关键词：MEMS | 可调谐VCSEL | COMSOL | 蝴蝶结悬臂 | 米塞斯应力
一、研究背景
你知道吗？可调谐VCSEL激光器在大范围调谐时，里面的MEMS悬臂固定端容易因应力集中而发生结构损坏。这篇来自长春理工大学的论文（红外与激光工程，2019年），就针对这个问题提出了一个很巧妙的解决方案------把悬臂固定端做成蝴蝶结状。跟等截面直臂相比，这种形状能大幅降低固定端的米塞斯应力，最大降幅达64%。如果你刚开始接触MEMS仿真，这篇的思路和方法非常值得拆一遍。
图1 可调谐VCSEL器件结构及蝴蝶结状MEMS悬臂结构示意图
二、仿真方法
论文采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件对蝴蝶结状MEMS悬臂进行力学仿真。悬臂结构由中间一个正方形连接四根悬臂，每根悬臂末端是一个等腰梯形。工作原理很直观：在调谐电极上加反向电压后，静电力使悬臂向下弯曲，缩小了空气隙厚度，从而改变激光波长。研究分别对两种材料体系进行了分析：GaAs基材料（对应850nm波长，空气隙2µm，悬臂位移800nm）和InP基材料（对应1310nm波长，空气隙3µm，悬臂位移1µm）。每种材料体系下，都分别扫描了等腰梯形上底边a、下底边b和下底角θ对固定端米塞斯应力的影响。
图2 不同下底角蝴蝶结状悬臂固定端最大米塞斯应力分布（GaAs基和InP基材料）
三、结果分析
仿真结果让人印象深刻。对GaAs基材料而言，当等腰梯形上底边a=20µm时，蝴蝶结状悬臂固定端的最大米塞斯应力为2660 kPa，相比等截面状结构降低了64%。即使在接近等截面的参数下（下底角θ=60°时最大应力4463 kPa，降低37%），改善仍然显著。InP基材料的规律类似：上底边a=20µm时固定端应力为2015 kPa，降低50%；下底角θ=75°时为2845 kPa，降低33%。有意思的是，蝴蝶结状只降低了悬臂固定端的应力，对悬臂中间和边缘的应力分布没有影响------这说明结构优化是局部精确的，不会牵一发而动全身。关于拉入电压，各项参数增大时拉入电压均有小幅增加，但并不影响器件的正常工作。GaAs基可调谐VCSEL的自由光谱范围可达45 nm，InP基可达48 nm。
图3 GaAs基材料不同下底角悬臂中间、边缘和固定端米塞斯应力值分布
图4 InP基材料不同下底角悬臂中间、边缘和固定端米塞斯应力值分布
图5 GaAs基材料等腰梯形参数与拉入电压、固定端米塞斯应力最大值关系
图6 InP基材料等腰梯形参数与拉入电压、固定端米塞斯应力最大值关系
四、我们提供的服务
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