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一种光束偏转精瞄驱动构件微镜

阅读:599发布:2020-10-28

专利汇可以提供一种光束偏转精瞄驱动构件微镜专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种集驱动/光反射功能于一体的光束偏转精瞄驱动构件微镜,包括内部镂空的外围 基座 ,外围基座的四个 角 刻蚀 出Pt作为下 电极 ,外围基座中心设有四悬梁结构,四悬梁与外围基座中心基底正上方是微镜,微镜的方框内溅射沉积有金属层Au, 悬臂梁 上设置有上电极Au。本发明结构合理,工艺简单,集驱动/光反射功能于一体,有效解决现有空间光通信ATP精 跟踪 系统中精瞄执行器件微镜体积大、调节 频率 低、响应速度慢、位移 分辨率 低、可靠性差等技术 瓶颈 ,适用于空间光通信光束偏转精瞄及驱动,实现光束快速对准的精准控制。,下面是一种光束偏转精瞄驱动构件微镜专利的具体信息内容。

1.一种光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,包括内部镂空的外围基座(1),外围基座(1)的四个刻蚀出Pt层作为下电极(6),外围基座中心设有四悬梁结构(2),四悬梁结构(2)与外围基座(1)中心基底正上方设置有微镜(3),微镜(3)的方框内溅射沉积有金属层(9),四悬梁结构(2)上设置有上电极(5)。
2.根据权利要求1所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,四悬梁结构(2)和微镜(3)采用基PLZT薄膜(4)刻蚀而成。
3.根据权利要求2所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,硅基PLZT薄膜(4)的厚度为1.5~2μm。
4.根据权利要求1所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,金属层(9)采用Au溅射沉积制成,金属层(9)的厚度为300~500nm。
5.根据权利要求1所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,上电极(5)采用Au溅射沉积制成,上电极(5)的厚度为300~500nm。
6.根据权利要求1所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于,上电极(5)包括两个,分别设置在相邻的两个悬臂梁上,上电极(5)上设置有上电极压焊点(7)。
7.根据权利要求1所述的光束偏转精瞄驱动构件微镜,其特征在于下电极(6)上设置有下电极压焊点(8)。

说明书全文

一种光束偏转精瞄驱动构件微镜

技术领域

[0001] 本发明属于空间激光通信精跟踪技术领域,具体涉及一种光束偏转精瞄驱动构件微镜。

背景技术

[0002] 空间激光通信FSO(Free Space Optical Communication)时,快速、精确的捕获、跟踪和瞄准(ATP)是保证空间远距离光通信的前提,属于空间光通信系统中最为关键的核心,同时是最难解决的一项技术。高频精跟踪系统是ATP系统的子系统,是对粗跟踪系统误差补偿以满足ATP系统最终对准和跟踪精度要求。而振镜是ATP精跟踪系统的精瞄执行器件,其主要作用是实现光束快速对准的精密控制,要求微秒量级响应,十分之一微弧度量级精度,其执行精度及特性是影响精跟踪环乃至整个系统精度的不可忽视的因素,是目前卫星光通信ATP精跟踪系统核心器件。
[0003] 目前,常见振镜的驱动方式有电磁驱动,摆动电机驱动,音圈电机驱动和压电陶瓷驱动[9-13]等。其工作原理都是控制电磁或电机产生位移驱动反射镜偏转度,其中,电机/反射镜平台(执行机构)和反射镜(被控对象)是两个独立功能的器件,增加了振镜控制系统的复杂性和体积。而空间光通信中的ATP精跟踪系统一般搭载在各种空间航天器上,要求驱动器发热小、体积小、功耗低、电场控制方式相对简单、调节频率高、分辨率高、响应速度快、位移重复性好,同时还要求它有很强的抗电子干扰和辐射的能力。因此,寻求新的MEMS材料,探索新的物理效应,解决当前振镜驱动器所存在的体积大、调节频率低、响应速度慢、位移分辨率低、输出力小、换能效率低、可靠性差等技术瓶颈问题,已成为空间光通信技术领域发展需求的主流趋势。
[0004] 反电介质材料独特的内部极化方式导致奇异的相变行为特性。在外场(电场、温度场、压力场等)作用下,产生AFE-FE相变效应并伴随着材料体积的变化,引起材料的场致应变效应,最高可达0.85%,大大优于压电材料的逆压电效应,一般来说0.4%~0.6%是常见的应变量,典型的PZT弛豫型铁电陶瓷的应变量一般仅有0.1%左右。反铁电材料的相变引起的极化强度变化和纵向应变属于跃变行为,相变应变效应具有良好的可开关特性,且开关响应速度快,可达ns量级以内。因此,利用反铁电材料的这种电场诱导的相变开关特性和相变应变效应,实现反铁电薄膜材料与MEMS技术的集成应用在空间激光通信精瞄执行器件,是一个需求紧迫且融合材料科学和制造科学的应用基础问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种光束偏转精瞄驱动构件微镜,解决空间激光通信ATP精跟踪微镜驱动器体积大、调节频率低、响应速度慢、位移分辨率低、控制精度低等技术瓶颈问题。
[0006] 本发明采用以下技术方案:
[0007] 一种光束偏转精瞄驱动构件微镜,包括内部镂空的外围基座,外围基座的四个角刻蚀出Pt作为下电极压焊点,外围基座中心设有四悬梁结构,四悬梁结构与外围基座中心基底正上方设置有微镜,微镜的方框内溅射沉积有金属层,其中四悬梁结构上相邻的两个梁上设置有上电极。
[0008] 具体的,四悬梁结构和微镜采用基PLZT薄膜刻蚀而成。
[0009] 进一步的,硅基PLZT薄膜的厚度为1.5~2μm。
[0010] 具体的,金属层采用Au溅射沉积制成,金属层的厚度为300~500nm。
[0011] 具体的,上电极采用Au溅射沉积制成,上电极的厚度为300~500nm。
[0012] 具体的,上电极包括两个,分别设置在相邻的两个悬臂梁上,上电极上设置有上电极压焊点。
[0013] 具体的,下电极上设置有下电极压焊点。
[0014] 与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
[0015] 本发明一种光束偏转精瞄驱动构件微镜,面向自由空间激光通信ATP(捕获、跟踪和瞄准)精跟踪系统对小尺寸、轻重量、长寿命、高保密性和超净精密定位等新型微镜光器件的应用需求,以硅基反铁电薄膜材料电场诱导相变效应研究为基础,结合MEMS前沿制造技术,提出集驱动/光反射(执行机构/控制对象)功能于一体的技术创新方法,设计制造基于反铁电薄膜材料场致相变效应的高灵敏、快响应、超精密定位、换能效率高、位移重复性好的精瞄执行微镜构件。
[0016] 进一步的,反铁电薄膜材料本身的低内耗、大体积应变、较小的驱动力和瞬间阶跃响应速度是自由空间光通信精跟踪系统精瞄执行器技术的关键材料。
[0017] 进一步的,采用厚度范围为1.5~2μm的硅基PLZT薄膜,PLZT薄膜相变电滞宽度大,饱和极化强度最大。
[0018] 进一步的,相邻两臂分别代表X和Y方向,垂直于X和Y为Z方向。在X臂和下电极之间施加驱动电压Ux后,可使得X臂在XZ平面内发生弯曲变形,由此带动微镜在XZ方向产生偏转角度α;同理,在Y臂和下电极之间施加驱动电压Uy后,可使得Y臂在YZ平面内发生弯曲变形,由此带动微镜在YZ方向产生偏转角度β。因此分别驱动Ux和Uy,可实现微镜在不同方向产生不同的偏转角度,以跟踪外界激光可能出现的各种偏转情况。
[0019] 综上所述,本发明工艺简单,结构合理,集驱动/光反射(执行机构/控制对象)功能于一体,有效解决现有空间光通信ATP精跟踪系统中精瞄执行器件微镜体积大、调节频率低、响应速度慢、位移分辨率低、可靠性差等技术瓶颈,适用于空间光通信光束偏转精瞄及驱动,实现光束快速对准的精密控制。在工业、科学和军事领域具有广泛的应用前景,对我国国防军事力量的提升有着重要的科技价值和深远的战略意义。
[0020] 下面通过附图实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0021] 图1为本发明四悬梁微镜驱动构件的结构示意图;
[0022] 图2为本发明四悬梁微镜驱动构件的结构俯视图;
[0023] 图3为本发明四悬梁微镜驱动构件的结构剖面图;
[0024] 图4为相同浓度不同层数PLZT反铁电薄膜P-E曲;
[0025] 图5为同浓度不同层数的PLZT反铁电薄膜相变电流
[0026] 图6为同浓度不同层数的PLZT反铁电薄膜介电温谱图。
[0027] 其中:1.外围基座;2.四悬梁结构;3.微镜;4.硅基PLZT薄膜;5.上电极;6.下电极;7.上电极压焊点;8.下电极压焊点;9.金属层。

具体实施方式

[0028] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
[0029] 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030] 请参阅图1,本发明一种光束偏转精瞄驱动构件微镜,包括外围基座1,外围基座1采用微机电器件加工工艺(即MEMS加工工艺)在多晶硅基底上加工而成,外围基座1的中心刻蚀镂空,外围基座1的表面设置有Pt/Ti层,Pt/Ti层的表面异质集成有厚度为1.5~2μm的硅基PLZT薄膜4,硅基PLZT薄膜4遍布于整个微镜3和四悬梁结构2,以及整个外围基座(除去下电极),微镜3的四面与四悬梁结构2一端连接,四悬梁结构2的另一端连接外围基座1的内四边,微镜3的中心方框内溅射有沉积厚度为300nm~500nm的Au金属层9作为镜面;在四悬梁结构2的相邻两个梁上溅射沉积厚度300nm~500nm的Au金属层作为上电极5,硅基PLZT薄膜4下方的Pt层作为下电极6,在上电极5和下电极6之间施加20~60V的偏置直流电压,上电极5和下电极6间的硅基PLZT薄膜4在电场诱导作用下,会发生反铁电-铁电结构相变,引起硅基反铁电材料薄膜的应变效应,使四悬梁微镜结构发生形变,从而实现四悬梁微镜结构的驱动及反射激光的行为。
[0031] 请参阅图2,四悬梁结构2上相邻的两个梁上溅射沉积有上电极压焊点7,在外围基座1的四周刻蚀硅基PLZT薄膜4后漏出下电极压焊点8,并焊接导电金属丝,实现与外部电路的良好连接。
[0032] 请参阅图3,四悬梁结构2的四个臂梁的一端分别与外围基座1连接,另一端分别与微镜3连接,微镜3通过四悬梁结构2支悬于基底的正上方。
[0033] 本发明一种光束偏转精瞄驱动构件微镜的制备方法,具体包括以下步骤:
[0034] S1、利用溶胶-凝胶法在多晶硅基底的Pt/Ti层表面异质集成1.5~2μm的硅基PLZT薄膜4;
[0035] 请参阅图4,当PLZT薄膜厚度由15层(1.5μm)增至20层(2μm)时,PLZT薄膜相变电滞宽度增大,饱和极化强度增加至最大,这是由于厚度变化导致PLZT薄膜微观结构的差异引起,层数为30层时电滞宽度减小,极化强度减小,由于其厚度增至3μm时其裂纹较大,致密性较差,电学特性下降。
[0036] S2、采用微机电器件加工工艺在集成硅基PLZT薄膜4的多晶硅基底上加工外围基座1,在硅基PLZT薄膜4上刻蚀四悬梁结构2和微镜3,微镜3支悬于多晶硅基底的正上方,四悬梁结构2与微镜3连接构成四悬臂梁-中心微镜结构;
[0037] S3、在微镜3的方框内溅射沉积厚度300~500nm的Au金属层9作为镜面,在四悬梁结构2相邻的两个悬臂梁上溅射沉积厚度300~500nm的Au金属层作为上电极5,以Pt层作为下电极6;
[0038] 微镜的上电极是直接在反铁电薄膜表面进行金溅得到,溅射厚度大约300nm~500nm,厚度太薄在后期键合或测试过程中容易损坏;基于现有工艺条件,由于金属溅射工艺在高温下进行,长时间的溅射易使得金属下方得剥离胶变性,导致金属剥离困难,器件失效,故溅射金属厚度不宜超过500nm。
[0039] S4、在上电极5上溅射沉积上电极压焊点7,将外围基座1四个角的硅基PLZT薄膜4刻蚀露出下电极6并设置下电极压焊点8,上电极压焊点7和下电极压焊点8分别焊接导电金属丝,实现与外部电路的良好连接;
[0040] S5、外围基座1上和悬臂梁后端设置外接引线键合焊盘,硅基PLZT薄膜4表面上的金属经引线与相应的外接引线键合焊盘连接,通过引线和外接引线键合焊盘,在上电极5和下电极6之间施加20~60V的交流电压驱动悬臂梁进而使振镜发生形变,制成光束偏转精瞄驱动构件微镜。
[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0042] 请参阅图5,给出了相同浓度(0.5mol/L),不同层数(15层、20层及30层)PLZT反铁电薄膜的J-E曲线。测试结果表明:
[0043] 1、在外加电场诱导下,PLZT反铁电薄膜产生的最大反铁电-铁电相变电流为5.5×10-6A/cm2,产生的最大铁电-反铁电相变电流为4.8×10-6A/cm2,最大铁电-反铁电相变电流值小于最大反铁电-铁电相变电流值;
[0044] 2、层数由15层增大至20层时,产生的相变电流密度增大,这与P-E曲线中浓度增加时饱和极化强度增加一致。层数为30层时相变电流密度突降,这是由于层数为30层时反铁电薄膜表面裂纹较大,致密性较差造成,这与P-E曲线中层数为30层时其饱和极化强度减小同样保持一致。
[0045] 请参阅图6,为相同浓度层数(0.5mol/L),不同层数(15层、20层及30层)的PLZT反铁电薄膜温度-介电性能测试结果对比,测试频率100kHz。结果表明:当层数由15层增加至20层时,PLZT反铁电薄膜介电常数增大,增加至30层时其介电常数发生突降,这与其P-E、J-E变化趋势一致,主要为30层PLZT反铁电薄膜开裂严重所致。
[0046] 因此,具有低内耗、大体积应变、较小的驱动力和瞬间阶跃响应速度的反铁电薄膜材料与MEMS技术的集成应用在自由空间激光通信精瞄执行器件,为微小型、高灵敏、高可靠性、超精密定位空间光通信系统ATP精瞄器件的设计和开发提供理论依据和核心构件支持。
[0047] 综上所述,本发明利用硅基反铁电材料的相变应变效应和快速开关特性,将反铁电薄膜功能材料与MEMS技术相结合,提出空间光通信系统精瞄器件集驱动/光反射功能一体化设计,实现空间光通信ATP精跟踪系统中新型的精瞄执行器件振镜的微型化、高灵敏、低功耗、超精密定位设计,在工业、科学和军事领域具有广泛的应用前景,对我国国防军事力量的提升有着重要的科技价值和深远的战略意义。
[0048] 以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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