mems微镜阵列单元设计研究

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文MEMS微镜阵列单元设计研究研究生：郑丽云指导教师：陈国金教授2015年03月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterDesignandResearchonMEMSMicro-MirrorArraysCandidate:ZhengLiyunSupervisor:Prof.ChenGuojinMarch，2015杭州电子科技大学硕士学位论文摘要MEMS技术是一个前沿的技术研究领域，广泛涉及到包括机械学、电子学和光学等在内的多个学科，并且相互之间

2、产生交叉耦合作用，被称作是一项面向21世纪能够广泛应用的新兴技术。而微反射镜阵列是近些年来伴随MEMS技术的进步而逐渐得到应用的一种微光学器件，随着微加工技术的不断发展，它在现代光纤通讯、投影显示等相关领域的运用日益广泛。本文对扭臂结构的MEMS微镜阵列单元进行了设计研究。首先，对微梁的基础力学知识进行了阐述，总结了其中几种常见的弹性梁结构，分析了多种弹性梁的力学特点。而后，通过对比目前MEMS中的几种主要驱动方式，提出选用扭臂结构式MEMS微镜阵列单元的结构模型。并在简要介绍其工作原理的基础上，结合微反射镜阵列单元中每个部分的不同特点，设计出了微镜阵列单元各部

3、分结构尺寸。并对所设计的微镜单元中扭臂的扭转运动进行了重点分析，通过比较静电力矩及恢复力矩随扭转角度的变化关系，得到了产生静电Pull-in现象的根本原因。同时，针对简化后的扭臂式微反射镜单元模型，讨论了对于静电Pull-in现象的分析方法，并得到用于描述Pull-in现象的参数化分析公式。在后续章节中以结构-静电耦合场为基础，利用ANSYS软件并对所设计单元包括在模态、谐响应频率以及吸合电压等在内的静态和动态特性参数进行研究，用以验证所设计出的微反射镜阵列单元的结构合理性。论文最后结合微驱动器工作性能要求及制作工艺的实现，提出了微反射镜阵列单元总体工艺流程设计

4、。针对金属双层布线工艺进行重点研究，选取合适的双层布线金属以及绝缘层材料，并针对金属镀层的剥离、绝缘层的沉积和反应离子刻蚀工艺进行了介绍。通过分析聚酰亚胺的特性，研究了包括固化、孔槽制作及释放在内的牺牲层制作工艺，随后借助氧等离子干法刻蚀工艺释放出牺牲层，制得可动的微反射镜结构。在论文最后对于全文主要工作和存在的问题进行了总结，并提出了今后的重点研究方向。关键词：MEMS，微镜阵列单元，Pull-in现象，机电耦合，牺牲层制作I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTMEMStechnologyisafrontierresearchfield,widelyi

5、nvolvedinmultipledisciplines:mechanical,electronic,optical,andmanyotherdisciplines,crosscouplingeffectbetweendisciplines.MEMSregardedasanewtechnologythatcanbeappliedingeneralapplication.Torsionmicromirrorisakindofmicroopticdevicewhichistrendedtobeusedingeneralapplicationsalongwiththe

6、developmentofMEMS.Withthecontinuousdevelopmentofmicroprocessingtechnology,torsionmicromirrorisbeingdevelopedforapplicationinmodernopticcommunication，projectiondisplayetc.Inthispaper,torsionmicromirrorcellofMEMSwasstudieddeeply.Firstly,introducedthemechanicalbasicknowledgeindetail,pre

7、sentedseveralcommonelasticstructuresandanalyzedthemechanicscharactersofvariouselasticbeams.AftercomparingseveralkindsofmaindrivemodeofMEMS,thepaperchosethestructuremodelofMEMSmicro-mirrorarrayunitoftorsionbeamstructure.Andthepartsstructuresizeofmicro-mirrorarrayunitwasdesignedbasingo

8、nintroductio