Введение к работе
Актуальность темы. Макроскопические измерения, в которых необходимо обнаружить воздействие малого импульса на пробный осциллятор, продолжают играть заметную роль в фундаментальных физических экспериментах [1, 2]. Одним из ключевых факторов повышения чувствительности электромеханических систем для регистрации малых силовых воздействий и условий достижения стандартного квантового предела по измеряемой силе является увеличение добротности механических резонаторов, которые используются в качестве пробных осцилляторов [3]. На сегодняшний день в диапазоне частот аи12я& 10" * 105 с-1 при температурах, близких к температуре жидкого гелия, достигнутая механическая добротность превышает 10' [4, 5]. Данные величины добротности получены для механических резонаторов из сапфира [4] и кремния [5], выполненных в виде гладких цилиндров. Решение же задачи связи механических резонаторов с преобразователями перемещений, которые регистрируют их колебания, приводит к необходимости усложнения формы механических резонаторов и прикрепления к ним дополнительных масс. При этом существует проблема сохранения их высокой добротности: возникающая связь между основной продольной и другими, низкодобротными, модами колебаний может существенно ограничить механическую добротность основной моды. Другая проблема вытекает из необходимости использования бесконтактной связи с элементами преобразователя перемещений (также для сохранения механической добротности), установленными на механическом резонаторе: сейсмические возмущения с амплитудами I0-* -=- 105 м могут приводить к нежелательной модуляции выходного сигнала преобразователя и выходу его за линейный участок работы.
Использование чувствительных преобразователей перемещений, которые оказывают малое обратное влияние (динамическое и флуктуационное) на пробный осциллятор, и применение методов измерений, ослабляющих это влияние, является другим важным фактором повышения
чувствительности при регистрации малых силовых воздействий [2]. Создание сканирующего туннельного микроскопа ввело в обиход новый класс преобразователей перемещений, основанных на туннельном эффекте [6, 7]. Миниатюрность такого преобразователя делает его особенно подходящим для использования в экспериментах с пробными осцилляторами малой массы. В связи с этим возникает вопрос о возможности достижения стандартного квантового предела по измеряемой силе для электромеханической системы, в которой используется туннельный преобразователь перемещений.
Практическая реализация туннельного преобразователя перемещений требует решения ряда экспериментальных задач. Одной из них является создание и поддержание вакуумного промежутка между электродами туннельного преобразователя на уровне нанометров. Аналогичная задача возникает в сканирующей зондовой микроскопии: необходимо устройство для сближения образца и зонда до таких же величин. Перспективным классом устройств для этих целей являются инерциальные пьезоэлектрические микропозиционеры - устройства, использующие периодические ускорения для задания движения перемещаемых объектов [9]. При создании таких устройств необходимо учитывать возникающие колебания конструкции, так как они существенным образом влияют на характеристики микропозиционеров, а при работе в вертикальном положении могут полностью нарушить их работу.
Цель работы. Целью работы является решение ряда задач, позволяющих увеличить чувствительность электромеханических систем для регистрации малых силовых воздействий. К этим задачам относятся:
1. Анализ влияния связи между модами колебаний и наличия присоединенных
масс на добротность механических резонаторов сложной формы.
2. Экспериментальное исследование возможности достижения
профилированными резонаторами из монокристаллов кремния уровня
добротности аналогичных резонаторов, выполненных в виде гладких
цилиндров.
-
Исследование влияния сейсмических возмущений на выходной сигнал емкостного параметрического преобразователя перемещений, сопряженного с механическим резонатором сложной формы.
-
Изучение возможности достижения стандартного квантового предела по измеряемой силе при использовании для регистрации колебаний пробных осцилляторов преобразователей перемещений, основанных на туннельном эффекте.
-
Анализ влияния колебаний конструкции на характеристики вертикальных инерциальных микропозиционеров для сканирующей зондовой микроскопии. Разработка и создание вертикального инерциального микропозиционера, возбуждаемого сигналом пилообразной формы.
Научная новизна работы. В работе впервые:
1. Продемонстрирована возможность достижения для кремниевых
механических резонаторов сложного профиля уровня добротности
аналогичных непрофилированных резонаторов. Экспериментально получена
механическая добротность профилированного резонатора из монокристалла
кремния QM* 2.7 х 108 при Г = 54 К.
-
Показана возможность и определены условия достижения стандартного квантового предела по измеряемой силе при использовании электромеханической системы с преобразователем перемещений, основанном на туннельном эффекте.
-
Проведен анализ работы микропозиционера, возбуждаемого напряжением пилообразной формы. Создан инерциальный вертикальный микропозиционер с размером шага < 40 нм и динамическим диапазоном 1.2x10і нм, возбуждаемый напряжением пилообразной формы и способный перемещать объекты массой несколько десятков грамм в направлении против силы тяжести.
Практическая ценность результатов.
Применение высокодобротных кремниевых механических резонаторов сложного профиля и туннельных преобразователей перемещений в различных сенсорах, акселерометрах позволяет значительно увеличить их чувствительность и создать микроминиатюрные устройства в интегральном исполнении.
Разработанный инерциальный вертикальный микропозиционер позволяет создать на его базе широкий ряд универсальных устройств позиционирования, включая двух- и трехкоординатные, для применения в сканирующей зондовой микроскопии. Показанная возможность использования в таких микропозиционерах напряжения пилообразной формы в качестве возбуждающего позволяет значительно упростить и удешевить электронную схему управления микропознционером.
Выносимые на защиту положения:
-
Связь между модами колебаний в резонаторах сложной формы можно значительно уменьшить путем правильного выбора профиля резонаторов и их симметризации.
-
При низких температурах величина добротности резонаторов сложной формы из монокристаллов кремния приближается к величине добротности их непрофилированных аналогов.
3. Разработанная система сопряжения резонатора сложной формы и
параметрического емкостного преобразователя перемещений со
сверхпроводящим СВЧ - резонатором с добротностью Qt - 1.4 х 10s при
Т = 4.2 К обеспечивает относительные вариации собственной частоты
сверхпроводящего резонатора датчика, вызванные поперечными,
продольными и угловыми смещениями антенны A/J//J < 0.1 б/1 для
сеЙСМИЧеСКИХВОЗМущеНИЙ С аМПЛИТуДОЙ AXseisro < 10 мкм.
4. Минимальная сила, регистрируемая по изменению амплитуды колебаний
пробного осциллятора, измеряемой посредством преобразователя
перемещений, основанного на туннельном эффекте, ограничена стандартным
квантовым пределом. Получены условия на величину параметров
преобразователя и величину массы пробного осциллятора для достижения
стандартного квантового предела при регистрации силы с использованием
туннельного преобразователя перемещений.
5. Колебания рабочего элемента инерциальных микропозиционеров для
сканирующей зондовои микроскопии оказывают существенное влияние на их
характеристики. Демпфирование продольных колебаний рабочего элемента
путем увеличения трения между ним и перемещаемым объектом позволяет
применять в вертикальных микропозиционерах в качестве возбуждающего
напряжение пилообразной формы. Найдена оптимальная сила прижима
перемещаемого объекта, приводящая к увеличению динамического
диапазона размеров шага.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI-ой Всесоюзной конференции "Современные теоретические и экспериментальные проблемы теории относительности и гравитации", Москва, 1984; на И-ом Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы", Ленинград, 1985; на научных семинарах кафедры физики колебаний и кафедры молекулярной физики и физических измерений физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 123 страницы, включая 30 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 123 наименований.
