This research present the MEMS based two dimensional scanner for terahertz endoscopy. As mirror and actuator are fabricated respectively and assemble them, the device has large clear aperture with small size. The perforated mirror for low damping effect grows the quality factor for wide field of view.
The 3 x 3 mm2 large mirror provides the high resolution by reflection of high NA beam. The high moment of inertia from 3 x 3mm2 mirror drop the resonance frequency into 100Hz for slow detection speed on TDS(time domain spectroscopy) system. The high damping effect from large mirror decrease by 10um hole arrays for high quality factor. The moment of inertia of hole arrays is less than 5 percent of total moment of inertia to prevent the drop of mass and inertia of device. The reflectance simulation of perforated mirror present the 10um hole arrays is suitable for terahertz mirror by the over 90 percent reflectance.
The difference of floor-level for mirror holder is fabricated through the DRIE(deep reactive ion etch-ing) using photoresist and silicon dioxide. The electrical isolation and mechanical connection structure on actuator for three electrical lines is formed through the trench filling process using photoresist. Mirror and actuator are assembled by x axis and y axis microscopes for precise align and bonded by thermal epoxy.
The difference of reflectance is the 2.7 percent between large mirror and perforated mirror with 10um hole arrays. The 5Hz resonance frequency of actuator is decreased into 100Hz after assemble process with 3 x 3mm2 perforated mirror with 10um hole arrays. The quality factor of 3x3mm2 large mirror is the 66. Howev-er, the quality factor of perforated mirror with low damping coefficient is 105.
In conclusion, the perforated mirror with 10um hole arrays is good at terahertz endoscopy scanner for high resolution, low driving voltage and wide field of view. Especially, on time domain spectroscopy system, the device should have slow scanning speed. The perforate mirror satisfies the requirement for terahertz en-doscopy scanning mirror.
THz는 microwave와 IR의 사이의 파장대로서 물질에 대하여 투과도가 좋고 photon ener-gy가 작아 생물학적 샘플에 damage없이 주사할 수 있다. 특히, 최근 여러 물질에 투과도 및 반사도의 기준이 생기면서 THz빔을 이용한 암세포의 검출에 관한 연구가 활발하다. 하지만, water에 의한 흡수로 인해 대기상에 radiation거리가 짧아 깊은 면적을 단번에imaging하기에는 비효율적이다. 따라서, 내시경 타입의 THz 이미지 디바이스를 만드는 것이 효과적이다. 제작될 내시경은 NIR과 THz빔을 동시에 이용할 수 있는 복합 spectroscope이며 TDS의 광학 셋업을 이용하여 빔의 amplitude와 phase를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 기존 TDS와 달리 반사파타입의 셋업을 구축함으로써 내시경에 사용될 수 있도록 하였다. 이러한 THz 내시경이 작은 크기로 넓은 면적을 효율적으로 보기 위해서는 THz를 광 주사시킬 수 있는 THz스캐너가 필요하다. 특히, THz는 물과 metal을 제외한 거의 모든 물질에 좋은 투과도를 가지므로 효율적으로 THz를 스캐닝하면서 넓은 field of view를 가지게 하기 위해서는 미러가 가장 효율적이므로 THz 스캐닝 미러를 제작하려 한다. THz스캐닝 미러는 기본적으로 내시경에 사용하기 위해서 낮은 구동전압을 가져야 하고, 최소의 크기로 제작되어야 한다. 또한, THz의 파장의 특성에 따라서 대구경의 미러를 사용해야 하며, 제한적인 detection 스피드로 인해서 낮은 구동속도를 가져야 한다.
정전기력을 이용하는 미러의 경우 in-plane에 미러부분 이외에 comb drive가 들어가야 하기 때문에 공간적으로 비효율적이다. 이에, 미러와 구동기를 독립적으로 제작하고 붙임으로써 이러한 점을 극복하면서 조밀한 디바이스를 만들 수 있었다. 또한, 대구경 미러를 사용함으로써 높은 해상도와 낮은 공진 주파수를 동시에 가질 수 있다. 미러의 크기가 커짐에 따라서 damp-ing에 effect가 커지게 되는데 대구경 미러를 사용하면서 동시에 낮은 damping effect를 가지게 하기 위해 sub wave length의 hole array를 제작하였다. 미러는 빔을 반사시키는 미러면과 미러면을 지지하는 post로 구성되어 있다. 구동기는 gimbal structure 방식을 이용하여 미러를 결합하기 위한 mirror holder, movable frame 그리고 스프링 역할을 하는 torsional bar방식의 inner flexure와 outer flexure로 구성되어 있다.
미러의 공정은 구동기 부분의 미러 홀더에 결합할 수 있도록 단차공정이 필요하다. 이에 따라 미러 공정에서는 SiO2마스크와 PR마스크를 사용함과 동시에 두 단계에 걸쳐 DRIE공정을 통하여 약 40um이상의 단차공정을 성공적으로 수행하였다. 2차원 광주사 구동기의 공정에 있어서 가장 중요한 것이 전기적으로 절연함과 동시에 물리적으로 연결된 형태를 갖는 것이다. 기존 연구에서는 이러한 전기적 절연과 물리적 연결 형태를 위해 추가적인 공정과 poly-Si 혹은 SiO2를 이용함으로써 상당한 공정비용을 부담해야 했으나 본 연구에서는 PR을 이용하여 채움으로써 전기적 절연과 물리적 연결 형태를 얻음과 동시에 추가적인 공정이 없이 값싼 공정을 성공적으로 수행하였다. 또한 negative PR의 mult-lithography를 이용함으로써 높은 측면상 공정에서도 원하는 부분을 정확히 채우는 것이 가능하다. 미러와 구동기를 독립적으로 제작 후 epoxy를 이용하여 미러와 구동기를 붙이는 공정을 한다. 이때 미러와 구동기 사이에 정확한 정렬을 하기 위해 두 개의 다른축에 현미경을 설치하여 정렬하였다. 또한, 제작한 진공 tweezer에 micromanipulator를 이용하여 미러를 수직으로 들고 수직상태에서 구동기에 정렬하여 붙임으로써 공차 내에서 정확한 정렬이 가능하게 하였다.
제작된 구멍 뚫린 미러의 반사파를 측정한 결과 구멍을 뚤지 않은 미러에 비해 평균 2.7% 각도에 대한 차이를 보인다. 완성된 디바이스의 구동 특성을 측정하기 위해 LDVdate를 측정결과 미러에 크기별로 구동특성이 다르게 나타나게 된다. 큰 미러로 인해 관성이 늘어남에 따라 공진주파수가 낮아지고 저항이 늘어남에 따라 quality factor가 낮아진다. 큰 미러로 인한 저항을 줄이기 위해 구멍을 뚫은 미러를 제작하고 특성을 비교해 본 결과 구멍을 뚤지않은 미러에 비해 quality factor 가 약 40 정도 높은 것을 측정하였다. 이로 인해 대구경 미러를 사용하여 스캐닝 함에 따라 낮은 공진주파수에서 넓은 면적을 광주사 함으로써 높은 해상도 가지는 THz내시경용 스캐닝 미러를 제작하였다.
