docFotonika
download 
Reklamacja 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
