壓電式光開關之設計與製作

壓電式光開關之設計與製作

黃世疇、范文凱、王珉玟 國立高雄應用科技大學 機械工程系 E-mail: [email protected]

摘 要

本文利用壓電陶瓷本身所具有之壓電效應使光開關產生位移，兩邊懸臂樑變形為相反方向，則可帶動懸 壁間之反射鏡面。文中先設計定義一槓桿式機構之光開關外形尺寸，槓桿式機構可使致動器達到位移放大的 目的，接著以有限元素分析軟體 Ansys 進行靜態分析，探討壓電不同參數與改變光開關幾何參數對位移量的 影響修正尺寸，最後進行模態分析求得各種自然頻率及所對應之模態振型，可製作出低頻大角度或是高頻掃 描器應用的光開關。 在光開關機構部份以微射出成形製程，使成形品可快速且大量生產，成形部分先以模流分析軟體Moldflow 模擬得到製程參數，在實際射出時使用田口品質規劃法降低射出成形時之翹曲量，並透過類神經模糊推論系 統於翹曲量之預測，可以完整的表現出成形參數及品質變數的定性與定量關係，並且建立一個準確的系統模 型，最後再進行實作與量測。當施加電壓50V，槓桿懸臂最大位移為 5.88μm。 關鍵詞：陶瓷壓電致動器、光開關、微射出成形、類深刻模造製程

1. 前 言

現今微型系統技術中，如微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）等製程時間過於冗長且 製造成本昂貴，因此尋求發展快速且符合經濟生產之微設備製造系統是當前重要的課題。近年來微射出成形 技術正趨成熟，目前精微模具所生產出的成形品已具有體積小、成本低廉、精密度高等諸多優點，應用之領 域也相當廣泛，如醫療產品及器材、汽車零件、電腦 3C 產品等[1]，運用射出成形之快速、低成本、效率佳 與精密度高的製造方式，將取代微機電系統成為快速生產之利器。 隨著網際網路及各種通訊網路的蓬勃發展，傳統金屬電纜架構下的通訊系統已漸漸不能滿足人們對寬頻 與低價的要求，無須透過訊號形式轉換的全光網路乃目前不可避免之趨勢，其關鍵元件「光開關」（Optical switch），更是全光網路架構的效能指標。透過光通訊開關直接處理交換光形式資料，而不必再轉換為其他的 協定形式，形成了所謂的全光網路（All-optical network）。 本文將射出成形之技術應用於光開關之元件，光開關係為使光訊號能由一輸入埠切換至目的輸出埠之裝 置。可應用於光通訊網路節點的光交換連結、光塞取多工等系統的全光交換核心技術，以完成錯誤回復、交 換等功能。 在微型技術系統中，微致動器是提供整個系統的動力來源，使系統能有效的運作。目前微致動器之驅動 方式種類繁多，其大致可分為(1)電熱式，(2)壓電式，(3)靜電式，(4)電磁式及(5)記憶合金等五種[2]。本文將 壓電式致動器結合槓桿式機構之光開關元件，增加了出平面之位移量，而現有的一些致動器的設計，除了倚 賴外加傳動機構的協助外，很多致動器本身即具備放大輸出位移的力學與機構設計，以克服位移量過小的問 題[3]，之後再針對壓電致動器作動後帶動微結構之驅動方向與驅動位移來作為一微系統之光開關研究。

本研究以一系列類深刻模造（Lithographie GalVanoformung Abformung, LIGA-Like）的製程技術，製作微 光開關機構，在微射出成形的部份，利用電腦輔助工程分析（Computer Aided Engineering, CAE）模擬來降低 ©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

研發及試作生產之成本，再加上微電鑄之方式來製造嵌入式微模仁，使主體模具可重複使用。將翻鑄後殘留 於電鑄模仁孔隙之SU-8 光阻去除後，形成所需要的微光開關元件模仁，最後利用微射出成形方式成形元件。 應用在高分子材料之微元件將可降低MEMS 所製作之生產成本、以及可增加使用壽命等優點。

2. 壓電式光開關之設計分析

本研究先設計一壓電片驅動且連接反射鏡面的機構，利用輸入不同之電壓值，使壓電片產生不同之伸長 量，帶動反射鏡面轉動進而改變光之路徑，形成一光開關機構，並使用分析軟體進行靜態分析求得靜態之輸 出位移，再針對致動器系統，作動態頻率響應。 2.1 光開關元件的設計 研究中將壓電片黏附於微結構上，利用槓桿式機構之原理，當施加電壓於壓電片時，可使致動器達到位 移放大的目的，如圖1 所示。光開關元件之尺寸圖如圖 2 所示。 圖1 槓桿式機構示意圖 圖2 光開關元件尺寸圖

2.2 光開關之分析模擬 本文是以壓電微致動器來當作此光開關之驅動源，所以使用有限元素分析軟體 Ansys 來分析光開關在輸 入電壓後，其槓桿懸臂之輸出造成位移變化，並且分析此光開關的輸出性能。 2.2.1 光開關機構的運作 本文所提出之光纖路徑切換開關，利用壓電效應作為致動力，使槓桿懸臂產生位移帶動反射元件旋轉 一預定角度，藉此即可將一輸入光束改變反射方向，達到光路徑切換的功用，圖 3 為壓電驅動之光開關幾 何形狀示意圖。圖4 為光開關作動原理。 圖3 光開關示意圖 圖4 光開關作動圖 2.2.2 光開關靜態及動態分析 在完成幾何形狀及尺寸的建立後，使用 Ansys 有限元素分析軟體進行光開關靜態及動態模擬分析，壓 電材料選用元素為Solid98，來作為 Coupled-Field 分析的元素，基材部分選用 POM 作為材料參數之設定， 選用分析元素為Solid92。在完成模型的建立之後，使用 Free Mesh 分割網格，其參數將決定網格的大小、 形狀，而疏密度會影響到分析時的正確性及經濟性。 2.3 分析結果與討論 2.3.1 靜態分析結果 由分析所得到的結果可以得知壓電片參數對光開關機構輸出位移的影響，如圖5 所示，為 20~150V 單 層與雙層壓電片之輸出位移比較結果，由圖可知當輸入電壓100V 時，使用單層及雙層壓電之光開關位移分 別為3.52μm 及 18.2μm，施加 150V 時，位移分別為 5.27μm 及 27.2μm，由分析結果得知點壓與位移呈線性 關係。由於本研究使用槓桿式機構，故壓電片層數對輸出位移影響相當大。

圖5 不同層數 PZT 輸出位移與輸入電壓關係圖 2.3.2 動態分析結果 由分析之結果可以得知單層壓電第一到第四模態振型之激振頻率，分別為1111Hz、4583Hz、5972Hz、 9037Hz，如圖 6~圖 9，單層壓電光開關之動態響應如圖 10。雙層壓電第一到第四模態振型之激振頻率，分 別為1123Hz、5058Hz、5968Hz、6741Hz，如圖 11~圖 14，雙層壓電光開關之動態響應如圖 15。 圖6 單層壓電光開關第一模態振型(1111Hz) 圖7 單層壓電光開關第二模態振型(4583Hz) 圖8: 單層壓電光開關第三模態振型(5972Hz) 圖9: 單層壓電光開關第四模態振型(9037Hz)

圖 10: 單層壓電光開關之動態響應(100V)

圖11 雙層壓電光開關第一模態振型(1123Hz) 圖12 雙層壓電光開關第二模態振型(5058Hz)

圖15 雙層壓電光開關之動態響應(100V)

3. 壓電光開關元件製作

本文光開關機構是以射出成形技術完成微結構，在模具製作前先以模流分析軟體Moldflow 進行微射出模 擬成形，以降低射出成形時造成時間及成本之浪費，且可預測射出模具設計之正確性與成形品射出可能之缺 陷處理，最後在實際射出時利用田口實驗規劃法(Taguchi Quality Engineering)得到成形參數對光開關元件翹曲 量之影響。

製 程 部 分 首 先 先 以 類 深 刻 模 造(LIGA-Like) 製 程 技 術 ， 即 結 合 微 影 (Lithography) 、 微 電 鑄 （ Micro electroforming）及微成形技術之非矽基微加工技術，再結合微電鍍及電鑄技術完成模仁，即可以低成本之高 分子大量生產微機電元件與結構，最後將機構與致動器結合，經由量測實際作動情形與模擬分析結果作比較。 3.1 光開關射出成形分析 3.1.1 模流分析假設 CAE 模流理論在描述模穴中流動與熱傳行為是以下列物理學三大守恆組成之統御方程式[3]所描述： 1. 質量守恆方程式(Mass Conservation)：

0

)

(

t

+

∇

⋅

=

∂

∂

u

ρ

ρ

(1) 2. 動量守恆方程式(Momentum Conservation)：

)

(

pI

)

(

)

(

_u

_u

_g

_u

_u

T

t

+

−

=

=

−

+

∇

+

∇

∂

∂

_ρ

_ρ

_σ

_ρ

_σ

_η

，

(2) 3. 能量守恆方程式(Energy Conservation)：

S

)

(

2 p

⎥⎦

=

∇

⋅

∇

+

& +

&

⎤

⎢⎣

⎡

₊

_⋅

_∇

∂

∂

_η

_γ

ρ

u

T

k

T

t

T

C

(3)

其中 ρ：密度，t：時間，u：速度向量，σ：應力張量，C P ：比熱，k ：熱傳導係數，T：溫度，p：壓力， η：黏度，

γ

_&

：剪切率 3.1.2 材料選用 本研究所採用的塑膠材料為達剛（Duracon）M270 之聚甲醛塑酯（POM），POM 對塑料來說是一種堅 韌有彈性的材料，即使在低溫下仍有很好的抗蠕變特性、幾何穩定性和抗衝擊特性，並且具有很低的摩擦 係數和極佳的幾何穩定性及耐高溫特性，因此選用此塑膠材料，其物性表如表1 所示[4]。 表1. POM 材料物性表[4] 性 質 值 比重 1.41 抗拉強度 (kgf/cm2_{) 620} 抗彎強度 (kgf/cm2_{) 950} 熱傳導 (cal /cm-sec-˚C) 0.233 熔融溫度 (˚C) 180~220 模具溫度 (˚C) 60~120 熱變形溫度 (˚C) 110 線膨脹係數 (×10-5cm/cm℃) 9.5 楊氏係數 (MPa) 1740 蒲松比 0.406 3.1.3 澆口設計 在微模具中澆口種類選用之準則與一般傳統射出模具選用之不同為必須考慮到因成形品微小，導致模 具加工時可能遭遇困難度。由於扇形澆口（fan gate）是厚度逐漸改變的寬邊澆口，具有大充填面積，可以 讓熔膠迅速地充填塑件，本文重點在元件的翹曲問題和尺寸穩定性，使用扇形澆口可以讓塑件的熔膠波前 均勻地充填模穴，故本文採用扇形澆口設計，圖16 是以扇形澆口做模流分析。 圖16 光開關元件分析模型

3.1.4 模流分析與射出參數建立 首先先設定基本製程邊界條件，分別設定射出時間為1sec，料溫 180~210℃、模溫由 50~110℃、射出 速度由200~700mm/s 等，由於考慮成品小且薄，故著重於觀察充填性。在模溫 50~90℃之間，固定料溫、 射速進行充填模擬，觀察模擬結果，發現會有短射現象，調高模溫至90~110℃，可達到完全充填之結果。 而料溫依據塑料適當的工作溫度來選定不影響充填成形性，射出速度於300mm/s 以下會造成短射，故射速 採用300mm/s 以上，在實際射出成形時，將以分析結果達到完全充填之製程條件作為依據，並驗證模擬之 準確性。圖17 為低模溫與高模溫之分析結果，其充填完成之參數為模溫需大於 90℃，料溫需大於 180℃及 射速大於300mm/s。 (a) 低模溫充填不足 (b) 高模溫充填完成 圖17 高低模溫充填分析 3.2 微射出實驗方法 本研究使用SU-8 厚膜光阻製作出光開關元件之結構如圖 18 所示，接著在結合微電鍍鑄技術翻鑄金屬模 仁如圖19 所示，最後在進行射出實驗。在進行射出實驗前，將光開關模仁置入公模中再將模具架設於射出機 上，再放入POM 塑料，接下來進行田口射出實驗。 本研究之田口實驗規劃法探討射出速度、保壓速度、塑料溫度及模具溫度等參數對光開關元件翹曲量成 形品質之影響。若成品不均勻收縮，則會產生翹曲變形，若成品不均勻冷卻或正負模面溫差大，也會有顯著 的翹曲變形發生，可能造成成品後續組裝不精確，故須盡可能降低微射出所造成元件之翹曲量。以光開關元 件之翹曲量為品質目標，翹曲量愈小愈好，為望小特性。 圖18 光開關元件結構圖

圖19 模仁圖 3.3 田口實驗分析結果 (1) 選定控制因子與直交表 選擇的控制因子有：熔膠溫度(℃)、模具溫度(℃)、保壓速度(mm/s)、射出速度(mm/s)，分別給予三個 水準（如表2）。本文的控制因子和水準數將配置在 L9 實驗直交表如表 3。 表2. 控制因子及其水準值 控制因子 A B C D 因子水準 模具溫度(℃) 熔膠溫度(℃) 射出速度(mm/s) 保壓速度(mm/s) Level1 90℃ 180℃ 300 mm/s 10 mm/s Level 2 95℃ 190℃ 500 mm/s 20 mm/s Level 3 100℃ 200℃ 700 mm/s 30 mm/s 表3. 射出實驗 L9 直交表 A B C D 翹曲量(mm)

y

S/N 1 1 1 1 0.111 0.094 0.103 19.700 1 2 2 2 0.077 0.071 0.074 22.608 1 3 3 3 0.069 0.060 0.065 23.716 2 1 2 3 0.069 0.065 0.067 23.474 2 2 3 1 0.110 0.093 0.102 19.790 2 3 1 2 0.067 0.059 0.063 23.997 3 1 3 2 0.076 0.080 0.078 22.155 3 2 1 3 0.056 0.050 0.053 25.500 3 3 2 1 0.125 0.111 0.118 18.547

(2) S/N 回應表與回應圖 根據直交表所得到結果建立回應表如表4 所示，輔助回應圖如圖 20 所示。由圖表所知，影響翹曲量最 大的因子為保壓速度。 表4. S/N 回應表 水準 模溫 料溫 射速 保壓速度 1 22.01 21.78 23.07 19.35 2 22.42 22.60 21.54 22.92 3 22.07 22.09 22.19 24.23 Max-Min 0.41 0.83 1.52 4.89 顯著程度 4 3 2 1 最佳組合 模溫2 料溫2 射速1 保壓速度3 17 19 21 23 25 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 S/ N 比 數列1 圖20: S/N 回應圖 (3) ANOVA 分析 以ANOVA 分析找出最大貢獻因子如表 5 所示，從表中可以得知保壓速度影響翹曲量最大，其次為射 出速度。 表5. 變異數分析 因子 變動(S) 自由度(F) 變異(V) 純變動(S') 貢獻度 A.模溫 Sa = 0.30 2 Va = 0.15 Sa' = 0.30 0.68% B.料溫 Sb = 1.13 2 Vb = 0.56 Sb' = 1.13 2.59 % C.射出速度 Sc = 3.83 2 Vc = 1.91 Sc' = 3.83 8.78 % D.保壓速度 Sd = 38.35 2 Vd = 19.17 Sd' = 38.35 87.95% e.誤差 Se = 0.00 0 0.00

eT.誤差調和 SeT = 0.00 0 VeT = 0.00 SeT '= 0.00 0.00 % ST 總和 ST =43.60 8 ST' = 43.60 100.00

(4) 最佳值預測 以回應表和回應圖推定最佳因子組合A2B2C1D3 進行最佳結果預測計算如下[5]：

η

η

η

η

η

η

ˆ

=

_A2

+

_B2

+

_C1

+

_D3

−

(4) 其中：

η

ˆ為最佳結果預測值_{η 、A2} η_B2、 1 C

η

、

η

_D3分別為A、B、C、D 因子最佳水準 S/N 比；

η

為9 組 S/N 比平均值。

η

_＝22.165dB

η

ˆ

_{＝22.42+22.60+23.079+24.23－3°22.165＝25.83dB} 由最佳結果預測值所計算出結果，其S/N 比為 25.825dB 大於 L9 表內的 S/N 比值。 3.4 結果與討論 由 ANOVA 分析所得之結果得知欲減少翹曲量可由保壓速度來改善，由回應圖表可推定最佳因子組合為 A2B2C1D3，將此組合進行射出實驗驗證，三次射出翹曲量分別為 0.060mm、0.046mm、0.048mm，平均為 0.051mm，故田口實驗規劃法最佳因子組合是可以降低翹曲量的。圖 21 為光開關元件射出成形圖。 圖21 光開關元件實際射出圖

4. 驅動及量測

將組合後之光開關如圖22，進行動態量測，由訊號產生器將訊號輸入到功率放大器，將訊號放大送到壓 電致動器，由壓電致動器輸出位移量來驅動光開關，經都卜勒振動計（Laser vibrometer）將所擷取到的位移 量與訊號產生器所產生的訊號輸入到示波器，經過量測得之最大位移之共振頻率1146Hz，其分析結果之壓電 與位移關係比較如圖23，呈線性關係，其最大位移為 5.88μm。

圖22 組合後之光開關 圖23 電壓與位移關係之動態量測結果(1146Hz)

5. 結 論

本研究完成光開關之機構設計、元件模具設計及製作，製程方法已提供一個完整的研究達到微元件大量 生產方式，包含微射出模流分析、微影製程技術與利用田口品質規劃法來達到最佳微射出成形結果。在驅動 方式以壓電式微致動器為驅動元件，利用 Ansys 進行設計與位移分析，並探討微致動器在不同參數下對輸出 位移的影響，經實際量測，實際與分析結果有一定之誤差，經由探討誤差的原因，可能組裝時為人工組立方 式，壓電致動器與光開關間以黏著劑（銀膠）固定，可能沒有完全性的密合，或者是因雷射光未真正打在懸 臂前端，使得量測結果與分析值造成誤差。

參考文獻

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