MEMS微變形鏡設計及其薄膜殘余應力控制研究.pdf

1、基于MEMS技術的微變形鏡以其體積小、成本及功耗低、驅(qū)動電壓小、響應速度快、性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點在自適應光學領域具有廣闊的應用前景。而采用表面工藝制作的靜電驅(qū)動分立活塞式微變形鏡又具有控制簡單、集成度高、易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點，成為MEMS微變形鏡的研究熱點。然而，對于表面加工的MEMS微變形鏡而言，工藝過程中產(chǎn)生的薄膜殘余應力將影響器件的使用性能和工作可靠性，甚至導致器件失效。因此，如何有效控制MEMS薄膜中的殘余應力成為微變形鏡制造中

2、的一大難題。 首先，以表面加工靜電驅(qū)動分立活塞式MEMS微變形鏡為研究對象，采用系統(tǒng)級設計方法建立了行為模型，并詳細討論了設計過程中的空氣壓膜阻尼問題；對所設計的微變形鏡進行了器件光學性能和機械性能的仿真與分析；制定了雙層多晶硅的MEMS表面工藝流程，完成了微變形鏡掩膜版圖的設計與制作；在實驗室條件下進行了流片，得到了部分微變形鏡的原型樣件。所設計的微變形鏡的下拉電壓為6.3V、共振頻率為27.898kHz、沖程為0.67μm、

3、結(jié)構(gòu)的響應時間約為10μs、穩(wěn)定時間約為415μs，基本上能滿足自適應光學系統(tǒng)的應用要求。 其次，針對薄膜殘余應力對MEMS微變形鏡使用性能的影響，結(jié)合有限元仿真，對薄膜殘余應力的產(chǎn)生根源、測量技術以及控制技術等幾個方面進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在一定的拉應力時將提高支撐梁的彈性系數(shù)，從而導致下拉電壓、共振頻率等性能參數(shù)較設計值偏大，而對于壓應力情況則剛好相反；過大的殘余應力將使鏡面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，從而導致微變形