Микроэлектромеханический оптический переключатель

(51)01 59/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Микроэлектромеханический оптический переключатель, содержащий диэлектрические основание и закрепленную в нем карданную структуру, состоящую из внутреннего и наружного подвижных элементов с взаимноперпендикулярными осями вращения, соединенных между собой и основанием торсионами одинаковой длины, зеркала на внешней плоскости внутреннего подвижного элемента, общий электрод и две пары управляющих электродов, расположенных напротив общего электрода, разделенных с ним межэлектродным расстоянием и симметричных относительно осей торсионов, отличающийся тем, что внутренний подвижный элемент выполнен прямоугольной формы и расположен в углублении наружного подвижного элемента,выполненного также прямоугольной формы с полочками на симметричных относительно поперечной оси противоположных сторонах, а в целом карданная структура закреплена 7462 1 2005.12.30 в полости по центру диэлектрического основания прямоугольной формы, выступы которого выполнены напротив полочек и в одной плоскости с дном углубления наружного подвижного элемента и на которых сформирована первая пара управляющих электродов, вторая пара управляющих электродов сформирована на дне углубления наружного подвижного элемента, а соответствующий первой паре управляющих электродов общий электрод сформирован на полочках наружного подвижного элемента, при этом зеркало и оси обеих пар торсионов расположены в единой плоскости, а моменты сопротивления кручению 1 и 2 торсионов, плечи 1, 2 действия суммарной электростатической силы относительно оси торсионов соответственно внутреннего и наружного подвижных элементов, площади 1 и 2 соответственно первой и второй пар управляющих электродов и межэлектродные расстояния 1, 2 связаны соотношениями 222 Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике, оптике и может быть использовано в системах коммутации, телевидения, информатики, вычислительной и контрольной техники, например, в устройствах строчной и кадровой развертки,сканирования, пространственной коммутации оптических цепей. Известен электростатический микропереключатель оптических цепей 1, содержащий два соосно расположенных многоволоконных световода, торцы которых находятся на небольшом (4 мкм) расстоянии друг от друга. Оба волновода закреплены на основании. В нем под концом одного волоконного световода предусмотрена полость глубиной, равной шагу волокон в световоде. Дно полости и специальный слой в световодах выполнены токопроводящими и являются электродами. При подаче на электроды соответствующих потенциалов разного знака нависающий над полостью в виде консоли конец световода за счет электростатических сил изгибается и ложится на дно полости. Свет, выходя из неподвижного световода, переключается при этом на другие волокна торца подвижного световода. Электростатический микропереключатель не может обеспечить регулировку пространственного отклонения оптических лучей. Известна матрица тонкопленочных микрозеркал 2, которая содержит множество ячеек, состоящих из МОП-структуры, актюатора, микрозеркала. Актюатор предназначен для поворота микрозеркала. Он выполнен в виде консоли, один конец которой закреплен на МОП-структуре, а на другом свободном конце расположен выступ, на котором закреплен центр микрозеркала. На стороне консоли, прилегающей к зеркалу, нанесены последовательно друг на друга нижний электрод, пьезоэлектрический слой, верхний электрод. Когда между двумя электродами прикладывается электрическое поле, пьезоэлектрический слой, сжимаясь, укорачивается и изгибает консоль. Выступ на ее конце поднимается и поворачивается, изменяя угол наклона закрепленного на выступе микрозеркала. Величина угла наклона определяется значением поданного электрического напряжения. Изменение угла наклона микрозеркала, следовательно, отклонение отраженного оптического луча,происходит только в одной плоскости, проходящей через оси консоли и выступа и перпендикулярной зеркалу. Матрица тонкопленочных микрозеркал не может обеспечить пространственное отклонение оптических лучей. Наиболее близким по технической сущности является микромеханическое оптическое зеркало на электростатическом принципе переключения 3. Оно содержит выполненную из единой плоской пластины карданную структуру, закрепленную на диэлектрическом основании. Карданная структура состоит из внутреннего подвижного элемента в виде диска, наружного подвижного элемента в виде кольца, каркаса, пары соосных торсионов,соединяющих внутренний и наружный подвижные элементы, пары соосных торсионов,2 7462 1 2005.12.30 соединяющих наружный подвижный элемент с каркасом, при этом оси пар торсионов расположены взаимноперпендикулярно. Подвижные элементы и торсионы выполнены одинаковой толщины. Толщина же каркаса больше на величину, равную межэлектродному расстоянию. На внутренней поверхности карданной структуры сформирован общий электрод. На наружной стороне внутреннего подвижного элемента размещено зеркало, и плоскость зеркала проходит выше оси торсионов. На внутренней плоскости диэлектрического основания сформированы управляющие электроды, образующие электростатический привод. Расстояние между электродами внутреннего подвижного элемента меньше,чем между электродами наружного подвижного элемента. При подаче разности потенциалов на управляющие электроды внутренний подвижный элемент с зеркалом и наружный подвижный элемент, поворачиваясь относительно взаимноперпендикулярных осей под действием электростатических сил на разные углы, соответствующие поданному на каждую пару электродов электрическому напряжению, обеспечивают пространственное отражение входящего луча (пучка лучей). При этом поворот каждого подвижного элемента изменяет установленный угол наклона другого подвижного элемента и зеркала, существенно усложняя электрические схемы корректировки положения зеркала. Разность плечей электростатических сил относительно осей поворота подвижных элементов обусловливает необходимость использования различных источников питания. Возврат карданной структуры в исходное (или промежуточное) положение осуществляется реактивными моментами торсионов. Данное микромеханическое оптическое зеркало на электростатическом принципе переключения не может обеспечить высокую точность пространственного позиционирования оптических лучей в связи со сложной зависимостью положения внутреннего подвижного элемента с зеркалом от последовательности подачи электрического напряжения на управляющие электроды и его величины, кинематическим смещением отражающей центральной точки зеркала при поворотах его относительно осей торсионов, не совпадающих с плоскостью зеркала, повышенным значением погрешностей электрических напряжений,подаваемых на электроды от разных источников питания. Технической задачей изобретения является повышение точности пространственного позицирования оптических лучей микроэлектромеханическими оптическими переключателями за счет уменьшения погрешности установки микрозеркала в требуемое положение. Решение технической задачи достигается тем, что в микроэлектромеханическом оптическом переключателе, содержащем диэлектрические основание и закрепленную в нем карданную структуру, состоящую из внутреннего и наружного подвижных элементов с взаимноперпендикулярными осями вращения, соединенных между собой и основанием торсионами одинаковой длины, зеркала на внешней плоскости внутреннего подвижного элемента, общий электрод и две пары управляющих электродов, расположенных напротив общего электрода, разделенных с ним межэлектродным расстоянием и симметричных относительно осей торсионов, внутренний подвижный элемент выполнен прямоугольной формы и расположен в углублении наружного подвижного элемента, выполненного также прямоугольной формы с полочками на симметричных относительно поперечной оси противоположных сторонах, а в целом карданная структура закреплена в полости по центру диэлектрического основания прямоугольной формы, выступы которого выполнены напротив полочек и в одной плоскости с дном углубления наружного подвижного элемента и на которых сформирована первая пара управляющих электродов, вторая пара управляющих электродов сформирована на дне углубления наружного подвижного элемента, а соответствующий первой паре управляющих электродов общий электрод сформирован на полочках наружного подвижного элемента, при этом зеркало и оси обеих пар торсионов расположены в единой плоскости, а моменты сопротивления кручению 1 и 2 торсионов, плечи 1, 2 действия суммарной электростатической силы относительно оси торсионов соответственно внутреннего и наружного подвижных элементов, площади 1 и 2 3 7462 1 2005.12.30 соответственно первой и второй пар управляющих электродов и межэлектродные расстояния 1, 2 связаны соотношениями 222(1) 1 11 Совокупность указанных признаков обеспечивает повышение точности пространственного позиционирования оптических лучей микроэлектромеханическими оптическими переключателями. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено поперечное сечение микромеханического оптического переключателя, на котором 1 - основание,2 - карданная структура,3 - внутренний подвижный элемент,4 - наружный подвижный элемент,5 - торсион внутреннего подвижного элемента,6 - торсион наружного подвижного элемента,7 - зеркало,8 - углубление,9 - полочка,10-полость,11 - дно,12 - выступ,13 - общий электрод,14 - первая пара управляющих электродов,15 - вторая пара управляющих электродов. На фиг. 2 представлен вид на микромеханический оптический переключатель и часть основания 1 сверху. На фиг. 3 представлена схема взаимного расположения элементов в рабочем положении предлагаемого микроэлектромеханического оптического переключателя. Микроэлектромеханический оптический переключатель (фиг. 1, 2) содержит неподвижное основание 1 с закрепленной на нем карданной структурой 2. Карданная структура 2 состоит из внутреннего подвижного элемента 3 и наружного подвижного элемента 4, сформированных из плоских прямоугольных пластин. Вдоль продольной оси на двух противоположных торцах внутреннего подвижного элемента 3 выполнены торсионы 5 внутреннего подвижного элемента. Перпендикулярно им вдоль поперечной оси на двух противоположных торцах наружного подвижного элемента 4 выполнены торсионы 6 наружного подвижного элемента, аналогичные торсионам 5 внутреннего подвижного элемента. Непосредственно на внешней плоскости внутреннего подвижного элемента 3 размещено зеркало 7. Внутренний подвижный элемент 3 расположен в углублении 8 в центральной части наружного подвижного элемента 4 и соединен с ним с помощью закрепленных в пазах торсионов 5 внутреннего подвижного элемента. Вдоль продольной оси на противоположных сторонах наружного подвижного элемента 4 предусмотрены полочки 9, внутренняя плоскость которых совпадает с внутренней плоскостью внутреннего подвижного элемента 3. Наружный подвижный элемент 4 расположен в полости 10 основания 1 и соединен с ним с помощью закрепленных в пазах торсионов 6 наружного подвижного элемента. Напротив полочек 9 и в одной плоскости с дном 11 углубления 8 наружного подвижного элемента 4 сформированы выступы 12, на которых напротив участков общего электрода 13, сформированных на полочках 9, сформирована первая пара управляющих электродов 14. Вторая пара управляющих электродов 15 сформирована на дне 11 углубления 8 наружного подвижного элемента 4 напротив соответствующего участка общего электрода 13, сформированного на внутренней части внутреннего подвижного элемента 3. 4 7462 1 2005.12.30 Основание 1 и детали карданной структуры 2 выполнены из диэлектрика. При сборке торсионы 5 внутреннего подвижного элемента и торсионы 6 наружного подвижного элемента закрепляются в соответствующих пазах, например, путем склеивания или пайки. В собранном виде участки общего электрода 13 располагаются в одной плоскости, а соответствующие им первая пара управляющих электродов 14 и вторая пара управляющих электродов 15 на одинаковом от общего электрода 13 межэлектродном расстоянии , т.е. также в одной плоскости. В каждой паре соответствующие электроды равны по площади и расположены симметрично относительно оси соответствующего подвижного элемента. Между собой в общем случае пары электродов по этим параметрам отличаются, т.е. площади 12 и расстояния 12, но находятся в определенном соотношении. Величины параметров связаны условием (1). Как известно, момент сопротивлениясодержит геометрические величины, зависящие от формы сечения (круглое,квадратное, прямоугольное и т.д.). Таким образом, конкретные геометрические размеры сечения торсионов определяются из требуемого значения , определяемого из (1). В частном случае, когда управляющие электроды вписываются геометрически в квадратную рамку (12, 12), все торсионы имеют одинаковые сечения (1 2). По длине торсионы равны между собой. Основание 1 и детали карданной структуры 2 могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, который обладает высокими электромеханическими свойствами, а алюмооксидная технология, основанная на интегральных методах формирования контуров и полостей с микронной точностью, обеспечивает прецизионность геометрии диэлектрических элементов. Электроды выполняются из тонких металлических пленок путем вакуумного и плазменного напыления. Реальные размеры основных элементов микроэлектромеханического оптического переключателя толщина внутреннего подвижного элемента 3520 мкм, наружного подвижного элемента 4 - 50100 мкм, сечение торсионов внутреннего подвижного элемента 5 и наружного подвижного элемента 6 - 10104040 мкм 2,межэлектродный промежуток- 525 мкм. Микроэлектромеханический оптический переключатель работает следующим образом. При подаче разности потенциалов 1, например, между одним из второй пары управляющих электродов 15 и общим электродом 13 в начальный момент возникает сила притяжения 1, которая создает момент 1 относительно оси торсионов 5 внутреннего подвижного элемента и поворачивает внутренний подвижный элемент 3. В торсионах 5 внутреннего подвижного элемента возникает реактивный крутящий момент. Электростатические силы отталкивания подчиняются этим же законам. Аналогично при подаче напряжения 2 между одним из первой пары управляющих электродов 14 и общим электродом 13 возникающий момент М 2, поворачивая наружный подвижный элемент 4, скручивает торсионы 6 наружного подвижного элемента. С целью снижения деформирования внутреннего подвижного элемента 3 и наружного подвижного элемента 4, искажающего угол отражения луча, за счет повышения равномерности механического напряженного состояния в конструкции заложено условие 12, при котором отношение электрического напряжения в управляющих цепях составит 1 1 2 2(2) 2 211 Согласно (1) при заданныхи плечахмомент сопротивления торсионов 6 наружного подвижного элемента, который определяет размеры сечения этих торсионов, составляет 21 2 2 .(5) 1 2 Соотношения (3), (4), (5) обеспечивают единую величину максимальных как механических напряжений в обеих парах торсионов, так и электрических напряжений в управляющих цепях 2.(6) Момент 1, возникший при подаче напряжения на вторую пару управляющих электродов 15, начинает поворачивать внутренний подвижный элемент 3 относительно оси торсионов 5 внутреннего подвижного элемента, проходящей через плоскость зеркала 7. При этом точки зеркала 7, находящиеся на этой оси, не меняют своего пространственного положения. Края внутреннего подвижного элемента 3, параллельные оси его вращения,смещаются от своего исходного положения согласно углу наклона, соответствующему поданному напряжению. Последующая подача напряжения на первую пару управляющих электродов 14 поворачивает наружный подвижный элемент 4 вместе с расположенными в нем компонентами относительно оси торсионов 6 наружного подвижного элемента. Эта ось перпендикулярна оси торсионов 5 внутреннего подвижного элемента и проходит через центр зеркала 7 на повернутом внутреннем подвижном элементе 3, что обеспечивается взаимным расположением осей торсионов 5 внутреннего подвижного элемента, торсионов 6 наружного подвижного элемента и зеркала 7 в исходном положении в одной плоскости. В результате зеркалу 7 задается поворот в двух взаимноперпендикулярных направлениях при стабильном положении центральной точки. Поворот наружного подвижного элемента 4 не изменяет положения зеркала 7 относительно второй пары управляющих электродов 15, т.е.(фиг. 3). Это значит, что электростатическая сила 1 остается постоянной и что поданному напряжениюмежду второй парой управляющих электродов 15 и общим электродом 13 соответствует единственный и стабильный угол наклона зеркала 7 при любом положении наружного подвижного элемента 4. Эта кинематика сохраняется и при обратной последовательности подачи напряжения на управляющие электроды. В описании отмечалось, что оси торсионов 5 внутреннего подвижного элемента и торсионов 6 наружного подвижного элемента расположены в плоскости зеркала 7. Этим достигается неизменность пространственного положения центральной точки зеркала 7. Далее, расположение общего электрода 13 в одной плоскости на внутреннем подвижном элементе 3 и участках наружного подвижного элемента 4, максимально приближенной к плоскости зеркала 7, ставит в одинаковые и оптимальные условия векторы перемещения точки приложения суммарной силыи направления этой силы, которые практически совпадают, что также повышает точность наведения луча в заданном направлении, одновременно давая возможность снизить управляющее напряжение. Прямоугольная форма подвижных элементов обеспечивает повышенную точность формирования площади и расположения управляющих электродов, а также увеличение их площади, что в итоге сокращает разброс величины электростатической силы и уменьшает погрешность угла наклона зеркала. Равенство максимальных напряженийпозволяет использовать для обеих управляющих цепей один источник питания, что снижает погрешность подаваемого напряжения и также повышает точность установки зеркала. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7