Geri Dön

A 3-axis precision MEMS stage for tunable Fabry-Perot interferometer applications

Ayarlanabilir Fabry-Perot interferometre uygulamaları için 3 eksenli hassas MEMS tabla

  1. Tez No: 803073
  2. Yazar: SEDAT MERT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 141

Özet

Bu tez, ayarlanabilir Fabry-Perot interferometre (FPI) uygulamaları için 3 eksenli hassas MEMS Tabla'yı anlatmaktadır. MEMS Tabla, ayarlanabilir optik filtre olarak FPI kullanılması planlanan alkol tespit sistemi projesi kapsamında geliştirilmiştir. Bu tez kapsamında MEMS Tabla'nın tasarımı modellenmesi, üretimi, karakterizasyonu ve kontrolü çalışılmıştır. MEMS Tabla elektromekanik açıdan ele alınmıştır ve optik spesifikasyonların gerçekleştirilmesi kapsam dışındadır. MEMS Tabla'nın temel amacı 2000 - 2500 nm dalga boyu aralığına gelen 5 – 6.25 μm aralığında iki adet 3.5 mm çapındaki Bragg aynaların arasındaki açıklığı hassas bir şekilde kontrol etmektir. Optik iletimi sağlamak için, Bragg katmanları (SiO2 & A-Si), Float Zone (FZ) yöntemi kullanılarak üretilmiş olan katkısız silisyumdan (Si) yapılmış olan alttaş ve Silicon-on-Insulator (SOI) pullar üzerine biriktirilir. Bragg aynalar ilk olarak pul bağlama ile bir araya getirilir ve hareketli aynanın konumlandırılması elektrostatik etkiden yararlanan, altından yapılan sürüş ve algılama elektrotları ile sağlanır. Bu tezde çalışılan yaklaşımlardan, hareket eden plakayı düzlem dışı yönde desteklemek için çift katlı kiriş yaylarının kullanılması, plakanın eğim açısını kontrol etmek için çoklu sürüş ve algılama elektrotlarının kullanılması, ve ayna eğriliğini azaltmak için hareketli aynanın hareket eden plakaya ilave yaylar ile bağlanması, Fabry-Perot Filtre (FPF) literatüründe daha önce rastlanmamıştır. MEMS Tabla tasarımı için 2 farklı versiyon çalışılmıştır. MEMS Tabla'nın performansını simule etmek için hem analitik olarak hem de sonlu elemanlar modeli (FEM) kullanılarak elektromekanik model oluşturulmuştur. Analitik model, başlangıçta hızlı tasarım kararları almak ve en sonda kontrol sistemini oluşturmak için faydalı olmuştur. FEM, analitik modelin doğrulanmasında ve toplu elemanlar kullanılması nedeniyle analitik model tarafından elde edilemeyen parametrelerin elde edilmesinde faydalı olmuştur. Proses akışı daha önceden kanıtlanmış bir akış değildi, MEMS Tabla için geliştirildi ve optimize edildi. Bragg katmanlarının biriktirilmesi gibi bazı adımlar önceden deneme gerektirir. Si'nin gövde olarak aşındırılması, ve pul baglama gibi bazı işlemler sorunlara eğilimlidir. Ek olarak, SiO2 aşındırma gibi bazı adımlar için alternatif teknikler denenmiştir. MEMS Tabla'nın üretim optimizasyon süreci boyunca 5 alttaş ve SOI pul çifti ve bir o kadar da deneme pulu harcandı. Sonunda sürülebilir cihazlar üretildi ve bazı karakterizasyon testleri yapıldı. 4 sürüş elektrodunun tamamına 9 V DC Bias uygulandığında 1.8 μm plaka deplasmanı elde edildi ve bu, hedef ayarlama aralığını kapsamak için fazlasıyla yeterlidir. MEMS Tabla'nın istenilen şekilde konumlandırılması ve bu konumun korunması için analitik model referans alınarak bir kontrol sistemi de tasarlanmıştır. Bu tezde bahsedilen tüm tasarım, üretim ve karakterizasyon faaliyetleri ODTÜ MEMS MERKEZİ'nde gerçekleştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

This thesis reports a 3-axis precision MEMS Stage for tunable Fabry-Perot interferometer (FPI) applications. The MEMS Stage is developed within the scope of an alcohol detection system project in which FPI is planned to be used as a tunable optical filter. Within the scope of this thesis, design, modeling, fabrication, characterization and control of the MEMS Stage are studied. The MEMS Stage was approached electromechanically and realization of optical specifications is out of scope. The main objective of the MEMS Stage is to precisely control the gap between two 3.5 mm diameter Bragg mirrors in a range of 5 – 6.25 μm which corresponds to wavelength range of 2000 – 2500 nm. To provide optical transmission, the Bragg layers (SiO2 & A-Si) are deposited onto substrate and Silicon-On-Insulator SOI wafers made from undoped silicon (Si) by utilizing Float Zone (FZ) method. The Bragg mirrors are initially brought together by wafer bonding and the positioning of the moving mirror is provided by drive and sense electrodes made from gold making use of electrostatic effect. From the approaches studied in this thesis, using double folded beam springs to support the moving plate in out-of-plane direction, using multiple drive and sense electrodes to control the tilt angle of the plate, and attaching the moving mirror with actuated plate via additional springs to lower the mirror curvature, were not encountered in the literature of Fabry-Perot Filters (FPF). 2 different versions have been studied for the MEMS Stage design. To simulate the performance of the MEMS Stage, an electromechanical model is constructed both analytically and by using finite element model (FEM). The analytical model has been useful for taking quick design decisions at the beginning and building the control system at the end. The FEM has been useful for verifying the analytical model and obtaining the parameters which could not be obtained by the analytical model because of using lumped elements. The process flow was not a previously proven one, it was developed and optimized for the MEMS Stage. Some steps like deposition of Bragg layers requires trials beforehand. Some processes like bulk etching of Si and wafer bonding are prone to problems. In addition, alternative techniques were tested for some steps like SiO2 etch. Throughout the fabrication optimization procedure of the MEMS Stage, 5 substrate and SOI wafer couples, and just as many dummy wafers were spent. Eventually, drivable devices were produced and some characterization tests were carried out. When 9 V of DC Bias was applied to all 4 of the drive electrodes, 1.8 μm of plate displacement was obtained and that is more than enough to cover the target tuning range. A control system was also designed by referencing analytical model to position the MEMS Stage in the desired way and maintain it. All of the design, fabrication, and characterization activities mentioned in this thesis were conducted at METU MEMS Center.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    743856

    Sensor based real-time process monitoring for ultra-precision manufacturing processes with non-linearity and non-stationarity

    Doğrusal ve durağan olmayan ultra hassas üretim süreçleri için sensör tabanlı gerçek zamanlı süreç izleme

    ÖMER FARUK BEYCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOklahoma State University

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZHENYU (JAMES) KONG

  2. Tez No

    424034

    Robot kolu ve lazer profil algılayıcı ile otonom 3B nesne modelleme

    Autonomous 3-D object modeling with robot manipulator and laser profile sensor

    KAYA TURGUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HELİN DUTAĞACI

  3. Tez No

    478288

    Stabilization and tracking control of pan-tilt platforms using novel estimators and acceleration based robust control techniques

    Özgün kestiriciler ve ivme tabanlı gürbüz kontrol teknikleri kullanılarak pan-tilt platformların stabilizasyon ve izleme kontrolü

    SANEM EVREN HAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL

  4. Tez No

    768500

    Design and analysis of circuit board prototyping devices with step, servo and hub motor-based 3-axis numerical controlled central processing unit (CNC)

    Step, servo ve hub motor ile 3 eksen sayısal kontrollü merkezi işleme birimi (CNC) ile devre kartı prototipleme cihazları tasarımı ve analizi

    ATAKAN YERLİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FUAD ALİEW

  5. Tez No

    270069

    Modeling of cutting forces for 5-axis ball-end milling of free-form surfaces

    Serbest yüzey geometrili parçalarin 5 eksen küresel frezelenmesinde kesme kuvvetlerinin modellenmesi

    YAMAN BOZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. İSMAİL LAZOĞLU

Geri Dön