CN101236300A - 一种静电排斥力驱动的mems变形镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，包含两个电源接线端、硅基底、位于硅基底之上的Si3N4绝缘层、位于绝缘层之上的多晶硅或金属下极板和下极板锚点，以及位于下极板上方的多晶硅或金属上极板、上极板锚点和上极板支撑梁，其特征在于：所述下极板各条边或者每间隔一条边的外面均有三个条形下电极；本发明的静电排斥力驱动的MEMS变形镜能够消除静电拉(pull－in)现象、增大光学像差校正能力、结构简单；且本发明的静电排斥力驱动的MEMS变形镜可构成连续或分离的镜面，由其构成的自适应光学系统能够适用于各种要求大行程变形镜的光学系统，具有十分重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微光机电系统技术领域，特别涉及一种适用于自适应光学系统的静电驱动MEMS变形镜。
背景技术
在变形镜领域，静电驱动的MEMS变形镜具有响应速度快、能耗低、体积小、单元密度高以及与集成电路兼容性好的优点，而成为一种最具发展潜力的微变形镜；然而，现有的静电驱动MEMS变形镜都是基于静电吸引力驱动的，其缺点是行程小和存在静电拉入(pull-in)形象。这种变形镜的最大行程因受静电拉入现象的影响而不会超过上、下电极初始间隙的1/3；一旦出现静电拉入现象，会使得上、下电极短路，导致整个器件失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，它能有效地消除静电拉入现象，并提高变形镜的行程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，包含电源接线端1、电源接线端2、硅基底、位于硅基底之上的Si3N4绝缘层、位于绝缘层之上的下极板3和下极板锚点7，以及位于下极板上方的上极板8、上极板锚点10和支撑梁9，其特征在于：所述下极板3各边缘或者每间隔一条边的边缘外面均排布有三个条形下电极4、下电极5和下电极6。
所述的三个条形下电极4、下电极5和下电极6的排布方向平行于所排布的边。
所述的上极板3和下极板8可以是正多边形，其材料可以是多晶硅材料或金属材料。
所述的上极板3中有个小孔11。
所述的三个条形下电极4、下电极5和下电极6之间的间距、以及下电极6与下极板3的间距均为3～8μm，而且保持相等。
所述的三个条形下电极4、下电极5和下电极6中，下电极4和下电极6电压相等，并通过导线与电源接线端2相连。
所述的三个条形下电极中间的一个下电极5与下极板3、接线端1以及距离接线端1最近的一个锚点7的电压都相等。
所述的三个条形下电极4、下电极5和下电极6与支撑梁9保持平行，且下电极5的中心线与上极板的支撑梁9中心线重合。
所述的三个条形下电极4、下电极5和下电极6的宽度与上极板支撑梁9的宽度之比为1∶1～5∶2。
所述的上极板3和下极板8之间的间距为0.1～10μm。
本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明通过在下极板各边(或者每间隔一条边)外面分别引入三个下电极，使得通电后上极板支撑梁受到的静电合力表现为竖直向上的排斥力，从而带动上极板一起向上运动，这样不仅消除了静电拉入(pull-in)现象，而且增大了变形镜的行程，提高了变形镜在自适应光学系统应用中校正像差的能力。
附图说明
图1是四边驱动的变形镜的下极板结构示意图。
图2是四边驱动的变形镜的上极板结构示意图。
图3是四边驱动的变形镜的三维结构示意图。
图4是四边驱动的变形镜三维结构图的侧视图。
图5是四边驱动的变形镜施加电压时形变示意图。
图6是隔边驱动的变形镜的下极板结构示意图。
图7是隔边驱动的变形镜施加电压时形变示意图。
图中：1为电源接线端，2为电源接线端，3为下极板，4为下电极，5为下电极，6为下电极，7为下极板锚点，8为上极板，9为上极板支撑梁，10为上极板锚点，11上极板小孔。
具体实施例
下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明。
下面以上、下极板尺寸均为400μm×400μm的正方形、采用静电排斥力驱动的MEMS分离式(Segmented)变形镜为例，结合附图对本发明作具体描述。
变形镜的最下层为硅基底，位于硅基底之上的是Si3N4绝缘层，位于绝缘层之上的是下极板3，下极板3的结构示意图如图1所示，其中下极板3的材料为多晶硅或金属，在下极板3各边缘外面均排布有三个条形下电极4、下电极5和下电极6，电源接线端1通过导线连接到下电极5、下极板3和锚点7，电源接线端2通过导线连接到下电极4、下电极6。下极板锚点7分布在下极板3的四个角之外。
其中三个条形下电极4、下电极5和下电极6的间距、以及下电极6与下极板3的间距均为4μm；三个条形下电极4、下电极5和下电极6中，下电极4和下电极6电压相等均为V1，下电极5与下极板3、电源接线端1以及距离电源接线端1最近的一个锚点7的电压都相等，均为V2；V1与V2不相等，从而能够产生一个电势差。
变形镜的上极板8位于下极板3的正上方，上极板8的结构示意图如图2所示；其中上极板8的材料也可以为多晶硅或金属；在上极板8的每个边的边缘均排布有一个“L”型的上极板支撑梁9，同时上极板支撑梁9位于条形电极5的正上方，且与三个条形下电极4、下电极5、下电极6保持平行；上极板支撑梁9的另一端连接上极板锚点10，这里选择上极板锚点10是尺寸为30μm×30μm，四个上极板锚点10分别和其正下方的下极板锚点7相连；可以得到整个变形镜的结构示意图如图3所示；在上极板8中还有一个小孔11主要用于湿法腐蚀过程中释放牺牲层和降低上极板的应力。
三个条形下电极4、下电极5和下电极6的宽度与上极板支撑梁9的宽度之比为5∶4，例如每条下电极宽度为10μm，上极板支撑梁的宽度为8μm。
如附图4所示为变形镜的侧面示意图；这里选择上、下极板之间的空气间隔为1μm。
如附图5所示为变形镜接通电源后的工作示意图；不施加电压时，上极板8处于静止平衡状态；当给两个电源接线端1加120Vol和电源接线端2加0Vol电压时，下电极5与下极板3、电源接线端1以及锚点7的电压为120Vol，下电极4和下电极6通过导线与电源接线端2相连，所以下电极4和下电极6电压为0Vol，而且锚点7与锚点10是相连接的，从而使上极板8的电压也为120Vol。
上极板8与下极板3的电压一样，并且上极板支撑梁9与下电极5电压也相同，由此产生一个较大的静电排斥电场；而上极板支撑梁9与下极板3的条形下电极4和下电极6的电压不同，具有电势差，将产生一个较小的静电吸引电场；因此，对上极板8和上极板支撑梁9产生一个非均匀分布的电场，形成的一个合力方向向上的静电排斥力，从而使上极板竖直向上运动，达到10μm的位移，这样不仅避免了静电拉入现象的发生，而且行程不再受限于上下极板初始间隙的1/3，从而增强了变形镜的像差校正能力。
以上是正方形上极板的每个边缘外面均排布有三个条形下电极4、下电极5和下电极6的情况；如果只在变形镜相隔一条边的边缘外面排布三个条形下电极4、下电极5和下电极6，而变形镜上极板8、下极板3、下极板的锚点7和上极板的锚点10、各条形下电极4，下电极5和下电极6的结构参数均保持不变，变形镜下极板3的示意图如图6所示，没有排布下电极的两边的锚点7通过导线和下极板3相连接，锚点7的位置与四边驱动的情况下是相同的；变形镜接通电源后的形变图如图7所示，与四边边缘均有下电极不同的是，要达到相同的10μm的位移量，需要施加150伏的电压，施加电压值比四个边缘均有下电极的情况时要大。
Claims (10)
1、一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，包含电源接线端(1)、电源接线端(2)、硅基底、位于硅基底之上的Si3N4绝缘层、位于绝缘层之上的下极板(3)和下极板锚点(7)，以及位于下极板上方的上极板(8)、上极板锚点(10)和上极板支撑梁(9)，其特征在于：所述下极板(3)各边缘或者每间隔一条边的边缘外面均排布有三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)。
2、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)的排布方向平行于所排布的边。
3、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的上极板(3)和下极板(8)可以是正多边形，其材料可以是多晶硅材料或金属材料。
4、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的上极板(3)中有个小孔(11)。
5、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)之间的间距、以及下电极(6)与下极板(3)的间距均为3～8μm，而且保持相等。
6、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)中，下电极(4)和下电极(6)电压相等，并通过导线与电源接线端2相连。
7、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极中间的一个下电极(5)与下极板(3)、接线端(1)以及距离接线端(1)最近的一个锚点(7)的电压都相等。
8、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)与支撑梁(9)保持平行，且下电极(5)的中心线与上极板的支撑梁(9)中心线重合。
9、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：所述的三个条形下电极(4)、下电极(5)和下电极(6)的宽度与上极板支撑梁(9)的宽度之比为1∶1～5∶2。
10、根据权利要求1所述的一种静电排斥力驱动的MEMS变形镜，其特征在于：上极板(3)和下极板(8)之间的间距为0.1～10μm。
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| CNA2008101012941A CN101236300A (zh) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | 一种静电排斥力驱动的mems变形镜 |
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| CNA2008101012941A CN101236300A (zh) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | 一种静电排斥力驱动的mems变形镜 |
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| CNA2008101012941A Pending CN101236300A (zh) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | 一种静电排斥力驱动的mems变形镜 |
Country Status (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101515065B (zh) * | 2009-02-26 | 2011-05-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于杠杆放大原理的静电驱动mems变形镜 |
| CN101475136B (zh) * | 2009-01-09 | 2011-06-29 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种静电排斥力驱动的mems变形镜的制作方法 |
| CN102981272A (zh) * | 2012-12-07 | 2013-03-20 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种大行程结构的静电驱动mems变形镜 |
| CN115575662A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-01-06 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 基于静电排斥力可重构的风速风向传感器及检测装置 |
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2008
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