Моделирование интегрированного внутреннего упругого подвеса микромеханического устройства

Аннотация

И.Е. Лысенко

Описано микромеханическое зеркало, изготавливаемое по интегральной технологии поверхностной микрообработки. Предложены модели жесткости упругого подвеса устройства для различных режимов его работы. Приведены зависимости собственных частот колебаний чувствительного элемента от геометрических размеров упругого подвеса микромеханического устройства.
Ключевые слова: элементная база, модель, микроэлектромеханическая систем, микрооптикоэлектромеханическая система, микромеханическое зеркало.

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

C середины 80-х годов прошлого века одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений является микросистемная техника (МСТ), возникшая на стыке электроники, механики и оптики, включающаяся в себя сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недостижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологий [1, 2].
Микроэлектромеханическими системами (МЭМС), называют устройства с интегрированными в объеме или на поверхности твердого тела электронными и микромеханическими структурами. Статическая или динамическая совокупность этих структур обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и механического движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, передачи и хранения информации. Интеграция МЭМС с оптическими компонентами позволило выделить отдельный класс компонентов микросистем, названный микрооптикоэлектромеханическими системами (МОЭМС) [1, 2].
Большой сектор рынка микрооптикоэлектромеханических систем занимают микромеханические зеркала (ММЗ). Данные микромеханические компоненты находят широкое применение как в микросистемах управления оптическими потоками, так и в лазерных и оптических дальномерах, используемых в системах ориентации и навигации подвижных объектов по рельефу местности [3 - 6].
По типу упругого подвеса микрозеркала делятся на [3 - 6]: микромеханические зеркала с внутренним подвесом и микромеханические зеркала с наружным подвесом.
Общими недостатками существующих конструкций ММЗ являются [3 - 6]: изготовление микрозеркал с помощью технологии объемной микрообработки, что затрудняет их использование в интегральных микрооптикоэлектромеханических системах; зеркальный элемент ММЗ не может быть отклонен под любым углом относительно плоскости подложки; применение наружного типа упругого подвеса снижает плотность размещения микрозеркал в оптических матрицах; отсутствие возможности контроля положения зеркального элемента.
На рис.1 представлена конструкция электростатического микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом [7].
Предложенное микрозеркало содержит подложку (1), зеркальный элемент (2), упругий подвес, состоящий из четырех упругих балок (3) и двух опор (4), четыре электростатических актюатора, образованных отклоняющими электродами 5 и зеркальным элементом 2. Для контроля положения структуры микрозеркала используются четыре емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами 6 и зеркальным элементом 2.
Как видно на рис. 1, упругий подвес интегрального микрозеркала располагается в пределах малых промежутков зеркального элемента, что позволяет сократить занимаемую микрозеркалом площадь на кристалле.
Технологический маршрут изготовления интегрального микромеханического зеркала адаптирован под технологию поверхностной микрообработки, что позволяет изготавливать его в одном технологическом процессе совместно с другими элементами МСТ, различными по функциональному назначению.

Рис. 1. Микромеханическое зеркало с интегрированным внутренним подвесом

Рассмотрим работу внутреннего упругого подвеса микромеханического зеркала с учетом того, что геометрические параметры упругих балок – одинаковы.
При подаче на отклоняющие электроды электростатических приводов, расположенных по диагонали относительно друг друга, переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 1800, относительно зеркального элемента, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к отклонению последней от первоначального положения. Под действием электростатической силы, упругие балки, представляющая собой фактически консольные балки, будут изгибаться по окружностям с центрами в точках О1 и О2, радиусами изгибов R1 и R2, и претерпевать кручение с углами поворота θ и φ (рис.2).
С учетом последовательно-параллельного соединения балок, получено выражение для жесткости упругого подвеса микрозеркала:
,
где Е – модуль Юнга; L – длины балок; Jх – осевой момент инерции сечения балки; Jρ – полярный момент инерции сечения балки; μ – коэффициент Пуассона.
При подаче на отклоняющие электроды электростатических приводов, расположенных по другой диагонали друг относительно друга, переменных напряжений сдвинутых относительно друг друга по фазе на 1800, относительно зеркального элемента, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к отклонению последней от первоначального положения. Под действием электростатической силы, упругие балки претерпевают s-образный изгиб с кручением. Каждая половина упругой балки будет изгибаться по окружностям с центрами в точках О3 и О4, с радиусом изгиба R3 и углом кручения δ (рис.3).
Жесткость упругого подвеса зеркального элемента определяется следующим выражением:
.

Рис. 2. Первая модель движения упругого подвеса микрозеркала

Рис. 3. Вторая модель движения упругого подвеса микрозеркала

На рис. 4 представлены результаты моделирования собственных частот колебаний предложенного микромеханического зеркала с использованием предложенных моделей жесткости (-) и численного моделирования в пакете ANSYS (о) при длине балок – 85 мкм.

Рис. 4. Зависимости собственных частот колебаний упругого подвеса микромеханического устройства от геометрических параметров балок

Для проведения моделирования в программе ANSYS в было разработано параметризуемое описание (макрос) конструкции микромеханического зеркала на основе встроенных APDL-команд. Результаты моделирования обработаны в программе MATLAB.
Из результатов, приведенных на рис. 4а, следует, что погрешность моделирования частоты колебаний микрозеркала f1 с использованием первой модели движения упругого подвеса по сравнению с численными методами при ширине балок 5 мкм и их толщине 4-6 мкм не превышает 10%. Погрешность моделирования частоты колебаний микрозеркала f1 (рис. 4б) по сравнению с численными методами при толщине балок 5 мкм и их ширине 4-7 мкм не превышает 10%. Погрешность моделирования частоты колебаний микрозеркала f2 с использованием второй модели движения упругого подвеса (рис. 4в) по сравнению с численными методами при ширине балок 5 мкм и их толщине 4-10 мкм не превышает 10%. Погрешность моделирования частоты колебаний микрозеркала f2 (рис. 4г) по сравнению с численными методами при ширине балок 5 мкм и их толщине 4-8 мкм не превышает 10%.
Таким образом, разработанное микромеханическое зеркало позволят по сравнению с аналогичными устройствами – повысить плотность матриц интегральных микрозеркал в МОЭМС, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального микромеханического зеркала, так как элементы крепления размещаются в пределах маленьких промежутков зеркального элемента, обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет размещения под зеркальным элементом электродов емкостных преобразователей перемещений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт от 27.08.2009г. №П1224).

Литература

1. В.Д.Вернер, П.П.Мальцев, А.А.Резнев, А.Н.Сауров, Ю.А.Чаплыгин. Современные тенденции развития микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника.– 2008.– №8.– С. 2-6.
2. В.В.Лучинин, П.П.Мальцев. О термине «Микросистемная техника» в русском и английском языках // Нано- и микросистемная техника.– 2006.– №2.– С. 39-41.
3. L.Zhou. Optical MEMS for free-space communication.– University of California, Berkeley, 2004.– 140p.
4. J.T.Nee. Hybrid surface-/bulk-micromachining processes for scanning micro-optical components.– University of California, Berkeley, 2001.– 119 p.
5. L.Zhou. Optical MEMS for free-space communication.– University of California, Berkeley, 2004.– 140p.
6. J.T.Nee. Hybrid surface-/bulk-micromachining processes for scanning micro-optical components.– University of California, Berkeley, 2001.– 119 p.
7. Пат. 2277255 Россия МКИ G 02 B 26/08. Интегральное микромеханическое зеркало.