NO336140B1 - Aktuator for mikro optisk enhet - Google Patents
Aktuator for mikro optisk enhet Download PDFInfo
- Publication number
- NO336140B1 NO336140B1 NO20093022A NO20093022A NO336140B1 NO 336140 B1 NO336140 B1 NO 336140B1 NO 20093022 A NO20093022 A NO 20093022A NO 20093022 A NO20093022 A NO 20093022A NO 336140 B1 NO336140 B1 NO 336140B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- actuator
- optical element
- frame
- piezoelectric
- interferometer according
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 45
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 18
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 10
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 4
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
- G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
- G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
- G02B7/1822—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors comprising means for aligning the optical axis
- G02B7/1827—Motorised alignment
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
- G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
- G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2047—Membrane type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
- H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Lasers (AREA)
- Mounting And Adjusting Of Optical Elements (AREA)
Description
Foreliggende oppfinnelse vedrører en aktuator for bevegelse av et rigid optisk element, f.eks. et speil. Den vedrører spesielt en aktuator for bevegelse av et mikrospeil med et slag på mer enn 9 um ved 20 V formet ut av en silisium-på-isolatorwafer med integrerte piezoelektriske aktuatorer er presentert. Den primære anvendelsen er et Fabry-Perot Interferometer for infrarød gasspektroskopi.
I justerbare Fabry-Perot interferometere og andre anordninger er det en utfordring å fremskaffe tilstrekkelig stor og pålitelig bevegelse av et optisk element slik som et speil i mikromekaniske anordninger. Det har blitt forsøkt med Piezoelektriske aktuatorer, men ettersom de er begrenset til bevegelser i en retning har de tilgjengelige bevegelsene ikke vært tilstrekkelige.
Piezoelektriske tynnfilmer integrert med MEMS muliggjør langslagaktuering ved lave spenninger [1]. En ekstra fordel er at piezoelektriske filmer genererer store krefter, og derfor kan aktuatorene bli fremstilt stivere og mer robuste enn hva som er mulig med elektrostatiske aktuatorer som vanligvis anvendes. Eksempel på slike aktuatorer for bøying av et glasselement er omtalt i WO2008/100153 og et annet eksempel er angitt i WO02/024570 der aktuatorer plassert på bøyelige bjelker brukes for å bevege et optisk element i forhold til en ramme. Forskjellige typer aktuatorer er også omtalt i WO2006/110908, JP2007206480, US6830944 og US6379510.
I den foreliggende oppfinnelsen presenteres et nytt mikrospeil som er vertikalt avbøyd ved å anvende en dobbeltring toveis-aktuator. Mikrospeilet har en bred rekkevidde av anvendelser i optikk og mikrooptikk, men det primære formålet er et Fabry-Perot Interferometer for infrarød gasspektroskopi [2, 3].
Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et aktuatorhjelpemiddel som er kompatibelt med MEMS-produksjon for bevegelse av mikrospeil eller liknende rigide anordninger. Dette blir oppnådd ved å anvende en aktuator i et interferometer i henhold til de vedlagte kravene.
Foreliggende oppfinnelse er beskrevet under med referanse til de ledsagende tegningene som illustrerer foreliggende oppfinnelse som eksempler, hvori
Figur la,b illustrerer et bevegelig mikrospeil ifølge foreliggende oppfinnelse.
Figur 2a,b illustrerer en foretrukket utførelsesform av utførelsesformen illustrert i
figur la,b.
Figur 3 illustrerer en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse
anvendt i et Fabry-Perot interferometer.
Figur 4 viser den oppnådde defleksjonen av en utførelsesform som illustrert i figur
2a,b.
Figur 5a,b,c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse basert
på hovedsakelig sirkulær kobling og piezoelektriske aktuatorer.
Figur 6a,b,c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse.
Figur 7 illustrerer en ytterligere utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur la og b illustrerer en 3D-modell av et optisk element 1, f.eks. et mikrospeil, formet ut av en SOI-wafer med en ringformet piezoelektrisk aktuator 3 plassert på koblingsområdet 2 mellom rammen 4 og det optiske elementet 1. Aktuatoren 3 avbøyer skiven med en åpen apertur i sentrum (Figur la). Den optiske elementskiven 1 har den fulle tykkelsen til bearbeidingssilisiumwaferen og blir holdt på plass av det tynne anordningssilisiumlaget som utgjør koblingen 2 rundt kanten til skiven 1. Det optiske elementet 1 er fortrinnsvis rigid for slik å opprettholde hovedsakelig den samme formen når den blir beveget av aktuatoren 3, og aktuatoren er fortrinnsvis plassert nær enten rammen 4 eller det optiske elementet 1, slik at når det piezoelektriske materialet trekker seg sammen, blir delen av aktuatoren anbragt på koblingen bøyd oppover og trekker derfor koblingen i den retningen.
Det er formet ut av en silisium-på-isolator (silicon-on-insulator, SOI) wafer ved å etse bort anordningssilisiumet så vel som det begravede oksidet i den sentrale delen av anordningen, som sett i topprisset til Figur la. Bunnsiden er formet som sett i bunnrisset til Figur lb, hvor bearbeidingssilisiumlaget til SOIen har blitt etset gjennom til det begravede oksidet, og etterlater en stiv, skiveformet speilplate som blir holdt på plass av anordningssilisiumlaget rundt dens circumferens på dens overside. En ringformet (dvs. annulus) piezoelektrisk film 3 er strukturert på toppen av det tynne anordningssilisiumet som holder den sentrale skiven, der den piezoelektriske filmen fortrinnsvis er fremstilt av blyzirkonattitanat (PZT). Etter aktuering, trekker den piezoelektriske filmen seg sammen, og forårsaker bøyning av anordningssilisiumet gjennom en bimorf effekt. På grunn av strukturens sirkulære symmetri, forårsaker denne bøyningen en ut-av-plan-defleksjon av skiven.
Det foretrukne designet inneholder to ringformede aktuatorer 3a,3b , som vist i Figur 2a og 2b. Dette muliggjør toveis-aktuering av den sentrale skiven, som illustrert i Figur 2b. Ettersom både rammen og det optiske elementet er rigide, vil den ytre aktuatoren (størst diameter) trekke membranen og derfor det optiske oppover, mens aktuering av den indre skiven (minst diameter) vil trekke membranen og derfor det optiske elementet nedover.
Den primære anvendelsen av det optiske elementet som et skiveformet mikrospeil er som del av et Fabry-Perot Interferometer illustrert i Figur 3.1 denne anvendelsen, er toppflaten til skiven belagt med et antireflekterede (AR) lag, mens det er bunnflaten som fungerer som et speil, men andre valg kan bli gjort avhengig f.eks. av den nødvendige avstanden mellom speilene. Ved klebing av (på waferskala) speilet til en annen ustrukturert silisiumwafer som også er AR-belagt på en side, dannes det et hulrom der lys kan gjennomgå mangfoldige refleksjoner. AR-belegget og mulig reflekterende belegg kan bli fremskaffet på hvilken som helst passende måte, f. eks. ved å anvende dielektriske lag med passende tykkelser eller fotoniske krystaller.
Høyden på åpningen bestemmer hvilken bølgelengde som vil interferere konstruktivt og derfor bli fullstendig overført gjennom interferometeret. For at FP-interferometeret skal være anvendelig for infrarød spektroskopi i bølgelengdeområdet 3-10 um, er et slag på flere mikrometer ønskelig for tilstrekkelig avstemthet. Fabry-Perot Interferometeret blir formet av det skiveformede mikrospeilet som er klebet til en annen silisiumwafer ved å anvende bindemiddelklebing med en polymer slik som BCB.
Som er illustrert i figur 3, kan Fabry-Perot inkludere lekkasjekanaler for trykkekvilibrering så vel som anslag ("end stops"). Anslagene kan bli anvendt for kalibrering, ettersom det optiske elementet kan bli plassert ved anslagene og posisjonen kan bli kontrollert i forhold til dette. Som vil bli diskutert under, kan forskjellige typer posisjonsmålehjelpemidler bli anvendt, slik som anvendelse av optiske, kapasitive eller piezoresistive målehjelpemidler. Et anslag for bevegelsen oppover kan også bli fremskaffet, f.eks. i en hylse som omgir interferometeret.
Mikrospeilene ble fabrikkert som del av en flerprosjekt-wafer (multi-project-wafer, MPW) prosess utviklet og standardisert for industriell anvendelse som beskrevet i [1], som er inkludert her som referanse, og vil ikke bli beskrevet i detalj her. I denne fremgangsmåten er de piezoelektriske elementene montert på koblingen, og den piezoelektriske filmen anvendt for å danne aktuatorene er blyzirkonattitanat (PZT) som er sandwichet mellom en bunnplatinumelektrode og en toppelektrode fremstilt av gull. Fabrikasjonsfremsgangsmåten for PZT-aktuatorene blir anvendt for mikrospeilet. For fabrikkeringen av mikrospeilet, ble våtetsingen av hulrommet på baksiden erstattet med dypreaktiv ioneetsing (DRIE) for bedre dimensjonal kontroll.
Andre hjelpemidler for montering av de piezoelektriske elementene 3 på koblingsområdet 2 kan også bli overveid avhengig av den tilgjengelige teknologien og tilsiktede anvendelsen av elementet.
Den startende SOI-waferen har 380 um bearbeidingssilisium, 300 nm begravet oksid, og et anordningssilisiumlag på 8 um. For fabrikkeringen av mikrospeilene, ble baksideetsingen utført ved å anvende dypreaktiv ioneetsing (deep reactive ion etching,
DRIE).
Merk at mikrospeilet er designet slik at delen av anordningssilisiumlaget som holder den sentrale speilskiven ikke er strukturert i området hvor den danner bro over baksideåpningen etset inn i bearbeidingssilisiumet, men danner en kontinuerlig membran. Dette øker strukturens robusthet betydelig, og holder det monokrystallinske silisiumet fritt for hvilken som helst defekt som lett kunne danne sprekker hvis det ble spent i fabrikasjonsprosessen.
Etter oppskj æring i terninger, ble de piezoelektriske aktuatorene til de ferdige anordningene polet ("poled") ved å anvende 20 V ved en temperatur på 150 °C i 10 minutter.
Målinger har blitt utført ved å anvende et ferdig mikrospeil av typen vist i Figur 2. hvor området i midten er den gjennomsiktige åpningen, som for den viste anordningen har en diameter på 3 mm og de doble ringaktuatorene har overflateelektroder av gull. Aktueringkarakteristikken til speilet ble målt med et ZYGO hvitt lys-interferometer. Speilet ble dyttet nedover ved å anvende 20 V på den indre aktuatoren, og oppover med en spenning på 20 V blir anvendt til den ytre ringen. Merk at speilskiven forblir fullkomment flat i begge tilfeller. Dette er på grunn av den høye stivheten til silisiumskiven som har den fulle tykkelsen til bearbeidingssilisiumwaferen.
Den høye stivheten til speilskiven muliggjør også fabrikasjonen av speil med mye større diameter enn de 3 mm presentert her. De dannede strukturene ble funnet å være utrolig robuste, og derfor skulle åpninger på 5-10 mm være mulig.
Det komplette særpreget for mikrospeilet med de to aktuatorene er vist i Figur 4. Et totalt slag på 9.3 um for speilplaten er oppnådd når det anvendes en aktueringspenning på 20 V til hver av de to aktuatorene i sekvens. Hysteresen er en typisk egenskap for PZT-baserte aktuatorer. Feedback er nødvendig for nøyaktig posisjonering. Dette kan bli gjort optisk ved å anvende en referanselaser. I fremtidige design, vil piezo-motstandere imidlertid bli tilsatt til anordningssilisiumet som er del av aktuatorene for å muliggjøre lukket-sløyfe drift og meget nøyaktig posisjonering av speilet. Aktueringkarakteristikken til mikrospeilet fremskaffer derfor en aktuator der spenningssveip som går fra 0 til 20 V anvendt på den ytre aktuatorringen genererer den øvre kurven, mens anvendelse av den samme sveipen på den indre ringen genererer den nedre kurven. Det totale slaget er 9 um.
Et mikrospeil ble derfor presentert, som mottar et slag på 9 um ved 20 V ved å anvende en dobbelttring, toveis-aktuator. Speilet er formet ut av bearbeidingssilisiumet til en SOI-wafer. Den høye stivheten sikrer en høy planhet etter aktuering. Store speil med åpninger på mer enn 3 mm ble fabrikkert med godt resultat. Speilet er meget godt egnet for dets primære anvendelse som er et Fabry-Perot Interferometer for gasspektroskopi. Figur 5a-5c illustrerer utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse basert på det ringformede koblingsmiddelet 2 mellom det optiske elementet 1 og rammen 4.1 figur 5a er piezoresistorer 5 posisjonert under den piezoelektriske aktuatoren 3, og måler derfor bøyningen i koblingen i den samme posisjonen som bøyningen er fremskaffet. Figur 5b illustrerer at det optiske elementet, mens det er rigid ved kantene, kan ha en rigid ramme som omgir et hull eller hult område som har en tynn, sentral membran. Figur 5c illustrerer en annen ringformet kobling 2, men hvori aktuatoren er splittet langs omkretsen inn i fire deler 3ai,3a2,3a3,3a4. Ifølge den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse vil tilsvarende indre aktuatordeler bli fremskaffet. I figur 5c er posisjonsmålehjelpemiddelet som er fremskaffet som piezoresistor 5 anbragt i åpningene mellom aktuatordelene. En fordel med de splittede aktuatordelene er at de kan fremskaffe en vippebevegelse i tillegg til den forflytningsbevegelsen, og derfor noen justeringer eller kalibreringer i posisjonen og orienteringen til det optiske elementet. Figurer 6a-6c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, hvori aktuatoren ikke er ringformet, men er utgjort av et antall stavformede koblinger mellom rammen og det optiske elementet, f. eks. mikrospeil, der hver kobling inkluderer i det minste ett piezoelektrisk aktuatorelement. Dette fremskaffer fordelen at aktuatorelementene kan betjenes uavhengig av hverandre og derfor muliggjøre vipping av det optiske elementet i tillegg til den parallelle bevegelsen oppnådd i utførelsesformen som har ringformede aktuatorelementer.
I figur 6a blir tre aktuatorelementer anvendt der hvert er radialt orientert relativt til mikrospeilets midtpunkt.
I figur 6b er aktuatorelementene og koblingene anbragt i en tangential orientering i
forhold til midten av mikrospeilet og i en posisjon under speilet. På denne måten blir en kompakt løsning oppnådd hvor de optiske elementene kan bli plassert nær hverandre, og kan f.eks. bli anvendt for arrayer av tippbare speil liknende DMD-anordninger anvendt i projektorer eller som fremskaffer tipping, vippe- og stempelbevegelser som derfor er anvendelig for adaptiv optikk.
I figur 6c er det vist en enkel versjon hvor bare to aktuatorelementer er vist. I denne utførelsesformen omfatter koblingene svekkede deler mellom koblingen og speilet. Dette fremskaffer en mer fleksibel bevegelse, men kan gjøre dobbelaktuatoren inkludert to aktuatorelementer på hver kobling mindre effektiv.
For å oppsummere vedrører foreliggende oppfinnelse derfor en aktuator for å bevege et rigid optisk element, f. eks. et speil, hvor elementet er mekanisk koblet til en ramme med en bøyelig kobling, hvori aktuatorelementer er montert på ovennevnte kobling mellom rammen og elementet, og der koblingen og aktuatorelementene er tilpasset å fremskaffe en bevegelse til elementet når det utsettes for signal fra en signalgenerator. Aktuatorelementene er fortrinnsvis utgjort av i det minste piezoelektrisk element montert på ovennevnte kobling som er tilpasset til å bøye ovennevnte kobling ved anvendelsen av en spenning, ettersom det piezoelektriske elementet er tilpasset å trekke seg sammen i retningen til koblingen mellom rammen og det optiske elementet.
I en spesielt foretrukket utførelsesform er hvert aktuatorelement utgjort av to PZT-elementer, der det første blir montert på koblingen nær rammen, der det andre blir montert på koblingen nær det optiske elementet, og koblet til signalgeneratoren på en slik måte for å bli betjent uavhengig av hverandre eller fortrinnsvis på en alternativ måte slik at ett av dem beveger det optiske elementet i en første retning og det andre beveger det optiske elementet i den motsatte retningen til det første.
I en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er koblingen utgjort av en tynn, sirkulær del av rammen, og det ovennevnte minst ene piezoelektriske elementet strekker seg langs koblingen. I en foretrukket versjon er to piezoelektriske elementer anvendt som beskrevet over for å øke bevegelsens lengde.
Som diskutert vedrørende figurer 6a-6c, er koblingen alternativt utgjort av et antall staver som strekker seg mellom rammen og det optiske elementet, og minst ett piezoelektrisk element blir plassert på hver stav.
I hvilken som helst utførelsesform kan aktuatoren bli fremskaffet med posisjonsmålehjelpemidler for å fremskaffe feedback på posisjonen til det optiske elementet i forhold til rammen, og i utførelsesformen der det anvendes piezoelektriske elementer 3 er posisjonsmålingen fortrinnsvis også et piezoresistivt element 5 fremskaffet på koblingen for å monitorere bøyningen av koblingen. De Piezoresistive elementene 5 kan bli anbragt under de piezoelektriske aktuatorene 3 eller i andre posisjoner hvor koblingen er bøyd.
Piezomotstanderene kan bli fremstilt i silisium på isolatorlaget ved ioneimplantasjon og påfølgende avspenning ("annealing"). Med denne dopingprosedyren kan en pn-overgang bli produsert, som definerer geometrien til resistorene. Motstanderen kan bli kontaktet med ekstra, høyere dopede områder som er forbundet med et metalliseringslag på overflaten i senere prosesstrinn. Prosesstrinnene for å fabrikkere piezoresistorene kan bli utført før avlevering av bunnelektroden for det piezoelektriske laget. Slike dopede piezoresistorene blir anvendt som stressensorer og normalt montert i en Wheatstone bro-konfigurasjon med fire bøyelige motstandere. Andre konfigurasjoner, f.eks. en halvbro, er også mulig avhengig av det tilgjengelige rommet i den mekaniske strukturen og prosesstoleranser.
I stedet for piezoresistorer kan optiske eller kapasitive løsninger bli anvendt for å måle posisjonen til det optiske elementet.
Som illustrert i figur 3, vedrører foreliggende oppfinnelse også et interferometer inkludert en aktuator alt ettersom beskrevet over, spesielt et Fabry-Perot interferometer. Det optiske elementet har en minst delvis reflekterende overflate, der rammen er montert i en hylse omfattende en andre reflekterende overflate, der minst en av de reflekterende overflatene er fremskaffet på et minst delvis transparent legeme og der de to reflekterende overflatene er anbragt med en avstand fra hverandre som utgjør et Fabry-Perot-element, der avstanden blir justert av bevegelsene indusert av ovennevnte aktuatorelementer.
Foreliggende oppfinnelse vedrører også en reflekterende anordning som inkluderer en aktuator, hvor det optiske elementet er et speil og de piezoelektriske elementene anbragt på stavene blir betjent hver for seg for slik å vippe det optiske elementet.
Referanser
[1] "Taking piezoelectric microsystems from the laboratoiy to production", H. Ræder, F. Tyholdt, W. Booij, F. Calame, N. P. Østbø, R. Bredesen, K. Prume, G. Rijnders, and P. Muralt, J Electroceram (2007) 19:357-362
[2] "Infrared detection of carbon monoxide with a micromechanically tunable silicon Fabry-Perot filter", Håkon Sagberg, Alain Ferber, Karl Henrik Haugholt, and Ib-Rune Johansen, IEEE Conf. on Optical MEMS (2005)
[3] "Tunable infrared detector with integrert micromachined Fabry-Perot filter", Norbert Neumann, Martin Ebermann, Steffen Kurth, and Karla Hiller, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7, 021004 (2008)
Claims (9)
1. Interferometer inkluderende et optisk element (1), der det optiske elementet er koblet til en ramme (4) med en bøyelig membran (2), hvilken bøyelige membran i det vesentlige omgir elementet, hvori minst ett aktuatorelement (3,3a,3b) er montert i det vesentlige på membranen mellom rammen og elementet, der membranen og nevnte minst en aktuator er innrettet til å tilveiebringe en bevegelse av det optiske elementet i forhold til rammen ved påtrykking av et signal fra en signalgenerator ved å bøye nevnte membran,
karakterisert vedat det optiske elementet (1) har en i det minste delvis reflekterende overflate, der rammen er montert i et hus omfattende en andre reflekterende overflate, der minst en av de reflekterende overflatene er plassert på minst et i det minste delvis transparent legeme og de to reflekterende overflatene er plassert i en avstand fra hverandre og utgjør et Fabry-Perot-element, der avstanden justeres ved bevegelse av nevnte minst ett aktuatorelement (3,3a,3b).
2. Interferometer ifølge krav 1, der nevnte minst ett aktuatorelement (3,3a,3b) utgjøres av minst ett piezoelektrisk element montert på det optiske elementets kobling (2) til rammen og innrettet til å bøye koblingen ved påtrykking av et signal.
3. Interferometer ifølge krav 2, der nevnte minst ett aktuatorelement (3,3a,3b) utgjøres av to piezoelektriske elementer (3a,3b), den første montert på koblingen nær rammen og den andre på koblingen nær det optiske elementet, for derved å kunne trekke det optiske elementet både opp og ned.
4. Interferometer ifølge krav 1, der aktuatorelementet (3a,3b) er et ringformet piezoelektrisk element strekker seg langs membranen (2) rundt det optiske elementet (1).
5. Interferometer ifølge krav 4, der det ringformede piezoelektriske elementet er del i et antall individuelt kontrollerte seksjoner.
6. Interferometer ifølge krav 1, der nevnte bøyelige membran er forsynt med et antall atuatorelementer (3al-3a4) fordelt langs membranen (2) omkring det optsiek elementet (1).
7. Interferometer ifølge krav 1, omfattende midler for å overvåke posisjonen til det optiske elementet i forhold til rammen.
8. Interferometer ifølge krav 7 der midlene for posisjonsmåling inkluderer en piezoresistor plassert på koblingen for å indikere bøyningen på koblingen og dermed posisjonen til det optiske elementet i forhold til rammen.
9. Interferometer ifølge krav 1, der nevnte minst en piezoelektrisk aktuator er en PZT aktuator.
Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20093022A NO336140B1 (no) | 2009-09-18 | 2009-09-18 | Aktuator for mikro optisk enhet |
| US13/394,209 US9250418B2 (en) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Fabry-perot interferometer with piezoelectric actuator contracting in radial direction on membrane |
| DK10765764.5T DK2478404T3 (da) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Aktuator til bevægelse af mikromekanisk element |
| CA2770937A CA2770937C (en) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Actuator for moving a micro mechanical element |
| CN201080040736.1A CN102576149B (zh) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | 用于移动微型机械元件的致动器 |
| PCT/EP2010/063628 WO2011033028A1 (en) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Actuator for moving a micro mechanical element |
| BR112012006044-9A BR112012006044B1 (pt) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Unidade de atuador, dispositivo de reflexão e interferômetro que inclui uma unidade de atuador |
| EP10765764.5A EP2478404B1 (en) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Actuator for moving a micro mechanical element |
| JP2012529273A JP5778677B2 (ja) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | マイクロ機械的エレメントを動かすためのアクチュエータ |
| EA201290157A EA021493B1 (ru) | 2009-09-18 | 2010-09-16 | Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента |
| US14/504,100 US9329360B2 (en) | 2009-09-18 | 2014-10-01 | Actuator having two piezoelectric elements on a membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20093022A NO336140B1 (no) | 2009-09-18 | 2009-09-18 | Aktuator for mikro optisk enhet |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20093022A1 NO20093022A1 (no) | 2011-03-21 |
| NO336140B1 true NO336140B1 (no) | 2015-05-26 |
Family
ID=43416478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20093022A NO336140B1 (no) | 2009-09-18 | 2009-09-18 | Aktuator for mikro optisk enhet |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US9250418B2 (no) |
| EP (1) | EP2478404B1 (no) |
| JP (1) | JP5778677B2 (no) |
| CN (1) | CN102576149B (no) |
| BR (1) | BR112012006044B1 (no) |
| CA (1) | CA2770937C (no) |
| DK (1) | DK2478404T3 (no) |
| EA (1) | EA021493B1 (no) |
| NO (1) | NO336140B1 (no) |
| WO (1) | WO2011033028A1 (no) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9236552B2 (en) | 2013-04-04 | 2016-01-12 | William N. Carr | Thermoelectric micro-platform for cooling and temperature sensing |
| DE102013105557B4 (de) * | 2013-05-29 | 2015-06-11 | Michael Förg | Piezoelektrischer Aktor |
| US9510103B2 (en) * | 2013-09-09 | 2016-11-29 | Audio Pixels Ltd. | Microelectromechanical apparatus for generating a physical effect |
| JP6284076B2 (ja) * | 2013-11-22 | 2018-02-28 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 物理・化学センサおよび特定物質の測定方法 |
| JP6284427B2 (ja) | 2014-05-21 | 2018-02-28 | スタンレー電気株式会社 | 光偏向器及びその製造方法 |
| US9481572B2 (en) * | 2014-07-17 | 2016-11-01 | Texas Instruments Incorporated | Optical electronic device and method of fabrication |
| US9372114B2 (en) * | 2014-08-20 | 2016-06-21 | William N. Carr | Spectrophotometer comprising an integrated Fabry-Perot interferometer |
| US10433067B2 (en) | 2015-07-22 | 2019-10-01 | Audio Pixels Ltd. | DSR speaker elements and methods of manufacturing thereof |
| US10567883B2 (en) | 2015-07-22 | 2020-02-18 | Audio Pixels Ltd. | Piezo-electric actuators |
| NO344002B1 (en) | 2015-09-29 | 2019-08-12 | Sintef Tto As | Optical gas detector |
| NO20151312A1 (en) | 2015-10-05 | 2017-04-06 | Sintef Tto As | Infrared source |
| TWI581004B (zh) * | 2015-11-18 | 2017-05-01 | 財團法人工業技術研究院 | 可調式光學裝置 |
| KR101722876B1 (ko) * | 2016-04-25 | 2017-04-03 | 서울대학교산학협력단 | 루프로 연결되어 지능적으로 변형하는 구동기 |
| NO20161086A1 (no) | 2016-06-29 | 2018-01-01 | Tunable As | Modulerbar Fabry-Perot |
| CN106533250B (zh) * | 2016-12-21 | 2018-08-24 | 深圳大学 | 一种多定子平面阵列结构的超声波电机 |
| IT201700091226A1 (it) * | 2017-08-07 | 2019-02-07 | St Microelectronics Srl | Dispositivo mems comprendente una membrana ed un attuatore per controllare la curvatura della membrana e compensare deformazioni indesiderate della membrana |
| CN107324275B (zh) * | 2017-08-29 | 2019-01-04 | 山东大学 | 一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构 |
| DE102018200378A1 (de) | 2018-01-11 | 2019-07-11 | Robert Bosch Gmbh | Interferometer und Verfahren zum Herstellen eines Interferometers |
| DE102018220451A1 (de) * | 2018-11-28 | 2020-05-28 | Robert Bosch Gmbh | Optische Filtereinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung |
| DE102018220422A1 (de) * | 2018-11-28 | 2020-05-28 | Robert Bosch Gmbh | Aktuationseinrichtung für ein mikromechanisches Bauelement, mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanisches Bauelements |
| NO20191052A1 (en) | 2019-09-02 | 2021-03-03 | Optronics Tech As | Gas detector |
| GB201914045D0 (en) | 2019-09-30 | 2019-11-13 | Sintef Tto As | Wireless charging of devices |
| CN113260897A (zh) * | 2019-10-25 | 2021-08-13 | 深圳市海谱纳米光学科技有限公司 | 一种可调光学滤波器件 |
| DE102020205599A1 (de) | 2020-05-04 | 2021-11-04 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Mikromechanischer Strahlungsdetektor, mikromechanisches Spektrometer und Verfahren zur Strahlungsmessung |
| GB202007601D0 (en) | 2020-05-21 | 2020-07-08 | Sintef Tto As | Wireless charging of devices |
| EP4154385A1 (en) | 2020-05-21 | 2023-03-29 | Sintef TTO AS | Relay wireless charging system |
| US20230324670A1 (en) * | 2020-08-24 | 2023-10-12 | Shenzhen Hypernano Optics Technology Co., Ltd | Tunable fabry-perot cavity device having movable mirror and manufacturing method therefor |
| US11899143B2 (en) | 2021-07-12 | 2024-02-13 | Robert Bosch Gmbh | Ultrasound sensor array for parking assist systems |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002024570A1 (en) * | 2000-09-25 | 2002-03-28 | Bookham Technology Plc | Micro electro-mechanical systems |
| US6379510B1 (en) * | 2000-11-16 | 2002-04-30 | Jonathan S. Kane | Method of making a low voltage micro-mirror array light beam switch |
| US6830944B1 (en) * | 1999-03-18 | 2004-12-14 | Trustees Of Boston University | Piezoelectric bimorphs as microelectromechanical building blocks and constructions made using same |
| WO2006110908A1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-19 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Microactuator having multiple degrees of freedom |
| JP2007206480A (ja) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Toko Inc | 光走査素子 |
| WO2008100154A1 (en) * | 2007-02-12 | 2008-08-21 | Polight As | Flexible lens assembly with variable focal length |
| WO2008100153A1 (en) * | 2007-02-12 | 2008-08-21 | Polight As | A device for providing stabilized images in a hand held camera |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58152201A (ja) * | 1982-03-08 | 1983-09-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | フアブリペロ型光学変調器 |
| GB2186708B (en) * | 1985-11-26 | 1990-07-11 | Sharp Kk | A variable interferometric device and a process for the production of the same |
| JPH01101421A (ja) * | 1987-10-15 | 1989-04-19 | Sharp Corp | 可変干渉装置 |
| US5550373A (en) * | 1994-12-30 | 1996-08-27 | Honeywell Inc. | Fabry-Perot micro filter-detector |
| WO1999034484A2 (en) * | 1997-12-29 | 1999-07-08 | Coretek, Inc. | Microelectromechanically, tunable, confocal, vcsel and fabry-perot filter |
| US6178033B1 (en) * | 1999-03-28 | 2001-01-23 | Lucent Technologies | Micromechanical membrane tilt-mirror switch |
| JP3999473B2 (ja) * | 2000-04-19 | 2007-10-31 | 日本碍子株式会社 | 耐久性に優れた一体型圧電／電歪膜型素子およびその製造方法 |
| US6518690B2 (en) * | 2000-04-19 | 2003-02-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive film type elements and process for producing the same |
| DE10046379A1 (de) * | 2000-09-20 | 2002-03-28 | Zeiss Carl | System zur gezielten Deformation von optischen Elementen |
| US7369723B1 (en) | 2001-11-09 | 2008-05-06 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | High speed piezoelectric optical system with tunable focal length |
| US6822798B2 (en) * | 2002-08-09 | 2004-11-23 | Optron Systems, Inc. | Tunable optical filter |
| US7265477B2 (en) * | 2004-01-05 | 2007-09-04 | Chang-Feng Wan | Stepping actuator and method of manufacture therefore |
| US7359124B1 (en) * | 2004-04-30 | 2008-04-15 | Louisiana Tech University Research Foundation As A Division Of The Louisiana Tech University Foundation | Wide-angle variable focal length lens system |
| CN100576716C (zh) * | 2004-06-07 | 2009-12-30 | 松下电器产业株式会社 | 执行机构、具有该执行机构的微动机构以及具有该微动机构的摄像模块 |
| JP2007139841A (ja) * | 2005-11-15 | 2007-06-07 | Funai Electric Co Ltd | 形状可変ミラー装置 |
| JP2007304411A (ja) * | 2006-05-12 | 2007-11-22 | Kyoto Univ | 形状可変ミラー |
| JP2008097683A (ja) * | 2006-10-10 | 2008-04-24 | Funai Electric Co Ltd | 可変形ミラー及びそれを備えた光ピックアップ装置 |
-
2009
- 2009-09-18 NO NO20093022A patent/NO336140B1/no unknown
-
2010
- 2010-09-16 JP JP2012529273A patent/JP5778677B2/ja active Active
- 2010-09-16 EP EP10765764.5A patent/EP2478404B1/en active Active
- 2010-09-16 BR BR112012006044-9A patent/BR112012006044B1/pt active IP Right Grant
- 2010-09-16 US US13/394,209 patent/US9250418B2/en active Active
- 2010-09-16 DK DK10765764.5T patent/DK2478404T3/da active
- 2010-09-16 WO PCT/EP2010/063628 patent/WO2011033028A1/en active Application Filing
- 2010-09-16 CA CA2770937A patent/CA2770937C/en active Active
- 2010-09-16 EA EA201290157A patent/EA021493B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2010-09-16 CN CN201080040736.1A patent/CN102576149B/zh active Active
-
2014
- 2014-10-01 US US14/504,100 patent/US9329360B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6830944B1 (en) * | 1999-03-18 | 2004-12-14 | Trustees Of Boston University | Piezoelectric bimorphs as microelectromechanical building blocks and constructions made using same |
| WO2002024570A1 (en) * | 2000-09-25 | 2002-03-28 | Bookham Technology Plc | Micro electro-mechanical systems |
| US6379510B1 (en) * | 2000-11-16 | 2002-04-30 | Jonathan S. Kane | Method of making a low voltage micro-mirror array light beam switch |
| WO2006110908A1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-19 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Microactuator having multiple degrees of freedom |
| JP2007206480A (ja) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Toko Inc | 光走査素子 |
| WO2008100154A1 (en) * | 2007-02-12 | 2008-08-21 | Polight As | Flexible lens assembly with variable focal length |
| WO2008100153A1 (en) * | 2007-02-12 | 2008-08-21 | Polight As | A device for providing stabilized images in a hand held camera |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20093022A1 (no) | 2011-03-21 |
| BR112012006044A2 (pt) | 2020-08-18 |
| BR112012006044B1 (pt) | 2021-08-31 |
| CA2770937A1 (en) | 2011-03-24 |
| US9250418B2 (en) | 2016-02-02 |
| US9329360B2 (en) | 2016-05-03 |
| WO2011033028A1 (en) | 2011-03-24 |
| EA201290157A1 (ru) | 2013-01-30 |
| US20120162664A1 (en) | 2012-06-28 |
| EP2478404B1 (en) | 2020-03-11 |
| EP2478404A1 (en) | 2012-07-25 |
| JP2013505471A (ja) | 2013-02-14 |
| DK2478404T3 (da) | 2020-05-11 |
| US20150109650A1 (en) | 2015-04-23 |
| CN102576149A (zh) | 2012-07-11 |
| CA2770937C (en) | 2018-04-17 |
| JP5778677B2 (ja) | 2015-09-16 |
| CN102576149B (zh) | 2016-01-20 |
| EA021493B1 (ru) | 2015-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO336140B1 (no) | Aktuator for mikro optisk enhet | |
| US7294282B1 (en) | Method for fabricating an actuator system | |
| JP5808328B2 (ja) | 連続冠形状圧電作動変形可能ダイアフラムを有する光学デバイス | |
| US8752435B2 (en) | Miniature high sensitivity pressure sensor | |
| US7355793B2 (en) | Optical system applicable to improving the dynamic range of Shack-Hartmann sensors | |
| US10377625B2 (en) | Scanning mirror device and a method for manufacturing it | |
| EP3323011B1 (en) | Tunable mems etalon | |
| Bakke et al. | A novel ultra-planar, long-stroke and low-voltage piezoelectric micromirror | |
| Friese et al. | Deformable polymer adaptive optical mirrors | |
| NO333724B1 (no) | En mikromekanisk rekke med optisk reflekterende overflater | |
| US20190235230A1 (en) | Optical system with deformable mems optical element | |
| Wu et al. | A lateral-shift-free and large-vertical-displacement electrothermal actuator for scanning micromirror/lens | |
| Tang et al. | A 2-AXIS SI/AL Bimorph-Based Electrothermal Micromirror Integrated with Piezoresistors for High Resolution Position Sensing | |
| Tanguy et al. | A 2-axis MEMS scanning micromirror with a 45 auto-positioning mechanism for endoscopic probe | |
| Prajesh et al. | A quick method to realize and characterize bimorph cantilevers | |
| Friese et al. | New technologies for tunable micro-optics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CHAD | Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften) |
Owner name: SINTEF TTO AS, NO |