Design and fabrication of polymer magnetic actuators for scanning

Abstract

Yüksek Lisans Tez Özet FormuÖğrencinin Adı : Olgaç ErgenemanAna Bilim Dalı : Elektrik MühendisliğiTez Başlığı : Design and Fabrication of Polymer MagneticActuators for ScanningÖzetBu tezde polimer kalıplama ve manyetik film elektrokaplama yöntemleri kullanılarak üretilen basitve düşük maliyetli rezonans lazer taryıcıların tasarımı ve geliştirilmesi anlatılmaktadır. Buradaanlatılan polimer manyetik tarayıcılar, prototip bir barkod okuyucu düzeneğinde kullanılmış ve eldeedilen performansın çeşitli tek boyutlu ve iki boyutlu görüntüleme uygulamaları için yeterli olduğukanıtlanmıştır. Bu çalışmanın en önemli katkıları (1) polimerler ve elektrokaplama ile elde edilmişmanyetik malzemeler kullanarak basit ve düşük maliyetli üretim metodunun geliştirilmesi (2)manyetik malzemeler kullanarak bir boyutlu ve iki boyutlu tarama işlemleri için dinamik tahriklememetodlarının modellenmesi ve geliştirilmesi olarak sıralanabilir.Bu çalışma için iki tür tarayıcı tasarlanmıştır: Yalniz bir ucu destekli olan bükülme ile çalışantarayıcılar, iki ucu destekli burulma ile çalışan tarayıcılar. Geliştirdiğimiz metod, mikro teknoloji ileüretilen tarayıcılardan farklı olarak, temiz oda veya foto-litografi işlemleri gerektirmemektedir.Polimerler kalıplama ile yada kesilerek istenilen şekle getirilmiş, tarayıcı ayna olarak kullanılmışlardır.Değişik tip kendinden sertleşen yada morötesi ışıkla sertleşen polimerler yapısal malzeme olarakdenenmişlerdir. Morötesi ışıkla sertleşen polimerle ve baskı devre üreticileri tarafindan kullanılanüzeri bakır kaplı kartlarla iyi sonuçlar elde edilmiştir. Yüksek yansıtıcılık ve ayna yüzey kalitesi içinpolimerin bir yüzü ya Aluminyum kaplanmış yada Aluminyum kaplı Silikon bir ayna tarayıcıyailiştirilmiştir. Manyetik malzemenin yapısal malzemeyle birleştirilmesi iki türlü gerçekleştirilmiştir:(1) Toz halindeki manyetik parçacıkların polimerle karıştırılması, (2) polimerin altına nikel demiralaşım filmin elektrokaplanması. Rezonans modunda dinamik tahrikleme, dışarıdaki bir elektro-mıknatısa zamanla değişen bir akım uygulanmasıyla sağlanmıştır. Aynı manyetik alan için,elektrokaplama ile yapılmış tarayıcılardaki manyetik kuvvetin, manyetik parçacıklı tarayıcılarla eldeedilen manyeti kuvvetten daha güçlü olduğu gözlenmiştir. Nikel demir alaşım filmlerinelektrokaplanması kaplama laboratuarımızda gerçekleştirilmiştir.Bu çalışmanın katkılarından bir başkası da yumuşak manyetik malzeme kullanan tahrikmekanizmalarının doyma ve doğrusal modlarda modellenmesi ve optimizasyonu üzerine olmuştur. Buçalışma, tarayıcının küçük açısal dönüşlerini incelemektedir. Elektro-mıknatıs parametrelerininmalzeme magnetizasyonu üzerindeki etkileri ve manyetik malzemenin ardıl izleminin tarayıcıdinamiği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Manyetik alanın radyal ve dik bileşenlerinin ve incemanyetik filmlerdeki şekilsel anizotropinin, malzeme magnetizasyonunu ve manyetik kuvvetleribelirleyen önemli faktörler olduğu anlaşılmıştır. Prototip cihazlar static ve dinamik methodlarkullanılarak test edilmiş, deneysel sonuçlar teorik ve sonlu eleman anlizi sonuçlarını doğrulamıştır.Son olarak, üretilen tarayıcılar kullanılarak bir barkod okuyucu sistemi gösterilmiş ve tipik bir boyutlubarkodlar için performans kriterleri yakalanmıştır.Danışman: Yard. Doç. Hakan Ürey Tarih:Enstitü Müdürü: Prof. Dr. Yaman Arkun Tarih:

M.A./M.S. Thesis Abstract FormName of the Student : Olgaç ErgenemanProgram of Study : Electrical EngineeringThesis Title : Design and Fabrication of Polymer MagneticActuators for ScanningAbstractThis thesis mainly deals with the design and development of resonant laser scanners with asimple and low-cost fabrication process using molded polymers and electroplated magnetic films.The polymer magnetic scanners described here are used in a prototype barcode reading systemand the performance proved to be adequate for certain 1D and 2D imaging applications. Mostimportant contributions of this work are (1) the development of a simple and low-cost fabricationprocess using polymers and electroplated magnetic materials, (2) the design and modeling ofnovel dynamic-actuation methods with magnetic materials for 1D and 2D laser scanning.Two types of scanners were designed for this work: cantilever beam scanners and torsionalscanners. Unlike micromachined scanners, the present process does not require clean roomenvironment and photolithography steps. Polymers are molded or cut into desired shape and usedas scanning mirrors. Different types of self-curing or UV-curing polymers are tested as structuralmaterial. Good results are obtained with UV-curing polymer, typically used for stereo-lithography, and the copper coated epoxy used in printed circuit boards (PCB). One side of thepolymer is either coated with Aluminum (Al) or Al-coated Silicon mirror is attached to thescanner for high reflectivity and good mirror surface quality. Magnetism is introduced to thestructural material in two different ways (1) mixing magnetic particles in powder form into thepolymer, (2) electroplating permalloy (Ni80Fe20) magnetic film underneath the polymer.Resonant-mode dynamic actuation is obtained by applying a time-varying current to an externalcoil. For a given magnetic field, magnetic forces obtained with the electroplated scanners arehigher than the forces obtained with the magnetic particles. Deposition of permalloy (80% nickeland 20% iron) magnetic thin films is performed in our plating facilities.Another contribution of this work is in modeling and optimization of the magnetic actuationusing electroplated thin films in both saturated and unsaturated modes of operation. This workfocuses on small-angle rotations of the scanner. The effects of coil parameters on the materialmagnetization and the hysteresis of the magnetic force on the scanner dynamics are discussed. Itis concluded that the radial and vertical components of the magnetic field and the shapeanisotropy in thin magnetic films are important factors in determining the material magnetizationdirection and the magnetic forces. The prototype devices are tested using static and dynamicmethods and the experimental results validated our finite element modeling and theoreticalresults. Lastly a barcode reading system is demonstrated using the developed scanners and met allthe performance requirements for typical 1D barcodes.Advisor: Assoc. Prof. Hakan Ürey Date:Director: Prof. Dr. Yaman Arkun Date: