第一章 緒 論

一般而言，自適應光學系統(tǒng)組成，即波前傳感器、波前控制器和波前校正器[2]。波前傳感器可實時探測入射光波前的相位差，采集到大氣擾動的空間和時間信息。該信息經過波前控制器運算分析后，施加相應的控制信號給波前校正器。波前校正器對入射波前的相位進行校正，從而去除大氣湍流的影響，獲得接近衍射極限的圖像分辨率，改善天文望遠系統(tǒng)的成像質量。對于大型地基天文望遠鏡這一應用領域[3]，造成波前畸變的大氣擾動的頻率要求自適應光學系統(tǒng)具有較快的響應速度，而越來越大的天文望遠鏡口徑則對波前校正器的驅動單元數提出了更高的要求。除了天文觀測領域，視科學也是自適應光學技術應用的一個活躍領域[4]。當對活體人眼眼底視網膜進行成像時，由于人眼這種特殊的光學系統(tǒng)所具有的動態(tài)像差，嚴重干擾了檢測效果，因而可采用自適應光學技術校正活體人眼像差。根據人眼像差分布的統(tǒng)計結果，此時的自適應光學系統(tǒng)需要具有較大的行程，而對單元數、反應速度等則沒有太高的要求。更重要的是，視科學研究領域的自適應光學技術要求系統(tǒng)的小型化和低成本，這一問題的關鍵是其中的波前校正器的小型化和低成本。除了以上兩個領域之外，自適應光學技術還可在自由空間光通信[5]、可控激光核聚變[6]和激光諧振腔[7-11]等領域發(fā)揮應用，但目前均還處于實驗室研究階段，尚未實現(xiàn)商品化。
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第二章 靜電驅動 MEMS 變形鏡理論基礎

2.1 MEMS 靜電驅動器

雖然非線性彈性梁方法可以有效的增大行程，然而一般常見的彈性梁結構設計在小撓度近似下都是線性的，因此目前設計人員多是采用多段具有不同彈性系數的線性彈性梁來共同擬合一個非線性彈性梁[67-70]。各種彈性結構的大撓度變形雖然是非線性的，但一般很少應用在實際設計中，這其中雙端固支梁的應變硬化效應是為數不多的已應用于靜電驅動器中的非線性彈性力的直接例子，后面將會對其進行簡要介紹。采用電極配置的方法增加行程，同樣也會增大最大電壓。雖然這種方法不會改變彈性力的大小，也就不會影響固有頻率和諧振頻率，但會改變響應時間和工作帶寬。

2.2 變形鏡鏡面

變形鏡對畸變波前的擬合總是存在一定誤差的，當不考慮單元數、行程等驅動器因素時，鏡面對擬合誤差的影響主要由鏡面類型決定。根據第一章的介紹，變形鏡具有連續(xù)鏡面和分立鏡面兩大類型，其中分立鏡面又可分為分立式和分立傾斜式。對于連續(xù)鏡面，鏡面下方的支撐柱可有六邊形、方形和環(huán)形等三種排列方式。一般而言，六邊形排列的擬合誤差最小，環(huán)形排列在針對特定畸變波前時也可具有最小的擬合誤差，方形排列擬合誤差稍大。然而，在 MEMS 變形鏡的研制中，方形排列的結構與加工工藝更加兼容，電極走線也比較簡單，因而是最普遍采用的一種排列方式。

第三章 大行程靜電驅動器的理論、模擬和測試.......33

3.1 六邊形固支梁驅動器 .............. 33 
3.2 三層電極排布方式排斥驅動器靜電力數值計算 ............... 37 
3.3 偽三層電極排布方式靜電排斥驅動器 ......... 47
第四章 釋放孔對變形鏡各項性能的影響研究...........57
4.1 釋放孔對驅動器動態(tài)特性的影響 ............... 57 
4.2 釋放孔對連續(xù)鏡面的彎曲剛度的影響 ........................ 66 
4.3 本章小結 ................ 75
第五章 140 單元實用化 MEMS 變形鏡及其關鍵技術研究 ..................76 
5.1 變形鏡結構設計 ............ 76
5.2 表面面形的進一步優(yōu)化 .......... 78 
5.3 140 單元變形鏡的封裝與測試 ..................... 92 
5.4 本章小結 ......................... 95

第六章 MEMS 變形鏡其它若干問題的優(yōu)化改進措施的思考

6.1 可減少驅動器數量的新型分立傾斜式變形鏡結構

如第二章所述，與分立鏡面和連續(xù)鏡面相比，分立傾斜式變形鏡具有最小的擬合誤差以及最少的單元數，這都有利于其在自適應光學系統(tǒng)中的應用。除此之外，分立的小鏡面單元還可以大大釋放并緩解 MEMS 加工中產生的殘余應力。然而，正如前面所提到的，分立傾斜式的最大的問題就是所需的驅動器數量太多。圖 6-1 給出了幾種變形鏡的結構示意圖，顯然，對相同單元數的變形鏡，分立傾斜式結構至少需要分立鏡面和連續(xù)鏡面兩倍的驅動器數量。事實情況還不止于此，這是因為圖中只是一維示意圖，實際的兩維結構每個單元至少需要三個驅動器，總的驅動器數量也就是分立鏡面或連續(xù)鏡面的三倍。為了解決這個問題我們設計了一種新型分立傾斜式變形鏡，如圖 6-1(d)所示，每個鏡面單元下方對應一個驅動器，相鄰兩個驅動器之間共用一根彈性梁，，因而這種結構可稱之為驅動器連續(xù)式。若中間的驅動器被加電吸引時，它所連接的彈性梁發(fā)生形變，帶動相鄰的驅動器發(fā)生傾斜，從而達到鏡面連續(xù)變形的效果。這種結構與傳統(tǒng)分立傾斜式變形鏡相比，驅動器數量大大減少。而且由圖 6-1(c)和(d)對比可以看出，這種設計下驅動器下電極面積更大，因而相同電壓下驅動力更高，可有效降低變形鏡的工作電壓。

6.2 靜電驅動 MEMS 變形鏡驅動器的靜電擊穿及可靠性研究

靜電擊穿一般采用湯森雪崩模型解釋，擊穿電壓與電極間距以及環(huán)境壓強的關系可用著名的帕邢曲線描述[118]，如圖 6-5 中的實線所示。由曲線可知，擊穿電壓在某一電極間距時存在一個極小值，大約為 360V。因此，根據湯森雪崩模型，若電極間電壓低于 360V，不可能發(fā)生靜電擊穿。但事實上已有多篇文獻報道在低于這一電壓時發(fā)生了靜電擊穿[119, 120]，這可以用另一個靜電擊穿機制，即汽化電�。╲apor arc）來解釋：在一定的電極間距下，當電勢差足夠高時，兩電極間由于場致電子發(fā)射導致的場發(fā)射電流密度較高，將會導致電極表面局部材料的汽化，形成導電通路，從而造成靜電擊穿。在汽化電弧機制下，擊穿電壓與電極間距的關系如圖 6-5 中的虛線所示。同時考慮汽化電弧和湯森雪崩兩條曲線，就可得到修正的帕邢曲線[121]，如圖 6-5 中的點線所示。該線中的拐點是汽化電弧和湯森雪崩兩種機制的轉折點。由圖可見，當電極間距處于幾個微米或者接近亞微米量級時，場致電子發(fā)射效應導致的汽化電弧是造成靜電擊穿的主導因素，因此，場電子發(fā)射的機理與實驗具有重要的研究意義。

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第七章 全文總結與展望

7.1 全文總結

本論文針對小型化自適應光學波前校正器的應用需求，對基于表面工藝靜電驅動的 MEMS 變形鏡驅動器、鏡面的若干關鍵問題進行了深入研究，研制出了連續(xù)鏡面變形鏡樣品，并開展了初步的像差校正實驗，分析了樣品中存在的一系列問題，提出了解決方案并開展了理論和實驗研究。主要創(chuàng)新點如下：a）提出了計算靜電驅動器靜電力的 SC 變換數值計算方法。該方法從兩個方面改進了現(xiàn)有的利用保角變換計算兩層排斥驅動器靜電力的理論方法，一方面考慮了所有的結構邊界幾何特性，去除了模型中的無窮遠近似，提高了計算精度；另一方面通過數值計算擴大了適用范圍，使之可應用于任意靜電驅動器的靜電力的計算。通過對多個靜電吸引和靜電排斥驅動器的計算、仿真和實驗研究，證明了這一方法的可行性和高精度。

7.2 后續(xù)工作展望

在本文工作的基礎上，當前仍存在一些問題需要在后續(xù)研究中加以解決。a）表面面形質量、反射率等性能指標仍有進一步提高的空間，可通過對陰影掩模沉積工藝和復合膜層的材料及厚度進行優(yōu)化來加以改進。b）提高分立鏡面變形鏡填充比的兩套方案仍需進一步開展理論分析和實驗對比驗證，找出與當前變形鏡的結構設計、工藝加工等最適合的方案。c）新型分立傾斜式變形鏡的優(yōu)越性和效果仍需進行定量評估，以促進其早日實現(xiàn)工程應用。d）在當前加工工藝的基礎上，通過各種后處理手段如陰影掩模沉積、倒裝芯片、退火、原子層沉積（Atom Layer Deposition，ALD）等，進一步提高變形鏡的行程、一致性、可靠性、填充比、單元數等性能。e）以所研制的變形鏡開展自適應光學系統(tǒng)校正實驗，積極發(fā)現(xiàn)問題，探索MEMS 變形鏡在更多領域的廣泛應用。

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參考文獻（略）

本文編號：52236