一种mems可调谐光学驱动器与制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种MEMS可调谐光学驱动器及其制作方法，该驱动器包括基片、主变形梁、第一变形梁、第二变形梁、驱动电极、微镜面、散热框架结构、散热折叠梁和外部固定点，其特征在于所述第一变形梁和第二变形梁为主变形梁提供底部变形支撑；所述散热框架结构与微镜面隔离，所述折叠梁散热结构与散热框架及外部固定点相连。本发明采用了直拉直压的变形梁设计结构，对主变形梁提供支撑，避免了传统弯曲梁的不稳定性，并实现更大的热驱动位移。同时，采用散热框架及散热折叠梁的设计使得微镜面不直接与变形梁接触，降低热变化对微镜面的温度影响，增加了器件可靠性。由于采用了MEMS设计，能够实现紧凑的光衰减器封装。
【专利说明】—种MEMS可调谐光学驱动器与制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种MEMS光学驱动器及制作方法，特别涉及一种小型化、高可靠性的MEMS可调谐光学衰减器件。
【背景技术】
[0002]在全球高速宽带大发展的背景下，高速通信宽带在经济社会发展中起着越来越重要的作用。随着近年来大数据及各种通信业务的迅猛增长，新型智能高速光通信网络进入快速发展的阶段。智能高速光通信网络为了实现其智能化、动态可调谐的控制网络中的光信号，采用了一大批新型光电子功能器件与模块以提高其智能化和动态可调谐水平。同时为了实现网络设备的小型化以及集成化，对光电子器件的尺寸、集成化及可靠性也有了更高的要求。因此小型化、动态可调以及高可靠性的光器件成为新型光通信网络中不可或缺的关键器件。
[0003]光学可调衰减器(Variable Optical Attenuator, V0A)是一种光路信号控制器件，在光通信网络中主要功能用于光信号强度的衰减，以及光器件的过载保护等。同时随着数据中心大量的光网络信息要求，可调光衰减器应用也越来越广泛。
[0004]相对于传统的手动式光衰减器，基于MEMS技术的光学衰减器具有响应速度快，小型化以及动态可调谐等优点。基于MEMS技术的可调光衰减器主要有两种技术方案:一种是基于微镜面的光反射式封装的VOA器件，其利用微镜面的反射角度反射光信号形成光信号的耦合变化实现光信号的衰减。CN200410053563.3公开了一种采用静电驱动的反射式MEMS光衰减器芯片设计及制作方法。反射式封装的光衰减器技术方案具有低功耗，衰减量大等优点，但其光学偏振特及波长相关特性较差，并且其需要采用反射式的封装，使得其光路调节较为复杂。另一种是基于微镜面的移动进行光信号遮挡型封装的VOA器件，其利用微镜面的移动遮挡住输入输出光信号实现光衰减功能。挡光型光衰减器其偏振及波长相关的指标较好，同时封装中光路调节也较为简便。
[0005]在挡光型VOA器件中，利用弯曲梁的热驱动结构移动微镜面进行遮挡光信号是一种通常采用的方式，其弯曲梁结构最早由L.que等人在1999年的MEMS’ 99会议上发表(Bent-beam electro-thermal actuators for high force applicat1n),其原理是利用电流加热梁结构后引起的热膨胀产生结构位移。专利US6275320B1提出了一种采用简单热驱动结构移动镜面的MEMS光学衰减器，但该种热驱动结构体积较大，其中热驱动结构采用的弯曲梁与微镜面直接相连，导致其镜面容易受热影响产生温度相关的损耗，降低其器件可靠性；同时传统的弯曲梁热驱动结构在使用过程中容易存在往运动方向相反的不稳定状态，从而导致热驱动结构的不稳定性，在使用过程中存在可靠性问题。
[0006]为了满足现在对光器件小型化及器件可靠性越来越高的要求，本 申请人:提出了一种紧凑型的VOA器件封装方案，申请号为CN201310744255.4及CN201320881770.2。为了配合该封装方案， 申请人:也曾提出了一种非常紧凑的热驱动及高可靠性的MEMS VOA光学驱动器芯片设计方案。
【发明内容】
[0007]针对上述问题，本发明的目的是提供一种MEMS可调谐光学驱动器芯片结构，其特征在于，它包括基片、主变形梁、第一变形梁、第二变形梁、驱动电极、微镜面、散热框架结构、散热折叠梁和外部固定点，其特征在于所述第一变形梁和第二变形梁位于主变形梁两端，与驱动电极连接，为主变形梁提供直拉直压的底部变形支撑；所述散热框架结构与主变形梁连接但与微镜面隔离，所述折叠梁散热结构与散热框架及外部固定点相连。
[0008]上述方案，采用新颖的直拉直压的第一和第二变形梁做为主变形梁的底部支撑及变形结构，避免了传统热驱动梁在使用过程中产生相反方向的不稳定状态，增加了光器件的可靠性。同时，直拉直压的第一变形梁和第二变形梁在热驱动时也产生热膨胀，能够同时增加主变形梁的变形量，可在不增加整体器件尺寸的情况下，同时实现增大位移量的目的。散热框架结构与变形梁进行连接并与微镜面进行隔离，这大大降低了变形梁热变化对微镜面的影响，减低了微镜面引起的光衰减器温度相关损耗，提高了整体光衰减器的光性能及可靠性。同时连接散热框架的折叠梁既可以提高散热功能，同时也可以提高微镜面的抗振动特性。
[0009]基于本发明提出的直拉直压变形梁热驱动结构，也可以变化为增加两个直拉直压变形梁，其具有类似V型驱动结构，同时增加不同的驱动电极，该种设计方案将能产生更大的位移变形结构。
[0010]所述一种MEMS可调谐光学驱动器芯片采用MEMS工艺制作，其基本的制作步骤如下:
1)准备SOI硅片作为基片，首先在SOI的器件层制作热驱动结构及微镜面结构；
2)采用等离子刻蚀工艺在器件层上正面制作热驱动及微镜面结构；
3)在SOI硅片的背面制作背面释放结构图形，利用硅深刻蚀技术进行深刻蚀硅层并去除二氧化硅层，完成结构释放；
4)最后在微镜面以及电极区域制作上金属膜层，形成驱动电极和镜面。
[0011]与现有技术相比，本发明的该芯片的热驱动结构设计新颖，采用了直拉直压的变形梁设计结构，对主热变形梁进行了支撑，同时避免了传统弯曲梁的不稳定性，并实现更大的驱动位移。同时，采用散热框架及散热折叠梁的设计使得微镜面不会直接与变形梁接触，降低变形梁处的热变化对微镜面的温度相关影响，增加了芯片及光衰减器的器件可靠性。由于采用了 MEMS设计及紧凑的热驱动原理，设计的芯片能够实现非常紧凑的光衰减器封装。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例结构示意图。
[0013]图2是本发明另一实施例中变形梁热驱动结构示意图。
[0014]图3是本发明另一实施例中增加散热片的散热框架结构示意图。
[0015]图4是本发明实施例1制作工艺过程结构剖面示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本发明在提供的优选实施例为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。本发明附图为示意参考图，不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系，也不应该被认为限制本发明的范围。
[0017]图1是本发明实施例平面结构示意图，本实施例的MEMS光学驱动器芯片包括基片(图中未标示)、变形梁1、变形梁2、变形梁3、驱动电极4、微镜面5、散热框架6、散热折叠梁7和外部固定点8。所述变形梁I和变形梁3做为变形梁2的底部支撑及变形结构，与驱动电极4相接，在进行热驱动变形时，变形梁I和变形梁3对变形梁2提供直拉直压的变形支撑，增大了整个变形梁2的形变量，例如当直拉直压变形梁I和变形梁3:长500um,宽5um,弯曲梁2两固定端之间间距1500um时，直拉直压变形梁的热驱动模型可以比传统热弯曲梁增加20?30%的位移量。
[0018]所述微镜面5固定在散热框架6及散热折叠梁7中，与热驱动变形梁2进行了隔离，避免了变形梁上的热变化产生微镜面的温度相关损耗，当散热框架6的尺寸设计为框架整体长350um，高500um，框架梁宽10um，厚度22um，微镜面5尺寸在380umxl00um长宽时，利用其增加的散热面积，可以降低微镜面上温度约50度；所述折叠梁7与散热框架6进行相连，同时折叠梁7也与外部固定点8相连，能够更进一步的提高微镜面散热效果，例如，设计折叠梁7长300um，宽5um，并具有多次折叠设计，能产生温度降低约20度。同时折叠梁7也可以提高微镜面5的抗振动特性。
[0019]可选地，在另一实施例中，所述MEMS光学驱动器芯片的变形梁结构也可以变化为如图2所示结构，在主变形梁两端再增加两个直拉直压变形梁9和变形梁10，使其具有类似V型驱动结构，同时增加不同的驱动电极，其内部电流结构如图示箭头所示，该种设计方案将能产生更大的位移变形结构。
[0020]可选地，在另一实施例中，所述MEMS光学驱动器芯片的散热框架结构也可以变化为如图3所示结构，所述散热框架还可以在两端进一步设置多根散热硅梁Y以进一步提高散热面积。例如，当散热梁Y长lOOum，宽5um，厚22um，数量可以在1(Γ40条左右，可以实现比单独散热框更好的散热效果。
[0021]以下是本发明MEMS光学驱动器芯片的制备方法，如图4所示，其主要包括以下步骤:
51:准备SOI硅片作为基片，首先在SOI的器件层涂覆光刻胶，曝光制作热驱动结构及微镜面结构；
52:采用等离子刻蚀工艺在器件层上正面制作热驱动及微镜面结构，并去除光刻胶层；
53:在SOI硅片的背面涂覆光刻胶，曝光制作背面释放结构图形；利用等离子刻蚀技术深刻蚀硅层到SOI硅片的掩埋氧化层，并去除二氧化硅层和光刻胶，完成结构释放；
S4:最后在微镜面以及电极区域表面制作金属膜层，完成镜面和电极。
[0022]
综上所述，本发明具有以下优点:
1.热驱动结构设计新颖。该芯片的热驱动结构设计新颖，采用了直拉直压的变形梁设计结构，对主热变形梁进行了支撑，同时避免了传统弯曲梁的不稳定性，并实现更大的驱动位移。
[0023]2.增加热驱动结构的芯片可靠性。散热框架及散热折叠梁的设计使得微镜面不会直接与变形梁接触，降低变形梁处的热变化对微镜面的温度相关影响，增加了芯片及光衰减器的器件可靠性。
[0024]3.体积小。由于采用了 MEMS设计及紧凑的热驱动原理，设计的VOA芯片能够实现非常紧凑的光衰减器封装。
[0025]本发明虽然已以优选实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变形及修饰，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种1213可谐调光学驱动器芯片与制作方法，所述芯片包括:基片、驱动电极、变形梁、微镜面和散热框架，其中，变形梁的两端与驱动电极相连，所述微镜面位于散热框架中，所述散热框架与主变形梁的中间部分受力点相连，其特征在于还包括数量至少为2！！ (^1)0)的支撑梁，所述支撑梁两两地与驱动电极相连，从而在变形梁和驱动电极之间形成支撑结构。
2.根据权利要求1所述的1213可谐调光学驱动器芯片，其特征在于，还包括散热折叠梁和外部固定点，所述散热折叠梁一端与散热框架连接，另一端连接在外部固定点上。
3.根据权利要求1或2所述的1213可谐调光学驱动器芯片，其特征在于，其中散热框架还在外侧设有多根散热硅梁。
4.根据权利要求3所述的1213可谐调光学驱动器芯片，其特征在于，其中散热硅梁的数量为10?40条。
5.一种制备如权利要求1-5中任一项所述的1213可谐调光学驱动器芯片的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)准备301硅片作为基片，首先在301的器件层制作热驱动结构及微镜面结构； 2)采用等离子刻蚀工艺在器件层上正面制作热驱动及微镜面结构； 3)在301硅片的背面制作背面释放结构图形，利用硅深刻蚀技术进行深刻蚀硅层并去除二氧化硅层，完成结构释放； 4)最后在微镜面以及电极区域制作上金属膜层，形成驱动电极和镜面。
【文档编号】B81B3/00GK104459997SQ201410715610
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】李四华, 王文辉, 林沁, 李维, 施林伟 申请人:深圳市盛喜路科技有限公司