資源描述:
《靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器摘要:為了克服常規(guī)靜電微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器所存在的靜電吸合現(xiàn)象,基于非均勻分布的靜電場可以產(chǎn)生排斥力的原理,設(shè)計(jì)了一種新型的微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器由5組電極構(gòu)成,最大的一組由中心質(zhì)量塊和位于正下方的下電極組成,其它4組分別位于各條邊上。中心質(zhì)量塊由4根L形彈簧支撐,每根彈簧分別固定于驅(qū)動(dòng)器的4個(gè)錨點(diǎn)。利用有限元軟件對驅(qū)動(dòng)器的頻率響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,諧振頻率高達(dá)4kHz,暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.05S。利用表面硅工藝加工出了驅(qū)動(dòng)器,并利用白光掃描干涉儀對驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)
2、位移電壓特性進(jìn)行了測試,測得驅(qū)動(dòng)器在7OV激勵(lì)電壓下的形變量為1.4m。關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng);自適應(yīng)光學(xué);靜電驅(qū)動(dòng)器;表面微加工變形鏡,也稱波前校正器,是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)核心元件,可以用于激光模式補(bǔ)償口和波前校正]。變形鏡的驅(qū)動(dòng)主要有壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)和雙壓電晶體片驅(qū)動(dòng)幾種方式,靜電驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械(MEMS)變形鏡以其體積小、功耗低、單元密度高、響應(yīng)速度快以及與集成電路兼容性好等特點(diǎn),而成為最具發(fā)展前景的變形鏡。目前已經(jīng)實(shí)用化的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡,都是基于靜電吸引力驅(qū)動(dòng)的[3],這種變形鏡驅(qū)動(dòng)器的最大
3、缺點(diǎn)就是因?yàn)榇嬖陟o電吸合現(xiàn)象],其行程不會(huì)超過上下電極初始間隙的三分之一,而且一旦出現(xiàn)靜電吸合現(xiàn)象,將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)器件因?yàn)槎搪范谰眯詺?。為了克服這種現(xiàn)象,提高靜電MEMS變形鏡的可靠性,本文設(shè)計(jì)并制作了一種基于靜電排斥力驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡的驅(qū)動(dòng)器。1設(shè)計(jì)原理靜電排斥型MEMS變形鏡的驅(qū)動(dòng)器是基于非均勻分布的靜電場可以產(chǎn)生相互排斥力的原理設(shè)計(jì)而成的[8-9]。對于圖1(a)所示的電極空間排布方式,當(dāng)給中間的兩個(gè)電極施加同樣的高電壓V,而另外兩個(gè)邊緣電極施加零電壓時(shí),各個(gè)電極周圍的靜電場分布可以由Maxwell
4、電磁場有限元分析軟件計(jì)算得到,結(jié)果如圖1(b)所示(高電壓V一70V)。由圖1(b)可知,上電極周圍的靜電場分布是不均勻的,上表面周圍的場強(qiáng)大于下表面周圍對應(yīng)點(diǎn)的場強(qiáng)。在非均勻電場的作用下,上極板受力如圖1(c)所示,兩個(gè)側(cè)面受的靜電力大小相等,方向相反,合力為零。而上極板上表面受力大于下表面的受力,從而使得上極板受到的靜電力合力表現(xiàn)為豎直向上的靜電排斥力。將此靜電排斥力作用于變形鏡的鏡面,鏡面將發(fā)生相應(yīng)的形變,使入射到鏡面的光線反射后光程發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)對反射光相位的調(diào)制。基于此原理設(shè)計(jì)的MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)
5、器的單元結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示,它包含5組驅(qū)動(dòng)電極,最大的一組驅(qū)動(dòng)電極由中心質(zhì)量塊和位于其正下方的中心下電極組成,其它4組電極分別位于驅(qū)動(dòng)器的4條邊上。器件工作時(shí),所有上電極及其正下方的下電極連成一體,并接激勵(lì)電源的正極,其它部分下電極也連成一體并接激勵(lì)電源的負(fù)極。在激勵(lì)電壓的驅(qū)動(dòng)下,驅(qū)動(dòng)器的上極板能豎直向上做離面運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)MEMS變形鏡鏡面也做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。2工藝流程目前,MEMS器件的制作工藝主要有表面硅工藝、體硅工藝和光刻電鍍壓模(LIGA)工藝。體硅工藝是通過基底材料的去除來形成所需要的3維立體結(jié)構(gòu),是一
6、種“減法”工藝,LIGA工藝主要用于制造高深寬比的MEMS器件,表面硅工藝是依靠在硅基底材料上逐層添加材料而構(gòu)成微結(jié)構(gòu),基于MUMPs(multi—user—MEMS-process)表面硅工藝_】叩制作靜電排斥型MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)器的主要工藝流程為(圖2為流程圖):(1)在厚度為400m的硅基底上沉積一層0.6/,m厚的氮化硅作為絕緣層,然后在氮化硅上繼續(xù)沉積一層0.5m厚的多晶硅并刻蝕,形成下電極(見圖2(a),(b)和(c));(2)繼續(xù)沉積2m厚的二氧化硅作為犧牲層,刻蝕犧牲層,形成上電極錨點(diǎn)(見圖2(
7、d)和(e));(3)沉積2/zm厚的多晶硅并刻蝕,形成驅(qū)動(dòng)器的上電極(見圖2(f)和(g)步);(4)將器件放入49的HF溶液中,進(jìn)行二氧化硅濕法腐蝕釋放結(jié)構(gòu),最后烘干(見圖2(h))。上述工藝的關(guān)鍵技術(shù)是在二氧化硅濕法腐蝕釋放結(jié)構(gòu)時(shí)如何防止靜態(tài)粘連。阻止靜態(tài)粘連的方法大致可分為兩類…]。一類是在制作過程中,阻止結(jié)構(gòu)層與基底之間的物理連接的方法,如在結(jié)構(gòu)層下面設(shè)計(jì)一些小凸起、干燥過程中采用冷干燥、臨界干燥或干腐蝕技術(shù)等。另一類是通過縮減表面能量來實(shí)現(xiàn),如借助于表面碰撞作用減少接觸面積的表面處理方法以及降低表面
8、粗糙度等方法。加工的MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物照片如圖3所示,表1為該驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3FEA仿真本征頻率是變形鏡的一個(gè)十分重要的技術(shù)指標(biāo),變形鏡實(shí)際工作時(shí),激勵(lì)信號(hào)的頻率要低于本征頻率,以第1期胡放榮等:靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器43免出現(xiàn)本征頻率的激振。為了保證必要的控制工作帶寬,本征頻率不能太低,對于大多數(shù)空間自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),要求變形鏡驅(qū)動(dòng)器的本征頻率在幾kHz以上。采用