KR20110070925A - Digital micro-mirror device - Google Patents

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KR20110070925A
KR20110070925A KR1020117011188A KR20117011188A KR20110070925A KR 20110070925 A KR20110070925 A KR 20110070925A KR 1020117011188 A KR1020117011188 A KR 1020117011188A KR 20117011188 A KR20117011188 A KR 20117011188A KR 20110070925 A KR20110070925 A KR 20110070925A
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mirror
stem
substrate
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digital micromirror
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KR1020117011188A
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그레고리 존 매카보이
로난 패드레익 신 오'라일리
빈센트 패트릭 롤러
키아 실버브룩
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실버브룩 리서치 피티와이 리미티드
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Abstract

디지털 마이크로미러 장치는 기판 상에 위치된 마이크로미러 조립체들의 어레이를 포함한다. 각각의 마이크로미러 조립체는 기판과 이격되어 있는 미러, 미러를 지지하는 스템, 및 스템의 어느 한쪽에 위치되는 제1 및 제2 전극을 포함한다. 스템은 탄력적인 가요성 재료로 이루어져 있어, 미러가 정전기력에 의해 제1 전극을 향하여 또는 제2 전극을 향하여 어느 한쪽으로 기울어질 수 있다. 디지털 마이크로미러 장치는 데이터 프로젝터 등에 사용될 수도 있다.The digital micromirror device includes an array of micromirror assemblies located on a substrate. Each micromirror assembly includes a mirror spaced apart from the substrate, a stem supporting the mirror, and first and second electrodes located on either side of the stem. The stem is made of a resilient flexible material such that the mirror can be tilted either by the electrostatic force towards the first electrode or towards the second electrode. The digital micromirror device may be used for a data projector and the like.

Description

디지털 마이크로미러 장치{DIGITAL MICRO-MIRROR DEVICE}DIGITAL MICRO-MIRROR DEVICE}

본 발명은 디지털 미러 장치(digital mirror device, DMD)에 관한 것이다. 본 발명은 주로, 간단한 MEMS 제조단계들을 이용하여 제조될 수도 있는 개선된 장치를 제공하기 위해 개발되었다.The present invention relates to a digital mirror device (DMD). The present invention was primarily developed to provide an improved device that may be manufactured using simple MEMS manufacturing steps.

지금은, 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 데이터 프로젝터와 같은 많은 광학장치에서 흔히 사용되고 있다. 이러한 장치에서는, 반도체 칩(DMD) 상에 매트릭스로 배치된 미세 소형 미러(microscopically small mirror)들에 의해 이미지(image)가 생성된다. 각각의 미러는 투영된 이미지 속에 하나 또는 그 이상의 픽셀을 나타낸다. 미러들의 수는 투영된 이미지의 해상도에 대응한다.Digital micromirror devices (DMDs) are now commonly used in many optical devices such as data projectors. In such a device, an image is produced by microscopically small mirrors arranged in a matrix on a semiconductor chip (DMD). Each mirror represents one or more pixels in the projected image. The number of mirrors corresponds to the resolution of the projected image.

DMD 기술은 1980년대에 텍사스 인스트루먼트스(Texas Instruments)에 의해 개발되었다(예를 들면, 미국특허 제4,956,619호, 미국특허 제4,662,746호 및 관련 특허들 참조).DMD technology was developed by Texas Instruments in the 1980s (see, eg, US Pat. No. 4,956,619, US Pat. No. 4,662,746 and related patents).

DMD 칩은 그 표면상에, 디스플레이될 이미지 내의 픽셀들에 대응하는 직사각형 어레이(rectangular array)에 배치되는 수백, 수천 개의 마이크로스코픽 미러(microscopic mirror)를 갖는다. 이 미러들은 온 상태(on state) 또는 오프 상태(off state)에 대해 개별적으로 ±10-12°회전될 수 있다. 온 상태에 있어서, 프로젝터 벌브(projector bulb)로부터의 광은 렌즈에 반사됨으로써 픽셀이 스크린 상에 밝게 나타나게 한다. 오프 상태에 있어서, 광은 딴 곳(대개는 히트싱크 위)으로 향해짐으로써 픽셀이 어둡게 나타나게 한다.The DMD chip has on its surface hundreds, thousands of microscopic mirrors arranged in a rectangular array corresponding to the pixels in the image to be displayed. These mirrors can be rotated ± 10-12 ° individually for either the on state or the off state. In the on state, light from the projector bulb is reflected off the lens causing the pixels to appear bright on the screen. In the off state, the light is directed away (usually above the heatsink), causing the pixels to appear dark.

그레이스케일(grayscale)을 생성하기 위해, 미러는 매우 신속하게 토글(toggle) 온, 오프되고 온 타임(on time) 대 오프 타임(off time)의 비는 생성되는 쉐이드(shade)(이진 펄스-폭 변조)를 결정한다.To generate grayscale, the mirror toggles very quickly on and off and the shade (binary pulse-width) is generated when the ratio of on time to off time is generated. Modulation).

미러 자체는 알루미늄으로 형성되며 대체로 약 16마이크로미터의 정사각형이다. 각각의 미러는 미러의 하부면으로부터 뻗는 강성 스템(rigid stem)을 통해 요크(yoke) 상에 장착되어 있다. 이 요크는 유연한 비틀림 힌지(torsion hinge)에 의해 지지되어 있고, 이 힌지는 그 온 위치와 오프 위치 사이에서 요크(및 이에 따른 미러)의 운동을 가능하게 한다. 비틀림 힌지는 비교적 피로와 진동 충격에 대한 내성을 갖는다.The mirror itself is formed of aluminum and is typically approximately 16 micrometers square. Each mirror is mounted on a yoke through a rigid stem extending from the bottom surface of the mirror. This yoke is supported by a flexible torsion hinge, which enables the movement of the yoke (and thus the mirror) between its on and off positions. Torsional hinges are relatively resistant to fatigue and vibration shocks.

전극들은 정전기 인력/반발력에 의해 미러의 위치를 제어한다. 상기 힌지의 각각의 측면 상에는 한쌍의 전극이 위치되어 있는데, 하나는 요크에 작용하고 다른 하나는 알루미늄 미러에 직접 작용한다. 미러와 요크에는 약 20-30V의 바이어스 전위(bias potential)가 인가되는 반면, 전극들은 5V CMOS를 이용하여 어드레싱(addressing)된다. 그러므로, 미러에 대해 하나의 측면 상의 전극들이 +5V로 구동되면, 전극들이 0V에 있는 반대 측면을 향하여 미러가 기울어진다. CMOS 전압을 반대로 하면, 미러는 다른 방식으로 기울어지게 된다. 따라서, 각각의 미러의 온/오프 상태는 CMOS를 통해 제어 가능하다.The electrodes control the position of the mirror by electrostatic attraction / repulsive force. On each side of the hinge a pair of electrodes is located, one acting on the yoke and the other acting directly on the aluminum mirror. A bias potential of about 20-30V is applied to the mirror and yoke, while the electrodes are addressed using 5V CMOS. Therefore, if the electrodes on one side with respect to the mirror are driven at + 5V, the mirror is tilted toward the opposite side where the electrodes are at 0V. Inverting the CMOS voltage causes the mirror to tilt in different ways. Thus, the on / off state of each mirror is controllable via CMOS.

상술한 바와 같은 DMD의 더 상세한 설명을 위해, 문헌(David Armitage et al, Introduction to Microdisplays, John Wiley and Sons, 2006)을 참조한다.For a more detailed description of the DMD as described above, see David Armitage et al, Introduction to Microdisplays, John Wiley and Sons, 2006.

DMD의 디자인은 지난 10년간 비교적 변경되지 않았다. 그러나, DMD의 비교적 복잡한 디자인은 각각의 미러 조립체에 수개의 이동부(moving part)를 가지며, 상당히 복잡한 MEMS 제조과정을 필요로 한다. 이와 같은 복잡성은 제조비용을 증대시키며 어쩌면 각각의 미러 조립체가 소형화될 수 있는 크기에 상당한 영향을 미친다. 그래서, 알려진 DMD에 비하여 비교적 간단한 디자인을 갖는 DMD를 제공하는 것이 바람직할 것이다.The design of the DMD has been relatively unchanged over the last decade. However, the relatively complex design of the DMD has several moving parts in each mirror assembly and requires a fairly complex MEMS manufacturing process. Such complexity increases manufacturing costs and may have a significant impact on the size at which each mirror assembly can be miniaturized. Thus, it would be desirable to provide a DMD with a relatively simple design compared to known DMDs.

제1 형태에 있어서, 기판 상에 위치된 마이크로미러 조립체들의 어레이를 포함하는 디지털 마이크로미러 장치로서, 각각의 마이크로미러 조립체는 In a first form, a digital micromirror device comprising an array of micromirror assemblies located on a substrate, wherein each micromirror assembly comprises:

상기 기판과 이격되어 있고 상부 반사면과 하부 지지면을 갖는 미러, A mirror spaced apart from the substrate and having a top reflective surface and a bottom support surface,

상기 미러를 지지하고, 상기 기판으로부터 상기 하부 지지면까지 연장되고, 상기 미러의 경사축(tilt axis)을 형성하는 스템(stem), A stem that supports the mirror and extends from the substrate to the lower support surface and forms a tilt axis of the mirror,

상기 스템의 어느 한쪽에 위치되고, 각각 상기 기판 내의 전자회로를 통해 개별적으로 어드레스(address) 가능한 제1 및 제2 전극을 포함하며,A first and a second electrode located on either side of the stem, each individually addressable via an electronic circuit in the substrate,

상기 스템은 탄력적인 가요성 재료(resiliently flexible material)로 이루어져 있어, 상기 미러가 정전기력에 의해 제1 전극을 향하여 또는 제2 전극을 향하여 어느 한쪽으로 기울어질 수 있는 디지털 마이크로미러 장치가 제공되어 있다.The stem is made of a resiliently flexible material so that the mirror can be tilted to either side towards the first electrode or towards the second electrode by electrostatic force.

상기 미러가 가요성 스템을 중심으로 경사져 있으므로, 본 발명은 통상의 DMD에서의 요크(yoke)와 비틀림(torsion) 힌지구조(higne arrangement)가 불필요하게 된다. 이는 DMD의 전체 디자인뿐만 아니라 그 제조과정을 상당히 간소화시킨다.Since the mirror is inclined around the flexible stem, the present invention eliminates the need for yoke and torsion hinge arrangements in conventional DMDs. This greatly simplifies not only the overall design of the DMD but also its manufacturing process.

선택적으로, 상기 스템은 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 폴리머로 이루어져 있다. PDMS는 스템이 상기 전극(전극들)을 통해 인가된 정전기력에 의해 구부려질 수 있게 비교적 낮은 영스모듈(1000MPa 미만)을 갖는다. 더구나, 본 출원인은 MEMS 장치에서의 PDMS의 유용성과 MEMS 제조과정에의 그 용이한 편입성을 이미 증명한 바 있다.Optionally, the stem consists of a polymer such as polydimethylsiloxane (PDMS). PDMS has a relatively low Young's module (less than 1000 MPa) so that the stem can be bent by the electrostatic force applied through the electrode (electrodes). Moreover, Applicant has already demonstrated the usefulness of PDMS in MEMS devices and its easy incorporation into the MEMS manufacturing process.

선택적으로, 상기 상부 반사면의 전역(全域)은 평탄하다. 이는 종래의 DMD와 대조적인데, 여기서는 스템과의 결합으로부터 생기는 상부 반사면에 중앙 오목부(central dimple)가 있다. 완전 평면형의 상부 반사면은 종래의 장치와 비교하여 광학 품질을 유리할 정도로 향상시킨다.Optionally, the entire area of the upper reflecting surface is flat. This is in contrast to conventional DMDs, where there is a central dimple in the upper reflective surface resulting from engagement with the stem. The fully planar upper reflecting surface advantageously improves optical quality compared to conventional devices.

선택적으로, 상기 미러는 금속판을 포함하고, 이 금속판은 상부 반사면을 형성한다. 선택적으로, 상기 금속판은 알루미늄판이다.Optionally, said mirror comprises a metal plate, said metal plate forming an upper reflective surface. Optionally, the metal plate is an aluminum plate.

선택적으로, 상기 미러는 금속판에 대한 지지플랫폼(support platform)을 포함하고, 상기 지지플랫폼은 상기 하부 지지면을 형성한다. 그러므로, 상기 미러는 전형적으로, 상부 금속판과 금속판에 대한 하부 지지플랫폼을 포함하는, 2개의 부재가 일체로 된 구조이다.Optionally, the mirror comprises a support platform for the metal plate, the support platform forming the lower support surface. Therefore, the mirror is typically of a structure in which two members are integrated, including an upper metal plate and a lower support platform for the metal plate.

선택적으로, 상기 지지플랫폼은 금속판과 실질적으로 동시 연장(coextensive)되어 있다.Optionally, the support platform is substantially coextensive with the metal plate.

선택적으로, 상기 지지플랫폼과 상기 스템은 같은 재료로 이루어져 있다. 전형적으로, 상기 스템과 상기 지지플랫폼은 단일 증착단계에서 함께 형성된다. 예를 들면, PDMS의 증착에 의해 상기 스템과 상기 지지플랫폼을 함께 형성할 수도 있다.Optionally, the support platform and the stem are made of the same material. Typically, the stem and the support platform are formed together in a single deposition step. For example, the stem and the support platform may be formed together by deposition of PDMS.

선택적으로, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 미러에 대해 제1 및 제2 랜딩패드(landing pad)를 형성한다. Optionally, the first and second electrodes form first and second landing pads relative to the mirror.

선택적으로, 상기 미러는 각각의 제1 및 제2 랜딩패드(landing pad)와 접촉하기 위한 제1 및 제2 접점(contact point)을 가지며, 상기 제1 및 제2 접점은 폴리머로 이루어져 있다. 상기 접촉점들이 폴리머(예를 들면, PDMS)로 이루어져 있으므로, 미러가 어느 하나의 전극 상에 고착되는 경향이 최소화된다.Optionally, the mirror has first and second contact points for contacting respective first and second landing pads, the first and second contacts being made of a polymer. Since the contact points are made of a polymer (eg PDMS), the tendency of the mirror to stick on either electrode is minimized.

선택적으로, 상기 지지플랫폼은 상기 제1 및 제2 접점을 형성한다. 그러므로, 가능성 있는 고착(stiction) 문제를 다루기 위해 추가적인 구조가 요구되지 않는다. 상기 지지플랫폼은 상부 알루미늄 반사판을 지지하고 상기 미러와 상기 전극들 사이의 고착현상을 최소화하는 이중 기능을 수행한다.Optionally, said support platform forms said first and second contacts. Therefore, no additional structure is required to deal with possible stiction problems. The support platform performs a dual function of supporting the upper aluminum reflector and minimizing adhesion between the mirror and the electrodes.

선택적으로, 상기 미러는 바이어스 전위(biasing potential)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 바이어스 전위는 전형적으로, 고전위에서 미러를 유지함으로써 미러가 CMOS 전압(대개 5V)에 의해 제어되는 전극들을 통해 기울어질 수 있다.Optionally, the mirror is electrically connected to a biasing potential. The bias potential is typically tilted through the electrodes controlled by the CMOS voltage (usually 5V) by keeping the mirror at high potential.

상기 스템은 전도성 폴리머로 이루어져 있으므로, 상기 스템은 상기 바이어스 전위에 대한 전기적 연결을 제공한다. 예를 들면, 상기 스템은 금속이온이 주입된 PDMS로 이루어져도 좋다.Since the stem is made of a conductive polymer, the stem provides an electrical connection to the bias potential. For example, the stem may be made of PDMS implanted with metal ions.

또는, 복수의 미러를 여러 열(row)로 함께 연결하여도 좋고, 각각의 열은 일단이 바이어스 전위에 전기적으로 연결된다. 그러므로, 바이어스 전위는 공통의 접점을 통해 전체 열의 미러에 인가되어도 좋다.Alternatively, a plurality of mirrors may be connected together in several rows, one end of each row electrically connected to a bias potential. Therefore, the bias potential may be applied to the mirror of the entire row through the common contact.

선택적으로, 각 열의 미러는 공통의 경사축을 갖는다.Optionally, the mirrors in each column have a common tilt axis.

선택적으로, 하나의 열에서 인접한 미러들은 연결부(linkage)를 통해 함께 연결되며, 상기 연결부는 공통의 경사축을 따라 정렬되어 있다.Optionally, adjacent mirrors in one row are connected together via a linkage, which is aligned along a common tilt axis.

선택적으로, 상기 기판은 하나 이상의 CMOS층을 포함하는 실리콘 기판이며, CMOS층은 전자회로를 포함한다.Optionally, said substrate is a silicon substrate comprising at least one CMOS layer, said CMOS layer comprising electronic circuitry.

제2 형태에 있어서, 상술한 바와 같은 디지털 미러 장치를 포함하는 프로젝터가 제공되어 있다. DMD를 채용하는 프로젝터들과 프로젝터 시스템들은 해당 분야의 숙련자에게 잘 알려져 있을 것이다.In a second aspect, there is provided a projector including the digital mirror device as described above. Projectors and projector systems employing DMD will be well known to those skilled in the art.

제3 형태에 있어서, 마이크로미러 조립체의 제조방법으로서, In the third aspect, as a method for producing a micromirror assembly,

(a) 기판의 표면 상에 이격되어 있고 기판 내에 기본 전자회로에 연결되는 한 쌍의 전극을 형성하는 단계,(a) forming a pair of electrodes spaced on the surface of the substrate and connected to the basic electronic circuitry in the substrate,

(b) 상기 전극들과 상기 기판 상에 희생물질(sacrificial material)의 층을 증착하는 단계,(b) depositing a layer of sacrificial material on the electrodes and the substrate,

(c) 스캐폴드(scaffold)를 형성하기 위해 상기 전극들 사이에 위치되는 스템 개구를 상기 희생물질에 형성하는 단계,(c) forming a stem opening in the sacrificial material positioned between the electrodes to form a scaffold,

(d) 상기 스캐폴드 상에 탄력적인 가요성 물질의 층을 증착하는 단계,(d) depositing a layer of resilient flexible material on the scaffold,

(e) 상기 가요성 층 상에 금속층을 증착하는 단계,(e) depositing a metal layer on the flexible layer,

(f) 상기 가요성 물질의 스템 상에 지지되고 지지플랫폼에 융착(fuse)된 금속층을 포함하는 개개의 마이크로미러를 형성하기 위해 상기 금속층과 상기 가요성 층을 통해 에칭하는 단계, 및(f) etching through the metal layer and the flexible layer to form individual micromirrors comprising a metal layer supported on the stem of the flexible material and fused to a support platform, and

(g) 상기 마이크로미러 조립체를 제공하기 위해 상기 희생물질을 제거하는 단계를 포함하는 마이크로미러 조립체의 제조방법이 제공되어 있다.(g) there is provided a method of making a micromirror assembly comprising removing the sacrificial material to provide the micromirror assembly.

제3 형태에 따른 상기 방법은 최소수의 제조단계를 이용하여 간단하고 효과적인 DMD 제조수단을 제공한다.The method according to the third aspect provides a simple and effective means for producing DMD using a minimum number of manufacturing steps.

선택적으로, 상기 탄력적인 가요성 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져 있다.Optionally, the flexible flexible material consists of polydimethylsiloxane (PDMS).

선택적으로, 상기 희생물질은 포토레지스트이다.Optionally, the sacrificial material is a photoresist.

선택적으로, 상기 금속층은 알루미늄으로 이루어져 있다.Optionally, the metal layer is made of aluminum.

선택적으로, 상기 기판 상에 미러마이크로의 어레이가 동시에 제조되며, 상기 어레이는 디지털 마이크로미러 장치를 형성한다.Optionally, an array of mirror micros is fabricated on the substrate simultaneously, the array forming a digital micromirror device.

선택적으로, 상기 기판은 하나 이상의 CMOS층을 포함하는 실리콘 기판이며, 상기 CMOS층은 전자회로를 포함한다.Optionally, said substrate is a silicon substrate comprising at least one CMOS layer, said CMOS layer comprising electronic circuitry.

제4 형태에 있어서, 스템에 의해 지지되는 경사 가능한 미러를 포함하는 마이크로미러 조립체로서, 상기 스템이 탄력적인 가요성 물질로 이루어지는 마이크로미러 조립체가 제공되어 있다.In a fourth aspect, there is provided a micromirror assembly comprising an inclined mirror supported by a stem, wherein the stem is made of an elastic flexible material.

선택적으로, 상기 경사 가능한 미러는 상부 반사면을 갖는 금속층을 포함한다.Optionally, said tiltable mirror comprises a metal layer having an upper reflective surface.

선택적으로, 상기 경사 가능한 미러는 상부에 금속층이 장착되어 있는 지지플랫폼을 더 포함하며, 상기 지지플랫폼은 탄력적인 가요성 물질로 이루어져 있다.Optionally, the tiltable mirror further comprises a support platform having a metal layer mounted thereon, wherein the support platform is made of an elastic flexible material.

선택적으로, 상기 탄력적인 가요성 물질은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져 있다.Optionally, the flexible flexible material consists of polydimethylsiloxane (PDMS).

선택적으로, 상기 미러는 정전기력에 의해 기울어질 수 있다.Optionally, the mirror can be tilted by electrostatic force.

선택적으로, 상기 스템의 어느 한쪽에는 한 쌍의 전극이 위치되어 있고, 상기 전극들은 정전기력의 적어도 일부를 제공한다.Optionally, a pair of electrodes is located on either side of the stem, the electrodes providing at least a portion of the electrostatic force.

이하, 본 발명의 최적의 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 단지 실시예에 의해 설명한다.Best Mode for Carrying Out the Invention The best mode for carrying out the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 DMD의 개략 단면도.
도 2는 경사 위치에서의 도 1의 DMD를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시된 DMD의 평면도.
도 4는 MEMS 제조의 제1 단계로서 전극들이 형성되어 있는 상태를 나타낸 도면.
도 5는 MEMS 제조의 제2 단계로서 희생 스캐폴드가 형성되어 있는 상태를 나타낸 도면.
도 6은 MEMS 제조의 제3 단계로서 미러층들과 스템이 증착되어 있는 상태를 나타낸 도면.
도 7은 MEMS 제조의 제4 단계로서 개개의 마이크로미러가 형성되어 있는 상태를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 DMD를 채용한 데이터 프로젝터를 나타낸 도면.
1 is a schematic cross-sectional view of a DMD according to the present invention.
2 shows the DMD of FIG. 1 in an inclined position;
3 is a plan view of the DMD shown in FIG. 1;
4 is a view showing a state in which electrodes are formed as a first step of manufacturing MEMS.
FIG. 5 shows a state in which a sacrificial scaffold is formed as a second step of MEMS fabrication. FIG.
FIG. 6 is a view illustrating a state in which mirror layers and a stem are deposited as a third step of manufacturing a MEMS. FIG.
FIG. 7 is a view showing a state in which individual micromirrors are formed as a fourth step of manufacturing a MEMS. FIG.
8 illustrates a data projector employing a DMD according to the present invention.

본 출원인은 MEMS 장치에서의 폴리디메틸실록산(PDMS)의 다양성(versatility)을 이미 증명한바 있다(예를 들면, 각각 발명의 내용이 본 명세서에 참조에 의해 포함된 2008년 6월 20일에 출원된 미국특허출원 제12/142,779호, 2007년 3월 12일에 출원된 미국특허출원 제11/685,084호 참조). 특히, 통상의 MEMS 제조과정에 PDMS를 편입함으로써, 기계적인 잉크젯 장치의 개선뿐만 아니라 랩 온 칩 장치(lab-on-a-chip device)와 마이크로분석 시스템의 새로운 분야의 개척이 이루어졌다. Applicant has already demonstrated the versatility of polydimethylsiloxane (PDMS) in MEMS devices (e.g., filed on June 20, 2008, each of which is incorporated herein by reference. US patent application Ser. No. 12 / 142,779, filed March 12, 2007, see US patent application Ser. No. 11 / 685,084. In particular, by incorporating PDMS into conventional MEMS manufacturing processes, not only improvements in mechanical inkjet devices but also new areas of lab-on-a-chip devices and microanalysis systems have been made.

현재 PDMS가 DMD에 사용하는 데 적합한 물성을 가짐으로써 시장에서 입수할 수 있는 DMD보다 훨씬 더 간단한 디자인을 가질 수도 있음이 알려졌다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 마이크로미러 장치의 일부가 도시되어 있다. DMD는 기판(2)의 표면 상에 매트릭스로 배치된 복수의 마이크로미러 조립체(1)를 포함한다. 전형적으로, 각각의 마이크로미러 조립체(1)는 인접한 마이크로미러 조립체로부터 5마이크론 미만(예를 들면, 2마이크론) 만큼 이격되어 있다. 마이크로미러 조립체는 기판(1)과 이격되어 있는 미러(5)를 포함한다. 각각의 미러는 전형적으로 정사각형이며 약 10∼20마이크론 범위의 길이를 갖는다.It is now known that PDMS may have a much simpler design than the DMDs available on the market, as they have suitable properties for use in DMDs. 1 and 2, a portion of a digital micromirror device according to the present invention is shown. The DMD comprises a plurality of micromirror assemblies 1 arranged in a matrix on the surface of the substrate 2. Typically, each micromirror assembly 1 is spaced less than 5 microns (eg 2 microns) from the adjacent micromirror assembly. The micromirror assembly comprises a mirror 5 spaced apart from the substrate 1. Each mirror is typically square and has a length in the range of about 10-20 microns.

미러(5)는 알루미늄판(7)을 포함하는데, 이 알루미늄판은 미러의 상부 반사면(8)을 형성한다. 미러(5)는 지지플랫폼(10)을 더 포함하는데, 이 지지플랫폼은 미러의 하부 지지면(11)을 형성한다. 지지플랫폼(10)에 장착되는 알루미늄판(7)에 의해, 미러(5)의 상부 반사면(8)은 그 전역에 걸쳐서 평탄하게 형성될 수 있다. 이는 유리할 정도로 우수한 광학 해상도(optical definition)를 제공한다. 대조적으로, 종래의 DMD는 전형적으로 미러에 지지 기둥(support post)을 결합한 반사면에 요철형상부(indentation)를 갖는다.The mirror 5 comprises an aluminum plate 7, which forms the upper reflective surface 8 of the mirror. The mirror 5 further comprises a support platform 10, which forms the lower support surface 11 of the mirror. By the aluminum plate 7 mounted on the support platform 10, the upper reflective surface 8 of the mirror 5 can be formed flat over its entirety. This provides an advantageously good optical definition. In contrast, conventional DMDs typically have an indentation on the reflective surface that couples a support post to the mirror.

알루미늄이 DMD에 전형적으로 사용되는 반사 물질이지만, 그 대신에 다른 금속(예를 들면, 티타늄)을 사용하여도 좋음을 알 수 있을 것이다.Although aluminum is a reflective material typically used in DMDs, it will be appreciated that other metals (eg titanium) may be used instead.

미러(5)는 기판(2)으로부터 하부 지지면(11)까지 뻗어 있는 탄력적인 가요성 스템(13)에 의해 지지되어 있다. 스템(13)과 지지플랫폼(10) 모두는 동일한 가요성 물질로 이루어지는 일체형 구조를 형성한다. 전형적으로, 스템(13)과 지지플랫폼(10)은 1000MPa 미만의 영스모듈(Young's modulus)을 갖는 폴리머로 이루어져 있다. 스템(13)을 형성하기 위한 바람직한 물질은 약 600MPa의 영스모듈을 갖는 폴리디메틸실록산이다.The mirror 5 is supported by an elastic flexible stem 13 that extends from the substrate 2 to the lower support surface 11. Both the stem 13 and the support platform 10 form an integral structure made of the same flexible material. Typically, the stem 13 and the support platform 10 consist of a polymer having a Young's modulus of less than 1000 MPa. Preferred materials for forming the stem 13 are polydimethylsiloxanes having a Young's modulus of about 600 MPa.

스템(13)은 미러(5)에 대한 경사축을 형성한다. 도 2에서 가장 명확히 알 수 있는 바와 같이, 미러(5)는 약 ±15도까지, 전형적으로 ±7∼10도의 각도에서 경사축을 중심으로 기울어질 수 있다. 탄력적인 가요성 스템(13)은 종래의 DMD와 대조를 이루며, 이에 의해 강성 스템이 그 기부(基部)에서 힌지 결합되어 미러의 경사가 이루어지게 된다.The stem 13 forms an oblique axis with respect to the mirror 5. As most clearly seen in FIG. 2, the mirror 5 can be tilted about the tilt axis at an angle of up to about ± 15 degrees, typically ± 7-10 degrees. The flexible flexible stem 13 contrasts with the conventional DMD, whereby the rigid stem is hinged at its base to tilt the mirror.

스템(13)은 미러(5)의 중앙에 부착된 지지 기둥의 형태로 이루어져도 좋다. 또는, 스템(13)은 경사축을 따라 적어도 부분적으로 뻗어도 좋다. 전형적으로, 스템(13)은 경사축을 따라 뻗는 지지벽의 형태를 취하며 미러(5)와 동시 연장 (coextensive)되어 있다.The stem 13 may be in the form of a support column attached to the center of the mirror 5. Alternatively, the stem 13 may extend at least partially along the tilt axis. Typically, the stem 13 takes the form of a support wall extending along the oblique axis and is coextensive with the mirror 5.

스템(13)의 어느 한쪽에는, 제1 전극(15)과 제2 전극(16)이 위치되어 있다. 제1 및 제2 전극은 실리콘 기판(1) 내의 전자회로에 의해 개별적으로 어드레스 가능하고, 이는 미러(5)가 정전기 인력에 의해 기울어질 수 있게 한다. 상기한 DMD의 대표적인 작동관계를 더 상세히 설명한다. 전자회로는 기판의 상부 부분에 포함되는 CMOS층(18)에 포함되어 있다.The first electrode 15 and the second electrode 16 are located on either side of the stem 13. The first and second electrodes are individually addressable by electronic circuitry in the silicon substrate 1, which allows the mirror 5 to be tilted by electrostatic attraction. Representative operating relationships of the above DMD will be described in more detail. The electronic circuit is included in the CMOS layer 18 included in the upper portion of the substrate.

도 2에 가장 명확히 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극은, 미러(5)가 기울어질 때 미러(5)의 랜딩 패드들을 형성한다. 종래의 DMD의 문제 중 하나는 미러/요크(yoke)와 랜딩 패드들 사이의 고착력(stiction force)이다. 고착력에 의해, 미러가 하나의 랜딩 패드에 영구적으로 고착될 수 있고, 그 결과 미러가 작동하지 않게 된다. 그러나, 마이크로미러 조립체(1)에 있어서, 지지플랫폼(10)은 랜딩 패드들과 접촉하기 위한 제1 및 제2 접점을 형성한다. 지지플랫폼(10)이 유리하게는 PDMS로 이루어지므로, 어떠한 고착력도 최소화된다.As most clearly shown in FIG. 2, the first and second electrodes form landing pads of the mirror 5 when the mirror 5 is tilted. One problem with conventional DMDs is the stiction force between the mirror / yoke and the landing pads. By the fixing force, the mirror can be permanently fixed to one landing pad, resulting in the mirror not working. However, in the micromirror assembly 1, the support platform 10 forms first and second contacts for contacting the landing pads. Since the support platform 10 is advantageously made of PDMS, any fixing force is minimized.

종래의 DMD를 따라잡음에 있어서, 본 발명의 DMD는, 미러(5)가 바이어스 전위에 의해 비교적 고전위(예를들면, 20∼50V)에서 유지되는 경우, 가장 효율적으로 작용한다. 이는, 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나가 기본 5V의 CMOS 회로에 의해 스위치 온(on) 또는 오프(off)될 때 필요로 하는 정전기력을 최대화시킨다.In catching up with a conventional DMD, the DMD of the present invention works most efficiently when the mirror 5 is held at a relatively high potential (for example, 20 to 50 V) by a bias potential. This maximizes the electrostatic force required when either the first electrode or the second electrode is switched on or off by the basic 5V CMOS circuit.

바이어스 전위는 지지 스템(13)을 통해 알루미늄판(7)에 인가되어도 좋다. PDMS와 같은 폴리머 물질이 대체로 전기적으로 절연되더라도, 티타늄 이온 등의 금속 이온을 주입함으로써 이러한 물질이 전도성을 갖게 하는 것이 가능하다(예를 들면, 문헌내용이 본 명세서에 참고에 의해 포함되는 Dubois et al, Sensors and Actuators A, 130-131 (2006), 147-154 참조). 그러므로, 전도성을 갖는 스템(13)에 의해, 알루미늄판(7)은 높은 바이어스 전위로 유지되어도 좋다.The bias potential may be applied to the aluminum plate 7 via the support stem 13. Although polymeric materials such as PDMS are generally electrically insulated, it is possible to make these materials conductive by implanting metal ions such as titanium ions (eg, Dubois et al, the disclosure of which is incorporated by reference herein). , Sensors and Actuators A, 130-131 (2006), 147-154). Therefore, by the conductive stem 13, the aluminum plate 7 may be maintained at a high bias potential.

또는, 바이어스 전위는 도 3에 도시한 바와 같이 판들을 함께 연결하여, 미러의 열의 일단에서 전압원(voltage source)으로부터 상기 열에 바이어스 전위를 인가함으로써 알루미늄판(7)에 인가되어도 좋다. 인접한 판(7)은 미러들의 경사축을 따라 뻗는 연결부(20)들을 통해 데이지 체인 방식(daisy-chained)으로 연결된다. 연결부들은 미러 경사에 대한 그 임피던스를 최소화하기 위해 경사축을 따라 위치된다.Alternatively, the bias potential may be applied to the aluminum plate 7 by connecting the plates together as shown in FIG. 3 and applying a bias potential to the column from a voltage source at one end of the column of the mirror. Adjacent plates 7 are daisy-chained through connecting portions 20 extending along the tilt axis of the mirrors. The connections are located along the tilt axis to minimize its impedance to the mirror tilt.

연결부(20)들이 미러 경사 중에 불가피하게 작은 비틀림력(torsional force)을 받게 되더라도, 이 연결부들은 일반적으로 이러한 비틀림력으로부터 약화되지 않는다. 이는 어떠한 결정전위(crystal dislocation)도 즉각적으로 완화시킬 수 있는, 연결부재들의 미세 스케일(microscopic scale)에 기인하는 것이다. 전통적인 DMD에서의 비틀림 힌지(torsional hinge)는 같은 이유 때문에 약화되지 않는다.Although the connections 20 are inevitably subjected to a small torsional force during the mirror tilt, these connections are generally not weakened from this torsional force. This is due to the microscopic scale of the connecting members, which can instantly alleviate any crystal dislocation. Torsional hinges in traditional DMDs do not weaken for the same reason.

이제 도 2를 참조하면, 마이크로미러 조립체(1)가 경사 위치에 있는 상태로 도시되어 있다. 도시된 경사 위치로 이동하기 위해, 제1 전극(15)은 CMOS 회로(18)에 의해 +5V로 설정되며 제2 전극은 0V로 설정된다. 알루미늄판이 약 +45V의 전위로 바이어스되므로, 미러(5)는 제1 전극으로부터 정전기 반발력을 받게 되어 제2 전극을 향해 기울어진다. 물론, 전극 극성들의 반작용에 의해 미러(5)는 반대방향으로 기울어질 것이다. 미러(5)를 그 경사 위치에 유지하기 위해, 양쪽 전극을 +5V 또는 0V로 설정하여도 좋다.Referring now to FIG. 2, the micromirror assembly 1 is shown in an inclined position. To move to the inclined position shown, the first electrode 15 is set to + 5V by the CMOS circuit 18 and the second electrode is set to 0V. Since the aluminum plate is biased at a potential of about +45 V, the mirror 5 is subjected to the electrostatic repulsion force from the first electrode and tilts toward the second electrode. Of course, the mirror 5 will be tilted in the opposite direction by the reaction of the electrode polarities. In order to keep the mirror 5 at its inclined position, both electrodes may be set to + 5V or 0V.

경사 중에, 스템(13)이 미러(5)의 경사를 조절하도록 수축(flex)됨을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 종래의 디자인과 달리, 미러의 탄력적의 경사를 가능하게 하기 위해 어떤 복잡한 비틀림 힌지 구조에 대한 필요성이 없다. It will be appreciated that during the inclination, the stem 13 is flexed to adjust the inclination of the mirror 5. Therefore, unlike conventional designs, there is no need for any complicated torsional hinge structure to enable the resilient tilting of the mirror.

이제 도 4 내지 도 7을 참조하면, 도 1에 도시한 DMD를 제조하기 위한 간단한 MEMS 제조과정이 도시되어 있다. 도 4 내지 도 7에서는, CMOS층(18)들이 도시되어 있지 않다.Referring now to FIGS. 4-7, a simple MEMS manufacturing process for manufacturing the DMD shown in FIG. 1 is shown. 4-7, the CMOS layers 18 are not shown.

도 4에 도시한 제1 단계에서, 전극들(또는 랜딩 패드들)은 CMOS 기판(1) 상에 1마이크론의 알루미늄층을 증착하고 에칭함으로써 형성되고 이에 의해 개별적인 제1 및 제2 전극이 형성된다. 알루미늄 전극들은 기본 CMOS의 상부 금속층과 연결됨으로써 각각의 전극이 개별적으로 제어가능하다.In the first step shown in FIG. 4, the electrodes (or landing pads) are formed by depositing and etching a 1 micron layer of aluminum on the CMOS substrate 1, thereby forming separate first and second electrodes. . The aluminum electrodes are connected to the upper metal layer of the basic CMOS so that each electrode is individually controllable.

도 5에 도시한 제2 단계에서, 상기 전극들 위에 포토레지스트층(22)이 스피닝(spining)되어 패터닝됨으로써 스템 개구(23)가 형성된다. 이 포토레지스트층(22)은 PDMS와 알루미늄의 후속 증착을 위해 희생 스캐폴드로서 작용한다.In the second step shown in FIG. 5, a stem opening 23 is formed by spinning and patterning a photoresist layer 22 on the electrodes. This photoresist layer 22 acts as a sacrificial scaffold for subsequent deposition of PDMS and aluminum.

도 6에 도시한 제3 단게에서, 포토레지스트층(22) 위에 PDMS층이 증착되고 나서 알루미늄층이 증착된다. PDMS층은 각각의 마이크로미러 조립체의 스템(13)과 지지플랫폼(10)을 포함한다. 알루미늄층은 상부 반사면(8)을 갖는 판(7)들을 포함한다.In the third step shown in Fig. 6, a PDMS layer is deposited on the photoresist layer 22 and then an aluminum layer is deposited. The PDMS layer includes a stem 13 and a support platform 10 of each micromirror assembly. The aluminum layer comprises plates 7 with an upper reflecting surface 8.

도 7에 도시한 제4 단계에서, PDMS층과 알루미늄층이 에칭됨으로써 개별적인 미러(5)가 형성된다. 이러한 에칭단계는 적당히 패터닝된 포토레지스트 마스크(도시하지 않음)를 이용하며 다른 층들을 통해 에칭하기 위해 각각의 다른 화학물질을 필요로 할 수도 있다.In the fourth step shown in Fig. 7, separate mirrors 5 are formed by etching the PDMS layer and the aluminum layer. This etching step uses a suitably patterned photoresist mask (not shown) and may require different chemicals to etch through the other layers.

최종 단계에서, 희생 포토레지스트층(22)은 산화플라즈마(예를 들면, O2 플라즈마)에 노광시킴으로써 제거된다. 이 최종의 '애싱(ashing)'단계는 도 1에 도시한 DMD를 제공하는 것이다.In the final step, the sacrificial photoresist layer 22 is removed by exposure to an oxide plasma (eg, O 2 plasma). This final 'ashing' step is to provide the DMD shown in FIG.

도 8은 상술한 바와 같은 DMD를 채용하는 전형적인 데이터 프로젝터(100)(예를 들면, 이미지 프로젝터 또는 비디오 프로젝터)를 도시한 것이다. 알려진 DMD를 통합하는 어떠한 데이터 프로젝터도 대안적으로는 본 발명에 따른 DMD를 통합하여도 좋다. 발명의 내용이 본 명세서에 참조에 의해 포함되는 미국특허 제6,966,659호에 설명된 바와 같이, 프로젝터는 컴퓨터 시스템(101)으로부터 수신한 이미지를 인쇄하기 위한 프린트헤드를 포함한다. 예를 들면, 프린트아웃(printout)은 도 8에 도시한 바와 같이 프로젝터(100)의 후방으로부터 배출될 수도 있다.8 illustrates a typical data projector 100 (eg, image projector or video projector) employing the DMD as described above. Any data projector incorporating a known DMD may alternatively incorporate a DMD according to the invention. As described in US Pat. No. 6,966,659, the disclosure of which is incorporated herein by reference, the projector includes a printhead for printing an image received from computer system 101. For example, printout may be ejected from the rear of the projector 100 as shown in FIG.

물론, 본 발명이 실시예에 의해서만 설명되었지만, 첨부한 청구범위에 한정되는 본 발명의 정신 내에서 세부적인 변경이 이루어질 수도 있음을 알 수 있을 것이다.Of course, while the invention has been described by way of example only, it will be appreciated that detailed changes may be made within the spirit of the invention as defined by the appended claims.

Claims (20)

기판 상에 위치된 마이크로미러 조립체들의 어레이(array)를 포함하는 디지털 마이크로미러 장치로서, 각각의 마이크로미러 조립체는,
상기 기판과 이격되어 있고 상부 반사면과 하부 지지면을 갖는 미러,
상기 미러를 지지하고, 상기 기판으로부터 상기 하부 지지면까지 연장되고, 상기 미러의 경사축(tilt axis)을 형성하는 스템(stem),
상기 스템의 어느 한쪽에 위치되고, 각각 상기 기판 내의 전자회로를 통해 개별적으로 어드레스(address) 가능한 제1 및 제2 전극을 포함하며,
상기 스템은 탄력적인 가요성 재료(resiliently flexible material)로 이루어져 있어, 상기 미러가 정전기력에 의해 제1 전극을 향하여 또는 제2 전극을 향하여 어느 한쪽으로 기울어질 수 있는 디지털 마이크로미러 장치.
A digital micromirror device comprising an array of micromirror assemblies located on a substrate, each micromirror assembly comprising:
A mirror spaced apart from the substrate and having a top reflective surface and a bottom support surface,
A stem that supports the mirror and extends from the substrate to the lower support surface and forms a tilt axis of the mirror,
A first and a second electrode located on either side of the stem, each individually addressable via an electronic circuit in the substrate,
The stem is made of a resiliently flexible material, such that the mirror can be tilted to either side towards the first electrode or towards the second electrode by electrostatic force.
제1항에 있어서,
상기 스템은 폴리머로 이루어져 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
The stem is a digital micromirror device consisting of a polymer.
제1항에 있어서,
상기 스템은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
The stem is a digital micromirror device consisting of polydimethylsiloxane (PDMS).
제1항에 있어서,
상기 상부 반사면의 전역(全域)은 평탄한 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
And the entirety of the upper reflecting surface is flat.
제1항에 있어서,
상기 미러는 금속판을 포함하고, 이 금속판은 상부 반사면을 형성하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
The mirror comprises a metal plate, the metal plate forming an upper reflective surface.
제5항에 있어서,
상기 금속판은 알루미늄판인 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 5,
The metal plate is an aluminum plate, a digital micromirror device.
제5항에 있어서,
상기 미러는 상기 금속판에 대한 지지플랫폼(support platform)을 더 포함하고, 상기 지지플랫폼은 상기 하부 지지면을 형성하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 5,
The mirror further comprises a support platform for the metal plate, wherein the support platform forms the lower support surface.
제7항에 있어서,
상기 지지플랫폼은 상기 금속판과 실질적으로 동시 연장(coextensive)되어 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 7, wherein
And said support platform is substantially coextensive with said metal plate.
제7항에 있어서,
상기 지지플랫폼과 상기 스템은 같은 재료로 이루어져 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 7, wherein
And said support platform and said stem are made of the same material.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 상기 미러에 대해 제1 및 제2 랜딩패드(landing pad)를 형성하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
Wherein the first and second electrodes form first and second landing pads relative to the mirror.
제10항에 있어서,
상기 미러는 각각의 제1 및 제2 랜딩패드와 접촉하기 위한 제1 및 제2 접점(contact point)을 가지며, 상기 제1 및 제2 접점은 폴리머로 이루어져 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 10,
Said mirror having first and second contact points for contacting respective first and second landing pads, said first and second contacts being made of a polymer.
제11항에 있어서,
상기 지지플랫폼은 상기 제1 및 제2 접점을 형성하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 11,
And the support platform forms the first and second contacts.
제1항에 있어서,
상기 미러는 바이어스 전위(biasing potential)에 전기적으로 연결되어 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
And the mirror is electrically connected to a biasing potential.
제13항에 있어서,
상기 스템은 전도성 폴리머로 이루어져 있고, 상기 스템은 상기 바이어스 전위에 대한 전기적 연결을 제공하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 13,
Said stem is made of a conductive polymer, said stem providing an electrical connection to said bias potential.
제14항에 있어서,
상기 스템은 금속이온이 주입된 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어져 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 14,
The stem is a digital micromirror device consisting of polydimethylsiloxane (PDMS) infused with metal ions.
제13항에 있어서,
복수의 미러가 여러 열(row)로 함께 연결되어 있고, 각각의 열은 일단이 바이어스 전위에 전기적으로 연결되어 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 13,
A digital micromirror device in which a plurality of mirrors are connected together in rows, each row of which is electrically connected at one end to a bias potential.
제1항에 있어서,
각 열의 미러는 공통의 경사축을 갖는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
Each row of mirrors has a common tilt axis.
제1항에 있어서,
하나의 열에서 인접한 미러들은 연결부(linkage)를 통해 함께 연결되며, 상기 연결부는 공통의 경사축을 따라 정렬되어 있는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
Adjacent mirrors in a row are connected together via a linkage, wherein the linkages are aligned along a common tilt axis.
제1항에 있어서,
상기 기판은 하나 이상의 CMOS층을 포함하는 실리콘 기판이며, CMOS층은 상기 전자회로를 포함하는 디지털 마이크로미러 장치.
The method of claim 1,
Wherein said substrate is a silicon substrate comprising at least one CMOS layer, said CMOS layer comprising said electronic circuitry.
제1항에 따른 디지털 미러 장치를 포함하는 프로젝터.A projector comprising the digital mirror device according to claim 1.
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