用于三維成像激光雷達的MEMS掃描鏡研究.pdf

1、三維成像激光雷達在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，小型化是其重要的發(fā)展方向。MEMS掃描鏡具有尺寸小、成本低、掃描頻率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，是近年來小型化三維成像激光雷達的重要研究方向。
　　本文從MEMS掃描鏡的基礎(chǔ)理論、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝加工和性能測試等方面展開了比較深入的研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡的基礎(chǔ)理論研究。對殘余應(yīng)力以及殘余應(yīng)力自組裝的方法進行了分析討論；對殘余應(yīng)力對鏡面的影響、

2、鏡面面型控制以及多層薄板的鏡面結(jié)構(gòu)模型均進行了分析討論；對MEMS掃描鏡的最大掃描角、鏡面尺寸和掃描頻率這三個關(guān)鍵參數(shù)均展開了討論。
　　2. MEMS掃描鏡研究。提出了一種基于殘余應(yīng)力自組裝技術(shù)的靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡，該掃描鏡主要由中心鏡面、彈性扭轉(zhuǎn)梁和懸臂梁組成。懸臂梁具有殘余應(yīng)力自組裝的功能，可以提升鏡面的高度，達到增大掃描鏡掃描角度的功能。利用表面工藝制備了樣品，然后利用熱退火技術(shù)，在金層中引入了拉應(yīng)力，進一步提升了鏡面

3、的高度。通過一系列的熱退火實驗，得到了不同溫度熱退火處理后金層的殘余應(yīng)力值；并對多晶硅懸臂梁應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)測試應(yīng)力的公式進行了推導(dǎo)。經(jīng)過200°熱退火處理后的MEMS掃描鏡，在145V驅(qū)動電壓下可獲得±3.6°的最大掃描角。
　　3. MEMS掃描鏡陣列研究。提出了一種靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡陣列，該陣列由37個單元結(jié)構(gòu)為六邊形的掃描鏡單元呈六邊形排列而成，每個掃描鏡單元均可以實現(xiàn)二維掃描的功能，通過統(tǒng)一控制可以使掃描鏡陣列實現(xiàn)二維掃

4、描的功能。掃描鏡單元由驅(qū)動器和鏡面兩部分組成，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)具有殘余應(yīng)力自組裝的功能，既可以實現(xiàn)傾斜運動也可以實現(xiàn)上下平移運動。首先利用表面工藝加工了掃描鏡的驅(qū)動器陣列和鏡面陣列，然后利用體硅鍵合工藝將驅(qū)動器和鏡面鍵合到一起，最后通過釋放工藝得到掃描鏡陣列。經(jīng)過200°熱退火處理后的掃描鏡驅(qū)動器平移運動時能獲得的最大位移量約為4.05μm，對應(yīng)的驅(qū)動電壓為45V；驅(qū)動器傾斜運動時能獲得的最大偏轉(zhuǎn)角度為0.8°，對應(yīng)的驅(qū)動電壓為60V。