Сканирующее устройство

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Сканирующее устройство, содержащее жесткие прямоугольные основания с двумя выступами, в которых сформированы соосные пазы, и плоский якорь с торсионами на его короткой оси симметрии, лепестки, расположенные в плоскости якоря, микрозеркало на внешней поверхности якоря, подвижный электрод на внутренней поверхности якоря, обращенной к основанию, и два неподвижных электрода, гальванически несоединенных, на внутренней поверхности основания, обращенной к якорю, расположенные симметрично относительно оси пазов, отличающееся тем, что основание и якорь выполнены диэлектрическими, лепестки выполнены жесткими, расположены перпендикулярно оси торсионов якоря, равны якорю по длине и соединены с его торсионами, причем на лепестках сформированы торсионы лепестков, соосные с торсионами якоря и размещенные в пазах выступов основания, при этом торсионы лепестков выполнены с жесткостью в 2,5-5 раз меньшей, чем жесткость торсионов якоря, а под свободными концами лепестков на основании сформированы опоры одинаковой высоты, равной 0,55-0,6 межэлектродного расстояния, или разновысокие пары опор, расположенные на разных диагоналях основания,при этом пара опор на одной диагонали выполнена высотой, равной 0,55-0,6 межэлектродного расстояния, а на другой - 0,2-0,3 межэлектродного расстояния. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях лепестков,обращенных к основанию, сформированы подвижные электроды, гальванически соединенные с подвижным электродом якоря, а площадь неподвижных электродов на основании равна суммарной площади подвижных электродов на якоре и лепестках. 10544 1 2008.04.30 Изобретение относится к электротехнике, микромеханике, проекционной оптике и может быть использовано в коммутирующих, информационных, проекционных, рекламных системах. Известно торсионное сканирующее зеркало, содержащее стеклянную подложку с закрепленной на ней монокристаллической кремниевой пластиной 1. В подложке сформировано углубление, в котором размещено опорное ребро и симметрично относительно его оси расположены два неподвижных электрода. Глубина углубления и высота ребра равны межэлектродному расстоянию . В пластине сформированы якорь и его торсионы, расположенные на оси симметрии якоря, находящейся над осью ребра. От остальной части пластины они отделены сквозным фигурным пазом. На внешней плоскости якоря выполнено зеркало, внутренней плоскостью якорь касается опорного ребра. Пластина заземлена и якорь является подвижным электродом, имеющим отрицательный потенциал. При подаче положительного относительно якоря напряженияна один из неподвижных электродов электростатические силыповорачивают якорь относительно оси торсионов и ребра. При снижении и отключении напряженияреактивные моменты торсионов Мт возвращают якорь в исходное положение. Подача напряжения на другой неподвижный электрод поворачивает якорь в обратном направлении. Управляемый напряжением поворот якоря с зеркалом, а значит и управляемое отклонение оптического луча при последовательном увеличении электрического напряжения между электродами,осуществляется только до 0,45, при, где ах - угол максимального отклонения якоря, допускаемый геометрическими размерами его и межэлектродного расстояния. Далее идет неуправляемый бросок якоря в конечное положение, обусловленный принципиальной взаимосвязью электрических и механических сил. Торсионное сканирующее зеркало не может обеспечить управляемое отклонение оптических лучей на угол, превышающий половину угла, допустимого геометрическими размерами, что значительно снижает его функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности является(цифровое микрозеркальное устройство)2. На его жестком кремниевом основании сформированы два соосных выступа и расположенные симметрично относительно их оси два неподвижных электрода. Между выступами над неподвижными электродами расположен прямоугольный якорь (коромысло), на короткой оси которого с обеих сторон выполнены торсионы, размещенные в пазах выступов. На внешней плоскости якоря установлено зеркало, на внутренней сформирован подвижный электрод. На углах якоря предусмотрены короткие упругие пружинные лепестки, расположенные в плоскости якоря. При подаче напряжения на один из неподвижных и на подвижный электроды якорь вместе с зеркалом поворачивается, отклоняя луч на соответствующий угол.обеспечивает два положения зеркала исходное и конечное, т.е. работает в режиме включеновыключено. В конечном положении фиксация якоря обеспечивается контактом углов якоря с плоскостью основания, а лепестки, которые также упираются в основание, создают дополнительную реактивную силу, способствующую преодолению сил залипания якоря в крайнем положении. Управляемый угол поворота зеркала и соответственно отклонения луча, обусловленный, как и в аналоге, физической сущностью прибора и последовательностью включения электродов, не превышает 0,45.не может обеспечить управляемое отклонение оптических лучей на угол, превышающий половину угла, допустимого геометрическими размерами, что значительно снижает его функциональные возможности. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей сканирующего устройства за счет увеличения управляемого угла отклонения оптических лучей более чем 0,45. Решение технической задачи достигается тем, что в сканирующем устройстве, содержащем жесткие прямоугольные основания с двумя выступами, в которых сформированы 2 10544 1 2008.04.30 соосные пазы, и плоский якорь с торсионами на его короткой оси симметрии, лепестки,расположенные в плоскости якоря, микрозеркало на внешней поверхности якоря, подвижный электрод на внутренней поверхности якоря, обращенной к основанию, и два неподвижных электрода, гальванически несоединенных, на внутренней поверхности основания,обращенной к якорю, расположенные симметрично относительно оси пазов, основание и якорь выполнены диэлектрическими, лепестки выполнены жесткими, расположены перпендикулярно оси торсионов якоря, равны якорю по длине и соединены с его торсионами,причем на лепестках сформированы торсионы лепестков, соосные с торсионами якоря и размещенные в пазах выступов основания, при этом торсионы лепестков выполнены с жесткостью в 2,5-5 раз меньшей, чем жесткость торсионов якоря, а под свободными концами лепестков на основании сформированы опоры одинаковой высоты, равной 0,55-0,6 межэлектродного расстояния или разновысокие пары опор, расположенные на разных диагоналях основания, при этом пара опор на одной диагонали выполнена высотой, равной 0,55-0,6 межэлектродного расстояния, а на другой - 0,2-0,3 межэлектродного расстояния. Для приближения к линейной зависимости угла поворота якоря на внутренних плоскостях лепестков на внутренних поверхностях лепестков, обращенных к основанию, сформированы подвижные электроды, гальванически соединенные с подвижным электродом якоря, а площадь неподвижных электродов на основании равна суммарной площади подвижных электродов на якоре и лепестках. Предложенная совокупность признаков обеспечивает увеличение значения , что увеличивает угол управляемого отклонения оптических лучей, являющийся основным параметром сканирующих устройств, с 0,45 до(0,7-0,8), т.е. в 1,7 раза, что значительно расширяет функциональные возможности сканирующего устройства. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлено продольное сечение ААББ сканирующего устройства с равновысотными опорами, на которой 1 - основание,2 - якорь,3 - выступ,4 - паз,5, 6 - опоры,7 - микрозеркало,8 - торсион якоря,9 - лепесток,10 - торсион лепестка,11, 12 - неподвижные электроды,13 - подвижный электрод якоря. На фиг. 2 представлен вид сверху на сканирующее устройство, неподвижные электроды 11, 12 и подвижный электрод якоря 13. На фиг. 3 представлен вид сбоку сканирующего устройства с разновысотными парами опор 5 и 6. На фиг. 4 представлен вид сверху на сканирующее устройство с электродами на лепестках, на котором 14 - подвижный электрод лепестка. Сканирующее устройство содержит плоские жесткие диэлектрические основание 1 и якорь 2 (фиг. 1-4). На основании 1 сформированы два выступа 3, в которых предусмотрены соосные пазы 4, и четыре опоры 5, 6, расположенные у сторон основания 1, параллельных оси пазов 4, и высота которых меньше межэлектродного расстояния . Якорь 2 выполнен прямоугольной формы и на его внешней поверхности сформировано микрозеркало 7. На короткой оси якоря 2 сформированы торсионы якоря 8. В плоскости якоря 2 параллельно его длинным сторонам расположены жесткие лепестки 9, по длине равные длине якоря 2. Боковые стороны лепестков 9, обращенные к якорю 2, соединены с торсио 3 10544 1 2008.04.30 нами якоря 8. На боковых сторонах лепестков 9, обращенных к выступам 3, предусмотрены торсионы лепестков 10, которые размещены в пазах 4 выступов 3. Торсионы якоря 8 и торсионы лепестков 10 расположены на одной оси. Концы лепестков 9 расположены над опорами 5, 6, выполненными либо одинаковой высоты, либо с разной высотой пар опор 5 и 6 (фиг. 3), размещенных на разных диагоналях основания 1. На внутренней поверхности основания 1 под якорем 2 сформированы два неподвижных электрода 11 и 12, гальванически не связанных между собой. На внутренней поверхности якоря 2 размещен единый подвижный электрод якоря 13. Сканирующее устройство с прецизионной точностью может быть получено из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и травления металла и его оксида электрохимическими методами с использованием фотолитографических процессов планарной интегральной микроэлектронной технологии. Электроды и микрозеркало выполняются методами вакуумного напыления металлов, обладающих хорошей адгезией к выбранному оксиду и имеющих близкий к оксиду коэффициент термического расширения. Сканирующее устройство работает следующим образом. При подаче на подвижный электрод 13 и неподвижный электрод 12 возрастающих потенциалов одноименного знака и противоположного им знака потенциала на неподвижный электрод 11 (фиг. 1, 2) в межэлектродном промежутке возникают электростатические силыв паре электродов 11, 13 - притягивающие, в паре 12, 13 - отталкивающие. Они создают электростатический момент , который постепенно поворачивает якорь 2 с микрозеркалом 7 на соответствующий поданной разности потенциалов(электрическому напряжению) положительный уголв пределах управляемого диапазона(0-0,45) для традиционных торсионных систем при относительном значении 0,58. Поворот якоря 2 скручивает обе пары торсионов якоря 8 и торсионов лепестков 10, что обусловливает появление в них реактивных моментов кручения Мя и Мл соответственно и обеспечивает условие равновесия ММт 2 Мя 2 Мл. После поворота якоря 2 на угол(0,40,45) 0,45, т.е. в пределах управляемого угла поворота, оба лепестка 9 упираются в правые опоры 5, 6, высота которых равна (0,55-0,6) и поворот лепестков 9 прекращается. Жесткость лепестков 9 обеспечивает фиксацию положения их торсионов 10. Последующий поворот якоря 2 под действием повышающегося напряжения скручивает только пару торсионов якоря 8. Сокращение суммарной длины торсионов якоря 8 и лепестков 10 и использование торсионов якоря 8, обладающих большей жесткостью тя, чем жесткость тл торсионов лепестков 10, дают эффективное повышение сопротивления кручению. Оно в зависимости от диапазона отношения жесткостей торсионовувеличивается в 2,5-5 раз. Резкое повышение сил сопротивления восстанавливает необходимое для управляемого перемещения якоря условие равенства моментов ММт и управляемый поворот якоря продолжается. Реализация условия равенства моментов идет при повышении рабочего максимального напряжения до 0,83-1,06. Величина управляемого поворота возрастает до 0,7, за которым электростатические силы уже не уравновешиваются реактивными и поворот якоря становится неуправляемым (таблица). Конструкция сканирующего устройства Лепестки без электродов Лепестки с электродами Опоры лепестков Равной высоты Разной высоты Равной высоты Разной высоты 10544 1 2008.04.30 Поворот якоря 2 с микрозеркалом 7 при опорах 5, 6 неодинаковой высоты (фиг. 2, 3) в диапазоне угла(0-0,45) электростатические силы осуществляют также до 0,58. Затем один из лепестков 9 упирается, как и в первом варианте, в правую опору 6 высотой (0,55-0,6) и останавливается. Торсион этого лепестка исключается из процесса деформирования, в результате сопротивление кручению возрастает. Реактивный момент создают два торсиона якоря 8 и торсион 10 второго лепестка Мт 2 МяМл. Повышение напряжениядо 0,89 увеличивает управляемый угол поворота до 0,7,при котором второй лепесток 9 упирается в правую опору 5 и отключается второй торсион лепестка 10. Далее реактивный момент создается только двумя торсионами якоря Мт 2 Мя, а сопротивление кручению возрастает до 1,14. В результате управляемый разностью потенциалов (электрическим напряжением)угол поворота увеличивается до 0,8 (см. табл.). Размещение равновысоких опор 5 и 6 на разных диагоналях прямоугольного основания 1 создает симметричность механически напряженного состояния на якоре 2, что повышает стабильность и долговечность функционирования сканирующего устройства при увеличенном угле отклонения отражаемого оптического луча. Допустимый, т.е. регулируемый угол поворотаякоря 2 обеспечивается высотой опор 5, 6. При первой остановке лепестков, происходящей при(0,4-0,45), высота опор равна(0,55-0,6). При второй остановке лепестков при(0,7-0,8), высота опор равна(0,2-0,3). Уменьшение высоты опор приведет к повороту якоря на угол, больший допустимого, т.е. регулируемого, и неуправляемому смещению якоря 2 с микрозеркалом 7, т.е. нарушению режима сканирования. Увеличение высоты опор сократит управляемый угол поворота, т.е. сузит функциональные возможности сканирующего устройства 7. При подаче разности потенциалов (электрического напряжения) на подвижный электрод якоря 13 и неподвижные электроды 11, 12, якорь 2 с микрозеркалом 7 управляемо поворачивается вначале до угла 0,45, при котором лепестки 9 упираются в равновысокие опоры 5 и останавливаются. Скручивание торсионов лепестков 10 прекращается,в результате возрастает сопротивление кручению. Это создает условия для дальнейшего управляемого поворота якоря 2 до 0,7 (табл.). Аналогично проходит рабочий цикл при опорах 5 и 6 разной высоты с увеличением угла поворота до 0,8 (табл.). В целом поворот якоря 2 осуществляется при сниженном напряжении на каждом этапе поворота и зависимости угла поворота от напряжения, близкой к линейной (табл.). При снижении разности потенциалов (электрического напряжения) сдо нуля во всех рассматриваемых вариантах реактивные моменты возвращают якорь 2 с микрозеркалом 7 в исходное положение. При изменении знака потенциалов, подаваемых на неподвижные электроды 11, 12, якорь 2 аналогичным образом из исходного положения поворачивается в обратном отрицательном направлении. Процессы поворота в обоих направлениях полностью обратимы, т.е. данному электрическому напряжению при любой последовательности его изменения соответствует только одно значение угла отклоняемого луча. При невысоких требованиях к точности угла поворота якоря 2 с зеркалом 7 все опоры 5,6 выполняются равной высоты, составляющей (0,55-0,6), при этом жесткость торсионов якоря 8 превышает жесткость торсионов лепестков 10 в 2,5-5 раз. При повышенных требованиях к точности угла поворота пары опор 5 и 6, расположенные на разных диагоналях, выполняются разновысокими, при этом высота опор на одной диагонали составляет (0,55-0,6), а на другой - (0,2-0,3), а жесткость торсионов якоря 8 превышает жеткость торсионов лепестков 10 в 2,5-5 раз. Таким образом, предлагаемая высота опор 5 и 6 обеспечивает повышение жесткости подвижной системы перед окончанием начального участка управляемого перемещения,что позволяет осуществлять продолжение управляемого процесса на последующем участке цикла. 5 10544 1 2008.04.30 Торсионы якоря 8 выполнены с жесткостью тя большей, чем жесткость тл торсионов лепестков 10, и их соотношение составляеття,/тл 2,5-5. При соотношениименьшем 2,5 снижается величина угла управляемого отклонения луча, при увеличении соотношения более 5 повышается значение(см. табл.). Жесткость торсионов с квадратным сечением при кручении определяется соотношениемт/т, где- модуль сдвига,т 0,1406 т 4 - момент инерции, т - длина торсиона, т - сторона сечения торсиона 3, т.е. задается геометрическими размерами торсионов и может за счет а изменяться в широких пределах. При разной высоте пар опор 5,6 высота одной пары 5 равна (0,55-0,6), другой - (0,20,3). Абсолютная величинадля электростатических микросистем мала (находится в диапазоне 1-50 мкм), поэтому длина лепестков 9 взята максимальной, равной длине якоря 2,чтобы снизить влияние погрешности высоты опор 5 и 6 на положение останавливаемых лепестков 9. Высота опор 5 и 6 определяется необходимостью остановки лепестков 9 в положении в межэлектродном промежутке, при котором управляющее электрическое напряжение достигает значения . Она составляет (0,55-0,6) в варианте с опорами 5,6 одинаковой высоты. Источники информации 1.//. - 1982. - . 70.5. - . 420-457. 2.-, -// Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6