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可调谐光栅由于衍射光角度以及衍射光强可调而有其广泛的应用需求和研究意义。MEMS技术与可调谐光栅结合一方面可以实现微型化,另一方面可以获得更多、更好的性能。但随着周期调谐比的增大,需要驱动器有更大的驱动行程的驱动器,并且,为方便与IC集成,还要更低的驱动电压;而且,在器件设计流程与制作工艺方面也遇到了新的困难。
本论文针对大周期调谐范围的MEMS可调谐光栅设计制作中出现的问题,提出了一种采用大位移、低电压梳齿静电驱动器的大周期调谐比MEMS可调谐光栅。以梳齿驱动的纵向稳定性因子为主线,深入研究了弹性梁的非线性理论以及对纵向稳定性的影响;同时分析光刻、DRIE等工艺偏差对纵向稳定性的影响,在此基础上设计了采用预弯曲梁的梳齿驱动器并分析了其在大位移时的应力分布,增大了位移、降低了驱动电压。通过TFCalc35光学软件模拟选择了合适的金膜厚度,并根据光学理论优化选择了光栅结构参数;通过Ansys和Coventor软件模拟进行了可调谐光栅结构参数优化设计。通过优化工艺流程,实现了高反射率光栅与梳齿驱动器的同步制作,并解决了可动结构断裂导致器件失效问题,成功制作出器件。
经过器件制作和测试,得到主要结论如下:
(1)设计、制作了一种预弯曲梁结构、长度渐变梳齿驱动器,72 V的驱动电压下可以实现100μm位移,Q值36。
(2)设计制作了采用等长梳齿驱动的MEMS可调谐光栅,在48V的驱动电压下,可以实现16.7%的周期调谐比,基模态共振频率1.33kHz;为提高侧向稳定性,采用线性等长梳齿驱动的MEMS可调谐光栅,在37V驱动电压下实现了12.5%的周期调谐比;为进一步降低器件在重力作用下的形变,优化设计了一种采用附加弹性梁结构的MEMS可调谐光栅,使重力沿垂直光栅平面方向形变量最大可减小87.7%。制作出的三种光栅器件表面平均粗糙度在1.8nm左右,预计反射率在92%以上。