基于体硅工艺的微反射镜的原理性实验

微光机电系统(micro-opto-electro-mechanicalsystem, MOEMS)是近几年来逐渐为人们所重视的研究领域。微光机电系统是指用于光学领域或采用光学原理进行工作的微机电系统[1]。目前,国内外对于微光机电系统的研究取得了相当多的进展,典型的微光机电系统有用于投影的数字微镜器件(digital micromirror device, DMD),用于光通信网络的光开关和用于图像校正的空间光调制器(spatial light modulator, SLM)等[2,3]。

作为微光机电系统的重要组成部分,微反射镜在图像显示、光通信和光扫描等领域有着广泛的用途。根据结构和加工工艺的不同,微反射镜又可以细分为单个微反射镜和微反射镜阵列两大类。一般说来,单个微反射镜多采用自停止腐蚀和反应离子刻蚀等体硅工艺,与键合工艺相结合,其优势在于镜面面积大,驱动电压低,易于实现大偏转角度,而劣势在于质量和惯性比较大,固有频率较低,典型的单个微反射镜如美国AppliedMEMS公司研制的DuraScan系列微反射镜[4]。

基于体硅工艺的单个微反射镜有望作为角锥棱镜的核心部件,在激光敌我识别、光通信等应用中发挥重要的作用。本文简要介绍了一种基于体硅工艺的单个微反射镜的设计原理、结构特性和加工工艺,着重分析了测试方法和结果。

1　设计原理

微反射镜的工作原理大多是由梁支撑的悬空镜面在驱动力的作用下发生偏转,从而改变入射光的方向。图1是本论文所介绍的静电驱动微反射镜的结构。

微反射镜由两根提供扭转力矩的梁支撑,在镜面下方的衬底上有两块静电驱动电极。在镜面和驱动电极之间未施加电压时,镜面不发生偏转,保持平状态;施加电压时,在镜面和驱动电极之间产生电场,在电场力作用下镜面发生偏转,同时梁上产生扭矩,当偏转力矩与扭矩相等时,镜面偏转到一个平衡状态。通过改变驱动电压,可以在一定的范围内连续控制镜面的偏转角度。

2　结构建模

微反射镜在静电偏转力矩和弹性回复力矩的作用下达到平衡状态,基本的方程为

式中:Me是静电偏转力矩,Mr是弹性回复力矩。静电偏转力矩可以进一步表示为[5]

其中:ε0是真空中的介电常数,V是静电驱动电压,b是镜面的宽度,θ是镜面的偏转角度,d是空气间隙的厚度,α1是转轴到驱动电极在水平方向上的最近距离,α2是转轴到驱动电极在水平方向上的最远距离。

对式(2)进一步简化为

式中:θmax=d/α3,β=α2/α3,γ=α1/α3,Θ=θ/θmax。

其中,α3是转轴到镜面边缘的距离,θmax是最大偏转角度,Θ是归一化偏转角度。

弹性回复力矩可以进一步表示为