EA021493B1 - Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента - Google Patents

Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента Download PDF

Info

Publication number
EA021493B1
EA021493B1 EA201290157A EA201290157A EA021493B1 EA 021493 B1 EA021493 B1 EA 021493B1 EA 201290157 A EA201290157 A EA 201290157A EA 201290157 A EA201290157 A EA 201290157A EA 021493 B1 EA021493 B1 EA 021493B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
drive device
membrane
frame
rigid element
piezoelectric
Prior art date
Application number
EA201290157A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201290157A1 (ru
Inventor
Тор Бакке
Иб-Руне Йохансен
Андреас Вогль
Фроде Тюхольдт
Даг Торстейн Ванг
Original Assignee
Синтеф
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Синтеф filed Critical Синтеф
Publication of EA201290157A1 publication Critical patent/EA201290157A1/ru
Publication of EA021493B1 publication Critical patent/EA021493B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/1822—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors comprising means for aligning the optical axis
    • G02B7/1827—Motorised alignment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Mounting And Adjusting Of Optical Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к приводному устройству для перемещения жесткого элемента, например оптического элемента, такого как зеркало (1), при этом элемент механически присоединен к каркасу посредством выполненной с возможностью изгиба мембраны, при этом на указанном соединении между указанным каркасом и элементом установлены элементы (3А, 3В) приводного устройства, причем мембрана и элементы приводного устройства выполнены с возможностью перемещения указанного элемента при воздействии сигналом от генератора сигнала.

Description

Изобретение относится к приводному устройству для перемещения жесткого, предпочтительно оптического, элемента, например зеркала. В особенности оно относится к приводному устройству для перемещения микрозеркала с длиной хода более 9 мкм при напряжении 20В, выполненному из КНИ(кремний на изоляторе) пластины со встроенными пьезоэлектрическими приводными устройствами. Настоящее изобретение в основном используется в интерферометре Фабри-Перо для инфракрасной спектроскопии газов.
В юстируемых интерферометрах Фабри-Перо и других устройствах сложно обеспечить достаточно большое и одновременно достоверное перемещение жесткого оптического элемента, такого как зеркало в микромеханических устройствах. Были опробованы пьезоэлектрические приводные устройства, но поскольку их перемещение ограничено одним направлением, обеспечиваемых ими возможностей перемещения было недостаточно.
Пьезоэлектрические тонкие пленки, интегрированные с МЭМС (микроэлектромеханическими системами), обеспечивают привод с большой длиной хода при минимальном напряжении [1]. Дополнительное преимущество заключается в том, что пьезоэлектрические пленки создают большие силы, таким образом, приводные устройства могут быть более жесткими и прочными по сравнению с обычно используемыми электростатическими приводными устройствами. Применение таких элементов было раскрыто в международной патентной публикации №2006/110908 и в заявке на патент Японии №2007-206480, описывающих использование пьезоэлектрических приводных устройств для перемещения жесткого элемента. Однако обе конструкции основаны на использовании сгибаемых штоков, контролирующих положение и ориентацию элемента, что сказывается на себестоимости производства и на надежности при длительной эксплуатации устройства. Таким образом, целью настоящего изобретения является создание недорогого компактного приводного устройства с использованием МЭМС технологии и создание функционального и надежного в эксплуатации элемента, выполненного с возможностью регулировки с точностью, необходимой для оптического применения, например в интерферометрах.
Цель данного изобретения достигается путем создания приводного устройства, описанного выше и отличающегося признаками, представленными в независимом пункте формулы изобретения.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения предлагается оригинальное микрозеркало, выполненное с возможностью вертикального отклонения путем использования двойного кольцевого двухтактного приводного устройства. Микрозеркало широко используется в оптике и микрооптике, в основном в интерферометре Фабри-Перо для инфракрасной спектроскопии газов [2, 3].
Приводное устройство совместимо со стандартной продукцией МЭМС и предусматривает надежные в эксплуатации средства для перемещения микрозеркал или аналогичных жестких устройств с достаточной точностью.
Ниже приведено описание изобретения со ссылками на прилагающиеся чертежи, иллюстрирующие изобретение посредством примеров, на которых фиг. 1а,Ь иллюстрируют предложенное микрозеркало, выполненное с возможностью перемещения; фиг. 2а,Ь иллюстрируют предпочтительней вариант выполнения изобретения, показанный на фиг.
1а, Ь;
фиг. 3 иллюстрирует предпочтительный вариант выполнения изобретения, применяющегося в интерферометре Фабри-Перо;
фиг. 4 иллюстрирует полученное отклонение для варианта выполнения изобретения, показанного на фиг. 2а, Ь;
фиг. 5а-с иллюстрируют альтернативные варианты выполнения изобретения, основанные, по существу, на круглой мембране и пьезоэлектрических приводных устройствах;
фиг. 6а-с иллюстрируют альтернативные варианты выполнения изобретения;
фиг. 7а-д иллюстрирует процесс изготовления варианта выполнения изобретения, представленного на фиг. 6а, Ь, с.
Фиг. 1а и Ь иллюстрируют трехмерную модель жесткого элемента 1, например микрозеркала, выполненного из КНИ-пластины, содержащей тонкий кремниевый приборный слой 2, утопленный оксидный слой 6 и толстую кремниевую подложку 7. Устройство снабжено кольцевым пьезоэлектрическим приводным устройством 3, расположенным на мембране, ограничивающей соединительный участок 2а, расположенный между корпусом 4 и жестким элементом 1. Приводное устройство 3 отклоняет диск с открытой апертурой в центре (фиг. 1а). Диск 1 жесткого элемента имеет полную толщину кремниевой подложки 7 и удерживается при помощи тонкого кремниевого приборного слоя 2, образующего мембрану 2а вокруг края диска 1. Мембрана 2а показана в виде сплошной мембраны, окружающей жесткий элемент, однако она может иметь отверстия в соответствующих местах, например, для выравнивания давления между расположенным под элементом пространством и окружающей средой. Оптический элемент 1 выполнен жестким, чтобы при перемещении приводным элементом 3 сохранять по существу одну и ту же самую форму; при этом сам приводной элемент 3 предпочтительно расположен близко к корпусу 4 или близко к жесткому элементу 1 таким образом, что, когда пьезоэлектрический материал сжимается, часть приводного устройства, расположенная на мембране, изгибается вверх, перемещая, тем самым, мембрану в том же самом направлении.
- 1 021493
Как было описано выше, изображенное на фиг. 1а,Ь устройство выполнено из КНИ-пластины путем вытравливания кремниевого приборного слоя 2, а так же расположенного в центре устройства утопленного оксидного слоя 6, как видно на виде сверху, показанном на фиг. 1а. Нижняя сторона выполнена так, как видно на виде снизу, показанном на фиг. 1Ь, причем кремниевая подложка 7 КНИ-структуры была вытравлена через утопленный оксидный слой 6, оставляя жесткий элемент, представляющий собой, например жесткую зеркальную пластину 1, имеющую форму диска, которая удерживается на месте при помощи кремниевого приборного слоя 2а, представляющего собой мембрану, расположенную по окружности жесткого элемента 1 на его верхней стороне. Кольцеобразная (то есть кольцевая) пьезоэлектрическая пленка 3 сформирована сверху тонкого кремниевого приборного слоя, удерживая расположенный в центре диск, причем пьезоэлектрическая пленка предпочтительно выполнена из цирконата-титаната свинца (ЦТС). После приведения в действие пьезоэлектрическая пленка сжимается в радиальном направлении, приводя к изгибу кремниевой мембраны 2а устройства за счет биморфного эффекта. Благодаря круговой симметрии структуры, упомянутый изгиб приводит к внеплоскостному отклонению диска 1. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения и в соответствии с требованиями простого и экономичного изготовления изобретения, приводное устройство может быть изготовлено из одного КНИ-элемента с ЦТС элементами приводного устройства, размещенными на поверхности.
Как показано на фиг. 2а и 2Ь, в предпочтительном конструктивном исполнении имеются два кольцевых приводных устройства 3а, 3Ь. Это обеспечивает возможность использования двухтактной схемы приведения в действие расположенного в центре диска, как изображено на фиг. 2Ь, поскольку мембрана 2а изгибается вверх, когда наружное приводное устройство 3Ь сжимается, и мембрана изгибается вниз, когда сжимается внутреннее приводное устройство 3а. Так как и корпус, и жесткий элемент обладают конструктивной жесткостью, наружное приводное устройство (наибольший диаметр) будет тянуть мембрану и, следовательно, оптический элемент, вверх, тогда как внутреннее приводное устройство (наименьший диаметр) будет тянуть мембрану и, соответственно, жесткий элемент вниз. Данное решение увеличивает возможный диапазон перемещения жесткого элемента 1.
Основное применение в качестве имеющего форму диска микрозеркала жесткий элемент находит в интерферометре Фабри-Перо, изображенном на фиг. 3. В этом применении верхняя поверхность диска 1 покрыта просветляющим покрытием 11 (ПП), тогда как именно нижняя поверхность действует в качестве зеркала для проходящего через устройство света 13, но также возможны и другие варианты выбора, зависящего, например, от требуемого расстояния 15 между зеркалами 16, 17, образованными поверхностями, расположенными выше и ниже полости. Зеркала 16, 17 могут иметь отражающее покрытие, или же сам материал, аналогичный кремнию, может иметь показатель преломления, обеспечивающий необходимую отражательную способность. Путем скрепления (в масштабах пластины) зеркала со второй неструктурированной кремниевой пластиной 10, также покрытой с одной стороны 12 просветляющим покрытием, образуется полость 15, в которой свет может отражаться многократно. Просветляющее покрытие 11, 12 и возможные отражающие покрытия с внутренней стороны полости резонатора наносятся любым соответствующим способом, например, путем нанесения диэлектрических слоев соответствующей толщины или фотонных кристаллов.
Высота зазора 15 определяет, волны какой длины конструктивно интерферируют и, соответственно, полностью передаются через интерферометр. При использовании в инфракрасной спектроскопии интерферометра Фабри-Перо с диапазоном длины волны от 3 до 10 мкм, для обеспечения возможности соответствующей регулировки необходима длина хода в несколько микрометров. Интерферометр ФабриПеро выполнен в виде микрозеркала, имеющего форму диска, соединенного со второй кремниевой пластиной при помощи адгезивного соединения с полимером, таким как ВСВ (бензоциклобутен) 9.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, для выравнивания давления интерферометр Фарби-Перо может иметь каналы утечки в ВСВ слое 9, а также стопоры 14. Стопоры 14 могут быть использованы для калибровки, поскольку можно управлять положением жесткого элемента относительно его положения на стопорах. Ниже будут описаны различные средства определения положения, например, оптические, емкостные или пьезорезистивные измерительные устройства. Может также быть предусмотрен стопор для направленного вверх перемещения, расположенный, например в корпусе, закрывающем интерферометр.
Микрозеркала были изготовлены как часть разработанной и стандартизированной для индустриального использования многоцелевой полупроводниковой пластины (МПП), как описано в документе [1], включенном в настоящий документ посредством ссылки и в связи с этим подробно здесь не описанный. В соответствии с указанной технологией пьезоэлектрические элементы размещают на мембране, причем используемая для формирования приводных механизмов пьезоэлектрическая пленка выполнена из цирконата-титаната свинца (ЦТС), зажатого между платиновым нижним электродом и верхним электродом, выполненным из золота. При изготовлении микрозеркала для более точного контроля размеров жидкое травление нижней стороны полости заменяют глубоким реактивным ионным травлением (ГРИТ).
Кроме того, в зависимости от имеющейся технической возможности и предполагаемого использования элемента, могут быть предусмотрены другие устройства для размещения пьезоэлектрических элементов 3 на участке 2а мембраны.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения используемая стартовая
- 2 021493
КНИ-пластина имеет кремниевую подложку 7 толщиной 380 мкм, углубленный оксидный слой 6 толщиной 300 нм и кремниевый приборный слой 2 толщиной 8 мкм. Для производства микрозеркал травление обратной стороны выполняют путем применения глубокого реактивного ионного травления (ГРИТ).
Необходимо отметить, что микрозеркало выполнено таким образом, что часть кремниевого приборного слоя, удерживающая расположенное в центре зеркало в форме диска, не структурирована на участке, на котором она соединяет нижнюю полость, вытравленную в несущем кремниевом слое, а формирует сплошную мембрану. Это значительно увеличивает прочность конструкции и предохраняет монокристаллический кремний от образования дефектов, которые легко могут привести к растрескиванию при возникновении механических напряжений в процессе производства.
После разрезания полупроводниковой пластины пьезоэлектрические приводные механизмы готовых устройств были подвергнуты поляризации в течение 10 мин при напряжении 20В и температуре 150°С.
Измерения проводились с использованием готового микрозеркала такого типа, который изображен на фиг. 2, в котором область в центре представляет собой ограничительную апертуру с диаметром 3 мм (для показанного устройства), а двойное кольцевое приводное устройство 3а, 3Ь имеет верхние электроды 3с, 36. выполненные из золота.
Характеристика управляемости зеркала была измерена с помощью интерферометра белого света фирмы ΖΥΟΘ. При подаче напряжения величиной 20В на внутреннее приводное устройство зеркало оттягивается вниз, при подаче же напряжения в 20В на внешнее кольцо зеркало оттягивается вверх. Следует отметить, что в обоих случаях диск зеркала остается абсолютно плоским. Это связано с высокой жесткостью кремниевого диска, имеющего полную толщину толстой кремниевой подложки.
Кроме того, высокая жесткость диска зеркала обеспечивает возможность изготовления зеркал, имеющих больший диаметр, чем представленный здесь диаметр 3 мм. Оказалось, что сформированные структуры были очень прочными, таким образом, апертуры размером от 5 до 10 мм практически осуществимы.
На фиг. 4 показана полная характеристика микрозеркала с двумя приводными устройствами. Длина полного хода пластины зеркала, равная 9,3 мкм, достигается при последовательном приложении приводного напряжения в 20 В на каждое из указанных двух приводных устройств. Гистерезис является типичной характеристикой ПЭД приводных устройств с пьезоэлектрическим преобразователем. Обратная связь необходима для прецизионного позиционирования. Ее можно выполнить оптически, используя синхронизирующий лазер. Однако в будущих промышленных образцах пьезорезисторы будут включены в кремниевое устройство, которое является частью приводных устройств, для обеспечения возможности работы системы с обратной связью и прецизионного позиционирования зеркала. Таким образом, характеристика привода микрозеркала предусматривает приводное устройство, в котором напряжение развертки, меняющееся от 0 до 20 В, приложенное к внешнему кольцу приводного устройства, формирует верхнюю кривую, тогда как приложение той же развертки к внутреннему кольцу образует нижнюю кривую. Длина полного хода составляет 9 мкм.
Таким образом, было предложено микрозеркало, обеспечивающее длину хода, равную 9 мкм при напряжении в 20 В, путем использования двойного кольцевого двухтактного приводного устройства. Зеркало выполнено из кремниевой подложки КНИ-пластины. Высокая жесткость обеспечивает высокую планарность при приведении в действие. Были успешно изготовлены большие зеркала с апертурами более 3 мкм. В основном зеркало применяется в интерферометре Фабри-Перо для спектроскопии газов.
На фиг. 5а-5с показаны варианты выполнения изобретения, основанного на кольцевой мембране 2а, обеспечивающей соединение между жестким элементом 1 и корпусом 4. На фиг. 5а пьезорезисторы 5 показаны размещенными ниже пьезоэлектрического приводного устройства 3, измеряя, таким образом, изгиб мембраны в том же самом месте, в котором осуществляется указанный изгиб.
На фиг. 5Ь показано, что жесткий элемент, хотя он и является твердым по краям, может иметь жесткий каркас, окружающий отверстие или участок углубления, имеющий расположенную в центре тонкую мембрану.
На фиг. 5с изображена другая кольцевая мембрана 2а, на которой приводное устройство разделено по окружности на четыре части 3а1, 3а2, 3а3, 3а4. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения, предусмотрены соответствующие внутренние части приводного устройства. На фиг. 5с предусмотрены средства определения положения, поскольку в промежутках между частями приводного устройства размещены пьезорезисторы 5. Преимущество разделенного на части приводного устройства заключается в том, что эти части обеспечивают наклонное перемещение, помимо поступательного перемещение и, тем самым, обеспечивают возможность регулировки или калибровки положения и ориентации жесткого элемента.
Фиг. 6а и 6Ь иллюстрируют альтернативный вариант выполнения изобретения, в котором жесткий элемент 1 имеет расположенную в центре апертуру, а оптический элемент 17а, выполненный из стекла или кварца, прикреплен к ней, как видно на виде в поперечном сечении элемента устройства, показанном на фиг. 6Ь. Таким образом, жесткий элемент 1 может содержать элемент 17а, имеющий соответствующий спектр пропускания для соответствующих длин волн при измерении оптическими средствами, на- 3 021493 пример, с использованием светофильтра Фабри-Перо. Таким образом, в зависимости от выбранного материала, устройство может использоваться в видимой, ближней инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, тогда как жесткий элемент 1, выполненный из кремния, подходит для волн, длина которых превышает приблизительно 1100 нм.
На фиг. 7а-7д проиллюстрирован технологический процесс изготовления устройства, изображенного на фиг. 6Ь, причем на чертежах изображены поперечные разрезы устройства на различных этапах его изготовления.
Как видно на фиг. 7а и 7Ь, в указанном устройстве используется такая же отправная точка, как и в других вышеописанных вариантах выполнения, начиная с КНИ-структуры с пьезоэлектрическим кольцом приводного устройства, как описано выше со ссылками на фиг. 1а, 3 и 5а, и в которой приборный слой вытравлен из участка, который предназначен для использования в качестве жесткого элемента 1.
Затем верхнюю часть устройства с расположенным пьезоэлектрическим приводным устройством временно соединяют с опорной пластиной 20, как показано на фиг. 7с. Для этого может использоваться полимер 21, например, ^аГегВОНО фирмы Вгс\усг §с1еиее. Кроме того, как показано на фиг. 74, расположенный в центре участок, а так же участок мембраны вытравливают, оставляя расположенное в центре отверстие, из которого был удален приборный слой, и мембрану, в которой приборный слой оставлен нетронутым.
Затем стекло или слой кварца снизу соединяют с устройством, с помощью, например, соединения посредством ВСВ, как показано на фиг. 7е. Соединение должно быть достаточно прочным, чтобы прочно удерживать соединенными вместе пластину и стекло, при этом соединения посредством ВСВ является подходящим благодаря относительно низкой температуре и высокой прочности.
Затем активную часть 17а оптического элемента, представляющего собой часть жесткого элемента, отделяют от оставшейся части слоя стекла или кварца при помощи, например струйной очистки абразивным порошком, оставляя структуру, показанную на фиг. 7Г.
После удаления временной опорной пластины осуществляют полировку устройства, при этом устройство может быть помещено в оптическое устройство, аналогичное показанному на фиг. 3, но в котором неструктурированный кремниевый слой 10 может представлять собой стекло или кварц, прозрачный в тех же диапазонах длины волны, что и прозрачная часть 17а жесткого элемента 1. Соответствующие просветляющие и отражающие слои могут быть нанесены на поверхности любым известным способом.
Таким образом, изобретение относится к приводному устройству для перемещения жесткого элемента, например, оптического элемента, такого как линза, зеркало или по меньшей мере частично прозрачное и частично отражающее окно, в котором элемент механически соединен с каркасом при помощи выполненной с возможностью изгиба мембраны, обеспечивающей соединение. Элементы приводного устройства устанавливают на указанной соединительной мембране между каркасом и элементом, при этом мембрана и элементы приводного устройства выполнены с возможностью перемещения элемента при воздействии сигналом от генератора сигнала. Предпочтительно, элементы приводного устройства представляют собой по меньшей мере пьезоэлектрический элемент, установленный на указанной соединительной мембране, выполненной с возможностью изгиба указанного места соединения при приложении напряжения, поскольку пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью сжатия в направлении соединения между каркасом и жестким элементом.
В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения каждый элемент приводного устройства представляет собой два элемента пьезоэлектрического преобразователя: первый элемент установлен на месте соединения вблизи каркаса, второй установлен на месте соединения вблизи жесткого элемента, при этом они соединены с датчиком сигнала таким образом, что они могут работать независимо друг от друга или предпочтительно альтернативным способом, так что один из элементов перемещает жесткий элемент в первом направлении, а другой элемент перемещает жесткий элемент в направлении, противоположном указанному первому направлению.
В одном варианте выполнения изобретения соединение представляет собой тонкий, круговой сегмент каркаса, при этом указанный по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент установлен вдоль указанного места соединения. В предпочтительном варианте, как было описано выше, для увеличения длины перемещения используются два пьезоэлектрических элемента.
В любом варианте выполнения изобретения приводное устройство может иметь средство определения положения для создания обратной связи, касающейся положения жесткого элемента относительно каркаса; причем в варианте выполнения с использованием пьезоэлектрических элементов 3 средство определения положения предпочтительно представляет собой пьезорезистивный элемент 5, расположенный на соединении для контроля изгиба соединения. Пьезорезистивные элементы 5 могут быть размещены под пьезоэлектрическими приводными устройствами 3 или в других местах, в которых соединение изогнуто.
Пьезорезисторы могут быть выполнены на КНИ-слое при помощи ионного легирования и последующего отжига. С помощью указанного процесса легирования можно изготовить р-η переход, определяющий конфигурацию резисторов. Резистор может соприкасаться с дополнительными, более легированными участками, соединенными на более поздних этапах технологического процесса со слоем метал- 4 021493 лизации на поверхности. Этапы технологического процесса изготовления пьезорезисторов могут быть осуществлены до осаждения нижнего электрода для пьезоэлектрического слоя. Такие легированные пьезорезисторы используют в качестве датчиков механического напряжения и обычно собирают в схему мостика Уитстона с четырьмя выполненными с возможностью изгиба резисторами. В зависимости от доступного пространства в механической структуре и допуска на обработку возможно также использование других схем, например полумоста.
Для определения положения жесткого элемента вместо пьезорезисторов могут использоваться оптические или емкостные решения.
Как показано на фиг. 3, в соответствии с вышеизложенным, изобретение также относится к содержащему приводное устройство интерферометру, в частности к интерферометру Фабри-Перо. Жесткий элемент имеет по меньшей мере частично отражающую поверхность, каркас, расположенный в кожухе, имеющем вторую отражающую поверхность, при этом по меньшей мере одна из отражающих поверхностей расположена по меньшей мере на частично прозрачном корпусе, а две указанные отражающие поверхности, расположенные на расстоянии друг от друга, содержат элемент Фабри-Перо, при этом расстояние регулируется перемещением, вызванным указанными элементами приводного устройства.
Кроме того, изобретение относится к отражающему устройству, содержащему приводное устройство, в котором жесткий элемент содержит зеркало или является, по меньшей мере частично, прозрачным в пределах выбранного диапазона длин волн, при этом пьезоэлектрические приводные устройства разделены на индивидуально управляемые круговые сегменты, которые выполнены с возможностью выполнения наклона жесткого элемента для корректировки рассогласования или направления света в выбранном направлении.
Ссылки [1] Пьезоэлектрические микроустройства - из лаборатории в производство, Х. Расдер, Ф. Тихольдт, В. Боий, Ф. Цаламе, Н.П. Остбо, Р. Бредезен, К. Пруме, Г. Рийндерси П. Муралт, 1. Е1сс1госсгат (2007) 19:357-362.
[2] Инфракрасное обнаружение угарного газа с помощью микромеханически настраиваемого кремниевого фильтра Фабри-Перо, Хакон Сагберг, Алайн Фербер, Карл Хенрик Хаугхольт и Иб-Руне Йохансен, ΙΕΕΕ СопР. оп Орйса1 ΜΕΜδ (2005).
[3] Настраиваемый детектор инфракрасного диапазона со встроенным микромашинным фильтром Фабри-Перо, Норберт Нойманн, Мартин Эберманн, Стеффен Куртх и Карла Хиллер, 1. М1сго/Ыапо1йЬ. ΜΕΜδ ΜΟΕΜδ 7, 021004(2008).

Claims (17)

1. Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента, например оптического элемента, содержащее каркас и мембрану, выполненную с возможностью изгиба, соединенную с каркасом и предназначенную для соединения с жестким элементом так, что она, по существу, окружает жесткий элемент и механически соединяет его с каркасом, при этом на указанной мембране между указанными каркасом и местом соединения мембраны с жестким элементом, по существу, установлен по меньшей мере один элемент приводного устройства, при этом указанные мембрана и элемент приводного устройства выполнены с возможностью перемещения жесткого элемента при воздействии сигнала от генератора сигнала путем изгиба указанной мембраны, причем указанный по меньшей мере один элемент приводного устройства представляет собой два пьезоэлектрических элемента, установленных на указанной мембране и выполненных с возможностью изгиба указанной мембраны при приложении сигнала, при этом первый из указанных пьезоэлектрических элементов установлен на указанном месте соединения вблизи каркаса, а второй пьезоэлектрический элемент установлен на мембране вблизи места соединения мембраны с жестким элементом, обеспечивая, таким образом, перемещение жесткого элемента как вверх, так и вниз.
2. Приводное устройство по п.1, в котором мембрана представляет собой тонкую круглую часть каркаса, а указанные пьезоэлектрические элементы имеют форму кольца и расположены на мембране вокруг жесткого элемента.
3. Приводное устройство по п.2, в котором кольцевой пьезоэлектрический элемент разделен на несколько отдельно управляемых частей.
4. Приводное устройство по п.1, в котором мембрана имеет несколько элементов приводного устройства, распределенных вдоль мембраны, окружающей жесткий элемент.
5. Приводное устройство по п.1, содержащее средство определения положения, контролирующее положение жесткого элемента относительно каркаса.
6. Приводное устройство по п.5, в котором средство определения положения содержит пьезорезистор, размещенный на месте соединения таким образом, чтобы показывать изгиб соединения и, тем самым, положение оптического элемента относительно каркаса.
7. Приводное устройство по п.5, в котором средство определения положения содержит емкостный или оптический датчик, выполненный с возможностью определения положения оптического элемента
- 5 021493 относительно каркаса.
8. Приводное устройство по п.1, в котором указанное по меньшей мере одно пьезоэлектрическое приводное устройство представляет собой приводное устройство на основе цирконата-титаната свинца.
9. Отражающее устройство, содержащее приводное устройство по п.1, причем жесткий элемент содержит зеркало.
10. Интерферометр Фабри-Перо, содержащий приводное устройство по п.1 и жесткий элемент, являющийся оптическим элементом, механически соединенный с каркасом посредством выполненной с возможностью изгиба мембраны устройства по п.1, причем оптический элемент имеет, по меньшей мере, частично отражающую поверхность, а каркас расположен в кожухе, имеющем вторую отражающую поверхность, при этом по меньшей мере одна из отражающих поверхностей расположена, по меньшей мере, частично на прозрачном корпусе, причем две указанные отражающие поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, образуют элемент Фабри-Перо, при этом указанное расстояние регулируется перемещениями, вызванными указанными элементами приводного устройства.
11. Интерферометр по п.10, в котором мембрана представляет собой тонкую круглую часть каркаса, при этом по меньшей мере один кольцевой пьезоэлектрический элемент расположен на мембране вокруг жесткого элемента.
12. Интерферометр по п.11, в котором кольцевой пьезоэлектрический элемент разделен на несколько отдельно управляемых частей.
13. Интерферометр по п.10, в котором мембрана имеет несколько элементов приводного устройства, распределенных вдоль мембраны, окружающей жесткий элемент.
14. Интерферометр по п.10, содержащий средство определения положения, контролирующее положение жесткого элемента относительно каркаса.
15. Интерферометр по п.14, в котором средство определения положения содержит пьезорезистор, размещенный на указанном соединении таким образом, чтобы показывать изгиб соединения и, тем самым, положение оптического элемента относительно каркаса.
16. Интерферометр по п.14, в котором средство определения положения содержит емкостный или оптический датчик, выполненный с возможностью определения положения оптического элемента относительно каркаса.
17. Интерферометр по п.10, в котором указанное по меньшей мере одно пьезоэлектрическое приводное устройство представляет собой приводное устройство на основе цирконата-титаната свинца.
EA201290157A 2009-09-18 2010-09-16 Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента EA021493B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20093022A NO336140B1 (no) 2009-09-18 2009-09-18 Aktuator for mikro optisk enhet
PCT/EP2010/063628 WO2011033028A1 (en) 2009-09-18 2010-09-16 Actuator for moving a micro mechanical element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201290157A1 EA201290157A1 (ru) 2013-01-30
EA021493B1 true EA021493B1 (ru) 2015-06-30

Family

ID=43416478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201290157A EA021493B1 (ru) 2009-09-18 2010-09-16 Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента

Country Status (10)

Country Link
US (2) US9250418B2 (ru)
EP (1) EP2478404B1 (ru)
JP (1) JP5778677B2 (ru)
CN (1) CN102576149B (ru)
BR (1) BR112012006044B1 (ru)
CA (1) CA2770937C (ru)
DK (1) DK2478404T3 (ru)
EA (1) EA021493B1 (ru)
NO (1) NO336140B1 (ru)
WO (1) WO2011033028A1 (ru)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9236552B2 (en) 2013-04-04 2016-01-12 William N. Carr Thermoelectric micro-platform for cooling and temperature sensing
DE102013105557B4 (de) * 2013-05-29 2015-06-11 Michael Förg Piezoelektrischer Aktor
US9510103B2 (en) * 2013-09-09 2016-11-29 Audio Pixels Ltd. Microelectromechanical apparatus for generating a physical effect
JP6284076B2 (ja) * 2013-11-22 2018-02-28 国立大学法人豊橋技術科学大学 物理・化学センサおよび特定物質の測定方法
JP6284427B2 (ja) * 2014-05-21 2018-02-28 スタンレー電気株式会社 光偏向器及びその製造方法
US9481572B2 (en) 2014-07-17 2016-11-01 Texas Instruments Incorporated Optical electronic device and method of fabrication
US9372114B2 (en) * 2014-08-20 2016-06-21 William N. Carr Spectrophotometer comprising an integrated Fabry-Perot interferometer
US10567883B2 (en) 2015-07-22 2020-02-18 Audio Pixels Ltd. Piezo-electric actuators
JP2018520612A (ja) 2015-07-22 2018-07-26 オーディオ ピクセルズ エルティーディー．Ａｕｄｉｏ Ｐｉｘｅｌｓ Ｌｔｄ． Ｄｓｒスピーカ素子及びその製造方法
NO344002B1 (en) 2015-09-29 2019-08-12 Sintef Tto As Optical gas detector
NO20151312A1 (en) 2015-10-05 2017-04-06 Sintef Tto As Infrared source
TWI581004B (zh) * 2015-11-18 2017-05-01 財團法人工業技術研究院 可調式光學裝置
KR101722876B1 (ko) * 2016-04-25 2017-04-03 서울대학교산학협력단 루프로 연결되어 지능적으로 변형하는 구동기
NO20161086A1 (no) 2016-06-29 2018-01-01 Tunable As Modulerbar Fabry-Perot
CN106533250B (zh) * 2016-12-21 2018-08-24 深圳大学 一种多定子平面阵列结构的超声波电机
IT201700091226A1 (it) 2017-08-07 2019-02-07 St Microelectronics Srl Dispositivo mems comprendente una membrana ed un attuatore per controllare la curvatura della membrana e compensare deformazioni indesiderate della membrana
CN107324275B (zh) * 2017-08-29 2019-01-04 山东大学 一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构
DE102018200378A1 (de) 2018-01-11 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Interferometer und Verfahren zum Herstellen eines Interferometers
DE102018220422A1 (de) * 2018-11-28 2020-05-28 Robert Bosch Gmbh Aktuationseinrichtung für ein mikromechanisches Bauelement, mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanisches Bauelements
DE102018220451A1 (de) * 2018-11-28 2020-05-28 Robert Bosch Gmbh Optische Filtereinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer optischen Filtereinrichtung
NO20191052A1 (en) 2019-09-02 2021-03-03 Optronics Tech As Gas detector
GB201914045D0 (en) 2019-09-30 2019-11-13 Sintef Tto As Wireless charging of devices
WO2021077396A1 (zh) * 2019-10-25 2021-04-29 深圳市海谱纳米光学科技有限公司 一种可调光学滤波器件
DE102020205599A1 (de) 2020-05-04 2021-11-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mikromechanischer Strahlungsdetektor, mikromechanisches Spektrometer und Verfahren zur Strahlungsmessung
EP4154385A1 (en) 2020-05-21 2023-03-29 Sintef TTO AS Relay wireless charging system
GB202007601D0 (en) 2020-05-21 2020-07-08 Sintef Tto As Wireless charging of devices
US20230324670A1 (en) * 2020-08-24 2023-10-12 Shenzhen Hypernano Optics Technology Co., Ltd Tunable fabry-perot cavity device having movable mirror and manufacturing method therefor
US11899143B2 (en) 2021-07-12 2024-02-13 Robert Bosch Gmbh Ultrasound sensor array for parking assist systems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6178033B1 (en) * 1999-03-28 2001-01-23 Lucent Technologies Micromechanical membrane tilt-mirror switch
US7359124B1 (en) * 2004-04-30 2008-04-15 Louisiana Tech University Research Foundation As A Division Of The Louisiana Tech University Foundation Wide-angle variable focal length lens system
US7369723B1 (en) * 2001-11-09 2008-05-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. High speed piezoelectric optical system with tunable focal length

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58152201A (ja) * 1982-03-08 1983-09-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd フアブリペロ型光学変調器
US4859060A (en) * 1985-11-26 1989-08-22 501 Sharp Kabushiki Kaisha Variable interferometric device and a process for the production of the same
JPH01101421A (ja) * 1987-10-15 1989-04-19 Sharp Corp 可変干渉装置
US5550373A (en) * 1994-12-30 1996-08-27 Honeywell Inc. Fabry-Perot micro filter-detector
CN1179191C (zh) * 1997-12-29 2004-12-08 核心科技公司 微机电调谐共焦垂直腔面发射激光器与法布里-珀罗滤光器
US6830944B1 (en) * 1999-03-18 2004-12-14 Trustees Of Boston University Piezoelectric bimorphs as microelectromechanical building blocks and constructions made using same
JP3999473B2 (ja) * 2000-04-19 2007-10-31 日本碍子株式会社 耐久性に優れた一体型圧電／電歪膜型素子およびその製造方法
US6518690B2 (en) * 2000-04-19 2003-02-11 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive film type elements and process for producing the same
DE10046379A1 (de) * 2000-09-20 2002-03-28 Zeiss Carl System zur gezielten Deformation von optischen Elementen
GB2371119A (en) * 2000-09-25 2002-07-17 Marconi Caswell Ltd Micro electro-mechanical systems
US6379510B1 (en) * 2000-11-16 2002-04-30 Jonathan S. Kane Method of making a low voltage micro-mirror array light beam switch
US6822798B2 (en) 2002-08-09 2004-11-23 Optron Systems, Inc. Tunable optical filter
US7265477B2 (en) * 2004-01-05 2007-09-04 Chang-Feng Wan Stepping actuator and method of manufacture therefore
US7518287B2 (en) * 2004-06-07 2009-04-14 Panasonic Corporation Actuator fine motion mechanism including the actuator, and camera module including the fine motion mechanism
US8148874B2 (en) * 2005-04-15 2012-04-03 University Of Florida Research Foundation, Inc. Microactuator having multiple degrees of freedom
JP2007139841A (ja) * 2005-11-15 2007-06-07 Funai Electric Co Ltd 形状可変ミラー装置
JP2007206480A (ja) * 2006-02-03 2007-08-16 Toko Inc 光走査素子
JP2007304411A (ja) * 2006-05-12 2007-11-22 Kyoto Univ 形状可変ミラー
JP2008097683A (ja) * 2006-10-10 2008-04-24 Funai Electric Co Ltd 可変形ミラー及びそれを備えた光ピックアップ装置
EP2122406A4 (en) * 2007-02-12 2012-02-08 Polight As DEVICE FOR PROVIDING STABILIZED IMAGES IN A HAND CAMERA
JP5362587B2 (ja) * 2007-02-12 2013-12-11 ポライト エイエス 焦点距離が可変の可撓性レンズ組立体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6178033B1 (en) * 1999-03-28 2001-01-23 Lucent Technologies Micromechanical membrane tilt-mirror switch
US7369723B1 (en) * 2001-11-09 2008-05-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. High speed piezoelectric optical system with tunable focal length
US7359124B1 (en) * 2004-04-30 2008-04-15 Louisiana Tech University Research Foundation As A Division Of The Louisiana Tech University Foundation Wide-angle variable focal length lens system

Also Published As

Publication number Publication date
BR112012006044B1 (pt) 2021-08-31
CN102576149B (zh) 2016-01-20
DK2478404T3 (da) 2020-05-11
EP2478404A1 (en) 2012-07-25
EA201290157A1 (ru) 2013-01-30
US9250418B2 (en) 2016-02-02
WO2011033028A1 (en) 2011-03-24
BR112012006044A2 (pt) 2020-08-18
US9329360B2 (en) 2016-05-03
NO336140B1 (no) 2015-05-26
JP5778677B2 (ja) 2015-09-16
JP2013505471A (ja) 2013-02-14
CN102576149A (zh) 2012-07-11
US20120162664A1 (en) 2012-06-28
EP2478404B1 (en) 2020-03-11
US20150109650A1 (en) 2015-04-23
NO20093022A1 (no) 2011-03-21
CA2770937C (en) 2018-04-17
CA2770937A1 (en) 2011-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA021493B1 (ru) Приводное устройство микроэлектромеханического типа для перемещения жесткого элемента
US7187453B2 (en) Optical MEMS cavity having a wide scanning range for measuring a sensing interferometer
US7294282B1 (en) Method for fabricating an actuator system
US10377625B2 (en) Scanning mirror device and a method for manufacturing it
JP2005505000A (ja) ビームステアリング光スイッチング素子
JP4973811B2 (ja) 平行移動機構、干渉計および分光器
US20120243095A1 (en) Configurable micromechanical diffractive element with anti stiction bumps
Friese et al. Deformable polymer adaptive optical mirrors
US20190235230A1 (en) Optical system with deformable mems optical element
Werber et al. Tunable, membrane-based, pneumatic micro-mirrors
Helmbrecht et al. Segmented MEMS deformable-mirror for wavefront correction
JP2000035369A (ja) 圧力センサおよびその製造方法
WO2021056251A1 (zh) 一种可调光学滤波装置
JP2020500337A (ja) 調整可能なｍｅｍｓエタロン・デバイス
RU2559032C9 (ru) Микромеханический элемент
US8218215B2 (en) Transducer-mirror structure
CN113795779A (zh) 可调红外光学滤波器件
Winchester et al. Transferable silicon nitride microcavities
Lockhart et al. Design, fabrication and characterization of a fully programmable micro diffraction grating

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM BY KG MD TJ

PC4A Registration of transfer of a eurasian patent by assignment
TC4A Change in name of a patent proprietor in a eurasian patent