KR20180110400A - 마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법 - Google Patents

마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 마이크로 스캐너에는, 제 1 질량부; 상기 제 1 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 질량부; 상기 제 1 구동부를, 상기 제 1 질량부와 상기 제 2 질량부와 각각 연결시키도록, 일방향으로 제공되는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링; 상기 제 2 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 구동부; 상기 제 2 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 고정프레임; 상기 제 2 구동부를, 상기 제 2 질량부와 상기 고정프레임와 각각 연결시키도록, 상기 일방향과는 교차하는 이방향으로 제공되는 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링이 포함된다.

Description

마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법{A micro scanner, and fabrication method for the micro scanner}
본 발명은 마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법에 관한 것으로서, 바람직한 일 예로서 전자기력을 이용하여 구동할 수 있는 마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 스캐너는, 종래의 갈바노(galvano) 스캐너에 비해 속도, 크기, 무게, 저전력 및 낮은 제조비의 장점을 가지고 있다. 상기 마이크로 스캐너는 멤스(MEMS) 기술에 기반하여 초소형으로 제작 및 구동이 가능하다.
이를 기반으로 마이크로 스캐너는, 최근 프린터, 측정장비, 정밀가공, 헤드업(head-up) 디스플레이, 모션 트래커(motion tracker), 피코 프로젝터, 오씨티(optical coherence tomography(OCT)), 및 라이다(light detection and ranging(LiDAR)) 등에서 널리 이용되고 있다.
상기 마이크로 스캐너는 구동 방식에 따라 전자기력, 정전력, 열, 및 압전 방식으로 구동될 수 있다. 한편, 상기 라이다 및 피코 프로젝터와 등과 같이 큰 광 구동각(optical scan angle)을 구현하기 위해서는 토크가 큰 전자기력 방식이 바람직하다.
미국특허 2010/0073748(인용문헌 1)에는, 대략 X축 및 Y축방향으로 배열되는 도선에 의해 구동되는 제 1 질량부(제 1 질량부는, 예시로 스캐너 또는 미러로서 이해될 수 있다)의 일측에 영구자석이 45도방향으로 배치된다. 이 기술에 따르면, 상기 도선에 흐르는 전류과 영구자석의 자기장에 의해서, 영구자석과 제 1 질량부의 정렬이 어렵고 크기가 커진다는 문제점이 있다.
또한, 스캔을 위한 X/Y 두 축 간에 크로스 커플링이 발생할 수 있어, 어느 한 쪽의 동작이 다른 축의 움직임에 영향을 미칠 수 있다. 상기 크로스 커플링은 두 축 간의 구동을 위한 도선이 단일의 도선에 의해서 수행되고, 자기장이 각 축에 대하여 45도 방향으로 기울어지기 때문에 발생한다.
또한, 상기 인용문헌 1에 따르면 토크를 크게 할 때, 제 1 질량부가 스스로 변형하는 동적변형이 발생할 우려가 있다. 상기 동적변형은, 제 1 질량부의 회전 동작 시에 제 1 질량부의 진동 모드 형태에 따라서 제 1 질량부가 변형되는 것으로 이해할 수 있다. 이러한 일은 제 1 질량부의 구동 주파수가 클 때 더욱 커진다. 상기 동적변형이 발생할 경우 반사각이 틀어지는 문제로 인하여 레이저 빔의 스캐닝 동작이 정확하게 수행될 수 없는 문제점이 있다.
다른 종래기술(인용문헌 2)로서, OPTICS EXPRESS VOL. 24, No. 14, 페이지 15813~15821에서 소개되는, Aleum Han, Chang-Hyeon Ji etc. 저술의 'Electromagnetic biaxial vector scanner using radial magnetic field'를 예로 들 수 있다.
상기 인용문헌 2에는 방사형의 자석을 기판 하측에 배치하고, X/Y 두 축에 대한 개별적인 도선을 개입하였다. 이로써, 인용문헌 1과 비교할 때, 두 축 간의 크로스 커플링을 줄이고, 부피가 줄어드는 효과를 얻도록 하였다. 또한, 어느 일 축(안쪽 회전축)에 대해서는 멀티턴이 제공되어 작은 전류에 의해서도 큰 토크가 발생하도록 하였다. 그러나, 어느 일축에 대해서만 큰 토크를 얻을 수 있는 문제점이 있다.
미국특허 2010/0073748의 도 3 및 관련설명
OPTICS EXPRESS VOL. 24, No. 14, 페이지 15813~15821에서 소개되는, Aleum Han, Chang-Hyeon Ji etc. 저술의 'Electromagnetic biaxial vector scanner using radial magnetic field'의 도 6
본 발명은 두 축 모두에 대하여 개별적으로 큰 스캔각을 제공하는 마이크로 스캐너, 및 마이크로 스캐너의 제조방법을 제안한다.
본 발명에 따른 마이크로 스캐너에는, 일 면에 반사층을 가지는 제 1 질량부; 상기 제 1 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 질량부; 상기 제 1 구동부를, 상기 제 1 질량부와 상기 제 2 질량부와 각각 연결시키도록, 일방향으로 제공되는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링; 상기 제 2 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 구동부; 상기 제 2 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 고정프레임; 상기 제 2 구동부를, 상기 제 2 질량부와 상기 고정프레임와 각각 연결시키도록, 상기 일방향과는 교차하는 이방향으로 제공되는 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링; 상기 제 1 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 1 전선; 상기 제 2 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 2 전선; 및 상기 제 1 구동부 및 상기 제 2 구동부의 하측에 소정 간격 이격되어 놓이는 자기장 발생부가 포함된다.
여기서, 상기 제 1 질량부의 상측이 반사판으로 이용될 수 있고, 제 1 질량부의 동적변형을 줄이기 위하여 제 1 질량부의 상측에 보강부가 추가되는 경우에는 제 1 질량부의 하측이 반사판으로 이용될 수 있다.
다른 측면에 따른 본 발명의 마이크로 스캐너의 제조방법에는, SOI기판의 상측 및 상기 SOI기판의 하측에 절연막을 제공하는 것; 상기 SOI기판의 상측에 패터닝된 금속층을 제공하는 것; 상기 금속층을 제외하고 상기 SOI기판의 상부를, DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 선택적으로 제거하여, 마이크로 스캐너를 위한 기판 구조를 제공하는 것; 상기 SOI기판의 하측 일부를 에칭공정으로 제거하여 함몰면을 제공하는 것; 및 상기 함몰면에 반사층을 제공하는 것이 포함되고, 상기 금속층을 제공할 때, 전류가 흐르는 전선 및 운동하는 제 1 질량부의 동적변형을 억제하기 위하여 SOI 기판의 상측에 보강부가 함께 제공된다.
또 다른 측면에 따른 본 발명의 마이크로 스캐너에는, 일 면에 반사층을 가지는 제 1 질량부; 상기 제 1 질량부의 이격되는 외부에 놓이는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 제 2 질량부; 상기 제 2 질량부의 이격되는 외부에 놓이는 제 2 구동부; 상기 제 2 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 고정프레임; 상기 제 1 구동부를 상기 제 1 질량부와 상기 제 2 질량부로 연결하여, 상기 제 1 구동부의 동적증폭을 허용하는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링; 상기 제 2 구동부를 상기 제 2 질량부와 상기 고정프레임으로 연결하여 상기 제 2 구동부의 동적증폭을 허용하는 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링; 상기 제 1 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 1 전선; 상기 제 2 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 2 전선; 및 상기 제 1 구동부 및 상기 제 2 구동부의 하측에 놓이는 자기장 발생부가 포함된다.
본 발명에 따르면 두 축 각각에 대하여 큰 스캔각을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 두 축 모두가 동적증폭을 이용하여 더 큰 스캔각을 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면 두 축의 개별적 구동에 사용되는 금속도선의 피로파괴를 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면 두 축에 대하여 복수 턴을 구현할 수 있어서 저전력에도 큰 토크를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 V-shape 및 W-shape 스프링을 사용하여, 스캔각을 증가시키고 슬라이딩 및 요잉방향으로는 운동이 억제된다는 장점이 있다.
도 1은 마이크로 스캐너에 제공되는 기판의 평면도.
도 2는 마이크로 스캐너에 제공되는 기판의 하측에 놓이는 자석의 평면도.
도 3은 기판과 자기장 발생부의 정렬관계를 설명하는 도면.
도 4는 자기발생부의 중심에서 방사상으로 나갈 때 자속벡터(magnetic flux vector)를 보이는 도면.
도 5는 자기발생부의 중심에서 방사상으로 나갈 때 방사방향의 자속밀도를 나타내는 그래프.
도 6은 도선의 배치 및 전자기력의 발생을 설명하는 기판의 평면도.
도 7에서 도 12는 마이크로 스캐너의 제조방법을 순차적으로 보이는 도면.
도 13은 마이크로 스캐너의 평면사진.
도 14는 도 13의 A부분을 확대한 도면.
도 15는 도 14의 C부분을 확대한 도면.
도 16은 도 13의 B부분을 확대한 도면.
도 17은 도 16의 D부분을 확대한 도면.
도 18은 I-shape 스프링과 비교하였을 때, W-shape 스프링의 강점을 설명하기 위해 진동 공진 진동수를 나타내는 도면.
도 19는 I-shape 스프링과 비교하였을 때, W-shape 스프링의 강점을 설명하기 위해 회전강성을 나타내는 도면.
도 20은 I-shape 스프링과 비교하였을 때, W-shape 스프링의 강점을 설명하기 위해 회전각도를 나타내는 도면.
도 21과 도 22는 마이크로 스캐너의 수직축 및 수평축의 주파수 응답특성을 보이는 도면.
도 23과 도 24는 수직축의 정적모드 및 공진모드에서 전압(Vpp)별로 수직축의 비틀림 각을 보이는 그래프.
도 25는 수평축의 공진모드에서 전압(Vpp)별로 수평축의 비틀림 각을 보이는 그래프.
도 26과 도 27은 수평축 및 수직축 중의 한 축은 구동시키지 않고 다른 축만을 구동시키는 경우에 레이저의 반사를 수행한 결과를 보이는 도면.
도 28 내지 도 30은 수직축은 정적모드로 하고 수평축은 공진모드로 하는 래스터(raster) 스캔 모드에서 레이저를 반사시킨 사진.
도 31 및 도 32는 수직축 및 수평축을 공진모드로 하는 리사주(Lissajous) 모드에서 레이저를 반사시킨 사진.
도 33은 다른 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도.
도 34는 도 33의 E의 확대도.
도 35는 도 33의 F의 확대도.
본 발명의 구성 및 그로 인한 효과는 이하의 실시예에 의해서 더 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
한편, 이하에 제시되는 실시예의 설명에 있어서, 각 부품들은 서로 대칭되는 부품이 쌍으로 제공되는 경우가 많다. 이 경우에는 어느 하나의 부품을 설명하고 대칭되어 쌍을 이루는 부품은 그 설명을 생략하지만, 동일한 설명이 적용되는 것으로 한다. 또한, 도면에 있어서 부품의 작용을 설명하기 위하여 실제 물품과는 달리 강조되어 표시되는 경우도 있지만, 이는 이해의 편의를 위한 것으로서, 크기 및 구체적인 형상은 달라질 수 있다.
도 1은 마이크로 스캐너에 제공되는 기판의 평면도이고, 도 2는 마이크로 스캐너에 제공되는 기판의 하측에 놓이는 자석의 평면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 기판(1)에는 사각형상으로 예시되는 고정프레임(5)이 놓이고, 상기 고정프레임(5)의 내부에는, 제 1 질량부(10)를 구동시키는 구동부(20)(40)와, 상기 구동부로부터 가하여지는 변형력을 탄성 지지하는 다수의 스프링(60)(61)(80)(81)과, 서로 다른 X/Y 두 축의 운동이 가능하도록 상기 두 축의 각각의 구동부 사이에 짐발(gimbal)기능을 수행하는 제 2 질량부(300)가 제공된다.
상기 구동부, 상기 스프링, 및 상기 제 2 질량부는, 상기 제 1 질량부를 중심으로 쌍을 이루거나(스프링의 경우), 상기 제 1 질량부의 무게중심과 동일한 무게중심(구동부 및 제 2 질량부의 경우)을 가지도록 한다. 이로써, 마이크로 스캐너의 구동이 원활히 일어날 수 있다.
상기 구동부, 상기 스프링, 및 상기 제 2 질량부에는 전기가 통하는 도선이 제공되어, 도 2의 자석과의 작용에 의해서, 상기 제 1 질량부(10)의 움직임에 필요한 전자기력이 발생하도록 한다.
상기 구동부, 상기 스프링, 및 상기 제 2 질량부의 상세구성을 설명한다.
상기 구동부에는, 도면을 기준으로 상기 제 1 질량부(10)의 수평방향을 중심축으로 하는 비틀림 동작(torsional movement)을 이끌어 내는 제 1 구동부(20)와, 도면을 기준으로 상기 제 1 질량부(10)의 수직방향을 중심축으로 하는 비틀림 동작을 이끌어 내는 제 2 구동부(40)가 포함된다.
상기 제 1 구동부(20)와 상기 제 1 질량부(10)와의 연결은, 상기 제 1 구동부(20)와 상기 제 1 질량부(10)를 수평방향으로 연결하는 한 쌍의 일방향 제1스프링(60)에 의해서 수행된다. 다시 말하면, 상기 제 1 질량부(10)가 가장 내측에 놓이고, 방사상으로 한 쌍의 일방향 제1스프링(60), 및 원형 틀(이해의 편의를 위하여 도넛 형상)의 형상으로 제시되는 제 1 구동부(20)가 놓이게 된다.
상기 제 1 구동부(20)의 바깥쪽에는 제 2 질량부(300)가 놓인다. 상기 제 2 질량부(300)는 직접적으로 구동을 위한 힘을 제공하는 부분이 아니고, 제 1 구동부(20)와 제 2 구동부(40)를 연결하는 부분이다. 상기 제 2 질량부(300)에 의해서, 각 구동부(20)(40)로 인하여 구동 중에 발생하는 변형이, 구동부 상호 간에 미치는 영향이 줄어들도록 할 수 있고, 추후에 설명되는 동적증폭이 원활히 일어나도록 할 수 있다.
상기 제 2 질량부(300)와 상기 제 1 구동부(20)와의 연결은, 상기 제 1 구동부(20)와 상기 제 2 질량부(300)를 수평방향으로 연결하는 한 쌍의 일방향 제2스프링(61)에 의해서 수행된다. 다시 말하면, 상기 제 1 구동부(20)가 내측에 놓이고, 방사상으로 한 쌍의 일방향 제2스프링(61), 및 원형 틀(이해의 편의를 위하여 도넛 형상)의 형상으로 제시되는 제 2 질량부(300)가 놓이게 된다.
상기 제 1 구동부(20)를 중심으로 살펴보면, 제 1 구동부(20)를 중심으로 할 때, 안쪽에 일방향 제1스프링(60)이 제공되고 바깥쪽에 일방향 제2스프링(61)이 제공된다. 따라서, 제 1 구동부(20)에서 발생하는 힘은 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링(60)(61)에 의해서 지지되고, 공진현상에 의해서 증폭이 되어 제 1 질량부(10)로 전달될 수 있다. 이를 위하여 상기 일방향 제1스프링과 일방향 제2스프링은 제 1 질량부(10)에서 볼 때 동일한 방향으로 연결될 수 있다. 다시 말하면, 일방향은 동일한 방향으로 지칭하는 것으로 이해할 수 있다.
이 작용을 제 1 질량부(10)를 중심으로 정적인 구동과정을 살펴보면, 상기 제 1 질량부(10)가 기울어지더라도, 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링(60)(61)은 그 변형각을 각각 지지할 수 있다. 그러나 발명의 동적인 구동에서는 상기 제 1 구동부(20)의 비틀림 힘이 작더라도, 상기 제 1 질량부(10)는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링(60)(61)에 의해서 동적 증폭되어 제 1 질량부(10)의 경사각은 증폭되어 나타날 수 있다.
상기 동적증폭에 의해서 상기 일방향 제2스프링(61)에 마련되는 도선은 작은 변형으로 비틀릴 수 있다. 즉, 상기 제 1 질량부(10)가 크게 경사지더라도, 상기 스프링(61)은 작게 비틀릴 수 있으므로 금속재질의 도선에서 발생할 수 있는 피로파괴를 억제할 수 있다.
상기 일방향 제2스프링(61)은 "V" 자 형태로 서로 분지되어 있기 때문에, 스프링에 제공되는 두 개 도선의 단락을 애초에 막으면서도, 각 로드(611)(612)가 사이의 간격부에 의해서 서로 떨어져 있어서 비교적 작은 스프링 상수를 얻을 수 있다.
상기 제 2 질량부(300)는 바깥쪽으로 상기 제 2 구동부(40)로 연결된다.
구체적으로 상기 제 2 구동부(40)와 상기 제 2 질량부(300)와의 연결은, 상기 제 2 구동부(40)와 상기 제 2 질량부(300)를 수직방향으로 연결하는 이방향 제1스프링(80)에 의해서 수행된다. 다시 말하면, 상기 제 2 질량부(300)를 내측에 두고, 수직 방사상으로 한 쌍의 이방향 제1스프링(80)에 의해서 제 2 구동부(40)가 연결된다.
상기 제 2 구동부(40)의 바깥쪽에는 고정프레임(5)이 놓인다.
상기 제 2 구동부(40)와 상기 고정프레임(5)과의 연결은, 상기 제 2 구동부(40)와 상기 고정프레임(5)을 수직방향으로 연결하는 한 쌍의 이방향 제2스프링(81)에 의해서 수행된다. 다시 말하면, 상기 제 2 구동부(40)가 내측에 놓이고, 수직 방사상으로 제공되는 한 쌍의 이방향 제2스프링(81), 및 사각 틀의 형상으로 제시되는 고정프레임(5)이 놓인다.
상기 제 2 구동부(40)를 중심으로 살펴보면, 제 2 구동부(40)를 중심으로 할 때, 이방향 제1스프링(80) 및 이방향 제2스프링(81)이 제공된다. 따라서, 제 2 구동부(40)에서 발생하는 힘은 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링(60)(61)에 의해서 지지되고, 동적증폭에 의해서 증폭이 되어 제 2 질량부(300)로 전달될 수 있다. 이를 위하여 상기 이방향 제1스프링과 이방향 제2스프링은 제 1 질량부에서 볼 때 동일한 방향으로 연결될 수 있다. 다시 말하면, 이방향은 동일한 방향으로 지칭하는 것으로 이해할 수 있고, 상기 일방향과는 다른 방향으로서, 바람직하게는 상기 일방향이 수평방향일 때에, 상기 이방향은 수직방향으로 제공될 수 있다.
이 작용을 제 2 질량부(300)를 중심으로 정적인 구동과정을 살펴보면, 상기 제 2 질량부(300)가 경사지게 변형되더라도, 이방향 제1스프링(80) 및 이방향 제2스프링(81)은 그 경사각을 각각 지지할 수 있다. 그러나 동적인 구동에서는 상기 제 2 구동부(40)의 토크, 즉 비틀림 힘이 작더라도 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링(60)(61)에 의해서 증폭되어 제 2 질량부(300)의 경사각은 동적증폭되어 나타날 수 있다.
상기 동적증폭에 의해서 상기 이방향 제2스프링(81)에 마련되는 도선은 작게 변형될 수 있다. 즉, 상기 제 2 질량부(300)가 크게 경사지더라도 스프링(81)은 작게 비틀림 변형될 수 있으므로 금속도선의 피로파괴를 억제할 수 있다.
상기 이방향 제2스프링(81)은 "W" 자 형태로서 큰 지지력을 얻을 수도 있고, 후술하는 바와 같이 세 개 도선의 단락을 애초에 막으면서도 각 스프링 로드(811)(812)(813) 사이의 비어 있는 간격부에 의해여 비교적 작은 스프링 상수를 얻을 수 있다.
상기 이방향 제2스프링(81)은 "W" 자 형태이고, 상기 일방향 제2스프링(61)은 "V" 자 형태로서 서로 다르게 제공될 수 있다. 이에 따르면, 회전강성이 작아져 스캔각이 커지며, 또한 슬라이딩 방향의 강성이 커져서 원하지 않는 방향의 운동을 억제할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 기판의 상하 쪽 어느 일측에 제공되는 자기장 발생부를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 자기장 발생부(100)는 상기 구동부(20)(40)로 자기장을 공급하는 부분이다. 자기장 발생부(100)는, 도 2의 하측에 보이는 자기장 발생부(100)의 평면도를 통하여 알 수 있는 바와 같이 동심원을 가지고, 가장 내측의 제 1 자석(101), 상기 제 1 자석 바깥쪽의 제 2 자석(102), 및 제 2 자석 바깥쪽의 제 3 자석(103)이 포함된다.
상기 자석(101)(102)(103)의 극성은, 도 2의 하측에 보이는 자기장 발생부(100)의 측면도에서 알 수 있는 바와 같이, 서로 교번하여 제공된다.
도 3은 상기 기판과 상기 자기장 발생부의 정렬관계를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 기판(1)의 상측 또는 하측에 상기 자기장 발생부(100)가 놓이는 것으로써, 어느 쪽에 놓이더라도 마이크로 스캐너의 동작에는 무리가 없다. 다만, 설명의 편의를 위하여 상기 기판(1)의 하측에 상기 자기장 발생부(100)가 제공되는 것을 기준으로 한다.
도 3에는, 세 개의 메칭지시선(2011)(2021)(2031)이 도시된다. 각각의 메칭지시선은 기판(1)과 자기장 발생부(100)가 상하로 정렬되는 지점을 포인트별로 메칭하여 보이고 있다. 상기 제 1 메칭지시선(2011)은 제 1 구동부(20) 선폭의 중심(201)과 제 1 자석(101)과 제 2 자석(102)의 사이지점(201)을 연결하고, 상기 제 1 메칭지시선(2011)이 연결하는 지점은 상하로 정렬된다. 상기 제 2 메칭지시선(2021)은 제 2 질량부(300) 선폭의 중심(202)과 제 2 자석(102) 선폭의 중심을 연결하고, 상기 제 2 메칭지시선(2021)이 연결하는 지점은 상하로 정렬된다. 상기 제 3 메칭지시선(2031)은 제 2 구동부(40) 선폭의 중심(203)과 제 2 자석(102)과 제 3 자석(103)의 사이지점(203)을 연결하고, 상기 제 3 메칭지시선(2031)이 연결하는 지점은 상하로 정렬된다.
상기 메칭지시선의 연결은, 상기 자기발생부(100)에서의 자기장이, 상기 구동부(20)(40)에 대해서는 최고의 유효자속을 인가하여 최대의 전자기력을 만들어 내도록 하고, 상기 제 2 질량부(300)에 대해서는 최소의 유효자속을 인가하여 최소의 전자기력을 만들어내기 위한 것이다.
상기 구동부(20)(40), 및 상기 제 2 질량부(300)에 발생하는 전자기력의 성질에 대하여 더 상세하게 설명한다. 이하의 전자기력 및 자기장의 설명은 공학적인 오차가 있는 것은 당연하게 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 자기발생부의 중심에서 방사상으로 나갈 때 자속벡터(magnetic flux vector)를 보이는 도면이고, 도 5는 자기발생부의 중심에서 방사상으로 나갈 때 방사방향의 자속밀도를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5에 도시되는 자속밀도는, 자기발생부(100)의 표면에서 450마이크로미터 상측의 데이터로서, 기판(1)이 그 위치에 놓이는 것을 가정할 수 있다. 기판과 자기발생부 사이의 간격은 제 1 질량부(10)의 회동을 허용하기 위한 간격으로 작용할 수 있다. 이하에서 자속밀도의 설명은 모두 도 5를 기준으로 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 방사방향으로 갈수록 자속이 점진적으로 증가하여 제 1 메칭라인(201)에서는 안쪽(자기발생부의 중심방향)을 향하는 자속이 최대가 된다. 상기 제 1 메칭라인(201)과 정렬되는 제 1 구동부(20)에는 최대의 토크를 발생시킬 수 있다.
상기 제 1 메칭라인(201)을 통과해서 방사방향으로 가면 갈수록 방사상으로 안쪽과 바깥쪽을 향하는 자속이 상쇄되어 자속밀도가 영이 된다. 자속밀도가 영이 되는 제 2 메칭라인(202)에서는 자속밀도가 없다. 상기 제 2 메칭라인(202)과 정렬되는 제 2 질량부(300)에는 토크가 발생하지 않는다.
상기 제 2 메칭라인(202)을 통과해서 방사방향으로 가면 갈수록 자속이 점진적으로 증가하여 제 3 메칭라인(203)에서는 바깥쪽(방사방향)을 향하는 자속이 최대로 된다. 상기 제 3 메칭라인(203)과 정렬되는 제 2 구동부(40)에는 최대의 토크를 발생시킬 수 있다.
제 3 메칭라인을 통과한 뒤부터는 자속이 점진적으로 작아질 수 있다.
상기 기판(1)과 상기 자기발생부(100)의 정렬관계에 따르면, 구동부(20)(40)에서는 최대의 전자기력 및 토크가 발생하고, 제 2 질량부(300)에서는 전자기력이 발생하지 않을 수 있다.
도 6은 도선의 배치 및 전자기력의 발생을 설명하는 기판의 평면도이다.
도 6을 참조하면, 제 1 구동부(20)에 전류를 공급하는 제 1 전선(70)은, 고정프레임(5)에 제공되는 단자로부터 상기 제 2 이방향 제2스프링(812)를 통하여 인입출된다. 다음에, 제 2 구동부(40)를 그대로 통과한 다음에, 이방향 제1스프링(80)을 통과하여 제 2 질량부(300)에 이른다. 이후에는 제 2 질량부(300)를 따라서 원주방향으로 90도 연장된다. 이후에, 상기 일방향 제2스프링(61)에서는, 제 1 일방향 제2스프링(611)과 제 2 일방향 제2스프링(612)로 두 갈래로 분기되어 제 1 구동부(20)를 통과한다. 그 다음에는 위의 설명과 대칭되는 방향으로 도면과 같이 고정프레임(5)까지 연장될 수 있다.
상기 제 1 전선(70) 중에서, 상기 제 1 구동부(20)를 따라서 연장되는 제 1 능동도선(72)의 전류방향은, 방사상으로 대칭되지 않고, 상하로 대칭을 이룬다. 다시 말하면, 제 1 능동도선(72)의 전류방향은 도면을 기준으로 우측으로서, 서로 같은 방향으로 흐른다. 따라서, 상기 제 1 메칭라인(201)에서 방사 방향의 자기장이 인가될 때, 전류 방향이 상하로 대칭이므로, 제 1 구동부(20)는 수평축을 중심으로 비틀림 회전진동할 수 있다. 구체적으로 도면에 도시되는 자기장방향(B) 및 전류방향(I)과 그로 인한 전자기력의 방향을 참조하면 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상기 제 1 전선(70) 중에서, 상기 제 2 질량부(300)를 따라서 연장되는 제 1 연결부(71)의 전류방향은 방사방향으로 대칭이지만, 상기 자기장발생부(100)의 자기장이 방사방향으로는 영이기 때문에 전자기력이 발생하지 않는다.
간단히 설명하면, 상기 제 1 전선(70)에 있어서, 제 1 연결부(71)에는 전자기력이 발생하지 않아서 상기 제 2 질량부(300)에는 힘이 발생하지 않고, 제 1 능동도선(72)에는 전자기력이 발생하여 상기 제 1 구동부(20)에는 토크가 발생한다.
제 2 구동부(40)에 전류를 공급하는 제 2 전선(90)은, 고정프레임(5)에 제공되는 단자로부터 분기되어 상기 이방향 제2스프링(811)(813)를 통하여 인입출된다. 다음에, 제 2 구동부(40)를 두 갈래로 나뉜 상태로 통과한다.
상기 제 2 전선(90) 중에서, 상기 제 2 구동부(40)를 따라서 연장되는 제 2 능동도선(91)의 전류방향은, 방사상으로 대칭되지 않고, 좌우로 대칭을 이룬다. 다시 말하면, 제 2 능동도선(91)의 전류방향은 도면을 기준으로 할 때 하측으로서, 같은 방향으로 흐른다. 따라서, 상기 제 3 메칭라인(203)에 방사 방향의 자기장이 인가될 때, 전류 방향이 좌우로 대칭이므로, 제 2 구동부(40)는 수직축을 중심으로 비틀림 회전진동할 수 있다. 구체적으로 도면에 도시되는 자기장방향(B) 및 전류방향(I), 및 그로 인한 전자기력의 방향을 참조하면 충분히 이해할 수 있을 것이다.
위의 설명과 같이 각각의 전선(70)(90)을 따라서 흐르는 전류와 자기장 발생부(100)의 자기장에 의해서 로렌츠힘에 따른 전자기력이 발생하고, 전선이 제공되는 구동부(20)(40)가 비틀림 회전할 수 있다.
상기 전선에 교류전류가 흐르게 됨으로써 구동부는 진동회전할 수 있다. 각 구동부, 스프링, 제 2 질량부, 및 제 1 질량부의 진동계의 형상 및 스프링 상수에 따른 공진주파수로 상기 교류전류가 공급됨으로써, 상기 제 1 질량부(10)는 수평축 및 수직축의 각각의 공진주파수로 비틀림 회진진동할 수 있다. 이때, 상기 수평축은 고속으로 진동회전하는 고속축이 될 수 있고, 상기 수직축은 저속으로 진동회전하는 저속축이 될 수 있다.
한편, 상기 제 1 질량부(10)는 원형으로 제공될 수 있고, 경우에 따라서 상기 제 1 질량부(10)가 레이저의 반사경으로 적용될 때에 레이저가 비스듬히 조사되기 위하여 타원형으로 제공될 수도 있다.
상기 제 1 질량부(10)에는, 동적변형을 억제하기 위한 보강부(11)가 제공될 수 있다. 상기 보강부(11)의 예시로서 십자형상을 들 수 있으며, 이를 통하여 제 1 질량부(10)의 면적관성(area moment of inertia)을 크게 하여 고주파로 회동 진동시에 제 1 질량부(10)의 변형을 줄일 수 있다. 상기 보강부(11)는 직교형 십자가, 대각선 십자가, 원형, 대칭되는 사각형, 및 이들의 조합과 같은 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 상기 보강부(11)는 상기 도선이 제공될 때 함께 제공될 수 있기 때문에, 별도의 공정이 필요하지 않은 장점을 얻을 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 제조방법을 설명한다.
도 7에서 도 12는 마이크로 스캐너의 제조방법을 순차적으로 보이는 도면이다.
먼저, 도 7에 보이는 바와 같은 기판을 준비한다. 기판은 SOI(SOI: Silicon On Insulator)기판을 사용할 수 있다. 상기 다층기판(200)은, 제 1 실리콘층(205)와 제 2 실리콘층(204)을 가지고, 하측의 하측절연막(203), 상측의 상측절연막(202), 및 절연층(201)을 가질 수 있다. 상기 절연층(201), 절연막(202)(203)은 산화실리콘(SiO2)으로 제공될 수 있다.
이후에 도 8에 보이는 바와 같이, 다층기판(200)의 상면에 금속층(210)을 적층한다. 상기 금속층(210)의 적층방법은, 시드층(Cu/Ti)를 스퍼터링하여 적층하고, 포토레지스터 현상(develop)을 이용하여 패터닝 한 다음에, 전기도금으로 구리를 도금하는 것에 의해서 수행될 수 있다.
상기 금속층(210)은 상기 전선(70)(90)을 제공할 뿐만 아니라, 상기 보강부(11)를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 단일의 공정을 통해서 도선부로서 전선과 보강부를 함께 제공하므로 간단한 제작공정을 달성할 수 있다. 멤스분야에서 적용되는 미세공정은 제작공정의 수가 늘어남에 따라서 제품수율이 감소하는 문제가 있음을 감안할 때, 보강부(11) 및 전선(70)(90)을 단일의 공정으로 제공할 수 있는 것은 제품수율에 좋은 영향을 미칠 수 있다.
이후에는 도 9에 보이는 바와 같이, 알아이(RIE) 공정으로 상측절연막(202), 딥알아이이(Deep RIE)공정으로 제 1 실리콘층(205)을 선택적으로 제거하여 마이크로 스캐너에 필요한 기판 구조를 형성한다. 다시 말하면, 고정프레임, 구동부, 제 2 질량부, 및 스프링이 서로 분리되도록 할 수 있다.
이후에 도 10 및 도 11과 같이, 제 2 실리콘층(204) 및 절연층(201)을 순차적으로 제거한다. 그러면 다층기판(200)의 하부에는 함몰면(210)을 제공할 수 있다.
이후에는 도 12에 보이는 바와 같이, 함몰면(210)을 포함하는 하면에 반사율이 높은 금속으로 반사층(212)을 제공한다. 상기 반사층(212)은 보호막으로 보호할 수도 있다.
상기 반사층(212)은 마이크로 스캐너의 제 1 질량부(10)에서 레이저를 반사하는 반사판이 될 수 있다. 즉, 제 1 질량부(10)가 회전진동할 때 반사판(212)으로 입사된 레이저를 다양한 각도로 반사하고, 반사된 광은 점광원인 레이저가 넓은 공간을 스캐닝하도록 할 수 있다.
위와 같은 공정에 의해서 다층기판(200)이 마이크로 스캐너의 기판(1)이 되는 과정을 설명하였다. 도 12의 기판에서 가운데 부분은 제 1 질량부(10)가 되고 최외각은 고정프레임(5)이 될 수 있고, 내부의 각 부품은 구동부, 제 2 질량부, 및 스프링으로 제공될 수 있다.
도 13은 실제로 제작된 마이크로 스캐너의 평면사진이다.
도 13을 참조하면, 기판(1)의 가운데 제 1 질량부가 놓여있다. 도 13의 A부분을 확대한 도면이 도 14이고, 도 14의 C부분을 확대한 도면이 도 15이다.
도 13내지 도 15를 참조하면, 제 1 구동부(20)의 진동계를 주로 제공하는 부분으로서, 상기 제 1 질량부(10)와 연결되는 일방향 제1스프링(60)과 일방향 제2스프링(61)이 보이고, 그 바깥쪽으로 제 2 질량부(300)가 제공되는 것을 볼 수 있다. 상기 제 1 구동부(20)의 상측 및 제 2 질량부(300)의 상면에는 제 1 능동도선(72) 및 제 1 연결부(71)가 적층되는 것을 볼 수 있다.
도 16은 도 13의 B부분을 확대한 도면이고, 도 17은 도 16의 D부분을 확대한 도면이다.
도 13, 도 16, 도 17을 참조하면, 제 2 구동부(40)의 진동계를 주로 제공하는 부분으로서, 이방향 제1스프링(80)과 이방향 제2스프링(81)이 상기 제 2 구동부(40)의 안과 바깥에 제공되는 것을 볼 수 있다.
상기 설명에서 본 바와 같이, 상기 일방향 제2스프링(61), 및 상기 이방향 제2스프링(81)은 각각 'V'자와 'W'자 형상으로 제공되어, 다른 스프링의 'I'자 형상과는 다른 것을 볼 수 있다. 이는 제 1 질량부의 불필요한 슬라이딩 모드(sliding mode)과 요잉(yawing mode)의 방향에 대한 스프링 강성을 증대시킴으로써 스캐너의 회전운동에 대한 영향을 줄이기 위한 것이다.
이하에서 더 상세하게 설명한다.
실시예에 따르면, 상기 동적증폭에 의해서 제 1 질량부(10)의 경사각을 크게 할 수 있고, 설계 시에 마이크로 스캐너의 형상에 의해서 정하여진 수평축 및 수직축의 공진 비틀림 진동수를 달성할 수 있다. 이 경우에 스캐너의 회전모드를 제외한 다른 모드에 대해서, 스프링(61)(81)의 스프링 상수를 크게 함으로써, 제 1 질량부(10)의 슬라이딩 모드와 요잉모드의 공진 진동수를 더 크게 할 수 있는 것이다.
도 18에 제시되는 진동모드에 따른 공진 진동수의 테이블을 참조하여 더 쉽게 이해할 수 이다.
도 18는, 'I'자 형상의 스프링과 "W"자 형상의 스프링을 사용하는 경우에, 제 1 질량부(10)의, 공진 비틀림 진동수와 공진 슬라이딩 진동수와 공진 요잉 진동수를 비교하여 제시한다.
'I'자 형상의 스프링과 "W"자 형상의 스프링을 각각 사용하여, 공진 비틀림 진동수를 429Hz로 설계하였을 때, 'I'자 형상의 스프링의 경우에는 공진 슬라이딩 진동수는 1073Hz이고 공진 요잉 진동수는 2180Hz이다. 이에 반하여, 'W'자 형상의 스프링의 경우에는 공진 슬라이딩 진동수는 3777Hz이고 공진 요잉 진동수는 4436Hz이다.
위의 시뮬레이션 결과에 따르면, 스프링 상수가 큰 스프링을 사용함으로써, 필요로 하는 공진 비틀림 진동수와 대비할 때, 공진 슬라이딩 진동수와 공진 요잉 진동수가 더 크게 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 공진 슬라이딩 동작과 공진 요잉 동작은 제 1 질량부(10)의 비틀림 동작에 미치는 영향이 작아지고, 제 1 질량부(10)의 반사각에 미치는 악영향을 줄일 수 있다. 이러한 작용은 'V'자 스프링에 있어서도 마찬가지로 볼 수 있다.
이때 유념할 것으로서, 'I'자 스프링의 두께 및 폭을 크게 하는 것으로 유사한 효과를 달성할 수 있을 것이라고 볼 수도 있다. 그러나, 그와 같이 하는 경우에는 공진 비틀림 주파수의 변화(예를 들어, 스프링상수가 불필요하게 지나치게 커지는 현상, 및 그에 따른 공진 비틀림 주파수의 변화)를 초래할 뿐만 아니라, 실시예에서는 스프링, 특히, 일방향 제2스프링(61) 및 이방향 제2스프링(81)이 다수 개의 분기되는 도선의 단락을 일으킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
예를 들어 설명한다.
구리의 최대 전류 밀도는 0.1MA/cm2(1mA/μm2)이다. 이 경우에, 전자기력을 이용하는 마이크로 스캐너의 구동을 위하여 충분히 큰 전류(200mArms)가 흐르기 위해서는 스프링 위의 도선의 최소 선폭은 20㎛이상 요구된다. 마찬가지로 도선의 하부에 위치하는 스프링의 최소 선폭 역시 최소 20㎛이상이 요구된다.
실시예와 같이 구동부(20)(40)와 연결되는 라인이 3개(slow-axis축 구동) 또는 2개(fast-axis축 구동)인 경우에는 스프링 폭이 두꺼워져서 스프링의 비틀림 강성(torsional stiffness)이 커지고, 이에 따라서 스캔각(scan angle)을 저하시킬 우려가 있다. 이 경우에, 스프링을 병렬로 나누어서 'W' 자형상 또는 'V'자 형상으로 하면 스프링의 비틀림 강성를 크게 줄일 수 있다.
도 19는 비틀림 강성의 유한요소해석 시뮬레이션 결과를 보이고 있다.
도 19를 참조하면, 'I'자 형상(폭: 60㎛, 두께: 50㎛, 길이 2000㎛)과 'W'자 형상(폭: 20㎛, 두께: 50㎛, 길이 2000㎛)의 스프링 구조 각각의 비틀림 강성을 알 수 있다. 도선이 세 개가 필요한 경우에, 'I'자 형상의 비틀림 강성은 7.9424e-5[Nm]이고, 'W'자 형상의 비틀림 강성은 2.1322e-5로 크게 개선될 수 있다.
도 20은 스캔각을 보이는 그래프로서, 도 20을 참조하면, 'I'자 형상의 스프링에 비해서 'W'자의 형상의 스프링에서 스캔각도가 크게 개선되는 것을 볼 수 있다.
정리하면, 일반적으로 사용되는 'I'자 형상 대신에 'W'자 형상을 사용하게 되면, 회전모드의 스프링 강성은 줄여서 회전각도를 크게 할 수 있고, 슬라이딩 모드와 요잉 모드의 스프링 강성은 크게 하여 원하지 않는 방향으로의 운동을 줄일 수 있다.
이하에서는 제작된 마이크로 스캐너를 이용한 실험결과에 대하여 설명한다.
도 21과 도 22는 마이크로 스캐너의 수직축 및 수평축의 공진 주파수를 보이는 도면이다.
도 21을 참조하면, 입력전압 100mV, 전류 33mA에서 429Hz에서 공진되는 것을 알 수 있었다. 도 22를 참조하면, 입력전압 200mV, 전류 37mV에서 1634Hz에서 공진되는 것을 알 수 있었다.
도 23과 도 24는 수직축의 정적모드 및 공진모드에서 전압(Vpp)별로 수직축의 비틀림 각을 보이는 그래프이다.
도 23을 참조하면, 정적모드(static mode)에서는 전압에 따라서 비틀림 각이 증가하여 9.06도까지 증가하는 것을 볼 수 있었다. 도 24를 참조하면, 공진모드(resonant mode)에서는 전압에 따라서 비틀림 각이 증가하여 20.65도까지 증가하는 것을 볼 수 있었다.
도 25는 수평축의 공진모드에서 전압(Vpp)별로 수평축의 비틀림 각을 보이는 그래프이다.
도 25를 참조하면, 공진모드에서 전압에 따라서 비틀림 각이 증가하여 50.55도까지 증가하는 것을 볼 수 있었다.
도 26과 도 27은 수평축 및 수직축 중의 한 축은 구동시키지 않고 다른 축만을 구동시키는 경우에 레이저의 반사를 수행한 결과를 보이는 도면으로서, 도 26은 수평축을 공진모드로 1.2Vpp로 구동시키는 경우이고, 도 27은 수직축을 정적모드로 20Vpp로 동작시킨 경우로서 각 경우에 비틀림 진동이 일어나는 것을 볼 수 있다.
도 28 내지 도 30은 수직축은 정적모드로 하고 수평축은 공진모드로 하는 래스터 모드(raster mode)에서 레이저를 반사시킨 사진이다.
도 28은 수직축은 20Vpp, 수평축은 0.8Vpp으로 동작시킨 경우이고, 도 29는 수직축은 20Vpp, 수평축은 1.6Vpp으로 동작시킨 경우이고, 도 30은 수직축은 2.8Vpp, 수평축은 20Vpp으로 동작시킨 경우로서, 각 경우에 따라서 레이저 반사가 달라지는 것을 볼 수 있었다.
도 31 및 도 32는 수직축 및 수평축을 공진모드로 하는 리사주 모드(Lissajous mode)에서 레이저를 반사시킨 사진이다.
도 31은 수직축은 200mVpp, 수평축은 2.8Vpp으로 동작시킨 경우이고, 도 32는 수직축은 500mVpp, 수평축은 2.8Vpp으로 동작시킨 경우로서, 각 경우에 따라서 레이저 반사가 다양한 양상으로 달라지는 것을 볼 수 있었다.
위의 실험결과에서 본 바와 같이 본 실시예에 따르면 다양한 레이저 반사각을 구현할 수 있다.
이상의 실시예에서, 원형 틀, 즉 도우넛 형상의 상기 제 2 질량부(300)가 제공되는 것에 의해서, 제 2 질량부(300)에 놓이는 전선으로 전류가 흐르더라도 구동부에 전자기력이 발생하지 않는다. 상기 제 2 질량부(300)에는 스프링을 포함하는 다수의 연결부가 제공되어 동적증폭이 가능하게 되는 장점이 있다.
상기 장점을 더욱 크게 하는 다른 실시예를 설명한다.
도 33은 다른 실시예에 따른 마이크로 스캐너의 평면도이다.
상기 다른 실시예는 구동부 및 제 2 질량부에 제공되는 전선이 복선으로 제공되는 것이 특징적으로 달라진다. 구동부에서 전선 복선으로 제공됨으로써, 동일한 토크를 얻을 수 있는 소요전류가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
이하 도면의 설명에 있어서 구체적으로 설명이 없는 부분은 원 실시예의 설명이 필요한 범위의 변경을 가지고서 그대로 적용될 수 있고, 다른 실시예의 경우에 특징적으로 달라지는 부분에 대하여만 설명한다. 또한 대칭적으로 놓이는 부분에 대하여 한 곳을 설명하고 대칭되는 곳은 동일한 설명이 적용되는 것으로 한다.
도 33을 참조하면, 제 1 구동부(20)로 전류를 공급하는 전선은 상하로 분리되어 한 쌍으로서, 제 1-1 전선(75)과 제 1-2전선(76)이 제공된다.
상기 제 1-1 전선(75)는, 도시된 바와 같이 상기 제 1 구동부(20) 및 상기 제 2 질량부(300)를 같은 방향으로 두번 회전하도록 구성된다. 따라서 같은 방향의 전류로서 로렌츠 힘을 원 실시예와 비교할 때 두배를 제공할 수 이다. 구체적으로 상기 제 1-1 전선(75)은 상기 제 1 구동부(20) 및 상기 제 2 질량부(300)를 180도 회전할 수 이다.
상기 제 1-1 전선(75)의 제공방향은 도 34에 제시되는 도 33의 E의 확대도를 통하여 더 명확하게 이해될 수 있다.
도 33 및 도 34를 참조하면, 상기 제 1-1 전선(75)는 먼저 제 2 질량부(300)에서 반시계방향을 따라 90도 연장되고, 상기 제 1 일방향 제2스프링(611)을 통하여 제 1 구동부(20)로 들어와, 상기 제 1 구동부(20)에서 시계방향으로 180도 연장된다. 이후에는 다시 상기 제 2 질량부(300)를 반시계방향으로 180도 연장된 다음에, 다시금 상기 제 2 일방향 제2스프링(612)를 통하여 제 1 구동부(20)로 들어와 180도 연장된다.
상기되는 도선 배치의 결과, 상기 제 1 구동부(20)에는 제 1-1-1 능동도선(77)과 제 1-1-2 능동도선(78)인 두 개의 도선이 제공되고, 상기 제 2 질량부(300)에는 제 1-1-1 연결부(751)과 제 1-1-2 연결부(752)와 제 1-2-3 연결부(753)인 세 개의 도선이 제공될 수 있다.
상기되는 바와 같은 연장경로에 따르면, 상기 제 1 구동부(20)에는 같은 방향으로 흐르는 두 개의 전선이 제공되어 전자기력을 발생시킬 수 있다. 마찬가지로 상기 제 2 질량부(300)에도 두 개의 전선이 제공되지만, 원 실시예에서 설명한 바와 같이 전자기력을 발생시키는 않는다.
하측에 있는 제 1-2 전선(76)도 마찬가지의 형태가 대칭적으로 제공될 수 있다.
상기 제 2 전선(95)는, 도시된 바와 같이 상기 제 2 구동부(40)를 같은 방향으로 두 번, 상기 제 2 질량부(300)를 한 번 회전하도록 구성된다. 따라서 같은 방향의 전류에 의해서 로렌츠 힘을 원 실시예와 비교할 때 두 배로 제공할 수 있다.
상기 제 2 전선(95)의 생성방향은 도 35에 제시되는 도 33의 F의 확대도를 통하여 명확하게 이해될 수 있다.
도 33 및 도 35를 참조하면, 인입된 제 2 전선(95)는 좌우로 분기되어 인입출되고 서로 다른 방향으로 제 2 구동부(40)를 180도 연장된다. 이후에 상기 제 2 전선(65)은 제 2 질량부(300)로 들어와 180도 회전하고, 다시 상기 제 2 구동부(40)를 180도 연장된 다음에 인출된다.
이 도선 배치의 결과, 상기 제 2 구동부(20)에는 제 2-1 능동도선(96)과 제 2-2 능동도선(97)인 두 개의 도선이 제공되고, 상기 제 2 질량부(300)에는 제 2-1 연결부(951)인 한 개의 도선이 제공될 수 있다.
상기되는 바와 같은 연장경로에 따르면, 상기 제 2 구동부(40)에는 같은 방향으로 흐르는 두 개의 전선이 제공되어 전자기력을 발생시킬 수 있다. 마찬가지로 상기 제 2 질량부(300)에도 한 개의 전선이 제공되지만, 원 실시예에서 설명한 바와 같이 전자기력을 발생시키는 않는다.
분기되는 반대쪽에 있는 전선도 마찬가지의 형태가 대칭적으로 제공될 수 있다.
이상의 다른 실시예에 따르면, 원 실시예와 비교할 때 기판의 구성은 동일하고, 도선으로 제공되는 전선의 결선을 다르게 함으로써 제 1 구동부 및 제 2 구동부의 도선을 모두 멀티 턴(multi turn)으로 제공할 수 있다. 따라서, 양 구동부의 토크를 모두 크게 할 수 있다.
상기 다른 실시예에 따르면, 도선의 결선이 서로 단락되지 않으면서 서로 타고 넘을 수 있도록 하기 위하여, 상기 금속층(210)을 다층으로, 예를 들어, 두 층으로 제공하여야 하는 단점은 있지만, 마이크로 스캐너의 동작에 있어서 같은 전류로 더 큰 토크를 제공할 수 있다.
상기 금속층(210)이 다층으로 제공되는 경우에는 다음과 같은 공정이 추가로 제공될 수 있다. 먼저, 원실시예에서 소정의 구조로 제공된 금속층(210)을 제공하고, 상기 금속층(210) 상에 절연층을 깔고 상기 절연층을 패턴하여 비아구조를 제공한다. 이후에 다시 패터닝된 시드층을 제공하고 다시 전기도금을 실시하는 것에 의해서 다층의 금속층을 얻을 수 있다.
상기 다른 실시예는 큰 힘이 요망되는 마이크로 스캐너의 경우에 더 바람직하게 적용될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 동적증폭, 멀티턴을 이용하여 두 축 모두에 대한 제 1 질량부의 더 큰 반사각을 저전류로 구현할 수 있다. 이에 따르면 레이저 스캐너의 스캐닝 범위를 크게 할 수 있다.
10: 제 1 질량부
300: 제 2 질량부

Claims (17)

  1. 일 면에 반사층을 가지는 제 1 질량부;
    상기 제 1 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 1 구동부;
    상기 제 1 구동부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 질량부;
    상기 제 1 구동부를, 상기 제 1 질량부와 상기 제 2 질량부와 각각 연결시키도록, 일방향으로 제공되는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링;
    상기 제 2 질량부의 이격되는 외부에 상기 제 1 질량부와 동일 중심으로 제공되는 제 2 구동부;
    상기 제 2 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 고정프레임;
    상기 제 2 구동부를, 상기 제 2 질량부와 상기 고정프레임와 각각 연결시키도록, 상기 일방향과는 교차하는 이방향으로 제공되는 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링;
    상기 제 1 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 1 전선;
    상기 제 2 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 2 전선; 및
    상기 제 1 구동부 및 상기 제 2 구동부의 하측에 소정 간격 이격되어 놓이는 자기장 발생부가 포함되는 마이크로 스캐너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 동일한 중심을 가지는 세 개의 자석을 포함하고,
    상기 세 개의 자석은,
    소정 간격으로, 방사방향으로 극성이 반대이고 자속이 최대인 두개의 메칭라인과, 방사방향으로 자속이 영인 하나의 메칭라인을 가지도록, 극성이 교차하는 마이크로 스캐너.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전선 및 상기 제 2 전선은, 상기 자속이 최대인 두개의 메칭라인과 정렬되고,
    상기 제 2 질량부는 상기 자속인 영인 하나의 메칭라인과 정렬되는 마이크로 스캐너.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구동부를 흐르는 전류는, 상기 일방향을 축으로 할 때, 상기 축을 중심으로 같은 방향으로 흐르는 마이크로 스캐너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 구동부를 흐르는 전류는, 상기 이방향을 축으로 할 때, 상기 축을 중심으로 같은 방향으로 흐르는 마이크로 스캐너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구동부에 놓이는 전선과 상기 제 2 구동부에 놓이는 전선은, 모두 복선으로 제공되는 마이크로 스캐너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 질량부는 원형 또는 타원형으로 제공되는 마이크로 스캐너.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 일방향 제1스프링, 상기 일방향 제2스프링, 상기 이방향 제1스프링, 및 상기 이방향 제2스프링 중의 적어도 하나는 'V'자 형상 및 'W'자 형상 중의 적어도 하나로 제공되는 마이크로 스캐너.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 질량부에서 상기 반사층이 제공되는 반대면에는, 상기 제 1 질량부의 동적변형을 억제하는 보강부가 마련되는 마이크로 스캐너.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보강부는 직교형 십자가, 대각선 십자가, 원형, 대칭되는 사각형, 및 이들의 두 개 이상의 조합 중의 어느 하나로 제공되는 마이크로 스캐너.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 보강부는 상기 제 1 전선 및 상기 제 2 전선과 같은 재질로 제공되는 마이크로 스캐너.
  12. SOI기판의 상측 및 상기 SOI기판의 하측에 절연막을 제공하는 것;
    상기 SOI기판의 상측에 패터닝된 금속층을 제공하는 것;
    상기 금속층을 제외하고 상기 SOI기판의 상부를, DRIE공정으로 선택적으로 제거하여, 마이크로 스캐너를 위한 기판 구조를 제공하는 것;
    상기 SOI기판의 하측 일부를 에칭공정으로 제거하여 함몰면을 제공하는 것; 및
    상기 함몰면에 반사층을 제공하는 것이 포함되고,
    상기 금속층을 제공할 때, 전류가 흐르는 전선 및 운동하는 제 1 질량부의 동적변형을 억제하기 위하여 보강부가 함께 제공되는 마이크로 스캐너의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속층은 전기도금으로 제공되는 마이크로 스캐너의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속층은 비아구조를 가지는 적층구조로 제공되는 마이크로 스캐너의 제조방법.
  15. 일 면에 반사층을 가지는 제 1 질량부;
    상기 제 1 질량부의 이격되는 외부에 놓이는 제 1 구동부;
    상기 제 1 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 제 2 질량부;
    상기 제 2 질량부의 이격되는 외부에 놓이는 제 2 구동부;
    상기 제 2 구동부의 이격되는 외부에 놓이는 고정프레임;
    상기 제 1 구동부를 상기 제 1 질량부와 상기 제 2 질량부로 연결하여, 상기 제 1 구동부의 동적증폭을 허용하는 일방향 제1스프링 및 일방향 제2스프링;
    상기 제 2 구동부를 상기 제 2 질량부와 상기 고정프레임으로 연결하여 상기 제 2 구동부의 동적증폭을 허용하는 이방향 제1스프링 및 이방향 제2스프링;
    상기 제 1 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 1 전선;
    상기 제 2 구동부에 제공되고 외부로부터 공급되는 전류가 흐르는 제 2 전선; 및
    상기 제 1 구동부 및 상기 제 2 구동부의 하측에 놓이는 자기장 발생부가 포함되는 마이크로 스캐너.
  16. 제 15 항에 있어서,
    싱기 제 1 구동부, 상기 제 2 질량부, 및 상기 제 2 구동부 중에서 적어도 하나는, 도넛 형상으로서 상기 제 1 질량부와 무게중심이 같은 마이크로 스캐너.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 일방향 제1스프링과 상기 일방향 제2스프링은, 일방향으로서 서로 같은 비틀림 진동축을 가지고,
    상기 이방향 제1스프링과 상기 이방향 제2스프링은, 상기 일방향과는 다른 이방향으로서 서로 같은 비틀림 진동축을 가지는 마이크로 스캐너.
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