KR101236002B1 - 섬유형 복합 재료 기반 ｍｅｍｓ 광학 스캐너 - Google Patents

섬유형 복합 재료 기반 ｍｅｍｓ 광학 스캐너 Download PDF

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코넬 리서치 파운데이션 인코포레이티드
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Abstract

MEMS는 매트릭스 재료를 사용하지 않고서 섬유로부터 제조될 수 있다. 섬유들이 기판 모서리(예를 들어, 외팔보, 브리지)에만 부착되는 장치가 형성될 수 있다. 이동은 약한 결합(예를 들어, 기부, 팁, 중간)에 의한 복수의 섬유들 사이의 연결을 조정함으로써 제어될 수 있다. 구동 메커니즘은 기부 이동(자력, 압전, 정전기) 또는 팁 이동(자력)을 포함한다. 거울이 광학 스캐너를 형성하기 위해 외팔보의 자유 단부 상에 형성될 수 있다.
MEMS, 광학 스캐너, 거울, 섬유, 기판, 외팔보

Description

섬유형 복합 재료 기반 ＭＥＭＳ 광학 스캐너 {Fibrous-Composite Material-Based MEMS Optical Scanner}
관련 출원
본 출원은 2003년 3월 21일자로 출원된 "섬유형 미세 복합 재료"인 미국 특허 출원 제10/395,008호와 관련된다. 본 출원은 본원에서 전체적으로 참조된 미국 가특허 출원 제60/582,405호(2004년 6월 24일자로 출원된 '초소형 전자-기계 시스템용 섬유')에 기초하여 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 본원에서 전체적으로 참조된 미국 가특허 출원 제60/659,736호(2005년 3월 8일자로 출원된 '섬유를 사용한 MEMS 광학 스캐너')에 기초하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 MEMS에 관한 것이고, 특히 MEMS 내에서 섬유 구조물을 사용하는 것에 관한 것이다.
현재의 초소형 전자-기계 시스템(MEMS)에 기초한 액추에이터 장치는 그의 폭넓은 상용화를 심하게 제한하는 기초적인 성능 과제를 갖는다. MEMS 제조자가 실리콘(다결정 및 단결정) 및 다른 재료에 기초한 구조물을 개발하기 위해 박차를 가했지만, 결과적인 시스템은 여전히 필요한 기계적 특성이 부족하다. 특정 예는 MEMS에 기초한 광학 스캐너 및 스위치(OMEMS)의 사례이다. 그러한 장치는 수십억 사이클에 걸친 가동 신뢰성을 가지고 큰 각도 변형(수십 도(°)) 및 수십 킬로헤르츠를 초과하는 공진 진동수를 생성할 필요가 있다.
MEMS를 제작하기 위해 현재 사용되는 실리콘, 금속, 및 세라믹 박막과 같은 모노리식 재료는 높은 탄성 강성, 높은 강도, 높은 피로 수명 및 낮은 밀도(단위 체적당 질량), 즉 많은 잠재적인 MEMS 용도에 대해 필요한 기본적인 유연성 및 결함 공차의 요구되는 조합이 부족하다. 중합체는 너무 유연하고 낮은 강도를 가져서, 밸브 또는 유체 펌프와 같은 낮은 힘 및/또는 변위가 요구되는 장치 내에서 저진동 작동으로 제한되므로, 적절하지 않다.
결과적으로, 광학 스캐너와 같은 가동 구성요소 MEMS는 오늘날 상업적으로 거의 존재하지 않는다. MEMS의 가장 성공적인 용도는 압력 및 가속 센서와 같은 준정적 장치에 기초하여 머물러 있다. 하나의 가동 구성요소 MEMS는 알루미늄 MEMS 거울의 쌍안정 위치 설정에 기초한 디지털 광 처리기이다.
진보된 성능의 MEMS 장치에 대한 필요성은 특정 용도, 즉, MEMS에 기초한 광학 스캐너(OMEMS)를 통해 예시될 수 있다. 그러한 스캐너는 3색 스캐닝을 사용한 대면적 디스플레이 용도에 대해 가시화된다. 초기의 MEMS 광학 스캐너는 습식 에칭을 사용하여 제작되는 비틀림 실리콘 미세 거울을 이용했다. 이는 16.3 kHz의 공진 진동수에서 0.8°의 각도로 비임을 변형시킬 수 있었다. 오늘날 개발되고 있는 대부분의 OMEMS 스캐너는 여전히 (실리콘 거울 요소가 그 둘레에서 회전되는) 비틀림 바아 또는 (스캐닝 이동을 제공하도록 진동하는) 외팔보로서 작용하는 실리콘의 유사한 얇은 비임을 사용하여 설계된다. 이러한 구조 유형 모두는 마모되는 가동 부품이 없이 효율적이다.
일반적인 용도는 공진 진동수, 최대 변형, 및 최대 복원력에 의존하며, 이들 각각의 높은 값이 보통 요구된다. 이러한 특성은 기저 재료의 특성, 형상, 및 기계적 특성에 의존한다. 그러나, 전통적인 IC에 기초한 MEMS 제조에서 사용되는 재료는 많은 용도에 대한 특별한 적응 및 최적화를 허용하기 위해 요구되는 기계적 특징이 부족하다. 기존의 재료 시스템에서 고 진동수 작동, 큰 진폭 변형, 낮은 작동 전력, 견고성, 및 주기적인 응력 하의 장기간 신뢰성에 대해 동시에 설계하는 방법은 현재 없다. 실리콘, 일반적으로 모노리식 재료에서의 기본적인 문제점은 충분한 탄성 강성을 가질 때, 강도 및 피로 수명이 너무 낮고 밀도가 너무 높다는 것이다. 이러한 조합은 궁극적인 변형 진폭 및 진동수를 제한하고, 발진(oscillation)을 지속하기 위한 전력 요구를 증가시킨다.
기초적인 제한이 MEMS 및 초소형 기계 장치에 대해 현재 사용되는 재료의 성능에 있어서 존재한다. Si, SiO2, SiC, 금속, Si3N4와 같은 이러한 재료는 많은 MEMS 액추에이터 용도에 대해 필요한 고속(>kHz)에서의 큰 변형(>100㎛)을 제공할 수 없어서, 그의 폭넓은 상용화를 방해한다. 무엇보다도, 기존의 재료는 대부분의 액추에이터 MEMS 용도가 요구하는 수십억 사이클에 걸쳐 반복되는 큰 변형을 받는데 필요한 피로 수명을 갖지 않는다.
도1은 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 매트릭스 내에 봉입된 단일 미세 섬유의 단면이다.
도2는 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 매트릭스 내에 봉입된 평행하게 정렬된 섬유들의 집합체의 단면이다.
도3은 예시적인 실시예에 따른 미세 섬유 단면의 복수의 변경의 사시도이다.
도4는 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 매트릭스 내에 봉입된 평행하게 정렬된 섬유들의 복수의 층들의 집합체의 단면도이다.
도5는 예시적인 실시예에 따른 양방향 미세 섬유들의 층들의 사시도이다.
도6은 예시적인 실시예에 따른 내부에 편조선을 갖는 미세 섬유로 제직 직물의 개략적인 사시도이다.
도7은 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 다중 미세 섬유 외팔보의 사시도이다.
도8은 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 단일 미세 섬유 외팔보의 사시도이다.
도9는 예시적인 실시예에 따른 기판에 의해 지지되는 대안적인 다중 미세 섬유 외팔보의 사시도이다.
도10a, 도10b, 도10c, 도10d, 도10e, 도10f, 도10g, 도10h, 도10i, 도10j, 및 도10k는 예시적인 실시예에 따른 외팔보 MEMS 장치를 형성하는 공정을 도시하는 단면도이다.
도11은 예시적인 실시예에 따른 중실 미세 섬유 편조선의 사시도이다.
도12는 예시적인 실시예에 따른 중공 미세 섬유 편조선의 사시도이다.
도13은 예시적인 실시예에 따른 중실 저각 미세 섬유 편조선의 사시도이다.
도14는 예시적인 실시예에 따른 직교하는 섬유 편조선 쌍에 의해 지지되는 포개진 프레임 및 거울을 갖는 스캐너의 개략도이다.
도15는 예시적인 실시예에 따른 압전 코어를 갖는 편조선의 단면이다.
도16은 예시적인 실시예에 따른 도14의 스캐너를 형성하는 공정 중에 섬유 편조선들을 정렬시키기 위한 기판 내의 슬롯의 예비 에칭을 도시한다.
도17a 및 도17b는 예시적인 실시예에 따른 적합한 기판 상에 위치되거나 정렬된 단일 섬유를 도시한다.
도18a 및 도18b는 예시적인 실시예에 따른 단일 섬유에 의해 형성된 단순 외팔보를 도시한다.
도19a 및 도19b는 예시적인 실시예에 따른 서로 실질적으로 평행하고 인접하게 정렬된 다중 섬유를 지지하는 기판을 도시한다.
도20은 예시적인 실시예에 따라, 섬유들이 그의 길이를 따른 임의의 지점에서, 서로에 대해 그리고 공통 기판에 결합될 수 있는 것을 도시한다.
도21은 예시적인 실시예에 따른 서로 평행하고 인접하게 정렬된 복수의 섬유를 사용한 MEMS 외팔보 구조물의 형성을 도시한다.
도22는 예시적인 실시예에 따른 실리콘 외팔보 상의 섬유 보강부를 도시한다.
도23a, 도23b, 도23c, 도23d, 및 도23e는 예시적인 실시예에 따라 형성될 수 있는 섬유들의 다양한 단면을 도시한다.
도24a, 도24b, 도24c, 도24d, 도24e, 도24f, 도24g, 도24h, 도24i, 및 도24j는 예시적인 실시예에 따른 MEMS 구조물을 제조하기 위한 방법을 도시한다.
도25a 및 도25b는 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너에 대한 섬유의 어레이를 도시한다.
도26a 및 도26b는 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너에 대한 섬유의 어레이를 도시한다.
도27a 및 도27b는 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너에 대한 외팔보를 형성하는 섬유의 어레이를 도시한다.
도28은 예시적인 실시예에 따른 섬유에 기초한 외팔보의 이동을 도시한다.
도29는 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너의 섬유에 기초한 외팔보의 어레이를 도시한다.
도30은 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너에서 반사되는 광을 도시한다.
도31a, 도31b, 도31c, 및 도31d는 예시적인 실시예에 따른 광학 스캐너에 대한 상이한 길이의 외팔보들을 도시한다.
도32a, 도32b, 및 도32c는 예시적인 실시예에 따른 상이한 팁 질량을 갖는 외팔보들을 도시한다.
도33은 예시적인 실시예에 따른 이중 외팔보 광학 스캐너이다.
도34는 예시적인 실시예에 따른 이중 외팔보 광학 스캐너의 이동의 도면이다.
도35는 예시적인 실시예에 따른 가변 개수의 섬유를 갖는, 복수의 섬유에 기 초한 외팔보들의 도면이다.
도36은 예시적인 실시예에 따른 다양한 섬유 단면을 도시한다.
도37a, 도37b, 및 도37c는 예시적인 실시예에 따른 봉입된 복합 섬유 외팔보의 다양한 도면을 도시한다.
도38a 및 도38b는 예시적인 실시예에 따른 양방향 외팔보 팁 이동을 도시한다.
도39는 예시적인 실시예에 따른 2차원 변형을 제공하기 위한 직교하는 축들을 갖는 외팔보를 도시한다.
도40은 예시적인 실시예에 따른 프레임의 대각선 단부들에 외팔보가 부착된 프레임의 회전을 도시한다.
도41은 예시적인 실시예에 따른 섬유의 어레이 내에 매립된 작동 섬유를 갖는 외팔보를 도시한다.
도42는 예시적인 실시예에 따른 도41의 외팔보의 이동을 도시한다.
도43은 예시적인 실시예에 따른 전자석에 의해 구동되는 외팔보의 이동을 도시한다.
도44는 예시적인 실시예에 따른 펄스형 자장에 의해 구동되는 외팔보의 이동을 도시한다.
도45는 예시적인 실시예에 따른 외팔보의 정전기 변형을 도시한다.
도46a 및 도46b는 예시적인 실시예에 따른 거울의 초기 구성을 도시한다.
도47a 및 도47b는 예시적인 실시예에 따른 거울에 대한 반사 표면의 구성을 도시한다.
도48은 예시적인 실시예에 따른 거울의 다른 구성을 도시한다.
도49a 및 도49b는 예시적인 실시예에 따른 거울의 형성 시의 다른 단계를 도시한다.
도50a, 도50b, 및 도50c는 예시적인 실시예에 따른 섬유의 어레이의 형성 시의 단계를 도시한다.
도51a 및 도51b는 예시적인 실시예에 따른 섬유의 어레이의 웨이퍼로의 전달 시의 단계를 도시한다.
도52는 예시적인 실시예에 따른 섬유의 어레이를 갖는 웨이퍼를 도시한다.
도53a 및 도53b는 예시적인 실시예에 따른 봉입되어 기판에 고정된 섬유를 도시한다.
도54a 및 도54b는 예시적인 실시예에 따른 거울 및 외팔보 구조물을 노출시키기 위한 에칭을 도시한다.
도55는 예시적인 실시예에 따른 레이저 절삭을 거쳐 생성된 거울 및 외팔보 구조물을 도시한다.
도56a 및 도56b는 예시적인 실시예에 따른 기판 상에서의 섬유 정렬을 도시한다.
도57a 및 도57b는 예시적인 실시예에 따른 기판 상에서의 섬유 정렬의 대안적인 방법을 도시한다.
도58a 및 도58b는 예시적인 실시예에 따른 기판 상에서의 섬유 정렬의 다른 대안적인 방법을 도시한다.
도59a 및 도59b는 예시적인 실시예에 따른 기판 상에서의 섬유 정렬의 다른 대안적인 방법을 도시한다.
도60a 및 도60b는 예시적인 실시예에 따른 섬유 어레이의 형성 시의 단계를 도시한다.
도61a 및 도61b는 예시적인 실시예에 따른 섬유 어레이의 형성 시의 다른 단계를 도시한다.
도62는 예시적인 실시예에 따른 섬유 어레이를 기판으로 전달하는 방법을 도시한다.
도63은 예시적인 실시예에 따른 섬유 어레이를 기판에 부착하는 방법을 도시한다.
도64a, 도64b, 및 도64c는 예시적인 실시예에 따른 대안적인 이중 외팔보 구조물을 도시한다.
다음의 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예가 예시적으로 도시되어 있는 첨부된 도면이 참조된다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분히 상세하게 설명되고, 다른 실시예가 이용될 수 있으며 구조적, 논리적, 그리고 전기적 변화가 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 다음의 설명은 제한적인 의미로 파악되지 않아야 하고, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.
섬유형 미세 복합 재료가 미세 섬유로부터 형성된다. 섬유형 미세 복합 재료는 새로운 종류의 MEMS에 대한 기반으로서 이용된다. 단순 섬유 복합재 및 미세 라미네이트 이외에, 섬유형 중공 및/또는 중실 편조선은 이동 및 복원력이 비틀림, 판 굽힘, 및 인장 스트링 또는 막 이동을 포함하는 변형으로부터 생성되는 구조에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 재료는 높은 작동 진동수, 큰 진폭 변위 및/또는 회전, 주기적인 응력 하의 높은 신뢰성을 동시에 가능케 할 것이다.
일 실시예에서, 섬유형 요소는 탄소/그래파이트 섬유, 탄소 나노튜브, 섬유형 단일 또는 다겹 흑연판 시트, 또는 유사한 구조적 구성을 갖는 다른 재료와 같은, 고강도의 미크론 이하 규모의 섬유를 사용하여 형성된다.
다른 실시예에서, 외팔보 비임은 단일 섬유, 섬유의 단일/다층 정렬 어레이, 또는 단일/다층 직물로부터 제조된다. 그러한 직물은 섬유의 섬유 축을 따른 특수한 강한 비등방성 기계적 특성 및 높은 강도를 활용하여, 높은 굽힘 강성, 낮은 질량, 아울러 큰 굽힘 곡률을 갖는 구조물을 산출한다. 단일 섬유 외팔보는 측방향 강성 및 강도를 희생하여, RF 센서와 같은 잠재적인 용도에 대한 높은 작동 진동수를 제공한다. 다섬유 외팔보는 섬유 손상 또는 내재된 결함의 경우에 평균화 특성 및 부하 분배에 기초한 통계적 개선 및 안정성으로부터 유익을 얻는다. 변형의 복수의 방향 또는 복수의 모드에서 최적화된 특성을 갖는 더 복잡한 직물로 자연스럽게 연장된다. 그러한 외팔보는 또한 측방향 및 각도 변위를 생성하는, 편조된 비틀림 요소로부터 제작될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 플레이트(2차원적으로 최소 변형 가능한 대상)가 섬유의 단일/다층 정렬 어레이, 또는 단일/다층 직물로부터 제조된다. 이러한 구성은 스캐너 MEMS 내의 거울 요소에 대해 요구되는 것과 같은 고 진동수 이동에 대해 요구되는 강도와 함께 강성 대 질량비를 최적화한다. 2개의 축에서의 상대 강성은 섬유 밀도, 유형, 배향, 위치 및/또는 제직 특징을 통해 구동력을 균형잡도록 맞춰질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 미크론 규모의 섬유로부터 만들어진 중공 또는 튜브형 미세 편조선이 고성능 MEMS 액추에이터를 제공하기 위한 장치 내의 비틀림 변형 요소로서 사용된다. 편조선은 직교하는 섬유 축들을 따라 ±45°에서 (꼬임 이동으로부터 생성되는) 전단으로부터 (어느 정도의 굽힘을 갖는) 인장/압축 응력으로 비틀림 바아 내에서의 응력의 변환을 허용한다. 실제로, 편조선은 섬유가 그의 거동이 예외적인 모드로 작용하도록 허용한다. (MEMS 장치 치수에 비교할 만한) 100 미크론 이하 규모의 비틀림 요소는 5 미크론 직경의 섬유로부터 제조될 수 있고, 더 작은 섬유는 상응하게 작은 편조선을 생성한다.
추가적으로, 편조선의 치수, 편조 각도, 편조선을 구성하도록 사용되는 섬유의 유형, 및 편조선 내의 섬유의 크기 및 개수를 조작함으로써, 맞춤형 강도, 탄성 강성, 밀도, 및 다른 기계적 특성을 갖는 비틀림 요소가 제작될 수 있다. 비틀림 요소의 강도 및 탄성 강성의 이러한 향상 및 맞춤성은 높은 진동수 및 속도에서 고장이 없이 큰 각도 변형 및 힘을 생성할 수 있는 MEMS 장치를 생성한다.
섬유형 미세 복합 재료는 미세 섬유로부터 형성된다. 새로운 종류의 MEMS(초소형 전자-기계 시스템) 장치는 섬유형 미세 복합 재료에 기초할 수 있다. 그러한 섬유형 미세 복합재 MEMS는 높은 작동 진동수 및 주기적인 응력 하에서의 신뢰성과 결합된 큰 변형 및 힘이 요구되고, 실리콘 및 현재 사용되는 다른 MEMS 재료에 의해 만족될 수 없는 고성능 용도의 요건을 만족시킬 것을 약속한다.
MEMS 장치는 대략 10 미크론 내지 미크론 이하의 섬유, 섬유 편조선, 또는 직물을 구비한 단일 또는 다섬유 구조물로부터 구성된다. 섬유는 모두 동일한 유형(균질) 또는 나란히 또는 함께 제조된 상이한 유형(비균질)일 수 있다. 일 실시예에서, 섬유의 대부분은 MEMS 장치의 기계적 특성을 제어하도록 사용된다.
소수의 섬유는 다른 전기적, 기계적, 생물학적, 또는 광학적 기능성을 제공하도록 통합될 수 있다. 이들은 그 다음 예를 들어 MEMS 장치를 전자-기계적으로 작동시키거나 구조물 내의 관련 제어 회로 및 감지 요소로서 역할하도록 사용될 수 있다.
전체 미세 복합재는 섬유를 구속하여 섬유-섬유 부하 전달을 제공하기 위해 적절한 결합제(에폭시, 유리, 유기 결합제 등)로 함침된다. 결합제는 매트릭스로 불린다. 일 실시예에서, 매트릭스는 선택된 섬유, 처리 기술, 및 MEMS 장치가 작동하는 환경과 화학적으로 양립 가능하다.
MEMS는 본래 미크론 규모의 장치이다. 전형적인 장치는 모서리 상에서 최대 수 mm의 설치 면적을 요구하고, 수십 내지 수백 미크론 정도의 두께를 갖는다. 미크론 이하 직경으로 작은 고강도 섬유가 이미 상업적으로 구입 가능하다. 이러한 섬유는 임의의 원하는 방식으로 쉽게 배향되고, 그리고/또는 100 내지 200 ㎛ 범위 내에 유지되는 직물로 제직될 수 있다.
도1에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 적합한 기판(100)이 적합한 매트릭스(102) 내에 장착된 섬유(101)를 지지하도록 사용된다. 단일 섬유(101)가 웨이퍼(100) 표면 상에 위치된다. 매트릭스(102)는 웨이퍼 표면 상의 섬유를 봉입한다. 이는 스핀 코팅, 또는 MEMS 및 반도체 제조에 대해 일반적인 공정과 양립 가능한 것과 같은 임의의 다른 적합한 기술에 의해 형성된다. 스핀 코팅은 복합 필름을 형성하기 위해 열적으로, 또는 광 또는 다른 방사선을 사용함으로써 경화되는 웨이퍼 표면 상의 섬유를 봉입한 필름을 형성한다.
도2에서, 서로에 대해 실질적으로 평행하고 인접한 복수의 섬유(201, 202, 203, 204, 205)를 지지하는 기판(200)이 도시되어 있다. 매트릭스(210)가 섬유를 봉입하여, 섬유의 단일 층 어레이를 제공한다.
탄소/그래파이트 섬유는 섬유에 기초한 직물 또는 편조선을 형성하기 위해 현재 이용 가능한 가장 강한 재료이고, 높은 응력 수준에서도 인장 및 압축에 있어서 극도로 피로 저항성이다. 20 GPa을 초과하는 섬유 재료 인장 강도가 굽힘 루프 테스트에서 검사되었다. 추가적으로, 섬유 강도는 크기 의존적이며, 섬유 길이가 밀리미터 이하 수준으로 감소하거나 섬유 직경이 10 미크론 아래로 연속적으로 감소할 때, 증가한다. 미세 섬유는 또한 일 실시예에서 길이가 2 cm 내지 mm 이하에서 변한다. 더 긴 섬유가 사용될 수 있다.
2 cm 길이 규모에서 5 GPa의 평균 인장 강도를 갖는 그래파이트 섬유는 mm 이하 길이 규모에서 10 GPa의 인장 강도를 가질 수 있고, 이는 보증 시험을 통한 선택에 의해 "보장"될 수 있다. 따라서, 그래파이트 섬유는 피로 스트레인을 5% 위에서 일관되게 갖도록 선택될 수 있다. 이는 특히 8 GPa의 수 cm 게이지 길이에서의 강도를 갖는 것으로 보고된 최신 세대의 그래파이트 섬유에서 가능하고, 따라서 이는 mm 이하 치수에서 15 GPa에 비례한다.
그래파이트 섬유는 임의의 재료 중 최고 결함 공차를 보인다. 그래파이트 섬유의 적층되어 접힌 흑연층 "시트" 특성은 섬유들의 외측 표면 상의 결함으로부터 내부 코어를 격리시키고, 섬유들은 전체 섬유의 파손이 없이 외피를 탈락시킨다. 섬유는 또한 크기가 감소됨에 따라 그의 강도를 증가시키는 경향이 있고, 탄소 섬유에 대해, 최고 파괴 응력(>15 GPa)은 4 내지 5 ㎛ 섬유 내에서 관찰된다. 다른 실시예에서, 섬유가 복수의 평행한 탄소 나노튜브로 구성되는 것이 바람직하다. 그러한 섬유는 마이크로미터 내지 밀리미터 규모의 섬유 다발 내에서의 나노튜브의 사용을 허용할 수 있다.
편조선 내의 섬유의 고강도를 보장하기 위해, 2 내지 3 cm 게이지 길이에서 대략 1.2 Msi(~8.3 GPa)의 강도를 보이는 2 내지 5 ㎛ 토레이카(Torayca) T1000 탄소 섬유가 일 실시예에서 사용된다. 5%를 넘는 스트레인에서 보증 시험된 탄소 섬유만이 일 실시예에서 편조선을 만들도록 사용된다. 당연히, 다른 섬유도 여러 결과를 가지고 사용될 수 있다.
섬유의 복수의 상이한 단면이 도3에 도시되어 있다. 전형적인 둥근 단면 섬유가 도면 부호 310으로 표시되어 있다. 타원형 섬유 단면이 도면 부호 315로 도시되어 있다. 직사각형 섬유 단면이 도면 부호 320로 도시되어 있다. 도면 부호 325에서, 상당히 직사각형이지만 둥근 모서리를 갖는 섬유 단면이 도시되어 있다. 홈형 섬유 단면이 도면 부호 330로 도시되어 있고, 개뼈형 단면 섬유가 도면 부호 335로 도시되어 있다. 이러한 섬유들 각각은 섬유형 미세 복합 구조물을 생성하도록 사용될 수 있다.
매트릭스 선택은 일 실시예에서, 미세 복합재의 원하는 기계적 특성을 달성하는데 있어서 중요하다. 다른 실시예는 매트릭스의 사용을 포함하지 않는다. 일 실시예에서, 매트릭스는 많은 회수의 변형 사이클을 견디기에 충분하게 내구성이고, 복합재 내의 필라멘트를 가로질러 부하를 신뢰할 수 있게 전달한다. 이는 또한 장치의 외측 패키징 구조물에 강하게 접착되고, 섬유 종결부에서 효율적인 부하 전달 매체로서 역할한다. 이는 또한 적층 및 에칭 등의 기술, 및 MEMS 장치를 만드는데 사용되는 공정과 양립할 수 있다.
전기 활성 중합체가 매트릭스에 대해 이용될 수 있다. 압전 중합체 또한 매트릭스의 일부로서 사용될 수 있다. 상이한 재료들의 혼합물이 맞춤형 전자-기계적 특성을 얻기 위한 매트릭스로서 사용될 수 있다.
섬유/매트릭스 결합을 향상시키기 위한 많은 상이한 방법들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 부하 전달 특징은 상이한 섬유들에 인가되는 사이징을 조정함으로써 변형될 수 있다. MEMS 스캐너의 거울, 프레임, 및 휨 요소의 요건은 상이하고, 표면 처리의 현저한 변경이 유리할 수 있다.
MEMS의 기계적 특성을 향상시키도록 작용하는 섬유 이외에, 전자-화학적/기계적/광학적/생물학적으로 기능성인 재료의 섬유 또한 작동 및/또는 감지 요소로서 작용하도록 상기 MEMS 구조물 및 장치 내로 통합될 수 있다. 예를 들어, 자력 작동은 높은 속도 및 변형에 대해 요구되는 높은 힘을, 낮은 전력에서 발생시킨다. 상호 작용의 강도는 MEMS 구조물 내로 통합될 수 있는 자석 재료의 총 체적에 의존한다. 전통적으로, 이는 MEMS 장치의 구조물 상으로 전해 도금된다. 직물의 경우에, 강자성 재료의 섬유들이 직물 내로 직접 제직되어, 작동을 전체 직물 내로 직접 통합한다. 추가적으로, 다른 유형의 섬유를 제직하는데 통합하여 하이브리드 섬유 구조물을 생성하는 것은 또한 통합된 센서 요소를 구비한 MEMS 장치를 생성할 수 있다.
MEMS 구조물은 또한 상이한 구성으로 배향된 도4의 섬유(410, 415, 420)의 어레이들을 층상화함으로서 만들어질 수 있다. 그러한 어레이는 적절한 매트릭스(430)로 함침되어 강성 복합재로 변환된다. 또는, 필라멘트를 직물 내로 제직함으로써, 직물 기부는 섬유 인터레이스 지점들이 작동 중에 거울 편평도를 유지하는 것을 돕는 추가의 강성 및 양호한 횡방향 특성을 제공하므로, 라미네이팅된 단방향성 섬유 어레이에 비해 장점을 제공한다. MEMS 내의 특정 요소 또는 구조물에 대한 직물의 정렬 또한 간단하다. 직물의 제직(평직, 능직, 수자직, 이중직 등)은 거울 요소의 원하는 강성에 기초하여 선택될 수 있다. 이러한 복합재에서, 매트릭스는 주로 낮은 전단 응력 또는 스트레인에서 섬유들 사이의 부하 전달로서 역할하지만, 편조선 내에서, 이는 또한 기계적 안정성을 유지하도록 역할할 것이다. 광범위한 매트릭스가 원하는 강성을 달성하도록 사용되고 선택될 수 있다. 종래의 실리콘 기판에 결합된 이러한 직물에 기초한 (섬유형) 복합재는 광학 스캐너, 및 잠재적으로 매우 다양한 다른 MEMS 구조물에 대한 기반을 형성한다.
섬유, 매트릭스, 제직, 및 편조 특징은 각각 특정 요건을 달성하기 위해 독립적으로 최적화될 수 있다. 섬유 유형, 정렬/배향, 제직, 및 섬유 체적 분율은 미세 복합재의 인장 및 파단 강도와, 그의 탄성 강성을 결정한다. 미세 복합재로부터 형성된 비틀림 요소의 강성은 편조 특징과 관련된 곡률과 조합된 섬유 축방향 강성과, 훨씬 더 적게는, 매트릭스 탄성 계수 및 편조선 내의 섬유와 매트릭스 사이의 접착에 의해 지배된다. 편조선 내의 섬유와 직물은 잘 접착되어야 한다. 개별 매트릭스 영역들은 또한 스캐너와 같은 MEMS 장치 내에서 최적의 기계적 특성을 달성하기 위해, 국소화된 교차 결합 기술을 사용하여 분리되어 변경될 수 있다.
이러한 복합재에서, 매트릭스는 주로 섬유들 사이의 부하 전달로서 역할한다. 광범위한 매트릭스 재료가 섬유형 복합재 MEMS로부터의 원하는 거동을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 종래의 실리콘 기판에 결합된 이러한 직물에 기초한 (섬유형) 복합재는 광학 스캐너, 및 잠재적으로 매우 다양한 다른 MEMS 구조물에 대한 기반을 형성한다.
도5에서, 섬유의 인접한 층들은 부직 패턴으로 도시되어 있다. 제1 층(510)은 일 평면 내에 배열된 평행하게 인접한 섬유들의 그룹으로 구성되고, 평행하게 인접한 섬유들의 그룹의 인접한 제2 층(515)은 제1 층(510)에 대해 평행한 평면 내에 배열된다. 일 실시예에서, 2개의 층 내의 섬유들은 서로에 대해 실질적으로 직교한다. 2개의 층의 섬유들 사이에 형성된 실제 각도는 직교하는 것으로부터 평행한 것으로 원하는 대로 현저하게 변경될 수 있다. 섬유들이 다양한 제직 패턴과 같은 동일한 방식 또는 상이한 방식으로 배열된 또 다른 층들이 추가될 수 있다.
다양한 제직 및 편조 패턴이 거울 및 프레임 요소에 대해 필요한 기계적 특성을 얻기 위해 가능하다. 도6에 도시된 바와 같은 평직은 최고의 인터레이스 밀도의 장점을 가져서, 거울 요소 및 프레임에 대한 강성 복합재를 산출한다. 도6에서, 직물 자체는 도면 부호 600으로 도시된 바와 같은 여러 미크론 내지 미크론 이하 규모의 섬유로부터 구성된 미세 복합재이다. (실선 610에 의해 표시된) 섬유의 대부분은 직물의 강성 및 강도를 제어하도록 선택되고 (즉, 그래파이트, 유리, 니칼론), (점선 615에 의해 표시된) 소수의 섬유와 같은 일부는 작동을 위해 솔레노이드와 결합하기 위한 강자성체이다 (즉, 니켈 또는 퍼멀로이). 비틀림 바아가 또한 섬유 편조선(220)으로 형성되어 제직에 통합될 수 있다.
수자직은 최소의 인터레이스 밀도를 갖지만, 직물 내에서 훨씬 더 큰 섬유/얀 밀도를 허용하여, 최종 복합재 내의 섬유 함량을 증가시킨다. 능직 인터레이스 밀도는 둘 사이에 놓이고, 능직의 유형에 의존할 것이다. 상이한 제직 패턴들이 상대적으로 간단한 제조 및 처리로 최적의 강성을 제공하는 패턴을 결정하기 위해 시험될 수 있다.
본 발명의 그러한 섬유형 재료를 이용하는 하나의 예시적인 MEMS 장치는 도7에서 도면 부호 700으로 도시된 것과 같은 단순 발진 다섬유 외팔보이다. 이러한 실시예에서, 복수의 섬유(715)를 봉입한 매트릭스(710)가 기판(720)에 부착된다. 섬유(715) 및 매트릭스(710)의 일부는 도면 부호 730에서 표시된 바와 같이 기판(720)을 넘어 연장된다. 섬유 및 매트릭스의 연장 길이 및 특성은 외팔보(700) 의 발진 특징을 결정한다. 다른 층들이 Al 또는 Au가 매트릭스의 상부 상에 형성될 수 있는 바와 같이, 추가될 수 있다.
본 발명의 그러한 섬유형 재료를 이용하는 하나의 예시적인 MEMS 장치는 도8에서 도면 부호 800으로 도시된 것과 같은 단순 발진 단섬유 외팔보이다. 이러한 실시예에서, 단일 섬유(815)를 봉입한 매트릭스(810)가 기판(820)에 부착된다. 섬유(815) 및 매트릭스(810)의 일부는 도면 부호 830에서 표시된 바와 같이 기판(820)을 넘어 연장된다. 섬유 및 매트릭스의 연장 길이 및 특성은 외팔보(800)의 발진 특징을 결정한다. 다른 실시예에서, 다른 층(840)이 적어도 기판(820)에 대응하는 면적 내에서, 매트릭스의 상부 상에 형성된다. 그러한 다른 재료는 일 실시예에서, Au 또는 Al을 포함하고, 접착에 의해 결합될 수 있거나, 반도체 처리 기술에서 공지된 많은 상이한 방식으로 형성될 수 있다.
도9의 다섬유 외팔보(900)를 갖는 MEMS 장치의 일례에서, 여러 섬유들이 매트릭스(915) 내에 봉입된다. 매트릭스(915)는 기판(920)에 결합된다. 섬유 및 매트릭스는 도면 부호 940에서 표시된 바와 같이 기판(920)의 모서리로부터 연장된다. 섬유(910) 및 매트릭스(915)는 원하는 특징을 얻기 위해 원하는 대로 절단되거나 다듬질될 수 있다.
도9의 외팔보 MEMS 구조물을 제조하기 위한 예시적인 방법이 도10a 내지 도10l에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 단일 그래파이트 섬유가 다발로부터 추출되어, 산화(1002)된 실리콘 웨이퍼(1003)의 표면을 가로질러 도10a의 섬유 어레이(1001)를 형성하도록 나란히 위치된다. 섬유 어레이의 단부는 섬유들을 기판과 그리고 서로 정렬되게 유지하도록 접착된다. 단방향으로 정렬된 섬유 어레이를 구비한 웨이퍼는 그 다음 섬유 어레이(1001)를 봉입하기 위해 기판 웨이퍼(1003) 상으로 액체 매트릭스 재료를 스핀 코팅함으로써, 폴리이미드와 같은 적합한 매트릭스(1004)로 코팅된다. 원하는 매트릭스 두께가 기판 상에서 달성되고 섬유들이 봉입되면, 매트릭스는 노 내에서 350 내지 400℃로 경화된다.
도10b에 도시된 바와 같은 기판 웨이퍼의 후방 표면(1010) (즉, 폴리이미드 내에 봉입된 섬유가 없는 표면)은 그 다음 트렌치 에칭을 위해 마스킹된다. 마스크는 UV 광에 의해 선택적으로 노광되고 (1012), CMOS 처리에서 일반적인 습식 에칭 약품을 사용하여 에칭된다. 구체적으로 도10c에서 보이는 바와 같은 HF가 산화물을 제거하도록 사용된다. 텅스텐(1015)이 도10d의 기판의 전면 상의 폴리이미드를 보호하기 위해 약 1000 Å으로 피복 적층된다. KOH가 도10e에서 보이는 바와 같이, 외팔보 팁이 자유롭게 발진할 수 있는 트렌치(1020)를 생성하도록 사용된다. 텅스텐(1015)이 그 다음 도10f에서 HF를 사용함으로써 제거된다.
도10g에서, 제2 마스크(1023)가 외팔보를 패턴화하도록 사용된다. Al의 피복(1024)이 웨이퍼 상에 적층되고, 외팔보 이외의 영역 내에서 제거된다. 폴리이미드로 봉입된 섬유를 포함하는 웨이퍼는 그 다음 중합체 및 산화물을 제거하기 위해 자동 정렬 마스크로서 Al을 사용하여 도10i에 도시된 바와 같이 CF4/O2 플라즈마 내에서 노광되고 에칭된다. 이러한 공정은 도10j 및 도10k의 측면도 및 평면도에 각각 도시된 바와 같이 후면으로부터 기판 웨이퍼 내로 에칭된 트렌치의 모서리 위 에서 외팔보형으로 돌출된 폴리이미드로 봉입된 섬유(1030)의 직사각형 비임을 제작한다. 다른 폴리이미드 필름(1035)이 웨이퍼 상에 스피닝될 수 있다.
여러 상이한 편조 구조물이 도11, 도12, 및 도13에 도시된 바와 같은 섬유로부터 제작될 수도 있다. 편조 패턴은 그러한 패턴을 더 잘 도시하기 위해 편조선의 길이를 따른 단일 라인으로서 도시되어 있다. 편조선의 단부는 편조선 내에서 사용되는 섬유의 단면을 도시한다. 중실 편조선(1100)은 중실 구조로 서로 편조된 복수의 섬유를 포함한다. 각각의 섬유는 보빈 상에 권취되고, 편조선을 만들기 위한 공정은 보통의 직물 편조에서 사용되는 것과 매우 유사하다. 중공 편조선(1200)은 중공 코어와 함께 편조된 섬유들의 링을 포함한다. 보빈이 중간에 위치되지 않아서, 구조물의 중간에 섬유가 없이 인접한 섬유들의 링을 생성한다. 마지막으로, 저각 편조선(1300)은 편조 공정이 발생할 때, 편조선 상의 인장을 조정함으로써 형성된다.
본 발명의 그러한 섬유형 재료를 이용하는 다른 예시적인 MEMS 장치는 도14에서 도면 부호 1400으로 도시된 바와 같은, 비틀림 광학-기계 스캐너이다. 스캐너(1400)는 한 쌍의 동축으로 대향하는 내측 비틀림 요소(1420, 1425)에 의해 내측 프레임(1415)에 결합된 거울(1410)을 포함한다. 내측 프레임(1415)은 결국 내측 비틀림 요소에 대해 직교하는 한 쌍의 동축으로 대향하는 외측 비틀림 요소(1435, 1440)에 의해 외측 프레임(1430)에 결합된다. 비틀림 요소의 세트들의 축들은 일 실시예에서 공통 평면이다. 프레임 및 비틀림 요소의 배열은 거울(1410)이 비틀림 요소들의 축에 대해 이동하도록 허용한다.
일 실시예에서, 내측 및 외측 프레임(1415, 1430)은 미세 섬유들의 2축 어레이를 사용하여 형성되고, 비틀림 요소는 편조 섬유를 사용하여 형성되고, 중심 거울(1410)은 도6에 도시된 바와 같은 제직 섬유 시트에 의해 형성된다. 비틀림 편조선은 중공이고, 다양한 실시예에서 다른 목적을 위해 그의 코어 내에 섬유를 가질 수 있다. 편조선은 많은 상이한 메커니즘들 중 하나에 의해 프레임에 결합된다. 일 실시예에서, 이는 프레임과 인터레이싱된다. 구조물 내의 섬유들 사이의 인터레이스 지점들은 기계적 안정성을 제공한다. 다른 실시예에서, 비틀림 요소는 또한 매트릭스가 있거나 없는, 단일 섬유 또는 다중 섬유일 수 있다.
스캐너(1400)는 중심 거울(1410)이 비틀림 요소에 의해 2개의 대향 단부에서 직사각형 프레임으로부터 현수된 임의의 원하는 대칭 형상의 플레이트인 진동식 프레임 구성이다. 거울은 여러 실시예에서 알루미늄, 크롬, 구리, 은, 또는 금으로 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 거울은 연마 실리콘, 반사 금속 박막(Au, Ti 등), 또는 2색 필름과 같은 얇은 반사 금속 필름 또는 다른 반사 재료로 형성될 수 있다. 프레임은 또한 결국 대향 측면들 상의 비틀림 요소에 의해 기판으로부터 현수되고, 이러한 요소들은 거울 요소를 현수하는 요소에 대해 직교하지만 동일 평면 내에 놓인다. 비틀림 요소의 그의 축을 따른 각도 변형은 2개의 직교하지만 공통 평면인 축들을 따른 중심 거울 플레이트의 대응하는 회전을 생성한다.
일 실시예에서, 탄소/그래파이트 섬유 미세 편조선은 비틀림 요소로서 역할한다. 실리콘 및 관련 재료에 기초한 MEMS 스캐너와 달리, 비틀림 요소는 나선형 구조로 편조되거나 이중 코일링된 그래파이트 섬유를 사용한다. 그러한 구조물은 전단으로부터의 비틀림 요소 내의 응력을 개별 섬유를 따른 인장 또는 압축으로 변환시킨다. 그러한 섬유가 전형적으로 전단 응력에 비해 인장 또는 압축 응력 하에서 수십 배 더 강하므로, 이러한 비틀림 요소는 임의의 현재 사용되는 모노리식 재료보다 현저하게 더 강하고, 더 경량이며, 맞춤형 강성을 가지고 만들어질 수 있다. 추가적으로, 비틀림 요소의 특성은 또한 편조선의 치수, 편조 각도, 및 편조선을 구성하는데 사용되는 섬유의 유형을 통해 맞춰질 수 있다. 강도, 강성, 및 밀도의 이러한 향상 및 맞춤성은 MEMS 스캐너 장치가 증가된 회수의 사이클 중에 파괴되지 않고서 매우 높은 공진 진동수에서 훨씬 더 큰 각도 변형을 받을 수 있게 한다. 이는 특정 스캐닝 또는 광학 절환 용도를 만족시키도록 적응되거나 맞춰질 수 있다.
미세 편조선의 비틀림 요소로서의 사용 이외에, 스캐너 장치의 나머지, 즉 프레임(1415, 1430) 및 거울 플레이트(1410)는 정렬된 어레이 또는 직물로서 섬유의 어레이로 구성될 수도 있다. 직물 기부가 일 실시예에서, 무작위적이거나 정렬된 섬유 어레이에 반해 사용되고, 이는 직물 내의 섬유 인터레이스 지점들이 박리를 어렵게 만들어서 더 양호한 기계적 특성을 생성하기 때문이다. 추가적으로, 미세 편조선은 직물 내로 쉽게 인터레이싱되어 장치의 제조 및 구성을 용이하게 할 수 있다.
특정 MEMS 구조물 내에서의 섬유 및 편조선의 정렬 또한 직물에서 더 용이하다. 비틀림 요소 내의 미세 편조선 이외에, 제직 직물은 고 진동수 공진 작동으로부터 생성되는 관성력으로 인한 현저한 변형에 직면하는 중심 거울 플레이트 및 주 위의 요소와 같은, 장치 내의 그러한 구조물의 기계적 특성을 향상시키도록 역할한다. 중심 거울 요소의 변형은 일관되지 않은 광학 스캔을 생성하고, 거울 플레이트에 더하여 프레임 요소의 변형은 MEMS 스캐너가 양호한 작동 모드 이외의 모드에서 발진하게 만들 수 있다. 직물 기부는 이러한 구조물의 질량을 최소로 유지하면서, 관성 효과로 인한 동적 작동 중의 변형을 최소화하도록 이러한 요소를 강화한다. 단순히 제직, 섬유 유형, 및 직물 내의 매트릭스 함침의 유형의 변경은 상이한 구조에서 상이한 특성을 구비한 장치를 생성한다.
상기 특성이 주어지면, 편조선 내의 개별 나선을 구성하는 단일 소경 섬유는 그 자신의 직경보다 10배가 작은 굽힘 반경을 일관되게 견딜 수 있다. 섬유 벽 내의 인장 응력 수준은 굽힘 반경에 반비례한다는 것을 알아야 한다. 비틀림 요소의 제조 시에, 초기 섬유 구성은 궁극적으로 가능한 것보다 수배가 더 큰 국소 반경을 가질 것이고, 이는 굽힘 응력이 그의 파괴에 대한 임계값의 훨씬 아래에 있다는 것을 의미한다. 이는 기존의 MEMS 재료를 사용하여 가능한 것과 비교하여 (수배의) 우수한 비틀림 성능을 갖는 이동을 생성하기 위해 비틀림 변형(꼬임 운동)을 사용하는 동적/가동 MEMS 장치의 생성을 가능케 한다.
일 실시예에서, 비틀림 요소는 단지 수십 개의 섬유로 구성된 단일 편조선일 뿐이다. 다른 실시예에서, 다중 층 편조선이 사용될 수 있다.
튜브형 편조선의 비틀림 강도 및 강성은 나선 각도 (즉, 개별 코일이 편조선을 형성하기 위해 감기는 각도) 및 압착 각도 (즉, 섬유 교차 지점에서 형성되는 각도)에 의해 영향을 받는다. 추가적으로, 편조선 내의 함침의 양 및 유형과 함 께, 편조선을 구성하는 섬유의 개수 및 직경, 섬유들에 의해 형성되는 교차 지점의 개수, 개별 코일들 사이의 간격, 및 편조선 직경 및 길이와 같은 다른 인자 또한 인장 시의 편조선의 강도 및 강성에 영향을 준다.
낮은 나선 각도로 코일링된 소경(2 내지 6 ㎛) 섬유에 의해, 섬유들 사이에 교차 지점이 거의 없이 코일들 사이에 적당한 간격으로 만들어진 대경(100 ㎛) 편조선은 섬유가 초기에 섬유 직경의 약 4 내지 5배의 굽힘 반경인 그의 용량의 일부에 대해 응력을 받는 편조선을 생성한다. 예를 들어, 45°의 나선 각도(α0)로 코일링된 5 ㎛ 직경 섬유로 만들어진 100 ㎛ 직경(Ro) 편조선에 대해, 미변형 편조선 내의 섬유의 곡률은 다음에 의해 주어진다.
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다른 실시예에서, 고정은 섬유들을 (가요성 영역을 넘어) 넓은 부채형으로 확장시키고, 그 다음 이를 거울 및 프레임 구조물 내로 매립함으로써 수행된다. 편조선을 이러한 영역 내에서 팽창시킴으로써, 고정은 부채 내의 섬유의 개수와 본질적으로 동일한 계수만큼 증가된다. 이러한 해결은 미세 처리 흐름에서 장치의 제조를 복잡하게 할 수 있지만, 적어도 적은 개수의 요소에 대해 달성될 수 있다.
도6에서 (실선 610에 의해 표시된) 스캐너(1400) 내의 섬유의 대부분은 직물의 강성 및 강도를 제어하도록 선택되고, (점선 615에 의해 표시된) 소수의 섬유와 같은 일부는 작동 및/또는 감지를 위해 전자 기계적으로 기능적이다. 예를 들어, 이들은 솔레노이드에 결합되어 전체 요소가 자력 상호 작용으로 인해 이동하게 하는 강자성 니켈 또는 퍼멀로이 섬유일 수 있다. 각각의 스캐너(1400)에 대해, 제직은 비틀림 바아로서 역할하는 단일 소경 그래파이트 섬유 편조선(620)을 통합한다.
자력 작동이 스캐너 장치를 발진시키도록 사용되는 실시예에서, 구조물 내에 통합된 퍼멀로이 섬유들의 밀도는 솔레노이드 액추에이터의 강도에 직접 관련된다. 상호 작용의 강도는 MEMS 구조물 내로 통합될 수 있는 자성 재료의 총 체적에 의존한다. 전통적으로, 이는 MEMS 장치의 구조물 상으로 전해 도금된다. 직물의 경우에, 자력 기능성 섬유(615)가 배향된 구조 섬유와 통합되거나 직물 내로 직접 제직되어, 전체 직물 또는 섬유 어레이 내로 직접 작동을 통합한다. 추가적으로, 다른 유형의 섬유(615)도 MEMS 요소 내로 통합되어, 통합 센서 요소로서 작용하는 몇몇 섬유를 구비한 하이브리드 섬유형 구조물을 생성한다. 감지는 광학 절환 용도에서 특히 중요할 수 있다. 예를 들어, 비틀림 편조선(620)은 도15에서 보이는 바와 같이 압전 코어(1510)를 구비하여 또는 압전 특성을 구비한 하나 이상의 섬유를 편조선 내로 통합함으로써 구성될 수 있다. 편조선(620)은 그 다음 거울의 각도 변형을 능동적으로 감지하도록 사용된다.
상기 비틀림 스캐너에 대한 제조 방법은 반도체 제조 및 기존의 MEMS 처리로부터의 기술을 이용하고, 전술한 것과 유사할 수 있다.
상기 섬유형 MEMS 장치 및 스캐너에 대한 하나의 제조 공정은 섬유 어레이 또는 직물을 산화된 실리콘 웨이퍼의 표면 상으로 정렬시키는 단계와, 섬유를 적합 한 매트릭스 재료로 함침시키는 단계를 포함한다. 매트릭스 재료는 스캐너 장치의 상이한 부분들 내에 다양한 정도의 강성을 제공하기 위해 특정 영역 내에서 선택적으로 경화될 수 있다. 예를 들어, 레이저 에너지가 거울 및 비틀림 요소를 구성하는 구조물을 그의 강성을 향상시키기 위해 큰 범위로 선택적으로 경화시키도록 사용될 수 있다.
매트릭스의 국소 경화는 강성 및 강도의 맞춤을 가능케 한다. 스캐너에서, 거울 요소는 스캐닝 중에 동적 변형을 회피하기 위해 매우 강성이어야 한다. 그러나, 비틀림 비임은 고 진동수 작동에 대해 충분한 강성이면 되고, 임의의 추가의 강성은 전력 요구를 증가시킨다. 이러한 이종의 요건을 해결하기 위해, 매트릭스는 스캐너의 상이한 부분들에서 선택적으로 경화된다. 일 실시예에서, 펄스형 1064 nm Nd:YAG 레이저 및 펄스형 308 nm XeCl 엑시머 레이저가 거울 요소 및 지지 구조물을 선택적으로 경화시키도록 사용된다. 경화는 비틀림 요소에 대해 조정된다. 펄스형 레이저(30 ns)가 조사 영역에만 열적으로 영향을 주고, 열 확산은 이러한 시간 체제 내에서 거의 순수하게 일 방향성이다. 100 mJ/cm2의 영향이 영역당 5 내지 10 펄스에서 적절하다. 이러한 조건 하에서, 종래의 엑시머 레이저(50 W)는 1분 이내에 충분히 200 mm 웨이퍼 영역을 처리할 수 있다. 이러한 방식으로, 거울 요소가 매우 높은 강성(탄성 계수 > 150 GPa)을 가지며 비틀림 바아가 큰 전단 변형을 받도록 탄성이지만 높은 진동수에서 공진하기에 충분히 강성인 스캐너 장치가 제작된다.
직물 내의 비틀림 요소 편조선들은 일 실시예에서 리소그래피에 의해 한정된 영역 내에 전체가 구속되도록 보장하기 위해 정밀하게 정렬될 수 있다. 비틀림 비임은 무결점으로 유지되고, 편조선의 외측 요소의 에칭을 회피하거나 적어도 최소화하는 것이 중요하다. 일 실시예에서, 실리콘 기판 내의 정렬 슬롯의 예비 에칭은 도16에 도시된 바와 같이 수행된다. (비틀림 비임을 형성할) 두꺼운 편조 얀은 다른 소경 섬유로부터 분리되고, 그 다음 슬롯 내에 포착된다. 이는 그 다음 배향된 섬유 또는 직물을 기판에 대해 정렬시킨다.
탄소 섬유는 종래의 MEMS 및 IC 처리에서 사용되는 산소 및 다른 플라즈마 내에서 잘 에칭된다. 사용되는 매트릭스 및 섬유는 CF4/H2/O2 또는 Cl2 및 아르곤과 같은 유사한 플라즈마 내에서도 에칭될 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 요소들은 표준 습식 에칭 약품을 사용하여 에칭된다.
단축 스캐너가 또한 이중 축 스캐너와 동일한 방식으로 비틀림 편조선 및 직물 거울을 통합하여 제조될 수 있다.
기존의 MEMS 재료의 과제는 그래파이트, 유리, 금속/합금, 세라믹 등의 섬유와 같은 본질적으로 비등방성인 재료를 사용함으로써 극복될 수 있다. 섬유들은 MEMS 구조물을 위한 기계적 골격으로서 사용될 때, 그들의 정렬, 개수, 재료 유형 등을 변경함으로써 원하는 특성을 제공하도록 맞춰질 수 있다. 추가적으로, 이는 오늘날 존재하는 가장 다용도이며 손상에 저항성인 재료의 일부이다.
실리콘 또는 반도체 처리로부터 도출된 임의의 다른 종래의 MEMS 재료 대신 에, 섬유/필라멘트 및 섬유형 재료가 MEMS의 구조 요소를 형성하도록 사용되고, 즉 구체적으로 정렬/배향된 개별 또는 복수의 섬유들은 개별 MEMS 구조물을 구성하고, 기판 상에 미리 패턴화된 미세 구조물에 추가되거나 적합하게 결합될 수 있고, 이들을 기판에 또는 서로 결합시키기 위한 결합제를 함유하거나 그렇지 않을 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 구조물은 섬유들을 외팔보, 비틀림 스프링, 플레이트, 박막 등으로 정렬시킴으로서 형성될 수 있다. 단일 섬유가 외팔보, 미세 브리지, 인장 스트링, 또는 비틀림 바아를 형성할 수 있거나, 또는 이러한 구조물은 복수의 섬유들을 정렬시키고 이들을 그러한 구조물을 형성하도록 조화되어 작용하는 방식으로 결합시킴으로써 만들어질 수 있다. 정렬된 섬유들의 층들은 또한 원하는 특성을 부여하는 MEMS 구조물을 생성하도록 사용될 수 있다.
섬유를 사용하여 생성될 수 있는 가장 간단한 구조물은 적합한 부착 방법을 사용하여 일 단부에서 기판에 부착된 단섬유 외팔보이고, 타 단부는 섬유의 재료 특성, 그의 길이, 및 단면 관성 모멘트에 의해 결정된 진동수에서 자유롭게 발진한다. 추가적으로, 질량이 섬유의 팁, 예를 들어 반사된 비임을 하나 또는 양 치수에서 스캔하기 위한 거울 표면에 부착될 수 있다.
다른 실시예에서, 복수의 공통 평면으로 정렬된 섬유들이 팁 및 기부에서 결합된 외팔보 구조물을 만들도록 사용될 수 있고, 팁은 자유롭게 발진하고, 기부는 클램핑된다. 그러한 구조물은 밸브 및 펌프 등으로서 사용될 수 있거나, 스캐닝 거울을 형성하기 위한 반사 요소, 또는 센서로서 사용되는 생화학/광학/전기/압전 요소와 통합될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 배향된 섬유들은 구조 요소로서 구체적으로 배향된 섬유/필라멘트 및 섬유형 재료만으로 구성될 수 있는 원하는 MEMS 구조물을 형성하기 위해 기판 상의 미리 패턴화된 구조물 내로 또는 그 위로 적층/위치될 수 있거나, 원하는 MEMS 장치/구조물을 형성하기 위해 다른 MEMS 구조물에 결합될 수 있다.
유사하게, 미세 브리지 구조물 및 다이어프램 등이 복수의 섬유 또는 섬유의 층을 기판 상으로 정렬시킴으로써 만들어질 수 있다. 구조물은 단일 섬유, 복수의 배향된 섬유, 또는 섬유의 층으로 구성될 수 있다. 섬유들은 또한 종래의 MEMS 재료로부터 만들어진 기존의 MEMS 구조물에 대한 보강부로서 사용될 수 있다. 이는 실리콘 및 관련 MEMS 재료로부터 외팔보와 같은 MEMS 구조물을 생성하기 위해 기판을 패턴화하는 단계와, 배향된 섬유 또는 섬유의 어레이를 필요한 물리적 특성을 부가하기 위한 원하는 구성으로 구조물 상으로 도포하는 단계를 포함한다.
탄소/그래파이트 섬유는 현재 이용 가능한 가장 강한 재료이고, 높은 응력 수준에서의 인장 및 압축 시에 극도로 화약 약품 저항성이며 피로 저항성이다. 굽힘 시에, 이러한 재료는 5%를 초과하는 스트레인 및 20 GPa에 근접한 응력에서 매우 큰 탄성 변형과, kHz 진동수에서 1010 사이클을 초과하는 수명을 생성하는 것으로 입증되었다.
그래파이트 섬유는 모든 기존의 재료 중 가장 큰 결함 공차를 보인다. 그래파이트 섬유들의 적층되고/접힌 흑연판 시트 특성은 섬유들의 외측 표면 상의 결함 으로부터 내부 코어를 격리시키고, 섬유들은 전체 섬유의 파괴가 없이 외피를 탈락시킨다. 섬유들은 또한 섬유 직경들이 유사해지고 길이가 감소됨에 따라, 강도가 증가하는 경향이 있다. 다른 실시예에서, 섬유들이 복수의 탄소 나노튜브로 구성되거나 그에 의해 대체되는 것이 필요하다.
도6에 도시된 섬유들의 복수의 상이한 단면이 사용될 수 있다. MEMS 구조물을 형성하는 섬유 이외에, 다른 전기화학/생물학/광학/자력/기계적으로 기능성인 섬유들이 원하는 MEMS 구조물을 형성하도록 조합되고 결합될 수 있다.
다른 재료 유형을 갖는 복수의 섬유들이 원하는 맞춤형 특성을 구비한 MEMS 구조물을 형성하도록 조합될 수 있다.
그러한 섬유형 재료를 이용하는 하나의 예시적인 MEMS 장치는 도19a 및 도19b에 도시된 바와 같은, 단순 발진 다중 섬유 외팔보이다. 이러한 실시예에서, 섬유들은 섬유들을 봉입하여 기판에 부착시키는 결합제 또는 에폭시와 같은 적합한 방법을 사용하여 기판에 결합된다. 결합제의 몇몇 예는 에폭시, SU8, 광레지스트, 폴리이미드, 및 다른 결합제를 포함한다. 섬유들은 기판을 넘어 연장되어 고정식 자유 외팔보를 형성한다. 섬유들의 팁은 섬유들이 조화되어 발진하도록 만들기 위해 결합제를 사용하여 결합될 수 있다. 추가의 층이 작동을 부가하거나 섬유들 사이의 결합을 향상시키거나, MEMS 장치의 기능 요소를 형성하기 위해, 섬유의 팁, 기부, 또는 그의 길이를 따른 다른 위치에 추가될 수 있으며, 예를 들어, 금속의 반사 층이 발진하며 스캐닝된 광선을 생성할 수 있는 거울을 형성하도록 그러한 외팔보의 팁 상으로 적층될 수 있다.
본 발명의 그러한 섬유형 재료를 이용하는 하나의 예시적인 MEMS 장치는 도18에 도시된 단순 발진 단섬유 외팔보이다. 이러한 실시예에서, 섬유는 적합한 수단을 사용하여 기판에 부착된다. 섬유는 기판을 넘어 연장되고, 그의 길이, 재료 특성, 관성 모멘트, 팁의 질량, 그에 인가되는 힘의 크기, 방향, 및 위치 등에 의해 지배되는 거동에 따라 자유롭게 발진한다.
다른 예는 기계적 특성을 향상시키기 위해 기판 상으로 미리 한정된 기존의 MEMS 구조물에 대한 배향 섬유들의 추가이다. 섬유들은 단순히 접착 또는 반도체 처리 기술에서 공지된 방법을 사용함으로써 그러한 구조물에 결합될 수 있다.
도19a 및 도19b의 외팔보 MEMS 구조물을 제조하기 위한 예시적인 방법이 도24a 내지 도24j에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 단일 그래파이트 섬유가 다발로부터 추출되어, 패턴화된 질화물 코팅 실리콘 웨이퍼(도24a, 도24b, 및 도24c)의 표면을 가로질러 도24g 및 도24h의 섬유 어레이를 형성하도록 나란히 위치된다. 웨이퍼는 후면 상의 트렌치로 구성되고, 그를 가로질러 도24d, 도24e, 및 도24f에 도시된 바와 같이, 질화규소 박막/레지가 형성되고 Al과 같은 적합한 반사 재료로 코팅된다. 섬유들의 단부는 기판 및 서로에 대한 섬유 정렬을 유지하기 위해 인장되어 제 위치에 유지된다. 적합한 결합제가 그 다음 외팔보 구조물이 형성되도록 요구되는 영역 내에서, 섬유들이 도24d, 도24e, 및 도24f에 도시된 바와 같이 기부 및 팁 이외의 모든 부분에서 코팅되지 않은 채로 남아있도록 기판 상의 다양한 지점에서 섬유에 도포된다. 즉, 섬유들은 웨이퍼 내의 미리 패턴화된 트렌치의 2개의 대향 단부들 중 하나에서 기판에 결합되어, 일 단부는 기부를 형성하고, 반사 코팅된 질화규소 레지에 결합된 단부는 외팔보 팁을 형성한다. YAG 레이저가 외팔보의 단부를 절단한 다음 외팔보 팁을 기판으로부터 제거하도록 사용되고, 이는 도24I 및 도24J에 도시된 바와 같이 섬유 및 그가 부착된 질화물 다이어프램/레지를 절단하기 위해 레이저 에너지를 사용하는 것을 포함한다. 반사 코팅은 결과적인 외팔보의 자유 단부 상에 남는다.
섬유 MEMS 구조물은 다양한 방법을 사용하여 작동될 수 있다. 외팔보 및 비틀림 구조물은 자력, 정전기, 또는 종래의 MEMS 기술에서 사용되는 조합을 사용하여 요구되는 큰 힘 또는 변형을 발생시키도록 팁으로부터 구동될 수 있다. 대안적으로, 매트릭스 재료 또는 전기 활성/전자 기계식 섬유 및 다른 구조물이 필요한 작동 또는 이동을 생성하기 위해 다양한 위치에서 그래파이트 섬유 골격과 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 섬유 MEMS 구조물 내의 큰 팁 변위 및 힘은 구조물을 그의 기부에서 공진하도록 구동함으로써 발생된다. 자력, 압전, 정전기, 전열, 전계 왜곡, 또는 그러한 작동 메커니즘들의 조합이 기판에 고정된 섬유 MEMS 구조물의 기부를 여기시키도록 사용될 수 있다. 그러한 진동의 에너지는 이러한 구조물의 자유 단부 내로 결합되어, 팁에서 큰 진폭 및 힘을 생성하도록 증폭된다.
도20은 섬유들이 그의 길이를 따른 임의의 지점에서 서로에 대해 그리고 공통 기판에 결합될 수 있는 것을 도시한다. 이러한 실시예에서, 섬유의 어레이(2010)가 기판 상의 원하는 위치에서 결합제(2020) 내에서 기판(2025)에 매립된다. 결합제(2020)는 에폭시, 금속, 합금, SiO2, 또는 원하는 용도에 대해 기판에 대한 충분한 결합을 제공하는 다른 재료일 수 있다. 일 실시예에서, 섬유 어레이는 에폭시와 같은 결합제로 서로 결합될 수 있고, 또한 적합한 결합제에 의해 제2 단부(2030)에서 기판에 결합될 수 있다.
도21은 서로에 대해 평행하고 인접하게 정렬되어 기판(2115)에 결합된 복수의 섬유(2110)를 사용한 MEMS 외팔보 구조물의 형성을 도시한다.
도22는 실리콘 외팔보 상의 섬유 보강부를 도시한다. 섬유(2210)의 어레이가 실리콘 외팔보(2215)에 직접 결합된다. 섬유(2210)들은 실리콘 외팔보의 굽힘 및 진동수 특징을 원하는 방식으로 변화시키도록 사용될 수 있다. 섬유들의 개수 및 배열은 선택된 용도에 대해 그러한 특징을 변경하기 위한 양호한 수단을 제공한다. 일 실시예에서, 외팔보는 기판(2220)에 결합된다. 섬유(2210)들은 원하는 특징을 제공하기 위해, 외팔보에만 또는 외팔보 및 기판에 결합될 수 있다.
도23a, 도23b, 도23c, 도23d, 및 도23e는 형성될 수 있는 섬유들의 다양한 단면을 도시한다. 단면은 원, 타원, 정사각형, 직사각형과 같은 단순 기하학적 형상으로부터 다각형 형상 및 도23c에 도시된 별 형상과 같은 다른 형상까지의 범위이다. 단면은 강성을 향상시키거나 특정 치수를 얇게 만듦으로써 원하는 방향으로 추가의 가요성을 제공하는 구조적 특성을 제공하도록 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 도23b 및 도23e의 형상은 두꺼운 축을 따른 좌측 및 우측 이동을 억제하지만, 얇은 단면에 대응하는 얇은 축을 따라 더 많은 이동을 허용할 수 있다.
광학 스캐너의 다양한 실시예의 형성 시의 섬유의 사용이 이제 설명된다. 광학 스캐너의 형성은 도25a 및 도25b에 도시되어 있다. 실리콘 기판과 같은 기 판(2505)이 탄소 섬유(2510)의 어레이를 지지하도록 사용된다. 일 실시예에서, 기판 표면 상에 실질적으로 인접하고, 선택적으로 실질적으로 평행하게 정렬된 10개의 5 ㎛ 직경의 섬유가 있다. 스캐너 장치의 구조적 중추는 섬유 어레이로 구성된다. 섬유들은 실리콘 기판 상에서 그의 길이를 따라 정렬된 그래파이트 섬유일 수 있다.
섬유 어레이의 단부는 일 단부(2615)가 기판(2505)에 고정되고 (고정 단부), 타 단부가 기판 상에 미리 패턴화된 광학 반사 요소(2625)에 부착되도록 (자유 단부(2620)), 도26에서 광패턴화 가능 에폭시(2615, 2620) 내에 봉입될 수 있고, 섬유의 일부 길이는 고정 및 자유 봉입 단부들 사이에서 노출되어 기판에 고정되지 않는다.
단부는 전착 재료의 사용을 포함하는 많은 방법에 의해 기판에 고정될 수 있다. 종래의 광레지스트는 전도성 재료의 얇은 층으로 코팅된 웨이퍼 상의 고정 지점에 개방부를 한정하도록 사용될 수 있다. 웨이퍼에 전압을 인가하고 이를 전기 화학 조 내에 위치시킴으로써, 금속이 기판 상에 침전되고, 섬유를 봉입하여 이를 기판에 부착시키도록 만들어질 수 있다. 광레지스트는 그 다음 용해되어, 전착 금속 내에 봉입된, 웨이퍼 표면 상에 선택적으로 고정된 섬유를 남길 수 있다. SiO2, Al, Cu와 같은 필름의 물리 증착 또는 화학 증착, 또는 스핀 온 글래스(spin on glass)의 사용을 포함한, 섬유를 기판 또는 프레임에 고정시키는 다른 방법이 사용될 수도 있다.
광학 반사 요소에 봉입되어 부착된 섬유 어레이의 단부의 아래로부터, 어레이의 고정되지 않고 노출된 섬유들이 어레이가 기판에 고정된 지점과 만날 때까지, 기판 재료를 제거함으로써, 외팔보 비임은 도27a 및 도27b에 도시된 바와 같이 형성된다.
기계적 자극을 기판에, 또는 외팔보에 직접 제공함으로써, 발진이 외팔보 구조물 내에서 생성될 수 있고, 이는 기판으로부터 연장되는 봉입되지 않은 섬유들이 휘어지거나 굽혀지게 하고, 도28에 도시된 바와 같이 봉입되어 광학 반사 요소에 부착된 섬유들로 구성된 외팔보의 자유 단부의 변형을 일으킨다. 외팔보 구조물을 구성하는 섬유 어레이의 길이의 일부는 외팔보의 고정 단부와 자유 단부 사이의 힌지 구조물과 같은 스프링을 형성하도록 봉입되지 않고서 유지된다. 그러한 외팔보 구조물은 본질적으로 강성이며, 높은 굽힘 강도를 갖고, 굽힘 또는 휨 변형을 받을 때 피로가 없는 그래파이트 섬유의 고유한 우수한 미세 기계적 거동을 활용한다.
제조 공정에서, 복수의 외팔보 구조물들이 도29에 도시된 바와 같이 각각 서로로부터 분리되고 독립되어, 단일 실리콘 웨이퍼 상에 평행하게 형성될 수 있다. 이는 대량의 스캐너의 효율적이며 저렴한 제조를 허용한다.
섬유 어레이 외팔보를 그의 공진 진동수와 정합하는 진동수에서 반복적으로 기계적으로 자극함으로써, 외팔보 팁 내의 매우 큰 변형이 도30에 도시된 바와 같이 달성될 수 있다. 또한, 이러한 광학 반사 발진 외팔보를 광선(3005)의 경로 내에 위치시킴으로써, 외팔보 팁에 위치된 거울 표면(2625)으로부터 반사된 광은 발진 섬유 어레이 외팔보 구조물로부터 일정 거리에 위치된 표면을 가로질러 전후로 스캔될 수 있다. 외팔보가 휴지 상태에 있을 때, 광은 도면 부호 3010에 도시된 바와 같이 반사된다. 발진 시에, 제1 직립 위치(3015)에서, 광은 실질적으로 상이한 각도(3020)로 반사된다. 하향 위치(3025)에 있을 때, 거울은 입사광의 경로 외부에 있으며, 광이 반사되지 않는다. 입사광의 위치와, 외팔보 및 거울의 변형량은 원하는 표면을 스캔하기 위해 원하는 대로 변경될 수 있다.
그러한 구조물이 임의의 진동수에서 작동할 수 있지만, 공진에서의 작동이 몇몇 실시예에서 바람직할 수 있고, 이는 변형 및 스캔 각도/길이가 공진 진동수에서 최대이고, 큰 발진을 유지하기 위해 요구되는 에너지 (및 전력)이 시스템 내에서 최소화되기 때문이다.
외팔보 스캐너의 공진 발진 진동수는 기판으로부터 자유롭고 반사 요소에 부착된 섬유 어레이의 길이를 변경함으로써, 즉 외팔보의 길이를 도31a, 도31b, 도31c, 및 도31d에 도시된 바와 같이 변경함으로써, 제어될 수 있다. 더 긴 섬유 어레이 외팔보는 더 느린 공진 발진 속도를 갖는다. 섬유 어레이를 거울에 부착하는데 사용되는 '접착제'의 양을 변경하는 것 또한 스캐너가 공진 시에 발진하는 진동수를 제어한다. 질량이 도32a, 도32b, 및 도32c에서 보이는 바와 같이 섬유 팁을 반사 요소에 봉입하는데 사용되는 광패턴화 가능 에폭시의 두께를 변경함으로써 외팔보 스캐너를 늦추기 위해 추가될 수 있다. 도32a는 보통의 봉입량을 갖는 봉입된 팁을 도시한다. 도32b는 깊은 봉입량을 갖는 섬유 팁을 도시하고, 도32c는 넓은 봉입량을 갖는 섬유 팁을 도시한다. 봉입은 팁에 질량을 추가하고, 이는 외팔보의 발진의 더 낮은 공진 진동수로 이어진다.
대안적으로, 섬유 어레이 팁에 부착된 광학 반사 요소의 질량은 또한 외팔보의 공진 속도에 영향을 주기 위해 그의 두께 또는 표면적, 또는 양자를 변화시킴으로써 변경될 수 있다.
그래파이트 섬유는 극도로 강성이지만, 매우 큰 탄성 변형(굽힘 시에, 5%에 근접하는 최대 스트레인)이 가능하다. 스캐너의 기계적 변형은 섬유들이 노출되어 기판에 고정되지 않는 외팔보의 부분의 길이를 변경하고, 아울러 외팔보 스캐너의 전체 길이를 변경함으로써, 제어될 수 있다.
스캐너 장치는 도33에 도시된 바와 같이 외팔보 구조물을 고정시키는 실리콘 기판(2505)을 압전 굽힘 요소(3315)의 팁(3310)에 부착함으로써 발진될 수 있다. 전압이 압전 요소에 인가되어, 섬유에 기초한 MEMS 외팔보 구조물의 공진과 정합되도록 조정된 진동수에서 굽힘/발진하게 만든다. 압전 요소의 이동(2형태)은 외팔보의 기부 또는 고정 단부에서, 섬유 외팔보를 고정시키는 실리콘 기판의 이동을 일으키고, 이는 외팔보의 자유 단부 또는 팁에서 증폭된다. 압전 굽힘 요소(3315)는 필요하다면 스캐너 장치의 외팔보에 대해 직교하는 방향으로 이동(회전, 꼬임, 굽힘)이 가능한 제2 외팔보 또는 다른 결합 구조물을 본질적으로 형성하는 다른 구조물에 클램프 또는 체결구(3320)에 의해 클램핑될 수 있다. 스캐너 장치의 발진은 도34에 도시되어 있고, 굽힘 요소(3315)에 의해 일어나는 기판의 이동은 외팔보 및 거울의 발진을 생성한다. 다른 실시예에서, 제2 외팔보는 니켈 또는 다른 강자성 재료로 형성될 수 있고, 전자기적으로 구동될 수 있다.
상이한 개수의 섬유들이 도35에 도시된 바와 같이, 외팔보를 형성하는데 사 용될 수 있다. 단일 섬유(3510) 또는 임의의 개수의 섬유들이 외팔보 MEMS 광학 스캐너의 구조적 중추를 형성하는 섬유 어레이를 구성하도록 사용될 수 있다. 2개의 섬유가 도면 부호 3515에 도시되어 있고, 4-섬유 외팔보가 도면 부호 3520에 도시되어 있다. 어레이 내의 개별 섬유의 직경은 대략 10 nm 내지 100 ㎛의 범위일 수 있다. 훨씬 더 작은 직경이 사용될 수 있다. 이들은 또한 그래파이트 이외의 재료로 구성될 수 있고, 별, 8각형, 편평 직사각형, 타원형, 사각형, 및 개뼈 형상이 예를 들어 도시되어 있는 도36에 도시된 바와 같이 보통의 원통형 이외의 형상일 수 있다.
다른 실시예에서, 외팔보는 섬유를 제 위치에 유지하기 위한 최소량의 "접착제"를 구비한 섬유로, 또는 섬유들이 도37a, 도37b, 및 도37c에서 3705로 도시된 바와 같이 섬유-매트릭스 복합 외팔보를 형성하도록 먼저 매트릭스와 견고하게 연결되는 더욱 복잡한 복합재로서 형성된다. 이는 실제로 매트릭스와 섬유(최소의 접착제를 갖는 자유 섬유)들 사이의 무부하 전달로부터 작동 중의 최대 전달(강성 복합재)까지 범위 정도의 지점이다.
외팔보는 또한 도38a 및 도38b에서 보이는 바와 같이 2차원으로의 변형을 제공하기 위한 2개의 직교하는 축(3805, 3810)을 구비하여 구성될 수 있다. 외팔보에 대해 직교하여 이동하도록 설계된 도39에 도시된 2차 구조물은 섬유 어레이 외팔보를 둘러싸며 그에 부착된 직사각형 프레임으로 구성될 수 있고, 섬유(3915, 3920)들은 2개의 대각선으로 대향하는 단부에서 외팔보 구조물 내의 섬유(3935)에 대해 평행하게 위치된다. 프레임 구조물(4010)의 대각선으로 대향하는 단부들에서 의 섬유들은 광패턴화 가능 에폭시를 사용하여 프레임(4010)에 부착되어, 대향 방향으로 동시에 굽혀지며 프레임이 도40에 도시된 외부의 기계적 자극 하에서 스캐너의 이동에 대해 직교하여 기울어지게 하는 외팔보 힌지/스프링으로서 작용할 수 있다.
2차원 스캐닝은 거울 발진의 평면에 대해 직교하는 방향으로 발진하거나 비공진 이동을 제공하는 임의의 다른 기부/구조물에 섬유 복합재 MEMS 거울 구조물을 부착함으로써 얻어질 수 있다. 이는 로드, 표면, 검류계 코일 등을 포함할 수 있다. 제2 방향으로의 이동의 진동수는 선을 스캔하는 1차 거울보다 실질적으로 더 느릴 수 있다.
이동(작동)은 또한 스캐너 및 2차 지지 구조물 내로 통합될 수 있다. 이는 도41에 도시된 바와 같이 외팔보 MEMS 스캐너 장치를 구성하는 섬유(4115) 어레이 내로 압전식 또는 강자성 섬유(4110)를 통합하는 것을 포함할 수 있다. 압전 요소(4110)는 섬유 어레이에 부착된 전극(4210)에 전압을 인가함으로써 굽혀져서, 도42에 도시된 스캐너 및 지지 구조물 내의 전체적인 변형을 일으킬 수 있다. 자성 섬유는 또한 도43에 도시된 바와 같이 발진을 일으키는 스캐너의 공진 진동수에서 외팔보 구조물 아래의 전자석(4310)에 의해 펄스형 자장을 생성함으로써, 섬유 어레이 외팔보 및 스캐너 내의 전체적인 변형을 생성하도록 굽혀지게 만들어질 수 있다.
대안적으로, 스캐너 및/또는 지지 구조물의 일부인, 전해 도금된 전류 운반 코일과 같은 전류 운반 코일(4410)이 제조될 수 있다. 스캐너 장치를 자석(4420) 에 의해 제공되는 것과 같은 일정한 자장 내에 위치시킴으로써, 기술 분야에 공지된 로렌쯔(Lorentz) 힘 작동이 도44에 도시된 바와 같이 코일 내의 전류를 변경함으로써 스캐너 및/또는 지지 구조물이 발진하게 하도록 사용될 수 있다. MEMS 분야에 공지된 정전기 작동 또한 금속 전극(4510)과 외팔보 사이에 전하의 차이를 생성함으로써 도45에 도시된 바와 같이 외팔보 및/또는 지지 구조물을 구성하는 그래파이트 섬유 내의 변형을 일으키도록 사용될 수 있다. 이러한 작동 방법은 또한 외팔보 및 지지 프레임의 그들 각각의 스캐닝 아크를 따른 위치를 정밀하게 확인하기 위해 사용될 수 있다.
제조 공정의 개요
그래파이트 섬유에 기초한 외팔보 MEMS 광학 스캐너는 반도체 및 MEMS 제조에 사용되는 것과 같은 종래의 공정, 즉, 광리소그래피, 습식/건식 에칭, 박막 적층 등을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 방법이 실리콘 웨이퍼 상의 패턴화된 요소 상으로의 섬유 재료의 적층, 정렬, 및 고정을 제공하도록 사용된다.
일 실시예에서, 섬유 MEMS 광학 스캐너의 제조는 실리콘 기판(4600) 상에서 수행된다. 기판은 도46a 및 도46b에 도시된 바와 같이 일 표면 상에 100 내지 300 nm Si3N4 박막(4610)을 형성하도록 선택적으로 에칭된 Si3N4(4605)로 덮인 실리콘 웨이퍼로 구성된다. 박막은 도47a 및 도47b에 도시된 바와 같이 박막의 하나의 모서리로부터 0.5 mm에서 50 ㎛ 폭 및 275 ㎛ 길이의 알루미늄 직사각형(4710)을 생성하기 위해, 100 nm 두께의 알루미늄 필름으로 선택적으로 덮인다. 알루미늄 필름 의 표면은 Si3N4에 의해 생성된 매끄러운 표면 상에 형성되기 때문에 매끄럽다. Si3N4가 공정에서 이후에 제거될 때, 이는 양호한 거울을 형성하는 매끄럽게 노출된 알루미늄 표면을 남긴다. 다른 실시예에서, 거울은 얇은 반사 금속 필름 또는 2색체로 형성될 수 있다.
50 내지 100 nm 두께의 Si3N4의 층(4810)이 그 다음 알루미늄 직사각형(4710)이 도48에 도시된 바와 같이 2개의 Si3N4 층에 의해 박막 내에 삽입되도록 전체 웨이퍼를 덮도록 적층되거나 달리 형성된다. 알루미늄 직사각형(4710)은 Si3N4 박막 내의 필름이고, 섬유들이 외팔보 MEMS 광학 스캐너 구조물을 형성하도록 부착되는 광학 반사 요소를 형성한다. 이러한 패턴화된 구조물 상으로, SU 8 광패턴화 가능 에폭시의 층이 스핀 코팅되고, 도49a 및 도49b에서 보이는 바와 같이 Si3N4 박막들 내에 삽입된 알루미늄 구조물 바로 위에 에폭시의 50 ㎛ 폭 및 275 ㎛ 길이의 2 ㎛ 두께의 직사각형을 생성하도록 광리소그래피로 패턴화된다. 일 실시예에서, Si3N4의 층은 탄소 섬유와 반사 요소를 분리한다. 이는 다양한 실시예에서 거울의 박리를 방지할 수 있다. 알루미늄으로부터 선택적으로 에칭 가능한 다른 재료가 사용될 수도 있다. 연마 실리콘, 반사 금속 박막(Au, Ti 등), 또는 2색 필름과 같은 다른 반사 재료가 거울을 형성하기 위해 사용될 수도 있다.
섬유의 어레이는 그 다음 다양한 방법을 사용하여 형성된다. 일 실시예에서, 단일 5 ㎛ 직경의 섬유가 그 다음 다발을 아세톤 내에 침지시키고 개별 필라멘 트(5015)를 인발함으로써, 그래파이트 섬유(5010)의 단선 또는 다발로부터 추출된다. 테이프가 10개의 인접하여 위치된 섬유(5020)의 어레이를 형성하기 위해 섬유를 맨드릴 둘레에 권취함으로써 개별 섬유로부터 만들어질 수 있다. 섬유 어레이(5020)는 각각의 어레이(5110)가 박막 상의 SU 8 직사각형의 열을 덮도록 도51a 및 도51b에서 기판 상으로 위치된다. 섬유 어레이(5110)는 도52에 도시된 바와 같이, 이를 에폭시 또는 섬유 어레이를 제 위치에 유지하는 다른 적합한 수단을 사용하여 웨이퍼의 모서리(5210)에 접착함으로써 제 위치에 유지된다. SU 8은 그 다음 도53a 및 도53b에 도시된 바와 같이 섬유 어레이로 덮인 기판 상으로 10 ㎛의 두께로 스핀 코팅된다. 이러한 SU 8 층(5310)은 섬유들이 박막의 일 단부에서 기판에 봉입되어 고정되고, 박막의 상부 상의 2 ㎛ SU 8 직사각형에 부착되도록, 패턴화된다.
Si3N4 박막은 그 다음 CF4 플라즈마 내에서 에칭되어, 도54a 및 도54b에 도시된 구조물을 생성한다. 에칭 방법은 박막 및 거울에 대해 사용되는 재료에 의존하여 변할 수 있다. YAG 레이저가 그 다음 도55에 도시된 바와 같이 외팔보 MEMS 구조물을 형성하기 위해 섬유들을 정밀하게 절단하도록 사용될 수 있다.
제조 공정의 변경
섬유의 외팔보 MEMS 구조물 내로의 유체내 조립이 사용될 수도 있다. 대안적인 제조 공정은 MEMS 외팔보 구조물을 형성하기 위해 기판 상으로 단일 섬유를 정렬시키고 고정시키기 위한 유체에 기초한 자동 조립 방법을 사용한다. 유체 이 송이 1차 선택 방법일 수 있고, 이는 이러한 규모에서 지배적인 표면력이 유체 내에서 제어되기 쉽기 때문이다. 그러한 공정은 섬유를 함유한 용액이 화살표(5620)에 의해 표시된 바와 같이 기판 위에서 유동될 때, 섬유(5615)가 소정의 에너지의 측면에서 유리한 배향에 따라 정착되는 경향을 갖는 도56a 및 도56b의 결합 부위(5610)를 형성하도록 기판을 패턴화하는 것을 포함한다. 그러한 결합 부위는 섬유와 정밀하거나 실질적으로 정합되는 치수 및 형상을 갖는 홈을 포함할 수 있다. 모세관력이 그 다음 도56b에 도시된 바와 같이 개별 섬유가 홈 내로 정착되게 한다.
대안적으로, 섬유와, 섬유들이 정렬되어 결집되도록 요구되는 기판의 부분은 도57a 및 도57b에 도시된 바와 같이, 섬유가 기판 상의 원하는 위치 내에 배향되어 '고착'되는 높은 가능성을 생성하여, 시스템의 표면 에너지를 최소화하는 상보적인 화학 약품으로 패턴화될 수 있다. 섬유가 필요한 기판 상의 홈 또는 다른 패턴화된 영역은 또한 도58a 및 도58b에 도시된 바와 같이 그러한 위치 내에서의 섬유의 흡인 및 고정을 용이하게 하기 위해 정전기적으로 대전될 수 있다. 그러한 방법들의 조합이 외팔보 구조물을 형성하기 위해 기판 상의 적절한 위치 내에 섬유들을 정렬시켜서 고정시키도록 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 홈은 비등방성 에칭과 정합하기 위한 <110> 또는 유사한 트렌치들에 걸치기 위한 <100>과 같은, 기판의 원하는 결정 배향과 정렬될 수 있다.
자동 조립 방법은 또한 도59a 및 도59b에 도시된 바와 같이, 유체를 사용하지 않고서 행해질 수 있다. 그러한 실시예에서, 홈(5910) 및 외팔보 중추를 형성 하는 어레이 구조를 한정하는 다른 형상이 기판의 표면 내로 한정되거나 그 위로 패턴화될 수 있다. 기판 내에 한정된 형상은 개별 섬유의 형상과 정합된다. 홈의 치수에 정합된 많은 개수의 정밀하게 절단된 섬유(5915)가 그 다음 이러한 기판 상으로 위치되어 초음파로 여기될 수 있다. 진동은 섬유가 표면 위로 그리고 도59b에 도시된 바와 같이 홈 내로 '뛰어 넘게' 할 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, MEMS 구조물을 만들기 위한 준비로 섬유들의 세트를 추출하여 기판에 대해 정렬시키기 위한 방법이 설명된다. 원통형 맨드릴(6005)이 직사각형 슬롯(6015)이 절결되어 있는 플라스틱(6010)의 시트로 덮인다. 상업적으로 얻어진 섬유들의 단선(토레이 T1000)에서 시작하여, 섬유들은 사이징(접착제 중합체 코팅)을 제거하기 위해 아세톤 내에 침지된다. 사이징이 제거되면, 섬유들은 물 속에서 헹궈지고 침지된다. 단일 섬유(6105)가 몰 속에서 단선으로부터 인발되어, 10개의 섬유가 6110에서 나란히 놓이도록 원통형 맨드릴 상으로 권취된다. 맨드릴은 직사각형 슬롯이 절결되어 있는 플라스틱의 시트로 덮이고, 슬롯 내에 10개의 섬유의 테이프가 놓인다. 정렬되면, 섬유들은 접착제(6115)에 의해 플라스틱 시트(6010)에 부착됨으로써 제 위치에 유지된다.
플라스틱 시트(6010)는 그 다음 맨드릴(6005)로부터 풀려서, 도62에 도시된 바와 같이 웨이퍼 크기의 슬롯이 절결되어 있는 알루미늄 척(6205) 상으로 테이핑된다. 알루미늄 척은 알루미늄 거울 요소로 패턴화된 Si3N4 박막을 구비한 실리콘 웨이퍼(6215)가 놓이는 회전식 X-Y-Z 스테이지(6210) 위에 놓인다. 현미경이 섬유 테이프를 웨이퍼 상의 구조물에 대해 정렬시키도록 사용될 수 있고, 정렬이 달성되면, 웨이퍼는 섬유와 접촉하도록 상승된다. 섬유들은 그 다음 웨이퍼의 모서리에 접착되고, 도63에 도시된 바와 같이 알루미늄 척 상의 플라스틱 시트로부터 절단된다. SU 8 광에폭시가 그 다음 웨이퍼 상으로 코팅되어, 섬유들이 박막의 일 단부에서 웨이퍼에 그리고 박막의 중간에서 거울 요소에 접착되도록 패턴화된다.
대안적인 작동
다른 실시예에서, 팁 변형은 외팔보의 기판에 대한 고정 지점에서 작은 이동을 일으킴으로써 생성된다. 고정 지점을 압전 굽힘 요소에 부착하고 압전 굽힘 요소의 공진을 (압전기의 길이를 변경함으로써) 섬유 외팔보의 공진과 정합시킴으로써, 섬유 팁 내의 최대 진폭이 얻어질 수 있다. 공진들이 정합되지 않으면, 섬유의 변형은 크지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 강자성 니켈(6405)의 외팔보가 도64a, 도64b, 및 도64c에 도시된 바와 같이 실리콘 기판 상에 제조될 수 있다. 섬유 외팔보(6410)는 그 다음 니켈 외팔보 위에 위치되고, 전술한 바와 같이 에폭시로 접착되어, 이중 직렬 외팔보를 생성한다. 니켈 외팔보의 길이는 섬유 외팔보의 길이와 (대략적으로) 정합되도록 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 니켈 외팔보 길이 및 두께는 공진이 섬유 외팔보와 정합되도록 선택된다. 교대되는 자장이 도64c에 도시된 바와 같이 니켈 외팔보에 직교하여 인가되어 이를 발진하게 만들 수 있다.
발진은 니켈 외팔보 변형의 수배의 팁 변형을 갖는 섬유 외팔보 내에서 증폭될 수 있다. 기부에서의 유사한 작동 방법은 또한 섬유 외팔보의 기부에서의 로렌 쯔 코일의 형성, 또는 섬유 외팔보의 기부 부품 상의 정전기력의 인가를 포함할 수 있다. 작동 방법들의 조합이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 압전에 기초한 메커니즘이 발진을 시작하도록 사용될 수 있고, 정전기 또는 약한 펄스형 자장과 같은 낮은 힘의 작동은 공진에서 발진을 유지하도록 사용될 수 있다. 외팔보 내의 발진을 유지하기 위한 에너지 요구가 공진에서 최소이므로, 강한 힘 또는 큰 변형의 액추에이터가 외팔보 내의 공진 변형을 시작하도록 사용될 수 있고, 이는 외팔보의 각각의 발진 사이클에 걸쳐 작은 힘 또는 변형의 인가에 의해 유지될 수 있다.
결론
섬유형 미세 복합 재료는 미세 섬유로부터 형성된다. 섬유형 미세 복합 재료는 새로운 종류의 MEMS에 대한 기반으로서 이용된다. 단순 섬유 복합재 및 미세 라미네이트 이외에, 섬유형 중공 및/또는 중실 편조선은 이동 및 복원력이 비틀림, 플레이트 굽힘, 및 인장 스트링 또는 박막 운동을 포함한 변형으로부터 생성되는 구조물 내에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 재료는 높은 작동 진동수, 큰 진폭 변위 및/또는 회전, 주기적인 응력 하에서의 높은 신뢰성을 동시에 가능케 한다.
일 실시예에서, 섬유형 요소는 탄소/그래파이트 섬유, 탄소 나노튜브, 섬유형 단일 또는 다겹 그래파이트 시트, 또는 유사한 구조적 구성을 갖는 다른 재료와 같은, 고강도의 미크론 이하 규모의 섬유를 사용하여 형성된다. 탄소 섬유 (및 이들의 전단종(penultimate) 탄소 나노튜브) 이외의 몇몇 예는 유리 섬유, 케블라 섬유, 금속 섬유(자성 또는 전기 전도성) 등을 포함하지만 그에 제한되지는 않는다.
미세 복합 재료를 사용하여 형성되는 하나의 MEMS 장치는 광학 스캐너이다. 광학 스캐너는 10 kHz에 근접하며 결국 이를 초과하는 높은 진동수에서 공진하기에 충분히 강성이고, 40°에 근접하는 각도 변형을 통해 거울 요소를 작동시키기 위한 굽힘 또는 비틀림 시에 큰 탄성 변형을 받기에 충분히 인성이다. 섬유 특성, 섬유 체적 분율, 섬유 배향, 수지 재료, 및 섬유/수지 상호 연결 특징은 모두 스캐너의 특성을 변경하기 위해 조정될 수 있다. 스캐너는 하나의 재료의 강성 및 강도를 다른 재료의 탄성과 조합함으로써 강성 및 탄성에 대해 최적화될 수 있다.
섬유형 MEMS 재료 기술은 또한 CMOS 처리와 양립 가능하며, 이는 관련 웨이퍼에 대한 능동 제어 및 감지 회로를 구비한 완전한 시스템 개발을 가능케 한다. MEMS 장치에 대한 섬유에 기초한 재료의 사용의 예상되는 상업적 이득은 폭넓다.
고속/대변형 MEMS에 대한 가장 큰 상업 시장 중 하나는 오늘날 가시화되는 바와 같이, 광학 촬상 및 통신 공간, 특히 스캐너 및 광학 스위치이다. 래스터 스캔식 디스플레이는 현재의 성능 한계가 해결되면 실질적으로 소형화될 수 있고, MEMS 스캐너의 고유한 크기 및 대량 생산 특성은 또한 이러한 시스템의 비용 및 전력 소비를 극적으로 감소시킨다. 섬유형 미세 복합재 MEMS 스캐너는 비디오 디스플레이 용도, 통신 네트워크용 광학 교차 연결구, 공간 광 변조기, 레이저 프린터, 및 광학 데이터 저장 헤드, 바코드 스캐너 등에서 사용될 수 있다. 수많은 다른 광범위한 틈새 용도는 내시경 및 공초점 현미경, 또는 레이저 프린터, 바코드 스캐너, 및 광학 저장 헤드 내에서 사용하기 위한 공간 광 변조기와 같은 고성능 스캐너에 대해 존재한다. MEMS 스캐너의 작은 크기 및 중량, 낮은 전력 소비, 및 낮은 비용은 또한 초소형 디스플레이 시장에서 동일한 장점이 된다.
MEMS는 매트릭스 재료를 사용하지 않고서 섬유로부터 제조될 수 있다. 섬유들이 기판 모서리(예를 들어, 외팔보, 브리지)에만 부착된 장치가 형성될 수 있다. 이동은 약한 결합(예를 들어, 기부, 팁, 중간부)에 의한 복수의 섬유들 사이의 연결을 조정함으로써 제어될 수 있다. 구동 메커니즘은 이제 기부 이동(자력, 압전, 정전기) 또는 팁 이동(자력)을 포함한다. 섬유에 기초한 MEMS 장치는 그의 작은 크기, 단일 요소에 대한 필요성, 및 전력 효율로 인해 휴대용 기기에서 가치가 있을 수 있다. 가장 간단한 광학 스캐너 조립체는 기판 상의 정렬된 그래파이트 섬유들의 세트에 거울 (또는 다른 반사 요소, 가능하게는 홀로그램)을 부착함으로써 형성된다. 이러한 구조물은 많은 종래의 반도체 및 초소형 전자-기계 시스템(MEMS) 제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 개별 그래파이트 섬유의 단일 층이 실리콘 기판 상에 섬유 복합재 MEMS 외팔보 장치를 제조하도록 사용될 수 있다. MEMS에 섬유를 추가함에 있어서, 상이한 제조 공정으로부터 생성되는 구조 요소(표준 실리콘 처리 기술에 의한 기판 및 섬유 제조 공정에 의한 섬유)들은 전례 없는 성능을 얻기 위해 각각의 요소의 고유한 특성을 활용하는 복잡한 복합재 MEMS 구조물을 생성하도록 조합될 수 있다. 가동 미세 구조물을 형성하기 위한 섬유형 재료의 개발 및 사용은 MEMS에 대한 재료 기술에서의 광대한 개발을 의미한다. 일 실시예에서, 외팔보 구조물은 일 단부에서 기판에 고정되고 제2 단부는 자유롭게 이동하는 정렬된 섬유들로 구성된다. 구조물은 외팔보형 섬유의 자유 단부에 부착되거나 그 위에 제조될 수 있다 (아래에서 설명되는 제조 공정에서, 외팔보의 '자유 단부'는 그가 부착된 구조물이 기판으로부터 해제될 때까지는 실제로 자유롭게 이동하지 않을 수 있다). 힘이 부착된 구조물을 원하는 방식으로 이동시키도록 외팔보에 인가될 수 있다.
일 실시예에서, 부착된 구조물은 거울이다. 거울은 섬유 MEMS 외팔보 구조물의 자유 단부 상에 제조될 수 있다. 구조물을 입사광선 내에서 발진시키는 것은 광선이 변형되어 스캔되게 한다. 스캔 길이 및 속도는 섬유의 변형 및 진동수에 의존한다. 사용되는 섬유는 제어되도록 맞춰질 수 있다.
임의의 유형의 섬유가 사용될 수 있고, 주어진 장치에 대해 사용되는 특정 섬유는 그러한 장치의 성능 요구를 만족시키도록 선택된다. 스캐너 및 다른 외팔보형 장치는 하나 또는 복수의 섬유로 만들어질 수 있다. 탄소/그래파이트 섬유는 높은 변형각을 제공하고, 유용한 길이/단면적에서 높은 공진 발진 진동수를 갖고, 예외적인 피로 수명을 갖도록 변형될 수 있다. 이와 같이, 탄소/그래파이트 섬유는 실리콘 및 다른 전통적인 MEMS 재료에 기초한 종래의 MEMS 스캐너의 용량을 훨씬 넘는 각도, 속도, 및 피로 수명을 갖는 스캐닝 MEMS에서 사용하기에 특히 적합하다.
스캐너와 같은 섬유 복합재 MEMS는 표준 MEMS 및 반도체 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 이는 광리소그래피 및 에칭, 스핀 코팅 및 레이저 절단을 포함한다. 광리소그래피는 섬유의 통합 이전에 기판을 미리 패턴화하고 광학 스캐너용 거울을 포함한 개별 요소를 형성하는데 사용된다. 섬유 및 다른 구조물들을 위치시키거나 정렬시키기 위한 안내부가 광리소그래피 및 에칭을 사용한 섬유의 통합 이전에 형성될 수 있다. 단순 정렬 방법은 실리콘 기판 상의 외팔보 구조물 내로 섬유를 적층시켜서 조립하는 능력을 제공한다. 스핀 코팅, 제어식 적층, 및 다른 방법이 기판 상에 섬유를 부착하거나 장착하도록 사용될 수 있다. 광리소그래피 및 에칭은 섬유의 통합 후에, (거울과 같은) 특정 요소를 해제시키도록 구조물을 더욱 변경하기 위해 사용될 수 있다. 레이저는 기판 및 섬유를 처리하도록 사용되었다.
그래파이트 섬유로부터 만들어진 외팔보 스캐너 구조물은 굽힘 및 휨에서의 그래파이트 섬유의 우수한 기계적 특성(특히, 높은 강도 및 강성과, 반복적인 응력 주기 하에서의 피로가 없는 거동)과, 실리콘 장치 제조에 대한 방대한 지식에 영향을 준다. 그래파이트 섬유에 기초한 MEMS 광학 스캐너는 30 kHz를 초과하는 진동수에서 1011 발진 (스캐닝) 사이클 동안, ±80°를 초과하는 팁 변형을 생성할 수 있고, 따라서 매우 큰 각도를 통해 그리고 거의 무한하게 매우 높은 속도로 광을 스캐닝할 수 있다.
MEMS 장치/구조물에 대한 구조적 골격 및/또는 보강부와 같이, 정렬/배향된 섬유들에 대한 많은 용도가 있다. 섬유의 직경은 MEMS 내의 개별 섬유를 형성하기 위해 수 nm 내지 수 ㎛의 범위일 수 있다. 사용될 수 있는 몇몇 직경은 5 ㎛ 내지 1 nm를 포함한다. 더 크거나 더 작은 직경의 섬유도 사용될 수 있다. 섬유의 길이는 1 mm 내지 300 mm를 초과하는 범위이다. 더 짧거나 더 긴 섬유도 사용될 수 있다. 미세 구조로 미리 패턴화된 기판에 대한 섬유 또는 복수의 특별히 배향된 섬유들의 추가 또한 MEMS를 형성하도록 사용될 수 있다. 기판 상의 MEMS 구조물에 추가된 정렬된 섬유들은 보강부로서 그리고 특정한 원하는 특성을 부가하고 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 섬유들은 기판에 또는 서로에 대해 결합될 수 있다. 미세 그래파이트 섬유, 케블라, 생물학적, 화학적, 광학적, 및 전기적으로 기능성인 섬유 등이 MEMS 구조물을 형성하도록 사용될 수 있다. 그러한 섬유들은 MEMS, 특히 섬유 MEMS 구조물에 작동 및 감지 능력을 부가하도록 사용될 수 있다. 복수의 섬유들이 원하는 맞춤형 특성을 갖는 MEMS 구조물을 형성하기 위해 다양한 재료 유형과 조합될 수 있다.
또 다른 실시예에서, MEMS는 기판과, 기판에 작동식으로 결합된 섬유로 만들어진 미세 구조물을 갖는다. 섬유 구조물은 일 실시예에서 미세 외팔보 비임이고, 단일 섬유 또는 평행하며 인접하게 배향된 섬유들의 어레이로 형성될 수 있다. 섬유들은 MEMS 구조물 내에서 또는 그 위로 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 섬유는 탄소 섬유, 그래파이트 섬유, 또는 탄소 나노튜브 섬유이다. 일 실시예에서, 섬유는 10 nm 내지 10 ㎛ 범위의 직경을 갖는다.
외팔보의 복잡한 이동이 비공진 요소의 의도적인 제조에 의해 얻어질 수 있다. 외팔보는 순수 굽힘 이외의 모드로 발진하도록 만들어질 수 있다. 섬유의 길이를 변경하고, 팁에서의 질량을 균일하게 위치시키고, 이질적인 기계적 특성을 갖는 재료들을 통합하는 것은 모두 외팔보 내에서 상이한 유형의 이동을 일으키도록 사용될 수 있다. 이는 다른 MEMS 용도에서 유용할 수 있다. 추가적으로, 이는 또 한 굽힘 시에 높은 주파수(>30 kHz)에서 그리고 직교하는 치수에서의 매우 낮은 (60 내지 120 Hz) 스캔에서 단일 외팔보를 발진하게 함으로써 촬상 용도에서 유익할 수 있다. 섬유 외팔보 내의 순수 굽힘 이외의 이동은 전술한 인자들 중 일부에 의해 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 섬유들은 외팔보의 일 측면 상의 섬유가 외팔보의 타 측면 상의 섬유보다 더 긴 것과 같이, 길이에 있어서 불균일할 수 있다. 더 긴 섬유의 더 느린 공진은 외팔보가 모든 발진 사이클 중에 더 긴 섬유의 방향으로 기울어지게 할 수 있다. 이는 실제로 외팔보를 광학 스캐너로서 사용하는 경우에 직선 스캔 라인 대신에 대각선 스캔 라인을 생성한다. 섬유 길이는 외팔보가 그의 최초 발진 후에 특정량만큼, 그 다음 각각의 이후의 발진 후에 동일량만큼 기울어지도록, 발진 중의 외팔보의 기울기 효과가 점진적으로 생성되는 방식으로 변경될 수 있다. 그러한 스캐너는 2개의 치수에서 다른 속도로 스캔하도록 만들어질 수 있고, 이는 촬상에 대해 유용할 수 있다. 단일 섬유에서, 섬유 팁의 원형 발진 경로는 2개의 직교하는 치수에서 상이한 진동수로 여기될 때 얻어질 수 있다. 그러한 단섬유 구조물에 대한 용도는 섬모형 액추에이터 및 나노 믹서를 포함할 수 있다.
MEMS 외팔보는 그의 팁에서 거울을 가질 수 있다. 일 실시예에서, MEMS 장치는 섬유 다발로부터 단일 섬유를 추출하고, 추출된 섬유들을 적합한 기판 상에 특정 배향으로 정렬시켜서 결합시킴으로써 형성된다. 섬유들은 서로에 대해 그리고/또는 기판 상의 다른 구조물에 대해 선택적으로 결합될 수 있다. 섬유들은 그 다음 MEMS 장치를 형성하도록 선택적으로 패턴화되고 해제될 수 있다.
일 실시예에서, 기판은 원하는 섬유 MEMS 구조물을 생성하도록 미리 패턴화될 수 있다. 미리 패턴화하는 것은 기판 상에 정렬 패턴 또는 홈을 미리 형성함으로써 행해질 수 있다. 섬유 MEMS 구조물의 작동은 구조 섬유 골격에 결합된 전자 기계적으로 기능성인 섬유 및/또는 매트릭스를 사용함으로써 달성될 수 있다. 변경이 기판에 대한 섬유 장치의 부착의 지점에서 다양한 수단(압전, 자력, 정전기 등)에 의해 생성될 수 있고, 섬유 MEMS 구조물의 자유 단부에서 큰 변형 진폭 및 힘을 생성하도록 사용된다.

Claims (31)

  1. 기판과,
    섬유의 어레이의 제1 고정 단부에서 기판에 의해 지지되는 섬유의 어레이와,
    섬유의 어레이의 제2 자유 단부에 결합된 거울을 포함하며,
    고정 단부와 자유 단부 사이의 섬유의 어레이의 일부가 노출되는, 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  2. 제1항에 있어서, 섬유의 어레이는 서로에 대해 인접하여 대체로 평행하게 배열된 복수의 섬유를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  3. 제1항에 있어서, 섬유의 어레이는 기판의 상부 측면에서 지지되고, 거울은 기판의 바닥 측면과 대면하는 반사 표면을 갖는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  4. 제3항에 있어서, 거울은 반사 필름(알루미늄, 티타늄, 금, 2색체와 같은 세라믹 필름)으로 형성되는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  5. 제4항에 있어서, 거울은 지지를 위한 지지부를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  6. 제5항에 있어서, 지지부는 Si3N4를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 기판은 외팔보의 자유 단부에 결합되는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  9. 제1항에 있어서, 섬유의 어레이는 제2 외팔보를 통해 기판에 의해 지지되는 제1 외팔보를 형성하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  10. 제9항에 있어서, 제2 외팔보는 강자성 재료로 형성되는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  11. 제10항에 있어서, 섬유의 어레이의 자유 단부를 발진시키기 위한 수단을 더 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  12. 제10항에 있어서, 섬유의 어레이의 자유 단부를 발진시키기 위한 수단은 선택된 자극에 응답하는 어레이 내의 선택된 섬유를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  13. 제12항에 있어서, 선택된 섬유는 자성, 압전, 정전기, 전열, 및 전계 왜곡 응답 섬유로 구성된 그룹으로부터 선택되는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  14. 기판과,
    섬유의 어레이의 제1 고정 단부에서 기판에 의해 지지되는 탄소 섬유의 어레이와,
    탄소 섬유의 어레이의 제2 자유 단부에 결합된 거울을 포함하며,
    탄소 섬유의 어레이의 적어도 일부가 노출되고, 거울은 편평한 비연마 반사 표면인 스캐너.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서, 탄소 섬유는 10 nm 내지 10 ㎛ 범위의 직경을 갖는 스캐너.
  17. 제14항에 있어서, 거울은 탄소 섬유의 어레이에 의해 30 kHz를 초과하는 진동수에서 ±80°를 초과하는 각도로 이동될 수 있는 스캐너.
  18. 제14항에 있어서, 탄소 섬유의 어레이는 기판의 상부 측면에서 지지되고, 거 울은 기판의 바닥 측면과 대면하는 반사 표면을 갖는 스캐너.
  19. 제18항에 있어서, 거울의 반사 표면은 실질적으로 편평한 표면을 갖는 선택적으로 에칭 가능한 증착된 재료 상에 증착된 알루미늄으로부터 형성된 스캐너.
  20. 제19항에 있어서, 선택적으로 에칭 가능한 증착 재료는 Si3N4인 스캐너.
  21. 제14항에 있어서, 섬유는 홈 내에서 기판에 의해 지지되는 스캐너.
  22. 기판과,
    기판의 상부 측면 상의 외팔보의 고정 단부에서 기판에 의해 지지되는 하나 이상의 섬유로 형성된 외팔보와,
    외팔보의 제2 자유 단부에 결합된 거울을 포함하고,
    거울은 기판의 일 측면 상에서 반사 표면을 갖고, 거울은 기판의 그러한 일 측면으로부터의 광에 의해 접근 가능하고, 섬유는 2개의 분리된 축에 대한 이동을 제공하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  23. 제22항에 있어서, 거울은 알루미늄으로 형성되는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  24. 제23항에 있어서, 거울은 지지를 위한 지지부를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  25. 제24항에 있어서, 지지부는 Si3N4를 포함하는 초소형 전자-기계 장치 스캐너.
  26. 삭제
  27. MEMS 장치를 형성하는 방법이며,
    섬유를 기판 상에서 특정 배향으로 정렬시키는 단계와,
    섬유를 기판 및 다른 구조물에 결합시키는 단계와,
    MEMS 장치를 형성하기 위해 섬유 구조물을 선택적으로 에칭하고, 패턴화하고, 해제시키는 단계를 포함하며,
    상기 선택적 에칭은 섬유 구조물의 고정되지 않은 자유 단부의 아래로부터, 고정되지 않고 노출된 섬유가 섬유 구조물이 기판에 고정되는 지점과 만날 때까지 기판 재료를 제거함으로써 이루어지는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 섬유를 서로 선택적으로 결합시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제27항에 있어서, 섬유를 섬유 다발로부터 추출되는 방법.
  30. 제27항에 있어서, 기판은 원하는 섬유 MEMS 구조물을 생성하도록 미리 패턴화되는 방법.
  31. 제27항에 있어서, 섬유를 정렬시키기 위해 기판 상에 정렬 패턴 또는 홈을 미리 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
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