微型光机电的应用

  • 发布人:光电产业研究
  • 时间:2023年-02月-03日
  • 地区: 长三角
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  • 大型仪器
  • 科技创新

光机电,MEMS的光器件,比如滤波器,可变衰减器,还有光开关,其实是一种最典型的先进光机电技术。

MEMS是英文微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的首字母缩写,也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等,指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。 其特征长度从1毫米到1微米,是一种在硅晶圆上以光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等半导体工艺制作的微型机械系统。

MEMS光器件,其基本结构是可依靠静电等方式驱动的微小反射镜。试想一下,头发丝级别的微小机械装置可以依靠集成电路工艺批量制造是一种什么样的场景。正因为如此,MEMS的产品具有体积小,重量轻,功耗低,可靠性高,方便集成,支持批量制造等突出优点。

虽然MEMS主要依托IC工艺进行制造,但也有两项特殊的传统IC制造不具备的工艺。其一是制备高深宽比结构的LIGA技术,LIGA是X射线光刻技术的德语简称,于1982年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发出来。其二是制备悬臂结构表面微加工技术,该技术于1980年代由加州大学伯克利分校的研究人员开发出来。

MEMS的概念最早在1960年代提出来,但是一直到1980年代才真正进入商业化。工程师和科学家们想基于集成电路制造技术来做MEMS,最好是能做到一片芯片上。MEMS最早的商业应用案例之一是喷墨打印机墨盒上的小喷嘴。每台打印机打印头上的喷嘴包括了一个中空的腔。打印用的墨流到其中,利用微小的电加热器加热,然后通过喷口喷出。这个空腔就是基于同集成电路一样的光刻技术制造的。

 

1982年,汽车的气囊系统(最早在1950年代推出)也开始利用MEMS技术来检测是否有碰撞发生。最早是模拟器件公司(Analog Devices)进一步发展了这个想法,1991年,这家公司开发出用于气囊系统的加速器芯片用于检测突然的车速下降,其中机械和电子部分都集成在一个芯片上。后来他们还开发出用于汽车的全球定位系统的片上陀螺仪。

MEMS如今最大的应用是传感领域。举例来说,苹果公司的AirPods耳机正是依靠内置的多个MEMS传感器具备了多种智能功能。

 

这些传感器包括语音加速感应器,运动加速感应器和双光学传感器等。语音加速感应器可以通过跟用户身体的接触,从用户肌肉组织和骨骼的中检测到声音震动。运动加速感应器配合光学传感器可以检测用户是否已将耳机戴入耳中,从而能自动开启传送音频和激活麦克风等功能。AirPods每个耳机还搭配了2个MEMS麦克风。这2个麦克风通过波束成形技术配置成阵列,形成定向响应或波束场型,可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。配合语音加速感应器,可过滤掉背景噪音,清晰锁定你的声音。

 

基于MEMS的传感器还可以实现对气体,温度,湿度,流量,角速度,电流,等各种物理量进行检测,在电子,汽车,医疗,国防,通信等各种领域有着广泛应用,是物联网时代不可或缺的关键器件。