MEMS光学开关的设计与分析

龙源期刊网光学开关的设计与分析作者：何文苗张华郝永平来源：《科技视界》2013年第24期【摘要】由于传统机械结构设计的方法的种种缺点，本文提出了一种以系统级分析方法的方法实现MEMS光学开关的快速设计与优化。通过采用Coventorware软件ARCHITECT模块建立MEMS光学开关模型，分析了多物理耦合场下MEMS光学开关的动态响应特性，得到位移和电压大小的对应关系曲线，以及固有频率分析曲线。结合微机械工艺要求，通过系统级仿真，大大缩短了设计周期，同时提高机械结构的合理性。【关键词】系统级仿真；微机电系统；频率分析；直流分析0引言MEMS光学开光以微机械制造工艺与电子技术为依托，作为一种通断光路的微小器件。由于其微型化、质量轻、损耗低、成本小、集成度高、可靠性好等一系列显著特点，被广泛使用于通讯网络，电子仪器，医疗器械以及军事领域目前广泛使用的MEMS光学微镜，方向可控性多为二维，虽技术成熟，但其可控方向为平面，大大局限了MEMS光学的使用范围。而目前的3维MEMS光学开关，以金属微工艺为依托，成本较高而无法普及，本文针对传统MEMS光学开关的诸多不足，提出一种以硅加工工艺为依托，同时能实现空间扭转的新型三维MEMS光学开关，通过对此种光学开关物理基础的必要描述，依据动态分析与固有频率分析，对光学开关进行结构优化。1基本原理在微环境下，由于尺度效应，表面力对硅材料微机械的影响远大于体积力。作者所讨论MEMS光学开关采用了如图1所示二轴单镜片结构，微镜由垂直梁支撑，垂直梁又由外围支撑环支撑，而外围支撑环由两水平梁固定，微镜覆盖在中间极板上，极板作为同时作为活动电极，与固定在基底电极构成一对电极板，当在两极板间施加直流偏压时，会在微镜与基底之间及其周围形成静电场。微镜在静电力矩的作用下绕扭转梁向基底电极方向发生转动。通过控制静电力矩的大小来控制微镜的扭转角度，进而达到转换光路的作用，在MEMS设计过程中，以静电驱动方式驱动，能简化结构，降低能耗，缩减成本。简化后的MEMS光学开关的力学模型如图1所示，设时间t=0时，开关的上极板不动，上下极板处于平衡状态，，电压V0=0间距H1=h，t0时，当电压V（t），Fe作用时，光学开关的支撑梁受力变形，上极板的位移Δh=h（t），达到新的平衡。支撑梁产生的弹性恢复力Fk=-kx和下极板所施加的静电Fe如下：得到力平衡状态方程和吸合电压：龙源期刊网为吸合电压，x为下极板移动距离，k为支撑梁固有弹性系数，A为下极板有效面积，V为偏置端电压，为两极板介电常数，g0为初始距离。2MEMS光学开关的系统级模型对于本文提出的新型MEMS光学开关来说，硅工艺流程十分重要，材料与工艺步骤的选择，直接影响到光学开关的机械性能，所以选择合适且低廉的硅工艺将对整个开关的设计有直接重要的影响，利用CoventorWare软件对MEMS光学开关进行工艺研究（图1）和系统级建模（图2），获得光学开关的3D效果图（图3）所示。系统级建模，将MEMS光学开关的机械结构的弹簧阻尼系统等效成是电阻电感电容等一系列电学量，与外围的实际电路连连成一体来进行系统仿真。图3为光学开关的三D图，机械板面及其支撑梁均为硅结构，板面上端附有镜面材料，起反光作用。图3MEMS光学开关的3D图3系统模型分析与优化3.1灵敏度分析针对传统的机械机构设计优化过程中的较高的随意性与经验性的种种弊端，系统级灵敏度分析较为有效的解决了这些问题，图4即为各个机械尺寸的光学开关机械性能的影响选择各个机械尺寸参数，先给定一组参数，镜面为380*380的正方形结构，垂直梁为100um，水平梁为200um，外环为40um，镜环间距为20um，梁宽为13um。图4灵敏度分析一览表由上表可知：梁宽改变0.2um可以引起固有频率1.57%的变化，而横梁长改变2u，可以引起固有频率1.39%的变化，其他的尺寸对固有频率的影响皆不剧烈，按经验估计，通过改变梁宽来优化尺寸。3.2直流转移分析梁宽的变化，会直接影响光学开关的电压—位移效果当给光学开关的四块电极板施加不同的电压，电极板的位移（图5）会呈现如下态势图5电压与位移的关系曲线龙源期刊网不同梁宽下的静电力—位移效果图如下，由于静电力电压的位移效果在MEMS光学开关结构设计中十分重要。通过系统级模块进行直流电压转移分析，曲线如图6所示。电极间隙为10μm。从图中结果可知，当梁宽从10um到20um变化时，电压-位移的变化大致都在最大位移允许范围内。3.3固有频率分析由3.2的结论可知，直流电压转移分析只是给出了电压位移的效果，并未更近一步的选择出最优的梁宽尺寸。通过固有频率分析，即通过系统级分析模块，在不同梁宽条件下进行固有频率分析，能有效选择出合适的梁宽。如图6。图6并联RFMEMS开关有限元模型计算结果显示，MEMS光学开关的X，Y轴固有频率与Z轴固有频率有较大的差距的机械结构，抗震效果好，且互相耦合的影响最小，所以由图，选择当梁宽为20um时效果最好，此时，X轴固有频率为2.49kHz，Y轴为3.88kHz，Z轴为13.02kHz。4结论本文利用系统级设计方法进行3D硅光学开关的设计分析。利用CoventorWare软件对光学开关的系统级仿真，分析了分析静电-惯性多物理耦合场对光学开关机械性能的影响，取得位移和电压的对应关系。利用系统级固有频率分析，进一步选取出最优梁宽尺寸。本文所示的系统级分析快速.精确的优点，将会在未来的微机械设计中获得越来越广泛的应用。【参考文献】[1]孟光，张文明.微机电系统动力学[M].北京：科学出版社，2008：189-190.[2]陆逸敏.电容式RFMEMS并联开关的电磁干扰研究[D].东南大学，2006（03）：1.[3]贾孟军，李昕欣，宋朝晖，王跃林.开关点电可调节的MEMS冲击加速度锁定开关[J].半导体学报，2007，8（28）.[4]BaoMH，HuangYP，YangH，etal.Reliableoperationconditionsofcapacitiveinert-ialsensorforstepandshocksignals[J].Sen-sorsandActuators，2004，A114：41.[5]GabrielM.Rebeiz.RFMEMSTheory，Design，andTechenology[M].JohnWiley&Sons，Ine，2003.[6]贾孟军.硅微机械加速度开关技术研究[D].中国科学院研究生院，2007.龙源期刊网[7]季国顺，张永康.微机械系统建模与仿真技术研究[期刊论文].光学精密工程，2002（06）.[责任编辑：王静]