KR20010078306A - 교번하는 작용 부분과 대향 부분의 서펜타인 배치를구비하는 액튜에이터 및, 관련 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로기계 시스템은 기판, 액튜에이터 및, 작용 요소를 구비할 수 있다. 특히, 액튜에이터는 그것의 일 단부에서 기판에 고정된 교번하는 작용 부분 및, 대향 부분의 서펜타인 배치를 구비할 수 있으며, 여기에서 서펜타인 배치의 제 2 단부가 작용 부분의 편향시에 기판에 대하여 움직이도록, 작용 부분은 그것의 작용에 응답하여 편향된다. 작용 요소가 작용 부분의 편향시에 기판에 대하여 움직이도록 작용 요소는 서펜타인 배치의 제 2 단부에 부착된다. 관련된 방법 및, 액튜에이터도 설명된다.

Description

교번하는 작용 부분과 대향 부분의 서펜타인 배치를 구비하는 액튜에이터 및, 관련 방법{Actuators including serpentine arrangements of alternating actuating and opposing segments and related methods}

본 발명은 기계적인 시스템 및, 방법의 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 기계적인 액튜에이터 및, 방법에 관한 것이다.

이중 형태의 마이크로액튜에이터는 예를 들면 엠. 에드워드 모타메디등에 의해 저술된 "마이크로전자기계 광학 스캐너의 발전" 제하의 문헌에 설명되어 있다. (Opt. Eng. 36(5) 1246-1353, 1997년 5 월). 특히, 이중 형태의 마이크로액튜에이터는 마이크로가공된 비임들인데, 상기 비임들의 곡률은 전기 신호를 인가함으로써 제어될 수 있다. 가장 단순한 이중 형태의 액튜에이터는 그것의 개별적인 층들안에 상이한 구조 및, 전기 특성들이 있는 복합 비임이다. 이중 형태 액튜에이터의 행동은, 비임을 구성하는 개별적인 층들의 치수, 밀도, 탄성 계수, 열팽창 계수 및/또는 압전 특성들이다.

단일 결정 실리콘으로 일체화된 광학 마이크로 스캐너내에 이중 형태의 액튜에이터를 사용하는 것은 에스. 칼메스등이 저술한 "공명의 대형 각도와 저소비의 마이크로 가공된 광학 스캐너 (SPIE Vol.3276, 96 -102, 1998)에 참고로서 설명되어 있다. 이러한 참고 문헌에서, 장치는 열적 이중 형태 액튜에이터 비임의 첨단에 위치한 미러를 구비한다. 장치는 그것의 공명 주파수에서전자열기계적으로(electrothermomechanically) 여기되어 적은 전력의 소비로써 커다란 각도상의 편향이 가능하다. 부가적인 이중 형태 액튜에이터 구조는 시-킹 선등이 저술한 "두개 부분의 다중 형태 캔티레버 액튜에이터상에 기초한 이중 안정의 마이크로릴레이"라는 문헌에 설명되어 있다. (IEEE 마이크로 엘렉트로 기계 시스템 회보. 1998 년 154 페이지-159 페이지) 상기 모타메디, 칼메, 및, 선등의 저술들에 개시된 바는 본원에 참고로서 포함된다.

상기에서 설명된 이중 형태의 액튜에이터에도 불구하고, 당해 기술 분야에서는 향상된 액튜에이터와 그것을 형성하는 방법에 대한 필요성이 계속적으로 존재하였다.

도 1은 본 발명에 따른 액튜에이터의 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 제 1 액튜에이터를 작용 상태에서 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 두개의 액튜에이터를 구비하는 마이크로기계 시스템의 평면도이다.

도 4a-d 는 절단선 XX'를 따라서 도 3 의 마이크로기계 시스템을 형성하는 단계를 설명하는 단면도이다.

도 5a-b 는 본 발명에 따른 정전기 클램프와 액튜에이터를 구비하는 마이크로기계 시스템을 도시하는 단면도이다.

도 6 및, 도 7 은 본 발명에 따른 액튜에이터를 구비하는 두개의 부가적인 마이크로기계 시스템을 도시하는 평면도이다.

도 8 은 본 발명에 따른 제 2 액튜에이터를 나타내는 단면도이다.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

123. 작용 부분 125. 대향 부분

151. 기판 153. 작용 요소

323. 제 2 층 325. 제 1 층

본 발명에 따른 액튜에이터는 교번하는 작용 부분 및, 대향 부분을 가지는 서펜타인(serpentine) 배치를 구비할 수 있는데, 여기에서 작용 부분들은 그것의 작용에 응답하여 편향된다. 특히, 작용 부분들은 작용이 일어나는 중에 제 1 방향으로 굽혀지거나 또는 편향될 수 있는 반면에, 대향 부분들은 작용 부분의 방향과 반대의 방향으로 현저하게 편향되지 않거나 또는 편향되지 않는다. 따라서, 대향 부분들은 작용 부분들의 길이를 증가시킴이 없이 액튜에이터의 전체적인 편향을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 보다 큰 편향이 교번하는 작용 부분과 대향 부분을 더 부가시킴으로써 달성될 수 있도록 액튜에이터는 비례적으로 정해질 수 있다. 작용 부분의 방향과 반대하는 방향으로 편향되는 대향 부분을 제공함으로써, 보다 큰 편향이 달성될 수 있다. 이와는 달리, 대향 부분들은 작용 부분과 같은 방향으로 편향될 수 있지만 보다 작은 정도로 이루어진다.

본 발명에 따른 마이크로기계 시스템은 기판, 액튜에이터 및, 작용 요소를 구비할 수 있다. 특히, 액튜에이터는 기판에 대하여 그것의 제 1 단부에서 고정되어 있는 교번의 작용 부분과 대향 부분의 서펜타인 배치를 구비할 수 있는데, 여기에서 작용 부분들은 그것의 작용에 응답하여 편향됨으로써 서펜타인 배치의 제 2 단부가 작용 부분의 편향시에 기판에 대하여 움직인다. 작용 요소는 서펜타인 배치의 제 2 단부에 부착됨으로써, 작용 부분의 편향시에 작용 요소는 기판에 대하여 움직인다.

보다 상세하게는, 각 작용 부분들이 이중 형태의 부분을 구비할 수 있는데, 상기 이중 형태의 부분은 제 1 의 열팽창 계수를 가진 제 1 재료의 제 1 층과, 제 1 의 열팽창 계수와 상이한 제 2 의 열팽창 계수를 가진 제 2 재료의 제 2 층을 구비하여, 작용 부분이 그것의 온도 변화에 응답하여 편향된다. 더욱이, 교번하는 작용 부분과 대향 부분들은 평행한 비임들을 구비할 수 있으며, 그리고 서펜타인 배치의 제 2 단부는 평행한 비임에 직각인 축을 중심으로 회전할 수 있다. 기판은 액튜에이터와의 간섭을 감소시키도록 서펜타인 배치에 근접하여 그 안에 홈을 구비할 수 있다.

또한 시스템은 제 2 의 액튜에이터를 구비할 수도 있는데, 이것은 기판에 대하여 제 1 단부가 고정된 교번하는 작용 부분 및, 대향 부분의 제 2 서펜타인 배치를 구비한다. 제 2 서펜타인 배치의 제 2 단부가 작용 부분의 편향시에 기판에 대하여 움직이도록 제 2 액튜에이터의 작용 부분은 그것의 작용에 응답하여 편향될 수 있으며, 제 2 서펜타인 배치의 제 2 단부는 작용 요소에 부착될 수 있다. 더욱이, 시스템은 각각의 제 1 및, 제 2 액튜에이터의 제 1 및, 제 2 서펜타인 배치의 각각의 제 2 단부들과 신호 발생기 사이에 전기적인 경로를 구비할 수 있다. 신호 발생기에 의해서 발생된 전기적인 신호가 제 1 및, 제 2 서펜타인 배치의 작용 부분을 작용시키도록 신호 발생기는 각각의 제 1 및, 제 2 액튜에이터의 제 1 및, 제 2 서펜타인 배치의 각각의 제 1 단부들 사이에 결합될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 액튜에이터, 시스템, 및, 방법은 마이크로기계 시스템에서 증가된 범위의 회전 및/또는 운동을 제공할 수 있다.

이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 여기에 본 발명의 바람직한 구현예가 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에 설명된 구현예에 제한되어서 해석되어서는 아니된다. 오히려, 이러한 구현예들은 개시된 바가 철저하고 완전하도록 제공되며, 그리고 당해 기술 분야의 당업자들에게 발명의 범위를 완전하게 전달할 것이다. 도면에 있어서, 층과 영역들의 두께는 명확성을 위해서 확장된 것이다. 동일한 번호는 전체를 통해서 동일한 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소의 "위"에 있는 것으로 지칭될때, 이것은 직접적으로 다른 요소의 위일 수 있거나, 또는 개입된 요소가 있을수도 수도 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소의 "직접적으로 위에" 있는 것으로 지칭될때, 개입하는 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 요소가 다른 요소에 "연결"되거나 또는 "결합"된 것으로 지칭될때, 이것은 다른 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 결합될 수 있거나 또는 개입 요소들이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소들이 다른 요소에 "직접적으로 연결"되거나 또는 "직접적으로 결합"된 것으로 지칭될때, 개입 요소들이 존재하지 않는다.

본 발명에 따른 액튜에이터(21)는 도 1 에 도시된 바와 같이 교번하는 작용 부분(23A-D)과 대향 부분(25A-C)의 서펜타인 배치를 구비할 수 있으며, 여기에서 작용 부분(23A-D)은 그것의 작용에 응답하여 편향된다. 본 발명의 특정한 구현예에 따라서, 각 작용 부분(23)은 제 1 의 열팽창 계수를 가지는 제 1 재료의 층과, 제 1 열팽창 계수와 상이한 제 2 의 열팽창 계수를 가지는 제 2 재료의 층을 구비하는 이중 형태의 부분을 구비한다. 따라서 이중 형태 부분의 편향은 그것의 온도를 변화시킴으로써 유도될 수 있다. 이와는 달리 작용 부분을 구성하는 개별적인 층의 치수, 밀도, 탄성 계수, 열팽창 계수 및/또는 압전 특성과 같은 작용 부분에서 사용된 층들의 다른 특성들에 기초하여 작용이 제공될 수 있다.

대조적으로, 대향하는 부분들(25A-C)은 작용 요소(23A-D)의 작용시에 상대적으로 거의 편향되지 않는다. 특정의 구현예에 따르면, 각 작용 부분(23)은 대향하는 단일 형태 부분(25A-C)들이 작용 부분(23A-D)의 작용시에 현저하게 편향하지 않도록 단일 재료의 층을 구비하는 단일 형태의 부분을 구비할 수 있다. 보다 상세하게는, 이중 형태의 작용 부분들이 온도에서의 변화에 응답하여 편향하지 않도록, 상이한 열팽창 계수의 층들을 가진 이중 형태의 작용 부분과, 단일 재료의 층을 가지는 대향하는 단일 형태의 부분들이 가열되는 반면에, 대향하는 단일 형태의 부분들은 온도 변화에 응답하여 현저하게 편향되지 않는다. 다른 구조들이 본 발명의범위내에 있지만, 이중 형태의 작용 부분과 단일 형태의 대향 부분을 구비하는 액튜에이터 구조가 본 발명의 특정한 구현예로서 보다 상세하게 설명될 것이다. 그러나 당해 기술 분야의 업자들은 이것이 설명의 목적으로만 주어진 것이며 여기에 설명된 특정의 예들이 청구 범위에 기재된 발명의 범위를 제한하지 않는다는 점을 이해할 것이다.

도 1 에 도시된 액튜에이터에서, 서펜타인 배치의 제 1 단부(31)가 기판에 대하여 고정되도록 서펜타인 배치의 제 1 단부(31)는 앵커(27)에서 기판(도 2 에 도시됨)에 고정되는 반면에 서펜타인 배치의 제 2 단부(33)는 기판에 대하여 자유롭다. 따라서, 액튜에이터가 도 1 및, 도 2 의 단면도에 도시된 바와 같이 작용할때, 서펜타인 배치의 제 2 단부(33)는 축(35)의 둘레를 원호(37)를 따라서 회전할 수 있다. 도 2 에 있어서, 액튜에이터가 작용하지 않을때, 선(23D)(교번하는 도트와 대쉬로 나타낸 선)은 작용 부분(23A-C)과 대향 부분(25A-C) 뿐만 아니라, 작용 부분(23D)의 위치를 나타낸다. 즉, 액튜에이터가 작용하지 않을때 모든 작용 부분과 대향 부분들은 공통의 평면에 놓여있을 수 있으며, 이러한 공통의 평면은 제 1 단부(33)가 고정되는 기판(51)의 표면에 평행할 수 있다. 더욱이, 홈(53)이 기판(51)내에 제공되어서 작용중에 서펜타인 배치에 대한 간극을 제공할 수 있다.

작용시에 각 작용 부분과 대향 부분의 위치들은 참조 부호 23A'-23D' 및, 25A'-25C' 를 사용하여 도 2 에 설명되었다. 도시된 바와 같이, (실선으로 나타낸) 각 작용 부분(23A'23D')들은 그것의 작용시에 기판으로부터 이탈되게 굽혀지거나 또는 편향되는 반면에, (대쉬 선으로 나타낸) 각 대향 부분(25A'-25C')들은 상대적으로 직선인 방향을 유지한다. 서펜타인 배치에서 상대적으로 직선인 대향 부분을 유지함으로써, 자유 단부(33-33')의 각도 변위는 작용 부분의 길이를 증가시킴이 없이 증가될 수 있다. 즉, 자유 단부(33-33')의 각도 변위는 작용 부분 또는 대향 부분의 길이를 증가시킴이 없이 서펜타인 배치에서의 교번하는 작용 부분과 대향 부분의 수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다.

대조적으로, 유사한 단면의 단일 선형 작용 부분은 그것의 자유 단부에서 유사한 각도상의 변위를 획득하도록 도 1 및, 도 2 의 작용 부분들보다 현저하게 길 필요가 있을 수 있다. 더욱이, 그러한 보다 긴 선형의 작용 부분은 도 1 및, 도 2 의 서펜타인 배치에 의해서 제공되는 바와 같은 자유 단부의 동일한 각도상 변위를 제공하도록 기판(51)에 대하여 자유 단부(33)의 현저하게 큰 측방향 변위를 발생시킬 수 있다. 단일의 선형 액튜에이터와 비교하였을때, 도 1 및, 도 2 의 서펜타인 배치는 액튜에이터에서 소망하는 각도상 변위를 제공할 수 있는데, 상기 액튜에이터는 감소된 길이를 가지는 반면에 또한 소망하는 각도상 변위를 달성하도록 사용된 측방향의 변위를 감소시킨 것이다. 더욱이, 도 1 및, 도 2 의 서펜타인 배치는 그 어떤 길이의 단일한 선형 작용 부분에 의해서 얻어질 수 있는 각도상의 변위를 제공할 수 있다.

이하에 보다 상세하게 설명되는 바로서, 작용 부분(23)은 상이한 열팽창 계수를 가지는 재료의 층을 구비하는 이중 형태의 구조를 사용하여 제공될 수 있는 반면에, 대향 부분들은 단일 재료층을 구비하는 단일 형태 구조를 사용하여 제공될 수 있다. 대향 부분들은 이와는 다르게 다중 층의 부분들에 의해 제공될 수 있어서이하에 보다 상세하게 설명될 특성을 제공한다. 가열시에, 이중 형태의 작용 부분들은 열 팽창 계수의 차이에 기인하여 굽혀지거나 또는 편향되는 반면에, 단일 형태의 대향 부분들은 현저하게 굽혀지거나 또는 편향되지 않는다. 열은 서펜타인 배치를 통해서 전류를 구동시킴으로써 발생되는 것과 같은 주울 열(Joule heating)에 의해서 제공될 수 있다. 따라서 작용은 서펜타인 구조를 통해서 전류를 제어함으로써 제어될 수 있다. 이와는 달리 또는 부가적으로, 가열 요소가 서펜타인 배치에 근접하여 제공될 수 있거나, 그리고/또는 주변 가열이 서펜타인 배치를 작용시킬 수 있도록 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 한쌍의 액튜에이터들과 작용 요소를 구비하는 마이크로전자기계 시스템의 예는 도 3 에 도시되어 있다. 특히, 제 1 액튜에이터는 작용 부분(123A-E)과 대향 부분(125A-D)의 제 1 서펜타인 배치를 구비하는 구비하며, 제 2 액튜에이터는 작용 부분(223A-E)과 대향 부분(225A-D)의 제 2 서펜타인 배치를 구비한다. 제 1 및, 제 2 앵커(127,227)들은 제 1 및, 제 2 의 서펜타인 배치의 각각의 단부를 기판(151)에 고정시킨다. 제 1 및, 제 2 서펜타인 배치의 대향하는 단부들은 미러와 같은 작용 요소(153)로써 결합된다.

작용 부분과 대향 부분의 제 1 및, 제 2 서펜타인 배치들은 작용 요소(153)상의 전기적인 경로(155)를 통해서 전기적으로 결합된다. 전기적인 경로(155)는 작용 요소(153)상에서 분리되어 형성된 도전성 라인일 수 있다. 이와는 달리, 작용 요소 자체가 전기적인 경로(155)를 제공하도록 작용 요소(153)는 도전성 재료로 형성될 수 있다. 따라서, 신호 발생기(157)에 의해서 발생된 전기적인 신호는 작용부분(123A-E)과 대향 부분(125A-D)의 제 1 서펜타인 배치, 전기적인 경로(155) 및, 작용 부분(223A-E)과 대향 부분(225A-D)의 제 2 서펜타인 배치를 통해서 전류를 구동시키도록 사용될 수 있다. 따라서 신호 발생기(157)에 의해서 구동된 전류는 그것의 작용을 이루도록 작용 부분(123A-E 및, 223A-E)을 가열하는데 사용될 수 있다. 특히, 상이한 열팽창 계수를 가진 두개 재료의 층을 구비하는 작용 부분들은 그것을 통해서 전류를 구동시킴으로써 가열될 수 있다.

전류가 작용 부분을 통해서 구동되지 않을때, 작용 부분(123A-E 및,223A-E), 대향 부분(125A-D 및, 225A-D) 및, 작용 요소(153)는 기판(151)의 표면에 평행한 공통의 평면에 놓여있을 수 있다. 작용 부분이 기판으로부터 굽혀지거나 또는 그로부터 이탈되게 편향되도록 작용 요소(153)는 작용 부분을 가열하게끔 작용 부분을 통해서 전류를 구동시킴으로써 기판으로부터 이탈되어 회전될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 대향 부분들은 상대적으로 직선의 방향을 유지함으로써 작용 요소의 회전을 증가시킨다. 작용 부분을 통한 전류를 차단함으로써, 작용 부분들은 냉각되어서 기판에 평행한 비 작용 위치들로 복귀된다.

기판(151)은 작용 부분(123A-E 및, 223A-E)과 대향 부분(125A-E 및, 225A-E)의 서펜타인 배치에 인접하여 그 안에 홈(159)을 구비할 수도 있어서 그것을 위한 간극을 제공한다. 도 2 에 관하여 위에서 설명된 바와 같이, 대향하는 부분들은 기판을 향해서 뒤로 회전할 수 있다. 홈(159)을 제공함으로써, 기판으로부터의 간섭이 감소될 수 있다.

도 4a-d 의 단면도는 도 3 의 시스템을 제조하는 단계를 도시한다. 특히, 실리콘 기판과 같은 반도체 기판(315)이 제공될 수 있으며, 실리콘 질소 층과 같은 마스킹 층(317)이 그 위에 형성될 수 있다. 마스킹 층(317)은 도 4a 에 도시된 바와 같이 패턴화되어서 기판의 부위를 한정하며, 여기에서 홈(159)은 차후에 형성된다. 반도체 기판(315)과 패턴화된 마스킹 층(317)은 도 3 에 도시된 기판(151)을 함께 한정할 수 있다.

도 4a 에 도시된 바와 같이 희생층(319)이 기판상에 형성되어서 마스킹 층(317)을 구비하고 패턴화된다. 특히, 희생층은 작용 부분과 대향 부분의 서펜타인 배치에 대한 앵커를 한정하도록 패턴화될 수 있다. 희생층은 다음에 베이스로서 사용될 수 있으며, 그 위에 작용 부분 및, 대향 부분과 작용 요소들의 서펜타인 배치가 형성된다. 희생층은 이후에 기판으로부터 작용 부분과 대향 부분을 자유롭게 하도록 제거될 수 있다. 희생층을 형성한 이후에, 도전층(323,325)들은 희생층(319)상에 형성되며, 여기에서 도전층들은 (상이한 열팽창 계수와 같은) 상이한 특성을 가지는 것이 바람직스럽다. 예를 들면, 제 1 의 도전층(325)은 2 마이크론 두께인 금의 층일 수 있으며, 제 2 의 도전층(323)은 2 마이크론 두께인 알루미늄의 층일 수 있다.

제 2 도전층(323)은 이후에 패턴화된 도전층(323')을 제공하도록 패턴화되어 도 4b 에 도시된 바와 같이 작용 부분(123A-E 및, 223A-E)의 상부층을 한정한다. 제 2 도전층을 패턴화한 이후에, 제 1 도전층(325)은 패턴화된 도전층(325')을 제공하도록 패턴화되어서 도 4b 에 도시된 바와 같이 대향 부분(123A-E 및, 223A-E), 작용 요소(153) 및, 작용 부분(123A-E 및, 223A-E)의 하부층을 한정한다. 이후에희생층(319)은 제거되어서 도 4c 에 도시된 바와 같이 앵커(227)를 제외하고 기판으로부터 패턴화된 도전층(325')을 자유롭게 한다. 일단 희생층이 제거되면, 홈이 도 4d 에 도시된 바와 같이 마스킹 층(317)에 의해서 노출된 반도체 기판(315)의 부분내에 형성되어서 위에서 설명된 바와 같은 액튜에이터와의 간섭을 감소시킨다.

도 4a-d 와 관련하여 위에서 설명된 단계들은 작용 부분과 대향 부분들의 서펜타인 배치를 제공하도록 사용될 수 있으며, 여기에서 각 작용 부분들은 금의 층 위에 알루미늄의 층을 구비하며, 각 대향 부분들은 단지 금의 층만을 구비한다. 더욱이, 작용 요소는 금의 층을 구비할 수 있다. 금과 알루미늄의 열팽창 계수 사이의 차이는 기판이 가열되었을때 작용 부분이 기판으로부터 굽혀지거나 또는 이탈되게 편향되게끔 한다. 단지 하나의 금의 층을 구비하는 대향 부분들은 가열/냉각되었을때 팽창/접촉될 수 있는 반면에, 대향 부분들은 열팽창/수축 계수의 균일성 때문에 현저하게 굽혀지거나 또는 편향되지 않을 것이다.

한정 요소 모델링이 도 3 에 도시된 구조를 가지는 단일 액튜에이터에 대해서 수행되었다. 특히, 한정 요소 모델링은 2 마이크론의 금위에 2 마이크론의 알루미늄을 쌓아서 만들어진, 5 개의 500 마이크론 길이와 25 마이크론 폭을 가진 비임 요소에 대해서 수행되었다. 사용된 모델은 100°K 온도 변화에 대한 45 도의 회전이 이러한 구조로써 달성될 수 있다는 점을 예측하게 한다.

알루미늄과 금이 상이한 열팽창 계수를 가진 도전성 재료의 예로서 위에서 설명되었지만, 상이한 열팽창 계수를 가진 다른 재료들도 사용될 수 있다. 예를 들면, 다른 금속 및/또는 폴리실리콘이 서펜타인 배치의 부분을 형성하도록 사용된하나 또는 양측의 층들에 대해서 사용될 수 있다. 이와는 달리, 층들중 하나는 전기적으로 절연성일 수 있다. 예를 들면, 제 2 층(323)이 전기적으로 절연성일 수 있는 반면에, 제 1 도전층(325)은 도전성 경로를 제공한다. 분리된 가열 요소 또는 주위 온도 변화들이 작용 부분을 작용시키도록 사용된다면, 부분들을 통해서 전기적으로 도전성인 경로가 필요하지 않을 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 열팽창 이외의 특성들이 본 발명에 따른 작용 부분의 작용을 제공하도록 사용될 수도 있다.

본 발명의 다른 특징은 도 5a 및, 도 5b 에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 작용 요소(53)는 도 5a 에 도시된 기판과 평행한 제 1 위치와 도 5b 에 도시된 기판에 직각인 제 2 위치 사이에서 도 1 및, 도 2 와 관련하여 위에서 설명된 서펜타인 배치를 구비하는 액튜에이터의 제어하에 회전할 수 있다. 도 5a 및, 도 5b 의 구조에서, 정전기 클램프는 액튜에이터에 대한 전력을 차단하는 동안에 도 5b 의 제 2 위치에 작동 요소를 유지하도록 사용될 수 있다.

특히, 액튜에이터는 도 1-4 와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 가열시에 작용 요소(53)를 직각인 위치로 회전시키는 것을 제공한다. 보다 상세하게는, 전류가 액튜에이터를 통해서 유지되는한 작용 요소가 제 2 위치에 유지되도록 액튜에이터는 그것을 통하여 전류를 구동함으로써 가열될 수 있다. 그러나, 만약 작용 요소가 그 어떤 시간의 길이에 대한 제 2 위치에 유지된다면, 과도한 양의 전력이 소모될 수 있다.

따라서, 정전기 클램프는 액튜에이터를 통한 전류를 차단하는 중에 작용 요소를 제 2 위치에 유지시키도록 제공될 수 있다. 특히, 그 위에 유천층(65)을 가지는 클램프 전극(63)이 있는 클램프 포스트(61)를 사용하는 클램프가 제공될 수 있다. 작용 요소가 클램프 전극(63)을 구비하는 클램프 포스트(61)에 접촉할때, 전극(63)과 작용 요소(63) 사이의 전위차는 작용 요소(53)를 정전기적으로 정위치에 클램프시키도록 사용된다. 일단 작용 요소(53)가 클램프되면, 액튜에이터를 통한 전류는 차단될 수 있어서 전력을 절감한다. 정전기 클램프는 작용 요소를 클램프하도록 정전기 전하를 사용하기 때문에, 작용 요소(53)를 작용 위치에 유지하는데 거의 전력이 소모되지 않도록 전류가 클램프가 의해서 거의 소모되지 않거나 전혀 소모되지 않는다. 일단 정전기 클램프가 차단되면, 액튜에이터와 작용 요소는 액튜에이터의 스프링과 같은 특성에 기인하여 기판에 평행한 비-작용 위치로 복귀하게 될 것이다.

도 5a 및, 도 5b 에 도시된 바와 같이, 클램프 포스트(61)는 제 1 기판(51)에 접합된 제 2 기판(67)상에 지지될 수 있다. 이와는 달리, 클램프 포스트는 제 1 기판(51)상에 지지될 수 있으며 따라서 제 2 기판을 접합할 필요성이 배제된다. 다른 대안에 따르면, 정전기 클램프의 전극이 기판(51)에 평행한 도 5a 의 위치에서 작용 요소를 클램프하도록 기판(51)상에 제공될 수 있다. 도 5a 및, 도 5b 의 단면도에서 명백하게 도시되지 않았지만, 도 3 및, 도 4a-d 에서 도시된 것과 유사한 방식으로 두개의 액튜에이터가 작용 요소(53)를 작용시키도록 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

본 발명에 따른 액튜에이터를 구비하는 두가지의 부가적인 시스템의 평면도는 도 6 및, 도 7 에 도시되어 있다. 도 6 의 시스템에 있어서, 작용 부분(423A-D 및, 523A-D)과 대향 부분(425A-C 및, 525A-C)의 서펜타인 배치를 각각 구비하는 한쌍의 액튜에이터가 작용 요소(453)의 반대측상에 제공되어 작용 요소(453)를 통한 축(435)을 중심으로 작용 요소(453)의 회전을 제공한다. 도시된 바와 같이, 앵커(427,527)들은 각 액튜에이터들의 일 단부를 기판(451)에 고정하고, 그리고 기판내의 홈(459)은 액튜에이터와 작용 요소(453)에 대한 간극을 제공한다. 위에서 설명된 바와 같이, 신호 발생기(457)는 액튜에이터 및, 그 사이의 전기 경로(455)를 통해서 전류를 구동함으로써 작용 부분을 가열하는데 사용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 작용 요소가 전기적으로 도전성이거나, 또는 전기 경로(455)가 작용 요소(453)상에 형성된 도전성 라인에 의해서 제공될 수 있다면, 전기 경로(455)는 작용 요소 자체에 의해서 제공될 수 있다.

도 7 의 시스템은 제 1 축(635)을 중심으로 짐벌(753)에 대하여 작용 요소(653)를 회전시키도록 제 1 의 액튜에이터 쌍을 이용하고, 제 2 축(735)을 중심으로 기판(851)에 대하여 짐발(753)을 회전시키도록 제 2 의 액튜에이터 쌍을 이용한다. 도시된 바와 같이, 제 1 의 액튜에이터(600,700)의 쌍은 서펜타인 배치에서 각각의 작용 부분(623A-D,723A-D)과 대향 부분(625A-C, 725A-C)을 구비하고, 제 2 의 액튜에이터(800,900)의 쌍은 서펜타인 배치에서 각각의 작용 부분(823A-D,923A-D)과 대향 부분(825A-C, 925A-C)을 구비한다. 더욱이, 이러한 액튜에이터들은 도 1-4 와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 작동한다. 예를 들면, 신호 발생기(657)는 액튜에이터의 쌍을 통해서 전류를 구동하여 짐벌(853)과 작용 요소(653)를 회전시키도록 사용될 수 있다.

액튜에이터(600,700)들은 작용 요소(653)를 가로질러서 전기적인 경로(655)를 통해 전기적으로 결합될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 작용 요소가 전기적으로 도전성이면 전기적인 경로(655)가 작용 요소에 의해서 제공될 수 있거나, 또는 작용 요소상에 형성된 도전성 라인에 의해서 제공될 수 있다. 액튜에이터(600,700)들은 짐벌에 걸친 전기적인 경로(755,757)를 통하여 그리고 도전성의 스트랩(761,763)을 통하여 신호 발생기(657)에 각각 결합될 수 있어서 짐벌(853)로부터 신호 발생기(657)로의 전기적인 결합을 제공한다. 전기적인 경로(755,757)들은 짐벌이 도전성 재료로 형성된다면 짐벌의 부분으로서 제공될 수 있거나, 또는 전기적인 경로(755,757)들이 짐벌(853)상에 형성된 도전성 라인으로서 제공될 수 있다. 도전성 스트랩(761,763)들은 짐벌(853)의 회전을 현저하게 감소시키지 않으면서 전기적인 결합을 제공하도록 유연성이 있는 것이 바람직스럽다. 보다 상세하게는, 도전성 스트랩들은 일 단부에서 기판에 대하여 앵커(727,729)에서 그리고 짐벌에서의 대향하는 단부에서 각각 고정되며, 도전성 스트랩들은 홈(659)에서 그 사이에 걸쳐있다. 도시된 바와 같이, 도전성 스트랩들은 그것의 유연성을 더욱 증가시키도록 서펜타인 형상을 가질수도 있다.

액튜에이터(800,900)들은 짐벌(853)을 가로질러서 전기적인 경로(855)를 통하여 전기적으로 결합된다. 전기적인 경로(855)는 짐벌이 전기적으로 도전성일 경우에 제공될 수 있거나, 또는 전기적인 경로(855)가 짐벌상에 형성된 도전성 라인에 의해서 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 액튜에이터(800,900)들은앵커(827,927)를 사용하여 기판에 고정될 수 있고, 그리고 신호 발생기(657)와의 전기적인 결합이 각각의 앵커(827,927)들을 통해서 제공될 수 있다.

위에서 설명된 예에서, 작용 부분들은 각각 편향되거나 또는 굽혀져서 축을 중심으로 하는 회전을 제공하며, 상기 축을 중심으로 작용 요소가 회전된다. 반면에, 대향 부분들은 편향되지 않거나 굽혀지지 않음으로써 회전을 증폭하지 않는다. 즉, 대향 부분들은 교번하는 작용 부분과 대향 부분들의 서펜타인 배치에 기인하여 액튜에이터의 회전 증폭을 제공한다. 작용 부분들이 굽혀지거나 또는 편향되는 방향에 반대인 방향으로 대향 부분들이 굽혀지거나 또는 편향된다면 회전의 증폭이 더 제공될 수 있다. 이러한 환경에서, 대향 부분들은 작용 요소의 방향과 반대인 방향으로 굽혀지거나 또는 편향된다는 의미에서, 대향 부분들이 비-작용으로서 고려될 수 있다. 따라서, 대향 부분이라는 용어는 서펜타인 액튜에이터의 작용시에 굽혀지거나 또는 편향되지 않는 부분, 서펜타인 액튜에이터의 작용시에 작용 부분의 방향과 반대인 방향으로 굽혀지거나 또는 편향되는 부분, 및, 작용 부분의 같은 방향으로 굽혀지지잠 보다 덜한 정도로 굽혀지는 부분을 구비한다.

도 8 은 기판(51")으로부터 이탈되는 방향으로 굽혀지거나 또는 편향되는 작용 부분(23A"-23D")과, 제 1 방향에 반대로 기판을 향하는 제 2 방향으로 굽혀지거나 또는 편향되는 대향 부분(25A"-C")의 서펜타인 배치를 구비하는 액튜에이터의 예이다. 이러한 작동은, 가열이 기판으로부터 이탈되는 편향 또는 굽힘을 초래하도록 작용 부분(23A"-23D")이 이중 형태의 구조를 가지고, 그리고 가열이 기판을 향하는 편향 또는 굽힘을 초래하도록 대향 부분(25A"-25C")이 이중 구조를 가지는 구조에 의해서 제공된다. 즉, 작용 부분은 제 1 및, 제 2 층을 구비할 수 있는데, 여기에서 기판에 근접한 제 1 층은 기판에 반대인 제 2 층보다 큰 열팽창 계수를 가지고, 대향 부분은 제 3 및, 제 4 층을 구비할 수 있는데, 기판에 근접한 제 3 층은 기판에 반대인 제 4 층보다 낮은 열팽창 계수를 가진다. 예를 들면, 제 1 및, 제 4 층들은 금과 같은 공통의 재료를 구비할 수 있고, 제 2 및, 제 3 층들은 알루미늄과 같은 공통의 재료를 구비할 수 있다. 더욱이, 3 번의 증착 및, 패턴화 단계가 작용 부분과 대향 부분을 형성하는데 사용될 수 있도록 제 2 및, 제 3 층들은 알루미늄의 공통적인 층으로부터 패턴화될 수 있다.

따라서 도 8 의 액튜에이터는 도 1 에 도시된 작용 부분과 대향 부분의 서펜타인 배치를 가지는데, 여기에서 대향 부분들은 작용 부분의 방향과 반대인 방향으로 편향되거나 또는 굽혀진다. 도 8 의 단면도는 도 2 의 자유 단부(33')와 비교하였을때 자유 단부(33")의 회전 증가를 나타낸다. 이전에 설명된 액튜에이터에서와 같이, 도 8 의 액튜에이터는 작용되지 않을때 기판에 실질적으로 평행한 휴지 위치를 취하도록 디자인될 수 있다.

위에서 설명된 예들은 본 발명에 따른 시스템들이 스캐너와 같은 적용예에 대하여 마이크로기계 미러를 작용시키는데 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따른 액튜에이터는 감쇄기, 셔터 및, 상호 연결 스위치등과 같은 다른 광학 소자에서 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 액튜에이터들은 가변 캐패시터, 가변 인덕터, 스위치, 릴레이 또는 밸브와 같은 다른 적용예에서 사용될 수도 있다.

도면과 명세서에서, 전형적인 본 발명의 바람직한 구현예가 개시되었으며, 비록 특정의 용어가 채용되었을지라도, 이들은 단지 포괄적이고 서술적인 의미로서만 사용된 것이며 한정의 목적으로 사용되지 않은 것이며, 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위에 의해서 설정될 것이다.

본 발명은 마이크로전자 기계등에서 효과적이고 정밀도가 높은 액튜에이터를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 작용 부분이 그것의 작용에 응답하여 편향되는, 교번하는 작용 부분(123)과 대향 부분(125)의 서펜타인 배치를 특징으로 하는 액튜에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   각 작용 부분(123)은, 상기 작용 부분(123)이 그것의 온도 변화에 응답하여 편향되도록, 제 1 의 열팽창 계수를 가지는 제 1 재료의 제 1 층(325)과, 제 1 의 열팽창 계수와 상이한 제 2 의 열팽창 계수를 가지는 제 2 재료의 제 2 층(323)을 구비한 이중 형태의 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 액튜에이터.
3. 제 1 항에 있어서,

   기판(151)에 고정된 서펜타인 배치의 제 1 단부를 가지는 기판을 구비하며, 여기에서 서펜타인 배치의 제 2 단부는 작용 요소(123)의 편향시에 기판(151)에 대하여 움직이는 것을 특징으로 하는 액튜에이터.
4. 제 3 항에 있어서,

   작용 요소(153)가 작용 부분의 편향시에 기판에 대하여 움직이도록 서펜타인 배치의 제 2 단부에 부착된 작용 요소(153)를 특징으로 하는 액튜에이터.
5. 제 3 항에 있어서,

   서펜타인 배치에 근접하여 그 안에 홈(159)을 구비하는 기판(151)을 특징으로 하는 액튜에이터.
6. 기판(151)에 대하여 제 1 단부에서 고정되어 있는, 교번하는 작용 부분(123)과 대향 부분(125)의 서펜타인 배치를 형성하는 단계를 구비하고, 서펜타인 배치의 제 2 단부가 작용 부분(123)의 편향시에 기판(151)에 대하여 움직이도록 작용 부분(123)이 그것의 작용에 응답하여 편향되는 것을 특징으로 하는 기판(151)상에 액튜에이터를 형성하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   서펜타인 배치를 형성하는 단계는,

   기판상에 앵커(127)를 형성하는 단계,

   기판상에 희생층(319)을 형성하는 단계,

   제 1 단부가 앵커(127)에 부착된 상태로 희생층(319)상에 교번하는 작용 부분(123)과 대향 부분(125)의 서펜타인 배치를 형성하는 단계 및,

   서펜타인 배치를 형성한 이후에, 희생층을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   작용 부분(123)이 그것의 온도 변화에 응답하여 편향되도록, 각 작용 부분(123)은 제 1 의 열팽창 계수를 가지는 제 1 재료의 제 1 층(325) 및, 제 1 의 열팽창 계수와 상이한 제 2 의 열팽창 계수를 가지는 제 2 재료의 제 2 층(323)을 구비한 이중 형태의 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   작용 요소(153)는 작용 부분(123)의 편향시에 기판에 대하여 움직이도록 서펜타인 배치의 제 2 단부에 부착된 작용 요소(153)를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    서펜타인 배치에 근접하여 기판(151)내에 홈(159)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.