一种新型二维MEMS扭转镜的设计及实现

一种新型二维ＭＥＭＳ扭转镜的设计及实现

王松杰，张玉冲，张国庆

（中国空空导弹研究院，河南洛阳　４７１００９）

摘　要：二维ＭＥＭＳ扭转镜广泛应用于光纤通讯、投影显示、数据存储、精密测量、医疗成像和生物技术等国防和民用领域。在分析二维ＭＥＭＳ扭转镜工作原理的基础上，利用Ｌ－ｅｄｉｔ软件对二维ＭＥＭＳ扭转镜器件的版图进行了设计。基于ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）制作工艺，确定了扭转镜器件加工工艺流程，按照工艺流程成功制造出二维扭转镜样件，并对制作完成后的器件进行初步的性能测试，获得了不同的扫描图形。

关键词：微光机电系统（ＭＥＭＳ）；二维扭转镜；ＳＯＩ工艺；静电驱动

中图分类号：ＴＰ２７１＋．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－５０４８（２０１４）０２－００３８－０３

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＮｏｖｅｌＴｗｏ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ

ＭＥＭＳＴｏｒｓｉｏｎＭｉｒｒｏｒ

ＷＡＮＧＳｏｎｇ－ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧＹｕ－ｃｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＧｕｏ－ｑｉｎｇ

（ＣｈｉｎａＡｉｒｂｏｒｎｅＭｉｓｓｉｌｅＡｃａｄｅｍｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１００９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭＥＭＳｔｏｒｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｆｉｅｌｄｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕ－ｎｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｄｉｓｐｌａｙ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇａｎｄｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭＥＭＳｔｏｒｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒ，ｔｈｅｌａｙｏｕｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＬ－ｅｄｉｔｓｏｆｔｗａｒｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＳＯＩｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄａｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｏｒ－ｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒｉｓｃｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｎｎｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｔｏｒｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒ；ＳＯＩｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｄｒｉｖｅ

０　引 言

二维ＭＥＭＳ扭转镜作为一种重要的光学ＭＥＭＳ器件，在光纤通讯、投影显示、数据存储、精密测量、医疗成像和生物技术等国防和民用领域都有着广泛的应用［１－２］。作为一种新型的偏转扫描微反射镜，与一维ＭＥＭＳ扫描镜相比，反射面具有两个自由度，根据光的反射工作原理，通过反射面的位置不断发生变化，改变入射光的方向，对某一区域进行二维扫描。目前研制的二维ＭＥＭＳ扭转镜主要采用电磁驱动方式、磁致伸缩驱动方式、收稿日期：２０１３－１１－２７

作者简介：王松杰（１９８７－），男，河南许昌人，助理工程师，研究方向是微机电系统设计。

压电驱动方式、电热驱动方式和静电驱动方式五种主要的形式。相对于其他四种驱动类型，静电驱动方式具有功耗低、工艺相对简单、无需外部磁体及ＰＺＴ等额外的材料辅助，且与ＩＣ工艺完全兼容等优点，已成为国内外的一个研究热点［３－４］。目前，静电驱动方式主要包括类平行板电容、平面梳齿和垂直扭转梳齿三种，每种驱动方式都各有其优缺点，但是垂直扭转梳齿凭借出色的运动特性成为大多数静电驱动ＭＥＭＳ扭转镜的驱动方式。１　设 计

１．１　工作原理

二维ＭＥＭＳ扭转镜由ＳＯＩ硅片制作而成，包括结构层、绝缘层和基底层。可动结构（镜面和万

２０１４年第２期２０１４年４月

航空兵器

ＡＥＲＯＷＥＡＰＯＮＲＹ ２０１４Ｎｏ．２

Ａｐｒ．２０１４