微反射镜阵列器件技术及其应用

　　1　引　言

　　在微光机电系统(Micro-Opto-Electro-Me-chanical System,MOEMS)中,微反射镜阵列是一类重要器件。由于其尺寸微小、镜面的定向和控制结构可单片集成,故可以方便地与其他光、机、电部件合成一体。经适当的控制,微反射镜阵列可以静态和动态方式工作。

　　目前常用的微反射镜驱动方式有静电型、磁电型、压电型和电热型4种。虽然国外已有像素达百万级的MEMS微反射镜阵列器件(如美国德州仪器公司的DMDTM[1]、德国夫朗禾费研究院的MMD),但是,因其采用静电驱动和SRAM寻址方式,使得加工工艺复杂,技术要求高,成本较高,适宜于数字方式工作。从MEMS微反射镜阵列器件的应用来看,模拟(角度连续可调或活塞运动方式)工作方式可以有更广泛的应用背景。本文将对上述4种驱动方式的性能特点进行分析比较,并介绍微反射镜阵列器件的应用研究进展。

　　2　微反射镜阵列的驱动方式

　　MEMS微反射镜必须借助微执行器来实现其物理功能。目前微执行器研究和开发的重点在利用各种驱动技术来设计各种结构,满足特定应用要求。驱动方式的选择依据应用的性质、阵列器件加工工艺集成的难易程度和经济性来考虑^[2] 。

　　微驱动方法的一个重要特性是其产生的驱动力(或机械能),通常的比较方法是估算单位体积的能量W。例如TiNi SMA材料的单位体积的能量W由应力-应变图中工作曲线下的面积计算而得。对于弯曲强度420 MPa的奥氏体态和8%的形状记忆应变,W为4×10 ⁷ J/m ³;对于双金属微执行器,W依温度变化而变化并具有相当的强度;对于静电微执行器,假定微观空气隙的击穿电场Emax为3×10 ⁸ V/m,为自由空间的介电常数,则W接近4×10 ⁵J/m ³;对于压电微执行器,假定采用PZT为压电材料,W可高达10 ⁵ J/m ³;对于磁微驱动器,假定饱和磁流密度为1.5 T (μ0为自由空间磁导率),W为0.5(Bmax2/μ0),大约是10 ⁶J/m ^3[3] 。

　　比较不同的微驱动方式时也需考虑其他因素。一般地,热微执行器响应速率慢(如数十毫秒),功耗高(如数十毫瓦)。相比较而言,磁电微执行器工作速率更快(如响应时间为微秒级)且功耗很小,而静电微执行器的更佳。热执行器的结构通常用几层机械特性不同的材料做成悬空的薄条状。由于金属薄膜存在残余应力,双金属执行器常呈现一定的预弯曲,使得器件设计变得复杂。由于硅不是压电材料,制作压电微执行器时,需要在其上沉积其他薄膜。而且压电微执行器的静态工作特性受漏电限制。静电微执行器可用导电和绝缘薄膜制作,它们在微电子技术中很常见。静电微执行器的静态激发需要在绝缘隙两端加电压且几乎无能量损耗。磁微执行器需用磁性材料,其在集成电路技术中不常见,通常需要手工组装。磁微执行器的静态激发需要在线圈通电且一直有传导损耗^[4] 。