靜電排斥型微機電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動器

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1、靜電排斥型微機電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動器摘要：為了克服常規(guī)靜電微機械驅(qū)動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)計了一種新型的微機電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動器。驅(qū)動器由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)動器的4個錨點。利用有限元軟件對驅(qū)動器的頻率響應(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)時間小于0．05S。利用表面硅工藝加工出了驅(qū)動器，并利用白光掃描干涉儀對驅(qū)動器的靜態(tài)

2、位移電壓特性進(jìn)行了測試，測得驅(qū)動器在7OV激勵電壓下的形變量為1．4m。關(guān)鍵詞：微電子機械系統(tǒng)；自適應(yīng)光學(xué)；靜電驅(qū)動器；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)中的一個核心元件，可以用于激光模式補償口和波前校正]。變形鏡的驅(qū)動主要有壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動和雙壓電晶體片驅(qū)動幾種方式，靜電驅(qū)動的微機械(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，而成為最具發(fā)展前景的變形鏡。目前已經(jīng)實用化的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，都是基于靜電吸引力驅(qū)動的[3]，這種變形鏡驅(qū)動器的最大

3、缺點就是因為存在靜電吸合現(xiàn)象]，其行程不會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，將會導(dǎo)致整個器件因為短路而永久性毀壞。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)計并制作了一種基于靜電排斥力驅(qū)動的MEMS變形鏡的驅(qū)動器。1設(shè)計原理靜電排斥型MEMS變形鏡的驅(qū)動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)給中間的兩個電極施加同樣的高電壓V，而另外兩個邊緣電極施加零電壓時，各個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，上表面周圍的場強大于下表面周圍對應(yīng)點的場強。在非均勻電場的作用下，上極板受力如圖1(c)所示，兩個側(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，從而實現(xiàn)對反射光相位的調(diào)制?；诖嗽碓O(shè)計的MEMS變形鏡驅(qū)動

5、器的單元結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示，它包含5組驅(qū)動電極，最大的一組驅(qū)動電極由中心質(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)動器的4條邊上。器件工作時，所有上電極及其正下方的下電極連成一體，并接激勵電源的正極，其它部分下電極也連成一體并接激勵電源的負(fù)極。在激勵電壓的驅(qū)動下，驅(qū)動器的上極板能豎直向上做離面運動，從而推動MEMS變形鏡鏡面也做相應(yīng)運動。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(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)動器的實物照片如圖3所示，表1為該驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3FEA仿真本征頻率是變形鏡的一個十分重要的技術(shù)指標(biāo)，變形鏡實際工作時，激勵信號的頻率要低于本征頻率，以第1期胡放榮等：靜電排斥型微機電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動器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)動器的本征頻率在幾kHz以上。采用