CC BY
54
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ПОЛЕМ МЭМС ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
Эдуард Геннадьевич Косцов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Акад. Коптюга, 1, доктор физико-математических наук, зав. лаб., тел. (383)330-79-86, e-mail: kostsov@iae.nsk.su
Иван Викторович Князев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Акад. Коптюга, 1, аспирант, тел. (383)330-79-86, e-mail: knjazeviv@rambler.ru
Рассмотрен новый элемент МЭМС дифракционной решетки, основанный на использовании в межэлектродном зазоре диэлектрических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости. Проведено сравнение характеристик нового элемента и известных аналогов.
Ключевые слова: МЭМС, дифракционные решетки, электростатика, сегнетоэлектрик.
THE FREQUENCY CHARACTERISTICS OF NEW ELEMENTS MEMS DIFFRACTIVE GRATING LIGHT VALVE
Eduard G. Kostsov
Institute of Automation and Electrometry (SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Acad. Koptyuga, Dr.Sc., lab chief, tel. (383)330-79-86, e-mail: kostsov@iae.nsk.su
Ivan V. Knyazev
Institute of Automation and Electrometry (SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Acad. Koptyuga, postgraduate student, tel. (383)330-79-86, e-mail: knjazeviv@rambler.ru
New element MEMS diffractive grating light valve based on high coefficient of dielectric constant dielectric materials in interelectrode gap is discussed. Characteristics of new element are compared to known analogs.
Key words: MEMS, diffraction grating, electrostatics, ferroelectric.
В последние годы разрабатываются принципиально новые оптические микроэлектромеханические системы, основанные на управляемых полем дифракционных решетках (Grating Light Valve™, diffractive MOEMS device, GLV) [1-5], выполненных в виде последовательности тонких отражающих элементов -микробалок (полосок), меняющих свое пространственное положение (расстояние от базовой плоскости) в зависимости от амплитуды приложенного напряжения V.
Указанные системы имеют уникальные параметры, значительно превосходящие MOEMS, основанные на движение микрозеркал. Их преимущества по сравнению с микрозеркальными устройствами определяются как исключитель-
12 13
но малой массой 10- - 10- кг, так и малой амплитудой перемещения в межэлектродном зазоре под действием сигнала на 0.1 - 0.3 мкм.
Число микробалок в устройстве 103 - 104, расстояние между ними d, минимальное из технологически достижимого, например, 0.3 - 1 мкм, поскольку коэффициент заполнения поверхности микробалками определяет яркость изображения, дифракционную эффективность (ДЭ). Величина воздушного зазора, dz, определяет спектральную область работоспособности прибора, для видимой части спектра она составляет 300 - 600 нм. Тонкая микробалка с высокой отражательной способностью изгибается под действием сил электростатики, при этом прогиб в зазоре между микробалкой и электродом не превышает четверть длины волны модулируемого света.
В таких структурах входной лазерный луч, с высокой скоростью преобразуется на выходе в пространственно-временной образ.
Когда к устройству не прикладывается напряжение, то свет отражается от «гладкой» поверхности совокупности микробалок, как от плоского зеркала. Совокупность нескольких микробалок, до 4 - 8 штук, разделенных зазором d, образует элемент изображения, пиксель, при этом часть микробалок могут быть не активными, не подлежащими управлению. При адресации пикселей импульсами напряжения с амплитудой V, микробалки соответствующим образом прогибаются, создавая условия для дифракции поступающего на их поверхность света, переводя падающее излучение в 0-й или ±1-й порядки дифракции под заданным углом.
При сравнении с другими оптическими MEMS технологиями, например, микрозеркальными, GLV имеют следующие преимущества:
1. Они более высокотехнологичны, при этом линейка GLV и электронный блок управления могут размещаться на одном кристалле.
2. Значительно более высокое быстродействие, определяемое малой массой подвижного электрода - возможные частоты модуляции света до 10 МГц и выше.
3. Низкие потери света при высокой отражательной способности поверхности микробалки, например серебра, и, соответственно, возможность использования высокой плотности энергии модулированного светового потока.
4. Варьирование в широком диапазоне интенсивностью света (до трех порядков), которое является очень точным и воспроизводимым, способность подстраивать однородность элементов матрицы уже после ее изготовления.
5. Высокая воспроизводимость углового распределения светового потока, которая устанавливается точностью проведения литографиии при производстве линейки микробалок.
6. Высокая надежность и устойчивость, которые определяются небольшим отклонением поверхности микробалки от исходного положения (сотни нанометров) без физического контакта между движущимися элементами, что позволяет избегать механическую усталость, износ и отказ из-за залипания поверхностей, распространенных в других MOEMS устройствах.
7. Возможность создания очень большого числа оптических каналов, к каждому из которых поступает свой управляющий сигнал.
8. Простое осуществление перехода на управление потоками излучения в широком диапазоне длин волн от ультрафиолета до дальнего ИК излучения только за счет изменения амплитуды колебаний поверхности микробалок при соответствующем изменении величины воздушного зазора dz.
Анализ решений дифференциальных уравнений, описывающих движение балки, а также особенностей функционирования GLV структур показывает, что:
1. В известных GLV структурах напряжение используется недостаточно эффективно - gjcrjkmre значительная его часть прикладывается не к воздушному зазору (подвижном электроду), в котором и происходит электромеханическое преобразование энергии, определяющее параметры процесса прогиба микробалки, а к диэлектрическому слою, например нитриду кремния, с низкой ди-
п
электрической проницаемостью. При зазоре 3- 4 10- м, наиболее часто используемом в известных структурах, только 30 -40 % энергии идет на обеспечение движения микробалки. Этот фактор определяет относительно высокие напряжения, которые необходимо использовать для создания заданного прогиба микробалки.
2. Применение Si3N4 в качестве материала микробалки, с его способностью к накоплению наведенного при циклировании напряжения заряда и длительному его хранению на глубоких энергетических центрах с Еt = 1.6 eV, приводит к гистерезису на кривой прогиб - напряжение [1], который может быть соизмерим с управляющим напряжением. Влияние этого эффекта увеличивается с ростом тактовой частоты, и приводит к необходимости дополнительной настройки параметров элементов, применению двуполярных импульсов напряжения.
3. Толщина пленки Si3N4 является достаточно критичным параметром, который нужно выполнять с высокой точностью. С одной стороны, именно его малое значение обеспечивает возможность получения высокой тактовой частоты. С другой стороны, при высоких частотах, более 1 МГ ц, необходимо значительное увеличение жесткости в конструкции микробалки и, соответственно, использование импульсов напряжения с высокой амплитудой, которая ограничивается электрической прочностью тонкой пленки нитрида кремния. В то же время, рост толщины пленки Si3N4, ее массы, снижает эти частоты, одновременно увеличивая ширину петли гистерезиса, создавая дополнительные потери энергии и усложняя процесс управления устройством.
Рассматривается новый элемент GLV. Он имеет следующую конструкцию: подложка (кремний или сапфир) - электрод (ITO) - диэлектрическая (сегнето-электрическая) пленка с высоким значением е = 1000 - 3000 и более - управляемый полем воздушный зазор - подвижный электрод, отражающий свет (ме-
таллическая пленка, например серебро, бронза), см. рис. 2. Число технологических операций при изготовлении этого элемента меньше, по крайней мере, на 5 операции, чем при изготовлении известных ОЬУ элементов.
Указанная конструкция элемента дифракционной решетки имеет следующие отличия от известных аналогов:
Рис. 2. Конструкция нового элемента ОЬУ:
- 1ТО - МВБ - БЮ2 - воздушный зазор - микробалка (металл)
1. Используется диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости, что дает возможность снизить управляющее напряжение, которое практически полностью прикладывается только к зазору и, соответственно, поднять тактовые частоты.
2. Используется кристаллический диэлектрик, что снижает накопление заряда в многослойной структуре и, соответственно, практически устраняет гистерезис.
На рис. 3 приведены кривые, характеризующие основные особенности
функционирования новых элементов и ранее описанных элементов на основе
12
81зК4 при фиксированной массе подвижной микробалки 10" кг (ширина 2 мкм и длина 200 мкм) и жесткости О = 455 и 1000 Н/м для частот 3 и 5 МГц соответственно: амплитуда колебаний поверхности микробалки в зависимости от амплитуды импульсов напряжения для разных частот модуляции света и для одного из значений воздушного зазора = 0.5 мкм. Как видно, новый элемент имеет следующие отличительные особенности и преимущества:
1. Необходима меньшая амплитуда импульсов напряжения для обеспечения прогиба микробалки на заданную величину, в том числе на У4 (см. рис. 3).
2. Более высокая частота модуляции достигается при меньших значениях амплитуды импульсов напряжения.
3. Диэлектрик неподвижен, находится на неподвижном электроде, что повышает технологичность и надежность, и упрощает требования учета ряда механических параметров, например, пластичности, прочности на растяжение и т.п.
4. Толщина диэлектрика не столь критична как в прототипе, она существенно не влияет на частоту через жесткость микробалки, ее можно варьировать в достаточно широком диапазоне. Кроме того, допускается использование толщины этого диэлектрика до 3 " 5 мкм, что дает возможность при увеличении
амплитуды импульсов напряжения обеспечить достижение высоких частот работы устройств GLV до 30 - 100 МГц и более.
Рис. 3. Зависимость 5 от V для двух указанных конструкций элемента GLV: 1, 3: Si - ITO - NBS - SiO2 - воздушный зазор - подвижный элемент (Ag, Al) 2, 4: Si - нижний электрод (W) - SiO2 - воздушный зазор - подвижный элемент
(Si3N4 и Al)
Дальнейшее развитие описанной технологии, основанной на управлении положением тонких свободных металлических пленок с помощью сил электростатики, которые с высокой скоростью перераспределяют световые потоки, приведет к развитию нового поколения электрооптических устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Косцов Э.Г., Состояние и перспективы микро - и наноэлектромеханики, Автометрия N3, 3-52, 2009.
2. The Grating Light Valve: Revolutionizing display Technology, By D.M. Bloom, Silicon Light Machines, 1997, SPIE Vol. 3013, pp.165 -171.
3. Payne A.P., Staker B.P., Gudeman C.S., Daneman M.J., Peter D.E. Resonance measurements of stresses in Al/Si3N4 microribbons, Proc. SPIE 3880, MEMS Reliability for Critical and Space Applications, 90 (August 18, 1999).
4. Trisnadi J., Carlisle C., Monteverde R. Overview and applications of Grating Light Valve based optical write engines for high-speed digital imaging. Proc. MOEMS Display and Imaging Systems. Vol. 5348, pp. 52-64. SPIE (2004).
5. Tamak E., Hashimoto Y., Leung O. Computer-to-plate printing using the Grating Light ValveTM device, Presented at Photonics West 2004 - Micromachining and Microfabrication Symposium, January 26, 2004, San Jose, CA, USA (paper 5348-08), Silicon Light Machines Pg. 1 of 9.
© Э.Г. Косцов, И.В. Князев, 2013
