KR100871268B1 - 써멀 마이크로 전기 기계 액추에이터 및 이를 위한 평면외 액추에이션 방법 - Google Patents

Abstract

평면외 써멀 버클빔 마이크로 전자 기계 액추에이터는 반도체 재료(예컨대 실리콘)의 평면 기판상에 형성된다. 상기 액추에이터는 상기 기판에 고정된 제 1 및 제2 앵커와 상기 앵커들 사이에 고정된 복수의 신장된 써멀 버클빔을 포함한다. 버클빔은 폴리실리콘과 같은 반도체 재료로 형성된다. 일실시예에서는, 버클빔은, 각 버클빔에 고정된 프레임 베이스, 및 일단에서 프레임 베이스에 접속되고 액추에이터가 작동될 때에 평면외로 선회하는 자유단을 포함하는 하나 이상의 피봇 아암을 포함하는 피봇 프레임에 의해 함께 접속된다. 전류원은 앵커를 경유하여 써멀 버클빔을 통해 전류를 보내 버클빔의 열팽창을 부여함으로써 버클빔이 기판의 평면 외부로(즉, 기판으로부터 벗어나) 휘어지게 된다. 몇몇 실시예는, 작동될 때에 버클빔이 기판으로부터 벗어나 이동하도록 하는 평면외 버클 바이어스를 포함할 수 있다.

써멀 평면외 버클빔 액추에이터, 마이크로 전기 기계, MEMS 액추에이터, 버클빔

Description

써멀 마이크로 전기 기계 액추에이터 및 이를 위한 평면외 액추에이션 방법{THERMAL OUT-OF-PLANE BUCKLE-BEAM ACTUATOR}

도 1-15는 마이크로 전자 기계 장치를 제조하기 위한 종래의 공지의 일반적인 다중 사용자 MEMS 공정의 단면도로서, 종래기술의 구조 및 공정을 선명하게 도시하기 위해 그물모양의 음영을 생략하고 도시한 도면.

도 16은 본 발명에 따른 마이크로 전자 기계 평면외 써멀 버클빔 액추에이터의 평면도.

도 17은 이완상태에 있는 도 16의 액추에이터의 측면도.

도 18은 작동상태에 있는 도 16의 액추에이터의 측면도.

도 19는 버클빔이 기판으로부터 휘어지는 바이어스 또는 경향을 제공하는 바이어스를 갖는 이완상태의 버클빔을 도시한 확대 측면도.

도 20은 버클빔이 기판으로부터 휘어지는 바이어스 또는 경향을 제공하는 바이어스를 갖는 작동상태의 버클빔을 도시한 확대 측면도.

도 21은 복수의 액추에이터를 갖는 마이크로 전자 기계 평면외 버클빔 액추에이터 조립체의 전형적인 실시예의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

50 : 액추에이터 52, 54 : 구조 앵커

56 : 버클빔 60, 62 : 베이스단

64 : 피봇 프레임 66 : 프레임 베이스

74 : 자유단 80 : 전류원

86 : 셔터 90 : 이격 패드

120 : 미러

본 발명은 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 액추에이터(actucator)에 관한 것으로, 특히 주울 가열(Joule heating)에 의해 작동되는 써멀 MEMS 액추에이터에 관한 것이다.

MEMS 액추에이터는 종래의 반도체(예컨대 CMOS) 제조 공정에 의해 반도체 기판 상에 형성된 초소형 소자에 대한 제어를 제공한다. MEMS 시스템 및 액추에이터는 때로 마이크로머신 시스템 온 칩(micromachined systems-on-a-chip)이라 불린다.

종래의 MEMS 액추에이터 중 하나는 정전(electrostatic) 액추에이터 또는 콤(comb) 드라이브이다. 통상, 이런 액추에이터는 각각이 기판에 평행한 평면에 정렬된 복수의 콤 핑거(comb finger)를 구비한 두개의 콤 구조를 포함한다. 두개의 콤 구조의 핑거는 서로 맞물려 있다. 상기 콤 구조에 인가된 전위차는 이들 사이에 정전 상호작용을 확립하고, 이에 의해 상기 콤 구조 사이에 인력과 척력이 미친다.

정전 액추에이터의 장점은, 이들이 낮은 전류를 필요로 하여, 작동에너지가 작고 비교적 높은 주파수 응답을 갖는다는 점이다. 단점은, 이들이 높은 구동전압(예컨대, 수십 또는 수백 볼트)과 넓은 영역을 필요로 하고 낮은 출력을 제공한다는 점이다. 마이크로구조의 배치에 이용되는 콤 드라이브 (정전) 액추에이터는 전형적으로 이들이 배치하는 장치의 영역의 수배를 점유한다. 또한, 정전 액추에이터를 동작시키는 데 필요한 고전압(예컨대, 수십 또는 수백 볼트)은 종래의 논리 및 저전압 전자장치와 양립 불가능하여 통합될 수 없다.

의사 바이모르프(pseudo-bimorph) 써멀 액추에이터는 이 정전 액추에이터의 대안이다. 이들 액추에이터는 두개의 상이한 크기의 폴리실리콘 아암(polysilicon arms)의 차등 열팽창을 이용하여 기판에 평행한 원호(arc)로 휘는 의사 바이모르프를 생성한다. 이런 써멀 액추에이터는 콤 드라이브 액추에이터보다 단위부피당 훨씬 더 큰 힘(100-400배)을 생성하고 매우 작은 전압으로 동작할 수 있다. 이런 액추에이터는 액추에이터의 평면에서의 스위핑(sweeping) 또는 원호동작에 한정된다.

본 발명은 반도체 재료(예컨대, 실리콘)의 평면 기판상에 형성된 평면외 써멀 버클빔 마이크로 전기 기계 액추에이터(out-of-plane thermal buckle-beam microelectrical mechanical actuator)를 포함한다. 이 액추에이터는 상기 기판에 고정된 제 1 및 제 2 앵커와, 이들 앵커 사이에 고정된 복수의 신장된(elongated) 써멀 버클빔(thermal buckle beams)을 포함한다. 이 버클빔은 폴리실리콘과 같은 반도체 재료로 형성된다. 일실시예에서는, 이 버클빔은 각 버클빔에 고정된 프레임 베이스, 및 일단에서 프레임 베이스에 접속되고 액추에이터가 작동될 때에 평면외로 선회하는 자유단을 포함하는 하나 이상의 피봇 아암을 포함하는 피봇 프레임(pivot frame)에 의해 함께 접속된다. 전류원은 앵커를 경유하여 써멀 버클빔을 통해 전류를 보내 버클빔의 열팽창을 부여하고 따라서 기판의 평면밖으로 (즉, 기판으로부터 벗어나) 휘어지는 동작을 부여한다. 몇몇 실시예는, 작동될 때에 버클빔이 기판으로부터 벗어나 이동하기 쉬운 평면외 버클 바이어스를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 액추에이터는 종래의 써멀 액추에이터와 거의 동등한 힘을 갖는 평면외 운동(out-of-plane motions)을 제공한다. 실리콘의 저항성으로 인해, 액추에이터는 표준 집적회로(예컨대 CMOS)와 호환 가능한 전압 및 전류에서 동작하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 액추에이터는 면적이 매우 작고, 비교적 큰 힘을 갖는다. 이 전기적으로 자극된 움직임은 마이크로 모터, 광 주사장치, MEMS 광 전개 메커니즘, 및 마이크로 규모의 기계적 움직임을 필요로 하는 다른 분야에서 이용될 수 있다.

본 발명의 추가의 목적 및 장점은 첨부도면을 참조하여 그 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, MUMP 공정을 이용한 마이크로 기계장치의 일반적인 제조공정에 대해 도 1-15를 참조하여 설명한다.

MUMP 공정은 원하는 물리적 구조를 생성하도록 에칭된 3층의 등각(conformal) 폴리실리콘을 제공한다. 제 1 층인 POLY 0은 지지 웨이퍼에 접속되고, 각각 제 2 층과 제 3 층인 POLY 1과 POLY 2는, 층들을 분리하고 공정동안에 제거되는 희생층을 이용하여 하부 구조로부터 분리될 수 있는 기계층이다.

첨부도면은 MEMS Technology Applications Center(3021 Cornwallis Road, Research Triangle Park, North Carolina)에 의해 제공된 것으로서 마이크로 모터를 형성하는 일반적인 공정을 도시한다.

MUMP 공정은 100mm의 n형 실리콘 웨이퍼(10)로 시작한다. 이 웨이퍼 표면은 POCl₃를 도펀트 소스로서 사용하여 표준 확산로에서 인광체(phosphorus)로 다량 도핑된다. 이는 상기 웨이퍼상에 뒤이어서 장착되는 정전장치로부터 실리콘으로의 전하 피드스루(feed-through)를 감소시킨다. 다음에, 600nm의 저 응력 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 질화실리콘층(12)이 전기적 격리층으로서 실리콘상에 증착된다. 상기 실리콘 웨이퍼와 질화실리콘층은 기판을 형성한다.

다음에, 500nm의 LPCVD 폴리실리콘막(POLY 0(14))이 상기 기판상에 증착된다. 그후 POLY 0 층(14)은 포토리소그래피, 즉 POLY 0 층을 포토레지스트(16)로 코팅하는 단계, 이 포트레지스트를 마스크(도시되지 않음)로 노출시키는 단계, 및 노출된 포트레지스트를 현상하여 POLY 0 층으로의 차후의 패턴 전사를 위해 원하는 에치 마스크를 생성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 패터닝된다(도 2). 포토레지스트를 패터닝한 후, POLY 0 층(14)은 RIE(Reactive Ion Etch) 시스템에서 에칭 된다(도 3).

도 4를 참조하면, 2.0㎛의 PSG(phosphosilicate glass) 희생층(18)이 LPCVD에 의해 POLY 0 층(14) 및 질화층(12)의 노출부 상에 증착된다. 여기서 제 1 산화층이라 불리는 이 PSG층은 공정의 끝에서 제거되어 폴리실리콘의 제 1 기계층인 POLY 1(이하에서 설명됨)을 그 하부 구조, 즉 POLY 0 및 질화실리콘층으로부터 자유롭게 한다. 이 희생층은 DIMPLES 마스크로 리소그래피에 의해 패터닝되어 750nm의 깊이로 RIE(도 5)에 의해 제 1 산화층에서 딤플(dimple)(20)을 형성한다. 그후 이 웨이퍼는 제 3 마스크층인 ANCHOR1로 패터닝되고 에칭되어(도 6) 제 1 산화층을 통해 POLY 0 층까지 연장하는 앵커 홀(22)을 제공한다. ANCHOR 1 홀은 다음 단계에서 POLY 1 층(24)에 의해 충전될 것이다.

ANCHOR1 에치 후에, 폴리실리콘의 제 1 구조층(POLY 1)(24)이 2.0㎛의 두께로 증착된다. 그후 얇은 200nm의 PSG 층(26)이 POLY 1 층(24) 상에 증착되고 웨이퍼가 어닐링되어(도 7) POLY 1 층을 PSG 층으로부터 인광체로 도핑한다. 이 어닐링은 또 POLY 1 층에서 응력을 감소시킨다. POLY 1 및 PSG 마스킹층(24, 26)은 리소그래피에 의해 패터닝되어 POLY 1 층의 구조를 형성한다. POLY 1 층을 에칭한 후(도 8), 포토레지스트가 제거되고 잔여 산화 마스크가 RIE에 의해 제거된다.

POLY 1 층(24)이 에칭된 후, 제 2 PSG 층(이하, "제 2 산화층")(28)이 증착된다(도 9). 제 2 산화층은 상이한 목적물을 갖는 두개의 상이한 에치 마스크를 이용하여 패터닝된다.

먼저, POLY1_POLY2_VIA 에치(부재번호 30)는 제 2 산화층에서 POLY 1 층(24) 까지 에치 홀을 제공한다. 이 에치는 POLY 1 층과 다음의 POLY 2 층 사이의 기계적 및 전기적 접속을 제공한다. POLY1_POLY2_VIA 층은 리소그래피에 의해 패터닝되고 RIE에 의해 에칭된다(도 10).

두번째로, ANCHOR2 에치(부재번호 32)가 제 1 및 제 2 산화층(18, 28)과 POLY 1 층(24)을 한 단계에서 에칭하도록 제공된다(도 11). ANCHOR2 에치를 위해, 제 2 산화층은 POLY1_POLY2_VIA 에치에서와 동일한 방식으로 리소그래피에 의해 패터닝되고 RIE에 의해 에칭된다. 도 11은 POLY1_POLY2_VIA 및 ANCHOR2 에치가 완료된 후의 웨이퍼 단면을 도시한다.

그후 제 2 구조층인 POLY 2(34)가 1.5㎛의 두께로 증착된 다음에 200nm의 PSG가 증착된다. 그후 웨이퍼가 어닐링되어 POLY 2 층을 도핑하고 그 잔여 막 응력을 감소시킨다. 다음에, POLY 2 층은 제 7 마스크로 리소그래피에 의해 패터닝되고 PSG와 POLY 2 층은 RIE에 의해 에칭된다. 그후 포토레지스트가 제거될 수 있고 마스킹 산화물이 제거된다(도 13).

MUMP 공정에서의 최종 증착층은 프로빙, 본딩, 전기적 라우팅, 및 고 반사 미러면을 제공하는 0.5㎛의 금속층(36)이다. 이 웨이퍼는 제 8 마스크로 리소그래피에 의해 패터닝되고 상기 금속이 리프트 오프(lift-off) 기술을 이용하여 증착되고 패터닝된다. 최종적인 미제거의 전형적인 구조가 도 14에 도시된다.

최종적으로, 웨이퍼에 대해 공지의 방법을 이용하여 희생층 제거 및 테스트를 수행한다. 도 15는 희생 산화층이 제거된 후의 장치를 도시한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치는 상술한 단계에 따라 MUMP 공정에 의 해 제조된다. 그러나, 본 발명의 장치는 도 1-15의 일반적인 공정에서 도시된 특정 마스크를 채용하지 않고 본 발명의 구조에 특정한 마스크를 채용한다. 또한, MUMP 공정에 대한 상기 단계들은 MEMS Technology Applications Center의 지시에 따라 변경될 수도 있다. 상기 제조공정은 본 발명의 일부가 아니고 본 발명을 구성하는 데 사용될 수 있는 몇가지 공정 중의 하나일 뿐이다.

도 16은 본 발명에 따른 마이크로 전기 기계 평면외 써멀 버클빔 액추에이터(50)의 평면도이다. 액추에이터(50)는 기판(예컨대, 기판(10) 또는 질화층(12), 도시되지 않음)에 고정된 한쌍의 구조 앵커(52, 54), 및 베이스 단(60, 62)에서 앵커(52, 54)에 각각 고정된 하나 이상의 써멀 버클빔(56)(다수 도시됨)을 포함한다. 버클빔(56)은 실질적으로 동일하고 기판에 대해 실질적으로 평행하게 연장하며 기판으로부터 이격되어 있고 앵커(52, 54)에 부착되어 있는 것을 제외하고는 기판에 부착되어 있지 않다.

피봇 프레임(64)은, 일실시예에서 버클 빔 중간지점(대시선(70)으로 표시)과 앵커(52, 54) 중 하나(예컨대, 앵커(54)) 사이에 위치한 접속점(68)에서 버클빔(56)에 확실히 고정된 프레임 베이스(66)를 포함한다. 피봇 프레임(64)은 일단에서 프레임 베이스(66)에 접속되고 액추에이터(50)가 작동될 때에 평면외로 선회하는 자유단(free end)(74)으로 연장하는 하나 이상의 피봇 아암(72)(두개 도시됨)을 더 포함한다. 피봇 프레임(64)은 이완되어, 프레임 베이스(66)가 접속점(68)에 확실히 고정된 것을 제외하고는 자유롭게 이동한다. 도 17은 피봇 프레임(64)이 대체로 버클빔(56)과 평행하거나 동일평면에 있는 상태를 보여주는 이완상태에서의 액추에이터(50)의 측면도이다.

구조 앵커(52, 54) 및 버클빔(56)은 전기적으로 반도전성이고 양의 열팽창특성계수를 갖는다. 예를 들어, 버클빔(56)은 실리콘으로 형성된다. 액추에이터(50)는 전류가 전류원(80)으로부터 각각 전기적 도전 접속기(82, 84) 및 구조 앵커(52, 54)를 경유하여 버클빔(56)을 통과할 때에 작동된다. 인가된 전류는 버클빔(56)의 오옴 또는 줄열을 유도하고, 이에 의해 이들이 실리콘의 양의 온도팽창계수에 기인하여 길이방향으로 팽창하게 된다. 앵커(52, 54)가 버클빔(56)의 베이스단(60, 62)을 제한하면, 팽창하는 버클빔(56)은 결국 기판으로부터 휘어진다. 일실시예에서, 버클빔(56)은 두께(기판에 수직방향)보다 큰 폭(기판에 평행한 방향)을 갖는 넓어진 애스펙트비(aspect ratio)를 갖도록 형성되어 기판에 평행하게 휘어지지 않는 바이어스 또는 경향을 제공한다. 예컨대, 버클빔(56)은 폭이 3㎛이고 두께가 2㎛인 3:2의 넓어진 단면 애스펙트비와 194㎛의 길이를 갖는다. 도 18은 버클빔(56)의 평면외 휘어짐을 보여주는 작동상태에서의 액추에이터(50)의 측면도이다.

액추에이터(50)의 작동상태에서의 기판으로부터의 버클빔(56)의 휘어짐은 피봇 프레임(64)의 자유단(74)이 기판으로부터 떨어져 선회하게 한다. 피봇 프레임(64)은 프레임 베이스(66)에 대해 회전하고, 이것은 또 버클빔(56)에 의해 기판으로부터 들어올려진다. 그 결과, 자유단(74)은 이동하고 기판으로부터 떨어져 외부로 피봇 또는 회전력을 미친다. 작동 전류가 중지되면, 버클빔(56)은 냉각되어 수축하고, 이로 인해 피봇 프레임(64)의 자유단(74)이 그 초기 위치로 복귀한다. 피봇 프레임(64)의 이러한 회전 편향은, 마이크로 광 장치에서 사용되는 것처럼, 다른 마이크로 기계 구조의 평면외 전개를 제공하는 것을 포함하여, 다양한 응용에서 이용될 수 있다. 예컨대, 도 16-18에서 도시된 실시예에서는, 미러(86)는 자유단(74)에 확실히 고정되어 피봇 프레임(64)과 함께 선회하여 액추에이터(50)가 그 이완 또는 작동상태에 있는지에 따라 선택적으로 광을 편향시킨다.

버클빔(56)의 넓어진 애스펙트비는 일반적으로 버클빔이 기판에 평행하게 휘는 것을 방지한다. 이런 바이어스 또는 경향이 없으면, 기판에 수직방향으로의 버클빔(56)의 휘어짐(예컨대 도 18)은 자의적으로 기판으로부터 벗어나거나 기판쪽으로 향하여 발생할 수 있는데, 액추에이터(50)의 동작을 위해서는 기판으로부터 벗어나는 것이 필요하다. 이에 따라, 도 19 및 도 20은, 버클빔(56)이 기판쪽으로 향하기 보다는 기판으로부터 벗어나는 바이어스 또는 경향을 제공하는 바이어스를 도시한다.

도 19는 버클빔(56)의 중간 부근에서 기판(10)(예컨대, 질화층(12))에 부착되어 연장된 이격 패드(90) 위에 이완상태의 전형적인 버클빔(56)이 연장되어 도시된 확대 측면도이다. 간명하게 도시하기 위해 피봇 프레임은 도시되어 있지 않다. 도 20은 작동상태의 전형적인 버클빔(56)을 도시한 확대 측면도이다. 예를 들면, 이격 패드(90)는 0.5㎛의 두께를 갖는 P0 층으로 형성될 수 있고, 버클빔(56)은 상이한(고정되지 않은) 층으로 형성될 수 있다. 이격 패드(90)는 구조물의 등각 성질에 기인하여 각각의 버클빔(56)에 있는 작은(예컨대, 0.5㎛) 혹 또는 굴절부(94)를 밀어낸다. 또한, 딤플(92)은 버클빔(56)의 각 말단 근처에 형성된다. 딤플(92)은, 도시된 바와 같이, 버클빔(56)의 바닥면으로부터 연장된 돌출부 또는 딤플로서, 또는 그 상단면으로의 오목부로서, 또는 두가지 모두로서 형성될 수도 있다. 예컨대, MUMP 실시예에서는, 딤플(92)은 2㎛의 poly 1 층에서 0.5㎛ 오목하고 기판에는 접촉하지 않은 형상으로 형성될 수도 있다.

이격 패드(90) 및 딤플(92)은 버클빔(56)이 기판으로부터 휘어지게 하고 버클빔(56)과 기판(예컨대, 질화층(12)) 사이의 스틱션(stiction)을 감소시킨다. 전형적인 액추에이터(50)에서의 복수의 버클빔(56)에 대해, 별개의 이격 패드(90)가 각 버클빔(56)을 위해 형성될 수도 있고 또는 이격 패드(90)가 모든 버클빔(56) 아래에 연장된 단일의 연속패드로서 형성될 수도 있음이 이해될 것이다. 이격 패드(90) 및 딤플(92)은, 개별적으로 또는 함께, 버클빔(56)에 대해 홀로 사용되거나 넓어진 애스펙트비로 사용되어 버클빔이 기판으로부터 휘어지는 바이어스 또는 경향을 제공할 수 있다.

초기 실험에서는, 액추에이터(50)는 기판에 대해 적어도 약 15도만큼 피봇 프레임(64)의 선회 또는 편향을 제공할 수 있음을 보여줬다. 일실시예에서는, 버클빔 중간지점과 앵커(52, 54) 중 하나와의 사이의 중간지점인 접속점(68)에 프레임 베이스(66)를 고정시키는 것은 피봇 프레임(64)의 가장 큰 선회 또는 편향을 제공한다. 이런 접속점(68)은 빔이 휘어져서 피봇 프레임(64)의 가장 큰 굴절을 제공할 때의 빔(56) 내의 굴절지점에 해당한다.

일반적으로, 본 발명은 양의 온도팽창계수를 갖고 오옴열에 대해 전류를 전달할 수 있는 하나 이상의 고정해제층을 포함하는 임의의 제조공정에 적용가능하다. 또한, 액추에이터 및 그 연관된 도체가 전류 및 열을 처리할 수 있고 빔이 열을 신속히 방출할 수 있기만 하면 버클빔(56)의 수에 대한 이론상의 제한이 없다. 일실시예에서는, 회복불가능한 손상을 일으킬 수 있는 자체 어닐링을 방지하기 위해 가열온도는 800℃ 미만으로 유지되었다.

앵커(52, 54) 뿐만 아니라 버클빔(56)은 앵커(52, 54)가 부착된 상태에서 해제 가능한 MUMP 폴리실리콘층의 어느 하나 또는 둘 모두로부터 제조될 수 있다. 이러한 MUMP 실시예에서는, 액추에이터(50)는 가능한 두께인 1.5, 2.0, 또는 3.5㎛를 가질 수 있다. 폴리실리콘의 저항은 액추에이터가 표준 집적회로(예컨대 CMOS)와 양립가능한 전압 및 전류에서 동작하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 액추에이터는 영역이 매우 작고 비교적 큰 힘을 갖는다.

몇몇 동작모드에서, 미러(86) 및 피봇 프레임(64)은 프레임 베이스(66)에 대해 진동하는 진자를 형성할 수 있고, 이는 액추에이터(50)가 공진 발진기로서 동작하게 한다. 일실시예에서는, 이런 공진모드는 14kHz에서 발생하고 이완상태에 비해 약 25도에서 미러(86)의 최대 편향을 제공한다. 이 모드에서, 버클빔(56)은 정상상태에 가까운 휨 위치인 것으로 보여, 미러(86) 및 피봇 프레임(64)의 고정 편향을 부여한다. 대조적으로, 이 실시예의 비공진모드에서는 액추에이터(50)는 약 2 kHz의 절반진폭 응답과 약 5도의 편향을 갖는다.

도 21은 직사각형(예컨대 정방형) 미러(104)의 인접 변과 일직선으로 서로 직교하여 위치한 복수의(예컨대 두개) 액추에이터(102A, 102B)를 갖는 마이크로 전자 기계 평면외 버클빔 액추에이터 조립체(100)의 전형적인 실시예의 평면도이다. 액추에이터(102A, 102B)의 각각은, 액추에이터(102A, 102B)가 피봇 프레임(64)과는 상이한 피봇 프레임(110A, 110B)을 포함한다는 점을 제외하고는, 상기에서 설명한 액추에이터(50)와 유사하다. 마찬가지로, 미러(120)는 미러(86)와 유사하지만, 피봇 프레임(110A, 110B)으로의 접속과 그 장착에 있어서 상이하다. 다음 설명은 액추에이터(102A)에 대한 것이지만, 액추에이터(102B)에 마찬가지로 적용가능하고, 동일한 구성요소는 동일한 부재번호로 표시하였다.

액추에이터(102A)는 기판(예컨대, 기판(10) 또는 질화층(12), 도시되지 않음)에 고정된 한쌍의 구조 앵커(52A, 54A)와, 베이스단에서 앵커(52A, 54A)에 고정된 복수의 써멀 버클빔(56A)을 포함한다. 피봇 프레임(110A)은 버클빔(56A)에 고정된 프레임 베이스(112A), 일단이 프레임 베이스(112A)에 접속되고 액추에이터(102A)가 작동될 때에 평면외로 선회하는 자유단(116A)으로 연장된 하나의 피봇 아암(114A)을 포함한다. 자유단(116A)은 미러(120)의 한쪽 구석에 부착되고, 미러는 텐던(tendon)(122)에 의해 미러 앵커(124)에 접속되고 그렇지 않으면 기판으로부터 자유롭게 된다.

액추에이터(102A)는 전류가 전류원(124A)으로부터 전기적 도전 접속기(126A, 128A) 및 구조 앵커(52A, 54A)를 각각 경유하여 버클빔(56A)을 통해 통과할 때에 작동된다. 인가된 전류는 버클빔(56A)의 오옴 또는 줄열을 유도하고, 이에 의해 버클빔이 상술한 바와 같이 실리콘의 양의 온도팽창계수에 기인하여 길이방향으로 팽창하게 된다.

액추에이터(102A, 102B)는 각각 경사축(130A, 130B)에 대해 미러(120)를 경사지게 하도록 기능한다. 각각의 전류원(124A, 124B)을 갖는 액추에이터(102A, 102B)는 별도로 동작되어 미러(120)를 경사축(130A, 130B)에 대해 자의적으로 경사지게 할 수도 있다. 조정된 동작으로, 액추에이터 조립체(100)와 미러(120)는 바코드 또는 벡터 화상 스캐너에서 스캔 제어 미러로서 채용될 수도 있고 또는 화상 형성을 위해 래스터 스캔 패턴을 제공할 수 있다.

바람직한 실시예에 대한 설명의 일부는 상술한 MUMP 제조공정의 단계에 관한 것이다. 그러나, 상술한 바와 같이, MUMP는 광범위한 MEMS 장치 설계를 수용하는 일반적인 제조공정이다. 결과적으로, 본 발명을 위해 특정적으로 설계된 제조공정은 상이한 단계, 추가의 단계, 상이한 크기 및 두께, 및 상이한 재료를 포함할 수 있을 것이다. 이런 특정 제조공정은 포토리소그래픽 공정분야의 당업자의 지식범위내에 해당하는 것이지 본 발명의 일부가 아니다.

본 발명의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예의 관점에서, 상기 상세한 실시예는 설명을 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다는 것이 인식되어야 한다. 그보다는, 다음의 특허청구범위 및 그 동등물의 사상 및 범위내에 포함될 수 있는 그러한 모든 실시예들을 본 발명으로서 주장한다.

본 발명에 따른 액추에이터는 종래의 써멀 액추에이터와 거의 동등한 힘을 갖는 평면외 운동을 제공하며, 또한 그 영역이 매우 작고, 비교적 큰 힘을 갖는다.

Claims (28)

1. 써멀 마이크로 전기 기계 액추에이터로서,

   제1 및 제2 앵커가 고정된 평면기판;

   각각이 상기 제1 및 제2 앵커에 각각 고정된 제1 및 제2 말단을 구비한 하나 이상의 신장된 써멀 버클빔;

   상기 앵커를 경유하여 상기 써멀 버클빔을 통해 전류를 보내 상기 써멀 버클빔의 열팽창을 부여하여 상기 액추에이터를 작동시키는 전기적 접속장치(electrical couplings);

   작동될 때에 상기 버클빔이 상기 기판으로부터 벗어날 수 있도록 상기 버클빔에 미리 영향을 주는 평면외 버클 바이어스(out-of-plane buckle bias) 구조; 및

   각 버클빔에 고정된 프레임 베이스, 및 한 말단에서 상기 프레임 베이스에 접속되고 상기 액추에이터가 작동될 때에 평면외로 축돌기하는(pivot) 자유 말단을 포함하는 하나 이상의 피봇 아암을 포함하는 피봇 프레임

   를 포함하는 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 피봇 프레임은 두 자유 말단을 맞닿게 한 두 개의 피봇 아암들을 포함하여 상기 액추에이터가 작동될 때에 상기 피봇 아암들이 함께 축돌기를 하는 액추에이터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 하나 이상의 버클빔 각각은 중간지점을 갖고, 상기 프레임 베이스는 상기 중간지점과 상기 앵커들 중 하나 사이의 각 버클빔에 고정되는 액추에이터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 프레임 베이스는 상기 중간지점과 상기 앵커들 중 상기 하나 사이의 중간에서 각 버클빔에 고정되는 액추에이터.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 피봇 아암은 광 반사기를 지지하는 액추에이터.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 평면외 버클 바이어스 구조는, 각 버클빔이 상기 기판에 평행한 폭과 상기 기판에 수직인 두께를 갖고 각 버클빔의 상기 폭이 상기 두께보다 더 큰, 넓어진 애스펙트비를 갖는 버클빔을 포함하는 액추에이터.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 평면외 버클 바이어스 구조는 각 버클빔 아래의 상기 기판으로부터 연장된 이격 패드를 포함하는 액추에이터.
8. 제7항에 있어서,

   상기 이격 패드는 상기 액추에이터의 모든 버클빔 아래에 연장된 단일 구조로서 형성되는 액추에이터.
9. 제1항에 있어서,

   상기 하나 이상의 버클빔의 각각은 중간지점을 갖고, 상기 평면외 버클 바이어스 구조는 각 버클빔의 상기 중간지점 아래의 상기 기판으로부터 연장된 이격 패드를 포함하는 액추에이터.
10. 제1항에 있어서,

    상기 평면외 버클 바이어스 구조는 각 버클빔의 각 말단 부근에 형성된 딤플을 포함하는 액추에이터.
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