Адрес для переписки:Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,пр-т Ленина, 30, г. Томск 634050, Россия e-mail: bar_es@mail.ru
Address for correspondence:Barbin E.S.National Research Tomsk Polytechnic University,Lenin Ave., 30, Tomsk 634050, Russia e-mail: bar_es@mail.ru
пр-т Ленина, 40,г. Томск 634034
Lenin Ave., 40,Tomsk 634034
пр-т Ленина, 30, г. Томск 634050
Lenin Ave., 30, Tomsk 634050
пр-т Ленина, 30, г. Томск 634050
Lenin Ave., 30,Tomsk 634050
пр-т Ленина, 40, г. Томск 634034
Lenin Ave., 40, Tomsk 634034
пр-т Ленина, 40,г. Томск 634034
Lenin Ave., 40,Tomsk 634034
пр-т Ленина, 40,г. Томск 634034
Lenin Ave., 40,Tomsk 634034
пр-т Ленина, 40, г. Томск 634034
Lenin Ave., 40,Tomsk 634034
пр-т Ленина, 40,г. Томск 634034
Lenin Ave., 40, Tomsk 634034
В настоящее время разработка и производство микроэлектромеханических систем является одним из наиболее перспективных направлений развития мировой экономики. Одним из инновационных направлений в развитии микросистемной техники является интеграция оптических устройств в качестве измерительных преобразователей. Целью данной работы являлась оптимизация геометрии оптического измерительного преобразователя микроэлектромеханического датчика давления для обеспечения требуемой величины и линейности оптического коэффициента передачи. Микроэлектромеханический датчик давления содержит оптический измерительный преобразователь в виде пары волноводов, образующих оптический направленный ответвитель. Линейность оптического коэффициента передачи преобразователя обеспечивалась выбором оптимального начального зазора между волноводами на линейном участке кривой зависимости оптического коэффициента передачи от зазора. Для расчёта требуемых характеристик такого преобразователя использовалась комбинация метода конечных разностей во временной области и метода перекрытия мод. Это позволило рассчитать величину оптического коэффициента передачи при различных геометрических параметрах преобразователя. Используя две модели направленного ответвителя с кремниевыми и нитрид-кремниевыми волноводами были определены зависимости величины оптического коэффициента передачи преобразователя от длины оптической связи и радиуса изгиба волноводов. Используя полученные данные, для обеих моделей построены зависимости коэффициента передачи от зазора между волноводами, где были показаны оптимальные величины начальных зазоров и диапазон линейного участка. Проведённые в данной работе исследования позволили на этапе проектирования определить рабочий участок, на котором оптический измерительный преобразователь может измерять перемещения мембраны, пропорциональные действующему давлению в линейном диапазоне. Такой рабочий участок характеризуется начальным зазором в середине линейного участка, который составляет 500 нм для кремниевых волноводов и 600 нм для нитрид-кремниевых. При этом линейный участок передаточной характеристики преобразователя для обоих типов волноводов оценивается в ± 80 нм относительно начального зазора. В этом диапазоне оптический коэффициент передачи преобразователя с кремниевыми волноводами меняется в диапазоне от 0 до 0,86, что соответствует величине 5,375‧106 м-1. Диапазон изменения коэффициента передачи преобразователя с нитрид-кремниевыми волноводами лежит в пределах от 0,09 до 0,53, что соответствует величине 2,75‧106 м-1. Использованные методы компьютерного анализа позволили определить оптимальные геометрические характеристики оптического измерительного преобразователя, основанного на эффекте оптического туннелирования, используемого в микроэлектромеханическом датчике давления. Представленные модели преобразователей с волноводами из двух различных материалов показали различие по своим характеристикам. Оптимальные параметры для каждой модели достигаются при различных радиусах изгиба волноводов и длинах оптической связи.
Nowadays development and production of microelectromechanical systems is one of the most promising directions in the world's economy. One of the innovative fields in the development of microsystems is integration of optical devices as measuring transducers. Goal of the paper is optimization of the optical measuring transducer geometry for microelectromechanical pressure sensor which provides a required value and linearity of the optical transmission coefficient. Microelectromechanical pressure sensor comprises the optical measuring transducer represented by a pair of waveguides that form an optical directional coupler. Linearity of the optical transmission coefficient of the transducer is provided by the selection of the initial gap between the waveguides at the linear section of the curve representing dependence of the optical transmission coefficient on the gap. Calculation of the required characteristics of such transducer requires a combination of the Finite-difference time-domain method and the mode overlapping method. This allows calculating the magnitude of the optical transmission coefficient for different geometric parameters of the transducer. Two models of the directional coupler with silicon and silicon nitride waveguides were used to determine dependencies of the transducer's optical transmission coefficient on the optical coupling length and the waveguide bending radius. The data obtained were used to plot the dependencies of the transmission coefficient on the gap between the waveguide for both models. The plots show the optimal initial gaps and the length of the linear section. The results allow designing a device with predetermined working section at which the optical measuring transducer can measure membrane displacements that are linearly proportional to an acting pressure. Such working section is characterized by the initial gap in the middle of the linear section that amounts to 500 nm for silicon waveguides and 600 nm for silicon nitride ones. The linear section of the transducer's transmission characteristic for the waveguides of both types is estimated as ±80 nm in relation to the initial gap. In this section, the optical transmission coefficient of the transducer with silicon waveguides alters from 0 to 0.86 which corresponds to a value of 5.375‧106 m-1. For the waveguide with silicon nitride waveguides the coefficient varies from 0.09 to 0.53 which corresponds to a value of 2.75‧106 m-1. The computer aided analysis methods allow for determining the optimal geometry of the evanescent coupling-based measuring transducer that is used in the microelectromechanical pressure sensor. The presented models of two transducers with two waveguides made of different materials demonstrate different characteristics. The optimal parameters for each of the models are achieved at different waveguide bending radii and optical coupling lengths.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.