Курс лекций Фотоника из

341

гом положении – направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.

Два микрозеркала. Одно в «черном» положении, другое – в «белом». Среднее – «горизонтальное» – положение зеркала занимают только в припаркованном состоянии, когда проектор выключен

Разумеется, такое однобитное изображение – не совсем то, что нужно в XXI веке. Для начала, к чистым черному и белому возникает желание добавить градации серого. Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Между прочим, это в 16 раз больше, чем у среднестатистической ЖК-матрицы.

Итак, градации серого есть. Остается лишь добавить цвет. Непосредственно DMD-чип к этому уже не имеет почти никакого отношения (равно как не имеют непосредственного отношения к цвету и жидкие кристаллы). Но раз уж мы начали разбираться, как работают DLP-проекторы, то имеет смысл дойти до конца. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.

342

Достаточно простое колесико, в нем есть светофильтры только трех стандартных цветов, RGB

Встречаются и более сложные колеса К базовым красному, синему и зеленому для большей

яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры – как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, – микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.

343

Общий принцип работы стандартного DLP-проектора – с одним DMD-чипом

В итоге зеркалам приходится «подмигивать» несколько тысяч раз в секунду: для обеспечения градаций серого, по полному «серому» кадру на каждую из цветовых составляющих, да умножить на требуемое количество кадров в секунду. И все это – чистая механика. Миниатюрная настолько, что даже на кончике иглы помещается несколько десятков элементов матрицы.

Сходу человеческий разум едва ли способен адекватно оценить размер в 10 микрон. Другое дело – фото в масштабе

Лапка муравья. На фото изображена довольно старая модель DMD-чипа, современные микрозеркала Texas Instruments еще миниатюрнее

Похожие на DMD устройства разработаны Фраунгоферовским институтом полупроводниковых технологий

(Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie). Используются они исключительно в научных целях. Зеркала в устройствах Фраунгоферовского института более крупные и выполнены несколько более грубо.

344

Микрозеркальная матрица разработки Фраунгоферовского института полупроводниковых технологий

Микрозеркальные матрицы – частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду – атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии.

Зеркало с изменяемой геометрией, состоящее из 93 элементов

Готовый чип на основе той же системы (размер 5 на 5 см) на фоне более крупного снимка поверхности зеркала

Задача решается с помощью адаптивной оптики – в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, суще-

345

ствуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность – если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.

Зеркало с изменяемой геометрией, состоящее из

1020 элементов. Разработка Boston Micromachines Corporation

Еще один интересный случай использования микрозеркал – коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.

346

Один из вариантов устройства двухосного микрозеркала

Струйные принтеры

Современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости – и сформировать его строго в нужный момент – очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.

Капли чернил на бумаге Происходит это следующим образом. Печатающая го-

ловка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.

Крупный план одной дюзы печатающей головки струйного принтера

Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.

347

Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует компания Epson.

Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность.

348

В печатающих головках используются дюзы разных размеров

Одна из ячеек печатающей головки HP 60 в разрезе

Что любопытно, струйная печать может служить не только конечной целью производства MEMS, но и промежуточным этапом. Дело в том, что при современном уровне развития технологий струйной печати, она вполне подходит для изготовления микроструктур. Говоря по-простому, с помощью струйных принтеров можно печатать те или иные микроэлектронные или микроэлектромеханические устройства. Просто для этого надо использовать не обычные чернила, а растворы тех веществ, из которых можно изготовить требующуюся структуру.

349

«Пайка» контактов на этом снимке произведена с помощью пьезоструйной печати

Микроскопический логотип Texas Instruments напечатан каплями диаметром 60 микрон

Правда, есть технологические ограничения: в классических методах струйной печати не может быть получена капля размера меньшего, чем диаметр отверстия, из которого она вытекает – при таких размерах вернее будет сказать «выдавливается». Впрочем, если есть желание получить очень маленькую каплю, то выход есть.

350

Если капилляр с проводящей жидкостью поместить в электрическое поле, то форма поверхности жидкости будет отличаться от нормальной формы, обусловленной поверхностным натяжением. По мере увеличения напряжения она будет все ближе к конусу (так называемому конусу Тейлора), а при достижении некоего порогового значения напряжения с конца этого конуса начнут отрываться мельчайшие капли – их размер будет значительно меньше диаметра капилляра.

MEMS-транспортеры

Начнем с одного из наиболее впечатляющих устройств. Это MEMS-транспортер, состоящий из массива микроскопических ресничек. Реснички упругие и в «выключенном» состоянии они отогнуты от основания. Чтобы притянуть их к подложке, используется уже знакомый нам по DMD-чипам метод – электростатическое притяжение. Кроме того, в реснички встроен терморезистор, за счет нагрева изменяющий упругость реснички.

Как и в микрозеркальных матрицах, каждый из элементов системы может занимать только два положения – верхнее и нижнее, включено/выключено – но этого, оказывается, вполне хватает для перемещения предметов по поверхности массива.

Крупный план одной ячейки MEMS-транспортера. Разработка лаборатории MEMS Вашингтонского университета

351

Ресничка MEMS-транспортера в разрезе

Транспортер можно задействовать не только для поступательного движения вдоль оси массива. Можно перемещать предмет под любым углом, его можно даже вращать – необходимо лишь правильно составить программу.

Ресничковый MEMS-транспортер: примерная схема передвижения предмета

352

MEMS-транспортер перемещает MEMS-акселерометр Что любопытно, это не единственный вариант MEMS-

транспортера. Например, в Токийском университете для реализации схожего функционала использовали совсем другой метод: перемещение микрообъектов с помощью регулируемого потока воздуха. Дополнительное преимущество такого подхода состоит в том, что он бесконтактный – что позволяет свести к минимуму вероятность повреждения поверхности перемещаемого объекта.

А работает это следующим образом: создается массив дюз, каждая из которых закрывается снизу управляемой заглушкой. За счет электростатического притяжения заглушка может сдвигаться в одну или другую сторону. Поток воздуха при этом направляется на перемещаемый объект под углом – и «сдувает» его в нужном направлении.

353

Поскольку дюзы в данной реализации транспортера могут работать только в двух направлениях – «вправо» и «влево» – массив создается двойной: одна часть ячеек перемещает объект «вправо-влево», а другая часть – «вверх-вниз». Остается только написать правильную программу – и, точно так же, как и с ресничковым транспортером, предметы можно перемещать по достаточно сложным траекториям.

354

Фото одной дюзы MEMS-транспортера крупным планом. Слева изображена рабочая поверхность транспортера, справа – механизм, спрятанный под нею

Массив дюз MEMS-транспортера

Те же принципы можно использовать, вывернув наизнанку. Вместо перемещения объекта по поверхности массива актуаторов, можно снабдить такими устройствами сам объект, установив актуаторы на его нижней поверхности. Правда, пока достаточно сложно решить вопросы с питанием и массой таких «самодвижущихся MEMS».

«Ходячий чип». Две площадки слева и справа – массивы ресничковых актуаторов. Чип может перемещать груз массой в 7 раз больше собственной

MEMS-двигатели: турбины, паровые и электрические двигатели, насосы

Раз уж зашла речь о потоках и энергии, нельзя не упомянуть и разработку Массачусетского технологического института – MEMS-турбину. Вполне типичная турбина, но очень, очень маленькая. Разрабатывается она в качестве замены традиционных литий-полимерных аккумуляторов – в первую очередь, для

355

тех приложений, где требуется достичь минимальных размеров и максимальной энергоемкости на килограмм.

Один из ранних образцов микротурбины, разработанный в Массачусетском технологическом институте

Скажем, для современных литий-ионных аккумуляторов, используемых в ноутбуках, характерны показатели порядка 200 Вт*ч/кг. В MIT уже к 2007 году должны были довести показатель до 500–700 Вт*ч/кг, а в перспектике собираются замахнуться на 1200–1500 Вт*ч/кг. Что существенно превышает любые разумные прогнозы по развитию традиционной Li-Ion технологии.

Как и с большинством MEMS, принцип можно использовать в обратном направлении: вместо того, чтобы превращать давление в электроэнергию, можно поступить наоборот. В этом случае из микротурбины после «обработки напильником» получается микронасос.

356

Сложно себе представить, чтобы кто-то решил от современного энергогенератора – турбины – двигаться в сторону прошлого. И все же такие нашлись и нашлись они в достаточно интересном месте. В американской государственной лаборатории Sandia, основной профиль которой — работа над ядерным оружием и прочими технологическими проектами, касающимися национальной безопасности США. Выросла эта лаборатория из проекта Манхэттен, если вы понимаете, о чем речь.

Сотрудники Sandia создали микроскопический паровой двигатель. А вернее, даже целых два: одноцилиндровый и трехцилиндровый. Сложно сказать, какие цели они преследовали на самом деле – не исключено, что ученые и сами до конца это знали. Однако получилось весьма экстравагантно. Ну и потом – как ни крути, это самый миниатюрный паровой двигатель в мире!

357

Самый маленький в мире паровой двигатель: трехцилиндровая версия

Приводы

Вообще, в Sandia очень любят MEMS. И на удивление охотно – в отличие от наших «оборонщиков», которые и поныне не спешат выглядывать из своих «ящиков» – делятся своими разработками и концептами с общественностью. В Sandia успели разработать массу элементов, складывающихся в достаточно сложные MEMS-усторйства. Возьмем, к примеру, оптический затвор.

Оптический затвор разработки Sandia

Устройство состоит из трех частей: самого затвора (большое колесико на фотографии), микродвигателя и трансмиссии. Двигатель состоит из двух расположенных перпендикулярно друг к другу электростатических актуаторов. Каждый из них может двигать шестеренку только в одном направлении: вперед и назад. Совместными усилиями они обеспечивают двумерное вращательное движение. Это движение с помощью маленькой шестеренки передается на большую, окантовывающую затвор.

358

Миниатюрная шестеренка передает движение на затвор, за счет чего он может поворачиваться – с весьма большой скоростью

Элемент другой системы, но принцип тот же. Чтобы большое колесико не меняло при вращении угол наклона, его удерживают микроскопические направляющие

Это сопряжение переводит движения актуаторов во вращение шестеренки

359

Рабочая часть электростатического актуатора. Работает так же, как акселерометр, только ровно наоборот – в MEMS очень много устройств, принципы работы которых зеркальны

Несколько более сложное устройство: микрозеркало с плавным изменением угла наклона. В качестве двигателя ис-

пользуются все те же электростатические актуаторы. А вот трансмиссия похитрее: движение передается через шестеренки на зубчатую рейку, которая переводит вращение в линейное движение. За счет чего и меняет наклон зеркла.

Микрозеркало с изменяемым углом наклона

То же самое микрозеркало, снятое под другим углом и с большим увеличением

360

Крупный план трансмиссии и рейки

В это непросто поверить, но в арсенале Sandia есть и еще более замысловатые устройства. Например, микромеханический динамометр. Или прямо-таки ювелирной работы храповой механизм. Или микроскопическое индексирующее устройство. Или неимоверно замысловатое вращающее микрозеркало…

Микродинамометр