一種靜電排斥力驅動的mems變形鏡的製作方法

2023-05-24 12:43:31 1

專利名稱：一種靜電排斥力驅動的mems變形鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及微光機電系統技術領域，特別涉及一種適用於自適應光學系統的靜電驅動 MEMS變形鏡。
技術背景在變形鏡領域，靜電驅動的MEMS變形鏡具有響應速度快、能耗低、體積小、單元密 度高以及與集成電路兼容性好的優點，而成為一種最具發展潛力的微變形鏡；然而，現有 的靜電驅動MEMS變形鏡都是基於靜電吸引力驅動的，其缺點是行程小和存在靜電拉入 (pull-in)形象。這種變形鏡的最大行程因受靜電拉入現象的影響而不會超過上、下電極初 始間隙的l/3; —旦出現靜電拉入現象，會使得上、下電極短路，導致整個器件失效。 發明內容本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種靜電排斥力驅動的MEMS 變形鏡，它能有效地消除靜電拉入現象，並提高變形鏡的行程。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，包含電源接線端1、電源接線端2、矽基底、位於矽基底之上的Si3N4絕緣層、位於絕緣層 之上的下極板3和下極板錨點7，以及位於下極板上方的上極板8、上極板錨點10和支撐 梁9，其特徵在於所述下極板3各邊緣或者每間隔一條邊的邊緣外面均排布有三個條形下 電極4、下電極5和下電極6。所述的三個條形下電極4、下電極5和下電極6的排布方向平行於所排布的邊。 所述的上極板3和下極板8可以是正多邊形，其材料可以是多晶矽材料或金屬材料。 所述的上極板3中有個小孔11。所述的三個條形下電極4、下電極5和下電極6之間的間距、以及下電極6與下極板3 的間距均為3 8^m，而且保持相等。所述的三個條形下電極4、'下電極5和下電極6中，下電極4和下電極6電壓相等，並 通過導線與電源接線端2相連。所述的三個條形下電極中間的一個下電極5與下極板3、接線端1以及距離接線端1 最近的一個錨點7的電壓都相等。所述的三個條形下電極4、下電極5和下電極6與支撐梁9保持平行，且下電極5的中心線與上極板的支撐梁9中心線重合。所述的三個條形下電極4、下電極5和下電極6的寬度與上極板支撐梁9的寬度之比為 1:1 5:2。所述的上極板3和下極板8之間的間距為0.1 10u m。本發明與現有技術相比所具有的優點本發明通過在下極板各邊(或者每間隔一條邊)外面分別引入三個下電極，使得通電後上極板支撐梁受到的靜電合力表現為豎直向上的排斥力，從而帶動上極板一起向上運動，這樣不僅消除了靜電拉入(pull-in)現象，而且增大了變形鏡的行程，提高了變形鏡在自適應光學系統應用中校正像差的能力。


圖l是四邊驅動的變形鏡的下極板結構示意圖。 圖2是四邊驅動的變形鏡的上極板結構示意圖。 圖3是四邊驅動的變形鏡的三維結構示意圖。 圖4是四邊驅動的變形鏡三維結構圖的側視圖。 圖5是四邊驅動的變形鏡施加電壓時形變示意圖。 圖6是隔邊驅動的變形鏡的下極板結構示意圖。 圖7是隔邊驅動的變形鏡施加電壓時形變示意圖。圖中l為電源接線端，2為電源接線端，3為下極板，4為下電極，5為下電極，6為 下電極，7為下極板錨點，8為上極板，9為上極板支撐梁，IO為上極板錨點，ll上極板小 孔。具體實施例下面結合附圖和具體實施方式
詳細介紹本發明。下面以上、下極板尺寸均為400iimx 400um的正方形、採用靜電排斥力驅動的MEMS 分離式(Segmented)變形鏡為例，結合附圖對本發明作具體描述。變形鏡的最下層為矽基底，位於矽基底之上的是Si3N4絕緣層，位於絕緣層之上的是下極板3，下極板3的結構示意圖如圖1所示，其中下極板3的材料為多晶矽或金屬，在下極 板3各邊緣外面均排布有三個條形下電極4、下電極5和下電極6，電源接線端l通過導線 連接到下電極5、下極板3和錨點7，電源接線端2通過導線連接到下電極4、下電極6。 下極板錨點7分布在下極板3的四個角之外。其中三個條形下電極4、下電極5和下電極6的間距、以及下電極6與下極板3的間距 均為4um;三個條形下電極4、下電極5和下電極6中，下電極4和下電極6電壓相等均 為Vp下電極5與下極板3、電源接線端1以及距離龜源接線端I最近的一個錨點7的電壓都相等,均為V2; V!與V2不相等，從而能夠產生一個電勢差。變形鏡的上極板8位於下極板3的正上方，上極板8的結構示意圖如圖2所示；其中 上極板8的材料也可以為多晶矽或金屬；在上極板8的每個邊的邊緣均排布有一個"L"型 的上極板支撐梁9，同時上極板支撐梁9位於條形電極5的正上方，且與三個條形下電極4、 下電極5、下電極6保持平行；上極板支撐梁9的另一端連接上極板錨點10，這裡選擇上 極板錨點10是尺寸為30n mx30y m，四個上極板錨點10分別和其正下方的下極板錨點7 相連；可以得到整個變形鏡的結構示意圖如圖3所示；在上極板8中還有一個小孔11主要 用於溼法腐蝕過程中釋放犧牲層和降低上極板的應力。三個條形下電極4、下電極5和下電極6的寬度與上極板支撐梁9的寬度之比為5:4， 例如每條下電極寬度為10um，上極板支撐梁的寬度為8"m。如附圖4所示為變形鏡的側面示意圖；這裡選擇上、下極板之間的空氣間隔為lum。如附圖5所示為變形鏡接通電源後的工作示意圖；不施加電壓吋，上極板8處於靜止 平衡狀態；當給兩個電源接線端1加120Vol和電源接線端2加OVol電壓時，下電極5與 下極板3、電源接線端1以及錨點7的電壓為120Vol，下電極4和下電極6通過導線與電 源接線端2相連，所以下電極4和下電極6電壓為OVol，而且錨點7與錨點10是相連接的， 從而使上極板8的電壓也為120Vol。上極板8與下極板3的電壓一樣，並且上極板支撐梁9與下電極5電壓也相同，由此 產生一個較大的靜電排斥電場；而上極板支撐梁9與下極板3的條形下電極4和下電極6 的電壓不同，具有電勢差，將產生一個較小的靜電吸引電場；因此，對上極板8和上極板 支撐梁9產生一個非均勻分布的電場，形成的一個合力方向向上的靜電排斥力，從而使上 極板豎直向上運動，達到10um的位移，這樣不僅避免了靜電拉入現象的發生，而且行程 不再受限於上下極板初始間隙的1/3,從而增強了變形鏡的像差校正能力。以上是正方形上極板的每個邊緣外面均排布有三個條形下電極4、下電極5和下電極6 的情況；如果只在變形鏡相隔一條邊的邊緣外面排布三個條形下電極4、下電極5和下電極 6，而變形鏡上極板8、下極板3、下極板的錨點7和上極板的錨點10、各條形下電極4， 下電極5和下電極6的結構參數均保持不變，變形鏡下極板3的示意圖如圖6所示，沒有 排布下電極的兩邊的錨點7通過導錢和下極板3相連接，'錨點7的位置與四邊驅動的情況 下是相同的；變形鏡接通電源後的形變圖如圖7所示，與四邊邊緣均有下電極不同的是， 要達到相同的10ym的位移量，需要施加150伏的電壓，施加電壓值比四個邊緣均有下電 極的情況時要大。
權利要求
1、一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，包含電源接線端(1)、電源接線端(2)、矽基底、位於矽基底之上的Si3N4絕緣層、位於絕緣層之上的下極板(3)和下極板錨點(7)，以及位於下極板上方的上極板(8)、上極板錨點(10)和上極板支撐梁(9)，其特徵在於所述下極板(3)各邊緣或者每間隔一條邊的邊緣外面均排布有三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)。
2、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)的排布方向平行於所排布的邊。
3、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的上極板(3)和下極板(8)可以是正多邊形，其材料可以是多晶矽材料或金屬材料。
4、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的上極板(3)中有個小孔(11)。
5、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)之間的間距、以及下電極(6)與下 極板(3)的間距均為3 8um，而且保持相等。
6、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)中，下電極(4)和下電極(6)電壓 相等，並通過導線與電源接線端2相連。
7、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的三個條形下電極中間的一個下電極(5)與下極板(3)、接線端(1)以及距離接線端(1) 最近的一個錨點(7)的電壓都相等。
8、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於所述 的三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)與支撐梁(9)保持平行，且下電極(5)的中心線與上極板的支撐梁(9)中心線重合。
9、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形凝i其特徵在於所述 的三個條形下電極(4)、下電極(5)和下電極(6)的寬度與上極板支撐梁(9)的寬度 之比為1:1 5:2。
10、 根據權利要求1所述的一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，其特徵在於上極 板(3)和下極板(8)之間的間距為0.1~10y m。
全文摘要
本發明公開了一種靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡，包含兩個電源接線端、矽基底、位於矽基底之上的Si3N4絕緣層、位於絕緣層之上的多晶矽或金屬下極板和下極板錨點，以及位於下極板上方的多晶矽或金屬上極板、上極板錨點和上極板支撐梁，其特徵在於所述下極板各條邊或者每間隔一條邊的外面均有三個條形下電極；本發明的靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡能夠消除靜電拉(pull-in)現象、增大光學像差校正能力、結構簡單；且本發明的靜電排斥力驅動的MEMS變形鏡可構成連續或分離的鏡面，由其構成的自適應光學系統能夠適用於各種要求大行程變形鏡的光學系統，具有十分重要的應用價值。
文檔編號G02B26/08GK101236300SQ20081010129
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者軍 姚, 胡放榮, 邱傳凱 申請人:中國科學院光電技術研究所