基于MEMS的光學調制器設計和工藝研究.pdf

1、MEMS技術的迅猛發(fā)展,給傳統(tǒng)光學器件的設計和制造帶來了全新的思路.基于MEMS的光學器件的設計及制造近幾年層出不窮,但同時傳統(tǒng)光學器件制造工藝與MEMS硅微加工工藝之間卻缺乏良好的兼容性,這導致目前對光學MEMS(MOEMS)研究大多集中于構造硅基板采用常規(guī)半導體工藝的可調諧器件.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用,而位于可見光波段的圖像顯示又是光學應用中最重要的一塊.本課題就是針對這一

2、情況提出.本文首先對MEMS的一些典型加工工藝以及目前存在的一些MOEMS器件進行了介紹.然后利用傳統(tǒng)薄膜工藝和MEMS工藝的結合,設計了兩種基于K9玻璃基板的微光學調制器.兩種調制器分別為全介質反射鏡的干涉調制器和金屬反射鏡的調制器.調制器是基于F-P腔光譜選擇原理,通過上下層導電薄膜的靜電力調諧中間的空氣腔.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實現(xiàn).文中對微調制器的結構和實

3、現(xiàn)的功能進行了介紹.對器件的電力學性能做了分析,應用平板電容模型做了靜態(tài)模型分析.用有限元的方法結合數(shù)值迭代,動態(tài)模擬了器件各個部分的變形和不同電壓下器件中心點變形,并對靜態(tài)模型和動態(tài)模型對輸出光譜性能的影響做了比較.針對器件設計的結構,提出了三種不同的工藝流程,并對各個工藝流程的優(yōu)缺點做了比較.在加工過程中,重點對器件制造中涉及的SiN<,x>薄膜以及性能介于SiN<,x>和SiO<,2>之間的SiO<,x>N<,y>薄膜工藝進行了實

4、驗和分析.研究了鍍膜時的真空度、工作氣體流量比率、工作氣壓等對器件光學常數(shù)、濺射速率、表面面形等的影響.對于器件在微機械結構釋放工藝過程中發(fā)生粘連效應(Stiction effect)和屈曲效應(Buckling effect)做了重點研究,從原理上分析了這兩種效應產生的機理.Stiction效應的產生為液-氣相變時產生的毛細力所致,通過實驗發(fā)現(xiàn)減小橫梁長度以及用異丙醇處理可以很大程度上改善這種效應.Buckling效應的產生為薄膜壓應