MEMS可调控超材料赋能更多光电应用

作者| 麦姆斯咨询殷飞

中山大学电子与信息技术学院林佑昇副教授团队近日在Electronics期刊上发表了一篇综述文章，研究并评估了利用静电驱动（ESA）、电热驱动（ETA）、电磁驱动（EMA）和弹性拉伸驱动等机制的MEMS可调控超材料的演进。

超材料

超材料，是一种用于干预电磁波传输的具有周期性微结构或纳米结构的合成材料，由于其独特的电磁特性，近年受到了广泛关注。

通过对几何尺寸的适当控制，可以设计超材料的介电常数或磁导率以满足所需的应用。为人工控制亚波长范围内的电磁波并获得独特的光响应提供了一种策略。因此，超材料在隐身技术、能量收集、诊断成像、微流控检测、生物医学传感等应用中得到了广泛研究。

通过物理扩展其几何结构，超材料的工作波长范围可以扩展到从可见光到红外（IR）、太赫兹（THz）和微波的整个电磁频谱。

利用MEMS技术调控超材料

基于超材料的光学器件已经展示出令人印象深刻的性能。不过，一旦构建完成，这些不够灵活的“小工具”就无法进行主动调整。

通过外部输入，可编程超材料有助于增强器件的灵活性。为了满足这一需求，研究人员提出了MEMS技术、热退火、相变材料、二维材料、液晶和激光泵等调控机制。

凭借主动调整超材料单元的能力，MEMS技术为超材料的主动可编程性提供了新途径。此外，由于MEMS器件没有天然物质非线性特性的限制，可以为超材料提供合适的平台，并且具有广泛的谐振频率调谐范围。

近期的发展

近十年基于MEMS技术的可调控超材料的发展

基于MEMS技术的主动可调控超材料成为近年光电子研究领域的热点，它使我们能够操纵电磁波。

超材料可以与MEMS技术紧密结合，通过利用MEMS技术直接调控超材料，从而实现广泛的应用。

基于MEMS技术的绕组形悬臂超材料（WCM）和WCM单元的放大示意图

林佑昇团队2021年7月在Photonics Research期刊上提出并展示了一种基于MEMS的超材料器件，它使用可切换的WCM进行主动逻辑调制。WCM可以由外部驱动电压驱动，逻辑调制位通过释放MEMS悬臂梁来表示开、关状态。虽然在释放悬臂梁后，基于MEMS的元器件的衬底表面很粗糙，但允许元器件在可重构的开关状态下操作，避免在系统过载时系统崩溃。这种可重构和可编程的MEMS器件具有同时执行“或（OR）”和“与（AND）”门逻辑操作的多功能特性。这为进一步在光电领域扩大工作频率范围的应用开辟了广阔的途径。该研究成果为多功能开关、主动逻辑调制和光计算应用提供了更多的可能性。

利用MEMS器件的可重构和可编程性，可以构建更智能的可定制超材料。基于MEMS技术的超材料可调控机制，因其在传感和逻辑操作等领域的重要用途而受到广泛关注。此外，弹性基板可以有效调节超材料的机械特性。这些基于MEMS技术的超材料开创性进展，显著扩展了可定制光电子器件的广泛用途，例如逻辑操作、传感器、能量采集以及显示器等。

研究的关键

过去十年来，基于MEMS技术的超材料在光电应用领域得到了迅速发展，林佑昇副教授团队综述了采用不同MEMS机制的主动可调控超材料，以及每种机制的显著特征。

应用于逻辑操作的基于MEMS技术的可调控超材料

这些超材料的主要新兴应用包括高效传感和逻辑操作。

基于MEMS技术的调控机制对比

随着超材料在光电子领域的迅速发展，MEMS可调控超材料正在被广泛探索，以实现电磁波的主动控制，满足更多实际应用的需要。

驱动机制是决定这些超材料功能的主要因素之一，如调谐范围、驱动力、工作频率以及制造兼容性等。

当前的驱动技术大致可以分为ETA、EMA、ESA和弹性拉伸机制。每种驱动技术都有各自明显的优点和缺点，必须根据超材料的应用目的进行仔细评估和选择。

基于MEMS技术的超材料能够改变入射电磁波的频率、振幅、极化条件和相位。同时，它们的工作频谱范围可以覆盖从可见光到红外、太赫兹和微波，实现许多有效的光电应用，如逻辑操作和传感器等。

应用于传感器的基于MEMS技术的可调控超材料

尽管基于MEMS技术的超材料的复杂应用已经展现了成效，但是功率损耗以及与当前IC工艺的兼容性问题，仍然是阻碍基于MEMS技术的超材料商业化的重大挑战。

通过结合新颖的结构、材料和调控机制来解决这些挑战的超材料技术，在未来充满前景。

由此，基于MEMS技术的超材料可以整合进入现有的光电系统，以显著改善应用的功能，如光电调制器、光学计算机、片上传感器等，并在智能光网络、隐身技术、光子信号处理等创新应用中展现出巨大潜力。