出一款外径仅为2.4mm、硬性部长度为10mm的新型MEMS光学探头。更小的外径使得该探头可借助医用内窥镜的活检通道进入人体内，实现OCT内窥成像进而能对人体内组织的早期病变进行检测和诊断。

该MEMS光学探头的最大工作电压仅为5V，最大成像面积3mm*3mm，扫描频率80Hz，工作方式为侧扫；其超低的驱动电压，创纪录的大角度扫描和最小化的直径可与医疗内窥镜完美结合；该MEMS光学探头可分别制成医用OCT软性内窥镜和医用OCT硬性内窥镜。

关于谢会开

无锡微奥科技公司董事长谢会开博士已有近20年的光学MEMS器件研究经历，是国际光学MEMS的领军人之一，同时也是MEMS微型光学影像的开拓人之一，其研究的MEMS微镜采用双金属电热驱动原理，具有创纪录的大角度扫描、创纪录的垂直线性扫描、驱动电压低以及镜面填充率高等核心优势，且早于2000年就在国际上首次实现了MEMS与OCT结合在猪膀胱的成像实验。

谢会开博士于2010年8月在无锡创办了无锡微奥科技有限公司，公司核心技术包括：光学MEMS、光学影像、微型光谱仪、热敏器件、MEMS传感器，其中 “MEMS光学影像内窥镜”项目于2009年获得无锡市530A类资助，谢博士本人获得江苏省2011年度“双创人才”称号。