KR20080096090A - Resonantly scanning mems mirror operated by the electromagnetic force with low damping and high optical efficiency - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 레이저 응용 전자력 구동 거울의 사시도,1 is a perspective view of a conventional laser application electromagnetic force driving mirror,
도 2는 도1의 AA' 를 자른 단면도,2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1;
도 3는 종래 기술에 의한 레이저 응용 갈바노미터 구동 거울에 대한 사진,3 is a photograph of a laser application galvanometer drive mirror according to the prior art,
도 4은 구동 원리를 설명하기 위한 일반적 토션바형 액츄에이터의 사시도,4 is a perspective view of a general torsion bar actuator for explaining the driving principle;
도 5은 본 발명에 의한 구동 거울의 사시도, 5 is a perspective view of a driving mirror according to the present invention;
도 6은 본 발명에 의한 구동 거울의 평면 및 후면도,6 is a plan view and a rear view of the drive mirror according to the present invention;
도 7은 도 5의 AA' 를 자른 단면도,7 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5;
도 8는 본 발명에 의한 구동 거울 및 45도 각도로 입사시 타원형 입사 빔,8 is an elliptical incident beam at the incidence of a driving mirror and a 45 degree angle according to the present invention;
도 9a 내지 도 9l 은 본 발명에 의한 구동 거울의 제작법을 설명한 개략도.9A to 9L are schematic views illustrating a manufacturing method of a driving mirror according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 캔틸레버 빔 102 : 토션바101: cantilever beam 102: torsion bar
103 : 프레임 104 : 영구 자석103
105 : 자기력선 유도 프레임 200 : 기판 105: magnetic field line induction frame 200: substrate
201 : 거울 박막층 202 : 코일 전극 201: mirror thin film layer 202: coil electrode
203 : 제1 절연층 206 : 제2 절연층203: first insulating layer 206: second insulating layer
208 : 연결 전극 209 : 하드 마스크208: connecting electrode 209: hard mask
본 발명은 댐핑이 적고 필팩터가 높은 전자계를 이용한 멤스 공진 구동 거울에 대한 발명으로, 상기 구동 거울은 잔류 응력, 댐핑 계수, 공기 저항이 적고 광효율이 높다.The present invention relates to a MEMS resonant driving mirror using an electromagnetic field having a low damping and high fill factor. The driving mirror has a low residual stress, a damping coefficient, a low air resistance, and high light efficiency.
종래의 레이저 스캐너용 구동 거울은 일본 Nippon signal 사의 단축 또는 2축의 전자력 구동 거울, 미국의 ARI 사의 0.6 mm ~ 2mm 크기의 정전력 구동 거울, 미국의 Microvion 사의 접안형 SVG 디스플레이용 전자력 구동 거울 등이 있다. 도 1 내지 도 3은 종래의 레이저 스캐너용 멤스(MEMS) 전자력 구동 거울이다. 상기 레이저 스캐너용 멤스 전자력 구동 거울의 캔틸레버(Cantilever) 빔(3)에는 중앙에 반사 금속층이 있는 반사 거울(1)과 구동 거울 주위 또는 거울 후반부에 전류가 흐르게 하는 코일 도선부(2), 구동 거울 양 측면에 구동용 토션바(4) 등으로 이루어지며, 웨이퍼 레벨의 구동 거울 칩 양 측면에 영구 자석(5)이 놓여져 있다. 상기 구동 거울의 영구자석(5) 내부에 있는 캔틸레버 빔(3)의 반사 거울(1) 외측에 코일 도선(2)에 전류를 인가하면 로렌쯔(Lorentz) 힘에 의하여 캔틸레버 빔이 토션바(4)를 축으로 하여 회전 구동되어 레이저 빛의 경로를 바꾸어 준다. 구동 거울의 코일 에 교류 전류를 인가하면 토션바(torsion bar)를 회전 축으로 하고 구동 거울은 번갈아가면서 구동이 된다. x축과 y축 구동용 두 개의 구동 거울 또는 한 개의 구동 거울을 스캐닝하여 화면상에 레이저 빛이 주사가 된다.Conventional driving mirrors for laser scanners include single-axis or two-axis electromagnetic drive mirrors of Nippon Signal, Japan, electrostatic drive mirrors of 0.6 mm to 2 mm in size, ARI, USA, and electromagnetic drive mirrors for eyepiece-type SVG displays from Microvion, USA. . 1 to 3 show a MEMS electromagnetic force driving mirror for a conventional laser scanner. The cantilever beam 3 of the MEMS electromagnetic force driving mirror for the laser scanner includes a
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 종래의 레이저 디스플레이용 구동 거울의 캔틸레버 빔(3)은 정사각형 또는 직사각형 또는 원형 구조이다. 공진 주파수 근처의 고속의 주파수로 구동시 캔틸레버 빔과 공기간 마찰이 발생한다. 이로 인한 댐핑 효과로 구동 각도가 다소 줄어들게 된다. 이러한 댐핑을 줄이기 위한 구조를 고안할 필요가 있다.1 to 3, the cantilever beam 3 of the drive mirror for the conventional laser display has a square or rectangular or circular structure. Friction between the cantilever beam and air occurs when driving at high frequencies near the resonant frequency. This damping effect causes the driving angle to be somewhat reduced. There is a need to devise a structure to reduce such damping.
도 5는 종래의 갈바노미터(Galvanometer)형 기계식 구동 거울에 대한 사진이다. 도 5를 참조하면, 거울 표면으로 45도 각도로 레이저 빔이 입사시 입사 빔은 거울 표면에서 타원이 된다. 거울 표면에서의 타원형 레이저 빔에 대한 반사 효율을 고려한 구동 거울의 구조에 대한 설계가 필요함이 명백해진다. 종래의 갈바노미터형 구동 거울은 그 부피가 크며 고가인 것이 특징이다. 5 is a photograph of a conventional galvanometer mechanical drive mirror. Referring to FIG. 5, when the laser beam is incident at a 45 degree angle to the mirror surface, the incident beam becomes an ellipse at the mirror surface. It becomes clear that a design of the structure of the drive mirror in consideration of the reflection efficiency for the elliptical laser beam at the mirror surface is required. Conventional galvanometer drive mirrors are characterized by their bulkiness and high price.
따라서, 본 발명에서 이루고자 하는 것은 레이저 디스플레이용 멤스 전자력 구동 거울의 광 효율을 높이고 동시에 높은 주파수로 구동 시 구동 거울과 공기와의 저항을 해소하여 댐핑 효과를 줄이는 것이다. Therefore, the present invention is to improve the light efficiency of the MEMS electromagnetic force driving mirror for laser display and at the same time to reduce the damping effect by solving the resistance between the driving mirror and the air when driving at a high frequency.
본 발명에서 이루고자 하는 구동 거울의 광 효율 증진을 위한 첫번째 과제는 구동 거울의 후면에 전류가 흐르는 코일 도선을 위치하여 필팩터(Fill factor)를 높이는 것이다. 이를 위하여 반사 거울의 후면에 코일 도선을 두는 것이다. 반사 효율 증진을 위한 두 번째 과제는 레이저 빔의 입사 각도를 고려하여 반사 거울의 모양을 설계하는 것이다. The first task for enhancing the light efficiency of the drive mirror to be achieved in the present invention is to increase the fill factor by placing a coil conductor through which a current flows on the rear surface of the drive mirror. To do this, a coil lead is placed on the back of the reflecting mirror. The second task to improve the reflection efficiency is to design the shape of the reflecting mirror in consideration of the incident angle of the laser beam.
본 발명에서 이루고자 하는 구동 거울의 댐핑 효과를 줄이는 것은 캔틸레버 빔의 공기와의 마찰 부위를 유선형으로 설계, 에어갭의 크기를 크게 하는 등의 운동 역학적인 면을 고려하여 캔틸레버 빔의 치수, 모양 등을 효율적으로 고안하는 데에 있다. To reduce the damping effect of the drive mirror to be achieved in the present invention is to design the friction portion with the air of the cantilever beam in a streamlined form, considering the kinetic dynamics such as increasing the size of the air gap, the size, shape, etc. of the cantilever beam It is to devise efficiently.
따라서 본 발명은 거울 밑에 전극 코일을 두고, 거울의 모양을 조정하여 반사 효율을 높이고 댐핑 계수를 줄이는 전자력 구동 거울에 대한 것이다. Accordingly, the present invention relates to an electromagnetic force driving mirror having an electrode coil under the mirror and adjusting the shape of the mirror to increase reflection efficiency and reduce damping coefficient.
본 발명에 의한 레이저 디스플레이용 구동 거울은 양면 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 Plasma 처리를 하여 응력이 해소된 얇은 실리콘 기판(200)을 상하로 관통하여 두 개의 토션바(102)에 의하여 지지된 프레임(103)과; 실리콘 기판(200)을 상하로 관통하여 두 개의 토션바(102)에 의하여 지지된 프레임(103)과; 상기 두 개의 토션바와 대칭이 되게끔 연결되는 구동 방향으로의 양 날개 끝이 뾰족하고 폭이 길이에 비해서 좁은 캔틸레버 빔(101)과; 상기 캔틸레버 빔의 후면에 위치하여 전류가 흐르도록 형성되는 코일 도선(202)과; 상기 토션바(102)의 회전축을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 프레임(103)바깥에 자기력선 유도 프레임(105)에 고정된 각각 극성이 서로 다른 두 개의 영구 자석(104)을 구비 하는 것을 특징으로 한다. The driving mirror for the laser display according to the present invention is supported by two
도 5, 도 6과 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 상기 구동 거울은 전자력 구동형으로 영구 자석(104)에 의한 자기장이 캔틸레버 빔(101)의 구동 축과 수직한 방향으로 걸려 있는 상태에서 반사 거울 하부에 감겨진 코일(202)에 전류가 인가되면 로렌츠 힘에 의하여 토션바(102)를 축으로 캔틸레버 빔이 구동된다. 반대로 전류가 인가되면 반대 방향으로 구동이 된다. 캔틸레버 빔의 구동 운동 방정식은 다음과 같은 식(1)으로 나타내어진다.According to a preferred embodiment of the present invention as shown in Figs. 5 and 6, the driving mirror is electromagnetically driven and is reflected in a state in which a magnetic field by the
....... 식 (1) ....... Formula (1)
식(1) 의 좌변항의 θ는 토션바를 구동축으로 하는 캔틸레버 빔의 구동 각도, J 는 캔틸레버 빔(101) 의 관성 모먼트, c는 댐핑 계수, Kt 는 토션바의 용수철 상수이다. 우변항은 로렌츠 힘에 의한 회전력항이며, 인가 전류 iD 에 비례하며 A 는 상수이다.Θ of the left side term in equation (1) is the drive angle of the cantilever beam with the torsion bar as the drive shaft, J is the moment of inertia of the
댐핑 계수가 작을수록 구동 각도는 커진다. 본 발명에서는 이러한 댐핑 계수를 작게 하고 구동 각도를 크게 할 수 있는 구동 거울에 대한 발명으로, 식 (2) 을 참조하면 캔틸레버 빔의 폭 D 가 길이 Lm 에 비해 작으면 댐핑이 매우 적어진다.The smaller the damping coefficient, the larger the driving angle. In the present invention, the invention relates to a driving mirror capable of reducing the damping coefficient and increasing the driving angle. Referring to Equation (2), the damping becomes very small when the width D of the cantilever beam is smaller than the length L m .
..............식 (2) ................... Equation (2)
식 (2)에서 In equation (2)
................식 (3) Equation (3)
이고, μ는 공기 점성, ho 는 캔틸레버(cantilever) 빔(beam)의 에어갭(air-gap), b = D/Lm 이다.Μ is the air viscosity, h o is the air-gap of the cantilever beam, b = D / L m to be.
도 9 를 참조하면, 레이저 빔이 캔틸레버 빔의 반사 거울 표면에 입사 시 원형 빔은 거울 표면에서 타원형이 된다. 구동 방향으로 날개 끝이 뾰족하게 하면 타원형의 레이저 빔을 반사하는데 보다 큰 광 유효 면적을 가지게 된다. 9, when the laser beam is incident on the reflective mirror surface of the cantilever beam, the circular beam becomes elliptical at the mirror surface. The sharp tip of the wing in the driving direction has a larger light effective area to reflect the elliptical laser beam.
따라서, 본 발명에 의한 상기 구동 거울은 댐핑 계수가 작고 최대 구동 각도를 얻는 동시에 광효율을 크게 하는 구조인, 도면 5 내지 6과 같이 캔틸레버 빔의 모양이 날개 끝이 뾰족한 타원형 구조이다. 캔틸레버 빔의 폭이 길이에 비하여 짧으므로 댐핑 계수가 적어진다. 또한 구동 방향으로 날개 끝이 뾰족하므로 공기를 가르는 효과가 있고 타원형의 레이저 빔을 반사하는데 보다 큰 광 유효 면적을 가지게 된다. Accordingly, the driving mirror according to the present invention is an elliptical structure in which the shape of the cantilever beam is pointed at the tip of the wing as shown in FIGS. Since the width of the cantilever beam is short compared to the length, the damping coefficient is reduced. In addition, the tip of the wing in the driving direction has the effect of cutting the air and has a larger light effective area to reflect the elliptical laser beam.
도 6은 영구자석 및 자기력선 유도 프레임을 제외한 구동 거울칩의 전면과 후면을 도시한 도면이다. 도 7은 도 5의 AA'를 자른 단면도이다. 양면 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 SF6 플라즈마 처리를 하여 응력이 해소된 얇은 실리콘 기판(200)은 예를 들면 일본의 디스코(DISCO) 사가 제공하는 웨이퍼이다. 캔틸레버 빔(101)의 전면은 적색 파장을 쓸 경우 금(Au) 박막, 가시광선 전 영역을 사용할 경우 가시광선에서 반사율이 높은 알루미늄 박막이 500 Å 이상 코팅된다. 상기 반사 거울의 크기는 2 mm × 3mm 내지 5 mm × 7mm 로 상기 두 개의 토션바와 대칭이 되게끔 연결되는 캔틸레버 빔의 모양은 저항을 줄이기 위해서 구동 방향으로의 양 날개 끝이 뾰족하고, 댐핑을 줄이기 위하여 구동 방향으로의 폭이 길이에 비해서 좁으며, 상기 반사 거울의 필팩터를 높이기 위하여 도 7과 같이 그 후면부에 코일 도선을 두었다. 상기 토션바(102)의 길이는 1 ~ 2mm 이고 그 선폭은 60~600μm, 두께는 30~ 500μm 이다. 상기 토션바(102)의 회전축을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 프레임(103) 바깥에 각각 극성 방향이 서로 다른 두 개의 자석(104)이 구비된다. 두 개의 자석은 자기력선 유도 프레임(105)에 고정된다.6 is a diagram illustrating the front and rear surfaces of the driving mirror chip excluding the permanent magnet and the magnetic field line induction frame. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5. The
이하에서, 도 9a 내지 도 9l 를 참조하여, 본 발명에 의한 구동 거울칩의 제조 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 9A-9L, the manufacturing method of the drive mirror chip by this invention is demonstrated.
본 발명에 의한 구동 거울칩의 제조 방법은, 잔류 응력이 해소된 얇은 실리콘 웨이퍼(200) 를 제작하는 단계와, 상기 웨이퍼(200) 상부 실리콘층을 식각하여 프레임(103), 캔틸레버 빔(101), 토션바(102) 를 형성하는 단계와, 상기 캔틸레버 빔 표면에 반사용 금속 박막을 형성한 후 다이싱 (Dicing) 하는 단계를 포함한다. In the method of manufacturing a driving mirror chip according to the present invention, the method may include manufacturing a
도 9a 의 잔류 응력 해소된 얇은 실리콘 웨이퍼(200) 는 일반 실리콘 웨이퍼의 양면에 대하여 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 불산(HF) 과 HNO3 혼합 용액에서 세정 처리 후 SF6 플라즈마로 실리콘 웨이퍼 표면을 식각 처리하여 기계적 연마면의 잔류 응력을 해소하게 된다. 예를 들면 디스코(DISC0) 사 의 디스코 그라인딩 (Disco Grinding) 장비를 사용하여 제작되어진다.The residual stress-releasing
도 9a 내지 9b를 참조하여, 상기 잔류 응력 해소된 얇은 실리콘 웨이퍼 (200) 하부에 절연층을 도포 후 코일 도선을 제작하는 단계에 대한 설명이다.9A to 9B, a description will be given of a step of fabricating a coil lead after applying an insulating layer to the lower portion of the
도 9b는 상기 얇은 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 제1 절연층(203)인 실리콘 산화막을 도포하는 과정을 나타내는 도면이다. 상기 실리콘 산화막은 예를 들면, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 사용하여 도포된다. 도 9c와 같이 상기 절연층 (203) 상부에 포토레지스트(205)를 도포하여 노광 후 패턴을 형성한다. 여기서 포토레지스트는 전극 형성을 위한 리프트업 (Lift-off) 전용의 네거티브 포토레지스트 (Negative photoresist) 를 사용한다. 다음에는 도 10d 와 같이 전극용 박막을 스퍼터링 (Sputtering) 또는 진공 증착 (Evaporation) 방법에 의하여 증착한 후, 아세통 용액에 넣고 초음파 세척을 하는 리프트업 (Lift-off) 공정을 시행하여 도 9e 와 같이 전극 코일이 형성된다. 그 다음에는 도 9f와 같이 제2 절연층(206)인 실리콘 산화막이 플라즈마 화학 기상증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의하여 증착된다. 다음에는 도 9g 와 같이 상기 코일 전극 (202) 을 연결하는 비어 홀 (207)을 뚫고, 상기와 같이 리프트업 공정을 시행하여 도 9h 와 같이 연결 전극 (208)을 형성한다.FIG. 9B is a diagram illustrating a process of applying a silicon oxide film, which is a first insulating
도 9i 내지도 9k 와 같이 상기 실리콘 웨이퍼 (200) 상부의 실리콘 층 및 하부의 실리콘 산화막을 식각하여 프레임(103), 구동 거울(101), 토션바(102)를 형성하는 단계에 대한 설명이다. 9I to 9K, the method of forming the
먼저 도 9i를 참조하면, 상기 실리콘 웨이퍼(200) 상부에 실리콘 산화막을 증착한다. 포토레지스트를 도포하여 양면 얼라이너 (Alighner)를 사용하는 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝한 후 예를 들면, CHF3와 O2 혼합 플라즈마로 식각하여 하드 마스크(209) 를 형성한 후 포토레지스트를 제거한다. 다음에는 도 9j와 같이 SF6 플라즈마로 상기 실리콘층을 식각한 후 CHF3와 O2 혼합 플라즈마로 상기 하드마스크(209) 및 하부 실리콘 산화막층을 제거하여 상하로 관통된 프레임(103), 구동 거울 (101), 토션바(102) 가 형성된다. First, referring to FIG. 9I, a silicon oxide film is deposited on the
도 9k 내지 9l 은 상기 실리콘 웨이퍼 상부의 구동 거울 표면에 대하여 반사용 금속 박막을 형성한 후 다이싱 소 (Dicing Saw) 공정을 진행하는 단계에 대한 설명이다.9K to 9L illustrate a step of performing a dicing saw process after forming the reflective metal thin film on the surface of the driving mirror on the silicon wafer.
도 9k를 참조하면, 캔틸레버 빔(101), 토션바(102), 프레임(103) 표면에 대하여 금(Au) 박막 또는 알루미늄(Al) 또는 질화 알루미늄 (AlN) 박막을 500 Å 이상 증착된다. 도 10l을 참조하면 웨이퍼에 각 구동 거울칩에 대하여 다이싱 소 (Dicing Saw) 또는 레이저 절단 공법으로 구동 칩을 웨이퍼에서 웨이퍼 상태의 최종의 구동 거울 칩을 완성하게 된다.Referring to FIG. 9K, a gold (Au) thin film or an aluminum (Al) or aluminum nitride (AlN) thin film is deposited on the surface of the
본 발명은 통하여 댐핑이 적고 광효율이 높은 전가계를 이용한 멤스 공진 구동 거울에 대한 발명으로 공진 주파수가 2 kHz ~ 8 kHz 이며, 이 공진 주파수로 최대의 구동 각도를 얻는다. 본 발명에 의한 상기 구동 거울은 댐핑 계수가 작고 구 동 각도가 큰 동시에 광효율을 크게 하는 구조인, 도 5와 같이 캔틸레버 빔의 모양이 날개 끝이 뾰족한 타원형 구조이다. 캔틸레버 빔의 폭이 길이에 비하여 짧은 타원형이므로 댐핑 계수를 적게 하는 구조이다. 또한 구동 방향으로의 날개 끝이 뾰족하므로 반사 거울이 타원형의 레이저 빔을 반사하는데 보다 큰 광 유효 면적을 가지게 된다. The present invention relates to a MEMS resonance driving mirror using an electric field having low damping and high light efficiency. The resonance frequency is 2 kHz to 8 kHz, and the maximum driving angle is obtained using the resonance frequency. The driving mirror according to the present invention is an oval structure in which the tip of the cantilever beam has a sharp tip as shown in FIG. 5, which has a small damping coefficient, a large driving angle, and a large light efficiency. Since the width of the cantilever beam is shorter than the length, the damping coefficient is reduced. The sharp tip of the wing in the driving direction also allows the reflecting mirror to have a larger light effective area for reflecting the elliptical laser beam.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070041039A KR20080096090A (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Resonantly scanning mems mirror operated by the electromagnetic force with low damping and high optical efficiency |
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Family
ID=40155513
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KR1020070041039A KR20080096090A (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Resonantly scanning mems mirror operated by the electromagnetic force with low damping and high optical efficiency |
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KR (1) | KR20080096090A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012130612A1 (en) | 2011-03-25 | 2012-10-04 | Lemoptix Sa | A reflective device |
US8817353B2 (en) | 2010-03-26 | 2014-08-26 | Samsung Display Co., Ltd. | MEMS shutter and display apparatus having the same |
KR20150088604A (en) * | 2014-01-24 | 2015-08-03 | 엘지전자 주식회사 | Method for fabrication of micro oscillating devices |
CN109855791A (en) * | 2018-11-21 | 2019-06-07 | 中国计量大学 | Vacuum detecting device based on more folded beam comb teeth resonators |
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2007
- 2007-04-27 KR KR1020070041039A patent/KR20080096090A/en not_active Application Discontinuation
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