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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 0．05S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1．4 m 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(multi—user— 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 0．6／,m 厚的氮化硅作为绝缘层，然后在氮化硅上继续沉积一层 0．5 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 2／zm 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 0．01S，在驱动器中心质量块上施加一个沿 z 轴正 方向 4m／s 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 0．05s 的时间内达到稳定状态 rfequencyifkHz Fig．4 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1．4ptm， 是采用同样工艺制作的静电吸引型 MEMS 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 0．05s 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 1．4 m 的形变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)：718—722． (LiuLiangqing，YuanXiao．Intraeavity aberrationcompensation oflasermode usingmembranedeformablemirror．H ighPowerLaserand ParticleBeam，2007，19(5)：718—722) [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)：1845—1848． (YangHuafeng，LiuGui— lin，RaoChanghui，eta1．Spatialfrequency analysisofwavefrontcompensation capabilities ofdeformablem irror．H igh PowerLaserand ParticleBeanrs，2007，19(11)：1845—1848)。