Научная статья на тему 'Анализ факторов, ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением'

Анализ факторов, ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением Текст научной статьи по специальности «Физика»

70
21
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА МЭМС / МОЭМС / МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ / ТОРМОЗЯЩАЯ СИЛА

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Корнеев Владимир Станиславович, Райхерт Валерий Андреевич

Проведен комплексный анализ основных факторов, ограничивающих амплитуду колебаний подвижных элементов МЭМС на частотах свыше 1 кГц, оценен вклад магнетосопротивления и тормозящей силы.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Корнеев Владимир Станиславович, Райхерт Валерий Андреевич,

ANALISIS OF FACTORS IS RESTRICTED BY THE MEMS WITH ELECTROMAGNETIC CONTROL

A comprehensive analysis of the major factors limiting amplitude of the vibrations of moving MEMS components at frequencies above 1 kHz, the contribution of the magneto resistance and the retarding force.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Анализ факторов, ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением»

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ БЫСТРОДЕЙСТВИЕ МЭМС С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Владимир Станиславович Корнеев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 8, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел (383)361-08-36, email: komeyv@mail.m

Валерий Андреевич Райхерт

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 8, вед. инженер кафедры физики, тел (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru

Проведен комплексный анализ основных факторов, ограничивающих амплитуду колебаний подвижных элементов МЭМС на частотах свыше 1 кГц, оценен вклад магнетосопротивления и тормозящей силы.

Ключевые слова: микроэлектромеханические устройства МЭМС, МОЭМС,

магнетосопротивление, тормозящая сила.

ANALISIS OF FACTORS IS RESTRICTED BY THE MEMS WITH ELECTROMAGNETIC CONTROL

Vladimir S. Korneyev

Siberian State Academy of Geodesy, 8 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, docent, department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: korneyv@mail.ru

Valery A. Reichert

Siberian State Academy of Geodesy, 8 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, tel. (383)361-08-36, email: vreichert@yandex.ru

A comprehensive analysis of the major factors limiting amplitude of the vibrations of moving MEMS components at frequencies above 1 kHz, the contribution of the magneto resistance and the retarding force.

Key words: microelectromechanical systems-MEMS, MOEMS, magneto resistance, retarding force.

Микромеханические устройства МЭМС в последнее десятилетие получили мощный импульс развития благодаря технологиям поверхностной и объемной обработки кремния. Одной из областей применения МЭМС является оптика. Оптические микромеханические устройства выделяют в особый класс, так называемые МОЭМС, их отличает малое энергопотребление и высокая точность позиционирования оптических лучей.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Большинство серийно выпускаемых на сегодня МОЭМС конструктивно выполнены в виде матрицы микрозеркал с высоким качеством отражающей поверхности, которые управляются электростатически и имеют быстродействие 1 - 10 мс при угле поворота не более 5 - 10 0 [1].

В течении 10 лет нами разрабатывались МОЭМС, в основе которых лежит электромагнитный принцип управления положением торсионных микрозеркал, на этом принципе функционируют микромеханический дефлектор световых потоков [2], микромеханическая управляемая дифракционная решетка [3]. Экспериментальные исследования рабочих параметров этих МОЭМС наиболее полно представлены в работе [4], а на рис. 1. приведены графики амплитудно -частотных характеристик этих устройств.

В процессе экспериментов были выявлены основные ограничения, приводящие к уменьшению быстродействия на частотах сканирования свыше 1 кГц. Цель данной статьи - анализ факторов ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением.

8 (мрад)

5 (мрад)

i(A2)

f (кГц)

a)

б)

Рис. 1. Экспериментальные зависимости амплитуды угла сканирования Sd: а) от частоты колебаний f; б) квадрата силы тока в катушке i2

В динамическом режиме подвижные элементы МОЭМС, использующие неполяризованные магнитные сердечники, совершают крутильные колебания с частотой о = 2ш, равной удвоенной частоте о вынуждающей силы F, пропорциональной индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода F = кВ2 sin (rnt) [3].

Амплитуда вынужденных колебаний может быть определена из выражения:

s. = . s°‘ , (1)

^(о2 ~о2) + 4р2о2

где: s - амплитуда угла сканирования в динамическом режиме, sc -статическое отклонение при о = 0; о0 - собственная частота крутильных колебаний микрозеркал; р - коэффициент релаксации.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

В общем случае ¡3 определяется известным выражением:

3 = гШс, (2)

где: г - коэффициент сопротивления среды; 1с - полярный момент инерции

сечения микрозеркал.

Собственная частота крутильных колебаний т0 рассчитана теоретически

[2] и экспериментально определена т0 - 30 кГц, в работе [4].

Выразим из (1) коэффициент релаксации 3=3 / т0:

(1/в)’--(1 -Г)2

3 =-----4^------, (3)

где: у = (т/т)2; в = 8Л / $с .

Используя данные графиков (рис. 1), были рассчитаны значения 3 = 0,7 и 3 = 21 кГц, при этом резонансная частота т значительно отличается от ®0:

шр =тоф — 232, (4)

откуда, тр = 4,24 кГ ц.

Основным фактором, ограничивающим амплитуду вынужденных колебаний, является рост магнетосопротивления схемы управления угловым положением микрозеркал. Вынуждающая сила К прямо пропорциональна квадрату тока в катушке г2 и убывает с ростом частоты переменного тока. Относительное изменение этой величины можно выразить через параметр К:

• 2 -2

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

г — г

*"> *-1

К =^^, (5)

т — т

где: г и г2 - значения силы тока в катушке на частотах щ и т2.

Л

Из данных графика рис. 1 а) получим значение параметра К - 0,02 Ас.

С физической точки зрения, параметр К обусловлен возрастанием индуктивного сопротивления катушки и увеличением доли энергии магнитного поля, которая затрачивается на перемагничивание магнитопровода.

Вторым фактором, приводящим к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний, является сила сопротивления воздуха, действующая на каждое микрозеркало. Сила К, действующая на единицу площади поверхности, равна:

К =-л^ = -ЭДт (6)

аг

где: л - коэффициент вязкости, V - линейная скорость, г - направление нормальное к поверхности.

Л

Для воздуха л-1,8• 105 Па• с, расчет дает значения к -3,6• 105 Н/м , или

2 2 К - 3,6 • 10—11 Н/мм . Площадь микрозеркал можно оценить я - 0,5 мм, тогда

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

л

суммарная сила К, действующей на одно микрозеркало к -1,8 • 10—11 Н/мм .

Каждый из двух, рассмотренных выше факторов, ограничивает амплитуду вынужденных колебаний подвижных элементов МЭМС. Для компенсации роста магнетосопротивления с частотой переменного тока, детали магнито-провода необходимо изготовить из высокочастотного феррита. Влияние силы

сопротивления можно уменьшить, если поместить МЭМС в корпус с пониженным давлением, при этом F уменьшится пропорционально давлению в корпусе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Косцов, Э.Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектро-механики / Э.Г. Косцов Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 3. - С. 3-52.

2. Чесноков Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков // Оптический журнал. 2007. № 4. С.51 - 54.

3. Корнеев В.С. Особенности спектральных характеристик микромеханической управляемой дифракционной решетки / В.С. Корнеев, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков // Сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». - Т. 4, ч.2. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 24-28.

4. Корнеев, В.С. Экспериментальные исследования параметров крутильных колебаний полосок микромеханической отражательной дифракционной решетки / В.С. Корнеев // «Вестник СГГА» / Вып. 1(12). - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 117-122.

© В.С. Корнеев, В.А. Райхерт, 2012