MEMS微变形镜设计及其薄膜残余应力控制研究

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基于MEMS技术的微变形镜以其体积小、成本及功耗低、驱动电压小、响应速度快、性能稳定等显著优点在自适应光学领域具有广阔的应用前景。而采用表面工艺制作的静电驱动分立活塞式微变形镜又具有控制简单、集成度高、易于实现批量生产等优点，成为MEMS微变形镜的研究热点。然而，对于表面加工的MEMS微变形镜而言，工艺过程中产生的薄膜残余应力将影响器件的使用性能和工作可靠性，甚至导致器件失效。因此，如何有效控制MEMS薄膜中的残余应力成为微变形镜制造中的一大难题。首先，以表面加工静电驱动分立活塞式MEMS微变形镜为研究对象，采用系统级设计方法建立了行为模型，并详细讨论了设计过程中的空气压膜阻尼问题；对所设计的微变形镜进行了器件光学性能和机械性能的仿真与分析；制定了双层多晶硅的MEMS表面工艺流程，完成了微变形镜掩膜版图的设计与制作；在实验室条件下进行了流片，得到了部分微变形镜的原型样件。所设计的微变形镜的下拉电压为6.3V、共振频率为27.898kHz、冲程为0.67μm、结构的响应时间约为10μs、稳定时间约为415μs，基本上能满足自适应光学系统的应用要求。其次，针对薄膜残余应力对MEMS微变形镜使用性能的影响，结合有限元仿真，对薄膜残余应力的产生根源、测量技术以及控制技术等几个方面进行了系统的研究。结果发现：当结构内部存在一定的拉应力时将提高支撑梁的弹性系数，从而导致下拉电压、共振频率等性能参数较设计值偏大，而对于压应力情况则刚好相反；过大的残余应力将使镜面结构产生大的变形，从而导致微变形镜远场衍射性能的下降。最后，针对表面加工分立活塞式MEMS微变形镜在填充比以及工作冲程等方面存在的不足提供了改进的建议，并且就微变形镜制造过程中的牺牲层释放和应力控制两大难题提出了解决的办法。

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作者
虞益挺;
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作者单位

西北工业大学;

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授予单位西北工业大学;
学科机械制造及其自动化
授予学位硕士
导师姓名苑伟政;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类薄膜技术;
关键词
自适应光学; 微机电系统; 表面加工; 分立活塞式; 微变形镜; 薄膜残余应力; MEMS技术;

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