MEMS技术的创新研究，前沿科技领域的融合

如今，多学科融合和跨学科创新已经成为一种新的科技发展趋势。今天，笔者要介绍的创新研究案例，再一次的融合了两个前沿科技领域：微机电系统和超透镜。

首先，我们还是先简单了解下相关背景知识。微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也称为微电子机械系统、微系统、微电子技术等，是指尺寸在几毫米甚至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。它是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。例如，之前笔者常介绍的芯片实验室技术，就与MEMS技术密不可分。

超表面可以组成具有透镜功能的纳米结构，因此便有了超透镜。起初，超透镜由哈佛大学应用物理系教授Federico Capasso及其在佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研小组开发。不同于传统透镜，超透镜最大优点就是：轻薄（厚度为纳米级）和小型化。其功能远远超越传统透镜，并有望彻底颠覆传统光学装置中笨重繁琐的透镜组，使得手机摄像头、眼镜、虚拟现实和增强现实硬件都变得非常轻薄。

前不久，笔者刚介绍过美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研人员开发的大面积自适应超透镜（metalens），它有望成为未来的“人造眼”。

超材料和微机电系统（MEMS）两项技术看似无关，但是科研人员在尝试将它们结合。例如，美国杜克大学科研人员就结合这两项技术，设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，还可用于废热利用。此外，这种可重构的超颖材料还有望应用于动态红外线光学隐身斗篷，以及红外线范围内的负折射率介质。

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室与哈佛大学的研究人员进行合作，首次将在光通信、生物成像、激光雷达（LIDAR）系统中广泛应用的两种技术：微机电系统（MEMS）和超透镜结合到了一起，成功地制造出位于MEMS平台顶层之上的超透镜。

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（方片）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

下图是集成到MEMS扫描器中的基于超表面的平面透镜（圆形）的近距离视图。MEMS与超透镜相结合，通过结合高速动态控制和精准波前空间处理的优势，在传感器中操控光线。这幅图像由阿贡国家实验室纳米材料中心的光学显微镜拍摄。

Daniel Lopez表示：“这些装置对于如今的许多技术来说都很关键。它们已经遍布各个领域，从激活汽车安全气囊到智能手机的全球定位系统，都可以看到这些装置的身影。”

在论文中，科研人员描述了他们是如何制造和测试这种新型装置。这些装置的直径是900微米，厚度是10微米（人类头发丝的厚度约为50微米）。

在这两项技术融合的光学系统中，MEMS 镜子反射扫描光线，然后超透镜会聚焦这些光线，并且无需额外的光学组件，例如聚焦透镜。阿贡国家实验室和哈佛法大学的团队成功地将两种技术结合到一起，而不会影响彼此的性能。

最终的目标是，通过使用如今制造电子器件的同样技术，制造光学系统所有组件：MEMS、光源和基于超表面的光学器件。Lopez表示：“然后，从根本上说，光学系统可以与信用卡一样薄。”

目前，在阿贡国家实验室纳米材料中心、SEAS以及哈佛大学纳米系统中心（美国国家纳米技术协同基础设施的一部分）的科学家们正在合作进一步开发两项技术的新型应用。