微机电系统（MEMS）微镜阵列（MMA）已广泛应用于各种领域，例如光学相控阵（OPA）、显示器、自适应光学系统、光通信网络和光交叉连接（OXC）等。MEMS微镜的核心部分是微驱动器。MEMS微镜阵列主要有四种驱动机制，即电热式、电磁式、静电式和压电式。其中，电热双压电晶片梁实现的电热驱动具有驱动范围大、驱动电压低、填充系数高等优点。然而，环境条件的波动以及双压电晶片结构中薄膜的疲劳和蠕变会导致这种电热微镜的响应性变化。由于MEMS微镜单元之间的不均匀性增加，这个问题将在电热微镜阵列中进一步放大。因此，实时监测和控制每个MEMS微镜单元镜板位置（活塞平移和倾斜角度）的方法至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学谢会开教授课题组设计并制造了一种集成了基于温度场的位置传感器的Tip-Tilt-Piston 3 × 3电热MEMS微镜阵列。单个八角形镜板的尺寸可达1.6 mm × 1.6 mm。嵌入热隔离结构以减少MEMS微镜单元之间的热耦合。结果表明，每个MEMS微镜单元在仅5 Vdc直流电压下的活塞平移扫描范围为218 μm，倾斜光学扫描角为21°。MEMS微镜还表现出良好的动态性能，上升时间为51.2 ms，下降时间为53.6 ms 。
此外，片上位置传感器已被证明能够覆盖镜板的全范围运动，在活塞传感和倾斜传感中的测量灵敏度分别为1.5 mV/μm和8.8 mV/°。此外，本项研究工作还对MEMS微镜阵列工作中的热串扰进行了实验研究。由于采用了嵌入式热隔离结构，测量结果令人满意。相关研究成果以“A tip-tilt-piston electrothermal micromirror array with integrated position sensors”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
摘要附图
下图显示了所设计的3 х 3电热MEMS微镜阵列的示意图，其中位置传感器位于镜板的四个角，该镜板由四个无横向位移（LSF）电热双压电晶片驱动器悬挂。MEMS微镜中的每个电热驱动器由三个多层膜（PSPI/Al/SiO2）组成，其间连接有两个梁。值得注意的是，光敏聚酰亚胺（PSPI）附着在驱动器上，以提高微镜的鲁棒性。每个集成位置传感器都包含一个与镜板相连的加热器及位于衬底上的一个热敏电阻，其工作原理是利用热敏电阻感应加热器产生的温度场变化。加热器与镜板之间设有热隔离结构，以减少热损失和返回到镜板的热耦合，提高加热效率。在热敏电阻和衬底之间也设置了热隔离结构，以防止热量流向衬底，进而提高传感器的灵敏度。
集成位置传感器的电热MEMS微镜阵列的示意图
这种集成了片上基于温度场的位置传感器的Tip-Tilt-Piston电热MEMS微镜阵列展现出多种优势。首先，MEMS微镜阵列具有高填充因子，能够实现活塞平移和倾斜运动，扫描范围大，且驱动电压低。其次，实现了片上位置传感器的集成，不需要任何片外传感元件，位置传感器的传感范围可以覆盖镜板的整个运动。第三，每个MEMS微镜单元的位置都能被单独检测，实现多个单元的独立位置控制。最后，集成传感器结构简单，制作工艺方便，与MEMS微镜完全兼容。
MEMS微镜阵列的制造过程及相应结果
随后，研究人员对所设计的MEMS微镜阵列进行了特性分析。该MEMS微镜阵列的不同微镜单元（U1-U9） 的准静态和动态性能如下图所示。随后的讨论集中在MEMS微镜U1上。MEMS微镜U1的准静态特性研究表明，镜板的活塞垂直位移和倾斜光学扫描角在5 Vdc下分别达到218 µm和21°。MEMS微镜单元的阶跃响应通过施加到驱动器的0到3V之间变化的方波来测量。MEMS微镜U1的上升时间（10% ~ 90%）为51.2 ms，下降时间（90% ~ 10%）为53.6 ms。
MEMS微镜阵列中微镜单元的准静态和动态特性
位置传感器的传感范围可以覆盖218 µm的活塞垂直位移和21°的倾斜光学扫描角。活塞传感和倾斜传感的灵敏度分别为1.5 mV/µm和8.8 mV/°，线性度分别为3.2%和5.5%。位置传感器的时间响应也是通过向加热器施加在0V和1V之间变化的方波来表征，结果表明，10%至90%的上升时间和90%至10%的下降时间分别为146 ms和162 ms。
MEMS微镜单元中位置传感器的准静态特性
MEMS微镜U1中位置传感器的动态特性
基于热对流的位置传感器在工作过程中会加热周围空气，因此有必要对热串扰现象进行分析分析。结果证实，该MEMS微镜阵列中不同传感器之间的热串扰极小。研究人员还开发了一种基于位置传感器传热模型的集总元件模型（LEM），并预测了位置传感器的响应性和热串扰，与测试结果具有良好的一致性。
不同位置传感器的热串扰特性
总而言之，研究人员开发了一种新型Tip-Tilt-Piston电热MEMS微镜阵列，其包含基于温度场的位置传感器。这种设计是片上集成解决方案，不需要组装片外组件。建立并分析了有限元模型，以研究MEMS微镜和传感器的行为。MEMS微镜的准静态和动态特性表明，其垂直位移和光学扫描角分别可达218 µm和21°。研究人员还对微镜的频率响应进行了表征，其中两个谐振频率分别为421 Hz和840 Hz。此外，上升时间为51.2 ms，下降时间为53.6 ms。结果表明，位置传感器的传感范围可以覆盖镜板的整个运动，活塞传感和倾斜传感的灵敏度分别为1.5 mV/µm和8.8 mV/°，线性度分别为3.2% F.S和5.5% F.S。实现了72 nm的位移分辨率和0.01°的光学扫描角分辨率。此外，开发了一种基于位置传感器传热模型的LEM，并预测了位置传感器的响应性和热串扰，与测试结果具有良好的一致性。未来的工作将集中在通过优化加热器和热敏电阻的设计来提高位置传感器的灵敏度和响应速度。同时，镜板位置传感器将用于电热MEMS微镜阵列的闭环控制，以实现每个MEMS微镜单元的实时位置控制。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00835-w
