Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств

Корнеев, Владимир Станиславович

Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Корнеев, Владимир Станиславович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств"

УДК 535:421

На правах рукописи

0046174ЭИ

Корнеев Владимир Станиславович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

01.04.05 - «Оптика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 б ЛЕИ /П'О

Новосибирск - 2010

004617450

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чесноков Владимир Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шлишевский Виктор Брунович;

кандидат технических наук, профессор Тымкул Василий Михайлович.

Ведущая организация - Государственное образовательное учрежде-

ние высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» (г. Новосибирск).

Защита состоится 28 декабря 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ГОУ ВПО «СГГА», ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СГГА». Автореферат разослан «Ж» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета , —' Симонова Г.В.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 24.11.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100. Печать цифровая. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В современных системах воздушной разведки, наземного лазерного сканирования и др. требуются большая скорость перемещения луча, высокая разрешающая способность и большие углы сканирования, поэтому при конструировании этих систем особое внимание уделяется устройствам управления лазерным лучом: дефлекторам, сканерам и т. д. Из всех известных типов дефлекторов наиболее разработаны так называемые оптико-механические дефлекторы, они могут работать в любом диапазоне электромагнитных волн, обеспечивают большие углы отклонения и высокую разрешающую способность. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: сложность получения больших скоростей сканирования луча, малая надежность и нестабильность в работе, трудность воздействия в процессе развертки на частоту и амплитуду угла сканирования. Все перечисленные недостатки заставляют инженеров и конструкторов искать новые технологии производства приборов и устройств.

Известно, что классические промышленные технологии, используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются резким увеличением себестоимости производства по мере снижения линейных размеров деталей механических систем и контролем точности их изготовления. В то же время, достигнутая в настоящее время совместимость технологий микроэлектроники и микропрофилирования кремния позволяет создавать микроприборы и интегрированные с микромеханическими структурами системы управления, применение которых наиболее перспективно в электронно-вычислительных устройствах, оптоэлектронике, а также в сенсорных микроэлектронных системах сбора и обработки информации о состоянии природной среды и промышленных объектов.

Современные микромеханические устройства получили название МЭМС (MEMS - micro-electro-mechanical systems), они обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с аналогичными приборами, выпускаемыми по традиционным технологиям. Среди, этих преимуществ необходимо отметить повышенное быстродействие, высокую стабильность параметров, низкое энергопотребление и существенное снижение себестоимости при промышленном производстве партии однотипных устройств.

Одной из перспективных областей применения МЭМС современные эксперты считают рынок телекоммуникаций. Появление микро-опто-электромеха-нических систем (МОЭМС) дает возможность построения полностью оптических телекоммуникационных сетей, без необходимости прямого и обратного преобразования оптического сигнала в электрический.

На сегодняшний день, большинство серийно выпускаемых МОЭМС базируются на электростатическом управлении положением микрозеркал и могут обеспечить только два положения оптического луча. Использование электромагнитного и магнитоэлектрических способов управления дает возможность увеличить число фиксированных угловых положений, и обеспечить аналоговое

управление положением оптических лучей. Кроме того, сравнительный анализ крутящих моментов, проведенный в данной работе для микроустройств, доказывает многократное превышение интенсивности магнитных силовых воздействий над электростатическими. В связи с этим, исследование новых принципов построения оптических систем и инструментов, включая теоретические основы функционирования МОЭМС, а также совершенствование конструкций и технологии производства магнитоуправляемых микромеханических устройств, является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертации является разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей и конструкторско-технологических основ создания микромеханических устройств, использующих для управления положением подвижных элементов энергию магнитного поля.

2. Создание методик и расчет параметров разрабатываемых оптических микромеханических устройств.

3. Разработка теории управления отраженным оптическим излучением с помощью системы подвижных микрозеркал, расположенных периодически.

4. Разработка измерительного стенда и исследование электромеханических и оптических параметров экспериментальных образцов микромеханических дефлекторов и сканеров.

Научная новизна

Научная новизна диссертации заключается в разработке теоретических и конструкторско-технологических основ создания микромеханических устройств, использующих подвижные микрозеркальные системы. При этом:

1) разработаны математические модели микромеханических устройств, основанные на взаимодействии внешнего магнитного поля с собственным или индуцированным магнитным моментом подвижных элементов;

2) предложены технические решения и разработана методика расчета параметров микромеханических магнитоуправляемых устройств;

3) проведен анализ упругих деформаций, возникающих при крутильных колебаниях подвижных элементов, рассмотрено влияние искажения формы отражающей поверхности на расходимость светового пучка;

4) сформулированы положения теории формирования оптического пучка в сканере с составным зеркалом, имеющим периодическую структуру;

5) предложена методика определения углов наклона отражательных элементов, основанная на анализе функции распределения интенсивности отраженного дифрагированного излучения.

Практическая значимость работы

¡.Разработанные микромеханические сканеры по своим параметрам (быстродействие, потребляемая-мощность, массогабаритные характеристики) превосходят оптико-механические и пьезоэлектрические устройства аналогичного

назначения и могут существенно улучшить параметры разрабатываемой на их основе аппаратуры.

2. Разработанное устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча (патент РФ № 2383908) может использоваться при лазерной локации объектов и обеспечит дискретное угловое управление сканируемым лучом.

3. Созданные методики расчетов оптических параметров позволяют разрабатывать микромеханические сканирующие устройства для различных диапазонов спектра электромагнитных волн и оптимизировать их конструкции для различных применений.

Личный вклад автора

Представленные в диссертации материалы получены автором самостоятельно или в соавторстве. При этом автор лично разработал базовые положения математических моделей микромеханических магнитоуправляемых устройств, методику расчета параметров оптических микромеханических устройств, основы теории управления отраженным оптическим излучением; разработал экспериментально-измерительный стенд, провел исследования экспериментальных образцов микромеханических дефлекторов и сканеров, обработал и обобщил полученные результаты.

Реализация результатов работы

Результаты диссертации были использованы при выполнении НИР по теме «Исследование возбуждения и распространения медленных акустических волн в тонкопленочных свободных структурах и разработка функциональных элементов оптики и оптоэлектроники на их основе» проводимых в ГОУ ВПО «СГГА» в 2009-10 гг., а также в курсе лабораторных работ кафедры физики.

Апробаиия работы ¿

Результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях и конгрессах:

1.1-VI Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь» 2005-10 гг., СГГА, Новосибирск.

2. Международный оптический конгресс «Оптика XXI век», 10-12 октября 2006 г., Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, Санкт-Петербург.

3. Международная школа-семинар по фундаментальным проблемам нано-и микросистемной техники «MNST-2008», 10-12 декабря 2008 г., НГТУ, Новосибирск.

4. IX Международный симпозиум по измерительной технике и научному оборудованию «9-th Int. Symp. on Measurement Tech. and Intelligent Instruments» 29 июня - 2 июля 2009 г., Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, Санкт Петербург.

5. ХП Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения - АПЭП-2010», 22-24 сентября 2010 г., НГТУ, Новосибирск.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 3 входят в перечень рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получен патент РФ. Соис-катетелем лично опубликовано 8 работ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Содержание диссертации изложено на 84 страницах и включает 28 рисунков, 6 таблиц. Список цитируемой литературы включает 48 наименований, из которых 23 на иностранном языке.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определена цель и основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, описана структура и краткое содержание диссертации.

В первом разделе приведены основные параметры устройств и методов пространственного управления оптическими лучами, рассмотрены разные типы дефлекторов и сканеров, представлена сравнительная таблица их основных параметров (таблица 1).

Таблица 1 - Основные характеристики дефлекторов разных типов [1-4]

Тип дефлектора Да, N. /«. и,Ре

рад ед. кГц мкс

Электрооптические 0,1 500 10-20 - 5кВ[1,2]

Дискретные поляризаци- од 106 - 0,2 8,5 кВ [1]

онные

Ультразвуковые дифракционные 0,02 103 — 1 1 Вт [1]

Ультразвуковые рефракционные 0,1 50 400 — 1 Вт [1]

Оптико-механические 1 5-103 0-2 10 10 Вт [1]

Магнитоэлектрические 1 500 20 0,1 Вт П, 21

Пьезоэлектрические:

а) пластинчатые 0,1 103 2-3 - 50 В [1]

б) торцевые 2-Ю"3 580 0,2 - 150 В [3]

в) поворотные 9-10"3 72 0-5 - 300 В [4]

Примечания к таблице 1:

Да - амплитуда угла сканирования; N - число элементов разрешения; /с - рабочая частота или диапазон частот сканирования;

- быстродействие дефлектора; и,Рс - рабочее напряжение или потребляемая мощность.

Проведенный обзор литературы по устройствам и методам пространственного управления оптическими лучами показал, что оптико-механические дефлекторы, несмотря на все их недостатки, остаются наиболее разработанными и серийно выпускаемыми устройствами. Общими путями повышения эффективности плавных и дискретных оптико-механических дефлекторов являются:

1) разработка новых конструктивных решений;

2) синтез новых материалов с улучшенными параметрами и характеристиками;

3) применение новых современных технологий, позволяющих получать на кремниевых подложках малогабаритные устройства, имеющие подвижные элементы сверхмалых размеров.

На основании проведенного анализа литературных данных были определены основные параметры разрабатываемых нами микромеханических сканеров с электромагнитным управлением.

Во втором разделе приведен обзор микросистемных устройств и технологий.

Существует несколько определений микросистемы, вот одно из них: «Микросистема - это интеллектуальная миниатюризированная система, обладающая сенсорными, процессорными и (или) акпоаторными функциями. В ней обычно используется комбинация двух и более устройств, интегрированных на одном чипе или мультичиповой плате и действующих на основе использования электрических, механических, оптических, химических, биологических, магнитных или других свойств» [5].

В Европе используется термин «Microsystems technology» (MST) - как более общее понятие, включающее в себя интегральные схемы и системы (ИС), микроэлектромеханические системы, электронные и фотонные устройства. В США чаще используется термин «MEMS - micro-electromechanical systems». МЭМС - это интегрированные микроустройства или системы, комбинирующие электрические и механические компоненты, изготовленные по технологиям, совместимым с технологией ИС и имеющие размеры от микрометров до миллиметров [5].

Основные области применения МЭМС [6]:

- микродвигатели, микрогенераторы энергии;

- ВЧ-устройства (ВЧ-коммутаторы, перестраиваемые фильтры и антенны, фазированные антенные решетки);

- измерители перемещений (гироскопы, высокочувствительные акселерометры);

- сенсоры вибраций, датчики давления, скоростей напряжений, микрофоны;

- микро-опто-электромеханика (проекционные дисплеи, цифровые видеопроекторы, адаптивная оптика, оптические коммутаторы).

По способам преобразования светового сигнала оптические микромеханические устройства МОЭМС (MOEMS - micro-optics-electromechanical systems) относятся к одному из двух видов оптики - интегральной или обычной. В интегральной оптике отклонение, модуляция и мультиплексирование светового сигнала достигается при помощи волноводов и механических приводов.

В обычной оптике для преобразований применяются оптические элементы: зеркала, линзы и дифракционные решетки, выполненные из других композиционных материалов и перемещаемые электромеханическими приводами. В ассортимент образцов МОЭМС с обычной оптикой входят матричный коммутатор N х N каналов, линзы Френеля, зеркала и управляемые дифракционные решетки, а также целые сборки, содержащие комбинацию этих элементов.

Обзор МЭМС технологий, представленный во втором разделе диссертации, позволил выявить основные особенности технологических процессов, используемых при производстве кремниевых микромеханических устройств. В качестве базовой технологии производства разрабатываемых микромеханйче-ских сканеров с электромагнитным управлением использована технология изготовления кремниевого составного зеркала, описанная в работах [7, 8].

В. третьем разделе представлены математические модели микромеханических устройств, основанные на взаимодействии внешнего магнитного поля с собственными или индуцированными магнитными моментами подвижных элементов; проведен анализ крутильных колебаний подвижных элементов и распределение упругих волн, приводящее к искривлению формы поверхности микрополосок; рассмотрены основы теории формирования оптического сканирующего луча и управления его пространственным положением.

Подвижными элементами разрабатываемых микромеханических устройств служат торсионные микрополоски с нанесенными на их поверхности малыми объемами сегнетоэлекгрического Уе или ферромагнитного Ут материала (рисунок 1).

Отношение крутящих моментов для магнитного М'к и электрического Мк силовых воздействий при равных объемах Ут = Уе равно:

Для современного уровня микротехнологий, достижимые параметры этих величин равны: ВГ~В" 0,5 Т; Е~ЕГ*= 105 В/м; е = 100, подстановка этих значений в уравнение (1) приводит к следующему отношению:

Данный расчет показывает значительное превышение интенсивности магнитных силовых воздействий над электростатическими при достижимых в современной технологии параметрах электростатических и магнитных полей.

В рамках диссертации были рассмотрены два основных типа подвижных элементов, отличающиеся способом создания собственных магнитных моментов при взаимодействии с внешним магнитным полем.

М'к = 1 ВВГ М"к ~\10ЩЕЕГ

О)

(М'к /М; > = 225.

(2)

Подвижный элемент с электромагнитным управлением

Подвижным элементом микромеханического устройства является торсионно закрепленная с обоих концов микрополоска (рисунок 1) длиной I, шириной Ъ, толщиной /г, обладающая собственным магнитным моментом Рт. Магнитный момент Рт может создаваться ферромагнитным материалом (ФМ), который локально или равномерным слоем распределен по поверхности полоски.

+ В

Рисунок 1 - Микрополоска с тонким слоем ФМ на поверхности Собственный магнитный момент слоя ФМ определяется из выражения:

(3)

П)

где Вг - остаточная индукция; Уп - объем ферромагнитного материала; ц0 -магнитная постоянная. Если поместить микрополоску во внешнее магнитное поле с индукцией В, то крутящий момент, действующий на полоску, равен:

Мк =РтВяа а,

(4)

где а - угол между векторами Рт и В (см. рисунок 1), Мк максимален, когда Рт 1В.

Основываясь на анализе статических крутильных деформаций, было получено выражение для угла поворота 5//2 среднего сечения полоски, когда упругость полоски вызвана не натяжением, а её собственной жёсткостью:

- ЪВ,ВУ1 . О/« = — —^гвта, 12 4 \ifibh1

(5)

где О - модуль сдвига материала микрополоски.

Когда материал слоя ФМ магнитотвердый и намагничен так, что вектор В, лежит в плоскости поверхности полоски параллельно вектору Рт, то величину Вг можно найти из кривых размагничивания данного ФМ.

Если магнитный элемент изготовлен из магнитомягкого ФМ, например, из железа, и помещён во внешнее магнитное поле, то для определения величины индуцированного в нём магнитного момента было получено выражение:

" Но

(6)

где р. - магнитная проницаемость материала слоя; Всова - составляющая вектора магнитной индукции, параллельная плоскости поверхности слоя.

В этом случае выражение для угла поворота среднего сечения полоски будет таким:

зЛ/

4 ц^Ьй3

вша сое <х.

(7)

С учетом известного тригонометрического тождества (яш2а = 2$тасо5а), получим следующее выражение:

8м =

3 ЦВ2У„1 Вц^Ьк3

вт2а.

(8)

В этом случае оптимальным будет расположение векторов Рт и В под углом а = я/4.

Подвижный элемент с магнитоэлектрическим управлением

Если на поверхности микрополоски сформирована так называемая токовая петля (рисунок 2), то собственный магнитный момент полоски Ря создается током, протекающим через петлю.

Рисунок 2 - Микрополоска с током I в магнитном поле

Величина собственного магнитного момента Ря может быть определена из выражения:

(9)

где г - сила тока в петле; Бп - площадь токовой петли.

Используя тот же подход, как и в случае со слоем ФМ, было получено выражение для угла поворота б(/2 среднего сечения микрополоски:

(1о)

Наибольшие значения 6,/2 получаются, если а = тс/2, то есть, когда вектор В направлен параллельно плоскости поверхности полоски (см. рисунок 2).

Выражения (5)-{10) представлены для сосредоточенных моментов, приложенных к сечению полоски с координатой х = / / 2, и позволяют рассчитать параметры управления подвижными элементами в виде микрополосок размерами (1 = 5 мм, Ь — 100 мкм, А = 3 мкм), представленные в таблице 2.

Таблица 2 - Расчетные значения параметров управления подвижными элементами

Способ управления Па] раметры

5, рад ВТ Вг Т г, мкА

Электромагнитный (микромагнит) Ум = 2,5,- КГ13(м3) 0,056 0,1 0,1

Электромагнитный (магнитные элементы) Ум = 2,5 10~13(м3) 0,028 0,1

Магнитоэлектрический (токовая петля) £ =5-10>г) 0,056 0,1 200

Представленные в третьем разделе математические модели позволили выявить основные особенности управления подвижными элементами в виде торсионных микрополосок:

1. Для электромагнитного управления угол поворота 8//2 среднего сечения микрополоски пропорционален объёму магнитного материала Ут и магнитной индукции В управляющего поля.

2. Для магнитоэлектрического управления угол поворота 5(/г среднего сечения пропорционален силе тока г и площади токовой петли .

3. В случае с магнитным элементом из магнитотвердого материала и случае с токовой петлей векторы Рп и В должны быть взаимно перпендикулярны.

4. В случае с магнитным элементом из магнитомягкого материала векторы Рт и В должны быть ориентированы под углом 45°.

5. Энергетически наиболее выгодным является вариант с микромагнитами, так как позволяет получать наибольшие углы поворота Sw при равном силовом воздействии.

Анализ крутильных колебаний подвижных элементов

При поворотах торсионно закрепленных микрозеркал (рисунок 3), являющихся частями составного зеркала, полоски микрозеркал перестают быть плоскими, и их поверхности приобретают кривизну. После отражения от этой искривленной поверхности нерасходящийся пучок света приобретает расходимость.

Ь-

I-

А-А А

а) б)

Рисунок 3 - Схема приложения крутильных моментов к полоске микрозеркал (хх,хг- координаты приложения крутильных моментов 1/2 Mt):

а) вид со стороны отражающей поверхности; б) вид в разрезе сечением А-А

В зависимости от соотношения между длиной упругой крутильной волны Хк в полоске и длиной полоски L возможны два случая распределения деформаций по поверхности микрозеркал.

1. L « Хк, при ширине полоски Ъ « Хк.

При взаимодействии внешнего магнитного поля В с собственным магнитным моментом Рт закрепленного на полоске микромагнита возникает крутящий момент Мк, равный:

Mk=PmBsrna, (11)

где a = n/2-8I; 5Х - угол поворота сечения полоски с координатой х из первоначального незакрученного положения.

Учитывая последнее выражение, преобразуем (11):

Mk=PmBcosSx. (12)

Когда крутящий момент Мк приложен равными долями локально в двух симметрично расположенных относительно среднего сечения полоски сечениях (см. рисунок 3), то форма и-наклон полоски не меняются с течением времени,

2 '

/1 1 <0 Л

-----

1 Г| _ / /

/ <- L ->

реализуется «старт-стопный» режим сканирования. Участки полоски между её закреплёнными концами и сечениями приложения крутильных моментов приобретают винтообразную форму, определяемую выражением:

(13)

где 1К - полярный момент инерции сечения полоски; О - модуль сдвига материала полоски.

Уравнение (13) справедливо при консольном закреплении закручивающихся стержней, и здесь применено к закреплённой по концам полоске, для случаев малых углов поворота, когда увеличением жёсткости.закручивающейся полоски вследствие возникновения продольного натяжения можно пренебречь.

При изменениях крутящего момента с относительно малой частотой, при которой длина крутильной волны в полоске много больше длины полоски, полоска остается плоской и поворачивается в средней своей части как единое целое.

2. Ь а Хк / 4, при ширине полоски Ь « Ь.

В соответствии с теорией вынужденных колебаний в механических системах с распределёнными параметрами, угол поворота 8Х любого сечения полоски является суперпозицией углов поворота 5„ сечения на всех формах собственных колебаний, характеризуемых целыми числами п — 1,2, 3...:

где 50я - максимальная на длине Ь амплитуда волны с формой колебаний, имеющей номер п; Ь - длина полоски.

В работе [8] найдено выражение для распределения амплитуды крутильных колебаний вдоль полоски, имеющей механическую добротность Qn, на основной (и = 1) и на неосновных собственных формах колебаний (и ^ 1), когда колебания возбуждаются на частоте со = со,:

Принимая добротности колебательной системы на разных собственных пространственных модах равными одному значению <2, было получено результирующее выражение для распределения амплитуды колебаний вдоль длины полоски, когда колебания возбуждаются на частоте 0) = <а, и учитываются только основная и одна из неосновных мод:

(14)

(15)

5М=-

4{?М0яп

тй

БШ

7СС

+ А„. ят

. (Кпх

(16)

Второе слагаемое в квадратной скобке учитывается, если п * 1

Ч~г

(17)

здесь Дл;е1 выражает добавку к амплитуде колебаний микрозеркала на основной моде, обусловленную и-й собственной модой.

В работе [8] показана возможность частичной компенсации искажений формы микрозеркала на основной собственной моде колебаний искажениями, вызываемыми возбуждением неосновных мод.

Распределение амплитуды крутильных колебаний микрозеркала вдоль оси х на основной (л = 3) и третьей (л = 3) формах колебаний представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 - Распределение амплитуды крутильных колебаний вдоль длины полоски на разных формах собственных колебаниях при добротности механической системы Q~Ql = Q„

При построении графиков (см. рисунок 4) принято значение точки приложения крутящих моментов 1-0,2Ь, эта точка является узловой для пятой гармоники, и колебания в средней области микрополоски проходят на основной и третьей модах в противофазе, что приводит к динамической линеаризации распределения амплитуд в этой области. Необходимо отметить, что все четные формы собственных колебаний компенсируются, если крутящие моменты приложены софазно, в точках, расположенных симметрично относительно среднего сечения микрозеркал, например, в узловых точках одной из форм собственных колебаний (п у 1).

Анализ формирования сканирующего оптического пучка и управление его пространственным положением

Поверхности полосок могут быть использованы в качестве отражающих элементов (ОЭ). При синхронном повороте полосок, их шаг <1 остается постоянным, поэтому для анализа оптических характеристик отраженного излучения оправдано использовать теорию фазовой дифракционной решетки.

Для пучка монохроматического излучения с длиной волны Л, падающего на плоскость отражательной дифракционной решетки под углом ф, условие образования главных максимумов дифракционной картины имеет вид:

¿(втф = вшф) = ±т"К,

от = 0; 1; 2... <18>

где т - порядок дифракционного максимума, а углы падения ф и дифракции (р отсчитываются от нормали п к плоскости поверхности подложки (рисунок 5, а).

а) б)

Рисунок 5 - Оптическая схема отражения лучей от среднего сечения полосок шириной Ь, расположенных с шагом с1

При синхронном повороте микрополосок на угол 8, максимум интенсивности отраженного излучения сдвигается на угол Дф в направлении максимумов с большим порядком т (рисунок 5, б), при этом положения главных максимумов дифракционной картины сохраняются.

Интенсивность излучения I в главных максимумах дифракционной картины определяется известным выражением:

/ = /0Ф(«Ж2, * (19)

где /0 - интенсивность в центре дифракционной картины, в направлении на главный максимум <р0; N - общее число отражающих элементов;

Ф("):?(лг) ' "=у[*1п<Р+81п(25-Ф„)], (20)

где Ь - ширина зеркального элемента дифракционной решетки.

Длина волны Лт, на которую в спектре т-го порядка приходится максимум интенсивности, может быть найдена из выражения:

^_2Л5т<?со5(г9/2) ^

Для монохроматического излучения с длиной волны Л, между углом наклона 8 и номером дифракционного порядка т существует однозначная зависимость, и при заданных параметрах решетки (</,Ф) и длине волны X можно определить величину угла наклона Д5, пропорциональную изменению номера порядка т на единицу.

В таблице 3 приведены значения угла Д8, соответствующие изменению номера порядка т на единицу, для некоторых выборочных значений Л в видимом и ИК диапазонах спектра, X - общее число угловых положений для фиксированных значений ¿ = 105 мкм, г?/2 = 45°, 8 = ±5°.

Таблица 3 - Расчетные значения угла наклона микрополосок Д<Удля разных значений длин волн излучения Л; общее число угловых положений лучей А'

Л (мкм) 0,3 0,5 0,7 0,9 1 2 3 4 5

&8 (рад) 0,002 0,0034 0,005 0,006 0,0067 0,0134 0,0202 0,027 0,034

А8 (град) 0,12 0,19 0,27 0,35 0,38 0,77 1,15 1,54 1,93

Х(8 = ± 5°) 87 51 37 29 25 13 7 7 5

Данные таблицы 3 показывают, что с увеличением длины волны X число возможных угловых положений отраженных лучей X уменьшается, при этом возрастает угол наклона А8, необходимый для переключения лучей в соседнее фиксированное угловое положение.

На основании анализа формирования сканирующего оптического пучка в диссертационной работе сформулированы следующие положения.

Основные положения теории управления отраженным излучением

1. Для пространственного управления отраженным излучением используется средняя часть полоски, которая сохраняет свою плоскостность при кручении на малые углы, для улучшения отражения фронтальная поверхность полоски покрывается тонкой металлической пленкой.

2. Угловая расходимость светового пучка, отраженного от зеркальной поверхности полосок, может быть рассчитана из выражения:

Y = arcsm(X/JVíí), (22)

где Я - длина световой волны; Nd - размер освещенной области чипа.

3. При изменении угла кручения полосок ±5 (рисунок 5, 6) отраженный световой пучок будет сканировать в пределах угла Д<р:

Дер = ±25. (23)

4. Угловое расстояние между направлениями на главные максимумы дифракционной картины может быть определено из выражения (18):

Дсри=Я./с/со5фи. (24)

5. Общее количество фиксированных угловых положений X отраженного пучка в пределах угла сканирования Дф может быть найдено как отношение:

Х = Дср/Дсрм. (25)

Анализ влияния искажения поверхности на расходимость светового пучка

На рисунке 6 показана схема хода световых лучей, нормально падающих на полоску и отражённых от неё на экран при амплитудном отклонении полоски от начального положения. В нижней части рисунка 6, а на полоске микрозеркала пронумерованы её сечения; на верхней части показаны штриховыми линиями угловые положения этих сечений, пронумерованные аналогично, отраженные от пронумерованных сечений микрозеркала лучи изображены сплошными стрелками. На рисунке 6, б кружками показаны места падения лучей, отражённых от пронумерованных сечений микрозеркала на экран; их совокупность образует собой дугообразное световое пятно на экране. При крутильных колебаниях полоски световая дуга периодически перемещается по экрану справа налево и обратно, таким образом, что её концы остаются неподвижными, а направление выпуклости меняется на противоположное. Можно заключить, что дугообразное световое пятно на экране (см. рисунок 6, б) имеет форму половины синусоиды Atf sin (7vc/L), где Ах - коэффициент, зависящий от параметров полоски; / - расстояние до экрана.

»4

/// //

Положение сечений

микрозеркала

Экран

Л:

а)

Сечения полоски к которым ' приложен крутящий момент

Рисунок 6 - Схема отражения световых лучей от микрозеркал: а) ход отраженных лучей; б) форма светового пятна на экране

Расстояние от отдельной точки этой дуги до средней линии экрана определяется выражением:

(26)

где 5, - угол поворота сечения полоски с координатой х. Очевидно, что для уменьшения влияния искажений формы поверхности микрозеркала на размер светового пятна необходимо использовать только долю длины полоски, ограничив поперечник светового пучка, падающего на полоску. Обозначим поперечник светового пучка по направлению вдоль полоски Ах, поперёк полоски- Д^ (см. рисунок 6, б).

Если хтм - это половина длины строки сканирования световым пучком на экране, то отношение 2хти / Дх дает число поперечников светового пятна, укладывающихся по строке. Если по строке необходимо, например, расположить 200 световых пятен, то требуется, чтобы (Ах / V) = 0,09.

Таким образом, проведенный в третьем разделе анализ показал значительное превышение интенсивности магнитных силовых воздействий над электростатическими при достижимых в современной технологии параметрах электро-

статических и магнитных полей; для представленных математических моделей с электромагнитным и магнитоэлектрическим управлением выявлено оптимальное направление внешнего магнитного поля по отношению к продольной оси микрополосок и рассчитаны параметры управления подвижными элементами. Анализ крутильных колебаний подвижных элементов показал, что при больших скоростях сканирования возникают искажения формы поверхности микрозеркал, показаны способы компенсации этих искажений. На основании анализа формирования сканирующего оптического пучка были сформулированы основные положения теории управления отраженным оптическим излучением.

Материалы третьего раздела представлены в работах [2-4, 8, 13] списка работ, опубликованных по теме диссертации.

В четвертом разделе представлен один из вариантов конструкции микромеханического сканера с электромагнитным управлением, общий вид которого показан на рисунок 7.

с электромагнитным управлением

Основанием сканера служит пластина 1 из высокочастотного феррита, на поверхности которой выполнены в виде выступов полюсные наконечники 2 и

сердечники 3 катушек возбуждения 4, являющиеся элементами магнитной цепи сканера. Чип 5 с матрицей микрозеркал 6 закреплен на основании таким образом, что полоски микрозеркал расположены с малым зазором над полюсными наконечниками. Крышка 7 с отверстием 8 для ввода и вывода излучения накладывается на торцы сердечников и является магнитопроводом замкнутой магнитной цепи. Величина немагнитного зазора, в котором расположены полоски микрозеркал с закрепленными на них микромагнитами, имеет величину порядка 0,1 мм. Микромагниты 9 представляют собой участки тонкой пленки из маг-нитотвердого материала. Магнитное поле, возбуждаемое в немагнитном зазоре, взаимодействует с магнитными моментами микромагнитов и приводит к появлению механических крутящих моментов, закручивающих полоски микрозеркал. Микромагниты играют роль якорей в рассматриваемой электромеханической системе. Магнитный поток в магнитной цепи создается катушками 4, по которым протекает ток, при подключении их к источнику электрического напряжения. Магнитная энергия в замкнутой магнитной цепи с воздушным зазором равна удвоенной энергии магнитного поля в зазоре:

(27)

Н-о

где К3 - объем воздушного зазора; В} - индукция магнитного поля в зазоре.

В динамическом режиме магнитное поле дважды за период возрастает от нуля до максимального значения, при этом реактивная мощность, сообщаемая магнитной цепи катушками возбуждения, равна:

Ря=Фт- со/тс. (28)

Активная мощность, потребляемая катушками, определяется КПД магнитной цепи (по аналогии с маломощными трансформаторами КПД = 0,9).

С учетом значений КПД активная мощность, потребляемая катушками, равна:

РА = (1 - КПД)/>*(1 - КПД)Я32Г3со / тгц0. (29)

Если ширина воздушного зазора в магнитной цепи 0,1 мм, площадь двух полюсных наконечников равна 20 мм3, частота тока в катушках возбуждения 10 кГц, индукция магнитного поля в воздушном зазоре 0,1 Т, тогда расчет активной мощности по формуле (29) дает значение Рл -3-1СГ2 Вт.

Одним из предполагаемых вариантов использования микромеханических сканеров является коммутатор огггических каналов, схема которого представлена на рисунке 8.

Данное устройство обеспечит высокоскоростное переключение 1*М оптических каналов, угловое положение которых совпадает с положением главных максимумов дифракционной картины. Число фиксированных каналов М определяется шагом расположения микрозеркал, длиной волны используемого излучения и диапазоном изменения угла наклона отражающих элементов микромеханического сканера. Число каналов М можно определить из таблицы 3, в которой рассчитано число возможных угловых положений оптических лучей для некоторых выборочных значений длин волн в видимом и ИК диапазонах.

Быстродействие дефлектора г^ при работе в старт-стопном режиме определяется как время свободного возврата микрозеркал из отклоненного положения в равновесное. Это врейя может быть оценено как четверть периода собственных колебаний микрозеркал =(774) = (1/4£). При частоте собственных колебаний микрозеркал /с = 30 кГц, быстродействие составляет ^ = 8 мкс.

В таблице 4 представлены расчетные параметры микромеханических сканеров.

Таблица 4 - Расчетные параметры микромеханических сканеров

Параметр Значение Единица измерения

Амплитуда угла сканирования 0,1 радиан

Число угловых положений луча (X = 0,5 мкм) 50 штук

Диапазон частот сканирования 0-30 кГц

Быстродействие 6-8 мкс

Оптические потери 10-15 %

Потребляемая мощность 30 мВт

Разрабатываемые микромеханические сканеры, представленные в четвертом разделе диссертации, по своим параметрам превосходят оптико-механические и пьезоэлектрические устройства аналогичного назначения и могут существенно улучшить параметры разрабатываемой на их основе аппаратуры.

Рисунок 8 - Схема коммутатора оптических каналов

Рисунок 9 - Схема экспериментально-измерительного стенда

В пятом разделе рассмотрены вопросы технологии изготовления микромеханических структур сканера и магнитных силовых элементов, приведены схема измерительного стенда и результаты экспериментальных исследований параметров микромеханических устройств с электромагнитным управлением в «старт-стопном» и динамическом режимах, описана методика определения угла наклона отражающих элементов (ОЭ).

Измерительный стенд (рисунок 9) представляет собой оптическую скамью, на которой вдоль оси светового пучка располагались: источник оптического излучения 1, коллимационная линза 2, устройство управления угловым положением ОЭ 3. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны Я = 650 ±5 нм и диаметром пучка 3 мм. Отраженный дифрагированный пучок выходил вертикально вверх, дифракционная картина наблюдалась на экране 4. В главный максимум (т = 0) дифракционной картины помещался фотодиод 5 с апертурой 3,5 мм, которая перекрывала сечение главного

максимума дифракционной картины. Схема устройства управления угловым положением ОЭ показана на рисунке 10.

Магнитное поле в зазоре маг-нитопровода 4 создавалось током, протекающим по виткам катушки 3, намотанной на среднюю часть Ш-образного ферритового сердечника 2. Кремниевый чип микромеханического устройства 1 располагался в средней части зазора, под углом 45 к оптической оси падающего пучка 5, отраженный пучок 6 выходил вертикально вверх через отверстие в магнито-проводе. Магнитное поле с индукцией В, направленное под углом 45° к плоскости поверхности полосок, приводило к появлению крутящего момента, который поворачивал плоскости поверхности полосок на угол 8, при этом отраженный от поверхности луч лазера отклонялся на угол 28.

5 1

4 X V <— 2 3

Рисунок 10 - Схема устройства управления угловым положением ОЭ:

1) кремниевый чип; 2) ферритовый сердечник; 3) катушка; 4) магнитопровод (2 детали); 5) оптическая ось падающего пучка; 6) оптическая ось отраженного пучка

Исследования оптических параметров в «старт-стопном» режиме

Для экспериментов были подготовлены образцы микромеханических сканеров, представляющие собой кремниевые чипы размером 1 * 2 см, отличающиеся формой и объемом магнитных элементов:

I. Ферромагнитный слой нанесен на всю поверхность полосок.

II. Ферромагнитный слой нанесен в виде 2 локальных участков.

Результаты экспериментальных исследований и теоретических расчетов параметров микромеханических сканеров представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Оптические и электромеханические параметры микромеханических сканеров в «старт-стопном» режиме

Параметр 1тип Птип

теор. эксп. теор. эксп.

Угол сканирования Дф (мрад) 62 56 50 43

Число дискретных положений луча N 10 9 8 7

Угловая расходимость выходящего пучка 0,3 0,4 0,3 0,35

у (мрад)

Угловое расстояние между соседними 6,2 6,2 6,2 6,2

максимумами Дфи (мрад)

Оптические потери т (%) 10-15 - 10-15 -

Чувствительность по току (мрад/А) - 12,4 - - 11,2

Примечания к таблице 5: угол сканирования Дф, угловая расходимость выходного пучка у, угловое расстояние между соседними максимумами Дф, определялись прямыми измерениями. Экспериментальные результаты подвергались статистической обработке, при этом среднеквадратичная погрешность не превышала 10 % и была связана, в первую очередь, с недостаточно продуманной методикой измерений.

Исследования оптических параметров в динамическом режиме

В том случае, если угол наклона микрозеркал периодически изменялся в пределах ±3, происходило сканирование оптического луча в пределах угла А<р=£2д. Для определения угла &<р в динамическом режиме, фотодиод помещался в область главного максимума дифракционной картины (см. рисунок 9), переменный сигнал с фотодиода подавался на осциллограф. Наблюдаемые на осциллограммах модуляции напряжения были вызваны изменением суммарной интенсивности излучения на фотодиоде.

В таблице 6 представлены результаты экспериментальных исследований динамических параметров микромеханических сканеров с электромагнитным управлением в динамическом режиме.

Таблица 6 - Динамические параметры микромеханических сканеров

/(кГц) од 0,2 0,4 0,5 0,7 1 2 4 5 10

it<4) 1,6 1,5 1,2 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,25 0,22

В0 (мТ) 23 21 17 15,5 12,7 10 7 . 4,2 3,5 2

AU/U 1 0,9 0,75 0,7 0,5 0,35 0,25 0,2 0,15 0,1

Д ср (мрад) 6,2 4,5 4,24 4,0 3,5 2,8 2,1 1,8 1,5 1

Примечания к таблице 6:

f - частота колебаний микрополосок;

1к - амплитудное значение силы тока в катушке;

В - индукция магнитного поля в зазоре магнитопровода;

ДU IUa - коэффициент модуляции, равный отношению переменной составляющей напряжения на фотодиоде ДU к постоянной составляющей í/0;

Дф - амплитуда угла сканирования; Д/ - полоса пропускания.

Методика определения угла наклона отражающих элементов (ОЭ)

Функция распределения интенсивности дифрагированного отраженного излучения /(ф) имеет вид (рисунок 11, а):

/(ф) = /0Ф(«)Ф(у), (30)

где /0 - интенсивность в центре дифракционной картины, в направлении ф0;

. / > fsin«V . , . i ,, N (sinWvY яd .

Ф(«)= - ; к = —- втф + втф!; ФМ =- ; v = —втф.

\ и ) X \ sinv ) X

При увеличении угла наклона S к плоскости поверхности подложки максимум функции Ф(н) сдвигается на угол Дф в направлении главных максимумов с большими т, при этом относительная интенсивность излучения в главном максимуме (т = 0) изменяется на величину Л/ / /0 (рисунок 11,6).

Функция Ф(к) была протабулирована при заданных параметрах Ь; ф; ф; X.

В первом приближении отношение Д/ / /0 можно представить через отношение переменной составляющей сигнала напряжения ДU, вызываемого модуляцией интенсивности при периодическом смещении центрального максимума, к статическому напряжению U0, получаемому при засветке фотодиода лазерным лучом (эти данные получены после обработки экспериментальных осциллограмм).

На рисунке 12 представлены графические зависимости, построенные после обработки экспериментальных осциллограмм, с использованием описанной выше методики.

О 7 ВО 0.7М 0.7М 0.7М 0.708 0.7» 0,792

Фо

,774 0,790 0.782

1.7М 4.7М й.ТМ 0.7»

йФ 1 (О

<Р(рад)

б)

Рисунок 11 - Изменение интенсивности / в главных максимумах дифракционной картины, при изменении угла наклона отражающих элементов 5//2

ОД0Э&1

еда»

I 0ДЕ5-

-ЭоШ)-о

| 00315-Е

| одло->>

0,0005-

а)

0,0035

цсвзо

0,0325 О,ОСИ)

аотб 0,0010

(10005

О 2 4 6 8 Ю Чсгоыгц».ниютск1 (ьЛ£|

-1—■ О)

б)

ода одв

0.010 0,015

0,020 0,025

Рисунок 12 - Зависимость угла наклона Ъ1П:

а) от частоты переменного тока со; б) от магнитной индукции В в зазоре магнитопровода

Анализ полученных экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Частота вынужденных колебаний полосок в зазоре магнитной цепи экспериментального стенда равна удвоенной частоте переменного тока катушки управляющей системы.

2. В исследуемом диапазоне частот крутильных колебаний (0-10 кГц) резонансных явлений не выявлено, уменьшение амплитуды угла сканирования с частотой (см. рисунок 12, а) связано с использованием в магнитной цепи стального магнитопровода.

3. Экспериментальная зависимость угла наклона от индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода (рисунок 12, б) в основном подтверждает квадратичный форму, определяемую выражением (8).

4. Наименьшая измеренная величина угла наклона Вт составляет 0,5 мрад и определяет предел чувствительности данного метода измерений.

Представленные в пятом разделе схема измерительного стенда и результаты экспериментальных исследований были опубликованы в работах [5, 6, 10,12] списка работ, опубликованных по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны и исследованы математические модели микромеханических устройств с электромагнитным и магнитоэлектрическим управлением подвижными элементами, выявлено оптимальное направление внешнего магнитного поля по отношению к продольной оси микрополосок, полученные аналитические выражения позволили рассчитать параметры управления угловым положением подвижных элементов в форме микрополосок.

2. В рамках модели упругих деформаций, возникающих при крутильных колебаниях полосковых микрозеркал, показано, что при расчете результирующей амплитуды вынужденных колебаний необходим учет основной и одной из неосновных форм собственных крутильных колебаний, предложены способы компенсации линейных искажений средней части микрозеркал.

3. Сформулированы основы теории управления отраженным оптическим излучением с помощью системы подвижных микрозеркал, расположенных периодически, показано, что периодичность структуры составного зеркала приводит к фиксированным угловым положениям сканируемого монохроматического пучка.

4. Разработано устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча (патент РФ № 2383908), которое может использоваться при лазерной локации объектов и обеспечит дискретное угловое управление сканируемым лучом.

5. Разработан и предложен вариант конструкции чипа микромеханического сканера с электромагнитным управлением, проведен расчет параметров управления и потребляемой им мощности, представлен вариант использования микромеханического сканера в качестве коммутатора оптических каналов со временем переключения 8 мкс, и числом каналов 50.

6. Показано, что разработанные микромеханические сканеры по основным параметрам превосходят оптико-механические и пьезоэлектрические устройства аналогичного назначения.

7. Разработан измерительный стенд для исследования оптических и электромеханических параметров микромеханических магнитоуправляемых устройств, подготовлены опытные образцы микромеханических сканеров и экспериментально исследованы их оптические и электромеханические параметры.

8. Предложена методика определения угла наклона отражательных элементов в динамическом режиме, основанная на анализе функции распределения интенсивности отраженного дифрагированного излучения, методика использована при обработке экспериментальных данных, показано, что наименьшая экспериментальная величина угла наклона составляет 0,5 мрад.

Список работ опубликованных по теме диссертации:

1 Корнеев, B.C. Определение остаточной намагниченности микромагнита микромеханического дефлектора / B.C. Корнеев И Сб. науч. трудов аспирантов и молодых ученых СГГА. - Новосибирск: СГГА, 2005. - Вып. 2. - С. 95-99.

2 Корнеев, B.C. Коэффициент пропускания микромеханического модулятора / B.C. Корнеев // ГЕО-Сибирь-2006: сб. материалов Междунар. науч. конгр. Т. 4. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 109-113.

3 Чесноков, Д.В. Микромеханический дефлектор-модулятор и его оптические характеристики / Д.В. Чесноков, B.C. Корнеев // Сб. трудов Междунар. опт. конгр. - СПб.: Оптическое общество им Д.С. Рождественского, 2006. -С.208-213.

4 Корнеев, B.C. Оптические характеристики микромеханических модуляторов и дефлекторов / B.C. Корнеев // ГЕО-Сибирь-2007: сб. материалов Ш Междунар. науч. конгр. Т. 4. - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 214-220.

5 Корнеев, B.C. Исследование рабочих параметров микромеханических дефлекторов с электромагнитным управлением / B.C. Корнеев // ГЕО-Сибирь-2008: сб. материалов IV Междунар. науч. конгр. Т. 4. Ч. 2. - Новосибирск: СГГА, 2008.-С. 61-65.

6 Корнеев, B.C. Исследование рабочих параметров микромеханических устройств с электромагнитным управлением / B.C. Корнеев // Электроника Сибири. - Новосибирск: НГТУ, 2008. 3. - С. 59-61.

7 Возникновение самоупорядоченного рельефа в тонкопленочных структурах / Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин, В.В. Чесноков, А.Е. Чесноков, B.C. Корнеев, С.Л. Шергин // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35, вып. 14. - С. 54-58.

8 Korneyev, V.S. Micro-opto-mechanical scanner for terahertz spectrum diapason / V.S. Korneyev, V.V. Chesnokov, D.V. Chesnokov // "9-th Int. Symposium on Measurement Technique and Intelligent Instrument" Proc, of ISMTII - 2009, V. 2. -S-p-b. D.S. Rozhdestvensky Opt. Soc., 2009. P. 2361-2365.

9 Корнеев, B.C. Особенности спектральных характеристик микромеханической управляемой дифракционной решетки / B.C. Корнеев, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков // Сб. материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 4, ч. 2. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 24-28. •

10 Vladimir S. Komeyev. Study of the parameters of micromechanical devices with electromagnetic control / Vladimir S. Komeyev // Inter, school and seminar Modem problems of Nan electronics, Micro- and Nan systems Technologies. Novosibirsk: NSTU, 2009.-P. 113-115.

11 Komeyev, V.S. Micromechanical optical scanner for terahertz spectrum diapason / V.S. Komeyev, V.V. Chesnokov, D.V. Chesnokov // Key Engineering Materials. 2010. V. 473. - P. 291-295.

12 Корнеев, B.C. Микромеханическая управляемая дифракционная решетка с изменяемым углом блеска / B.C. Корнеев // Оптический журнал. - 2010. -Т. 77.-№5.-С. 69-71.

13 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, B.C. Корнеев; заявитель и патентообладатель: Сиб. гос. геодез. академ. (ГОУ ВПО СГГА); заявл. 16.06.08; опубл. 10.03.10; Бюл.№ 7.

14 Чесноков, В.В. Искажение формы.колеблющихся микрозеркал микромеханических сканеров / В.В. Чесноков, B.C. Корнеев, Д.В. Чесноков // Материалы Междунар. конф. «АПЭП-2010». Т. 2. - Новосибирск: НГТУ, 2010. -С. 70-74.

Список иитируемых источников:

1 Ребрин, Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве / Ю.К. Реб-рин. - М.: Сов. радио, 1977. - 335 с.

2 Электрооптические дефлекторы света / Б.Н. Гриб, И.И. Кондиленко, П.А. Короткое, Ю.П. Цяшенко. - Киев: Техника, 1980. - 208 с.

3 Слободан, М.С. Оптический дефлектор корректора волнового фронта / М.С. Слободян, С.М. Слободан, А.А. Цупин // Оптический журнал. - 2008. -Т. 75,№5.-С. 22-27.

4 Тевяшов, В.И. Оптические дефлекторы для современных тепловизион-ных приборов. / В.И. Тевяшов, С.Н. Шушарин // Оптический журнал. - 2007. -Т. 74, № 1 - С. 12-16.

5 Лучинин, В.В. О термине «Микросистемная техника» на русском и английском языках. / В.В. Лучинин, П.П. Мальцев // Нано- и микросистемная техника. - 2006. - № 2. - С. 39-41.

6 Косцов, Э.Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики / Э.Г. Косцов//Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 3. - С. 3-52.

7 Чесноков, В.В. Микромеханические модуляторы света / В.В. Чесноков // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. - 1990.- № 6. - С. 82.

8 Чесноков, Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков / Д.В. Чесноков // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74, № 4. - С. 51-54.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Корнеев, Владимир Станиславович

Введение.

1. Методы управления оптическими лучами.

1.1. Классификация методов управления оптическими лучами в пространстве.

1.2. Параметры дефлекторов.

1.3. Основные типы дефлекторов и их параметры.

1.3.1. Электрооптические дефлекторы.

1.3.2. Дискретные поляризационные дефлекторы.

1.3.3. Жидкокристаллические дефлекторы.

1.3.4. Ультразвуковые дефлекторы.

1.3.5. Оптико-механические дефлекторы.

1.3.6. Магнитоэлектрические (гальванометрические) дефлекторы.

1.3.7. Пьезоэлектрические дефлекторы.

1.3.8. Таблица основных параметров дефлекторов разных типов.

2. Микросистемные устройства и технологии.

2.1. Технология МЭМС (MEMS technology).

2.1.1. Фотолитография.

2.1.2. Формирование структур микромеханических устройств.

2.1.3. Легирование.

2.2. Объемная микромеханика.

2.3. Поверхностная микромеханика.

2.4. Другие технологии.

3. Разработка математических моделей и методов расчета оптических микромеханических устройств с магнитным управлением.

3.1. Сравнительный анализ магнитного и электростатического крутящих моментов.

3.2. Анализ вертикального прогиба балки (микрополоски) с закрепленными концами.

3.3. Подвижный элемент с электромагнитным управлением.

3.4. Подвижный элемент с магнитоэлектрическим управлением.

3.5. Анализ крутильных колебаний подвижных элементов.

3.6. Анализ формирования сканирующего оптического пучка и управление его пространственным положением.

3.7. Анализ влияния искривления формы поверхности на расходимость светового пучка.

4. Разработка микромеханических магнитоуправляемых устройств.

4.1. Микромеханический сканер.

4.2. Коммутатор оптических каналов.

4.3. Сканирование спектра отраженного излучения.

5. Экспериментальные исследования.

5.1. Разработка технологических процессов производства микромеханических сканеров с составным зеркалом.

5.1.1. Разработка технологии производства микромеханических структур сканера.

5.1.2. Вариант с токовыми петлями.

5.1.3. Вариант с микромагнитами:.

5.2. Технология получения магнитных элементов на кремнивых микрополосках.

5.3. Экспериментальный стенд.

5.4. Исследования параметров сканеров в «старт-стопном» режиме.

5.5. Исследования параметров сканеров в динамическом режиме.

5.6. Методика определения угла наклона отражающих элементов.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств"

В современных системах воздушной разведки, наземного лазерного сканирования и других, требуется большая скорость перемещения луча, высокая разрешающая способность и большие углы сканирования, поэтому при конструировании этих систем особое внимание уделяется устройствам управления лазерным лучом: дефлекторам, сканерам и т.д. Из всех известных типов дефлекторов наиболее разработаны так называемые оптико-механические дефлекторы, они могут работать в любом диапазоне электромагнитных волн, обеспечивают большие углы отклонения и высокую разрешающую способность. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: сложность получения больших скоростей сканирования луча, малая надежность и нестабильность в работе, трудность воздействия в процессе развертки на частоту и амплитуду угла сканирования. Все перечисленные недостатки заставляют инженеров и конструкторов искать новые технологии производства приборов и устройств.

Известно, что классические промышленные технологии, используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств по мере снижения линейных размеров деталей механических систем, характеризуются резким увеличением себестоимости производства и контролем точности их изготовления. В то же время, достигнутая в настоящее время совместимость технологий микроэлектроники и микропрофилирования кремния позволяет создавать микроприборы и интегрированные с микромеханическими структурами системы управления, применение которых наиболее перспективно в электронно-вычислительных устройствах, оптоэлектронике, а также в сенсорных микроэлектронных системах сбора и обработки информации о состоянии природной среды и промышленных объектов.

Современные микромеханические устройства получили название МЭМС (MEMS - micro-electro-mechanical systems), они обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с аналогичными приборами, выпускаемыми по традиционным технологиям. Среди этих преимуществ необходимо отметить повышенное быстродействие, высокую стабильность параметров, низкое энергопотребление и существенное снижение себестоимости при промышленном производстве партии однотипных устройств.

Одной из перспективных областей применения МЭМС современные эксперты считают рынок телекоммуникаций. Появление микро- опто- электромеханических систем (МОЭМС) дает возможность построения полностью оптических телекоммуникационных сетей, без необходимости прямого и обратного преобразования оптического сигнала в электрический.

На сегодняшний день большинство серийно выпускаемых МОЭМС базируются на электростатическом управлении положением микрозеркал, и могут обеспечить только два положения оптического луча. Использование электромагнитного и магнитоэлектрических методов управления дает возможность увеличить число фиксированных угловых положений оптических лучей, кроме того, сравнительный анализ крутящих моментов, проведенный в данной работе для микроустройств, доказывает многократное превышение интенсивности магнитных силовых воздействий над электростатическими. В связи с этим, исследование новых принципов построения оптических систем и инструментов, включая теоретические основы функционирования МОЭМС, а также совершенствование конструкций и технологии производства магнитоуправляемых микромеханических устройств является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследований

2. Создание методик и расчет параметров разрабатываемых оптических микромеханических устройств.

3. Разработка теории управления отраженным оптическим излучением с помощью системы подвижных микрозеркал, раположенных периодически.

Инфорлшционная база исследования

По теме диссертации проведен поиск литературных источников, в которых систематизированы методы управления оптическими лучами [1 - 4]. Большое внимание при составлении обзора литературы уделено микросистемной технологии и МЭМС устройствам [5-37].

Первые публикации, посвященные микромеханике, относятся к началу 80-х годов прошлого столетия, среди них особое место занимает работа К. Е. Пе-терсона [5]. В нашей стране значительный вклад в развитие пленочной электромеханики в 80-90-е годы прошлого века сделан сотрудниками ИМ СО РАН под руководством Дятлова В. JI [6].

В настоящее время в ИА и ЭМ СО РАН под руководством Косцова Э.Г. [7] получены МЭМ преобразователи энергии на нанометровых зазорах, в НГТУ под руководством Драгу нова В.П. [8] разработаны МЭМ преобразователи энергии механических колебаний в электрическую энергию.

Под руководством академика Кулипанова Г. Н. в ИЯФ им Будкера A.M. совместно с другими институтами СО РАН проводятся исследования по созданию «микролабораторий на чипе».

В ходе НИР, проведенных в СГГА 1999-2003 годах, авторами [9] были разработаны основные принципы функционирования микромеханических устройств, основанных на магнитоэлектрическом управлении матрицами подвижных тонкопленочных микрозеркал, результаты этих исследований нашли дальнейшее продолжение и развитие в рамках данной диссертационной работы.

Научная новизна темы исследования

При этом:

5) предложена методика измерения углов наклона отражательных элементов, основанная на анализе функции распределения интенсивности отраженного от составного зеркала дифрагированного излучения.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Разработанные микромеханические сканеры по своим параметрам (быстродействие, потребляемая мощность, массогабаритные характеристики) превосходят оптико-механические и пьезоэлектрические устройства аналогичного назначения и могут существенно улучшить параметры разрабатываемой на их основе аппаратуры.

2. Разработанное устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча (патент № 2383908), может использоваться при лазерной локации объектов и обеспечит дискретное угловое управление сканируемым лучом.

Личный вклад автора

Представленные в диссертационной работе материалы получены автором самостоятельно или в соавторстве. При этом автор лично разработал базовые положения математических моделей микромеханических магнитоуправляемых устройств, методику расчета параметров оптических микромеханических устройств, основы теории управления отраженным оптическим излучением; разработал экспериментально-измерительный стенд, провел исследования экспериментальных образцов микромеханических дефлекторов и сканеров, обработал и обобщил полученные результаты.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР по теме «Исследование возбуждения и распространения медленных акустических волн в тонкопленочных свободных структурах и разработка функциональных элементов оптики и оптоэлектроники на их основе» проводимых в ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» в 2009-10 гг., а также в курсе лабораторных работ кафедры физики ГОУ ВПО СГГА.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и конгрессах:

1. 1-У1 Международный научный конгресс «Гео - Сибирь» 2005-10 г.г., СГГА, Новосибирск;

2. Международный оптический конгресс «Оптика XXI- век», 10-12 октября 2006 г., Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, Санкт-Петербург;

3. Международная школа-семинар по фундаментальным проблемам на-но- и микросистемной техники «MNST-2008», 10-12 декабря 2008 г., НГТУ, Новосибирск;

4. IX Международный симпозиум по измерительной технике и научному оборудованию «9-th Int. Symposium On Measurement Technique and Intelligent Instruments», 29 июня - 2 июля 2009 г., Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, Санкт-Петербург;

5. XII Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения - АПЭП-2010», 22-24 сентября 2010 г., НГТУ, Новосибирск.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 3 входят в перечень рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получен патент РФ. Соискателем лично опубликовано 8 работ.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты диссертационной работы:

3. Сформулированы основы теории управления отраженным оптическим излучением с помощью периодической системы подвижных микрозеркал, показано, что периодичность структуры составного зеркала приводит к фиксированным угловым положениям сканируемого монохроматического пучка.

4. Разработано устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча (патент РФ № 2383908), которое может использоваться при лазерной локации объектов, и обеспечит дискретное угловое управление сканируемым лучом.

7. Разработан экспериментальный стенд для исследования оптических и электромеханических параметров микромеханических магнитоуправляемых устройств, подготовлены опытные образцы микромеханических сканеров и экспериментально исследованы их оптические и электромеханические параметры.

8. Предложена методика определения угла наклона отражательных элементов в динамическом режиме, основанная на графическом анализе функции распределения интенсивности отраженного дифрагированного излучения, методика использована при обработке экспериментальных данных, показано, что наименьшая экспериментальная величина угла наклона составляет 0,5 мрад.

Список работ опубликованных по теме диссертации:

1 Корнеев, B.C. Определение остаточной намагниченности микромагнита микромеханического-дефлектора // Сб. науч. трудов аспирантов и молодых ученых СГГА. - Новосибирск: СГТА, 2005. - Вып. 2. - С.95-99.

2 Корнеев, B.C. Коэффициент пропускания микромеханического модулятора //

Сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2006». - Т.4. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 109-113.

3 Чесноков, Д.В. Микромеханический дефлектор - модулятор и его оптические характеристики / Д. В. Чесноков, B.C. Корнеев // Сб. трудов Междунар. оптич. конгр. «Оптика XXI век». — С.Пб: Оптическое общество им Д.С. Рождественского, 2006. - С.208-213.

4 Корнеев, B.C. Оптические характеристики микромеханических модуляторов и дефлекторов // Сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». - Т.4, Новосибирск: СГГА, 2007. - С.214-220.

5 Корнеев, B.C. Исследование рабочих параметров микромеханических дефлекторов с электромагнитным управлением // Сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». — Т.4, ч.2, Новосибирск: СГТА, 2008-С.61-65.

6 Корнеев, B.C. Исследование рабочих параметров микромеханических устройств с электромагнитным управлением // Электроника Сибири. - №3, Новосибирск: НГТУ, 2008. - С.59-61.

7 Чесноков, Д.В. Возникновение самоупорядоченного рельефа в тонкопленочных структурах / Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин, В.В. Чесноков, А.Е. Чесноков, B.C. Корнеев, С.Л. Шергин // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35, вып. 14. -С.54-58.

8 V. S. Korneyev^V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov. Micro- opto- mechanical scanner for terahertz spectrum diapason // "9-th Int. Symposium on Measurement Technique and Intelligent Instrument" Proc, of ISMTII - 2009, V.2. - S-p-b. D.S. Rozhdestvensky Opt. Soc., 2009. P.2 361 - 2 365.

9Корнеев, B.C. Особенности спектральных характеристик микромеханической управляемой дифракционной решетки /B.C. Корнеев, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков // Сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». - Т.4, ч.2. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С.24-28.

10 Vladimir S. Korneyev Study of the parameters of micromechanical devices with electromagnetic control // Inter, school and seminar Modern problems of Nan electronics, Micro- and Nan systems Technologies. Novosibirsk: NSTU, 2009. -P.113-115.

11 V. S. Korneyev, V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov. Micromechanical optical scanner for terahertz spectrum diapason // Key Engineering Materials. 2010. V.473. - P.291-295.

12 Корнеев, B.C. Микромеханическая управляемая дифракционная решетка с изменяемым углом блеска // Оптический журнал. — 2010. - Т. 77, № 5. — С.69-71.

14 Чесноков, В.В. Искажение формы колеблющихся микрозеркал микромеханических сканеров /В.В. Чесноков, B.C. Корнеев, Д.В. Чесноков // Материалы Междунар. конф. «АПЭП-2010». - Новосибирск: НГТУ, 2010. - Т.2. - С.70-74.

Список цитируемых источников:

1 Ребрин, Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. — М.: Сов. Радио; 1977. - 335с. '

2 Электрооптические дефлекторы света. / Б.Н: Гриб, И. И. Кон дилен ко, П. А.

Коротков, Ю.П. Цященко. - Киев: Техника, 1980. — 208с.

3 Слободян, М.С. Оптический дефлектор корректора волнового фронта. / М.С.

Слободян, С.М. Слободян, А.А. Цупин // Оптический журнал. - 2008. -Т.75, №5. С.22-27.

4 Тевяшов, В.И. Оптические дефлекторы для: современных тепловизионных приборов. / В.И. Тевяшов, С.Н. Шушарин // Оптический журнал. - 2007. — Т.74, №1 - С.12-16.

5 Petersen К.Е. Silicon Torsional Scanning Mirror. // IBM Y. Res. Develop. - 1980. V.24, №5. - P.631-637.

6 Пленочная Электромеханика. / В-Л. Дятлов, В.В. Коняшкин, Б.С. Потапов;

С. И; Фадеев- Новосибирск: Наука, 1991. - 248с.

7 Косцов, Э.Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики. //

Автометрия. - 2009. Т.45, №3 - С.3-52.

8 Драгунов, В.П. МЭМ электростатический5 преобразователь энергии. / В.П.

Драгунов, Э.Г. Косцов // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - №1 Т. -С.47-53.

9 Исследование физических проблем нано- и микроразмерных функциональных механических устройств информационных оптоэлектронных систем: отчет о НИР / Сиб. Гос. Геодез. Акад. / рук. В.В. Чесноков; исполн. Д.В Чесноков. - Новосибирск- 2003. - 89 с. -№ Г. Р. 0199.0010326.

10 Лучинин, В.В. О термине «Микросистемная техника» на русском и английском языках. / В!В. Лучинин, П.П. Мальцев;// Нано- и микросистемная техника. 2006. - №2. - С.39-41.

11 Cohn R.W., Sampsell Y.B. Deformable mirror devices uses in frequency excision and optical; switching. //Appl. Opt. - 1985. - V.27, № 5. - P.937-940. 81 "

12 Ayazi F., Najafi K. Design and fabrication of a high-performance polysilicon vibrating ring gyroscope. // Micro Electro Mechanical Systems Workshop. - 1998. - P.621-626.

13 Elwenspoek M., Wiegerink R. Mechanical microsensors. // Springer Verlag, Heidelberg. - 2001. - P.301.

14 G. Kovacs G., Maluf N., Petersen K. Bulk micromachining of silicon. // Proc. IEEE, - 1998. - V.86. - P.1536-1551.

15 Tjerkstra Drs. R.W. (1999, September 23), Isotropic etching of silicon in fluoride containing solutions as a tool for micromachining. // Ph.D. thesis, University of Twente, ISBN 90-36513286.

16 Oosterbroek Ir. R.E. (1999, November 12), Modeling, design and realization of micro fluidic components. // Ph.D. thesis University of Twente, ISBN 9036513464.

17 Howe R., Muller R. Polycrystalline silicon micromechanical beams. // J. Electro-chem. Soc., - 1983. - V.130. - P.1420-1423.

18 Howe R., Muller R. Resonant micro bridge vapour sensor. // IEEE Trans. Elect. Dev. - 1986. - V.33.-P.499.

19 Bustillo J., Howe R., Muller R. Surface micromaching for micro-electromechanical systems. // Proc. IEEE, - 1998. - V.86. - P.1552-1574.

20 Elwenspoek M., Jansen H.V. Silicon Micromachining. // Cambridge University Press, Cambridge, New York, 1999.

21 Legtenberg R. Electrostatic actuators fabricated by surface micromachining techniques. Ph.D. Dissertation, University of Twente, - 1996, ISBN 90-3650796-0.

22 Tas N., Wissink J., Sander L., Lammerink T., Elwenspoek M. Modeling, Design and Testing of the Electrostatic Shuffle Motor. // Sensor and Actuator. A - V.70. -1998. —P. 171-178.

23 Stengl R., Tan T., Gosele U. A model for the silicon wafer bonding process. // Jpn. J. Appl. Phys. - 1989. - V.2. - P.1735.

24 Gui C. (1998, November 13). Direct wafer bonding with chemical mechanical polishing. Ph.D. Dissertation, University of Twente, ISBN 90-36512328.

25 Berenschot J., Gardeniers J., Lammerink Т., Elwenspoek M. New applications of r. f.-sputtered glass films as protection and bonding layers in silicon micromachin-ing. // Sensors and Actuator. - 1994. - A 41 - 42 - P.338.

26 Liu A.Q. Micro-opto-mechanical grating switches. // Sensor and Actuators. -2000. - №86 - P.127-134.

27 Piyawattanametha W., Fan L., Lee S. S., John G. D., Wu M. C. MEMS Technology for optical crosslink for micro/nano satellites. // Department of Electrical Engineering, University of California, Los Angles, USA, December 1999.

28 Toshiyoshi H. Electrostatic driving technique for high-precision 2-D scanning mirror. // Eng of University of California Los Angeles, USA, April 2000.

29 Dufour I., Sarraute E. Analytical modeling of beam behavior under different actuation: profile and stress expressions. // Journal of Modeling and Simulation of Microsystems. - 1999. - V.l, № 1 - P.57-64.

30 Francais O., Dufour I. Normalized abacus of for the global behavior of diaphragms: pneumatic, electrostatic, piezoelectric or electromagnetic actuation. // Journal of Modeling and Simulation of Microsystems. - 1999. V.l, № 2 - P. 149160.

31 Драгунов, В.П. Влияние формы упругого элемента на характеристики микро- электромеханических систем. // Микросистемная техника. - 2004. - №1. -С.20-26.

32 Драгунов, В.П. Нелинейная модель упругого элемента микроэлектромеханических систем. // Микросистемная техника. - 2004. - №6. - С. 19-24.

33 Драгунов, В.П. Нелинейная динамическая модель упругого элемента микромеханических систем. // Микросистемная техника. - 2004. - №10. - С.25-29.

34 Yang Н.Н., Judi J.W. Ferromagnetic micromechanical magnetometer. // Sensors and Actuators. - 2002. - A 97-98 - P.88-97.

35 Yong Y., Liu C. High-yield assembly of hinged 3-D optical MEMS devices using magnetic actuation. // in Proc. 1997 Int. Conf. On Solid-state Sensor and Actuators, Chicago, IL, V.l - P.241-44.

36 Чесноков, B.B. Микромеханические модуляторы света. // Изв. вузов. Сер.

Приборостроение. - 1990. - №6. - С.82-85.

37 Чесноков, Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков. // Оптический журнал. - 2007. - Т.74, .№ 4. - С.51-54.

38 Справочник по сопротивлению материалов. / Отв. ред. Г.С. Писаренко. - Киев: Наукова думка, 1988. - 320с.

39 Скучик, Е. Простые и сложные колебательные системы. / Пер. с англ. М.: Мир, 1971. - С.24-28.

40 Калитеевский, Н.И. Волновая оптика. — М.: Наука, 1971. - 376с.

41 Нагибина, И.М. Интерференция и дифракция света. - JL: Машиностроение, 1974.-360с.

42 Прикладная физическая оптика. / И.М. Нагибина, В.А. Москалев, H.A. По-лушкина, B.JI. Рудин - М.: Высшая школа, - 2002. - 565с.

43 Пейсахсон, И.В. Оптика спектральных приборов. - 2-е изд., доп. и перераб.-JL: Машиностроение, 1975. — 312с.

44 Скоков, И.В. Оптические спектральные приборы. — М.: Машиностроение, 1984.-240с.

45 Лебедева, В.В. Техника оптической спектроскопии. — М.: изд. МГУ, 1977. -384с.

46 Москалев, В.А. Теоретические основы оптико-физических измерений. - JL: Машиностроение, 1987. - 318с.

47 Февралева, Н.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. - Киев: Наукова думка, 1969. - 210с.

48 Преображенский, A.A. Магнитные материалы и элементы. / A.A. Преображенский, Е.Г.Бишард - М.: Высшая школа, 1986. - 320с.

Заключение