MEMS开关

MEMS开关（通用4篇）

MEMS开关 篇1

随着通信技术的不断发展,电磁波从低频、高频逐渐发展到了射频、微波范围。然而通信频率的提高,传统的通信开关如PIN二极管型、FET晶体管型开关的性能会出现很大下降,诸如插入损耗增高、隔离度降低等不良现象。因此,射频MEMS技术的发展引起了人们的重视,利用该技术制造出的射频MEMS开关相比于传统的开关具有低插入损耗、高隔离度、低功率及低成本等优点。射频MEMS开关的种类有多种,以驱动方式划分有静电力式开关、压电式开关、电磁式开关及热应变式开关等。相比于其他类型的开关,依靠静电力驱动的开关具有结构小、工艺简单且能与IC工艺兼容等特点[1]。静电力式开关还分为电容式和悬臂梁式两种,本文介绍的就是电容式射频M E M S开关。

1 电容式射频MEMS开关结构及工作原理

以静电力驱动的电容式开关结构由微波传输线、电介质及桥膜(上电极)三部分构成,如图1所示。该开关是位于共面波导传输线上,共面波导是由一根中心金属带条和两侧平行的半无穷接地面组成,中心金属带条与两侧平行的半无穷接地面有一定的间距,而开关的桥膜以一定的空气间隙横跨过中心金属带条,并在两侧与接地面相连。

图2给出两种不同的结构的电容式开关剖面图[2],其中图2(a)为早期出现的结构。

在电介质上有一层金属作为下电极结构,当开关工作时,只需要把电压差加载到上下电极中,所产生的静电力就会使桥膜向下移动,并最终与下电极接触,形成开关断开的状态(down-state)。该结构有个明显的缺点就是上下两电极在相接触的瞬间可能会有电火花产生,并有伴有电流产生引起发热,同时还增加了开关的功耗。因此,为了消除这些不良现象,人们改进了施加开关工作电压的方式,即取消了电介质上的下电极,直接将工作电压通过偏置电路(Bias—T电路)加载到电介质下的微波信号线上,如开关的图2(b)中所示,同样也可以实现开关的导通和断开功能。

电容式射频MEMS开关的工作原理为:在图3(a)所示的开关导通状态下,由于桥膜(上电极)与微波传输线(下电极)之间存在着空气间隙,此时开关具有较高的阻抗,微波信号能够通过传输线向后继电路传输信号;而当向开关的上下电极施加偏置电压后,静电力的作用使桥膜发生向下的形变,偏置电压达到阈值后,桥膜会紧密接触到电介质上,此时由于上下电极之间只有一层较薄的电介质层,图3(b)所示,此时电极间的阻抗相比于开关导通状态低,因此微波信号能够与接地的上电极相耦合,致使信号传输被开关断开。

2 开关的工艺流程

本文开关的工艺采用的是MEMS表面加工工艺,针对于共面波导对于降低衬底损耗的要求,选用的是高阻抗的硅片(N<100>,1000Ω·cm)。整个工艺流程如图4所示。

(1)利用热氧工艺,在衬底上形成厚度为1µm厚的氧化层,降低微波信号的损耗。

(2)溅射一层钛钨金种子层,涂胶光刻后,电镀形成如图所示的Au共面波导结构,传输线厚度为2µm。

(3)利用PECVD方法制备一层厚度为1000Aο的Si3N4电介质层,只留下刚好覆盖住中央金属的部分,其余的用干法刻蚀。

(4)利用PECVD方法沉积一层厚度为2µm的非晶硅,并刻蚀两个接地面之间以外的区域。

(5)再次利用电镀工艺制备厚度为2µm的Au桥膜,桥膜两端与共面波导两侧接地面相接触。

(6)采用二氟化氙(Xe F2)气体刻蚀非晶硅牺牲层,释放结构。

在最后一步释放结构中,利用二氟化氙气体的干法刻蚀能够避免湿法释放过程因液体粘附力中造成的结构破坏,而且不需要进行真空干燥步骤。

3 开关的开启电压及电容比

开启电压是电容式射频MEMS开关机械性能的重要指标之一,定义为:当桥膜向下发生的形变(见图4)。

恰好能够接触到电介质层上时所施加的直流偏置电压大小。开关的上下电极可以使简单的视为具有电压差的两平行板,因此桥膜受到的静电力大小为:

桥膜由于受向下静电力而发生形变时,会受到一个相向的弹性回复力。

其中,A为上下电极相对面积,E为空气间隙的电场,V为偏置电压,ε0为真空介电常数,g桥膜与下电极的距离,k为桥膜的弹簧常数(与桥膜的厚度、长度、宽度、杨氏模量、残余应力及泊松比相关),g0为初始状态下上下电极之间的距离。

由于随着桥膜开始向下发生形变,fdown值的增加会比fup快得多,因此当上下电极的间隙小于于初始间隙的2/3时,桥膜就会处于不稳定状态,此时的偏置电压就等于开启电压[3]。

电容式射频M E M S开关的电容比CdownCup是该器件电子性能上重要的指标之一。当开关处于导通状态是,上下平行电极之间的电容为:

其中,td为电介质层的厚度,εr为电介质的相对介电常数。最后可得开关的近似电容比为[4]:

4 电容式射频MEMS开关的应用

4.1 移相器

射频移相器是雷达探测、卫星通信、移动通信设备中的核心部分基于MEMS开关的RF MEMS移相器的研究表明,无论是开关线型、反射型或是分布式的,在高频下其性能都优于GaAs移相器[5]。

4.2 可调谐滤波器

射频MEMS技术应用的另一个重要领域是基于MEMS开关的可调谐滤波器。在无线通信系统中的高频段,采用M E M S技术的带通滤波器,具有高Q值、低功耗、可调频率和带宽,便于在芯片级别上的集成[6]。

4.3 可重构天线系统

可重构天线就是多功能天线的一种,它可以在不改变整个天线尺寸的情况下,通过改变天线辐射单元的结构和位置,来实时地改变天线的工作频率、极化方向和辐射方向等。

摘要：本文介绍了电容式射频MEMS开关的结构、工作原理和制造工艺流程,分析了开关的开启电压和电容比,最后描述了开关在移相器、可调谐滤波器及可重构天线方向上的应用。

关键词：射频MEMS,开关,开启电压,电容比

参考文献

[1]Vijay K.Varadan,K.J.Vinoy,K.A.Jose,“RF MEMS and Their Applications”,England,2003pp:117～118.

[2]Jae Y.Park,Geun H.Kim,et al.“Electroplated RF MEMS CapacitiveSwitches[C]”MEMS 2000.The Thir-teenth Annual International Confer-ence on Jan.2000pp:639～644.

[3]Harvey S.Newman,“RF MEMS Switchesand Applications[J]”,Reliability PhysicsSymposium Proceedings,2002.40th An-nual April 2002pp:111～115.

[4]Jeremy B.Muldavin,et al“.High-IsolationCPW MEMS Shunt Switches—Part 1:Modeling[J]”Microwave Theory andTechniques,June 2000 pp:1045～1052.

[5]张永华,丁桂甫,基于MEMS技术的射频移相器[J].微细加工技术,Mar2004,3:73～79.

[6]李应良,潘武.射频系统中MEMS谐振器和滤波器[J].光学精密工程,200,:147～54.

MEMS光学开关的设计与分析 篇2

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, 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:

得到力平衡状态方程和吸合电压:

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Coventor Ware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。

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。

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

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。

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2.49k Hz, Y轴为3.88k Hz, Z轴为13.02k Hz。

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Coventor Ware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]Bao M H, Huang Y P, Yang H, et al.Reliable operation conditions of capacitive inert-ial sensor for step and shock signals[J].Sen-sors and Actuators, 2004, A114:41.

[5]Gabriel M.Rebeiz.RF MEMS Theory, Design, and Techenology[M].John Wiley&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.

MEMS开关 篇3

光开关(OSW)和可变光衰减器(VOA)在光网络中扮演着重要角色。VOA通过对传输光功率的衰减来实现对光信号的适时控制,主要用于密集波分复用(DWDM)系统中信道的光功率平衡,实现增益平坦、动态增益平衡及传输功率平衡。而OSW作为光分插复用设备、光交叉连接设备和光路由器中的关键器件,可实现光信号在同一通道中的通断、波长转换和光信号在不同通道间转换的作用,对解决目前复杂网络中的波长争用、提高波长重用率、进行网络灵活配置具有重要意义。

微电子机械系统(MEMS)技术具有兼容性强、集成容易、设计灵活和可大规模生产的优势,利用MEMS技术制作的 VOA和OSW在插入损耗、偏振敏感性和响应时间等特性上具有很大的优势。而集成了VOA的1×2 MEMS OSW,既可以实现开关的切换功能,又可以完成VOA的衰减功能,并且只需要一个MEMS芯片,这样大大节省了成本。

1 集成VOA的1×2 MEMS光开关原理

1.1 反射镜的旋转角度

集成了VOA的光开关的原理是利用反射镜的转动改变光束的传播方向。如图1所示,光束从出射光纤中出射,经过透镜准直后到达反射镜。当反射镜没有转动时,光束经反射镜反射后经透镜汇聚至光纤1,形成通路1。当反射镜转动一个角度ε时,光束回到光纤2,形成通路2。当反射镜旋转的角度不够时,部分光斑与光纤1耦合,此时为光路1的衰减态。

设三芯插针相邻纤芯之间的间距为d,透镜的焦距为f,要实现开关功能,则反射镜旋转的角度为

$\epsilon =\frac{1}{2}\arctan \frac{d}{f}。(1)$

1.2 耦合效率及其插损

如图2建立xyz坐标系,第1根纤芯出射的光束沿z方向经过一光学系统A(包括一个空气平板、一个C透镜和一段空气介质),再经过反射镜反射,然后沿-z方向经过光学系统A回到插针端面。

1.2.1 光束沿z方向经过光学系统A

根据矩阵光学,光束经过光学系统 A可以看作光依次通过了5个光学系统单元:一段折射率为n0的均匀介质(空气)、一个平面折射介面、一段折射率为n2的均匀介质(C透镜)、一个球面折射介面和另一段折射率为n0的均匀介质(空气)。设n1为光纤折射率,R为透镜的曲率半径,d1为插针到C透镜的距离,d2为C透镜的长度,d3为C透镜到反射镜间空气隙长度。

第一段空气隙在xoz和yoz两个面上的传递函数分别为

$\left(\begin{array}{cc}1& L{}_x\\ 0& 1\end{array}\right)$

和

$\left(\begin{array}{cc}1& L{}_y\\ 0& 1\end{array}\right)$

,其中Lx和Ly为空气隙在x和y方向上的长度。设α为光从插针进入空气的入射角,由几何关系计算得:

$\begin{array}{l}L{}_x=\frac{n{}_1\cdot n{}_0^2\cdot (1-\sin {}^2\alpha )\cdot \cos \alpha \cdot d{}_1}{(n{}_0^2-n{}_1^2\cdot \sin {}^2\alpha ){}^{3/2}},\\ L{}_y=\frac{n{}_1\cdot \cos \alpha \cdot d{}_1}{(n{}_0^2-n{}_1^2\cdot \sin {}^2\alpha ){}^{3/2}}。\end{array}$

由于C透镜的出射面是曲率半径为R的球面透镜,所以透镜在xoz平面和yoz平面的焦距将不是名义上的f,而分别为fcosβ和f/cosβ,β是入射光线与C透镜的轴线z所形成的角度。

于是,光学系统A在xoz面和yoz面上沿z方向的传输矩阵分别为

$\begin{array}{l}{\rm M}{}_{1x}=\left(\begin{array}{cc}1& d{}_3\\ 0& 1\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{n{}_0-n{}_2}{n{}_0\cdot R\cdot \cos \beta }& \frac{n{}_2}{n{}_0}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& d{}_2\\ 0& 1\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \frac{n{}_0}{n{}_2}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& L{}_x\\ 0& 1\end{array}\right),\\ {\rm M}{}_{1y}=\left(\begin{array}{cc}1& d{}_3\\ 0& 1\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{(n{}_0-n{}_2)\cdot \cos \beta }{n{}_0\cdot R}& \frac{n{}_2}{n{}_0}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& d{}_2\\ 0& 1\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \frac{n{}_0}{n{}_2}\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{cc}1& L{}_y\\ 0& 1\end{array}\right)。\end{array}$

光在单模光纤中按高斯光束进行传播,令从纤芯端面出射时高斯光束的复参数为q0,束腰半径为ω0,则经过光学系统A后,反射镜前高斯光束的复参数和束腰半径可表示为

$q{}_{1x}=\frac{{\rm M}{}_{1x{}_{00}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{1x{}_{01}}}{{\rm M}{}_{1x{}_{10}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{1x{}_{11}}},\omega {}_{1x}=\sqrt{\frac{1}{-(\text{π}/\lambda )\text{Ι}\text{m}(1/q{}_{1x})}},q{}_{1y}=\frac{{\rm M}{}_{1y{}_{00}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{1y{}_{01}}}{{\rm M}{}_{1y{}_{10}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{1y{}_{11}}},\omega {}_{1y}=\sqrt{\frac{1}{-(\text{π}/\lambda )\text{Ι}\text{m}(1/q{}_{1y})}}。$

令从纤芯端面出射时,光线与z轴的垂直距离为x0,光线传播方向与z轴的夹角为θ0,则此时光线离开z轴的垂直距离和光线传播方向与z轴的夹角分别为

$x{}_1={\rm M}{}_{1x{}_{00}}\cdot x{}_0+{\rm M}{}_{1x{}_{01}}\cdot \theta {}_0,\theta {}_1={\rm M}{}_{1x{}_{10}}\cdot x{}_0+{\rm M}{}_{1x{}_{11}}\cdot \theta {}_0。$

1.2.2 光束经过反射镜反射

设反射镜转动的角度为ε,由于反射镜是在xoz

面上转动,因此经过反射镜反射之后,q2x=q1x,q2y=q1y,ω2x=ω1x,ω2y=ω1y,x2=x1,θ2=θ1+2·ε。

1.2.3 光束沿-z方向经过光学系统A

光束沿-z方向经过光学系统A,光逆向传输时传输矩阵可表示为

${\rm M}{}_{3x}=\frac{1}{{\rm M}{}_{1x{}_{00}}\cdot {\rm M}{}_{1x{}_{11}}-{\rm M}{}_{1x{}_{01}}\cdot {\rm M}{}_{1x{}_{10}}}\left(\begin{array}{cc}{\rm M}{}_{1x{}_{11}}& {\rm M}{}_{1x{}_{01}}\\ {\rm M}{}_{1x{}_{10}}& {\rm M}{}_{1x{}_{00}}\end{array}\right),{\rm M}{}_{3y}=\frac{1}{{\rm M}{}_{1y{}_{00}}\cdot {\rm M}{}_{1y{}_{11}}-{\rm M}{}_{1y{}_{01}}\cdot {\rm M}{}_{1y{}_{10}}}\left(\begin{array}{cc}{\rm M}{}_{1y{}_{11}}& {\rm M}{}_{1y{}_{01}}\\ {\rm M}{}_{1y{}_{10}}& {\rm M}{}_{1y{}_{00}}\end{array}\right),$

则此时高斯光束的复参数和束腰半径可表示为$q{}_{3x}=\frac{{\rm M}{}_{3x{}_{00}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{3x{}_{01}}}{{\rm M}{}_{3x{}_{10}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{3x{}_{11}}},\omega {}_{3x}=\sqrt{\frac{1}{-(\text{π}/\lambda )\text{Ι}\text{m}(1/q{}_{3x})}},q{}_{3y}=\frac{{\rm M}{}_{3y{}_{00}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{3y{}_{01}}}{{\rm M}{}_{3y{}_{10}}\cdot q{}_0+{\rm M}{}_{3y{}_{11}}},\omega {}_{3y}=\sqrt{\frac{1}{-(\text{π}/\lambda )\text{Ι}\text{m}(1/q{}_{3y})}}。$

此时光线离开z轴的垂直距离和光线传播方向与z轴的夹角分别为 x3=M3x00·x2+M3x01·θ2, θ3=M3x10·x2+M3x11·θ2。

1.2.4 耦合效率及其插损

回到纤芯端面的高斯光束的场强分布可表示为

$E{}_t(x,y,\omega {}_{3x},\omega {}_{3y},\text{Δ}x,\text{Δ}\theta )=\sqrt{2/\text{π}}\cdot \sqrt{1/\omega {}_{3x}}\cdot \sqrt{1/\omega {}_{3y}}\cdot \text{e}{}^{-[(x+\text{Δ}x){}^2/\omega {}_{3x}^2+y{}^2/\omega {}_{3y}^2]}\cdot \text{e}{}^{-j[k(x\cdot \sin \text{Δ}\theta )]},$

式中,Δx为入射光线与出射光线的中心线离开轴线的距离差;Δθ为高斯光束入射光线传播方向与出射光线传播方向夹角,Δθ=|θ3|;k表示波数。

从第2根纤芯和第3根纤芯中出射的高斯光束的场强分布可表示为$E{}_r(x,y,\omega {}_0)=\sqrt{\frac{2}{\text{π}}}\cdot \frac{1}{\omega {}_0}\cdot \text{e}{}^{-(x{}^2+y{}^2)/\omega {}_0^2}。$则插入损耗

${\rm I}L=-10\log \left[\frac{\left(\left|{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }E}}{}_t(x,y,\omega {}_{3x},\omega {}_{3y},\text{Δ}x,\text{Δ}\theta )\cdot E{}_r(x,y,\omega {}_0)\text{d}x\text{d}y\right|\right){}^2}{{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }\left(\left|E{}_t(x,y,\omega {}_{3x},\omega {}_{3y},\text{Δ}x,\text{Δ}\theta )\right|\right)}}{}^2\text{d}x\text{d}y\cdot {\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }\left(\left|E{}_r(x,y,\omega {}_0)\right|\right)}}{}^2\text{d}x\text{d}y}\right]。$

2 集成VOA的1×2 OSW设计及其实验

2.1 参数设计

采用三芯插针,纤芯间距d为125 μm,假设采用的C透镜折射率n2为1.745,长度d2为4 160 μm,曲率半径R为1 800 μm,则其前焦距即空气隙的长度d1为30 μm,后焦距即透镜与反射镜之间的空气隙长度d3为2 416 μm,设光纤的折射率n1为1.468,空气的折射率n0为1,为了减小回损,插针和透镜均采用8°的楔角。由式(1)可得出反射镜旋转的角度ε为1.48°。

反射镜旋转角度ε取值从0°～1.48°,根据以上公式计算与之对应的两个通道插入损耗值:光从反射镜回到插针端面,耦合进入第3根纤芯时,Δx=||x3|-|x0||,计算对应的插入损耗值IL1(ε);光从反射镜回到插针端面,耦合进入第2根纤芯时,Δx=|x3|,计算对应的插入损耗值IL2 (ε)。

图3为开关两个通路的插损值随反射镜旋转角度而变化所对应的曲线图,从图中可以看出,当反射镜旋转角度为0°时,第1路插损值为0.56 dB,随着反射镜旋转角度的增大,第1路和第2路依次开始实现衰减功能;当反射镜旋转角度达到1.48°时,第2路插损值为0.63 dB,即依次实现了衰减和开关的功能,并且两条光路的插损值随反射镜旋转角度的增大而分别单调递增和递减。

2.2 实验结果

按照设计的参数选取合适的透镜和插针,制作一个集成了VOA功能的1×2 MEMS光开关样品,并且测量了其插损值、串扰、电光曲线和响应时间。图4为样品的电光曲线及其响应时间曲线。

图4(a)为测试得到的样品的电光曲线,即两路的插损值随电压的增大而变化的曲线,由于功率计测量范围的限制,插损值最大为60 dB。从图中可以看出:

(1) 两路的最小插损值分别为0.76和0.80 dB。

(2) 两路插损值最小时,串扰均不小于60 dB。

(3) 电压从0 V增加到30 V的过程中,第1路的插损值从0.76 dB增加到30 dB,实现了衰减功能,此过程中第2路插损值不小于60 dB;电压从59.8 V增加到61.9 V的过程中,第2路的插损值从30 dB降到0.8 dB,实现了衰减功能,此过程中第1路的插损值不小于60 dB。

(4) 由于MEMS芯片中的反射镜旋转的角度与电压并不是单调递增的关系,所以电光曲线并不单调。

图4(b)为样品的响应时间曲线,从图中可以看出,OSW样品的响应时间为6 ms。

通过对样品的测试可以看出,这种集成了VOA功能的1×2 MEMS OSW的3个关键指标即插损值、串扰和响应时间都达到了实用化水平。

3 结束语

集成了VOA的1×2 MEMS OSW,利用同一个MEMS转镜既实现了衰减的功能,又实现了光路切换的功能,这样减少了系统中元器件的数量,简化了结构,节约了成本。MEMS技术是目前具有发展前景的OSW技术。然而对于MEMS OSW而言,要实现大规模生产,还面临着诸如产品制造的可重复性、封装和工艺流程的标准化、核心元件的可靠性和寿命等一系列有待解决的问题。

摘要：光开关和可变光衰减器(VOA)是光通信系统中的关键器件,而微电子机械系统(MEMS)技术是一种具有发展前景的光开关技术。文章提出一种兼具VOA功能的1×2 MEMS光开关,详细介绍了其原理,并且利用矩阵光学推导了插入损耗的计算公式。在设计了透镜的各项参数的基础上制作出了光开关样品,并且将样品的测试结果与计算的结果进行对比分析,指出这种光开关是具有实用价值的。

关键词：微电子机械系统,光开关,可变光衰减器

参考文献

[1]泽田廉士,羽根一博,日暮荣治.微光机电系统[M].北京:科学出版社,2005.

[2]黄章勇.新型光无源器件[M].北京:北京邮电大学出版社,2003.

[3]赵波,李宏生.MEMS光开关的研究与进展[J].微纳电子技术,2004,(2):29-31.

[4]杨秀芸.基于MEMS技术的通信器件及其应用[J].电子机械工程,2005,(4):32-37.

MEMS开关 篇4

由于纳米尺度的MEMS开关设计涉及各种复杂的物理现象,给仿真设计带来了很大的难度。为了简化模型并且考虑到分子间的作用力,笔者采用了集总参数模型的方法对纳米尺度MEMS开关的模型“nano-gap”进行分析[2,3],考虑了纳米尺度下MEMS开关的性能、电场力的耦合效应、机械力和分子间的作用力,两种类型的开关(悬臂梁开关和双端固定梁开关)都被进行了考虑和比较。

1 MEMS开关的研究(1)

RF MEMS开关的结构种类繁多,笔者以较为普遍的一端固支悬臂梁和双端固支梁结构为例进行讨论。图1a所示为一端固支悬臂梁接触式开关,开关的一端固定,另一端自由悬空。悬臂梁和下电极间形成一个电容,当施加偏压在悬臂梁和下电极之间时,就会在悬臂梁上产生一个下拉的静电力。图1b所示为双端固支结构开关,它由共面波导和上面的梁结构组成,通过锚区将梁和共面波导地线连接。通过在共面波导的信号线和梁上加载电压可以执行开关,开关的结构参数已标于图1b中。

为了便于分析,可以将悬臂梁和双端固支结构分为由两块梁所组成的结构。梁的横截面严格地设为长方形,如图2所示。基本的几何参数为长(L)、宽(w)、厚(t)[4]。a和b为梁两端横截面的中点,笔者对梁的研究主要集中在这两点上。

结合刚度矩阵在轴向、横向和扭转运动状态,可以给出这个线性梁元件的刚度矩阵[4]。在线性梁元件的刚度矩阵中,F为机械力,M为力矩,Φ为角位移,x、y、z为在X、Y、Z方向的位移。针对悬臂梁,Mxb、Myb、Mzb、Mya、Mza、xa、ya、za为0(设a端固定);针对双端固支结构,Mxa、Mya、Mza、Mxb、Myb、Mzb、xa、ya、za、xb、yb、zb为0。

由静电力作用产生的吸合效应会引起MEMS不稳定,当两级板间的间隙非常小时,两级板之间可能存在多种表面力,如静电力Fe、卡斯米尔力Fcas和范德华力Fvan,梁的恢复力为Fme。这些非线性力与极板间距之间的关系如图3所示。

对于双端固支结构,设上面的梁结构与低端的初始间距为d0,忽略系统固有阻尼的影响,不同加载电压作用时,静电力、卡斯米尔力、范德华力与弹性恢复力之间的平衡关系为:

Fme=Fe+Fcas+Fvan (1)

其中弹性恢复力、静电力、卡斯米尔力和范德华力的计算公式分别为:

Fme=kv(x) (2)

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式中 k——极板间等效刚度系数;

ε0 ——介电常数;

h ——式(4)中为普朗克常量,式(5)中为hamaker常量;

c ——光速;

A ——极板的接触面积;

V ——极板间的电压;

d(x) ——板间距的函数,d(x)=c0+v(x)。

根据厄密形函数(Hermitian shape functions)可得[5]:

v(x)=H1(x)ya+H2(x)Rya+H3(x)yb+H4(x)Ryb (6)

根据侧梁弯曲形状函数有:

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由式(1)～(5)可以看出,当梁间距在微米量级范围内时,静电力起主要作用[6,7,8],卡斯米尔力和范德华力对梁的作用十分微小,可以忽略。当间距在纳米量级范围内时,卡斯米尔力和范德华力起主要作用,影响梁的位移,不可以忽略。

2 测试结果分析

笔者对悬臂梁和双端固支梁分别进行仿真,结果如图4所示,其中计算参数如下:

图4a～c为静电力,静电力和卡斯米尔力,静电力、卡斯米尔力和范德华力分别作用于双端固支梁的效果图,图4d～f为静电力,静电力和卡斯米尔力,静电力、卡斯米尔力和范德华力分别作用于悬臂梁的效果图。由图4a～c可以看出:当初始电压为0V时,由于卡斯米尔力和范德华力的影响,梁存在初始位移(如图4b、c),随着电压增大,梁的位移也逐渐增大。当电压增加到8V时,即使电压减小,电场力也足够使得位移继续增加,表明已经达到了阙值电压。由图4d～f可以看出:对于悬臂梁,由于卡斯米尔力和范德华力不依赖于加载电压,当初始电压为0V时,卡斯米尔力和范德华力严重地影响着初始位移。当电压增加到0.9V时,即使电压减小,位移也会随着增加,表明已经达到了阙值电压。所以,在电压逐渐增大到阙值电压之前(双端固支梁:0～8V;悬臂梁:0～0.9V),需要增大电压达到梁的最大位移,是稳定状态;在电压增大到阙值电压之后,需要更小的电压以达到更大的位移,是不稳定状态。

3 结束语

笔者计算了卡斯米尔力、范德华力和静电力对于吸合电压的影响。由于不同尺度和材料属性所引起的MEMS开关的吸合电压的变化不同,笔者通过集总参数的方法可以很快地估算出非线性效果对复杂系统的影响,该模型可以用于优化MEMS开关和混合开关的设计中。

摘要：介绍了采用集总参数模型对MEMS开关进行设计和仿真的方法。在纳米尺度下,卡斯米尔力和范德华力是不可忽略的作用力。讨论了卡斯米尔力、范德华力和静电力共同作用下MEMS的阙值电压及其非线性效果。结果表明:卡斯米尔力、范德华力和静电力共同作用影响了MEMS阙值电压的值。

关键词：集总参数模型,MEMS开关,悬臂梁,阙值电压

参考文献

[1]Gilbert J R P M,Osterberg P M,Harris R M,et al.Implementation of a MEMCAD System for Electro-static and Mechanical Analysis of Complex Struc-tures from Mask Descriptions[C].IEEE Micro E-lectro Mechanical Systems Workshop.Fort Lauder-dale USA:IEEE,1993:207～212.

[2]Hibbitt,Karlsson,Sorensen,et al.ABAQUS Ex-plicit[M].Pawtucket:IR,1996.

[3]Boyd M R,Crary S B,Giles M D.A Heuristic Ap-proach to the Electromechanical Modeling of MEMSBeams[R].Hilton Head,South Carolina:Solid-StateSensor and Actuator Workshop,1994.

[4]Jing Q.Modeling and Simulation for Design of Sus-pended MEMS[D].Pittsburgh:Carnegie Mellon U-niversity,2003.

[5]Zhou N N,Clark J V,Pister K S J.Nodal Analysisfor MEMS Design Using SUGAR v0.5[C].1998International Conference on Modeling and Simula-tion of Microsystems,1998:308～313.

[6]Pamidighantam S,Puers R,Baert K,et al.Pull-inVoltage Analysis of Electrostatic Actuated BeamStructures with Fixed-fixed and Fixed-free End Con-ditions[J].Journal of Micromechanics and MicroEngineering,2002,12(4):458.

[7] Elata D,Bamberger H. On the Dynamic Pull-in of Electrostatic Actuators with Multiple Degrees of Freedom and Multiple Voltage Sources[J].Journal of Microelectro Mechanical Systems,2006,15(1):131～140.