MEMS微镜阵列单元设计研究

发布时间：2017-04-05 21:10

  本文关键词：MEMS微镜阵列单元设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：MEMS技术是一个前沿的技术研究领域，广泛涉及到包括机械学、电子学和光学等在内的多个学科，并且相互之间产生交叉耦合作用，被称作是一项面向21世纪能够广泛应用的新兴技术。而微反射镜阵列是近些年来伴随MEMS技术的进步而逐渐得到应用的一种微光学器件，随着微加工技术的不断发展，它在现代光纤通讯、投影显示等相关领域的运用日益广泛。 本文对扭臂结构的MEMS微镜阵列单元进行了设计研究。首先，对微梁的基础力学知识进行了阐述，总结了其中几种常见的弹性梁结构，分析了多种弹性梁的力学特点。而后，通过对比目前MEMS中的几种主要驱动方式，提出选用扭臂结构式MEMS微镜阵列单元的结构模型。并在简要介绍其工作原理的基础上，结合微反射镜阵列单元中每个部分的不同特点，设计出了微镜阵列单元各部分结构尺寸。并对所设计的微镜单元中扭臂的扭转运动进行了重点分析，通过比较静电力矩及恢复力矩随扭转角度的变化关系，得到了产生静电Pull-in现象的根本原因。同时，针对简化后的扭臂式微反射镜单元模型，讨论了对于静电Pull-in现象的分析方法，并得到用于描述Pull-in现象的参数化分析公式。 在后续章节中以结构-静电耦合场为基础，利用ANSYS软件并对所设计单元包括在模态、谐响应频率以及吸合电压等在内的静态和动态特性参数进行研究，用以验证所设计出的微反射镜阵列单元的结构合理性。论文最后结合微驱动器工作性能要求及制作工艺的实现，提出了微反射镜阵列单元总体工艺流程设计。针对金属双层布线工艺进行重点研究，，选取合适的双层布线金属以及绝缘层材料，并针对金属镀层的剥离、绝缘层的沉积和反应离子刻蚀工艺进行了介绍。通过分析聚酰亚胺的特性，研究了包括固化、孔槽制作及释放在内的牺牲层制作工艺，随后借助氧等离子干法刻蚀工艺释放出牺牲层，制得可动的微反射镜结构。 在论文最后对于全文主要工作和存在的问题进行了总结，并提出了今后的重点研究方向。
【关键词】：MEMS 微镜阵列单元 Pull-in现象 机电耦合 牺牲层制作
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 微机电系统的概念描述与特点10-11
• 1.2 MEMS 起源和发展历程11-13
• 1.3 MEMS 典型应用及研究实例13-14
• 1.3.1 MEMS 微镜阵列简介13
• 1.3.2 微镜阵列在光通信领域中的应用13-14
• 1.3.3 微镜阵列在投影显示领域中的应用14
• 1.4 微镜阵列在国内外的研究现状14-16
• 1.4.1 国外的发展现状14-15
• 1.4.2 国内的发展现状15-16
• 1.5 本文主要内容16-17
• 第2章 微机电系统理论基础17-27
• 2.1 微梁力学基础17-23
• 2.1.1 应力与应变18-19
• 2.1.2 悬臂梁弯曲分析19-22
• 2.1.3 悬臂梁扭转分析22-23
• 2.2 MEMS 微驱动器23-26
• 2.2.1 静电驱动方式24
• 2.2.2 压电驱动方式24-25
• 2.2.3 电磁驱动方式25-26
• 2.2.4 热驱动方式26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 微镜阵列单元设计与工作稳态分析27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 结构模型及工作原理27-28
• 3.3 微镜单元尺寸设计28-32
• 3.3.1 微镜面的尺寸28-30
• 3.3.2 微镜单元的间距30
• 3.3.3 微镜支柱30-31
• 3.3.4 扭臂设计31
• 3.3.5 微镜单元设计尺寸31-32
• 3.4 微镜单元的静态模型32-40
• 3.4.1 静电力矩32-34
• 3.4.2 扭臂力矩34-35
• 3.4.3 微镜工作稳态分析35-38
• 3.4.4 几何参数对微镜单元稳态特性的影响38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 微镜阵列单元有限元模拟分析41-56
• 4.1 有限元及其在耦合场中的应用41-43
• 4.1.1 有限元的基本概念41
• 4.1.2 ANSYS 软件简介41-42
• 4.1.3 耦合场分析42-43
• 4.2 微镜单元的 ANSYA 分析步骤43-49
• 4.2.1 建立几何模型43-44
• 4.2.2 网格划分44-45
• 4.2.3 创建结构场和电场物理环境文件45-46
• 4.2.4 创建降阶模型46
• 4.2.5 有限元仿真参数化模型的建立46-49
• 4.3 有限元仿真结果分析49-55
• 4.3.1 模态分析49-52
• 4.3.2 谐响应分析52-54
• 4.3.3 微镜吸合特性分析54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 微镜阵列单元制作工艺流程设计56-69
• 5.1 微镜单元设计概述56-60
• 5.1.1 微镜单元设计材料选取56-57
• 5.1.2 微镜单元制备工艺流程57-60
• 5.2 下电极的制作60-62
• 5.2.1 光刻工艺60-61
• 5.2.2 下电极铝薄膜薄膜淀积61-62
• 5.3 金属线间绝缘层的布置62-64
• 5.3.1 二氧化硅绝缘层布置的技术要求62
• 5.3.2 化学气相沉积法制取二氧化硅62-63
• 5.3.3 二氧化硅的刻蚀63-64
• 5.4 镜面电极的制作64
• 5.5 悬浮微镜结构的制作64-67
• 5.5.1 牺牲层材料的选用要求64
• 5.5.2 牺牲层的选取64-65
• 5.5.3 运用聚铣亚胺旋涂牺牲层65-66
• 5.5.4 化学镀镍法制作微镜支柱66-67
• 5.5.5 牺牲层的释放67
• 5.6 本章小结67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69
• 6.2 工作展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-75
• 附录75

【参考文献】

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1 林谢昭;静电微器件的模型自由度缩减方法研究[D];浙江大学;2010年

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