Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 130-132

Новые перспективные исследования физики микро- и наноструктур требуют создания прототипов с высокой точностью сборки. Готовые решения в данной экспериментальной области, обеспечивающие высокую точность позиционирования, не учитывают всех потребностей экспериментаторов, оказаваются громоздкими, затрудняют манипуляции с совмещенными структурами, а некоторые исследования делают невозможными. Например, для измерения дифракционных свойств в широком диапазоне углов необходимо обеспечить соответствующую апертуру.

С необходимостью создания описываемого ниже устройства авторы столкнулись в ходе исследований новых устройств на основе жидких кристаллов (ж.к.). Электрооптические свойства ж.к. определяют использование этих материалов как в производстве дисплеев, так и для создания перспективных фотонных устройств с возможностью переключения, таких как управляемые дифракционные решетки, делители луча, плоские линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием и многое другое.

Для лабораторного прототипирования ж.к.-устройств используются так называемые ж.к.-ячейки, которые представляют собой две плоские подложки, изготовленные из дисплейного стекла, с зазором фиксированной толщины порядка нескольких микрометров, заполненным ж.к.-материалом. На внутренней поверхности каждой подложки располагается электрод (как правило, это слой ITO (Indium Tin Oxide) толщиной 100–200 нм), покрытый тонкой полимерной пленкой, задающей ориентацию ж.к.

При сборке ячеек со сплошными электродами и однородными ориентирующими покрытиями экспериментатор не встречает особенных проблем и может использовать стандартную методику, отработанную десятилетиями. Однако в некоторых исследованиях возникает необходимость точного взаимного позиционирования микроструктур, расположенных на подложках.

Подобная задача встретилась авторам в ходе разработки ж.к.-ячейки, в которой для управления электрическим полем применяются встречно-штыревые электроды микронного периода [1, 2]. Для достижения быстрого переключения вместе с сохранением максимальной апертуры требуется параллельное совмещение электродов на верхней и нижней подложках. Другой пример – разработка мягких фотонных ж.к.-метаповерхностей. Создание на ориентирующих покрытиях полосчатых текстур с периодом в несколько микрометров приводит к образованию в слое ж.к. пространственно-периодических структур с выраженными дифракционными свойствами [3]. Расчеты показывают, что при создании текстур на обеих подложках эффективность дифракции значительно возрастает [4].

В обоих представленных случаях для создания действующих прототипов необходимо устройство, позволяющее с высокой точностью совмещать поверхностные структуры на верхней и нижней подложках. Помимо этого, устройство должно обеспечивать возможность задавать микрозазор между подложками, заполняемый жидким кристаллом, а после фиксации краев ячейки клеем, возможность извлекать ее из рамки для дальнейших исследований, в частности для измерения дифракционных характеристик в широком диапазоне углов.

За основу юстировочного узла взят микрометрический винт с шаровой головкой модели SM13 производства Newport (Франция) [5]. Этот винт оснащен шкалой с точностью 1 мкм и обладает диапазоном перемещения 13 мм.

Изометрическая модель и сечение юстировочного устройства показаны на рис. 1а, 1б. Устройство состоит из держателя нижней подложки 1, юстировочного узла 2 и держателя 3 верхней подложки 5. Нижняя подложка 4 фиксируется в держателе 1, например, при помощи двустороннего скотча. Верхняя подложка 5 закрепляется на держателе 3 так, чтобы края подложки выступали за его периметр.

Рис. 1.

Устройство для совмещения микроструктур: а – общий вид 3D-модели, б – сечение, в – внешний вид модели. 1 – держатель нижней подложки 4; 2 – юстировочный узел; 3 – держатель верхней подложки 5; 6 – микрометрический винт; 7 – контрвинт; 8 – лепестковая пружина; 9 – отверстия под фиксирующие винты.

После этого на нижнюю подложку напыляются пластиковые шарики, задающие между верхней и нижней подложками постоянный зазор в несколько микрометров. Сверху устанавливается верхняя подложка с держателем 3, затем юстировочный узел 2.

Держатель 3 имеет на стороне, обращенной к контрвинту 7, лепестковую пружину 8, которая позволяет плавно перемещать держатель в оба направления подачи винта 6. Поджим верхней подложки к нижней для обеспечения точного зазора осуществляется двумя неодимовыми магнитами, размещенными сверху и снизу от подложек.

Размеры юстировочного узла, держателя 3 и самих подложек подобраны таким образом, что ячейка может быть заполнена жидким кристаллом непосредственно в устройстве, затем зафиксирована по периметру эпоксидным клеем и извлечена из устройства для дальнейших исследований. Внешний вид устройства в сборе показан на рис. 1в.

Корпус юстировочного узла (детали 1–3 на рис. 1б) выполнен из пластика PLA (полилактид) методом экструзионной печати на 3D-принтере Picaso 3D Designer [6]. Стальной контрвинт М3 × 20 мм (7) вкручивается в гайку (не показана на рисунке) и упирается в пружину держателя верхней подложки 8. Таким образом, держатель верхней подложки зажат с помощью винтов 6 и контрвинтов 7 и может перемещаться в плоскости конструкции при их настройке, в то время как юстировочный узел жестко фиксируется на держателе 1 нижней подложки при помощи гаек, которые навинчиваются на четыре винта, устанавливаемых в отверстия 9.

Для тестирования юстировочного устройства были изготовлены две стеклянные подложки, на которые были нанесены металлические метки: симметричный крест размером 25 × 25 мкм на одной (рис. 2а) и четыре квадрата размером 5 мкм на второй (рис. 2б).

Рис. 2.

Метки: а – “крест”, б – “4 квадрата”, в – схема их совмещения; г – вид совмещенных меток “крест” и “4 квадрата” в микроскопе (объектив 10^× с рабочим расстоянием 6 мм).

Подложки были помещены в устройство, которое закреплялось на столике микроскопа ПОЛАМ-113, укомплектованного объективами 4-кратного и 10‑кратного увеличения. Далее метки “крест” и “4 квадрата” были обнаружены и совмещены. Результат совмещения показан на рис. 2в, 2г.

Таким образом, устройство для сборки и юстировки ж.к.-ячейки позволяет проводить плавную юстировку с точностью до 1 мкм.