SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12) Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-68-0 Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009

Sławomir Wiak Krzysztof Smółka 10. Komputerowe modele inteligentnych mikrosystemów 10.1. MEMS 10.1.1. Podstawowe informacje Ciągły rozwój nowych technologii znalazł odzwierciedlenie w możliwości stworzenia bardzo precyzyjnych mikrokonstrukcji MEMS. MEMS, czyli Mikro-Elektro-Mechaniczny System, jest to zintegrowane urządzenie elektryczno(elektroniczno)-mechaniczne, o wielkości od kilku do kilkuset mikronów (mikrometrów) tzn. rzędu średnicy ludzkiego włosa lub ziarnka piasku, mogące przetwarzać różne wielkości mechaniczne (np. ciśnienia, przyspieszenia) na wielkości elektryczne (np. napięcia, natężenia prądu) i odwrotnie. Rys. 10.1 a) Mikrosilnik krzemowy wykonany w technologii MEMS w porównaniu z ludzkim włosem [87], b) czujnik przyśpieszenia jednoosiowego czujnika przyśpieszenia ADXL76 firmy Analog Devices [124] 315

Urządzenia te, to często połączenie komponentów mechanicznych, elektrycznych, optycznych, hydraulicznych i wielu innych, które zintegrowane w jednym układzie mogą dokonywać na jednym poziomie - pomiaru określonych wielkości, podjąć decyzję o działaniu oraz odpowiednio zareagować. Mimo dużego stopnia skomplikowania, systemy te są wytwarzane na masową skalę z materiałów, i za pomocą tych samych technologii, jakie są stosowane do produkcji elektronicznych układów scalonych. Aktualne technologie wykorzystywane w produkcji MEMS to między innymi: mikroobróbka powierzchniowa, litografia, powlekanie elektrolityczne i plastyczne formowanie w technologii LIGA. 10.1.2. Rys historyczny Historia urządzeń typu MEMS, którą można rozpocząć od wynalezienia pierwszego tranzystora bipolarnego w 1947 roku doskonale ilustruje różnorodność urządzeń i zastosowań pojawiających się w kolejnych latach. Koncepcja struktur mikroelektromechanicznych zaistniała tak naprawdę już w latach pięćdziesiątych wraz z koncepcją systemów zintegrowanych i przez kolejne czterdzieści lat rozwijała się tak, aby w latach dziewięćdziesiątych zaistnieć komercyjnymi już urządzeniami na rynku. Poniżej przedstawiono opracowaną na podstawie prac [5], [15], [33], [45], [54], [87] krótką historię, najważniejszych zdaniem autora, wydarzeń w dziejach mikrostruktur elektro-mechanicznych. Lata 50-te Lata pięćdziesiąte, to przede wszystkim powstanie koncepcji struktur mikromechanicznych i powstanie pierwszych układów scalonych IC (ang. integrated circuit). 1958 - Rozwój układów scalonych (Jack S. Kilby/Texas Instrument) oraz pierwszy komercyjny krzemowy czujnik służący do pomiaru naprężeń. 1959 - Richard Feynman zaprezentował artykuł w California Instytute of Technology pod tytułem: There's Plenty of Room Below, który można potraktować jako kamień milowy w dziejach technologii MEMS. Artykuł zapowiada rozwój mikrotechnologii, w tym struktur mikromechanicznych. Dodatkowo Richard Feynman wyznacza nagrodę 1000 dolarów dla pierwszej osoby, 316

która stworzy mikrosilnik o wymiarach poniżej 1/64 cala sześciennego. 1960 - William McLellan zbudował mikrosilnik o wymiarach zaproponowanych przez Richarda Feynmana. Lata 60-te Lata sześćdziesiąte to pierwsze urządzenia mikromechaniczne, jak również ważny z punktu widzenia technologii produkcji mikrourządzeń początek technik powierzchniowych. 1961 - Demonstracja pierwszego mikroczujnika ciśnienia. 1962 - Pierwsza wytrawiona w krzemie membrana (Tufte i inni/honeywell). 1967 - Wynalezienie obróbki powierzchniowej. Firma Westinghouse stworzyła tranzystor polowy RGT (ang. Resonant Gate Transistor), przy produkcji, którego wykorzystano tzw. warstwę ofiarną (ang. sacrifical layer) w celu uwolnienia elementu mikromechanicznego od krzemowego podłoża [79]. Lata 70-te Lata siedemdziesiąte, to pojawienie się pierwszych czujników krzemowych i stworzenie pierwszych głowic do drukarek atramentowych. 1970 - Demonstracja pierwszego, krzemowego czujnika przyśpieszenia. 1977 - Pierwszy pojemnościowy czujnik ciśnienia (James Angell/Stanford). 1977, 1979 - Pierwsze głowice krzemowe do drukarek (HP, Texas Instrument, IBM). 1979 - Praktyczna realizacja przedstawionego w pracy [90] piezorezystywnego czujnika przyśpieszenia dla zakresu przyśpieszeń do 50g. Lata 80-te W lata osiemdziesiątych, to zwrócenie uwagi na zastosowanie krzemu jako materiału mechanicznego, a także pierwsze rozwinięte mikrourządzenia stworzone dzięki obróbce powierzchniowej. Pod koniec lat osiemdziesiątych pojawiają się takie urządzenie, jak mikrosilnik krzemowy, pojemnościowy przetwornik o strukturze grzebieniowej (ang. comb drive), a także pierwsze mikrozawory. 1982 - R.T. Hove i R.S. Muller prezentują proces produkcji belek krzemowych, a następnie tworzą sensor składający się z elementów mikroelektronicznych i mikromechanicznych. 317

1982 - Kurt Petersen przedstawia pracę Silicon as a Mechanical Material [86] na temat możliwości wykorzystania krzemu jako materiału do tworzenia struktur mechanicznych. 1982 - Opracowanie technologii LIGA dla tworzenia mikrostruktur. 1988 - Pierwsza konferencja poświęcona technologii MEMS. 1988 - Pierwszy mikrosilnik krzemowy (Fan, Tai, Muller). 1989 - Tang proponuje dekompozycję podczas projektowania pojemnościowego mikroprzetwornika o strukturze grzebieniowej [107]. Przez kolejne lata model zaproponowany przez Tanga był wielokrotnie wykorzystywany do projektowania między innymi aktuatorów, akcelerometrów i rezonatorów o strukturze grzebieniowej. Lata 90-te Lata dziewięćdziesiąte to gwałtowny rozwój zastosowań komercyjnych mikrostruktur krzemowych. Na rynku pojawiają się akcelerometry, żyroskopy, elementy typowo mechaniczne w skali mikro. Pojawia się wiele zastosowań urządzeń MEMS w przemyśle samochodowym. 1991 - Firma Analog Device [2] używając technologii powierzchniowej stworzyła pierwszy, krzemowy akcelerometr, a w 1993 został sprzedany przez tę firmę pierwszy akcelerometr MEMS (ADXL50). Od tego czasu firma ta sprzedała ponad 100 milionów akcelerometrów i żyroskopów MEMS. 1992 - Rozwój akcelerometrów z wbudowanymi funkcjami autotestu i zabezpieczeniami przed przeciążeniem (Lucas Novasensor) oraz pierwszy krzemowy żyroskop w technologii MEMS zaproponowany przez Draper Lab. 1995 - Rozwój technologii BioMEMS. 2000 - Rozwój technologii MEMS w zastosowaniach optycznych (np. matryce projektorów). Obecnie, można już by praktycznie bez końca wymieniać rodzaje struktur MEMS i dziedziny ich zastosowań. Powyższy przegląd historii technologii MEMS nie tylko przedstawia błyskawiczny rozwój tej technologii, ale również wyraźnie pokazuje różnorodność zastosowań tych struktur i niezaprzeczalny związek rozwoju technologii MEMS z tradycyjnymi układami scalonymi. Miejsce, jakie zajmuje współcześnie technologia MEMS może pokazać krótka analiza rynku światowego przedstawiono w kolejnym podrozdziale. 318

10.1.3. Przegląd rynku Technologia MEMS jest obecnie identyfikowana jako jedna z najbardziej obiecujących technologii dwudziestego pierwszego wieku i wnosząca rewolucyjny potencjał zarówno w sferę zastosowań przemysłowych, jak i typowo konsumpcyjnych [87]. Mimo pewnych różnic w kwalifikacji niektórych mikrourządzeń jako urządzenia MEMS, wszystkie badania rynkowe związane z tą technologią wykazują ciągły i wysoki wzrost produkcji [78]. Analiza i prognoza wartości sprzedaży mikrostruktur MEMS liczona w milionach dolarów w latach 2002-2007 wykazuje wzrost sprzedaży globalnej z 3900 milionów dolarów do prognozowanej wartości za rok 2007 wynoszącej aż 8300 milionów dolarów [68]. A zatem jest to ponad dwukrotny wzrost sprzedaży mikrostruktur MEMS na świecie. Średni wzrost tego rynku w ciągu każdego roku kształtuje się według różnych źródeł pomiędzy 16% [123] a 25% [8]. Już w roku 1995 światowy rynek czujników to 6 miliardów dolarów, z czego aż 25% dotyczyło czujników MEMS [75]. Od tego czasu stosowalność czujników MEMS zwiększa się z roku na rok. Rynek mikrosensorów to przede wszystkim czujniki ciśnienia, temperatury, przyśpieszenia, przepływu i siły. Dominują czujniki ciśnienia i temperatury, zaś akcelerometry są trzecią co do wielkości grupą wśród sensorów sprzedawanych na świecie. Ważną informacją dotyczącą rynku mikrostruktur jest rozkład geograficzny największych firm przemysłowych zajmujących się produkcją urządzeń MEMS. Dominującą rolę odgrywają Ameryka Północna (41%), następnie Europa (38%) i na końcu Azja (21%). Analizując czołowych wytwórców czujników przyśpieszenia na świecie, można powiedzieć, że rynek pomiędzy Stanami Zjednoczonymi, Europą a Azją jest podzielony stosunkowo równomiernie. Czołowi liderzy w produkcji czujników przyśpieszenia to [75]: Europa: Sensonor, Bosch, VTI (ponad 15 firm); USA: Analog Devices, Motorola, Rockwell (ponad 20 firma); Azja: Denso, MELCO, Fuji Electric (ponad 10 firm). Podsumowując ten krótki przegląd rynku związanego ze strukturami MEMS, można bez wątpliwości zauważyć jego olbrzymi potencjał oraz, że w ciągu kolejnych lat będzie się on jeszcze bardziej gwałtownie rozwijał. 319

10.1.4. Zastosowania Znaczenia stosowania mikrosystemów (MEMS) w wielu dziedzinach techniki trudno dziś nie docenić. Rozwój technologii produkcji tego typu struktur powoduje, iż znajdują one coraz więcej zastosowań w wielu dziedzinach życia. Mówiąc jednak o zastosowaniach mikrosystemów należy wyraźnie zaznaczyć, że mikrosystem może składać się z wielu, pojedynczych mikrokomponentów wykorzystujących określoną klasę zjawisk fizycznych. Tak naprawdę, to rozmaitość tych mikrokomponentów i możliwość składania w praktycznie dowolne konfiguracje, decyduje o różnorodnych, potencjalnych zastosowaniach mikrosystemów. Do najważniejszych komponentów mikrosystemów można zaliczyć elementy: mechaniczne, elektrostatyczne, hydrauliczne/pneumatyczne, termiczne, elektryczne (elektroniczne) i optyczne. Powyższa lista, oczywiście nie wyczerpuje możliwych rodzajów komponentów MEMS, wśród można znaleźć nawet tak niezwykłe elementy, jak mikrostruktury pirotechniczne. Gotowy mikrosystem, w zależności od funkcji, może reagować na różne czynniki środowiskowe, czyli: temperaturę, wilgotność, ciśnienie, możliwa jest również realizacja mikrosystemów reagujących na czynniki otoczenia, takie jak: siła nacisku, kąt przechyłu i naprężenia mechaniczne. W związku z tym, mikrosystem może być systemem w pełni interaktywnym z otoczeniem. Wraz z rozwojem mikrosystemów, zaczęto intensywnie poszukiwać nowych rozwiązań, w tym również elementów napędowych, które sprawdziłyby się w skali mikro. W tabeli poniżej przedstawiono, jakie zjawiska, czy też, jakie efekty mogą być wykorzystane w mikrostrukturach wraz krótką charakterystyką. Aktuatory magnetyczne, z jednej strony są atrakcyjne, ponieważ oferują znaczące siły, jednakże typowy aktuator wymaga względnie dużego prądu do wygenerowania dużej siły. Dodatkowo elementy ferromagnetyczne używane w tych aktuatorach nie są możliwe do zastosowania w układach zintegrowanych IC. Szczególnie atrakcyjne okazały się zatem dla inżynierów mikrostruktury elektrostatyczne (układy naprzeciwległych elektrod, często na elastycznym zawieszeniu, gdzie siły sprężyste przeciwdziałają siłom elektrycznym). 320

Efekt Zjawisko Tab. 10.1 Wykorzystanie różnych zjawisk w mikrotechnologii Elektrostatyczny Wykorzystanie magnesów stałych Ferromagnetyczny Piezo- Elektryczny Termiczny (bimetalowy) Model spadkowa Funkcja siły Dynamika niezmienna Charakterystyczne x<300μm parametry F 2 mn F~U 2 F~I F~I 2 F~U F~U spadkowa x<5000μm F 10 mn spadkowa spadkowa x<5000μm F 10 mn x...dystans pracy; F...przykładowe siły x<500μm F 0.1 mn x<500μm F 10 mn Mikromaszyny elektrostatyczne, mimo że moc przez nie dostarczana jest mała, posiadają istotne zalety związane z brakiem uzwojeń oraz, że przy ich budowie nie wykorzystuje się materiałów ferromagnetycznych charakteryzujących się niewygodną, nieliniową krzywą magnesowania. W maszynach elektromagnetycznych przy zmniejszaniu wymiarów towarzyszy, od pewnego punktu, znaczny wzrost strat cieplnych w cewkach uzwojeń, co w konsekwencji pogarsza stosunek mocy użytecznej do objętości konstrukcji. W zakresie małych wartości sił i momentów mikronapędy elektrostatyczne stają się konkurencyjne wobec ich elektromagnetycznych odpowiedników również ze względu na mniejsze wymiary i mniejszą masę. Struktury elektrostatycznych w skali mikro, wykorzystywane są nie tylko jako urządzenia napędowe, ale również jako czujniki, w którym elementem dostarczającym informacji o pomiarze jest zmienna pojemność. Technologia MEMS wciąż się rozwija i prognozowane możliwości zastosowania mikromechanizmów są nieograniczone. Wymienić można między innymi badania kosmiczne, systemy militarne, ale również precyzyjne struktury mechaniczne w medycynie (np. w chirurgii, wyobrazić sobie można między innymi pseudointeligentne mikrosondy umieszczone w krwiobiegu 321

do usuwania płytek miażdżycowych), czy też układy przetwarzania sygnałów optycznych (np. głowice optyczne). Jednak, już w obecnej chwili mikrostruktury znalazły już wiele praktycznych zastosowań. Poniżej zostanie wymienione tylko kilka, typowych, współczesnych zastosowań mikrosystemów. Obecnie istnieje bardzo wiele zastosowań militarnych mikrostruktur i widoczne są znaczące tendencje do ich jeszcze większego wykorzystania [1]. Mówi się o między innymi o następujących zastosowaniach: zabezpieczenie broni, zapalniki, nawigacja pojazdów i żołnierzy, czujniki biomedyczne, technologia informacyjna i wiele innych. Również w technologii kosmicznej, mikrostruktury odgrywają coraz ważniejszą rolę. Istnieje na przykład program w NASA o nazwie New Millennium, którego celem jest wprowadzenie dużej ilości miniaturowych, autonomicznych pojazdów przeznaczonych do badań przestrzeni kosmicznej i innych planet [50]. Znanym zastosowaniem mikrostruktur są tak zwane systemy Lab-on-a-Chip (LoC), zwane także często Micro Total Analysis Systems (μtas), które mają szerokie zastosowanie w biologii, biomedycynie i chemii. Istnieje już wiele, zakończonych sukcesem zastosowań tych mikroskopijnych laboratoriów w badaniach nad nowymi lekami, diagnostyce medycznej, analizie protein i DNA, badaniach odpornościowych opartych na specyficznej reakcji przeciwciała z antygenem i wiele innych [114]. Wbrew mały rozmiarom, laboratoria te mogą się składać z wielu takich elementów, jak: mikrozawory, mikropompy, detektory chemiczne i biologiczne. Kolejnym zastosowaniem MEMS jest wykorzystanie w mikrourządzeniach elementów optycznych (tzw. MEOMS lub MOMS, czyli micro-optical-mechanical-systems), takich jak na przykład mikroskopijne lusterka. Lusterko takie może być umieszczone na mikrozawiasie, a kąt nachylenia jest uzyskiwany przy pomocy elektrostatycznych, struktur grzebieniowych [22], [112]. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie lusterka na elastycznym zawieszeniu i elektrostatycznym sterowaniu nachyleniem, nawet w trzech osiach, poprzez elektrody połączone bezpośrednio z samym lusterkiem [95]. Popularnym wykorzystaniem takich konstrukcji są obecnie matryce optyczne projektorów multimedialnych. 322

Ogromnym odbiorcą technologii MEMS jest przemysł samochodowy. Rynek motoryzacyjny wykazuje przede wszystkim duży popyt na różnego typu czujniki, które powinny być ekstremalnie niezawodne, a jednocześnie bardzo tanie. Specyfika zintegrowanych mikrostruktur MEMS idealnie pasuje do tej formuły. Najszybciej rozwijającym się segmentem rynku motoryzacyjnego są systemy kontroli i bezpieczeństwa jazdy, czujniki zabezpieczające przed wypadkiem, oraz ogólnie wszystkie te, które zapewniają bezpieczeństwo, wygodę i komfort pasażerów. Możliwych zastosowań jest bardzo dużo, ponieważ jednak takim sztandarowym produktem MEMS jest mikroczujnik przyśpieszeń, poniżej zostaną wymienione przede wszystkim te zastosowania, które są związane bezpośrednio z tematyką pracy. Zastosowania akcelerometrów w motoryzacji to między innymi: Wyzwalanie poduszek powietrznych (Sensing for Airbag Control) - jedno z bardziej znaczących zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym struktur MEMS i jednocześnie pierwszy znaczący sukces technologii MEMS z lat dziewięćdziesiątych. Jeden lub więcej czujników przyśpieszenia stale monitoruje zachowanie się pojazdu. Nagłe uderzenie związane z przyśpieszeniami rzędu kilkudziesięciu g powoduje, że mikrokontroler zintegrowany z czujnikiem przyśpieszenia wyzwala poduszkę powietrzną. Decyzja o wyzwoleniu poduszki powietrznej przedniej musi być podjęta w kilka milisekund, poduszki bocznej jeszcze szybciej, gdyż boczne drzwi są duża bliżej jadącego pojazdem. Klasyczne czujniki wyzwalania poduszek były bardzo skomplikowane, zawierały wiele elementów. Potrzeba wysokiej niezawodności powodowała, że były to dość drogie elementy. Jeśli te czujniki wymagane były w różnych lokalizacjach w samochodzie, to dochodził jeszcze znaczny koszt okablowania, jak również powodowało to zmniejszenie niezawodności. Aktywne zawieszenie - akcelerometry związane ze wszystkim kołami, które na bieżąco monitorują stan drogi i sterują zawieszeniem w celu zwiększenia zarówno komfortu jazdy, jak i bezpieczeństwa. Kontrola stabilności pojazdu - rozszerzenie systemu antypoślizgowego ABS (Anti-lock Braking System), tak zwany system VSC (Vehicle Stability Control) składający się między innymi z akcelerometrów i żyroskopów, jest to system wspomagający odzyskanie kontroli nad pojazdem w przypadku poślizgu. 323

Systemy zabezpieczające przed kradzieżą - pomiar zmian nachylenia i drgań nieruchomego pojazdu przy pomocy czujnika przyśpieszenia Oprócz wyżej wymienionych zastosowań w samochodach, wykorzystuje się także czujniki ciśnienia umieszczone w oponach, które na bieżąco monitorują za pomocą wskaźników o aktualnym ciśnieniu w kołach (tzw. TPMS czyli Tire Pressure Monitoring System), a w niektórych modelach samochodów marki FORD wykorzystano urządzenia MEMS w układach wtrysku paliwa. Można stwierdzić, że obecnie nie ma nowo produkowanego samochodu bez technologii MEMS. Przykładowo model BMW 740i posiada ponad 70 urządzeń MEMS [87]. Do znanych obecnie zastosowań czujników przyśpieszeń można także zaliczyć: monitorowanie ruchu pacjenta [10], monitorowanie dziennej aktywności ludzi starszych i pacjentów podczas rehabilitacji [3], elementy związane z tłumieniem drgań w kamerach video, monitorowanie ruchu dłoni na przykład wykorzystane w grach komputerowych lub w wirtualnym treningu [36], [85]. Wysoko precyzyjne akcelerometry (ekstremalna czułość z błędem mniejszym niż 1 μg i całkowity poziom szumów rzędu 7ng) mają zastosowanie w kartografii, w badaniach geofizycznych, głównie związanych poszukiwaniem złóż ropy naftowej oraz w sejsmologii w badaniu i wykrywaniu trzęsień ziemi [36]. Duża precyzja tych urządzeń jest wymagana także w nawigacji inercyjnej [11]. Czujniki przyśpieszeń MEMS znalazły także zastosowania w sprzęcie gospodarstwa domowego. Przykładem mogą być pralki, w których zespół czujników przyśpieszeń informuje układ sterowaniu o aktualnych drganiach urządzenia. Informacja ta ma wpływ na prędkość obrotów silnika i pobór wody, a zatem również na sam czas prania. Takie rozwiązanie pozwala na zaoszczędzenie znacznych kosztów energii [36]. Trzeba zwrócić uwagę, że dużo nowych zastosowań jest już na etapie konstruowania. Przewiduje się, że w przyszłości nastąpi niewątpliwie dalszy, dynamiczny rozwój kolejnych zastosowań mikrostruktur MEMS. Oczywiście, nowe technologie wiążą się z potrzebą opracowania nowych metod analizy tych struktur i zachodzących w nich zjawisk. 324

10.1.5. Nowe zastosowania MEMS Zdobyte doświadczenia we wcześniejszych zastosowaniach MEMS stworzyły nowe możliwości w dziedzinie biomedycyny (urządzenia te często nazywa się biomems), w łączności bezprzewodowej zawierającej elementy optyczne (zwykle nazywane MOEMS) a także w łączności wykorzystującej częstotliwości radiowe RF MEMS. 10.1.5.1. BIO-MEMS W ciągu ostatnich kilku lat pojawiły się wyroby bardzo innowacyjne z firm zajmujących się produkcją urządzeń biomems. Największymi osiągnięciami BIO-MEMSów są takie dziedziny jak: badanie DNA, wykrywanie narkotyków, monitorowanie wody i środowiska. Technologia ta wykorzystuje systemy mikrostrumieniowe jak również chemicznego przetwarzania i testowania oraz umożliwia produkcję urządzeń mających zastosowanie jako laboratorium w chipie (lab-on-a-chip), czujniki chemiczne, sterowniki przepływu, mikrodysze i mikrozawory. Jednocześnie wiele urządzeń jest w ciągłym rozwoju systemy mikrostrumieniowe zazwyczaj zawierają mikropompy krzemowe, czujniki przepływu i czujniki chemiczne. Systemy te umożliwiają szybką i wygodną obsługę oraz analizę małych ilości płynów. Jest to obszar, który najbardziej interesuje medycynę zwłaszcza możliwość wykonywania szybkich analiz w domu przez samego pacjenta najpopularniejsze to urządzenia do analizy krwi i moczu. Jednym z przykładów nowoczesnych BIO-MEMSów jest płytka do mikromiareczkowania, na której pewna liczba dołków może być wypełniona dokładnie i powtarzalnie za pomocą sił kapilarnych Rys. 10.2a. Jest to bardzo proste urządzenie MEMS w postaci kawałka plastiku z mikroobrabianymi mikrokanalikami o wysokim współczynniku kształtu, urządzenie to jest zaliczane do grupy lab-on-a-chip. Wymiary takiej płytki to zaledwie 20x37x3 mm urządzenie to zapewnia napełnienie 96 dołków wykorzystując siły kapilarne. 325

Rys. 10.2 a) wykonana w procesie mikroobróbki płytka do mikromiareczkowania z 96 dołkami napełnianymi kapilarnie [STEAG microparts GmbH, http://microparts.de], b) urządzenie BIOMEMS, krzemowe mikrozęby łapią czerwone ciałka krwi [http://www.mems.sandia.gov]. W przyszłości technologia lab-on-a-chip będzie zawierała urządzenia nadające się do wszczepiania do organizmu typu pharmacy-on-a-chip (apteka w kości). Takie układy będą umożliwiały dokładne dawkowanie leków bezpośrednio z malutkich zbiorniczków MEMS do organizmu, co zlikwiduje potrzebę używania zastrzyków. Problem ten dotyczy zwłaszcza ludzi cierpiących na cukrzycę, którzy kilkakrotnie dziennie zmuszeni są do wstrzykiwania sobie insuliny. Urządzenia takie mogą mieć również zastosowanie w dawkowaniu hormonów, leków przy chemoterapii i przeciwbólowych. Urządzenia pierwszej generacji uruchamiane są przy pomocy sygnałów ze źródła zewnętrznego, które jest połączone z mechanizmem przewodami przez skórę. Proponowane urządzenia drugiej generacji mogą być bezprzewodowe a chipy trzeciej generacji będą współpracowały z czujnikami MEMS umieszczonymi w organizmie w ten sposób, że będą reagowały na wewnętrzne sygnały organizmu. Jednym z najnowszych urządzeń mikrostrumieniowych MEMS jest struktura typu Pac-Man, które współdziałają z czerwonymi ciałkami krwi Rys. 10.2b. Wyprodukowane w firmie Sandia National Laboratories USA urządzenie zawiera mikrozęby krzemowe, które otwierają się i zamykają jak szczeka łapiąc i wypuszczając nienaruszone krwinki czerwone w czasie przepompowywania przez kanalik o długości 20 µm. Zadaniem tych urządzeń jest przekłucie komórki i wstrzyknięcie do jej wnętrza takich substancji jak: DNA, proteiny lub leki, po to, aby przeciwdziałać atakom biologicznym lub chemicznym, zaburzeniom w równowadze genetycznej oraz infekcjom bakteryjnym lub wirusowym. 326

10.1.5.2. MOEMS Ogromny wzrost przesyłanych danych przez Internet spowodował potrzebę opracowania nowych technologii ich przesyłu. W rozwiązaniu tego problemu z pomocą przyszły urządzenia z grupy MEMS, które znacznie usprawniły łączność optyczną. Rys. 10.3 Przełącznik optyczny MEMS zawierający matrycę mikrolusterek wielkości łebka od szpilki każde wychylające się różnych kierunkach [http://www.bell-labs.com, http://www.lucent.com]. Dotychczas stosowana technologia przesyłu sygnałów drogą optyczną znacznie spowalnia przepływ informacji, ponieważ sygnał optyczny jest przekształcany w elektroniczny a następnie znowu w sygnał optyczny. Same sieci optyczne mają znacznie większe możliwości przepustowe niż to wykorzystują tradycyjne metody przesyłu danych. Ta dziedzina stała się wyzwaniem dla urządzeń z grupy MOEMS, która to obejmuje takie elementy jak: falowody, przełączniki optyczne, cross connects, multipleksery, filtry, modulatory, detektory, tłumiki i korektory. Ich małe wymiary, niska cena, mały pobór mocy, trwałość mechaniczna, duża dokładność, duża szybkość przełączania, tanie procesy wytwarzania seryjnego czyni te urządzania oparte na MEMS idealnymi rozwiązaniami problemów przełączania i sterowania sygnałów w sieciach optycznych. Przykład takiego przełącznika pokazany jest na Rys 10.3. Gdzie układ 256 mikrolusterek kieruje informację w postaci fotonów do lub z 256 wejść/wyjść światłowodów. Obecne procesy technologiczne używane przy produkcji MEMS są już na tyle rozwinięte, że umożliwiają produkcję masową. Typowe przełączniki optyczne mogą kosztować nawet 1000$ w porównaniu z przełącznikami MEMS o takich samych parametrach, które kosztują mniej niż 1$. Firmami przodującymi w tej dziedzinie są: Agere Systems (wcześniej Lucent Technologies), Corning, JDS Uniphase i Sycamore Networks. 327

10.1.5.3. RF MEMS Urządzenia RF MEMS są najszybciej rozwijającą się dziedziną na polu komercyjnym. Urządzenia z tej grupy wykorzystywane są głównie w telefonach komórkowych i innych środkach łączności bezprzewodowej jak: radary, GPS (Global Positioning Satellite Systems) i anteny samopozycjonujące. Wykorzystanie technologii MEMS pozwala na poprawienie parametrów tych urządzeń zwłaszcza niezawodności i funkcjonalności oraz umożliwia równocześnie na zmniejszenie wymiarów i kosztów wytwarzania. Rys. 10.4 a) miniaturowy rezonator akustyczny pokazany na pierwszym planie jest pięć razy mniejszy od tradycyjnie używanego komponentu w telefonach komórkowych [http://www.agilent.com], b) miniaturowy mikrofon umożliwiający budowę mikroradia radio-on-achip, [ http://www.bell-labs.com, http://www.lucent.com] Systemy te posiadają elementy strojeniowe obwodu takie jak: kondensatory, cewki, rezonatory, filtry, mikrofony i przełączniki. Te urządzenia o niskich stratach i miniaturowych wymiarach będą zastępowały tradycyjne urządzenia RF. Jak nie trudno sobie wyobrazić, jeśli nowoczesne elementy RF MEMS zastąpią tradycyjne to wówczas telefony komórkowe mogą być wielkości zegarka na rękę o małym poborze prądu z baterii i oczywiści o wiele tańsze niż obecnie. 10.2. Przegląd mikrostruktur i mikrosystemów Akronim MEMS został oficjalnie zaproponowany przez profesora Rogera Howe z University of California z Berkeley podczas spotkania pod nazwą Micro Tele-Operated Robotics Workshop w Sant Lake City w 1989 roku [68]. Trzeba jednak 328

zauważyć, że nazwa microelectromechanical system (MEMS) używana w Stanach Zjednoczonych, w Europie często jest zastępowana określeniem microsystem technology (MST) [68]. Natomiast w Japonii podkreśla się przede wszystkim mechaniczny rodowód mikrourządzeń i zazwyczaj używa się do ich określenia ogólnej nazwy mikromaszyny [28]. MEMS [40] - jest to zatem popularne określenie miniaturowych urządzeń elektro-mechanicznych, o rząd wielkości większych od zbudowanych z wykorzystaniem nanotechnologii. Przyrządy MEMS to elementy mikromechaniczne o wymiarach mikrometrowych, zawierające trójwymiarowe mikrostruktury wykonane często metodami litografii. MEMSy są zazwyczaj wykonane za pomocą technologii mikroelektroniki, podobnych do wykorzystywanych przy wytwarzaniu przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych. Wyróżnia się dwie grupy technologii: mikroobróbkę powierzchniową i mikroobróbkę objętościową. Rozmiary przyrządów zawierają się w przedziale od mikrometra do pojedynczych milimetrów. W przyrządach MEMS, na skutek dużego stosunku powierzchni do objętości, zjawiska elektrostatyczne i lepkości (zwilżania) mogą dominować na efektami bezwładności masy lub pojemności cieplnej. Przyrządy MEMS wytwarzane są za pomocą zmodyfikowanych technologii obróbki krzemu (opracowanych na użytek elektroniki), wytłaczania (ang. molding), platerowania (ang. plating) i innych technologii przydatnych do tworzenia miniaturowych przyrządów. Krótka definicja MEMS [128] to małe mechaniczne urządzenia budowane przy użyciu technologii półprzewodnikowych, które zapewniają małe rozmiary, dobrą precyzję, niezawodność i niskie koszty przy produkcji seryjnej. MST (Microsystems Technology) - termin, jakim określane są urządzenia MEMS w Europie. Micromachines [102] - terminu tego używają Japończycy w odniesieniu do systemów MEMS MOEMS [40] - Micro-Opto-Electromechanical Systems - to specjalnej klasy systemy MEMS, które obejmują wyczuwanie lub manipulowanie optycznymi sygnałami w bardzo małej skali używając zintegrowanego systemu elektromechanicznego. MOEMS zawierają różnorodne urządzenia np. przełączniki optyczne, kros optyczny (optical cross-connect), strojone lasery VCSEL, mikrobolometry i inne. Urządzenia te są produkowane z wykorzysta- 329

niem standardowych procesów mikroobróbki używając krzemu, dwutlenku krzemu, azotku krzemu i arsenku galu. Aktuator (siłownik) [87] - jest urządzeniem, które zamienia sygnał elektryczny na działanie akcje. Może on wytwarzać siłę do napędzania siebie, innych urządzeń mechanicznych lub środowiska wokół po to, aby wykonać jakąś określoną, użyteczną czynność. Człon wykonawczy [29] - urządzenie wykonawcze, zespół wykonawczy, część układu regulacji automatycznej realizująca wielkość fizyczną o wartości określonej przez poprzednie części układu regulacji. Wpływa on bezpośrednio na obiekt regulacji, wywołując odpowiednie zmiany strumienia materiałowoenergetycznego. Sensor (czujnik) [87] - jest urządzeniem, które pobiera informację pomiarową z otaczającego środowiska i dostarcza wyjściowy sygnał elektryczny w odpowiedzi na mierzone parametry. Przez lata ta informacja lub zjawisko było skategoryzowane w terminologii jako dziedzina rodzaju energii, ale urządzenia MEMS ogólnie zahaczały o kilka dziedzin lub nie były przynależne do żadnej kategorii. Dziedziny energii i związane z nimi parametry: mechaniczna - siła, ciśnienie, prędkość, przyśpieszenie, pozycja, termiczna - temperatura, entropia, ciepło, przepływ cieplny, chemiczna - stężenie, mieszanki, szybkość reakcji, promieniowania - natężenie fali elektromagnetycznej, faza, długość fali, polaryzacja, odbicie, współczynnik załamania, transmitancja, magnetyczna - natężenie pola, indukcja, moment magnetyczny, przenikalność, elektryczna - napięcie, prąd, ładunek, rezystancja, pojemność, polaryzacja (przykłady czujników MEMS związanych z tą dziedziną energii i poszczególnymi parametrami, można odszukać w [51] [62] [115] [88]). Mówiąc inaczej czujnik [29] to element funkcjonalny, którego zadaniem jest bezpośrednie przekazywanie oddziaływania obiektu na dalsze części urządzeń sterujących; zazwyczaj proste urządzenie przetwarzające wartości wielkości fizycznej w obiekcie, na wartości innej wielkości fizycznej, dogodniejszej do pomiaru lub dalszego przetwarzania. 330

Czujnik pojemnościowy [29] - czujnik parametryczny, w którym wielkość mierzona jest przetwarzana na zmianę pojemności kondensatora. Stosowane są kondensatory płaskie i kondensatory cylindryczne. Przy pomiarze wielkości nieelektrycznych stosuje się zależności funkcjonalne między przenikalnością elektryczną dielektryka, powierzchnią okładek kondensatora S i odległością między okładkami d a wielkością nieelektryczną. W pewnych przypadkach wykorzystuje się ponadto zależność strat dielektrycznych kondensatora od mierzonej wielkości nieelektrycznej. Kondensatory o zmiennej przenikalności elektrycznej wykorzystywane są do pomiaru poziomu cieczy, grubości taśm dielektrycznych, stopnia zawilgocenia itp. Kondensatory o zmiennej odległości elektrod stosowane są do pomiarów wymiarów, sił, ciśnień, przyspieszeń. Kondensatory o zmiennej powierzchni czynnej elektrod stosowane są do budowy czułych sejsmografów i przyrządów rejestrujących małe przesunięcia liniowe. Transducer (przetwornik) [29] - jest urządzeniem, które przekształca jeden rodzaj sygnału lub energii na inną formę. Termin przetwornik może być użyty, dlatego aby obejmować zarówno sensory jak i aktuatory i jest najbardziej ogólnym i najszerzej stosowanym określeniem w MEMS. 10.2.1. Elementy magnetyczne Elementy magnetyczne mikrostruktur MEMS charakteryzują się przede wszystkim niskim napięciem zasilania w porównaniu do struktur elektrostatycznych, lecz w przeciwieństwie do struktur pojemnościowych nie dają się w takim stopniu miniaturyzować z powodu braku dobrej jakości materiałów magnetycznych [25]. Przykład wykonania magnetycznych silników skokowych przedstawiony jest w pracy [73] powstałej podczas udziału w Europejskim projekcie M 2 EMS (Magnetic MEMS). W celu zamodelowania silników używano głównie analizy FEM, która okazała się dobrym odzwierciedleniem procesów zachodzących w maszynach. Uzyskano działające prototypy po pierwszym złożeniu. Problemem było natomiast uzyskanie materiałów magnetycznych z charakterystykami magnetycznymi niedostępnymi w materiałach w skali makro. 331

Rys. 10.5 Dwa prototypy jednofazowych silników skokowych, po lewej z grubą warstwą magnetyczną, po prawej z magnesem ogólnie dostępnym. Na mikrostruktury magnetyczne MEMS stosowane są tradycyjne materiały magnetyczne miękkie i twarde, jak również nowoczesne materiały tj.: magnetostrykcyjne, termo-odwracalne oraz z pamięcią kształtu [73]. Rys. 10.6 Mikrosilnik skonstruowany jako a) złożony [37] i b) jako uzwojenie zintegrowane [91] Napędy wykorzystujące pole magnetyczne spotkać można również w aplikacjach z mikrolustrami. Jednym z przykładów jest lusterko zaprezentowane w pracy [74] wykorzystywane w systemach holograficznych. Lusterko tak wykonane może wychylać się o kąt ponad 60 w wyniku działania na nie zewnętrznego pola magnetycznego działającego na płytkę permalojową oraz na cewkę miedzianą o 30 zwojach. Rys. 10.7 Zdjęcie lusterka MEMS a) w stanie spoczynku bez pola magnetycznego i prądu w cewce, b) lusterko uruchomione polem zewnętrznym o wartości H=23,8 A/m oraz prądem w uzwojeniu o wartości ok. 30 ma [74] 332

Materiały magnetyczne miękkie są łatwiejsze do użycia jako cienkie warstwy nakładane metodami elektro-osadzania i natryskiwania natomiast inne materiały wymagają bardzo skomplikowanych procesów [73]. Tab. 10.2 Metody wykorzystywane do wytwarzania mikro magnesów [25] Kierunek z góry na dół Obróbka bulk magnets Sitodruk, odlewanie taśmy i łączenie Deformacja mechaniczna Kierunek z dołu do góry (odsadzanie) Elektro osadzanie Rozpylanie plazmowe Impulsowe osadzanie laserowe (PLD) Natryskiwanie Elementy napędowe MEMS są to przeważnie cienkowarstwowe płytki, na których znajdują się elementy magnetyczne z materiału magnetycznie miękkiego, jakim jest permaloj (FeNi) [63]. Po umieszczeniu elementu (FeNi) w polu magnetycznym generuje się w nim siła i moment mechaniczny. Płytka permaloju zawieszona jest na cienkowarstwowych belkach skrętnych z polikrystalicznego krzemu. Po pojawieniu się pola magnetycznego prostopadłego do powierzchni płytki w płytce powstaje wektor magnetyzacji odpowiedzialny za wytwarzanie momentu zginającego i niewielkiej siły, które w rezultacie odchylają płytkę permalojową. Rys. 10.8 Schemat aktuatora magnetycznego z płytką permalojową, widok z góry i przekrój [63] Na przedstawionym powyżej rysunku L, W, T - oznaczają długość, szerokość i grubość płytki magnetycznej. Natomiast 333

elementy wspornikowe - belki oznaczona jest następująco: l - długość, w - szerokość, t - grubość. Po przyłożeniu zewnętrznej polaryzacji materiał magnetyczny zachowuje się jak materiał ze stałą magnetyzacją w płaszczyźnie, której wielkość jest równa namagnesowaniu nasycenia M s wytarzane są wówczas dwie składowe siły: F 1 -działająca na górnej krawędzi oraz F 2 -działająca na dolnej krawędzi. Wartości tych sił wyznacza się ze wzoru [63]: F 1 = M s WTH1 F2 = M swth 2 (10.1) gdzie: H 1, H 2 - natężenia pola magnetycznego na górnej i dolnej krawędzi elektrody (tutaj H 2 > H1 ), wielkości te są liniowo zależne od odpowiedniej odległości od powierzchni rdzenia elektromagnetycznego. Moment bezwładności elektrody z warstwą permaloju o grubości t + T jest proporcjonalny do ( t + T ) 3, co jest znaczenie większą wartością niż moment bezwładności belki wspornikowej o grubości t. Wytworzony moment magnetyczny M mag wynosi [63]: M mag = F1 L cosθ F = F F 2 1 a) b) c) (10.2) Rys. 10.9 Przemieszczenie płytki magnetycznej w polu wytworzonym przez elektromagnes, a) w stanie spoczynku, b) w stanie załączonym, c) wielkości charakteryzujące przemieszczenie płytki permalojowej [63] 334

10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW Wytworzony moment magnetyczny minimalizuje ogólną energię układu poprzez ustawienie wektora magnetyzacji w osi z liniami pola magnetycznego zewnętrznego. 10.2.2. Elementy optyczne Mikrostruktury krzemowe a także wykonane z innych materiałów są dość chętnie stosowane w optyce jako różnego rodzaju elementy np. soczewki ([121], [111], [110]), filtry optyczne [55], lusterka. Te ostatnie obecnie przeżywają burzliwy rozwój, czego dowodem jest budowa wielu układów wykorzystywanych jako przełączniki optyczne czy też wyświetlacze. Mikrolusterka wykonywane są różnymi metodami CMOS i tradycyjnego wytwarzania obwodów IC najczęściej jednak wykorzystywana jest metoda Multi-User MEMS Processes (MUMPs) składająca się z kilku warstw z trzech warstw polisilikonu, dwóch tzw. warstw ofiarnych wykonanych ze szkła krzemianowofosforowego, które to osadzone są na podłożu z azotku krzemu, a w celu poprawienia współczynnika odbijania światła pokrywa się powierzchnię warstwą metalu, którym może być złoto [126], [125] lub aluminium [109]. Rys. 10.10 Tablica polimerowych mikrosoczewek wyprodukowana w procesie MEMS [127] Rys. 10.11 Matryca mikroluster wykonanych w procesie CMOS z warstwą odblaskową z aluminium [109] 335

Rys. 10.12 Mikrolusterko wykonane w procesie MUMPs ze złotym reflektorem [126] 10.2.3. Elementy mechaniczne Mikrostruktury MEMS są urządzeniami złożonymi z wielu różnych elementów między innymi jednym ze składników tych systemów są układy mechaniczne. Najprostszymi i najczęściej spotykanymi w praktyce układami mechanicznymi MEMS są różnego rodzaju zawieszenia, masy bezwładności, elementy sprężyste, membrany, można też spotkać różnego rodzaju dźwignie i przekładnie. Rys. 10.13 Przykład przekładni zębatej wykonanej w Sandia National Laboratories [94] Rys. 10.14 Membrany krzemowe: po lewej piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia, po prawej pojemnościowego czujnika ciśnienia [28] Rys. 10.15 Przykład połączenia dwóch płytek poprzez zawiasy [80] 336

Rys. 10.16 Przykład wykorzystania belek do podtrzymania konstrukcji przetwornika termicznego [Zdjęcia pod mikroskopem skaningowym przetwornika termoelektrycznego opracowanego w Katedrze Mikroelektroniki i Technik Informatycznych w Łodzi] Rys. 10.17 Sprężysty zatrzask do pozycjonowania włókien [43], [72] 10.2.4. Elementy elektrostatyczne Inną dosyć znaczną grupą elementów MEMS są układy pojemnościowe. Można rozróżnić przynajmniej dwa rodzaje mikrostruktur pojemnościowych MEMS a są to układy, w których zmienia się pole powierzchni czynnej współpracujących elektrod oraz układy gdzie zmienia się odległość pomiędzy elektrodami. Rys. 10.18 Układ elektrostatyczny ze zmianą powierzchni czynnej elektrod Zależności fizyczne występujące w układzie ze zmianą powierzchni czynnej elektrod związane będą ze zmianą przesunięcia lub zmianą kąta między płaszczyznami. Struktury elektrostatyczne z liniową zmianą powierzchni czynnej elektrod (struktury o ruchu liniowym) wykorzystywane są 337

10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH MIKROSYSTEMÓW najczęściej jako rezonatory [42], przetworniki elektromechaniczne [82] i jako napędy [104], a także napędy mikrolusterek [19], [129]. Natomiast struktury o ruchu kątowym wykorzystywane są do budowy żyroskopów [47] oraz napędów [9]. Rys. 10.19 Przykłady wykorzystania elektrostatycznych struktur z liniową zmianą powierzchni czynnej elektrod [27] Rys. 10.20 Żyroskop wibracyjny [47] Rys. 10.21 Przykład aktuatora z zapadką o ruchu kątowym [9] Rys. 10.22 Przykład wykorzystania struktury grzebieniowej o zmiennej odległości zębów. Aktuator o ruchu w kierunku x-y z zapadką widoczną na rysunku po prawej stronie [122] Przykłady wykorzystania struktur elektrostatycznych o zmiennej szczelinie pomiędzy elektrodami przedstawione są w pracach: 338

H. Luo, G. K. Fedder, L. R. Carley, którzy opisują czujnik przyspieszenia [67] oraz inne zastosowanie opisane przez T. Roessiga dotyczące napędu mikrolusterka [89]. 10.2.5. Przełączniki optyczne MEMS i MOEMS W ciągu ostatniego dziesięciolecia obserwujemy nagły i gwałtowny wzrost zapotrzebowania na przesył informacji. Rozwijająca się dynamicznie tradycyjna sieć telekomunikacyjna nie wystarcza jednak na zaspokojenie potrzeb użytkowników. Przesył informacji przez kabel jest metodą mało efektywną, sieci kablowe mają zbyt mała pojemność i są zbyt wolne zwłaszcza, jeśli chodzi o przesyłanie informacji w postaci obrazu bądź plików danych. Tak duże wymagania, co do szybkości i ilości przesyłanych danych wymusiły szybki rozwój komunikacji poprzez Internet. Ta dziedzina wywołała potrzebę nowoczesnych rozwiązań, jeśli chodzi o przesyłanie danych. Sieci kablowe po woli zaczęły wypierać sieci światłowodowe, z którymi wiązano duże nadzieje na poprawę transmisji. Jednak pomimo tych rewelacyjnych właściwości, jakie posiadają światłowody przez dłuższy czas nie można było osiągać zawrotnych szybkości transmisji danych, co spowodowane było brakiem odpowiednich urządzeń przetwarzających sygnał świetlny oraz nieznajomością systemów przesyłania danych optycznych. Rys. 10.23 Przykładowy przełącznik optyczny z wykorzystaniem elementów MEMS [20] Od momentu opracowania nowej technologii transportu danych w światłowodzie nastąpił przełom w tego typu sieciach. Nowa technologia nazywana w skrócie DWDM (ang. Dense Wavelength 339

Division Multiplexing) jest technologią falowego zwielokrotniania przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisję wielu promieni optycznych o różnych długościach fal prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym. Przyjmuje się, że zwielokrotnienie do 4 fal w jednym oknie światłowodu oznacza się jako WDM a zwiększenie do większej gęstości (>4 kanałów) DWDM. Sama idea gęstych sieci DWDM nie rozwiązała jednak problemu szybkości przesyłania danych. Cóż z tego, że sieć była dość pojemna i mogła w miarę szybko w swoim obrębie przesyłać informacje jak nie było możliwości w takim samym tempie przełączenia poszczególnych jej elementów. Bardzo częstym problemem jest w tym przypadku tzw. problem wąskiego gardła, który polega na tym, że sygnał ze światłowodu dochodzi do węzła sieci, gdzie powinien być przełączony i przekazany dalszemu odcinkowi sieci. Niestety w tym miejscu cały proces ulega zatrzymaniu z powodu niewystarczającej szybkości przełączników optycznych pracujących w sieci. Problem przełączników optycznych istnieje do dzisiaj, ponieważ przełączniki w dużej ilości przypadków są urządzeniami w pełni elektronicznymi, które mogą przełączać sygnał elektryczny, a nie optyczny. Aby taki proces przełączania mógł zaistnieć sygnał optyczny musi być przetworzony na odpowiedni sygnał elektryczny umożliwiający przełączenie. Od kilkunastu lat trwają prace nad stworzeniem nowej alternatywy - w pełni optycznego przełącznika do sieci światowodowych. Nowe rozwiązania musiały spełniać wymagania stawiane sieciom światłowodowym a mianowicie, sieci te muszą być przezroczyste odnośnie szybkości transmisji i odnośnie protokołu. Osiągnięcie przezroczystości jeszcze w obecnej chwili nastręcza pewne trudności wynikające z powodu braku wysokiej jakości, tanich elementów optycznych. Opracowanie odpowiednich konstrukcji i technologii tych elementów ma kluczowe znaczenie dla rozwoju sieci całkowicie optycznych. Osiągnięcie zamierzonego celu tzn. całkowicie przezroczystych sieci optycznych wydaje się realne poprzez zastosowanie optycznych przełączników światłowodowych, w których wymagany czas przełączania wynosi ok. 5ms w zależności od rodzaju sieci, na przykład w sieciach fotonicznych z przełączaniem pakietów czas ten jest znacznie mniejszy i wynosi ok. 1ns. Jednak to nie są wszystkie wymagania, jakie powinna spełniać nowoczesna sieć optyczna poza czasami przełączania duże znaczenie mają także niezależność polaryzacyjna, małe 340

przesłuchy, małe straty, odpowiedni poziom wzmocnienia, niezależność od długości fali (w zakresie pracy wzmacniacza EDFA), praca wielofalowa, przezroczystość względem szybkości transmisji (do ~10 40Gb/s), szybkie przełączanie, prostota obsługi i zastosowania oraz dobra skalowalność. Aby zapewnić te wszystkie wymagania musiały powstać nowej klasy przełączniki. Rozwiązań jest wiele i każde z nich ma zarówno swoje zalety, jak i wady. Obecnie przełączniki optyczne możne podzielić na następujące kategorie: Termooptyczne, MEMS, Przełączniki pęcherzykowe (w tym elektro-zwilżanie), Wykonane w technologii optyki zintegrowanej, Elektrooptyczne, Akustooptyczne, Przełączniki półprzewodnikowe (możliwa integracja monolityczna). Bardzo dobrze zapowiadającą się grupą przełączników optycznych są właśnie przełączniki należące do grupy MEMS. Przełączniki MEMS to miniaturowe urządzenia wytwarzane za pomocą procesów mikroobróbki. Wymiary ich zawierają się w zakresie od kilku mikrometrów nawet do kilku milimetrów. Głównym materiałem, z jakiego wytwarza się urządzania MEMS jest krzem, ale również wykorzystywane są jego tlenki oraz inne materiały takie jak: metale (przede wszystkim złoto, srebro, aluminium), szkło oraz tworzywa sztuczne (polimery). Wymienione wyżej cechy przełączników MEMS wydają się być wystarczające do spełnienia wymagań nowoczesnych sieci optycznych. Najważniejszą jednak zaletą tej grupy przełączników jest fakt, że operują one bezpośrednio na wiązce światła przepływającego przez włókno światłowodu. Przełączniki optyczne MEMS zbudowane są zasadniczo z dwóch części, części mechanicznej służącej do napędu części optycznej, którą jest w tym przypadku miniaturowe lusterko. Pomimo pewnych trudności w wykonaniu takich maleńkich precyzyjnie sterowanych urządzeń mechanicznych w ostatnich latach zaobserwować można gwałtowny 341

postęp, który może zapewnić w niedalekiej przyszłości urządzenia całkowicie optyczne do zastosowań w sieciach typu OXC (Optical Cross Connects). Przełącznik optyczny typu MEMS jest urządzaniem hybrydowym będącym połączeniem urządzenia mechanicznego i urządzenia elektrycznego. Zasada działania jest w zasadzie bardzo prosta. Wiązka światła z włókna światłowodowego wejściowego przechodzi przez soczewkę i jako jednolity strumień światła pada na powierzchnię lusterka sprzężonego mechanicznie z elektrostatycznym napędem. Aktuator odchyla lusterko o pożądany kąt w celu skierowania strumienia do właściwego portu wyjściowego. W tym przypadku elementem pomocniczym przy przełączaniu jest płaskie lustro pełniące funkcję reflektora. Promień skierowany przez lusterko na reflektor zostaje odbity pod odpowiednim kątem i pada na drugie lusterko także odpowiednio wysterowane tak, aby wprowadzić wiązkę optyczną do odpowiedniego włókna światłowodowego. Cały proces przebiega bardzo szybko i pozbawiony jest konieczności przetwarzania sygnału świetlnego na elektryczny, co zajmuje dość dużo czasu. 10.2.6. Napędy elektrostatyczne Na Rys. 10.24 przedstawiono przykłady obiektów elektrostatycznych. Na wyróżnienie zasługują elementy grzebieniowe, które ze względu na łatwość i dokładność sterowania zostały zaadoptowane do różnych urządzeń. Wymieniając według kolejności na rysunku, element pierwszy (a) to prosty mikrosilnik krokowy ([116], [117], [118], [119]). Mikrosilnik z napędem elektrostatycznym można opisać jako urządzenie o zmiennej pojemności, zasilane przez pole elektrostatyczne między wirnikiem a elementami stojana. Istnieje wiele odmian mikrosilników. Są mikrosilniki o polu promieniowym, w którym wirnik znajduje się w środku, a na zewnątrz jest stojan. Są także mikrosilniki o polu osiowym, w którym wirnik znajduje się nad stojanem, lub w bardziej skomplikowanych strukturach, pomiędzy dwoma stojanami. Kolejne elementy oznaczone literą (b), to struktury o wychyleniu kątowym, które znalazły zastosowanie przede wszystkim w mikrostrukturach optycznych, na przykład do pozycjonowania zwierciadeł ([21], [83]), natomiast elementy 342

radialne (c) mają praktyczne zastosowanie jako żyroskopy ([24], [35]). Ostatnie na rysunku elementy liniowe (d) wykorzystuje się w urządzeniach, w których zachodzi potrzeba precyzyjnego przesunięcia jakiegoś z elementów. Rys. 10.24 Mikrostruktury elektrostatyczne: a) mikrosilnik o polu osiowym, b) struktura grzebieniowa-kątowa, c) element żyroskopowy, d) struktura grzebieniowa-linowa Element liniowy, w połączeniu z odpowie-dnimi przekładniami, może także zostać wykorzystany jako precy-zyjny napęd urządzeń. Bardzo często jest również wykorzystywany jako czujnik przyśpieszenia, lub jako mikrorezonator ([31], [34], [35]). Wszystkie te elementy, jak już wcześniej wspomniano, mogą być jedynie fragmentem bardziej skomplikowanego urządzenia MEMS. Przykład połączenia elementu elektrostatycznego z elementami hydraulicznymi w postaci mikrozaworów przedstawia rysunek poniżej. Jest to mikropompa elektrostatyczna, która znakomicie sprawdza się w skali mikro, jednakże wysokie napięcia dla jej wydajnej pracy (kilkadziesiąt woltów) jest dużą wadą tego urządzenia. komora elektroda warstwa izolacyjna elektroda aktuatora w postaci membrany Elementy aktuatora komora zawór wlotowy Elementy zaworu zawór wylotowy wlot wylot Rys. 10.25 Mikropompa elektrostatyczna [46] 343