Модуляционный метод измерения сверхмалых перемемещений подвижных элементов МЭМС Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК. 535.421.1

МОДУЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ ПЕРЕМЕМЕЩЕНИЙ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЭМС

Владимир Станиславович Корнеев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)343-29-33, e-mail: [email protected]

Рассмотрен модуляционный метод измерения сверхмалых перемещений подвижных элементов МЭМС, представлены результаты экспериментов и расчетов по измерению углов наклона микромеханической отражательной дифракционной решетки.

Ключевые слова: микро-электромеханические системы (МЭМС), подвижные элементы, модуляционный метод, отражательная дифракционная решетка.

MODULATION METHOD OF MEASURING OF ULTRA-SMALL MOBILE ELEMENTS MEMS MOVEMENTS

Vladimir S. Korneyev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor, Department of Physics, tel. (383)343-29-33, e-mail: [email protected]

Modulation method of measuring of ultra-small mobile elements MEMS movements considered, the results of experiments and calculations to measure the angles inclination of the microme-chanical reflection grating presented.

Key words: micro-electromechanical systems (MEMS), movable elements, modulation method, reflective diffraction grating.

Микро-электромеханические системы (МЭМС) находят широкое применение в современных системах лазерного сканирования, оптических каналах связи, системах экспресс-анализа и обработки данных о состоянии природной среды и техногенных объектов. К основным преимуществам МЭМС относятся их повышенное быстродействие, стабильность эксплуатационных параметров, низкое энергопотребление и повышенный ресурс непрерывной работы.

В работах [1; 2] представлены образцы МЭМС устройств имеющие сходный принцип управления потоками отраженного излучения. В основе управления параметрами таких устройств лежит электромагнитный принцип, основанный на взаимодействии переменного магнитного поля с собственными магнитными моментами подвижных элементов МЭМС.

Измерение сверхмалых перемещений подвижных элементов МЭМС является сложной технической задачей, для решения которой используют разные методы. Хорошо известным является емкостной метод, подробн о описанный в ра-

боте [3], измеренная величина воздушного зазора между подложкой и подвижным элементом, изготовленным из бериллиевой бронзы, составляла 110 нм, величина погрешности оценена в 5 нм [3].

В оптической интерферометрии и радиофизике широко применяется модуляционный метод, предложенный Г.С. Гореликом в работе [4]. Сущность метода заключается в том, что периодически меняющуюся разность фаз, вызванную смещением источников излучения, можно определить по модуляции контрольно-измерительного сигнала на выходе интерферометра.

Особенности модуляционного метода можно проиллюстрировать следующим рисунком (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Распределение интенсивности отраженного излучения:

а) при отсутствии разности фаз между соседними микро-зеркалами; б) при наличии разности фаз, обусловленной наклоном плоскости микро-зеркал на угол 8 относительно плоскости поверхности дифракционной решетки

Пространственное распределение интенсивности отраженного излучения представляет собой дифракционную картину, максимум которой совп адает с направлением зеркального отражения от плоскости дифракционной решетки с заданным периодом (рис 1а).

Функция распределения интенсивности отраженного излучения имеет вид:

где: X - длина волны лазерного излучения, d - период дифракционной решетки, Ь - ширина микро-зеркала.

При синхронном повороте всех микро-зеркал на угол 8 возникает дополнительная разность фаз Дф между потоками излучения отраженными от соседних

микро-зеркал, и происходит пространственное перераспределение энергии отраженного излучения в область максимумов с более высоким интерференционным порядком. Если угол наклона 8 периодически изменяется в некотором интервале значений Д8, то относительная интенсивность излучения в главном максимуме

(т = 0 ) Д/ /1

изменяется на величину 0 (рис 1б). Модулированный по амплитуде сигнал можно измерить и записать с помощью фотодиода, установленного в положении главного интерференционного максимума нулевого порядка. Записи модулированного на разных частотах сиг-

(т = 0 )

нала фототока в максимуме нулевого порядка были выполнены и пред-

ставлены в работах [5; 6].

Измеренная подобным методом разность фаз Дф связана с переменным углом наклона подвижных элементов - 8 геометрическим соотношением:

Чувствительность модуляционного метода измерений достаточно высока и определяется отношением минимального значения амплитуды контрольно -измерительного сигнала к величине собственного шума измерительной аппаратуры. Теоретическое значение разности фаз Дф, которая может быть обнаружена мо-

Ар = —- « 0,006 (mrad) дуляционным методом, составляет порядка 10 [4].

Наименьшее экспериментальное значение переменного угла наклона подвижных элементов, вычисленное модуляционным методом, по данным [5; 6]

= 0,25 (mrad). составляет min v }

Практическое применение модуляционного метода измерений достаточно широко: везде, где присутствует процессы, связанные с периодическим изменением положения подвижных элементов или их частей, можно воспользоваться первой гармоникой разложения в ряд Фурье модулированного контрольно -измерительного сигнала, и определить соответствующую разность фаз. Например, модуляционный метод подойдет для измерения амплитуды поверхностных упругих волн тонкопленочных мембран и волноводов, при этом методы возбужд ения упругих волн (пьезоэлектрический, электромагнитный или акустический) не имеют решающего значения. Необходимо отметить, что определяемая модуляционным методом разность фаз Дф имеет усредненное значение ^^ по всему массиву отражающих микро-зеркал.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. № 2 383 908 Российская Федерация МПК G02B 26/10 (2006.01) Устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, В.С. Корнеев; заявитель и патентообладатель: Сиб. гос. геодез. академ. (ГОУ ВПО СГГА); заявл. 16.06.08; опубл. 10.03.10; Бюл. №7.

2. Корнеев В. С. Микромеханическая управляемая дифракционная решетка с изменяе-ым углом блеска // Оптический журнал. - 2010. - Т 77. - № 5. - С. 69-71.

3. Косцов Э. Г, Соболев В. С. Низковольтный элемент программируемой полем динамической дифракционной решетки // Автометрия. - 2010. - Т 46 - № 3. - С. 101-108.

4. Горелик ГС. Применение модуляционного метода в оптической интерферометрии / ГС. Горелик // Доклады Академии Н аук СССР - 83, 549 - 1952.

5. Корнеев В. С. Экспериментальное исследование крутильных колебаний полосок микромеханической управляемой дифракционной решетки // Вестник СГГА. - 2010. -Вып. 1 (12). - С. 177-121.

6. Корнеев В. С. Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств : диссертация кандидата технических наук: 01.04.05 // [Место защиты: СГГА.]. - Новосибирск, 2010. - 84 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/774.

© В. С. Корнеев, 2017