CN1696759A

CN1696759A - 微镜元件

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Publication number: CN1696759A
Application number: CN200410085274.1A
Authority: CN
Inventors: 宓晓宇; 曾根田弘光; 上田知史; 佐胁一平
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: US6906849B1; KR100692449B1; JP2005326620A; CN1316281C; KR20050109030A

Abstract

一种微镜元件，包括微镜基板、布线基板、以及置于所述两基板之间的导电衬垫。该微镜基板整体地形成有框、具有镜部的活动部分、以及将该框连接到该活动部分的扭杆。该布线基板设有布线图案。该导电衬垫将该微镜基板从该布线基板隔离，并且将该框电连接到该布线图案。该布线基板具有朝向该微镜基板的表面。在该表面上设有检测器，用于检测该镜部的旋转角。

Description

微镜元件

技术领域

本发明涉及一种待并入于例如光切换装置中的微镜元件，该光切换装置通过改变光反射的方向来切换多个光纤之间的光路。

背景技术

近年来，光通信技术被广泛地应用于各种领域中。在光通信中，光纤用作一种供光信号通过的媒介。为了将通过给定光纤的光信号切换到另一光纤，经常使用所谓的光切换装置。为了获得高质量的光通信，光切换装置必须在切换动作中具有诸如高容量、高速度和高可靠性等特性。有鉴于此，将通过利用显微机械加工技术而制造的微镜元件作为待并入于光切换装置中的开关元件，正在为人们所关注。这些微镜元件不需要将光信号转换为电信号就能在光切换装置输入侧和输出侧上的光路之间进行切换操作。这有利于获得上述特性。

例如，在国际公开号WO 00/20899和论文“Fully Provisioned 112×112Micro-Mechanical Optical Crossconnect with 35.8Tb/sec DemonstratedCapacity(Proc.25th Optical Fiber Communication Conf.Baltimore.PD12(2000))”中揭示了使用通过显微机械加工技术所制造的微镜元件的光切换装置实例。

图10显示了一种公知的光切换装置500。光切换装置500包括：一对微镜阵列501、502，输入光纤阵列503，输出光纤阵列504和多个微型透镜505、506。输入光纤阵列503包括预定数目的输入光纤503a。微镜阵列501设有同样多个微镜元件501a，与输入光纤503a一一对应。同样地，输出光纤阵列504包括预定数目的输出光纤504a。微镜阵列502设有同样多个微镜元件502a，与输出光纤504a一一对应。微镜元件501a、502a均具有用于光反射的镜面。该镜面的定向是可控制的。微型透镜505均面向相应的输入光纤503a的一端。同样地，微型透镜506均面向相应的输出光纤504a的一端。

在传送光信号中，从输入光纤503a传出的光L1通过对应的微型透镜505之一，从而变得互相平行并且继续行进至微镜阵列501。光L1在它们相应的微镜元件501a上反射，以指向微镜阵列502。微镜元件501a的镜面已预先定位在预定的方向，以便引导光L1进入它们的微镜元件502a。然后，光L1在微镜元件502a上反射，从而指向输出光纤阵列504。微镜元件502a的镜面已预先定位在预定的方向，以便引导光L1进入它们的输出光纤504a。

如上所述，根据光切换装置500，由于微镜阵列501和502的反射，从输入光纤503a传出的光L1可到达期望的输出纤504a。给定的输入纤503a以一对一的关系连接到输出光纤504a。按照这样的布置，通过适当地改变微镜元件501a、502a的反射角就能进行光切换，并且能够将光L1引导到选定的输出光纤504a中。

在上述光切换装置500中，光纤的数量随着光通信网络大小的增加而增加，微镜元件的数量或微镜面的数量也相应地增加。镜面数量的增加将导致用于驱动这些镜面所必需的布线量的增加，因此，需要为每个微镜阵列的布线提供更多的面积。如果镜面和布线形成于同一基板中，则镜面之间的间距或间隔应当随着形成有布线的面积的增加而相应地增加。这就造成基板或微镜阵列的尺寸增大的问题。此外，镜面本身数量的增加往往会增加在同一基板中形成镜面和布线的难度。

为了解决上述问题，提出一种微镜元件，其中可旋转的镜面和用于驱动该镜面的布线图案被形成于分离的基板中。这些基板通过导电衬垫(spacer)而彼此连接(例如，参见JP-A-2003-344785)。按照这样的布置，用于驱动镜面的布线图案被形成在与用于形成镜面的基板相分离的基板中。因此，可克服镜面之间的间距增加的问题。从而，可防止微镜元件变得过大。

当光纤数量由于光通信网络的增长而增加时，光纤之间一对一连接的可能组合数量将增加。由于组合数量增加，需要高度精确地控制镜面方向。为此，必须适当地检测各镜面的运行状态。

发明内容

在上述情况下提出本发明。因此，本发明的目的是提供紧凑的并且能够适当地检测各镜面运行状态的微镜元件。

本发明提供一种微镜元件，包括：微镜基板，整体地形成有至少一个微镜单元，该微镜单元包括框、具有镜部的活动部分、以及将该框连接到该活动部分的扭杆；布线基板，形成有布线图案；以及导电衬垫，用于将该微镜基板从该布线基板隔离，并且用于将该框电连接到该布线图。该布线基板包括朝向该微镜基板的第一表面，并且该第一表面设有检测器，用于检测该镜部的旋转角。

优选地，该微镜基板可整体地形成有多个微镜单元，每个微镜单元包括框、具有镜部的活动部分、以及将该框连接到该活动部分的扭杆。此外，该布线基板的第一表面可设有分别对应所述多个微镜单元的多个检测器。每个检测器检测该镜部在所述微镜单元的相应一个中的旋转角。

优选地，该检测器可包括例如光学传感器或电容型传感器。

优选地，该布线基板可包括与该第一表面相对的第二表面。该布线图可包括形成于该第一表面上的第一布线部分和形成于该第二表面上的第二布线部分。该布线基板可形成有在厚度方向上穿透该布线基板的转接连接器，用以使该第一布线部分和该第二布线部分彼此连接。

优选地，该转接连接器可由导电材料制成，该导电材料选自金属、半导体和导电有机材料的组合。

优选地，该转接连接器可通过电镀、CVD、LPCVD和MOCVD其中之一制成。

优选地，该衬垫可包括至少一个导电块。具体而言，该衬垫可以包括仅一个导电块或互相堆叠的多个块。

优选地，该导电衬垫通过电极片、导电粘合剂等而连接到该布线图案和/或该框。

附图说明

图1是显示根据本发明第一实施例的微镜元件的透视图；

图2是图1所示微镜元件的分解透视图；

图3是沿图1中的III-III线的剖视图；

图4是显示微镜元件的微镜基板的仰视图；

图5是显示根据本发明第二实施例的微镜元件的透视图；

图6是图5所示微镜元件的分解透视图；

图7是显示第二实施例的微镜元件结构的局部剖视图；

图8是显示检测器实例的透视图；

图9是显示布线基板实例的局部剖视图；以及

图10图解说明一种传统的光切换装置。

具体实施方式

下面将参考附图，描述本发明的优选实施例。

图1是显示根据本发明第一实施例的微镜元件X1的透视图。图2是图1所示微镜元件X1的分解透视图。图3是沿图1中的III-III线的剖视图。

微镜元件X1包括：微镜基板100、布线基板200、设置于上述两基板之间的导电衬垫300和光学传感器单元400。微镜基板100具有：成镜(mirror-formed)部分110、围绕该部分110的内框120、围绕该内框120的外框130、连接成镜部分110到内框120的一对扭杆140、以及连接内框120到外框130的一对扭杆150。扭杆140限定旋转轴A1，用于成镜部分110相对于内框120旋转。扭杆150限定旋转轴A2，用于内框120和成镜部分110相对于外框130旋转。旋转轴A1和旋转轴A2基本上互相垂直。因此，微镜基板100形成有双轴微镜。

本实施例的微镜基板100是利用显微机械加工技术、由具有叠层结构的SOI(绝缘层上覆硅)晶片形成的，其中该叠层结构包括第一硅层(厚度例如为100μm)、第二硅层(厚度例如为100μm)以及置于上述两硅层之间的绝缘层(厚度例如为1μm)。微镜基板100可以通过对第一硅层、第二硅层和绝缘层进行光刻、干蚀刻(例如，深度活性离子蚀刻(DRIE))和湿蚀刻制造而成。导电的第一硅层和第二硅层掺杂有诸如P和As的N型杂质或诸如B的P型杂质。

成镜部分110具有：上表面，其形成有镜面111的薄膜；以及下表面，其形成有反射面112的薄膜，用于反射来自光检测器单元的光。成镜部分110具有彼此相向远离并且形成有梳状电极110a和110b的两个侧表面。成镜部分110源自第一硅层。

内框120具有层状结构，该结构包括内框主要部分121、一对电极基座122、以及置于其间的绝缘层。内框主要部分121和电极基座122通过绝缘层而彼此电隔离。电极基座122形成有分别向内延伸的梳状电极122a、122b。内框主要部分121具有向外延伸的梳状电极121a、121b。梳状电极122a、122b在成镜部分110的梳状电极110a、110b之下，并且被安置成当成镜部分110旋转时与梳状电极110a、110b不接触。内框主要部分121源自第一硅层，而电极基座122源自第二硅层。

源自第一硅层的每个扭杆140与成镜部分110和内框主要部分121连接。

外框130具有层状结构，该结构包括第一外框131、第二外框132、以及置于其间的绝缘层。第一外框131和第二外框132通过绝缘层而彼此电隔离。如图4所示，第二外框132形成有彼此隔开的第一绝缘区(island)134、第二绝缘区135、第三绝缘区136和第四绝缘区137。第一至第四绝缘区134-137分别形成有电极片138a-138d。电极片138a-138d可以由Au或Al制成。第三绝缘区136和第四绝缘区137分别具有向内延伸的梳状电极132a、132b。梳状电极132a、132b分别在内框主要部分121的梳状电极121a、121b之下，并且被安置成当内框120旋转时与梳状电极121a、121b不接触。第一外框131源自第一硅层，而第二外框132源自第二硅层。

每个扭杆150具有层状结构，该结构包括上层151、下层152和置于其间的绝缘层。上层151和下层152通过绝缘层而彼此电隔离。该绝缘层可以由空气层提供。上层151连接到内框主要部分121和第一外框131，而下层152连接到电极基座122和第二外框132。上层151源自第一硅层，而下层152源自第二硅层。

布线基板200包括第一表面201和第二表面202。第一表面201形成有预定的布线图案210。布线图案210包括用于内连接的四个电极片211a-211d和用于外连接的四个电极片212a-212d。电极片211a-211d设置在与微镜基板上的电极片138a-138d相对应的位置中。布线基板200的主体是由Si半导体基板或玻璃基板提供的，厚度例如为300μm。为了获得平面度，对布线基板200的第一表面201进行机械抛光。布线图案210可以通过形成并且然后图案化布线基板200的第一表面201上的金属膜而制成。在该形成中使用的金属可以是Au或Al。例如，可以通过溅射或电镀来形成膜。

导电衬垫300设置在微镜基板的电极片138a-138d和布线基板的电极片212a-212d之间。根据本实施例，每个导电衬垫均是堆叠的两金块，并且与电极片211a-211d中相应的一电极片一起熔合，同时通过导电粘合剂与电极片138a-138d中相应的一电极片接合。堆叠的两金块通过超声波焊接而彼此连接。根据本发明，每个衬垫300可仅包括一个导电块。

光学传感器单元400检测成镜部分110的旋转角，并且通过例如粘合剂而设置在布线基板的第一表面上201。光学传感器单元400面向成镜部分110的下表面。光学传感器单元400使用例如能借助光检测位置的PSD传感器。光学传感器单元400包括上表面，其设有矩形的光接收器401。光接收器401具有中心部分，其设有光源402，用于照亮成镜部分的反射表面112。光接收器401具有表面，其设有四个分别靠近边缘的电极403a-403d。布线基板200设有布线(未示出)，以向光源402供电，并由电极输出电流。光学传感器的传感元件可以不是PSD传感器，其可以选自许多替代物，比如光电二极管的二维矩阵。

在具有上述结构的微镜元件X1中，第一外框131可接地。那么，梳状电极110a、110b和梳状电极121a、121b通过扭杆150的上层151、内框主要部分121、扭杆140和成镜部分110而接地。在这样的状态下，预定的电压施加于梳状电极122a或梳状电极122b，从而在梳状电极110a和梳状电极122a之间或在梳状电极110b和梳状电极122b之间产生静电力。因此，致使成镜部分110围绕旋转轴A1旋转。同样地，预定的电压施加于梳状电极132a或梳状电极132b，从而在梳状电极121a和梳状电极132a之间或在梳状电极121b和梳状电极132b之间产生静电力。因此，致使内框120和成镜部分110围绕旋转轴A2旋转。

按照由图2-图4所理解的，向梳状电极122a施加电压是通过布线基板200的电极片212a、电极片211a、导电衬垫300、微镜基板100的电极片138a、第一绝缘区134、扭杆150的下层152和电极基座122而实现的。向梳状电极122b施加电压是通过布线基板200的电极片212b、电极片211b、导电衬垫300、微镜基板100的电极片138b、第二绝缘区135、扭杆150的下层152和电极基座122而实现的。向梳状电极132a施加电压是通过布线基板200的电极片212c、电极片211c、导电衬垫300、微镜基板100的电极片138c和第三绝缘区136而实现的。向梳状电极132b施加电压是通过布线基板200的电极片212d、电极片211d、导电衬垫300、微镜基板100的电极片138d和第四绝缘区137而实现的。通过经由四条路径施加适当的电压，可以在需要的方向上指引成镜部分110。

当成镜部分110或内框120通过施加上述电压而旋转时，这些可动部件的一端在位置上朝向布线基板200移动。具体而言，假设内框120中的电极基座122长度L3是600μm，则当内框120绕着轴A2旋转5度时，电极基座122的端部将从正常的非旋转位置下降60μm。为了不干扰内框的这种运动，微镜基板100和布线基板200需要彼此适当地隔开。据此，本实施例的导电衬垫300可以具有例如100μm的高度。

随着通过施加电压致使成镜部分110面向期望的方向，通过光学传感器单元400检测成镜部分110的旋转角。具体而言，如图3所示，首先，光从光学传感器单元的光源402射到成镜部分110下表面上形成的反射表面112中心。如果成镜部分110如图中假象线(虚线)所示位于倾斜的位置，则在表面112上反射的光随着成镜部分的旋转角而偏离光源402，以便被光接收器401接收。这里需注意的是：成镜部分110的旋转角是绕轴A1的旋转角和绕轴A2的旋转角的总和。当光到达光接收器401上的一点时，光产生的载流子(carrier)所造成的电流流过电极403a-403d。然后，计算通过电极403a的电流与通过相对电极403c的电流之比。同样地，计算通过电极403b的电流与通过相对电极403d的电流之比。基于上述两个比率，可检测到光到达光接收器401的点。此外，基于检测到的点，可计算成镜部分110的旋转角。因此，当发现成镜部分110没有朝向需要的方向时，调整(即增加或降低)施加于梳状电极122a、122b、132a和132b的电压，以使成镜部分110朝向需要的方向。

使用光学传感器单元400，可以在不接触成镜部分110的情况下检测成镜部分110的旋转角。换而言之，检测成镜部分110的旋转角不会妨碍成镜部分110的运转。

在微镜元件X1中，导电衬垫300起到连接器的作用，用于将微镜基板100上的导电路径连接到布线基板200上的布线图案210，并且起到分离器的作用，用于使两基板100和200彼此间隔适当的距离。光学传感器单元400设置在基板100和200之间存在的空间中。采用这样的布局，微镜元件X1能够变得紧凑。此外，光学传感器单元400位于成镜部分110附近。因此，能够精确地检测成镜部分110的旋转角。另外，用于驱动成镜部分110和内框120所需的布线不是形成于其上设有两个部分110和120的微镜基板100上。这样，微镜基板100继而微镜元件X1能够被制造得紧凑。

图5是根据本发明第二实施例的微镜元件X2的透视图。图6是微镜元件X2的分解透视图。图7是显示微镜元件X2结构的局部剖视图。

第二实施例的微镜元件X2包括微镜基板100、布线基板200、置于前述二者之间的导电衬垫300和多个光学传感器单元400(图中有9个单元)。微镜基板100包括多个微镜单元X2’(图中有9个单元)和围绕单元X2’的公共外框130’。每个微镜单元X2’包括成镜部分110、围绕成镜部分110的内框120、连接成镜部分110和内框120的一对扭杆140、以及连接内框120和公共外框130’的一对扭杆150。微镜单元X2’的成镜部分110、内框120、扭杆140和扭杆150与微镜元件X1中的相同，各微镜单元X2’的公共外框130’与微镜单元X1的外框130相似。据此，第一实施例的微镜元件X1能够被看作具有一个微镜单元，而第二实施例的元件X2具有多个的微镜单元。

布线基板200包括第一表面201和第二表面202。第一表面201和第二表面202分别形成有用于单独驱动微镜单元X2’的布线图案210。对于每个微镜单元X2’，第一表面201中的布线图案210包括用于内连接的四个电极片211a-211d，同时第二表面202中的布线图210案包括用于外连接的四个电极片212a-212d。在上述构成的布线图案210中，第一表面中的布线图案210和第二表面中的布线图案210通过穿透布线基板200的转接连接器(tieconnector)220而彼此电连接。转接连接器220是在形成布线图案210之前形成的。通过在布线基板200中形成通孔，然后在第一表面201和第二表面202上围绕每个通孔形成金属膜(例如Cu)，从而制得转接连接器220。上述通孔的形成可以通过激光或DRIE实现。金属膜的形成可以通过化学镀(electroless plating)来实现。电极片212形成有例如焊接块，用于形成外连接。布线基板200的其他方面与微镜元件X1相同。

导电衬垫300设置于微镜基板的电极片138a-138d和布线基板的电极片212a-212d之间。导电衬垫300的其他方面与微镜元件X1相同。

光学传感器单元400通过例如粘合剂而连接到布线基板的第一表面201。光学传感器单元400可设置在布线基板的第一表面201中。致使每个光学传感器单元400朝向相应微镜单元X2’的成镜部分110的下表面。光学传感器单元400的其他方面与微镜元件X1相同。

微镜元件X2设置在由例如陶瓷或玻璃环氧树脂制成的主基板Y2上。除微镜元件X2以外，主基板Y2载有电路构成件，诸如集成电路(IC)(图中未示出)。主基板Y2具有第一表面601，其形成有布线图案610和电极片611。焊接块230连接到电极片611。主基板具有第二表面602，其形成有电极片612。第一表面上的布线图案610和第二表面上的电极片612通过穿透主基板Y2的转接连接器620而电连接。主基板Y2的第二表面602通过例如焊接块630而连接到连接器640。在这样的布局中，布线基板200起到在主基板Y2和微镜基板100之间的转接基板(relay substrate)的作用。

根据第二实施例，如上所述，9个微镜元件(分别对应于第一实施例的元件X1)是彼此整体地形成于微镜基板10和布线基板200中，这些微镜元件能够以与微镜元件X1中所述一样的方式起作用。此外，由于9个光学传感器单元400设置在布线基板200上，用于各微镜元件，所以能够精确地检测各微镜元件的旋转角。

微镜元件X2包括使尺寸减小和精确检测每个成镜部分110运行状态的布局。在元件X2中使用导电衬垫300，该导电衬垫起到连接器的作用，用以将微镜基板100上的导电路径连接到布线基板200上的布线图案210，并且起到分离器的作用，用以使上述两基板100和200彼此间隔适当的距离。各光学传感器单元400设于基板100和200之间存在的空间中。这样，传感器单元400不会致使微镜元件X2的尺寸增加。此外，每个传感器单元400设置在相应的一成镜部分110附近。因此，能够精确地检测旋转角。另外，微镜基板100不具有用于驱动可动部件(即成镜部分110和内框120)的布线。因此，可减小微镜基板100的尺寸，从而减小微镜元件X2的尺寸。此外，由于布线图案210还设置在布线基板的第二表面202上，所以即使传感器单元400设置在布线基板的第一表面201上，也能够确保足够大的面积用以形成布线图案210。在图示的例子中，9个微镜单元X2’形成于微镜基板100中，但本发明并不限于此特定数目。

根据第一实施例和第二实施例，成镜部分110的旋转角通过光学传感器来检测。或者，可使用电容型传感器。具体而言，如图8所示，电容型传感器800可通过使用设置在基板801上的四个电极803a-803d而制成，以便电极朝向成镜部分110的下表面。每个电极803a-803d位于与矩形成镜部分110的四个端部之一相对应的位置。因此，当使得成镜部分110绕轴A1或轴A2旋转时，矩形成镜部分110的四个端部之一会更接近四个电极803a-803d中对应的一个。这样看来，成镜部分110起到可动电极的作用，其关于任一电极803a-803d提供电容器。由于设有四个电极803a-803d(以及成镜部分110具有分别对应电极的四个端部)，所以四个电容全部存在于成镜部分110和电极之间。每个电容器的电容根据成镜部分110围绕轴A1和轴A2的旋转状态而变化。因此，可通过检测四个电容器的电容增加或减少，计算成镜部分110的旋转角。

根据第一实施例和第二实施例，布线图案210直接形成于布线基板200上。或者，布线图案210可形成于诸如绝缘膜的中间层上，以便形成于布线基板200上。

请再参考图7，转接连接器220直接形成于布线基板200上，但本发明并不限于此。例如，如图9所示，布线基板200可被涂敷例如由SiO2制成的绝缘膜240，那么转接连接器220和布线图案210可形成于绝缘膜240上。绝缘膜240可通过例如CVD(化学汽相沉积)制成。采用这样的布局，即使在布线基板200由半导体(例如硅)制成时，也可确保布线基板200和布线图案210或转接连接器220之间的可靠绝缘。因此，可防止电流泄露至布线基板200。

在第二实施例中，转接连接器由金属材料例如Cu制成。或者，可由半导体材料(例如涂有用于导电性的N型或P型杂质的硅)或者导电有机材料(例如包含诸如银或金等金属颗粒的树脂膏)制成。这些连接器可根据转接连接器的材料而选择不同的方法制成。这些方法的实例是CVD、LPCVD(低压CVD)和MOCVD(金属有机物CVD)。转接连接器还可通过以导电材料完全地填充通孔而形成。

Claims

1.一种微镜元件，包括：

微镜基板，与至少一个微镜单元整体地形成，该微镜单元包括：框、具有镜部的活动部分、以及将该框连接到该活动部分的扭杆；

布线基板，形成有布线图案；以及

导电衬垫，用于将该微镜基板从该布线基板隔离，并且用于将该框电连接到该布线图案；

其中该布线基板包括朝向该微镜基板的第一表面，该第一表面设有检测器，用于检测该镜部的旋转角。

2.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该微镜基板整体地形成有多个微镜单元，每个微镜单元均包括：框、具有镜部的活动部分、以及连接该框和该活动部分的扭杆；以及

其中该布线基板的第一表面设有分别对应于所述多个微镜单元的多个检测器，每个检测器检测在所述微镜单元的对应一个中的该镜部的旋转角。

3.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该检测器包括光学传感器。

4.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该检测器包括电容型传感器。

5.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该布线基板包括与该第一表面相对的第二表面，该布线图案包括该第一表面上的第一布线部分和该第二表面上的第二布线部分，该布线基板形成有在厚度方向上穿透该布线基板的转接连接器，用以使该第一布线部分和该第二布线部分彼此连接。

6.根据权利要求5所述的微镜元件，其中所述转接连接器由选自于金属、半导体和导电有机材料的组合中的导电材料制成。

7.根据权利要求5所述的微镜元件，其中所述转接连接器通过电镀、CVD、LPCVD和MOCVD之一制成。

8.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该衬垫包括至少一个导电块。

9.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该导电衬垫通过电极片而与该布线图案和该框中的至少一个连接。

10.根据权利要求1所述的微镜元件，其中该导电衬垫通过导电粘合剂而连接到该布线图案和该框中的至少一个。