基于MEMS VOA陣列的紅外場景生成器

呂興東，魏偉偉，張金英，楊晉玲，楊富華

(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京　100083)

?

基于MEMS VOA陣列的紅外場景生成器

呂興東，魏偉偉，張金英，楊晉玲，楊富華

(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京100083)

摘要:針對動態(tài)半實物仿真系統(tǒng)的需求，提出了一種新穎的基于微機(jī)電系統(tǒng)( MEMS) 技術(shù) 的紅外場景生成器。研究了可變光衰減器( VOA) 陣列組成紅外場景生成器的工作原理和器件結(jié) 構(gòu)，提出了新型串聯(lián)雙向折疊梁結(jié)構(gòu)和陣列布局方案，為實現(xiàn)大規(guī)模陣列的紅外場景生成器奠定 基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:微機(jī)電系統(tǒng); 可變光衰減器; 紅外場景生成器; 陣列; 洛倫茲力

0引言

高性能的紅外場景生成器在驗證導(dǎo)彈系統(tǒng)性能的半實物仿真中具有重要作用。 其關(guān)鍵指標(biāo)主要包括：實時性、 大的溫度范圍/動態(tài)范圍、 分辨率、 均勻性、 體積和成本等。 現(xiàn)有紅外場景發(fā)生器的技術(shù)主要有：電阻陣列、 激光二極管陣列、 液晶光閥、 基于硅基液晶(LCOS)的紅外空間光調(diào)制器、 數(shù)字微鏡器件(DMD)等。 這些技術(shù)比較成熟，其中電阻陣列目前應(yīng)用最廣泛，成像質(zhì)量高，但溫度變化速率慢、 提供溫度范圍有限，導(dǎo)致幀速和成像動態(tài)范圍方面受到限制；激光二極管陣列均勻性不夠理想，成像質(zhì)量也需要進(jìn)一步提升；液晶技術(shù)的可仿真溫度范圍有限；DMD技術(shù)難以生成足夠的灰度[1-12]。

近年來，光開關(guān)和光調(diào)制器等光學(xué)器件性能的提高為高性能紅外場景生成器提供了新的技術(shù)途徑。 2006年，Agiltron公司里提出了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)的可變光衰減器(Variable Optical Attentor，VOA)陣列來對紅外光源進(jìn)行空間光調(diào)制的動態(tài)紅外場景生成技術(shù)[13]。 所研制的4×4陣列溫度可達(dá)2 000 K，具有40 dB的高動態(tài)范圍，隔離度達(dá)40 dB，響應(yīng)時間為3 ms。 該技術(shù)響應(yīng)速度快、 動態(tài)范圍大，可以滿足紅外場景生成器的需求，具有良好的研究價值和應(yīng)用前景。

基于MEMS VOA陣列的紅外場景生成技術(shù)核心在于VOA器件的研制，生成紅外圖像的幀頻、 動態(tài)范圍等都依賴于VOA的性能。 目前這種技術(shù)的陣列規(guī)模還難以與電阻陣列技術(shù)相比擬，需要進(jìn)一步研究在小面積下提高陣列規(guī)模的途徑，并保證大動態(tài)范圍的實現(xiàn)。 本研究團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計并成功制備出基于折疊梁結(jié)構(gòu)的單向大位移MEMS VOA器件，并在硅基片上實現(xiàn)了16×16的陣列規(guī)模[14-15]，但單梁結(jié)構(gòu)要求梁能夠?qū)崿F(xiàn)大位移，這就需要梁的長度比較大，從而限制了面積的進(jìn)一步縮小，不利于陣列規(guī)模的提升和集成度的提高。 本文提出一種新穎的串聯(lián)雙向折疊梁結(jié)構(gòu)MEMS VOA及陣列布局，利用該結(jié)構(gòu)在6英寸硅基片上可實現(xiàn)128×128的陣列規(guī)模，為實現(xiàn)大規(guī)模的MEMS VOA紅外場景生成器提供了可能。

1理論分析

基于MEMS VOA的紅外場景生成器結(jié)構(gòu)示意圖[13]如圖1所示。 該結(jié)構(gòu)由紅外光源、 輸入光纖陣列、 MEMS VOA陣列和輸出光纖陣列等部分組成。 紅外光從光源發(fā)出后耦合進(jìn)入輸入光纖陣列傳輸，之后光纖被分離以保證每根光纖分別與MEMS VOA陣列中的一個像元相匹配，光束經(jīng)MEMS VOA器件陣列調(diào)制后被輸出光纖接收，生成相應(yīng)的紅外圖像。

圖1基于MEMS VOA的紅外場景生成器結(jié)構(gòu)示意圖

這種方法的核心部分是MEMS VOA陣列，VOA決定了紅外場景生成器的性能。 本文提出的MEMS VOA陣列的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。 為了獲得更好的光學(xué)特性，每個MEMS VOA由通光孔和可動MEMS驅(qū)動器組成。 光衰減原理如圖3所示。 通光孔陣列制作在硅片1上，用于與輸入光纖對準(zhǔn)，并限制光的衍射和散射。 硅片2上制作帶有可動擋光板的MEMS驅(qū)動器，通過控制MEMS驅(qū)動器的運動可調(diào)節(jié)通光孔被擋光板遮住的大小，從而控制進(jìn)入輸出光纖的光強(qiáng)，實現(xiàn)光調(diào)制。

圖2MEMS VOA陣列結(jié)構(gòu)示意圖

圖3光衰減原理圖

為了獲得較高的成像動態(tài)范圍，擋光板需要實現(xiàn)較大的運動范圍。 設(shè)計的難點在于如何設(shè)計MEMS驅(qū)動器陣列以實現(xiàn)大位移，并保證整個陣列的均勻性。 所設(shè)計的MEMS驅(qū)動器的工作原理如圖4所示。 該驅(qū)動器由折疊梁和擋光板組成，器件工作在與器件平面相垂直的磁場B中，當(dāng)在梁上加載電流I時，在折疊梁上會產(chǎn)生洛倫茲力F。 洛倫茲力的方向與電流和磁場的方向相垂直，從而驅(qū)動擋光板在xy平面內(nèi)運動。

圖4MEMS驅(qū)動器工作原理

由圖3～4可知，每個MEMS驅(qū)動器由兩個同樣的帶有擋光板的折疊梁組成，兩組折疊梁在電學(xué)上形成串聯(lián)關(guān)系。 通電時，兩組折疊梁上通過的電流大小相等、 方向相反，從而分別在兩個擋光板上產(chǎn)生大小相等、 方向相反的洛倫茲力。 洛倫茲力驅(qū)動兩個擋光板向相反方向運動，改變兩個擋光板間的間隙，進(jìn)而改變通光量。

圖3(a)為器件的初始狀態(tài)，即未加載電流驅(qū)動時，兩個擋光板之間的間隙為通光孔大小的一半，允許部分光通過VOA器件進(jìn)入輸出光纖。 圖3(b)和圖4(a)中，當(dāng)加載電流時，在洛倫茲力驅(qū)動下，兩個擋光板相向運動，彼此靠近，光會被進(jìn)一步阻擋。 圖3(c)和圖4(b)中，通過改變電流方向，洛倫茲力的方向會改變，擋光板向相反方向運動，彼此分離，會有更多的光通過VOA進(jìn)入輸出光纖。 與單梁結(jié)構(gòu)相比，雙向折疊梁結(jié)構(gòu)對每根梁的運動位移要求顯著降低，梁的長度可有效縮短，有利于陣列規(guī)模的提升，以及集成度的提高。

圖4中，MEMS驅(qū)動器位于xy平面內(nèi)，磁場B沿z軸方向與器件相垂直。 當(dāng)有電流在折疊梁上通過時，會產(chǎn)生沿著y方向的洛倫茲力：

F=BIL

(1)

式中:L為結(jié)構(gòu)沿x方向的長度。

MEMS可動結(jié)構(gòu)可以等效為一個具有剛度系數(shù)k的彈簧。 在外力作用下變形產(chǎn)生位移y，相應(yīng)的彈性回復(fù)力為

Fe=ky

(2)

MEMS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，處于力平衡位置，受到的洛倫茲力和彈性回復(fù)力相等。 因此，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生在y方向的位移大小為

(3)

由式(3)可知，可以通過減小結(jié)構(gòu)剛度k來實現(xiàn)大位移y。 k與器件材料機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)[7-8]。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

MEMS驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖5所示。 由于結(jié)構(gòu)的對稱性，尺寸相同的兩組折疊梁具有相同的機(jī)械性能。

圖5MEMS驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

圖5中折疊梁結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)為

(4)

式中： E為材料的楊氏模量； a,b分別為折疊梁單折的橫向和縱向長度； Iz，b為長度為b的梁結(jié)構(gòu)沿z軸的轉(zhuǎn)動慣量。

將式(4)代入式(3)，可得到結(jié)構(gòu)的位移為

(5)

為了在6英寸的硅基片上制作128 × 128的器件陣列，需要合理設(shè)計每個MEMS器件的尺寸。 根據(jù)式(5)，為獲得更大的位移，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)盡量增大。 本文所設(shè)計的單個驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)長為1.7mm，寬為0.17mm。 每個驅(qū)動單元所需的芯片面積為0.3mm2，相應(yīng)的128 × 128陣列所需的芯片面積為47cm2，對應(yīng)硅片中心邊長為7cm的方形區(qū)域，如圖6所示。 這樣圓片外圍可以留有足夠區(qū)域用于控制引線的排布。

圖6MEMS VOA陣列在6英寸硅基片上的分布位置

所設(shè)計的結(jié)構(gòu)采用金屬鋁和SiO2相結(jié)合的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如表1所示。

表1　驅(qū)動器的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)

所設(shè)計器件的工藝流程如圖7所示。 采用硅片作為基片，將兩塊相對的擋光板設(shè)計在不同的高度以避免碰撞。 首先使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將一部分硅刻蝕掉，形成高低不同的臺階，然后對硅片進(jìn)行熱氧化處理，如圖7(a)所示。 熱氧后蒸發(fā)一層金屬鋁作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，再使用干法刻蝕形成圖形，如圖7(b)所示。 然后將背面的硅使用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)刻蝕掉，如圖7(c)所示。最后，使用各向同性刻蝕技術(shù)從正面將梁下面的硅刻蝕干凈，見圖7(d)。

圖7工藝流程截面圖

使用有限元軟件ANSYS對MEMS結(jié)構(gòu)的性能能進(jìn)行驗證，相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖8所示。 仿真結(jié)果驗證了器件可以在洛倫茲力的驅(qū)動下同時運動，實現(xiàn)相互合并和分離的效果。

圖8器件運動仿真結(jié)果

3結(jié)論

本文設(shè)計了基于MEMS VOA陣列的紅外場景發(fā)生器。 通過設(shè)計一種新型的串聯(lián)折疊梁結(jié)構(gòu)，利用洛倫茲力驅(qū)動實現(xiàn)了雙向運動，有效提高了驅(qū)動效率。 可在6英寸硅基片上實現(xiàn)128×128的MEMS陣列，為實現(xiàn)大規(guī)模的紅外場景生成器奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Driggers R G, Barnard K J, Burroughs E, et al. Review of Infrared Scene Projector Technology [J]. Optical Engineering, 1994, 33(7): 2408-2417.

[2] Gao Jiaobo, Ye Kefei, Wang Jun, et al. Dynamic IR Scene Projection Using the Single-Crystal Silicon Liquid Crystal Light Valve [C]∥Proceedings of SPIE, Optical Measurement and Nodestructive Testing: Techniques and Applications, 2000, 4221: 243-247.

[3] Cole B E, Higashi R E, Ridley J A, et al. Large-Area Infrared Microemitter Arrays for Dynamic Scene Projection [C]∥Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Environments: Hardware-in-the-Loop TestingⅢ, 1998,3368: 57-70.

[4] 高教波, 王軍, 駱延令,等. 動態(tài)紅外場景投射器研究新進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(S1): 351-354.

[5] Beasley D B, Saylor D A, Buford J A. Overview of Dynamic Scene Projectors at the U.S. Army Aviation and Missile Command[C]∥Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Environments: Hardware-in-the-Loop Testing Ⅶ, 2002, 4717: 139-147.

[6] Gao Jiaobo, Wang Jun, Yang Bin, et al. Dynamic IR Scene Projector Using the Digital Micromirror Device[C]∥Proceedings of SPIE, Infrared Components and Their Applications, 2005, 5640: 174-177.

[7] 葛成良, 范國濱, 梁正. 基于電阻陣列的動態(tài)紅外場景產(chǎn)生器發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2005, 42(7): 17-21.

[8] Das N C, Shen P, Simonis G, et al. Light Emitting Diode Arrays for HWIL Sensor Testing[C]∥Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Enviroments: Hardware-in-the-Loop Testing Ⅹ, 2005,5785: 14-23.

[9] Garbo D L, Olson E M, Coker C F, et al. Real-Time Three-Dimensional Infrared Scene Generation Utilizing Commercially Available Hardware[C]∥Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Environments: Hardware-in-the-Loop Testing, 1996, 2741: 166-178.

[10] 李卓，錢麗勛，李平, 等. 動態(tài)紅外場景生成技術(shù)及其新進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程，2011, 40(3)： 377-383.

[11] Saylor D A, Bowden M, Buford J. New Scene Projector Developments at the AMRDEC’s Advanced Simulation Center[C]∥ Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Environments: Hardware-in-the-Loop Testing Ⅺ, 2006, 6208: 62080K-62080K-9.

[12] Zhou Qiong. Dynamic Scene Simulation Technology Used for Infrared Seeker [C]∥Proceedings of SPIE, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Advances in Infrared Imaging and Applications, 2009, 7383: 73832W-73832W-6.

[13] Zhao Jing, Jin Guanghai. Novel Photonic Infrared Scene Generation Technique[C]∥ Proceedings of SPIE, Technologies for Synthetic Environments: Hardware-in-the-Loop Testing Ⅺ, 2006, 6208: 62080R-62080R-9.

[14] Lv Xingdong, Wei Weiwei, Mao Xu, et al. A Novel MEMS Electromagnetic Actuator with Large Displacement [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 221: 22-28.

[15] Lv Xingdong, Wei Weiwei, Mao Xu, et al. A Novel MEMS Actuator with Large Lateral Stroke Driven by Lorentz Force [J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2015, 25(2): 25009-25015.

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

中圖分類號:TN219; O439

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1673 -5048( 2016) 02 -0038 -04

作者簡介：呂興東(1989-)，男，吉林長春人，博士研究生，研究方向為微電子機(jī)械系統(tǒng)。

基金項目：航空科學(xué)基金項目(20130136001)

收稿日期：2015-07-17

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