光学MEMS，让光学元件踏上“风火轮”
2017-03-25 20:04:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
光学MEMS是MEMS技术与光学技术相互融合产生的技术分支，也称为微光机电技术。光学MEMS在智能光通信器件、MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等应用中具有“不可替代性”，具有巨大的市场前景，预计可达百亿美元级市场规模。
麦姆斯咨询小贴士：光学MEMS是MEMS技术与光学技术相互融合产生的技术分支，也称为微光机电技术。光学MEMS在智能光通信器件、MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等应用中具有“不可替代性”，具有巨大的市场前景，预计可达百亿美元级市场规模。
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）是在集成电路（IC）和传感器技术基础上发展而来的微制造技术，该技术制造的微米级特征尺寸、毫米级芯片尺寸的器件与微系统，是连接宏观世界与微观世界的桥梁。MEMS技术是微传感器和微执行器的批量化、集成化制造技术，具有高集成度、多功能集成、高附加值等优势，被认为是超越“摩尔定律”的主要技术途径。2012年MEMS技术被国际电气电子工程师协会（IEEE）评为“十大技术”之首，已成为全球最热门的技术之一。
MEMS技术具有多学科交叉的特征，与不同的学科融合产生多个MEMS的技术分支，如惯性MEMS、光学MEMS、射频MEMS、生物MEMS、声学MEMS等，应用于不同的技术领域。光学MEMS是MEMS技术与光学技术相互融合产生的技术分支，也称为微光机电技术（MOEMS），将传统的光学元器件的制造技术提升到微型化、阵列化、批量化的新高度。
MEMS器件根据与周围环境相互作用方式或使用功能的不同，可以分为微传感器和微执行器两大类产品。这两类产品，就好比一枚硬币的（MEMS技术）两面；两类产品源自共同的工艺技术，但产品功能差异很大，市场也不同。微传感器由于物联网、智能终端的迅猛发展，受到人们极大的关注，以至于很多人将MEMS就等同于微型传感器。实际上，微执行器也是MEMS技术的核心应用领域，如数字微镜（DMD）、喷墨打印头、光扫描镜、光开关、RF开关、微继电器、微泵/微阀、微马达等，是MEMS技术发展的“蓝海”，在已有的MEMS应用市场中占有接近一半的市场份额，而且增长潜力巨大，具有良好的市场前景与商业机会。
光学MEMS器件是集成制造的微型光学元件与MEMS执行器，其光学原理分为反射、干涉、衍射、透射、遮挡等几种，以反射型器件为主。光学MEMS器件中制造的微型光学元件包括微反射镜、微透镜、微棱镜、光栅、衍射光学元件、FP干涉仪等。光学MEMS器件中的MEMS执行器的驱动方式包括静电驱动（平板驱动器/平面梳齿驱动器/垂直梳齿驱动器）、电磁驱动器、压电驱动器和电热驱动器等；其运动方式包括离面垂直运动、面内平动、扭转运动、谐振等。
光学MEMS器件设计包括MEMS光芯片设计和光学设计两个关键部分。MEMS光芯片采用专业的MEMS设计软件，对芯片的运动模态、驱动特性、微结构应力、阻尼特性、抗震动特性、工艺容差等进行仿真分析，进而确定芯片微结构的各项技术参数。光学设计是完成器件的光学封装的光路设计和仿真，由于光学MEMS器件的特点，往往只能采用非常简单的微型光路，通常还涉及光纤耦合设计。光学MEMS芯片的制造，分为体硅工艺、表面硅工艺两种工艺路线，这些工艺大部分来自于IC工艺，也有一部分是MEMS的特色工艺，如硅-硅键合、硅深刻蚀、牺牲层工艺等。MEMS芯片制造一般在MEMS代工厂完成，目前国际上已形成较为成熟的代工体系。
光学MEMS芯片制造完成后的测试，采用晶圆级测试可以大大加快测试速度，但晶圆级测试机台往往需要定制开发。光学MEMS晶圆的切割是最有挑战性的工艺，这主要缘于光学芯片的微细可动结构和微镜面不能冲水、不能贴蓝膜、不能沾污颗粒，因此，光学MEMS晶圆级封装是技术发展的趋势，这样可以在MEMS代工厂就完成晶圆级密封封装，从而可以很好地解决光学MEMS晶圆的切割划片问题。光学MEMS器件的光电封装是产品化的关键步骤，其不同于IC及其它MEMS器件的封装，需要采用带光学窗口的密封金属管壳进行电连接、气密封装，再完成光学对光耦合。与标准封装方式不同，光学MEMS封装属于特殊封装，其封装成本在器件或系统总成本占据很大的比重，可高达60-70%。
光学MEMS技术的诞生，源自于光学技术与精密机械的“密不可分”的内在联系。光学MEMS技术将微机械技术与光学深度融合，可以说是妙手天成、天作之合，给传统光学技术注入新的活力，引入“运动、阵列化、批量化制造”的新元素，打开了光学技术新的发展空间。
光学MEMS开启“动态”光学新型技术方向
传统光学技术实现运动、可调谐需要采用笨重、高能耗、低速且昂贵的精密机械装置，因而将光学束缚为“静态”，也就是说传统光学是“静态”光学技术。光学MEMS将MEMS执行器与微光学元件集成制造，产生革命性的“动态”光学，通俗地说，光学MEMS技术让光学元件踏上了“风火轮”，使传统光学提升到“动态光学”的高度，开启了“可重构”、“参数可调谐”的智能光学系统的新型技术方向，也将打开一系列高价值的技术应用，如可调谐智能光通信器件、激光扫描、激光微投影、摄像头自动对焦/防抖/光学变焦、自适应光学、光信号调制/功率控制、傅里叶变换光谱仪等。光学MEMS给光学技术注入“运动”元素，将实现光学技术“质”的飞跃，进入“动态”、智能光学的新境界。
光学MEMS开创光学传感技术的新方向——MEMS光传感器
光学传感技术是光学技术、光电技术的重要技术领域，传统光学传感技术主要是基于光电探测技术，可以实现的光传感器种类有限。通过引入MEMS敏感结构/驱动器，将MEMS敏感/驱动技术与光电技术结合，产生光学传感技术的新方向——MEMS光传感器，新颖的传感器包括MEMS激光雷达（LiDAR）、3D深度传感器、3D扫描仪、微型光谱仪、IR传感器、红外图像传感器（热像仪）、MEMS光声气体传感器。MEMS敏感器与光纤传感技术的结合，还生成了光纤传感的新方向——MEMS光纤传感器，如MEMS光纤加速度计、MEMS光纤压力传感器、MEMS光纤位移传感器、MEMS光纤挠度计、MEMS光纤声/超声传感器、MEMS光纤水听器、MEMS光纤磁传感器等。
光学MEMS技术广阔的市场空间
光学MEMS的技术优势，使光学MEMS在智能光通信器件、MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等应用中具有“不可替代性”，具有巨大的市场前景，可以到达百亿美元级的市场规模。
我国早在2000年就在国家973计划的支持下开展了光学MEMS技术的工作。中科院上海微系统所作为国内最早、最强的MEMS技术研究机构，一直致力于光学MEMS技术的研究，长期在国内处于领先地位，并在近几年启动了光学MEMS的产业化工作。国内开展相关研究的机构和高校还有中电13所、清华大学、北京大学、重庆大学、上海交大、西北工大等。在光学MEMS产业方面国内目前还处于起步阶段，这块MEMS光电器件的“金矿”亟待有志之士开发。
随着国内MEMS技术与产业链的迅猛发展和日趋完善，光学MEMS技术也将步入快速发展通道，催生一个高速成长的光学MEMS产业。光学MEMS技术的发展趋势是MEMS光通信器件基础上，向MEMS激光元器件、MEMS光显示、MEMS光传感、MEMS摄像头等更广阔的领域发展。光学MEMS产业是光学MEMS技术发展的目标，随着相关产业链的进一步完善，将诞生数家专注于光学MEMS技术的高技术公司，并快速成长壮大。
光学MEMS拥有广阔的发展空间，您对这块“金矿”心动吗？心动不如行动！如对光学MEMS产品和光学MEMS项目感兴趣，请联系麦姆斯咨询：王懿，邮箱：wangyi@memsconsulting.com。
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