CN2649568Y - 一种mems光开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了属于微光机电装置领域的一种以压电多层薄膜驱动的MEMS光开关，是在弹性衬底上沉积压电复合膜层形成多级折叠级联的驱动臂，并和反射微镜垂直连接构成单个MEMS光开关。其驱动臂是由弹性衬底及衬底上的缓冲材料层上面复合叠加上下薄膜电极层及上下电极引线、在两薄膜电极层之间的压电薄膜层及上薄膜电极层上面的绝缘介质层组成。由于相邻驱动臂所加电压相反，在每个驱动臂的端部产生最大垂直位移，实现垂直反射微镜的不同上下垂直位移。并且由于驱动位移和偏转角度向远离固定端的方向逐级叠加，从而在较低的应用电压下可获得较大的反射微镜垂直位移。具有较大的驱动力和工作频率。其结构简单，具有很高的器件可靠性，较高的制造成品率，易加工，适合批量生产。
Description
技术领域
本实用新型属于微光机电装置领域，特别涉及一种以压电多层薄膜驱动的MEMS光开关。
背景技术
MEMS技术在光通信中的应用最有前景的应用之一是光交叉互连(OXC)开关。MEMS光开关是微机电系统(MEMS)技术与传统光开关技术相结合的新型光开关。近年来，自由空间光学MEMS技术的发展已经在这项应用上显示了优越的性能。自由空间设计在光学材料和它周围环境之间有固有的高折射率失配的优点，使MEMS光开关不仅保留了其传统光开关自由空间光学低损耗和低串扰的优点，另外具有小尺寸、小质量和毫秒或亚毫秒的开关时间等优点。而且，MEMS制造技术允许微光学、微执行器、复杂机械结构和必要的微电子器件在同一衬底上实现集成微系统，这允许大规模矩阵开关的单片集成。此外，MEMS光开关固有的快速，低功耗和匹量制造工艺也大大的降低系统的成本。
在大量MEMS光学器件和系统中需要集成微型执行器。采用MEMS技术实现的光开关器件和阵列，执行机构必须是尺寸小、驱动性能好、工作准确、低功耗、可预测、可靠性高、易于制造。
目前，在利用自由空间光反射原理实现的MEMS光开关中，一般采用平面微镜形式，这种方式为光开关的光学对准带来了很大因难。MEMS光开关反射器件采用静电、电磁、热、压电等原理实现驱动。利用这些原理的已有的微执行结构大多具有较大驱动器尺寸、占用较多的芯片面积，而实现的驱动位移和偏转量却有限，制作工艺复杂，可靠性不高，功耗大，寿命短。现有的MEMS压电薄膜驱动的驱动器大多采用单悬臂梁结构，由于压电薄膜的伸长量有限，因此单悬臂梁结构上的最大偏转位移非常有限，这种特点限制了压电驱动方式在MEMS光学领域的广泛应用，造成目前极少有采用压电薄膜驱动的成熟商品化MEMS光学器件出现。这种单悬臂驱动结构若要实现大的位移或偏转，要求加长梁长和增大驱动电压，这样就一方面增加了悬臂梁静态偏转量，致使未加电压时，悬臂即有较大偏转位移，严重限制它的应用泛围。另一方面这种长的单悬臂梁驱动结构使驱动器的机械强度显著降低，工作中容易产生抖动现象，且极易受冲击折断。另外，这种长的单悬臂驱动结构增加了悬臂本身的惯性影响，使驱动器的工作频率降低，不适应许多工作频率较高的应用场合。同时，大的驱动电压极易造成压电薄膜击穿，给压电薄膜带来许多附加效应，并增加了相应电子电路的复杂性。在制造方面，长的梁长和本身的静态偏转特点严重降低微机械加工的成品率，显著增加制造的复杂性；大的驱动电压对压电薄膜的质量提出较高的要求，增加压电薄膜淀积的工艺难度。大的驱动器线度，也使其很难适应在一些高密度，微结构器件或器件阵列中的应用，尤其在光开关应用领域，大的单元开关器件严重降低光开关的耦合效率，增加光开关的插入损耗和光学对准难度。这些都严重限制了单悬臂压电驱动器在微光机电器件和系统中的应用。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种MEMS光开关，所述MEMS光开关采用多级折叠级联的压电复合弹性悬浮薄膜驱动臂驱动垂直连接的反射微镜，其特征在于：所述MEMS光开关是在弹性衬底1上沉积出压电复合膜层形成多级折叠级联的驱动臂2，和反射微镜3垂直连接构成单个MEMS光开关。
所述驱动臂是由弹性衬底1及在衬底1上的缓冲材料层4上面复合叠加下薄膜电极层5、上薄膜电极层7、下电极引线9、上电极引线10、在两薄膜电极层之间的压电薄膜层6及绝缘介质层8组成。
所述垂直反射微镜是在衬底1下的垂直微平面结构上面涂一层金属膜反射层；摆置在压电多级折叠驱动臂的对称轴端部上；
所述压电多级折叠级联驱动臂在垂直反射微镜3上边的驱动臂可为3～20个；可以具有多种折叠形式，驱动臂两侧的固定端可以是对称的也可以非对称。
所述MEMS光开关可由1～100个在同一光路上间隔摆放，并进一步组成阵列结构的MEMS光开关。
本实用新型的有益效果是采用一种多级折叠级联的压电复合弹性悬浮驱动结构结合垂直反射微镜，实现垂直反射微镜面大的垂直位移，使微镜面垂直移入移出光路，产生光开关功能。这种方案缩短了驱动器的长度，减少了单元光开关器件之间的关键距离，极大的提高了光学耦合效率，降低了插入损耗。同时，降低了光开关驱动电压，提高了光开关的工作频率，具有很好的器件驱动性能；同时其结构简单，具有很高的器件可靠性，较低的工艺复杂度，较高的制造成品率，易加工，适合批量生产。
附图说明
图1为一种三驱动臂轴对称驱动结构光开关。
图2为一种四驱动臂轴对称驱动结构光开关。
图3为一种五驱动臂中心对称驱动结构光开关。
图4为为压电驱动臂结构示意图。
图5为一种1×4光开关阵列光路图。
图6为一种4×4光开关阵列光路图。
具体实施方式
本实用新型是一种MEMS光开关。该MEMS光开关是在弹性衬底1上沉积压电复合膜层形成多级折叠级联的驱动臂2，和平面反射微镜3垂直连接构成单个MEMS光开关。其驱动臂是由弹性衬底1及在衬底1上的缓冲材料层4上面复合叠加下薄膜电极层5、上薄膜电极层7、下电极引线9、上电极引线10、在两薄膜电极层之间的压电薄膜层6及绝缘介质层8组成(如图3所示)。这样，在每段压电弹性材料复合臂上，形成了利用压电效应的驱动臂。驱动结构的两侧与衬底相连，为固定端。平面反射微镜摆置在压电多级折叠驱动臂的对称轴端部上，与压电折叠驱动臂2所在平面垂直，两侧驱动臂的固定端可以是对称的也可以非对称；该平面反射微镜是在衬底1下的垂直的平面微结构上面涂一层金属膜反射层。
上述垂直平面反射微镜3的压电多级折叠级联驱动臂，可以采用3驱动臂方式(如图1所示)、采用4驱动臂(如图2所示)、5驱动臂形式(如图3所示)直至20驱动臂形式。
所述MEMS光开关可由1～100个在同一光路上间隔摆放，并进一步组成阵列结构的MEMS光开关(如图5、图6所示)。工作时，对邻近平行的不同驱动臂上的压电薄膜层6的上、下电极7和5施加相反极性驱动电压，这样邻近驱动臂上的压电薄膜由于压电效应而伸长或缩短，但弹性薄膜材料却只能伴随着压电薄膜的伸长或缩短而发生弯曲，从而造成每个驱动臂的弯曲，由于相邻驱动臂所加电压相反，因此相邻驱动臂向相反方向偏转。在每个驱动臂的端部产生最大位移，可实现垂直平面反射微镜3的上下垂直位移。并且由于驱动位移和偏转角度向远离固定端的方向逐级叠加，从而在较低的应用电压下可获得较大的反射微镜垂直位移。具有较大的驱动力和工作频率。其结构简单，具有很高的器件可靠性，较低的工艺复杂度，较高的制造成品率，易加工，适合批量生产。
Claims (4)
1.一种MEMS光开关，所述MEMS光开关采用多级折叠级联的压电复合弹性悬浮薄膜驱动臂驱动垂直连接反射微镜构成，其特征在于：所述MEMS光开关是在弹性衬底1上沉积压电复合膜层形成多级折叠级联的驱动臂2，和垂直反射微镜3垂直连接构成单个MEMS光开关；其驱动臂2是由弹性衬底1及在衬底1上的缓冲材料层4上面复合叠加下薄膜电极层5、上薄膜电极层7、下电极引线9、上电极引线10、在两薄膜电极层之间的压电薄膜层6及绝缘介质层8组成。
2.根据权利要求1所述MEMS光开关，其特征在于：所述垂直反射微镜是在衬底1下面的垂直微结构上面涂一层金属膜反射层；摆置在压电多级折叠级联驱动臂的对称轴端部上。
3.根据权利要求1所述MEMS光开关，其特征在于：所述多级折叠级联的压电驱动臂在反射微镜3上边的驱动臂可为3～20个；可以具有多种折叠形式，两侧驱动臂的固定端可以是对称的也可以非对称。
4.根据权利要求1所述MEMS光开关，其特征在于：所述MEMS光开关可由1～100个单个MEMS光开关在同一光路上间隔摆放，并进一步组成阵列结构的MEMS光开关。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1296271C (zh) * | 2005-01-26 | 2007-01-24 | 友达光电股份有限公司 | 微机电光学显示元件的制造方法 |
| CN102129125A (zh) * | 2011-01-10 | 2011-07-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 基于mems技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器及应用 |
| CN103676011A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-03-26 | 华为技术有限公司 | 光开关及光交叉连接器 |
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2003
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