KR100759099B1 - An independent two-axis micro-electro-mechanical systems mirror using an elctrostatic force - Google Patents

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박일흥
박재형
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이화여자대학교 산학협력단
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Abstract

An independent two-axis driven MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) mirror using electrostatic force is provided to independently drive in the directions of first and second axes crossing each other and to move at the specific angle correspondently to the input driving voltage by an analog control method. An independent two-axis driven MEMS mirror(300) using electrostatic force is composed of a substrate; a lower silicon layer(310) formed on the substrate; an interlayer insulating film disposed formed on the lower silicon layer; an upper silicon layer(350) arranged on the interlayer insulating film; and a mirror plate disposed on the upper silicon layer. One of the lower and upper silicon layers is a driving unit layer receiving driving voltage and the other is a ground layer receiving ground voltage.

Description

정전력을 이용한 독립적 2축-구동 초미세 전기기계 시스템 미러{AN INDEPENDENT TWO-AXIS MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS MIRROR USING AN ELCTROSTATIC FORCE}Independent Two-Axis-Drive Ultra-Micro Electromechanical System Mirrors Using Constant Power {AN INDEPENDENT TWO-AXIS MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS MIRROR USING AN ELCTROSTATIC FORCE}

도 1은 MEMS 미러에서 사용될 수 있는 여러 가지 구동 방식의 일 예를 도시하는 도면으로서, 도 1a 내지 도 1d는 각각 정전 구동 방식, 전자기 구동 방식, 열 구동 방식 및 피에조 구동 방식을 나타내는 도면이며, 특히 1a에서 좌측은 평행 판 정전 구동 방식을, 우측은 빗살형 정전 구동 방식을 나타내는 도면.1 is a diagram showing an example of various driving methods that can be used in a MEMS mirror, and FIGS. 1A to 1D are diagrams illustrating an electrostatic driving method, an electromagnetic driving method, a thermal driving method, and a piezoelectric driving method, respectively. The left side in 1a shows the parallel plate electrostatic drive system, and the right side shows the comb type electrostatic drive system.

도 2a 및 도 2b는 정전 구동 방식을 이용한 2-축 MEMS 미러(200)의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 2a와 도 2b는 각각 서로 직교하는 2개의 축에 대하여 MEMS 미러가 회전하는 것을 나타내는 도면.2A and 2B are diagrams showing an example of a two-axis MEMS mirror 200 using an electrostatic driving method, and FIGS. 2A and 2B are diagrams showing that the MEMS mirror rotates about two axes perpendicular to each other. .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면으로서, 하부의 기판과 상부의 미러 플레이트를 도시하지 않은 도면.3 is a view showing an independent two-axis drive MEMS mirror using an electrostatic force according to an embodiment of the present invention, not showing the lower substrate and the upper mirror plate.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면으로서, 빗살형 구동부의 단면을 보여주는 단면도(A-A'), 외부 스프링 구조의 단면을 보여주는 단면도(B-B'), 및 정전력에 의해 빗살형 구동부에 작용하는 힘의 방향을 보여주는 빗살형 구동부의 확대 단면도를 함께 나 타내는 도면.4 is a view showing an independent two-axis drive MEMS mirror using a constant power according to another embodiment of the present invention, a cross-sectional view (A-A ') showing a cross section of the comb-shaped drive unit, showing a cross section of the outer spring structure A cross-sectional view (B-B ') and an enlarged cross-sectional view showing a comb-shaped drive section showing the direction of the force acting on the comb-shaped drive section by the electrostatic force.

도 5는 도 4에 도시된 MEMS 미러를 미러 플레이트와 함께 도시한 도면으로서, 도 5a, 도 5b, 도 5c는 각각 평면도, 배면도, 단면도를 나타내는 도면.FIG. 5 is a view showing the MEMS mirror shown in FIG. 4 together with a mirror plate, and FIGS. 5A, 5B, and 5C are a plan view, a rear view, and a sectional view, respectively.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 미러의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서, 도 6a는 X-축의 회전을 나타내는 도면이고, 도 6b는 Y-축의 회전을 나타내는 도면.6 is a view showing a simulation result of the MEMS mirror according to an embodiment of the present invention, Figure 6a is a view showing the rotation of the X-axis, Figure 6b is a view showing the rotation of the Y-axis.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

200 : 정전 구동 방식을 이용한 MEMS 미러200: MEMS mirror using the electrostatic drive method

210 : 미러 플레이트(mirror plate)210: mirror plate

220 : 제1 구동 전극220: first driving electrode

230 : 짐벌(gimbal)230: gimbal

240 : 외부 스프링240: outer spring

250 : 제2 구동 전극250: second driving electrode

260 : 내부 스프링260: inner spring

300 : (본 발명의 일 실시예에 따른) MEMS 미러300: MEMS mirror (according to one embodiment of the present invention)

310 : 하부 실리콘층(접지층)310: bottom silicon layer (ground layer)

314 : 제3 스프링 구조314: third spring structure

316 : 제5 빗살형 핑거316: fifth comb finger

324 : 제4 스프링 구조324: fourth spring structure

326 : 제6 빗살형 핑거326: sixth comb finger

334 : 제5 스프링 구조334: fifth spring structure

336 : 제7 빗살형 핑거336: seventh comb finger

344 : 제6 스프링 구조344: sixth spring structure

346 : 제8 빗살형 핑거346: eighth comb finger

350 : 상부 실리콘층(구동부층)350: upper silicon layer (drive part layer)

352 : 제1 전극352: first electrode

354 : 제1 스프링 구조354: first spring structure

356 : 제1 빗살형 핑거356: first comb finger

362 : 제2 전극362: second electrode

364 : 제2 스프링 구조364: second spring structure

366 : 제2 빗살형 핑거366: second comb-shaped finger

372 : 제3 전극372: third electrode

376 : 제3 빗살형 핑거376: 3rd comb-shaped finger

382 : 제4 전극382: fourth electrode

386 : 제4 빗살형 핑거386: fourth comb finger

390 : 외부 짐벌390: external gimbal

392 : 내부 짐벌392: Internal Gimbal

394 : 제2 내부 짐벌394: second internal gimbal

410 : 상부 실리콘층410: upper silicon layer

416 : 빗살형 구동부 중 절연층에 해당하는 빗살형 핑거416: comb-type fingers corresponding to the insulating layer of the comb-type drive unit

420 : 층간절연막420: interlayer insulating film

430 : 하부 실리콘층430: bottom silicon layer

432 : 구동 전극432 drive electrode

436 : 빗살형 구동부 중 구동부층에 해당하는 빗살형 핑거436: comb-shaped fingers corresponding to the drive layer of the comb-shaped drive unit

440 : 기판440: Substrate

510 : 미러 플레이트510: Mirror Plate

본 발명은 정전력(electrostatic force)을 이용한 독립적 2축-구동 초미세 전기기계 시스템(MEMS) 미러에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 정전력을 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 [0001] The present invention relates to an independent two axis-driven microelectromechanical system (MEMS) mirror using electrostatic force, and more particularly, a first axis direction and a second axis direction orthogonal to each other using electrostatic force. The present invention relates to an independent two-axis drive MEMS mirror which can be driven independently and has greatly 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 미러(mirror)를 구현하는 데에도 응용되고 있다. MEMS에 의해 구현된 미러(이하 'MEMS 미러')는 미러를 구동하는 구동 방식에 따라 정전력을 이용한 미러, 전자기력(electromagnetic force)을 이용한 미러, 압전력(piezoelectric force)을 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 구동 방식을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 각각의 구동 방식은 다른 구동 방식들과 비교하여 자신만의 장단점을 가지는데, 도 1에 도시된 여러 가지 구동 방식들 중, (1) 제조가 용이하고 (2) 전력 소모가 작으면서도 (3) 구동력, 토크 및 최대 스트로크가 우수한 빗살형 구동 방식이 가장 널리 사용되고 있다.Such MEMS is also applied to implement a mirror. 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 according to 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-shaped drive system. Each driving scheme shown in FIG. 1 has its own advantages and disadvantages compared to other driving schemes. Among the various driving schemes shown in FIG. 1, (1) manufacturing is easy and (2) power consumption is low. (3) The comb-tooth type drive system which is small and excellent in driving force, torque and maximum stroke is most widely used.

도 2a 및 도 2b는 정전 구동 방식을 이용한 2-축 MEMS 미러(200)의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 2a와 도 2b는 각각 서로 직교하는 2개의 축에 대하여 MEMS 미러가 회전하는 것을 나타내는 도면이다. 먼저, 도 2a를 참조하면, 도시된 MEMS 미러(200)는, 실제 반사면에 해당하는 미러 플레이트(210), 제1 축 방향으로 회전하도록 정전 구동력을 발생시키는 제1 구동 전극(220), 짐벌(gimbal)(230) 및 짐벌(230)에 접속된 외부 스프링(240)을 포함하는데, 제1 구동 전극(220)에 구동 전압이 인가되면 제1 구동 전극(220)과 짐벌(230) 사이에서 발생하는 정전력에 의해 짐벌(230)에 접속된 외부 스프링(240)을 통해 짐벌(230)에 제1 축 방향으로의 회전력이 발생하게 된다. 한편, 도 2b를 참조하면, 제1 축과 직교하는 제2 축 방향으로 회전하도록 정전 구동력을 발생시키는 제2 구동 전극(250) 및 내부 스프링(260)을 더 포함하는데, 제2 구동 전극(250)에 구동 전압이 인가되면 제2 구동 전극(250)과 미러 플레이트(210)(정확하게는 미러 플레이트(210) 하부의 접지층) 사이에서 발생하는 정전력에 의해 미러 플레이트(210)에 접속된 내부 스프링(260)을 통해 미러 플레이트(210)에 제2 축 방향으로의 회전력이 발생하게 된다. 여기서, 도 2에 도시된 MEMS 미러(200)는, 서로 직교하는 2개의 축에 대한 회전을 가능하게 하는 2축-구동 MEMS 미러에 해당하지만, 2개의 축에 대한 회전이 서로 독립적이지 못하다는 점에 주의해야 한다. 이는 제1 구동 전극(220)과 제2 구동 전극(250)이 서로 공통부분을 포함하고 있어 서로 기계적 커플링(mechanical coupling)을 발생시키기 때문이다.2A and 2B are diagrams showing an example of a two-axis MEMS mirror 200 using an electrostatic driving method, and FIGS. 2A and 2B are diagrams showing that the MEMS mirror rotates about two axes perpendicular to each other. to be. First, referring to FIG. 2A, the illustrated MEMS mirror 200 includes a mirror plate 210 corresponding to an actual reflection surface, a first driving electrode 220 generating an electrostatic driving force to rotate in a first axial direction, and a gimbal. and an external spring 240 connected to the gimbal 230 and the gimbal 230. When a driving voltage is applied to the first driving electrode 220, a gap between the first driving electrode 220 and the gimbal 230 is provided. By the generated electrostatic force, the rotational force in the first axis direction is generated in the gimbal 230 through the external spring 240 connected to the gimbal 230. Meanwhile, referring to FIG. 2B, a second driving electrode 250 and an inner spring 260 which generate an electrostatic driving force to rotate in a second axial direction perpendicular to the first axis are further included. ) Is connected to the mirror plate 210 by the electrostatic force generated between the second drive electrode 250 and the mirror plate 210 (exactly, the ground layer below the mirror plate 210). The rotation force in the second axial direction is generated in the mirror plate 210 through the spring 260. Here, the MEMS mirror 200 shown in FIG. 2 corresponds to a two-axis-driven MEMS mirror that enables rotation about two axes orthogonal to each other, but the rotation about the two axes is not independent of each other. Be careful with This is because the first driving electrode 220 and the second driving electrode 250 include a common part, and thus generate mechanical coupling with each other.

도 2a 및 도 2b에 도시된 MEMS 미러와 달리, 서로 직교하는 2개의 축에 대하 여 독립적으로 구동 가능한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 정전력을 이용하여 구현하려고 시도한 사례들도 있었다. 그러나 그 사례들의 경우, 특정 각도로 움직이도록 제어하기 위한 아날로그 구동 방식이 아니라 공진 주파수에서 진동하는 디지털 구동 방식이고, 큰 각 변위를 구현하기가 어려우며, 미러 면적에 비하여 구동부의 면적이 커서 채움-인자(fill-factor)가 낮다는 문제점이 있었다. 따라서 입력 구동 전압에 대응하여 특정 각도로 움직이도록 아날로그 방식으로 제어할 수 있고, 큰 각 변위의 구현이 가능하며, 채움-인자가 큰 독립적 2축-구동 MEMS 미러를 정전력을 이용하여 구현할 필요성이 있다.Unlike the MEMS mirrors shown in FIGS. 2A and 2B, there have been cases in which an independent two-axis drive MEMS mirror that can be driven independently with respect to two orthogonal axes is attempted to be implemented using electrostatic power. However, in those cases, it is not an analog driving method for controlling to move at a specific angle, but a digital driving method that vibrates at a resonant frequency, it is difficult to realize a large angular displacement, and the area of the driving part is larger than that of the mirror area. The problem is that the fill factor is low. Therefore, it is possible to control in an analog manner to move at a specific angle in response to the input driving voltage, to implement a large angular displacement, and to implement an independent two-axis-driven MEMS mirror with a large fill-factor using constant power. have.

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 필요성 인식에서 비롯된 것으로서, 서로 직교하는 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 독립적으로 구동할 수 있는 독립적 2-축 구동 MEMS 미러로서, 입력 구동 전압에 대응하여 특정 각도로 움직이도록 아날로그 방식으로 제어할 수 있고, 큰 각 변위의 구현이 가능하며, 채움-인자가 크게 향상된 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 정전력을 이용하여 구현하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is derived from the above problem and need recognition, and is an independent two-axis drive MEMS mirror capable of driving independently in the first and second axial directions orthogonal to each other, a specific angle corresponding to the input drive voltage The objective is to implement an independent two-axis driven MEMS mirror that can be controlled in an analog manner, realizes large angular displacements, and has a greatly improved fill factor.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 정전력을 이용한 독립적 2축-구동 초미세 전기기계 시스템(MEMS) 미러는,According to a feature of the present invention for achieving the above object, an independent two-axis-driven ultra-fine electromechanical system (MEMS) mirror using electrostatic power,

(1) 기판;(1) a substrate;

(2) 상기 기판 상에 마련되는 하부 실리콘층;(2) a lower silicon layer provided on the substrate;

(3) 상기 하부 실리콘층 상에 마련되는 층간절연막;(3) an interlayer insulating film provided on the lower silicon layer;

(4) 상기 층간절연막 상에 마련되는 상부 실리콘층;(4) an upper silicon layer provided on the interlayer insulating film;

(5) 상기 상부 실리콘층 상에 마련되는 미러 플레이트(mirror plate)를 포함하되,(5) including a mirror plate provided on the upper silicon layer,

(6) 상기 하부 실리콘층 또는 상기 상부 실리콘층 중 하나는 구동 전압이 인가되는 구동부층이고, 나머지 하나는 접지 전압이 인가되는 접지층(ground layer)이며,(6) either the lower silicon layer or the upper silicon layer is a driver layer to which a driving voltage is applied, and the other is a ground layer to which a ground voltage is applied;

(7) 상기 구동부층은, 제1 축 방향으로 제1 전극, 상기 제1 전극과 접속된 제1 스프링 구조, 상기 제1 스프링 구조와 접속된 제1 빗살형 핑거(comb finger), 및 제2 전극, 상기 제2 전극과 접속된 제2 스프링 구조, 상기 제2 스프링 구조와 접속된 제2 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하고, 상기 제1 축 방향과 직교하는 제2 축 방향으로 제3 전극, 상기 제3 전극과 접속된 제3 빗살형 핑거, 및 제4 전극, 상기 제4 전극과 접속된 제4 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하며,(7) The drive layer includes a first electrode in a first axial direction, a first spring structure connected with the first electrode, a first comb finger connected with the first spring structure, and a second An electrode, a second spring structure connected to the second electrode, and a second comb-shaped finger connected to the second spring structure in a symmetrical form, and comprising a third in a second axial direction perpendicular to the first axial direction. An electrode, a third comb-shaped finger connected with the third electrode, and a fourth electrode, a fourth comb-shaped finger connected with the fourth electrode in a symmetrical form,

(8) 상기 접지층은, 상기 제1 축 방향으로 상기 제1 스프링 구조와 대응하는 제3 스프링 구조, 상기 제1 빗살형 핑거와 대응하는 제5 빗살형 핑거, 및 상기 제2 스프링 구조와 대응하는 제4 스프링 구조, 상기 제2 빗살형 핑거와 대응하는 제6 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하고, 상기 제2 축 방향으로 상기 제3 빗살형 핑거와 대응하는 제7 빗살형 핑거, 제5 스프링 구조, 및 상기 제4 빗살형 핑거와 대응하는 제8 빗살형 핑거, 제6 스프링 구조를 대칭적인 형태로 포함하며,(8) said grounding layer corresponding to said third spring structure corresponding to said first spring structure, said fifth comb-toothed finger corresponding to said first comb-toothed finger, and said second spring structure in said first axial direction; A fourth spring structure, a sixth comb-like finger corresponding to the second comb-like finger in a symmetrical form, and a seventh comb-like finger corresponding to the third comb-like finger in the second axial direction; A symmetrical form comprising a five spring structure, and an eighth comb-like finger corresponding to the fourth comb-like finger, a sixth spring structure,

(9) 상기 접지층은, 상기 제3 스프링 구조, 상기 제4 스프링 구조, 상기 제5 스프링 구조, 상기 제6 스프링 구조, 상기 제7 빗살형 핑거 및 상기 제8 빗살형 핑거와 각각 접속되는 외부 짐벌(gimbal)과, 상기 제5 스프링 구조, 상기 제6 스프링 구조, 상기 제5 빗살형 핑거 및 상기 제6 빗살형 핑거와 각각 접속되는 내부 짐벌을 더 포함하고, 상기 구동부층은 상기 내부 짐벌과 대응하는 제2 내부 짐벌을 더 포함하며,(9) The ground layer is externally connected to the third spring structure, the fourth spring structure, the fifth spring structure, the sixth spring structure, the seventh comb-type finger and the eighth comb-type finger, respectively. And a gimbal, and an inner gimbal connected to the fifth spring structure, the sixth spring structure, the fifth comb-shaped finger, and the sixth comb-type finger, respectively, wherein the driving unit layer includes: Further comprising a corresponding second internal gimbal,

(10) 상기 제1 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제5 빗살형 핑거, 상기 제2 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제6 빗살형 핑거, 상기 제3 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제7 빗살형 핑거, 및 상기 제4 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제8 빗살형 핑거는 각각 빗살형 구동부(comb actuator)를 형성하며,(10) the fifth comb-like finger corresponding to the first comb-like finger, the sixth comb-like finger corresponding to the second comb-like finger, and the seventh comb-like finger corresponding to the third comb-like finger. , And the fourth comb-type fingers and the eighth comb-type fingers each form a comb actuator,

(11) 상기 미러 플레이트는 상기 상부 실리콘층의 상기 내부 짐벌 또는 상기 제2 내부 짐벌 상에 마련되며, 상기 내부 짐벌 또는 상기 제2 내부 짐벌은 상기 기판에 대하여 플로팅(floating) 상태를 유지하는 것을 그 특징으로 한다.(11) the mirror plate is provided on the inner gimbal or the second inner gimbal of the upper silicon layer, and the inner gimbal or the second inner gimbal is kept floating with respect to the substrate. It features.

본 발명의 다른 특징에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러는, 상기 기판이 유리 기판(glass substrate)인 것을 그 특징으로 한다.Independent two-axis drive MEMS mirror using electrostatic force according to another feature of the invention is characterized in that the substrate is a glass substrate (glass substrate).

본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러는, 상기 각각의 빗살형 구동부가 자기-정렬(self-alignment)에 의해 형성되는 것을 그 특징으로 한다.Independent two-axis drive MEMS mirror using electrostatic force according to another feature of the invention is characterized in that each comb-shaped drive is formed by self-alignment.

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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면으로서, 하부의 기판과 상부의 미러 플레이트를 도시하지 않은 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 미러(300)는, 하나는 구동 전압이 인가되는 구동부층이고, 나머지 하나는 접지 전압이 인가되는 접지층이 되는 하부 실리콘층(310)과 상부 실리콘층(350)을 포함한다. 도시된 예에서는, 하부 실리콘층(310)이 접지층이고, 상부 실리콘층(350)이 구동부층이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an independent two-axis drive MEMS mirror using electrostatic force according to an embodiment of the present invention, and illustrates a lower substrate and an upper mirror plate. As shown in FIG. 3, the MEMS mirror 300 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a lower silicon layer (one of which is a driver layer to which a driving voltage is applied and the other of which is a ground layer to which a ground voltage is applied). 310 and the upper silicon layer 350. In the example shown, the lower silicon layer 310 is the ground layer and the upper silicon layer 350 is the driver layer.

구동부층인 상부 실리콘층(350)은, 제1 축 방향으로 제1 전극(352), 제1 전극(352)과 접속된 제1 스프링 구조(354), 제1 스프링 구조(354)와 접속된 제1 빗살형 핑거(356), 및 제2 전극(362), 제2 전극(362)과 접속된 제2 스프링 구조(364), 제2 스프링 구조(364)와 접속된 제2 빗살형 핑거(366)를 대칭적인 형태로 포함하고, 제1 축 방향과 직교하는 제2 축 방향으로 제3 전극(372), 제3 전극(372)과 접속된 제3 빗살형 핑거(376), 및 제4 전극(382), 제4 전극(382)과 접속된 제4 빗살형 핑거(386)를 대칭적인 형태로 포함한다.The upper silicon layer 350, which is a driver layer, is connected to the first spring structure 354 and the first spring structure 354 connected to the first electrode 352 and the first electrode 352 in the first axial direction. The first comb-shaped finger 356 and the second electrode 362, the second spring structure 364 connected with the second electrode 362, and the second comb-type finger connected with the second spring structure 364 ( A third comb-like finger 376 connected to the third electrode 372, the third electrode 372, and a fourth in a second axial direction orthogonal to the first axial direction, and including a third shape in a symmetrical form; An electrode 382 and a fourth comb-shaped finger 386 connected to the fourth electrode 382 are included in a symmetrical form.

접지층인 하부 실리콘층(310)은, 제1 축 방향으로 제1 스프링 구조(354)와 대응하는 제3 스프링 구조(314), 제1 빗살형 핑거(356)와 대응하는 제5 빗살형 핑거(316), 및 제2 스프링 구조(364)와 대응하는 제4 스프링 구조(324), 제2 빗살형 핑거(366)와 대응하는 제6 빗살형 핑거(326)를 대칭적인 형태로 포함하고, 제2 축 방향으로 제3 빗살형 핑거(376)와 대응하는 제7 빗살형 핑거(336), 제5 스프링 구조(334), 및 제4 빗살형 핑거(386)와 대응하는 제8 빗살형 핑거(346), 제6 스프링 구조(344)를 대칭적인 형태로 포함한다.The lower silicon layer 310, which is a ground layer, has a third spring structure 314 corresponding to the first spring structure 354 and a fifth comb-shaped finger corresponding to the first comb-shaped finger 356 in the first axial direction. 316, and a fourth spring structure 324 corresponding to the second spring structure 364, a sixth comb-shaped finger 326 corresponding to the second comb-shaped finger 366, and in a symmetrical form, Eighth comb-like finger 336 corresponding to third comb-like finger 376, fifth spring structure 334, and fourth comb-like finger 386 in a second axial direction. 346, a sixth spring structure 344 in a symmetrical form.

또한, 접지층인 하부 실리콘층(310)은, 제3 스프링 구조(314), 제4 스프링 구조(324), 제5 스프링 구조(334), 제6 스프링 구조(344), 제7 빗살형 핑거(336) 및 제8 빗살형 핑거(346)와 각각 접속되는 외부 짐벌(390)과, 제5 스프링 구조(334), 제6 스프링 구조(344), 제5 빗살형 핑거(316) 및 제6 빗살형 핑거(326)와 각각 접속되는 내부 짐벌(392)을 더 포함하고, 구동부층인 상부 실리콘층(320)은 내부 짐벌(392)과 대응하는 제2 내부 짐벌(394)을 더 포함한다.In addition, the lower silicon layer 310, which is a ground layer, includes a third spring structure 314, a fourth spring structure 324, a fifth spring structure 334, a sixth spring structure 344, and a seventh comb-shaped finger. An outer gimbal 390 connected to the 336 and the eighth comb-shaped fingers 346, respectively, the fifth spring structure 334, the sixth spring structure 344, the fifth comb-shaped finger 316, and the sixth An inner gimbal 392 is further connected to the comb-shaped finger 326, respectively, and the upper silicon layer 320 as the driver layer further includes a second inner gimbal 394 corresponding to the inner gimbal 392.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 빗살형 핑거(356)와 대응하는 제5 빗살형 핑거(316), 제2 빗살형 핑거(366)와 대응하는 제6 빗살형 핑거(326)은 제1 축 방향의 회전을 위한 빗살형 구동부를 각각 형성하고, 제3 빗살형 핑거(376)와 대응하는 제7 빗살형 핑거(336), 및 제4 빗살형 핑거(386)와 대응하는 제8 빗살형 핑거(346)는 제2 축 방향의 회전을 위한 빗살형 구동부를 각각 형성한다. 여기서 중요한 점은, 제1 축 방향의 회전을 위한 빗살형 구동부와 제2 축 방향의 회전을 위한 빗살형 구동부가 실질적으로 거의 독립적이라는 점이다.As shown in FIG. 3, the fifth comb-like finger 316 corresponding to the first comb-like finger 356 and the sixth comb-like finger 326 corresponding to the second comb-like finger 366 may include a first comb. A comb-shaped drive for rotation in the axial direction, respectively, and comprising a third comb-like finger 376 and a seventh comb-like finger 336 and a fourth comb-like finger 386 and an eighth comb-type Fingers 346 respectively form comb-shaped drives for rotation in the second axial direction. What is important here is that the comb-shaped drive for rotation in the first axial direction and the comb-shaped drive for rotation in the second axial direction are substantially almost independent.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 정전력을 이용한 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 나타내는 도면으로서, 빗살형 구동부의 단면을 보여주는 단면도(A-A'), 외부 스프링 구조의 단면을 보여주는 단면도(B-B'), 및 정전력에 의해 빗살형 구동부에 작용하는 힘의 방향을 보여주는 빗살형 구동부의 확대 단면도를 함께 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 MEMS 미러는, 도 3에 도시된 MEMS 미러와 달리, 상부 실리콘층이 절연층이고, 하부 실리콘층이 구동부층이다. 빗살형 구동부의 단면을 보여주는 단면도(A-A')에서 알 수 있는 것처럼, 빗살형 구동부 중 절연층에 해당하는 빗살형 핑거(416)와 빗살형 구동부 중 구동부층에 해당하는 빗살형 핑거(436)는 서로 엇갈려서 빗살형 구동부를 형성하고 있다. 구동 전극(432)에 구동 전압을 인가하면, 빗살형 핑거(436)는 구동 전극(432)과 함께 기판(440)에 고정되어 있으므로, 플로팅(floating) 상태인 빗살형 핑거(416)가 아래쪽으로 힘을 받아 움직이게 된다. 도 4의 빗살형 구동부의 확대 단면도를 통해 이를 분명하게 확인할 수 있다. 도 4의 빗살형 구동부의 확대 단면도를 통해서, 빗살형 구동부가 자기-정렬(self-aligned)되는 것도 분명하게 확인할 수 있는데, 여기서 자기-정렬된다는 의미는, 빗살형 구동부를 구성하는 상부의 빗살형 핑거와 하부의 빗살형 핑거가, 자기-정렬이라는 단어의 의미 그대로, 각각의 핑거가 서로 겹치지 않도록 스스로 정렬되는 것을 의미한다. 빗살형 구동부에서 자기-정렬이 필요한 것은, 빗살형 핑거 사이의 수평 거리에서 정렬 미스(align miss)가 발생하면 구동기의 구동 시에 수평 방향의 변위가 발생하여 풀-인 상태(pull-in state)가 발생하고, 이에 따라 쇼트(short)가 발생할 수 있기 때문이다.4 is a view showing an independent two-axis drive MEMS mirror using a constant power according to another embodiment of the present invention, a cross-sectional view (A-A ') showing a cross section of the comb-shaped drive unit, showing a cross section of the outer spring structure A cross-sectional view B-B 'and an enlarged sectional view of a comb-shaped drive unit showing the direction of a force acting on the comb-shaped drive unit by electrostatic force. In the MEMS mirror shown in FIG. 4, unlike the MEMS mirror shown in FIG. 3, the upper silicon layer is an insulating layer, and the lower silicon layer is a driver layer. As can be seen from the cross-sectional view (A-A ') showing the cross section of the comb-shaped drive, the comb-shaped finger 416 corresponding to the insulating layer of the comb-type drive and the comb-like finger 436 corresponding to the drive layer of the comb-type drive are shown. ) Are staggered to form a comb-shaped drive. When a driving voltage is applied to the driving electrode 432, the comb-shaped finger 436 is fixed to the substrate 440 together with the driving electrode 432, so that the floating comb-shaped finger 416 is in a downward state. It is moved by force. This can be clearly seen through the enlarged cross-sectional view of the comb-shaped drive of FIG. 4. From the enlarged cross-sectional view of the comb-shaped drive of FIG. 4, it can be clearly seen that the comb-drive is self-aligned, where the self-alignment means that the upper comb-shaped part of the comb-drive is formed. The finger and the lower comb-toothed fingers, as the word self-aligned, mean that each finger is aligned so that they do not overlap each other. Self-alignment is necessary in the comb-type drive. If an alignment miss occurs at the horizontal distance between the comb-type fingers, a displacement in the horizontal direction occurs when the driver is driven, thereby causing a pull-in state. Is generated, and accordingly a short may occur.

한편, 외부 스프링 구조의 단면을 보여주는 단면도(B-B')를 통해, 외부 스프링 구조를 확인할 수 있다. 단면도(B-B')에 도시된 바와 같이, 외부 스프링 구조는 상부 실리콘층(410), 층간절연막(420) 및 하부 실리콘층(430)으로 구성된다. 이에 비하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 스프링 구조는 상부 실리콘층으로만 구성된다. 층간절연막(420)으로서는 BOX(buried oxide layer)가 사용된다(즉, 본 발명에서는 상부 실리콘층과 하부 실리콘층 사이에 절연막이 형성되어 있는 SOI 웨이퍼가 사용된다). 또한, 기판(440)을 유리 기판(glass substrate)으로 사용함으로써, 즉 SiOG(Silicon On Glass) 구조를 사용함으로써, 하부 실리콘층에서 구동 전극 및 원하는 두께의 스프링을 보다 용이하게 형성할 수 있다.On the other hand, through the cross-sectional view (B-B ') showing the cross section of the outer spring structure, it can be confirmed the outer spring structure. As shown in the cross-sectional view B-B ', the outer spring structure includes an upper silicon layer 410, an interlayer insulating film 420, and a lower silicon layer 430. In contrast, as shown in FIG. 4, the inner spring structure consists only of the upper silicon layer. A buried oxide layer (BOX) is used as the interlayer insulating film 420 (ie, an SOI wafer in which an insulating film is formed between the upper silicon layer and the lower silicon layer is used in the present invention). In addition, by using the substrate 440 as a glass substrate, that is, by using a silicon on glass (SiOG) structure, a driving electrode and a spring having a desired thickness may be more easily formed in the lower silicon layer.

도 5는 도 4에 도시된 MEMS 미러를 미러 플레이트와 함께 도시한 도면으로서, 도 5a, 도 5b, 도 5c는 각각 평면도, 배면도, 단면도를 나타내는 도면이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 미러 플레이트(510)는 기판에 대해 플로팅 상태를 유지하여 빗살형 구동부에서 발생하는 정전 구동력에 의해 자유롭게 회전할 수 있게 된다.FIG. 5 is a view showing the MEMS mirror shown in FIG. 4 together with a mirror plate, and FIGS. 5A, 5B, and 5C are plan views, rear views, and cross-sectional views, respectively. As can be seen from FIG. 5, the mirror plate 510 can be freely rotated by the electrostatic driving force generated by the comb-shaped drive unit while maintaining the floating state with respect to the substrate.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 미러의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서, 도 6a는 X-축의 회전을 나타내는 도면이고, 도 6b는 Y-축의 회전을 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 구동 전압으로서 100V DC 전압이 인가될 경우에, X-축 방향으로는 6.11도까지, Y-축 방향으로는 6.72도까지 회전하는 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과는, 서로 직교하는 X-축 및 Y-축에 대하여 거의 독립적으로 구동 가능하면서도 큰 회전 변위(X-축 전체에 대하여 12.22도(6.11도 x 2), Y-축 전체에 대하여 13.44도(6.72도 x 2))를 만든 것으로 해석될 수 있는데, 정전력을 이용할 경우 제조가 용이하고 전력 소모가 작다는 점을 고려하면 본 발명의 응용 범위가 매우 다양할 수 있을 것으로 판단된다.6 is a view showing a simulation result of the MEMS mirror according to an embodiment of the present invention, Figure 6a is a view showing the rotation of the X-axis, Figure 6b is a view showing the rotation of the Y-axis. As shown in FIG. 6, when 100 V DC voltage was applied as the driving voltage, the result was rotated to 6.11 degrees in the X-axis direction and 6.72 degrees in the Y-axis direction. This results in a large rotational displacement (12.22 degrees (6.11 degrees x 2) for the entire X-axis, 13.44 degrees for the entire Y-axis) while being able to drive almost independently with respect to the X- and Y-axis orthogonal to each other. (6.72 degrees x 2)), it can be interpreted that the application range of the present invention can be very diverse considering the ease of manufacture and low power consumption when using the electrostatic power.

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, 입력 구동 전압에 대응하여 특정 각도로 움직이도록 아날로그 방식으로 제어할 수 있고, 큰 각 변위의 구현이 가능하며, 채움-인자가 크게 향상된 독립적 2-축 구동 MEMS 미러를 정전력을 이용하여 구현할 수 있다.According to the present invention, it can be driven independently in the first axis direction and the second axis direction orthogonal to each other, can be controlled in an analog manner to move at a specific angle in response to the input driving voltage, the implementation of a large angular displacement It is possible to implement an independent two-axis driven MEMS mirror with significantly improved fill-factor using constant power.

Claims (3)

정전력(electrostatic force)을 이용한 독립적 2축-구동 초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS) 미러로서,As an independent two-axis-drive Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) mirror using electrostatic force, 기판;Board; 상기 기판 상에 마련되는 하부 실리콘층;A lower silicon layer provided on the substrate; 상기 하부 실리콘층 상에 마련되는 층간절연막;An interlayer insulating film provided on the lower silicon layer; 상기 층간절연막 상에 마련되는 상부 실리콘층;An upper silicon layer provided on the interlayer insulating film; 상기 상부 실리콘층 상에 마련되는 미러 플레이트(mirror plate)를 포함하되,Includes a mirror plate (mirror plate) provided on the upper silicon layer, 상기 하부 실리콘층 또는 상기 상부 실리콘층 중 하나는 구동 전압이 인가되는 구동부층이고, 나머지 하나는 접지 전압이 인가되는 접지층(ground layer)이며,One of the lower silicon layer or the upper silicon layer is a driver layer to which a driving voltage is applied, and the other is a ground layer to which a ground voltage is applied. 상기 구동부층은, 제1 축 방향으로 제1 전극, 상기 제1 전극과 접속된 제1 스프링 구조, 상기 제1 스프링 구조와 접속된 제1 빗살형 핑거(comb finger), 및 제2 전극, 상기 제2 전극과 접속된 제2 스프링 구조, 상기 제2 스프링 구조와 접속된 제2 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하고, 상기 제1 축 방향과 직교하는 제2 축 방향으로 제3 전극, 상기 제3 전극과 접속된 제3 빗살형 핑거, 및 제4 전극, 상기 제4 전극과 접속된 제4 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하며,The driving unit layer may include a first electrode, a first spring structure connected with the first electrode, a first comb finger connected with the first spring structure, and a second electrode in the first axial direction, A second spring structure connected with a second electrode, a second comb-shaped finger connected with the second spring structure in a symmetrical form, and having a third electrode in a second axial direction orthogonal to the first axial direction; A third comb-shaped finger connected with a third electrode, and a fourth electrode, and a fourth comb-shaped finger connected with the fourth electrode in a symmetrical form, 상기 접지층은, 상기 제1 축 방향으로 상기 제1 스프링 구조와 대응하는 제3 스프링 구조, 상기 제1 빗살형 핑거와 대응하는 제5 빗살형 핑거, 및 상기 제2 스프링 구조와 대응하는 제4 스프링 구조, 상기 제2 빗살형 핑거와 대응하는 제6 빗살형 핑거를 대칭적인 형태로 포함하고, 상기 제2 축 방향으로 상기 제3 빗살형 핑거와 대응하는 제7 빗살형 핑거, 제5 스프링 구조, 및 상기 제4 빗살형 핑거와 대응하는 제8 빗살형 핑거, 제6 스프링 구조를 대칭적인 형태로 포함하며,The ground layer may include a third spring structure corresponding to the first spring structure, a fifth comb-like finger corresponding to the first comb-like finger, and a fourth spring structure corresponding to the second spring structure in the first axial direction. A spring structure, a seventh comb-like finger corresponding to the second comb-like finger in a symmetrical form, and corresponding to the third comb-like finger in the second axial direction, a fifth spring structure And an eighth comb-like finger corresponding to the fourth comb-like finger, a sixth spring structure in a symmetrical form, 상기 접지층은, 상기 제3 스프링 구조, 상기 제4 스프링 구조, 상기 제5 스프링 구조, 상기 제6 스프링 구조, 상기 제7 빗살형 핑거 및 상기 제8 빗살형 핑거와 각각 접속되는 외부 짐벌(gimbal)과, 상기 제5 스프링 구조, 상기 제6 스프링 구조, 상기 제5 빗살형 핑거 및 상기 제6 빗살형 핑거와 각각 접속되는 내부 짐벌을 더 포함하고, 상기 구동부층은 상기 내부 짐벌과 대응하는 제2 내부 짐벌을 더 포함하며,The ground layer has an external gimbal connected to the third spring structure, the fourth spring structure, the fifth spring structure, the sixth spring structure, the seventh comb-shaped finger, and the eighth comb-type finger, respectively. And an inner gimbal connected to the fifth spring structure, the sixth spring structure, the fifth comb-shaped finger, and the sixth comb-type finger, respectively, wherein the driving unit layer corresponds to the inner gimbal. Further includes 2 internal gimbals, 상기 제1 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제5 빗살형 핑거, 상기 제2 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제6 빗살형 핑거, 상기 제3 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제7 빗살형 핑거, 및 상기 제4 빗살형 핑거와 대응하는 상기 제8 빗살형 핑거는 각각 빗살형 구동부(comb actuator)를 형성하며,The fifth comb-like finger corresponding to the first comb-like finger, the sixth comb-like finger corresponding to the second comb-like finger, the seventh comb-like finger corresponding to the third comb-like finger, and the A fourth comb-type finger and the eighth comb-type finger each form a comb actuator, 상기 미러 플레이트는 상기 상부 실리콘층의 상기 내부 짐벌 또는 상기 제2 내부 짐벌 상에 마련되며, 상기 내부 짐벌 또는 상기 제2 내부 짐벌은 상기 기판에 대하여 플로팅(floating) 상태를 유지하는 MEMS 미러.And the mirror plate is provided on the inner gimbal or the second inner gimbal of the upper silicon layer, and the inner gimbal or the second inner gimbal maintains a floating state with respect to the substrate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판은 유리 기판(glass substrate)인 MEMS 미러.And the substrate is a glass substrate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 각각의 빗살형 구동부는 자기-정렬(self-alignment)에 의해 형성되는 MEMS 미러.And each comb-shaped drive is formed by self-alignment.
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