Όνομα: Ιγνατίου ΝίκοςΕπιβλέπουσα: Ζεργιώτη Ιωάννα

Μικρο-Οπτο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MOEMS)

EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

Γενικό Περίγραμμα

ΕισαγωγήΕισαγωγή Μικρο-οπτικήΜικρο-οπτική Μικρο-ηλεκτρο-μηχανική (ΜΕΜ) Μικρο-ηλεκτρο-μηχανική (ΜΕΜ)

ΤεχνολογίαΤεχνολογία Συγχώνευση Μικρο-οπτικής και ΜΕΜΣυγχώνευση Μικρο-οπτικής και ΜΕΜSS →→

MOEMSMOEMS Παραδείγματα ΜΟΕΜ συσκευώνΠαραδείγματα ΜΟΕΜ συσκευών

Χρησιμότητα της Μικρο-οπτικής

ΒιντεοκάμερεςΒιντεοκάμερες

ΒιντεοτηλέφωναΒιντεοτηλέφωνα

Οπτικά αποθηκευτικά μέσαΟπτικά αποθηκευτικά μέσα

Οπτικά Οπτικά ScannersScanners

Βιντεοπροβολείς Υψηλής ανάλυσηςΒιντεοπροβολείς Υψηλής ανάλυσης

Εισαγωγή

Εφαρμογές και Συσκευές

Διαθλαστικοί και ανακλαστικοί Διαθλαστικοί και ανακλαστικοί μικροφακοίμικροφακοί

Βελτίωση οπτικής αποδοτικότηταςΒελτίωση οπτικής αποδοτικότητας Διαχωρισμός χρωμάτωνΔιαχωρισμός χρωμάτων Διαμόρφωση ακτίναςΔιαμόρφωση ακτίνας Μικροόπτική σάρωση Μικροόπτική σάρωση

Δείχνουν την δυναμική αυτής της τεχνολογίας

Αυτό που κάνει την τεχνολογία αυτή ελκυστική είναι

Η έμφυτη δυναμική της για μαζική παραγωγή με χαμηλό κόστος

Εισαγωγή

Χρησιμότητα των ΜΕΜS

OOχηματοβιομηχανίχηματοβιομηχανίαα

Ενεργοποιητές Ενεργοποιητές αερόσακωναερόσακων

ΜικροαισθητήρεςΜικροαισθητήρες

Εισαγωγή

Εφαρμογές και συσκευές

ΣυσκευέςΣυσκευές ΜικροβαλβίδεςΜικροβαλβίδες Αισθητήρες και ενεργοποιητέςΑισθητήρες και ενεργοποιητές Αδρανειακοί μικροαισθητήρες Αδρανειακοί μικροαισθητήρες Ελεγχτές ροήςΕλεγχτές ροής

Εφαρμογή Σε:Εφαρμογή Σε: Παντος είδους οχήματαΠαντος είδους οχήματα ΒιομηχανίαΒιομηχανία ΒιοτεχνολογίαΒιοτεχνολογία Στρατιωτικα συστήματαΣτρατιωτικα συστήματα Καθημερινές ηλεκτρικές συσκεύεςΚαθημερινές ηλεκτρικές συσκεύες

MEM συσκευές ήδη εχουν εμφανιστεί και

αναμένονται περισσότερες καθώς οι εταιρείες

ανακαλύπτουν πως αυτή η νέα τεχνολογία εφαρμόζεται στα

προίοντα δημιουργώντας μια νέαγενιά προιόντων.

Εισαγωγή

Μικρό-οπτική

Η μικροόπτικη τεχνολογία γίνεται όλο και πιο Η μικροόπτικη τεχνολογία γίνεται όλο και πιο σημαντική για μια τεράστια ποικιλία οπτικών σημαντική για μια τεράστια ποικιλία οπτικών συστημάτων. Διαθλαστικά και ανακλαστικά στοιχεία συστημάτων. Διαθλαστικά και ανακλαστικά στοιχεία χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε συστήματα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε συστήματα στρατιωτικών αισθητήρων και οικιακών προϊόντων.στρατιωτικών αισθητήρων και οικιακών προϊόντων.

Οι σημαντικότερες εφαρμογές περιλαμβανουν:Οι σημαντικότερες εφαρμογές περιλαμβανουν: Διαχωρισμός ακτίνας (Διαχωρισμός ακτίνας (beam splitting)beam splitting) Συγχώνευση ακτίνας (Συγχώνευση ακτίνας (beam combining)beam combining) Διαμορφωση ακτίνας λέιζερ (Διαμορφωση ακτίνας λέιζερ (laser diode beam shaping)laser diode beam shaping) Ενίσχυση ρυθμοαπόδοσης εικόνας υγρών κρυστάλλωνΕνίσχυση ρυθμοαπόδοσης εικόνας υγρών κρυστάλλων

((liquid crystal display throughput enhancement)liquid crystal display throughput enhancement)

Μικρο-οπτική

Δυαδική ΟπτικήΜικρο-οπτική

Δυαδική Οπτική Τεχνολογία διαθλαστικής οπτικής

Βασίζεται

Ολοκλήρωση σε πολύ μεγάλη κλίμακα (VLSI)Μικροηλεκτρονικών συσκευών με μικροόπτικά

στοιχεία

Σκοπός

Ιδιαίτερη μέριμνα στη μικρολιθογραφία

Απαιτείται

Defractive Micro-Lenses

Διαθλαστικοί μικροφακοίΜικρο-οπτική

Διατάξεις μικροφακών δυαδικής οπτικής παράγονται Διατάξεις μικροφακών δυαδικής οπτικής παράγονται χρησημοποιόντας μάσκες. Κάθε επίπεδο μάσκας χρησημοποιόντας μάσκες. Κάθε επίπεδο μάσκας διπλασιάζει τον αριθμό βημάτων της διπλασιάζει τον αριθμό βημάτων της προηγούμενης.Θεωρητίκα 3 μάσκες απαιτούνται για προηγούμενης.Θεωρητίκα 3 μάσκες απαιτούνται για την κατασκευή μιας 95% αποδοτικής διάταξης την κατασκευή μιας 95% αποδοτικής διάταξης μικροφακού 8 φάσεων διάταξηςμικροφακού 8 φάσεων διάταξης

Υπάρχουν 3 σημαντικές παράμετροι για τον σχεδιασμό Υπάρχουν 3 σημαντικές παράμετροι για τον σχεδιασμό ενός μικροφακού δυαδικής οπτικής:ενός μικροφακού δυαδικής οπτικής:

1.1. λ : μήκος κύματοςλ : μήκος κύματος

2.2. f/# = f/d f/# = f/d με με ff: εστιακή απόσταση και : εστιακή απόσταση και dd: διάμετρος : διάμετρος μικροφακουμικροφακου

3.3. CDCD: Κρίσιμη διάσταση (: Κρίσιμη διάσταση (critical dimension)critical dimension)

Για έναν τυπικό φακό 8-φάσεων-επιπέδων:Για έναν τυπικό φακό 8-φάσεων-επιπέδων:

CD=CD=λλf/#/4f/#/4

Defractive Micro-Lenses

Διαθλαστικοί μικροφακοίΜικρο-οπτική

Στα εργαστήρια παραγωγής: Ταχύτητα Στα εργαστήρια παραγωγής: Ταχύτητα μικροφακόυ μικροφακόυ f/6 – f/3 f/6 – f/3 με αντίστοιχα λ=0,632μμε αντίστοιχα λ=0,632μmm ((HeNe laser)HeNe laser) – λ=0,850μ – λ=0,850μmm

Συστημα διαθλαστικών μικροφακών

Refractive Micro-Lenses

Ανακλαστικοί μικροφακοίΜικρο-οπτική

Στην περίπτωση ενός οπτικού συστήματος μικρού Στην περίπτωση ενός οπτικού συστήματος μικρού μήκους κύματος (λ<1μμήκους κύματος (λ<1μmm) που απαιτούνται υψηλής ) που απαιτούνται υψηλής ταχύτητας μικροφακοί (<ταχύτητας μικροφακοί (<ff/4)/4) οι ανακλαστικοί οι ανακλαστικοί μικροφακοί είναι μια ελκυστική και με μικρο κοστος μικροφακοί είναι μια ελκυστική και με μικρο κοστος εναλλακτική λύση.εναλλακτική λύση.

Συστημα ανακλαστικών μικροφακών

ΜΕΜSMEMS

Μικροκατασκευαστική(Micro fabrication)

ΟλοκληρωμέναΚυκλώματα

Τριών διαστάσεων

Γλυπτική (Sculpting)Μικρομηχανική(Micromachining)

Προέλευση των ΜΕΜSMEMS

Οι τεχνολογίες των μικροαισθητήρων και των μικροενεργοποιητών έφεραν μεγάλες προόδους σε•Σχεδιασμό συσκευών•Κατασκευή•Υλικά•Έλεγχος•Εφαρμογές

Οι ραγδαίες εξελίξεις στα τελευταία πέντε χρόνια έφεραν την συνένωση σε ένα πεδίο, που όνομάζεται Μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα (ΜΕΜS).

Το νέο αυτό πεδίο έδωσε ώθηση στη φυσική τη χημεία, τα υλικά και τις κατασκευές στην κλίμακα του μικρού

Microsensors and Microactuators

Μικροαισθητήρες και Μικροενεργοποιητές

MEMS

H MEM τεχνολογία εστιάζεται κυρίως στον σχεδιασμό και την κατασκευή μικροαισθητήρων και μικροενργοποιητών.

Οι συσκευές αυτές έχουν τουλάχιστον μια διάσταση στην τάξη του μικρόμετρου και μερικά χιλιοστά τις υπόλοιπες.

Μικροαισθητήρες: Σημαντικά στοιχεία πολλών έξυπνων μηχανών

Πλεονέκτημα: Μειώνουν το μέγεθος και το βάρος των συσκευών => Το κόστος

Υλικά και μέθοδοι στα MEM

MEMS

Υλικά που χρησημοποιούνται στα ΜΕΜ•Πυρίτιο•Πολυμερή•Μέταλλα (πχ: Χρυσός, Νικέλιο, Αλουμίνιο, Χρώμιο, Τιτάνιο, Πλατίνα και Άργυρος)

Μέθοδοι ΜΕΜ•Φωτολιθογραφία•Απόθεση•Χαρακτική

MΟEMS

Μικρο-οπτο-ηλεκτρονική

Η συγχώνευση μικροηλεκτρονικής, μικροόπτικής και μικρομηχανίκης δημιουργεί μια νέα κατηγορία συσκευών τις Μικρο-οπτο-ηλεκτρονικές.

Παραδειγματα ΜΟΕΜ συσκευών:

•Δυναμικός εστιακός καθρέφτης

•Οπτικός διακόπτης

•Οπτικό scanner

Χαρακτηριστικά οπτικών μικρομηχανών

MΟEMS

•Η μικρο-μηχανική προσφέρει:

•Μικρο-ενεργοποίηση

•Μικρο-μηχανική γραμμική και περιστροφική κίνηση

•Η μικρο-οπτική μπορεί να είναι:

•Διαθλαστικά, ανακλαστικά ή κατοπτρικά μικρο-οπτικα στοιχεία (σταθερά ή κινητά)

•Στοιχεία που αξιοποιούν τις ιδιότητες του φωτός στο κενό

•Αυτο-ευθυγραμμισμένα μικρο-οπτικά στοιχεία

•Η μικρο-ηλεκτρονική προσφέρει:

•Ρεύματα και τάσεις για γραμμική και περιστροφική κίνηση

•Ικανότητα προ-επεξεργασίας τοπικού σήματος

Μικρο-οπτο-ηλεκτρο-μηχανικά Συστήματα

MΟEMS

Κοινό χαρακτηρηστικό μικρο-όπτικής και MEM:

Συμβατά με επεξεργασία κυκλωμάτων πολύ μεγάλης

κλίμακας ολοκλήρωσης(VLSI)

Αυτό εξασφαλίζει οτι η τελική συσκευή μπορεί να παραχθεί ευρέως και σε μικρό κόστος

Τι Προσφέρει Η Μικρομηχανική Στην Οπτικη

MΟEMS

•Μείωση του μεγέθους των οπτικών στοιχείων

•Κίνηση των οπτικών στοιχείων

•Συνύπαρξη ηλεκτρονικών στοιχείων για έλεγχο της κίνησης.

Μικρο-οπτικά Στοιχεία

MΟEMS

Στοιχέιο Λειτουργία•Φάκος - Εστίαση

•Ορθοστάτης - Μηχανική υποστίρηξη

•Καθρέφτης - Ανάκλαση

•Πλέγμα (Grating) - Απόκλιση/ Διάθλαση/ Φασματική Ανάλυση

•Διαχωριστής Ακτίνας - Συνδυασμός – Διαχωρισμός Ακτινών

•Κυματοδηγός - Καθοδήγηση ακτίνας

•Διαμορφωτής (Chopper) - Εξασθένηση/ Διαμόρφωση

Χαρακτηριστικά μικρομηχανών

MΟEMS

•Μέγεθος - (μικρό) Στην κλιμακα μm-mm

•Ταχύτητα - 100δες ns εως 1 s

•Ενέργεια ενεργοποίησης - CV2/2 (ηλεκτροστατική)

•Πολυπλοκότητα - Αρκετά πολύπλοκες

•Ολοκληρωσιμότητα - Με ηλεκτρονική και οπτική

•Κόστος - Κόστος chip +

συναρμολόγηση/πακεταρισμα

Μικροφακός Fresnel

Παραδείγματα MΟEMS

Κινητός Μικροκαθρέφτης

Παραδείγματα MΟEMS

Που εστιάζεται σήμερα η λειτουργία των MOEM

•Νέα γενιά οθονών

•Βασίζεται στην φυσική κίνηση ανακλαστικών επιφανειών (διαμόρφωση φωτός)

• Συστήματα επικοινωνιών

•Διακόπτες οπτικών ινών, φίλτρα κλπ

•Βασιζεται στην φυσικη κίνηση ενός καθρέφτη για να κατευθυνει το φώς όπου χρειάζεται

Παραδείγματα MΟEMS

Χειρισμός του φωτός

•Χειρισμός του φωτός για ανίχνευση και επεξεργασία σήματος

•Η μηχανική προσφέρει την κίνηση που ελέγχεται απο ηλεκτρονικά

Παραδείγματα μηχανικά ελεγχόμενης κίνησης φωτεινών ακτίνων:

Εκτροπή Ακτίνας Φασματικός Διαχωρισμός

Παραδείγματα MΟEMS

Ψηφιακή οθόνη μικροκαθρεφτώνΠαραδείγματα MΟEMS

•2000χ1000 pixels ανάλυση (2 εκ. Μικροκαθρέφτες)

•16 μm x 16 μm καθρέφτες

•Ψηφιακή γκρί κλίμακα χρησιμοποιόντας διαμόρφωση εύρους παλμού

Προκλήσεις στα ΜΟΕΜS

•Tα ΜΕΜ είναι από τη φύση τους δισδιάστατα

•Η κλασική φυσική οπτική είναι από τη φύση της τρισδιάστατη

• Απαιτείται πολύπλοκη και λεπτή διαδικασία συναρμολόγησης

•Η συσκευασία είναι ενα πρόβλημα

Βιβλιογραφία

•Micro-opto-electro-mechanical systems, optical

engineering/November 1994/vol. 33

•http://www-leti.cea.fr/commun/europe/MOEMS/

moems.htm

•http://www.darpa.mil/MTO/MOEMS/

•http://www.defenselink.mil/

•http://www.canyonmaterials.com/

•http://www.leister.com/microsystems/microoptics/