基于MEMS的光學(xué)調(diào)制器設(shè)計(jì)和工藝研究.pdf

1、MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,給傳統(tǒng)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和制造帶來了全新的思路.基于MEMS的光學(xué)器件的設(shè)計(jì)及制造近幾年層出不窮,但同時(shí)傳統(tǒng)光學(xué)器件制造工藝與MEMS硅微加工工藝之間卻缺乏良好的兼容性,這導(dǎo)致目前對(duì)光學(xué)MEMS(MOEMS)研究大多集中于構(gòu)造硅基板采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝的可調(diào)諧器件.由于硅的透過特性,器件往往只能工作在紅外波段,這就大大限制了器件在可見光波段的應(yīng)用,而位于可見光波段的圖像顯示又是光學(xué)應(yīng)用中最重要的一塊.本課題就是針對(duì)這一

2、情況提出.本文首先對(duì)MEMS的一些典型加工工藝以及目前存在的一些MOEMS器件進(jìn)行了介紹.然后利用傳統(tǒng)薄膜工藝和MEMS工藝的結(jié)合,設(shè)計(jì)了兩種基于K9玻璃基板的微光學(xué)調(diào)制器.兩種調(diào)制器分別為全介質(zhì)反射鏡的干涉調(diào)制器和金屬反射鏡的調(diào)制器.調(diào)制器是基于F-P腔光譜選擇原理,通過上下層導(dǎo)電薄膜的靜電力調(diào)諧中間的空氣腔.器件的薄膜膜系利用傳統(tǒng)薄膜工藝濺射和熱蒸發(fā)的方法制備,中間的空氣腔用MEMS表面加工的犧牲層技術(shù)實(shí)現(xiàn).文中對(duì)微調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和實(shí)

3、現(xiàn)的功能進(jìn)行了介紹.對(duì)器件的電力學(xué)性能做了分析,應(yīng)用平板電容模型做了靜態(tài)模型分析.用有限元的方法結(jié)合數(shù)值迭代,動(dòng)態(tài)模擬了器件各個(gè)部分的變形和不同電壓下器件中心點(diǎn)變形,并對(duì)靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型對(duì)輸出光譜性能的影響做了比較.針對(duì)器件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),提出了三種不同的工藝流程,并對(duì)各個(gè)工藝流程的優(yōu)缺點(diǎn)做了比較.在加工過程中,重點(diǎn)對(duì)器件制造中涉及的SiN<,x>薄膜以及性能介于SiN<,x>和SiO<,2>之間的SiO<,x>N<,y>薄膜工藝進(jìn)行了實(shí)

4、驗(yàn)和分析.研究了鍍膜時(shí)的真空度、工作氣體流量比率、工作氣壓等對(duì)器件光學(xué)常數(shù)、濺射速率、表面面形等的影響.對(duì)于器件在微機(jī)械結(jié)構(gòu)釋放工藝過程中發(fā)生粘連效應(yīng)(Stiction effect)和屈曲效應(yīng)(Buckling effect)做了重點(diǎn)研究,從原理上分析了這兩種效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理.Stiction效應(yīng)的產(chǎn)生為液-氣相變時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)力所致,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減小橫梁長(zhǎng)度以及用異丙醇處理可以很大程度上改善這種效應(yīng).Buckling效應(yīng)的產(chǎn)生為薄膜壓應(yīng)