非正交二维MEMS倾斜镜的研制

　　1　引　言

　　光学倾斜镜在光通讯、投影显示、光学成像等系统中具有重要的应用价值。MEMS倾斜镜具有可批量生产、成本低、能耗小、动态响应快等优点,因此得到了科研工作者的广泛关注[1-5]。目前,用于光开关领域中的倾斜镜多是一维倾斜镜,为实现两个方向的光路转换需要倾斜镜的阵列组合,系统结构复杂、体积大,空间适应性弱,且驱动程序、控制系统繁杂、苛刻[6]。二维倾斜镜可在一个器件上实现两个方向的光路转换,空间占用体积小,工作效率高。传统的二维倾斜镜的转轴是正交的,当转换光路有特殊要求时,如在一个受限空间内实现非正交方向上的两光路的相互转换时,则需要两次高精度的镜面偏转,不仅效率低,而且还可能因空间局限性而无法完成预定目标。若倾斜镜的转轴是非正交的,则镜子在实现绕其非正交轴方向上的光路转换时,偏转一次即可完成,相对效率高。因此,在所转换光路呈非正交状态排布时,非正交二维MEMS倾斜镜具有独特的优势。本文基于硅表面加工工艺设计并制作了非正交的二维MEMS倾斜镜,镜面可以实现绕两个非正交转轴的倾斜偏转,倾斜镜的结构简单、驱动电压低,并能有效地防止静电吸合失效。

　　2　工作原理

　　转轴正交的二维MEMS倾斜镜的结构如图1所示,X,Y轴是转轴。二维倾斜镜的光路转换原理如图2所示,假定某二维倾斜镜安装在原点O处,其可以沿正交的X轴和Z轴偏转。欲将光源P发出的光线PO,从光路OA输出时,只需要倾斜镜沿Z轴旋转一定角度即可。同理,若要其从光路OB输出,则镜面只需沿X轴旋转即可。当需要把光线沿光路OC输出时,镜面则需要先沿Z轴旋转角度,将光路转移至OC′,然后再沿X轴旋转角度θ,最终将光路转移到OC,分两步完成预定要求。这种方案不仅费时、效率低,而且镜面的两次偏转都有严格的控制要求,当光路转换发生问题时,很难找出产生问题的根源,难以纠正。另外,若C处严禁光照或倾斜镜在某轴上的偏转角度受限,系统则无法完成预定目标。若原点处的倾斜镜是二维非正交,假设X轴、U轴是转轴,则镜面只要沿X轴和U轴各偏转一次即实现光路从PO到OB,OC的转换,操作简单,工作效率高。基于此,本文设计了转轴非正交的二维MEMS倾斜镜,倾斜镜的结构如图3所示。

　　图3中的下图是倾斜镜的截面示意图。倾斜镜镜面由一根梁非对称地固定在基底上,此梁起到支撑镜面和转轴的作用。倾斜镜的上下驱动电极成插齿状分布,二者在垂直方向上有着2μm的行程间隙,且在二者边缘处有35μm×305μm的重叠区,当上下电极间存在一个电压差时,重叠区产生静电力,带动镜面偏转。若在镜面左右两边的下电极同时加电,则在对称静电力的作用下,镜面产生绕X轴方向的倾斜变形。若只在其一边的下电极加电,则镜面会产生沿Y轴的倾斜变形。如图3所示,在镜面右边下电极加电时,静电力产生的力矩可分解为两个绕相互正交的X轴、Y′轴的分力矩M1和M2,将M1和M2进行合成,再根据M的角度关系即可确定倾斜镜的实际Y轴的位置。