Micromirrors

Nieuwe pixelconcepten voor een MEMS microdisplay

Ondertitel: Invloed van de micro-spiegelconfiguratie op de pull-in

Promotor:  Herbert De Smet
Begeleider:  Roel Beernaert
Richting:  elektrotechniek –  fotonica – toegepaste natuurkunde

Academisch jaar:  2010-2011

#studenten:  1
#scripties:  1

Trefwoorden:  MEMS, literatuurstudie, ontwerp, simulatie, COMSOL multiphysics, pull-in.


Probleemstelling
:
Een van de bekendste toepassingen van “Micro-Electro-Mechanical Systems” (MEMS) is ongetwijfeld Texas Instruments’ “Digital Micromirror Device” (DMD). Zo’n array bestaat simpelweg uit microspiegels die door elektrostatische aantrekking (elektroden onder de spiegel), kunnen omklappen naar twee uiterste toestanden. Elke spiegel correspondeert met een pixel op het scherm. In de ene situatie wordt het licht van de lichtbron gereflecteerd door de lens naar het scherm toe en geeft zo een wit pixel. Als de spiegel aan de andere kant is geklapt, komt het gereflecteerd licht naast de lens terecht en geeft ze zo een zwart pixel. In een voor het menselijk oog voldoende korte periode geeft de zwart-wit verhouding van een pixel zo een grijsverdeling. Op die manier werkt de DMD als lichtklep bij projectiesystemen.
Bij de dynamiek van een micro-spiegel spelen heel veel factoren mee: de materiaaleigenschappen zoals stijfheid en elasticiteitsmodulus, de afmetingen en uiteraard het ontwerp zelf, hoe de elektroden worden gekozen, hoe de rotatie van de spiegel wordt mogelijk gemaakt.
Een cruciaal fenomeen hierbij is pull-in. Dit treedt op op het moment dat de verschilspanning tussen spiegel en elektrode zodanig groot is, dat de mechanische tegenwerking van de spiegel zelf niet meer sterk genoeg is om de elektrostatische kracht tegen te houden. Bijgevolg klapt de spiegel direct om naar de aantrekkende kant. Uiteraard wil men dat dit snel gebeurt, dus is pull-in cruciaal bij de dynamiek van een micro-spiegel. Interessant hierbij zou zijn, welke mogelijkheden er bestaan om pull-in te beïnvloeden. Een handberekening hierbij is niet evident. Simulatieprogramma’s zoals “COMSOL multiphysics”, kunnen hierbij helpen.

Doelstelling
:

Doelstelling van deze thesis is, verschillende spiegelconcepten te beschouwen en het effect op pull-in te bestuderen. Na een literatuurstudie, krijgt de student de kans om met het MEMS simulatiepakket “COMSOL multiphysics” (MEMS module) te leren werken. Verschillende spiegelontwerpen zullen worden onderzocht, waarbij ook eigen creatieve ontwerpen.

Locatie:  Thuis + CMST Ardoyen

New pixel concepts for a MEMS microdisplay

Subtitle: Influence of the micromirror configuration on the pull-in

Promoter:  Herbert De Smet
Supervisor:  Roel Beernaert
Field of interest/direction:  electrotechnics    photonics   applied science   EM Photonics

Academic year:  2010-2011

#students:  1
#thesises:  1

Keywords:  MEMS, literature study, design, simulation, COMSOL multiphysics, pull-in.


Problem definition
:

One of the most famous applications of “Micro-Electro-Mechanical Systems” (MEMS) is undoubtedly “Digital Micromirror Device” (DMD), made by Texas Instruments. Such array basically comprises micromirrors that can tilt to two extreme states, via electrostatic attraction (electrodes below the mirror). Each mirror corresponds to a pixel on the screen. At the first position, light coming from the illumination source is reflected through the lens on the screen. This gives a white pixel. If the mirror has tilted to the other position, the reflected light arrives next to the lens. This gives a black pixel. The black-white ratio of a pixel in a sufficient short period leads to a grayscale for the human eye. This is how the DMD roughly works as a light valve in projection systems.
Many factors determine the dynamics of a micromirror, such as the material properties “stiffness” and “Young’s modulus”, size and design, proper electrode selection and mirror rotation.

A crucial phenomenon is pull-in. It occurs if the voltage difference between the mirror and the electrode is so high, that the mechanical counteraction of the mirror is not able to cope with the electrostatic force anymore. As a result, the mirror directly tilts to the attracting side. One wants this to happen quickly, that’s why pull-in is crucial in the micromirror’s dynamics. It would be interesting to know, which possibilities exist to influence pull-in. A manual unfortunately calculation is not evident. Simulation programs like “COMSOL multiphysics” provide the solution.

Objectives:

Considering different mirror concepts and investigate the effect on pull-in is the main goal of this thesis. After the literature study, the student will be provided to work on the MEMS simulation package “COMSOL multiphysics” (MEMS module) and different mirror designs will be investigated. One part of these designs will be reached from the CMST research group itself. Furthermore, the student will have the opportunity to put his/her own creativity into practice.

Location:  At home + CMST Ardoyen

Comments