光束偏轉(zhuǎn)反鐵電厚膜微驅(qū)動(dòng)構(gòu)件及控制方法研究.pdf

1、針對(duì)國內(nèi)外激光通信光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動(dòng)構(gòu)件所存在的體積大、功耗高、遲滯大、響應(yīng)速度慢、控制精度低及控制方法復(fù)雜的技術(shù)瓶頸問題，開展了基于反鐵電厚膜材料優(yōu)異特性的激光光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動(dòng)構(gòu)件及控制方法的基礎(chǔ)研究。利用硅基反鐵電材料的相變應(yīng)變效應(yīng)、相變前近線性效應(yīng)和快速開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)前沿功能材料與微納器件的兼容制造，提出激光通信系統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)構(gòu)件集驅(qū)動(dòng)/光偏轉(zhuǎn)功能一體化設(shè)計(jì)及其控制方法研究。
　　論文從材料科學(xué)與MEMS光器件應(yīng)用相銜接的角度出發(fā)，

2、提出緩沖層晶格匹配設(shè)計(jì)和多步退火界面應(yīng)力釋放方法，實(shí)現(xiàn)大面積(Pb，La)(Zr, Ti)O3(簡稱PLZT)硅微反鐵電功能厚膜異質(zhì)集成制造;結(jié)合微納兼容制造關(guān)鍵技術(shù)，研制具有小尺寸、響應(yīng)速度快、遲滯小和控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，揭示其在電場作用下的結(jié)構(gòu)相變調(diào)控規(guī)律及相應(yīng)的相變應(yīng)變效應(yīng)影響機(jī)制;將PLZT反鐵電厚膜微鏡驅(qū)動(dòng)構(gòu)件作為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)可行的控制方案并建立閉環(huán)模型進(jìn)行有效性的成功驗(yàn)證。這些都為微小型、小滯后、高

3、精度控制激光通信系統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論依據(jù)和實(shí)用構(gòu)件支持。
　　主要研究內(nèi)容和成果陳述如下:
　　(1)研究溶膠-凝膠工藝誘導(dǎo)生長與硅襯底晶格高度匹配的(100)擇優(yōu)取向鉛基鐵電/反鐵電功能介質(zhì)厚膜(3μm)，提出多步退火晶粒尺度控制的界面應(yīng)力釋放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大面積均勻致密(表面粗糙度＜3nm)功能介質(zhì)厚膜的晶圓級(jí)異質(zhì)集成;揭示在電場作用下的相變調(diào)控規(guī)律，分析電場調(diào)控下硅基反鐵電厚膜材料的相變行為特性和場致

4、應(yīng)變效應(yīng)。
　　(2)研究干法刻蝕、濕法刻蝕和反濺射復(fù)合工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電介質(zhì)厚膜與電極層的圖形化加工制造，結(jié)合硅微MEMS加工技術(shù)，解決了基于功能轉(zhuǎn)換介質(zhì)厚膜的硅微基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)異質(zhì)兼容制造出體積小、響應(yīng)時(shí)間短、控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡構(gòu)件。
　　(3)測試分析微鏡驅(qū)動(dòng)狀態(tài)（如諧振頻率、撓度和偏轉(zhuǎn)角度等）與其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、激勵(lì)電場信號(hào)、反鐵電厚膜致動(dòng)單元分布狀態(tài)等因素之間的關(guān)系，揭示電場調(diào)控反鐵電厚膜硅微鏡構(gòu)件應(yīng)變規(guī)律、驅(qū)動(dòng)

5、能力、偏轉(zhuǎn)角度及頻響之間的依賴關(guān)系等。
　　(4)根據(jù)PLZT微鏡的非線性遲滯特性，建立了前饋逆補(bǔ)償和復(fù)合控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PID反饋控制與Preisach逆補(bǔ)償?shù)那梆佅嘟Y(jié)合的復(fù)合控制具有線性度更好的輸入輸出關(guān)系，能夠更好的滿足PLZT微鏡的精跟蹤控制要求。
　　綜上所述，從理論和實(shí)現(xiàn)角度均驗(yàn)證了論文所提出的光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，具備微型化(μm3級(jí))、響應(yīng)速度快（百納秒級(jí)）、功耗低（十伏級(jí)）和控制精度高（μrad級(jí)