大冲程低PV值的分立式微变形镜结构设计研究

 　　采用微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem, MEMS)表面工艺制造的静电驱动分立式微变形镜[1～4]由于具有单元质量轻、谐振频率高、响应速度快、驱动电压低、功耗低的特点,易于实现自适应光学 系统高速低功耗校正与单片集成,已成为国内外微变形镜研究的新方向和热点。

　　然而,受残余应力变形的影响,目前的分立式微变形镜表面的平面度峰谷值(Peak-to-Valley,PV)较大,严重影响了波前校正质量, 使其还不能应用于实际的自适应光学系统中;此外,受到牺牲层厚度的限制,使用表面工艺制作的静电驱动分立式微变形镜普遍存在因冲程小而导致的可校正波带窄 的缺点,只能对可见光进行校正,尚不能用于自适应光学系统常用的红外波段。各研究单位一直在寻求这些问题的有效解决方法。

　　针对静电驱动分立式微变形镜目前所面临的残余应力变形和冲程小的问题,本文提出了一种新的分立式微变形镜结构设计方案,以期得到高镜面平面度和大冲程的静电力驱动分立式微变形镜,加快其实用化进程。

　　1　残余应力引起的镜面变形

　　在表面工艺中,结构是经过先在牺牲层上形成平板或者梁,然后再腐蚀掉牺牲层而得到。这种工艺不可缺少的步骤是在基底上沉积薄膜,由于在沉积和退 火过程中的温度变化,薄膜中不可避免地会产生残余应力。这种应力作用有时非常显著,在腐蚀牺牲层,即释放结构时会引起结构的失稳、弯曲甚至断裂;残余应力 还会影响结构的工作性能,比如会改变谐振结构的共振频率,进而影响结构对外界的响应[5]。

　　多晶硅作为变形镜的结构层,其厚度通常为数个微米,残余应力在其厚度方向上不均匀分布,存在如图1所示的应力梯度(图中向右方向的应力表示拉应 力)。图中多晶硅薄膜下表面的拉应力要大于上表面,在这个应力梯度的作用下,多晶硅平板会产生一个如图2所示的上凸变形。同时,为了提高微变形镜镜面的反 射率,通常在多晶硅的表面沉积1层高反射率、化学稳定性好的金属(如金),与多晶硅相比,金属的厚度较小,一般为几百纳米,其残余应力可以近似为沿厚度方 向均匀分布,如图1所示。

　　金属膜内部的残余应力也是拉应力,其值一般要大于多晶硅的残余应力。在金属中拉应力的作用下,多晶硅/金属的双层膜会产生如图3(a)所示的上 凹变形。为了减少残余应力引起的这种出平面(Out-of-Plane)变形,Adisorn提出减小金属层面积,同时将1个微透镜阵列与变形镜配合以将 光汇聚到微变形镜的有效反射面积上的方法[3],应用此种方法的变形镜单元如图3(b)所示。