学科定位
MEMS：集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路， 甚至接口电路、通信和电源于一体。 微光机电系统是MEMS 技术的一个重要的研究方向，它是由微 光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构 系统。 一种可控的微光学系统，微光学元件在微电子和微机械装置的 作用下对光束进行汇聚、衍射、反射等控制，从而实现光开关、 衰减、扫描和成像等功能。
2．微光机电系统在空间的应用
◦ 光通信和光遥感是MOEMS在空间的主要应用
体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀 体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀
湿法腐蚀
◦ 各向同性 各向异性
体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀 体微加工技术——关键技术：硅的刻蚀
干法刻蚀
◦ 特点：各向异性、尺寸精确、高深宽比 ◦ 主要方式：溅射刻蚀、等离子体刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀 (RIE) 及深反应离子刻蚀(DRIE) 等
代表性器件
光互联
◦ 计算机或其他电子系统内建立面板间或芯片间GHz带宽互联的需要 ◦ 电互连在高频时具有信号完整性和交扰等问题 ◦ 光互连可避免电互连系统的互连带宽瓶颈
前景与展望
多学科综合交叉的新兴技术体系 具有对光束在时间和空间上的精确控制能力以及体积小、可批 生产、功耗低和价格合理等优势 广泛应用于光通信、大规模数据存储、图像显示、光互连计算、 大型光学孔径的航天器实现小型化等方面 既可以带动一些重要的基础课题研究，又可以带动大量概念全 新的功能部件开发
参考文献
《微光机电系统》 . 张文栋，熊继军编著. 机械工业出版社. 2006-8-1 微光机电系统及其应用. 李文军,赵小林,蔡炳初,戴旭涵. 微细加 工技术. 2001年第3期 国外微光电子机械系统技术的研究现状. 罗家强. 世界电子元器 件. 2002年03期 MOEMS光学系统的发展与应用. 耿凡. 红外与激光工程. 第34卷 第一期. 2005年2月
代表性器件
微机械可变式光衰减器
◦ 挡光式光衰减器：利用两根对准光纤的间隙插入挡光片来衰减光功 率的衰减器。
工作电压20～40V ，插入损耗约0. 81dB , 衰减范围0 ～50dB
代表性器件
微机械可变式光衰减器
◦ MARS 光衰减器：利用反射镜的偏转或变形而使反射到输出光纤中 的光功率发生变化
MOEMS发展历史 MOEMS发展历史
MEMS的历史：
◦ 1959年 微型机械的设想 ◦ 1962年出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器 ◦ 1987年 硅微型静电电机—硅微加工工艺制作微小可动结构，并与 集成电路兼容
MOEMS的诞生：
◦ MEMS输出力矩小—发展的一个屏障 ◦ 小机械位移常产生比传统光电或自由载流子效应更强的物理效应 ◦ 光系统无需力矩输出 ◦ 通过微机电系统技术实现可动结构，使得微机电系统技术与微光学 相结合Байду номын сангаас形成微光机电系统
其他：菲涅尔透镜、微平面镜、光栅、分束器以及光纤等
微定位装置
主要用于支撑和固定微光学元件，以及在微驱动器作用下对微 光学元件的位置进行调整。 主要有微铰链、侧臂支撑平板、可动平台等构件
微驱动器
静电型微驱动器
◦ 静电型梳状驱动器
由水平静电力驱动,主要由固定的梳状电极和可动梳状电极组成 两电极间施加电压时，静电力使可动梳状电极向固定电极方向运动
工作电压为20～50V，衰减范围为0～25dB ，响应时间为1. 1～2. 8µs
代表性器件
光纤光开关
◦ 一种全光开关，通过移动反射镜使光子从一根光纤路由到另一根光 纤 ◦ 与常规的光机械开关一样具有低插人损耗和交扰，且对输人波长、 偏振、bit速率的透明度、调制制式无关 ◦ 静电驱动器几何尺寸小、功耗低、开关速度高
微光机电系统 MOEMS
北京大学 物理电子所 光电器件小组 赵青靓 1101213657 2011年11月27日
内容提要
MOEMS简介 MOEMS的主要应用 微光机电系统的制造技术 微光机电系统的主要构成要素 代表性器件 前景与展望 参考文献
学科定位
微光学 光电 微电子 光机
MOEMS
MEMS
微机械
主要应用——数字图像处理 主要应用——数字图像处理
大多应用于信息的显示、打印和处理 其中最为成熟的是数字微镜装置（DMD）
主要应用——军事和空间应用 主要应用——军事和空间应用
军事领域的应用
◦ 光束灵活控制（STAB）系统：小型、轻型激光波束控制技术来代 替光学通信和红外对抗系统中的大型、机械控制的镜头系统 ◦ 超大规模集成光学 利用光链路代替电子链路，用于芯片与芯片之 间、板与板之间的通信
Si衬底
Si衬底
SiO 2
Si3N 4
PolySi
Resist
微光机电系统的主要构成要素
MOEMS主要由微光学元件、微定位装置及微驱动器三部分构 成 微光学元件作为光束传播的介质并可对光束进行物理上的调制 微驱动器和微定位器可以对微光学元件的位置进行精密微调
微光学元件
微衍射透镜
◦ MOEMS 中最常用，焦距能够在设计掩模时被精确确定，数值孔径 范围较宽，厚度仅为光波长的数量级。一般采用多晶硅制作，可用 于准直由单模光纤输出的光束
◦ 电容侧向驱动静电微马达
重掺杂多晶硅转子和定子 定子电极上依次施加电压产生静电力使转子连续转动
◦ 刮板式驱动器 ◦ 热驱动器
代表性器件
数字微镜光调制器（DMD）
◦ 一种通过微镜列阵反射成像的二维光调制器 ◦ 应用于投影显示器 ◦ 每个可动微镜分别覆盖在一个CMOS 静态存储单元上，由存储单元 中的数据决定的静电力，使微镜扭转10 度(开) 或- 10 度(关) 。从镜 面反射的光束通过投影透镜在大屏幕上产生图像
表面微机械加工技术
以硅片等材料作为基体，通过淀积牺牲层和结构层以及图形加 工的方法来制备三维微机械结构 常用的结构层材料：多晶硅、SiO2 、Si2N4 、 铝、镍、铜等。 常用牺牲层的材料：磷硅玻璃、多晶硅, 铝、铜等。
Si 衬 底 结 构 层 牺牲层
牺牲层
Si衬底
Si 衬 底
可动结构
结构层 牺牲层
◦ 既限制了网络的交换速度， ◦ 对不同形式的光信号是不透明的。 ◦ 光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度 ◦ 光/电、电/光器件的微型化问题
微光机电系统技术是解决这一瓶颈问题的有效途径
◦ 主要器件：MOEMS光纤开关、光交叉连接设备、波分复用/解复用 器、可调谐滤波器、色散补偿器、光耦合器等
Thank you !
MOEMS的优势 MOEMS的优势
把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起的系统, 能够充分发挥三者的综合性能 微机械光学器件，提高光交换速度 微机械加工技术提供高精度的定位 光学系统微型化而降低成本 新的光学器件和装置
主要应用——光纤通信 主要应用——光纤通信
传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交 叉互联电分插复用器