表面工藝靜電驅(qū)動MEMS變形鏡關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、變形反射鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心器件，其性能和表現(xiàn)決定了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能，因而是自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向?；陟o電驅(qū)動的MEMS變形鏡具有體積小、耗能低、單元數(shù)多、響應(yīng)速度快、能夠與集成電路兼容等優(yōu)點，是近年來小型化自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研究熱點。
　　本文針對表面工藝靜電驅(qū)動的MEMS變形鏡的一系列關(guān)鍵問題展開了深入研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.大行程MEMS變形鏡的靜電驅(qū)動器研究。①針對四邊形固支梁驅(qū)動器存在的行程

2、小、可靠性低的問題，提出了六邊形固支梁驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，并對所提出的驅(qū)動器進(jìn)行了詳細(xì)的理論計算和有限元分析，加工了相應(yīng)的變形鏡，獲得了達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求的實驗結(jié)果；②提出了一種新型的能夠計算任意結(jié)構(gòu)驅(qū)動器靜電力的SC變換數(shù)值方法，通過對三層排斥驅(qū)動器、兩層排斥驅(qū)動器以及垂直梳齒吸引驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的計算，驗證了該方法的可行性與精度；③綜合兩層排斥驅(qū)動器和三層排斥驅(qū)動器各自的優(yōu)勢，提出了偽三層排斥驅(qū)動器，分析結(jié)果表明偽三層排斥驅(qū)動器具有最大的行程和驅(qū)動

3、力，且其結(jié)構(gòu)可與兩層驅(qū)動器和三層驅(qū)動器兼容；④將前期研制的19單元分立鏡面變形鏡的兩層排斥驅(qū)動器改為了偽三層排斥驅(qū)動器模式，獲得了4.5μm的大行程。
　　2.釋放孔對MEMS變形鏡性能的影響研究。①建立了包含釋放孔參數(shù)在內(nèi)的驅(qū)動器動態(tài)特性模型，分析了釋放孔對驅(qū)動器動態(tài)特性的影響，并加工了相應(yīng)結(jié)構(gòu)開展了實驗驗證；②分析了釋放孔對連續(xù)鏡面的彎曲剛度的影響，并相應(yīng)設(shè)計了45單元連續(xù)鏡面變形鏡，通過理論分析和實驗測試總結(jié)了其性能和效果，

4、開展了靜態(tài)像差校正實驗，總結(jié)了研制中的不足。
　　3.140單元具有較強實用化能力的表面工藝靜電驅(qū)動MEMS變形鏡的研制及關(guān)鍵技術(shù)研究。該變形鏡采用了分立下電極的固支梁驅(qū)動器，并采取了設(shè)計平坦化方法以提高表面質(zhì)量。針對殘余應(yīng)力導(dǎo)致表面屈曲的問題，建立了包含有各種影響因素的鏡面物理模型，分析了應(yīng)力補償膜厚度對鏡面各種特性的影響，采用陰影掩模沉積工藝制備了應(yīng)力補償膜和高反射膜。對加工完成的器件進(jìn)行了封裝和測試。
　　4.變形鏡研

5、制中存在的其它若干問題的分析、優(yōu)化和改進(jìn)。①提出了一種新型分立傾斜式變形鏡結(jié)構(gòu)，每個鏡面單元只需一個驅(qū)動器，相對傳統(tǒng)分立傾斜式變形鏡減少了2/3的驅(qū)動器數(shù)量，實驗結(jié)果顯示其能實現(xiàn)接近連續(xù)的變形效果；②研究了靜電吸引驅(qū)動器和靜電排斥驅(qū)動器的場致電子發(fā)射效應(yīng)，并通過實驗測試獲得了相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)，研究結(jié)果可為器件可靠性的提高產(chǎn)生有益指導(dǎo)；③從工藝和光學(xué)設(shè)計角度提出了兩種提高分立鏡面變形鏡填充比的方案，并進(jìn)行了理論分析和倒裝芯片工藝實驗研究，可促

6、進(jìn)分立鏡面變形鏡的實用化。
　　綜上所述，本文對MEMS變形鏡的增大行程、改善表面質(zhì)量、降低殘余應(yīng)力、提高可靠性、增加填充比等一系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論分析、數(shù)值計算、實驗加工和驗證，成功制作了國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)、連續(xù)鏡面、各個參數(shù)均基本達(dá)到自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)要求的140單元變形鏡樣機(jī)。
　　本文的研究成果對高性能、實用化的MEMS變形鏡設(shè)計與制作具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義，本文研制的變形鏡樣機(jī)有望應(yīng)用到小型化自適應(yīng)