表面工藝靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、變形反射鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心器件，其性能和表現(xiàn)決定了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能，因而是自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。基于靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡具有體積小、耗能低、單元數(shù)多、響應(yīng)速度快、能夠與集成電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)小型化自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。
　　本文針對(duì)表面工藝靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡的一系列關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.大行程MEMS變形鏡的靜電驅(qū)動(dòng)器研究。①針對(duì)四邊形固支梁驅(qū)動(dòng)器存在的行程

2、小、可靠性低的問(wèn)題，提出了六邊形固支梁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，并對(duì)所提出的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算和有限元分析，加工了相應(yīng)的變形鏡，獲得了達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；②提出了一種新型的能夠計(jì)算任意結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器靜電力的SC變換數(shù)值方法，通過(guò)對(duì)三層排斥驅(qū)動(dòng)器、兩層排斥驅(qū)動(dòng)器以及垂直梳齒吸引驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的可行性與精度；③綜合兩層排斥驅(qū)動(dòng)器和三層排斥驅(qū)動(dòng)器各自的優(yōu)勢(shì)，提出了偽三層排斥驅(qū)動(dòng)器，分析結(jié)果表明偽三層排斥驅(qū)動(dòng)器具有最大的行程和驅(qū)動(dòng)

3、力，且其結(jié)構(gòu)可與兩層驅(qū)動(dòng)器和三層驅(qū)動(dòng)器兼容；④將前期研制的19單元分立鏡面變形鏡的兩層排斥驅(qū)動(dòng)器改為了偽三層排斥驅(qū)動(dòng)器模式，獲得了4.5μm的大行程。
　　2.釋放孔對(duì)MEMS變形鏡性能的影響研究。①建立了包含釋放孔參數(shù)在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性模型，分析了釋放孔對(duì)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性的影響，并加工了相應(yīng)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；②分析了釋放孔對(duì)連續(xù)鏡面的彎曲剛度的影響，并相應(yīng)設(shè)計(jì)了45單元連續(xù)鏡面變形鏡，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試總結(jié)了其性能和效果，

4、開(kāi)展了靜態(tài)像差校正實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了研制中的不足。
　　3.140單元具有較強(qiáng)實(shí)用化能力的表面工藝靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡的研制及關(guān)鍵技術(shù)研究。該變形鏡采用了分立下電極的固支梁驅(qū)動(dòng)器，并采取了設(shè)計(jì)平坦化方法以提高表面質(zhì)量。針對(duì)殘余應(yīng)力導(dǎo)致表面屈曲的問(wèn)題，建立了包含有各種影響因素的鏡面物理模型，分析了應(yīng)力補(bǔ)償膜厚度對(duì)鏡面各種特性的影響，采用陰影掩模沉積工藝制備了應(yīng)力補(bǔ)償膜和高反射膜。對(duì)加工完成的器件進(jìn)行了封裝和測(cè)試。
　　4.變形鏡研

5、制中存在的其它若干問(wèn)題的分析、優(yōu)化和改進(jìn)。①提出了一種新型分立傾斜式變形鏡結(jié)構(gòu)，每個(gè)鏡面單元只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，相對(duì)傳統(tǒng)分立傾斜式變形鏡減少了2/3的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其能實(shí)現(xiàn)接近連續(xù)的變形效果；②研究了靜電吸引驅(qū)動(dòng)器和靜電排斥驅(qū)動(dòng)器的場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得了相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)，研究結(jié)果可為器件可靠性的提高產(chǎn)生有益指導(dǎo)；③從工藝和光學(xué)設(shè)計(jì)角度提出了兩種提高分立鏡面變形鏡填充比的方案，并進(jìn)行了理論分析和倒裝芯片工藝實(shí)驗(yàn)研究，可促

6、進(jìn)分立鏡面變形鏡的實(shí)用化。
　　綜上所述，本文對(duì)MEMS變形鏡的增大行程、改善表面質(zhì)量、降低殘余應(yīng)力、提高可靠性、增加填充比等一系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)加工和驗(yàn)證，成功制作了國(guó)內(nèi)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、連續(xù)鏡面、各個(gè)參數(shù)均基本達(dá)到自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)要求的140單元變形鏡樣機(jī)。
　　本文的研究成果對(duì)高性能、實(shí)用化的MEMS變形鏡設(shè)計(jì)與制作具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，本文研制的變形鏡樣機(jī)有望應(yīng)用到小型化自適應(yīng)