一種mems光開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種狀態(tài)可鎖定的大位移MEMS可調(diào)諧光開關(guān)，所述光開關(guān)包括基片、第一梳齒、第二梳齒、第一變形梁、第二變形梁、第一自鎖結(jié)構(gòu)、第二自鎖結(jié)構(gòu)、微反射鏡面、錨點和信號引線，對第一梳齒施加驅(qū)動信號時，通過所述第一變形梁和第二變形梁的彎曲帶動微反射鏡面以及第一自鎖結(jié)構(gòu)同時沿鎖定方向移動，與第二自鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相互鎖定，第二梳齒運動時帶動第二自鎖結(jié)構(gòu)同時沿解鎖方向移動，實現(xiàn)與第一自鎖結(jié)構(gòu)的鎖定解除。本實用新型實現(xiàn)了微鏡面的大位移運動和光開關(guān)狀態(tài)的自鎖定。
【專利說明】一種MEMS光開關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微光機電裝置領(lǐng)域，特別涉及一種MEMS可調(diào)諧光開關(guān)器件。

【背景技術(shù)】
[0002]在全球信息化和高速寬帶大發(fā)展的背景下，高速通信寬帶在經(jīng)濟社會發(fā)展中起著舉足輕重的作用。隨著近年來各種通信業(yè)務(wù)的迅猛增長，新型智能高速光通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入快速發(fā)展的實用化階段。智能高速光網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)可配置特點，解決了目前密集波分復(fù)用(DWDM:Dense Wavelength Divis1n Multiplexing)系統(tǒng)組網(wǎng)靈活性較差，動態(tài)分配能力弱的問題。在新型智能高速光網(wǎng)絡(luò)中主要是由一系列具有高度靈活性的系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成，而這些系統(tǒng)設(shè)備的靈活性主要取決于一批新型光電子功能器件與模塊的智能化和動態(tài)可調(diào)諧水平。因此小型化、動態(tài)可調(diào)及智能化的光器件成為新型光通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵器件。
[0003]光開關(guān)(Optical Switch，0SW)是一種光路轉(zhuǎn)換器件，在光通信網(wǎng)絡(luò)中主要功能用于多重監(jiān)視器，LAN，多光源，探測器和保護以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換線路。在光纖測試系統(tǒng)中，多用于光纖，光纖設(shè)備測試和網(wǎng)絡(luò)測試，光纖傳感的多點監(jiān)測系統(tǒng)等。最近，特別是隨著數(shù)據(jù)中心大量的網(wǎng)絡(luò)信息交換要求，光開關(guān)應(yīng)用也越來越廣泛。
[0004]傳統(tǒng)的光開關(guān)主要采用采用手動調(diào)節(jié)或者繼電器式機械調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)小型化以及智能化?；谖㈦娮訖C械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)的光開關(guān)由于其批量化制作，體積小，易于實現(xiàn)智能化、動態(tài)可調(diào)等優(yōu)點越來越得到廣泛的重視和研究。
[0005]基于MEMS的光開關(guān)主要利用鏡面扭轉(zhuǎn)及鏡面平動方式來實現(xiàn)光信號通道的切換。如現(xiàn)有專利文獻(xiàn)CN1969217A及CN1680186A中，反射鏡面被控制扭轉(zhuǎn)不同的角度實現(xiàn)光信號的切換。但是利用反射鏡面扭轉(zhuǎn)方案通常在撤除驅(qū)動信號后很難實現(xiàn)光信號狀態(tài)的鎖定，而光開關(guān)能實現(xiàn)自鎖定功能在光通信網(wǎng)絡(luò)中非常重要。鏡面平動方式通常采用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)對器件進(jìn)行自鎖定并實現(xiàn)光信號通道的切換，如專利CN101561556A及CN102928977A，但雙穩(wěn)態(tài)的方案較難實現(xiàn)鏡面的大位移運動。
實用新型內(nèi)容
[0006]針對上述問題，本實用新型的目的是提出一種大位移、狀態(tài)可自鎖定的MEMS光開關(guān)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種MEMS光開關(guān)，包括基片、第一梳齒、第二梳齒、第一變形梁、第二變形梁、自鎖結(jié)構(gòu)、微反射鏡面、錨點和信號引線，其特征在于:所述自鎖結(jié)構(gòu)由第一自鎖結(jié)構(gòu)和第二自鎖結(jié)構(gòu)組成，第一自鎖結(jié)構(gòu)與微反射鏡面連接，第二自鎖結(jié)構(gòu)與第二梳齒連接；所述第一自鎖結(jié)構(gòu)與第二自鎖結(jié)構(gòu)的端部均設(shè)有耦合鎖定結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)兩者之間的相互鎖定和解鎖；所述第一變形梁的一端與所述第一梳齒連接，另一端與微反射鏡面連接；所述第二變形梁的一端與所述微反射鏡面連接，另一端與固定在基片上的錨點連接；所述信號引線與第一梳齒和第二梳齒連接，用于施加信號控制第一梳齒和第二梳齒的運動；所述第一梳齒、第二梳齒、微反射鏡面、第一自鎖結(jié)構(gòu)、第二自鎖結(jié)構(gòu)、第一變形梁和第二變形梁運動時的移動方向在同一平面內(nèi)；所述第一自鎖結(jié)構(gòu)的移動方向為鎖定方向，所述第二自鎖結(jié)構(gòu)的移動方向為解鎖方向。所述對所述第一梳齒施加驅(qū)動信號時，所述第一梳齒沿第一變形梁的長度方向運動，并通過所述第一變形梁和第二變形梁的彎曲帶動所述微反射鏡面以及所述第一自鎖結(jié)構(gòu)同時沿鎖定方向移動，并與第二自鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相互鎖定；所述第二梳齒運動時帶動第二自鎖結(jié)構(gòu)同時沿解鎖方向移動，運動到一定行程時與第一自鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鎖定解除。所述第一梳齒包括固定在基片上的固定梳齒和連接于第一變形梁一端的可動梳齒，所述第二梳齒包括固定在基片上的固定梳齒和與第二自鎖結(jié)構(gòu)連接的可動梳齒，固定梳齒與可動梳齒交叉耦合。
[0008]上述MEMS光開關(guān)實現(xiàn)狀態(tài)自鎖定的工作過程:
[0009]當(dāng)對于第一梳齒施加第一驅(qū)動信號時，其可動梳齒沿變形梁長度方向的運動對第一變形梁施加力，使得第一變形梁和第二變形梁彎曲，利用較長的變形梁的擺臂杠桿運動，實現(xiàn)微鏡面沿鎖定方向的大位移運動，并帶動第一自鎖結(jié)構(gòu)移動并通過其端部的鎖定結(jié)構(gòu)與第二自鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相互鎖定。
[0010]當(dāng)對于第二梳齒結(jié)構(gòu)施加第二驅(qū)動信號時，其可動梳齒將帶動相連的第二自鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動，當(dāng)移動到一定行程時將導(dǎo)致與第二自鎖結(jié)構(gòu)之間解除鎖定結(jié)構(gòu)。一旦兩者之間的鎖定結(jié)構(gòu)解除，微鏡面將回復(fù)到原始位置，光開關(guān)也將由鎖定狀態(tài)恢復(fù)到初始解鎖狀態(tài)。重復(fù)施加不同的控制信號給第一梳齒和第二梳齒，將實現(xiàn)微鏡面的不同狀態(tài)切換，實現(xiàn)光開關(guān)的光信號切換功能。
[0011]可選地，所述梳齒結(jié)構(gòu)可以為電驅(qū)動結(jié)構(gòu)，也可以用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)代替實現(xiàn)微鏡面的平動。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是實現(xiàn)光開關(guān)器件的自鎖定及高速動態(tài)可調(diào)的功能，同時滿足微鏡面大位移的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型實施例平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本實用新型實施例自鎖定結(jié)構(gòu)工作原理的示意圖。
[0015]圖3A?3B是本實用新型實施例光開關(guān)各通道狀態(tài)切換的示意圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作詳細(xì)說明:本實用新型在提供的優(yōu)選實施例為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述實施例。本實用新型附圖為示意參考圖，不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系，也不應(yīng)該被認(rèn)為限制本實用新型的范圍。
[0017]圖1是本實用新型實施例平面結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例的MEMS光開關(guān)芯片包括基片(圖中未標(biāo)示)、電梳齒結(jié)構(gòu)1、電梳齒結(jié)構(gòu)2、變形梁3、變形梁4、自鎖結(jié)構(gòu)5、鎖定結(jié)構(gòu)6、微反射鏡面7以及引線焊盤(圖中未標(biāo)示)。在初始狀態(tài)I時，電梳齒結(jié)構(gòu)I的可動梳齒結(jié)構(gòu)和變形梁3相連，變形梁4 一端與芯片外框架固定成為錨點，另一端與微反射鏡面相連。當(dāng)通過引線焊盤對電梳齒結(jié)構(gòu)I施加驅(qū)動信號Tl時，其可動梳齒結(jié)構(gòu)沿變形梁3的長度方向平面運動，將使得變形梁3和變形梁4發(fā)生彈性彎曲，并帶動微反射鏡面水平方向移動。而自鎖結(jié)構(gòu)I與微反射鏡面一端相連，微鏡面的水平運動將同時帶動自鎖結(jié)構(gòu)5水平運動，朝向自鎖結(jié)構(gòu)6移動一定行程后通過其端部的鎖定結(jié)構(gòu)最終與自鎖結(jié)構(gòu)5實現(xiàn)相互鎖定。如圖2所示，其也實現(xiàn)了光開關(guān)的光信號狀態(tài)鎖定，將光開光變?yōu)殒i定狀態(tài)2。
[0018]當(dāng)通過引線焊盤對電梳齒結(jié)構(gòu)2施加驅(qū)動電信號T2時，其可動梳齒結(jié)構(gòu)2將帶動相連的自鎖結(jié)構(gòu)6進(jìn)行運動，當(dāng)運動到一定行程時將導(dǎo)致自鎖結(jié)構(gòu)6和自鎖結(jié)構(gòu)5端部的鎖定結(jié)構(gòu)脫開，實現(xiàn)鎖定解除。一旦兩者之間的鎖定結(jié)構(gòu)解除，變形梁將彈性回復(fù)原狀，從而帶動微反射鏡面回復(fù)到原始位置，光開關(guān)也將由鎖定狀態(tài)2恢復(fù)到初始狀態(tài)I。
[0019]重復(fù)施加不同的電控制信號給電梳齒結(jié)構(gòu)I和2，將實現(xiàn)微反射鏡面的不同狀態(tài)切換，實現(xiàn)光開關(guān)的光信號切換功能。
[0020]本實用新型中的彈性懸臂變形梁采用硅材料，由于懸臂變形梁的結(jié)構(gòu)在Z軸方向厚，同時在X方向窄，Y方向上長，因此變形梁可以實現(xiàn)在XY平面內(nèi)彎曲。通過可動梳齒的運動驅(qū)動較長變形梁的彎曲杠桿運動，從而帶動連接在梁自由末端的微反射鏡面在XY平面內(nèi)移動，而與固定錨點連接的另一懸臂梁則保證微反射鏡面沿X方向移動，因而使得其具有最大的位移量。本實施例中，采用的懸臂梁X方向?qū)挾?um，Y方向長度1800um，Z方向厚度40um，可實現(xiàn)鏡面水平移動約450um的距離。本尺寸僅用于實例，本實用新型不限于此。
[0021]可選地，其中梳齒結(jié)構(gòu)I和梳齒結(jié)構(gòu)2也可以用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)代替電驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微反射鏡面的平動。
[0022]如圖3A所示，當(dāng)微鏡面在切換位置A (即光開關(guān)處于初始狀態(tài)I)時，光通道I中的光信號經(jīng)過聚焦透鏡5入射后經(jīng)由微鏡面反射進(jìn)入光通道2中，而光通道3中的光信號經(jīng)過聚焦透鏡6入射后經(jīng)由微鏡面反射后進(jìn)入光通道4中。當(dāng)微鏡面自鎖定在切換位置B(即光開關(guān)處于鎖定狀態(tài)2)時，光通道I中的光信號經(jīng)過聚焦透鏡5和聚焦透鏡6進(jìn)入光通道4，而光通道3中的光信號經(jīng)過聚焦透鏡6和聚焦透鏡5后進(jìn)入光通道2，如圖3B所示，以此實現(xiàn)光信號的不同通道切換。而微鏡面的大位移以及自鎖定功能是實現(xiàn)光開關(guān)的重要技術(shù)參數(shù)。
[0023]綜上所述，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0024]1，芯片設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎。該種光開關(guān)芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，不同于原有的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)以及扭轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。
[0025]2，光開關(guān)性能優(yōu)越。實現(xiàn)了光開關(guān)器件的自鎖定狀態(tài)，并實現(xiàn)了微鏡面的大位移運動。同時梳齒結(jié)構(gòu)也實現(xiàn)了器件的低功耗，梳齒結(jié)構(gòu)也可以用熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)代替。
[0026]3，成本低。由于MEMS技術(shù)進(jìn)行批量制作，因此可以實現(xiàn)器件的可靠性及一致性，降低芯片的成本。
[0027]本實用新型雖然已以優(yōu)選實施例公開如上，但其并不是用來限定本實用新型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實用新型技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變形及修飾，均不應(yīng)排除在本實用新型的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS光開關(guān),包括基片、第一梳齒、第二梳齒、第一變形梁、第二變形梁、自鎖結(jié)構(gòu)、微反射鏡面、錨點和信號引線，其特征在于: 所述自鎖結(jié)構(gòu)由第一自鎖結(jié)構(gòu)和第二自鎖結(jié)構(gòu)組成，第一自鎖結(jié)構(gòu)與微反射鏡面連接，第二自鎖結(jié)構(gòu)與第二梳齒連接；所述第一自鎖結(jié)構(gòu)與第二自鎖結(jié)構(gòu)的端部均設(shè)有耦合鎖定結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)兩者之間的相互鎖定和解鎖； 所述第一變形梁的一端與所述第一梳齒連接，另一端與微反射鏡面連接； 所述第二變形梁的一端與所述微反射鏡面連接，另一端與固定在基片上的錨點連接； 所述信號引線與第一梳齒和第二梳齒連接，用于施加信號控制第一梳齒和第二梳齒的運動；所述第一梳齒、第二梳齒、微反射鏡面、第一自鎖結(jié)構(gòu)、第二自鎖結(jié)構(gòu)、第一變形梁和第二變形梁運動時的移動方向在同一平面內(nèi)；所述第一自鎖結(jié)構(gòu)的移動方向為鎖定方向，所述第二自鎖結(jié)構(gòu)的移動方向為解鎖方向； 對所述第一梳齒施加驅(qū)動信號時，所述第一梳齒沿第一變形梁的長度方向運動，并通過所述第一變形梁和第二變形梁帶動所述微反射鏡面以及所述第一自鎖結(jié)構(gòu)同時沿鎖定方向移動；所述第二梳齒運動時帶動第二自鎖結(jié)構(gòu)同時沿解鎖方向移動。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS光開關(guān)，其特征在于，所述第一變形梁和第二變形梁通過彈性形變產(chǎn)生的力來帶動微反射鏡面和所述第一自鎖結(jié)構(gòu)向沿鎖定方向移動。
3.如權(quán)利要求1所述的MEMS光開關(guān)，其特征在于，所述第一梳齒包括固定在基片上的固定梳齒和連接于第一變形梁一端的可動梳齒，固定梳齒與可動梳齒交叉耦合；所述第二梳齒包括固定在基片上的固定梳齒和與第二自鎖結(jié)構(gòu)連接的可動梳齒，固定梳齒與可動梳齒交叉耦合。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的MEMS光開關(guān)，其特征在于，所述第一梳齒和所述第二梳齒為電驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述的MEMS光開關(guān)，其特征在于，所述第一梳齒和所述第二梳齒為熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B81C1/00GK203941342SQ201420230361
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】李四華, 李維, 施林偉, 楊忠鈺 申請人:深圳市盛喜路科技有限公司