Mikrosystemy Czujniki optyczne. Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.

Transkrypt

1 Mikrosystemy Czujniki optyczne Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)

2 2 Mikromaszyny typu MOEMS Rozwój technologii mikroelektronicznych pozwala na tworzenie coraz bardziej złożonych mikrosystemów zawierających elementy optyczne, mechaniczne i elektryczne. Systemy takie należą do grupy mikromaszyn typu MOEMS, (ang. Micro-Opto-Electro-Mechanical- Systems).

3 3 Rodzaje czujników optycznych Dwa najczęściej spotykane rodzaje scalonych czujników optycznych to: a) fotodioda krzemowa b) mikrozwierciadło krzemowe Fotodioda krzemowa podstawowy element optoelektroniczny wykonana w technologii mikroelektronicznej najczęściej spotykane to złącze p-n lub p-i-n Mikrozwierciadło krzemowe półprzewodnikowy przyrząd optyczny wykonane w technologii mikromaszynowej stosowane w telekomunikacji i systemach telewizyjnych

4 4 Fotodioda krzemowa

5 5 Struktura fotodiody krzemowej Wykonywana w standardowych procesach planarnych Podłoże krzemowe typu n o grubości 200 do 300 mm Obszary p+ oraz n+ silnie domieszkowane wytwarzane w czasie procesów wysoko-temperaturowych implantacji lub dyfuzji Warstwa tlenku z przodu tworzona przez utlenianie za pomocą chemicznego nanoszenia cienkich warstw (ang. Chemical Vapour Deposition CVD) Możliwość wytwarzania struktur odwrotnych aniżeli przedstawiona na rysunku

6 6 Zasada działania fotodiody Wiązka fotonów o energii hv pada na powierzchnię fotodiody pod kątem Część fotonów jest odbijana od powierzchni fotodiody natomiast pozostała część wnika w powierzchniową warstwę tlenku i jest absorbowana w głębi struktury. Gęstość absorpcji jest określona współczynnikiem absorpcji krzemu (hv). Część fotonów, która jest absorbowana przez krzem zanim osiągnie elektrodę dolną jest określona za pomocą wzoru (1): Pozostała część jest określona przez wzór (2): 1exp h x h x 4 4

7 7 Mikrozwierciadła krzemowe

8 8 Mikrozwieciadła elektrostatyczne Elektrostatyczne, obrotowe mikrozwierciadła krzemowe charakteryzują się następującymi cechami: duża szybkość działania łatwa rekonfiguracja i niezawodność znikoma wartość przesłuchu bardzo małe rozmiary zasada działania włącz/wyłącz

9 9 Ogólna zasada działania mikrozwierciadeł (1/2) Dwie pozycje robocze ON lub OFF Podanie napięcia do elektrody sterującej powoduje odchylenie mikrozwierciadła do poziomu (OFF) Odjęcie napięcia sterującego powoduje opadnięcie mikrozwierciadła do pionu (ON) WE A WE A WE B WE B WY A WY B WY A WY B

10 10 Ogólna zasada działania mikrozwierciadeł (2/2) Mikrozwierciadła są ustawione pod kątem 45 stopni W stanie włączenia mikrozwierciadło jest idealnie w pionie (zastosowanie stopera) Możliwość krzyżowania wiązek świetlnych ze względu na brak interferencji fal w wolnej przestrzeni

11 11 Mirozwierciadła stosowane w skanerach (1/3) Mikrozwierciadła są szeroko stosowane w urządzeniach skanujących takich jak: czytniki kodów paskowych układy pozycjonowania wiązki laserowej Mała bezwładność mikrozwierciadeł stosowanych w skanerach umożliwia otrzymanie: wysokiej szybkości działania precyzyjnego pozycjonowania małych fluktuacji częstotliwości dokładnego skanowania

12 12 Mirozwierciadła stosowane w skanerach (2/3) Stosowane są w skanerach: rezonansowych galwanometrycznych

13 13 Mirozwierciadła stosowane w skanerach (3/3) Rozmiary: mikrozwierciadło: 300 do 400 mm przeguby obrotowe: 50 mm kąt pochylenia względem płaszczyzny podłoża: 70 stopni Element sterujący to elektrostatyczny grzebień złożony z: części ruchomej 100 tzw. palców grzebienia o wymiarach 2 40 mm części nieruchomej 101 tzw. palców Całkowity ruch posuwisto-zwrotny: 15 mm

14 14 Proces produkcji mikrozwierciadeł krzemowych Połączenie kilku procesów obróbki krzemu Stosowanie metody niskociśnieniowego naparowywania szkła fosforowo-krzemowego (ang. Low Pressure Chemical Vapour Deposition LPCVD) w celu odpowiedniej izolacji między poszczególnymi warstwami Wytrawianie w atmosferze chlorowej

15 15 Mikrozwierciadła uginane Jedne z prostszych pod względem układu sterowania, budowy i technologii wytwarzania Zbudowane w oparciu o jedną lub dwie elektrody sterujące, umieszczone pod mikrozwierciadłem Wykorzystano zjawisko skręcania się belki podtrzymującej mikrozwierciadło Pełne wychylenie już przy kilkunastu woltach

16 16 Model mikrozwierciadła uginanego Założenia: mikrozwierciadło znajduje się w próżni brak uwzględnienia pochyleń ścian bocznych w wykroju trapezowym mikrozwierciadła uwzględnienie jedynie działania sił pola elektrostatycznego i sił sprężystości Wynik: znaczne uproszczenie obliczeń ze względu na brak wymiany płynów pod powierzchnią mikrozwierciadła Wzory na wartości sił powodujące powstanie momentów obrotowych pochodzenia mechanicznego 1 F1 ( x) 0 m V 2 F ( x) m V b 0 dx ( d ( b p) tg x tg ) 2b2 p b2 p dx ( d ( b p) tg x tg ) 2 2

17 17 Charakterystyka wychylenia mikrozwierciadła Symulacje oraz pomiary potwierdzają nieliniową zależność wychylenia mikrozwierciadła w funkcji napięcia przyłożonego do elektrod. Powyższa charakterystyka jest przedstawiona poniżej. 0-2 wychylenie [um] napiecie [V]

18 Przykład mikrozwierciadła pobudzanego elektrostatycznie Mikrosystemy 18 Lucent Technologies [Laser Focus World, Jan. 2000]

19 19 Modelowanie trójwymiarowe Oprogramowanie do modelowania mikrozwierciadeł: ANSYS CFD-ACE+ CFD-GEOM CFD-Micromesh COMSOL COVENTOR

20 20 Symulacje statyczne Należy wykonać serię sprzężonych, elektrostatycznych symulacji naprężeń w strukturze mikrozwierciadła W wyniku można określić statyczne zachowanie się mikrozwierciadła np.: mikrozwierciadło zamocowane na dwóch współosiowych wspornikach Analiza statyczna mikrozwierciadła krzemowego wykonana za pomocą programu CFD ACE+

21 21 Symulacje statyczne Należy wykonać symulacje stanów przejściowych dla struktury mikrozwierciadła Należy uwzględnić sprzężenia pomiędzy naprężeniami wynikającymi z występowania sił elektrostatycznych oraz sił tłumienia powietrza otaczającego mikrozwierciadło Umożliwia to określenie szybkości odpowiedzi mikrozwierciadła na skokowe wymuszenie napięciowe, przyłożone do jednej z elektrod Analiza dynamiczna mikrozwierciadła krzemowego wykonana za pomocą programu CFD ACE+

22 22 Analiza ruchu mikrozwierciadła Przykładowe wyniki symulacji stanów przejściowych punktów leżących na brzegu mikrozwierciadła, po podaniu impulsu o wartości napięcia = 50V na jedną z elektrod dla różnych wartości ciśnienia atmosferycznego przemieszczenie [um] przemieszczenie [um] czas [ms] czas [ms] Ciśnienie P = 1atm (normalne) Ciśnienie P = 0,01atm (zmniejszone)

23 23 Materiały źródłowe Bishop D., Aksyuk V., Bolle C., Giles R., Pardo F.: Micromachines may solve lightwave network problems, Laser Focus Word, January 2000, p Buhler J., Funk J., Korvink J. G.: Electrostatic aluminium micromirrors using double-pass metallization, Journal of Michromechanical Systems, 1997, vol. 6, no. 2. Daniel M.: Projekt mikrosystemu krzemowego ze szczególnym uwzględnieniem zjawisk fizycznych, praca dyplomowa, Politechnika Łódzka Fischer M., Graef H., Von Munch W.: Electrostatically deflectable polysilicon torsional mirrors, Sensors and Actuators A (1994) Geist J., Gardner J. L., Wilkinson F. J.: Surface-Field-Induced Feature in the Quantum Yield of Silicon Near 3.5eV, Phys. Rev., 1990, vol. B42, pp Geist J., Schaefer A. R., Song J. F., Wang Y. H.,. Zalewski E. F.: An Accurate Value for the Absorption Coefficient of Silicon at 633 nm, J. Res. NIST, 1990, vol. 95, pp Jaecklin V. P., Linder C.,. de Rooij N. F, Moret J. M., Vuilleumier R.: Line-addressable torsional micromirrors for light modular arrays, Sensors and Actuators A, Joshi N. V.: Modern Photodetectors, Chapter 6 in Photoconductivity: Art, Science and Technology, Optical Engneering, New York, 1990 vol. 25. Kiang Meng-Hsiung, Solgaard Olav, Kam Y. Lau, Richard S. Muller: Electrostatic combdrive-actuated micromirrors for laser-beam scanning and positioning, Journal of micromechanical systems, vol. 7, no. 1, March 1998.

24 24 Materiały źródłowe c.d. Marxer C., Thio C., Gretillat M-A., de Rooij N. F.: Vertical mirrors fabricated by deep reactive ion etching for fiber-optic switching applications, Journal of Michromechanical Systems, 1997, vol. 6, no. 3. Manufacturing of Microsystems, MSTNEWS, international newsletter on MICROSYSTEM and MEMS 1999, no. 1 Ristic L.: Sensor technology and devices, Artech House Boston, Scribner D. A., Kruer M. R., Killiany J. M.: Infrared Focal Plane Technology, Proc. IEEE, 1991, vol. 79, pp Toshiyoshi Hiroshi, Fujita Hiroyuki: Electrstatic micro torsion mirrors for an optical switch matrix, Journal of micromechanical systems, Journal of micromechanical systems, vol. 5, no. 4, December Turowski M., Chen Z., Przekwas A.: Squeeze film behaviour in MEMS for large amplitude motion 3D simulation and nonlinear circuit/ behavioural models, BMAS 98, Orlando, Florida, Turowski M.: Private Communication. Van Herwaarden A. W., Meijer G. C.: Semiconductor Sensors. John Wiley & Sons,Inc Węgrzecki M., Węgrzecka I., Słysz W., Bar J., Grodecki R., Zynek J., Krzemiński S.: Półprzewodnikowe detektory promieniowania, V konferencja Naukowa Czujniki optoelektroniczne i Elektroniczne,Jurata, maja Zieliński M.: Modelowanie,synteza i projektowanie mikrozwierciadeł krzemowych, praca dyplomowa, Politechnika Łódzka 1999.

25 Mikrosystemy Czujniki optyczne Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)