基本介紹
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微光機電系統（MOEMS）
微光機電系統（MOEMS）是近幾年在微機電系統（MEMS）中發展起來的一支極具活力的新技術系統，它是由微光學、微電子和微機械相結合而產生的一種新型的微光學結構系統。微光機電系統是一種可控的微光學系統，該系統中的微光學元件在微電子和微機械裝置的作用下能夠對光束進行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實現光開關、衰減、掃描和成像等功能。該系統把微光學元件、微電子和微機械裝置有機地集成在一起，能夠充分發揮三者的綜合性能。
微光機電系統的領域可以從微光學、微電子與微機械三個領域之間的關係來了解。微光學與微電子的交集為光電領域(OptoElectronics)，微光學與微機械的交集則為光機領域(OptoMechanics)，而微電子與微機械的交集則是微機電系統領域(MEMS)。而微光機電系統(MOEMS)領域就是三者的交集，或稱為光學微機電系統(OpticalMEMS)。
微光機電系統與常規系統相比，具有體積小、重量輕、與大規模積體電路的製作工藝相兼容，易於大批量生產，成本低等顯著優點。同時，感測器、信號處理電路與微執行器的集成，可使微弱信號的放大，校正以及補償等在同一晶片中進行，不需要經過較長距離的傳輸，這樣可以極大地抑制噪聲的干擾，提高輸出信號的品質。因此，微光機電技術的套用已經深入到許多不同的套用領域。目前，不但實現了一些小型化、集成化和智慧型化的光學系統，而且導致了新一代器件的誕生，如光學神經網路晶片、MOEMS光處理晶片等。這一切必將影響光通信、光數據存儲、信息處理、航空航天、醫療器械、儀器儀表等套用領域,從而對未來的科學技術、生產方式、人類生活產生深遠的影響。微光機電系統的出現將極大地促進信息通信、航天技術以及光學工具的發展，對整個信息化時代將生產深遠的影響。
微光電機系統主要的產品有投影顯示器、光掃瞄器與光通訊組件等。微光機電系統在學術單位與各大公司積極投入研發，蓬勃發展，其中有很多創新的技術。如美國ULCA大學的光學平台構想，Berkeley大學的微掃瞄鏡的技術，使用標準的表面微加工技術的MUMPs所做的研究，不僅成為重要的技術標竿，也帶動後續很多的研究，一時間利用表面微加工技術的光開關、微鏡與微光學平台變成非常熱門的領域。
隨著微光機電系統技術的不斷發展，現在已經有了定期召開的MOEMS國際研討會，1999年在美國聖地亞哥召開的的光纖通信大會把MOEMS列為一個專題。美國很多研究機構和公司都在致力於發展這門新興技術，歐共體也制定了有五國二十七個機構參加的三年微光系統計畫。目前，一些比較成熟的MOEMS產品已經出現在消費領域，隨著大量研究工作的進行，MOEMS的研究將成為一個新興的熱點，其研究成果必將關係到國家的科技、經濟和國防的未來。
微光機電系統的特點
比較成熟的MEMS技術為MOEMS的集成與微動作的實現提供了標準工藝和結構，MOEMS能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體雷射器、光電檢測器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能部件或系統。其成為一個重要的技術發展方向主要是因為具有以下幾個特點：
1、生產中的優勢與特點
2、結構上的優勢與特點
MOEMS的體積非常小，尺寸小至幾微米，大也不過幾毫米；回響速度在100ns～1s的範圍內；其可動結構通常由靜電致動，致動能為CV2/2；其結構可以做到相當複雜，包含元件數目達到1個～106個。
3、動作上的優勢與特點
通過精確的驅動和控制，MOEMS中的微光學元件可實現一定程度或範圍的動作，這種動態的操作包括光波波幅或波長的調整、瞬態的延遲、衍射、反射、折射及簡單的空間自調整。上述任何兩、三種操作的結合，都可以對入射光形成複雜的操作，甚至實現光運算和信號處理。如何通過微型光學元件來實現上述操作是MOEMS區別於傳統物理光學系統的關鍵。
微光機電系統在民用領域的套用
微光機電系統在光通信、數字圖像獲取、顯示與處理、IT外圍設備、環境保護、自動化生物醫療裝備、工業維護等方面有著很好的套用前景，國外在上述領域開展了一系列微光機電系統技術和產品的研究開發。
光通信
開關元件是光網路的核心部件，其性能的好壞是決定網路性能的關鍵。基於MOEMS的光開關，由於其與光信號的格式、波長、協定、調製方式、偏振和傳輸方向等均無關，而且在損耗和擴展性上都要優於其它類型，與未來光網路發展所要求的透明性和可擴展性等趨勢相符合，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多數創新和進步都體現在光通信領域，光通信已經成為MOEMS的主要套用領域之一。
近年來正大力發展一種集成化的MOEMS光開關，即在矽片上用微加工技術做出大量可移動的微型鏡片構成的開關陣列。AT&T實驗室採用MOEMS技術研製了8×8光開關陣列。此微機械光開關的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個輸入連線埠對應一個準直微透鏡，每個輸出連線埠對應一個聚焦微透鏡，光開關的主要組成部分是一個8行8列的微反射鏡矩陣以及每個微反射鏡所對應的控制系統，鏡面通過銷軸聯接。通過抓爬驅動器使微鏡轉動90度，使來自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開關的開關速度為亞毫秒級。這種光開關的介入損耗較大，最大可達19.9分貝。目前MOEMS光開關還處於研究階段，沒有形成產業化。隨著光通信技術的發展，網路頻寬的擴大，MOEMS光開關會越來越受到人們的重視，具有重要的研究價值和廣闊的套用前景。
數字圖像處理
在圖像處理的相關產品方面，MOEMS技術大多套用於信息的顯示、列印和處理。其中最為成熟的是數字微鏡裝置（DMD）。圖2所示為美國TI公司研製的DMD光開關原理圖。它通過可以旋轉10度的扭轉鏡來完成投影顯示。每個微鏡下都有驅動電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜，輸入光被反射至鏡頭，投影到螢幕上，未加電壓的微鏡處的光線反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點產生明暗，投影出圖像。目前，已研製出的DMD的像素達2048×1152。DMD可套用於投影儀和電視等裝置上。
微光機電系統在軍事和空間領域的套用
雖然MOEMS技術的研究與實際套用還有一段距離，但是由於利用該項技術可以實現武器系統的小型化、低功耗和低成本，所以受到了軍事部門的重視。
微光機電系統在軍事領域的套用
美國國防高級研究計畫局（DARPA）對於MOEMS的研究給予高度重視，圍繞MOEMS技術及其套用開展了一系列研究計畫，例如光束靈活控制（STAB）系統、光學微型網路、超大規模集成光學、處理光波長和空間信號計畫、高清晰度系統計畫、基於士兵系統的MOEMS技術的發展計畫等，這裡僅介紹其中的幾個計畫。
■光束靈活控制（STAB）系統STAB計畫是要開發出晶片一級的光束操縱元件，目的是發展小型、輕型雷射波束控制技術，來代替光學通信和紅外對抗系統中的大型、機械控制的鏡頭系統。該計畫可用來解決雷射通信系統中雷射光束的方向角窄，影響雷射通信系統的實用化的問題。計畫的總目標是實現將光束靈活控制系統的尺寸縮小30倍，重量減輕60倍。
■光學微型網路該計畫主要進行經濟可承受的高速光學數據網演示，實際套用于飛機和軍艦。已經演示了把垂直腔雷射綜合到驅動電子裝置頂上，並與必要的微型光學結合到一起，形成光學連線。然後，放大到16×16靈巧單元陣列光學通信塊，進行晶片與晶片之間通信演示。在實戰飛行試驗方面，通過利用AV-8B飛機的實彈演習，進行10兆比/秒光學網路的飛行試驗。
■超大規模集成光學計畫的目的是利用光鏈路代替電子鏈路，用於晶片與晶片之間、板與板之間的通信，使線路板之間的數據傳輸率達到每秒太比特，有利於合成孔徑雷達、自動目標識別等高速數據處理，可以使這些系統的體積功率減少100～1000倍。按照計畫，其靈巧像元陣列將放大到100×100，並演示合成孔徑雷達的數據處理。
DARPA研究認為MOEMS在國防方面的套用包括以下7個方面：武器制導和個人導航晶片上的慣性導航組合；軍備跟蹤、環境監控、安全勘測的無人值守分散式感測器系統；小型分析儀器、液壓與氣動系統、推進和燃燒控制的集成流量系統；替換當前彈頭系統與改進安全性和可靠性的武器安全恢復，保險和引信；移動車輛和運載器上有條件保養的嵌入式感測器和執行器，在輕武器系統/平台和抵抗災害建築中按需增強結構強度；用於每平方厘米千兆位元組存儲密度的大規模數據存儲設備和系統；用於鑑別敵友系統、顯示器和光纖開關/調節器中的集成微光學機械器件；用於飛機、自適應光學和精密部件與材料處理的主動、共形表面。
微光機電系統在空間的套用
光通信和光遙感是MOEMS在空間的主要套用。
微/納衛星組網時衛星之間的通信若通過地面站，則噪聲干擾和低功率等原因將影響傳輸質量。解決的辦法是採用光通信，它傳輸容量大(理論值可達7.5吉比/秒)，傳輸速率高、頻寬寬，且不占用無線電波段。衛星使用光掃描器，因其體積小、轉角大、散射小和頻率高，可以用來完成衛星網間的捕捉、瞄準和跟蹤。美國航宇局已把空間光通信列入“新盛世”計畫和“深空系統技術”計畫。隨著MOEMS產品的成熟，有可能將微光學元件、微調整器、光源、探測器和處理電路等集成在同一晶片上，組成各種專用自由空間光學平台，從而實現光學平台的微型化。目前，美國航宇局噴氣推進實驗室已將多個MOEMS和處理電路組裝成多晶片光通信模組。國外研究出的一種用於低功耗光學調製和波束控制的模組，尺寸為10厘米×10厘米×2厘米，質量僅0.4千克，功耗小於5瓦。
隨著衛星微小型化，用於確定姿態、自主導航、科學成像和成像光譜技術的各種光學儀器，其孔徑和光學系統的可利用空間迅速減小。為此，一方面可以在光學系統中通過採用MEMS技術製造的微透鏡陣列、微衍射元件、微光掃描器和光纖感光板等來減小尺寸；另一方面可以把微光學元件、微機械構件、探測器和處理電路集成積木式模組，進一步減小體積。噴氣推進實驗室完成的用於光學導航和成像科學的基本光學積木式模組，尺寸為10厘米×10厘米×16厘米，質量僅0.17千克，功耗小於0.3瓦。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室與OCA套用光學公司合作研製的寬視場星跟蹤器，有很寬的視場(28度×43度)，可在50毫秒內求出亮星的中心點，能以20微弧度(3σ值)的高精度跟蹤目標。該星跟蹤器包括微電子線路在內，質量僅為175克，功耗3瓦。
微光機電系統的套用前景與展望
微光機電系統以其對光束在時間和空間上的精確控制能力以及體積小、可批生產、功耗低和價格合理等優勢，將廣泛套用於光通信、大規模數據存儲、圖像顯示、軍用光電偵察裝備、光互連計算、自主式航天交會、雷射測距、雷射雷達、制導、預警監視系統以及使得使用大型光學孔徑的太空飛行器實現小型化等方面。
歐洲非贏利性組織——多功能微系統卓越網路（NEXUS）對2000～2005年世界MEMS市場的預測報告指出，在2000～2005年期間世界MEMS市場將以每年遞增20%的速度增長，到2005年將達到680億美元的市場份額。其中一個較大的市場需求是來自套用於通信領域的MOEMS和射頻MEMS（RF-MEMS）。到2005年，MOEMS和RF-MEMS在環境、工業自動化、航空電子設備和軍事等方面的通信套用市場份額將達到3億美元。
雖然MOEMS技術發展的歷史並不長，但這是一項學科交叉性和綜合性都很強且極具發展潛力的高新技術。開展這個領域的科學技術研究，既可以帶動一些重要的基礎課題研究，又可以帶動大量概念全新的功能部件開發，因此目前已經成為世界各國都看好的研究熱點之一。
圖書信息
基本信息
出版社：機械工業出版社
出版時間：2006-8-1
字數：390000
頁數：310
ISBN：9787111192664
包裝：平裝
定價：28.00
內容簡介
本書介紹了微光機電系統的國內外發展狀況，微器件的結構設計與仿真，常用的微製造技術，如表面工藝、體矽工藝和LIGA工藝，封裝技術等。本書的重點是介紹各種MOEMS器件，包括微力學器件、RF微器微光學器件、微流體器件以及微溫度感測器和微磁場感測器等。介紹微器件時，本書從各器件的工作原理、工藝步驟、性能指標等入手，意在使讀者更好地了解目前已經研製成功的各種微器件及微系統，並能在實際的工程中考慮使用。
本書可作為從事MOEMS技術套用和開發的工程設計人員，科技管理人員以及相關專業研究生的參考書。
圖書信息
書名:微光機電系統
作者：(美國)莫塔麥迪
出版時間：2010年01月
ISBN:9787118063653
開本：16開
定價:68元
內容簡介
《微光機電系統》內容簡介：近代光學和光電子技術的迅速發展使光電子儀器及其元件（包括光學元件和機械零件）發生了巨大的變化，最重要的變化之一是從巨觀概念發展到微觀概念，因此，形成了不同的微光學儀器研究領域:微光學系統（Micro-Optics）、微機電系統（MEMS）和微光機電系統（MOEMS）。
微光學元件是套用現代微加工技術，例如光學蝕刻技術、雷射束直寫和電子束直寫以及反應離子束蝕刻技術製造出的一類光學零件，一般地，這種元件的外形尺寸是微米數量級。微光學元件包括衍射和折射兩種，例如微透鏡、微反射鏡、微扇出光柵、最佳相位元件和偏振器等，已經成為實現（而利用傳統的光學元件不可能實現或者是不現實的）各種光學功能的強有力工具，幾乎在所有的工程套用領域中，特別是在現代國防科學技術領域中有重要的套用價值和廣闊的套用前景。與傳統的光學元件相比，微光學元件最大的優點就是可以將大的複雜光學系統集成為非常緊湊的形式，使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化，因此，微光學元件是製造小型或超小型光電子系統的關鍵元件。
