Оптические элементы и системы

Оптические МЭМС, часто называемые микрооптоэлектромеханическими системами (МОЭМС) вводят еще одну компоненту в МЭМС – оптическую. В ряду статичных элементов МОЭМС можно выделить всевозможные оптические зеркала, линзы, призмы и светофильтры. Интегральные микрозеркала с электростатической активацией находят широкое применение в миниатюрных робототехнических системах (в качестве оптических ключей) и системах анализа и обработки изображений (для отклонения лазерного луча и/или светового потока).Матрицы из микрозеркалявляются основой оптико-электронных многовариантных переключающих коммутирующих систем, которые могут в широком диапазоне изменять оптические связи между входным комплексом волоконно-оптических световодных каналов и соответствующим комплексом выходных световодных каналов. Такие устройства способны переключать и коммутировать большое число оптических каналов, при этом они могут осуществлять различные преобразования изображений. Подобные многоканальные микрозеркальные устройства могут быть использованы для разных целей, в том числе для кодирования и декодирования информации.

В настоящее время разработано большое количество различных конструкций одно- и двуосных микромеханических зеркал с электростатической активацией. В качестве примера на рис. 3.134а представлено увеличенное изображение интегрального микрозеркала с электростатической активацией, изготовленное с помощью технологии объемной микрообработки. Для отклонения микрозеркала используются два электростатических актюатора, включающих в себя два электрода, расположенные под микрозеркалами. На отклоняющие электроды попеременно подают напряжение, в результате чего между структурой микрозеркала и отклоняющими электродами возникает электростатическая сила, которая отклоняет микрозеркало то в одну, то в другую сторону. Движение микрозеркала осуществляется за счет кручения торсионных балок.

а) б)

Рис. 3.134. Изображения двуосных микрозеркал с электростатической активацией, изготовленных объемной микрообработкой (а) и поверхностной микрообработкой

Для получения больших углов отклонения микрозеркал необходимо обеспечить большее расстояние между структурой микрозеркала и отклоняющих электродов. Использование технологии поверхностной микрообработки при изготовлении микрозеркал не позволяет получать большие зазоры, а применение объемной микрообработки снижает степень интеграции элементов МОЭМС. Для устранения данного недостатка при изготовлении микрозеркал по технологиям поверхностной обработки применяется самосборка с использованием электростатических двигателей. На рис. 3.134б представлено интегральное двуосное микрозеркало, изготавливаемое с использованием технологии самосборки с помощью электростатических микродвигателей.

Для уменьшения энергопотребления электростатических актюаторов, входящих в состав микрозеркал, целесообразно использовать гребенчатые структуры, обладающие большей емкостью по сравнению с плоскими структурами. На рис. 3.135 представлено интегральное микромеханическое зеркало с гребенчатыми электростатическими актюаторами. При подаче отклоняющего напряжения на подвижный электрод на упругий подвес начинает действовать крутящий момент силы, в результате чего интегральное микрозеркало отклоняется от своего первоначального положения.

К оптическим МЭМС можно также отнести микроболометрические матрицы, предназначенные для регистрации слабого инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение пройдя сквозь оптическую систему линз попадает на поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементом находится терморезистивная пленка, у которой в результате передачи ей тепла изменяется сопротивление.

а) б)

Рис. 3.135. Схема интегрального микромеханического зеркала с гребенчатыми электростатическими актюаторами (а) и его увеличенное изображение (б)

Следует отметить, что температурный коэффициент сопротивления сенсорного элемента при комнатной температуре невелик (порядка 2 % на градус для диоксида ванадия) и, кроме того, избыточное тепло, полученное терморезистивной пленкой из оптической системы, может быстро уйти в подложку. Все это усложняет детектирование слабого инфракрасного излучения. Чтобы повысить чувствительность сенсорного элемента, необходимо уменьшить влияние передачи тепла в подложку. Это реализуется за счет подвешивания элементов матрицы на мостовые структуры (рис. 3.136). Такие структуры изготавливают путем поверхностной микрообработки с использованием жертвенного слоя из полиамида. В качестве основы используют нитрид кремния, который обладает хорошими механическими свойствами.

Рис. 3.136. Увеличенное изображение датчика инфракрасного излучения

Наиболее широкое применение матрицы из микрозеркал нашли в мультимедийных проекционных системах, без которых невозможно представить ни одну презентацию. В последние годы активно развивается направление, в котором матрицы из микрозеркал используются в лазерных проекционных дисплеях, предназначенных для воспроизведения двумерной и трехмерной визуальной информации как на больших или малых экранах, так и непосредственно на ветровом стекле автомобиля. Преимуществом таких систем является то, что они обладают высокими яркостью и разрешающей способностью. Различные типы МОЭМС находят применение в системах машинного зрения, Кроме того, эти устройства могут применяться в производственных системах анализа и контроля продукции, действующих на основе обработки визуальной информации; например, для контроля качества печатных плат.

Технология изготовления и принцип действия проекционной системы – т. н. DLP-проектора цифровой обработки света (DLP- Digital Light Processing) основан на разработках корпорации Texas Instruments, создавшей новый тип формирователя изображения – цифровое микрозеркальное устройство DMD (Digital Micromirror Device). DMD-кристалл, по сути, представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти, содержимое каждой ячейка которой определяет положение одного из множества размещенных на поверхности подложки микрозеркал. Каждое микрозеркало – это алюминиевая пластинка размером порядка 10×10 мкм², их количество в матрице может достигать нескольких миллионов (рис. 3.137а). Каждое такое зеркало представляет собой один пиксель в проецируемом изображении. Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающиеся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала. В каждом состоянии угол между плоскостью зеркала и поверхностью микросхемы составляет около 10°. Эти зеркала могут быстро позиционироваться, чтобы отражать свет либо на объектив и далее на экран (состояние «включено»), либо на радиатор – поглотитель света (состояние «выключено»). Быстрый поворот зеркал из одного состояния в другое позволяет DLP варьировать интенсивность света, создавая градации серого в дополнение к белому (зеркало в позиции «включено») и черному (зеркало «выключено»). Для отображения цветного изображения используется быстровращающийся диск с тремя светофильтрами (RGB), синхронизованный с микрозеркальной матрицей (рис. 3.137б).

-------------------------------а) б)

Рис. 3.137. Фрагмент матрицы микрозеркал (а) и схема однокристального DLP-проектора (б)

Существуют и более сложные трехкристальные системы, в которых световой поток расщепляется на три составляющих (красную, зеленую и синюю), каждая из которых направляется на свою DMD-матрицу, формирующую картинку одного цвета. Объектив проецирует на экран одновременно три цветных картинки, формируя тем самым полноцветное изображение высокого качества.