光束偏转反铁电厚膜微驱动构件及控制方法研究

摘要

针对国内外激光通信光束偏转微驱动构件所存在的体积大、功耗高、迟滞大、响应速度慢、控制精度低及控制方法复杂的技术瓶颈问题，开展了基于反铁电厚膜材料优异特性的激光光束偏转微驱动构件及控制方法的基础研究。利用硅基反铁电材料的相变应变效应、相变前近线性效应和快速开关特性，实现前沿功能材料与微纳器件的兼容制造，提出激光通信系统光束偏转构件集驱动/光偏转功能一体化设计及其控制方法研究。
　　论文从材料科学与MEMS光器件应用相衔接的角度出发，提出缓冲层晶格匹配设计和多步退火界面应力释放方法，实现大面积(Pb，La)(Zr, Ti)O3(简称PLZT)硅微反铁电功能厚膜异质集成制造;结合微纳兼容制造关键技术，研制具有小尺寸、响应速度快、迟滞小和控制精度高的PLZT反铁电厚膜微镜驱动构件，揭示其在电场作用下的结构相变调控规律及相应的相变应变效应影响机制;将PLZT反铁电厚膜微镜驱动构件作为控制对象，设计可行的控制方案并建立闭环模型进行有效性的成功验证。这些都为微小型、小滞后、高精度控制激光通信系统光束偏转微驱动构件的设计和开发提供理论依据和实用构件支持。
　　主要研究内容和成果陈述如下:
　　(1)研究溶胶-凝胶工艺诱导生长与硅衬底晶格高度匹配的(100)择优取向铅基铁电/反铁电功能介质厚膜(3μm)，提出多步退火晶粒尺度控制的界面应力释放技术，实现大面积均匀致密(表面粗糙度＜3nm)功能介质厚膜的晶圆级异质集成;揭示在电场作用下的相变调控规律，分析电场调控下硅基反铁电厚膜材料的相变行为特性和场致应变效应。
　　(2)研究干法刻蚀、湿法刻蚀和反溅射复合工艺技术实现了电介质厚膜与电极层的图形化加工制造，结合硅微MEMS加工技术，解决了基于功能转换介质厚膜的硅微基础结构异质兼容制造出体积小、响应时间短、控制精度高的PLZT反铁电厚膜微镜构件。
　　(3)测试分析微镜驱动状态（如谐振频率、挠度和偏转角度等）与其设计结构、激励电场信号、反铁电厚膜致动单元分布状态等因素之间的关系，揭示电场调控反铁电厚膜硅微镜构件应变规律、驱动能力、偏转角度及频响之间的依赖关系等。
　　(4)根据PLZT微镜的非线性迟滞特性，建立了前馈逆补偿和复合控制方案。实验结果表明，基于PID反馈控制与Preisach逆补偿的前馈相结合的复合控制具有线性度更好的输入输出关系，能够更好的满足PLZT微镜的精跟踪控制要求。
　　综上所述，从理论和实现角度均验证了论文所提出的光束偏转微驱动构件，具备微型化(μm3级)、响应速度快（百纳秒级）、功耗低（十伏级）和控制精度高（μrad级）等高性能指标。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 激光通信概述

1．2 光束偏转技术的发展概况

1．2．1 机械偏转技术

1．2．2 声光偏转技术

1．2．3 液晶偏转技术

1．3 光束偏转驱动方式

1．3．1 机械式光束偏转技术中驱动方式的特点

1．3．2 非机械式光束偏转技术的特点

1．4 研究目标和内容

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究内容及方法

2．PLZT反铁电厚膜驱动构件微镜力学分析及其参数优化

2．1 PLZT微镜的力学方程

2．1．1 材料本构方程

2．1．2 自由悬臂梁的力学分析

2．1．3 受外力作用的微镜悬臂梁力学分析

2．2 PLZT微镜结构模态分析

2．2．1 微镜主要的结构参数

2．2．2 微镜的有限元建模

2．2．3 微镜的模态仿真分析

2．2．4 微镜在静力作用下的应力及位移分布

2．3 PLZT微镜尺寸参数的优化

2．3．1 仅微梁长度变化

2．3．2 仅微梁宽度变化

2．3．3 仅Si层厚度变化

2．3．4 仅PLZT层厚度变化

2．3．5 结构尺寸优化结果

2．4 本章小结

3．PLZT反铁电厚膜的异质集成及电学特性

3．1 PLZT反铁电材料的基本原理

3．1．1 反铁电材料的研究进展

3．1．2 反铁电材料的基本特征

3．2 PLZT反铁电厚膜异质集成

3．2．1 化学原料

3．2．2 PLZT前驱体溶液的配制

3．2．3 PLZT反铁电厚膜制备

3．2．4 上电极的制备

3．3 PLZT反铁电厚膜表征及相变电流测试

3．3．1 PLZT反铁电厚膜的材料特性及极化行为

3．3．2 电压调控下的PLZT反铁电厚膜诱导相变电流及温谱测试

3．3．3 电压调控下PLZT反铁电厚膜诱导瞬态电流测试

3．4 本章小结

4．光束偏转驱动构件PLZT微镜的加工及测试

4．1 PLZT反铁电厚膜驱动构件微镜加工

4．1．1 微镜版图及工艺设计

4．1．2 微镜加工工艺

4．2 PLZT微镜反铁电性能验证

4．3 PLZT反铁电厚膜微镜测试及分析

4．3．1 微镜扫频模态测试

4．3．2 微镜执行性能测试

4．3．3 微镜挠度特性测试

4．4 本章小结

5．PLZT反铁电厚膜驱动构件微镜的跟踪控制方法实现

5．1 驱动构件微镜的迟滞非线性模型

5．1．1 迟滞模型的进展

5．1．2 Preisach的Relay算子及其性质

5．2 基于Preisach算子构建微镜迟滞非线性模型

5．2．1 Preisach算子的离散化表达

5．2．2 微镜迟滞的双线性插值模型

5．2．3 Preisach算子的前馈神经网络建模原理

5．2．4 微镜迟滞的前馈神经网络非线性插值模型

5．3 微镜构件的偏转角控制方案选择

5．3．1 电荷线性控制方案

5．3．2 位移或偏转角反馈控制方案

5．3．3 非线性逆补偿控制方案

5．3．4 微镜构件偏转角控制方案的确定

5．4 微镜构件的跟踪控制方案及其实现

5．4．1 微镜迟滞逆模型的构建

5．4．2 微镜迟滞逆模型的前馈补偿控制方法

5．4．4 PID反馈的单独控制方法及其结果分析

5．4．5 PID与前馈补偿的复合控制方法及其结果分析

5．5 本章小结

6．结论与展望

6．1 研究工作总结

6．2 本研究工作的创新点

6．3 对未来工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及支持和参加的科研项目

致谢