CC BY
150
УДК 621.376.
В.С. Корнеев СГГ А, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДЕФЛЕКТОРОВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
V.S. Korneyev SSGA, Novosibirsk
INVESTIGATION OF OPERATIONAL PARAMETERS OF MICROMECHANICAL DEFLECTORS WITH ELECTROMAGNETIC CONTROL
The paper presents a micromechanical deflector with electromagnetic control. The device can be used as a light beam deflector. The micromechanical deflectors can be applied in laser scanning, passive optical communication network, spectrum analyzers and angular rotation sensors.
Deflector of light beams, MEMS (micro-electromechanical systems), micro-mirror, thin ferromagnetic films, diffraction grating
В статье сообщается о микромеханическом устройстве с электромагнитным управлением, которое предполагается использовать как дефлектор световых лучей, кратко описана методика измерения параметров устройства и результаты экспериментальных исследований.
В последнее десятилетие микромеханика, как одна из наиболее перспективных отраслей современной технологии, получила большое
развитие в промышленных странах. Достигнутая в настоящее время совместимость технологий микроэлектроники и микропрофилирования кремния позволяет создавать микроприборы и функционально интегрированные с микромеханическими структурами микросистемы, применение которых наиболее перспективно в электронно-вычислительных устройствах, оптоэлектронике, а также в сенсорных микроэлектронных системах регулирования и управления. Современные микромеханические устройства получили название MEMS (microelectromechanical systems) [1]. Хотя термин MEMS не ограничивается только кремниевыми
микроустройствами, большая часть производимых на сегодняшний день устройств изготовлена из кремния. Подложки из монокристаллического кремния обладают хорошей комбинацией свойств, от идеальной упругости (отсутствие остаточной деформации или гистерезиса) до хорошей
теплопроводности, от малого коэффициента термического расширения до стабильности при высоких температурах. Наиболее важно, что кремниевые подложки производятся и используются в больших масштабах в
микроэлектронике. Кроме того (с определенными технологическими ограничениями), кремниевые подложки позволяют реализовать монолитную интеграцию механических и электронных функций в одной и той же
микросхеме. Поэтому большая часть MEMS устройств изготовлена с использованием кремниевых подложек [2], [3], [4].
Большой интерес вызывает использование MEMS устройств, для управления положением оптических лучей в пространстве. Примером такого устройства является микромеханический дефлектор световых потоков, подробно описанный в работе [5]. В настоящей работе, как и в [5], чип устройства (рисунок 1) представляет собой матрицу кремниевых микрозеркал с нанесенными на нерабочую поверхность участками тонкой ферромагнитной пленки. Каждое микрозеркало, длиной 5мм, толщиной 3 мкм и шириной 100 мкм, закреплено обоими концами в общей кремниевой раме и способно вращаться вокруг своей продольной оси под действием переменного магнитного поля. Массив микрозеркал обладает свойствами отражательной дифракционной решетки, параметр которой d, равен шагу расположения микрозеркал.
В отличие от [5], ферромагнитная пленка, имеющая ось легкого намагничивания (О.Л.Н.) вдоль поверхности пленки, приобретает магнитный момент М , под действием внешнего управляющего магнитного поля с
индукцией В), направленного под углом 450 к поверхности пленки (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы и основные параметры микромеханического
дефлектора:
- (р , (р * - углы падения и отражения;
- ® = ср + ср* - максимальный угол отклонения луча;
- Ъ, с1 - ширина микрозеркала и параметр дифракционной решетки;
- 8 - угол поворота микрозеркала;
- А а = 28 - амплитуда угла отклонения отраженного луча при повороте микрозеркала;
- М - момент вращения;
- В - вектор магнитной индукции;
В последние два года автором статьи была проделана необходимая конструкторская и технологическая работа по изготовлению опытных образцов подобных микромеханических устройств и исследованию их функциональных характеристик. На рис. 2 представлена экспериментальная установка для исследования параметров микромеханических дефлекторов.
6
Рис. 2. Схема экспериментальной установки:
1- Чип дефлектора;
2 - Ш-образный сердечник;
3 - Катушка;
4 - Полюсные наконечники;
5 - Оптическая ось падающего пучка;
6 - Оптическая ось отраженного пучка
Магнитное поле в зазоре между полюсными наконечниками 4, создается с помощью катушки 3, намотанной на среднюю часть Ш -образного ферритового сердечника 2 и измерено баллистическим методом. Для управления положением микрозеркал величина индукции внешнего поля В0 могла изменяться в пределах 0,01-0,1 Т. Направление вектора магнитной индукции В0 показано на рис. 1. Такое взаимное расположение вектора В0 и оси легкого намагничивания (О.Л.Н.), приводит к одновременному намагничиванию ферромагнитной пленки, и к созданию вращающего момента М , поворачивающего микрозеркало. По
терминологии, принятой при описании электрических устройств, ферромагнитная пленка может быть названа якорем. Чип дефлектора 1 расположен в средней части зазора, под углом 45° оптической оси 5 лазерного пучка. Отраженный пучок 6 выходит вертикально вверх через отверстие и создает дифракционную картину на экране.
Для исследования были взяты образцы, изготовленные по описанной выше технологии, но с различной формой микроякорей:
а) Микроякори нанесены на всю нерабочую поверхность микрозеркал;
б) Микроякори нанесены в виде двух тонких поперечных полосок миллиметровой ширины.
Эксперименты проводились в старт-стопном режиме, когда микрозеркала, после поворота на угол 8 остаются неподвижными. Результаты экспериментов приведены в таблице.
Таблица. Экспериментальных и теоретических параметров
микромеханических дефлекторов
Параметр Теория форма а) форма б)
Ам плитуда угла отклонения ±5° ±3,2° ±2,5°
Число дискретных положений отраженного луча 20 12 10
Угловая расходимость выходящего пучка 0,060 0,1° 0,10
Угловое расстояние между соседними положениями 1,10 0,53° 0,530
Бы стродействие* 5 • 10 е с - -
Оптические потери** 15% - -
Отношение индукции В0 к величине угла отклонения* (1 - 5) -10 2 Т/град. 0,7•10 2 Т/град. 3,5 * 10 2 Т/град.
Примечания: *-по данным [5]; **-по данным [6].
Анализ данных таблицы показывает близость экспериментальных параметров исследуемых устройств к расчетным теоретическим. Для исследования параметров быстродействия, необходимо усовершенствовать экспериментальную установку. Следует отметить наблюдаемый эффект увеличения угловой расходимости отраженного светового пучка при увеличении угла отклонения микрозеркал, что приводит к ухудшению качества наблюдаемой дифракционной картины. Возможная причина увеличения расходимости - это ухудшение механического натяга полотна микрозеркал после нанесения ферромагнитной пленки. Тем не менее, проведенное исследование можно считать первым экспериментальным исследованием, подтверждающим правильность концепции создания микромеханических дефлекторов с составным зеркалом и электромагнитным управлением.
Предполагаемые направления применения микромеханических дефлекторов:
- Лазерные локационные системы со скоростями сканирования 5-103 рад/с;
- Оптоволоконные системы связи, с временем переключения до 5 мкс;
- Экспресс анализаторы спектра излучения;
- Датчики угловых перемещений быстродвижущихся объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ayazi F., Najafi K. Design and fabrication of a high-performance polysilicon vibrating ring gyroscope // Micro Electro Mechanical Systems Workshop. - 1998. - P. 621-626.
2. Jiang F., K., Tai Y.C. A surface micromachined Shear stress Imager // Proc. MEMS. - 1996. - P. 110-115.
3. Petersen, K.E. Silicon Torsional Scanning Mirror // IBM Y. Res. Develop. - 1980. - V. 24. - № 5. - P. 631-637.
4. Чесноков, В.В. Микромеханические модуляторы света / В.В. Чесноков // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. - 1990.- № 6.- С. 82.
5. Чесноков, Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков. / Д.В.Чесноков, В.С. Корнеев // Сб. тр. VII Междунар. конф. «Прикладная оптика-2006».- СПб., 2006. - Т. 1.
6. Корнеев, В.С. Оптические характеристики микромеханических модуляторов и дефлекторов / В.С. Корнеев // Сб. матер. III Междунар. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2007».-Новосибирск, 2007. - Т. 4, ч.1. - С. 214-220.
© В.С. Корнеев, 2008
