KR100868759B1 - 멤스 디바이스 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 프레임; 상기 프레임과 동일 층에 형성되며, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결된 구동체; 및, 상기 구동체의 높이 방향의 변위를 제한하는 적어도 하나의 스토퍼(stopper);를 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스를 제공한다.
또한 본 발명은, 제1 기판 상에 제2 기판을 접착하는 단계; 상기 제1 기판을 부분적으로 제거하여 프레임과, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결된 구동체를 형성하는 단계; 및, 상기 제2 기판을 부분적으로 제거하여 상기 구동체의 높이 방향 변위를 제한하는 적어도 하나의 스토퍼를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법을 제공한다.

Description

멤스 디바이스 및 이의 제조방법{MEMS device and fabrication method of the same}
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A'를 따라 절개하여 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 A-A'를 따라 절개하여 도시한 단면도로서, 도 4a는 외부 충격에 의해 구동체가 상승하는 경우를, 도 4b는 외부 충격에 의해 구동체가 하강하는 경우를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5f 도 1의 멤스 디바이스를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 도 6의 부분 절개 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 디바이스의 사시도이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 B 부분을 확대하여 도시한 사시도로서, 도 10은 위에서 보고 도시한 도면, 도 11은 아래에서 보고 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 사시도이다.
도 14는 도 12의 C 부분을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14의 D-D'를 따라 절개하여 도시한 부분 절개 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 ...멤스 디바이스 110 ...기판
111 ...프레임 105, 106 ...마그넷
113 ...토션 스프링 115 ...구동체
120 ...구동 코일 130 ...제2 기판
132 ...스테이지 133 ...이격 컬럼
140 ...상승 제한 스토퍼 150 ...하강 제한 스토퍼
본 발명은 멤스 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구동체의 높이 방향 변위를 제한하여 외부 충격으로 인한 파손이 억제되는 멤스 디바이스와, 이의 제조방법에 관한 것이다.
근래에 디스플레이, 레이저 프린터, 정밀 측정, 정밀 가공 등 다양한 기술 분야에서 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조되는 미소 구조를 가진 멤스 디바이스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 디스플레이 분야에서 멤스 디바이스는 화면상으로 주사광을 편향 반사하기 위한 광스캐너로의 활용이 주목받고 있 다.
광스캐너로 주로 사용되는 종래의 멤스 디바이스는 프레임과, 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 소정의 회동축에 의해 연결된 구동체를 구비한다. 상기 구동체는 상기 프레임과 동일 층에 형성되고, 상기 프레임의 내측에 형성된다. 상기 멤스 디바이스에 평면 방향의 외부 충격이 가해지는 때에는 상기 구동체와 동일 층에 형성된 프레임이 상기 구동체의 과도한 평면 방향 변위를 제한하여 주므로 비교적 큰 외부 충격에 대해서도 멤스 디바이스의 파손이 억제될 수 있다. 그러나, 상기 멤스 디바이스에 높이 방향의 외부 충격이 가해지는 때에는 구동체의 높이 방향 변위를 제한해주는 구성이 없어 작은 외부 충격에도 쉽게 멤스 디바이스가 영구적으로 파손될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구동체의 높이 방향 변위를 제한하여 외부 충격으로 인한 파손이 억제되는 멤스 디바이스와, 이의 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 프레임; 상기 프레임과 동일 층에 형성되며, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결된 구동체; 및, 상기 구동체의 높이 방향의 변위를 제한하는 적어도 하나의 스토퍼(stopper);를 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스를 제공한다.
바람직하게는, 상기 스토퍼는 상기 구동체의 상향 변위를 제한하는 상승 제 한 스토퍼와 상기 구동체의 하향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상승 제한 스토퍼는 상기 프레임에 대해 고정되고, 상기 구동체의 변위가 없을 때 상기 구동체와 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하강 제한 스토퍼는 상기 구동체에 대해 고정되고, 상기 구동체의 변위가 없을 때 상기 프레임과 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 구동체 상에 고정된 스테이지를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스토퍼는 상기 스테이지와 동일 층에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 구동체의 열변형으로 인한 스테이지의 변형을 억제하기 위하여 상기 구동체와 스테이지 사이에 개재된 이격 컬럼을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동체에 상기 이격 컬럼이 결합된 영역의 주변 영역에는 상기 스테이지와 구동체 사이의 열전달을 억제하기 위한 환형 개구부가 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 스테이지의 상면에 형성된 광반사면을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동체는 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 구동체의 회동량을 감지하기 위한 정전용량 센서를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정전용량 센서는 상기 구동체의 회동에 따라 상기 구동체와 함께 회동하는 구동콤과, 상기 구동콤과 맞물리는 상보적인 위치에 고정 지지되어 상기 구동콤의 회동에 따라 증감하는 중첩면을 형성하는 고정콤을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동체는 제1 회동축을 기준으로 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 외부 가변부 및, 상기 제1 회동축과 직교하는 제2 회동축을 기준으로 상기 외부 가변부에 대해 회동 가능하며, 상기 외부 가변부의 내측에 위치한 내부 가변부를 구비하고, 상기 스토퍼는 상기 외부 가변부의 높이 방향의 변위를 제한할 수 있도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 내부 가변부의 상면에 형성된 광반사면을 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 구동체의 주변부에 권취된 구동 코일 및, 상기 구동 코일을 흐르는 전류와 교차하는 자기장을 형성하기 위한 마그넷을 더 구비할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1 기판 상에 제2 기판을 접착하는 단계; 상기 제1 기판을 부분적으로 제거하여 프레임과, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결된 구동체를 형성하는 단계; 및, 상기 제2 기판을 부분적으로 제거하여 상기 구동체의 높이 방향 변위를 제한하는 적어도 하나의 스토퍼를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 구동체 형성 단계는 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 구동체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스토퍼 형성 단계는 상기 구동체의 상향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼와 상기 구동체의 하향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 스토퍼의 일 단부가 상기 제1 기판에 대하여 이격되도록 하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제2 기판의 저면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 제2 기판을 부분적으로 제거하여 상기 구동체 상에 고정된 스테이지를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 스테이지의 상면에 광반사면을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 구동체와 스테이지 사이에 개재되는 이격 컬럼을 형성하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제2 기판의 저면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 스토퍼의 일 단부가 상기 제1 기판에 대하여 이격되도록 하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제1 기판의 상면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동체를 형성하는 단계는 제1 회동축을 기준으로 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 외부 가변부와, 상기 제1 회동축과 직교하는 제2 회동축을 기준으로 상기 외부 가변부에 대해 회동 가능하며, 상기 외부 가변부의 내측에 위치하는 내부 가변부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 내부 가변부의 상면에 광반사면을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤스 디바이스 제조방법은 상기 구동체의 주변부에 권취된 구동 코일을 형성하는 단계 및, 상기 구동 코일을 흐르는 전류와 교차하는 자기장이 형성되도록 마그넷을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동 코일 형성 단계는 상기 제1 기판의 저면을 식각하여 구동 코일용 홈을 형성하는 단계와, 상기 구동 코일용 홈에 금속을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멤스 디바이스 및, 이의 제조방법을 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A'를 따라 절개하여 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 1의 A-A'를 따라 절개하여 도시한 단면도로서, 도 4a는 외부 충격에 의해 구동체가 상승하는 경우를, 도 4b는 외부 충격에 의해 구동체가 하강하는 경우를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 디바이스(100)는 소정의 지지대에 고정되는 프레임(111)과, 상기 프레임(111)에 대해 회동축(S)을 기준으로 회동 가능하게 연결된 구동체(115)와, 상기 구동체(115) 상에 고정된 스테이지(132)를 구비한다. 상기 구동체(115)는 프레임(111)의 중앙부에 배치되며 한 쌍의 토션 스프링(113)에 의해 프레임(111)과 연결된다. 상기 프레임(111)와 구동체(115)와 토션 스프링(113)은 제1 기판(110)을 가공하여 형성되므로 동일 층에 형성된다.
상기 멤스 디바이스(100)는 상기 구동체(115)의 저면 주변부에 권취된 구동 코일(120)을 구비하고, 상기 구동 코일(120)을 흐르는 전류와 교차하는 자기장을 형성하기 위하여 상기 프레임(111)을 사이에 두고 서로 대면하게 배치된 한 쌍의 마그넷(105, 106)을 더 구비한다. 도면 참조번호 125 는 상기 구동 코일(120)에 전류를 인가하기 위하여 외부 전원과 접속되는 단자(125)이다. 상기 구동 코일(120)을 흐르는 전류와, 상기 마그넷(105, 106)에 의해 상기 구동 코일(120)의 패턴과 교차하는 방향으로 형성된 자기장의 상호 작용에 의해 상기 구동체(115)는 로렌츠 법칙에 따르는 방향으로 선회하며, 전류가 차단되면 토션 스프링(113)의 탄성 복원력에 의해 구동체(115)는 프레임(111)에 대해 평행한 상태로 복귀한다.
상기 스테이지(132)의 상면에는 광반사 물질이 적층되어 이루어진 광반사 면(135)이 구비된다. 상기 구동 코일(120)에 전류가 흐르면 상기 구동 코일(120)은 자체 저항에 의해 열팽창하며, 이로 인해 구동체(115)가 변형될 수 있다. 이러한 구동체(115)의 변형으로 인한 스테이지(132)의 변형을 억제하기 위하여 상기 스테이지(132)와 구동체(115) 사이에 이격 컬럼(133)이 개재된다. 상기 스테이지(132)와 구동체(115)는 이격 컬럼(133)의 높이(d1)만큼 이격된다. 구동체(115)의 열 변형으로 인해 스테이지(132)에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 상기 구동체(115)에 접착되는 이격 컬럼(133)의 저면은 스테이지(132)의 광반사면(135)보다 협소하게 설정된다.
상기 멤스 디바이스(100)는 구동체(115)의 높이 방향의 변위를 제한하는 스토퍼를 구비한다. 상기 스토퍼에는 구동체(115)의 상향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼(140)와, 구동체(115)의 하향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼(150)가 포함된다. 상기 스토퍼(140, 150)와 스테이지(132)는 제1 기판(110) 상에 접착되는 제2 기판(130)을 가공하여 형성되는 것이므로 동일 층에 형성된다.
상승 제한 스토퍼(140)는 프레임(111)에 접착된 고정부(139)로부터 연장되어 상기 프레임(111)에 대해 고정되어 있다. 상기 상승 제한 스토퍼(140)는 구동체(115)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 구동체(115)의 주변부와 소정 간격(d2) 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부(141)를 구비한다. 하강 제한 스토퍼(150)의 부착면(152)이 상기 구동체(115)의 상면에 접착되어 상기 하강 제한 스토퍼(150)는 구동체(115)에 대해 고정된다. 상기 하강 제한 스토퍼(150)는 구동체(115)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 프레임(111)과 소정 간격(d3) 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부(151)를 구비한다. 상기 이격 컬럼(133)의 높이(d1), 상승 제한 스토퍼(140)의 이격 간격(d2) 및, 하강 제한 스토퍼(150)의 이격 간격(d3)은 제2 기판(130)의 저면을 식각함에 의해 형성되기 때문에 상기 d1, d2 및, d3는 서로 같을 수 있다.
도 4a를 참조하면, 상기 멤스 디바이스(100)에 외부 충격이 가해져서 구동체(115)가 급격히 상승하는 경우에는 구동체(115)의 주변부가 상승 제한 스토퍼(140)의 단부(141)에 걸리게 되므로 구동체(115)의 과도한 상승이 방지된다. 또한 도 4b를 참조하면, 상기 멤스 디바이스(100)에 외부 충격이 가해져서 구동체(115)가 급격히 하강하는 경우에는 구동체(115)와 함께 하강하는 하강 제한 스토퍼(150)의 단부(151)가 프레임(111)에 걸리게 되므로 구동체(115)의 과도한 하강이 방지된다. 따라서, 외부 충격으로 인한 멤스 디바이스(100)의 파손, 특히 토션 스프링(113)의 파손이 방지된다.
도 5a 내지 도 5f 도 1의 멤스 디바이스를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 제1 기판(110)과 제2 기판(130)을 먼저 준비한다. 상기 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 가공성과 평탄도가 우수한 실리콘(Si)으로 이루어진 기판일 수 있다. 상기 제1 기판(110)의 상면은 산화시켜 절연층(117)을 형성하고, 상기 제2 기판(130)의 저면은 스테이지(132, 도 3 참조)의 간격(d1, 도 3 참조), 상승 제한 스토퍼(140, 도 3 참조)의 간격(d2, 도 3 참조) 및, 하강 제한 스토퍼(150, 도 3 참조)의 간격(d3, 도 3 참조)을 형성하기 위하여 부분적으로 식각하여 그루브(160)를 형성한다. 상기 그루브(160)의 형성 방법은 포토리소그래 피(photolithography)에 의한 패턴 형성 후 건식 또는 습식 에칭하거나 샌드블라스팅(sand blasting)하는 것을 포함하는 것으로 반도체 제조 공정에서 공지된 것이다.
도 5b를 참조하면, 상기 제1 기판(110) 상에 제2 기판(130)을 접착(bonding)한다. 상기 기판(110, 130)이 실리콘(Si)으로 이루어진 경우라면 SDB(silicon direct bonding) 방법에 의해 제1 기판(110)과 제2 기판(130)을 접착할 수 있다. 다음으로, 상기 제1 기판(110)의 두께를 구동체(115, 도 3 참조) 및 베이스(111, 도 3 참조)의 두께에 대응되게 연마하고, 제1 기판(110)의 저면을 식각하여 구동 코일용 홈(118)을 형성한다. 상기 구동 코일용 홈(118)의 형성 방법 또한, 포토리소그래피(photolithography)에 의한 패턴 형성 후 건식 또는 습식 에칭하거나 샌드블라스팅(sand blasting)하는 것을 포함한다. 다음으로, 상기 구동 코일용 홈(118)에 절연층(119)을 형성한다.
도 5c를 참조하면, 상기 구동 코일용 홈(118)에 금속, 예컨데 구리(Cu)를 적층하여 권취된 구동 코일(120)을 형성한다. 상기 구동 코일용 홈(118)에 금속 시드층(seed layer, 미도시)를 증착 후 금속을 도금(plating)하거나, 금속을 증착하여 구동 코일(120)을 형성할 수 있다.
도 5d을 참조하면, 상기 구동 코일(120)이 형성된 제1 기판(110)의 저면에 절연층(122)을 형성하고, 상기 구동 코일(120)을 외부 전원과 연결하기 위한 단자(125)를 형성한다. 또한, 상기 제2 기판(130)을 스테이지(132, 도 3 참조), 스토퍼(140, 150, 도 3 참조) 및 고정부(139, 도 3 참조)의 두께에 대응되게 연마한다. 다음으로 도 5e를 참조하면, 제1 기판(110)의 두께를 가로질러 관통되도록 상기 제1 기판(110)을 부분적으로 제거하여 프레임(111)과, 구동체(115)와 토션 스프링(113)을 형성한다. 다음으로 도 5f를 참조하면, 제2 기판(130)의 두께를 가로질러 관통되도록 상기 제2 기판(130)을 부분적으로 제거하여 스테이지(132)와, 상승 제한 스토퍼(140)와, 하강 제한 스토퍼(150)와, 고정부(139)를 형성한다.
다음으로, 상기 스테이지(132)의 상면에 금속성 광반사 물질을 적층하여 광반사면(135)을 형성한 후 마그넷(105, 106, 도 1 참조)을 상기 프레임(111)을 사이에 두고 서로 대면하게 배치한다. 이와 같이 제조된 멤스 디바이스(100)는 광스캐너(optical scanner)로서 사용된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 분해 사시도이고, 도 8은 도 6의 부분 절개 사시도이다. 또한, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 디바이스의 사시도이고, 도 10 및 도 11은 도 9의 B 부분을 확대하여 도시한 사시도로서, 도 10은 위에서 보고 도시한 도면, 도 11은 아래에서 보고 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 디바이스(200A)는 베이스(201)에 고정되는 프레임(211)과, 상기 프레임(211)에 대해 회동축(S)을 기준으로 회동 가능하게 연결된 구동체(215)와, 상기 구동체(215) 상에 고정된 스테이지(232)를 구비한다. 상기 구동체(215)는 프레임(211)의 중앙부에 배치되며 한 쌍의 토션 스프링(213)에 의해 프레임(211)과 연결된다. 상기 프레임(211)와 구동체(215)와 토션 스프링(213)은 제1 기판(210)을 가공하여 형성되므로 동일 층에 형성된다. 상기 베이스(201)는 실리콘(Si) 또는 글래스(glass)로 이루어질 수 있으며, 구동체(215)의 회동을 방해하지 않기 위해 중앙부에 개구(202)가 형성된다.
상기 구동체(215)의 저면 주변부에는 권취된 구동 코일(220)이 구비되고, 상기 프레임(211)을 사이에 두고 서로 대면하게 한 쌍의 마그넷(205, 206)이 배치된다. 상기 구동 코일(220)을 흐르는 전류와, 상기 마그넷(205, 206)에 의해 상기 구동 코일(220)의 패턴과 교차하는 방향으로 형성된 자기장의 상호 작용에 의해 상기 구동체(215)는 로렌츠 법칙에 따르는 방향으로 선회하며, 전류가 차단되면 토션 스프링(213)의 탄성 복원력에 의해 구동체(215)는 프레임(211)에 대해 평행한 상태로 복귀한다.
상기 스테이지(232)의 상면에는 광반사면(235)이 구비되며, 구동체(215)의 열변형으로 인한 스테이지(232)의 변형을 억제하기 위한 이격 컬럼(233)이 스테이지(232)와 구동체(215) 사이에 개재된다. 상기 구동체(215)에서 상기 이격 컬럼(233)이 결합된 영역의 주변 영역에는 상기 스테이지(232)와 구동체(215) 사이의 열전달을 억제하기 위한 환형 개구부(263)가 형성된다.
상기 멤스 디바이스(200A)는 구동체(215)의 상향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼(240A)와, 구동체(215)의 하향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼(250A)를 구비한다. 상기 스토퍼(240A, 250A)와 스테이지(232)는 제1 기판(210) 상에 접착되는 제2 기판(230)을 가공하여 형성되는 것이므로 동일 층에 형성된다.
상승 제한 스토퍼(240A)는 프레임(211)에 접착된 고정부(239)로부터 연장되 어 상기 프레임(211)에 대해 고정되어 있다. 상기 상승 제한 스토퍼(240A)는 토션 스프링(213)과 소정 간격 이격되어 구동체(215)의 주변부로 연장된다. 상기 상승 제한 스토퍼(240A)는 구동체(215)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 구동체(215)의 주변부와 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부(241A)를 구비한다.
하강 제한 스토퍼(250A)의 부착면(252)이 상기 구동체(215)의 상면에 접착되어 상기 하강 제한 스토퍼(250A)는 구동체(215)에 대해 고정된다. 상기 하강 제한 스토퍼(150)는 상승 제한 스토퍼(240A)를 사이에 두고 분기(分岐)되며 상기 프레임(211)을 향해 연장된 단부(251A)를 구비한다. 상기 하강 제한 스토퍼(250A)의 단부(251A)는 구동체(215)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 프레임(211)과 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐진다.
상기 멤스 디바이스(200A)에 외부 충격이 가해져서 구동체(215)가 급격히 상승하는 경우에는 구동체(215)의 주변부가 상승 제한 스토퍼(240A)의 단부(241A)에 걸리게 되므로 구동체(215)의 과도한 상승이 방지된다. 또한, 상기 멤스 디바이스(200A)에 외부 충격이 가해져서 구동체(215)가 급격히 하강하는 경우에는 구동체(215)와 함께 하강하는 하강 제한 스토퍼(250A)의 단부(251A)가 프레임(211)에 걸리게 되므로 구동체(215)의 과도한 하강이 방지된다. 따라서, 외부 충격으로 인한 멤스 디바이스(200A)의 파손, 특히 토션 스프링(213)의 파손이 방지된다.
상기 멤스 디바이스(200A)는 구동체(215)의 회동량을 감지하기 위한 정전용량 센서를 더 구비한다. 상기 정전용량 센서는 상기 하강 제한 스토퍼(150A)에서 회동축(S)과 직교하는 방향으로 연장된 복수의 구동콤(260)과 상기 프레임(211)에 고정된 다수의 고정콤(261)을 구비한다. 상기 구동콤(260)은 상기 구동체(215) 및 스테이지(232)의 회동에 따라 그 회동 각도와 같은 각도로 함께 회동한다. 상기 고정콤(261)은 상기 구동콤(260)에 맞물릴 수 있는 상보적인 위치에 고정 지지된다.
상기 고정콤(261)과 구동콤(260)은 서로에 대해 오버랩되는 중첩면을 형성하는데, 상기 구동체(215)의 회동량에 따라 그 중첩면의 면적이 변화한다. 이와 같이 중첩면이 형성되는 구동콤(260)과 고정콤(261) 사이에 소정의 전위차를 주면 구동체(215)의 회동량과 일정한 함수 관계를 갖는 정전용량을 형성한다. 따라서, 상기 구동콤(260)과 고정콤(261) 사이의 정전용량을 측정하여 구동체(215) 및 스테이지(232)의 회동량을 측정할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 디바이스(200B)는 상술한 제2 실시예에 따른 멤스 디바이스(200A)의 변형예로서, 상승 제한 스토퍼(240B) 및 하강 제한 스토퍼(250B)의 구성만 상기 제2 실시예의 멤스 디바이스(200A)와 다르고 다른 구성은 모두 동일하다. 상기 제3 실시예에 따른 멤스 디바이스(200B)의 하강 제한 스토퍼(250B)는 토션 스프링(213)이 가려지지 않게 분기(分岐)되며 상기 프레임(211)을 향해 연장된 단부(251B)를 구비한다. 상기 하강 제한 스토퍼(250B)의 단부(251B)는 구동체(215)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 프레임(211)의 단부(212)와 소정 간격 이격되도록 위로 파여진 홈부(252)와 상기 홈부(252)의 말단에 연결부(253)를 구비한다. 상기 연결부(253)에는 구동체 조각(216)이 접착된다. 상기 구동체 조각(216)은 프레임(211)과 분리되어 있기 때문에 구동체(215)의 승강 또는 회동에 따라 움직인다. 상기 상승 제한 스토퍼(240B) 는 고정부(239)로부터 상기 하강 제한 스토퍼(250B)의 연결부(253)와 마주보도록 돌출된다. 상기 상승 제한 스토퍼(240B)는 구동체(215)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 구동체 조각(216)과 소정 간격 이격되게 형성된다.
상기 멤스 디바이스(200B)에 외부 충격이 가해져서 구동체(215)가 급격히 상승하는 경우에는 상기 연결부(253)에 접착된 구동체 조각(216)이 상승 제한 스토퍼(240B)에 걸리게 되므로 구동체(215)의 과도한 상승이 방지된다. 또한, 상기 멤스 디바이스(200B)에 외부 충격이 가해져서 구동체(215)가 급격히 하강하는 경우에는 구동체(215)와 함께 하강하는 하강 제한 스토퍼(250B)의 홈부(252)가 프레임(211)에 연결되어 고정된 프레임 단부(212)에 걸리게 되므로 구동체(215)의 과도한 하강이 방지된다. 따라서, 외부 충격으로 인한 멤스 디바이스(200B)의 파손, 특히 토션 스프링(213)의 파손이 방지된다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 디바이스를 위에서 및 아래에서 보고 도시한 사시도이고, 도 14는 도 12의 C 부분을 확대하여 도시한 평면도이며, 도 15는 도 14의 D-D'를 따라 절개하여 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 디바이스(300)는 중앙부에 개구(302)가 형성된 베이스(301)와, 상기 베이스(301) 상에 접착되는 제1 기판(310)과, 상기 제1 기판(310) 상에 접착되는 제2 기판(330)을 구비한다. 상기 베이스(301)는 실리콘(Si) 또는 글래스(glass)로 이루어질 수 있으며, 제1 기판(310)과 제2 기판(330)은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 기판(310)은 상기 베이스(301)의 개구(302)에 배치되어 회동 가능 한 구동체(315)와, 상기 구동체(315)의 외곽에 형성되고, 베이스(301)에 접착 고정되는 프레임(미도시)을 구비한다. 상기 제2 기판(330)은 상기 제1 기판(310)의 프레임에 접착 고정되어 상기 프레임을 가리는 고정부(339)와, 구동체(315)의 높이 방향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼(340) 및 하강 제한 스토퍼(350)를 구비한다.
상기 구동체(315)는 제1 회동축(S1)을 기준으로 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 외부 가변부(318)와, 상기 제1 회동축(S1)과 직교하는 제2 회동축(S2)을 기준으로 상기 외부 가변부(318)에 대해 회동 가능하게 마련된 내부 가변부(316)와, 상기 내부 가변부(316)와 외부 가변부(318) 사이에 마련된 필터 가변부(317)를 구비한다. 상기 외부 가변부(318)는 제1 회동축(S1)과 같은 방향으로 연장된 한 쌍의 제1 토션 스프링(322)에 의해 제1 기판(310)의 프레임에 연결되고, 상기 필터 가변부(317)는 상기 제1 토션 스프링(322)과 같은 방향으로 연장된 한 쌍의 필터 스프링(323)에 의해 상기 외부 가변부(318)에 연결되며, 상기 내부 가변부(316)는 제2 회동축(S2)과 같은 방향으로 연장된 한 쌍의 제2 토션 스프링(324)에 의해 상기 필터 가변부(317)에 연결된다.
상기 외부 가변부(318)의 저면에는 권취된 구동 코일(320)이 구비되고, 상기 베이스(301), 제1 기판(310) 및, 제2 기판(330)을 사이에 두고 서로 대면하게 한 쌍의 마그넷(305, 306)이 배치된다. 상기 한 쌍의 마그넷(305, 306)에 의해 형성되는 자기력선의 방향은 제1 회동축(S1) 및 제2 회동축(S2)에 대해 비스듬히 기울어져 있다. 상기 구동 코일(320)에 전류를 공급하면, 마그넷(305, 306)에 의해 형성 되는 자기장과 전류 방향에 수직인 방향으로 토크가 발생한다. 이렇게 발생된 토크는 제1 회동축(S1)과 제2 회동축(S2)의 2개 성분으로 분리되어 상기 내부 가변부(316)는 제2 회동축(S2)을 기준으로 회동하며, 또한 상기 내부 가변부(316), 필터 가변부(317) 및, 외부 가변부(318)는 제1 회동축(S1)을 기준으로 회동한다. 상기 내부 가변부(316)의 상면에는 광반사면(335)이 형성되어, 상기 광반사면(335)으로 입사하는 광신호를 2축으로 분배할 수 있다.
상기 필터 가변부(317)와 필터 스프링(323)은 저주파 회동하는 외부 가변부(318)와 고주파 회동하는 내부 가변부(316)를 분리하여 고주파 노이즈로 인한 외부 가변부(318)의 불필요한 진동을 차단한다. 즉, 상기 필터 가변부(317)와 필터 스프링(323)은 저주파 통과 필터(low pass filter)를 기계적으로 구성한 것이다.
상기 상승 제한 스토퍼(340)와 하강 제한 스토퍼(350)는 상기 외부 가변부(318)의 높이 방향 변위를 제한할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 상기 상승 제한 스토퍼(340)는 상기 제2 기판(330)의 고정부(339)와 일체로 형성되며, 상기 외부 가변부(318)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 외부 가변부(318)의 주변부와 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지게 구성된다. 상기 하강 제한 스토퍼(350)는 상기 외부 가변부(318)의 상면에 접착되어 외부 가변부(318)에 대해 고정된다. 상기 하강 제한 스토퍼(350)는 외부 변동부(318)의 높이 방향 변위가 없을 때 상기 외부 변동부(318) 바깥의 프레임 주변부(312)와 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 단부(351)를 구비한다.
상기 멤스 디바이스(300)에 외부 충격이 가해져서 외부 가변부(318)가 급격 히 상승하는 경우에는 상기 외부 가변부(318)의 주변부가 상승 제한 스토퍼(340)에 걸리게 되므로 외부 가변부(318)의 과도한 상승이 방지된다. 또한, 상기 멤스 디바이스(300)에 외부 충격이 가해져서 외부 가변부(318)가 급격히 하강하는 경우에는 상기 외부 가변부(318)와 함께 하강하는 하강 제한 스토퍼(350)의 단부(351)가 상기 프레임 주변부(312)에 걸리게 되므로 상기 외부 가변부(318)의 과도한 하강이 방지된다. 상기 내부 가변부(316)는 이를 지지하는 제2 토션 스프링(324)의 강성이 커서 외부 가변부(318) 및 필터 가변부(317)에 대해 거의 승강하지 않는다. 따라서, 외부 충격에 불구하고 멤스 디바이스(300)의 파손, 특히 제1 토션 스프링(322)의 파손이 방지된다.
상기 멤스 디바이스(300)의 제조 과정은 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 디바이스(100)의 제조 과정과 유사하다. 다만, 상기 상승 제한 스토퍼(340)와 하강 제한 스토퍼(350)가, 외부 가변부(318)의 주변부와 프레임 주변부(312)에 대해 각각 소정 간격 이격되도록 하기 위하여 제1 기판(310)과 제2 기판(330)을 접착함에 앞서 상기 제2 기판(330)의 저면을 식각하는 것이 아니라, 제1 기판(310)의 상면을 소정 패턴으로 식각하여 그루브를 형성한다. 이처럼 제1 기판(310)의 상면을 식각함에 의해 제1 토션 스프링(322)과 필터 스프링(323)의 두께를 제2 토션 스프링(324)에 비해 얇게 하여 제1 토션 스프링(322)과 필터 스프링(323)의 강성을 제2 토션 스프링(324)에 비해 약하게 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명의 멤스 디바이스는 구동체의 높이 방향 변위를 제한하는 스토퍼를 구비하여, 외부 충격으로 인한 멤스 디바이스의 파손과, 이로 인한 비용 증대를 억제할 수 있다.

Claims (28)

  1. 프레임;
    상기 프레임과 동일 층에 형성되며, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결되며, 그 저면에 구동 코일을 구비한 구동체;
    상기 구동체의 상향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼; 및,
    상기 상승 제한 스토퍼와 동일 층에 형성되고, 상기 구동체의 하향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼;를 구비하고,
    상기 프레임과 상기 구동체는 제1 기판에 형성되고, 상기 상승 제한 스토퍼 및 하강 제한 스토퍼는 상기 제1 기판 상에 접착된 제2 기판에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 상승 제한 스토퍼는 상기 프레임에 대해 고정되고, 상기 구동체의 변위가 없을 때 상기 구동체와 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부를 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하강 제한 스토퍼는 상기 구동체에 대해 고정되고, 상기 구동체의 변위가 없을 때 상기 프레임과 소정 간격 이격된 상태로 겹쳐지는 일 단부를 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 구동체 상에 고정된 스테이지를 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  6. 삭제
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 구동체의 열변형으로 인한 스테이지의 변형을 억제하기 위하여 상기 구동체와 스테이지 사이에 개재된 이격 컬럼을 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 구동체에 상기 이격 컬럼이 결합된 영역의 주변 영역에는 상기 스테이지와 구동체 사이의 열전달을 억제하기 위한 환형 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 스테이지의 상면에 형성된 광반사면을 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 구동체는 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 구동체의 회동량을 감지하기 위한 정전용량 센서를 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 정전용량 센서는 상기 구동체의 회동에 따라 상기 구동체와 함께 회동하는 구동콤과, 상기 구동콤과 맞물리는 상보적인 위치에 고정 지지되어 상기 구동콤의 회동에 따라 증감하는 중첩면을 형성하는 고정콤을 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 구동체는 제1 회동축을 기준으로 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 외부 가변부 및, 상기 제1 회동축과 직교하는 제2 회동축을 기준으로 상기 외부 가변부에 대해 회동 가능하며, 상기 외부 가변부의 내측에 위치한 내부 가변부를 구비하고,
    상기 상승 제한 스토퍼와 하강 제한 스토퍼는 상기 외부 가변부의 높이 방향의 변위를 제한할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 내부 가변부의 상면에 형성된 광반사면을 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 코일을 흐르는 전류와 교차하는 자기장을 형성하기 위한 마그넷을 더 구비한 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스.
  16. 제1 기판 상에 제2 기판을 접착하는 단계;
    상기 제1 기판의 저면에 구동 코일을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판을 부분적으로 제거하여 프레임과, 상기 프레임에 대해 상대 운동 가능하게 연결되며 상기 구동 코일을 포함하는 구동체를 형성하는 단계; 및,
    상기 제2 기판을 부분적으로 제거하여 상기 구동체의 상향 방향 변위를 제한하는 상승 제한 스토퍼와 상기 구동체의 하향 방향 변위를 제한하는 하강 제한 스토퍼를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은 실리콘(Si)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 구동체 형성 단계는 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 구동체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 상승 제한 스토퍼 및 하강 제한 스토퍼의 일 단부가 상기 제1 기판에 대하여 이격되도록 하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제2 기판의 저면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 기판을 부분적으로 제거하여 상기 구동체 상에 고정된 스테이지를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 스테이지의 상면에 광반사면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  23. 제21 항에 있어서,
    상기 구동체와 스테이지 사이에 개재되는 이격 컬럼을 형성하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제2 기판의 저면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  24. 제16 항에 있어서,
    상기 스토퍼의 일 단부가 상기 제1 기판에 대하여 이격되도록 하기 위하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 접착함에 앞서 상기 제1 기판의 상면을 부분적으로 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  25. 제16 항에 있어서,
    상기 구동체를 형성하는 단계는 제1 회동축을 기준으로 상기 프레임에 대해 회동 가능하게 연결된 외부 가변부와, 상기 제1 회동축과 직교하는 제2 회동축을 기준으로 상기 외부 가변부에 대해 회동 가능하며, 상기 외부 가변부의 내측에 위치하는 내부 가변부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 내부 가변부의 상면에 광반사면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  27. 제16 항에 있어서,
    상기 구동 코일을 흐르는 전류와 교차하는 자기장이 형성되도록 마그넷을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
  28. 제16 항에 있어서,
    상기 구동 코일 형성 단계는 상기 제1 기판의 저면을 식각하여 구동 코일용 홈을 형성하는 단계와, 상기 구동 코일용 홈에 금속을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 디바이스 제조방법.
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