MEMS-DMs设计与工艺技术研究

论文摘要

本论文设计的项目主要从校正光线穿过大气、光学设备时产生的波前畸变出发,分析自适应光学校正方法,提出自适应光学波前校正系统中的核心执行器件DMs 的设计结构和制造方法。随着小型化趋势的发展,和空间光学器件对体积、质量的要求,质量轻,体积小的DMs 是本项目设计的创新点,也是本项目的难点所在。本文采用基于MEMS 技术的工艺流程, 提出一种新型大有效面积的连续变形反射镜的结构。通过体硅工艺进行制造以获得更为平整的反射镜面和更多的自由度,通过创新的在镜面后面附加小型台柱来减小驱动电极与镜面之间的距离,这种设计使变形反射镜的驱动工作电压大大减少。设计阶段,深入研究了有限元力学-电学耦合方法,列出分析方程。通过Ansys 软件多次进行了有限元耦合分析,确定了最佳的变形反射镜,包括其各个部分,的尺寸。在制造流程设计和北大微电子所的实际制造过程中,分析MEMS 制造过程中可能遇到的大面积腔体深腐蚀中凸角腐蚀,硅-玻璃键合过程中容易出现的小空隙粘合,镜面崩塌等关键问题,从最基本的原理进行了阐述和分析,实施了T 形条凸角补偿,延长驱动线以获得电荷平衡,贯通浅槽以保持腔体气压平衡和静电键合中的面阴极来保护镜面等解决方案;同时在掩模中加入了监控、对准等标记,这样能很好的控制了腐蚀,掩模对准的精度,对提高整个制造过程的效率起到了关键性的作用。在最后部分给出了设计的整个MEMS 工艺流程单,并对流程中每一步进行的详细解释,提供了数据以供阅读者参考。最后成功制造出有效反射面积30×30 mm2,最大变形量1.2μm,49 驱动电极的变形反射镜。10-200V 电压范围内得到的镜面变形数据与模拟结果具有很好的一致性。

论文目录

• 摘要
• 1 绪言
• 1.1 课题背景综述
• 1.2 自适应光学与MEMS
• 1.2.1 MEMS 技术概述
• 1.2.2 光学领域中的MEMS 技术
• 1.3 本项目需解决的问题
• 1.4 小结
• 2 DMs结构设计
• 2.1 变形镜的常见结构
• 2.2 DMs 技术指标与制造方案选择
• 2.3 结构建立
• 2.4 小结
• 3 有限元方法的仿真分析
• 3.1 DMs 力学性能分析
• 3.2 有限元分析法介绍
• 3.3 静电-力耦合理论与ANSYS 分析
• 3.4 小结
• 4 MEMS 工艺技术研究
• 4.1 工艺流程示意
• 4.2 硅体加工
• 4.2.1 材料选择
• 4.2.2 腐蚀过程
• 4.2.3 凸角补偿
• 4.2.4 腐蚀深度监控
• 4.2.5 对准
• 4.3 键合工艺
• 4.3.1 静电键合概述
• 4.3.2 键合工艺设计
• 4.3.3 实际键合过程
• 4.4 划片分离
• 4.5 封装
• 4.6 小结
• 5 工艺流程
• 5.1 工艺流程单
• 5.2 加工流水步骤及相关参数
• 5.3 成果与测试
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表论文目录