光束偏轉反鐵電厚膜微驅動構件及控制方法研究.pdf

1、針對國內外激光通信光束偏轉微驅動構件所存在的體積大、功耗高、遲滯大、響應速度慢、控制精度低及控制方法復雜的技術瓶頸問題，開展了基于反鐵電厚膜材料優(yōu)異特性的激光光束偏轉微驅動構件及控制方法的基礎研究。利用硅基反鐵電材料的相變應變效應、相變前近線性效應和快速開關特性，實現(xiàn)前沿功能材料與微納器件的兼容制造，提出激光通信系統(tǒng)光束偏轉構件集驅動/光偏轉功能一體化設計及其控制方法研究。
　　論文從材料科學與MEMS光器件應用相銜接的角度出發(fā)，

2、提出緩沖層晶格匹配設計和多步退火界面應力釋放方法，實現(xiàn)大面積(Pb，La)(Zr, Ti)O3(簡稱PLZT)硅微反鐵電功能厚膜異質集成制造;結合微納兼容制造關鍵技術，研制具有小尺寸、響應速度快、遲滯小和控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡驅動構件，揭示其在電場作用下的結構相變調控規(guī)律及相應的相變應變效應影響機制;將PLZT反鐵電厚膜微鏡驅動構件作為控制對象，設計可行的控制方案并建立閉環(huán)模型進行有效性的成功驗證。這些都為微小型、小滯后、高

3、精度控制激光通信系統(tǒng)光束偏轉微驅動構件的設計和開發(fā)提供理論依據(jù)和實用構件支持。
　　主要研究內容和成果陳述如下:
　　(1)研究溶膠-凝膠工藝誘導生長與硅襯底晶格高度匹配的(100)擇優(yōu)取向鉛基鐵電/反鐵電功能介質厚膜(3μm)，提出多步退火晶粒尺度控制的界面應力釋放技術，實現(xiàn)大面積均勻致密(表面粗糙度＜3nm)功能介質厚膜的晶圓級異質集成;揭示在電場作用下的相變調控規(guī)律，分析電場調控下硅基反鐵電厚膜材料的相變行為特性和場致

4、應變效應。
　　(2)研究干法刻蝕、濕法刻蝕和反濺射復合工藝技術實現(xiàn)了電介質厚膜與電極層的圖形化加工制造，結合硅微MEMS加工技術，解決了基于功能轉換介質厚膜的硅微基礎結構異質兼容制造出體積小、響應時間短、控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡構件。
　　(3)測試分析微鏡驅動狀態(tài)（如諧振頻率、撓度和偏轉角度等）與其設計結構、激勵電場信號、反鐵電厚膜致動單元分布狀態(tài)等因素之間的關系，揭示電場調控反鐵電厚膜硅微鏡構件應變規(guī)律、驅動

5、能力、偏轉角度及頻響之間的依賴關系等。
　　(4)根據(jù)PLZT微鏡的非線性遲滯特性，建立了前饋逆補償和復合控制方案。實驗結果表明，基于PID反饋控制與Preisach逆補償?shù)那梆佅嘟Y合的復合控制具有線性度更好的輸入輸出關系，能夠更好的滿足PLZT微鏡的精跟蹤控制要求。
　　綜上所述，從理論和實現(xiàn)角度均驗證了論文所提出的光束偏轉微驅動構件，具備微型化(μm3級)、響應速度快（百納秒級）、功耗低（十伏級）和控制精度高（μrad級