用于三维成像激光雷达的MEMS扫描镜研究

发布时间：2017-11-02 16:07

  本文关键词：用于三维成像激光雷达的MEMS扫描镜研究

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【摘要】：三维成像激光雷达在众多领域都有着广泛的应用前景,小型化是其重要的发展方向。MEMS扫描镜具有尺寸小、成本低、扫描频率高、响应速度快等优点,是近年来小型化三维成像激光雷达的重要研究方向。本文从MEMS扫描镜的基础理论、工作原理、结构设计、工艺加工和性能测试等方面展开了比较深入的研究,主要研究内容如下:1.静电驱动MEMS扫描镜的基础理论研究。对残余应力以及残余应力自组装的方法进行了分析讨论;对残余应力对镜面的影响、镜面面型控制以及多层薄板的镜面结构模型均进行了分析讨论;对MEMS扫描镜的最大扫描角、镜面尺寸和扫描频率这三个关键参数均展开了讨论。2.MEMS扫描镜研究。提出了一种基于残余应力自组装技术的静电驱动MEMS扫描镜,该扫描镜主要由中心镜面、弹性扭转梁和悬臂梁组成。悬臂梁具有残余应力自组装的功能,可以提升镜面的高度,达到增大扫描镜扫描角度的功能。利用表面工艺制备了样品,然后利用热退火技术,在金层中引入了拉应力,进一步提升了镜面的高度。通过一系列的热退火实验,得到了不同温度热退火处理后金层的残余应力值;并对多晶硅悬臂梁应力测试结构测试应力的公式进行了推导。经过200°热退火处理后的MEMS扫描镜,在145V驱动电压下可获得±3.6°的最大扫描角。3.MEMS扫描镜阵列研究。提出了一种静电驱动MEMS扫描镜阵列,该阵列由37个单元结构为六边形的扫描镜单元呈六边形排列而成,每个扫描镜单元均可以实现二维扫描的功能,通过统一控制可以使扫描镜阵列实现二维扫描的功能。扫描镜单元由驱动器和镜面两部分组成,驱动器结构具有残余应力自组装的功能,既可以实现倾斜运动也可以实现上下平移运动。首先利用表面工艺加工了扫描镜的驱动器阵列和镜面阵列,然后利用体硅键合工艺将驱动器和镜面键合到一起,最后通过释放工艺得到扫描镜阵列。经过200°热退火处理后的扫描镜驱动器平移运动时能获得的最大位移量约为4.05μm,对应的驱动电压为45V;驱动器倾斜运动时能获得的最大偏转角度为0.8°,对应的驱动电压为60V。本文的研究成果对MEMS扫描镜的结构设计、工艺加工和实验测试具有重要的参考价值,对我国三维成像激光雷达技术的发展有一定的促进作用。
【关键词】：三维成像激光雷达 MEMS扫描镜 驱动器 残余应力 最大扫描角
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 MEMS工艺12-19
• 1.2.1 MEMS工艺的主要步骤12-16
• 1.2.2 典型的MEMS加工工艺16-19
• 1.3 MEMS扫描镜的国内外研究现状19-24
• 1.4 本文主要研究内容和结构安排24-25
• 1.4.1 本文主要研究内容24
• 1.4.2 本文结构安排24-25
• 第二章 静电驱动MEMS扫描镜理论基础25-35
• 2.1 MEMS静电驱动器25-28
• 2.1.1 平行板驱动器25-27
• 2.1.2 残余应力自组装27-28
• 2.2 MEMS扫描镜镜面28-31
• 2.2.1 残余应力对镜面的影响28-29
• 2.2.2 镜面结构模型29-30
• 2.2.3 镜面面型控制30-31
• 2.3 MEMS扫描镜关键参数31-34
• 2.3.1 最大扫描角31-32
• 2.3.2 镜面尺寸32-33
• 2.3.3 扫描频率33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 MEMS扫描镜研究35-47
• 3.1 工作原理35-38
• 3.1.1 热退火工艺35-36
• 3.1.2 应力测试36-38
• 3.2 结构设计38-40
• 3.3 工艺加工40-43
• 3.4 性能测试与分析43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 MEMS扫描镜阵列研究47-58
• 4.1 结构设计47-51
• 4.2 工艺加工51-54
• 4.2.1 表面工艺加工51-52
• 4.2.2 体硅工艺加工52-54
• 4.3 性能测试与分析54-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 全文总结与展望58-60
• 5.1 全文工作总结58-59
• 5.2 创新点59
• 5.3 后续工作展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间取得的成果65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：1132252