具有静电微型致动器的光学微型开关及其使用方法技术

静电微型致动器（１０１）包括衬底（２１３）和至少一个具有第一与第二梳状驱动件（２１０ａ、２０８ａ）的梳状驱动组件，每个梳状驱动件配有梳状驱动指（２１２、２１１），第一驱动件装在衬底上，第二驱动件覆盖衬底。还包括第一与第二间开隔的梁状弹性件（２１４、２１７），至少一个驱动组件置于两个弹性件之间。弹性件第一端部（２４３）固定到衬底，第二端部（２４４）固定到第二驱动件。第二驱动件可在第一与第二位置之间移动。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及光开关，尤其涉及具有多块可移动镜子的光学开并。背景用于在光纤之间切换光或将自由空间光束切换到一条或多条光纤的开关，尤其对通信和数字数据网络，一直深受关注。各种开关结构都令人感兴趣，包括1×2、1×n和n×m的结构，其中n是从2到约64的某个数。各种各样的原理都已应用于现有技术的开关，包括电光效应和机电致动器，而且应用这些技术的操作开关目前已有市售。现有技术的开关极为昂贵，而且尺寸很大。现有技术的1×n机电光纤开关，通常或是移动输入光纤以便与所需的输出光纤联系，或是移动单块镜子使输入光耦合至所需的输出光纤，或者移动一折射光学元件直到获得期望的耦合。通常，对每条光纤安置准直透镜，用机电致动器切换准直光束。Minowa等人在美国专利No．4，322，126中描述了一例这样的开关，其中使棱柱状结构在输入与输出之间移动。Riza等人在美国专利No．5，208，880中描述了另一种现有技术的方法，即单块镜子经平移而将准直光束偏转进入多条输出光纤。许多方法都使用单块旋转镜子使光纤耦合入多条输出光纤，诸如美国专利No．5，647，030所描述的那样。现有技术的大多数方法都用单个机电致动器(直线或角形致动器)偏转输入光束，因为现有技术的机电致动器体大且价贵。单个机电致动器通常有一种精确地控制镜子位置的机构，以便将光精确地耦合入输出光纤。这种镜子精密定位也增大了现有技术致动器的尺寸和成本，特别对于输出光纤数多于两根且不便用简单的方法获得所需位置分辨率的情况更是如此。大多数现有技术的光开关设计用于通信场合，这里使用的光波长一般为1．5或1．3微米(红外)。而且，许多现有技术的开关设计成与所谓的多模光纤联用，尤其是应用于红外光谱，这种光纤用于传播光的中心纤心相当大。实现高度光耦合必需的定位精度为光纤中心纤心直径的1／5的量级。大多数应用于红外的多模光纤，纤心直径约50微米，所以耦合的定位精度只须在约10微米以内，应用常规技术就能实现。在许多光学系统中，最好应用一种所谓的单模光纤，它能实现更大的光学带宽。这类光纤的纤心直径，应用于红外的约为8微米，与红光联用的约为4微米。这样，这类系统要求的定位精度减至小于1微米，这比现有技术的多模光开关小了约10倍。对于各种传感与驱动应用，已经开发了利用硅集成电路处理技术制造的微结构。在这些和其它应用领域中，与常规的现有技术方案相比，微结构在成本、可靠性和性能方面均占优。从成本、可靠性与便于组装的观点来看，集成型致动器，即同时用机构结构制造致动器的微结构占有优势。各种驱动方法都已应用于集成型致动器即微结构，其中包括静电、电磁、热和热气(thermo pneumatic)。热技术可提供大的力，但是响应时间较慢。电磁技术较为复杂，因为难以在平面结构中提供有足够匝数的集成线圈，而且产生所需磁场必要的大电流导致高的功耗。静电驱动对小尺寸规模很有吸引力，因为力随着元件之间空隙的减小而增大。静电元件消耗的功率容易减小，且操作速度通常只受制于该结构的机构响应特性。在现有技术的静电致动器中，驱动力一般仅用两类驱动电极中的一类产生所谓的梳状驱动指或平行板，平行板电容器产生的力正比于驱动电压的平方，反比于板间间隙的平方。这一特点限制了这类致动器的有效移动范围，因为在大间隙时，静电力不能克服致动器支承的回复弹力，而在间隙小于初始间隙约2／3时。若静电力压倒直线回复力，致动器就不稳定了。对于实际的微结构元件，平行板致动器的有效移动范围小于10微米。诸如在授予Tang等人的美国专利No．5，025，346所描述的梳状驱动致动器，其特点是有一系列叉指型电极，其电容可用来在大约等于梳状指长度的移动范围内提供相对恒定的动力，该长度可以做成大于100微米。每根指产生的力较小，所以实用的梳状驱动致动器一般用10-200根指对微结构装置产生适量的力。现有技术的梳状驱动装置的一个难题是装置的最大移动受制于所谓的机电侧向不稳定性。在理想情况下，对每根指加的侧力精确地平衡，然而，如果指未被约束成沿精确的间隙中心移动，电极将产生侧力。虽然正向动力随着增大偏转几乎保持恒定，但是侧力随着侧边偏转而迅速增大。当侧力相对侧边位移的导数大于横向机械弹性常数时，就出现不稳定性。如果该导数超过电机支承结构的侧向弹性常数，梳状驱动将突然咬住(snap)断侧边，使驱动电极短路，中断致动器正向移动。现有技术装置的这种现象可见之于Legtenberg、Groeneveld和Elwenspoek撰写的论文“大位移梳状驱动致动器”(载于《J．Micromech．Microeng》，Vol．6(1996)，pp．320-329)。他们的设计具有约40微米的最大位移。该论文中的设计技术描述了常规梳状驱动致动器的最大位移，但是未描述更大偏转的设计。早期的梳状驱动致动器应用由所谓的表面微机构加工工艺提供的多晶硅薄层来制造梳状指和可动的横向驱动元件。该多晶硅一般为1-2微米厚。由于这类装置的横向特征尺寸相当于材料厚度，所以部件对平面外偏转的抗偏离能力极低。随着深度反应离子蚀刻(DRIE)的出现，允许在厚度一般为100微米的单晶硅中制作类似的结构。Klassen、Petersen、Noworolski、Logan、Maluf、Brown、Storment、Mccully和Kovacs在论文“硅熔融键合与深度瓜离子蚀刻一种微结构新技术。”(载于Proceedings of Transducers’95(1995)，pp．556-559)中描述了DRIE。这些更厚的结构可以提供更大的垂直电极区，并且平面外偏转的抗偏离能力要高得多。最近，其它一些制造技术已用来增大厚度，并由此提高梳状驱动结构的平面外抗偏离能力，这些制造技术中包括在光刻限定的模具中制造的较厚表面微机构加工多晶硅或电镀金属结构。这些制造技术本身都未被用来改进现有技术梳状驱动结构有限的偏转。总之，本专利技术的一个目的是提供一种克服上述诸缺点的光学微型开关。本专利技术的另一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，它应用至少一个静电微型致动器其中具有至少一个梳形驱动组件。本专利技术的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中把静电微型致动器梳状驱动组件的侧向不稳定性力减至最小。本专利技术的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中设置了将静电微型致动器接到或耦合到外部装置的装置。本专利技术的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中静电微型致动器中梳状驱动组件的谐振特性被用于获得大的偏转。本专利技术的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中多个静电微型致动器沿着微型开关的至少一条过道(hall)对准。本专利技术还有一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，它应用了磁光数据存储系统。专利技术概述本专利技术提供开关和应用大偏转高速微型致动器的光开关。光开关可应用于各种系统，诸如磁光数据存储系统、通信系统或数据传输系统。微型致动器改进了悬挂设计、梳状驱动元件、动态电气驱动控制、正向位置停止动与位置检测等。微型致动器可应用于各种设计或各种其它场合中的光开关，例如，横向谐振器、力平衡式加速度计或超小型夹具。高的平面外抗偏离能力和／或较大的电极区可用来形成产生大的力与位移的微结构。附图简述诸附图在许多场合中都是示意图并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与沿一条路径延伸的激光束一起使用的光学微型开关，包括：本体，它具有一个适用于接收所述激光束的输入端口和多个输出端口；由本体携带的至少一个镜子和至少一个微型电动机；连接装置，用于把至少一个镜子耦合到至少一个微型电动机，由此至少一个微型电动机移动至少一个镜子从激光束路径外的第一位置到激光束路径内的第二位置，以将激光束引至输出端口之一，至少一个微型电动机具有至少一个静电直线致动器，用于移动至少一个镜子至第一和第二位置之一；以及控制器，它在电气上耦合到至少一个微型电动机，用于对微型电动机提供控制信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JH杰曼，JD格雷德，JD德雷克，
申请(专利权)人：傲龙股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]