KR20140104447A

KR20140104447A - 마이크로 미러

Info

Publication number: KR20140104447A
Application number: KR1020147016907A
Authority: KR
Inventors: 헤이코 니체; 느이몬치에 프레데릭 느이캄; 볼프람 쇽크; 졸탄 레스티안; 외르크 무코오; 헬무트 그룻첵
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-08-28
Also published as: DE102011089514B4; CN104011583A; US10048487B2; KR101989646B1; DE102011089514A1; WO2013091939A1; US20150036203A1; CN104011583B

Abstract

본 발명은 제1 주 연장 평면을 갖는 제1 층(200) 및 제2 주 연장 평면을 갖는 제2 층(300)을 구비하는 마이크로 미러에 관한 것이며, 이때 상기 제1 주 연장 평면과 상기 제2 주 연장 평면은 서로에 대하여 평행하게 배치되어 있으며, 이때 상기 제1 층(200) 및 상기 제2 층(300)은 하나 이상의 연결 영역(23)을 통해 영역별로 서로 연결되어 있으며, 이때 상기 제1 층(200) 내에는 하나 이상의 스프링 요소(202)가 형성되어 있으며, 이때 상기 제2 층(300) 내에는 이동 가능하게 매달려 있는 미러 플레이트(305)가 형성되어 있으며, 이때 상기 미러 플레이트(305)는 제1 측(30)에서는 주 연장 평면에 대하여 평행하게 미러 표면을 갖고, 반대편에 마주 놓인 제2 측(20)에서는 연결 영역(23)을 통해 상기 스프링 요소(202)의 앵커(210)와 연결되어 있으며, 이때 상기 스프링 요소(202)의 한 부분은 미러 플레이트(305)의 제2 측(20)에서 상기 미러 플레이트(305)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 본 발명은 또한 이와 같은 마이크로 미러를 구비하는 2-미러 시스템에 관한 것이기도 하다.

Description

마이크로 미러{MICROMIRROR}

투사면(flying spot)을 행(row) 방식으로 기술하여 이미지를 형성하기 위해서는 적어도 일 축에서 고주파로의 이동이 필요하다. 10kHz 내지 50kHz를 초과하는 요구 주파수에 도달하기 위하여, 오로지 공명 발진하는 시스템만이 고려된다. 최근 몇 년 동안에 매우 많은 마이크로 미러가 소개되었다. 일부로는 단 하나의 축에서만 진동하는 미러가 구현되었고, 일부로는 두 가지 축 방향으로 공명 진동하거나 한 가지 방향으로 준정적으로 동작하고 카르단 형태로 매달려 있는 미러가 개발되었다.

출판 문헌[MEMS Scanners for Display and Imaging Applications, Proc. of SPIE Vol. 5604]에는 미러 크기 및 편향의 곱, 소위 세타(θ)-D-곱의 의미 및 마이크로 스캐너의 화질을 위한 주파수의 의미가 기술되어 있다.

미러 크기, 편향 및 주파수라는 세 가지 매개변수에 추가로, 고주파에서 발진하는 마이크로 미러의 미러 변형은 단지 사용된 레이저 광의 파장의 약 1/10에 불과해야만 한다. 더 큰 변형에서는 스팟(spot)이 확대될 수 있으며, 이와 같은 확대 현상은 이미지의 해상도를 악화시킨다. 미러 자체의 관성 및 미러가 구부러질 때에 인장 되는 스프링에 의해서 가해지는 것과 같은 미러 플레이트에 작용하는 저항력 때문에, 상기와 같은 이미지 해상도의 악화는 충족시키기 매우 어려운 요구 조건이다. 지금까지는 현가 점을 최적화함으로써 플레이트의 고유 관성에 의한 변형 및 스프링 작용에 의한 변형을 미러 플레이트의 가급적 적은 동적 변형과 관련하여 최적화하려는 시도가 이루어졌다.

마이크로 미러의 반사 작용을 하는 표면을 위해서는 일반적으로 금속 증착, 바람직하게는 은 또는 알루미늄으로 이루어진 금속 증착이 사용된다. 이 경우, 마이크로 미러의 지지부는 예를 들어 실리콘으로 이루어진다. 따라서, 전체 미러 플레이트는 바이메탈이 된다. 이와 같은 형성은 온도에 따른 미러의 정적 변형을 야기한다.

본 발명의 과제는, 회전축을 구비하는 개선된 공명 마이크로 미러를 제조하는 것이다.

각각 하나의 회전축을 구비하는 2개의 미러로 이루어진, 다시 말해 소위 2x1D 컨셉으로 구성된 2D 스캐너를 위해서는, 빔 경로 내에서 제1 미러 뒤에 제2 미러로서 위치된 공명 미러가 필요하다. 레이저 빔은 이 레이저 빔이 제2 미러에 입사하기 전에 제1 미러에 의해서 이미 제1 y-방향으로 편향되어 있다. 거의 직사각형의 횡단면을 갖는 제2 미러가 필요하며, 이 경우 y-방향으로의 팽창(회전 축 방향에서의 치수)은 지금까지 선행 기술에서 소개된 미러의 경우보다 훨씬 더 크다. 빔이 가장 먼저 제1의 준정적인 미러에 입사됨으로써, 상기 빔은 이 빔이 공명 미러에서의 반사 후에 이때 발생하는 확대에도 불구하고 준정적인 칩의 외부 에지를 스쳐 지나가도록 평평하게 입사되어야만 한다. 이와 같은 평평한 입사에 의해서는, 카르단 형태로 매달린 2D 미러에서 계산되어야만 하는 타원형의 변형보다 큰 레이저 스팟의 타원형의 변형이 공명 미러에서 야기된다. 카르단 형태로 매달린 미러의 경우에도 마찬가지로 빔은 임의로 경사진 형태로 입사되어서는 안 된다. 출사(出射) 되는 빔은 반사 후에 모든 편향을 고려하여, 입사되는 빔을 스쳐서 지나가야만 한다. 이와 같은 상황은 레이저 스팟의 크기가 1mm인 경우에는 축에 대하여 수직인 방향으로 약 1.5mm의 미러 직경을 야기하게 될 것이다. 2x1D 컨셉의 광학 시스템의 기하학적인 요구 조건들로부터, 미러는 1mm의 스팟 직경에서 실질적으로 직사각형 면에 걸쳐 있어야만 하며, 이와 같은 면은 회전축에 대하여 수직으로는 1.8mm 내지 2.2mm의 팽창부를 그리고 회전축에 대하여 평행하게는 약 2.4mm의 팽창부를 갖는다. 이와 같은 경계 조건 및 λ/10 미만으로 변형되는 미러에 대한 요구 조건은 아래에서 나타나는 바와 같이 매우 강성이지만 그와 동시에 매우 긴 스프링에 의해서만 달성될 수 있다:

기계식 발진기의 공명은

(1)

에 의해서 주어져 있고,

상기 식에서 k는 스프링 강성을 의미하고, I는 발진기의 관성을 의미한다. 직사각형 플레이트의 관성은

(2)

이며, 더 상세하게 말하자면 회전축에 대하여 수직으로 서있는 방향에서 측정된 치수의 3제곱으로 증가한다.

원형 미러의 변형은 간행물[Fabrication and characterization of a dynamically flat high resolution micro-scanner Journal of Optics. A(2008), no. 10, Paper 044005]의, 8p에서

(3)

에 의해서 주어져 있으며, 이 경우 D는 미러 직경을, f는 미러 주파수를, Θ는 편향각을 그리고 t는 미러 두께를 의미한다. 정사각형의 미러에 대해서는 미러 크기에 대한 동적인 미러 변형의 유사한 높은 의존성이 이미 나타났었다.

높은 공명 주파수에서 작동되는 큰 미러가 지나치게 큰 동적 변형을 갖지 않도록 하기 위하여, 미러 플레이트는 가시화된 치수에서 100㎛를 초과하는 높은 두께, 바람직하게는 200㎛의 두께를 가져야만 한다.

두께가 증가함에 따라, 미러 플레이트의 관성은 방정식 (2)에서 나타난 바와 같이 1제곱으로 증가한다. 10kHz를 초과하는 공명 주파수, 바람직하게는 20kHz의 주파수에 도달하기 위해서는 매우 강성의 스프링이 필요하다.

직사각형의 횡단면을 갖는 토션 스프링의 강성은 아래의 식에 의해서 주어졌다:

(4)

상기 식에서 w는 더 작은 치수를, b는 직사각형의 횡단면의 더 큰 치수를, l은 스프링의 길이를 그리고 G는 전단 탄성 계수를 지시한다.

직사각형의 횡단면을 갖는 스파이럴 스프링의 강성은 아래의 식에 의해서 주어졌다:

(5)

상기 식에서 w는 휘어지는 치수를 지시하고, b는 휨에 대하여 가로로 놓이는 치수를 지시하며, l은 스프링의 길이를 그리고 E는 E-탄성 계수를 지시한다. 토션 스프링이 사용되는지 아니면 스파이럴 스프링이 사용되는지와 무관하게, 스프링은 높은 강성을 보유하기 위하여 횡단면 치수 설계에 있어서 큰 치수를 가져야만 한다.

미러 플레이트의 경사각은 가급적 커야 하지만, 10°이상이어야만 한다. 이와 같은 상황은 스프링 내에서의 응력(stress)이 지나치게 크지 않도록 하기 위하여 소정의 스프링 길이를 요구한다. 전통적인 스파이럴 스프링의 경우에는, 곡률이 증가함에 따라 그리고 중심선으로부터 표면까지의 간격이 증가함에 따라 스프링 표면에서의 응력도 증가한다. 큰 굽힘각(bending angle) 및 높은 강성이 요구되는 경우에, 스프링 내부의 응력은 단지 더 긴 스프링 길이(l)에 의해서만 줄어들 수 있다. 더 상세하게 말하자면, 편향이 큰 경우에도 파단되지 않는 강성의 스프링을 구현하기 위해서는, 횡단면이 크고 길이가 긴 스프링이 필요하다. 그와 동시에 칩 면적은 가급적 작아야만 하는데, 그 이유는 칩 면적에 의해서 비용이 비례적으로 증가하기 때문이다.

공명 시스템은 원치 않는 모드에 대하여 높은 유연 적응성을 가져야만 한다. 제조시 변동이 있을 때도 주파수 대역에서 모드 상호 간의 변위가 일어나지 않도록 하기 위해서는, 장애 모드가 가급적 유효 모드 위에 그리고 상기 유효 모드로부터 가급적 넓은 간격을 두고 놓여야만 한다. 더 나아가서는, 상호 간의 동적 변형을 보상할 수 있기 위하여, 미러 플레이트에 대하여 작용하는 스프링의 작용점을 선택하는 데 있어서도 설계 자유가 존재한다.

본 발명은 제1 주 연장 평면을 갖는 제1 층 및 제2 주 연장 평면을 갖는 제2 층을 구비하는 마이크로 미러에 관한 것이며, 이때 상기 제1 주 연장 평면 및 상기 제2 주 연장 평면은 서로에 대하여 평행하게 배치되어 있으며, 이때 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 하나 이상의 연결 영역을 통해 영역별로 서로 연결되어 있으며, 이때 상기 제1 층 내에는 하나 이상의 스프링 요소가 형성되어 있으며, 이때 상기 제2 층 내에는 이동 가능하게 매달려 있는 미러 플레이트가 형성되어 있으며, 이때 상기 미러 플레이트는 제1 측에서는 주 연장 평면에 대하여 평행하게 미러 표면을 갖고, 상대편에 마주 놓인 제2 측에서는 연결 영역을 통해 상기 스프링 요소의 앵커에 연결되어 있으며, 이때 상기 스프링 요소의 한 부분은 미러 플레이트의 제2 측에서 상기 미러 플레이트에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 바람직하게, 이와 같은 형태의 마이크로 미러에서는 미러 플레이트를 이동 가능하게 매달기 위해서 필요한 스프링 길이에도 불구하고 콤팩트한 구조에 도달할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 연결 영역이 제1 층과 제2 층 사이에 있는 중간층으로 형성되는 것을 제안하고 있다. 바람직하게 이와 같은 마이크로 미러는 다층의 기판으로부터, 특히 SOI 기판으로부터 수월하게 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 다른 실시예는, 연결 영역이 제1 층 또는 제2 층의 구조화된 부분 영역으로 형성되는 것을 제안하고 있다. 바람직하게 이와 같은 마이크로 미러는 특히 단순할 수 있는데, 다시 말하자면 실제로 단 2개의 층으로만 구성될 수 있다. 상기와 같은 연결 영역은 바람직하게 특히 두껍게 형성될 수 있다. 이 경우에는 특히 바람직하게, 이동 가능한 미러 플레이트의 큰 편향각이 가능하다. 특히 바람직하게 이 경우에는 또한 크기가 매우 큰 미러 플레이트도 가능한데, 이와 같은 큰 미러 플레이트 아래에는 편향에도 불구하고 스프링 요소의 큰 부분이 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 앵커가 미러 플레이트의 표면 무게 중심 아래에 배치되는 것을 제안하고 있다. 이때 상기 표면 무게 중심을 통과하는 표면 법선은 앵커도 통과한다. 바람직한 사실은, 상기 장소에서는 최소의 모멘트가 미러 내부로 도입된다는 것이며, 이와 같은 상황에 의해서는 편향에 의한 미러의 변형이 방지된다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 스프링 요소가 제1 주 연장 평면에 대하여 수직인 제1 팽창부 및 상기 제1 주 연장 평면에 대하여 평행한 제2 팽창부를 구비하는 것을 제안하고 있으며, 이 경우 제1 팽창부는 제2 팽창부보다 계수 2만큼, 바람직하게는 계수 10만큼 더 크다. 이와 같은 스프링 요소는 바람직하게 비틀림 응력(torsional stress)에서 높은 강성에 도달할 수 있으며, 그와 동시에 주 평면에서는 낮은 면적 소모율에 도달할 수 있다. 이 경우에는 바람직하게 복수의 스프링 요소 또는 특히 길이가 길거나 또한 복수의 스프링 바(spring bar) 혹은 접혀진 스프링 요소가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 스프링 요소의 대부분이 미러 플레이트의 제2 측에서 상기 미러 플레이트에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 배치 상태에 의해서는 바람직하게 마이크로 미러의 특히 콤팩트한 구조적 형상이 가능하다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 미러 플레이트가 회전 축을 중심으로 이동할 수 있으며, 스프링 요소가 회전 축에 대하여 평행하게 배치된 하나 이상의 바를 구비하는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서는 바람직하게 토션 스프링을 이용해서 미러 플레이트를 매다는 것이 가능하다. 이때 본 발명에 따른 마이크로 미러의 특히 바람직한 실시예는, 스프링 요소가 회전 축에 대하여 평행하게 배치된 3개 이상의 바를 구비하는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서는 바람직하게 특히 긴 스프링 길이에 도달할 수 있게 되며, 이와 같은 상황에서는 비틀림의 경우에 스프링에 기계적으로 덜 강한 하중이 가해진다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 마이크로 미러가 2개 이상의 스프링 요소를 구비하며, 이들 스프링 요소가 하나의 공통 앵커에 연결되는 것을 제안하고 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 다른 실시예는, 마이크로 미러가 2개 이상의 스프링 요소를 구비하며, 이들 스프링 요소가 각각 하나의 고유한 앵커에 연결되는 것을 제안하고 있다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 마이크로 미러가 2개 이상의 스프링 요소를 구비하는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서는 바람직하게 미러가 대칭으로 그리고 스프링의 굽힘 응력 없이 주 평면에 대하여 수직으로 매달릴 수 있게 된다.

본 발명에 따른 마이크로 미러의 바람직한 실시예는, 제1 층 내에 제1 프레임이 형성되고, 스프링 요소가 상기 제1 프레임과 연결되는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서는 바람직하게 스프링 요소가 제1 층 내에 매달릴 수 있게 되며, 이로 인해 마이크로 미러는 특히 평평한 구조적 형상을 얻게 된다. 본 발명에 따른 마이크로 미러의 특히 바람직한 실시예는, 제2 층 내에 제2 프레임이 형성되고, 상기 제2 프레임이 연결 영역을 통해서 제1 프레임과 연결되는 것을 제안하고 있다. 이와 같은 구성에 의해서는 바람직하게 프레임이 보강될 수 있다.

본 발명은 또한 제1 미러 및 적어도 선행하는 항들 중 어느 한 항에 따른 제2 마이크로 미러를 구비하는 2-미러 시스템에 대한 것이기도 하며, 이때 시스템은 2D-스캐너이며, 이때 상기 제1 미러는 제1 회전 축을 구비하고, 상기 제2 마이크로 미러는 상기 제1 회전 축에 대하여 수직으로 놓인 제2 회전 축을 구비하며, 이때 상기 제2 마이크로 미러는 2개의 미러를 조사하는 레이저 빔이 두 가지 방향으로 편향될 수 있도록 제1 미러 맞은 편에 배치되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제1 실시예를 보여주고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제2 실시예를 보여주고 있으며, 이때 제1 스프링은 미러 플레이트의 중앙에 연결되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 편향된 상태에서 도시한 횡단면도를 보여주고 있다.
도 4 및 도 5는 복수의 스프링 요소가 배치된 본 발명에 따른 마이크로 미러의 2개의 추가 실시예를 보여주고 있다.
도 6 및 도 7은 자기식 구동 장치를 구비하는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 2개의 추가 실시예를 보여주고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 구비하는 2-미러 시스템을 보여주고 있다.
도 9는 스프링 요소가 미러 아래에 놓여 있는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 실시예를 보여주고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제1 실시예를 보여주고 있다. 본 도면에는 제1 주 연장 평면을 갖는 제1 층(200) 및 제2 주 연장 평면을 갖는 제2 층(300)을 구비하는 마이크로 미러가 도시되어 있으며, 이때 상기 제1 주 연장 평면 및 상기 제2 주 연장 평면은 서로에 대하여 평행하게 배치되어 있으며, 이때 상기 제1 층(200) 및 상기 제2 층(300)은 하나 이상의 연결 영역(23)을 통해 영역별로 서로 연결되어 있다. 상기 제1 층(200) 내에는 하나 이상의 스프링 요소, 본 실시예에서는 2개의 스프링 요소(202)가 형성되어 있다. 상기 제2 층(300) 내에는 이동 가능하게 매달려 있는 미러 플레이트(305)가 형성되어 있으며, 이때 상기 미러 플레이트(305)는 제1 측(30)에서는 주 연장 평면에 대하여 평행하게 미러 표면을 갖고, 반대편에 마주 놓인 제2 측(20)에서는 연결 영역(23)을 통해 상기 스프링 요소(202)의 앵커(210)에 연결되어 있다. 이때 상기 스프링 요소(202)의 한 부분은 연결 영역(23)에 의해 간격을 두고 떨어진 상태로 미러 플레이트(305)의 제2 측(20)에서 상기 미러 플레이트(305)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 마이크로 미러는 제1 프레임(205)을 구비하며, 미러 플레이트(305)가 제1 프레임(205)에서 스프링 요소(202)에 의해 상기 제1 프레임(205)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 고정되도록, 스프링 요소(202)가 상기 제1 프레임에 마찬가지로 앵커에 의해 고정되어 있다. 본 실시예에서는 제2 층(300) 내에도 제2 프레임이 형성되어 있으며, 상기 제2 프레임은 연결 영역(23)을 통해 제1 프레임(205)에 연결되어 있다.

본원에서 제안된 마이크로 미러는 바람직하게 실리콘으로 형성되어 구조화된 2개의 층(200, 300) 및 상기 2개의 층 내부에 구현된 요소들을 원하는 장소에 연결하는 하나의 중간 층(250)으로 이루어진다. 상기 제1 층(200) 내에서는, 미러 플레이트를 프레임(205)에 연결하는 스프링 요소(202)가 예컨대 트렌치 공정(trench process)에 의해서 구현된다. 제2 층(300)으로부터 떨어져서 마주한 상기 제1 층(200)의 표면(201)은 전면(201)으로서 명명된다. 제2 층(300) 내에서는 미러 표면이 예컨대 트렌치 공정에 의해서 구현된다. 이 미러 표면은 제1 층(200)의 표면에 마주 놓인 측에 있고, 제1 측(30)으로서 또는 후면으로서도 언급된다. "가급적 많은" 스프링을 동시에 가급적 적은 칩 표면에서 발생하기 위하여, 제1 층(200)은 가급적 두껍게 설계된다. 상기 층의 두께 대 가장 넓은 스프링 요소의 폭에 대한 비율은 적어도 계수 2, 바람직하게는 계수 10에 달한다. 더 상세하게 말하자면, 스프링 요소(202)는 제1 주 연장 평면에 대하여 수직인 제1 팽창부 및 제1 주 연장 평면에 대하여 평행한 제2 팽창부를 구비하며, 이때 상기 제1 팽창부는 상기 제2 팽창부보다 계수 2만큼, 바람직하게는 계수 10만큼 더 크다.

중간 층(250)에 대하여 대안적으로는, 연결 영역(23)이 제1 층(200)뿐 아니라 제2 층(300)의 구조화된 부분 영역으로 형성되는 것도 가능하다.

스프링 요소(202)는 영역별로 미러(305) 아래의 장소에 놓여 있으며, 이 장소에서는 상기와 같은 영역별 배치가 미러의 기울어짐(tilting)을 가능케 한다. 이와 같은 상황은 회전 축(50) 영역에서의 경우에 해당한다. 미러와 프레임 사이에는 추가의 스프링 요소-영역이 위치될 수 있다.

본 실시예에서 미러(305)는 넓은 연결 부재(210)를 통해 제1 층(200)에 연결되어 있으며, 이때 상기 제1 층 내에는 스프링 요소가 구현되어 있다. 상기 연결 부재(210)에는 스프링 요소의 제1 영역이 맞물리고, 상기 제1 영역은 동시에 나머지 스프링 시스템(202)에 대한 연결도 형성한다. 미러가 기울어짐으로써, 스프링 요소의 제1 영역 및 미러의 회전 축(50)에 대하여 평행하게 놓인 축을 갖는 추가의 모든 영역이 비틀리게 된다. 따라서, 비틀림은 미러 플레이트(305)의 회전 축(50)에 대하여 평행하게 놓인 스프링 요소(202)의 모든 영역의 총 길이에 분배된다. 상기 영역은 바로서 언급된다.

본 실시예에는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제1 변형 예가 도시되어 있으며, 이때 전체 비틀림을 위해서 필요하고 회전 축(50)에 대하여 평행하게 놓인 스프링 요소의 영역은 회전 축에 대하여 평행하게 놓인 2개의 곡류부(meander)에 의해서 구현되었다. 도 1에 따르면, 개별 곡류부는 회전 축(50)에 대하여 평행하게 놓인 2개의 바를 구비하는 단 하나의 고리(loop)로 이루어진다. 그러나 임의의 개수의 고리도 가능하다. 불균형 상태를 피하기 위하여, 스프링 시스템의 배열은 회전 축(50)에 대하여 평행하게 정렬되어야만 한다. 이와 같은 상황은 제안된 모든 추가의 배열에 대해서도 적용된다. 미러 아래에는 시스템의 전체 비틀림에 적합한 릴리스 된 상태의 스프링 요소(202)뿐만 아니라 중간 층이 연결 영역으로서 계속 유지되고 있는 앵커(210) 형태의 연결 요소도 존재한다. 상기 앵커(210)는 전면(201)으로부터 관찰했을 때 스프링 요소보다 넓은 치수를 가지며, 적어도 미러 아래에 있는 스프링 요소의 영역보다는 넓은 치수를 갖는다. 그럼으로써, 희생 에칭 공정 동안에 스프링 요소의 2개 영역이 동시에 구현될 수도 있다. 미러 플레이트의 외부 에지에 대한 연결이 이루어짐으로써, 시스템은 미러 플레이트의 동적 변형에 대하여 최적화될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제2 실시예를 보여주고 있으며, 이때 미러 플레이트에 대한 스프링 요소의 연결은 중앙에서 실현되었다.

도 2a에는 도 1에 도시된 것과 유사하지만 중앙의 미러 현가 장치(suspension)를 구비하는 일 변형 예가 도시되어 있다. 이때 유일한 중앙 앵커(210)는 미러 플레이트(305)의 표면 무게 중심 아래에 있다. 도 2b에는 2개의 미러 현가 장치를 구비하는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 일 변형 예가 도시되어 있으며, 이들 미러 현가 장치는 스프링 요소에 의해서 서로 연결되어 있다. 이때 2개의 앵커(210)는 미러 플레이트(305)의 표면 무게 중심에 의해 표면 법선에 대하여 대칭으로 그리고 상기 표면 법선에 대하여 비교적 가깝게 배치되어 있다. 바람직하게 도 2b에 따른 변형 예에서는 도 2a에 따른 변형 예에 비해 더 많이 비틀림 가능한 스프링 요소의 영역이 미러 아래에 배치되어 있으며, 이로써 이용 가능한 스프링 길이를 위해 전체적으로 더 양호한 면적 활용이 가능해진다. 다른 무엇보다도 중앙 현가 장치 혹은 동적인 미러 변형은 확연한 장점을 갖는데, 그 이유는 상기 장소에서 작용하는 모멘트가 최소이기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 편향된 상태에서 도시한 횡단면도를 보여주고 있다. 본 도면에는, 기울어짐 현상이 스프링 요소에서 스프링 요소로 어떠한 방식으로 점진적으로 진행되어 결국에 미러가 총 10°를 초과하는 만큼 기울어질 수 있는지가 도시되어 있으며, 이 경우 각각의 스프링 요소는 전체 비틀림의 백분율적인 비틀림을 받게 된다. 각각의 측(2)에는 스프링 요소가 축에 대하여 평행하게 배치되어 있으며, 약 10°의 각만큼의 비틀림이 분배되는 일 스프링이 미러 아래에 배치되어 있다.

도 4 및 도 5는 회전 축(50)에 대하여 평형하게 놓인 복수의 스프링 요소가 배치된 본 발명에 따른 마이크로 미러의 추가의 두 가지 실시예를 보여주고 있다. 본 실시예들은 3개 이상의 스프링 요소가 회전 축에 대하여 평행하게 배치되고, 미러가 편향되는 경우에는 상기 스프링 요소에 전체 비틀림이 분배되는 것을 특징으로 한다.

도 4는 완전한 축 평행성이 필요치 않은 일 변형 예를 보여주고 있다. 이와 같은 배열 상태는 가급적 적은 면적을 소모하면서 가급적 많은 스프링이 배치되어야만 한다는 요구 조건에 대하여 장점들을 제공해준다. 하지만, 이와 같은 배열 상태에서 더 중요한(critical) 것으로 분류된 불균형, 장애 모드 및 직각 변조(quadrature)가 상응하는 설계 조치에 의해서 제거되어야만 한다.

도 5는 회전 축에 대하여 완전히 대칭으로 배열된 상태를 보여주고 있다. 이 경우에는 회전축 상에 있는 2개의 스프링 요소가 존재한다. 미러가 편향되는 경우에는, 미러 아래에 있는 스프링 요소 이외에, 전체 스프링 시스템을 프레임에 연결하는 2개 요소도 비틀림을 받게 된다.

마이크로 미러의 구동은 다양한 방식으로 이루어질 수 있는데, 예를 들면 압전 방식으로, 자기 방식으로 또는 정전기 방식으로 이루어질 수 있다. 자기 방식의 구동에서는 제1 평면에 스프링과 동시에 지지 부재가 제공되며, 이 지지 부재 상에는 도체 레일이 놓여 있고, 상기 도체 레일은 적합한 B-필드 내부에 적절한 전류가 공급될 때에 구조물의 공명 여기 상태를 야기한다.

도 6 및 도 7은 자기 구동 장치를 구비하는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 추가의 두 가지 실시예를 보여주고 있다.

도 6은 도 5의 배열 상태를 토대로 한다. 스프링 시스템에 추가로 제1 평면에는 전자기 방식의 구동 장치가 구현되어 있다. 외부 프레임이 스프링 요소에 비해 비교적 강성으로 설계됨으로써, 결과적으로 상기 스프링 요소 상에 뻗어 있는 도체 레일은 비교적 적은 비틀림을 받게 된다. 화살표는 전류 방향을 지시한다. 본 제1 실시예에서는 동일한 방향의 회전 방향을 갖는 도체 레일 루프가 다루어진다. 칩 평면에서 회전 축에 대하여 수직으로 뻗는 단일 방향의 자기장 하에서는, 미러가 상기 평면으로부터 기울어진다. 미러의 고유 주파수에 상응하는 교류 전류가 코일에 인가되는 경우에는, 시스템이 공명 방식으로 구동된다.

상기 시스템은 전자기 방식의 여기 이외에 압전 방식으로, 정전기 방식으로 또는 열역학 방식으로도 여기 될 수 있다. 특히, 예를 들어 압전 요소와 같이 외부 여기 방식을 이용하는 것도 가능한데, 이 경우 상기 압전 요소는 칩에 또는 상기 칩의 캐핑부(capping part)에 일체로 결합 되어 있고, 여기의 경우에는 자신의 에너지를 미러 시스템의 진동에 전달한다.

도 7은 도 5의 스프링 시스템에 대하여 상응하는 배열 상태를 보여주고 있다. 도 6에서와 달리 본 구조는 예비 공개되지 않은 독일 특허 출원서 DE 102010062591.4호에 기술된 바와 같은 축 대칭의 B-필드로부터 출발한다. 이 경우에는 4개의 권선이 사용된다. 전류 프로필(current profile)은 화살표 방향에 의해서 지시되어 있다.

제1 평면에는 토션 스프링 및 미러 플레이트에 대한 스프링 시스템의 결합부가 존재한다. 이 두 가지 부재를 동일한 공정 단계로 제조할 수 있기 위하여, 개별 요소는 특정의 치수를 가져야만 한다. 스프링은 미러 플레이트의 영역에서 예컨대 50㎛의 폭을 갖는다. 상기 스프링은, 제2 지지 층 내에서 중간 층 아래에 마이크로 미러가 있다 하더라도 상기 중간 층이 등방성으로 떨어져 있는 경우에는 필요한 만큼 릴리스 된다. 상기 결합부는 예컨대 100㎛를 초과하는 가로 치수를 갖는다. 이 영역에서는 등방성 에칭이 완전하게 이루어지지 않음으로써, 결국에는 기계적으로 안정적인 결합 상태가 계속해서 유지된다.

미러 표면이 가급적 높은 반사율을 가져야만 하는 경우에, 미러는 일 평면에서 가급적 낮은 거칠기로 구현되어야만 한다. 본 실시예에 기술된 본 발명에 따른 마이크로 미러의 경우에 후면(30)은 공정 시퀀스 중에 폴리싱 처리될 수 있다. 따라서, 후면(30)은 높은 광학적인 품질을 갖는 미러를 구현하기에 탁월하게 적합하다. 미러가 제2 층의 후면의 평면에 놓여 있기 때문에, 제1 미러와 제2 미러 사이에서는 약간의 간격이 구현될 수 있으며, 이때 상기 제2 미러의 경사 방향은 예컨대 상기 제1 미러의 경사 방향에 대하여 수직으로 놓인다. 그와 달리, 미러를 제1 층(200)의 후면에서, 더 상세하게 말하자면 중간 층(250) 위에서 또는 아래에서 구현하는 것도 생각할 수 있다. 그렇지만, 이 경우에 제1 미러와 제2 미러의 간격은 더 크다.

구조적인 측면에서의 추가의 자유도로서, 스프링 시스템의 부분을 표면에 고정할 수 있는 가능성이 존재한다. 이와 같은 가능성은 양극 접합(anodic bonding)에 의해서 구현될 수 있다. 유리 플레이트를 상응하게 구조화하고, 이때 특정 영역을 적어도 홈이 나타날 정도까지 에칭하면, 유리 플레이트가 스프링 시스템의 전면에 연결될 때에 상기 홈이 있는 장소에서는 연결이 전혀 이루어지지 않는다. 유리 플레이트가 깊게 에칭되지 않은 장소에서는, 스프링 시스템이 유리 플레이트에 고정된다.

도 8은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 구비하는 2-미러 시스템을 보여주고 있다. 본 도면에는, 제1 미러(500) 및 적어도 전술된 바와 같은 본 발명에 따른 제2 마이크로 미러를 구비하는 2x1D 스캐너 형태의 2-미러 시스템이 도시되어 있다. 이 경우 제1 미러는 좌표 축(x)에 대하여 평행한 제1 회전 축을 구비하고, 제2 마이크로 미러(400)는 좌표 축(y)에 대하여 평행한 제2 회전 축을 구비한다. 상기 제2 회전 축(y)은 제1 회전 축(x)에 대하여 수직으로 배치되어 있다. 상기 제2 마이크로 미러(400)는 2개의 미러(400, 500)를 조사하는 레이저 빔(100)이 두 가지 방향(x 및 y)으로 편향될 수 있도록 제1 미러(500) 맞은 편에 배치되어 있다. 이때 제2 마이크로 미러의 직사각형 미러 표면의 팽창은, 차원(x)에서는 비스듬하게 입사되는 레이저 빔(100)의 타원형 광점(light spot)이 충분한 면적을 갖도록 그리고 차원(y)에서는 제1 미러(500)를 통과하는 편향으로 인해 야기되는 제2 미러(400) 상에 있는 광점의 다양한 위치를 위해서 충분한 면적이 제공되도록 선택되었다.

도 9는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 실시예를 보여주고 있으며, 이때 스프링 요소는 미러 아래에 놓여 있다. 이와 같은 배열 상태의 장점은 면적 활용이 훨씬 개선되었다는 것이다. 본 실시예에서 연결 영역(23)은 미러가 기울어질 때에 미러와 스프링이 서로 충돌하지 않을 정도로 상승 되었다.

Claims

제1 주 연장 평면을 갖는 제1 층(200) 및 제2 주 연장 평면을 갖는 제2 층(300)을 구비하는 마이크로 미러로서,
- 제1 주 연장 평면 및 제2 주 연장 평면은 서로에 대하여 평행하게 배치되어 있으며,
- 제1 층(200) 및 제2 층(300)은 하나 이상의 연결 영역(23)을 통해 영역별로 서로 연결되어 있으며,
- 제1 층(200) 내에는 하나 이상의 스프링 요소(202)가 형성되어 있으며,
- 제2 층(300) 내에는 이동 가능하게 매달려 있는 미러 플레이트(305)가 형성되어 있으며,
- 미러 플레이트(305)는 제1 측(30)에서는 주 연장 평면에 대하여 평행하게 미러 표면을 갖고, 반대편에 마주 놓인 제2 측(20)에서는 연결 영역(23)을 통해 스프링 요소(202)의 앵커(210)와 연결되어 있으며,
- 스프링 요소(202)의 한 부분이 미러 플레이트(305)의 제2 측(20)에서 미러 플레이트(305)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되어 있는, 마이크로 미러.
제1항에 있어서, 연결 영역(23)은 제1 층(200)과 제2 층(300) 사이에 있는 중간층으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항에 있어서, 연결 영역(23)은 제1 층(200) 및/또는 제2 층(300)의 구조화된 부분 영역으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 앵커(210)는 미러 플레이트(305)의 표면 무게 중심 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 요소(202)는 제1 주 연장 평면에 대하여 수직인 제1 팽창부 및 제1 주 연장 평면에 대하여 평행한 제2 팽창부를 구비하며, 이때 제1 팽창부는 제2 팽창부보다 계수 2만큼, 바람직하게는 계수 10만큼 더 큰 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 요소(202)의 대부분이 미러 플레이트(305)의 제2 측(20)에서 미러 플레이트(305)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 미러 플레이트(305)는 회전 축(50)을 중심으로 이동할 수 있으며, 스프링 요소(202)는 회전 축(50)에 대하여 평행하게 배치된 하나 이상의 바(202a, b, c)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제7항에 있어서, 스프링 요소(202)는 회전 축(50)에 대하여 평행하게 배치된 3개 이상의 바(202a, b, c)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로 미러는 하나의 공통 앵커(210)와 연결된 2개 이상의 스프링 요소(202)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로 미러는 각각 하나의 고유한 앵커(210)에 연결되는 2개 이상의 스프링 요소(202)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 층(200) 내에는 제1 프레임(205)이 형성되고, 스프링 요소(202)는 제1 프레임(205)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제11항에 있어서, 제2 층(300) 내에는 연결 영역(23)을 통해서 제1 프레임(205)과 연결되는 제2 프레임이 형성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 미러.
제1 미러(500)와, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 제2 마이크로 미러(400)를 구비하는 2-미러 시스템으로서,
상기 시스템은 2D-스캐너이며, 제1 미러는 제1 회전 축(x)을 구비하고, 제2 마이크로 미러(400)는 제1 미러의 제1 회전 축에 대하여 수직으로 놓인 제2 회전 축(y)을 구비하며, 제2 마이크로 미러(400)는 2개의 미러(400, 500)를 조사하는 레이저 빔(100)이 두 가지 방향으로 편향될 수 있도록 제1 미러(500) 맞은 편에 배치되어 있는, 2-미러 시스템.