KR102564636B1 - 조정 가능한 ｍｅｍｓ 에탈론 장치 - Google Patents
조정 가능한 ｍｅｍｓ 에탈론 장치 Download PDFInfo
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Abstract
조정 가능한 MEMS 에탈론 장치는 전면 미러 및 후면 미러, 앵커 구조물, 입사 광을 향하는 그의 제 1 표면에서 전면 미러에 고정되게 결합되는 프레임 구조물, 전면 미러에 부착되지 않지만 앵커 구조물과 프레임 구조물에 부착되는 굴곡부 구조물, 및 후면 미러로부터 앵커 구조물을 분리하는 스페이서 구조물을 포함하며, 전면 미러 및 후면 미러는 전면 미러 및 후면 미러와 물리적으로 접촉하게 후면 스토퍼 구조물에 의해 결정된 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기를 갖는 갭만큼 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서 분리되며, 에탈론은 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 적어도 하나의 작동 상태를 취하도록 구성되며, 전면 미러 및 스페이서 구조물은 동일한 단일 유리 층에 형성된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 11월 20일자로 출원되고 동일한 발명의 명칭을 가지며, 그 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함되는 미국 가 특허 출원 62/424,472호의 이득을 주장한다.
기술 분야
본 명세서에 개시된 요지는 일반적으로 미세-전자-기계 시스템(MEMS)에 관한 것이며, 더 구체적으로는 조정 가능한 MEMS-기반 스펙트럼 필터에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 요지에 대한 배경기술로 관련 있는 것으로 간주되는 참고문헌은 아래에 열거된다:
[1] A. Ya'akobovitz, S. Krylov, "Influence of Perforation on Electrostatic and Damping Forces in Thick SOI MEMS Structures," J. Micromech. Microeng. 22, pap. 115006, 2012.
[2] C. G. Agudelo, M. Packirisamy, G. Zhu, L. Saydy, "Nonlinear control of an electrostatic micromirror beyond pull-in with experimental validation," J. MEMS 18, 914-923, 2009.
[3] J. Wei "Wafer Bonding Techniques for Microsystem Packaging," Journal of Physics: Conference Series 34 (2006) 943-948.
본 명세서에서 위의 참고문헌의 인정은 이들이 본 명세서에 개시된 요지의 특허성에 어떤 식으로든 관련이 있다는 것을 의미하는 것으로 추론되지 않는다.
컬러 이미징은 공지되어 있으며 일반적으로, 컬러 필터 어레이(CFA), 예를 들어 베이어-유형 CFA(Bayer-type CFA)로 덮인 픽셀형 이미지 센서를 갖는 디지털 카메라를 사용하여 수행된다. 최근에, 순차 이미징을 사용한 컬러 이미징 시스템 및 방법이 제안되었다(예를 들어, 공동-양도된 국제 특허 출원 공개 번호 WO2014/207742호 참조). 그러한 시스템 및 방법은 개선된 컬러 충실도 및/또는 하이퍼스펙트럴 컬러 정보를 갖는 컬러 이미지의 캡처를 허용한다.
일반적으로 순차 이미징은 카메라 이미지 센서의 시선을 따라서 배치된 조정 가능한 스펙트럼 필터를 활용한다. 이미지 센서는 조정 가능한 스펙트럼 필터의 스펙트럼 투과율이 변화되는 동안 단시간 시퀀스로 일련의 이미지를 획득하도록 작동된다. 따라서, 일련의 이미지 중 각각의 이미지는 각각의 이미지가 취해질 때 필터 세트의 스펙트럼 투과율에 대한 상태/프로파일에 따라서, 캡처된 스크린의 상이한 컬러 컨텐츠에 대응한다.
위와 같은 순차 이미징에 사용될 수 있는 조정 가능한 스펙트럼 필터의 예는에탈론(etalon)이다. 에탈론은 2 개의 평행 미러를 포함한다. 스펙트럼 투과율 프로파일은 미러들 사이의 갭에 의해 결정된다. 에탈론에 인가된 전압의 조정은 (소위, "광학 공동(optical cavity)"을 제공하는)미러들 사이의 갭을 조정하고, 차례로 스펙트럼 투과율 프로파일을 조정한다. 2개의 미러는 예를 들어, 반투명한 전면 미러 및 반투명한 후면 미러일 수 있다. 몇몇 예에서, 후면 미러는 예를 들어 정적일 수 있는 반면에, 전면 미러는 후면 미러를 향하여/후면 미러로부터 멀어지게 이동 가능하여 이들 사이의 거리(광학 공동)를 변화시킴으로써 스펙트럼 투과율 프로파일을 조정한다.
에탈론은 광 통신 채널을 따라서 투과되는, 레이저 광 빔과 같은 광학 신호의 특성을 여과, 변조 및/또는 제어하기 위해서 광 통신에 널리 사용된다. 그러나 광 통신을 고려할 때, 종종 필터는 제한된 스펙트럼 대역(예를 들어, 수 나노 미터)에서만 정확하고 효율적으로 작동할 것이 요구되며 순차 스펙트럼 이미징 용례에 요구되는 많은 경우와 같이 특정한/넓은 투과율 프로파일을 제공할 것이 요구되지는 않는다(예를 들어, WO 2014/207742호 참조).
몇몇 이미징 용례, 예를 들어, 규칙적인(예를 들어, RGB) 컬러 이미지 데이터 획득, IR 이미지 데이터 획득 및/또는 고 스펙트럼 이미징은 넓은 스펙트럼 투과율 프로파일 및 넓은 자유 스펙트럼 범위(에탈론 미러들 사이에 짧은 거리를 부과할 수 있음)를 갖는데 종종 요구되는 에탈론일 뿐만 아니라, 이미지 센서가 위치되는 전면에서 이미지 센서의 전체 시야를 커버하는데 충분하도록 측면 방향으로 넓을 것이 요구될 수 있다.
결과적으로, 순차 스펙트럼 컬러 이미징에 사용하기 위한 조정 가능한 에탈론은 종종, 그들의 폭과 미러들 간의 거리 사이에 매우 높은 종횡비를 가진다.
에탈론 작동의 일반적인 원리는 주지되어 있지만, 종래의 에탈론 구성의 여러 제한 요소는 순차 스펙트럼 이미징 용례에 대한 그들의 사용을 방해한다. 그러한 제한 요인 중 하나는 종래의 조정 가능한 에탈론 구성에서 제한되는 에탈론 미러들 사이의 갭의 조정 범위 및 해상도에 관한 것이다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 문제는 신규 에탈론 구성을 제공함으로써 본 명세서에 개시된 특정 예에서 해결된다. 종래의 에탈론 구성의 다른 제한 요인은 그러한 에탈론에 사용되는 고급 작동기(작동 기구 및/또는 피드백 기구)가 고가이고 대량 생산에 적합하지 않다는 것이다. 대조적으로, 본 명세서에 개시된 MEMS 기반 에탈론은 비교적으로 낮은 비용으로 대량 생산될 수 있다.
한 가지 도전과제는 왜곡된 투과 스펙트럼으로 표현될 제작 편차이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 조정 가능한 에탈론 MEMS 장치의 설계는 합리적인 제작 공차를 추정하고, 스펙트럼 왜곡을 정량화하고 그에 따라 획득 신호를 교정하는 광학-기계적 모델에 기초하여 개발되었다.
정전기 작동이 사용되는 본원에 개시된 몇몇 예에서, 서로 실질적으로 전기 절연되는 (예를 들어, 기능성 기계적 층의 일부인, 작동 기구를 지지하는 작동 기판을 포함하는)작동 층에 형성된 전극의 두 개 이상의 영역과 기능성 기계적 층에 형성되는 대략 평행한 전극 세트 사이에 전위차를 인가하여 이들 사이에 정전기력을 유발함으로써 조정될 수 있다. 기능성 층은 본 명세서에서, 작동력을 가했을 때 변위를 겪는 층으로 간주된다.
전극이 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼의 핸들 층에 형성되는 예에서, 이들은 층 내의 트렌치에 의해 서로 전기 절연될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예는 여러 조정 가능한 MEMS 에탈론 구조물 및 작동 패러다임을 교시한다. 모든 실시예에서 공통 특징은 전면 미러(두 개의 미러 중 입사광을 향하는 미러)가 MEMS 기능성 기계적 층에 부착된다는 것이다. MEMS 작동기의 사용은 제안된 에탈론의 저가 대량 제작을 허용하고 이를 소비자 전자 장치에서의 구현에 적합하게 한다. 몇몇 예에 따라서, 기능성 기계적 층에 전면 미러의 부착은 당업계에 공지된 바와 같은 픽업 배치(pick and place) 기술에 의해 행해진다.
위의 특징에 부가하여, 본 명세서에 개시된 요지의 이러한 양태에 따른 방법은 임의의 기술적으로 가능한 조합 또는 순열로 아래에 열거된 특징 (i) 내지 (xix) 중 하나 이상을 선택적으로 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 요지의 일 예에 따라서, 전면 미러 및 후면 미러를 포함하는 조정 가능한 에탈론 장치가 제공되며, 전면 및 후면 미러는 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기를 갖는 갭만큼 초기의 미-작동 에탈론 상태에서 분리되며, 에탈론은 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 적어도 하나의 작동 상태를 취하도록 구성된다.
위의 특징에 부가하여, 몇몇 예에서, 본 명세서에 개시된 요지는 임의의 기술적으로 가능한 조합 또는 순열로 아래에 열거된 특징 (i) 내지 (xxxiv) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다:
i). 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기는 전면 미러 및 후면 미러와 물리적으로 접촉하게 후면 스토퍼 구조물에 의해 결정된다.
ii). 후면 스토퍼 구조물은 어느 하나의 미러에 초기에 형성될 수 있다.
iii). 본 명세서에 개시된 조정 가능한 에탈론 장치는 MEMS 기술을 사용하여 제작되고 따라서 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치로 또한 지칭된다.
iv). 본 명세서에 개시된 조정 가능한 에탈론 장치는 앵커 구조물, 전면 미러에 고정되게 결합되는 프레임 구조물, 및 전면 미러에 부착되지 않으나 앵커 구조물 및 프레임에 구조물에 부착되는 굴곡부 구조물을 더 포함한다.
v). 본 명세서에 개시된 조정 가능한 에탈론 장치는 후면 미러로부터 앵커 구조물을 분리하는 스페이서 구조물을 더 포함하며, 전면 미러 및 스페이서 구조물은 동일한 단일 층에 형성된다.
vi). 후면 미러는 투명한 또는 반투명한 재료로 만들어진다. 몇몇 예에서, 투명한 또는 반투명한 재료는 다음 재료: 즉, 유리, 플라스틱, 실리콘 및 게르마늄 중 어느 하나일 수 있다.
vii). 투명한 또는 반투명한 층은 예비-응력이 가해진 미-작동 상태를 향상시키도록 굴곡부 구조물에 예비-응력을 가하는 것을 보조하기 위한 오목부를 더 포함한다.
viii). 앵커 구조물, 프레임 구조물 및 굴곡부 구조물은 실리콘(Si)으로 만들어진다.
ix). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 앵커 구조물, 프레임 구조물 및 굴곡부 구조물은 동일한 단일 층에 형성된다.
x). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 단일 층은 다음 재료: 즉, 유리, 플라스틱, 실리콘 및 게르마늄 중 어느 하나로 만들어진다.
xi). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 후면 미러는 (예를 들어, 다음 재료: 즉, 유리, 플라스틱, 실리콘 및 게르마늄 중 어느 하나를 포함한)투명한 또는 반투명한 재료로 만들어진 층에 통합된다.
xii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 후면 미러는 적어도 두 개의 재료의 조합을 포함하는 하이브리드 구조물에 포함되며, 적어도 두 개의 재료의 제 1 재료는 투명한 또는 반투명한 재료이며, 적어도 두 개의 재료의 제 2 재료는 제 1 재료보다 더 강성이다.
xiii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 상이한 재료는 예를 들어, 유리와 실리콘을 포함한다.
xiv). 조정 가능한 에탈론 장치는 전면 미러에 대해 물체 측에 위치되는 캡 판을 더 포함한다.
xv). 조정 가능한 에탈론 장치는 전면 미러와 캡 판 사이의 최소 갭을 결정하는 전면 스토퍼 구조물을 더 포함한다.
xvi). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 캡 판은 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭 크기를 제어하도록 구성된 작동 기구의 적어도 일부를 수용한다.
xvii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 캡 판은 프레임 구조물을 향하는 캡 표면에 형성된 적어도 하나의 제 1 전극을 포함하며, 프레임 구조물은 제 2 전극으로서 역할을 하도록 구성되며, 프레임 구조물은 제 1 및 제 2 전극을 사용한 정전기 작동에 의해 이동 가능하다.
xviii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 적어도 하나의 제 1 전극은 서로 전기 절연된 복수의 전극을 포함한다.
xix). 조정 가능한 에탈론 장치는 프레임 구조물과 적어도 하나의 제 1 전극 사이의 최소 정전기 갭을 결정하는 전면 스토퍼 구조물을 더 포함한다.
xx). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 캡 판은 투명한 또는 반투명한 재료를 포함함으로써, 두 개의 투명한 또는 반투명한 판들 사이에 둘러싸인 조정 가능한 에탈론을 제공한다.
xxi). 조정 가능한 에탈론 장치는 적어도 하나의 제 1 전극으로서 역할을 하는 Si 층을 더 포함하며, 프레임 구조물은 제 2 전극으로서 역할을 하도록 구성되며, 프레임 구조물은 제 1 및 제 2 전극을 사용한 정전기 작동에 의해 이동 가능하다.
xxii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, Si 층은 실리콘-온(on)-절연체(SOI) 웨이퍼의 핸들 층이며, 장치는 "SOI 장치"이다.
xxiii). 조정 가능한 에탈론 장치에서, 적어도 하나의 제 1 전극은 SOI 웨이퍼의 핸들 층에 형성된 복수의 제 1 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극은 기계적으로 연결되고 서로 전기 절연된다.
xxiv). 조정 가능한 에탈론 장치는 프레임 구조물로부터 Si 층을 분리하는 매립 산화물(BOX) 층을 더 포함하며, BOX 층은 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서 전면 미러와 제 1 전극 사이의 정전기 갭을 결정하는 두께를 가진다.
xxv). 조정 가능한 에탈론 장치는 전면 미러와 후면 사이로 광 통과를 허용하기 위해서 SOI 웨이퍼의 핸들 층에 개구를 더 포함한다.
xxvi). 조정 가능한 에탈론 장치는 후면 미러에 통합된 제 1 렌즈 및 캡에 통합된 제 2 렌즈를 더 포함한다.
xxvii) 청구항 19 내지 청구항 22 또는 청구항 24 내지 청구항 27 중 어느 한 항의 조정 가능한 에탈론 장치는 전면 및 후면 미러 각각에 통합된 각각의 렌즈를 더 포함한다.
xxviii). 청구항 19 내지 청구항 22 또는 청구항 24 내지 청구항 27 중 어느 한 항의 조정 가능한 에탈론 장치는 후면 미러 및 캡에 통합된 각각의 렌즈를 더 포함한다.
xxix). 청구항 2 내지 청구항 22 또는 청구항 24 내지 청구항 27 중 어느 한 항의 조정 가능한 장치에서, 제 1 및 제 2 상태 각각에서의 갭은 특정 파장 범위에 있는 광이 에탈론을 통과하게 한다.
xxx). 청구항 25의 조정 가능한 에탈론 장치에서, 전면 미러와 후면 미러 사이의 작동 갭 크기는 프레임 구조물과 캡 사이를 분리하는 전면 스토퍼에 의해 한정된다.
xxxi). 작동 기구는 압전 작동기를 포함한다.
xxxii). 작동 기구는 켈빈 힘 작동 전극을 포함한다.
xxxiii). 청구항들 중 어느 한 항의 조정 가능한 에탈론 장치는 제 1 상태와 제 2 상태 중 하나를 취하도록 설계되며, 제 1 및 제 2 상태 각각에서의 갭은 특정 파장 범위에 있는 광이 에탈론을 통과하게 하며, 제 1 상태는 후면 스토퍼에 의해 한정되는, 전면 미러와 후면 미러 사이의 미-작동 갭 크기를 갖는 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태이며, 제 2 상태는 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭 크기가 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 작동 상태이다.
xxxiv). 전면 미러와 후면 미러 사이의 작동 갭 크기는 전면 스토퍼에 의해 한정된다.
본 명세서에 개시된 요지의 다른 양태에 따라서,
a) 전면 미러 및 후면 미러를 포함하는 조정 가능한 에탈론 장치로서, 전면 미러 및 후면 미러는 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기를 갖는 갭만큼 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서 분리되며, 에탈론은 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 적어도 하나의 작동 상태를 취하도록 구성되는, 조정 가능한 에탈론 장치;
b) 이미지 센서; 및
c) 조정 가능한 에탈론 장치를 조정하고 이미지 센서를 통해 이미지 데이터를 캡처하도록 구성되고 작동 가능한 제어기를 포함하는 이미징 장치가 제공된다.
본 명세서에 개시된 요지에 따른 이미징 장치는 임의의 원하는 조합 또는 순열로, 위에 열거된 (i) 내지 (xxxiv)의 특징 중 하나 이상을 필요한 부분만 약간 수정하여 선택적으로 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예의 비-제한적인 예가 이 단락 이후에 열거되는 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 도면 및 설명은 본 명세서에 개시된 실시예를 예시하고 명료하게 하려는 의미이며 어떠한 방식으로든 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 상이한 도면에서의 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 표시될 수 있다.
도 1a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 등각도로 개략적으로 도시하며,
도 1b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1a의 장치를 횡단면도로 개략적으로 도시하며,
도 2a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1b의 장치를 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 도시하며,
도 2b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 2a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 2c는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 2b의 장치를 작동 상태로 도시하며,
도 3은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1a 또는 도 1b의 장치에 있는 기능성 기계적 층의 평면도를 개략적으로 도시하며,
도 4는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 그에 형성된 다중 전극을 갖는 도 1a 또는 도 1b의 장치에 있는 캡의 평면도를 개략적으로 도시하며,
도 5a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 횡단면도로 그리고 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 개략적으로 도시하며,
도 5b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 5c는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5b의 장치를 작동 상태로 도시하며,
도 6은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5a 또는 도 5b의 장치에 있는 SOI 웨이퍼의 핸들 층의 저면도를 도시하며,
도 7은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 집적 광학기기를 갖는 본 명세서에 개시된 장치를 포함한 조립체를 도시하며,
도 8은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따라 구성된 순차 이미징 시스템의 블록도를 개략적으로 예시하며,
도 9(도 9a 내지 도 9e를 포함함)는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 본 명세서에 개시된 GSG 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제작 공정의 단계를 개략적으로 도시하며,
도 10a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 횡단면도로 그리고 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 개략적으로 도시하며,
도 10b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 10a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 1Oc는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 10b의 장치를 작동 상태로 도시한다.
도 1a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 등각도로 개략적으로 도시하며,
도 1b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1a의 장치를 횡단면도로 개략적으로 도시하며,
도 2a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1b의 장치를 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 도시하며,
도 2b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 2a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 2c는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 2b의 장치를 작동 상태로 도시하며,
도 3은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 1a 또는 도 1b의 장치에 있는 기능성 기계적 층의 평면도를 개략적으로 도시하며,
도 4는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 그에 형성된 다중 전극을 갖는 도 1a 또는 도 1b의 장치에 있는 캡의 평면도를 개략적으로 도시하며,
도 5a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 횡단면도로 그리고 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 개략적으로 도시하며,
도 5b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 5c는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5b의 장치를 작동 상태로 도시하며,
도 6은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 5a 또는 도 5b의 장치에 있는 SOI 웨이퍼의 핸들 층의 저면도를 도시하며,
도 7은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 집적 광학기기를 갖는 본 명세서에 개시된 장치를 포함한 조립체를 도시하며,
도 8은 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따라 구성된 순차 이미징 시스템의 블록도를 개략적으로 예시하며,
도 9(도 9a 내지 도 9e를 포함함)는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른, 본 명세서에 개시된 GSG 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제작 공정의 단계를 개략적으로 도시하며,
도 10a는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치를 횡단면도로 그리고 초기 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태로 개략적으로 도시하며,
도 10b는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 10a의 장치를 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도시하며,
도 1Oc는 본 명세서에 개시된 요지의 예에 따른 도 10b의 장치를 작동 상태로 도시한다.
도 1a는 본 명세서에 개시되고 도면 부호 100으로 표시된 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제 1 예를 등각도로 개략적으로 도시한다. 도 1b는 A-A로 표시된 평면을 따르는 장치(100)의 등각 횡단면을 도시한다. 장치(100)는 XYZ 좌표계와 관련하여 도시되며, 이는 또한 다음의 모든 도면에 대해서도 유지된다. 또한, 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 3가지 구성(상태): 제작된 대로의(응력이 가해지지 않은) 미-작동 상태(도 2a), 예비-응력이 가해진 미-작동 상태(도 2b) 및 작동 상태(도 2c)로 평면 A-A에서의 장치(100)의 횡단면을 도시한다. 장치(100)는 2개의 실질적으로 평탄하고 평행한 미러/반사-표면인, "후면(back)" 갭에 의해 분리된 바닥(또는 "후면(back)") 미러(102) 및 최상부(또는 "틈새") 미러(104)를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "전면(front)" 및 "후면(back)"은 광선을 향하는 장치의 방위를 반영한다.
도시된 바와 같이, 전면(최상부) 미러는 에탈론에 입사하는 광선의 경로에서 제 1 미러이다. 일 예에서, 미러는 조정 가능한 에탈론 필터에 의해 투과되는 원하는 파장 범위의 광에 대해 투명하거나 반투명한 재료(예를 들어, 유리)로 만들어지는 평판 또는 웨이퍼로 형성된다. 다음 논의에서, 용어 "유리(glass)"는 일반적으로 비-제한적인 예로서 사용된다. 용어 유리는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 에탈론 및 이미지 센서가 원하는 방식으로 기능을 하는데 요구되는 파장 범위에 있는 광에 적합한 투명성을 갖는 임의의 재료, 예를 들어 플라스틱, 실리카, 게르마늄 또는 실리콘(실리콘은 대략 1 내지 8 ㎛의 파장에 대해 투명함) 또는 재료의 조합을 포함하는 다른 재료가 또한 고려됨에 주목해야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "판(plate)", "웨이퍼(wafer)" 또는 "층(layer)"은 2개의 평행한 평면에 의해 한정되고 폭 및 두께보다 실질적으로 더 큰 길이를 갖는 실질적으로 2-차원 구조물을 지칭한다. "층(layer)"은 또한, (다른 층에 대해서 마이크로미터의 전형적인 두께와는 반대로 나노미터-두께에 이르는)훨씬 더 얇은 구조물을 지칭할 수 있다.
실시예에서, 후면 미러(102)는 장치의 기판으로서의 역할을 또한 하는 유리 웨이퍼에 형성된다. 다른 실시예에서, 후면 미러(102)는 광선이 통과하는 중앙 섹션("틈새")이 광의 파장에 대해 투명하도록 "하이브리드" 판 또는 하이브리드 재료로 형성될(예를 들어, 유리로 만들어질) 수 있는 반면에, 틈새를 둘러싸는 판 섹션은 상이한 재료, 예를 들어 실리콘으로 만들어진다. 하이브리드 특징은 미러의 강성과 강도를 증가시킬 수 있다.
제작된 대로의 상태인 도 2a에서, 전면 미러와 후면 미러 사이의 후면 갭은 g0로 표시된 크기를 가진다. 미-작동 상태인 도 2b에서, 후면 갭은 g1으로 표시된 크기를 가진다. 작동 상태인 도 2c에서, 후면 갭은 g2로 표시된 크기를 가진다. 미러는 서로에 대해 이동 가능하여 후면 갭이 특정 최소 갭 크기(gMn)와 최대 갭 크기(gMx) 사이에서 조정될 수 있다. 도시된 특정 좌표계에서 Z 방향으로 이동한다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 특정 예에 따라서, 후면 미러(102)는 고정되고 전면 미러(104)는 이동 가능하다. 갭 크기는 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서 최소이므로, g1 = gMn이다. 최대 후면 갭 크기(gMx)는 "최대(maximal)" 작동 상태에 대응한다. 물론, 후면 갭이 gMn과 gMx 사이의 값(g2)을 가지는 많은 작동 상태(및 심지어 작동 상태의 연속 범위)가 있다.
장치(100)는 이미지 센서에 도달하도록 설계된 광선을 차단하지 않는 방식으로 미러(102 및 104)들 사이에 위치된 제 1 스토퍼 구조물(또한, "후면 스토퍼(back stopper)"로 지칭됨)(106)를 더 포함한다. 후면 스토퍼(106)는 어느 하나의 미러에 형성될 수 있다. 초기 제작된 대로의 미-작동 상태인 도 2a에서, 2개의 미러가 서로 근접하게 위치되며, 최소 갭 거리(gMn)는 변위 제한기로서 기능을 하는 후면 스토퍼(106)에 의해 한정된다. 스토퍼(106)의 추가 기능은 외부 충격 및 진동으로 인한 전면 미러의 바람직하지 않은 변위를 방지하는 것이다. 후면 스토퍼(106)는 미러들 사이의 접촉을 방지하고 gMn이 결코 0이 되지 않도록 보장한다. 그들의 크기가 작고 광학 신호를 상당히 애매하게 하지 않는다면 이들은 광학 틈새 영역 내에 위치될 수 있다. 광학 틈새 영역 내의 후면 스토퍼의 위치는 이동 가능한 전면 미러(104)의 변위가 최소가 되는 방식으로 최적화될 수 있다. 몇몇 예에서, 후면 스토퍼(106)는 패턴화된 Cr-Au 층, Ti-Au 층 또는 Ti-Pt 층과 같은 금속으로 만들어진다. 최상부 및 후면 미러의 반사율/투명도는 에탈론의 원하는 스펙트럼 투과율 특성에 따라서 선택된다. 몇몇 예에 따라서, 각각의 미러는 어느 정도로 적어도 반-반사적(semi-reflective)이다.
장치(100)는 개구("틈새")(110)를 갖는 장착 프레임 구조물(또는 간단히 "프레임")(108)을 더 포함한다. 프레임(108)은 투명 또는 반투명 재료(예를 들어, 단결정 실리콘)으로 만들어지고 전면 미러(104)에 (예를 들어, 접합함으로써)고정적으로 부착된다. 즉, 미러(104)는 프레임(108)에 "장착(mounted)"되고 따라서 프레임(108)과 함께 이동한다. 개구(110)는 광선이 전면 미러를 통해 에탈론에 입사하게 한다. 따라서 전면 미러는 또한 "틈새 미러(aperture mirror)"로 때때로 지칭된다.
몇몇 예에서, 후면 미러(102) 및 선택적으로 전면 미러(104)는 유리 층/기판 에 증착된 티타늄 산화물(TiO2) 층을 포함한다. 특정 예에서, 본 명세서에 개시된 장치는 프레임 구조물의 작동을 가능하게 하기 위해서(그리고 그에 의해서 전면 미러의 이동을 유발하기 위해서) 프레임(108)을 향하는 표면의 후면 미러(102)에 형성된 하나 이상의 전극(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 대체 작동 기구, 예를 들어 압전 작동(piezoelectric actuation), 켈빈(Kelvin) 힘 등이 적용될 수 있다. 후면 미러 쪽으로 또는 후면 미러로부터 멀어지는 전면 미러의 이동은 에탈론의 스펙트럼 투과 대역 프로파일을 조정한다.
장치(100)는 투명 또는 반투명 재료(예를 들어, 단결정 실리콘)로 만들어진 앵커 구조물(또는 간단히 "앵커(anchor)")(112)을 더 포함한다. 앵커(112) 및 프레임(108)은 굴곡/현수 구조물에 의해 서로 부착된다. 현수 구조물은 예를 들어, 굽힘 또는 비틀림 스프링, 그러한 스프링의 조합, 또는 전면 미러를 지지하는데 적합한 얇은 도넛-형상 멤브레인의 형태로 패턴화된 앵커 구조물(112)의 영역일 수 있다. 장치(100)에서, 현수 구조물은 복수의 서스펜션 스프링/굴곡부를 포함한다. 몇몇 예에 따라서, 장치(100)에서, 복수의 서스펜션 스프링/굴곡부는 투명 또는 반투명 재료(예를 들어, 단결정 실리콘)로 만들어진 4개의 스프링(114a, 114b, 114c 및 114d)을 포함한다. 프레임(108), 앵커(112) 및 스프링(114)은 함께, 도 3의 평면도에 도시된 "기능성 기계적 층(functional mechanical layer)"(300)을 형성한다. 다음 논의에서, 용어 "실리콘(silicon)"은 일반적으로 비-제한적인 예로서 사용된다. 용어 실리콘은 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 굴곡부 구조물이 원하는 방식으로 기능을 하는데 요구되는 적합한 가요성과 내구성을 갖는 임의의 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 유리) 또는 재료의 조합을 포함하는 다른 재료가 또한 고려될 수 있음에 주목해야 한다.
도 2a 내지 도 2c는 입사광을 향하는 전면 미러(104)의 표면이 프레임(108)에 부착되는 것을 도시한다. 전면 미러(104) 및 프레임(108)의 상이한 구성이 도 10을 참조하여 아래에서 설명된다. 또한, 4개의 스프링(114a, 114b, 114c 및 114d)(도 3 참조)을 포함하는 굴곡 구조물이 앵커(112) 및 프레임 구조물(108)에 부착되지만 전면 미러에 부착되지 않음을 도시한다.
몇몇 예에서, 프레임(108)은 스페이서 구조물(또는 간단히 "스페이서(spacer)")(116)에 의해 후면 미러(102)로부터 이격된다. 몇몇 예에 따라서, 스페이서(116)는 유리 재료로 형성될 수 있다. 스페이서(116)는 미러(102)가 형성된 판으로부터 프레임과 스프링을 분리하는데 사용된다. 원칙적으로 Si 앵커(112)가 스페이서(116) 없이 바닥 판에 직접적으로 부착될 수 있지만, 이는 스프링의 매우 큰 변형을 요구한다. 채택된 기하학적 구조에 대해서, 이러한 변형은 스프링 재료의 강도 한계를 넘어서며, 이는 스페이서 층(116)의 존재를 요구한다. 기술적인 이유로, 몇몇 예에서, 이동 가능한 전면 미러(104)와 스페이서(116) 모두는 동일한 유리 판(웨이퍼)으로 제작된다. 이는 유리 및 Si 웨이퍼가 웨이퍼 레벨에서 접합되기 때문에 제작을 간단하게 한다. 이러한 이유로, 장치(100)는 본 명세서에서 유리-Si-유리(GSG) 장치로 지칭된다.
장치(100)는 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭 크기를 제어하도록 구성된 작동 기구의 적어도 일부를 수용하는 캡 판(또는, 간단히 "캡(cap)")(118)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 캡(118)은 입사광의 방향으로 전면 미러(104)에 대해 물체 측에 위치된다. 정전기 작동의 예에서, 캡(118)은 그 위에 형성되거나 그에 부착되는 전극(120)을 수용한다(도 2a 내지 도 2c 참조). 전극(120)은 예를 들어, 캡(118)의 바닥 측에(미러를 향하게) 위치될 수 있다. 전극(120)은 캡(118)의 대향(최상부) 측에 위치된 하나 이상의 접합 패드(126)와 하나 이상의 관통-유리 비아(124)를 통해 영구적인 전기 접촉을 이룬다. 전극(120)은 프레임(108)의 작동을 위해 사용된다(그에 의해서 전면 미러(104)의 이동을 유발한다). 캡은 프레임(108)과 전극(120) 사이에 "전면(front)"(또한, "정전기(electrostatic)"로 지칭됨) 갭(d)을 제공하는 제 1 오목부(공동)(119)를 포함한다. 제작된 대로의 구성(후면 미러에 장치를 접합하기 이전)인 도 2a에서, 갭(d)은 크기(d0)를 가진다. 접합 후인 도 2b에 도시된 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서, 갭(d)은 최대 크기(dMx)를 가진다. 임의의 작동 상태에서(도 2c에서와 같이), 갭(d)은 크기(d2)를 가진다. 장치(100)는 프레임(108)과 캡(118) 사이를 분리하는 전면 스토퍼(122)를 더 포함한다. 몇몇 예에서, 전면 스토퍼(122)는 캡 전극(120)으로부터 프레임(108)을 전기 절연시킨다(이들 사이의 전기 단락을 방지한다). 몇몇 예에서, 전면 스토퍼(122)는 전면 미러(104)와 후면 미러(102) 사이에 최대 갭을 한정한다.
일 예에서, 캡은 유리 재료로 만들어진다. 다른 예에서, 캡(118)은 광선이 통과하는 중앙 섹션("틈새(aperture)")이 광의 파장에 대해 투명하도록 "하이브리드(hybrid)" 판 또는 하이브리드 재료로 만들(예를 들어, 유리로 만들)어질 수 있는 반면에, 틈새를 둘러싸는 판 섹션은 상이한 재료, 예를 들어 실리콘으로 만들어진다. 하이브리드 특징은 캡의 강성과 강도를 증가시킬 수 있다.
특히 이미징 용례와 관련된 특정 예에서, 미러(102 및 104)의 길이(L) 및 폭(W)(도 1a)은 한편으로, 비교적으로 넓은 다중 픽셀 이미지 센서로 광을 통과시키는데 (예를 들어, 수백 마이크로미터(㎛) 내지 수 밀리미터(mm) 정도로)충분히 커야 한다. 다른 한편으로, 최소 갭(gMn)은 에탈론의 원하는 스펙트럼 투과율 특성을 허용하는데 충분히 작아야 한다(예를 들어, 수십 나노 미터(nm)). 이는 미러들 사이의(예를 들어, 측면 치수(W 및 L)와 최소 갭 거리(gMn) 사이의) 광학 공동의 큰 종횡비를 초래하며, 이는 차례로, 그의 폭/측면 공간 방향을 따라서 에탈론의 색 공간 투과 대역의 공간 왜곡을 감소시키거나 방지하기 위해 미러들 사이에 정확한 각도 정렬이 유지될 것을 요구한다. 몇몇 예에서, gMn은 20 나노미터(nm)에 이르는 값을 가질 수 있는 반면에, gMx는 최대 2 마이크로미터의 값을 가질 수 있다. 일 예에 따라서, gMx의 값은 300 내지 400 nm일 수 있다. 특정 값은 요구되는 광학 파장에 의존하고 특정 용례에 의해 좌우된다. 따라서, gMx는 gMn보다 1 내지 2 차수 크기만큼 더 클 수 있다. 특정 예에서, L 및 W는 각각 약 2 밀리미터(mm)일 수 있으며 스프링(114)은 각각 약 50 ㎛ 두께, 약 30 ㎛ 폭 및 약 1.4 mm 길이일 수 있다. 특정 예에서, 캡(118), 후면 미러(102) 및 전면 미러(104)의 유리 층의 두께는 약 200 ㎛일 수 있다. 몇몇 예에서, L = W이다.
모든 치수는 단지 예로서 주어진 것이며 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.
또한, 도 2a 내지 도 2c는 장치(100)의 구조뿐만 아니라 그의 요소의 몇몇에 대한 기능에 관한 부가 정보를 제공한다. 언급된 바와 같이, 도 2a는 초기의, 제작된 대로의 응력이 가해지지 않은 미-작동 상태의 장치(100)를 도시한다. 제작된 대로의 전면 미러(104)는 후면 스토퍼(106)와 접촉하지 않는다. 도 2b는 전면 미러(104)가 후면 스토퍼(106)와 물리적으로 접촉하는, 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서의 도 2a의 장치를 도시한다. 물리적 접촉은 스페이서 층(116)이 후면 미러(102)의 유리 판에 스페이서(116)의 공융 접합을 위해 (후면 미러(102)를 포함하는)유리 웨이퍼 기판과 접촉되게 압박될 때 스프링을 통해 프레임에 가해진 응력에 의해 유도된다(아래의 도 9에서의 (c) 단계 참조). 따라서, 도 2b(뿐만 아니라 도 5b)에 도시된 구성은 "예비-응력이 가해진(pre-stressed)"으로 불린다. 도 2c는 후면 미러(102)로부터 멀리 이동된 전면 미러(104)가 후면 스토퍼(106)와 전면 스토퍼(122) 사이의 중간 위치에 있는 작동 상태의 장치를 도시한다.
몇몇 예에서, 후면 미러(102)는 조립/접합 후에 스프링의 예비-응력을 제공하도록 설계된 깊이(t)를 갖는 제 2 오목부(128)를 포함한다. 몇몇 예에 따라서, 오목부 깊이(t)는 한편으로 스프링의 변형 및 후면 스토퍼(106)에 이동 가능한 전면 미러(104)의 부착으로 인해 발생하는 접촉력이 장치의 정상적인 취급 중의 충격 및 진동의 경우에 접촉을 유지하는데 충분히 높도록 선택된다. 다른 한편으로, 몇몇 예에서, 오목부 깊이(t)와 요구되는 최대 이동 거리(최대 후면 갭 크기)(gMx)를 더한 조합된 값은 전극(120)과 프레임(108) 사이의 갭에 대한 제작된 대로의("정전기(electrostatic)") 갭 크기(do)의 1/3보다 더 작아서(도 2a), 캡에 위치된 전극에 의해 프레임의 안정하고 제어 가능한 정전기 작동을 제공한다. 특정 예에서, 제작된 대로의 정전기 갭(do)은 약 3 내지 4 ㎛의 값을 가질 수 있으며 t는 약 0.5 내지 1 ㎛의 값을 가질 수 있다. 용량성 작동기의 안정한 이동 거리가 제작된 대로의 정전기 갭의 1/3, 즉 d0/3이기 때문에, 안정한 작동을 위한 요건은 t + gMx < do/3이다.
특정 예에서, 미-작동 상태는 이동 가동한 미러(104)가 현수되어 있고 후면 스토퍼(106) 또는 전면 스토퍼(122) 중 어느 하나와 접촉하지 않는 구성을 포함할 수 있음에 주목해야 한다.
도 2c에 도시된 작동 상태에서, 장착 링 및 전면 미러는 후면 미러로부터 멀리 변위된다. 이는 작동 전극으로서 역할을 하는 작동 기판의 하나 이상의 영역/전극(120)과 하나 이상의 영역 프레임(108) 사이에 전압(V)을 인가함으로써 달성된다.
몇몇 예에 따라서, 장치(100)는 완전 투명하다. 이는 투명한 후면 미러(102), 투명한 전면 미러(104) 및 투명한 캡(118) 뿐만 아니라 투명한 기능성 기계적 층(300)을 포함한다. 완전 투명성의 한 가지 장점은 장치가 두 측면에서 광학적으로 관찰될 수 있다는 점이다. 다른 장점은 이러한 구조가 미러, 회절 격자 또는 렌즈와 같은 이동 가능한 기계/광학 요소를 포함한 많은 다른 광학 장치에 유용할 수 있다는 점이다. 몇몇 예에서, 장치(100)는 완전한 유리 구조물로 구성되며, 여기서 기능성 기계적 층은 최상부 미러를 지지하는 현수 구조물을 수용/한정하도록 패턴화되는 유리 기판을 포함하며, 현수 구조물은 복수의 유리 스프링/굴곡부를 포함한다.
도 3는 기능성 기계적 층(300)의 평면도를 개략적으로 도시한다. 이 도면은 또한, 전면 미러(104)의 외부 윤곽(302), 틈새(110), 앵커 구조물(112), 스프링(114a 내지 114d), 및 아래의 도 4를 참조하여 더 상세히 추가로 설명되는 바와 같이 공융 접합 프레임(121)과 캡 스페이서(122)를 둘러싸는 윤곽(304)을 도시한다.
도 4는 여기서 도면 부호 120a, 120b, 120c 및 120d로 표시된 복수의 전극(120)을 갖는 캡(118)의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도시된 전극(120)의 수와 형상은 단지 예로서 도시된 것이며 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 몇몇 예에 따라서, 3개의 전극(120)은 Z 방향으로 프레임의 변위와 X 및 Y 축에 대한 프레임의 기울임 모두를 제어하는 것이 요구된다. 예를 들어. 도 4에 도시된 바와 같이, 다중 전극 영역은 전면 미러(104)가 Z 방향을 따라서 상하 자유도(DOF)로 작동될 수 있도록 캡(118)에 제작될 수 있고 또한, 추가의 각도(DOF(s))를 제공하기 위해서 (예를 들어, 두 개의 축(X 및 Y)에 대해서)기울어질 수 있다. 이는 전면 미러(104)와 후면 미러(102) 사이의 각도 정렬에 관한 조정을 허용한다. 몇몇 예에 따라서, 캡(118)은 증착된 공융 접합 재료(121)를 포함할 수 있다. 또한, 스페이서(122)는 캡 전극(120)과 제 2 전극으로서 역할을 하는 작동기 프레임(108) 사이의 정전기 갭을 정밀하게 제어하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 요지에 따라서, 공융 접착 재료(121)는 프레임의 형상을 취하도록 만들어질 수 있다. 그러한 경우에, 스페이서(122)는 프레임(내측 및 외측)의 양측에 배치될 수 있음으로써, 접합 공정 중에 공융 접합 수축의 결과로서 캡에 작용하는 굽힘 모멘트를 최소화한다.
다음은 장치(100)의 사용 방법에 관한 예이다. 장치(100)는 에탈론을 초기 예비-응력이 가해진 미-작동 상태(도 2b)로부터 (예를 들어, 도 2c에서와 같은)작동 상태로 유도하도록 작동된다. 그러한 작동은 프레임(108) 및 전면 미러(104)를 후면 미러(102)로부터 멀리 이동시켜 미러들 사이의 후면 갭을 증가시킨다. 후면 갭의 유리하게 안정한 제어는 제작된 대로의(그리고 응력이 가해지지 않은) 초기 최대 전면 갭 크기(do)(도 2a)가 조합된 오목부 깊이(t)와 요구된 최대 이동(후면 갭) 크기(gMx)보다 약 3 배 더 큰 혁신적인 설계에 의해 가능해진다. 이는 병렬 커패시터 정전기 작동기의 안정한 범위가 전극들 사이의 초기 거리의 1/3이기 때문이다.
일 예에 따라서, 장치(100)는 특정 용례를 위한 예비-구성된 필터로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 2개의 상이한 상태를 취하도록 예비-구성될 수 있으며, (스토퍼에 의해 설정된 바와 같이)2개의 상태 중 각각 하나의 상태에서 미러들 사이의 갭은 원하는 파장에 따른다. 예를 들어, 하나의 상태는 제 1 파장 범위가 에탈론을 통과하게 하는 필터를 제공하는 반면에, 다른 상태는 제 2 파장 범위가 에탈론을 통과하게 한다. 그러한 "2진 모드(binary mode)" 필터에 관한 설계는 두 상태들 사이에서 미러의 간단하고 정확한 변위와 관련이 있고, 간단한 제작을 허용한다.
일 예에 따라서, 하나의 상태는 제 1 파장 범위가 에탈론을 통과하게 하도록 선택된 초기 미-작동 에탈론 상태(g1)(여기서, 미러들 사이의 갭 크기는 스토퍼(106)에 의해 한정됨)이며, 다른 상태는 제 2 파장 범위가 에탈론을 통과하게 하도록 선택되는, 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 크고 전면 스토퍼(122)의 높이와 동일한 전기 갭(d2)을 초래하는 작동 갭 크기(g2)를 가지는 하나의 작동 상태이다. 제 2 상태에서, 프레임(108)은 전면 스토퍼(112)와 접촉한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 명세서에 개시된 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제 2 예를 횡단면도로 개략적으로 도시한다. 도 5a는 스페이서(116)를 후면 미러(102)에 접합하기 전인 제작된 대로의(응력이 가해지지 않은) 구성으로 장치(500)를 도시한다. 도 5b는 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 장치(500)를 도시하는 반면에, 도 5c는 작동 상태로 장치(500)를 도시한다. 장치(500)는 SOI 웨이퍼 및 SOI 제작 기술을 사용하고, 따라서 본 명세서에서 GSG 장치(100)와는 대조되게 "SOI 장치"로 지칭된다. 장치(500)는 장치(100)의 구조와 유사한 구조를 가지며, 많은 그의 요소(따라서, 동일한 도면 부호로 표시됨)를 포함한다. SOI 웨이퍼와 기술 모두가 공지되어 있기 때문에, 다음은 당업계에 공지된 SOI 용어를 사용한다.
도 5a에서, 전면 미러(104)는 후면 미러(102)의 후면 스토퍼(106)와 물리적으로 접촉하지 않지만, 도 5b에서 예비-응력은 전면 미러(104) 및 후면 스토퍼(106)의 물리적 접촉을 유도한다. 도 5c에서, 전면 미러(104)는 후면 미러(102)로부터 멀어지게 이동되고 SOI 장치에서 SOI 웨이퍼의 핸들 층(502)으로 만들어지는 후면 스토퍼(106)와 전극(520) 사이의 중간 위치에 있다. SOI 웨이퍼는 핸들 층이 기판으로서의 역할뿐만 아니라 전극(520)의 제작을 위해서 사용된다. 프레임(108)은 대향 전극으로서 역할을 하는 영역을 포함한다. SOI 웨이퍼의 장치 Si 층에 있는 앵커 구조물(층)(112)은 스프링(114a 내지 114d)을 통해 프레임(108)에 연결된다. 앵커(112)는 BOX 층(510)을 통해 핸들 층(502)에 부착된다. Si 장치와 핸들 층 사이의 갭은 도면 부호 530에 의해 표시된다. 갭(530)은 프레임 아래 및 스프링 아래의 BOX 층(510)을 에칭함으로써 생성된다. 개구(540)가 핸들 층(502)에 형성되어, 전면 미러(104) 및 후면 미러(102)을 -Z 방향으로 광선에 노출시킨다.
제작된 대로의 상태에서, 후면 미러(102)를 포함한 유리판에 스페이서(116)를 접합하기 전에, 프레임과 핸들 층 사이의 갭(530)은 크기(d0)를 가지며 BOX 층의 두께와 동일하다(도 5a). 접합 후에, 갭(530)은 BOX 층(510)의 두께에서 오목부(128)의 깊이(t)와 후면 스토퍼(106)의 높이를 뺀 크기와 동일한 크기(dMX)를 가진다. 따라서, 전면 미러(104)가 후면 스토퍼(106)와 접촉할 때 스프링이 변형되고 해제된 갭(530)의 크기가 감소하기 때문에, 예비-응력으로 인해 dMX는 d0보다 더 작다. 작동시, 도 5c에 도시된 바와 같이, 프레임(108)은 후면 미러(102)로부터 멀어지게 전면 미러(104)를 끌어당겨, 갭(530)의 크기를 d2로 추가로 감소시키고 후면 갭의 크기를 (최대로, 최대 크기(gMx)까지)증가시킨다.
도 6은 SOI 웨이퍼의 핸들 층의 저면도의 개략적인 예시를 도시한다. 도면은 전극(520)들 사이의 절연 트렌치(602)를 도시한다. 특정 예에서, 핸들 층(520)의 하나 이상의 영역/전극은 서로 실질적으로 전기 절연되는 2개 이상의 영역을 포함할 수 있다. 따라서, 핸들 층(520)과 프레임(108)의 이들 2개 이상의 영역들 사이에 상이한 전위의 인가는 전면 미러와 후면 미러 사이의 평행도를 조정하게 한다. 예를 들어, 핸들 층의 2개 이상의 영역은 전면 미러와 후면 미러 사이의 평행도가 두 개의 축에 대해서 2차원적으로 조정될 수 있도록 배열된 적어도 3개의 영역을 포함할 수 있다.
도 7은 캡 내에, 캡 상에 형성되거나 캡에 부착되는 렌즈(702), 및 후면 미러 내에, 후면 미러 상에 형성되거나 후면 미러에 부착되는 렌즈(704)를 갖는 장치(700)를 포함하는 조립체의 개략도를 도시한다. 이는 에탈론과 광학기기의 통합을 허용하여 "집적 광학기기(integrated optics)"인 조정 가능한 에탈론 장치를 제공한다. 또한, 두 유리 사이의 공동 내측에 부압(under-pressure)이 있는 경우에, 그러한 렌즈의 추가는 강성을 개선하고 후면 미러 및 캡의 변형을 감소시킨다. 다른 요소는 장치(100)에 표시된 바와 같다.
본 명세서에 개시된 장치(100 및 500)의 조정 가능한 에탈론은 이미징 용례에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치는 넓은 스펙트럼 대역(예를 들어, 스펙트럼의 장파장 측에 있는 적외선[IR] 또는 근적외선(NIR) 파장으로부터 스펙트럼의 단파장 측에 있는 자외선 및/또는 자외선(UV) 파장에 이르는 가시(VIS) 범위까지 연장하는 대역)에 걸쳐 조정 가능한 넓은 동적 필터로서 설계되고 사용될 수 있다. 부가적으로 및/또는 대안적으로, 그러한 장치는 넓은 스펙트럼 투과율 프로파일(예를 들어, 이미지 그래빙(image grabbing)/이미징 용례에 적합한 대략 60 내지 120 nm의 스펙트럼 투과율 프로파일의 반치전폭(FWHM))을 갖도록 그리고 30 nm 정도 또는 그 보다 큰 연속 피크들 사이에 비교적으로 큰 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 또한 가짐으로써 양호한 색상 분리를 제공하도록 설계될 수 있다.
본 명세서에 개시된 장치는 예를 들어, 정전기 작동을 사용하여 에탈론의 스펙트럼 투과율 및 다른 특성을 조정한다. 용어 "정전기(electrostatic)" 작동은 장치의 두 층의 각각에 있는 하나 이상의 전극들 사이에 평행 판 정전기력에 의해 제공된 근접 갭 작동을 지칭하는데 사용된다. 예를 들어, 장치(100)에서, 정전기 작동은 프레임(108)의 하나 이상의 영역과 캡(118)의 바닥 표면에 형성/증착된 하나 이상의 전극(120) 사이에 전압을 인가함으로써 수행된다. 장치(500)에서, 정전기 작동은 프레임(108)의 하나 이상의 영역과 핸들 층(502)의 하나 이상의 영역 사이에 전압을 인가함으로써 수행된다. 이는 미러들 사이의 변위 및 그에 따른 에탈론의 조정 가능성을 제공한다.
정전기 작동의 핵심 과제 중 하나는 정적 전극(예를 들어, 전극(120 또는 520))을 향한 접근 전극(예를 들어, 장치(100)와 장치(500) 모두의 장착 프레임(108))의 안정적 변위를 이들 사이의 초기 갭의 1/3까지 제한하는 소위, 풀-인(pull-in) 불안정성의 존재이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 정전기 작동 구성에서, 핸들 층과 장착 프레임 사이 또는 전극(120)과 장착 프레임 사이의 초기 갭은 요구되는 최대 광학 갭(gMx)보다 상당히 더 크다(적어도 4 내지 5 배). 그러므로, gMn 내지 gMx 범위에서 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭은 작동기의 안정한 범위에 있으며 풀-인 불안정성이 제거된다.
전술한 바와 같이, 정전기 작동은 본 명세서에 개시된 바와 같은 MEMS 에탈론 장치에 적용할 수 있는 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭을 조정하는데 사용되는 작동 기구의 일례일 뿐이며 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에 개시된 요지는 압전 작동 및 켈빈 힘 작동과 같은 다른 유형의 작동 기구를 추가로 고려한다.
구체적으로, 몇몇 예에서, 에탈론 시스템은 전압의 인가로 후면 미러로부터 멀어지는 프레임 구조물의 작동을 가능하게 하도록(그에 의해서 전면 미러의 이동을 유발하도록) 프레임 구조물에 부착되는 압전 작동 구조물을 포함한다. 몇몇 예에서, 작동시, 프레임(108)은 전면 미러(104)을 후면 미러(102)로부터 멀어지게 당김으로써, 이들 사이의 갭의 크기를 증가시키고 따라서 후면 갭의 크기를 증가시킨다. 프레임의 다른 부품/굴곡부/스프링에 여러 압전 작동 구조물을 배치함으로써, 틈새 미러와 에탈론의 후면 미러 사이의 평행도가 제어될 수 있다. 본 출원인에 의해 출원되고 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함되는 국제 특허 출원 WO 2017/009850호는 압전 및 켈빈(Kelvin) 힘 작동의 구현 예를 설명한다(예를 들어, 도 8a 내지 도 8c 그리고 도 9의 (a) 및 (b) 단계 참조).
본 명세서에 개시된 실시예에 따라서 구성된 순차 이미징 시스템(800)을 블록도로 개략적으로 예시하는 도 8을 이제 참조한다. 시스템(800)은 전술한 바와 같이 본 발명에 따라서 구성된 이미지 센서(802)(예를 들어, 다중-픽셀 센서) 및 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치(804)를 포함한다. 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치(804)는 조정 가능한 스펙트럼 필터로서 역할을 하고 센서(802)를 향하는(예를 들어, 도면에서 Z 축과 교차하는) 광 전파의 일반적인 광학 경로에 배치된다. 선택적으로, 광학기기(806)(예를 들어, 이미징 렌즈(들))가 또한 센서(802)의 광학 경로에 배열된다.
컬러 이미지 획득은 본 출원의 양수인에게 양도되고 원용에 의해 본 명세서에 포함되는 예를 들어, 특허 출원 공보 WO 2014/207742호에 설명되는 것과 유사한 방식으로 장치(800)에 의해 수행될 수 있다. 이미징 시스템(800)에서 사용될 때 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치(804)는 높은 컬러 충실도를 갖는 순차 컬러 이미징에 적합한 스펙트럼 필터링 프로파일을 제공하도록 구성된다.
더 구체적으로, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에 따라서, 에탈론의 후면 미러(102) 및 전면 미러(108)의 재료 및 조정 가능한 후면 갭 크기는 에탈론의 스펙트럼 필터링 프로파일이 (예를 들어, RGB 공간 또는 하이퍼스펙트럴 컬러 공간에 대응하는 컬러를 갖는)컬러 이미지의 이미징에 적합한 가시 스펙트럼 범위 및 잠재적으로 또한 IR/근적외선 범위에서 조정 가능하도록 구성된다. 또한, 전면 및 후면 미러 그리고 조정 가능한 후면 갭 크기는 에탈론의 투과율 프로파일 특성(예를 들어, FWHM 및 FSM을 포함함)이 순차 컬러 이미징에 또한 적합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전면 및 후면 미러의 재료 그리고 조정 가능한 후면 갭 크기는 에탈론의 스펙트럼 투과율 프로필의 FWHM이 종래의 RGB 공간에서의 컬러의 FWHM과 일치하게 충분히 넓도록 선택될 수 있으며, 또한 스펙트럼 투과율 프로파일 내의 연속적인 투과 피크들 사이의 FSR이 컬러 혼합을 피하는데(센서가 민감하게 반응하는 상이한 컬러/스펙트럼 영역의 센서로의 동시 투과를 피하는데) 충분히 클 수 있도록 선택될 수 있다. 또한, 에탈론은 광학 갭(806)과 센서(802)의 모든 픽셀 사이의 광학 경로에 개재하는데 충분히 넓도록, 그리고 다른 한편으로 그의 미러들 사이의 갭이 원하는 스펙트럼 투과율 특성 및 에탈론의 조정 가능성을 제공하는데 충분히 작도록 측면 방향으로 (후면 갭 크기에 비해)비교적 넓을 수 있다.
시스템(800)은 또한, 이미지 센서(802) 및 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치(804)에 작동 가능하게 연결되고 필터를 조정하고 이미지 데이터를 캡처하도록 구성되고 작동 가능한 제어 회로(제어기)(808)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 이미지 데이터의 캡처는 센서로부터의 상이한 컬러(상이한 스펙트럼 프로파일)에 대응하는 단색 프레임의 순차적인 획득을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(808)는 3개 이상의 상이한 스펙트럼 필터링 곡선/프로파일로 그 위에 입사되는 광을 순차적으로 필터링하기 위한 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치(804), 및 각각 3개 이상의 스펙트럼 곡선에 의해 필터링된 광에 대한 3개 이상의 이미지(단색 이미지/프레임)를 획득하기 위한 작동 센서(802)를 순차적으로 작동시킴으로써 컬러 이미지 데이터를 생성/캡처하도록 적응될 수 있다. 조정 가능한 스펙트럼 필터(에탈론 장치)(804)는 대응하는 시간 슬롯 지속기간 동안 각각의 스펙트럼 필터링 곡선을 유지하도록 작동되며, 그 동안에 센서(802)는 이들 시간 슬롯에 적합한 각각의 적분 시간으로 각각의 단색 이미지를 캡처하도록 작동된다. 따라서, 각각의 캡처된 단색 이미지는 상이한 각각의 스펙트럼 필터링 곡선 의해 필터링되고 미리 결정된 적분 시간 동안 센서(802)에 의해 캡처되는 광에 대응한다. 제어 회로(예를 들어, 제어기)는 센서로부터의 3개 이상의 단색 이미지를 나타내는 판독 데이터를 수신 및 처리하고 컬러 이미지(즉, 이미지의 각각의 픽셀에 있는 적어도 3색의 세기에 관한 정보를 포함하는 이미지)를 나타내는 데이터를 발생하도록 추가로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 "제어기(controller)"는 아래의 본 명세서에 개시되는 바와 같이, 예를 들어 제어기에 작동 가능하게 연결된 컴퓨터 메모리에 저장된 명령어를 실행하도록 적응된 컴퓨터 프로세서(예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로프로세서, 전자 회로, 집적 회로(IC), 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 특정 프로세서용으로 작성되거나 포트된 펌웨어, 마이크로컨트롤러, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC) 등 중에서 하나 이상을 포함함)를 포함하는 데이터 처리 회로를 갖는 임의의 종류의 전자 장치를 포함하는 것으로 광범위하게 해석될 수 있다.
도 9 내지 도 9e는 본 명세서에 개시된 요지의 일 예에 따른, 장치(100)와 같은 GSG 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제작 공정에서의 단계((a) 단계 내지 (s) 단계)를 개략적으로 도시한다. 상기 공정은 유리판(또한, "유리 웨이퍼(glass wafer)" 또는 "유리 층(glass layer)"으로 지칭됨)(902) 및 실리콘 장치 층(904)을 포함하는 실리콘-온-유리(SOG) 웨이퍼로 시작한다((a) 단계). 이동 가능한 최상부 미러(104) 및 스페이서(116)를 형성하는데 사용될 유리판이 광학 코팅(906)(예를 들어, 티타늄 산화물)에 의해 먼저 코팅된다((b) 단계). 이어서, 금속 층이 증착되고 리소그래피 방식으로 패턴화되어 바닥 미러(102)에 스페이서(116)의 공융 접합을 위한 납땜 재료로서 역할을 한다((c) 단계). 이어서, SOG 웨이퍼가 뒤집어 지고 Si 장치 층(904)이 에칭 스톱으로 사용되는 유리 웨이퍼에 대해 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE)을 사용하여 에칭된다. 개구(110), 앵커 구조물(112) 및 스프링(114)을 갖는 프레임 구조물(108)이 Si 장치 층(904)에 형성된다((d) 단계). 반사 방지 코팅(AR)(908)이 틈새 영역(110) 내의 전면 (이동 가능한)미러에 증착된다((e) 단계). 후면 스토퍼(116) 영역의 외측에 있는 금속 층의 제거 및 유리의 에칭이 이어져서, 이동 가능한 전면 미러(104) 및 스토퍼(116)를 형성한다((f) 단계).
캡 웨이퍼의 처리는 프레임(108)을 향하는 캡 유리 웨이퍼(118)의 표면에 AR 코팅의 증착으로 시작한다((g) 단계). 이러한 단계 다음에는 캡 웨이퍼의 동일한 표면에 전면 스토퍼(126)의 패턴화가 이어진다((h) 단계). 캡 웨이퍼의 AR 코팅 및 유리는 관통 유리 비아(124) 형성의 일부로서 부분적으로 에칭된다((i) 단계). 다음에, 금속(예를 들어, Cr-Au 또는 Cu)이 비아(124)의 금속화를 제공하고 Si 앵커(112)에 캡 웨이퍼의 공융 접합을 위한 땜납 구조물을 형성하기 위해서 2단계로 증착된다((j) 단계).
바닥 미러로서 역할을 하는 바닥 유리 웨이퍼는 광학 코팅에 의해 먼저 덮여지고 바닥 스토퍼(106)는 코팅(916)의 표면에 리소그래피 방식으로 형성된다((k) 단계). 전술한 바와 같이 그리고 대안적으로(도시되지 않음), 다른 공정의 실시예에서 바닥 스토퍼(106)는 미러(104)의 표면에 리소그래피 방식으로 형성될 수 있다. 이어서, 유리 웨이퍼의 오목부(128)가 두 단계(얕은 에칭((l) 단계)에 이은 깊은 에칭((m) 단계)로 형성된다. 얕은 에칭은 스프링의 예비-응력을 정의하는 정밀한 오목부의 형성을 목표로 하는 반면에, 깊은 에칭은 공융 접합을 위한 납땜 금속용 공간을 제공하는데 필요하다. 공융 접합을 위한 금속은 깊은 에칭된 유리 영역 내에 증착되고 패턴화된다((n) 단계).
2개의 공융 접합 공정을 사용하여, SOG 웨이퍼의 유리 층에 형성된 스페이서(116)는 바닥 유리 웨이퍼에 접합되고 이어서, 캡 웨이퍼가 SOG 웨이퍼의 Si 층에 접합된다((o) 단계). 캡 웨이퍼는 이어서, 화학-기계적으로 얇게 만들어 부분 에칭된 비아(124)를 노출시킨다((p) 단계). 금속 접합 패드(126)는 캡 웨이퍼의 최상부 표면에 리소그래피 방식로 형성된다((r) 단계). 마지막으로, 추가 AR 코팅이 캡 웨이퍼의 최상부에 있는 틈새 영역 내에 증착되고 패턴화된다. 마무리된, 예비-응력이 가해진 미-작동 장치의 횡단면이 (s) 단계에 개략적으로 도시된다.
도 10a 내지 도 10c는 본 명세서에 개시되고 200으로 번호가 병기된 조정 가능한 MEMS 에탈론 장치의 제 3 예를 횡단면도로 개략적으로 도시한다.
도 10a는 앵커 구조물(112)을 후면 미러(102)에 접합하기 이전의 제작된 대로의(응력이 가해지지 않은) 구성으로 장치(200)를 도시한다. 도 10b는 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 장치(200)를 도시하는 반면에, 도 1Oc는 작동 상태로 장치(200)를 도시한다. 장치(200)는 장치(100)의 구조와 유사한 구조를 가지며 많은 그의 요소를 포함한다(따라서, 동일 도면 부호가 병기됨).
몇몇 예에서, 전면 미러(104)는 전면 미러가 (조정 가능한 에탈론 필터에 의해 투과된 원하는 범위의 광 파장에 대해)투명한 또는 반투명 재료로 만들어지며, 앵커(112), 굴곡부(114) 및 프레임(108) 구조물이 비교적 강성인 재료로 만들어지는 하이브리드 층에 형성된다. 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 전면 미러는 일 측으로부터 프레임에 부착되기보다는 프레임(108)과 (예를 들어, 단일 웨이퍼로부터)정렬되게 제작된다. 몇몇 예에서, 전면 미러는 다음 재료: 즉, 유리, 플라스틱, 또는 게르마늄 중 어느 하나로 만들어지는 반면에, 앵커(112), 굴곡부(114) 및 프레임(108) 구조물은 실리콘으로 만들어진다. 이러한 재료의 목록은 포괄적인 것이 아니며 제한적인 것으로 해석되어서는 안 됨에 주목해야 한다.
도 10a에서, 전면 미러(104)는 후면 미러(102)의 후면 스토퍼(106)와 물리적으로 접촉하지 않는 반면에, 도 10b에서 예비-응력은 전면 미러(104) 및 배면 스토퍼(106)의 물리적 접촉을 유발한다. 도 1Oc에서, 전면 미러(104)는 작동으로 인해 후면 미러(102)로부터 멀어지게 이동되고 후면 스토퍼(106)와 전극(120) 사이의 중간 위치에 있다.
제작된 대로의 상태에서, 전면 미러(104)는 후면 스토퍼(106)와 접촉하지 않는다. 도 10b는 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태로 도 10a의 장치를 도시하며, 여기서 전면 미러(104)는 후면 스토퍼(106)와 물리적으로 접촉한다. 물리적 접촉은 앵커 구조물(112)이 후면 미러(102)의 유리 판에 공융 접합하기 위해서 유리 웨이퍼 기판(후면 미러(102)를 포함함)과 접촉하게 압박될 때 스프링을 통해 프레임에 가해진 응력에 의해 유도된다(위의 (c) 단계 참조). 특히, 후면 스토퍼(106)와 앵커 사이의 높이 차이는 요구된 응력 달성을 보조한다. 따라서, 도 10b에 도시된 구성은 "예비-응력이 가해진(pre-stressed)"으로 불린다.
도 1Oc는 작동 상태로 장치를 도시하며, 여기서 전면 미러(104)는 후면 미러(102)로부터 멀리 이동된, 후면 스토어(106)와 전면 스토퍼(122) 사이의 중간 위치에 있다. 몇몇 예에서, 작동은 작동 전극으로서 역할을 하는 작동 기판의 하나 이상의 영역/전극(120)과 하나 이상의 영역 프레임(108) 사이에 전압(V)를 인가함으로써 달성된다.
전술한 바와 같이, 몇몇 예에서, 요구된 최대 이동 거리(최대 후면 갭 크기)(gMX)의 조합된 값은 캡에 위치된 전극에 의해 프레임의 안정하고 제어 가능한 정전기 작동을 제공하기 위해서 전극(120)과 프레임 사이의 갭의 제작된 대로의("정전기(electrostatic)") 갭 크기(d0)의 1/3보다 작다(도 10a). 특정 예에서, 제작된 대로의 정전기 갭(d0)은 2 내지 4 ㎛의 값을 가질 수 있다. 용량성 작동기의 안정한 이동 거리가 제작된 대로의 정전기 갭의 1/3, 즉 d0/3이기 때문에, 안정한 작동을 위한 요건은 gMx < do/3이다.
특정 예에서, 미-작동 상태는 이동 가동한 미러(204)가 현수되어 있고 후면 스토퍼(206) 또는 전면 스토퍼(222) 중 어느 하나와 접촉하지 않는 구성을 포함할 수 있음에 주목해야 한다.
몇몇 예에 따라서, 장치(200)는 완전 투명하다. 상기 장치는 투명한 후면 미러(102), 투명한 전면 미러(104) 및 투명한 캡(218)뿐만 아니라, 투명한 앵커(112), 굴곡부(114), 및 프레임 구조물(108)을 포함한다. 완전 투명성의 한 가지 장점은 장치가 두 측면으로부터 광학적으로 관찰될 수 있다는 점이다. 다른 장점은 이러한 구조가 미러, 회절격자 또는 렌즈와 같은 이동 가능한 기계/광학 요소를 포함한 많은 다른 광학 장치에 유용할 수 있다는 점이다.
본 출원에 언급된 모든 특허 및 특허 출원은 본 명세서에 기재된 모든 목적을 위해 그 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함된다. 본 출원에서 임의의 참조문헌의 인용 또는 확인은 그러한 참조 문헌이 선행 기술로 이용 가능하거나 인정된다는 것을 시인하는 것으로 해석되지 않아야 함을 강조한다.
본 개시가 특정 실시예 및 일반적으로 관련된 방법의 관점에서 설명되었지만, 실시예 및 방법에 대한 변경 및 치환이 당업자에게 자명할 것이다. 본 개시는 본 명세서에서 설명된 특정 실시예에 의해 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 이해해야 한다.
Claims (37)
- 조정 가능한 에탈론 장치로서,
전면 미러와 후면 미러;
앵커 구조물, 상기 전면 미러에 고정되게 결합되는 프레임 구조물, 및 상기 전면 미러에 부착되지 않으나 상기 앵커 구조물 및 프레임 구조물에 부착되는 굴곡부 구조물; 및
후면 스토퍼 구조물을 포함하고,
상기 전면 미러는 상기 후면 미러에 대하여 높이 방향(Z)을 따라 이동 가능하고,
상기 조정 가능한 에탈론 장치의 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서:
상기 전면 미러는 상기 후면 스토퍼 구조물과 물리적 접촉하고, 상기 물리적 접촉은 상기 굴곡부 구조물을 통해 상기 프레임 구조물 상에 가해진 응력에 의해 유발되고,
상기 앵커 구조물의 상기 높이 방향(Z)을 따른 위치와 상기 전면 미러와 접촉한 상기 후면 스토퍼 구조물의 상기 높이 방향(Z)을 따른 위치 사이의 높이 차이로 인하여, 상기 조정 가능한 에탈론 장치의 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서의 상기 굴곡부 구조물의 상기 응력이 유발되고,
상기 전면 미러와 후면 미러는 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기를 갖는 갭만큼 분리되며,
상기 에탈론은 상기 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 적어도 하나의 작동 상태를 취하도록 구성되는,
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 후면 미러로부터 상기 앵커 구조물을 분리하는 스페이서 구조물을 더 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 전면 미러 및 스페이서 구조물은 동일한 단일 층에 형성되는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 앵커 구조물, 프레임 구조물 및 굴곡부 구조물은 동일한 단일 층에 형성되는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 후면 미러는 투명한 또는 반투명한 재료로 만들어진 층에 통합되는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 투명한 또는 반투명한 층은 예비-응력이 가해진 미-작동 상태를 향상시키도록 굴곡부 구조물에 예비-응력을 가하는 것을 보조하기 위한 오목부를 더 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 후면 미러는 적어도 두 개의 재료의 조합을 포함하는 하이브리드 구조물에 포함되며, 상기 적어도 두 개의 재료의 제 1 재료는 투명한 또는 반투명한 재료이며, 상기 적어도 두 개의 재료의 제 2 재료는 제 1 재료보다 더 강성인
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 적어도 두 개의 재료는 유리와 실리콘을 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전면 미러에 대해 물체 측에 위치되는 캡 판 및 상기 전면 미러와 캡 판 사이의 최소 갭을 결정하는 전면 스토퍼 구조물을 더 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 캡 판은 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭 크기를 제어하도록 구성된 작동 기구의 적어도 일부를 수용하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 캡 판은 프레임 구조물을 향하는 캡 표면에 형성된 적어도 하나의 제 1 전극을 포함하고, 상기 프레임 구조물은 제 2 전극으로서 역할을 하도록 구성되며, 상기 프레임 구조물은 제 1 및 제 2 전극을 사용한 정전기 작동에 의해 이동 가능한
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 조정 가능한 에탈론 장치는,
상기 프레임 구조물과 적어도 하나의 제 1 전극 사이의 최소 정전기 갭을 결정하는 전면 스토퍼 구조물을 더 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 캡 판은 투명한 또는 반투명한 재료를 포함함으로써, 두 개의 투명한 또는 반투명한 판들 사이에 둘러싸인 조정 가능한 에탈론을 제공하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 조정 가능한 에탈론 장치는,
상기 적어도 하나의 제 1 전극으로서 역할을 하는 Si 층을 더 포함하며, 프레임 구조물은 제 2 전극으로서 작용을 하도록 구성되며, 상기 프레임 구조물은 제 1 및 제 2 전극을 사용한 정전기 작동에 의해 이동 가능한
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 14에 있어서,
상기 Si 층은 실리콘-온(on)-절연체(SOI) 웨이퍼의 핸들 층이고,
선택적으로, 상기 적어도 하나의 제 1 전극은 SOI 웨이퍼의 핸들 층에 형성된 복수의 제 1 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극은 서로 기계적으로 연결되고 전기 절연되며,
상기 조정 가능한 에탈론 장치는 상기 전면 미러 및 후면 미러로의 광 통과를 허용하도록, 상기 SOI 웨이퍼의 핸들 층에 개구를 더 포함하는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 조정 가능한 에탈론 장치는,
상기 프레임 구조물로부터 Si 층을 분리하는 매립 산화물(BOX) 층을 더 포함하며, 상기 BOX 층은 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서 전면 미러와 제 1 전극 사이의 정전기 갭을 결정하는 두께를 가지는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 전면 미러와 후면 미러 사이의 작동 갭 크기는 프레임 구조물과 캡 사이를 분리하는 전면 스토퍼에 의해 한정되는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 작동 기구는, 압전 작동기, 켈빈 힘 작동 전극(Kelvin force actuation electrode) 중 하나로부터 선택되는
조정 가능한 에탈론 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 조정 가능한 에탈론 장치는 제 1 상태와 제 2 상태 중 하나를 취하도록 설계되고,
상기 제 1 및 제 2 상태 각각에서의 갭은 특정 파장 범위에 있는 광이 에탈론을 통과하게 하며,
제 1 상태는 후면 스토퍼 구조물에 의해 한정되는, 전면 미러와 후면 미러 사이의 미-작동 갭 크기를 갖는 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태이며, 상기 제 2 상태는 전면 미러와 후면 미러 사이의 갭 크기가 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 작동 상태인
조정 가능한 에탈론 장치. - 이미징 장치에 있어서,
a) 조정 가능한 에탈론 장치;
b) 이미지 센서; 및
c) 상기 조정 가능한 에탈론 장치를 조정하고 이미지 센서를 통해 이미지 데이터를 캡처하도록 구성되고 작동 가능한 제어기를 포함하고,
상기 조정 가능한 에탈론 장치는:
전면 미러와 후면 미러;
앵커 구조물, 상기 전면 미러에 고정되게 결합되는 프레임 구조물, 및 상기 전면 미러에 부착되지 않으나 상기 앵커 구조물 및 프레임 구조물에 부착되는 굴곡부 구조물; 및
후면 스토퍼 구조물을 포함하고,
상기 전면 미러는 상기 후면 미러에 대하여 높이 방향(Z)을 따라 이동 가능하고,
상기 조정 가능한 에탈론 장치의 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서:
상기 전면 미러는 상기 후면 스토퍼 구조물과 물리적 접촉하고, 상기 물리적 접촉은 상기 굴곡부 구조물을 통해 상기 프레임 구조물 상에 가해진 응력에 의해 유발되고,
상기 앵커 구조물의 상기 높이 방향(Z)을 따른 위치와 상기 전면 미러와 접촉한 상기 후면 스토퍼 구조물의 상기 높이 방향(Z)을 따른 위치 사이의 높이 차이로 인하여, 상기 조정 가능한 에탈론 장치의 초기의 예비-응력이 가해진 미-작동 상태에서의 상기 굴곡부 구조물의 상기 응력이 유발되고,
상기 전면 미러와 후면 미러는 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기를 갖는 갭만큼 분리되며, 상기 에탈론은 상기 갭이 예비-응력이 가해진 미-작동 갭 크기보다 더 큰 작동 갭 크기를 가지는 적어도 하나의 작동 상태를 취하도록 구성되는, 이미징 장치. - 삭제
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