MEMS光學開關的設計與分析

何文苗 張 華 郝永平

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

MEMS光學開光以微機械制造工藝與電子技術為依托,作為一種通斷光路的微小器件。由于其微型化、質量輕、損耗低、成本小、集成度高、可靠性好等一系列顯著特點,被廣泛使用于通訊網絡，電子儀器，醫療器械以及軍事領域

目前廣泛使用的MEMS光學微鏡，方向可控性多為二維，雖技術成熟，但其可控方向為平面，大大局限了MEMS光學的使用范圍。而目前的3維MEMS光學開關，以金屬微工藝為依托，成本較高而無法普及，本文針對傳統MEMS光學開關的諸多不足，提出一種以硅加工工藝為依托，同時能實現空間扭轉的新型三維MEMS光學開關，通過對此種光學開關物理基礎的必要描述，依據動態分析與固有頻率分析，對光學開關進行結構優化。

1 基本原理

在微環境下，由于尺度效應，表面力對硅材料微機械的影響遠大于體積力。作者所討論MEMS光學開關采用了如圖1所示二軸單鏡片結構，微鏡由垂直梁支撐，垂直梁又由外圍支撐環支撐，而外圍支撐環由兩水平梁固定，微鏡覆蓋在中間極板上，極板作為同時作為活動電極，與固定在基底電極構成一對電極板，當在兩極板間施加直流偏壓時，會在微鏡與基底之間及其周圍形成靜電場。微鏡在靜電力矩的作用下繞扭轉梁向基底電極方向發生轉動。通過控制靜電力矩的大小來控制微鏡的扭轉角度，進而達到轉換光路的作用，在MEMS設計過程中，以靜電驅動方式驅動，能簡化結構，降低能耗，縮減成本。簡化后的MEMS光學開關的力學模型如圖1所示，設時間t=0時，開關的上極板不動，上下極板處于平衡狀態，，電壓 V0=0 間距 H1=h，t>0 時，當電壓 V（t），Fe作用時，光學開關的支撐梁受力變形，上極板的位移Δh=h（t），達到新的平衡。支撐梁產生的彈性恢復力Fk=-kx和下極板所施加的靜電Fe如下：

Vpi為吸合電壓，x為下極板移動距離，k為支撐梁固有彈性系數，A為下極板有效面積，V為偏置端電壓，ε0為兩極板介電常數，g0為初始距離。

2 MEMS光學開關的系統級模型

對于本文提出的新型MEMS光學開關來說，硅工藝流程十分重要，材料與工藝步驟的選擇，直接影響到光學開關的機械性能，所以選擇合適且低廉的硅工藝將對整個開關的設計有直接重要的影響，利用CoventorWare軟件對MEMS光學開關進行工藝研究（圖1）和系統級建模（圖2），獲得光學開關的3D效果圖（圖3）所示。

圖1 開關的工藝步驟

系統級建模，將MEMS光學開關的機械結構的彈簧阻尼系統等效成是電阻電感電容等一系列電學量，與外圍的實際電路連連成一體來進行系統仿真。

圖2 MEMS光學開關機械部分系統級模型

圖3為光學開關的三D圖，機械板面及其支撐梁均為硅結構，板面上端附有鏡面材料，起反光作用。

圖3MEMS光學開關的3D圖

3 系統模型分析與優化

3.1 靈敏度分析

針對傳統的機械機構設計優化過程中的較高的隨意性與經驗性的種種弊端，系統級靈敏度分析較為有效的解決了這些問題，圖4即為各個機械尺寸的光學開關機械性能的影響

選擇各個機械尺寸參數，先給定一組參數，鏡面為380*380的正方形結構，垂直梁為100um，水平梁為200um，外環為40um,鏡環間距為20um，梁寬為13um。

圖4 靈敏度分析一覽表

由上表可知：梁寬改變0.2um可以引起固有頻率1.57%的變化，而橫梁長改變2u，可以引起固有頻率1.39%的變化，其他的尺寸對固有頻率的影響皆不劇烈，按經驗估計，通過改變梁寬來優化尺寸。

3.2 直流轉移分析

梁寬的變化，會直接影響光學開關的電壓—位移效果

當給光學開關的四塊電極板施加不同的電壓，電極板的位移（圖5）會呈現如下態勢

圖5 電壓與位移的關系曲線

不同梁寬下的靜電力—位移效果圖如下，由于靜電力電壓的位移效果在MEMS光學開關結構設計中十分重要。通過系統級模塊進行直流電壓轉移分析，曲線如圖6所示。電極間隙為10μm。從圖中結果可知，當梁寬從10um到20um變化時，電壓-位移的變化大致都在最大位移允許范圍內。

3.3 固有頻率分析

由3.2的結論可知，直流電壓轉移分析只是給出了電壓位移的效果，并未更近一步的選擇出最優的梁寬尺寸。通過固有頻率分析，即通過系統級分析模塊，在不同梁寬條件下進行固有頻率分析，能有效選擇出合適的梁寬。如圖6。

圖6 并聯RF MEMS開關有限元模型

計算結果顯示，MEMS光學開關的X，Y軸固有頻率與Z軸固有頻率有較大的差距的機械結構，抗震效果好，且互相耦合的影響最小，所以由圖，選擇當梁寬為20um時效果最好，此時，X軸固有頻率為2.49kHz，Y 軸為 3.88kHz，Z 軸為 13.02kHz。

4 結論

本文利用系統級設計方法進行3D硅光學開關的設計分析。利用CoventorWare軟件對光學開關的系統級仿真，分析了分析靜電-慣性多物理耦合場對光學開關機械性能的影響，取得位移和電壓的對應關系。利用系統級固有頻率分析，進一步選取出最優梁寬尺寸。本文所示的系統級分析快速.精確的優點，將會在未來的微機械設計中獲得越來越廣泛的應用。

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