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、电子元件和传感器集成到硅衬底上，实现了光学系统中前所未有的小型化和集成化。它已成为光学系统商业发展的驱动力，并且是对光学相互作用基础的广泛研究的重点。

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，以检测和操纵微米级的光信号。它利用半导体行业的批量制造技术来实现小型化、非凡的精度和可靠性。

光学MEMS在显示器、投影仪和光纤通信领域取得了巨大的商业成功。此外，它还实现了设备和各种微机械元件的小型化，从而以与集成电路相同的方式节省了批量生产成本。

光学MEMS器件可以控制和修改光束方向和焦距等光学参数，从而能够开发小型可调谐镜、透镜、调制器和滤光片。

这些设备可以轻松扩展到大批量生产，尽管开发需要最初的努力和时间。此外，半导体行业采用的微/纳米制造技术允许微光学系统的更高精度。

光学MEMS是一种相对较新且快速发展的技术，它有可能通过开发新的小型化器件系列来彻底改变光子系统并改变电信，光网络和生物医学应用。

光学MEMS器件的设计与制造

制造光学MEMS器件涉及微细加工技术，如体和表面微加工以及深X射线光刻。

制造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。最后一步涉及沉积材料、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，以确保正常工作。

光学MEMS器件的应用

光学MEMS在电信领域发挥着重要作用，特别是在开发用于通过光纤网络路由互联网流量的全光交换机方面。对更快互联网速度的需求推动了光学MEMS系统的发展，该系统可以直接操纵光信号并消除不必要的转换需求。

光学MEMS技术广泛用于投影、透射和反射式显示器。这些显示器可分为基于扫描的显示器和非基于扫描的显示器，进一步将前者分为线性阵列1D和基于点源2D扫描的显示器。

它能够实现小型光谱系统，例如基于光栅的单色器、傅里叶变换光谱仪和法布里-珀罗干涉仪。此外，MEMS组件的使用还允许开发便携式光谱系统。

光学MEMS技术用于传感器，可分为相干和非相干。相干传感器依赖于光干扰，而非相干传感器检测光强度的变化。

光学MEMS器件在生物医学领域实现了众多应用，如光遗传学、分子检测和疾病的无创内窥镜筛查。此外，通过Bio-MEMS器件使生物工具小型化，实现了生物过程的实时监测和操作。

近期研究与开发

使用高灵敏度光学MEMS加速度计为车辆和地震应用提供实时振动检测

发表在《应用光学》上的一项研究介绍了光学MEMS加速度计的开发、生产和测试，该加速度计使用双层衍射光栅的塔尔博特效应进行高灵敏度加速度检测。

研究人员使用有限差分时域仿真优化光栅参数，以实现光学干涉检测的最佳对比度。

实验结果表明，所提出的光学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（～80g）下工作。

该研究的意义在于其在车辆的实时地球物理地震和振动传感中的潜在应用，其中快速和强烈的振动需要准确检测。

基于光学MEMS的智能玻璃技术彻底改变了建筑物的能源效率

在发表在《光学微系统杂志》上的一项研究中，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，这可以节省大量能源。

设计的MEMS微镜阵列安装在隔热玻璃内部，可根据用户喜好、时间、太阳位置和季节反射入射的阳光，直接定制光线。

智能玻璃在夏季提供免费的过热预防，在冬季提供太阳能加热，健康的自然采光，节能高达35%，减少高达30%的二氧化碳，以及高层建筑中减少10%的钢材和混凝土。

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

研究人员开发用于大规模光子集成电路的先进硅光学MEMS平台

由悉尼大学副教授Niels Quack领导的研究人员开发了一种硅光学MEMS平台，该平台将高性能纳米光机电器件与硅光子代工组件完全集成。研究结果发表在Microsystems & Nanoengineering上。

该技术克服了在单个芯片上集成许多组件的挑战。它允许为各种应用创建大规模光子集成电路，包括电信、传感和量子计算。

这是纳米机电致动器首次集成到标准硅光子学技术平台中。这是迈向集成MEMS的成熟、大规模、可靠的光子电路的重要一步。该技术正在为大批量生产做准备，在自动驾驶汽车的3D成像或新的光子辅助计算中具有潜在的应用。

Niels Quack，副教授，该研究的主要作者。

未来展望

对系统小型化的高需求导致了MEMS和光学MEMS的数十亿美元全球市场，其中有许多用于日常生活的产品。

随着纳米制造技术的进步，现在可以进一步将MEMS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性光子器件和系统，具有增强的性能、动态可调性和更高的集成度。