KR102014782B1 - 스캐닝 마이크로 미러 - Google Patents

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KR102014782B1
KR102014782B1 KR1020130000229A KR20130000229A KR102014782B1 KR 102014782 B1 KR102014782 B1 KR 102014782B1 KR 1020130000229 A KR1020130000229 A KR 1020130000229A KR 20130000229 A KR20130000229 A KR 20130000229A KR 102014782 B1 KR102014782 B1 KR 102014782B1
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안재용
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최동준
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Abstract

실시예는 제1 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제1 탄성체의 사이에 배치되는 미러; 상기 한 쌍의 제1 탄성체를 통하여 상기 미러와 연결되는 짐벌(gimbal); 제2 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제2 탄성체를 통하여 짐벌과 연결되는 한 쌍의 앵커; 및 상기 미러의 배면에 편심되어 배치되는 배치되는 홀 센서를 포함하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공한다.

Description

스캐닝 마이크로 미러{Scannng micro mirror}
실시예는 스캐닝 마이크로 미러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MEMS기술을 이용한 전자력 구동 레이저 스캐닝 미러에 관한 것이다.
광소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입력단과 출력단 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 다양한 기술들이 제시되고 있는데, 바코드 스캐너(barcode scanner)나 기초적인 수준의 스캐닝 레이저 디스플레이(scanning laser display) 등과 같이 광원에서 나오는 빔을 주사하여 사용하는 기술을 대표적인 예로 들 수 있다. 특히, 최근에는 높은 공간 분해능(High Spatial Resolution)의 빔 스캐닝을 이용한 시스템이 개발되고 있으며, 이러한 시스템으로는 레이저 스캐닝(laser scanning)을 사용한 고해상도의 원색 재현력이 뛰어난 투사 방식 디스플레이 시스템(projection display system)이나 HMD(Head Mounted Display), 레이저 프린터 등이 있다.
이러한 빔 스캐닝 기술은 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(Scanning Speed)와 주사 범위(Scanning Range)와 각 변위(Angular displacement) 및 틸팅 각도(Tilting Angle)를 가지는 스캐닝 미러가 요구된다. 스캐닝 마이크로 미러는 광원(光源)으로부터 들어온 광선을 미러를 통해 1차원 또는 2차원 영역에 주사하여 화상을 결상하거나 데이터를 읽어 들이는 소자이다.
도 1은 종래의 2차원 스캐닝 마이크로 미러의 구조와 원리를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 스캐닝 마이크로 미러(100)는 빛을 반사하기 위한 미러(110)와, 미러(110)를 수평방향으로 회전시키기 위한 수평 스프링(120)과, 미러(110)를 수직방향으로 회전시키기 위한 수직 스프링(140)과, 미러(110)의 수직방향과 수평방향 회전을 분리하기 위한 짐벌(130)로 구성되어 있다. 미러(110)는 수직 스프링(140)과 수평 스프링(120)을 통하여 수직방향과 수평방향으로 회전을 함으로서 입사된 빛을 스캔하여 화면을 결상하거나 데이터를 읽어 들이는 원리로 동작한다. 한 쌍의 수평 스프링(140)은 각각 앵커(anchor, 151, 152)과 연결되어 지지되거나 구동될 수 있고, 미러(110)에서 반사된 빛은 스크린(screen)으로 투사되어, 수평 방향과 수직 방향에서 각각 스캔(scan)될 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러에서 정확한 화면을 구현하기 위하여 미러(110)의 회전각을 정확히 검출하는 것이 반드시 필요하며, 스캐닝 마이크로 미러의 부피를 줄이기 위하여 회전각 센서를 배치할 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러의 회전각 검출 방식은 크게 정전용량 방식과 압저항 방식으로 나누어진다. 정전용량 방식은 서로 마주보는 전극에 바이어스(Bias) 전압을 인가하고 전극 간의 겹치는 면적이나 공극(空隙)의 간격이 변할 때 정전용량이 변화되어 전하가 유기되는 원리는 이용한 것으로서 마이크로 센서에서 흔히 사용하는 기술이다. 그러나, 정전용량 방식은 감도를 크게 하기 위해 대향하는 전극의 면적을 크게 하거나 공극을 매우 가깝게 배치하여야 하므로 고속으로 진동하는 스캐닝 마이크로 미러에 적용할 때 공기 감쇠에 의해 공진 시의 구동 변위를 제한하고, 대향 전극이 반드시 필요하므로 마이크로 미러 구조설계의 자유도를 저하시킬 수 있다.
압저항 방식은 반도체가 기계적인 응력(應力)을 받으면 전기저항이 변하는 원리를 이용하며, 도 2는 도 1의 압저항 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 압저항 센서(200)는 4개의 압저항(220)을 스프링(210)의 표면에 배치한 풀 브릿지(Full-bridge) 형태로 구성하여 감도와 선형성을 개선할 수 있고, 4개의 압저항(220)에는 각각 도선(230)이 연결되어 배치될 수 있다. 압저항 센서(200)는 도 1의 스캐닝 마이크로 미러의 수평 스프링(120)과 수직 스프링(140)에 각각 하나씩 배치될 수 있으며, 구체적으로 'a'와 'b'로 표시된 곳에 배치될 수 있다.
압저항 방식은 비교적 구조와 원리가 간단하여 스캐닝 마이크로 미러에 쉽게 집적할 수 있으나 장점이 있지만, 미러의 회전각을 직접적으로 검출하는 것이 아니고 미러와 짐벌 간의 상대적인 움직임에 의해 발생하는 스프링의 응력으로부터 회전각을 추출한다. 따라서, 압저항 센서의 출력대비 실제 미러의 회전각의 편차가 발생할 수 있고, 상술한 브릿지 형태로 구성할 때 각 네 개의 압저항의 균일도를 확보하기 어려울 수 있다.
실시예는 미러의 회전각을 압저항 방식으로 검출할 때, 구조가 간단하여 미러의 기계적 동작에 영향을 미치지 않고 회전각을 직접적으로 검출할 수 있으면서도 실제 미러의 회전각을 정확히 검출하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공하고자 한다.
실시예는 제1 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제1 탄성체의 사이에 배치되는 미러; 상기 한 쌍의 제1 탄성체를 통하여 상기 미러와 연결되는 짐벌(gimbal); 제2 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제2 탄성체를 통하여 짐벌과 연결되는 한 쌍의 앵커; 및 상기 미러의 배면에 편심되어 배치되는 배치되는 홀 센서를 포함하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공한다.
홀 센서는 상기 미러의 배면에 배치될 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러는 제1 탄성체 및 상기 미러의 배면과 마주보며 배치되는 자성체를 더 포함할 수 있다.
자성체와 상기 미러는 기설정된 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.
홀 센서는 상기 미러의 중심에서 수평 방향과 수직 방향으로 각각 편심되어 배치될 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러는 홀 센서와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 도선 쌍을 더 포함할 수 있다.
도선 쌍은 적어도 2개 포함하고, 상기 2개의 도선 쌍은 서로 평행하지 않을 수 있고, 2개의 도선 쌍은 서로 수직하게 배치될 수 있다.
제1 방향과 제2 방향은 서로 수직일 수 있다.
미러는 상기 제1 방향과 상기 제2 방향으로 회전할 수 있고, 상기 제1 방향의 회전 진동수과 상기 제2 방향의 회전 진동수가 서로 다를 수 있다.
홀 센서는, 상기 미러의 중심으로부터 상기 제1 방향과 제2 방향에서 서로 다른 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는, 구조가 간단하여 짐벌이나 다른 기계적인 움직임에 영향을 받지 않고 미러만의 회전각을 검출할 수 있다.
도 1은 종래의 2차원 스캐닝 마이크로 미러의 구조와 원리를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 압저항 센서의 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 스캐닝 마이크로 미러의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 홀 효과의 원리를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 3의 홀 센서의 구조를 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 홀 센서의 작용을 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 도 7g는 홀 센서의 제조 공정의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 스캐닝 마이크로 미러의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(300)는 전자력 구동방식을 이용하고 있으며, 스캐닝 마이크로 미러(300)는 자성체(400)와 인접하게 배치될 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러(300)는 빛을 반사하기 위한 미러(310)와, 미러(310)와 제1 탄성체(321, 322)를 통하여 연결되는 짐벌(gimbal, 330)과, 짐벌과 제2 탄성체(341, 342)를 통하여 연결되는 앵커(351, 352)와 자성체(400)를 포함하여 이루어진다.
미러(310)는 상술한 제1,2 탄성체(321,322,341,342)와 자성체(400)와의 작용에 의하여 빛을 스크린(미도시) 방향으로 반사시킬 수 있다. 제1 탄성체(321,322)는 제1 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 탄성체(321, 322)로 이루어져서 제1 방향으로 미러(310)를 회전시킬 수 있고, 제2 탄성체(341,342)는 미러(310)를 제2 방향으로 회전시킬 수 있는데, 본 실시예에서 제1,2 탄성체(321,322,341,342)는 각각 스프링일 수 있으며, 제1 방향은 수직 방향이고 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직인 방향 즉, 수평 방향일 수 있다.
짐벌(330)은 제2 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 탄성체(341,342)를 포함하는 제2 탄성체를 통하여 앵커(351, 352)와 연결되고, 한 쌍의 제2 탄성체(341,342)는 각각 앵커(351, 352)에 연결되어 지지되거나 구동될 수 있고, 미러(310)에서 반사된 빛은 스크린(screen)으로 투사되어, 수평 방향과 수직 방향에서 각각 스캔(scan)될 수 있다.
미러(310)의 배면에는 홀 센서(500)가 배치될 수 있는데, '배면'이라 함은 빛이 입사되어 반사되는 면의 반대 방향의 면을 뜻한다. 홀 센서(500)는 미러(310)의 배면에 편심되어 배치될 수 있는데, 미러(310)의 중심으로부터 수평 방향과 수직 방향으로 각각 편심되어 배치될 수 있다.
자성체(400)는 영구 자석 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 미러의 회전각을 검출하기 위하여 미러와 소정의 간격을 두고 자성체를 배치하여, 자성체로부터 발생한 자기장의 세기에 따라 미러의 회전각에 따라 변화되고, 상술한 미러의 회전각의 변화를 미러의 배면에 배치된 홀 센서(Hall Sensor)를 통하여 검출할 수 있다.
도 4는 홀 효과의 원리를 나타낸 도면이다.
홀 센서는 홀 효과(Hall Effect)를 응용한 센서로서 자기장을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 홀 효과는 전류와 자기장에 의해 모든 전도성 물질에서 나타나는 효과로서, 전도성 물질에 전류가 흐르면 전하(Electric Charge)가 이동하게 되고 자기장에 의해 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받게 되어 전류와 자기장에 수직한 방향으로 전하 분포가 불균일하게 되어, 결과적으로 전류와 자기장의 곱에 비례하는 홀 전압이 발생한다. 본 실시예에서는 홀 효과로 미러의 회전각을 검출할 수 있다.
도 5는 도 3의 홀 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
미러(310)의 배면에 홀 센서(500)가 배치되는데, 도시된 바와 같이 미러(310)의 중심으로부터 각각 가로 축(x) 방향으로 dx만큼 이격되고 세로 축(y) 방향으로 dy만큼 이격되어 배치될 수 있고, 여기서 이격된 거리는 홀 센서(500)의 중심으로부터의 거리이다.
홀 센서(500)가 상술한 바와 같이 미러(310)의 중심으로부터 이격되어 배치될 때, 이격된 거리 dx와 dy에 의하여 가로 축과 세로 축으로부터의 감도가 결정될 수 있다. 그리고 미러(310)의 회전각을 검출하기 위하여 홀 센서(500)와 전기적으로 연결되는 도선 쌍(500a~500d), 홀 센서(500)와 가로 축 방향으로 연결된 한 쌍의 도선 쌍(500b, 500d)과 세로 축 방향으로 연결된 다른 쌍의 도선 쌍(500a , 500c)이 배치될 수 있다. 상술한 두 쌍의 도선 쌍들은 서로 나란하지 않고, 특히 서로 수직하게 배치되어야 미러(310)의 회전각을 정확하게 검출할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 홀 센서의 작용을 나타낸 도면이다.
마이크로 스캐닝 미러에서 자성체(400)과 미러(310)가 소정 간격 이격되어 배치되고 있으며, 도 6a에서 미러가 회전하지 않을 때 자성체(400)와 미러(310) 배면의 홀 센서(500)와의 거리(d0)는 미리 설정할 수 있다.
도 6b에서 미러(310)가 회전하여 홀 센서(500)와 자성체(400)의 거리(d1)이 작아질 때 자기장의 세기가 커지면서 홀 전압이 높아지고, 도 6c에서 홀 센서(500)와 자성체(400)의 거리(d2)이 커질 때 자기장의 세기가 작아지면서 홀 전압이 낮아질 수 있다.
상술한 스캐닝 마이크로 미러에서, 미러를 수평 방향과 수직 방향에서 각각 다른 진동수로 움직일 수 있고, 특히 미러의 중심으로부터 홀 센서의 가로 축 방향과 세로 축 방향으로의 거리를 다르게 하면 하나의 홀 센서의 출력에서 수평 방향과 수직 방향의 회전각 신호를 분리하여 검출할 수 있다.
본 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는, 구조가 간단하여 짐벌이나 다른 기계적인 움직임에 영향을 받지 않고 미러만의 회전각을 검출할 수 있다.
도 7a 내지 도 7g는 홀 센서의 제조 공정의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a에서 실리콘 기판(510) 위에 제1 절연막(520)을 배치하고, 도 7b에서 제1 절연막(520) 위에 폴리 실리콘(530)을 증착한다. 도 7c에서 폴리 실리콘(530)을 선택적으로 패터닝하고, 잔존하는 폴리 실리콘(530)을 이온 주입 등의 방법으로 도핑(doping)할 수 있다.
도 7d에서 제1 금속막(540)을 배치하고, 도 7e에서 폴리 실리콘(530)과 제1 금속막(540) 위에 제2 절연막(550)을 배치한다. 그리고, 도 7f에서 제2 절연막(550)을 선택적으로 제거하여 제1 금속막(540)의 일부를 노출시키고, 도 7g에서 노출된 제1 금속막(540)과 연결되도록 제2 금속막(560)을 배치한다.
상술한 공정으로 제조된 홀 센서에서 실리콘 기판이 홀 센서의 바디로 작용할 수 있고, 제1 금속막 내지 제2 금속막이 홀 센서와 연결된 도선일 수 있다. 홀 전압은 도전성 물질 내의 전하의 농도에 반비례하므로, 폴리 실리콘에 이온을 도핑(Doping)하는 것이 홀 센서의 감도 조절에 용이할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 300: 스캐닝 마이크로 미러 110, 310: 미러
120: 수평 스프링 130, 330: 짐벌
140: 수직 스프링 151, 152: 앵커
200: 압저항 센서 210: 스프링
220: 압저항 230, 500a~500d: 도선
400: 자성체 321, 322: 제1 탄성체
341, 342: 제2 탄성체 351, 352: 앵커
400: 자성체 500: 홀 센서
510: 실리콘 기판 520: 제1 절연막
530: 폴리 실리콘 540: 제1 금속막
550: 제2 절연막 560: 제2 금속막

Claims (11)

  1. 제1 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제1 탄성체의 사이에 배치되는 미러;
    상기 한 쌍의 제1 탄성체를 통하여 상기 미러와 연결되는 짐벌(gimbal);
    제2 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 제2 탄성체를 통하여 상기 짐벌과 연결되는 한 쌍의 앵커;
    상기 미러의 배면과 마주보며 배치되는 자성체; 및
    상기 미러의 배면에 편심되어 배치되고, 상기 자성체와의 거리 변화를 통해 상기 미러의 회전각을 검출하는 홀 센서;를 포함하고,
    상기 홀 센서는
    상기 미러의 중심을 지나는 상기 제1 방향의 축 및 상기 제2 방향의 축에서 각각 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 마이크로 미러.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 자성체와 상기 미러는 기설정된 간격만큼 이격되어 배치되는 스캐닝 마이크로 미러.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 홀 센서와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 도선 쌍을 더 포함하는 스캐닝 마이크로 미러.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 도선 쌍은 적어도 2개 포함하고, 상기 2개의 도선 쌍은 서로 평행하지 않은 스캐닝 마이크로 미러.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 2개의 도선 쌍은 서로 수직하게 배치되는 스캐닝 마이크로 미러.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직인 스캐닝 마이크로 미러.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 미러는 상기 제1 방향의 축과 상기 제2 방향의 축을 중심으로 회전할 수 있고, 각각의 회전 진동수가 서로 다른 스캐닝 마이크로 미러.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 홀 센서는,
    상기 미러의 중심으로부터 상기 제1 방향의 축과 제2 방향의 축에서 서로 다른 거리만큼 이격되어 배치되는 스캐닝 마이크로 미러.
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