CN1702489A - 转动型梳状驱动致动器以及使用该致动器的可变光学衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及致动器和使用该致动器的光纤衰减器。转动型的梳状驱动致动器包括衬底、可动电极、驱动电极、一个或者多个垂直弹簧、一个或者多个垂直弹簧固定块、水平弹簧和水平弹簧固定块。可动电极布置在衬底平面上并可以平行于衬底平面移动，所述可动电极具有预定的长度，目的是形成包括多个指状物的梳状电极。驱动电极的长度和可动电极的长度相对应，其形成为包括多个指状物的梳状电极，并和可动电极的梳状电极叉指交错布置。垂直弹簧平行于衬底布置，并在可动电极的第一端的两侧上垂直相连可动电极。垂直弹簧固定块和垂直弹簧相连并支持垂直弹簧。水平弹簧的主体部分和可动电极的纵向平行连接。水平弹簧固定块和水平弹簧相连，支持水平弹簧，水平弹簧固定块固定在衬底上。

Description

转动型梳状驱动致动器以及使用该致动器的可变光学衰减器

技术领域

本发明总的来说涉及采用微型机电系统技术的致动器以及使用该致动器的光学衰减器，更具体地，涉及一种致动器和使用该致动器的光学衰减器，其中所述的致动器运用施加于梳状电极之间的吸引力。

背景技术

通常，梳状致动器所指的致动器的每个电极具有互相叉指交错的多个指状物，可以利用施加于两个电极上的电压改变所述电极的位置。

特别是，应用微型机电系统(MEMΔ)技术的梳状致动器，其每单位面积静电力的生成效率以及驱动位移的线性化等性能都很好。自从W.C.Tang等人开发出在平行于衬底的平面被驱动的共振微型结构(美国专利No.5,052,346公开)，梳状致动器常被用于陀螺、加速度计、机械过滤器、可变光学衰减器和光学开关等等。进一步，A.P.Lee等人发明了一种可以垂直于衬底移动的梳状静电致动器(美国专利No.5,969,848公开)，并并提出用于角偶棱镜反射器的致动器的另一个应用。进一步，B.Bhin等人发明了一种采用梳状电极产生面外可转动挠曲度的致动器(美国专利No.6,612,029公开)。

使用在平行于一个表面的平面上被平行驱动的梳状致动器，将微型光闸插入排列于衬底上的对准的两个光纤之间的间隙中，就可以控制光纤之间传输的光量。利用这个原理，可以使用梳状致动器开发出可变光学衰减器或者光学开关。

但是，这样的梳状驱动方案需要的电流较小，但是需要一个较高的电压以提高驱动力。也就是，为了产生固定的位移，需要一个高电压，所以就必须单独建立一个电压放大电路，使用5V或者更低电压的典型数字信号来控制高电压，这样增大了元件的尺寸和产品的成本。

可选择的是，对于减小驱动电压的同时保持典型梳状致动器的驱动距离的方法，存在着一种简单地增加梳状电极的个数或者减小致动器的刚度的方法。

图1a到1c表示现有的梳状致动器和另一致动器。

图1a表示美国专利No.5,025,346所公开的W.C.Tang等人发明的梳状致动器，其包括一个固定在衬底(未画出)上的静止梳状电极1以及和静止梳状电极1叉指交错的可动梳状电极2。可动梳状电极2垂直连接于水平轴3。水平轴3的两端分别与垂直弹簧4和5相连。在这种情况下，静止梳状电极1、垂直弹簧4和5分别通过固定块6、7和8固定于衬底上。在这种结构中，现有的梳状致动器的特征在于：现有的梳状致动器平行于衬底移动并作平移运动。

如图1a所示，假如给弹性系数为k的梳状致动器施加电压V₀，就产生一个静止位移δ。如果产生静止位移δ所需的电压可以被进一步减小，就可以去除电压放大电路从而减小使用该致动器的产品的尺寸，这就得到许多优点。

如上所述，在现有的梳状驱动器里，因为驱动力和驱动电压的平方成比例，所以要想使驱动电压减小一半，驱动力必须增大四倍，或者刚度必须减小四分之三。这样的其它方案如图1b和1c所示。

图1b表示现有的梳状致动器的刚度被减小四分之三(0.25k)的设计方案。进一步，图1c表示现有的梳状致动器的梳状电极的个数增加四倍，这样驱动力增加四倍。

在这种情况下，假定图1a中的结构的共振频率为ω，那么图1b中的共振频率就减小为0.5ω，图1c中的共振频率值接近于0.5ω。也就是，图1b和1c的结构对外部振动的承受能力弱于现有的图1a中的结构。

举例来说，假如有一个在20v的驱动电压作用下基本可移动25μm的梳状致动器。该致动器的共振频率可以设计为大约1kHz。如果需要通过改变梳状电极的个数和刚度而开发的在5v或者更低的驱动电压作用下可以移动25μm驱动距离的梳状致动器，随着梳状电极增加的个数而成比例地致动器的质量增加，其刚度减小，这样该结构的共振频率就减小到200Hz或者更低。

实际上，当使用现有的结构生产梳状致动器并针对该致动器作实验，如果驱动距离为25μm，那么所施加的电压为20v，此时的共振频率为900Hz。如果这个驱动电压可以减小到5v或者更小，就如同用数字信号驱动，并且驱动距离可以保持在25μm，那么诸如上述的可变光学衰减器应用中的驱动电压放大电路就可以被移除，使用该致动器的产品的尺寸就减小，从而增强了该产品的竞争力。但是，当使用现有的结构设计制造梳状致动器时，使用该致动器的产品的设计方案存在的局限性为，如实验结果表明：当共振频率低于250Hz(梳状电极的个数增加八倍，刚度减小一半)，就产生依赖于外部振动的响应变化，由于结构本身的重量而发生响应偏差。

另外，如果上述的现有梳状致动器被运用于用来控制光学网络中的光信号的能量的光学衰减器，，通过简单地增加梳状电极的个数或者减小弹簧的刚度来增大相应于某个电压的驱动距离的方法存在的问题是：结构的共振频率减小并且对外部振动的灵敏地变化。也就是，光学衰减器必须将入射光线衰减到一定值，但是这样存在若干问题，其中的一个问题就是，当所述的光学衰减器受到外部振动的时候，衰减器不能满足基本的功用。

发明内容

因此，本发明就是解决现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的就是提供一种致动器，它能够在不需要附加的电路而使用较低的电压就能获得需要的驱动距离。

本发明的另一个目的是提供一个致动器，该致动器可以获得需要的驱动距离，并且易于制造成小型设备。

本发明的另一个目的是提供一个可变光学衰减器，该衰减器使用较低的电压就可以将入射光线的光量控制到一定值，并且易于制造成小型设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种转动型的梳状致动器，该致动器包括：衬底；布置在衬底平面上并可以相对于衬底平面平行移动的可动电极，其长度为预定值从而具有包括多个指状物的梳状电极；驱动电极，其长度和可动电极的长度相对应，从而给可动电极施加静电力，其形成为包括多个指状物的梳状电极，并且和可动电极的梳状电极叉指交错布置，所述驱动电机固定在衬底上；一个或者多个平行于衬底布置的垂直弹簧，它们在可动电极第一端的两侧上与克东电极正交相连；一个或者多个垂直弹簧固定块，它和垂直弹簧相连支持垂直弹簧，所述的固定块固定在衬底上；水平弹簧，该水平弹簧的主体部分平行于可动电极的纵向连接可动电极，水平弹簧和可动电极的一侧相连；和水平弹簧相连支持水平弹簧的水平弹簧固定块，该固定块固定在衬底上。

优选的是，在可动和驱动电极上形成的梳状电极的可设计为：指状物围绕可动电极上的转动中心同心地延伸，这样在可动电极转动的时候，电极之间互相不干扰。

优选的是，垂直弹簧绕可动电极上的转动中心对称布置。

优选的是，水平弹簧可以具有被垂直弯折的第一端和第二端，其中第一端和可动电极的一侧相连，第二端和水平弹簧固定块相连。

优选的是，衬底由硅制成。

优选的是，转动型梳状驱动致动器可以进一步包括辅助水平弹簧，该辅助水平弹簧沿着可动电极的纵向从可动电极上靠近转动中心的一端延伸；辅助水平弹簧固定块和辅助水平弹簧相连支持辅助水平弹簧，该固定块位于衬底上。

优选的是，水平弹簧可以形成为曲折线结构，其中水平弹簧被弯折数次。

优选的是，转动型梳状驱动致动器可以进一步包括一个预定重量的配重，该配重和可动电极靠近其上转动中心的一端相连，这样当在致动器平移运动的方向上发生振动噪声时，振动噪声的激振力作用在转动中心上。

进一步，本发明提供一种可变光学衰减器，其包括：转动型梳状驱动致动器；布置在衬底上并用来接收入射光线的发射光纤；和发射光纤在同一直线上并用来输出光线的接收光纤；和微型光闸，其第一端和可动电极的远离转动中心的一端相连，其第二端形成在截取光线的结构中，从而控制输出到接收光纤的光线。

附图说明

本发明的其它优点、目的和特征将结合附图在以下的说明书中进行阐述，其中：

图1a到1c表示现有的梳状致动器和其它致动器的图。

图2是本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器的透视图；

图3a和3b本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器的工作原理图；

图4是本发明的第二实施例的转动型梳状驱动致动器的平面图；

图5是本发明的第三实施例的转动型梳状驱动致动器的平面图；和

图6a和6b是采用本发明的一个实施例中的转动型梳状驱动致动器的可变光学衰减器的平面图。

优选实施例

下面，将参考附图详细描述本发明的实施例。附图应该予以标记，其中不同附图中的相同的标记代表相同或者类似的部件。在本说明书中，如果现有技术或者不必要的结构的详尽说明使得本发明的主题不清除，这样的详细说明将予以省略。

图2是本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器的透视图。

参见图2，本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器20包括硅衬底21、梳状可动电极22、梳状驱动电极23、垂直和水平弹簧24、24a和26，以及分别支持弹簧24、24a和26的固定块25、25a和27。

可动电极22位于硅衬底21上并可以相对于衬底平面平行移动，可动电极22和衬底21相互隔开一个预定距离。进一步，可动电极22在水平方向伸长，其上形成有梳状电极，梳状电极包括多个受静电力驱动的指状物。

驱动电极23上形成有梳状电极，该梳状电极包括多个给可动电极22施加静电力的指状物。驱动电极23通过硅氧化膜28a固定在衬底21上。驱动电极23在水平方向形成并且其长度对应于可动电极22的长度。在这种情况下，在可动电极22和驱动电极23上形成的梳状电极彼此交错叉指交错布置。

可动电极22一端的两侧分别和垂直弹簧24和24a的一端相连。垂直弹簧24和24a平行于衬底21布置并和可动电极22的纵向正交连接。进一步，垂直弹簧24和24a最好绕可动电极22上形成的转动中心29对称布置。

进一步，垂直弹簧24和24a的另一端分别和垂直弹簧固定块25和25a相连以支持垂直弹簧24和24a。垂直弹簧固定块25和25a通过硅氧化膜28b固定在衬底21上。

水平弹簧26的主体部分布置在可动电极22的纵向并平行于可动电极22。进一步，水平弹簧26的一端被垂直弯折并和可动电极22的一端相连，另一端被垂直弯折并和水平弹簧固定块27相连。水平弹簧固定块27的作用是支持水平弹簧26，固定块27通过硅氧化膜28c被固定在衬底21上。

图3a和3b表示本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器工作原理图。

图3a表示本发明的第一实施例中的转动型梳状驱动致动器在转动位移没有发生时的状况。图3b表示转动型梳状驱动致动器产生转动位移δ时的状况。

如图3a和3b所示，启动本发明的转动型梳状驱动致动器20以致当电压(Vs＝V₀)施加到驱动电极23上时，可动电极22被驱动并绕转动中心29转动。如图3a所示，垂直弹簧24和24a为杆簧并和可动电极22的纵向垂直，根据其几何结构，当可动电极22在水平方向(x轴)平移运动或者绕转动中心29转动的时候，垂直弹簧24和24a刚度低。相反，当可动电极22在垂直方向(y轴)有平移运动的时候弹簧24和24a的刚度很大，这样就干扰平移运动。

进一步，水平弹簧26为和可动电极22的纵向平行的杆簧，当可动电极22转动或者在垂直方向(y轴)平移运动的时候，水平弹簧26的刚度低。相反，当可动电极22在水平方向(x轴)有平移运动的时候，水平弹簧26的刚度很高，从而干扰平移直线运动。

如上所述，由于本发明的致动器同时具有垂直弹簧24和24a以及水平弹簧26，可动电极22只有在其绕转动中心29转动的时候才具有较低的刚度，从而限制了平面内的任何平移运动。

如图3b所示，包括可动电极22、垂直弹簧24和24a、水平弹簧26、垂直弹簧固定块25和25a以及水平弹簧固定块27的结构都接地。当电压V₀施加到驱动电极23上时，在驱动电极23和可动电极22之间的间隙中就产生静电力，这样可动电极22就绕转动中心29转动。随着可动电极22的转动，可动电极22就从原始位置产生一定的位移δ。可动电极22的位移δ可以通过改变可动电极22的水平长度(x轴)来控制，或者通过任意调整施加到驱动电极23上的电压来控制。

在可动电极22和驱动电极23上形成的梳状电极最好具有的指状物，沿着绕转动中心29的同心弧线延伸，这样在可动电极22转动的过程中，电极之间互相不干扰。

图4为本发明的第二实施例的转动型梳状驱动致动器的平面图。

参见图4，本发明的第二实施例的转动型梳状驱动致动器40进一步包括一个辅助水平弹簧41以及辅助水平弹簧固定块42，辅助水平弹簧41为布置在水平(x轴)方向的杆簧。辅助水平弹簧固定块42通过硅氧化膜43固定在衬底21上。

转动型梳状驱动致动器40的辅助水平弹簧41从可动电极22靠近转动中心29的一端，沿着可动电极22的纵方向延伸，辅助水平弹簧固定块42用来支持辅助水平弹簧41，从而通过更大的刚度限制可动电极22在水平方向(x轴)的运动。

进一步，在本发明的第二实施例的转动型梳状驱动致动40中，水平弹簧44可以形成被弯折数次的曲折线结构。这种曲折线结构的水平弹簧44可以用于包括第二实施例在内的本发明的其它实施例中所示的所有致动器。

图5为本发明的第三实施例的转动型梳状驱动致动器的平面图。

参见图5，本发明的第三实施例的转动型梳状驱动致动器50进一步包括一个位于绕转动中心29在可动电极22相对一侧上的配重51。配重51的一定重量使得在不固定在衬底21上的情况下转动中心为重心。

当转动型梳状驱动致动器50如本发明的第三实施例那样带有配重51的情况下，振动噪声的激振力作用在重心上，也即转动中心29上，即使在平移运动的任何方向外部产生振动噪声，消除这些激振在致动器50中产生的力矩。带有配重51的转动型梳状驱动致动器50可以使得外部激振力产生的转动最小。进一步，如上所述，致动器50的特征在于，由于垂直弹簧24和24a以及水平弹簧26的作用，在平移运动时的刚度很大，致动器50可以免受外部振动的影响。

本发明的实施例中的转动型梳状驱动致动器20、40和50的特征在于，即使在低电压驱动的情况下都能产生大的位移，并使用绝缘层上覆硅(SOI)晶片通过MEMS制造工艺制成。

图6a和6b是使用本发明的一个实施例中的转动型梳状驱动致动器的可变光学衰减器的平面图。图6a表示梳状致动器没有发生转动位移时的情况。

根据本发明的一个实施例的可变光学衰减器60的功用是控制光学网络中的光学信号的能量。光学衰减器60采用上述的转动型梳状驱动致动器20、40和50，并且进一步还包括一个微型光闸61，以及由光纤制成的发射光纤62和接收光纤63。微型光闸61以及发射/接收光纤62、63均布置在硅衬底21上。在这种情况下，根据本发明的第一实施例的转动型梳状驱动致动器20如图6a和6b所示，但是本发明的第二和第三实施例的转动型梳状驱动致动器40或者50也可以用于可变光纤衰减器。本发明的实施例中的转动型梳状驱动致动器20、40和50的工作原理和结构在上面都已经述及，所以其中重复的说明将予以省略。

进一步，发射和接收光纤62和63布置在同一条直线上，目的是使得来自于发射光纤62的入射光线通过接收光纤63输出。

如图6a所示，微型光闸61的一端和远离在可动电极22上的转动中心29的旋转型梳状驱动致动器的移动电极22一端相连，其另一端位于发射和接收光纤62和63之间并用于截取光线64。也即，当没有施加电压的时候，微型光闸61挡住发射和接收光纤62和63之间的光路，截取光线，这样光能的衰减最大。此时，微型光闸61的端部的结构具有截取或者反射传播光线的性能。

图6b表示当梳状驱动致动器发生转动位移时的状况。如图6b所示，当给驱动电极23施加电压的时候，致动器的可动电极22转动，微型光闸61从阻挡光线64的光路上移开，从而使得入射到接收光纤63上的光量最大，也即，使得光量的衰减最小。进一步，可变光纤衰减器可以通过任意控制施加在驱动电极23上的电压来控制光通讯信号。

如上所述，本发明提供了一种转动型梳状驱动致动器，其优点是：它使用较低的驱动电压就能获得需要的驱动距离而不需要附加的电路。也就是，在设计转动型梳状驱动致动器于不受外部振动干扰的共振区域工作，并且用等于或者小于5v的电压产生转动位移的情况，如果致动器的端点的直线位移不能达到需要的驱动距离(比如，25μm)时，则可以通过增加致动器的可动电极的长度来获得想要的位移。因此，本发明的优点在于，它只需一个低电压就能获得需要的直线位移，同时使得致动器受外部振动的影响最小。实验所得结果表明：通过实际的设计和制造工艺完成的转动型梳状驱动致动器，在5v的电压驱动并且驱动距离为25μm，其共振频率为1.4kHz。因此可以看出，致动器表现出免受外部振动影响的性能。

进一步，本发明的优点是：转动型梳状驱动致动器在能够获得需要的驱动距离的同时，可以很容易地制成小型设备。

另外，本发明的优点是：使用转动型梳状驱动致动器可以很容易实现小型的光学衰减器，并且用低的电压控制入射光线的光量到一定值、它可以控制输出光线。

为了说明的目的，尽管已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员可以想到的是：在背离权利要求所公开的本发明的精神和宗旨的情况下，可以对本发明作各种改进和替代。

Claims (9)

1.一种转动型梳状驱动致动器，其包括：

衬底；

可动电极，所述可动电极被布置在衬底平面上，并可以平行于衬底平面移动，所述可动电极形成为预定的长度以具有包括多个指状物的梳状电极；

驱动电极，所述驱动电极形成的长度和可动电极长度相对应，目的是给可动电极施加静电力，其形成为包括多个指状物的梳状电极，并和所述可动电极的梳状电极叉指交错布置，驱动电极固定在所述衬底上；

一个或者多个垂直弹簧，所述的垂直弹簧平行于衬底布置，并在所述可动电极的第一端的两侧上和所述可动电极垂直连接；

一个或者多个垂直弹簧固定块，该垂直弹簧固定块和垂直弹簧相连支持垂直弹簧，所述垂直弹簧固定块固定在衬底上；

水平弹簧，所述水平弹簧的主体和可动电极的纵向平行连接，所述水平弹簧和可动电极的一侧相连；和

水平弹簧固定块，该水平弹簧固定块和水平弹簧相连支持水平弹簧，所述的水平弹簧固定块固定在衬底上。

2.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，其中，可动电极和驱动电极上形成的梳状电极具有绕可动电极上的转动中心同心延伸的指状物，这样在可动电极转动的过程中电极互相不干扰。

3.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，其中，所述的垂直弹簧绕可动电极上的转动中心对称布置。

4.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，其中，所述的水平弹簧的第一端垂直弯折并和可动电极的一侧相连，所述水平弹簧的第二端垂直弯折并和水平弹簧固定块相连。

5.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，其中上述的衬底由硅制成。

6.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，进一步包括：

辅助水平弹簧，所述辅助水平弹簧从可动电极靠近转动中心的一端沿着可动电极的纵向延伸；和

辅助水平弹簧固定块，所述辅助水平弹簧固定块和辅助水平弹簧相连支持辅助水平弹簧，所述辅助水平弹簧固定块固定在所述衬底上。

7.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，其中，所述的水平弹簧形成为曲折线结构，其中的水平弹簧被弯折数次。

8.权利要求1所述的转动型梳状驱动致动器，进一步包括：预定重量的配重，该配重和可动电极靠近可动电极上的转动中心的一端相连，这样当致动器在平移运动方向有振动噪声发生的时候，振动噪声的激振力作用在转动中心上。

9.可变光线衰减器，包括：

权利要求1-8中的任何一个所述的转动型的梳状驱动致动器；

发射光纤，所述发射光纤布置在衬底上并用来接收入射光线；

接收光纤，所述接收光纤和发射光纤在同一条直线上布置，并用来输出光线；和

微型光闸，所述微型光闸的第一端和可动电极远离可动电极上的转动中心的一端相连，该微型光闸的第二端所形成的结构用于截取光线，从而控制输出到接收光纤的光线。

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