MEMS變形鏡技術(shù)發(fā)展探討

邵健 李琦 馮楚桓 李威 張欣峰 余洪斌

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

光束在其產(chǎn)生及傳輸?shù)倪^(guò)程中，常常由于受到各種擾動(dòng)，諸如大氣湍流、光學(xué)儀器裝配誤差、激光增益介質(zhì)不均勻性等產(chǎn)生畸變，進(jìn)而降低光束的質(zhì)量[1]。傳統(tǒng)改進(jìn)光束質(zhì)量的方法主要是通過(guò)不斷改進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)細(xì)化裝配技術(shù)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而有許多不可預(yù)知的因素如重力、大氣湍流等，因其具有隨時(shí)間不斷改變的特性，從而無(wú)法從根本上消除它們的影響，這成為制約光學(xué)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要問(wèn)題。自適應(yīng)光學(xué)(adaptive optics，簡(jiǎn)稱AO)概念由美國(guó)天文學(xué)家Babcock于1953年首次提出[2]，他提出采用閉環(huán)校正波前誤差的方法來(lái)彌補(bǔ)天文視寧度。隨后自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已在天文學(xué)、激光矯正、視網(wǎng)膜成像等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用[3-5]。變形鏡(deformable mirror，簡(jiǎn)稱DM)作為波前矯正器，是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的核心部件。1987年，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，簡(jiǎn)稱MEMS）作為一個(gè)技術(shù)名詞在美國(guó)出現(xiàn)，隨即席卷了整個(gè)微制造、微系統(tǒng)領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，基于MEMS技術(shù)的MEMS變形鏡應(yīng)運(yùn)而生，涌現(xiàn)出大量的MEMS變形鏡。應(yīng)用MEMS技術(shù)制作而成的變形鏡具有低成本、低功耗、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。MEMS技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)朝經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和系統(tǒng)單片化方向發(fā)展。

1 MEMS 變形鏡的結(jié)構(gòu)

變形鏡作為波前像差矯正器，通過(guò)改變鏡面的面型來(lái)補(bǔ)償光波的波前像差，其結(jié)構(gòu)主要分為連續(xù)式和分立式兩種[6]，如圖1所示。分立式變形鏡是由多個(gè)子鏡面組合而成，每個(gè)子鏡面可以實(shí)現(xiàn)上下平動(dòng)或傾斜運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制子鏡面的面型來(lái)構(gòu)建整體面型。各個(gè)子鏡面處于分立狀態(tài)，因而在工作時(shí)不會(huì)形成串?dāng)_，所以控制較為簡(jiǎn)單。但是由于面型的不連續(xù)性，會(huì)發(fā)生衍射，引入額外的像差，另外子鏡面之間的間隙也會(huì)導(dǎo)致入射光能量的損失。連續(xù)式變形鏡的鏡面由具有一定彈性的薄膜構(gòu)成，該種結(jié)構(gòu)鏡面連續(xù)，填充率高，因驅(qū)動(dòng)器之間的耦合效應(yīng)常?？梢垣@得較好的像差矯正效果，但同時(shí)也因驅(qū)動(dòng)器之間的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致鏡面的面型難以精確控制。

圖1 分立式變形鏡和連續(xù)式變形鏡

2 MEMS 變形鏡的驅(qū)動(dòng)方式

除了變形鏡的結(jié)構(gòu)之外，其驅(qū)動(dòng)方式也引起了廣泛的關(guān)注，目前已發(fā)展出基于靜電、熱、電磁以及壓電驅(qū)動(dòng)的變形鏡。

靜電驅(qū)動(dòng)因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功耗低、易于制造及工藝集成[7]等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的研究。靜電驅(qū)動(dòng)變形鏡，其實(shí)質(zhì)是利用極板間電荷的相互吸引力或排斥力而產(chǎn)生形變，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。鏡面在靜電力Fe的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)鏡面的機(jī)械回復(fù)力Fm=Fe時(shí)，鏡面平衡，此時(shí)鏡面位移為z。當(dāng)z持續(xù)增大時(shí)，靜電力非線性增加的趨勢(shì)會(huì)大于機(jī)械回復(fù)力的線性增加，導(dǎo)致二者無(wú)法平衡，最終導(dǎo)致上下極板會(huì)吸合，連接為一體，這一現(xiàn)象被稱之為吸合效應(yīng)(pull-in effect)。有相關(guān)理論研究表明，上電極板的極限位移大小z為極板起始間距d的1/3。

圖2 靜電變形鏡模型

針對(duì)此問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所提出了靜電排斥分立式變形鏡模型[8-9]。該模型如圖3所示。該設(shè)計(jì)采用一個(gè)L形橫梁和三個(gè)底電極結(jié)構(gòu)。其中上電極和其正下方電極保持相同極性，兩側(cè)電極為相反極性。通過(guò)兩側(cè)電極對(duì)上電極的靜電力，可以彌補(bǔ)因間距較大而導(dǎo)致靜電力過(guò)小的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)電極加載相同電壓或不同電壓，可實(shí)現(xiàn)變形鏡的上下平移或者傾斜變形。該變形鏡在100V電壓下可達(dá)1.65μm的形變量，可以滿足天文學(xué)、視網(wǎng)膜成像，以及激光矯正的應(yīng)用條件。

圖3 靜電排斥變形鏡模型[8]

另外值得注意的是，傳統(tǒng)基于靜電驅(qū)動(dòng)的變形鏡因其產(chǎn)生的靜電力與施加電壓的平方成正比，這種非線性關(guān)系無(wú)疑使得器件控制較為復(fù)雜。針對(duì)此問(wèn)題，斯坦福大學(xué)Olav Solgaard團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器[10]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，但是由于器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度以及制造工藝的限制，這些方案未能得到廣泛應(yīng)用。

圖4 垂直梳狀靜電變形鏡結(jié)構(gòu)圖[10]

除了分立式靜電變形鏡外，連續(xù)式靜電變形鏡也獲得相應(yīng)研究。BMC公司采用表面微加工設(shè)計(jì)制作了三層多晶硅MEMS變形鏡，并成功投入商業(yè)化應(yīng)用[11]。該MEMS靜電變形鏡結(jié)構(gòu)如圖5所示，其制動(dòng)器采用四周固支的邊界條件，當(dāng)在上下電極加載電壓時(shí)，在靜電力作用之下，制動(dòng)器發(fā)生形變，并通過(guò)凸臺(tái)支柱結(jié)構(gòu)使得與之連接的鏡面發(fā)生形變?；诖嗽O(shè)計(jì)，BMC公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出了36、140、1024單元的變形鏡以滿足商業(yè)上使用，并在近年設(shè)計(jì)制作出了4096單元的變形鏡用于天文學(xué)研究。

圖5 三層多晶硅MEMS變形鏡模型及實(shí)物[11]

電磁變形鏡一般是利用通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和鏡面上的永磁體之間的作用力而產(chǎn)生形變的。日本Jiro Hashizume團(tuán)隊(duì)在2011年報(bào)道設(shè)計(jì)出了一種糾正球差的無(wú)接觸電磁變形鏡[12]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。器件層上的磁鐵環(huán)是由PDMS和r-Fe2O3混合而成，電磁鐵是由線圈以及內(nèi)外磁軛組成。整個(gè)器件的光圈中心直徑為5mm的圓圈之內(nèi)。該器件的形變曲線完美吻合拋物線，通過(guò)控制電流的大小，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的形變量，進(jìn)而對(duì)不同程度的球差進(jìn)行矯正。但在該變形鏡結(jié)構(gòu)中，由于Si器件層只有10μm厚，不足以支撐磁鐵環(huán)的重量，因而在未通電流之前，整個(gè)鏡面已變形2μm。

圖6 無(wú)接觸電磁變形鏡模型及實(shí)物[12]

一般固態(tài)變形鏡在形變量增加的同時(shí)，鏡面表面由于張力增大而容易斷裂，而且制動(dòng)器單元的制作工藝以及成本都是居高不下。上海大學(xué)閔令坤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出液態(tài)變形鏡[13]。其采用磁流體（鐵磁流體）作為制動(dòng)器，考慮磁流體對(duì)光的反射率較低，通過(guò)在之上覆蓋一層銀納米粒子(MELLF），提高鏡面對(duì)光的反射率，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。該變形鏡工作之前，需在磁流體周圍加一單一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)使磁流體的磁偶極子的方向統(tǒng)一化。該單一磁場(chǎng)并不會(huì)導(dǎo)致液體表面的形變，但是可以使鏡面的形變量對(duì)電磁線圈的通電流大小呈線性變化，同時(shí)也可改善形變量。通過(guò)對(duì)電磁線圈加載不同電流，可以使鏡面發(fā)生不同程度的形變，以獲得不同的焦距大小。實(shí)驗(yàn)表明該磁流體變形鏡在40mA電流下，變形量可達(dá)100μm，滿足焦距控制的范圍。

圖7 液態(tài)電磁變形鏡模型及實(shí)物[13]

熱驅(qū)動(dòng)變形鏡一般是利用材料的熱脹冷縮效應(yīng)。當(dāng)材料加載電流時(shí)，材料溫度上升，從而產(chǎn)生熱膨脹，帶動(dòng)鏡面形變，進(jìn)而達(dá)到波前像差矯正的效果。

荷蘭Gleb Vdovin團(tuán)隊(duì)使用SFR16S-220R電阻作為熱驅(qū)動(dòng)器，制備廉價(jià)且大沖程的熱驅(qū)動(dòng)連續(xù)面型變形鏡[14]。圖8為該電阻式變形鏡的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。不過(guò)熱驅(qū)動(dòng)常常伴隨著低響應(yīng)速率和高能耗等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

圖8 熱驅(qū)動(dòng)變形鏡結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖[14]

清華大學(xué)黃磊團(tuán)隊(duì)于2015年發(fā)表一篇基于熱電制冷器的熱驅(qū)動(dòng)連續(xù)面型MEMS變形鏡[15]。該變形鏡可實(shí)現(xiàn)雙向形變，在3A電流下可獲得6μm左右的形變量，同時(shí)該變形鏡也可矯正低階Zernike像差。圖9為該熱驅(qū)動(dòng)變形鏡結(jié)構(gòu)圖。

圖9 基于熱電制冷器的熱驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡結(jié)構(gòu)圖[15]

有關(guān)分立式熱驅(qū)動(dòng)變形鏡，中佛羅里達(dá)大學(xué)謝會(huì)開(kāi)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)一系列研究，圖10展示了中佛羅里達(dá)大學(xué)謝會(huì)開(kāi)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的熱驅(qū)動(dòng)變形鏡[16]，該變形鏡可以實(shí)現(xiàn)在其運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，保持鏡面的有效區(qū)域面積不變。

圖10 熱驅(qū)動(dòng)變形鏡結(jié)構(gòu)圖

然而，熱驅(qū)動(dòng)內(nèi)在的散熱機(jī)制通常會(huì)將驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間限制在毫秒量級(jí)以上，使得其難以工作在較高的頻率（例如幾十千赫茲）之下。同時(shí)，其較大的功耗也會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，比如電源耐久性和器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而在便攜式和大型陣列應(yīng)用的情況下，這些問(wèn)題會(huì)變得更為嚴(yán)重。

事實(shí)上，考慮到線性控制、快速響應(yīng)及低功耗特性，壓電驅(qū)動(dòng)可能是變形鏡的最佳驅(qū)動(dòng)方案。壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)在壓電材料極化方向上加載電壓，使材料產(chǎn)生形變。因?yàn)榭紤]壓電性能的優(yōu)良，大多數(shù)壓電制動(dòng)器采用PZT、PMN作為壓電材料。

日本Isaku Kanno課題組設(shè)計(jì)研制出了一種適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基于壓電薄膜的連續(xù)式變形鏡[17]，其結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。該壓電變形鏡采用2μm厚的PZT作為制動(dòng)器，18個(gè)扇形和一個(gè)圓形PZT制動(dòng)器構(gòu)成整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，有效通光直徑達(dá)15mm。單一制動(dòng)器在10V電壓下可達(dá)1μm的形變量，實(shí)現(xiàn)了低電壓大沖程的效果。該壓電變形鏡可矯正前七項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式，可滿足低成本自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的適用條件。

圖11 基于壓電PZT薄膜的變形鏡模型及實(shí)物[17]

加州大學(xué)Hyunkyu Park在2011年設(shè)計(jì)制作了一種基于單晶PMN-PT的連續(xù)式變形鏡[18]，該變形鏡結(jié)構(gòu)如圖12所示。該設(shè)計(jì)采用最外圈電極面積是內(nèi)圈電極面積兩倍的設(shè)計(jì)方案，以彌補(bǔ)由于靠近固定約束端而導(dǎo)致的外圈電極形變量不足的缺點(diǎn)。中心8mm直徑內(nèi)的制動(dòng)器在10V電壓下可產(chǎn)生5μm的形變量，并且該變形鏡可工作在2.27kHz的帶寬范圍之內(nèi)。

圖12 基于單晶PMN-PT的壓電變形鏡模型及實(shí)物[18]

在分立式壓電變形鏡領(lǐng)域，中佛羅里達(dá)大學(xué)謝會(huì)開(kāi)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了基于PZT材料的變形鏡[19]，其結(jié)構(gòu)和形變結(jié)果如圖13所示。該變形鏡采用雙S型梁結(jié)構(gòu)，可增大變形鏡的形變量，在5V直流電壓之下，其可獲得27μm的平動(dòng)位移。除此之外，該變形鏡具備較高的諧振頻率，可以工作在高頻率環(huán)境之下。實(shí)驗(yàn)指出，該變形鏡在傾斜諧振頻率點(diǎn)處，可獲得近10°的偏轉(zhuǎn)角。

圖13 壓電PZT變形鏡結(jié)構(gòu)原理圖[19]

但是傳統(tǒng)基于PZT和PMN的變形鏡，因其材料的制造過(guò)程較為復(fù)雜，且圖案化工藝仍然具有挑戰(zhàn)性。另外，尤其需要注意的是，PZT和PMN的制備和圖形化工藝與主流的CMOS或MEMS工藝不兼容，這限制了其在MEMS領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

表1詳細(xì)列出了不同驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較?；谏鲜龇治?，下文將對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)的變形鏡展開(kāi)討論。

表1 四種驅(qū)動(dòng)方法特點(diǎn)比較

為獲得較大的形變量，一般壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡都采用PZT、PMN作為驅(qū)動(dòng)材料，然而這些材料制備過(guò)程較復(fù)雜，往往需要高溫極化工藝，且難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的圖形化，因而很難同主流的MEMS工藝相兼容。同時(shí)由于材料中包含有鉛成分，這會(huì)在器件加工及后續(xù)報(bào)廢處置過(guò)程中帶來(lái)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而極大限制了其推廣應(yīng)用。與此相比，氮化鋁(Aluminum nitride，以下簡(jiǎn)稱AlN)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的一種新型壓電材薄膜料。與傳統(tǒng)壓電材料相比，其具有許多優(yōu)點(diǎn)：較低的介電損耗因子，壓電性能優(yōu)異；機(jī)械性能良好；不易于受到溫度影響，性能穩(wěn)定；AlN為線性壓電材料，其形變與外加電場(chǎng)大小呈正比；與鐵電體相比，AlN的遲滯現(xiàn)象不明顯；AlN不含重金屬原子，無(wú)毒性，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，可以應(yīng)用于各類的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之中。同時(shí)其可通過(guò)低溫磁控濺射工藝制備而成且不需要極化處理工藝，此外采用基于氯氣(Cl2)的干法刻蝕方法可以很容易地對(duì)AlN進(jìn)行圖形化處理，因而基于AlN的壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以很方便地采用MEMS工藝制備而成。與此同時(shí)，其所表現(xiàn)出的無(wú)鉛特性則能很好地切合當(dāng)下綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念，從而受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，現(xiàn)已應(yīng)用于超聲換能器、射頻等器件中[20-22]。雖然AlN的壓電系數(shù)與PZT相比較小，但其具有較低的介電常數(shù)，因而在相同的電壓之下，仍可獲得可觀的形變量，完全滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的形變要求?；诖?，本文提出以新型壓電材料AlN來(lái)構(gòu)建MEMS變形鏡[23]。

3 AlN MEMS變形鏡

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖14展示了變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，位于中部的邊長(zhǎng)為200μm的正方形結(jié)構(gòu)為鏡面主體部位，其由兩個(gè)L型懸臂梁支撐，使其處于懸浮狀態(tài)。該L型懸臂梁一端連接到鏡面的邊角，另一端連接至襯底，起固定約束的作用。L型梁（即變形鏡驅(qū)動(dòng)器）由Si-Mo-AlN-Mo疊層結(jié)構(gòu)組成。同時(shí)，沉積700nm的Al層，一方面用于電連接，另外同時(shí)作為鏡面，以增強(qiáng)反射率。

圖14 變形鏡結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 制備工藝

圖15 展示了采用基于SOI的MEMS工藝制備而成的AlN MEMS變形鏡的工藝流程。圖16展示了其SEM圖。

3.3 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能表征

為表征AlN MEMS變形鏡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文使用商用激光多普勒測(cè)振儀（MSA-500，Polytec，USA）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明其存在四個(gè)共振峰，如圖17所示。同時(shí)，圖中給出這些諧振頻率驅(qū)動(dòng)下相應(yīng)的變形鏡輪廓圖。由圖示可看出，變形鏡在第一諧振峰處可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在第三諧振峰處可實(shí)現(xiàn)繞y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)。

圖15 AlN壓電變形鏡的制造工藝流程

圖16 變形鏡的SEM照片

圖17 AlN壓電變形鏡的頻率響應(yīng)測(cè)量結(jié)果

為表征變形鏡的動(dòng)態(tài)平動(dòng)/傾斜運(yùn)動(dòng)特征，讓變形鏡在諧振條件下工作，同時(shí)觀測(cè)其平動(dòng)位移或傾斜角度，控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率分別固定在第一和第三諧振峰值，并施加線性電壓。在該兩種驅(qū)動(dòng)頻率下，變形鏡的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式和繞y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)模式被激發(fā)出來(lái)。在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下，鏡面的平動(dòng)位移和傾斜角度如圖18所示。由圖示可看出，該AlN MEMS變形鏡具有較好的線性驅(qū)動(dòng)性能。

圖18 在不同諧振條件下驅(qū)動(dòng)鏡子的測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)光學(xué)是一門實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和改善光束波前的理論學(xué)科，變形鏡作為波前矯正器在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。變形鏡的驅(qū)動(dòng)方式種類繁多，本文對(duì)比了四種驅(qū)動(dòng)在線性驅(qū)動(dòng)、功耗、響應(yīng)時(shí)間和體積四個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，肯定了壓電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。為獲得優(yōu)良的壓電性能，大多數(shù)壓電制動(dòng)器采用PZT、PMN作為壓電材料，然而這些材料制備過(guò)程較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)的圖形化工藝較為復(fù)雜，另外其材料成分中含有鉛，因而很難同主流的MEMS工藝相兼容，限制了其推廣應(yīng)用。相比之下，AlN可采用干法刻蝕方法來(lái)圖形化結(jié)構(gòu)，以構(gòu)建壓電驅(qū)動(dòng)器。最為重要的是其所表現(xiàn)出的無(wú)鉛特性契合了綠色環(huán)保理念，且具備良好的與MEMS工藝兼容的特性，從而受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。基于上述AlN的優(yōu)良性質(zhì)，從而提出以AlN來(lái)構(gòu)建MEMS變形鏡，探究其技術(shù)可行性，并成功制造出基于AlN的MEMS變形鏡原型樣機(jī)，研究了其動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能，結(jié)果表明其良好的線性驅(qū)動(dòng)性能以及頻率響應(yīng)。目前已驗(yàn)證AlN MEMS變形鏡的概念論證，下一步可運(yùn)用MEMS工藝制備實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，形成變形鏡陣列，以滿足大口徑光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。