光学MEMS和微器件： 技术、设计和应用

光学MEMS技术通过微加工将机械元件、电子器件和传感器集成在硅基材上，使光学系统实现了前所未有的小型化和集成化。它已成为光学系统商业化发展的驱动力，也是对光学相互作用的基本原理进行广泛研究的重点。

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什么是光学微机电系统（MEMS）技术？
光学微机电系统（MEMS）结合了电气、机械和光学系统，在微米级检测和操纵光学信号。它利用半导体行业的批量制造技术来实现微型化、非凡的精度和可靠性。

光学MEMS已经在显示器、投影仪和光纤通信方面取得了巨大的商业成功。此外，它还实现了器件和各种微机械元件的小型化，导致了与集成电路相同的节省成本的批量生产。

光学MEMS器件可以控制和修改光学参数，如光束方向和焦距，使小型化的可调谐镜、透镜、调制器和滤波器的开发成为可能。

尽管开发初期需要付出努力和时间，但这些器件可以很容易地扩大到大批量生产。此外，从半导体行业采用的微/纳米加工技术使微光学系统的精度更高。

光学MEMS是一项相对较新且发展迅速的技术，它有可能彻底改变光子系统，并通过开发新的小型化设备系列而改变电信、光网络和生物医学应用。

光学MEMS器件的设计和制造
光学MEMS器件的制造涉及到微加工技术，如批量和表面微机械加工以及深X射线光刻。

制造过程包括光学和电子结构的功能测试，然后是开发和分析机械元件。最后一步包括沉积材料、蚀刻和创建图案。

光学MEMS器件的设计取决于各种参数，如形状、应力分布、电气、机械、化学、刚度、材料和热参数，以实现正常的功能。

光学MEMS器件的应用
光学MEMS在电信领域发挥着重要作用，特别是在开发全光交换机，通过光纤网络路由互联网流量方面。对更快网速的需求推动了光学MEMS系统的发展，它可以直接操纵光信号，并消除不必要的转换。

光学MEMS技术被广泛用于投影式、透射式和反射式显示器。这些显示器可分为基于扫描的和非扫描的，进一步将前者分为线性阵列一维和点源二维扫描式显示器。

它能够实现小尺寸的光谱系统，如基于光栅的单色仪、傅立叶变换光谱仪和法布里-珀罗干涉仪。此外，使用MEMS元件还可以开发出便携式光谱系统。

光学MEMS技术用于传感器，可分为相干和非相干。相干传感器依靠光干扰，而非相干传感器则检测光强度的变化。

光学MEMS设备已经在生物医学领域实现了许多应用，如光遗传学、分子检测和无创内窥镜疾病筛查。此外，通过生物MEMS器件使生物工具小型化，实现了对生物过程的实时监测和操控。

最近的研究和开发
用高灵敏度的光学MEMS加速器对车辆和地震应用进行实时振动感应
发表在《应用光学》上的一项研究介绍了一种光学MEMS加速度计的开发、生产和测试，它利用双层衍射光栅的塔尔博特效应进行高灵敏度的加速度检测。

研究人员利用有限差分时域模拟优化了光栅参数，以实现光学干涉检测的最佳对比度。

实验结果表明，拟议的光学MEMS加速度计设计实现了高分辨率（246 µg）、灵敏度（6.1 V/g）和偏置稳定性（0.02 mg），并且可以在更高的加速度下工作（∼80g）。

这项研究的意义在于其在实时地球物理地震和车辆振动传感方面的潜在应用，在这种情况下，快速和强烈的振动需要精确的检测。

基于光学MEMS的智能玻璃技术彻底改变了建筑的能源效率
在发表在《光学微系统杂志》上的一项研究中，来自德国卡塞尔大学的研究人员展示了一种新的智能玻璃技术，该技术在智能窗户中使用光学MEMS微镜阵列进行日光转向，可以提供巨大的能源节约。

设计的MEMS微镜阵列安装在隔热玻璃内，通过根据用户的喜好、一天中的时间、太阳的位置和季节来反射进入的阳光，直接实现光线定制。

这种智能玻璃在夏天可以免费防止过热，在冬天可以提供太阳能加热，提供健康的自然光，在高层建筑中可以节省35%的能源，减少30%的二氧化碳，减少10%的钢筋和混凝土。

这项技术可以减少对人工照明的依赖，优化自然日光，对当地气候做出反应，全年都能节省大量能源。

研究人员为大规模光子集成电路开发先进的硅光学MEMS平台
由悉尼大学的Niels Quack副教授领导的研究人员开发了一个硅光学MEMS平台，该平台将高性能的纳米光机电设备与硅光子学代工组件完全整合在一起。该成果发表在《微系统与纳米工程》上。

这项技术克服了在单个芯片上集成许多组件的挑战。它可以为各种应用创造大规模的光子集成电路，包括电信、传感和量子计算。

这是首次在标准硅光子技术平台上集成纳米电子机械执行器。这是迈向成熟的大规模、可靠的集成MEMS的光子电路的重要一步。这项技术正在为大批量生产做准备，有可能应用于自主车辆的三维成像或新的光子辅助计算。

尼尔斯-夸克，副教授，该研究的主要作者。

未来展望
对系统微型化的高要求导致了全球MEMS和光学MEMS的数十亿美元的市场，其中有许多产品用于日常生活。

随着纳米加工技术的进步，现在可以将MEMS进一步缩小到纳米机电系统（NEMS）。此外，NEMS/MEMS与纳米光子元件的融合将创造新的机会和功能光子设备和系统，具有更强的性能、动态可调性和更高的集成度。

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作者：Owais Ali