微光机电系统技术的研究与应用(下)

二 光学研究和应用 微光学平台是微光机电系统技术应用的一个典型例子,它主要用于光学测量和实验。传统的光学系统平台体积大,系统中的元件是先分开制造然后组装而成,装配量很大,成本很高。而微光学平台体积小,系统中的元件可集加工在单一芯片上,对准精度高．可成批生产,成本低。这些优点使微光学平台相对于传统的光学系统有很大的优势。所以．该方面的研究是微光机电系统研究的最基本部分。研究包括各种微铰链（图７（ａ））、微反射镜（图７（ｂ））、微衍射透镜（Ｆｒｅｓｎｅ１,多阶二元微透镜（图７（ｃ））、微折射透镜（图７…     

微光机电系统

在过去的5年中,利用大规模集成电路制造技术制造的象衍射和透射微小透镜等微光学元件引人注目.这一重要科技成就引起一场光学技术革命.美国Rockwell科技中心的Ed-ward应《Optical Engineering》特约对此进行了综述.利用微光学元件缩小仪器尺寸能够改进很多光电系统,从电视摄象机,可视电话、小型软盘存贮器到自动成像观测,光学中继器到高清晰度投影显示.微光学系统中所应用的象二元光学元件和塑料微光学元件复制等技术在过去5年发展过程中已经能够应用到集成技术中去.与此同时发展了另一门前沿科学,称为微机电(MEM)技术.MEM技术已经应用到汽车、机械工具、气压传动和通用微传感器上.微光机     

微光学元件

远在20世纪80年代,长距离通信工业是最先使用微光学元件的产业之一.半导体激光器、微光学元件和光纤集成为小的组件,成为高效光学网络的经济基础.今天,微光学元件已是畅销商品,并在许多工业领域中成为关键的组成部分,其增长率高于工业平均增长率.基于微电子工业的经验,几家研究所和公司研究了用光刻法加工小透镜的技术,也就是用光能刻蚀和熔融玻璃或光刻胶.这些单位一方面加工生产直径小到几μm的可复制的结构,但另一方面其有限的光学质量又限制了应用的数量.正在研究的高分辨率微机械设备将为透镜、棱镜和反射镜形成轮廓分明的光学结构开辟新的可能性.此外,生产的微光学元件不仅可以当作单独的透镜系     

用微机械加工技术制造的自由空间集成光学系统

1994年7月25日，国际光学工程学会在美国加州圣地亚哥召开了第二次“集成光学和微结构”学术交流会。加里福尼亚大学洛杉矶分校电子工程系的M．C．Wu等人报道了他们首次用表面微机械加工方法制造微光学系统的新颖技术。采用单片集成方式，把自由空间光学元件与微定位器和微执行器件集成在一块硅片上，成功地制造了由菲涅耳透镜、反射镜、分束器、光栅、精密安装机构和旋转台及微定位器集成的光学系统。     

基于数字微镜的无掩模数字光刻系统的研制

研究了一种基于数字微镜的无掩模光刻系统.利用数字微镜输出的高精度数字掩模,结合高质量的高倍精缩投影光学系统,理论上完全可实现亚微米级衍射微光学元件的制作.该文从照明系统、数字微镜芯片、精缩物镜设计等方面进行了系统总体设计.利用该系统成功制作了5×5达曼光栅、8台阶闪耀光栅和8台阶菲涅耳透镜,进一步论证了该系统的可行性.     

用于小型光谱仪列阵的微透镜光栅

目前光谱测量领域有两个主要趋势：小型化和平行光谱分析,对于波长递减或分析化学等应用来说更是如此。对于制造廉价、简易的组件系统来说,希望通过将若干功能组合进一个单元或一个单面来减少系统中的元件数目。因此精密光栅结构的全息记录与折射微光学件的制造技术结合颇具吸引力。图１　具有一个光栅表面的折射微透镜的ＳＥＭ成像我们在光致抗蚀剂中制作了折射微透镜列阵,并在列阵顶部以全息术记录了一个光栅（图１）。这就将光谱仪的两个主要光学功能,即光谱分离和光谱聚焦功能组合在一个图２　低压氙灯光谱图３　微光谱仪列阵系统的…     

自组装方法制作微角反射器的有限元分析

为了研究微光机电系统的元器件微角反射器的制作理论和过程,采用自组装方法设计制作角反射器,通过光刻和选择性蚀刻确定角反射器图案,当把牺牲层腐蚀掉后,由晶格失配双层结构形成的铰链在应力驱动下带动镜面发生旋转并最终达到平衡位置,从而完成自组装制作过程。采用适于求解弹性应力几何非线性问题的有限元方法进行了计算分析,并仿真得到不同角度的微反射镜和微立方箱。通过分别调整镜面和铰链尺寸、应变双层厚度和上盖层厚度,仿真分析了镜面的线度、角度和平整度对旋转角度的影响。结果表明,自组装方法是制作微光机电系统中3维微/纳米元器件的一种非常有效的方法,具有很好的发展前景。     

飞秒激光制备微光学元件及其应用

近年来,微光学元件的制备与应用受到人们的广泛关注。微光学元件体积小、重量轻及制造成本低,并且易于与微机电系统相集成,能够实现普通光学元件难以实现的功能,在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域,突显出重要的应用价值。飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率,能够实现超高精度的微纳加工,轻松突破衍射极限。飞秒激光加工技术对材料没有选择性,加工过程也非常灵活,可以进行任意复杂结构的加工,丰富了微光学元件的制备种类。飞秒激光还能在现有结构或系统上进行集成加工,极大扩展了微光学元件的应用。简要概述了微光学元件的优点及一些常用的制备方法,同时对飞秒激光加工技术进行了简单概括,对近年来飞秒激光制备各种微光学元件的实验和应用研究进行了综述,最后对微光学元件未来的研究方向进行了预测和展望。     

硅膜片可变焦反射镜

半导体激光器的发明，推动了将受光元件、发光元件、光波导和微透镜系统等集成于同一衬底上的光集成组合元件的研究。目前，正在进行着利用微机械技术使各种微小光学元件和驱动这些元件的传动机构更加小型化的研究。其中也包括对可变焦透镜和反射镜的各种试制方案的研究。然而，到目前为止，尚无在上述研究项目中达到实用化的报道。     

MEMS光开关的控制

ME MS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的、可批量制作的微型器件或系统。MOEMS则是Micro—Opto—Electro-Mechanical System的缩写。把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感器等多个方面。     

基于自由空间光学的光机电混合集成技术

随着微加工技术和微分析技术的发展,人们已经可以把大型的机电系统或者光学系统微型化并进行某种程度的集成.但是,由于光学元件和光学系统对微结构的材料性能、几何尺寸和表面质量等都有极为苛刻的要求,光学系统特别是自由空间光学系统的微型化仍然面临巨大的技术挑战.提出一种基于表面压印和三维铸模技术的自由空间光学系统集成技术,该技术解决了光学元件的微型化及层内和层间的光学互联;在此基础上,结合MEMS技术、印刷电路(PCB)和表面贴装(SMD)技术实现了片上的光机电混合集成.     

可调液晶微透镜研究进展

可调液晶微透镜是一种基于电光效应来改变其折射率空间分布的新型变焦微透镜,在微光学系统和微光机电系统中具有广阔的应用前景。简要介绍了可调液晶微透镜的基本结构,分析了其焦距调控的工作原理。阐述了可调液晶微透镜的研究现状,并指出了可调液晶微透镜研究的发展趋势。     

反射式红外成象系统的设计考虑

本文讨论了10微米反折射扫描光学系统的光学设计问题。其扫描原理是以前所用的扫描方法的推广。尽管这类系统习惯上使用折射型光学元件,但某种情况下也允许使用卡塞格伦反射镜作为主收集光学元件。具有两个平凸锗透镜的卡塞格伦系统最简单并且元件数量最少。文章讨论了此系统的设计和组装原理,权衡考虑及总的最佳设计问题。该系统已制造出来,其性能跟预计的一样。     

用DMD灰度曝光法产生连续面形微结构

利用空间光调制器光强的精确调制作用,把数字微反射镜阵列(DMD)作为灰度图形发生器,经一次曝光及优化显影等后处理过程,可制作出具有连续面形的微光学元件。用上述方法在实验上获得了微透镜阵列,并有较好的连续面形,符合预期效果。研究表明,该方法不仅可快速地实现连续面形微结构的加工,而且大大简化了制作工艺,有助于降低微光学元件的加工成本,适合于微结构的研究性制作或小批量生产,有广泛应用潜力。     

印制电路与集成电路

SPIE-Vol.4019 0217346SPIE 会议录,卷4019:微机电系统/微光学机电系统的设计、测试、集成与封装=Proceedings of SPIE,Vol.4019:Design,test integration and packaging of MEMS/MOEMS[会,英]/SPIE-The International Society forOptical Engineering.—596P.(E)本会议录收集了在法国 Paris 召开的微机电系统/微光学机电系统的设计、测试与封装会议上发表的69篇论文,内容涉及微机电系统的计算机辅助设计,MEMS 惯性传感器的行为模拟,微光学系统的设计优化,CMOS 压控振荡器设计,表面微加工 MEMS 中高级故障模拟,CMOS 磁场传感器,硅光集成电路。     

光探测器与光学系统

SPIE-Vol.4178 0305054SPIE 会议录,卷4178:微光学机电系统与微型系统=Proceedings of SPIE,Vol.4178:MOEMS and miniatur-ized systems[会,英]/SPIE-The International Society forOptical Engineering.—412P.(E)本会议录收集了在美国 Santa Clara 召开的微光学机电系统和微型系统会议上发表的43篇论文,内容涉及材料对微光学机电系统(MOEMS)的影响,MOEMS光学开关,束操纵与扫描,高频扫描用微扭矩镜,新型MOEMS 封装,用于显示的 MOEMS,光学处理与控制,波分复接,光学微腔设计与制造,集成傅里叶变换谱仪,大孔径 MOEMS 法布里-珀罗滤波器,光学MEMS 压力传感器阵列。     

用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件的制作

针对惯性约束聚变(ICF)驱动系统特别是其终端光学系统对元件数和元件厚度的限制要求,利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点,提出一种在石英基片的两面分别曝光制作色分离光栅(CSG)和光束采样光栅(BSG)的新方法,仅需一个石英片即可同时实现谐波分离和光束采样的功能.分别采用光学制版和电子束直写的方法制作了色分离光栅和光束采样光栅的掩模,并利用离子束刻蚀的方法加工了色分离光栅-光束采样光栅集成元件.结果表明,此集成元件的三倍频光能量利用率、色分离度以及采样效率等参数均与三倍频光通过色分离光栅、光束采样光栅分离元件时得到的结果相吻合,达到了惯性约束聚变激光驱动器终端光学系统的基本技术指标要求.     

反射型部件光学系统

为了实现利用自由空间光传递这样的光计算系统，随着高精度的元件调整、并确保其稳性和可靠性等要求，开发实用的光学组装技术尤为重要。近年来，有关三维光学系统集成化的研究活动非常活跃，其中大部分是与透镜口径达超微水平的微光学有关。不过，     

专利

制造平面全息光栅的质量通常取决于用反射镜或透镜准直的激光束.任何误差都会影响生产每一个光栅的质量.本专利提出一种用三个特制的平面全息光栅代替几个主要的光学元件.用发散光束写入,所以在针孔和光栅之间不需要加任何光学元件,这样使衍射光栅槽略呈双曲线形.只要这些光栅槽相同或有准确比率2,曝光系统就对波前误差以及照射光波长微小变化进行自补偿(美国专利号:5394266)     

IC探针卡激光微孔加工系统与工艺开发研究

本文简单介绍半导体产业集成电路芯片测试用探针卡,分为以悬臂梁方式的环氧探针(Epoxy ring probe)、垂直探针(Vertical probe card)和微弹簧丝探针(Microspring probe card),以及基于微机电系统的MEMS probe card.采用半导体泵浦紫外固体激光(UV DPSSL 355nm),开发了激光微孔成型精细加工系统,运用新的光学设计思想开发了远心扫描物镜等光学元件,成功研制了紫外激光微加工光学系统,开展IC半导体芯片测试探针卡探针导向片微孔列阵成型工艺和材料特性研究,进一步研制开发了新型旋转打孔的电子光学系统.