MOEMS

מערכות מיקרו אופטו-אלקטרו-מכניות (MOEMS) הן מערכות הנדסיות ממוזערות בקנה מידה של מיקרונים בודדים, הקולטות ומעבדות אותות אופטיים. מערכות אלו הם התקנים המשלבים פונקציות מכניות, אלקטרוניות ואופטיות על שבבים של מוליך למחצה (בעיקר צורן). התקנים אלו מיוצרים בדומה לייצורם של רכיבי מיקרואלקטרוניקה בתעשיית המוליכים למחצה המיוצרים בייצור המוני.^[1]

היסטוריה עריכה

במהלך 1991–1993, ד"ר מ. אדוארד מוטמדי (M. Edward Motamedi), חדשן לשעבר מרוקוול אינטרנשיונל בתחום מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ובתחום המיקרו-אופטיקה, השתמש בראשי התיבות של MOEMS למערכות מיקרו אופטו-אלקטרו-מכניות מתוך מטרה להבחין בין MEMS ל-MOEMS.

בשנת 1993, ד"ר מוטמדי הציג באופן רשמי MOEMS בפעם הראשונה, כשילוב רב עצמה של MEMS ומיקרו אופטיקה בכנס SPIE של טכנולוגיה בסן דייגו.

שילוב עולמות תוכן בתחום הננוטכנולוגיה להמחשת המושג MOEMS מערכות מיקרו-אופטי-אלקטרו-מכניות.

רקע עריכה

מערכת מיקרו-אופטו-אלקטרו-מכניות (MOEMS) היא MEMS המשולב מיקרו אופטיקה. למעשה MOEMS הוא התקן או מערכת משובצי מערכות מיקרו מכניות, אופטיות, וחשמליות הפועלות באופן אינטגרטיבי (דבר זה לא נכון, ברוב המקרים, עבור MEMS האופטי שיכול לכלול אופטיקה בתפזורת)

התקן MOEMS

התקני MOEMS הם בדרך כלל חיישנים אופטיים או מעבדי אותות אופטיים המיוצרים באמצעות טכנולוגיות ייצור סטנדרטיות של תעשיית המיקרואלקטרוניקה תוך שימוש בחומרים כגון צורן (סיליקון), דו תחמוצת הצורן, סיליקון ניטריד וגליום ארסניד.

רכיבי MOEMS הם מבנים תלת-ממדיים עם קורות תלויות או ממברנות חופשיות. באמצעות תנועותיהן ניתן לבצע מדידות פיזיקליות או פונקציות מכניות מגוונות. בנוסף, צמוד אליהן שבב עיבוד מיקרואלקטרוני מקובל (כמו ASIC). הרכיב המאוחד יכול להתמיר תנועה או גודל פיזיקלי מסוים לאות חשמלי, או בכיוון ההפוך – להתמיר אות חשמלי לתנועה. בדרך זו ניתן לקבל מערכת מורכבת שלמה, כשהשאיפה האולטימטיבית היא "מערכת על שבב" הכוללת אינטגרציה של פונקציות חישה, הנעה, חישוב, אופטיקה ותקשורת במיקרו-מערכת אחת. כדי לייצר רכיבים אלו פותחו מספר טכנולוגיות ייחודיות לייצור, וכן שיטות תכן ייחודיות. טכנולוגיות אלו צעירות הרבה יותר מטכנולוגיות המיקרואלקטרוניקה, ורובן הגיעו לבשלות רק לפני עשור ופחות. כיום ניתן למצוא את רכיבי ה-MOEMS בטכנולוגיה כדוגמת תקשורת, טלפונים חכמים, סורקים, ג'יירוסקופים ועוד.

תחומי מחקר ב-MOEMS עריכה

מיקרו-מראות עריכה

אחד מרכיבי MOEM השימושיים ביותר הוא מראת הבוכנה הממונעת אלקטרוסטטית. מכשיר זה מנצל את עקרון הייצור הפלאנרי של תעשיית המוליכים למחצה כדי ליצור מבני לוחות מקביליים. הלוח העליון של המבנה ניתן לציפוי במתכת כדי ליצור מראה. כאשר מתח חשמלי מופעל בין שני הלוחות, כוח משיכה אלקטרוסטטי המנוגד לכוח המכני של החומר ממנו עשויים הלוחות מתפתח בין הלוחות. בתהליך זה ניתן לשלוט על כיפוף המראה אשר בלוח העליון. הפאזה של האור הנכנס המאופנן על ידי הסטת הראי יכולה להישלט על ידי מתח המופעל בין שתי אלקטרודות. תפקודי המראה כוללים תיקון עיוותים אופטיים בעקבות טורבולנציות באטמוספירה או בחלל החופשי ומיושמים במערכות תקשורת אופטיות.

סריג אופטי עריכה

אורכי גל ארוכים יותר (אדום) עוברים יותר דיפרקציה (עקיפה) אך נשברים פחות מאשר אורכי גל קצרים יותר (סגול). סריג אופטי הוא אלמנט אופטי נוסף שיכול להיות מיוצר בקלות במשטח פוליסיליקון. הסריג האופטי הוא רכיב המשמש לאפנון מחזורי של פאזה או משרעת של הגל הפוגע. מבנה הסריג גורם לתופעת העקיפה באורך גל בזווית מסוימת. הסריג מוזז בניצב למישור המצע כדי לשנות יחס הפאזה בין האור המוחזר מהסריג למצע. הסריג מתוכנן כך שיוכל לאפנן עצמה אופטית מסדרי העקיפה 0 ל-1± התקן ה-MOEMS שולט באור על ידי תהליך העקיפה. בדרך כלל התקן כזה מורכב ממערך של קרניים מקבילות שבו מאפייני העקיפה תלויים בצורה, במרווח והמיקום של הקרניים. ההבדל בין סריג אשר ב-MOEMS וסריג סטנדרטי הוא שאלמנטי העקיפה (קרני האור) ניתנים לעירור בנפרד או כקבוצה. משמעות דבר היא שכל מאפייני סריג העקיפה – תלות באורך גל, יעילות זוויתית – ניתנים לכוונון כרצוננו.

עדשות פרנל עריכה

עדשת פרנל מורכבת ממערך של טבעות מעגליות פוליסיליקון (אנ') הגדלות בקוטר ובמרווח לכיוון המרכז. עדשת פרנל על מצע יכולה לשמש לרכז אור לייזר מדיודת לייזר. עקב השימוש בחומרים עם עובי שכבה אחיד, קשה לייצר עדשות בעלות עקמומיות: לעומת זאת, ניתן לייצר עדשות פרנל בקלות.

1.חתך רוחב של עדשת פרנל
2. חתך רוחב של עדשה רגילה בעלת הגדלה דומה

.

דיאגרמה של מיקרו-מראה דיגיטלית. מראה מורמת על מתלה עם קפיץ מפותל מסתובב (שמאל למטה לימין למעלה – באפור בהיר), בשילוב רפידות אלקטרוסטטיות תחתונות (שמאל למעלה וימין למטה)

.

השוואה של ספקטרום דיפרקציה (עקיפה) של שריג (תמונה עליונה – 1) אל מול שבירת אור של פריזמה (תמונה תחתונה – 2)

.

מקורות נוספים עריכה

H.O. Sankur, et al, Fabrication of IR microlens arrays by reactive ion milling,” SPIEProceedi ng of Miniature and Micro-optics and Micromechanics, 2687, pp 150-155, 1996
M. E. Motamedi, "Merging Micro-optics with Micromechanics: Micro-Opto-Electro-Mechanical (MOEM) devices", Critical Reviews of Optical Science and Technology, V. CR49, SPIE Annual Meeting, Proceeding of Diffractive and Miniaturized Optics, page 302-328, July, 1993

ראו גם עריכה

קישורים חיצוניים עריכה

http://www.nectec.or.th/NTJ/No6/papers/No6_tutor_1.pdf

http://www.kodak.com/ek/US/en/Science_Technology/Nano_Micro_Scale_Devices/MEMS_amp_MOEMS.htm

http://www.lboro.ac.uk/microsites/mechman/research/ipm-ktn/pdf/Technology_review/an-introduction-to-mems.pdf

http://www.youtube.com/watch?v=OBw7K1bxeik

https://www.youtube.com/watch?v=dkrbR_6_Jx4

הערות שוליים עריכה

^ Wu, M.C. ; Toshiyoshi, H. "Recent advances in micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS) " Lasers and Electro-Optics Europe, 2000. Conference Digest. 2000 Conference on ,IEEE, Digital Object Identifier: 10.1109/CLEOE.2000.910011 , Publication Year: 2000.

[1] Wu, M.C. ; Toshiyoshi, H. "Recent advances in micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS) " Lasers and Electro-Optics Europe, 2000. Conference Digest. 2000 Conference on ,IEEE, Digital Object Identifier: 10.1109/CLEOE.2000.910011 , Publication Year: 2000.

[1]