RU2277255C1

RU2277255C1 - Integral micro-mechanical mirror

Info

Publication number: RU2277255C1
Application number: RU2005108758/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Коноплев (RU); Борис Георгиевич Коноплев; Игорь Евгеньевич Лысенко (RU); Игорь Евгеньевич Лысенко
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-05-27

Abstract

FIELD: integral electronics and micro-system engineering, in particular, engineering of integral elements, meant for changing direction of optical signal.

SUBSTANCE: construction of mirror additionally includes four electrodes of capacitive movement transformers, positioned on substrate in such a way, that they form a flat capacitor together with mirror element due to their overlapping, and two additional torsion beams, made of semiconductor material and connecting mirror element to supports; torsion beams are positioned within limits of lesser gaps of mirror element. Substrate, mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive transformers of movements and supports are made of semiconductor material.

EFFECT: decreased area of substrate used to position integral micromechanical mirror, and possible control over position of mirror element relatively to said substrate.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области интегральной электроники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным элементам, предназначенным для изменения направления оптического сигнала.The present invention relates to the field of integrated electronics and microsystem technology, and more particularly to integrated elements designed to change the direction of the optical signal.

Известно интегральное микромеханическое зеркало [G.-DJ.Su, H.Toshiyoshi, M.C.Wu, Surface-micromachined 2-D optical scanners with high-performance single-crystalline silicon micromirrors, IEEE photonics technology letters, vol.13, №6, June 2001, p.607, fig.1a], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внутренней рамкой, выполненной из полупроводникового материала, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внешней рамкой, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.Known Integrated Micromechanical Mirror [G.-DJ.Su, H. Toshiyoshi, MCWu, Surface-micromachined 2-D optical scanners with high-performance single-crystalline silicon micromirrors, IEEE photonics technology letters, vol. 13, No. 6, June 2001, p.607, fig.1a], containing a semiconductor substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, and a mirror element made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the substrate and forming with four located on the substrate flat electrodes used as electrodes electrostatic drives connected to the inner frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which are rigidly attached to the mirror element at one end and elastic suspensions made of semiconductor material at the other and connected to the inner frame made of semiconductor material connected with an external frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which at one end are rigidly attached to the inner frame, and at the other elastic suspension means made of semiconductor material and coupled to the outer frame made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Данное интегральное микромеханическое зеркало позволяет отклонять зеркальный элемент относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, т.е. под произвольным углом к плоскости подложки.This integrated micromechanical mirror allows you to deflect the mirror element relative to two mutually perpendicular axes X and Y located in the plane of the substrate, i.e. at an arbitrary angle to the plane of the substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, зеркальный элемент и торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, electrodes made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, a mirror element and torsion beams made of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, упругих подвесов, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The reasons hindering the achievement of the technical result is the use of an additional area of the semiconductor substrate for the placement of the fastening elements of the mirror element - torsion beams, elastic suspensions, internal and external frames, as well as the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральное микромеханическое зеркало [H.Toshiyoshi, W.Piyawattanametha, C.-T.Chan, M.C.Wu, Linearization of electrostatically actuated surface micromachined 2-D optical scanner, Journal of microelectromechanical systems, vol.10, №2, June 2001, p.205, fig.1], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к внутренней рамке, выполненной из полупроводникового материала, образующей с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к внешней рамке, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.A functional analogue of the claimed object is an integrated micromechanical mirror [H. Toshiyoshi, W. Piyawattanametha, C.-T. Chan, MCWu, Linearization of electrostatically actuated surface micromachined 2-D optical scanner, Journal of microelectromechanical systems, vol. 10, No. 2 , June 2001, p.205, fig.1], containing a semiconductor substrate with four electrodes located on it made of a semiconductor material, and a mirror element made in the form of a plate of semiconductor material located with a gap relative to the substrate and forming with four located on the electrode substrate and flat capacitors used as electrostatic drives, connected to the inner frame using a pair of torsion beams made of semiconductor material, which are rigidly attached to the mirror element at one end and the other made to the inner frame of the semiconductor material, forming four on a substrate with electrodes, flat capacitors used as electrostatic drives connected to an external frame using a pair of torsion beams are made x of semiconductor material, which at one end is rigidly attached to the inner frame, and the other to the outer frame made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The reasons hindering the achievement of the technical result is the use of an additional area of the semiconductor substrate for the placement of the fastening elements of the mirror element - torsion beams, internal and external frames, as well as the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральное микромеханическое зеркало [J.-H.Kim, H.K.Lee, B.-I.Kim, J.-W.Jeon, J.-B.Yoon, E.Yoon, A high fill-factor micro-mirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis operation in large-scale optical switch, IEEE 16^th annual international conference on micro electromechanical system, 2003, p.259, fig.1], содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из металла, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из металла, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с подложкой с помощью упругого подвеса, состоящего из торсионной балки, выполненной из металла, которая имеет взаимно перпендикулярное жесткое соединение в плоскости подложки с другой торсионной балкой, выполненной из металла, жестко соединенной с двумя опорами, выполненными из металла и расположенными непосредственно на подложке.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical mirror [J.-H. Kim, HKLee, B.-I. Kim, J.-W.Jeon, J.-B.Yoon, E.Yoon, A high fill-factor micro-mirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis operation in large-scale optical switch, IEEE 16 ^th annual international conference on micro electromechanical system, 2003, p.259, fig.1], containing a substrate with four electrodes located on it made of metal, and a mirror element made in the form of a plate of metal, located with a gap relative to the substrate and forming with four located on the substrate electrodes flat capacitors used as electrostatic drives connected to the substrate by means of an elastic suspension consisting of a torsion beam made of metal, which has a mutually perpendicular rigid connection in the plane of the substrate with another torsion beam made of metal, rigidly connected to two supports made of metal and located directly on the substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, зеркальный элемент, электроды электростатических приводов, торсионные балки и опоры, причем зеркальный элемент, электроды электростатических приводов, торсионные балки и опоры выполнены из металла.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a substrate, a mirror element, electrostatic drive electrodes, torsion beams and supports, and the mirror element, electrostatic drive electrodes, torsion beams and supports are made of metal.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки, а также использование в качестве структурного материала - металла, что снижает степень интеграции данных устройств с элементами микросистемной техники и интегральной электроники.The reason hindering the achievement of the technical result is the lack of control elements for the position of the mirror element relative to the substrate, as well as the use of metal as a structural material, which reduces the degree of integration of these devices with elements of microsystem technology and integrated electronics.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение площади подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала, и возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки.The objective of the invention is to reduce the area of the substrate used for placement of the integrated micromechanical mirror, and the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении площади подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала, и обеспечении возможности контроля положения зеркального элемента относительно подложки, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и опоры выполнены из полупроводникового материала.The technical result achieved by the implementation of the present invention is to reduce the area of the substrate used to place the integrated micromechanical mirror, and to provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate, the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and supports made of semiconductor material.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, расположенных на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их перекрытия, и двух дополнительных торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, соединяющие зеркальный элемент с опорами, причем торсионные балки размещены в пределах маленьких промежутков зеркального элемента, а подложка, зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и опоры выполнены из полупроводникового материала.The technical result is achieved by introducing four additional electrodes of capacitive displacement transducers located on the substrate in such a way that they form a flat capacitor with a mirror element due to their overlap, and two additional torsion beams made of semiconductor material connecting the mirror element with supports, and torsion beams are placed within small gaps of the mirror element, and the substrate, mirror element, torsion beams, electrostatic electrodes Sgiach drive transducers and capacitive displacement and a support made of semiconductor material.

Для достижения необходимого технического результата в интегральное микромеханическое зеркало, содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, зеркальный элемент, выполненный в виде пластины и расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, две торсионные балки и две опоры, введены четыре дополнительные электрода емкостных преобразователей перемещений, расположенные на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, и две дополнительные торсионные балки, выполненные из полупроводникового материала, соединяющие зеркальный элемент с опорами, причем торсионные балки размещены в пределах маленьких промежутков зеркального элемента, а подложка, зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и опоры выполнены из полупроводникового материала.To achieve the desired technical result, in an integrated micromechanical mirror containing a substrate with four electrodes located on it, a mirror element made in the form of a plate and located with a gap relative to the substrate and forming flat capacitors with four electrodes located on the substrate, used as electrostatic drives, two torsion beams and two supports; four additional electrodes of capacitive displacement transducers located on the substrate were introduced so that they form a flat capacitor with the mirror element due to their mutual overlap, and two additional torsion beams made of semiconductor material connecting the mirror element to the supports, and the torsion beams are placed within small gaps of the mirror element, and the substrate, the mirror element, torsion beams, electrodes of electrostatic drives and capacitive displacement transducers and supports are made of semiconductor material.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogues, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues.

На Фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического зеркала и показаны сечения. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического зеркала.Figure 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical mirrors and sections are shown. Figure 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical mirror.

Интегральное микромеханическое зеркало (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней четырьмя электродами 2, 3, 4, 5, выполненными из полупроводникового материала, четыре электрода емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке 1, зеркальный элемент 10, выполненный из полупроводникового материала, образующий электростатическое взаимодействие с электродами 2, 3, 4, 5, образующий с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 плоские конденсаторы, и связанный с полупроводниковой подложкой 1 через торсионные балки 11, 12, 13, 14, выполненные из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с зеркальным элементом 10, а другими - с опорами 15, 16, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1.The integrated micromechanical mirror (Figure 1) contains a semiconductor substrate 1 with four electrodes 2, 3, 4, 5 located on it made of a semiconductor material, four electrodes of capacitive displacement transducers 6, 7, 8, 9 made of semiconductor material and located on the semiconductor substrate 1, a mirror element 10 made of a semiconductor material, forming an electrostatic interaction with the electrodes 2, 3, 4, 5, forming with located on the semiconductor substrate 1 el flat capacitors, and connected to the semiconductor substrate 1 through torsion beams 11, 12, 13, 14, made of a semiconductor material, which at one end are rigidly connected to the mirror element 10, and the other to supports 15, 16 made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Зеркальный элемент 10 интегрального микромеханического зеркала заземлен.The mirror element 10 of the integrated micromechanical mirror is grounded.

При подаче на один из электродов 2, 3, 4, 5 напряжения относительно зеркального элемента 10 (Фиг.2), между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к отклонению зеркального элемента 10 в сторону этого электрода за счет изгиба торсионных балок 11, 12, 13, 14, соединяющих зеркальный элемент 10 с опорами 15, 16. Разности напряжений, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных перекрытием электродов 6, 8 и 7, 9 с зеркальным элементом 10, за счет изменения величины зазора между электродами 6, 7, 8, 9 и зеркальным элементом 10, характеризует величину угла отклонения и направление отклонения зеркального элемента 10 относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости полупроводниковой подложки 1.When a voltage is applied to one of the electrodes 2, 3, 4, 5 with respect to the mirror element 10 (FIG. 2), an electrostatic interaction occurs between them, which leads to a deflection of the mirror element 10 towards this electrode due to the bending of the torsion beams 11, 12, 13, 14, connecting the mirror element 10 with the supports 15, 16. The voltage differences generated in the pairs of capacitive displacement transducers formed by the overlapping of the electrodes 6, 8 and 7, 9 with the mirror element 10, due to a change in the gap between the electrodes 6, 7, 8, 9 and mirror electronic ment 10, characterizes the magnitude of the deflection angle and direction of the deviation mirror element 10 with respect to two mutually perpendicular axes X and Y, are located in the plane of the semiconductor substrate 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральное микромеханическое зеркало, позволяющее уменьшить площадь подложки, используемой под его размещение, и контролировать положение зеркального элемента относительно подложки.Thus, the proposed device is an integral micromechanical mirror, which allows to reduce the area of the substrate used for its placement, and to control the position of the mirror element relative to the substrate.

Введение четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений и двух дополнительных торсионных балок, причем торсионные балки размещены в пределах маленьких промежутков зеркального элемента, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и опоры выполнены из полупроводникового материала, позволяет уменьшить площадь подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального элемента, предназначенного для изменения направления оптического сигнала.The introduction of four additional electrodes of capacitive displacement transducers and two additional torsion beams, the torsion beams being placed within small gaps of the mirror element, the mirror element, torsion beams, electrostatic drive electrodes and capacitive displacement transducers and supports made of semiconductor material, allows to reduce the substrate area, used for placement of an integrated micromechanical mirror, and provide the ability to control dix mirror element relative to the substrate, which allows to use the proposed invention as an integral member for changing the direction of the optical signal.

Таким образом, предлагаемое интегральное микромеханическое зеркало позволяет: по сравнению с аналогичными устройствами - повысить плотность матриц интегральных микромеханических зеркал, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального микромеханического зеркала, так как элементы крепления размещаются в пределах маленьких промежутков зеркального элемента, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки; по сравнению с прототипом - повысить степень интеграции, поскольку интегральное микромеханическое зеркало выполнено из полупроводникового материала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет размещения под зеркальным элементом электродов емкостных преобразователей перемещений.Thus, the proposed integrated micromechanical mirror allows: in comparison with similar devices, to increase the density of the matrices of integrated micromechanical mirrors, by reducing the area of the substrate used for placement of each integral micromechanical mirror, since the fastening elements are placed within small gaps of the mirror element, and provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate; in comparison with the prototype, to increase the degree of integration, since the integrated micromechanical mirror is made of semiconductor material, and to provide the ability to control the position of the mirror element relative to the substrate, by placing capacitive displacement transducers under the mirror element.

Claims

An integrated micromechanical mirror containing a substrate with four electrodes located on it, a mirror element made in the form of a plate and arranged with a gap relative to the substrate and forming flat capacitors with four electrodes located on the substrate, used as electrostatic drives, two torsion beams and two supports, characterized in that four additional electrodes of capacitive displacement transducers are inserted into it, located on the substrate in such a way that a flat capacitor with a mirror element due to their mutual overlap, and two additional torsion beams made of semiconductor material connecting the mirror element to the supports, with the torsion beams placed within small gaps of the mirror element, and the substrate, the mirror element, torsion beams, electrostatic electrodes drives and capacitive displacement transducers and supports are made of semiconductor material.