静电排斥型微机电系统变形镜驱动器

1、静电排斥型微机电系统变形镜驱动器摘要：为了克服常规静电微机械驱动器所存在的静电吸合现象，基于非均匀分布的静电场可以产 生排 斥力的原理，设计了一种新型的微机电系统变形镜驱动器。驱动器由5组电极构成，最大的一组由中心质量块 和位于正下方的下电极组成，其它4组分别位于各条边上。中心质量块由4根L形弹簧支撑，每根弹簧分别固 定于驱动器的4个锚点。利用有限元软件对驱动器的频率响应和暂态响应特性进行了仿真，结果表明，谐振频 率高达4kHz，暂态响应时间小于005S。利用表面硅工艺加工出了驱动器，并利用白光扫描干涉仪对驱动器 的静态位移电压特性进行了测试，测得驱动器在7OV激励电压下的形变量为14 m。

2、关键词：微电子机械系统；自适应光学；静电驱动器；表面微加工变形镜，也称波前校正器，是自适应光学系统中的一个核心元件，可以用于激光模式补偿口和波 前校正。 变形镜的驱动主要有压电驱动、静电驱动和双压电晶体片驱动几种方式，静电驱动的微机械(MEMS)变形镜 以其体积小、功耗低、单元密度高、响应速度快以及与集成电路兼容性好等特点，而成为最具发展前景的变形 镜。目前已经实用化的静电驱动MEMS变形镜，都是基于静电吸引力驱动的3，这种变形镜驱动器的最大缺 点就是因为存在静电吸合现象，其行程不会超过上下电极初始间隙的三分之一，而且一旦出现静电吸合现 象，将会导致整个器件因为短路而永久性毁坏。为了克服这种现

3、象，提高静电MEMS变形镜的可靠性，本文设 计并制作了一种基于静电排斥力驱动的MEMS变形镜的驱动器。 1设计原理 静电排斥型MEMS变形镜的驱动器是基于非均匀分布的静电场可以产生相互排斥力的原理设计而成 的8-9。对于图1(a)所示的电极空间排布方式，当给中间的两个电极施加同样的高电压V，而另外两个边缘电极施加零电压时，各个电极周围的静电场分 布可以由Maxwell电磁场有限元分析软件计算得到，结果如图1 (b)所示(高电压V一70V)。 由图1(b)可知，上电极周围的静电场分布是不均匀的，上表面周围的场强大于下表面周围对应点的场强。 在非均匀电场的作用下，上极板受力如图1(c)所示，两个侧

4、面受的静电力大小相等，方向相反，合力为零。而 上极板上表面受力大于下表面的受力，从而使得上极板受到的静电力合力表现为竖直向上的静电排斥力。将 此静电排斥力作用于变形镜的镜面，镜面将发生相应的形变，使入射到镜面的光线反射后光程发生变化，从而 实现对反射光相位的调制。基于此原理设计的MEMS变形镜驱动器的单元结构如图1(d)所示，它包含5组 驱动电极，最大的一组驱动电极由中心质量块和位于其正下方的中心下电极组成，其它4组电极分别位于驱动 器的4条边上。器件工作时，所有上电极及其正下方的下电极连成一体，并接激励电源的正极，其它部分下电 极也连成一体并接激励电源的负极。在激励电压的驱动下，驱动器的上极

5、板能竖直向上做离面运动，从而推动 MEMS变形镜镜面也做相应运动。 2工艺流程 目前，MEMS器件的制作工艺主要有表面硅工艺、体硅工艺和光刻电镀压模(LIGA)工艺。体硅工艺是通 过基底材料的去除来形成所需要的3维立体结构，是一种“减法”工艺，LIGA工艺主要用于制造高深宽比的 MEMS器件，表面硅工艺是依靠在硅基底材料上逐层添加材料而构成微结构，基于MUMPs(multiuser MEMS-process)表面硅工艺_】叩制作静电排斥型MEMS变形镜驱动器的主要工艺流程为(图2为流程图)：(1) 在厚度为400 m的硅基底上沉积一层06,m厚的氮化硅作为绝缘层，然后在氮化硅上继续沉积一层05

6、 m 厚的多晶硅并刻蚀，形成下电极(见图2(a)，(b)和(c)；(2)继续沉积2 m厚的二氧化硅作为牺牲层，刻蚀牺 牲层，形成上电极锚点(见图2(d)和(e)；(3)沉积2zm厚的多晶硅并刻蚀，形成驱动器的上电极(见图2(f)和 (g)步)；(4)将器件放入49的HF溶液中，进行二氧化硅湿法腐蚀释放结构，最后烘干(见图2(h)。上述工艺的关键技术是在二氧化硅湿法腐蚀释放结构时如何防止静态粘连。阻止静态粘连的方法 大致可 分为两类。一类是在制作过程中，阻止结构层与基底之间的物理连接的方法，如在结构层下面设计一些小 凸起、干燥过程中采用冷干燥、临界干燥或干腐蚀技术等。另一类是通过缩 减表面能量来

7、实现，如借助于表面碰撞作用减少接触面积的表面处理方 法以及降低表面粗糙度等方法。加工的MEMS变形镜驱动器的实物照 片如图3所示，表1为该驱动器的结构参数。3 FEA仿真 本征频率是变形镜的一个十分重要的技术指标，变形镜实际工作时，激励信号的频率要低于本征频率，以第1期胡放荣等：静电排斥型微机电系统变形镜驱动器43 免出现本征频率的激振。为了保证必要的控制工作带宽，本征频率不能太低，对于大多数空间自适应光学系 统，要求变形镜驱动器的本征频率在几kHz以上。采用MEMS有限元软件仿真得到所设计的驱动器频率响 应曲线如图4所示，驱动器的本征频率高达4kHz，可以满足大多数自适应光学系统对本征频率的

8、要求。 另外，驱动器对瞬态冲击的响应特性是一项反映驱动器动态特性的重要指标。响应时间越短，则驱动器经 瞬态冲击后的恢复时间就越短，动态特性也越好。若在t一001S，在驱动器中心质量块上施加一个沿z轴正 方向4ms的瞬态加速度，驱动器的暂态响应特性曲线如图5所示，在瞬态加速度冲击下，驱动器能够在 005s的时间内达到稳定状态。 rfequencyifkHz Fig4 Frequencyresponse curve 图4频率响应曲线 4实验测试 变形镜的形变量是反映变形镜波前校正能力的重要技术参数 之一，形变量越大，变形镜可校正的波前畸变范围就越大，而变形镜 的最大形变量是由驱动器的行程决定的。为

9、了研究驱动器在激励 电压下的形变特性，利用Zygo扫描白光干涉仪对驱动器的位移特 性进行了测试。测试系统如图6所示，主要包括白光发光二极管 (LED)、分束器、准直物镜、干涉物镜、参考镜及CCD相机等。测试 时，干涉物镜在压电陶瓷(PZT)的驱动下对待测表面进行垂直扫描， 产生最高点和最低点的对比度和相位信息，然后通过傅里叶分析产 生待测表面各点相对参考面的高度差。无激励时驱动器的3维表 面形貌如图7所示，由图可知，驱动器上电极表面略有翘曲，这主要 是因为残余应力的影响。在不同的激励电压下，驱动器的位移变化 。在70V的电压下，驱动器的形变量可达14ptm， 是采用同样工艺制作的静电吸引型ME

10、MS变形镜驱动器最大形变量的2倍，从而大大增加了变形镜的波前校 正能力。仿真结果与实验结果存在差异的可能原因主要来自两个方面：一方面，仿真过程中的材料参数与实际44强激光与粒子束第22卷 器件的参数有偏差，因为材料参数直接由工艺条件和工艺参数来决定。另外，仿真未考虑残余应力的影响，而 残余应力会造成驱动器上电极面形不平整。 5结论 本文设计并制作了一种静电排斥型MEMS变形镜的驱动器，同时用有限元仿真方法对驱动器的频率响应 特性和暂态响应特性进行了分析，获得了4kHz的谐振频率和005s的暂态响应时间。对驱动器的位移特性 进行了实验测试，结果表明该驱动器在7OV的低电压下可以达到14 m的形变

11、量。由于在驱动机理上采用 静电排斥力驱动，从而完全消除了静电吸合现象，这样不仅增大了驱动器的行程，而且提高了可靠性。该变形 镜还可以用于激光光束整形、投影显示和医学成像等领域。 参考文献： Eli刘良清，袁孝微变形镜内腔补偿激光模式畸变研究口强激光与粒子束，2007，19(5)：718722 (LiuLiangqing，YuanXiaoIntraeavity aberrationcompensation oflasermode usingmembranedeformablemirrorH ighPowerLaserand ParticleBeam，2007，19(5)：718722) 2杨华峰，刘桂林，饶长辉，等变形镜波前补偿能力的空间频域分析J强激光与粒子束，2007，19(11)：18451848 (