FR2886023A1

FR2886023A1 - Microelectromechanical system mirror device used in e.g. barcode reader, has beams connected to mirror having specific dimensions and springs connecting beams to bonding pads

Info

Publication number: FR2886023A1
Application number: FR0505147A
Authority: FR
Inventors: Yee Chung Fu
Original assignee: Advanced Nano Systems Inc
Current assignee: Advanced Nano Systems Inc
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-11-24

Abstract

Beams with rotational comb teeth (416,434) are connected to a mirror having a length of 4000-5500 microns and a thickness greater than 240 microns. Springs connect the beams to bonding pads (436,472). The beams have a width of 800-1400 microns, length of 3000-9000 microns and a thickness of 120-240 microns.

Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne les dispositifs de type système micro-électromécanique (SMEM) et, plus particulièrement, les miroirs de balayage de type SMEM.TECHNICAL AREA
The present invention relates to the devices of the microelectromechanical system (SMEM) type and, more particularly, the SMEM scanning mirrors.

ETAT DE LA TECHNIQUE
Différentes conceptions d'actuateur en forme de peigne électrostatique pour miroirs de balayage de type SMEM ont été proposées. Les très amples applications de ces dispositifs incluent les lecteurs de codes barres, les imprimantes laser, les microscopes confocaux, les afficheurs à projections, les téléviseurs à rétroprojection et des afficheurs vestimentaires. Typiquement, un miroir de balayage de type SMEM est entraîné à sa résonance principale, pour obtenir un grand angle de balayage. Pour assurer un fonctionnement stable, il est crucial de s'assurer que le miroir et sa structure mobile associée vibreront selon la forme de mode désirée à la fréquence de résonance la plus basse et principale. Dans de nombreuses applications, la grandeur de miroir doit être grande et la surface de miroir doit être plane, pour assurer une haute résolution optique.La vitesse de vibration/balayage du miroir doit également être rapide pour de nombreuses applications. Il est connu que lorsque la grandeur et la vitesse de balayage du miroir augmentent, la planéité dynamique du miroir diminue. Sans surface de miroir plane, le miroir de balayage est peu utile pour de nombreuses applications. De plus, cette fréquence principale doit être séparée loin d'autres fréquences de vibration structurelles, afin d'éviter un couplage potentiel entre les formes de mode désirées et non désirées.
Les vibrations structurelles non désirées augmenteront la déformation dynamique du miroir et auront pour résultat une résolution optique réduite. Par ailleurs, certains des modes de vibration structurels peuvent faire que les dents de peigne mobiles en rotation et stationnaires entrent en contact avec et cassent tout l'actionneur. Deux modes de vibration structurels ou plus à fréquences de résonance rapprochées peuvent être couplés, pour produire une haute amplitude de vibration qui entraîne un défaut d'articulation. Ainsi, il est requis un appareil et un procédé pour la conception de miroirs de balayage de type SMEM, afin d'améliorer effectivement la stabilité de vibration à la résonance et pour assurer la résolution optique de ces dispositifs.DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation de l'invention, un dispositif de miroir de type système micro-électromécanique (SMEM) comporte un miroir, des plots d'assemblage, des ressorts et des poutres connectées au miroir. Le miroir a une largeur de plus de 1000 et de moins de 1200 microns, une longueur de plus de 4000 et de moins de 5500 microns, et une épaisseur de plus de 240 microns. Chaque poutre comporte une pluralité de dents de peigne rotatives et est connectée par de multiples ressorts aux plots d'assemblage.STATE OF THE ART
Various electrostatic comb-shaped actuator designs for SMEM-type scanning mirrors have been proposed. Extensive applications of these devices include barcode readers, laser printers, confocal microscopes, projection displays, overhead projection televisions and clothing displays. Typically, a SMEM scan mirror is driven to its main resonance, to obtain a wide scan angle. To ensure stable operation, it is crucial to ensure that the mirror and its associated moving structure will vibrate according to the desired mode shape at the lowest and main resonant frequency. In many applications, the mirror size must be large and the mirror surface must be flat, to ensure high optical resolution. The mirror vibration / scan speed must also be fast for many applications. It is known that as the magnitude and scanning speed of the mirror increases, the dynamic flatness of the mirror decreases. Without a flat mirror surface, the scanning mirror is of little use for many applications. In addition, this main frequency must be separated from other structural vibration frequencies, in order to avoid potential coupling between desired and undesired mode shapes.
Unwanted structural vibrations will increase the dynamic deformation of the mirror and result in reduced optical resolution. On the other hand, some of the structural vibration modes may cause the rotating and stationary comb teeth to contact and break the entire actuator. Two or more structural vibration modes at close resonant frequencies may be coupled to produce a high amplitude of vibration that results in a defect in articulation. Thus, an apparatus and method for the design of SMEM scanning mirrors is required to effectively improve the vibrational stability at resonance and to provide optical resolution of these devices. GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION an embodiment of the invention, a microelectromechanical system (SMEM) type mirror device comprises a mirror, assembly pads, springs and beams connected to the mirror. The mirror has a width of more than 1000 and less than 1200 microns, a length of more than 4000 and less than 5500 microns, and a thickness of more than 240 microns. Each beam has a plurality of rotating comb teeth and is connected by multiple springs to the assembly pads.

DESCRIPTION DES DESSINS
Les figures lA, 1B, 1C, 1D, lE, 1F et 1G illustrent un dispositif de type SMEM selon un mode de réalisation de l'invention.
Les figures 1H, 1I, 1J et 1K illustrent le dispositif de type SMEM de la figure 1A à différents aménagements d'énergie selon des modes de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre le procédé pour fabriquer le dispositif de la figure 1A selon un mode de réalisation de l'invention.
Les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 illustrent un dispositif de type SMEM selon un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 9 illustre le procédé pour fabriquer le dispositif des figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 10 illustre une autre structure de nervure destinée à supporter le miroir d'un dispositif de type SMEM selon un autre mode de réalisation de l'invention.
L'utilisation de numéros de repère identiques dans différentes figures indique des éléments similaires ou identiques.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIGS. 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F and 1G illustrate a device of the SMEM type according to one embodiment of the invention.
FIGS. 1H, 1I, 1J and 1K illustrate the SMEM type device of FIG. 1A with different energy arrangements according to embodiments of the invention.
Figure 2 illustrates the method for manufacturing the device of Figure 1A according to one embodiment of the invention.
Figures 3, 4, 5, 6, 7 and 8 illustrate a device SMEM type according to another embodiment of the invention.
Figure 9 illustrates the method for manufacturing the device of Figures 3, 4, 5, 6, 7 and 8 according to one embodiment of the invention. Figure 10 illustrates another rib structure for supporting the mirror of a SMEM type device according to another embodiment of the invention.
The use of identical reference numbers in different figures indicates similar or identical elements.

DESCRIPTION DETAILLEE DE QUELQUES MODES DE REALISATIONPREFERES
La figure 1A illustre un dispositif de miroir de balayage de type SMEM 400 selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 400 comporte une couche supérieure 402 assemblée sur une couche inférieure 404, mais électriquement isolée de cette dernière.
Les figures 1B et 1C illustrent les détails de la couche supérieure 402. La couche supérieure 402 comporte une couche de miroir supérieure 406 ayant une forme ovale. La couche de miroir supérieure 406 comporte des fossés/rainures 408 sur sa surface supérieure. Les fossés 408 réduisent la masse de la couche de miroir supérieure 406, ce qui minimise, à son tour, la déformation dynamique totale. En minimisant la déformation dynamique totale, la résolution optique du dispositif 400 est améliorée. Bien qu'ils soient illustrés comme s'étendant le long de toute la surface supérieure, les fossés 408 peuvent être les plus efficaces lorsqu'ils sont placés le long du pourtour extérieur de la couche de miroir supérieure 406, loin d'un axe de rotation 414.Comme décrit plus loin, les fossés 408 peuvent être gravés en même temps que d'autres éléments, en contrôlant leur largeur de sorte qu'ils ne soient pas gravés à travers la couche de miroir supérieure 406. Alternativement, un masque perforé peut être utilisé pour protéger la couche de miroir supérieure 406 pendant la gravure, pour éviter que les fossés 408 ne soient gravés à travers celle-ci. Les positions et le nombre de fossés 408 peuvent être raffinés par analyse d'éléments finie. Les interstices 409A et 409B séparent la couche de miroir supérieure 406 des éléments environnants dans la couche supérieure 402.Comme décrit plus loin, la largeur des interstices 409A et 409B est prévue plus grande que les largeurs des interstices autour d'éléments plus fragiles, de sorte que tout gaz emprisonné puisse s'échapper autour de la couche de miroir supérieure 406 au lieu des éléments fragiles pendant l'opération de gravure.
Les côtés opposés de la couche de miroir supérieure 406 sont connectés par de multiples fixations de support 410 aux extrémités proches des structures en forme de poutre 412A et 412B. En connectant la couche de miroir supérieure 406 à plusieurs endroits aux poutres 412A et 412B, la déformation dynamique d'une couche de miroir supérieure 406 est minimisée. Les positions et le nombre de fixations de support 410 peuvent être raffinés par analyse d'éléments finie.
Les côtés opposés des poutres 412A et 412B autour d'un axe de rotation 414 sont connectés aux dents de peigne rotatives 416. Les dents de peigne rotatives 416 présentent, chacune, un corps effilé qui se compose d'un segment d'extrémité rectangulaire qui a une section plus petite qu'un segment rectangulaire de base. En réduisant la grandeur et, de ce fait, le poids des dents de peigne rotatives 416 à leurs extrémités, l'inertie de toute la structure est réduite. En réduisant l'inertie structurelle, la vitesse de balayage peut être augmentée ou/ et la tension d'entraînement peut être réduite. Dans un mode de réalisation, les dents de peigne rotatives 416 créent la force de polarisation électrostatique utilisée pour augmenter l'efficacité d'entraînement de la structure mobile en accordant sa fréquence modale.Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne rotatives 416 créent la force d'entraînement électrostatique pour l'entraînement du miroir. Dans un autre mode de réalisation encore, les dents de peigne rotatives 416 créent la force de polarisation électrostatique et la force d'entraînement électrostatique.
Les poutres 412A et 412B sont connectées par des ressorts hélicoïdaux aux plots d'assemblage montés sur la couche inférieure 404. De manière spécifique, la poutre 412A présente une extrémité distale connectée par un ressort hélicoïdaux 422-1 à un plot d'assemblage 424, et un segment central connecté par des ressorts hélicoïdaux 422-2 et 422-3 à un plot d'assemblage 426 formé dans la poutre 412A. De même, la poutre 412B présente une extrémité distale connectée par un ressort hélicoïdal 428-1 à un plot d'assemblage 430, et un segment central connecté par des ressorts hélicoïdaux 428-2 et 428-3 à un plot d'assemblage 432 formé dans la poutre 412B. Ainsi, les poutres 412A et 412B sont connectées par des ressorts de manière répartie le long de l'axe de rotation 414 d'une couche de miroir supérieure 406.Les poutres 412A et 412B peuvent comporter des trous 433, pour réduire leur masse.
En ajustant soigneusement la répartition de la rigidité et l'emplacement des ressorts, toutes les fréquences modales de la structure mobile peuvent être effectivement séparées et le mode de rotation désiré peut être prévu à la fréquence de résonance la plus basse. Etant donné que la fréquence de résonance principale est la plus basse et très éloignée d'autres fréquences modales structurelles, la rotation du miroir n'activera aucun autre mode de vibration non désiré. A l'aide de multiples ressorts, la sollicitation et la contrainte maximales sur chaque ressort sont inférieures à celles de conceptions de miroir de balayage conventionnelles supportées uniquement par une paire de poutres de torsion.Etant donné que la sollicitation et la contrainte sur chaque ressort sont réduites, la fiabilité de chaque ressort est améliorée et l'angle de rotation est augmenté.
La couche supérieure 402 peut comporter des dents de peigne stationnaires 434 qui sont interdigitées dans un plan avec les dents de peigne rotatives 416. Les dents de peigne stationnaires 434 peuvent présenter un corps effilé comme les dents de peigne rotatives 416. Dans un mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 434 créent la force de polarisation électrostatique utilisée pour augmenter l'efficacité d'entraînement de la structure mobile en accordant sa fréquence modale. Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 434 créent la force d'entraînement électrostatique pour entraîner la couche de miroir supérieure 406. Dans un autre mode de réalisation encore, les dents de peigne stationnaires 434 créent la force de polarisation électrostatique et la force d'entraînement électrostatique.Les dents de peigne stationnaires 434 sont connectées au plot d'assemblage 436 monté sur la couche inférieure 404.
Les figures 1D, lE, 1F et 1G illustrent les détails d'une couche inférieure 404. La couche inférieure 404 comporte une couche de miroir inférieure 460 présentant une saillie 462 depuis une plaque ovale 464. Un interstice 465 sépare la couche de miroir inférieure 460 des éléments environnants dans la couche inférieure 404. Comme illustré à la figure 1F, la surface inférieure de la plaque 464 sert de surface réfléchissante et d'autres structures peuvent être alignées sur le miroir à l'aide de repères d'alignement d'assemblage 466 sur le fond de la couche inférieure 404. La surface supérieure 467 de la couche de miroir inférieure 460 est assemblée à la surface inférieure de la couche de miroir supérieure 406, pour former le miroir final.Comme illustré à la figure 1G, le miroir final présente une structure en forme de poutre I, où la couche de miroir supérieure 406 forme la bride supérieure, la saillie 462 forme l'âme, et la plaque 464 forme la bride inférieure. La structure en forme de poutre I élimine la majeure partie de la masse de miroir et raidit la structure de miroir. Aussi, elle minimise la déformation dynamique de la surface de miroir inférieure. En minimisant la déformation dynamique totale de la surface de miroir inférieure, la résolution optique du dispositif 400 est améliorée. La forme de la structure en forme de poutre I peut être raffinée par analyse d'éléments finie.
La couche inférieure 404 comporte des surfaces d'ancrage des plots d'assemblage de la structure mobile dans la couche supérieure 402. De manière spécifique, les plots d'ancrage 468 et 470 offrent des surfaces de montage des plots d'assemblage correspondants 426 et 432, et le plot d'ancrage 472 offre une surface de montage des plots d'assemblage de support 424, 430 et 436.
La couche inférieure 404 comporte des dents de peigne stationnaires 474 qui sont interdigitées hors plan avec les dents de peigne rotatives 416. En d'autres termes, elles sont interdigitées lorsque vues de dessus ou lorsque le miroir final est tourné. Les dents de peigne stationnaires 474 peuvent présenter un corps effilé comme les dents de peigne 416 et 434. En référence à la figure lE, un interstice 482 est prévu entre les dents de peigne stationnaires 474 et le plot d'ancrage 472. L'interstice 482 présente une plus grande largeur que les interstices 484 entre dents stationnaires adjacentes 474, de sorte que l'interstice 482 soit gravé plus profond dans la couche inférieure 404 que les interstices 484. Un interstice plus profond 482 permet que les dents de peigne rotatives 416 tournent selon un angle supérieur sans entrer en contact avec la couche inférieure 404.Dans un mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 474 créent la force d'entraînement électrostatique pour entraîner le miroir final. Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 474 créent la force de polarisation électrostatique utilisée pour augmenter l'efficacité d'entraînement de la structure mobile. Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 474 créent tant la force d'entraînement électrostatique que la force de polarisation électrostatique. Dans un autre mode de réalisation encore, la capacité entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 est détectée, pour déterminer la position de rotation du miroir.
La figure 2 illustre une procédé 500 pour réaliser le dispositif 400 selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé commence à une étape 0 par une plaquette de silicium 502 présentant une couche de dioxyde de silicium 504 formée sur la surface supérieure et une couche de dioxyde de silicium 506 formée sur la surface inférieure. La plaquette 502 est utilisée pour former la couche inférieure 404 (figure 1 E) du dispositif 400.
A l'étape 1, un photorésiste 508 est déposé sur la couche d'oxyde 506, exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir un ou plusieurs repères d'alignement lithographiques 511 (illustrés à l'étape 3).
A l'étape 2, la surface inférieure de la plaquette 502 est gravée, pour éliminer des parties de la couche d'oxyde 506 laissées non protégées par le photorésiste 508. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 506 est gravée en sec. La surface supérieure de la plaquette 502 est déposée avec un photorésiste 510 pour la protéger de la gravure de la surface inférieure.
A l'étape 3, la surface inférieure de la plaquette 502 est gravée, pour éliminer des parties de la plaquette 502 laissées non protégées par la couche d'oxyde 506, pour former des repères d'alignement de lithographie 511. Après la gravure en sec du silicium, les photorésistes restants 508 et 510 sont décochés.
A l'étape 4, le photorésiste 510 est à nouveau appliqué et est exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir la couche inférieure de miroir 460 (figure 1E), les surfaces 468, 470 et 472 (figure 1 E) et les dents de peigne stationnaires 474 (figure 1 E) sur la surface supérieure de la plaquette 502. Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 511 sur la surface inférieure de la plaquette.
A l'étape 5, la surface supérieure de la plaquette 502 est gravée, pour éliminer les parties de la couche d'oxyde 504 laissées non protégées par le photorésiste 510. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 504 est gravée en sec.
A l'étape 6, la surface supérieure de la plaquette 502 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 502 laissées non protégées par la couche d'oxyde 504, pour former la couche de miroir inférieure 460 (figure 1E), les surfaces 468, 470 et 472 et les dents de peigne stationnaires 474 (figure 1E). Ensuite, le photorésiste restant 510 est décoché et les couches d'oxyde 504 et 506 sont éliminées par gravure en humide ou en sec.
A l'étape 7, une plaquette de silicium 512 est assemblée à la surface supérieure de la plaquette 502. La plaquette 512 présente une couche de dioxyde de silicium 514 formée sur la surface supérieure de la plaquette et une couche de dioxyde de silicium 516 formée sur la surface inférieure de la plaquette. La plaquette 512 est utilisée pour former la couche supérieure 402 (figure 1C) du dispositif 400. Dans un mode de réalisation, les plaquettes 512 et 502 sont assemblées par fusion de silicium.
A l'étape 8, un photorésiste 518 est déposé sur la couche d'oxyde 514, exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir les éléments de la couche supérieure 402 (figure 1C). Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 511 sur la surface inférieure de plaquette. A l'étape 8 sont également définis un ou plusieurs repères d'alignement lithographiques 521 (illustrés à l'étape 10) et un fossé 519 de séparation (illustré à l'étape 10). Pour graver les fossés 408 (figure 1C), qui sont gravés dans la plaquette 512 à une profondeur particulière, ensemble avec les interstices qui entourent les autres éléments, qui sont gravés à travers la plaquette 512, les dimensions des fossés 408 et des interstices des autres éléments sont différenciés.
A l'étape 9, la surface supérieure de la plaquette 512 est gravée, pour éliminer les parties d'une couche d'oxyde 514 laissées non protégées par le photorésiste 518. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 514 est gravée en sec. Ensuite, le photorésiste restant 518 est décoché.
A l'étape 10, la surface supérieure de la plaquette 512 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 512 laissées non protégées par la couche d'oxyde 514, pour former les éléments de la couche supérieure 402 (figure 1C). Dans un mode de réalisation, la plaquette 512 est gravée à l'aide d'un procédé DRIE, jusqu'à l'arrêt de gravure formé par la couche d'oxyde 516. Lorsque le dessus du dispositif 400 est percé par gravure, le gaz emprisonné entre les plaquettes assemblées 502 et 512 peut s'échapper et endommager les éléments fragiles tels que les dents de peigne.Pour éviter de tels dégâts, les interstices 409A et les 409B (figure 1C) autour de la couche de miroir supérieure 406 (figure 1C) sont prévus plus grands que les interstices autour des autres éléments, de sorte que la couche d'oxyde 516 sous les interstices 409A et 409B soit percée par gravure avant les autres interstices. Cela permet que l'air s'échappe autour de la couche de miroir supérieure 406, laquelle est un élément structurellement résistant.
A l'étape 11, la surface de miroir supérieure est protégée par une surface de masque perforé 522, pour éviter que la couche de miroir supérieure 406 ne soit percée par gravure. Cette étape est optionnelle si les fossés réduisant l'inertie 408 ont une largeur qui est plus petite que celle d'autres interstices, de sorte qu'ils ne soient pas percés par gravure. Toutefois, le masque perforé peut être préféré pour créer les fossés réduisant l'inertie 408 ayant une plus grande largeur, éliminant ainsi plus de masse, et pour réduire davantage l'inertie de la structure rotative.
A l'étape 12, un photorésiste 520 est déposé sur la surface inférieure de la plaquette 502, exposé et développé sur la surface inférieure de la plaquette 502, pour définir les repères d'alignement d'assemblage 466 (figure 1F), le fossé de séparation 509 (illustré à l'étape 13), et l'interstice 465 (figure 1E) pour séparer la couche de miroir inférieure 460 (figure 1E) de la couche inférieure 404 (figure 1E). Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 521 sur la surface de plaquette supérieure.
A l'étape 13, la surface inférieure de la plaquette 502 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 502 laissées non protégées par le photorésiste 520, pour former les repères d'alignement d'assemblage 466 (figure 1F) et le fossé de séparation 509, et pour séparer la couche de miroir inférieure 460 (figure 1 E) de la couche 404 (figure 1E). Dans un mode de réalisation, la plaquette 502 est gravée à l'aide d'un procédé DRIE.
A l'étape 14, des parties d'une couche d'oxyde 516 sont éliminées de la structure, pour libérer les différents éléments du dispositif 400, tout en maintenant les assemblages entre l'assemblage correspondant et les plots d'ancrage. Dans un mode de réalisation, des parties d'une couche d'oxyde 516 sont éliminées à l'aide d'une gravure en humide à l'acide fluorhydrique.
A l'étape 15, la surface inférieure d'une couche de miroir inférieure 460 (figure 1F) est déposée avec un matériau réfléchissant (par exemple, de l'aluminium), pour créer une surface de miroir. Dans un mode de réalisation, un masque perforé est utilisé pour définir les zones à déposer avec le matériau réfléchissant.
A l'étape 16 sont séparés les dispositifs 400 réalisés à partir des plaquettes 502 et 512. Dans un mode de réalisation, les plaquettes 502 et 512 sont séparées en découpant à travers les fossés de séparation 509 et 519 (illustrés à l'étape 15).
En référence à la figure 1A est expliqué ci-après le fonctionnement du dispositif 400 selon un mode de réalisation. Les dents de peigne rotatives 416 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 424, pour recevoir une tension de référence d'une source de tension 476 (par exemple, la terre). Les dents de peigne stationnaires 434 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 436, pour recevoir une tension continue d'une source de tension 478 (par exemple, une source de tension CC). Les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 472, pour recevoir une tension oscillante d'une source de tension 480 (par exemple, une source de tension CA).Ainsi, une différence de tension continue entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434 change la fréquence naturelle du dispositif 400, tandis qu'une différence de tension CA entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) fait osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré.
En référence à la figure 1H est expliqué ci-après le fonctionnement du dispositif 400 selon un autre mode de réalisation. Les dents de peigne rotatives 416 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 424, pour recevoir une tension continue de la source de tension 476 (par exemple, une source de tension CC). Les dents de peigne stationnaires 434 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 436, pour recevoir une tension oscillante de la source de tension CA 480. Les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 472, pour recevoir une tension continue de la source de tension CC 478.Entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434, une différence de tension continue change la fréquence naturelle et l'amplitude de rotation du dispositif 400, tandis qu'une tension CA fait osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré. Par ailleurs, une différence de tension continue entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) peut également être utilisée pour changer l'amplitude de l'angle de rotation du dispositif 400. La capacité entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 peut également être détectée par les plots d'assemblage respectifs 436 et 472, pour déterminer l'angle de rotation du dispositif 400.
En référence à la figure 11 est expliqué ci-après le fonctionnement du dispositif 400 selon un autre mode de réalisation. Les dents de peigne rotatives 416 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 424, pour recevoir une tension oscillante de la source de tension CA 480. Les dents de peigne stationnaires 434 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 436, pour recevoir une tension continue de la source de tension CC 476. Les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 472, pour recevoir une tension continue de la source de tension CC 478.Entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434, une différence de tension continue change la fréquence naturelle et l'amplitude de rotation du dispositif 400, tandis qu'une différence de tension CA entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434 fait osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré. Une différence de tension continue entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) peut également être utilisée pour changer l'amplitude de l'angle de rotation du dispositif 400. La capacité entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 peut également être détectée par les plots d'assemblage respectifs 436 et 472, pour déterminer l'angle de rotation du dispositif 400.
En référence à la figure 1J est expliqué ci-après le fonctionnement du dispositif 400 selon un autre mode de réalisation. Les dents de peigne rotatives 416 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 424, pour recevoir une tension continue de la source de tension CC 476. Les dents de peigne stationnaires 434 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 436, pour recevoir une tension oscillante d'une source de tension CA 480A. Les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 472, pour recevoir une tension oscillante d'une source de tension CA 480B. La tension oscillante fournie par la source de tension CA 480B est hors phase (par exemple, de 180 degrés hors phase) par rapport à la tension oscillante fournie par la source de tension 480A.Entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434, une différence de tension continue change la fréquence naturelle et l'amplitude de rotation du dispositif 400, tandis qu'une différence de tension CA fait osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré. Une différence de tension CA entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E) peut également être utilisée pour faire osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré. La capacité entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 peut également être détectée par les plots d'assemblage respectifs 436 et 472, pour déterminer l'angle de rotation du dispositif 400.
En référence à la figure 1K est expliqué ci-après le fonctionnement du dispositif 400 selon un autre mode de réalisation.
Les dents de peigne rotatives 416 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 424, pour recevoir une tension oscillante de la source de tension CA 480A. Les dents de peigne stationnaires 434 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 436, pour recevoir une tension continue de la source de tension CC 476. Les dents stationnaires de peigne 474 (figures 1D et 1E) sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 472, pour recevoir une tension oscillante de la source de tension CA 480B. Entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 434, une différence de tension CC change la fréquence naturelle et l'amplitude de rotation du dispositif 400, tandis qu'une différence de tension CA fait osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré.Entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 (figures 1D et 1E), une différence de tension CC peut également être utilisée pour changer l'amplitude de l'angle de rotation du dispositif 400, tandis qu'une différence de tension oscillante peut également être utilisée pour faire osciller le miroir à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré. La capacité entre les dents de peigne rotatives 416 et les dents de peigne stationnaires 474 peut également être détectée par les plots d'assemblage respectifs 436 et 472, pour déterminer l'angle de rotation du dispositif 400.
Les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 illustrent un dispositif de miroir de balayage 600 de type SMEM selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 600 comporte une couche supérieure 602 (figures 3 et 4) assemblée sur une couche inférieure 604, mais électriquement isolée de cette dernière (figures 6 et 7).
En référence aux figures 3 et 4, la couche supérieure 602 comporte un miroir ovale 606 avec une largeur A et une longueur B. Le miroir 606 est séparé des éléments environnants (par exemple, plot d'assemblage 636) par les interstices 609A et 609B ayant une largeur C. La largeur C des interstices 609A et 609B est prévue plus grande que les largeurs des interstices autour des éléments plus fragiles, de sorte que tout gaz emprisonné puisse s'échapper autour du miroir 606 au lieu des éléments fragiles pendant l'opération de gravure.Les repères d'alignement 666 sont formés dans le plot d'assemblage 636, pour aligner d'autres éléments sur le dispositif 600.
Les côtés opposés du miroir 606 sont connectés par de multiples fixations de support 610 aux extrémités proches des structures en forme de poutre 612A et 612B. En connectant le miroir 606 à de multiples endroits aux poutres 612A et 612B, la déformation dynamique du miroir 606 est minimisée. La position et le nombre de fixations de support 610 peuvent être davantage raffinés par analyse d'éléments finie. Chacune de poutres 612A et 612B a une longueur D et une largeur E.
Les côtés opposés des poutres 612A et 612B autour d'un axe de rotation 614 sont connectés aux dents de peigne rotatives 616 (illustrées agrandies à la figure 5). Les dents de peigne rotatives 616 présentent, chacune, un corps effilé ayant une largeur de base F, une largeur d'extrémité G, une longueur H, et un pas W. En réduisant la grandeur et, de ce fait, le poids des dents de peigne rotatives 616 à ses extrémités, l'inertie de toute la structure est réduite. En réduisant l'inertie structurale, la vitesse de balayage peut être augmentée ou/et la tension d'entraînement peut être réduite. Dans un mode de réalisation, les dents de peigne rotatives 616 créent la force de polarisation électrostatique utilisée pour augmenter l'efficacité d'entraînement de la structure mobile en accordant sa fréquence modale.Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne rotatives 616 créent la force d'entraînement électrostatique pour entraîner le miroir. Dans un autre mode de réalisation encore, les dents de peigne rotatives 616 créent la force de polarisation électrostatique et la force d'entraînement électrostatique.
Les poutres 612A et 612B sont connectées par des ressorts hélicoïdaux (également connus comme "charnières") aux plots d'assemblage montés sur la couche inférieure 604. De manière spécifique, la poutre 612A présente une extrémité distale connectée par un ressort hélicoïdal 622-1 à un plot d'assemblage 624. Par ailleurs, la poutre 612A présente un segment central connecté par (1) les ressorts hélicoïdaux 622-2 et 622-3 à un plot d'assemblage 626-1 formé dans la poutre 612A, (2) les ressorts hélicoïdaux 622-4 et 622-5 à un plot d'assemblage 626-2 formé dans la poutre 612A, (3) les ressorts hélicoïdaux 622-6 et 622-7 à un plot d'assemblage 626-3 formé dans la poutre 612A, et (4) les ressorts hélicoïdaux 622-8 et 622-9 à un plot d'assemblage 626-4 formé dans la poutre 612A.
De même, la poutre 612B présente une extrémité distale connectée par un ressort hélicoïdal 628-1 à un plot d'assemblage 630. Par ailleurs, la poutre 612B présente un segment central connecté par (1) les ressorts hélicoïdaux 628-2 et 628-3 à un plot d'assemblage 632-1 formé dans la poutre 612B, (2) les ressorts hélicoïdaux 628-4 et 628-5 à un plot d'assemblage 632-2 formé dans la poutre 612B, (3) les ressorts hélicoïdaux 628-6 et 628-7 à un plot d'assemblage 632-3 formé dans la poutre 612B, et (4) les ressorts hélicoïdaux 628-8 et 628-9 à un plot d'assemblage 632-4 formé dans la poutre 612B.
Ainsi, les poutres 612A et 612B sont connectées par des ressorts de manière répartie le long de l'axe de rotation 614 du miroir 606. Chacun de ressorts hélicoïdaux 622 et 628 a une largeur I (figure 4) et se compose de cinq segments ayant une longueur J. Chacun de plots d'assemblage 626 et 632 a une grandeur K et une largeur L.
En ajustant soigneusement la répartition de la rigidité et l'emplacement des ressorts, toutes les fréquences modales de la structure mobile peuvent être effectivement séparées et le mode de rotation désiré peut être prévu à la fréquence de résonance la plus basse. Etant donné que la fréquence de résonance principale est la plus basse et très éloignée d'autres fréquences modales structurelles, la rotation du miroir n'activera aucun autre mode de vibration non désiré. A l'aide de multiples ressorts, la sollicitation et la contrainte maximales sur chaque ressort sont inférieures à celles de conceptions de miroir de balayage conventionnelles supportées uniquement par une paire de poutres de torsion.Etant donné que la sollicitation et la contrainte sur chaque ressort sont réduites, la fiabilité de chaque ressort est améliorée et l'angle de rotation est augmenté.
La couche supérieure 602 comporte, par ailleurs, des dents de peigne stationnaires 634 (illustrées agrandies à la figure 5) qui sont interdigitées dans un plan avec les dents de peigne rotatives 616. Les dents de peigne stationnaires 634 présentent, chacune, un corps effilé ayant une largeur de base M, une largeur d'extrémité N, une longueur 0, un espacement constant P par rapport aux dents de peigne rotatives 634 et un pas W. Dans un mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 634 créent la force de polarisation électrostatique utilisée pour augmenter l'efficacité d'entraînement de la structure mobile en accordant sa fréquence modale. Dans un autre mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 634 créent la force d'entraînement électrostatique pour entraîner le miroir 606.Dans un autre mode de réalisation encore, les dents de peigne stationnaires 634 créent la force de polarisation électrostatique et la force d'entraînement électrostatique. Les dents de peigne stationnaires 634 sont connectées au plot d'assemblage 636 monté sur la couche inférieure 604.
Un plot 652 est défini après que la couche supérieure 602 soit gravée, pour former les plots d'assemblage 624 et 636. Le plot 652 est séparé d'une distance AJ des plots d'assemblage 624 et 636. Par ailleurs, le plot d'assemblage 636 est séparé des interstices 609A et 609B d'au moins une distance AK.
En référence aux figures 6 et 7, la couche inférieure 604 comporte une nervure 660 qui est assemblée à la surface inférieure du miroir 606. La nervure 660 sert à raidir le miroir 606 sans augmenter de manière significative la masse de miroir. Aussi, elle minimise la déformation dynamique du miroir 606. En minimisant la déformation dynamique totale du miroir 606, la résolution optique du dispositif 600 est améliorée. La nervure 660 est séparée des éléments de la couche inférieure 604 par un interstice 665. La nervure 660 a une forme ovale, les traverses horizontales étant interconnectées avec les traverses verticales. La forme de la nervure 660 peut être davantage raffinée par analyse d'éléments finie.
La couche inférieure 604 comporte des surfaces d'ancrage des plots d'assemblage dans la couche supérieure 602. De manière spécifique, (1) les plots d'ancrage 668-1, 668-2, 668-3, 668-4 offrent des surfaces de montage des plots d'assemblage correspondants 626-1, 626-2, 626-3 et 626-4 (figure 3), (2) les plots d'ancrage 670-1, 670-2, 670-3 et 670-4 offrent des surfaces de montage des plots d'assemblage correspondants 632-1, 632-2, 632-3 et 632-4 (figure 4), et (3) le plot d'ancrage 672 offre une surface de montage des plots d'assemblage 624, 630, 636 et 652 (figures 3 et 4).
La couche inférieure 604 comporte des dents de peigne stationnaires opposées 674 et 675 (illustrées agrandies à la figure 8) qui sont interdigitées hors plan avec les dents de peigne rotatives 616. En d'autres termes, elles sont interdigitées lorsque vues de dessus ou lorsque le miroir 606 est tourné. Les dents de peigne stationnaires 674 présentent, chacune, un corps effilé avec une largeur de base Q, une largeur d'extrémité R, une longueur S et un pas W. Les extrémités des dents de peigne stationnaires 674 se situent à une distance X d'une ligne de centre 615 qui coïncide avec l'axe de rotation 614. Les dents stationnaires de peigne 675 présentent, chacune, un corps effilé avec une largeur de base T, une largeur d'extrémité U, une longueur V et un pas W.Les extrémités des dents de peigne stationnaires 675 se situent à une distance Y de la ligne de centre 615. Un interstice 682 est prévu entre les dents de peigne stationnaires 674 et 675 et le plot d'ancrage 672. L'interstice 682 a une largeur plus grande que les interstices entre les dents de peigne stationnaires adjacentes 474, de sorte que l'interstice 682 soit gravé plus profond dans la couche inférieure 604. Un interstice 682 plus profond permet que les dents de peigne rotatives 616 tournent selon un plus grand angle sans entrer en contact avec la couche inférieure 604.
Dans un mode de réalisation, les capacités entre les dents de peigne rotatives 616 et les dents de peigne stationnaires 674 et 675 sont détectées, pour déterminer la position de rotation du miroir. Dans un mode de réalisation, les dents de peigne stationnaires 674 présentent une plus grande superficie que les dents de peigne stationnaires 675, de sorte que la capacité générée lorsque les dents de peigne rotatives 616 tournent dans les dents de peigne stationnaires 674 soit plus grande que la capacité générée lorsque les dents de peigne rotatives 616 tournent dans les dents de peigne stationnaires 675. Ainsi, la direction de rotation de miroir peut être détectée.
La figure 9 illustre un procédé 800 pour réaliser le dispositif 600 selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé commence à une étape 0' par une plaquette de silicium 802 présentant une couche de dioxyde de silicium 804 formée sur la surface supérieure et une couche de dioxyde de silicium 806 formée sur la surface inférieure. La plaquette 802 est utilisée pour former la couche inférieure 604 (figures 6 et 7) du dispositif 600. La plaquette de silicium 802 a une épaisseur Z, la couche de dioxyde de silicium 804 a une épaisseur AA, et la couche de dioxyde de silicium 806 a une épaisseur AB.
A l'étape 1', un photorésiste 808 est déposé sur la couche d'oxyde 806, exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir un ou plusieurs repères d'alignement lithographiques 811 (illustrés à l'étape 3').
A l'étape 2', la surface inférieure de la plaquette 802 est gravée, pour enlever les parties de la couche d'oxyde 806 laissées non protégées par le photorésiste 808. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 806 est gravée en sec. La surface supérieure de la plaquette 802 est déposée avec un photorésiste 810, pour la protéger contre la gravure de la surface inférieure.
A l'étape 3', la surface inférieure de la plaquette 802 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 802 laissées non protégées par la couche d'oxyde 806, pour former les repères d'alignement lithographiques 811. Après la gravure en sec du silicium, les photorésistes restants 808 et 810 sont décochés.
A l'étape 4', le photorésiste 810 est à nouveau appliqué et est exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir la nervure 660 (figure 6), les plots d'ancrage 668-1 à 668-4, 670-1 à 6704, et 672 (figures 6 et 7) et les dents de peigne stationnaires 674 et 675 (figures 6, 7, et 8) sur la surface supérieure de la plaquette 802. Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 811 sur la surface inférieure de la plaquette.
A l'étape 5', la surface supérieure de la plaquette 802 est gravée, pour éliminer les parties de la couche d'oxyde 804 laissées non protégées par le photorésiste 810. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 804 est gravée en sec.
A l'étape 6', la surface supérieure de la plaquette 802 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 802 laissées non protégées par la couche d'oxyde 804, pour former la nervure 660 (figure 6), les plots d'ancrage 668-1 à 668-4, 670-1 à 670-4 et 672 (figures 6 et 7) et les dents de peigne stationnaires 674 et 675 (figures 6, 7, et 8). La nervure 660 est dégagée par gravure des autres éléments, tandis que les plots d'ancrage 668-1 à 668-4, 670-1 à 670-4 et 672 sont gravés à une hauteur CA, et les dents de peigne 674 et 675 sont gravées à une hauteur AD. Ensuite, le photorésiste restant 810 est décoché et les couches d'oxyde 804 et 806 sont éliminées par gravure en humide ou en sec.
A l'étape 7', une plaquette de silicium 812 est assemblée à la surface supérieure de la plaquette 802. La plaquette 812 présente une couche de dioxyde de silicium 814 formée sur la surface supérieure de la plaquette et une couche de dioxyde de silicium 816 formée sur la surface inférieure de la plaquette. La plaquette 812 est utilisée pour former la couche supérieure 602 (figures 3 et 4) du dispositif 600. La plaquette de silicium 812 a une épaisseur AE, la couche de dioxyde de silicium 814 a une épaisseur AF et la couche de dioxyde de silicium 816 a une épaisseur AG. Dans un mode de réalisation, les plaquettes 812 et 802 sont assemblées par fusion de silicium.
A l'étape 8', un photorésiste 818 est déposé sur la couche d'oxyde 814, exposé et développé selon un procédé lithographique, pour définir les éléments de la couche supérieure 602 (figures 3, 4, et 5). Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 811 sur la surface inférieure de la plaquette. A l'étape 8' sont également définis un ou plusieurs repères d'alignement lithographiques 821 (illustrés à l'étape Il') et un fossé de séparation 819 (illustré à l'étape Il').
A l'étape 9', la surface supérieure de la plaquette 812 est gravée, pour éliminer les parties de la couche d'oxyde 814 laissées non protégées par le photorésiste 818. Dans un mode de réalisation, la couche d'oxyde 814 est gravée en sec. Ensuite, le photorésiste restant 818 est décoché.
A l'étape 10', la surface supérieure de la plaquette 812 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 812 laissées non protégées par la couche d'oxyde 814, pour former les éléments de la couche supérieure 602 (figures 3, 4, 5). Dans un mode de réalisation, la plaquette 812 est gravée à l'aide d'un procédé DRIE jusqu'à l'arrêt de gravure formé par la couche d'oxyde 816. Lorsque le haut du dispositif 600 est percé par gravure, le gaz emprisonné entre les plaquettes assemblées 802 et 812 peut s'échapper et endommager les éléments fragiles tels que les dents de peigne et les ressorts hélicoïdaux.Pour éviter de tels dégâts, les interstices 609A et 609B (figure 3) autour du miroir 606 (figure 3) sont prévus plus grands que les interstices autour des autres éléments, de sorte que la couche d'oxyde 816 sous les interstices 609A et 609B soit exposée avant les autres interstices. Cela permet que l'air s'échappe autour du miroir 606, lequel est un élément structurellement résistant.
A l'étape 11', un photorésiste 820 est déposé sur la surface inférieure de la plaquette 802, exposé et développé sur la surface inférieure de la plaquette 802, pour définir le fossé de séparation 809 (illustré à l'étape 12') et l'interstice 665 (figure 6 et étape 12') pour séparer la nervure 660 (figure 6) de la couche inférieure 604 (figure 6). Le masque utilisé est aligné sur les repères d'alignement lithographiques 821 sur la surface supérieure de la plaquette.
A l'étape 12', la surface inférieure de la plaquette 802 est gravée, pour éliminer les parties de la plaquette 802 laissées non protégées par le photorésiste 820, pour former le fossé de séparation 809 et pour séparer la nervure 660 (figure 6) de la couche inférieure 604 (figure 6). Le fossé de séparation 809 a une profondeur AH. Dans un mode de réalisation, la plaquette 802 est gravée à l'aide d'un procédé DRIE.
A l'étape 13', des parties de la couche d'oxyde 816 sont éliminées de la structure, pour libérer les différents éléments du dispositif 600, tout en maintenant les assemblages entre l'assemblage correspondant et les plots d'ancrage, et entre le miroir et la nervure. Dans un mode de réalisation, des parties de la couche d'oxyde 816 sont éliminées à l'aide d'une gravure en humide à l'acide fluorhydrique.
A l'étape 14', la surface supérieure du miroir 606 (figure 3) est déposée avec un matériau réfléchissant (par exemple, de l'aluminium), pour créer une surface de miroir. Dans un mode de réalisation, un masque perforé est utilisé pour définir les zones à déposer avec le matériau réfléchissant.
A l'étape 15', les dispositifs 600 réalisés à partir des plaquettes 802 et 812 sont séparés. Dans un mode de réalisation, les plaquettes 802 et 812 sont séparées en découpant à travers les fossés de séparation 809 et 819 (illustrés à l'étape 14').
Dans un mode de réalisation de l'invention, les dimensions du dispositif 600 sont les suivantes :
DETAILED DESCRIPTION OF SOME MODES OF REALIZATIONPREFERES
Figure 1A illustrates a SMEM-type scanning mirror device 400 according to one embodiment of the invention. The device 400 comprises an upper layer 402 assembled on a lower layer 404, but electrically isolated from the latter.
Figures 1B and 1C illustrate the details of the upper layer 402. The upper layer 402 has an upper mirror layer 406 having an oval shape. The upper mirror layer 406 has ditches / grooves 408 on its upper surface. The ditches 408 reduce the mass of the upper mirror layer 406, which in turn minimizes the total dynamic strain. By minimizing the total dynamic strain, the optical resolution of the device 400 is improved. Although illustrated as extending along the entire upper surface, the ditches 408 may be most effective when placed along the outer periphery of the upper mirror layer 406, away from an axis of rotation 414.As described below, the ditches 408 may be etched together with other elements, controlling their width so that they are not etched through the upper mirror layer 406. Alternatively, a shadow mask may be used to protect the upper mirror layer 406 during etching, to prevent ditches 408 from being etched therethrough. The positions and the number of ditches 408 can be refined by finite element analysis. The gaps 409A and 409B separate the upper mirror layer 406 from the surrounding elements in the upper layer 402.As described below, the width of the gaps 409A and 409B is greater than the widths of the gaps around more fragile elements, so that any trapped gas can escape around the upper mirror layer 406 instead of the brittle elements during the etching operation.
Opposite sides of the upper mirror layer 406 are connected by multiple support fasteners 410 at the ends close to the beam-like structures 412A and 412B. By connecting the upper mirror layer 406 in several places to the beams 412A and 412B, the dynamic deformation of an upper mirror layer 406 is minimized. The positions and the number of media attachments 410 may be refined by finite element analysis.
The opposite sides of the beams 412A and 412B about an axis of rotation 414 are connected to the rotating comb teeth 416. The rotary comb teeth 416 each have a tapered body which consists of a rectangular end segment which has a smaller section than a basic rectangular segment. By reducing the size and thereby the weight of the rotating comb teeth 416 at their ends, the inertia of the entire structure is reduced. By reducing the structural inertia, the scanning speed can be increased and / or the drive voltage can be reduced. In one embodiment, the rotating comb teeth 416 create the electrostatic biasing force used to increase the driving efficiency of the mobile structure by tuning its modal frequency. In another embodiment, the rotary comb teeth 416 create the electrostatic drive force for driving the mirror. In yet another embodiment, the rotating comb teeth 416 create the electrostatic biasing force and the electrostatic driving force.
The beams 412A and 412B are connected by helical springs to the assembly pads mounted on the lower layer 404. Specifically, the beam 412A has a distal end connected by a helical spring 422-1 to an assembly pad 424, and a central segment connected by helical springs 422-2 and 422-3 to an assembly pad 426 formed in the beam 412A. Similarly, the beam 412B has a distal end connected by a helical spring 428-1 to an assembly pad 430, and a central segment connected by helical springs 428-2 and 428-3 to an assembly pad 432 formed in the beam 412B. Thus, the beams 412A and 412B are connected by springs distributed along the axis of rotation 414 of an upper mirror layer 406. The beams 412A and 412B may include holes 433, to reduce their mass.
By carefully adjusting the stiffness distribution and the location of the springs, all the modal frequencies of the moving structure can be effectively separated and the desired rotation mode can be provided at the lowest resonant frequency. Since the main resonant frequency is the lowest and far from other structural modal frequencies, the rotation of the mirror will not activate any other undesired vibration mode. With multiple springs, the maximum stress and stress on each spring are lower than those of conventional scanning mirror designs supported only by a pair of torsion beams. Since the bias and stress on each spring are reduced, the reliability of each spring is improved and the angle of rotation is increased.
The upper layer 402 may comprise stationary comb teeth 434 which are interdigitated in a plane with the rotating comb teeth 416. The stationary comb teeth 434 may have a tapered body such as the rotary comb teeth 416. In one embodiment the stationary comb teeth 434 create the electrostatic biasing force used to increase the driving efficiency of the mobile structure by tuning its modal frequency. In another embodiment, the stationary comb teeth 434 create the electrostatic driving force to drive the upper mirror layer 406. In yet another embodiment, the stationary comb teeth 434 create the electrostatic biasing force and the electrostatic driving force. The stationary comb teeth 434 are connected to the assembly pad 436 mounted on the lower layer 404.
FIGS. 1D, 1E, 1F and 1G illustrate the details of a lower layer 404. The lower layer 404 has a lower mirror layer 460 having a projection 462 from an oval plate 464. A gap 465 separates the lower mirror layer 460 surrounding elements in the lower layer 404. As shown in FIG. 1F, the lower surface of the plate 464 serves as a reflecting surface and other structures can be aligned on the mirror by means of assembly alignment marks. 466 on the bottom of the lower layer 404. The upper surface 467 of the lower mirror layer 460 is joined to the lower surface of the upper mirror layer 406, to form the final mirror. As shown in FIG. 1G, the mirror final has a beam-like structure I, wherein the upper mirror layer 406 forms the upper flange, the projection 462 forms the core, and the plate 464 forms the lower flange. ieure. The beam-like structure I removes most of the mirror mass and stiffens the mirror structure. Also, it minimizes the dynamic deformation of the lower mirror surface. By minimizing the total dynamic deformation of the lower mirror surface, the optical resolution of the device 400 is improved. The shape of the beam-like structure I can be refined by finite element analysis.
The lower layer 404 has anchoring surfaces of the assembly pads of the mobile structure in the upper layer 402. Specifically, the anchor pads 468 and 470 provide mounting surfaces of the corresponding assembly pads 426 and 432, and the anchor pad 472 provides a mounting surface for the support assembly pads 424, 430 and 436.
Lower layer 404 has stationary comb teeth 474 that are interdigitally out of plane with rotating comb teeth 416. In other words, they are interdigitated when viewed from above or when the final mirror is rotated. The stationary comb teeth 474 may have a tapered body such as the comb teeth 416 and 434. With reference to FIG. 1E, a gap 482 is provided between the stationary comb teeth 474 and the anchor stud 472. The interstice 482 has a larger width than the adjacent stationary tooth gaps 484 474, so that the gap 482 is etched deeper into the lower layer 404 than the gaps 484. A deeper gap 482 allows the rotating comb teeth 416 rotate at a greater angle without contacting the lower layer 404. In one embodiment, the stationary comb teeth 474 create the electrostatic driving force to drive the final mirror. In another embodiment, the stationary comb teeth 474 create the electrostatic biasing force used to increase the driving efficiency of the mobile structure. In another embodiment, the stationary comb teeth 474 create both the electrostatic driving force and the electrostatic biasing force. In yet another embodiment, the capacitance between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 is detected to determine the rotational position of the mirror.
FIG. 2 illustrates a method 500 for producing the device 400 according to one embodiment of the invention. The process begins at a step 0 by a silicon wafer 502 having a silicon dioxide layer 504 formed on the upper surface and a silicon dioxide layer 506 formed on the lower surface. The wafer 502 is used to form the lower layer 404 (FIG. 1 E) of the device 400.
In step 1, a photoresist 508 is deposited on the oxide layer 506, exposed and developed in a lithographic process, to define one or more lithographic alignment marks 511 (illustrated in step 3).
In step 2, the lower surface of the wafer 502 is etched to remove portions of the oxide layer 506 left unprotected by the photoresist 508. In one embodiment, the oxide layer 506 is etched into dry. The upper surface of the wafer 502 is deposited with a photoresist 510 to protect it from the etching of the lower surface.
In step 3, the lower surface of wafer 502 is etched to remove portions of wafer 502 left unprotected by oxide layer 506 to form lithography alignment marks 511. After etching dry silicon, the remaining photoresists 508 and 510 are unchecked.
In step 4, the photoresist 510 is again applied and is exposed and developed according to a lithographic process, to define the lower mirror layer 460 (FIG. 1E), the surfaces 468, 470 and 472 (FIG. stationary comb teeth 474 (FIG. 1E) on the upper surface of the wafer 502. The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 511 on the lower surface of the wafer.
In step 5, the upper surface of wafer 502 is etched to remove portions of oxide layer 504 left unprotected by photoresist 510. In one embodiment, oxide layer 504 is etched into dry.
In step 6, the upper surface of the wafer 502 is etched to remove portions of the wafer 502 left unprotected by the oxide layer 504 to form the lower mirror layer 460 (FIG. 468, 470 and 472 and stationary comb teeth 474 (FIG. 1E). Then, the remaining photoresist 510 is unchecked and the oxide layers 504 and 506 are removed by wet etching.
In step 7, a silicon wafer 512 is assembled to the upper surface of the wafer 502. The wafer 512 has a silicon dioxide layer 514 formed on the upper surface of the wafer and a layer of silicon dioxide 516 formed on the lower surface of the wafer. The wafer 512 is used to form the upper layer 402 (FIG. 1C) of the device 400. In one embodiment, the wafers 512 and 502 are assembled by silicon fusion.
In step 8, a photoresist 518 is deposited on the oxide layer 514, exposed and developed according to a lithographic process, to define the elements of the upper layer 402 (FIG. 1C). The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 511 on the lower wafer surface. In step 8 are also defined one or more lithographic alignment marks 521 (illustrated in step 10) and a separation ditch 519 (illustrated in step 10). To engrave the ditches 408 (FIG. 1C), which are etched into the wafer 512 at a particular depth, together with the interstices surrounding the other elements, which are etched through the wafer 512, the dimensions of the ditches 408 and the interstices of the other elements are differentiated.
In step 9, the upper surface of the wafer 512 is etched to remove the portions of an oxide layer 514 left unprotected by the photoresist 518. In one embodiment, the oxide layer 514 is etched in sec. Then, the remaining photoresist 518 is unchecked.
In step 10, the upper surface of the wafer 512 is etched to remove the portions of the wafer 512 left unprotected by the oxide layer 514, to form the elements of the upper layer 402 (Figure 1C). In one embodiment, the wafer 512 is etched using a DRIE method, until the etching stop formed by the oxide layer 516. When the top of the device 400 is pierced by etching, the gas trapped between the assembled boards 502 and 512 can escape and damage fragile elements such as comb teeth.To avoid such damage, the gaps 409A and 409B (Figure 1C) around the upper mirror layer 406 ( Figure 1C) are provided larger than the interstices around the other elements, so that the oxide layer 516 under the gaps 409A and 409B is pierced by etching before the other interstices. This allows air to escape around the upper mirror layer 406, which is a structurally resistant member.
In step 11, the upper mirror surface is protected by a perforated mask surface 522 to prevent the upper mirror layer 406 from being pierced by etching. This step is optional if the inertia-reducing ditches 408 have a width that is smaller than other interstices, so that they are not pierced by etching. However, the shadow mask may be preferred to create the 408 inertia-reducing ditches having greater width, thereby eliminating more mass, and further reducing the inertia of the rotating structure.
In step 12, a photoresist 520 is deposited on the lower surface of the wafer 502, exposed and developed on the lower surface of the wafer 502, to define the assembly alignment marks 466 (FIG. 1F), the gap 509 (illustrated in step 13), and the gap 465 (Fig. 1E) for separating the lower mirror layer 460 (Fig. 1E) from the lower layer 404 (Fig. 1E). The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 521 on the upper platen surface.
In step 13, the lower surface of wafer 502 is etched to remove wafer portions 502 left unprotected by photoresist 520 to form assembly alignment marks 466 (FIG. 1F) and ditch. 509, and to separate the lower mirror layer 460 (Figure 1 E) from the layer 404 (Figure 1E). In one embodiment, the wafer 502 is etched using a DRIE method.
In step 14, portions of an oxide layer 516 are removed from the structure, to release the various elements of the device 400, while maintaining the assemblies between the corresponding assembly and the anchor pads. In one embodiment, portions of an oxide layer 516 are removed by wet etching with hydrofluoric acid.
In step 15, the bottom surface of a lower mirror layer 460 (Fig. 1F) is deposited with a reflective material (eg, aluminum) to create a mirror surface. In one embodiment, a shadow mask is used to define the areas to be deposited with the reflective material.
In step 16 are separated devices 400 made from wafers 502 and 512. In one embodiment, wafers 502 and 512 are separated by cutting through separation ditches 509 and 519 (illustrated in step 15). ).
Referring to Figure 1A is explained below the operation of the device 400 according to one embodiment. The rotary comb teeth 416 are coupled through the assembly pad 424 to receive a reference voltage from a voltage source 476 (eg, ground). The stationary comb teeth 434 are coupled via the assembly pad 436 to receive a DC voltage from a voltage source 478 (e.g., a DC voltage source). The stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) are coupled via the assembly pad 472, to receive an oscillating voltage of a voltage source 480 (for example, a source of AC voltage). a DC voltage difference between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 434 changes the natural frequency of the device 400, while a difference in AC voltage between the rotary comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 ( Figures 1D and 1E) oscillates the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle.
Referring to Figure 1H is explained below the operation of the device 400 according to another embodiment. The rotary comb teeth 416 are coupled through the assembly pad 424 to receive a DC voltage from the voltage source 476 (e.g., a DC voltage source). The stationary comb teeth 434 are coupled via the assembly pad 436 to receive an oscillating voltage of the AC voltage source 480. The stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) are coupled via assembly pad 472, for receiving a DC voltage from the DC voltage source 478.Between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 434, a DC voltage difference changes the natural frequency and the rotation amplitude of the device 400, while an AC voltage oscillates the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle. On the other hand, a continuous voltage difference between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) can also be used to change the amplitude of the rotation angle of the device 400. The capacitance between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 can also be detected by the respective assembly pads 436 and 472 to determine the rotation angle of the device 400.
Referring to Figure 11 is explained below the operation of the device 400 according to another embodiment. The rotary comb teeth 416 are coupled via the assembly pad 424 to receive an oscillating voltage of the AC voltage source 480. The stationary comb teeth 434 are coupled via the assembly pad 436. , to receive a DC voltage from the DC voltage source 476. The stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) are coupled via the assembly pad 472, to receive a DC voltage from the DC voltage source. 478.Between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 434, a DC voltage difference changes the natural frequency and the rotational amplitude of the device 400, while an AC voltage difference between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 434 oscillates the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle. A continuous voltage difference between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) can also be used to change the amplitude of the rotation angle of the device 400. The capacity between the teeth of rotary comb 416 and the stationary comb teeth 474 can also be detected by the respective assembly pads 436 and 472 to determine the rotation angle of the device 400.
Referring to Figure 1J is explained below the operation of the device 400 according to another embodiment. The rotary comb teeth 416 are coupled through the assembly pad 424 to receive a DC voltage from the DC voltage source 476. The stationary comb teeth 434 are coupled via the assembly pad 436. to receive oscillating voltage from a CA 480A voltage source. The stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) are coupled via the assembly pad 472 to receive an oscillating voltage of a CA 480B voltage source. The oscillating voltage supplied by the CA 480B voltage source is out of phase (e.g., 180 degrees out of phase) with respect to the oscillating voltage provided by the voltage source 480A. Between the rotary comb teeth 416 and the comb teeth stationary 434, a DC voltage difference changes the natural frequency and the rotational amplitude of the device 400, while an AC voltage difference oscillates the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle. An AC voltage difference between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) can also be used to oscillate the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle. The capacity between the rotary comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 can also be detected by the respective assembly pads 436 and 472 to determine the rotation angle of the device 400.
Referring to Figure 1K is explained below the operation of the device 400 according to another embodiment.
The rotary comb teeth 416 are coupled via the assembly pad 424 to receive an oscillating voltage of the AC voltage source 480A. The stationary comb teeth 434 are coupled via the assembly pad 436, to receive a DC voltage from the DC voltage source 476. The stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E) are coupled through assembly pad 472 for receiving an oscillating voltage of the CA 480B voltage source. Between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 434, a DC voltage difference changes the natural frequency and the rotation amplitude of the device 400, while a voltage difference CA oscillates the mirror at the frequency of desired scanning angle and between the desired scanning angle. Between the rotating comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 (FIGS. 1D and 1E), a DC voltage difference can also be used to change the amplitude of the angle rotating device 400, while an oscillating voltage difference can also be used to oscillate the mirror at the desired scanning frequency and at the desired scanning angle. The capacity between the rotary comb teeth 416 and the stationary comb teeth 474 can also be detected by the respective assembly pads 436 and 472 to determine the rotation angle of the device 400.
Figures 3, 4, 5, 6, 7 and 8 illustrate a scanning mirror device 600 SMEM type according to one embodiment of the invention. The device 600 comprises an upper layer 602 (FIGS. 3 and 4) assembled on a lower layer 604, but electrically insulated from the latter (FIGS. 6 and 7).
With reference to FIGS. 3 and 4, the upper layer 602 comprises an oval mirror 606 with a width A and a length B. The mirror 606 is separated from the surrounding elements (for example, assembly pad 636) by the interstices 609A and 609B having a width C. The width C of the gaps 609A and 609B is greater than the gap widths around the weaker elements, so that any trapped gas can escape around the mirror 606 instead of the brittle elements during operation. The alignment marks 666 are formed in the assembly pad 636 to align other elements on the device 600.
The opposite sides of the mirror 606 are connected by multiple support fasteners 610 at the ends close to the beam-like structures 612A and 612B. By connecting the mirror 606 at multiple locations to the beams 612A and 612B, the dynamic deformation of the mirror 606 is minimized. The position and the number of support fasteners 610 can be further refined by finite element analysis. Each of beams 612A and 612B has a length D and a width E.
The opposite sides of the beams 612A and 612B about an axis of rotation 614 are connected to the rotating comb teeth 616 (illustrated enlarged in FIG. 5). The rotating comb teeth 616 each have a tapered body having a base width F, an end width G, a length H, and a pitch W. By reducing the size and thereby the weight of the teeth rotary comb 616 at its ends, the inertia of the entire structure is reduced. By reducing the structural inertia, the scanning speed can be increased and / or the drive voltage can be reduced. In one embodiment, the rotating comb teeth 616 create the electrostatic biasing force used to increase the driving efficiency of the mobile structure by tuning its modal frequency. In another embodiment, the rotating comb teeth 616 create the electrostatic driving force to drive the mirror. In yet another embodiment, the rotating comb teeth 616 create the electrostatic biasing force and the electrostatic driving force.
The beams 612A and 612B are connected by helical springs (also known as "hinges") to the assembly pads mounted on the lower layer 604. Specifically, the beam 612A has a distal end connected by a helical spring 622-1 to an assembly pad 624. In addition, the beam 612A has a central segment connected by (1) the coil springs 622-2 and 622-3 to an assembly pad 626-1 formed in the beam 612A, (2 ) the helical springs 622-4 and 622-5 to an assembly pad 626-2 formed in the beam 612A, (3) the coil springs 622-6 and 622-7 to an assembly pad 626-3 formed in the beam 612A, and (4) the helical springs 622-8 and 622-9 to an assembly pad 626-4 formed in the beam 612A.
Similarly, the beam 612B has a distal end connected by a helical spring 628-1 to an assembly pad 630. Furthermore, the beam 612B has a central segment connected by (1) the coil springs 628-2 and 628- 3 to an assembly pad 632-1 formed in the beam 612B, (2) the coil springs 628-4 and 628-5 to an assembly pad 632-2 formed in the beam 612B, (3) the coil springs 628-6 and 628-7 to an assembly pad 632-3 formed in the beam 612B, and (4) the coil springs 628-8 and 628-9 to an assembly pad 632-4 formed in the beam 612B .
Thus, the beams 612A and 612B are spring-connected in a distributed manner along the axis of rotation 614 of the mirror 606. Each coil spring 622 and 628 has a width I (FIG. 4) and consists of five segments having a length J. Each of assembly pads 626 and 632 has a size K and a width L.
By carefully adjusting the stiffness distribution and the location of the springs, all the modal frequencies of the moving structure can be effectively separated and the desired rotation mode can be provided at the lowest resonant frequency. Since the main resonant frequency is the lowest and far from other structural modal frequencies, the rotation of the mirror will not activate any other undesired vibration mode. With multiple springs, the maximum stress and stress on each spring are lower than those of conventional scanning mirror designs supported only by a pair of torsion beams. Since the bias and stress on each spring are reduced, the reliability of each spring is improved and the angle of rotation is increased.
The upper layer 602 further includes stationary comb teeth 634 (illustrated enlarged in FIG. 5) which are interdigitated in a plane with the rotating comb teeth 616. The stationary comb teeth 634 each have a tapered body having a base width M, an end width N, a length 0, a constant spacing P with respect to the rotary comb teeth 634 and a pitch W. In one embodiment, the stationary comb teeth 634 create the force of electrostatic polarization used to increase the driving efficiency of the mobile structure by tuning its modal frequency. In another embodiment, the stationary comb teeth 634 create the electrostatic driving force to drive the mirror 606. In yet another embodiment, the stationary comb teeth 634 create the electrostatic polarization force and the electrostatic force. electrostatic drive. The stationary comb teeth 634 are connected to the assembly pad 636 mounted on the lower layer 604.
A pad 652 is defined after the top layer 602 is etched to form the assembly pads 624 and 636. The stud 652 is separated by a distance AJ from the joining studs 624 and 636. Furthermore, the stud assembly 636 is separated from interstices 609A and 609B by at least one distance AK.
Referring to Figures 6 and 7, the lower layer 604 has a rib 660 which is joined to the lower surface of the mirror 606. The rib 660 serves to stiffen the mirror 606 without significantly increasing the mirror mass. Also, it minimizes the dynamic deformation of the mirror 606. By minimizing the total dynamic deformation of the mirror 606, the optical resolution of the device 600 is improved. The rib 660 is separated from the elements of the lower layer 604 by a gap 665. The rib 660 has an oval shape, the horizontal crosspieces being interconnected with the vertical cross members. The shape of the rib 660 can be further refined by finite element analysis.
The lower layer 604 has anchoring surfaces of the assembly pads in the upper layer 602. Specifically, (1) the anchor pads 668-1, 668-2, 668-3, 668-4 provide mounting surfaces of the corresponding mounting pads 626-1, 626-2, 626-3 and 626-4 (Figure 3), (2) the anchor pads 670-1, 670-2, 670-3 and 670 -4 provide mounting surfaces of the corresponding mounting pads 632-1, 632-2, 632-3 and 632-4 (Figure 4), and (3) the anchor pad 672 provides a mounting surface of the pads 624, 630, 636 and 652 (Figures 3 and 4).
The lower layer 604 has opposing stationary comb teeth 674 and 675 (shown enlarged in FIG. 8) which are interdigitally out-of-plane with the rotating comb teeth 616. In other words, they are interdigitated when viewed from above or when mirror 606 is rotated. The stationary comb teeth 674 each have a tapered body with a base width Q, an end width R, a length S, and a pitch W. The ends of the stationary comb teeth 674 are at a distance X a center line 615 which coincides with the axis of rotation 614. The stationary comb teeth 675 each have a tapered body with a base width T, an end width U, a length V and a pitch W The ends of the stationary comb teeth 675 are at a distance Y from the center line 615. A gap 682 is provided between the stationary comb teeth 674 and 675 and the anchor pad 672. The gap 682 has greater width than the interstices between adjacent stationary comb teeth 474, so that the gap 682 is etched deeper into the lower layer 604. A deeper gap 682 allows the rotating comb teeth 616 to rotate at a greater distance. nd angle without contacting the lower layer 604.
In one embodiment, the capacities between the rotating comb teeth 616 and the stationary comb teeth 674 and 675 are detected to determine the rotational position of the mirror. In one embodiment, the stationary comb teeth 674 have a larger area than the stationary comb teeth 675, so that the capacity generated when the rotating comb teeth 616 rotate in the stationary comb teeth 674 is greater than the capacity generated as the rotating comb teeth 616 rotate in the stationary comb teeth 675. Thus, the direction of mirror rotation can be detected.
FIG. 9 illustrates a method 800 for producing the device 600 according to one embodiment of the invention. The process begins at a step 0 'with a silicon wafer 802 having a silicon dioxide layer 804 formed on the upper surface and a silicon dioxide layer 806 formed on the lower surface. The wafer 802 is used to form the lower layer 604 (FIGS. 6 and 7) of the device 600. The silicon wafer 802 has a thickness Z, the silicon dioxide layer 804 has a thickness AA, and the silicon dioxide layer 806 has a thickness AB.
In step 1 ', a photoresist 808 is deposited on the oxide layer 806, exposed and developed in a lithographic process, to define one or more lithographic alignment marks 811 (illustrated in step 3').
In step 2 ', the lower surface of wafer 802 is etched to remove portions of oxide layer 806 left unprotected by photoresist 808. In one embodiment, oxide layer 806 is etched in sec. The upper surface of the wafer 802 is deposited with a photoresist 810, to protect against etching of the lower surface.
In step 3 ', the lower surface of wafer 802 is etched to remove portions of wafer 802 left unprotected by oxide layer 806 to form lithographic alignment marks 811. After etching dry silicon, the remaining photoresists 808 and 810 are unchecked.
In step 4 ', the photoresist 810 is again applied and is exposed and developed according to a lithographic process, to define the rib 660 (Figure 6), the anchor pads 668-1 to 668-4, 670-1 6704, and 672 (FIGS. 6 and 7) and the stationary comb teeth 674 and 675 (FIGS. 6, 7, and 8) on the upper surface of the wafer 802. The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 811 on the lower surface of the wafer.
In step 5 ', the upper surface of wafer 802 is etched to remove portions of oxide layer 804 left unprotected by photoresist 810. In one embodiment, oxide layer 804 is etched in sec.
In step 6 ', the upper surface of the wafer 802 is etched, to remove the wafer portions 802 left unprotected by the oxide layer 804, to form the rib 660 (FIG. 6), the pads 668-1 to 668-4, 670-1 to 670-4 and 672 (Figures 6 and 7) and stationary comb teeth 674 and 675 (Figures 6, 7, and 8). The rib 660 is etched away from the other elements, while the anchor pads 668-1 to 668-4, 670-1 to 670-4 and 672 are etched at a height CA, and the comb teeth 674 and 675 are engraved at a height AD. Then, the remaining photoresist 810 is unchecked and oxide layers 804 and 806 are removed by wet etching.
In step 7 ', a silicon wafer 812 is assembled to the upper surface of the wafer 802. The wafer 812 has a silicon dioxide layer 814 formed on the upper surface of the wafer and a layer of silicon dioxide 816 formed on the lower surface of the wafer. The wafer 812 is used to form the upper layer 602 (FIGS. 3 and 4) of the device 600. The silicon wafer 812 has a thickness AE, the silicon dioxide layer 814 has a thickness AF and the silicon dioxide layer 816 has a thickness AG. In one embodiment, the wafers 812 and 802 are assembled by silicon fusion.
In step 8 ', a photoresist 818 is deposited on the oxide layer 814, exposed and developed in a lithographic process, to define the elements of the upper layer 602 (Figures 3, 4, and 5). The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 811 on the lower surface of the wafer. In step 8 'are also defined one or more lithographic alignment marks 821 (illustrated in step II') and a separation ditch 819 (illustrated in step II ').
In step 9 ', the upper surface of wafer 812 is etched to remove portions of oxide layer 814 left unprotected by photoresist 818. In one embodiment, oxide layer 814 is etched in sec. Then, the remaining photoresist 818 is unchecked.
In step 10 ', the upper surface of the wafer 812 is etched to remove portions of the wafer 812 left unprotected by the oxide layer 814, to form the elements of the upper layer 602 (FIGS. , 5). In one embodiment, the wafer 812 is etched using a DRIE method until the etching stop formed by the oxide layer 816. When the top of the device 600 is pierced by etching, the gas trapped between the assembled boards 802 and 812 can escape and damage fragile elements such as comb teeth and helical springs.To avoid such damage, the gaps 609A and 609B (Figure 3) around the mirror 606 (Figure 3 ) are provided larger than the interstices around the other elements, so that the oxide layer 816 under the interstices 609A and 609B is exposed before the other interstices. This allows air to escape around the mirror 606, which is a structurally resistant member.
In step 11 ', a photoresist 820 is deposited on the lower surface of the wafer 802, exposed and developed on the lower surface of the wafer 802, to define the separation gap 809 (illustrated in step 12') and gap 665 (Fig. 6 and step 12 ') to separate the rib 660 (Fig. 6) from the lower layer 604 (Fig. 6). The mask used is aligned with the lithographic alignment marks 821 on the upper surface of the wafer.
In step 12 ', the lower surface of the wafer 802 is etched to remove the portions of the wafer 802 left unprotected by the photoresist 820, to form the separation gap 809 and to separate the rib 660 (Fig. 6) of the lower layer 604 (Figure 6). The separation ditch 809 has a depth AH. In one embodiment, wafer 802 is etched using a DRIE method.
In step 13 ', portions of the oxide layer 816 are removed from the structure, to release the various elements of the device 600, while maintaining the assemblies between the corresponding assembly and the anchor pads, and between the mirror and the rib. In one embodiment, portions of the oxide layer 816 are removed by wet etching with hydrofluoric acid.
In step 14 ', the upper surface of the mirror 606 (Fig. 3) is deposited with a reflective material (eg, aluminum) to create a mirror surface. In one embodiment, a shadow mask is used to define the areas to be deposited with the reflective material.
In step 15 ', devices 600 made from platelets 802 and 812 are separated. In one embodiment, platelets 802 and 812 are separated by cutting through separation ditches 809 and 819 (illustrated in step 14 ').
In one embodiment of the invention, the dimensions of the device 600 are as follows:

Ci-après est expliqué le fonctionnement du dispositif 600 selon un mode de réalisation. Les dents de peigne rotatives 616 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 624, pour recevoir une tension de polarisation (par exemple, la terre ou une tension CC) d'une source de tension 676. Celle-ci est utilisée pour changer la fréquence naturelle du dispositif 600. Les dents de peigne stationnaires 634 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 636, pour recevoir une tension d'entraînement (par exemple, une tension CA avec ou sans dérive du zéro) d'une source de tension 678. Celle-ci est utilisée pour faire osciller le miroir 606 à la fréquence de balayage désirée et selon l'angle de balayage désiré.Les dents de peigne stationnaires 674 et 675 sont couplées par l'intermédiaire du plot d'assemblage 672 à un capacimètre 680. Celui-ci est utilisé pour détecter l'angle de rotation du miroir 606.
La figure 10 illustre une autre nervure 1060 qui peut être utilisée pour raidir le miroir 606 sans augmenter de manière significative la masse du miroir, selon un mode de réalisation de l'invention. La nervure 1060 comporte un segment central 1062 présentant trois poutres saillantes 1064 de chaque côté de la ligne de centre 615. Le segment central 1062 comporte également des trous 1066 qui réduisent la masse de la nervure 1060. La forme de la nervure 1060 peut être davantage raffinée par analyse d'éléments finie.
Différentes autres adaptations et combinaisons des dispositifs des modes de réalisation décrits tombent dans le cadre de l'invention. Par exemple, les dispositifs 400 et 600 peuvent être utilisés dans des applications d'impression laser, de balayage de codes barres, et de micro-visualisation. De nombreux modes de réalisation sont inclus dans les revendications qui suivent.
Hereinafter is explained the operation of the device 600 according to one embodiment. The rotating comb teeth 616 are coupled via the assembly pad 624 to receive a bias voltage (for example, ground or DC voltage) from a voltage source 676. This is used to to change the natural frequency of the device 600. The stationary comb teeth 634 are coupled via the assembly pad 636 to receive a drive voltage (e.g., AC voltage with or without zero drift) of a voltage source 678. This is used to oscillate the mirror 606 at the desired scanning frequency and at the desired scan angle. The stationary comb teeth 674 and 675 are coupled through the stud. assembly 672 to a capacitor 680. This is used to detect the rotation angle of the mirror 606.
Figure 10 illustrates another rib 1060 that can be used to stiffen the mirror 606 without significantly increasing the mass of the mirror, according to one embodiment of the invention. Rib 1060 has a central segment 1062 having three protruding beams 1064 on each side of center line 615. Central segment 1062 also has holes 1066 which reduce the mass of rib 1060. The shape of rib 1060 may be more refined by finite element analysis.
Various other adaptations and combinations of devices of the described embodiments fall within the scope of the invention. For example, devices 400 and 600 can be used in laser printing, barcode scanning, and micro-visualization applications. Many embodiments are included in the following claims.

REVENDICATIONS
1. Dispositif de miroir du type système micro-électromécanique (SMEM), comprenant :
un miroir comprenant une longueur de plus de 4000 et moins de 5500 microns, et une épaisseur de plus de 240 microns ; des poutres connectées au miroir, chaque poutre comprenant une pluralité des dents de peigne rotatives ; des plots d'assemblage ; et des ressorts, dans lequel chaque poutre est connectée par de multiples ressorts aux plots d'assemblage. A microelectromechanical system (SMEM) type mirror device, comprising:
a mirror having a length of more than 4000 and less than 5500 microns, and a thickness of more than 240 microns; beams connected to the mirror, each beam including a plurality of rotating comb teeth; assembly pads; and springs, wherein each beam is connected by multiple springs to the assembly pads.

Claims

The device of claim 1, wherein each beam comprises a width of greater than 800 and less than 1400 microns, a length of more than 3000 and less than 9000 microns, and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

The device of claim 1, wherein each rotary comb tooth comprises a base width of more than 8 and less than

14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 400 and less than 900 microns, a thickness of more than 120 and less than 240 microns and a step of more than

30 and less than 50 microns.

The device of claim 1, wherein each spring comprises a width of more than 20 and less than 60 microns, a total length of more than 600 microns and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

5. Device according to claim 1, wherein the mirror comprises a rib having horizontal crosspieces interconnected with vertical crosspieces, each cross-member having a thickness of more than 450 and less than 550 microns.

6. Device according to claim 1, wherein some of the assembly pads are defined in the beams and connected to at least one spring.

7. Device according to claim 6, wherein said some of the assembly pads each have a width and a height of more than 350 and less than 700 microns and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

The device of claim 1, further comprising a first plurality of stationary comb teeth, wherein the first plurality of stationary comb teeth and the plurality of rotating comb teeth are interdigitated in one plane.

The device of claim 8, wherein a space between each of the plurality of rotating comb teeth and each of the first plurality of stationary comb teeth is more than 8 and less than 14 microns.

The device of claim 8, wherein each of the first plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 8 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 400 and less than 900 microns, a thickness of more than 120 and less than 240 microns and a step of more than 30 and less than 50 microns.

Apparatus according to claim 8, wherein the plurality of rotating comb teeth are coupled to a first DC or oscillating voltage and the plurality of stationary comb teeth are coupled to a second DC or oscillating voltage.

The device of claim 8, further comprising a second plurality of stationary comb teeth and a third plurality of stationary comb teeth, wherein the second and third pluralities of stationary comb teeth are interdigitated out of plane with plurality. rotating comb teeth.

The device of claim 12, wherein each of the second plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 8 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 150 and less than 500 microns, a height of more than 250 and less than 450 microns and a pitch of more than 30 and less than 50 microns.

The device of claim 13, wherein each of the third plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 6 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 150 and less than 500 microns, a height of more than 250 and less than 450 microns and a pitch of more than 30 and less than 50 microns.

The device of claim 14, wherein the ends of the second plurality of stationary comb teeth are more than 500 and less than 700 microns from an axis of rotation, and the ends of the third plurality of comb teeth. stationary are more than 500 and less than 700 microns from the axis of rotation.

The device of claim 11, wherein the second and third pluralities of stationary comb teeth are coupled to a capacimeter to detect an angle of rotation of the mirror.

The device of claim 1, wherein a gap surrounding the mirror has a width of more than 150 and less than 350 microns.

The device of claim 17, wherein a stud around the mirror has a narrower thickness of more than 400 microns from the gap surrounding the mirror.

19. Device according to claim 1, comprising at least two beams, ten springs and six assembly pads.

The device of claim 1, wherein the device is used in an application selected from the group consisting of laser printing, barcode scanning and micro-viewing applications.

21. The device of claim 1, wherein the mirror comprises a rib comprising a central segment and beams emerging from opposite sides of the central segment, the rib having a thickness of more than 450 and less than 550 microns.

22. Mirror device of the microelectromechanical system type

(SMEM), comprising: a lower layer, comprising: a rib; a first plurality of stationary comb teeth; a second plurality of stationary comb teeth; anchor pads; an upper layer, comprising: a mirror having a lower surface joined to the rib, the mirror having a length of more than 4000 and less than 5500 microns and a thickness of more than 120 microns; beams connected to the mirror, each beam comprising a plurality of rotating comb teeth; assembly pads assembled on the anchor pads, but electrically isolated from the latter; springs, in which each beam is connected by the springs to the assembly pads; a third plurality of stationary comb teeth connected to one of the assembly pads; wherein the first and second pluralities of stationary comb teeth are interdigitally out-of-plane with the rotating comb teeth, and the third plurality of stationary comb teeth are interdigitated in a plane with the plurality of rotating comb teeth.

The apparatus of claim 22, wherein each beam comprises a width of more than 800 and less than 1400 microns, a length of more than 3000 and less than 9000 microns and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

The device of claim 22, wherein each rotary comb tooth comprises a base width of more than 8 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 400 and less than 900 microns, a thickness of more than 120 and less than 240 microns and a step over

30 and less than 50.

The device of claim 22, wherein each spring has a width of more than 20 and less than 60 microns, a total length of more than 600 microns and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

26. Device according to claim 22, wherein each cross-member has a thickness of more than 450 and less than 550 microns.

27. Device according to claim 22, wherein some of the assembly pads are defined in the beams and connected to at least one spring.

28. Device according to claim 27, wherein said some of the assembly pads each have a width and a height of more than 350 and less than 700 microns and a thickness of more than 120 and less than 240 microns.

The device of claim 22, wherein each of the first plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 8 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 150 and less than 500 microns, a height of more than 250 and less than 450 microns and a pitch of more than 30 and less than 50 microns.

The device of claim 29, wherein each of the second plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 6 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 150 and less than 500 microns, a height of more than 250 and less than 450 microns and a pitch of more than 30 and less than 50 microns.

The device of claim 30, wherein the ends of the second plurality of stationary comb teeth are more than 500 and less than 700 microns from an axis of rotation, and the ends of the third plurality of comb teeth. stationary are more than 500 and less than 700 microns from the axis of rotation.

Apparatus according to claim 30, wherein each of the third plurality of stationary comb teeth comprises a base width of more than 8 and less than 14 microns, an end width of more than 4 and less than 10 microns, a length of more than 400 and less than 900 microns, a thickness of more than 120 and less than 240 microns and a pitch of more than 30 and less than 50 microns.

Apparatus according to claim 22, wherein the plurality of rotating comb teeth are coupled to a first DC or oscillating voltage and the third plurality of stationary comb teeth are coupled to a second DC or oscillating voltage.

Apparatus according to claim 33, wherein the first and second pluralities of stationary comb teeth are coupled to a capacimeter to detect an angle of rotation of the mirror.

The device of claim 22, wherein a gap surrounding the mirror has a width of greater than 150 and less than 350 microns.

The device of claim 35, wherein said one assembly pad connected to the third plurality of stationary comb teeth has a narrowest thickness of more than 400 microns from the gap surrounding the mirror.

37. Device according to claim 22, comprising at least two beams, ten springs, six assembly pads and five anchor pads.

The device of claim 22, wherein a space between each of the plurality of rotating comb teeth and each of the third plurality of stationary comb teeth is more than 8 and less than 14 microns.

The device of claim 22, wherein the device is used in an application selected from the group consisting of laser printing, barcode scanning and micro-viewing applications.

40. Device according to claim 22, wherein the rib comprises horizontal crosspieces interconnected with vertical crosspieces, each cross-member having a thickness of more than 450 and less than 550 microns.

41. Device according to claim 22, wherein the rib comprises a central segment and beams emerging from the opposite sides of the central segment, the rib having a thickness of more than

450 and less than 550 microns.

42. Device according to claim 1, wherein the mirror comprises a width greater than 1000 and less than 1200 microns.

43. Device according to claim 22, wherein the mirror comprises a width greater than 1000 and less than 1200 microns.