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, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83 www.kapitalludzki.p.lodz.pl
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 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 Fotodioda krzemowa
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 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 Mikrozwierciadła krzemowe
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 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 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 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 Mirozwierciadła stosowane w skanerach (2/3) Stosowane są w skanerach: rezonansowych galwanometrycznych
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 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 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 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) 2 1 2 m V 0 2 1 2 2 b 0 dx ( d ( b p) tg x tg ) 2b2 p b2 p dx ( d ( b p) tg x tg ) 2 2
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] -4-6 -8-10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 napiecie [V]
Przykład mikrozwierciadła pobudzanego elektrostatycznie Mikrosystemy 18 Lucent Technologies [Laser Focus World, Jan. 2000]
19 Modelowanie trójwymiarowe Oprogramowanie do modelowania mikrozwierciadeł: ANSYS CFD-ACE+ CFD-GEOM CFD-Micromesh COMSOL COVENTOR
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 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 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 0 0-0.5-0.5-1 -1 przemieszczenie [um] -1.5-2 -2.5 przemieszczenie [um] -1.5-2 -2.5-3 -3-3.5-3.5-4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 czas [ms] -4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 czas [ms] Ciśnienie P = 1atm (normalne) Ciśnienie P = 0,01atm (zmniejszone)
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. 127. 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 1998. 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. 1262-1267. 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. 549-558. 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, 1994. 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 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, 1994. Scribner D. A., Kruer M. R., Killiany J. M.: Infrared Focal Plane Technology, Proc. IEEE, 1991, vol. 79, pp. 66-84. 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 1996. 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, 1998. Turowski M.: Private Communication. Van Herwaarden A. W., Meijer G. C.: Semiconductor Sensors. John Wiley & Sons,Inc. 1994. 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, 10-13 maja 1998. Zieliński M.: Modelowanie,synteza i projektowanie mikrozwierciadeł krzemowych, praca dyplomowa, Politechnika Łódzka 1999.
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, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83 www.kapitalludzki.p.lodz.pl