CN108347239B - 一种电磁驱动双稳态光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动双稳态光开关，包括：光开关边框；设置于所述光开关边框内部镂空区域的可动中央平台；可扭转的连接所述可动中央平台和所述光开关边框的一对扭梁，所述一对扭梁沿所述可动中央平台的中心线对称分布；设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二驱动线圈；设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一组软磁条和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二组软磁条；设置在所述一对扭梁上的一对引线，所述一对引线的第一引线电连接第一驱动线圈至第一外部电极，所述一对引线的第二引线电连接第二驱动线圈至第二外部电极；以及第一限位结构和第二限位结构。

Description

一种电磁驱动双稳态光开关

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种电磁驱动的双稳态MEMS光开关。

背景技术

20世纪90年代以来，光通信技术得到了快速的发展，尤其是2000年以后，随着各类移动消费类电子产品的迅猛发展，移动消费类电子产品对网络通信的速度、延迟等质量要求越来越高，而光通信技术很好的满足了相应需求，从而进一步促进了其应用。

作为光通信关键环节的光互连与光开关的地位也变得越来越重要，传统的以电为核心的开关已不能满足高速、大容量光通信的需求。尤其是全光传输网，取而代之的是全光开关，全光开关是以光为核心实现光的通断和交互连接的系统部件，在工作时，不存在光电的转换，先天的优势促使其逐渐成为传统开关的替代者。

光开关为了满足日益进步的光通信技术要求，必须具备低损耗、高稳定的特征，同时在移动通信中的应用，又需要满足低功耗的要求。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，出现了MEMS光开光，它与通常的MEMS产品一样，具有体积小、成本低、易集成、稳定性好以及容量大等特点。而现有的MEMS光开关一般采用静电、电致、磁致、形状记忆合金、热等驱动原理来驱动微镜进行升降、旋转等移动来改变光路实现，普遍存在驱动过程中微镜偏转角度较小，微镜偏转后的状态保持需要持续负载，从而导致光开关功耗较高等问题。

因此，需要一种新型的MEMS光开，关至少部分的解决以上问题，从而满足市场的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种电磁驱动双稳态光开关，包括：光开关边框；设置于所述光开关边框内部镂空区域的可动中央平台；可扭转的连接所述可动中央平台和所述光开关边框的一对扭梁，所述一对扭梁沿所述可动中央平台的中心线对称分布；设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二驱动线圈；设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一组软磁条和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二组软磁条；设置在所述一对扭梁上的一对引线，所述一对引线的第一引线电连接第一驱动线圈至第一外部电极，所述一对引线的第二引线电连接第二驱动线圈至第二外部电极；以及第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和第二限位结构用于限制所述可动中央平台的偏转角度。

在本发明的一个实施例中，所述可动中央平台的背面设置有反射镜。

在本发明的一个实施例中，所述第一驱动线圈和所述第二驱动线圈的绕线方向相反，在通电时产生方向相反的电磁场。

在本发明的一个实施例中，所述第一组软磁条设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈的外侧，且与扭梁垂直。

在本发明的一个实施例中，所述第二组软磁条设置在所述可动中央平台正面第二侧的第二驱动线圈的外侧，且与扭梁垂直。

在本发明的一个实施例中，所述第一限位结构为第一止挡桥，所述第二限位结构为第二止挡桥。

在本发明的一个实施例中，电磁驱动双稳态光开关还包括设置在所述可动中央平台上方和/或下方的永磁体，所述永磁体用于产生与所述可动中央平台基本垂直的偏置磁场。

根据本发明的另一个实施例，提供一种电磁驱动双稳态光开关，包括：光开关边框；设置于所述光开关边框内部镂空区域的可动中央平台；可扭转的连接所述可动中央平台和所述光开关边框的一对扭梁，所述一对扭梁沿所述可动中央平台的中心线对称分布；设置在所述可动中央平台正面一侧的驱动线圈；设置在所述可动中央平台正面一侧的第一组软磁条和设置在所述可动中央平台正面另一侧的第二组软磁条；设置在所述一对扭梁上的一对引线，所述一对引线的第一引线电连接驱动线圈的第一端至第一外部电极，所述一对引线的第二引线电连接驱动线圈的第二端至第二外部电极；设置在所述可动中央平台上方和/或下方的磁体；以及第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和第二限位结构用于限制所述可动中央平台的偏转角度。

在本发明的另一个实施例中，所述第一组软磁条设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈的外侧，所述第二组软磁条设置在所述可动中央平台正面第二侧的第二驱动线圈的外侧，且都与扭梁垂直。

本发明提供的一种电磁驱动双稳态光开关，通过在光开关可动反射镜的背面制作电磁驱动线圈和软磁条，并设置垂直于反射镜所在平面的外部偏置磁场，将电磁驱动与永磁偏置保持相结合来实现光开关的开关状态切换和保持。既可以利用电磁驱动器实现反射镜较大的偏转摆角，又可以利用永磁偏置实现无功耗状态保持，实现了大动态范围与低功耗兼顾的技术效果。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的正视(俯视)图。

图2示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的截面剖视、透视示意图。

图3示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的立体示意图。

图4示出根据本发明的另一实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构600的截面剖视、透视示意图。

图5示出根据本发明的又一实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构700的截面剖视、透视示意图。

图6示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构工作状态的反射镜反射光信号原理图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供的一种电磁驱动双稳态光开关，通过在光开关可动反射镜的背面制作电磁驱动线圈和软磁条，并设置垂直于反射镜所在平面的外部磁场，将电磁驱动与永磁偏置保持相结合来实现光开关的开关状态切换和保持。既可以利用电磁驱动器实现反射镜较大的偏转摆角，又可以利用永磁偏置实现无功耗状态保持，实现了大动态范围与低功耗兼顾的技术效果。

下面结合附图1、附图2来介绍根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构。图1示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的正视(俯视)图；图2示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的截面剖视、透视示意图。

如图1、图2所示，该电磁驱动双稳态光开关结构100包括光开关边框101、可动中央平台102、第一驱动线圈103、第二驱动线圈104、第一软磁条105、第二软磁条106、第三软磁条107、第四软磁条108、第一扭梁109、第二扭梁110、第一引线111、第二引线112、第一限位结构113、第二限位结构114以及反射镜115(图1未出)。

光开关边框101通过对双面氧化的体硅进行刻蚀后形成，用于承载该电磁驱动双稳态光开关的其他结构。

可动中央平台102也由体硅刻蚀加工而成，具体加工方法在本发明的后续部分将详细介绍，可动中央平台102通过位于其中心对称位置的第一扭梁109和第二扭梁110与光开关边框101连接，在可动中央平台102受到围绕扭梁的偏转力矩时，将围绕扭梁发生偏转。

第一驱动线圈103设置在以扭梁为分界线的可动中央平台102的第一面的第一侧；第二驱动线圈104设置在以扭梁为分界线的可动中央平台102的同一面(第一面)的第二侧。第一驱动线圈103与第二驱动线圈104被构造成其线圈内的通电电流方向相反(如第一线圈103内的电流方向为顺时针时，第二线圈104内的电流方向为逆时针)，可以产生两个方向相反的磁场，在外界磁场作用下，对可动中央平台102施加围绕扭梁的偏转力矩，从而实现对可动中央平台的偏转驱动。在本发明的一个实施例中，第一线圈103与第二线圈104串联连接，然而本领域的人员应当知道，第一线圈103和第二线圈104也可以被构造成进行并联连接，或者其他形式进行工作时的相关性耦合。只要在某一个工作状态时，两个线圈相互配合，产生电磁场，将可动中央平台102驱动至预定的位置，都属于本发明的保护范围。

第一软磁条105、第二软磁条106、第三软磁条107以及第四软磁条108对称的设置在可动中央平台102的第一面(与驱动线圈同一面)上，各软磁条的方向与扭梁的延伸方向垂直。软磁条材料可以选自在外界磁场作用下产生磁场力的材料，且磁化后容易去掉磁性的物质，如铁镍合金等。其中第一软磁条105和第二软磁条106位于第一驱动线圈103一侧的左右对称位置，且与第一驱动线圈分离；第三软磁条107和第四软磁条108位于第二驱动线圈104一侧的左右对称位置，且与第二驱动线圈分离。第一软磁条105、第二软磁条106、第三软磁条107以及第四软磁条108可以在外界磁场的作用下产生磁场力，从而能在无功耗的情况下保持可动中央平台102的偏转状态。

第一扭梁109和第二扭梁110将可动中央平台102可扭转地与光开关边框101连接。如图1所示，第一扭梁109和第二扭梁110位于可动中央平台102的中间位置，左右各一个，第一扭梁109和第二扭梁110既需要一定的强度，还需要较好的延展性，强度是为了能悬空支撑可动中央平台102，延展性是为了在线圈驱动可动中央平台102时的驱动扭矩较小，并且具有长期可靠的使用寿命。第一扭梁109和第二扭梁110一般通过体硅刻蚀形成。

第一引线111位于第一扭梁109的表面，其第一端与第二驱动线圈104形成电连连接，第二端电连接至外部驱动电路的第一极；第二引线112位于第二扭梁110的表面，其第一端与第一驱动线圈103形成电连连接，第二端电连接至外部驱动电路的第二极。

在可动中央平台102的第一驱动线圈103侧的上方设置有第一限位结构113，第一限位结构113用于可动中央平台102在受驱动线圈驱动偏转时的第一偏转角度限位；在可动中央平台102的第二驱动线圈104侧的上方设置有第二限位结构114，第二限位结构113用于可动中央平台102在受驱动线圈驱动偏转时的第二偏转角度限位。在本发明的一个具体实施例中，第一限位结构113和第二限位结构114为止挡桥结构，可用通过设置止挡桥上方的悬空高度来精确调整可动中央平台102处于偏转状态时的偏转角度，以满足不同的应用需求。

反射镜115设置在可动中央平台102的第二面，一般通过溅射等沉积工艺在中央平台102的第二面的体硅上形成。在本发明的一个实施例中，反射镜115可以通过沉积铬或银等金属形成。

图3示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构100的立体示意图，根据图3所示，能形象的了解本发明的该种电磁驱动双稳态光开关结构。

下面描述形成电磁驱动双稳态光开关结构100的过程。首先，在双面氧化的硅片的背面，利用光刻、湿法刻蚀工艺分别刻蚀二氧化硅和减薄硅后，在所形成的空腔底部通过光刻、溅射等沉积工艺制作反射镜。在硅片的正面对应位置(与反射镜位置相对)图形化光刻图形化、掩膜电镀、旋涂涂敷工艺制作形成驱动线圈、驱动线圈、引线、软磁条，然后通过电镀加牺牲层工艺制作形成限位结构。限位结构用于后续释放的可动中央平台在受驱动线圈驱动偏转时的偏转角度限位。在本发明的一个具体实施例中，限位结构为止挡桥结构，可通过设置止挡桥上方的悬空高度来精确调整可动中央平台的偏转角度，以满足不同的应用需求。最后，正面刻蚀硅片形成镂空区域和扭梁，从而释放可动中央平台实现最终结构。

至此该电磁驱动双稳态光开关结构100制作完成，所形成的软磁条的结构与扭梁垂直，且均匀布局在驱动线圈的左右两侧。在施加外界磁场后，对驱动线圈通电流，可动中央平台将围绕扭梁受到偏转扭矩作用，从而发生偏转，偏转到限位结构后停止，在外界磁场作用下，断开驱动线圈的电流后，位于可动中央平台上的软磁条受外界磁场作用，保持可动中央平台的偏转状态，从而实现稳定开关状态；当驱动线圈中产生与前述反向的电流后，可动中央平台将围绕扭梁受到相反的扭矩作用，产生反向的偏转，偏转到另一个限位结构后停止，同理在外界磁场和软磁条作用下，也能保持该偏转状态。

下面结合图4来介绍基于本发明的另一个实施例，图4示出根据本发明的另一实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构600的截面剖视、透视示意图。如图4所示，该电磁驱动双稳态光开关结构600进一步包括光开关边框601、可动中央平台602、第一驱动线圈603、第二驱动线圈604、第一组软磁条605和606、第二组软磁条607和608、扭梁609和610、引线611和612、第一限位结构613、第二限位结构614、反射镜615以及磁体616。磁体616产生相对于可动中央平台602的外界磁场，且该磁场方向基本垂直于可动中央平台602以及驱动线圈603、604所在的平面。在图4所示的实施例中，磁体616位于可动中央平台602的上方，然而，本领域的技术人员应该理解，磁体616还可以位于可动中央平台602的上方，或者，在可动中央平台602的上方和下方均放置磁体616。在本发明的优选实施例中，磁体616为永磁体，然而本发明的保护范围不限于此。能够对可动中央平台602产生磁场，从而使可动中央平台602保持在稳定状态的磁体均应落入本发明的保护范围。

下面结合图5来介绍基于本发明的又一个实施例，图5示出根据本发明的又一实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构700的截面剖视、透视示意图。如图5所示，该电磁驱动双稳态光开关结构700进一步包括光开关边框701、可动中央平台702、驱动线圈703、第一组软磁条704和705、第二组软磁条706和707、扭梁708和709、引线710和711、第一限位结构712、第二限位结构713、反射镜714以及磁体715。与图4所示实施例不同的是，图5所示实施例中，仅有一个驱动线圈置于可动中央平台以扭梁为界的一侧，另一次没有驱动线圈。该实施例的电磁驱动双稳态光开关结构700在驱动线圈中通过电流产生与磁体715相吸或相斥的磁场，使可动中央平台受到围绕扭梁的偏转扭矩，从而使可动中央平台发生偏转，当偏转到限位结构时停止偏转，在磁体715的磁场作用下，断开驱动线圈的电流后，位于可动中央平台上的软磁条受外界磁场作用，保持可动中央平台的偏转状态，从而实现稳定开关状态；当驱动线圈中通过与前述相反的电路时，会产生相反的电磁场，从而会使可动中央平台发生反方向的偏转，当偏转到另一个限位结构时停止偏转，同理在外界磁场和软磁条作用下，也能保持该偏转状态。

此外，本领域的人员应该认识到，还可以在可动中央平台一侧设置多个驱动线圈，或者在两侧分别设置多个驱动线圈来实现类似的电磁驱动功能，这些方案都属于本发明的基本构思。同时，外加磁场的设置可以有多种方法，如设置在上方、下方，或者采用多个分立磁场、叠加磁场等也都属于本发明的基本构思，属于本发明的保护范围。

下面结合图6来介绍基于本发明的一个实施例电磁驱动的光开关反射镜的工作状态原理，图6示出根据本发明的一个实施例形成的一种电磁驱动双稳态光开关结构工作状态的反射镜反射光信号原理图。如图6所示：当反射镜801未驱动时，其位于O位置，此时反射镜表面的法线为α，当入射光802沿α线入射后，通过反射镜反射后沿α射出；当通过第一方向的电流驱动后，反射镜801将偏转到位置F，此时反射镜表面的法线为β，当入射光802还沿α线入射后，通过反射镜反射后沿803方向射出，产生一个图示向左的大角度偏置；再当通过第二方向的电流驱动后，反射镜801将偏转到位置S，此时反射镜表面的法线为γ，当入射光802还沿α线入射后，通过反射镜反射后沿403方向射出，产生一个图示向右的大角度偏置。而在两个偏置状态，都可以在驱动线圈断电后，通过永磁体和软磁条的磁力实现稳定的偏置保持。

基于本发明的电磁驱动双稳态光开关，通过在光开关可动反射镜的背面制作电磁驱动线圈和软磁条，并设置垂直于反射镜所在平面的外部磁场，将电磁驱动与永磁偏置保持相结合来实现光开关的开关状态切换和保持。既可以利用电磁驱动器实现反射镜较大的偏转摆角，又可以利用永磁偏置实现无功耗状态保持，实现了大动态范围与低功耗兼顾的技术效果。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种电磁驱动双稳态光开关，包括：

光开关边框；

设置于所述光开关边框内部镂空区域的可动中央平台；

可扭转的连接所述可动中央平台和所述光开关边框的一对扭梁，所述一对扭梁沿所述可动中央平台的中心线对称分布；

设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二驱动线圈；

设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一组软磁条和设置在所述可动中央平台正面与所述第一侧相对的第二侧的第二组软磁条；

设置在所述一对扭梁上的一对引线，所述一对引线的第一引线电连接第一驱动线圈至第一外部电极，所述一对引线的第二引线电连接第二驱动线圈至第二外部电极；以及

第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和第二限位结构用于限制所述可动中央平台的偏转角度。

2.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述可动中央平台的背面设置有反射镜。

3.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第一驱动线圈和所述第二驱动线圈的绕线方向相反，在通电时产生方向相反的电磁场。

4.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第一组软磁条设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈的外侧，且与扭梁垂直。

5.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第二组软磁条设置在所述可动中央平台正面第二侧的第二驱动线圈的外侧，且与扭梁垂直。

6.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第一限位结构为第一止挡桥，所述第二限位结构为第二止挡桥。

7.如权利要求1所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，还包括设置在所述可动中央平台上方和/或下方的永磁体，所述永磁体用于产生与所述可动中央平台基本垂直的偏置磁场。

8.一种电磁驱动双稳态光开关，包括：

光开关边框；

设置于所述光开关边框内部镂空区域的可动中央平台；

可扭转的连接所述可动中央平台和所述光开关边框的一对扭梁，所述一对扭梁沿所述可动中央平台的中心线对称分布；

设置在所述可动中央平台正面一侧的驱动线圈；

设置在所述可动中央平台正面一侧的第一组软磁条和设置在所述可动中央平台正面另一侧的第二组软磁条；

设置在所述一对扭梁上的一对引线，所述一对引线的第一引线电连接驱动线圈的第一端至第一外部电极，所述一对引线的第二引线电连接驱动线圈的第二端至第二外部电极；

设置在所述可动中央平台上方和/或下方的磁体；以及

第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和第二限位结构用于限制所述可动中央平台的偏转角度。

9.如权利要求8所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第一组软磁条设置在所述可动中央平台正面第一侧的第一驱动线圈的外侧，所述第二组软磁条设置在所述可动中央平台正面第二侧的第二驱动线圈的外侧，且都与扭梁垂直。

10.如权利要求8所述的电磁驱动双稳态光开关，其特征在于，所述第一限位结构为第一止挡桥，所述第二限位结构为第二止挡桥。