基于壓電微驅動器的微光掃描器件的關鍵技術研究.pdf

1、微顯示技術較之傳統(tǒng)顯示技術（CRT顯示技術、平板顯示技術、投影顯示技術等）具有小芯片實現大圖像、驅動電路與顯示芯片集成等特點，因此具有小體積便攜、低成本、低功耗的優(yōu)勢。微顯示技術的典型應用包括便攜式微型投影系統(tǒng)、近眼顯示系統(tǒng)、汽車前景顯示系統(tǒng)等。目前基于MOEMS器件的微顯示技術具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ渲?，采用壓電材料的MOEMS器件具有響應速度快、功耗低等顯著優(yōu)勢。本論文針對如何實現滿足微顯示成像應用的壓電微掃描鏡器件開展相關研究。

2、r>　　一，從理論上對壓電晶片驅動器的工作原理及基本模型進行了分析，優(yōu)選了單層壓電晶片驅動器結構。對于單層壓電晶片驅動器，通過優(yōu)化比較后確定壓電材料采用鋯鈦酸鉛材料，并需要形成鈣鈦礦結構;彈性層材料推薦采用二氧化硅;在單位電壓下偏轉角最大和能量轉換效率最高時，對應的材料厚度比為0.94;驅動電壓電場與壓電材料極化方向平行時驅動效率最高。
　　二，根據理論分析，優(yōu)化了硅基壓電薄膜的制備和成型工藝流程。對于制備工藝，重點改進了制備高品

3、質硅基鐵電薄膜工藝過程中組分控制、鈣鈦礦結構形成、層應力控制等技術。通過工藝摸索實現了高溫下較厚壓電薄膜的制備，滿足理想器件的設計要求，成功制備了0.8μm厚的壓電薄膜。利用快速升溫跳過雜相生成的溫度，顯著提高鈣鈦礦結構的比例。對于成型工藝，解決了濕法刻蝕中的鉆刻問題，將之與干法刻蝕相結合來刻蝕PZT薄膜，提高了刻蝕效率，節(jié)約了成本，并且降低了單純采用干法刻蝕對薄膜鐵電性的損傷。測試表明，利用這種改進過的Sol-Gel方法制備的PZT鐵

4、電薄膜，滿足單層壓電晶片驅動器在鋯鈦比、鈣鈦礦結構形成、極化方向、成膜基底的相關要求，并具備優(yōu)良的鐵電、介電品質。
　　三，設計和制備了一種新型雙S形單層壓電晶片驅動器的微掃描鏡，可應用于內窺鏡微成像顯示，以及其它分辨率要求較低的顯示系統(tǒng)中。這種設計的優(yōu)點在于將以往設計的電熱驅動方式改進為壓電驅動方式，將電流型器件改變?yōu)殡妷盒推骷@著降低了功耗，同時提高了響應速度?；钊托D模式的諧振頻率分別為2.45KHz和3.5KHz。鏡面

5、面積1.1mm×1.1mm，正弦波在2V驅動一對驅動器時，產生的諧振掃描角度可以達到9.65度。系統(tǒng)有功功率值約為74.31μW。
　　四，為了滿足高刷新率、高分辨率激光投影微顯示應用的行掃頻率要求，設計和制備了一個新的單層壓電晶片驅動器陣列的微掃描鏡。該結構利用耦合原理來克服壓電驅動臂楊氏模量不夠高的缺點，以獲得更高的工作頻率。為了在相同驅動電壓條件下獲得更大的位移，同時獲得更大的自由度，本設計將三段PZT單層壓電晶片和三段硅基

6、剛性梁結合在一起，形成一個折疊式PZT單層壓電晶片驅動器，這種結構利用角放大機制產生較大的垂直位移。將兩組驅動器對稱排列，實現對稱的應力卷曲，可以抵消鏡板因為單個驅動器陣列卷曲而引起的橫向位移。壓電層厚度為0.8μm PZT薄膜，彈性層為0.85μm二氧化硅薄膜。微鏡可以進行面內兩維掃描以及面外活塞運動。微鏡的諧振掃描頻率是362Hz（活塞），685Hz（X軸掃描），1250Hz（Y軸掃描）和21.2KHz（快速掃描），諧振掃描角達到9