MEMS光開關抗宇航級沖擊振動能力

楊艷鋒 向霖 吳廣祥

（中國電子科技集團公司第三十四研究所 廣西壯族自治區桂林市 541004）

1 引言

MEMS 光開關具有體積小、重量輕、功耗低以及性能指標好等諸多優點，非常適合應用于對體積、重量、功耗要求嚴苛的航空、航天領域。但航空、航天領域對器件的抗沖擊振動能力要求苛刻，與其他類型的光開關相比，MEMS 光開關具有體積小、重量輕、功耗低以及性能指標好等諸多優點。

2 MEMS光開關工作原理

1×N MEMS 光開關內部主要由光纖準直器陣列、微鏡片、TO封裝及外殼組成，經TO 封裝后的微鏡片和光纖準直陣列通過外殼封裝成一體，組成一個完整的1×16 MEMS 光開關，具體的內部結構原理圖如圖1 所示。

開關機械結構最脆弱的部分是扭臂梁，下面重點對扭臂梁的抗沖擊振動能力進行分析。

3 仿真分析

我們采用ANSYS 專業軟件對MEMS 光開關扭臂梁的抗沖擊振動能力進行仿真分析，首先建立力學分析模型，如圖2 所示。

隨后對力學分析模型進行沖擊仿真計算，得出的沖擊仿真模型圖和沖擊仿真結果圖如圖3、圖4 所示。

對在經受不同加速度條件下，MEMS 光開關受到沖擊的情況進行仿真分析，計算得出扭臂梁形變表和扭臂梁承受的壓強值表如表1 和表2 所示。

扭臂梁的材質為單晶硅，在約7G MPa 的壓強下會發生斷裂損壞，故扭臂梁可以承受千G 量級的機械沖擊。

4 試驗驗證

為了實際驗證MEMS 光開關的抗沖擊能力，對1×16 MEMS 光開關進行了實驗驗證，實驗過程中沒有對光開關采取任何減震保護措施，如圖5 所示。

實驗主要是對光開關最重要的指標：插入損耗進行考察，結果數據如圖6 所示。

從結果數據中可見，經過沖擊及振動試驗后，MEMS 光開關的變化很小，落入測量誤差范圍之內，可知其性能指標并未發生劣化。因此，通過實驗證明，MEMS 光開關能夠承受上千G 的沖擊，與仿真分析的結果相一致。

表1：力學沖擊仿真扭臂梁形變表

表2：力學沖擊仿真扭臂梁承受的壓強值表

圖1：1×16 MEMS 光開關內部結構原理圖

圖2：力學分析模型圖

圖3：沖擊仿真模型圖

5 結論

經過仿真分析以及實驗驗證，MEMS 光開關能夠承受千G 量級的機械沖擊而不發生損壞或性能劣化，可以應用于沖擊振動要求嚴苛的航空航天環境中。

圖4：沖擊仿真結果圖

圖5：試驗驗證現場圖

圖6：MEMS 光開關沖擊、振動實驗前后插損對比圖