表面工藝靜電驅動MEMS變形鏡關鍵技術研究.pdf

1、變形反射鏡是自適應光學系統(tǒng)的核心器件，其性能和表現(xiàn)決定了自適應光學系統(tǒng)的性能，因而是自適應光學領域的重要研究方向?；陟o電驅動的MEMS變形鏡具有體積小、耗能低、單元數(shù)多、響應速度快、能夠與集成電路兼容等優(yōu)點，是近年來小型化自適應光學系統(tǒng)的研究熱點。
　　本文針對表面工藝靜電驅動的MEMS變形鏡的一系列關鍵問題展開了深入研究，主要研究內容如下：
　　1.大行程MEMS變形鏡的靜電驅動器研究。①針對四邊形固支梁驅動器存在的行程

2、小、可靠性低的問題，提出了六邊形固支梁驅動器結構，并對所提出的驅動器進行了詳細的理論計算和有限元分析，加工了相應的變形鏡，獲得了達到預期設計要求的實驗結果；②提出了一種新型的能夠計算任意結構驅動器靜電力的SC變換數(shù)值方法，通過對三層排斥驅動器、兩層排斥驅動器以及垂直梳齒吸引驅動器結構的計算，驗證了該方法的可行性與精度；③綜合兩層排斥驅動器和三層排斥驅動器各自的優(yōu)勢，提出了偽三層排斥驅動器，分析結果表明偽三層排斥驅動器具有最大的行程和驅動

3、力，且其結構可與兩層驅動器和三層驅動器兼容；④將前期研制的19單元分立鏡面變形鏡的兩層排斥驅動器改為了偽三層排斥驅動器模式，獲得了4.5μm的大行程。
　　2.釋放孔對MEMS變形鏡性能的影響研究。①建立了包含釋放孔參數(shù)在內的驅動器動態(tài)特性模型，分析了釋放孔對驅動器動態(tài)特性的影響，并加工了相應結構開展了實驗驗證；②分析了釋放孔對連續(xù)鏡面的彎曲剛度的影響，并相應設計了45單元連續(xù)鏡面變形鏡，通過理論分析和實驗測試總結了其性能和效果，

4、開展了靜態(tài)像差校正實驗，總結了研制中的不足。
　　3.140單元具有較強實用化能力的表面工藝靜電驅動MEMS變形鏡的研制及關鍵技術研究。該變形鏡采用了分立下電極的固支梁驅動器，并采取了設計平坦化方法以提高表面質量。針對殘余應力導致表面屈曲的問題，建立了包含有各種影響因素的鏡面物理模型，分析了應力補償膜厚度對鏡面各種特性的影響，采用陰影掩模沉積工藝制備了應力補償膜和高反射膜。對加工完成的器件進行了封裝和測試。
　　4.變形鏡研

5、制中存在的其它若干問題的分析、優(yōu)化和改進。①提出了一種新型分立傾斜式變形鏡結構，每個鏡面單元只需一個驅動器，相對傳統(tǒng)分立傾斜式變形鏡減少了2/3的驅動器數(shù)量，實驗結果顯示其能實現(xiàn)接近連續(xù)的變形效果；②研究了靜電吸引驅動器和靜電排斥驅動器的場致電子發(fā)射效應，并通過實驗測試獲得了相關關鍵參數(shù)，研究結果可為器件可靠性的提高產生有益指導；③從工藝和光學設計角度提出了兩種提高分立鏡面變形鏡填充比的方案，并進行了理論分析和倒裝芯片工藝實驗研究，可促

6、進分立鏡面變形鏡的實用化。
　　綜上所述，本文對MEMS變形鏡的增大行程、改善表面質量、降低殘余應力、提高可靠性、增加填充比等一系列關鍵技術進行了深入的理論分析、數(shù)值計算、實驗加工和驗證，成功制作了國內首個具有自主知識產權、連續(xù)鏡面、各個參數(shù)均基本達到自適應光學系統(tǒng)要求的140單元變形鏡樣機。
　　本文的研究成果對高性能、實用化的MEMS變形鏡設計與制作具有重要的參考價值和指導意義，本文研制的變形鏡樣機有望應用到小型化自適應