Electromagnetically actuated optical micro-mechatronic systems integrated on PCB

Abstract

Bu tez çalışmasında, baskı devre yapımında kullanılan en yaygın malzeme olan FR4, ilk kez minyatür ve tümleşik bir optik, elektronik ve mekatronik sistem platformu olarak kullanılmaktadır. Bu alandaki araştırmalar oldukça verimli olmuş, çok sayıda yenilikçi tasarım ve fikri mülkiyet hakkının ortaya çıkmasına öncülük etmiştir.FR4 ile çalışılan araştırma konularının başında lazer tarayıcılar gelmektedir. Bu kapsamda, dinamik odaklama özelliğine sahip bir FR4 tarayıcı tasarlanmış ve üretilmiştir. Lazer tarayıcılar, döner ayna ya da ışığı kıran elemanlar kullanarak ışık ışınlarını yönlendirebilen optik aygıtlardır. Tarayıcıların başlıca uygulamaları arasında yüksek çözünürlüklü görüntüleme, optik mikroskopi, barkod okuma ve lazer yazma yer almaktadır. Dinamik odaklama özelliği, pasif optik elemanlar ile başarılamayan bir şekilde, çözünürlükten kayıp vermeden odak genliğini genişleterek tarayıcının çalışma menzilini yüksek oranda artırır. Tasarlanan opto-elektro-mekanik platformda, tümleşik hareketli bir kola yerleştirilmiş lazer diyot, odaklama lensi, elektronik elemanlar, tahrikleme elemanları ve tüm bu parçalar ile bütünleşik dönebilen bir tarama platformu bulunmaktadır. Böylece, diğer teknolojiler ile başarılması çok güç bir bütünleştirme (entegrasyon) seviyesine ulaşılmıştır. 50 dereceden fazla tarama açısı ve 500 mikrondan fazla lazer diyot kolu deplasmanı, 50Hz civarında doğal frekanslarda elde edilmiştir.Bu çalışmanın önemli başarımlarından biri de elektromanyetik tahrikli sistem tasarlanması ve modellenmesidir. Üç farklı tahrik mekanizması ile çalışan tarayıcılar modellenmiş ve analiz edilmiştir: (i) hareketli mıknatıs mekanizması ve pozisyon geri beslemesi veren bütünleşik ters elektro-motif kuvvet (back emf) voltajı algılayıcısı, (ii) hareketli manyetik film tahrikli sistemler ve eşdeğerli olmayan manyetik alanda, doygunluğa ulaşmış ve ulaşmamış filmler için geçerli olan, ardıl izlemi (hysteresis) yeni bir fonksiyon kullanarak kapsayan manyetik ince film modeli, (iii) Lorentz kuvveti ile çalışan hareketli bobin sistemleri.

In this research FR4, most commonly used printed-circuit-board (PCB) material, is explored for the first time as a new material and integration platform for miniaturized optical, electronic, and mechatronic devices and systems. The results of this investigation have been very fruitful, leading to several novel concepts and intellectual property in this area.One of the main avenues explored is laser scanning: an FR4 scanner with dynamic focusing feature is designed and demonstrated. Laser scanners are optical devices that manipulate the light beam direction using rotating mirrors or refractive elements, with applications in high resolution display and imaging systems, optical microscopy, barcode reading and laser printing. Dynamic focusing significantly extends the depth-of-focus of laser scanners without compromising the scanner resolution, which cannot be achieved with conventional passive optics. The designed opto-electro-mechanical system comprises a laser diode mounted on a vibrating arm, a rotating platform incorporating a focusing lens, actuators and electronics. The degree of integration demonstrated is not achievable with such ease at low-cost with other technologies. Scan angle greater than 50 degrees and laser plunger deflection greater than 500 ?m is achieved at around 50Hz resonant frequency.One of the major contributions of this thesis is on electromagnetic actuator design and magnetic modeling. Three different types of electromagnetic actuators are analyzed and compared in performance: (i) moving magnet actuators and associated back-emf position sensors, (ii) moving magnetic film actuators, where the developed thin-film magnetic model is valid for non-uniform fields for both saturated and unsaturated material cases and accounts for the magnetic hysteresis using a new closed form analytical expression, (iii) moving coil Lorentz force actuators.