一种基于MEMS的片上连续非易失调节结构

本发明属于集成光电子器件领域的一种非易失调节光学结构，具体涉及一种通过静电梳驱动调节器和制动器，利用范德华力实现连续非易失调节的结构。

背景技术：

1、随着大规模数据网络的飞速发展，基于硅基光子平台的可重构、可编程数据网络日趋成熟。然而，由于数据量的爆炸式增长，数据中心网络的能耗随之增加，与之俱生的热处理问题等增加了数据中心的成本，如何进一步降低网络的能耗急需解决。

2、非易失调节作为一种可以在不同的网络状态之间可逆地切换，并且不需要额外的能量来维持某个状态的调节方式，可以大大降低网络的能耗。基于微机电系统(mems)的集成光子器件利用电容式的工作原理，在工作过程中不会产生较大的电流，与目前的集成光子器件相比也能够大幅降低系统的功耗。这两种技术能够实现以超低功耗完成并维持网络重构，进一步提升了集成光网络的潜力。

3、目前已经提出的实现非易失调节的方法可以分为两种：

4、一种是基于特殊材料的，这些材料可以在特定的条件下发生折射率的可逆改变，不需要额外的能量维持改变后的状态，并且能够在特定的条件下再恢复到初始状态，基于这样的方法目前已经实现了非易失的分光调节和非易失的光开关。然而，基于特殊材料实现非易失调节的方法一般伴随着比较大的光学损耗，并且材料重构过程中的能耗没有减少，再加上通过调节不同材料长度实现不同程度调节的方式很难做到连续的调节，基于特殊材料的非易失调节方式还有诸多的限制。

5、另一种是基于mems的，通过特殊的机械结构设计，能够利用机械结构的非易失性实现光学的非易失性，这种方法与基于特殊材料的方法相比具有重构过程超低功耗、光学损耗小、无需引入额外材料的优势，然而目前实现的mems非易失调节一般都是双稳态调节，多稳态或者连续的非易失调节还有待研究。

技术实现思路

1、针对上述背景技术，本发明的目的在于提供一种通过静电梳驱动调节器和制动器，利用范德华力实现连续非易失调节功能的片上mems器件。此器件在外接电压的作用下，利用静电梳驱动器驱动调节器发生运动，待调节器运动到目标位置后，再通过静电梳驱动器驱动制动器，使制动器与调节器相接触并在范德华力作用下粘连，此时去掉器件的所有外接电压后调节器也能够在制动器的作用下平衡在新位置，从而实现连续和非易失的调节。

2、本发明采用的技术方案是：

3、主要包括基底以及置于基底上的调节器和制动器；所述的调节器包括传动杆、两对固定岛弹簧结构和一组单向静电梳驱动器；传动杆为十字形结构，十字形结构的长边一端为连接端，连接端与连续非易失调节结构相连，长边另一端与单向静电梳驱动器相连；十字形结构的短边一端悬空无连接，短边另一端为制动端，制动端用于和制动器的制动杆接触连接；十字形结构在沿短边的两侧分布着两对固定岛弹簧结构，每对固定岛弹簧结构对称地分布在长边的两侧。

4、所述的单向静电梳驱动器包括一个固定静电梳和一个单向可移动静电梳；固定静电梳保持固定，固定静电梳上施加电压，单向可移动静电梳和传动杆长边的另一端固定连接，单向可移动静电梳和传动杆为悬空结构，由连续非易失调节结构带动单向可移动静电梳和传动杆整体移动进而带动单向可移动静电梳靠近或者原理固定静电梳移动。

5、所述的固定静电梳和单向可移动静电梳均主要由梳柄和在梳柄上周期分布的梳齿组成，梳柄和传动杆长边的另一端固定连接，梳柄的长度方向与传动杆的短边平行，各个梳齿布置在梳柄远离传动杆的一侧且沿着梳柄的长度方向周期性排列，每个梳齿的长度方向与传动杆的长边平行，梳齿的一端连接在梳柄上，另一端无连接。

6、每对所述的固定岛弹簧结构均主要由分别对称分布在传动杆长边两侧的两个固定岛弹簧组件构成，每个固定岛弹簧组件主要由一折叠弹簧和对折叠弹簧起支撑作用的固定岛组成；固定岛保持固定，折叠弹簧一部分和固定岛固定连接，另一部分和传动杆长边固定连接。

7、所述的制动器包括制动杆、两对固定岛弹簧结构、一组双向静电梳驱动器和机械停止结构；制动杆为长条形结构，长度方向与调节器中的传动杆的短边平行且位于同一直线上，制动杆的一端为制动端，制动端用于与调节器中的传动杆的制动端接触连接通过范德华力对传动杆制动，制动杆的另一端为限位端，限位端与机械停止结构靠近布置；制动杆从制动端到限位端依次连接有第一组固定岛弹簧结构、双向静电梳驱动器和第二组固定岛弹簧结构。

8、所述的制动器中两对固定岛弹簧结构分布在双向静电梳驱动器的两侧，双向静电梳驱动器的固定岛弹簧结构和调节器中的固定岛弹簧结构结构相同。

9、所述的双向静电梳驱动器包括一对双向静电梳组件构成，一对双向静电梳组件对称分布在制动杆长度方向的两侧，每个双向静电梳组件包括两个固定静电梳和一个双向可移动静电梳，两个固定静电梳上施加电压，两个固定静电梳均与调节器中的固定静电梳结构相同，双向可移动静电梳与调节器中的单向可移动静电梳结构类似，但是双向可移动静电梳区别在于梳柄的长度方向的两侧均设有对称的梳齿分布，两个固定静电梳分别布置在双向可移动静电梳的两侧；双向可移动静电梳靠近制动杆的一端与制动杆相连，远离制动杆的一端无连接；每个固定静电梳靠近制动杆的一端无连接，远离制动杆的一端与外部电路相连；靠近制动杆制动端的一固定静电梳为制动固定静电梳，靠近制动杆限位端的另一固定静电梳为解除制动固定静电梳。

10、所述的机械停止结构为一个底部通过掩埋层与基底相支撑连接的锥形结构，锥形结构的尖端与制动杆的限位端相正对布置。

11、所述的调节器和制动器布置在基底上，其中的单向静电梳驱动器的固定静电梳、固定岛弹簧结构的固定岛和双向静电梳驱动器的固定静电梳均底部通过掩埋层支撑布置在基底上。

12、本发明具有的有益效果是：

13、本发明实现了大范围连续非易失调节的功能，并且结构本身采用电容式驱动结构，能够大幅降低网络的功耗，且材料单一、结构简单、制作成本低。

14、本发明应用灵活性高，可以通过改变连接的结构实现多种连续非易失调节的器件，不会对连接的结构引入额外的损耗。

15、总之，本发明通过静电梳驱动调节器和制动器，利用范德华力实现连续非易失调节的功能，具有功耗低、调节范围大、制作工艺简单、灵活性强和不会引入额外损耗等显著优势。

技术特征：

1.一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：主要包括基底(11)以及置于基底(11)上的调节器和制动器；所述的调节器包括传动杆(1)、两对固定岛弹簧结构(2、3)和一组单向静电梳驱动器(4、5)；传动杆(1)为十字形结构，十字形结构的长边一端为连接端，连接端与连续非易失调节结构相连，长边另一端与单向静电梳驱动器(4、5)相连；十字形结构的短边一端悬空无连接，短边另一端为制动端，制动端用于和制动器的制动杆(6)接触连接；十字形结构在沿短边的两侧分布着两对固定岛弹簧结构(2、3)，每对固定岛弹簧结构(2、3)对称地分布在长边的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的单向静电梳驱动器(4、5)包括一个固定静电梳(5)和一个单向可移动静电梳(4)；固定静电梳(5)保持固定，单向可移动静电梳(4)和传动杆(1)长边的另一端固定连接，单向可移动静电梳(4)和传动杆(1)为悬空结构，由连续非易失调节结构带动单向可移动静电梳(4)和传动杆(1)整体移动进而带动单向可移动静电梳(4)靠近或者原理固定静电梳(5)移动。

3.根据权利要求2所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的固定静电梳(5)和单向可移动静电梳(4)均主要由梳柄和在梳柄上周期分布的梳齿组成，梳柄和传动杆(1)长边的另一端固定连接，梳柄的长度方向与传动杆(1)的短边平行，各个梳齿布置在梳柄远离传动杆(1)的一侧且沿着梳柄的长度方向周期性排列，每个梳齿的长度方向与传动杆(1)的长边平行，梳齿的一端连接在梳柄上，另一端无连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：每对所述的固定岛弹簧结构(2、3)均主要由分别对称分布在传动杆(1)长边两侧的两个固定岛弹簧组件构成，每个固定岛弹簧组件主要由一折叠弹簧(3)和对折叠弹簧(2)起支撑作用的固定岛(2)组成；固定岛(2)保持固定，折叠弹簧(3)一部分和固定岛(2)固定连接，另一部分和传动杆(1)长边固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的制动器包括制动杆(6)、两对固定岛弹簧结构(2、3)、一组双向静电梳驱动器(7、8、9)和机械停止结构(10)；制动杆(6)为长条形结构，长度方向与调节器中的传动杆(1)的短边平行且位于同一直线上，制动杆(6)的一端为制动端，制动端用于与调节器中的传动杆(1)的制动端接触连接通过范德华力对传动杆(1)制动，制动杆(6)的另一端为限位端，限位端与机械停止结构(10)靠近布置；制动杆(6)从制动端到限位端依次连接有第一组固定岛弹簧结构(2、3)、双向静电梳驱动器(7、8、9)和第二组固定岛弹簧结构(2、3)。

6.根据权利要求5所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的制动器中两对固定岛弹簧结构(2、3)分布在双向静电梳驱动器(7、8、9)的两侧，双向静电梳驱动器(7、8、9)的固定岛弹簧结构(2、3)和调节器中的固定岛弹簧结构(2、3)结构相同；

7.根据权利要求5所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的机械停止结构(10)为一个底部通过掩埋层(12)与基底(11)相支撑连接的锥形结构，锥形结构的尖端与制动杆(6)的限位端相正对布置。

8.根据权利要求1所述的一种基于mems的片上连续非易失调节结构，其特征在于：所述的调节器和制动器布置在基底(11)上，其中的单向静电梳驱动器(4、5)的固定静电梳(5)、固定岛弹簧结构(2、3)的固定岛(2)和双向静电梳驱动器(7、8、9)的固定静电梳(7、9)均底部通过掩埋层(12)支撑布置在基底(11)上。

技术总结
本发明公开了一种基于MEMS的片上连续非易失调节结构。包括基底、调节器和制动器；调节器包括传动杆、固定岛弹簧结构和单向静电梳驱动器；传动杆为十字形结构，制动器包括制动杆、两对固定岛弹簧结构、一组双向静电梳驱动器和机械停止结构，制动杆为长条形结构，制动杆的制动端用于与传动杆的制动端接触连接通过范德华力对传动杆制动。本发明实现了大范围连续非易失调节的功能，能降低网络的功耗，具有功耗低、调节范围大、制作工艺简单、灵活性强和不会引入额外损耗等显著优势。

技术研发人员：李欢,胡寅鹏,戴道锌
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15