一种静电驱动微机械变形反射镜

　　变形反射镜(简称变形镜)是自适应光学技术的关键器件,主要用于光学系统中校正系统自身或外部各种因素对光束造成的静态以及动态的波前误差。其 特点是在外加力作用下,以高分辨率快速实现光学镜面面形变化从而改变光束波前位相,使系统成为能动可控的光学系统。现有的几种变形镜大都采用材料的压电效 应进行驱动,驱动电压高,响应频率低,且体积庞大、成本高昂,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[1, 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镜。近年来随着基于硅微加工技术的微电子机械系统(MEMS)领域的兴起,使 MEMS变形镜在低成本、小型自适应光学系统的应用成为可能[3]。MEMS变形镜具有体积小、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、医疗仪器等众多领域都有潜在的应用前景[4]。本文给出了一种新型的 MEMS连续薄膜变形反射镜的设计思路,探讨了各主要结构参数及驱动电压对MEMS连续薄膜变形镜的变形位移的影响,分析了变形镜的回复瞬态特性。

     1　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。镜面由弹性铝反射膜/多晶硅膜双层连续膜构成,连 续薄膜反射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弹性氧化硅薄板构成, 弹性氧化硅薄板通过氧化硅台柱支撑于氮化硅层上方。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。多单元支撑下薄膜中某一点(x,y)、某时刻t的位移由其邻近三个刚性支柱的坐标位移几何决定。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。

     2　变形反射镜的驱动特性

　　静电驱动的一个重要特征是能够准确地控制镜面形变。为了实现对变形镜结构优化设计,需把握各种参数对变形镜驱动器发生形变的影响。静电驱动结构 在力学上其本质是两端固定弹性薄板结构,在电学上可与驱动电极一起在整体上视为平行平板电容器。两端固定弹性薄板结构可看成两端固定的微梁结构叠加,对应 于弹性薄板结构变形的微分方程为[5]

边界条件:

　　在式(1)中,以弹性薄板固定端的一端为坐标轴横轴的起点,沿薄板的跨度方向为横轴x方向,则x是指弹性薄板各点的跨度位置,z(x)是表征弹 性薄板上各点变形程度的函数,L是薄板的长度;T是弹性薄板中的力,T=σws,σ是薄板的应力,w是薄板的宽度, s是薄板的厚度;E是薄板的弹性模量; I是薄板的惯性力矩; q是薄板单位长度上的静电力大小,q=εrε0wV2/2[g-z(x)]2,g是薄板未变形时两电极间距,V是施加的电压,εr是空气的相对介电常 数,ε0是真空中的介电常数。