微雙層板熱致動元件及在光衰減器的應用

Abstract

雙層板結構式的微電熱致動器在微系統技術裡是常見的致動元件之一，它具有大變形且輸入電壓小的特性，尤其是該元件可利用半導體材料與技術製作且製程簡單。此外，分波多工(WDM)設備在光纖通訊上是重要的頻寬增量系統，而光衰減器在多波多工設備中是不可或缺的。藉由微機電技術的優勢，研發微型光衰減器成為一重要的課題。 本論文主要是以雙層板結構為基礎，探討兩種具垂直運動的微熱致動器設計。第一種雙層板薄膜致動器由懸浮平面薄膜與四組雙層樑結構組成，部份薄膜也是雙層板結構之一。在幾何尺寸方面，該平面薄膜面積為2 × 2平方毫米且雙層樑長度為600微米，總厚度為3.1微米。在致動方面，當輸入44伏特電壓時薄膜中央有16微米的最大變形量，在薄膜變形方面，電壓輸入36伏特後開始有不平滑曲面結果發生。第二種為利用串接多組微致動單元，該單元由一根拘束樑與兩側各安置一條可中央或兩端點加熱雙層板所組成。當兩側雙層板加熱時，由於加熱位置不同造成拘束樑兩側雙層板各向上與向下方向擴展。由於兼具對稱結構，故結構中央部位有穩定且變形的結果。本論文以四組致動單元組成一垂直變形致動器，總長度，寬度與厚度分別為510，400與2微米。該結構運作溫度以模擬與量測值做驗證得到一良好的結果。在致動方面，當輸入電壓為4.5伏特時有22.5微米的伸長量，輸入電壓為5.0伏特時量測的最高溫度為147度。 在一具有雙光纖準直透鏡與光滑反射鏡面組成的光學模組裡發現小曲率半徑可得到大光衰減量。在雙層板薄膜致動器的薄膜背面加上反射鏡面後配合雙光纖準直器，可組成一可調變微光衰減器。該衰減器的插入損入為0.53 dB，最大衰減量為40 dB (46 伏特電壓)。經200次運作之後插入損失偏移量小於0.05 dB。該特色是微鏡面變形後為一不平滑曲面鏡，與平滑曲面鏡比較起來具有光衰減增益效果。增益幅度最高到100％，最少可達到60%的光衰減量。