MEMS光开关提高稳定性的研究

摘要

新型的以MEMS为基础的微机械光开关以其具有体积小、易于集成、对波长、折射率、温度等物理参数不敏感的特性，成为大容量交换光网络开关发展的主流方向。但相关设计理论和设计工具尚不能满足设计需求，设计中仍然以反复试验(trial and error)方法为主，导致成品率低，可靠性差，制约了产品的研发速度和产业化水平。 本文针对静电梳齿驱动结构的MEMS光开关，以平行板电容理论为基础，基于虚位移原理，导出了静电梳齿的静电力(或力矩)的计算模型；分析了因微结构弹性力与静电力的耦合作用而产生的吸合效应(pull-in or snap-down)；求解了微梁的临界挠度(pull-in deflection)；分析了气膜阻尼对微镜响应速度的影响；设计了具有较大阻尼的静电驱动MEMS光开关，并建立光开关的系统仿真模型。 提出了在光开关系统中加入反馈电容的方法，使静电驱动力的非线性得到改善，降低了微镜在移动过程中加速度的变化，从而提高了光开关的稳定性，并突破了静电驱动吸合效应的限制，在不改变光开关的紧凑性的前提下，增加微镜的移动距离。

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第一章绪论

1.1引言

1.2国内外发展现状

1.3本文的主要工作

第二章静电梳齿驱动MEMS光开关的工作原理

2.1概述

2.2静电梳齿驱动结构及原理

2.2.1MEMS光开关的基本结构

2.2.2MEMS光开关工作原理

2.3梳齿结构静电力计算

2.3.1平板结构静电力计算

2.3.2梳齿结构静电力计算

2.4静电驱动力的非线性分析

2.4.1吸合效应和挠度

2.4.2固端梁挠度误差分析

2.4.3临界电压的确定

2.5光开关的阻尼分析

2.6本章小结

第三章大阻尼静电驱动MEMS光开关设计

3.1 MEMS光开关的相关参数设计

3.1.1光开关模型机电动力学分析

3.1.2光开关初始间距d0和最大距离d的确定

3.1.3系统弹性系数K和驱动电压U的确定

3.1.4系统敏感质量块M的确定

3.1.5弹性梁尺寸的确定

3.1.6光开关的动态阻尼

3.2 MEMS光开关系统动力学建模与仿真

3.3 MEMS光开关参数分析

3.3.1静电力和弹性力分析

3.3.2气膜梳齿个数影响分析

3.4本章小结

第四章大位移静电驱动MEMS光开关设计

4.1静电驱动工作受限分析

4.2电容负反馈方案研究

4.2.1电容负反馈模型改进效果分析

4.2.2负反馈改进模型移动距离和电源电压的函数关系

4.3引入负反馈电容的MEMS光开关设计

4.3.1大位移光开关参数设计

4.3.2大位移光开关仿真

4.3.3大位移光开关分析

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1工作总结

5.2论文的不足及工作展望

致 谢

参考文献