揭秘MEMS扫描镜技术，发掘MEMS产业新蓝海
2017-04-03 21:24:56 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
博世作为MEMS行业处于领导地位的IDM厂商，大力发展基于MEMS扫描镜的激光微投影、微投影扫描仪、3D感测等产品，反映了MEMS技术与产业发展的新动向。为深入了解MEMS扫描镜技术的发展状况，麦姆斯咨询采访了中科院上海微系统与信息技术研究所吴亚明博士。
微访谈：中科院上海微系统与信息技术研究所资深研究员吴亚明
采访背景：在刚刚落幕的慕尼黑（上海）电子展/光电展上，博世（Bosch）、滨松（Hamamatsu）等公司都展示了其最新的MEMS扫描镜技术及相关产品，MEMS扫描镜已成为MEMS业界关注的焦点。博世作为MEMS行业处于领导地位的IDM厂商，大力发展基于MEMS扫描镜的激光微投影、微投影扫描仪、3D感测等产品，反映了MEMS技术与产业发展的新动向。为深入了解MEMS扫描镜技术的发展状况，麦姆斯咨询采访了中科院上海微系统与信息技术研究所资深研究员、博士生导师吴亚明博士。
吴亚明博士自2000年开始带领光学MEMS研究组十几年不间断地开展光学MEMS、集成光学技术的研究工作，承担并完成了多项973、863、中科院与上海市科委的研究项目，研究成果处于国内领先、国际先进水平。2002年，吴博士在中科院知识创新工程二期的支持下，采用自主设计、国外代工的方式，在国内率先开发出了达到当时商用技术指标的阵列波导光栅（AWG）。2006年，吴博士指导博士研究生开展电磁驱动MEMS微镜的研究工作，成功研究出了单轴MEMS微镜。
麦姆斯咨询：首先，请您介绍下MEMS扫描镜技术的基本情况。
吴亚明：我先说说MEMS微镜。MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。对于扭转MEMS微镜，当其光学偏转角度较大（达到10°以上），主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描、图像扫描时，可被称为“MEMS扫描镜”，以区别于较小偏转角度的扭转MEMS微镜。MEMS扫描镜在激光投影、激光成像、激光加工、激光传感等应用具有广泛的需求，是激光应用必不可少的关键激光元器件，最近成为关注的热点。
根据扫描镜运动方式，MEMS扫描镜可以分为谐振式和准静态式两种。谐振式MEMS扫描镜工作在机械谐振状态，其扫描角度大、驱动功耗低、扫描电压低，图像化激光扫描、激光成像是其主要的应用市场。准静态MEMS扫描镜工作在非谐振状态，扫描镜可以在扫描范围内的任意扫描角度暂停，主要应用于激光指向、激光矢量化图形扫描，其扫描角度范围相对较小。在同一MEMS扫描镜中，其二维扫描也可以分别工作于谐振和非谐振两种状态。根据扫描轴的数量，MEMS扫描镜可以分为单轴和双轴两种。单轴扫描镜具有结构、工艺简单、成本低、扫描角度大等优势；双轴扫描镜单芯片则可实现二维扫描，最能体现MEMS技术的优势，但其技术难度高。MEMS扫描镜通常是指单扫描镜实现单激光束的图形或图像扫描，区别于德州仪器（TI）公司著名的DMD（数字微镜）的阵列微镜。
目前技术发展较快的是单轴、谐振式的MEMS扫描镜，其扫描角度可达60-70°、扫描频率可达数十kHz、镜面尺寸为毫米级、曲率半径为米级、静态镜面平面度优于30nm、动态变形小于50nm，可以满足激光微投影、3D感测、MEMS激光雷达、激光打印、共焦显微镜的技术要求。
麦姆斯咨询：与传统的多棱扫描镜、激光振镜技术相比，MEMS扫描镜的优势在哪里？
吴亚明：由于光学材料的光学或光电非线性效应较弱，实现激光的偏转最有效的技术是光反射镜的转动，因此目前激光扫描主要采用基于光反射镜旋转或扭转的多棱扫描镜、振镜技术。多棱扫描镜（如图1）采用多面棱镜在电动机的驱动下高速旋转，其扫描线性度好、扫描角度大。激光振镜（如图2）是近几年来快速发展的激光扫描技术，采用类似电动机的电磁驱动器带动光学反射镜往复式扭转，实现激光扫描。为了实现高精度的激光扫描，激光振镜集成制造了角度传感器，实现对扫描角度的反馈控制。多棱扫描镜和激光振镜技术的共同特点是只能实现单轴扫描，且体积大、扫描频率低、驱动功耗高、成本高、寿命短，还存在抗震性差等问题。
图1：多棱扫描镜；2：激光振镜；3：MEMS扫描镜
MEMS扫描镜（如图3）尺寸仅为毫米量级，其采用MEMS批量化生产技术制造，生产成本将大幅度降低，使得对成本敏感的消费电子产品也可以大量使用。MEMS扫描镜具有体积小、驱动功耗低、扫描频率高、寿命长等特点。这些优势使得MEMS扫描镜适合于激光微投影、VR/AR近眼微显示、MEMS三维激光雷达、3D感测、3D扫描仪、汽车自适应头灯、汽车抬头显示(HUD)等，特别是可以满足智能手机、平板电脑和可穿戴设备的搭载要求。
麦姆斯咨询：请您比较一下博世、意法半导体（ST）、滨松等公司的MEMS扫描镜技术。
吴亚明：博世在此次慕尼黑（上海）电子展上推出了全新交互式激光投影微型扫描仪BML050（如图4），融合了激光投影显示和手势用户界面两种功能，可将任何表面如餐桌、机器设备表面等转化为虚拟用户界面、触控屏。博世MEMS扫描镜是电磁驱动方式的单轴扫描镜，其水平光学扫描角为±15.0°，垂直光学扫描角为 ±9.1°，由于采用单轴扫描镜，需要两块相互垂直的扫描镜才能实现图像扫描，如图5所示。
图4：交互式激光投影微型扫描仪图；5：双扫描镜投影仪
意法半导体的MEMS扫描镜是与美国MicroVision公司合作生产的，其设计来自于MicroVision公司，由意法半导体公司代工生产。该MEMS扫描镜是电磁驱动双轴扫描镜，MEMS芯片尺寸为4.65mm x 7.55mm，微镜反射镜直径为1mm，最大横向投影角为43°，最大纵向投影角为24°。MEMS扫描镜模组中配置永磁铁，磁场方向与MEMS芯片的双轴都成45°。MEMS芯片设计单一驱动线圈坐落在框架上，驱动信号为双频率复合电流驱动信号，在磁场中产生力矩，驱动微镜作双轴转动。频率为27kHz（MEMS扫描镜共振频率）的正弦信号，用来驱动微镜的快速横向扫描，另一个频 率与帧频（60Hz）相同的锯齿波信号用来驱动MEMS扫描镜的慢速纵向扫描。芯片还设计了采用压阻感测原理的角度传感器，以检测微镜的位置和运动，为MEMS驱动电路提供反馈信号以保持微镜的衡幅共振运动。
滨松在慕尼黑（上海）光电展上首次推出了电磁驱动单轴MEMS扫描镜（如图6），该扫描镜的镜面直径为2.6mm，谐振频率为530Hz，光学扫描角度为±18°，最大驱动电流为±20mA，可以实现线性激光扫描。
图6：单轴电磁驱动MEMS扫描镜
可以看出，三家公司均采用了电磁驱动技术，这主要是因为电磁驱动为电流驱动，驱动电压低，无需升压芯片。此外，电磁驱动具有扭转角度大、可以实现电流型线性驱动的技术优势。但总体来说，与静电驱动扫描镜比较，电磁驱动扫描镜的驱动功耗相对较高，还需要配置永磁铁，模块尺寸相对较大。
麦姆斯咨询：请问MEMS扫描镜所采用的驱动技术有哪些？其中，主流驱动技术的特点有哪些？
吴亚明：MEMS扫描镜的驱动技术有四种，即静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动，其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。静电驱动MEMS扫描镜（如图7）采用单晶硅制造，工艺简单、成熟，芯片尺寸小，驱动功耗极低，封装也比较简单，属电压驱动型器件。静电驱动MEMS扫描镜由于器件工作于谐振状态，可以实现大角度的扫描，但驱动电压会比较高。由于电磁驱动的力密度大，电磁驱动MEMS扫描镜（如图8）也获得广泛的应用，其扫描角度大，可以实现线性扫描。电磁驱动器件工艺涉及数十微米厚度的电磁线圈的制造，封装需要配置永磁铁，器件模块尺寸稍大些。该器件属电流驱动型器件，驱动电流达数十毫安，驱动功耗较高。器件既可工作于谐振状态，也可以工作于非谐振状态，当工作与谐振状态时，驱动功耗可以大幅度降低。
图7：静电驱动MEMS扫描镜图；8：电磁驱动MEMS扫描镜
麦姆斯咨询：MEMS扫描镜目前主要应用于信息激光领域，请问MEMS扫描镜也可以应用于激光加工等能量激光领域吗？还需要解决哪些技术挑战？
吴亚明：MEMS扫描镜的尺寸很小，其反射镜面直径通常为数毫米，镜面厚度、支撑悬臂梁的厚度/宽度仅为数十微米至数百微米。MEMS扫描镜面采用金属反射薄膜，可以承受的激光功率可达到瓦级以上，因此可以满足信息激光应用的要求。
德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）研究所的科研人员发表的1.064μm激光功率高达2000W的厘米级尺度MEMS扫描镜的研究成果，则证明MEMS扫描镜可以满足激光加工等能量激光应用。激光加工对扫描镜有巨大的需求，仅国内市场每年需求就达到10亿人民币以上，单只激光振镜的价格为数千元，因此开发可以满足激光加工市场的MEMS扫描镜具有巨大的商业价值。
能量激光应用可以划分为十瓦、百瓦和千瓦量级三个层级，我个人认为十瓦、百瓦两个层级的MEMS扫描镜是可以期待的。实现十瓦、百瓦两个层级的MEMS扫描镜的商业应用，则需要在超高光反射率反射镜设计与制造、大镜面尺寸大角度器件设计、MEMS扫描镜传热/散热设计、器件光电封装等技术方面实现突破。
麦姆斯咨询：MEMS扫描镜技术未来的发展趋势是什么？
吴亚明：MEMS扫描镜技术的发展趋势是更好地满足各项应用的技术要求、更低的成本、更高的可靠性。从MEMS扫描镜的技术参数看，发展趋势是大尺寸镜面、大扫描角度，对MEMS三维激光雷达应用；MEMS扫描镜的直径数毫米，水平光学扫描角度高达110°，垂直光学扫描角度25~40°，谐振频率高达数十kHz。从MEMS扫描镜的轴数看，双轴扫描镜是技术发展趋势，这样能大幅度降低封装成本。从MEMS扫描镜的扫描角度精度看，发展趋势是扫描镜集成制造角度传感器，采用闭环控制方法实现对扫描微镜的精确控制。从MEMS扫描镜的驱动方式看，由于压电驱动具有更高的力密度，压电驱动MEMS扫描镜将可能成为技术新方向，值得关注。
麦姆斯咨询：能否请您介绍下您带领的光学MEMS团队的MEMS微镜技术研发及产业化情况？
吴亚明：我所带领的光学MEMS团队来自于中科院上海微系统所的光学MEMS研究组，长期致力于MEMS微镜技术的研发。我们的MEMS微镜技术包括小角度的扭转MEMS微镜和大角度的MEMS扫描镜两种，分别瞄准MEMS智能光通信器件、MEMS激光元器件与MEMS激光显示应用，驱动方式包括静电、电磁和压电驱动三种方式，具有单轴和双轴两种结构。
我带领的光学MEMS团队在上海微技术工业研究院（SITRI）的产业化平台上进行光学MEMS产业化技术的孵化，目前已解决了静电驱动MEMS微镜批量生产涉及的MEMS工艺、批量生产、晶圆级测试、激光划片、TO封装等技术问题，打通了光学MEMS的产业链，在MEMS智能光通信芯片量产的道路上大踏步地前进。与此同时，我们还正在开展静电驱动MEMS扫描镜的产品开发工作，瞄准激光投影、3D感测、MEMS激光雷达、VR/AR近眼显示、条码扫描等应用与市场。下一步我们将瞄准能量激光应用，开发耐受激光功率达到数十瓦级、数百瓦级的MEMS扫描镜，开拓前景广阔的激光加工市场。我们坚信光学MEMS产业前景光明、市场广阔，是MEMS与光电技术的“新蓝海”，可以容纳数家光学MEMS公司共同发展。让我们群策群力，携手共同推动我国的光学MEMS产业快速崛起！
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