KR20070074202A - 동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터 - Google Patents

동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터 Download PDF

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KR20070074202A
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Abstract

본 발명은 마이크로 미러의 동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터를 개시한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터는, 마이크로 미러; 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극; 상기 다수의 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극; 및 상기 다수의 구동콤전극들 중 적어도 하나의 상면에 형성된 마이크로 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터{Micro actuator capable of measuring operation frequency of reflecting mirror}
도 1은 일반적인 마이크로 액츄에이터의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 일반적인 마이크로 액츄에이터의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 수직 콤전극 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 4는 구동콤전극에 형성된 마이크로 히터를 보다 상세하게 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 수직 콤전극 구조의 동작을 개략적으로 도시하는 개념도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
11.....하부 실리콘 기판 12.....고정콤전극
13.....절연층 14.....상부 실리콘 기판
15.....마이크로 미러 16.....스프링
17.....구동콤전극 18.....마이크로 히터
19.....박막 레지스터
본 발명은 고속으로 구동되는 마이크로 미러를 구비하는 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로 미러의 동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.
MEMS(Micro-electro-mechanical system) 기술에 의해 제공되는 마이크로 액츄에이터는, 통상, SOI(Silicon on insulator) 기판의 상하층에 각각 빗살 모양의 구동콤전극과 고정콤전극이 형성된 수직 콤전극 구조를 구비하고 있다.
도 1은 이러한 수직 콤전극 구조를 구비하는 일반적인 마이크로 액츄에이터의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 2는 상기 마이크로 액츄에이터의 단면도이다. 도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 마이크로 액츄에이터는, 일반적으로, 고정콤전극(12)이 형성된 하부 실리콘 기판(11) 위에 구동콤전극(17)이 형성된 상부 실리콘 기판(14)을 적층한 구조이다. 상기 상하부 실리콘 기판(11,14) 사이에는 산화물층, 예컨대, SiO2와 같은 절연층(13)이 형성되어 있다. 구동콤전극(17)은, 스프링(16)을 통해 상부 실리콘 기판(14)과 연결되는 마이크로 미러(15)의 양측에 수직으로 형성되어 있다. 한편, 고정콤전극(12)은 상기 구동콤전극(17)과 엇갈리는 위치에서 하부 실리콘 기판(11) 내에 형성되어 있다. 이러한 구조에서, 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)에 전압을 인가하면, 상기 구동콤전극 (17)과 고정콤전극(12) 사이에 작용하는 정전기력에 의해 마이크로 미러(15)가 y-축을 중심으로 시이소 운동을 하게 된다.
이러한 마이크로 액츄에이터는, 예컨대, 레이저 TV 등에서 영상을 고속으로 스크린에 주사하기 위한 광스캐너로서 이용될 수 있다. 마이크로 액츄에이터를 광스캐너로서 사용하는 경우, 상기 마이크로 미러(15)는 매우 정확한 동작 주파수로 동작해야 할 필요가 있다. 일반적으로, 마이크로 미러(15)의 동작 주파수는 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)에 인가되는 전류의 주파수에 의해 결정된다. 특히, 마이크로 미러(15)가 가장 효율적이고 빠르게 동작하기 위해서는, 상기 마이크로 미러(15) 자체의 구조에 의해 결정되는 고유의 공진 주파수에 맞추어 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
그런데, MEMS 기술에 의한 제조 공정상의 공차로 인하여, 각각의 마이크로 미러 마다 고유의 공진 주파수가 다르다는 문제가 있다. 그 결과, 동일한 크기와 주파수의 전류를 인가하더라도 마이크로 미러 마다 동작 주파수가 차이가 나게 된다. 따라서, 마이크로 미러의 공진 주파수 또는 동작 주파수를 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다. 마이크로 미러의 공진 주파수 또는 동작 주파수를 정확하게 알게 되면, 예컨대, 피드백 제어를 통하여 마이크로 미러의 동작 주파수를 소망하는 값으로 조정하는 것이 가능하기 때문이다.
마이크로 미러의 동작 주파수를 측정하는 방법으로는, 예컨대, 다수의 콤전극들 중 일부를 구동콤전극과 고정콤전극 사이의 커패시턴스의 변화를 측정하기 위한 센서로서 사용하는 방법이 있다. 구동콤전극과 고정콤전극의 중첩 정도에 따라 이들 사이의 커패시턴스가 변화하는 현상을 이용하는 것이다. 그러나, 이 경우 커패시턴스의 변화를 측정하기 위한 콤전극들은 마이크로 미러의 구동에 기여하지 못하는 문제가 있다. 또한, 측정의 정밀도가 낮고, 마이크로 미러의 동작에 이상이 있을 경우 동작주파수의 측정이 어렵다.
다른 방법으로서, 구동콤전극 또는 고정콤전극 상에 별도의 센서, 예컨대, 압전 센서(piezoeletric sensor)나 압저항 센서(piezoresisitve sensor)를 설치하는 방법이 있다. 그러나, 압전 센서나 압저항 센서와 같은 복잡한 구조물을 매우 얇고 미세한 구동콤전극이나 고정콤전극 위에 형성하는 것은 매우 복잡하고 어려운 공정을 요구한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 간단하고 저렴한 방법으로 동작 주파수의 측정이 가능한 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터는, 마이크로 미러; 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극; 상기 다수의 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극; 및 상기 다수의 구동콤전극들 중 적어도 하나의 상면에 형성된 마이크로 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 히터는, 지그재그형 또는 나선형 전도성 코일로 형성된 박막 레지스터; 및 상기 박막 레지스터와 콤전극 사이에 형성된 절연층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 전도성 코일은 다결정 실리콘(polysilicon), 백금(Pt), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 절연층은 열과 전기에 대해 모두 절연성인 것이 바람직하다.
예컨대, 상기 절연층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극은 다른 구동콤전극들 보다 두께가 1.5배 내지 2배 두꺼울 수도 있다.
또한, 상기 마이크로 미러를 중심으로, 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극과 대칭적인 위치에 있는 구동콤전극의 두께는 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극의 두께와 같은 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극과 대향하게 되는 다른 고정콤전극의 두께는 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극의 두께와 같을 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 마이크로 미러를 중심으로, 서로 대칭적인 위치에 있는 두 콤전극의 두께는 서로 동일한 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 수직 콤전극 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 다수의 수직한 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)이 서로 엇갈리도록 형성되어 있으며, 상기 다수의 구동콤전극(17)들 중 한 구동콤전극(17a)의 상면에는 열을 발생시키는 마이크로 히터(18)가 형성되어 있다. 비록 도 3에는 도시되어 있지 않지만, 종래와 마찬가지로 상기 구동콤전극(17)은 마이크로 미러의 측면에 나란하게 형성되어 있으며, 고정콤전극(12)은 하부 실리콘 기판에 형성되어 있다. 또한, 도 3에는 하나의 마이크로 히터(18)만이 도시되어 있으나, 다수의 구동콤전극에 마이크로 히터를 각각 하나씩 설치하는 것도 가능하다.
도 4는 상기 구동콤전극(17a)의 상면에 형성된 마이크로 히터(18)를 보다 상세하게 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 얇은 구동콤전극(17a)의 상면에 형성될 수 있도록, 상기 마이크로 히터(18)는 미세한 전도성 코일을 수회 절곡시켜 지그재그형으로 또는 나선형으로 형성된 박막 레지스터(thin film resistor)(18a)를 포함한다. 전도성 코일은, 예컨대, 다결정 실리콘(polysilicon), 백금(Pt), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr) 등과 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 박막 레지스터(18a)와 구동콤전극(17a) 사이에는 절연층(18b)이 형성되어 있다. 상기 절연층(18b)은 박막 레지스터(18a)와 구동콤전극(17a) 사이를 전기적으로 절연되도록 할 뿐만 아니라, 열적으로도 절연되도록 한다. 따라서, 박막 레지스터(18a)에 인가되는 전압이 구동콤전극(17a)으로 누설되지 않으며, 구동콤전극(17a)에 인가되는 전압이 박막 레지스터(18a)로 누설되지 않는다. 또한, 박막 레지 스터(18a)에서 발생하는 열이 구동콤전극(17a)을 통해 소산되어, 상기 박막 레지스터(18a)가 냉각되는 것을 방지한다. 이러한 절연층(18b)으로서, 예컨대, SiO2와 같은 실리콘 산화물을 사용할 수 있으며, 또한 실리콘 질화물을 사용하는 것도 가능하다. 상기 절연층(18b)과 박막 레지스터(18a)는, 예컨대, 증착 방법을 통해 구동콤전극(17a) 위에 형성될 수 있다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 일반적으로 구동콤전극(17)의 두께는 약 2㎛ 정도로 매우 얇기 때문에, 이렇게 얇은 구동콤전극(17)의 상면에 상술한 구조를 갖는 마이크로 히터(18)를 형성하는 것이 어려울 수도 있다. 따라서, 마이크로 히터(18)의 형성을 보다 용이하게 하기 위하여, 마이크로 히터(18)가 형성될 구동콤전극(17a)은 다른 구동콤전극(17)들 보다 두께가 약 1.5배 내지 2배 정도 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 마이크로 히터(18)가 형성된 구동콤전극(17a)은 약 4㎛의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 마이크로 액츄에이터의 전체적인 균형을 위하여, 마이크로 미러를 중심으로 상기 마이크로 히터(18)가 형성된 구동콤전극(17a)과 대칭적인 위치에 있는 구동콤전극(17)의 두께는 상기 마이크로 히터(18)가 형성된 구동콤전극(17a)의 두께와 동일한 것이 바람직하다.
그런데, 고정콤전극(12)들 사이의 간격이 약 2~6㎛ 정도로 작기 때문에, 하나의 구동콤전극(17a)의 두께가 두꺼워지면 상기 두께가 두꺼운 구동콤전극(17a)이 아래쪽의 고정콤전극(12)들 사이의 공간에 삽입되지 못할 수도 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러의 구동시 상기 마이크로 히터(18)가 형성된 구동콤전극(17a)과 대향하게 되는 고정콤전극(12)들 중 어느 하나의 고정콤전극(12a)의 두께가 상기 마이크로 히터(18)가 형성된 구동콤전극(17a)의 두께와 동일한 것이 적당하다. 이 경우에도, 도시되어 있지는 않지만, 상기 두꺼운 고정콤전극(12a)과 대칭적인 위치에 있는 다른 고정콤전극의 두께도 동일하게 두꺼워져야 한다.
이하, 도 5를 참조하여, 상술한 구조를 갖는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터의 동작을 상세하게 설명한다.
먼저, 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)에 전압을 인가하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12) 사이에 작용하는 정전기력에 의해 구동콤전극(17)이 고정콤전극(12) 사이로 들어가게 된다. 이러한 방식으로, 인가되는 전압의 주파수에 따라, 구동콤전극(17)이 고정콤전극(12) 사이를 빠른 속도로 왕복하게 된다. 이에 따라, 구동콤전극(17)과 일체로 형성된 마이크로 미러(도 1 참조)가 시이소 운동을 할 수 있다. 여기서, 마이크로 히터(18)가 상면에 형성된 구동콤전극(17a) 역시 다른 구동콤전극(17)들과 마찬가지로 고정콤전극(12) 사이를 왕복한다.
이때, 구동콤전극(17a) 위에 형성된 마이크로 히터(18)에 전압을 인가하면, 상기 마이크로 히터(18) 내의 박막 레지스터(18a)가 열선으로서 작용을 하기 때문에 마이크로 히터(18)가 일정한 온도로 가열된다. 그런데, 상술한 바와 같이, 고정콤전극(12) 사이의 간격이 대략 2~6㎛ 정도로 매우 작기 때문에, 구동콤전극(17a)이 고정콤전극(12) 사이로 진입하여 지나가는 순간에 상기 구동콤전극(17a)의 상면 주위에서는 매우 빠른 유속이 발생하게 된다. 즉, 구동콤전극(17a)이 좁은 고정콤전극(12) 사이를 지날 때 압력의 갑작스러운 변화로 인하여, 상기 구동콤전극(17a)의 상면 주위에서 공기의 유동이 빨라지게 된다. 이로 인해, 마이크로 히터(18)가 냉각되면서 박막 레지스터(18a)의 온도가 내려가게 된다. 그런 후, 상기 구동콤전극(17a)이 다시 원래의 위치로 복귀하게 되면 박막 레지스터(18a)의 온도 역시 초기의 상태로 복귀하게 된다. 따라서, 구동콤전극(17a)이 고정콤전극(12) 사이를 주기적으로 왕복하면 박막 레지스터(18a)의 온도 역시 주기적으로 하락과 상승을 반복하게 된다. 한편, 통상적으로 상기 박막 레지스터(18a)의 저항은 온도에 따라 변화하는 특성이 있다. 그 결과, 구동콤전극(17a)이 고정콤전극(12) 사이를 주기적으로 왕복하면, 박막 레지스터(18a)의 저항 역시 주기적으로 변화하게 된다. 이러한 박막 레지스터(18a)의 저항의 변화는, 상기 박막 레지스터(18a)에 공급되는 전류의 변화를 측정함으로써 확인될 수 있다. 따라서, 상기 박막 레지스터(18a)의 저항 변화 주기를 측정함으로써, 구동 콤전극(17) 또는 마이크로 미러의 동작 주파수 또는 공진 주파수를 알 수 있다.
상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 별도의 복잡한 소자나 공정 없이, 구동콤전극 위에 마이크로 히터를 설치함으로써, 마이크로 미러의 동작 주파수 또는 공진 주파수를 간단히 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 마이크로 미러의 동작 주파수를 피드백 제어하는 것이 가능하므로, 매우 안정적인 동작을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 마이크로 미러;
    상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극;
    상기 다수의 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극; 및
    상기 다수의 구동콤전극들 중 적어도 하나의 상면에 형성된 마이크로 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터는:
    지그재그형 또는 나선형 전도성 코일로 형성된 박막 레지스터; 및
    상기 박막 레지스터와 구동콤전극 사이에 형성된 절연층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전도성 코일은 다결정 실리콘(polysilicon), 백금(Pt), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층은 열과 전기에 대해 모두 절연성인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극은 다른 구동콤전극들 보다 두께가 1.5배 내지 2배 두꺼운 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러를 중심으로, 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극과 대칭적인 위치에 있는 구동콤전극의 두께는 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극의 두께와 같은 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극과 대향하는 두 개의 고정콤전극 중 어느 하나의 두께는 상기 마이크로 히터가 형성된 구동콤전극의 두께와 같은 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러를 중심으로, 서로 대칭적인 위치에 있는 두 콤전극의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
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