MEMS scanners actuated with mechanical coupling and comb drives

Abstract

MEMS (Mikro- Elektro- Mekanik- Sistemler) mikrotarayıcılar standart tarayıcılara göre ışık ışınlarını daha hassas ve hızlı yönlendirebilmek için kullanılmaktadır. Mikrotarayıcılar özellikle görüntüleme, haberleşme ve barkod okuma uygulamalarında kullanılmaktadır.Bu tezde, elektrostatik kuvvet ile sürülen tarayıcılar için sistemin verimini arttırmak ve doğal salınım frekansında düşük voltaj ile yüksek genlikli hareket elde etmek için mekanik bağlaşım prensibini kullanan yeni bir metot sunulmuştur. Bu yöntemde, tarayıcının etrafına ikinci bir platform tanımlanmıştır ve elektrostatik kuvvet üreten tarak tahrikleyicileri (comb actuator) sadece dış platformda bulunmaktadır. İki boyutlu serbestlik derecesi olan sistemlerde (2-DoF), temel olarak tarayıcının geometrisi ve tarayıcı ile dışarıdaki platformu bağlayan yayın yay sabiti tarafından belirlenen mekanik bağlaşım frekansında, dış platformun genlik miktarı tarayıcıya sistemin mekanik bağlaşım katsayısı ile katlanarak iletilmektedir. Bu sistemin temel yararı, tarak tahrikleyicileri ile üretilen az miktardaki elektrostatik kuvvetin, bir boyutlu serbestlik derecesi olan sistemlere göre, tarayıcının daha yüksek genlikli hareketi için yeterli olmasıdır. Bu sistem, ayrıca doğrusal hareket (linear) modunda sürülen tarayıcılardaki yapışma (pull-in) problemini ortadan kaldırmak ve burulma (torsion) modunda sürülen tarayıcılardaki kayma hareketine (sliding) bağlı sönümleme etkisini azaltmak için de uygulanabilmektedir.Mekanik bağlaşım katsayısına ve mekanik bağlaşım frekansına ait formüller çözümsel olarak elde edilmiştir. Sistemde yüksek genlikli hareket elde edebilmek için mekanik bağlaşım katsayısı bilgisayar destekli metotlarla da analiz edilmiştir. Burulma ve doğrusal hareket modlarında çalışan tarayıcılar tasarlanmış ve SOI (silicon- on- insulator) mikro-üretim teknikleri ile üretilmiştir. Ayrıca, tasarımlar test edilerek mekanik bağlaşım tekniği deneysel yollarla doğrulanmıştır.Tezin ikinci bölümünde, polimer dalga kılavuzu üretmek için lazer ile maskesiz yazma sistemi geliştirilmiş ve optik yapılar ile mekanik yapılar entegre edilmiştir.

MEMS microscanners are used to guide or manipulate the light beams more precisely and faster than conventional scanners. Microscanners are mostly used in display, imaging, telecommunication and barcode recognition applications.In this thesis, a new actuation mechanism using mechanical coupling is demonstrated to increase the efficiency of the comb-drive MEMS scanners and provides large resonant deflections at low voltages. An additional outer frame is defined around the scanner and the comb actuators are presented only on the outer frame. At the mechanical coupling frequency of the 2-DoF (Degree- of- freedom) system, which is mainly defined by the stiffness of the scanner flexures and the scanner geometry, the deflection of the outer frame coupled to the scanner with a mechanical coupling efficiency (coupling gain). The main advantage of this system is that, a small electrostatic force generated in the comb fingers is sufficient to achieve large scanner deflections in comparison to 1-DoF systems. Moreover, this method is applicable to eliminate the pull-in limitation in the linear scanners and reduce the sliding film damping of the comb fingers on the torsional scanners.The mechanical coupling efficiency and the mechanical coupling frequency formulae are derived analytically. To optimize the system for maximum deflection, numerical analysis of the mechanical coupling efficiency is performed, as well. Different linear and torsional scanners are designed and fabricated in this work using SOI fabrication techniques. In addition, designs are tested to validate the mechanical coupling mechanism.In the second part of the thesis, a maskless laser writing system is developed for making polymer waveguides and other optical structures integrated with mechanical structures.