基于壓電微驅(qū)動器的微光掃描器件的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微顯示技術(shù)較之傳統(tǒng)顯示技術(shù)（CRT顯示技術(shù)、平板顯示技術(shù)、投影顯示技術(shù)等）具有小芯片實現(xiàn)大圖像、驅(qū)動電路與顯示芯片集成等特點，因此具有小體積便攜、低成本、低功耗的優(yōu)勢。微顯示技術(shù)的典型應(yīng)用包括便攜式微型投影系統(tǒng)、近眼顯示系統(tǒng)、汽車前景顯示系統(tǒng)等。目前基于MOEMS器件的微顯示技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。其中，采用壓電材料的MOEMS器件具有響應(yīng)速度快、功耗低等顯著優(yōu)勢。本論文針對如何實現(xiàn)滿足微顯示成像應(yīng)用的壓電微掃描鏡器件開展相關(guān)研究。

2、r>　　一，從理論上對壓電晶片驅(qū)動器的工作原理及基本模型進(jìn)行了分析，優(yōu)選了單層壓電晶片驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。對于單層壓電晶片驅(qū)動器，通過優(yōu)化比較后確定壓電材料采用鋯鈦酸鉛材料，并需要形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu);彈性層材料推薦采用二氧化硅;在單位電壓下偏轉(zhuǎn)角最大和能量轉(zhuǎn)換效率最高時，對應(yīng)的材料厚度比為0.94;驅(qū)動電壓電場與壓電材料極化方向平行時驅(qū)動效率最高。
　　二，根據(jù)理論分析，優(yōu)化了硅基壓電薄膜的制備和成型工藝流程。對于制備工藝，重點改進(jìn)了制備高品

3、質(zhì)硅基鐵電薄膜工藝過程中組分控制、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)形成、層應(yīng)力控制等技術(shù)。通過工藝摸索實現(xiàn)了高溫下較厚壓電薄膜的制備，滿足理想器件的設(shè)計要求，成功制備了0.8μm厚的壓電薄膜。利用快速升溫跳過雜相生成的溫度，顯著提高鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的比例。對于成型工藝，解決了濕法刻蝕中的鉆刻問題，將之與干法刻蝕相結(jié)合來刻蝕PZT薄膜，提高了刻蝕效率，節(jié)約了成本，并且降低了單純采用干法刻蝕對薄膜鐵電性的損傷。測試表明，利用這種改進(jìn)過的Sol-Gel方法制備的PZT鐵

4、電薄膜，滿足單層壓電晶片驅(qū)動器在鋯鈦比、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)形成、極化方向、成膜基底的相關(guān)要求，并具備優(yōu)良的鐵電、介電品質(zhì)。
　　三，設(shè)計和制備了一種新型雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器的微掃描鏡，可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡微成像顯示，以及其它分辨率要求較低的顯示系統(tǒng)中。這種設(shè)計的優(yōu)點在于將以往設(shè)計的電熱驅(qū)動方式改進(jìn)為壓電驅(qū)動方式，將電流型器件改變?yōu)殡妷盒推骷?，顯著降低了功耗，同時提高了響應(yīng)速度。活塞和旋轉(zhuǎn)模式的諧振頻率分別為2.45KHz和3.5KHz。鏡面

5、面積1.1mm×1.1mm，正弦波在2V驅(qū)動一對驅(qū)動器時，產(chǎn)生的諧振掃描角度可以達(dá)到9.65度。系統(tǒng)有功功率值約為74.31μW。
　　四，為了滿足高刷新率、高分辨率激光投影微顯示應(yīng)用的行掃頻率要求，設(shè)計和制備了一個新的單層壓電晶片驅(qū)動器陣列的微掃描鏡。該結(jié)構(gòu)利用耦合原理來克服壓電驅(qū)動臂楊氏模量不夠高的缺點，以獲得更高的工作頻率。為了在相同驅(qū)動電壓條件下獲得更大的位移，同時獲得更大的自由度，本設(shè)計將三段PZT單層壓電晶片和三段硅基

6、剛性梁結(jié)合在一起，形成一個折疊式PZT單層壓電晶片驅(qū)動器，這種結(jié)構(gòu)利用角放大機(jī)制產(chǎn)生較大的垂直位移。將兩組驅(qū)動器對稱排列，實現(xiàn)對稱的應(yīng)力卷曲，可以抵消鏡板因為單個驅(qū)動器陣列卷曲而引起的橫向位移。壓電層厚度為0.8μm PZT薄膜，彈性層為0.85μm二氧化硅薄膜。微鏡可以進(jìn)行面內(nèi)兩維掃描以及面外活塞運(yùn)動。微鏡的諧振掃描頻率是362Hz（活塞），685Hz（X軸掃描），1250Hz（Y軸掃描）和21.2KHz（快速掃描），諧振掃描角達(dá)到9