Document 18224
Transkrypt
Document 18224
SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12) Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-68-0 © Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Sławomir Wiak Krzysztof Smółka 10. Komputerowe modele inteligentnych mikrosystemów 10.1. MEMS 10.1.1. Podstawowe informacje Ciągły rozwój nowych technologii znalazł odzwierciedlenie w możliwości stworzenia bardzo precyzyjnych mikrokonstrukcji MEMS. MEMS, czyli Mikro-Elektro-Mechaniczny System, jest to zintegrowane urządzenie elektryczno(elektroniczno)-mechaniczne, o wielkości od kilku do kilkuset mikronów (mikrometrów) tzn. rzędu średnicy ludzkiego włosa lub ziarnka piasku, mogące przetwarzać różne wielkości mechaniczne (np. ciśnienia, przyspieszenia) na wielkości elektryczne (np. napięcia, natężenia prądu) i odwrotnie. Rys. 10.1 a) Mikrosilnik krzemowy wykonany w technologii MEMS w porównaniu z ludzkim włosem [87], b) czujnik przyśpieszenia jednoosiowego czujnika przyśpieszenia ADXL76 firmy Analog Devices [124] 315 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Urządzenia te, to często połączenie komponentów mechanicznych, elektrycznych, optycznych, hydraulicznych i wielu innych, które zintegrowane w jednym układzie mogą dokonywać na jednym poziomie - pomiaru określonych wielkości, podjąć decyzję o działaniu oraz odpowiednio zareagować. Mimo dużego stopnia skomplikowania, systemy te są wytwarzane na masową skalę z materiałów, i za pomocą tych samych technologii, jakie są stosowane do produkcji elektronicznych układów scalonych. Aktualne technologie wykorzystywane w produkcji MEMS to między innymi: mikroobróbka powierzchniowa, litografia, powlekanie elektrolityczne i plastyczne formowanie w technologii LIGA. 10.1.2. Rys historyczny Historia urządzeń typu MEMS, którą można rozpocząć od wynalezienia pierwszego tranzystora bipolarnego w 1947 roku doskonale ilustruje różnorodność urządzeń i zastosowań pojawiających się w kolejnych latach. Koncepcja struktur mikroelektromechanicznych zaistniała tak naprawdę już w latach pięćdziesiątych wraz z koncepcją systemów zintegrowanych i przez kolejne czterdzieści lat rozwijała się tak, aby w latach dziewięćdziesiątych zaistnieć komercyjnymi już urządzeniami na rynku. Poniżej przedstawiono opracowaną na podstawie prac [5], [15], [33], [45], [54], [87] krótką historię, najważniejszych zdaniem autora, wydarzeń w dziejach mikrostruktur elektro-mechanicznych. Lata 50-te Lata pięćdziesiąte, to przede wszystkim powstanie koncepcji struktur mikromechanicznych i powstanie pierwszych układów scalonych IC (ang. integrated circuit). 1958 - Rozwój układów scalonych (Jack S. Kilby/Texas Instrument) oraz pierwszy komercyjny krzemowy czujnik służący do pomiaru naprężeń. 1959 - Richard Feynman zaprezentował artykuł w California Instytute of Technology pod tytułem: „There's Plenty of Room Below”, który można potraktować jako kamień milowy w dziejach technologii MEMS. Artykuł zapowiada rozwój mikrotechnologii, w tym struktur mikromechanicznych. Dodatkowo Richard Feynman wyznacza nagrodę 1000 dolarów dla pierwszej osoby, 316 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW która stworzy mikrosilnik o wymiarach poniżej 1/64 cala sześciennego. 1960 - William McLellan zbudował mikrosilnik o wymiarach zaproponowanych przez Richarda Feynmana. Lata 60-te Lata sześćdziesiąte to pierwsze urządzenia mikromechaniczne, jak również ważny z punktu widzenia technologii produkcji mikrourządzeń początek technik powierzchniowych. 1961 - Demonstracja pierwszego mikroczujnika ciśnienia. 1962 - Pierwsza wytrawiona w krzemie membrana (Tufte i inni/Honeywell). 1967 - Wynalezienie obróbki powierzchniowej. Firma Westinghouse stworzyła tranzystor polowy RGT (ang. Resonant Gate Transistor), przy produkcji, którego wykorzystano tzw. warstwę ofiarną (ang. sacrifical layer) w celu uwolnienia elementu mikromechanicznego od krzemowego podłoża [79]. Lata 70-te Lata siedemdziesiąte, to pojawienie się pierwszych czujników krzemowych i stworzenie pierwszych głowic do drukarek atramentowych. 1970 - Demonstracja pierwszego, krzemowego czujnika przyśpieszenia. 1977 - Pierwszy pojemnościowy czujnik ciśnienia (James Angell/Stanford). 1977, 1979 - Pierwsze głowice krzemowe do drukarek (HP, Texas Instrument, IBM). 1979 - Praktyczna realizacja przedstawionego w pracy [90] piezorezystywnego czujnika przyśpieszenia dla zakresu przyśpieszeń do 50g. Lata 80-te W lata osiemdziesiątych, to zwrócenie uwagi na zastosowanie krzemu jako materiału mechanicznego, a także pierwsze rozwinięte mikrourządzenia stworzone dzięki obróbce powierzchniowej. Pod koniec lat osiemdziesiątych pojawiają się takie urządzenie, jak mikrosilnik krzemowy, pojemnościowy przetwornik o strukturze grzebieniowej (ang. comb drive), a także pierwsze mikrozawory. 1982 - R.T. Hove i R.S. Muller prezentują proces produkcji belek krzemowych, a następnie tworzą sensor składający się z elementów mikroelektronicznych i mikromechanicznych. 317 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 1982 - Kurt Petersen przedstawia pracę „Silicon as a Mechanical Material” [86] na temat możliwości wykorzystania krzemu jako materiału do tworzenia struktur mechanicznych. 1982 - Opracowanie technologii LIGA dla tworzenia mikrostruktur. 1988 - Pierwsza konferencja poświęcona technologii MEMS. 1988 - Pierwszy mikrosilnik krzemowy (Fan, Tai, Muller). 1989 - Tang proponuje dekompozycję podczas projektowania pojemnościowego mikroprzetwornika o strukturze grzebieniowej [107]. Przez kolejne lata model zaproponowany przez Tanga był wielokrotnie wykorzystywany do projektowania między innymi aktuatorów, akcelerometrów i rezonatorów o strukturze grzebieniowej. Lata 90-te Lata dziewięćdziesiąte to gwałtowny rozwój zastosowań komercyjnych mikrostruktur krzemowych. Na rynku pojawiają się akcelerometry, żyroskopy, elementy typowo mechaniczne w skali mikro. Pojawia się wiele zastosowań urządzeń MEMS w przemyśle samochodowym. 1991 - Firma Analog Device [2] używając technologii powierzchniowej stworzyła pierwszy, krzemowy akcelerometr, a w 1993 został sprzedany przez tę firmę pierwszy akcelerometr MEMS (ADXL50). Od tego czasu firma ta sprzedała ponad 100 milionów akcelerometrów i żyroskopów MEMS. 1992 - Rozwój akcelerometrów z wbudowanymi funkcjami autotestu i zabezpieczeniami przed przeciążeniem (Lucas Novasensor) oraz pierwszy krzemowy żyroskop w technologii MEMS zaproponowany przez Draper Lab. 1995 - Rozwój technologii BioMEMS. 2000 - Rozwój technologii MEMS w zastosowaniach optycznych (np. matryce projektorów). Obecnie, można już by praktycznie bez końca wymieniać rodzaje struktur MEMS i dziedziny ich zastosowań. Powyższy przegląd historii technologii MEMS nie tylko przedstawia błyskawiczny rozwój tej technologii, ale również wyraźnie pokazuje różnorodność zastosowań tych struktur i niezaprzeczalny związek rozwoju technologii MEMS z tradycyjnymi układami scalonymi. Miejsce, jakie zajmuje współcześnie technologia MEMS może pokazać krótka analiza rynku światowego przedstawiono w kolejnym podrozdziale. 318 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.1.3. Przegląd rynku Technologia MEMS jest obecnie identyfikowana jako jedna z najbardziej obiecujących technologii dwudziestego pierwszego wieku i wnosząca rewolucyjny potencjał zarówno w sferę zastosowań przemysłowych, jak i typowo konsumpcyjnych [87]. Mimo pewnych różnic w kwalifikacji niektórych mikrourządzeń jako urządzenia MEMS, wszystkie badania rynkowe związane z tą technologią wykazują ciągły i wysoki wzrost produkcji [78]. Analiza i prognoza wartości sprzedaży mikrostruktur MEMS liczona w milionach dolarów w latach 2002-2007 wykazuje wzrost sprzedaży globalnej z 3900 milionów dolarów do prognozowanej wartości za rok 2007 wynoszącej aż 8300 milionów dolarów [68]. A zatem jest to ponad dwukrotny wzrost sprzedaży mikrostruktur MEMS na świecie. Średni wzrost tego rynku w ciągu każdego roku kształtuje się według różnych źródeł pomiędzy 16% [123] a 25% [8]. Już w roku 1995 światowy rynek czujników to 6 miliardów dolarów, z czego aż 25% dotyczyło czujników MEMS [75]. Od tego czasu stosowalność czujników MEMS zwiększa się z roku na rok. Rynek mikrosensorów to przede wszystkim czujniki ciśnienia, temperatury, przyśpieszenia, przepływu i siły. Dominują czujniki ciśnienia i temperatury, zaś akcelerometry są trzecią co do wielkości grupą wśród sensorów sprzedawanych na świecie. Ważną informacją dotyczącą rynku mikrostruktur jest rozkład geograficzny największych firm przemysłowych zajmujących się produkcją urządzeń MEMS. Dominującą rolę odgrywają Ameryka Północna (41%), następnie Europa (38%) i na końcu Azja (21%). Analizując czołowych wytwórców czujników przyśpieszenia na świecie, można powiedzieć, że rynek pomiędzy Stanami Zjednoczonymi, Europą a Azją jest podzielony stosunkowo równomiernie. Czołowi liderzy w produkcji czujników przyśpieszenia to [75]: • Europa: Sensonor, Bosch, VTI (ponad 15 firm); • • USA: Analog Devices, Motorola, Rockwell (ponad 20 firma); Azja: Denso, MELCO, Fuji Electric (ponad 10 firm). Podsumowując ten krótki przegląd rynku związanego ze strukturami MEMS, można bez wątpliwości zauważyć jego olbrzymi potencjał oraz, że w ciągu kolejnych lat będzie się on jeszcze bardziej gwałtownie rozwijał. 319 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.1.4. Zastosowania Znaczenia stosowania mikrosystemów (MEMS) w wielu dziedzinach techniki trudno dziś nie docenić. Rozwój technologii produkcji tego typu struktur powoduje, iż znajdują one coraz więcej zastosowań w wielu dziedzinach życia. Mówiąc jednak o zastosowaniach mikrosystemów należy wyraźnie zaznaczyć, że mikrosystem może składać się z wielu, pojedynczych mikrokomponentów wykorzystujących określoną klasę zjawisk fizycznych. Tak naprawdę, to rozmaitość tych mikrokomponentów i możliwość „składania” w praktycznie dowolne konfiguracje, decyduje o różnorodnych, potencjalnych zastosowaniach mikrosystemów. Do najważniejszych komponentów mikrosystemów można zaliczyć elementy: mechaniczne, elektrostatyczne, hydrauliczne/pneumatyczne, termiczne, elektryczne (elektroniczne) i optyczne. Powyższa lista, oczywiście nie wyczerpuje możliwych rodzajów komponentów MEMS, wśród można znaleźć nawet tak niezwykłe elementy, jak mikrostruktury pirotechniczne. Gotowy mikrosystem, w zależności od funkcji, może reagować na różne czynniki środowiskowe, czyli: temperaturę, wilgotność, ciśnienie, możliwa jest również realizacja mikrosystemów reagujących na czynniki otoczenia, takie jak: siła nacisku, kąt przechyłu i naprężenia mechaniczne. W związku z tym, mikrosystem może być systemem w pełni interaktywnym z otoczeniem. Wraz z rozwojem mikrosystemów, zaczęto intensywnie poszukiwać nowych rozwiązań, w tym również elementów napędowych, które sprawdziłyby się w skali mikro. W tabeli poniżej przedstawiono, jakie zjawiska, czy też, jakie efekty mogą być wykorzystane w mikrostrukturach wraz krótką charakterystyką. Aktuatory magnetyczne, z jednej strony są atrakcyjne, ponieważ oferują znaczące siły, jednakże typowy aktuator wymaga względnie dużego prądu do wygenerowania dużej siły. Dodatkowo elementy ferromagnetyczne używane w tych aktuatorach nie są możliwe do zastosowania w układach zintegrowanych IC. Szczególnie atrakcyjne okazały się zatem dla inżynierów mikrostruktury elektrostatyczne (układy naprzeciwległych elektrod, często na elastycznym zawieszeniu, gdzie siły sprężyste przeciwdziałają siłom elektrycznym). 320 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Tab. 10.1 Wykorzystanie różnych zjawisk w mikrotechnologii WykorzystaElektrostanie magnetyczny sów stałych Ferromagnetyczny PiezoElektryczny Termiczny (bimetalowy) Funkcja siły F~U2 F~I F~I2 F~U F~U Dynamika niezmienna spadkowa spadkowa spadkowa Efekt Zjawisko Model Charakterystyczne x<300μm x<5000μm x<5000μm x<500μm parame- F≈2 mN F≈10 mN F≈10 mN F≈0.1 mN try x...dystans pracy; F...przykładowe siły spadkowa x<500μm F≈10 mN Mikromaszyny elektrostatyczne, mimo że moc przez nie dostarczana jest mała, posiadają istotne zalety związane z brakiem uzwojeń oraz, że przy ich budowie nie wykorzystuje się materiałów ferromagnetycznych charakteryzujących się niewygodną, nieliniową krzywą magnesowania. W maszynach elektromagnetycznych przy zmniejszaniu wymiarów towarzyszy, od pewnego punktu, znaczny wzrost strat cieplnych w cewkach uzwojeń, co w konsekwencji pogarsza stosunek mocy użytecznej do objętości konstrukcji. W zakresie małych wartości sił i momentów mikronapędy elektrostatyczne stają się konkurencyjne wobec ich elektromagnetycznych odpowiedników również ze względu na mniejsze wymiary i mniejszą masę. Struktury elektrostatycznych w skali mikro, wykorzystywane są nie tylko jako urządzenia napędowe, ale również jako czujniki, w którym elementem dostarczającym informacji o pomiarze jest zmienna pojemność. Technologia MEMS wciąż się rozwija i prognozowane możliwości zastosowania mikromechanizmów są nieograniczone. Wymienić można między innymi badania kosmiczne, systemy militarne, ale również precyzyjne struktury mechaniczne w medycynie (np. w chirurgii, wyobrazić sobie można między innymi pseudointeligentne mikrosondy umieszczone w krwiobiegu 321 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW do usuwania płytek miażdżycowych), czy też układy przetwarzania sygnałów optycznych (np. głowice optyczne). Jednak, już w obecnej chwili mikrostruktury znalazły już wiele praktycznych zastosowań. Poniżej zostanie wymienione tylko kilka, typowych, współczesnych zastosowań mikrosystemów. Obecnie istnieje bardzo wiele zastosowań militarnych mikrostruktur i widoczne są znaczące tendencje do ich jeszcze większego wykorzystania [1]. Mówi się o między innymi o następujących zastosowaniach: zabezpieczenie broni, zapalniki, nawigacja pojazdów i żołnierzy, czujniki biomedyczne, technologia informacyjna i wiele innych. Również w technologii kosmicznej, mikrostruktury odgrywają coraz ważniejszą rolę. Istnieje na przykład program w NASA o nazwie „New Millennium”, którego celem jest wprowadzenie dużej ilości miniaturowych, autonomicznych pojazdów przeznaczonych do badań przestrzeni kosmicznej i innych planet [50]. Znanym zastosowaniem mikrostruktur są tak zwane systemy Lab-on-a-Chip (LoC), zwane także często Micro Total Analysis Systems (μTAS), które mają szerokie zastosowanie w biologii, biomedycynie i chemii. Istnieje już wiele, zakończonych sukcesem zastosowań tych mikroskopijnych laboratoriów w badaniach nad nowymi lekami, diagnostyce medycznej, analizie protein i DNA, badaniach odpornościowych opartych na specyficznej reakcji przeciwciała z antygenem i wiele innych [114]. Wbrew mały rozmiarom, laboratoria te mogą się składać z wielu takich elementów, jak: mikrozawory, mikropompy, detektory chemiczne i biologiczne. Kolejnym zastosowaniem MEMS jest wykorzystanie w mikrourządzeniach elementów optycznych (tzw. MEOMS lub MOMS, czyli micro-optical-mechanical-systems), takich jak na przykład mikroskopijne lusterka. Lusterko takie może być umieszczone na mikrozawiasie, a kąt nachylenia jest uzyskiwany przy pomocy elektrostatycznych, struktur grzebieniowych [22], [112]. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie lusterka na elastycznym zawieszeniu i elektrostatycznym sterowaniu nachyleniem, nawet w trzech osiach, poprzez elektrody połączone bezpośrednio z samym lusterkiem [95]. Popularnym wykorzystaniem takich konstrukcji są obecnie matryce optyczne projektorów multimedialnych. 322 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Ogromnym odbiorcą technologii MEMS jest przemysł samochodowy. Rynek motoryzacyjny wykazuje przede wszystkim duży popyt na różnego typu czujniki, które powinny być ekstremalnie niezawodne, a jednocześnie bardzo tanie. Specyfika zintegrowanych mikrostruktur MEMS idealnie pasuje do tej formuły. Najszybciej rozwijającym się segmentem rynku motoryzacyjnego są systemy kontroli i bezpieczeństwa jazdy, czujniki zabezpieczające przed wypadkiem, oraz ogólnie wszystkie te, które zapewniają bezpieczeństwo, wygodę i komfort pasażerów. Możliwych zastosowań jest bardzo dużo, ponieważ jednak takim sztandarowym produktem MEMS jest mikroczujnik przyśpieszeń, poniżej zostaną wymienione przede wszystkim te zastosowania, które są związane bezpośrednio z tematyką pracy. Zastosowania akcelerometrów w motoryzacji to między innymi: Wyzwalanie poduszek powietrznych (Sensing for Airbag Control) - jedno z bardziej znaczących zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym struktur MEMS i jednocześnie pierwszy znaczący sukces technologii MEMS z lat dziewięćdziesiątych. Jeden lub więcej czujników przyśpieszenia stale monitoruje zachowanie się pojazdu. Nagłe uderzenie związane z przyśpieszeniami rzędu kilkudziesięciu g powoduje, że mikrokontroler zintegrowany z czujnikiem przyśpieszenia wyzwala poduszkę powietrzną. Decyzja o wyzwoleniu poduszki powietrznej przedniej musi być podjęta w kilka milisekund, poduszki bocznej jeszcze szybciej, gdyż boczne drzwi są duża bliżej jadącego pojazdem. Klasyczne czujniki wyzwalania poduszek były bardzo skomplikowane, zawierały wiele elementów. Potrzeba wysokiej niezawodności powodowała, że były to dość drogie elementy. Jeśli te czujniki wymagane były w różnych lokalizacjach w samochodzie, to dochodził jeszcze znaczny koszt okablowania, jak również powodowało to zmniejszenie niezawodności. Aktywne zawieszenie - akcelerometry związane ze wszystkim kołami, które na bieżąco monitorują stan drogi i sterują zawieszeniem w celu zwiększenia zarówno komfortu jazdy, jak i bezpieczeństwa. Kontrola stabilności pojazdu - rozszerzenie systemu antypoślizgowego ABS (Anti-lock Braking System), tak zwany system VSC (Vehicle Stability Control) składający się między innymi z akcelerometrów i żyroskopów, jest to system wspomagający odzyskanie kontroli nad pojazdem w przypadku poślizgu. 323 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Systemy zabezpieczające przed kradzieżą - pomiar zmian nachylenia i drgań nieruchomego pojazdu przy pomocy czujnika przyśpieszenia Oprócz wyżej wymienionych zastosowań w samochodach, wykorzystuje się także czujniki ciśnienia umieszczone w oponach, które na bieżąco monitorują za pomocą wskaźników o aktualnym ciśnieniu w kołach (tzw. TPMS czyli Tire Pressure Monitoring System), a w niektórych modelach samochodów marki FORD wykorzystano urządzenia MEMS w układach wtrysku paliwa. Można stwierdzić, że obecnie nie ma nowo produkowanego samochodu bez technologii MEMS. Przykładowo model BMW 740i posiada ponad 70 urządzeń MEMS [87]. Do znanych obecnie zastosowań czujników przyśpieszeń można także zaliczyć: monitorowanie ruchu pacjenta [10], monitorowanie dziennej aktywności ludzi starszych i pacjentów podczas rehabilitacji [3], elementy związane z tłumieniem drgań w kamerach video, monitorowanie ruchu dłoni na przykład wykorzystane w grach komputerowych lub w wirtualnym treningu [36], [85]. Wysoko precyzyjne akcelerometry (ekstremalna czułość z błędem mniejszym niż 1 μg i całkowity poziom szumów rzędu 7ng) mają zastosowanie w kartografii, w badaniach geofizycznych, głównie związanych poszukiwaniem złóż ropy naftowej oraz w sejsmologii w badaniu i wykrywaniu trzęsień ziemi [36]. Duża precyzja tych urządzeń jest wymagana także w nawigacji inercyjnej [11]. Czujniki przyśpieszeń MEMS znalazły także zastosowania w sprzęcie gospodarstwa domowego. Przykładem mogą być pralki, w których zespół czujników przyśpieszeń informuje układ sterowaniu o aktualnych drganiach urządzenia. Informacja ta ma wpływ na prędkość obrotów silnika i pobór wody, a zatem również na sam czas prania. Takie rozwiązanie pozwala na zaoszczędzenie znacznych kosztów energii [36]. Trzeba zwrócić uwagę, że dużo nowych zastosowań jest już na etapie konstruowania. Przewiduje się, że w przyszłości nastąpi niewątpliwie dalszy, dynamiczny rozwój kolejnych zastosowań mikrostruktur MEMS. Oczywiście, nowe technologie wiążą się z potrzebą opracowania nowych metod analizy tych struktur i zachodzących w nich zjawisk. 324 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.1.5. Nowe zastosowania MEMS Zdobyte doświadczenia we wcześniejszych zastosowaniach MEMS stworzyły nowe możliwości w dziedzinie biomedycyny (urządzenia te często nazywa się bioMEMS), w łączności bezprzewodowej zawierającej elementy optyczne (zwykle nazywane MOEMS) a także w łączności wykorzystującej częstotliwości radiowe RF MEMS. 10.1.5.1. BIO-MEMS W ciągu ostatnich kilku lat pojawiły się wyroby bardzo innowacyjne z firm zajmujących się produkcją urządzeń bioMEMS. Największymi osiągnięciami BIO-MEMSów są takie dziedziny jak: badanie DNA, wykrywanie narkotyków, monitorowanie wody i środowiska. Technologia ta wykorzystuje systemy mikrostrumieniowe jak również chemicznego przetwarzania i testowania oraz umożliwia produkcję urządzeń mających zastosowanie jako „laboratorium w chipie” (lab-on-a-chip), czujniki chemiczne, sterowniki przepływu, mikrodysze i mikrozawory. Jednocześnie wiele urządzeń jest w ciągłym rozwoju systemy mikrostrumieniowe zazwyczaj zawierają mikropompy krzemowe, czujniki przepływu i czujniki chemiczne. Systemy te umożliwiają szybką i wygodną obsługę oraz analizę małych ilości płynów. Jest to obszar, który najbardziej interesuje medycynę zwłaszcza możliwość wykonywania szybkich analiz w domu przez samego pacjenta najpopularniejsze to urządzenia do analizy krwi i moczu. Jednym z przykładów nowoczesnych BIO-MEMSów jest płytka do mikromiareczkowania, na której pewna liczba dołków może być wypełniona dokładnie i powtarzalnie za pomocą sił kapilarnych Rys. 10.2a. Jest to bardzo proste urządzenie MEMS w postaci kawałka plastiku z mikroobrabianymi mikrokanalikami o wysokim współczynniku kształtu, urządzenie to jest zaliczane do grupy „lab-on-a-chip”. Wymiary takiej płytki to zaledwie 20x37x3 mm urządzenie to zapewnia napełnienie 96 dołków wykorzystując siły kapilarne. 325 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Rys. 10.2 a) wykonana w procesie mikroobróbki płytka do mikromiareczkowania z 96 dołkami napełnianymi kapilarnie [STEAG microParts GmbH, http://microparts.de], b) urządzenie BIOMEMS, krzemowe mikrozęby łapią czerwone ciałka krwi [http://www.mems.sandia.gov]. W przyszłości technologia „lab-on-a-chip” będzie zawierała urządzenia nadające się do wszczepiania do organizmu typu „pharmacy-on-a-chip” (apteka w kości). Takie układy będą umożliwiały dokładne dawkowanie leków bezpośrednio z malutkich zbiorniczków MEMS do organizmu, co zlikwiduje potrzebę używania zastrzyków. Problem ten dotyczy zwłaszcza ludzi cierpiących na cukrzycę, którzy kilkakrotnie dziennie zmuszeni są do wstrzykiwania sobie insuliny. Urządzenia takie mogą mieć również zastosowanie w dawkowaniu hormonów, leków przy chemoterapii i przeciwbólowych. Urządzenia pierwszej generacji uruchamiane są przy pomocy sygnałów ze źródła zewnętrznego, które jest połączone z mechanizmem przewodami przez skórę. Proponowane urządzenia drugiej generacji mogą być bezprzewodowe a chipy trzeciej generacji będą współpracowały z czujnikami MEMS umieszczonymi w organizmie w ten sposób, że będą reagowały na wewnętrzne sygnały organizmu. Jednym z najnowszych urządzeń mikrostrumieniowych MEMS jest struktura typu „Pac-Man”, które współdziałają z czerwonymi ciałkami krwi Rys. 10.2b. Wyprodukowane w firmie Sandia National Laboratories USA urządzenie zawiera mikrozęby krzemowe, które otwierają się i zamykają jak szczeka łapiąc i wypuszczając nienaruszone krwinki czerwone w czasie przepompowywania przez kanalik o długości 20 µm. Zadaniem tych urządzeń jest przekłucie komórki i wstrzyknięcie do jej wnętrza takich substancji jak: DNA, proteiny lub leki, po to, aby przeciwdziałać atakom biologicznym lub chemicznym, zaburzeniom w równowadze genetycznej oraz infekcjom bakteryjnym lub wirusowym. 326 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.1.5.2. MOEMS Ogromny wzrost przesyłanych danych przez Internet spowodował potrzebę opracowania nowych technologii ich przesyłu. W rozwiązaniu tego problemu z pomocą przyszły urządzenia z grupy MEMS, które znacznie usprawniły łączność optyczną. Rys. 10.3 Przełącznik optyczny MEMS zawierający matrycę mikrolusterek wielkości łebka od szpilki każde wychylające się różnych kierunkach [http://www.bell-labs.com, http://www.lucent.com]. Dotychczas stosowana technologia przesyłu sygnałów drogą optyczną znacznie spowalnia przepływ informacji, ponieważ sygnał optyczny jest przekształcany w elektroniczny a następnie znowu w sygnał optyczny. Same sieci optyczne mają znacznie większe możliwości przepustowe niż to wykorzystują tradycyjne metody przesyłu danych. Ta dziedzina stała się wyzwaniem dla urządzeń z grupy MOEMS, która to obejmuje takie elementy jak: falowody, przełączniki optyczne, cross connects, multipleksery, filtry, modulatory, detektory, tłumiki i korektory. Ich małe wymiary, niska cena, mały pobór mocy, trwałość mechaniczna, duża dokładność, duża szybkość przełączania, tanie procesy wytwarzania seryjnego czyni te urządzania oparte na MEMS idealnymi rozwiązaniami problemów przełączania i sterowania sygnałów w sieciach optycznych. Przykład takiego przełącznika pokazany jest na Rys 10.3. Gdzie układ 256 mikrolusterek kieruje informację w postaci fotonów do lub z 256 wejść/wyjść światłowodów. Obecne procesy technologiczne używane przy produkcji MEMS są już na tyle rozwinięte, że umożliwiają produkcję masową. Typowe przełączniki optyczne mogą kosztować nawet 1000$ w porównaniu z przełącznikami MEMS o takich samych parametrach, które kosztują mniej niż 1$. Firmami przodującymi w tej dziedzinie są: Agere Systems (wcześniej Lucent Technologies), Corning, JDS Uniphase i Sycamore Networks. 327 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.1.5.3. RF MEMS Urządzenia RF MEMS są najszybciej rozwijającą się dziedziną na polu komercyjnym. Urządzenia z tej grupy wykorzystywane są głównie w telefonach komórkowych i innych środkach łączności bezprzewodowej jak: radary, GPS (Global Positioning Satellite Systems) i anteny samopozycjonujące. Wykorzystanie technologii MEMS pozwala na poprawienie parametrów tych urządzeń zwłaszcza niezawodności i funkcjonalności oraz umożliwia równocześnie na zmniejszenie wymiarów i kosztów wytwarzania. Rys. 10.4 a) miniaturowy rezonator akustyczny pokazany na pierwszym planie jest pięć razy mniejszy od tradycyjnie używanego komponentu w telefonach komórkowych [http://www.agilent.com], b) miniaturowy mikrofon umożliwiający budowę mikroradia „radio-on-achip”, [ http://www.bell-labs.com, http://www.lucent.com] Systemy te posiadają elementy strojeniowe obwodu takie jak: kondensatory, cewki, rezonatory, filtry, mikrofony i przełączniki. Te urządzenia o niskich stratach i miniaturowych wymiarach będą zastępowały tradycyjne urządzenia RF. Jak nie trudno sobie wyobrazić, jeśli nowoczesne elementy RF MEMS zastąpią tradycyjne to wówczas telefony komórkowe mogą być wielkości zegarka na rękę o małym poborze prądu z baterii i oczywiści o wiele tańsze niż obecnie. 10.2. Przegląd mikrostruktur i mikrosystemów Akronim MEMS został oficjalnie zaproponowany przez profesora Rogera Howe z University of California z Berkeley podczas spotkania pod nazwą Micro Tele-Operated Robotics Workshop w Sant Lake City w 1989 roku [68]. Trzeba jednak 328 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW zauważyć, że nazwa microelectromechanical system (MEMS) używana w Stanach Zjednoczonych, w Europie często jest zastępowana określeniem microsystem technology (MST) [68]. Natomiast w Japonii podkreśla się przede wszystkim mechaniczny rodowód mikrourządzeń i zazwyczaj używa się do ich określenia ogólnej nazwy mikromaszyny [28]. MEMS [40] - jest to zatem popularne określenie miniaturowych urządzeń elektro-mechanicznych, o rząd wielkości większych od zbudowanych z wykorzystaniem nanotechnologii. Przyrządy MEMS to elementy mikromechaniczne o wymiarach mikrometrowych, zawierające trójwymiarowe mikrostruktury wykonane często metodami litografii. MEMSy są zazwyczaj wykonane za pomocą technologii mikroelektroniki, podobnych do wykorzystywanych przy wytwarzaniu przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych. Wyróżnia się dwie grupy technologii: mikroobróbkę powierzchniową i mikroobróbkę objętościową. Rozmiary przyrządów zawierają się w przedziale od mikrometra do pojedynczych milimetrów. W przyrządach MEMS, na skutek dużego stosunku powierzchni do objętości, zjawiska elektrostatyczne i lepkości (zwilżania) mogą dominować na efektami bezwładności masy lub pojemności cieplnej. Przyrządy MEMS wytwarzane są za pomocą zmodyfikowanych technologii obróbki krzemu (opracowanych na użytek elektroniki), wytłaczania (ang. molding), platerowania (ang. plating) i innych technologii przydatnych do tworzenia miniaturowych przyrządów. Krótka definicja MEMS [128] to małe mechaniczne urządzenia budowane przy użyciu technologii półprzewodnikowych, które zapewniają małe rozmiary, dobrą precyzję, niezawodność i niskie koszty przy produkcji seryjnej. MST (Microsystems Technology) - termin, jakim określane są urządzenia MEMS w Europie. Micromachines [102] - terminu tego używają Japończycy w odniesieniu do systemów MEMS MOEMS [40] - Micro-Opto-Electromechanical Systems to specjalnej klasy systemy MEMS, które obejmują wyczuwanie lub manipulowanie optycznymi sygnałami w bardzo małej skali używając zintegrowanego systemu elektromechanicznego. MOEMS zawierają różnorodne urządzenia np. przełączniki optyczne, kros optyczny (optical cross-connect), strojone lasery VCSEL, mikrobolometry i inne. Urządzenia te są produkowane z wykorzysta- 329 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW niem standardowych procesów mikroobróbki używając krzemu, dwutlenku krzemu, azotku krzemu i arsenku galu. Aktuator (siłownik) [87] - jest urządzeniem, które zamienia sygnał elektryczny na działanie „akcje”. Może on wytwarzać siłę do napędzania siebie, innych urządzeń mechanicznych lub środowiska wokół po to, aby wykonać jakąś określoną, użyteczną czynność. Człon wykonawczy [29] - urządzenie wykonawcze, zespół wykonawczy, część układu regulacji automatycznej realizująca wielkość fizyczną o wartości określonej przez poprzednie części układu regulacji. Wpływa on bezpośrednio na obiekt regulacji, wywołując odpowiednie zmiany strumienia materiałowoenergetycznego. Sensor (czujnik) [87] - jest urządzeniem, które pobiera informację pomiarową z otaczającego środowiska i dostarcza wyjściowy sygnał elektryczny w odpowiedzi na mierzone parametry. Przez lata ta informacja lub zjawisko było skategoryzowane w terminologii jako dziedzina rodzaju energii, ale urządzenia MEMS ogólnie zahaczały o kilka dziedzin lub nie były przynależne do żadnej kategorii. Dziedziny energii i związane z nimi parametry: • mechaniczna - siła, ciśnienie, prędkość, przyśpieszenie, pozycja, • termiczna - temperatura, entropia, ciepło, przepływ cieplny, • chemiczna - stężenie, mieszanki, szybkość reakcji, • promieniowania - natężenie fali elektromagnetycznej, faza, długość fali, polaryzacja, odbicie, współczynnik załamania, transmitancja, • magnetyczna - natężenie pola, indukcja, moment magnetyczny, przenikalność, • elektryczna - napięcie, prąd, ładunek, rezystancja, pojemność, polaryzacja (przykłady czujników MEMS związanych z tą dziedziną energii i poszczególnymi parametrami, można odszukać w [51] [62] [115] [88]). Mówiąc inaczej czujnik [29] to element funkcjonalny, którego zadaniem jest bezpośrednie przekazywanie oddziaływania obiektu na dalsze części urządzeń sterujących; zazwyczaj proste urządzenie przetwarzające wartości wielkości fizycznej w obiekcie, na wartości innej wielkości fizycznej, dogodniejszej do pomiaru lub dalszego przetwarzania. 330 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Czujnik pojemnościowy [29] - czujnik parametryczny, w którym wielkość mierzona jest przetwarzana na zmianę pojemności kondensatora. Stosowane są kondensatory płaskie i kondensatory cylindryczne. Przy pomiarze wielkości nieelektrycznych stosuje się zależności funkcjonalne między przenikalnością elektryczną dielektryka, powierzchnią okładek kondensatora S i odległością między okładkami d a wielkością nieelektryczną. W pewnych przypadkach wykorzystuje się ponadto zależność strat dielektrycznych kondensatora od mierzonej wielkości nieelektrycznej. Kondensatory o zmiennej przenikalności elektrycznej wykorzystywane są do pomiaru poziomu cieczy, grubości taśm dielektrycznych, stopnia zawilgocenia itp. Kondensatory o zmiennej odległości elektrod stosowane są do pomiarów wymiarów, sił, ciśnień, przyspieszeń. Kondensatory o zmiennej powierzchni czynnej elektrod stosowane są do budowy czułych sejsmografów i przyrządów rejestrujących małe przesunięcia liniowe. Transducer (przetwornik) [29] - jest urządzeniem, które przekształca jeden rodzaj sygnału lub energii na inną formę. Termin przetwornik może być użyty, dlatego aby obejmować zarówno sensory jak i aktuatory i jest najbardziej ogólnym i najszerzej stosowanym określeniem w MEMS. 10.2.1. Elementy magnetyczne Elementy magnetyczne mikrostruktur MEMS charakteryzują się przede wszystkim niskim napięciem zasilania w porównaniu do struktur elektrostatycznych, lecz w przeciwieństwie do struktur pojemnościowych nie dają się w takim stopniu miniaturyzować z powodu braku dobrej jakości materiałów magnetycznych [25]. Przykład wykonania magnetycznych silników skokowych przedstawiony jest w pracy [73] powstałej podczas udziału w Europejskim projekcie M2EMS (Magnetic MEMS). W celu zamodelowania silników używano głównie analizy FEM, która okazała się dobrym odzwierciedleniem procesów zachodzących w maszynach. Uzyskano działające prototypy po pierwszym złożeniu. Problemem było natomiast uzyskanie materiałów magnetycznych z charakterystykami magnetycznymi niedostępnymi w materiałach w skali makro. 331 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Rys. 10.5 Dwa prototypy jednofazowych silników skokowych, po lewej z grubą warstwą magnetyczną, po prawej z magnesem ogólnie dostępnym. Na mikrostruktury magnetyczne MEMS stosowane są tradycyjne materiały magnetyczne miękkie i twarde, jak również nowoczesne materiały tj.: magnetostrykcyjne, termo-odwracalne oraz z pamięcią kształtu [73]. Rys. 10.6 Mikrosilnik skonstruowany jako a) złożony [37] i b) jako uzwojenie zintegrowane [91] Napędy wykorzystujące pole magnetyczne spotkać można również w aplikacjach z mikrolustrami. Jednym z przykładów jest lusterko zaprezentowane w pracy [74] wykorzystywane w systemach holograficznych. Lusterko tak wykonane może wychylać się o kąt ponad 60° w wyniku działania na nie zewnętrznego pola magnetycznego działającego na płytkę permalojową oraz na cewkę miedzianą o 30 zwojach. Rys. 10.7 Zdjęcie lusterka MEMS a) w stanie spoczynku bez pola magnetycznego i prądu w cewce, b) lusterko uruchomione polem zewnętrznym o wartości H=23,8 A/m oraz prądem w uzwojeniu o wartości ok. 30 mA [74] 332 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Materiały magnetyczne miękkie są łatwiejsze do użycia jako cienkie warstwy nakładane metodami elektro-osadzania i natryskiwania natomiast inne materiały wymagają bardzo skomplikowanych procesów [73]. Tab. 10.2 Metody wykorzystywane do wytwarzania mikro magnesów [25] Kierunek z góry na dół Kierunek z dołu do góry (odsadzanie) Obróbka „bulk magnets” Sitodruk, odlewanie taśmy i łączenie Deformacja mechaniczna Elektro osadzanie Rozpylanie plazmowe Impulsowe osadzanie laserowe (PLD) Natryskiwanie Elementy napędowe MEMS są to przeważnie cienkowarstwowe płytki, na których znajdują się elementy magnetyczne z materiału magnetycznie miękkiego, jakim jest permaloj (FeNi) [63]. Po umieszczeniu elementu (FeNi) w polu magnetycznym generuje się w nim siła i moment mechaniczny. Płytka permaloju zawieszona jest na cienkowarstwowych belkach skrętnych z polikrystalicznego krzemu. Po pojawieniu się pola magnetycznego prostopadłego do powierzchni płytki w płytce powstaje wektor magnetyzacji odpowiedzialny za wytwarzanie momentu zginającego i niewielkiej siły, które w rezultacie odchylają płytkę permalojową. Rys. 10.8 Schemat aktuatora magnetycznego z płytką permalojową, widok z góry i przekrój [63] Na przedstawionym powyżej rysunku L, W , T - oznaczają długość, szerokość i grubość płytki magnetycznej. Natomiast 333 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW elementy wspornikowe - belki oznaczona jest następująco: l - długość, w - szerokość, t - grubość. Po przyłożeniu zewnętrznej polaryzacji materiał magnetyczny zachowuje się jak materiał ze stałą magnetyzacją w płaszczyźnie, której wielkość jest równa namagnesowaniu nasycenia M s wytarzane są wówczas dwie składowe siły: F1 -działająca na górnej krawędzi oraz F2 -działająca na dolnej krawędzi. Wartości tych sił wyznacza się ze wzoru [63]: F1 = M sWTH 1 F2 = M sWTH 2 (10.1) gdzie: H1 , H 2 - natężenia pola magnetycznego na górnej i dolnej krawędzi elektrody (tutaj H 2 > H1 ), wielkości te są liniowo zależne od odpowiedniej odległości od powierzchni rdzenia elektromagnetycznego. Moment bezwładności elektrody z warstwą permaloju 3 o grubości t + T jest proporcjonalny do (t + T ) , co jest znaczenie większą wartością niż moment bezwładności belki wspornikowej o grubości t . Wytworzony moment magnetyczny M mag wynosi [63]: M mag = F1 L cos θ (10.2) F = F2 − F1 a) b) c) Rys. 10.9 Przemieszczenie płytki magnetycznej w polu wytworzonym przez elektromagnes, a) w stanie spoczynku, b) w stanie załączonym, c) wielkości charakteryzujące przemieszczenie płytki permalojowej [63] 334 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Wytworzony moment magnetyczny minimalizuje ogólną energię układu poprzez ustawienie wektora magnetyzacji w osi z liniami pola magnetycznego zewnętrznego. 10.2.2. Elementy optyczne Mikrostruktury krzemowe a także wykonane z innych materiałów są dość chętnie stosowane w optyce jako różnego rodzaju elementy np. soczewki ([121], [111], [110]), filtry optyczne [55], lusterka. Te ostatnie obecnie przeżywają burzliwy rozwój, czego dowodem jest budowa wielu układów wykorzystywanych jako przełączniki optyczne czy też wyświetlacze. Mikrolusterka wykonywane są różnymi metodami CMOS i tradycyjnego wytwarzania obwodów IC najczęściej jednak wykorzystywana jest metoda Multi-User MEMS Processes (MUMPs) składająca się z kilku warstw z trzech warstw polisilikonu, dwóch tzw. „warstw ofiarnych„ wykonanych ze szkła krzemianowofosforowego, które to osadzone są na podłożu z azotku krzemu, a w celu poprawienia współczynnika odbijania światła pokrywa się powierzchnię warstwą metalu, którym może być złoto [126], [125] lub aluminium [109]. Rys. 10.10 Tablica polimerowych mikrosoczewek wyprodukowana w procesie MEMS [127] Rys. 10.11 Matryca mikroluster wykonanych w procesie CMOS z warstwą odblaskową z aluminium [109] 335 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Rys. 10.12 Mikrolusterko wykonane w procesie MUMPs ze złotym reflektorem [126] 10.2.3. Elementy mechaniczne Mikrostruktury MEMS są urządzeniami złożonymi z wielu różnych elementów między innymi jednym ze składników tych systemów są układy mechaniczne. Najprostszymi i najczęściej spotykanymi w praktyce układami mechanicznymi MEMS są różnego rodzaju zawieszenia, masy bezwładności, elementy sprężyste, membrany, można też spotkać różnego rodzaju dźwignie i przekładnie. Rys. 10.13 Przykład przekładni zębatej wykonanej w Sandia National Laboratories [94] Rys. 10.14 Membrany krzemowe: po lewej piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia, po prawej pojemnościowego czujnika ciśnienia [28] Rys. 10.15 Przykład połączenia dwóch płytek poprzez zawiasy [80] 336 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Rys. 10.16 Przykład wykorzystania belek do podtrzymania konstrukcji przetwornika termicznego [Zdjęcia pod mikroskopem skaningowym przetwornika termoelektrycznego opracowanego w Katedrze Mikroelektroniki i Technik Informatycznych w Łodzi] Rys. 10.17 Sprężysty zatrzask do pozycjonowania włókien [43], [72] 10.2.4. Elementy elektrostatyczne Inną dosyć znaczną grupą elementów MEMS są układy pojemnościowe. Można rozróżnić przynajmniej dwa rodzaje mikrostruktur pojemnościowych MEMS a są to układy, w których zmienia się pole powierzchni czynnej współpracujących elektrod oraz układy gdzie zmienia się odległość pomiędzy elektrodami. Rys. 10.18 Układ elektrostatyczny ze zmianą powierzchni czynnej elektrod Zależności fizyczne występujące w układzie ze zmianą powierzchni czynnej elektrod związane będą ze zmianą przesunięcia lub zmianą kąta między płaszczyznami. Struktury elektrostatyczne z liniową zmianą powierzchni czynnej elektrod (struktury o ruchu liniowym) wykorzystywane są 337 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW najczęściej jako rezonatory [42], przetworniki elektromechaniczne [82] i jako napędy [104], a także napędy mikrolusterek [19], [129]. Natomiast struktury o ruchu kątowym wykorzystywane są do budowy żyroskopów [47] oraz napędów [9]. Rys. 10.19 Przykłady wykorzystania elektrostatycznych struktur z liniową zmianą powierzchni czynnej elektrod [27] Rys. 10.20 Żyroskop wibracyjny [47] Rys. 10.21 Przykład aktuatora z zapadką o ruchu kątowym [9] Rys. 10.22 Przykład wykorzystania struktury grzebieniowej o zmiennej odległości zębów. Aktuator o ruchu w kierunku x-y z zapadką widoczną na rysunku po prawej stronie [122] Przykłady wykorzystania struktur elektrostatycznych o zmiennej szczelinie pomiędzy elektrodami przedstawione są w pracach: 338 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW H. Luo, G. K. Fedder, L. R. Carley, którzy opisują czujnik przyspieszenia [67] oraz inne zastosowanie opisane przez T. Roessiga dotyczące napędu mikrolusterka [89]. 10.2.5. Przełączniki optyczne MEMS i MOEMS W ciągu ostatniego dziesięciolecia obserwujemy nagły i gwałtowny wzrost zapotrzebowania na przesył informacji. Rozwijająca się dynamicznie tradycyjna sieć telekomunikacyjna nie wystarcza jednak na zaspokojenie potrzeb użytkowników. Przesył informacji przez „kabel” jest metodą mało efektywną, sieci kablowe mają zbyt mała pojemność i są zbyt wolne zwłaszcza, jeśli chodzi o przesyłanie informacji w postaci obrazu bądź plików danych. Tak duże wymagania, co do szybkości i ilości przesyłanych danych wymusiły szybki rozwój komunikacji poprzez Internet. Ta dziedzina wywołała potrzebę nowoczesnych rozwiązań, jeśli chodzi o przesyłanie danych. Sieci kablowe po woli zaczęły wypierać sieci światłowodowe, z którymi wiązano duże nadzieje na poprawę transmisji. Jednak pomimo tych rewelacyjnych właściwości, jakie posiadają światłowody przez dłuższy czas nie można było osiągać zawrotnych szybkości transmisji danych, co spowodowane było brakiem odpowiednich urządzeń przetwarzających sygnał świetlny oraz nieznajomością systemów przesyłania danych optycznych. Rys. 10.23 Przykładowy przełącznik optyczny z wykorzystaniem elementów MEMS [20] Od momentu opracowania nowej technologii transportu danych w światłowodzie nastąpił przełom w tego typu sieciach. Nowa technologia nazywana w skrócie DWDM (ang. Dense Wavelength 339 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Division Multiplexing) jest technologią falowego zwielokrotniania przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisję wielu promieni optycznych o różnych długościach fal prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym. Przyjmuje się, że zwielokrotnienie do 4 fal w jednym oknie światłowodu oznacza się jako WDM a zwiększenie do większej gęstości (>4 kanałów) DWDM. Sama idea gęstych sieci DWDM nie rozwiązała jednak problemu szybkości przesyłania danych. Cóż z tego, że sieć była dość pojemna i mogła w miarę szybko w swoim obrębie przesyłać informacje jak nie było możliwości w takim samym tempie przełączenia poszczególnych jej elementów. Bardzo częstym problemem jest w tym przypadku tzw. problem „wąskiego gardła”, który polega na tym, że sygnał ze światłowodu dochodzi do węzła sieci, gdzie powinien być przełączony i przekazany dalszemu odcinkowi sieci. Niestety w tym miejscu cały proces ulega zatrzymaniu z powodu niewystarczającej szybkości przełączników optycznych pracujących w sieci. Problem przełączników optycznych istnieje do dzisiaj, ponieważ przełączniki w dużej ilości przypadków są urządzeniami w pełni elektronicznymi, które mogą przełączać sygnał elektryczny, a nie optyczny. Aby taki proces przełączania mógł zaistnieć sygnał optyczny musi być przetworzony na odpowiedni sygnał elektryczny umożliwiający przełączenie. Od kilkunastu lat trwają prace nad stworzeniem nowej alternatywy - w pełni optycznego przełącznika do sieci światowodowych. Nowe rozwiązania musiały spełniać wymagania stawiane sieciom światłowodowym a mianowicie, sieci te muszą być „przezroczyste” odnośnie szybkości transmisji i odnośnie protokołu. Osiągnięcie „przezroczystości” jeszcze w obecnej chwili nastręcza pewne trudności wynikające z powodu braku wysokiej jakości, tanich elementów optycznych. Opracowanie odpowiednich konstrukcji i technologii tych elementów ma kluczowe znaczenie dla rozwoju sieci całkowicie optycznych. Osiągnięcie zamierzonego celu tzn. całkowicie „przezroczystych” sieci optycznych wydaje się realne poprzez zastosowanie optycznych przełączników światłowodowych, w których wymagany czas przełączania wynosi ok. 5ms w zależności od rodzaju sieci, na przykład w sieciach fotonicznych z przełączaniem pakietów czas ten jest znacznie mniejszy i wynosi ok. 1ns. Jednak to nie są wszystkie wymagania, jakie powinna spełniać nowoczesna sieć optyczna poza czasami przełączania duże znaczenie mają także niezależność polaryzacyjna, małe 340 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW przesłuchy, małe straty, odpowiedni poziom wzmocnienia, niezależność od długości fali (w zakresie pracy wzmacniacza EDFA), praca wielofalowa, przezroczystość względem szybkości transmisji (do ~10 – 40Gb/s), szybkie przełączanie, prostota obsługi i zastosowania oraz dobra skalowalność. Aby zapewnić te wszystkie wymagania musiały powstać nowej klasy przełączniki. Rozwiązań jest wiele i każde z nich ma zarówno swoje zalety, jak i wady. Obecnie przełączniki optyczne możne podzielić na następujące kategorie: • Termooptyczne, • MEMS, • Przełączniki pęcherzykowe (w tym elektro-zwilżanie), • Wykonane w technologii optyki zintegrowanej, • Elektrooptyczne, • Akustooptyczne, • Przełączniki półprzewodnikowe (możliwa integracja monolityczna). Bardzo dobrze zapowiadającą się grupą przełączników optycznych są właśnie przełączniki należące do grupy MEMS. Przełączniki MEMS to miniaturowe urządzenia wytwarzane za pomocą procesów mikroobróbki. Wymiary ich zawierają się w zakresie od kilku mikrometrów nawet do kilku milimetrów. Głównym materiałem, z jakiego wytwarza się urządzania MEMS jest krzem, ale również wykorzystywane są jego tlenki oraz inne materiały takie jak: metale (przede wszystkim złoto, srebro, aluminium), szkło oraz tworzywa sztuczne (polimery). Wymienione wyżej cechy przełączników MEMS wydają się być wystarczające do spełnienia wymagań nowoczesnych sieci optycznych. Najważniejszą jednak zaletą tej grupy przełączników jest fakt, że operują one bezpośrednio na wiązce światła przepływającego przez włókno światłowodu. Przełączniki optyczne MEMS zbudowane są zasadniczo z dwóch części, części mechanicznej służącej do napędu części optycznej, którą jest w tym przypadku miniaturowe lusterko. Pomimo pewnych trudności w wykonaniu takich maleńkich precyzyjnie sterowanych urządzeń mechanicznych w ostatnich latach zaobserwować można gwałtowny 341 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW postęp, który może zapewnić w niedalekiej przyszłości urządzenia całkowicie optyczne do zastosowań w sieciach typu OXC (Optical Cross Connects). Przełącznik optyczny typu MEMS jest urządzaniem hybrydowym będącym połączeniem urządzenia mechanicznego i urządzenia elektrycznego. Zasada działania jest w zasadzie bardzo prosta. Wiązka światła z włókna światłowodowego wejściowego przechodzi przez soczewkę i jako jednolity strumień światła pada na powierzchnię lusterka sprzężonego mechanicznie z elektrostatycznym napędem. Aktuator odchyla lusterko o pożądany kąt w celu skierowania strumienia do właściwego portu wyjściowego. W tym przypadku elementem pomocniczym przy przełączaniu jest płaskie lustro pełniące funkcję reflektora. Promień skierowany przez lusterko na reflektor zostaje odbity pod odpowiednim kątem i pada na drugie lusterko także odpowiednio wysterowane tak, aby wprowadzić wiązkę optyczną do odpowiedniego włókna światłowodowego. Cały proces przebiega bardzo szybko i pozbawiony jest konieczności przetwarzania sygnału świetlnego na elektryczny, co zajmuje dość dużo czasu. 10.2.6. Napędy elektrostatyczne Na Rys. 10.24 przedstawiono przykłady obiektów elektrostatycznych. Na wyróżnienie zasługują elementy grzebieniowe, które ze względu na łatwość i dokładność sterowania zostały zaadoptowane do różnych urządzeń. Wymieniając według kolejności na rysunku, element pierwszy (a) to prosty mikrosilnik krokowy ([116], [117], [118], [119]). Mikrosilnik z napędem elektrostatycznym można opisać jako urządzenie o zmiennej pojemności, zasilane przez pole elektrostatyczne między wirnikiem a elementami stojana. Istnieje wiele odmian mikrosilników. Są mikrosilniki o polu promieniowym, w którym wirnik znajduje się w środku, a na zewnątrz jest stojan. Są także mikrosilniki o polu osiowym, w którym wirnik znajduje się nad stojanem, lub w bardziej skomplikowanych strukturach, pomiędzy dwoma stojanami. Kolejne elementy oznaczone literą (b), to struktury o wychyleniu kątowym, które znalazły zastosowanie przede wszystkim w mikrostrukturach optycznych, na przykład do pozycjonowania zwierciadeł ([21], [83]), natomiast elementy 342 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW radialne (c) mają praktyczne zastosowanie jako żyroskopy ([24], [35]). Ostatnie na rysunku elementy liniowe (d) wykorzystuje się w urządzeniach, w których zachodzi potrzeba precyzyjnego przesunięcia jakiegoś z elementów. Rys. 10.24 Mikrostruktury elektrostatyczne: a) mikrosilnik o polu osiowym, b) struktura grzebieniowa-kątowa, c) element żyroskopowy, d) struktura grzebieniowa-linowa Element liniowy, w połączeniu z odpowie-dnimi przekładniami, może także zostać wykorzystany jako precy-zyjny napęd urządzeń. Bardzo często jest również wykorzystywany jako czujnik przyśpieszenia, lub jako mikrorezonator ([31], [34], [35]). Wszystkie te elementy, jak już wcześniej wspomniano, mogą być jedynie fragmentem bardziej skomplikowanego urządzenia MEMS. Przykład połączenia elementu elektrostatycznego z elementami hydraulicznymi w postaci mikrozaworów przedstawia rysunek poniżej. Jest to mikropompa elektrostatyczna, która znakomicie sprawdza się w skali mikro, jednakże wysokie napięcia dla jej wydajnej pracy (kilkadziesiąt woltów) jest dużą wadą tego urządzenia. komora elektroda warstwa izolacyjna elektroda aktuatora w postaci membrany Elementy aktuatora komora Elementy zaworu zawór wylotowy zawór wlotowy wlot wylot Rys. 10.25 Mikropompa elektrostatyczna [46] 343 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.2.7. Rozwój zastosowań Wszechstronność i duża dynamika rozwoju metod produkcji MEMS które przyczyniają się do korzystnych relacji cenowych produktu do ich użyteczności sprzyja ogólnemu rozwojowi rynku MEMS. W efekcie w chwili obecnej MEMS opanowały już znaczną część ogólnoświatowego rynku. Dzisiaj MEMS można znaleźć już w wielu dziedzinach przemysłu i techniki. Zestawienie najpopularniejszych aplikacji MEMS przedstawione jest w poniższej tabeli. Tab. 10.3 Zastosowania mikrostruktur MEMS w różnych dziedzinach przemysłu [65] Samochodowy Czujniki wewnętrznego systemu nawigacyjnego Czujniki sprężarek klimatyzatorrów Czujniki siły hamowania i akcelerometry sterowania zawieszenia Czujniki poziomu paliwa i ciśnienia par Czujnik poduszek powietrznych „Inteligentne” opony Elektroniczny Medyczny Komunikacyjny Wojskowy Głowice napędów stacji dyskowych Czujniki ciśnienia krwi Komponenty sieci światłowodowych Sterowanie pociskami Głowice drukarek atramentowych Stymulatory mięśni i systemy podawania leków Przekaźniki, przełączniki i filtry radiowe Obserwacja Projekcja TV ekrany Wszczepiane czujniki ciśnienia Wyświetlacze w telefonii komórkowej Systemy zbrojeniowe Protetyka Oscylatory sterowane napięciem (VCOs) Czujniki umieszczane wewnątrz Miniaturowe urządzenia analityczne Rozdzielacze i łączniki Zbieranie danych Stymulatory Lasery dostrajane Sterowanie samolotów Czujniki trzęsienia ziemi sejsmometry Lotnicze czujniki ciśnienia Systemy masowego gromadzenia danych Produkty MEMS ciągle jeszcze zaliczają się do nowej technologii, chociaż znanych jest już wiele ich zastosowań to nadal rozwijane są metody produkcji oraz nowe rozwiązania konstrukcyjne 344 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW a także aplikacyjne. Nadal wiele projektów MEMS znajduje się w laboratoriach czekając na swoje zastosowanie w przemyśle. Są też nieoczekiwane zmiany ról elementów MEMS np. tak popularna i powszechnie znana głowica do drukarki atramentowej, która w pierwotnej wersji była dyszą do separacji nuklearnej. Tab. 10.4 Rozwój mikrostruktur MEMS od wynalezienia do wersji komercyjnej [113] Produkt Wynalezienie Rozwój Czujniki ciśnienia 1954-1960 1960-1975 Redukcja kosztów/ ekspansja zastosowań 1975-1990 Akcelerometry Czujniki gazu Zawory Dysze Fotonika/wyświetlac ze Czujniki biochemiczne Przełączniki RF (radio frequency) Czujniki prędkości obrotowej Mikro-przekaźniki 1974-1985 1986-1994 1980-1988 1972-1984 1980-1986 1985-1990 1994-1998 1988-1996 1984-1990 1986-1998 1990-1998 1998-2005 1996-2002 1990-1998 1998-2004 1990 i wcześniej 1998 2005 2002 1998 2004 1980-1994 1994-1999 1999-2004 2004 1994-1998 1998-2001 2001-2005 2005 1982-1990 1990-1996 1996-2002 2002 1977-1982 1993-1998 1998-2006 2006 Pełne urynkowienie Głównym źródłem danych o rozwoju rynku mikrostruktur na świecie jest zestawienie danych publikowanych przez firmę NEXUS i firmę Enabling MNT [7], [6]. Tab. 10.5 Zestawienie sprzedaży produktów MEMS w latach 2004-2007 i prognoza na lata 2008-2009 [6] Produkty Głowice RW Mikrowyświetlacze Inkjet Czujniki ciśnienia RF MEMS Układy mikroprzepływowe 2004 [mld $] 6,25 0,83 1,91 1,08 0,08 2005 [mld $] 7,5 1,08 2,08 1,17 0,21 2006 [mld $] 8,75 1,46 2,12 1,29 0,29 2007 [mld $] 10,21 1,79 2,21 1,42 0,5 2008 [mld $] 11,46 2,125 2,29 1,625 0,75 2009 [mld $] 12,67 2,5 2,46 1,67 1,125 0,375 0,46 0,67 0,75 0,875 0,96 345 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Żyroskopy Akcelerometry Mikrofony Czujniki przepływu MEMS fingerprint sensors Systemy podawania leków Czujniki IR MEMS optyczne dla telekomunikacji Pochyłomierze Mikroźródła energii Inne Ogółem 0,375 0,375 0,063 0,21 0,46 0,46 0,042 0,25 0,46 0,75 0,21 0,25 0,625 0,58 0,29 0,25 0,625 0,625 0,42 0,25 0,75 0,625 0,5 0,33 - 0,042 0,042 0,21 0,21 0,21 - - 0,042 0,042 0,125 0,17 0,125 0,125 0,125 0,125 0,17 0,21 0,042 0,042 0,8 0,125 0,125 0,125 0,042 0,083 11,84 0,125 0,083 14,129 0,125 0,21 17,594 0,125 0,29 19,542 0,125 0,042 0,375 22,217 0,125 0,17 0,42 25,02 10.3. Modelowanie inteligentnych mikrosystemów Różnorodność zjawisk wykorzystywanych w błyskawicznie rozwijającej się technologii MEMS wymogło na współczesnym inżynierze znajomość odmiennych, często odległych dziedzin wiedzy. W swojej pracy musi łączyć dobre zrozumienie matematyki i zjawisk fizycznych ze znajomością właściwości materiałów i technologii. Natomiast wzrost znaczenia metod komputerowych wymusił na nim posiadanie umiejętności posługiwania się narzędziami komputerowymi, a co za tym idzie, tworzenia modeli numerycznych i algorytmów programowania. Takie multidyscyplinarne podejście do zagadnień projektowania mikroaktuatora elektrostatycznego pracującego jako czujnik przyśpieszenia, oparte na własnej, zaproponowanej metodologii, jest przestawiono na przykład w [101]. Podjęty w pracy szeroki zakres analizy i symulacji mikroaktuatora elektrostatycznego miał na celu kompleksową analizę urządzenia, aby w pełni odwzorować wszystkie istotne zjawiska fizyczne. Jest to o tyle istotne w klasie urządzeń MEMS, gdyż ich małe rozmiary znacznie utrudniają kosztowny proces modelowania fizycznego, a pomiar niektórych wielkości fizycznych w tak małej skali jest często wręcz niemożliwy. Zjawiska zachodzące we wszystkich urządzeniach elektrycznych zależą od konfiguracji pola magnetycznego lub elektrycznego. Jednocześnie rozważane, popularne czujniki przyśpieszenia są strukturami mechanicznymi z elementami, 346 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW które mogą się poruszać w przestrzeni w różnych kierunkach, a zatem z punktu projektanta takich struktur ważna jest znajomość rozkładu pól mechanicznych w rozważanych geometriach. W obiektach rzeczywistych pełna analiza pól powinna uwzględniać jego trójwymiarowość oraz rozkład źródeł pola. Trójwymiarowy charakter pól, złożone warunki graniczne, nieliniowość środowisk sprawia znaczne trudności, a w wielu przypadkach wręcz uniemożliwia wyprowadzenie wyrażeń analitycznych. Pełną analizę umożliwiają jedynie metody aproksymacyjne, takie jak Metoda Elementu Skończonego (MES), Metoda Różnic Skończonych (MRS), czy Metoda Elementów Brzegowych (MEB). Z punktu widzenia procesu obliczania pól magnetycznych, elektrycznych, cieplnych i mechanicznych, szczególnie wspomaganego komputerowo, zasadniczym problemem jest adekwatność modelu matematycznego odwzorowującego obiekt rzeczywisty. Model matematyczny powinien uwzględniać: • rzeczywistą geometrię obiektu, • własności materiałowe, • rozkład źródeł pola, • nieliniowość i niejednorodność środowiska, • procesy niestacjonarne. Złożoność zachodzących zjawisk wymaga zastosowania komputerów o dużej mocy obliczeniowej, co wynika z dużej liczby niewiadomych oraz konieczności generacji bardzo skomplikowanej siatki elementów. Jako obiekt dalszych prezentacji metod modelowania wybrano kilka konstrukcji elektrostatycznego akcelerometru grzebieniowego. Proces projektowania i optymalizacji konstrukcji tego typu struktur, zarówno z punktu widzenia polepszenia takich parametrów jak: czułość układu, zmniejszenie wrażliwości na odchylenia, wymaga ścisłej współpracy specjalistów z elektroniki, teorii pól, inżynierii oprogramowania i maszyn elektrycznych. Dotychczasowe prace, w światowej literaturze, opierają się często na modelu analityczno-empirycznym lub symulacji komputerowej struktur dwuwymiarowych. Brak jest prac traktujących te zagadnienia jako struktury trójwymiarowe, ponadto nie są również prowadzone symulacje komputerowe dotyczące wpływu zmian 347 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW konstrukcji struktury wykonanej w technologii MEMS na podstawowe właściwości aktuatora. Badania mikrostruktur pojawiają się w chwili obecnej w literaturze światowej i są propagowane przez tak znane ośrodki naukowe i centra badawcze jak: MTI, Berkeley University, MadisonWisconsin University, AT&T BELL Laboratory, Stanford University, Tohoku University - Sendai, Twente University of Technology in Enschede (Netherlands), Hitachi Central Research Laboratory, Karlsruhe Nuclear Research Center, Fraunhofer Institute for Microstructure Technology in Berlin. Tak duże zainteresowanie spowodowało, że powstało kilka nowych czasopism dedykowanych technologii MEMS, na przykład Journal of Microelectromechanical Systems, lub Journal of Micromechanics and Microengineering. Informacje o mikrostrukturach i związanych z nimi technologiami odnaleźć można również w niemieckim czasopiśmie „mst news” wspieranym przez znaczące programy rozwoju mikrosystemów w Europie. Liczne konferencje poświęcone tej dziedzinie cieszą się niemalejącą popularnością. Do najbardziej znanych należą: Solid-State Sensor and Actuator Workshop, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers), Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Micro Total Analysis Systems, Eurosensors. Tematyka mikrosystemów występuje na także na wielu konferencjach naukowych organizowanych lub współorganizowanych przy udziale polskich naukowców, konferencji zarówno o zasięgu krajowym, jak również o zasięgu międzynarodowym, (MIXDES, ISEF). Zainteresowanie tego typu tematyką badawczą, zarówno z punktu widzenia procesów technologicznych, jak również symulacji komputerowej, jest tak duże, że powstają specjalne projekty badawcze. Przykładowo, rząd szwajcarski finansuje z funduszy federalnych badania mikrostruktur krzemowych prowadzone w Institute of Microtechnology, University of Neuchatel. W Europie powołano również jeden ogólnoeuropejski i kilka narodowych programów rozwoju mikrosystemów pod wspólną nazwą EUROPRACTICE z podziałem na odpowiednie zagadnienia dotyczące mikrosystemów: • pomiary fizyczne i motoryzacja, • mikrourządzenia biomedyczne i zastosowania w medycynie, 348 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW • mikrosystemy bioanalityczne dla nauki o życiu i ochrony środowiska, • MEOMS, urządzenia peryferyjne i telekomunikacyjne, • mikromaszyny i mikroaktuatory, kontrola procesów i zastosowania w narzędziach, • mikrofluidyka i mikrosystemy cieczowe, • czujniki promieniowania, aeronautyka i zastosowania instrumentalne w aparaturze naukowej, • systemy obrazowe. Tak szerokie zainteresowanie powyższą tematyką Uniwersytetów i Centrów Badawczych z Europy, Stanów Zjednoczonych i Japonii, wyraźnie świadczy o ogromnych możliwościach aplikacji tych struktur w technice. O sporym zainteresowaniu tematyką projektowania urządzeń MEMS świadczy również duża liczba powstałych na świecie w ostatnich latach prac doktorskich, publikacji i książek. Także na Politechnice Łódzkiej powstają prace doktorskie i habilitacyjne związane z tą tematyką. Poniżej przedstawiono krótki przegląd tych prac. Pozycja „Optimization and simulation of electrostatic micromotors” (2000) [93] dotyczy optymalizacji mikrosilników krzemowych o budowie promieniowej. Wielokryterialnej optymalizacji elektrostatycznych mikroaktuatorów MEMS, w tym także mikrosilników krzemowych, przy pomocy algorytmów genetycznych dotyczy praca „Silicon electrostatic microactuators: numerical models and design optimization” (2002) [26]. Bardzo wnikliwą analizę polowo-obwodową, między innymi takich właśnie mikrosilników elektrostatycznych przedstawiono w pracy habilitacyjnej „Analiza polowo-obwodowa silników elektrostatycznych i elektromagnetycznych zasilanych impulsowo” (2002) [84]. Jednym z ważnym elementów tej pracy było stworzenie algorytmów numerycznych służących do analizy polowej mikrosilników krzemowych opartych o model z siecią zszywaną, zarówno w przypadku analizy płaskiej, jak i analizy trójwymiarowej. Praca „Mikroaktuatory krzemowe i mikrosystemy - modelowanie przy użyciu opisu behawioralnego” (2002) [81] dotyczy wielodomenowej analizy zjawisk fizycznych na przykładzie mikropompy krzemowej 349 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW przy użyciu VHDL-AMS. Kolejna praca „Komputerowe modelowanie i projektowanie mikrosystemów krzemowych w językach wysokiego poziomu VHDL-AMS” (2003) [23] poświęcona jest modelowaniu przy użyciu opisu behawioralnego mikroczujników sygnałów chemicznych, przeznaczonych na przykład do monitorowania zanieczyszczeń wody. Natomiast, autor rozprawy „Modelowanie oraz projektowanie układów przetwarzania analogowo-cyfrowego ze szczególnym uwzględnieniem szybkości transmisji danych w mikrosystemach krzemowych” (2004) [106] przeprowadził globalną symulację mikrosystemu, którym był czujnik stężenia jonów połączony z przetwornikiem sigma-delta. I ostatnia pozycja: „Projektowanie i symulacja scalonych czujników wibracji i przyśpieszenia” (2005) [105], w której autor udowadnia tezę mówiącą, że możliwe jest oszacowanie odpowiedzi statycznej pojemnościowych mikroczujników przyśpieszenia, wykonanych w technologii powierzchniowej, na podstawie wyników symulacji oraz obliczeń analitycznych. 10.3.1. Metody modelowania Istnieje duża ilość prac, w którym rozpatrywane mikrostruktury są brane pod uwagę, jedynie jako dwuwymiarowe. Tak jest na przykład w pracy [41], która dotyczy niestabilności struktur grzebieniowych, czy też analizy metodą elementu skończonego dwuwymiarowej struktury grzebieniowej przedstawionej w pracy [120]. Modelowanie jedynie dwuwymiarowe struktur elektrostatycznych zaproponowano również w pracach [56], [12]. W dostępnej literaturze stosunkowo rzadko pojawiają się prace, które podobnie jak w pracy [17] zajmują się przede wszystkim modelowaniem trójwymiarowym. We wspomnianej pozycji autorzy proponują modelowanie różnych struktur MEMS przy pomocy własnej aplikacji SUGAR. Aplikacja ta jest zbiorem algorytmów napisanych w środowisku Matlab i jej działanie opiera się na tworzeniu i rozwiązywaniu układów równań różniczkowych. Od początku lat dziewięćdziesiątych obserwuje się gwałtowny rozwój zastosowania programów komputerowego wspomagania projektowania opartych na metodzie elementu skończonego (MES) (ang. finite element method - FEM) i metodzie elementu brzegowego (MEB) (ang. boundary element method - BEM) dla systemów 350 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW mikroelektromechanicznych [108]. Metoda elementu brzegowego wykorzystana została na przykład z powodzeniem w projektowaniu akcelerometru w pracy [70], zaś wykorzystanie metody elementu skończonego w ramach modelowania struktury grzebieniowej z wykorzystaniem środowiska ANSYS przedstawiono w pozycjach [4], [66]. W pozycji [57] przedstawiono model rozbudowanego żyroskopu z elementami grzebieniowymi i symula-cje w środowisku polowym, zaś weryfikację równań opisujących rezonator MEMS przy pomocy metody elementu skończonego można odnaleźć w pozycji [32]. Proponowane są również alternaty-wne metody takie jak DBEM (ang. double boundary element method - DBEM) [60]. Zwraca się jednak uwagę, że metody takie jak MES i MEB są metodami dobrymi, ale dość niewygodnymi i czasochłon-nymi w przypadku dużych projektów MEMS. Dużo bardziej wygodne i dużo szybsze są metody oparte na układach o parametrach skupionych [8]. Praca [99] podkreśla, że należy przede wszystkim w projektowaniu stworzyć narzędzia, które miałyby możliwości przyśpieszenia obliczeń sił elektrostatycznych, tłumienia oraz trójwymiarowego określenia współczynników sprężystości. Narzędzia te, powinny mieć możliwość określenia i symulacji interakcji pomiędzy zjawiskami takimi, jak naprężenia mechaniczne a na przykład siły elektrostatyczne. Kolejnym wymaganiem byłby warunek określający, że projektant powinien mieć możliwość swobodnej ingerencji w zmianę parametrów struktury, jak również możliwość dynamicznej symulacji danego systemu, przy uwzględnienie także zjawisk nieliniowych. Potrzeba podejścia do modelowania struktur MEMS od różnych stron, wymusza na projektancie poszukiwania nowych metod, które można by wykorzystać przy projektowaniu. Wykorzystuje się takie współczesne metody jak: • algorytmy genetyczne zastosowane w projektowaniu nietypowych układów zawieszenia elastycznego [130], • algorytmy ewolucyjne w optymalizacji wielokryterialnej [48], • optymalizację wielokryterialną z wykorzystaniem metody Pareto w zawieszeniach w postaci serpentyn przy pomocy algorytmów genetycznych [131], • algorytmy genetyczne wykorzystane w projektowaniu struktur MEMS [30], czy też w wytwarzaniu tych struktur [61], 351 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW • algorytmy sieci neuronowe [49], • optymalizację wielokryterialną w projektowaniu mikrosilnika krzemowego [92] • i wiele innych. W wielu pracach (np. [14], [18]) zwraca się również uwagę na potrzebę większej kompleksowości rozwiązań, a to wymaga innego podejścia w nauczaniu przyszłych inżynierów MEMS. Interesującą pracą dotyczącą optymalizacji akcelerometru pojemnościowego jest pozycja [16]. Podstawą optymalizacji jest tutaj czułość czujnika grzebieniowego wykonanego w technologii głębokiego trawienia umieszczonego na podłożu szklanym. W pracy [77] przedstawiono natomiast optymalizację wielokryterialną, rezultatem tych badań są na przykład akcelerometry dla danej czułości struktury przy jednoczesnym założeniu jak najmniejszej powierzchni i jak najmniejszych szumów. W modelu brane pod uwagę jest oś poprzeczna i obrót struktury. Ciekawą pozycją jest także praca [12], w której zaproponowano określenie pojemności struktury grzebieniowej przy pomocy wiernego odwzorowania konformalnego, które następnie zostało zweryfikowane przy pomocy metody elementu skończonego. Autorzy dzielą obszar wokół pojedynczego zęba i dla danego układu elektrod stosują odpowiadający mu wzór na pojemność. Akcelerometry analizuje się nie tylko w stanach statycznych, ale również w stanach dynamicznych. Tworzenie makromodeli służących do symulacji dynamiki tych czujników przedstawiono w pozycji [108]. Częstym sposobem projektowania różnych mikrosystemów, nie tylko czujników przyśpieszenia, jest wykorzystanie analogi mechanicznych z elektrycznymi [34] i tworzenie modelu obwodowego o parametrach skupionych w narzędziach typu SPICE. Modele czujników przyśpieszenia wykonuje się bardzo często z wykorzystaniem środowiska Matlab/Simulink [38], [44], [53], [59], [39], przy czym ostatnia pozycja jest związana z nietypowym akcelerometrem dyskowym. Modele te jednak są reprezentowane przez kilka podstawowych bloków i zazwyczaj opierają się jedynie na podstawowym równaniu ruchu. Jedynie w pozycji [52] autor proponuje szersze wykorzystanie tego narzędzia i w modelu akcelerometru płaskiego o zawieszeniu w kształcie „swastyki” pojawiają się takie elementy odpowiadające za nieliniowe tłumienie 352 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW wynikające ze ściskania powietrza między dużymi powierzchniami oraz pojawia się w modelu siła przyciągania elektrostatycznego między powierzchnią ruchomą i nieruchomą. Praca jest jednak głównie nakierowane na techniki sterowania i autor kolejne, bardziej złożone modele związane z elementami odpowiedzialnymi za układy sterowania wykonuje w środowisku SPICE. Także jeden z głównych producentów zintegrowanych akcelerometrów pojemnościowych, firma Analog Device na swoje stronie firmowej [2] udostępnia cztery modele popularnych akcelerometrów1 z serii ADXL. Niestety człon związany z elementem elektromechanicznym jest rozpatrywany jako człon inercyjny drugiego rzędu o stałych współczynnikach. Natomiast zostały w modelach rozwinięte człony związane z obróbką sygnału. Nie ma zatem możliwości, aby można za pomocą tych modeli analizować wpływ zmian na przykład ilości zębów na działanie czujnika. Nie mniej jednak, modele te są przydatne w celu modelowania konkretnego czujnika przyśpieszenia z serii ADXL. W modelowaniu mikrostruktur istnieją wyraźne tendencje do dekompozycji mikrosystemu na poszczególne elementy składowe. Takie podejście przedstawiono w pracy [76], w której autor tłumaczy metody hierarchicznego modelowania struktur MEMS i proponuje dekompozycję przykładowej struktury rezonatora. Częstym elementem w modelowaniu mikrostruktur są metody opierające się na tworzenia bibliotek różnych rodzajów komponenttów MEMS (mechanicznych, optycznych, elektrostatycznych) i tworzeniu z nich kompleksowych struktur w celu symulacji. Takie podejście przedstawiono na przykład w pozycjach [13], [60], [64], [96]. W ostatniej z wymienionych prac szczegółowo opisano techniki symulacji poszczególnych komponentów, a następnie złożenia systemu w funkcjonalną całość, natomiast w pozycji [13] autor poszukuje wręcz sposobu automatycznego generowania nowych, oryginalnych struktur MEMS (np. zawieszenia w akcelerometrze) opartym na bibliotece elementów podstawowych. Trzeba zwrócić uwagę, że współczesne narzędzia komputerowe nie tylko wykorzystuje się nie tylko w ramach modelowania mikrostruktur, ale również jako elementy sterowania i kontroli mikrosystemów, czego przykładem może być praca doktorska [58], w której aplikację Labview wykorzystano w kontrolowaniu temperatury dla rozbudowanej struktury 1 Na dzień 2.11.2007 firma Analog Device udostępniała cztery modele w środowisku Matlab/Simulink: ADXL2002, ADXL 203, ADXL 311, ADXL 320 353 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW grzebieniowej. Firma Analog Devices, wspólnie z firmą Crossbow, opracowała zestaw demonstracyjny ADXL202EB232, który pozwala bardzo szybko poznać możliwości czujnika dwuosiowego ADXL202. Zestaw ten posiada pełny interfejs pomiarowy również w środowisku Labview. Narzędzia te są dobrą pomocą w weryfikacji stworzonych modeli. Reasumując, można za wymieć się główne trzy podstawowe zasady, jakie powinny obowiązywać przy projektowaniu kompleksowych mikrostruktur, a tym samym określającym, jakie możliwości powinny dawać narzędzia używane do modelowania tych mikrostruktur [98]: • podział systemu na podsystemy, • modelowanie poszczególnych komponentów, • możliwość symulacji systemu jako jednej całości przy pomocy jednego narzędzia. Jednocześnie należy podkreślić potrzebę tworzenia bibliotek różnych modeli w danym środowisku. 10.3.2. Modelowanie zorientowane obiektowo 10.3.2.1. Podstawowe paradygmaty Techniki oparte na metodach zorientowanych obiektowo, w ostatnich latach zyskały olbrzymią popularność. Języki, a raczej rozbudowane środowiska programowania obiektowego są obecnie najczęściej wykorzystywane przez programistów. Natomiast metodologie projektowania oparte na analizie zorientowanej obiektowo, stają się już pewnym standardem [97], [100]. Dzięki paradygmatom modelowania zorientowanego można tworzyć bardzo kompleksowe modele, które jednocześnie są one przejrzyste w ich analizie. Jednocześnie istnieje prosta możliwość ich rozbudowy i wprowadzania w nich zmian. Założenia metod zorientowanych obiektowo są stosunkowo proste, jednak bez ich dobrego zrozumienia nie można poprawnie a przede wszystkim efektywnie ich wykorzystywać. W celu zrozumienia zasad modelowania zorientowanego obiektowo warto na początek przyjąć następującą klasyfikację pojęć [103]: 354 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Model Zorientowany Obiektowo. Jest to model składający się ze ściśle hierarchicznych, modułowych elementów (obiektów). Symulacja Zorientowana Obiektowo. Każdy podsystem rozważany jest jako obiekt, a każdy obiekt zawiera własny algorytm (metodę) opisujący jego zachowanie. Wszystkie obiekty porozumiewają się poprzez przekazywane nawzajem komunikaty, koordynując w ten sposób swoje zachowanie względem innych obiektów i dzięki temu możliwa jest symulacja całego systemu. Programowanie Zorientowane Obiektowo. Tworzenie aplikacji komputerowych z wykorzystaniem technik obiektowych w językach programowania, takich jak C++, Visual Basic, Delphi. Program taki jest zdefiniowany za pomocą zbioru obiektów łączących dane i metody (procedury). Jest to przeciwieństwo programowania tradycyjnego (proceduralnego), gdzie dane i metody nie są ze sobą bezpośrednio powiązane. Podstawowymi filarami całej filozofii tworzenia modeli zorientowanych obiektowo są: Abstrakcja. Każdy obiekt jest abstrakcyjnym przedstawieniem określonego elementu świata rzeczywistego. Może on wykonywać swoje zadanie, zmieniać swój stan, komunikować się z innymi obiektami, a wszystko to bez potrzeby ujawniania jak jest wewnątrz zdefiniowany. Enkapsulacja. Istnieje ścisłe powiązanie kodu (algorytmu działania) i danych służących temu samemu celowi, poprzez zamknięcie w ramach jednego bytu, czyli obiektu. Oznacza to również hermetyzację obiektu, który nie może bezpośrednio wpływać na wnętrze innych obiektów. Każdy obiekt ma natomiast zdefiniowany pewien interfejs, który jest widoczny dla innych obiektów, i właśnie ten interfejs ściśle określa zasady komunikacji pomiędzy obiektami. Hierarchiczność. Istnieje możliwość stworzenia z obiektów określonego modelu zorientowanego obiektowo, który następnie może stać się samodzielnym obiektem wykorzystanym w innym modelu. Ogólnie rzecz ujmując każdy system zorientowany obiektowo może składać się z pewnej liczby podsystemów także zorientowanych obiektowo. tę można by określić jako Polimorfizm. Cechę „wielopostaciowość”. Gdyby scharakteryzować polimorfizm w jednym zdaniu, należałoby stwierdzić, że efekt wykonania określonego zadania (algorytmu) przez obiekt zależy od jego 355 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW konkretnego egzemplarza, czyli może istnieć w modelu wiele wersji tego samego obiektu. Możliwość wielokrotnego użycia. Każdy obiekt może być wielokrotnie użyty w różnorodnych konfiguracjach. Wykorzystanie technik modelowania obiektowego w celu kompleksowego projektowania systemów MEMS pozwala tworzyć skomplikowane mechatroniczne struktury, które można symulować z uwzględnieniem wszystkich istotnych zjawisk fizycznych. 10.3.2.2. Środowisko Matlab/Simulink Ten rozdział zawiera krótki opis aplikacji Matlab-Simulink stworzonej przez firmę MathWorks. Opis bazuje na dokumentacji technicznej tej aplikacji ([71]). Simulink jest kompletnym modułem przeznaczonym do modelowania, symulacji i analizy systemów dynamicznych. Środowisko to wspiera tworzenie systemów liniowych i nieliniowych, modelowanych w czasie ciągłym, dyskretnym lub w hybrydowym połączeniu obu rodzajów tych czasów. Wykorzystując to środowisko można tworzyć modele w oparciu o gotowe, podstawowe bloki (np. człon różniczkujący, człon wzmacniający), lub wewnętrzny język programowania środowiska Matlab. W Simulinku umożliwia wyjście poza wyidealizowane, liniowe modele i symulować modele nieliniowe, bardziej odpowiadające rzeczywistości. Mogą one zawierać między innymi współczynniki tarcia, nieliniowy opór powietrza i inne nieliniowe zjawiska. Simulink daje do dyspozycji użytkownika graficzny interfejs w celu budowania modeli w postaci pojedynczych bloków wykorzystując wskaźnik myszy komputerowej. Środowisko to zawiera obszerną bibliotekę bloków źródeł, elementów liniowych i nieliniowych, połączeń między blokami i elementów umożliwiających odczyt wyników. Bloki te często posiadają własne parametry, które przy pomocy wbudowanego interfejsu można bez trudu zmieniać. Można również tworzyć własne, również sparametryzowane bloki. Istnieje również możliwość wykorzystania w tworzonym modelu standardowego języka programowania ze środowiska Matlab. Ogólnie rzecz ujmując, modele w Simulinku to określona liczba bloków posiadających wejścia i wyjścia, połączonych przy pomocy linii. Tworzone modele są modelami hierarchicznymi. Oznacza to, że każdy, pojedynczy blok w modelu 356 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW może zawierać wiele innych bloków, a te także mogą mieć własne bloki. Model może być również użyty jako integralny blok w innym, projektowanym systemie. Bardzo interesującą możliwością z punktu widzenia tworzenia własnych bloków, jest możliwość nadawania im, przy pomocy utworzonych w innych narzędziach rysunków lub uproszczonego języka programowania, odpowiedniego wyglądu graficznego. Tworzone w ten sposób modele, nawet składające się z wielu bloków, są niezwykle przejrzyste pod względem wizualnym. Wykorzystując takie bloki, jak oscyloskop, można obserwować wyniki symulacji w czasie rzeczywistym. Dzięki pełnej integracji Matlaba, jego pozostałych modułów i Simulinka można w każdym momencie wykorzystywać w analizie, symulacji i wizualizacji wyników, jedno lub oba te środowiska. 10.3.2.3. Zorientowany obiektowo model czujnika przyśpieszenia Przedstawione modele matematyczne, zarówno mechaniczne, jak i elektrostatyczne, umożliwiają zdefiniowanie i wykonanie w oparciu o platformę Matlab-Simulink kompleksowych modeli obiektowo zorientowanych czujników przyśpieszenia. Modele zorientowane obiektowo doskonale i w dużym zakresie wymagań spełniają rolę w modelowaniu i symulacji rozważanych czujników. Podstawą takiego modelowania było wykonanie poszczególnych komponentów czujników przyśpieszenia, czyli elementów takich jak zawieszenia elastyczne i struktury grzebieniowe. Struktury te mogą być wykorzystane do analizy ich zachowania przy określonym wymuszeniu, jako samodzielne elementy badań. Mogą również zostać połączone ze sobą w jeden pełny model czujnika przyśpieszenia. Podstawowym blokiem pełnego modelu przedstawionego na Rys. 10.26 jest obiekt w postaci uniwersalnego modelu czujnika przyśpieszenia, który zgodnie z przyjętymi założeniami, jest jeden dla wszystkich możliwych wariantów czujnika przyśpieszenia. Jest on oparty na równaniu ruchu układu czujnika przyśpieszenia, przy czym przyjęto, że oś ruchu pożądanego (x) jest rozważana, jako dynamiczna, natomiast dla pozostałych osi przyjęto, że wymuszenia są jedynie statyczne. Oczywiście, dzięki uniwersalnej formule stworzonej biblioteki, można bez większej trudności rozbudować strukturę uniwersalnego modelu czujnika przyśpieszenia, dla którego trzy osie byłyby rozważane dynamicznie. 357 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Rys. 10.26 Model zorientowany obiektowo struktury czujnika przyśpieszenia wykonany na platformie Matlab-Simulink Dodatkowym elementem w pełnym modelu jest blok, który spełnia rolę dopasowania pomiędzy komponentami czujnika przyśpieszenia a uniwersalnym modelem czujnika. Jego zadaniem jest na przykład zsumowanie mas efektywnych wszystkich komponenttów, które są wykorzystane w danym modelu. Reasumując, aby stworzyć model czujnika przyśpieszenia w proponowanej metodzie należy wybrać odpowiednią konfigurację komponentów, dobrać odpowiedni adapter i połączyć z uniwersalnym modelem czujnika. Jedynym ograniczeniem w tworzeniu modelu, a raczej w określeniu konfiguracji jest dobór odpowiedniego adaptera. Takie podejście tworzenia oddzielnych komponentów w postaci pojedynczych obiektów przy wykorzystaniu zasad modelowania zorientowanego obiektowo nie jest dotychczas spotykane w literaturze. Istnieje wiele propozycji modeli struktur MEMS, w tym także różnych modeli w środowisku Matlab/Simulink, jednakże są to zazwyczaj modele zwarte, czyli bazują na systemie zawierającym połączone parametry zarówno elementów mechanicznych, jak i na przykład elektrostatycznych. Zmiana pewnej części w rozważanym w ten sposób urządzeniu wymaga zatem przebudowy całego modelu. Jeśli już mamy kilka wariantów modeli danego urządzenia, to zmiana podejścia, na przykład w równaniu ruchu, wymagałaby zmian we wszystkich wariantach. Wykorzystanie filozofii projektowania zorientowanego-obiektowo umożliwia uniknięcia powyższych wad. W proponowanej metodzie można dowolnie konfigurować model czujnika przyśpieszenia z przygotowanych bloków. A zmiana, na przykład, algorytmu liczenia masy efektywnej w danym zawieszeniu nie wymaga zmian w innych obiektach. Oczywiście w proponowanej metodzie istnieją także 358 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW pewne istotne reguły, których należy się trzymać. Taką podstawową zasadą jest ujednolicenie interfejsów wejścia-wyjścia dla danej klasy obiektów. Zatem wszystkie elementy grzebieniowe mają na wejściu wektor przesunięcia [x, y, z], a na wyjściu podstawowe parametry (np. masę grzebienia ruchomego, obliczoną pojemność między zębami itp.). 10.3.2.4. Model oparty o parametry skupione struktury (pojemności) uzębionej Jako przykładowe podejście rozważmy strukturę uzębioną czujnika przyśpieszenia (model plaski)podstawą modelowania właściwości akcelerometru (od strony elektrycznej) jest właściwe policzenie pojemności w układzie. Najprostszym modelem skupionym takiego elementu jest jego zastąpienie przez połączone równoległe kondensatory utworzone tak, jak na Rys. 10.27. pomiędzy naprzeciwległymi do siebie ściankami zębów ruchomych i nieruchomych. Oczywiście w bardziej rozwiniętym modelu, należy brać po uwagę pojemnościami pomiędzy ściankami, które nie są do siebie równoległe. Trzeba zwrócić uwagę, że takie podejście w modelowaniu przedstawionego elementu elektrostatycznego jest podejściem czysto intuicyjnym, jednakże szeroko stosowanym do tego typu struktur. Element ruchomy p Cg m Cp Cm h U z y x w Cg Element nieruchomy d s Rys. 10.27 Fragment struktury grzebieniowej (z-wysokość zęba, d - szerokość zęba, s - odległość między zębami, p, m - odległości między elektrodami (przy symetrii p=m=(s-d)/2 ), w=z-h - pokrywanie się zębów) 359 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Pojemność przedstawionego elementu pomiędzy ściankami bocznymi: a⋅d a( z − h + y ) a( z − h + y ) (10. Cg = ε Cm = ε Cp = ε 3) h+ y m−x p+x gdzie a - grubość elementu, y - przesunięcie elementu ruchomego w osi Y, x - przesunięcie elementu ruchomego w osi X, pozostałe zmienne przedstawione są na rysunku Rys. 10.27. a) b) Rys. 10.28 Przykład grzebienia a) niesymetrycznego i b) symetrycznego Całkowita pojemność będzie sumą wszystkich pojemności Cp, Cm i Cg. Ponieważ wśród spotykanych urządzeń można spotkać, zarówno struktury symetryczne, jak i niesymetryczne (Rys. 10.28) poniżej podano wzory dla obu przypadków: - Element niesymetryczny; Cn = ( n − 1 )( C p + C m ) + 2( n − 2 )C g (10.4) - Element symetryczny; Cs = ( n − 2 )C p + ( n − 1 )C m + ( 2n − 3 )C g (10.5) 10.3.3. Nowa metodologia projektowania akcelerometrów MEMS Na podsumowanie rozważań na temat modelowania inteligentnych mikrosystemów na przykładzie elektrostatycznych czujników przyśpieszenia o budowie grzebieniowej można zaproponować kompleksową strategię modelowania tych struktur bazującą na modelowaniu obwodowo-polowym. Strategia ta pozwoli w zadowalający sposób uzyskać pełne, elektromechaniczne charakterystyki dla różnych struktur akcelerometrów. 360 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Jedną z podstawową cech tej strategii jest tworzenie modelowanych struktur w sposób w pełni trójwymiarowy, przy pomocy modelowania bryłowego. Ta metodologia składa się z następujących podstawowych etapów: • Tworzenie modeli bryłowych struktur czujników przyśpieszenia, • Parametryzacja modelu wprowadzanej geometrii, • Tworzenie matematycznego modelu trójwymiarowej struktury (model bryłowy), • Tworzenie kompleksowego, elektromechanicznego modelu struktury MEMS, opartego na parametrach skupionych i pozwalającego symulować system w sposób dynamiczny, • Tworzenie biblioteki zorientowanej obiektowo poszczególnych komponentów analizowanej struktury. w celu zwiększenia szybkości Takie podejście umożliwia nie tylko kompleksową symulację zjawisk dynamicznych w strukturze, ale również dzięki parametryzacji i modułowości modelu zorientowanego obiektowo umożliwia w przyszłości szybsze tworzenie nowych prototypów urządzeń, dla symulacji, których można wykorzystać gotowe komponenty stworzonej biblioteki obiektowej (przykładowe struktury -Rys. 10.29). Typ I Typ II Rys. 10.29 Przykładowe modele bryłowe struktur uzębionych 361 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 10.4. Podsumowanie Interdyscyplinarna analiza elektrostatycznych mikroczujników przyśpieszenia o strukturze grzebieniowej jako przykładu inteligentnego mikrosystemu wykazuj, że dokładne modelowanie zjawisk fizycznych, analiza stanów dynamicznych oraz optymalne projektowanie mikroaktuatorów grzebieniowych jest możliwe jedynie z wykorzystaniem ich kompleksowych modeli komputerowych (strukturalnych i obiektowych). Takie podejście pozwala na modelowanie rozkładów pól elektrycznych, sił, naprężeń i charakterystyk elektromechanicznych z dokładnością wystarczającą dla celów aplikacyjnych. Podstawą do tworzenia modeli obwodowo-polowych jest konieczność modelowania rozkładów pól elektrostatycznych oraz sił i charakterystyk elektromechanicznych. 10.5. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] 362 A Department of Defense Dual-Use Technology Industrial Assessment, Microelectromechanical systems opportunities, report U.S. D.o.D., 1995 Analog Devices, (http://www.analog.com) Asada H.H., Jiang H.H., Gibbs P., Active noise cancellation using MEMS accelerometers for motion-tolerant wearable biosensors, Proceedings of 26th Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, San Francisco, CA, USA, September 1-5, 2004, pp. 2157-2160 Avdeev I., Gyimesi M., Lovell M., Ostergaard D., Strongly coupled three-dimensional finite element transducer, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, 2004, pp. 1491-1502 Avdeev I., Gyimesi M., Lovell M., Ostergaard D., Strongly coupled three-dimensional finite element transducer, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, 2004, pp. 1491-1502 Badania rynku MEMS: http://www.enablingMNT.com Badania rynku MEMS: http://www.nexusmems.com/ usersupplier/mindetail.asp?ID=23 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] Baidya B., Gupta S.K., Mukherjee T., An extraction-based verification methodology for MEMS, Journal of Microelectrome-chanical Systems, vol. 11, issue 1, February 2002, pp 2 - 11 Barnes S. M., Miller S. L., Rodgers M. S., Bitsie F.: „ Torsional Ratcheting Actuating System”, http://www.sandia.gov/mstc/ technologies/micromachines/techinfo/bibliography/docs/tra.pdf Bliley K.E., Holmes D.R.III, Kane P.H., Foster R.C., Levine J.A., Daniel E.S., Gilbert B.K., A miniaturized low power personal motion analysis logger utilizing MEMS accelerometers and low power microcontroller, Proceedings of the 3rd Annual International IEEE/EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology Kahuku, Oahu, Hawaii, May 12-15, 2005, pp. 92-93 Brown A.K., Test results of a GPS/inertial navigation system using a low cost MEMS IMU, Proceedings of 11th Annual Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation System, Saint Petersburg, Russia, May 2004 Bruschi P., Nannini A., Pieri F., Raffa G., Vigna B., Zerbini S., Electrostatic analysis of a comb-finger actuator with SchwarzChristoffel conformal mapping, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 113, no. 1, 2004, pp. 106-117 Campbell M.I., An automated approach to generating novel MEMS accelerometer configurations, TEXMEMSIII: TexasArea MEMS Workshop, Richardson, TX, June 7, 2001 Castro-Cedeno M.H., The MEMS applications engineer, MEMS History and Future Design, Rochester Institute of Technology, Rochester, NY, 2005 (Mechanical Engineering Technology Program (CAST): e-prints, RIT Digital Media Library: https://ritdml.rit.edu) Castro-Cedeno M.H., The MEMS applications engineer, MEMS History and Future Design, Rochester Institute of Technology, Rochester, NY, 2005 (Mechanical Engineering Technology Program (CAST): e-prints, RIT Digital Media Library: https://ritdml.rit.edu) Chae J., Kulah H., Salian A., Najafi K., A high sensitivity silicon-on-glass lateral μm microaccelerometer, Third Annual Micro/NanoTechnology Conference, Nanospace 2000, Houston, Texas, January 2000 363 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] 364 Clark J. V., Zhou N., Bindel D., Schenato L., Wu W., Demmel J., Pister K. S. J., 3D MEMS simulation modeling using modified nodal analysis, In Proceedings of the Microscale Systems: Mechanics and Measurements Symposium, Orlando, FL, June 8, 2000, pp. 68-75 Clark J.V., Agogino A., Addressing the need for complex MEMS design, Proceedings of the 15th IEEE International MEMS Conference, Las Vegas, Nevada, January 20-24, 2002, pp. 204-209 Clark, J.V.; Bindel, D.; Kao, W.; Zhu, E.; Kuo, A.; Zhou, N.; Nie, J.; Demmel, J.; Bai, Z.; Govindjee, S.; Pister, K.S.J.; Gu, M.; Agogino, A.: „ Addressing the needs of complex MEMS design”, The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002. Volume , Issue , 2002 pp. 204- 209 Computer Desktop encyclopedia @ 2000 The Computer Language Co. Inc. Conant R. A., Nee J. T., Lau K. Y., Muller R. S., A flat highfrequency scanning micromirror, in Technical Digest, SolidState Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, USA, June 4-8, 2000, pp. 6-9 Daneman M.J., Tien N.C., Solgaard O., Lau K.Y., Muller R.S., Linear vibromotor-actuated micromachined microreflector for integrated optical systems, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Transducer Research Foundation, Hilton Head Island, SC, 2-6 June, 1996, pp. 109-112 Daniel M., Komputerowe modelowanie i projektowanie mikrosystemów krzemowych w językach wysokiego poziomu VHDL-AMS, praca doktorska, KMiTI, Politechnika Łódzka, Łódź 2003 Davis W.O., Mechanical analysis and design of vibratory micromachined gyroscopes, PhD dissertation, University of California, Berkeley, Spring 2001. Dempsey N.M.: „Magnetic MEMS” http://esm.neel.cnrs.fr/2007-cluj/abs/Dempsey2-abs.pdf Di Barba P., Silicon electrostatic microactuators: numerical models and design optimization, praca doktorska, Politechnika Łódzka, IMSI, Łódź 2002 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] Dong J., Ferreira P. M.: „Simultaneous actuation and displacement sensing for electrostatic drives”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 18 (2008) 035011 (10pp) Dziuban J.A., Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowszklanych w technice mikrosys-temów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2002 Encyklopedia Techniki: „Automatyka”, WNT Warszawa 1972 Fan Z., Seo K., Rosenberg R., Hu J., Goodman E., Systemlevel synthesis of MEMS via genetic programming and bond graphs, Proceedings of Genetic and Evolutionary Computing Conference, Chicago, Springer, Lecture Notes in Computer Science, July 2003, pp. 2058-2071 Fedder G. K., Mukherjee T., Physical design for surfacemicromachined MEMS, 5th ACM/SIGDA Physical Design Workshop, Reston, VA, USA, April 1996, pp.53-60 Fedder G.K., Iyer S., Mukherjee T., Automated optimal synthesis of microresonators, International Conference on Solid State Sensors and Actuators, TRANSDUCERS '97, Chicago, June 16-19, vol.2, 1997, pp.1109 - 1112 Feynman R.P., There's plenty of room below, Journal of Micro-electromechanical Systems, vol.1, issue 1, March 1992, pp.60 - 66 (Jest to zapis referatu.P. Feynmana wygłoszonego na spotkaniu American Physical Society w California Institute of Technology (26 grudnia 1959 roku), który został następnie został poraz pierwszy opublikowany jako rozdział w książce: Gilbert H.D., Miniaturization, Reinhold Publishing Corporation, New York, NY, 1961) Francis E.H., Kumaran R., Chua B.L. , Logeeswaran V.J., Electrostatic spring effect on the dynamic performance of micro resonators, International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems (MSM 2000), San Diego, CA, USA, March 27-29, 2000, pp. 154 - 157 Gardner W.J., Varadan V.K., Awadelkarim O.O., Microsensor, MEMS, and smart devices, JOHN WILEY & SONS, LTD, UK, 2001 Graham B.B., Using an accelerometer sensor to measure human hand motion, M.Sc. thesis, thesis supervisor: Sodini C.G., Massachusetts Institute of Technology, May 2000 365 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] 366 Guckel H., Christenson T. R., Klein J., Earles T., MassoudAnsari S.: „Micro Electromagnetic Actuators Based on Deep X-Ray Lithography”, International Symposium on Microsystems, Inteligent Materiale and Robots, Sendai, Japan, 1995. Heiko W., Schmiedel R., Hiller K., Aurich T., Günther W., Kurth S., Mehner J., Dötzel W., Gessner T., Model building, control design and practical implementation of a high precision, high dynamical mems acceleration sensor, Proceedings of SPIE: Smart Sensors, Actuators, and MEMS II, Sevilla, Spain, May 09-11, SPIE vol. 5836, 2005, pp. 326340 Houlihan R., Kukharenka A., Gindila M., Kraft M., Analysis and design of a capacitive accelerometer based on a electrostatically levitated micro-disk, Proceedings of SPIE Conference on Reliability, Testing and Characterization of MEMS/MOEMS, San Francisco, 2001, pp. 277-286 http://pl.wikipedia.org/wiki/wikipedia: encyklopedia internetowa Huang W., Lu. G, Analysis of lateral instability of in-plane comb drive MEMS actuators based on a two-dimensional model, Sensors and Actuators, vol. 113, 2004, pp. 78-85 Iyer S., Mukherjee T., Fedder G. K.: „Multi-mode Sensitive Layout Synthesis of Microresonators”, http://www.nsti.org/publ/ MSM98/T4104.pdf Jenkins R. M., McNie M. E., Blockley A. F., Price N., J McQuillan, “Hollow Waveguides For Integrated Optics”, Proc. European Conference on Optical Communications (ECOC), Rimini (Italy), Sept. 2003 Jeong C., Seok S., Lee B., Kim H., Chun K., A study on resonant frequency and Q factor tunings for MEMS vibratory gyroscopes, Journal of Micromechanics and Microengineering, vo.14, 2004, pp. 1530-1536 Jeong S.J., UV-LIGA micro-fabrication of inertia type electrostatic transducers and their application, Phd dissertation, Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College, May 2006 Judy J.W., Biomedical applications of MEMS, Proceedings of the Measurement Science Conference, Anaheim, CA, January 2000, pp. 403-414 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] Juneau T. et al.: „Micromachined Dual Input Axis Angular Rate Sensor”, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, June 1996 Kamalian R., Takagi H., Agogino A.M., Optimized design of MEMS by evolutionary multi-objective optimization with interactive evolutionary computation, Proceedings of GECCO 2004, Genetic and Evolutionary Computation Conference, Seattle, June 2004, pp. 1030-1041 Kamalian R., Zhou N., Agogino A. M., A comparison of MEMS synthesis techniques, Proceedings of the 1st Pacific Rim Workshop on Transducers and Micro/Nano Technologies, Xiamen, China, July 2002, pp. 239-242 Knudson A.R., Buchner S., McDonald P., Stapor W.J., Campbell A.B., Grabowski K.S., Knies D.L., Lewis S., Zhao Y., The effects of radiation on MEMS accelerometers, Nuclear Science, IEEE Transactions on, vol. 43, issue 6, part 1, December 1996, pp. 3122-3126 Kovacs G. T. A., „Micromachined transducers sourcebook”, McGraw-Hill, New York, NY, 1998. Kraft M., Closed loop digital accelerometer employing oversampling conversion, Ph.D. dissertation, Coventry University 1997 Kraft M., Lewis C.P., System level simulation of a digital accelerometer, Proceedings of the 1st International Conference On Modeling and Simulation of Microsystems (MSM 98), Semiconductors, Sensors and Actuators, Santa Clara, USA, April 1998, pp. 267-272 Kraft M., Micromachined inertial sensors state of the art and a look into the future, IMC Measurement and Control, vol. 33, no. 6, 2000, pp. 164 - 168 Krishnamoorthy U., Li K., Yu K., Lee D., Heritage J.P., Solgaard O.: „Dual-Mode micromirrors for Optical Phased Array Applications”, TRANSDUCERS ’01 EUROSENSORS XV, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 10 - 14, 2001. Kuijpers A.A., Krijnen G., Wiegerink R.J., Lammerink T.S.J., Elwenspoek M., 2D-finite-element simulations for long-range capacitive position sensor, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 13, issue 4, 2003, pp. S183-S189 367 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] 368 Kwon T., Chuang W.H., Dash M.R., Zhao P., Li L., Cadou C. (facilitator), Wafer-bonded gyroscope, Final report: Design and Fabrication of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), University of Maryland, 2002 Lakdawala H., Temperature control of CMOS micromachined sensors, Phd dissertation, Carnegie Mellon University, April 2002 Lewis C.P., Kraft M., Simulation of a micromachined digital accelerometer in SIMULINK and PSPICE, UKACC Int. Conf. On Control, Exeter, UK, 1996, vol. 1, pp. 205 - 209 Liao Y.S., Chyuan S.W., Chen J.T., An alternatively efficient method (DBEM) for simulating the electrostatic field and levita-ting force of a MEMS combdrive, J. Micromech. Microeng., vol. 14, August 2004., pp. 1258-1269 Lin Ma, Robust mask-layout and process synthesis in microelectro-mechanical-systems using genetic algorithms, Phd dissertation, California Institute of Technology, Pasadena, California, 2001 Lion, K.S. “Transducers: Problems and prospects”, IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol. IECI-16, No. 1 July 1969, pp.2-5. Liu Ch., Bar-Cohen Y.: „Scaling laws of microactuators and potential applications of electoactive poymers in MEMS”, Proceedings of SPIE’s 6th Annual International Symposium on Smart Sturctures and Materials, 1-5 March, 1999, Newport Beach, CA. Paper No 3669-33 Lorenz G.,Moms A.,Lakkis I., A top-down design flow for MOEMS, Proc. of the SPIE - 4408, Design, Test, Integration, and Packaging of MEMSNOEMS, Cannes, France, April 25-27,2001, pp. 126-37 Loughborough University: „An Introduction to MEMS”, PRIME Faraday Partnership, 2002 Lüdtke O., Biefeld V., Buhrdorf A., Binder J., Laterally driven accelerometer fabricated in single crystalline silicon, Sensors and Actuators, Physical A, vol. 82, 2000, pp.149-154 Luo H., Fedder G. K., Carley L. R.: „A 1mG Lateral CMOSMEMS Accelerometer”, The Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems 2000. MEMS 2000. Volume , Issue , 23-27 Jan 2000 pp 502 - 507 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] Maluf N., Williams K., An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House, Boston, London, 2004 Maluf N., Williams K., An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House, Boston, London, 2004 Masters N., Ye W., Fast BEM solution for coupled 3D electrostatic and linear elastic problems, Engineering Analysis with Boundary Elements, vol. 28 (9), 2004, pp. 1175-1186 MathWorks, Simulink. User’s Guide, MathWorks, 2002 McNie M. E., Jenkins R. M., Blockley A. F., Price N., McQuillan J.: „Hollow optical waveguides - an enabling optical circuit technology and its applicability to optical MEMS” http://www.integramplus.com/INTEGRAM/Library0.nsf/ab2836 84d03f231d80256b520047d321/7F8891B4B419F9458025716 F0075DB31/$file/Hollow%20optical%20waveguides%20Microt ech%20paper.pdf Meneroud P., Magnac G., Claeyssen F.: „Strengths and limits of magnetic MEMS modeling tools”, http://www.cedrat.com/ applications/hardware/doc/article_M2EMS_WORKSHOP_200 5.pdf Miller R. A., Burr G. W., Tai Y. Ch., Psaltis D.: „Electromagnetic MEMS scanning mirrors for holographic data storage”, Technical Digest, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, June 3-6 1996, pp. 183186 MINATECH, Reports on micro and nano technologies: A World Wide View, European Report on Technologies, European Report on Applications and Markets, MINATECH Information Day / Conference on Micro and Nano Technologies, Teltow, Germany, 12 December 2001 Mukherjee T., Mems design and verification, Proceedings of International Test Conference, ITC-2003, September 30 October 2, vol. 1, 2003, pp. 681-690 Mukherjee T., Zhou Y., Fedder G.K., Automated optimal synthesis of microaccelerometers, Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS '99,17-21 January 1999, pp. 326-331 Nagel D.J., Zaghloul M.E., MEMS-micro technology, mega impact, Circuits and Devices, March 2001, pp.14-25 369 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] 370 Nathanson H. C., Newell W. E., Wickstrom R. A., Davis J. R., The resonant gate transistor, IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 14, 1967, pp. 117-133 Nee J. T.: „Hybrid Surface-/Bulk-Micromachining Processes for Scanning Micro-Optical Components ”, Rozprawa Doktorska na Uniwersytecie Berkeley w Kalifornii 2001. Orlikowski M., Mikroaktuatory krzemowe i mikrosystemy modelowanie przy użyciu opisu behawioralnego, praca doktorska, IMSI, Politechnika Łódzka, Łódź 2002 Ostergaard D., Gyimesi M.: „Finite Element Based Reduced Order Modeling of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)”, Technical Proceedings of the 2000 International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, Chapter 17: Software tools, CAD Systems, pp. 684-687 Patterson R.P., Hah D., Nguyen H., Toshioshi H., ChaoR., Wu M.C., A scanning micromirror with angular comb drive actuation, 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2002), Las Vegas, Nevada, USA, January 20-24, 2002, pp. 544-547 Pelikant A., Analiza polowo-obwodowa silników elektrostatycznych i elektromagnetycznych zasilanych impulsowo, praca habilatycyjna, Politechnika Łódzka, Zeszyty Naukowe, Łódź 2002 Perng J.K., Fisher B., Hollar S., Pister K.S.J., Acceleration Sensing Glove (ASG), Proceedings of the Third International Symposium on Wearable Computers (ISWC’99), San Francisco, 1999, pp.178-180 Petersen K.E., Silicon as a Mechanical Material, Proceedings of the IEEE, vol. 70, no. 5, May 1982, pp. 420-457 PRIME Faraday Partnership, An Introduction to MEMS (Microelectromechanical Systems), PRIME Faraday Technology Watch, The Electronics-Enabled Products KnowledgeTransfer Network, United Kingdom, January 2002 (http://www.primetechnologywatch.org.uk) Ristic, Lj. “Sensor Technology and Devices”, Artech House. London, 1994. Roessig T.: „Mirrors with Integrated Position-Sense Electronics for Optical-Switching Applications”, Analog Dialogue 36-04 (2002) 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] Roylance L.M., Angell J.B., A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. Electron Devices, ED-26, 1979, pp. 1911-1917 Sadler D. J., Liakopoulos T. M., Ahn C. H.: „A Universal Electromagnetic Microactuator Using Magnetic Interconnection Concepts”, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 9, no.4, pp. 460-468, 2000. Salman A. W., Napieralski A., Wiak S., Di Barba P., Savini A., A new 3D analytical model of an electrostatic micromotor using multi-objective approach, materiały konferencyjne International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, MSM 2001, Hilton Head Island, SC, USA, March 19-21, 2001, pp. 165-168 Salman A. W., Optimization and simulation of electrostatic micromotors, praca doktorska, KMiTI, Politechnika Łódzka, Łódź 2000 Sandia National Laboratories - Laboratoria MEMS: http://www.mems.sandia.gov Sane H.S., Yazdi N., Mastrangelo C.H., Modified sliding mode control and its application to electrostatically controlled dualaxis micromirrors, Proceedings of the American Control Conference, volv 3, 30 June-2 July, 2004, pp.1934-1939 Schwarz P., A tool-box approach to the simulation of multiphysics systems, Proceedings of 1st MIT Conference On Computional Fluid and Solid Mechanics, Cambridge MA, USA, June 12-15, 2001, pp. 1365-1368 Schwarz P., Haase J, Behavioral modeling of complex heterogeneous microsystems, Proceedings of the 1st International Forum on Design Languagues (FDL’98), Lausanne, September 1998, vol. 2, pp. 53-62 Schwarz P., Schneider P., Model library and tool support for MEMS simulation, Conference on "Microelectronic and MEMS Technology”, Edinburgh, Scotland, 30 May-1 June, SPIE Proceedings Series, vol. 4407, 2001, pp. 1-14 Senturia S.D., Aluru N., White J., Simulating the behavior of MEMS devices-computational methods and needs, Computational Science and Engineering, IEEE, vol. 4, issue 1, January-March 1997, pp.30-43 371 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [100] Sinha R., Liang V.C., Paredis C.J.J., Khosla P.K., Modeling and simulation methods for design of engineering systems, Journal of Computing and Information Science in Engineering. JCISE01, vol. 1, 2001, pp. 84-91 [101] Smółka K. , Modele polowo - obwodowe trójwymiarowych struktur grzebieniowych mikroaktuatorów elektrostatycznych pracujących jako czujniki przyśpieszenia, rozprawa doktorska, PŁ, Łodź 2008 [102] Sulima R. „Mikrostruktury i mikrosystemy -nowoczesne metody wytwarzania” International XIII Symposium on Micromachines & Servodrives. Krasiczyn 15-19. 09. 2002 str. 41-47 [103] Sun W., Multi-volume CAD modeling for heterogeneous object design and fabrication, Journal of Computer Science and Technology, vol 15, no. 1, 2000, pp. 27-36 [104] Sun Y., Piyabongkarn D., Sezen A., Nelson B.J., Rajamani R.: „A high-aspect-ratio two-axis electrostatic microactuator with extender travel range”, Sensors and Actuators A 102 (2002) pp. 49-60 [105] Szaniawski Krzysztof, Projektowanie i symulacja scalonych czujników wibracji i przyśpieszenia, praca doktorska, KMiTI, Politechnika Łódzka, Łódź 2005 [106] Szermer Michał, Modelowanie oraz projektowanie układów przetwarzania analogowo-cyfrowego ze szczególnym uwzględnieniem szybkośći transmisji danych w mikrosystemach krzemowych, praca doktorska, KMiTI, Politechnika Łódzka, Łódź 2004 [107] Tang W.C., Nguyen T.-C.H., Howe R.T., Laterally driven polysilicon resonant microstructures, Sens. Actuators, November 1989, pp. 25-32 [108] Tay F.E.H., Ongkodjojo A., Liang Y.C., Backpropagation approximation approach based generation of macromodels for static and dynamic simulations, Microsystem Technologies, vol. 7, issue 3, 2001, pp. 120-136 [109] Tuantranont A., Bright V. M., Liew L. A., Zhang W., Lee Y.: „Smart Phase-Only Micromirror Array Fabricated by Standard CMOS Process”, Micro Electro Mechanical Systems, 2000. MEMS 2000. The Thirteenth Annual International Conference on Volume, Issue, 23-27 January 2000 pp. 455-460 372 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [110] Tuantranont A., Bright V. M., Zhang J., Zhang W., Lee Y. C.: „Self-Aligned Assembly of Microlens Arrays with Micromirrors”, SPIE Vol. 3878, pp. 90-101 [111] Tuantranont A., Bright V. M., Zhang J., Zhang W., Neff J., Lee Y.: „MEMS-Controllable Microlens Array for Beam Steering and Precision Alignment in Optical Interconnect Systems”, Proceedings of the 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, June 2000, pp. 101-104 [112] Walker S.J., Nagel D.J., Optics & MEMS, Report: Naval Research Laboratory, United States - Department of the Navy, May 15, 1999 [113] Walsh S., Linton J., Grace R., et al: „MEMS and MOEMS Technology and Applications”, SPIE -The International Society for Optical Engineering, Bellingham, WA, Ch. 8, 2000 [114] Wang Y., Modeling and simulation of lab-on-a-chip, Phd dessertation, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA., August 2005 [115] White, R.M. “A sensor classification scheme”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34, No. 2, March 1987,pp. 124-126. [116] Wiak S., Smółka K., Mikrosilniki krzemowe - technologie i konstrukcje (cz.1), IX Sympozjum: ”Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki”, PPEE’2000, Wisła, 11-14 December 2000, pp. 227-232 [117] Wiak S., Smółka K., Optymalizacja konstrukcji mikrosilników krzemowych (cz.2), IX Sympozjum: ”Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki”, PPEE’2000, Wisła, 11-14 December 2000, pp. 233-239 [118] Wiak S., Smółka K., Zadrożny J., Optimal design of silicon micromotors by use of field/circuit modeling, The 13th COMPUMAG Conference on the Computation of Electromagnetic Fields, Evian , France, 2001 [119] Wiak S., Smółka K., Zadrożny J., Optimal design of silicon micromotors with axial field by use of improved circuit models, Electromagnetic fields in electrical Engineering. IOS Press, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, no. 22, 2002, pp. 331-334 [120] Xie H., Erdmann L., Jing Q., Fedder G. K., Simulation and characterization of a CMOS z-axis microactuator with electrostatic comb drives, in Proc. 2000 International 373 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] 374 Conference on Modeling and Simulation of Microsystems\MSM 2000, San Diego, CA, March 27-29, 2000, pp. 181-184 Yee Y., Nam H. J., Lee S. H. et al.: „PZT Actuated Micromirror for Nano-Tracking of Laser Beam for High-Density Optical Data Storage”, Micro Electro Mechanical Systems, 2000. MEMS 2000. The Thirteenth Annual International Conference on Volume , Issue , 23-27 January 2000 pp. 435 - 440 Yeh R., Hollar S., Pister K. S. J.: „ Single mask, large force, and large displacement electrostatic linear inchworm motors”, Journal of Microelectromechanical Systems, Volume 11, Issue 4, Aug 2002 pp. 330 - 336 Yurish S.Y., Kirianaki N.V., Myshkin I.L., World sensors and MEMS markets - analysis and trends, Sensors & Transducers Magazine (S&T e-Digest), vol.62, issue 12, December 2005, pp.456-461 Zaman M.H., Bart S.F., Gilbert J.R., Swart N.R., Mariappan M., An environment for design and modeling of electromechanical micro-systems, Journal of Modeling and Simulation of Microsystems, vol. 1, no. 1, 1999, pp. 65-76 Zhang J., Bright V. M., Lee Y. C.: „Thermal Interaction Between Laser and Micro-Mirror”, Spatial Light Modulators and Integrated Optoelectronic Arrays (Optical Society of America) P111-113, Snowmass, April 1999. Zhang J., Tuantranont A., Bright V. M., Lee Y. C.: „Thermal Management of Micromirror Arrays for High-Energy Applications”, Proceedings of IPACK’01, July 2001 Zhang J., Tuantranont A., Hoivik N., Zhang W., Bright V. M., Lee Y. C.: „Flip Chip Transfer MEMS on a Transparent Substrate for Optical Applications”, Proceedings of IPACK’01 The Pacific Rim/ASME International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition July 8-13, 2001, Kauai, Hawaii, USA Zhang J., Zhang Z., Lee Y. C., Bright V. M., Neff J.: „ Design and investigation of multi-level digitally positioned micromirror for open-loop controlled applications”, Sensors and Actuators A 103 (2003) pp. 271-283 Zhang Li J., Liu Q. X.: „Advanced fiber optical switches using deep RIE (DRIE) fabrication” , Sensors and Actuators A 102 (2003) pp. 286-295. 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW [130] Zhou N., Agogino A., Pister K.S.J., Zhou. N, Agogino A.M., Automated design synthesis for micro-electro-mechanical systems (MEMS), Proceedings of the ASME Design Automation Conference, Montreal, Canada, September 29October 2, 2002 [131] Zhou N., Zhu B., Agogino A.M., Pister K.S.J, Evolutionary synthesis of micromechanical system (MEMS) design, Proceedings of ANNIE 2001: IEEE Neural Networks Council and Smart Engineering Systems Laboratory, St. Louis, Missouri, November 4-7, ASME Press, vol. 11, pp. 197-202 375 10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW 376