อปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ดวยหลกการระบบกลไฟฟาจลภาคส าหรบ

เสนใยน าแสงโหมดเดยว

นางสาวรงลดา ฉมชาง

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมโทรคมนาคม มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ปการศกษา 2556

 

 

 

 

 

 

 

 

A MEMS BASE 2x2 OPTICAL SWITCH FOR SINGLE

MODE OPTICAL FIBERS

Runglada Chimchang

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the

Degree of Master of Engineering in Telecommunication Engineering

Suranaree University of Technology

Academic Year 2013

 

 

 

 

 

 

 

 

อปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ดวยหลกการระบบกลไฟฟาจลภาคส าหรบ เสนใยน าแสงโหมดเดยว

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา

ตามหลกสตรปรญญามหาบณฑต

คณะกรรมการสอบวทยานพนธ (รศ. ดร.พระพงษ อฑารสกล) ประธานกรรมการ

(ผศ. ดร.รงสรรค ทองทา) กรรมการ (อาจารยทปรกษาวทยานพนธ)

(อ. ดร.นมต ชมนาวง) กรรมการ

(ศ. ดร.ชกจ ลมปจ านงค) (รศ. ร.อ. ดร.กนตธร ช านประศาสน) รองอธการบดฝายวชาการและนวตกรรม คณบดส านกวชาวศวกรรมศาสตร

 

 

 

 

 

 

 

 

รงลดา ฉมชาง : อปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ดวยหลกการระบบกลไฟฟาจลภาคส าหรบเสนใยน าแสงโหมดเดยว (A MEMS BASE 2x2 OPTICAL SWITCH FOR SINGLE MODE OPTICAL FIBERS) อาจารยทปรกษา : ผชวยศาสตราจารย. ดร.รงสรรค ทองทา, 107 หนา.

งานวจยนมงเนนการออกแบบ การสราง และการทดสอบอปกรณสวตชเชงแสงส าหรบ

ประยกตใชงานกบสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยว โครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงสรางจากวสดพอลเมอรทเปนสารไวแสงชนดลบ SU-8 ดวยเทคนคเอกซเรยลโธกราฟฟ จากระบบล าเลยงแสง 6a : DXL ของสถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) จากนนท าการเคลอบโลหะโครเมยมและทองค าลงบนโครงสรางเพอใหเกดการน าไฟฟาและสามารถสะทอนแสงได อปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยนมกระจกจลภาคและตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวเปนสวนประกอบหลก ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวประกอบดวยซหวทถกยดตดใหอยกบทและซหวทเคลอนทได 128 ซ เมอปอนแรงดนไฟฟา 190 V สวนทเคลอนทไดจะสามารถเคลอนทได 100 µm โดยสวนปลายของชดซหวทเคลอนทไดจะมกระจกจลภาคขนาดความกวาง 22.91 µm หนา 356 µm ตดอย เมอสงสญญาณแสงทความยาวคลน 1310 nm การสญเสยทางแสงเนองจากการสวตชทนอยทสดในขณะสวตชเปดและสวตชปดมคาตางกน 16.20 dB

สาขาวชา วศวกรรมโทรคมนาคม ลายมอชอนกศกษา_________________________ ปการศกษา 2556 ลายมอชออาจารยทปรกษา__________________

 

 

 

 

 

 

 

 

RUNGLADA CHIMCHANG : A MEMS BASE 2x2 OPTICAL SWITCH

FOR SINGLE MODE OPTICAL FIBERS. THESIS ADVISOR :

ASST. PROF. RANGSAN TONGTA, Ph.D., 107 PP.

OPTICAL SWITCH/MICROMIRROR/COMB-DRIVE ACTUATOR/MEMS/LIGA

This research project presents the design, fabrication and measurement results

of optical switch for single mode optical fiber. The optical switch is fabricated by using

X-ray lithography technique in beamline 6a : DXL at the Synchrotron Light Research

Institute (SLRI). All structures of the optical switch are fabricated by SU-8 photoresist

coated with chromium and gold thin film for electrical conduction and optical reflection,

respectively. A mirror which is attached to the end of moving part is used for reflect

light from optical fiber. The mirror is 22.91 µm wide and 356 µm thick. A comb drive

actuator in moving path has 128 fingers. It can travel 100 µm for 190-V electric step

signal. At a wavelength of 1310 nm, the difference of 16.20 dB was obtained between

switch on and switch off state.

School of Telecommunication Engineering Student’s Signature

Academic Year 2013 Advisor’s Signature

 

 

 

 

 

 

 

 

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธนด าเนนการส าเรจลลวงดวยด ผวจยขอกราบขอบพระคณ บคคล และกลม

บคคลตาง ๆ ทไดกรณาใหค าปรกษา แนะน า ชวยเหลอ อยางดยง ท งในดานวชาการ และการด าเนนงานวจย รวมถงหนวยงานตาง ๆ ทชวยอ านวยความสะดวกในการท างานวจย อาท

ผชวยศาสตราจารย ดร.รงสรรค ทองทา อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ทใหค าปรกษา แนะน า และชแนะแนวทางอนเปนประโยชนยงตองานวทยานพนธ รวมถงชวยตรวจทานและแกไขรายงานวทยานพนธเลมน จนท าใหมความสมบรณยงขน รวมทงเปนก าลงใจ และเปนแบบอยางทดในการด าเนนชวตหลาย ๆ ดานใหกบผวจยเสมอมา

รองศาสตราจารย ดร.พระพงษ อฑารสกล อาจารยประจ าสาขาวชาวศวกรรมโทรคมนาคม และอาจารย ดร.นมต ชมนาวง อาจารยประจ าสาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ส านกวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ทกรณาใหค าแนะน าและค าปรกษาทางดานวชาการ

ดร.รงเรอง พฒนากล นกวทยาศาสตรระบบล าเลยงแสง และคณชาญวฒ ศรผ ง วศวกรประจ าสถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) ทกรณาใหค าแนะน าและค าปรกษาทางดานกระบวนการลโธกราฟฟ

ขอขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารทใหการสนบสนนทนการศกษา เงนอดหนนการท าวทยานพนธและการน าเสนองานวจย

สถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) ส าหรบการสนบสนนเครองมอวจย และสถานทท าวจยตลอดระยะเวลาทท าวจย

ทายนผวจยขอกราบขอบพระคณอาจารยผสอนทกทาน ทประสทธประสาทความรทางดานตาง ๆ ทงในอดตและปจจบน ขอกราบขอบพระคณ บดา มารดา รวมถงญาตพนองของผวจยทกทาน ทใหความรก ความอบอน ความหวงใย การอบรมเลยงด และใหการสนบสนนทางการศกษาอยางดยงมาโดยตลอด รวมทงเปนก าลงใจทยงใหญในยามทผวจยทอ ชวยใหมพลงเขมแขงพรอมเผชญกบปญหาและอปสรรคตาง ๆ จนท าใหผวจยประสบความส าเรจในชวตเรอยมา ส าหรบคณงามความดอนใดทเกดจากวทยานพนธเลมน ผวจยขอมอบใหกบบดา มารดาและญาตพนองซงเปนทรกและเคารพยง ตลอดจนครอาจารยผสอนทเคารพทกทานทไดถายทอดประสบการณทดใหแกผวจยทงในอดตและปจจบนจนส าเรจการศกษาไปไดดวยด

รงลดา ฉมชาง

 

 

 

 

 

 

 

 

ง

สารบญ

หนา

บทคดยอ (ภาษาไทย) ก บทคดยอ (ภาษาองกฤษ) ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง สารบญตาราง ช สารบญรป ซ บทท 1 บทน า 1 1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา 1 1.2 วตถประสงคของงานวจย 2 1.3 ขอตกลงเบองตน 2 1.4 ขอบเขตการวจย 2 1.5 วธด าเนนการวจย 2 1.5.1 แนวทางการด าเนนงานวจย 2 1.5.2 สถานทท าการวจย 3 1.5.3 เครองมอทใชในการวจย 3 1.6 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 3 1.7 สวนประกอบของวทยานพนธ 3 2 ปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ 5 2.1 ระบบกลไฟฟาจลภาค 5 2.2 อปกรณสวตชเชงแสง 6 3 กระบวนการพนฐานทางระบบกลไฟฟาจลภาค 13 3.1 กระบวนการลโธกราฟฟ 13 3.2 การชบโลหะดวยไฟฟา 14 3.3 การเคลอบโลหะดวยการสปตเตอรง 16

 

 

 

 

 

 

 

 

จ

สารบญ (ตอ)

หนา 3.4 การเตรยมสารไวแสง 17 3.5 การสรางหนากากกนรงสเอกซ 20 3.6 การสรางลวดลายบนแผนวงจรพมพ 24 4 การออกแบบและแบบจ าลองทางคณตศาสตร 27 4.1 ความรพนฐานเกยวกบสายใยแกวน าแสง 27 4.1.1 โครงสรางสายใยแกวน าแสง 29

4.1.2 ชนดของสายใยแกวน าแสง 30 4.1.1.1 สายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว (Multi mode optical fibers) 30 4.1.1.2 สายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมด (Multi mode optical fibers) 32

4.1.3 หวเชอมตอ (Connector) 35 4.2 ทฤษฎพนฐานเกยวกบตวขบเราทางไฟฟาสถต

และแบบจ าลองทางคณตศาสตร 37 4.2.1 ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว (Electrostatic comb-drive actuator) 38 4.2.2 ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน (Electrostatic parallel plate actuator) 49 4.3 การออกแบบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง 53 5 กระบวนการพฒนาอปกรณสวตชเชงแสง 57 5.1 การสรางอปกรณสวตชเชงแสงแสง 57 5.2 รปแบบของอปกรณสวตชเชงแสงทมการสรางขนในงานวจย 67 6 การทดสอบและผลการทดสอบ 72 6.1 การเชอมสายอปกรณสวตชเชงแสง 72 6.1.1 เชอมตอตวขบเราทางไฟฟาสถตกบแหลงจายแรงดนสง 72 6.1.2 เชอมตอสายใยแกวน าแสงกบอปกรณสวตชเชงแสง 74

 

 

 

 

 

 

 

 

ฉ

สารบญ (ตอ)

หนา

6.2 การทดสอบการเคลอนท 75 6.3 การทดสอบการสวตชแสง 78 6.4 แนวทางการเพมประสทธภาพใหกบอปกรณสวตชเชงแสง 83 7 สรปงานวจยและขอเสนอแนะ 84 7.1 สรปงานวจย 84 7.2 ขอเสนอแนะ 85 รายงานอางอง 86 ภาคผนวก ภาคผนวก ก. โปรแกรมแบบจ าลองผลทางคณตศาสตร 88 ภาคผนวก ข. บทความทไดรบการตพมพเผยแพร 95 ประวตผเขยน 107

 

 

 

 

 

 

 

 

ช

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 เปรยบเทยบประสทธภาพของอปกรณสวตชเชงแสงของ Raanan กบ DiCon 7 2.2 ผลการจ าลองคาการสะทอนแสงของโลหะชนดตาง ๆ ทความยาวคลน 1310 nm 8 2.3 คาคณลกษณะเฉพาะอปกรณสวตชเชงแสงของ Cornel Marxer 8 2.4 คาคณลกษณะเฉพาะอปกรณสวตชเชงแสงของ Ho Nam Khon 10 4.1 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว 31 4.2 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว 31 4.3 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index 32 4.4 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index 33 4.5 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index 34 4.6 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index 35 4.7 คณสมบตของหวตอชนดตาง ๆ 35 4.8 สญลกษณของอปกรณสวตชเชงแสง 54 5.1 ขนาดพารามเตอรของอปกรณสวตชเชงแสงทออกแบบและไดจากการวด 65 6.1 คาการรบสงแสงผานตวกลางทเปนอากาศ 79 6.2 คาการสญเสยของแสงเนองจากการรบสงแสงผานตวกลางทเปนอากาศ เทยบกบการสงผานสายใยแกวน าแสงโดยตรง 80 6.3 คาการรบสงแสงผานการสะทอนจากกระจกจลภาค 81 6.4 คาการสญเสยของแสงเนองจากการสะทอนของกระจกจลภาค เทยบกบการสงผานอากาศ 81

 

 

 

 

 

 

 

 

ซ

สารบญรป

รปท หนา 2.1 อปกรณสวตชเชงแสงของ Koji Akimoto 6 2.2 อปกรณสวตชเชงแสงของ Raanan A. Miller 7 2.3 อปกรณสวตชเชงแสงของ Cornel Marxer 8 2.4 อปกรณสวตชเชงแสงของ Hiroshi Toshiyoshi 9 2.5 อปกรณสวตชเชงแสงของ Shi-Sheng Lee 10 2.6 อปกรณสวตชเชงแสงของ Ho Nam Khon 11 2.7 อปกรณสวตชเชงแสงของ Chang-Hyeon Ji 11 3.1 เปรยบเทยบการใชสารไวแสงสองชนดในกระบวนการลโธกราฟฟ 14 3.2 การชบโลหะเงนดวยไฟฟา 15 3.3 เครองเคลอบโลหะแบบสปตเตอรง 16 3.4 การเตรยมสารไวแสงดวยการหมนเคลอบ 17 3.5 การเตรยมสารไวแสงดวยการหยด 18 3.6 กระบวนการหลอสารไวแสงจากผงแหงและอปกรณ 19 3.7 ชนของสารไวแสงหลงจากการเตรยมสารไวแสง 19 3.8 กระบวนการสรางหนากากกนรงสเอกซส าหรบสรางอปกรณสวตชเชงแสง 20 3.9 ฐานรองส าหรบสรางหนากากกนรงสเอกซ 21 3.10 ลวดลายหลงฉายแสงสรางหนากากกนรงสเอกซส าหรบ สรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราแบบซหว 22 3.11 หนากากกนรงสเอกซทผานการชบโลหะเงนดวยไฟฟา ส าหรบสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราแบบซหว 23 3.12 แผนวงจรพมพ 24 3.13 ตดแผนฟลมไวแสงบนแผนวงจรพมพ 25 3.14 ฉายแสงอลตราไวโอเลตบนฟลมไวแสง 25 3.15 ฐานรองอปกรณสวตชเชงแสง 26

 

 

 

 

 

 

 

 

ฌ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 4.1 สายใยแกวน าแสง 28 4.2 สวนประกอบของสายใยแกวน าแสง 29 4.3 ขนาดของสายใยแกวน าแสง 29 4.4 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว 30 4.5 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index 32 4.6 สเปคตรมการลดทอนสญญาณของสายใยแกวน าแสง ชนดหลายโหมดแบบ Step index 33 4.7 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index 34 4.8 ลกษณะของแผนตวน าคขนาน 38 4.9 ลกษณะโครงสรางของตวขบเราแบบซหว 38 4.10 โมเดลของตวขบเราแบบซหว 39 4.11 ลกษณะแรงทเกดบนคานสปรงแบบ fixed-fixed beam 40 4.12 คานสปรงแบบ fixed-fixed beams 41 4.13 คานสปรงแบบ folded beam 41 4.14 คานสปรงแบบ serpentine beam 42 4.15 กราฟแรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบจ านวนซหว 45 4.16 กราฟแรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบ ระยะหางระหวางซหวทงสองขว 46 4.17 กราฟแรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเรา เมอเทยบกบความสงของซหว 47 4.18 กราฟแรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเรา เมอเทยบกบระยะทซหวเคลอนท 48 4.19 ลกษณะโครงสรางของตวขบเราแบบแผนคขนาน 49 4.20 โมเดลของตวขบเราแบบแผนคขนาน 50 4.21 กราฟแรงดนไฟฟาแนบตดทเกดขนในตวขบเรา เมอเทยบกบจ านวนแผนตวน า 52

 

 

 

 

 

 

 

 

ญ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 4.22 โครงสรางดานบนของอปกรณสวตชเชงแสง 53 4.23 โครงสรางสามมตของอปกรณสวตชเชงแสง 53 4.24 ขนาดพารามเตอรของอปกรณสวตชเชงแสง 55 5.1 กระบวนการสรางอปกรณสวตชเชงแสง 58 5.2 สารไวแสงบนฐานรองกราไฟต 59 5.3 ฉายรงสเอกซ 60 5.4 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทไดจากการฉายรงสเอกซ 60 5.5 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทผานการเคลอบโลหะแลว 61 5.6 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทถกเคลอบดวยสารไวแสง 62 5.7 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงกอนแหละหลงขดกราไฟต 62 5.8 เชอมตอโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงกบแผนวงจรพมพ 63 5.9 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทตดอยบนแผนวงจรพมพ 64 5.10 ขนาดโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทสรางไดจรง 65 5.11 กราฟเปรยบเทยบผลการจ าลองการตอบสนองของตวขบเราทางไฟฟาสถต ทออกแบบกบทสรางไดจรง 66 5.12 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว และมสปรงแบบ fixed-fixed beam 67 5.13 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว และมสปรงแบบ serpentine beam 8 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค 68 5.14 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว และมสปรงแบบ serpentine beam 12 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค 69 5.15 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน และมสปรงแบบ serpentine beam 12 ขด วางตวขนานกบกระจกจลภาค 69 5.16 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน และมสปรงแบบ serpentine beam 12 ขด 70

 

 

 

 

 

 

 

 

ฎ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 5.17 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว และมสปรงแบบ serpentine 12 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค 71 6.1 เชอมตอสายทองแดงกบขวตวขบเราทางไฟฟาสถต 73 6.2 เชอมสายของอปกรณสวตชเชงแสงกบแหลงจายแรงดนสง 73 6.3 เชอมตอสายใยแกวน าแสงกบอปกรณสวตชเชงแสง 74 6.4 กราฟผลการจ าลองการตอบสนองของโครงสราง อปกรณสวตชเชงแสงทสรางไดจรง 75 6.5 ชดขบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจย 76 6.6 ทดสอบการเคลอนทของตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว 77 6.7 วดคาก าลงของแสงทสงออกมาจากแหลงจายสญญาณแสง 78 6.8 เชอมตอสายใยแกวน าแสงของอปกรณสวตชเชงแสง กบแหลงจายสญญาณแสง 79 6.9 ทดสอบการรบสงแสงผานตวกลางซงเปนอากาศ 79 6.10 ทดสอบการรบสงแสงโดยการสะทอนจากกระจกจลภาค 80 6.11 พนผวบรเวณผนงดานขางของกระจกจลภาค 82 6.12 โครงสรางกระจกจลภาคทเหมาะสม 83

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 1 บทน ำ

เนอหาในบทนเปนการอธบายถงความเปนมาและเหตจงใจส าหรบวทยานพนธฉบบน ซงประกอบดวย ความเปนมาและความส าคญของปญหา วตถประสงคของงานวจย แนวทางการด าเนนงานวจย ประโยชนทคาดวาจะไดรบ และสวนประกอบของวทยานพนธ

1.1 ควำมเปนมำและควำมส ำคญของปญหำ ปจจบนการสอสารทางแสงโดยผานใยแกวน าแสงก าลงเปนทนยมอยางมาก อนเนองมาจากสามารถสงขอมลไปไดในระยะทไกลมากโดยใชตวทวนสญญาณนอยเพราะมการสญเสยสญญาณต ากวาสญญาณไฟฟา อกทงสามารถสงขอมลดวยอตราเรวสง ทส าคญการลกลอบขโมยสญญาณจากระบบใยแกวน าแสงนนเปนเรองทท าไดยาก จงท าใหไดรบการยอมรบและใชงานกนอยางแพรหลาย แตโดยปกตแลวการสอสารผานใยแกวน าแสงจะเปนแบบจดตอจด (point to point) หากตองการสอสารแบบหนงจดตอหลายจด (point to multipoint) จะตองใชสายใยแกวน าแสงหลายเสน ดวยเหตนจงมการสรางอปกรณทจะมาท าหนาทเปนตวสวตชแสงเพอลดจ านวนการใชสายใยแกวน าแสงใหนอยลง ระบบกลไฟฟาจลภาค หรอ Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) เปนอปกรณทมขนาดเลกระดบไมโครเมตร หรอ 1 ในลานของเมตร ประกอบดวยสวนทใชไฟฟาส าหรบขบเคลอนและสวนทใชกลไกบางอยางท าใหเคลอนท อาจสรางขนโดยใชเทคโนโลยการผลตวงจรรวม (Integrated Circuit Technology : IC) เทคนคการปลกสาร เทคนคการกดก าจด และเทคนคการสรางรปแบบดวยกระบวนการโฟโตลโธกราฟฟ ระบบกลไฟฟาจลภาคเปนเทคโนโลยสมยใหมทเตบโตอยางสงและตอเนอง ในปจจบนไดรบความสนใจและกาวล าไปอยางมากทวโลก อนเนองมาจากความตองการอปกรณทมขนาดเลก สมรรถนะสง และราคาถก โดยเทคโนโลยดงกลาวไดถกน าไปใชประโยชนในสาขาตาง ๆ มากมายอาทเชน เทคโนโลยยานยนตน าไปผลตอปกรณวดความเรงและอปกรณวดความดน เทคโนโลยการแพทยและชวภาพน าไปผลตตวตรวจร (Sensors) และตวขบเรา (Actuators) ชนดตาง ๆ เทคโนโลยการสอสารโทรคมนาคมน าไปผลตอปกรณทใชในการสอสารทางแสง ดงนนจงไดท าการวจยเกยวกบการสรางอปกรณสวตชเชงแสงโดยใชเทคนคเอกซเรยลโธกราฟฟส าหรบใชเปนตวเปลยนทศทางแสงขน

 

 

 

 

 

 

 

 

2

กระจกแนวตงทวางในแนวตงฉากกบพนผวของชพก าลงเปนทนาสนใจในระบบเชงแสงจลภาค การตดตงใยแกวน าแสงและเลเซอรไดโอดใหอยในแนวขนานกบระนาบของตวชพเปนเรองทท าไดงาย นอกจากนการสรางกระจกทวางตวในแนวตงใหมคณภาพเชงแสงทสงนนยงคงเปนงานททาทาย เทคนคการสรางมากมายไดถกวจยขน งานวจยนมงเนนในเรองการพฒนากระบวนการสราง การผลตอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถต ดวยเทคโนโลยการผลตโครงสรางจลภาคสดสวนสง โดยใชรงสเอกซ เพอใหสามารถน าไปประยกตและใชประโยชน อกทงเพอเปนการลดตนทนในการผลตอกดวย อปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยนประกอบดวยสวนส าคญ 2 สวน คอ กระจกจลภาคท าหนาทเปนตวเปลยนทศทางของแสง และสวนทสองคอตวขบเราทางไฟฟาสถตท าหนาทขบเคลอนกระจกจลภาคใหสามารถเคลอนทได

1.2 วตถประสงคของงำนวจย 1.2.1 น าเทคนคซนโครตรอนเอกซเรยลโธกราฟฟมาประยกตใชในการสรางอปกรณสวตชเชงแสง 1.2.2 พฒนาเทคนคการเคลอบทองค าลงบนกระจกจลภาคเพอใหเกดการสะทอนแสง 1.2.3 พฒนาองคความรใหมในกระบวนการผลตระบบกลไฟฟาจลภาคเชงแสง เพอลดตนทนในการผลต

1.3 ขอตกลงเบองตน โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงสรางจากพอลเมอรซงเปนสารไวแสงชนดลบ (SU-8) เคลอบโลหะ

1.4 ขอบเขตกำรวจย สรางอปกรณสวตชเชงแสงโดยใชกระบวนการลโธกราฟฟ

1.5 วธด ำเนนกำรวจย 1.5.1 แนวทางการด าเนนงานวจย 1) ส ารวจปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของกบวทยานพนธ 2) ศกษากระบวนการผลตโครงสรางระบบกลไฟฟาจลภาค 3) ออกแบบอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถต

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4) สรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถต 5) พฒนาและปรบปรงกระบวนการสรางและการผลตอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถต 6) ทดสอบการท างาน วเคราะห สรปผลและเกบรวบรวมขอมลทไดจากการสรางและทดสอบการท างาน 1.5.2 สถานทท าการวจย หองปฏบตการ Beam Line 6a : DXL สถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) 111 หมท 6 ถนนมหาวทยาลย ต าบลสรนาร อ าเภอเมอง จงหวดนครราชสมา 30000 1.5.3 เครองมอทใชในการวจย 1) โปรแกรมออกแบบลวดลาย Layout Editor 2) โปรแกรมแมทแลบ (MATLAB) 3) หองสะอาด (Clean room) และอปกรณ 4) เครองฉายรงสอลตราไวโอเลต 5) รงสเอกซจากเครองก าเนดแสงซนโครตรอน 6) เครองเคลอบโลหะแบบการสปตเตอรง

1.6 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ 1.6.1 อปกรณสวตชเชงแสงทสรางจากเทคนคซนโครตรอนเอกซเรยลโธกราฟฟ 1.6.2 พฒนาเทคนคการเคลอบทองค าลงบนกระจกจลภาคเพอใหเกดการสะทอนแสง 1.6.3 พฒนาองคความรใหมในกระบวนการผลตระบบกลไฟฟาจลภาค

1.7 สวนประกอบของวทยำนพนธ วทยานพนธฉบบนประกอบดวย 7 บท บทท 1 เปนบทน า กลาวถงความเปนมาและความส าคญของปญหา วตถประสงคของงานวจย ขอบเขตงานวจย ขอตกลงเบองตน ขอบเขตงานวจย วธด าเนนงานวจยและประโยชนทคาดวาจะไดรบ บทท 2 กลาวถงการปรทศนวรรณกรรมและทฤษฎทเกยวของกบการสรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถตในระบบกลไฟฟา

 

 

 

 

 

 

 

 

4

บทท 3 กลาวถงกระบวนการทางระบบกลไฟฟาจลภาค ทเกยวกบการสรางอปกรณสวตชเชงแสง ไดแก กระบวนการลโธกราฟฟ กระบวนการเคลอบโลหะ กระบวนการชบโลหะดวยไฟฟา กระบวนการเตรยมสารไวแสง การสรางหนากากก นรงสเอกซ และการสรางลวดลายบนแผนวงจรพมพ บทท 4 กลาวถงความรพนฐานของสายใยแกวน าแสง แบบจ าลองทางคณตศาสตรในการจ าลองพฤตกรรมการเคลอนทของตวขบเราทางไฟฟาสถตเมอไดรบแรงดนไฟฟาขบเคลอน (Driving voltage) และการค านวณแรงดนไฟฟาแนบตด (Pull-in voltage) บทท 5 กลาวถงการสรางและพฒนากระบวนการผลตอปกรณสวตชเชงแสง บทท 6 กลาวถงการทดสอบและผลการทดสอบ บทท 7 กลาวถงการสรปผล ขอเสนอแนะ และแนวทางแกไข นอกจากนยงมภาคผนวกซงเปนขอมลทเกยวของกบงานวจย ไดแก ภาคผนวก ก. โปรแกรมแบบจ าลองผลทางคณตศาสตรของแรงดนทางไฟฟาขบเคลอนและแรงดนไฟฟาแนบตด ภาคผนวก ข. บทความทางวชาการทไดรบการตพมพเผยแพร

 

 

 

 

 

 

 

 

5

บทท 2

ปรทศนวรรณกรรมและงำนวจยทเกยวของ

2.1 ระบบกลไฟฟำจลภำค การพฒนาเทคโนโลยทางดานระบบกลไฟฟาจลภาค (MEMS) เรมไดรบความสนใจอยางมากในปจจบน เปนศาสตรทรวบรวมเอาความรและวชาการหลากหลายสาขาทงดานไฟฟา เครองกล วสดศาสตร ชววทยา เคม ฟสกส รวมทงดานระบบการวดและระบบควบคม ผนวกเขาดวยกนอยางลงตว เพอสรางหรอผลตอปกรณขนาดเลกในระดบไมโครเมตรถงมลลเมตรทมความสามารถท างานไดอยางมประสทธภาพ เทคโนโลยดงกลาวถกน ามาใชอยางกวางขวางในดานอตสาหกรรม ยานยนต การแพทย อเลกทรอนกส ระบบควบคม ระบบการสอสาร ดงตวอยางเชน ตวตรวจรความชน ตวตรวจรความดน ตวตรวจรความเรงส าหรบถงลมนรภยและระบบความปลอดภย อปกรณวดความโนมเอยงส าหรบเครองบน เปนตน อปกรณทไดกลาวมาสวนใหญแลวเปนสงทมความจ าเปนและส าคญตอชวตประจ าวนทงสน การสรางหรอผลตอปกรณทางระบบกลไฟฟาจลภาคนนใชเทคนคการสรางพนฐานจากการสรางวงจรรวม (Integrated Circuit : IC) จงท าใหไดขนาดของอปกรณทเลก สวนระบบการผลตชนสวนขนาดใหญนนจะใชเทคนคการสรางทไดแก การกลง การหลอ การเจาะ การฉด การรด หรอการอด เพอขนรปชนงาน เทคนคหรอวธการดงกลาวไมสามารถสรางโครงสรางใหมขนาดเลกลงไดเพราะมขดจ ากดทางดานรปราง และสงนเองทเปนขอไดเปรยบของระบบกลไฟฟาจลภาค เนองจากสามารถสรางชนงานขนาดเลกและซบซอนไดมากกวา ท าใหลดตนทนการผลต รวมถงความสะดวกตอการน าไปประยกตใชกบอปกรณอน ปจจบนอปกรณทเปนระบบกลไฟฟาจลภาค (Micro-electromechanical system : MEMS) คอหนงในอปกรณทเตบโตเรวทสดในสายอตสาหกรรม การประยกตใชงานในดานตาง ๆ นนไดเพมมากขนตลอดเวลา ซงลวนแลวแตเปนชนสวนหรออปกรณทมความส าคญและตองการความแมนย าในการท างานทสง (G. Somlay et al., 2007) ตวขบเราจลภาค (Microactuator) กถกใชอยางกวางขวางในการขบเราโครงสรางตาง ๆ ในระบบกลไฟฟาจลภาค การกระตนตวขบเราจลภาคนนสามารถท าไดหลายวธ เชน การใชฟลมเพยโซอเลกทรค (Piezoelectric films), การใชหลกการในการขยายตวของโลหะเนองจากอณหภม (Thermal expansion), การใชหลกการของโลหะอลลอยดทคนรปได (Shape memory alloy) และการใชหลกการของฟาสถต (Electrostatic forces) เปนตน

 

 

 

 

 

 

 

 

6

2.2 อปกรณสวตชเชงแสง อปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยนจะสามารถท างานไดตองประกอบดวยสวนส าคญ 2 สวน สวนทหนงคอกระจกจลภาคท าหนาทเปนตวเปลยนทศทางของแสง และสวนทสองคอตวขบเราจลภาคท าหนาทขบเคลอนกระจกจลภาคใหสามารถเคลอนทได ในอดตทผานมาไดมการน าเสนองานวจยทเกยวของกบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยหลายชนดงน Koji Akimoto (1997) ไดประดษฐกระจกจลภาคจากนกเกลทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวเปนตวขบเคลอน โดยใชเทคนคการสกดพนผวนกเกล ซงมทงสรางแมพมพดวยสารไวแสงและการชบโลหะนกเกลดวยไฟฟา กระจกจลภาคนกเกลนมความสง 19 µm กวาง 50 µm อปกรณนมสามารถวดคณลกษณะเฉพาะทงทางแสงและทางกล การสะทอนแสงของกระจกจลภาควดไดจากการใชสายใยแกวน าแสงแบบ hemi-spherical-end ซงเหมาะจะนะไปใชวดวตถทมขนาดเลกมาก ๆ ระยะทางสงสดในการเคลอนทคอ 5.5 µm วดผลของการสะทอนไดประมาณ 63%

รปท 2.1 อปกรณสวตชเชงแสงของ Koji Akimoto

Raanan A. Miller (1997) ไดออกแบบและสรางอปกรณสวตซเชงแสงแบบ 2x2 ส าหรบสายใยแกวน าแสงแบบหลายโหมดซงประกอบดวยกระจกจลภาคขนาดกวาง 5 µm ยาว 3 mm และสง 500 µm ขบเคลอนดวยตวขบเราแบบแมเหลกไฟฟาในลกษณะขนลงตามแนวแกน z ควบคมการท างานจากชดขดลวดทองแดงและสปรงทตดอยบนแผนซลคอน (Silicon) และถกกระตนจากสนามแมเหลกภายนอกของแมเหลกโลกทหายาก มประสทธภาพในการท างานสงมากเมอเทยบกบอปกรณสวตชเชงแสงแบบ DiCon

Si wafer Ni micromirror

V groove

 

 

 

 

 

 

 

 

7

ตารางท 2.1 เปรยบเทยบประสทธภาพของอปกรณสวตชเชงแสงของ Raanan กบ DiCon อปกรณสวตชเชงแสงของ Raanan อปกรณสวตชเชงแสงแบบ DiCon Switching Time 10 ms 20 ms Switching Current 20-30 mA 130 mA Switching power 17-38 mW 650 mW Switch Size < 1cm3 23 cm3

Insertion Loss 0.062–3 dB 0.5–1 dB Loopback Path Loss 2.5–11 dB 2–6 dB Bypass Path Loss 2.3–2.5 dB 0.5 dB

รปท 2.2 อปกรณสวตชเชงแสงของ Raanan A. Miller

Cornel Marxer (1999) ไดสรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ส าหรบสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยว อปกรณนมสวนประกอบหลกในการท างานอยสองสวนไดแก กระจกจลภาคแนวตงทคอยท าหนาทสวตชแสง และตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวท าหนาทเปนตวขบเคลอนกระจกจลภาคใหเคลอนทเขาออกระหวางทางเดนแสงของสายใยแกวน าแสงสองค ใชเทคนคขนรปโครงสรางโดยการสกดพนผวซลคอนเชงลก และมการเคลอบโลหะหลายชนดเพอใหกระจกจลภาคเกดการสะทอนแสง กระจกจลภาคนมความสง 75 µm และมความกวางนอยทสด 2.3 µm ตวขบเราสามารถเคลอนทได 20 µm เมอปอนแรงดน 60 V

Si wafer

Mirror

Rare-earth magnet

Fibers

 

 

 

 

 

 

 

 

8

ตารางท 2.2 ผลการจ าลองคาการสะทอนแสงของโลหะชนดตาง ๆ ทความยาวคลน 1310 nm

ทองค า อลมเนยม นกเกล โครเมยม การสะทอน 97.5% 97% 72.1% 63% ความหนาของโลหะ 170 nm 100 nm 270 nm 320 nm

ตารางท 2.3 คาคณลกษณะเฉพาะอปกรณสวตชเชงแสงของ Cornel Marxer

Switch off Switch on Insertion loss 1.2 dB 1.8 dB Crosstalk attenuation <-66 dB <-50 dB Backreflection attenuation <-40 dB <-33 dB Switching speed <1 ms Driving voltage 5 V CMOS Supply voltage (power) 5 V (70 mW)

รปท 2.3 อปกรณสวตชเชงแสงของ Cornel Marxer

Si wafer Fiber groove

Electrostatic comb actuator

Micromirror

 

 

 

 

 

 

 

 

9

Hiroshi Toshiyoshi (1999) ไดสรางอปกรณสวตชเชงแสงส าหรบสายใยแกวน าแสงแบบหลายโหมด ทมกระจกบดขนาดเลกท าหนาทเปนตวสวตชแสงและถกขบเคลอนดวยแมเหลกไฟฟา อาศยเทคนคการขนรปดวยการสกดพนผวซลคอน กระจกขนาดเลกนเปนทองค า ตดอยกบคานบดทเคลอบฟลมแมเหลก FeNiCo คานบดนจะถกควบคมการท างานดวยสนามแมเหลกทเกดจากแมเหลกไฟฟา ท าใหสามารถบดไปรอบ ๆ แกนได เวลาในการสวตซ 10-25 ms การสญเสยจากการสะทอน -2.5 dB และการสญเสยจากการสง -0.83 dB

รปท 2.4 อปกรณสวตชเชงแสงของ Hiroshi Toshiyoshi

Shi-Sheng Lee (1999) ออกแบบและสรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ดวยระบบกลไฟฟาจลภาคส าหรบสายใยแกวน าแสงโหมดเดยว กระจกบดจลภาคแนวต งถกสรางขนจากกระบวนการสกดพนผว (Surface-micromachined) ควบคมการท างานดวยตวขบเราทใชหลกการในการขยายตวของโลหะเนองจากอณหภม เมอปอนแรงดนไฟฟา 80 V จะท าใหกระจกบดเปนมม 45 องศา เวลาในการสวตชนอยกวา 400 µs คาการสญเสยทางแสงเนองจากการแทรกสอดได 1.25 dB

Micromirror Fiber grove

N S

 

 

 

 

 

 

 

 

10

รปท 2.5 อปกรณสวตชเชงแสงของ Shi-Sheng Lee

Ho Nam Khon (2004) ไดออกแบบและสรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ส าหรบประยกตในการเพมลดทางแสงทมการสญเสยต า ของสายใยแกวน าแสงแบบปลายแบน (Flat-ended fiber) และสายใยแกวน าแสงแบบปลายเฉยง (Beveled-ended fiber) มกระจกจลภาคเปนตวสวตชแสง และถกขบเคลอนดวยตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว อปกรณนถกสรางขนจากกระบวนการสกดพนผวซลคอนดวยไอออนเชงลก (Silicon deep reactive ion etch : DRIE) เคลอนทไปไดระยะทาง 40 µm ดวยแรงดน 24 V วดคา TDL (Time dependent loss), PDL (Polarization dependent loss) และ WDL (Wavelength dependent loss) ท Pi (Input port), Po (Output port), Pa (Add port) และ Pd (Drop port) ไดดงน ตารางท 2.4 คาคณลกษณะเฉพาะอปกรณสวตชเชงแสงของ Ho Nam Khon

Optical Characteristics

Flat-ended fiber Beveled-ended fiber Switch off Switch on Switch off Switch on

Pi-Po Pa-Pd Pa-Po Pi-Pd Pi-Po Pa-Pd Pa-Po Pi-Pd TDL (dB) 0.06 0.02 0.24 0.33 0.01 0.04 0.01 0.03 PDL (dB) 0.13 0.05 0.28 0.41 0.05 0.05 0.03 0.05 WDL (dB) 0.48 1.11 0.61 1.24 0.28 0.68 0.71 0.24

Extinction ratio

- - - - - - 31 32

Response time 5 ms

Torsion mirror Thermal actuator

Back electrode plate

Si substrate

 

 

 

 

 

 

 

 

11

รปท 2.6 อปกรณสวตชเชงแสงของ Ho Nam Khon

Chang-Hyeon Ji (2004) ไดออกแบบและสรางอปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 ดวยระบบกลไฟฟาจลภาค ประกอบดวยกระจกจลภาคเคลอบทองค าทสรางขนจากกระบวนการสกดพนผวซลคอนดวยไอออนเชงลก ทอยบนสวนปลายของคานบด ควบคมการเคลอนทดวยแรงแมเหลกไฟฟา ซงเกดจากขดลวดเหลก กระจกจลภาคนมความกวาง 2 µm ทดสอบการท างานทความยาวคลน 1550 nm มคาการสญเสยจากการแทรกสอด 0.2-0.8 dB และการสญเสยจากการโพลาไรซ 0.02-0.2 dB เวลาในการสวตชคอ 1 ms

รปท 2.7 อปกรณสวตชเชงแสงของ Chang-Hyeon Ji

Micromirror

Fiber trench

Electrostatic comb actuator

Micromirror Si surface

Fiber groove Iron yoke

 

 

 

 

 

 

 

 

12

จากงานวจยทไดท าการส ารวจพบวากระบวนการสรางอปกรณสวตชเชงแสง มรปแบบการสรางทหลากหลายไดแก การสรางชนงานดวยการสกดฐานรองเปนโครงสรางลงไปหรอเรยกวา Bulk micromachining และสรางชนงานดวยงานสรางลวดลายบนพนผวของฐานรองหรอเรยกวา Surface micromachining ซงแตละวธกมขอดและขอเสยทแตกตางกน การสรางชนงานดวยการสกดฐานรอง สวนใหญแลวจะเปนวสดประเภทซลคอนตองใชอปกรณและเครองมอราคาสง แตมความแมนย าในการสราง การควบคมอตราการเกดหรอการสกดคอนขางแมนย า สวนอกวธคอสรางชนงานบนพนผวซงวสดและอปกรณราคาไมแพงมาก ส าหรบงานวจยนจะมงเนนในเรองของการพฒนากระบวนการสรางอปกรณสวตชเชงแสงดวยเทคโนโลยระบบกลไฟฟาจลภาค โดยใชกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซ เนองจากกรงสเอกซมคาของพลงงานทสงกวารงสอลตราไวโอเลตหลายเทาท าใหไดชนงานจากกระบวนการฉายแสงทมผนงเรยบตรงและตงฉากกบฐานรอง อนเปนขอดของการสรางโครงสรางดวยรงสเอกซ ซงจะชวยใหสามารถสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมแรงขบทสงขนโดยใชแรงดนขบเคลอนนอยและมพนผวส าหรบสวตชแสงทเรยบขนเมอเทยบกบการผลตดวยเทคนคดงเดม โดยในขนตนนจะเนนการแกปญหากระบวนการผลตใหสามารถผลตอปกรณสวตชเชงแสงใหสามารถเคลอนทไดจรงและสวตชแสงไดกอนแลวจงปรบปรงคณลกษณะการท างานใหดยงขนในโอกาสตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

13

บทท 3

กระบวนกำรพนฐำนในกำรผลตระบบกลไฟฟำจลภำค

การสรางและการพฒนาอปกรณทางดานระบบกลไฟฟาจลภาค โดยพนฐานนยมใชกระบวนการลโธกราฟฟ เนองจากกระบวนการดงกลาวเปนกระบวนการมาตรฐานส าหรบสรางวงจรรวม (Integrated circuit : IC) ซงประกอบดวยการฉายแสง การลางสารไวแสง ดงนนในงานวจยนจงใชกระบวนการลโธกราฟในการผลตอปกรณสวตชเชงแสงแบบไฟฟาสถต นอกจากนยงมการใชเทคนคอนรวมดวย คอ การเคลอบโลหะดวยเทคนคสปตเตอรง (Sputtering) เพอใหอปกรณสวตชเชงแสงสามารถสะทอนแสงและน าไฟฟาได

3.1 กระบวนกำรลโธกรำฟฟ กระบวนการลโธกราฟฟ (Lithography process) เปนกระบวนการทส าคญในเทคโนโลยระบบกลไฟฟาจลภาค คอการใชกระบวนการทางเคมในการถอดแบบลวดลายจากลวดลายตนแบบทมลกษณะเปนลายเสนทบแสงลงบนพนผวเรยบ ซงอาจจะเปนการสรางลวดลายลงบนวสดตาง ๆ ทมลกษณะเปนพนผวเรยบ ในกระบวนการถอดแบบจะใชสารเคมทเรยกวาสารไวแสง (Photoresist) เปนวสดในการถอดแบบ คณสมบตทางกายภาพของสารไวแสงคอจะเปลยนแปลงไปเมอมแสงมาตกกระทบ สารไวแสงสามารถจ าแนกไดเปนสองชนด คอ สารไวแสงชนดบวก (Positive photoresist) จะมคณสมบตทเมอมแสงมาตกกระทบในบรเวณใดบรเวณนนจะสามารถลางออกไดดวยน ายาดเวลอปเปอรเหลอไวเฉพาะบรเวณทไมมแสงมาตกกระทบ และอกชนดหนงไดแก สารไวแสงชนดลบ (Negative photoresist) ซงจะมคณสมบตทตรงขามกบสารไวแสงชนดบวก กลาวคอบรเวณใดทไมมแสงมาตกกระทบจะถกลางออกไดดวยน ายาดเวลอปเปอร เหลอไวเฉพาะบรเวณทมแสงมาตกกระทบเทานน จากคณสมบตของสารไวแสงทงสองชนดท าใหสามารถสรางลวดลายในกระบวนการลโธกราฟฟออกมาไดสองแบบขนอยกบการเลอกใชสารไวแสงนนเอง สวนแสงทใชในการฉายลงบนสารไวแสงนนจะเปนแสงทอยในยานแสงอลตราไวโอเลต (Ultra-violet : UV) ซงกระบวนการลโธกราฟฟทงกระบวนการโดยสงเขปสามารถแสดงไดดงรปท 3.1 ซงเปนการเปรยบเทยบใหเหนขอแตกตางระหวางการใชสารไวชนดบวก (ก) และการใชสารไวแสงชนดลบ (ข)

 

 

 

 

 

 

 

 

14

หลงฉายแสง หลงฉายแสง

ฐานรอง สารไวแสง

โปรงแสง ดดกลนแสง

แหลงก าเนดแสง

หลงลางสารไวแสง หลงลางสารไวแสง

(ก) สารไวแสงชนดบวก (ข) สารไวแสงชนดลบ

รปท 3.1 เปรยบเทยบการใชสารไวแสงสองชนดในกระบวนการลโธกราฟฟ

3.2 กำรชบโลหะดวยไฟฟำ หลงจากสรางลวดลายลงบนฐานรองดวยกระบวนการลโธกราฟฟแลว ขนตอนตอไปคอการเตมโลหะเขาไปในชองวางของสารไวแสงเพอเปนส าหรบหนากากกนรงสเอกซ ส าหรบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยนจะตองมการเตมวสดดดกลนรงสเอกซ ซงจะใชโลหะเงนเปนลวดลายส าหรบดดกลนรงสเอกซ อยบนแผนกราไฟตซงมคณสมบตโปรงแสงตอรงสเอกซ การเตมโลหะเงนลงบนฐานรองเพอใชเปนลวดลายกนรงสเอกซนนจะใชวธการชบดวยไฟฟา (Electroplating) ซงเปนวธทงายตอการสรางชนงานและราคาถก โดยใชกระบวนการไฟฟาเคมซงไอออนของโลหะทเปนขวแอโนด (Anode) จะผานสารละลายมาเคลอบบนชนงานซงเปนขวแคโธด (Cathode) โดยปอนกระแสไฟฟาคงท การชบโลหะดวยไฟฟาใหมความสม าเสมอจะขนอยกบการรกษาความหนาแนนกระแสไฟฟาใหเหมาะสมตลอดกระบวนการ ในรปท 3.2 เปนตวอยางวงจรส าหรบชบเงน

 

 

 

 

 

 

 

 

15

ดวยไฟฟาซงในทางปฏบตอาจจะมอปกรณอนเขามาเสรมเพอใหชนงานมคณภาพดขน เชน วงจรสรางสญญาณพลส (Pulse plating) หรอใชปมของเหลวชวยใหเกดการหมนเวยนของสารละลาย หรอแมแตอปกรณท าความรอนใหสารละลายมอณหภมทเหมาะสม จากรปท 3.2 อปกรณส าหรบชบโลหะเงน ประกอบดวย ชดแหลงจายไฟฟากระแสตรง สารละลาย และชนงาน การตอวงจรท าไดโดยน าชนงานตอเขาทแคโธดและแผนแพลตตนมตอเขาทแอโนด เมอเกดกระแสไหลเงนจะกอตวทผวของชนงานจนไดความหนาตามตองการจงหยดจายกระแสไฟฟา

รปท 3.2 การชบโลหะเงนดวยไฟฟา

แอโนด แคโธด

ชนงาน

สารละลายเงน

แทงแพลทนม

แทงกวนสาร (ก) วงจรส าหรบการชบโลหะดวยไฟฟา

(ข) ชดอปกรณส าหรบการชบโลหะเงน

 

 

 

 

 

 

 

 

16

3.3 กำรเคลอบโลหะดวยกำรสปตเตอรง เทคนคการเคลอบโลหะสวนใหญแลวเนนเคลอบวสดทเปนฉนวนใหสามารถน าไฟฟาไดซงจะไดความหนาในระดบนาโนเมตร ในงานวจยนจะเสนอกระบวนการเคลอบโลหะดวยเทคนคการสปตเตอรง มหลกการดงน การสปตเตอรง (Sputtering) อาศยหลกการสรางพลาสมาของแกสเฉอย Ar+ และเหนยวน าใหพงเขาชนโลหะเปาหมาย (พทยา ดกลา, 2009) อะตอมของโลหะเปาหมายจะกระเจงออกมาเคลอบบนชนงาน การสปตเตอรงแบงออกเปน 2 ชนด การสรางพลาสมาดวยแรงดนไฟฟากระแสตรง (DC sputtering) เหมาะส าหรบวตถเปาหมายทเปนโลหะและการสรางพลาสมาดวยแรงดนไฟฟากระแสสลบ (RF sputtering) เหมาะส าหรบวตถเปาหมายทเปนตวน าหรอฉนวนดงรปท 3.3 ระบบเคลอบวสดดวยวธสปตเตอรง

รปท 3.3 เครองเคลอบโลหะแบบสปตเตอรง

(ข) เครองสปตเตอรง (ก) หลกการสปตเตอรง

 

 

 

 

 

 

 

 

17

3.4 กำรเตรยมสำรไวแสง จากตวอยางของสารไวแสงซงเปนวสดส าหรบการสรางลวดลายชนงาน หรอสรางเปนแมพมพมสองชนดคอชนดลบและชนดบวก การเตรยมสารไวแสงส าหรบกระบวนการลโธกราฟฟสามารถเตรยมไดจากการหมนเคลอบ การหยด หรอการหลอจากผงสารไวแสง ในรปท 3.4 เปนขนตอนการหมนเคลอบสารไวแสงชนดลบ SU-8 และเครองเครองส าหรบหมนเคลอบสารไวแสง

รปท 3.4 การเตรยมสารไวแสงดวยการหมนเคลอบ

(ข) เครองหมนเคลอบสารไวแสง

(ก) กระบวนการหมนเคลอบสารไวแสง

หยดสารไวแสงบนฐานรอง

หมนเคลอบสารไวแสง

อบหลงหมนเคลอบสารไวแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

18

นอกจากการเตรยมสารไวแสงดวยวธหมนเคลอบแลว ยงสามารถใชวธหยดสารไวแสงไดดวย ซงวธนเปนการน าสารไวแสงแบบเหลวมาหยดลงบนวสดทใชเปนฐานรอง ดงรปท 3.5 ซงขอดของวธการนคอการเตรยมสารไวแสงไมยงยาก

รปท 3.5 การเตรยมสารไวแสงดวยการหยด

วธการเตรยมสารไวแสงอกวธหนงคอ การหลอสารไวแสงจากผงแหง ซงสารไวแสงชนดผงแหงนไดมาจากการน าสารไวแสงชนดเหลวไปผานกระบวนการใหความรอนแลวน ามาบดใหเปนผง จากนนน าสารไวแสงผงไปผานความรอนในหองสญญากาศ โดยรปท 3.6 เปนระบบการหลอสารไวแสงผงเพอใชเปนวสดส าหรบสรางลวดลายทเนนความสงของโครงสรางชนงาน เหมาะกบกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซ และรปท 3.7 คอชนของสารไวแสงหลงจากการหลอผงแหง

 

 

 

 

 

 

 

 

19

รปท 3.6 กระบวนการหลอสารไวแสงจากผงแหงและอปกรณ

รปท 3.7 ชนของสารไวแสงหลงจากการเตรยมสารไวแสง

ตวท าความรอน

หองสญญากาศ

ตวประกบชนงาน

แผนความรอน

ฐานรอง

กรอบซลโคน

สารไวแสงผง

(ก) การหลอสารไวแสงจากผงแหง

ตวประกบชนงาน หองสญญากาศ

ตวท าความรอน

(ข) ชดอปกรณส าหรบการหลอสารไวแสงจากผงแหง

สารไวแสง

ฐานรอง

 

 

 

 

 

 

 

 

20

3.5 กำรสรำงหนำกำกกนรงสเอกซ ในกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซนน สงหนงทมความส าคญตอกระบวนการอยางมากคอ หนากากกนรงสเอกซ (วนย วนบร, 2007) ซงท าหนาทเปนลวดลายตนแบบ ในกรณการ ลโธกราฟฟดวยแสงอลตราไวโอเลต ลวดลายตนแบบหรอหนากากกนแสงจะเปนลวดลายทอยในรปของหมกทบแสงทอยบนวสดโปรงแสง อาจจะเปนลวดลายบนแผนใสหรอบนกระจกกได แตในกรณของหนากากกนรงสเอกซนน ลวดลายจะตองเปนวสดทสามารถดดกลนรงสเอกซไดด และอยบนวสดทมความโปรงแสงไดดดวยเชนกน ซงวสดทสามารถดดกลนรงสเอกซไดดนนกไดแกทองค า เงน อลมเนยม เปนตน การสรางหนากากกนรงสเอกซมขนตอนดงตอไปน รปท 3.8 1. หมนเคลอบสารไวแสงลงบนแผนกราไฟต (Graphite) ทท าความสะอาดแลว 2. ฉายรงสอลตราไวโอเลตผานหนากากกนรงสเพอใหเนอสารไวแสงบรเวณทถกแสงท าปฏกรยาและเกดลวดลาย 3. ลางสารไวแสงบรเวณทไมแขงตวทง

4. ชบโลหะเงนเพอเปนวสดดดซบรงสเอกซดวยไฟฟา

รปท 3.8 ขนตอนการสรางหนากากกนรงสเอกซ

แผนกราไฟต สารไวแสง

(1) หมนเคลอบสารไวแสง

(2) ฉายรงสอลตราไวโอเลต แผนกราไฟต สารไวแสง หนากากกนแสง

UV

แผนกราไฟต (3) ลางสารไวแสง

สารไวแสง

แผนกราไฟต

เงน

(4) เตมโลหะเงน

สารไวแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

21

การสรางหนากากกนรงสเอกซในงานวจยนมวตถประสงคเพอน าไปสรางลวดลายของอปกรณสวตชเชงแสงใหสามารถขนรปดวยสารไวแสงชนดลบ SU-8 ทมอตราสวนความสงตอความกวางมาก ๆ ได โดยงานวจยนหนากากกนรงสเอกซจะถกสรางขนจากสารไวแสงชนดลบ SU-8 ซงจะอยบนฐานรองกราไฟตและมวสดส าหรบดดกลนรงสเอกซเปนโลหะเงน การสรางหนากากกนรงสเอกซส าหรบสรางอปกรณสวตชเชงแสงนน สามารถแสดงใหเหนถงขนตอนและผลการสรางอยางละเอยดไดดงน เรมจากยดแผนกราไฟตกบกระจกดวยเทปกนความรอน (PI tape) แลวท าความสะอาดแผนกราไฟตโดยการเชดดวยส าลชบไอโซโพรพลแอลกอฮอล (Isopropyl alcohol) แลวเชดดวยส าลอกครง หลงจากนนเปาดวยแกสไนโตรเจน แลวน าไปวางบนแผนความรอน (Hot plate) ทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท เพอไลความชน ตอจากนนท าการเคลอบสารไวแสงชนดลบ SU-8 เบอร 3050 ลงบนฐานรองกราไฟตดงกลาว ดวยเครองหมนเคลอบ Laurell รน WS-400B-6NPP/LIT ทความเรว 500 rpm เปนเวลา 5 วนาท แลวหมนตอเนองอกดวยความเรว 2000 rpm เปนเวลา 30 วนาท ซงจะไดความหนาประมาณ 60 µm จากนนน าไปวางบนแผนความรอนทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง เสรจแลวปดสวตชแผนความรอนแลวปลอยชนงานใหคอย ๆ เยนตวลงจนถงอณหภมหองทประมาณ 26.6 องศาเซลเซยส อก 1 ชวโมง จะไดฐานรองส าหรบสรางหนากากกนรงสเอกซ ดงรปท 3.9

รปท 3.9 ฐานรองส าหรบสรางหนากากกนรงสเอกซ

 

 

 

 

 

 

 

 

22

หลงจากหมนเคลอบสารไวแสงบนแผนกราไฟตเรยบรอยแลว ขนตอนตอมาคอการฉายแสงอลตราไวโอเลตจากเครอง Quintel Q4000 ทความเขมแสง 19.75 mw/cm3 ผานหนากากกนแสงทอยในรปหมกทบแสง เปนเวลา 15 วนาท ซงจะไดพลงงานสะสมตกกระทบเนอสารไวแสงเทากบ 296.25 mJ/cm2 จากนนน ามาวางบนแผนความรอนทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท เพอใหสารไวแสงบรเวณทท าปฏกรยากบแสงแขงตว จากนนจงปดสวตชแผนความรอนแลวปลอยชนงานใหคอย ๆ เยนตวลง ตอจากนนน าชนงานทไดไปแชสารละลาย SU-8 developer เปนเวลา 15 นาท เพอใหสารไวแสงบรเวณทไมแขงตวหลดออก จากนนฉดลางชนงานดวยไอโซโพรพลแอลกอฮอลเพอตรวจสอบสารไวแสงทยงตกคางอย ซงหากมสารไวแสงตกคางกจะเกดคราบขาวขน กใหน าไปแชในสารละลาย SU-8 developer ตอจนกวาสารไวแสงทตกคางจะออกจนหมด จากนนน าชนงานทไดมาเปาดวยแกสไนโตรเจนเบา ๆ จนแหง กจะไดชนงานส าหรบน าไปเตมวสดกนรงสเอกซตอไป ดงแสดงในรปท 3.10

รปท 3.10 ลวดลายหลงฉายแสงของหนากากกนรงสเอกซ

ส าหรบอปกรณสวตชเชงแสง

เมอเสรจสนกระบวนการลโธกราฟฟแลว กระบวนการตอมาคอการเตมวสดดดซบรงสเอกซ โดยการชบโลหะดวยไฟฟาในสารละลายเงนส าเรจรป โดยใชแทงแพลทนม (Platinum) ตอกบแหลงจายกระแสไฟฟาขวบวก (Anode) แลวจมลงไปในสารละลายเงนทเตรยมไว และใหชนงานทตองการเตมโลหะตอกบขวลบ (Cathode) แลวจมลงไปในสารละลายเงนทเตรยมไวเชนกน แตกอนจะจมชนงานลงไปในสารละลายนนจะตองน าชนงานไปจมในน าสะอาด (DI water) เพอใหชนงานสามรถน าไฟฟาไดถวถงท งชนเสยกอน จากน นจายกระแสไฟฟาดวยความหนาแนนกระแส

 

 

 

 

 

 

 

 

23

20 mA/cm2 เปนเวลา 10 นาท แลวลดความหนาแนนกระแสลงจนเหลอ 10 mA/cm2 และท าการชบโลหะตอเนองไปอกเปนเวลา 5 ชวโมง จากนนใหปรบลดกระแสไฟฟาลงจนเหลอ 0 mA ตอจากนนน าชนงานออกจากสารละลายแลวจมลางดวยน าสะอาด แลวจงเปาชนงานใหแหงดวยแกสไนโตรเจน จากน นน าชนงานดงกลาวไปวดความหนาของโลหะเงนดวยเครอง veeco WYKO NT1100 ซงจากกระบวนการดงกลาวจะท าใหไดหนากากกนรงสเอกซทมความหนาของโลหะเงนอยท 40 µm ดงรปท 3.11

รปท 3.11 หนากากกนรงสเอกซส าหรบอปกรณสวตชเชงแสง

หลงจากไดหนากากก นรงสเอกซแลว ขนตอนตอไปคอน าหนากากเหลานไปใชในกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซ เพอเปนลวดลายตนแบบส าหรบขนรปโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง ซงจะกลาวถงกระบวนการสรางอยางละเอยดในบทท 5 ตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

24

3.6 กำรสรำงลวดลำยบนแผนวงจรพมพ การสรางลวดลายบนแผนวงจรพมพ (PCB) ส าหรบใชเปนฐานรองโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงมขนตอนดงตอไปน 1. ตดแผนวงจรพมพขนาด 2x2 นว จากนนใชกระดาษทรายละเอยดเบอร 800 ขดผวหนาแผนวงจรพมพบรเวณทเปนทองแดงจนใส แลวน าไปลางดวยน าสะอาดหลงจากนนเปาดวยแกสไนโตรเจนจนแหง จะไดแผนวงจรพมพดงรปท 3.12

รปท 3.12 แผนวงจรพมพ

2. ตดฟลมไวแสง (Dry film) ใหใหญกวาแผนวงจรพมพเลกนอย จากนนลอกแผนพลาสตก (Cover sheet) ท ตดอยดานในแผนฟลมไวแสงออก แลวน าฟลมไวแสงดงกลาวไปตดกบแผนวงจรพมพทเตรยมไว โดยการน าไปรดดวยเครองรดแผนใสทอณหภม 120 องศาเซลเซยส จนไมมฟองอากาศ ดงรปท 3.13

 

 

 

 

 

 

 

 

25

รปท 3.13 ตดแผนฟลมไวแสงบนแผนวงจรพมพ

3. ฉายแสงอลตราไวโอเลตลงบนฟลมไวแสงผานหนากากกนแสงหมกทบดวยเครองฉายแสงหลอดอลตราไวโอเลตเปนเวลา 2 นาท จากนนลอกแผนพลาสตกทตดอยอกดานของแผนฟลมไวแสงออก ดงรปท 3.14

รปท 3.14 ฉายแสงอลตราไวโอเลตบนฟลมไวแสง

(ก) กอนฉายแสง (ข) หลงฉายแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

26

4. ผสมน ายาลางฟลมไวแสงโดยใชผงดเวลอปเปอร (Developer) 1 กรม ตอน าสะอาด 100 มลลลตร คนจนผงดเวลอปเปอรละลาย จากนนน าแผนวงจรพมพทผานการฉายแสงแลวลงไปแชในน ายาลางฟลมไวแสงทเตรยมไว โดยในขณะทแชใหใชฟองน าลบผวหนาแผนวงจรพมพเบา ๆ จนกระทงเหนลวดลายเดนชดไมมสวนของฟลมไวแสงทไมตองการตกคางอย หลงจากนนน ามาลางน าสะอาดแลวเปาดวยแกสไนโตรเจนจนแหง 5. น าแผนวงจรพมพทไดจากขอ 4 ไปแชในน ายากดทองแดงและเขยาภาชนะไปมาเบา ๆ พรอมทงตรวจสอบวาพนผวทองแดงในสวนทไมตองการถกกดออกจนหมดแลว จากนนน าไปลางดวยน าสะอาด เสรจแลวจงใชกระดาษทรายละเอยดเบอร 1200 ขดฟลมไวแสงทปกคลมลายเสนออกจนเหนลายเสนทเปนทองแดงอยางชดเจน แลวจงลางดวยน าสะอาดอกครงแลวเปาใหแหงดวยแกสไนโตรเจน กจะไดฐานรองส าหรบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงดงรปท 3.15

รปท 3.15 ฐานรองอปกรณสวตชเชงแสง

หลงจากไดฐานรองจากแผนวงจรพมพแลว ขนตอนตอไปคอน าแผนวงจรพมพนไปใชเปนฐานรองโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง ซงจะกลาวถงรายละเอยดตาง ๆ ในบทท 5 ตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

27

บทท 4

ทฤษฎทเกยวของและแบบจ ำลองทำงคณตศำสตร

แบบจ าลองทางคณตศาสตร (Mathematical model) เปนสงส าคญส าหรบการออกแบบอปกรณหรอเครองมอ เพอจ าลองระบบการท างานของอปกรณทสรางขนอกทงยงมประโยชนตอการวเคราะหผล การทดสอบและการควบคมระบบอกดวย แบบจ าลองทางคณตศาสตรสามารถหาไดจากการวเคราะหทฤษฎซงท าใหไดมาซงฟงกชนถายโอน (Transfer function) จากนนน าฟงกชนถายโอนดงกลาวไปหาคาพารามเตอรของระบบดวยการวดพรอมกบน าผลทไดเปรยบเทยบกบผลการจ าลองเพอท าการปรบคาพารามเตอรตาง ๆ ใหสอดคลองกบระบบจรงตอไป การออกแบบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยนจะเรมตนจากการศกษาทฤษฎทเกยวของและโครงสรางทเหมาะสมจากงานวจยตาง ๆ แลวท าการปรบปรงขนาดโครงสรางตลอดจนกระบวนการสรางใหเหมาะสมกบอปกรณและเครองมอทมอยในหองปฏบตการ

4.1 ควำมรพนฐำนเกยวกบสำยใยแกวน ำแสง สายใยแกวน าแสง (Optical fibers) คอ สายน าสญญาณขอมลทใชหลกการทางแสง กลาวคอ ใชกบสญญาณขอมลทอยในรปของคลนแสงเทานน ตวแกวน าแสงอาจท าจากแกวหรอพลาสตก โดยสญญาณขอมลจะถกเปลยนเปนคลนแสงแลวสงใหเดนทางสะทอนภายในสายใยแกวเรอยไปจนถงผรบทปลายทาง สายใยแกวน าแสงมคณสมบตทดกวาสายทวไปหลายประการ เชน มขนาดเลก สงผานขอมลไดครงละมาก ๆ สญญาณขอมลมโอกาสถกลดทอนนอยมาก ท าใหการสอสารมประสทธภาพและมความปลอดภย สวนขอจ ากดคอเมอสายใยแกวขาดหรอแตกหกจ าเปนตองอาศยอปกรณพเศษในการซอมแซม ซงยงยากและมคาใชจายสงกวาแบบอน ลกษณะของสายใยแกวน าแสดงแสดงดงรปท 4.1

 

 

 

 

 

 

 

 

28

รปท 4.1 สายใยแกวน าแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

29

4.1.1 โครงสรางของสายใยแกวน าแสง สายใยแกวน าแสงประกอบดวยสวนทส าคญดวยกน 3 สวน ดงรปท 4.2 ไดแก สวนทแสงเดนทางผานเรยกวา core, สวนทหม core อยเรยกวา clading ซงทง core และ clading มคณสมบตเปน dielectric ใส 2 ชนด (dielectric หมายถงสารทไมเปนตวน าไฟฟา เชน แกว พลาสตก) ซงการทแสงจะเดนทางไปใน core ไดนนจะตองท าใหคาดชนการหกเหของ clading มคานอยกวาคาดชนการหกเหของ core เลกนอยประมาณ 2~3% และอาศยปรากฏการณสะทอนกลบหมดของแสงจงจะสามารถท าใหแสงทปอนเขาไปใน core เดนทางไปได และสวนสดทายคอ buffer coating ท าหนาทปองกนสวน core และ cladding ในปจจบนขนาดของสายใยแกวน าแสงทใชอย ไดแก 9/125 50/125 และ 62.5/125 ดงรปท 4.3

รปท 4.2 สวนประกอบของสายใยแกวน าแสง

รปท 4.3 ขนาดของสายใยแกวน าแสง

core

cladding

outside jacket

(ก) สายใยแกวน าแสงโหมดเดยว (ข) สายใยแกวน าแสงหลายเดยว

 

 

 

 

 

 

 

 

30

4.1.2 ชนดของสายใยแกวน าแสง สายใยแกวน าแสงสามารถแบงแยกไดตามคณสมบตของตวน าแสง วามลกษณะการสองทะลผานของแสงเปนแบบใด โดยสามารถแบงไดเปน 2 แบบคอ แบบโหมดเดยว และแบบหลายโหมด 4.1.2.1 สายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว (Single mode optical fibers) สายใยแกวน าแสงชนดนสามารถทจะสรางใหม index profile ไดทงแบบ step index และ graded index แตเนองจากการสรางสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยวทม index profile แบบ graded index มราคาแพงอกทงคณสมบตทไดจากการม index profile แบบ graded index กไมมประโยชนตอระบบการสอสารดวย ดงนนในปจจบนสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยวทสรางขนในเชงพาณชยจงมแตแบบ step index เทานน สายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยวแบบ step index นเหมาะส าหรบงานทตองการแบนดวดท (Bandwidth) กวางและการสงขอมลในระยะทางไกล (Long-Haul) โดยทวไปสายใยแกวน าแสงชนดนจะสรางจากแกวซลกา (Silica) เพอใหมการลดทอนสญญาณต า ถงแมวาสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยวจะมขนาดเสนผานศนยกลางของ core เลก แตขนาดเสนผานศนยกลางของ clading กจะตองมขนาดใหญกวาขนาดเสนผานศนยกลางของ core อยางนอย 10 เทา เพอหลกเลยงการสญเสยจากการเลอนหายของสนามไฟฟาอยางรวดเรว ดงนนเมอรวมขนาดของ buffer coating ดวยแลวขนาดโดยรวมของสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยวกจะใกลเคยงกบสายใยแกวน าแสงชนดอน โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยวแสดงใหดในรปท 4.4

รปท 4.4 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว

 

 

 

 

 

 

 

 

31

ตารางท 4.1 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว

โครงสราง

เสนผานศนยกลางของ core 5 ถง 10 µm โดยปกตอยทประมาณ 8.5 µm

เสนผานศนยกลางของ clading โดยทวไปมขนาด 125 µm

เสนผานศนยกลาง buffer coating 250 ถง 1000 µm

Numerical Aperture 0.08 ถง 0.15 โดยทวไปมคาประมาณ 0.1

ตารางท 4.2 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยว

คณลกษณะทางประสทธภาพ

การลดทอนสญญาณ

2 ถง 5 dB/km โดยทความยาวคลน 850 nm จะมการลดทอนประมาณ 1 dB/km และมการลดทอนโดยเฉลย 0.35 และ 0.21 dB/km ทความยาวค ลน 1310 nm และ 1550 nm ตามล าดบ

แบนดวดท

มากกวา 500 MHz·km ในทางทฤษฎแบนดวดท จะถกจ ากดโดยความยาวคลนและ material dispersion โดยจะมคาประมาณ 40 GHz ทความยาวคลน 850 nm ในทางปฏบตแลวแบนดวดท ทมากกวา 10 GHz จะตองใชความยาวคลน 1310 nm

การใชงาน เหมาะกบระบบทตองการแบนดวดทสงและระยะทางไกลมาก โดยจะใช LD เปนอปกรณก าเนดสญญาณแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

32

4.1.2.2 สายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมด (Multi mode optic fibers) สายใยแกวน าแสงชนดนสวนใหญจะมขนาดเสนผานศนยกลางของ core ประมาณ 50 หรอ 62.5 µm และเมอรวมกบ cladding จะท าใหมขนาดประมาณ 125 µm เนองจากขนาดของเสนผานศนยกลางของ core มขนาดใหญ ดงนนแสงทตกกระทบทดานปลาย input ของสายจะมมมตกกระทบทแตกตางกนหลายคา และจากหลกการสะทอนกลบหมดของแสงทเกดขนภายในสวนของ core ท าใหมแนวของล าแสงเกดขนหลายโหมด โดยแตละโหมดใชระยะเวลาในการเดนทางทแตกตางกน อนเปนสาเหตทท าใหเกดการแตกกระจายของแสง (Mode dispersion) สายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดม 2 แบบไดแก Step index และ Grade index 1. สายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index สายใยแกวน าแสงชนดนอาจจะสรางจากแกวหลาย ๆ ชนดปนกนหรอแกวซลกากได โดยจะมเสนผานศนยกลางของ core ขนาดใหญเพอประสทธภาพในการเชอมตอ (Coupling) สญญาณกบแหลงก าเนดแสงแบบ Incoherent เชน LED คณลกษณะทางประสทธภาพของสายใยแกวน าแสงชนดนจะมคาเปลยนแปลงไปตามสารทใชสรางและกระบวนการในการเตรยมสาร ซงโครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดนแสดงใหดดงรปท 4.5

รปท 4.5 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index

ตารางท 4.3 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index

โครงสราง

เสนผานศนยกลางของ core 50 ถง 400 µm สรางของเสนใยแสง

เสนผานศนยกลางของ clad 125 ถง 500 µm

เสนผานศนยกลางของ buffer coating 250 ถง 1000 µm

Numerical Aperture 0.16 ถง 0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

33

ตารางท 4.4 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index คณลกษณะทางประสทธภาพ

การลดทอนสญญาณ 2.6 ถง 50 dB/km ทความยาวคลน 850 nm ถกจ ากดโดยการดดกลนและการกระจาย สวนการลดทอนทความยาวคลนอนแสดงใหดดงรปท 4.6

แบนดวดท 6 ถง 50 MHz·km

การใชงาน เหมาะทสดส าหรบใชในโครงขายแบบ Short-Haul ทมแบนดวดทจ ากด และใชกบงานทราคาไมสง

รปท 4.6 สเปคตรมการลดทอนสญญาณของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index

(ก) สายใยแกวน าแสงทสรางจากแกวหลายชนด (Multi component glass fibers)

(ข) สายใยแกวน าแสงทสรางจากแกวซลกา (Doped silica fibers)

 

 

 

 

 

 

 

 

34

2. สายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index สรางจากแกวหลายชนดปนกนหรอแกวซลกากไดเชนเดยวกบชนดหลายโหมดแบบ Step index แตจะแตกตางกนตรงสารทน ามาใชจะตองมความบรสทธมากกวาเพอลดการสญเสยทจะเกดขน จงท าใหสายใยแกวน าแสงชนดนมประสทธภาพดกวาสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Step index โครงสรางโดยทวไปของสายชนดนแสดงใหดดงรปท 4.7

รปท 4.7 โครงสรางโดยทวไปของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index

ตารางท 4.5 โครงสรางของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index

โครงสราง

เสนผานศนยกลางของ core 30 ถง 100 µm

เสนผานศนยกลางของ clad 100 ถง 150 µm

เสนผานศนยกลางของ buffer coating 250 ถง 1000 µm

Numerical Aperture 0.2 ถง 0.3

 

 

 

 

 

 

 

 

35

ตารางท 4.6 คณลกษณะเฉพาะของสายใยแกวน าแสงชนดหลายโหมดแบบ Graded index คณลกษณะทางประสทธภาพ

การลดทอนสญญาณ 2 ถง 10 dB/km ทความยาวคลน 850 nm ถกจ ากดโดยการกระจาย สวนการลดทอนสญญาณโดยเฉลยทความยาวคลน 1310 nm มคาเทากบ 0.4 และ 0.25 dB/km ตามล าดบ

แบนดวดท 300 MHz·km ถง 3 GHz·km

การใชงาน เหมาะสมทสดส าหรบใชในโครงขายแบบ Medium-Haul ทมแบนดวดทปานกลางถงสง ซงใช LED หรอ LD เปนอปกรณก าเนดสญญาณแสง

4.1.3 หวเชอมตอ (Connector) การเชอมตอสายใยแกวน าแสงสามารถท าไดโดยการใชหวเชอมตอแบบส าเรจรป ซงจะท าใหมความสะดวกในการถอดไดตามความจ าเปน หวเชอมตอส าหรบสายใยแกวน าแสงมหลายชนด ดงตารางท 4.7 ตารางท 4.7 คณสมบตของหวเชอมตอชนดตาง ๆ

Connector Insertion Loss Repeatability Fiber Type Application

FC Connector 0.50-1.00 dB 0.20 dB Single Mode (SM) Multi Mode (MM)

Datacom, Telecom

ST Connector 0.40 dB (SM) 0.50 dB (MM)

0.40 dB (SM) 0.20 dB (MM)

Single Mode (SM) Multi Mode (MM)

Inter-Building, Intra-Building, Security, Navy

SC Connector 0.20-0.45 dB 0.10 dB Single Mode (SM) Multi Mode (MM)

Datacom

LC Connector 0.15 dB (SM) 0.10 dB (MM)

0.20 dB Single Mode (SM) Multi Mode (MM)

High Density Interconnection

FDDI Connector 0.20-0.70 dB 0.20 dB Single Mode (SM) Multi Mode (MM)

Fiber Optic Network

 

 

 

 

 

 

 

 

36

1. หวตอแบบเอฟซ (FC Connector) หวตอชนดนไดรบการออกแบบโดยบรษท เอนทท (NTT) แหงญปน ไดรบความนยมมากทสดในญปนรวมทงสหรฐและยโรป สวนมากหวตอแบบนจะถกน าไปใชงานทางดานเครอขายโทรศพทเนองจากอาศยการขนเกลยวเพอยดตดกบหวปรบ ขอดของหวตอประเภทน ไดแก การเชอมตอทแนนหนา แตขอเสยคอการเขาหวสายเชอมตออาจตองเสยเวลามาก 2. หวตอแบบเอสท (ST Connector) หวตอชนดนออกแบบโดย AT&T ส าหรบการเชอมตอสายใยแกวน าแสงภายในอาคารส านกงาน เครอขาย LAN หวตอแบบเอสทเหมาะส าหรบงานทตองการถอดเปลยนหวตออยางรวดเรว ถกน ามาใชงานส าหรบสายใยแกวน าแสงชนดโหมดเดยวและชนดหลายโหมดมากทสด โดยทหวตอประเภทนมอตราการสญเสยก าลงแสงเพยงแคไมเกน 0.5 dB เทานน วธการเชอมตอกเพยงสอดเขาไปทรหวตอแลวบดตวเพอใหเกดการลอก จงเพมความทนทานท าใหไมเกดปญหาเนองจากการสนสะเทอน ปจจบนถกน ามาใชกบระบบ LAN ในอาคารส านกงาน (Indoor fiber optic) 3. หวตอแบบเอสซ (SC Connector) หวตอชนดนไดรบการออกแบบครงแรกโดยบรษท เอนทท (NTT) แหงญปน หวตอชนดนใชงานงายเพยงดนหวตอเขาไปกใชงานไดแลว หวตอชนดนไดถกออกแบบมาใชแทนหวตอแบบเอฟซในงานดานสอสาร และหวตอเอสทในงานดานเครอขายคอมพวเตอรอกดวย จงใชงานไดหลากหลาย ขอดของหวตอชนดนคอรสอดของเสนใยน าแสงมขนาดพอดกบความโตของเสนใยน าแสง มวธการผลตทละเอยดออนเทยงตรง การลดทอนสญญาณเสนใยน าแสงแบบโหมดเดยวมคาประมาณ 0.25 dB และอาจมการเปลยนแปลงอยระหวาง 0-0.6 dB ขณะทเอาหวตอเสยบตอกน หวตอแบบเอสซเปนของใหมเพงน าออกมาวางตลาดในอเมรกา มใชประมาณ 1% ของทตดตงทงหมด แตขณะนไดรบความนยมมากขนเนองจากใชงานงาย เปนแบบถอดเขาออกได และในขณะทเอาหวตอกนกไมตองหมนหรอบด แตใชการเสยบตอตรง ๆ นอกจากนหวตอแบบเอสซยงเปนชนดปรบแกนเสนใยน าแสงไดดวย 4. หวตอแบบแอลซ (LC Connector) หวตอแบบนเปนหวเชอมตอทใชงานงาย สะดวก ราคาไมแพง มทงแบบโหมดเดยวและแบบหลายโหมด มกใชในการรบสงขอมลทมความเรวสงมากเชน GBIC, Gigabit Speed Fast Ethernet Converter หรอเชอมตออปกรณทางแสง (Optical module) ภายในองคกร มขนาดหนาตด 9/125 5. หวตอแบบเอฟดดไอ (FDDI Connector) ออกแบบโดย American National Standards Institute (ANSI) ส าหรบใชงานบนเครอขาย FDDI โดยเฉพาะ

 

 

 

 

 

 

 

 

37

4.2 ทฤษฎพนฐำนเกยวกบตวขบเรำทำงไฟฟำสถตและแบบจ ำลองทำงคณตศำสตร

ปจจบนอปกรณทเปนระบบกลไฟฟาจลภาคคอหนงในอปกรณทมการเตบโตเรวทสดในสายอตสาหกรรม การประยกตใชงานในดานตาง ๆ ไดเพมมากขนตลอดเวลา ซงลวนแลวแตเปนชนสวนหรออปกรณทมความส าคญและตองการความแมนย าในการท างานสง จงไดมการน าตวขบเราจลภาค (Microactuator) ใชในการขบเคลอนโครงสรางตาง ๆ อยางกวางขวาง การกระตนตวขบเราจลภาคสามารถท าไดหลายวธ เชน การใชฟลมเพยโซอเลกทรค (Piezoelectric films), การใชหลกการในการขยายตวของโลหะเนองจากอณหภม (Thermal expansion), การใชหลกการของโลหะอลลอยดทคนรปได (Shape memory alloy) และการใชหลกการของไฟฟาสถต (Electrostatic forces) เปนตน โครงสรางพนฐานทจะน ามาประยกตใชในการออกแบบเปนอปกรณสวตชเชงแสงนน จะใชโครงสรางตวขบเราแบบไฟฟาสถตทอาศยแรงทางไฟฟาสถตในการขบเคลอนโครงสราง การทจะหาแรงทางไฟฟาฟาสถตทเกดขนนน จะเรมโดยอางองจากกฎของคลอมบ (Coulomb’s law) คอ ขนาดของแรงทเกดขนแปรผนตรงกบผลคณของประจทงสอง และแปรผกผนกบก าลงสองของระยะหางระหวางประจทงสอง, ประจชนดเดยวกนแรงทเกดขนคอแรงผลก ประจตางชนดกนแรงทเกดขนคอแรงดงดด และทศของแรงอยในแนวเสนตรงทเชอมระหวางประจทงสอง ดงนนแรงทกระท าระหวางประจสองประจในอากาศวางจงเปนดงสมการดงสมการท 4.1

2

0

21

4 R

QQF

r

e

โดยท eF คอ แรงไฟฟาสถต มหนวยเปน นวตน (N)

1Q , 2Q คอ ประจไฟฟาแบบจด มหนวยเปน คลอมบ (C)

R คอ ระยะทางระหวางประจ 1Q และ

2Q 0 คอ คา permittivity ของสญญากาศ มคาเทากบ 8.85 × 10-12 F/m r คอ คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง ในตวขบเราแบบไฟฟาสถตนน แรงทเกดขนจะอยในลกษณะแรงไฟฟาสถตของแผนตวน าสองแผนวางขนานกน ดงแสดงในรปท 4.8 โดยมแผนตวน าทมพนท A วางหางกนสม าเสมอดวยระยะทาง d และมคาสภาพยอมสมพทธอยระหวางแผนตวน าทงสอง

(4.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

38

รปท 4.8 ลกษณะของแผนตวน าคขนาน

4.2.1 ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว (Electrostatic comb-drive actuator) ตวขบเราทางไฟฟาสถตทใชกนอยางแพรหลายคอ ตวขบเราแบบซหว โครงสรางจะประกอบไปดวยซหวหลายค (Toshiki Hirano, 1992) ซงแตละคของซหวจะอยในลกษณะของแผนตวน าคขนาน มสวนประกอบหลก 2 สวน คอสวนทอยกบทและสวนทเคลอนทได โดยสวนทเคลอนทนนจะมสปรงตดอยดวย ดงรปท 4.9 ลกษณะการขบของตวขบเราแบบซหวจะใชหลกการของไฟฟาสถต เมอมการปอนไฟฟาใหกบระบบ สวนทเคลอนทจะเคลอนเขาหาสวนคงท และเมอตดไฟฟาออก สปรงจะท าหนาทดงสวนทเคลอนทไดกลบมายงจดเดม

รปท 4.9 โครงสรางของตวขบเราแบบซหว

+ + + + + + + + +

- - - - - - - - -

𝑔

พนท

𝐹𝑒

 

 

 

 

 

 

 

 

39

ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวจะสามารถท างานไดเมอท าการปอนแรงดนไฟฟาเขากบขวของสวนทอยกบท (Fixed) และตอกราวดเขากบขวของสวนทเคลอนทได (Movable) ซงจะท าใหเกดความตางศกยไฟฟาระหวางขวทงสองและจะกลายเปนประจไฟฟา ท าใหเกดแรงไฟฟาสถตขนในทศทางแนวแกน x ดงรปท 4.10

รปท 4.10 โมเดลของตวขบเราแบบซหว แรงไฟฟาสถตทเกดขนระหวางซหวนน สามารถอธบายไดดงสมการท 4.2

g

VNtF r

e

2

0

2

1

โดยท eF คอ แรงไฟฟาสถต มหนวยเปน นวตน (N)

N คอ จ านวนซของตวขบเรา t คอ ความหนาของขวไฟฟา

0 คอ คา permittivity สมบรณ มคาคงทเทากบ 8.85 × 10-12 F/m

(4.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

40

r คอ คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง V คอ คาแรงดนไฟฟาขบเคลอน g คอ ขนาดระยะหางระหวางขวไฟฟาทงสองขว

การเคลอนทของตวขบเรา ในสวนทเคลอนทไดจะถกท าใหลอยอยในอากาศโดยมคานซงท าหนาทค ายนใหโครงสรางลอยตวได ทงยงท าหนาทเหมอนสปรงคอยดงสวนทเคลอนทไดใหกลบมายงต าแหนงเรมตนเมอหยดการกระตนตวขบเรา พจารณาสวนของสปรงในโครงสราง จากรปท 4.11 สปรงเปนแบบ fixed-fixed beams และแรงทกระท ากบสปรงจะอยบรเวณจดกงกลางคานพอด

รปท 4.11 ลกษณะแรงทเกดบนคานสปรงแบบ fixed-fixed beam

อางองจากกฎของฮค (Hooke's law) คาแรงในการดงกลบของสปรงสามารถคดไดจากคา stiffness ของคานทท าหนาทเปนสปรงดงกลาว และสามารถเขยนใหอยในรปของสมการไดดงสมการท 4.3

xkFs

โดยท sF คอ แรงปฏกรยาหรอแรงดงกลบของสปรง มหนวยเปน นวตน (N)

k คอ คาคงทสปรง (spring stiffness) x คอ ระยะของการเคลอนท

โดยคานทค าใหโครงสรางลอยตวอยบนอากาศนน ตองมความยดหยนมากพอทจะท าใหโครงสรางสามารถเคลอนทในทศทางทตองการได หากคานมความยดหยนนอยหรอแขงมากไป จะยงท าใหตองใชแรงอยางมากในการท าใหโครงสรางนนเคลอนท และจะสงผลใหตองปอนแรงดน

𝐹

- (4.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

41

ใหกบตวขบเรามากขนอกดวย ดงนนการออกแบบลกษณะของคานสปรงดงกลาวจงมความส าคญ (Gabriel M. Rebeize, 2003) ในการออกแบบตวขบเราแบบซหวจะมคานสปรงทนยมใชอย 3 แบบ ไดแก คานสปรงแบบ fixed-fixed beams ดงรปท 4.12, คานสปรงแบบ folded beam ดงรปท 4.13 และคานสปรงแบบ serpentine beam ดงรปท 4.14

รปท 4.12 คานสปรงแบบ fixed-fixed beams

ซงสามารถหาคาคงทสปรงของคานแบบ fixed-fixed beams ไดจากสมการท 4.4

3

4

l

tEwk

โดยท k คอ คาคงทสปรงม หนวยเปน นวตนตอเมตร (N/m)

E คอ คาความยดหยนของวสด (Young’s modulus) w คอ ความกวางของสปรง t คอ ความสงของสปรง l คอ ความยาวของสปรง

รปท 4.13 คานสปรงแบบ folded beam

- (4.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

42

ซงสามารถหาคาคงทสปรงของคานแบบ folded beam ไดจากสมการท 4.5

3

2

l

tEwk

โดยท k คอ คาคงทสปรง หนวยเปน นวตนตอเมตร (N/m)

E คอ คาความยดหยนของวสด (Young’s modulus) w คอ ความกวางของสปรง t คอ ความสงของสปรง l คอ ความยาวของสปรง

รปท 4.14 คานสปรงแบบ serpentine beam

ซงสามารถหาคาคงทสปรงของคานแบบ serpentine beam ไดจากสมการท 4.6

32

48

nllEl

GJl

GJk

ba

x

a

โดยท k คอ คาคงทสปรง หนวยเปน นวตนตอเมตร (N/m)

G คอ คามอดลสของการบด (Torsion modulus) J คอ คาคงทของการบด (Torsion constant)

al คอ ความกวางของสปรง

- (4.5)

- (4.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

43

bl คอ ความยาวของสปรง E คอ คาความยดหยนของวสด (Young’s modulus)

xI คอ โมเมนตความเฉอย (Moment of inertia) ของสปรง n คอ จ านวนขดของสปรง

โดยสามารถหาคามอดลสของการบดไดจากสมการท 4.7

12

EG

โดยท E คอ คาความยดหยนของวสด (Young’s modulus)

คอ คาอตราสวนของปวซอง (Poisson's ratio) สามารถหาโมเมนตความเฉอยของสปรงไดจากสมการท 4.8

12

3wtI x

โดยท xI คอ โมเมนตความเฉอย (Moment of inertia) ของสปรง

w คอ ความกวางของสปรง t คอ ความสงของสปรง

และสามารถหาคาคงทของการบดไดจากสมการท 4.9

t

wi

iw

twtJ

ioddi 2tanh

11921

3

1

,155

3

eF sF ในสภาพสมดล แรง และแรง จะมคาเทากน ซงการเคลอนทในแนวแกน x

สามารถอธบายไดดงสมการท 4.10

- (4.7)

- (4.8)

- (4.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

44

x

s

k

Fx

x

r

gk

VNtx

2

0

หรอสามารถหาแรงดนไฟฟาขบเคลอนทปอนใหตวขบเราไดจากสมการท 4.11

r

x

Nt

xgkV

0

2

โดยท V คอ คาแรงดนไฟฟาขบเคลอน มหนวยเปน โวลต (V)

x คอ ระยะของการเคลอนท g คอ ระยะหางระหวางขวไฟฟาสองขว

xk คอ คาคงทสปรงทจ านวนขดของสปรงเพมขนในแนวแกน x N คอ จ านวนซทเคลอนทของตวขบเรา t คอ ความสงของขวไฟฟา

0 คอ คา permittivity สมบรณ มคาเทากบ 8.85 × 10-12 F/m

r คอ คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง จากสมการท 4.11 ทกลาวมาขางตน จะเหนวาเมอออกแบบตวขบเราทางไฟฟาสถต ใหเปนตวขบเราแบบซหวและมคานสปรงแบบ serpentine beam แลวก าหนดคาพารามเตอรตาง ๆ ใหคงท ๆ คา ๆ หนง การเพมจ านวนของซหวนนจะท าใหสามารถลดคาแรงดนไฟฟาขบเคลอน (driving voltage) ทตองปอนใหกบตวขบเราได ดงแสดงในรปท 4.15

- (4.10)

- (4.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

45

รปท 4.15 แรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบจ านวนซหว

ในกรณของรปท 4.15 นน ใชแรงดนไฟฟาขบเคลอนในการปอนใหกบอปกรณเพยง 80 V กจะสามารถท าใหซหวเคลอนทไปไดระยะทางถง 100 µm หากเพมจ านวนซหวในการออกแบบใหมจ านวน 100 ซ

0 50 100 150 200 250 300

60

80

100

120

140

160

180

200

Number of Fingers for Moving Comb, N (Finger)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

)

x = 100 μm

g = 50 μm

kx = 0.4006 N/m

t = 350 μm

 

 

 

 

 

 

 

 

46

เชนเดยวกน จากสมการท 4.11 จะเหนวา หากลดขนาดของระยะหางระหวางซหวแตละซใหยงนอยลง กจะสามารถลดแรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหกบตวขบเราไดนอยลงไปดวย ดงแสดงไดในรปท 4.16 ซงในกรณน อาจมขอจ ากดเรองการออกแบบ รวมถงกระบวนการในการสรางตวขบเราเองกมสวนในการก าหนดขนาดของชองวางทนอยสดทสามารถสรางไดดวย

รปท 4.16 แรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบ

ระยะหางระหวางซหวทงสองขว

จากรปท 4.16 นนจะเหนวา ใชแรงดนไฟฟาขบเคลอนในการปอนใหกบอปกรณเพยง 65 V กจะสามารถท าใหซหวเคลอนทไปไดระยะทางถง 100 µm หากลดระยะหางระหวางซหวในการออกแบบใหเหลอเพยง 50 µm

0 1 2 3 4

x 10-4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Gap between Comb Fingers, g (Meter)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

)

x = 100 μm

kx = 0.4006 N/m

N = 128

t = 350 μm

 

 

 

 

 

 

 

 

47

เนองจากในการสรางตวขบเราดวยกระบวนการเอกซเรยลโธกราฟฟทพฒนาขนในสถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) นน สามารถสรางโครงสรางทมความหนามากกวา 500 µm ได โดยใชสารไวแสง SU-8 คกบการฉายรงสเอกซ ณ BL6 ของสถาบนวจย ซงจะท าใหสามารถเพมความสงของซหวของตวขบเราขนได โดยรปท 4.17 จะแสดงการเปลยนแปลงแรงดนไฟฟาขบเคลอนทปอนใหกบตวขบเรา เมอเทยบกบความสงของซหวทเปลยนแปลงไป

รปท 4.17 แรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบความสงของซหว

จากรปท 4.17 จะเหนวา ใชแรงดนไฟฟาขบเคลอนในการปอนใหกบอปกรณเพยง 60 V กจะสามารถท าใหซหวเคลอนทไปไดระยะทางถง 100 µm หากเพมความสงของซหวในการออกแบบใหมคา 500 µm

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

x 10-3

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Fingers Thickness for Comb, t (Meter)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

) x = 100 μm

g = 50 μm

kx = 0.4006 N/m

N = 128

 

 

 

 

 

 

 

 

48

และจากสมการท 4.11 เชนเดยวกน จะเหนวาเมอก าหนดคาพารามเตอรคาตาง ๆ ใหคงท ๆ คา ๆ หนง หากตองการใหซหวมระยะการเคลอนท ๆ มากขน กจะตองเพมแรงดนไฟฟาขบเคลอนทปอนใหกบตวขบเราใหสงขนตามไปดวย ดงแสดงไดในรปท 4.18

รปท 4.18 แรงดนไฟฟาขบเคลอนทตองปอนใหตวขบเราเมอเทยบกบระยะทซหวเคลอนท

จากรปท 4.18 จะเหนวาใชแรงดนไฟฟาขบเคลอนในการปอนใหกบอปกรณ 100 V จะสามารถท าใหซหวเคลอนทไปไดระยะทางถง 200 µm เลยทเดยว

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Distance, x (Meter)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

)

g = 50 μm

kx = 0.4006 N/m

N = 128

t = 350 μm

 

 

 

 

 

 

 

 

49

4.2.2 ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน (Electrostatic parallel plate actuator) ตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน เปนตวขบเราทางไฟฟาสถตอกชนดหนงท

มการใชกนอยางแพรหลาย (Gregory N. Nielson, 2006) มโครงสรางและหลกการท างานคลายกบตวขบเราแบบซหว นนกคอมสวนประกอบหลก 2 สวน คอสวนทอยกบทและสวนทสามารถเคลอนทได โดยสวนทเคลอนทไดนนจะมสปรงตดอยดวย ดงรปท 4.19 ลกษณะการขบของตวขบเราแบบแผนคขนานนกจะใชหลกการของไฟฟาสถตเชนเดยวกบตวขบเราแบบซหว เมอมการปอนไฟฟาใหกบระบบ สวนทเคลอนทจะเคลอนเขาหาสวนคงท และเมอตดไฟฟาออก สปรงจะท าหนาทดงสวนทเคลอนทไดกลบมายงจดเดม

รปท 4.19 ลกษณะโครงสรางของตวขบเราแบบแผนคขนาน

เมอท าการปอนแรงดนไฟฟาเขากบขวของสวนทอยกบท (fixed) และตอกราวดเขากบขวของสวนทเคลอนทได (movable) ซงจะท าใหเกดความตางศกยไฟฟาระหวางขวทงสอง และจะกลายเปนประจไฟฟา ท าใหเกดแรงไฟฟาสถตขนในทศทางแนวแกน x ดงรปท 4.20

 

 

 

 

 

 

 

 

50

รปท 4.20 โมเดลของตวขบเราแบบแผนคขนาน

กรณนประจบนแผนตวเกบประจคอ

g

AVCVQ r0

eF sFในกรณนแรงไฟฟาสถต ( ) ทเกดขนบนแผนตวเกบประจจะเทากบแรงสปรง ( )

s

r

r

e Fxkg

AV

A

QF

2

0

2

0

2

22

xเราจะเหนวา เปนฟงกชนของระยะหางระหวางแผน นนคอ

xgg 0

- (4.13)

- (4.14)

- (4.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

51

ด าเนนการแกสมการหาแรงดนไฟฟาขบเคลอนจะได

)(2

0

0

xgNA

kxV

r

โดยท V คอ คาแรงดนไฟฟาขบเคลอน มหนวยเปนโวลต (V)

k คอ คาคงทสปรง (spring stiffness)

0 คอ คา permittivity สมบรณ มคาเทากบ 8.85 × 10-12 F/m

r คอ คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง A คอ พนทผวบรเวณทเกดประจไฟฟา N คอ จ านวนแผนตวน าทเคลอนทของตวขบเรา

0g คอ ระยะหางเรมตนระหวางขวไฟฟาทงสองขว x คอ ระยะทแผนตวน าเคลอนท

การเคลอนทของตวขบเราแบบแผนคขนานจะมหลกการท างานคลายกนกบตวขบเราแบบซหว คอในสวนทเคลอนทไดจะถกท าใหลอยอยในอากาศ โดยมคานซงท าหนาทค ายนใหโครงสรางลอยตวได ทงยงท าหนาทเหมอนสปรงคอยดงสวนทเคลอนทไดใหกลบมายงต าแหนงเรมตนเมอหยดการกระตนตวขบเรา

k เมอ เปนคาคงทสปรงของระบบ จะมต าแหนง 2 ต าแหนงทแรงไฟฟาสถตเทากบ elastic restoring force ซงจะขนอยกบคาคงท (stiffness) ของสปรง, ระยะหางระหวางแผนเรมตน และความเขมสนามไฟฟา โดยทต าแหนงแรกจะอยในต าแหนงสมดลทมเสถยรภาพ ซงแผนตวน าไฟฟาทเคลอนทไดจะสามารถคนตวกลบเมอเคลอนทหรอถกดงไปเลกนอย ในขณะทต าแหนงทสองเปนสมดลทไมมเสถยรภาพ คอเมอความเขมสนามไฟฟามากขนเพยงเลกนอยจะท าใหแผนตวน าไฟฟาทเคลอนทไดถกดงลงมาตดกบฐานทนท เรยกลกษณะการเกดปรากฎการณนวา pull-in ซงสามารถหาแรงดนไฟฟาแนบตด (pull-in voltage) ไดจากสมการ

NA

kgV

r

pi 0

3

0

27

8

โดยท piV คอ คาแรงดนไฟฟาแนบตด มหนวยเปนโวลต (V)

- (4.15)

- (4.16)

 

 

 

 

 

 

 

 

52

k คอ คาคงทสปรง

0g คอ ระยะหางเรมตนระหวางขวไฟฟาทงสองขว

0 คอ คา permittivity สมบรณ มคาคงทเทากบ 8.85 × 10-12 F/m

r คอ คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง N คอ จ านวนแผนตวน าทเคลอนทของตวขบเรา A คอ พนทผวบรเวณทเกดประจไฟฟา

จากสมการท 4.16 ทกลาวมาขางตน จะเหนวาเมอออกแบบตวขบเราทางไฟฟาสถต ใหเปนตวขบเราแบบแผนคขนานและมคานสปรงแบบ serpentine beam แลวก าหนดคาพารามเตอรคาตางๆ ใหคงท ๆ คา ๆ หนง การเพมจ านวนของแผนตวน านนจะท าใหแรงดนไฟฟาแนบตด ทท าใหแผนตวน าทงสองถกดงมาชนกนมคาลดลง ดงแสดงในรปท 4.21 โดยหากระยะหางเรมตนของแผนตวน าท งสองมคา 120 µm และออกแบบตวขบเราใหมแผนตวน าทเคลอนทไดมจ านวน 120 แผน แรงดนไฟฟาแนบตดทจะท าใหแผนตวน าถกดงมาชนกนจะมคา 60 V นนเอง

รปท 4.21 แรงดนไฟฟาแนบตดทเกดขนในตวขบเราเมอเทยบกบจ านวนแผนตวน า

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

60

80

100

120

140

160

180

200

Number of Finger for Moving Plate, N (Finger)

Pull-I

n Volt

age,

V (V

olt)

k = 0.4006 N/m

g0 = 120 μm

A = 150 μm × 350 μm

 

 

 

 

 

 

 

 

53

4.3 กำรออกแบบโครงสรำงอปกรณสวตชเชงแสง การออกแบบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยนไดค านงถงขนาดโครงสราง วสด

กระบวนการสราง รวมถงระยะเวลาในการสราง ใหสอดคลองกบเครองมอและอปกรณทมอยในหองปฏบตการ อปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยนมสวนประกอบทส าคญดวยกน 2 สวน ไดแก กระจกจลภาคท าหนาทเปนตวเปลยนทศทางของแสง และตวขบเราจลภาคท าหนาทควบคมการเคลอนทของกระจกจลภาค ดงรปท 4.22 และ 4.23

รปท 4.22 โครงสรางดานบนของอปกรณสวตชเชงแสง

รปท 4.23 โครงสรางสามมตของอปกรณสวตชเชงแสง

2.25 cm

1.25 cm

Electrostatic Comb Actuator

Fiber Groove

Micromirror Serpentine Beam

 

 

 

 

 

 

 

 

54

ตารางท 4.8 สญลกษณของอปกรณสวตชเชงแสง Parameter Symbol Size

Spring wide w 50 µm

Thickness t 350 µm

Gap distance g 50 µm

Length ( a ) al 500 µm

Length ( b ) bl 3000 µm

Number of meander n 12

Comb wide b 50 µm

Number of moving comb or plate N 128

Spring constant k -

Torsion modulus G -

Torsion constant J -

Moment of inertia xI -

Young’s modulus E 2 GPa

Moving distance x 100 µm

Poisson’s ratio 0.22

Mirror wide mw 30 µm

Length of mirror ml 200 µm

Groove of optical fiber fw 130 µm

Starting gab of plate 0g 120 µm

 

 

 

 

 

 

 

 

55

รปท 4.24 ขนาดพารามเตอรของอปกรณสวตชเชงแสง

จากงานวจยทเกยวของพบวาการสรางอปกรณสวตชเชงแสงโดยทวไปจะมขนาดของระยะหางระหวางโครงสรางทเลกทสดอยในชวง 1-10 µm อนเนองมาจากมกระบวนการสรางฟลมทสามารถวาดลวดลายไดอยางแมนย า อกทงยงมเครองมอและอปกรณทสามารถสกดเนอวสดเพอขนรปหรอท าลวดลายใหมความเทยงตรง นนกหมายรวมถงคาใชจายในการสรางชนงานกตองสงตามไปดวย การออกแบบขนาดโครงสรางตาง ๆ ในงานวจยนมขอจ ากดทางดานการสรางฟลมตนแบบส าหรบเปนหนากากกนแสง ซงขนาดโครงสรางทเลกทสดทมความแมนย าและสามารถสรางไดนนจะอยในชวง 30-35 µm ท าใหอปกรณสวตชเชงแสงทจะออกแบบตองปรบขนาดโครงสรางใหใหญขน โดยมโครงสรางสวนทเลกหรอแคบทสดอยในชวง 30-35 µm และเมอโครงสรางมขนาดใหญขนแลวจงจ าเปนทจะตองสรางโครงสรางใหสงขนตามไปดวยดวย เพอเปนการชดเชยระยะหางระหวางโครงสราง เนองดวยเหตผลในเรองของแรงขบเคลอน (Driving force) เพราะหากซหวอย

(ก) กระจกจลภาคและรองวางสายใยแกวน าแสง (ข) ซหวของตวขบเรา

(ค) คานสปรงแบบ serpentine

 

 

 

 

 

 

 

 

56

หางกนเกนไป จะท าใหตองใชแรงในการขบเคลอนมาก หมายถงตองสามารถหาแหลงจายไฟฟาทมแรงดนสงมากพอตวขบเราจงจะเกดการเคลอนทได ซงเปนการเพมตนทนส าหรบซอแหลงจายดงกลาว และสงส าคญอกประการหนงคออนตรายทเกดจากไฟฟาแรงสงตอผทดลองเอง อกทงอปกรณอาจจะไดรบความเสยหาย ดงนนจงตองท าการชดเชยโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงดวยการสรางโครงสรางใหมความสงมากกวาความกวาง เรยกวา กระบวนการสรางโครงสรางจลภาคสดสวนสง (High aspect ratio micromachining) ซงตองอาศยกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซ เนองจากรงสเอกซมพลงงานสงท าใหโครงสรางทไดมผนงตงฉากกบฐานรองและเรยบคม และอกเหตผลทโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงมขนาดใหญคอ ปจจบนกระบวนการสรางและพฒนาอปกรณตาง ๆ ยงอยในชวงเรมตนของการพฒนา ดงนนจงจ าเปนตองสรางโครงสรางทมขนาดใหญเนองจากสามารถสรางไดงายกวาโครงสรางขนาดเลก เพอเปนการเรยนรและฝกฝนใหเกดความเขาใจและหาแนวทางการแกไขปญหาตาง ๆ ใหเปนมาตรฐานส าหรบการรองรบการสรางอปกรณทตองการโครงสรางทขนาดเลกตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

57

บทท 5

กระบวนกำรพฒนำอปกรณสวตชเชงแสง

หลงจากไดศกษากระบวนการพนฐานจากบทท 3 และ ในบทท 4 เปนเรองเกยวกบการออกแบบอปกรณสวตชเชงแสงพรอมกบไดท าการจ าลองระบบพลวต ในบทนจะน าเสนอการผลต การพฒนา และการแกปญหาระหวางการสรางอปกรณสวตชเชงแสงดวยเทคโนโลยระบบกลไฟฟาจลภาค โดยใชกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซ รวมถงกระบวนการอน ๆ ทเกยวของกบระบบกลไฟฟาจลภาค

5.1 กำรสรำงอปกรณสวตชเชงแสง ในงานวจยนไดมการออกแบบและสรางอปกรณสวตชเชงแสงขนหลากหลายรปแบบ มทงการปรบเปลยนชนดของตวขบเรา เพมลดขนาดของพารามเตอรตาง ๆ ปรบเปลยนลกษณะการวางตวของสปรง ตลอดจนเพมลดจ านวนขดของสปรงเพอใหไดมาซงอปกรณสวตชเชงแสงทมโครงสรางทเหมาะสมและสามารถท างานไดอยางสมบรณทสด อปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยน จะมโครงสรางเปนพอลเมอรซงเปนสารไวแสงแบบลบ SU-8 ทผานกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสเอกซจนเกดลวดลายเปนโครงสรางอยบนแผน กราไฟต จากนนท าการเคลอบโลหะโครเมยมและทองค าเพอใหโครงสรางดงกลาวเกดการน าไฟฟาและสามารถสะทอนแสงได การสรางอปกรณสวตชเชงแสงมขนตอนการสรางดงน รปท 5.1

 

 

 

 

 

 

 

 

58

รปท 5.1 ขนตอนการสรางอปกรณสวตชเชงแสง

แผนกราไฟต สารไวแสง

(1) เคลอบสารไวแสง

(2) ฉายรงสเอกซเรย แผนกราไฟต สารไวแสง หนากากกนแสง

X-ray

แผนกราไฟต (3) ลางสารไวแสง

สารไวแสง

(4) เคลอบโลหะโครเมยมและทองค า แผนกราไฟต

สารไวแสง

โครเมยม ทองค า

(5) หลอมสารไวแสงบนชนงาน แผนกราไฟต

สารไวแสง

โครเมยม ทองค า สารไวแสง

โครเมยม ทองค า

แผนวงจรพมพ

สารไวแสง กาวอพอกซ

(8) ลางสารไวแสงทหลอทบชนงานทง

แผนกราไฟต

สารไวแสง

โครเมยม ทองค า สารไวแสง

(6) ขดแผนกราไฟตทง

กระจก

สารไวแสง

โครเมยม ทองค า

แผนวงจรพมพ (7) เชอมตอชนงานกบแผนวงจรพมพ

สารไวแสง กาวอพอกซ

กระจก

 

 

 

 

 

 

 

 

59

ส าหรบขนตอนการสรางอปกรณสวตชเชงแสง สามารถอธบายไดโดยละเอยดดงตอไปน 1. ยดแผนกราไฟตกบกระจกดวยเทปกนความรอน แลวท าความสะอาดแผนกราไฟตโดยการเชดดวยส าลชบไอโซโพรพลแอลกอฮอล จากนนเชดดวยส าลอกครง หลงจากนนเปาดวยแกสไนโตรเจน แลวน าไปวางบนแผนความรอนเพอไลความชนทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท หลงจากนนจะท าการเคลอบสารไวแสงชนดลบ SU-8 เบอร 2100 ดวยการหยดสารไวแสงลงบนฐานรองกราไฟตทยงวางอยบนแผนความรอนดงกลาว จนไดความหนาของสารไวแสงประมาณ 300-400 µm จากนนใหความรอนอยางตอเนองทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 16 ชวโมง แลวจงปดสวตชแผนความรอนและปลอยใหชนงานคอย ๆ เยนตวลงจนถงอณหภมหองทประมาณ 26.6 องศาเซลเซยส อก 1 ชวโมง จากน นน ามาวดความหนาอกครงหนงดวยดจตอลไมโครมเตอร ถาสารไวแสงทไดมความหนามากเกนไปใหใชกระดาษทรายละเอยดเบอร 1200 และ 3000 ขดตามล าดบจนไดความหนาตามทตองการ แลวจะไดฐานรองส าหรบสรางโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง ดงรปท 5.2

รปท 5.2 สารไวแสงบนฐานรองกราไฟตส าหรบสรางโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง

2. น าสารไวแสงทไดจากขอ 1 มาฉายรงสเอกซผานหนากากกนรงสเอกซ ทกระแสล าอเลกตรอน 116.185 mA จนไดพลงงานสะสม 28000 mJ/cm3 (Acc.BottomBright) ซงจะใชเวลาในการอาบรงสเอกซ 10 นาท ดงรปท 5.3 จากนนน าชนงานดงกลาวมาวางบนแผนความรอนทอณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท เพอใหสารไวแสงบรเวณทท าปฏกรยากบแสงแขงตว

 

 

 

 

 

 

 

 

60

รปท 5.3 ฉายรงสเอกซ

3. ลางสารไวแสงในสวนทไมท าปฏกรยากบแสงโดยการแชลงไปในสารละลาย SU-8 developer เปนเวลา 1 ชวโมง จากนนใหฉดลางชนงานดวยไอโซโพรพลแอลกอฮอลเพอตรวจสอบใหแนใจวาไมมสารไวแสงในสวนทไมตองการตกคางอย จากนนน าชนงานทลางสารไวแสงตกคางออกหมดแลวมาเปาเบา ๆ ดวยแกสไนโตรเจนจนแหง กจะไดโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสง ดงรปท 5.4

รปท 5.4 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทไดจากการฉายรงสเอกซ

 

 

 

 

 

 

 

 

61

4. น าโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทไดจากการฉายรงสเอกซ มาท าการ เคลอบโลหะโครเมยมดวยเครองสปตเตอรงทความดน 1.28x10-2 torr, ก าลง 200 W และอตราการไหลของแกสอารกอน 55 SCCM เปนเวลา 9 นาท ซงจะไดความหนาของโครเมยม 0.25 µm หลงจากนนเคลอบโลหะทองค าทบบนโครเมยมดวยเครองสปตเตอรงทความดน 1.56x10-2 torr, ก าลง 150 W และอตราการไหลของแกสอารกอน 65 SCCM เปนเวลา 2 นาท ซงจะไดความหนาของทองค า 0.1 µm ดงรปท 5.5 เพอใหโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงดงกลาวสามารถน าไฟฟาและสะทอนแสงได

รปท 5.5 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทผานการเคลอบโลหะ

5. หลอม SU-8 ผงแหงบนโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทผานการเคลอบโลหะแลว ดวยวธการเตรยมสารไวแสงแบบผงแหง ใหไดความหนาประมาณ 500 µm ซงจะไดโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทถกเคลอบดวยสารไวแสงแลว ดงรปท 5.6

 

 

 

 

 

 

 

 

62

รปท 5.6 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทถกเคลอบดวยสารไวแสง

6. ประกบสารไวแสงทเคลอบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงดงกลาวกบกระจกใหแนบสนทดวยการใหความรอน หลงจากนนขดกราไฟตดวยกระดาษทรายเบอร 400 และ 800 ตามล าดบ จนแผนกราไฟตหลดออกหมดและพนผวโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงเรยบ ซงจะไดชนงานตามรปท 5.7

รปท 5.7 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงกอนและหลงขดกราไฟต

(ก) กอนขดกราไฟต (ข) หลงขดกราไฟต

 

 

 

 

 

 

 

 

63

7. เ ชอมตอโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง ทขดกราไฟตออกแลวลงบนฐานรองแผนวงจรพมพดวยกาวอพอกซ (Epoxy) โดยผสมกาวอพอกซในอตราสวน 1 : 1 แลวทาโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงบรเวณทตองการใหตดอยกบแผนวงจรพมพ จากนนประกบโครงสรางของชนงานกบแผนวงจรพมพดงกลาวใหลวดลายตรงกนทสด เสรจแลวปลอยใหกาวแขงตว จะไดชนงานตามรปท 5.8

รปท 5.8 เชอมตอโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงกบแผนวงจรพมพ

แผนวงจรพมพ โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสง

(ก) กอนเชอมตอ

(ข) หลงเชอมตอ

 

 

 

 

 

 

 

 

64

8. ลางสารไวแสงทเคลอบอยบนโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงออกดวยสารละลาย SU-8 developer จนสารไวแสงทเคลอบอยหลดออกจากโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงจนหมด (โดยในขนตอนนกระจกทตดอยกบสารไวแสงจะหลดออกมาดวย) รวมระยะเวลาการลางสารไวแสงจนกระจกหลดออกมาใชเวลา 4 ชวโมง หลงจากนนฉดลางชนงานดวยไอโซโพรพลแอลกอฮอลเพอตรวจสอบสารไวแสงทตกคางอย จากนนเปาแหงดวยแกสไนโตรเจน จะไดโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทตดอยบนแผนวงจรพมพดงรปท 5.9

รปท 5.9 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทตดอยบนแผนวงจรพมพ

หลงจากไดโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงทสมบรณแลวได จงน าโครงสรางดงกลาวไปวดขนาดจรงทสรางไดดวยกลอง JEM 2010 light microscope ซงจะไดขนาดพารามเตอรตาง ๆ ดงตารางท 5.1

 

 

 

 

 

 

 

 

65

ตารางท 5.1 ขนาดพารามเตอรของอปกรณสวตชเชงแสงทออกแบบ (ตามตารางท 4.8) และไดจากการสรางจรง

พารามเตอร mw ml fw al bl w g b t

ออกแบบ (µm) 30 200 130 500 3000 50 50 50 350

สรางจรง (µm) 22.91 197.36 131.79 494.27 2969.21 43.17 62.56 50.22 356

จากตารางท 5.1 จะเหนไดวาขนาดพารามเตอรตาง ๆ ทไดจากการออกแบบและจากการสรางโครงสรางจรง มคาใกลเคยงกนมาก แสดงใหเหนวาการสรางโครงสรางจากกระบวนการ เอกซเรยลโธกราฟฟ ท าใหไดโครงสรางทมขนาดใกลเคยงกบการออกแบบสงมากนนเอง

รปท 5.10 ขนาดโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทสรางไดจรง

(ค) คานสปรงแบบ serpentine

22.91 µm

197.36 µm

131.79 µm

(ก) กระจกจลภาคและรองวางสายใยแกวน าแสง

356 µm

50.22 µm

62.56 µm

(ข) ซหวของตวขบเรา 494.27 µm

2969.21 µm 43.17 µm (ค) คานสปรงแบบ serpentine

 

 

 

 

 

 

 

 

66

เมอไดขนาดพารามเตอรของอปกรณสวตชเชงแสงทสมบรณแลว ตอไปเปนการจ าลองการตอบสนองตอแรงดนอนพต โดยเปรยบเทยบการจ าลองผลการตอบสนองระหวางโครงสรางทออกแบบและโครงสรางทสรางส าเรจ ดงรปท 5.11

รปท 5.11 เปรยบเทยบผลการจ าลองการตอบสนองของตวขบเราทางไฟฟาสถต

ทออกแบบกบทสรางไดจรง

จากผลการจ าลองพบวา แรงดนขบเคลอนของตวขบเราทงทไดจากการออกแบบ และทไดจากการสรางโครงสรางจรงมคาตางกนเลกนอย โดยหากตองการใหซหวเคลอนทไปไดระยะทางทเทากน แรงดนขบเคลอนทตองปอนใหกบโครงสรางของตวขบเราทสรางจรงจะมคาต ากวาโครงสรางตวขบเราทไดจากการออกแบบ จากรปท 5.11 ถาตองการใหซหวของตวขบเราเคลอนทไดระยะทาง 200 µm โครงสรางตวขบเราทออกแบบจะตองปอนแรงดนขบเคลอน 100 V สวนโครงสรางตวขบเราทสรางจรงจะตองปอนแรงดนขบเคลอน 90 V จงจะเคลอนทไดตามระยะทก าหนด

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Distance, x (Meter)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

)

Design

Fabrication

 

 

 

 

 

 

 

 

67

5.2 รปแบบของอปกรณสวตชเชงแสงทมกำรสรำงขนในงำนวจย หลงจากการน าเสนอโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมความสมบรณทสดไปแลว ในหวขอนจะเปนการน าเสนอลกษณะโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงรปแบบตาง ๆ ทไดมการออกแบบและสรางขนในงานวจยน

รปท 5.12 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว

และมคานสปรงแบบ fixed-fixed beam จากรปท 5.12 โครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงนจะมตวขบเราทางไฟฟาสถตเปนแบบซหว จะเหนวาจากลกษณะของโครงสรางตวขบเรานนมจ านวนซหวนอยมาก คอมซหวทงหมด 26 ค และมสปรงเปนแบบ fixed-fixed beam ซงเมอน ามาขนรปโครงสรางและทดสอบการท างาน ผลปรากฏวาตวขบเราไมสามารถเคลอนทได เนองจากซของตวขบเรามจ านวนนอยเกนไป อกทงสปรงกมความยดหยนคอนขางนอยนนเอง

 

 

 

 

 

 

 

 

68

อปกรณสวตชเชงแสงรปแบบตอมาเปนอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตเปนแบบซหว และมสปรงเปนแบบ serpentine ซงวางตวตงฉากกบกระจกจลภาค ดงรปท 5.13 โดยโครงสรางแบบนนนมจ านวนซตวขบเราทงหมด 180 ค มขนาดความกวางของซ 30 µm มขนาดของชองวางระหวางซ 30 µm และมสปรงทงหมด 6 ขด โดยทสปรงสวนบนกบสวนลางจะมขนาดไมเทากน เมอท าการสรางและทดสอบการท างานของอปกรณสวตชเชงแสงแบบน ผลปรากฏวาตวขบเราสามารถเคลอนทได แตเคลอนทไปไดระยะทางเพยงเลกนอยกเกนการลดวงจรของซหวซทอยตดกน จงไมสามารถใชงานได

รปท 5.13 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว

และมคานสปรงแบบ serpentine 8 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค โครงสรางแบบตอมามลกษณะตวขบเราทางไฟฟาสถตเปนแบบซหวเชนกน และมสปรงเปนแบบ serpentine ซงวางตวตงฉากกบกระจกจลภาค โดยโครงสรางแบบนมจ านวนซหวของตวขบเราทสามารถเคลอนทไดทงหมด 180 ซ มขนาดความกวางของซ 30 µm มขนาดของชองวางระหวางซ 30 µm และมสปรงทงหมด 12 ขด ดงรปท 5.14 สปรงสวนบนกบสวนลางของโครงสรางนมขนาดไมเทากน เมอท าการสรางและทดสอบการท างานของอปกรณสวตชเชงแสงแบบน ผลปรากฏวาตวขบเราสามารถเคลอนทได แตเคลอนทไปไดระยะทางเพยงเลกนอยกเกดการลดวงจรของซหวซทอยตดกน จงไมสามารถใชงานไดเชนเดยวกบโครงสรางในรปท 5.13

 

 

 

 

 

 

 

 

69

รปท 5.14 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว

และมคานสปรงแบบ serpentine 12 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค จากปญหาการเคลอนททไดระยะทางนอยเกนไปของโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราแบบซหวดงรปท 5.13 และ 5.14 ท าใหตองออกแบบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงใหม โดยเปลยนตวขบเราทางไฟฟาสถตจากแบบซหวเปนแบบแผนคขนาน ซงจากผลการจ าลองทางคณตศาสตรของตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนานในบทท 4 จะเหนไดวา ยงตวขบเรามจ านวนแผนตวน าทเคลอนทไดมาก แรงดนไฟฟาแนบตดทจะดงใหแผนตวน าเคลอนทมาชนกนกจะยงต า

รปท 5.15 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน

และมคานสปรงแบบ serpentine 12 ขด วางตวขนานกบกระจกจลภาค

 

 

 

 

 

 

 

 

70

จากรปท 5.15 ตวขบเราทางไฟฟาสถตจะเปนแบบแผนคขนาน มแผนตวน าทสามารถเคลอนทไดจ านวน 112 แผน มสปรงเปนแบบ serpentine วางตวขนานกบกระจกจลภาคทงหมด 12 ขด โดยทสปรงสวนบนและสวนลางมขนาดเทากน เมอน ามาสรางและทดสอบการท างานผลปรากฏวา ตวขบเราไมสามารถเคลอนทได และโครงสรางบรเวณแผนตวน ามการโกงตวขนมาอยางชดเจน เนองจากโครงสรางบรเวณดงกลาวมน าหนกมากกวาบรเวณอน ส าหรบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราเปนแบบแผนคขนานทมการสรางขนในงานวจยนอกสองแบบกคอ ตวขบเราแบบแผนคขนานทมแผนตวน า 120 ค โดยมสปรงแบบ serpentine วางตวขนานกบกระจกจลภาค ดงรป 5.16(ก) และอกแบบหนงคอ ตวขบเราแบบแผนคขนานทมแผนตวน า 120 ค โดยมสปรงแบบ serpentine วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค ดงรปท 5.16(ข) ซงปญหาของโครงสรางแบบนกเหมอนกนกบโครงสรางในรป 5.15 นนคอ เกดการโกงตวอยางชดเจนบรเวณโครงสรางแผนตวน า ท าใหไมสามารถเคลอนทได

รปท 5.16 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบแผนคขนาน

และมคานสปรงแบบ serpentine 12 ขด

(ก) สปรงวางตวขนานกบกระจกจลภาค (ข) สปรงวางตวตงฉากกบกระจกจลภาค

 

 

 

 

 

 

 

 

71

โครงสรางแบบสดทายทมการพฒนาในงานวจยนคอ อปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตเปนแบบซหวซงมซหวทเคลอนทได 128 ซ และมสปรงแบบ serpentine 12 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค ดงรปท 5.17 เมอท าการทดสอบการท างานของโครงสรางแบบนผลทไดคอ เมอท าการปอนแรงดนไฟฟาใหกบตวขบเรา ตวขบเราสามารถเคลอนทไปขางหนาได แตเมอหยดปอนแรงดนไฟฟา ตวขบเราไมกลบมาอยในต าแหนงเรมตน เนองจากสปรงอาจมความออนตวเกนไป

รปท 5.17 โครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทมตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว

และมคานสปรงแบบ serpentine 12 ขด วางตวตงฉากกบกระจกจลภาค

เมอไดโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทเสรจสมบรณแลว ตอไปกจะเปนการทดสอบการท างานของอปกรณสวตชเชงแสง โดยรายละเอยดตาง ๆ เกยวกบการทดลองจะกลาวถงในบทตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

72

บทท 6

กำรทดสอบและผลกำรทดสอบ

หลงจากไดท าการสรางและพฒนาโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงจนไดรปแบบทเหมาะสม พรอมท งจ าลองผลเพอศกษาพฤตกรรมการตอบสนองของระบบ ตอไปจะเปนการน าเสนอวธการทดสอบอปกรณสวตชเชงแสงทไดจากการสราง โดยจะเรมตนจากการการเชอมตอสายไฟกบโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงและแหลงจายแรงดนสง จากนนปอนแรงดนไฟฟาเขาทขวของตวขบเราเพอเปนการกระตนตวขบเรา แลวปรบแรงดนเพมขนไปเรอย ๆ จนตวขบเราสามารถเคลอนทได ตอจากนนจะเปนการทดสอบการสวตชแสงจากกระจกจลภาคของแสงทเดนทางจากสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยว

6.1 กำรเชอมสำยอปกรณสวตชเชงแสง 6.1.1 เชอมตอตวขบเราทางไฟฟาสถตกบแหลงจายแรงดนสง เมอสรางโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงจนเสรจสมบรณ และน าโครงสรางดงกลาวยดตดบนแผนวงจรพมพเรยบรอยแลว สงทตองด าเนนการตอไปคอ การเชอมตอตวขบเราทางไฟฟาสถตกบแหลงจายแรงดนสง เนองจากอปกรณสวตชเชงแสงทสรางขนมโครงสรางเปนพอลเมอรเคลอบโลหะน าไฟฟาและมขนาดของจดเชอมตอคอนขางเลก หากจะท าการบดกรหรอใชเครองเชอมสายมาเชอมตอโดยตรงนนเปนสงทคอนขางล าบาก อกทงโครงสรางยงไมแขงแรงนก ดงนนการเชอมตอตวขบเราทางไฟฟาสถตกบแหลงจายแรงดนสงจงตองใชการเชอมตอสายทองแดงกบขวของตวขบเราดวยกาวน าไฟฟา จากรปท 6.1 มการเชอมตอสายทองแดงกบตวขบเราทางไฟฟาสถตอย 4 จด คอ จดทเปนโครงสรางของตวขบเราทลอยอยในอากาศ 2 จด กบจดทเปนโครงสรางของตวขบเราทตดอยบนแผนวงจรพมพ 2 จด

 

 

 

 

 

 

 

 

73

รปท 6.1 เชอมตอสายทองแดงกบขวตวขบเราทางไฟฟาสถต

รปท 6.2 เชอมสายของอปกรณสวตชเชงแสงกบแหลงจายแรงดนสง

รปท 6.2 เปนการแสดงภาพตดขวางการเชอมตอตวขบเราทางไฟฟาสถตกบแหลงจายแรงดนสง โดยตอไฟบวกเขาทขวของตวขบเราในสวนทตดอยบนแผนวงจรพมพ และตอไฟลบเขาทขวของตวขบเราในสวนทลอยอยในอากาศ

สายทองแดง กาวน าไฟฟา

โครเมยม ทองค า

แผนวงจรพมพ

สารไวแสง กาวอพอกซ

+ -

แหลงจายแรงดนสง

 

 

 

 

 

 

 

 

74

6.1.2 เชอมตอสายใยแกวน าแสงกบอปกรณสวตชเชงแสง อปกรณสวตชเชงแสงมหนาทเปลยนทศทางของแสง ดงนนหวใจหลกอกอยางหนง

ของอปกรณนคอกระจกจลภาค ซงท าหนาทสะทอนแสงทเดนทางจากสายใยแกวน าแสงเสนหนงดวยมม 90 องศา เพอไปเขาสายใยแกวน าแสงอกเสนหนง งานวจยนไดออกแบบใหมรองส าหรบวางสายใยแกวน าแสงขนดวย เพอเปนแนวทางในการจดวางสายใยแกวน าแสงใหวางท ามมทเหมาะสมกบกระจกจลภาค การวางสายใยแกวน าแสงลงในรองทเตรยมไวจะตองอาศยตวเชอมตอทจะยดใหสายอยในรอง ดงรปท 6.3 โดยในทนจะใชกาวอพอกซใสมาเปนตวเชอม เนองจากกาวอพอกซมความแขงแรงแตกมความยดหยนมากกวากาวชนดอน อกทงหาซอไดงาย

รปท 6.3 เชอมตอสายใยแกวน าแสงกบอปกรณสวตชเชงแสง

สายใยแกวน าแสง รองวางสายใยแกวน าแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

75

6.2 กำรทดสอบกำรเคลอนท การกระตนอปกรณประเภทไฟฟาสถตโดยทวไปแลวจะใชแรงดนส าหรบควบคมทมคาสงแตมคากระแสทต า โดยมากอปกรณประเภทนจะมลกษณะเปนตวเกบประจ การทดสอบการท างานของอปกรณสวตชเชงแสงจะเรมจากการปอนแรงทางกล ดวยการใชอปกรณปลายแหลมสะกดท ซหวของตวขบเราสวนทลอยจากฐาน ใหเกดการเคลอนไปมาเพอสงเกตดวาซหวสามารถเคลอนทไดอยางอสระไมสมผสกบซหวสวนทตดกบฐาน ผลการทดสอบดงกลาวพบวาซหวของตวขบเราของงานวจยนสามารถขยบไดอยางอสระ จากนนท าการทดสอบขนทสองดวยการใชแกสไนโตรเจนความดนประมาณ 1.5 psi เปาบรเวณซหวของตวขบเราจนเกดการเคลอนท วธตอมาเปนวธทส าคญทสดคอ การปอนแรงดนไฟฟาแกตวขบเราเพอใหเกดแรงไฟฟาสถตทซหวของตวขบเราจนเกดการเคลอนท รปท 6.4 เปนการน าขนาดพารามเตอรตาง ๆ ของอปกรณสวตชเชงแสงทสรางขนจรง มาจ าลองหาผลตอบสนองการท างานของตวขบเรา โดยจากกราฟจะเหนวาเมอปอนแรงดนขบเคลอน 65 V ซหวของตวขบเราจะเคลอนทได 100 µm

รปท 6.4 ผลการจ าลองการตอบสนองของโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทสรางไดจรง

0 1 2 3

x 10-4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Distance, x (Meter)

Drivi

ng V

oltag

e, V

(Volt

)

g = 62.56 μm

kx = 0.2757 N/m

N = 128

t = 356 μm

𝑉2 =𝑥𝑔𝑘𝑥

𝑁𝑡𝜀0𝜀𝑟

 

 

 

 

 

 

 

 

76

การควบคมตวขบเราในงานวจยนจะใชสญญาณพลสทมแรงดน 0 ถง 200 V ความถ 0.5 Hz ปอนใหกบอปกรณ ซงรปท 6.5 เปนแผนผงของวงจรขบและลกษณะสญญาณพลสทเกดจากแหลงจายแรงดนสง

รปท 6.5 ชดขบอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจย

ในการทดสอบจะท าการปรบคาแรงดนเพมขนเรอย ๆ จนกวาตวขบเราจะสามารถเคลอนทไดระยะทางทตองการคอ 100 µm เมอปรบแรงดนเพมขนจนถง 190 V พบวาตวขบเราสามารถเคลอนทไดตามระยะทางทตองการ 100 µm

f = 0.5 Hz, V = 190 V V

High Voltage Driver

0-200 V

MEMS Actuator

(ก) แผนผงวงจรขบอปกรณสวตชเชงแสง

(ข) สญญาณเอาตพต

 

 

 

 

 

 

 

 

77

รปท 6.6 ทดสอบการเคลอนทของตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหว

โดยรปท 6.6(ก) เปนลกษณะการวางตวของซหวเมอไมมการปอนแรงดนไฟฟา ซง

ระยะหางระหวางซหวมขนาด 120 µm และในรปท 6.6(ข) เปนลกษณะการเคลอนทของซหวเมอมการปอนแรงดนไฟฟา ซงจะเหนวาเมอปอนแรงดนไฟฟา 190 V ระยะหางระหวางซหวจะมขนาดแคบลง โดยมขนาดเหลอเพยง 20 µm

เปรยบเทยบการจ าลองผลตอบสนองทางคณตศาสตรของโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงทสรางขนกบการทดสอบจรงพบวา หากตองการใหซหวเคลอนทไปไดระยะทาง 100 µm ผลการจ าลองบอกวาตองปอนแรงดน 65 V แตในการทดสอบจรงตองปอนแรงดนถง 190 V ซงมคาสงกวาผลการจ าลองทางคณตศาสตร 3 เทา ซหวของตวขบเราจงจะสามารถเคลอนทไดระยะทางทก าหนด

(ก) กอนปอนแรงดนไฟฟาขบเคลอน

(ข) ขณะปอนแรงดนไฟฟาขบเคลอน 190 V

120 µm

20 µm

 

 

 

 

 

 

 

 

78

6.3 กำรทดสอบกำรสวตชแสง ทดสอบการสวตชแสงดวยกระจกจลภาคของอปกรณสวตชเชงแสงทมโครงสรางเปน พอ

ลเมอรเคลอบโลหะทองค า โดยใชแหลงก าเนดแสง (Lightwave multimeter) ยหอ HP รน Hewlett Packard 8153A ความยาวคลน 1310 nm เรมตนการทดลองโดยการวดคาก าลงของแสงทเครองสามารถสงไดดวยการรบสงแสงโดยตรงผานสายใยแกวน าแสงเสนเดยว ดงรปท 6.7 ซงสามารถวดคาก าลงแสงได 1.5 dBm

รปท 6.7 วดคาก าลงของแสงทสงออกมาจากแหลงจายสญญาณแสง

ตอจากนนเชอมตอสายใยแกวน าแสงของอปกรณสวตชเชงแสงกบแหลงจายสญญาณแสง ดงรปท 6.8 แลวทดลองสงสญญาณแสงระหวางสายใยแกวน าแสงสองเสนผานตวกลางซงเปนอากาศ ดงรปท 6.9 และท าการวดคาก าลงของแสงทสามารถรบสงได ซงจะไดผลการทดสอบดงตารางท 6.1

input output

1.5 dBm

Light source multimeter

Fiber optic

 

 

 

 

 

 

 

 

79

รปท 6.8 เชอมตอสายใยแกวน าแสงของอปกรณสวตชเชงแสงกบแหลงจายสญญาณแสง

รปท 6.9 ทดสอบการรบสงแสงผานตวกลางซงเปนอากาศ

ตารางท 6.1 คาการรบสงแสงผานตวกลางทเปนอากาศ หนวย dBm

Input Port Output Port (dBm)

1 2 3 4 1 - -39.64 -11.17 -38.79 2 -38.55 - -38.55 -17.81

ปลายสายใยแกวน าแสง

(ก) กระจกจลภาคอยในสถานะปด (ข) จ าลองการเดนทางของแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

80

ตารางท 6.2 คาการสญเสยของแสงเนองจากการสงแสงผานตวกลางทเปนอากาศเทยบกบ การสงผานสายใยแกวน าแสงโดยตรง หนวย dB

Input Port Output Port (dB)

1 2 3 4 1 - -41.14 -12.67 -40.29 2 -40.05 - -40.05 -19.32

จากตารางท 6.2 เมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 1 ผานตวกลางซงเปนอากาศ พบวาสายใยแกวน าแสงเสนท 3 สามารถวดคาแสงทรบไดดทสด -11.17 dBm โดยคดเปนคาการสญเสยของแสงเนองจากการสงผานอากาศเมอเทยบกบการสงผานสายใยแกวน าแสงโดยตรงได -12.67 dB และเมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 2 ผานตวกลางซงเปนอากาศนนพบวาสายใยแกวน าแสงเสนท 4 สามารถวดคาของแสงทรบไดดทสด -17.81 dBm คดคาการสญเสยของแสงเนองจากการสงผานอากาศเมอเทยบกบการสงผานสายใยแกวน าแสงโดยตรงได -19.32 dB ตอมาเปนการทดสอบการรบสงแสงผานการสวตชแสงจากกระจกจลภาค ดงรปท 6.10 โดยใหสายใยแกวน าแสงเสนท 1 เปนตวสงสญญาณแสง และวดคาแสงทรบไดของสายใยแกวน าแสงเสนท 2, 3 และ 4 จากนนใหสายใยแกวน าแสงเสนท 2 เปนตวสงสญญาณแสง และวดคาแสงทรบไดของสายใยแกวน าแสงเสนท 1, 3 และ 4 ตามล าดบ โดยการทดสอบจะแบงออกเปนเมอกระจกจลภาคอยในสถานะเปดและกระจกจลภาคอยในสถานะปด ซงจะไดผลการทดสอบดงตารางท 6.3

รปท 6.10 ทดสอบการรบสงแสงโดยการสะทอนจากกระจกจลภาค

(ก) กระจกจลภาคอยในสถานะเปด (ข) จ าลองการเดนทางของแสง

 

 

 

 

 

 

 

 

81

ตารางท 6.3 คาการรบสงแสงผานการสะทอนจากกระจกจลภาค หนวย dBm

Input Port Output Port (dBm)

Switch on Switch off 1 2 3 4 1 2 3 4

1 - -38.42 -38.22 -22.22 - -38.42 -11.17 -38.42 2 -38.30 - -37.64 -38.73 -38.34 - -38.44 -17.81

ตารางท 6.4 คาการสญเสยของแสงเนองจากการสะทอนของกระจกจลภาคเทยบกบ

การสงผานอากาศ หนวย dB

Input Port Output Port (dB)

Switch on Switch off 1 2 3 4 1 2 3 4

1 - -27.25 -27.05 -11.05 - -27.25 0 -27.25 2 -20.49 - -19.82 -20.92 -20.53 - -20.63 0

จากตารางท 6.3 และ 6.4 จะเหนวาเมอกระจกจลภาคอยในสถานะเปดคอมกระจกจลภาคเขาไปขวางทางเดนของแสง จะเหนวาเมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 1 แลวแสงเกดการสะทอนจากกระจกจลภาคพบวาสายใยแกวน าแสงเสนท 4 สามารถวดคาของแสงทรบไดดทสด -22.22 dBm โดยคดคาการสญเสยของแสงเนองจากการสวตชจากกระจกจลภาคเทยบกบการสงผานอากาศได -11.05 dB และเมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 2 แลวแสงเกดการสะทอนจากกระจกจลภาคพบวาไมมสายใยแกวน าแสงทสามารถรบแสงทสะทอนจากกระจกจลภาคไดเลย จากคาการสญเสยของแสงเนองจากการสวตชของการรบสงแสงระหวางสายใยแกวน าแสงเสนท 1 กบ 4 จะเหนวามคาคอนขางสง นาจะมสาเหตมาจากผนงดานขางของกระจกจลภาคบรเวณทเกดการสะทอนแสงมผวคอนขางขรขระ ดงรปท 6.11 จงท าใหเมอแสงเดนทางมาตกกระทบทผวของกระจกจลภาค มมของแสงทสะทอนจากกระจกจลภาคจงอาจมขนาดไมตรงกบ core ของสายใยแกวน าแสงเสนท 4 จงท าใหสายใยแกวน าแสงเสนท 4 รบแสงไดนอยนนเอง

 

 

 

 

 

 

 

 

82

รปท 6.11 พนผวบรเวณผนงดานขางของกระจกจลภาค

เมอกระจกจลภาคอยในสถานะปดคอไมมกระจกจลภาคขวางทางเดนของแสง พบวา เมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 1 สายใยแกวน าแสงเสนท 2 และ 4 ไมสามารถรบแสงไดเลย สวนสายใยแกวน าแสงเสนท 3 สามารถรบแสงไดเทากบกรณทสงแสงผานอากาศนนคอ -11.17 dBm และเมอสงสญญาณแสงจากสายใยแกวน าแสงเสนท 2 สายใยแกวน าแสงเสนท 1 และ 3 กไมสามารถรบแสงไดเลย แตสายใยแกวน าแสงเสนท 4 สามารถรบแสงไดเทากบกรณทสงแสงผานอากาศซงกคอ -17.81 dBm จากผลการทดสอบจะเหนไดวาอปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยนสามารถสวตชแสงไดเพยงดานเดยว เนองจากกระจกจลภาคทสรางขนมขนาดความกวางถง 22.91 µm ซงมขนาดใหญกวา core ของสายใยแกวน าแสงแบบโหมดเดยว ทมขนาดเพยง 9 µm ท าใหเมอกระจกจลภาคเคลอนทเขาไปขวางทางเดนของแสง แสงทเดนทางจากสายใยแกวน าแสงเสนท 2 แลวสะทอนกบกระจกจลภาคจงมขนาดของมมไมตรงกบ core ของสายใยแกวน าแสงเสนท 3 ท าใหสายใยแกวน าแสงเสนท 3 ไมสามารถรบแสงทสะทอนจากกระจกจลภาคไดนนเอง

356 µm

197.36 µm

 

 

 

 

 

 

 

 

83

6.4 แนวทำงกำรเพมประสทธภำพใหกบอปกรณสวตชเชงแสง เนองจากกระจกจลภาคของงานวจยนมขนาดใหญ ท าใหไมสามารถสวตชแสงพรอมกนทงสองทางได ดงน นหากตองการใหอปกรณสวตชเชงแสงแบบ 2x2 สามารถท างานไดอยางเตมประสทธภาพ จะตองสรางโครงสรางของกระจกจลภาคใหมขนาดความกวางนอยกวา 10 µm อปกรณสวตชเชงแสงกจะสามารถสวตชแสงไดพรอมทงสองทางได ดงรปท 6.12 ซงจะเหนวากระจกจลภาคมขนาดความกวางนอยกวา core ของสายใยแกวน าแสง ท าใหแสงทสะทอนจากกระจกจลภาคมขนาดของมมทพอดในการสวตชแสงพรอมกนทงสองทาง

รปท 6.12 โครงสรางกระจกจลภาคทเหมาะสม

และหากตองการใหการสญเสยของแสงเนองจากการสวตชมคาลดลง กตองสรางกระจกจลภาคใหพนผวของผนงดานขางบรเวณทใชในการสะทอนแสงมความเรยบมากกวาน

 

 

 

 

 

 

 

 

84

บทท 7

สรปงำนวจยและขอเสนอแนะ

7.1 สรปงำนวจย งานวจยนไดท าการพฒนาการสรางอปกรณสวตชเชงแสงส าหรบใชงานกบเสนใยน าแสงแบบโหมดเดยวทมขนาดของ core 9 µm และมขนาดของ core เมอรวมกบ cladding เทากบ 125 µm อปกรณสวตชเชงแสงถกสรางขนจากกระบวนการลโธกราฟฟดวยรงสอลตราไวโอเลตและรงสเอกซจากระบบล าเลยงแสง 6a : DXL ของสถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) เพอเปนตนแบบส าหรบองคความรใหมในการพฒนาการสรางอปกรณสวตชเชงแสง ตวขบเราทางไฟฟาสถตหรอแมแตอปกรณในระบบกลไฟฟาจลภาคใหดยงขน โดยเรมต งแตการศกษาลกษณะโครงสราง วสดทใชในการสรางจนถงกระบวนการสราง พรอมทงท าการออกแบบ สรางและพฒนารปแบบโครงสรางอยางตอเนอง อปกรณสวตชเชงแสงของงานวจยนมโครงสรางเปนสารไวแสงแบบลบ SU-8 เคลอบดวยโลหะโครเมยมและทองค า มตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวซงมจ านวนซทสามารถเคลอนทไดทงหมด 128 ซ ท าหนาทขบเคลอนกระจกจลภาคขนาดความกวาง 22.91 µm สง 356 µm ใหเคลอนทเขาออกระหวางทางเดนแสงของสายใยแกวน าแสงสองค อกทงมสปรงแบบ serpentine ท าหนาทดงโครงสรางตวขบเราใหกลบมายงจดเรมตนเมอไมมการปอนแรงดนไฟฟา ทดสอบการท างานของอปกรณสวตชเชงแสงพบวา กระจกจลภาคสามารถเคลอนทไดระยะทาง 100 µm เมอปอนแรงดนไฟฟาใหกบตวขบเรา 190 V ทดสอบการรบสงแสงทความยาวคลน 1310 nm วดก าลงแสงทแหลงก าเนดแสงสงผานสายใยแกวน าแสงเสนเดยวได 1.5 dBm เมอทดลองสงสญญาณแสงระหวางสายใยแกวน าแสงสองเสน โดยมตวกลางเปนอากาศพบวาสามารถวดคาการรบแสงไดดทสด -11.17 dBm ซงคดเปนคาการสญเสยทางแสงผานอากาศเมอเทยบกบการสงผานสายใยแกวน าแสงโดยตรงได -12.67 dB จากนนทดสอบการรบสงแสงผานการสวตชจากกระจกจลภาคพบวา เมอกระจกจลภาคอยในสถานะสวตชเปด (switch on) สามารถวดคาการรบแสงทดทสดได -22.22 dBm และเมอกระจกจลภาคอยในสถานะสวตชปด (switch off) สามารถวดคาแสงทรบไดดทสดไดเทากบ -38.42 dBm ซงคาการสญเสยทางแสงผานการสวตชดวยกระจกจลภาคระหวางสถานะสวตชเปดกบสวตชปดมคาตางกน 16.20 dB

 

 

 

 

 

 

 

 

85

7.2 ขอเสนอแนะ อปกรณสวตชเชงแสงทสรางขนในงานวจยนยงเกดปญหาตาง ๆ ในขณะท าการวจยหลายอยาง ไดแก โครงสรางของชนงานเกดการหลดจากฐานเนองจากไดรบพลงงานจากการอาบรงสมากเกนไป ท าใหตองปรบหาคาพลงงานสะสมในสารไวแสงทเกดจากการฉายรงสเอกซทเหมาะสม ซงจะไมท าใหชนฐานหลดออกจากฐาน ปญหาตอมาคอปญหาในการสรางหนากากกนรงสเอกซ ในกระบวนการชบโลหะเงนดวยไฟฟาของขนตอนการสรางหนากากกนรงสเอกซนน มกจะเกดการแทรกตวของโลหะดานลางสารไวแสงท าใหบดบงลวดลายบรเวณฐานของชนงาน หรอโลหะเกดการกอตวบนแผนกราไฟตอยางไมสม าเสมอ บางพนทเกดการกอตวขนเรวกวาพนทอน ๆ จนไปปกคลมลวดลายบางสวนของชนงาน ท าใหลวดลายเกดการผดเพ ยน ท าการแกไขโดยปรบหาคากระแสไฟฟาทเหมาะสมทโลหะจะกอตวขนไดอยางสม าเสมอ และไมควรใชกระแสไฟฟาในการชบโลหะสงเกนไป เนองจากจะเกดฟองขนบรเวณพนผวของแผนกราไฟตท าใหบรเวณนนไมมโลหะมาเกาะ ปญหาทส าคญอกอยางหนงทเกดขนในงานวจยนคอ การบดเบยว โกง งอของโครงสราง เนองจากโครงสรางของอปกรณสวตชเชงแสงในงานวจยนเปนพอลเมอร ขอดของพอลเมอรคอมน าหนกเบา แตขอเสยคอเปราะบางและเสยรปไดงายเมอไดรบอณหภมทสงหรอต าเกนไป ซงบอยครงทเกดปญหานขนระหวางการท าวจย วธแกไขคอพยายามควบคมอณหภมในทกขนตอนของการสรางโครงสรางอปกรณสวตชเชงแสงใหมความเหมาะสมตลอดเวลา คอพยายามไมใหอณหภมมการเพมขนหรอลดลงเรวเกนไป เพอลดโอกาสทโครงสรางชนงานจะเกดการผดรป เสยหาย

 

 

 

 

 

 

 

 

86

รำยกำรอำงอง

พทยา ดกลา. 2552. กำรพฒนำมอเตอรจลภำคแบบไฟฟำสถต. วทยานพนธ มหาบณฑต สาขาวชา

ไฟฟา ภาควชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร. 169 น. วนย วนบร. 2550. กำรพฒนำกระบวนกำรผลตโครงสรำงจลภำคโดยวธกำรลโธกรำฟฟดวยรงส

เอกซ. วทยานพนธ มหาบณฑต สาขาวชาไฟฟา ภาควชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร. 96 น.

Chang-Hyeon Ji, Youngjoo Yee, Junghoon Choi, Seong-Hyok Kim, and Jong-Uk Bu. (2004). Electromagnetic 2x2 mems optical switch. IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics, Vol. 10, No. 3, May/June 2004, pp. 545-550.

Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij. (1999). Micro-opto-mechanical 2x2 switch for single mode fibers based on plasma-etched silicon mirror and electrostatic actuation. Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 1, January 1999, pp. 2-6.

Gabriel M. Rebeiz. RF mems: theory, design, and technology. A John Wiley & Sons Publication. Copyright 2003 John Wiley & Sons, Inc.

Gregory N. Nielson and George Barbastathis. (2006). Dynamic pull-in of parallel-plate and torsional electrostatic mems actuators. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 15, No. 4, August 2006, pp. 811-821.

Hiroshi Toshiyoshi, Daisuke Miyauchi, and Hiroyuki Fujita. (1999). Electromagnetic torsion mirrors for self-aligned fiber-optic crossconnectors by silicon micromachining. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, VOL. 5, NO. 1, January/February 1999, pp. 10-17.

Ho Nam Kwon and Jong-Hyun Lee. (2004). A micromachined 2x2 optical switch aligned with bevel-ended fibers for low return loss. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 2, April 2004, pp. 258-263.

Koji Akimoto, Yuji Uenishi, Kazuharu Honma, S hinji Nagaoka. (1997). Evaluation of comb-drive nickel micromirror for fiber optical communication. IEEE MEMS : 66-71

 

 

 

 

 

 

 

 

87

Raanan A. Miller, Yu-Chong Tai, Guoda Xu, John Bartha, and Freddie Lin. (1997). An Electromagnetic mems 2 x 2 fiber optic bypass switch. International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, pp. 89-92.

Shi-Sheng Lee, Long-Sun Huang, Chang-Jin Kim, and Ming C. Wu. (1999). Free-space fiber-optic switches based on mems vertical torsion mirrors. Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 1, January 1999, pp. 7-13.

Somlay, G., Szucs, Z., Poppe, A., and Rencz, M. (2007). Simulation of a comb drive for fracture lifetime measurements. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Users Conference.Bart, S.F., Mehregany,

Toshiki Hirano, Tomotake Furuhata, Kaigham J. Gabriel, and Hiroyuki Fujita. (1992). Design, fabrication, and operation of submicron gap comb-drive microactuators. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. I . No. 1, March 1992, pp. 52-59.

Wenjing Ye, Subrata Mukherjee, and Noel C. MacDonald. (1998). Optimal shape design of an electrostatic comb drive in microelectromechanical systems. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 7, No. 1, March 1998, pp. 16-26.

 

 

 

 

 

 

 

 

88

ภำคผนวก ก

โปรแกรมแบบจ ำลองผลทำงคณตศำสตร

 

 

 

 

 

 

 

 

89

โปรแกรมจ ำลองผลระบบพลวตของตวขบเรำทำงไฟฟำสถตดวยกำรค ำนวณเชงวเครำะห close all clear all clc %-----------------------------------------Comb-Drive Actuator----------------------------------------- w = 50e-6; //ความกวางของซหว t = 350e-6; //ความสงของซหว n = 12; //จ านวนขดของสปรง N = 128; //จ านวนซของตวขบเรา E = 2e9; //คาความยดหยนของวสด v = 0.22; //คาอตราสวนของปวซอง

Eo = 8.85e-12; //คา permittivity ของอากาศ Er = 1; //คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง g = 50e-6; //ระยะหางระหวางซหว G = E/(2*(1+v)); //คามอดลสของการบด i = 1:2:100; V = 0:1:200; //ขนาดพารามเตอรของแรงดน % -----------------Find J-------------------- A = sum((1./(i.^5)).*tanh((pi*w.*i)/(2*t))); B = (1-((192/pi^5)*(t/w))*A); J = (1/3)*(t^3)*w*B; //คาคงทของการบด % ------------------Find K--------------------- La = 500e-6; //ความกวางของสปรง Lb = 3000e-6; //ความยาวของสปรง Ix = (w*(t^3))/12; //โมเมนตความเฉอยของสปรง K = (48*G*J)/(La^2*(((G*J*La)/(E*Ix))+Lb)*n^3); //คาคงทสปรง % -------------------Find X-------------------- X = (N*t*Eo*Er.*(V.^2))/((K)*g); //ระยะเคลอนทของซหว

 

 

 

 

 

 

 

 

90

% -----------------Find N---------------- X = 100e-6; //ระยะเคลอนทของซหว N = (K*X*g) ./ (t*Eo*Er.*(V.^2)); //จ านวนซหว % -----------------Find g----------------- X= 100e-6; //ระยะเคลอนทของซหว g = (N*t*Eo*Er.*(V.^2)) /(K*X); //ระยะหางระหวางซหว % -----------------Find t----------------- X = 100e-6; //ระยะเคลอนทของซหว t = (K*X*g) ./ (N*Eo*Er.*(V.^2)); //ความสงของซหว %----------------figure------------------- figure(1) //กราฟท 1 plot(N,V) //แสดงจ านวนซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Number of Fingers for Moving Comb, N'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน figure(2) //กราฟท 2 plot(g,V) //แสดงระยะหางระหวางซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Gap between Comb Fingers, g (um)'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน figure(3) //กราฟท 3 plot(t,V) //แสดงความสงของซหวหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Fingers Thickness for Comb, t (Meter)'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน Figure(4) //กราฟท 4 plot(X,V) //แสดงระยะการเคลอนทของซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Distance, x (Meter)'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน

 

 

 

 

 

 

 

 

91

%-----------------------------------------Parallel Plate Actuator---------------------------------------- g_0 = 120e-6; //คาระยะหางเรมตนระหวางแผนตวน า A_w = 150e-6; //คาความกวางแผนตวน า A_h = 350e-6; //คาความยาวแผนตวน า V = 50:1:200; //คาพารามเตอรของแรงดนไฟฟา w = 50e-6; //ความกวางของสปรง t = 350e-6; //ความสงของสปรง n = 12; //จ านวนขดของสปรง E = 2e9; //คาความยดหยนของวสด v = 0.22; //คาอตราสวนของปวซอง Eo = 8.85e-12; //คา permittivity ของอากาศ Er = 1; //คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง

G = E/(2*(1+v)); //คามอดลสของการบด i = 1:2:100; % ------------------Find J---------------------- A = sum((1./(i.^5)).*tanh((pi*w.*i)/(2*t))); B = (1-((192/pi^5)*(t/w))*A); J = (1/3)*(t^3)*w*B; //คาคงทของการบด % ------------------Find K--------------------- La = 500e-6; //ความกวางของสปรง Lb = 3000e-6; //ความยาวของสปรง Ix = (w*(t^3))/12; //โมเมนตความเฉอยของสปรง K = (48*G*J)/(La^2*(((G*J*La)/(E*Ix))+Lb)*n^3); //คาคงทสปรง % ------------------Find N--------------------- A = A_w * A_h ; //พนทแผนตวน า N = (8*K*g_0^3) ./ (27*Eo*Er*A*(V.^2)); //จ านวนแผนตวน า figure(5) //กราฟท 5 plot(N,V) //แสดงจ านวนแผนตวน ากบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Number of Finger for Moving Plate, N'); //แสดงชอแกน ylabel('Pull-In Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน

 

 

 

 

 

 

 

 

92

%----------------------Compare comb-drive between design with fabrication--------------------- n = 12; //จ านวนขดของสปรง N = 128; //จ านวนซของตวขบเรา E = 2e9; //คาความยดหยนของวสด v = 0.22; //คาอตราสวนของปวซอง Eo = 8.85e-12; //คา permittivity ของอากาศ Er = 1; //คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง wd = 50e-6; //ความกวางของซหว td = 350e-6; //ความสงของซหว gd = 50e-6; //ระยะหางระหวางซหว wf = 43.17e-6; //ความกวางของซหว tf = 356e-6; //ความสงของซหว gf = 62.56e-6; //ระยะหางระหวางซหว G = E/(2*(1+v)); //คามอดลสของการบด i = 1:2:100; % ------------------Find Jd---------------------- Ad = sum((1./(i.^5)).*tanh((pi*wd.*i)/(2*td))); Bd = (1-((192/pi^5)*(td/wd))*Ad); Jd = (1/3)*(td^3)*wd*Bd; //คาคงทของการบด % ------------------Find Kd--------------------- Lad = 500e-6; //ความกวางของสปรง Lbd = 3000e-6; //ความยาวของสปรง Ixd = (wd*(td^3))/12; //โมเมนตความเฉอยของสปรง Kd = (48*G*Jd)/(Lad^2*(((G*Jd*Lad)/(E*Ixd))+Lbd)*n^3); //คาคงทสปรง % -------------------Find Xd-------------------- Vd =0:1:200; //ขนาดพารามเตอรของแรงดน Xd = (N*td*Eo*Er.*(Vd.^2))/((Kd)*gd); //ระยะเคลอนทของซหว % ------------------Find Jf---------------------- Af = sum((1./(i.^5)).*tanh((pi*wf.*i)/(2*tf))); Bf = (1-((192/pi^5)*(tf/wf))*Af);

 

 

 

 

 

 

 

 

93

Jf = (1/3)*(tf^3)*wf*Bf; //คาคงทของการบด % ------------------Find Kf--------------------- Laf = 494.27e-6; //ความกวางของสปรง Lbf = 2969.21e-6; //ความยาวของสปรง Ixf = (wf*(tf^3))/12; //โมเมนตความเฉอยของสปรง Kf = (48*G*Jf)/(Laf^2*(((G*Jf*Laf)/(E*Ixf))+Lbf)*n^3) //คาคงทสปรง % -------------------Find Xf-------------------- Vf = 0”1”200; //ขนาดพารามเตอรของแรงดน Xf = (N*tf*Eo*Er.*(Vf.^2))/((Kf)*gf); //ระยะเคลอนทของซหว Figure(6) //กราฟท 6 plot(Xd,Vd, ‘-.b’) //แสดงระยะการเคลอนทของซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา hold on //ใหคงเสนกราฟเสนเดมไว plot(Xf,Vf, ‘r’) //แสดงระยะการเคลอนทของซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Distance, x (Meter)'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน legend('Design','Fabrication'); //แสดงชอเสนกราฟ

 

 

 

 

 

 

 

 

94

%-----------------------------------------comb-drive fabricated---------------------------------------- n = 12; //จ านวนขดของสปรง N = 128; //จ านวนซของตวขบเรา E = 2e9; //คาความยดหยนของวสด v = 0.22; //คาอตราสวนของปวซอง

Eo = 8.85e-12; //คา permittivity ของอากาศ Er = 1; //คา permittivity ของวสดฉนวนทกนระหวางขวทงสอง wf = 43.17e-6; //ความกวางของซหว tf = 356e-6; //ความสงของซหว gf = 62.56e-6; //ระยะหางระหวางซหว G = E/(2*(1+v)); //คามอดลสของการบด i = 1:2:100; % ------------------Find Jf---------------------- Af = sum((1./(i.^5)).*tanh((pi*wf.*i)/(2*tf))); Bf = (1-((192/pi^5)*(tf/wf))*Af); Jf = (1/3)*(tf^3)*wf*Bf; //คาคงทของการบด % ------------------Find Kf--------------------- Laf = 494.27e-6; //ความกวางของสปรง Lbf = 2969.21e-6; //ความยาวของสปรง Ixf = (wf*(tf^3))/12; //โมเมนตความเฉอยของสปรง Kf = (48*G*Jf)/(Laf^2*(((G*Jf*Laf)/(E*Ixf))+Lbf)*n^3) //คาคงทสปรง % -------------------Find Xf-------------------- Vf = 0:1:200; //ขนาดพารามเตอรของแรงดน Xf = (N*tf*Eo*Er.*(Vf.^2))/((Kf)*gf); //ระยะเคลอนทของซหว Figure(7) //กราฟท 6 plot(Xf,Vf) //แสดงระยะการเคลอนทของซหวกบขนาดแรงดนไฟฟา xlabel('Distance, x (Meter)'); //แสดงชอแกน ylabel('Driving Voltage, V (Volt)'); //แสดงชอแกน

 

 

 

 

 

 

 

 

95

ภำคผนวก ข

บทควำมทไดรบกำรตพมพเผยแพร

 

 

 

 

 

 

 

 

96

บทควำมวชำกำรทไดรบกำรตพมพเผยแพร R. Chimchang, R. Tongta, and R. Phatthanakun, (2012) Vertical Micromirror Fabrication by

X-ray Lithography for Single Mode Optical Fiber Switching Applications. WASET International Conference on Electrical, Computer, Electronics and Communication Engineering (ICECECE 2012), Tokyo, Japan, 29-30 May, pp. 925-928.

ชฎารตน หาดทวายกาญจน, รงลดา ฉมชาง, สมปอง สขประสงค, รงเรอง พฒนากล, และ รงสรรค ทองทา, (2556). กำรออกแบบและกำรสรำงระบบไฟฟำเครองกลจลภำค (MEMS) อปกรณชดเชยเฟสส ำหรบฟำบร-เปโรตอนเตอรเฟอโรมเตอรดวยเทคนคเอกซเรยลโธกรำฟ . การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเ ชงประยกต ค รง ท 5 (ECTI – CARD 2013),นครราชสมา, ไทย, 8-10 พฤษภาคม 2556, หนา 575–580.

 

 

 

 

 

 

 

 

97

 

 

 

 

 

 

 

 

98

 

 

 

 

 

 

 

 

99

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

101

 

 

 

 

 

 

 

 

102

 

 

 

 

 

 

 

 

103

 

 

 

 

 

 

 

 

104

 

 

 

 

 

 

 

 

105

 

 

 

 

 

 

 

 

106

 

 

 

 

 

 

 

 

107

ประวตผเขยน

นางสาวรงลดา ฉมชาง เกดเมอวนท 26 พฤษภาคม 2529 ทอ าเภอนางรอง จงหวดบรรมย

ส าเรจการศกษาระดบมธยมศกษาตอนตนและตอนปลาย จากโรงเรยนนางรอง จงหวดบรรมย และส าเรจการศกษาระดบปรญญาตร วศวกรรมศาสตรบณฑต (วศวกรรมโทรคมนาคม) จากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร จงหวดนครราชสมา เมอ พ.ศ. 2551 จากนนไดเขาศกษาตอในระดบปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมโทรคมนาคม มหาวทยาลยเทคโนโลย สรนาร ขณะศกษาไดท างานวจยดานระบบกลไฟฟาจลภาค (MEMS) ทงการออกแบบและสรางตวขบเราทางไฟฟาสถตแบบซหวเพอประยกตใชระบบสอสารผานใยแกวน าแสง (Fiber optic communication system) โดยใชกระบวนการลโธกราฟฟ ณ สถาบนวจยแสงซนโครตรอน (องคการมหาชน) และมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร มผลงานทางดานวชาการทไดรบการตพมพเผยแพรระดบนานาชาตในขณะศกษาดง ภาคผนวก ข.