靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器

1、靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器摘要：為了克服常規(guī)靜電微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器所存在的靜電吸合現(xiàn)象，基于非均勻分布的靜電場可以產(chǎn) 生排 斥力的原理，設(shè)計(jì)了一種新型的微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器由5組電極構(gòu)成，最大的一組由中心質(zhì)量塊 和位于正下方的下電極組成，其它4組分別位于各條邊上。中心質(zhì)量塊由4根L形彈簧支撐，每根彈簧分別固 定于驅(qū)動(dòng)器的4個(gè)錨點(diǎn)。利用有限元軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)器的頻率響應(yīng)和暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，諧振頻 率高達(dá)4kHz，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于005S。利用表面硅工藝加工出了驅(qū)動(dòng)器，并利用白光掃描干涉儀對(duì)驅(qū)動(dòng)器 的靜態(tài)位移電壓特性進(jìn)行了測試，測得驅(qū)動(dòng)器在7OV激勵(lì)電壓下的形變量為14 m。

2、關(guān)鍵詞：微電子機(jī)械系統(tǒng)；自適應(yīng)光學(xué)；靜電驅(qū)動(dòng)器；表面微加工變形鏡，也稱波前校正器，是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)核心元件，可以用于激光模式補(bǔ)償口和波 前校正。 變形鏡的驅(qū)動(dòng)主要有壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)和雙壓電晶體片驅(qū)動(dòng)幾種方式，靜電驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械(MEMS)變形鏡 以其體積小、功耗低、單元密度高、響應(yīng)速度快以及與集成電路兼容性好等特點(diǎn)，而成為最具發(fā)展前景的變形 鏡。目前已經(jīng)實(shí)用化的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡，都是基于靜電吸引力驅(qū)動(dòng)的3，這種變形鏡驅(qū)動(dòng)器的最大缺 點(diǎn)就是因?yàn)榇嬖陟o電吸合現(xiàn)象，其行程不會(huì)超過上下電極初始間隙的三分之一，而且一旦出現(xiàn)靜電吸合現(xiàn) 象，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)器件因?yàn)槎搪范谰眯詺?。為了克服這種現(xiàn)

3、象，提高靜電MEMS變形鏡的可靠性，本文設(shè) 計(jì)并制作了一種基于靜電排斥力驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡的驅(qū)動(dòng)器。 1設(shè)計(jì)原理 靜電排斥型MEMS變形鏡的驅(qū)動(dòng)器是基于非均勻分布的靜電場可以產(chǎn)生相互排斥力的原理設(shè)計(jì)而成 的8-9。對(duì)于圖1(a)所示的電極空間排布方式，當(dāng)給中間的兩個(gè)電極施加同樣的高電壓V，而另外兩個(gè)邊緣電極施加零電壓時(shí)，各個(gè)電極周圍的靜電場分 布可以由Maxwell電磁場有限元分析軟件計(jì)算得到，結(jié)果如圖1 (b)所示(高電壓V一70V)。 由圖1(b)可知，上電極周圍的靜電場分布是不均勻的，上表面周圍的場強(qiáng)大于下表面周圍對(duì)應(yīng)點(diǎn)的場強(qiáng)。 在非均勻電場的作用下，上極板受力如圖1(c)所示，兩個(gè)側(cè)

4、面受的靜電力大小相等，方向相反，合力為零。而 上極板上表面受力大于下表面的受力，從而使得上極板受到的靜電力合力表現(xiàn)為豎直向上的靜電排斥力。將 此靜電排斥力作用于變形鏡的鏡面，鏡面將發(fā)生相應(yīng)的形變，使入射到鏡面的光線反射后光程發(fā)生變化，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光相位的調(diào)制?；诖嗽碓O(shè)計(jì)的MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)器的單元結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示，它包含5組 驅(qū)動(dòng)電極，最大的一組驅(qū)動(dòng)電極由中心質(zhì)量塊和位于其正下方的中心下電極組成，其它4組電極分別位于驅(qū)動(dòng) 器的4條邊上。器件工作時(shí)，所有上電極及其正下方的下電極連成一體，并接激勵(lì)電源的正極，其它部分下電 極也連成一體并接激勵(lì)電源的負(fù)極。在激勵(lì)電壓的驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)器的上極

5、板能豎直向上做離面運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng) MEMS變形鏡鏡面也做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。 2工藝流程 目前，MEMS器件的制作工藝主要有表面硅工藝、體硅工藝和光刻電鍍壓模(LIGA)工藝。體硅工藝是通 過基底材料的去除來形成所需要的3維立體結(jié)構(gòu)，是一種“減法”工藝，LIGA工藝主要用于制造高深寬比的 MEMS器件，表面硅工藝是依靠在硅基底材料上逐層添加材料而構(gòu)成微結(jié)構(gòu)，基于MUMPs(multiuser MEMS-process)表面硅工藝_】叩制作靜電排斥型MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)器的主要工藝流程為(圖2為流程圖)：(1) 在厚度為400 m的硅基底上沉積一層06,m厚的氮化硅作為絕緣層，然后在氮化硅上繼續(xù)沉積一層05

6、 m 厚的多晶硅并刻蝕，形成下電極(見圖2(a)，(b)和(c)；(2)繼續(xù)沉積2 m厚的二氧化硅作為犧牲層，刻蝕犧 牲層，形成上電極錨點(diǎn)(見圖2(d)和(e)；(3)沉積2zm厚的多晶硅并刻蝕，形成驅(qū)動(dòng)器的上電極(見圖2(f)和 (g)步)；(4)將器件放入49的HF溶液中，進(jìn)行二氧化硅濕法腐蝕釋放結(jié)構(gòu)，最后烘干(見圖2(h)。上述工藝的關(guān)鍵技術(shù)是在二氧化硅濕法腐蝕釋放結(jié)構(gòu)時(shí)如何防止靜態(tài)粘連。阻止靜態(tài)粘連的方法 大致可 分為兩類。一類是在制作過程中，阻止結(jié)構(gòu)層與基底之間的物理連接的方法，如在結(jié)構(gòu)層下面設(shè)計(jì)一些小 凸起、干燥過程中采用冷干燥、臨界干燥或干腐蝕技術(shù)等。另一類是通過縮 減表面能量來

7、實(shí)現(xiàn)，如借助于表面碰撞作用減少接觸面積的表面處理方 法以及降低表面粗糙度等方法。加工的MEMS變形鏡驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物照 片如圖3所示，表1為該驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3 FEA仿真 本征頻率是變形鏡的一個(gè)十分重要的技術(shù)指標(biāo)，變形鏡實(shí)際工作時(shí)，激勵(lì)信號(hào)的頻率要低于本征頻率，以第1期胡放榮等：靜電排斥型微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)器43 免出現(xiàn)本征頻率的激振。為了保證必要的控制工作帶寬，本征頻率不能太低，對(duì)于大多數(shù)空間自適應(yīng)光學(xué)系 統(tǒng)，要求變形鏡驅(qū)動(dòng)器的本征頻率在幾kHz以上。采用MEMS有限元軟件仿真得到所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器頻率響 應(yīng)曲線如圖4所示，驅(qū)動(dòng)器的本征頻率高達(dá)4kHz，可以滿足大多數(shù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)本征頻率的

8、要求。 另外，驅(qū)動(dòng)器對(duì)瞬態(tài)沖擊的響應(yīng)特性是一項(xiàng)反映驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。響應(yīng)時(shí)間越短，則驅(qū)動(dòng)器經(jīng) 瞬態(tài)沖擊后的恢復(fù)時(shí)間就越短，動(dòng)態(tài)特性也越好。若在t一001S，在驅(qū)動(dòng)器中心質(zhì)量塊上施加一個(gè)沿z軸正 方向4ms的瞬態(tài)加速度，驅(qū)動(dòng)器的暫態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖5所示，在瞬態(tài)加速度沖擊下，驅(qū)動(dòng)器能夠在 005s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 rfequencyifkHz Fig4 Frequencyresponse curve 圖4頻率響應(yīng)曲線 4實(shí)驗(yàn)測試 變形鏡的形變量是反映變形鏡波前校正能力的重要技術(shù)參數(shù) 之一，形變量越大，變形鏡可校正的波前畸變范圍就越大，而變形鏡 的最大形變量是由驅(qū)動(dòng)器的行程決定的。為

9、了研究驅(qū)動(dòng)器在激勵(lì) 電壓下的形變特性，利用Zygo掃描白光干涉儀對(duì)驅(qū)動(dòng)器的位移特 性進(jìn)行了測試。測試系統(tǒng)如圖6所示，主要包括白光發(fā)光二極管 (LED)、分束器、準(zhǔn)直物鏡、干涉物鏡、參考鏡及CCD相機(jī)等。測試 時(shí)，干涉物鏡在壓電陶瓷(PZT)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)待測表面進(jìn)行垂直掃描， 產(chǎn)生最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的對(duì)比度和相位信息，然后通過傅里葉分析產(chǎn) 生待測表面各點(diǎn)相對(duì)參考面的高度差。無激勵(lì)時(shí)驅(qū)動(dòng)器的3維表 面形貌如圖7所示，由圖可知，驅(qū)動(dòng)器上電極表面略有翹曲，這主要 是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的影響。在不同的激勵(lì)電壓下，驅(qū)動(dòng)器的位移變化 。在70V的電壓下，驅(qū)動(dòng)器的形變量可達(dá)14ptm， 是采用同樣工藝制作的靜電吸引型ME

10、MS變形鏡驅(qū)動(dòng)器最大形變量的2倍，從而大大增加了變形鏡的波前校 正能力。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異的可能原因主要來自兩個(gè)方面：一方面，仿真過程中的材料參數(shù)與實(shí)際44強(qiáng)激光與粒子束第22卷 器件的參數(shù)有偏差，因?yàn)椴牧蠀?shù)直接由工藝條件和工藝參數(shù)來決定。另外，仿真未考慮殘余應(yīng)力的影響，而 殘余應(yīng)力會(huì)造成驅(qū)動(dòng)器上電極面形不平整。 5結(jié)論 本文設(shè)計(jì)并制作了一種靜電排斥型MEMS變形鏡的驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)用有限元仿真方法對(duì)驅(qū)動(dòng)器的頻率響應(yīng) 特性和暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，獲得了4kHz的諧振頻率和005s的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間。對(duì)驅(qū)動(dòng)器的位移特性 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)器在7OV的低電壓下可以達(dá)到14 m的形變

11、量。由于在驅(qū)動(dòng)機(jī)理上采用 靜電排斥力驅(qū)動(dòng)，從而完全消除了靜電吸合現(xiàn)象，這樣不僅增大了驅(qū)動(dòng)器的行程，而且提高了可靠性。該變形 鏡還可以用于激光光束整形、投影顯示和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn)： Eli劉良清，袁孝微變形鏡內(nèi)腔補(bǔ)償激光模式畸變研究口強(qiáng)激光與粒子束，2007，19(5)：718722 (LiuLiangqing，YuanXiaoIntraeavity aberrationcompensation oflasermode usingmembranedeformablemirrorH ighPowerLaserand ParticleBeam，2007，19(5)：718722) 2楊華峰，劉桂林，饒長輝，等變形鏡波前補(bǔ)償能力的空間頻域分析J強(qiáng)激光與粒子束，2007，19(11)：18451848 (