Όνομα: Ιγνατίου Νίκος Επιβλέπουσα: Ζεργιώτη Ιωάννα

1. EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Μικρο-Οπτο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MOEMS) Όνομα: Ιγνατίου Νίκος Επιβλέπουσα: Ζεργιώτη Ιωάννα

2. Γενικό Περίγραμμα • Εισαγωγή • Μικρο-οπτική • Μικρο-ηλεκτρο-μηχανική (ΜΕΜ) Τεχνολογία • Συγχώνευση Μικρο-οπτικής και ΜΕΜS→MOEMS • Παραδείγματα ΜΟΕΜ συσκευών

3. Εισαγωγή Χρησιμότητα της Μικρο-οπτικής • Βιντεοκάμερες • Βιντεοτηλέφωνα • Οπτικά αποθηκευτικά μέσα • Οπτικά Scanners • Βιντεοπροβολείς Υψηλής ανάλυσης

4. Εισαγωγή Εφαρμογές και Συσκευές • Διαθλαστικοί και ανακλαστικοί μικροφακοί • Βελτίωση οπτικής αποδοτικότητας • Διαχωρισμός χρωμάτων • Διαμόρφωση ακτίνας • Μικροόπτική σάρωση Δείχνουν την δυναμική αυτής της τεχνολογίας Αυτό που κάνει την τεχνολογία αυτή ελκυστική είναι Η έμφυτη δυναμική της για μαζική παραγωγή με χαμηλό κόστος

5. Εισαγωγή Χρησιμότητα των ΜΕΜS • Oχηματοβιομηχανία • Ενεργοποιητές αερόσακων • Μικροαισθητήρες

6. Εισαγωγή Εφαρμογές και συσκευές Συσκευές • Μικροβαλβίδες • Αισθητήρες και ενεργοποιητές • Αδρανειακοί μικροαισθητήρες • Ελεγχτές ροής Εφαρμογή Σε: • Παντος είδους οχήματα • Βιομηχανία • Βιοτεχνολογία • Στρατιωτικα συστήματα • Καθημερινές ηλεκτρικές συσκεύες MEM συσκευές ήδη εχουν εμφανιστεί και αναμένονται περισσότερες καθώς οι εταιρείες ανακαλύπτουν πως αυτή η νέα τεχνολογία εφαρμόζεται στα προίοντα δημιουργώντας μια νέα γενιά προιόντων.

7. Μικρο-οπτική Μικρό-οπτική Η μικροόπτικη τεχνολογία γίνεται όλο και πιο σημαντική για μια τεράστια ποικιλία οπτικών συστημάτων. Διαθλαστικά και ανακλαστικά στοιχεία χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε συστήματα στρατιωτικών αισθητήρων και οικιακών προϊόντων. Οι σημαντικότερες εφαρμογές περιλαμβανουν: • Διαχωρισμός ακτίνας (beam splitting) • Συγχώνευση ακτίνας (beam combining) • Διαμορφωση ακτίνας λέιζερ (laser diode beam shaping) • Ενίσχυση ρυθμοαπόδοσης εικόνας υγρών κρυστάλλων (liquid crystal display throughput enhancement)

8. Μικρο-οπτική Δυαδική Οπτική Τεχνολογία διαθλαστικής οπτικής Βασίζεται Δυαδική Οπτική Σκοπός Ολοκλήρωση σε πολύ μεγάλη κλίμακα (VLSI) Μικροηλεκτρονικών συσκευών με μικροόπτικά στοιχεία Απαιτείται Ιδιαίτερη μέριμνα στη μικρολιθογραφία

9. Μικρο-οπτική Διαθλαστικοί μικροφακοί Defractive Micro-Lenses Διατάξεις μικροφακών δυαδικής οπτικής παράγονται χρησημοποιόντας μάσκες. Κάθε επίπεδο μάσκας διπλασιάζει τον αριθμό βημάτων της προηγούμενης.Θεωρητίκα 3 μάσκες απαιτούνται για την κατασκευή μιας 95% αποδοτικής διάταξης μικροφακού 8 φάσεων διάταξης Υπάρχουν 3 σημαντικές παράμετροι για τον σχεδιασμό ενός μικροφακού δυαδικής οπτικής: • λ : μήκος κύματος • f/# = f/d με f: εστιακή απόσταση και d: διάμετρος μικροφακου • CD: Κρίσιμη διάσταση (critical dimension) Για έναν τυπικό φακό 8-φάσεων-επιπέδων: CD=λf/#/4

10. Μικρο-οπτική Διαθλαστικοί μικροφακοί Defractive Micro-Lenses Στα εργαστήρια παραγωγής: Ταχύτητα μικροφακόυ f/6 – f/3 με αντίστοιχα λ=0,632μm (HeNe laser) – λ=0,850μm Συστημα διαθλαστικών μικροφακών

11. Μικρο-οπτική Ανακλαστικοί μικροφακοί Refractive Micro-Lenses Στην περίπτωση ενός οπτικού συστήματος μικρού μήκους κύματος (λ<1μm) που απαιτούνται υψηλής ταχύτητας μικροφακοί (<f/4)οι ανακλαστικοί μικροφακοί είναι μια ελκυστική και με μικρο κοστος εναλλακτική λύση. Συστημα ανακλαστικών μικροφακών

12. MEMS ΜΕΜS Μικροκατασκευαστική (Micro fabrication) Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Τριών διαστάσεων Γλυπτική (Sculpting) Μικρομηχανική (Micromachining)

13. MEMS Προέλευση των ΜΕΜS Οι τεχνολογίες των μικροαισθητήρων και των μικροενεργοποιητών έφεραν μεγάλες προόδους σε • Σχεδιασμό συσκευών • Κατασκευή • Υλικά • Έλεγχος • Εφαρμογές Οι ραγδαίες εξελίξεις στα τελευταία πέντε χρόνια έφεραν την συνένωση σε ένα πεδίο, που όνομάζεται Μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα (ΜΕΜS). Το νέο αυτό πεδίο έδωσε ώθηση στη φυσική τη χημεία, τα υλικά και τις κατασκευές στην κλίμακα του μικρού

14. MEMS Μικροαισθητήρες και Μικροενεργοποιητές Microsensors and Microactuators H MEM τεχνολογία εστιάζεται κυρίως στον σχεδιασμό και την κατασκευή μικροαισθητήρων και μικροενργοποιητών. Οι συσκευές αυτές έχουν τουλάχιστον μια διάσταση στην τάξη του μικρόμετρου και μερικά χιλιοστά τις υπόλοιπες. Μικροαισθητήρες: Σημαντικά στοιχεία πολλών έξυπνων μηχανών Πλεονέκτημα: Μειώνουν το μέγεθος και το βάρος των συσκευών => Το κόστος

15. MEMS Υλικά και μέθοδοι στα MEM Υλικά που χρησημοποιούνται στα ΜΕΜ • Πυρίτιο • Πολυμερή • Μέταλλα(πχ: Χρυσός, Νικέλιο, Αλουμίνιο, Χρώμιο, Τιτάνιο, Πλατίνα και Άργυρος) Μέθοδοι ΜΕΜ • Φωτολιθογραφία • Απόθεση • Χαρακτική

16. MΟEMS Μικρο-οπτο-ηλεκτρονική Η συγχώνευση μικροηλεκτρονικής, μικροόπτικής και μικρομηχανίκης δημιουργεί μια νέα κατηγορία συσκευών τις Μικρο-οπτο-ηλεκτρονικές. Παραδειγματα ΜΟΕΜ συσκευών: • Δυναμικός εστιακός καθρέφτης • Οπτικός διακόπτης • Οπτικό scanner

17. MΟEMS Χαρακτηριστικά οπτικών μικρομηχανών • Η μικρο-μηχανική προσφέρει: • Μικρο-ενεργοποίηση • Μικρο-μηχανική γραμμική και περιστροφική κίνηση • Η μικρο-οπτική μπορεί να είναι: • Διαθλαστικά, ανακλαστικά ή κατοπτρικά μικρο-οπτικα στοιχεία (σταθερά ή κινητά) • Στοιχεία που αξιοποιούν τις ιδιότητες του φωτός στο κενό • Αυτο-ευθυγραμμισμένα μικρο-οπτικά στοιχεία • Η μικρο-ηλεκτρονική προσφέρει: • Ρεύματα και τάσεις για γραμμική και περιστροφική κίνηση • Ικανότητα προ-επεξεργασίας τοπικού σήματος

18. MΟEMS Μικρο-οπτο-ηλεκτρο-μηχανικά Συστήματα Κοινό χαρακτηρηστικό μικρο-όπτικής και MEM: Συμβατά με επεξεργασία κυκλωμάτων πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) Αυτό εξασφαλίζει οτι η τελική συσκευή μπορεί να παραχθεί ευρέως και σε μικρό κόστος

19. MΟEMS Τι Προσφέρει Η Μικρομηχανική Στην Οπτικη • Μείωση του μεγέθους των οπτικών στοιχείων • Κίνηση των οπτικών στοιχείων • Συνύπαρξη ηλεκτρονικών στοιχείων για έλεγχο της κίνησης.

20. MΟEMS Μικρο-οπτικά Στοιχεία Στοιχέιο Λειτουργία • Φάκος - Εστίαση • Ορθοστάτης - Μηχανική υποστίρηξη • Καθρέφτης - Ανάκλαση • Πλέγμα (Grating) - Απόκλιση/ Διάθλαση/ Φασματική Ανάλυση • Διαχωριστής Ακτίνας - Συνδυασμός – Διαχωρισμός Ακτινών • Κυματοδηγός - Καθοδήγηση ακτίνας • Διαμορφωτής (Chopper) - Εξασθένηση/ Διαμόρφωση

21. MΟEMS Χαρακτηριστικά μικρομηχανών • Μέγεθος - (μικρό) Στην κλιμακα μm-mm • Ταχύτητα - 100δες ns εως 1 s • Ενέργεια ενεργοποίησης - CV2/2 (ηλεκτροστατική) • Πολυπλοκότητα - Αρκετά πολύπλοκες • Ολοκληρωσιμότητα - Με ηλεκτρονική και οπτική • Κόστος - Κόστος chip + συναρμολόγηση/πακεταρισμα

22. Παραδείγματα MΟEMS Μικροφακός Fresnel

23. Παραδείγματα MΟEMS Κινητός Μικροκαθρέφτης

24. Παραδείγματα MΟEMS Που εστιάζεται σήμερα η λειτουργία των MOEM • Νέα γενιά οθονών • Βασίζεται στην φυσική κίνηση ανακλαστικών επιφανειών (διαμόρφωση φωτός) • Συστήματα επικοινωνιών • Διακόπτες οπτικών ινών, φίλτρα κλπ • Βασιζεται στην φυσικη κίνηση ενός καθρέφτη για να κατευθυνει το φώς όπου χρειάζεται

25. Παραδείγματα MΟEMS Χειρισμός του φωτός • Χειρισμός του φωτός για ανίχνευση και επεξεργασία σήματος • Η μηχανική προσφέρει την κίνηση που ελέγχεται απο ηλεκτρονικά Παραδείγματα μηχανικά ελεγχόμενης κίνησης φωτεινών ακτίνων: Εκτροπή Ακτίνας Φασματικός Διαχωρισμός

26. Παραδείγματα MΟEMS Ψηφιακή οθόνη μικροκαθρεφτών • 2000χ1000 pixels ανάλυση (2 εκ. Μικροκαθρέφτες) • 16 μm x 16 μm καθρέφτες • Ψηφιακή γκρί κλίμακα χρησιμοποιόντας διαμόρφωση εύρους παλμού

27. Προκλήσεις στα ΜΟΕΜS • Tα ΜΕΜ είναι από τη φύση τους δισδιάστατα • Η κλασική φυσική οπτική είναι από τη φύση της τρισδιάστατη • Απαιτείται πολύπλοκη και λεπτή διαδικασία συναρμολόγησης • Η συσκευασία είναι ενα πρόβλημα

28. Βιβλιογραφία • Micro-opto-electro-mechanical systems, optical engineering/November 1994/vol. 33 • http://www-leti.cea.fr/commun/europe/MOEMS/moems.htm • http://www.darpa.mil/MTO/MOEMS/ • http://www.defenselink.mil/ • http://www.canyonmaterials.com/ • http://www.leister.com/microsystems/microoptics/