KR20040057002A - MEMS Optical Switch using bimorp actuator with lever for displacement amplification And Method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A MEMS type optical switch using a bimorph actuator and a displacement extension lever, and a fabricating method thereof are provided to improve the performance such as stability and extensibility by using the bimorph actuator and the displacement extension lever. CONSTITUTION: A MEMS type optical switch using a bimorph actuator and a displacement extension lever includes an actuator, a displacement extension lever, and a reflector. The actuator includes a pad, a heating bar, and a cooling bar. The heating bar and the cooling bar are connected to the pad. The displacement extension lever is connected to one end of the actuator in order to extend the rotatory power of the actuator to the displacement by using the electric potential difference between the heating bar and the cooling bar. The reflector is connected to the displacement extension lever in order to reflect an optical signal.

Description

바이몰프 액츄에이터와 변위확대 레버를 이용한 멤즈형 광 스위치 및 그 제조방법{MEMS Optical Switch using bimorp actuator with lever for displacement amplification And Method thereof}MEMS Optical Switch using bimorp actuator with lever for displacement amplification And Method

본 발명은 멤즈형 광 스위치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반조체 제조공정 기술을 이용하여 반도체 재료인 반도체 재료인 실리콘의 두께를 서로 다르게 형성한 가열바와 냉각바를 갖는 바이몰프형 액츄에이터와 변위 확대 레버(lever)를 이용하여 표면 마이크로머시닝 방법으로 제작된 저전압 구동의 멤즈형 광 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS type optical switch and a method of manufacturing the same. More specifically, a bimorph actuator having a heating bar and a cooling bar having different thicknesses of silicon, a semiconductor material, which is a semiconductor material using a semi-fabric manufacturing process technology. And a low voltage drive MEMs type optical switch manufactured by surface micromachining method using a displacement magnification lever, and a manufacturing method thereof.

정보사회에서 소비자들의 인터넷 트래픽, 대용량 정보교환, 멀티미디어 서비스에 대한 요구를 충족시키기 위한 대용량 광통신 시스템에 있어서 광신호의 전송 방향을 바꾸기 위한 광 스위치가 반드시 필요하다.In a large-capacity optical communication system to meet consumer's demand for Internet traffic, large-capacity information exchange, and multimedia services in the information society, an optical switch is necessary to change the direction of transmission of optical signals.

이와 같은 광 전송의 방향을 바꾸어 주는 광 스위치는 보통 입력(m개)과 출력(n개)의 개수로 정의되고 광통신 시스템의 필수부품으로 고속, 고성능의 정보전달을 가능하게 한다.The optical switch that changes the direction of the optical transmission is usually defined by the number of inputs (m) and outputs (n) and is an essential part of the optical communication system, and enables high-speed and high-performance information transmission.

광 스위치 분야의 종래의 기술을 살펴보면, 미국 General Electric 사의 특허(미국 5,208,880)는 여러번 굴곡된 스프링 중앙에 거울이 붙어 있는 구조로서, 이를 압전형(piezoelectric) 액츄에이터로 구동함으로써 m x n의 매트릭스 형태로 광경로를 바꿀 수 있다는 특징이 있다. 이 구조는 낮은 전압으로 긴 구동거리를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 거울의 위치 제어(position control)의 정밀도가 떨어 질 수 있다는 단점이 있다.Looking at the prior art in the field of optical switches, the patent of US General Electric (US 5,208,880) is a structure in which a mirror is attached to the center of a spring which is bent several times, which is driven by a piezoelectric actuator to form an optical path in the form of an mxn matrix. It can be changed. This structure has the advantage that a long driving distance can be obtained at a low voltage, but a disadvantage is that the precision of position control of the mirror may be reduced.

프랑스의 Alcatel의 특허(미국 4,759,597)에서는 시소(seesaw) 형태의 구조물에 광섬유를 붙이고, 시소가 어느 한쪽에 머무는 위치에 맞추어 광섬유 2개를 각각 배치하면, 위 특허와 마찬가지로 1x2의 광 스위칭 기능을 가지게 된다. 이 구조는 어느 한 상태에서 광섬유의 정렬 정밀도는 우수하나, 1x2로 제한되어 확장성 (scaleable) 문제가 있다.In the French patent of Alcatel (US 4,759,597), the optical fiber is attached to a seesaw-shaped structure, and two optical fibers are placed at the position where the seesaw stays on either side. do. This structure is excellent in the alignment accuracy of the optical fiber in one state, but is limited to 1x2, there is a scalable problem.

한편 발표된 논문을 살펴보면 AT&T (IEEE, Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 4, pp. 525-527, April 1988)에서는 실리콘 표면에 만들어진 거울면을 SDA (Scratched Drive Actuator)를 이용하여 수직으로 세움으로써 광경로를 변환하고 있다. 그러나 이 방법은 100볼트, 500MHz의 구동전압이 별도로 필요하며, 또한 심각한 마모(wear)와 함께 거울의 위치오차가 광경로에 영향을 주는 구조이기 때문에 정확한 위치제어를 위한 피드백(feedback) 제어가 필요하다. 미시간 대학(J. MEMS, vol. 7 , no. 2, pp. 207-213, Dec 1998)에서 발표한 것으로, 평면적으로 만들어진 액츄에이터에 수직 거울을 부착한 광스위치 구조를 구현하였으나, 이것은 OFF 상태에서도 50볼트 이상의 구동전압을 인가하여야 한다.Meanwhile, in the published paper, AT & T (IEEE, Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 4, pp. 525-527, April 1988) used a SDA (Scratched Drive Actuator) to mirror the mirror surface made on the silicon surface. It is transforming the optical path by building. However, this method requires a driving voltage of 100 volts and 500 MHz, and also requires feedback control for accurate position control because it is a structure in which the position error of the mirror affects the optical path with serious wear. Do. Presented at the University of Michigan (J. MEMS, vol. 7, no. 2, pp. 207-213, Dec 1998), it implements an optical switch structure with a vertical mirror attached to a planar actuator. A driving voltage of at least 50 volts shall be applied.

이상과 같이 종래의 기술을 검토해 볼 때, 종래 기술은 위치정밀도, 전력소모, 양산성 등에서 개선의 여지가 있음을 알 수 있다.Considering the prior art as described above, it can be seen that the prior art has room for improvement in positional accuracy, power consumption, mass productivity, and the like.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 반도체 재료인 실리콘의 형상을 두껍게 얇게 한 바이몰프형 액츄에이터와 변위 확대 레버(lever)를 이용하여 표면 마이크로머시닝 (surface micromachining) 방법으로 제작된 저전압 구동의 멤즈형 광 스위치를 제공하는데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is surface micromachining by using a bimorph actuator and a displacement magnification lever, in which the shape of silicon, which is a semiconductor material, is made thin in order to solve the problems of the prior art. To provide a low voltage MEMs type optical switch manufactured by micromachining method.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 바이몰프형 엑츄에이터의 전체 개념도이다.1 is an overall conceptual diagram of a bimorph actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ'를 자른 단면을 도시한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross section taken along the line II ′ of FIG. 1A.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 바이몰프형 액츄에이터와 변위확대 레버의 구성도이다.3 is a configuration diagram of a bimorph actuator and a displacement expanding lever according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 엑츄에이터의 구동특성에 대한 ANSYS 해석결과에 따라서 인가전압에 따른 최대 변위확대의 관계를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the relationship of the maximum displacement expansion according to the applied voltage according to the ANSYS analysis results of the drive characteristics of the actuator of the present invention.

도 5는 도 3의 바이몰프형 엑츄에이터에 60V 인가시 변위확대가 약 400um 까지 가능한 해석결과를 나타내는 실제 모의 실험결과 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing an actual simulation result showing an analysis result in which displacement may be increased to about 400 μm when 60 V is applied to the bimorph actuator of FIG. 3.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 광 스위치를 제작하기 위한 단위 구조체의 구성도이다.6 is a block diagram of a unit structure for manufacturing an optical switch according to a preferred embodiment of the present invention.

도 7은 도 6의 단위구조체들이 어레이된 멤즈형 광 스위치의 레이아웃이다.FIG. 7 is a layout of a MEMs type optical switch in which the unit structures of FIG. 6 are arrayed.

도 8a 내지 도 8l은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 멤즈형 광스위치를 제작 공정 흐름도이다.8A to 8L are flowcharts illustrating a process of manufacturing a MEMs type optical switch according to a preferred embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 광 스위치 제작을 위한 리가공정으로 PMMA 반사미러를 제작한 실험예를 도시한 SEM 사진이다.FIG. 9 is an SEM photograph showing an experimental example in which a PMMA reflection mirror was manufactured by a Liga process for fabricating an optical switch of the present invention.

도 10a, 도 10b 및 도 10c는 PMMA 반사미러의 제작과정에서 각각 기상식각 GPE 공정 후, 6:1 BHF 습식식각 후, 및 식각 공정전 PMMA 반사미러의 강제 제거후 SEM 사진들이다.10A, 10B and 10C are SEM images after the gaseous etching GPE process, the 6: 1 BHF wet etching, and the forced removal of the PMMA reflecting mirror before the etching process, respectively, in the manufacturing process of the PMMA reflecting mirror.

도 11a 및 11b는 이빔 이베포레이터(E-beam evaporation)로 PMMA 시트의 Cr 위에 금(gold)을 증착하여 반사 거울면이 형성된 상황을 도시한 도면이다.11A and 11B illustrate a situation in which a reflective mirror surface is formed by depositing gold on Cr of a PMMA sheet by E-beam evaporation.

도 12는 제작된 PMMA 반사미러에서 광이 완전히 반사되는지를 확인하기 위하여 반사율 실험을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.12 is a graph illustrating a result of performing a reflectance experiment to confirm whether the light is completely reflected in the manufactured PMMA reflector.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일측면은 광신호를 스위칭하기 위하여, 액츄에이터, 변위확대 레버 및 반사 미러를 포함하여 구성된 멤즈형 광 스위치에 있어서, 패드, 패드에 각각 연결되어 있으며, 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분을 포함하고 소정 거리 이격된 가열바 및 냉각바를 구비하는 액츄에이터와, 엑츄에이터의 일단에 연결되며, 상기 패드를 통하여 인가된 상기 가열바와 냉각바에 전위차에 의하여 상기 액츄에이터에 발생한 회전력을 변위로 확대하기 위한 변위확대 레버와, 변위 확대 레버의 변위 변화에 따라서, 상기 변위 확대 레버에 연결되어 광신호를 반사할 수 있도록 구성된 반사 미러를 포함하는 멤즈형 광 스위치를 제공한다.In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention is a MEM type optical switch including an actuator, a displacement expanding lever, and a reflecting mirror to switch an optical signal, each connected to a pad and a pad, and different from each other. An actuator including a portion having a width and having a heating bar and a cooling bar spaced a predetermined distance from the actuator, and connected to one end of the actuator, and the rotational force generated by the actuator by a potential difference between the heating bar and the cooling bar applied through the pad. According to an aspect of the present invention, there is provided a MEM type optical switch including a displacement expanding lever for expanding with a displacement, and a reflection mirror connected to the displacement expanding lever and configured to reflect an optical signal according to a displacement change of the displacement expanding lever.

가열바 및 냉각바의 높이는 5um 이상이며, 각 바들 간의 간격은 5um일 수 있으며, 냉각바의 상기 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분은 상기 가열바의 길이 보다 적어도 1/2이며, 넓은 폭은 15um 이상인 것이 바람직하다. (40V는 특별한 의미가 없음)The height of the heating bar and the cooling bar is 5um or more, and the spacing between each bar may be 5um, and the portions having the different width thickness of the cooling bar are at least 1/2 the length of the heating bar, and the wide width is 15um It is preferable that it is above. (40V has no special meaning)

또한, 방사광을 이용한 마이크로머시닝 기술인 리가(LIGA)로 제작된 PMMA 반사미러를 형성한다. PMMA 반사미러 면에는 알루미늄, 금 또는 니켈로 코팅되어 있을 수 있다.In addition, a PMMA reflecting mirror manufactured by LIGA, a micromachining technique using radiant light, is formed. The surface of the PMMA reflector may be coated with aluminum, gold or nickel.

본 발명의 다른 일측면은 기판 상의 절연층 상에 포토레지스트를 코팅하여 소정 영역에 잔류시키고 금속전극을 형성하는 단계와, 금속 전극 상에 도핑된 폴리 실리콘층을 형성하는 단계와, 소정의 마스크로 리엑티브 이온 식각(RIE)하여 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분을 포함하고 소정 거리 이격된 가열바 및 냉각바를 구비하는 액츄에이터와 상기 엑츄에이터의 일단에 연결되며, 상기 패드를 통하여 인가된 상기 가열바와 냉각바에 전위차에 의하여 상기 액츄에이터에 발생한 회전력을 변위로 확대하기 위한 변위 확대 레버를 형성하는 단계와, 전체 구조상에 리가공정으로 PMMA 반사미러를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 PMMA 반사 미러는, 상기 변위 확대 레버의 변위 변화에 따라서 상기 변위 확대 레버에 연결되어 광신호를 반사할 수 있도록 구성되는 멤즈형 광 스위치의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of coating a photoresist on an insulating layer on a substrate to form a metal electrode on a predetermined region, forming a doped polysilicon layer on the metal electrode, and a predetermined mask. Reactive ion etching (RIE) is connected to one end of the actuator and the actuator having a heating bar and a cooling bar spaced apart from each other by a predetermined distance, and the heating bar applied through the pad and cooling Forming a displacement expanding lever for expanding the rotational force generated in the actuator by displacement with a potential difference in a bar, and forming a PMMA reflecting mirror in a Liga process on the entire structure, wherein the PMMA reflecting mirror includes: expanding the displacement Connected to the displacement expansion lever according to the displacement of the lever is configured to reflect the optical signal Provides a method for manufacturing a membrane jeuhyeong optical switch.

또한, PMMA 반사미러의 제작은, 액상 PMMA로 코팅을 하여 굳히는 단차를 줄이기 위해 평탄화하는 단계와, 전기도금을 하기 위해 얇은 금속막을 증착하는 단계와, 접착제를 소정 두께로 형성한 후, 상기 반사미러 높이에 해당하는 높이를 갖는 PMMA 시트를 입히는 단계와, X-선 마스크를 기판과 정렬시킨 후 원하는 시간 만큼 방사광을 노광하고 현상을 하여 PMMA를 제거하는 단계와, 전기도금 공정을 통하여 금속으로 마이크로 미러와 패드를 형성하고 현상하는 단계를 포함한다.In addition, the manufacture of the PMMA reflector, the step of flattening to reduce the step of the solidified by coating with liquid PMMA, the step of depositing a thin metal film for electroplating, and after forming the adhesive to a predetermined thickness, the reflecting mirror Coating a PMMA sheet having a height corresponding to the height, aligning the X-ray mask with the substrate, exposing the radiated light for a desired time, and developing the PMMA to remove PMMA; And forming and developing pads.

바람직하게는, 반사 미러의 거울면은 50nm 두께의 크롬(Cr)위에 2.5um 두께의 금을 증착가능하다.Preferably, the mirror surface of the reflective mirror is capable of depositing 2.5 μm thick gold on 50 nm thick chromium (Cr).

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멤즈형 광 스위칭 및 그 제조방법을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, a MEM type optical switching according to a preferred embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail. However, embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in the following. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 바이몰프형 엑츄에이터를 설명한다.Hereinafter, a bimorph actuator according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 바이몰프형 엑츄에이터의 전체 개념도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'를 자른 단면을 도시한 단면도이다.1 is an overall conceptual view of a bimorph actuator, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross section taken along line II ′ of FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 바이몰프형 엑츄에이터는 절연막인 실리콘 산화막(12) 위에 있는 2개의 패드(10,11), 가열바(16) 및 냉각바(14)를 포함하여구성된다. 동일한 재료의 형상을 두껍게한 냉각바(14)와 얇게 한 가열바(16)가 연결되어 있다. 동일 재료의 바이몰프형 액츄에이터 대신에 다른 재질로 구성할 수 있음은 당연하다. 냉각바(14)는 B, C 부분으로 나누어져 구성되어 있으며, B부분은 가열바(16)의 A영역의 두께와 비슷하고, C부분은 가열바(16)의 A영역의 두께 보다 크게 구성되어 있다. 따라서 패드(10,12)에 전위차를 인가하여 전류를 흘리면 단면적이 작은 가열바(16)의 저항(resistance)이 크기 때문에 열이 발생하게 되어 열팽창(thermal expansion)이 상대적으로 커지기 때문에 단면적이 넓은 냉각바(14) 쪽으로 막대기가 휘어지는 회전력이 발생하게 된다. 이러한 회전력을 변위확대 레버(18)로 확대하면 대변위를 얻을 수 있는 뿐만 아니라 낮은 구동 전압에서도 큰 힘(force) 를 얻을 수 있다.1 and 2, the bimorph actuator includes two pads 10 and 11, a heating bar 16, and a cooling bar 14 on the silicon oxide film 12 as an insulating film. The cooling bar 14 which thickened the shape of the same material and the heating bar 16 which was thinned are connected. Naturally, it can be composed of different materials instead of bimorph actuators of the same material. The cooling bar 14 is divided into B and C portions, and the B portion is similar to the thickness of the A region of the heating bar 16, and the C portion is larger than the thickness of the A region of the heating bar 16. It is. Therefore, when a current is applied by applying a potential difference to the pads 10 and 12, heat is generated because the resistance of the heating bar 16 having a small cross-sectional area is large, and thus thermal expansion is relatively large. The rotating force of bending the bar toward the bar 14 is generated. If the rotational force is enlarged with the displacement expanding lever 18, not only large displacement can be obtained but also large force can be obtained even at a low driving voltage.

열효과(thermal effect)에 의한 바이몰프 엑츄에이터의 팁 변위(tip displacement)는 다음과 같은 식(1)로 표시가능하다.The tip displacement of the bimorph actuator due to the thermal effect can be expressed by the following equation (1).

Dx = a DTBCl2/ [g(0.7707+0.38129 t2/g2)] (1)Dx = a DT BC l 2 / [g (0.7707 + 0.38129 t 2 / g 2 )] (1)

여기서, a는 열팽창계수(thermal coefficient of expansion), 가열바(B, C)간의 온도차는 DTBC, 길이는 l이고, 가열바와 냉각바의 중심축간 거리는 g, 냉각바의 두께는 t이다(도 2 참조).Here, a is the thermal coefficient of expansion, the temperature difference between the heating bars (B, C) is DT BC , the length is l, the distance between the center axis of the heating bar and the cooling bar is g, the thickness of the cooling bar is t (Fig. 2).

다음으로, 도 3을 참조하여 바이몰프형 액츄에이터와 변위확대 레버(18)의 구성을 설명한다. 2개의 패드(10,11)에 일정한 전위차를 주어 발생하는 가열바(16)와 냉각바(14) 사이의 온도차에 비례하고 길이의 제곱에 비례하여 변위가 늘어나면서 반대편에 있는 앵커(anchor)(20)에 붙어 있는 변위 확대 레버(18)를 회전력으로 밀고 변위 확대 레버(18)에 의해 변위를 확대시키는 것이 기본 구동 원리이다.Next, with reference to FIG. 3, the structure of the bimorph actuator and the displacement expansion lever 18 is demonstrated. Anchors on the opposite sides of the two pads 10 and 11 are increased in proportion to the temperature difference between the heating bar 16 and the cooling bar 14 generated by giving a constant potential difference and in proportion to the square of the length. The basic driving principle is to push the displacement expansion lever 18 attached to 20 with a rotational force and to enlarge the displacement by the displacement expansion lever 18.

한편, 바이몰프형 액츄에이터 대신에 열구동력, 정전력, 전자기력, 압전력을 이용하여 변위확대 레버와의 조합으로 대변위와 큰 힘을 얻을 수 있도록 구성할 수도 있다.On the other hand, by using a thermal drive force, electrostatic force, electromagnetic force, piezoelectric force instead of the bi-morph type actuator may be configured to obtain a large displacement and a large force in combination with the displacement expansion lever.

ANSYS로 연성해석(coupled-field analysis)을 수행하였을 때 기하학적인 형태에 따라 가열바(16)와 냉각바(14)가 서로 교차되는 현상(crossover)이 발생한다. 이러한 현상을 피하기 위하여 바람직하게는, 각 바들(14,16) 높이는 최소한 5um 이상 되어야 하며, 각 바들(14,16) 간의 간격이 최소한 5um 이상, 냉각바(14)의 넓은 폭이 최소한 15um 이상이 되어야만 하고, 그 길이는 가열바(16)의 길이보다 최소한 1/2 이상 되어야 함을 알 수 있었다.When coupled-field analysis is performed with ANSYS, a crossover occurs between the heating bar 16 and the cooling bar 14 depending on the geometric shape. In order to avoid this phenomenon, the height of each bar 14, 16 should be at least 5um, and the distance between each bar 14,16 should be at least 5um, and the wide width of the cooling bar 14 should be at least 15um. It should be seen that the length should be at least 1/2 of the length of the heating bar (16).

다음으로, 구동특성에 대한 ANSYS 해석결과에 따라서 인가전압에 따른 최대 변위확대의 관계를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 높이가 12um 인 경우 30V 인가시 100um 이상의 변위를 얻을 수 있고, 높이가 12um인 경우 각각 30V인가시 좌우 방향으로 변위가 약 5um 이내로 변동이 있을 수 있으므로 제작시 주위 구조물과 그 만큼 이격 시키는 것이 바람직하다.Next, the relationship of the maximum displacement expansion according to the applied voltage according to the ANSYS analysis of the driving characteristics is shown in FIG. As shown in FIG. 4, when the height is 12um, a displacement of 100um or more may be obtained when 30V is applied, and when the height is 12um, the displacement may vary within about 5um in the left and right directions when 30V is applied, respectively. It is preferable to space it apart.

도 5에는 60V 인가시 변위확대가 약 400um 까지 가능한 해석결과를 나타내는 실제 모의 실험결과 도면이다.FIG. 5 is an actual simulation result diagram showing an analysis result capable of expanding displacement of about 60 μm when 60 V is applied.

다음으로, 멤즈형 광 스위치의 단위구조체 및 레이아웃을 설명한다.Next, the unit structure and the layout of the MEMs type optical switch will be described.

도 6은 대변위 광 스위치를 제작하기 위한 단위 구조체의 구성도를 도시한 도면이고, 도 7은 단위구조체들이 어레이되어 구성된 멤즈형 광 스위치의 레이아웃이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a unit structure for manufacturing a large displacement optical switch, and FIG. 7 is a layout of a MEMs type optical switch configured by arraying unit structures.

도 6의 광 스위치는 입출력용 광섬유 사이의 빛을 개폐할 수 있고, 거리에 따른 광이 퍼지는 정도를 고려하여 200um 이상의 큰 이동거리(stroke)를 가지고 저전압으로 큰 구동력을 낼 수 있는 구동체인 바이몰프형 액츄에이터와 변위확대 레버를 조합하여 구성하였다.The optical switch of Figure 6 can open and close the light between the optical fiber for input and output, in consideration of the degree of the light spread according to the distance having a large stroke of more than 200um (stroke) is a drive chain that can produce a large driving force at low voltage A combination of the frame actuator and the displacement expanding lever was constructed.

곡선형태를 가진 스프링 양면에 있는 두개의 바이몰프형 액츄에이터에 의해 회전력이 발생한다. 이 회전력이 레버에 전달되어 변위확대가 되면서 집중된 힘이 스프링의 중앙부위에 가해지면 반사미러가 있는 중앙 구조물이 수평 방향으로 앞으로 이동한다. 이때 입력 광파이버에서 나온 광이 출력 광파이버로 광의 경로를 변경시키는 구조이다. 따라서 한번 이동이 되면 더 이상의 전원 공급이 필요 없게 되고 안정된 구동특성을 가지고 있다.The rotational force is generated by two bimorph actuators on both sides of the curved spring. This rotational force is transmitted to the lever to increase displacement, and when concentrated force is applied to the center of the spring, the central structure with the reflecting mirror moves forward in the horizontal direction. At this time, the light from the input optical fiber changes the path of the light to the output optical fiber. Therefore, once moved, no more power supply is required and has stable driving characteristics.

여기서 메탈 배선시 배선높이는 일반적으로 1~1.5um 이므로 배선당 최대 2mA/um를 고려하여 증착해야 하며, 스프링의 복원력(restoration force) 때문에 뒤로 이동(back moving)할 때 보다 앞으로 이동(forward moving)할 때 더 많은 전압을 인가하는 것이 바람직하다.In this case, the wiring height is generally 1 ~ 1.5um, so it should be deposited considering the maximum 2mA / um per wiring, and it should be moved forward rather than back moving due to the restoring force of the spring. It is desirable to apply more voltage at the time.

이하, 도 8a 내지 도 8l을 참조하여 본 발명의 멤즈형 광스위치를 제작하기위한 방법을 제작 공정도에 따라 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a MEMs type optical switch of the present invention will be described with reference to the manufacturing process with reference to FIGS. 8A to 8L.

일반적으로 실리콘 구조체를 반응성 이온식각 공정(RIE)에 의해 수십에서 수백 um 이상의 수직 미러를 식각했을 때 하부 바닥면에 아주 심하게 깍이는 푸팅현상(footing phenomenon)과 스켈롭(scallop)현상에 의해 측면이 많이 손상되므로 광스위치에 적용시 삽입손실(insertion loss)과 크로스 토크(crosstalk) 가 매우 커지므로 수백 um 이상의 대용량 이송용 광 스위치에 응용할 수 없다. 따라서 이러한 근본적인 문제점을 피하고 대용량 광 스위칭 소자를 구현하기 위하여 방사광을 이용한 마이크로머시닝 기술을 광 스위치 소자 제조에 응용하였다. 이때 반사 미러는 가로80um x 세로80um x 높이200um의 크기로 리가(LIGA) 공정으로 제작하였다.In general, silicon structures are etched by reactive ion etching (RIE) to etch vertical mirrors of tens to hundreds of micrometers or more. Due to the high damage, the insertion loss and the crosstalk become very large when applied to the optical switch, and thus it cannot be applied to the optical switch for large capacity transfer of more than several hundred um. Therefore, in order to avoid such a fundamental problem and to implement a large-capacity optical switching device, micromachining technology using radiated light has been applied to the optical switch device manufacturing. At this time, the reflecting mirror was manufactured in a Liga process with a size of 80um x 80um x 200um in height.

먼저, 전술한 바이몰프형 엑츄에이터와 변위 확대 레버를 형성하는 공정을 설명한다. 수십 um 두께(예를 들면, 12um)의 SOI 구조나 실리콘 기판(100) 위에 절연막인 실리콘 산화막(102)을 형성한다(도 8a). 포토레지스트(104)를 코팅하여 소정 영역에 잔류시키고(도 8b), 여컨대 몰리브덴(Mo) 등의 금속(106)을 증착하여 현상공정을 수행한다(도 8c). 그 후, n+ 폴리 실리콘층(108)을 전체 상부에 증착하고, 열처리를 수행한다(도 8d). 다음으로, 소자 부분을 형성하기 위해 포토레지스트층(110)을 코팅한 후, 패터닝(PR patterning)을 하고 리엑티브 이온 식각(RIE)하여 광 스위치 소자의 구조체인 바이몰프 엑츄에이터 및 변위 확대 레버를 형성시키고 현상을 한다(도 8f).First, the process of forming the above-described bimorph actuator and the displacement expansion lever will be described. A silicon oxide film 102, which is an insulating film, is formed on an SOI structure having a thickness of several tens of um (for example, 12 um) or the silicon substrate 100 (FIG. 8A). The photoresist 104 is coated to remain in a predetermined region (FIG. 8B), and for example, a metal 106 such as molybdenum (Mo) is deposited to perform a developing process (FIG. 8C). Thereafter, an n + polysilicon layer 108 is deposited on top of all, and heat treatment is performed (FIG. 8D). Next, after the photoresist layer 110 is coated to form a device portion, patterning and reactive ion etching (RIE) are performed to form a bimorph actuator and a displacement expanding lever, which are structures of an optical switch device. And develop (FIG. 8F).

다음으로, 방사광에 의한 리가공정을 하기 위해 아세톤:포토레지스트(acetone:PR=10:1)로 코팅후 90oC, 100sec 동안 베이킹(baking) 하고 전면에 액상 (liquid) PMMA (polymethylmethacrylate)(112)로 코팅을 하고 자연 상태에서 굳힌다(도 8g). 단차가 심하면 실리콘 전면이 노출될 때까지 평탄화(planarization) 공정을 수행할 수 있다(도 8h).Next, in order to perform a liga process by radiation, it was baked with acetone: photoresist (acetone: PR = 10: 1), baked at 90 ° C. for 100 sec, and then liquid PMMA (polymethylmethacrylate) (112) on the front side. ) And harden in a natural state (Fig. 8g). If the step is severe, a planarization process may be performed until the entire silicon surface is exposed (FIG. 8H).

접착제(adhesion promoter, 예 MMA 등)(114)를 500Å이하의 두께로 형성하고 반사미러 높이(예, 200um 높이 등)의 PMMA 시트(sheet)(116)를 입힌다(도 8h).An adhesive (adhesion promoter, such as MMA, etc.) 114 is formed to a thickness of 500 kPa or less and coated with a PMMA sheet 116 of a reflecting mirror height (eg, 200um height, etc.) (FIG. 8H).

그 후, 필요에 따라 전기도금을 하기 위해 얇은 금속막(seed metal, 예, Cr, Ti, Ni 등 150-200nm)을 증착할 수도 있다.Thereafter, a thin metal film (eg, 150-200 nm, such as Cr, Ti, Ni, etc.) may be deposited for electroplating as needed.

방사광(X선) 노광시간에 따른 PMMA의 높이는 3um/min 정도 필요하다. 이때 약 3kg중 정도의 힘으로 누르게 되므로 미세 패턴이 손상되지 않도록 주의하는 것이 바람직하다. 또한, 방사광 노광시 PMMA의 손상정도를 보면 350oC 이상까지 올라가지 않으므로 방사광에 의한 손상이 되지 않는 것으로 추정된다. 실제 방사광 노광 후에 PMMA는 변색이 되나 제작된 X-선 마스크(150)를 기판과 정렬시킨 후 원하는 시간 만큼 방사광을 노광하고 현상을 하여 PMMA를 완전히 제거한다(도 8i). 또한, 필요에 따라 전기도금 공정을 통하여 금속으로 마이크로 미러와 패드를 형성하고 현상을 하여 반사미러를 형성할 수 있다(도 8j).The height of the PMMA according to the radiation (X-ray) exposure time is about 3um / min. At this time, it is preferable to be careful not to damage the fine pattern because it is pressed with a force of about 3kg. In addition, the damage of the PMMA during the exposure to radiation does not rise to 350 o C or more, so it is assumed that the damage by the radiation does not occur. After the actual radiation exposure, the PMMA is discolored, but the manufactured X-ray mask 150 is aligned with the substrate, and then the radiation is exposed and developed for a desired time to completely remove the PMMA (FIG. 8I). In addition, if necessary, a micromirror and a pad may be formed of a metal through an electroplating process and developed to form a reflective mirror (FIG. 8J).

다음으로, 구조체 하부의 희생층 산화막(102)을 제거하기 위하여 기상식각인 HF GPE(gas-phase etching) 공정을 수행하고 원하는 깊이와 폭 만큼 희생층 산화막(102)을 식각한다(도 8k). 이미 전기도금시 형성된 금속 전극은 기상식각 전이나 후에 광이 지나갈 수 있도록 반드시 제거(cutting) 해야 하고 제거 단면이 반듯하지 않으면 광 파이버와의 정렬시 문제가 되므로 주의해야 한다.Next, in order to remove the sacrificial layer oxide film 102 under the structure, a gas-phase etching HF GPE (gas-phase etching) process is performed, and the sacrificial layer oxide film 102 is etched by a desired depth and width (FIG. 8K). Metal electrodes already formed during electroplating must be cut to allow light to pass through before or after vapor phase etching, and if the cross section is not smooth, care must be taken because alignment with the optical fiber is problematic.

마지막으로, E-빔 증착기(E-beam evaporation)로 50nm 두께의 크롬(Cr) 위에 2.5um 정도 두께의 금(gold)을 증착하여 PMMA 반사미러인 거울면을 형성한다(도 8l).Finally, 2.5 μm thick gold is deposited on 50 nm thick chromium (Cr) with an E-beam evaporation to form a mirror surface that is a PMMA reflector (FIG. 8L).

이하, 도 9는 산화막과 실리콘 구조체가 있는 샘플(sample)과 X선 마스크를 사용하여 리가공정으로 크기가 W80umxD80umxH200um인 PMMA 반사미러를 제작한 실험예를 도시한 SEM 사진이다. 사진에서 보듯이 산화막과 실리콘 구조체 위에 PMMA 반사미러가 잘 형성됨을 알 수 있다.Hereinafter, FIG. 9 is a SEM photograph showing an experimental example in which a PMMA reflective mirror having a size of W80umxD80umxH200um was manufactured by a Liga process using a sample including an oxide film and a silicon structure and an X-ray mask. As shown in the photo, it can be seen that the PMMA reflection mirror is well formed on the oxide film and the silicon structure.

한편, 리가공정으로 PMMA 반사미러를 형성하고 실리콘 구조체 하부의 희생층 산화막을 제거하기 위하여 수행하는 본 발명에 사용되는 30분 동안 기상식각 GPE 공정과 20분간 6:1 BHF 습식식각 공정에 대한 PMMA의 내산성 실험을 통하여 PMMA 반사미러의 안정성을 분석하였다. 도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 기상식각 GPE 공정 후, 6:1 BHF 습식식각 후, 및 식각 공정전 PMMA 반사미러의 강제 제거후 SEM 사진을 도시하고 있다.On the other hand, the PMMA for the 30 minutes gas phase etching GPE process and 20 minutes 6: 1 BHF wet etching process used in the present invention to form a PMMA reflecting mirror and remove the sacrificial layer oxide film under the silicon structure by the Riga process The stability of PMMA reflector was analyzed through acid resistance test. 10A, 10B and 10C show SEM images after the forced removal of the PMMA reflector after the gaseous etching GPE process, after the 6: 1 BHF wet etching, and before the etching process, respectively.

도 10a는 기상식각 GPE 공정(도 8k에 도시된 공정)후의 SEM사진이고, 도 10b는 6:1 BHF 습식식각 후 실리콘 구조체 위의 PMMA 반사미러의 SEM 사진이다. 여러가지 식각 공정 후에도 실리콘 구조체 위에 있는 PMMA 반사미러는 기본적으로 무너지지 않고 실리콘과의 접착부위는 거의 영향을 받지 않고 완전히 접합되어 있는 것을 알 수 있다.FIG. 10A is an SEM image after the vapor etching GPE process (process shown in FIG. 8K), and FIG. 10B is an SEM image of the PMMA reflecting mirror on the silicon structure after 6: 1 BHF wet etching. After the various etching processes, the PMMA reflecting mirror on the silicon structure is basically collapsed and the bonding area with the silicon is almost unaffected and is completely bonded.

도 10c는 식각 공정전 PMMA 반사미러 강제 제거후의 SEM 사진이다. 식각 전에 실리콘 구조체 표면인 A와 B 부분이 뜯겨져 나간 것으로 보아 PMMA 반사미러를 제거하는 동안에 PMMA 반사미러 하부와 구조체 표면에 일부분씩 남아 있고 뜯겨져 나간 것으로 보아 초기부터 부착상태(adhesion)가 양호한 것으로 보인다.10C is a SEM photograph after the forced removal of the PMMA reflection mirror before the etching process. The A and B parts of the silicon structure surface were torn off before etching, and part of the lower part of the PMMA reflector and the surface of the structure was broken and removed during the removal of the PMMA reflection mirror. see.

한편, 도 11a 및 11b와 같이 이빔 이베포레이터(E-beam evaporation)로 PMMA 시트의 Cr 50nm 위에 2.5um 두께의 금(gold)을 증착하여 반사 거울면을 형성하였다. 그 다음에 광통신용 1330nm 파장과 1550nm 파장에서 광이 완전히 반사되는지를 확인하기 위하여 반사율 실험을 수행하였다. 도 12는 그 결과를 도시한 그래프이다. 측정된 반사율은 UV Spectrometer (Hitachi사의 Model U-3501)로 1330nm 파장에서는 91.3%이고, 1550nm 파장에서는 92.1% 로 측정되었다.Meanwhile, as shown in FIGS. 11A and 11B, 2.5 μm thick gold was deposited on Cr 50 nm of the PMMA sheet by E-beam evaporation to form a reflective mirror surface. Next, reflectance experiments were conducted to see if the light was fully reflected at the 1330 nm and 1550 nm wavelengths for optical communications. 12 is a graph showing the results. The measured reflectance was 91.3% at 1330 nm and 92.1% at 1550 nm with a UV Spectrometer (Model U-3501 from Hitachi).

이상 여러가지 실시예로부터 바이몰프형 액츄에이터와 변위 확대 레버를 이용하여 표면 마이크로머시닝 방법으로 제작된 멤즈형 광 스위치의 제작이 가능함을 알 수 있다.It can be seen from the above various embodiments that the MEM type optical switch manufactured by the surface micromachining method using the bimorph actuator and the displacement expansion lever can be manufactured.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 대용량 광통신 시스템에 있어서 광신호의 전송 방향을 바꾸기 위한 본 발명의 멤즈형 광 스위치는 바이몰프형 액츄에이터와 변위 확대 레버를 이용하여 저전압 구동, 대변위 확대, 구동후 안정성, 확장성 등의 측면에서 개선된 성능을 가지는 마이크로머시닝 방법으로 제작된 저전압 구동의 멤즈형 광 스위치를 제공하는 것이다.As described above, according to the present invention, the MEMS type optical switch of the present invention for changing the direction of transmission of an optical signal in a large-capacity optical communication system uses a bimorph actuator and a displacement magnification lever for low voltage driving, large displacement expansion, and driving. It is to provide a low voltage MEMs type optical switch manufactured by a micromachining method having improved performance in terms of stability and expandability.

Claims (8)

광신호를 스위칭하기 위하여, 액츄에이터, 변위확대 레버 및 반사 미러를 포함하여 구성된 멤즈형 광 스위치에 있어서,In the MEMs type optical switch configured to include an actuator, a displacement expanding lever and a reflection mirror to switch an optical signal, 패드, 상기 패드에 각각 연결되어 있으며, 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분을 포함하고 소정 거리 이격된 가열바 및 냉각바를 구비하는 액츄에이터;An actuator having a heating bar and a cooling bar, each pad being connected to the pad and having portions having different thicknesses and spaced apart from each other by a predetermined distance; 상기 엑츄에이터의 일단에 연결되며, 상기 패드를 통하여 인가된 상기 가열바와 냉각바에 전위차에 의하여 상기 액츄에이터에 발생한 회전력을 변위로 확대하기 위한 변위 확대 레버; 및A displacement magnification lever connected to one end of the actuator and configured to enlarge, by displacement, the rotational force generated in the actuator by a potential difference between the heating bar and the cooling bar applied through the pad; And 상기 변위 확대 레버의 변위 변화에 따라서, 상기 변위 확대 레버에 연결되어 광신호를 반사할 수 있도록 구성된 반사 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈형 광 스위치.And a reflection mirror connected to the displacement expansion lever and configured to reflect an optical signal according to the displacement change of the displacement expansion lever. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가열바 및 냉각바의 높이는 5um 이상이며, 각 바들 간의 간격은 5um인 것을 특징으로 멤즈형 광 스위치.The height of the heating bar and the cooling bar is more than 5um, the spacing between each bar is characterized in that the MEMs type optical switch. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각바의 상기 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분은 상기 가열바의 길이 보다 적어도 1/2이며, 넓은 폭은 15um 이상인 것을 특징으로 멤즈형 광 스위치.The portion having the thickness of the different width of the cooling bar is at least 1/2 of the length of the heating bar, the wide width of the MEMS type optical switch, characterized in that more than 15um. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 방사광을 이용한 마이크로머시닝 기술인 리가(LIGA)로 제작된 PMMA 반사미러를 형성하는 것을 특징으로 하는 멤즈형 광 스위치MEMS type optical switch characterized in that to form a PMMA reflective mirror made of LIGA, a micromachining technology using radiated light 제 4 항에 있어서, 상기 PMMA 반사미러 면에는 알루미늄, 금 또는 니켈로 코팅 또는 전기도금 되어 있는 것을 특징으로 하는 멤즈형 광 스위치.The MEM type optical switch according to claim 4, wherein the PMMA reflective mirror surface is coated or electroplated with aluminum, gold or nickel. 기판 상의 절연층 상에 포토레지스트를 코팅하여 소정 영역에 잔류시키고 금속전극을 형성하는 단계;Coating a photoresist on an insulating layer on the substrate and remaining in a predetermined region to form a metal electrode; 상기 금속 전극 상에 도핑된 폴리 실리콘층을 형성하는 단계;Forming a doped polysilicon layer on the metal electrode; 소정의 마스크로 리엑티브 이온 식각(RIE)하여 서로 다른 폭의 두께를 갖는 부분을 포함하고 소정 거리 이격된 가열바 및 냉각바를 구비하는 액츄에이터와 상기 엑츄에이터의 일단에 연결되며, 상기 패드를 통하여 인가된 상기 가열바와 냉각바에 전위차에 의하여 상기 액츄에이터에 발생한 회전력을 변위로 확대하기 위한 변위 확대 레버를 형성하는 단계; 및Reactive ion etching (RIE) with a predetermined mask is connected to one end of the actuator and the actuator having a heating bar and a cooling bar spaced apart from each other by a predetermined distance, and applied through the pad Forming a displacement expansion lever on the heating bar and the cooling bar to expand the rotational force generated in the actuator by displacement due to a potential difference; And 상기 전체 구조상에 리가공정으로 PMMA 반사미러를 형성하는 단계를 포함하며,Forming a PMMA reflection mirror on the entire structure by a Liga process; 상기 PMMA 반사 미러는, 상기 변위 확대 레버의 변위 변화에 따라서 상기 변위 확대 레버에 연결되어 광신호를 반사할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는멤즈형 광 스위치의 제조방법.The PMMA reflective mirror is a manufacturing method of the MEMS type optical switch, characterized in that configured to reflect the optical signal connected to the displacement expansion lever in accordance with the displacement change of the displacement expansion lever. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 PMMA 반사미러의 제작은,Production of the PMMA reflecting mirror, 액상 PMMA로 코팅을 하여 굳히는 단차를 줄이기 위해 평탄화하는 단계;Coating with liquid PMMA and flattening to reduce stepped hardening; 전기도금을 하기 위해 얇은 금속막을 증착하는 단계;Depositing a thin metal film for electroplating; 접착제를 소정 두께로 형성한 후, 상기 반사미러 높이에 해당하는 높이를 갖는 PMMA 시트를 입히는 단계;After forming the adhesive to a predetermined thickness, coating a PMMA sheet having a height corresponding to the reflection mirror height; X-선 마스크를 기판과 정렬시킨 후 원하는 시간 만큼 방사광을 노광하고 현상을 하여 PMMA를 제거하는 단계; 및Aligning the X-ray mask with the substrate and then exposing and developing radiation for a desired time to remove the PMMA; And 전기도금 공정을 통하여 금속으로 마이크로 미러와 패드를 형성하고 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈형 광 스위치의 제조방법.Forming and developing a micro-mirror and pad with a metal through an electroplating process. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 반사 미러의 거울면은 50nm 두께의 크롬(Cr)위에 2.5um 두께의 금을 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 멤즈형 광 스위치의 제조방법.The mirror surface of the reflective mirror is a method of manufacturing a MEMS type optical switch, characterized in that formed by depositing 2.5um thick gold on 50nm chromium (Cr).
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