Design modeling and characterization of electrostatically actuated microscanners

Abstract

ÖZET MEMS teknolojisi ile üretilen mikro-tarayıcılar ışığın standart üretim teknikleri ile üretilen yapıların ulaşabileceğinin çok ötesindeki boyut, hassasiyet ve hızlarda yönlendirilebilraesini sağlamaktadır. Tek boyutlu, iki boyutlu ve hatta üç boyutlu tarama yapabilen mikro-tarayıcılar giderek daha çok ilgi çekmekte ve başta görüntü alma, görüntü oluşturma ve haberleşme olmak üzere bir çok yeni uygulama alanı bulmaktadır. Bu yapıların dinamik davranışlarının deneysel olarak tanımlanması ve doğru bir şekilde modellenmesi, mikro-tarayıcı temelli sistemlerin tasarım süre ve maliyetlerinin azaltılıp performanslarının olabildiğince arttırılması açısından giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Bu tez, taraklı erişim düzeneği (comb actuator) adı verilen bir dizi paralel-levha elektrostatik erişim düzeneği (electrostatic actuator) vasıtasıyla harekete geçirilen burulma- modu (torsional mode) mikro-tarayıcıları için yeni modelleme ve deneysel karakterize etme yöntemleri üzerine yoğunlaşmaktadır. Tez kapsamında geliştirilen modelleme teknikleri düzlem-dışı moda çalışan taraklı erişim düzeneklerini ayarlanabilir dağılma ızgarası (diffraction grating) olarak kullanan yeni bir Fourier Dönüşümü Tayfölçeri tasarımı için kullanılmıştır. Bu araştırmanın önemli bilimsel sonuçlan şöyle sıralanabilir: (a) tarak-tahrikli (comb- actuated) mikro-tarayıcıların histerik frekans davranışları, parametrik ve alt-harmonik rezonansları, sönümlenme etkileri ve kararlılıkları için sayısal modellerin geliştirilmesi; (b) ilk şıkta bahsi geçen doğrusal olmayan sistem özelliklerinin düşük genlikli harrnonik tahrik koşulu altında analitik olarak modellenmesi; (c) mikro-tarayıcıların test ve karakterize edilmesi ve sayısal-analitik modellerin doğrulanması amaçlı deney düzeneklerinin kurulması. Anahtar kelimeler: Mikrotarayıcı, taraklı erişim düzeneği, parametrik rezonans, sayısal modelleme, analitik modelleme.

ABSTRACT Microscanners produced using MEMS technology enable light manipulation at a size, precision, and speed that is far beyond the limits of conventional machining. Microscanners that utilize ID, 2D, and even 3D scanning are gaining popularity and have found many applications in display, imaging, and telecommunication applications. Accurate modeling, effective testing and characterization of dynamic behavior of these devices are becoming increasingly important to reduce the design time and cost while optimizing performance. This thesis focuses on developing new modeling and experimental characterization techniques for torsional microscanners that are energized using an array of parallel-plate electrostatic actuators called comb-actuators. Models developed in the thesis are then applied to design a novel Fourier Transform Spectrometer (FTS) based on a tunable rectangular diffraction grating, which is formed using an out-of-plane comb-actuator. Major accomplishments of this research include (a) development of numerical models for analysis of hysteretic frequency response, parametric and subharmonic resonances, damping effects, and stability regions of comb-driven microscanners; (b) development of analytical models for predicting nonlinear system characteristics listed in (a) under small harmonic excitation condition; (c) development of experimental setups for microscanner characterization and validation of numerical and analytical models. Keywords: Microscanner, comb actuator, parametric resonance, numerical modeling, analytical modeling IV