光电工程  2018, Vol. 45 Issue (3): 170698      DOI: 10.12086/oee.2018.170698     
140单元MEMS变形镜研制及测试分析
汪为民1,2 , 王强1,3     
1. 中国科学院光电技术研究所,微细加工光学技术国家重点实验室,四川 成都 610209;
2. 桂林电子科技大学,广西自动检测技术与仪器重点实验室,广西 桂林 541004;
3. 中国科学院大学,北京 100049
摘要:为了满足自适应光学技术更广泛的应用需求,针对传统变形镜体积大、成本高的问题,本文研制了基于微机电系统技术的MEMS变形镜并进行了实验测试。本文研制的变形镜共有140个六边形平行板电容静电驱动器,驱动器为12×12正方形排列,间距400 μm。采用表面MEMS工艺加工了变形镜样品,并利用陶瓷PGA管壳和石英玻璃盖板对样品进行了封装,同时还研制了与之配套的小型化多通道高压驱动电源。测试结果表明,该变形镜表面PV值411 nm,RMS值78 nm,在600 nm到900 nm波段的反射率接近80%,行程1.8 μm,交连值约15%,工作带宽13 kHz,阶跃响应时间23 μs,具有体积小、成本低、响应快等优势。除了进行了单元性能的测试之外,还开环控制变形镜进行了Zernike像差的拟合测试,验证了变形镜的校正能力。结果表明,该变形镜能初步满足自适应光学系统的应用需求。
关键词微机电系统    变形镜    自适应光学    静电驱动器    
Development and characterization of a 140-element MEMS deformable mirror
Wang Weimin1,2, Wang Qiang1,3     
1. State Key Laboratory of Optical Technologies on Nano-Fabrication and Micro-Engineering, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;
2. Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments, Guilin University of Electronic Technology, Guilin, Guangxi 541004, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: For satisfying the boarder application requirement of adaptive optics (AO) and solving the problem of large volume and high cost of conventional deformable mirrors (DM), micro DM based on micro-electro-mechanical system (MEMS) technology is developed and measured. The developed DM has 140 hexagonal parallel plate capacitor electrostatic actuators. The actuators are arranged as a square array and the pitch is 400 μm. A DM prototype is fabricated by MEMS surface micromachining process and packaged by a ceramic pin grid array (CPGA). A miniaturization multi-channel high voltage driver for the DM is developed too. The measurement results show that the prototype has a surface PV value of 411 nm, RMS value of 78 nm, reflectivity of about 80% in 600 nm to 900 nm wavelength, stroke of 1.8 μm, actuator coupling of 15%, working bandwidth of 13 kHz and step response time of 23 μs. Thus the DM has the advantages of small volume, low cost and fast response. Besides the measurement of single element, the whole DM is controlled open loop to fit Zernike aberration and its fitting capability is demonstrated. Above results indicate that the DM prototype can satisfy initially the requirement of AO system.
Keywords: MEMS    deformable mirror    adaptive optics    electrostatic actuator    

1 引言

变形镜(Deformable mirror, DM)是最主流的一类波前校正器,可应用于大到天文望远镜小到人眼视网膜成像的自适应光学(adaptive optics, AO)系统,校正由于大气湍流或者人眼像差等导致的波前畸变[1]。基于微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)技术的MEMS变形镜相对于传统压电变形镜具有体积小、成本低、响应快等优势,近年来已逐步在多个自适应光学系统中得到了应用[2-3]

MEMS变形镜的研究发轫于上世纪九十年代中期,经过二十多年的发展,现在国际上有三家公司可提供商品化的MEMS变形镜,分别为美国波士顿微机械公司(Boston Micromachines Corporation, BMC)、美国Iris AO公司和荷兰Flexible Optical BV公司(OKO),它们分别孵化自波士顿大学(Boston University, BU)、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和荷兰德尔福特技术大学(Delft University of Technology, DUT)。总的来说,BMC公司的MEMS变形镜既有连续镜面也有分立镜面,单元数最多;Iris AO公司主要生产大行程分立镜面MEMS变形镜;而OKO公司的变形镜对于低阶像差的校正效果更好[4-6]。除了这三家公司外,还有些高校和科研机构也在从事MEMS变形镜方面的研究[7-9]。国内的MEMS变形镜研究起步较晚,主要集中在高校,目前已开展了MEMS变形镜的设计、加工和测试,但尚无可实际应用的MEMS变形镜产品出现[10-13]

本文在前期工作的基础上,研制并测试了140单元连续镜面MEMS变形镜,可初步满足工程应用的需求,填补了国内空白。

2 器件研制 2.1 结构设计

MEMS变形镜从结构上可分为驱动器和镜面两部分,驱动器决定了它的机电性能,而镜面则决定了它的光学性能,二者需要综合考虑。本文所设计的变形镜采用了静电平行板电容驱动器,其原理为通过给固定下电极和可动上电极施加一定的电势差,实现对可动电极的驱动。相比于热电、压电和电磁驱动器,静电平行板电容驱动器具有加工工艺简单、无滞后、功耗低等优势[14-15]

静电驱动器存在吸合效应[16],严重制约了其行程。为了增大驱动器行程,除了提高加工工艺水平外,还可以通过结构优化设计来实现。基于我们前期的研究成果[17-18],本文采用了六边形驱动器,驱动器的上下电极均为六边形,上电极的支撑方式为三条边固支,三条边自由,固支边和自由边交错。整体结构示意图如图 1所示。

图 1 六边形静电平行板驱动器和镜面 Fig. 1 Hexagonal electrostatic parallel plate actuator and facesheet

为了对比,利用有限元软件模拟仿真了六边形驱动器和传统两对边固支的四边形驱动器的性能指标。仿真中六边形驱动器边长185 μm,四边形驱动器边长298 μm,因而两种驱动器面积相同,上电极厚度均为2 μm,上下电极间距均为2 μm。仿真结果见表 1所示,可见在行程、吸合电压、一阶固有频率和临界应力等方面,六边形驱动器均优于四边形驱动器。

表 1 六边形驱动器和四边形驱动器的性能对比 Table 1 Performance comparison of hexagonal fixed beam actuator and square fixed beam actuator
六边形 四边形
行程/μm 0.84 0.68
吸合电压/V 43 36
一阶固有频率/kHz 239.4 197.5
临界应力/Mpa -34 -30

变形镜的镜面类型有连续镜面和分立镜面两种,当驱动器数量相同时,连续镜面变形镜的校正残差更小[19],因而本文采用了连续镜面设计。镜面为方形,边长4.8 mm,镜面下方有12×12个六边形驱动器,成方形排列,各驱动器单元之间的间距为400 μm,扣除掉四个角上的驱动器后共有140个驱动器。图 2就是驱动器排布的示意图,图中大正方形为镜面,六边形为驱动器,每个驱动器中央的小正方形为镜面支撑柱。

图 2 140单元变形镜驱动器排布 Fig. 2 Actuator geometry of the 140-element MEMS DM
2.2 加工工艺

采用MEMS表面硅工艺加工了所设计的器件,具体工艺流程为:1)首先在单晶硅衬底(图 3(a))表面沉积一层氮化硅,用作绝缘层(图 3(b));2)氮化硅表面再沉积一层多晶硅(图 3(c)),再对它光刻刻蚀,形成下电极结构(图 3(d));3)在多晶硅上面沉积一层磷硅玻璃(phosphosilicate glass,PSG),这层PSG用作牺牲层(图 3(e)),以形成上下电极之间的空隙。同时PSG在退火时其中的磷可掺杂到多晶硅中,使多晶硅导电。PSG中需要形成上电极固支锚点的地方要通过光刻刻蚀成形(图 3(f));4)在PSG上再沉积第二层多晶硅(图 3(g))并光刻刻蚀,形成上电极结构(图 3(h));5)之后再沉积一层PSG,同样作为牺牲层(图 3(i)),形成上电极和镜面之间的空隙。镜面的支撑柱的位置也要在PSG上相应的留下空隙(图 3(j));6)之后再在PSG上沉积第三层多晶硅(图 3(k)),并光刻刻蚀形成镜面结构(图 3(l))。如有必要的话,镜面可再沉积金属层提高其反射率(图 3(m)(n));7)最后通过湿法腐蚀工艺,将PSG释放掉,得到最终结构(图 3(o))。

图 3 MEMS表面工艺流程 Fig. 3 MEMS surface micromachining process
2.3 封装和驱动

为了提高器件可靠性和寿命采用144针陶瓷引脚网格阵列(ceramic pin grid array,CPGA)管壳和石英玻璃盖板进行了器件封装。封装工艺为首先使用导电银胶将变形镜芯片粘在管壳内腔正中间,然后通过金丝焊线连接芯片上的焊盘和管壳上的焊盘,最后利用紫外固化胶将盖板粘在管壳最上方,封装完成后的变形镜如图 4(a)所示,整体尺寸只有4 cm×4 cm。

图 4 (a) 封装后的MEMS变形镜;(b) 192路高速驱动电源;(c)变形镜样机照片 Fig. 4 (a) The MEMS DM after package; (b) 192-channel high speed driver; (c) The photograph of the DM prototype

为了进行驱动,开发了192路小型化多通道高压高速电源,如图 4(b)所示,可实现变形镜的140个单元的独立高速控制,并且相对于传统压电变形镜来说,大大减小了驱动电源体积,降低了成本。为了实现变形镜与电源间的连接,并便于在光学实验中调节变形镜的倾斜、俯仰等,加工了变形镜外壳,最终得到的变形镜样机照片如图 4(c)所示。

3 实验结果 3.1 光学特性测试

变形镜的光学特性决定了变形镜使用时的性能,主要由镜面决定,是一个首要考虑因素。为此首先利用Zygo NewView 7300三维白光轮廓仪测试了封装后的镜面的初始面形,由于轮廓仪视场范围限制,只测试了镜面中央4 mm口径内的表面面形,结果如图 5(a)所示。镜面初始面形PV值411 nm,RMS值78 nm,主要为离焦像差。导致这一像差的主因是MEMS工艺中的残余应力:变形镜加工中需要先后沉积多层具有残余应力的薄膜,沉积时硅晶圆竖直放立在石英舟中,因而两个表面都会沉积薄膜,但是后续加工只对单侧表面的薄膜进行光刻、刻蚀和释放,以形成变形镜结构,从而导致硅晶圆两个表面的残余应力不平衡,产生了表面弯曲。

图 5 (a) 表面轮廓测试结果;(b)反射率测试曲线 Fig. 5 (a) Measured surface profile; (b) Test curve of reflectivity

为了降低这一问题的影响,可采取三个方面的措施:1)使用更厚的硅晶圆,因为由Stoney公式可知镜面弯曲的程度是与硅晶圆厚度的平方成反比的[20],在残余应力不变的情况如果将硅晶圆厚度增加一倍则可使弯曲的幅度降低到初始的1/4;2)同时对硅晶圆的两个表面进行光刻、刻蚀和释放;3)精确测试面形误差后在光路中匹配一块相位板进行补偿,或者是驱动变形镜各个单元自行校正。

除了面形质量之外,镜面反射率也是变形镜光学特性方面的一个重要指标。本文所研制的变形镜镜面材料为多晶硅,在可见光波段反射率较低,因而采用电子束蒸发的方式在镜面上又镀了一层金。镀金后利用椭偏仪测试了变形镜从400 nm到900 nm波段内的反射率,结果如图 5(b)所示,可见在600 nm到900 nm波段的反射率接近80%,没有达到金材料在这一波段的理想反射率,这主要是由于镜面的微观表面粗糙度导致的[21]。一方面多晶硅沉积中晶粒的尺寸和均匀性会极大地影响到镜面的表面粗糙度,另一方面保形沉积会产生透印效应,使得电极结构轮廓浮现在镜面,也会增大镜面表面粗糙度。为了降低表面粗糙度,可以采取化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)或基于设计的平坦化技术[22]

3.2 静态机电特性测试

接下来测试了变形镜的静态电机械特性,主要包括行程和交连值两项。行程测试同样采用轮廓仪完成,通过比较不同驱动电压下镜面轮廓变化即可得到行程,结果如图 6(a)所示。电压位移曲线不是直线,这是静电驱动器的内禀属性决定的,也是它区别于热电、压电驱动器的本质特征。测试数据表明在280 V电压下变形镜变形量可达2 μm。为了保护器件起见,变形镜工作中可将其变形量限制在1.8 μm以内。图 6(b)所示为交连值测试结果,通过比较被驱动单元的位移和与其相邻单元的位移,可知交连值约为15%,比较接近交连值的理想范围[23]

图 6 (a) 行程测试结果;(b)表面变形截面图 Fig. 6 (a) Measured stroke; (b) The cross section of deformed surface
3.3 动态机电特性测试

动态特性也是变形镜的重要指标之一,本文采用Zygo NewView 7300白光轮廓仪的动态测试模块(dynamic metrology module,DMM)来进行测试,该模块基于频闪照明原理,即同步精确控制轮廓仪的光源和变形镜的驱动电源,使之同频同位相,从而达到虽然变形镜正在高速动态变形,但在轮廓仪中相对“冻结”的效果。

利用不同频率的正弦信号驱动变形镜,同时测其变形,即可得到变形镜的幅频曲线,如图 7(a)所示。由图可知,变形镜-3 dB带宽为13.19 kHz,相对于热电和压电驱动方式更高,完全能满足应用需求。利用阶跃信号驱动变形镜,测试其阶跃响应,结果如图 7(b)所示。可知从10%~90%的响应时间约为23.32 μs,具有极快的响应速度。

图 7 (a) 带宽测试结果;(b)阶跃响应时间测试结果 Fig. 7 (a) Measured bandwidth; (b) Step response time
3.4 开环产生Zernike像差

在以上对变形镜单个单元的各项性能指标测试之后,为了进行变形镜整体性能的测试,本文验证了变形镜对Zernike多项式的拟合能力。Zernike多项式常被用来表示各类像差,是自适应光学领域通行的技术手段之一。验证时计算了各阶Zernike多项式的形状,并控制电源同时给相应单元施加驱动信号,即开环控制变形镜拟合Zernike多项式。

图 8给出了变形镜对从第3项到第65项Zernike多项式的拟合结果,拟合幅值都是1 μm。由图 8可以看出,即使在开环条件下,变形镜也基本能实现想要的面形效果。

图 8 开环拟合第3项至第65项Zernike像差 Fig. 8 Open loop fitting of the 3rd to 65th term Zernike aberation

图 9展示了变形镜拟合的字母和汉字的表面轮廓和干涉条纹,图案清晰,表明变形镜拟合能力良好,对更高阶的像差也具有一定的校正能力。

图 9 变形镜拟合部分图案的表面轮廓和干涉条纹 Fig. 9 The surface profile and interference fringe of some patterns fitted by the DM
4 结论

本文研制了140单元MEMS变形镜,并对其进行了相关性能测试。测试结果表明变形镜表面PV值411 nm,RMS值78 nm,在600 nm到900 nm波段反射率接近80%,行程1.8 μm,交连值约15%,工作带宽13 kHz,阶跃响应时间23 μs。整个变形镜单元间距400 μm,相对于传统变形镜具有更高的单元密度和更低的成本,可望在人眼视网膜成像、自由空间光通信等民用领域得到应用。

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