MEMS微變形鏡設(shè)計(jì)及其薄膜殘余應(yīng)力控制研究.pdf

1、基于MEMS技術(shù)的微變形鏡以其體積小、成本及功耗低、驅(qū)動(dòng)電壓小、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。而采用表面工藝制作的靜電驅(qū)動(dòng)分立活塞式微變形鏡又具有控制簡(jiǎn)單、集成度高、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為MEMS微變形鏡的研究熱點(diǎn)。然而，對(duì)于表面加工的MEMS微變形鏡而言，工藝過(guò)程中產(chǎn)生的薄膜殘余應(yīng)力將影響器件的使用性能和工作可靠性，甚至導(dǎo)致器件失效。因此，如何有效控制MEMS薄膜中的殘余應(yīng)力成為微變形鏡制造中

2、的一大難題。 首先，以表面加工靜電驅(qū)動(dòng)分立活塞式MEMS微變形鏡為研究對(duì)象，采用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法建立了行為模型，并詳細(xì)討論了設(shè)計(jì)過(guò)程中的空氣壓膜阻尼問(wèn)題；對(duì)所設(shè)計(jì)的微變形鏡進(jìn)行了器件光學(xué)性能和機(jī)械性能的仿真與分析；制定了雙層多晶硅的MEMS表面工藝流程，完成了微變形鏡掩膜版圖的設(shè)計(jì)與制作；在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了流片，得到了部分微變形鏡的原型樣件。所設(shè)計(jì)的微變形鏡的下拉電壓為6.3V、共振頻率為27.898kHz、沖程為0.67μm、

3、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間約為10μs、穩(wěn)定時(shí)間約為415μs，基本上能滿(mǎn)足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。 其次，針對(duì)薄膜殘余應(yīng)力對(duì)MEMS微變形鏡使用性能的影響，結(jié)合有限元仿真，對(duì)薄膜殘余應(yīng)力的產(chǎn)生根源、測(cè)量技術(shù)以及控制技術(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在一定的拉應(yīng)力時(shí)將提高支撐梁的彈性系數(shù)，從而導(dǎo)致下拉電壓、共振頻率等性能參數(shù)較設(shè)計(jì)值偏大，而對(duì)于壓應(yīng)力情況則剛好相反；過(guò)大的殘余應(yīng)力將使鏡面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，從而導(dǎo)致微變形