[发明专利]一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置

说明书

本发明公开一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，属于引信全电子安全系统领域。本发明公开一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置，主要由输入光纤、输出光纤、可动式微镜、电热保险机构和电热驱动机构组成。MOEMS光开关的通和断是通过固定式光纤和可动式微镜组成的反射式光路的通和断实现，可动式微镜的运动通过电热驱动器机构实现，微镜上设计有保险槽和定位槽，利用电热保险机构卡入保险槽和定位槽实现对微镜的保险和定位，确保MOEMS光开关的通或断状态。本发明要解决的技术问题为：解决引信全电子安全系统电磁兼容性差的问题，具有下述优点：(1)结构尺寸小；(2)抗过载能力强；(3)电磁兼容性好；(4)工作可靠、适用性强。

技术领域

本发明涉及一种硅基MOEMS光开关装置，具体涉及一种基于电热驱动式微镜的硅基MOEMS光开关装置的原理及其设计方法，属于MOEMS光开关技术领域。

背景技术

引信全电子安全系统是集高能起爆技术与微电子技术于一体的高新技术，采用无隔爆爆炸序列，从根本上改变了引信的隔离设计思想。全电子安全系统有别于传统引信安全系统，具有安全性强、可靠性高、作用迅速等优点。虽然全电子安全系统的理论安全性高于其他类型安全系统，但在实际应用中全电子安全系统却存在诸多电磁安全隐患。电子元器件及电子电路在全电子安全系统中的大量应用，不仅易使全电子安全系统在弹药武器系统内与其他环节相互间产生严重的电磁干扰现象，而且易使全电子安全系统自身受到外界干扰，引起引信系统失效或早炸。研究表明，全电子安全系统存在的电子安全系统隐患主要来自于电子电路在与弹上电气接口工作时产生的涌浪电压，全电子安全系统低压-高压升压过程产生的大量谐波干扰，发火电容充电后形成的强静电场，外界射频、闪电、静电以及高空电磁脉冲等方面。在现有的全电子安全系统中，干扰能量主要通过静电场、电磁场和电子电路等途径传播。经过研究分析，切断干扰能量传输途径是简单有效的解决方案。根据过程能量不相容原则，可在能量传输途径中引入光电转换和光纤传输等环节，从而提高全电子安全系统的电磁兼容性。

随着大规模集成电路制造工艺的发展，微机械完成了从单元到系统的发展过程，微驱动器、传感器、控制器和微能源被集成到一个非常小的几何空间里，形成了微机电系统。采用微机电系统技术制备的器件尺寸和作用距离可以达到光的波长量级，而且绝缘体、半导体和金属可以平滑地构成一体，微机电系统与光学技术的结合应用成为可能。采用微机电系统技术的标准工艺，将微机械结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器和光电检测器件等完整地集成在一起，可形成一种全新的功能部件或系统，称为微光机电系统(MOEMS)。

微光机电系统(MOEMS)技术作为一门新兴的技术，能将微尺度的机械、光学以及其他一些器件与微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算和执行等功能。基于MOEMS技术的器件具有体积小、重量轻、功能全、抗过载能力强和批量生产成本低等特点，在引信中有较好的应用前景。MOEMS技术的新进展主要体现在通过微工艺使光学器件小型化，这其中最具代表性的成果为MOEMS光开关装置。由于传输光在自由空间存在发散现象，使得光在自由空间有较大的传输损耗，因此可选用光纤和光波导作为光的传输介质。随着微机械加工技术的进一步发展，制备出与光纤直径尺度相同的微驱动器、微反射镜和微悬臂梁等成为可能。因此，基于光纤光路的MOEMS光开关装置成为了当前MOEMS技术发展的重要方向。基于光纤光路的MOEMS光开关装置研究的实质是实现光纤光路的通断控制技术。基于MOEMS技术的光纤光路通常包括三种形式：阻断式光路、反射式光路和光纤移动式光路。

微驱动器是使MOEMS光开关装置产生机械运动，实现光路导通与关断控制的关键。目前，常用的微驱动器主要由静电微驱动器、压电微驱动器、形状记忆合金、电磁微驱动器和电热微驱动器。由于尺寸效应，热膨胀成为微尺度下效率较高的驱动方式。相比于其他的驱动方式，热驱动有诸多优点：热应力是结构内力，驱动结构自身能够获得足够热能即可实现较大位移，克服了静电驱动和电磁驱动对作用距离的依赖，且相对于静电力和磁场力，热应力较大。已经有一些研究基础和成果。