CC BY
12
УДК 535.421.2
ИЗМЕРЕНИЕ СВЕРХМАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ МОДУЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Владимир Станиславович Корнеев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)343-29-33, e-mail: korneyv@mail.ru
Рассмотрен модуляционный метод измерения сверхмалых перемещений подвижных элементов МЭМС, представлены результаты экспериментов и расчетов по измерению углов наклона микромеханической отражательной дифракционной решетки.
Ключевые слова: микро-электромеханические системы (МЭМС), подвижные элементы, модуляционный метод, отражательная дифракционная решетка.
MEASURING OF ULTRA-SMALL DISPLACEMENTS BY MODULATION METHOD
Vladimir S. Korneyev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Physics, tel. (383)343-29-33, e-mail: korneyv@mail.ru
Modulation method for measuring of ultra-small movements of MEMS mobile elements is considered, the results of experiments and calculations for measurements of inclination angles of the micromechanical reflection grating are presented.
Key words: micro-electromechanical systems (MEMS), movable elements, modulation method, reflective diffraction grating.
Микро-электромеханические системы (МЭМС) находят широкое применение в современных системах лазерного сканирования, оптических каналах связи, системах экспресс-анализа и обработки данных о состоянии природной среды и техногенных объектов. К основным преимуществам МЭМС относятся их повышенное быстродействие, стабильность эксплуатационных параметров, низкое энергопотребление и повышенный ресурс непрерывной работы.
Для эффективного управления параметрами МЭМС необходимо точно корректировать величину управляющего сигнала и получаемый в результате силового воздействия отклик (перемещение, изгиб, или поворот подвижного элемента). Зачастую режим работы МЭМС является динамическим, при этом диапазон рабочих частот - десятки или сотни килогерц, а амплитуда перемещения - сотые доли микрометра.
В работах [1, 2] представлены образцы МЭМС устройств, имеющие сходный принцип управления потоками отраженного излучения, основанный на взаимодействии переменного магнитного поля с собственными магнитными моментами подвижных элементов МЭМС. Световое поле отраженного излучения имеет вид дифракционной картины с отдельными интерференционными максимумами, в которых локализована основная часть световой энергии.
В работах [3, 4] представлены результаты экспериментальных исследований параметров МЭМС с электромагнитным управлением и описан метод, позволяющий определять углы наклона подвижных элементов (микро-зеркал) по модуляции интенсивности излучения в главном максимуме дифракционной картины.
Подобный метод был предложен Г. С. Гореликом в работе [5], он назван модуляционным и в настоящее время широко применяется в оптической интерферометрии и радиофизике. Особенности модуляционного метода можно проиллюстрировать следующим рисунком 1.
а) б)
Рис. 1. Распределение интенсивности отраженного излучения в главных максимумах дифракционной картины:
а) при отсутствии разности фаз между соседними микро-зеркалами; б) при наличии разности фаз, обусловленной наклоном плоскости микро-зеркал на угол 5 относительно плоскости поверхности дифракционной решетки.
Пространственное распределение интенсивности отраженного излучения представляет собой дифракционную картину, максимум которой совпадает с направлением зеркального отражения от плоскости дифракционной решетки с заданным периодом (рис 1, а).
Функция распределения интенсивности отраженного излучения имеет вид:
I (ф) = /0Ф( и ) N2; Ф( и )
г • л 2
' Б1П и ^
и
и
( б1и ф + б1и ф),
(1)
где X - длина волны лазерного излучения, й - период дифракционной решетки, Ь - ширина микро-зеркала.
При синхронном повороте всех микро-зеркал на угол 5 возникает дополнительная разность фаз Дф между потоками излучения, отраженными от соседних микро-зеркал, и происходит пространственное перераспределение энергии отраженного излучения в область максимумов с более высоким интерференционным порядком. Если угол наклона 5 периодически изменяется в некотором интервале значений Д5, то относительная интенсивность излучения в главном максимуме (т = 0) изменяется на величину А/ //0 (рис 1, б).
Модулированный по амплитуде сигнал можно измерить и записать с помощью фотодиода, установленного в положении главного интерференционного максимума нулевого порядка. Записи модулированного на разных частотах сигнала фототока в максимуме с порядком (т = 0) представлены на рис. 2.
а)
М PW: (Ц)0№ SAVE/FCC Action
б)
SAVE/КС ACbCfl
В)
^vAAAA/V'/WVwW т
Abcul Saving Image
select Fadei
V/AAA/VvA'i/ViA'i/VV
Save TO0004JG
Fife Format ШЕ
JUjou Saving Imag«
Select Fertlet
ТЕПММК
MKOfnf 1S-Jan-101754
M Шли IS-Jm-IO 17£t
M 1,00ns 15-Jan-10 17:53
г)
д)
е)
5АУЕЛКС АСП0Г
Fie FWIWt
Ktn
Mout Savmg Ima9et
Saleei Folder
Save tBTOWJUS
Рис. 2. Осциллограммы модулированного на разных частотах сигнала фототока:
а) 0,1 кГц; б) 0,2 кГц; в) 0,5 кГц; г) 0,7 кГц; д) 1 кГц; е) 2 кГц
Экспериментальная кривая зависимости сигнала фототока с большой степенью точности может быть выделена с помощью узкополосного фильтра и представлена первой гармоникой разложения сигнала в ряд Фурье [5].
Измеренная подобным методом разность фаз Дф связана с переменным углом наклона подвижных элементов - 5, геометрическим соотношением:
Аф = 28. (2)
Чувствительность модуляционного метода измерений достаточно высока и определяется отношением минимального значения амплитуды контрольно-измерительного сигнала к величине собственного шума измерительной аппаратуры. По результатам, представленным в работах [3, 4], величина наименьшего
угла наклона микро-зеркал составила 5ш1п = 0,25 (штай).
Практическое применение модуляционного метода достаточно широко, и не ограничивается только измерением углов наклона микро-зеркал. Везде, где присутствует процессы, связанные с периодическим изменением положения подвижных элементов или их частей, можно воспользоваться первой гармоникой разложения в ряд Фурье модулированного контрольно-измерительного сигнала, и определить периодически изменяющую разность фаз. Модуляционный метод подойдет для измерения амплитуды поверхностных упругих волн тонкопленочных мембран и волноводов, при этом метод возбуждения поверхностных волн (пьезоэлектрический, электромагнитный или акустический) не имеет решающего значения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. № 2 383 908 Российская Федерация МПК G02B 26/10 (2006.01) Устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, В. С. Корнеев; заявитель и патентообладатель: Сибирская государственная геодезическая академия (ГОУ ВПО СГГА); заявл. 16.06.08; опубл. 10.03.10; Бюл. № 7.
2. Корнеев В. С. Микромеханическая управляемая дифракционная решетка с изменяемым углом блеска // Оптический журнал. - 2010. - Т. 77, № 5. - С. 69-71.
3. Корнеев В. С. Экспериментальное исследование крутильных колебаний полосок микромеханической управляемой дифракционной решетки // Вестник СГГА. - 2010. -Вып. 1 (12). - С. 177-121.
4. Корнеев В. С. Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств : дис. ... канд. техн. наук: 01.04.05. - Новосибирск, 2010. - 84 с. : ил. РГБ ОД, 61 11-5/774.
5. Горелик Г. С. Применение модуляционного метода в оптической интерферометрии // Доклады Академии наук СССР. - 83, 549 - 1952.
© В. С. Корнеев, 2017
