厚積薄發(fā)的MEMS微鏡產(chǎn)業(yè)
2015年奧斯卡頒獎典禮開始前兩周，在好萊塢各大巨星、制片人、導(dǎo)演、電影攝影師及編劇等齊聚一堂前，有人已經(jīng)提前開開心心地將小金人攬入懷中。這個人就是德州儀器DLP芯片技術(shù)發(fā)明者Larry Hornbeck博士，他因其與多名工程師發(fā)明的微鏡裝置，于2015年的奧斯卡科學(xué)技術(shù)獎上被授予奧斯卡獎！
德州儀器DLP芯片技術(shù)發(fā)明者Larry Hornbeck博士手舉小金人
與傳統(tǒng)的35毫米膠片電影相比，DLP影院顯示技術(shù)所呈現(xiàn)的影像色彩更鮮艷、更精準(zhǔn)。這多虧了DLP顯示引擎光學(xué)效率的BrillianColor（極致色彩）技術(shù)，這種技術(shù)不僅讓電影公司在影片的包裝和發(fā)行上變得更得心應(yīng)手，同時也讓觀眾能享受到更精彩的視覺盛宴。更重要的是，DLP芯片出色的高穩(wěn)定性和高可靠性也是讓其能夠在影院大放異彩的重要原因之一。
DLP顯示的核心技術(shù)則是采用靜電原理的MEMS微鏡組成的陣列，每一面微鏡構(gòu)成一個單色像素，由微鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開關(guān)狀態(tài)間的高速切換，將不同顏色的像素糅合在一起。DLP技術(shù)在1987年問世，最初僅用于國防，直到1996年才投入商業(yè)化應(yīng)用：投影儀。整整9年，這項技術(shù)才得以應(yīng)用，即使到今天，這項技術(shù)仍然傲視群雄，獨霸市場?？梢娗捌趯υO(shè)計、材料、制造等等的研發(fā)投入之大，才鑄就了如今的霸主地位。不得不感嘆這是MEMS行業(yè)中厚積薄發(fā)的元器件之一！
應(yīng)用領(lǐng)域百花齊放
MEMS微鏡是指采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造的，把微光反射鏡與MEMS驅(qū)動器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。MEMS微鏡的運動方式包括平動和扭轉(zhuǎn)兩種機械運動。對于扭轉(zhuǎn)MEMS微鏡，當(dāng)其光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度較大（達到10°以上），主要功能是實現(xiàn)激光的指向偏轉(zhuǎn)、圖形化掃描、圖像掃描時，可被稱為MEMS掃描鏡，以區(qū)別于較小偏轉(zhuǎn)角度的扭轉(zhuǎn)MEMS微鏡。
MEMS微鏡示意圖
MEMS掃描鏡是激光應(yīng)用必不可少的關(guān)鍵激光元器件，應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到消費電子、醫(yī)療、軍事國防、通訊等。這其中有已經(jīng)量產(chǎn)的應(yīng)用，還有許多概念性的應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域有三個方面：激光掃描、光通訊、數(shù)字顯示。掃描鏡主要可用在激光雷達、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、醫(yī)療成像；光通訊主要指光分插復(fù)用器、光衰減器、光開關(guān)、光柵；數(shù)字顯示指高清電視、激光微投影、數(shù)字影院、汽車抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤、增強現(xiàn)實（AR）等方面的應(yīng)用。
MEMS微鏡在3D攝像頭中的應(yīng)用
MEMS微鏡在光學(xué)通訊中的應(yīng)用
MEMS微鏡在激光虛擬鍵盤的應(yīng)用
四種原理的MEMS微鏡對比及商業(yè)化狀態(tài)
MEMS微鏡按原理區(qū)分，主要包括四種：靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、電熱驅(qū)動、壓電驅(qū)動。其中前兩種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也更廣泛。比如德州儀器的DLP中的MEMS微鏡陣列采用的是靜電驅(qū)動模式，且在投影領(lǐng)域一家獨大；而博世最新推出的全新交互式激光投影微型掃描儀BML050中的MEMS微鏡、濱松今年發(fā)布的MEMS微鏡S12237-03P、意法半導(dǎo)體與美國MicroVision公司合作生產(chǎn)的MEMS微鏡，均采用電磁驅(qū)動原理；MEMSCAP和微奧科技的MEMS微鏡采用電熱驅(qū)動原理。而壓電驅(qū)動的產(chǎn)品還未看到大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)。
四種原理的MEMS微鏡性能比較
靜電驅(qū)動
所謂靜電驅(qū)動技術(shù)，就是利用電荷間的庫侖力作為驅(qū)動力進行驅(qū)動的技術(shù)。通過靜電作用使可以活動的微鏡面轉(zhuǎn)動，從而改變光路。雖然驅(qū)動力較其他原理的器件相比偏小，但工藝兼容性較好，可以使用體硅和表面硅機械加工工藝制作，便于實現(xiàn)集成。
按結(jié)構(gòu)分，主要有平行板電容結(jié)構(gòu)、抓刮結(jié)構(gòu)（scratch drive actuator，SDA）和梳齒結(jié)構(gòu)三大類。所謂的平板電容結(jié)構(gòu)，就是在平板電容的兩端施加電壓，上級板可動，下極板固定。當(dāng)外加驅(qū)動電壓時，靜電力使極板間距減小，造成靜電力增大；靜電力的增大進一步引起極板間距的減小，又使靜電力進一步增大，這是一個正反饋過程。因此，通過對外加電壓的控制實現(xiàn)鏡面的扭轉(zhuǎn)，但只有當(dāng)驅(qū)動電壓在一定范圍內(nèi)才是穩(wěn)定的。
平行板電容結(jié)構(gòu)MEMS微鏡的原理示意圖
SDA驅(qū)動的MEMS微鏡，當(dāng)懸空平面上沒有施加電壓時，懸空平面與基底平行，當(dāng)懸空平面上施加電壓時，平面被拉下，當(dāng)電壓消失時由于末端與連接器相連而不能復(fù)位，所以整個平面就實現(xiàn)了橫向的移動。
SDA驅(qū)動的MEMS微鏡工作示意圖
梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有兩排交錯的梳齒，其中一排與基底連接，另外一排與鏡面相連接。當(dāng)兩排梳齒結(jié)構(gòu)的電場變化時，梳齒之間的電場發(fā)生變化產(chǎn)生作用力而使得鏡面偏轉(zhuǎn)。
西北工業(yè)大學(xué)研制的MEMS微鏡（左：平行分布梳齒；右：發(fā)散分布梳齒）
電磁驅(qū)動
電磁驅(qū)動為電流驅(qū)動，驅(qū)動電壓低，無需升壓芯片。此外，電磁驅(qū)動具有扭轉(zhuǎn)角度大、可以實現(xiàn)電流型線性驅(qū)動的技術(shù)優(yōu)勢。但總體來說，與靜電驅(qū)動掃描鏡比較，電磁驅(qū)動掃描鏡的驅(qū)動功耗相對較高，還需要配置永磁鐵，模塊尺寸相對較大。
就工作原理而言，在鏡面背后放置4個線圈，線圈距離磁鐵有一定的距離。下圖中，線圈對應(yīng)磁鐵A、B、C、D的4個位置，當(dāng)A、C線圈施加電流時，產(chǎn)生相位相差90°的交流激勵信號，線圈產(chǎn)生的磁場的極性恰好相反且交替變化。線圈產(chǎn)生的磁場于磁鐵相互作用，產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)矩，鏡面以B、D線圈所在軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，同理，如果給B、D線圈施加電流，也會出現(xiàn)同樣效果，這就是二維微鏡的工作原理。
二維電磁驅(qū)動MEMS微鏡示意圖
電熱驅(qū)動
電熱驅(qū)動是利用材料對溫度的敏感而產(chǎn)生不同的形變量，從而引起鏡面的扭轉(zhuǎn)?？梢圆捎脙蓚€相同材料的膨脹臂，有V型結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)、Z型結(jié)構(gòu)等。也可以采用雙材料結(jié)構(gòu)，利用不同材料的熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度變化時產(chǎn)生不同的形變，從而驅(qū)動鏡面扭轉(zhuǎn)。微奧科技MEMS微鏡采用一種獨特的電熱式雙S型Bimorph（雙層材料梁）驅(qū)動結(jié)構(gòu)，使用熱膨脹率不同的兩種材料制作成懸臂梁，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，Bimorph就會產(chǎn)生形變。在Bimorph頂端連接一個鏡面并在Bimorph中集成一個加熱電阻，在改變加熱電阻的電壓時Bimorph變形并帶動鏡面轉(zhuǎn)動。
微奧科技MEMS微鏡產(chǎn)品：電熱式雙S型Bimorph（雙層材料梁）驅(qū)動結(jié)構(gòu)
壓電驅(qū)動
壓電驅(qū)動是指利用材料的逆壓電效應(yīng)，通過外界電場來產(chǎn)生微位移。主要有兩種實現(xiàn)方式：一種是多層相同的壓電體疊加的純壓電變形產(chǎn)生大位移；另一種是雙壓電晶片驅(qū)動。但目前暫未看到商業(yè)化應(yīng)用的壓電驅(qū)動MEMS微鏡問世。
蘇州納米所研發(fā)的壓電驅(qū)動MEMS微鏡
前景大好，征途不易
麥姆斯咨詢CEO王懿先生曾在2016年中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會MEMS分年會暨產(chǎn)業(yè)投融資對接會上發(fā)表過題為《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》的演講報告，提到MEMS執(zhí)行器已處于蓄勢待發(fā)的狀態(tài)。MEMS微鏡作為一種技術(shù)門坎高、前景光明的執(zhí)行器，國內(nèi)企業(yè)在邁向成功的征途需要克服技術(shù)壁壘、核心原材料、晶圓制造工藝等種種困難才能把產(chǎn)品從實驗室?guī)肓慨a(chǎn)！且難且前行！
電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程：處理→傳感→執(zhí)行
