專利名稱：一種mems光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微光機(jī)電裝置領(lǐng)域，特別涉及一種以壓電多層薄膜驅(qū)動(dòng)的MEMS光開關(guān)。
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)在光通信中的應(yīng)用最有前景的應(yīng)用之一是光交叉互連(OXC)開關(guān)。MEMS光開關(guān)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)與傳統(tǒng)光開關(guān)技術(shù)相結(jié)合的新型光開關(guān)。近年來，自由空間光學(xué)MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在這項(xiàng)應(yīng)用上顯示了優(yōu)越的性能。自由空間設(shè)計(jì)在光學(xué)材料和它周圍環(huán)境之間有固有的高折射率失配的優(yōu)點(diǎn)，使MEMS光開關(guān)不僅保留了其傳統(tǒng)光開關(guān)自由空間光學(xué)低損耗和低串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)，另外具有小尺寸、小質(zhì)量和毫秒或亞毫秒的開關(guān)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。而且，MEMS制造技術(shù)允許微光學(xué)、微執(zhí)行器、復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)和必要的微電子器件在同一襯底上實(shí)現(xiàn)集成微系統(tǒng)，這允許大規(guī)模矩陣開關(guān)的單片集成。此外，MEMS光開關(guān)固有的快速，低功耗和匹量制造工藝也大大的降低系統(tǒng)的成本。
在大量MEMS光學(xué)器件和系統(tǒng)中需要集成微型執(zhí)行器。采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光開關(guān)器件和陣列，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須是尺寸小、驅(qū)動(dòng)性能好、工作準(zhǔn)確、低功耗、可預(yù)測、可靠性高、易于制造。
目前，在利用自由空間光反射原理實(shí)現(xiàn)的MEMS光開關(guān)中，一般采用平面微鏡形式，這種方式為光開關(guān)的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)帶來了很大因難。MEMS光開關(guān)反射器件采用靜電、電磁、熱、壓電等原理實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。利用這些原理的已有的微執(zhí)行結(jié)構(gòu)大多具有較大驅(qū)動(dòng)器尺寸、占用較多的芯片面積，而實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)位移和偏轉(zhuǎn)量卻有限，制作工藝復(fù)雜，可靠性不高，功耗大，壽命短?，F(xiàn)有的MEMS壓電薄膜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器大多采用單懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于壓電薄膜的伸長量有限，因此單懸臂梁結(jié)構(gòu)上的最大偏轉(zhuǎn)位移非常有限，這種特點(diǎn)限制了壓電驅(qū)動(dòng)方式在MEMS光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，造成目前極少有采用壓電薄膜驅(qū)動(dòng)的成熟商品化MEMS光學(xué)器件出現(xiàn)。這種單懸臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)若要實(shí)現(xiàn)大的位移或偏轉(zhuǎn)，要求加長梁長和增大驅(qū)動(dòng)電壓，這樣就一方面增加了懸臂梁靜態(tài)偏轉(zhuǎn)量，致使未加電壓時(shí)，懸臂即有較大偏轉(zhuǎn)位移，嚴(yán)重限制它的應(yīng)用泛圍。另一方面這種長的單懸臂梁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械強(qiáng)度顯著降低，工作中容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，且極易受沖擊折斷。另外，這種長的單懸臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)增加了懸臂本身的慣性影響，使驅(qū)動(dòng)器的工作頻率降低，不適應(yīng)許多工作頻率較高的應(yīng)用場合。同時(shí)，大的驅(qū)動(dòng)電壓極易造成壓電薄膜擊穿，給壓電薄膜帶來許多附加效應(yīng)，并增加了相應(yīng)電子電路的復(fù)雜性。在制造方面，長的梁長和本身的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)特點(diǎn)嚴(yán)重降低微機(jī)械加工的成品率，顯著增加制造的復(fù)雜性；大的驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)壓電薄膜的質(zhì)量提出較高的要求，增加壓電薄膜淀積的工藝難度。大的驅(qū)動(dòng)器線度，也使其很難適應(yīng)在一些高密度，微結(jié)構(gòu)器件或器件陣列中的應(yīng)用，尤其在光開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，大的單元開關(guān)器件嚴(yán)重降低光開關(guān)的耦合效率，增加光開關(guān)的插入損耗和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)難度。這些都嚴(yán)重限制了單懸臂壓電驅(qū)動(dòng)器在微光機(jī)電器件和系統(tǒng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種MEMS光開關(guān)，所述MEMS光開關(guān)采用多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的壓電復(fù)合彈性懸浮薄膜驅(qū)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)垂直連接的反射微鏡，其特征在于所述MEMS光開關(guān)是在彈性襯底1上沉積出壓電復(fù)合膜層形成多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)臂2，和反射微鏡3垂直連接構(gòu)成單個(gè)MEMS光開關(guān)。
所述驅(qū)動(dòng)臂是由彈性襯底1及在襯底1上的緩沖材料層4上面復(fù)合疊加下薄膜電極層5、上薄膜電極層7、下電極引線9、上電極引線10、在兩薄膜電極層之間的壓電薄膜層6及絕緣介質(zhì)層8組成。
所述垂直反射微鏡是在襯底1下的垂直微平面結(jié)構(gòu)上面涂一層金屬膜反射層；擺置在壓電多級(jí)折疊驅(qū)動(dòng)臂的對(duì)稱軸端部上；所述壓電多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)臂在垂直反射微鏡3上邊的驅(qū)動(dòng)臂可為3～20個(gè)；可以具有多種折疊形式，驅(qū)動(dòng)臂兩側(cè)的固定端可以是對(duì)稱的也可以非對(duì)稱。
所述MEMS光開關(guān)可由1～100個(gè)在同一光路上間隔擺放，并進(jìn)一步組成陣列結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)。
本實(shí)用新型的有益效果是采用一種多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的壓電復(fù)合彈性懸浮驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)合垂直反射微鏡，實(shí)現(xiàn)垂直反射微鏡面大的垂直位移，使微鏡面垂直移入移出光路，產(chǎn)生光開關(guān)功能。這種方案縮短了驅(qū)動(dòng)器的長度，減少了單元光開關(guān)器件之間的關(guān)鍵距離，極大的提高了光學(xué)耦合效率，降低了插入損耗。同時(shí)，降低了光開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓，提高了光開關(guān)的工作頻率，具有很好的器件驅(qū)動(dòng)性能；同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的器件可靠性，較低的工藝復(fù)雜度，較高的制造成品率，易加工，適合批量生產(chǎn)。


圖1為一種三驅(qū)動(dòng)臂軸對(duì)稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)光開關(guān)。
圖2為一種四驅(qū)動(dòng)臂軸對(duì)稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)光開關(guān)。
圖3為一種五驅(qū)動(dòng)臂中心對(duì)稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)光開關(guān)。
圖4為為壓電驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為一種1×4光開關(guān)陣列光路圖。
圖6為一種4×4光開關(guān)陣列光路圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是一種MEMS光開關(guān)。該MEMS光開關(guān)是在彈性襯底1上沉積壓電復(fù)合膜層形成多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)臂2，和平面反射微鏡3垂直連接構(gòu)成單個(gè)MEMS光開關(guān)。其驅(qū)動(dòng)臂是由彈性襯底1及在襯底1上的緩沖材料層4上面復(fù)合疊加下薄膜電極層5、上薄膜電極層7、下電極引線9、上電極引線10、在兩薄膜電極層之間的壓電薄膜層6及絕緣介質(zhì)層8組成(如圖3所示)。這樣，在每段壓電彈性材料復(fù)合臂上，形成了利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)臂。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)與襯底相連，為固定端。平面反射微鏡擺置在壓電多級(jí)折疊驅(qū)動(dòng)臂的對(duì)稱軸端部上，與壓電折疊驅(qū)動(dòng)臂2所在平面垂直，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)臂的固定端可以是對(duì)稱的也可以非對(duì)稱；該平面反射微鏡是在襯底1下的垂直的平面微結(jié)構(gòu)上面涂一層金屬膜反射層。
上述垂直平面反射微鏡3的壓電多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)臂，可以采用3驅(qū)動(dòng)臂方式(如圖1所示)、采用4驅(qū)動(dòng)臂(如圖2所示)、5驅(qū)動(dòng)臂形式(如圖3所示)直至20驅(qū)動(dòng)臂形式。
所述MEMS光開關(guān)可由1～100個(gè)在同一光路上間隔擺放，并進(jìn)一步組成陣列結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)(如圖5、圖6所示)。工作時(shí)，對(duì)鄰近平行的不同驅(qū)動(dòng)臂上的壓電薄膜層6的上、下電極7和5施加相反極性驅(qū)動(dòng)電壓，這樣鄰近驅(qū)動(dòng)臂上的壓電薄膜由于壓電效應(yīng)而伸長或縮短，但彈性薄膜材料卻只能伴隨著壓電薄膜的伸長或縮短而發(fā)生彎曲，從而造成每個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的彎曲，由于相鄰驅(qū)動(dòng)臂所加電壓相反，因此相鄰驅(qū)動(dòng)臂向相反方向偏轉(zhuǎn)。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的端部產(chǎn)生最大位移，可實(shí)現(xiàn)垂直平面反射微鏡3的上下垂直位移。并且由于驅(qū)動(dòng)位移和偏轉(zhuǎn)角度向遠(yuǎn)離固定端的方向逐級(jí)疊加，從而在較低的應(yīng)用電壓下可獲得較大的反射微鏡垂直位移。具有較大的驅(qū)動(dòng)力和工作頻率。其結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的器件可靠性，較低的工藝復(fù)雜度，較高的制造成品率，易加工，適合批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求1.一種MEMS光開關(guān)，所述MEMS光開關(guān)采用多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的壓電復(fù)合彈性懸浮薄膜驅(qū)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)垂直連接反射微鏡構(gòu)成，其特征在于所述MEMS光開關(guān)是在彈性襯底1上沉積壓電復(fù)合膜層形成多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)臂2，和垂直反射微鏡3垂直連接構(gòu)成單個(gè)MEMS光開關(guān)；其驅(qū)動(dòng)臂2是由彈性襯底1及在襯底1上的緩沖材料層4上面復(fù)合疊加下薄膜電極層5、上薄膜電極層7、下電極引線9、上電極引線10、在兩薄膜電極層之間的壓電薄膜層6及絕緣介質(zhì)層8組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS光開關(guān)，其特征在于所述垂直反射微鏡是在襯底1下面的垂直微結(jié)構(gòu)上面涂一層金屬膜反射層；擺置在壓電多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)臂的對(duì)稱軸端部上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS光開關(guān)，其特征在于所述多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的壓電驅(qū)動(dòng)臂在反射微鏡3上邊的驅(qū)動(dòng)臂可為3～20個(gè)；可以具有多種折疊形式，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)臂的固定端可以是對(duì)稱的也可以非對(duì)稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS光開關(guān)，其特征在于所述MEMS光開關(guān)可由1～100個(gè)單個(gè)MEMS光開關(guān)在同一光路上間隔擺放，并進(jìn)一步組成陣列結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了屬于微光機(jī)電裝置領(lǐng)域的一種以壓電多層薄膜驅(qū)動(dòng)的MEMS光開關(guān)，是在彈性襯底上沉積壓電復(fù)合膜層形成多級(jí)折疊級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)臂，并和反射微鏡垂直連接構(gòu)成單個(gè)MEMS光開關(guān)。其驅(qū)動(dòng)臂是由彈性襯底及襯底上的緩沖材料層上面復(fù)合疊加上下薄膜電極層及上下電極引線、在兩薄膜電極層之間的壓電薄膜層及上薄膜電極層上面的絕緣介質(zhì)層組成。由于相鄰驅(qū)動(dòng)臂所加電壓相反，在每個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的端部產(chǎn)生最大垂直位移，實(shí)現(xiàn)垂直反射微鏡的不同上下垂直位移。并且由于驅(qū)動(dòng)位移和偏轉(zhuǎn)角度向遠(yuǎn)離固定端的方向逐級(jí)疊加，從而在較低的應(yīng)用電壓下可獲得較大的反射微鏡垂直位移。具有較大的驅(qū)動(dòng)力和工作頻率。其結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的器件可靠性，較高的制造成品率，易加工，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B81B5/00GK2649568SQ0320948
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月12日
發(fā)明者方華軍, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)