CN110045497A - 一种基于u+v型结构的电热微驱动控制光路通断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，属于MEMS微驱动器技术领域。该装置包括驱动机构、锁止机构，其中驱动机构包括由N个U型悬臂梁相级联构成的驱动器、N对U型悬臂梁锚点以及N对U型悬臂梁电极贴片；锁止机构包括由M个V型悬臂梁构成的V型悬臂梁阵列、两个V型悬臂梁锚点以及两个V型悬臂梁电极贴片。通过在电极片上施加电压，将驱动机构可靠地锁止于非驱动或驱动状态，实现对高能光路的有效通断控制。相比于其他微驱动方式，本发明采用U型悬臂梁电热微驱动机构和V型悬臂梁锁止机构的逻辑配合，驱动可靠性高、能耗低、成本低且系统兼容性好，是一种性能优良的MEMS驱动器。

Description

一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置
技术领域
本发明属于MEMS微驱动器技术领域，特别涉及一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置。
背景技术
MEMS微驱动器是微机电系统中的一项关键技术，主要包括静电型驱动、电磁型驱动、电热型即热膨胀型驱动、压电型驱动和智能材料驱动。静电驱动利用静电荷的库仑力产生吸引或排斥使驱动器产生位移，其结构简单、控制方便、系统集成制造性好、作用行程较大、响应频率高，但所需驱动电压高，较高的电压会造成电极板之间的绝缘层被击穿，长期工作会造成电荷的累积，影响工作稳定性和使用寿命；电磁驱动利用磁场中的电磁力或载流体受到的洛伦兹力驱动作动器，其控制简单、相应快、输出力矩大、作用行程范围大、价格低廉，但结构尺寸大、系统兼容性较差、能耗高和温漂噪声大等缺点明显；压电型驱动器利用压电材料的逆压电效应产生驱动效果，其优点是响应速度快、输出稳定性好，但所需电压大、功耗高；智能材料驱动器利用形状记忆合金的形状记忆效应实现驱动，其作用范围大、功耗非常低，但所需响应时间长。
电热驱动器利用金属材料的焦耳效应，产生热量，使具有热膨胀效应的材料通过热膨胀产生驱动效果。在MEMS技术领域，电热驱动是一种较为有效的驱动形式，通过不同的结构设计可以满足不同场合驱动器的位移要求，其驱动电压低、系统加工制造兼容性非常好、驱动行程和力矩较大，相比于电磁驱动器响应时间较慢，但相比于记忆合金响应速度较快，整体性能良好。将电热微驱动器应用在控制高能光纤的光路通断中，实现MOEMS光逻辑控制方面目前还存在研究空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热膨胀原理、驱动可靠性高、能耗低、成本低及系统兼容性好的电热微驱动控制光路通断装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，包括驱动机构、锁止机构；
所述驱动机构包括由N个U型悬臂梁相级联构成的驱动器、N对U型悬臂梁锚点、N对U型悬臂梁电极贴片；其中，每个U型悬臂梁包括：位于U型结构一侧的热臂，位于U型结构另一侧的冷臂和柔性臂，其中冷臂的一端与热臂的一端相连，冷臂的另一端与柔性臂的一端相连；每对U型悬臂梁锚点包括第一锚点、第二锚点，柔性臂的另一端固连于第一锚点，热臂的另一端固连于第二锚点，第一锚点、第二锚点上分别固连第一电极贴片、第二电极贴片；N个U型悬臂梁热臂与冷臂相接的一侧均固连于连接装置；连接装置上远离U型悬臂梁的一侧设置第一锁紧装置、第二锁紧装置，两个锁紧装置之间的距离为驱动器的水平驱动位移；冷臂的宽度大于热臂的宽度，热臂与柔性臂的宽度相等，同时柔性臂的长度小于冷臂的长度；连接装置为绝缘体；
所述锁止机构包括由M个V型悬臂梁构成的V型悬臂梁阵列、两个V型悬臂梁锚点；所述V型悬臂梁阵列的几何中心位置处设置第三锁紧装置，该第三锁紧装置与V型悬臂梁阵列相接触的部分为导体，非接触的部分为绝缘体；V型悬臂梁阵列的一端固连于第三锚点，另一端固连于第四锚点，第三锚点、第四锚点上分别固连第三电极贴片、第四电极贴片；
N对U型悬臂梁锚点位于同一水平线、两个V型悬臂梁锚点位于同一水平线，所有的锚点位于同一水平面，且厚度均相同；U型悬臂梁、V型悬臂梁均为导体；
该电热微驱动控制光路通断装置初始状态时，所述第一锁紧装置与第三锁紧装置相锁紧，第一光通道和第二光通道处于不对正锁紧状态；当接收到解锁信号时，在第三电极贴片和第四电极贴片两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，所述锁止机构产生远离驱动机构方向的位移，第一锁紧装置与第三锁紧装置解锁，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于不对正解锁状态；当接收到驱动信号时，在每个U型悬臂梁的第一电极贴片、第二电极贴片两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，驱动机构产生向光通道方向的位移，使两个光通道对正，停止在第三电极贴片和第四电极贴片两端施加电压，第二锁紧装置与第三锁紧装置锁紧，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于对正锁紧状态。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过U型悬臂梁电热微驱动机构和V型悬臂梁锁止机构的逻辑配合，实现光路开关的有效控制，进一步实现对高能光路的有效通断控制；2)对于高能量光纤的传输，具有传输可靠、能量损耗小等优点；3)利用MEMS驱动的精准性，实现光纤通道的准确定位，减少光纤的轴向和横向偏差；4)该电热微驱动控制光路通断装置驱动可靠性高、能耗低、成本低且系统兼容性好。
附图说明
图1为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置的整体结构示意图。
图2为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置的三个锁紧装置示意图，(a)为第一锁紧装置11-1与第三锁紧装置6锁紧状态；(b)为第二锁紧装置11-2与第三锁紧装置6锁紧状态示意图。
图3为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置处于初始状态的示意图。
图4为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置处于光通道不对正解锁状态的示意图。
图5为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置处于光通道对正锁紧状态的示意图。
图6为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置双热臂U型电热微驱动器示意图。
图7为本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置的控制流程图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，包括驱动机构、锁止机构。
驱动机构包括由N个U型悬臂梁相级联构成的驱动器、N对U型悬臂梁锚点、N对U型悬臂梁电极贴片；其中，每个U型悬臂梁包括：位于U型结构一侧的热臂3，位于U型结构另一侧的冷臂4和柔性臂10，其中冷臂4的一端与热臂3的一端相连，冷臂4的另一端与柔性臂10的一端相连；每对U型悬臂梁锚点包括第一锚点1-1、第二锚点1-2，柔性臂10的另一端固连于第一锚点1-1，热臂3的另一端固连于第二锚点1-2，第一锚点1-1、第二锚点1-2上分别固连第一电极贴片2-1、第二电极贴片2-2；N个U型悬臂梁热臂3与冷臂4相接的一侧均固连于连接装置9；连接装置9上远离U型悬臂梁的一侧设置第一锁紧装置11-1、第二锁紧装置11-2，两个锁紧装置之间的距离为驱动器的水平驱动位移；冷臂4的宽度大于热臂3的宽度，热臂3与柔性臂10的宽度相等，同时柔性臂10的长度小于冷臂4的长度；连接装置9为绝缘体；
锁止机构包括由M个V型悬臂梁构成的V型悬臂梁阵列、两个V型悬臂梁锚点；所述V型悬臂梁阵列的几何中心位置处设置第三锁紧装置6，该第三锁紧装置6与V型悬臂梁阵列相接触的部分为导体，非接触的部分为绝缘体；V型悬臂梁阵列的一端固连于第三锚点5-1，另一端固连于第四锚点5-2，第三锚点5-1、第四锚点5-2上分别固连第三电极贴片7-1、第四电极贴片7-2；
N对U型悬臂梁锚点位于同一水平线、两个V型悬臂梁锚点位于同一水平线，所有的锚点位于同一水平面，且厚度均相同；U型悬臂梁、V型悬臂梁均为导体；
结合图7，该电热微驱动控制光路通断装置初始状态时，第一锁紧装置11-1与第三锁紧装置6相锁紧，第一光通道12和第二光通道13处于不对正锁紧状态如图3所示；当接收到解锁信号时，在第三电极贴片7-1和第四电极贴片7-2两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，锁止机构产生远离驱动机构方向的位移，第一锁紧装置11-1与第三锁紧装置6解锁，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于不对正解锁状态如图4所示；当接收到驱动信号时，在每个U型悬臂梁的第一电极贴片2-1、第二电极贴片2-2两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，驱动机构产生向光通道方向的位移，使两个光通道对正，停止在第三电极贴片7-1和第四电极贴片7-2两端施加电压，第二锁紧装置11-2与第三锁紧装置6锁紧，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于对正锁紧状态如图5所示。
进一步地，结合图6，位于U型结构一侧的热臂3为双热臂，包括相平行的第一热臂3-1和第二热臂3-2。
进一步优选地，N个U型悬臂梁均匀分布，M个V型悬臂梁均匀分布。
进一步优选地，热臂3的宽度为冷臂4宽度的10％～15％。
进一步优选地，柔性臂10的长度为冷臂4长度的10％～15％。
进一步优选地，N的取值为1～3，M的取值为1～5。
进一步优选地，V型悬臂梁倾斜角范围为1°～15°。
示例性的，第一锁紧装置11-1、第二锁紧装置11-2均为凹槽，第三锁紧装置6为能卡于凹槽中的凸块。
示例性的，锚点置于玻璃衬底上。
示例性的，锚点、U型悬臂梁、V型悬臂梁均由硅基材料制成；电极贴片由镀金薄膜制成。
实施例1
结合图1，本发明基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，包括驱动机构、锁止机构；
驱动机构包括由N个U型悬臂梁相级联构成的驱动器、N对U型悬臂梁锚点、N对U型悬臂梁电极贴片；其中，每个U型悬臂梁包括：位于U型结构一侧的热臂3，位于U型结构另一侧的冷臂4和柔性臂10，其中冷臂4的一端与热臂3的一端相连，冷臂4的另一端与柔性臂10的一端相连；每对U型悬臂梁锚点包括第一锚点1-1、第二锚点1-2，柔性臂10的另一端固连于第一锚点1-1，热臂3的另一端固连于第二锚点1-2，第一锚点1-1、第二锚点1-2上分别固连第一电极贴片2-1、第二电极贴片2-2；N个U型悬臂梁热臂3与冷臂4相接的一侧均固连于连接装置9；连接装置9上远离U型悬臂梁的一侧设置第一锁紧装置11-1、第二锁紧装置11-2，两个锁紧装置之间的距离为驱动器的水平驱动位移；冷臂4的宽度大于热臂3的宽度，热臂3与柔性臂10的宽度相等，同时柔性臂10的长度小于冷臂4的长度；连接装置9为绝缘体；
所述锁止机构包括由M个V型悬臂梁构成的V型悬臂梁阵列、两个V型悬臂梁锚点；所述V型悬臂梁阵列的几何中心位置处设置第三锁紧装置6，该第三锁紧装置6与V型悬臂梁阵列相接触的部分为导体，非接触的部分为绝缘体；V型悬臂梁阵列的一端固连于第三锚点5-1，另一端固连于第四锚点5-2，第三锚点5-1、第四锚点5-2上分别固连第三电极贴片7-1、第四电极贴片7-2；
N对U型悬臂梁锚点位于同一水平线、两个V型悬臂梁锚点位于同一水平线，所有的锚点位于同一水平面，且厚度均相同；U型悬臂梁、V型悬臂梁均为导体。
实施例2
在实施例1的基础上，位于U型结构一侧的热臂3为双热臂，包括相平行的第一热臂3-1和第二热臂3-2，如图6所示，第一热臂3-1的一端和第二热臂3-2的一端均与冷臂4的一端相连，第一热臂3-1的另一端固连于第二锚点1-2，第二热臂3-2的另一端固连于第三锚点1-3，第二锚点1-2、第三锚点1-3上分别固连第二电极贴片2-2、第一电极贴片2-1。
本发明通过U型悬臂梁电热微驱动机构和V型悬臂梁锁止机构的逻辑配合，实现光路开关的有效控制，进一步可以实现对高能光路的有效通断控制。相比于其他微驱动方式，该装置驱动可靠性高、能耗低、成本低且系统兼容性好。

Claims (10)

1.一种基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，包括驱动机构、锁止机构；
所述驱动机构包括由N个U型悬臂梁相级联构成的驱动器、N对U型悬臂梁锚点以及N对U型悬臂梁电极贴片；其中，每个U型悬臂梁包括：位于U型结构一侧的热臂(3)，位于U型结构另一侧的冷臂(4)和柔性臂(10)，其中冷臂(4)的一端与热臂(3)的一端相连，冷臂(4)的另一端与柔性臂(10)的一端相连；每对U型悬臂梁锚点包括第一锚点(1-1)、第二锚点(1-2)，柔性臂(10)的另一端固连于第一锚点(1-1)，热臂(3)的另一端固连于第二锚点(1-2)，第一锚点(1-1)、第二锚点(1-2)上分别固连第一电极贴片(2-1)、第二电极贴片(2-2)；N个U型悬臂梁热臂(3)与冷臂(4)相接的一侧均固连于连接装置(9)；连接装置(9)上远离U型悬臂梁的一侧设置第一锁紧装置(11-1)、第二锁紧装置(11-2)，两个锁紧装置之间的距离为驱动器的水平驱动位移；冷臂(4)的宽度大于热臂(3)的宽度，热臂(3)与柔性臂(10)的宽度相等，同时柔性臂(10)的长度小于冷臂(4)的长度；连接装置(9)为绝缘体；
所述锁止机构包括由M个V型悬臂梁构成的V型悬臂梁阵列、两个V型悬臂梁锚点以及两个V型悬臂梁电极贴片；所述V型悬臂梁阵列的几何中心位置处设置第三锁紧装置(6)，该第三锁紧装置(6)与V型悬臂梁阵列相接触的部分为导体，非接触的部分为绝缘体；V型悬臂梁阵列的一端固连于第三锚点(5-1)，另一端固连于第四锚点(5-2)，第三锚点(5-1)、第四锚点(5-2)上分别固连第三电极贴片(7-1)、第四电极贴片(7-2)；
N对U型悬臂梁锚点位于同一水平线、两个V型悬臂梁锚点位于同一水平线，所有的锚点位于同一水平面，且厚度均相同；U型悬臂梁、V型悬臂梁均为导体；
该电热微驱动控制光路通断装置初始状态时，所述第一锁紧装置(11-1)与第三锁紧装置(6)相锁紧，第一光通道(12)和第二光通道(13)处于不对正锁紧状态；当接收到解锁信号时，在第三电极贴片(7-1)和第四电极贴片(7-2)两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，所述锁止机构产生远离驱动机构方向的位移，第一锁紧装置(11-1)与第三锁紧装置(6)解锁，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于不对正解锁状态；当接收到驱动信号时，在每个U型悬臂梁的第一电极贴片(2-1)、第二电极贴片(2-2)两端施加电压，两者之间形成电流回路，发生热膨胀效应，驱动机构产生向光通道方向的位移，使两个光通道对正，停止在第三电极贴片(7-1)和第四电极贴片(7-2)两端施加电压，第二锁紧装置(11-2)与第三锁紧装置(6)锁紧，此时该电热微驱动控制光路通断装置处于对正锁紧状态。
2.根据权利要求1所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述位于U型结构一侧的热臂(3)为双热臂，包括相平行的第一热臂(3-1)和第二热臂(3-2)。
3.根据权利要求1或2所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述N个U型悬臂梁均匀分布，M个V型悬臂梁均匀分布。
4.根据权利要求3所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述热臂(3)的宽度为冷臂(4)宽度的10％～15％。
5.根据权利要求4所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述柔性臂(10)的长度为冷臂(4)长度的10％～15％。
6.根据权利要求5所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述N的取值为1～3，M的取值为1～5。
7.根据权利要求6所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述V型悬臂梁倾斜角范围为1°～15°。
8.根据权利要求7所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述第一锁紧装置(11-1)、第二锁紧装置(11-2)均为凹槽，第三锁紧装置(6)为能卡于凹槽中的凸块。
9.根据权利要求8所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述锚点置于玻璃衬底上。
10.根据权利要求9所述的基于U+V型结构的电热微驱动控制光路通断装置，其特征在于，所述锚点、U型悬臂梁、V型悬臂梁均由硅基材料制成；所述电极贴片由镀金薄膜制成。
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