Wykład 9: MOEMS Plan: MEMS, MOEMS, NEMS wprowadzenie Podział Przykładowe realizacje i koncepcje
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
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS Mikro-ława optyczna Ława optyczna
MEMS, NEMS, MOEMS
Schemat realizacji elementów MEMS/MOEMS PROJEKT CEL MODELOWANIE KONCEPCJA REALIZACJI WYKONANIE Duża liczba konkurencyjnych układów WYBÓR NAJLEPSZEGO OPTYMALIZACJA Niski koszt POWIELENIE SPRZEDAŻ
stół optyczny macierze mikrozwierciadeł LCD reaktory chemiczne Fotonika MEMS, NEMS, MOEMS - podział Optyka Siłowniki zwierciadła dzielnik wiązki soczewki Fresnela soczewki refrakcyjne Systemy comb-drive comb-drive silnik ugięcie
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
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
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
MEMS, NEMS, MOEMS Rodzaj oddziaływania Pojemność elektryczna temperatura Piezoopór Piezoelektryczne Magnetyczne Tunelowanie Optyka Mierzona wielkość ΔC, Δf (częstotliwość) ΔR (przesunięcie) ΔR (przesunięcie) ΔV Efekt Halla ΔI ΔT, ΔI, dufrakcja
r S 3 2 * * lt r a f l m F y 2 3 * * a b el m Fotonika MEMS, NEMS, MOEMS skalowanie
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
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 1 x 0,05 x 0,05 0,1 x 0,01 x 0,01 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
MEMS, NEMS, MOEMS - belka Strukturę typu belka można zrobić na trzy sposoby: Metoda 1: Metoda 2: Metoda 3:
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS pomiar temperatury promieniowanie termiczne Materiał 1 Materiał 2 oświetlacz Kamera termowizyjna detektor promieniowanie termiczne
MEMS, NEMS, MOEMS comb-drive zasada działania Siła elektrostatyczna k m + V - g E A Siła nie zależy od odległości Zalety: 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
MEMS, NEMS, MOEMS comb-drive Przyciąganie Wyrównywanie Wciąganie
MEMS, NEMS, MOEMS comb-drive
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS comb-drive Układ z dużym względnym przesunięciem XY Układ z małym względnym przesunięciem XY
MEMS, NEMS, MOEMS comb-drive (inne możliwości)
MEMS, NEMS, MOEMS kołowy comb-drive
MEMS, NEMS, MOEMS kołowy comb-drive
MEMS, NEMS, MOEMS szczypce (tweezer) Problemy z manipulacją małymi obiektami: jak je odczepić jak przymocować
MEMS, NEMS, MOEMS Układ z wymiennymi końcówkami
MEMS, NEMS, MOEMS szczypce Układ z wymiennymi końcówkami
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS przesuw na duże odległości Układ z mikrosilniczkiem i śrubą Sprężyny do przesuwu na duże odległości
MEMS, NEMS, MOEMS przesuw na duże odległości Układ comb-drive napęda koło zębate napędza linijkę zębatą
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny Etapy produkcji silnika elektrostatycznego w technologii litograficznej
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny
MEMS, NEMS, MOEMS silnik elektrostatyczny
MEMS, NEMS, MOEMS koła zębate
MEMS, NEMS, MOEMS koła zębate
MEMS, NEMS, MOEMS koła zębate
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS skrzynia biegów
MEMS, NEMS, MOEMS mikro wiatraczki
MEMS, NEMS, MOEMS układy skrobiące (scratch drive) Istotna jest siła tarcia
MEMS, NEMS, MOEMS Mikro-tester wytrzymałości na zrywanie Próbka poddawana obciążeniu Elementy kroczące
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
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 1D (lustro uchylne)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 1D (lustro torsyjne)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 1D (lustro torsyjne)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 1D (comb-drive)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 1D (siłowniki termiczne)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D na bazie skanera 1D
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D (elektrostatyczny)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D Parametry elektrostatycznego skanera 2D: skanowanie: ±14º i ±7º rozmiar zwierciadła: 400x400 mm 2 częstość pracy: 500 Hz napięcie sterowania: ~100V możliwość tworzenia dowolnych wzorów
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D (elektrostatyczny)
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D (magnetyczny) Do sterowania wykorzystana jest siła Lorentza
MEMS, NEMS, MOEMS skaner 2D (combdrive, mikrosoczewka)
MEMS, NEMS, MOEMS układy 2,5 D
MEMS, NEMS, MOEMS układy 2,5 D
MEMS, NEMS, MOEMS układy 2,5 D
MEMS, NEMS, MOEMS
MEMS, NEMS, MOEMS układy 2,5 D Układy podnoszone przez krople kurczące się po podgrzaniu
MEMS, NEMS, MOEMS układy planarne phase contrast filter (PCF)
MEMS, NEMS, MOEMS przełączniki światłowodowe Rodzaje przełączników światłowodowe zwierciadlane polaryzacyjne sprzęgaczowe
MEMS, NEMS, MOEMS przełączniki zwierciadlane
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik odchylane lustra
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik odchylane lustra
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik wsuwane lustra
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik wsuwane lustra
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik podnoszone lustra
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik odchylane lustra
MEMS, NEMS, MOEMS Nie mogą być dowolne wielkości ze względu na gaussowskość wiązki
MEMS, NEMS, MOEMS przełączniki siatkowe
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik kroplowy
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik kroplowy Pęcherzyk powietrza lub oleju
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik soczewkowy
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik przesuw światłowodu
MEMS, NEMS, MOEMS przełączniki światłowodowe
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik światłowodowy soczewka dzielnik wiązki
MEMS, NEMS, MOEMS przełącznik elektryczny OFF ON Częstość pracy do 3 GHz
MEMS, NEMS, MOEMS mikroskop sił atomowych (AFM) Atom Force Microscope - Odczyt prądu lub elektrostatycznie Macierz detektorów (odległość ~5mm)
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)
MEMS, NEMS, MOEMS mikroskop sił atomowych
MEMS, NEMS, MOEMS - SNOM Scanning Near-field Optical Microscope - SNOM
MEMS, NEMS, MOEMS pamięć mechaniczna (millipede) Możliwe stany pracy: Zapis wgniecenie Odczyt opuszczenie Wymazanie podgrzanie + wyciągniecie
MEMS, NEMS, MOEMS pamięć mechaniczna 25 dźwigni 1024 dźwigni
MEMS, NEMS, MOEMS czujniki ciśnienia pojemnościowy Bezprzewodowy (zmiana pola magnetycznego) 1. Szkło 2. Krzem 3. Selenoid 4. Warstwa złota 5. Podpora
MEMS, NEMS, MOEMS czujniki ciśnienia Optyczny
MEMS, NEMS, MOEMS pomiar przyspieszenia Układ oparty na comb-drivach
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop c y c x m k x k y
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
MEMS, NEMS, MOEMS - żyroskop
MEMS, NEMS, MOEMS - sejsmometr
MEMS, NEMS, MOEMS - rezonatory Rezonator 3 MHz Rezonator 2 GHz Rezonator 1 THz
MEMS, NEMS, MOEMS układy oparte na dyfrakcji Pomiar ciśnienia: Pomiar przyspieszenia:
MEMS, NEMS, MOEMS - interferometry Sterowane zwierciadło interferencyjne Czułe na przyspieszenie zwierciadło zawieszone na ramce. Demultiplexer oparty na interferencji
MEMS, NEMS, MOEMS interferometr Michelsona WE WY
MEMS, NEMS, MOEMS interferometr siatkowy
MEMS, NEMS, MOEMS - spektrometr
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrosoczewki
MEMS, NEMS, MOEMS mikrosoczewki fresnelowskie
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropryzmaty
MEMS, NEMS, MOEMS soczewki cieczowe
MEMS, NEMS, MOEMS - sprężyny
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
MEMS, NEMS, MOEMS mikroreaktory chemiczne
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
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropompy Rodzaje pomp: Bezzaworowe piezoelektryczne termo-pneumatyczne elektrostatyczne Zaworowe elektro-hydrodynamiczne dyfuzyjne elektroosmotyczne bąbelkowe Pompa elektroosmotyczna Pompa elektro-hydrodynamiczna
MEMS, NEMS, MOEMS Pompa rotorowa tłok pompy rotorowej Pompa membranowa Pompa Archimedesa
MEMS, NEMS, MOEMS - mikropompy
MEMS, NEMS, MOEMS - mikromieszcze Rodzaje mieszaczy - przepływowe
MEMS, NEMS, MOEMS Rodzaje mieszaczy przepływowe rapid prototyping silicon guma ceramika
MEMS, NEMS, MOEMS mikromieszcacze strumieniowe
MEMS, NEMS, MOEMS mikromieszacze strumieniowe
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
MEMS, NEMS, MOEMS Przykłady wykorzystania: elektroforeza 1D, 2D chromatografia gazowa chromatografia cieczowa embriologia macierzowa hybrydyzacja DNA PCR (polimerazowa reakcja łańcuchowa)
MEMS, NEMS, MOEMS czujniki gazu Chromatograf gazowy
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
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna Elektroforeza
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna Czujniki oparte na fluorescencji wymuszonej laserem
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna Macierz mikro-igieł do dozowania lekarstw
MEMS, NEMS, MOEMS- medycyna Macierz DNA
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna Pomiar aktywności elektrycznej komórki
MEMS, NEMS, MOEMS - medycyna Sztuczna skóra Wielkość pojedynczego detektora - 3x3 mm
MEMS, NEMS, MOEMS czujnik ciśnienia
MEMS, NEMS, MOEMS - magnetyczne czujnik lub silnik elektro-magnetyczny efekt Halla zwierciadło deformowalne przełącznik elektro-magnetyczny
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.
MEMS, NEMS, MOEMS - magnetoopór
MEMS, NEMS, MOEMS filtr strojony
MEMS, NEMS, MOEMS optyka adaptatywna
MEMS, NEMS, MOEMS optyka adaptatywna Deformowalne membrany
MEMS, NEMS, MOEMS optyka adaptatywna Deformowalne membrany
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
MEMS, NEMS, MOEMS - wyświetlacze Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
MEMS, NEMS, MOEMS - wyświetlacze Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
MEMS, NEMS, MOEMS- wyświetlacze Wyświetlacze oparte na mikrozwierciadłach
MEMS, NEMS, MOEMS- wyświetlacze Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
MEMS, NEMS, MOEMS Wyświetlacze ciekłokrystaliczne
MEMS, NEMS, MOEMS wyświetlacze OLED, MOLED, PLED
MEMS, NEMS, MOEMS papier elektroniczny Polimery przewodzące Pomalowane kulki
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrofon Mikrofon
MEMS, NEMS, MOEMS - pneumatyczne
MEMS, NEMS, MOEMS modyfikacja siły nośnej
MEMS, NEMS, MOEMS modyfikacja siły nośnej
t=0 s t=10 ms t=25 ms t=50 ms Fotonika MEMS, NEMS, MOEMS mikro silniki odrzutowe
MEMS, NEMS, MOEMS Układy MEMS które odniosły sukces komercyjny: drukarki atramentowe papier
mikroprobówki mikrokanały 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
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka Wprowadzanie/wyprowadzanie światła do/z światłowodu:
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka Most optyczny:
MEMS, NEMS, MOEMS - mikrooptyka Łączenie macierzy światłowodów:
MEMS, NEMS, MOEMS kryształy fotoniczne
MEMS, NEMS, MOEMS światłowody fotoniczne SKALOWANIE