西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）mems传感器

S414.mems器件 mems已经在光衰减器、光学开关、光电力学、 光学系统调谐及集成、光学扫描、光电图像传感 器方面获得了越来越多的应用。 2022/10/7 1

2022/10/7 1 S4-14. mems器件 mems已经在光衰减器、光学开关、光电力学、 光学系统调谐及集成、光学扫描、光电图像传感 器方面获得了越来越多的应用

(MEMS)机械式光开关 MEMS:Micro Electronic and Mechanical System 利用硅材料和微电子加工技术制作的微机械装置 MEMS器件 可调谐器件 微FP腔 可调光衰减器 光调制器 低速率、低成本 接入网 光滤波器 •复用/解复用器 光栅 2022/10/7 2

2022/10/7 2 （MEMS）机械式光开关 MEMS：Micro Electronic and Mechanical System 利用硅材料和微电子加工技术制作的微机械装置 MEMS器件 •可调谐器件 •微F-P腔 •可调光衰减器 •光调制器 •低速率、低成本 •接入网 •光滤波器 •复用/解复用器 •光栅

基于移动光纤式(MEMS) 特点 的用真数关X的到强 偏振无关 输入光纤 双向开关 机械可靠性高 设计不受光纤种类限制 开关速度慢（毫秒) 一民单 输出光纤 2022/10/7 3

2022/10/7 3 基于移动光纤式（MEMS) 特点 •偏振无关 •机械可靠性高 •设计不受光纤种类限制 •开关速度慢（毫秒）

基于微镜式(MEMS) 特点 结构 二维 ·偏振无关 N结构方案 机械可靠性高 ·活动微镜只有两种状态 扩展性好 运动方式：上下折叠、左右移动和旋转 开关速度较快（10微秒) 控制简单 组成部分 •难以直接实现大端口数（最大32) ·用级联方式实现大端口数（可达数百） 活动微镜 三维 驱动执行单元 ·2N个微镜 •输入/输出光纤 每个微镜有N个可能状态 驱动结构极为复杂 2022/10/7 4

2022/10/7 4 基于微镜式（MEMS) 特点 •偏振无关 •机械可靠性高 •扩展性好 •开关速度较快（10微秒） 组成部分 •活动微镜 •驱动执行单元 •输入/输出光纤 结构 •二维 •N2结构方案 •活动微镜只有两种状态 •运动方式：上下折叠、左右移动和旋转 •控制简单 •难以直接实现大端口数（最大32） •用级联方式实现大端口数（可达数百） •三维 •2N个微镜 •每个微镜有N个可能状态 •驱动结构极为复杂

基于微镜式MEMS(二维) ◆◆ ◆◆◆ ◆0 4◆A ◆ 44 ◆、 ◆◆ 个个 个44 ◆ 44 ◆今个个 ◆◆ ◆◆ 4X4 4×4组成的8×8 2022/10/7 5

2022/10/7 5 基于微镜式MEMS（二维） 4×4 4×4组成的8×8

基于微镜式MEMS 开关反射镜 卉。滑的野关阳关开出 。南你工诚 固 较链接头解的赋调 饺链 ,点灿的其 一移动平台 拉杆 脚南湖数、 2022/10/7 6

2022/10/7 6 基于微镜式MEMS

其它方式MEMS Plate Polymeric Total internal reflection waveguide caused by the air gap Trench Plate Light Driving unit with holes Plate Fiber Polymeric waveguide Output2 Input2 Input1 Output1 Polymer i c waveguide Light Driving unit 2022/10/7

2022/10/7 7 其它方式MEMS

(MEMS)微机电系统型 ▣微机电系统型光衰减器是利用MEMS技术制造光 衰减器的精密部分，然后再将他们精密的组装起 来。它实际上也是一种机械式的光衰减器。 ▣优点：在硅基体上制造，使用相当标准的半导体 工艺，因此可以低成本大批量自动化生产 ▣缺点：它是机械部件，应用于通讯的可靠性还有 待手证实 2022/10/7 8

2022/10/7 8 （MEMS）微机电系统型  微机电系统型光衰减器是利用MEMS技术制造光 衰减器的精密部分，然后再将他们精密的组装起 来。它实际上也是一种机械式的光衰减器。  优点：在硅基体上制造，使用相当标准的半导体 工艺 ，因此可以低成本大批量自动化生产  缺点：它是机械部件，应用于通讯的可靠性还有 待于证实

待测电流 mams扭转微镜 输入光 输出光纤 Rogow sk线圈 电磁屏蔽 双光纤准直器 图4.3-4为一种采用mems的光学电流传感器(OCS)。它由Rogowski线圈、双端 固支式mems扭转微镜和双光纤准直器构成，其中Rogowski线圈由金属导线缠绕 在环形非磁性芯棒上形成，并与长直输电导线形成穿心结构；mems扭转微镜置 于永磁铁形成的磁场中，正面的驱动线圈通过位于绝缘层下的连接线和 Rogowski线圈串联成回路，背面的反射镜面与双光纤准直器相对且初始偏角为 零度，mems扭转微镜与双光纤准直器封装在一起并加以电磁屏蔽。 2022/10/7 9

2022/10/7 9 图4.3-4为一种采用mems的光学电流传感器（OCS）。它由Rogowski线圈、双端 固支式mems扭转微镜和双光纤准直器构成，其中Rogowski线圈由金属导线缠绕 在环形非磁性芯棒上形成，并与长直输电导线形成穿心结构；mems扭转微镜置 于永磁铁形成的磁场中，正面的驱动线圈通过位于绝缘层下的连接线和 Rogowski线圈串联成回路，背面的反射镜面与双光纤准直器相对且初始偏角为 零度，mems扭转微镜与双光纤准直器封装在一起并加以电磁屏蔽

mems-OCS工作过程包括电磁感应-机械振动-光学检测 三个步骤。根据电磁感应原理，Rogowsk线圈将交变大电 流信号转变为低电压信号，再以交变小电流的形式引入到 与之串联的mems驱动线圈内，驱动线圈在永磁铁的磁场力 矩作用下使微镜绕扭转梁振动，双光纤准直器与mems扭转 微镜背面的镜面形成反射光路，镜面扭转使反射光束的方 向发生改变，从而对耦合到光纤中的能量进行调制，因此 通过对输出光损耗峰值的检测可以确定镜面转角幅度，继 而获取电流幅值信息。 2022/10/7 10

2022/10/7 10 mems-OCS工作过程包括电磁感应-机械振动-光学检测 三个步骤。根据电磁感应原理，Rogowski线圈将交变大电 流信号转变为低电压信号，再以交变小电流的形式引入到 与之串联的mems驱动线圈内，驱动线圈在永磁铁的磁场力 矩作用下使微镜绕扭转梁振动，双光纤准直器与mems扭转 微镜背面的镜面形成反射光路，镜面扭转使反射光束的方 向发生改变，从而对耦合到光纤中的能量进行调制，因此 通过对输出光损耗峰值的检测可以确定镜面转角幅度，继 而获取电流幅值信息