KR101000642B1 - Mems구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법에 관한 것으로, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)구동기(210)와, 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되는 샤프트 홀더(230)를 구비하여, 상기 MEMS구동기(210)의 작동에 의해 상기 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 연속적으로 변화시키며 상기 스프링(140)의 강성 및 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 변화시키는 것을 기술적 요지로 하여, 실시간으로 연속적인 고유 주파수 튜닝이 가능하며, 수직형 콤드라이브 기반의 공진기에 적용가능한 구조를 가지는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법에 관한 것이다.
마이크로 공진기, MEMS구동기, 스프링, 튜닝, 기계적 구속
Description
본 발명은 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MEMS구동기를 이용하여 마이크로 공진기에 구비되는 스프링을 기계적 구속함으로써 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝가능하도록 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)는 초소형 전자기계 시스템이라 번역되며, 센서, 밸브, 기어, 반사경, 액츄에이터, 전자 회로 등을 하나의 실리콘 기 판 위에 집적화한 장치, 또는 반도체 칩에 내장되는 상기와 같은 마이크로 사이즈의 극소 기계장치를 컴퓨터와 결합하는 기술을 의미한다.
MEMS 기술은 반도체 칩을 만드는 실리콘 가공기술에서 시작되었으며, 실리콘 기판에 밸브, 모터, 펌프, 기어 등의 미세 기계요소 부품을 3차원 구조로 만들기 위해서, 표면 가공 기술(surface micromachining) 뿐만 아니라, 깊은 식각을 하는 벌크 마이크로머시닝 기술(bulk micromachining) 등이 개발되었다.
마이크로 공진기는 이러한 MEMS 기술을 적용하여 고유주파수에서 작동하도록 고안된 마이크로 사이즈의 디바이스를 말하며, 마이크로 주사거울 및 센서, 필터 등에 사용된다.
마이크로 주사 거울은 원거리 통신, 의약, 생물학, 영상 처리 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 도 1은 원거리 통신에 적용되는 일예를 도시한 것으로, 4×4배열을 가지는 입력 시준기(collimator, 콜리메이터) 중 하나에서 발산되는 평행광(정보)을 4×4배열을 가지는 한쌍의 마이크로 주사 거울 세트의 공진을 이용해 다수의 출력 시준기로 전달하는 작동구조를 구현하게 된다.
도 2는 마이크로 주사 거울이 영상 처리에 적용되는 일예를 도시한 것으로, 콤(comb) 형태를 가지는 고정자(stator)와 구동자(rotor)가 수직방향으로 일정한 높이 차이를 가지고 서로 맞물린 구조를 가지는 SVC(Staggered Vertical Comb-drive)를 구동기로 하여, 고정자와 구동자에 해당되는 두 전극 사이에 전압 차이가 인가될 시, 뒤틀림 바(tortion bar)와 주사 거울이 연결된 구동자가 고정자 방향으로 인력을 받게 되면서 주사 거울이 회전, 공진하는 작동구조를 구현하게 된다.
도 3은 가스 센서에 적용되는 마이크로 공진기의 일예를 도시한 것으로, 접지전극(ground electrode)와 구동전극(driving electrode) 사이의 교류 전압에 의한 정전기력으로 외팔보 형태를 가지는 나노와이어(nanowire)가 진동하게 되며, 나노와이어가 특정 가스와 화학반응을 할 때 고유 주파수가 바뀌는 특성을 이용하여 가스 센서로 활용하게 된다.
그러나, 이러한 마이크로 공진기의 제조공정 상에 발생하는 불가피한 치수오차 및 온도나 기압 등의 작동 환경 변화로 인해 고유 주파수가 일탈하는 현상은 마이크로 공진기의 성능 및 표준화를 방해하는 요소로 작용하고 있으며, 특히 마이크로 주사거울에 있어서는, 마이크로 공진기의 일탈된 고유 주파수를 튜닝하기 위한 방법으로, 레이져 가공이나 집속 이온빔을 사용한 백금 증착을 통해 질량을 변화시키는 방법, 다결정 실리콘의 국소 증착에 의해 회전축의 강성을 변화시키는 방법 등이 개시되어 있다.
D. Joachim and L. Lin, J. Microelectromechanical Systems, vol. 12, pp. 193-200, 2003. 에 의하면, 상온의 실란(Silane) 가스 환경에서 공진기에 전기적 가열을 하고, 이를 통해 공진기에만 선택적으로 다결정 실리콘을 증착할 수 있게 함으로써, 증착된 다결정 실리콘의 질량을 조절하여 고유 주파수를 튜닝할 수 있다.
S. Enderling 외, J. Micromechanics and Microengineering, vol. 17, pp. 213-219, 2007.에 의하면, 탄화규소(SiC)와 다결정 실리콘으로 제작된 마이크로 공진기에 집속이온빔을 이용하여 백금(Pt)을 증착함으로써, 증착된 백금의 질량을 조 절하는 방법을 통해 공진기의 고유주파수를 튜닝할 수 있다.
그러나, 해당 연구 각각은, 공진기의 질량을 영구적으로 변하게 하는 후속 공정을 시행함에 따라, 기존의 고유주파수로 되돌리는 등의 반복적인 튜닝이 불가능하고, 복잡한 후속 공정을 필요로 하기 때문에 시간과 노력이 많이 소요되며, 실시간 주파수 튜닝이 불가능하여 유기적인 대처 또한 불가능하고 개별적인 후속 공정을 거쳐야 한다는 문제점이 있다.
K. Lee, L. Lin and Y. Cho, Sensors & Actuators: A. Physical, vol. 141, pp. 523-529, 2008.에 의하면, 비선형적인 형태로 제작된 콤드라이브로 인해 발생하는 정전기에 의한 강성 변화 효과를 응용하여, 인가된 전압에 따른 고유 주파수 튜닝이 가능하다.
상기 연구와 같은 정전기력에 의한 강성 변화 효과나, 국소 열 응력을 사용하는 방법 등을 통한 고유 주파수 튜닝에 의하면, 반복적인 튜닝은 가능하나, 고유 주파수를 튜닝하기 위해 높은 전압이 인가되어야 하며, 수평형 콤드라이브에 기반한 공진기에만 적용이 가능하다는 한계를 가진다.
이에 따라, 수직형 콤드라이브는, 물리적인 접촉이나 장애물 없이 큰 주사각을 구현할 수 있다는 장점으로 인해, 실질적으로 수평형 콤드라이브에 비해 보다 다양한 광학 분야 등에 응용되고 있으나, 이에 적합한 고유 주파수 튜닝 방법은 아직 개발되지 못하고 있는 실정이다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 실시간으로 연속적인 고유 주파수 튜닝이 가능하며, 수직형 콤드라이브 기반의 공진기에 적용가능한 구조를 가지는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)구동기(210)와, 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되는 샤프트 홀더(shaft-holder)(230)를 구비하여, 상기 MEMS구동기(210)의 작동에 의해 상기 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 연속적으로 변화시키며 상기 스프링(140)의 강성 및 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 MEMS구동기(210)는, 저항 발열에 의해 길이가 신장변형되는 소재로 구성되며, 종방향으로의 연장길이를 가지는 다수의 전열선(211)이 횡방향으로 연속하여 배치되고 종방향의 양단부가 고정 설치된 구조에 의해, 상기 전열선(211)의 신장 변화량에 비례하여 상기 전열선(211)의 중간부에서 횡방향으로의 선형 이 동변위를 생성하게 되는 쉐브론 전열 구동기(Chevron thermal actuator)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 샤프트 홀더(230)는, 탄성변형 소재로 구성되며, 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)의 길이방향을 따라 연장형성되고, 중간부가 상기 스프링(140)측으로 만곡된 활형상을 가지는 샤프트 홀딩 플렉셔(231);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 MEMS구동기(210)의 선형 이동변위에 연동하여 횡방향으로 선형 이동되는 접속셔틀부(241)와, 횡방향으로의 연장길이를 가지고 상기 접속셔틀부(241)와 샤프트 홀더(230)에 양단부가 각각 연결되는 시져암부(242)와, 상기 시져암부(242)의 회동 기준을 제공하는 시져고정부(243)와, 상기 접속셔틀부(241)의 횡방향 이동변위를 종방향 이동변위로 전환하여 상기 샤프트 홀더(230)에 전달가능하도록 상기 시져암부(242)에 결합되는 힌지부(244)가 구비되는 시져 연결수단(240);을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)는, 상기 MEMS구동기(210)와 접속되는 상부 실리콘층(AL); 상기 시져암부(242)와 연결형성되는 하부 실리콘층(BL); 및 상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL)을 절연시키며 일체로 연결하는 제1절연층(al);을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 시져 연결수단의 힌지부(244)는, 상기 접속셔틀부(241)와 시져암부(242)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제1힌지(244a); 상기 제1힌지(244a)에 근접한 위치에서 상기 시져암부(242)상에 횡방향으로 연장형성되어, 상기 제1힌지(244a)의 횡방향 이동에 의해 종방향으로의 이동변위를 가지게 되는 선형의 제2힌지(244b); 및 상기 제2힌지(244b)의 종방향 이동변위에 비례하여 상기 시져암부(242)의 타단부가 반대방향으로 이동되도록, 상기 시져암부(242)와 시져고정부(243)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제3힌지(244c);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 콤(comb) 형태를 가지는 고정자(stator)(111)와 구동자(rotor)(112)가 수직방향으로 높이차를 가지고 서로 맞물린 구조를 가지는 수직형 콤드라이브 구동기(comb-drive actuator)(110); 상기 콤드라이브 구동기의 구동자(112)에 연결형성되어 상기 구동자(112)에 연동하여 회전, 진동되는 주사거울(120); 일측으로의 연장길이를 가지는 선형의 형상으로, 일단부가 상기 주사거울(120)에 연결되고 타단부가 정위치 고정되는 스프링(140); 선형 또는 회전형 이동변위를 생성가능한 구조를 가지고 상기 콤드라이브 구동기(110)와 별도로 구비되는 MEMS구동기(210); 및 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 상기 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되며 상기 스프링(140)을 물리적으로 구속하거나 해제하면서 강성을 변화시키는 샤프트 홀더(230);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기를 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 샤프트 홀더(230)는, 탄성변형 소재로 구성되며, 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)의 길이방향을 따라 연장형성되고, 중간부가 상기 스프링(140)측으로 만곡된 활형상을 가지는 샤프트 홀딩 플렉셔(231);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 MEMS구동기(210)의 선형 이동변위에 연동하여 횡방향으로 선형 이동되는 접속셔틀부(241)와, 횡방향으로의 연장길이를 가지고 상기 접속셔틀부(241)와 샤프트 홀더(230)에 양단부가 각각 연결되는 시져암부(242)와, 상기 시져암부(242)의 회동 기준을 제공하는 시져고정부(243)와, 상기 접속셔틀부(241)의 횡방향 이동변위를 종방향 이동변위로 전환하여 상기 샤프트 홀더(230)에 전달가능하도록 상기 시져암부(242)에 결합되는 힌지부(244)가 구비되는 시져 연결수단(240);을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상부 실리콘층(AL), 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)과, 상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)을 상호 절연시키며 일체로 연결하는 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 구비한 DSOI(Double Silicon-On-Insulator) 웨이퍼(wafer)의 전면에 상기 상부 실리콘층(AL)의 완성형상을 포괄하는 형상으로 제1-1마스크를 형성하고, 후면에 상기 후면 실리콘층(CL)의 완성형상에 대응되는 형상으로 제1-2마스크를 형성하는 제1단계; 상기 제1-1마스크의 전면에 상기 하부 실리콘층(BL)의 완성형상에 대응되는 형상으로 제2마스크를 형성하는 제2단계; 상기 제2마스크를 기준으로 상기 제1-1마스크를 식각하여 상기 제1-1마스크의 측면경계를 상기 제2마스크에 일치시키는 제3단계; 상기 제2마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL), 제1절연층(al), 하부 실리콘층(BL)을 순차적으로 식각하여, 상기 콤드라이브 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 구동자 고정구(130), 샤프트 홀더(230)와, 상기 시져 연결수단(240)의 하부 실리콘층(BL)을 완성하는 제4단계; 상기 제2마스크를 제거하는 제5단계; 상기 제1-1마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL)을 식각하여, 상기 콤드라이브 구동기의 고정자(111), MEMS구동기(210)와, 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 상부 실리콘층(AL)을 완성하는 제6단계; 상기 제1-2마스크를 기준으로 상기 후면 실리콘층(CL)을 식각하여, 상기 콤드라이브 구동기의 고정자(111), 구동자 고정구(130), MEMS구동기(210)와, 상기 시져 연결수단의 시져고정부(243)가 고정되는 후면 실리콘층(CL)을 완성하는 제7단계; 및 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 선택적으로 식각하여, 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 제1절연층(al)을 완성하고, 상기 콤드라이브의 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 샤프트 홀더(230)와, 상기 시져 연결 수단의 시져암부(242), 힌지부(244)를 물리적 접촉없이 공중에 위치시키는 제8단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기의 제조방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 제1-1마스크, 제1-2마스크는, 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과 동일한 소재로 구성되어, 상기 제8단계에서 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과 함께 식각, 제거되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 시져 연결 수단의 시져암부(242)는, 식각용액 내지 식각가스가 통과가능한 다수의 식각홀이 관통형성되어, 상기 제8단계에서 식각용액 내지 식각가스가 상기 하부 실리콘층(BL)을 통과하여 상기 제2절연층(bl)을 식각하게 되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 스프링(140)을 구비한 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝함에 있어서, 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 변화 시키며 상기 스프링(140)의 강성을 조정하여 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝하는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 선형 또는 회전형 이동변위를 생성하는 MEMS구동기(210)에 연동하여 샤프트 홀더(230)를 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 연속적으로 이동시키며 실시간으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 진동 회전축에 해당되는 스프링을 기계적으로 구속하여 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝하는 새로운 접근 방법을 제시함으로써, 마이크로 공진기의 스프링부재에 기계적인 구속을 가하거나 해제하는 과정을 통해, 실시간으로 연속적인 고유 주파수 튜닝, 반복적인 튜닝이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 복잡한 후속 공정 없이 구동 전압의 변화로만 각각의 마이크로 공진기를 개별적으로 튜닝할 수 있어 보다 경제적인 접근이 가능하며, 주사 거울방식 공진기에 적용하여 고유 주파수를 튜닝한 결과, 최대 10.7%의 튜닝율을 확인할 수 있는 바와 같이, 우수한 스프링 강성변화율 및 튜닝율을 구현가능하다는 효과가 있다.
그리고, 콤드라이브 중 가장 광범위한 적용범위를 가짐에도 불구하고, 기존에 고유 주파수 튜닝이 불가능하던, 수직형 콤드라이브 기반 공진기의 고유 주파수 튜닝에 적용가능할 뿐만 아니라, 수직형 콤드라이브 기반 공진기를 포함하여 마이크로 주사 거울, 센서, 필터 등에 적용되는 모든 형태의 공진기에 실용적으로 적용 가능하다는 다른 효과가 있다.
이에 따라, 마이크로 주사거울을 포함한 마이크로 공진기의 성능 개선 및 활용범위 확대에 기여하고, 마이크로 주사거울을 구속하는 스프링과 유사한 구동 원리를 가지는 진동수단을 구비한 센서, 필터의 성능 개선 또한 기대할 수 있으며, 마이크로 진동기 분야의 급속한 실용화 추세에 부응하여 높은 안정성을 가지면서도 경제적인 기술을 제공한다는 다른 효과가 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제1실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4에서 수직형 콤드라이브 구동기, 주사거울, 스프링으로 연결형성되는 스캐너를 도시한 평면도 및 요부사시도이며, 도 6은 도 4에서 MEMS구동기, 샤프트 홀더, 시져 연결수단으로 구성되는 튜닝장치를 도시한 평면도이고, 도 7은 힌지부에 의한 시져 연결수단의 회동 작동 상태를 설명하고자 도시한 개념도이다.
도 8은 샤프트 홀더의 샤프트 홀딩 플렉셔를 이용하여 스프링의 강성을 증가 조정시키는 과정을 도시한 개념도이고, 도 9는 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제1실시예에 의한 마이크로 공진기의 분해사시도이며, 도 10은 도 9의 요부평면도 및 A-A선 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제1, 2, 3단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도이고, 도 12는 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제4단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도이며, 도 13은 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제5, 6, 7단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도이고, 도 14는 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제8단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법에 의해 제작된 마이크로 공진기의 완성사진이고, 도 16은 샤프트 홀더로 스프링을 구속하여 튜닝시키기 전, 후의 사진이며, 도 17은 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 샘플 사이즈를 표시한 표이다.
도 18은 도 17의 설계치로 시뮬레이션된 마이크로 공진기의 스프링이 최대 강성을 가지는 MEMS구동기의 선형 이동변위 및 최대 물리력을 표시한 그래프이고, 도 19는 도 17의 설계치에 따라 제작된 마이크로 공진기의 샘플에서 MEMS구동기의 입력전압에 따른 공명주파수 변화를 나타낸 그래프이며, 도 20은 도 17의 설계치로 시뮬레이션된 마이크로 공진기의 샘플에서 강성변화율과 주파수튜닝율 변화를 나타낸 그래프이다.
먼저, 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치와, 이를 구비한 마이크로 공진기에 대해 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 마이크로 공진기의 제1실시예는, 영상 처리에 적용하기 적합한 마이크로 공진기 구조를 가지는 스캐너(micro-scanner)에, 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치를 적용시킨 구조를 가진다.
상기 스캐너는, 도 5에 도시된 바와 같이, 콤드라이브 구동기(comb-drive actuator)(110), 주사거울(micro-mirror)(120), 스프링(torsion bar)(140)으로 구성되며, 상기 콤드라이브 구동기(comb-drive actuator)(110)는, 콤(comb) 형태를 가지는 고정자(stator)(111)와 구동자(rotor)(112)가 수직방향으로 일정한 높이차를 가지고 서로 맞물려 배치되는 SVC(Staggered Vertical Comb-drive) 타입의 구조를 가진다.
상기 콤드라이브 구동기의 고정자(111)와 구동자(112)에 해당되는 두 전극 사이에 전압 차이가 인가되면, 상기 구동자(112)가 상기 고정자(111)방향으로 인력을 받아 이동하게 되며, 상기 구동자(112)에 연결된 상기 주사거울(120)이 상기 스프링(140)을 중심으로 상기 구동자(112)에 연동하여 회전, 진동하는 작동구조를 구현하게 된다.
상기 스프링(140)은, 일측으로의 연장길이를 가지는 선형의 형상으로, 일단부가 상기 주사거울(120)에 연결되고 타단부가 구동자 고정구(rotor anchor)(130)에 의해 정위치 고정되어, 상기 주사거울(120) 및 구동자(112)의 회전중심축을 제공하게 되며, 상기 스프링(140)의 비틀림(회전) 강성에 따라 상기 주사거울(120) 및 구동자(112)의 고유 주파수가 달라지게 된다.
본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치는, 도 6에 도시된 바와 같이, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)구동기(210)와, 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되는 샤프트 홀더(shaft-holder)(230)를 구비한 구성을 가진다.
상기 MEMS구동기(210)는, 상기 샤프트 홀더(230)의 변위를 명확하게 조정가능한 선형 또는 회전형 이동변위를 생성한다면, 전열 방식, 정전기 방식, 압전 방식, 형상 기억 합금 방식, 유압 방식, 자기력을 응용한 방식 등을 포함한 다양한 실시예 중 보다 적합한 것을 선택 적용하는 것이 바람직하므로, 특정한 구조와 형상, 소재로 한정되지 않는다.
본 발명의 제1실시예에서는 전열 방식의 쉐브론 전열 구동기(Chevron thermal actuator)를 적용한 구조를 가지며, 쉐브론 전열 구동기는, 저항 발열에 의해 길이가 신장변형되는 소재로 구성되는 다수의 전열선(211)을 횡방향으로 연속하여 배치시켜 한 세트를 구성하고, 두 세트를 종방향으로 상호 대칭되게 배치하여, 전원이 공급되면 상기 전열선(211)간의 연결부에서 상기 전열선(211)의 신장 변화량에 비례하여 횡방향으로의 선형 이동변위를 생성하게 된다.
본 발명의 제1실시예에서, 상기 MEMS구동기(210)와 샤프트 홀더(230) 사이에는, 상기 MEMS구동기(210)의 선형 이동변위에 연동하여 횡방향으로 선형 이동되는 접속셔틀부(241)와, 횡방향으로의 연장길이를 가지고 상기 접속셔틀부(241)와 샤프 트 홀더(230)에 양단부가 각각 연결되는 시져암부(242)와, 상기 시져암부(242)의 회동 기준을 제공하는 시져고정부(243)와, 상기 접속셔틀부(241)의 횡방향 이동변위를 종방향 이동변위로 전환하여 상기 샤프트 홀더(230)에 전달가능하도록 상기 시져암부(242)에 결합되는 힌지부(244)를 구비한 시져(scissor) 연결수단(240)이 연결형성된다.
상기 힌지부(244)는, 상기 접속셔틀부(241)와 시져암부(242)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제1힌지(244a) 한쌍과, 상기 제1힌지(244a)에 근접한 위치에서 상기 시져암부(242)상에 횡방향으로 연장형성되어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1힌지(244a)의 횡방향 이동에 의해 종방향으로의 이동변위를 가지게 되는 선형의 제2힌지(244b) 한쌍과, 상기 제2힌지(244b)의 종방향 이동변위에 비례하여 상기 시져암부(242)의 타단부가 반대방향으로 이동되도록, 상기 시져암부(242)와 시져고정부(243)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제3힌지(244c) 한쌍으로 구성된다.
이에 따라, 상기 MEMS구동기(210)의 작동에 의해 횡방향 선형 변위가 생성되면, 상기 MEMS구동기(210)가 상기 시져 연결수단(240)의 일단부를 상기 스프링(140)에 인접한 횡방향으로 밀어 이동시키게 되고, 이와 동시에 상기 시져 연결수단(240)의 타단부는 상기 힌지부(244)에 의해 상기 시져고정부(243)를 중심으로 회동되며 상기 샤프트 홀더(230)를 상기 스프링(140)에 인접한 방향으로 연속적으로 이동시키게 된다.
상기 시져 연결수단의 시져암부(242)의 길이와, 상기 시져고정부(243) 및 제 3힌지(244c)의 설치위치에 따라, 상기 MEMS구동기(210)의 횡방향 이동변위에 대한 상기 샤프트 홀더(230)의 종방향 이동변위의 증폭 정도, 또는 상기 MEMS구동기(210)에 부여되는 전원의 세기에 대한 상기 샤프트 홀더(230)의 이동 감도를 조정할 수 있다.
상기 샤프트 홀더(230)는, 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 상기 스캐너의 스프링(140)측으로 이동되어 상기 스프링(140)에 접촉되며 상기 스프링(140)을 물리적으로 구속하게 되며, 상기 MEMS구동기(210)의 작동이 정지되면 초기위치로 복귀되어 상기 스프링(140)으로부터 이격되며 물리적인 구속상태를 해제하게 된다.
상기 스프링(140)을 물리적으로 구속함에 있어서도, 단순히 접촉 내지 구속 여부에 따라 상기 스프링(140)의 강성 조정 범위를 특정하게 한정하여 조정할 수도 있으나, 상기 스프링(140)의 물리적인 구속상태 내지 구속강도를 연속적으로 변화시키며 상기 스프링(140)의 강성 및 상기 스캐너에 해당되는 마이크로 공진기의 고유 주파수를 순차적으로 변화시킬 수도 있다.
상기 샤프트 홀더(230)에, 탄성 변형 소재로 구성되고, 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)의 길이방향을 따라 연장형성되며, 중간부가 상기 스프링(140)측으로 만곡된 활형상을 가지는 샤프트 홀딩 플렉셔(231)를 구비하면, 도 8의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이, 상기 샤프트 홀더(230)를 상기 스프링(140)측으로 연속하여 이동시키면서 상기 샤프트 홀딩 플렉셔(231)와 스프링(140)간의 접촉면적을 중간부부터 양단부측으로 점차 확대시킬 수 있다.
상기 샤프트 홀딩 플렉셔(231)와 스프링(140)간의 접촉면적을 중간부부터 양 단부측으로 점차 확대시키면서 상기 스프링(140)의 구속 강도 및 상기 스프링(140)의 회전 강성을 순차적으로 증가 조정시킬 수 있으며, 반대방향으로 상기 샤프트 홀더(230)를 연속하여 이동시키면서 상기 스프링(140)의 구속 강도 및 상기 스프링(140)의 회전 강성을 순차적으로 감소 조정할 수도 있다.
본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치는, 상기와 같이 양단 고정보 형태로 상기 스프링(140)이 연결형성된 구조를 가지는 스캐너 뿐만 아니라 상기 스프링(140)이 외팔보 형태를 가지는 실시예에도 당연히 적용가능하며, 상기 스프링(140) 또한, 상기 주사거울(120)을 구비한 스캐너 뿐만이 아니라, 감지기, 여과기 등을 포함한 다양한 실시예의 마이크로 공진기에 있어서, 고유 주파수에 영향을 끼치는 강성을 가지는 구성요소 전부에 대응된다고 보아야 할 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치는, 상기 시져 연결수단(240)과 같이 상기 MEMS구동기(210) 의해 생성된 변위를 증폭시키거나 방향 전환하는 수단을 구비하여 상기 스프링(140)을 구속하는 외에, 상기 MEMS구동기(210)의 일단부를 상기 샤프트 홀더(230)로 하여 상기 MEMS구동기(210)를 상기 스프링(140)에 직접 닿게 하여 상기 스프링(140)을 기계적으로 구속할 수도 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법은, 도 9, 10에 도시된 바와 같이, 상부 실리콘층(AL), 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)과, 상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)을 상호 절연시키며 일체로 연결하는 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 구비한 DSOI(Double Silicon-On-Insulator) 웨이퍼(wafer)상에, 상기 콤드라이브 구동기(110), 주사거울(120), 스프링(140)으로 구성되는 스캐너와, MEMS구동기(210), 샤프트 홀더(230), 시져 연결수단(240)으로 구성되는 튜닝장치를 함께 형성하는 제조방법에 관한 것으로, 크게 8단계로 구분되어 이루어진다.
제1단계에서는, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 DSOI 웨이퍼의 전면에 상기 상부 실리콘층(AL)의 완성형상을 포괄하는 형상으로 제1-1마스크를 형성하고, 후면에 상기 후면 실리콘층(CL)의 완성형상에 대응되는 형상으로 제1-2마스크를 형성한다.
제2단계에서는, 상기 제1-1마스크의 전면에 상기 하부 실리콘층(BL)의 완성형상에 대응되는 형상으로 제2마스크를 형성하고, 제3단계에서는, 상기 제2마스크를 기준으로 상기 제1-1마스크를 식각하여 상기 제1-1마스크의 측면경계를 상기 제2마스크에 일치시킨다.
제4단계에서는, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제2마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL)을 식각하는 제4-1단계, 상기 제1절연층(al)을 식각하는 제4-2단계, 상기 하부 실리콘층(BL)을 식각하는 제4-3단계를 순차적으로 거쳐, 상기 콤드라이브 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 구동자 고정구(130), 샤프트 홀더(230)와, 상기 시져 연결수단(240)의 하부 실리콘층(BL)을 완성하게 된다.
제5단계에서는, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제2마스크를 제거하게 되며, 제6단계에서는 상기 제1-1마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL)을 식각하여, 상기 콤드라이브 구동기의 고정자(111), MEMS구동기(210)와, 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 상부 실리콘층(AL)을 완성하게 된다.
제7단계에서는, 상기 제1-2마스크를 기준으로 상기 후면 실리콘층(CL)을 식각하여, 상기 콤드라이브 구동기의 고정자(111), 구동자 고정구(130), MEMS구동기(210)와, 상기 시져 연결수단의 시져고정부(243)가 고정되는 후면 실리콘층(CL)을 완성하게 된다.
제8단계에서는, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 선택적으로 식각하여, 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 제1절연층(al)을 완성하고, 상기 콤드라이브의 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 샤프트 홀더(230)와, 시져 연결 수단의 시져암부(242), 힌지부(244)의 하부 실리콘층(BL)을 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과의 물리적 접촉없이 공중에 위치시키며 완성하게 된다.
상기 MEMS구동기(210)와 접속되는 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)를 제작함에 있어서, 상기 MEMS구동기(210)와의 접속부는 상부 실리콘층(AL)으로 구성하고, 상기 시져암부(242)와 연결부는 하부 실리콘층(BL)으로 구성하며, 제1절연층(al)을 상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL) 사이에 두면, 상기 MEMS구 동기(210)에 흐르는 전류가 상기 스캐너측으로 전달되어 소실되거나, 전류의 흐름에 의해 임의로 형성되는 전기장, 자기장 등으로 인해 본 발명에 따른 마이크로 구동기의 명확한 작동, 제어 성능이 저하되거나 오작동되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1-1마스크, 제1-2마스크를 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과 동일한 산화철(oxide) 소재로 구성하면, 상기 제8단계에서 특정 물질만을 선택적으로 식각시키는 반응이온에칭(RIE, Reactive Ion Etching) 등의 방식을 적용하여 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 제거하는 과정에서, 별도의 추가공정을 거치지 않고도, 상기 제1-1마스크, 제1-2마스크를 간단하게 함께 제거할 수 있다.
반응이온에칭은 특정 물질에만 반응하는 반응성 가스를 주입하여 특정 물질만을 선택적으로 식각시키는 건식 식각의 한 종류로서, 활성화된 이온을 이용해서 화학적 및 물리적 반응에 의해 식각하는 방법으로, 식각 가스를 플라즈마 상태로 만들고 상, 하부 전극을 이용해 기판에 충돌시켜 물리적 충격과 화학반응의 결합에 의해 이루어지는 MEMS 공정으로, 상기 상부 실리콘층(AL), 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)을 식각함에 있어서는, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 포함하는 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 가공방법을 적용하는 것이 바람직하다.
상기 하부 실리콘층(BL)에 형성되는 상기 시져 연결수단의 시져암부(242)는, 상기 콤드라이브 구동기의 구동자 고정구(130) 내지 시져 연결수단의 시져고정부(243)의 고정, 지지를 위해 상기 제7단계 이후에 잔존하게 되는 상기 후면 실리콘층(CL)의 전면에 일부가 위치하게 되어, 후면측으로부터의 식각용액 내지 식각가 스와의 접촉이 불가능하게 된다.
이에 따라, 전면측으로부터 식각용액 내지 식각가스가 상기 하부 실리콘층(BL)을 통과하여야만 상기 제2절연층(bl)을 식각하여, 상기 시져 연결수단의 시져암부(242)를 상, 하측의 물리적 접촉없이 공중에 위치시킬 수 있으므로, 상기 하부 실리콘층(BL)에 형성되는 시져 연결수단의 시져암부(242)에 식각용액 내지 식각가스가 통과가능한 다수의 식각홀(etch hole)을 관통형성하는 것이 바람직하다.
도 15, 16은 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법에 의해 제작된 마이크로 공진기를 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 촬영한 사진으로, 상기 시져 연결수단의 시져암부(242)를 다수의 선형골조가 교차된 형상을 가지는 트러스 구조로 형성함으로써, 강성을 유지하면서도 식각용액 내지 식각가스가 용이하게 통과가능한 다수의 식각홀을 전반에 걸쳐 제공하고 있다.
상기 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법에서는, 상기 마이크로 공진기의 제1실시예가 수직형 콤드라이브 구동기(110)를 구비한 구조를 가지며, 전열 방식을 적용한 상기 MEMS구동기(210)와의 안정적인 전기적 절연을 위해 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)를 복층구조로 형성함에 따라, DSOI 웨이퍼를 적용하는 것이 바람직하다.
그러나, 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치는, 다양한 실시예의 마이크로 공진기에 광범위하게 적용가능함에 따라, 상기 DSOI 웨이퍼를 이용하여 구현가능한 실시예에 한정되어 적용되지 않고, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼, 혹은 단층 실리콘 웨이퍼를 이용하 는 다양한 실시예로도 적용가능하다.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 튜닝방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 마이크로 공진기의 튜닝방법은, 본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치를 이용하여 튜닝하는 방법에 관한 것으로, 상기 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 변화시키며 상기 스프링(140)의 강성을 조정하여 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝하는 구성을 가진다.
선형 또는 회전형 이동변위를 생성하는 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여, 상기 샤프트 홀더(230)를, 도 16의 (b)에 도시된 사진과 같이, 상기 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉시키거나, 도 16의 (a)에 도시된 사진와 같이, 이격시키는 방향으로 연속적으로 이동시키며, 실시간으로 튜닝이 이루어질 수 있다.
도 17은, 도 15, 16에 도시된 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 시제품의 사이즈를 표기한 것이며, 이에 따른 마이크로 공진기의 유한요소분석(FEA, Finite Element Analysis)에 의하면, 상기 MEMS구동기(210)의 X방향 선형이동변위가 7㎛인 경우, 상기 샤프트 홀더(230)와 스프링(140)간의 접촉면적이 최대가 되고, 이 때 상기 MEMS구동기(210)로부터 요구되는 작용력은 약 2.3mN인 것을, 도 18에 의해, 확인 할 수 있다.
상기 샤프트 홀딩 플렉셔(231)는 상기 MEMS구동기(210)에 7V의 전압이 인가 될 때, 상기 스프링(140)과 접촉하기 시작하여, 12V의 전압이 인가될 때 상기 스프링(140)과 완전히 밀착하게 되며, 이에 따라 상기 MEMS구동기(210)의 인가 전압을 7V~12V의 범위에서 조정하면서 반복적이고 연속적으로 고유 주파수를 튜닝할 수 있다.
상기 MEMS구동기(210)의 인가 전압(tuning voltage)을 0V인(튜닝하지 않은) 상태에서 고유 주파수는 1.698kHz이고, 도 19의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 MEMS구동기(210)의 인가 전압을 8V, 10V, 12V 로 증가시키면, 고유 주파수(공명 주파수)(resonant frequency)는 1.749 kHz, 1.826 kHz, 1.880 kHz 로 각각 증가하고, 이에 따라 튜닝율(tuning ratio) 또한, 3.03%, 7.05%, 10.7%로 증가되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 MEMS구동기(210)의 인가 전압을 8V, 10V, 12V 로 증가시키면서, 도 19의 (a)에 도시된 바에 의해, 상기 주사거울(120)의 회전각 또한 5.40°에서 4. 99 °로 감소 조정가능한 것을 확인할 수 있으며, 도 20에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면, 최대 31.6%에 해당되는 강성변화율(stiffness change ratio) 증가와 함께 최대 14.7%에 해당되는 튜닝율(tuning ratio) 증가 또한 구현가능한 것을 확인할 수 있다.
상기 튜닝율(tuning ratio)은, 튜닝하지 않은 상태에서의 고유 주파수를 기준으로 한 가변 고유 주파수의 범위, 즉 본 발명을 적용하여 조정가능한 고유 주파수 범위를 의미하는 것으로, 본 발명을 적용하면 최대 10.7%에 해당되는 가변 고유 주파수 범위내에서 안정적이고 연속적인 실시간 튜닝이 가능하다는 것을 증명한다.
본 발명에 따른 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치, 이를 구비한 마이크로 공진기, 그 제조방법 및 튜닝방법에 의하면, 진동 회전축에 해당되는 상기 스프링(140)을 기계적으로 구속하여, 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝하는 새로운 접근 방법을 제시함으로써, 상기 스프링(140)에 대응되는 마이크로 공진기의 스프링부재에 기계적인 구속을 가하거나 해제하는 과정을 통해, 실시간으로 연속, 반복하여 고유 주파수를 튜닝할 수 있다.
또한, 복잡한 후속 공정 없이 구동 전압의 변화로만 각각의 마이크로 공진기를 개별적으로 튜닝할 수 있어 보다 경제적인 접근이 가능하며, 주사 거울방식 공진기에 적용하여 고유 주파수를 튜닝한 결과, 최대 10.7%의 튜닝율을 확인할 수 있는 바와 같이, 우수한 스프링 강성변화율 및 튜닝율을 구현가능하다.
그리고, 콤드라이브 중 가장 광범위한 적용범위를 가짐에도 불구하고, 기존에 고유 주파수 튜닝이 불가능하던, 수직형 콤드라이브 기반 공진기의 고유 주파수 튜닝에 적용가능할 뿐만 아니라, 수직형 콤드라이브 기반 공진기를 포함하여 마이크로 주사 거울, 센서, 필터 등에 적용되는 모든 형태의 공진기에 실용적으로 적용 가능하다.
이에 따라, 마이크로 주사거울을 포함한 마이크로 공진기의 성능 개선 및 활용범위 확대에 기여하고, 마이크로 주사거울을 구속하는 스프링과 유사한 구동 원리를 가지는 진동수단을 구비한 센서, 필터의 성능 개선 또한 기대할 수 있으며, 마이크로 진동기 분야의 급속한 실용화 추세에 부응하여 높은 안정성을 가지면서도 경제적인 기술을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
도 1 - 원거리 통신용 주사 거울에 적용된 마이크로 공진기의 일예를 도시한 모식도
도 2 - 영상 처리용 주사 거울에 적용된 마이크로 공진기의 일예를 도시한 모식도
도 3 - 가스 센서에 적용된 마이크로 공진기의 일예를 도시한 모식도
도 4 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제1실시예를 도시한 사시도
도 5 - 도 4에서 수직형 콤드라이브 구동기, 주사거울, 스프링으로 연결형성되는 스캐너를 도시한 평면도 및 요부사시도
도 6 - 도 4에서 MEMS구동기, 샤프트 홀더, 시져 연결수단으로 구성되는 튜닝장치를 도시한 평면도
도 7 - 힌지부에 의한 시져 연결수단의 회동 작동 상태를 설명하고자 도시한 개념도
도 8 - 샤프트 홀더의 샤프트 홀딩 플렉셔를 이용하여 스프링의 강성을 증가 조정시키는 과정을 도시한 개념도
도 9 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제1실시예에 의한 마이크로 공진기의 분해사시도
도 10 - 도 9의 요부평면도 및 A-A선 단면도
도 11 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제1, 2, 3단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도
도 12 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제4단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도
도 13 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제5, 6, 7단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도
도 14 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법의 제8단계를 도시한 도 9의 A-B선 단면도
도 15 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 제조방법에 의해 제작된 마이크로 공진기의 완성사진
도 16 - 샤프트 홀더로 스프링을 구속하여 튜닝시키기 전, 후의 사진
도 17 - 본 발명에 따른 마이크로 공진기의 샘플 사이즈를 표시한 표
도 18 - 도 17의 설계치로 시뮬레이션된 마이크로 공진기의 스프링이 최대 강성을 가지는 MEMS구동기의 선형 이동변위 및 최대 물리력을 표시한 그래프
도 19 - 도 17의 설계치에 따라 제작된 마이크로 공진기의 샘플에서 MEMS구동기의 입력전압에 따른 공명주파수 변화를 나타낸 그래프
도 20 - 도 17의 설계치로 시뮬레이션된 마이크로 공진기의 샘플에서 강성변화율과 주파수튜닝율 변화를 나타낸 그래프
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
110 : 콤드라이브 구동기 111 : 고정자
112 : 구동자 120 : 주사거울
130 : 구동자 고정구 140 : 스프링
210 : MEMS구동기 211 : 전열선
230 : 샤프트 홀더 231 : 샤프트 홀딩 플렉셔
240 : 시져 연결수단 241 : 접속셔틀부
242 : 시져암부 243 : 시져고정부
244 : 힌지부 244a : 제1힌지
244b : 제2힌지 244c : 제3힌지
AL : 상부 실리콘층 BL : 하부 실리콘층
CL : 후면 실리콘층 al : 제1절연층
bl : 제2절연층
Claims (14)
- MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)구동기(210)와, 상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 마이크로 공진기의 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되며, 탄성변형 소재로 구성되고 상기 스프링(140)의 길이방향을 따라 연장형성되며, 중간부가 상기 스프링(140)측으로 만곡된 활형상을 가지는 샤프트 홀딩 플렉셔(231)를 가지는 샤프트 홀더(shaft-holder)(230)를 구비하여, 상기 MEMS구동기(210)의 작동에 의해 상기 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 연속적으로 변화시키며 상기 스프링(140)의 강성 및 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치.
- 제1항에 있어서, 상기 MEMS구동기(210)는,저항 발열에 의해 길이가 신장변형되는 소재로 구성되며, 종방향으로의 연장길이를 가지는 다수의 전열선(211)이 횡방향으로 연속하여 배치되고 종방향의 양단부가 고정 설치된 구조에 의해, 상기 전열선(211)의 신장 변화량에 비례하여 상기 전열선(211)의 중간부에서 횡방향으로의 선형 이동변위를 생성하게 되는 쉐브론 전열 구동기(Chevron thermal actuator)인 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 MEMS구동기(210)의 선형 이동변위에 연동하여 횡방향으로 선형 이동되는 접속셔틀부(241)와, 횡방향으로의 연장길이를 가지고 상기 접속셔틀부(241)와 샤프트 홀더(230)에 양단부가 각각 연결되는 시져암부(242)와, 상기 시져암부(242)의 회동 기준을 제공하는 시져고정부(243)와, 상기 접속셔틀부(241)의 횡방향 이동변위를 종방향 이동변위로 전환하여 상기 샤프트 홀더(230)에 전달가능하도록 상기 시져암부(242)에 결합되는 힌지부(244)가 구비되는 시져 연결수단(240);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치.
- 제4항에 있어서, 상기 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)는,상기 MEMS구동기(210)와 접속되는 상부 실리콘층(AL);상기 시져암부(242)와 연결형성되는 하부 실리콘층(BL); 및상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL)을 절연시키며 일체로 연결하는 제1절연층(al);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치.
- 제4항에 있어서, 상기 시져 연결수단의 힌지부(244)는,상기 접속셔틀부(241)와 시져암부(242)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제1힌지(244a);상기 제1힌지(244a)에 근접한 위치에서 상기 시져암부(242)상에 횡방향으로 연장형성되어, 상기 제1힌지(244a)의 횡방향 이동에 의해 종방향으로의 이동변위를 가지게 되는 선형의 제2힌지(244b); 및상기 제2힌지(244b)의 종방향 이동변위에 비례하여 상기 시져암부(242)의 타단부가 반대방향으로 이동되도록, 상기 시져암부(242)와 시져고정부(243)간의 연결부에 종방향으로 연장형성되는 선형의 제3힌지(244c);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝장치.
- 콤(comb) 형태를 가지는 고정자(stator)(111)와 구동자(rotor)(112)가 수직방향으로 높이차를 가지고 서로 맞물린 구조를 가지는 수직형 콤드라이브 구동기(comb-drive actuator)(110);상기 콤드라이브 구동기의 구동자(112)에 연결형성되어 상기 구동자(112)에 연동하여 회전, 진동되는 주사거울(120);일측으로의 연장길이를 가지는 선형의 형상으로, 일단부가 상기 주사거울(120)에 연결되고 타단부가 정위치 고정되는 스프링(140);선형 또는 회전형 이동변위를 생성가능한 구조를 가지고 상기 콤드라이브 구동기(110)와 별도로 구비되는 MEMS구동기(210); 및상기 MEMS구동기(210)에 연동하여 상기 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 이동되며 상기 스프링(140)을 물리적으로 구속하거나 해제하면서 강성을 변화시키며, 탄성변형 소재로 구성되고 상기 스프링(140)의 길이방향을 따라 연장형성되며, 중간부가 상기 스프링(140)측으로 만곡된 활형상을 가지는 샤프트 홀딩 플렉셔(231)가 구비되는 샤프트 홀더(230);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기.
- 삭제
- 제7항에 있어서,상기 MEMS구동기(210)의 선형 이동변위에 연동하여 횡방향으로 선형 이동되는 접속셔틀부(241)와, 횡방향으로의 연장길이를 가지고 상기 접속셔틀부(241)와 샤프트 홀더(230)에 양단부가 각각 연결되는 시져암부(242)와, 상기 시져암부(242)의 회동 기준을 제공하는 시져고정부(243)와, 상기 접속셔틀부(241)의 횡방향 이동변위를 종방향 이동변위로 전환하여 상기 샤프트 홀더(230)에 전달가능하도록 상기 시져암부(242)에 결합되는 힌지부(244)가 구비되는 시져 연결수단(240);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기.
- 상부 실리콘층(AL), 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)과, 상기 상부 실리콘층(AL)과 하부 실리콘층(BL), 후면 실리콘층(CL)을 상호 절연시키며 일체로 연결하는 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 구비한 DSOI(Double Silicon-On-Insulator) 웨이퍼(wafer)의 전면에 상기 상부 실리콘층(AL)의 완성형상을 포괄하는 형상으로 제1-1마스크를 형성하고, 후면에 상기 후면 실리콘층(CL)의 완성형상 에 대응되는 형상으로 제1-2마스크를 형성하는 제1단계;상기 제1-1마스크의 전면에 상기 하부 실리콘층(BL)의 완성형상에 대응되는 형상으로 제2마스크를 형성하는 제2단계;상기 제2마스크를 기준으로 상기 제1-1마스크를 식각하여 상기 제1-1마스크의 측면경계를 상기 제2마스크에 일치시키는 제3단계;상기 제2마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL), 제1절연층(al), 하부 실리콘층(BL)을 순차적으로 식각하여, 제7항의 콤드라이브 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 구동자 고정구(130), 샤프트 홀더(230)와, 제9항의 시져 연결수단(240)의 하부 실리콘층(BL)을 완성하는 제4단계;상기 제2마스크를 제거하는 제5단계;상기 제1-1마스크를 기준으로 상기 상부 실리콘층(AL)을 식각하여, 제7항의 콤드라이브 구동기의 고정자(111), MEMS구동기(210)와, 제9항의 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 상부 실리콘층(AL)을 완성하는 제6단계;상기 제1-2마스크를 기준으로 상기 후면 실리콘층(CL)을 식각하여, 제7항의 콤드라이브 구동기의 고정자(111), 구동자 고정구(130), MEMS구동기(210)와, 제9항의 시져 연결수단의 시져고정부(243)가 고정되는 후면 실리콘층(CL)을 완성하는 제7단계; 및상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)을 선택적으로 식각하여, 제9항의 시져 연결수단의 접속셔틀부(241)의 제1절연층(al)을 완성하고, 제7항의 콤드라이브의 구동기의 구동자(112), 주사거울(120), 스프링(140), 샤프트 홀더(230)와, 제9항의 시져 연결 수단의 시져암부(242), 힌지부(244)를 물리적 접촉없이 공중에 위치시키는 제8단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 제1-1마스크, 제1-2마스크는,상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과 동일한 소재로 구성되어, 상기 제8단계에서 상기 제1절연층(al), 제2절연층(bl)과 함께 식각, 제거되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기의 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 시져 연결 수단의 시져암부(242)는,식각용액 내지 식각가스가 통과가능한 다수의 식각홀이 관통형성되어, 상기 제8단계에서 식각용액 내지 식각가스가 상기 하부 실리콘층(BL)을 통과하여 상기 제2절연층(bl)을 식각하게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 공진기의 제조방법.
- 스프링(140)을 구비한 마이크로 공진기의 고유 주파수를 튜닝함에 있어서,선형 또는 회전형 이동변위를 생성하는 MEMS구동기(210)에 연동하여 샤프트 홀더(230)를 상기 스프링(140)에 접촉되거나 이격되는 방향으로 연속적으로 이동시키며 상기 스프링(140)의 물리적 구속 상태를 변화시키면서 상기 스프링(140)의 강성을 조정하여 상기 마이크로 공진기의 고유 주파수를 실시간으로 튜닝하는 것을 특징으로 하는 MEMS구동기의 기계적 구속에 의한 마이크로 공진기의 고유 주파수 튜닝방법.
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