JP4749790B2 - Micromirror device and manufacturing method thereof, angle measurement method of micromirror device, and micromirror device application apparatus - Google Patents

Micromirror device and manufacturing method thereof, angle measurement method of micromirror device, and micromirror device application apparatus Download PDF

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Description

本発明は、マイクロミラーデバイス、その製造方法、マイクロミラーデバイスの角度計測方法、マイクロミラーデバイス応用装置に関するものである。   The present invention relates to a micromirror device, a manufacturing method thereof, an angle measurement method of a micromirror device, and a micromirror device application apparatus.

従来、マイクロミラーの駆動には多くの方式が報告されている。例えば、静電引力を利用する場合は、マイクロミラーと電気的・機械的に接続されたある部分と、通常は固定されたもう一方の部分に電圧を加えることで、ギャップを介して働く静電引力により駆動する。また別の例として電磁力を利用する場合は、通常はミラーに固定されたコイルに電流を流し、外部磁場との相互作用で働くローレンツ力によって駆動する。他にも圧電アクチュエータ、熱アクチュエータなどを利用する方式がある。これら駆動方式には依存せず、回転するミラーを支えるトーションバーには、ねじれによる、せん断応力が発生する。このため、せん断応力を検出するセンサが有効となる。 Conventionally, many methods have been reported for driving micromirrors. For example, when electrostatic attraction is used, a voltage is applied to one part that is electrically and mechanically connected to the micromirror and the other part that is usually fixed. Drive by attractive force. As another example, when an electromagnetic force is used, a current is normally passed through a coil fixed to a mirror and driven by a Lorentz force that works by interaction with an external magnetic field. There are other methods using a piezoelectric actuator, a thermal actuator, and the like. Regardless of these driving methods, shearing stress due to torsion is generated in the torsion bar that supports the rotating mirror. For this reason, the sensor which detects a shear stress becomes effective.

ピエゾ抵抗素子は応力が働くと巨視的には抵抗値が変化するものである。シリコンのような半導体材料の場合には伝導帯や荷電子帯のエネルギー状態が変化し、バンド中のキャリアの数や移動度が変化する。ピエゾ抵抗素子には垂直応力を検出する通常型ゲージと、せん断応力を検出するせん断型歪ゲージがある。光スキャナではミラー回転角に比例してトーションバーにせん断応力が発生する。   The resistance value of the piezoresistive element changes macroscopically when stress is applied. In the case of a semiconductor material such as silicon, the energy state of the conduction band and the valence band changes, and the number and mobility of carriers in the band change. Piezoresistive elements include normal gauges that detect normal stress and shear strain gauges that detect shear stress. In the optical scanner, shear stress is generated in the torsion bar in proportion to the mirror rotation angle.

基本構造は4つの電極をもつ1素子からなるゲージである。通常型ゲージは複数素子からなるブリッジが必要となるため、素子間のばらつきや温度むらが誤差となる。せん断型歪ゲージは1素子だけで構成できるため、ばらつきの影響を受け難い。構造が単純であるため、トーションバーに組み合わせる際にも有利である。このせん断型歪ゲージに電流が流れた状態で、電流に対して垂直方向のせん断応力が働くと、電流と垂直方向に電位差が生じる。発生する電位差は、せん断応力に比例するため、ミラー回転角を測定できることになる。   The basic structure is a single element gauge with four electrodes. Since a normal gauge requires a bridge composed of a plurality of elements, variations between elements and temperature unevenness cause errors. Since a shear strain gauge can be composed of only one element, it is less susceptible to variations. Since the structure is simple, it is advantageous when combined with a torsion bar. If a shear stress in a direction perpendicular to the current acts in a state where a current flows through the shear type strain gauge, a potential difference is generated in the direction perpendicular to the current. Since the generated potential difference is proportional to the shear stress, the mirror rotation angle can be measured.

光応用技術においてレーザビームなどの光線を操作する要求は多く存在する。例えばレーザプリンタでは高度に制御されたポリゴンミラーが利用されている。マイクロミラーデバイスは同様の機能を小さく、集積度を高くして実現することを要求される。マイクロミラーデバイスの特性には、デバイスごとのばらつき、ヒステリシスの存在、経時変化などが含まれるため精度の高い応用には、そのままでは利用できない。マイクロミラーデバイスを利用した光スイッチや光クロスコネクトなどの応用では、光の一部をモニタリングすることで制御していた。光学系を含めたシステム全体として制御系を組む必要に迫られ周辺装置が大きくなり、アレイ化したデバイスにおいては配線や制御アルゴリズムも複雑になる。集積度の高いマイクロミラーアレイの長所を損なうことにもなりかねない。   There are many demands for manipulating light beams such as laser beams in optical application technology. For example, a laser printer uses a highly controlled polygon mirror. The micromirror device is required to realize the same function with a small size and a high degree of integration. The characteristics of the micromirror device include variations from device to device, the presence of hysteresis, changes with time, etc., and thus cannot be used as they are for high-precision applications. In applications such as optical switches and optical cross-connects using micromirror devices, control is performed by monitoring a portion of the light. As the entire system including the optical system is required to have a control system, peripheral devices become larger, and wiring and control algorithms become complicated in an arrayed device. It may also impair the advantages of a highly integrated micromirror array.

マイクロミラーデバイスにある種のセンサを組み込む技術は、例えば特開2002−267955号公報(特許文献1)や特表2003−529108号公報(特許文献2)に開示されている。特許文献1には、ミラーの位置を検出するセンサがミラー下に配置されている。これは、どのような検出方式を採用したとしてもミラーデバイスとは別途用意したセンサを後から組み合わせることになり、組み合わせるべきセンサをどのように用意し配置するかという問題を解決するものではない。特許文献2には、静電アクチュエータの1つである垂直櫛歯形アクチュエータのキャパシタンス変化を測定して、ミラー回転角を検出するとある。   A technique for incorporating a certain type of sensor in a micromirror device is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-267955 (Patent Document 1) and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2003-529108 (Patent Document 2). In Patent Document 1, a sensor for detecting the position of the mirror is arranged under the mirror. This does not solve the problem of how to prepare and arrange the sensors to be combined, regardless of what detection method is employed, because a sensor separately prepared from the mirror device will be combined later. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 detects a mirror rotation angle by measuring a capacitance change of a vertical comb-shaped actuator that is one of electrostatic actuators.

キャパシタンス信号を利用したセンサはセンサ構造を簡単に製作できる長所はあるものの、検出用駆動回路が複雑になることや寄生容量の問題からシステムが複雑になる。特にミラーアレイのようなデバイス数の多いシステムには不向きになる。対して、ピエゾ抵抗効果を利用したゲージは検出回路が簡単である上、結晶方位を利用するとミラーの上下変位には感度を低く、回転には感度を高くすることもできる。特表2003−517631号公報(特許文献3)では光ファイバスイッチにマイクロミラーデバイスを応用するものであるが、ミラー回転角を何らかの方法で検出することを想定したものである。更に、「1ゲージ形シリコン圧力検出素子」横河技報 (非特許文献1)に開示されたデバイスはせん断応力を検出するせん断型歪ゲージを圧力センサに応用したものであり、ミラー回転角を検出するセンサに応用したものではない。
特開2002−267955号公報 特表2003−529108号公報 特表2003−517631号公報 「1ゲージ形シリコン圧力検出素子」横河技報 Vol.32, No.3 (1988) 135.
Although the sensor using the capacitance signal has an advantage that the sensor structure can be easily manufactured, the detection drive circuit becomes complicated and the system becomes complicated due to the problem of parasitic capacitance. Particularly, it is not suitable for a system having a large number of devices such as a mirror array. On the other hand, a gauge using the piezoresistive effect has a simple detection circuit, and if the crystal orientation is used, the sensitivity to the vertical displacement of the mirror is low, and the sensitivity to rotation is high. In Japanese Patent Application Publication No. 2003-517631 (Patent Document 3), a micromirror device is applied to an optical fiber switch, and it is assumed that the mirror rotation angle is detected by some method. Furthermore, the device disclosed in “1 gauge type silicon pressure detection element” Yokogawa Technical Report (Non-Patent Document 1) is a shear type strain gauge that detects shear stress applied to a pressure sensor, and the mirror rotation angle is It is not applied to the sensor to detect.
JP 2002-267955 A Special table 2003-529108 gazette Special table 2003-517631 gazette "1 gauge type silicon pressure sensor" Yokogawa Technical Report Vol.32, No.3 (1988) 135.

従来は、マイクロミラーデバイスの特性には、デバイスごとのばらつき、ヒステリシスの存在、経時変化などが含まれるため、ミラー回転角を正確に制御できないという課題があった。本発明は、マイクロミラーが回転する際に応力が発生するトーションバー内部にピエゾ抵抗効果を利用したゲージを一体として組み込むことで、ゲージの信号に基づき、正確に回転角を制御できるマイクロミラーデバイスを提供することを目的としている。 Conventionally, the characteristics of the micromirror device include variations from device to device, the presence of hysteresis, changes over time, and the like, and there has been a problem that the mirror rotation angle cannot be accurately controlled. The present invention provides a micromirror device that can accurately control the rotation angle based on a gauge signal by integrating a gauge using a piezoresistance effect into a torsion bar that generates stress when the micromirror rotates. It is intended to provide.

本発明によれば、半導体異方性エッチングプロセスを使用してシリコン基板を加工したマイクロミラーデバイスにおいて、シリコン基板の厚さ方向にp型またはn型の半導体領域に二分割したトーションバーに、ミラーの回転角を測定するピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを設けた構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。   According to the present invention, in a micromirror device in which a silicon substrate is processed using a semiconductor anisotropic etching process, a mirror is formed on a torsion bar that is divided into p-type or n-type semiconductor regions in the thickness direction of the silicon substrate. A micromirror device having a structure provided with a shear type strain gauge utilizing a piezoresistive effect for measuring the rotation angle is obtained.

また本発明によれば、前記ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージは、前記トーションバー断面の回転中心から離れたトーションバーの表面領域に形成した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記シリコン基板の厚さ方向にp型またはn型の半導体領域は、シリコンの異方性エッチングした壁面にpn接合部が露出しないような、マイクロミラーやトーションバーの一部に形成した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
According to the present invention, there is obtained a micromirror device characterized in that the shear strain gauge using the piezoresistance effect is formed in a surface region of a torsion bar distant from the rotation center of the torsion bar cross section.
Further, according to the present invention, the p-type or n-type semiconductor region in the thickness direction of the silicon substrate is a micromirror or torsion bar that does not expose a pn junction on the anisotropically etched wall of silicon. A micromirror device characterized by the structure formed in the part is obtained.

また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージに電流を流すためのランドを、複数に分割した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所を、対向しない2箇所以上に複数設置した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
According to the present invention, there can be obtained a micromirror device characterized by a structure in which a land for supplying a current to the shear strain gauge is divided into a plurality of parts.
According to the present invention, there can be obtained a micromirror device characterized by a structure in which a plurality of output voltage measurement locations of the shear strain gauge are installed at two or more locations that do not face each other.

また本発明によれば、前記マイクロミラーデバイスの表面の一部または全てを、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの保護膜で被覆した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージの全体または一部分に、シリコン窒化膜やアモルファスシリコンやポリシリコンなどの薄膜を堆積した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
Further, according to the present invention, a micromirror device having a structure in which a part or all of the surface of the micromirror device is covered with a protective film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film can be obtained.
According to the present invention, there can be obtained a micromirror device characterized by a structure in which a thin film such as a silicon nitride film, amorphous silicon, or polysilicon is deposited on the whole or a part of the shear strain gauge.

また本発明によれば、前記マイクロミラーやトーションバーの一部がp型またはn型領域となるように用意した上で、シリコンエッチングと犠牲層エッチングを行うことを特徴とするマイクロミラーデバイスの製造方法が得られる。
また本発明によれば、前記複数設置したせん断型歪ゲージの出力電圧測定ランドを使用して、2箇所以上の出力電圧を計測し、2箇所の対向する電極の出力電圧と等価な電圧を、前記2箇所以上の出力電圧の計測値から計算することを特徴とするマイクロミラーデバイスの角度計測方法が得られる。
According to the invention, the micromirror device is manufactured by performing silicon etching and sacrificial layer etching after preparing a part of the micromirror or torsion bar to be a p-type or n-type region. A method is obtained.
Further, according to the present invention, the output voltage measurement lands of the plurality of installed shear strain gauges are used to measure two or more output voltages, and a voltage equivalent to the output voltage of two opposing electrodes is obtained. A method of measuring the angle of the micromirror device is obtained, wherein the angle is calculated from the measured values of the output voltage at the two or more locations.

また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージに流す電流を、デバイスが持つミラー回転の共振周波数よりも高い周波数で時間変調して、ミラー回転角に影響を与えずに出力電圧信号を測定するマイクロミラーデバイスの角度計測方法が得られる。
更に、本発明によれば、前記マイクロミラーデバイスを利用して回転角を制御したことを特徴とする、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器等のマイクロミラーデバイス応用装置が得られる。
According to the invention, the current flowing through the shear strain gauge is time-modulated at a frequency higher than the resonance frequency of the mirror rotation of the device, and the output voltage signal is measured without affecting the mirror rotation angle. An angle measurement method for a micromirror device is obtained.
Furthermore, according to the present invention, an optical scanner, an optical scanner for endoscope, a laser display, a confocal microscope, a bar code reader, and a laser printer, wherein the rotation angle is controlled using the micromirror device. Thus, micromirror device application devices such as optical switches, optical attenuators, optical gain equalizers, and optical measuring instruments can be obtained.

本発明によれば、ピエゾ抵抗効果を利用したゲージをマイクロミラーデバイスに一体として組み込むことで、ミラー回転角が測定でき、測定信号をもとにした制御ができ、高精度に光操作できる効果が得られる。従来、マイクロミラーデバイスは小さいことが主な長所でありミラー回転角精度の保障は難しかった。このため高精度なミラー回転角を要求されるアプリケーションには応用し難かった。この弱点を補う効果がある。回転角を制御した、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置が提供できる。 According to the present invention, by incorporating a gauge utilizing the piezoresistive effect as an integral part of the micromirror device, the mirror rotation angle can be measured, the control based on the measurement signal can be performed, and the optical operation can be performed with high accuracy. can get. Conventionally, the micromirror device is mainly small, and it has been difficult to ensure the accuracy of the mirror rotation angle. For this reason, it has been difficult to apply to applications that require a high-precision mirror rotation angle. There is an effect to compensate for this weakness. Providing devices such as optical scanners, endoscope optical scanners, laser displays, confocal microscopes, barcode readers, laser printers, optical switches, optical attenuators, optical gain equalizers, and optical measuring instruments with controlled rotation angles it can.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態による、ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを組み込んだマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。1は光を反射するミラーである。用途に応じて高反射率を得る材料を成膜することができる。2はミラーを支えるトーションバーであり、ねじれ運動することでミラーの回転を可能にする。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a micromirror device incorporating a shear strain gauge using a piezoresistance effect according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a mirror that reflects light. A material that obtains a high reflectance can be formed according to the application. Reference numeral 2 denotes a torsion bar that supports the mirror, and allows the mirror to rotate by twisting motion.

3はトーションバーの一部に組み込まれたせん断型歪ゲージである。トーションバー内部で発生するせん断応力に応じて電圧信号を発生する。4は3で発生した電圧信号を電気的に取り出すための配線構造である。電気配線をシリコンの機械構造と共に実現している。5は4で配線された電圧信号を外部に取り出すためのランドである。6はせん断型歪ゲージが動作するために必要な電流を流すためのランドである。   Reference numeral 3 denotes a shear type strain gauge incorporated in a part of the torsion bar. A voltage signal is generated according to the shear stress generated inside the torsion bar. 4 is a wiring structure for electrically extracting the voltage signal generated in 3. Electrical wiring is realized with silicon mechanical structure. Reference numeral 5 denotes a land for taking out the voltage signal wired at 4 to the outside. Reference numeral 6 denotes a land for supplying a current necessary for operating the shear strain gauge.

図2は、図1のせん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。電気的にp型またはn型領域に分けることで、トーションバー断面の回転中心から離れた外側領域にせん断型歪ゲージが配置されている。20はトーションバー表面に形成されたp型またはn型領域である。21はトーションバーに形成された20とは異なるn型またはp型領域である。22はせん断型歪ゲージが動作するために必要な電流を流すための電圧または電流源である。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration in which the shear type strain gauge 3 of FIG. 1 is taken out and enlarged. The shear type strain gauge is arranged in the outer region away from the center of rotation of the torsion bar section by electrically dividing it into the p-type or n-type region. Reference numeral 20 denotes a p-type or n-type region formed on the torsion bar surface. 21 is an n-type or p-type region different from 20 formed in the torsion bar. Reference numeral 22 denotes a voltage or current source for supplying a current necessary for operating the shear strain gauge.

図1のようにランド6を介して20に電流が流れる。22は20にのみ接続されているため、または21との関係を逆バイアスにするため、電流は21にもれることなく表面層に閉じ込められる。トーションバーのねじれ運動によって発生するせん断応力は、トーションバーの外側領域で大きくなるので、ゲージの感度を高くできる配置となっている。23はせん断型歪ゲージの電圧信号用出力端子であり、図1の4を介して24a,24b間の電圧信号を測定する。また、せん断型歪ゲージやトーションバーや配線構造やランドは図1や図2の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ランドや配線には、金属材料を適宜利用することができる。   As shown in FIG. 1, a current flows to 20 through the land 6. Since 22 is connected only to 20 or to reverse bias the relationship with 21, current is confined to the surface layer without leaking. The shear stress generated by the torsional motion of the torsion bar is increased in the outer region of the torsion bar, so that the gauge sensitivity can be increased. 23 is a voltage signal output terminal of the shear type strain gauge, and measures a voltage signal between 24a and 24b via 4 in FIG. Further, the shear strain gauge, the torsion bar, the wiring structure, and the land are not limited to the shapes described in the embodiments of FIGS. A metal material can be appropriately used for the land and the wiring.

図3は、本発明の実施の形態による、p型またはn型領域をマイクロミラーやトーションバーの一部に製作することで、20と21の境界であるpn接合部がシリコンの異方性エッチングした壁面に露出しないようにしたマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。また、p型またはn型領域の形状は図3の実施例に記載したものに限定されるものではない。   FIG. 3 shows an anisotropic etching of silicon where the pn junction at the boundary between 20 and 21 is produced by fabricating a p-type or n-type region in a part of a micromirror or torsion bar according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the schematic structure which took out and expanded the micromirror device and the shear type | mold strain gauge 3 which were made not to be exposed to the wall surface which carried out. Further, the shape of the p-type or n-type region is not limited to that described in the embodiment of FIG.

図4は本発明の実施の形態による、せん断型歪ゲージの出力測定場所を2箇所でなく24a,24b,24の3箇所にすることで、図1、2、3のように対向する2箇所の電圧を直接測定しなくても、5aと5bの2つのランドから得られる2箇所の電圧信号から計算して得られる中間電圧と、別のランド5からの電圧信号を計測することで等価的に対向する箇所の電圧を測定する、ゲージ部分に機械的に応力を入り易くしたことを特徴とするマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。   FIG. 4 shows the two locations opposite to each other as shown in FIGS. 1, 2, and 3 by changing the output measurement location of the shear strain gauge to three locations 24a, 24b, and 24 instead of two locations according to the embodiment of the present invention. It is equivalent by measuring a voltage signal from another land 5 and an intermediate voltage obtained by calculating from two voltage signals obtained from the two lands 5a and 5b without directly measuring the voltage of FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration in which a micro-mirror device that measures a voltage at a location opposite to the micro-mirror device and mechanically easily applies stress to a gauge portion and a shear-type strain gauge 3 taken out and enlarged.

本場合には5bと6は同じランドである。24a,24b,24の電圧が降下することなく、それぞれ5a,5b,5に伝わり、電気的な抵抗比の関係が、24aから24が接続されている間の電気抵抗と、24から24bが接続されている間の電気抵抗が等しいならば、5aの電圧をV5a、5bの電圧をV5bとすると中間の(V5a+V5b)/2が24の対向する位置での電圧信号を表すことになる。これとランド5からの信号を比較計測する。また、ゲージの出力電圧信号用ランドの数や形状や配置は図4の実施例に記載したものに限定されるものではない。   In this case, 5b and 6 are the same land. The voltage of 24a, 24b, and 24 is transmitted to 5a, 5b, and 5 without dropping, and the electrical resistance ratio is related to the electrical resistance while 24a to 24 are connected and 24 to 24b is connected. If the electric resistances are equal, the voltage 5a is V5a and the voltage 5b is V5b, so that the intermediate (V5a + V5b) / 2 represents a voltage signal at 24 opposing positions. This and the signal from the land 5 are compared and measured. Further, the number, shape and arrangement of the gauge output voltage signal lands are not limited to those described in the embodiment of FIG.

図5は、本発明の実施の形態による、せん断型歪ゲージに流れる平均的な全電流の向きを制御できるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。6aと6bのランドからせん断型歪ゲージが動作するための電流を各々流す。また、全電流の向きを制御する領域20の形状や配置は図5の実施例に記載したものに限定されるものではない。   FIG. 5 is a diagram showing a micromirror device capable of controlling the direction of an average total current flowing in a shear strain gauge and a schematic configuration enlarged by taking out the shear strain gauge 3 according to an embodiment of the present invention. . Currents for operating the shear strain gauges are supplied from the lands 6a and 6b, respectively. Further, the shape and arrangement of the region 20 for controlling the direction of the total current are not limited to those described in the embodiment of FIG.

図6は本発明の実施の形態による、7の薄膜を全体または一部に堆積したマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。図の横方向に幅の広いトーションバー内部において、せん断型歪ゲージは左側に配置されている。トーションバーのねじれ運動によって直接発生するせん断応力の方向は図中、上下方向であるが、内力のつりあいで発生する共役せん断応力が発生する。これを、せん断型歪ゲージで測定する。   FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a micromirror device in which seven thin films are deposited in whole or in part and a shear type strain gauge 3 taken out and enlarged according to an embodiment of the present invention. Inside the torsion bar which is wide in the horizontal direction in the figure, the shear type strain gauge is arranged on the left side. The direction of the shear stress directly generated by the torsional motion of the torsion bar is the vertical direction in the figure, but a conjugate shear stress generated by balance of internal forces is generated. This is measured with a shear strain gauge.

また、トーションバー内部のせん断型歪ゲージの形状や配置は図6の実施例に記載したものに限定されるものではない。   Further, the shape and arrangement of the shear strain gauge inside the torsion bar are not limited to those described in the embodiment of FIG.

本発明に係る、シリコンからなるマイクロミラーのトーションバーにピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを一体にして組み込んだ、ミラー回転角が測定できることを特徴とするマイクロミラーデバイスは、回転角を制御した、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置に適用できる。   According to the present invention, a micromirror device is characterized in that a rotation angle can be measured by integrating a shear type strain gauge using a piezoresistance effect into a torsion bar of a micromirror made of silicon. The present invention can be applied to devices such as optical scanners, endoscope optical scanners, laser displays, confocal microscopes, barcode readers, laser printers, optical switches, optical attenuators, optical gain equalizers, and optical measuring instruments.

図1は、本発明の実施の形態による、ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを組み込んだマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a micromirror device incorporating a shear strain gauge using a piezoresistance effect according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1のせん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration in which the shear type strain gauge 3 of FIG. 1 is taken out and enlarged. 図3は、本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration in which the micromirror device according to the embodiment of the present invention and the shear strain gauge 3 are taken out and enlarged. 図4は本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration in which the micromirror device according to the embodiment of the present invention and the shear strain gauge 3 are taken out and enlarged. 図5は、本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration in which the micromirror device according to the embodiment of the present invention and the shear strain gauge 3 are taken out and enlarged. 図6は本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ3を取り出して拡大した概略構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration in which the micromirror device according to the embodiment of the present invention and the shear strain gauge 3 are taken out and enlarged.

符号の説明Explanation of symbols

1 ミラー
2 トーションバー
3 トーションバー2に組み込まれたせん断型歪ゲージ
4 せん断型歪ゲージ3の出力電圧信号をとりだす電気配線構造
5,5a,5b せん断型歪ゲージ3の出力電圧信号用ランド
6,6a,6b せん断型歪ゲージ3に電流を流すためのランド
7 トーションバー表面に堆積した膜
8 ミラー回転に伴うトーションバーのねじれ運動
20 トーションバー2の表面層に形成されたp型またはn型領域
21 トーションバー2に形成された20とは異なるn型またはp型領域
22 せん断型歪ゲージに電流を流す電圧または電流源
23 せん断型歪ゲージの電圧信号用出力端子
24,24a,24b せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mirror 2 Torsion bar 3 Shear type strain gauge incorporated in torsion bar 2 4 Electric wiring structure for taking out output voltage signal of shear type strain gauge 3 5,5a, 5b Output voltage signal land of shear type strain gauge 3 6, 6a, 6b Land for flowing current to the shear strain gauge 3 7 Film deposited on the surface of the torsion bar 8 Torsional motion of the torsion bar accompanying mirror rotation 20 p-type or n-type region formed in the surface layer of the torsion bar 2 21 n-type or p-type region different from 20 formed on the torsion bar 2 22 voltage or current source for passing a current through the shear-type strain gauge 23 output terminals 24, 24a, 24b for the shear-type strain gauge voltage signal Gauge output voltage measurement point


Claims (7)

半導体異方性エッチングプロセスを使用してシリコン基板を加工したマイクロミラーデバイスにおいて、
シリコン基板のミラーを支持するトーションバーの部分にシリコン基板の厚さ方向にp型とn型の半導体領域を積み重ねて形成し、
表面側のp型又はn型の半導体領域にミラーの回転角を測定するピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを設けると共に、
せん断型歪ゲージを動作させるための電流を流す配線構造と、せん断型歪ゲージで発生した電圧信号を取り出す配線構造も、表面側のp型又はn型の半導体領域を配線として使用し、
表面側のp型又はn型のせん断型歪ゲージを動作させる電流はシリコン基板の厚さ方向に逆バイアスを加えることで基板の厚さ方向において表面側のp型又はn型の半導体領域に閉じ込めることを特徴とするマイクロミラーデバイス。
In a micromirror device that processes a silicon substrate using a semiconductor anisotropic etching process,
P-type and n-type semiconductor regions are stacked in the thickness direction of the silicon substrate on the portion of the torsion bar that supports the mirror of the silicon substrate,
In addition to providing a p-type or n-type semiconductor region on the surface side, a shear-type strain gauge using a piezoresistance effect that measures the rotation angle of the mirror,
The wiring structure for supplying current for operating the shear type strain gauge and the wiring structure for extracting the voltage signal generated by the shear type strain gauge also use the p-type or n-type semiconductor region on the surface side as wiring,
The current for operating the p-type or n-type shear strain gauge on the surface side is confined in the p-type or n-type semiconductor region on the surface side in the thickness direction of the substrate by applying a reverse bias in the thickness direction of the silicon substrate. A micromirror device characterized by that.
前記ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージは、前記トーションバー断面の機械的回転中心から離れたトーションバーの表面領域に形成したことを特徴とする請求項1記載のマイクロミラーデバイス。2. The micromirror device according to claim 1, wherein the shear type strain gauge using the piezoresistance effect is formed in a surface region of the torsion bar away from the mechanical rotation center of the torsion bar cross section. 前記シリコン基板の厚さ方向に分割したp型またはn型の半導体領域は、p型とn型の接合面部がシリコンの異方性エッチングした壁面に露出しないように上部のp型又はn型の半導体領域を下部のn型又はp型の半導体領域の内側となるように、マイクロミラー全体又はトーションバーの一部に形成したことを特徴とする請求項1または2記載のマイクロミラーデバイス。In the p-type or n-type semiconductor region divided in the thickness direction of the silicon substrate, the upper p-type or n-type semiconductor region is not exposed so that the p-type and n-type junction surfaces are not exposed on the anisotropically etched wall of silicon. 3. The micromirror device according to claim 1, wherein the semiconductor region is formed on the entire micromirror or a part of the torsion bar so as to be inside the lower n-type or p-type semiconductor region. 前記せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所を、せん断型歪ゲージを動作させるための電流の方向に対して、対向しない2箇所以上に複数設置したことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のマイクロミラーデバイス。The output voltage measurement location of the shear type strain gauge is provided in plural at two or more locations that are not opposed to the direction of the current for operating the shear type strain gauge. 2. The micromirror device according to item 1. 前記せん断型歪ゲージに電流を流すためのランドを2箇所以上の複数に分割した構造とし、複数のランドより電流を流すことによりせん断型歪ゲージに流れる平均的な電流の向きを制御できるようにしたことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載のマイクロミラーデバイス。The land for passing a current to the shear type strain gauge has a structure in which the land is divided into two or more locations, and the direction of the average current flowing to the shear type strain gauge can be controlled by passing the current from the plurality of lands. The micromirror device according to claim 1, wherein the micromirror device is a micromirror device. 前記複数設置したせん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所を使用して、2箇所以上の出力電圧を計測し、2箇所の対向する箇所の出力電圧と等価な電圧を、前記2箇所以上の出力電圧の計測値から計算して得ることを特徴とする請求項4に記載のマイクロミラーデバイスの角度計測方法。Two or more output voltages are measured using the output voltage measurement points of the plurality of installed shear strain gauges, and the voltage equivalent to the output voltage of two opposite points is obtained as the output voltage of the two or more points. The angle measurement method for a micromirror device according to claim 4, wherein the angle measurement method is obtained by calculating from the measured value. 前記マイクロミラーデバイスを利用して回転角を制御したことを特徴とする、請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器または光計測器のマイクロミラーデバイス応用装置。 The rotation angle is controlled using the micromirror device, the optical scanner according to any one of claims 1 to 6, an optical scanner for endoscope, a laser display, a confocal microscope, Barcode reader, laser printer, optical switch, optical attenuator, optical gain equalizer or optical measuring instrument micromirror device application equipment.
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