激光點火系統(tǒng)用1×2 MEMS光開關(guān)研究

梅 崴，徐宇新，邢朝洋，胡啟方，李新坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039)

激光點火系統(tǒng)用1×2 MEMS光開關(guān)研究

梅 崴，徐宇新，邢朝洋，胡啟方，李新坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039)

激光點火是把激光作為一種“精密”點火源，利用激光的高能量特性，通過傳輸介質(zhì)起爆或點燃火工品的技術(shù)。本文針對激光點火系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對一種1×2 MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式以及微加工工藝進行了研究。經(jīng)測試，光開關(guān)的綜合性能滿足激光點火系統(tǒng)低插入損耗、短響應(yīng)時間和高隔離度的要求。

激光點火；MEMS；光開關(guān)；微加工

0 引言

激光點火是把激光作為一種“精密”點火源，利用激光的高能量特性，通過傳輸介質(zhì)起爆或點燃火工品的技術(shù)。激光點火是一種安全、可靠、輕便的新型點火技術(shù)［1］。激光點火系統(tǒng)主要由保險與解除保險裝置、電子控制系統(tǒng)、激光器、傳能光纖和火工品組成。在激光點火系統(tǒng)的傳能光路中加入光開關(guān)，使用光開關(guān)作為激光點火系統(tǒng)的激光保險與解除保險裝置，可以增加系統(tǒng)的安全性，有利于系統(tǒng)的小型化，實現(xiàn)多模尋址點火［2］。在通常情況下光開關(guān)不導(dǎo)通，即使激光器誤觸發(fā)也不會產(chǎn)生輸出；當光開關(guān)接收到控制信號，將光路打開后，激光才能輸入到點火系統(tǒng)中，如圖1所示。

圖1 激光點火系統(tǒng)組成Fig．1 Laser ignition system

光開關(guān)因在光通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而獲得大量關(guān)注與研究，并推廣到航天軍事領(lǐng)域，相對于光通信系統(tǒng)，激光點火系統(tǒng)中激光功率較高，達到瓦級，應(yīng)用環(huán)境中振蕩沖擊較大，因此為滿足激光點火系統(tǒng)應(yīng)用需求，光開關(guān)應(yīng)具有以下特點：1)高耐受光功率；2)低插入損耗；3)高隔離度；4)開關(guān)快速響應(yīng)；5)高可靠性，抗沖擊、抗振動。

1999年，Beamesderfer等設(shè)計了一種雙光纖反射連通微光開關(guān)，微反射鏡采用LIGA工藝制作，其位置精度對插入損耗影響較大［3］。2004年和2005年，美國馬里蘭大學的Cochran等先后報道了兩種應(yīng)用于水下武器的保險與解除保險裝置中控制激光能量通斷的微小型光纖光開關(guān)。其中一種為反射鏡型微機電（MEMS，Micro?electromechanical Systems)光纖光開關(guān)，最大傳輸功率為1 W，光學傳輸效率為50％［4］；另一種為光纖直接連接型MEMS光纖光開關(guān)，由熱執(zhí)行器、懸臂梁、光纖夾持機構(gòu)、兩根能量光纖組成，其激光功率容量達5.280 W，光開關(guān)的光學傳輸效率為88％，但熱驅(qū)動方式響應(yīng)時間較長，達到100ms［5］。

本文針對激光點火系統(tǒng)的應(yīng)用特點，對一種大行程1×2 MEMS光開關(guān)的工作原理、驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及微加工工藝開展了研究分析，經(jīng)測試，光開關(guān)的綜合性能夠滿足激光點火系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

1 1×2 MEMS光開關(guān)工作原理

MEMS光開關(guān)按照光路切換原理可分為光路遮擋型、移動光纖型和微反射鏡型。光路遮擋型光開關(guān)響應(yīng)快、插入損耗小，但隔離度低、抗沖擊能力較差。移動光纖型光開關(guān)光耦合效率高、耐受光功率高，但響應(yīng)較慢，一般為50ms～100ms，有時還存在回跳抖動現(xiàn)象［6］。

本文研究的1×2 MEMS光開關(guān)為微反射鏡型，且微反射鏡為面內(nèi)運動，工作原理如圖2所示。

圖2 1×2 MEMS光開關(guān)工作原理Fig．2 The operating principle of 1×2 MEMS optical switch

光開關(guān)主要由輸入端光纖、直通端光纖、反射端光纖、微反射鏡、驅(qū)動結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路組成，且微反射鏡與3根光纖所成的銳角均為45°。在激光點火系統(tǒng)中，1×2 MEMS光開關(guān)位于激光器和火工品之間，其輸入端光纖與激光器相連，直通端光纖與火工品相連，反射端光纖與光電探測器相連。通常情況下光開關(guān)驅(qū)動信號為0V，光開關(guān)保持閉合狀態(tài)，微反射鏡位于光路中，此時即便激光器發(fā)生誤觸發(fā)，激光由輸入端光纖進入光開關(guān)，由于微反射鏡的反射作用，激光耦合至反射端光纖，無法對火工品進行引爆，同時激光通過光開關(guān)反射端光纖傳輸至光電探測器，探測器隨之將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入至激光點火系統(tǒng)的電子控制器，對激光器進行關(guān)閉；當光開關(guān)的驅(qū)動信號為5V時，驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定位移，使得與之相連的微反射鏡離開光路，激光點火系統(tǒng)隨后打開激光器，激光由輸入端光纖進入光開關(guān)，直接耦合至直通端光纖，對火工品進行引爆。

2 1×2 MEMS光開關(guān)驅(qū)動結(jié)構(gòu)

靜電梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、響應(yīng)快，且為面內(nèi)平動的驅(qū)動方式，可靠性高，符合激光點火系統(tǒng)的應(yīng)用需求。本文研究的1×2 MEMS光開關(guān)驅(qū)動方式為靜電梳齒驅(qū)動，驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 1×2 MEMS光開關(guān)驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig．3 The driving structure of 1×2 MEMS optical switch

光開關(guān)驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要由固定梳齒、可動梳齒、彈性支撐梁組成。固定梳齒和錨點均保持固定不動，在固定梳齒與可動梳齒之間施加驅(qū)動電壓，兩排梳齒之間產(chǎn)生靜電力，驅(qū)使可動梳齒產(chǎn)生Y方向的位移，從而帶動與之相連的微反射鏡發(fā)生運動。微反射鏡的位移Δy與靜電力Fy之間的關(guān)系可等效為：

其中，ky為彈性支撐梁Y方向的結(jié)構(gòu)剛度。

激光點火系統(tǒng)所用激光功率較高，光開關(guān)采用125／62.5多模光纖。在圖2中，光纖與微反射鏡呈45°夾角，為使微反射鏡對光路進行完整的切換，驅(qū)動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動位移Δy應(yīng)滿足：

為達到驅(qū)動位移的要求，除增加靜電力Fy外，還應(yīng)降低彈性支撐梁Y方向的結(jié)構(gòu)剛度，增大其變形能力。同時為提高光開關(guān)抗沖擊與振動的能力，彈性支撐梁應(yīng)具有較大的側(cè)向剛度，以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性。

驅(qū)動結(jié)構(gòu)的彈性支撐梁采用分布式結(jié)構(gòu)，支撐梁兩端較細，厚度為h，中間較粗，厚度為H，如圖4中的A所示。B、C分別為厚度為h和H的均布式支撐梁。

圖4 3種彈性支撐梁Fig．4 Three kinds of elastic support beams

采用ANSYS建立3種支撐梁的模型，支撐梁左端固定，右端自由，如圖5（a)所示。當在3種支撐梁右端單獨施加Y方向作用力Fy時，變形情況如圖5（b)所示，變形能力B＞A＞C。其中，A梁位移為B梁1／2。當在3種支撐梁右端施加Fy的同時，施加一個X方向的作用力Fx，變形如圖5（c)所示。與圖5（b)相比，A梁、C梁未出現(xiàn)明顯變化，B梁則發(fā)生大幅變形，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

彈性支撐梁采用分布式結(jié)構(gòu)，既可保證Y方向較大的變形能力，同時在受到側(cè)向力干擾時，能保持穩(wěn)定狀態(tài)，滿足光開關(guān)大行程、高可靠的性能要求。

圖5 彈性支撐梁仿真Fig．5 Simulation of elastic support beams

3 1×2 MEMS光開加工工藝

1×2 MEMS光開關(guān)主要由MEMS光開關(guān)芯片、光纖、驅(qū)動電路構(gòu)成，其中MEMS光開關(guān)芯片采用微加工工藝制作，3根光纖在MEMS光開關(guān)芯片的光纖槽內(nèi)完成光纖耦合。

3．1 微加工工藝

1×2 MEMS光開關(guān)采用基于玻璃上硅（Silicon On Glass，SOG)的微加工工藝，工藝流程如圖6所示。

a)鍍金，在玻璃襯底上鍍上金圖形；

b)錨區(qū)刻蝕，在硅片背面刻蝕出錨區(qū)圖形；

c)陽極鍵合，通過陽極鍵合工藝將硅片與玻璃片鍵合在一起，錨區(qū)與玻璃表面接觸，形成穩(wěn)固的連接；

圖6 光開關(guān)微加工工藝Fig．6 The micromachining process of optical switch

d)濕法減薄與化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP)，通過濕法減薄將硅片減至100μm，然后通過CMP對其表面進行拋光處理；

e)電感應(yīng)耦合等離子（Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蝕，通過ICP進行光開關(guān)結(jié)構(gòu)刻蝕。

對于SOG結(jié)構(gòu)，帶電的刻蝕活性基團與基底介質(zhì)層接觸時，電荷被捕獲并累積形成內(nèi)建電場，后來的活性基團受電場力的排斥，偏離原來豎直向下的運動軌道，刻蝕硅結(jié)構(gòu)的底部，產(chǎn)生嚴重的Notching（根部過刻)效應(yīng)［7］。光開關(guān)深寬比較高，超過50，ICP刻蝕過程中發(fā)生的Notching效應(yīng)會對光開關(guān)可動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重破壞。工藝a)在光開關(guān)可動結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的玻璃襯底表面鍍上一層金，將電荷轉(zhuǎn)移以消除電場，同時采用低頻下電極功率源，降低帶電離子的反射幾率，有效抑制了Notching效應(yīng)的產(chǎn)生。

刻蝕完成的光開關(guān)芯片的SEM照片如圖7所示，其中圖7（a)為驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括靜電梳齒與分布式彈性支撐梁，圖7（b)為微反射鏡。

圖7 光開關(guān)芯片SEM照片F(xiàn)ig．7 SEM picture of the optical switch

3．2 光纖耦合工藝

1×2 MEMS光開關(guān)光纖耦合過程，若光開關(guān)未施加驅(qū)動電壓，微反射鏡位于光路中，直通端光纖接收不到激光，無法實時監(jiān)測輸入端與直通端的光纖耦合效率；輸入端光纖與反射端光纖呈90°夾角，無法采用光纖耦合系統(tǒng)中左右布置的微調(diào)整架進行直接耦合，移動調(diào)整架則較為繁瑣，且嚴重影響多表耦合的工作效率。

采用圖8（a)所示的光開關(guān)耦合底座，由上電工裝、轉(zhuǎn)動臺和轉(zhuǎn)接板3部分組成。上電工裝上表面加工出定位槽和光開關(guān)針腳卡槽，將三引腳絕緣子放置于光開關(guān)針腳卡槽內(nèi)，為光開關(guān)提供驅(qū)動電壓；轉(zhuǎn)動臺采用的是小型手動可調(diào)旋轉(zhuǎn)臺，完成光開關(guān)輸入端與直通端光纖耦合后，旋轉(zhuǎn)90°，進行輸入端與反射端光纖耦合。完成光纖耦合的光開關(guān)芯片如圖8（b)所示。

4 1×2 MEMS光開測試

針對15只光開關(guān)樣機，對其直通端與反射端的插入損耗和隔離度進行測試，結(jié)果如表1所示。

圖8 光纖耦合工藝Fig．8 Technology of fiber coupling

表1 光開關(guān)插入損耗與隔離度Table 1 The insertion loss and isolation of optical switch

圖9為15只光開關(guān)樣機插入損耗與隔離度分布狀況。圖9（a)為光開關(guān)插入損耗分布，反射端插入損耗大于直通端，但波動幅度較小，重復(fù)性較高；圖9（b)為光開關(guān)隔離度分布，直通端與反射端隔離度均大于48dB。

圖9 光開關(guān)插入損耗與隔離度分布Fig．9 The insertion loss and isolation distribution of optical switch

光開關(guān)響應(yīng)時間測試包括“開”和“關(guān)”兩部分?！伴_”時驅(qū)動信號由低電平切換至高電平，響應(yīng)時間為0.9ms，如圖10（a)所示；“關(guān)”時驅(qū)動信號由高電平切換值低電平，響應(yīng)時間為0.5ms，如圖10（b)所示。

5 結(jié)論

本文針對激光點火系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對一種1 ×2 MEMS光開關(guān)進行了研究，分析討論了其工作原理、驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及微加工工藝，并對樣機開展了性能測試。結(jié)果表明，1×2 MEMS光開關(guān)插入損耗＜1.3dB，響應(yīng)時間＜1ms，隔離度＞48dB，滿足激光點火系統(tǒng)應(yīng)用的性能要求。

圖10 光開關(guān)響應(yīng)時間Fig．10 The response time of optical switch

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Research of 1×2 MEMS Optical Switch for Laser Ignition System

MEI Wei，XU Yu?xin，XING Chao?yang，HU Qi?fang，LI Xin?kun
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)

Laser ignition is a high technology which puts the laser as a kind of“precision”ignition source and deto?nates or lights initiating explosive device through a transmission medium by using the high energy feature of laser.This pa?per presents a 1×2 MEMS optical for laser ignition system and analyses its structure，drive mode and micromachining tech?nology.The test results of the optical switch meet the low insertion loss，short response time and high isolation requirements of laser ignition system.

laser ignition;MEMS;optical switch;micromachining

U666.1

A

1674?5558（2017)03?01256

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.016

梅崴，男，碩士，研究方向為新型MEMS儀表。

2016?03?21