KR102609345B1

KR102609345B1 - 내충격성 mems 액튜에이터 구조

Info

Publication number: KR102609345B1
Application number: KR1020187021954A
Authority: KR
Inventors: 제라르도 모라비토; 샤오레이 리우; 구이친 왕; 로만 구티에레스; 매튜 엔지
Original assignee: 멤스 드라이브, 인크.
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2023-12-01
Also published as: US10196259B2; US11124411B2; EP3397584A1; JP6924760B2; CN116161610A; SG10202111680TA; JP2019502567A; WO2017116562A1; EP3397584B1; EP3397584A4; CN108473300B; KR20180099830A; CN116022722A; SG11201804722QA; US20190152764A1; US10815119B2; US20170190568A1; US20190152765A1; CN108473300A

Abstract

내충격성(shock-resistant) MEMS 구조들이 개시된다. 한 구현예에서, MEMS 장치의 동작 제어 플렉서는: 제1 및 제2 단부를 가지며, 그 중앙에서 가장 넓고 단부들에서 가장 좁도록 그 길이를 따라 테이퍼 진 로드와; 로드의 제1 단부에 직접 결합되는 제1 힌지와; 그리고 로드의 제2 단부에 결합되는 제2 힌지를 구비한다. 다른 구현예에서, MEMS 장치의 도전 캔틸레버는 제1 및 제2 단부를 포함하며 변곡점을 가지는 굴곡된 중앙 부분과; 중앙 부분의 제1 단부에 결합되는 제1 근부와; 그리고 중앙 부분의 제2 단부에 결합되는 제2 근부를 포함한다. 또 다른 구현예에는 MEMS 장치의 충격 스톱이 기재되어 있다.

Description

내충격성 MEMS 액튜에이터 구조

관련출원

본원은 “내충격성 MEMS 액튜에이터 구조(MEMS Actuator Structures Resistant to Shock)라는 명칭으로 2015년 12월 30일 출원된 미국 실용신안등록출원 제14/985,175호에 대한 우선권을 주장한다. 그 내용은 그 전체로서 개시된 것처럼 본원에 참고로 포함되어 있다.

기술분야

본원은 일반적으로 미소전자기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 MEMS 액튜에이터의 내충격 구조(shock resistant structure)에 관한 것이다.
발명의 배경이 되는 기술
선행기술문헌
미합중국 공개특허공보 2015-0321900 A1(2015.11.12)

본 발명의 여러 실시예들에 따른 MEMS 장치 구조가 개시된다. (본 발명의) 한 실시예에서, MEMS 장치의 동작 제어 플렉서(motion control flexure)는: 제1 및 제2 단부를 포함하며, 중앙에서 가장 넓고 단부들에서 가장 좁아지도록 그 길이에 따라 테이퍼 지는(tapered) 로드(rod)와; 로드의 제1 단부에 직접 결합된 제1 힌지(hinge)와; 그리고 로드의 제2 단부에 직접 결합된 제2 힌지를 구비한다. 이 실시예의 여러 구현예들에서 로드는 1 내지 4 mm 길이에 10 내지 70 μm 폭이고, 제1 및 제2 힌지들의 각각은 0.05 내지 0.3 mm 길이에 1 내지 10 μm 폭이 될 수 있다. 특정한 구현예들에서, 로드는 중앙에서 약 50 μm 폭이고 제1 및 제2 단부들에서 약 35 μm 폭이다.

(본 발명의) 다른 실시예에서, MEMS 장치의 도전 캔틸레버(conductive cantilever)는 제1 및 제2 단부를 포함하고, 변곡점(point of inflection)을 포함하는 굴곡된(curved) 중앙 부분(center portion)과; 중앙 부분의 제1 단부에 결합된 제1 근부(root)와; 그리고 중앙 부분의 제2 단부에 결합된 제2 근부를 구비한다. 이 실시예의 여러 구현예들에서, 도전 캔틸레버의 전체 길이는 4.5 내지 7 밀리미터가 되고, 중앙 부분은 0.012 내지 0.030 밀리미터가 될 수 있다. 도전 캔틸레버의 한 특정한 구현예에서, 제1 및 제2 근부들의 각각은 각 분지 접합부(forked junction)에 의해 캔틸레버의 길이에 직교하는 방향으로 중앙 부분에 결합된다. 이 구현예에서, 분지 접합부는 복수의 평행 빔(parallel beam)들을 구비한다. 한 실시예에서, 분지 접합부는 캔틸레버의 길이에 직교하는 방향으로 제2 테이퍼 단(tapered end)에 결합되는 제1 테이퍼 단을 포함한다.

또 다른 실시예에서, MEMS 액튜에이터의 충격 스톱(shock stop)은 0.250 내지 1.000 밀리미터 폭에 0.0250 내지 1,200 밀리미터 길이이고, 10 내지 20 마이크로미터 직경의 복수의 원형 구멍(circular aperture)들을 구비한다. 이 실시예의 한 구현예는 MEMS 액튜에이터 내에 사용될 수 있다. 이 실시예에서, MEMS 액튜에이터는: 충격 스톱을 포함하는 내부 프레임(inner frame)과; 그리고 복수의 플렉서들에 의해 내부 프레임에 결합되는 외부 프레임(outer frame)을 구비하고, 외부 프레임은 충격의 경우 충격 스톱에 접촉하는 대응 충격 스톱을 포함한다.

이 명세서에 사용된 바와 같이, 양적인 용어 "약(about)"은 플러스 또는 마이너스 10%를 지칭한다. 예를 들어 "약 10"은 9-11을 포괄할 것이다. 또한 "약"이 이 명세서에 양적인 용어와 관련하여 사용되면 그 값 플러스 또는 마이너스 10%에 추가하여, 그 양적 용어의 정확한 값 역시 고려되어 기술된 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 "약 10"은 정확히 10을 명시적으로 고려하고 기술하며 포함한다.

본 발명의 다른 특징(features)들과 국면(aspects)들은 (본 발명의) 여러 실시예들에 따른 특징들을 예시적으로 도시한 도면들을 참조하여 이뤄진 이하의 상세한 설명으로 명확해질 것이다. 이상의 요지는 본 발명의 범위를 한정하고자 의도한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 정의된다.

하나 또는 여러 개의 실시예들에 따라 본 발명이 다음 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 도면들은 설명의 목적으로만 제공된 것으로 단지 개시 기술의 전형적 또는 예시적 실시예들만을 묘사한다. 이 도면들은 본 발명에 대한 독자의 이해를 돕기 위해 제시된 것으로, 본 발명의 폭, 범위 또는 적용 가능성을 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 명료성과 도시의 편의상 이들 도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 빗 구동부의 평면도.
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 내충격성 동작 제어 플렉서를 사용할 수 있는, 여섯 개의 도 1a의 빗 구동부들을 포함하는 양방향 빗 구동 액튜에이터의 평면도.
도 1c는 본 발명의 실시예들에 따라 제2 빗 구동부에 결합된 제1 빗 구동부의 확대도.
도 1d는 충격 사건 동안 관성 부하를 흡수하는 실시예들에 사용될 수 있는 액튜에이터의 테이퍼 진 동작 제어 플렉서를 보이는 도면.
도 2a는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 MEMS 액튜에이터의 평면도.
도 2b는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 도 2a의 액튜에이터의 캔틸레버의 단면도;
도 2c는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 분지 접합부 설계를 가지는 캔틸레버를 보이는 도면.
도 2d는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 S-형 설계를 가지는 캔틸레버를 보이는 도면.
도 2e는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 S-형 설계와 분지 접합부를 가지는 캔틸레버를 보이는 도면.
도 2f는 도 2e의 캔틸레버에 사용될 수 있는 분지 접합부의 대체적인 실시예를 보이는 도면.
도 3a는 본 발명에 따라 외부 프레임과, 내부 프레임과, 그리고 충격 스톱을 포함하는 예시적 MEMS를 보이는 도면.
도 3b는 도 3a의 MEMS 액튜에이터의 잠금 기구와 충격 스톱의 확대도.
도 3c는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 한 쌍의 충격 스톱들을 보이는 도면.
도 3d는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 한 충격 스톱을 보이는 도면.
도 4는 본 발명의 여러 실시예들에 따라 활용되는 예시적 화상 센서 패키지의 분해 사시도.
도면은 완전(exhaustive)하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하고자 의도한 것이 아니다. 본 발명(invention)은 변형 및 변경되어 구현될 수 있으며, 본 발명(disclosed technology)은 청구항들과 그 등가물에 의해서만 한정되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명의 여러 실시예들에 따른 내충격성(shock-resistant) MEMS 장치 구조들이 개시된다. 더 구체적으로, 도 1-4는 이 명세서에 개시된 본 발명의 특정한 실시예들에 따른 광전자(optoelectronic) 장치를 이동시키는 MEMS 액튜에이터(actuator)들을 도시하고 있다. 구현예들에서, 이 명세서에 기재된 내충격 구조들은 MEMS 액튜에이터에 대한 부하(load)를 경감시키고, MEMS 액튜에이터에 충격을 야기할 수 있는 (예를 들어 MEMS 액튜에이터를 떨어뜨리는 등의) 사건(event) 동안의 변형(deformation)에 저항할 수 있다. 내충격성 MEMS 액튜에이터 구조가 주로 도 1-4의 예시적 MEMS 액튜에이터를 참조하여 설명될 것이지만, 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 이 내충격 구조가 충격 사건(shock event)에 노출될 수 있는 이동 부품들을 포함하는 다른 MEMS 장치에도 구현될 수 있다고 이해할 것임에 유의해야 할 것이다.

도 1a-1b는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 빗 구동부(comb drive; 10)와 6개의 빗 구동부(10a-f)를 포함하는 양방향(bilateral) 빗 구동 액튜에이터(comb drive actuator; 20)의 평면도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 각 빗 구동부(10)는 빗살 어레이(comb finger array; 15, 16)들을 구비한다. 각 빗살 어레이(15, 16)는 각각의 빗등(spine; 14, 12)과 복수의 빗살(13, 11)들을 포함한다.

양방향 빗살 구동 액튜에이터(20)는 제1 및 제2 프레임 편(frame piece)(22a-22b)들과, 그리고 제1 및 제2 동작 제어 플렉서(motion control flexure)(24a-24b)들을 포함한다. 도 1b에 상세히 도시되지는 않았지만, 각 빗 구동부(10a-f)에서 도 1a에 도시된 바와 같이 빗살(11, 13)들이 빗살 어레이(15a-f, 16a-f) 내에서 대략 좌우에 우로 연장되고 반대도 마찬가지로 이해되어야 할 것이다. 또한 빗등(12, 14)들은 제1 프레임 편(22a)으로부터 제2 프레임 편(22b)을 향해 거의 수직으로, 즉 동작 제어 플렉서(24a-24b)들과 거의 평행으로 연장되는 것으로 이해되어야 할 것이다. 이는 제2 빗 구동부(10c)에 결합된 제1 빗 구동부(10a)를 보이는 도 1c에 도시되어 있다.

이 실시예에 도시된 바와 같이, 빗등 12는 제2 프레임 편(22b)에 부착되는 반면, 빗등 12는 제1 프레임 편(22a)에 부착된다. 작동 중에, 각 빗 구동부(10a-10f)의 빗살 어레이(15, 16)들은 정전력(electrostatic force)에 의해 서로 끌리거나 밀어, 제2 프레임이 고정되었을 때 제1 프레임 편(22a)이 이에 따라 (예를 들어 도 1b의 양의 x 방향으로) 이동하도록 하는 운동이 발생된다. 본 발명을 이해하면 당업계에 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 요지(spirit)를 벗어나지 않고도 전압을 인가하는 이외의 방법으로 각 쌍의 빗살 어레이(15, 16) 사이에 정전력 및 다른 기동력(motive force)들이 전개될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 빗살 어레이(15, 16)들에 전하(charge)가 인가될 수 있다.

여러 실시예들에서, 빗등(12, 14)과 제1 및 제2 프레임 편(22a, 22b)들은 견고하여 정전력 또는 다른 기동력의 인가 범위 하에서 거의 휘지(flex) 않을 만큼 충분한 폭과 두께(deep)의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어 특정한 실시예에서 빗등(12, 14)은 약 20 내지 100 마이크로미터 폭에 약 50 내지 250 마이크로미터 두께이고, 제1 및 제2 프레임 편(22a, 22b)들은 약 50 마이크로미터 폭과 약 50 내지 250 마이크로미터 두께보다 더 크다.

한 실시예에서, 빗 구동 액튜에이터(20)의 작동 중에 빗살 어레이(15a, 16a)들이 (예를 들어 전술한 방법으로) 도통(electrify)되면, 기동력이 제1 및 제2 프레임 편(22a-22b)에 대해 인가되어 제1 및 제2 프레임 편(22a-22b) 중의 어느 것이 기계적으로 고정되었는지에 따라 제1 또는 제2 프레임 편(22a-22b)이 초기 위치로부터 제2 또는 제1 프레임 편(22b-22a)에 대해 거의 수평으로 이동한다. 빗살 어레이(15a, 16a)가 더 이상 도통되지 않으면, 제1 또는 제2 프레임 편(22a-22b)들은 제1 및 제2 동작 제어 플렉서(24a, 24b)의 스프링 복원력에 의해 초기 상태로 복귀한다. 이 구현예에 더하여, 빗살 구동부(10c)의 빗살 구동부(15c, 16c)들이 도통되면 빗 구동부(10a)로 결과되는 운동에 추가하여 (예를 들어 도 1b의 반대쪽 x 방향으로) 거의 반대 방향의 이동이 달성된다. 마찬가지로, 이 두 방향들(예를 들어 도면의 양 및 음의 x 방향)로의 양방향 운동이 빗 구동부(10b, 10d, 및 10e-f)의 빗살 어레이들을 도통시킴으로써 달성될 수 있다.

여러 실시예들에서, 빗살 어레이(15a-f 및 16a-f)의 빗등(12, 14)은 다른 목적들을 달성하기 위한 다른 구성들에서 제1 및/또는 제2 프레임 편(22a-b)에 부착될 수 있다. 예를 들어 한 실시예에서, 각 빗 구동부(10a-10f)의 빗등 12가 제1 프레임 편(22a)에 부착되는 반면, 빗등 14는 제2 프레임 편(22b)에 부착된다. 이러한 구조는 최종적으로 제1 및 제2 프레임 편(22a-b)에 인가되는 정전력을 증가시킬 수 있는 빗 구동부(10a-10f)들의 병렬 캐스케이드(parallel cascade) (구조)로 결과된다. 다른 예시적 실시예에서, 빗 구동부(10a-10f)들은 전술한 양방향 운동을 달성하는데 등을 맞댄(back-to-back) 방식으로 배치될 수 있다. 등을 맞댄 구조가 이상에서 빗 구동부(10a-f), 즉 6개의 빗 구동부(10)에 대해 설명되었으나, 양방향 운동을 달성하는 데 다른 수의 빗 구동부들이 사용될 수도 있다.

한 실시예에서, 각 빗 구동부(10a-10f)의 빗살 어레이(예를 들어 16a, 16c, 16e 또는 15b, 15d, 15f)는 다른 세 빗살 어레이들에 기준(전위)으로 작용하는 공통 전위(common potential)(예를 들어 접지 또는 다른 양 또는 음의 전압)에 맞춰질 수 있다. 이 기준(전위)이 주어지면 공통 전위에 맞춰지지 않은 빗살 어레이들은 요구되는 운동의 방향에 따라 도통될 수 있다.

예를 들어, 빗 구동부(10a-10f)의 빗살 어레이(15a, 16b, 15c, 16d, 15e 및 15f)들이 공통 접지에 맞춰진 실시예를 고려해 보기로 한다. 이 실시예에서, 빗 구동 액튜에이터(20)의 운동은 빗살 어레이(16a)에 (예를 들어 접지 또는 다른 공통 기준(전위)에 대해) 양 또는 음의 전압을 인가하여 빗살 어레이(16a)가 빗살 어레이(15a)로 끌어당겨지게 함으로써 유발될 수 있다. 제2 프레임 편(22b)이 고정되었다고 가정하면, 이 예에서 이 끌어당김(attraction)은 제1 프레임 편(22a)이 도 1b의 좌측으로 이동하도록 한다. 이 설명에 더하여, 빗살 어레이(15b)의 도통은 거기에 양 또는 음의 전압의 인가함으로써 빗살 어레이(15b)가 빗살 어레이(16b)로 끌어당겨지도록 하는 것을 수반할 수 있다. 이 경우, 제2 프레임 편(22b)이 고정되었다고 다시 가정할 때 이 끌어당김은 제1 프레임 편(22a)의 도 1b의 우측으로의 이동을 야기한다.

또 다른 실시예들에서, 빗 구동부(10a)에 의해 전개되는 기동력은 다른 빗 구동부(10b-10f)에 의해 전개되는 기동력과 다를 수 있다. 예를 들어, 다른 크기들의 전압이 빗살 어레이(15b, 15d, 및 15f)들의 일부 또는 전부에, 또는 어느 것이건 공통 전위에 맞춰지지 않은 빗살 어레이들에 인가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 전압 수준, 또는 정전 또는 충전 상태를 유지하는 빗살 어레이(15b, 15d, 및 15f)들에서, 빗살 어레이들은 전기적으로 서로 분리(또는 절연)될 수 있다.

제1 및 제2 프레임 편(22a-22b)들과 각 빗 구동부(10a-10f)의 빗살 어레이(15a-f 또는 16a-f)들의 운동은 제1 및 제2 동작 제어 플렉서(24a-24b)들에 의해 어느 정도까지 유도 및/또는 제어될 수 있다. 이 특정한 실시예에서, 예를 들어 제1 및 제2 동작 제어 플렉서(24a-24b)들은 수평 방향(즉 빗살(11, 13) 방향)으로 거의 유연(flexible or soft)하고 수직 방향(즉 빗등(12, 14) 방향)으로 강직(stiff or rigid)하다. 이에 따라 제1 및 제2 동작 제어 플렉서(24a-24b)들은 빗 구동부(10)가 수평 방향(즉 도 1b의 x 방향)으로 양방향 운동을 하도록 허용하고 수직 방향(즉 도 1b의 y 방향)으로의 이동은 거의 제한한다.

제1 및 제2 동작 제어 플렉서(24a-24b)들의 배치(arrangement)는 일부 실시예들에서 이중 평행 플렉서 동작 제어(double parallel flexure motion control)로 지칭될 수 있다. 이러한 이중 평행 플렉서 동작 제어는 거의 선형 운동(linear motion)을 산출할 수 있지만, 활꼴 운동(arcuate motion)으로 알려진 약간의 이탈(run-out)이 있을 수 있다. 그러나 빗살(11) 일측의 갭(gap)이 타측의 갭과 같지 않을 수 있는데, 이는 이중 평행 플렉서 동작 제어의 활꼴 운동 등의 효과들을 보정하도록 설계에 유용하게 사용될 수 있다. 실시예들에서, 추가적인 구조들이 제1 및 제2 프레임 편(22a-22b)들의 서로에 대한 운동을 제어하는 데 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 제1 및 제2 플렉서(24a-24b)들은 그 각 단부들에 더 좁은 부분(thinner portion; 24a-2, 24b-2)을 포함한다. 이 더 좁은 부분들은 예를 들어 제1 프레임 편(22a)이 제2 프레임 편(22b)에 대해 병진(translation)(즉 도 1b의 x 방향으로 이동)하거나 그 역의 경우, 휨(bending)을 허용한다. 실시예들에서, 더 좁은 부분(24a-2, 24b-2)들은 x 방향으로의 이동을 허용하는 유연성(flexibility)을 부가하도록 Y-접합부(Y-junction)로 형성(shape)될 수 있다. 실시예들에서, 제1 및 제2 플렉서(24a, 24b)들의 더 넓은 부분(thicker portion; 24a-1, 24b-1)들은 약 10 내지 50 마이크로미터(μm) 폭(즉 도 1b의 x 방향의 너비), 그리고 더 좁은 부분(24a-2, 24b-2)들은 약 1 내지 10 μm 폭의 크기를 가질 수 있다. 여러 실시예들에서, 빗살 어레이(15 또는 16)들의 운동을 제어 또는 제한하기 위해 임의의 수와 방식의 동작 제어들이 원하는 대로 사용될 수 있다. 제한된 운동(controlled motion)은 빗 구동 액튜에이터(20)가 구현하는 운동, 또는 예를 들어 스마트폰 카메라의 화상 센서(image sensor) 등의 소자(device)의 위치설정(positioning)의 전체적 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한 제한된 운동은 빗살(11, 13)들이 서로 맞물리는(snap together) 상황을 피하는 데도 도움이 된다. 예를 들어, 제한된 운동은 일반적으로, 빗살(15, 16)의 원하는 운동 방향으로는 낮은 수준의 강성(stiffness)을 형성하는 반면, 빗 구동 액튜에이터(20)의 평면에서 빗살(15, 16)의 운동에 직교하는 방향으로는 높은 수준의 강성을 형성함으로써 이뤄진다. 일례로서, 이는 이중 평행 플렉서 방식 동작 제어를 사용하여 이뤄질 수 있다.

여러 실시예들에서, 동작 제어 플렉서(24a,24b)는 MEMS 액튜에이터 장치의 충격 성능을 향상시키도록 설계될 수 있다. 이런 실시예들에서, 동작 제어 플렉서(24a,24b)는 (예를 들어 MEMS 액튜에이터를 포함하는 장치를 떨어뜨리는 등의) 충격 사건(shock event) 동안의 힘 또는 부하(load)를 흡수하도록 설계될 수 있다. 예를 들어 특정한 실시예들에서, 동작 제어 플렉서(24a,24b)는 MEMS 액튜에이터의 동작 스테이지(action stage)(도시 안 됨)와 세 빗 구동부 짝(10a, 10c, 10e), 및 (10b, 10d, 10f) 중의 적어도 하나에 의한 관성 부하(inertial load)를 흡수하도록 설계될 수 있다. 이 실시예들의 특정한 구현예들에서 이 관성 부하는 200 내지 800 mN이 될 수 있다.

도 1d는 충격 사건 동안 관성 부하를 흡수하는 실시예들에 사용될 수 있는 테이퍼 진(tapered) 동작 제어 플렉서(24)의 특정한 설계를 도시한다. 실시예들에서, 동작 제어 플렉서(24)는 좌굴 상태(buckled state)에 진입하기 전(즉 변형 전)에 100 내지 400 mN 범위의 부하력(loading force)을 흡수할 수 있다.

도시된 바와 같이, 동작 제어 플렉서(24)는 두 좁고 유연한 힌지(hinge)(24-2)들과, 두 힌지들을 연결하는 넓고 강직한 로드(24-1)를 포함한다. 실시예들에서, 로드(24-1)는 x 방향으로 1 내지 4 밀리미터(mm) 길이이고, y 방향으로 10 내지 50 μm 폭이다. 이 실시예들에서, 힌지(24-2)의 크기는 필요한 강성을 달성하거나 좌굴을 방지하도록 최적화될 수 있다. 이 특정한 실시예에 도시된 바와 같이, 로드(24-1)는 그 길이를 따라 중앙에서 가장 넓고 단부들에서 가장 좁도록 테이퍼 진다. 이 테이퍼 진 설계는 일부 실시예들에서 동작 제어 플렉서(24)가 좌굴 상태에 진입하기 전에 더 큰 부하력을 흡수하도록 해준다. 이 실시예의 특정한 구현예들에서, 테이퍼 진 로드(24-1)는 중앙에서 35 내지 50 μm 폭이고 그 단부들에서 20 내지 40 μm 폭이다. 한 특정한 실시예에서, 강직한 로드(24-1)는 그 중심에서 약 50 μm 폭이고 그 단부에서 35 μm 폭으로, 좌굴 전에 약 280 mN의 관성 부하를 흡수할 수 있다. 대체적인 실시예들에서, 강직한 로드(24-1)는 그 전체 길이를 따라 균일한 폭이 될 수도 있다.

도 2a는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 예시적 MEMS 다차원(multi-dimensional) 액튜에이터(40)의 평면도이다. 이 실시예에 도시된 바와 같이, 액튜에이터(40)는 하나 이상의 스프링 부재 또는 플렉서(80)로 내부 프레임(46)에 연결된 외부 프레임(48)(네 부분으로 분할)과, 네 양방향 빗 구동 액튜에이터(20a-d)와, 그리고 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들의 일단에 연결된 제1 단부와 내부 프레임(46)에 연결된 제2 단부를 가지는 하나 이상의 캔틸레버(cantilever; 44a-d)들을 포함한다. 도 2a는 네 빗 구동 액튜에이터(20)들을 포함하는 예시적 액튜에이터(40)를 도시하지만, 다른 실시예들에서는 다른 수의 빗 구동 액튜에이터(20)들을 포함할 수 있다.

실시예들에서, 액튜에이터(40)는 하나 이상의 빗 구동 액튜에이터(20)의 제1 및/또는 제2 프레임 편(22a-22b)에 견고하게 연결 또는 부착되어 이들에 대해 기계적으로 고정되는 앵커(anchor; 42)를 포함한다. 이에 따라, 예를 들어 제1 프레임 편(22a)이 앵커(42)에 부착되었다면, 제1 프레임 편(22a)에 대한 제1 프레임 편(22b)의 운동은 앵커(42)에 대한 운동으로도 간주될 수 있다.

액튜에이터(40)의 작동 동안에, 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들은 내부 프레임(46)과 앵커(42) 사이에 제어됨 힘을 인가할 수 있다. 하나 이상의 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들이 앵커(42)에 견고하게 연결되거나 부착될 수 있고, 앵커(42)는 외부 프레임(48)에 대해 기계적으로 고정(예를 들어 견고하게 연결되거나 부착)될 수 있다. 한 실시예에서, 한 플랫폼(platform)이 외부 프레임(48)과 앵커(42)에 견고하게 연결 또는 부착된다. 이러한 방식으로 플랫폼이 앵커(42)에 대해 외부 프레임(48)에 기계적으로 고정될 수 있다(및/또는 그 역도 마찬가지다). 그러면 내부 프레임(46)이 외부 프레임(48)과 앵커(42) 양자에 대해, 그리고 플랫폼에 대해서도 운동할 수 있다. 한 실시예에서 플랫폼은 실리콘 플랫폼이다. 여러 실시예들에서, 플랫폼은 광전자 소자(optoelectronic device), 또는 전하결합소자(charge-coupled-device; CCD) 또는 상보형 금속산화물 반도체(complementary-metal-oxide-semiconductor; CMOS) 등의 화상 센서(image sensor)이다.

실시예들에서, 액튜에이터(40)의 크기는 플랫폼의 크기와 거의 동일하고, 플랫폼이 외부 프레임(48)과 앵커(42)에 부착됨으로써 앵커(42)를 외부 프레임(48)에 대해 기계적으로 고정한다. 액튜에이터(40)의 다른 실시예에서는, 플랫폼이 액튜에이터보다 작고, 플랫폼은 내부 프레임(46)에 부착된다. 이 특정한 실시예에서, 외부 프레임(48)은 앵커(42)에 대해 고정(또는 견고하게 연결 또는 부착)되고, 내부 프레임(46)이 여러 개의 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들에 의해 이동된다.

한 실시예에서, 두 빗 구동 액튜에이터(20a, 20d)들은 액튜에이터(40)의 평면 내에서 제1 방향 또는 축을 따라 (예를 들어 동/서, 또는 좌/우로) 작동되고, 두 빗 구동 액튜에이터(20b, 20c)들은 액튜에이터(40)의 평면 내에서 제2 방향 또는 축을 따라 (예를 들어 남/북, 또는 상/하로) 작동된다. 제1 및 제2 반향들은 액튜에이터(40)의 평면 내에서 서로 거의 직교할 수 있다.

빗 구동 액튜에이터(20a-d)들의 여러 가지 다른 배열(configuration)들이 가능하다. 이러한 배열들은 각 빗 구동 액튜에이터(20a-d)에 더 많거나 적은 빗 구동부(10)들과, 예를 들어 더 많거나 적은 자유도(degree of freedom)들(예를 들어 삼각형, 오각형, 육각형 구성(formation) 등의) 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들의 여러 가지 위치설정 및/또는 배치(arrangement)를 포함할 수 있다.

실시예들에서, 캔틸레버(44a-d)들은 각 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들의 각 이동 방향에 대해 비교적 강직(stiff)하고, 면내의(in-plane) 직교 방향에 대해서는 비교적 유연(soft)하다. 이는 빗 구동 액튜에이터(20-d)들이 내부 프레임(46)의 앵커(42)에 대한, 이에 따라 외부 프레임(48)에 대한 제한된 운동을 시키도록 해준다. 도 2a에 도시된 실시예들에서, 외부 프레임(48)은 액튜에이터(40)의 외주 둘레에 연속적이 아니고 (예를 들어 둘, 셋, 또는 넷 이상의) 편(piece)들로 분할되어 있다. 이와는 달리, 다른 실시예들에서는 외부 프레임(48)이 액튜에이터(40)의 외주 둘레에 연속적이 될 수 있다. 마찬가지로, 내부 프레임(46)도 연속적이거나 부분들로 분할될 수 있다.

여러 실시예들에서, 전기 신호들이 캔틸레버(44a-d)들을 경유하여(via routing on or in) 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들로 전달될 수 있다. 어떤 경우들에는 둘 이상의 다른 전압들이 빗 구동 액튜에이터(20a)에 연계하여 사용될 수 있다. 이 경우, 두 전기 신호들이 각각 캔틸레버(44a)의 제1 및 제2 도전층(conductive layer)(45, 47)을 통해 빗 구동 액튜에이터(20a)에 전달될 수 있다. 빗 구동 액튜에이터(20a)에 전달되고 나면, 두 전기 신호들은 예를 들어 제1 프레임 편(22a)을 통해 빗살 어레이(16a, 15b)들에 각각 전달될 수 있다.

액튜에이터(40)의 다른 예시적 구현예에서, 빗 구동 액튜에이터(20b)에 기동력을 전개하는 데 사용된 두 전기적 신호가 빗 구동 액튜에이터(20c)에 유사한 기동력을 전개하는 데 사용될 수 있다. 이런 구현예에서는, 이 두 전기 신호들을 캔틸레버(44c)를 통해 빗 구동 액튜에이터(20c)에 전달하는 대신, 두 전기 신호들이 빗 구동 액튜에이터(20b)로부터 빗 구동 액튜에이터(20c)로 전달될 수 있다. 예로서, 이는 전기 접점 패드(electrical contact pad; 84)로부터의 두 전기 신호들을 캔틸레버(44b)를 통해 빗 구동 액튜에이터(20b)의 제1 프레임 편(22a)으로 전달하는 경로를 수반할 수 있다. 또한, 두 전기 신호들은 제1 프레임 편(22a)로부터 (각각) 플렉서(24a-b)들을 통해 제2 프레임 편(22b)과 앵커(42)로 전달될 수 있다. 그러면 두 전기 신호들은 앵커(42)를 통해 빗 구동 액튜에이터(20c)에 전달된다. 전기 신호들을 빗 구동 액튜에이터(20a-d)들에 전달하는 데 여러 가지 경로 대안(option)들이 이용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 예를 들어, 앵커(42), 제1 또는 제2 프레임 편(22a/b)들, 및/또는 제1 및 제이 플렉서(24a/b)들에 복수의 경로 층(routing layer)들이 사용될 수 있다.

도 2b는 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 캔틸레버(44)의 일부의 단면도이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(44)는 제1 및 제2 도전층(45, 47)들과, 제1 및 제2 절연층(insulating layer)(45, 47)들을 포함한다. 일부 예시적 구현예들에서 제1 및 제2 도전층(45, 47)들은 전기 신호들의 경로 층으로 기능하고, 폴리 실리콘 및/또는 금속을 포함할 수 있다. 절연층(43, 49)들은 제1 및 제2 도전층(45, 47)들을 위한 구조를 제공할 수 있다. 캔틸레버(44)의 대체적 실시예들에서는, 층(43, 49)들이 도전층이고 층(45, 47)들이 절연층이 되도록 도전층과 절연층들의 순서가 바뀔 수도 있다.

캔틸레버(44)의 한 예시적 구현예에서, 절연층(43, 49)들은 실리콘 산화물(silicon dioxide)을 포함하고, 제2 도전층(47)은 금속을 포함하며, 그리고 제1 도전층(45)은 폴리실리콘을 포함한다. 이 예의 변형예에서는, (예를 들어 산화물 등의) 코팅(coating)이, 예를 들어 다른 도체와 접촉하게 되었을 때의 단락에 대한 절연을 제공하도록 제2 도전층(47)을 피복할 수 있다. 제2 절연층(49)은 산화물 등을 포함하는 얇은 층이 될 수 있다. 추가적으로, 어떤 경우에는 제1 도전층(45)이 (캔틸레버(44)의 다른 층들에 비해) 비교적 두껍고, 예를 들어 실리콘, 폴리실리콘, 금속 등을 포함할 수 있다. 이런 경우들에, 제1 도전층(45)은 다른 층들보다 예를 들어 그 유연성의 성질, 정도, 또는 방향성을 포함하는 캔틸레버(44)의 전체적 특성들에 기여할 수 있다.

캔틸레버(44)의 추가적 실시예들(및 캔틸레버(44a-d))은 추가적인 전기 신호들이 캔틸레버(44)를 통해 전달되도록 추가적인 도전층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캔틸레버(44a-d)들은 둘 사이의 크기는 다를 수 있지만 플렉서(24a-24b)와 유사한 방식(fashion)으로 제조될 수 있다. 뿐만 아니라, 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 이해할 수 있듯, 캔틸레버(44)의 여러 층들을 형성하는 데 추가적인 재질들이 사용될 수 있다.

여러 실시예들에서, 외측 캔틸레버(44)는 충격 사건(예를 들어 MEMS 액튜에이터(40)를 포함한 장치를 떨어뜨리는 경우)에 저항하도록(resistant) 설계될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각 캔틸레버(44)는 i) 충격 중에 변위 응력(displacement stress)을 덜 받고; ii) 충격 중에 반경 방향 강성을 덜 받으며; 그리고 iii) 좌굴(bucking) 없이 고 부하(high load)를 버티도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외측 캔틸레버(44)는 충격의 경우 그 길이를 따라 약 1900 MPa 미만, 폭을 따라 2100 MPa 미만의 최대 응력(peak stress)을 받도록 설계될 수 있다. 도 2c-2f는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 내충격성 외측 캔틸레버의 네 예시적 설계들을 도시한다.

도 2c는 분지 접합부(forked junction) 설계를 가지는 외측 캔틸레버(44e)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 캔틸레버(44e)는 그 중앙에 분지 접합부(44e-1)를 포함한다. 중앙의 분지 접합부(44e-1)는 구멍(aperture; 44e-2)을 포함하며, 외측 캔틸레버(44)의 측부(44e-3)보다 (y 방향으로) 더 넓다. 여러 실시예들에서, 구멍(44e-2)의 (y 방향) 폭은 0.02 내지 0.04 mm이고, 분지 접합부(44e-1)의 최대 폭은 0.06 내지 0.12 mm이며, 그리고 측부(44e-3)의 폭은 0.012 내지 0.050 mm이다. 다른 실시예들에서, 캔틸레버(44e)의 (x 방향) 전체 길이는 4.5 내지 7 mm이다. 대체적인 실시예에서, 캔틸레버(44e)는 그 중앙에 (예를 들어 3개, 4개 등으로) 추가적인 가지(fork)(및 구멍들)을 포함할 수 있다.

도 2d는 S-형 설계를 가지는 외측 캔틸레버(44f)를 도시한다. 도 2d에서 캔틸레버(44f)는 그 길이를 따라 대략 직선으로 보이지만, 이는 길이를 따라 굴곡져서 캔틸레버(44f)에 유연성(flexibility)을 부가함으로써 충격의 경우 탄력성(resilience)을 향상시키는 변곡점을 가짐(그래서 “S-형”)에 유의해야 한다. 이 실시예에서, 캔틸레버(44f)의 두 근부(root) 또는 연결 단부(connecting end; 44f-1)들은 더 좁은 부분(thinner portion; 44f-2)을 통해 중앙부(44f-3)에 결합된다. 캔틸레버(44f)는 그 근부(44f-1)에서 (y 방향으로) 가장 넓고 근부(44f-1)와 중앙부(44f-3) 간의 접합부(44f-2)에서 가장 좁다. 여러 실시예들에서, 캔틸레버(44f)의 전체 길이(x1)는 4.5 내지 7 밀리미터이고, 중앙부(44f-3)의 폭(y1)은 0.012 내지 0.030 밀리미터이다.

도 2e는 S-형 설계의 캔틸레버(44f)와, 각 단부에 캔틸레버(44g) 상의 응력을 완화시키는 “칫솔(toothbrush)" 형상 또는 분지 접합부(44g-1)의 추가적 특징을 가지는 외측 캔틸레버(44g)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 외측 캔틸레버(44g)는 근부(44g-2)에 부착된 단부(end portion; 44g-4)에 결합되는 단부(end)를 가지는 중앙부(44g-3)를 포함한다. 여러 실시예들에서, 캔틸레버(44g)의 전체 길이(x1)는 4.5 내지 7 밀리미터이고, 중앙부(44g-3)의 폭(y2)은 0.012 내지 0.030 밀리미터이다.

분지 접합부(44g-1)는 중앙부(44g-3)의 각 단부를 각 단부(44g-4)에 캔틸레버(44g)의 길이에 직교하는 방향(즉 y 방향)으로 결합한다. 각 접합부(44g-1)는 접합부(44g-1)에 칫솔의 외관을 부여하는 복수의 보(beam; 44g-5)들을 구비한다. 이 실시예에서 각 접합부(44g-1)들이 9개의 보(44g-5)들을 가지는 것으로 도시되어 있지만, 대체적인 실시예에서는 충격 사건 동안 (예를 들어 최대 응력을 저하시키는 등) 캔틸레버(44g)의 성능을 향상시키기 위해 보(44g-5)들의 수가 (예를 들어 2 내지 12개로) 가감될 수 있다. 이 특정한 실시예에 도시된 바와 같이, 한 접합부에서는 단부(44g-4)가 그 대응 중앙부(44g-3)보다 (y 방향) 밑에 있고, 다른 접합부에서는 단부(44g-4)가 그 대응 중앙부(44g-3)보다 (y 방향) 위에 있다. 이 특정한 실시예에 또한 도시된 바와 같이, 중앙부(44g-3) 밑의 단부(44g-4)에 부착되는 근부(44g-2)는 상방을 향하는 반면, 다른 근부(44g-2)는 하방을 향한다. 특정한 실시예들에서, 분지 접합부(44g-1)의 전체 폭(y1)은 중앙부(44g-3)의 단부와, 단부(44g-4)와, 그리고 보(44g-5)를 포함하여 0.040 내지 0.0150 밀리미터이다.

도 2f는 캔틸레버(44g)의 분지 접합부(44g-1) 대신 응력의 완화에 사용될 수 있는 분지 접합부(44g-1')의 대체적 실시예이다. 이 특정한 구현예에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(44g)의 중앙부(44g-3')는 그 (y 방향) 폭이 근부(44-g2')를 향한 방향으로 감소하도록 그 (x 방향) 길이를 따라 테이퍼 져 있다. 단부(44g-3')는, 그 폭이 근부(44g-2')에서 멀어질수록 감소하도록 그 길이를 따라 테이퍼 진 대응 테이퍼 진 단부(44g-4')에 부착된다. 단부(44g-3', 44g-4')들의 폭이 그 접합점들을 따라 대략 작아지므로, 이 테이퍼 진 설계는 대략 캔틸레버(44g)에 직교하는 방향(y 방향)으로 보(44g-5')들이 더 긴 길이를 가지도록 해준다. 이 실시예에서, 근부(44g-2')는 캔틸레버(44g)에 평행하는 방향(x 방향)으로 연장되는 y 접합부로서의 형태로 형성된다.

다시 도 2a에서, 액튜에이터(40)는 내부 프레임(46)을 외부 프레임(48)에 연결하는 하나 이상의 플렉서(flexure) 또는 스프링 부재(spring element; 80)들을 포함한다. 플렉서(80)는 도전성이며 모든 운동 자유도에서 유연할 수 있다. 여러 실시예들에서, 플렉서(80)는 외부 프레임(48) 상의 전기 접점 패드(82)로부터 내부 프레임(46) 상의 전기 접점 패드(84)로 전기 신호들을 전달(route)할 수 있다. 이 전기 신호들은 하나 이상의 캔틸레버(44a-44d)들을 통해 하나 이상의 빗 구동부(20)들로 후속적으로 전달될 수 있다. 예시적 구현예들에서, 플렉서(80)는 내부 프레임(46)으로부터 한 방향, 두 방향, 세 방향 또는 네 방향으로 연장될 수 있다.

한 실시예에서, 액튜에이터(40)는 예를 들어 실리콘의 포토리소그래피(photolithography) 및 식각(etching) 등의 MEMS 공정을 사용하여 제조된다. 일부 경우들에서, 액튜에이터(40)는 면내에서(in plane) +/- 150 마이크로미터를 이동하고, 플렉서(80)는 (예를 들어 분리된 전기 신호들이 여러 스프링 부재(80)들을 통해 전달될 수 있도록) 서로 접촉되지 않고 이 범위의 운동을 버티도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 플렉서(80)는 두께가 약 1 내지 5 마이크로미터이고, 폭이 약 2 내지 40 마이크로미터이며, 면내에서 약 150 내지 1000 마이크로미터 곱하기 약 150 내지 1000 마이크로미터 범위인 S-형 플렉서가 될 수 있다.

플렉서(80)가 낮은 저항으로 전기를 잘 도전하도록, 플렉서(80)는 예를 들어 고농도 도핑된(heavily doped) 폴리실리콘, 실리콘, (예를 들어 알루미늄 등의) 금속, 이들의 조합, 또는 다른 도전성 재질, 합금 등을 포함할 수 있다. 에를 들어 플렉서(80)는 폴리실리콘으로 제조되어 약 2000 옹스트롬 두께의 알루미늄, 니켈, 및 금의 금속 적층(metal stack)으로 피복될(coated) 수 있다. 한 실시예에서, 일부 플렉서(80)들은 외부 프레임(48)과 내부 프레임(46) 간의 동작을 제어하기 위해 다른 플렉서(80)들과 달리 설계될 수 있다. 예를 들어, 넷 내지 여덟 개(또는 다른 어떤 수)의 플렉서(80)는 50 내지 250 마이크로미터의 소자 두께(device thickness)를 가질 수 있다. 이러한 두께는 내부 프레임(46)에 대한 외부 프레임(48)의 면외(out-of-plane) 운동을 다소(somewhat) 제한할 수 있다.

여러 실시예들에서, 플렉서(80)는 파손(failure) 없이 좌굴 상태에서 작동됨으로써 플렉서의 강성이 정상 상태에서 작동될 때보다 몇 자리수의 크기만큼 더 유연해지도록 하는 저 강성(low stiffness) 플렉서이다. 이 실시예들에서, 플렉서(80)의 좌굴되는 부분(즉 유연한 부분)은 유연한 부분의 단면이 휨 방향(즉 두께와 폭 방향)으로 작은 반면, 그 길이가 비교적 길게 설계될 수 있다. 플렉서(80)의 구체적인 실시예들은 2015년 4월 2일 출원된 "저 강성 플렉서(Low Stiffness Flexure)"라는 명칭의 미국특허출원번호 제14/677,730호에 상세히 기재되어 있으며, 이는 그 전체로서 이 명세서에 참고로 포함되어 있다.

도 2a를 통해 전술한 바와 같이, MEMS 액튜에이터는 복수의 좌굴 플렉서(80)들에 의해 내부 프레임(46)에 결합된 외부 프레임(48)을 가지도록 설계되어 있다. 작동 중의 급격한 충격의 경우, 내부 프레임(46)이 외부 프레임(48)과 충돌할 수 있다. 이에 따라 실시예들에 충격의 경우 MEMS 액튜에이터 구조를 보호하도록 충격 스톱(shock stop)들이 외부 및 내부 프레임들에 포함될 수 있다.

도 3a-3b는 충격 스톱을 포함하는 MEMS 액튜에이터(100)의 이러한 한 실시예를 도시한다. 이 특정한 실시예에 도시된 바와 같이, MEMS 액튜에이터(100)는 복수의 좌굴 플렉서(도시 안 됨)들에 의해 외부 프레임(120)에 결합된 내부 프레임(110)을 구비한다. 외부 프레임(120)은 네 잠긴(latched) 전기 바(electrical bar)(121-124)들을 포함한다. 도시된 바와 같이, 각 잠긴 바(121-124)들 간의 연결부들에, 잠금 기구(latching mechanism; 125)의 잠금 돌기(latch protrusion; 125A)가 잠금 기구(126)의 각 홈(groove)에 맞물림으로써 전기 바(121-124)들을 함께 고정한다. MEMS 액튜에이터의 조립 중에 MEMS 액튜에이터의 외부 프레임 구조를 잠금하는 구체적인 방법들은 2015년 8월 5일 출원된 "저 강성 플렉서 MEMS 액튜에이터의 전기 바 잠금(Electrical Bar Latching for Low Stiffness Flexure MEMS Actuator)"이라는 명칭의 미국특허출원 제14/819,413호에 상세히 기재되어 있으며, 이는 그 전체로서 이 명세서에 참고로 포함되어 있다.

또한 도 3a-3b에는, 각각 외부 프레임(120)과 내부 프레임(110)에 대응하는 한 쌍의 충격 스톱(127, 111)들이 도시되어 있다. 액튜에이터(100)의 이 특정한 실시예에는 충격의 경우 외부 프레임(120)과 내부 프레임(110) 간의 충돌들의 충격을 흡수하기 위해 네 쌍의 충격 스톱(127, 111)들이 (각 모서리마다) 존재한다. 그러나 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 알 수 있듯, MEMS 액튜에이터의 대체적인 구현예들 또는 소자의 두 부분들 간에 충격을 겪는 다른 MEMS 장치에서는 임의 수의 충격 스톱 쌍들이 구현될 수 있을 것이다.

여러 실시예들에서, 충격 스톱(127, 111)들은 충격 사건(shocking event)에 의한 (예를 들어 수평 또는 수직 스톱(127)이 스톱(111)과 충돌할 때의) 충격(impact)을 영구 변형(permanent deformation)을 겪지 않고 흡수할 수 있는 운동 에너지의 양을 최대화하도록 설계될 수 있다. 예를 들어 실시예들에서, 충격 스톱(127, 111)들은 100 내지 400 μJ의 복합(combined) 운동 에너지를 흡수하도록 설계될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 충격 스톱(127, 111)들은 300 내지 400 μJ의 복합 운동 에너지를 흡수할 수 있다.

도 3c-3d는 본 발명의 실시예들에 구현될 수 있는 충격 스톱(127, 111)의 두 예시적 설계들을 도시한다. 도 3c는 복수의 원형의, 엇갈린(staggered) 구멍(aperture)(160)들을 구비하는 충격 스톱(127a, 111a)들을 도시한다. 충격의 경우, 스톱(127a)의 표면(127a-2)이 스톱(111a)의 표면(111a-2)과 접촉한다. 이 특정한 실시예에 도시된 바와 같이, 구멍(160)들은 집중된 육각형 패턴으로 이격되어 있다. 여러 실시예들에서, 원형 구멍들의 직경은 0.010 내지 0.022 밀리미터가 될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 충격 스톱(127a, 111a)들은 약 350 μJ의 복합 에너지를 흡수하고, 각각 파손(break) 전에 약 40 μm까지 변형될 수 있다. 충격 스톱(127a, 111a)들의 대체적인 구현예들에서, 구멍(160)들은 그 강성을 조절하기 위해 에폭시 접착제로 채워지거나 및/또는 (예를 들어 삼각형, 사각형, 선형, 또는 다른 패턴 등의) 다른 패턴으로 배열될 수 있다. 여러 실시예들에서, 충격 스톱(127a)의 전체 길이(x1)는 0.250 내지 1.000 밀리미터이고, 충격 스톱(127a)의 전체 폭(y1)은 0.0250 내지 1.000 밀리미터이다. 여러 실시예들에서, 충격 스톱(111a)의 전체 길이(x2)는 0.300 내지 1.200 밀리미터이고, 충격 스톱(111a)의 전체 폭(y2)은 0.0250 내지 1.000 밀리미터이다.

도 3d는 복수의 정사각형(square)의, 엇갈린 구멍(170)들을 구비하는 충격 스톱(127b)을 도시한다. 도 3d의 에에서는 두 번째 대응 충격 스톱이 도시되지 않았지만, 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 충격 스톱(127b)과 동일한 특징들이 대응 충격 스톱에 구현될 수 있을 것을 알 수 있을 것이다. 도 3c와 유사하게, 구멍(170)은 집중된 육각형 패턴으로 이격된다. 특정한 실시예들에서, 충격 스톱(127b)과 대응 충격 스톱은 약 300 μJ의 복합 에너지를 흡수하고, 각각 파손 전에 약 15 μm까지 변형할 수 있을 것이다. 충격 스톱(127b)의 대체적인 구현예들에서, 구멍(170)들은 그 강성을 조절하기 위해 에폭시 접착제로 채워지거나 및/또는 (예를 들어 삼각형, 사각형, 선형, 또는 다른 패턴 등의) 다른 패턴으로 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예들에서, 흡수할 수 있는 최대 에너지와 파손 없이 변위(displace)할 수 있는 거리의 최대 양을 조정(tune)하기 위해 다른 대체적인 충격 스톱 설계들이 구현될 수 있다. 예를 들어 수평 또는 수직 슬릿(slit)들이 전술한 구멍들을 대신하거나 이들과 조합되어 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 여기 개시된 액튜에이터를 사용할 수 있는 조립된 가동 화상 센서 패키지(moving image sensor package; 55)를 도시한 분해 사시도이다. 가동 화상 센서 패키지(55)는 다음 구성요소(component)들을 제한 없이 포함하는데: 기판(substrate; 73)과; 복수의 캐패시터(capacitor)들 또는 다른 수동적(passive) 전기 부품(component)(68)들과; MEMS 액튜에이터 구동부(driver)(69)와; MEMS 액튜에이터(57)와; 화상 센서(70)와; 화상 센서 캡(cap)(71)과; 그리고 적외선(IR) 차단(cut) 필터(72)를 포함한다. 기판(73)은 개구부(opening; 65)와 면내 운동 제한부(in-plane movement limiting feature; 67)들을 가지는 경질(rigid) 회로기판(74)과, 그리고 지지판(back plate; 66)으로 기능하는 연성 회로기판(flexible circuit board)을 포함할 수 있다. 경질 회로기판은 세라믹 또는 인쇄회로기판(plain circuit board; PCB)의 제조에 사용되는 등의 복합 재질, 또는 다른 어떤 적절한 재질(들)로 구성될 수 있다.

공기의 열전도는 대략 갭(gap)에 반비례하고 화상 센서(70)는 거의 100 mW 내지 1W의 전력 양을 소산(dissipate)시킬 수 있으므로, 화상 센서(30)와, MEMS 액튜에이터(57)의 고정 부분(stationary portion)들과, 액튜에이터(57)의 가동 부분(moving portion)들과, 그리고 지지판(66)들 사이의 갭들은 약 50 마이크론 미만으로 유지된다. 한 실시예에서, 지지판(66)은 구리 등 열전도가 양호한 재질로 제조되어 화상 센서(70)의 방열(heat sinking)을 더욱 향상시킬 수 있다. 한 실시예에서 지지판(66)은 약 50 내지 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 경질 회로기판(74)은 약 150 내지 200 마이크로미터의 두께를 가진다.

이상에서 본 발명의 여러 실시예들을 설명하였지만, 이들은 한정이 아니라 예시의 목적으로만 제공된 것임을 이해해야 할 것이다. 마찬가지로 여러 도면들이 본 발명의 예시적인 구조적(architectural) 또는 다른 구성(configuration)들을 묘사할 수 있지만, 이들은 본 발명에 포함된 특징과 기능들의 이해에 도움이 되도록 이뤄진 것이다. 본 발명은 도시된 예시적 구조나 구성들에 한정되지 않으며, 원하는 특징들은 다양한 대체적 구조와 구성들을 사용해서도 구현될 수 있다. 실제로, 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게는 본 발명의 원하는 특징들을 구현하는 데 어떻게 대체적인 기능적, 논리적, 또는 물리적 구획(partitioning)과 구성이 구현될 수 있는지 자명할 것이다. 또한 이 명세서에 묘사된 것과 다른 복수의 다른 구성 모듈(constituent module)의 명칭들이 여러 구획들에 적용될 수 있다. 또한 흐름도(flow diagram), 작동 설명과 방법 청구항에 관해서는, 이 명세서에 표현된 단계들의 순서가, 문맥이 달리 명시하지 않는 한 여러 실시예들이 기재된 기능을 동일한 순서로 수행할 것을 강제하지 않을 것이다.

이상에서 본 발명이 여러 가지 예시적 실시예들과 구현예들을 통해 설명되었으나, 하나 이상의 개별적 실시예들에 기재된 다양한 특징(feature), 특성(aspect) 및 기능들은 그 적용 가능성이 이들이 기재된 특정한 실시예로 한정되지 않고, 그 대신 그러한 실시예들이 기재되었는지 또는 그러한 특징들이 기재된 실시예들의 일부로 표현되었는지의 여부와 무관하게 본 발명의 하나 이상의 다른 실시예들에 단독 또는 여러 가지 조합들로 적용될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 폭과 범위는 전술한 예시적 실시예들 중의 어느 것에도 제한되지 않는다.

이 명세서에 사용된 용어들 및 문구들과 그 변형들은 명시적으로 표현되지 않은 한, 제한적(limiting)과 반대인 개방적(open ended)으로 해석되어야 한다. 그 예로는: "포함하는(including)"이라는 용어는 "제한 없이 포함하는(including, without limitation)"을 의미하는 것으로 읽어야 하고; "예(example)"이라는 용어는 논의 중인 항목(item in discussion)의 완전(exhaustive)하거나 한정적인 목록이 아니라 예시적인 경우를 제공하는데 사용되며; "a" 또는 "an"이라는 용어들은 "적어도 하나" 또는 "하나 이상" 등의 의미로 읽어야 하고; "통상적인(conventional)," "전통적인(traditional)," "정상적인(normal)," "표준적인(standard)," "공지의(known)" 등의 형용사들과 유사한 의미의 용어들은 서술된 항목을 소정의(given) 기간(time period)에 한정하거나 또는 소정의 시간에 입수 가능한 항목으로 한정하는 대신, 지금 또는 미래의 어는 시간에 입수 가능하거나 알게 될 통상의, 전통적인, 정상적인, 또는 표준적인 기술들을 포괄하는 것으로 읽어야 할 것이다. 마찬가지로, 이 명세서가 당업계에 통상적인 기술을 가진 자에게 자명 또는 공지인 기술이라고 지칭할 때, 이러한 기술들은 지금 또는 미래의 어느 시간에 당업자에게 자명 또는 공지인 것들을 포괄한다.

어떤 경우들에서 "하나 이상(one or more)," "적어도(at least)," "제한 없이(but not limited to)" 등의 문구들 같은 확대적인(broadening) 단어나 문구들의 존재는 더 좁은 경우가 의도되거나 이러한 확대적 문구들이 없는 경우에서 요구되는 것을 의미하는 것으로 읽어서는 안 된다. "모듈(module)"이라는 용어의 사용은 모듈의 일부로 기재되거나 청구된 구성요소 또는 기능들이 모두 공통의 패키지 내에 구성될 것을 암시하지 않는다. 실제로, 제어 논리이건 다른 구성요소이건, 모듈의 여러 구성요소들의 어느 것 또는 모두가 단일한 패키지 내에 조합되거나 별도로 유지될 수 있고, 나아가 복수의 그룹(grouping)들 또는 패키지들 내에 또는 복수의 위치들에 걸쳐 분배될 수 있다.

또한, 이 명세서에 설정된 여러 실시예들이 예시적 블록도, 흐름도 및 다른 도면들로 도시되었다. 당업계에 통상의 기술을 가진 자가 이 명세서를 읽고 나면 자명할 바와 같이, 도시된 실시예들과 여러 대체안들은 도시된 예들에 한정되지 않고 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록도와 부대되는 설명은 특정한 구조 또는 구성을 강제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
미세전자기계 시스템(MEMS) 장치의 도전 캔틸레버로서,
제1 및 제2 단부를 가지며, 변곡점을 가지는 굴곡된 중앙 부분과;
상기 중앙 부분의 제1 단부에 결합되는 제1 근부와; 그리고
상기 중앙 부분의 제2 단부에 결합되는 제2 근부를 구비하고,
상기 제1 및 제2 근부들의 각각이 각 분지 접합부에 의해 상기 도전 캔틸레버의 길이에 직교하는 방향으로 상기 중앙 부분에 결합되고, 상기 분지 접합부가 복수의 평행한 보들을 구비하는, MEMS 장치의 도전 캔틸레버.
청구항 7에서,
상기 도전 캔틸레버의 전체 길이가 4.5 내지 7 밀리미터이고, 상기 중앙 부분이 0.012 내지 0.030 밀리미터 폭인
MEMS 장치의 도전 캔틸레버.
삭제
청구항 7에서,
상기 분지 접합부가 2 내지 12개의 보들을 구비하고, 각 보들이 다른 보들에 평행한
MEMS 장치의 도전 캔틸레버.
청구항 7에서,
상기 분지 접합부가 제2 테이퍼 진 단부에 결합되는 제1 테이퍼 진 단부를 구비하고, 상기 분지 접합부의 보들이 도전 캔틸레버의 길이에 직교하는 방향인
MEMS 장치의 도전 캔틸레버.
청구항 7에서,
상기 도전 캔틸레버의 적어도 일부가 전기 신호들을 전달하는 복수의 도전층들과 복수의 절연층들을 구비하는
MEMS 장치의 도전 캔틸레버.
내부 프레임에 결합된 외부 프레임과;
빗 구동 액튜에이터와; 그리고
변곡점을 가지는 굴곡된 중앙 부분과; 상기 빗 구동 액튜에이터의 단부에 결합되는 제1 근부와; 그리고 상기 내부 프레임에 결합되는 제2 근부를 포함하는 도전 캔틸레버를 구비하고,
상기 제1 및 제2 근부들의 각각이 각 분지 접합부에 의해 상기 도전 캔틸레버의 길이에 직교하는 방향으로 상기 중앙 부분에 결합되고, 상기 분지 접합부가 복수의 평행한 보들을 구비하는, MEMS 액튜에이터.
삭제
청구항 13에서,
제2 빗 구동 액튜에이터와; 그리고
변곡점을 가지는 굴곡된 중앙 부분과; 상기 제2 빗 구동 액튜에이터의 단부에 결합되는 제1 근부와; 그리고 상기 내부 프레임에 결합되는 제2 근부를 포함하는 제2 도전 캔틸레버를
더 구비하는 MEMS 액튜에이터.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제