KR20030067666A - 수평 및 수직 열 액츄에이터의 조합체 - Google Patents

수평 및 수직 열 액츄에이터의 조합체 Download PDF

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KR20030067666A
KR20030067666A KR10-2003-7003552A KR20037003552A KR20030067666A KR 20030067666 A KR20030067666 A KR 20030067666A KR 20037003552 A KR20037003552 A KR 20037003552A KR 20030067666 A KR20030067666 A KR 20030067666A
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고에츠더글라스피.
하겐캐시엘.
해멀리마이크이.
스미스로버트지.
세이스실바케이.
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

본 발명은 기판의 표면에서 떨어진 마이크로미터 크기의 광학 장치를 반복적으로 신속하게 이동이 가능한 마이크로미터 크기의 단식 수평 및 수직 열 액츄에이터에 관한 것이다. 수평 및 수직 열 액츄에이터는 기판의 표면상에 구성된다. 적어도 하나의 고온 아암은 표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 갖는다. 저온 아암은 표면에 고정된 제1 단부와 자유 단부를 갖는다. 저온 아암은 표면에 대해 고온 아암으로부터 측방향 오프셋되고 그 위에 위치한다. 저온 아암은 제1 단부 부근에서 제어된 굴곡을 제공하도록 한다. 적어도 고온 아암에 전류가 인가될 때 액츄에이터가 수평 변위 및 수직 변위를 나타내도록 부재는 고온 및 저온 아암의 자유 단부들에 기계적 및 전기적으로 결합된다.

Description

수평 및 수직 열 액츄에이터의 조합체{COMBINATION HORIZONTAL AND VERTICAL THERMAL ACTUATOR}
복합 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 및 마이크로 광학 전자 기계 시스템(MOEMS) 장치를 제조하는 것은 마이크로 기계 장치 기술의 상당한 진보를 의미한다. 현재, 예를 들어 힌지, 셔터, 렌즈, 미러, 스위치, 편광 장치 및 액츄에이터와 같은 다수의 대규모 장치들의 마이크로미터 크기의 아날로그가 제조되어 왔다. 이들 장치들은 예를 들어, 미국 노스 캐롤라이나주의 리서치 트라이앵글 파크 소재의 크로노스 인티그레이티드 마이크로시스템즈사(Cronos Integrated Microsystems)로부터 입수 가능한 다중 사용자 MEMS 프로세싱(MUMPs)을 이용하여 제조될 수 있다. MEMS 및 MOEMS 장치의 응용제품은 예를 들어, 데이터 저장 장치, 레이저 스캐너, 프린터 헤드, 자기 헤드, 마이크로 분광계, 가속도계, 주사-탐침 현미경, 근접장 광학 현미경, 광학 스캐너, 광학 변조기, 마이크로렌즈, 광학 스위치 및 마이크로 로봇을 포함한다.
MEMS 또는 MOEMS 장치를 형성하는 일 방법은 기판 상의 적절한 위치에 장치를 패터닝하는 것을 포함한다. 패터닝됨에 따라, 장치는 기판의 상부에 편평하게 놓여진다. 예를 들어, 힌지 구조의 힌지 플레이트 또는 반사기 장치는 MUMPs 프로세스를 이용하여 일반적으로 기판의 표면과 동일 평면 상에 형성된다. 이들 장치를 이용하는 하나의 문제는 기판의 면 밖으로 이들이 이동해버리는 것이다.
마이크로 기계 장치를 갖는 결합 액츄에이터는 기판의 면 밖으로 이들 장치가 이동하는 것을 허용한다. 정전, 압전, 열 및 자기를 포함하는 다양한 타입의 액츄에이터가 이러한 목적을 위해 이용되었다.
이러한 일 액츄에이터는 코완(Cowan) 등의 "마이크로 광학 전자 기계 시스템용 수직 열 액츄에이터(Vertical Thermal Actuator for Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)", v.3226, SPIE, pp.137-46(1997)에 개시되어 있다. 도1에 도시된 코완 등의 액츄에이터(20)는 열팽창을 일으키도록 저항 가열을 이용한다. 고온 아암(22)은 열팽창이 액츄에이터 팁(26)을 기판(28)의 표면 쪽으로 구동시키도록 외팔보 아암(24)보다 높게 된다. 충분히 높은 전류에서, 액츄에이터 팁(26)의 하향 편향은 기판(28)에 접촉함으로써 정지되고 고온 아암(22)은 상향으로 휘어진다. 구동 전류를 제거하면, 고온 아암(22)은 휘어진 형상을 신속히 "굳어지고(freeze)" 수축되며, 도2에 도시된 바와 같이 액츄에이터 팁(26)을 상향으로 당긴다.
고온 아암(22)의 변형은 영구적이고 액츄에이터 팁(26)은 인가된 전원이 없이도 상향 편향된 상태로 유지되어 후방굴곡 액츄에이터(backbent actuator; 32)를형성한다. 게다가, 구동 전류의 인가는 후방굴곡 액츄에이터(32)가 기판(28)의 표면쪽 방향(30)으로 회전하도록 한다. 도2의 후방굴곡 액츄에이터(32)는 셋업 또는 1회 위치설정 응용 제품에 통상적으로 이용된다. 코완 등에 의해 개시된 액츄에이터는 단일 작동 단계에서 사실상 45도 면 이상으로 힌지 플레이트를 상승시키거나 회전시킬 수 없다는 제한이 있다.
하쉬(Harsh) 등의 IEEE 마이크로파 이론 및 기술 협회의 1999년 제12회 마이크로 전자 기계 시스템 IEEE 국제 회의 기술 요약서 제273면 내지 278면의 "Si기반의 RfMEMS용 플립 칩 조립체(Flip Chip Assembly for Si-Based RfMEMS)"와, 하쉬(Harsh) 등의 80 센서 및 액츄에이터(2000년) 제108면 내지 118면의 "플립 칩 집적 MEMS 조정가능한 콘덴서의 이해 및 설계 고려(The Realization and Design Considerations of a Flip-Chip Integrated MEMS Tunable Capacitor)"와, 펭(Feng) 등의 2000년 사우스 캐롤라이나주 힐튼 헤드 아일랜드의 반도체 센서 및 액츄에이터 워크샵의 제255면 내지 제258면의 "밀리미터파 응용제품용 MEMS 기반의 다양한 콘덴서(MEMS-Based Variable Capacitor for Millimeter-Wave Applications)"는 플립 칩 설계 기반의 다양한 수직 열 액츄에이터들을 개시한다. 표준 해제 에칭 단계 동안, 기부 산화물 층은 부분적으로 용해되고 잔류하는 MEMS 성분은 해제된다. 세라믹 기판은 MEMS 장치의 노출된 표면에 접착되고 기부 폴리실리콘 층은 기부 산화물 층의 에칭이 완료(즉, 플립 칩 프로세스)됨으로써 제거된다. 폴리실리콘 기판이 완전히 제거된 결과물 장치는 콘덴서의 상부 플레이트가 세라믹 기판의 대향 플레이트 쪽으로 하향 방식으로 제어 가능하게 이동하는 콘덴서이다. 이러한 장치는 장치 작동의 최소 간섭으로 폴리실리콘 층의 부유 용량 효과 때문에 폴리실리콘 기판으로부터 제거된다.
실질적으로 45도보다 큰 상승각이 이중 스테이지 액츄에이터 시스템으로 달성 가능하다. 이중 스테이지 액츄에이터 시스템은 통상적으로 수직 열 액츄에이터 및 모터로 구성된다. 수직 열 액츄에이터는 기판에서 떨어진 힌지식 마이크로 기계 장치를 사실상 45도 이하의 최대각으로 상승시킨다. 마이크로 기계 장치의 상승 아암에 연결된 구동 아암을 갖는 모터는 상승을 완료한다. 이러한 하나의 이중 스테이지 조립체 시스템은 레이드(Reid) 등의 반도체 센서 및 액츄에이터의 변환기 97 국제 회의(1997)의 제347면 내지 350면의 "플립업 마이크로미러의 자동화된 조립체(Automated Assembly of Flip-Up Micromirrors)"에 개시되어 있다. 이들 이중 스테이지 액츄에이터는 통상적으로 셋업 또는 1회 위치설정 응용제품에 이용된다.
이중 스테이지 액츄에이터 시스템은 복잡하고 신뢰성을 감소시키고 MEMS 또는 MOEMS 장치를 포함하는 칩의 비용을 증가시킨다. 이로써, 마이크로미터 크기의 수평 및 수직 열 액츄에이터, 즉 반복적이고 신속한 이동이 가능한 기판의 표면에서 떨어진 마이크로미터 크기의 장치가 요구된다.
본 발명은 일반적으로 마이크로 기계 장치에 관한 것이고, 더 상세히는, 기판의 표면에서 떨어진 마이크로미터 크기의 장치를 반복 가능하고 신속하게 이동 가능한 마이크로미터 크기의 수평 및 수직 열 액츄에이터에 관한 것이다.
도1은 종래의 후방굴곡 전의 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도2는 후방굴곡 후의 도1의 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도3은 본 발명에 따른 수평 및 수직 열 액츄에이터의 평면도이다.
도4는 도3의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도5는 도3의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 단면도이다.
도6은 작동 위치에서의 도3의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 단면도이다.
도7은 작동 위치에서의 도3의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도8은 본 발명에 따른 2-비임 수평 및 수직 열 액츄에이터의 평면도이다.
도9는 도8의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 평면도이다.
도10은 도8의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 단면도이다.
도11은 본 발명에 따른 2-비임 수평 및 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도12는 본 발명에 따른 다중 고온 아암을 구비한 수평 및 수직 열 액츄에이터의 평면도이다.
도13은 도12의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 측면도이다.
도14는 도12의 수평 및 수직 열 액츄에이터의 단부면도이다.
도15는 본 발명에 따른 광학 스위치의 개략도이다.
본 발명은 기판의 표면에서 떨어진 마이크로미터 크기의 광학 장치의 반복적이고 신속한 이동이 가능한 마이크로미터 크기의 수평 및 수직 열 액츄에이터를 개시한다.
수평 및 수직 열 액츄에이터는 기판의 표면에 구성된다. 적어도 하나의 고온 아암은 표면에 고정된 제1 단부와 기판 위에 위치한 자유 단부를 갖는다. 저온 아암은 기판의 표면에 고정된 제1 단부와 자유 단부를 갖는다. 저온 아암은 기판의 표면에 대해 고온 아암으로부터 측방향으로 오프셋되고 그 위에 위치한다. 부재는 적어도 고온 아암에 전류가 인가될 때 액츄에이터가 수직 변위 및 수평 변위를 나타내도록 부재가 고온 및 저온 아암의 자유 단부에 기계적 및 전기적으로 결합한다.
만곡부는 적어도 하나의 리세스, 함몰부, 절결부, 홀, 협소 위치, 얇거나 약한 재료, 대체 재료 또는 다른 구조적인 특징 또는 그 위치에서의 굴곡 저항성을 감소시키는 재료의 변경을 포함한다. 일 실시예에서, 고온 아암 및 저온 아암은 전류가 통과하는 회로를 포함한다. 다른 실시예에서, 접지 탭은 고온 아암을 기판에 전기적으로 결합시킨다. 접지 탭을 갖는 일 실시예에서, 저온 아암은 선택적으로 고온 아암으로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
일 실시예에서, 보강 부재가 저온 아암에 형성된다. 보강 부재는 통상적으로 만곡부의 선단으로부터 자유 단부의 선단까지 연장한다. 보강 부재는 저온 아암에 일체식으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 보강 부재는 저온 아암을 따라 종방향으로 연장하는 하나 이상의 리지와 같이 저온 아암으로 따라 종방향으로 연장한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 고온 아암은 표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 각각 갖는 두 개 이상의 고온 아암을 포함한다. 복수개의 고온 아암은 선택적으로 저온 아암과 대칭으로 종방향 오프셋 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 표면상에 구성된 수평 및 수직 열 액츄에이터는 표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 갖는 제1 비임을 포함한다. 제2 비임은 표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 갖는다. 부재는 제1 비임의 자유 단부를 제2 비임의 자유 단부에 전기적 및 기계적으로 결합시킨다. 제3 비임은 표면에 고정된 제1 단부와 부재에 기계적으로 결합된 자유 단부를 갖는다. 제3 비임은 표면에 대해 제1 및 제2 비임으로부터 측방향 오프셋되고 그 위에 위치된다. 제1 및 제2 전기 접점은 제1 및 제2 비임의 제1 단부들과 전기적으로 결합된다. 액츄에이터는 제1 및 제2 비임에 전류가 인가될 때 수직 변위 및 수평 변위를 나타낸다.
복수개의 수평 및 수직 열 액츄에이터가 단일 기판 상에 형성될 수 있다. 적어도 하나의 광학 장치는 수평 및 수직 열 액츄에이터에 기계적으로 결합될 수 있다. 광학 장치는 반사기, 렌즈, 편광기, 도파관, 셔터 또는 차단 구조(occluding structure) 중의 하나를 포함한다. 광학 장치는 광통신 시스템의 일부일 수 있다.
본 발명은 마이크로 기계 장치용 수평 및 수직 열 액츄에이터에 관한 것이다. 마이크로미터 크기의 수평 및 수직 열 액츄에이터는 면의 밖으로 반복적이고 신속한 이동이 가능하다.
본원에서 사용된 "마이크로 기계 장치"는 마이크로미터 크기의 기계, 광학 기계, 전자 기계 또는 광학 전자 기계 장치를 지칭한다. 마이크로 기계 장치를 제조하기 위한 다양한 기술은 미국 노스 캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크 소재의 크로노스 인티그레이티드 마이크로시스템즈사의 다중 사용자 MEMS 프로세스(Multi-User MEMS Process; MUMPs)를 이용할 수 있다. 조립 절차의 설명은 크로노스 인티그레이티드 마이크로시스템즈사로부터 입수 가능한 "MUMPs 설계 편람" 개정판 5.0(2000)에 설명되어 있다.
폴리실리콘 표면 마이크로기계가공은 마이크로 전자 기계 또는 마이크로 기계 장치를 제조하는 집적회로(IC) 산업에 공지된 평면 제조 공정을 적용한다. 폴리실리콘 표면 기계가공용 표준 빌딩-블록(building block) 공정은 저응력 다결정 실리콘(또한 폴리실리콘이라고도 함) 및 희생 재료(예를 들어 실리콘 이산화물 또는 실리콘 글래스)의 교호층의 증착과 사진석판 패터닝이다. 소정의 위치에 희생층을 통해 에칭된 비아(via)는 기판에 고정 지점을 제공하고 폴리실리콘 층들 사이의 기계적 및 전기적인 상호 접속을 제공한다. 장치들의 기능 요소들은 일련의 증착 및 패터닝 프로세스 단계를 이용한 층에 의해 조립된 층이다. 장치 구조가 완료된 후, 실질적으로 폴리실리콘 층을 공격하지 않는 플루오르화수소산(HF)과 같은 선택적 부식제(etchant)를 이용하여 희생 재료를 제거함으로써 이동하도록 해제될 수 있다.
결과물은 전기 상호접속 및/또는 전압 참조면을 제공하는 폴리실리콘의 제1층과, 간단한 외팔보 비임에서 복합 전자 기계 시스템까지의 범위를 갖는 기능 요소를 형성하도록 이용될 수 있는 기계적 폴리실리콘의 부가층으로 구성되는 구조 시스템이다. 전체 구조물은 기판의 평면 내에 위치된다. 본원에서 사용된 용어 "평면 내"는 기판의 표면과 일반적으로 평행한 구성을 지칭하고, 용어 "평면 외"는 기판의 표면에 대해 0도 이상이고 대략 90도까지인 구성을 지칭한다.
층의 두께가 통상적으로 대략 1 내지 2 마이크로미터일 때 기능 요소의 통상의 평면 내 측면 치수는 1 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터의 범위일 수 있다. 전체 프로세스가 표준 IC 제조 기술 기반이기 때문에, 다수의 전체 조립된 장치는 임의의 부품 조립체가 필요없이 실리콘 기판 상에 일괄 제조될 수 있다.
도3 내지 5는 본 발명에 따른 수평 및 수직 열 액츄에이터(50)의 제1 실시예를 도시한다. 본원에서 사용된 "수평 및 수직 열 액츄에이터"는 수평 및 수직 구성요소를 둘 다 포함하는 평면 내 위치 및 평면 외 위치 사이를 반복적으로 이동 가능한 마이크로 기계 장치를 지칭한다. 수평 및 수직 열 액츄에이터(50)는 통상적으로 질화 실리콘층(56)이 증착된 실리콘 웨이퍼(54)를 포함하는 기판(52)의 표면상에 평면 내에 배치된다. 액츄에이터(50)는 질화 실리콘층(56)에 위치한 폴리실리콘의 제1층(60)을 포함한다. 폴리실리콘(62)의 제2층은 제1 및 제2 앵커(64, 66)와 앵커(64, 66)로부터 각각 외팔보식으로 배열된 한 쌍의 비임(68, 70)으로 구성된다.
도3에 도시된 실시예에서, 앵커(64, 66)는 비임(68, 70)으로 전류를 운반하기 위해 기판(52) 상에 형성된 전기 접점(76, 78)을 포함한다. 트레이스(76, 78)는 통상적으로 기판(52)의 에지로 연장한다. 선택적으로, 다양한 전기 접점 장치 및/또는 볼 그리드 어레이(BGA), 랜드 그리드 어레이(LGA), 플라스틱 리드 칩 캐리어(PLCC), 핀 그리드 어레이(PGA), 에지 카드, 소형 아우트 라인 집적 회로(SOIC), 이중 직렬 패키지(DIP), 쿼드 플랫 패키지(QFP), 리드레스 칩 캐리어(LCC), 칩 스케일 패키지(CSP)와 같은 포장 방법이 비임(68, 70)으로 전류를 운반하기 위해 이용될 수 있다.
비임(68, 70)은 전기 회로를 형성하도록 부재(72)에 의해 각각의 자유 단부(71, 73)에서 전기적 및 기계적으로 결합될 수 있다. 비임(68, 70)은 부재(72)가 기판(52) 위에 위치되도록 제1층(60)으로부터 물리적으로 분리된다. 도4에 도시된 비작동 형상에서, 비임(68, 70)은 기판(52)의 표면에 일반적으로 평행하다. 본원에서 사용된 "비작동 형상"은 비임(68), 부재(72) 및 비임(70)에 의해 형성된 회로를 통과하는 전류가 사실상 없는 상태를 지칭한다.
폴리실리콘의 제3 층(80)은 앵커(64, 66)에 인접한 기판(52)에 부착된 앵커(82)로 구성된다. 제3층(80)은 비임(68, 70) 위의 부재(72)에 기계적으로 결합하는 자유 단부(83)를 갖고 앵커(82)로부터 외팔보식으로 된 상부 비임(84)을 형성한다.
도5에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 비임(68, 70)은 기판(52)에 대해 비임(84) 아래에 위치되고 측방향 오프셋된다. 도5는 기판(52)에 수직이고 비임(84)의 중심을 통해 연장하는 축(81)을 도시한다. 비임(68, 70)의 질량 중심은 축(81)을 따라 위치하지 않는다.
비아(88)는 부재(72)에 상부 비임(84)의 자유 단부(83)를 기계적으로 결합시키기 위해 부재(72) 및/또는 자유 단부(83)에 형성된다. 다른 구조물이 부재(72)에 상부 비임(84)을 기계적으로 결합하는데 이용될 수 있다. 상부 비임(84)은 일반적으로 비작동 형상에서 기판(52)의 표면에 평행하다.
도6 및 7은 평면 외 또는 작동 형상의 도3 내지 5의 수평 및 수직 열 액츄에이터(50)를 도시한다. "작동 형상"은 하나 이상의 비임에 전류가 인가되는 것을지칭한다. 도시된 실시예에서, 작동 형상은 비임(68), 부재(72) 및 비임(70)에 의해 형성되는 회로에 전류를 인가하는 것을 포함한다(도3 참조). 비임(68, 70)은 "고온 아암"이고 비임(84)은 저온 아암이다. 본원에서 사용된 "고온 아암" 또는 "고온 아암들"은 전압이 인가될 때 저온 아암(들)보다 고밀도의 전류를 갖는 비임 또는 부재를 지칭한다. "저온 아암" 또는 "저온 아암들"은 전압이 인가될 때 고온 아암보다 더 낮은 전류 밀도를 갖는 비임 또는 부재를 지칭한다. 몇몇 실시예에서, 저온 아암(들)은 전류 밀도가 0이다. 그 결과, 고온 아암들은 저온 아암들보다 큰 열팽창을 갖는다.
전류는 고온 아암(68, 70)을 가열하고 방향(90)으로 길이를 증가시킨다. 고온 아암(68, 70)들이 측방향으로 오프셋되고 저온 아암(84) 아래에 있기 때문에, 방향(90)으로의 팽창은 일반적으로 아암(68, 70, 84)의 질량 중심을 통과하는 축(91)을 따라 저온 아암 [및 부재(72)]의 수평 및 수직 변위를 야기한다. 본원에서 사용된 "수평 및 수직 변위"는 기판에 평행한 성분과 기판에 직각인 성분의 변위를 지칭한다.
수평 변위에 대해, 고온 아암(68, 70)의 팽창은 도6에 도시된 바와 같이 한 저온 아암(84)의 수평 변위(93)가 거리(79)로 기판(52)에 평행하게 한다. 본원에서 사용된 "수평 변위"는 기판의 면에 평행한 변위를 지칭한다. 도6의 단면은 부재(72)에 근접한 곳이고 전체 측면 변위에 가깝다.
수직 변위에 대해, 고온 아암(68, 70)의 팽창은 도7에 도시된 바와 같이 저온 아암(84)이 호(92)의 상향으로 거리(95)만큼 이동하도록 한다. 수직 변위(97)는 기판(52)의 면에 직각이다.
수평 및 수직 변위의 조합은 상승력(94)을 발생시킨다. 저온 아암(84)과 고온 아암(68, 70)의 높이 차이 때문에, 모멘트가 앵커(64, 66)에 인접한 저온 아암(84)에 압력을 가한다. 고온 아암(68, 70)은 쉽게 굴곡되고 저온 아암(84)의 이동(92)에 작은 저항력을 제공한다. 그러나, 저온 아암(84)은 앵커(82)에 고정되어 있고, 완전히 또는 사실상 전류가 고온 아암(68, 70) 및 부재(72)를 형성하는 회로를 통과하도록 전기적으로 절연된다. 도시된 실시예에서, 변위(95)는 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터일 수 있다. 전류가 차단되면, 수평 및 수직 열 액츄에이터(50)는 도4에 도시된 바와 같이 원래의 비작동 형상으로 복귀한다.
대체 실시예에서, 앵커(82) 및 저온 아암(84)은 부재(72)에 전기적으로 결합된다. 고온 아암(68, 70)을 통해 유동하는 전류의 적어도 일부는 저온 아암(84)을 따라 앵커(82)로 유동한다. 고온 아암(68, 70)을 통해 유동하는 전류의 전부가 저온 아암(84)을 통해 수평 및 수직 열 액츄에이터(50)로 빠져나가는 것도 가능하다. 저온 아암(84)의 재료 및 외형은 동일한 전압이 인가될 때에도 고온 아암(68, 70)보다 낮은 전류 밀도를 갖도록 된다. 일 실시예에서, 저온 아암(84)은 고온 아암(68, 70)의 선형 열팽창 계수보다 작은 선형 열팽창 계수를 갖는 재료로 형성된다. 다른 실시예에서, 저온 아암(84)은 큰 단면적을 가짐으로써 낮은 전기 저항성을 갖는다. 적합한 도전체 재료는 알루미늄, 구리, 텅스텐, 금 또는 은, 반도체 및 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리EDOT 및 유도체와 같은 도프 유기 도전 중합체 또는 이들의 조합이다. 따라서, 고온 아암(68, 70)의 순팽창량은 저온 아암(84)의 팽창량보다 크다.
다른 대체 실시예에서, 고온 아암(68, 70)을 통해 유동하는 전류의 전체 또는 일부는 접지 탭(도9 참조)을 통해 기판(52)으로 유동한다. 접지 탭은 열 액츄에이터(50)가 비작동 위치에서 작동 위치로 이동함에 따라 기판(52)의 접점 패드와 전기 접속을 유지한다.
도8 내지 도10은 본 발명에 따라 두 비임(152, 154)을 갖는 수평 및 수직 열 액츄에이터(150)를 도시한다. 저온 아암 또는 비임(152)은 외팔보식으로 앵커(156)로부터 고온 아암 또는 비임(154)의 측면과 기판(158)으로 연장한다. 고온 아암(154)은 부가적으로 앵커(156) 또는 개별 앵커(도11 참조)로부터 연장한다. 비임(152, 154)의 자유 단부(160, 162)는 각각 부재(164)에 기계적 및 전기적으로 결합된다. 보강 부재(166)는 저온 아암(152)의 일부를 따라 선택적으로 연장된다. 만곡부(170)는 앵커(156)에 인접한 저온 아암(152)에 선택적으로 형성된다.
전류가 비임(152, 154) 및 부재(164)에 의해 형성된 회로에 인가될 때, 열 액츄에이터(150)는 비임(152, 154)의 질량 중심을 따라 연장하는 변위 벡터(177)를 따라서 이동한다. 변위 벡터(177)는 수직 요소(174)와 수평 요소(173)를 포함한다. 각각의 요소들의 크기(173, 174)는 저온 아암(152)에 대해 고온 아암(154)의 위치를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 만곡부(170)는 또한 요소(173, 174)의 크기를 어느 정도 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 만곡부는 굴곡에 대해 비대칭 저항을 제공하여, 요소(173, 174) 중 하나의 크기를 증가시킨다.
본원에서 사용된 "보강 부재"는 굴곡에 대한 저항을 증가시키는 하나 이상의리지, 범프, 홈 또는 다른 구조적 특징을 지칭한다. 보강 부재들은 양호하게는 저온 아암(152)과 일체이다. 도시된 실시예에서, 보강 부재(166)는 장방형, 정방형, 삼각형 또는 다른 다양한 형상일 수 있지만, 저온 아암(152)의 일부를 따라 연장하는 곡선으로 이루어진 리지(도10 참조)이다. 부가적으로, 보강 부재(166)는 저온 아암(152)의 중심 또는 그 에지를 따라 위치될 수 있다. 또한, 다중 보강 부재가 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 "만곡부"는 특정 위치에서 제어된 굴곡을 제공하는 리세스, 함몰부, 홀, 슬롯, 절결부, 좁은 위치, 얇거나 약한 재료, 대체 재료 또는 다른 구조적인 특징 또는 재료의 변화를 지칭한다. 본원에서 사용된 "제어된 굴곡"은 수평 및 수직 열 액츄에이터의 비임을 따라 분포된 것보다 불연속 위치에서 주로 일어나는 굴곡을 지칭한다. 만곡부에 사용되기 적합한 대체 재료는 폴리실리콘, 금속 또는 중합체 재료를 포함한다. 도3 및 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 만곡부(87)는 리세스(89)이다. 만곡부(170)는 저온 아암(152)의 가장 약한 부분이지만, 수평 및 수직 열 액츄에이터(150)가 작동하는 동안 가장 굴곡되기 쉬운 위치이다.
만곡부(170)의 강도에 대한 저온 아암(152)의 강도는 수평 및 수직 열 액츄에이터(150)의 제어된 굴곡의 크기(크기 및 방향)를 큰 크기로 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 보강 부재(166)는 만곡부(170)의 조합으로 이용된다. 다른 실시예에서, 보강 부재(166)는 저온 아암(152)의 일부를 따라 연장되지만 만곡부는 사용되지 않는다. 보강 부재(166)가 없는 저온 아암(152)의 일부는 제어된 굴곡 위치이다. 다른 대체 실시예에서, 만곡부(170)가 제어된 굴곡 위치가 되도록 만곡부(170)는 보강 부재(166)가 없는 저온 아암(152)으로 형성된다.
일 실시예에서, 저온 아암(152), 부재(164) 및 고온 아암(154)은 회로를 형성한다. 저온 아암(152)의 재료 및/또는 외형은 전압이 회로에 인가될 때 전술한 바와 같이 고온 아암(154)보다 낮은 전류 밀도를 경험하도록 제어된다.
다른 실시예에서, 접지 탭(163)은 고온 아암(154)을 기판(158)의 접점 패드에 전기적으로 접속시킨다. 접지 탭(163)은 기판(158)과의 전기 커플링이 작동 상태(도9 참조)에서 유지되도록 양호하게는 가요성이거나 또는 스프링 부재이다. 따라서, 낮은 전류가 저온 아암(152)을 통해 유동함으로써(또는 전류가 유동하지 않음으로써) 수평 및 수직 열 액츄에이터(150)의 전체 변위가 증가한다.
도11은 도10에 도시된 바와 같이 일반적으로 고온 아암 또는 비임(184)의 위에 있고 측면에 위치한 저온 아암 또는 비임(182)을 갖는 수평 및 수직 열 액츄에이터(180)의 측면도이다. 저온 아암(182)은 앵커(188)에 의해 기판(186)에 부착된다. 보강 부재(192)는 저온 아암(182)에 선택적으로 위치된다. 만곡부(194)는 앵커(188)에 인접한 저온 아암(182)에 선택적으로 위치된다.
고온 아암(184)은 앵커(190)에 의해 기판(186)에 부착된다. 일 실시예에서, 비임(182, 184)은 부재(193)에 전기적 및 기계적으로 결합한다. 앵커(190)보다 부재(193)로부터 멀리 앵커(188)를 위치시킴으로써, 도11의 수평 및 수직 열 액츄에이터(180)는 방향(194)으로 더 큰 변위가 가능하지만 낮은 상승력을 발생시킨다. 대체 실시예에서, 고온 아암(184)은 도9에 관련하여 설명한 바와 같이 접지 탭에의해 기판에 전기적으로 결합할 수 있다.
도12 내지 14는 본 발명에 따른 수평 및 수직 열 액츄에이터(200)의 다른 실시예를 도시한다. 저온 아암(202)은 기판(204) 위의 앵커(206)로부터 외팔보식으로 되어 있다. 제1 고온 아암 쌍(208, 210)은 저온 아암(202)의 제1 측면을 따라 앵커(212, 214)로부터 각각 외팔보식으로 된다. 제2 고온 아암 쌍(216, 218)은 저온 아암(202)의 제2 측면을 따라 기판(204)의 위로 앵커(220, 222)로부터 각각 외팔보식으로 된다. 아암(202, 208, 210, 216, 218)의 말단부는 부재(224)에 의해 기계적으로 정합된다.
도14에 가장 잘 도시된 바와 같이, 고온 아암(208, 210)은 기판(204)에 대해 저온 아암(202)측으로(또는 측방향 오프셋으로) 아래에 위치된다. 유사하게, 고온 아암(216, 218)은 저온 아암(202)의 타측 아래에 위치된다. 도시된 실시예에서, 고온 아암(208, 210, 216, 218)의 질량 중심은 저온 아암(202)의 중심에 놓여진다. 즉, 복수개의 고온 아암(208, 210, 216, 218)은 측방향 오프셋되지만 저온 아암(202)에 대해 대칭적으로 배열된다.
고온 아암(208, 210, 216, 218)에 전류를 선택적으로 인가함으로써, 액츄에이터(200)는 다양한 방향으로 면의 밖으로 이동하도록 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 고온 아암(208, 210)은 저온 아암(202)이 방향(226)으로 수평 및 수직으로 변위되도록 하는 전기 회로를 형성한다. 다른 실시예에서, 고온 아암(216, 218)은 저온 아암(202)이 방향(228)으로 수평 및 수직으로 변위되도록 하는 전기 회로를 형성한다. 선택적으로, 전기 회로는 저온 아암(202)을 기판(204)에 수직으로 이동시키기 위한 모든 고온 아암(208, 210, 216, 218)에 적용된다. 저온 아암(202)은 또한 전술한 바와 같이 전기 회로의 일부를 형성한다.
도15는 광학 장치(352)의 4 x 4 어레이를 이용한 광학 스위치(350)의 개략도이다. 본원에서 사용된 "광학 장치"는 반사기, 렌즈, 편광 장치, 도파관, 셔터 또는 차단 장치(occlusion device)를 지칭한다. 각각의 광학 장치(352)는 본원에 도시된 하나 이상의 수평 및 수직 열 액츄에이터와 기계적으로 결합한다. 평면 내 위치에서, 광학 장치(352)는 입력 광섬유(354a 내지 354d)의 광 경로 내로 연장하지 않는다. 평면 외 구성에서, 광학 장치(352)는 입력 광섬유(354a 내지 354d)의 광 경로 내로 연장한다. 수직 미러(352)의 어레이는 수평 및 수직 열 액츄에이터의 선택적인 작동을 통해 임의의 출력 섬유(356a 내지 356d)가 광학적으로 결합하는 임의의 입력 섬유(354a 내지 354d)로부터의 광신호를 허용하도록 배열된다. 도15에 도시된 광학 스위치(350)는 단지 도시하기 위한 것이다. 본 수평 및 수직 열 액츄에이터는 온/오프 스위치(광학 게이트), 2 x 2 스위치, 1 x n 스위치 또는 다양한 다른 구조와 같은 임의의 다양한 광학 스위치 구조에 이용될 수 있다. 광학 장치는 광통신 시스템의 일부일 수 있다.

Claims (29)

  1. 기판의 표면상에 구성되는 수평 및 수직 열 액츄에이터이며,
    기판에 고정된 제1 단부와 기판의 위에 위치된 자유 단부를 갖는 적어도 하나의 고온 아암과,
    표면에 고정된 제1 단부와 자유 단부를 갖고 기판에 대해 고온 아암으로부터 측방향 오프셋되고 그 위에 위치된 저온 아암과,
    적어도 하나의 고온 아암에 전류가 인가될 때 액츄에이터가 수직 변위 및 수평 변위를 나타내도록 고온 아암과 저온 아암의 자유 단부에 기계적 및 전기적으로 결합하는 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 제어된 굴곡을 제공하도록 적용된 제1 단부에 인접한 저온 아암에 형성된 만곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 만곡부는 적어도 하나의 리세스, 함몰부, 절결부, 홀, 협소 위치, 얇거나 약한 재료, 대체 재료 또는 다른 구조적 특징 또는 그 위치에서 굴곡 저항성을 감소시키는 재료의 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서, 기판에 고온 아암을 전기적으로 결합시키는 접지 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 저온 아암은 고온 아암으로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고온 아암 및 저온 아암은 전기 회로가 통과하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  7. 제1항에 있어서, 저온 아암에 형성된 보강 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 보강 부재는 저온 아암과 일체식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  9. 제1항에 있어서, 저온 아암을 따라 연장하는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고온 아암은 표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 각각 갖는 두 개 이상의 고온 아암들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고온 아암은 측방향으로 오프셋 배열되고 저온 아암과 대칭인 복수개의 고온 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  12. 제1항에 있어서, 기판 상에 복수개의 수평 및 수직 열 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  13. 제1항에 있어서, 수평 및 수직 열 액츄에이터에 기계적으로 결합하는 적어도 하나의 광학 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광학 장치는 반사기, 렌즈, 편광기, 도파관, 셔터 또는 차단 장치 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  15. 제13항에 있어서, 적어도 하나의 광학 장치를 포함하는 광통신 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  16. 기판의 표면상에 구성된 수평 및 수직 열 액츄에이터이며,
    표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 갖는 제1 비임과,
    표면에 고정된 제1 단부와 표면 위에 위치한 자유 단부를 갖는 제2 비임과,
    제1 비임의 자유 단부를 제2 비임의 자유 단부에 전기적 및 기계적으로 결합하는 부재와,
    표면에 고정된 제1 단부와 상기 부재에 기계적으로 결합된 자유 단부를 갖는 제3 비임과,
    각각 제1 및 제2 비임의 제1 단부들에 전기적으로 결합하는 제1 및 제2 전기 접점을 포함하고,
    상기 제3 비임은 표면에 대해 제1 및 제2 비임으로부터 측방향 오프셋되고 그 위에 위치되고,
    제1 및 제2 비임에 전류가 인가될 때 수직 변위 및 수평 변위를 나타내는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  17. 제16항에 있어서, 제1 단부 선단의 제3 비임에 위치되는 만곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 만곡부는 적어도 하나의 리세스, 함몰부, 절결부, 홀, 협소 위치, 얇거나 약한 재료, 대체 재료 또는 다른 구조적 특징 또는 그 위치에서 굴곡에 대한 저항성을 감소시키는 재료의 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  19. 제16항에 있어서, 기판에 제1 및 제2 비임을 전기적으로 결합시키는 접지 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비임은 전류가 통과하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  21. 제17항에 있어서, 제3 비임에 형성된 보강 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  22. 제16항에 있어서, 제3 비임을 따라 연장하는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  23. 제16항에 있어서, 제1 및 제2 비임이 기판의 표면으로부터 상향으로 굴곡되도록 작동 형상에서 제1 및 제2 전기 접점에 인가되는 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비임의 전류의 적어도 일부는 제3 비임을 통과하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  25. 제16항에 있어서, 상기 제3 비임은 일반적으로 비작동 형상에서 상기 표면에 평행한 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  26. 제16항에 있어서, 기판에 구성된 복수개의 수평 및 수직 열 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  27. 제16항에 있어서, 수평 및 수직 열 액츄에이터에 기계적으로 결합하는 적어도 하나의 광학 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  28. 제27항에 있어서, 상기 광학 장치는 반사기, 렌즈, 편광기, 도파관, 셔터 또는 차단 구조 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
  29. 제27항에 있어서, 적어도 하나의 광학 장치를 포함하는 광통신 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 및 수직 열 액츄에이터.
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