MEMS光学开关的设计与分析

何文苗 张 华 郝永平

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

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，t>0 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：

Vpi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，ε0为两极板介电常数，g0为初始距离。

2 MEMS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。

图1 开关的工艺步骤

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2 MEMS光学开关机械部分系统级模型

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

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RF MEMS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。

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