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基于MEMS技术的非平面内静电梳齿驱动器在光通信和图像显示领域有重要应用,近年来成为国内外研究的热点。
论文首先根据静电梳齿的驱动原理设计了二维驱动器结构,整个器件由外围垂直驱动部分和内部水平驱动部分组成,通过制作绝缘填充槽,使两部分在机械互连的情况下实现电绝缘。驱动器的垂直驱动部分采用四根折叠梁,在Z方向的刚度为67N/m,Z方向与X、Y方向上的刚度比为1:7.5;水平驱动部分采用四根直梁,在Y方向的刚度为25N/m,Y方向与X、Z方向上的刚度比为l:17.5。通过ANSYS模态仿真得到驱动器垂直驱动频率为2470Hz,水平驱动频率为2929Hz,验证了设计的可行性。理论上施加30V的垂直驱动电压和水平驱动电压,可使镜面分别实现10um左右的垂直驱动位移和水平驱动位移。
接着,介绍了二维驱动器的制作工艺流程,驱动器的制作采用硅-硅键合技术,首先在结构片正面制作出绝缘填充槽,以实现垂直驱动部分和水平驱动部分的电绝缘,然后利用DRIE干法刻蚀技术释放结构,最后通过硅的塑性变形工艺使驱动器外围垂直驱动部分的可动梳齿和固定梳齿在垂直方向上产生位错。对于器件制作过程中出现的问题在论文中也进行了说明并提出了相关的解决方法。
其次,研究了二维驱动器的关键工艺,包括硅-硅键合工艺、硅的塑性变形工艺以及绝缘填充槽工艺,基于这些工艺最终成功制作出若干个二维梳齿驱动器的样品。
最后,对制作的样品器件进行了测试。先用WYKO测试了3个器件外围垂直驱动梳齿的位错量,分别测得20.3μm,22.0μm,25.4μm。然后对器件进行水平方向的静电测试,当驱动电压为20V时能达到8μm的驱动位移。最后对器件进行了垂直方向的静电测试,由于塑性变形后垂直驱动可动梳齿与左右两侧的固定梳齿间的间隙不等,加电过程中出现了横向吸合现象。
本文设计的二维驱动器成本低,驱动距离大,可用于微操作和微定位,同时也为三维驱动器的引入提供了很好的实验参考。