文档介绍：浙江大学
硕士学位论文
基于MEMS的光学调制器设计和工艺研究
姓名:朱勇
申请学位级别:硕士
专业:光学工程
指导教师:顾培夫
20050120
浙江大学硕士论文
摘要
技术的迅猛发展,给传统光学器件的设计和制造带来了全新的思路。
基于的光学器件的设计及制造近几年层出不穷,但同时传统光学器件制
造工艺与硅微加工工艺之间却缺乏良好的兼容性,这导致目前对光学
研究大多集中于构造硅基板采用常规半导体工艺的可调谐器
件。由于硅的透过特性,器件往往只能工作在红外波段,这就大大限制了器件在
可见光波段的应用,而位于可见光波段的图像显示又是光学应用中最重要的一
块。本课题就是针对这一情况提出。
本文首先对的一些典型加工工艺以及目前存在的一些器件
进行了介绍。然后利用传统薄膜工艺和工艺的结合,设计了两种基于
玻璃基板的微光学调制器。两种调制器分别为全介质反射镜的千涉调制器和金属
反射镜的调制器。调制器是基于腔光谱选择原理,通过上下层导电薄膜的
静电力调谐中间的空气腔。器件的薄膜膜系利用传统薄膜工艺溅射和热蒸发的方
法制备,中间的空气腔用表面加工的牺牲层技术实现。文中对微调制器
的结构和实现的功能进行了介绍。对器件的电力学性能做了分析,应用平板电容
模型做了静态模型分析。用有限元的方法结合数值迭代,动态模拟了器件各个部
分的变形和不同电压下器件中心点变形,并对静态模型和动态模型对输出光谱性
能的影响做了比较。
针对器件设计的结构,提出了三种不同的工艺流程,并对各个工艺流程的优
缺点做了比较。在加工过程中,重点对器件制造中涉及的、薄膜以及性能介
于、和伍之间的薄膜工艺进行了实验和分析。研究了镀膜时的真空
度、工作气体流量比率、工作气压等对器件光学常数、溅射速率、表面面形等的
影响。利用溅射方法在工作气压。从比率为条件下可以制得高折
射率低吸收的薄膜。而利用气流流量比率控制的方法可以制得折射
率在之间连续变化的两薄膜,应用模型计
算出制备的薄膜的光子带隙在到之间单调变化。
对于器件在微机械结构释放工艺过程中发生粘连效应和屈
曲效应做了重点研究,从原理上分析了这两种效应产生的机
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理。效应的产生为液一气相变时产生的毛细力所致,通过实验发现减小
横梁长度以及用异丙醇处理可以很大程度上改善这种效应。效应的产生
为薄膜压应力所致,实验中,我们提出了一种在机械结构释放后实时测试薄膜应
力的方法,并用实验验证取得了满意的结果。
对于课题中涉及的光刻工艺、干法腐蚀、湿法腐蚀等工艺,我们通过大量的
实验确立了最佳工艺条件参数。
最后,本文对整个课题的工作进行了总结,并且提出了今后需要进一步研究
和发展的方向。
关键词,光学调制器,微加工工艺,有限元分析
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第一章绪论
器件概述
是世纪年代末年代初
半导体工业的微细加工技术与机械工业的微型机械加工结合而兴起的新技术。微
型化和集成化是当代高科技发展的一个重要趋势。微电子技术的突飞猛进,微电
子芯片的集成度越来越高,但一个完整的系统除了电子系统外,还有非电子系统,
可以说非电子系统不能微型化严重地制约着系统微型化的发展,技术由此
应运而生。它涉及到微电子技术、自动控制、光学、流体力学、气动力学和声学
磁学等多种领域。作为微电子技术应用的又一次革命性突破,为有效解决
系统的微型化和集成化提供了一条有效的途径。在许多工业领域,包括信息和通
信技术、汽车、测量工具和生物医学电子等方面有望成为关键器件。
表一的类型及应用分布表
类别传动器件通信应用生物医学其他
微型构件红外热成像光波导阵列、微沟道、过滤器、微梁、微探针
射频通路混合器
微传感器压力、湿度、振动能量传感器质量流量传感器、
加速度、角速度化学传感器
微执行器气动流控制、微马显示器、光开关、微泵、微阀硬盘读写头、喷
达射频开关、滤波器墨打印机
微系统类微纳卫星微型生物化学分析数据存储、微机
系统、生物芯片器人、微飞行器
被认为是具有巨大发展前景的多学科交叉前沿技术,是未来关键性的主导产业之
一。一般地说,具有以下几个非约束性的特征
尺寸在毫米到微米范围内,区别于一般宏,即传统的尺寸大于
尺度的“机械”,但并非进入物理上的微观层次
基于但不限于硅微加工技术制造
与微电子芯片类同,在无尘室大批量、低成本生产,使性价比比传统“机
械”制造技术大幅度提高
中的“机械”不限于狭义的力学中的机械,它代表一切有能量转化、
传输等功能的效应,包括力、热、光、磁,乃至化学、生物等效应
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