Modular Micro-optics assembly system with locking

0 downloads 0 Views 5MB Size Report
Feb 2, 2009 - Micromechanical System Design for targeting a specific class ..... separation of components, the sharp edges near breaking points of each ...
 

 Modular Micro­optics assembly system with locking  mechanism fabricated by one layer silicon ICP process                                 

by  Nataraja Sekhar Y  MST Technologist  µ‐bes Team, MST Design Lab I   Department of Microsystems Engineering  University of Freiburg      Microbes team, MST Design Lab I, IMTEK, University of Freiburg 

  Modular Micro­optics assembly system with locking  mechanism fabricated by one layer silicon ICP process        by 

µ­bes Team    Robert W Becker (Project Manager)  Shankar KTR (Model, CAD, Website)  Oscar Cota (Mask Layout, CAD)  Nataraja Sekhar Y (MST Technologist, Assembly, Project report)  Abhishek Ojha (Industrial View, Poster)        Submitted to     MST Design Lab,   Department of Microsystems Engineering  University of Freiburg     

2nd Feb 2009, Freiburg        Microbes team, MST Design Lab I, IMTEK, University of Freiburg 

      Contents        Chapters 

 

 

 

 

 

 

Page No 

1. Project Plan(Budget & Time) 

 

 

 

 

     1 

2. Introduction & Objective 

 

 

 

 

     2 

3. Fabrication Process 

 

 

 

 

 

     4 

4. Design task 

 

 

 

 

 

     5 

5. Mask Layout & Assembly 

 

 

 

 

    11 

6. Results  and Discussion   

 

 

 

 

    13 

7. Acknowledgement 

 

 

 

 

 

    17 

8. Bibliography 

 

 

 

 

 

    18 

 

 

 

                i   

      Figures 

 

 

 

 

 

 

Page No 

1.  Project time plan 

 

 

 

 

 

      1 

2. FRDPARRC 

 

 

 

 

 

      3 

 

 

3. Silicon ICP Process for fabrication of designs on Si wafer 

      5 

4. Pillar concept 

 

 

 

 

 

 

      6 

5. Design component list   

 

 

 

 

      7 & 8 

6. 3Ddiagram of Model A assembly 

 

 

 

      9 

7. 3D diagram of Model B assembly 

 

 

 

     11 

8. Mask Layout for both the models 

 

 

 

     12   

9. Fabricated wafer   

 

 

 

     13 

10. Step by step assembly process of basic tower   

 

     14 

11. Etching variation in the crosses of ground plate 

 

     14 

12. Etching variations in pin and its effects 

 

 

     15 

13. Model A assembly 

 

 

 

 

 

     15 

14. Model B assembly 

 

 

 

 

 

     16 

15. Schematic representation of micro‐interferometer   

     17 

 

 

           

  ii   

      

            Abstract    The  following  report  describes  the  methodology  and  results  employed  in  a  Micromechanical  System  Design  for  targeting  a  specific  class  assignment.  Mechanical  parts  such  as  building  blocks,  compliant  hinges  and  optical  device  holders  were  designed to build a LEGO‐like‐system and manufactured out of a Silicon Wafer by means  of  Silicon  ICP  process.  Using  the  FRDPARRC  analysis,  two  designs  were  obtained  as  variations  of  the  same  idea.  The  geometry  of  the  parts  was  optimized  to  achieve  as  minimum size, best assembly and maximum stability as possible. With micro‐optics as  an  application  focus,  the  parts  were  assembled  to  build  an  interferometer,  although  it  can be assembled into  another configuration. The system proved to function correctly  with a total size of 3.8 cm. Results show promising for micro‐optical applications.   

iii   

1. 

Project Plan 

The project plan states the time and resources available in order to solve the assigned  task (see page number3).  1.1 

Budget Plan 

 

Cost of Mask Layout  (half mask)      Double – polished wafer (3 half wafers)    Cost of Silicon ICP process for Fabrication   Other Costs                                 Total Budget of Project                     

1.2

Time Plan 

=  175 €  =  60 €  =  240 €  =  40 €           ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  =  515 €           ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

 

Time  was  allotted  proportionately  to  each  stage  in  the  project  by  taking  into  consideration  of  project  tasks  such  as  design,  fabrication,  assembly,  report  and  presentation. Each of the five team members was given with sufficient time schedule in  weeks  to  fulfil  his  task  and  towards  achieving  the  project  assignment.  For  Individual  tasks please refer our site [4]  

  Figure 1 – Project time plan  1   

2. 

 Introduction 

Microfabrication  or  micromachining  refers  to  the  fabrication  of  devices  with  at  least  some  of  their  dimensions  in  the  micrometer  range.  In  the  early  years,  this  discipline was almost exclusively based on thin and thick film processes and materials  borrowed  from  Integrated  Circuits  (IC)  fabrication  labs.  So  the  importance  was  on  UV  lithography, single‐crystal Si, and polycrystalline Si for mechanical applications such as  pressure sensors etc. By the end of 20th century, as the application of micromachining  broadened,  emphasis  shifted  to  a  more  all‐inclusive  view  of  micromanufacturing  methods  like  micromolding,  drop  delivery  systems,  wire  electro‐discharge  machining  (WEDM),  laser  machining,  ion‐  and  e‐beam  machining,  and  computer  numerically  controlled (CNC) ultra fine diamond milling etc [1]. In recent years, the applications of  microfabrication  or  microsystems  technology  spread  to  the  advanced  research  of  diversified fields such as in the development of micro‐devices for biomedical research  towards diagnostics, drug delivery, neural prosthetics, tissue engineering and finally in  minimum  invasive  surgeries  [2].  Particularly  micro‐optical  applications  quickly  transferred  from  advanced  research  labs  to  commercial  market  in  endoscopy,  laser  systems,  sensor  systems  and  light  sources.  Further,  the  microsystem  technology  touches common life through optical fibres, digital image projectors, LCD (liquid crystal  display)  and  TFT  LCDs  (Thin  film  transistors)  etc.    Last  but  not  least,  this  advanced  technology also helpful in marine science, forestry and as a key aspect of space research.  So it is obvious that the development and fabrication of micro‐optical devices are  of increasing importance in the field of data‐ and telecommunication networks capable  of transmitting multimedia signals with high bit rates. Miniature optical sensors such as  spectrometers  and  interferometers  are  another  example  for  rapidly  growing  markets  with a wide range of applications in biotechnology, chemistry, pharmacy, environmental  technology, and automation, to convey only the most obvious. Various technologies are  used for the development and fabrication of such devices. However, the success of the  resulting product heavily depends on its price. Therefore, the manufacturing technique  and miniaturization of devices are at least as important as the product itself [3].  “By  fabrication  we  naturally  mean  more  than  the  production  of  a  system  that  allows mass‐production of the product. Among the criteria are also the pros and cons of  the  material  to  be  used,  automated  assembly  aspects,  the  compatibility  with  existing  components or systems etc.”   In the present study, we designed and fabricated a hinge and clip building system  at the micro scale. Further, we proved the design pertinence by developing an advanced  optical  system  using  hinge  and  clipping  system.  We  have  also  described  the  pros  and  cons of our model for future evolution, and explained the extensile of our hinge and clip  system  for  developing  diversified  optical  systems  like  advanced  spectrophotometers,  and scanners etc.  2   

2.1. 

Objective  

The project assignment is as follows,  To  create  a  micromachined  clip  that  pairs  with  itself  at  90o  so  that  two  micromachined clips can be interconnected without breaking. The clip should be  as compact as possible  To design a set of parts based on these clips.  To  equip  some  parts  with  holders  for  ball  lenses,  and  others  with  at  least    one  further optical function (e.g., prism, lens, grating, Fresnel lens, mirror etc)  To create a base plate from which the construction with manufactured parts can  start.  To  create  a  hinge  structure  that  would  allow  a  part  containing  an  optical  component to be moved parallel to one of the construction axes by a significant  distance.   2.2. 

Project idea  

Designs  of  the  hinge  and  clip  building  system  were  developed  considering  the  FRDPARRC* analysis shown in Figure 2. FRDPARRC is a systematic model development  and decision making procedure that expresses the functional requirements, evaluation  of design parameters, their risks and possible countermeasures. The goal is to develop  the design with minimal risk.  

  Figure 2 – FRDPARRC   * Functional‐Requirements‐Design Parameters‐Analysis‐References‐Risks‐Countermeasures.  3   

  After  analyzing  the  functional  requirements,  design  and  assembly  parameters,  we preferred to develop two models with similar principle, viz. design A and design B.  Major  parameters  considered  for  the  optimization  of  design  were  miniaturization,  stability  and  assembly,  while  both  the  designs  diversified  in  range  of  miniaturization  and  several  key  elements,  discussed  in  chapter  4.  Utmost  care  has  been  taken  while  developing  the  designs.  The  designs  were  fabricated  using  a  particular  “Silicon  ICP  Process” using single mask. We will start the next section with a brief explanation of this  important fabrication process, followed by the project designs, mask layout, assembly of  he system with their subsequent results. The fabrication process is described in the first  place, because of its importance to understand the design constraints. 

3. 

Fabrication Process 

  The  aim  of  this  section  is  to  state  the  design  constraints  generated  by  the  manufacturing  process.  The  process  used  for  the  fabrication  of  designed  parts  was  “Silicon ICP Process” using single mask and Si wafer.   A  wafer  is  a  thin  slice  of  semiconductor  material,  such  as  silicon,  serves  as  the  substrate  for  micro  level  devices  built  in  and  over  the  wafer  and  undergoes  many  microfabrication  process  steps  such  as  mask  preparation  (discussed  in  chapter  5),  cleaning the wafer, doping or ion implantation or metal oxidising, resist development,  photolithographic  patterning,  etching,  deposition  of  various  materials  etc.  Over  the  years,  each  of  the  above  process  steps  were  developed  sophisticatedly  blended  with  high  precision  and  accuracy  for  less  than  micro  meter  scaled  designs.  In  few  words,  there are several cleaning methods to remove chemical and organic material from the  surface of wafer, Positive and Negative resist development methods using mask, baking  process of applied resist following soft chemical treatment to expose the etching area on  Si  wafer  etc.  There  are  different dry  and  wet  etching  methods  in  usage  at  commercial  scale in IC (Integrated Circuits) and microsystems industries. So each step is crucial to  achieve  the  final  design  and  assembly.  Improper  cleaning  leads  to  improper  resist  development  and  undesired  etching.  Figure  2  describes  the  complete  fabrication  process in brief.   3.1.1. Constraints generated by “Si ICP Process”   

The following constraints were observed for the designs:  1. Components must be flat extruded profiles. (Single mask process)  2. Thickness of all components is 380µm. (Characteristics of the wafer)  3. The minimum feature size is 100µm (Etching process)  4. The basic length unit for the design becomes the thickness T=380µm.  5. Parts need a tolerance of 20µm. (Etching process)  4 

 

Figure 3 – Silicon ICP Process for fabrication of designs on Si wafer  With  this  brief  introduction  to  fabrication  process  and  associated  constraints,  we  describe the development of designs in next section (i.e. chapter 4). The designs fit well  into  requirements  and  achieved  certain  precision  for  applications  in  optical  microsystems and also for other microsystem devices. 

4. 

Design task 

  This  section  describes  the  development  of  two  designs  ‘A’  and  ‘B’  towards  assembly and functional aspects. In the first place we will explain the whole task using  design  ‘A’.  Then  the  design  ‘B’  would  be  described  by  comparing  the  appropriate  variations  with  previous  design.  Initially  we  discuss  about  the  principle  of  design  followed by miniaturization and dimensional aspects.  5   

  The  complete  list  of  individual  components  used  for  design  ‘A’  is  shown  in  Figure  5A,  associated  with  corresponding  measurements  or  dimensions.  For  any  additional  information  regarding  these  components  please  see  supplementary  information provided with the report [4]. The 2D and 3D CAD drawings were generated  using  an  evaluation  copy  of  Alibre  Design  v11  Tool  [5].  The  complete  3D  diagram  of  design ‘A' is shown in Figure 6.   4.1. 

Design of hinge and clip system 

  The first task is to create a micromachined clip that pairs with itself at 90o so that  two  micromachined  clips  can  be  interconnected  without  breaking.  Further  the  clip  should  be  as  compact  as  possible.  After  repeated  considerations  of  several  perpendicularly  aligned  components,  we  finalised  with  the  components  shown  in  the  Figure  5A  (a,  b  and  c).  The  functional  parameter  of  b  and  c  are  similar.  They  pair  perpendicularly  with  the  base  plate  as  shown  in  Figure  4a.  Though  several  different  components can be arranged in right angled directions, these particular pieces shown in  ‘a’, ‘b’ and ‘c’ of Figure 4A has a partial lock and key mechanism. Common problem with  miniaturized components is their assembly and automation. In the current design, the  base pillars and the main pillars could be easily arranged as shown in Figure 4a. With a  very flexible arrangement shown in figure b, the pillars could be easily aligned or raised  with  base  plate  and  finally  it  was  locked  with  specially  designed  pins.  Without  the  support of pin the whole system is precarious, so the design of pin makes a major role in  the  development  of  90o  clip  arrangement  as  shown  in  Figure–4b  and  4c.  The  arrangement shown in Figure 4b was supported by a ground plate shown in Figure 6.  This way of arrangement in vertical and horizontal directions could be continued as per  the  need  and  is  stable.  The  total  size  of  the  design  ‘A’  is  2.8  cm  and  dimensions  of  individual components were shown in Figure 5A. The smallest component in the whole  design is the pin used for locking the pillars and plate, which is 120 µm in length and 48  µm in width.   

a)

     c)   

       b)

 

Figure  4  –  chain  concept  a)  Pillars  connected  to  the  plates  in  the  tower.  b)  Analogy  between tower connections and chain links connections. c) Ends of pillars are the half of  the total height and leave a slot for the bridge.  6   

Figure 5A ­ Design ‘A’ Component List (All measurements in mm) 









e  f 



h  i 



l  k 

7

Figure 5B ­ Model B Component List (All measurements in mm) 







d  e 



g  h 

i  k 







8

Elastic behaviour of the pin  The special design of the pin was shown in the Figure 5A‘d’. The clip was meant  to work as a cantilever beam under deflection. When fixed in the position, it would push  the nearby wall of the cross in ground plate and prevent itself from disjointing. The pin  was given a selected deflection (40µm) to calculate the length of this beam in order to  minimize  stress  in  the  material.  The  pin  was  designed  in  such  a  way  that  they  hold  a  very good tolerance and provide good stability to aligned base plate and pillars. As the  pins  were  made  up  of  silicon,  the  tolerance  and  other  important  physical  parameters  were  calculated  accordingly.  The  calculation  of  cantilever  beam  for  pin  was  made  as  follows,  For  a  cantilever  beam  loaded  at  its  free  end,  with  a  force  F,  the  maximum  stress  is  generated at the fixed end.     The maximum stress, σmax   = Mmax/Izz × (h /2)  The maximum deflection produced, w = FL³/3EIzz  Maximum moment, Mmax = FL  So wmax = 2 x  σmax × L²/ 3Eh  The deflection is expected to take care of the process tolerance of ± 20 µm.  Beam dimensions are h = 100 µm and b = 380µm.  Maximum shear stress, σmax = 500MPa  Modulus of elasticity of silicon, E = 60GPa  So we get L= 848 µm. So the length of beam, L is set as 1 mm in the design.   

  Figure 6 – 3Ddiagram of design ‘A’   9   

Optical Components and Bifurcation into 2 models  Further  task  was  extended  to  the  design  of  components  to  support  the  desired  optical components such as for ball lenses, prisms, mirrors, gratings etc. In this context,  we  chose  the  arrangement  of  Interferometer  as  a  functional  aspect  to  prove  the  pertinence of designed hinge and clip system.   For each design, different holders were designed according to the plates. These  included a beam splitter holder, a ball lens holder and a mirror holder. While design ‘A’  achieved  minimal  size,  design  ‘B’  allowed  more  freedom  in  designing  their  geometry.  The optical system holders for design ‘A’ were shown in Figure 5A ‘e’, ’f’, ’g’, ’h’ and ‘i’.  They can be easily located on the hinge and clip system.  Interferometer arrangement  Interferometer  arrangement  was  achieved  by  developing  appropriate  base  plates  as  shown  in  sub  figures  ‘e’  to  ‘i’  of  Figure  5A.  The  components  of  the  interferometer  designed  in  the  current  project  were  optical  fibre  for  guiding  the  light  rays, ball lens for projection, a beam splitter and mirror. Appropriate ground plates for  the  interferometer  components  were  designed  to  support  and  hold  the  basic  tower  structures.  Further  the  whole  arrangement  and  pillars  were  placed  at  required  distances  to  achieve  the  interferometer  function.  The  ground  plate  arrangement  was  shown in sub figure ‘l’ of Figure 5A.   The  final  design  task  was  to  create  a  hinge  structure  that  would  allow  a  part  containing an optical component to be moved parallel to one of the construction axed by  a significant distance. The ability of microsystem to perform a considerable movement  is  a  complex  requirement  under  fabrication  constraints.  Several  physical  parameters  contact  forces,  weight  and  properties  of  silicon  made  this  task  complicated.  Many  solutions  didn’t  fit  into  the  requirements  as  they  made  the  whole  set  up  unstable  and  further,  the  process  and  assembly  tolerances  of  silicon  aggravated  this.  However,  important  note  is  the  considerable  movement  need  to  be  achieved  in  microsystem  would  be  few  micro  meters  or  little  vibrations,  which  could  obviously  show  effect  on  diverged light rays. This condition gave a little room to design the apt system.   A  bridge  arranged  with  a  set  of  spring  structures  could  produce  considerable  vibration, however this particular function should be proved practically, so this topic is  kept  for  analysing  once  again  after  assembly  (i.e.  chapter  6).  For  now,  the  bridge  alignment is a little complicated process, where it should be locked by two main pillars  and  the  mirror  holder  is  made  to  link  with  the  centre  of  the  bridge  in  between  set  of  springs.  The  whole  arrangement  should  be  assembled  so  carefully  that  no  component  should break, considering the tolerance limits of silicon.  All that designed so far fit well for the required or expected functions. The final  graphical assembly of the designed system or interferometer was shown in Figure–6.   10   

4.2. 

Design ‘B’ in detail 

Design A is little complex and the variations in small dimensions during the fabrication,  may  cause  total  system  failure.  So  we  have  developed  design  B  with  little  flexibility.  Design B was divided into two divisions, finally connected by a lock and bridge. The list  of  components  for  design  B  were  shown  in  Figure  5B  and  final  model  is  shown  in  Figure 7. The component ‘f’ in Figure 3B is ground plate, which could be clamped with  similar base plates as many as we need. Unlike in design ‘A’, here we planned to build  one  layer  of  tower.  This  reduced  the  complexity  of  model  assembly.    A  bridge  supporting  the  mirror  was  used  to  connect  two  base  plates  and  was  designed  for  considerable  movement.  Further  changes  were  ball  lens  and  beam  splitter  holders.  Special Y shaped and U shaped holders were used to improve the support for lenses. Pin  concept was continued in this model. Several pins were designed to reduce the risk of  model failure, shown in Figure 5B ‘c’, ‘j’ and ‘i’. The total length of design ’B’ is 3.8 cm, is  1cm  bigger  than  design  ‘A’.  The  pin  structures  were  developedo  with  similar  calculations and diversified in shapes.  

  Figure 7 – 3D diagram of Model B assembly  The  optical  components  for  interferometer  like  mirrors  were  obtained  from  silicon  wafer. 

5. 

Mask Layout and Assembly 

  In  simple  words,  the  mask  could  be  explained  as  a  stencil  used  to  repeatedly  generate  a  desired  pattern  on  resist‐coated  wafers.  In  use,  a  photomask  is  nearly  optically flat glass, transparent to deep UV with an absorber pattern metal (e.g., an 800  Å thick chromium layer). It is directly placed in direct contact with a photoresist‐coated  surface,  and  the  wafer  is  exposed  to  UV  light.  The  mask  layout  can  be  transferred  directly on to semiconductor like Si surface. The masks, making direct contact with the  substrate  are  called  contact  masks  (hard  contact).  There  are  different  kinds  of  masks  11   

and their applications. Non contacted masks are called as soft masks, which are raised  from 10 to 90 µm above the wafer.    In the present assignment, mask layout is an important stage to get the designed  components from the silicon wafer and to assemble the system. Care  was  taken  while  drawing the mask layout. There are few standard tools to generate mask layout. In the  current study, the mask layout was generated using CleWin 4 tools [6]. The assignment  parameters for mask layout are as follows. The wafer will be 380 micrometers (380 µm)  thick. Furthermore, we will have half a wafer space for our design. 2mm of space along  the middle straight line and little space of 10mm at the edge of 100mm diameter wafer  was  left  according  to  instruction  to  facilitate  the  fabrication,  also  for  breaking  and  collecting  the  components.  Based  upon  several  other  parameters,  the  designs  were  transferred onto the surface of mask area. Care was taken while designing break points  and outer surfaces of the designs were curved to avoid the breaks during fabrication as  shown  in  Figure  8.  Care  has  been  taken  while  designing  the  breaking  points  to  avoid  the  damage  to  components.  Sufficient  trench  of  100  µm  was  used  to  avoid  fabrication  damages.   

  Figure 8 – Mask Layout included with both the models  b) Wafer working area [2] c) Special features for layout. d) Breaking point close‐up  12   

6. 

Results and Discussion 

In overall, the assembly of design ‘B’ was accomplished with minimal troubles and the  assembly of design ‘A’ was unsuccessful and focused light on several hidden factors to  be  accommodated  during  the  design,  fabrication  and  assembly  stages.  The  basic  principle  of  locking  mechanism  is  successful,  as  proved  by  model  B.  The  following  section explained the problems faced in design ‘A’ followed by the success in design ‘B’.  6.1.   Breaking points of components  The  fabricated  wafer  was  shown  in  Figure  9.  Individual  components  for  each  model  were  collected  by  breaking  them  using  surgical  blade  number  11  under  microscope.  Though we took utmost care, some of the components were damaged completely during  breaking.  For  example,  the  pin  structure  shown  in  Figure  5B  ‘c’  was  complete  failure.  The  breaking  points  were  designed  at  the  middle  of  the  structure  and  it  leads  to  the  breakage  of  whole  into  two  halves.  Except  this  particular  pin,  breaking  points  for  remaining components  were  designed  better  and  collected  easily.  Another  problem  in  breaking points is, it leads to sharp edges near breakages and  disturbed the assembly  process. Some of the collected components were shown in Figure 13b.  Following the  separation  of  components,  the  sharp  edges  near  breaking  points  of  each  component  were carefully removed. Finally, components for both the designs were collected. 

  Figure 9 – Fabricated wafer containing Model A and Model B together 

  6.2. 

 Tower assembly 

  The  common  principle  shared  by  both  the  designs  was  hinge  and  clip  system  used  for  tower  assembly,  though  the  design  is  stable  and  extensible,  it  should  be  constructed only in particular sequence shown in Figure 10. Any other initiation than  Figure 10 is not suitable to assemble the structure. During the assembly of design ‘A’,  13   

we faced a major challenge, as we discussed previously regarding the dimensional risks  during fabrication. The pillar structures couldn’t be located in base plates as shown in  Figure  4.  The  width  of  pillar  doesn’t  match  the  trench  in  the  crosses  of  ground  plate.  Several  attempts  using  different  pillars  result  the  same.  Further  the  pin  structure  in  design ‘A’ affected the assembly process. The variations in the sizes of pin leads to lose  holding of plate and pillar in few crosses of ground plate and become tight and couldn’t  be  placed  in  few  crosses.  Though  it  is  the  problem  for  the  design  ‘A’,  the  assembly  of  design ‘B’ were completed successfully. 

  Figure 10 – Step by step assembly process of basic tower for both models.   6.3. 

Etching problems 

As  we  discussed  previously  that  the  design  ‘A’  calls  for  precise  and  accurate  dimensions  of  components  during  fabrication  process.  When  we  observed  the  wafer  under high resolution microscope, it revealed several etching problems. Some of them  shown  in  Figure  11  and  Figure  12.  The  inside  etching  patterns  of  crosses  were  disturbing. Some of the crosses were short etched and doesn’t help to fit the pillars and  pins together. Further some crosses of ground plate were so loose that the pillars and  pins  disjointed  with  little  vibrations  in  surface.  In  contrast,  assembly  of  model  ‘B’  is  smooth, as it was designed to overcome the etching variations.  

  Figure 11 – Etching variation in the crosses of ground plate.   14   

The pin in design ‘A’ was also affected collectively due etching problems in ground plate  and pillars. The pin structure depends entirely on the tolerance of material and possible  maximum deflection when inserted in positions. Being the smallest structure in whole  design,  some  pins  were  short  etched  as  shown  in  Figure  12c  and  12d,  others  were  broken during assembly as shown in Figure 12a and 12b. Finally the pillars were also  not matching with the tranches in crosses.  

  Figure 12 – Etching variations in pin and its effects  6.4. 

Partial success of design ‘A’  

In  spite  of  many  problems,  we  could  able  to  assemble  small  structures  proving  the  possibility of principle as shown in Figure 13a. 

  Figure 13 – a) Assembled parts of design ‘A’,                            b) Separated parts of model A from Si wafer.  15   

6.5. 

Assembly of design ‘B’ accomplished 

   Figure  14  shows  the  completely  assembled  micro  interferometer.  In  spite  of  partial  success  with  design  ‘A’,  the  design  ‘B’  fabricated  using  the  same  process  is  complete  as  it  was  designed  to  overcome  the  etching  problems.    The  pin  structure  in  design ‘B’ succeeded in holding the structures stable. 

  Figure 14 – Complete assembly of design ‘B’ (length of the system is approximately 3.5  to 4.5 cm)    Final  aspect  of  the  whole  task  is  to  prove  the  suitability  of  designs  for  optical  microsystems.  The  interferometer  arrangement  was  successfully  accomplished  as  shown  in  Figure  15.  Figure  15a  shows  a  schematic  representation  of  micro  interferometer. Figure 15b shows the close view of micro‐interferometer arrangement.  Providing a coherent light source through an optical fibre towards ball lens is possible  and the beam splitter and mirrors or other components of any optical microsystem can  be achieved simply by altering the dimensions in the hinge and clip system we provided  in chapter 4. Further, the principle or system developed here is extensible to any optical  microsystem  applications.  The  design  faced  considerable  problem  during  bridge  assembly,  because  of  vision  problems  in  horizontal  view  and  need  to  be  redesigned.  Considerable  movement  can  be  achieved  from  the  spring  structure  provided  with  in  bridge, as it proved to be stable and generate considerable deflection in incoming light  16   

rays  with  small  vibration.  The  mirror  component  attached  was  displaced  with  small  vibrations.  The  assembly  of  whole  structure  with  skilled  hand  under  microscope  may  take  approximately  5hrs.  In  spite  of  success  in  holder  design,  they  took  considerable  time to assemble with complexity. The bridge arrangement should be changed to make  it easy to assemble.  

  Figure 15 – Schematic representation of micro‐interferometer from top view  Summarizing the whole task, provided with a suitable fabrication process, it is possible  to  accomplish  the  assembly  of  design  ‘A’.  The  design  ‘B’  should  be  refined  further  to  replace the complex assembly process. The principle developed throughout the process  proved to be suitable for optical microsystems and also extensible for advanced optical  microsystems like Interferometers, Spectrophotometers, scanners etc.  

7.  

Future prospects 

  The  design  described  above  proves  the  success  in  basic  principle  and  faced  several  rectifiable  problems  in  dimensions,  miniaturization  and  assembly  process.  Further whole design need to be refined with the above principle and the complexity in  assembly  process  should  be  reduced.  The  system  proves  stable  and  flexible  to  be  utilized as subsystems in optical micro‐devices with appropriate changes.   

8. 

Acknowledgement 

We gratefully acknowledge Prof. Dr. Jan  Korvink, whole staff of Laboratory of  Simulation,  Department  of  Microsystems  Engineering  (IMTEK)  for  their  immense  support, encouragement and co‐operation.   

  17 

 

9. 

Bibliography 

[1]

Madou  MJ  (2002).  Fundamentals  of  Microfabrication:  The  Science  of  Miniaturization. 2E, CNC. 

[2]

Paolo Dario et al (2000). Micro‐systems in biomedical applications. J. Micromech.  Microeng, 10 235‐244. 

[3]

Ehrfeld  Wolfgang  et  al  (1998).  Novel  concepts  and  technologies  for  manufacturing optical microdevices Proc. SPIE, Vol. 3573, 442. 

[4]

http://sites.google.com/site/microbes05/downloads  

[5]

Alibre Inc., 2350 Campbell Creek Blvd, Suite 100, Richardson, TX 75082 

[6]

CleWin  4  Tool,  Phoenix  software  for  micro  and  nano  technologies,  PhoeniX  Software GMBH, Dortmund. 

[7]

http://sites.google.com/site/mstdesignlaboratory/notes 

 

18   

Suggest Documents