一种静电驱动微机械元件的结构模型

在微传感器、微致动器、微机电系统(MEMS)及其他微系统中,静电力驱动的微机械装置是这些器件和系统的重要模块。由这种微机械装置所构成的阵列已经应用在视频投影仪、微流体泵系统、光通信系统、可调波长的激光器以及微波电路中[1～4]。本文针对微光机电系统(MOEMS)可编程相位光栅的结构模型,提出了一种静电驱动的微机械元件作为可编程光栅的基本结构元素,即可控变形的光带结构。由这种光带所构成的阵列作为可编程光栅的主要结构,使可编程相位光栅技术应用于许多高新技术领域,如全光网络通信的多频光合成/分离技术、光互连技术以及用于宇航空间光通信的光舵技术等方面。另外,可编程相位光栅也可作为微型光谱仪的新颖的色散器件。本文的计算结果及研究结论,将对MOEMS可编程相位光栅样机的加工、实验的完成以及将来的应用有重要的作用,并为更深更广的研究奠定了基础。

1　光带结构设计及模拟

设计如图1a所示的可编程相位光栅结构,通过驱动电路的编程控制,光带能够按照要求在一定程度内发生变形,形成某种编程状态(如图1b所示),使得光栅的等效特征参数发生改变。因此光栅可以对光场光波的相位分布特性进行控制,使得特定波长的光波空间相位按要求重新分布,产生预期的衍射和干涉能量分布特性。

可编程相位光栅中的每一条光带都是一个可以连续控制的可动微机械零件,图2是光带结构示意图。在光带和驱动电极之间施加相应电压,静电力就能够使光带发生形变(如图2b),在这个过程中,位移量是可以由电压控制的。

2　致动特性

静电驱动的一个重要特征是能够准确地控制光带形变。为了实现对光带结构优化设计,需把握各种参数对光带发生形变的影响。静电驱动光带结构在力学上其本质是两端固定微梁结构,在电学上可与驱动电极一起在整体上视为平行平板电容器。光带单位长度上的静电力大小[5]表示为

在式(1)和式(2)中:以微梁的一端为坐标轴横轴的起点,沿微梁的长度方向为横轴方向,则x是指微梁上各点的位置,y(x)是表征微梁上各点的变形程度的函数;U是微梁与电极间所施加的电压;T是微梁中的拉力;ε0是真空的介电常数;对于微梁来说,ε是微梁(氮化硅材料)的介电常数;E是弹性模量;I是弯曲截面系数;t是微梁的厚度;h是微梁未变形时其底部到衬底的距离,即气隙的厚度;L是微梁的长度。从两式可以看出,影响微梁最大变形(亦即整个弯曲微梁中发生最大位移处的变形量,表示为ymax)的因素有t,h,L和U等。然而,由微分方程不能求出y(x)的解析解。本文在典型结构参数为L=50.0μm,t=0.2μm,h=1.0μm,施加30V电压等初始条件下用ANSYS建模、计算后得到ymax为0.2μm。