（光学工程专业论文）一种新型三维微光开关的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 二维微光开关已被广泛的应用于当今的光通讯领域，然而受微机电系统中的平面微 加工技术的工艺限制，使得目前的二维微光开关仅能在二维平面上传送信号。 本文的研究是以现有的二维微光开关架构、基本原理及其信号传送模式为基础，加 上立体结构的设计思想，采用双层硅基底，并配合表面微加工工艺制造技术，设计出一 种具有双自由度的三维微光开关。将信号的传送功能扩展到三维空间，使其具有垂直及 水平方向传送信号的功能，增加了输入与输出光纤之间信号传送选择的可能性。 作者着重参与了驱动器的设计。驱动器包括滑轨和驱动源。采用凸边滑轨，使其能 具有单一直线性的滑动自由度。驱动源由梳状致动器和冲击臂构成，加电后梳状致动器 产生高频震荡，带动冲击臂，驱动支撑梁沿单一方向行进。作者对梳状致动器的尺寸进 行了设计和计算，并通过m e mc a d 软件对设计值进行了模拟分析，选择的模拟方式是 动力分析，模拟材料是多晶硅，牺牲层材料是硅磷玻璃，分别模拟了受力隋况和位移情 况，根据模拟结果，得知现有梳状致动器的设计不会受到应力损伤，并得出需要加载的 输入电压值；还对不同厚度的材料进行模拟比较，从而选择合适的梳状致动器的材料厚 度：最后，通过对以往参考文献中的梳状致动器的实际设计参数进行模拟，验证了模拟 的可靠性。 关键词；微机电系统光开关微平面加工等离子体刻蚀梳状致动器 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，t h et w od i m e n s i o n a lo p t i c a ls w i t c hi s 砸d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do ft h eo p t i c s c o m m u n i c a t i o n d u et ot h er e s t r i c t i o n so ft h es u r f a c em i c r o - m a c h i n i n gi nm e m s ( m i c r o e l e c t r i c m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，t h et r a d i t i o n a lo p t i c a ls w i t c hc a r lo n l yd e l i v e r yt h es i g n a li na t w o d i m e n s i o n a lp l a n e at h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ls w i t c hp o s s e s s i n gt w of r e e d o m si sd e s i g n e di nt h i ss t u d y d i f f e r e n tf r o mt h et w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a ls w i t c h ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a ls w i t c hc o u l d d e l i v e r yt h es i g n a li nt w ot r a n s m i s s i o nd i r e c t i o n s ，t h es i g n a lo ft w od i f f e r e n ts i l i c o ns u b s t r a t e s c a nb ee a s i l yc o n n e c t e d i ti sb e l i e v e dt h a t ，t h ep o s s i b i l i t ya n dt h es e l e c t i v i t yo ft h es i g n a l t r a n s m i s s i o na r ei n c r e a s e d t h ea u t h o re m p h a s i z e dt h ed e s i g no ft h ed r i v e r , w h a ti n c l u d st h es l i d e ra n dt h ed r i v e r s o u r c e u s e dt h ef l a n g es l i d e r , t og e tt h es i n g l es l i d ef r e e d o m t h ed r i v e rs o u r c eh a st w op a r t s ： t h ec o m b - d r i v e da c t u a t o ra n dt h e i m p a c ta l t o t h e a u t h o rd e s i g n e da n d c a l c u l a t e dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h ec o m b d r i v e da c t u a t o r , a l s ou s e dp o l y s i l i c o na st h es t r u c t u r a ll a y e ra n d p s ga st h es a c r i f i c i a ll a y e r , s i m u l a t e dt h es t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n tm a g n i t u d eo nm e m c a d ，a n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s i nt h ee n d ，v e r i f i e dt h es i m u l a t e dr e s u l t k e y w o r d s ：m e m so p t i c a ls w i t c h s u r f a c em i c r o m a c h i n i n gr i e c o m b d r i v e da c t u a t o r 【l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：汨r - 年孕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阋。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和虻编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密d ( 请在咀上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：勺仞帅 日期：为。5 年年月；。日 j 指导教师签名 日期：圳年艺日 ，乃枷 内。月9 华中科技大学硕士学位论文 1 1 微机电系统发展过程简介 1 前言 微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 是指将微机械、微感应器、微执 行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制造的微型器件或系统。微机电系统通 常包含一个或一个以上的微元件，普遍应用于光通信、光显示、数据存储、自适应光学 及光学传感等多个方面。 微机电系统的发展最早起源于半导体集成电路的材料和制造工艺的完善。在上世纪 7 0 年代，随着微加工刻蚀( e t c h i n g ) 技术的突破，使得硅感应器大量的生产【3 2 】；在随 后的8 0 年代后期，随着表面微加工技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 的形成，配合既 有的技术和设备，成功开发出微感应器( m i c r os e n s o r ) 、微致动器( m i c r oa c t u a t o r ) 、 微结构( m i c r os t r u c t u r e ) 及微机械( m i c r om e c h a n i s m ) ，进而组合成为微系统( m i c r o s y s t e m ) ，成为当今微机电系统的发展雏形1 3 9 】。 随着科技的进步，体积小、重量轻已经成为各种产品的发展趋势，这使得微机电系 统的应用有着必然的发展空间。2 0 年来，随着研究的进一步深入、技术的进一步提高， 系统的复杂程度也随着提高，m e m s 的应用范围也越来越广。目前微机电系统在通讯行 业的应用非常广阔。 1 2 微光开关系统现状 在光通讯系统中，微光开关( m i c r oo p t i c a ls w i t c h ) 是必不可少的元件之一，在目 前发表的论文和研究中，有相当多利用各种致动器、微结构做出来的二维微光开关结构。 微光开关系统结构可以分成两个部分：微光开关结构和驱动源。本节将以此两大部 分进行简单的说明。 1 2 1 微光开关结构 根据微光开关中微镜片和其他结构件间接头的种类，可大致将微光开关结构分成4 类：扭转梁式、转轴式、旋转式和平滑式。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 扭转梁( t o r s i o n a lb e a m ) 式：以扭转梁的梁身支撑并连接微镜片，并以扭转 梁本身的扭转变形来代替旋转接头，使微镜片绕着此梁做一个角度的转动。当没有外力 驱动时，梁变形时所造成的应变使得梁柱能快速转回，因此具有反映速度快的优点。 p e t e r s e n1 9 8 0 年做出第一个扭转镜片( t o r s i o n a lm i r r o r ) ，并将扭转镜片置于扭转 梁上，以电极吸引造成镜片的转动，达到开关的功能。t o s h i y o s h i1 9 9 6 年用硅基底的 微机械加工( s i l i c o nb a s e dm i c r o m a c h i n i n i n g ) 开发出一种新型的以静电驱动的2 x 2 扭转式微光开关结构，并将结构拓展到n x n 微光开关结构【1 5 】。 l e e 在1 9 9 9 年用平面微加工技术制造出扭转式微光开关。以爪式致动器( s c r a t c h d r i v ea c t u a t o r ，s d a ) 驱动一非对称运动电极平板( b a c ke l e c l r o d ep l a t e ) ，在电极平 板运动时带动一角度，扭转镜片以达成开关切换的功能f 9 】：另有人设计出一组以磁力做 驱动的光纤转换开关，同时也做了垂直及水平定位的结构设计【8 】。 ( 2 ) 转轴( h i n g e ) 式：利用外力推动连杆结构，其转轴本身并未提供驱动力，因 此必须施加相反的驱动力将整个结构推回原位。其旋转向量的方向垂直于基板的法向 量。加州大学伯克利分校传感与致动器研究中心于1 9 9 5 年用平面微加工技术制造出机 械运动式光束定位镜片( b e a m p o s i t i o n i n gm i r r o r ) ，用折射光束来连接光纤问的传送【7 】。 3 ) 旋转( r o t a t i o n a lp l a t e ) 式：将微镜片放在可旋转的平台上，做3 6 0 度旋转运 动。其旋转向量的方向平行于基板的法向量。y a s s e e n 于1 9 9 9 年使用高深宽比技术 制造出一款以静电驱动的微光开关，和一般微光开关不同的是微镜片并非用矩阵排列来 达到切换的目的，而是将微镜片嵌入一个微马达的转子( r o t o r ) 上使其做3 6 0 度旋转， 而光纤的排列也是呈放射性，输出与输入光成9 0 度角，先选定输出与输入光纤，再调 整微镜片的角度以达到光纤转换的目的【16 1 。 ( 4 ) 平行滑动式：l e e1 9 9 7 年用平面微加工技术结合热膨胀型致动器和爪式致动器 制作出一组光开关，微镜片固定在一个平行移动的基座上，当致动器驱动基座时，微镜 片可以移动到光纤转换结合处做切换功能1 1 0 】。 另一种做法是以静电驱动微光开关，这时的微镜片可以设计成可伸缩的功能，伸出 时做9 0 度的反射切换，收回时准许光通过。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 驱动源 用来做驱动源的动力源种类很多，大致可分为以下3 种：静电式、磁致动式和连杆 结构式。在此定义的是直接作用在微镜片的驱动源。 ( 1 ) 静电式：在微镜片下设置静电板，给予微镜片与静电板不同电性的电荷，利用 电荷间的引力使微镜片运动。美国北卡罗来那卅i 微电子中心在1 9 9 3 年制作出以静电驱 动的微光开关，是将微镜片固定在基板上，当施以低压( 2 0 v ) 时，基板会因为静电感 应而产生应力使长板状基板产生弯曲，使光纤结合点断开，从而停止反射信号的作用【1 7 】。 ( 2 ) 磁致动式：将微镜片表面镀上软磁合金，并将微线圈与微镜片进行接合，将电 流接通入微线圈中使其产生磁场，从而推动磁性材料往垂直于磁场的方向运动。美国加 州理工大学于1 9 9 7 年设计出2 x 2 光开关结构，利用所设计出来的微镜片结构，改变其 光线的行进方向来达成光切换的目的【1 4 1 。 ( 3 ) 连杆结构式；利用致动器( 例如：爪式致动器，热致动器等) 的运动作为连杆 结构的动力源，推动微镜片垂直运动或回位。c h e nr t 研制出的8 x 8 微光开关结构f 2 1 ， 驱动力来自一s d a 爪式致动器，带动一个转轴式拉杆使微镜片做垂直的旋转运动，微 镜片则为转轴式微镜片，其镜片除了可以做垂直的旋转运动以达到开关的功能外，也可 以做水平的旋转运动，将光路由原本的一次反射到多次反射运动从而达到修正光路的目 的。 华中科技大学硕士学位论文 2 三维微光开关功能分析 当今的微光开关设计大致是以单一的自由度转动为其设计主体，信号传送方向则以 水平方向为主。本章将以平面、空间结构设计的概念设计出具有两个自由度的微光开关 结构，信号传送可以是水平和垂直两个方向。 2 1 二维微光开关功能分析 在说明三维微光开关之前，首先应了解目前的光开关及其信号传送模式。 输 输 输 输 输 输输 输 出 出出 出 图2 14 x 4 微光开关结构中的信号传送模式 图2 1 说明一个4 x 4 微光开关结构的信号传送模式。4 x 4 微光开关结构由1 6 个光 开关、4 个光纤信号输入端( 输入端1 4 ) 及8 个光纤信号输出端组合而成( 输出端 a 1 a 4 ，输出端b 1 b 4 ) 光开关的微镜片在信号传输路径上成4 5 度角，这个光开关结构 称为单一自由度结构。当信号从光纤输入时，若微镜片不阻挡输入光纤的信号( 0 f f 状态) ，则信号由直线方向从输出端输出，若微镜片位于信号的传送路径上时( 0 n 状态) ， 则输入信号将经由镜片的反射传送到垂直方向的输出光纤端。例如：当信号由输入端二 4 华中科技大学硕士学位论文 输入时，光开关镜片里0 f f 状态，则信号将直接由直线方向的输出端b 二光纤输出， 当信号由输入端三输入时，微镜片( 3 , 4 ) 呈0 n 状态，则输入信号经由微镜片的反射 传送到垂直方向的输出端a 四光纤输出。其信号传送模式属于二维平面模式。 通过说明以上的4 x 4 微光开关结构所具有的信号传送功能【4 0 1 ，我们可以知道其利 用单一自由度微光开关结构切换二维信号的模式及原理。再接下来的章节里，将讨论具 有两个自由度的三维微光开关。 2 2 三维微光开关功能分析 图2 2 三维光学信号传送模式模拟图 本节所设计的微光开关能够将原来二维平面的传送信号功能扩展到三维空间。 图2 2 所示的是三维光学信号传送模式模拟图，将原本单一的硅基底增加为上下两 层，上层硅基底有开口作为信号传送的通道，信号若能由微光开关的切换传送到两硅基 底的输出端，则信号传送的选择性便能大幅增加。 以切换模式和功能而言，若以旋转式及平行滑动式微光开关来作为切换方式，只能 传送水平方向的信号，无法连接两硅基底间的信号。扭转梁式及转轴式光开关虽然可以 在垂直方向传送信号，但却无法兼顾水平方向的信号传送。 根据不同的信号传送方向，微镜片必须要有不同的转动角度，微镜片的运动来自于 华中科技大学硕士学位论文 线性驱动器的驱动，因而线性驱动器的运动方式将决定微镜片的转动方向及方式。以转 轴式微光开关为例，一般的转轴式光开关的线性驱动器只有一组主要的支撑梁和滑轨来 推动或者拉回微镜片做切换的动作，以实现信号的传送。 三维微光开关的设计兼顾了旋转式微光开关和转轴式微光开关的思想，采用两组支 撑梁和滑轨，由滑轨前进的方向配合可产生不同的微镜片旋转模式，具有水平和垂直方 向信号传送的功能。 如图2 3 所示为三维微光开关的组成和平面配置，组成包含旋转基座、微镜片、接 头a 、接头b 、主支撑梁、副支撑梁、滑轨、凸边和梳状致动器。 图2 3 三维微光开关平面配置图 2 2 1 水平方向信号传送功能 俯视第一硅基底和第二硅基底的x y 平面，微光开关结构的功能与之前所述二维平 面光开关结构相同。 如图2 4 ，当微镜片垂直x y 平面，两滑轨若行进方向相反，且行进速度相同时， 则可带动微镜片运动，使其具有绕着z 轴的转动自由度。 微镜片水平方向传送信号时的运动模式类似于旋转式微光开关。 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 水平方向信号传送功能 2 2 2 垂直方向信号传送功能 如图2 5 ，微镜片与第一层硅基底呈4 5 度夹角，可将原本第一层硅基底平面的输入 信号传送到第二层硅基底平面，再由与第二层硅基底呈1 3 5 度的微镜片使反射信号平行第 二层硅基底平面，之后可由第二层硅基底平面的转换矩阵将信号传送到预传送的输出端。 图2 5 垂直方向信号传送功能 华中科技大学硕士学位论文 微镜片在垂直方向传送信号时的运动模式与转轴式光开关相同，如图2 6 。当微镜 片平行y - z 平面，两滑轨若有相同的行进方向，行进速度相同，且水平位置相同时，则 可带动微镜片转动，使其有y 轴转动自由度。 图2 , 6 垂直方向信号传送功能 华中科技大学硕士学位论文 3 三维微光开关的结构设计 实现上一章中的三维微光开关的设计思想，需要针对其特点，对驱动器、微镜片旋 转基座、接头、支撑梁等部件进行具体的设计，再运用表面微加工技术加以实现。 3 1线性驱动器的应用与模拟 本节将就论文中所使用的线性驱动器的组成与驱动源进行分析，并就驱动源部分一 梳状致动器进行尺寸设计，利用微机电专用模拟软件m e mc a d 模拟梳状致动器的最大 位移与受力情况等。 3 1 1 线性驱动器的分析和尺寸设计 本文中应用线性驱动器驱动微光开关以达到切换传送信号的功能，所使用的线性驱 动器大致由两大部分组成：滑轨和驱动源 。： i _ j i 产一气 滑轨( s l i d e r ) 凸边f i l n ) a a 图3 1 凸边 利用表面微加工技术工艺可以设计出凸边滑轨的组合，如图3 1 。其中凸边固定在 基座上，利用凸边的限制可使滑轨具有一直线性的滑动自由度，t 字型的凸边上部可防 止滑轨向上翘动。 驱动源方面，本文中所使用的驱动源为梳状致动器( c o m b d r i v e da c t u a t o r ) 。梳状 致动器包含梳状共振腔体( c o m br e s o n a t o r ) 、冲击臂( i m p a c ta r m ) 、折叠式弹簧( f o l d e d b e a ms p r i n g ) 三部份组成，如图3 2 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 梳状致动器 其原理就是在梳状致动器中加上冲击臂的设计，输入电压后梳状致动器连同冲击臂 本身会产生高频的震荡，利用冲击臂与滑轨侧壁间的摩擦力推动滑轨，再利用凸边的限 制使滑轨沿单一的方向行进，如图3 3 。 ， 、 h “? l 鼻 图3 3 梳状致动器工作原理 1 0 华中科技大学硕士学位论文 整个线性驱动器设计采用8 组梳状致动器，两组滑轨凸边组，每个滑轨由4 组梳状 致动器控制其前进后退的动作。 梳状致动器上冲击臂的设计可利用摩擦力推动滑轨前进，同时在滑轨两侧使用2 组 梳状致动器以平衡施加于滑轨侧壁的力，并能增加驱动力。另外2 组梳状致动器则负责 推动滑轨往另一个方向运动。 滑轨摄大的前进距离取决于滑轨中央的狭缝，根据多次试验，这里设计为1 2 0 0 u m 。 冲击臂的冲击角度将决定冲击臂施加于滑轨侧壁的水平力和垂直力，必须使冲击臂 与滑轨问的摩擦力大于滑轨与硅基底及滑轨与凸边的摩擦力总和，冲击臂的角度设定为 4 5 度。设计流程如图3 4 。 幔) 沉积第一层绝缘层 0 ) 沉积第一层结构层 ( c ) 沉积第一层牺牲层 定义出梳式致动器接地( n c h o r ) 的位置和形状 ) 沉积第二层结构层 定义出梳式致动器的形状 口) 元1 毕1 2 , 脱 图3 a 梳状致动器制作工艺流程图 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 梳状致动器的模拟 由于线性驱动器的驱动状态直接受梳状致动器运动情形所影响，因此本模拟主要针 对梳状致动器最大位移量是否达到设计要求。 3 1 2 1 梳状致动器尺寸设计 根据梳状致动器的基本设计原理，并配合三维微光开关的平面配置，通过多次试验， 定义出适合的梳状致动器尺寸。具体尺寸及相关参数设计如图3 5 3 6 及表3 1 所示。 图3 5 梳状致动器参数说明图1 设计值如下： c = 1 2 u m e = 2 0 u m d = 8 u m h = 2 0 u m g = 2 0 u m f _ 2 u m a = 2 0 0 u m b 值计算如下，式中各符号的意义参见表1 ： b = n x w + ( n 1 ) w + 2 ( 一1 ) 孑 华中科技大学硕士学位论文 = 2 0 x 2 + 1 9 2 + 2 x 1 9 2 = 1 5 4 u r n 图3 6 梳状致动器参数说明图2 梳状致动器各参数及设计值为表3 1 所示： 表3 1 梳状致动器参数设计值列表 参数符号参数意义 设计值 n 梳状齿齿数 2 0 t 梳状齿宽度 2 u m z梳状齿与梳状齿间距2 u r n x 梳状齿交错长度 1 2 u r n 梳状齿厚度2 u r n f 弹簧宽度 2 u r n a弹簧长度2 0 0 u m 其它相关参数列表如表3 2 表3 2 梳状致动器相关参数列表 参数符号参数说明参数值 e多晶硅杨氏模量1 6 9 g p a g多晶硅泊松比0 2 3 p 脚多品硅密度 2 3 3 9 c m 3 g o电容常数1 3x 1 0 4 f m “共振频率 v 输入电压 m有效质量 fx cx 方向作用力 k弹性系数 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 2 利用软件m e mc a d 进行模拟计算 利用m e mc a d 模拟步骤如下： 网格切割方式采用m e mc a d 内建的1 0 n o d et e t r a h e d r o n ，网格大小3 u m ，如图3 7 所示。 图3 7 网格分割( 网格大j 、= 3 u m ) 利用所设计的梳状致动器尺寸，建立所需刻蚀掩膜的图片，设定要使用的制作流程、 材料选择、材料厚度等。 本文模拟的材料为多晶硅，牺牲层材料为硅磷玻璃( p s g ) ，结构材料厚度则同时 以1 5 u r n 以及2 u r n 做模拟，并比较其模拟结果。 选择动力分析的模拟方式，并输入电压开始进行模拟。 ( 1 ) 利用软件m e mc a d 模拟计算受力情况 先在输入电压为3 0 v ，结构材料厚度1 ，5 u r n 的设定条件下，模拟受力情况如图3 8 。 质量 m = p p o _ l y w ( 2 b c + 2 c e + d h + 4 0 t g ) = 2 3 3 9 c m 3 2 u m ( 2 x 1 5 4 u m x l 2 u m + 2 1 2 u m x 2 0 u r n + 8 u m x 2 0 u r n + 4 0 x 2 “肌2 0 ”m 1 = o 0 2 8 z g ( 3 1 ) 一个理想的梳齿致动器是由n 个导体组成的系统模型，每个导体上的电荷均匀分布 4 华中科技大学硕士学位论文 在导体表面，并且服从公式： 吼( ，) ；。掣 口一 ( 3 2 ) 其中，吼( r ) 是导体i 表面的点r 处的表面电荷密度，是导体i 的电势能，n 是导体 在点r 处的内部正交。 电势能中在导体的区域外部满足拉普拉斯等式： 当导体i 的边界条件满足曲= 曲，i = 1 ，2 ，n ，n 是梳状导体的数目 元素法公式求导体i 的表面电荷密度吼( ，) ，公式如下： 曲，= d 萎考( r + ) g ( ，r ) + 古 ( 3 3 用间接边界 ( 3 4 ) q 2 辨( r w ) 陋5 ， r 是源点的位置矢量，r 是域点的位置矢量，g ( lr ) 是格林函数，a 。导体j 的表面， q 是系统的电荷总量( 此处q = 0 ) 。0 是常量。 由上述公式可以推导处同一导体的表面电子静电力，和电荷密度的关系是： 卜墨 6 ， 则，沿某一坐标轴方向的梳齿指的驱动力公式为 f = l f 垂 ( 3 7 ) 如果q 的值已知带入公式中即可求出f 值。其中， 正是力f 的x 轴方向的力，厂 是梳齿指的表面。该公式计算较复杂，实践工程中常用下述公式来简化对f 的求解 f ：丝 2 ( 3 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 w 是齿指的高度，z 是两个齿指之间的间距，v 是偏电压 对于n 个装置，输出力 f ：( n - 1 ) ew x 矿z + 三竺矿2 “ 2 z ( 3 9 ) 当二= 去时，f 取得最大值 m “ 二 。= 当旷竺 上 z ( 3 1 0 ) 带入岛求得最大输出力t t 的值 c 2 圭。矿j 詈= i 1x 2 0 x 1 3 1 0 - 5 r m ( 3 0 z ) 2 罴o 1 2 ( 3 - 1 1 ) 圈3 8 模拟受力情形( v = 3 0 v l o t w = 1 5 u m ) 从图3 8 可以看到，梳状致动器的受力小于0 1 1 u n ，没有超过按照现有设计尺寸计 算出的最大作用力0 1 2 u n ，所以确定现有设计能够满足梳状致动器的功能要求，不会 产生应力的损伤，结构不会发生形变或断裂现象。 ( 2 ) 利用软件m e mc a d 模拟位移状况 在结构材料厚度1 5 u r n 的设定条件下，模拟位移情况如图3 ，9 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 9 位移情形( v = 3 0 v o l t ，w = i 5 u r n ，a x = 2 7 2 u m ) 改变输入电压模拟值，得到位移的不同模拟结果如下表： 表3 3 位移模拟结果表 电压模拟值( v )位移模拟结果( u m )电压模拟值( v ) 位移模拟结果( u m ) 1 00 3 0 5 64 25 3 1 4 9 1 20 4 4 1 34 45 8 2 9 3 1 40 6 0 0 74 66 3 4 5 9 1 60 7 8 4 74 86 9 0 5 1 1 8 0 9 9 3 15 07 4 9 0 3 2 0 1 2 1 “ 5 28 1 0 1 2 2 21 4 6 8 75 48 7 3 6 7 2 41 7 4 6 95 69 3 9 6 9 2 62 0 4 95 89 9 9 1 1 2 82 3 7 4 96 01 0 7 0 2 3 3 02 7 2 4 46 21 1 4 8 2 0 3 23 0 9 8 66 41 2 1 2 8 3 3 42 4 9 6 96 61 2 8 6 7 6 3 63 ，9 1 7 86 81 2 6 4 5 4 3 83 3 5 7 97 0 1 3 4 2 1 6 4 0 3 8 2 2 5 7 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 0 是根据模拟结果，绘制的模拟电压与位移关系图 刮彳。z 。 ii 一么二： 位移( u m ) 2。纠，吒，；i 21，- 一z 蚪9 ，! 丽4 6 9 输入电压( v ) 图3 ”输入电压一位移关系图( v = 2 0 3 0v tw = 1 5 u m ) 按照以往的经验值，设定梳状致动器的冲击臂和滑轨侧臂间的距离为1 7 u m 。因此 冲击臂前进所需要的最大距离必须大于1 7 u m 才能达到推动滑轨的功能。 根据模拟结果， a x = 1 7 4 6 9 u m v = 2 4 v 显示输入电压在2 4 - 3 0 v 时，即可达到所需的驱动，见图3 1 1 。 ( 3 ) 对不同结构材料进行模拟计算与比较 除了对厚度为1 5 u m 的材料做模拟以外，也对厚度为2 0 u m 的材料做了模拟，模 华中科技大学硕士学位论文 拟结果见表3 4 。 表3 4 材料厚度一位移模拟结果表 位移模拟结果( u r n )位移模拟结果( u r n ) 电压模拟值( v ) ( 结构材料厚度1 5 u m )( 结构材料厚度2 o u m ) 1 0 0 3 0 5 60 1 3 2 01 2 1 4 40 5 2 3 02 7 2 4 41 1 8 4 0 3 8 2 2 5 2 0 9 5 0 7 4 9 0 32 2 7 6 0 1 0 7 0 2 33 7 7 01 3 4 2 1 66 ，3 8 两者的比较结果如图3 1 2 。由于梳状致动器的结构厚度等于第二层多晶硅结构层的 厚度，每一层的厚度将会影响到设计出来的几何形状，因此除了要求较小的输入电压外， 仍需考虑结构的几何设计，不能让此层的厚度过薄。同时，当结构材料厚度为2 o u m 时， 输入电压至少要达到3 5 v 才能达到使用要求，而选择结构材料厚度1 5 u m 时，输入电 压为2 4 v 就可以满足使用要求。 位移( u r n ) 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 o ol a2 03 04 0 5 6 d 7 0s d 输入电压( v ) 图3 1 2 输入电压一位移关系图( v = 1 0 - 7 0v w = 1 5 2 o u m ) 注一表示结构材料厚度为2 o u m ，表示结构材料厚度为1 5 u m 因此选择厚度为1 5 u r n 作为致动器的厚度最为合适。 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 验证模拟的可靠性 因为以上梳状致动器位移量是采用的软件模拟的数值，为了确认模拟结果的可信 度，作者利用p i s a a n o l 9 9 4 年的梳状致动器实际设计参数，建立结构模型，在同等条 件( 输入电压值) 下，对其位移进行模拟。最后，将模拟值和实验值进行比较，确认这 次模拟的真实性。 采用表3 5 中的参数设计模型，得出模拟量和试验位移值结果是表3 6 。 表3 5 梳状致动器参数【19 9 4 】经验值表p l 参数符号参数说明参数值 n 梳状齿齿数2 0 t 梳状齿宽度2 u m z 梳状齿之间的间距2 u m w 梳状齿厚度2 1 u m f 弹簧梁宽度2 u r n a弹簧梁长度2 0 0 u m m有效质量 0 0 5 7 u g k弹性系数0 2 8 u n u m 表3 6 致动器位移比较表( v = 2 0 v ，网格大t j 、= 5 u m ) 软件模拟位移量实验位移量 7 7 u m8 1 2 u m 从表3 5 可以看出，软件模拟的位移量是7 7 u m ，与实验的位移量8 - 1 2 u r n 比较接 近。因此，若将模拟值看作是可信数值的前提下，对冲击臂与滑轨侧臂间的1 7 u m 距离 而言，本文中所设定的梳状致动器参数输入电压2 4 3 0 v ，即可达到推动滑轨的要求。 3 2 微镜片旋转基座设计与制造工艺 三维微光开关的主要功能在于可以水平和垂直传送信号，但是信号的传送方向则在 于微镜片的转动方向和摆动角度，本节将说明转轴式和旋转式微光开关的运动原理、功 能和制造工艺，并结合其功能来设计出所需的旋转基座。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 1 转轴式与旋转式微光开关的设计原理和研制 在硅基底平面上面建立一个坐标系，以x o y 平面平行与硅基底平面，则微镜片的 运动方式依其旋转向量可分为平行( 转轴式) 及垂直( 旋转式) 于x - y 平面两种形式。 转轴式微光开关，如图3 1 3 ，微镜片将绕着y 轴旋转。当微镜片垂直与硅基底时， 可传送垂直镜面4 5 度的信号。其工艺流程如图3 1 5 。 旋转式微光开关，如图3 1 4 。微镜片绕着z 轴轴心转动。其工艺流程如图3 1 6 。 图3 1 3 转轴式微光开关 图3 1 4 旋转式微光开关 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 沉积第一层牺牲层 ( b ) 沉积第一层结构层，形成镜片主体 ( c ) 沉积第= 层牺牲层 牺牲层 ( e ) 元件松脱 ( d ) 沉积第二层结构层 图3 1 5 转轴式微光开关制成工艺流程图 ( a ) 沉积第一层牺牲层 ( c ) 沉积薷= 层牺牲层 ( b ) 沉积第一层结 笥层 ( d ) 沉积第= 层结掏层 ( e ) 元件松脱 图3 侣旋转式微光开关研制工艺流程图 3 2 2 三维微光开关旋转基座的设计原理和制成工艺 如果要光开关具有水平和垂直传送信号的功能，其微镜片必须同时具备与x y 平面 平行和垂直的两种旋转向量。因此，结合前述的两种形式的微光开关结构，产生将转轴 华中科技大学硕士学位论文 式微镜片放在可旋转的基座的基本概念，如图3 1 7 。 在这样的设计中，相对于旋转基座，微镜片具有平行于x - y 平面的旋转运动向量； 若相对于硅基底，旋转基座将具有垂直于x y 平面的旋转向量。把这两种设计整合在一 起。即可形成具有双自由度的微镜片旋转基座。其制成概念如图3 1 8 3 1 9 所示。 图3 1 7 微镜片旋转基座模型图 图3 1 8 微镜片旋转基座设计示意图 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 沉积第一层牺牲层 ( b ) 沉积第一层结构层，形成旋转基座和转轴中心 3 3 接头结构的设计 ( c ) 沉积第二层牺牲层 ( d ) 沉积第二晨结构层，形成微镜片 ( e ) 沉积第三层牺牲层 ( f ) 沉积第三层结构层，形成转轴 ( g ) 元件栓脱 牺牲层 图3 1 9 微镜片旋转基座制造流程图 依照上节所述的微镜片旋转基座的概念设计，接着所产生的是表面微加工技术中最 常见的问题，即自由度的限制。在传统设计中，旋转，滑动等多自由度的问题可以利用 球状接头来解决这一问题，但由于制成工艺的限制，在微机电系统中却是难以实现。因 华中科技大学硕士学位论文 此在本节中将讨论结合多种结构的组合方式来获得所需的多自由度，从而到达相对应的 接头功能。 微光开关的功能切换变化源自于微镜片不同的旋转方式所造成的信号反射角度，而 不同的旋转方式所需的对应接头的功能也不尽相同，因此，本节将按微镜片旋转基座设 计中所需的( 1 ) 对应于旋转基座，微镜片具有平行于x - y 平面的旋转运动向量，( 2 ) 对于硅基座，旋转基座具有垂直于x - y 平面的旋转向量等两种运动方式的接头的功能做 分析和讨论。 ( 1 ) 相对于旋转基座，微镜片有平行于x y 平面的旋转向量 图3 2 0 微光学转轴式开关接头所具有的旋转向量 微镜片具有平行于x - y 平面旋转向量的运动方式，是当微镜片绕着基座上的转轴做 旋转运动所致，其功能于目前的微光学转轴式开关相同。当滑轨的运动方向，运动速率 以及水平位置相同时，相对于微镜片，连接微镜片和支撑梁的接头便具有绕着y 轴旋转 的转动自由度，如图3 2 0 。 ( 2 ) 相对于硅基底，旋转基座具有垂直于x - y 平面的旋转向量 线性驱动器的运动方向是直线前进，与其相连的支撑梁的前进路线也是在一直线 上，因此当两滑轨的前进路线相反时，旋转基座绕着固定轴转动时可以明显发现，微镜 片于支撑梁的接触点并非固定在单一的点上。如图3 2 1 ，3 2 2 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 1水平转动接头接触模式模型图 图3 - 2 2 水平转动接头模式俯视图 相对于微镜片，接头具有沿着y 轴滑动的滑动自由度，以及绕着z 轴转动的转动自 华中科技大学硕士学位论文 _ ：= = = = = = = = ；= = ；= = 由度。图中，以一圆球代表支撑梁于微镜片的接触点，圆球位于a 位置时，于转动中心 o 点的距离长度为d ，当坐标由( x y ) 旋转n ( x 。y ) 时，圆球所在a i 位置距离转动中 心o 的距离为d = d + a d ，a d 为转动e 角度时，圆球相对于微镜片的转动中心o 所走的 距离。 根据上述两种微镜片的旋转功能，设计出的接头模型如图3 2 3 所示。 图3 2 3 三维微光开关接头 此接头由接头a 及接头b 两部分组成。接头a 与微镜片相接的部分是一个旋转接 头，相对于微镜片的坐标系( x y z ) ，接头a 具有绕着y 轴旋转的自由度，并加上挡板 以防止微镜片往反方向转动；接头a 与接头b 相接的部分，设计了一个连在接头a 上 的长槽型的滑轨，接头b 具有上下两个凸起的圆柱，可在接头a 的滑轨内滑动，相对 = f 接头a 的坐标系( x y z ) ，接头b 具有沿着丫轴的滑动自由度以及绕着z 轴旋转的 转动自由度，接头b 与支撑梁相接的部分仍为一旋转接头，相对于支撑梁的坐标系 i ) ( ”y ”z ”) ，接头b 具有绕着y ”轴转动的转动自由度。 当线性驱动器驱动两组支撑梁向两个相反方向移动时，支撑梁始终保持在一条直线 i ：，而支撑梁与微镜片间的滑动与转动自由度则由接头a 接头b 之间的滑轨结构设计 ，一 2 1 华中科技大学硕士学位论文 中所具有的滑动与转动两个自由度所代替。 接头结构的制成设计流程如图3 2 4 所示其剖面对照图如图3 2 5 所示。 ( a ) 沉积第一层牺牲层 ( b ) 沉积第一剧吉构层，形成接头底部 ( c ) 沉积第二层牺牲层 ( d ) 沉积第二层结构层， 彤成微镜片，转轴、接头b 下圆柱部份 ( e ) 沉积第三层牺牲层 ( f ) 沉积第三层结构层 形成接头顶部挡板接头b 上圆柱部份 ( g ) 元件松脱 图3 2 4 三维微光开关接头制造流程圈 2 8 华中科技大学硕士学位论文 3 4 支撑梁的设计 图3 2 5 三维微光开关接头制成示意图 在上节的接头设计中我们解决了微镜片两种旋转运动时所需的自由度问题，但是由 于多加了接头结构而使得整体结构产生了非单一自由度的问题。在本节中，将对支撑梁 的设计中加入尺寸的限制条件以解决非单一自由度的问题。 当两滑轨前进方向相同，且水平位置在同一直线上时，可将整个三维微光开关结构 简化到一平面上，简化后可以得到一平面五连杆结构，如图3 2 6 。根据自由度计算公式 可得知其运动自由度为2 ，见公式3 1 2 。 f = 3 ( n 一1 j 一2 p i - p 2 = 3 ( 5 - 1 ) 2 5 0 = 2( 3 1 2 ) 换言之，此结构无法有效利用滑轨的行进距离来控制微镜片的转动角度。 3 接头 图3 2 6 修正前三维微光开关运动简图 广。 片 致土蠊镜国j j 蔓| l 么饿 华中科技大学硕士学位论文 因此，利用平面结构中平行结构和尺寸的限制设计，除了主支撑梁外，将接头b 与 滑轨连接方式加入副支撑梁的设计，使副支撑梁的长度等于主支撑梁的长度，主支撑梁 与副支撑梁在滑轨与接头的接触点距离相等。如图3 2 7 。 图32 7 支撑梁平行结构 如此，滑轨，主支撑梁，副支撑梁与接头间便形成一个平行四边行的结构，图3 2 8 。 而接头将平行与滑轨，即平行于硅基底，自由度也将由原来的非单一自由度减少为单一 自由度，见式3 1 3 。 f = 3 ( n 1 ) 2 p l p 223 ( 6 _ 1 ) 2 7 0 = 1 ( 3 1 3 ) 接头3 图3 2 8 修正后三维微光开关运动简图 同时加入两副支撑梁可平衡分散主支撑梁的受力情况。完成后的支撑梁结构如图 3 2 9 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 9 支撑粱平行结构设计简图 3 5 三维光学信号传送模式功能分析 利用设计出的三维微光开关，可以构架出三维光学信号传送模式，如图3 3 0 所示 将以此系统架构与传统的二维微光开关结构架构做一个讨论与比较。 图33 0 三维微光开关模型图 本文中设计的三维微光开关具有水平和垂直方向旋转的转动向量。相对于传统的 微光开关，在信号切换时，利用微镜片的多自由度转动功能，可咀拥有较多的信号传送 选择性。 华中科技大学硕士学位论文 二维传送方面，在相同的输入与输出光纤比的条件下，相对于传统的微光开关，本 文中所设计的微光开关能有效的减少所需的面积，即能以相同数量的微光开关拥有较多 的信号切换选择。以1 6 个微光开关所组成的4 x 4 微光开关结构而言，信号由4 条光纤 输入。而传统的微光开关结构则需要配置8 条输出光纤，每条输出光纤拥有5 个输出选 择。相比 信号输出端 信 号 输