CN104007549A - 一种状态可自锁定的大位移mems光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种状态可锁定的大位移MEMS可调谐光开关器件及其制作方法，MEMS光开关包括基片、第一梳齿、第二梳齿、第一变形梁、第二变形梁、第一自锁结构、第二自锁结构、微反射镜面、锚点和信号引线，对第一梳齿施加驱动信号时，通过所述第一变形梁和第二变形梁的弯曲带动微反射镜面以及第一自锁结构同时沿锁定方向移动，与第二自锁结构实现相互锁定，第二梳齿运动时带动第二自锁结构同时沿解锁方向移动，实现与第一自锁结构的锁定解除。本发明实现了微镜面的大位移运动和光开关状态的自锁定。

Description

一种状态可自锁定的大位移MEMS光开关

技术领域

本发明属于微光机电装置领域，特别涉及一种状态可锁定的大位移MEMS可调谐光开关器件及其制作方法。 

背景技术

在全球信息化和高速宽带大发展的背景下，高速通信宽带在经济社会发展中起着举足轻重的作用。随着近年来各种通信业务的迅猛增长，新型智能高速光通信网络进入快速发展的实用化阶段。智能高速光网络具有动态可配置特点，解决了目前密集波分复用（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）系统组网灵活性较差，动态分配能力弱的问题。在新型智能高速光网络中主要是由一系列具有高度灵活性的系统设备构成，而这些系统设备的灵活性主要取决于一批新型光电子功能器件与模块的智能化和动态可调谐水平。因此小型化、动态可调及智能化的光器件成为新型光通信网络中不可或缺的关键器件。 

 光开关（Optical Switch，OSW）是一种光路转换器件，在光通信网络中主要功能用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换线路。在光纤测试系统中，多用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感的多点监测系统等。最近，特别是随着数据中心大量的网络信息交换要求，光开关应用也越来越广泛。 

 传统的光开关主要采用采用手动调节或者继电器式机械调节，无法实现小型化以及智能化。基于微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的光开关由于其批量化制作，体积小，易于实现智能化、动态可调等优点越来越得到广泛的重视和研究。 

 基于MEMS的光开关主要利用镜面扭转及镜面平动方式来实现光信号通道的切换。如现有专利文献CN1969217A及CN1680186A中，反射镜面被控制扭转不同的角度实现光信号的切换。但是利用反射镜面扭转方案通常在撤除驱动信号后很难实现光信号状态的锁定，而光开关能实现自锁定功能在光通信网络中非常重要。镜面平动方式通常采用双稳态结构对器件进行自锁定并实现光信号通道的切换，如专利CN101561556A及CN102928977A，但双稳态的方案较难实现镜面的大位移运动。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种大位移、状态可自锁定的MEMS光开关及其制作方法。 

为实现上述目的，本发明提供一种MEMS光开关，一种状态可自锁定的大位移MEMS光开关，包括基片、第一梳齿、第二梳齿、第一变形梁、第二变形梁、自锁结构、微反射镜面、锚点和信号引线，其特征在于：所述自锁结构由第一自锁结构和第二自锁结构组成，第一自锁结构与微反射镜面连接，第二自锁结构与第二梳齿连接；所述第一自锁结构与第二自锁结构的端部均设有耦合锁定结构，用于实现两者之间的相互锁定和解锁；所述第一变形梁的一端与所述第一梳齿连接，另一端与微反射镜面连接；所述第二变形梁的一端与所述微反射镜面连接，另一端与固定在基片上的锚点连接；所述信号引线与第一梳齿和第二梳齿连接，用于施加信号控制第一梳齿和第二梳齿的运动；所述第一梳齿、第二梳齿、微反射镜面、第一自锁结构、第二自锁结构、第一变形梁和第二变形梁运动时的移动方向在同一平面内；所述第一自锁结构的移动方向为锁定方向，所述第二自锁结构的移动方向为解锁方向。所述对所述第一梳齿施加驱动信号时，所述第一梳齿沿第一变形梁的长度方向运动，并通过所述第一变形梁和第二变形梁的弯曲带动所述微反射镜面以及所述第一自锁结构同时沿锁定方向移动，并与第二自锁结构实现相互锁定；所述第二梳齿运动时带动第二自锁结构同时沿解锁方向移动，运动到一定行程时与第一自锁结构实现锁定解除。所述第一梳齿包括固定在基片上的固定梳齿和连接于第一变形梁一端的可动梳齿，所述第二梳齿包括固定在基片上的固定梳齿和与第二自锁结构连接的可动梳齿，固定梳齿与可动梳齿交叉耦合。 

 所述自锁定MEMS光开关采用如下制作工艺： 

（1）选择包括硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；

（2）在所述硅器件层表面涂覆光刻胶，曝光制作需要刻蚀的微镜面结构；

（3）采用等离子体刻蚀工艺在所述硅器件层正面刻蚀梳齿、变形梁及微镜面结构，并自停止在二氧化硅埋氧层，然后去除光刻胶层；

（4）在所述SOI基片的背面涂覆光刻胶，并曝光制作背面释放结构图形，利用硅深刻蚀技术在所述SOI基片的背面深刻蚀硅层并去除二氧化硅层，释放梳齿、变形梁及微镜面结构；

（5）在微镜面和引线焊盘区域制作金属膜层，完成制备。

上述大位移MEMS光开关的实现状态自锁定的工作过程： 

当对于第一梳齿施加第一驱动信号时，其可动梳齿沿变形梁长度方向的运动对第一变形梁施加力，使得第一变形梁和第二变形梁弯曲，利用较长的变形梁的摆臂杠杆运动，实现微镜面沿锁定方向的大位移运动，并带动第一自锁结构移动并通过其端部的锁定结构与第二自锁结构实现相互锁定。 

 当对于第二梳齿结构施加第二驱动信号时，其可动梳齿将带动相连的第二自锁结构进行运动，当移动到一定行程时将导致与第二自锁结构之间解除锁定结构。一旦两者之间的锁定结构解除，微镜面将回复到原始位置，光开关也将由锁定状态恢复到初始解锁状态。重复施加不同的控制信号给第一梳齿和第二梳齿，将实现微镜面的不同状态切换，实现光开关的光信号切换功能。 

可选地，所述梳齿结构可以为电驱动结构，也可以用热驱动结构代替实现微镜面的平动。 

  

 与现有技术相比，本发明的有益效果是实现光开关器件的自锁定及高速动态可调的功能，同时满足微镜面大位移的要求。

附图说明

 图1是本发明实施例平面结构示意图。 

 图2是本发明实施例自锁定结构工作原理的示意图。 

 图3A~3B是本发明实施例光开关各通道状态切换的示意图。 

图4是本发明实施例制作工艺过程结构剖面示意图。 

具体实施方式

 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本发明在提供的优选实施例为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。本发明附图为示意参考图，不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系，也不应该被认为限制本发明的范围。 

 图1是本发明实施例平面结构示意图，本实施例的MEMS光开关芯片包括基片（图中未标示）、电梳齿结构1、电梳齿结构2、变形梁3、变形梁4、自锁结构5、锁定结构6、微反射镜面7以及引线焊盘（图中未标示）。在初始状态1时，电梳齿结构1的可动梳齿结构和变形梁3相连，变形梁4一端与芯片外框架固定成为锚点，另一端与微反射镜面相连。当通过引线焊盘对电梳齿结构1施加驱动信号T1时，其可动梳齿结构沿变形梁3的长度方向平面运动，将使得变形梁3和变形梁4发生弹性弯曲，并带动微反射镜面水平方向移动。而自锁结构1与微反射镜面一端相连，微镜面的水平运动将同时带动自锁结构5水平运动，朝向自锁结构6移动一定行程后通过其端部的锁定结构最终与自锁结构5实现相互锁定。如图2所示，其也实现了光开关的光信号状态锁定，将光开光变为锁定状态2。 

 当通过引线焊盘对电梳齿结构2施加驱动电信号T2时，其可动梳齿结构2将带动相连的自锁结构6进行运动，当运动到一定行程时将导致自锁结构6和自锁结构5端部的锁定结构脱开，实现锁定解除。一旦两者之间的锁定结构解除，变形梁将弹性回复原状，从而带动微反射镜面回复到原始位置，光开关也将由锁定状态2恢复到初始状态1。 

重复施加不同的电控制信号给电梳齿结构1和2，将实现微反射镜面的不同状态切换，实现光开关的光信号切换功能。 

 本发明中的弹性悬臂变形梁采用硅材料，由于悬臂变形梁的结构在 Z轴方向厚，同时在X方向窄，Y方向上长，因此变形梁可以实现在XY平面内弯曲。通过可动梳齿的运动驱动较长变形梁的弯曲杠杆运动，从而带动连接在梁自由末端的微反射镜面在XY平面内移动，而与固定锚点连接的另一悬臂梁则保证微反射镜面沿X方向移动，因而使得其具有最大的位移量。本实施例中，采用的悬臂梁X方向宽度8um，Y方向长度1800um，Z方向厚度40um，可实现镜面水平移动约450um的距离。本尺寸仅用于实例，本发明不限于此。 

 可选地，其中梳齿结构1和梳齿结构2也可以用热驱动结构代替电驱动结构实现微反射镜面的平动。 

 如图3A所示，当微镜面在切换位置A（即光开关处于初始状态1）时，光通道1中的光信号经过聚焦透镜5入射后经由微镜面反射进入光通道2 中，而光通道3中的光信号经过聚焦透镜6入射后经由微镜面反射后进入光通道4中。当微镜面自锁定在切换位置B（即光开关处于锁定状态2）时，光通道1中的光信号经过聚焦透镜5和聚焦透镜6进入光通道4，而光通道3中的光信号经过聚焦透镜6和聚焦透镜5后进入光通道2，如图3B所示，以此实现光信号的不同通道切换。而微镜面的大位移以及自锁定功能是实现光开关的重要技术参数。 

以下是本发明可自锁定的大位移MEMS光开关制备方法，如图4所示，其主要包括以下步骤： 

S1,如图4所示，选择包括硅器件层101厚度为40um、二氧化硅埋氧层102和单晶硅衬底层103厚度为400um的SOI基片，并在所述硅器件层表面涂覆光刻胶104，曝光制作需要刻蚀的微镜面结构； 

S2,如图4所示，采用等离子体刻蚀工艺在所述硅器件层101上正面刻蚀梳齿204、变形梁及微镜面结构205，刻蚀深度为40um，并自停止在二氧化硅埋氧层2，然后去除光刻胶层； 

S3,如图4所示，在所述SOI基片的背面涂覆光刻胶，并曝光制作背面释放结构图形，利用硅深刻蚀技术在所述SOI基片的背面刻蚀400um硅层到埋氧氧化层102，然后去除光刻胶和埋氧二氧化硅层，释放梳齿、变形梁及微镜面结构； 

S4,如图4所示，在微镜面和引线表面制作金属膜层406，实现反射镜面及引线焊盘区域，完成制备。 

综上所述，本发明具有以下优点： 

1，芯片设计结构新颖。该种光开关芯片的结构设计新颖，不同于原有的双稳态结构以及扭转式结构。

 2，光开关性能优越。实现了光开关器件的自锁定状态，并实现了微镜面的大位移运动。同时梳齿结构也实现了器件的低功耗，梳齿结构也可以用热驱动结构代替。 

 3，成本低。由于MEMS技术进行批量制作，因此可以实现器件的可靠性及一致性，降低芯片的成本。 

 本发明虽然已以优选实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变形及修饰，均不应排除在本发明的保护范围之外。 

Claims (6)

1.一种状态可自锁定的大位移MEMS光开关，包括基片、第一梳齿、第二梳齿、第一变形梁、第二变形梁、自锁结构、微反射镜面、锚点和信号引线，其特征在于：

所述自锁结构由第一自锁结构和第二自锁结构组成，第一自锁结构与微反射镜面连接，第二自锁结构与第二梳齿连接；所述第一自锁结构与第二自锁结构的端部均设有耦合锁定结构，用于实现两者之间的相互锁定和解锁；

所述第一变形梁的一端与所述第一梳齿连接，另一端与微反射镜面连接；

所述第二变形梁的一端与所述微反射镜面连接，另一端与固定在基片上的锚点连接；

所述信号引线与第一梳齿和第二梳齿连接，用于施加信号控制第一梳齿和第二梳齿的运动；

所述第一梳齿、第二梳齿、微反射镜面、第一自锁结构、第二自锁结构、第一变形梁和第二变形梁运动时的移动方向在同一平面内；所述第一自锁结构的移动方向为锁定方向，所述第二自锁结构的移动方向为解锁方向；

对所述第一梳齿施加驱动信号时，所述第一梳齿沿第一变形梁的长度方向运动，并通过所述第一变形梁和第二变形梁带动所述微反射镜面以及所述第一自锁结构同时沿所述锁定方向移动；所述第二梳齿运动时带动第二自锁结构同时沿所述解锁方向移动。

2.如权利要求1所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第一变形梁和第二变形梁通过弹性形变产生的力来带动微反射镜面和所述第一自锁结构沿所述锁定方向移动。

3.如权利要求1所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第一梳齿包括固定在基片上的固定梳齿和连接于第一变形梁一端的可动梳齿，固定梳齿与可动梳齿交叉耦合；所述第二梳齿包括固定在基片上的固定梳齿和与第二自锁结构连接的可动梳齿，固定梳齿与可动梳齿交叉耦合。

4.如权利要求1-3任一项所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第一梳齿和所述第二梳齿为电驱动结构。

5.如权利要求1-4任一项所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第一梳齿和所述第二梳齿为热驱动结构。

6.如权利要求1所述的一种状态可自锁定的大位移MEMS光开关的制备方法，其主要包括以下步骤：

(1)选择包括硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；

(2)在所述硅器件层表面涂覆光刻胶，曝光制作需要刻蚀的微镜面结构；

(3)采用等离子体刻蚀工艺在所述硅器件层正面刻蚀梳齿、变形梁及微镜面结构，并自停止在二氧化硅埋氧层，然后去除光刻胶层；

(4)在所述SOI基片的背面涂覆光刻胶，并曝光制作背面释放结构图形，利用硅深刻蚀技术在所述SOI基片的背面深刻蚀硅层并去除二氧化硅层，释放梳齿、变形梁及微镜面结构；

(5)在微镜面和引线焊盘区域制作金属膜层，完成制备。