IT202000015775A1 - Attuatore angolare piezoelettrico per un otturatore mems e relativo metodo di fabbricazione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?ATTUATORE ANGOLARE PIEZOELETTRICO PER UN OTTURATORE MEMS E RELATIVO METODO DI FABBRICAZIONE?
La presente invenzione ? relativa ad un attuatore angolare piezoelettrico per un otturatore MEMS (?Micro Electro-Mechanical System?) e al relativo metodo di fabbricazione.
Come noto, un attuatore angolare ? un dispositivo in grado di provocare una rotazione di una struttura ad esso collegata.
Ad esempio, un attuatore angolare pu? essere utilizzato per comandare un otturatore.
Un otturatore ? un apparecchio comprendente una struttura bloccante, giacente in un piano e vincolata all?attuatore angolare, e accoppiato ad un fascio di luce, generalmente di tipo laser.
Tipicamente, a riposo, la struttura bloccante ? disposta in modo da intercettare il fascio di luce e impedirne quindi il passaggio. In uso, l?attuatore angolare viene comandato in modo da provocare una rotazione, nel piano, della struttura bloccante, in modo da liberare il percorso del fascio di luce. Ad esempio, la struttura bloccante pu? essere attuata in modo da modificare dimensione e intensit? del fascio di luce o da modulare l?intensit? del fascio di luce, ad esempio con una frequenza di alcuni kilohertz.
Sono noti attuatori angolari realizzati in tecnologia MEMS aventi un sistema di attuazione di tipo elettromagnetico, elettrostatico o piezoelettrico di massa (?bulk?).
Tuttavia, tali attuatori angolari MEMS noti presentano degli svantaggi. Essi sono infatti caratterizzati da un elevato consumo energetico, a causa di elevate tensioni di attuazione, anche di centinaia di volt, specialmente nel caso di sistemi di attuazione elettrostatici; inoltre, nel caso di sistemi di attuazione piezoelettrici di massa, essi si caratterizzano per una bassa velocit? di attuazione e dimensioni elevate, con spessori anche di alcuni millimetri.
Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un attuatore angolare MEMS di tipo piezoelettrico, il quale consenta di superare almeno in parte gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un attuatore angolare MEMS, un relativo metodo di fabbricazione e un otturatore ottico come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne viene ora descritta una forma di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra schematicamente una vista prospettica del presente attuatore angolare MEMS;
- la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica dall?alto di un dettaglio dell?attuatore angolare MEMS di figura 1;
- la figura 3 mostra schematicamente una vista prospettica dal basso del dettaglio dell?attuatore angolare MEMS di figura 2;
- la figura 4 mostra schematicamente una vista dall?alto del dettaglio dell?attuatore angolare MEMS di figura 2;
- la figura 5 mostra schematicamente una sezione trasversale del presente attuatore angolare MEMS presa lungo la linea di sezione V-V di figura 4;
- la figura 6 mostra schematicamente una sezione trasversale del presente attuatore angolare MEMS presa lungo la linea di sezione VI-VI di figura 4;
- le figure 7 e 8 mostrano schematicamente viste prospettiche di un dettaglio dell?attuatore angolare MEMS di figura 2, rispettivamente a riposo e in uso;
- la figura 9 mostra schematicamente una vista dall?alto del dettaglio di figura 8, in cui la posizione di riposo ? identificata da un tratteggio;
- la figura 10 mostra schematicamente una vista dall?alto del dettaglio di figura 4, in uso, in cui la rotazione rispetto alla posizione di riposo ? identificata da un tratteggio;
- la figura 11 mostra una vista prospettica semplificata di un otturatore ottico incorporante il presente attuatore angolare MEMS, a riposo;
- la figura 12 mostra una vista prospettica semplificata dell?otturatore ottico di figura 11, in uso; e - le figure 13-18 mostrano schematicamente sezioni trasversali del presente attuatore angolare MEMS in fasi di fabbricazione successive.
Qui di seguito viene descritto un attuatore angolare 10 (in seguito indicato anche come attuatore 10) realizzato in tecnologia MEMS a film piezoelettrico sottile, in grado di fornire un momento torcente attorno ad un asse Z di un sistema di riferimento Cartesiano XYZ.
Come mostrato in figura 1, l?attuatore 10 comprende un substrato 11 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, e una struttura stratificata 13 formata da una pila di strati 17.
In dettaglio, in questa forma di realizzazione e come mostrato nelle figure 5 e 6, la pila di strati 17 ? formata dalla successione, lungo l?asse Z e dal basso verso l?alto, di: un primo strato isolante 20, ad esempio di ossido di silicio o ortosilicato tetraetile (TEOS); uno strato strutturale 21, di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente uno spessore elevato, compreso ad esempio tra 50 ?m e 500 ?m (ad esempio pari a circa 300 ?m); un secondo strato isolante 22, ad esempio di ossido di silicio o ortosilicato tetraetile (TEOS); uno strato di membrana 23 di materiale semiconduttore, ad esempio polisilicio, avente uno spessore compreso ad esempio tra 0,2 ?m e 50 ?m (ad esempio pari a circa 0,7 ?m); e un terzo strato isolante 24, ad esempio di ossido di silicio o ortosilicato tetraetile (TEOS).
La pila di strati 17 ? delimitata superiormente ed inferiormente da, rispettivamente, una superficie superiore Stop ed una superficie inferiore Sbot, le quali sono formate rispettivamente dal terzo strato isolante 24 e dal primo strato isolante 20 e sono parallele al piano XY.
Come mostrato nelle figure 2-4, la struttura stratificata 13 ? sagomata, mediante un interstizio 99, in modo da formare un corpo principale 15, il quale comprende una porzione centrale 29A, avente una forma approssimativamente cilindrica con asse OH parallelo all?asse Z, ed una porzione periferica 29B, la quale ha una forma a spirale e si sviluppa attorno alla porzione centrale 29A, e dunque attorno all?asse OH.
Come mostrato nelle figure 5 e 6, l?attuatore 10 comprende inoltre un perno 14, il quale si estende al di sotto della superficie inferiore Sbot, ed in particolare al di sotto della porzione centrale 29A, ed ha una forma cilindrica con asse che coincide con l?asse OH; inoltre, il perno 14 ha una prima estremit? incollata (?bonded?) al substrato 11 ed una seconda estremit? fissata alla porzione centrale 29A.
In dettaglio, il perno 14 ? formato da una prima porzione 28A di materiale semiconduttore, ad esempio polisilicio, e da una seconda porzione 28B di materiale isolante quale ossido di silicio o ortosilicato tetraetile (TEOS). La prima porzione 28A del perno 14 ? disposta al di sotto di una porzione del primo strato isolante 20 che forma la porzione centrale 29A, con cui ? in contatto diretto; la seconda porzione 28B del perno 14 ? interposta tra la prima porzione 28A ed il substrato 11, con i quali ? in contatto diretto.
In pratica, grazie alla presenza del perno 14, la porzione periferica 29B del corpo principale 15 risulta sospesa, a distanza, al di sopra del substrato 11.
Come precedentemente accennato, la porzione periferica 29B del corpo principale 15 ha una forma a spirale, la quale comprende una pluralit? di avvolgimenti 30 che si estendono in modo concentrico a partire dalla porzione centrale 29A, ed attorno a quest?ultima, dunque attorno all?asse OH. Il corpo principale 15 ha, a riposo e parallelamente all?asse Y, un ingombro di riposo D. In particolare, assumendo un sistema di riferimento cilindrico centrato sull?asse OH e avente una coordinata radiale R e una coordinata angolare ?, ciascun avvolgimento 30 ? formato da una corrispondente parte della porzione periferica 29B del corpo principale 15, la quale ha una estensione rispetto alla coordinata angolare ? pari a 360?.
Inoltre, come descritto in maggior dettaglio in seguito, gli avvolgimenti 30 hanno, lungo la coordinata radiale R, una medesima larghezza; in aggiunta, coppie di avvolgimenti adiacenti distano di una medesima distanza; in altre parole, la porzione periferica 29B del corpo principale 15 forma una spirale archimedea.
In maggior dettaglio, gli avvolgimenti 30 della porzione periferica 29B del corpo principale 15 sono formati da una struttura di supporto 38* e da una pluralit? di unit? deformabili 31 disposte in successione in modo da formare un unico pezzo, a partire dalla porzione centrale 29A, fino ad un?unit? deformabile finale 31A, la quale ha la massima distanza (sia in direzione radiale che in direzione angolare) dalla porzione centrale 29A.
Ciascuna unit? deformabile 31 comprende una membrana 35, sospesa su una corrispondente cavit? 37; una rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38*; e una coppia di strutture di irrigidimento 39.
In maggior dettaglio, in ciascuna unit? deformabile 31, la membrana 35 ? formata da corrispondenti porzioni del secondo strato isolante 22, dello strato di membrana 23 e del terzo strato isolante 24; inoltre, la struttura di supporto 38* e le strutture di irrigidimento 39 sono formate da corrispondenti porzioni del primo strato isolante 20 e dello strato strutturale 21.
La cavit? 37 ? delimitata superiormente dalla membrana 35, ? in parte delimitata lateralmente dalla rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38* e dalle strutture di irrigidimento 39, ? aperta inferiormente in direzione del sottostante substrato 11 e lateralmente, in direzione dell?asse OH, tramite un?apertura laterale AP (visibile in figura 7).
Come mostrato in figura 5, la struttura di supporto 38* ? delimitata lateralmente da una parete interna Pi, rivolta verso l?asse OH, e da una parete esterna Pe, rivolta verso l?esterno.
La parete interna Pi e la parete esterna Pe si avvolgono attorno all?asse OH e sono curve, con singola concavit? rivolta verso l?asse OH. Inoltre, in ciascun punto della parete interna Pi, il piano tangente alla parete interna Pi e passante per il punto ? parallelo all?asse Z; la medesima considerazione si applica ai punti della parete esterna Pe.
In prima approssimazione, ed in condizioni di riposo, le porzioni 38 della struttura di supporto 38* hanno ciascuna, in vista dall?alto, forma sostanzialmente a settore di corona circolare, dunque le sue sezioni perpendicolarmente all?asse Z sono invarianti per traslazioni lungo l?asse Z. Inoltre, in prima approssimazione, le porzioni di parete esterna Pe e di parete interna Pi che delimitano una rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38* hanno ciascuna un rispettivo singolo raggio di curvatura, il raggio di curvatura della porzione di parete esterna Pe essendo maggiore del raggio di curvatura della porzione di parete interna Pi.
Le due strutture di irrigidimento 39 hanno una medesima forma. In particolare, ciascuna struttura di irrigidimento 39 ha la forma di un parallelepipedo, il quale ha una prima estremit? solidale ad una rispettiva estremit? della rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38* (evidenziata da un tratteggio in figura 6) e dalla quale si estende, parallelamente alla direzione della coordinata radiale e in direzione dell?asse OH, fino ad una seconda estremit?. In altre parole, le seconde estremit? delle strutture di irrigidimento 39 sono disposte ad una minore distanza dall?asse OH, rispetto alle corrispondenti prime estremit?.
Le membrane 35 sovrastano, ciascuna, sia la rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38*, sia la rispettiva coppia di strutture di irrigidimento 39, con cui forma un unico pezzo.
Ciascuna membrana 35 comprende una parte fissa 35A, fissata alla sottostante corrispondente porzione 38 della struttura di supporto 38* ed alle sottostanti corrispondenti strutture di irrigidimento 39, e una parte sospesa 35B, che sovrasta la rispettiva cavit? 37.
In particolare, come anche visibile in figura 7, ciascuna membrana 35 ha la forma, in vista dall?alto, di un rettangolo con lati lunghi incurvati, i cui due lati corti ed il cui lato lungo pi? distante dall?asse OH formano la parte fissa 35A e sono fissati rispettivamente, alle due strutture di irrigidimento 39 ed alla corrispondente porzione 38 della struttura di supporto 38*, mentre il lato lungo pi? prossimo all?asse OH non ? vincolato e forma un bordo 36 che si estende tra le seconde estremit? delle corrispondenti strutture di irrigidimento 39, delimitando lateralmente la parte sospesa 35B della membrana 35 e delimitando superiormente l?apertura laterale AP della rispettiva cavit? 37.
Le membrane 35 delle unit? deformabili 31 formano un?unica struttura planare 35*, senza soluzione di continuit?. Senza alcuna perdita di generalit?, la struttura planare 35*, oltre ad avere una sezione invariante rispetto a traslazioni lungo l?asse Z, ha una larghezza, misurata lungo la coordinata radiale R, invariante rispetto alla coordinata angolare ? (e quindi anche indipendente dall?avvolgimento 30 considerato), a meno di possibili variazioni di larghezza in prossimit? della porzione centrale 29A, cio? per valori di ? inferiori, ad esempio, a 270?. Inoltre, la struttura planare 35* ? delimitata lateralmente da una superficie interna Smi, rivolta verso l?asse OH, e da una superficie esterna Sme, rivolta verso l?esterno. La superficie interna Smi e la superficie esterna Sme si avvolgono attorno all?asse OH; inoltre, in ciascun punto della superficie interna Smi, il piano tangente alla superficie interna Smi e passante per il punto ? parallelo all?asse Z; la medesima considerazione si applica ai punti della superficie esterna Sme.
Ciascuna membrana 35 ? quindi formata da una porzione della struttura planare 35*.
Ancora in maggior dettaglio, la parete esterna Pe ? verticalmente allineata con la superficie esterna Sme della struttura planare 35*. In altre parole, la parete esterna Pe condivide le rette generatici con la superficie esterna Sme.
In aggiunta, considerata una qualsiasi coppia formata da un primo ed un secondo avvolgimento 30 adiacenti, in cui il primo avvolgimento 30 ? disposto all?esterno del secondo avvolgimento 30, si verifica che la porzione di superficie esterna Sme del secondo avvolgimento 30 e la porzione di superficie interna Smi del primo avvolgimento 30 distano tra loro di una distanza d (mostrata in figura 5, ad esempio pari a 145 ?m) indipendente dalla coordinata angolare ?, e delimitano lateralmente una corrispondente porzione dell?interstizio 99, il quale, come detto in precedenza, in vista dall?alto ha forma a spirale ed ? interposto tra coppie di avvolgimenti adiacenti. Inoltre, considerata ciascuna cavit? 37, essa risulta lateralmente sfalsata verso l?esterno rispetto alla porzione di interstizio 99 che delimita la corrispondente membrana 35; tutte le cavit? 37 sono in comunicazione fluidica con l?interstizio 99, dal momento che sono aperte lateralmente verso l?asse OH.
Le unit? deformabili 31 sono disposte in successione, lungo un profilo a spirale, in modo da formare, come precedentemente spiegato, gli avvolgimenti 30 del corpo principale 15.
In dettaglio, la coppia di strutture di irrigidimento 39 dell?unit? deformabile finale 31A comprende una struttura di irrigidimento finale 39A, avente massima distanza sia angolare che radiale rispetto all?asse OH.
Inoltre, come mostrato in figura 6, e senza alcuna perdita di generalit?, le strutture di irrigidimento 39 hanno, lungo la direzione radiale, una medesima larghezza, la quale, senza alcuna perdita di generalit?, ? pari alla larghezza delle membrane 35 e rappresenta quindi la larghezza degli avvolgimenti 30.
Un numero (ad esempio nove in questa forma di realizzazione) di prime unit? della successione di unit? deformabili 31, disposte a partire dalla porzione centrale 29A del corpo principale 15, possono avere forma e dimensioni differenti rispetto alle rimanenti unit? deformabili 31. In particolare, in questa forma di realizzazione, la membrana 35 e le strutture di irrigidimento 39 delle prime unit? della successione di unit? deformabili 31 hanno una larghezza minore delle rimanenti unit? deformabili 31.
Inoltre, coppie di unit? deformabili 31 adiacenti condividono una corrispondente struttura di irrigidimento 39.
Ancora con riferimento alle strutture di irrigidimento 39, e senza alcuna perdita di generalit?, in condizioni di riposo esse sono distribuite angolarmente lungo dodici direzioni radiali, angolarmente equispaziate, alle quali nel seguito ci si riferisce come alle direzioni radiali condivise. In altre parole, ad eccezione delle summenzionate prime unit? deformabili 31, le strutture di irrigidimento 39 di ciascun avvolgimento 30 si estendono, ciascuna, lungo una rispettiva direzione radiale condivisa; conseguentemente, le strutture di irrigidimento 39 sono raggruppabili in gruppi, ciascun gruppo essendo associato ad una corrispondente direzione radiale condivisa ed includendo, per ciascun avvolgimento 30, la struttura di irrigidimento 39 di tale avvolgimento 30 che si estende lungo la corrispondente direzione radiale condivisa.
L?attuatore 10 comprende inoltre una pluralit? di elementi di attuazione 40, ciascuno formato da una pila comprendente un elettrodo inferiore 42 di materiale metallico, ad esempio platino, una regione di attuazione 43 di materiale piezoelettrico, ad esempio piombo-zirconato di titanio (PZT), BaTiO3, KNN (niobato di sodio e potassio), PbTiO2 o PbNb2O6 e avente uno spessore compreso tra 1 ?m e 3 ?m, in particolare di 2 ?m, e un elettrodo superiore 44 di materiale metallico, ad esempio di una lega titanio-tungsteno; la regione di attuazione 43 ? interposta, in contatto diretto, tra l?elettrodo inferiore 42 e l?elettrodo superiore 44.
Ciascun elemento di attuazione 40 ? disposto sopra una rispettiva unit? deformabile 31, ed in particolare al di sopra della porzione del terzo strato isolante 24 che forma la corrispondente membrana 35, in modo che il rispettivo elettrodo inferiore 42 contatti tale porzione di terzo strato isolante 24. L?elemento di attuazione 40 e la corrispondente cavit? 37 sono quindi disposti su lati opposti della corrispondente membrana 35.
In dettaglio, senza alcuna perdita di generalit?, ciascun elemento di attuazione 40 sovrasta la parte sospesa 35B della rispettiva membrana 35.
In alternativa, sono possibili forme di realizzazione (non mostrate) in cui gli elementi di attuazione 40 sovrastano anche porzioni della parte fissa 35A della rispettiva membrana 35.
Ancora in maggior dettaglio, in questa forma di realizzazione, solo una parte delle unit? deformabili 31 porta un corrispondente elemento di attuazione 40. In particolare, le summenzionate prime unit? della successione di unit? deformabili 31 sono prive dei corrispondenti elementi di attuazione 40. Sono comunque possibili forme di realizzazione in cui tutte le unit? deformabili 31 portano rispettivi elementi di attuazione 40.
Ciascun elemento di attuazione 40 ? inoltre ricoperto da una regione di passivazione 45 formata di materiale isolante, ad esempio nitruro di alluminio, nitruro di silicio, vetro di silicio non drogato (?undoped silicon glass?, USG), ossido di afnio (HfO2) o film polimerico secco (?dry?).
Alternativamente, la regione di passivazione 45 pu? essere formata dalla sovrapposizione di una pluralit? di strati isolanti.
In aggiunta, gli elettrodi superiori 44 della pluralit? di elementi di attuazione 40 sono reciprocamente collegati attraverso una rispettiva pista metallica, qui non visibile, che consente anche il collegamento a piazzole di contatto (?pads?), non visibili, per la connessione elettrica ad un circuito esterno di polarizzazione elettrica; analogamente, gli elettrodi inferiori 42 della pluralit? di elementi di attuazione 40 sono reciprocamente collegati attraverso una rispettiva pista metallica, qui non visibile, che consente anche il collegamento a piazzole di contatto (?pads?) per la connessione elettrica ad un adatto potenziale, ad esempio a massa.
Ad esempio, piazzole di contatto possono essere disposte sulla porzione centrale 29A del corpo principale 15.
In uso, una tensione di polarizzazione ? applicata tra l?elettrodo superiore 44 e l?elettrodo inferiore 42 di ciascun elemento di attuazione 40. In particolare, la tensione di polarizzazione pu? essere una tensione continua o alternata, a seconda dell?applicazione desiderata.
La tensione di polarizzazione provoca, in ciascun elemento di attuazione 40, una deformazione della regione piezoelettrica 43; di conseguenza, ciascuna membrana 35, solidale ad un rispettivo elemento di attuazione 40, subisce una deformazione.
In particolare, come visibile in figura 8 (nella quale i valori di deformazione sono stati amplificati di un fattore cento per maggior chiarezza), assumendo di procedere a partire dalla porzione di parte fissa 35A che sovrasta la corrispondente porzione 38 della struttura di supporto 38* ed in direzione radiale verso l?asse OH, si verifica quanto segue. La parte sospesa 35B della membrana 35 inizialmente si incurva verso la cavit? 37, leggermente al di sotto della corrispondente posizione a riposo, in modo da formare una prima concavit? CU rivolta verso l?alto, e successivamente si incurva in modo da innalzarsi marcatamente al di sopra della corrispondente posizione a riposo, dunque in direzione opposta rispetto alla cavit? 37, in modo da formare una seconda concavit? CD rivolta verso il basso; inoltre, il bordo 36 si incurva ed assume un profilo avente una rispettiva concavit?, rivolta verso la sottostante cavit? 37.
In dettaglio, come visibile in pianta in figura 9, in cui la posizione di riposo ? evidenziata da un tratteggio e la posizione deformata da una linea piena, la deformazione della membrana 35 ? tale da causare una rototraslazione, sostanzialmente parallelamente al piano XY, delle rispettive strutture di irrigidimento 39 e della rispettiva porzione 38 della struttura di supporto 38*, quest?ultima essendo anche soggetta ad una deformazione.
Ancora in maggior dettaglio, le strutture di irrigidimento 39 ruotano, ciascuna intorno ad un proprio asse parallelo all?asse Z, in modo tale per cui le seconde estremit? delle strutture di irrigidimento 39 di ciascuna unit? deformabile 31 si avvicinano tra loro; tale rotazione ? in prima approssimazione trascurabile. Inoltre, le strutture di irrigidimento 39 di ciascuna unit? deformabile 31 traslano verso la porzione centrale 29A del corpo principale 15. In aggiunta, le strutture di irrigidimento 39 di ciascuna unit? deformabile 31 ruotano, in modo solidale tra loro, attorno alla porzione centrale 29A del corpo centrale 15, in direzione opposta alla direzione di avvolgimento della porzione periferica 29B, tale direzione di avvolgimento della porzione periferica 29B essendo intesa a partire dall?unit? deformabile finale 31A ed in direzione della porzione centrale 29A.
La deformazione di ciascuna porzione 38 della struttura di supporto 38* ? tale per cui i raggi di curvatura delle porzioni della parete interna Pi e della parete esterna Pe che delimitano ciascuna porzione 38 della struttura di supporto 38* diminuisce rispetto alla posizione di riposo. In altre parole, ciascuna porzione 38 della struttura di supporto 38* aumenta, localmente, la propria curvatura, con conseguente aumento dell?estensione angolare della struttura di supporto 38*.
Ciascuna unit? deformabile 31 subisce quindi una rotazione, attorno all?asse OH, tale rotazione avendo entit? crescente al crescere della distanza dell?unit? deformabile 31 dalla porzione centrale 29A; conseguentemente, l?unit? deformabile finale 31A subisce la rotazione di massima entit?.
In particolare, la struttura di irrigidimento finale 39A subisce una rotazione massima, intorno all?asse OH, rispetto alla posizione di riposo.
Inoltre, il corpo principale 15 subisce, parallelamente al piano XY, una compressione, in maniera tale per cui il corpo principale 15 assume un ingombro di lavoro D*, preso parallelamente all?asse Y, minore dell?ingombro di riposo D.
In particolare, la struttura di irrigidimento finale 39A pu? subire una rotazione, attorno all?asse OH, anche di 8 gradi (come mostrato in figura 10 da un tratteggio rispetto alla posizione di riposo), a fronte di una tensione di polarizzazione di 40 V applicata agli elementi di attuazione 40.
Inoltre, il corpo principale 15, ed in particolare l?unit? deformabile finale 31A, subisce un piccolo spostamento fuori piano, parallelamente all?asse Z. In questa forma di realizzazione, lo spostamento fuori piano della struttura di irrigidimento finale 39A pu? essere circa pari allo 0,2% del proprio spostamento parallelamente al piano XY, come verificato da simulazioni svolte dalla Richiedente. In dettaglio, tale ridotto spostamento fuori piano si ottiene grazie allo spessore elevato della struttura di supporto 38 e delle strutture di irrigidimento 39 rispetto allo spessore di ciascuna membrana 35.
L?attuatore 10 pu? essere utilizzato in un otturatore ottico 100, come mostrato in figura 11.
L?otturatore ottico 100 comprende, oltre all?attuatore 10, un braccio 101 e una struttura bloccante 102.
Il braccio 101 forma un unico pezzo con la struttura stratificata 13 e la struttura bloccante 102 forma un unico pezzo con il braccio 101. Il braccio 101 e la struttura bloccante 102 sono quindi formati da corrispondenti porzioni della pila di strati 17.
In dettaglio, il braccio 101 ha la forma di un parallelepipedo avente uno spessore, lungo l?asse Z, pari allo spessore della pila di strati 17 e un?estensione orizzontale, parallelamente al piano XY, relativamente elevata, ad esempio dell?ordine di alcuni millimetri.
La struttura bloccante 102 ha qui una forma cilindrica, ad esempio avente un diametro di 1 mm e uno spessore, parallelamente all?asse Z, pari allo spessore della pila di strati 17.
La struttura bloccante 102 comprende inoltre una superficie superiore 104 rivestita di un materiale assorbente o riflettente radiazione elettromagnetica, quale un metallo, ad esempio oro o alluminio.
Il braccio 101 ? vincolato, in questa forma di realizzazione, ad una prima estremit? 101A, alla struttura di irrigidimento finale 39A e alla porzione 38 di struttura di supporto 38* dell?elemento deformabile finale 31A; inoltre, una seconda estremit? 101B del braccio 101 ? fissata ad una porzione della superficie laterale della struttura bloccante 102.
L?otturatore ottico 100 ? disposto lungo un percorso ottico di un fascio di luce 105, ad esempio di tipo laser, generato da una sorgente ottica 106.
Senza perdita di generalit?, l?otturatore ottico 100 ? disposto in modo che, a riposo, la struttura bloccante 102 intercetti il fascio di luce 105, bloccando completamente il percorso ottico. In particolare il fascio di luce 105 pu? essere completamente riflesso o assorbito dalla superficie superiore 104 della struttura bloccante 102.
In uso, la tensione di polarizzazione pu? causare una rotazione dell?attuatore 10, come discusso in precedenza.
Di conseguenza, come mostrato in figura 12, la struttura bloccante 102 si sposta rispetto alla posizione di riposo (evidenziata con un tratteggio in figura 12).
In particolare, la struttura bloccante 102 subisce una rotazione, il cui arco ha una lunghezza lineare proporzionale all?angolo di rotazione della struttura di irrigidimento finale 39A e alla lunghezza del braccio 101.
Quindi, la struttura bloccante 102 libera il percorso ottico del fascio di luce 105.
La tensione di polarizzazione pu? essere applicata in modo da liberare completamente o parzialmente il percorso ottico del fascio di luce 105, ad esempio per modificare dimensione e intensit? del fascio di luce 105.
Alternativamente, la tensione di polarizzazione pu? avere una componente in frequenza che consente di modulare nel tempo l?intensit? del fascio di luce 105.
Vantaggiosamente, l?attuatore 10 consente di ottenere un otturatore ottico di dimensioni ridotte, funzionante a basse tensioni di polarizzazione, efficiente dal punto di vista energetico e con un ridotto spostamento fuori piano della struttura bloccante 102.
Qui di seguito viene descritto il metodo di fabbricazione dell?attuatore 10 di figura 1. In particolare, per chiarezza, le figure 13-18 mostrano fasi di fabbricazione relative alla sezione trasversale presa lungo la linea di sezione V-V.
La figura 13 mostra una sezione trasversale di una fetta (?wafer?) 150 gi? sottoposta a prime fasi di lavorazione. In dettaglio, la fetta 150 comprende un substrato di lavoro 151 (destinato a formare lo strato strutturale 21 della pila di strati 17) di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente una prima e una seconda superficie 151A, 151B. Il substrato di lavoro 151 ? gi? stato sottoposto ad assottigliamento (?grinding?) e levigatura, ad esempio attraverso levigatura chimico-meccanica (?chemical-mechanical polishing?, CMP), fino ad ottenere uno spessore di, ad esempio, 300 ?m.
Sulla prima superficie 151A del substrato di lavoro 151 si estende un primo strato dielettrico 152 (destinato a formare il secondo strato isolante 22 della pila di strati 17), ad esempio di ortosilicato tetraetile (TEOS) depositato, avente ad esempio uno spessore di almeno 1 ?m, qui di 1 ?m.
Sul primo strato dielettrico 152 si estende uno strato passivo 153 (destinato a formare lo strato di membrana 22 della pila di strati 17) formato di materiale semiconduttore, ad esempio polisilicio e avente qui uno spessore di 700 nm.
Sullo strato passivo 153 si estende un secondo strato dielettrico 154 (destinato a formare il terzo strato isolante 24 della pila di strati 17), ad esempio di ortosilicato tetraetile (TEOS) depositato, avente ad esempio uno spessore di 0,5 ?m.
Un primo strato di sagomatura 155 (destinato a formare il primo strato isolante 20 della pila di strati 17), ad esempio di ortosilicato tetraetile (TEOS), avente ad esempio uno spessore di 1 ?m, si estende sulla seconda superficie 151B del substrato di lavoro 151; al di sotto del primo strato di sagomatura 155 si estende, in contatto diretto, uno strato di incollaggio 156 di materiale semiconduttore, ad esempio polisilicio, avente uno spessore di, ad esempio, 50 ?m.
Successivamente, figura 14, un primo strato metallico 160, ad esempio di platino, ? depositato sopra il secondo strato dielettrico 154; uno strato di attuazione 161 di materiale piezoelettrico, ad esempio piombo-zirconato di titanio (PZT), BaTiO3, KNN (niobato di sodio e potassio), PbTiO2 o PbNb2O6 e avente uno spessore compreso tra 1 ?m e 3 ?m, in particolare di 2 ?m, ? depositato sopra il primo strato metallico 160; un secondo strato metallico 162, ad esempio di una lega tungsteno-titanio, ? depositato sopra lo strato di attuazione 161, formando una pila di strati di attuazione.
La pila di strati di attuazione cos? ottenuta ? definita mediante passaggi litografici e di attacco chimico selettivo in modo da formare la pluralit? di elementi di attuazione 40.
In particolare, per ciascun elemento di attuazione 40, il primo strato metallico 160 forma l?elettrodo inferiore 42, lo strato di attuazione 161 forma la regione di attuazione 43 e il secondo strato metallico 162 forma l?elettrodo superiore 44.
In aggiunta, il primo strato metallico 160 forma anche una rispettiva pista metallica, qui non mostrata, per il collegamento elettrico, reciproco e con rispettive piazzole di contatto, di ciascun elettrodo inferiore 42 degli elementi di attuazione 40.
Inoltre, uno strato di passivazione 163, di materiale isolante quale nitruro di alluminio, nitruro di silicio, vetro di silicio non drogato (?undoped silicon glass?, USG), ossido di afnio (HfO2) o film polimerico secco (?dry?), ? depositato in modo da coprire completamente e circondare gli elementi di attuazione 40 ed ? definito litograficamente in modo da formare, per ciascuna elemento di attuazione 40, la regione di passivazione 45.
Successivamente, in maniera non mostrata ma nota al tecnico del ramo, una via ? formata in ciascuna regione di passivazione 45 e un ulteriore strato metallico ? depositato sopra gli elementi di attuazione 40 e definito in modo da formare una rispettiva pista metallica, qui non mostrata, per il collegamento elettrico, reciproco e con rispettive piazzole di contatto, di ciascun elettrodo superiore 44.
La fetta 150, come mostrato in figura 15, ? quindi sottoposta ad una sequenza di attacchi chimici selettivi a partire dal secondo strato dielettrico 154 e fino alla prima superficie 151A del substrato di lavoro 151, in modo da formare una trincea 165 ed esporre una parte del substrato di lavoro 151. La trincea 165 attraversa, lungo l?asse Z, il secondo strato dielettrico 154, lo strato passivo 153 e il primo strato dielettrico 152, fino alla prima superficie 151A del substrato di lavoro 151; in vista dall?alto, la trincea 165 ha forma a spirale ed ? destinata a formare l?interstizio 99. In particolare, come visibile in figura 15, la trincea 165 ? lateralmente sfalsata rispetto a ogni elemento di attuazione 40.
Successivamente, come mostrato in figura 16, lo strato di incollaggio 156 ? sottoposto ad assottigliamento e levigatura chimico-meccanica, fino ad ottenere uno spessore di, ad esempio, 4 ?m.
Un secondo strato di sagomatura 170 ? quindi depositato sullo strato di incollaggio 156 ed ? definito litograficamente in modo da formare una finestra 171. La finestra 171 si estende attraverso lo strato di sagomatura 170, in modo da esporre parte dello strato di incollaggio 156. Del secondo strato di sagomatura 170 rimane una porzione 172, avente approssimativamente forma di cilindro avente per asse l?asse OH e destinata a formare la seconda porzione 28B del perno 14.
Successivamente, figura 17, vengono effettuati attacchi chimici selettivi sopra la seconda superficie 151B del substrato di lavoro 151, utilizzando la porzione 172 del secondo strato di sagomatura 170, in modo da formare le cavit? 37 ed il corpo principale 15.
In dettaglio, la finestra 171 ? utilizzata per rimuovere selettivamente parte dello strato di incollaggio 156, di cui rimane una porzione, sovrapposta alla porzione 172 del secondo strato isolante, destinata a formare la prima porzione 28A del perno 14. Successivamente, il primo strato di sagomatura 155 ? definito litograficamente in modo da formare una porzione sovrapposta alla porzione rimanente dello strato di incollaggio 156 (destinata a formare la seconda porzione 28B del perno 14), e una pluralit? di porzioni 173 lateralmente sfalsate, in modo da lasciare esposte porzioni della seconda superficie 151B del substrato di lavoro 151. Successivamente, utilizzando la porzione 172 del secondo strato di sagomatura 170 e la pluralit? di porzioni 173 del primo strato di sagomatura 155 come maschera, vengono rimosse selettivamente porzioni del substrato di lavoro 151, a partire dalle porzioni esposte della seconda superficie 151B e fino alla prima superficie 151A del substrato di lavoro 151, in modo da formare le corrispondenti cavit? 37, le quali comunicano con la trincea 165.
In questo modo sono formate, oltre alle cavit? 37, il perno 14 e la struttura di supporto 38*, le membrane 35 e le strutture di irrigidimento 39 di ciascuna unit? deformabile 31.
Successivamente, figura 18, la porzione 172 del secondo strato di sagomatura 170 ? incollata ad una fetta di supporto 180 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio.
Infine, in modo non mostrato, il gruppo 200 formato dalla fetta 150 e dalla fetta di supporto 180 vengono tagliate (?diced?), in modo che, dopo operazioni di incapsulamento e connessione elettrica di per s? note, ciascuna piastrina (?die?) formi l?attuatore 10 di figura 1. In dettaglio, la fetta di supporto 180 forma il substrato 11.
I procedimenti qui sopra descritti possono essere estesi, in modo noto al tecnico del ramo, per fabbricare, a partire dalla fetta 150, anche il braccio 101 e la struttura bloccante 102 dell?otturatore ottico 100.
Risulta infine chiaro che all?attuatore 10, all?otturatore ottico 100 e al metodo di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, gli avvolgimenti della porzione periferica del corpo principale formato dalla struttura stratificata possono essere spaziati da una distanza variabile, ad esempio formando una spirale logaritmica. Tuttavia, una distanza variabile tra gli avvolgimenti pu? implicare l?utilizzo di una maggiore area di materiale a parit? di prestazioni dell?attuatore angolare MEMS.
Ad esempio, il numero di avvolgimenti, la dimensione degli avvolgimenti, il numero di unit? deformabili, il numero di elementi di attuazione e lo spessore di ciascuno strato della pila di strati possono essere modificati e scelti in base alle propriet? meccaniche desiderate dell?attuatore angolare MEMS.
Ad esempio, le strutture di irrigidimento possono estendersi, a partire dalla relativa porzione della struttura di supporto, verso l?esterno, ovvero allontanandosi dalla porzione centrale del corpo principale, in modo che la cavit? e l?apertura laterale delle unit? deformabili siano rivolte verso l?esterno e non verso la porzione centrale del corpo principale.
Ad esempio gli elementi di attuazione possono estendersi parzialmente sopra la porzione della struttura di supporto e/o almeno parte della coppia di strutture di irrigidimento di ciascuna unit? deformabile.
Ad esempio, ciascuna unit? deformabile pu? avere una rispettiva coppia di strutture di irrigidimento distinte da un?unit? deformabile adiacente.
Ad esempio, il braccio dell?otturatore pu? essere vincolato ad una qualunque struttura di irrigidimento o porzione di struttura di supporto di una qualunque unit? deformabile.
Sar? inoltre evidente al tecnico del ramo che la porzione periferica del corpo centrale pu? avere porzioni, per piccoli valori della coordinata angolare ? e quindi in prossimit? della porzione centrale del corpo principale, aventi forme e dimensioni che differiscono dalle forme e dimensioni di corrispondenti porzioni per valori pi? grandi della coordinata angolare ?, a causa di specifiche esigenze di fabbricazione.
Claims (14)
1. Attuatore MEMS (10) comprendente un corpo principale (15) includente una porzione centrale (29A), accoppiabile ad un substrato (11), e una porzione periferica (29B), la quale, quando detta porzione centrale (29A) ? accoppiata a detto substrato (11), ? sospesa al di sopra del substrato e comprende una struttura deformabile (35*), la quale in condizioni di riposo ha una forma planare a spirale, si estende attorno alla porzione centrale (29A) e forma una pluralit? di membrane (35) disposte in successione;
detto attuatore MEMS (10) comprendendo inoltre:
- una pluralit? di strutture di sostegno (38,39), ciascuna struttura di sostegno (38,39) essendo fissata superiormente alla struttura deformabile (35*) e delimitando lateralmente una corrispondente cavit? (37), la quale ha un?apertura laterale (AP) rivolta verso la porzione centrale (29A) del corpo principale (15) ed ? chiusa superiormente da una corrispondente membrana (35), detta corrispondente membrana (35) comprendendo una parte fissa (35A), fissata alla sottostante struttura di sostegno (38,39), ed una parte sospesa (35B), la quale ? lateralmente sfalsata rispetto alla sottostante struttura di sostegno (38,39) e delimita superiormente detta apertura laterale (AP) della cavit? (37);
- per ciascuna struttura di sostegno (38,39), un corrispondente attuatore piezoelettrico (40);
ed in cui gli attuatori piezoelettrici (40) sono elettricamente controllabili in modo da causare, ciascuno, una deformazione della corrispondente membrana (35), la deformazione comprendendo un incurvamento verso l?alto di una porzione (36) della parte sospesa (35B), gli incurvamenti delle porzioni (36) delle parti sospese (35B) delle membrane (35) causando una rotazione delle strutture di sostegno (38,39) attorno alla porzione centrale (29A) del corpo principale (15).
2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una struttura di supporto (38*), la quale ha una forma a spirale e si estende al di sotto della struttura deformabile (35*); ed in cui ciascuna struttura di sostegno (38,39) comprende:
- una corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*); e
- una coppia di strutture di irrigidimento (39), le quali, in condizioni di riposo, si estendono a partire da corrispondenti estremit? della corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*), lungo corrispondenti direzioni radiali, verso la porzione centrale (29A) del corpo principale (15);
ed in cui la parte fissa (35A) di ciascuna membrana (35) ? fissata alla corrispondente coppia di strutture di irrigidimento (39) ed alla corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*); ed in cui gli incurvamenti delle porzioni (36) delle parti sospese (35B) delle membrane (35) causano un aumento della curvatura di ciascuna porzione (38) della struttura di supporto (38*), con conseguente aumento dell?estensione angolare della struttura di supporto (38*) e rototraslazione delle strutture di irrigidimento (39), detta rototraslazione comprendendo una rotazione attorno alla porzione centrale (29A) del corpo principale (15).
3. Attuatore secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuna struttura di irrigidimento (39) ha una prima estremit?, solidale con la corrispondente porzione (38) di struttura di supporto (38*) ed una seconda estremit?; ed in cui la parte sospesa (35B) di ciascuna membrana (35) comprende un rispettivo bordo (36), il quale si estende tra le seconde estremit? delle corrispondenti strutture di irrigidimento (39) e sovrasta la corrispondente apertura laterale (AP), la quale ? delimitata lateralmente dalle seconde estremit? delle corrispondenti strutture di irrigidimento (39); ed in cui l?incurvamento della porzione (36) della parte sospesa (35B) di ciascuna membrana (35) causa un incurvamento verso l?alto del corrispondente bordo (36), con concavit? rivolta verso il basso.
4. Attuatore secondo la rivendicazione 3, in cui le membrane (35) hanno una dimensione lungo la direzione radiale che ? angolarmente invariante.
5. Attuatore secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui almeno parte della struttura di supporto (38*) ha una dimensione lungo la direzione radiale che ? angolarmente invariante.
6. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui la struttura deformabile (35*) ha uno spessore inferiore allo spessore delle strutture di irrigidimento (39) e della struttura di supporto (38*).
7. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun attuatore piezoelettrico (40) comprende una regione piezoelettrica (43), la quale si estende al di sopra della parte sospesa (35B) della corrispondente membrana (35).
8. Otturatore ottico (100) comprendente:
- l?attuatore MEMS (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti;
- un braccio (101) avente una prima ed una seconda estremit? (101A), la prima estremit? essendo vincolata ad una di dette strutture di sostegno (38,39); e
- una struttura bloccante (102) vincolata alla seconda estremit? (101B) del braccio (101) e configurata per riflettere o assorbire radiazione elettromagnetica.
9. Otturatore ottico (100) secondo la rivendicazione 8, in cui detto braccio (101) ? vincolato alla struttura di sostegno (38,39) pi? distante da detta porzione centrale (29A) del corpo principale (15).
10. Sistema comprendente:
- un otturatore ottico (100) secondo la rivendicazione 8 o 9; e
- una sorgente ottica (106) configurata per generare un fascio ottico (105);
ed in cui l?otturatore ottico (100) ? configurato per operare alternativamente in:
- una prima condizione operativa, in cui detto fascio ottico (105) incide su detta struttura bloccante (102); e - una seconda condizione operativa, in cui detto fascio ottico (105) ? almeno parzialmente sfalsato lateralmente rispetto alla struttura bloccante (102).
11. Metodo di fabbricazione di un attuatore MEMS (10) comprendente le fasi di:
- formare un corpo principale (15) includente una porzione centrale (29A), accoppiabile ad un substrato (11), e una porzione periferica (29B), la quale, quando detta porzione centrale (29A) ? accoppiata a detto substrato (11), ? sospesa al di sopra del substrato e comprende una struttura deformabile (35*), la quale in condizioni di riposo ha una forma planare a spirale, si estende attorno alla porzione centrale (29A) e forma una pluralit? di membrane (35) disposte in successione;
- formare una pluralit? di strutture di sostegno (38,39), ciascuna struttura di sostegno (38,39) essendo fissata superiormente alla struttura deformabile (35*) e delimitando lateralmente una corrispondente cavit? (37), la quale ha un?apertura laterale (AP) rivolta verso la porzione centrale (29A) del corpo principale (15) ed ? chiusa superiormente da una corrispondente membrana (35), detta corrispondente membrana (35) comprendendo una parte fissa (35A), fissata alla sottostante struttura di sostegno (38,39), ed una parte sospesa (35B), la quale ? lateralmente sfalsata rispetto alla sottostante struttura di sostegno (38,39) e delimita superiormente detta apertura laterale (AP) della cavit? (37);
- per ciascuna struttura di sostegno (38,39), formare un corrispondente attuatore piezoelettrico (40), detti attuatori piezoelettrici (40) essendo elettricamente controllabili in modo da causare, ciascuno, una deformazione della corrispondente membrana (35), la deformazione comprendendo un incurvamento verso l?alto di una porzione (36) della parte sospesa (35B), gli incurvamenti delle porzioni (36) delle parti sospese (35B) delle membrane (35) causando una rotazione delle strutture di sostegno (38,39) attorno alla porzione centrale (29A) del corpo principale (15).
12. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre la fase di:
- formare una struttura di supporto (38*), la quale ha una forma a spirale e si estende al di sotto della struttura deformabile (35*);
ed in cui detta fase di formare una pluralit? di strutture di sostegno (38,39) comprende:
- formare ciascuna struttura di sostegno (38,39) in modo che includa una corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*); e
- per ciascuna struttura di sostegno (38,39), formare una coppia di strutture di irrigidimento (39), le quali, in condizioni di riposo, si estendono a partire da corrispondenti estremit? della corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*), lungo corrispondenti direzioni radiali, verso la porzione centrale (29A) del corpo principale (15);
ed in cui detta fase di formare un corpo principale (15) ? tale per cui la parte fissa (35A) di ciascuna membrana (35) ? fissata alla corrispondente coppia di strutture di irrigidimento (39) ed alla corrispondente porzione (38) della struttura di supporto (38*), in maniera tale per cui gli incurvamenti delle porzioni (36) delle parti sospese (35B) delle membrane (35) causano un aumento della curvatura di ciascuna porzione (38) della struttura di supporto (38*), con conseguente aumento dell?estensione angolare della struttura di supporto (38*) e rototraslazione delle strutture di irrigidimento (39), detta rototraslazione comprendendo una rotazione attorno alla porzione centrale (29A) del corpo principale (15).
13. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di formare un corpo principale (15) comprende:
- formare, al di sopra di un substrato semiconduttivo (151) delimitato da una superficie frontale (151A) e da una superficie posteriore (151B), una struttura dielettrica multistrato (152,153,154), e successivamente eseguire detta fase di formare gli attuatori piezoelettrici (40), al di sopra della struttura dielettrica multistrato (152,153,154);
- rimuovere selettivamente porzioni della struttura dielettrica multistrato (152,153,154) lateralmente sfalsate rispetto a detti attuatori piezoelettrici (40), in modo da formare una trincea (165) a spirale, la quale si affaccia sul substrato semiconduttivo (151) e delimita lateralmente detta struttura deformabile (35*);
ed in cui detta fase di formare una pluralit? di strutture di sostegno (38,39) comprende:
- rimuovere selettivamente porzioni del substrato semiconduttivo (151), a partire dalla superficie posteriore (151B), in modo che dette cavit? (27) comunichino con la trincea (165).
14. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre la fase di:
- dopo l?esecuzione di detta fase di rimuovere selettivamente porzioni del substrato semiconduttivo (151), fissare la porzione centrale (29A) del corpo principale (15) ad una fetta semiconduttiva (180), in modo che la porzione periferica (29B) del corpo principale (15) sia sospesa al di sopra della fetta semiconduttiva (180).
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| SADAT S H ET AL: "Large-Deflection Spiral-Shaped Micromirror Actuator", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, IEEE SERVICE CENTER, US, vol. 18, no. 6, 1 December 2009 (2009-12-01), pages 1357 - 1364, XP011283834, ISSN: 1057-7157, DOI: 10.1109/JMEMS.2009.2031700 * |
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