本文關(guān)鍵詞：用于三維成像激光雷達的MEMS掃描鏡研究

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【摘要】：三維成像激光雷達在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,小型化是其重要的發(fā)展方向。MEMS掃描鏡具有尺寸小、成本低、掃描頻率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,是近年來小型化三維成像激光雷達的重要研究方向。本文從MEMS掃描鏡的基礎(chǔ)理論、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝加工和性能測試等方面展開了比較深入的研究,主要研究內(nèi)容如下:1.靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡的基礎(chǔ)理論研究。對殘余應(yīng)力以及殘余應(yīng)力自組裝的方法進行了分析討論;對殘余應(yīng)力對鏡面的影響、鏡面面型控制以及多層薄板的鏡面結(jié)構(gòu)模型均進行了分析討論;對MEMS掃描鏡的最大掃描角、鏡面尺寸和掃描頻率這三個關(guān)鍵參數(shù)均展開了討論。2.MEMS掃描鏡研究。提出了一種基于殘余應(yīng)力自組裝技術(shù)的靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡,該掃描鏡主要由中心鏡面、彈性扭轉(zhuǎn)梁和懸臂梁組成。懸臂梁具有殘余應(yīng)力自組裝的功能,可以提升鏡面的高度,達到增大掃描鏡掃描角度的功能。利用表面工藝制備了樣品,然后利用熱退火技術(shù),在金層中引入了拉應(yīng)力,進一步提升了鏡面的高度。通過一系列的熱退火實驗,得到了不同溫度熱退火處理后金層的殘余應(yīng)力值;并對多晶硅懸臂梁應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)測試應(yīng)力的公式進行了推導(dǎo)。經(jīng)過200°熱退火處理后的MEMS掃描鏡,在145V驅(qū)動電壓下可獲得±3.6°的最大掃描角。3.MEMS掃描鏡陣列研究。提出了一種靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡陣列,該陣列由37個單元結(jié)構(gòu)為六邊形的掃描鏡單元呈六邊形排列而成,每個掃描鏡單元均可以實現(xiàn)二維掃描的功能,通過統(tǒng)一控制可以使掃描鏡陣列實現(xiàn)二維掃描的功能。掃描鏡單元由驅(qū)動器和鏡面兩部分組成,驅(qū)動器結(jié)構(gòu)具有殘余應(yīng)力自組裝的功能,既可以實現(xiàn)傾斜運動也可以實現(xiàn)上下平移運動。首先利用表面工藝加工了掃描鏡的驅(qū)動器陣列和鏡面陣列,然后利用體硅鍵合工藝將驅(qū)動器和鏡面鍵合到一起,最后通過釋放工藝得到掃描鏡陣列。經(jīng)過200°熱退火處理后的掃描鏡驅(qū)動器平移運動時能獲得的最大位移量約為4.05μm,對應(yīng)的驅(qū)動電壓為45V;驅(qū)動器傾斜運動時能獲得的最大偏轉(zhuǎn)角度為0.8°,對應(yīng)的驅(qū)動電壓為60V。本文的研究成果對MEMS掃描鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝加工和實驗測試具有重要的參考價值,對我國三維成像激光雷達技術(shù)的發(fā)展有一定的促進作用。
【關(guān)鍵詞】：三維成像激光雷達 MEMS掃描鏡 驅(qū)動器 殘余應(yīng)力 最大掃描角
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-25
• 1.1 研究背景及意義10-12
• 1.2 MEMS工藝12-19
• 1.2.1 MEMS工藝的主要步驟12-16
• 1.2.2 典型的MEMS加工工藝16-19
• 1.3 MEMS掃描鏡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-24
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排24-25
• 1.4.1 本文主要研究內(nèi)容24
• 1.4.2 本文結(jié)構(gòu)安排24-25
• 第二章 靜電驅(qū)動MEMS掃描鏡理論基礎(chǔ)25-35
• 2.1 MEMS靜電驅(qū)動器25-28
• 2.1.1 平行板驅(qū)動器25-27
• 2.1.2 殘余應(yīng)力自組裝27-28
• 2.2 MEMS掃描鏡鏡面28-31
• 2.2.1 殘余應(yīng)力對鏡面的影響28-29
• 2.2.2 鏡面結(jié)構(gòu)模型29-30
• 2.2.3 鏡面面型控制30-31
• 2.3 MEMS掃描鏡關(guān)鍵參數(shù)31-34
• 2.3.1 最大掃描角31-32
• 2.3.2 鏡面尺寸32-33
• 2.3.3 掃描頻率33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第三章 MEMS掃描鏡研究35-47
• 3.1 工作原理35-38
• 3.1.1 熱退火工藝35-36
• 3.1.2 應(yīng)力測試36-38
• 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計38-40
• 3.3 工藝加工40-43
• 3.4 性能測試與分析43-45
• 3.5 本章小結(jié)45-47
• 第四章 MEMS掃描鏡陣列研究47-58
• 4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計47-51
• 4.2 工藝加工51-54
• 4.2.1 表面工藝加工51-52
• 4.2.2 體硅工藝加工52-54
• 4.3 性能測試與分析54-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第五章 全文總結(jié)與展望58-60
• 5.1 全文工作總結(jié)58-59
• 5.2 創(chuàng)新點59
• 5.3 后續(xù)工作展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻61-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果65-66

【參考文獻】

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本文編號：1132252