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微机械光开关微反射镜的制作和驱动结构的有限元分析

纪平  
【摘要】:将微机电系统(MEMS)与光器件融合于一体的微光机电系统(MOEMS)是MEMS的一个重要的研究方向,它采用微细加工的技术手段,把微光学器件、微电子器件和微机械结构或装置集成在相兼容的基体材料上,充分发挥三者的综合性能,不仅能够使光学系统微型化而降低成本,而且可实现光学元件间的自对准,更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置。MOEMS的出现将极大的促进信息通讯,航天技术以及光学工具的发展,对整个信息化时代将产生深远的影响。 随着信息时代的到来,光通信系统中器件的小型化、大阵列、低成本将是光通信技术的主要发展方向。光开关是新一代全光网络的关键器件,微机电系统(MEMS)光开关具有体积小、重量轻、能耗低、性能稳定;适于大批量生产、生产成本低;惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点,有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。对MEMS光开关在其理论分析、结构设计以及加工工艺等方面的研究具有十分重要的意义,将大大促进光纤通信事业的发展。 本文确定了制作光开关为反射镜的工艺条件,设计并制作了硅各向异性湿法腐蚀过程中晶向对准图形,在(100)硅片上制作了微反射镜,光纤槽。通过对硅晶体的结构特点和其在氢氧化钾溶液(KOH)中各向异性腐蚀特性的研究,充分利用了硅晶体的{111}面在KOH溶液中腐蚀自停止效应,采用表面微机械加工工艺和体硅微机械加工工艺来制作MEMS光开关为反射镜。本文还 WP=60 阐述了利用(100)硅片的各向异性腐蚀性质制作微镜的基本原理,在(100)硅片上进行各向异性腐蚀时,能暴露垂直的{100}面、倾角为45度的{110}面和倾角为54.74度的{111}面。{111}面沿着110较蛐纬傻模瑊100}和{110}面是沿着100较蛐纬傻摹1疚氖褂么縆OH水溶液和KOH+IPA混合水溶液对(100)硅片沿着100较蚪懈矗圆啾诘那憬怯氡砻婀饣潭冉蟹治觯縆OH的浓度为35﹪和50﹪水溶液中腐蚀出的样品,浓度低于35%时表面较粗糙,KOH和IPA混合溶液KOH的浓度分别20%时,出现倾角为45°的侧壁,而且表面较粗糙,能明显地看到沉淀物:在浓度上升到35%时侧壁的倾角为45°,但表面明显比浓度为20%时光滑;当KOH浓度上升至50%,出现了陡直的侧壁。本文对所涉及到的低压化学气相沉积工艺(LPCVD)、切片工艺、光刻工艺、反应离子刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺和磁控溅射工艺进行了深入的研究与反复的实验测试,得出了较理想的工艺参数。 ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国JohnSwanson博士于1970年创建ANSYS公司后,便开发出了该应用程序,以此用计算机模拟工程结构分析,历经30多年的不断完善和修改,现成为全球的工程应用最受欢迎的应用程序。该应用程序的主要特点是紧跟计算机硬件、软件发展的最新水平,功能丰富,用户界面好,前后处理和图形功能完备,并且使用高效的有限元系统。 它拥有丰富的、完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题,并能有效地求解温度场问题、散热场以及多场耦合问题;它 WP=61 的友好的图形界面和程序结构使用户易学易用,通常专业人员在一个月左右的时间内就能掌握其应用方法和技巧;它的完全交互式前后处理和图形文件,大大减轻了用户创建工程模型,生成有限元模型以及分析和评价结果的工作量;它的统一和集中的数据库,保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成;它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接。ANSYS的各种产品适应于各种计算机平台的版本,为用户提供了各种可能的选择。该软件的另一主要优点是耦合场分析功能———磁场分析的耦合载荷可被自动耦合到结构、流体及热单元上,在对电路耦合器件的电磁场分析时,电路可被直接耦合到导体或电源,同时也可计及运动的影响。在理论上用ANSYS分析并模拟了开关运动的情况,在50伏电压下上电极可以运动31um,这和我们运用传统方法计算分析的结果基本相似。分析结果也反映出随着驱动电压的升高,偏移量随着增加,当驱动电压升高到一定高度时(阈值)时,上电极就会很快到达下电极.以此为基础将更好的为MEMS光开关的研制铺平道路。 在测量方面, 我们利用稳定化光源和光功率计对光开关的插入损耗和串话进行了测量,直通状态下的插入损耗小于2dB,反射状态下的插入损耗小于3dB,串话小于-50 dB。采用单模光纤连接损耗理论对光开关的插入损耗进行了分析,在直通状态时引起插入损耗的主要原因是:两根单模光纤连接时的轴向、径向和角度偏移。而反射状态时引起插入损耗的原因除了光纤连接引起的损耗以外,还包括反射镜的表面粗糙和反射镜的厚度引起的损耗。并且指出若要求反射状态的插入损耗小于2dB,使用普通的 WP=62 单模光纤耦合的难度是相当大,因此需要在光纤的端部进行适当的加工处理。


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