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研究生:張斌倫
研究生(外文):Pen-Lun Chang
論文名稱:體型微細加工之四周固定式半球狀微聚焦調變鏡設計分析與製作
論文名稱(外文):Design and analysis and fabrication of micro electrostatic deformable focusing mirror with actuating hemispherical electrode
指導教授:林孟儒林孟儒引用關係
指導教授(外文):Meng-Ju Lin
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:機械工程學所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:體型微細加工暴衝電壓晶片接合技術微聚焦調變鏡
外文關鍵詞:bulk microfabricationwafer bondingDeformable focusing micromirrorpull-in voltage
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摘要

本論文設計及分析以體形微細加工與接合技術為基礎之新型球面電極之靜電式微聚焦調變鏡。而在本文中可分為模擬分析及製程分析兩大部分。
在模擬分析方面,首先我們計算出鏡面的焦距長度,然後以板殼理論分析結構變形與施加電壓的關係,接下來利用套裝軟體ANSYS,對不同數據及結構形狀做數值分析模擬,最後可獲得結構變形與驅動電壓的關係、驅動電壓與焦聚的關係、間隙大小與暴衝電壓的關係…等模擬分析結果。這些模擬分析結果可提供設計此元件參數和規劃元件製程條件的依據。
在製程分析方面,其製程方式是利用體型微細加工(bulk micromachining)技術及晶片接合(wafer bonding)技術來完成。
Abstract

Deformable focusing micromirror is one of the important optical MEMS devices. The focusing length is determined by the profile of the micromirror surface. For uniform deformation, based on bulk microfabrication of isotropic etching and wafer bonding, a novel micro electrostatic deformable focusing mirror actuated by hemispherical electrode is designed and analyzed. Due to the coupling between elastic and electrostatic force, numerical method of finite element using ANASYS software is used to analyze the deformations and stresses of different structure sizes. The phenomenon that structures deform abruptly fast due to nonlinear increasing electrostatic force called pull-in is also discussed. Using the least square method, the profile of micro focusing mirror can be curve fitting as a parabola. And the focal length can be obtained. The results show deformation increases nonlinearly as applying voltages increasing. The stresses increase linearly when thickness also increase but nonlinearly when radius of mirror increases. The maximum stress happens in the region of bounded. The focal length decreases quasi-linearly as applying voltage increases. The mirror sizes and gaps have effect on pull-in voltages. Larger gap and smaller mirror radius will cause larger pull-in voltage.
目 錄

致謝 i
摘要 ii
英文摘要 iii
目錄 iv
圖目錄 v
表目錄 viii
符號表 viii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 文獻回顧 7
1-4 內容簡介 8
第二章 微聚焦調變鏡設計與相關理論 10
2-1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡之設計 10
2-2鏡面在變形後的半弦長及深度與焦距長度計算方法 11
2-3靜電式微聚焦調變鏡之板殼理論 12
第三章 模擬分析 15
3-1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡之分析 15
第四章 製程分析 22
4-1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡之製程規劃 22
4-2 光罩配置圖 26
4-3 製程問題 28
第五章 結果與討論 32
5-1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡 32
5-2 Fabry-Perot光濾波器結構受熱應力影響之變形分析 39
5-3熱應力對正方形微聚調變鏡之變形分析 44
第六章 結論與展望 49
6-1 本文主要成果 49
6-2 未來展望 50
參考文獻 51




圖 目 錄

圖1-2.1四周固定式球面電極之靜電式微聚焦調變鏡模型 4
圖1-2.2熱應力對正方形微聚調變鏡之變形 6
圖1-2.3 Fabry-Perot光濾波器結構受熱應力影響之變形 7
圖2-1.1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡結構 11
圖2-2.1 球狀結構與焦距之關係 12
圖3-1.1 ANSYS分析流程圖 16
圖3-1.2 簡化的分析模型 18
圖3-1.3 軸對稱的分析模型 18
圖3-1.4 ANSYS的分析模型 19
圖3-1.5網格化之模型 20
圖3-1.6 上下電極的設定 20
圖3-1.7結構的邊界條件 21
圖3-1.8結構在Y方向的變形圖 21
圖4-1.1四周固定式半球狀微聚焦調變鏡之製程計畫流程圖 22
圖4-2.1 光罩配置圖 27
圖4-3.1更改過後之製程計畫流程圖 28
圖5-1.1不同結構厚度下驅動電壓與變形關係 33
圖5-1.2不同結構厚度下應用電壓與最大應力關係圖 34
圖5-1.3不冋結構厚度下應力與微鏡面半徑間的關係 35
圖5-1.4不同結構層厚度下驅動電壓與聚焦長度間的關係 37
圖5-1.5不同結構厚度下微鏡面的半徑與pull-in電壓之間的關係 38
圖5-1.6不同結構層厚度下,間隙與pull-in電壓間的關係 .39
圖5-2.1 ANSYS分析變形結果 39
圖5-2.2圖5-2.2(a)中心線寬度,及(b)中心線長度 41
圖5-2.3不同沉積溫度下不同的W/L比其最大的變形 42
圖5-2.4正規化後不同沉積溫度下不同的W/L比其最大的變形 43
圖5-2.5應力分佈圖 44
圖5-3.1錨尺寸效應對聚焦長度之關係 45
圖5-3.2正方形微鏡面對聚焦長度之關係 46
圖5-3.3結構層厚度與金屬厚度對聚焦長度的影響 47
圖5-3.4結構層尺寸與warpage溫度之關係 47
圖5-3.5金屬層厚度對warpage溫度之關係 48
表 目 錄

表1-1 Comparison of different actuations 2
表3-1 各種不同結構的材料性質 17
參考文獻

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[2]D. Wood, J. S. Burdess, and A. J. Harris, “Actuators and Their Mechanisms in Microengineering,” Actuator Technology: Current Practice and New Developments., IEE Colloquium on (Digest No: 1996/110) , 1996 , Page(s): 7/1 -7/3.
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