光栅平动式光调制器机械特性分析与仿真

　　1　引　　言

　　目前基于MOEMS技术的光调制器被广泛地应用在激光打印机、光开关、HDTV与投影显示系统中。由美国TI公司开发的光调制器DMD[1,11](digitalmirrordevice),由美国斯坦福大学开发的光调制器GLV[2]都由于其高对比度,高亮度的特点,被成功地应用在投影显示系统中,创造了巨大的商业价值。光栅光调制器GMLM[3-4](gratingmova-ble lightmodulator)是基于MOEMS技术的新型光调制器,它主要由悬臂梁与可动光栅组成,并由静电驱动。GMLM具有高对比度、高速开关特性、易于面阵化的优点,在显示与打印技术等领域具有很大的应用前景。器件的机械特性[5]特别是载荷挠度特性决定了器件的谐振频率以及工作电压等关键参数,是器件实现显示的基础。为了对结构参数优化设计提供理论依据,需要建立可靠的机械模型得到其机械特性,本文进行了理论分析与仿真实验。

　　2　光栅光调制器原理与机电模型

　　光栅光调制器结构如图1所示,它主要包括一个可动光栅和下面的反射面。具体结构如图1(a)所示为:硅基底1,其上淀积刻蚀有绝缘层2和下反射面3;通过底部在绝缘层上的支撑柱4,使蟹型悬臂梁5与顶层反射面6悬浮于下反射面上方;该顶层反射面被均匀蚀刻出镂空矩形槽,形成可动光栅6;两反射面之间留有合适的间距g(为入射光半波长的偶数倍),顶层光栅上的反射面为正电极,下反射面为负电极。在上下电极施加电压,可使得光调制器中可动光栅下降δ(为入射光波长的1/4)的位移,其平面图如图1(b)所示。其调制原理如图2所示,当不加电压的时候,上下反射面的光程差为入射光半波长的偶数倍,这时GMLM相当于一个反射镜,将入射光反射回光源方向,这时光学接收系统显示为暗态;当加上一定的电压后,可动光栅和反射面之间的距离发生改变,上下反射面的光程差为入射光的半波长的奇数倍。这时GMLM相当于是一个矩形相位光栅,入射光以一定角度衍射,通过光学接收系统对非零衍射级次的收集屏幕对应位置显示为亮态[3-4]。通过GMLM阵列对入射光的调制,即可以实现投影显示。

　　器件的电学及机械模型,可以简化等效为弹簧-电容的模型。如图3所示,m为系统的等效质量,Ks为系统的等效弹性系数,C为系统的等效阻尼系数,g为上下极板之间的距离,即支撑梁同负电极的间距,δ为可动光栅下降的距离,V为施加在器件上的电压。弹力Fmech是由支撑梁的机械特性、结构尺寸决定的,静电力Felec则由电压V、支撑梁同负电极间的介电常数及支撑梁的面积决定。

　　器件的系统等效弹簧模型相当于由4个弹性系数为Kcrab的蟹型悬臂梁等效弹簧与1个弹性系数为Kplate的可动光栅等效弹簧串联构成,如图4所示。系统等效弹性系数Ks为: