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

(中國科學院半導體研究所，北京　100083)

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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

(中國科學院半導體研究所，北京100083)

摘要:針對動態半實物仿真系統的需求，提出了一種新穎的基于微機電系統( MEMS) 技術 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 構，提出了新型串聯雙向折疊梁結構和陣列布局方案，為實現大規模陣列的紅外場景生成器奠定 基礎。

關鍵詞:微機電系統; 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彈系統性能的半實物仿真中具有重要作用。 其關鍵指標主要包括：實時性、 大的溫度范圍/動態范圍、 分辨率、 均勻性、 體積和成本等。 現有紅外場景發生器的技術主要有：電阻陣列、 激光二極管陣列、 液晶光閥、 基于硅基液晶(LCOS)的紅外空間光調制器、 數字微鏡器件(DMD)等。 這些技術比較成熟，其中電阻陣列目前應用最廣泛，成像質量高，但溫度變化速率慢、 提供溫度范圍有限，導致幀速和成像動態范圍方面受到限制；激光二極管陣列均勻性不夠理想，成像質量也需要進一步提升；液晶技術的可仿真溫度范圍有限；DMD技術難以生成足夠的灰度[1-12]。

近年來，光開關和光調制器等光學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途徑。 2006年，Agiltron公司里提出了一種基于微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術的可變光衰減器(Variable Optical Attentor，VOA)陣列來對紅外光源進行空間光調制的動態紅外場景生成技術[13]。 所研制的4×4陣列溫度可達2 000 K，具有40 dB的高動態范圍，隔離度達40 dB，響應時間為3 ms。 該技術響應速度快、 動態范圍大，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用前景。

基于MEMS VOA陣列的紅外場景生成技術核心在于VOA器件的研制，生成紅外圖像的幀頻、 動態范圍等都依賴于VOA的性能。 目前這種技術的陣列規模還難以與電阻陣列技術相比擬，需要進一步研究在小面積下提高陣列規模的途徑，并保證大動態范圍的實現。 本研究團隊已經設計并成功制備出基于折疊梁結構的單向大位移MEMS VOA器件，并在硅基片上實現了16×16的陣列規模[14-15]，但單梁結構要求梁能夠實現大位移，這就需要梁的長度比較大，從而限制了面積的進一步縮小，不利于陣列規模的提升和集成度的提高。 本文提出一種新穎的串聯雙向折疊梁結構MEMS VOA及陣列布局，利用該結構在6英寸硅基片上可實現128×128的陣列規模，為實現大規模的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構示意圖[13]如圖1所示。 該結構由紅外光源、 輸入光纖陣列、 MEMS VOA陣列和輸出光纖陣列等部分組成。 紅外光從光源發出后耦合進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MEMS VOA器件陣列調制后被輸出光纖接收，生成相應的紅外圖像。

圖1基于MEMS VOA的紅外場景生成器結構示意圖

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陣列的結構示意圖如圖2所示。 為了獲得更好的光學特性，每個MEMS VOA由通光孔和可動MEMS驅動器組成。 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，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驅動器，通過控制MEMS驅動器的運動可調節通光孔被擋光板遮住的大小，從而控制進入輸出光纖的光強，實現光調制。

圖2MEMS VOA陣列結構示意圖

圖3光衰減原理圖

為了獲得較高的成像動態范圍，擋光板需要實現較大的運動范圍。 設計的難點在于如何設計MEMS驅動器陣列以實現大位移，并保證整個陣列的均勻性。 所設計的MEMS驅動器的工作原理如圖4所示。 該驅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，當在梁上加載電流I時，在折疊梁上會產生洛倫茲力F。 洛倫茲力的方向與電流和磁場的方向相垂直，從而驅動擋光板在xy平面內運動。

圖4MEMS驅動器工作原理

由圖3～4可知，每個MEMS驅動器由兩個同樣的帶有擋光板的折疊梁組成，兩組折疊梁在電學上形成串聯關系。 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生大小相等、 方向相反的洛倫茲力。 洛倫茲力驅動兩個擋光板向相反方向運動，改變兩個擋光板間的間隙，進而改變通光量。

圖3(a)為器件的初始狀態，即未加載電流驅動時，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器件進入輸出光纖。 圖3(b)和圖4(a)中，當加載電流時，在洛倫茲力驅動下，兩個擋光板相向運動，彼此靠近，光會被進一步阻擋。 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進入輸出光纖。 與單梁結構相比，雙向折疊梁結構對每根梁的運動位移要求顯著降低，梁的長度可有效縮短，有利于陣列規模的提升，以及集成度的提高。

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

F=BIL

(1)

式中:L為結構沿x方向的長度。

MEMS可動結構可以等效為一個具有剛度系數k的彈簧。 在外力作用下變形產生位移y，相應的彈性回復力為

Fe=ky

(2)

MEMS結構穩定時，處于力平衡位置，受到的洛倫茲力和彈性回復力相等。 因此，結構產生在y方向的位移大小為

(3)

由式(3)可知，可以通過減小結構剛度k來實現大位移y。 k與器件材料機械特性和結構尺寸有關[7-8]。

2結構設計

MEMS驅動結構如圖5所示。 由于結構的對稱性，尺寸相同的兩組折疊梁具有相同的機械性能。

圖5MEMS驅動結構示意圖

圖5中折疊梁結構的剛度系數為

(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的梁結構沿z軸的轉動慣量。

將式(4)代入式(3)，可得到結構的位移為

(5)

為了在6英寸的硅基片上制作128 × 128的器件陣列，需要合理設計每個MEMS器件的尺寸。 根據式(5)，為獲得更大的位移，驅動器結構的長度應盡量增大。 本文所設計的單個驅動器的結構長為1.7mm，寬為0.17mm。 每個驅動單元所需的芯片面積為0.3mm2，相應的128 × 128陣列所需的芯片面積為47cm2，對應硅片中心邊長為7cm的方形區域，如圖6所示。 這樣圓片外圍可以留有足夠區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

所設計的結構采用金屬鋁和SiO2相結合的復合梁結構，具體參數如表1所示。

表1　驅動器的材料和結構參數

所設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計在不同的高度以避免碰撞。 首先使用反應離子刻蝕技術將一部分硅刻蝕掉，形成高低不同的臺階，然后對硅片進行熱氧化處理，如圖7(a)所示。 熱氧后蒸發一層金屬鋁作為導電結構層，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離子刻蝕(DRIE)技術刻蝕掉，如圖7(c)所示。最后，使用各向同性刻蝕技術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結構的性能能進行驗證，相應的仿真結果如圖8所示。 仿真結果驗證了器件可以在洛倫茲力的驅動下同時運動，實現相互合并和分離的效果。

圖8器件運動仿真結果

3結論

本文設計了基于MEMS VOA陣列的紅外場景發生器。 通過設計一種新型的串聯折疊梁結構，利用洛倫茲力驅動實現了雙向運動，有效提高了驅動效率。 可在6英寸硅基片上實現128×128的MEMS陣列，為實現大規模的紅外場景生成器奠定了基礎。

參考文獻：

[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. 動態紅外場景投射器研究新進展[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紅外場景產生器發展現狀[J]. 激光與光電子學進展, 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. 動態紅外場景生成技術及其新進展[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

文獻標識碼: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械系統。

基金項目：航空科學基金項目(20130136001)

收稿日期：2015-07-17

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