Оптический микросканер

(51)01 59/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Оптический микросканер, содержащий диэлектрическое основание с двумя выступами, в которых выполнены соосные пазы, плоский жесткий диэлектрический якорь с расположенной на одной из его осей симметрии парой торсионов, установленных в пазах,общий подвижный электрод, выполненный на внутренней поверхности якоря симметрично оси торсионов, тянущий и толкающий электроды, выполненные на поверхности основания под общим подвижным электродом, зеркало на наружной поверхности якоря, отличающийся тем, что поверхность основания под якорем выполнена двухступенчатой с тянущим электродом на нижней ступеньке и с толкающим электродом на верхней, при этом переход от нижней ступеньки к верхней выполнен под осью торсионов, а отношение межэлектродных расстояний тянущего и толкающего электродов с общим подвижным электродом составляет 101. 7959 1 2006.04.30 Изобретение относится к микроэлектронике, микромеханике, оптоэлектронике и может быть использовано в системах коммутации, телевидения, информатики, вычислительной и контрольной техники. Известно оптическое кросс-соединение 1, состоящее из входного и выходного портов и пары матриц. В каждой матрице сформировано -ное количество зеркал, отклоняемых от исходного положения электростатическими силами, возникающими на управляющих электродах при подаче на них напряжения. Параллельный пучок лучей проходит через входной порт на зеркала первой матрицы, которые каждый луч отклоняют на заданный угол, направляя луч на любые зеркала второй матрицы, которые собирают поступившие лучи снова в параллельный пучок и направляют их в выходной порт. В этой конструкции небольшая относительная погрешность величины электрического напряжения приводит к большой погрешности позиционирования, причем управление осуществляется в узком угловом диапазоне. Оптическое кросс-соединение не обеспечивает высокой точности позиционирования отражаемых зеркалом лучей в широком угловом диапазоне. Наиболее близким по технической сущности является оптический микросканер 2. Он содержит плоское диэлектрическое основание с выступами и плоский жесткий якорь прямоугольной формы, закрепленный с помощью двух соосных упругих торсионов в пазах выступов на основании. Ось торсионов совпадает с одной из осей симметрии якоря. На плоскости якоря сформирован общий подвижный электрод прямоугольной формы. На внутренней плоскости основания под подвижным электродом нанесены два симметричных относительно оси торсионов неподвижных электрода прямоугольной формы, наружные края которых совпадают с соответствующими краями подвижного электрода на якоре. Между внутренними краями предусмотрен промежуток, величина которого определяется требуемым значением электрической изоляции между неподвижными электродами. Промежуток между электродами на якоре и основании задает межэлектродное расстояние. На подвижный электрод подается заряд постоянного знака. На неподвижные электроды подается заряд противоположного знака, но не одновременно, а последовательно при подключении так названного тянущегоэлектрода под действием электростатического момента якорь поворачивается, например, по часовой стрелке. Затем напряжение снижают или отключают. Реактивный момент торсионов поворачивает якорь против часовой стрелки до исходного положения. После чего подают заряд того же знака на толкающийэлектрод, который обеспечивает дальнейший поворот якоря в обратном направлении, закручивая торсионы против часовой стрелки. Оптический микросканер не обеспечивает высокой точности позиционирования отражаемых зеркалом лучей в широком угловом диапазоне. Технической задачей изобретения является обеспечение высокой точности позиционирования отражаемых зеркалом лучей в широком угловом диапазоне. Решение технической задачи достигается тем, что в оптическом микросканере, содержащем диэлектрическое основание с двумя выступами, в которых выполнены соосные пазы, плоский жесткий диэлектрический якорь с расположенной на одной из его осей симметрии парой торсионов, установленных в пазах, общий подвижный электрод, выполненный на внутренней поверхности якоря симметрично оси торсионов, тянущий и толкающий электроды, выполненные на поверхности основания под общим подвижным электродом, зеркало на наружной поверхности якоря, поверхность основания под якорем выполнена двухступенчатой с тянущим электродом на нижней ступеньке и с толкающим электродом на верхней, при этом переход от нижней ступеньки к верхней выполнен под осью торсионов, отношение различных межэлектродных расстояний тянущего и толкающего электродов с общим подвижным электродом составляет 101. Совокупность указанных признаков обеспечивает повышение точности позиционирования отражаемых лучей в широком угловом диапазоне за счет снижения погрешностей электрического напряжения и соответствующего угла поворота якоря. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3. 2 7959 1 2006.04.30 На фиг. 1 представлено продольное сечение оптического микросканера, на котором 1 - основание,2 - якорь,3 - выступ,4 - паз,5 - нижняя ступенька,6 - верхняя ступенька,7 - торсион,8 - зеркало,9 - общий подвижный электрод,10 - толкающий электрод,11 - тянущий электрод. На фиг. 2 представлен вид сверху на оптический микросканер и основание 1. На фиг. 3 представлены кривые взаимосвязи напряжения / и относительного угла поворота якоряи их погрешностей. Кривая 1 - зависимость / при включении только толкающей пары электродов 10,2 кривая 2 - зависимость / при включении только тянущей пары электродов 22 кривая 3 - зависимость / при включении обеих пар электродов 10,2, 22 кривая 4 - зависимость / при включении только тянущей пары электродов 21,5 кривая 5 - зависимость / при включении обеих пар электродов 10,2, 21,5 кривая 6 - зависимость / при включении обеих пар электродов 1, 2. Оптический микросканер (фиг. 1, 2) содержит диэлектрические основание 1 и якорь 2. На основании 1 сформированы два симметричных выступа 3, в которых выполнены соосные пазы 4. Внутренняя поверхность основания 1, обращенная к якорю 2, выполнена в виде двух ступенек нижней ступеньки 5 и верхней ступеньки 6, плоскости которых параллельны наружной плоскости основания 1, а переход от одной ступеньки к другой размещен под осью пазов 4. На якоре 2 сформированы два соосных торсиона 7, которые размещены и закреплены в пазах 4 основания 1. На наружной стороне якоря расположено зеркало 8. В оптическом микросканере сформирована комбинация управляющих электродов на внутренней плоскости якоря 2, обращенной к основанию 1, размещен подвижный электрод 9, который подключен постоянно к одному и тому же полюсу источника постоянного тока на верхней ступеньке 6 расположен толкающийэлектрод 10, подключенный к полюсу того же знака, что и общий подвижный электрод 9. Общий подвижный электрод 9 и толкающий электрод 10 образуют толкающую пару и расстояние между ними составляет межэлектродный промежуток, равный 1 на нижней ступеньке 5 выполнен тянущийэлектрод 11, подключенный к полюсу противоположного по отношению к электродам и 9 и 10 знака. Общий подвижный электрод 9 и тянущий электрод 11 образуют тянущую пару с межэлектродным расстоянием 2. Основание 1 и якорь 2 могут быть выполнены из анодного оксида алюминия (или другого вентильного металла), обладающего высокими электромеханическими свойствами,по прецизионной интегральной микроэлектронной технологии. Электропроводящие элементы формируются вакуумным напылением тонких металлических пленок. Оптический микросканер работает следующим образом. При подаче на электроды общий подвижный 9 и толкающий 10 зарядов одного знака,а на тянущий электрод 11 - заряда противоположного знака, но равного по абсолютной величине потенциала, в обеих парах электродов (9,10) и (9,11) возникнут электростатические силыв первой - отталкивающие, во второй - притягивающие. Они создают электростатические моменты , поворачивающие якорь из исходного положения в одном круговом направлении и скручивающие торсионы, в которых возникают реактивные моменты Мт. 3 7959 1 2006.04.30 Толкающий момент, создаваемый общим подвижным 9 и толкающим 10 электродами,равный 1 и тянущий момент, создаваемый общим подвижным 9 и тянущим 11 электродами, равный 1 уравновешивается моментом двух торсионов- длина половины подвижного электрода,- расчетное межэлектродное расстояние,момент инерции торсиона,- модуль упругости при кручении,- длина торсиона,ные размеры межэлектродных расстояний, равные соответственно 1122 , 0 относительное расстояние толкающего 10 и тянущего 11 электродов от проекций оси торсионов на основание 1, равное э/. Особенностью действия обоих электростатических моментов М, обусловленной предложенным расположением всех электродов, является то, что толкающий момент 1 в исходном положении имеет благодаря малому значению 1 максимальную величину, существенно превосходящую в этом положении величину тянущего момента 2 и поэтому он оказывает определяющее влияние на начальный участок поворота якоря 2. Далее при увеличении межэлектродного расстояния этот момент снижается, а ведущую роль в повороте якоря 2 начинает выполнять тянущий момент 2 , поскольку уменьшается межэлектродное расстояние 2. При этом конечное значение 2 остается относительно большой величиной, что исключает резкое возрастание 2 и потерю управляемости поворотом якоря 2. В результате совместное действие убывающего 1 и возрастающего 2 моментов обеспечивает существенное изменение функциик, которая выражается соотношением 7959 1 2006.04.30 параметрический коэффициент, характеризующий конструктивные величины, но не влияющий на принципиальную форму кривой. Положительность изменения функции (к) заключается в том, что она линеаризуется в начальной фазе по сравнению с полукубической параболой напряжения снижаются, а далее постепенно повышаются. При этом сокращаются зоны плавных переходных участков, обусловливающих большие ошибки установки угла поворота якоря 2, а также возрастает величина управляемого поворота якоря. Из зависимостей на фиг. 3 следует, что наиболее оптимальный эффект обеспечивают соотношения 10,2 22, 210 . В этом варианте в результате воздействия обеих 1 пар электродов (фиг. 3, кривые 1, 2) суммарная зависимость общ(к) практически линейна во всем диапазоне расчетного межэлектродного расстояния(фиг. 3, кривая 3), что резко снижает погрешности установки зеркала 8 в заданное положение и повышает точность позиционирования отражаемых лучей. Минимальная абсолютная величина 1 определяется технологическими возможностями и находится в пределах 15 мкм. По 1 определяют величину 2, т.е. 2. Уменьшение 2 приводит к искривлению (появлению нелинейной зависимости) функции (фиг. 3, кривые 4, 5), т.е. к снижению точности установки зеркала и адресации лучей. Самые неблагоприятные условия создаются при 12 (фиг. 3, кривая 6). Увеличение 2 приведет к существенному росту напряжения. Таким образом, оптический микросканер со ступенчато расположенными электродами на основании обеспечивает повышение точности позиционирования отражаемых лучей при расширении диапазона адресации до расчетного межэлектродного расстоянияили в угловом измерении до(к 1). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5