CC BY
30
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА СУБПИКСЕЛЬНОГО МИКРОСКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ИК-ДИАПАЗОНА СПЕКТРА
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики, тел. (383)-361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)-361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Приведены краткая теория и результаты расчёта микромеханического сканера субпиксельного микросканирования, представляющего собой одномерную матрицу управляемых электростатически микрозеркал.
Ключевые слова: микромеханика, субпиксельное микросканирование, микрозеркало.
MICROMECHANICAL SUBPIXEL MICROSCANNING DEVICES FOR IR SPECTRUM RANGE
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy (630108, Novosibirsk, Plahotnogo st., 10), Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Physics department, (383)-361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy (630108, Novosibirsk, Plahotnogo st., 10), Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chair of Nanosystems and optical engineering department, (383) 361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Micromechanical subpixel scaner to represent 1D matrix of electrostaticaly driving micromirrors. Brief theory and design calculation of one are presented.
Key words: micromechanic, subpixel microscaner, micromirror.
В настоящей публикации приводится описание конструкции и технологических принципов изготовления микромеханического устройства субпиксельного микросканирования ИК- диапазона спектра для систем тепловидения, способных работать в жёстких условиях окружающей среды. Микросканирование является известным [4] простым способом существенного улучшения параметров матричных приёмников излучения - повышает геометрическое разрешение приёмников без увеличения количества элементов в матрице и при сохранении формата матрицы приёмника и размера углового поля приёма изображения.
Отечественные существующие устройства такого же функционального назначения - однокоординатные оптические дефлекторы с пьезокерамическим
приводом - представляют собой собираемые из узлов и деталей механические конструкции, имеющие значительные массо-габаритные характеристики (НПО «Государственный институт прикладной оптики», г. Казань). В зарубежных микросканерах используется вращаемый специальным микродвигателем обтюратор (фирмы BAE Systems Infra-Red Ltd., Великобритания, и AEG Infrafot-Module GmbH, Германия).
Современное состояние разработок микромеханических устройств оптического назначения рассмотрено, например, в обзорной статье [3]. В данной публикации обсуждается микрозеркальный сканер, основанный на эффекте электростатического наката гибкой зеркальной обкладки конденсатора с клиновым зазором между обкладками на вторую обкладку [1]. На рис. 1 схематически показана конструкция микромеханического сканера.
Рис. 1. Схема конструкции микромеханического сканера
На кремниевую профилированную подложку со стороны профилирования вплотную к вершинам выступов наложена тонкая металлизированная мембрана, являющаяся зеркалом дефлектора. При подаче разности потенциалов между подложкой и слоем металлизации на мембране её участки электростатическими силами втягиваются в углубления профиля и занимают место на плоских участках наклонной части рельефа (рис.2); плоское зеркало при этом разделяется на множество микрозеркал, имеющих одинаковые углы наклона относительно первоначального положения мембраны. Угол отражения света, падающего на сканер, при подаче напряжения изменяется на а = 2у0, где у0 -угол наклона участков профиля.
При снятии напряжения плоскостность мембраны восстанавливается. При требующемся угле сканирования порядка 1 угл. мин. глубина рельефа при его периодичности 0,1—0,5 мм лежит в нанометровом диапазоне размеров и равна 30-150 нм. Получение подобного наноразмерного профиля по всей поверхности подложки площадью до десятков квадратных сантиметров решается с использованием технологии анизотропного травления монокристаллического кремния.
На рис. 2 показана диаграмма электрических полей и сил, приводящих мембрану в действие. На рисунке поперечного сечения структуры: 1 -профилированная кремниевая пластина, 2 - металлизация мембраны 3, у0 -угол профиля кремниевой пластины, Ех - силовые линии электрического поля, возникающего при включении электрического напряжения и между металлизацией мембраны и поверхностью профиля пластины, Г0 - сила натяжения мембраны, Ох - координатная ось, d - толщина мембраны, Г -электростатическая сила, прижимающая мембрану к подложке, Г - проекция силы натяжения мембраны на направление силы Г.
Ь
Рис. 2. Диаграмма электрических полей и сил, приводящих мембрану в действие
При выводе расчётных соотношений считаем мембрану гибкой, не имеющей механической жесткости, угол у малым; принимаем форму силовой линии электрического поля между мембраной и наклонной плоскостью профиля частью окружности с центром в месте касания мембраны и наклонной плоскости; участок силовой линии в мембране считаем прямолинейным. При этих допущениях сила дГ, действующая на бесконечно малый участок dx длины мембраны, имеющий единичную ширину, в точке координатой х , равна [2]:
_ в о Ехдх _ £0и ¿X цч
2
d
- + Y хх Vе у
где в0 - электрическая постоянная, в - диэлектрическая проницаемость мембраны, Ех - напряжённость электрического поля на внутренней поверхности слоя металлизации мембраны; ух - угол между поверхностью наклонного участка подложки и мембраной в точке с координатой х; остальные величины приведены в объяснениях к рис. 2. Интеграл уравнения (1) табличный, после преобразований получим:
_ в0 и2 хг dx _ви2 ( 1 1 4
9 ] (d / в + ухх )2 2у х V'
2 0 (d / е +yхх) 2yх
(2)
d / е d / е + у х
' Х У
В полученном выражении первый член в скобке отражает силу притяжения мембраны к подложке на единицу ширины при бесконечной длине клинового зазора (х ^да), второй член - силу притяжения, начиная с координаты х и до
бесконечности. Участок мембраны, лежащий на поверхности наклонной грани рельефа без зазора, прижимается к ней с силой на единицу ширины [2]
F - S°SU2s (3)
e d2 ’ [)
где s - длина участка.
При включении напряжения U точка начала клинового зазора под действием силы F смещается по наклонной поверхности вправо (рис. 2,б), величина силы для любых положений точки начала зазора вычисляется по уравнению (2). Натяжение мембраны силой F0, как видно из рис.2,б,
препятствует смещению начальной точки; однако, в области клинового зазора сила притяжения мембраны к подложке направлена перпендикулярно натяжению мембраны и не может препятствовать действию силы натяжения. В первом приближении можно считать, что действие силы натяжения приложено в области перегиба мембраны к площадке наклонной поверхности подложки, длина которой s -d/sinух; в этой области сила Fe притяжения мембраны к подложке направлена к подложке и вычисляется по (3), проекция силы натяжения мембраны на указанное направление F - F sin Yx, где F0 -Qd, ^ -
механическое напряжение в мембране. Когда F - Fp, мембрана занимает равновесное положение, и можно записать:
^Б1ПУх=- Ее°и
2d Бт ух
и = d Бт ух
а
ввп
(4)
Рассматривая на рис.2,а треугольники с углами при вершинах у и ух и одним основанием, учитывая малость углов, можно написать приблизительное соотношение:
Ь
У X
а
-у
(5)
Преобразуем правую часть (4): ГЬ
и = d Бт
л
-у
V а
а
ВВл
(6)
1 - профилированная кремниевая подложка; 2 - металлизированная мембрана; 3 - входное оптическое окно; 4 - стеклянная пластина; 5 - распорное кольцо корпуса; 6 - индиевое
уплотнение; 7 - выводы электрические
Рис. 3. Оптический микросканер в корпусе
Полагая в уравнении (6) Ь / а = 10, у = 3 -10 4, d = 0,25 мкм, а = 106 Па, в = 3, получим: и * 0,15 В.
На рис. 3 схематически показан оптический микросканер в корпусе, представляющем собой две параллельные соединённые вакуумплотно по периметру прозрачные для излучения пластины. Вакуумирование корпуса необходимо для исключения влияния упругости атмосферы на перемещение мембраны.
На рис. 4 показана оптическая схема тепловизионного приёмника изображения с зеркально-линзовой оптической системой, где в качестве зеркала схемы применён субпиксельный микросканер. На рисунке: 1 - микросканер, 2 -матрица приёмника, И - сдвиг изображения в плоскости матрицы при срабатывании микросканера и повороте его зеркал на угол у = Да /2.
Пластина микромеханического сканера устанавливается в качестве зеркала 1 на расстоянии а от плоскости формирования изображения сферическим или параболическим зеркалом Ц. Линза Ц формирует вторичное изображение в плоскости теплоприёмной матрицы 2. При работе сканера изображение в плоскости теплоприёмной матрицы периодически смещается на величину И. Чувствительный элемент пиксела матрицы занимает часть площади пиксела, и при смещении изображения на чувствительный элемент попадает то одна, то другая часть изображения. Если значение И равно половине размера пиксела, то разрешение матрицы по направлению отклонения изображения увеличивается вдвое.
Рис. 4. Оптическая схема зеркально-линзового тепловизионного приемника изображения со встроенным микросканером субпиксельного сканирования
Расчёты показывают возможность создания микросканера с диаметром активной области до 30-50 мм, временем переключения до десятков микросекунд при фиксированном угле сканирования порядка 1-10 угловых минут, управляющем напряжении доли - единицы вольта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чесноков В.В. Электростатическое реле // А.с. 314304 СССР, МКИ Н 03 К 17/52.-№ 1395318; Заяв. 2.02.70; Опубл. 7.09.71, Бюл. № 27.- 2с.: ил.
2. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество: учеб. пособие / Д.В. Сивухин. -М.: Наука, 1983. - 688 с.
3. Косцов, Э. Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики / Э.Г. Косцов // Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 3. - С.3-52.
4. Резник А.Л. Повышение пространственного разрешения цифровых изображений сигналов с помощью регулируемого субпиксельного сканирования / А.Л. Резник, В.М. Ефимов // Микросистемная техника. - 2003, №8. - С.20-25.
© В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, 2012
