Fotonika

Komentarze

Transkrypt

Fotonika
Fotonika
Wykład 9: MOEMS
Plan:

MEMS, MOEMS, NEMS – wprowadzenie

Podział

Przykładowe realizacje i koncepcje
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Terminologia:
MEMS – Micro-Electro-Mechanical-System
MOEMS – Micro-Opto-Electro-Mechanical-System
MOMS – Micro-Opto-Mechanical-System
MST – MicroSystem Technology (w Europie)
NEMS – Nano-Electro-Mechanical-Systems
Micromachining – technologie związane z
produkcję mikroukładów
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Mikro-ława optyczna
Ława optyczna
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
Schemat realizacji elementów MEMS/MOEMS
KONCEPCJA
REALIZACJI
CEL
PROJEKT
MODELOWANIE
WYKONANIE
OPTYMALIZACJA
Niski koszt
POWIELENIE
SPRZEDAŻ
Duża liczba
konkurencyjnych
układów
WYBÓR
NAJLEPSZEGO
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - podział
Optyka
zwierciadła
dzielnik wiązki
soczewki Fresnela
soczewki refrakcyjne
Siłowniki
comb-drive
comb-drive
silnik
ugięcie
Systemy
stół optyczny
macierze mikrozwierciadeł
LCD
reaktory chemiczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - podział
Wyróżniamy dwa rodzaje układów typu MEMS:
• powierzchniowe (surface)
• objętościowe (bulk)
Ze względu na rodzaj wykorzystywanej siły układy MEMS dzielimy na:
• układy elektrostatyczne
• układy piezoelektryczne
• układy magnetyczne
• układy pneumatyczne
Ze względu na rodzaj wykonywanych zadań układy MEMS dzielimy na:
• siłowniki
• detektory, mierniki
• reaktory chemiczne
• mieszacze
• wyświetlacze
• elementy pasywne
• modulatory
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Rodzaje siłowników – mechanizm działania:
• elektrostatyczne
• piezoelektryczne
• membranowe
• termiczne
• stopy z pamięcią kształtu
• pneumatyczno-hydrauliczne
• elastomerowe
• magnetyczne
• chemiczne
• biologiczne
Rodzaje siłowników - funkcja:
• belki
• comb-drive
• motory
• zawory
• rezonatory mechaniczne
• przełączniki
• zwierciadła
• szczypce
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - podział
Detektory - funkcja:
• pomiar przyspieszenia
• żyroskop
• pomiar ciśnienia
• pomiar odległości
• pomiar sił makroskopowych
• pomiar sił atomowych
• pomiary pól: elektrycznego, magnetycznego
• pomiar temperatury
• interferometry
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Rodzaj oddziaływania
Mierzona wielkość
Pojemność elektryczna
ΔC, Δf (częstotliwość)
temperatura
ΔR (przesunięcie)
Piezoopór
ΔR (przesunięcie)
Piezoelektryczne
ΔV
Magnetyczne
Efekt Halla
Tunelowanie
ΔI
Optyka
ΔT, ΔI, dufrakcja
rS 32**tlrafalm
F
ybelm
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skalowanie
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS – Zalety
•
brak ręcznego ustawiania
•
integracja wielu funkcji w jeden układ
•
masowa produkcja
•
małe wymiary
•
mały pobór energii
•
szybkość działania – małe bezwładności
•
niska cena
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - belka
Przestrajany mechanicznie VCSEL
belka
zwierciadła Bragga
obszar czynny
podstawa
Parametry belek dla różnych półprzewodników:
Rozmiar [mm] (dl x szer x grub)
materiał
100 x 3 x 0,1
10 x 0,2 x 0,1
SiC
19 kHz
1,9 MHz
93 MHz
1,9 GHz
Si
12 kHz
1,2 MHz
60 MHz
1,2 GHz
GaAs
6,5 kHz
0,65 MHz
32 MHz
0,65 GHz
1 x 0,05 x 0,05 0,1 x 0,01 x 0,01
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - belka
Strukturę typu belka można zrobić na trzy sposoby:
Metoda 1:
Metoda 2:
Metoda 3:
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – pomiar temperatury
promieniowanie termiczne
Kamera termowizyjna
oświetlacz
detektor
Materiał 1
Materiał 2
promieniowanie termiczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – comb-drive zasada działania
Siła elektrostatyczna
k
m
A
+
g
V
-
Zalety:
•
•
•
•
E
Siła nie zależy od odległości
liniowa zależność między napięciem a ugięciem
niskie napięcie pracy (duża powierzchnia elektrod) - 5÷100 V
przyciąganie elektrostatyczne (niski pobór mocy) - mW
szybkość pracy – 100 MHz
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – comb-drive
Przyciąganie
Wyrównywanie
Wciąganie
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – comb-drive
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – comb-drive
Układ z dużym względnym przesunięciem XY
Układ z małym względnym przesunięciem XY
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – comb-drive (inne możliwości)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – kołowy comb-drive
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – kołowy comb-drive
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – szczypce (tweezer)
Problemy z manipulacją małymi obiektami:
• jak je odczepić
• jak przymocować
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Układ z wymiennymi końcówkami
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – szczypce
Układ z wymiennymi końcówkami
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przesuw na duże odległości
Układ z mikrosilniczkiem i śrubą
Sprężyny do przesuwu na duże odległości
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przesuw na duże odległości
Układ comb-drive napęda koło zębate napędza linijkę zębatą
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Etapy produkcji silnika elektrostatycznego w technologii litograficznej
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – silnik elektrostatyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – koła zębate
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – koła zębate
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – koła zębate
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skrzynia biegów
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikro wiatraczki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy skrobiące (scratch drive)
Istotna jest siła tarcia
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Mikro-tester wytrzymałości na zrywanie
Próbka poddawana obciążeniu
Elementy kroczące
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - skanery
Różnego rodzaju skanery znalazły szerokie zastosowanie.
Do najważniejszych należą:
• skanery oparte na SLM
• skanery zwierciadlane 1D, 2D
• wyświetlacze projektorowe
• czytniki kodów paskowych
• przełączniki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 1D (lustro uchylne)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 1D (lustro torsyjne)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 1D (lustro torsyjne)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 1D (comb-drive)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 1D (siłowniki termiczne)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS –skaner 2D na bazie skanera 1D
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 2D (elektrostatyczny)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 2D
Parametry elektrostatycznego skanera 2D:
•
skanowanie: ±14º i ±7º
•
rozmiar zwierciadła: 400x400 mm2
•
częstość pracy: 500 Hz
•
napięcie sterowania: ~100V
•
możliwość tworzenia dowolnych wzorów
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 2D (elektrostatyczny)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 2D (magnetyczny)
Do sterowania wykorzystana jest siła Lorentza
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – skaner 2D (combdrive, mikrosoczewka)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy 2,5 D
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy 2,5 D
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS –układy 2,5 D
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy 2,5 D
Układy podnoszone przez krople kurczące się po podgrzaniu
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy planarne
phase contrast filter (PCF)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełączniki światłowodowe
Rodzaje przełączników
światłowodowe
zwierciadlane
polaryzacyjne
sprzęgaczowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełączniki zwierciadlane
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – odchylane lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – odchylane lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – wsuwane lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – wsuwane lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – podnoszone lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – odchylane lustra
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Nie mogą być dowolne wielkości ze względu na gaussowskość wiązki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełączniki siatkowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik kroplowy
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik kroplowy
Pęcherzyk powietrza lub oleju
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik soczewkowy
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik – przesuw światłowodu
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełączniki światłowodowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik światłowodowy
soczewka
dzielnik wiązki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – przełącznik elektryczny
OFF
ON
Częstość pracy do 3 GHz
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroskop sił atomowych (AFM)
Atom Force Microscope - Odczyt prądu lub elektrostatycznie
Macierz detektorów (odległość ~5mm)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroskop sił atomowych
Do sterowania układu wykorzystuje się układy elektrostatyczne.
Przesunięcie o 1 nm uzyskuje się przy zmianie prądu o 10 mV
przy prądzie rzędu 100 V)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroskop sił atomowych
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - SNOM
Scanning Near-field Optical Microscope - SNOM
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – pamięć mechaniczna (millipede)
Możliwe stany pracy:
• Zapis – wgniecenie
• Odczyt – opuszczenie
• Wymazanie – podgrzanie + wyciągniecie
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – pamięć mechaniczna
25 dźwigni
1024 dźwigni
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – czujniki ciśnienia
pojemnościowy
Bezprzewodowy
(zmiana pola magnetycznego)
1.
2.
3.
4.
5.
Szkło
Krzem
Selenoid
Warstwa złota
Podpora
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – czujniki ciśnienia
Optyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – pomiar przyspieszenia
Układ oparty na comb-drivach
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
cy
m
cx
ky
kx
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - sejsmometr
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - rezonatory
Rezonator – 3 MHz
Rezonator – 2 GHz
Rezonator – 1 THz
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – układy oparte na dyfrakcji
Pomiar ciśnienia:
Pomiar przyspieszenia:
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - interferometry
Sterowane zwierciadło interferencyjne
Czułe na przyspieszenie
zwierciadło zawieszone na ramce.
Demultiplexer oparty na interferencji
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – interferometr Michelsona
WE
WY
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – interferometr siatkowy
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - spektrometr
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrosoczewki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikrosoczewki fresnelowskie
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropryzmaty
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – soczewki cieczowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - sprężyny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikroprzepływy
Parametry istotne przy projektowaniu układów mikroprzepływów:
• lepkość
• menisk wklęsły, wypukły
• tarcie przepływu
• wiry
• siły działające na zakrętach
• ciśnienie
Wykonywanie kanałów przepływowych
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroreaktory chemiczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroreaktory chemiczne
Elementy:
• mieszacze
• rozdzielacze
• reaktory chemiczne
• strzykawki, dozowniki
• preparatory
• pompy
• analizatory
• elementy transportowe (kanały)
• rezerwuary
• elementy kontroli przepływu i ciśnienia
mieszacz
reaktor
kanały
pompa membranowa
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropompy
Rodzaje pomp:
• Bezzaworowe
• piezoelektryczne
• termo-pneumatyczne
• elektrostatyczne
• Zaworowe
• elektro-hydrodynamiczne
• dyfuzyjne
• elektroosmotyczne
• bąbelkowe
Pompa elektroosmotyczna
Pompa elektro-hydrodynamiczna
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Pompa rotorowa
tłok pompy rotorowej
Pompa membranowa
Pompa Archimedesa
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropompy
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikromieszcze
Rodzaje mieszaczy - przepływowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Rodzaje mieszaczy – przepływowe – rapid prototyping
silicon
guma
ceramika
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikromieszcacze strumieniowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikromieszacze strumieniowe
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikrodetektory chemiczne
Rodzaje detektorów:
•
Optyczne:
• fluorescencja
• absorpcja
• rozpraszanie
• współczynnik załamania
• radiacja
• plazmony
•
Elektrochemiczne:
• amperomierz
• potencjometr
• pomiar przewodności
•
Mechaniczne
•
Termiczne
•
Chemiczne
•
Magnetyczne
•
Piezoelektryczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Przykłady wykorzystania:
• elektroforeza 1D, 2D
• chromatografia gazowa
• chromatografia cieczowa
• embriologia
• macierzowa hybrydyzacja DNA
• PCR (polimerazowa reakcja łańcuchowa)
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – czujniki gazu
Chromatograf gazowy
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Zalety w stosowaniu układów MEMS w zastosowaniach medycznych:
• niższe koszty
• mniejsza inwazyjność zabiegów
• zmniejszenie ilości potrzebnych próbek, np. krwi
• szybkość uzyskiwania wyników
• krótsze zabiegi
• łatwość użycia
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Elektroforeza
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Czujniki oparte na fluorescencji wymuszonej laserem
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Macierz mikro-igieł do dozowania lekarstw
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS- medycyna
Macierz DNA
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Pomiar aktywności elektrycznej komórki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna
Sztuczna skóra
Wielkość pojedynczego detektora - 3x3 mm
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – czujnik ciśnienia
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - magnetyczne
czujnik lub silnik elektro-magnetyczny
zwierciadło deformowalne
efekt Halla
przełącznik elektro-magnetyczny
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – magnetoopór
GMR – Giant magnetoresistance – gigantyczny magnetoopór
2 warstwy ferromagnetyczne (np. kobalt lub żelazo) rozdzielone warstwą
metalu nie magnetycznego (np. miedź). Jedna warstwa ferromagnetyczna
jest namagnesowana ze stałą orientacją. Namagnesowanie drugiej warstwy
może się zmieniać. Natężenie prądu przepływającego przez te warstwy ma
wartość maksymalną gdy kierunki namagnesowania są zgodne.
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - magnetoopór
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – filtr strojony
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – optyka adaptatywna
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – optyka adaptatywna
Deformowalne membrany
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – optyka adaptatywna
Deformowalne membrany
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - wyświetlacze
Wyróżniamy kilka rodzajów wyświetlaczy:
• oparte na mikrozwierciadłach (DMD)
• ciekłokrystaliczne (LCD)
• TFT
• oparte na diodach organicznych (OLED)
• oparte na membranie
mikrozwierciadła
LCD
membrana
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - wyświetlacze
Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - wyświetlacze
Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS- wyświetlacze
Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS- wyświetlacze
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – wyświetlacze OLED, MOLED, PLED
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – papier elektroniczny
• Polimery przewodzące
• Pomalowane kulki
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrofon
Mikrofon
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - pneumatyczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – modyfikacja siły nośnej
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – modyfikacja siły nośnej
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikro silniki odrzutowe
t=0 s
t=10 ms
t=25 ms
t=50 ms
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS
Układy MEMS które odniosły sukces komercyjny:
• drukarki atramentowe
papier
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – mikroreaktory chemiczne
mTAS – Micro Total Analysis System
Założena:
Jeden układ do przeprowadzenia całościowej analizy chemicznej
Wykonany w skali mikro z użyciem dostępnych technologii w postaci scalonej
Nie wymaga zewnętrznego udziału operatora
Zalety:
• Szybki
• Przenośny
• Łatwy w użyciu
• Elastyczny w zastosowaniach
• Tani
• Modularny
mikroprobówki
mikrokanały
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka
Wprowadzanie/wyprowadzanie światła do/z światłowodu:
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka
Most optyczny:
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka
Łączenie macierzy światłowodów:
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – kryształy fotoniczne
Fotonika
MEMS, NEMS, MOEMS – światłowody fotoniczne
SKALOWANIE

Podobne dokumenty