NO20093022A1 - Aktuator for mikro optisk enhet - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en aktuator for bevegelse av et rigid optisk element (1), f.eks. et speil, der elementet (1) er mekanisk koblet til en ramme (4) med en bøyelig kobling (2), hvori aktuatorelementer (3) er montert på ovennevnte kobling mellom rammen og elementet, der koblingen og aktuatorelementene blir tilpasset å fremskaffe en bevegelse til elementet når det utsettes for signal fra en signalgenerator.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en aktuator for bevegelse av et rigid optisk element, f.eks. et speil. Den vedrører spesielt en aktuator for bevegelse av et mikrospeil med et slag på mer enn 9 um ved 20 V formet ut av en silisium-på-isolatorwafer med integrerte piezoelektriske aktuatorer er presentert. Den primære anvendelsen er et Fabry-Perot Interferometer for infrarød gasspektroskopi.

I justerbare Fabry-Perot interferometere og andre anordninger er det en utfordring å fremskaffe tilstrekkelig stor og pålitelig bevegelse av et optisk element slik som et speil i mikromekaniske anordninger. Det har blitt forsøkt med Piezoelektriske aktuatorer, men ettersom de er begrenset til bevegelser i en retning har de tilgjengelige bevegelsene ikke vært tilstrekkelige.

Piezoelektriske tynnfilmer integrert med MEMS muliggjør langslagaktuering ved lave spenninger [1], En ekstra fordel er at piezoelektriske filmer genererer store krefter, og derfor kan aktuatorene bli fremstilt stivere og mer robuste enn hva som er mulig med elektrostatiske aktuatorer som vanligvis anvendes. Her presenterer vi et nytt mikrospeil som er vertikalt avbøyd ved å anvende en dobbeltring toveis-aktuator. Mikrospeilet har en bred rekkevidde av anvendelser i optikk og mikrooptikk, men det primære formålet er et Fabry-Perot Interferometer for infrarød gasspektroskopi [2, 3].

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et aktuatorhjelpemiddel som er kompatibelt med MEMS-produksjon for bevegelse av mikrospeil eller liknende rigide anordninger. Dette blir oppnådd ved å anvende en aktuator som beskrevet i de ledsagende kravene.

Foreliggende oppfinnelse er beskrevet under med referanse til de ledsagende tegningene som illustrerer foreliggende oppfinnelse som eksempler, hvori

Figur la,b illustrerer et bevegelig mikrospeil ifølge foreliggende oppfinnelse.

Figur 2a,b illustrerer en foretrukket utførelsesform av utførelsesformen illustrert i

figur la,b.

Figur 3 illustrerer en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse

anvendt i et Fabry-Perot interferometer.

Figur 4 viser den oppnådde defleksjonen av en utførelsesform som illustrert i figur 2a,b. Figur 5a,b,c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse basert

på hovedsakelig sirkulær kobling og piezoelektriske aktuatorer.

Figur 6a,b,c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse.

Figur 7 illustrerer en ytterligere utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur la og b illustrerer en 3D-modell av et optisk element 1, f.eks. et mikrospeil, formet ut av en SOI-wafer med en ringformet piezoelektrisk aktuator 3 plassert på koblingsområdet 2 mellom rammen 4 og det optiske elementet 1. Aktuatoren 3 avbøyer skiven med en åpen apertur i sentrum (Figur la). Den optiske elementskiven 1 har den fulle tykkelsen til bearbeidingssilisiumwaferen og blir holdt på plass av det tynne anordningssilisiumlaget som utgjør koblingen 2 rundt kanten til skiven 1. Det optiske elementet 1 er fortrinnsvis rigid for slik å opprettholde hovedsakelig den samme formen når den blir beveget av aktuatoren 3, og aktuatoren er fortrinnsvis plassert nær enten rammen 4 eller det optiske elementet 1, slik at når det piezoelektriske materialet trekker seg sammen, blir delen av aktuatoren anbragt på koblingen bøyd oppover og trekker derfor koblingen i den retningen.

Det er formet ut av en silisium-på-isolator (silicon-on-insulator, SOI) wafer ved å etse bort anordningssilisiumet så vel som det begravede oksidet i den sentrale delen av anordningen, som sett i topprisset til Figur la. Bunnsiden er formet som sett i bunnrisset til Figur lb, hvor bearbeidingssilisiumlaget til SOFen har blitt etset gjennom til det begravede oksidet, og etterlater en stiv, skiveformet speilplate som blir holdt på plass av anordningssilisiumlaget rundt dens circumferens på dens overside. En ringformet (dvs. annulus) piezoelektrisk film 3 er strukturert på toppen av det tynne anordningssilisiumet som holder den sentrale skiven, der den piezoelektriske filmen fortrinnsvis er fremstilt av blyzirkonattitanat (PZT). Etter aktuering, trekker den piezoelektriske filmen seg sammen, og forårsaker bøyning av anordningssilisiumet gjennom en bimorf effekt. På grunn av strukturens sirkulære symmetri, forårsaker denne bøyningen en ut-av-plan-defleksjon av skiven.

Det foretrukne designet inneholder to ringformede aktuatorer 3a,3b , som vist i Figur 2a og 2b. Dette muliggjør toveis-aktuering av den sentrale skiven, som illustrert i Figur 2b. Ettersom både rammen og det optiske elementet er rigide, vil den ytre aktuatoren (størst diameter) trekke membranen og derfor det optiske oppover, mens aktuering av den indre skiven (minst diameter) vil trekke membranen og derfor det optiske elementet nedover.

Den primære anvendelsen av det optiske elementet som et skiveformet mikrospeil er som del av et Fabry-Perot Interferometer illustrert i Figur 3.1 denne anvendelsen, er toppflaten til skiven belagt med et antireflekterede (AR) lag, mens det er bunnflaten som fungerer som et speil, men andre valg kan bli gjort avhengig f.eks. av den nødvendige avstanden mellom speilene. Ved klebing av (på waferskala) speilet til en annen ustrukturert silisiumwafer som også er AR-belagt på en side, dannes det et hulrom der lys kan gjennomgå mangfoldige refleksjoner. AR-belegget og mulig reflekterende belegg kan bli fremskaffet på hvilken som helst passende måte, f.eks. ved å anvende dielektriske lag med passende tykkelser eller fotoniske krystaller.

Høyden på åpningen bestemmer hvilken bølgelengde som vil interferere konstruktivt og derfor bli fullstendig overført gjennom interferometeret. For at FP-interferometeret skal være anvendelig for infrarød spektroskopi i bølgelengdeområdet 3-10 um, er et slag på flere mikrometer ønskelig for tilstrekkelig avstemthet. Fabry-Perot Interferometeret blir formet av det skiveformede mikrospeilet som er klebet til en annen silisiumwafer ved å anvende bindemiddelklebing med en polymer slik som BCB.

Som er illustrert i figur 3, kan Fabry-Perot inkludere lekkasjekanaler for trykkekvilibrering så vel som anslag ("end stops"). Anslagene kan bli anvendt for kalibrering, ettersom det optiske elementet kan bli plassert ved anslagene og posisjonen kan bli kontrollert i forhold til dette. Som vil bli diskutert under, kan forskjellige typer posisjonsmålehjelpemidler bli anvendt, slik som anvendelse av optiske, kapasitive eller piezoresistive målehjelpemidler. Et anslag for bevegelsen oppover kan også bli fremskaffet, f.eks. i en hylse som omgir interferometeret.

Mikrospeilene ble fabrikkert som del av en flerprosjekt-wafer (multi-project-wafer, MP W) prosess utviklet og standardisert for industriell anvendelse som beskrevet i [1], som er inkludert her som referanse, og vil ikke bli beskrevet i detalj her. I denne fremgangsmåten er de piezoelektriske elementene montert på koblingen, og den piezoelektriske filmen anvendt for å danne aktuatorene er blyzirkonattitanat (PZT) som er sandwichet mellom en bunnplatinumelektrode og en toppelektrode fremstilt av gull. Fabrikasjonsfremsgangsmåten for PZT-aktuatorene blir anvendt for mikrospeilet. For fabrikkeringen av mikrospeilet, ble våtetsingen av hulrommet på baksiden erstattet med dypreaktiv ioneetsing (DRIE) for bedre dimensjonal kontroll.

Andre hjelpemidler for montering av de piezoelektriske elementene 3 på koblingsområdet 2 kan også bli overveid avhengig av den tilgjengelige teknologien og tilsiktede anvendelsen av elementet.

Den startende SOI-waferen har 380 um bearbeidingssilisium, 300 nm begravet oksid, og et anordningssilisiumlag på 8 um. For fabrikkeringen av mikrospeilene, ble baksideetsingen utført ved å anvende dypreaktiv ioneetsing (deep reactive ion etching,

DRIE).

Merk at mikrospeilet er designet slik at delen av anordningssilisiumlaget som holder den sentrale speilskiven ikke er strukturert i området hvor den danner bro over baksideåpningen etset inn i bearbeidingssilisiumet, men danner en kontinuerlig membran. Dette øker strukturens robusthet betydelig, og holder det monokrystallinske silisiumet fritt for hvilken som helst defekt som lett kunne danne sprekker hvis det ble spent i fabrikasjonsprosessen.

Etter oppskj æring i terninger, ble de piezoelektriske aktuatorene til de ferdige anordningene polet ("poled") ved å anvende 20 V ved en temperatur på 150 °C i 10 minutter.

Målinger har blitt utført ved å anvende et ferdig mikrospeil av typen vist i Figur 2. hvor området i midten er den gjennomsiktige åpningen, som for den viste anordningen har en diameter på 3 mm og de doble ringaktuatorene har overflateelektroder av gull.

Aktueringkarakteristikken til speilet ble målt med et ZYGO hvitt lys-interferometer. Speilet ble dyttet nedover ved å anvende 20 V på den indre aktuatoren, og oppover med en spenning på 20 V blir anvendt til den ytre ringen. Merk at speilskiven forblir fullkomment flat i begge tilfeller. Dette er på grunn av den høye stivheten til silisiumskiven som har den fulle tykkelsen til bearbeidingssilisiumwaferen.

Den høye stivheten til speilskiven muliggjør også fabrikasjonen av speil med mye større diameter enn de 3 mm presentert her. De dannede strukturene ble funnet å være utrolig robuste, og derfor skulle åpninger på 5-10 mm være mulig.

Det komplette særpreget for mikrospeilet med de to aktuatorene er vist i Figur 4. Et totalt slag på 9.3 um for speilplaten er oppnådd når det anvendes en aktueringspenning på 20 V til hver av de to aktuatorene i sekvens. Hysteresen er en typisk egenskap for PZT-baserte aktuatorer. Feedback er nødvendig for nøyaktig posisjonering. Dette kan bli gjort optisk ved å anvende en referanselaser. I fremtidige design, vil piezo-motstandere imidlertid bli tilsatt til anordningssilisiumet som er del av aktuatorene for å muliggjøre lukket-sløyfe drift og meget nøyaktig posisjonering av speilet. Aktueringkarakteristikken til mikrospeilet fremskaffer derfor en aktuator der spenningssveip som går fra 0 til 20 V anvendt på den ytre aktuatorringen genererer den øvre kurven, mens anvendelse av den samme sveipen på den indre ringen genererer den nedre kurven. Det totale slaget er 9 um.

Et mikrospeil ble derfor presentert, som mottar et slag på 9 um ved 20 V ved å anvende en dobbelttring, toveis-aktuator. Speilet er formet ut av bearbeidingssilisiumet til en SOI-wafer. Den høye stivheten sikrer en høy planhet etter aktuering. Store speil med åpninger på mer enn 3 mm ble fabrikkert med godt resultat. Speilet er meget godt egnet for dets primære anvendelse som er et Fabry-Perot Interferometer for gasspektroskopi. Figur 5a-5c illustrerer utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse basert på det ringformede koblingsmiddelet 2 mellom det optiske elementet 1 og rammen 4.1 figur 5a er piezoresistorer 5 posisjonert under den piezoelektriske aktuatoren 3, og måler derfor bøyningen i koblingen i den samme posisjonen som bøyningen er fremskaffet. Figur 5b illustrerer at det optiske elementet, mens det er rigid ved kantene, kan ha en rigid ramme som omgir et hull eller hult område som har en tynn, sentral membran. Figur 5c illustrerer en annen ringformet kobling 2, men hvori aktuatoren er splittet langs omkretsen inn i fire deler 3ai,3a2,3a3,3a4. Ifølge den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse vil tilsvarende indre aktuatordeler bli fremskaffet. I figur 5c er posisjonsmålehjelpemiddelet som er fremskaffet som piezoresistor 5 anbragt i

åpningene mellom aktuatordelene. En fordel med de splittede aktuatordelene er at de kan fremskaffe en vippebevegelse i tillegg til den forflytningsbevegelsen, og derfor noen justeringer eller kalibreringer i posisjonen og orienteringen til det optiske elementet.

Figurer 6a-6c illustrerer alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, hvori aktuatoren ikke er ringformet, men er utgjort av et antall stavformede koblinger mellom rammen og det optiske elementet, f.eks. mikrospeil, der hver kobling inkluderer i det minste ett piezoelektrisk aktuatorelement. Dette fremskaffer fordelen at aktuatorelementene kan betjenes uavhengig av hverandre og derfor muliggjøre vipping av det optiske elementet i tillegg til den parallelle bevegelsen oppnådd i utførelsesformen som har ringformede aktuatorelementer.

I figur 6a blir tre aktuatorelementer anvendt der hvert er radialt orientert relativt til mikrospeilets midtpunkt.

I figur 6b er aktuatorelementene og koblingene anbragt i en tangential orientering i

forhold til midten av mikrospeilet og i en posisjon under speilet. På denne måten blir en kompakt løsning oppnådd hvor de optiske elementene kan bli plassert nær hverandre, og kan f.eks. bli anvendt for arrayer av tippbare speil liknende DMD-anordninger anvendt i projektorer eller som fremskaffer tipping, vippe- og stempelbevegelser som derfor er anvendelig for adaptiv optikk.

I figur 6c er det vist en enkel versjon hvor bare to aktuatorelementer er vist. I denne utførelsesformen omfatter koblingene svekkede deler mellom koblingen og speilet. Dette fremskaffer en mer fleksibel bevegelse, men kan gjøre dobbelaktuatoren inkludert to aktuatorelementer på hver kobling mindre effektiv.

For å oppsummere vedrører foreliggende oppfinnelse derfor en aktuator for å bevege et rigid optisk element, f.eks. et speil, hvor elementet er mekanisk koblet til en ramme med en bøyelig kobling, hvori aktuatorelementer er montert på ovennevnte kobling mellom rammen og elementet, og der koblingen og aktuatorelementene er tilpasset å fremskaffe en bevegelse til elementet når det utsettes for signal fra en signalgenerator. Aktuatorelementene er fortrinnsvis utgjort av i det minste piezoelektrisk element montert på ovennevnte kobling som er tilpasset til å bøye ovennevnte kobling ved anvendelsen av en spenning, ettersom det piezoelektriske elementet er tilpasset å trekke seg sammen i retningen til koblingen mellom rammen og det optiske elementet.

I en spesielt foretrukket utførelsesform er hvert aktuatorelement utgjort av to PZT-elementer, der det første blir montert på koblingen nær rammen, der det andre blir montert på koblingen nær det optiske elementet, og koblet til signalgeneratoren på en slik måte for å bli betjent uavhengig av hverandre eller fortrinnsvis på en alternativ måte slik at ett av dem beveger det optiske elementet i en første retning og det andre beveger det optiske elementet i den motsatte retningen til det første.

I en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er koblingen utgjort av en tynn, sirkulær del av rammen, og det ovennevnte minst ene piezoelektriske elementet strekker seg langs koblingen. I en foretrukket versjon er to piezoelektriske elementer anvendt som beskrevet over for å øke bevegelsens lengde.

Som diskutert vedrørende figurer 6a-6c, er koblingen alternativt utgjort av et antall staver som strekker seg mellom rammen og det optiske elementet, og minst ett piezoelektrisk element blir plassert på hver stav.

I hvilken som helst utførelsesform kan aktuatoren bli fremskaffet med posisjonsmålehjelpemidler for å fremskaffe feedback på posisjonen til det optiske elementet i forhold til rammen, og i utførelsesformen der det anvendes piezoelektriske elementer 3 er posisjonsmålingen fortrinnsvis også et piezoresistivt element 5 fremskaffet på koblingen for å monitorere bøyningen av koblingen. De Piezoresistive elementene 5 kan bli anbragt under de piezoelektriske aktuatorene 3 eller i andre posisjoner hvor koblingen er bøyd.

Piezomotstanderene kan bli fremstilt i silisium på isolatorlaget ved ioneimplantasjon og påfølgende avspenning ("annealing"). Med denne dopingprosedyren kan en pn-overgang bli produsert, som definerer geometrien til resistorene. Motstanderen kan bli kontaktet med ekstra, høyere dopede områder som er forbundet med et metalliseringslag på overflaten i senere prosesstrinn. Prosesstrinnene for å fabrikkere piezoresistorene kan bli utført før avlevering av bunnelektroden for det piezoelektriske laget. Slike dopede piezoresistorene blir anvendt som stressensorer og normalt montert i en Wheatstone bro-konfigurasjon med fire bøyelige motstandere. Andre konfigurasjoner, f.eks. en halvbro, er også mulig avhengig av det tilgjengelige rommet i den mekaniske strukturen og prosesstoleranser.

I stedet for piezoresistorer kan optiske eller kapasitive løsninger bli anvendt for å måle posisjonen til det optiske elementet.

Som illustrert i figur 3, vedrører foreliggende oppfinnelse også et interferometer inkludert en aktuator alt ettersom beskrevet over, spesielt et Fabry-Perot interferometer. Det optiske elementet har en minst delvis reflekterende overflate, der rammen er montert i en hylse omfattende en andre reflekterende overflate, der minst en av de reflekterende overflatene er fremskaffet på et minst delvis transparent legeme og der de to reflekterende overflatene er anbragt med en avstand fra hverandre som utgjør et Fabry-Perot-element, der avstanden blir justert av bevegelsene indusert av ovennevnte aktuatorelementer.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også en reflekterende anordning som inkluderer en aktuator, hvor det optiske elementet er et speil og de piezoelektriske elementene anbragt på stavene blir betjent hver for seg for slik å vippe det optiske elementet.

Referanser

[1] "Taking piezoelectric microsystems from the laboratory to production", H. Ræder, F. Tyholdt, W. Booij, F. Calame, N. P. Østbø, R. Bredesen, K. Prume, G. Rijnders, and P. Muralt, J Electroceram (2007) 19:357-362

[2] "Infrared detection of carbon monoxide with a micromechanically tunable silicon Fabry-Perot filter", Håkon Sagberg, Alain Ferber, Karl Henrik Haugholt, and Ib-Rune Johansen, IEEE Conf. on Optical MEMS (2005)

[3] "Tunable infrared detector with integrert micromachined Fabry-Perot filter", Norbert Neumann, Martin Ebermann, Steffen Kurth, and Karla Hiller, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 7, 021004 (2008)

Claims (1)

1. Aktuator for bevegelse av et rigid optisk element, f.eks. et speil, der elementet blir mekanisk koblet til en ramme med en bøyelig kobling,karakterisert vedat aktuatorelementer er montert på ovennevnte kobling mellom rammen og elementet, der koblingen og aktuatorelementene blir tilpasset til å fremskaffe en bevegelse til elementet når det utsettes for et signal fra en signalgenerator.

2. Aktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat aktuatorelementene er utgjort av minst ett piezoelektrisk element montert på ovennevnte kobling som blir tilpasset til å bøye ovennevnte kobling ved anvendelsen av et signal.

3. Aktuator ifølge krav 2,karakterisert vedat hvert aktuatorelement er utgjort av to piezoelektriske, der det første blir montert på koblingen nær rammen, der det andre blir montert på koblingen nær det optiske elementet, og derfor blir i stand til å trekke det optiske elementet både opp og ned.

4. Aktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat koblingen er utgjort av en tynn, sirkulær del av rammen, der ovennevnte minst ene ringformede piezoelektriske elementet strekker seg langs koblingen.

5. Aktuator ifølge krav 4,karakterisert vedat det ringformede piezoelektriske elementet er delt inn i et antall individuelt kontrollerte deler.

6. Aktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat koblingen er utgjort av et antall staver som strekker seg mellom rammen og det optiske elementet, der i det minste ett piezoelektrisk element blir anbragt på hver stav.

7. Aktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter et posisjonsmålehjelpemiddel som overvåker posisjonen til det optiske elementet i forhold til rammen.

8. Aktuator ifølge krav 7,karakterisert vedat det posisjonsmålende hjelpemiddelet inkluderer en piezoresistor anvendt på koblingen i en posisjon for slik å indikere bøyningen av koblingen og derfor posisjonen av det optiske elementet i forhold til rammen.

9. Aktuator ifølge krav 1,karakterisert vedat ovennevnte minst ene piezoelektriske aktuator er en blyzirkonattitanat (PZT) aktuator.

10. Interferometer som inkluderer en aktuator ifølge krav 1,karakterisertv e d at det optiske elementet har en minst delvis reflekterende overflate, der rammen er montert i en hylse som omfatter en andre reflekterende overflate, der minst en av de reflekterende overflatene er fremskaffet på et minst delvis transparent legeme og der de to reflekterende overflatene er anbragt med en avstand fra hverandre og utgjør et Fabry-Perot-element, der avstanden blir justert av bevegelsene indusert av ovennevnte aktuatorelementer.

12. Reflekterende anordning som inkluderer en aktuator ifølge krav 6,karakterisert vedat det optiske elementet er et speil og de piezoelektriske elementene anbragt på stavene blir betjent hver for seg for slik å vippe det optiske elementet.