Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Produkcji

Podstawy MEMS- Laboratorium

Temat: „Mikrozwierciadło”.

ANDRZEJEWSKA KATARZYNA A61

BARTOSZ KAMILA A61

termin zajęć:

Poniedziałek godz. 10-12

Prowadzący:

dr inż. Zbigniew Gulbinowicz

Warszawa 25.05.2015

1. CEL ĆWICZENIA

Podczas tego ćwiczenia badaliśmy jak odkształca się mikrozwierciadło pod wpływem naprężeń. Za pomocą oprogramowania Comsol zbudowany model mikrolustra, który został przedstawiony poniżej.

1. MIKROZWIERCIADŁA

MIKROZWIERCIADŁA UCHYLNE

Matryca zbudowana jest z mikrozwierciadeł uchylnych, działających na zasadzie włącz/wyłącz. Pojedynczy przełącznik zbudowany jest z dwóch części: zwierciadła uchylnego (część ruchoma) oraz elektrody sterującej (część nieruchoma). Zwierciadła mogą znajdować się tylko w dwóch położeniach: włączenia (ON) oraz wyłączenia (OFF). W momencie podania napięcia do zwierciadła i elektrody następuje wychylenie zwierciadła do pozycji poziomej (jest to stan wyłączenia), co zapewnia swobodną propagację wiązki świetlnej w głąb struktury do następnych zwierciadeł. W chwili odjęcia napięcia sterującego zwierciadło opada do pozycji pionowej (stan włączenia). Zwierciadła są ustawione pod kątem 45 ̊ w stosunku do biegu wiązki świetlnej. Zaletą takiego systemu jest możliwość krzyżowania wiązek świetlnych, ponieważ w wolnej przestrzeni fale nie interferują.

MATRYCA MIKROZWIERCIADEŁ

Matryca zbudowana z mikrozwierciadeł, inaczej Chip DMD (Digital Micromirror Device), jest stosowana w projektorach. Najnowocześniejsze rozwiązania pozwalają na uzyskanie najlepszej jakości obrazu. Przykładem tego jest projektor LED.

W przeciwieństwie do projektorów lampowych, posiadających jedno źródło światła, które przechodzi przez filtr nadający mu kolor, projektory LED posiadają 3 źródła światła. Każda z diod generuje światło w określonym kolorze: czerwonym, niebieskim i zielonym.

Światło z diody zostaje skupione przez soczewkę i pada na półprzepuszczalne lustro. Następnie światło z diod łączy się w celu uzyskania odpowiedniego koloru.

Po odbiciu od lustra, światło pada na chip DMD. Każde z mikroluster odpowiada za jeden piksel wyświetlanego obrazu, potrafi błyskawicznie zmienić swoje położenie w celu zmiany obrazu generowanego przez piksel, za który odpowiada. W przypadku obrazu wyświetlanego z częstotliwością 60 Hz jest to 1/60 sekundy.

Matryca mikrozwierciadeł generuje obraz w skali szarości, któremu kolor nadawany jest za pomocą światła padającego z diod.

Po odbiciu od DMD obraz przechodzi przez pryzmat i jest skierowany na obiektyw.

Regulacja odcienia odbywa się za pomocą wychylenia mikrolustra, w zakresie ±10 ̊.

MIKROZWIERCIADŁA STOSOWANE W SKANERACH

Zwierciadła tego typu stosowane są w układach czytających kody paskowe lub w układach pozycjonujących wiązkę laserową. Mała bezwładność skanerów odbijających światło przy użyciu ruchomych mikrozwierciadeł o stosunkowo małej masie zapewnia wysoką szybkość działania , precyzyjne pozycjonowanie oraz dokładne skanowanie. Te cechy pozwalają na stosowanie tego typu zwierciadeł w skanerach wysokiej klasy, które wymagają dokładnego skanowania z dużą prędkością. Aby otrzymać strukturę ruchomą zastosowano układ specjalnych przegubów.

MIKROZWIERCIADŁA UGINANE

Pod powierzchnią zwierciadła znajduje się elektroda sterująca. Zwierciadło podtrzymuje belka, która jest jednocześnie osią obrotu zwierciadła. Uginanie zwierciadła następuje poprzez wykorzystanie właściwości skręcających belki. Na zdjęciu poniżej został przedstawiony schemat uginania belki:

Siły powodujące powstanie momentów obrotowych pochodzenia mechanicznego oblicza się z następujących wzorów:

$$F_{1}\left( x \right) = \frac{1}{2} \bullet \varepsilon_{0} \bullet m \bullet {V_{1}}^{2} \bullet \int_{0}^{b}\frac{\text{dx}}{{(d + \left( b + p \right)\operatorname{tg}\theta - x\operatorname{tg}\theta)}^{2}}$$

$$F_{2}\left( x \right) = \frac{1}{2} \bullet \varepsilon_{0} \bullet m \bullet {V_{2}}^{2} \bullet \int_{b + 2p}^{2b + 2p}\frac{\text{dx}}{{(d + \left( b + p \right)\operatorname{tg}\theta - x\operatorname{tg}\theta)}^{2}}$$

Poniżej znajduje się wykres zależności wychylenia mikrozwierciadła od napięcia przyłożonego do elektrod. Jest to zależność nieliniowa.

1. WNIOSKI

• Zastosowanie metod numerycznych umożliwia w szybki i dokładny sposób określenie odkształcenia mikrozwierciadła , bez konieczności rozwiązywania skomplikowanych równań analitycznych i znajomości zaawansowanych zagadnień matematycznych, co w znaczny sposób ułatwia projektowanie MEMS

• Kolejną zaletą zastosowania oprogramowania COMSOL jest możliwość analizy modelu bez konieczności budowania bardzo drogich prototypów.

• Wraz ze wzrostem naprężenia następuje uniesienie tafli lustra ale również powstanie ugięcia w przekroju poprzecznym. Świadczy to o możliwości zastosowania takiego układu jako zwierciadła o zmiennej ogniskowej.

• Dzięki zastosowaniu mikrozwierciadeł współczesna technika zyskała na jakości i szybkości przetwarzanych sygnałów.

• 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