微机械连续薄膜变形反射镜

　　1　引言

　　变形镜作为一种常用的波前校正器在自适应光学系统中以及空间无线天线中都是必不可少的重要部件[1],大部分的应用都要求变形镜的体积小、重量轻、能耗低、成本低、响应快和高集成度,而现有技术制作的变形镜都具有体积大、能耗高的缺点,且都采用分别制造各个单元,然后手工装配的手段,不能批量生产,成本高[2]。同时,由于采用手工装配,巨大的劳动量限制了变形镜的规模,使得传统技术制作的变形镜最多能拥有数千个变形镜单元。现有技术已经严重限制变形镜的应用与发展。近年来,由于甚大规模集成技术和微加工技术的发展,使微机械薄膜变形镜在低成本、小型自适应光学系统的应用成为可能[3]。微机械薄膜变形反射镜具有体积小、成本低、能耗低、响应快及集成度高等传统自适应光学系统不具备的特点,可以用标准化工艺大批量生产,在天文、航天、光通信、高精度测距、遥感、强激光技术、医疗仪器等众多领域都有潜在的应用前景[4]。

　　目前国际上尚无微机械薄膜变形反射镜的成熟产品,国内尚属空白。本文从理论上研究了微机械连续薄膜变形反射镜的变形位移和驱动电压的关系,分析了变形镜的工作状态、最大变形位移和变形反射镜中结构参数对变形位移的影响。

　　2　理论推导

　　微机械连续薄膜变形反射镜是在驱动器的阵列上覆盖一层柔性薄膜,柔性连续薄膜反射镜通过刚性支柱自持于驱动器单元上方,结构如图1所示。

　　这种结构的驱动单元由上下两块平行板组成,上平板通过弹性梁的支撑悬置于下平板的上方。当在上下平板间施加电压时,产生的静电力会将上平板下拉,产生垂直于平板所在平面的运动,而同时弹性梁和薄膜变形镜则会产生回复力,二者平衡时上平板就会稳定在某一位置。在静电驱动器中,电极的形状不断因静电力的吸引而改变,无法精确地以解析解计算电容的值与静电力。在使用平行板近似电容时,首先假定:

　　(1)电极上每一点的电场在垂直于极板的方向上都近似均匀分布,且忽略其余方向之静电力作用;

　　(2)忽略电容间的边缘场效应;

　　(3)忽略电容在边界上的漏电场。

　　其中,q是电荷,V是瞬态电压,A是电极有效面积,d是上下极板间的瞬态距离,ε0是真空中的介电常数,εr是空气的相对介电常数。电容中的瞬态电场能是

　　静电力使上平板下移,而弹性支撑梁和薄膜反射镜的形变产生回复力来平衡静电力,设二者达到平衡时上平板移动的距离是δd,上下平板的间距是d,静电力为