KR101088501B1 - 성능개선된 ｍｅｍｓ 스캐닝 시스템 - Google Patents

Abstract

MEMS 스캐너 등과 같은 MEMS 진동자가 개선된 간단한 구동방식 및 구조를 갖는다. 구동충격은 지지아암을 통한 토크에 의해 진동체로 전달될 수도 있다. 다축 진동자인 경우에, 두개 이상의 축에 대한 구동신호는 하나의 구동회로에 의해 중첩되어 MEMS 진동자로 전달될 수도 있다. 진동자는 각각의 축마다 그 축의 공진주파수에 따라 응답한다. 진동자는 일부 또는 전부의 축에서 공진식으로 구동될 수도 있다. 개선된 부하분포는 변형을 줄인다. 간단한 구조는 단일 이동체를 이용한 다축진동을 제공한다. 또다른 구조는 다수의 다수의 이동체를 직접 구동한다. 또다른 구조는 하나 이상의 이동체로부터 작동기를 제거하고 지지아암에 의해 구동되게 한다.

스캐너, MEMS, 반사경, 주파수, 공진, 진동

Description

성능개선된 ＭＥＭＳ 스캐닝 시스템 {MEMS SCANNING SYSTEM WITH IMPROVED PERFORMANCE}

(참조문헌)

이 출원은 Randall B. Sprague 등에 의해 발명되어 2004. 05. 14에 출원한 발명의 명칭이 “MEMS DEVICE HAVING SIMPLIFIED DRIVE”인 계류중인 미국예비특허출원 제 60/571,133호에 대한 우선권을 주장하고 참고하며, Wyatt O. Davis 등에 의해 발명되어 2004. 02. 09에 출원한 발명의 명칭이 “MEMS SYSTEM ADAPTED TO LASER PRINTER”인 계류중인 미국예비특허출원 제 60/542,896호에 대한 우선권을 주장하고 참고한다.

이 출원은 Randall B. Sprague 등에 의해 발명되어 2004. 11. 09에 출원한 발명의 명칭이 “MEMS DEVICE HAVING SIMPLIFIED DRIVE”인 계류중인 미국특허출원 제 10/984,327호의 구성요소에 관한 것이다.

이 출원은 Wyatt O. Davis 등에 의해 발명되어 2004. 11. 12에 출원한 발명의 명칭이 “HIGH PERFORMANCE MEMS SCANNER”인 계류중인 미국특허출원 제 10/986,640호에 관한 것이기도 하다.

이 출원은 Kelly Linden 등에 의해 발명되어 2004. 11. 12에 출원한 발명의 명칭이 “METHOD AND APPARATUS FOR MAKING MEMS SCANNER”인 계류중인 미국특허출 원 제 10/986,635호에 관한 것이기도 하다.

이 출원은 Greg Gibson 등에 의해 발명되어 2004. 11. 12에 출원한 발명의 명칭이 “METHOD AND APPARATUS FOR SCANNING OPTICAL BEAM”인 계류중인 미국특허출원 제 10/988,155호에 관한 것이기도 하다.

발명분야

이 발명은 MEMS 장치와 스캐너 및 MEMS 스캐너를 이용한 주사빔 시스템에 관한 것이다.

미소기전시스템(MEMS) 장치는 후방 및 전방투사 주사빔 표시장치, 주사빔 영상획득장치, 광-자이로스코프, 가속도계 및 기타의 응용장치를 포함하는 많은 장치에 이용될 수 있다. 종래의 불투명 또는 반투명 조망 스크린 상에 영상을 투사하는 표시장치 외에도, 주사빔 표시장치는 망막형 주사표시장치 (RSDs: retinal scanning displays) 및 헤드업 디스플레이(HUDs: heads-up displays)를 포함할 수 있다. 주사빔 영상획득 응용장치는 선형 바코드 스캐너 등과 같은 일차원 (1D) 즉 선형 스캐닝 장치 및 2D 바코드, 즉 무지향성 선형 바코드 이미저, 2D 바코드 스캐너, 공초점 현미경, 마이크로프로브, 의료영상시스템 등과 같은 이차원 (2D) 영상획득장치를 포함한다.

MEMS 장치가 광빔을 스캔하기 위해 이용되는 경우에, 그 것은 종종 MEMS 스캐너 또는 빔 디플렉터라고 지칭된다. MEMS 스캐너는 공진적 또는 비공진적으로 작동될 수도 있고 일축 또는 다축으로 스캔할 수도 있다.

MEMS 장치가 광 이미터를 직접 가질 수도 있고, 선택적으로는 스캔각도를 통해 빔을 굴절시킬 수도 있다. 빔 굴절의 응용예에서는, 하나 이상의 스캔 플레이트가 시야에 닿는 빔을 스캔하기 위해 이용되는 반사면을 가진다. 반사면은 금 또는 알루미늄 등과 같은 도금된 반사금속을 포함할 수도 있고, 파장 및 기타의 응용문제에 따라 덩어리진 절연체, 노출된 실리콘 또는 기타의 물질이 이용될 수도 있다.

2D 스캐닝은 한 쌍의 1D 스캐너를 그 회전축들이 서로 실질적으로 직각을 이루게 배열함으로써 이루어질 수도 있다. 선택사양적으로는, 2D 스캐너가 양 스캐닝 축의 둘레로 회전하도록 구동되는 단일의 반사경을 이용할 수도 있다. 단일의 반사경이 두 개의 축으로 스캔하도록 이용될 때, 짐벌링을 이용하여 적절한 회전을 허용할 수도 있다. 종종, 2D 스캐너는 저속스캔을 수행하는 외부짐벌링으로 신속스캔을 수행하는 반사경을 갖는 내부스캔 플레이트를 포함한다. 종래와 마찬가지로, 신속스캔은 시야 (FOV)를 가로질러 수평방향의 전후로 스윕하며, 저속스캔은 한선 또는 두선으로 FOV를 아래로 인덱스한다. 그러한 시스템은 점진적 스캔시스템이라고 지칭될 수도 있다. 그러한 시스템에서 신속스캔은 비교적 빠른 스캔속도로 작동하고 저속스캔은 비디오프레임속도와 동등한 속도로 작동한다. 일부 응용예에서는, 신속스캔은 공진적으로 작동하고 저속스캔은 (대)부분의 프레임시간 동안은 프레임을 점진적으로 아래로 내려갔다가 프레임의 상부로 되돌아 올라와서 다시 시작하는 실질적으로 톱니형 스캐닝을 한다. 또다른 응용예에서는, 번갈아 일어나는 톱니형 스캐닝, 삼각파형 스캐닝, 사인파형 스캐닝 및 기타 파형이 단축 또 는 다축을 구동하기 위해 이용된다.

여기에서 종종 (수직스캔축의 둘레로 회전하는)수평방향을 신속스캔방향이라고 지칭하고 (수평스캔축의 둘레로 회전하는) 수직방향을 저속스캔이라고 지칭할지라도, 그러한 것이 제한적인 것이 아님을 알아야 한다. 또한, 이는 수직방향 및 수평방향으로 고속스캔 및 저속스캔하는 시스템에서도 마찬가지이며, 다른 방향에서도 마찬가지이다.

점진적인 스캔시스템에서, 빔은 바람직한 해상도와 프레임속도 및 스캐너의 능력에 따라 단일방향 또는 양방향으로 스캔될 수도 있다. 양방향으로 스캔되는 시스템은 발명의 명칭이 Scanned Display with Pinch, Timing, and Distortion Correction 인 미국특허제 6,140,979호에서 Gerhard 등이 설명한 래스터핀치를 겪을 수도 있다. 그러한 래스터핀치를 보상하는 방법은 빔패스를 이상적인 래스터패턴에 좀더 근접하도록 교정하는 교정반사경을 부가하는 것이다.

최근에, 출원인의 연구개발은 Lissajous 스캔패턴의 빔으로 FOV를 스캔하는 선택사양적 스캔패턴들에 집중되어 왔다. Lissajous 스캔패턴은 MEMS 스캐너를 양축에서 공진적으로 작동시켜 동력소모를 줄일 수 있는 장점을 가진다. 그러한 시스템은 토크요구를 감소시킬 수도 있고, 따라서 좀더 작아질 수 있으며, 기타의 장점도 가진다.

MEMS 스캐너에 관한 다양한 작동기술이 공개되어 있다. 전기용량성 구동 스캐너는 후방구동패드 및 빗살모양의 구동 아키텍쳐를 포함한다. 자석구동 스캐너는 이동코일형 및 이동자석형을 포함한다. 기타의 기술은 열구동과 압전구동 및 충격모터구동을 포함한다. 회전은 토션아암과 요곡부 및 기타의 장치에 의해 제한될 수도 있다. 전기용량성 구동시스템은 때때로 문헌에서 정전기라고 지칭된다. 요곡부는 캔틸레버 흔히 아암이라고 지칭된다.

종종, 둘 이상의 구동방식이 조합되어 둘 이상의 축을 독립적으로 구동한다. 예를 들어, 위에 열거된 Gerhard 등의 특허는 전기용량성 동력이 공급되는 신속스캔 축과 자기적으로 동력이 공급되는 저속스캔 축을 갖는 MEMS 스캐너를 나타낸다. 각각의 축에 대해 독립구동적 작동기를 제공할 필요로 인해 지금까지는 크기축소 및 축의 수에 대한 제한이 있었다.

또다른 특징에서의 MEMS 진동자 요구조건은 종종 장치운동 또는 각도를 감시할 필요를 포함한다. 압전저항식 및 광학적 피드백을 포함하는 다양한 방식이 제안되었고 이용되고 있다.

이 발명에 따르면, MEMS 장치에 우수한 작동기 설계가 적용될 수 있다. 또다른 특징에서는, 구조, 기능, 성능 및 비용이 개선될 수도 있다.

한 특징에 따르면, 다수의 작동메커니즘들이 직렬 또는 병렬로 연결될 수도 있다. 각각의 작동메커니즘이 특징적 공진주파수 및 증폭율을 갖는 진동자 콤포넌트와 짝을 이룰 수도 있다. 작동기를 작동시키기 위해 각각의 작동메커니즘에 대한 구동신호를 포함하는 단일 합성신호가 이용될 수도 있다. 작동기는 하나 이상의 특정한 구동신호 콤포넌트에 대해 거기에 짝을 이루는 진동자 콤포넌트에 기반하여 응답한다.

다른 특징에 따르면, 다수의 작동메커니즘은 전선으로 연결될 수도 있다. 다른 실시예에서는, 다수의 작동메커니즘이 예를 들어 전자기 또는 음향 인터페이스를 통해 무선으로 연결될 수도 있다. 전자기 인터페이스는 RF, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 또는 기타의 전파를 포함할 수도 있다.

다른 특징에 따르면, 자장에 대한 이동코일 스캔 플레이트의 커플링을 개선하기 위해 다양한 고정 자석 설계가 이용될 수도 있다. 고정 자석은 영구자석 또는 전자석일 수 있다.

또 다른 특징에 따르면, 둘 이상의 병렬이 아닌 축에서의 스캐닝을 구동하기 위해 일축 자장이 이용될 수도 있다. 자장은 각각의 축과 교차하게 배향될 수도 있다. 자장의 각도는 시스템 요구조건에 따라 최적화 될 수도 있다. 응답변수는 피크전류의 최소화, 동력소모의 최소화, 하나 이상의 축에서의 토크의 최대화, 하나 이상의 구동코일의 크기의 최소화, 신호입력에 대한 응답시간의 최소화, 진동진폭들의 매칭, 구동신호의 주파수성분들 간의 위상관계의 선택 및 공진식 구동방식과 비공진식 구동방식 간의 매칭을 포함한다.

또다른 특징에 따르면, 2D 스캐닝은 둘 이상의 축에서의 회전을 허용하는 하나 이상의 요곡부를 가짐으로써 짐벌링을 없애는 구조를 이용하여 이루어질 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 콤포넌트 위치와 운동을 결정하기 위해 감지코일이 이용될 수도 있다. 감지코일은 코일층들의 크로스오버 및 크로스언더를 형성함으로써 별도의 마스크층 없이 형성될 수도 있다. 감지코일은 작동코일 도체층에서의 크로스언더를 이용하여 연속적으로 만들어진다. 작동코일은 감지코일 도체층에서의 크로스오버를 이용하여 연속적으로 만들어진다. 절연층이 그러한 도체층들을 분리한다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너의 부분들이 기계적으로 연결되어 공진반향으로 구동된다. 여기에서, 공진반향이라는 용어는 MEMS 시스템의 한 소자의 미세운동이 시스템의 제2 소자에 기계적으로 전달되고, 그에 따라 제2 소자가 그 공진특성에 의해 비교적 큰 진폭운동으로 구동되는 현상을 지칭하는 것으로 이해하여야 한다. 그러한 운동은 여기에서 설명하듯이 공진적으로든 비공진적으로 구동될 수 있다. 스캐너의 일부에서의 진동은 스캐너의 제2 부분의 공진 및 증폭율에 의해 증폭되어 전달된다. 스캐너의 제1 부분의 운동은 스캐너의 제2 부분을 겨냥한 부분의 신호로부터 사소한 입력을 받는다. 스캐너의 제2 부분은 공진적 진동으로 상당한 진폭으로 구동될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 서스펜션을 통해 표면을 요곡부에 부착시킴으로써 활성표면의 변형을 최소화할 수도 있다. 어떤 실시예에서는, MEMS 스캔 플레이트 또는 그 부분들이 토션아암을 통해 회전구동된다. 토션아암은 큰 응력변형을 받는다. 서스펜션이라고 지칭되는 토크분산부재 상으로 비틀림하중을 확산시킴으로써 활성표면에서의 응력변형을 줄인다. 활성표면은 반사경, 하나 이상의 이미터 또는 정해진 형상을 유지하는 것이 좋은 기타의 구성요소일 수 있다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너는 작동기의 진동축에서의 작동기의 작은 운동에 완전히 공진적으로 구동될 수도 있다. 하나 이상의 작동기가 고정표면에 부착될 수도 있다. 작동기의 주기적 충격이 MEMS 구조체를 가로질러 기계적으로 전달된다. 따라서, MEMS 장치의 부분들은 기계적 커플링을 거쳐 그 장치에 의해 바람직한 진폭으로 진동하게 구동된다.

진동자와 스캔 플레이트라는 용어는 여기에서는 다소 혼용되고 있다. 두 용어 모두 일반적으로 주기적 동작을 통해 구동될 수 있는 MEMS 장치 구조를 말한다. 스캔 플레이트는 진동이라고 지칭될 수도 있는 사인파형 주기파로 구동될 수도 있다. 또한, 다축 운동자유도를 부여하는 짐벌링 등과 같은 구조가 그로부터 현수된 또다른 구조와 조합되어 진동조립체가 될 수도 있다. 이 발명의 또다른 실시예에서는, 짐벌링 및 스캔 플레이트 등과 같은 구조가 단순 사인파형이 아니라 대략 톱니형, 사각형, 삼각형 또는 기타 파형을 갖는 운동을 하게 하는 고차 사인파 성분을 이루는 운동으로 구동될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 장치의 다차원 운동을 일으키는 구동신호가 다수의 주파수성분을 갖는 단일의 합성 구동신호로 조합될 수도 있다. 합성 구동신호는 단일쌍의 구동리드선을 거쳐 MEMS 장치로 전달된다. MEMS 장치는 각각의 차원의 운동이 그 공진주파수 및 증폭율에 따라 하나 이상의 의도된 주파수성분에 응답하고 다른 주파수성분에 대한 응답을 최소화하도록 설계된다.

또다른 특징에 따르면, 둘 이상의 사인파형 신호가 구동회로에 조합되어 MEMS 장치에 단일구동신호로 전달될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 하나 이상의 공진신호는 예를 들어 대략 톱니형 등과 같은 비공진신호로 합성될 수도 있다. 그러한 실시예에서는, 하나 이상의 공진구동신호가 그 구조를 통해 전파될 때 비공진부재가 직접 구동될 수도 있다. 비공진신호가 공진체를 여기시키는 것을 방지하기 위하여, 공진체의 공진주파수 근처의 주파수성분비공진신호로부터 제거된다. 이 것은 예를 들어 비공진신호에 단지 저차 공진만을 포함함으로써 용이하게 이루어질 수 있다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 구동신호발생기는 다수의 주파수성분을 생성하여 조합하는 기능을 포함한다.

또다른 실시예에 따르면, 이동자석 MEMS 작동기는 서스펜션 소자에 장착된 자석을 포함한다. 서스펜션 소자는 장치의 활성표면을 가로질러 토크부하를 확산시켜 찌그러짐을 줄인다.

또다른 특징에 따르면, 이동자석 MEMS 작동기가 항-병렬(antiparallel) 자장을 갖는 이동 시스템을 포함할 수도 있다. 단일 전자석은 하나의 장을 끌어당기고 다른 장은 밀어냄으로써 하나 이상의 축의 둘레로의 회전을 유도할 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 개선된 MEMS 스캐너가 주사빔 이미저에 이용될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 개선된 MEMS 스캐너가 주사빔 디스플레이에 이용될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 개선된 MEMS 스캐너를 이용하여 교정된 스캔패스를 얻을 수도 있다. 스캐너는 3개 이상의 자유도를 가질 수도 있고, 그 각각은 그 공진주파수 및 증폭율에 따른 구동신호에 응답한다. 그럼으로써, 3 세트의 구동리드선 및 3개의 작동기를 제공하는 번거로움 없이 3축 이상 (그 중 일부는 실질적으로 병렬일 수도 있는)을 구동할 수 있다. 구동신호는 매개구조의 공진을 벗어난 응답을 이용하여 스캐너를 통해 전파된다.

또다른 특징에 따르면, 고성능 미소기전 시스템 (MEMS) 빔 스캐너가 제안된다. 특히, 비교적 높은 스캔주파수에서 비교적 큰 ΘD 곱으로 작동할 수 있고 시스템 요구조건을 충족시키기에 충분한 반사경 편평도를 유지하는 다양한 실시예가 제시된다.

또다른 특징은 지금까지 회전다각스캐너의 영역이었던 응용예에 이용될 수 있게 하는 성능 및 특성을 갖는 MEMS 빔 스캐너에 관한 것이다. 그러한 방식을 이용함으로써 회전다각반사경에 비해 질량 및 크기 감소, 신속한 시동, 소음감소, 신뢰성 증대 및 기타의 장점을 가질 수 있다.

이 발명의 한 특징에 따르면, MEMS 빔 스캐너가 반사경 사이즈, 스캔각도, 스캔주파수 및 반사경 편평도를 포함하는 물리적 및 작동적 특성을 갖고 어느 응용예에서는 회전다각 반사경을 대체하기에 특히 적합하게 형성될 수도 있다. 어떤 응용예에서는, 스캐닝 축을 가로지르게 연장된 길이를 갖는 MEMS 반사경이 기존의 광학 설계에 대한 실질적인 변화 없이 회전다각형에 대체될 수 있다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너가 큰 스캔각도에 적합한 토션아암 형상을 가진 채로 형성된다. 토션아암은 반사면의 길이보다 몇 배 길 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 지렛대 부재들이 토션아암의 말단부에 (스캔반사경으로부터 멀리) 형성되어 있다. 지렛대 부재는 응력집중을 줄이고 스캔각도를 확대하며 측부이동 장착패드에 대한 연결부를 제공하고 오프칩(off-chip) 작동기로부터 스캐너를 구동하는 모멘트아암을 생성한다.

이 발명의 또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너는 장착패드를 선형 작동기와 실질적으로 연속적으로 접촉하도록 유지 하고 있는 클램핑 압력을 이용하여 작동기 조립체에 장착된다. 예를 들어, 선형 작동기가 덩어리진 압전 작동기일 때, 이러한 양압(positive pressure)은 그러한 덩어리진 압전 작동기에서의 수축력을 유지, 즉 인장력을 최소화 함으로써 신뢰성과 내구성 및/또는 수명을 개선한다.

또다른 특징에 따르면, 히터는 MEMS 토션아암의 스프링상수를 변화시켜 거기에 지지된 스캐닝 반사경의 공진주파수를 변조시킨다. 그렇게 얻어진 공진주파수 제어의 정밀도는 MEMS 스캐너가 그 공진주파수에 가까워지게 한다. 가열은 MEMS 스캐너 자체의 적어도 일부에서 실리콘 등과 같은 반도체물질 덩어리의 주울열(joule heating)에 의해 이루어진다. 도핑처리는 깊이에 따라 저항이 달라지는 전하유지채널을 선택적으로 생성시킨다. MEMS 스캐너 영역에 금속층이 도포되어 그러한 영역에서 아래쪽의 주울열을 감소시킬 수 있다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너가 사진석판식으로 형성된 프레임 등과 같은 외부프레임이 없이 형성될 수도 있다. 대신에, 다수의 장착 패드가 형성될 수도 있다.

또다른 특징에 따르면, 다수의 MEMS 스캐너가 다수의 장착패드를 갖는 실리콘웨이퍼 상에 형성되어 있다. 불규칙적 형상을 갖는 장치들이 예를 들어 한 프레임이 점유하고 있는 인접한 다이 영역으로 침범하는 등 중첩하는 장착패드를 갖는 교착방식으로 실리콘웨이퍼 상에 형성되어 있다. 장치들은 심층반응이온에칭 (DRIE) 등과 같은 심층 에칭방식을 이용하여 실리콘웨이퍼로부터 거의 해방되어 있다. 하나 이상의 “랜드” 또는 “브릿지”가 파트와 웨이퍼 사이 또는 인접한 파트들 간의 연결을 유지하여 웨이퍼를 기계적으로 안정시킨다. 브릿지는 파트들을 제거하기 위해 순차적으로 부러진다.

또다른 특징에 따르면, 스캐너 제어기가 시스템 작동주파수와 매칭하는 스캐너 공진주파수를 유지하는 기능을 포함한다. 예시적 실시예에서는 이 기능이 위상차구동 서보루프로 구현된다.

또다른 특징에 따르면, 스캐너 제어기가 스캐너 히터에 전류를 가하는 히터 증폭기를 포함한다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너 제어기가 스캐너 위상을 시스템 위상으로 고정시키는 위상 서보 제어 루프를 포함한다.

또다른 특징에 따르면, 스캐너 제어기가 시스템 휴식과정에서 의사잠김상태 pseudo-locked state)로 작동하는 하나 이상의 서보루프를 포함하여 신속한 시동을 허용한다.

또다른 특징에 따르면, MEMS 스캐너 제어기는 작동중에 사용되는 구동전압보다 훨씬 큰 시동시의 구동전압을 인가한다. 큰 구동전압은 빠른 시동에 유용하다.

기타의 특징은 첨부된 도면과 그 간단한 설명과 상세한 설명 및 청구범위를 보면 알게 될 것이고, 단지 청구범위에 의해서만 제한된다.

도 1은 직렬로 결선된 이동코일로 구동되는 두 개의 스캐닝 축을 갖는 자석 구동 MEMS 스캐너의 상면도.

도 2A는 자장을 생성하는 자석을 도시한 도 1의 MEMS 스캐너의 단면도.

도 2B는 또다른 실시예의 자석을 도시한 도 1의 MEMS 스캐너의 단면도.

도 2C 는 또다른 실시예의 자석을 도시한 도 1의 MEMS 스캐너의 단면도.

도 2D 는 또다른 실시예의 자석을 도시한 도 1의 MEMS 스캐너의 단면도.

도 2E 는 또다른 실시예의 자석을 도시한 도 1의 MEMS 스캐너의 단면도.

도 3A는 단일 이동코일로 구동되는 두 개의 스캐닝 축과 단일쌍의 2축으로 유연한 지지아암을 갖는 자석구동 MEMS 스캐너를 도시한 도면.

도 3B는 도 3A의 위와 아래로 지나는 구동코일과 감지코일의 상세도.

도 3C는 도 3A의 외부 구동코일과 감지코일 리드선의 상세도.

도 4A 짐벌링 상의 단일 이동코일로 구동되는 두 개의 스캐닝 축을 갖는 자석구동 MEMS 스캐너를 도시한 도면.

도 4B는 자체지지된 (현수되지 않은) 스캔 플레이트의 동적 변형을 도시한 MEMS 스캐너의 측면도.

도 4C는 서스펜션을 이용하여 이루어지는 스캔 플레이트에서의 동적 변형의 감소를 도시하는 MEMS 스캐너의 측면도.

도 5는 압전작동기로부터의 공진반향을 통해 구동되는 일축 MEMS 스캐너를 도시한 도면.

도 6은 이축 MEMS 스캐너를 구동하는 개별적 다중파형을 도시한 도면.

도 7A는 두 개의 축으로의 이동을 유도하도록 단일 또는 일련의 작동기를 구 동하는 구동회로의 블록다이어그램.

도 7B는 위치피드백에 관한 항을 포함하는 MEMS 제어기의 블록다이어그램.

도 8은 일축이동 자석스캐너를 도시한 도면.

도 9는 대향고정 자장을 갖는 이축이동 자석스캐너를 도시한 도면.

도 10은 MEMS 스캐너를 갖는 주사빔 이미저의 블록다이어그램.

도 11은 주사빔 디스플레이의 다이어그램.

도 12A는 간파모드로 이용될 때의 도 11의 주사빔 디스플레이의 이용자에게 주어지는 정보 다이어그램.

도 12B는 차단모드로 이용될 때의 도 11의 주사빔 디스플레이의 이용자에게 주어지는 정보 다이어그램.

도 13은 도 6의 개별파형 602와 608 및 합성파형 610에 의해 예시되는 만곡형 수직스캔에 응답하여 주사빔이 따라가는 패스를 도시한 빔위치 다이어그램.

도 14는 신속스캔 반사경의 주파수를 두번째로 공진하는 교정반사경에 의해 생성될 수 있는 Lissajous 스캔패턴.

도 15는 직선형 수직스캔 위에 도 14의 패턴을 중첩시켜 형성되는 교정된 스캔패스를 도시한 빔위치 다이어그램.

도 16은 단순 공진체의 응답곡선.

도 17은 공진체의 두 개의 모드에 대한 응답곡선.

도 18은 공진주파수가 광폭으로 분리되어 곡선형상들의 간섭이 최소로 된 두 개의 공진체 사이의 연결모드에 대한 응답곡선을 도시한 도면.

도 19는 두 개의 진동질량체를 갖는 MEMS 장치에 대한 기계모델.

도 20은 공진주파수가 서로 유사하고 곡선들이 서로 간섭하는 두 개의 공진체 사이의 연결모드에 대한 응답곡선을 도시한 도면.

도 21은 공진체가 서로 밀접한 공진주파수를 갖고 서로의 응답에 간섭을 일으키는 실제의 MEMS 장치의 두 개의 공진체 사이의 연결모드에 대한 응답곡선의 플롯.

도 22A는 한 실시예에 따른 MEMS 스캐너의 상면도.

도 22B는 또다른 실시예에 따른 MEMS 스캐너의 상면도.

도 23은 또다른 실시예에 따른 MEMS 스캐너의 사시도.

도 24는 도 23의 MEMS 스캐너의 동적 응답을 도시하는 그래프.

도 25A는 제조시에 실리콘웨이퍼 상에 배열되는 방법을 도시한 다수의 MEMS 장치를 도시한 도면.

도 25B는 웨이퍼 상에서 MEMS 장치들의 또다른 레이아웃을 예시한 도면.

도 26은 MEMS 설치클램프를 도시한 도면.

도 27은 도 5와 26의 작동기를 형성하기 위해 이용되는 덩어리진 압전체의 상세도.

도 28은 빔 스캐닝 서브시스템에 이용되는 MEMS 스캐너 패키지의 전면사시도.

도 29는 도 28의 MEMS 스캐너 패키지의 두 개의 또다른 사시도.

도 30은 MEMS 스캐너를 구동하는 제어시스템의 블록다이어그램.

도 31은 MEMS 스캐너의 구동개시방법을 도시한 플로우차트.

도 1은 다수의 축에 대한 갖고 있는 일련의 작동기들을 가진 MEMS 스캐너를 예시하고 있다. 다양한 축에 대한 기계운동은 각각의 축의 기계적 공진에 대한 구동신호 주파수성분들의 매칭에 의해 정해진다.

여기에서는 빔 스캐너 또는 빔 디렉터로 구현되는 MEMS 스캐너(102)는 에칭되거나 실리콘다이로 형성되는 다양한 구조를 포함한다. 외부 지지구조(104)는 스캐너를 기타의 설치물(도시 안됨)에 고정시키는 프레임의 역할을 하며 구동신호를 받는 패드(도시 안됨) 및 구동신호를 작동기에 전달하는 궤적를 포함한다. 지지구조(104)는 센서에 구동전류를 공급하고 위치감지신호를 제어기로 전달하는 궤적 및 패드를 부가적으로 포함할 수도 있다.

외부 지지프레임(104)은 짐벌(106)을 토션아암(108a, 108b) 상에 지지한다. 종래와 마찬가지로, 여기에서도 “짐벌”과 “짐벌링”이라는 용어는 혼용된다. 선택된 축의 둘레로의 제어된 운동을 허용하는 개방단부링과 폐쇄단부링 및 기타 링이 없는 구조를 포함하는 다양한 형상의 구조가 짐벌의 역할을 할 수 있음을 이해해야 한다. 알다시피, 토션아암(108a, 108b)은 지지프레임(104) 속으로 그 에지 너머까지 연장한다. 지지프레임(104)의 에지 너머까지 연장하기 위해, 토션아암(108a, 108b)은 에칭된 트렌치에 의해 프레임으로부터 그 측부를 따라 분리되어 있다.

토션아암(108a, 108b)은 화살표(111)로 보이듯이 짐벌링(106)이 축(110)의 둘레로 회전하게 한다. 짐벌(106) 내에 현수된 진동자 또는 스캔 플레이트(112)은 예를 들어 반사경(113)이 그 위에 형성된 판형을 가질 수도 있다. 여기에서의 설명에서, “진동자” 및 “스캔 플레이트”이라는 용어는 다양한 목적으로 혼용될 수 있다. 토션아암(114a, 114b)은 스캔 플레이트(112)을 짐벌링(106)에 연결하여 스캔 플레이트가 화살표(117)로 보이듯이 축(116)의 둘레로 회전하게 한다. 명백하게도, 축(116)은 짐벌링(106)에 대해 고정되어 있고 짐벌링과 함께 지지프레임(104)에 대해 회전한다.

선택사양적으로 또는 반사경(113)에 더하여, 스캔 플레이트(112)은 그 위에 형성된 하나 이상의 전자기에너지원을 가짐으로써 스캔 플레이트(112)에 의해 생성되는 운동이 하나 이상의 전자기에너지빔을 직접 스캐닝할 수도 있다. 그러한 전자기에너지원은 감마선, x-선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 또는 전파를 포함하는 광범위한 파장들 중 어느 하나 또는 수개를 방출할 수도 있다. 자외선, 가시광선 및 적외선 방출의 경우에, 전자기에너지원 (이하에서는 광원이라고 함)이 예를 들어 하나 이상의 LED, 하나 이상의 형광원 또는 기타의 이미터인 종래의 에지발광식 또는 수직강발광식 레이저 등과 같은 하나 이상의 레이저다이오드 광원을 포함할 수도 있다.

스캔 플레이트(112) 내에서의 질량과 질량분포 및 토션아암(114a, 114b)의 강성은 축(116)의 둘레로의 스캔 플레이트(112)의 회전에 대한 공진주파수 및 증폭율을 정한다. 마찬가지로, 짐벌링(106)과 토션아암(114a, 114b) 및 스캔 플레이트(112)을 포함하는 조립체의 합성질량 (및 그 질량분포)과 토션아암(108a, 108b)의 강성은 축(110)의 둘레로의 스캔 플레이트과 짐벌 조립체의 회전에 대한 공진주파수 및 기계적 증폭율 (단순히 “증폭율”이라고 칭하기도 함)을 정한다. 일반적으로, 디자이너는 두 개의 축의 각각에 대한 공진주파수 및 증폭율을 선택함에 있어서 큰 재량을 갖는다. 이축 (그리고, 유추하자면, 다축) MEMS 스캐너(102)인 경우에, 축(116)의 둘레로의 스캔 플레이트(112)의 회전에 대한 공진주파수는 축(110)의 둘레로의 조립체의 회전에 대한 공진주파수보다 훨씬 높게 선택될 수도 있다.

도 1의 예에서는 코일로 구현된 작동기(118)는 축(110)의 둘레로의 짐벌링(106) 및 현수된 스캔 플레이트(112)의 회전을 생성하도록 구동될 수도 있다. 마찬가지로, 코일로 구현되기도 하는 작동기(120)는 축(116)의 둘레로의 스캔 플레이트(112)의 회전을 생성하도록 구동될 수도 있다. 코일(118, 120)은 MEMS 스캐너(102)가 124로 표시된 것과 같이 양축(110, 116)과 교차하는 자장 속에 있을 때 작동기의 역할을 할 것이다. 코일(120)이 스캔 플레이트(112)의 공진주파수 (또는 적절한 응답을 생성하는 어떤 주파수)에 대응하는 속도로 주기적으로 구동되는 신호를 받을 때, 스캔 플레이트(112)의 회전의 크기는 그 증폭율에 비례하여 증대될 것이다. 마찬가지로, 코일(118)이 스캔 플레이트(112)과 토션아암(114a, 114b) 및 짐벌링(106)을 포함하는 조립체의 공진주파수에 대응하는 속도로 주기적으로 구동될 때, 조립체는 기계적 증폭율로 인해 커진 크기로 축(110)의 둘레로 진동할 것이다. 유추하자면, 각각의 공진주파수는 각각의 신호를 수신하도록 튜닝되는 리시버의 역할을 한다.

선택적 실시예에서는, MEMS 부재의 하나 이상의 하모닉스에 대응하는 구동신 호를 제공하는 것이 양호할 수도 있다. 또한, 부재가 그 스윕범위 전체를 스윕함에 따라 바람직한 속도프로파일을 얻기 위해 좀더 복잡한 파형이 이용될 수도 있다.

도 1의 MEMS 스캐너(102)에서는, 코일(118, 120)이 직렬로 결선되어 있다. 선택사양적으로는, 코일(118, 120)이 병렬로 결선될 수도 있다. 어떤 경우든, 한 실시예에 따라, 각각의 코일은 관련부재의 공진특성에 따라 수신소자를 구동하도록 응답한다. 따라서, 양축을 구동하기 위한 단일 신호가 리드선(122a, 122b)을 통해 코일에 공급된다. 단일 신호가 시스템의 공진주파수의 각각과 동등한 주파수성분을 포함할 때, 각각의 짐벌(106) 및 스캔 플레이트(112)은 개별적인 특징적 공진주파수에 적합하게 응답할 것이다. 어떤 시스템에서는, 작동기가 매 옥타브 당 6 dB 또는 그 보다 높게 특징적으로 응답할 수도 있다. 따라서, 축 사이의 공진주파수 간격이 충분하면, 각각의 회전축은 실질적으로 그 공진주파수에서만 구동될 것이다.

이 발명의 또다른 실시예에서는, 스캔 플레이트, 짐벌링 등이 공진을 벗어나서 구동될 수도 있다. 도 16-20과 관련하여 좀더 상세히 설명할 것이지만, 광범위한 주파수에 걸쳐 한 부재에서 적절한 이동이 유발될 수도 있다. 따라서, 여기에서 이용되는 공진이라는 용어는 주파수범위에 걸쳐 일어나며, 통상적으로 단일 공진주파수에서 피크를 이루는 공진응답을 간단히 지칭하는 것이다.

도 1의 작동기들은 가변자장을 생성하도록 작동한다. 그 것들은 회전축(110, 116)의 각각에 교차하는 자장 속에 있다. 도 1의 예는 실질적으로 장치의 법면에 있는 교차 B 장을 도시한다. 화살표(124)로 도시된 축을 갖는 자기적 B 장은 다양한 배열의 전자석 또는 영구자석을 이용하여 생성될 수도 있다. 도 2A 내지 2E는 가능한 자석배열의 일부를 예시한 것이며, 각각 도 1의 단면 A-A′를 따라 취해진 단면도이다. 화살표(124) 방향으로 나타냈듯이 B 장의 배향은 다양한 구동신호에 대한 바람직한 응답을 설정하는 것 등과 같은 바람직한 작동특성을 얻거나, 또는 바람직스럽지 못한 축 또는 모드의 응답을 최소화 하는 것 등과 같은 바람직스럽지 못한 특성을 억제하도록 변화될 수도 있다.

도 2A에서, 자석(202a, 202b)은 MEMS 다이(102)를 가로질러 서로 대면하는 대향막대자석으로 배향되어 있다. 도 2B에서, 자석(202a, 202b)의 자극은 키퍼(204)로 결합되어 있다. 키퍼(204)는 예를 들어 스틸 등과 같은 자기투과율이 크고 침윤성이 큰 물질로 적절하게 구성된다. 투과율과 침윤성이 큰 키퍼는 각각의 자석 둘레에서 그 대향면으로 드리워지는 프린징 장(fringing field)을 감소시켜 자석(202a, 202b)의 대면한 자극 사이의 자장을 집중시키기에 유리할 수 있다. 도 2C에서, 자장은 단일 자석(202)에 의해 생성된다. 자장은 대향자극(206a, 206b)에 의해 MEMS 다이(102)를 가로질러 집중된다. 자극(206a, 206b)은 스틸 등과 같은 자기투과성과 침윤성이 큰 물질로 적절히 형성된다. 도 2D는 프린징 장이 MEMS 다이(102)를 가로지르게 지향시키는 단일 자석(202)의 이용을 예시하고 있다. 도 2E는 MEMS 조립체의 배면에 형성된 단일 자석을 예시하고 있다. MEMS 다이(102)는 회전부분의 회전이 평면을 벗어나게 하는 공동(210: cavity)을 형성하는 스페이서(208)에 결합되어 있다. 자석(202)은 스페이서(208)의 배면에 형성되어 있다. 스 페이서(208)는 스틸 등과 같은 강자성 물질과 실리콘 또는 글라스 등과 같은 강자성이 아닌 물질을 포함하는 몇 가지 물질로 형성될 수도 있다.

도 3A는 두 개의 회전축(110, 116)을 갖는 선택사양적 실시예의 MEMS 스캐너(102)를 예시하고 있다. 도 3의 MEMS 스캐너에서는, 2축으로 유연한 단일쌍의 지지아암(302a, 302b)이 스캔 플레이트(112)를 지지하고 각각의 쌍의 토션아암(108a,b 및 114a,b)을 대체한다. 따라서, 별도의 짐벌링(106)이 필요 없다.

스캔 플레이트(112)의 공진주파수 및 증폭율은 그 질량을 각각의 축의 둘레로 상이하게 분포시키고 지지아암(302a, 302b)이 각각의 축마다 상이한 비틀림 강성을 갖도록 설계함으로써 각각의 축(110, 116)마다 독립적으로 선택될 수도 있다. 도 3의 예에서는, 스캔 플레이트(112)이 한 축(116)의 둘레로의 회전에 대한 비교적 큰 공진주파수 및 다른 축(110)의 둘레로의 회전에 대한 다소 작은 공진주파수를 가질 수도 있다.

반사경(113)은 도 3A의 특정한 실시예의 경우에 실리콘 만이 반사면으로 이용되기 때문에 점선으로 도시되어 있다. 따라서, 반사경 에지 자체는 없고, 실리콘 표면 상에 부딪치는 빔의 강도에 의해 정해지는 반사경 구역만이 있다. 이렇게 정해진 에지는 특정한 빔 정렬과 형상 및 크기에 의하고 빔에 대한 반사경(113)의 순간각도에 의해 변할 수도 있다. 유효 반사면은 반사경이 빔을 향해 회전하여 좀더 직각을 이룰 때 좀더 원형이 되고, 반사경이 빔으로부터 멀리 회전할 때 좀더 타원형이 된다.

스캔 플레이트(112)은 반사경(113)의 둘레를 감싸서 배치된 단일 구동코일 (202)을 포함한다. 구동코일(202)은 리드선(122, 122b)에 의해 여기된다. 리드선(122, 122b)이 상이한 지지아암 상에 있는 것으로 도시되어 있을지라도, 선택사양적으로는 그 것들이 단일 아암 상에 있을 수도 있다. 리드선(122, 122b)은 다수의 주파수성분을 갖는 구동신호에 연결될 수도 있다. 그리고 구동코일(202)은 각각의 주파수성분을 받는다. 구동코일(202)이 한 축(110) 둘레로 회전하는 공진주파수와 동등한 주파수성분을 받으면 스캔 플레이트(112)을 구동하여 그 공진주파수로 그 축(110) 둘레로 회전시킨다. 마찬가지로, 구동코일(202)이 다른 축(116)의 공진주파수와 동등한 주파수성분을 받으면 스캔 플레이트(112)을 구동하여 그 공진주파수로 그 축(110) 둘레로 진동시킨다. 따라서, 스캔 플레이트(112)은 두 축의 둘레로 상이한 주파수로 실질적으로 독립적으로 회전하게 구동될 수도 있다.

도 3A의 특정한 실시예의 경우에, 축(116) 둘레로의 공진(수평) 스캔 주파수는2.6 KHz이다. 축(110) 둘레로의 공진(수직) 스캔 주파수는 0.8 kHz이다. 각각의 수평 및 수직 스캔각은 9.4°와 0.85°이다. 수직 및 수평 스캔 사이에 소량의 크로스토크가 있을 수도 있다. 예를 들어, 각각의 증폭율이 500 내지 1500인 경우에, 수직구동은 수평구동에 연결되어 상하간 약 3 픽셀의 수평픽셀옵셋을 일으킬 수 있다. 필요하다면, 픽셀클럭을 변화시키거나 이미지를 리매핑시킴으로써 이를 보완할 수도 있다. 마찬가지로, 수평구동도 수직구동에 연결되어 약 0.7 픽셀의 수직픽셀옵셋을 일으킬 수도 있다. 이 것은 예를 들어 유연성 대칭을 유지하거나 옵셋을 상쇄하도록 비대칭을 일으키거나 이미지 리매핑을 함으로써 보완될 수도 있다. 아래에서 언급하겠지만, 교정반사경을 도입함으로써 수직이동을 좀더 보상할 수도 있다. 교정반사경은 래스터핀치(raster pinch) 뿐만 아니라 수평-수직간 구동연결도 보완하게 설계될 수도 있다.

도 3A의 MEMS 스캐너는 구동코일(202)이 부분적으로 중첩되는 감지코일(303)을 부가적으로 포함한다. 감지코일은 리드선(304a, 304b)에 연결되어 있다. 감지코일은 도 3B 및 3C에 보이듯이, 절연층에 의해 구동코일의 제2 금속층으로부터 분리된 제1 금속층으로 구동코일(202)의 위 또는 아래에 형성되어 있다. 제1 금속층은 또한 제2 금속층을 위한 패스언더(pass-under)를 형성하고, 제2 금속층은 제1 금속층을 위한 패스오버(pass-over)를 형성한다. 감지코일은 자장을 통과하는 그 이동에 의해 유발되는 유도전류를 받는다. 전류 또는 전압이 감지될 수도 있고, 그로부터 스캔 플레이트 및 반사경의 속도 또는 위치가 판단될 수 있다.

도 3B 및 3C에 각각 도시된 특정한 실시예에 대한 상세한 단면(306, 308)을 보면, 진한 궤적으로 표식된 금속층 1은 연한 회색 영역으로 도시되어 있듯이 300 미크론 두께의 실리콘 상에 있는 1000 옹스트롱의 TiW, 2400 옹스트롱의 Gold, 200 옹스트롱의 TiW으로 이루어진 적층금속으로 되어 있다. 스캔 플레이트 및 지지아암 실리콘은 강성을 유지하기 위한 보강리브를 형성하면서 중량을 감소시키기 위해 시간이 걸리는 심층반응 이온에칭에 의해 80 미크론 두께로 선택적으로 배면에칭되어 있다. 절연층 (도시 안됨)이 금속층 1 위에 형성되어 있다. 금속 1과 금속 2의 연결은 절연층의 적절한 위치에 구멍을 둠으로써 형성된다. 좀더 연한 궤적으로 표시된 금속층 2는 10 미크론 두께의 금으로 되어 있다. 금속층 2는 절연층 위에 도금되어 있다.

그 패스의 많은 부분이 구동코일(202)의 아래에 있는 감지코일(303)은 금속 1 (금)로 21-1/2 바퀴 형성되어 있다. 감지코일 궤적은 10 미크론의 간격을 두고 약 12.5 미크론의 폭을 가지며, 1.5 킬로오옴의 코일저항을 일으킨다. 감지코일은 도 3B에 보이듯이 패스언더(310)까지 연장되는 궤적(304b)을 통해 스캔 플레이트(112)로 들어간다. 금속 2의 점퍼(312)는 패스언더(310)를 감지코일(303)의 내부단부(314)에 연결한다. 감지코일은 반시계방향 나선으로 감겨서 도 3C에 보이는 궤적(304a)으로 스캔 플레이트(112)을 빠져나간다. 반시계방향으로 빠져나가는 나선의 선택은 임의적이고 시계방향으로 빠져나가는 나선으로 대체될 수 있으며, 이 때는 감지위상에 180°의 차이가 있게 된다.

그 패스의 많은 부분이 감지코일(303)의 위에 있는 구동코일(202)은 금속 2로 9-1/2 바퀴 형성되어 있다. 구동코일 궤적은 10 미크론의 간격을 두고 약 28 미크론의 폭을 가지며, 12 킬로오옴의 코일저항을 일으킨다. 구동코일은 도 3A에 보이는 궤적(122b)을 통해 스캔 플레이트(112)으로 들어간다. 그 궤적(122b)은 구동코일(202)의 내부단부(318)에 연결되어 있는 금속 1에 패스언드(316)를 연결한다. 구동코일은 시계방향 나선으로 감겨서 도 3C에 보이는 궤적(122a)으로 스캔 플레이트(112)을 빠져나간다. 감지코일과 마찬가지로, 시계방향으로 빠져나가는 나선의 선택은 임의적이다.

어떤 특정한 실시예에서는, 스캔 플레이트(112)이 0.21 테슬라의 장 강도를 갖고 축(116)의 우측에 대해 30°로 배향된 자장 속에 있다. 이러한 조건하에서, 감지코일은 스캔 플레이트가 그 설계각 및 주파수로 구동될 때 80 mV 피크의 수평 감지 기전력(EMF)과 2 mV 피크의 수직감지 EMF를 생성한다. 용도에 따른 자장의 바람직한 벡터성분에 따라 어떤 경우에는 기타의 자장 각도가 이용될 수도 있다.

양축에서의 이동을 감지하기 위해 도3A, 3B, 및 3C의 MEMS 스캐너의 감지코일이 이용될 수 있지만, 경우에 따라서는 이동을 감지하기 위해 압전저항적 감광기 또는 기타의 감지기를 부가하는 것이 바람직할 수도 있다.

도 1이 내부스캔 플레이트 및 짐벌링 상에 직렬결선된 한 쌍의 구동코일이 형성된 경우를 예시하고 있고, 도 3A는 내부스캔 플레이트 상에 있는 단일 구동코일을 예시하고 있지만, 도 4A는 그 토션아암(114a, 114b)을 가로지르는 기계적 커플링을 통해 “링”으로 유도되는 내부스캔 플레이트(112)을 갖고 짐벌링(106) 상에 있는 단일 구동코일(202)의 경우를 예시하고 있다. 구동코일(202)은 짐벌링(106) 및 내부스캔 플레이트(112)을 포함하는 조립체를 축(110) 둘레로 직접 회전시킨다. 이 형태에서는, 공진저속스캔에 대한 구동신호가 공진되거나 임의의 또다른 형상을 가질 수 있다. 어떤 실시예에서는, 저속스캔이 축 둘레로의 점진적인 이동과 시작위치로의 신속복귀가 교번하는 변형 톱니형으로 될 수도 있다. 구동신호 내부스캔 플레이트(112)의 공진주파수로 변조된 성분을 포함할 때, 짐벌(106)의 매우 미약한 응답이 토션아암(114a, 114b)을 가로질러 선택적 서스펜션(402a, 402b)을 통해 스캔 플레이트(112)으로 전달된다. 내부스캔 플레이트의 공진응답으로 인해, 전달된 이동은 시스템에 의해 증폭되어 신속스캔 축(116) 둘레로의 내부스캔 플레이트의 공진회전을 일으킨다. 반사경(113)이 내부스캔 플레이트(112) 상에 형성되어 있을 때, 그렇게 생긴 회전이동은 광빔을 이차원 시야를 가로질러 지 향시키게 이용될 수도 있다.

축(110, 116)은 서로 임의의 각도로 배치될 수도 있다. 도 4A의 예 (그리고 이하의 기타 예)는 안착된 스캐닝 질량체를 서로 90°로 배향시킨 것으로 도시되어 있지만, 0° 내지 90° 사이의 다른 각도가 이용될 수도 있다. 발명자들은 내부스캔 플레이트(112)의 공진주파수에서의 구동충격들이 다양한 각도에서 매우 효과적으로 연결됨을 발견했다.

짐벌 지지아암(108a, 108b)이 뱀모양을 갖는 것으로 나타냈을지라도, 직선, 스플릿, 증배 및 기타 많은 형상의 토션아암이 이용될 수도 있다. 도 4A의 스캐너는 위치를 측정하기 위해 그 토션아암의 일부 또는 전부에 압전저항 감지기를 포함할 수도 있다.

도 4A의 내부스캔 플레이트(112)은 서스펜션으로 지지된 것으로 도시되어 있다. 서스펜션은 현수된 구조에 제어된 동적 변형을 가하면서 토션아암(114a, 114b)과 현수된 구조(112) 사이에 회전토크를 전달한다. 일부 응용예, 특히 내부스캔 플레이트가 반사경(113)을 위한 베이스를 이루는 일부 응용예에서는, 내부스캔 플레이트(112)에 소량의 동적 변형을 가하는 것이 유용하며, 그럼으로써 광비틀림을 최소화 하기 위해 반사경을 가능한 한 편평하게 유지한다.

도 4A에 나타낸 특정 실시예에서는, 서스펜션(402a)이 3점에서 내부스캔 플레이트(112)에 연결된 서스펜션 빔(403a)을 포함한다. 도면에 보이듯이, 서스펜션(402a)은 서스펜션 빔(403a), 축이음(404a) 및 두 개의 측부연결부(405a, 405b)를 포함하며, 그 것을 통해 내부스캔 플레이트(112)와 토크가 교류된다. 마찬가지로, 서스펜션(402b)은 서스펜션 빔(403b), 축이음(404b) 및 두 개의 측부연결부(405c, 405d)를 포함하며, 그 것을 통해 내부스캔 플레이트(112)와 토크가 교류된다. 도 4A의 어떤 특정한 실시예에서는, 축이음(404a, 404b)의 각각의 단면이 토션아암(114a, 114b)보다 작다. 이 것은 측방향 또는 펌핑 이동모드를 줄이지만 축이음(404a, 404b)이 내부스캔 플레이트(112)과 결합하는 지점에서의 토크집중의 정도를 억제한다.

도 4A에 도시된 특정한 배열이 내부스캔 플레이트(112)에 대해 각각 3개의 별도의 연결부를 갖는 별도의 서스펜션을 포함하지만, 용도에 따라서는 어떤 범위의 실시예들이 유리할 수도 있다. 예를 들어, 축이음(404)은 크기가 커지거나 완전히 제거될 수 있다. 별도의 연결부의 수가 증가될 수도 있다. 선택적으로는, 서스펜션 빔과 스캔 플레이트 사이의 연결부가 서스펜션 빔과 내부스캔 플레이트 사이를 가늘게 하는 정도에 따라 정해지는 유연도로 연속적으로 만들어질 수 있다. 연속적 서스펜션 연결부에서, 서스펜션 빔과 내부스캔 플레이트 사이에 가변폭 또는 가변간격의 홈을 형성하여 가변유연도가 생성될 수도 있다. 불연속적 서스펜션 소자의 수도 도시된 2개보다 더 증가될 수도 있다. 선택적으로는, 단일 서스펜션이 내부스캔 플레이트(112) 둘레로 연속구조를 이룰 수도 있다. 선택적으로는, 예를 들어 각각의 토션아암과 스캔 플레이트 사이의 두 개의 서스펜션 빔 등과 같은 두 개 이상의 별도의 서스펜션이 이용될 수도 있다. 또한, 짐벌링(106)과 외부 토션아암(108a, b) 및/또는 또다른 위치에 서스펜션이 형성되어 안착된 스캔 플레이트를 증배시킬 수도 있다.

도 4B는 스캔 플레이트의 중심에 가해진 토크에 의해 구동되는 종래의 MEMS 스캔 플레이트의 동적 변형의 측면도이다. 스캔 플레이트(112)은 최대 변형으로 도시되어 있고, 변형 정도는 이해하기 쉽게 하기 위해 과장되어 있다. 토크(408)는 도시된 바와 같이 주로 비틀림 스프링(114)에 의해 반시계방향으로 가해진다. 최대 변형에서, 축(116)에서의 토션아암으로부터의 토크는 스캔 플레이트를 반시계방향으로 회전시키고, 분포된 내부부하는 스캔 플레이트의 단부가 스캔 플레이트의 중앙을 지체시키게 한다. 스캔 플레이트가 도 4A의 예와 같이 하나 이상의 작동기에 의해 토션아암을 통해 구동되는 응용예에서는 스캔 플레이트 또는 서스펜션 자체가 구동되는 응용예에 비해 토크(408)가 약간 증간되지만, 공진 스캐닝의 경우에는 스프링 (토션아암)에 저장된 에너지에 의해 매우 큰 구동력이 생성됨을 주목할 수도 있다.

도 4C는 서스펜션을 이용하여 얻어지는 스캔 플레이트에서의 동적 변형의 감소를 도시한 MEMS 스캐너의 측면도이다. 스캔 플레이트(112)은 축(116)의 둘레로 반시계방향으로 구동된 최대변형으로 도시되어 있다. 측부연결부(405)는 스캔 플레이트를 접선방향력(410a, 410b)에 의해 도시된 바와 같이 반시계방향으로 구동한다. 또한, 축이음(404)은 스캔 플레이트를 토크(408)에 의해 도시된 바와 같이 축(116)서 반시계방향으로 구동한다. 서스펜션 빔(403)이 (도 4B 의 현수되지 않은 스캔 플레이트(112)의 변형과 유하사게) 좌우측 단부 모두가 스캔 플레이트에 대해 시계방향으로 회전되게 그 자신이 동적으로 변형되기 때문에, 각각의 측부연결부(405a,b, 405c,d)를 통해 스캔 플레이트의 단부에 토크(412a, 412b)가 더 가해진 다. 토크 408과 412a의 합성효과는 스캔 플레이트(112)의 좌측단을 아래로 구동하고, 다른 토크 408과 412b의 합성효과는 스캔 플레이트(112)의 우측을 위로 구동하며, 그 효과는 스캔 플레이트(112)의 중간부분들을 편평하게 유지시키는 것을 돕는다. 그럼으로써, 서스펜션의 이용은 도 4B의 심각하게 변형된 스캔 플레이트에 의해 나타나는 관성지체와 관련된 변형을 부분적으로 또는 실질적으로 극복한다.

앞서 암시했듯이, 공진시스템에서의 구동력의 대부분이 토션아암에 저장된 에너지로부터 생기기 때문에, 서스펜션을 이용하는 것은 토션아암에 의해 구동되는 플레이트 뿐만 아니라 직접 구동되는 플레이트에 대해서도 스캔 플레이트 편평도를 유지하기에 도움이 될 수 있다.

이제까지 도시한 예가 이동코일자속으로 구동되는 작동기를 이용하였지만, 이동자석, 전기용량, 압전, 충격모터, 유체 및 기타의 것들을 포함하는 다른 종류의 작동기술도 다축에서 운동을 일으키도록 유사하게 증배시킬 수 있다. 또한, 이 원리는 기계커플링을 통해 토션아암을 가로질러 일축 스캐너를 구동하는 것에 적용될 수도 있다. 도 5는 토션아암을 가로질러 덩어리진 압전작동기에 기계적으로 연결된 다축 스캐너의 예시이다. 짐벌(106)이 토션아암(108a, 108b)에 의해 현수되어 있다. 토션아암(108a)은 앵커 패드(502a)까지 연장하여 고정기층(504)에 부착된다. 토션아암(108b)은 구동패드(502b)까지 연장하여 덩어리진 압전체(506, 506′)에 연결된다. 덩어리진 압전체(506, 506′)는 고정기층(508)에 장착되어 그 하단부에서 전기궤적(510a, 510b)에 의해 구동신호에 각각 연결되고, 그 상단부에서 전기궤적(도시 안됨)에 의해 직렬로 연결된다.

도 5의 예를 대신하는 선택사양으로서, 앵커 패드(502a)는 그 것을 제2 쌍의 덩어리진 압전구동부에 연결하고 그럼으로써 양 토션아암(108a, 108b)을 통해 구동조립체에 연결함으로써 구동패드로 만들어질 수 있다.

덩어리진 압전체(506, 506′)는 궤적(510a)이 궤적(510b)보다 높은 전압으로 설정될 때 전위가 압전체(506a)를 연장시키고 압전체(506b)를 수축시키도록 되어 있다. 궤적(510b)가 궤적(510a)보다 높은 전압으로 설정될 때, 그러한 반대전위는 압전체(506b)가 연장되고 압전체(506a)가 수축되게 한다. 궤적(510a, 510b)들을 교번하는 주기신호로 여기시킴으로써, 덩어리진 압전체(506a, 506b)들은 서로 반대로 교번적으로 연장하고 수축하여 구동패드(502b)의 미세한 비틀림운동을 일으킨다. 다른 선택사양적 배치에서는, 덩어리진 압전체(506a, 506b)들이 한 쌍의 리드선의 각각을 통해 독립적으로 구동될 수도 있다.

구동패드(502b)의 미세한 비틀림 운동은 토션아암(114b)을 통해 짐벌(106)로 비틀림응력으로 전달된다. 주어진 구동주파수에 대해, 짐벌링(106)의 (그리고, 거기에 현수된 기타 구조체의) 운동의 진폭은 구동신호의 전압 및 구동주파수에서의 회전질량의 기계적 증폭율에 비례할 (반드시 선형적으로 비례하는 것은 아니지만) 것이다. 짐벌링 (그리고, 현수된 구조체)의 공진주파수 또는 그 근처의 구동주파수인 경우에, 구동패드(502b)의 회전은 증폭될 것이고, 소량의 구동패드 회전은 짐벌링(106)의 비교적 큰 회전에 대응한다. 공진을 벗어난 구동주파수성분인 경우에, 짐벌링 회전의 진폭은 감소되고, 어떤 주파수범위에서는 역전된다.

짐벌링(112)은 시스템에 비대칭적으로 도입됨으로써 주기적 진동이 유발될 수도 있다. 그러한 비대칭은 하나 이상의 회전축의 둘레로의 질량 비대칭 (그럼으로써, 각각의 플레이트 또는 짐벌에 미세한 벤딩모드를 도입함), 회전축 비대칭 (예를 들어, 축 116이 축 110에 대해 완전한 직각이 아닌), 또는 구동비대칭을 포함할 수 있다.

구동비대칭은 하나 이상의 위상 내(in-phase) 주파수성분들을 덩어리진 압전체(506, 506′)에 중첩시킴으로써 도입될 수도 있다. 그러한 구동비대칭은 구동패드(502b)의 미세한 상하 주기적 동작을 일으킬 수 있다. 이러한 미세한 상하 주기적 동작 (구동패드(502b)의 상하운동에 비해 동일부호 또는 반대부호를 가질 수 있는)은 짐벌링(106)을 통해 축(116) 둘레의 미세한 회전으로 교환된다. 축(116) 둘레로의 짐벌링(106)의 회전은 짐벌링(112) (토션아암(514a,b)과 내부스캔 플레이트(512)을 포함하는, 거기에 현수된 콤포넌트들과 함께)의 기계적 증폭율의 함수로 증폭되어 축(116) 둘레로의 짐벌링(112)의 회전을 일으킨다.

알다시피, 기계커플링은 또다른 스캔 플레이트으로 연장될 수도 있다. 스캔 플레이트(112)은 토션아암(514a, 514b)에 의해 스캔 플레이트(112)으로부터 현수되어 있는 내부스캔 플레이트(512)을 위한 짐벌링 역할을 한다. 도 5의 예에서도, 내부스캔 플레이트(512)은 축(110) 둘레로 회전하게 형성된다. 궤적(510a, 510b)을 여기시키는 구동신호가 스캔 플레이트(512)의 공진주파수와 동등한 주파수성분을 부가적으로 여기시킬 때, 그로 인해 생기는 구동패드(502b)의 미소 비틀림이 토션아암(108b), 짐벌링(106), 토션아암(114a, 114b), 스캔 플레이트(112) 및 토션아암(514a, 514b)을 통해 스캔 플레이트(512)으로 전달되어 스캔 플레이트(512)이 전 달된 주파수로 축(110)의 둘레로 회전하게 구동시키며, 여기에서 내부스캔 플레이트(512)의 기계적 증폭율이 회전을 일으킨다.

일부의 실시예에서는, 스캔 플레이트(512)이 그 위에 형성된 반사경(113)을 포함할 수도 있다. 그러한 장치의 한 응용예는 2D 빔 스캐닝 시스템에서 래스터핀치 교정반사경을 생성하려는 것이다. 구동신호의 주파수성분등 간의 위상관계 및 진폭이 제어될 수도 있다. 래스터핀치 교정시스템에서, 내부스캔 플레이트(512)은 스캔 플레이트(112)의 두배의 공진주파수를 갖도록 설계될 수도 있다. 그 위상 및 진폭은 스캔 플레이트(112)이 그 스캔범위를 가로질러 횡단하는 동안에는 반대방향으로, 스캔 플레이트(112)이 그 이동범위의 끝에 있는 동안에는 동일방향으로 짐벌(106)의 수직운동과 실질적으로 동등한 수직 스캔 운동을 생성하도록 선택될 수도 있다. 그럼으로써, 반사경(113)은 좌에서 우로 및 우에서 좌로의 스캐닝 모두에서 실질적으로 평행한 패스를 포함하고 래스터핀치를 실질적으로 제거하는 빔을 굴절시킬 수도 있다.

알다시피, 부가적인 작동기를 설치함에 따른 부가적인 비용, 수율손실 및 전력손실이 없이, 또다른 레벨의 스캔 플레이트들이 설치되어 구동될 수도 있다. 하나 고려할 것은, 연속적인 스캔 플레이트들이 최종적으로 구동되는 플레이트의 운동의 주 축에서 표현되는 중간 플레이트의 최소한의 공진응답을 거쳐 구동된다.

선택사양적으로는, 스캔 플레이트(112, 512)이 제거되고, 시스템은 단축 스캔 플레이트(106)을 구동하도록 사용될 수 있다. 알다시피, 도1, 3, 4, 및5의 실시예들의 다양한 조합이 이 발명의 범위 내에서 구성될 수 있다.

위에서 설명했듯이, 이 발명에 따른 많은 실시예들을 작동시키는 구동신호들은 파형조합에 관한 것들이다. 장치의 다양한 부분들에서 작동하는 기계적 증폭율, 공진주파수 및 구동신호를 선택함으로써, 광범위한 설계자유도를 누릴 수도 있다. 도 6은 다수의 진동소자들을 구동하는 파형을 예시하고 있다. 파형 602는 대응하는 높은 공진주파수에서 제1 진동자 콤포넌트를 구동하는 높은 주파수 신호이다. 파형 604는 대응하는 낮은 공진주파수에서 제2 진동자 콤포넌트를 구동하는 낮은 주파수 신호이다. 파형 606은 파형 602와 604의 신호들을 조합한다. 파형 606에 대응하는 신호는 이 발명에 따라 구성된 MEMS 스캐너의 하나 또는 다수의 작동기로 전달될 수도 있다. 그럼으로써, 각각의 주파수성분(602, 604)은 그 공진주파수 및 증폭율에 따라 특정한 진동소자를 작동시킬 것이다.

파형 608은 비공진방식으로 스캐너 콤포넌트를 구동하는 비공진신호이다. 파형 610은 파형 602와 608의 신호들의 조합이다. 파형 610에 대응하는 신호는 이 발명에 따라 구성된 MEMS 스캐너로 전달될 수도 있다. 신호 602에 대응하는 공진주파수를 갖는 스캐너 콤포넌트의 증폭율이 충분히 클 때, 콤포넌트는 다른 주파수의 신호들을 거절할 것이다. 역으로, 낮은 증폭율을 갖는 스캐너 콤포넌트는 광범위한 신호들을 받는 경향이 있다. 예를 들어, 파형 610의 신호 콤포넌트 608은 비교적 권선수가 많은 작동코일을 갖는 낮은 증폭율 짐벌링의 점진적인 스킨 및 신속후진을 일으키고, 파형 610의 신호 콤포넌트 602 은 거기에 설치된 높은 증폭율 내부스캔 플레이트를 구동한다.

도 7A는 개별적인 신호 콤포넌트들을 각각의 신호 콤포넌트에 차별적으로 응답하는 콤포넌트를 갖는 MEMS 스캐너를 구동하는 구동신호로 조합하는 신호발생기의 블록다이어그램이다. X-축 파형 발생기(702a) 및 y-축 파형 발생기(702b)는 각각의 MEMS 스캐너를 x축 및 y축의 둘레로 움직이도록 구동하는 각각의 신호를 발생시킨다. 그러한 운동은 회전, 연동 또는 용도별로 적합한 기타의 모드일 수도 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 파형들이 이용될 수도 있다. 파형 발생기(702a)가 파형 602를 발생시키고, 파형 발생기(702b)가 파형 604를 발생시키는 경우에는, 그 것들이 다중기(MUX: 706)에서 조합되어 합성파형 606을 생성한다. 선택사양적으로는, 파형 발생기(702b)가 파형 608 등과 같은 비사인파형 신호를 발생시킬 수도 있다. 그러한 경우에, MUX(706)는 파형 발생기(702a와 702b)에서 생성된 파형들을 조합하여 파형 610 등과 같은 신호를 생성할 수도 있다. 합성파형은 도 1의 직렬 코일(118, 120)이나, 도3A, 3B, 3C 및 4의 도 2의 조합된 구동코일(202)이나, 도 5의 덩어리진 압전체(506, 506′) 또는 다른 종류의 작동기들을 포함하는 많은 형태를 가질 수 있는 MEMS 작동기(708)로 전달된다. 별개의 파형 발생기(702a, 702b)들을 대체하는 선택사양으로서, 집적장치가 구동파형을 생성하여 개별적인 콤포넌트(예들 들어, 파형 602 및 604)들이 노출, 즉 측면에 있게 할 수도 있다.

도 7B는 집적된 x-y 파형 발생기(702) 및 제어기(712)에 연결된 이동/위치 탐지기(710)를 갖는 MEMS 구동 블록다이어그램을 예시한다. 제어기(712)는 x-y 파형 발생기(702)에 대해 파형 파라미터를 준다. X-Y 파형 발생기(702)는 구동파형을 생성하여 구동궤적(122)을 거쳐 MEMS 스캐너(102)로 전달한다. 물리적 위치 및/또는 이동은 감지되어 MEMS 스캐너(102)로부터 감지궤적(304)을 거쳐 이동/위치 수신기(710)로 전달한다. 이동/위치 수신기(710)는 제어기(712)에 MEMS 스캐너의 이동 및/또는 위치를 알린다. 그리고 나서, 제어기는 스캐너가 바람직한 이동을 수행하느냐 여부에 따라 x-y 파형 발생기로 보내는 파형 파라미터를 유지하거나 변경할 수도 있다. 제어기(712)는 광원(716)의 발광패턴을 변화시켜 MEMS 스캐너(102) 상의 반사경의 실제위치를 감안하여 이미지 리매핑을 수행하도록 광원구동기(714)에 명령할 수도 있다. 광원(716)은 MEMS 스캔 플레이트(112) 상의 반사경에 의해 스캔 플레이트의 감지위치에 대응하는 시야로 굴절되는 빔(718)을 발광한다.

여기에 도시된 자석식 구동기 설계가 이동코일형이지만, 여기에서 설명하는 원리를 이동자석 MEMS 설계에 적용할 수도 있다. 도 8은 반사경 찌그러짐을 감소시키는 서스펜션을 갖는 일축이동자석 MEMS 스캐너를 도시한다. 스캔 플레이트(112)은 그 표면 상에 반사경(113)을 갖는다. 스캔 플레이트(112)은 토션아암(114a, 114b)으로부터 현수되어 각각 앵커 패드(502a, 502b)까지 연장된다. 앵커 패드(502a, 502b)는 기층(504a(도시 안됨), 504b)에 각각 부착되어 있다. 영구자석 또는 전자석일 수 있는 구동자석(802)이 도면에 도시된 부착점(804a, 804b)에서 스캐너 조립체에 부착되어 있다. 구동자석(802)의 N극 및 S극은 도면에 보이듯이 자석의 좌우측에 각각 정렬되어 있다.

작동코일(806)은 도시한 바와 같이 그 중심선 상에서 스캐너(102)의 아래에 배치되어 있다. 선택사양적으로는, 작동코일(806)이 스캐너(102) 평면 내 또는 위 등과 같이 상이한 위치에 배치될 수도 있다. 작동코일(806)은 리드선(122, 122b) 에 의해 여기되어 가변자기적 B 장(808)을 생성한다. 전자석(806)이 N극이 위에 있게 배향된 자장(808)을 생성하도록 여기될 때, 구동자석(802)의 S극이 거기에 끌려가고 구동자석(802)의 N극은 그로부터 밀려남으로써, 스캐너(102)가 축(116) 둘레의 반시계방향으로 회전하게 한다. 역으로, 전자석(806)이 S극이 위에 있게 배향된 자장(808)을 생성하도록 여기될 때, 구동자석(802)의 S극이 밀려나고 구동자석(802)의 N극은 끌려감으로써, 스캐너(102)가 축(116) 둘레의 시계방향으로 회전하게 한다.

구동자석(802)은 도시된 부착점(804a, 804b)에서 스캐너 조립체에 부착된다. 구동자석(802) 및 토션아암(114a, 114b)이 거기에 직접 부착되면 이동자석 작동기 및 토션 스프링 에너지 저장이 협력하여 반사경(113)을 찌그러뜨릴 수 있는 상당한 양의 토크를 발생시킬 수 있다. 대신에, 구동자석(802) 및 토션아암(114a, 114b)을 각각의 서스펜션 빔(403a, 403b)에 부착하면, 서스펜션 소자에 대한 비틀림을 억제하여 반사면(113)을 도4B 및 4C에 보이듯이 편평하게 유지한다. 서스펜션 빔(403a, 403b)이 진동질량체(112)에 다양한 배열로 부착될 수도 있다. 일부의 실시예에서는 서스펜션 빔(403)을 진동질량체(112)에 도시한 3점에서 부착하는 것이 적절할 수도 있다. 유한소자분석이 디자이너가 최적의 부착점을 선택하는 것을 도울 수 있다.

토션아암으로부터 진동질량체(112)를 현수하는 것을 대체하는 선택사양으로서, 다양한 외팔보 또는 기타의 설계가 이용될 수도 있다.

도 9는 이동자석 실시예의 이축 MEMS 스캐너(102)를 도시한다. 도 8 및 도 5의 MEMS 스캐너에서와 마찬가지로, 앵커 패드 (502a, 502b)는 조립체를 장착점에 부착한다. 그로부터 연장하는 토션아암(108a, 108b)이 짐벌링(106)을 지지한다. 그리고, 짐벌링(106)은 서스펜션(402a, 402b)에 각각 연결하는 토션아암(114a, 114b)의 앵커 역할을 한다. 서스펜션(402a, 402b)은 반사면(113) 이 배치된 진동질량체(112)를 연결한다.

두 개의 구동자석(802a, 802b)은 도시된 바와 같이 짐벌링(106)에 부착되어 작동력을 제공할 수 있다. 구동자석 802a는 부착점 804a와 804d에서 짐벌링(106)에 부착되면, 여기에서 점선은 짐벌링(106)의 하면 상에 있는 위치를 나타낸다. 마찬가지로, 구동자석802b는 부착점804b와 804c에서 짐벌링(106)에 부착된다. 일부의 실시예에서는, 구동자석(802a, 802b)의 N극과 S극을 도시된 바와 같이 서로 평행하지 않게 배치하는 것이 양호할 수도 있다. 그러한 배열은 단일 작동기가 구동자석에서 축(110) 둘레로 조립체를 회전시키는 대향력을 생성하게 한다.

도 9의 이동자석 진동 조립체는 예를 들어 도시된 바와 같이 MEMS 스캐너의 평면의 아래에 배치될 수 있는 전자기 작동기(806)에 의해 구동된다. 당분야의 숙련자들은 알겠지만, 전자석(806)의 위치를 달리하는 것도 가능하다. 구동자석(806)은 리드선(304a, 304b)을 거쳐 가변자기적 B 장(808)을 생성하도록 구동된다. 전자석(806)이 N극이 위에 있는 가변자장(808)을 생성하도록 구동될 때, 구동자석 802a가 거기에 끌려가고 구동자석 802b는 그로부터 밀려난다. 이 것은 축(110) 둘레로의 반시계방향의 비틀림력을 생성하여 스캔 플레이트를 반시계방향으로 회전하게 구동한다. 역으로, 가변자장(808)이 S극이 위에 있게 구동될 때, 구동자석 802a가 밀려나고 구동자석 802b는 끌려가서 축(110) 둘레로의 시계방향의 회전을 일으킨다.

다양한 파형이 축(110) 둘레로의 회전구동에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 도 6의 파형(604) 등과 같은 적절한 주파수 선택의 사인곡선형 파형이 축(110) 둘레로의 공진회전을 생성한다. 다른 실시예에서는, 비사인곡선형 비공진운동을 생성하기 위해도 6의 파형(608) 등과 같은 경사진 대략 톱니형 파형이 이용될 수도 있다.

앞서와 같이, 하나의 스캔 플레이트(112)이 짐벌링(106)으로부터 토션아암(114a, 114b) 상에 현수되어 있다. 다른 실시예와 마찬가지로, 스캔 플레이트(112)의 질량분포 및 토션아암(114a, 114b)의 강성이 스캔 플레이트(112)을 위한 공진주파수 및 기계적 증폭율을 결정한다. 다른 예와 마찬가지로, 전자석(806)은 다수의 주파수성분을 포함하는 합성파형으로 구동될 수도 있다.

도 9의 예를 보면, 구동자석(802a, 802b)의 배치가 비대칭이다. 구동자석(802a)은 (각각 사진으로 보이듯이) 외부 위치(804d)에서는 그 먼 쪽 단부에 장착되고 내부 위치(804a)에서는 그 가까운 단부에 장착되어 있다. 구동자석(802b)의 비대칭은 외부 위치(804b)에서는 그 가까운 단부에 장착되고 내부 위치(804c)에서는 그 먼 단부에 됨으로써 역전된다. 이 구동비대칭은 축(116) 둘레로의 짐벌링(106)의 미소 회전을 일으킨다.

가변 B 장(808)이 스캔 플레이트(112)의 공진주파수와 동등하거나 인접한 주파수를 갖는 주파수성분으로 구동될 때, 스캔 플레이트(112)은 공진적으로 구동되 어 축(116) 둘레로 진동한다. 도 4 및 5의 MEMS 장치와 마찬가지로, 토션아암(114a, 114b)을 통해 비틀림력을 생성하여 축(116) 둘레로의 짐벌링(106)의 미소 비틀림이 스캔 플레이트(112)의 공진시스템에 의해 증폭된다. 짐벌링(106)의 미소한 비틀림의 전과정을 통해, 구동토크 및 토션아암(114a, 114b)에 저장된 에너지로부터 생기는 스캔 플레이트(112)으로 전달되는 토크의 양은 상당히 클 수도 있다. 이러한 비틀림력이 스캔 플레이트(112) 및 그에 따라 반사면(113)을 뒤트는 것을 감소시키기 위해, 서스펜션(402a, 402b)이 스캔 플레이트(112) 및 토션아암(114a, 114b) 사이에 각각 배치된다.

파형 606 또는 610 등과 같은 합성구동신호가 리드선(304a, 304b)을 통해 공급되어 진동콤포넌트의 진동특성에 따른 두 이상의 축에서의 움직임을 생성할 수도 있다.

앞서 설명했듯이, 스캔 플레이트(112)을 구동하기 위해 회전축 비대칭 및/또는 질량분포 비대칭을 포함하는 하나 이상의 기타의 비대칭이 선택적으로든 부가적으로든 사용된다.

도 9의 동메커니즘동시스템에 대한 선택사양으로서, 다양한 진동콤포넌트의 각각이 거기에 구동자석을 배치함으로써 직접 구동될 수 있다.

여기에 제시된 다른 예와 마찬가지로, 어느 방향으로든 코일(806) DC 바이어스 전류는 DC 바이어스의 방향에 따라 어느 한 쪽 또는 다른 쪽으로 피동부재(즉, 도 9의 예에서의 짐벌링 106)의 회전의 진폭을 변위시킬 것이다. 이 효과는 특히 자석구동에서 현저한 바, 이는 그러한 시스템의 비교적 큰 구동토크 때문이다. 그 러한 DC 바이어스 전류는 반사경(103)을 겨냥하는 정규방향을 변화시키거나 조절하기 위해 이용될 수도 있다. 이 것은, 예를 들어, 주사빔 디스플레이의 출구 동공(exit pupil) 위치를 변화시키거나 주사빔 영상획득장치를 위한 시야를 이리저리 변화시키기에 유용하다.

도 9는 두 개의 축, 두 개의 본체 스캐너 (i.e. 단일 스캔 플레이트 및 단일 짐벌링)를 도시하고 있지만, 이동자석 설계가 단일-축, 두 개 이상의 축, 단일-본체, 또는 두 개의 본체의 응용예에도 쉽사리 잘 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

앞서 언급했듯이, 여기에서 설명한 원리는 다양한 자석식 또는 비자석식 MEMS 구동시스템에 적용될 수도 있다. 예를 들어, 전기용량성 구동패드 또는 전기용량성 깍지 낀 듯한 아암(interdigitated arms)이 앞서의 예에서 이용되는 구동자석 및 전자석을 대체할 수도 있다. 선택사양적으로는, 열적, 유체적 또는 기타의 작동메커니즘이 의도된 범위 내에서 대체될 수 있다.

여기에서 설명하는 MEMS 스캐너의 다양한 실시예가 주사빔 영상획득장치, 주사빔 디스플레이, 레이저프린트영상시스템 또는 기타의 응용장치에서 광빔을 스캔하기 위해 이용될 수 있다. 주사빔 영상획득장치(1002)의 간단한 블록다이어그램이 도 10에 도시되어 있다. 조명기(716)는 제1 광빔(718)을 생성한다. 반사경이 형성된 스캐너(102)가 시야(FOV)를 가로질러 제1 광빔을 굴절시켜 제2 주사광빔(1010)을 생성한다. 합쳐서 말하자면, 조명기(716) 및 스캐너(102)는 가변 조명기(1009)를 포함한다. 주사광빔(1010)의 순간위치는 1010a, 1010b 등으로 지정될 수 있다. 주사광빔(1010)은 FOV의 점(1012)을 순차적으로 조명한다. 위치 1010a 및 1010b에서의 주사빔(1010)은 FOV의 점1012a 및 1012b을 각각 조명한다. 빔(1010)이 점들을 조명하는 동안에, 조명광빔(1014)의 일부는 대물의 특성 즉, 점에 있는 물질에 따라 반사되어 분산 또는 반사광 에너지를 생성한다. 분산광 에너지의 일부는 빛을 받고 수광 에너지의 크기에 대응하는 전기신호를 생성하는 하나 이상의 탐지기(1016)로 간다. 전기신호는 숫자표시를 만들어 인터페이스(1020)를 거쳐 부가처리, 디코딩, 기록, 인쇄 또는 기타의 처리 또는 사용을 위해 전달하는 제어기(1018)를 구동한다.

광원(716)은 예를 들어 발광다이오드(LEDs), 레이저, 열원, 섬광원, 형광원, 기체방출원 또는 다른 종류의 조명기 등과 같은 다수의 이미터를 포함할 수도 있다. 한 실시예에서는, 조명기(716)가 약 635 내지 670 나노미터(nm)의 파장을 갖는 적색 레이저 다이오드를 포함한다. 또다른 실시예에서는, 조명기(716)가 3개의 레이저 즉, 약 635 nm, 532 nm 및 473 nm를 각각 갖는 적색 다이오드 레이저, 녹색 다이오드 펌핑되는 고상(DPSS: green diode-pumped solid state) 레이저 및 청색 DPSS 레이저를 포함한다. 레이저다이오드가 직접 변조될 수도 있지만, DPSS 레이저는 일반적으로 예를 들어 음향광변조기(AOM) 등과 같은 외부변조를 요구한다. 외부변조기가 이용되는 경우에, 그 것은 통상적으로 광원(716)의 일부로 간주한다. 다수의 이미터인 경우에 광원(716)이 빔조합용 광학장치를 포함하여 일부 또는 전부의 이미터를 단일 빔으로 조합할 수도 있다. 광원(716)은 하나 이상의 시준렌즈 및/또는 구멍(apertures) 등과 같은 빔형성용 광학장치를 포함할 수도 있다 . 또 한, 앞서의 실시예들에서 설명한 파장이 광학적 가시광선범위 내에 있지만, 기타의 파장도 이 발명의 범위 내에 든다.

앞서 언급했듯이, 이 발명에 따른 실시예들은 스캐닝 반사경뿐만 아니라 다른 종류의 MEMS 장치에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 예를 들어, 스캔 플레이트는 반사경 대신에 광이미터 또는 광섬유 말단을 가질 수도 있다. 그러한 장치들은 스캐닝 반사경(103)을 대신하거나 보조하는 하나 이상의 축에서 광빔을 직접 이동시키도록 이용될 수도 있다.

광빔(718)은 단일 빔으로 예시되었을지라도 단일 스캐너(102) 또는 별개의 스캐너(102)들 위로 수렴되는 다수의 빔을 포함할 수도 있다.

2D MEMS 스캐너(102)는 프레임 주기 내에 2D FOV 전체 또는 2D FOV의 선택된 영역을 처리하는 방식의 고속으로 하나 이상의 광빔을 스캔한다. 통상적인 프레임속도는 예를 들어 60 Hz일 수 있다. 흔히, 단일 또는 양축을 공진적으로 처리하는 것이 양호하다. 어떤 실시예에서는, 한 축이 약 19 KHz로 공진적으로 처리하고 다른 축은 톱니형 패턴으로 비공진적으로 처리하여 점진적 스캔패턴을 생성한다. 약 19 KHz의 스캔주파수로 수평스캐닝하고 약 60 Hz의 톱니형 패턴으로 수직스캐닝하여 단일빔으로 점진적으로 스캔된 대략 SVGA급의 해상도를 가질 수 있다. 그러한 어떤 시스템에서, 수평스캔이동은 전기용량성으로 구동되고 수직스캔이동은 자석식이나 전기용량성으로 구동될 수도 있다. 전기용량성 구동은 전기용량성 판, 빗살모양의 구동부 또는 유사한 수단을 포함할 수도 있다. 다양한 실시예에서, 양축은 사인곡선형으로 즉, 공진적으로 구동될 수도 있다. 앞서 설명한 것이나 또는 당분야의 숙련자에게 명백한 기타의 구동방법이 선택사양적으로 이용된다.

몇 종류의 탐지기가 용도 또는 구성에 따라 전용될 수도 있다. 예를 들어, 한 실시예에서는, 탐지기가 증폭기와 디지타이저에 연결된 PIN 광다이오드를 포함할 수도 있다. 이 구성에서는, 빔 위치정보가 스캐너로부터, 또는 선택사양적으로 광학메커니즘으로부터 회수되고, 영상해상도는 스캐닝 점(1012)의 크기와 형상에 의해 결정된다. 다색 영사인 경우에, 탐지기(1016)는 좀더 복잡한 분할 및 여파를 포함하여 탐지 전에 분산광을 그 콤포넌트 부분들로 분리할 수도 있다. PIN 광다이오드에 대한 선택사양으로서, 특정한 용도, 특히 광이 약한 경우에는 아발란체 광다이오드 (APDs) 또는 광전자증배관 (PMTs)이 선호될 수도 있다.

다양한 처리방식에서, PIN 광다이오드, APDs 및 PMTs 등과 같은 광탐지기가 용도에 따라 FOV 전체를 훑어보거나 FOV의 일부를 훑어보거나 광회수적으로 집광하거나 공초점방식으로 집광하도록 배열될 수도 있다. 일부의 실시예에서는, 광탐지기(1016)가 필터를 통해 집광하여 많은 주변광을 제거한다.

주사빔 영상획득장치는 단색으로든 다색으로든 하이퍼스펙트럼으로든 구현될 수 있다. 일부의 실시예에서는, 많은 칼라 카메라에 이용되는 종래의 RGB 채널들 사이에 칼라채널을 부가하는 것이 바람직할 수도 있다. 여기에서는, 회색조라는 용어 및 그와 관련된 논의는 이 발명의 범위 내의 다른 방법 또는 응용예와 마찬가지로 이러한 실시예들의 각각에 관련이 있는 것으로 이해하여 한다. 화소 회색치는 단색 시스템인 경우에 단일 값을 포함하고, 칼라 또는 하이퍼스펙트럼 시스템인 경우에 RGB 3색 또는 더 많은 값을 포함할 수도 있다. 특정채널(예를 들어 적색, 녹색 및 청색 채널)의 출력치에 개별적인 제어가 이루어질 수도 있고, 예를 들어 조도조절 등과 같이 모든 채널에 대해 전체적으로 이루어질 수도 있다.

여기에서 설명하는 MEMS 스캐너 및 작동메커니즘에 대한 기타의 응용예는 여기에 원용되는 Furness 등의 발명의 명칭이 VIRTUAL RETINAL DISPLAY인 미국특허 제5,467,104호에 설명된 것 등과 같은 주사빔 디스플레이를 포함한다. 도 11에 선도로 도시했듯이, 어떤 실시예의 주사빔 디스플레이(1102)에서는, 스캐닝 소스(1009)가 빔조합기(1106)에 의해 관측기의 눈 (1104)에 연결되는 주사광빔을 출력한다. 일부의 스캐닝된 디스플레이에서는, 스캐닝 소스(1009)가 이 문서의 다른 곳에서 설명하는 반사경을 갖는 MEMS 스캐너를 포함하며, 반사경은 광빔을 관측기의 망막에 스캔하도록 작동한다. 다른 실시예에서는, 스캐닝 소스가 각 스윕을 통해 회전되는 하나 이상의 광이미터를 포함할 수도 있다.

스캐닝된 빛은 관측기의 동공(1108)을 통해 눈(1104)으로 들어가서 각막에 의해 망막(1109)에 영사된다. 스캐닝된 빛에 응답하여 관측기는 영상을 인식한다. 또다른 실시예에서는, 스캐닝된 소스(1009)가 변조된 광빔을 관측기가 관측하는 스크린 상에 스캔한다. 어떤 종류의 디스플레이에 대해서도 적합한 그러한 스캐너의 한 예가 여기에 원용된 Melville 등의 발명의 명칭이 MINIATURE OPTICAL SCANNER FOR A TWO-AXIS SCANNING SYSTEM인 미국특허 제5,557,444호에 설명되어 있다.

때때로, 그러한 디스플레이는 부분적 또는 확장된 관측용으로 이용된다. 그러한 응용예에서는, 디스플레이의 일부가 이용자의 시야에 배치되어 도 12A에 보이 듯이 이용자의 시야(1204)의 일부 영역(43)을 점유하는 영상을 제공한다. 이용자는 그럼으로써 디스플레이된 허상(1206) 및 배경정보(1208)를 모두 볼 수 있다. 배광이 차단되면, 관측기는 도 12B에 도시된 허상(1206)만을 인식한다. 통과되거나 차단되는 디스플레이에 대한 응용예는 에를 들어 헤드장착 디스플레이 및 카메라 전자뷰파인더를 포함한다.

도 5의 설명과 관련하여 앞서 언급했듯이, 여기에 설명한 다양한 실시예의 MEMS 스캐너들 중 하나의 이용은 래스터핀치 교정 스캐너로서의 이용이다. 도 13은 도 10에 예시된 주사빔영상획득장치와 도 11에 예시된 주사빔 디스플레이를 포함하는 다양한 장치에 의해 발광되는 주사빔이 따라가는 스캔패스(1302)를 예시한다. 도 13이 단지 11개의 영상을 도시하고 있을지라도, 당분야에 숙련된 자는 실제의 디스플레이 또는 이미저에서의 선의 수는 통상적으로 11개보다 훨씬 많을 것임을 알 것이다. 실제의 스캔패턴(1302)을 바람직한 래스터 스캔패턴(1304)에 비교함으로써 알 수 있듯이, 실제의 주사빔(1302)은 시야의 외부 에지에서 “핀치”되어 있다. 즉, 빔의 연속적인 전후 스윕에서, 스캔패턴의 에지 근처의 픽셀들은 비균일적으로 이격되어 있다. 이러한 비균일적 이격은 픽셀이 겹치게 하거나 인접한 픽셀열 사이에 간격을 남길 수 있다. 더욱이, 영상정보가 통상적으로 데이터 배열로 주어지고, 이 배열의 각각의 위치가 이상적인 래스터패턴(1304)에서의 각각의 위치에 대응하기 때문에, 픽셀위치의 변위는 영상찌그러짐을 유발할 수 있다.

디스플레이되거나 캡쳐링 된 영상의 품질을 개선하기 위해서는, “핀치”된 스캔패스(1302)를 교정하여 이상적인 래스터 패턴(1304)에 좀더 접근시키는 것이 바람직하다. 이렇게 하기 위한 한 방법은 이 상세한 설명의 끝부분에서 원용하고 있는 일부의 특허에서 설명한 별도의 빔 패스 교정반사경을 제공하는 것이다. 그러나, 별도의 교정반사경은 비용, 크기 및 복잡함이라는 측면에서 바람직스럽지 못하다. 많은 응용예의 경우에, 교정특성을 갖는 스캐너 조립체(102)를 대신 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.

도 5로 되돌아가서, 반사경이 있는 표면(113)을 가진 내부스캔 플레이트(512)이 외부 짐벌(106)과 함께 축(110) 둘레로 스캔하도록 구동될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 내부스캔 플레이트(512)이 적절한 위상관계로 수평 스캔 플레이트(112)의 두배의 주파수로 구동되면, (짐벌(106)에 의한 아무런 이동이 없이) 반사경(113)으로부터 반사된 주사빔이 도 14에 보이듯이 “보우타이(bow tie)” 또는 Lissajous 패턴을 따를 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도 14의 Lissajous 패턴을 수직으로 조합하면, 짐벌(106)에 의한 실질적으로 일정한 회전속도 스캐닝은 도 15에 도시된 바와 같은 교정된 스캔패턴을 생성한다. 도 15는 “핀치”된 스캔패스를 수평시야가 전체 수평스캔각의 90퍼센트를 둘러싸는 교정반사경의 사인곡선형 이동으로 교정하는 것을 도시한다. 당분야에 숙련된 자는 시야가 전체 수평스캔각을 좀더 적게 둘러싼다면 빔위치의 에러가 감소될 수 있음을 알 것이다.

교정 스캐너들은 동기적으로 또는 직접적으로 구동될 수도 있다. 물론, 반드시 도 5의 덩어리진 압전구동메커니즘을 이용할 필요는 없다. 이동코일자석, 이동자철광자석, 전기용량성, 열팽창차 등을 포함하는 기타의 구동메커니즘이 이용될 수도 있다.

하나 이상의 또다른 교정반사경을 스캐너(102)에 부가함으로써 스캔에러를 좀더 줄일 수 있다. 그러한 스캔 플레이트가 도 5에 보이듯이 안착되거나 “더블바운스(double bounce)”를 이용하여 부가되거나 또는 빔을 스캐너(102)의 기층의 평면으로 복귀시키는 다른빔 패스가 제1 스캔반사경(113)에 대한 어떤 축에든 측방향으로 배치될 수도 있다. 에러를 감소시키는 또다른 방법은 하나 이상의 좀더 고차의 하모닉스를 스캐너 구동신호에 부가하여 여기에서는 공진교정스캐너의 역할을 하는 내부스캔 플레이트(512)의 스캐닝 패턴이 사인곡선형 스캔으로부터 짐벌(106)의 좀더 정확한 이동에 근접하는 톱니파에 근접하게 하는 것이다.

여기에 설명된 다양한 실시예의 MEMS 스캐너의 다른 이용은 당분야에서 숙련된 자에게 명백할 것이다.

여기에 설명한 다양한 실시예의 MEM 스캐너는 이 출원과 함께 양도되고 여기에 원용되는, 예를 들어 발명의 명칭이 SCANNED DISPLAY WITH PINCH, TIMING, AND DISTORTION CORRECTION 인 미국특허 제6,140,979호, 발명의 명칭이 FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER AND METHOD OF MAKING 인 미국특허 제 6,245,590호, 발명의 명칭이 ; FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER WITH AUXILIARY ARMS 인 미국특허 제 6,285,489호, 발명의 명칭이 FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER 인 미국특허 제 6,331,909호, 발명의 명칭이 SCANNED IMAGING APPARATUS WITH SWITCHED FEEDS 인 미국특허 제 6,362,912호, 발명의 명칭이 ACTIVE TUNING OF A TORSIONAL RESONANT STRUCTURE 인 미국특허 제 6,384,406호, 발명의 명칭이 SCANNED DISPLAY WITH PLURALITY OF SCANNING ASSEMBLIES 인 미국특허 제 6,433,907호, 발명의 명칭이 ACTIVE TUNING OF A TORSIONAL RESONANT STRUCTURE 인 미국특허 제 6,512,622호, 발명의 명칭이 FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER AND METHOD OF MAKING 인 미국특허 제 6,515,278호, 발명의 명칭이 SCANNED IMAGING APPARATUS WITH SWITCHED FEEDS 인 미국특허 제 6,515,781 호 및/또는 발명의 명칭이 FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER 인 미국특허 제 6,525,310호에 설명된 시스템에 합체되거나 그 실시예들과 조합될 수 있다.

선택사양적으로, 조명기(104), 스캐너(102) 및/또는 탐지기(116)는 여기에 원용되는 발명의 명칭이 BAR CODE SCANNING AND READING APPARATUS AND DIFFRACTIVE LIGHT COLLECTION DEVICE SUITABLE FOR USE THEREIN 인 미국특허 제5,714,750호에 설명된 집적된 빔스캐닝 조립체를 포함할 수도 있다.

도 1, 3A, 4A, 5, 6, 7A, 7B, 및 9의 설명과 관련하여 앞서 설명했듯이, 다양한 축 둘레로의 회전 또는 기타의 운동은 이동체의 물리적 응답에 따라 정해진다. 그러한 설명에서는, 다양한 회전축 간의 약간의 상호작용 또는 기타의 운동이 거의 없을 것으로 추측하였다. 그러나 실존계의 시나리오에서는 모드 및 이동체 간의 상호작용은 심각할 수도 있다.

도 16은 공진주파수 f_R 을 갖는 스캔 플레이트의 회전에 대한 간단한 응답곡선(1602)을 도시한다. 이 도면에서 수직축은 변위진폭을 나타내고 물리적 응답을 의미한다. 회전응답이 도 16의 곡선(1602)으로 도시되어 있지만, 기타의 응답모드 도 유사하게 표시될 수 있다. 예를 들어, “펌핑”은 상하연동을 수반할 것이다. 그래서, 스캐너들의 위치 사이의 커플링은 회전이 아닌 다른 모드를 구동하기 위해 이용될 수도 있다.

많은 응답곡선의 특성이 그렇듯이, 진동체의 변위진폭은 주파수가 응답이 본체의 기계적 증폴율에 대응하는 정해진 레벨로 급격히 상승하는 공진주파수에 가까워지기까지 주파수와 함께 단조롭게 증가한다. 주파수가 좀더 증가되어 곡선이 하락하면, 때로는 본체가 더 이상 구동신호의 속도로 응답할 수 없으므로 급격히 하락한다. 종종, 공진주파수 또는 그 근처에서 MEMS 장치가 에너지를 저장하고 동력소모를 줄이도록 구동하게 시스템을 설계하는 것이 편리하다.

도 16의 응답곡선은 일축 둘레로의 단일 진동체의 응답을 나타내지만, 도 17의 응답곡선은 다축 둘레로의 본체에 대한 응답을 나타낸다. 여기에서 다시, 주파수는 수평축을 따라 우측으로 증가하는 것으로 도시되어 있고, 변위응답진폭은 수직축 상에서 그 축의 값이 커질수록 변위가 커지는 것으로 도시되어 있다. 1차 진동응답곡선(1602)은 f_R1의 공진주파수를 갖고 도 16에 도시된 응답곡선(1602)과 유사한 형상이다. 또한, 도 17에 도시된 것은 2차 진동응답곡선(1702)이다. 응답곡선(1702)은 다른 어떤 이동축을 따르는 본체의 응답을 나타내며, 제2 여기모드를 표시한다. 여기에서는 1차 진동응답(1602)이 한 쌍의 토션아암에 의해 정해지는 축 둘레로의 회전의 측정인 것으로 가정한다. 2차 진동응답곡선(1702)은 주 회전축에 직교하고 평면상에서 축의 둘레로의 회전에 대한 경사진 응답을 표시한다. 1 차 진동응답은 한 쌍의 토션아암의 둘레로의 회전인 것으로 여겨질 수 있다. 2차 진동응답은 장치의 평면을 벗어나서 선택사양적으로 위아래로 구부러지는 한 쌍의 토션아암과 함께 하는 경사인 것으로 여겨질 수 있다.

이차 응답곡선(1702)은 주 모드 공진주파수 f_R1과 동일하거나 다를 수 있는 이차 공진주파수 f_R2를 표시함을 주목해야 한다. 여기에서는 f_R2의 주파수가 f_R1보다 다소 높고 부축에서의 최대변위응답진폭(기계적 증폭율)이 주축의 응답의 크기보다 작다고 가정된다.

이제 도 18을 보면, 다양한 MEMS 장치 본체의 다양한 운동모드들 간에 어떤 관계가 있다. 곡선(1702)은 제1 이동체의 이차 공진응답을 나타낸다. 이 경우에 제1 이동체는 짐벌링이다. 앞서의 도면들에서 언급했듯이, 이차 응답 (짐벌링 지지아암 축 110에 대해 직교하며 축 116 둘레로의 경사에 대응하는)은 주파수를 f_1R2 (즉, 제2 운동응답에서 시스템의 단일 공진주파수에 대응하는 모드 2에서 제1 본체의 공진주파수)로 증가시킴에 따라 비교적 완만하고 단조롭게 증가하고, 구동주파수가 좀더 상승함에 따라 완만하고 단조롭게 감소한다. 곡선(1702)의 어떤 실제 시스템 공진주파수는 약 1500 hertz이다.

외부판의 경사를 나타내는 곡선 1702 위에 중첩된 응답곡선 1802은 내부판의 회전을 나타낸다. 구체적 실시예를 들자면, 도 1 또는 4의 내부판(112) 및 짐벌링(106)을 참조할 수 있다. 그래서, 곡선 1702는 축(116) 둘레로의 짐벌링(106)의 경사를 나타내고, 응답곡선 1802는 축(116)의 둘레로의 내부판(112)의 회전을 나타 낸다. 도 18의 예에서, 응답곡선(1802)은 주파수가 공진주파수 f_2R1(즉, 축 116의 둘레로의 회전에서 제2 플레이트의 공진주파수)에 도달하기까지 주파수와 함께 단조롭게 증가한다. 주파수가 좀더 증가함에 따라, 내부판(112)의 응답은 감소한다. 곡선 1802의 어떤 실제 시스템 공진주파수 f_2R1는 약 20kHz이다.

도 18에 도시된 두 개의 응답곡선의 공진주파수는 곡선 1702 및 1802에 대해 각각 1500 hertz 및 20kHz로 비교적 넓게 분리되어 있다. 이 것은 곡선 1702의 공진주파수에 대응하는 곡선 1802 상의 검사점 1804 및 곡선 1802의 공진주파수에 대응하는 곡선 1702 상의 검사점 1806으로부터도 알 수 있다. 각각의 경우에 곡선의 형상은 다른 플레이트의 공진에 의해 비교적 영향을 받지 않으며, 대신에 각각의 곡선은 도 16 및 17의 “순수” 응답과 유사하다.

그래서, 외부판이 20 KHz의 f_2R1으로 구동될 때, 그 주파수에서의 곡선 1702의 변위진폭에 따라 아주 약간만 경사지지만, 상당히 큰 내부판의 변위를 유도하여 내부판이 그 주파수에서의 곡선 1802의 변위진폭에 따라 꽤 많이 회전한다. 이 에너지전달은 화살표(1808)로 표시되어 있다. 이러한 상황은 한 부재의 아주 미세한 변위가 다른 부재에서 상당히 큰 변위를 유도하는 앞서 설명한 사례와 같다.

MEMS 시스템의 다양한 콤포넌트의 공진주파수가 서로 근접해질 때, 각각의 공진모드가 다른 모드의 응답에 영향을 미침에 따라 또다른 상호작용이 일어날 수 있다. 그러한 상호작용의 곡선의 형상을 살펴보기에 앞서, 도 19를 보면, 그러한 기계적 시스템의 모델을 만드는 한 방법이 도시되어 있다.

도 19의 모델에서, 시스템의 장착점에 대응하는 베이스(504)가 강성 k1 및 에너지소멸 (비탄성응답) 계수 c1). 을 갖는 스프링을 통해 (예를 들어 짐벌링에 대응하는) 제1 질량 M1(106)에 탄성적으로 연결되어 있다. 이 것들은 각각 스프링(108) 및 대시포트(dash pot: 1902)로 모델링되어 있다. 작동기에 대응하는 힘 F1(주파수를 나타내는 소문자 f와 혼동하지 말 것)은 질량 M1을 그 정지위치로부터 변위시키는 역할도 한다. 스프링(108)은 대시포트(1902)의 작용을 감쇠시킴으로써 조절되면서 질량 M1을 그 정지위치로 되돌리는 역할도 한다.

이 예에서, 스프링(108)은 도 1 및 4의 토션아암(108a, 108b)에 대응하는 인용부호가 붙여져 있다. 마찬가지로, 질량 M1(106)은 그 도면에서의 짐벌링(106)에 대응하는 인용부호가 붙여져 있다. 힘 F1에 따른 질량 M1(106)의 주 변위가 많은 주파수에서 축(110) 둘레로의 회전이지만, 질량 M1(106)이 직교회전축, 즉 축(116) 둘레로의 경사모드로 변위될 수도 있다. 여기에서는, 관심을 끄는 주 모드가 축(116) 둘레로 경사진 부 모드이다.

질량 M1(106)에는 제2 질량 M2(112)이 연결되어 있다. 질량 M2는 스프링 상수 k12를 갖는 스프링(114) 및 감쇠계수 C3를 갖는 대시포트(1904)를 거쳐서 질량 M1에 연결되게 모델링 될 수도 있다. 도 1 및 4의 요점을 취하면, 질량 M2(112)는 내부스캔 플레이트(112) (및 만약 있다면, 서스펜션 402의 질량)에 대응하는 것으로 볼 수 있고, 스프링(114)은 토션아암(114a, 114b)에 대응하는 것으로 볼 수 있다. 질량 M2(112)는 감쇠계수 C2를 갖는 대시포트(1906)를 통해 베이스(504)와도 상호작용한다. 감쇠계수C1, C2 및 C3는 시스템의 에너지소멸 메커니즘에 대응한다. 특히, C1은 두 개의 주된 효과, 즉 MEMS 다이(102)와 베이스구조(504) 사이의 에너지소멸 장착 및 짐벌링 상의 기체 감쇠 작용에 대응한다. C2는 내부스캔 플레이트(112) 상의 기체 감쇠 작용에 주로 대응한다. C3는 M1 및 M2의 상대운동으로 인해 토션아암에서의 에너지소멸에 주로 대응하며, 일반적으로 무시할 만하고, 그러므로 시스템 모델링 시에는 무시된다.

질량 M1(106)의 변위에 따라, 질량 M2(112)는 힘 F2에 의해 변위될 수 있다. 그러한 변위시에, 스프링(114)은 대시포트(1906)의 감쇠계수 C2에 의해 조절되는 그 스프링상수 k12의 작용에 따라 질량 M2를 질량 M1에 대한 그 정지위치로 복귀시키는 경향이 있다. 질량 M2(112)에 작용하는 힘 F2는 그 각각의 스프링상수 k12 및 k1에 따라 스프링(114) 뿐만 아니라 스프링(108)도 신장시킬 수 있음을 알 수 있다. 정지조건에서, 힘 F1은 스프링(108)에만 작용하고 스프링(114)에는 작용하지 않는다. 그러나, 질량 M1(106)과 M2(112)의 관성조합은 동작조건에서 힘 F1에 역으로 작용한다. 또한, 동작조건에서, 시스템의 다양한 콤포넌트 간의 상호작용은 질량 M1과 질량 M2의 운동 사이에 복잡한 관계를 일으킬 수도 있음을 알 수 있다.

몇 가지 단순화 가정으로 모델링을 쉽게 할 수 있다. 이러한 것들은 스프링과 감쇠(히스테리시스가 전혀 없는)의 선형특성, 질량이 없는 스프링, 구동력의 선형특성 및 온도를 포함한 다양한 환경변화에도 일정하게 유지되는 상수를 포함한다. 어떤 시스템, 특히 변위가 큰 시스템의 경우에, 그러한 단순화 가정은 적합하지 못할 수도 있으며, 이는 당분야의 숙련자들은 알고 있는 것이다. 열거된 단순화 가정을 이용하여, 도 19로 나타낸 시스템의 동적운동은 도 21에 주어진 미분방 정식 (2102, 2104) 에 의해 제어된다.

위에 나타낸 미분방정식에 따라, 도 19에 대응하는 시스템이 힘 F1에 의해 주기적으로 구동될 때, 질량 M1(106) 및 M2(112) 모두의 운동이 일어난다. 예를 들어 F2가 제로(즉, F2 = 0)로 설정되고 F1이 사인곡선(F2 = F0 * sin(2πf*t))으로 구동되며, F0가 부하진폭이고, f가 주파수이며, t가 시간일 때, 두 개의 질량의 운동은 도 20의 곡선(1702, 1802)으로 도시된 바와 같이 응답할 수도 있다.

도 18과 마찬가지로, 도 20의 곡선 1702는 짐벌링의 경사모드를 나타내며, 곡선 1802는 내부스캔 플레이트의 회전을 나타낸다. 도 19의 모델과 관련하여, 곡선 1702는 또한 질량 M1(106)의 변위에 대응하고, 곡선 1802는 공통변위축 상에서의 질량 M2(112)의 변위에 대응한다. 도 1과 4의 구조에 따르면, 공통변위축(116)은 곡선 1702의 경우에 짐벌링의 경사로, 곡선 1802의 경우에 내부스캔 플레이트의 회전으로 도시되어 있다.

곡선 1702는 그 것이 짐벌링의 경사모드의 공진주파수 f_1R2에 도달하기까지 단조롭게 상승한다. 그리고 그 것은 주파수가 좀더 증가함에 따라 감소된다. 그러나, 그 것은 도 18의 시스템에서처럼 완만하게 감소되지 않는다. 오히려, 그 형상은 곡선 1802의 응답에 영향을 받는다. 다시 말해서, 질량 M1(106)의 동적 응답은 스프링상수, 감쇠계수 및 도 19의 모델의 질량에 의해 정해지는 바에 따라 질량 M2(112)의 동적응답에 영항을 받는다. 모델별로 이용되는 값은 MEMS 장치의 실제특성에 대응함을 주목해야 한다.

곡선 1802는 곡선 1702와의 대응하는 상호작용을 나타낸다. 특히, 질량 M2가 그 공진주파수 f_2R1에 도달하기까지 그 곡선이 단조롭게 증가하기보다는, 곡선 1802는 곡선 1702로 나타낸 경사모드에서의 짐벌링의 공진주파수 f_1R2 에 대응하는 응답(1804)의 피크를 나타낸다. 구체적 시스템에서, f_1R2에서의 대응피크는 축(116) 둘레로의 스캔 플레이트(112) 및 짐벌링(106)의 위상내 운동을 나타낸다.

화살표(2002)로 나타냈듯이, 짐벌링의 경사는 에너지를 회전의 형태로 내부스캔 플레이트에 전달한다. 그래서, f_1R2에서는 짐벌링에 물리적으로 연결된 작동기가 스캔 플레이트의 회전구동에 이용될 수도 있다.

도 20으로부터 알 수 있듯이, 비교적 유사한 공진주파수를 갖는 커플링된 시스템들에서는, 스캔 플레이트가 짐벌링의 공진주파수로 구동될 수도 있다. 이러한 예에서는, 공진주파수는 축(116) 둘레로의 경사의 공진주파수이다. 그러나, 기타의 모드 및 기타의 공진주파수가 이용될 수도 있다.

내부스캔 플레이트(112)의 회전 공진주파수 근처의 높은 주파수 f_2R1에서는, 도 20의 곡선 1702의 검사로부터 알 수 있듯이 대응하는 어떤 현상이 관측될 수도 있다. 내부스캔 플레이트(112)의 회전 공진주파수보다 낮지만 그에 근접하는 주파수에서는, 곡선 1702에서 국소적 최소치가 관측된되. 주파수가 계속 높아지면, 짐벌링의 경사응답은 내부스캔 플레이트(112)의 회전의 공진주파수 f_2R1 근처의 각각의 최대치까지 증가한다. 여기에서, 화살표 1808로 보이듯이, 에너지가 내부판으로 전달되어 최대의 변위진폭을 생성한다. 이 예에서는, 이 변위진폭이 짐벌링(106)에 대해 내부스캔 플레이트(112)의 축(116) 둘레의 회전으로 나타내어져 있다.

곡선 1702와 1804 사이의 커플링이 공진주파수 f_1R2에서의 위상내의 것임에 반하여, f_2R1에서의 커플링은 위상 밖이다. 즉, 스캔 플레이트(112)이 곡선(1802)의 변위진폭에 대응할 만큼 시계방향으로 회전될 때, 짐벌링은 곡선(1702)의 변위진폭에 대응할 만큼 반시계방향으로 경사진다. 그럼으로써, 곡선(1702, 1802)이 주파수 f_1R2에서의 반사면의 부가적인 변위를 일으키는 동안에, 주파수 f_2R1에서의 곡선 1702의 변위의 방향은 곡선 1802의 변위방향의 반대이다.

도 21은 앞서 설명한 도 19의 미분방정식 설명시스템에 따른 실제 시스템의 dB 스케일의 이론적 주파수 응답곡선을 도시한다. 진폭은 외부고정된 기준프레임에 대해 계산된 절대값이다. 주파수 f_2R1에서, 스캔 플레이트 스캔진폭은 7이고, 이 때 짐벌링 진동진폭은 2이다. 두 본체의 각은 f_2R1에서 약 180의 상대위상을 가진다.

곡선 1702의 국소적 최소치에 대응하는 점에서 시스템을 구동하는 것이 기계적 증폭율(짐벌링진폭응답에 대한 반사경진폭응답)의 높은 유효율을 나타내지만, 내부스캔 플레이트의 응답은 만족할 만한 스캔각을 생성하기에 불충분하다.

구동시스템을 위한 또다른 후보주파수는 f_1R2에 대응하는 것이며, 여기에서 짐벌링 및 내부스캔 플레이트의 응답은 서로에 대해 대략 위상 내에 있다. 이러한 주파수 (약 1700 hertz)에서 시스템은 곡선(1802, 1702)에 대해 각각 25° 및 20°의 그 최고응답을 나타냈다. 그러나, 수평스캔속도(즉, 약 1700 hertz)는 기타의 시스템 요구를 충족하기에 불충분했다.

여기에서 설명한 예들이 스캐닝 현상에 관한 것이고, 특히 외부짐벌링에 의해 현수된 내부스캔 플레이트의 회전이 경사를 나타내지만, 다른 종류의 운동도 유사하게 연결될 수 있다. 다양한 모드의 진동이 다양한 용도에 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 수직연동은 광초점용, 범위탐색용 또는 요구되는 다른 실시예를 포함하는 다양한 시스템에서 이용될 수 있다. 마찬가지로, 평면 내 회전, 플레이트(진동적) 모드 및 평면 내 연동이 공진을 통해 스캔 플레이트를 구동하기 위해 기계적으로 연결될 수 있다. 또한, 유사한 현상이 도 1의 예와 같은 연결된 작동기, 도 5의 예와 같은 다수 연결된 본체, 도 5의 예와 같은 주진동축에 평행한 것(본체 106, 502 모두 축 110의 둘레로 회전하게 유도됨)과 관련하여 살펴볼 수 있을 것이다.

도 22A는 고성능 MEMS 스캐너(102)의 한 실시예를 도시한다. 앞서 설명했듯이, MEMS 스캐너(102)는 예를 들어 고속, 고해상 레이저빔 프린터, 고속 바코드 스캐너, 주사빔 디스플레이, LIDAR 시스템, 스캔식 레이저레벨 및 기타의 용도를 포함하는 여러 용도에 이용될 수 있다. MEMS 스캐너(102)는 당분야에서 알려진 벌크 미세기계가공을 이용하여 단정질 실리콘으로부터 석판인쇄술로 형성된다. 반사면(113) (도시 안됨)을 가진 스캔 플레이트(112)이 각각의 서스펜션(402a, 402b)을 통해 한 쌍의 토션아암(114a, 114b)에 연결되고, 서스펜션은 도시했듯이 서스펜션 빔(403a, 403b), 서스펜션 중심커넥터(404a, 404b) 및 서스펜션 외부커넥터(405a, 405b, 405c, 405d)로 이루어진다. 토션아암(114a, 114b)은 스캔 플레이트(112) 및 서스펜션(402a, 402b)이 회전하는 회전축(116)을 정한다. 서스펜션은 토션아암(114a, 114b)에 의해 유도된 토크부하를 스캔 플레이트(112)의 표면을 가로질러 확산시킴으로써 반사면을 통상적으로 ¼ 파장 내에서 비교적 편평하게 유지하는 것을 돕는다.

서스펜션(402)은 각각의 외부 (측방향) 커넥터(405a, 405b, 405c, 405d) 및 각각의 축방향 커넥터(404a, 404b)에 의해 스캔 플레이트(112)에 각각 연결된 서스펜션 빔(403)을 포함한다. 합쳐서 말하자면, 서스펜션 소자(403a, 405a, 405b, 404a)는 제1 토션아암(114a)과 스캔 플레이트(112) 사이에 제1 서스펜션 커플링을 형성한다. 마찬가지로, 서스펜션 소자(403b, 405c, 405d, 404b)는 제2 토션아암(114b)과 스캔 플레이트(112) 사이에 제2 서스펜션 커플링을 형성한다.

토션아암(114a, 114b)은 각각의 “지렛대 부재”(2212a, 2212b)까지 연장한다. 지렛대 부재(2212a, 2212b)는 도시된 각각의 측부의 지점에서 각각의 장착패드(2214a, 2214b 및 2214c, 2214d)에 연결된다. 합쳐서 말하자면, 지렛대 부재(2212a) 및 장착패드(2214a, 2214b)는 지지구조 (도시 안됨)에 대해 토션아암(114a)을 연결하는 제1 장착구조(502a)를 이룬다. 마찬가지로, 지렛대 부재(2212b) 및 장착패드(2214c, 2214d)는 지지구조 (도시 안됨)에 대해 토션아암(114b)을 연결하는 제2 장착구조(502b)를 이룬다. 선택사양적 실시예에서는, 장착 구조가 예를 들어 한 쌍의 직사각 장착패드를 포함하는 다른 구조를 가질 수 있고, 그 각각은 각각의 토션아암 (도 5, 8, 9에 도시된), 스캔 플레이트(112)과 토션아암(114a, 114b)의 둘레에 형성된 단일 프레임(도 1, 3A, 4A에 도시된), 또는 기타의 형상에 직접 결합된다. 도 22A의 예시적 실시예는, 예를 들어, 웨이퍼 당 더 많은 장치를 패킹하거나, 동적 응력을 감소시키거나, 개별적 장착패드가 작동기에 연결되게 하거나, 장착패드(2214)가 서로 “부유”하게 하는 등과 같이 특정한 장점을 가짐으로써 MEMS 스캐너에서의 잔류응력을 감소시킬 수 있다.

선택사양적 실시예에서는, 지렛대 부재(2212a, 2212b)가 측부 지점에 있는 주변장착 프레임, 스캔 플레이트를 둘러싸는 주변프레임, 선택적 서스펜션, 토션아암 및 종래의 MEMS 장치에 따른선택적 지렛대 부재와 결합한다.

스캔 플레이트(112) 및 반사경(113)은 예를 들어, 그 길이방향(회전축(116)에 평행한 방향) 범위보다 실질적으로 큰 측방향(회전축(116)에 수직한 방향) 범위를 가진다. 무엇보다도 특히, 이 것은 회전하는 다각반사경의 다각면을 모방할 수 있고, 그럼으로써 다양한 용도에서 회전하는 다각스캐너 대신에 이 스캐너(102)를 이용하기에 편리한 장점이 있다는 것이다. 선택사양적으로는, 스캔 플레이트(112)이 좀더 작은 종횡비의 직사각형, 정사각형, 원, 타원 또는 주어진 용도에 적합한 다른 형상으로 형성될 수도 있다.

도 22A에 보이듯이, MEMS 스캐너(102)는 두 개의 토션아암(114a, 114b)을 포함하고, 그 각각은 18.76 밀리미터의 길이(필릿(fillets) 포함)를 가지며, 그 기단부는 각각의 서스펜션(상세하게는, 서스펜션 빔(403a, 403b))에 있는 장축 400 미 크론, 단축 200 미크론의 타원형 필릿으로 끝나고, 그 말단부는 각각의 지렛대 부재(2212a, 2212b), 다시 말해서 장축 400 미크론, 단축 200 미크론의 타원형 필릿으로 끝난다. 토션아암(114a, 114b)은 384 미크론의 폭을 가진다. MEMS 스캐너(102)의 다른 것들과 마찬가지로, 토션아암은 DRIE 처리에 의해 700 미크론의 웨이퍼 두께 전체가 에칭되고, 토션아암 및 지렛대 부재의 길이는 선택사양적 스캔주파수 및 각도를 생성하도록 조절될 수 있다.

서스펜션 빔(403a, 403b)은 396 미크론의 폭을 가지며, 각각의 토션아암(114a, 114b)과 91.6도의 다소 둔각을 이루게 약간 구부러지며, 스캔 플레이트(112)의 측방향 범위와 동등한 정도로 측방향으로 연장된다. 각각의 서스펜션 중심 커넥터(404a, 404b)는 서스펜션 빔(403a, 403b)의 중앙선으로부터 스캔 플레이트(112)의 중앙선으로 연장하고, 그 거리는 500 미크론(필릿 포함)이다. 중심 커넥터(404a, 404b)는 각각 164 미크론의 폭을 가지며, 양 단부에서 100 미크론 반경의 필릿을 포함한다. 4개의 서스펜션 외부커넥터(405a, 405b, 405c, 405d)는 서스펜션 빔(403a, 403b)의 단부로부터 스캔 플레이트(112)으로 연장하고, 도시된 바와 같이 각각의 서스펜션 빔의 각 단부에 하나씩 있다. 외부 커넥터(405a, 405b, 405c, 405d)는 각각 250 미크론의 폭(측방향)과 400 미크론의 길이(길이방향)를 가지며, 필릿을 갖지 않는다. 그래서, 각각의 서스펜션은 서스펜션 빔(403), 중심 서스펜션 커넥터 (404) 및 두 개의 외부 서스펜션 커넥터(405)를 포함하고, 응력집중을 줄이고 토크부하를 확산시켜 작동중에 스캔 플레이트의 동적 변형을 감소시키는 방식으로 토션아암(114a, 114b)을 스캔 플레이트(112)에 연결한다. 선택사양적 서스펜션 형태가 가능할 것이며, 앞서 설명했듯이 당분야에 숙련된 자에 의해 구현될 수 있을 것이다.

도 22A의 예시적 실시예의 스캔 플레이트는 가로 6 미크론 세로 6 미크론의 정사각형이다.

지렛대 부재(2212a, 2212b)는 각각 1.8 밀리미터의 길이 (필릿을 포함하는 총 측방향 크기)를 가지며 400 미크론의 폭(길이방향 크기)을 갖고, 도 22A의 예의 경우에는, 토션아암(114a, 114b)에 의해 형성된 축에 대해 수직으로 그 축으로부터 대칭으로 연장된다. 지렛대 부재(2212a, 2212b)의 외부 단부는 4개의 각각의 장착패드(2214a, 2214b, 2214c, 2214d)에 도시된 바와 같이 200 미크론의 반경의 필릿으로 연결된다. 장착패드는 각각 5 밀리미터의 정사각형이다.

2220a 및 2220b에서 장착패드(2214a, 2214b, 2214c, 2214d) 상에 도핑채널이 형성된다. 도핑채널 위에 있는 장착패드(2214a, 2214b, 2214c, 2214d) 상에 금속이 적층된다. 금속은 스캔 플레이트(112) 상에도 적층되어 중심 서스펜션 커넥터(404a, 404b) 위를 지나 도핑채널(2220a, 2220b) 위에 중첩되는 지점까지 연장한다. 아래에서 설명하겠지만, 도핑채널은 비교적 낮고 깊이에 따라 값이 달라지는 저항영역들을 형성하여 금속이 피복되지 않은 영역과 금속층들 사이에 전류가 흐르는 것을 돕는다. 예를 들어 금속 또는 알루미늄일 수 있는 금속은 스캔 플레이트(112) 상에 반사면을 형성한다.

지렛대 부재의 형상은 현저하게 변화될 수도 있다. 마찬가지로, 크기, 형상 및 지렛대 부재와의 연결방향을 포함하는 장착패드 형상도 용도에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 또한, 지렛대 부재, 장착패드 및 MEMS 스캐너(102)의 기타 부분들은 용도에 따라 비대칭적으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 22B와 관련하여 알 수 있듯이, 두 개의 장착패드, 두 개의 지렛대 부재 및 하나의 토션아암 모두가 통째로 없앨 수도 있다.

스캔 플레이트(112), 서스펜션(소자 403a, 405a, 405b, 404a 및 403b, 405c, 405d, 404b에 각각 대응하는) 및 토션아암(114a, 114b)의 형상도 마찬가지로 현저하게 변할 수 있다. 예를 들어, 도 22A의 가로 6 밀리미터, 세로 6 밀리미터의 스캔 플레이트 대신에 가로 4 밀리미터, 세로 4 밀리미터의 스캔 플레이트(112)이 사용될 수도 있고, 토션아암 길이는 각각 12 밀리미터만큼 짧아지면서 거의 일정한 공진주파수 및 재료응력한계를 유지할 수도 있다. 서스펜션도 스캔 플레이트 동적 변형을 줄이는 장점을 여전히 유지하면서 현저하게 변할 수 있다.

장착패드(2214a, 2214b, 2214c, 2214d) (또는 선택사양적으로는 주변프레임)가 하우징에 장착될 때, 작동기(도시 안됨)에 대한 주기적인 전력인가가 스캔 플레이트(112)이 토션아암(114a, 114b)에 의해 정해지는 회전축(116) 둘레로 전후로 주기적으로 회전하게 할 수 있다. 한 실시예에서는, 적절한 신호 (4개의 작동기를 갖는 실시예의 경우에 약 0과 25-30 volt 사이에서 변하는 5 KHz 사인파 등과 같은)로 구동 될 때, 스캔 플레이트(112)은 5 KHz의 주파수로 ±20°의 기계적 스캔각으로 응답한다.

±20°의 기계적 스캔각에서, 스캐너(102)는 9개의 면을 가진 회전하는 다각주와 거의 동등한 스캔각을 나타낸다. 다른 다각주 형상에 맞는 다른 스캔각이 선 택될 수도 있다. 5 KHz의 완전한 주기 스캔속도에서, 스캐너(102)는 10 KHz의 속도로 양방향 스캔(각각의 사이클 동안에 한 번의 전진 및 한 번의 후진)을 한다. 이 것은 66,667 RPM으로 회전하는 9면 다각주와 거의 동등하다. 그래서, 스캐너(102)는 상당히 복잡한 회전하는 다각주 스캐너의 스캐닝 성능을 달성하여 고속용에 적합하게 할 수 있다. 선택사양적으로, 스캐너는 단일방향으로 스캔하도록 이용되어 33,333 RPM의 9면 회전다각주 스캐너와 거의 동등하게 될 수도 있다. 단일방향 동작은 반사경이 전진 또는 후진 스캔하는 하프사이클 중 하나에 있을 때만 영상데이터를 변조(즉, 영상데이터를 캡처링)함으로써 간단하게 성취될 수 있다. 양방향으로 이용될 때는, 적절한 전자제어장치를 이용하여 역방향 스캔시의 데이터판독(레이저에 대해서나 또는 탐지기로부터의)을 역전시킨다.

도 22B는 선택사양적 실시예의 MEMS 스캐너(102)를 도시한다. 단일 토션아암이 도 22A와 관련하여 설명한 서스펜션을 통해 스캔 플레이트(112)을 지지한다. 스캔 플레이트는 다양한 모드의 공진주파수를 적절히 제어함으로써 및/또는 아래에서 설명하듯이 그 공진주파수 또는 아주 근접한 주파수로 스캔 플레이트를 구동함으로써 축(116) 둘레로 회전될 수도 있다.

도 23은 또다른 선택사양적 실시예의 MEMS 스캐너(102)를 도시한다. 도 23의 예시적 실시예에서는, 지렛대 부재(2212a, 2212b)가 뱀모양으로 형성된다. 지렛대 부재의 말단은 통상적으로 앞서 설명했듯이 장착패드와 결합되거나, 선택사양적으로는 주변프레임부재에 장착된다. 알다시피, 지렛대 부재의 형상은 현저하게 변화될 수도 있다.

도 24는 주기적 구동신호가 인가될 때 도 22A의 MEMS 스캐너의 동적응답을 나타내는 그래프이다. 곡선 2402는 주기적 구동주파수(2406)의 함수로서의 진폭응답(2404)을 나타낸다. 곡선 2408은 동일한 주기적 구동주파수 축 2406에 대해 그려진 스캐너 대 구동 위상(2410)을 나타낸다. 곡선 2402의 검사로부터, 응답피크가 약 5 KHz에 있음을 알 수 있고, 그 것은 회전모드의 MEMS 스캐너의 공진주파수에 대응한다. 피크의 크기가 상대적 원칙으로 그려져 있지만, 그 것은 이 예시적 실시예의 경우에 만족할 만한 구동전력으로 ±20°의 기계적 스캔각의 공진응답을 생성하기에 충분히 높은 것이다. 4개의 작동기를 가진 실시예의 경우에, 0 내지 25-30 volt의 진폭을 갖는 5 KHz 사인파에 가까운 구동 파형은 ±20°의 기계적 스캔각을 갖게 한다.

65 내지 70 KHz 사이의 이차 피크는 덩어리진 압전체 작동기의 공진특성에 대응한다.

곡선 2408은 MEMS 스캐너 응답에 대한 구동신호의 위상관계가 공진점에서 변환되는 방법을 도시한다. 5 KHz이하에서, 위상관계(응답 대 구동)는 0°이다. 5) KHz이상이지만 이차 피크 이하인 경우에, 위상관계는 -180°이다. 일차 공진피크에서, 위상관계는 도시된 바와 같이 -90° (응답지체 구동)를 통과하여 변환된다. 이차 피크 이상에서는, 시스템의 응답이 두절되고 위상응답은 다시 피크 아래에서의 -180°로부터 이차 공진피크에서의 -270°(+90°)를 통해 이차 공진피크 이상의 주파수에서의 -360° (0°)로 통과하여 변환된다. 효율을 최대화 하기 위해서는, MEMS 스캐너를 일차 공진피크 또는 아주 근접한 주파수에서 작동시키는 것이 좋다.

5 KHz에서의 작동인 경우, MEMS 스캐너의 공진주파수는 5 KHz보다 수 hertz 높게, 통상적으로 상온에서 5.001 내지 5.005KHz의 범위가 되게 조절된다. 그러한 조절은 이 출원과 함께 양도되고 여기에 원용되는 발명의 명칭이 FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER AND METHOD OF MAKING 인 미국특허 제6,245,590에 설명된 방법을 이용하여 이루어질 수 있다. 소량의 에폭시의 형태로 스캔 플레이트에 중량을 더해주는 방법을 이용하여 공진주파수를 획일적으로 조절하는 것이 양호함이 밝혀졌다. 공진주파수를 실질적으로 5.000 KHz로 만들기 위해 공진주파수의 적극적인 열적 조절이 이용된다.

도 25A는 밀리미터 실리콘웨이퍼(2502) 상에 있는 MEMS 스캐너(102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f)의 프로토타입의 레이아웃을 도시한다. 알다시피, MEMS 스캐너는 깍지낀듯한 장착패드와 반사경으로 고밀도로 패킹된다. 그러한 레이아웃을 갖는 한 가지 이유는 웨이퍼 당 수율을 최대화 하려는 것이다. 알다시피, 도 25A에 도시된 스캐너(102)의 스캔 플레이트는 짧고 넓은 종횡비로 형성되어 있다. 도 25A는 “T”형 단부가 반사경을 향해 옵셋된 선택사양적 지렛대 부재(2212) 디자인도 도시한다.

도 25B는 100 밀리미터 실리콘웨이퍼로부터 제조하는 경우의 MEMS 스캐너의 선택사양적 레이아웃을 도시한다. 스캐너의 크기, 특히 토션아암의 길이는 도 25A의 레이아웃에 비해 좀더 효율적인 깍지낀 패킹을 위해 조절되었다. 좀더 큰 웨이퍼도 이 장치들로 고밀도로 패킹될 수 있다.

“깍지낀(interdigitated)”이라는 용어는 하나 이상의 인접한 반도체 장치 의 일부를 잘라냄이 없이 하나의 반도체 장치의 둘레에 정사각형을 그리거나 입방체로 잘라낼 수 없음을 의미한다. 즉, 하나 이상의 인접한 반도체 장치는 입방체로 잘라낼 톱을 이용하여 그 반도체 장치의 둘레에 형성될 수 있는 기하학적 형상의 아웃라인 속으로 인접하는 반도체 장치가 침입해 있다. 심층반응이온에칭(DRIE) 등과 같은 에칭단계 또는 기타의 프로세스 단계를 이용하여 웨이퍼로부터 스캐너를 거의 완벽하게 빼낼 수 있다. 각각의 장치의 둘레에 형성된 이중선은 장치 둘레에 현성된 “호(moat)”의 에지를 나타낸다. 아주 미세한 실리콘 “브릿지”가 간격을 두고 스캐너를 웨이퍼에 연결하고 있음을 볼 수 있다. 스캐너를 빼내기 위해, 이러한 브릿지가 간단히 부러지고, 스캐너가 빠져나온다. 브릿지의 폭은 장치를 가로질러 크랙이 전파되는 것을 회피할 수 있을 정도로 충분히 좁다.

선택사양적 실시예에서는, DRIE 전에 실리콘웨이퍼의 배면에 금속층이 도금되거나, 또는 인슐레이터 웨이퍼가 접착된다. DRIE를 이용하여 실리콘웨이퍼를 통한 에칭이 이루어진다. 금속 또는 인슐레이터 층이 스캐너를 웨이퍼 속에 유지하고 있다. 금속은 스캐너를 빼내기 위해 찢어질 수 있다. 선택사양적으로, 금속 또는 인슐레이터가 에칭되어 사라짐으로써 부분들을 해방시킬 수 있다. 한 실시예에서는, 알루미늄이 금속안정층으로 이용된다. 한 실시예에서는, PYREX 글래스가 인슐레이터 안정층으로 이용된다. 그러한 안정층이 이용될 때, 형상을 제대로 유지하기 위해 실리콘 브릿지의 이용이 조합될 수도 있다. 선택사양적으로, 실리콘 브릿지가 제거될 수도 있다.

일부의 실시예에 따른 MEMS 스캐너(102)의 제조는 앞서 설명했듯이 도핑채널 또는 전하담체층의 형성을 포함할 수도 있다. 1-10 ohm-cm의 벌크 저항을 갖는 인도핑 실리콘웨이퍼가 이용된다. 인 도핑 실리콘웨이퍼는 4 mA 의 최대전류의 30 KeV로 가속된 5 x 10¹⁵ 인(phosphorus) 31 원자/cm² 의 조사량(dose)으로 심어진다. 인의 조사(dose)는 1000℃에서 45분간 이루어진다. 얻어진 도핑채널은 도핑농도 및 얻어진 저항이 깊이에 따라 변하는 그레이드 된 채널을 형성하는 약 0.5 미크론 깊이로 진하게 도핑된다. 이러한 조건에서, 웨이퍼 표면은 약 1 x 10²⁰ 인 31 원자/cm³의 도핑농도를 가져 약 0.001 ohm-cm의 저항을 산출하고, 그 것은 0.5 미크론 깊이의 약 1 x 10¹⁵ 의 원자/cm³ (즉, 1-10 ohm-cm)로 웨이퍼 배경으로 떨어진다.

도핑채널은 금속층으로부터 실리콘으로 이동하는 전하담체도관을 생성한다. 아래에서 설명하듯이, 전류가 MEMS 스캐너(102)에 가해져 주울열을 생성할 수 있다. 도 22A의 예시적 실시예의 스캐너의 경우에는, 예를 들어, 장착패드(2214a, 2214b)가 히터증폭기에 의해 양전압으로 구동될 수도 있다. 히터 리드선은 장착조립체 및/또는 장착패드 상의 금속피복층에 연결될 수도 있다. 예시적 실시예에 따르면, 전류는 장착 패드(2214a, 2214b)를 덮고 있는 금속층을 따라 흘러 금속 하부에 형성된 도핑채널을 거쳐 실리콘 속으로 이동한다. 그리고, 전류는 지렛대 부재(2212a) 및 토션아암(114a)을 통해 실리콘 내에서 흘러 주로 토션아암(114a)에서 국소적 가열을 한다. (전류가 지렛대 부재(2212a)의 두개의 아암을 따라 분기되기 때문에 지렛대 부재 내의 주울열이 감소된다.) 토션아암(114a)이 도핑채널(2220a)과 만나면, 전류가 실리콘으로부터 도핑채널(2220a)에 중첩하게 형성된 금속층 속으로 흐른다. 전류는 중심 서스펜션 커넥터(404a)를 가로지르고, 스캔 플레이트 (112)에 형성된 반사경(113)의 금속을 가로지르며, 중심 서스펜션 커넥터(404b)를 가로질러 흐름으로써 그러한 구조 내에서의 주울열을 회피한다. 금속층이 도핑채널(2220b)에 중첩되는 경우에, 전류는 금속으로부터 실리콘 속으로 흘러내려간다. 전류는 토션아암(114b) 및 지렛대 부재(2212b)를 통해 흘러, 다시 주울열 (주로 토션아암 내에)을 발생시킨다. 그리고 전류는 장착패드(2214c, 2214d) 상에 형성된 도핑채널을 통해 거기에 형성된 금속층 속으로 흘러올라가며, 여기에서 그라운드 근처에 있는 제2 세트의 히터리드선에 의해 수집된다. 알다시피, 도시된 방향으로의 홀의 이동이나 그 반대 방향으로의 전자의 이동이 그러한 전류를 형성할 것이다.

어떤 경우에는, 도 22A, 22B, 23, 25A 및25B에 의해 예시된 양호한 종횡비의 스캐너 디자인은 적은 수의 프로세스 단계로 제조하기 위해 이용될 수 있다. 스캐너는 영역의 두께를 줄이거나 융기리브를 생성하기 위한 부분적 에칭이 없이 실리콘 웨이퍼의 두께 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 반사경에 대응하는 금속피복층의 패턴이 웨이퍼(2502)의 전면에 형성된다. 한 실시예에 따르면, 금속피복층이 반사경에 이용된다. 배면 금속피복은 웨이퍼(2502)의 배면에 형성된다. 한 실시예에 따르면, 알루미늄이 배면금속피복층에 이용된다. 이어서, 반도체 장치와 에칭되지 않은 영역에 대응하는 포토레지스트 패턴이 웨이퍼의 전면에 형성되고, 노출영역은 심층에칭된다. 한 실시예에서는, DRIE를 이용하여 웨이퍼를 통한 수직벽 에칭을 한다. 웨이퍼의 배면은 에칭시에 저온으로 냉각되고 알루미늄 금속피복층의 높은 열전도성이 실리콘 웨이퍼의 배면에 도달한 DRIE 에칭을 정지시칸다. 일부의 실시예에서는, 스캐너 형상이 에칭된 아웃라인의 알루미늄 박층 브릿징 배면에 의해 웨이퍼 속에 유지된다. 다른 실시예에서는, 실리콘의 얇은 브릿지가 부분들을 제자리에 유지시킨다. 알루미늄 배면금속피복층은 에칭되어 사라지고 포토레지스트가 제거된다. 그리고, 스캐너가 해방되거나, 실리콘 브릿지가 이용되면 웨이퍼로부터 제거되어 심층에칭된 영역을 가로지르는 브릿지를 파괴함으로써 하나씩 분리된다. 부분들을 해방시키기 위한 심층에칭을 이용함으로써 입방체로 잘라내는 것을 회피할 수도 있다.

도 26은 MEMS 스캐너를 위한 작동기 배열을 도시한다. 공통의 장착베이스(508)에 세팅되는 상업적으로 입수가능한 한 쌍의 덩어리진 압전체(506a, 506b)가 각각의 제1 인슐레이터(2606a, 2606b)를 통해 MEMS 스캐너(102)의 각각의 장착패드(2214a, 2214b)를 지지한다. 각각의 위치로부터, 덩어리진 압전체(506a, 506b)는 교번적으로 전기적으로 수축되거나 팽창되어 토션아암(114a, 114b)에 의해 정해지는 회전축(116) 둘레로의 장착패드(2214a, 2214b)의 주기적인 회전을 생성한다. 마찬가지로, 덩어리진 압전체(506a, 506b)의 공통모드 여기를 이용하여 MEMS 스캐너(102)를 가로축 둘레로 스캔 플레이트(112)의 가로축에 실질적으로 평행하게 회전시킬 수 있다.

MEMS 스캐너(102)와 덩어리진 압전 작동기(506a, 506b) 사이의 접촉을 유지하기 위해, 각각의 클램프 또는 압력조립체(2608a, 2608b, 2608b(도시 안됨))가 장착패드(2214a, 2214b)를 덩어리진 작동기에 대해 눌러내린다. 클램프(2608b)는 명료하게 하기 위해 도 26으로부터 생략되어 있다. 도시된 바와 같이, 클램프(2608)는 (조립체의 바닥에서 출발하여 장착패드(2214)와 접촉하는) 제1 압력플레이트(2610), 선택적인 일련의 디스크스프링(2612), 제2 압력플레이트(2614), 제2 인슐레이터(2616) 및 제3 압력플레이트(2618)를 둘러싼다. 한 실시예에서는, 제1 압력플레이트(2601)가 도시된 바와 같이 압력조립체로부터 연장된다. 아래에서 설명하듯이, 이 것은 히터배선 또는 리드선을 위한 선택적인 접착위치를 제공한다. 직렬 디스크스프링(2612)은 SPRINGMASTERS #D63203 등과 같은 상업적으로 입수가능한 것이고 비교적 저강성이지만 높은(>>5 KHz) 고유공진주파수를 갖게 선택된다. 직렬의 두 개의 스프링, 다양한 수의 스프링, 또는 스프링이 없는 것 등 모두가 용도에 따라 이용될 수 있다. 제1 및 제2 압력플레이트(2610, 2614)는 직렬 디스크스프링(2612)에 대해 강직한 표면을 제공하여 거기에 압력을 가할 수 있게 한다. 제2 인슐레이터(2616)는 MEMS 스캐너(102)의 전기절연을 제공한다. 제1 및 제2 인슐레이터(2606, 2616)는 PYREX 글래스 등과 같은 적절한 밀도, 전기절연성 및 수축강도를 갖는 재료에서 선택된다. 제1 및 제2 압력플레이트(2610, 2614)는 스틸 등과 같은 적절한 전기전도성이 있고 수축강도, 경도 및 밀도를 포함한 적절한 물리적 성질을 갖는 재료로 형성된다. 제3 압력플레이트(2618)는 제2 인슐레이터(2616)를 위한 장착면을 제공하고 조립체를 하우징(도시 안됨)에 연결한다. 제3 압력플레이트(2618)는 양호하게는 스틸로 형성되고, 장착 및 조절스크류(도시 안됨)를 수용할 구멍(2620)을 포함한다. 당분야의 숙련자라면 알 수 있듯이, 선택사양적이거나 변경된 클램프가 이용될 수도 있다.

선택사양적 실시예에서는, 압력장치(2608)에서 직렬 디스크스프링(2612)이 생략될 수도 있음이 발견되었다. 그러한 변경은 조립을 쉽게 하고 비용을 줄이는 장점이 있지만 구동효율을 다소 해칠 수도 있다.

압력장치(2608)의 하나 이상의 콤포넌트가 하우징에 코터로 고정되거나 다른 방식으로 서로 회전을 못하게 유지될 수도 있다. 이 것은 장착 및 조절 스크류를 조절하는 동안에 토크부하가 그러한 장치들을 통해 전달되는 것을 감소시키거나 없앤다. 압력장치(2608)를 통한 토크부하를 실질적으로 줄이거나 없앰으로써 조립과정에서 MEMS 스캐너의 장착패드(2214)에 가해지는 토크부하를 실질적으로 제로로 하여 장착패드(2214)의 미소 회전으로 인해 MEMS 스캐너(102)의 공진주파수 및/또는 스캔각범위가 의도하지 않게 변하는 것을 방지한다.

도 27은 덩어리진 압전 작동기(506)를 도시한다. 그러한 작동기는 http://www.physikinstrumente.de에서의모델 PICMA 885.10을 포함한 몇몇 공급원에서 입수할 수 있다.

도 28 및 29는 레이저빔 프린터, 바코드 스캐너, LIDAR, 스캔식 레이저레벨 등에 이용되는 MEMS 스캐너 하우징(2802)을 도시한다. 두 개의 전방 플레이트(2804a, 2804b)가 장착스크류(2808a, 2808b, 2808c, 2808d)로 후방하우징(2806)에 고정되어 있다. MEMS 스캐너(102)는 적절한 회전을 할 수 있게 그 내강에 들어 있다. 나사산을 가진 조절스크류 구멍(2810a, 2810b, 2810c, 2810d)이 조절스크류(도시 안됨)를 수용하고 있으며, 그 조절스크류는 대응하는 조절스크류 수용구멍 (2620, 도 26) 속으로 돌출한다. 조립과정에서, 조절스크류를 돌리면 직렬디스크스프링(2612: 도시 안됨) 상에 적정량의 예비하중이 가해진다. 작동시의 MEMS 스 캐너의 특성은 후방하우징(2806)의 상부에 형성된 MEMS 관측포트(2812)를 통해 관측될 수 있다. MEMS 스캐너 조립체(2802)는 하우징(2806) 내에 형성된 장착탭(2814a, 2814b)을 거쳐 레이저빔 프린터 또는 기타의 장치의 유니트를 노출하게 고정된다.

MEMS 스캐너(102)를 하우징(2802) 내에 고정하기 위한 클램프(2608)를 이용하는 것은 장착부가 부유하여 장착패드(2214)가 서로 약간 이동하게 한다. 일부의 실시예에서는, 조립과정에서의 클램프(2608)의 미세한 비틀림이 장착패드(2214)의 평면 내에서의 약간의 비틀림을 일으킬 수 있다. 이 것은 MEMS 스캐너의 지렛대 부재 및/또는 토션아암에서의 바람직스럽지 못한 잔류응력을 남길 수 있다. 그러한 비틀림은 그렇게 장착된 스캐너를 몇 시간 동안 축소된 스캔각으로 작동, 즉 “번인(burn-in)”시킴으로써 감소될 수도 있다. 예시적 실시예에서는, 스캐너가 약 4시간 동안 절반의 진폭으로 작동되었다. 번인(burn-in) 프로세스는 지렛대 부재 및/또는 토션아암의 기계적 고장과 관련된 “초기(infant)” 고장의 발생을 줄일 수 있다. 선택사양적으로는, 소형 비틀림 클램프 조립 설계로 대체하여 스캐너 조립체 번인의 필요를 줄이거나 없앨 수 있다.

MEMS 스캐너(102)는 각각의 장착패드(2214a, 2214b, 2214c, 2214d)의 아래에 있는 4개의 덩어리진 압전체(506)로 구동될 수도 있다. 선택사양적으로, MEMS 스캐너의 한 단부가 고정위치에 유지, 즉 장착패드(2214c, 2214d)가 단단한 장착점에 클램핑 될 수도 있고, MEMS 스캐너의 다른 단부가 압전 작동기에 의해 구동, 즉 장착패드(2214a, 2214b)가 각각 도 26에 도시된 덩어리진 압전체에 클램핑 될 수도 있다. 제3의 선택사양에서는, 3개의 장착패드가 고정된 단단한 장착점에 클램핑 되고, 하나의 덩어리진 압전체 작동기가 사용된다. 통상적으로, 선택은 비용 대 작동파워의 요구에 달려 있다. 알다시피, 도 5, 22A, 22B 또는 23에서와 유사한 고려사항들이 MEMS 스캐너(102) 설계에도 적용된다.

앞서 말했듯이, MEMS 스캐너는 수 hertz의 바람직한 작동주파수 내의 공진주파수를 갖도록 조절된다. 도 24의 곡선(2402)으로부터 알 수 있듯이, 공진주파수의 작은 변화가 (주어진 주기적 작동전압에 대한) 비교적 큰 회전진폭변화를 일으킬 수 있다. 예시적 실시예의 MEMS 스캐너는 외부프레임을 갖지 않을지라도 발명자들은 MEMS 장치의 가열을 제어하면 공진주파수, 그에 따라 작동진폭을 좀더 조절할 수 있음을 발견했다. 도 26을 보면, 클램프 2608a의 제1 압력플레이트(2610) 상에 연장된 탭이 히터 배선을 갖고 있고, 클램프 2608b(도시 안됨)의 대응하는 압력플레이트도 그러하다. 마찬가지로, 장착패드(2214c, 2214d: 도시 안됨)에 인접한 대응하는 압력플레이트들도 히터 배선을 갖고 있다. 히터배선은 제1 압력플레이트(2610)의 금도금된 연장탭에 납땜으로 부착되거나, 예를 들어 장착패드(2214) 상에 형성된 금속피복 실리콘접착패드 상에 납땜으로 부착되거나, 당분야의 숙련자에게 자명한 다른 방법으로 부착될 수 있다.

MEMS 스캐너의 한 단부의 장착패드 또는 클램프 모두에 히터 리드선이 부착될 때, 그러한 인접 리드선을 동일한 전위로 유지하여 그들 간의 전류흐름을 방지하는 것이 좋다. 대조적으로, MEMS 스캐너의 반대쪽 단부의 히터리드 또는 리드선은 상이한 전압으로 구동되어 토선아암을 통한 전류흐름을 일으킬 수도 있다.

사용시에는, 스캔진폭이 감지기에 의해 감시되고, 스캐너(102)의 두 단부 (그 중 한 단부를 형성하는 장착패드(2214a, 2214b)와 다른 단부를 형성하는 장착패드(2214c, 2214d)) 사이의 전위가 조절된다. 실리콘 물질 자체와 전류가 흐르게 하는 앞서 설명한 도핑채널 및 특히 토션아암(114a, 114b)의 저항은 가열을 일으킨다. 고온은 토션아암을 “연화(softening)”시키고 그에 따라 공진주파수를 감소시킨다. 그래서, 공진주파수가 주기적 구동신호 주파수보다 높으면, 가열을 증가시켜 MEMS 스캐너의 온도를 상승시킴으로써 공진주파수를 구동신호 주파수에 알맞게 조절한다. 마찬가지로, MEMS 스캐너 공진주파수가 구동신호 주파수보다 낮게 떨어지면, 가열이 감소되어 장치를 냉각시키고 공진주파수를 구동신호 주파수에 알맞게 상승시킨다. 선택사양적 실시예에서는, 주어진 시스템 설계에서 스캐너가 그 그 정확한 공진주파수로 작동하지 않을 때는 언제나 열적 조절을 이용하여 스캔진폭을 변화시킨다.

0 내지 1.5 W의 조절전력으로 약 8 Hz범위의 공진주파수를 조절할 수 있음이 실험적으로 밝혀졌다. 이 범위는, 작동중에 냉각을 위한 스캐너 위로의 기류로 추측하건대, 스캐닝 주파수가 높을수록 다소 낮아질 수 있고 스캐닝 주파수가 낮을수록 다소 높아질 수 있다.

이제 도 30을 보면, MEMS 스캐너를 구동하는 제어시스템(3002)을 나타내는 블록다이어그램이 도시되어 있다. 많은 응용예에서, MEMS 스캐너의 위상 및 진폭을 정확하게 제어하는 것이 유리하다. 바코드 스캐너, 레이저카메라, 주사빔 디스플레이, 전자사진프린터 및 기타의 장치를 포함하는 주사빔 응용예는 MEMS 스캐너 위상 및/또는 진폭의 정확한 제어가 유리할 수 있다.

마찬가지로, 스캐너 공진주파수의 정확한 제어는 동력소모를 최소화 하고, 스캐너가 여기에서 통상적인 사례로서 설명하였던 공진을 다소 벗어난 것이 아닌 그 공진주파수에서 작동하게 하여 아마 특정한 용도가 가능하게 될 것이다.

도 30의 제어시스템(3002)의 블록다이어그램은 MEMS 스캐너를 구동 및 제어하는 3개의 중첩적 서보루프, 즉 중간길이 점선, 짧은 점선, 긴 점선으로 각각 아웃라인을 그린 진폭제어 서보루프(3004), 위상제어 서보루프(3006) 및 공진주파수 제어 서보루프(3008)를 포함한다.

우선, 진폭 제어 루프(3004)를 보면, 저전압 구동신호(3009)가 고전압증폭기(3010)에 의해 증폭되어 주기적인 고전압구동신호(3011)를 생성하여 덩어리진 압전 구동기(506) 형태의 하나 이상의 작동기가 공진적 MEMS 스캔 반사경(102)에서의 주기적 진동을 유도하도록 구동한다. 알다시피, 자석식, 정전기식, 열적 및 기타 종류의 작동기 등과 같은 선택사양적 작동기술이 압전 작동기(506)를 대체할 수 있다.

다양한 기술이 MEMS scan 반사경(102)의 위상, 진폭, 위치 및/또는 속도를 감시하기 위해 이용될 수 있다. 예시적 실시예에서는, 반사경에 의해 굴절된 광빔이 약 20%의 오버스캔을 포함하고, 따라서 영사영역의 에지는 80% 스캔에서 끝난다. 한 쌍의 인접한 감지영역을 포함하는 광학 탐지기(3012)가 그 중심점(감지영역 간의 중심)을 약 85%의 스캔영역에 두고 배치된다. 하나의 감지영역으로부터의 출력은 컨버터(3014)에 의해 다른 감지영역으로부터의 출력에서 감해진다. 컨버터(3014)는 스캔진폭신호(3016)로서의 스캔영역의 중앙의 85%를 초과하는 배수의 크기에 비례하는 음전압을 출력하는 차동 펄스폭 전압 컨버터(difference and pulse-width-to-voltage converter)이다.

마이크로프로세서(3018)는 덧셈기(adder: 3022)에서 스캔진폭신호(3016)에 더해지는 진폭설정점 전압신호(amplitude set point voltage signal: 3020)을 설정하여 열진폭에러신호(amplitude error signal: 3024)를 생성하게 한다. 그래서, 스캔진폭이 바람직한 것보다 크면, 음스캔진폭신호(negative scan amplitude signal: 3016)의 절대치가 설정점신호(3020)의 절대치보다 커지고, 열진폭에러신호(3024)는 음수이다. 역으로, 스캔진폭이 바람직한 것보다 작으면, 음스캔진폭신호(3016)의 절대치가 설정점신호(3020)의 절대치보다 작아지고, 열진폭에러신호(3024)는 양수이다.

열진폭에러신호(3024)는 비례식 적분제어기 (PIC: 3026)에 공급된다. PIC(3026)는 조건부 진폭에러신호(3028)를 생성한다. PIC(3026)는 시스템 응답을 스캔진폭의 변화로 감쇠시키는 역할을 한다. 그 것은 영진폭에러신호(3024) 전압에서의 변화의 평균을 내고 진폭에러의 변화가 피드백되어 고전압구동신호에 영향을 주는 비율을 제어하는 역할을 함으로써 진폭제어 서보루프(3004)의 안정성 및 성능을 개선한다.

열구동신호(3030)는 MEMS 스캐너를 구동하는 정격 위상교정신호인 주기적 저전압신호이다. 열구동신호(3030)는 이득회로(gain circuit: 3032)에 의해 수신되어 증배됨으로써 저전압구동신호(3009)를 생성한다. 그래서, MEMS 스캐너(102)의 진폭이 너무 낮게 측정되면, 조건부 진폭에러신호(3028)는 이득회로(3032)에서 열구동신호(3030)에 의해 증배되었을 때 상당히 큰 진폭 저전압 구동신호(3009)를 생성하는 상당히 고전압이다. MEMS 스캐너의 진폭이 너무 높게 측정되면, 조건부 진폭에러신호(3028)는 이득회로(3032)에서 열구동신호(3030)에 의해 증배되었을 때 상당히 작은 진폭 저전압 구동신호(3009)를 생성하는 상당히 저전압이다. 그럼으로써, 어느 경우든 스캔진폭을 마이크로프로세서(3018)에 의해 설정점전압신호(3020)로 설정된 바람직한 값으로 복귀시킨다.

위상제어 서보루프(3006)는 위상고정루프의 역할을 한다. 진폭제어 서보루프(3004)와 관련하여 위에서 설명한 컨버터(3014)는 위상마크신호(3034)를 생성하며, 그 것은 수평동기신호(3035)로서 호스트제어기에 전달되기도 한다. 위상마크신호(3034)는 하나의 에지, 즉 하나의 스캔방향을 이용하여 감산된 탐지기 쌍 신호로부터 생성된다. 기준신호(3036) 및 위상마크신호(3034)의 에지들이 제1 위상 주파수 탐지기(3038)에 의해 비교된다. 제1 위상 주파수 탐지기(3038)는 열위상에러신호(3040) 상에 주기적 스파이크를 생성하고, 스파이크의 폭은 위상에러에 비례하며, 스파이크의 부호는 위상마크신호(3034)가 기준신호(3036)에 비해 늦은지 빠른지를 나타낸다.

제1 저대역필터(3042)가 열위상에러신호(3040) 상의 주기적 스파이크를 제1 조건부 위상에러신호(3044)로서의 직류전압으로 전환한다. 제1 저대역필터(3042)는 위상마크(3034)가 기준신호(3036)에 비해 빠르면 제1 조건부 위상에러신호(3044)를 비교적 낮은 값으로 설정한다. 역으로, 제1 저대역필터(3042)는 위상마 크(3034)가 기준신호(3036)에 비해 늦으면 제1 조건부 위상에러신호(3044)를 비교적 높은 값으로 설정한다.

제1 조건부 위상에러신호(3044)는 전압제어된 구동파형 발생기(3046)로 통과된다. 제1 조건부 위상에러신호(3044)의 전압은 전압제어된 구동파형 발생기(3046)에 의해 출력되는 열구동신호(3030)의 주파수를 결정한다.

그래서, 위상마크신호(3034)가 기준신호(3036)에 비해 빠르면, 제1 위상 주파수 탐지기(3038)가 열위상에러신호(3040) 상에 음의 스파이크를 출력하고, 스파이크의 폭은 위상마크신호(3034)와 기준신호(3036) 사이의 에러의 크기에 비례하며, 열위상에러신호(3040) 상의 일련의 음의 스파이크들은 제1 저대역필터(3042)가 제1 조건부 위상에러신호(3044) 상에 비교적 저전압을 출력하도록 구동하며, 열위상에러신호(3040) 상의 스파이크 폭이 좁으면 전압이 완만하게 낮아지고스파이크 폭이 넓으면 전압이 좀더 급격하게 낮아지며 제1 조건부 위상에러신호(3044) 상의 저전압은 전압제어된 구동파형 발생기(3046)가 좀더 낮은 주파수 열구동신호(3030)를 출력하게 하며, 작은 위상편차(제1 조건부 위상에러신호(3044) 상의 약간 낮은 전압)는 주파수를 완만하게 감소시키고, 비교적 큰 위상편차 (제1 조건부 위상에러신호(3044) 상의 더 낮은 전압)는 주파수를 좀더 크게 감소시키며, 주파수가 낮을수록 MEMS 반사경의 위상을 지체시켜 위상마크신호(3034)가 다소 늦게 출력되게 하고, 그럼으로써 위상마크신호(3034)를 기준신호(3036)와 동기되게 복귀시키고 위상을 기준신호(3036)로 고정시킨다.

위상마크신호(3034)가 기준신호(3036)보다 늦으면, 제1 조건부 위상에러신호 (3044)의 전압이 증가되어 열구동신호(3030)의 구동주파수가 증가되게하고, 마찬가지로 위상마크신호(3034)를 기준신호(3036)와 동기되게 복귀시킨다. 저대역필터(3042)의 시간상수는 위상 서보제어시스템(3006)에 대해 감쇠를 제공한다.

이제 공진주파수 서보제어루프(3008)를 보면, 구동신호와 스캐너 응답의 상대위상이 MEMS 스캐너 공진주파수를 조절하기 위해 이용된다. 도 4와 관련하여 앞서 설명했듯이, MEMS 스캐너 응답위상은 곡선(408)으로 도시된 주파수를 갖는 구동위상과 관련하여 변한다. 스캐너 진폭응답곡선(2402)의 일차 스파이크에서, 구동신호와 스캐너 응답 간의 위상관계는 일차 공진피크에서의 -90°를 통과하여 일차 공진피크 아래의 위상 내(0°)로부터 일차 공진피크 위의 위상 밖으로 급격하게 전환된다. 공진주파수 서보제어루프(3008)는 이러한 위상응답의 변화를 이용하여 MEMS 스캐너의 공진응답을 구동주파수에 알맞게 조절되게 한다.

공진응답의 일차 피크에서, 구동신호에 대한 MEMS 장치 위상 응답은 그 공진피크에서의 -90°를 통하여 0°에서 -180°로 급격하게 변위한다. 도 24에서는 이러한 전환이 거의 순간적인 것(차트의 주파수 범위가 넓기 때문에)으로 도시되었지만, 실제로는 전환이 수 Hertz에 결쳐 일어난다. 그래서, 위상마크신호(3034)와 구동신호(3030) 사이의 위상옵셋을 -90°로 유지하여 그 공진피크에서의 MEMS 스캐너의 작동을 나타내는 것이 좋다.

예시적 실시예에 따르면, MEMS 스캐너 공진주파수의 온도 의존성이 양호하게 이용된다. 위상마크신호(3034)는 제2 위상 주파수 탐지기(3048)에 의해 열구동신호(3030)에 비교되고, 그 것은 제2 저대역필터(3050)와 협력하여 제2 조건부 위상 에러신호(3052)를 생성한다. 제2 위상 주파수 탐지기(3048)는 위상마크신호(3034)와 구동신호(3030) 간의 위상옵셋이 -90°일 때 제2 조건부 위상에러신호 상에 정격전압을 출력하고, 상대위상이 -90°와 -180° 사이에 있을 때 전압을 증가시키며, 상대 위상이 0°와 -90° 사이에 있을 때 전압을 감소시킨다. 정격전압은 공진주파수를 구동주파수에 맞출 수 있도록 MEMS 스캐너(102)를 통과하는 전류를 설정하기에 적합한 전압이다. 앞서 설명한 예시적 실시예에 따르면, MEMS 스캐너 제조시에 실온에서의 작동주파수보다 수 Hertz 높은 일차 공진피크를 갖도록 조절된다. 그리고. 전류가 공진주파수 서보제어루프(3008)에 의해 공급되어 MEMS 스캐너(102)의 공진주파수를 도시된 구동주파수(3030)에 맞게 조절한다.

시스템이 작동중 (시동후)에 있을 때 스위치(3054)는 정상적으로는 닫힌다. 그래서, 제2 조건부 위상에러신호(3052) 상의 전압이 히터증폭기(3056)로 통과된다. 위상마크신호(3034)와 구동신호(3030) 사이의 상대위상이 -90°와 -180° 사이에 있을 때, 제2 위상 주파수 탐지기(3048)와 제2 저대역필터(3050)는 -90°로부터의 편차 정도에 비례하여 제2 조건부 위상에러신호(3052) 상의 전압을 상승시키도록 협력한다. 그래서, 히터증폭기(3056)는 반사경 응답의 위상이 구동위상보다 지체될 때 MEMS 반사경(102)을 가로지르는 전압을 설정하도록 구동된다. 그러한 조건은 구동주파수보다 높은 반사경의 공진피크에 대응한다.

앞서 설명했듯이, 반도체 MEMS 스캐너(102)를 가로지르는 전위를 증가시키면 스캐너 내의 주울열이 증가되어 그 온도를 상승시킨다. MEMS 스캐너(102)의 온도상승은 그 피크공진주파수를 낮춘다. 그래서, MEMS 스캐너(102)의 공진주파수가 구 동신호 주파수보다 높을 때, 그 위상은 구동신호위상보다 90° 이하로 다소 지체되는 경향이 있고, 공진주파수 서보제어루프(3008)는 스캐너의 온도를 증가시켜 위상차를 적절한 관계로 되게 하고, 그럼으로써 MEMS 스캐너(102)의 피크공진주파수를 감소시켜 구동신호 주파수와 맞춘다. 역으로, MEMS 스캐너(102) 가 충분히 가열되어 그 피크공진주파수가 구동신호 주파수보다 낮아지면, 그 위상은 구동신호위상보다 90° 이상으로 다소 지체되는 경향이 있고, 제어루프는 히터전류를 감소시킴으로써 위상관계가 다시 -90°로 될 때까지 피크공진주파수를 약간 상승시켜 구동신호 주파수와 맞춘다. 이 제어루프는 스캐너가 실질적으로 그 피크공진주파수에서 작동하게 하여 작동전력요구를 최소화 한다.

도 30을 보면, 마이크로프로세서(3018)가 통신수단(3058)을 포함하고 주변온도 감지기(3060)를 포함한다. 제2 조건부 위상에러신호(3052) 및 위상마크신호(3034)가 마이크로프로세서(3018)로 보내지고, 제어라인(3062, 3064)은 각각 스위치(3054) 및 히터증폭기(3056)와 연결됨을 알 수 있다. 이러한 특징들의 전보 또는 많은 부분이 시스템 시동과정에서 이용된다.

도 31은 도 30에 도시된 시스템(3002)에서 이용되는 개시방법을 나타낸 플로우차트이다. 프로세스 3102에 대응하는 정지상태에서 전력이 온 되면, 위상제어루프(3006) 및 공진주파수 제어루프(3008) 모두가 의사적 피드백(simulated feedback)에 의해 작동된다. 마이크로프로세서(3018)는 먼저 전압제어된 파형 발생기(3046)로 보내지는 라인(3044) 상의 전압을 설정한다. 그리고, 열구동신호선(3032)은 의사적 위상마크신호(3034)를 제1 위상 주파수 탐지기(3038)로 출력하는 컨버터(도시 안됨)에 대한 입력부의 역할을 한다. 그리고, 제1 위상 주파수 탐지기(3038)가 의사적 위상마크신호(3034)를 기준신호(3036)에 비교하여 열위상에러신호(3040)를 제1 저대역필터(3042)에 출력하고, 이어서, 조건부 위상에러신호(3044) 상의 전압을 설정한다. 그래서, 위상 서보제어루프(3006)는 독립적인 MEMS 스캐너 이동 및 탐지를 계속한다.

공진주파수 서보제어루프(3008)를 작동하기 위해, 마이크로프로세서(3018)는 주변온도 감지기(3060)로부터 주변온도를 읽는다. 온도감지값은 공진주파수 검색표 (LUT) (도시 안됨)에 대한 색인의 역할을 하는 디지털 값으로 전환된다. 얻어진 공진주파수 LUT 값은 종합 공진주파수 전압신호(3064)를 출력하여 히터증폭기(3056)를 구동하는 디지털아날로그컨버터(DAC)를 구동한다. 작동중처럼, 히터증폭기(3056)는 MEMS 스캐너(102)를 가로지르는 전압을 설정하고, 주울열은 MEMS 스캐너의 온도를 공진주파수 LUT 값에 대응하는 온도로 상승시킨다. 입루의 실시예에서는, 공진주파수 LUT가 그 공진주파수를, 예를 들어 5 KHz인 목표진동주파수로 조절하기 위해 필요한 스캐너 온도를 결정함으로써 팩토리캘리브레이션 단계로서 각각의 MEMS 스캐너(102)마다 파생된다. 다른 실시예에서는, LUT가 일군의 MEMS 스캐너 또는 모든 MEMS 스캐너에 대해 설정될 수 있다. 그래서, 프로세스 3102에 대응하는 정지상태에서, 공진주파수 서보제어루프(3008)는 MEMS 스캐너(102)를 그 공진주파수를 기준신호(3036) 주파수에 맞추도록 설정된 정격작동온도로 유지하도록 작동한다.

주변온도를 감지하는 것에 대한 선택사양으로서, 온도 감지기(3060)가 MEMS 스캐너(102)에 열적으로 연결되어 그 온도를 측정할 수 있다.

전원이 켜진 정지 프로세스 3102 동안에, 마이크로프로세서(3018)는 조건부 단계(3104)로 표시된 인터페이스(3058) 상으로 호스트 제어기로부터 기동신호가 수신되는지 판단한다. “NO”라고 판단되면, 기동신호를 호스트제어기로부터 받을 때까지 전력이 켜진 정지 프로세스 3102가 계속된다. 기동신호를 받으면, 임베디드 소프트웨어가 진폭제어 프로세스 3106를 시작하도록 진행한다. 진폭제어 프로세스 3106를 시작할 때, 마이크로프로세서(3018)는 저전압구동신호(3009)를 설정하여 고전압증폭기(3010)를 구동하여 최대진폭의 고전압구동신호(3011)를 생성함으로써 덩어리진 압전체 작동기(506)를 오버드라이빙시킨다. 덩어리진 압전체 작동기(506)의 오버드라이빙은 스캔진폭의 매우 급격한 상승을 일으킨다. 시작에 관한 한 실시예에 따르면, 고전압구동신호(3011)가 0 내지 60 volt의 진폭을 갖는 5 KHz의 기준주파수의 사인파를 포함한다. 이 실시예에서, MEMS 스캐너는 단지 20 밀리초만에 그 정격 스캔각의 약 90%에 도달하도록 구동되어 약 0 내지 20 volt의 낮은 정격 정상상태 구동전압을 인가하는 것보다 훨씬 빨리 시스템을 기동시킨다.

다른 실시예에서는, 고전압구동신호가 작동기(506)의 절연체파손전압 근처에 이르는 훨씬 큰 진폭으로 설정될 수도 있다. 높은 기동구동전압은 그 것이 작동기의 열적 한계를 초과하기에는 너무 짧은 비교적 단시간 동안만 인가되기 때문에 가능하다.

기동진폭제어 프로세스 3106 동안에, 시스템은 판단프로세스 3108로 표시된 안정적 위상마크신호(3034)를 기다린다. 안정적 위상마크신호는 몇 개의 연속적인 위상마크신호의 평균을 내어 그 것들이 진폭제어 서보루프(3004)의 요구에 맞는지 판단하는 회로(도시 안됨)를 감시함으로써 결정된다. MEMS 스캐너(102)가 비교적 일정한 주파수 및 주사빔이 광진폭 감지기(3012)와 교차하기에 충분한 진폭으로 작동하고 있음을 의미하는 안정적 위상마크신호가 주어지면, 프로세스는 폐쇄루프 진폭제어 프로세스 3110로 이동하여 스캐너 진폭이 진폭제어 서보루프(3004)에 의해 제어된다. 폐쇄루프 진폭제어 프로세스 3110에 들어갈 때에, PIC(3026)는 진폭을 앞서 설명한 안정적 작동에 알맞은 비율로 진폭을 구동시키기 위한 변화를 준다.

폐쇄루프 진폭제어 프로세스 3110는 시스템이 “대기(wait)” 프로세스 3112라고 표시된 시스템 안정성을 보장하기 위해 대기하는 동안에도 계속된다. 한 실시예에 따르면, 시스템은 폐쇄루프 위상제어 프로세스 3114로 진행하기 전에 100 밀리초 대기하며, 거기에서 위상마크신호(3034) (컨버터(3014)에 의해 생성된)가 제1 위상 주파수 탐지기(3038)에 연결되고 열구동신호(3030)로부터 생성된 종합 위상마크신호가 완화된다. 프로세스 3114는 MEMS 스캐너(102) 주파수를 기준신호(3036) 주파수로 고정시킴으로써, 앞서 설명했듯이, 위상제어 서보루프(3006)와 함께 위상고정루프를 이룬다.

폐쇄루프 위상제어 프로세스 3114가 진행하는 동안, 시스템은 프로세스 3116로 나타냈듯이 잠시동안, 일례로 30 밀리초 동안 멈춘다. 프로세스 3116이 완료되기를 기다린 후, 시스템은 폐쇄루프 공진주파수 제어 프로세스 3118로 들어가며, 거기에서 공진주파수 서보루프(3008)가 연결된다. 공진주파수 서보루프(3008)는 스위치(3062)를 폐쇄하고 마이크로프로세서(3018)로부터의 DAC 신호(3064)의 출력 을 실질적으로 동시에 정지시킴으로써 연결된다. 이 것은 제2 조건부 위상에러 신호(3052)가 도 30과 관련하여 앞서 설명한 방법에 따라 히터증폭기(3056)를 구동하게 한다.

예시적 실시예에 따라, 도 31의 개시프로세스는 일반적으로 호스트제어기로부터 개시명령을 받은 후 2초 이내에 스키닝 시스템이 안정적으로 작동하게 한다.

앞서의 발명의 개요, 도면의 간단한 설명 및 상세한 설명은 독자의 이해를 돕기 위해 이 발명을 예시한 것이다. 기타의 구조, 방법 및 균등물은 이 발명의 범위에 들 것이다. 그래서, 여기에 설명한 발명의 범위는 단지 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (58)

1. 제1 및 제2 주파수의 주파수성분을 포함하는 단일구동신호를 생성하는 단계와,

   상기 단일구동신호를 제1 및 제2 주파수의 공진응답을 갖는 MEMS 스캐너로 전송하는 단계를 포함하고,

   상기 MEMS 스캐너는 제1 주파수의 제1 주기적 동작과 제2 주파수의 제2 주기적 동작으로 응답하고,

   상기 제1 주파수는 제1 축에서의 MEMS 진동자의 공진 주파수이고, 제2 축에서의 MEMS 진동자의 비공진 주파수이며, 상기 제2 주파수는 프레임속도이고,

   상기 단일구동신호를 생성하는 단계는 상기 제2 주파수의 램프(ramp) 파형을 생성하는 것을 포함하는 MEMS 스캐너 구동방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 주파수는 제2 축에서의 상기 MEMS 스캐너의 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 MEMS 스캐너 구동방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 MEMS 스캐너로부터 위치신호를 수신하는 단계를 부가적으로 포함하는 스캐너 구동방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   적어도 하나의 축에서 요구된 동작을 하도록 구동신호를 변조하는 단계를 부가적으로 포함하는 MEMS 스캐너 구동방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 MEMS 스캐너가 전자기빔 디렉터인 MEMS 스캐너 구동방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 MEMS 스캐너가 전자기빔 디플렉터인 MEMS 스캐너 구동방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 단일구동신호가 다중화 제1 및 제2 주파수를 포함하는 MEMS 스캐너 구동방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 단일구동신호가 MEMS 스캐너의 공진응답에 의해 여러 주파수성분으로 분리되는 MEMS 스캐너 구동방법.
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