一種mems可調(diào)諧光學(xué)驅(qū)動(dòng)器與制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種MEMS可調(diào)諧光學(xué)驅(qū)動(dòng)器及其制作方法，該驅(qū)動(dòng)器包括基片、主變形梁、第一變形梁、第二變形梁、驅(qū)動(dòng)電極、微鏡面、散熱框架結(jié)構(gòu)、散熱折疊梁和外部固定點(diǎn)，其特征在于所述第一變形梁和第二變形梁為主變形梁提供底部變形支撐；所述散熱框架結(jié)構(gòu)與微鏡面隔離，所述折疊梁散熱結(jié)構(gòu)與散熱框架及外部固定點(diǎn)相連。本發(fā)明采用了直拉直壓的變形梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)主變形梁提供支撐，避免了傳統(tǒng)彎曲梁的不穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)更大的熱驅(qū)動(dòng)位移。同時(shí)，采用散熱框架及散熱折疊梁的設(shè)計(jì)使得微鏡面不直接與變形梁接觸，降低熱變化對(duì)微鏡面的溫度影響，增加了器件可靠性。由于采用了MEMS設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的光衰減器封裝。
【專利說明】—種MEMS可調(diào)諧光學(xué)驅(qū)動(dòng)器與制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種MEMS光學(xué)驅(qū)動(dòng)器及制作方法，特別涉及一種小型化、高可靠性的MEMS可調(diào)諧光學(xué)衰減器件。

【背景技術(shù)】
[0002]在全球高速寬帶大發(fā)展的背景下，高速通信寬帶在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著越來越重要的作用。隨著近年來大數(shù)據(jù)及各種通信業(yè)務(wù)的迅猛增長，新型智能高速光通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入快速發(fā)展的階段。智能高速光通信網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)其智能化、動(dòng)態(tài)可調(diào)諧的控制網(wǎng)絡(luò)中的光信號(hào)，采用了一大批新型光電子功能器件與模塊以提高其智能化和動(dòng)態(tài)可調(diào)諧水平。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的小型化以及集成化，對(duì)光電子器件的尺寸、集成化及可靠性也有了更高的要求。因此小型化、動(dòng)態(tài)可調(diào)以及高可靠性的光器件成為新型光通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵器件。
[0003]光學(xué)可調(diào)衰減器(Variable Optical Attenuator, V0A)是一種光路信號(hào)控制器件，在光通信網(wǎng)絡(luò)中主要功能用于光信號(hào)強(qiáng)度的衰減，以及光器件的過載保護(hù)等。同時(shí)隨著數(shù)據(jù)中心大量的光網(wǎng)絡(luò)信息要求，可調(diào)光衰減器應(yīng)用也越來越廣泛。
[0004]相對(duì)于傳統(tǒng)的手動(dòng)式光衰減器，基于MEMS技術(shù)的光學(xué)衰減器具有響應(yīng)速度快，小型化以及動(dòng)態(tài)可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)?；贛EMS技術(shù)的可調(diào)光衰減器主要有兩種技術(shù)方案:一種是基于微鏡面的光反射式封裝的VOA器件，其利用微鏡面的反射角度反射光信號(hào)形成光信號(hào)的耦合變化實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的衰減。CN200410053563.3公開了一種采用靜電驅(qū)動(dòng)的反射式MEMS光衰減器芯片設(shè)計(jì)及制作方法。反射式封裝的光衰減器技術(shù)方案具有低功耗，衰減量大等優(yōu)點(diǎn)，但其光學(xué)偏振特及波長相關(guān)特性較差，并且其需要采用反射式的封裝，使得其光路調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。另一種是基于微鏡面的移動(dòng)進(jìn)行光信號(hào)遮擋型封裝的VOA器件，其利用微鏡面的移動(dòng)遮擋住輸入輸出光信號(hào)實(shí)現(xiàn)光衰減功能。擋光型光衰減器其偏振及波長相關(guān)的指標(biāo)較好，同時(shí)封裝中光路調(diào)節(jié)也較為簡便。
[0005]在擋光型VOA器件中，利用彎曲梁的熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)微鏡面進(jìn)行遮擋光信號(hào)是一種通常采用的方式，其彎曲梁結(jié)構(gòu)最早由L.que等人在1999年的MEMS’ 99會(huì)議上發(fā)表(Bent-beam electro-thermal actuators for high force applicat1n),其原理是利用電流加熱梁結(jié)構(gòu)后引起的熱膨脹產(chǎn)生結(jié)構(gòu)位移。專利US6275320B1提出了一種采用簡單熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)鏡面的MEMS光學(xué)衰減器，但該種熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體積較大，其中熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用的彎曲梁與微鏡面直接相連，導(dǎo)致其鏡面容易受熱影響產(chǎn)生溫度相關(guān)的損耗，降低其器件可靠性；同時(shí)傳統(tǒng)的彎曲梁熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在使用過程中容易存在往運(yùn)動(dòng)方向相反的不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，在使用過程中存在可靠性問題。
[0006]為了滿足現(xiàn)在對(duì)光器件小型化及器件可靠性越來越高的要求，本 申請(qǐng)人:提出了一種緊湊型的VOA器件封裝方案，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310744255.4及CN201320881770.2。為了配合該封裝方案， 申請(qǐng)人:也曾提出了一種非常緊湊的熱驅(qū)動(dòng)及高可靠性的MEMS VOA光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片設(shè)計(jì)方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種MEMS可調(diào)諧光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，它包括基片、主變形梁、第一變形梁、第二變形梁、驅(qū)動(dòng)電極、微鏡面、散熱框架結(jié)構(gòu)、散熱折疊梁和外部固定點(diǎn)，其特征在于所述第一變形梁和第二變形梁位于主變形梁兩端，與驅(qū)動(dòng)電極連接，為主變形梁提供直拉直壓的底部變形支撐；所述散熱框架結(jié)構(gòu)與主變形梁連接但與微鏡面隔離，所述折疊梁散熱結(jié)構(gòu)與散熱框架及外部固定點(diǎn)相連。
[0008]上述方案，采用新穎的直拉直壓的第一和第二變形梁做為主變形梁的底部支撐及變形結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)熱驅(qū)動(dòng)梁在使用過程中產(chǎn)生相反方向的不穩(wěn)定狀態(tài)，增加了光器件的可靠性。同時(shí)，直拉直壓的第一變形梁和第二變形梁在熱驅(qū)動(dòng)時(shí)也產(chǎn)生熱膨脹，能夠同時(shí)增加主變形梁的變形量，可在不增加整體器件尺寸的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增大位移量的目的。散熱框架結(jié)構(gòu)與變形梁進(jìn)行連接并與微鏡面進(jìn)行隔離，這大大降低了變形梁熱變化對(duì)微鏡面的影響，減低了微鏡面引起的光衰減器溫度相關(guān)損耗，提高了整體光衰減器的光性能及可靠性。同時(shí)連接散熱框架的折疊梁既可以提高散熱功能，同時(shí)也可以提高微鏡面的抗振動(dòng)特性。
[0009]基于本發(fā)明提出的直拉直壓變形梁熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，也可以變化為增加兩個(gè)直拉直壓變形梁，其具有類似V型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加不同的驅(qū)動(dòng)電極，該種設(shè)計(jì)方案將能產(chǎn)生更大的位移變形結(jié)構(gòu)。
[0010]所述一種MEMS可調(diào)諧光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片采用MEMS工藝制作，其基本的制作步驟如下:
1)準(zhǔn)備SOI硅片作為基片，首先在SOI的器件層制作熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及微鏡面結(jié)構(gòu)；
2)采用等離子刻蝕工藝在器件層上正面制作熱驅(qū)動(dòng)及微鏡面結(jié)構(gòu)；
3)在SOI硅片的背面制作背面釋放結(jié)構(gòu)圖形，利用硅深刻蝕技術(shù)進(jìn)行深刻蝕硅層并去除二氧化硅層，完成結(jié)構(gòu)釋放；
4)最后在微鏡面以及電極區(qū)域制作上金屬膜層，形成驅(qū)動(dòng)電極和鏡面。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的該芯片的熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，采用了直拉直壓的變形梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)主熱變形梁進(jìn)行了支撐，同時(shí)避免了傳統(tǒng)彎曲梁的不穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)更大的驅(qū)動(dòng)位移。同時(shí)，采用散熱框架及散熱折疊梁的設(shè)計(jì)使得微鏡面不會(huì)直接與變形梁接觸，降低變形梁處的熱變化對(duì)微鏡面的溫度相關(guān)影響，增加了芯片及光衰減器的器件可靠性。由于采用了 MEMS設(shè)計(jì)及緊湊的熱驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)的芯片能夠?qū)崿F(xiàn)非常緊湊的光衰減器封裝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例中變形梁熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明另一實(shí)施例中增加散熱片的散熱框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制作工藝過程結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本發(fā)明在提供的優(yōu)選實(shí)施例為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。本發(fā)明附圖為示意參考圖，不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系，也不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例平面結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例的MEMS光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片包括基片(圖中未標(biāo)示)、變形梁1、變形梁2、變形梁3、驅(qū)動(dòng)電極4、微鏡面5、散熱框架6、散熱折疊梁7和外部固定點(diǎn)8。所述變形梁I和變形梁3做為變形梁2的底部支撐及變形結(jié)構(gòu)，與驅(qū)動(dòng)電極4相接，在進(jìn)行熱驅(qū)動(dòng)變形時(shí)，變形梁I和變形梁3對(duì)變形梁2提供直拉直壓的變形支撐，增大了整個(gè)變形梁2的形變量，例如當(dāng)直拉直壓變形梁I和變形梁3:長500um,寬5um,彎曲梁2兩固定端之間間距1500um時(shí)，直拉直壓變形梁的熱驅(qū)動(dòng)模型可以比傳統(tǒng)熱彎曲梁增加20?30%的位移量。
[0018]所述微鏡面5固定在散熱框架6及散熱折疊梁7中，與熱驅(qū)動(dòng)變形梁2進(jìn)行了隔離，避免了變形梁上的熱變化產(chǎn)生微鏡面的溫度相關(guān)損耗，當(dāng)散熱框架6的尺寸設(shè)計(jì)為框架整體長350um，高500um，框架梁寬10um，厚度22um，微鏡面5尺寸在380umxl00um長寬時(shí)，利用其增加的散熱面積，可以降低微鏡面上溫度約50度；所述折疊梁7與散熱框架6進(jìn)行相連，同時(shí)折疊梁7也與外部固定點(diǎn)8相連，能夠更進(jìn)一步的提高微鏡面散熱效果，例如，設(shè)計(jì)折疊梁7長300um，寬5um，并具有多次折疊設(shè)計(jì)，能產(chǎn)生溫度降低約20度。同時(shí)折疊梁7也可以提高微鏡面5的抗振動(dòng)特性。
[0019]可選地，在另一實(shí)施例中，所述MEMS光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片的變形梁結(jié)構(gòu)也可以變化為如圖2所示結(jié)構(gòu)，在主變形梁兩端再增加兩個(gè)直拉直壓變形梁9和變形梁10，使其具有類似V型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加不同的驅(qū)動(dòng)電極，其內(nèi)部電流結(jié)構(gòu)如圖示箭頭所示，該種設(shè)計(jì)方案將能產(chǎn)生更大的位移變形結(jié)構(gòu)。
[0020]可選地，在另一實(shí)施例中，所述MEMS光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片的散熱框架結(jié)構(gòu)也可以變化為如圖3所示結(jié)構(gòu)，所述散熱框架還可以在兩端進(jìn)一步設(shè)置多根散熱硅梁Y以進(jìn)一步提高散熱面積。例如，當(dāng)散熱梁Y長lOOum，寬5um，厚22um，數(shù)量可以在1(Γ40條左右，可以實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)散熱框更好的散熱效果。
[0021]以下是本發(fā)明MEMS光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片的制備方法，如圖4所示，其主要包括以下步驟:
51:準(zhǔn)備SOI硅片作為基片，首先在SOI的器件層涂覆光刻膠，曝光制作熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及微鏡面結(jié)構(gòu)；
52:采用等離子刻蝕工藝在器件層上正面制作熱驅(qū)動(dòng)及微鏡面結(jié)構(gòu)，并去除光刻膠層；
53:在SOI硅片的背面涂覆光刻膠，曝光制作背面釋放結(jié)構(gòu)圖形；利用等離子刻蝕技術(shù)深刻蝕硅層到SOI硅片的掩埋氧化層，并去除二氧化硅層和光刻膠，完成結(jié)構(gòu)釋放；
S4:最后在微鏡面以及電極區(qū)域表面制作金屬膜層，完成鏡面和電極。
[0022]
綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎。該芯片的熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，采用了直拉直壓的變形梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)主熱變形梁進(jìn)行了支撐，同時(shí)避免了傳統(tǒng)彎曲梁的不穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)更大的驅(qū)動(dòng)位移。
[0023]2.增加熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的芯片可靠性。散熱框架及散熱折疊梁的設(shè)計(jì)使得微鏡面不會(huì)直接與變形梁接觸，降低變形梁處的熱變化對(duì)微鏡面的溫度相關(guān)影響，增加了芯片及光衰減器的器件可靠性。
[0024]3.體積小。由于采用了 MEMS設(shè)計(jì)及緊湊的熱驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)的VOA芯片能夠?qū)崿F(xiàn)非常緊湊的光衰減器封裝。
[0025]本發(fā)明雖然已以優(yōu)選實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變形及修飾，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種1213可諧調(diào)光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片與制作方法，所述芯片包括:基片、驅(qū)動(dòng)電極、變形梁、微鏡面和散熱框架，其中，變形梁的兩端與驅(qū)動(dòng)電極相連，所述微鏡面位于散熱框架中，所述散熱框架與主變形梁的中間部分受力點(diǎn)相連，其特征在于還包括數(shù)量至少為2??！ (^1)0)的支撐梁，所述支撐梁兩兩地與驅(qū)動(dòng)電極相連，從而在變形梁和驅(qū)動(dòng)電極之間形成支撐結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的1213可諧調(diào)光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片，其特征在于，還包括散熱折疊梁和外部固定點(diǎn)，所述散熱折疊梁一端與散熱框架連接，另一端連接在外部固定點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的1213可諧調(diào)光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片，其特征在于，其中散熱框架還在外側(cè)設(shè)有多根散熱硅梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的1213可諧調(diào)光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片，其特征在于，其中散熱硅梁的數(shù)量為10?40條。
5.一種制備如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的1213可諧調(diào)光學(xué)驅(qū)動(dòng)器芯片的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)準(zhǔn)備301硅片作為基片，首先在301的器件層制作熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及微鏡面結(jié)構(gòu)； 2)采用等離子刻蝕工藝在器件層上正面制作熱驅(qū)動(dòng)及微鏡面結(jié)構(gòu)； 3)在301硅片的背面制作背面釋放結(jié)構(gòu)圖形，利用硅深刻蝕技術(shù)進(jìn)行深刻蝕硅層并去除二氧化硅層，完成結(jié)構(gòu)釋放； 4)最后在微鏡面以及電極區(qū)域制作上金屬膜層，形成驅(qū)動(dòng)電極和鏡面。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK104459997SQ201410715610
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】李四華, 王文輝, 林沁, 李維, 施林偉 申請(qǐng)人:深圳市盛喜路科技有限公司