MEMS技術(shù)的創(chuàng)新研究，前沿科技領(lǐng)域的融合

如今，多學(xué)科融合和跨學(xué)科創(chuàng)新已經(jīng)成為一種新的科技發(fā)展趨勢。今天，筆者要介紹的創(chuàng)新研究案例，再一次的融合了兩個前沿科技領(lǐng)域：微機(jī)電系統(tǒng)和超透鏡。

首先，我們還是先簡單了解下相關(guān)背景知識。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微電子技術(shù)等，是指尺寸在幾毫米甚至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。它是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。例如，之前筆者常介紹的芯片實驗室技術(shù)，就與MEMS技術(shù)密不可分。

超表面可以組成具有透鏡功能的納米結(jié)構(gòu)，因此便有了超透鏡。起初，超透鏡由哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系教授Federico Capasso及其在佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研小組開發(fā)。不同于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡最大優(yōu)點就是：輕?。ê穸葹榧{米級）和小型化。其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)透鏡，并有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)裝置中笨重繁瑣的透鏡組，使得手機(jī)攝像頭、眼鏡、虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實硬件都變得非常輕薄。

前不久，筆者剛介紹過美國哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研人員開發(fā)的大面積自適應(yīng)超透鏡（metalens），它有望成為未來的“人造眼”。

超材料和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）兩項技術(shù)看似無關(guān)，但是科研人員在嘗試將它們結(jié)合。例如，美國杜克大學(xué)科研人員就結(jié)合這兩項技術(shù)，設(shè)計出了首個具有紅外線發(fā)射特性的超穎材料裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可用于廢熱利用。此外，這種可重構(gòu)的超穎材料還有望應(yīng)用于動態(tài)紅外線光學(xué)隱身斗篷，以及紅外線范圍內(nèi)的負(fù)折射率介質(zhì)。

近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學(xué)的研究人員進(jìn)行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達(dá)（LIDAR）系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和超透鏡結(jié)合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺頂層之上的超透鏡。

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（方片）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結(jié)合，通過結(jié)合高速動態(tài)控制和精準(zhǔn)波前空間處理的優(yōu)勢，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學(xué)顯微鏡拍攝。

下圖是集成到MEMS掃描器中的基于超表面的平面透鏡（圓形）的近距離視圖。MEMS與超透鏡相結(jié)合，通過結(jié)合高速動態(tài)控制和精準(zhǔn)波前空間處理的優(yōu)勢，在傳感器中操控光線。這幅圖像由阿貢國家實驗室納米材料中心的光學(xué)顯微鏡拍攝。

Daniel Lopez表示：“這些裝置對于如今的許多技術(shù)來說都很關(guān)鍵。它們已經(jīng)遍布各個領(lǐng)域，從激活汽車安全氣囊到智能手機(jī)的全球定位系統(tǒng)，都可以看到這些裝置的身影。”

在論文中，科研人員描述了他們是如何制造和測試這種新型裝置。這些裝置的直徑是900微米，厚度是10微米（人類頭發(fā)絲的厚度約為50微米）。

在這兩項技術(shù)融合的光學(xué)系統(tǒng)中，MEMS 鏡子反射掃描光線，然后超透鏡會聚焦這些光線，并且無需額外的光學(xué)組件，例如聚焦透鏡。阿貢國家實驗室和哈佛法大學(xué)的團(tuán)隊成功地將兩種技術(shù)結(jié)合到一起，而不會影響彼此的性能。

最終的目標(biāo)是，通過使用如今制造電子器件的同樣技術(shù)，制造光學(xué)系統(tǒng)所有組件：MEMS、光源和基于超表面的光學(xué)器件。Lopez表示：“然后，從根本上說，光學(xué)系統(tǒng)可以與信用卡一樣薄?！?/p>

目前，在阿貢國家實驗室納米材料中心、SEAS以及哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心（美國國家納米技術(shù)協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施的一部分）的科學(xué)家們正在合作進(jìn)一步開發(fā)兩項技術(shù)的新型應(yīng)用。