KR100620341B1 - 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 구조체 - Google Patents

비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 단일체로 제조된 미세가공 구조체는 기준 프레임(56)을 동적 플레이트(58)에 연결하는 것이다. 비틀림 진동자 또는 스캐너의 성능은 비틀림 바 보다는 오히려 상기 기준 프레임(56)을포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)에 의해 상기 동적 플레이트(58)에 연결함으로써 현저히 개선된다. 상기 기준 프레임(56)으로부터 상기 동적 플레이트(58)를 지지하는 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 3개의 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)로 이루어진다. 각 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)는 상기 동적 플레이트(58)의 회전 축선(62)에 수직하게 배향되지 않는 길이 방향 축선(98)을 갖는다. 상기 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 중간 영역(104)은 상기 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)의 바로 인접하는 단부(106)와 연결한다. 상기 기본 힌지 세그먼트(102b)는 상기 동적 플레이트(58)가 상기 기준 프레임(56)에 대해 축선(62)을 중심으로 각 회전하는 양을 측정하게 하는 비틀림 센서(108)를 포함할 수 있다.

Description

비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 구조체{MICROMACHINED STRUCTURES COUPLED FOR RELATIVE ROTATION BY TORSIONAL FLEXURE HINGES}
본 발명은 일반적으로 단일체로 제조되는 미세가공 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플레이트가 제1 프레임에 대해 축선을 중심으로 회전하도록 이 제1 프레임이 플레이트(또는 제2 프레임)에 연결되는 미세가공 구조체에 관한 것이다.
여러 가지로 다양하게 사용되는 기본 미세가공 구조체는 제1 프레임에 의해 형성된 비틀림 진동자이고, 상기 제1 프레임은 이 제1 프레임과 플레이트 또는 제2 프레임 사이에서 연장되는 정반대 방향에 배치된 비틀림 바에 의해 플레이트 또는 제2 프레임에 연결된다. 상기 비틀림 바는 플레이트가 상기 비틀림 바에 의해 정해진 축선을 중심으로 제1 프레임에 대해 회전하게 한다. 이러한 기초적인 미세가공 구조체는 미국 특허 제5,629,790호(이하 '790 특허라 칭함)에 기재된 반사면을 갖는 광학 빔 미세가공 비틀림 스캐너를 비롯하여, 미국 특허 제5,841,553호(이하 '553 특허라 칭함)에 기재된 디지털 이미징, 바코드 리딩 및 프린팅, 그리고 특허 협력 조약("PCT")의 국제 특허 출원, "미세가공 요소를 이용한 광학 헤드"(이하 '09289 PCT 특허출원이라 칭함)라는 명칭의 제WO 98/09289호에 기재된 광자기 기록에 실질적으로 이용된다. 기초적인 미세가공 구조체는 미국 특허 제5,488,862호에 기재된 레이트(rate) 자이로스코프, 미국 특허 제5,895,866호에 기재된 미세-흐름 계량기 및 표면 검사 시스템에 사용되는 미국 특허 제5,861,549호에 기재된 프로필로미터(profilometer) 및/또는 원자력 마이크로스코프("AFM") 헤드와 같은 여러 가지의 다른 과학계 및 산업계에서 실질적으로 응용하고 있다.
종합적으로, 선행 기술 특허는 정전기력 및 전자기력을 플레이트(또는 제2 프레임)에 가하여, 비틀림 바에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전력을 발생시키게 하는 여러 가지 방법을 기술하고 있다. 기초적인 미세가공 구조체의 유용성은 미국 특허 제5,648,618호(이하 '618 특허라 칭함)에 기재된 비틀림 바 중의 적어도 하나에 비틀림 센서를 일체화시켜, 상기 비틀림 바에 의해 정해진 축선을 중심으로 제1 프레임에 대해 상기 플레이트의 회전을 측정하게 함으로써 현저히 강화되었다.
도 1은 '790 특허에 기재된 바와 같이, 총괄적인 도면 번호 52로 지칭되는 비틀림 진동자, 즉 전형적인 비틀림 스캐너를 도시한다. 비틀림 스캐너(52)는 포위프레임(56)으로부터 내측으로 연장되는 비틀림 바(54)를 포함하여, 비틀림 스캐너 플레이트(58)를 지지하고 또한 이 스캐너 플레이트(58)가 비틀림 바(54)에 의해 정해진 축선(62)을 중심으로 회전할 수 있게 한다. 상기 포위 프레임(56)은 한 쌍의 전극봉(66)을 또한 수반하는 절연 기판(64)에 위치한다. 상기 포위 프레임(56) 위에 위치하는 프레임형 스페이서(68)가 비틀림 스캐너 플레이트(58) 보다 위에서 짧은 거리를 두고 박막 윈도우(72)를 지지한다. 도 1의 화살표로 표시된 광선(74)이 상기 박막 윈도우(72)를 통해 비틀림 스캐너(52)로 입사하여, 상기 비틀림 스캐너 플레이트 상의 경면(76)에 충돌하여 반사한 후, 상기 박막 윈도우(72)를 통해 비틀림 스캐너(52)를 빠져나간다. 전압(V)이 선택적으로 상기 비틀림 스캐너 플레이트(58)와 일단의 전극봉 사이에 인가된 후, 상기 전극봉(66) 사이에서 앞뒤로 스위칭되는 타단의 전극봉(66)은 상기 비틀림 스캐너 플레이트(58)의 주 비틀림 진동 모드의 주파수 일 때 이 스캐너 플레이트(58)에 대해 정전기력을 인가하여, 이 스캐너 플레이트(58)가 상기 주 비틀림 진동 모드의 주파수 일 때 상기 축선(62)을 중심으로 앞뒤로 회전할 수 있게 한다.
광학 빔 비틀림 스캐너(52)용 기본 미세가공 구조체를 사용할 때, 상기 스캐너 플레이트(58)(또는 제2 프레임) 상의 경면(76)은 일반적으로 고정 광원으로부터 수 등급 내지 수십 등급 범위의 각도에 걸쳐, 광선(74)을 편향시킨다. 상기 반사 비틀림 스캐너(52)는 상기 스캐너 플레이트(58)의 기계적인 공진 주파수에 의해 부분적으로 결정되는 소정의 주파수일 때 광선을 앞뒤로 스위핑(sweeping)하게 하는데 사용될 수 있다. 변형적으로, 비틀림 스캐너(52)는 광선이 둘(2) 이상의 선택적인 위치 사이에 있는 하나 이상의 요소에 충돌하는 임의의 지점을 이동시키는 데 또는 이 지점을 스위칭시키는 데 이용될 수 있다.
상기 '790 특허는 상업적으로 실용적인 비틀림 진동자가 가져야할 임계 기계 진동 모드 스펙트럼을 기술하고 있다. 이 모드 스펙트럼은 비디오 주파수 또는 훨씬 더 높은 주파수일 때 비틀림 스캐너(52)의 사인 곡선 진동에 특히 바람직하다. 이와 같은 모드 스펙트럼은 광선(74)이 다른 요소에 부딪치는 지점을 스위칭할 때와 같은 준정적 모드에서 비틀림 스캐너(52)가 작동할 때 또한 이점이 있다. 준정적 모드에서 작동할 때, 상기 비틀림 스캐너(52)는 수 시간 구간 동안 한 배향으로 회전하여 고정된 상태로 있으며, 그 후 비교적 큰 각도를 통해 수 시간 구간 동안 또 다시 고정된 상태에 있는 다른 배향으로 신속히 회전한다.
미국 특허 제5,673,139호(이하 '139 특허라 칭함)의 도 2에 개시된 바와 같이, 비틀림 스캐너(52)가 약 하나 또는 두 개의 축선을 중심으로 회전하며 그리고 아주 긴밀하게 수용되어야 하는 어떤 용례로 인해, 상기 비틀림 스캐너는 일반적으로 비틀림 바(54)의 길이가 차지하는 포위 프레임(56) 및 비틀림 스캐너 플레이트(58)(또는 제2 프레임) 사이의 빈 공간을 제거하는 것이 바람직하다. 이 빈 공간은 비틀림 바(54)의 길이가 상기 '139 특허에 기재된 "나비형" 프레임 내에, 또는 나비형 플레이트(58) 내에 위치하는 경우에 제거될 수 있다. 그러나, 비틀림 바(54)가 매우 길어지고, 또한 가늘어지는 경향 때문에, 상기 '139 특허에 기재된 것과 같은 나비형 플레이트(58)(또는 프레임)조차도 너무 많은 공간을 차지할 수 있다. 단지 비틀림 바가 차지하는 공간을 줄이기 위해 비틀림 바(54)의 길이를 짧게 하는 것은 단점일 수 있는데, 왜냐하면 일반적으로, 비틀림 바(54)의 길이를 짧게 하는 것은 이들을 보다 강성을 갖게 만들어, 주 비틀림 진동 모드의 주파수를 상승시키거나, 또는 선택적으로 상기 축선(62)에 대해 나비형 플레이트(58) 또는 플레이트에 가해져야할 힘을 증가시키기 때문이다.
여러 가지 이유 때문에 많은 경우에 있어서, 전술된 낮은 전력의 정전기장에 의해 상기 나비형 플레이트(58)에 회전력을 인가하는 것은 매우 바람직하다. 그러나, 비틀림 스캐너(52)용 몇몇 용례에서는 상기 나비형 플레이트(58)가 큰 각도를 통해 회전할 것을 필요로 할 수 있다. 정전기적 불안정성으로 인해, 정전기 구동 신호를 발생시키는 회로로 복귀하는 각 회전에 비례하는 소정의 신호를 인가함이 없이 정적으로 또는 동적으로, 상기 나비형 플레이트(58)를 회전시키게 하는 정전기력을 이용하면 일반적으로 상기 나비형 플레이트(58)의 각 회전을 제한하게 된다.
상기 정전기적 불안정성은 비틀림 바(54)에 의해 상기 나비형 플레이트(58)에 인가되는 복원 토크가 상기 나비형 플레이트(58)의 회전에 따라 선형적으로 증가하는 반면에, 상기 나비형 플레이트(58) 및 상기 전극봉(66) 중의 하나 사이의 정전기적 인력에 의해 발생되는 구동 토크가 이들 사이의 분리 상태가 감소함에 따라 곡선적으로 증가하기 때문이다. 주 비틀림 진동 모드의 공진 주파수일 때 작동하는 정전기적으로 구동되는 비틀림 스캐너를 사인 곡선으로 진동시키는 동안, 정전기적 불안정성은 전혀 걱정할 필요가 없는데, 왜냐하면 상기 전극봉(66)과 나비형 플레이트(58)의 사이에 인가되는 전압은 일반적으로 상기 나비형 플레이트(58)가 가장 인접한 전극봉(66)의 가장 가까운 곳에서 회전할 때 제로(0.0)이기 때문이다. 다시 말해서, 주 비틀림 진동 모드의 공진 주파수일 때 작동하는 정전기적으로 구동되는 비틀림 스캐너를 사인 곡선으로 진동시키는 동안, 상기 나비형 플레이트(58) 및 일단의 전극봉, 그리고 나서 상기 나비형 플레이트 및 타단의 전극봉(66) 사이에서 반복 전압(V)을 인가하면, 상기 나비형 플레이트(58)의 회전은 위상이 다른 상태, 즉 지체 상태에 있게 된다. 그러나, 준정적 작동 동안, 수 임계값을 초과하는 일정 전압(V)이 상기 나비형 플레이트(58)와 상기 전극봉(66) 중의 하나의 양단에 인가되면 상기 축선(62)을 중심으로 한 상기 나비형 플레이트(58)의 회전은 불안정해지게 된다. 다시 말해서, 상기 나비형 플레이트(58)와 상기 전극봉(66) 중의 하나의 사이에 인가되는 전압(V)이 특정 값을 갖고, 그리고 상기 전압에 응하여, 상기 나비형 플레이트(58)가 특정 각도로 회전하는 경우, 그리고 기계적으로 구속되지 않는 경우, 상기 나비형 플레이트(58)는 상기 전압(V)에서의 어떤 변화 없이 전극봉(66)에 가장 가까운 위치로 계속해서 회전하게 된다.
도 2의 곡선은 정전기적 불안정성의 현상을 그래프로 보여주고 있다. 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수에 비례하는 좌측에서 우측 상방으로 경사지는 도 2의 직선(82)은 비틀림 바(54)가 여러 가지 각도 배향으로 상기 축선(62)을 중심으로 회전할 때 상기 나비형 플레이트(58)에 인가하는 복원 토크량을 나타낸다. 도 2의 일군의 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)은 상기 나비형 플레이트(58)가 상기 축선(62)을 중심으로 회전하는 여러 각도의 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이의 고정 전압(Va,Vb,Vc)을 더욱 더 높게 하는 방식으로 상기 나비형 플레이트(58)에 인가되는 여러 구동 토크를 나타낸다. 직선(82)으로 나타낸 복원 토크에 관련한 특정 전압(Va 또는 Vb)의 정전기적 인력 구동 토크는 구동 토크 곡선(84a,84b)이 각각 직선(82)과 교차하는 지점(Aa,Ab)에서 평형 상태에 있다. 구동 토크 곡선(84a)의 제1 교차점(Aa)은 상기 나비형 플레이트(58)의 또 다른 회전이 이 나비형 플레이트(58)에 정전기적으로 인가되는 구동 토크의 감소 보다 큰 복원 토크를 발생시키는 안정한 평형 상태의 지점이다. 제2 교차점(Ba)은 불안정한 평형 상태의 지점인데, 왜냐하면 상기 나비형 플레이트(58)의 회전 각도의 증가는 복원 토크보다 더 신속하게 정전기적 구동 토크를 증가시키기 때문이다. 그러므로, 구동 토크 곡선(84a)에 의해 나타난 전압 상태 동안, 상기 나비형 플레이트(58)는 직선(82) 및 구동 토크 곡선(84a)이 지점(Ba)을 교차하는 각도에서 회전하는 경우, 그리고 나서 기계적으로 구속되지 않는 경우, 전압(V)에서의 어떤 변화 없이 전극봉(66)에 가장 가까운 위치로 계속해서 회전하게 된다.
고정 전압(V)이 예를 들면, 구동 토크 곡선(84a) 내지 구동 토크 곡선(84b)의 사이에서 증가하는 경우, 정전기적으로 인가된 구동 토크는 증가하며 두 교차점은 지점(Aa,Ab)에 대해 서로 더 가까워진다. 그러나, 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66)의 양단에 인가되는 전압(V)이 계속해서 증가함에 따라, 사실상 복원 토크와 구동 토크의 곡선은 접선을 이루게 된다. 접선이 발생할 때, 안정한 교차점은 더 이상 존재하지 않으며, 고정 전압(V)을 적용하면 상기 나비형 플레이트(58)가 순간적으로 플립되어 기초 전극봉(66)에 부딪치게 된다. 이러한 상황은 두 개의 교차점이 단일 지점(AcBc)에서 일치하는 구동 토크 곡선(84c)에 의해 설명되어 있다. 그 결과, 상기 구동 토크 곡선(84c)에 의해 나타난 전압(V) 상태 동안, 상기 나비형 플레이트(58)는 정전기적 구동 신호를 발생시키는 회로의 각 회전에 비례하는 소정의 신호를 피드백하지 않고는 더 이상 정적으로 안정될 수 없다. 그 결과, 각 회전의 피드백 없이, 상기 나비형 플레이트(58)를 준정적으로 회전시키면 상기 나비형 플레이트(58)의 매우 바람직한 각도 배향을 제어할 수 없게 된다.
이러한 정전기적 불안정성으로 인해, 상기 축선(62)을 중심으로 한 상기 나비형 플레이트(58)의 정전기적인 회전은 전형적으로 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66)의 휴지 위치 사이의 거리의 약 1/3로 제한된다. 상기 나비형 플레이트(58)의 특정 사이즈에 비해서, 정전기적 구동 회로에 각 회전 신호를 피드백 함이 없이 인지할 수 있는 회전 각도를 얻으려면 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이의 간격을 증가시킬 것을 필요로 한다. 그러나, 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이의 간격이 더 넓으면 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66)의 양단에 더 높은 구동 전압(V)을 인가할 것을 필요로 한다. 그러나, 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이에 인가되는 전압(V)이 증가할 있는 정도는 제한되어 있는데, 왜냐하면 상기 전압이 나비형 플레이트와 전극봉 사이의 절연 파괴 전압을 초과할 수 없기 때문이다. 선택적으로, 정전기적 불안정성이 발생하는 도 2의 부분에서 비틀림 스프링 상수를 실질적으로 증가시키면 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이의 간격을 증가시킴이 없이 상기 나비형 플레이트(58)를 상기 축선(62)을 중심으로 더 크게 각 회전시키게 하는 안정한 평형 상태를 제공할 수 있게 된다.
상기 '09289 PCT 특허출원은 비선형 비틀림 스프링 상수를 갖는 비틀림 스캐너(52)를 기술하고 설명한다. 본원의 도 3과 상기 '09289 PCT 특허출원의 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 '09289 PCT 특허출원에 기재된 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수는 하나 이상의 테더(tether)(86)를 상기 나비형 플레이트(58)에 부착함으로써 비선형으로 된다. 질화물 또는 산화물로 만들어지는 주름 배향부가 있는 스프링으로 구성되는 상기 테더(86)는 비틀림 바(54)에 의해 정해진 상기 축선(62)과 평행하다. 상기 나비형 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 회전할 때, 상기 테더(86)는 초기에 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수를 단지 약간 증가시킨다. 그러나, 상기 나비형 플레이트(58)가 상기 축선(62)을 중심으로 더 회전할 때, 상기 테더(86)가 인가하는 토크는 빠르게 증가하며, 이로써 도 3에 도시된 비틀림 스캐너(52)에 비선형 비틀림 스프링 상수를 발생시킨다.
도 3a는 도 3에 도시된 상기 나비형 플레이트(58) 및 전극봉(66) 중 하나 사이에서의 고정 전압(V)의 인가에 대한 구동 토크 곡선(92)을 도시한다. 도 3a의 제1 직선 세그먼트(94a)는 상기 나비형 플레이트(58)를 임계 각도 배향까지 상기 축선(62)을 중심으로 초기 회전시킬 시 비틀림 바(54)에 의해서만 인가되는 가정적인 복원 토크를 타낸다. 도 3a의 제2 직선 세그먼트(94b)는 상기 나비형 플레이트(58)를 임계 각도 배향을 넘어 상기 축선(62)을 중심으로 회전시킬 시 테더(86)와 함께 비틀림 바(54)가 가정적으로 인가하는 복원 토크를 나타낸다. 도 3a에서의 두 직선 세그먼트(94a,94b)의 기울기 차는 상기 테더(86)가 나비형 플레이트(58)에 인가하는 구속 조건으로 인한 임계 각도 배향으로 k1 내지 k2 사이에서 변화하는 비틀림 스프링 상수를 나타낸다. 낮은 비틀림 스프링 상수(k1)는 상기 나비형 플레이트(58)가 초기에 축선(62)을 중심으로 잘 회전하게 한다. 비틀림 스프링 상수(k1) 내지 비틀림 스프링 상수(k2) 사이의 변화는 상기 나비형 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 더 큰 각도로 회전하는데 대한 정전기적 불안정성을 제거시킨다. 그러나, 당업자가 아는 바와 같이, 실제로 상기 테더(86)는 도 3a에 제안된 유연성 있는 비틀림 스프링 상수 내지 강성 비틀림 스프링 상수의 사이에서 실제로 갑작스런 변화를 발생시키지 않는다.
그럼에도 불구하고, 도 3에 도시된 비틀림 스캐너(52)에 있어서, 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수가 상기 테더(86)의 스프링 상수에 비해 작은 경우, 상기 나비형 플레이트(58)의 회전은 상기 테더(86)에 의해 좌우될 수 있다. 더욱이, 상기 테더(86)가 상기 나비형 플레이트(58)를 정확히 대칭적으로 구속하지 않는 경우, 상기 테더는 상기 나비형 플레이트를 휘게 하는 경향이 있으며, 그에 따라 상기 나비형 플레이트의 광학적 평면도를 파괴시킨다. 상기 '09289 PCT 특허출원에 언급된 바와 같이, 도 3에 도시된 상기 테더(86)를 포함하는 비틀림 스캐너(52)는 상기 나비형 플레이트(58)를 단지 ±2.0°까지 상기 축선(62)을 중심으로 안정하게 회전시킬 수 있는데, 왜냐하면 상기 테더(86)는 극단 비선형성의 비틀림 스프링 상수를 발생시키기 때문이다.
상기 '790 특허는 상기 나비형 플레이트(58)(또는 제2 프레임) 둘레의 박스 프레임 보강림을 비롯하여 비틀림 스캐너(52)를 제공하는 이점을 기재하고 있다. 상기 박스 프레임 보강림은 비틀림 스캐너 둘레의 상기 나비형 플레이트(58)를 두껍게 하는 동시에, 비틀림 스캐너 구조체의 나머지 부분을 얇게 한다. 상기 박스 프레임 보강림은 상기 나비형 플레이트(58)를 광학적으로 평탄하게 유지시키며, 또한 상기 비틀림 바(54)와 포위 프레임(56)에 두께 차를 제공함으로써 비틀림 스캐너(52)의 강성도를 증가시킨다. 중실 플레이트(58)와 비교해 볼 때, 상기 나비형 플레이트(58)에 박스 프레임을 보강하면 상기 나비형 플레이트(58)의 질량을 감소시킬 수 있는 동시에, 이 나비형 플레이트의 관성 모멘트를 저장할 수 있다. 큰 관성 모멘트는 부저(Buser) 등의 분석가에 의해 설명된 비틀림 스캐너(52)의 Q 값을 증가시킨다(Sens. & Act., A23, 1990, pg. 323).
반사 비틀림 스캐너(52)를 제조하는데 있어서의 주된 관심사는 작동 온도 범위 전체에 걸친 경면(76)의 반사도 및 평면도이다. 상기 나비형 플레이트(58)로부터 반사되는 광선의 반사도를 증가시키거나, 또는 이 광선의 편광을 제어하려면 경면(76) 상에 유전체 피막을 적층시키는 것이 또한 필요할 수 있다. 일반적으로, 산화물, 질화물 등과 같은 무기재를 금속 피막 경면(76) 상에 적층하면 원하는 반사 특성을 얻을 수 있다. 상기 무기재 피막은 두께가 적어도 0.1 내지 0.2 미크론이어야 하기 때문에, 상기 무기재 피막이 나비형 플레이트(58)에 가해질 수 있는 응력은 특히, 상기 무기재 피막이 단지 수 미크론 두께로 비틀림 스캐너 상에 적층되어야 하기 때문에 주된 관심사이다.
어떤 용례에 있어서, 비틀림 진동자는 상기 나비형 플레이트(58)로부터 상당한 양의 열을 방산해야 한다. 예를 들면, 상기 포위 프레임(56)에 대해 상기 축선(62)을 중심으로 한 상기 나비형 플레이트(58)의 회전이 상기 나비형 플레이트(58)에 부착된 코일을 이용하여 전자기적으로 가해지는 경우, 상기 나비형 플레이트(58)는 상기 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 발생되는 열을 방산해야 하는데, 즉 i2R열을 방산해야 한다. 그러나, 상기 나비형 플레이트(58)가 정전기력에 의해 회전을 발생시키기 때문에 코일을 수반하지 않는다고 할지라도, 98.5%가 반사하는 경면(76)으로부터 100 밀리와트(mw) 광선(74)을 반사시키는 경우에, 상기 나비형 플레이트(58)는 입사 광선(74)에 의해 축적된 1.5 mw의 에너지를 방산시킬 것을 필요로 한다. 비교적 열전도성이 낮은 재료인, 1.0 mm2의 실리콘에 1.5 mw의 에 너지가 흡수되면 상기 나비형 플레이트(58)의 온도는 주변 대기 온도 보다 높은 20.0 내지 30.0。C 까지 상승시할 수 있다. 상기 나비형 플레이트(58)의 온도는 이 나비형 플레이트(58)가 비틀림 스캐너(52)의 나머지 부분에 대해 열전도를 불충분하게 인가하는 경우 훨씬 더 극적으로 증가한다.
2차원("2D") 포인팅 또는 스캐닝 같은 비틀림 스캐너(52)용 여러 가지 용례에 있어서, 때때로 몇몇 전도선은 상기 '618 특허에 기재된 것과 같은 비틀림 센서를 포함하는 비틀림 바(54)를 거쳐 상기 포위 프레임(56)으로부터 상기 나비형 플레이트(58)로 지나야 한다. 이들 다수의 전도선의 위치는 비틀림 바(54)의 폭에 의해 엄격히 억제될 수 있다. 폭이 매우 좁은 비틀림 바(54)는 전도선의 배치 및 비틀림 센서의 작동을 또한 억제할 수 있다.
광섬유 스위칭과 같은, 반사 미세가공 비틀림 스캐너(52)용 여러 가지 용례는 상기 비틀림 스캐너(52)를 이용하여 2D 래스터의 적어도 하나의 축을 따라 정지 또는 준정지 위치 조정을 이용하여 광선을 광학적으로 정렬하게 하는 것을 상상할 수 있게 한다. 상기 나비형 플레이트(58)용 다른 비평행 회전축은 주기 운동(사인 곡선, 직선), 또는 광선용 정적 또는 준정적 위치 조정을 할 수 있다. 이러한 용례는 경면(76)을 광선의 경로에 플립시킴으로써 광선을 효과적으로 온 또는 오프로 스위칭시킬 수 있다. 일반적으로, 상기 용례에 있어서, 상기 나비형 플레이트(58)를 가능한 한 빠르게 광선 내로 플립시키는 것이 바람직하다. 더욱이, 미세 트리밍 조정을 행하면서, 즉 테일러링(tailoring)을 하면서, 경면(76)이 광선(74)과 교차한 후, 경면(76)이 광선을 반사시키는 각도는 유익할 수 있거나 심지어 필요할 수 있다.
광섬유 스위칭 기술에 있어서, 상기 나비형 플레이트(58)의 이러한 복잡한 운동은 하나 또는 두 축을 따라 트랙킹을 제공하여 광선을 목표물에 유지시킬 수 있게 한다. 이러한 포인팅 용례는 비교적 큰 각도를 통해 적어도 하나의 축을 따라 광선을 편향시킨 후, 비틀림 스캐너(52)에서 작은 전력량을 소비하면서 시간 연장 구간 동안 특정 각도로 상기 광선을 유지시킬 것을 필요로 할 수 있다. 상기 준정적 포인팅 용례에 있어서, 상기 나비형 플레이트(58)는 매우 큰 각도를 통해, 예를 들면 5°내지 45°사이에서 회전한 후 정지 상태로 유지되어야 한다. 상기 큰 각 회전은 정전기적으로 달성하기가 어려운데, 왜냐하면 앞서 설명된 바와 같이, 상기 나비형 플레이트(58)를 정전기적으로 크게 회전시키려면 본래 상기 나비형 플레이트(58)와 전극봉(66)의 사이에 매우 큰 간격을 필요로 할 수 있기 때문이다. 상기 큰 각 회전은 전자기적으로 달성하기가 또한 어려운데, 왜냐하면 상기 나비형 플레이트(58)에 수반되는 코일에 의해 발생되는 자기장은 상기 나비형 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 회전할 때 외부의 일방향 자기장에 대해 재배열되기 때문이다. 그 결과, 상기 나비형 플레이트(58)를 큰 각도를 통해 전자기적으로 준정적으로 회전시키려면 일반적으로 상기 코일이 상기 나비형 플레이트(58)를 고정된 각 회전 상태로 유지시키면서 매우 큰 전류를 인가하게 할 것을 필요로 한다. 전술된 바와 같이, 상기 큰 전류는 상기 나비형 플레이트(58)의 온도를 현저히 상승시킨다.
상기 '139 및 '790 특허에 기재된 비틀림 진동자의 몇몇 용례에 있어서, 일 반적으로 비틀림 스캐너(52) 안에 광 다이오드와 같은, 하나 이상의 광 탐지 요소를 비롯하여, 가능한 한 이들을 상기 나비형 플레이트(58)에 배치시키면 이점이 있다. 미국 특허 제5,416,324호(상기 '324 특허)에 기재된 바와 같이, 편광 광탐지기를 포함하면 특히 몇몇 이미지 처리 용례에 있어서 이점이 있다. 마찬가지로, 비틀림 진동자의 몇몇 용례는 평면 편광의 패러데이 회전을 탐지하여 자기 기록 데이터의 존재 또는 부존재를 감지하는 것을 필요로 할 가능성이 있다. 상기 '324 특허는 수신기 조립체의 2차원("2D") 전체를 개시한다. 상기 각 수신기 조립체는 차등 상태로 배향된 편광에 각각 대응하는 네 개(4)의 광탐지기를 포함한다. 상기 '324 특허는 상기 편광기가 광탐지기에 또는 광학계의 적절한 위치에 바로 인접하여 배치되는 와이어 그리드에 의해 형성될 수 있음을 기재하고 있다. 상기 '324 특허에 기재된 이미지 형성 시스템의 원가는 수신기 조립체를 단일 수신기 조립체로 일체화하여 줄이는 것이 가능하다면 현저히 감소될 수 있다.
상기 '790,'553,'618,'139 및 '324 특허 및 상기 '09289 PCT 특허출원은 본원의 명세서에 참고로 인용되었다.
본 발명의 목적은 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세 가공 부재용 개선된 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재의 작동 특성을 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상대 회전하도록 종래의 포개지지 않은 비틀림 바 보 다 더 조밀하게 연결된 미세가공 부재용 비틀림 굴곡 힌지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소정 부재의 주 비틀림 진동 모드의 주파수 및 상기 부재의 다른 진동 모드의 주파수 사이의 증가된 간격을 나타내는 상대 회전을 하도록 미세가공 부재에 연결되는 비틀림 굴곡 힌지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 정해진 축선을 중심으로 소정의 부재를 회전시키는데 필요한 토크가 미세가공 부재의 각 회전을 증가시키면서 비선형적으로 증가하는 비틀림 굴곡 힌지에 의해 연결된 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재가 이 미세가공 부재의 각도 편향과 함께 비선형적으로 변하는 상기 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전하게 하는 구동 신호를 인가하는 정전기적 구동 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재를 회전시키는데 필요한 정전기적 전위차를 감소시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강화된 열전도성을 갖는 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상대 회전하도록 비틀림 센서를 포함하는 미세가공 부재와 연결하는 비틀림 굴곡 힌지를 견고하게 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미세가공 부재의 광 반사도를 강화시켜, 미세가공 부재의 평면도를 변화시키지 않게 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경면의 반사 특성을 테일러링할 수 있게 하는 광 반사 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 편광 감지 스캔 광 다이오드를 포함하는 미세가공 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미세가공 부재가 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 신속하게 회전한 후, 상기 미세가공 부재를 특정의 각 회전 상태로 즉시 고정시키게 하는 전자 구동장치와 함께 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미세가공 부재가 비틀림 굴곡 힌지의 축선을 중심으로 신속하게 회전한 후, 상기 미세가공 부재를 특정의 각 회전 상태로 즉시 고정시키게 하는 저전력 소비형 전자 구동장치와 함께 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미세가공 부재가 특정 각도를 통해 회전되고 또한 특정의 배향 상태로 고정된 후 소정 부재의 배향을 트리밍하는 저전력 소비형 전자 구동장치와 함께 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재용 구조체를 제공하는 것이다.
간단히 말해서, 본 발명은 기준 부재, 상기 기준 부재로부터 돌출하는 한 쌍의 정반대 방향에 배치된 비틀림 굴곡 힌지 및 상기 기준 부재로부터 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 지지되는 동적 부재를 구비하는 개선된 일체형 미세가공 구조체를 포함한다. 상기 비틀림 굴곡 힌지는 동적 부재가 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전하도록 상기 동적 부재를 기준 부재로부터 지지한다. 본원 명세서에 사용된 바와 같이, 상기 비틀림 굴곡 힌지는 매우 폭넓게 적용되는 경우, 종래의 포개지지 않은 비틀림 바를 비롯하여, 동적 부재가 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전할 때 순수 비틀림을 겪지 않는 하나 이상의 힌지 세그먼트를 구비하는 힌지 구조체를 포함하는 것이다. 상기 기준 부재, 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지 및 상기 동적 부재는 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 모두 단일체로 제조된다. 상기 일체화된 미세가공 구조체는 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 동적 부재를 회전시키는 구동 수단을 또한 포함한다. 상기 구동 수단은 정전기적으로 또는 전자기적으로 동적 부재에 토크를 단독으로 또는 조합하여 가할 수 있다.
일실시예의 개선된 미세가공 구조체는 적어도 3개의 기본 힌지 세그먼트 중의 제1 단부들을 함께 연결시킴으로써 상기 비틀림 굴곡 힌지 중의 적어도 하나를 형성한다. 각 기본 힌지 세그먼트의 제1 단부는 기준 부재 및 동적 부재 사이의 다중 세그먼트 비틀림 굴곡 힌지를 따라 위치한다. 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부는 상기 기준 부재와 연결되고, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 두 개의 제2 단부는 상기 동적 부재와 연결된다. 이와 달리, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부가 상기 동적 부재에 연결되고, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 두 개의 제2 단부가 상기 기준 부재에 연결될 수도 있다. 상기 기본 힌지 세그먼트들을 연결하여 형성된 비틀림 굴곡 힌지는 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부에 연결되는 제1 단부를 각각 포함하는 적어도 두 개의 보조 힌지 세그먼트를 더 포함할 수 있다. 상기 각 보조 힌지 세그먼트는 상기 동적 부재가 회전하는 축선에 대해 수직하게 배향되지 않는 길이 방향 축선을 갖는다. 상기 기본 힌지 세그먼트 및 보조 힌지 세그먼트의 길이 방향 축선은 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 길이 방향 축선과 평행하게 정렬되며, 이에 의해 상기 형성된 비틀림 굴곡 힌지를 관찰할 때 상기 연결된 기본 힌지 세그먼트 및 보조 힌지 세그먼트의 각 쌍은 평면도 상에서 각각 U자형 형상을 나타내게 된다. 또, 상기 보조 힌지 세그먼트 중 어느 쪽에도 연결되지 않는 기본 힌지 세그먼트의 제2 단부는 기준 부재와 연결되고, 상기 보조 힌지 세그먼트의 제2 단부는 동적 부재와 연결된다. 이와 달리, 상기 보조 힌지 세그먼트 중 어느 쪽에도 연결되지 않는 기본 힌지 세그먼트의 제2 단부가 동적 부재와 연결되고, 상기 보조 힌지 세그먼트의 제2 단부가 기준 부재와 연결될 수도 있다. 적어도 하나의 상기 보조 힌지 세그먼트 및 적어도 하나의 상기 기본 힌지 세그먼트는 2열 빔일 수 있다. 또, 상기 기본 힌지 세그먼트와 보조 힌지 세그먼트는 폭 대 두께의 비가 상이할 수 있으며, 길이가 상이할 수도 있다.
다른 실시예로, 개선된 미세가공 구조체는 기준 부재 및 동적 부재의 사이에 2열 빔을 배치함으로써 비틀림 굴곡 힌지 중의 적어도 하나를 형성한다. 상기 2열 빔은 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 동적 부재의 회전 축선 양측에 대칭적으로 배치된다.
정전기적 안정성을 강화시키는 개선된 미세가공 구조체의 다른 실시예는 기준 부재 및 동적 부재의 사이에 위치하는 비틀림 굴곡 힌지를 따라 소정 지점의 비틀림 굴곡 힌지 중의 하나에 부착하는 제1 단부가 있는 부속물을 포함한다. 이 부속물은 비틀림 굴곡 힌지로부터 외부로 돌출한 상태로 형성되어, 상기 기준 부재에 대해 상기 축선을 중심으로 동적 부재를 충분히 회전시킬 시 상기 부속물의 돌출 단부가 기준 부재와 고정된 상태로 있는 정지부와 접촉한다. 상기 부속물의 돌출 단부가 상기 정지부와 접촉할 때, 상기 비틀림 굴곡 힌지의 비틀림 스프링 상수는 변화한다. 한편, 상기 부속물의 제2 단부가 상기 정지부와 접촉 상태에 있는 동안에, 상기 동적 부재가 축선을 중심으로 기준 부재에 대해 계속해서 회전함에 따라 상기 부속물이 휘어질 수도 있다. 상기 동적 부재의 회전에 따라 상기 비틀림 스프링 상수는 점진적으로 증가한다.
다른 실시예로, 개선된 미세가공 구조체는 기준 부재 및 동적 부재의 사이에 위치하는 비틀림 굴곡 힌지를 따라 소정의 위치에 있는 기준 부재의 제1 단부 및 비틀림 굴곡 힌지 중의 하나의 제2 단부에 연결되는 테더를 포함한다. 상기 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 상기 동적 부재를 충분히 회전시킬 시, 상기 테더는 비틀림 굴곡 힌지의 비틀림 스프링 상수를 변화시킨다. 또 다른 정전기적으로 전류가 가해지는 방식의 실시예에 있어서, 개선된 미세가공 구조체는 상기 동적 부재가 기준 부재에 대해 상기 축선을 중심으로 각 회전하는데 따른 신호를 발생시킬 수 있는 비틀림 센서를 포함한다. 상기 비틀림 센서에 의해 발생되는 신호는 동적 부재를 정전기적으로 회전시키는 구동 신호를 변화시키게 하는 구동 수단으로 피드백 된다.
개선된 비틀림 진동자는 전극봉과 동적 부재 사이의 전기장을 강화시키는 상기 전극봉에 바로 인접하는 보강림의 팁을 예리하게 함으로써 보강림을 포함하는 전극봉 및 동적 부재 사이의 정전기적으로 가해지는 토크를 증가시킨다. 다른 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 비틀림 진동자의 Q 값을 강화시키기 위해, 상기 보강림에 의해 둘러싸이는 동적 부재 안의 중공형 제1 공동부가 기판 안에 형성되는 중공형 제2 공동부에 인접하게 배치되고, 또한 이 중공형 제2 공동부는 동적 부재 안 에 형성된 중공형 제1 공동부를 향해 개방되어 있다. 다른 개선된 비틀림 스캐너에 있어서, 기준 부재 또는 동적 부재는 상기 비틀림 굴곡 힌지 중 하나의 측면에 배치되는 슬롯을 안에 형성한다. 상기 슬롯을 가로질러 배치되고 또한 상기 기준 부재의 인접한 비틀림 굴곡 힌지와 접촉하는 감쇄재는 비틀림 진동자의 Q 값을 감소시킨다. 또 다른 개선된 비틀림 진동자는 동적 부재 및 기준 부재 사이의 비틀림 굴곡 힌지의 양측부를 따라 보조 구동 플레이트를 부가한다. 상기 보조 구동 플레이트는 동적 부재에 인접한 비틀림 굴곡 힌지에 연결되고, 또한 회전 축선에 수직한 동적 부재의 폭 보다 적은 회전 축선에 수직한 연결 폭을 갖는다. 상기 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 상기 구동 수단은 보조 구동 플레이트의 사이에 및 이 보조 구동 플레이트에 인접하게 배치된 전극봉에 정전기적 구동 신호를 인가한다.
다른 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 비틀림 굴곡 힌지는 4:1을 초과하는 폭 대 두께(w:t)의 비를 가져, 그에 상당하는 비틀림 스프링 상수를 갖는 폭이 좁고 두께가 얇은 비틀림 굴곡 힌지와 비교할 때 동적 부재 및 기준 부재의 사이에 열 전도성을 증가시키게 한다. 1:2 보다 더 크게 비틀림 굴곡 힌지의 폭 대 길이(w:l)의 비를 더 증가시키면 정전기적 안정성을 개선시키는 비선형 비틀림 스프링 상수를 제공한다. 다른 개선된 비틀림 진동자는 순수 동위 원소 14Si28 실리콘으로 동적 부재와 기준 부재를 제조함으로써 상기 동적 부재 및 기준 부재 사이의 열 전도성을 개선시킨다.
다른 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 동적 부재는 이 동적 부재의 분리부를 거의 완전히 둘러싸는 응력 완화 절단부를 포함한다. 상기 응력 완화 절단부는 동 적 부재의 주변부로부터 동적 부재의 상기 분리부를 지지하는 빔을 형성함으로써 응력은 분리부 및 주변부의 사이에서 완화된다. 다른 개선된 비틀림 스캐너에 있어서, 상기 동적 부재의 전면 및 이면에는 반사 미러 피막이 입혀져 상기 동적 부재에 가해지는 소정의 응력을 균등하게 한다. 다른 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 상기 비틀림 굴곡 힌지 중의 적어도 하나는 비틀림 센서가 배치된 폭 넓은 부분을 포함하며, 상기 비틀림 센서는 상기 동적 부재가 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 각 회전하는데 따른 신호를 발생시킨다.
광선을 스위칭할 수 있는 다른 개선된 비틀림 스캐너에 있어서, 상기 구동 수단은 초기에 상기 동적 부재를 전류 펄스에 의해 전자기적으로 축선을 중심으로 회전시킨다. 상기 전류 펄스는 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 상기 동적 부재를 순간적으로 회전시키기 시작한다. 상기 동적 부재가 미리 설정된 배향 상태에 가깝게 회전된 후, 상기 구동 수단은 정전기력에 의해 미리 설정된 배향 상태로 동적 부재를 유지시킨다.
다른 개선된 비틀림 진동자에 있어서, 동적 부재는 광탐지기에 인접하게 배치된 와이어 그리드 편광기를 수반하여, 상기 광탐지기에 대한 입사광이 광 다이오드에 충돌하기 전에 와이어 그리드 편광기를 가로지르게 한다.
본 발명의 이러한 특징과 다른 특징, 목적 및 이점은 여러 도면에 보여진 바와 같은 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 통해 당업자에게 이해되거나 분명해질 것이다.
도 1은 비틀림 바를 지지하여 정해진 회전 축선을 중심으로 미러 플레이트를 회전시키도록 토크를 정전기적으로 가할 수 있는 '790 특허에 기재된 비틀림 스캐너 형태의 종래 기술의 비틀림 진동자를 보여주는 횡단면도.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은, 비틀림 진동자에 대한 플레이트의 회전 각도의 함수로서 정전기 구동 토크 및 비틀림 바 복원 토크를 보여주는 그래프이며, 이 비틀림 바는 고정된 비틀림 스프링 상수를 갖는 것인 그래프.
도 3은 '09289 PCT 특허출원을 나타내는 종래 기술의 비틀림 스캐너의 개략 사시도.
도 3a는 도 3에 도시된 바와 같은, 비틀림 진동자에 대한 플레이트의 회전 각도의 함수로서 정전기 구동 토크 및 비틀림 바 복원 토크를 나타내는 그래프이며, 이 비틀림 바는 변화하는 비틀림 스프링 상수를 나타내는 것인 그래프.
도 4a 및 도 4b는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바에 의해 나타난 것과 비교할 때 비틀림 센서를 일체로 구비하고, 또한 더 조밀하며 또 개선된 진동 모드 스펙트럼을 나타내는 포개진 비틀림 굴곡 힌지를 도시하는 평면도.
도 5a는 폭 대 두께의 비를 변화시킬 때의 빔의 비틀림 스프링 상수를 보여주는 그래프.
도 5b는 도 5a에 도시된 비틀림 스프링 상수를 유익하게 사용하여, 개선된 진동 모드 스펙트럼 특성을 얻게 하는 포개지지 않은 2열 비틀림 바의 평면도.
도 6a는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바를 도시하는 평면도.
도 6b는 비틀림 굴곡 힌지의 성능을 최적화하도록 선택되는 1:1 보다 더 크 거나 더 작은 여러 가지 폭 대 두께 비를 갖는 비틀림 바 세그먼트를 포함하여 개선된 특성을 나타내는 비틀림 굴곡 힌지를 도시하는 평면도.
도 7a 및 도 7b는 주로 굽힘력에 종속하는 2열 비틀림 굴곡 힌지가 플레이트에 어떻게 매우 탄력적인 회전을 가하는지를 보여주는 평면도.
도 7c는 도 7a에 도시된 2열 비틀림 굴곡 힌지를 도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바와 연결하는 2열 비틀림 굴곡 힌지의 평면도.
도 8a 및 도 8b는 정지부와 함께 비틀림 바에 부착되는 자유 이동 부속물을 이용하여 비틀림 스프링 상수를 갑자기 변화시킴으로써 비틀림 진동자의 정전기적 안정성을 증가시키는 상태를 보여주는 각 평면도와 횡단면도.
도 8c는 부속물의 비틀림 스프링 상수를 다중 분할한 도 8a 및 도 8b에 도시된 것과 같은 비틀림 진동자에 대한 플레이트의 회전 각도의 함수로서 정전기 구동 토크 및 비틀림 바 복원 토크를 보여주는 도 2 및 도 3a의 것과 유사한 그래프.
도 9a 및 도 9b는 비틀림 스프링 상수를 갑자기 변화시켜 비틀림 진동자의 정전기적 안정성을 증가시키도록 비틀림 바를 프레임에 연결하는 테더의 이용 상태를 보여주는 각 평면도와 횡단면도.
도 9c는 도 9a 및 도 9b에 도시된 테더에 포함될 수 있는 주름진 압축 스프링을 더 상세히 도시하는 평면도.
도 9d는 주름부에 포함될 수 있는 정지부를 보여주는 도 9c에 도시된 스프링의 횡단면도.
도 10은 비틀림 스캐너를 보여주는 횡단면도 및 도 10a는 비틀림 스캐너에 포함된 전극봉에 각각 인가되는 정전기적인 준정적 구동 신호를 보여주는 타이밍도.
도 10b는 플레이트를 프레임에 대해 축선을 중심으로 회전시키게 하는 준정적 구동 신호를 보상시킴으로써 정전기적 안정성을 개선하는 비틀림 센서로부터 수신된 신호에 응답하는 정전기적 구동 신호 발생용 회로를 도시하는 블록도.
도 10c는 도 10b에 도시된 회로와 같은 정전기적인 준정적 구동 신호가 도 10에 도시된 비틀림 스캐너의 각 전극봉에 적용되는 동안 발생하는 상태를 도시하는 도 10a에 도시된 것과 유사한 타이밍도.
도 11은 도 7에 도시된 회로에 의해 발생된 신호를 인가함으로써 플레이트가 정전기적으로 회전할 때, 도 1에 도시된 것과 같은 비틀림 진동자에 대한 플레이트의 회전 각도의 함수로서 정전기적 구동 토크 및 비틀림 바 복원 토크를 보여주는 도 2, 도 3a 및 도 8c의 것과 유사한 그래프.
도 12a는 비틀림 진동자의 플레이트(또는 프레임)에 흔히 합체되는 박스 프레임 보강림의 절반의 표면 및 단면을 보여주며, 또한 상기 박스 프레임 보강림의 표면에 근접하는 타원형 원통의 일부 표면을 또한 보여주는 그래프.
도 12b는 전극봉으로부터 박스 프레임의 표면을 따라 거리를 증가시키는 동안에, 도 12a에 도시된 박스 프레임 및 인접 전극봉 사이의 정전기장의 수평(X-축) 성분의 크기를 보여주는 그래프.
도 12c 및 도 12d는 예리한 팁이 있는 박스 프레임을 포함하는 비틀림 진동자에 의해 나타난 정전기적 인력을 더 강화시키는데 이용될 수 있는 전극봉 구조를 보여주는 횡단면도.
도 13a 및 도 13b는 플레이트의 회전으로 인한 스퀴즈(squeeze) 박막 감쇄를 감소시키는 박스 프레임이 있는 플레이트의 기하학적 구조를 보여주는 횡단면도.
도 13c는 플레이트의 회전으로 인한 스퀴즈 박막 감쇄가 어떻게 더 감소될 수 있는지를 보여주는 횡단면도.
도 13d는 구동 전압을 감소시킬 수 있게 하는 감소된 박스 프레임 및 현수 경면이 있는 비틀림 진동자를 보여주는 횡단면도.
도 13e는 낮은 구동 전압을 이용할 수 있게 하는 비틀림 바의 길이 방향 에지를 따라 집적되는 구동 플레이트를 보여주는 평면도.
도 14는 비틀림 진동자, 특히 비틀림 스캐너를 제조하는데 사용되는 바람직한 형태의 실리콘 웨이퍼 기판을 보여주는 도면.
도 15a 및 도 15b는 높은 Q 값을 감쇄시킬 수 있게 하는 미세가공 실리콘 비틀림 스캐너의 플레이트 및 프레임의 나비형 구조를 보여주는 평면도.
도 16a 및 도 16b는 비틀림 센서용 비틀림 바에 추가의 표면 영역을 제공하게 하는 폭넓은 부분이 있는 비틀림 바를 보여주는 평면도.
도 17a 및 도 17b는 실리콘 웨이퍼 기판에 금속 경면을 진공 증착하게 하는 다른 장치를 보여주는 사시도.
도 18은 플레이트를 휨이 없이 광학 성능을 개선시키는 거의 응력이 없는 층을 제공하도록 플레이트의 경면이 파릴렌(parylene)에 의해 등각으로(conformally) 피막 처리되어진 비틀림 스캐너의 횡단면도.
도 18a 및 도 18b는 경면을 선택된 두께의 파릴렌으로 피막 처리함으로써 얻어질 수 있는 성능 강화를 각각 보여주는 도면.
도 19a 및 도 19b는 정전기적 및 전자기적 작동을 이용하는 클램핑 메커니즘 및 조정 메커니즘을 비롯한 광선 스위칭 용례에 사용할 수 있는 비틀림 스캐너의 각 평면도 및 횡단면도.
도 20a 및 도 20b는 비틀림 스캐너 클램핑 메커니즘 및 조정 메커니즘의 변형예를 보여주는 도 19b의 도면과 유사한 횡단면도.
도 20c는 도 19a의 선 20c-20c를 따라 취해진 도 19a 및 도 19b에 보여진 비틀림 스캐너와 함께 사용할 수 있는 조정 메커니즘의 평면도.
도 21은 플레이트에 와이어 그리드 편광 광탐지기를 수반하는 비틀림 진동자의 평면도.
도 22a는 도 21에 보여진 와이어 그리드 편광 광탐지기의 평면도.
도 22b는 도 21a의 선 22b-22b를 따라 취해진 와이어 그리드 편광 광탐지기의 횡단면도.
도 23은 기준 부재, 즉 프레임에 위치하는 광탐지기가 있는 비틀림 진동자의 평면도.
도 24a는 동적 부재, 즉 플레이트에 프레넬 렌즈가 형성되는 비틀림 진동자의 평면도.
도 24b는 도 24a의 선 24b-24b를 따라 취해진 동적 부재에 수반되는 프레넬 렌즈의 부분 횡단면도.
본 발명을 수행하는 최상의 모드
더 나은 성능의 더 작은 비틀림 진동자(52)
'790 특허에 기재된 바와 같이, 비틀림 스캐너(52)와 같은 비틀림 진동자의 비틀림 스캐너 플레이트(58)는 복수 개의 진동 모드를 나타낸다. 이들 진동 모드는 축선(62)을 중심으로 주 비틀림 진동 모드, 수직 세이킹(shaking) 진동 모드, 수직 로킹(rocking) 진동 모드, 측방향 세이킹 진동 모드 및 측방향 로킹 진동 모드를 포함한다. 상기 비틀림 스캐너 플레이트(58)의 상기 각 진동 모드는 비틀림 스캐너(52)의 물리적 특성에 의해 결정되는 진동 주파수를 갖는다. '790 특허에 기재된 바와 같이, 비틀림 스캐너(52)의 작동은 주 비틀림 진동 모드의 진동 주파수가 상기 비틀림 스캐너 플레이트(58)의 어떤 다른 진동 모드의 진동 주파수 보다 적어도 20%정도 낮은 경우에 현저히 개선된다. 더 상세히 후술되는 바와 같이, 상기 비틀림 스캐너 플레이트(58)의 여러 진동 모드의 진동 주파수 사이의 간격은 상기 스캐너 플레이트(58)를 지지하는 힌지가 적어도 3개의 힌지 세그먼트 중의 단부들을 비틀림 바(54) 및 상기 스캐너 플레이트(58) 사이의 힌지를 따라 위치하는 연결 단부와 함께 연결함으로써 이루어지는 경우에 더 작은 프레임(56) 및 더 작은 스캐너 플레이트(58)에 의해 개선될 수 있다. 몇몇 용례에 있어서, 상기와 같은 방식으로 형성되는 포개진 힌지는 종래의 포개지지 않은 형태인 비틀림 바(54)의 모드 스펙트럼 보다 실질적으로 더 나은 모드 스펙트럼을 나타내는데, 왜냐하면 포개진 비틀림 바(54)의 수직방향 진동 모드 및 측방향 진동 모드의 주파수가 주 비틀 림 진동 모드의 주파수로부터 더 떨어져 있기 때문이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 일실시예에 있어서, 상기 스캐너 플레이트(58)를 프레임(56)으로부터 지지하는 T자형 비틀림 굴곡 힌지(96)는 3개의 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)로 이루어진다. 상기 기본 힌지 세그먼트(102)의 각각은 축선(62)에 수직하게 배향되지 않는 길이 방향 축선(98)을 갖는다. 중앙에 위치하는 기본 힌지 세그먼트(102b)에 있어서, 길이 방향 축선(98)은 축선(62)과 동일축 상에 있다. 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 중간 영역(104)은 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)의 바로 인접한 단부(106)와 함께 연결한다. 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)와 비교할 때, 프레임(56), 스캐너 프레이트(58) 및 중간 영역(104)은 굴곡이 없는 것으로 생각될 정도로 충분히 두껍고 크다. 상기 스캐너 플레이트(58)가 신속히 이동하거나 진동해야 하는 용례에 있어서, 상기 스캐너 플레이트(58)는 이 스캐너 플레이트(58)의 질량 중심을 축선(62)에 위치시킬 수 있도록 이 축선(62)에 대해 대칭으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 일반적으로 기본 힌지 세그먼트(102b)와 동일하게 형성되고 또한 동일한 두께를 갖는다. 그러나, 전형적으로 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 기본 힌지 세그먼트(102b) 보다 폭이 더 좁은데, 이는 기본 힌지 세그먼트(102b)의 거의 1/2이다. 도 4a에 도시된 비틀림 굴곡 힌지(96)에 있어서, 기본 힌지 세그먼트(102b)는 단지 비틀리지만 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 비틀리고 휘어진다.
포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 기본 힌지 세그먼트(102b)는 '618 특허에 기재된 바와 같이, 상기 스캐너 플레이트(58)가 프레임(56)에 대해 축선(62)을 중심 으로 회전하는 각도를 측정하게 하는 비틀림 센서(108)를 포함할 수 있다. 기본 힌지 세그먼트(102b) 안에 위치하는 비틀림 센서(108)는 '618 특허에 기재된 것과 동일하다. 그러나, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 구체적인 특성에 따라서, 상기 스캐너 플레이트(58)의 회전에 대한 기본 힌지 세그먼트(102) 안에 위치한 비틀림 센서(108)의 감도는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)에 위치한 비틀림 센서(108)와 다르다.
도 6a에 보여진 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 비틀림 강성은 기본 힌지 세그먼트(102b)의 비교 가능한 폭과 두께를 갖고, 또한 기본 힌지 세그먼트(102b) 및 기본 힌지 세그먼트(102a,102c) 중 하나의 연결 길이와 동일한 길이를 갖는 종래의 포개지지 않는 비틀림 바(54)의 비틀림 강성에 근접한다. 그러나, 도 6a의 설명으로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 중간 영역(104)을 포함하는 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 전체 길이는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 전체 길이의 약 1/2이다. 상기 스캐너 플레이트(58)를 상기 프레임(56)에 대해 회전시키는 동안, 기본 힌지 세그먼트(102b)는 거의 순수 비틀림을 겪는 반면에, 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 비틀림 응력 및 굽힘 응력을 겪는다. 상기 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)가 충분히 밀접해지는 경우, 상기 굽힘 응력은 특정 비틀림 스캐너(52)용 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)를 구성할 때 흔히 무시될 수 있다.
소정 길이("l")의 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 비교할 때, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 더 큰 수직방향 강성을 나타내며, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 수직방향 진동 모드 및 측방향 진동 모드의 주파수는 주 비틀림 진동 모 드의 주파수로부터 더 떨어져 있다. 기본 힌지 세그먼트(102b) 및 한 쌍의 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 길이의 1/2이기 때문에, 이들 수직 스프링 상수는 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 스프링 상수의 단지 1/8이다. 그러나, 중간 영역(104)이 일련의 기본 힌지 세그먼트(102b) 및 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)와 연결하기 때문에, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54) 보다 단지 4배 더 단단하다. 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 비교할 때, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 증가된 수직방향 강성은 거의 스프링 상수 2로 수직방향 진동 모드의 공진 주파수를 상승시킨다. 비록 극적으로 나타나는 것은 아니지만, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 주 비틀림 진동 모드의 주파수 및 측방향 세이킹 진동 모드와 측방향 로킹 진동 모드의 주파수 사이의 간격을 증가시킨다. 따라서, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 상기 스캐너 플레이트(58)의 여러 가지 진동 모드의 주파수 사이의 간격을 개선시킨다.
포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)의 개선된 특성은 엄격히 제한된 구조용 비틀림 스캐너(52)의 미세 제작에 유익하게 이용될 수 있다. 예를 들면, 비틀림 굴곡 힌지(96)는 선택된 수직방향 강성을 위해 더 탄력성이 있게 만들어질 수 있으며, 이로써 상기 스캐너 플레이트(58)가 전자기적으로 회전되는 경우, 상기 스캐너 플레이트(58)의 각 회전을 증가시키거나, 전력 소비를 낮출 수 있다. 선택적으로, 특정한 굴곡에 있어서, 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 수직방향 강성을 증가시킴으로써 비틀림 스캐너(52)의 내충격성을 증가시킨다. 따라서, 포개진 비틀림 굴곡 힌 지(96)는 비틀림 스캐너(52)의 설계에 있어서 중요한 이점을 제공한다.
더욱이, 상기 비틀림 굴곡 힌지(96)는 2개의 세그먼트 보다는 오히려 3개의 세그먼트로 나눠질 수 있으며, 이로써 전체 길이를 훨씬 더 줄일 수 있으며, 또한 수직방향 강성을 더 개선시킬 수 있다. 따라서, 도 4b에 도시된 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)에 중간 영역(104a,104b)과 함께 2개의 보조 힌지 세그먼트(102d,102e)를 추가하며, 이 보조 힌지 세그먼트는 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)의 단부(112)를 상기 보조 힌지 세그먼트(102d,102e)의 바로 인접한 단부(112)와 각각 연결한다. 상기 힌지 세그먼트(102a-102e)의 각각은 전형적으로 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 길이("l")의 1/3인 길이를 갖는다. 평면도에 있어서, 연결된 보조 힌지 세그먼트(102d 또는 102e), 중간 영역(104a 또는 104b) 및 기본 힌지 세그먼트(102a 또는 102c)의 각 쌍은 U자 형태를 나타낸다. 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 비교할 때, 힌지 세그먼트(102a-102e)의 두께가 동일한 경우, 기본 힌지 세그먼트(102b)의 폭은 동일하며, 기본 힌지 세그먼트(102a,102c) 및 보조 힌지 세그먼트(102d,102e)의 폭은 기본 힌지 세그먼트(102b)의 폭의 약 1/2이며, 그에 따라서 도 4b에 도시된 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 비교 가능한 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 수직방향 강성 보다 약 9배 더 큰 수직방향 강성을 갖는다.
상대 회전하도록 연결된 미세가공 부재와 관련한 여러 가지 다른 양태에 대한 다음의 설명 전체를 통해, 전술된 타입의 일반적으로 포개진 비틀림 굴곡 힌지(96)는 명세서에 설명된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)를 대신하여 사용될 수 있다. 더욱이, 어떤 다른 비틀림 굴곡 힌지는 상기 스캐너 플레이트(58)를 프레임(56)에 대해 회전시킬 시 상기 한 쌍의 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 복원 토크를 발생시키도록 적절히 구성되고, 또한 상기 프레임(56) 및 스캐너 플레이트(58)와 함께 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 단일체로 제조되며, 상기 비틀림 굴곡 힌지는 다음의 설명 전체를 통해 사용된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)를 대신하여 사용될 수 있다.
상기 스캐너 플레이트(58)의 여러 가지 진동 모드의 주파수는 비틀림 바(54)의 기하학적 특성을 반영한다. 도 5a는 직사각형 빔의 비틀림 스프링 상수 및 직사각형 빔의 폭 대 두께(w:t)의 비 사이에 존재하는 비선형 관계를 도시한다. 도 5a의 그래프로 보여진 바와 같이, 2:1 미만의 폭 대 두께(w:t)의 비를 갖는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 같은 미세가공 빔에 있어서, 상기 미세가공 빔의 폭을 1/2로 줄이는 것은 비틀림 스프링 상수를 1/2 이상으로 줄인다. 여기에 보여진 바와 같이, 폭 대 두께(w:t)의 비를 2:1로 하는 비틀림 빔의 폭을 1/2로 줄이는 것은 상기 미세가공 빔의 비틀림 스프링 상수를 3.0으로 줄인다.
도 5b는 각 빔(114)이 폭 대 두께(w:t)의 비를 1:1로 하는 축선(62)의 양측부에 대칭적으로 배치되는 2개의 빔(114)에 의해 형성되는 포개지지 않은 2열 비틀림 바(54)를 나타낸다. 도 5a와 관련하여 전술된 이유로, 도 5b에 도시된 포개지지 않은 2열 비틀림 바(54)는 연결된 빔(114)과 동일한 횡단면적을 갖는 동일한 두께의 단일 빔에 의해 형성되는 비틀림 바(54), 즉 폭 대 두께(w:t)의 비를 2:1로 하는 단일 빔 비틀림 바(54)의 약 60%인 비틀림 스프링 상수를 나타낸다. 따라서, 도 5b에 도시된 포개지지 않은 2열 비틀림 바(54)는 수직방향 진동 모드의 동일한 주파수를 나타내면서, 그에 상당하는 종래의 단일 빔인 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 약 75%인 주 비틀림 진동 모드의 주파수를 나타낸다. 그 결과, 3:1 또는 이 보다 적은 폭 대 두께(w:t)의 비를 갖는 어떤 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)는 일반적으로 동일한 수직방향 강성을 유지하면서, 도 5b에 보여진 것과 같은 그에 상당하는 2열 비틀림 바(54)로 유익하게 교체될 수 있다.
일반적으로, 미세가공 비틀림 바(54)는 전체 길이를 따라 균일한 두께를 갖는다. 일반적으로, 이는 높이를 초과하는 폭을 갖는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)로 귀착한다. 그러므로, 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)는 일반적으로 수직방향 강성을 초과하는 측방향 강성 및 그에 따른 상기 수직방향 진동 모드의 주파수를 초과하는 측방향 진동 모드의 주파수를 갖는다. 일반적으로, 동일한 측방향 강성 및 수직방향 강성을 갖는 비틀림 바(54)는 상기 기하학적 특성에 의해 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수를 감소시키는 경우에 바람직하다. 빔의 폭 대 두께(w:t)의 비가 1.0 미만인 경우, 수직방향 보다는 오히려 측방향 강성이 우세하다. 폭 대 두께(w:t)의 비를 1.0 이상이나 미만으로 차등화시키는 빔들을 연결함으로써, 포개진 비틀림 바(54)의 특성을 유익하게 개선시키는 것이 가능하게 된다.
도 6a는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)를 도시한다. 상기 비틀림 바(54)는 예를 들면, 400 미크론의 길이("l"), 10 미크론의 두께 및 20 미크론의 폭, 즉 폭 대 두께(w:t)의 비를 2:1로 할 수 있다. 수직방향 진동 모드의 주파수는 주 비틀림 진동 모드의 주파수 보다 3만큼 더 높은 것으로 또한 생각된다. 비틀림 바(54)의 폭 대 두께(w:t)의 비를 2:1로 할 때, 측방향 진동 모드의 주파수는 주 비틀림 진동 모드의 주파수 보다 6만큼 더 높다.
도 6b는 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)의 빔(114)을 사용하는 도 4a에 도시된 포개진 비틀림 바(54)의 변형예를 도시한다. 상기 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)에 폭 대 두께(w:t)의 비를 1:1 이상이거나 미만으로 차등화시키는 빔을 적절히 연결함으로써, 포개진 비틀림 바(54)의 전체 비틀림 스프링 상수를 동시에 줄이면서, 상기 비틀림 바(54)의 강성을 수직방향으로 그리고 측방향으로 거의 동일하게 하는 것이 가능하게 된다.
도 6b에 도시된 구조에 있어서, 비틀림 바(54)의 모든 기본 힌지 세그먼트(102a,102b,102c)는 두께가 10 미크론이다. 그러나, 도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 비교할 때, 2열 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)의 각각을 이루는 빔(114)은 기본 힌지 세그먼트(102b)의 폭, 즉 20.0 미크론의 단지 1/4인 폭, 즉 5.0 미크론을 갖는다. 또한, 상기 빔(114)은 도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 400.0 미크론 길이의 1/3인 길이, 즉 135.0 미크론을 갖는다. 도 6b에 도시된 포개진 비틀림 바(54)는 도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 거의 동일한 수직방향 강성을 나타낸다. 그러나, 2열 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)의 매우 폭이 좁은 빔(114)은 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)의 측방향 강성을 동시에 줄이면서, 도 5a의 그래프에 의해 표시된 비틀림 스프링 상수를 현저히 줄이는 0.5:1.0의 폭 대 두께(w:t)의 비를 갖는다. 도 6b에 도시된 비틀림 바(54)를 단순히 이해하는데 있어서, 비틀림 바(54)의 폭 넓은 기본 힌지 세그먼트(102b)는 도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)의 측방향 강성을 유지시키는 반면에, 2열 기본 힌지 세그먼트(102a,102c)는 도 6a에 도시된 비틀림 바(54)의 굴곡과 매치하는 비틀림 굴곡을 제공한다.
도 6a에 도시된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)와 비교할 때, 도 6b에 도시된 포개진 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수는 22% 더 낮으며, 수직방향 진동 모드와 측방향 진동 모드의 주파수는 모두 주 비틀림 진동 모드의 주파수 보다 주파수가 약 8.2배 더 높다. 따라서, 도 6b에 도시된 비틀림 바(54)는 도 6a에 도시된 비틀림 바(54)에 의해 나타난 간격 보다 주 비틀림 진동 모드의 주파수 및 수직방향 진동 모드와 측방향 진동 모드의 주파수 사이의 더 큰 간격에 의해 비틀림 스캐너(52)에 현저히 강화된 모드 스펙트럼을 제공한다. 도 6a에 도시된 비틀림 바(54)의 구조에 의해 제공되는 이점은 비틀림 스캐너(52)를 동일한 비틀림 스프링 상수에 대해 더 강하게 만들거나, 또는 비틀림 스프링 상수를 감소시키면서 비틀림 스캐너(52)에 대해 동일한 강도를 유지시키게 하는데 이용될 수 있다. 따라서, 폭 대 두께(w:t)의 비를 다르게 하고 또한 1:1 이상이나 미만으로 할 수 있는 연결 빔은 포개진 비틀림 바(54)를 설계하는데 이용될 수 있는 이점이 있다.
도 7a는 L자형 빔(114)의 단부(112)를 자유로운 상태로 두어, 프레임(56) 및 스캐너 플레이트(58)와 독립적으로 편향시키게 하는 2열 비틀림 바(54)의 변용 구조를 도시한다. 축선(62)의 양측에 대칭적으로 배치되는, L자형 빔(114)의 단부(112)를 상방향으로나 하방향으로 독립적으로 휘어지도록 자유로운 상태로 두면 수직방향으로 및 측방향으로 강성을 유지시키면서 비틀림 바(54)의 비틀림 스프 링 상수를 현저히 줄인다. 상기 빔(114)의 각각은 단축 응력에 대응하는 굴곡 센서(116)를 포함할 수 있다. 상기 빔(114) 안의 단축 응력이 반대 기호를 갖기 때문에, 굴곡 센서(116)에 의해 발생된 신호는 상기 빔(114) 안의 단축 응력으로 인한 소음을 제거하고 신호를 증가시키도록 유익하게 연결될 수 있다. 선택적으로, 상기 빔(114)은 '618 특허에 기재된 것과 같은 비틀림 센서(108)를 포함할 수 있다.
도 7b는 축선(62)의 양측에 대칭적으로 배치되는 U자형 빔(114)을 포함하는 포개진 비틀림 바(54)의 변용예를 도시한다. 도 7b에 도시된 비틀림 바(54)는 도 7a에 도시된 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수 보다 더 낮은 비틀림 스프링 상수를 나타낸다. 도 7b에 도시된 상기 빔(114)의 구조에 있어서, 상기 빔(114)의 단부(112)는 상방향으로 또는 하방향으로 자유롭게 휘어질 수 있다.
선택적으로, 도 7a에 도시된 비틀림 바(54)의 두 개의 L자형 빔(114)은 도 7c에 도시된 3열 비틀림 바(54)를 형성한 상태를 보여주는 중앙에 위치한, 종래의 포개지지 않은 빔(114)에 의해 증대될 수 있다. 도 7c에 도시된 비틀림 바(54)는 충분한 수직 강성을 제공한다. 상기 L자형 빔(114)은 충분한 측방향 강성을 제공함으로써 낮은 비틀림 스프링 계수를 제공하고 중앙의 포개지지 않은 빔(114)의 특성을 개선한다.
전술된 비틀림 바(54)의 포개진 구조, 2열 구조 및 3열 구조의 전부는 아니지만 대부분의 경우, 프레임(56), 스캐너 플레이트(58) 및 비틀림 바(54)의 관계는 동등하다. 그러므로, 도 4a, 도 4b, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 7a, 도 7b 및 도 7c 에 도시된 비틀림 바(54), 프레임(56) 및 스캐너 플레이트(58) 사이의 관계는 일반적으로 반전될 수 있다.
동적 부재를 안정하게 회전시키는 방법
상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 회전할 때 비틀림 스캐너(52)의 비틀림 스프링 상수를 변화시키는 '09289 PCT 특허출원에 기재된 프레임(56) 및 스캐너 플레이트(58) 사이를 연결하는 테더(86)와 비교할 때, 후술되는 바와 같이, 하나 이상의 부속물 또는 테더를 상기 스캐너 플레이트(58) 바로 그 자체에 보다는 오히려 스캐너 플레이트(58)를 지지하는 비틀림 바(54)의 하나 또는 두 개에 부착하는 것이 훨씬 더 유익하다. 비틀림 바(54)의 하나 또는 두 개에 부속물 또는 테더를 부착시킴으로써, 비틀림 바(54)의 길이는 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 회전할 때 미리 설정된 각도에서 효과적으로 짧아질 수 있으며, 이로써 상기 각각의 각도에서 비틀림 스캐너(52)의 비틀림 스프링 상수의 변화를 표시할 수 있다. 이러한 방식으로, 경면(76)을 비틀림 변형시킴이 없이 비틀림 스캐너(52)에 이 비틀림 스캐너(52)의 정전기적 안정성을 증가시키는 다중 세그먼트 복원 토크 곡선을 제공하는 것이 가능하다.
도 3a의 라인 세그먼트(94a,94b)에 의해 보여진 것과 유사하게, 고도의 비선형 비틀림 스프링 상수를 나타내는 정전기적으로 전류가 인가되는 비틀림 스캐너(52)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 제조될 수 있다. 이들 도면에 도시된 비틀림 스캐너(52)는 프레임(56) 및 스캐너 플레이트(58) 사이의 비틀림 바(54)를 따라 위치하는 소정 지점의 비틀림 바(54)에 부착되는 하나 이상의 부속 물(122)을 포함한다. 상기 부속물(122)의 각각은 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 어떤 토크도 받지 않을 때 비틀림 스캐너(52)의 어떤 다른 부분과도 접촉하지 않는 자유 돌출 단부(124)를 포함한다. 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 충분히 더 회전할 때, 각 부속물(122)의 돌출 단부(124)는 프레임(56) 또는 절연 기판(64)에 위치되는 정지부(126)에 접촉하거나, 또는 상기 절연 기판(64)에 직접 접촉한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 정지부(126)는 상기 스캐너 플레이트(58)의 평면 보다 위에 또는 아래에 위치할 수 있다.
상기 부속물(122)은 비틀림 바(54)와 동일한 실리콘재로 이루어질 수 있으며, 또한 상기 비틀림 바(54)와 동시에 비틀림 스캐너(52)의 제조 중에 형성될 수 있다. 선택적으로, 상기 부속물(122)에는 비틀림 스캐너(52)의 제조 중에 비틀림 바(54) 상에 피막 처리되는 재료, 예를 들면 금속, 산화물, 또는 질화물의 층이 형성될 수 있다. 상기 부속물(122)과 정지부(126)의 정밀 상태에 따라, 비틀림 스캐너(52)는 도 8c에 도시된 토크 축선의 양측에 대해 대칭인 비틀림 스프링 상수를 나타낼 수 있으며, 즉 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 시계 방향으로 및 반시계 방향으로 회전하는 동안 동일한 비틀림 스프링 상수를 나타낼 수 있다.
상기 부속물(122)의 돌출 단부(124)를 정지부(126) 또는 절연 기판(64)과 맞물리면 상기 프레임(56)으로부터 상기 부속물(122)이 비틀림 바(54)에 부착되는 지점으로 연장되는 비틀림 바(54)의 부분(128)을 따라 비틀림 바(54)의 또 다른 회전을 막게 한다. 상기 부분(128)의 또 다른 회전을 막으면 상기 스캐너 플레이트(58)를 지지하는 비틀림 스프링으로부터 상기 부분(128)을 효과적으로 제거하게 하며, 또한 상기 비틀림 바(54)의 길이를 효과적으로 줄이게 한다. 이런 식으로 비틀림 바(54)의 길이를 동적으로 줄이면 비틀림 스프링 상수의 기울기를 현저하게 변화시킬 수 있게 된다. 상기 스캐너 플레이트(58)를 초기에 휴지 위치로부터 멀어지게 회전시키는 것은 방해가 되지 않기 때문에, 하나 이상의 부속물(122)을 비틀림 스캐너(52) 안에 포함하면 비틀림 스캐너(52)의 정전기적 안정성을 증가시키게 된다. 상기 부속물(122)을 상기 스캐너 플레이트(58)에 보다는 오히려 비틀림 바(54)에 연결함으로써, 상기 스캐너 플레이트(58)의 회전 시 상기 부속물(122)이 부과하는 구속 조건은 경면(76)의 평면도를 변화시키지 못한다. 상기 부속물(122)은 비틀림 바(54)의 하나 또는 두 개에 부착될 수 있으며, 또한 도 8a에 도시된 바와 같이, 차등 길이를 갖는 부속물(122)을 사용하여 상기 비틀림 바(54)를 따라 다중 지점에 부착될 수 있다.
도 8c의 그래프는 도 3a에 도시된 구동 토크 곡선(92)에 대하여, 부속물(122)의 돌출 단부(124)가 각 정지부(126)와 일차로 맞물리는 각도로 인해 상기 복원 토크 곡선(132)의 기울기가 갑자기 변하는 다중 세그먼트 복원 토크 곡선(132)을 나타낸다. 도 8c의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 설명된 복원 토크 곡선(132)에 있어서, 상기 스캐너 플레이트(58)는 정전기적으로 불안정한 프레임(56)에 대해 축선(62)을 중심으로 각 회전하지 않는다. 상기 부속물(122)의 치수와 이 부속물을 형성하는 재료는 이 부속물의 각 돌출 단부(124)가 정지부(126)와 맞물린 후 상기 스캐너 플레이트(58)가 계속해서 회전할 때 상기 부속물(122)이 약 간 휘어지도록 선택될 수 있다. 상기 부속물(122)의 이러한 휘어짐은 도 8c에 보여진 것 보다 더 매끄럽게 변하는 차등 비틀림 스프링 상수 세그먼트 사이의 변화에 의해 선형 세그먼트 보다는 오히려 곡선 세그먼트를 갖는 복원 토크 곡선(132)을 발생시킨다.
광섬유 스위칭과 같은 비틀림 스캐너(52)용 많은 포인팅 용례 또는 스티어링 용례에 있어서, 상기 스캐너 플레이트(58)의 경면(76)으로부터 반사되는 광선(74)은 아주 오랜 시간, 예를 들면 수 시간 또는 이틀 동안 같은 방향으로 고정된 상태로 있을 수 있다. 상기 용례에 있어서, 상기 돌출 단부(124)가 정지부(126)에 드물게 충돌하면 비틀림 스캐너(52)의 수명 또는 신뢰성에 악영향을 끼치지 못한다.
상기 스캐너 플레이트(58)가 고속으로 회전해야 하는 비틀림 스캐너(52)에 있어서, 이 비틀림 스캐너(52)는 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 비틀림 바(54)의 하나 또는 두 개에 부착되는 테더(142)를 포함할 수 있다. 이 테더(142)는 스프링(146)이 굴곡 로드(148a,148b)에 의해 상기 프레임(56)에 각각 연결되는 연결 로드(144)를 포함한다. 도 9b에 더 상세히 보여진 바와 같이, 상기 스프링(146)은 주름부(152)용 전도(inverted) 연결부를 사용하며, 따라서 상기 주름부(152)는 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 동안 압축된다. 상기 전도 연결부의 주름부(152)를 사용하면 이 주름부가 압축될 때 스프링(146)의 강성이 증가하도록 야기한다.
스프링(146)의 모든 부분은 주름부(152)와 굴곡 로드(148a,148b)를 제외하고는, 가능한 한 강성을 갖게 만들어지며, 이 주름부와 굴곡 로드는 연결 로드(144)가 이동할 때 상기 스프링(146)이 휘어지게 한다. 비틀림 바(54)가 회전함에 따라, 테더(142)가 본질적으로 탄성이 없어지는 지점에서 상기 주름부(152)가 서로 접촉할 때까지, 상기 연결 로드(144)가 이동하고, 굴곡 로드(148a,148b)는 당겨지며, 이로써 상기 주름부(152)를 압축한다. 상기 주름부(152)는 서로 접촉할 때, 비틀림 바(54)의 부분(128)을 회전시키면 테더(142)와 유사하게 방해를 받아, 비틀림 스프링 상수가 갑작스런 값의 변화를 나타낸다. 따라서, 도 9a 및 도 9b에 도시된 비틀림 스캐너(52)의 복원 토크 곡선은 도 8a 및 도 8b에 보여진 비틀림 스캐너(52)의 도 8c에 도시된 다중 세그먼트로 이루어질 수 있다. 더욱이, 각 테더(142)에 의해 얻어진 복원 토크 곡선의 강성화는 상기 스캐너 플레이트(58)가 프레임(56)에 대해 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전하는 동안에 대칭적으로 발생한다.
상기 주름부(152)는 매우 휘어지기 쉽게 만들어져, 주름부(152)가 압축될 때까지 이 주름부(152)는 비틀림 바(54)의 비틀림 스프링 상수에 대해 거의 영향을 주지 않는다. 상기 주름부(152)는 도 9d에 보여진 정지부(154)를 포함하여, 상기 주름부(152)의 압축을 제한할 수 있게 한다. 상기 주름부(152)는 또한 간격이 일정하지 않을 수 있으며, 그래서 상기 스프링(146) 내의 주름부(152)의 일부는 다른 주름부(152)의 사이에서 접촉이 발생하기 전에 서로 접촉할 수 있다. 도 9a에 보여진 압축 스프링(146)을 대신하여, 상기 테더(142)는 비틀림 바(54)에 연결된 신장 스프링(156)을 포함할 수 있다. 이 신장 스프링(156)을 이용할 때, 비틀림 스프링 상수의 증가는 이 비틀림 스프링이 신장할 때의 주름부(152)의 강성 증가에 기인한다.
상기 압축 스프링(146)은 공간을 줄이기 위해 비틀림 축선(62)에 대해 소정의 각도로 배향될 수 있다. 연결 로드(144), 스프링(146) 또는 스프링(156) 및 굴곡 로드(148a,148b)는 모두 비틀림 스캐너(52)의 제조 중에 실리콘으로 만들어질 수 있다. 선택적으로, 이들은 비틀림 스캐너(52)의 제조 중에 실리콘 웨이퍼 상에 입혀지는 금속, 폴리실리콘, 질화물, 산화물 등으로 만들어질 수 있다.
상기 스캐너 플레이트(58)의 회전을 측정하기 위해, 도 8a 및 도 8b 또는 도 9a 및 도 9b에 도시된 비틀림 스캐너(52)가 '618 특허에 기재된 바와 같은 비틀림 바(54) 중의 적어도 하나에 위치하는 비틀림 센서(108)를 포함하는 경우에, 이 비틀림 센서(108)는 회전이 부속물(122) 또는 테더(142)에 의해 억제되지 않는 소정 부분 안의 비틀림 바(54) 중의 하나에 위치해야 한다. 그러나, 상기 스캐너 플레이트(58)의 회전 단위 각도 당 도 8a 및 도 8b 또는 도 9a 및 도 9b에 도시된 비틀림 스캐너(52) 안에 포함된 비틀림 센서(108)로부터의 출력 신호는 복원 토크 곡선(132)의 각 세그먼트를 따라 다르다. 상기 비틀림 센서(108)로부터의 출력 신호는 변화하는데, 왜냐하면 상기 스캐너 플레이트(58)의 회전 단위 각도 당 상기 비틀림 센서(108)를 수반하는 비틀림 바(54)의 부분 안의 응력이 상기 복원 토크 곡선(132)의 각 세그먼트를 따라 다르기 때문이다.
비선형 비틀림 스프링 상수는 길이에 비하여 폭이 매우 넓은 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)를 사용하여 또한 얻어질 수 있다. 많은 용례에 있어서, 비틀림 바(54)는 전형적으로 폭 대 길이(w:l)의 비를 5:1 내지 10:1로 한다. 그러나, 비틀림 바(54)가 훨씬 더 큰 폭 대 길이(w:l)의 비, 예를 들면 1:2를 초과하는 비를 갖는 경우, 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 회전할 때, 프레임(56)으로부터 스캐너 플레이트(58)로 연장되는 비틀림 바(54)의 에지는 비틀림 및 신장을 나타낸다.
비틀림 스캐너(52)의 정전기적 불안정성을 적어도 부분적으로 완화시키는 다른 방법은 회전 센서로부터 후술되는 정전기적 구동 신호를 발생시키는 회로로 피드백 신호를 제공하는 것이다. '790 특허에 기재된 바와 같이, 회전 센서 신호를 정전기적 구동 신호를 발생시키는 회로로 피드백하는 원리에서는 상기 스캐너 플레이트(58)가 비틀림 바(54)에 대해 회전하는 모든 각도에 대한 정전기적 불안정성을 제거해야 한다.
직선(82) 및 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)을 도시하는 도 2를 참조하면, 정전기적 불안정성의 문제는 상기 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)을 평평하게 함으로써 완화될 수 있다. 특정 비틀림 스캐너(52)에 있어서, 도 2에 도시된 것과 비교할 때 상기 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)을 평평하게 하면 더 큰 각도 전체를 통해 상기 스캐너 플레이트(58)를 제어 가능하게 또한 회전시킬 수 있다. 상기 효과적인 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)은 전극봉(66)에 인가되는 구동 전압으로부터 적절한 지수 법칙, 예를 들면 상기 스캐너 플레이트(58)에 대해 감지되는 회전에 대해 2제곱 또는 3제곱에 비례하는 소정의 전압을 뺌으로써 훨씬 더 평평해지도록 수정될 수 있다. '618 특허에 기재된 회전 센서, 또는 피에조 레지스터 브리지 또는 전기 용량 각 센서에 기초한 다른 타입의 각 센서와 같은, 비틀림 바(54)에 일체화된 소정의 각 센서가 상기 스캐너 플레이트(58)의 회전을 감지하는데 사용될 수 있다.
도 10a는 비틀림 스캐너(52) 안에 포함된 전극봉(66)에 각각 인가되는 전형적인 종래의 정전기적 구동 신호를 보여주는 타이밍도와 함께 도 1의 비틀림 스캐너(52)의 경우를 도시한다. 도 10a의 타이밍도에 의해 보여진 바와 같이, 종래의 정전기적 구동 회로는 상기 스캐너 플레이트(58) 및 구동 전압("v")이 부가되는 바이어스 전압("V0")으로 이루어지는 전극봉 중의 하나 사이에 구동 신호를 인가하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 스캐너 플레이트(58) 및 다른 전극봉(66) 사이에는 구동 신호로서 상기 바이어스 전압("V0")에서 전압("v")을 뺀 값이 인가된다. 상기 전극봉(66)에 대해 각각 상기 전압("v")을 더하거나 빼는 것은 상기 스캐너 플레이트(58) 및 전극봉(66) 사이의 정전기적 인력을 불균형되게 하여, 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되도록 야기한다. 상기 스캐너 플레이트(58)의 준정적 운동은 이 스캐너 플레이트(58) 및 전극봉(66) 사이에 인가되는 구동 신호에서 전압("v")의 가감을 주기적으로 반대로 행함으로써 얻어진다.
도 10b는 비틀림 스캐너(52)의 정전기적 안정성을 강화시키는 구동 전압을 도 1의 전극봉(66)에 인가하여, 도 2의 구동 토크 곡선(84a,84b,84c)을 평평하게 할 수 있는 회로의 블록도를 도시한다. 도 10b의 블록도에 있어서, 회전 센서(162), 바람직하게는 비틀림 센서(108)는 상기 스캐너 플레이트(58)가 축선(62)을 중심으로 프레임(56)에 대해 각 회전하는데 따른 출력 신호("a")를 발생시킨다. 입력부의 곱셈기(164)가 출력 신호("a")를 수신하며, 또한 이 곱셈기는 상기 출력 신호("a")를 제곱하여 출력 신호("a2")를 생성한다. 입력부의 증폭기(166)는 제곱 계산된 출력 신호("a2")를 수신하며, 또한 상기 출력 신호를 상수 계수 "K"로 증폭시킨다. 상기 스캐너 플레이트(58)에 인가된 전압("v")과 함께 증폭기(166)로부터 증폭된 출력 신호("Ka2")는 단위 게인 합산 증폭기(168-,168+)의 각 입력부에 의해 수신된다. 상기 합산 증폭기(168-)는 상기 증폭기(166)로부터 수신된 출력 신호("Ka2")를 전압("v")으로부터 뺀 차이 값을 제공하며, 그에 따라 합산 증폭기(172a)에는 입력 신호 "+v-Ka2"가 얻어진다. 상기 합산 증폭기(168+)는 증폭기(166)로부터 수신된 출력 신호("Ka2")를 음 전압("v")에 더한 결과 값을 제공하며, 그에 따라 합산 증폭기(172b)에는 입력 신호 "-v+Ka2"이 얻어진다. 합산 증폭기(172a,172b)에 의해 또한 수신된 전압("V0")은 합산 증폭기(168-,168+)로부터 각각 수신된 신호에 더해지며, 상기 합산 증폭기(172a,172b)는 상기 덧셈의 결과, 즉 "V0+v-Ka2" 및 "V0-v+Ka2"을 각 전극봉(66)에 인가한다. 도 10c의 타이밍도는 도 10b에 도시된 정전기적 안정성을 강화시키는 상기 스캐너 플레이트(58) 및 전극봉(66) 사이의 회로에 의해 인가될 수 있는 전형적인 구동 신호를 나타낸다.
상기 곱셈기(164)는 회전 센서(162)로부터의 출력 신호("a")에 2와는 다른 제곱수, 즉 3, 4 등을 곱하도록 구성될 수 있다. "an"을 얻기 위해 회전 센서(162)로부터 출력 신호("a")에 인가되는 제곱수("n")는 제어 전압("v")을 감소시키도록 선택됨에 따라, 구동 토크 곡선을 적절히 평평하게 한다. 상기 바이어스 전압(V0)은 적절히 선택된 하나의 지수 법칙에 따른, 비율에 따라 또한 정해질 수 있으며, 이는 구동 토크 곡선의 평면도를 더 증가시킨다. 일측의 길이가 1.5mm인 정전기적으로 전류가 인가되는 스캐너 플레이트(58)에 있어서, 비틀림 바(54)는 길이가 150 미크론, 두께가 8 미크론, 그리고 폭이 12 미크론이며, 310 V의 인가 전압(V0)에 있어서, 신호 전압(v)은 300 볼트이며, 도 11에 보여진 구동 토크 곡선은 도 10에 도시된 구동 회로를 이용하여 훨씬 더 평평해지게 된다. 구동 토크 곡선(176)은 도 2에 도시된 회로에 의해 상기 스캐너 플레이트(58)에 인가되는 토크를 나타내는데, 상기 회로 내의 곱셈기(164)는 회전 센서(162)로부터의 출력 신호("a")를 제곱한다. 도 11의 구동 토크 곡선(178)은 도 2에 도시된 회로에 의해 상기 스캐너 플레이트(58)에 인가되는 토크를 도시하는데, 상기 회로 내의 바이어스 전압(V0)은 또한 동일한 각도 피드백의 영향을 받는다. 안정 영역은 구동 토크 곡선(176)에 의해 나타난 구동 회로에 대해 약 2°내지 4。를 개선하는 것으로 알려졌다. 이런 식으로, 구동 곡선의 안정성 및 평면도는 현저히 개선된다.
개선된 정전기 구동 장치
직관적으로, 박스 프레임이 있거나 또는 없이, 동일하게 형성된 스캐너 플레이트(58)에 있어서, 전극봉(66)에 전압을 인가할 시, 상기 박스 프레임이 있는 스캐너 플레이트(58)는 더 적은 토크를 나타낼 것으로 예상하는 것은 당연한 것으로 보인다. 상기 박스 프레임이 없는 스캐너 플레이트(58)가 더 많은 토크를 나타낼 것이라는 것은 초기에 논리적으로 보이는데, 왜냐하면 박스 프레임에 의해 둘러싸인 스캐너 플레이트(58)의 속이 빈 중앙 영역의 대부분은 상기 중앙 영역에 있는 스캐너 플레이트(58)가 전극봉(66)으로부터 비교적 멀리 떨어져 있으므로 전체 토크에 거의 영향을 주지 못하기 때문이다. 그러나, 이론적인 분석에 따르면 정전기적인 가동장에 의해 비틀림 스캐너(52)와 같은 비틀림 진동자의 상기 스캐너 플레이트(58)에 인가되는 토크는 전극봉(66)과 마주하는 박스 프레임의 예리한 팁에 의해 실질적으로 강화될 수 있다는 것을 입증한다. 더욱이, 박스 프레임과 해당 전극봉간의 적절한 기하학적 구조에 있어서, 상기 박스 프레임의 예리한 팁에 기인하는 강화된 정전기장은 정전기적으로 얻어지는 토크를 증가시킨다. 상기 박스 프레임은 전형적으로 전도되는 실리콘으로 만들어지기 때문에, 상기 박스 프레임을 예리하게 하는 것은 상기 박스 프레임의 팀에 정전기장을 기하학적으로 집중시킴으로써 상기 스캐너 플레이트(58) 및 전극봉(66) 사이의 인력을 증가시킨다. 상기 박스 프레임의 팁을 예리하게 함으로써 강화된 정전기장 주위의 박스 프레임 팁은 대부분의 경우에, 비틀림 바(54)로부터 떨어진 상기 스캐너 플레이트(58)의 표면 및 상기 비틀림 바(54)가 정하는 회전 축선(62)의 둘레에 위치하기 때문에, 상기 박스 프레임과 해당 전극봉(66) 사이의 정전기적 인력은 최대 토크량을 발생시킨다. 따라서, 상기 스캐너 플레이트(58)와 전극봉(66) 사이의 정전기적 상호 작용 영역이 감소한다고 할 지라도, 상기 스캐너 플레이트(58)에 정전기적으로 인가되는 토크는 상기 스캐너 플레이트(58)와 전극봉(66)의 특정한 기하학적 구조로 인해 증가한다. 적합하게 설계된 박스 프레임의 팁은 실리콘 스캐너 플레이트(58)를 적절하게 이방성 에칭 처리함에 의해 쉽게 예리해질 수 있다.
직선 세그먼트(182a,182b)로 이루어지는 도 12a의 곡선(182)은 상기 스캐너 플레이트(58) 또는 프레임과 같은 비틀림 진동자 안에 포함된 림을 보강하는 박스 프레임(186)의, 일반적으로 이 표면 둘레의 1/2에 해당하는 표면(184)을 나타낸다. 도 12a의 부분 횡단면도에 도시된 박스 프레임(186)은:
1. 0.0에서 그래프의 수평축에 대해 그래프의 수직축을 따라 위치하는 전극봉(66)으로부터 160.0 미크론 떨어져 있으며;
2. 비틀림 바(54)에 의해 정해진 축선(62)에 평행한 스캐너 플레이트(58)의 표면을 따라 도 12a의 평면의 안이나 밖으로 수직하게 배향되며;
3. 전극봉(66)에 가장 가까운 박스 프레임(186)의 팁(188)에서의 폭이 약 90.0 미크론이며; 그리고
4. 박스 프레임(186) 및 스캐너 플레이트(58)의 나머지 부분 사이의 접합부에서의 폭이 약 600.0 미크론이다.
도 12a에서, 박스 프레임(186)에 평행하게 배향된 타원형 원통의 일부 표면(194)을 나타내는 곡선(192)은 상기 특정 타원형 원통 표면(194) 및 박스 프레임(186)의 표면(184) 사이의 차이가 거의 없음을 그래프로 나타내도록 곡선(182) 위에 위치한다. 점선(196)은 이방성 에칭 처리 후의 실리콘 웨이퍼의 (111) 결정학적인 평면을 나타낸다.
도 12a에 도시된 상기 타원형 원통 표면(194)을 이용하여 분석하여 얻어진 최종 해결책을 설명하자면, 도 12b는 스캐너 플레이트(58)가 비틀림 바(54)에 의해 정해진 축선(62)을 중심으로 회전하는데 기인하여 박스 프레임(186) 및 전극봉(66) 사이의 간격이 변할 때 상기 전극봉(66) 및 박스 프레임(186) 사이에 600V 의 전위차를 인가할 시 상기 전극봉(66)에 수직하게 배향되는 정전기장의 강도 성분을 그래프로 나타낸다. 상기 전극봉(66)에 평행하게 배향된 평평한 플레이트(58)와 비교할 때, 타원형 원통 표면(194)을 이용한 계산 방식은 상기 박스 프레임(186)의 팁(188)이 상기 전극봉(66)에 인접하게 위치함으로 인해 정전기장을 거의 2.0의 계수만큼 증가시키게 한다. 그러므로, 전극봉(66) 및 박스 프레임(186)을 포함하는 스캐너 플레이트(58) 사이의 인력은 평평한 플레이트(58) 및 전극봉(66) 사이의 인력 보다 약 4배 더 크다.
전극봉(66) 및 상기 박스 프레임(186)을 포함하는 플레이트(58) 사이의 인력에 대한 이론적인 분석에 의하면 팁(188)의 폭이 전극봉(66) 및 팁(188) 사이의 평균 간격의 0.0 내지 3.0 배 사이인 박스 프레임(186)은 정전기적 인력의 증가를 나타냄을 보여주고 있다. 예리한 박스 프레임(186) 및 전극봉(66) 사이의 정전기적인 인력의 증가로 인해, 그리고 상기 박스 프레임(186)이 상기 스캐너 플레이트(58)의 표면 둘레에 위치하기 때문에, 상기 축선(62)에 대해 수직한, 폭이 1.0 mm인 플레이트(58)에 있어서, 상기 박스 프레임(186)의 단위 길이 당 토크는 박스 프레임(186)이 없는 상기 스캐너 플레이트(58)에 있어서의 토크 보다 약 15% 더 크다.
반드시 최대 Q 값은 아니지만 최대 토크를 필요로 하는 이러한 용례용 전극 봉(66) 및 스캐너 플레이트(58) 사이의 인력을 더 증가시키기 위해, 상기 전극봉(66)은 박스 프레임(186)의 형상과 부합하도록 도 12c 및 도 12d에 도시된 바와 같은 형태로 될 수 있다. 상기 예리한 박스 프레임(186)과 부합하도록 형성된 전극봉(66)은 상기 박스 프레임(186)의 둘레에 위치한 전극봉(66)에 의해 발생되는 정전기장을 증가시킨다. 도 12c 및 도 12d에 각각 도시된 부합 형상은 절연 기판(64) 상의 구조체를 도금 처리하거나, 또는 실리콘재의 (111) 결정학적 평면을 이방성으로 에칭 처리함으로써 형성될 수 있다. 상기 전극봉(66)을 이방성 에칭 실리콘으로 바람직하게 형성하기 위해, 먼저 상기 박스 프레임(186)의 경사 측면과 부합하는 전극봉(66)의 일부분이 실리콘 분리편에 에칭 처리된다. 그리고 나서, 이방성 에칭 처리된 실리콘 분리편은 밑에 깔리는 절연 기판(64)에 고정되고, 또한 팁(188)에 인접하는 절연 기판(64)에 형성된 전극봉(66)의 일부와 전기적으로 상호 접속된다. 상기 부합 전극봉(66)은 절연 기판(64) 상에 또한 실크-스크린될 수 있거나, 또는 이 절연 기판에 기계 가공될 수 있다. 상기 전극봉(66)은 폴리이미드와 같은 유전체 재료로 피막 처리되어, 스캐너 플레이트(58) 및 전극봉(66)의 사이에서 전기 스파크가 발생할 가능성을 줄일 수 있게 한다.
일반적으로, 스캐너 플레이트(58)를 회전시키면 스캐너 플레이트(58)의 양측부에 대해 동시에 발생하는 압축 및 희박화 작용에 의해 공기가 절연 기판(64)을 가로질러 측방향으로 이동하도록 야기한다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 공기의 이러한 이동은 스캐너 플레이트(58)에 의해 발생되는 에너지를 소비한다. 속이 빈 중앙 박스 프레임(186)은 상기 에너지 손실을 현저히 감소시키며, 이로써 더 높은 Q 값을 갖는 비틀림 스캐너(52)와 같은 비틀림 진동자를 제공한다. 높은 Q 값을 필요로 하는 비틀림 스캐너(52)와 같은 이러한 비틀림 진동자에 있어서, 도 13a에 보여진 바와 같이, 상기 박스 프레임(186)의 중앙부는 중공형 공동부(198)를 실질적으로 형성하는 만큼 속이 파내져야 한다. 상기 중공형 공동부(198)는 이동 플레이트(58) 및 절연 기판(64)과 전극봉(66)의 사이에 실질적인 개구부를 또한 가져야 한다. 도 13a에 도시된 박스 프레임(186)이 있는 스캐너 플레이트(58)를 상기 전극봉(66)으로부터 등간격으로 배치된 도 13b에 도시된 중실 플레이트(58)와 비교할 때, 도 13a에 도시된 중공형 플레이트(58)는 특히, 감소된 스퀴즈 박막 감쇄로 인해 도 13b에 도시된 중실형 플레이트(58) 보다 더 적은 공기 마찰을 나타내는 것이 분명하다. 공기 마찰로 인한 손실은 도 13c에 보여진 바와 같이, 상기 중공형 플레이트(58) 안에 형성된 공동부(198)를 향해 개방된 절연 기판(64) 안에 공동부(202)를 형성함으로써 더 감소될 수 있다.
상기 중공형 플레이트(58)의 평면도가 우수하지 않다고 생각되는 용례에 있어서, 중공형 플레이트(58)의 두께가 더 얇은 부분은 도 13d에 보여진 박스 프레임(186)을 지나 비틀림 바(54) 및 축선(62)으로부터 멀리 외부를 향해 연장될 수 있다. 상기 도면에 도시된 중공형 플레이트(58)에 있어서, 더 작은 박스 프레임(186)은 중공형 플레이트(58)의 주변에 위치하기보다는 오히려, 축선(62)으로부터 가장 멀리 떨어진 중공형 플레이트(58)의 주변 및 비틀림 바(54)의 사이에 위치한다. 도 13d에 도시된 박스 프레임(186)에 있어서, 이 박스 프레임(186)의 팁(188)은 상기 박스 프레임(186)이 중공형 플레이트(58)의 주변을 둘러싸는 경우 보다 더 적게 회전한다. 상기 중공형 플레이트(58)의 더 적은 회전 운동은 박스 프레임(186) 및 전극봉(66) 사이의 간격 및 이의 양단에 걸리는 구동 전압을 감소시킬 수 있게 한다. 상기 중공형 플레이트(58)를 비틀림 바(54) 및 축선(62)으로부터 외부로 연장시키면 도 13b에 보여진 중실형 플레이트(58)와 함께 또한 사용될 수 있다.
도 13e는 상기 중공형 플레이트(58)를 축선(62)을 중심으로 정전기적으로 회전시킬 수 있게 하는 변형예의 구조를 도시한다. 도 13e에 도시된 구조에 있어서, 전극봉(66)은 중공형 플레이트(58)의 표면에 인접하게 배치되지 않아, 상기 전극봉은 중공형 플레이트(58)에 토크를 인가하는데 가장 효과적이다. 오히려, 비틀림 스캐너(52)는 양측부 상에 종래의 포개지지 않은 비틀림 바(54)를 따라 각 쌍이 배치되는 한 쌍의 보조 구동 플레이트(212)를 포함한다. 상기 중공형 플레이트(58)는 이 중공형 플레이트(58)에 바로 인접하는 비틀림 바(54)의 양단부에 있는 상기 보조 구동 플레이트(212)의 사이에 위치하는 비틀림 바(54)에 연결된다. 상기 보조 구동 플레이트(212)의 각 쌍은 축선(62)에 수직한 소정의 폭을 갖는데, 이 폭은 축선(62)에 수직한 중공형 플레이트(58)의 폭 보다 현저히 작다. 보조 구동 플레이트(212)의 각 쌍은 상기 중공형 플레이트(58) 보다 폭이 더 좁기 때문에, 보조 구동 플레이트(212) 및 이 보조 구동 플레이트에 인접하게 배치되는 전극봉(66) 쌍 사이의 간격은 전극봉(66)이 중공형 플레이트(58)의 표면에 인접하게 배치되는 경우에서 보다 현저히 더 작을 수 있다. 상기 각 보조 구동 플레이트(212)는 해당 전극봉(66)에 더 가까이 배치되기 때문에, 상기 보조 구동 플레이트(212) 및 전극봉(66)의 사이에는 낮은 전압이 인가될 수 있다. 상기 중공형 플레이트(58)에 토크를 인가하는 정전기적 구동 전극봉(66)은 상기 중공형 플레이트(58)에 인접하게 배치되지 않기 때문에, 상기 중공형 플레이트(58)의 전면 및 이면은 광선(74)을 반사시키는 경면(76) 기능을 할 수 있다. 비틀림 스캐너(52)가 단일 광선(74)만을 반사시킬 필요가 있는 경우에, 상기 전극봉(66)은 한 쌍의 보조 구동 플레이트(212)로부터 다른 쌍의 보조 구동 플레이트(212)로 상기 중공형 플레이트(58)의 일표면에 인접한 축선(62)에 평행하게 충분히 연장될 수 있다.
증가된 열 전도성 비틀림 바
상기 중공형 플레이트(58)로부터의 열 방사는 프레임(56) 안의 상기 중공형 플레이트(58)를 지지하게 하는 폭이 넓고 두께가 얇은 비틀림 바(54)를 사용함에 의해 증가될 수 있다. 폭이 넓고 두께가 얇은 비틀림 바(54)를 사용하면 상기 중공형 플레이트(58)로부터의 열 방사를 개선할 수 있기 때문에, 등가의 비틀림 스프링 상수에 비해서, 폭이 넓고 두께가 얇은 비틀림 바(54)는 폭이 더 좁고 두께가 더 두꺼운 비틀림 바(54) 보다 더 큰 횡단면적 및 열 전도성을 갖는다. 포개지지 않은 비틀림 바(54)에 있어서, 비틀림 스프링 상수는 두께의 세제곱만큼 증가하고, 또한 비틀림 바(54)의 폭에 비례한다. 그러므로, 비틀림 바의 두께를 1/2만큼 줄이고, 그리고 폭을 8배로 증가시키면 동일한 비틀림 스프링 상수를 나타낸다. 그러나, 폭이 더 넓고 두께가 더 얇은 비틀림 바(54)의 횡단면적은 4배 더 크며, 따라서 이는 폭이 더 넓고 두께가 더 얇은 비틀림 바(54)의 열 전도성을 증가시킨다.
많은 용례에 있어서, 미세가공 비틀림 바(54)는 전형적으로 폭 대 두께(w:t) 의 비를 2:1 내지 4:1, 예를 들면 폭이 30.0 미크론이고 두께가 10.0 미크론이다. 그러나, 비틀림 바(54)가 훨씬 더 큰 폭 대 두께(w:t)의 비, 예를 들면 폭 대 두께(w:t)의 비가 4:1을 초과하는 경우에, 상기 중공형 플레이트(58) 및 프레임(56) 사이의 열 전도성은 동일한 스프링 상수를 갖는 폭이 더 좁고 두께가 더 두꺼운 비틀림 바(54)와 비교할 때 두배 또는 세배일 수 있다.
'790, '553 및 '618 특허에 상세히 기재된 바와 같이, 시모스(simox), 실리콘-절연체 또는 접착 실리콘 웨이퍼 기판은 반사 비틀림 스캐너(52)를 제조하는데 특히 바람직한 기초재인데, 왜냐하면 이 실리콘 웨이퍼 기판은 반사 플레이트(58)에 있어서, 두께가 단지 수 미크론인, 매우 평평한 응력이 없는 박막을 쉽게 제조할 수 있게 하기 때문이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 시모스 또는 접착 웨이퍼(222)는 단결정 실리콘 층(226,228)을 분리시키는 실리콘 이산화물(224)의 전기 절연층을 포함한다. 비틀림 스캐너(52)의 비틀림 바(54) 및 중공형 플레이트(58)는 두께가 더 얇은 실리콘 층(226)으로 이루어지는 반면에, 박스 프레임(186)과 같은 비틀림 스캐너(52)의 다른 부분은 두께가 더 두꺼운 취급 실리콘 층(228)의 이면 에칭 처리에 의해 형성된다. 중간 실리콘 이산화물(224)은 이면 에칭 처리를 하는데 완전한 에칭 차단부를 제공하며, 또한 두께가 균일한 비틀림 바(54) 및 중공형 플레이트(58)를 생산하게 한다.
비틀림 바(54)의 열 전도성을 개선하는데 이용될 수 있는 기하학적인 방법외에도, 중공형 플레이트(58) 또는 프레임 및 이들과 연결된 비틀림 바(54)는 순수 동위 원소 실리콘, 예를 들면 14Si28로 제조될 수 있다. 순수 동위 원소 14Si28, 즉 우수한 실리콘 동위 원소는 표준 불순수 동위 원소 실리콘 보다 50% 더 큰 열 전도성을 갖는다. 비틀림 바(54)에 의해 중공형 플레이트(58) 및 프레임(56) 사이의 열전도성을 강화시키기 위해, 상기 중공형 플레이트(58) 및 비틀림 바(54)에 제공되는 접착 웨이퍼(222)의 정전기 구동 장치용 실리콘 층(226)의 재료는 순수 동위 원소 14Si28 로 이루어진다. 상기 접착 웨이퍼에 있어서, 상기 취급 실리콘 층(228)은 불순수 동위 원소 실리콘으로 제조될 수 있다. 시모스 웨이퍼가 비틀림 스캐너(52)를 제조하는데 사용되는 경우에, 상기 접착 웨이퍼(222) 전체는 순수 동위 원소 실리콘 14Si28 로 제조되어야 한다. 상기 비틀림 바(54)를 순수 동위 원소 실리콘 14Si28 로 제조하면 중공형 플레이트(58) 및 프레임(56) 사이의 열 전도성을 증가시키며, 이로써 중공형 플레이트(58)의 열 방사를 강화시킨다.
동적 부재의 Q 값을 조정하는 방법
중공형 플레이트(58)가 주 비틀림 진동 모드의 주파수에 있을 때 앞뒤로 진동하는 미세가공된, 실리콘 비틀림 진동자에 대한 많은 용례에 있어서, 예를 들면, 비틀림 스캐너(52)에 의해 나타난 5000 이상의 높은 Q 값은 매우 바람직하다. 그러나, 비틀림 스캐너(52)가 수 시간 구간 동안 한 배향으로 회전하거나 고정된 상태로 있은 후, 다시 수 시간 구간 동안 고정된 상태에서 다른 배향으로 비교적 큰 각도에 걸쳐 신속히 회전하는 것과 같은 다른 용례에 있어서, 높은 Q 값은 단점일 수 있다. 미세가공된 실리콘 비틀림 진동자에 대한 상기 용례에 있어서, 상기 중공형 플레이트(58)가 한 배향에서 다른 배향으로 회전한 후, 이 높은 Q값은 중공형 플레 이트(58) 안에 저장된 에너지가 소비될 때까지 수 시간 구간 동안 상기 중공형 플레이트(58)가 새로운 배향 주위에서 앞뒤로 진동하게 한다.
'139 특허에 기재된 "나비형" 프레임, 또는 나비형 플레이트(58)는 이동 플레이트(58)의 Q 값을 제어하는데 매우 유익할 수 있다. 도 15a는 종래의 프레임(56)이 "나비형" 플레이트(58)를 둘러싸는 비틀림 스캐너(52)의 구조를 도시한다. 상기 나비형 플레이트(58)에 "나비" 형태를 부여하는, 상기 나비형 플레이트(58) 안에 형성된 기다란 슬롯(232)이 종래의 기다란 비틀림 바(54)를 따라 연장되어 있는데, 이 비틀림 바는 상기 프레임(56) 안의 나비형 플레이트(58)를 지지한다. 테이프 또는 약간의 점성이 있는 재료에 의해 형성될 수 있는 작은 덩어리의 감쇄재(236)는 상기 프레임(56)에 인접한 각 슬롯(232)을 가로질러 연장되어, 상기 나비형 플레이트(58)를 비틀림 바(54)에 감쇄되게 연결한다. 상기 프레임(56)에 인접한 비틀림 바(54)의 단부는 상기 나비형 플레이트(58)의 운동에 비해 거의 움직임이 없기 때문에, 상기 감쇄재(236)를 상기 프레임(56)에 인접하게 배치하면 나비형 플레이트(58)가 움직일 때마다 상기 감쇄재(236)에 실질적인 응력을 가하게 된다. 상기 감쇄재(236)에 실질적인 응력을 가하면 상기 나비형 플레이트(58)의 운동을 강하게 감쇄시키게 된다. 그러나, 상기 감쇄재(236)가 비틀림 바(54)에 전달하는 힘은 상기 나비형 플레이트(58)를 비틀리게 할 가능성이 있다. 그러므로, 상기 나비형 플레이트(58)의 중앙 미러부(242)를 응력 완화 절단부(244)에 의해 거의 전체적으로 둘러싸는 것은 유익할 수 있다. 상기 중앙 미러부(242)를 응력 완화 절단부(244)에 의해 거의 전체적으로 둘러싸면 상기 나비형 플레이트(58) 안에 지지된 중앙 미러부(242)를 쇼트빔(246)에 의해 지지된 상태로 두게 되며, 이로써 상기 중앙 미러부(242)로부터 나비형 플레이트(58)의 주변부 안의 응력을 완화시키게 되고 또한 경면(76)의 평면도를 보장하게 된다.
도 15b는 이동 플레이트(58) 또는 프레임의 Q 값을 또한 유익하게 제어할 수 있게 하는 비틀림 스캐너(52)의 변형 실시예를 도시한다. 상기 도면에 도시된 실시예에 있어서, 상기 비틀림 바(54)를 따라 배치된 슬롯(232)은 상기 이동 플레이트(58) 보다는 오히려 프레임(56) 안에 형성된다. 또한, 감쇄재(236)는 각 비틀림 바(54)의 본질적으로 이동이 없는 단부에 인접한 상기 각 기다란 슬롯(232)을 가로질러 연장되어 있다. 이와 같이 형성됨으로 인해, 팽팽한 감쇄재(236)는 상기 이동 플레이트(58)가 움직일 때마다 비틀림 바(54)로부터 프레임(56)으로 실질적인 응력을 전달한다. 도 15b에 도시된 실시예에서, 상기 감쇄재(236)는 비틀림 바(54)로부터 비교적 두께가 얇고 휘기 쉬운 플레이트(58)로 보다는 오히려 비교적 두께가 두껍고 강성을 갖는 프레임(56)으로 응력을 전달한다. 상기 도면에 도시된 실시예에서는 응력 완화 절단부(244) 및 쇼트빔(246)을 생략하는 것이 가능할 수 있다.
상기 기다란 슬롯(232) 및 비틀림 바(54)를 가로질러 상기 감쇄재(236)를 배치하면 비틀림 바(54)의 강성을 약간 변화시키게 된다. 그러나, Q 값은 2.0 만큼 낮거나 이보다 훨씬 더 낮아질 수 있다. '139 특허에 기재된 "나비형" 프레임에 있어서, 도 15a 및 도 15b에 도시된 감쇄는 두께가 얇은 고정된 박막 프레임 안의 이동 짐벌(gimbal) 링을 지지하거나, 또는 이 이동 짐벌 링 안의 이동 중앙 짐벌 플레이트를 지지하는 비틀림 바(54) 중의 하나 또는 둘에 가해질 수 있다. 도 4a, 도 4b, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 도시된 것과 같은 포개진 2열 또는 3열 비틀림 바(54)를 사용하는 비틀림 바(52)의 Q 값은 감쇄재(236)에 의해 또한 제어될 수 있다.
비틀림 센서를 포함하는 강성 비틀림 바
비틀림 진동자의 몇몇 용례에서는 비틀림 바(54)의 폭이 매우 좁을 것을 필요로 한다. 이러한 폭이 좁은 비틀림 바(54)는 '618 특허에 상세히 기재된 비틀림 센서(108)에 비틀림 바(54) 상의 제한된 표면적을 제공한다. 선택적으로, 전기 도선 또는 다른 구조체가 비틀림 바(54) 상의 표면적 때문에 비틀림 센서(108)와 경합될 수 있다.
도 16a는 프레임(56)에 인접하게 위치한 폭이 넓은 부분(252)이 있는 폭이 좁은 비틀림 바(54)를 도시하는데, 이 폭이 넓은 부분은 비틀림 센서(108)에 비틀림 바(54) 상의 빈 공간을 제공한다. '618 특허에 더 상세히 설명된 바와 같이, 상기 비틀림 센서(108)는 도선(256a,256b)에 의해 전극봉(258a,258b)에 접속되는 전류 패드(254a,254b)를 포함하는 것이 바람직하다. 비틀림 센서(108)의 레이아웃을 쉽게 하기 위해, 전극봉(258a,258b)은 일반적으로 비틀림 바(54)에 의해 정해진 축선(62)에 수직하게 배향된다. 이런식으로 배향된 전극봉(258a,258b)에 의해서, 상기 전류 패드(254a,254b)를 통해 비틀림 센서(108)에 인가되는 전류는 전극봉(258a,258b) 사이의 축선(62)에 평행한 비틀림 바(54)를 통해 흐른다. 출력 전극봉(262a,262b)의 양단에 걸리는, 비틀림 센서(108)로부터의 출력 전압은 폭이 넓은 부분(252)의 표면 안의 전단 응력의 변화에 따라 변화한다. 비틀림 센서(108)에 의해 발생된 출력 전압은 도선(264a,264b)에 의해 출력 패드(266a,266b)로 전달된다. 전류 패드(254a,254b), 도선(256a,256b), 도선(264a,264b) 및 출력 패드(266a,266b)는 비틀림 바(54) 및 프레임(56)으로부터 전기적으로 절연되어 있다.
비틀림 센서(108)를 폭이 넓은 부분(252) 안에 위치시키는 한 가지 이점은 비틀림 센서(108)에 접속하는 전기 도선이 일반적으로 비교적 폭이 넓은 표면을 갖는 프레임(56)의 바로 위로 지나간다는 것이다. 상기 비틀림 센서(108)를 비교적 공간이 있는 폭이 넓은 부분(252)에 위치시키면 미세선 리토그래피를 위한 어떤 요구 조건을 현저히 또한 감소시키거나 또는 제거할 수 있게 한다. 이와 유사하게, 폭이 좁은 비틀림 바(54)를 가로질러 상기 이동 플레이트(58)로 연장되는 임의의 전기 도선은 비틀림 센서(108)가 차지한 폭이 넓은 부분(252)의 면적 주위로 쉽게 지난다.
그러나, 비틀림 센서(108)를 폭이 넓은 부분(252) 안에 위치시키면 상기 이동 플레이트(58)가 프레임(56)에 대해 축선(62)을 중심으로 회전함으로 인한 상기 비틀림 바(54) 안의 전단 응력에 대한 감도를 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 비틀림 바(108)를 비롯한 폭이 좁은 비틀림 바(54)용 다른 가능한 구조와 비교할 때, 상기 폭이 넓은 부분(252)은 비교적 이점이 있을 수 있다. 상기 비틀림 바(54)가 두께 보다 폭이 더 좁은 경우에, 즉 폭 대 두께(w:t)의 비가 1:1 미만인 경우, 상기 비틀림 센서(108)를 수반하는 비틀림 바(54) 표면 안의 전단 응력은 극적으로 감소하게 된다. 그러므로, 2열 비틀림 바(54)에 대해 도 16b에 도시된 바와 같은, 폭이 넓은 부분(252) 상에 위치하는 비틀림 센서(108)는 이 비틀림 센서(108)가 비틀림 바(54)를 구성하는 폭이 좁은 빔(114)의 하나 또는 둘 상에 위치하는 경우 보다 실질적으로 더 높은 전단 응력에 적응할 수 있다. 더욱이, 상기 폭이 넓은 부분(252) 안의 보다 낮은 전단 응력은 비틀림 바(54)의 상기 넓은 부분 영역 안의 금속 전기 도선이 이동 플레이트(58)의 회전으로 인하여 피로를 나타낼 가능성을 줄인다. 상기 비틀림 센서(108)를 수반하는 폭이 넓은 부분(252)은 도 4a, 도 4b, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 도시된 것과 같은 종래의 포개지지 않거나, 포개진, 2열 또는 3열 비틀림 바(54)에 합체될 수 있다.
고 반사 미세가공 부재
미세가공 경면(76)을 가공하는데 있어서의 주요 관심사는 경면(76)을 평평하게 유지시키면서 높은 반사면을 얻는 것이다. 상기 경면(76)의 평면도에 대한 우려는 비틀림 스캐너(52)가 확장된 온도 범위 전체에 걸쳐 작동해야 하는 경우에 증가한다. 전술된 바람직한 웨이퍼(222)로부터 비틀림 스캐너(52)를 미세가공함으로써, 그리고 이동 플레이트(58)의 전면 및 이면, 즉 웨이퍼(222)의 구동 장치용 실리콘 층(226)에 또는 이에 평행하게 배향되는 상기 이동 플레이트(58)의 양면에 금속 피막을 균등하게 입힘으로써 얻어지는 응력이 없는 이동 플레이트(58) 안의 응력을 현저히 변화시킴이 없이, 상기 요구 조건을 만족시키는 경면(76)을 형성할 수 있다. 일반적으로, 상기 금속 피막은 두께가 매우 얇아, 상기 이동 플레이트(58)를 휘게 할 가능성을 줄인다.
상기와 같은 식으로, 비틀림 스캐너(52)에 대한 상기 용례에 있어서는 먼저 상기 이동 플레이트(58)를 두께가, 예를 들면 40A。인 접착 재료층으로 피막 처리함으로써 고 품질의 반사 경면(76)을 전체적으로 형성할 수 있다. 상기 접착층, 평평한 경면, 특히 두께가 얇은 이동 플레이트(58)에는 크롬(Cr)이 사용될 수 있지만, 두께가 10.0 내지 100.0 A。인 응력이 더 낮은 접착층을 형성하는 데에는 티타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 이동 플레이트(58)를 상기 접착층으로 피막 처리한 후, 두께가 500 내지 800A。인 금 재질의 반사 금속층으로 피막 처리한다. 상기 이동 플레이트(58)는 여러 가지 다른 방식으로 상기 재료들로 피막 처리될 수 있다. 도 1에 도시된 상기 이동 플레이트(58)의 일측면으로부터만 광선(74)이 반사된다고 할지라도, 상기 이동 플레이트(58) 상의 응력을 불균등하게 할 가능성을 줄일 수 있게 하기 위해, 상기 이동 플레이트의 일측면은 경면(76)을 형성하도록 피막 처리되며, 또한 상기 이동 플레이트의 타측면도 동일한 조건 하에서 동일하게 피막 처리된다. 제조 조건 및 제조 환경을 일정하게 유지시키면서 동일한 상태로 피막 처리를 행하면 상기 이동 플레이트(58) 표면 상의 응력을 보상시키거나 균등하게 하여, 반사 경면(76)을 평평하게 유지할 수 있게 한다.
전형적으로, 경면(76)을 형성하는 금속 피막 처리가 예를 들면, 열 또는 전자에 의한 금속 증착 공정 또는 금속 스퍼터링 공정으로, 진공 증착 시스템 안에서 행해진다. 선택적으로, 상기 경면(76)을 형성하는 금속 피막 처리는 상기 이동 플레이트(58) 위에 행해질 수 있다. 도 17a에 개략적으로 도시된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 종래의 증착 또는 스퍼터링 공정으로 피막 처리하는 동안에, 소정의 척(272)이 웨이퍼(222)를 고정시켜, 금속 입자선(276)을 웨이퍼(222) 상에 분사하는 소스(274)와 마주하는 구동 장치용 실리콘 층(226)에 의해 상기 웨이퍼가 피막 처리될 수 있게 한다. 상기 소스(274)가 언제나 균일한 금속 입자선(276)을 방사하지 않을 수 있기 때문에, 수용 가능한 반도체 제품의 수율을 증가시키기 위해, 상기 웨이퍼(222)를 균일하게 피막 처리하고자 도 17a의 곡선 화살표(282)로 표시한 바와 같이, 상기 척(272)은 구동 장치용 실리콘 층(226)의 평면 내에서 상기 웨이퍼(222)를 회전시킬 수 있다.
전술된 종래의 금속 증착 또는 스퍼터링 공정을 이용하여, 웨이퍼(222)를 미세가공한 이동 플레이트(58)의 전면 및 이면에 금속 피막 처리를 균등하게 하기 위해서는 상기 이동 플레이트(58)의 양면에 대해 두 개의 경면(76)을 순차적으로 증착시키는 것이 필요하다. 두 개의 경면(76)을 이와 같이 순차적으로 증착시키면 이동 플레이트(58)의 양면 상의 피막간에 사소한 차이를 유발시킬 가능성을 제공하며, 이 차이는 상기 이동 플레이트(58)에 불균등한 응력을 초래할 수 있다.
도 17b는 상기 이동 플레이트(58)의 양면 상의 피막이 이동 플레이트(58)에 불균등한 응력을 가할 가능성을 줄이는 변형예적인 금속 증착 공정 또는 스퍼터링 공정을 개략적으로 도시한다. 상기 도면에 도시된 공정에 있어서, 상기 척(272)이 구동 장치용 실리콘 층(226)의 평면 내에서 웨이퍼(222)를 회전시키기보다는 오히려, 상기 척(272)은 구동 장치용 실리콘 층(226)에 평행한 축(284)을 중심으로 웨이퍼(222)를 회전시킨다. 상기 축(284)을 중심으로 웨이퍼(222)를 회전시키면 상기 웨이퍼(222)로 미세가공된 이동 플레이트(58)가 금속 입자선(276)에 노출되어 있는 동안에 상기 웨이퍼의 전면 및 이면 사이에서 회전할 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 경면(76)을 형성하는 일부의 금속 피막이 상기 이동 플레이트(76)의 양면에 반복적으로 가해짐에 따라, 경면(76)이 완전하게 이루어져, 상기 이동 플레이트(58)의 양면 상의 피막간의 응력을 균등하게 유지할 수 있게 한다. 상기 구동 장치용 실리콘 층(226)에 평행한 축선(284)을 중심으로 웨이퍼(222)를 회전시키는 상기 공정은 특히, 상기 이동 플레이트(58) 안의 응력이 변하지 않아야 하는 경우에 상기 이동 플레이트(58) 위에 임의의 다른 형태의 피막 처리를 가하는데 또한 이용될 수 있다.
전술된 바와 같이, 진공 증착 공정, 스퍼터링 공정 또는 도금 처리 공정에 의해 이동 플레이트(58)의 양면을 동시에 동일한 재료로 피막 처리하는 것은 평평한 고품질의 경면(76)을 얻는데 있어서 바람직하다. 이동 플레이트(58)의 양면을 동시에 동일한 재료로 피막 처리할 수 없다면, 상기 이동 플레이트(58)의 양면 사이에서 앞뒤로 일련의 부분 피막 처리 작업을 반복함에 의해 이동 플레이트(58) 상에 각 층을 단계적으로 형성시키는 것이 바람직하다. 이동 플레이트의 양면 사이에서 부분 피막 처리 작업을 반복함에 의해 층을 형성하는 것이 불가능하다면, 먼저 이동 플레이트(58)의 일측면에 그리고 나서 타측면에 얇은 접착층을 입혀야 한다. 상기 접착층을 형성한 후, 먼저 상기 이동 플레이트(58)의 일측면에 그리고 나서 타측면에 반사층을 입혀야 한다. 마지막으로, 상기 접착층과 반사층 모두를 이동 플레이트(58)의 타측면에 피막 처리하기 전에 상기 이동 플레이트의 일측면에 상기 접착층과 반사층을 피막 처리해야 하는 경우, 전체 공정을 통해 가공 조건과 환경 을 일정하게 유지시킨 상태로, 예를 들면 진공을 파괴시킴이 없이, 하나의 연속적인 수행 공정으로서 상기 피막을 확실히 입혀야 한다.
반사 플레이트(58)에 고품질의 경면(76)을 제공하는 것에 더하여, 상기 반사 플레이트(58)의 몇몇 용례에서는 경면(76)의 반사도를 증가시키거나, 또는 경면(76)으로부터 반사되는 광선(74)의 편광을 조정할 수 있도록, 유전체 피막을 금속 표면 상에 증착시키는 것을 또한 필요로 할 수 있다. 대부분의 반사 특성의 경우에 있어서, 특정 용례에서는 산화물, 질화물 등과 같은 무기재를 금속 박막과 같은 반사재에 증착시킴으로써 경면을 테일러링한다. 상기 무기재 피막은 두께가 약 0.1 내지 0.2 미크론이어야 할 필요가 있기 때문에, 상기 무기재 피막은 반사 플레이트(58)에 입혀지는 반사 금속 피막 보다 훨씬 더 두꺼우며, 상기 광학 무기재 피막이 상기 반사 플레이트(58)에 인가할 수 있는 응력은 특히, 상기 광학 무기재 피막이 때때로 완전한 응력 균등 상태에서 두께가 단지 수 미크론인 반사 플레이트(58) 상에 증착되어야 하기 때문에 중요한 관심사가 되고 있다.
경면(76)의 반사 특성을 테일러링하는 것이 필요한 용례에 있어서, 상기 경면의 반사도를 증가시키거나, 또는 경면(76)으로부터 반사되는 광선(74)의 편광을 조정할 수 있게 하기 위해, 산화물, 질화물 등의 피막을 반사재 상에 입히기 보다는 오히려, 등각 유전체 피막으로 사용되는 파릴렌을 반사 경면(76) 상에 입히는 것이 바람직하다. 파릴렌은 매우 낮은 항복 응력을 나타내는 유기재이다. 전형적으로, 파릴렌은 수 토리첼리(Torr) 압력일 때 진공 시스템 안의 실온 상태에서 등각으로 증착한다. 경면(76)의 반사 특성을 테일러링하는 데 있어서, 1.64의 굴절 지 수 및 낮은 팽창 계수를 갖는 파릴렌 형태 "C,"가 바람직할 수 있다. 파릴렌은 광 스펙트럼의 가시광 영역에서 투명하고, 또한 적외선 영역에서조차 흡수 대역을 거의 갖지 않는다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 파릴렌은 단일 증착 공정 동안, 비틀림 스캐너(52)의 금속 피막 처리된 경면(76)의 양면에 동일한 두께의 등각 피막(292)을 형성하는 독특한 특성을 또한 갖는다. 그러므로, 파릴렌이 경면(76)에 피막 처리되는 경우에, 상기 파릴렌은 반사 플레이트(58)의 전면 및 이면 상에 응력을 균등하게 하는 데 바람직한 동일한 박막을 형성한다. 파릴렌의 특성 때문에, 상기 피막 처리는 종래의 무기재 피막 처리 보다는 훨씬 더 낮은 고유 응력을 나타내게 된다. 따라서, 0.1 내지 0.3 미크론의 파릴렌을 반사 플레이트(58)의 경면(76)에 피막 처리하면 반사 플레이트(58)를 휨이 없이 최적의 반사도를 갖는 광학적으로 테일러링된 경면을 제조할 수 있게 된다.
도 18a는 파릴렌의 등각 피막(292)의 두께를 차등화시키게 하는 경면(76)으로부터의 각 "S" 및 "P" 편광을 갖는 0.659 미크론 파장의 광선의 반사도를 도시한다. 도 18b는 파릴렌의 등각 피막(292)의 두께를 차등화시키게 하는 경면(76)으로부터 반사되는 "S" 및 "P" 편광 단색광의 위상간의 차이를 도시한다. 도 18b로부터 알 수 있는 바와 같이, 경면(76)으로부터 반사되는 "S" 및 "P" 편광 단색광은 파릴렌의 등각 피막(292)의 두께가 약 0.85 미크론인 경우, 그리고 상기 파릴렌의 등각 피막의 두께가 약 1.75 미크론인 경우의 위상에 관한 것이다. 도 18a에 나타낸 바와 같이, 경면(76)의 반사도는 파릴렌의 등각 피막(292)의 두께가 약 0.85 미크론인 경우에는 불충분하지만, 파릴렌의 등각 피막(292)의 두께가 약 1.75 미크론인 경우에는 최대이다. 따라서, 도 18a 및 도 18b는 상기 경면(76)에 적합한 두께의 파릴렌의 등각 피막(292)이 입혀짐에 의해, 두 개의 편광 사이에 어떤 위상차 없이 "S" 및 "P" 편광 단색광을 반사하는 고도의 반사면을 얻을 수 있음을 보여주고 있다.
신속, 조정 가능한 광학 스위치
도 19a 및 도 19b의 평면도 및 횡단면도는 광선 스위칭 용례에 적합하게 이용할 수 있는 비틀림 스캐너(52)를 도시한다. 상기 경면(76)을 수반하는 반사 플레이트(58)는 비틀림 바(54)에 의해 축선(62)을 중심으로 회전하도록 프레임(56) 안에 지지되어 있다. 상기 프레임(56)은 액추에이터 부분(302)을 포함함은 물론, 제2 쌍의 외부 비틀림 바(306)에 의해 외부 프레임(304)에 대해 회전하도록 지지되어 있다. 도 19a 및 도 19b에 도시된 비틀림 스캐너(52)는 '790 및 '553 특허에 기재된 것과 같은 2D 스캐너와 유사하지만, 상기 반사 플레이트(58)의 중앙부는 프레임(56)이 회전하는 외부 비틀림 바(306)에 의해 정해진 축선(312) 상에 위치하지 않는다. 오히려, 광선 스위칭에 적합하게 이용될 수 있는 비틀림 스캐너(52)는 상기 반사 플레이트(58)를 상기 축선(312)의 일측부에 전적으로 위치시킨다. 스위칭될 광선(74)은 프레임(56)의 액추에이터 부분(302)이 축선(312)을 중심으로 회전하는 동안에 전류를 인가받지 못하는 경우에 상기 반사 플레이트(58)와 비틀림 바(54)가 위치하는 웨이퍼(222)의 구동 장치용 실리콘 층(226)에 평행하게 전파한다. 상기 액추에이터 부분(302)에 전류가 인가되고 또한 프레임(56)이 도 19b의 점선에 의해 표시된 위치의 축(312)을 중심으로 회전하는 경우, 상기 경면(76)은 광선(74)의 전파 경로로 이동하며, 이로써 상기 광선(74)을 다른 전파 경로를 따라 반사시킨다.
개념적으로, 상기 프레임(56)이 축선312)을 중심으로 회전하면 액추에이터 부분(302) 및 전극봉(66)의 사이에 전압(V)을 인가함으로써 정전기적으로 전류가 인가될 수 있다. 상기 전극봉(66)은 비틀림 스캐너(52)의 제조 동안에 웨이퍼(222) 안에 형성된 공동부 내에 끼워지도록 형성된 전기 절연 플러그(308)에 고정되어 있다. 상기 전기 절연 플러그(308)는 프레임(56)이 경사져 광선(74)을 차단하게 함으로써 전극봉(66) 및 액추에이터 부분(302) 사이의 정전기적 인력을 최대화시키는 각도와 유사한 각도로 전극봉(66)을 배향시킨다. 그러나, 프레임(56)이 축선(312)을 중심으로 신속하게 회전해야 하는 경우에, 상기 프레임은 주 비틀림 진동 모드 동안 축선(312)을 중심으로 회전할 때 높은 공진 주파수를 나타낸다. 프레임(56)에 대해 높은 공진 주파수를 발생시키기 위해, 외부 비틀림 바(306)는 높은 비틀림 스프링 상수의 특성을 갖는다. 그러나, 높은 비틀림 스프링 상수를 갖는 외부 비틀림 바(306)는 먼저 프레임(56)을 회전시킨 후, 이 프레임을 경사진 배향 상태로 유지시키기 위해 강력한 토크를 액추에이터 부분(302)에 인가할 것을 필요로 한다. 실질적인 문제에 있어서, 강력한 힘이 액추에이터 부분(302)에 인가되어야 할 요구 조건은 프레임(56)이 휴지 위치로부터 경사진 배향 상태로 신속히 회전하는 것을 정전기 인력을 이용하여 거의 막는 것이다. 상기 프레임(56)을 축선(312)을 중심으로 전자기적으로 회전시키면 외부 비틀림 바(306)의 높은 비틀림 스프링 상수로 인한 저항을 극복하는데 필요한 강력한 힘을 제공할 수 있다. 그러나, 상기 프레임(56)을 경사진 배향 상태로 유지시키는데 필요한 큰 전류는 연속 작동 중에는 바람직하지 않다.
도 19a 및 도 19b에 보여진 비틀림 스캐너(52)의 바람직한 실시예에 있어서, 단지 프레임(56)을 경사진 배향 상태로 유지시키기 위해 전극봉(66) 및 액추에이터 부분(302)의 사이에 순차적인 정전기적 인력을 가함에 의해 초기에 전자기적으로 회전을 가한다. 예를 들면, 큰 전류 펄스를 수신하는 액추에이터 부분(302)에 수반되는 코일(322)과 함께 액추에이터 부분(302)에 인접하게 위치하는 작은 영구 자석(318)이 웨이퍼(222)의 평면 밖의 축선(312)을 중심으로 상기 프레임(56)을 순간적으로 초기에 회전시키는데 사용될 수 있다. 수백 밀리암페어("mA")의 전류 펄스가 미리 프로그램된 프로파일에 따라 상기 코일(322)에 인가될 수 있다. 선택적으로, 양쪽의 외부 비틀림 바(306)는 전류 펄스를 서보 제어할 수 있게 하는 비틀림 센서(108)를 포함하여 프레임(56)이 회전하면 미리 프로그램된 프로파일을 따를 수 있게 된다. 상기 프레임(56)을 바람직한 배향 상태로 가장 신속히 회전시키기 위해, 프로그램되거나 서보 제어되는 전류 펄스는 충격이 종료될 즈음에 회전을 감속시키기 위해 전류 흐름의 방향을 역전시킬 수 있다. 프레임(56)의 회전에 의해 액추에이터 부분(302)이 웨이퍼(222)의 바로 아래에 위치하는 플라스틱 지지 플레이트(324)에 부드럽게 맞닿도록 배치되어야 한다. 다시 말해서, 상기 액추에이터 부분(302)은 거의 제로 속도로 바람직한 배향 상태에 근접해야 한다. 상기 프레임(56)의 액추에이터 부분(302)이 전극봉(66)의 가까이에서 회전한 후, 상기 액추에이터 부분은 정전기력을 이용하는 어떤 전력을 소비시킴이 없이 바람직한 배 향 상태로 쉽게 유지될 수 있는데, 왜냐하면 회전된 액추에이터 부분(302) 및 전극봉(66) 사이의 간격이 아주 작기 때문이다.
도 19b에 도시된 바와 같이, 영구 자석(318)은 화살표(325)로 표시된 방향으로 경사진 자기장을 형성하여, 상기 영구 자석이 코일(322)에 의해 발생된 자기장과 최적으로 상호 작용하게 한다. 상기 이용 가능한 자기장은 액추에이터 부분(302)에 얼마나 큰 힘을 가할 수 있는지, 그리고 그에 따른 프레임(56)의 두께 및 달성 가능한 스위칭 타임을 결정하게 한다. 상기 영구 자석(318)은 최적 성능을 달성하는데 Nd-B-Fe 영구 자석재, 또는 이의 플라스틱 변형물이 바람직하다. 상기 프레임(56)을 전자기적으로 회전시키는 구조체는 영구 자석(318) 및 또한 가능하게는 자석 고정부(326)를 상기 웨이퍼(222)를 관통하는 기다란 구멍(332) 안에 끼움으로써 편리하게 조립된다. 상기 웨이퍼(222) 바로 아래의 플라스틱 지지 플레이트(324)는 영구 자석(318) 및 또한 가능하게는 자석 고정부(326)를 수용하는 구멍(334)을 포함한다.
상기 반사 플레이트(58)의 배향을 트리밍할 수 있게 하기 위해, 상기 프레임(56)은 액추에이터 부분(302)의 주변을 약간 지나 축선(312)을 중심으로부터 멀리 돌출하는 적어도 하나이거나, 바람직하게는 두 개의 굴곡 빔(338)을 포함한다. 상기 반사 플레이트(58)가 도 19b의 점선에 의해 도시된 배향으로 회전할 때, 상기 굴곡 빔(338)의 팁은 상기 플라스틱 지지 플레이트(324)와 접촉한다. 프레임(56) 및 바로 인접하는 전극봉(66)의 사이에 인가되는 전압(V)을 조정함으로써, 상기 반사 플레이트(58)는 상기 프레임과 전극봉 사이의 정전기적 인력에 의해 바람직한 배향으로 당겨져, 빔(338)을 휘게 한다. 선택적으로, 상기 코일(322)에 작은 전류를 인가함으로써 상기 프레임(56)의 배향을 또한 트리밍할 수 있다. 작은 전류에 기인하는 전자기력은 전압(V)을 일정하게 유지함으로써 얻어지는 순 정전기력 상수 또는 역 정전기력 상수일 수 있다. 외부 비틀림 바(306) 중의 하나는 프레임(56)의 배향을 정확히 측정하기 위해 출력 신호를 제공하는 비틀림 센서(108)를 포함할 수 있다.
도 20a 및 도 20b는 45°및 90°각 회전을 각각 따르거나, 또는 어떤 임의로 선택된 각 회전을 각각 따르는 바람직한 배향으로 상기 프레임(56)을 고정하는 변형예를 도시한다. 이들 두 실시예에서, 상기 웨이퍼(222)는 프레임(56) 안에 포함된 액추에이터 부분(302)의 주변이 휴지상태로 되는 정지부(342)를 포함한다. 상기 정지부(342)에 위치하는 전극봉(66)은 웨이퍼(222)에 부착되고 또한 적합한 절연체, 예를 들면 수 미크론의 폴리이미드로 피막 처리된다. 상기 프레임(56)의 주변부 및 전극봉(66) 사이의 연장된 인접 접촉부와 연결하여 절연체로 상기 전극봉(66)을 피막 처리하면 전극봉(66) 및 회전 프레임(56)의 주변부 사이에 매우 강력한 정전기적 유지력을 형성할 수 있게 된다. 도 20b에 도시된 비틀림 스캐너(52)의 실시예는 프레임(56)이 휴지 위치로부터 상기 정지부(342)의 접촉 위치로 90°회전을 통해 코일(322)에 거의 평행하게 배향되는 화살표(325)로 표시된, 자기장을 제공하게 하는 아치형 영구 자석(318)을 사용한다.
따라서 기재된 바와 같이, 더 멀리 위치하는 정지부(342) 및 전극봉(66)은 비교적 강성을 나타낸다. 또한, 상기 전극봉(66)을 탄성재의 층으로 피막 처리하면 프레임(56) 및 전극봉(66)의 사이에 인가되는 전압(V)을 변경시킴에 의해 프레임(56)의 배향에 있어서의 미세한 각도 조정을 효과적으로 할 수 있다.
도 20c는 프레임(56)의 배향을 조정하게 하는 소정의 메커니즘을 포함하는 도 19a 및 도 19b에 도시된 상기 프레임(56)의 변형 실시예를 도시하는데, 상기 메커니즘은 정전기력을 가하면 반사 플레이트(58)가 다른 전파 경로를 따라 광선(74)을 반사시키는 배향 상태로 프레임(56)을 고정시키게 한다. 도 20c에 도시된 조정 메커니즘에 있어서, 상기 프레임(56)은 외부 비틀림 바(306)가 외부 프레임(304)에 연결하는 U자형 부분 서브 프레임(352)을 포함한다. 상기 외부 비틀림 바(306)에 바로 인접하게 위치하는 한 세트의 트리밍 비틀림 바(354)는 코일(322)을 수반하는 프레임(56)의 나머지에 상기 부분 서브 프레임(352)을 연결시킨다. 전형적으로, 상기 트리밍 비틀림 바(354)는 상기 외부 비틀림 바(306)의 쌍 보다 훨씬 더 강성이 있다.
상기 프레임(56)은 상기 부분 서브 프레임(352)으로부터 반사 플레이트(58) 및 코일(322)을 포함하는 프레임(56)의 대부분을 분리시키는 홈(356)을 포함한다. 따라서, 상기 반사 플레이트(58) 및 코일(322)을 포함하는 프레임(56)의 일부는 상기 부분 서브 프레임(352)이 정지부(342)에 클램핑되는 경우에 상기 부분 서브 프레임(352)과 독립적으로 비틀림 바(354)를 트리밍함에 의해 정해진 축선(358)을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 강성의 트리밍 비틀림 바(354)는 부분 서브 프레임(352)을 제외한 프레임(56)이 축선(358)을 중심으로 회전할 수 있기 때문에, 상기 코일(322)에 인가되는 미세 전류는 광선(74)에 대해 상기 반사 플레이트(58)의 배향을 트리밍하게 한다. 따라서, 도 20c에 도시된 비틀림 스캐너(52)의 실시예에 있어서, 상기 코일(322)에 순차적으로 인가되는 전류는 먼저 프레임(56)을 휴지 위치에서 작동 위치로 회전시키기 위해 순간력을 제공하며, 그리고 나서 상기 반사 플레이트(58)가 작동 위치에 있는 동안 이 반사 플레이트(58)의 배향을 트리밍하게 한다.
상기 트리밍 비틀림 바(354)는 프레임(56)이 트랙킹되거나 또는 서보 제어될 수 있도록 상기 프레임의 배향을 트리밍하게 하는 비틀림 센서(108)를 포함할 수 있다. 전술된 전자기 트리밍은 상기 프레임(56)을 축선(358)을 중심으로 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전시킬 수 있도록 사용될 수 있다. 상기 비틀림 센서(52)가 한 방향으로만 트리밍을 필요로 하는 경우에, 도 19b, 도 20a 및 도 20b에 도시된 상기 코일(322)을 수반하는 액추에이터 부분(302)의 주변 영역 및 상기 전극봉(66)으로부터 분리된 바로 인접한 전극봉의 사이에 정전기력을 인가함으로써 트리밍을 효과적으로 행할 수 있다.
미세가공된 광학 공정 처리 요소
'324 특허에 기재된 바와 같이, 광 탐지기 위에 적절하게 배향된 와이어 그리드 편광기를 형성하는 한 세트의 와이어에는 편광 탐지기가 제공될 수 있다. 상기 용례에 적합한 와이어 그리드 편광기는 "광학 편람"(Mc Graw Hill, copyright 1978, pp. 10-72, 10-77)에 기재되어 있다. 와이어 그리드 편광기는 와이어에 수직하게 배향되는 전기장 내의 광선을 통과시키면서, 그리드를 구성하는 와이어의 길이에 평행하게 배향되는 전기장 내의 광선을 차단한다. '324 특허에 기재된 바와 같이, 상기 와이어 그리드를 실리콘 광탐지기에 대해 적합한 구조로 배치함으로써, 상기 광탐지기는 편광을 탐지하게 된다. 상기 "광학 편람"에 기재된 바와 같이, 상기 와이어 그리드를 구성하는 와이어의 간격은 편광 광탐지기에 대한 입사광의 파장을 고려하여 설계되어야 한다.
도 21은 와이어 그리드 편광기(362)를 수반하는 종래의 비틀림 스캐너(52)의 반사 플레이트(58)를 도시한다. 상기 와이어 그리드 편광기(362)는 상기 반사 플레이트(58) 안에 형성되는, 도 21, 도 21a 또는 도 21b에 함께 도시된, 광다이오드 위에 배치되어 있다. 도 22a에 더 상세히 도시된 와이어 그리드 편광기(362)는 다수의 평행한 와이어(364)를 포함한다. 상기 각 와이어(364)는 바로 인접한 와이어(364)로부터 상기 반사 플레이트(58)에 충돌하는 광선의 1/2 파장 정도의 거리만큼 간격을 두고 있다. 특정 용례에 필요한 경우에, 상기 와이어 그리드 편광기(362)가 차지하는 반사 플레이트(58)의 영역 안의 응력은 와이어 그리드 편광기(362)를 응력 완화 절단부(244)로 둘러싸고, 또한 상기 반사 플레이트(58) 안에 위치하는 중앙 미러부(242)에 대해 도 15a에 도시된 것과 유사한, 빔(246)으로 상기 와이어 그리드 편광기를 지지함으로써 상기 반사 플레이트(58)의 나머지로부터 완화될 수 있다.
'790 특허에 기재된 바와 같이, 상기 비틀림 스캐너(52)는 반사된 광선을 감시하기 위해, 바람직하게는 상기 반사 플레이트(58)의 주변을 따라 위치하는 광탐지기를 포함할 수 있다. 도 23a에 도시된 바와 같이, 광탐지기(372), 예를 들면 광다이오드는 프레임(372) 안에 합체될 수 있다. 적합하게 처리되는, 프레임(56) 안 에 위치한 광탐지기(372)로부터의 신호는 트랙킹 또는 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 광탐지기(372)는 반사 플레이트(58) 상의 경면(76)으로부터 반사되는 스캐닝 광선에 의해 조사되는 대상물의 에지로부터 분산되는 광선을 감지하는데 이용될 수 있다. 도 21, 도 22a 및 도 22b에 도시된 비틀림 스캐너(52)와 마찬가지로, 상기 광탐지기(372) 상에는 편광을 감지할 수 있도록 와이어 그리드 편광기(362)가 배치될 수 있다.
상기 반사 플레이트(58)는 광탐지기를 대신하여 및/또는 이에 추가하여 다른 광학 장치를 수반할 수 있다. 따라서, 상기 반사 플레이트(58)는 도 24a 및 도 24b에 도시된 굴절 격자, 광선빔 스플리터, 핀홀 등, 또는 전달 또는 반사 프레넬 렌즈(376)를 수반할 수 있다. 도 24b에 도시된 바와 같이, 동심 리지(ridge)(378)로 구성되는 프레넬 렌즈(376)는 반사 이온 에칭("RIE")을 이용하여 반사 플레이트(58) 안에 형성되어 있다. 도시된 프레넬 렌즈(376)는 실리콘이 투명할 경우의 파장, 예를 들면 광통신에 이용되는 파장일 경우 광선을 전송한다. 상기 동심 리지(378)를 반사층으로 피막 처리하면 상기 반사 플레이트(58) 상에 반사 프레넬 렌즈(376)를 형성하게 된다. 전술된 바와 같이, 상기 반사 플레이트(58)의 양측부에 낮은 응력의 경면(76)을 형성시키면 초기에 상기 반사 플레이트(58) 안에 형성된 프레넬 렌즈(376)의 형상을 유지시킬 수 있게 된다.
산업상 이용 가능성
전술된 구조체의 제조는 실리콘-절연체("SOI") 층을 포함한 벌크(bulk) 실리콘 웨이퍼(222) 또는 벌크 실리콘 웨이퍼로 시작한다. 따라서, 광 리토그래피, 여 러 가지 전자 화학 또는 플라즈마 에칭 공정, 적합한 도금 처리 공정, 증착 처리 공정, 성장 처리 공정 및 적합하게는, 금속, 질화물, 산화물, 세라믹, 폴리실리콘, 무정형 실리콘, 폴리머, 또는 다른 바람직한 재료로 적합하게 형성된 층을 상기 웨이퍼 상에 형성하는 미세가공 공정을 조합하여 이용하는 공지된 방법을 사용하여, 상기 두 가지 형태의 웨이퍼는 미세가공된다.
본 발명은 당면한 바람직한 실시예에 대하여 기술되었지만, 상기 기재 내용은 단지 예시적인 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안됨을 이해해야 한다. 결과적으로, 본 발명의 여러 가지 변경, 수정 및/또는 변형예는 본 발명의 사상 및 범위로부터 이탈함이 없이, 당업자에게 자명하게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 첨부된 청구 범위는 발명의 핵심 사상 및 범위 내에 해당하는 모든 변경, 수정, 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (81)

  1. 일체화된 미세가공 구조체에 있어서,
    기준 부재와;
    상기 기준 부재로부터 돌출되어 있으며 정반대 방향에 배치된 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지로서, 적어도 하나의 상기 비틀림 굴곡 힌지는 적어도 3개의 기본 힌지 세그먼트의 제1 단부들을 서로 연결함으로써 형성되며, 상기 기본 힌지 세그먼트는 각각 길이 방향 축선을 가지고, 상기 각 기본 힌지 세그먼트의 제1 단부는 상기 비틀림 굴곡 힌지의 단부들 사이에 위치하는 것인 비틀림 굴곡 힌지와;
    상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상기 기준 부재와 연결되어 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전하도록 상기 기준 부재로부터 지지되며, 또한 상기 기본 힌지 세그먼트의 길이 방향 축선 중 어느 축선에 대해서도 수직하게 배향되지 않는 동적 부재를 포함하며,
    상기 기준 부재, 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지 및 상기 동적 부재는 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 단일체로 제조되며,
    이에 의해, 단일체로 제조된 상기 미세가공 구조체의 크기는, 동적 부재가 종래의 포개지지 않은 비틀림 바에 의해 기준 부재로부터 지지되는 구조체의 크기보다 더 콤팩트하게 되며, 상기 비틀림 굴곡 힌지는 상기 비틀림 굴곡 힌지와 동일한 비틀림 스프링 상수를 갖는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바보다 수평 방향으로 또는 수직 방향으로, 또는 양쪽 방향으로 더 강성이 있는 것인 미세가공 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트의 길이 방향 축선은 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선에 평행하게 정렬되며, 이에 의해 상기 형성된 비틀림 굴곡 힌지를 관찰할 때 상기 비틀림 굴곡 힌지가 평면도 상에서 T자형 형상을 나타내는 것인 미세가공 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부가 상기 기준 부재와 연결되고, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 두 개의 제2 단부가 상기 동적 부재와 연결되는 것인 미세가공 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부가 상기 동적 부재와 연결되고, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 두 개의 제2 단부가 상기 기준 부재와 연결되는 것인 미세가공 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 적어도 하나는 비틀림 센서가 내장된 종래의 포개지지 않은 비틀림 바에 의해 형성되는 것인 미세가공 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트들을 연결하여 형성된 비틀림 굴곡 힌지는 상기 기본 힌지 세그먼트 중 하나의 제2 단부에 연결되는 제1 단부를 각각 포함하는 적어도 두 개의 보조 힌지 세그먼트를 더 포함하며, 상기 각 보조 힌지 세그먼트는 상기 동적 부재가 회전하는 축선에 대해 수직하게 배향되지 않는 길이 방향 축선을 갖는 것인 미세가공 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트 및 보조 힌지 세그먼트의 길이 방향 축선은 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 길이 방향 축선과 평행하게 정렬되며, 이에 의해 상기 형성된 비틀림 굴곡 힌지를 관찰할 때 상기 연결된 기본 힌지 세그먼트 및 보조 힌지 세그먼트의 각 쌍은 평면도 상에서 각각 U자형 형상을 나타내는 것인 미세가공 구조체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 보조 힌지 세그먼트 중 어느 쪽에도 연결되지 않는 기본 힌지 세그먼트의 제2 단부는 기준 부재와 연결되고, 상기 보조 힌지 세그먼트의 제2 단부는 동적 부재와 연결되는 것인 미세가공 구조체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 보조 힌지 세그먼트 중 어느 쪽에도 연결되지 않는 기본 힌지 세그먼트의 제2 단부는 동적 부재와 연결되고, 상기 보조 힌지 세그먼트의 제2 단부는 기준 부재와 연결되는 것인 미세가공 구조체.
  10. 제6항에 있어서, 상기 보조 힌지 세그먼트 중 적어도 하나는 2열 빔인 것인 미세가공 구조체.
  11. 제6항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트와 보조 힌지 세그먼트는 폭 대 두께(w:t)의 비가 상이한 것인 미세가공 구조체.
  12. 제6항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트와 보조 힌지 세그먼트는 길이가 상이한 것인 미세가공 구조체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 기본 힌지 세그먼트 중 적어도 하나는 2열 빔인 것인 미세가공 구조체.
  14. 제1항에 있어서, 각각의 상기 기본 힌지 세그먼트는 서로 다른 폭 대 두께(w:t)의 비를 갖는 것인 미세가공 구조체.
  15. 제1항에 있어서, 각각의 상기 기본 힌지 세그먼트는 서로 다른 길이를 갖는 것인 미세가공 구조체.
  16. 일체화된 미세가공 구조체에 있어서,
    기준 부재와;
    이 기준 부재로부터 돌출하는 한 쌍의 정반대 방향에 배치된 비틀림 굴곡 힌지로서, 상기 비틀림 굴곡 힌지 중 적어도 하나는 2열 빔에 의해 형성되는 것인 비틀림 굴곡 힌지와;
    상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상기 기준 부재와 연결되어, 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해지고 상기 2열 빔의 사이에 위치한 축선을 중심으로 회전하도록 상기 기준 부재로부터 지지되는 동적 부재
    를 포함하며, 상기 기준 부재, 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지 및 동적 부재는 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 단일체로 제조되는 것인 미세가공 구조체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 2열 빔을 형성하는 각 빔은 평면도 상에서 관찰할 때 L자형 형상인 것인 미세가공 구조체.
  18. 제16항에 있어서, 상기 2열 빔을 형성하는 각 빔은 평면도 상에서 관찰할 때 U자형 형상인 것인 미세가공 구조체.
  19. 제16항에 있어서, 상기 비틀림 굴곡 힌지의 2열 빔에 포함된 두 개의 빔 사이에 배치되고, 상기 기준 부재와 동적 부재 사이에서 연장되는 종래의 포개지지 않은 비틀림 바를 더 포함하는 것인 미세가공 구조체.
  20. 일체화된 미세가공 구조체에 있어서,
    기준 부재와;
    이 기준 부재로부터 돌출하는 한 쌍의 정반대 방향에 배치된 비틀림 굴곡 힌지와;
    상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상기 기준 부재와 연결되어 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전하도록 기준 부재로부터 지지되는 동적 부재와;
    상기 동적 부재에 대해 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 한 회전 운동을 가하는 구동 수단과;
    상기 기준 부재와 동적 부재 사이에 위치하는 상기 비틀림 굴곡 힌지를 따라 소정의 지점에 있는 상기 비틀림 굴곡 힌지 중의 하나에 부착하는 제1 단부가 있는 적어도 하나의 부속물로서, 상기 비틀림 굴곡 힌지로부터 외부로 돌출하고, 상기 동적 부재가 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 충분히 회전할 때, 부속물의 돌출 단부가 기준 부재에 대해 고정된 정지부와 접촉함으로써, 상기 비틀림 굴곡 힌지의 비틀림 스프링 상수를 강화시키도록 형성되는 부속물
    을 포함하며, 상기 기준 부재, 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지 및 동적 부재는 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 단일체로 제조되는 것인 미세가공 구조체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 부속물의 제2 단부가 상기 정지부와 접촉 상태에 있는 동안에, 상기 부속물은 상기 비틀림 스프링 상수를 점진적으로 증가시키도록 동적 부재가 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 계속해서 회전함에 따라 휘어지는 것인 미세가공 구조체.
  22. 일체화된 미세가공 구조체에 있어서,
    기준 부재와;
    이 기준 부재로부터 돌출하는 한 쌍의 정반대 방향에 배치된 비틀림 굴곡 힌지와;
    상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 상기 기준 부재와 연결되어 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 회전하도록 상기 기준 부재로부터 지지되는 동적 부재와;
    상기 동적 부재에 대해 상기 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지에 의해 정해진 축선을 중심으로 한 회전 운동을 가하는 구동 수단과;
    상기 기준 부재의 제1 단부와, 기준 부재 및 동적 부재의 사이에 위치하는 상기 비틀림 굴곡 힌지를 따라 소정의 지점에 있는 비틀림 굴곡 힌지 중 하나의 제2 단부에 연결되는 적어도 하나의 테더(tether)로서, 상기 동적 부재를 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 충분히 회전시킬 때, 상기 테더는 비틀림 굴곡 힌지의 비틀림 스프링 상수를 증가시키는 것인 테더
    를 포함하며, 상기 기준 부재, 한 쌍의 비틀림 굴곡 힌지 및 동적 부재는 실리콘 기판의 응력이 없는 반도체 층을 사용하여 단일체로 제조되는 것인 미세가공 구조체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 테더는 스프링을 포함하는 것인 미세가공 구조체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 동적 부재가 기준 부재에 대해 축선을 중심으로 회전하는 것이 증가할 때, 상기 스프링에 포함된 주름부가 압축되는 것인 미세가공 구조체.
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