Анализ факторов, ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ БЫСТРОДЕЙСТВИЕ МЭМС С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Владимир Станиславович Корнеев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 8, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел (383)361-08-36, email: [email protected]

Валерий Андреевич Райхерт

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 8, вед. инженер кафедры физики, тел (383)361-08-36, e-mail: [email protected]

Проведен комплексный анализ основных факторов, ограничивающих амплитуду колебаний подвижных элементов МЭМС на частотах свыше 1 кГц, оценен вклад магнетосопротивления и тормозящей силы.

Ключевые слова: микроэлектромеханические устройства МЭМС, МОЭМС,

магнетосопротивление, тормозящая сила.

ANALISIS OF FACTORS IS RESTRICTED BY THE MEMS WITH ELECTROMAGNETIC CONTROL

Vladimir S. Korneyev

Siberian State Academy of Geodesy, 8 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, docent, department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]

Valery A. Reichert

Siberian State Academy of Geodesy, 8 Plakhotnogo, Novosibirsk, 630108, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]

A comprehensive analysis of the major factors limiting amplitude of the vibrations of moving MEMS components at frequencies above 1 kHz, the contribution of the magneto resistance and the retarding force.

Key words: microelectromechanical systems-MEMS, MOEMS, magneto resistance, retarding force.

Микромеханические устройства МЭМС в последнее десятилетие получили мощный импульс развития благодаря технологиям поверхностной и объемной обработки кремния. Одной из областей применения МЭМС является оптика. Оптические микромеханические устройства выделяют в особый класс, так называемые МОЭМС, их отличает малое энергопотребление и высокая точность позиционирования оптических лучей.

Большинство серийно выпускаемых на сегодня МОЭМС конструктивно выполнены в виде матрицы микрозеркал с высоким качеством отражающей поверхности, которые управляются электростатически и имеют быстродействие 1 - 10 мс при угле поворота не более 5 - 10 0 [1].

В течении 10 лет нами разрабатывались МОЭМС, в основе которых лежит электромагнитный принцип управления положением торсионных микрозеркал, на этом принципе функционируют микромеханический дефлектор световых потоков [2], микромеханическая управляемая дифракционная решетка [3]. Экспериментальные исследования рабочих параметров этих МОЭМС наиболее полно представлены в работе [4], а на рис. 1. приведены графики амплитудно -частотных характеристик этих устройств.

В процессе экспериментов были выявлены основные ограничения, приводящие к уменьшению быстродействия на частотах сканирования свыше 1 кГц. Цель данной статьи - анализ факторов ограничивающих быстродействие МЭМС с электромагнитным управлением.

8 (мрад)

5 (мрад)

i(A2)

f (кГц)

a)

б)

Рис. 1. Экспериментальные зависимости амплитуды угла сканирования Sd: а) от частоты колебаний f; б) квадрата силы тока в катушке i2

В динамическом режиме подвижные элементы МОЭМС, использующие неполяризованные магнитные сердечники, совершают крутильные колебания с частотой о = 2ш, равной удвоенной частоте о вынуждающей силы F, пропорциональной индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода F = кВ2 sin (rnt) [3].

Амплитуда вынужденных колебаний может быть определена из выражения:

s. = . s°‘ , (1)

^(о2 ~о2) + 4р2о2

где: s - амплитуда угла сканирования в динамическом режиме, sc -статическое отклонение при о = 0; о0 - собственная частота крутильных колебаний микрозеркал; р - коэффициент релаксации.

В общем случае ¡3 определяется известным выражением:

3 = гШс, (2)

где: г - коэффициент сопротивления среды; 1с - полярный момент инерции

сечения микрозеркал.

Собственная частота крутильных колебаний т0 рассчитана теоретически

[2] и экспериментально определена т0 - 30 кГц, в работе [4].

Выразим из (1) коэффициент релаксации 3=3 / т0:

(1/в)’--(1 -Г)2

3 =-----4^------, (3)

где: у = (т/т)2; в = 8Л / $с .

Используя данные графиков (рис. 1), были рассчитаны значения 3 = 0,7 и 3 = 21 кГц, при этом резонансная частота т значительно отличается от ®0:

шр =тоф — 232, (4)

откуда, тр = 4,24 кГ ц.

Основным фактором, ограничивающим амплитуду вынужденных колебаний, является рост магнетосопротивления схемы управления угловым положением микрозеркал. Вынуждающая сила К прямо пропорциональна квадрату тока в катушке г2 и убывает с ростом частоты переменного тока. Относительное изменение этой величины можно выразить через параметр К:

• 2 -2

г — г

*"> *-1

К =^^, (5)

т — т

где: г и г2 - значения силы тока в катушке на частотах щ и т2.

Л

Из данных графика рис. 1 а) получим значение параметра К - 0,02 Ас.

С физической точки зрения, параметр К обусловлен возрастанием индуктивного сопротивления катушки и увеличением доли энергии магнитного поля, которая затрачивается на перемагничивание магнитопровода.

Вторым фактором, приводящим к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний, является сила сопротивления воздуха, действующая на каждое микрозеркало. Сила К, действующая на единицу площади поверхности, равна:

К =-л^ = -ЭДт (6)

аг

где: л - коэффициент вязкости, V - линейная скорость, г - направление нормальное к поверхности.

Л

Для воздуха л-1,8• 105 Па• с, расчет дает значения к -3,6• 105 Н/м , или

2 2 К - 3,6 • 10—11 Н/мм . Площадь микрозеркал можно оценить я - 0,5 мм, тогда

л

суммарная сила К, действующей на одно микрозеркало к -1,8 • 10—11 Н/мм .

Каждый из двух, рассмотренных выше факторов, ограничивает амплитуду вынужденных колебаний подвижных элементов МЭМС. Для компенсации роста магнетосопротивления с частотой переменного тока, детали магнито-провода необходимо изготовить из высокочастотного феррита. Влияние силы

сопротивления можно уменьшить, если поместить МЭМС в корпус с пониженным давлением, при этом F уменьшится пропорционально давлению в корпусе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Косцов, Э.Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектро-механики / Э.Г. Косцов Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 3. - С. 3-52.

2. Чесноков Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков // Оптический журнал. 2007. № 4. С.51 - 54.

3. Корнеев В.С. Особенности спектральных характеристик микромеханической управляемой дифракционной решетки / В.С. 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.

4. Корнеев, В.С. Экспериментальные исследования параметров крутильных колебаний полосок микромеханической отражательной дифракционной решетки / В.С. Корнеев // «Вестник СГГА» / Вып. 1(12). - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 117-122.

© В.С. Корнеев, В.А. Райхерт, 2012