Anonim
Image

Urządzenia, które integrują MEMS wykonane z krzemu z obwodami elektronicznymi (takie jak poduszki powietrzne i projektory komputerowe) już istnieją, ale istnieje bardzo niewiele połączonych systemów MEMS i fotonicznych poza źródłami lasera dla telekomunikacji i podobnych urządzeń. Systemy obejmujące MEMS, sterowanie elektroniczne i fotonikę nie zostały jeszcze w dużej mierze przyjęte przez rynek.

Szkockie konsorcjum ds. Zintegrowanych systemów mikro-fotonicznych (SCIMPS) łączy wiedzę specjalistyczną w zakresie źródeł optycznych, MEMS, mikroprzepływów, elektroniki i biomedycyny, aby sprostać wielu wyzwaniom w diagnostyce i oprzyrządowaniu optycznym. Celem inicjatywy SCIMPS jest doprowadzenie do prawdziwej integracji MEMS i mikroelektroniki oraz sterowania w oprzyrządowaniu opartym na zaawansowanej technologii fotonicznej. Finansowany przez Scottish Funding Council projekt łączy prace uniwersytetów w Glasgow, Heriot-Watt i Strathclyde, Institute of Photonics i Institute for System Level Integration.
Wydajność w miniaturze

W ramach projektu SCIMPS zespół badawczy w iSLI pracuje nad krzemowymi urządzeniami MEMS i MEMS / podsystemami elektronicznymi, aby umożliwić następnej generacji wysokowydajnych zminiaturyzowanych i wysoce zintegrowanych systemów fotonicznych. Wczesne badania skupiły się na opracowaniu urządzeń do mikroskanowania do stosowania w zminiaturyzowanych dynamicznych systemach optycznych opracowywanych przez innych członków konsorcjum.

n

iSLI opracowało elektro-termiczny skaner MEMS, który jest uruchamiany przez pojedynczą warstwę strukturalną. Oryginalny trójramienny elektro-termiczny siłownik pozapłaszczyznowy pochodzi z prac przeprowadzonych w Center for Microsystems and Photonics, również partnerze SCIMPS na Uniwersytecie w Strathclyde.

Siłownik jest wytwarzany za pomocą SOIMUMP, procesu dla wielu użytkowników francuskiej firmy Memscap. Zarówno lustro, jak i mechanizm uruchamiający są uformowane w tej samej warstwie, co jest łatwe do wytworzenia, opłacalne i zapewnia niezawodność. „W górę” kierunek ruchu jest określony przez naprężenie szczątkowe warstwy metalicznej osadzonej na powierzchni krzemu. Obecny skaner może pracować z prądu stałego na niskie częstotliwości (80 Hz) z dużym optycznym kątem skanowania (10?). Zarówno CMP, jak i Institute of Photonics obecnie aktywnie wykorzystują ten skaner w systemach programistycznych do obrazowania ze skanowaniem laserowym i mikroskopii.

„Zazwyczaj położenie osiowe elektrostatycznie napędzanego skanera MEMS zmienia się wraz ze zmianą kąta lustra; coś, co jest zwykle niepożądane w układzie optycznym ”- mówi Dominik Weiland, jeden z projektantów MEMS.

„W iSLI opracowaliśmy rozwiązanie analityczne dla urządzenia z dodatkową elektrodą do kontroli tego ruchu osi Z ?. Daje to możliwość wyprodukowania skanera, który jest wysoce stabilizowany wzdłuż osi optycznej, co będzie szczególnie cenne w systemach obrazowania ”, mówi Weiland.

Prosta struktura
Poprzez dalszą pracę z grupą Micro-Scale Sensors Group na University of the West of Scotland, iSLI zaproponował prostą strukturę dla mikroskanera optycznego, złożonego z dwóch piezoelektrycznych wiązek bimorficznych, które są używane do uruchamiania płyty lustrzanej. Opracowano kompletny model analityczny urządzenia piezoelektrycznego, co prowadzi do dokładnego obliczenia profilu konstrukcji i nachylenia lustra.

Modelu można bardzo szybko użyć do zbadania wpływu parametrów geometrycznych i właściwości materiału na wydajność mikroskanera, bez konieczności powrotu na początek do kosztownego obliczeniowo modelowania elementów skończonych. To zrozumienie stanowi podstawę do dalszego modelowania behawioralnego i integracji VHDL, umożliwiając szybką symulację na poziomie systemu i optymalizację tych struktur.

Mikroscanner to tylko jedno urządzenie, które zostało opracowane jako wczesna demonstracja. Konsorcjum skupia się na systemach integrujących wiele technologii dostępnych w celu dotarcia do nowych obszarów. Pracuje również nad wieloma technologiami i aplikacjami (takimi jak obiektyw z mikro-zoomem i zestawem narzędzi optycznych do zastosowań medycznych), które są znacznie większe niż ta koncepcja jednego urządzenia.

Podejście do wyzwania
Rozwój systemów optycznych i oprzyrządowania w dziedzinie mikro daje wiele nowych możliwości, ale jednocześnie stanowi poważne wyzwanie techniczne. Zespoły uczestniczące w projekcie SCIMPS rozwijają wiedzę na temat budowy kompaktowego systemu jednoczęściowego, który składa się z kilku różnych technologii: optyki, MEMS i elektroniki.

System musi być bardzo dokładny, mieć połączenia elektryczne i musi zostać zrealizowany w procesie montażu, aby wszystkie elementy mogły przetrwać. W dziedzinie MEMS jednym z celów projektu jest „wynalezienie” urządzeń MEMS, które umożliwią ruch elementów optycznych w liczbie osi i na odległości wymagane przez nowe układy optyczne.

Istnieje wiele zastosowań tego typu łączenia technologii, w tym wysokiej jakości i elastyczne obrazowanie zębów w chirurgii stomatologicznej, sondowanie i testowanie pojedynczych komórek przechodzących przez mikrokanał oraz przetwarzanie i odczytywanie slajdów diagnostycznych z wieloma analitami w celu wykrycia choroby. Ta wczesna integracja technologii ma zatem znaczny potencjał rozwojowy. Sam MEMS otworzył dostęp do szeregu mierzonych wielkości fizycznych, które nie są łatwo dostępne w podejściach wyłącznie elektronicznych.

W podobny sposób MEMS otwiera wiele nowych aplikacji. Dało to szereg możliwości, w których fotonika może być w stanie zapewnić funkcje, które pozwolą MEMS na zajęcie się zupełnie nowym zestawem aplikacji, których nie da się rozwiązać bez fotoniki.

Chociaż jest to integracja technologii na bardzo wczesnym etapie, aw krótkim okresie może być zbyt kosztowna dla rozwoju komercyjnego, może nastąpić szybki postęp w zastosowaniach medycznych. Gdy zespołom uda się opracować ramy integracji, potencjał do dalszego rozwoju jest ogromny.