CN109932782B - 一种基于电热驱动式微镜的硅基moems光开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，属于引信全电子安全系统领域。本发明公开一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，主要由输入光纤、输出光纤、可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构组成。MOEMS光开关的通和断是通过固定式光纤和可动式微镜组成的反射式光路的通和断实现，可动式微镜的运动通过电热驱动器机构实现，微镜上设计有保险槽和定位槽，利用电热保险机构卡入保险槽和定位槽实现对微镜的保险和定位，确保MOEMS光开关的通或断状态。本发明要解决的技术问题为：解决引信全电子安全系统电磁兼容性差的问题，具有下述优点：(1)结构尺寸小；(2)抗过载能力强；(3)电磁兼容性好；(4)工作可靠、适用性强。

Description

一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置

技术领域

本发明涉及一种硅基MOEMS光开关装置，具体涉及一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置的原理及其设计方法，属于MOEMS光开关技术领域。

背景技术

引信全电子安全系统是集高能起爆技术与微电子技术于一体的高新技术，采用无隔爆爆炸序列，从根本上改变了引信的隔离设计思想。全电子安全系统有别于传统引信安全系统，具有安全性强、可靠性高、作用迅速等优点。虽然全电子安全系统的理论安全性高于其他类型安全系统，但在实际应用中全电子安全系统却存在诸多电磁安全隐患。电子元器件及电子电路在全电子安全系统中的大量应用，不仅易使全电子安全系统在弹药武器系统内与其他环节相互间产生严重的电磁干扰现象，而且易使全电子安全系统自身受到外界干扰，引起引信系统失效或早炸。研究表明，全电子安全系统存在的电子安全系统隐患主要来自于电子电路在与弹上电气接口工作时产生的涌浪电压，全电子安全系统低压-高压升压过程产生的大量谐波干扰，发火电容充电后形成的强静电场，外界射频、闪电、静电以及高空电磁脉冲等方面。在现有的全电子安全系统中，干扰能量主要通过静电场、电磁场和电子电路等途径传播。经过研究分析，切断干扰能量传输途径是简单有效的解决方案。根据过程能量不相容原则，可在能量传输途径中引入光电转换和光纤传输等环节，从而提高全电子安全系统的电磁兼容性。

随着大规模集成电路制造工艺的发展，微机械完成了从单元到系统的发展过程，微驱动器、传感器、控制器和微能源被集成到一个非常小的几何空间里，形成了微机电系统。采用微机电系统技术制备的器件尺寸和作用距离可以达到光的波长量级，而且绝缘体、半导体和金属可以平滑地构成一体，微机电系统与光学技术的结合应用成为可能。采用微机电系统技术的标准工艺，将微机械结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器和光电检测器件等完整地集成在一起，可形成一种全新的功能部件或系统，称为微光机电系统(MOEMS)。

微光机电系统(MOEMS)技术作为一门新兴的技术，能将微尺度的机械、光学以及其他一些器件与微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算和执行等功能。基于MOEMS技术的器件具有体积小、重量轻、功能全、抗过载能力强和批量生产成本低等特点，在引信中有较好的应用前景。MOEMS技术的新进展主要体现在通过微工艺使光学器件小型化，这其中最具代表性的成果为MOEMS光开关装置。由于传输光在自由空间存在发散现象，使得光在自由空间有较大的传输损耗，因此可选用光纤和光波导作为光的传输介质。随着微机械加工技术的进一步发展，制备出与光纤直径尺度相同的微驱动器、微反射镜和微悬臂梁等成为可能。因此，基于光纤光路的MOEMS光开关装置成为了当前MOEMS技术发展的重要方向。基于光纤光路的MOEMS光开关装置研究的实质是实现光纤光路的通断控制技术。基于MOEMS技术的光纤光路通常包括三种形式：阻断式光路、反射式光路和光纤移动式光路。

微驱动器是使MOEMS光开关装置产生机械运动，实现光路导通与关断控制的关键。目前，常用的微驱动器主要由静电微驱动器、压电微驱动器、形状记忆合金、电磁微驱动器和电热微驱动器。由于尺寸效应，热膨胀成为微尺度下效率较高的驱动方式。相比于其他的驱动方式，热驱动有诸多优点：热应力是结构内力，驱动结构自身能够获得足够热能即可实现较大位移，克服了静电驱动和电磁驱动对作用距离的依赖，且相对于静电力和磁场力，热应力较大。已经有一些研究基础和成果。

将MOEMS技术应用于引信全电子安全系统中，可在IC工艺兼容的条件下引入光电转换环节，为提高全电子安全系统的电磁兼容性提供一条重要的技术途径。

发明内容

针对上述问题，本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，要解决的技术问题为：基于引信全电子安全系统电磁兼容性差的问题，巧妙地将MOEMS技术引入引信全电子安全系统中，在IC工艺兼容的条件下引入光电转换环节，大大提高了全电子安全系统的电磁兼容性，使得引信全电子安全系统具有下述优点：(1)结构尺寸小；(2)抗过载能力强；(3)电磁兼容性好，抗电磁干扰能力强；(4)响应速度快；(5)制造工艺成熟、工作原理简单易行；(6)工作可靠、适用性强。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，整体尺寸为6.2mm×5.6mm×0.3mm，主要由输入光纤、输出光纤、可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构组成。其中，输入光纤和输出光纤统称为固定式光纤，可动式微镜属于可动部件。在可动式微镜上设计有保险槽、驱动槽和定位槽。输入光纤和输出光纤分别与光发射单元和光接收单元相连接，固定式光纤和可动式微镜组成光反射回路，光开关的通断主要通过光反射回路的通断来实现。

所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其中包含电热保险机构和电热驱动机构。电热驱动机构通过驱动槽与可动式微镜相连，用于驱动解保后的可动式微镜运动到位，实现反射式光路的通断状态转换。电热保险机构作为微机电保险，与可动式微镜的保险槽或定位槽相连用于实现对可动式微镜的安全、解保以及运动到位后的定位。引信处于保险状态时，电热保险机构与保险槽相连，实现对可动式微镜的安全保险功能，同时电热驱动机构未启动，此时可动式微镜距离其光路导通的位置大约有一个光纤直径的距离，即光开关处于断开状态；当引信获取环境信息处于解保过程中，电热保险机构开始作用，电热保险机构退出保险槽，实现对可动式微镜的解保，当可动式微镜的保险解除后，电热驱动机构开始工作，推动可动式微镜向光路导通位置运动；电热驱动机构继续工作，直到可动式微镜运动到位，即光开关处于导通状态，然后电热保险机构停止通电加热，电热保险机构恢复原状态并进入定位槽，实现对可动式微镜运动到位后的定位和固定，而后电热驱动机构停止工作。利用电热保险机构和电热驱动机构实现MOEMS光开关装置的通断状态转换，具有体积小、重量轻、功耗小的优点。

所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其加工原材料为SOI(绝缘体上硅)硅片，利用硅材料相关制造工艺，在一片SOI硅片的上结构层上加工出固定光纤槽、可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构等微结构，然后去掉埋氧层，释放可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构等可动结构，完成加工制造。其中，固定光纤槽起到放置和固定光纤的作用，其截面尺寸与光纤纤径相匹配。硅元素在地壳中储存量巨大，加工原料来源丰富，同时光纤也是由硅材料制成，具有传输容量大、损耗小、不受电磁干扰、体积小重量轻等优点。装配完成后输入光纤和输出光纤呈互相垂直状态，即在可动式微镜未到达导通位置时，输入光纤中的光信号不可能传递到输出光纤中去，没有有效的传递路径，这样的设计大大提高了勤务处理和其他非发射状态下光开关的安全性和可靠性，符合引信的安全性、可靠性要求。

所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其中可动式微镜通过四根硅弹簧梁与硅片的上结构层相连接，既实现了可动式微镜与结构层的连接，释放埋氧层后保证了可动式微镜的悬空，又利用了硅弹簧梁的可伸缩性保证了可动式微镜的运动，同时在可动式微镜上还有许多规则排列的小方孔，在减轻可动式微镜质量的同时便于去掉埋氧层过程中腐蚀工艺的实施。电热保险机构和电热驱动机构采用了对称V型悬臂梁结构，V型梁的角度为1°，在V型梁的中间设计了执行部分，采用对称设计有利于结构均匀受热变形、热应力均匀分布，角度设计便于悬臂梁加热以后向需求的方向变形，驱动结构变形的热来由通过金属薄膜层的电流产生，利用电热驱动电热保险机构和电热驱动机构动作。

所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其中可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构包含金属薄膜层与结构层，以实现光反射和可动结构导电、加热、运动功能。硅片是基础材料，因此硅作为结构层材料。Au(金)具有较好的镜面反射效率、良好的导电导热性能以及较高的熔点，因此用Au(金)作为微器件的金属薄膜层材料。将金膜溅射在可动式微镜的反射面上用以实现光反射，将金膜溅射在电热保险机构和电热驱动机构的上表面以及电极处用以导电、加热、运动功能。基于Au(金)的材料特性，采用Cr(铬)作为金属薄膜层与结构层之间的粘接材料，使得金属薄膜层与结构层更好地连接在一起。

有益效果

1、相比于现有的光开关装置，本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，用于引信全电子安全系统，将保险机构、驱动机构以及微镜整合在同一块硅片上，体积小重量轻、结构紧凑、电磁兼容性好、原理简单、工作可靠，被广泛应用于卫星、火箭、导弹等领域。

2、本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，有别于传统的光开关装置，采用硅基材料和光纤，基于硅材料来源丰富、存量巨大、生产成本低廉的状况，加之硅基制造工艺相对成熟，是一个经济可行的方案，还采用了光纤传输方案，充分利用了光纤容量大、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻等优点。

3、本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，在结构设计上采用了硅弹簧梁结构，支撑可动式微镜的同时保证了可动式微镜的运动，还在可动式微镜上设计了规则排列的方孔便于加工工艺的实施，电热保险机构和电热驱动机构采用了对称V型悬臂梁结构方案，在结构层上溅射金属膜，采用电热驱动方式驱动电热保险机构和电热驱动机构动作，有别于传统的MOEMS光开关，结构和设计的创新使得光开关具有利用低驱动电压可以实现大驱动距离的优点。

4、本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，在充分考虑引信实际应用背景的基础上，采用电热保险机构作为微机电保险机构，在可动式微镜上设计有保险槽和定位槽实现对可动式微镜的保险以及运动到位后的定位。引信未解保时，光开关处于断开状态时，电热驱动机构与保险槽相连，用于保证光开关一直处于断开状态，保证弹药的勤务处理安全性；引信开始解保后，电热保险机构退出保险槽，然后电热驱动机构工作使得可动式微镜被推动向前运动，运动到位后使得光开关处于导通状态，而后电热保险机构与定位槽相连，将可动式微镜的位置固定在光开关导通位置，使得弹药处于待发状态，具有安全可靠的优点。此外，装配完成后输入光纤和输出光纤呈互相垂直状态，在可动式微镜未到达导通位置时，输入光纤中的光信号不可能传递到输出光纤中去，没有有效的传递路径，大大提高了勤务处理和其他非发射状态下光开关的安全性和可靠性，符合引信的高安全性、高可靠性要求。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置的总体结构示意图。

其中：1-输入光纤、2-输出光纤、3-可动式微镜、4-电热保险机构、5-电热驱动机构。

图2为本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置中的可动式微镜所控制的光开关光路通断原理图。

其中：1-输入光纤、2-输出光纤、3-可动式微镜。

图3为本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置中的可动式微镜的结构示意图。

其中：6-保险槽、7-定位槽、8-驱动槽。

图4为本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置中的电热保险机构的结构示意图。

图5为本发明公开的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置中的电热驱动机构的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

1、本实施例公开一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置如图1所示。主要由输入光纤1、输出光纤2、可动式微镜3、电热保险机构4和电热驱动机构5组成，可动式微镜3上设计有保险槽6、定位槽7、驱动槽8；其中，输入光纤1和输出光纤2为固定式光纤，分别与光发射元件和光接受元件相连接；可动式微镜3、电热保险机构4和电热驱动机构5为可动部件。在同一SOI(绝缘体上硅)硅片上加工出固定光纤槽、可动式微镜3、电热保险机构4和电热驱动机构5等微结构，利用输入光纤1、输出光纤2和可动式微镜3共同构成反射式光路。电热驱动机构5通过驱动槽8与可动式微镜3相连，用于驱动解保后的可动式微镜3运动到位，实现反射式光路的通断状态转换。电热保险机构4作为微机电保险，与可动式微镜3的保险槽6或定位槽7相连用于实现对可动式微镜3的安全、解保以及运动到位后的定位。引信处于保险状态时，电热保险机构4与保险槽6相连，实现对可动式微镜3的安全保险功能，同时电热驱动机构5未启动，此时可动式微镜3距离其光路导通的位置大约有一个光纤直径的距离，即光开关处于断开状态；当引信获取环境信息处于解保过程中，电热保险机构4开始作用，电热保险机构4退出保险槽6，实现对可动式微镜3的解保，当可动式微镜3的保险解除后，电热驱动机构5开始工作，推动可动式微镜3向光路导通位置运动；电热驱动机构5继续工作，直到可动式微镜3运动到位，即光开关处于导通状态，然后电热保险机构4停止通电加热，电热保险机构4恢复原状态并进入定位槽7，实现对可动式微镜3运动到位后的定位和固定，而后电热驱动机构5停止工作。利用电热保险机构4和电热驱动机构5实现MOEMS光开关装置的通断状态转换，具有体积小、重量轻、功耗小的优点。

图1所示的实施方案中，整个MOEMS光开关装置尺寸为6.2mm×5.6mm×0.3mm，MOEMS光开关装置的加工利用SOI(绝缘体上硅)硅片作为原材料，在同一基片上加工出固定光纤槽、可动式微镜3、电热保险机构4和电热驱动机构5等微结构。固定光纤槽起到放置和固定光纤的作用，其截面尺寸与光纤的纤径匹配。可动式微镜3、电热保险机构4和电热驱动机构5均包含金属薄膜层与结构层。硅作为结构层材料，Au(金)具有较好的镜面反射效率、良好的导电导热性能以及较高的熔点，因此用Au(金)作为微器件的金属薄膜层材料。考虑到Au(金)的材料特性，采用Cr(铬)作为金属薄膜层与结构层之间的粘接材料，使得金属薄膜层与结构层更好地连接在一起。在加工、装配完成后，输入光纤1和输出光纤2呈互相垂直状态，如图2所示，即在可动式微镜3未到达导通位置时，输入光纤1中的光信号不可能传递到输出光纤2中去，没有有效的传递路径，这样大大提高了勤务处理和其他非发射状态下光开关的安全性和可靠性。如图3所示，可动式微镜3通过四根硅弹簧梁与硅片的上结构层相连接，既实现了可动式微镜3与上结构层的连接，保证了释放埋氧层后可动式微镜3的悬空，又利用了硅弹簧梁的可伸缩性保证了可动式微镜3的运动，在可动式微镜3上还有许多规则排列的小方孔，在减轻可动式微镜3质量的同时便于去掉埋氧层过程中腐蚀工艺的实施。电热保险机构4和电热驱动机构5采用了对称V型悬臂梁结构，如图4和图5所示，V型梁的角度为1°，在V型梁的中间设计了执行部分，采用对称设计有利于结构均匀受热变形、热应力均匀分布，角度设计便于悬臂梁加热以后向需求的方向变形，驱动结构变形的热来由通过金属薄膜层的电流产生，利用电热驱动电热保险机构4和电热驱动机构5动作。

最后需要注意的是，以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，目的在于帮助进一步理解本发明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，包括输入光纤（1）、输出光纤（2）、可动式微镜（3）、电热保险机构（4）和电热驱动机构（5），其中，输入光纤（1）和输出光纤（2）为固定式光纤，可动式微镜（3）属于可动部件，输入光纤（1）和输出光纤（2）处于基片上的槽内，可动式微镜（3）上设计有保险槽（6）、定位槽（7）和驱动槽（8），输入光纤（1）和输出光纤（2）分别与光发射单元和光接收单元相连接，固定式光纤和可动式微镜（3）组成光反射回路，其特征在于：所述可动式微镜（3）上分布着排列规则的小孔且通过硅弹簧梁与硅片的上层结构相连接，所述可动式微镜（3）、电热保险机构（4）和电热驱动机构（5）包含金属薄膜层和结构层。

2.按照权利要求1所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其特征在于：所述可动式微镜（3）、电热保险机构（4）和电热驱动机构（5）的金属薄膜层材料为Au(金)并通过Cr（铬）材料实现金属薄膜层与结构层的连接。

3.按照权利要求1或2所述的一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，其特征在于：所述电热保险机构（4）和电热驱动机构（5）采用对称V型悬臂梁结构。

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