分立活塞式MEMS微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)_圖文

1、第19卷 第5期2006年10月傳感技術(shù)學(xué)報(bào)CHINESE JO URNAL OF S ENSO RS AND ACTU ATORSSystem Level Design of Segmented Piston like Micro Deformable MirrorsYU Yi ting ,YUAN Wei z heng *,QI A O Da y ong ,L I X iao y ing(M icr o and Nano E lectromechanical S ystems L aborator y ,N orthw estern P oly tec hnic al Univ er si

2、ty ,X i an 710072,ChinaAbstract:A system level behav io ral model o f seg mented piston like m icro defor mable mirr ors w as accom plished by utilizing our ow n developed integrated desig n platform for M EM S CAD.Its validity and ver acity w ere ver ified using bo th the finite element m ethod and

3、 theo retical m ethod.T he structural par am etric de sign o f m icro defo rmable m irrors w as finished and performances w ere obtained by system level sim ulation.Results show that system level m ethod can be applied fo r the desig n of M EM S devices to gr eatly impr ove the efficiency,reduce the

4、 per io d and decr ease the cost w hile m aintaining a considerable computing accura cy.And the perfo rmances of the designed micr o defo rmable m irrors can meet the requirements for com mon Adaptive Optics applicatio ns.Key words:micro deform able m ir rors;seg mented piston like;sy stem level;MEM

5、 S Garden EEACC :4150分立活塞式M EM S 微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)虞益挺,苑偉政*,喬大勇,李曉瑩(西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,西安710072收稿日期:2006 07 01基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(90407020;教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET 05 0869作者簡(jiǎn)介:虞益挺(1980 ,男,博士研究生,主要從事微光機(jī)電系統(tǒng)(M O EM S、M EM S 微加工工藝及相關(guān)技術(shù)研究,y yt mail.nw ;苑偉致(1961 ,男,教授、博士生導(dǎo)師(通訊聯(lián)系人,從事微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù),光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)、慣性微機(jī)電系統(tǒng)和流體微機(jī)電系統(tǒng),yua

6、nwz.摘 要:利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的集成設(shè)計(jì)平臺(tái),搭建了分立活塞式M EM S 微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)行為模型,并對(duì)其有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上完成了微變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并由仿真得到了結(jié)構(gòu)的性能參數(shù).研究結(jié)果表明,采用系統(tǒng)級(jí)方法進(jìn)行M EM S 器件的設(shè)計(jì)能夠在確保求解精度的前提下,顯著提高設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)周期,減小設(shè)計(jì)成本;所設(shè)計(jì)的M EM S 微變形鏡的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全能滿足一般自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用要求.關(guān)鍵詞:微變形鏡;分立活塞式;系統(tǒng)級(jí);集成設(shè)計(jì)平臺(tái)中圖分類號(hào):TN491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004 1699(200605 1761 03變形鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的核心部件,

7、它可以根據(jù)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)改變鏡面形狀,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)信號(hào)的幅值、相位或傳播方向的調(diào)制,使成像達(dá)到近乎完美的程度.但是,采用傳統(tǒng)技術(shù)制作的變形鏡具有體積大、能耗高、驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少的缺點(diǎn),且大多采用手工裝配的方式,布線復(fù)雜,勞動(dòng)量大,不能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),導(dǎo)致成本非常的昂貴.近年來,隨著微機(jī)電系統(tǒng)(M icro Electr oMechanical Sy stem,M EMS技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟,基于M EMS 技術(shù)的微變形鏡1 2以其體積小、功耗低、無滯后性、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、可單片集成等顯著優(yōu)點(diǎn)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供了前所未有的發(fā)展契機(jī),受到世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛關(guān)注,紛紛投入巨資以及大量的人力、

8、物力開展這方面的研究工作.然而,受微機(jī)電系統(tǒng)多學(xué)科交叉、多能量域耦合、多信號(hào)混合等特點(diǎn)的限制,給MEM S 微變形鏡的設(shè)計(jì)和研究人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),迫切需要一體化的高效集成設(shè)計(jì)工具來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程、提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本.目前,基于有限元仿真分析的器件級(jí)設(shè)計(jì)方法以及理論計(jì)算方法在MEM S 微變形鏡的設(shè)計(jì)中用得最多.但是,前者運(yùn)算效率較低,需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間;而后者計(jì)算復(fù)雜,要借助特定的數(shù)學(xué)工具.在這種情況下,系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景,通過構(gòu)建系統(tǒng)行為模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)整體工作性能的仿真與分析,同時(shí)還能夠進(jìn)行加工工藝以及結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化控制,從而極大縮短了M EMS 器件的設(shè)計(jì)、制作

9、周期,提高了設(shè)計(jì)的靈活性,因此成為MEM S 仿真研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)3 4.微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)-MEM S Gar den (V4.0是由西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的,是一體化的集成式MEM S CAD 軟件,其中在可重用參數(shù)化三維組件庫(kù)基礎(chǔ)上提出的多端口組件網(wǎng)絡(luò)方法5 6是進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真的關(guān)鍵,也是整個(gè)平臺(tái)的核心.本文以靜電驅(qū)動(dòng)多晶硅表面加工分立活塞式M EMS 微變形鏡為研究對(duì)象,利用該平臺(tái)搭建了其系統(tǒng)級(jí)行為模型,并采用有限元仿真以及理論計(jì)算等方法對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,最后利用該模型完成了微變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到了其性能參數(shù).1 系統(tǒng)級(jí)模型及驗(yàn)證靜電驅(qū)動(dòng)多晶硅表面加工分立活塞式微變

10、形鏡是MEMS 微變形鏡中的典型類型之一,主要用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)的相位調(diào)制,在自適應(yīng)光學(xué)、投影成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,其基本結(jié)構(gòu)原理圖如下所示7 :圖1 分立活塞式微變形鏡的結(jié)構(gòu)原理圖采用M EMS Garden 軟件搭建的分立活塞式MEM S 微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)行為模型如圖2所示,用它可進(jìn)行機(jī)械性能如結(jié)構(gòu)的共振頻率以及機(jī)電耦合性能如下拉電壓的系統(tǒng)級(jí)仿真與分析.為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性、有效性及其求解精度,本文還采用有限元仿真和理論計(jì)算兩種方法.其中,有限元仿真利用ANSYS 軟件,而理論計(jì)算所用的公式如下 :圖2 微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)行為模型k =4 Ew t3l3(1V pll in =8kd

11、 0327 0A 1/2(2f =12 k m(3其中,式(1(3分別用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)k 、下拉電壓V pull in 和共振頻率f ,E 是多晶硅材料的楊氏模量,w ,t,l 分別表示支撐梁的寬度、厚度和長(zhǎng)度,A ,m 分別指上極板鏡面的有效面積和質(zhì)量,d 0是上下極板間的初始間距, 0是空氣介電常數(shù).分析時(shí)采用的微變形鏡結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和多晶硅材料屬性值如表1所示.表1 微變形鏡結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性值結(jié)構(gòu)參數(shù)/ m 值鏡面邊長(zhǎng)220鏡面厚度2短梁長(zhǎng)度15長(zhǎng)梁長(zhǎng)度150短梁寬度10長(zhǎng)梁寬度10上下極板間距2多晶硅彈性模量/GP a2230 圖3 所示為由系統(tǒng)級(jí)仿真得到的分立活塞式(a下拉電壓

12、(b共振頻率圖3 系統(tǒng)級(jí)仿真得到的結(jié)構(gòu)下拉電壓和共振頻率1762傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)2006年MEM S 微變形鏡結(jié)構(gòu)的下拉電壓和共振頻率示意圖.從中可以很直觀的看出:該結(jié)構(gòu)的微變形鏡具有8.44V 的下拉電壓,其機(jī)械共振頻率為36.403KH z.由不同方法求得的結(jié)構(gòu)下拉電壓以及共振頻率的結(jié)果如表2所示.同時(shí),該表還對(duì)每一種方法所需要的求解時(shí)間進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較.表2 不同方法求解結(jié)果比較所用方法下拉電壓/V共振頻率/kH z時(shí)間系統(tǒng)級(jí)8.4436.4031h 理論計(jì)算1min從上表可以看出:由系統(tǒng)級(jí)仿真得到的結(jié)果與ANSYS 有限元仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果均相當(dāng)?shù)慕咏?誤差在工程允許范圍內(nèi)(

13、最大誤差不超過5%,說明圖2所搭建的分立活塞式微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)行為模型是準(zhǔn)確的.然而,系統(tǒng)級(jí)仿真所花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間卻少于后兩者,尤其是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于有限元方法所需要的時(shí)間,這在工程實(shí)際應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì),對(duì)于MEM S 器件的設(shè)計(jì)和研制效率的提高具有極大的促進(jìn)作用.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下面將利用所搭建的分立活塞式微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)模型來研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微變形鏡工作性能的影響(主要是下拉電壓和共振頻率,以區(qū)分開主次影響因素,為微變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.需要考察的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括上極板鏡面邊長(zhǎng)、短梁的長(zhǎng)度與寬度以及長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度與寬度,而鏡面厚度以及上下極板間的距離與特定的表面工藝有關(guān),是一個(gè)常量.另外,在具體

14、考察某個(gè)參數(shù)時(shí),假定其他尺寸參數(shù)保持不變,如表1所示.圖4所示為不同鏡面邊長(zhǎng)(分別為150 m 、200 m 、250 m 和300 m對(duì)微變形鏡下拉電壓和共振頻率的影響.限于篇幅,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響曲線從略 .(a下拉電壓由仿真結(jié)果可以看出:在表面加工分立活塞式MEM S 微變形鏡的設(shè)計(jì)過程中,鏡面邊長(zhǎng)以及長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度和寬度是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的, 而短梁的(b共振頻率圖4 不同尺寸的鏡面邊長(zhǎng)對(duì)微變形鏡性能的影響幾何尺寸對(duì)微變形鏡性能的影響可以忽略.因此,為了減小控制電壓,可以采取下面兩種措施:!增加上極板鏡面邊長(zhǎng);設(shè)計(jì)長(zhǎng)且窄的支撐梁.但是,這只是為設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方面的參考,還需要綜合考慮其他

15、各種因素的影響,比如薄膜殘余應(yīng)力.因?yàn)槿绻R面邊長(zhǎng)過大的話,受沉積工藝條件、后處理工藝以及材料固有屬性等的影響,薄膜內(nèi)部出現(xiàn)的較小的殘余應(yīng)力以及應(yīng)力梯度就能引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的翹曲和變形,從而影響微變形鏡的工作性能和使用壽命;同時(shí),上極板面積過大的話,重力的影響也將越來越顯著.對(duì)于長(zhǎng)且窄的支撐梁也有類似問題,重力作用將對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不容忽視的影響.根據(jù)上面的分析,本文設(shè)計(jì)的微變形鏡不同結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表3所示.由仿真得到該結(jié)構(gòu)的微變形鏡的下拉電壓為6.3V,共振頻率為27.898kH z,其有效工作沖程(定義為上極板在發(fā)生pull in現(xiàn)象前所行進(jìn)的距離為0.67 m,能夠滿足一般近紅外光波段的工作要求

16、.表3 設(shè)計(jì)的微變形鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸/ m 鏡面平板邊長(zhǎng)270短梁長(zhǎng)度25長(zhǎng)梁長(zhǎng)度200短梁寬度20長(zhǎng)梁寬度20通過給結(jié)構(gòu)施加一單位激勵(lì)脈沖,由瞬態(tài)分析(T ransient Analysis得到的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖5所示.從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間(即上升時(shí)間約為10 s,系統(tǒng)受到擾動(dòng)以后需要大約415 s 的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定 .圖5 單位激勵(lì)脈沖下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線(上升段(下轉(zhuǎn)第1767頁(yè)1763第5期虞益挺,苑偉政等:分立活塞式MEM S 微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)比利用VEECO公司W(wǎng)YKO激光干涉儀測(cè)量結(jié)果(h= 1.24m,與VEECO測(cè)試結(jié)果對(duì)比,那么利用波長(zhǎng)掃描方法的

17、相對(duì)測(cè)試誤差小于1%.(a波長(zhǎng)掃描測(cè)試結(jié)果(b理論分析結(jié)果圖圖10 N o.12GM L M器件0級(jí)光能量隨波長(zhǎng)的變化5 結(jié) 論本文通過對(duì)GM LM結(jié)構(gòu)和原理的介紹,利用波長(zhǎng)掃描方法對(duì)GM LM測(cè)試樣品進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,得到以下結(jié)論:!提出了波長(zhǎng)掃描測(cè)試GM LM結(jié)構(gòu)的微間距的新方法,減少了采用專門儀器的測(cè)試成本;該測(cè)試方法可以忽略GM LM其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,測(cè)試結(jié)果中只存在波長(zhǎng)微間距的共同作用的影響;#提出了采用多峰法的數(shù)據(jù)處理方法,比采用多峰法的測(cè)試精度提高了k倍;該測(cè)試方法由于采用波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試分析,使得測(cè)試結(jié)果精度達(dá)到納米量級(jí);采用U 4100光譜儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理

18、論分析吻合;對(duì)比利用VEECO公司W(wǎng)YKO激光干涉儀測(cè)量結(jié)果(h=1. 24m,與VEECO測(cè)試結(jié)果對(duì)比,那么利用波長(zhǎng)掃描方法的相對(duì)測(cè)試誤差小于1%.采用該波長(zhǎng)掃描方法還可以進(jìn)行其他參數(shù)的相關(guān)測(cè)試,將另文分析.參考文獻(xiàn):M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003:263 265.ria著電子工業(yè)出版社.北京,2004,11:252 255.3 張潔,黃尚廉,付紅橋等.光柵光閥的光學(xué)特性分析和仿真J.光學(xué)學(xué)報(bào).2005,25(11:1452 1456.的光學(xué)特性分析J.光子學(xué)報(bào).2005.仿真J.中國(guó)機(jī)械工程,2005,16卷增刊:218 220.析J.光學(xué)學(xué)報(bào).2005.(上接第1763頁(yè)3 結(jié) 論本

19、文在微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)-M EMS Garden的基礎(chǔ)上,搭建了靜電驅(qū)動(dòng)分立活塞式MEM S微變形鏡的系統(tǒng)級(jí)行為模型,并利用有限元仿真及理論計(jì)算兩種方法對(duì)模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證.通過對(duì)不同方法得到的求解結(jié)果的比較,證明了利用系統(tǒng)級(jí)方法進(jìn)行分立活塞式M EMS微變形鏡的結(jié)構(gòu)建模與設(shè)計(jì)能夠在確保求解精度的前提下,顯著降低計(jì)算時(shí)間,大大提高設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)周期,有效節(jié)省了設(shè)計(jì)成本.同時(shí),該方法具有一定的普遍性,在MEM S器件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景.最后,利用搭建的系統(tǒng)級(jí)模型,完成了微變形鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由仿真得到的性能參數(shù)完全能滿足一般自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用要求.參考文獻(xiàn):1 M ali R K,Bifan o T G,Vandelli N,et al.Development of M icr oelectromechan ical Deformab le M irrors for Phase M odulation of Ligh tJ.Opt.Eng.1997,36:542 548.2 Cow an W D,Lee M K,W elsh B M,et al.Surface M icromachined Segmented M irror