表面工艺静电驱动MEMS变形镜关键技术研究

发布时间：2016-05-31 05:55

第一章 绪 论

一般而言，自适应光学系统组成，即波前传感器、波前控制器和波前校正器[2]。波前传感器可实时探测入射光波前的相位差，采集到大气扰动的空间和时间信息。该信息经过波前控制器运算分析后，施加相应的控制信号给波前校正器。波前校正器对入射波前的相位进行校正，从而去除大气湍流的影响，获得接近衍射极限的图像分辨率，改善天文望远系统的成像质量。对于大型地基天文望远镜这一应用领域[3]，造成波前畸变的大气扰动的频率要求自适应光学系统具有较快的响应速度，而越来越大的天文望远镜口径则对波前校正器的驱动单元数提出了更高的要求。除了天文观测领域，视科学也是自适应光学技术应用的一个活跃领域[4]。当对活体人眼眼底视网膜进行成像时，由于人眼这种特殊的光学系统所具有的动态像差，严重干扰了检测效果，因而可采用自适应光学技术校正活体人眼像差。根据人眼像差分布的统计结果，此时的自适应光学系统需要具有较大的行程，而对单元数、反应速度等则没有太高的要求。更重要的是，视科学研究领域的自适应光学技术要求系统的小型化和低成本，这一问题的关键是其中的波前校正器的小型化和低成本。除了以上两个领域之外，自适应光学技术还可在自由空间光通信[5]、可控激光核聚变[6]和激光谐振腔[7-11]等领域发挥应用，但目前均还处于实验室研究阶段，尚未实现商品化。
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第二章 静电驱动 MEMS 变形镜理论基础

2.1 MEMS 静电驱动器

虽然非线性弹性梁方法可以有效的增大行程，然而一般常见的弹性梁结构设计在小挠度近似下都是线性的，因此目前设计人员多是采用多段具有不同弹性系数的线性弹性梁来共同拟合一个非线性弹性梁[67-70]。各种弹性结构的大挠度变形虽然是非线性的，但一般很少应用在实际设计中，这其中双端固支梁的应变硬化效应是为数不多的已应用于静电驱动器中的非线性弹性力的直接例子，后面将会对其进行简要介绍。采用电极配置的方法增加行程，同样也会增大最大电压。虽然这种方法不会改变弹性力的大小，也就不会影响固有频率和谐振频率，但会改变响应时间和工作带宽。

2.2 变形镜镜面

变形镜对畸变波前的拟合总是存在一定误差的，当不考虑单元数、行程等驱动器因素时，镜面对拟合误差的影响主要由镜面类型决定。根据第一章的介绍，变形镜具有连续镜面和分立镜面两大类型，其中分立镜面又可分为分立式和分立倾斜式。对于连续镜面，镜面下方的支撑柱可有六边形、方形和环形等三种排列方式。一般而言，六边形排列的拟合误差最小，环形排列在针对特定畸变波前时也可具有最小的拟合误差，方形排列拟合误差稍大。然而，在 MEMS 变形镜的研制中，方形排列的结构与加工工艺更加兼容，电极走线也比较简单，因而是最普遍采用的一种排列方式。

第三章 大行程静电驱动器的理论、模拟和测试.......33

3.1 六边形固支梁驱动器 .............. 33 
3.2 三层电极排布方式排斥驱动器静电力数值计算 ............... 37 
3.3 伪三层电极排布方式静电排斥驱动器 ......... 47
第四章 释放孔对变形镜各项性能的影响研究...........57
4.1 释放孔对驱动器动态特性的影响 ............... 57 
4.2 释放孔对连续镜面的弯曲刚度的影响 ........................ 66 
4.3 本章小结 ................ 75
第五章 140 单元实用化 MEMS 变形镜及其关键技术研究 ..................76 
5.1 变形镜结构设计 ............ 76
5.2 表面面形的进一步优化 .......... 78 
5.3 140 单元变形镜的封装与测试 ..................... 92 
5.4 本章小结 ......................... 95

第六章 MEMS 变形镜其它若干问题的优化改进措施的思考

6.1 可减少驱动器数量的新型分立倾斜式变形镜结构

如第二章所述，与分立镜面和连续镜面相比，分立倾斜式变形镜具有最小的拟合误差以及最少的单元数，这都有利于其在自适应光学系统中的应用。除此之外，分立的小镜面单元还可以大大释放并缓解 MEMS 加工中产生的残余应力。然而，正如前面所提到的，分立倾斜式的最大的问题就是所需的驱动器数量太多。图 6-1 给出了几种变形镜的结构示意图，显然，对相同单元数的变形镜，分立倾斜式结构至少需要分立镜面和连续镜面两倍的驱动器数量。事实情况还不止于此，这是因为图中只是一维示意图，实际的两维结构每个单元至少需要三个驱动器，总的驱动器数量也就是分立镜面或连续镜面的三倍。为了解决这个问题我们设计了一种新型分立倾斜式变形镜，如图 6-1(d)所示，每个镜面单元下方对应一个驱动器，相邻两个驱动器之间共用一根弹性梁，，因而这种结构可称之为驱动器连续式。若中间的驱动器被加电吸引时，它所连接的弹性梁发生形变，带动相邻的驱动器发生倾斜，从而达到镜面连续变形的效果。这种结构与传统分立倾斜式变形镜相比，驱动器数量大大减少。而且由图 6-1(c)和(d)对比可以看出，这种设计下驱动器下电极面积更大，因而相同电压下驱动力更高，可有效降低变形镜的工作电压。

6.2 静电驱动 MEMS 变形镜驱动器的静电击穿及可靠性研究

静电击穿一般采用汤森雪崩模型解释，击穿电压与电极间距以及环境压强的关系可用著名的帕邢曲线描述[118]，如图 6-5 中的实线所示。由曲线可知，击穿电压在某一电极间距时存在一个极小值，大约为 360V。因此，根据汤森雪崩模型，若电极间电压低于 360V，不可能发生静电击穿。但事实上已有多篇文献报道在低于这一电压时发生了静电击穿[119, 120]，这可以用另一个静电击穿机制，即汽化电弧（vapor arc）来解释：在一定的电极间距下，当电势差足够高时，两电极间由于场致电子发射导致的场发射电流密度较高，将会导致电极表面局部材料的汽化，形成导电通路，从而造成静电击穿。在汽化电弧机制下，击穿电压与电极间距的关系如图 6-5 中的虚线所示。同时考虑汽化电弧和汤森雪崩两条曲线，就可得到修正的帕邢曲线[121]，如图 6-5 中的点线所示。该线中的拐点是汽化电弧和汤森雪崩两种机制的转折点。由图可见，当电极间距处于几个微米或者接近亚微米量级时，场致电子发射效应导致的汽化电弧是造成静电击穿的主导因素，因此，场电子发射的机理与实验具有重要的研究意义。

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第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

本论文针对小型化自适应光学波前校正器的应用需求，对基于表面工艺静电驱动的 MEMS 变形镜驱动器、镜面的若干关键问题进行了深入研究，研制出了连续镜面变形镜样品，并开展了初步的像差校正实验，分析了样品中存在的一系列问题，提出了解决方案并开展了理论和实验研究。主要创新点如下：a）提出了计算静电驱动器静电力的 SC 变换数值计算方法。该方法从两个方面改进了现有的利用保角变换计算两层排斥驱动器静电力的理论方法，一方面考虑了所有的结构边界几何特性，去除了模型中的无穷远近似，提高了计算精度；另一方面通过数值计算扩大了适用范围，使之可应用于任意静电驱动器的静电力的计算。通过对多个静电吸引和静电排斥驱动器的计算、仿真和实验研究，证明了这一方法的可行性和高精度。

7.2 后续工作展望

在本文工作的基础上，当前仍存在一些问题需要在后续研究中加以解决。a）表面面形质量、反射率等性能指标仍有进一步提高的空间，可通过对阴影掩模沉积工艺和复合膜层的材料及厚度进行优化来加以改进。b）提高分立镜面变形镜填充比的两套方案仍需进一步开展理论分析和实验对比验证，找出与当前变形镜的结构设计、工艺加工等最适合的方案。c）新型分立倾斜式变形镜的优越性和效果仍需进行定量评估，以促进其早日实现工程应用。d）在当前加工工艺的基础上，通过各种后处理手段如阴影掩模沉积、倒装芯片、退火、原子层沉积（Atom Layer Deposition，ALD）等，进一步提高变形镜的行程、一致性、可靠性、填充比、单元数等性能。e）以所研制的变形镜开展自适应光学系统校正实验，积极发现问题，探索MEMS 变形镜在更多领域的广泛应用。

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参考文献（略）

本文编号：52236