Electrostatic MEMS actuators for endoscopic imaging and high resolution displays

Abstract

MEMS aynalar kullanarak lazer taraması birçok görüntüleme ve ekran sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu tip sistemler ışığı yönlendirmek için ayna kullanırlar ve bu sebepten ışığın belirli bir alan içerisinde yönlendirilmesini gerektirir. Bazı uygulamalar, örnek olarak doğrusal bakan endoskopik görüntüleme uçları, hacimsel olarak küçültme gereksinimi içerisindedir. Mikro Lens Dizinleri (MLD) ile yüksek çözünürlüklü görüntüleme mümkündür, ve çok küçük yerdeğiştirme hareketi ile çok büyük açısal tarama gerçekleştirilebilinir. Klinik ortamlarda, küçük ve geliştirilmiş görüntüleme sistemlerine ihtiyaç vardır. MLD ile entegre edilmiş MEMS aygıtları bu gereksinimleri karşılayark yüksek çözünürlüklü küçültülmüş görüntüleme sistemleri için bir seçenek sunmaktadır.Tezin ilk kısmında, yeni bir tek elektrostatik parmak takımıyla 2 boyutta tahriklenen MEMS aygıtı sunulmuştur. MEMS aygıtlarıyla entegre tarama sisteminin gerçekleşmesi için polimer MLDler aygıtların üzerine fabrikasyon sonrasında yerleştirilmiştir. Bu tezde 2 boyutlu MEMS aygıtlarının mekanik tasarım süreci, mikrofabrikasyon sonuçları , deneysel sonuçları sunulmuştur. MLD entegre edilmiş MEMS tahrikleyiciler ile 100 Volt uygulanarak 124 µm düzlem dışı hareket elde edilmiştir. Düzlem içi kayma modunda ise 34 µm hareket 57 Volt gerilim ile elde edilmiştir.Tezin ikinci kısmında, elektrostatik parmaklarla tahriklenen ve dolaylı şekilde sürülen yeni bir MEMS tarayıcı sunulmuştur. Elektrostatik parmaklarla tahriklenen MEMS tarayıcılar az güç harcama, geniş açı taraması, yüksek frekans tarama özellikleri gibi görüntüleme sistemlerinde kritik olan gereksinimleri karşılayabilmektedir. Bu tezde anlatılan MEMS tarayıcı tek çerçeve tarayıcılardan farklı olarak çoklu çerçeveden oluşmuştur. 298 Volt gerilimle havada 26.7 derece optik tarama ve vakumda ise 113 Volt ile 36.18 derece optik tarama elde edilmiştir.

Laser scanning utilizing Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) mirrors is used in many display and imaging applications. These systems utilize mirrors to steer the beam and thus require beam folding. There are applications, such as the forward-looking endoscopic imaging probe, where the system needs to fit in a tiny tube. Beam steering with cascaded Micro Lens Arrays (MLAs) require only small lateral displacements to achieve high angular beam steering. In that sense, beam steering with MLAs integrated MEMS propose a new solution to a forward-looking endoscopic imaging probe.In the first main part of this thesis, a novel 2 degree-of-freedom(DOF) MEMS stage with one uniaxial set of comb fingers is presented. Mechanical design progress, microfabrication results and characterization of both only 2D MEMS stages and MLA integrated 2D MEMS stages are presented in the first part of thesis. With 1.1mm x1.1mm MLA integrated device, 124 µm out-of-plane deflection is achieved with an applied voltage of 100 Volt in resonance frequency and 34 µm in-plane deflection is achieved with an applied voltage of 57 Volt again in resonance frequency.In the second main part of the thesis, a novel comb actuated torsional MEMS scanner utilizing indirect drive method is presented. Electrostatic MEMS scanners meet the requirements of high frequency scan speed, large scan angle, and low power consumption. With an applied voltage of 298 Volt, 26.7º Total Optical Scan Angle (TOSA) is obtained at resonance in ambient conditions, where in vacuum TOSA of 36.18º is achieved with an applied voltage of 113 Volt again in resonance.