RU2265871C1

RU2265871C1 - Integral micromechanical mirror

Info

Publication number: RU2265871C1
Application number: RU2004117284/28A
Authority: RU
Inventors: И.Е. Лысенко (RU); И.Е. Лысенко
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-10

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: integral micromechanical mirror has substrate to place four electrodes onto it. Four additional electrodes of capacitive movement converters are disposed onto the substrate in such a manner to form flat capacitor with mirror element. One additional fixing plate is disposed under mirror element directly onto substrate. There are torsion beams placed in such a way that they connect mirror element with fixing plate. Mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive converters as well as fixing plate are made of semiconductor material. Area of substrate used for placing integral mirror is reduced. Position of mirror element is subject to control relatively the substrate.

EFFECT: improved reliability of operation.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области интегральной электроники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным элементам, предназначенным для изменения направления оптического сигнала.The present invention relates to the field of integrated electronics and microsystem technology, and more particularly to integrated elements designed to change the direction of the optical signal.

Известно интегральное микромеханическое зеркало [G.-D.J.Su, H.Toshiyoshi, M.C.Wu, Surface-micromachined 2-D optical scanners with high-performance single-crystalline silicon micromirrors, IEEE photonics technology letters, vol.13, №6, june 2001, p.607, fig.1a], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внутренней рамкой, выполненной из полупроводникового материала, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внешней рамкой, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.Known Integrated Micromechanical Mirror [G.-DJSu, H. Toshiyoshi, MCWu, Surface-micromachined 2-D optical scanners with high-performance single-crystalline silicon micromirrors, IEEE photonics technology letters, vol. 13, No. 6, june 2001 , p.607, fig.1a], containing a semiconductor substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, and a mirror element made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the substrate and forming with four electrodes located on the substrate flat capacitors used as e electrostatic drives connected to the internal frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which are rigidly attached to the mirror element at one end and elastic suspensions made of semiconductor material at the other and connected to the internal frame made of semiconductor material connected with an external frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inner frame, and at the other to elastic suspensions made of semiconductor material and connected to an external frame made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Данное интегральное микромеханическое зеркало позволяет отклонять зеркальный элемент относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, т.е. под произвольным углом к плоскости подложки.This integrated micromechanical mirror allows you to deflect the mirror element relative to two mutually perpendicular axes X and Y located in the plane of the substrate, i.e. at an arbitrary angle to the plane of the substrate.

Недостатком конструкции данного интегрального микромеханического зеркала является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, упругих подвесов, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The design drawback of this integrated micromechanical mirror is the use of an additional area of the semiconductor substrate for the placement of the fastening elements of the mirror element - torsion beams, elastic suspensions, internal and external frames, and the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральное микромеханическое зеркало [H.Toshiyoshi, W.Piyawattanametha, C.-T.Chan, M.C.Wu, Linearization of electrostatically actuated surface micromachined 2-D optical scanner, Journal of microelectromechanical systems, vol.10, №2, june 2001, p.205, fig.1], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к внутренней рамке, выполненной из полупроводникового материала, образующей с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к внешней рамке, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.A functional analogue of the claimed object is an integrated micromechanical mirror [H. Toshiyoshi, W. Piyawattanametha, C.-T. Chan, MCWu, Linearization of electrostatically actuated surface micromachined 2-D optical scanner, Journal of microelectromechanical systems, vol. 10, No. 2 , june 2001, p.205, fig.1], containing a semiconductor substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, and a mirror element made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the substrate and forming with four located on the electrode substrate and flat capacitors used as electrostatic drives, connected to the inner frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which are rigidly attached to the mirror element at one end and the other made to the inner frame of the semiconductor material, forming four on a substrate with electrodes, flat capacitors used as electrostatic drives connected to an external frame using a pair of torsion beams are made x of semiconductor material, which at one end is rigidly attached to the inner frame, and the other to the outer frame made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Недостатком конструкции интегрального микромеханического зеркала является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The drawback of the design of the integrated micromechanical mirror is the use of an additional area of the semiconductor substrate for the placement of the fastening elements of the mirror element - torsion beams, internal and external frames, as well as the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральное микромеханическое зеркало [J.-H.Kim, H.K.Lee, B.-I.Kim, J.-W.Jeon, J.-B.Yoon, E.Yoon, A high fill-factor micro-mirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis operation in large-scale optical switch, IEEE 16^th annual international conference on microelectromechanical system, 2003, p.259, fig.1], содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из металла, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из металла, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с подложкой с помощью упругого подвеса, состоящего из двух опор, выполненных из металла, жестко соединенных с зеркальным элементом и торсионной балкой, выполненной из металла, которая имеет взаимно перпендикулярное жесткое соединение в плоскости подложки с другой торсионной балкой, выполненной из металла, жестко соединенной с другими двумя опорами, выполненными из металла и расположенными непосредственно на подложке.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical mirror [J.-H. Kim, HKLee, B.-I. Kim, J.-W.Jeon, J.-B.Yoon, E.Yoon, A high fill-factor micro-mirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis operation in large-scale optical switch, IEEE 16 ^th annual international conference on microelectromechanical system, 2003, p.259, fig.1], containing a substrate with four electrodes located on it made of metal, and a mirror element made in the form of a plate of metal, located with a gap relative to the substrate and forming with four located on the substrate flat electrodes used as electrostatic drives with electrodes, connected to the substrate using an elastic suspension consisting of two supports made of metal, rigidly connected to a mirror element and a torsion beam made of metal, which has a mutually perpendicular rigid connection in the plane of the substrate with another torsion beam made of metal, rigidly connected to the other two supports made of metal and located directly on the substrate.

Достоинством конструкции интегрального микромеханического зеркала является размещение элементов крепления зеркального элемента под последним.The advantage of the design of the integrated micromechanical mirror is the placement of the fastening elements of the mirror element under the latter.

Недостатком конструкции интегрального микромеханического зеркала является отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки, а также использование в качестве структурного материала - металла, что снижает степень интеграции данных устройств с элементами микросистемной техники и интегральной электроники.A drawback of the design of the integrated micromechanical mirror is the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate, as well as the use of metal as a structural material, which reduces the degree of integration of these devices with elements of microsystem engineering and integrated electronics.

Задача предлагаемого изобретения - уменьшить площадь подложки используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The objective of the invention is to reduce the area of the substrate used for placement of the integrated micromechanical mirror and to provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в уменьшении площади подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала и обеспечении возможности контроля положения зеркального элемента относительно подложки, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is to reduce the area of the substrate used to place the integrated micromechanical mirror and to provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate, the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and the mounting plate semiconductor material.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, расположенных на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их перекрытия, и одной дополнительной пластины крепления, расположенной под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.The technical result is achieved by introducing four additional electrodes of capacitive displacement transducers located on the substrate in such a way that they form a flat capacitor with the mirror element due to their overlap, and one additional mounting plate located under the mirror element directly on the substrate, and the torsion beams are placed such the way that they connect the mirror element to the mounting plate, and the mirror element, torsion beams, electrostatic electrodes drives and capacitive displacement transducers and mounting plate made of semiconductor material.

Для достижения необходимого технического результата в интегральное микромеханическое зеркало, содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, зеркальный элемент, выполненный в виде пластины и расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, и торсионные балки, введены четыре дополнительные электрода емкостных преобразователей перемещений, расположенные на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, и одна дополнительная пластина крепления, расположенная под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.To achieve the desired technical result, an integrated micromechanical mirror containing a substrate with four electrodes located on it, a mirror element made in the form of a plate and located with a gap relative to the substrate and forming flat capacitors with four electrodes located on the substrate, used as electrostatic drives, and torsion beams, four additional electrodes of capacitive displacement transducers are introduced, located on the substrate in such a way that form a flat capacitor with the mirror element due to their mutual overlap, and one additional mounting plate located under the mirror element directly on the substrate, and the torsion beams are placed in such a way that they connect the mirror element to the mounting plate, and the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and the mounting plate are made of semiconductor material.

На Фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического зеркала и показаны сечения. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического зеркала.Figure 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical mirrors and sections are shown. Figure 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical mirror.

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней четырьмя электродами электростатических приводов 2, 3, 4, 5, выполненными из полупроводникового материала, четыре электрода емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке 1, зеркальный элемент 10, выполненный из полупроводникового материала, образующий электростатическое взаимодействие с электродами электростатических приводов 2, 3, 4, 5, образующий с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 плоские конденсаторы, и связанный с полупроводниковой подложкой 1 через торсионные балки 11, 12, 13, 14, выполненные из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с зеркальным элементом 10, а другими с пластиной крепления 15, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке 1.The integrated micromechanical gyroscope (Figure 1) contains a semiconductor substrate 1 with four electrodes of electrostatic drives 2, 3, 4, 5 located on it made of semiconductor material, four electrodes of capacitive displacement transducers 6, 7, 8, 9 made of semiconductor material and located on the semiconductor substrate 1, a mirror element 10 made of a semiconductor material, forming an electrostatic interaction with electrodes of electrostatic drives 2, 3, 4, 5, ar flat capacitors located on the semiconductor substrate 1 with electrodes of capacitive displacement transducers 6, 7, 8, 9 and connected to the semiconductor substrate 1 through torsion beams 11, 12, 13, 14 made of semiconductor material that are rigidly connected to the mirror at one end element 10, and others with a mounting plate 15 made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Зеркальный элемент 10 интегрального микромеханического зеркала заземлен.The mirror element 10 of the integrated micromechanical mirror is grounded.

При подаче на один из электродов электростатических приводов 2, 3, 4, 5 напряжения относительно зеркального элемента 10 (Фиг.2), между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к отклонению зеркального элемента 10 в сторону этого электрода за счет изгиба торсионных балок 11, 12, 13, 14, соединяющих зеркальный элемент 10 с пластиной крепления 15. Разности напряжений, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных перекрытием электродов 6, 8 и 7, 9 с зеркальным элементом 10, за счет изменения величины зазора между электродами 6, 7, 8, 9 и зеркальным элементом 10, характеризует величину угла отклонения и направление отклонения зеркального элемента 10 относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости полупроводниковой подложки 1.When a voltage is applied to one of the electrodes of the electrostatic drives 2, 3, 4, 5 with respect to the mirror element 10 (FIG. 2), an electrostatic interaction occurs between them, which leads to a deflection of the mirror element 10 towards this electrode due to the bending of the torsion beams 11, 12, 13, 14 connecting the mirror element 10 with the mounting plate 15. The voltage differences generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by the overlapping of the electrodes 6, 8 and 7, 9 with the mirror element 10, due to a change in the gap ezhdu electrodes 6, 7, 8, 9 and a mirror element 10, characterizes the direction of deflection angle and deflection mirror element 10 with respect to two mutually perpendicular axes X and Y, are located in the plane of the semiconductor substrate 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральное микромеханическое зеркало, позволяющее уменьшить площадь подложки, используемой под его размещение, и контролировать положение зеркального элемента относительно подложки.Thus, the proposed device is an integral micromechanical mirror, which allows to reduce the area of the substrate used for its placement, and to control the position of the mirror element relative to the substrate.

Введение четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, одной дополнительной пластины крепления и размещение торсионных балок таким образом, что они соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, расположенной под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала, позволяет уменьшить площадь подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального элемента, предназначенного для изменения направления оптического сигнала.The introduction of four additional electrodes of capacitive displacement transducers, one additional mounting plate and placement of torsion beams so that they connect the mirror element to the mounting plate located under the mirror element directly on the substrate, the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and the mounting plate are made of semiconductor material, which allows to reduce the area of the substrate, using oh for placing integrated micromechanical mirrors, and to enable position control mirror element relative to the substrate, which allows to use the proposed invention as an integral member for changing the direction of the optical signal.

Таким образом, предлагаемое интегральное микромеханическое зеркало позволяет: по сравнению с аналогичными устройствами - повысить плотность матриц интегральных микромеханических зеркал, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального микромеханического зеркала, так как элементы крепления размещаются под зеркальным элементом, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки; по сравнению с прототипом - повысить степень интеграции, поскольку интегральное микромеханическое зеркало выполнено из полупроводникового материала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет размещения под зеркальным элементом электродов емкостных преобразователей перемещений.Thus, the proposed integrated micromechanical mirror allows: in comparison with similar devices, to increase the density of the matrices of integrated micromechanical mirrors, by reducing the area of the substrate used for placement of each integral micromechanical mirror, since the fastening elements are placed under the mirror element, and provide the ability to control the position a mirror element relative to the substrate; in comparison with the prototype, to increase the degree of integration, since the integrated micromechanical mirror is made of semiconductor material, and to provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate, by placing capacitive displacement transducers under the mirror element.

Claims

Интегральное микромеханическое зеркало, содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, зеркальный элемент, выполненный в виде пластины и расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, и торсионные балки, отличающееся тем, что в него введены четыре дополнительные электрода емкостных преобразователей перемещений, расположенные на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, и одна дополнительная пластина крепления, расположенная под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.An integrated micromechanical mirror containing a substrate with four electrodes located on it, a mirror element made in the form of a plate and arranged with a gap relative to the substrate and forming flat capacitors used as electrostatic drives with four electrodes located on the substrate, and torsion beams, characterized in that that four additional electrodes of capacitive displacement transducers are introduced into it, located on the substrate in such a way that they form with a mirror the element is a flat capacitor due to their mutual overlap, and one additional mounting plate located under the mirror element directly on the substrate, and the torsion beams are placed in such a way that connect the mirror element to the mounting plate, and the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and the mounting plate are made of semiconductor material.