專利名稱：一種基于杠桿放大原理的靜電驅(qū)動(dòng)mems變形鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基于杠桿放 大原理的MEMS變形鏡。
背景技術(shù)：
在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡具有體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，可批 量生產(chǎn)，與集成電路兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中備受青睞。現(xiàn)有的靜電驅(qū)動(dòng) MEMS變形鏡一般都是靜電吸引型，上下極板加上電壓，使得上極板由一個(gè)向下的位移，通 過(guò)支撐柱使得鏡面由一個(gè)位移，靜電吸引MEMS變形鏡一般都是根據(jù)這個(gè)原理工作的。然而 這種靜電吸引MEMS變形鏡的缺點(diǎn)是上下極板受到靜電拉入效應(yīng)的限制(pull-in effect), 使得上極板能夠向下移動(dòng)的位移最大為上下極板間距的三分之一，為了滿足較大的行程，需 要將上下極板間距做得很大，在加工過(guò)程中會(huì)有一些困難，而且這種驅(qū)動(dòng)方式需要的電壓較 大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于杠桿放大原理的靜 電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡，它能通過(guò)杠桿結(jié)構(gòu)將靜電驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)較小的行程放大，從而減小了 靜電拉入效應(yīng)的限制，提高了變形鏡的行程。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，
其特征在于包含至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器，至少兩個(gè)連接梁， 一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)和一個(gè)鏡 面；杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器通過(guò)連接梁與支撐結(jié)構(gòu)連接，支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)連接體與鏡面相連。
所述的至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地分布在支撐結(jié)構(gòu)四周。
所述的杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器由錨點(diǎn)，懸臂梁，長(zhǎng)臂，上極板和下極板組成；其長(zhǎng)臂與連 接梁相連，其短臂用作上極板，錨點(diǎn)和下極板固定在同一平面上。
所述杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器采用近似"工"字形結(jié)構(gòu)，在每個(gè)"工"字形一端的兩個(gè)臂的末端 分別為一個(gè)錨點(diǎn)，起到固定作用，即每個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)錨點(diǎn)固定，致使靜電驅(qū)動(dòng)器的上 極板與錨點(diǎn)呈一個(gè)整體結(jié)構(gòu)；而靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板呈分離狀。
所述的鏡面、連接體、支撐結(jié)構(gòu)、至少兩個(gè)連接梁、至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器的幾何中心共線。
所述的靜電驅(qū)動(dòng)器的錨點(diǎn)、上極板、下極板，驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)臂，以及支撐結(jié)構(gòu)，連接梁的 材料均為半導(dǎo)體材料，
所述的鏡面是兩層結(jié)構(gòu)，上層是高反射率抗氧化的金屬或者合金，下層是半導(dǎo)體材料。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)杠桿放大結(jié)構(gòu)與連接 梁相連，連接梁通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)和連接體與鏡面相連，使得靜電驅(qū)動(dòng)器豎直方向上的位移可以 通過(guò)杠桿放大作用被擴(kuò)大，使得鏡面位移增大，變形鏡的行程增大，降低靜電拉入現(xiàn)象的影 響；而且本發(fā)明基于杠桿放大的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡還具有一般MEMS器件的優(yōu)點(diǎn)，體 積小、重量輕、無(wú)滯后效應(yīng)、可批量生產(chǎn)和可陣列化等。


圖l是基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡的立體示意圖2是未加電壓時(shí)基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡的結(jié)構(gòu)圖3是施加電壓時(shí)基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡(不包括鏡面)的結(jié)構(gòu)變形圖4單個(gè)杠桿驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，包括錨點(diǎn)，上下極板，懸臂梁，長(zhǎng)臂。
圖中1為連接梁，2為支撐結(jié)構(gòu)，3為連接體，4為錨點(diǎn)，5為靜電驅(qū)動(dòng)器上極板(即
短臂)，6為靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板，7為長(zhǎng)臂，8為鏡面，9為懸臂梁。
具體實(shí)施例
下面結(jié)合附恩及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本 發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。
本實(shí)施例以鏡面尺寸為450|^m x450nm的基于杠桿結(jié)構(gòu)的MEMS靜電驅(qū)動(dòng)變形鏡，以 四個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作具體描述。
圖1為基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡的立體示意圖；本實(shí)施例的基于杠桿放大原理 的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡中的支撐結(jié)構(gòu)2位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的中央，四周對(duì)稱的連有4個(gè)基于杠 桿放大原理的靜電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)應(yīng)具有4個(gè)連接梁1;每個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器由錨點(diǎn)4，懸臂梁9，長(zhǎng) 臂7，上極板5和下極板6組成，如圖4所示；4個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器的上極板(即短臂)5分別通 過(guò)懸臂梁9，長(zhǎng)臂7和連接梁1與支撐結(jié)構(gòu)2相連，且鏡面、支撐結(jié)構(gòu)、四個(gè)連接梁(看作 一個(gè)整體)、四個(gè)驅(qū)動(dòng)器(看作一個(gè)整體)的幾何中心共線；4個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板6和 錨點(diǎn)4位于基底上(基底在圖中省略)，且驅(qū)動(dòng)器的下極板6與錨點(diǎn)4彼此分離；所述的4 個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器采用近似"工"字形結(jié)構(gòu),在每個(gè)"工"字形一端的兩個(gè)臂的末端分別有一個(gè)錨點(diǎn)4， 起到固定作用，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)錨點(diǎn)固定，致使4個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器的上極板5與錨點(diǎn)4呈一
4個(gè)整體結(jié)構(gòu)；而4個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板6呈分離狀；當(dāng)上極板5和下極板6之間加上電壓 時(shí)，因?yàn)殪o電吸引作用，上極板會(huì)有一個(gè)向下的位移。這里取4個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器的上極板5的 尺寸分別為200nmx3(^m, 4個(gè)下極板6的尺寸分別為190^inix20Hm，懸臂梁9的尺寸是 17(Hmix2tim，長(zhǎng)臂尺寸是180nmx20tim，連接梁寬度為3pm，所述的靜電驅(qū)動(dòng)器的錨點(diǎn)4、 上極板5、下極板6，驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)臂7，上極板5，支撐結(jié)構(gòu)IO，連接體3的材料均為半導(dǎo)體 材料，鏡面8是兩層結(jié)構(gòu)，上層是高反射率抗氧化的金屬或者合金，下層是半導(dǎo)體材料。
圖2為未加電壓時(shí)基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡的結(jié)構(gòu)圖。上極板5和下極板6 沒(méi)有接驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，整個(gè)杠桿和鏡面處于初始平衡狀態(tài)，上極板5和下極板6之間的間隙最 大，鏡面沒(méi)有發(fā)生沿豎直方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)入射光線以任一角度入射到鏡面時(shí)，會(huì)被直接反射， 不改變光程。
圖3是施加電壓時(shí)基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡(不包括鏡面)的結(jié)構(gòu)變形圖。 當(dāng)上極板5接高電位，下極板6接接低電位，這樣會(huì)在上極板5和下極板6之間產(chǎn)生電壓場(chǎng) 和靜電吸引力。由于靜電吸引作用，.所有的上極板5會(huì)趨向下極板6發(fā)生彎曲變形，根據(jù)杠 桿作用，長(zhǎng)臂7會(huì)向上移動(dòng)，通過(guò)連接梁l,支撐結(jié)構(gòu)2，連接體3帶動(dòng)鏡面向上位移，直到 靜電吸引力與上極板5的彈性恢復(fù)力大小相等，上極板5 (即短臂)達(dá)到新的平衡狀態(tài)；如 圖3所示；此時(shí)鏡面和基底的位移將增大，對(duì)于同未加電壓時(shí)的同一條入射光線而言，當(dāng)光 線被反射時(shí)，與未加電壓時(shí)的情況相比，光程會(huì)變短，從而起到變形鏡的作用。
由以上可知，本發(fā)明的基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其驅(qū)動(dòng)器通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 豎直方向位移，通過(guò)杠桿將位移放大，然后通過(guò)連接梁和支撐結(jié)構(gòu)將鏡面頂起，從而實(shí)現(xiàn)變 形鏡的功能；該變形鏡通過(guò)杠桿放大作用降低靜電拉入的影響，提高了行程。
權(quán)利要求
1、一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征在于包含至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器，至少兩個(gè)連接梁(1)，一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)(2)和一個(gè)鏡面(8)；杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器通過(guò)連接梁(1)與支撐結(jié)構(gòu)(2)連接，支撐結(jié)構(gòu)(2)通過(guò)連接體(3)與鏡面(8)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征在于所述 的至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地分布在支撐結(jié)構(gòu)(2)四周。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征在于所述 的杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器由錨點(diǎn)(4)，懸臂梁(9)，長(zhǎng)臂(7)，上極板(5)和下極板(6)組 成；其長(zhǎng)臂(7)與連接梁(1)相連，其短臂用作上極板(5),錨點(diǎn)(4)和下極板(6)固 定在同一平面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器 采用近似"工"字形結(jié)構(gòu)，在每個(gè)"工"字形一端的兩個(gè)臂的末端分別為一個(gè)錨點(diǎn)(4)，起到固定 作用，即每個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)錨點(diǎn)固定，致使靜電驅(qū)動(dòng)器的上極板(5)與錨點(diǎn)(4)呈一個(gè)整體 結(jié)構(gòu)；而靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板(6)呈分離狀。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征在于所述 的鏡面(8)、連接體(3)、支撐結(jié)構(gòu)(2)、至少兩個(gè)連接梁(1)、至少兩個(gè)杠桿放大靜 電驅(qū)動(dòng)器的幾何中心共線。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4任一項(xiàng)所述的一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征 在于所述的靜電驅(qū)動(dòng)器的錨點(diǎn)(4)、上極板(5)、下極板(6)，驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)臂(7)， 以及支撐結(jié)構(gòu)(2)，連接梁(1)的材料均為半導(dǎo)體材料，
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，其特征在于所述 的鏡面(8)是兩層結(jié)構(gòu)，上層是高反射率抗氧化的金屬或者合金，下層是半導(dǎo)體材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于杠桿放大原理的MEMS變形鏡，包含至少兩個(gè)杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器，至少兩個(gè)連接梁，一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)和一個(gè)鏡面；杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器通過(guò)連接梁與支撐結(jié)構(gòu)連接，支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)連接體與鏡面相連；所述的杠桿放大靜電驅(qū)動(dòng)器由錨點(diǎn)，懸臂梁，長(zhǎng)臂，上極板和下極板組成；其長(zhǎng)臂與連接梁相連，其短臂用作上極板，錨點(diǎn)和下極板固定在同一平面上。本發(fā)明基于杠桿放大的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡不僅具有一般MEMS器件的優(yōu)點(diǎn)，體積小、重量輕、無(wú)滯后效應(yīng)、可批量生產(chǎn)和可陣列化，還可以通過(guò)杠桿放大作用降低靜電拉入現(xiàn)象的影響，提高行程，可廣泛適用于自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101515065SQ20091007819
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者豪 任, 軍 姚, 王大甲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所