厚積薄發(fā)的MEMS微鏡產(chǎn)業(yè)
2015年奧斯卡頒獎典禮開(kāi)始前兩周，在好萊塢各大巨星、制片人、導演、電影攝影師及編劇等齊聚一堂前，有人已經(jīng)提前開(kāi)開(kāi)心心地將小金人攬入懷中。這個(gè)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
與傳統的35毫米膠片電影相比，DLP影院顯示技術(shù)所呈現的影像色彩更鮮艷、更精準。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)行上變得更得心應手，同時(shí)也讓觀(guān)眾能享受到更精彩的視覺(jué)盛宴。更重要的是，DLP芯片出色的高穩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，每一面微鏡構成一個(gè)單色像素，由微鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開(kāi)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(wèn)世，最初僅用于國防，直到1996年才投入商業(yè)化應用：投影儀。整整9年，這項技術(shù)才得以應用，即使到今天，這項技術(shù)仍然傲視群雄，獨霸市場(chǎng)?？梢?jiàn)前期對設計、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驅動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。MEMS微鏡的運動(dòng)方式包括平動(dòng)和扭轉兩種機械運動(dòng)。對于扭轉MEMS微鏡，當其光學(xué)偏轉角度較大（達到10°以上），主要功能是實(shí)現激光的指向偏轉、圖形化掃描、圖像掃描時(shí)，可被稱(chēng)為MEMS掃描鏡，以區別于較小偏轉角度的扭轉MEMS微鏡。
MEMS微鏡示意圖
MEMS掃描鏡是激光應用必不可少的關(guān)鍵激光元器件，應用領(lǐng)域已滲透到消費電子、醫療、軍事國防、通訊等。這其中有已經(jīng)量產(chǎn)的應用，還有許多概念性的應用。主要應用領(lǐng)域有三個(gè)方面：激光掃描、光通訊、數字顯示。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、醫療成像；光通訊主要指光分插復用器、光衰減器、光開(kāi)關(guān)、光柵；數字顯示指高清電視、激光微投影、數字影院、汽車(chē)抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤(pán)、增強現實(shí)（AR）等方面的應用。
MEMS微鏡在3D攝像頭中的應用
MEMS微鏡在光學(xué)通訊中的應用
MEMS微鏡在激光虛擬鍵盤(pán)的應用
四種原理的MEMS微鏡對比及商業(yè)化狀態(tài)
MEMS微鏡按原理區分，主要包括四種：靜電驅動(dòng)、電磁驅動(dòng)、電熱驅動(dòng)、壓電驅動(dòng)。其中前兩種技術(shù)比較成熟，應用也更廣泛。比如德州儀器的DLP中的MEMS微鏡陣列采用的是靜電驅動(dòng)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、意法半導體與美國MicroVision公司合作生產(chǎn)的MEMS微鏡，均采用電磁驅動(dòng)原理；MEMSCAP和微奧科技的MEMS微鏡采用電熱驅動(dòng)原理。而壓電驅動(dòng)的產(chǎn)品還未看到大規模量產(chǎn)的企業(yè)。
四種原理的MEMS微鏡性能比較
靜電驅動(dòng)
所謂靜電驅動(dòng)技術(shù)，就是利用電荷間的庫侖力作為驅動(dòng)力進(jìn)行驅動(dòng)的技術(shù)。通過(guò)靜電作用使可以活動(dòng)的微鏡面轉動(dòng)，從而改變光路。雖然驅動(dòng)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(shí)現集成。
按結構分，主要有平行板電容結構、抓刮結構（scratch drive actuator，SDA）和梳齒結構三大類(lèi)。所謂的平板電容結構，就是在平板電容的兩端施加電壓，上級板可動(dòng)，下極板固定。當外加驅動(dòng)電壓時(shí)，靜電力使極板間距減小，造成靜電力增大；靜電力的增大進(jìn)一步引起極板間距的減小，又使靜電力進(jìn)一步增大，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。因此，通過(guò)對外加電壓的控制實(shí)現鏡面的扭轉，但只有當驅動(dòng)電壓在一定范圍內才是穩定的。
平行板電容結構MEMS微鏡的原理示意圖
SDA驅動(dòng)的MEMS微鏡，當懸空平面上沒(méi)有施加電壓時(shí)，懸空平面與基底平行，當懸空平面上施加電壓時(shí)，平面被拉下，當電壓消失時(shí)由于末端與連接器相連而不能復位，所以整個(gè)平面就實(shí)現了橫向的移動(dòng)。
SDA驅動(dòng)的MEMS微鏡工作示意圖
梳齒驅動(dòng)結構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。當兩排梳齒結構的電場(chǎng)變化時(shí)，梳齒之間的電場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生作用力而使得鏡面偏轉。
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）
電磁驅動(dòng)
電磁驅動(dòng)為電流驅動(dòng)，驅動(dòng)電壓低，無(wú)需升壓芯片。此外，電磁驅動(dòng)具有扭轉角度大、可以實(shí)現電流型線(xiàn)性驅動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢。但總體來(lái)說(shuō)，與靜電驅動(dòng)掃描鏡比較，電磁驅動(dòng)掃描鏡的驅動(dòng)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(gè)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈距離磁鐵有一定的距離。下圖中，線(xiàn)圈對應磁鐵A、B、C、D的4個(gè)位置，當A、C線(xiàn)圈施加電流時(shí)，產(chǎn)生相位相差90°的交流激勵信號，線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性恰好相反且交替變化。線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)于磁鐵相互作用，產(chǎn)生方向相反的轉矩，鏡面以B、D線(xiàn)圈所在軸發(fā)生扭轉，同理，如果給B、D線(xiàn)圈施加電流，也會(huì )出現同樣效果，這就是二維微鏡的工作原理。
二維電磁驅動(dòng)MEMS微鏡示意圖
電熱驅動(dòng)
電熱驅動(dòng)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?？梢圆捎脙蓚€(gè)相同材料的膨脹臂，有V型結構、U型結構、Z型結構等。也可以采用雙材料結構，利用不同材料的熱膨脹系數的差異，在溫度變化時(shí)產(chǎn)生不同的形變，從而驅動(dòng)鏡面扭轉。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）驅動(dòng)結構，使用熱膨脹率不同的兩種材料制作成懸臂梁，當溫度發(fā)生變化時(shí)，Bimorph就會(huì )產(chǎn)生形變。在Bimorph頂端連接一個(gè)鏡面并在Bimorph中集成一個(gè)加熱電阻，在改變加熱電阻的電壓時(shí)Bimorph變形并帶動(dòng)鏡面轉動(dòng)。
微奧科技MEMS微鏡產(chǎn)品：電熱式雙S型Bimorph（雙層材料梁）驅動(dòng)結構
壓電驅動(dòng)
壓電驅動(dòng)是指利用材料的逆壓電效應，通過(guò)外界電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生微位移。主要有兩種實(shí)現方式：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動(dòng)。但目前暫未看到商業(yè)化應用的壓電驅動(dòng)MEMS微鏡問(wèn)世。
蘇州納米所研發(fā)的壓電驅動(dòng)MEMS微鏡
前景大好，征途不易
麥姆斯咨詢(xún)CEO王懿先生曾在2016年中國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )MEMS分年會(huì )暨產(chǎn)業(yè)投融資對接會(huì )上發(fā)表過(guò)題為《MEMS產(chǎn)業(yè)現狀及發(fā)展趨勢》的演講報告，提到MEMS執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(mén)坎高、前景光明的執行器，國內企業(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(shí)驗室帶入量產(chǎn)！且難且前行！
電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程：處理→傳感→執行
