MEMS微鏡在光通信、激光雷達(dá)（LiDAR）、投影顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）以及光學(xué)成像等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。MEMS微鏡的功能與驅(qū)動(dòng)機(jī)制息息相關(guān)。目前，驅(qū)動(dòng)微鏡的常用技術(shù)主要有四種：電磁式、電熱式、壓電式和靜電式。
靜電驅(qū)動(dòng)是MEMS微鏡最古老且最常用的技術(shù)，這是因?yàn)槠涔臉O低、掃描速度快、易于小型化、制造和集成也更為簡便。通過固定電極與可移動(dòng)鏡面之間吸引或排斥的靜電力，即可實(shí)現(xiàn)所需要的微鏡偏轉(zhuǎn)角。然而，靜電驅(qū)動(dòng)也存在固有缺陷，即由非線性行為引發(fā)的吸合現(xiàn)象、運(yùn)動(dòng)范圍有限、輸出力小以及需要高電壓。此外，MEMS微鏡的重新開啟時(shí)間始終長于閉合時(shí)間，并且，在單個(gè)微鏡的一維驅(qū)動(dòng)模式下，微鏡僅能利用一個(gè)表面進(jìn)行光束偏轉(zhuǎn)。對(duì)于部分要求微鏡關(guān)閉和開啟速度完全一致的應(yīng)用來說，開關(guān)時(shí)間的差異可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近期，德國卡塞爾大學(xué)（University of Kassel）的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的機(jī)械耦合串聯(lián)MEMS微鏡（Tandem Micromirror，TMM），兩個(gè)帶有公共錨點(diǎn)的獨(dú)立微鏡通過耦合元件相互連接，從而在驅(qū)動(dòng)過程中能夠跟隨彼此運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使微鏡實(shí)現(xiàn)近乎一致的閉合與開啟速度。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“Mechanically Coupled MEMS Tandem Micromirrors for Bidirectional Electrostatic Actuation”為題發(fā)表于Actuators期刊。
圖1 串聯(lián)MEMS微鏡結(jié)構(gòu)示意圖，圖中展示了微鏡和耦合元件等主要組件
串聯(lián)MEMS微鏡的概念與設(shè)計(jì)
靜電驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)MEMS微鏡由兩個(gè)相互對(duì)置并通過耦合元件連接的獨(dú)立微鏡（典型尺寸為200 μm × 230 μm）組成，分別稱為“微鏡1”和“微鏡2”。這些微鏡由鋁和鉻的多金屬層薄膜制成。頂部電極通過錨點(diǎn)連接兩個(gè)微鏡，以便在驅(qū)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)電連接。每個(gè)微鏡的頂部電極和結(jié)構(gòu)化的對(duì)置底部電極，即摻氟氧化錫（FTO）底電極區(qū)域，通過二氧化硅（SiO?）隔離層隔開。當(dāng)頂部電極與對(duì)置底部電極之間未施加電壓時(shí)，由于鉸鏈和耦合元件處金屬薄膜層的固有殘余應(yīng)力，串聯(lián)MEMS微鏡處于自由懸置的打開狀態(tài)。
當(dāng)在頂部電極與FTO底電極區(qū)域1之間施加電壓時(shí)，微鏡1會(huì)在靜電吸引力的作用下向基底移動(dòng)，并通過機(jī)械耦合元件拉動(dòng)微鏡2。當(dāng)微鏡1越過吸合點(diǎn)向FTO底電極區(qū)域1快速閉合時(shí)，微鏡2會(huì)保持在與基底呈90°角的垂直位置。隨后，當(dāng)在頂部電極與FTO底電極區(qū)域2之間施加電壓，并撤去FTO底電極區(qū)域1的電壓時(shí)，微鏡2會(huì)被FTO底電極區(qū)域2吸引，耦合元件則將微鏡1推至開啟位置。與微鏡1類似，當(dāng)微鏡2閉合時(shí)，微鏡1處于與基底呈90°的垂直位置。因此，一個(gè)微鏡的閉合有助于另一個(gè)微鏡的重新開啟，借助耦合元件即可實(shí)現(xiàn)雙向串聯(lián)特性。此外，采用串聯(lián)MEMS微鏡技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較寬的光轉(zhuǎn)向角度，兩個(gè)微鏡均可通過其表面實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。
圖2 串聯(lián)MEMS微鏡工作原理示意圖
串聯(lián)MEMS微鏡的工藝制備
本文所提出的串聯(lián)MEMS微鏡（微鏡的長和寬通常為200 μm × 200 μm，耦合元件的長和寬為490 μm × 30 μm）采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制造流程制備，包括光刻、沉積、濕法化學(xué)刻蝕和干燥等工藝。
圖3 摻氟氧化錫（FTO）結(jié)構(gòu)的顯微照片
圖4 玻璃基底上串聯(lián)MEMS微鏡工藝流程
MEMS微鏡的公共錨定區(qū)域與頂部電極線對(duì)齊，以便在金屬沉積過程中實(shí)現(xiàn)連接。隨后執(zhí)行進(jìn)一步的光刻和濕法化學(xué)刻蝕工藝，從鉸鏈處部分去除鋁，以在金屬層中獲得足夠的本征應(yīng)力。最后通過光刻和金屬刻蝕工藝得到最終的串聯(lián)MEMS微鏡結(jié)構(gòu)。犧牲層通過在80 °C下使用二甲基亞砜（DMSO）的剝離工藝去除，隨后采用異丙醇（IPA）蒸汽進(jìn)行干燥處理，最終借助鉸鏈區(qū)域的本征殘余應(yīng)力形成自支撐的平面型串聯(lián)MEMS微鏡。
圖5 （a）自支撐平面串聯(lián)MEMS微鏡的SEM顯微圖，（b）插圖，（c）耦合元件的亞結(jié)構(gòu)
串聯(lián)MEMS微鏡的雙向運(yùn)動(dòng)表征
研究人員將器件封裝于氮?dú)猸h(huán)境中，利用多通道波形發(fā)生器分別驅(qū)動(dòng)頂部電極和兩個(gè)FTO底電極，并結(jié)合顯微鏡、高速CMOS相機(jī)、光電探測(cè)器和示波器，對(duì)微鏡運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)施加約80 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，兩個(gè)微鏡均能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的雙向機(jī)械聯(lián)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)微鏡閉合時(shí)，另一個(gè)微鏡能夠被機(jī)械耦合拉升至接近90°的位置，成功驗(yàn)證了機(jī)械耦合雙向驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的可行性。
圖6 串聯(lián)MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)裝置的示意圖
圖7 靜電驅(qū)動(dòng)過程中串聯(lián)MEMS微鏡的俯視圖顯微照片
結(jié)論
該研究提出了一種全新的機(jī)械耦合串聯(lián)MEMS微鏡架構(gòu)。借助機(jī)械耦合實(shí)現(xiàn)了微鏡的雙向運(yùn)動(dòng)，測(cè)得的傳輸時(shí)間曲線顯示兩個(gè)微鏡的閉合電壓一致。經(jīng)測(cè)量，微鏡1和微鏡2的閉合時(shí)間分別為42 ms和52 ms，由于幾何差異以及耦合元件帶來的潛在阻尼，這一數(shù)值遠(yuǎn)低于預(yù)期值，也比單個(gè)微鏡的閉合時(shí)間更短。通過優(yōu)化幾何設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)速度，這種串聯(lián)MEMS微鏡有望應(yīng)用于車載激光雷達(dá)，為汽車安全提供有力支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/act15050278
