MEMS微镜凭借在众多领域的应用，近些年在科研及光学产业吸引了极高的关注。MEMS微镜的应用范围非常广，包括共聚焦显微镜、投影显示、光学相干断层扫描（OCT）、激光雷达（LiDAR）、3D扫描仪、光开关、光谱仪以及医学成像等。MEMS扫描器已成功取代OCT和共聚焦显微镜中功耗较高的大尺寸振镜扫描器。它们为高速光束操控提供了一种结构紧凑、成本效益高且省电的替代方案。
MEMS微镜的性能主要取决于驱动器的选择、特定驱动器产生的力，以及组件和微镜本身的几何形状。MEMS微镜可根据自由度、镜面类型和驱动器等参数进行分类。其中，驱动技术扮演着关键角色。与大多数基于MEMS驱动技术的器件一样，MEMS微镜主要采用四种类型的驱动技术，包括：静电驱动、热电驱动、电磁驱动以及压电驱动。每种驱动技术都有各自的优缺点。
据麦姆斯咨询介绍，西湖大学的研究人员在Micromachines期刊上发表了一篇题为“MEMS Micromirror Actuation Techniques: A Comprehensive Review of Trends, Innovations, and Future Prospects”的综述性文章，简明而详细地探讨了MEMS微镜的各类驱动方法。该综述讨论了MEMS微镜所采用的主要驱动方法，如下图所示。文章讨论了每种技术的驱动原理及其优缺点。此外，文章还介绍了实现这些驱动方法而采用的机械设计。
MEMS微镜驱动方法框图
静电驱动
静电驱动（ESA）是MEMS微镜应用最广泛的驱动方法之一。静电驱动在微镜中的应用历史最为悠久，它通过施加静电力诱导微结构运动。这些力产生于带电组件（通常是电极和可移动镜面）之间的吸引力或排斥力，从而使组件产生位移，实现所需要的机械运动。静电驱动器之所以受到青睐，是因为它们能够集成于芯片，与其它组件无缝集成。这些驱动器产生的静电力相对较小，因此功耗较低。
静电驱动MEMS微镜示例
热电驱动
在热驱动中，电能首先被转化为热能，然后再转化为机械能。热驱动机制依赖于固体、液体和气体的热膨胀。因此，热驱动可分为三种类型：固体、液体和气体。基于固体的热驱动可进一步分为单一材料固体（单晶）、双材料固体（双晶）和多材料固体（多晶）。
热电驱动MEMS微镜示例
电磁驱动
电磁驱动微镜（EMAM）通常包含一个连接在微镜上的磁线圈，磁线圈由放置在微镜几何形状中的永久磁铁感应。线圈中的电流会产生磁场，磁场与永久磁铁的磁场相互作用，产生排斥力或吸引力。由于电流方向可在两个方向上产生磁场，因此可通过推动或拉动驱动器使微镜沿作用线双向移动。这种双向性使电磁驱动微镜比其它驱动技术更具优势。然而，线圈结构和永久磁铁的加入也给其制造带来了一定的复杂性，尤其是在要求小尺寸时。文章讨论了针对不同应用制造电磁驱动微镜所采用的各种设计技术。
电磁驱动MEMS微镜示例
压电驱动
压电驱动器也被用于MEMS微镜的操控。用于驱动这些MEMS结构的压电驱动器通常为多层压电单晶，当对其施加电压时会发生弯曲。与热电双晶梁一样，压电单晶驱动器也是通过将压电材料层与其它非活性导电材料层夹在一起而形成的。
压电驱动MEMS微镜示例
混合驱动
上述四种驱动机制都有其独特的优势和局限性。某些缺点会限制特定应用中信号驱动技术的性能、功能和可靠性。为此，已有研究报道了各种混合驱动微镜，它们结合了不同驱动方法的优点，并最大限度地减少了限制，提高了性能。混合驱动微镜结合了多种驱动技术，是一种很有前景的方案。
混合驱动MEMS微镜示例
各种驱动方法的优势和权衡
每种驱动技术都有各自的优缺点。下表总结了四种MEMS微镜驱动方法的主要优缺点。静电驱动的优点包括响应速度快、功耗低且无需散热。但主要缺点是电压要求高、吸合效应和非线性响应。静电驱动器可有效地操控尺寸相对较小（约2毫米）、板间气隙较小的MEMS微镜。否则，驱动电压将急剧增加，使其变得无法实际应用。与其它驱动技术相比，热电驱动器具有多项优势。它们的工作电压较低，可提供较大的转向角度和活塞运动，并且没有电磁干扰或静电放电问题。不过，它们也存在响应速度慢、功耗高和散热问题。散热会影响工作条件，并可能改变运动梁的热特性，使运动控制变得困难。电磁驱动器具有较大的角度偏转、较好的线性响应和较低的工作电压。但另一方面，它们需要外部磁铁，并需要在大型组件中沉积线圈。此外，它们的功耗高、热耗散大。最后，压电驱动器具有低驱动电压和低功耗的优点。然而，由于沉积压电材料层的复杂性，其制造工艺也很复杂，而且占位面积大，反射镜面相对较小。
四种MEMS微镜驱动方法的主要优缺点
每种驱动方法的优缺点并不代表它们本身的优劣，相反，它们可以针对不同的应用提供一系列选择。微镜驱动方法的适用性因应用而异。必须仔细考量行程、镜面面积和旋转角度等关键参数。例如，在手持式或穿戴式设备中，低功耗和紧凑型设计至关重要，因此在低电压下工作的MEMS微镜最为合适。在这种情况下，热电或电磁驱动具有优势，因为它们能够在较低的电压下提供较大的行程，但这可能会需要在响应速度、偏转角度和散热等方面做权衡。另一方面，在需要高速运行和快速切换的应用中，例如投影显示或光开关，静电驱动微镜因其快速响应时间和较低的功率要求而更为可取，尽管它们可能需要较高的电压并容易产生吸合效应。总之，应该在清楚了解这些性能权衡的基础上选择驱动技术，使科学家和工程师能够选择最符合所需应用的模型。通过考量行程、旋转角度、功耗和响应速度的重要性，选择MEMS微镜设计和驱动方法，以满足不同的特定要求。
MEMS微镜的设计和验证方法
总结
MEMS微镜具有体积小、速度快、成本低等众多优点。镜面尺寸、扫描角度、速度、共振和功耗等参数在微镜中起着关键作用。对这些参数的仔细考量，可以使合适的MEMS微镜成为医疗成像、激光雷达以及投影显示等许多应用的理想选择。未来，MEMS微镜的不断发展和先进操控机制的集成，将有望进一步提高其性能并扩大应用范围。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/mi15101233
