KR100759095B1 - An independent two-axis micro-electro-mechanical systems mirror using a piezoelectric force - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 MEMS 미러에서 사용될 수 있는 여러 가지 구동 방식의 일 예를 도시하는 도면으로서, 도 1a 내지 도 1d는 각각 정전력을 이용한 구동 방식, 전자기력을 이용한 구동 방식, 열 변형을 이용한 구동 방식 및 압전력을 이용한 구동 방식을 나타내는 도면이며, 특히 정전력을 이용한 구동 방식을 나타내는 도 1a에서 좌측은 평행 판 구동 방식을, 우측은 빗살형 구동 방식을 나타내는 도면.1 is a view showing an example of various driving methods that can be used in the MEMS mirror, Figures 1a to 1d is a driving method using a constant power, a driving method using an electromagnetic force, a driving method and a thermal deformation, respectively Fig. 1A shows a driving method using electric power, and in particular, in Fig. 1A showing a driving method using electrostatic power, a left side shows a parallel plate driving method and a right side shows a comb-type driving method.
도 2는 압전 구동기(piezoelectric actuator)의 구동 원리를 나타내는 도면.2 shows the driving principle of a piezoelectric actuator;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면.3 illustrates an independent two-axis drive MEMS mirror using piezoelectric force in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.4 illustrates simulation results of an independent two-axis drive MEMS mirror using piezoelectric power designed according to one embodiment of the invention.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
210 : 고정부210: fixing part
220 : 상부 전극220: upper electrode
230 : 압전 물질(piezoelectric material)230: piezoelectric material
240 : 하부 전극240: lower electrode
250 : 기판250: substrate
300 : (본 발명의 일 실시예에 따른) 압전력을 이용한 MEMS 미러300: MEMS mirror using piezoelectric power (according to an embodiment of the present invention)
310 : 실리콘층310: silicon layer
312 : 미러 받침대가 마련되는 부분312: portion where the mirror stand is provided
314 : 고정부314: fixed part
320 : 압전 구동부층320: piezoelectric drive part layer
322 : 제1 대칭부322: first symmetry part
323 : 제2 대칭부323: second symmetry
324 : 회전축324: axis of rotation
326 : 제1 압전 구동부326: first piezoelectric drive unit
328 : 제2 압전 구동부328: second piezoelectric drive unit
329 : Y-축 회전에 대한 고정점329: Fixed point for Y-axis rotation
330 : 미러 받침대330 mirror stand
340 : 미러 플레이트340 mirror plate
본 발명은 압전력(piezoelectric force)을 이용한 2축-구동 마이크로 전기 기계 장치(MEMS) 미러에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압전력을 이용하여 서로 직교하는 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 독립적으로 구동할 수 있으며, 채움- 인자(fill-factor)가 크게 향상된 독립적 2-축 구동 MEMS 미러에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a biaxially-driven microelectromechanical apparatus (MEMS) mirror using piezoelectric force, and more particularly to a first axis direction and a second axis direction orthogonal to each other using piezoelectric force. And independent two-axis drive MEMS mirrors with improved fill-factor.
초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)라고 하여, 센서 밸브, 기어, 반사경 및 반도체 칩 작동기 등의 작은 기계 장치와 컴퓨터를 조합시킨 기술이 요즘 새롭게 각광받고 있다. MEMS는‘스마트 메터(smart meter)'라고도 하며, 반사경이나 센서와 같은 기계 장치 제작 시에 넣는 작은 실리콘 칩의 마이크로 회로를 가진 장치로서, 자동차 에어백에서 감지된 속도와 보호자의 체중에 맞게 에어백을 팽창시키는 장치, 화물 수송의 연속 추적과 취급 과정을 알 수 있는 전 세계적 위치 시스템 센서, 비행기 날개의 표면 공기저항에 따라 공기 흐름의 변화를 감지하여 상호작용하는 센서, 20 나노초의 속도로 광 신호를 낼 수 있는 광 스위칭 장치, 센서 조작 냉온 장치, 대기 압력에 반응하는 물질의 유연성을 변화시키는 빌딩 내 센서 등 여러 용도로 쓰이고 있다. 이와 같이, MEMS는 애플리케이션이 적용되는 제품의 성능을 크게 향상시키면서 동시에 크기도 소형화시키고 비용도 줄일 수 있어서, 다양한 분야에서 응용되고 있다.Micro-electro-mechanical systems (MEMS), a combination of small mechanical devices such as sensor valves, gears, reflectors, and semiconductor chip actuators, has recently come to the fore. MEMS, also known as 'smart meters', are devices that have a microcircuit of tiny silicon chips that are used in the manufacture of mechanical devices such as reflectors or sensors, inflating the airbag to match the speed detected by the car airbag and the weight of the guardian. Global positioning system sensor for continuous tracking and handling of cargo transport, interactive sensor to detect changes in air flow according to the surface air resistance of the aircraft wing, and to produce optical signals at speeds of 20 nanoseconds It is used in many applications such as light switching devices, sensor-operated cold and warm devices, and sensors in buildings that change the flexibility of materials reacting to atmospheric pressure. As such, MEMS has been widely applied in various fields because it greatly improves the performance of the product to which the application is applied, and at the same time, the size and size are reduced.
이와 같은 MEMS는 미러를 구현하는 데에도 응용되고 있다. MEMS에 의해 구현된 미러(이하 'MEMS 미러')는 미러를 구동하는 구동 방식에 따라 정전력(electrostatic force)을 이용한 미러, 전자기력(electromagnetic force)을 이용한 미러, 압전력을 이용한 미러 및 열 변형을 이용한 미러 등으로 나눌 수 있다. 정전력을 이용한 미러는 다시 평행 판(parallel plate) 구동 방식과 빗살형 구동(comb-drive) 방식으로 나눌 수 있다. 도 1은 MEMS 미러에서 사용될 수 있는 여러 가지 구동 방식의 예를 도시하는 도면이다. 도 1a 내지 도 1d는 각각 정전력을 이용한 구동 방식, 전자기력을 이용한 구동 방식, 열 변형을 이용한 구동 방식 및 압전력을 이용한 구동 방식을 나타내는 도면이며, 특히 정전력을 이용한 구동 방식을 나타내는 도 1a에서 좌측은 평행 판 구동 방식을, 우측은 빗살형 정전 구동 방식을 나타내는 도면이다.Such MEMS is also applied to implement mirrors. The mirror implemented by MEMS (hereinafter referred to as 'MEMS mirror') is a mirror using electrostatic force, a mirror using electromagnetic force, a mirror using piezoelectric force, and thermal deformation, depending on the driving method of driving the mirror. It can be divided into a used mirror and the like. The mirror using the electrostatic force can be further divided into a parallel plate driving method and a comb-drive method. 1 is a diagram illustrating examples of various driving schemes that can be used in a MEMS mirror. 1A to 1D are diagrams illustrating a driving method using a constant power, a driving method using an electromagnetic force, a driving method using a thermal deformation, and a driving method using a piezoelectric force, respectively. The left side shows the parallel plate drive system, and the right side shows the comb-type electrostatic drive system.
도 1에 도시된 각각의 구동 방식은 다른 구동 방식들과 비교하여 자신만의 장단점을 가진다. 본 발명에서 다루고자 하는 압전력을 이용한 구동 방식은 다른 구동 방식들에 비해, (1) 낮은 구동 전압으로 큰 변위를 만들 수 있고, (2) 전력 소모가 거의 없으며, (3) 전압에 대한 변위가 선형적이므로 구동의 제어가 용이하다는 장점을 갖는다. 그러나 아직까지 MEMS 미러를 구현하는 데에 있어서 압전력을 이용한 구동 방식을 적용한 사례는 거의 없었으며, 그 사례들의 경우에도 채움-인자(fill-factor)가 매우 낮아 MEMS 미러 어레이에는 적합하지 않았다. 특히, 서로 직각 방향으로 회전(tilting)하는 2축-구동 MEMS 미러를 압전력을 이용한 구동 방식으로 구현한 예는 전혀 없었다. 따라서 채움-인자가 높아 MEMS 미러 어레이를 구현하는 데 적합하면서 동시에 독립적 2-축 구동이 가능한 MEMS 미러를 압전력을 이용하여 구현할 필요성이 있다.Each driving scheme shown in FIG. 1 has its own advantages and disadvantages compared to other driving schemes. The driving method using the piezoelectric power to be dealt with in the present invention, compared with other driving methods, (1) can make a large displacement with a low driving voltage, (2) almost no power consumption, (3) displacement with respect to voltage Since it is linear, it has the advantage that the control of driving is easy. However, there have been few examples of applying the driving method using piezoelectric power to implement MEMS mirrors, and these cases are not suitable for the MEMS mirror array because the fill-factor is very low. In particular, there has been no example of implementing a biaxially-driven MEMS mirror that rotates in a direction perpendicular to each other by a driving method using piezoelectric force. Therefore, there is a need to implement a MEMS mirror using piezoelectric power, which is suitable for implementing a MEMS mirror array while having a high fill factor, and capable of independent two-axis driving.
본 발명은 상기와 같은 문제점 및 필요성 인식에서 비롯된 것으로서, 서로 직교하는 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 독립적으로 구동할 수 있으며, 채움-인자가 크게 향상된 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 압전력을 이용하여 구현하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention originates from the above problem and need recognition, and can independently drive in the first and second axial directions orthogonal to each other, and significantly improves the filling-factor, which is independent two-axis drive MEMS mirror. The purpose is to implement using.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 초미세 전기기계 시스템(MEMS) 미러는,According to a feature of the present invention for achieving the above object, an independent two-axis drive ultra-fine electromechanical system (MEMS) mirror using a piezoelectric power,
(1) 기판;(1) a substrate;
(2) 상기 기판 상에 마련되는 실리콘층;(2) a silicon layer provided on the substrate;
(3) 상기 실리콘층 상에 마련되고, 그 형상이 대칭이며 분리되어 있는 제1 대칭부 및 제2 대칭부를 포함하며, 압전 물질(piezoelectric material)을 포함하여 MEMS 미러가 서로 직교하는 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 회전(tilting)할 수 있도록 구동하기 위한 압전 구동부층;(3) a first axial direction provided on the silicon layer, the first symmetry part and the second symmetry part of which the shapes are symmetrical and separated, the piezoelectric material including the piezoelectric material perpendicular to each other; And a piezoelectric driver layer for driving to rotate in the second axial direction.
(4) 상기 실리콘층 상에 마련되며, 각각 상기 제1 대칭부 및 제2 대칭부 내에 위치하는 한 쌍의 미러 받침대(mirror pedestal); 및(4) a pair of mirror pedestals provided on the silicon layer and located in the first symmetric part and the second symmetric part, respectively; And
(5) 상기 한 쌍의 미러 받침대 상에 마련되는 미러 플레이트(mirror plate)를 포함하되,(5) including a mirror plate (mirror plate) provided on the pair of mirror pedestal,
(6) 상기 제1 대칭부 및 제2 대칭부는 각각, 상기 미러 플레이트의 중심부를 인접하여 가로지르는 회전축을 포함하는 제1 '' 형상의 제1 압전 구동부와, 상기 제1 압전 구동부의 상기 제1 '' 형상 내부에 상기 미러 받침대를 둘러싸는 제2 '' 형상의 제2 압전 구동부를 더 포함하며,(6) the first symmetric part and the second symmetric part each include a first axis including a rotation axis traversing adjacent to a central portion of the mirror plate; A first piezoelectric drive part having a shape and the first first piezoelectric drive part 'A second' surrounding the mirror pedestal inside the shape 'Further comprises a second piezoelectric drive part,
(7) 상기 실리콘층 및 상기 압전 구동부층은 상기 제1 압전 구동부의 상기 제1 '' 형상의 양 끝점에서 상기 기판에 고정되어, 상기 MEMS 미러의 상기 제1 축 방향의 회전에 대한 고정점 역할을 하는 고정부를 더 포함하고, 상기 제2 압전 구동부는 상기 제2 '' 형상의 중심변과 상기 회전축이 접속하여, 상기 MEMS 미러의 상기 제2 축 방향의 회전에 대한 고정점 역할을 하는 접속점을 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.(7) wherein the silicon layer and the piezoelectric driver layer are formed on the first ′ of the first piezoelectric driver. And a fixing part fixed to the substrate at both ends of the shape and serving as a fixing point for the first axial rotation of the MEMS mirror, wherein the second piezoelectric driving part includes the second ' It characterized in that it further comprises a connection point that the center side of the 'shape and the rotation axis is connected, which serves as a fixed point for the rotation in the second axial direction of the MEMS mirror.
본 발명의 다른 특징에 따른 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러는,Independent two-axis drive MEMS mirror using a piezoelectric force according to another feature of the present invention,
상기 압전 구동부층이, 상부 전극, 압전 물질, 하부 전극을 위에서부터 차례로 포함할 수 있는 것을 그 특징으로 한다.The piezoelectric driving unit layer may include an upper electrode, a piezoelectric material, and a lower electrode in order from above.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 압전 구동기(piezoelectric actuator)의 구동 원리를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고정부(210)에 고정된 압전 구동기는 상부 전극(220), 압전 물질(piezoelectric material; 230), 하부 전극(240) 및 기판(250)을 차례대로 포함한다. 압전 구동기의 구동 원리는, 상부 전극(220) 및 하부 전극(240)에 전압을 인가하면, 상부 전극(220)과 하부 전극(240) 사이에 위치한 압전 물질(230)이 수축하게 되며, 그 결과 도 2에 도시된 바와 같이 고정부(210)를 고정점으로 하여 상부 쪽으로 회전 변위가 발생하게 된다는 것이다. 만약, 이와 같은 압전 구동기의 상부 전극(220) 위에 미러 플레이트가 마련되어 있다면, 발생한 변위에 의해 미러 플레이트가 함께 들어 올려지게 되는 것이다. 본 발명은 이러한 압전 구동기의 구동 원리를 MEMS 미러에 적용한 것이다.2 is a view showing a driving principle of a piezoelectric actuator. As shown in FIG. 2, the piezoelectric driver fixed to the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 미러(300)는 기판(도시되지 않음) 상에 마련되는 실리콘층(310), 실리콘층(310) 상에 마련되며 압전 물질을 포함하여 서로 독립적인 X-축 및 Y-축 방향으로 구동할 수 있게 하는 압전 구동부층(320), 실리콘층(310) 상의 서로 대칭되는 위치에 마련되는 한 쌍의 미러 받침대(mirror pedestal; 330) 및 미러 받침대(330) 상에 마련되는 미러 플레이트(340)를 포함한다.3 is a view showing an independent two-axis drive MEMS mirror using a piezoelectric force according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the
실리콘층(310)은 그 위에 압전 구동부층(320)과 미러 받침대(330)가 마련되는 층으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, MEMS 미러의 사각형 형상의 각 꼭지점 부근의 4개소의 고정부(314)에서 압전 구동부층(320)과 함께 기판에 고정된다. 이러한 고정부(314)는 압전 구동부층(320) 중 제1 압전 구동부(326)가 압전력에 의해 변위가 발생할 때 고정점 역할을 한다. 한편, 실리콘층(310)에는 한 쌍의 미러 받침대(230)가 마련될 수 있는 부분(312)이 별도로 포함되어 있는데, 이에 따라 미러 받침대(330)는 기판 상에 직접 마련되는 것이 아니라 기판과 단지 4개소의 고정부(314)에서만 고정되어 있는 실리콘층(310) 상에 마련되기 때문에 기판에 대하여 플로팅(floating) 상태를 유지하게 된다. 이것이 기판에 대하여 미러 플레이트(340)가 자유롭게 회전(tilting)할 수 있는 이유이다.The
압전 구동부층(320)은, 그 형상이 대칭이며 분리되어 있는 제1 대칭부(322) 및 제2 대칭부(323)를 포함하는데, 제1 대칭부(322) 및 제2 대칭부(323)는 각각, 미러 플레이트(340)의 중심부를 인접하여 가로지르는 회전축(324)과, 회전축(324) 및 고정부(314)를 포함하여 제1 '' 형상을 형성함으로써 MEMS 미러가 제1 축 방향으로 회전할 수 있도록 구동하기 위한 제1 압전 구동부(326)(전술한 바와 같이, 제1 축 방향의 회전에 대한 고정점은 고정부(314)가 됨)와, 제1 압전 구동부(326)의 제1 '' 형상 내부에 미러 받침대(330)를 둘러싸는 제2 '' 형상을 형성하며 제2 '' 형상의 중심변과 회전축(324)이 접속하는 접속점(329)을 포함함으로써 MEMS 미러가 제2 축 방향으로 회전할 수 있도록 구동하기 위한 제2 압전 구동부(328)(제2 축 방향의 회전에 대한 고정점은 접속점(329)이 됨)를 더 포함한다.The
미러 받침대(330)는 실리콘층(310) 상에 참조번호 312로 표시된 부분에 마련되는데, 특히 제1 대칭부(322) 및 제2 대칭부(323)의 서로 대칭되는 위치에 마련되어, 미러 플레이트(340)를 지지하는 기둥 역할을 한다.The
미러 플레이트(340)는 미러 받침대(330) 위에 마련되며, 압전 구동부층(320)에서 발생한 구동력에 의하여 미러 플레이트(340)의 상하좌우 4 부분 중 한 쪽 부분이 밀어 올려지게 된다. 미러 플레이트(340)의 상하 부분이 밀어 올려지는 경우에는 Y-축에 대하여 회전을 하게 되고, 미러 플레이트(340)의 좌우 부분이 밀어 올려지는 경우에는 X-축에 대하여 회전을 하게 된다.The
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 MEMS 미러(300)가 구동되는 원리를 조금 더 설명하기로 한다.Referring to Figure 3 will be described in more detail the principle of driving the
먼저, X-축 방향의 구동 원리는 다음과 같다. 제1 대칭부(322) 및 제2 대칭부(323) 각각의 제1 '' 형상의 좌측 변에 전압을 인가하면, 제1 압전 구동 부(326)는 고정부(314)를 고정점으로 하여 상부 쪽으로 회전 변위를 발생시킨다(도 3의 적색 화살표 중 ‘X-축 회전’ 표시 부분 참조). 이에 따라, 미러의 좌측 부분을 밀어 올리는 구동력이 발생하게 되어, 미러는 X-축 방향 중 시계 방향으로 회전하게 된다. 마찬가지로, 제1 대칭부(322) 및 제2 대칭부(323) 각각의 제1 '' 형상의 우측 변에 전압을 인가하면, 미러의 우측 부분을 밀어 올리는 구동력이 발생하게 되어 미러는 X-축 방향 중 반시계 방향으로 회전하게 된다.First, the driving principle in the X-axis direction is as follows. First ′ of each of the first and
다음으로, Y-축 방향의 구동 원리를 살펴보기로 한다. 제1 대칭부(322)의 제2 '' 형상의 양쪽 변에 전압을 인가하면, 제2 압전 구동부(328)는 접속점(329)을 고정점으로 하여 상부 쪽으로 회전 변위를 발생시킨다(도 3의 적색 화살표 중 ‘Y-축 회전’ 표시 부분 참조). 이에 따라, 미러의 아래쪽 부분을 밀어 올리는 구동력이 발생하게 되어, 미러는 Y-축에 대하여 회전하게 된다. 마찬가지로, 제2 대칭부(323)의 제2 '' 형상의 양쪽 변에 전압을 인가하면, 제2 압전 구동부(328)에서는 접속점(329)을 고정점으로 하여 미러의 위쪽 부분을 밀어 올리는 구동력이 발생하게 되어, 미러는 Y-축에 대하여 조금 전과는 반대 방향으로 회전하게 된다.Next, the driving principle in the Y-axis direction will be described. Second ′ of
이때, Y-축에 대한 회전은, X-축에 대한 회전을 발생시키는 제1 압전 구동부(326)와는 전혀 별개로 제1 압전 구동부(326)의 내부에 위치한 제2 압전 구동부(328)가 회전축(324)(정확히는 회전축의 일부인 접속점(329)을 고정점으로 하여 변형이 발생되도록 함으로써, X-축에 대한 회전에 의해 영향을 거의 받지 않는다는 점을 명심해야 한다. 즉, 압전력을 이용한 본 발명에 따른 MEMS 미러는 X-축에 대 한 회전과 Y-축에 대한 회전의 기계적 커플링(mechanical coupling)을 최소화하도록 구성되어 있다.At this time, the rotation about the Y-axis, the second
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 압전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 바이어스 전압이 50V인 경우, X-축에 대해서 시계 방향으로 3.9도만큼 회전이 가능하며, Y-축에 대해서 한 쪽 방향으로 3.0도만큼 회전이 가능한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는, 비교적 낮은 구동 전압(50V)으로 큰 변위(X-축 전체에 대하여 7.8도(3.9도 x 2), Y-축 전체에 대하여 6.0도(3.0도 x 2))를 만든 것으로 해석되는데, 압전력을 이용할 경우 전력 소모가 거의 없으며, 전압에 대한 변위의 선형적 제어가 용이하다는 점을 고려하면 본 발명의 응용 범위가 매우 다양할 수 있을 것으로 판단된다.4 is a diagram illustrating a simulation result of an independent two-axis drive MEMS mirror using piezoelectric power designed according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, when the bias voltage is 50 V, it is possible to rotate 3.9 degrees clockwise with respect to the X-axis and 3.0 degrees in one direction with respect to the Y-axis. This result is interpreted as a large displacement (7.8 degrees (3.9 degrees x 2) for the entire X-axis, 6.0 degrees (3.0 degrees x 2) for the entire Y-axis) with a relatively low drive voltage (50V). When using the piezoelectric power, there is almost no power consumption, and considering that the linear control of displacement with respect to voltage is easy, it is determined that the application range of the present invention may be very diverse.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above may be variously modified or applied by those skilled in the art, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.
본 발명에 따르면, 서로 직교하는 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 독립적으로 구동할 수 있으며, 채움-인자가 크게 향상된 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 압전력을 이용하여 구현할 수 있다.According to the present invention, it is possible to independently drive in the first and second axial directions orthogonal to each other, and to implement an independent two-axis drive MEMS mirror with a significantly improved fill factor using piezoelectric force.
Claims (2)
Priority Applications (2)
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