CC BY
102
МЭМС ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ПОЛЕМ ДЛИНОЙ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ
Эдуард Геннадьевич Косцов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Акад. Коптюга, 1, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, 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: kiv@nzpp.ru
Рассмотрен новый элемент МЭМС дифракционной решетки, основанный на использовании в межэлектродном зазоре диэлектрических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости. Описываются характеристики и особенности функционирования элемента. Конструкция элемента дает возможность осуществлять перестройку при работе с различными длинами волн от 0.3 до 1 мкм с помощью сил электростатики.
Ключевые слова: МЭМС, дифракционные решетки, электростатика,
сегнетоэлектрик.
THE FREQUENCY CHARACTERISTICS OF NEW ELEMENTS MEMS DIFFRACTIVE GRATING LIGHT VALVE
Edward G. Kostsov
Institute of Automation and Electrometry (SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Acad. Koptyuga, Dr. Sc., lab. head, 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: kiv@nzpp.ru
A new element of the MEMS diffraction gratings based on using dielectric materials with a high dielectric permeability in the gap between the electrodes is considered. The characteristics of the element and that specific features of operation are described. The construction of the element makes it possible to thatrestructuring to operate at various wavelengths from 0.3 to 1 |im using the electrostatic forces.
Key words: MEMS, diffraction gratings, electrostatics, ferroelectric.
В настоящее время электронные средства становятся все более узким местом в системах передачи больших массивов информации, например, в системах телекоммуникации. Развитие оптических технологий дает реальные основания для качественного повышения скорости передачи информации. В то же время современная техника работы с оптическими потоками данных находится еще в стадии развития.
Одним из путей значительного увеличения скорости передачи массивов информации является использование микрооптоэлектромеханических устройств, (MOEMS). Их функционирование базируется на комбинации двух микротехнологий: микрооптики и MEMS, которые являются наиболее интенсивно развивающимся сектором современной микроэлектроники [1]. MOEMS дают возможность построения полностью оптических сетей, без необходимости преобразования: оптический сигнал - электрический сигнал -оптический сигнал. Одна из конструкций MOEMS-управляемые полем дифракционные решетки (GratingLightValve, diffractive MOEMS device, GLV) [2-4]. Устройство GLV состоит из множества микробалок, при прогибе которых, под действием сил электростатики, в определенной последовательности, имеет место дифракция света, с переводом, под заданным углом, падающего излучения в 0-й или ±1-й порядки дифракции, в соответствии с классической теорией дифракции, угол дифракции определяется периодом решетки. Максимальный эффект имеет место, когда амплитуда смещения определенного числа микробалок 5, достигает четверти длины световой волны. Технология GLV по совокупности параметров, эффективности модуляции света, по контрасту, надежности, скорости переключения интенсивности светового потока, мощности управляемого потока, значительно превосходит другие известные оптические технологии обработки изображений, она обеспечивает в масштабе реального времени формирование высококачественных, информационно емких изображений для широкого спектра практических задач.
Типичная структура известных элементовGLV: Si - SiO2 - воздушный зазор - подвижный элемент (Si3N4+ Al) - микробалка, которая имеет следующие характерные размеры: длина 30 - 500 мкм, ширина 2-5 мкм, толщина 0.3 - 1.0 мкм. Типичные толщины указанных пленок: SiO2 - 500 нм; воздушного зазора и нитрида кремния 100 - 300 нм, Al - 50 нм, последняя выполняет функции как оптического отражателя, так и проводника.
Воздушный зазор между подвижным и неподвижным электродами создается предварительным осаждением на поверхность этого электрода тонкого жертвенного слоя, который затем удаляется. Толщина этого зазора определяет спектральную область работоспособности прибора, для видимой части спектра она составляет 100 - 200 нм. Толщина жертвенного слоя должна быть выполнена с очень высокой точностью для работы с заданной длиной световой волны.
Недостаток указанной конструкции GLV состоит в том, что подаваемое на элемент напряжение распределяется между воздушным зазором и пленкой Si3N4 инапряжениеV, которое необходимо прикладывать к микробалке достаточно высоко, до 10- 15 В, кроме того накапливаемый в Si3N4 заряд приводит к гистерезису на кривой «величина прогиба - напряжение», который может достигать до 30 % от поданного напряжения. Для уменьшения времени возвращения микробалки в исходное положение необходимо прикладывать импульс напряжения с противоположной
полярностью. Эти факторы накладывают ряд ограничений на параметры устройств GLV.
Ранее нами [5,6] был предложен и описан новый элемент GLV не обладающий указанными недостатками. Элемент имеет следующую конструкцию: подложка (кремний или сапфир) - электрод (1ТО) - тонкая сегнетоэлектрическая пленка толщиной d и с высоким значением диэлектрической проницаемости е, более 1000 - 3000 - управляемый полем воздушный зазорdз- подвижный электрод, который отражает свет, см. рис. 1. Подвижный электрод - свободная тонкая пленка бериллиевой бронзы с толщиной d2 1 -2 мкм, прижимается при подаче на образец напряжения V, под действием сил электростатики к поверхности сегнетоэлектрической пленки.
Рис. 1. Конструкция нового элемента ОЬУ:
1 - подложка, Бц 2 - электрод, 1ТО; 3 - диэлектрическая пленка; 4 - пленка КВБ; 5 - управляемый полем воздушный зазор; 6 - подвижный электрод; 7 - световой поток
Первоначальная величина зазораd0 составляет 1 - 5 мкм, в зависимости от технологии изготовления сегнетоэлектрической пленки, степени шероховатости ее поверхности. В качестве сегнетоэлектрика использовалась тонкая пленка ниобата - бария стронция, NBS, модифицированного лантаном, Ва0.^г05№2Об +1% La. Толщины пленок 1ТО и NBS, составляли 0.1 - 0.5 мкм и 0.3 - 1 мкм, соответственно. Технология получения этих пленок и основные их электрофизические свойства описаны в [7].
Размещение подвижного электрода вблизи поверхности диэлектрика с большой величиной е, когда еМ> 109, дает возможность создания в зазоре высокой напряженности электрического поля и, соответственно, большой силы, действующей на подвижный электрод, при этом сила сцепления двух поверхностей зависит от накачиваемой в структуру энергии, СV /2 и равна до 5 105 Н/Дж [7]. Этой силы при небольшой массе подвижного электрода достаточно, чтобы жестко фиксировать местоположении электрода и удерживать его в заданном положении неограниченно долгое время, при любых внешних факторах - наличии микровибраций, линейном движении, воздействии воздушных потоков и т.п. Для каждого образца указанных структур величина dз однозначно зависит от амплитуды прикладываемого
постоянного напряжения Усм,с увеличением которого величина dз уменьшается, см. рис. 2.
Величина dз достаточно точно определяется как из измерений значения величины емкости структуры, С = s0S/(d/s+dз), так и из оптических измерений. При подаче на структуру дополнительного импульса напряжения Ур, при аддитивном сложении двух напряжений подвижный электрод смещается в сторону подложки на расстояние 5, определяемое амплитудой Ур, см. рис. 3. Высокая чувствительность величины 5 к амплитуде Ур, до 50 -500 нм/В [5, 6], дает возможность управления величиной dз и осуществлять перестройку спектральной области работы устройства.
У
Рис. 2. Изменение величины воздушного зазора, dз, в зависимости
от напряжения Усм
Vp(f = 500 Гц), В
Рис. 3. Зависимость прогиба поверхности элемента от Ур, для разных Усм, d= 0.6 мкм
Таким образом, в данном элементе электрическое поле выполняет технологические функции, фиксируяпрогибмикробалки на заданную величину, а также дает возможность осуществлять дифракцию света в широком спектральном диапазоне с длиной волны от 0.3 до 1 мкм.Быстродействие элемента, как при создании прогиба микробалки, так и приведении ее в исходное положение,как показывают экспериментальные исследования исключительно высокое, оно лежит в микро- наносекундном диапазоне [1,5]. Быстрое возвращениемикробалки в исходное положениеопределяется тем, что при электростатическом прижатии тонкой металлической пленки к поверхности сегнетоэлектрика часть энергии расходуется на ее упругую механическую деформацию. Пленка «натягивается» как мембрана на отдельные микровыступыповерхности сегнетоэлектрика высотой 50 -200 нм, при этом, в силу того, что толщина пленки значительно превышает размеры микровыступов, зеркальность ее поверхности сохраняется. После снятия импульса напряжения механическая энергия, освобождаясь, определяет высокую скорость отрыва металлической пленки массой 10-9 - 10-10 гот поверхности сегнетоэлектрика, за время 50 - 200 нс, давая возможность достижения частоты модуляции света до 10 МГц и выше.
Можно отметить, что в современных микросхемах, в которых используются компоненты, создаваемые по технологииMEMS, широко применяется возможность управления их параметрами, практически в режиме реального времени, с использованием компьютерной технологии, специализированных интегральных схем (ASIC), примером является многоразмерныетепловизионные матрицы [9, 10]. Из этого следует, что рассматриваемый прогиб в массиве микробалок, может быть прецизионно скорректирован дополнительными импульсами напряжения, в зависимости от выполняемой задачи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Косцов Э.Г. Состояние и перспективы микро - и наноэлектромеханики // Автометрия,Ш, 3-52, 2009.
2. J. Trisnadi, C. Carlisle and R. Monteverde. 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.
3. TahitoAida, YoHabu and Tomoyuki Kato.Electrostatically-actuated grating light modulator fabricated using SU-8 photoresist // Proc. of SPIE Vol. 6993 699308-1, 2008.
4. V.GowriSuresh ,Nandita DasGupta and Shanti Bhattacharya.Tunable MEMS Diffraction Gratings //Proc. of SPIE Vol. 8549 854918-1, 2012.
5. Э.Г. Косцов, В.С. Соболев. Низковольтный элемент программируемой полем динамической дифракционной решетки // Автометрия, N3, стр.101-109, 2010.
6. Косцов Э.Г., Князев И.В., Микроэлектромеханические дифракционные решетки, Автометрия, N 3 стр. 71 -78, 2013.
7. E.G. Kostsov.Ferroelectric barium-strontium niobate films and multi-layer structures //Ferroelectrics, 314 , pp.169-187, 2005.
8. I. L. Baginsky and E. G. Kostsov. Reversible High Speed Electrostatic “Contact” //Semiconductors, Vol. 44, No. 13, pp. 1654-1657, 2010.
9. Chuan Li, George D. Skidmore, and C.J Han. Uncooled Infrared Sensor Development Trends and Challenges // Proc. of SPIE Vol. 8155, 815515, 2011.
10. Chuan Li, C. J. Han, George Skidmor. Overview of DRS uncooled VOx infrared detector development // Optical Engineering, 50(6), 061017, 2011.
© Э. Г. Косцов, И. В. Князев, 2014
