新型微机械变形反射镜研究

　　1　引　　言

　　变形反射镜是自适应光学系统中的核心组成部分之一[1],它的表面质量、尺寸、功耗、冲程和响应时间等参数直接决定了自适应光学系统的性能。现有的几种变形反射镜大都采用材料的压电效应进行驱动,驱动电压较高,响应频率较低,且体积大、成本高,因而目前大都只应用于大型地基天文望远镜的自适应光学系统中[2]。为了推广自适应光学的应用,急待解决的问题就是发展小型低能耗的变形反射镜。MEMS技术极大地推动了自适应光学技术的发展,用MEMS技术制造的微机械变形反射镜具有体积小、成本低、能耗低、响应快及集成度高等传统自适应光学系统不具备的特点,可以用标准化工艺大批量生产,在天文、航天、光通讯、高精度测距、遥感、强激光技术、医疗仪器等众多领域都有潜在的应用前景[3]。文中给出了一种新型的MEMS连续薄膜变形反射镜的设计思路,并对其工作原理和性能进行了分析和讨论。

　　2　原理和结构

　　MEMS连续薄膜变形反射镜结构如图1所示,主要由硅基板、驱动器阵列和柔性连续膜镜面组成。镜面由铝反射膜和多晶硅膜双层膜构成,薄膜镜面通过刚性支柱自持于驱动器阵列单元上方。驱动器阵列单元下部分由方形电极、氮化硅层和硅基板构成,上部分由方形电极和氧化硅薄板构成,氧化硅薄板通过弹性梁支撑于硅基板。这种结构的驱动单元由上下两块平行方形板组成,当在上下平板间施加电压时,产生的静电力会将上平板下拉,从而带动相应的镜面支柱位移。通过控制驱动器阵列单元位置坐标电极和电压,就可获得特定的镜面形状。

　　3　静电驱动力的静态模型

　　微机械变形反射镜是靠静电作用驱动的,静电力会将上平板下拉,产生垂直于平板所在平面的运动,而同时弹性梁会产生回复力,二者平衡时上平板就会稳定在某一位置。作用在变形镜驱动器上平板的力由驱动器上下电极之间的电压V决定,该静电力可由方程(1)表示:

　　静电力使上平板下移,弹性支撑梁的形变产生回复力为:

　　由(4)式可得x=d0/3时的临界电压为:

　　式(1)和(2)表明,当位移x增加时,回复力Fk是线性增加的,而静电驱动力Fa是非线性增加的,其增大程度远远大于回复力。当x 较稳定的;当x>d0/3时,就会发生叫做“拉入”的不稳定现象,上下极板吸附在一起,这是由于静电力增加程度远远大于回复力增加程度造成的。发生“拉入”时的临界电压Vp称作拉入电压,当电压减小到某一值时,上下极板才会分离开,这一电压叫做“拉出”电压。由于机电滞后效应的影响,拉入电压大于拉出电压。