Содержание к диссертации
Введение
1. Методы управления оптическими лучами 10
1.1. Классификация методов управления оптическими лучами в пространстве 10
1.2. Параметры дефлекторов 10
1.3. Основные типы дефлекторов и их параметры
1.3.1. Электрооптические дефлекторы 14
1.3.2. Дискретные поляризационные дефлекторы 14
1.3.3. Жидкокристаллические дефлекторы 14
1.3.4. Ультразвуковые дефлекторы 14
1.3.5. Оптико-механические дефлекторы 15
1.3.6. Магнитоэлектрические (гальванометрические) дефлекторы 15
1.3.7. Пьезоэлектрические дефлекторы 16
1.3.8. Таблица основных параметров дефлекторов разных типов 17
2. Микросистемные устройства и технологии 18
2.1. Технология МЭМС (MEMS technology) 20
2.1.1. Фотолитография 20
2.1.2. Формирование структур микромеханических устройств 22
2.1.3. Легирование
2.2. Объемная микромеханика 23
2.3. Поверхностная микромеханика 25
2.4. Другие технологии 26
3. Разработка математических моделей и методов расчета оптических микромеханических устройств с магнитным управлением 33
3.1. Сравнительный анализ магнитного и электростатического крутящих моментов 35
3.2. Анализ вертикального прогиба балки (микрополоски) с закрепленными концами 37
3.3. Подвижный элемент с электромагнитным управлением 38
3.4. Подвижный элемент с магнитоэлектрическим управлением 40
3.5. Анализ крутильных колебаний подвижных элементов 43
3.6. Анализ формирования сканирующего оптического пучка и управление его пространственным положением 48
3.7. Анализ влияния искривления формы поверхности на расходимость светового пучка 51
4. Разработка микромеханических магнитоуправляемых устройств 53
4.1. Микромеханический сканер 54
4.2. Коммутатор оптических каналов 58
4.3. Сканирование спектра отраженного излучения 59
5. Экспериментальные исследования 64
5.1. Разработка технологических процессов производства микромеханических сканеров с составным зеркалом 64
5.1.1. Разработка технологии производства микромеханических структур сканера 64
5.1.2. Вариант с токовыми петлями 65
5.1.3. Вариант с микромагнитами:
5.2. Технология получения магнитных элементов на кремнивых микрополосках 67
5.3. Экспериментальный стенд 68
5.4. Исследования параметров сканеров в «старт-стопном» режиме 69
5.5. Исследования параметров сканеров в динамическом режиме 70
5.6. Методика определения угла наклона отражающих элементов 72
Заключение 75
Список работ опубликованных по теме диссертации: 79
Список цитируемых источников
- Параметры дефлекторов
- Формирование структур микромеханических устройств
- Подвижный элемент с магнитоэлектрическим управлением
- Коммутатор оптических каналов
Введение к работе
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:
-
Разработка математических моделей и конструкторско-технологических основ создания микромеханических устройств, использующих для управления положением подвижных элементов энергию магнитного поля.
-
Создание методик и расчет параметров разрабатываемых оптических микромеханических устройств.
-
Разработка теории управления отраженным оптическим излучением с помощью системы подвижных микрозеркал, расположенных периодически.
-
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:
-
разработаны математические модели микромеханических устройств, основанные на взаимодействии внешнего магнитного поля с собственным или индуцированным магнитным моментом подвижных элементов;
-
предложены технические решения и разработана методика расчета параметров микромеханических магнитоуправляемых устройств;
-
проведен анализ упругих деформаций, возникающих при крутильных колебаниях подвижных элементов, рассмотрено влияние искажения формы отражающей поверхности на расходимость светового пучка;
-
сформулированы положения теории формирования оптического пучка в сканере с составным зеркалом, имеющим периодическую структуру;
-
предложена методика определения углов наклона отражательных элементов, основанная на анализе функции распределения интенсивности отраженного дифрагированного излучения.
Практическая значимость 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.
-
Разработанное устройство управляемого углового дискретного позиционирования оптического луча (патент РФ № 2383908) может использоваться при лазерной локации объектов и обеспечит дискретное угловое управление сканируемым лучом.
-
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 «СГТА» в 2009-10 гг., а также в курсе лабораторных работ кафедры физики.
Апробация работы t
Результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях и конгрессах:
1.1-VI Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь» 2005-10 гг., СГГА, Новосибирск.
-
Международный оптический конгресс «Оптика XXI век», 10-12 октября 2006 г., Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, Санкт-Петербург.
-
Международная школа-семинар по фундаментальным проблемам нано-и микросистемной техники «MNST-2008», 10-12 декабря 2008 г., НГТУ, Новосибирск.
-
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.
-
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.
Параметры дефлекторов
Наступивший XXI век ознаменовал новое направление в развитии кремниевой технологии, основанное на использовании объемных конструкционных свойств кремниевых элементов при создании нового поколения устройств, приборов и механизмов повышенной сложности, применяемых в радиотехнике, оптике, машиностроении, приборостроении, химии и биомедицине. Это научно-техническое направление дало основу для развития микросистемой техники (Microsystems engineering- MSE) на базе технологии микросистем (Microsystems technology- MST) и микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical systems- MEMS). В Европе чаще всего используется термин «Microsystems technology» (MST) - «микросистемная технология». Этот термин также используется как некое более общее понятие, включающее в себя интегральные схемы (ИС) и системы, микроэлектромеханические системы, электронные и фотонные устройства, молекулярные и нанотехнологии [10].
Существует несколько определений микросистемы, вот одно из них: «Микросистема - это интеллектуальная миниатюризированная система, обладающая сенсорными, процессорными и (или) актюаторными функциями. В ней обычно используется комбинация двух и более устройств, действующих на основе использования электрических, механических, оптических, химических, биологических, магнитных или других свойств и интегрированных на одном чипе или мультичиповой плате». В США чаще используется термин «микроэлектромеханические системы» (МЭМС). «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. Соединение в таких системах компьютерной обработки с чувствительными и актюаторными компонентами позволяют нам ощущать и контролировать окружающий мир» [10].
Хотя термин МЭМС не ограничивается только кремниевыми микроустройствами, большая часть из производимых на сегодняшний день микроуст ройств изготовлена на кремниевых подложках. Для этого конечно, есть важные причины.
Во-первых: подложки из монокристаллического кремния предлагают хорошую комбинацию свойств, от идеальной упругости (отсутствие остаточной деформации или гистерезиса) до хорошей теплопроводности, от малого коэффициента термического расширения до стабильности при высоких температурах.
Во-вторых: кремниевые подложки производятся и используются в больших масштабах в микроэлектронике, что приводит к низкой себестоимости и совместимому оборудованию.
В-третьих: кремниевые подложки (с определенными технологическими ограничениями) позволяют реализовать монолитную интеграцию механических и электронных функций в одном чипе, что предлагает большой потенциал для функционально однотипных и сравнительно дешевых устройств [11].
Выгоды от использования кремниевых технологий могут быть весьма ощутимые, поскольку можно производить очень сложные объекты по невысокой цене, только вместо формирования миллиона транзисторов на кремниевой подложке, как у компьютерного чипа, технологии МЭМС позволяют делать шестерни, моторы, зеркала и другие движущиеся части.
Основные области применения МЭМС [7]: — 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; — микрооптоэлектромеханика (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. 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, вроде оптической скамьи (Silicon Optical Bench), содержащие комбинацию этих элементов.
Наиболее убедительным доказательством перспективности серийного изготовления кремниевых распределенных МОЭМС служит близость операций изготовления и компоновки к аналогичным операциям в промышленном производстве интегральных схем [12].
Формирование структур микромеханических устройств
В работе [27] сообщается о компактных двумерных (2-D) МОЭМС для сканирования оптическими лучами в пространстве. В представленных МОЭМС (см. рисунок 7) используются микромеханические структуры, называемые «микролифтами», которые подняты над подложкой на расстоянии в несколько сотен микрометров. Это позволяет устройству с большим размером зеркала иметь одновременно широкий диапазон углов сканирования, при этом может быть реализовано число элементов разрешения (N 100). Для 2-D сканера с зеркалом размерами (400 х 400) мкм экспериментально получены углы сканирования ± 14 на резонансных частотах около 500 Гц.
Микромеханические системы 2-D сканирования находят широкое применение при интенсивных исследованиях в больших масштабах. В качестве ключевого элемента в оптических соединениях, в которых оптические волокна и модули сканирования расположены в трехмерном пространстве используются зеркала с электростатическим управлением. Электростатические 2-D сканеры (рисунок 8) имеют высокое быстродействие, низкое энергопотребление, небольшие размеры, и хорошую масштабируемость для больших портов. Их недостатками являются перекрестные помехи и нелинейность собственных передаточных функций. Эти проблемы решаются предварительной калибровкой управляющего напряжения по Хи У координатам [28]. Рисунок 8 - Микромеханическое зеркало 2-D сканера [28]
Изготовление интегральной оптики способами обычных технологий кремниевых ИС затрудняется тем, что легированные диэлектрики 5Ї02 и S13N4, из которых, как правило, делают волноводы, разрушаются в процессе травления, необходимого для формирования кремниевых MEMS. Поэтому разработчики исследуют возможности полимерных волноводов, из РММА или полиимидов. Пленки из этих веществ менее чувствительны к травящим реагентам и, кроме того, привлекательны по своим упругим и электрооптическим свойствам.
Возможно, еще более подходящими материалами для интегрально-оптических MEMS окажутся полупроводники А3В5, такие как GaAs — AlGaAs, или InP - InGaAsP, использование которых дает возможность интегрировать оптические излучатели, усилители, детекторы и MEMS на одной монолитной подложке.
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 микромеханических сканеров с электромагнитным управлением использована технология изготовления кремниевого составного зеркала, описанная в [9]. 3. Разработка математических моделей и методов расчета оптических микромеханических устройств с магнитным управлением
В научно- технической литературе по микросистемной технике существует достаточно много работ посвященных аналитическому моделированию МЭМС. В работах [29, 30] представлены аналитические выражения для расчета напряжений и изгибной деформации консольных балок, подверженных разным видам силовой нагрузки (электростатическому, магнитному, пьезоэлектрическому и т.д.). В статьях Драгунова В.П. рассмотрено влияние формы упругого элемента на характеристики МЭМС [31], а также нелинейная модель упругого элемента МЭМС [32, 33].
В большинстве МЭМС используется электростатический метод управления, обеспечивающий высокое быстродействие и точность позиционирования. Однако наряду с преимуществами необходимо отметить и недостатки этого метода управления, которые, в первую очередь, связаны с необходимостью дополнительного экранирования электронной части схемы и эффектом схлопыва-ния зазора между электродами электростатического привода.
Некоторые из описанных в литературе МЭМС, используют энергию магнитного поля для управления подвижными элементами шарнирного типа, на этом принципе реализованы микромеханический магнитометр [34] и трехмерная оптическая скамья с магнитным управлением [35].
В работах [36, 37] переменное магнитное поле используется для управления положением элементов составного зеркала, представлены варианты конструкций микромеханических модулятора и дефлектора.
В разрабатываемом нами микромеханическом устройстве (см. рисунок 9) подвижными элементами являются торсионно закрепленные с двух концов балки (микрополоски), изготовленные в кремниевой подложке методом объемного травления и управляемые внешним магнитным полем. Важной особенностью разрабатываемого устройства является возможность синхронного поворо та всех подвижных элементов на одинаковые углы. Это достигается тем, что все микрополоски имеют одинаковые размеры, а также однородностью силового воздействия по всей плоскости подложки. В процессе изготовления верхние поверхности микрополосок становятся зеркальными и могут использоваться как отражательные элементы микромеханических дефлекторов или сканеров.
Подвижный элемент с магнитоэлектрическим управлением
Необходимо отметить, что все четные формы собственных колебаний приводят к асимметричному относительно среднего сечения искривлению формы микрозеркал. Если крутящие моменты прикладывать софазно в точках, расположенных симметрично относительно среднего сечения микрозеркал, то амплитуда всех четных гармоник обращается в ноль. При построении графиков, представленных на рисунке 14, принято значение точки приложения крутящих моментов / = 0,2L, 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.
Поверхности микрополосок (балок) могут быть использованы в качестве отражающих элементов. При синхронном повороте полосок, их шаг -d остается постоянным, поэтому для анализа оптических характеристик отраженного излучения оправдано использовать теорию фазовой дифракционной решетки.
Для пучка монохроматического излучения с длиной волны X, падающего на плоскость отражательной дифракционной решетки под углом ф, условие образования главных максимумов дифракционной картины имеет вид [40]: d (sin ф + sin ф) = ±тк, т = 0;1;2... (40) где: т- номер порядка дифракционного максимума, а углы падения ф и дифракции ф отсчитываются от нормали п к плоскости поверхности подложки (рисунок 15а).
Оптическая схема отражения лучей от среднего сечения микрополосок шириной Ъ, расположенных с шагом d При синхронном повороте микрополосок на угол б появляется дополнительная разность фаз между потоками, отраженными от соседних полосок, и энергия отраженного излучения перераспределятся в другие порядки дифракции (см. рисунок 15 б), при сохранении первоначального положения всех главных максимумов дифракционной картины.
Интенсивность излучения / в главных максимумах дифракционной картины определяется следующим выражением [40, 41]: 1 = 10Ф(и)М2, (41) где: /0 - интенсивность в направлении на главный максимум ф0, N- общее число отражающих элементов, b - ширина зеркального элемента решетки; Ф{и)= - ,и = —[sin(p + sin(28-(p0)], (42). Длина волны Хт, на которую в спектре т - го порядка приходится максимум интенсивности, может быть найдена из выражения [42, 43]: 2а? sin 5 cos (3/2) "т (43) т где в = ф + ф, d - шаг расположения зеркальных элементов решетки. Для монохроматического излучения с длиной волны Хт между углом наклона 5 и номером дифракционного порядка т существует однозначная зависимость, и при заданных параметрах решетки (d,Q) и длине волны Хт можно определить величину угла А5, пропорциональную изменению т на единицу.
В таблице 3 приведены значения угла А8, соответствующие изменению номера порядка т на единицу, для некоторых выборочных значений А. в видимом и ИК - диапазонах спектра; представлено общее число угловых положений луча - X для фиксированных значений d -105 мкм, S 11 - 45, 5 = ±5 (при малых значениях 5, величина угла S = const). Таблица 3. Расчетные значения угла наклона А5 микрополосок и числа фиксированных угловых положений Х( 5 = ±5), для некоторых выборочных значений длин волн А, видимого и ИК диапазонов спектра
Данные таблицы 3 показывают, что с увеличением длины волны X, число возможных угловых положений отраженных лучей X уменьшается, при этом возрастает величина угла AS, необходимая для переключения отраженного монохроматического луча в соседнее угловое положение.
На основании анализа особенностей дифракции электромагнитного излучения при отражении от зеркальных поверхностей полосок, расположенных с периодом d, нами были сформулированы следующие основные 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 может покрываться тонкой металлической пленкой. 2. Угловая расходимость светового пучка, отраженного от зеркальной поверхности полосок, может быть рассчитана из выражения: у = arcsin (XI Nd) (44) где X - длина световой волны, Nd - размер освещенной области чипа. 3. При изменении угла кручения полосок ±5 (рис. 15 б) отраженный световой пучок будет сканировать в пределах угла Аф: Аф = ±28 (45) 4. Угловое расстояние между направлениями на главные максимумы может быть определено из условия (40) для дифракционной решетки: Дфт=А7с/со8фт (46) 5. Общее количество фиксированных угловых положений X отраженно го луча в пределах угла сканирования Аф может быть найдено, как отношение: Х = Аф/АФт (47)
На рисунке 16 показана схема хода световых лучей, отражённых от разных сечений микрополоски, при её кручении под действием крутящих моментов, приложенных симметрично относительно среднего сечения.
В нижней части рисунка 16 а), на полоске микрозеркала пронумерованы её сечения; в верхней части рисунка 16 а) штриховыми линиями показаны угловые положения этих сечений, пронумерованные аналогично, отраженные от пронумерованных сечений микрозеркала лучи изображены сплошными стрелками.
На рисунке 16 б), кружками показаны места падения лучей, отражённых от пронумерованных сечений микрозеркал на экран. Их совокупность образует на экране световое пятно, форма которого представляет собой сегмент окружности.
Коммутатор оптических каналов
Для получения магнитных элементов использована технология вакуумного испарения металла (сталь 3) при помощи электронного луча большой мощности. Остаточное давление в рабочей камере вакуумной установки ВЭУ-1 во время роста пленки поддерживалось паромасляным насосом и составляло Рг -(4-6)-Ю-6 Тор. Скорость роста составляла 15-20 нм в минуту и зависела от мощности, подводимой к катоду электронной пушки и температуры образца. Образец (кремниевый чип) и свидетель (стеклянная подложка), предварительно нагретые до температуры 100-110 С, располагались на расстоянии 15 см от слитка, расплавляемого электронным лучом. Для формирования оси легкого-намагничивания в плоскости подложки было приложено ориентирующее магнитное поле, направление которого было перпендикулярно продольной оси микрозеркал. Время роста пленки составляло 30 минут, толщина пленки контролировалась интерференционным методом на микроскопе МИИ-4.
Магнитные свойства полученных пленок зависят от их состава, скорости испарения компонентов сплава и температуры подложки во время осаждения пленки. Энергия магнитной анизотропии определяется энергией кристаллографической анизотропии и энергией наведенной анизотропии (если в процессе роста пленки было приложено ориентирующее магнитное поле). Для тонких ферромагнитных пленок (ТФП), размагничивающее поле в их плоскости равно нулю, и пленкам присуща однодоменная структура. Если толщина пленки больше критической, то в ТФП возникают процессы, связанные с перпендикулярной одноосной анизотропией, когда ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно плоскости пленки, и вектор остаточной намагниченности ориентирован вдоль этой оси [48]. В рамках научно исследовательской работы были получены ТФП толщиной 0,4-0,5 мкм на тыльной стороне кремниевых микрополосок, технология отработана на 30 образцах.
Рисунок 24 - Экспериментальный стенд и кремниевый чип сканера Экспериментально-измерительный стенд (рис. 24) представлял собой оптическую скамью, на которой вдоль оси светового пучка располагались: источник оптического излучения, фокусирующая линза, устройство управления угловым положением ОЭ. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны Я = 650 ± 5 им и диаметром пучка 3 мм. Отраженный от составного зеркала дифрагированный пучок выходил вертикально вверх через отверстие в магнитопроводе. Дифракционная картина наблюдалась на экране, расположенным горизонтально на расстоянии 1 м от плоскости поверхности ОЭ. В главный максимум (т=0) дифракционной картины помещался фотодиод, апертура которого имела размер 3,5 мм, и перекрывала сечение главного максимума отраженной дифракционной картины.
Основным узлом измерительного стенда являлось устройство управления угловым положением ОЭ представленное на рисунке 25. VI „ 5 1 X X Рисунок 25 - Схема устройства управления угловым положением ОЭ Цифрами обозначены:
Магнитное поле в зазоре магнитопровода (4) создавалось током, протекающим по виткам катушки (3), намотанной на среднюю часть Ш - образного ферритового сердечника (2). Кремниевый чип микромеханического сканера (1) располагался в средней части зазора, под углом 45 к оптической оси падающего пучка (5), отраженный пучок (6) выходил вертикально вверх через отверстие в магнитопроводе. Магнитное поле с индукцией В, направленное под углом 45 к плоскости поверхности полосок, приводило к появлению крутящего момента, который поворачивал микрополоски на угол 8, при этом отраженный от поверхности луч лазера отклонялся на угол 28.
Для экспериментов были подготовлены образцы микромеханических сканеров, представляющие собой кремниевые чипы 1x2 см., отличающиеся формой и объемом магнитных элементов: I. ферромагнитный слой нанесен на всю поверхность полосок; II. ферромагнитный слой нанесен в виде 2-х локальных участков. В таблице 5 представлены результаты экспериментальных исследований и теоретических расчетов оптических и электромеханических параметров микромеханических сканеров. Таблица 5 Оптические и электромеханические параметры микромеханических сканеров в «старт-стопном режиме»
Примечания к таблице 5: угол сканирования Аф, угловая расходимость выходного пучка у, угловое расстояние между соседними максимумами Аф, 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.
В том случае, если угол наклона микрозеркал периодически изменялся в пределах +5, происходило сканирование отраженного оптического луча в пределах угла А#? = ±2д. Для определения угла сканирования А р в динамическом режиме, фотодиод помещался в область главного максимума дифракционной картины, переменный сигнал с фотодиода подавался на осциллограф.
В таблице 6 представлены результаты экспериментальных исследований динамических параметров микромеханических сканеров с электромагнитным управлением в динамическом режиме. коэффициент модуляции, равный отношению переменной составляющей напряжения на фотодиоде AU к постоянной составляющей U0; Аф - амплитуда угла сканирования.
На рисунке 26 представлены осциллограммы модуляций напряжения на фотодиоде, полученные при разных значениях частоты переменного тока катушки. Наблюдаемые на осциллограммах модуляции напряжения связаны с изменением суммарной интенсивности излучения на фотодиоде. Частота переменного тока, задавалась генератором. Уменьшение амплитуды переменного тока катушки 1к с ростом частоты, связано с увеличением реактивного сопротивления катушки, при этом уменьшались индукция магнитного поля В в воздушном зазоре магнитопровода, и как следствие амплитуда угла сканирования Аф (таблица 6).
