Asi každý člověk trošku se zajímající o moderní techniku, již něco slyšel nebo četl o tom, co je zkratka MEMS, tedy Mikro Elektro-Mechanické Systémy. Podobně je tomu i u dnes představované zkratky MOEMS, která znamená Mikro Opticko-Elektro-Mechanické Systémy.
|
Když se dnes okolo sebe rozhlédnete, stále v našem okolí přibývá více a více systémů nějakým způsobem využívajících světlo. Ať již to jsou čtecí a záznamová zařízení, různé zobrazovače a hlavně často před námi skrytá optická datová komunikace, bez které bychom ale neměli tak rychlý internet, jako je v současné době. Kdyby ale všechny optoelektronicko-mechanické prvky byly tvořeny klasickými zrcátky, čočkami například vychylovanými klasickými motorky, všechny systémy by byly velmi veliké, spotřebovávaly by mnoho energie a byly by dost poruchové. Naštěstí tu dnes máme technologii MOEMS, která umožňuje nejen pro optiku potřebné prvky integrovat do jediné miniaturní polovodičové součástky společně s vyhodnocovacími elektronickými obvody. MOEMS jsou tedy kombinované mikroplatformy s integrovanými analogovými, digitálními i optickými prvky na jednom čipu. Můžete se dnes tak setkat s mikroskopickými maticemi naklápěcích zrcátek například pro obrazové projektory, aktivními směrovači optických paprsků mezi vlákny či neuvěřitelně malými integrovanými spektrometry v podobě jedné zapouzdřené součástky s jedním otvorem pro přístup světla na požadované místo čipu. |
Příklad MOEMS součástek (vlevo) a detail struktury vychylovacího zrcadla (vpravo) |
MOEMS obvody mohou v rámci jedné součástky i jednoho křemíkovém čipu (Silicon board) obsahovat zdroj světla v podobě LED či laseru (Source), světlovodivé cesty (light guide), snímače (Detektor), vychylovací a zaostřovací prvky (Focusing mirror).
K čemu je MOEMS ?
|
MOEMS na mikrometrové úrovni umožňují dnes přímo generovat, řídit a směrovat světlo. Jmenovat lze například:
Mimo miniaturní velikosti a možnosti vytvořit inteligentní systémy typu vše na jednom čipu je další velmi významnou výhodou „snadná“ hromadná výroba miliónů stejných prvků stejné kvality, což v případě sestavování systémů z klasických čoček, zrcátek a elektromotorků není zcela možné. A miliónové produkce znamenají nízké ceny součástek typu spektrometry, interferometry, světlo směrovací prvky či miniaturní inspekční prvky. To se pak samozřejmě odráží i na nízkých cenách celých zařízení, které je využívají. Pod zkratkou MOEMS však můžeme najít dvě konfigurace:
První případ je prakticky klasická MEMS struktura, která se využívá pro řízení optického systému. Jde například o různé natáčecí a polohovací mechanismy se zrcadly, clonami či závěrkami. V druhém případě jsou již přímo součástí mechanické struktury generátory světla nebo aktivní světlovodné prvky, tzn. že struktura obsahuje různé odrazné plochy (zrcadla), mikrometrové optické mřížky a čočky apod. |
Ukázky MOEMS obvodů - celý čip spojující dvě optická vlákna (nahoře) a detail dvou elektronicky natáčecích zrcadle (dole) |
Ukázky typického mikrosystému s optikou - světlo vstupuje optickým vláknem do integrovaného obvodu, kde je zaostřovací odraznou mřížkou (vlevo) nebo zrcadly (vpravo) "rozebráno" na jednotlivé složky a odraženo na snímače v podobě fotodiodového pole. Jimi generované signály jsou dále elektronicky zpracovány a na výstupních vývodech jsou již typické požadované analogové či digitální elektrické signály.
Princip výroby MOEMS obvodů
Stejně jako v případě klasického MEMS je i zde několik metod, ale všechny v sobě zahrnují depozici různých vrstev materiálu a jejich následné odleptání v místech, kde nejsou potřeba, tedy přesněji kde je nechceme. Díky chemickému ovládání různé rychlosti horizontálního a vertikálního leptání (podleptávání) je možné vytvořit i jen na malých podpěrách skoro ve vzduchu vysílací mechanické části. Jedním z procesů, jakým se toho dosahuje je litografie, galvanické (elektrolytické) pokovení a lisování (tváření). Každá vytvořená vrstva z různého materiálu je litograficky deponována a tyto vrstvy různé tloušťky se mohou různě navzájem překrývat. Některé vrstvy pak jsou jen určené k obětování jako podpěra dalších vrstev během výroby a při procesu se kompletně odstraní. Nebo jiná se využívá pro potřeby lisování následující vrstvy. Ta bude překrývat tu první a bude snadno vytvarována do požadovaného tvaru. Následně se první vrstva odstraní (nechá odleptat) a vznikne tak 3D mechanická struktura. Tento postup se opakuje znova a znova až vznikne celý požadovaný složitý mikrosystém. Dokonce dnes lze do struktury implementovat i miniaturní diodové či laserové čipy a tím vznikne struktura, která světlo nejen zpracovává, ale i si je sama generuje.
Takovými výrobními postupy lze například vyrobit pole až 40 mikrometrických křemíkových digitálních zrcadel s přepínací dobou kratší než 1 ms při napájení 50 V. Jako odrazná vrstva se využívá zlata. Průhledné části, resp. části určené pro okolní světlo se pak zapouzdří do antireflexního krycího skla.
Příklad výroby MEMS a MOEMS obvodů pomocí deponování různých vrstev a následně jajich odleptání.
Příklady některých prvků vyráběných technologií MOEMS
Optické akční členy VOA
Pomocí MOEMS snadno lze realizovat i to, co v makro měřítku není moc možné, tedy vícestavové optické aktivní členy. Jedním druhem jsou tzv. VOA (variable optical attenuator), což je mechanismus využívaný k zafixování pozice clony (závěrky) vložené do cesty paprsku mezi dvě optická vlákna. Celý systém, včetně upevnění optických vláken, bývá realizován v 85 mikrometrů (mikronů) tlustém křemíku s použitím technologie SIO (Silicon-On-Insulator) hlubokým reaktivním leptáním. Součástku lze kontinuálně nebo po krocích nastavovat do požadovaných stavů s využitím mikroozubeného mechanismu poháněného elektroteplotními akčními členy. Možná je tak přednastavená skoková i plně jemná změna pozice závěrky.
Detail MOEMS struktury optického akčního členu VOA
Proměnné clony / štěrbiny
Technologií MOEMS lze vytvořit také proměnné clony. Součástka obsahuje několik závěrkových ostří oddělených vlastními mikromotorky. Jejich synchronní funkce pak umožňuje vytvářet proměnou polygonální clonu. Optický výkon zařízení s rozdílným počtem ostří je plně srovnatelný s výsledky analytickým modelů a difrakčních teorií. Například struktura se čtyřmi ostřími poháněnými elektroteplotními akčními členy vytváří symetrické vychýlení a tak čtvercovou pupilu.
Reálná fotografie miniaturní MOEMS čtvercové clony (vlevo) a ukázka při stavu jejího otevření (vpravo).
Samostavěcí pole mikročočekPomocí MOEMS se vyrábí i pole samostavěcích mikročoček. Ty jsou navrženy pro kolimaci optických paprsků, které procházejí souběžně se substrátem mikrosystému. Čočky jsou vytvořeny na nosné desce připevněné na stavěcí mechanismus realizovaný povrchovým mechanickým napětím získaným tavením obdélníkových plošek z tlustého fotorezistu. Tím se součástka "naprogramuje". Samotné čočky jsou vytvářeny tavením kruhových plošek stejného rezistu o průměru cca 80 mikronů. Ty pak mají klasické optické vlastnosti s ohniskovou vzdáleností cca 50 mikronů a využívají se ve zpracování obrazu a směrování signálu mezi optickými vlákny. |
Celá postavená konstrukce pole mikročoček (vlevo) a detail čoček (vpravo) |
MOEMS laditelné lasery
Laditelné lasery jsou základním prvkem DWDM (Dense wavelength division multiplexing) a dle vlnové délky směrovacích optických systémů. Monolitické zdroje doposud existovaly jako multisekční distribuované lasery s Braggovou mřížkou. Jejich výkon však je o mnoho menší než lasery s pevnou vlnovou délkou. Jinou alternativou jsou lasery s externí dutinou, které mají výhodu právě ve větším výstupním výkonu a jednodušším vztahu mezi řídícími signály a vysílanou vlnovou délkou, sníženým šumem během ladění a sníženou citlivostí na stárnutí.
Proto byly vyvinuty miniaturní mřížkou laditelné laserové diody s externí dutinou konstruované pomocí MOEMS. Ladící prvek jsou vertikálně vyleptané optické mřížky upevněné na pružinách vyráběných hlubokým leptáním křemíkového materiálu BSOI (Bonded Silicon-On-Insulator). Ty prohýbáním pomocí elektrostatických budičů otáčejí a mění mřížku. Takto lze vyrobit jednomódové lasery s výkonem větším než 500 mW a s přeladitelností vlnové délky přes 100 nm. Také je ale možné ladit i v malých rozsazích i po 30 nebo 5 nm.
Detail MOEMS externí dutiny (vlevo), do které přichází signál z laseru a která umožňuje přelaďovat vlnovou délku světla (vpravo). Graf ukazuje 10 různých vlnových délek možného přeladění.
Elektronicky ovládané naklápěcí zrcadlové mikroskenery
Pro konstrukci samostavěcích a elektronicky naklápěných vychylovacích zrcadel mikroskenerů se využívá 3D rámů ovládaných povrchovým mechanickým napětím. Samotný skenovaní prvek se skládá z malých zrcadel upevněných na torzní tyči, která je excitovaná do mechanických rezonančních oscilací šikmým elektrostatickým hřebenovým pohonem ze základny. Při statickém stavu součástka odklání optický paprsek paralelně běžící s povrchem o 90°. Když elektrody jsou buzeny sinusovým budícím napětím, zrcátkový systém osciluje na mechanické rezonanční frekvenci a odklání paprsek pro vytvoření skenovací „lajny“ vhodné například pro čtečky čárových kódů. Ve prospěch tohoto řešení hovoří široký skenovaní úhel až 16° bez jakýchkoliv pozorovatelných vibrací. Budící napětí je v řádu stovek voltů (175 V), ale očekává se v budoucnu jeho snížení spolu s vývojem nové elektroniky.
Celkový pohled na jedno naklápěcí zrcadlo (vlevo), závislost jeho natočení na frekvenci budícího signálu (uprostřed) a detail elektrostatického hřebenového pohonu naklápění (vpravo).
Závěr
MOEMS je prakticky rozšířená MEMS technologie o optické prvky. Často se setkáme i jen s výrazem „Optical MEMS“ nebo prostě jen MEMS, pokud celý integrovaný systém je složitá struktura, kde optika tvoří jen jeho malou součást. Například jako na obrázku níže uvedený tzv. inteligentní prach, který by v budoucnu měl znamenat převrat v oblasti špionáže. Zde z celkové integrované součástky jen 3 bloky přímo pracují se světlem - blok aktivního řízení vychylování laserového paprsku, blok pasivního vychylování a blok snímání světla senzorem a jeho převod na elektrický signál. Ten dál zpracovává analogová a digitální elektronika se signálovým procesorem (DSP) umístěná pod těmito bloky. Dále pak se nacházejí napájecí obvody.
Příklad struktury tzv. chytrého prachu, kde miniaturní zrnka velikosti 1 až 2 mm díky integrované elektronice, MEMS a MOEMS obsahují kompletní napájecí, měřící i vyhodnocovací systém.
Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
Zajímavé odkazy o MOEMS:
