基于MEMS VOA阵列的红外场景生成器

吕兴东，魏伟伟，张金英，杨晋玲，杨富华

(中国科学院半导体研究所，北京　100083)



基于MEMS VOA阵列的红外场景生成器

吕兴东，魏伟伟，张金英，杨晋玲，杨富华

(中国科学院半导体研究所，北京100083)

摘要:针对动态半实物仿真系统的需求，提出了一种新颖的基于微机电系统( MEMS) 技术 的红外场景生成器。研究了可变光衰减器( VOA) 阵列组成红外场景生成器的工作原理和器件结 构，提出了新型串联双向折叠梁结构和阵列布局方案，为实现大规模阵列的红外场景生成器奠定 基础。

关键词:微机电系统; 可变光衰减器; 红外场景生成器; 阵列; 洛伦兹力

0引言

高性能的红外场景生成器在验证导弹系统性能的半实物仿真中具有重要作用。 其关键指标主要包括：实时性、 大的温度范围/动态范围、 分辨率、 均匀性、 体积和成本等。 现有红外场景发生器的技术主要有：电阻阵列、 激光二极管阵列、 液晶光阀、 基于硅基液晶(LCOS)的红外空间光调制器、 数字微镜器件(DMD)等。 这些技术比较成熟，其中电阻阵列目前应用最广泛，成像质量高，但温度变化速率慢、 提供温度范围有限，导致帧速和成像动态范围方面受到限制；激光二极管阵列均匀性不够理想，成像质量也需要进一步提升；液晶技术的可仿真温度范围有限；DMD技术难以生成足够的灰度[1-12]。

近年来，光开关和光调制器等光学器件性能的提高为高性能红外场景生成器提供了新的技术途径。 2006年，Agiltron公司里提出了一种基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的可变光衰减器(Variable Optical Attentor，VOA)阵列来对红外光源进行空间光调制的动态红外场景生成技术[13]。 所研制的4×4阵列温度可达2 000 K，具有40 dB的高动态范围，隔离度达40 dB，响应时间为3 ms。 该技术响应速度快、 动态范围大，可以满足红外场景生成器的需求，具有良好的研究价值和应用前景。

基于MEMS VOA阵列的红外场景生成技术核心在于VOA器件的研制，生成红外图像的帧频、 动态范围等都依赖于VOA的性能。 目前这种技术的阵列规模还难以与电阻阵列技术相比拟，需要进一步研究在小面积下提高阵列规模的途径，并保证大动态范围的实现。 本研究团队已经设计并成功制备出基于折叠梁结构的单向大位移MEMS VOA器件，并在硅基片上实现了16×16的阵列规模[14-15]，但单梁结构要求梁能够实现大位移，这就需要梁的长度比较大，从而限制了面积的进一步缩小，不利于阵列规模的提升和集成度的提高。 本文提出一种新颖的串联双向折叠梁结构MEMS VOA及阵列布局，利用该结构在6英寸硅基片上可实现128×128的阵列规模，为实现大规模的MEMS VOA红外场景生成器提供了可能。

1理论分析

基于MEMS VOA的红外场景生成器结构示意图[13]如图1所示。 该结构由红外光源、 输入光纤阵列、 MEMS VOA阵列和输出光纤阵列等部分组成。 红外光从光源发出后耦合进入输入光纤阵列传输，之后光纤被分离以保证每根光纤分别与MEMS VOA阵列中的一个像元相匹配，光束经MEMS VOA器件阵列调制后被输出光纤接收，生成相应的红外图像。

图1基于MEMS VOA的红外场景生成器结构示意图

这种方法的核心部分是MEMS VOA阵列，VOA决定了红外场景生成器的性能。 本文提出的MEMS VOA阵列的结构示意图如图2所示。 为了获得更好的光学特性，每个MEMS VOA由通光孔和可动MEMS驱动器组成。 光衰减原理如图3所示。 通光孔阵列制作在硅片1上，用于与输入光纤对准，并限制光的衍射和散射。 硅片2上制作带有可动挡光板的MEMS驱动器，通过控制MEMS驱动器的运动可调节通光孔被挡光板遮住的大小，从而控制进入输出光纤的光强，实现光调制。

图2MEMS VOA阵列结构示意图

图3光衰减原理图

为了获得较高的成像动态范围，挡光板需要实现较大的运动范围。 设计的难点在于如何设计MEMS驱动器阵列以实现大位移，并保证整个阵列的均匀性。 所设计的MEMS驱动器的工作原理如图4所示。 该驱动器由折叠梁和挡光板组成，器件工作在与器件平面相垂直的磁场B中，当在梁上加载电流I时，在折叠梁上会产生洛伦兹力F。 洛伦兹力的方向与电流和磁场的方向相垂直，从而驱动挡光板在xy平面内运动。

图4MEMS驱动器工作原理

由图3～4可知，每个MEMS驱动器由两个同样的带有挡光板的折叠梁组成，两组折叠梁在电学上形成串联关系。 通电时，两组折叠梁上通过的电流大小相等、 方向相反，从而分别在两个挡光板上产生大小相等、 方向相反的洛伦兹力。 洛伦兹力驱动两个挡光板向相反方向运动，改变两个挡光板间的间隙，进而改变通光量。

图3(a)为器件的初始状态，即未加载电流驱动时，两个挡光板之间的间隙为通光孔大小的一半，允许部分光通过VOA器件进入输出光纤。 图3(b)和图4(a)中，当加载电流时，在洛伦兹力驱动下，两个挡光板相向运动，彼此靠近，光会被进一步阻挡。 图3(c)和图4(b)中，通过改变电流方向，洛伦兹力的方向会改变，挡光板向相反方向运动，彼此分离，会有更多的光通过VOA进入输出光纤。 与单梁结构相比，双向折叠梁结构对每根梁的运动位移要求显著降低，梁的长度可有效缩短，有利于阵列规模的提升，以及集成度的提高。

图4中，MEMS驱动器位于xy平面内，磁场B沿z轴方向与器件相垂直。 当有电流在折叠梁上通过时，会产生沿着y方向的洛伦兹力：

F=BIL

(1)

式中:L为结构沿x方向的长度。

MEMS可动结构可以等效为一个具有刚度系数k的弹簧。 在外力作用下变形产生位移y，相应的弹性回复力为

Fe=ky

(2)

MEMS结构稳定时，处于力平衡位置，受到的洛伦兹力和弹性回复力相等。 因此，结构产生在y方向的位移大小为

(3)

由式(3)可知，可以通过减小结构刚度k来实现大位移y。 k与器件材料机械特性和结构尺寸有关[7-8]。

2结构设计

MEMS驱动结构如图5所示。 由于结构的对称性，尺寸相同的两组折叠梁具有相同的机械性能。

图5MEMS驱动结构示意图

图5中折叠梁结构的刚度系数为

(4)

式中： E为材料的杨氏模量； a,b分别为折叠梁单折的横向和纵向长度； Iz，b为长度为b的梁结构沿z轴的转动惯量。

将式(4)代入式(3)，可得到结构的位移为

(5)

为了在6英寸的硅基片上制作128 × 128的器件阵列，需要合理设计每个MEMS器件的尺寸。 根据式(5)，为获得更大的位移，驱动器结构的长度应尽量增大。 本文所设计的单个驱动器的结构长为1.7mm，宽为0.17mm。 每个驱动单元所需的芯片面积为0.3mm2，相应的128 × 128阵列所需的芯片面积为47cm2，对应硅片中心边长为7cm的方形区域，如图6所示。 这样圆片外围可以留有足够区域用于控制引线的排布。

图6MEMS VOA阵列在6英寸硅基片上的分布位置

所设计的结构采用金属铝和SiO2相结合的复合梁结构，具体参数如表1所示。

表1　驱动器的材料和结构参数

所设计器件的工艺流程如图7所示。 采用硅片作为基片，将两块相对的挡光板设计在不同的高度以避免碰撞。 首先使用反应离子刻蚀技术将一部分硅刻蚀掉，形成高低不同的台阶，然后对硅片进行热氧化处理，如图7(a)所示。 热氧后蒸发一层金属铝作为导电结构层，再使用干法刻蚀形成图形，如图7(b)所示。 然后将背面的硅使用深反应离子刻蚀(DRIE)技术刻蚀掉，如图7(c)所示。最后，使用各向同性刻蚀技术从正面将梁下面的硅刻蚀干净，见图7(d)。

图7工艺流程截面图

使用有限元软件ANSYS对MEMS结构的性能能进行验证，相应的仿真结果如图8所示。 仿真结果验证了器件可以在洛伦兹力的驱动下同时运动，实现相互合并和分离的效果。

图8器件运动仿真结果

3结论

本文设计了基于MEMS VOA阵列的红外场景发生器。 通过设计一种新型的串联折叠梁结构，利用洛伦兹力驱动实现了双向运动，有效提高了驱动效率。 可在6英寸硅基片上实现128×128的MEMS阵列，为实现大规模的红外场景生成器奠定了基础。

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IR Scene Generator Based on MEMS VOA Array

Lü Xingdong, Wei Weiwei, Zhang Jinying, Yang Jinling, Yang Fuhua

(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)

Abstract:A novel IR scene generator based on MEMS technology is proposed for the application of dynamic semi-physical simulation systems. The working principle and device structure of the IR scene generator composed by VOA array are investigated. The novel series of bi-directional folded beam structure and its array distribution solution are proposed. This work provides the foundation for the realization of large-scale array IR scene generator.

Key words:MEMS; VOA; IR scene generator; array; Lorentz force

中图分类号:TN219; O439

文献标识码:A

文章编号:1673 -5048( 2016) 02 -0038 -04

作者简介：吕兴东(1989-)，男，吉林长春人，博士研究生，研究方向为微电子机械系统。

基金项目：航空科学基金项目(20130136001)

收稿日期：2015-07-17

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.02.007