TW499570B - MEMS variable optical attenuator - Google Patents

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499570 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明關於微電子光學衰減器結構，較特別的是指可變 地控制及做微機電致動之光學衰減器，及製造此結構之方 法。 " 發明背景 薄膜技術中之先進者已發展出多功能之積體電路，此先 進之半導體技術亦用於產生MEMS (微機電系统）結構，微 機電系統結構通常可運動或施力，許多微機電系統裝罾之 變化型式亦已產生，包括微偵測器、微齒輪、微馬達及其 他微機械裝置。這些微機電系統裝置可用於多種應用中， 包括使用泵及閥之液壓應用中，以及包括微機電系統光閥 及快門足光學應用中。通常MEMS裝置係研發以用於多種應 用中，因爲其提供低成本、高穩定性及極小尺寸等優點。 提供於微機電系統裝置工程之設計自由度已導致多種技 藝與結構之研發，以提供在微結構内造成運動所需之力， 例如微懸臂已用於施加旋轉機械力，以旋轉微加工彈簧及 齒輪。電磁場已用於驅動微馬達，壓電式力亦已成功地用 方；4工制和動彳政加工結構，致動器或其他微機電系統組件之 仏币彳式；^知服已用於產生力以驅動微裝置，其中一種裝置 可見於1995年12月12日頒給Marcus等人之第5,475,3 18號，，微 探針美國專利’其利用熱膨脹以移動一微裝置，一微懸臂 係由不同熱膨脹係數之材料製成，加熱時雙態層可差異性 地使微懸臂依此移動。一相似之機構係用於致動一微加工 之熱開關’如1 995年10月3 1日頒給Norling之第5,463,233號 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I ^----^-------裝--- <請先閱讀背面之注意事^5||^寫本頁) 訂： i線· 經濟部智慧財產局員工消.費合作社印製 499570 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明r ) ”微加工之熱開關”美國專利所示。 此外，1999年6月1日頒給Wood等人之第59〇9〇78號，，熱拱 形樑微機電致動器”美國專利説明熱致動器具有一對拱形樑 延伸於一微電子基板上之一對支承件之間，藉由電流通過 拱形樑，梹形樑將膨脹而進一步棋曲。w〇〇d專利之熱致動 备亦可包括一致動器構件，以連接複數拱形樑及用於推斥 一工作件。 因此有必要發展出微機電系統致動之可變光學衰減器， 其優點爲低成本製造、高穩定性及尺寸優越性，此即微機 電系統結構之特徵，特別重要的是光學衰減爲製造裝置上 所而’其可在一全光學功率之範圍上變化及具有低嵌入損 失之優點。藉由提供一裝置可在極大之動態功率範圍上衰 減光學功率，其即可衰減一極大寬度之光束及/或在衰減點 未聚焦之光束。此外，一微機電系統致動之可變光學衰減 器可提供對光學衰減做較精細及精確之控制，供傳輸光學 功率成爲特定應用上所需之動態變化。另者，亦需發明_ 種微機電系統致動之可變光學衰減器，其優點爲低功率損 耗’惟’微機電系統致動之可變光學衰減器至今無法可得 ’至少市面上尚未見，儘管此微機電系統可變光學衰減器 未來很可能用於光波通信系統及壓電系統中。 發明概述 本發明提供改良之微機電系統可變光學衰減器裝置，再 者’本發明亦提供一種使用方法及製造微機電系統可變光 學衰減器之方法， (請先閱讀背面之注意事 寫本頁) 裝 --線·

本紙張尺度適用中^格⑽X 297公爱Ί---~~I 499570 Α7 Β7 五、發明說明Γ 本發明之一種微機電系統可變光學衰減器包含一微電子 基板，一微電子致動器設於基板上，及一光學快門設:基 板上，光學快門係由該微電子致動器致動及適可固定於不 同衰減位置，各位置阻擋不同百分比之光學功率。依此衰 減光學訊號時，本發明之可變光學衰減器可在一全光學功 率範圍衰減一光束。此外，本發明之可變光學衰減器可包 含一靜電式箝制兀件，且可在操作上連接於光學快門，箝 制元件供該光學快門以靜電式箝制於一要求之衰減位置， 且以極低之備用電力施加於微機電系統致動器。在本發明 之-實施例中，微機電系、統致動器包含—熱拱形樑致動^。 在本發明之微機電系、統可變光學衰減器實施例中，微機 電系統致動器及光學快門係與基板相同平面，且衰減一大 致垂直於基板及通過基板内一開孔之光束。在本發明之另 -貫施例中冑電系、统可變光學衰減器之微機電系統致 動器及光學快門係與基板相同平面，1衰減一大致平行於 基板之光束。 ' 另者，本發明I另—實施例提供微機電系,统致動哭與美 板相同平面，而光學快門位於—大致垂直於基板切面二 且衰減一大致平行於基板表面之光束。此外，本笋明浐 供微機電系統致動器及Μ快門可與基板相同平面，且2 動時光學快門延伸出基板之邊緣以外’以利衰減基板周邊 外之平面中之光束。 个在本發明之另一實施例中，可變光學衰減器包含—微機 私系統致動器陣列，係建構以提供光學快門有較大之位移 * (請先閱讀背面之注意事 裝·—— 窝本頁) •丨線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -6 -

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距離，微機電系統致動器建構成陣列狀之優點爲可增加拍 力或距離，依此，光學快門可衰減具有較寬截面或未聚隹 之光士。此外’可變光學衰減器亦可具有多數微機電系統 致動备，係建構以致動—中央轂，中央轂則施力至—可在 操作上連接於光學快門之槓桿，此—旋轉讀配置利用機 械性優點以提供增大之致動位移及較大之衰減範圍。另者 ’本：明可包含至少一光學快門’且由至少一微機電系統 致動备致動’纟中光學快門在光束處漸縮，以提供衰減。 在此-配置方式中，快門可成型以在鄰近光學快門之間形 成操作上之封閉。 在本發明之又一實施例中，可變光學衰減器包含一微電 子基板，具有一大致平坦表面，及一熱雙態懸臂結構，係 由土 V 一不同熱恥脹係數之材料組成，熱雙態之一部分係 固疋於基板，而另一部分則自基板釋離，因此當熱致動施 加於雙態結構時，雙態即與低膨脹係數材料在一致方向移 動。熱雙態可建構以截斷基板表面以上或以下平面中之光 束路徑。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

請先閱讀背面之注意事項imlc · I . 寫本頁} 訂· --線· 本發明亦實施一用於可變光學衰減之方法，該方法包含 使用本發明之可變光學衰減器而致動微機電系統致動器， 其移動光學快門至一光束路徑，直到取得所需之光學功率 ’因此’ I皆制元件可致動以鎖定光學快門，且微機電系統 致動器可停止以免耗損備用電力。 此外’本發明包含一種裝造可變光學衰減器之方法，該 方法包含選定一適合之微電子基板，製成一層氧化物於基 本紙張尺度適财目目家標準（CNS)A4規格⑽χ 297 &爱）—1 499570 五、發明說明（5 ) ~ M J ^------^--- (請先閱讀背面之注意事項 11^寫本頁) 板;"，製成一層石夕於基板上，定義-機械性結構於基板上 =結構包含—微機電系統熱拱形樑致動器、—應力釋除 、-致動器構件及一光學快門，釋離定義出微機電系 統=動器拱形樑、應力釋除彈簧及致動器構件之石夕層部分 ’摻雜硬層以提供導電性，及㈣背側以提供__開孔於光 學快門。此外，製造方法可進—步包含定義_籍制元件機 械式結構於矽層内，及自基板表面釋離箝制元件。 *線· _本發明之微機電系統可變光學衰減器可在一全光學功率 範圍衰減光束，藉由使用微機電系統致動器提供位移之精 確及連續性控制，本發明可在光學功率範圍内衰減光束至 一指定程度，及依應用上之指示而改變衰減程度。此外， 本發明提供衰減可發生於延伸區域，藉此容許衰減發生於 光束之聚焦區以外或較寬截面之光束。本發明之優點亦在 於具有一箝制裝置，可在取得所需之衰減程度時鎖定光學 陕門於走位，衰減期間箝制元件可不需要持續供給備用電 力於微機電系統致動器，因此，具有這些改善性能特徵及 其他者之微機電系統可變光學衰減器應可爲習於此技者瞭 解，且其爲許多光電式與光波通信應用上所需d 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖式簡單説明 圖1係依本發明實施例之一微機電系統可變光學衰減器提 供同平面致動’用於一光束具有一軸線垂直於基板之立體 圖。 圖2係本發明及先前技藝中實施之一微機電系統熱拱形樑 致動器之頂面圖。 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（6 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖，係依本發明實施例之-微機電系統可變光學衰減器具 有一致動器構件實體上鄰接於光學快門之立體圖。 圖4A-4F係依本發明實施例之微機電系統可變光學衰減器 製程中之不同階段截面圖ΰ =4G係依本發明實施例之_微機電系統可變光學衰減器 h路使用蝕刻孔於致動器構件與箝制元件之頂側表面中之 平面圖。 圖5係依本發明實施例之—微機電系統可變光學衰減器 供同平面之衰減，以用於具有一軸線平行於基板之光束 立體圖。 圖6係依本發明貫施例之一微機電系統可變光學衰減器攸 ί、不同平面足衰減，以用於具有一轴線平行於基板之光束 之立體圖。圖7係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光學衰減 斋#疋供衰減功能’以用於具有路徑於基板邊緣外之光束之 立體圖。 圖8係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光學衰減 。。具有複數微機電系統致動器定義一陣列之立體圖。 圖9係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光學衰減 -具有複數微機電系統致動器定義一陣列，及提供衰減功 月匕以用於具有路徑於基板邊緣外之光束之立體圖。 圖1〇係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光 減器具有一旋轉式轂致動結構之立體圖。 圖11係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光 提 之 提 學衰 學衰 ---:|^---—·-------裝·— (請先閱讀背面之注意事寫本頁) -線· -9- 297公釐） A7 B7 五、發明說明（7 減器具有雙光學快門之立體圖。 圖12係實施於本發明中之—微機電系統熱拱形樑致動器 具有一溫度補償元件之頂面圖。 圖13係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光學衰 減器包含一熱雙態懸臂結構，以衰減基板表面以上一平面 中之一光束之截面圖。 圖14A係依本發明變換實施例之一微機電系統可變光學衰 減器包含一熱雙態懸臂結構，以衰減基板表面以下一平面 中或通過基板表面之一光束之立體圖。 圖14B係沿圖14A之A-A線所取一微機電系統可變光學衰 減器包含一熱雙態懸臂結構之截面圖，其依本發明變換實 施例衰減一位於基板表面以下一平面中或通過基板表面之 一光束。 主發明之詳細説明 本發明將參考相關圖式以詳細説明如下，圖中係揭示本 發明之較佳實施例，惟，本發明可實施爲多種不同型式， 且不應拘限於所載述之實施例，反之，這些實施例係用於 使本文徹底而完整地，供習於此技者瞭解本發明範_，圖 文中相同編號係指相同元件。 請即參閲圖1，本發明之一微機電系統（MEMS)可變光學 衰減器10係以立體圖揭示，所示之一微機電系統可變光學 茨減器包括一微電子基板12、一微機電系統衰減器14、及 一光學快門16，雖然微電子基板可包含多種材料，但是基 板通常由矽、石英、玻璃或聚合物製成，且較佳爲由矽製 -10 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先. 閱-讀 背 面 之 注 意 事 I» I裝 頁 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 哭 具 性

I ":!. 裝--- (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) ή^τ· 499570 五、發明說明^ 成。微機電系統衰減器係做爲產生施力以驅動光學快門位 移之機構，在此實施例中，光學快門可在一平行於基板之 平面中沿橫向移位，以利至少局部地疊覆於一由基板定義 之開孔18，快門之此位移導致通過基板開孔之光束2〇衰減 。由微機電系統衰減器提供之精確且可變控制係可供光學 快門在全部光學功率範圍或其他預定部分光學功率範圍上 動態地衰減光束，當光學快門局部或完全阻擋光束時，即 可觀祭到投射於光學系統接收端上之光學功率變化，此容 許接收到之光學功率在⑽％至〇%之傳輸光學功率内動態地 變化。如圖所示，％學快門具有一概呈平坦之長方形衰減 表面，惟，衰減表面之形狀與拓樸可調整以提供所需之衰 減度及減少功率消耗。例如可製成較高之塊狀快門，且 有開孔以供光束通過之快門亦適合。 應注意的是，雖然圖丨之實施例揭示一開孔18於微電子基 板内，其办可在微電子基板包含一透明材料例如坡璃或 石英·^例子中省略開孔，使用此透明基板於微電予應用中 已爲習於此技者所熟悉。基板之透明特性可容許光束通過 ’故不需要一開孔於基板中。 如圖1所示，本發明之—實施例可結合使用-熱拱形樑致 動器做馬選定之微機電系統致動器，在此實施例中，埶抖 形樑致動器僅供舉例説明，其他具有必要控制及多功能’、 之微機電系統致動器亦可採用，而不脱離本發明之概： 圖2説明一熱拱形樑致動器之細部頂視圖，熱拱形樑致重： 3〇係設於-微電子基板12之大致平坦表面32上，間隔之支 11 本紙張尺财_ 格⑵ 五、發明說明（9 ) 承件34係設於基板之表面上，及 承件之間，構成熱梹形樣致動器延伸於間隔之支 ，具有較多或較少拱形 /、/枚數僅供舉例説明 /才木足其他熱棋抑、 。棋形樑之末端係固定於支承件，ra μ ^可通用 板之表面上方。所示、 、4拱形樑即定位於基 樑可採用，或較多量：拱::數僅供舉例説明，單-拱形 圖 各 導 時 2所示)可支承多數棋形樑用。-對支承件(如 別地支承。拱形樑可由金屬例如鎳、===件 體製成，其具有-正熱膨脹係數，因此可= ==，樑亦可由具有一正熱膨脹係 二， 承件亦可由金屬製成，例如錄，;樣連接於基板之支 以沉猜;μ "車义佳馬利用一電鍍製程 該==圖2所示，棋形樑係在-_共曲， :私、'仃於基板（平坦表面’且用於定義位移方向 Γ=:件22做爲一機械式聯結件，以用於複數棋形 堅 力 形樑時，致動11構件即沿著平行於基板 千旦表面（千面而移位。將拱形樑聯結在m是供— 硬效果，而提供比各別未聯結棋形樣者高之施力施 相乘性）。 步 平 如圖2所示，熱拱形樑致動器3〇亦包含裝置扣以加教沖 形樑，，加之熱則因熱膨脹或收縮而導致拱形樑％進一 拱曲。藉由具有較高之長寬比，拱形樑即可在方向％之 面中運動，但是在該方向之平面以外則呈堅硬及不相關。 進一步拱曲係沿著一預定方向發生，並且影響拱形樑之位 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12- 五、發明說明（10 ) =，在此實施例中即指具有致動器構件者。目前有多種技 術可用於加熱熱拱形樑，例如電流可直接施加通過拼形樣 i或者外邵加熱器可設置鄰近於拱形樑結構，或流體/氣體 4可用於傳熱’此外，這些技術可組合使用，或可使用其 他加熱技術。 熱拱形樑致動器之進一步探討將在本文内省略，以免不 必要地使本發明複雜化，熱拱形樑致動器之細部探討可見 19列年6月1日頒給W〇〇d等人之59〇9〇78號”熱拱形樑微機 電致動器”美國專利，及丨"7年9月24日頒給等人之 〇8/9〇6’：>98號^拱形樑微機電裝置及相關製造方法"美國專 利申請案，諸案在此可供參考。 復參閱圖1，可變光學衰減器可包含一箝制元件24，係做 爲一固持光學快門於一預定衰減位置之裝置。在一具有熱 拱形樑致動器之實施例中，其可致動光學快門至要求之衰 減位置，藉由致動箝制元件而箝制光學快門於定位，及將 電流或其他驅動熱拱形樑致動器之熱源 元件可因爲不需要致動器保持備用電力而有助於=一= 少整體可變光學衰減器之電力要求。箝制元件可包含一電 極，供施加一靜電箝制力於快門，一接觸件26設於基板上 ’且用以將箝制元件電力性連接於基板或_隱埋於層狀基 板結構内之另一電極。需用於提供箝制動作之電壓通常在 20伏範圍内，其可由一外部電壓源供給。箝制元件及接觸 件可由一鎳合金、一矽/金組合物或其他導電性材料製成， 箝制凡件、拱形樑36、及光學快門16可在製造期間整體製

(請先閱讀背面之注意事S « --- P寫本頁) % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 州570 N發明說明（ 11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 成’並且利用設置一犧牲性釋除層於組 板釋除。 两卜万而自基 如上所述，箝制元件可實體接附，或在致動 — 動器構件22做實體接觸，在所示之實施例中，由微機4 統致動器移位之致動器構件係、實體接附於光學^機电系 柑制致動器構件即可以箝制光學快門。在其他實施此 即光學快π並非f體接附於致動器構件錢動器，則其十 定 =制元件’使其可實體接附，或在致動時可實體接： 於光學快門。 饮啊 此外，致動器構件22可實體接附於光學快門，如圖^所一 ’或者光學快Η可爲-分隔件，其僅在由微機電系統致: 為驅動時才接觸於致動器構件。若致動器構件未接附於光 學快門，則移位時致動器構件即接觸於光學快門，以驅動 快門至狀之衰減位置，在此結構中，致動器構件並未支 =基板上方之光學快門，故f另—支承裝置。圖3揭示—可 變光學衰減器10具有一致動器構件22之立體圖，致動哭構 件係實體連接於光學快門16，光學快門利用—招疊樑2伸 系統50而支承於微電子基板12上方，摺疊樑懸伸系統則透 過設於懸伸系統相反端之錨定件52以固定於基板。懸伸系 統操作以供光學快門在所需位移之平面中移動，同時支承 基板上方之光學快門，使用此摺疊樑懸伸系統已爲習於此 技者熟知。 圖1亦説明一選項性應力釋除彈簧组件28，其可沿著微機 私系統致動裔14與箝制元件24之間之致動器構件22而設置 (請先閱讀背面之注意事π --裝 i I π填寫本頁) · 線丨· -14 - 499570 五、發明說明（ 12 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 心此彈菁組件不限於圖中之形狀及結構，其使用在 .為棋形樑致動器之應用中。彈簧组件提供—用於料斤之 裝置，以利於箝制元件已結 /木 ,,,, r ία 、 ，、刀手源去除時可鬆釋至 :_狀悲’就此而τ ’應力釋轉簧組件係有利於利用 扁及後冷部（連續施用而釋除拱形樑中之應力。此外，彈 簧组件有助於降低鎖定光學快門所需之箝制力，藉由降低 所需之箝制力，則需施加於箝制元件之電壓即可較小。 圖4A-4G説明不同製造階段期間之可變光學衰減器截面 ，諸圖中揭示及文内所述之製程係依據本發明自單晶矽 造可變光學衰減器之一方法，惟，可變光學衰減器之紐 亦可由其他材料製成，例如鎳，且可利用電鍍製程，例 前述〇8/936,598號美國專利申請案中所示者。習於此技者 可瞭解的是，當説明-層或組件在另一層或組件上時，〆、 可直接製成於層上，即在頂部、底部或侧表面區處，或者 或夕中間層可}疋供於诸層之間。圖4 Α説明初期之微電子 基板結構包含一基板12、一氧化物層6〇及一矽層62，基板 及矽層最好由單晶矽晶圓製成，基板通常大約4〇〇微米厚， 而矽層拋光至大约60微米，惟，必要時基板及矽層可具 其他厚度。氧化物層係做爲一犧牲層，供箝制元件、彈 結構及熱拱形樑致動器之後續釋除，圖4 a中所示之結構^ 由生長一氧化物層於基板或矽層上，隨後使用一般熔接技 術攜合諸層而得到。另者，矽層可利用一標準EPI製程生長 結晶’以製成於氧化物層上，這些製程應已爲習於此技者 熟知0 圖製 件 如 亦其 有簧 可 (請先閱讀背面之注意事項一^寫本頁)

n I · P 裝 -線. -15. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 五、發明說明（13 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖4B中所示之次一步驟詳过 叶、埯項性製程，其係用於產 生—階級狀結構64於稍後定轟+氺與a 3日士 ^ ,x 疋我足先學快門表面上，此階級 狀w構增加光學快門之厚度 又且有利於使用光學快門以衰 4基板平面中或平行於基板平 吵… 丁卸干 < 先束 < 應用（此實施例 乎述於後）。在這些應用中，光學快門之側壁表面係用於 衷減光束，因此’爲了達成全功率範圍之衰減，故需要一 車父向之側壁表㈣其他應用中，可以不需要階級狀結構 ，例如光學快門用於衰減具有平面垂直於基板之光束。 狀、》構可利用扎知一氧化物遮蔽層於矽層表面上而製 ’較佳爲使用標準沉積技術以設置二氧化矽，氧化物遮 層用於定義諸區域於矽層上，供製成階級狀結構。一乾 蝕刻製程隨後用於去除未製圖之氧化物層及下方矽層之 邯分，做爲完成階級狀結構之一裝置，如圖4β所示。 ♦閱圖4C，其揭示矽層已成型有微機電系統致動器14、 匕本丨夬門1 6、致動咨構件22、箝制元件24、及應力釋除彈 簧28等機械結構後之可變光學衰減器結構，一光罩用於成 型組件，及一乾性蝕刻製程用於去除矽層區且定義所需組 件I機械結構。圖4G説明可變光學衰減器之平面圖，其詳 述製成於箝制元件24及致動器構件22表面中之蝕刻孔66， 蚀刻孔係在此製程階段中成型，以利稍後自這些組件之基 材釋除，同時確定光學快門16及致動器支承件“仍固定於 基材表面。 圖4D揭示氧化物層60已自一部分衰減器結構下方去除後 之可k光學衰減器製造情形，其釋出之矽層部分係包含微 16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 階 成 蔽 性 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) I· :裝

1-T .線」 499570 A7 B7 五、發明說明（ 14 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 機私系統致動咨14、致動器構件22、應力釋除彈簧28、及 箝制元件24。一時間依存性濕性蝕刻製程較佳爲用於去除 氧化物層及釋出衰減器之組件，如圖4D所示，濕性蝕刻製 程後氧化物層仍在光學快門下方之大部分區域内。濕性蚀 刻製程後，整個結構經歷一摻雜製程，以賦與結構導電性 ，以利修正例如熱拱形樑之電阻特徵。另者，結構可經歷 選擇性摻雜，以確定導電率僅爲需要之這些组件才有。 请參閲圖4E，其揭示已執行一氧化製程及一乾性蝕刻製 程已自曝現區域去除氧化物後之可變光學衰減器。氧化製 程用於提供一介電性層68，其固定於箝制元件底侧且用於 提供基板與箝制元件之間之電力絕緣。乾性㈣製程完成 後氧化物仍在|皆制元件、致動器構件、應力釋除彈菁、 、、/‘之底侧及側壁上’乾性蚀刻製程用於自衰減器曝 現之頂側表面去除氧化物。 圖4F説明完成之可變光學衰減器，在此説明中，金屬化 已成型於光學快門之曝現側壁及頂側72表面上，以提供 —可偏折S束之鏡面表面，光學鏡面上之金屬化可包含金 鎳或其他適合之金屬材料。此外，-金屬墊塊26係成型 基板表面上，且做爲箝制電極用之接觸件/電極。可變光 學衰減器係利用背侧蚀刻一釋放開孔74穿過光學鏡面下方 〈基板而$成’釋放開孔供光學冑面釋離基板表自，另— 背側蚀刻製程則用於一篥一 、罘一開孔76於拱形樑下方之基板内 ，用於熱隔離拱形樑。 在本發明之另—實施例中，圖5説明—可變光學衰減器10 ㈣張尺《翻(CNsuTi^ (210x297 公釐） (請先閱讀背面之注意事^^填寫本頁) 丨裝 訂： 499570 A7 B7 _ 五、發明說明（15 ) (丘體圖’其係衰減—大致平行於基板之平面中之光束， 微機電系統致動器14較佳爲一熱拱形樑致動器，做爲產生 力以驅動光學快門16位移之機構，光學快門在一大致平行 於微電子基板12之平面中呈橫向移位。在此模式中光學快 門相交於基板中之一溝槽8〇，導致光學快門衰減一通過溝 槽足光束20，在此實施例中快門之一側壁82係做爲遮阻或 衰減光束 < 機構，因此一較高之光學快門將提供做較大面 積I衰減。如上所述，額外之遮蔽層可在光學快門製造期 間加入，以產生一較高之光學快門。此外，此實施例可包 括一箝制元件24，其提供一裝置以鎖定光學快門於一要求 之袁減位置，接觸件26揭示於基板上且用於建立一電子 力於箝制元件與基板之間，或建立另一電極隱埋於層狀基 板結構内。本發明之此實施例優點在於較不複雜之光電式 封裝，因爲其不同於光束通過基板内一開孔之實施例，在 此實施例中，晶片可水平地安裝於光電式封裝内，相對立 於垂直方向。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另者，如圖6所示_，本發明係呈現於可變光學衰減器⑺之 男施例中，其中从機電系統致動器1 4位於_大致平行於 微電子基板12平坦表面之平面中，及光學快門丨6位於一大 致垂直於微電子基板平坦表面之平面中。在此實施例中， 一彈出式光學快門係製成爲可變光學衰減器製造中之一步 驟，一釋離或犧牲層係製於彈出式光學快門層下方，供光 學快門在釋離層去除時彈出。一樞接式結構或撓性扭轉支 承件可供彈出式快門保持在一永久垂直方向位置，在此實 -18- 499570 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 玉、發明說明（ 施例中，光學快門係沿著一大致垂直於基板表面之平面中 移位，依此，光學快門可衰減一光束2〇，光束位於_平行 於基板之平面中，且在一大致垂直於致動器位移之方向中 行進。本發明之此結構可供發生衰減，而不需製造複雜之 開孔或溝槽於基板表面内。 圖7説明本發明之另一實施例，其揭示一可變光學衰減器 10之立體圖，其中光學快門16位於微電子基板12之邊緣I ，且阻擋茅過微電子基板周邊外側平面之光束20通過。在 此實施例中，微機電系統致動器14較佳爲一熱拱形樑致動 器，其經由致動器構件22以實體接附於光學快門，且做爲 產生力以驅動光學快門位移之機構。光學快門係在一平行 於微電子基板之平面中呈橫向移位，且超過微電子基板之 邊緣，在此實施例中，光學快門可衰減位於平行及垂直於 致動器與快門所在平面之平面中之光束。此外，光學快門 可衰減位於些平行及垂直於致動器與快門所在平面以外 I平面中t光束。本發明之此實施例優點在於較不複雜之 製造，因爲不需要微電子基板中之複雜開孔及溝槽，此外 ’此實施例本身可使用較小晶粒尺寸以製造可變光學衰減 器。 本1明之$ Λ施例巾，圖8説明一可變光學衰減器i 0具 有複數微Μ %系統致動器且組合以定義—陣列,上述微 機電系統致動器陣列包含一熱拱形樑致動器陣列，使用熱 棋形樑致動器僅爲舉例説明，在本發明概念内亦可建構一 具有其他微機電系統致動器之睁列，以提供控制致動器所 i — ΊΊ]-----裝· —— (請先閱讀背面之注意事寫本頁) · ;線· •Jr· -19- 499570 A7 B7 五、發明說明（ 需之必要多功能性與精準性。所^ 两+『所不〈範例揭示二列熱拱形 操致動器，且各列包含五排94之熱祺形樑致動器設置於微 電子基板12之表面上，陣列之實體結構僅爲舉例説明，在 本發明概念内亦可建構-其他型式之陣列。陣列之實體灶 構及陣列中之致動器數大體上係由所需之致動距離、魏 減光束之性貝、及所需致動控制之精準性指定。 在I變光學衰減ϋ中之微機電系統致動^陣列相較於僅 具有單一微機電系統致動器之可變光學衰減器，其可提供 無數優點，藉由建構致動器成_陣列，致動器可得利於位 移之相乘性，因此可取得較大之致動距離。熱拱形樑致動 器陣列已建構成使光學快門移位達到6〇〇微米距離，藉由提 供較大之致動範圍，其可供致動器衰減未聚焦或較寬之光 束。此外，致動器陣列可在衰減程度上做更精細及精準之 控制，衰減之百分比係直接相關於致動距離，在致動可由 1 0微米改變至數百微米之例子中，可藉由改變陣列中使用 之致動器而精準地控制衰減程度。微機電系統致動器之進 一步探討係在本文中省略，以免不必要地使本發明複雜化 ，微機電系統致動器之詳細探討可見Hill等人在1999年5月3 日提出之09/303,996號，，多維性可比例之位移致能微機電致 動器結構及陣列”美國專利申請案中，其已讓與本發明之讓 受人MCNC，且其全文可在此供做參考。 此外，如圖8所示，可變光學衰減器之陣列結構可包本一 箝制元件24，箝制元件係做爲一裝置以鎖定光學快門於一 要求之衰減位置。相似於單一熱拱形樑實施例，其可致動 -20- ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） n n n 1t t «ϋ i J— ·ϋ I n ·1 n I - <請先閱讀背面之注意事 寫本頁) 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499570 五、發明說明（18 ) 7:學：:1至要求之衰減位置、箝制光學快門於定位 自驅動熱㈣樑致動器陣列之熱源移除電流，因此，箝制 兀件可因不需要致動器保持備用電力，而有助於進-步降 低整體可變光學衰減器之電力需求。一接觸件洲示於基 板上，且用於將箝制元件電力連接於基板，或電力連接於 層狀基板結構内隱埋之另-電極。需用於提供箝制動作之 广壓通¥在20伏範圍内，其可由_外部電壓源供給。 請即參閱圖9，本發明之-實施例亦可由-可變光學衰減 态10組成，其具有具有複數微機電系統致動器且組合以定 我陣列90，其中光學快門16可致動以移過微電子基板12 之邊緣上，且阻擋穿過微電子基板周邊外側平面之光束Μ 通過。上述微機電系統致動器陣列包含一熱拱形樑致動器 陣列，所示之範例揭示熱拱形樑致動器的二列92，且各列 包含五排9 4之熱拱形樑致動器設置於微電子基板12之表面 上，陣列之實體結構僅爲舉例説明，在本發明概念内亦可 建構一其他型式之陣列。陣列之實體結構及陣列中之致動 咨數大體上係由所需之致動距離、欲衰減光束之性質、及 所需致動控制之精準性指定。 在圖9之實施例中，光學快門係在一平行於微電子基板之 平面中呈橫向移位，且超過微電子基板之邊緣，在此實施 例中’光學快門可衰減位於平行及垂直於致動器與快門所 在平面之平面中之光束。提供於微機電系統致動器陣列之 位移可比單一微機電系統致動器配置方式者使光學快門之 表面積較大及/或更移離基板邊緣，就此而言，此實施例之 -21 - 丰，·氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 「111 — — ^. — ! — ·^^· — I (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 訂： 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499570 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（19 ) 可S：光學农減奋可衷減光束’且光束係具有較遠距於基板 邊緣之路徑，及/或未在衰減點聚焦或呈較寬之光束。 上述陣列結構上之變化係揭示於圖1 〇之本發明實施例内 ，一微機電系統致動器驅動之旋轉轂可變光學衰減器1 〇包 含至少二微機電系統致動器14、至少一轂輻條丨〇〇自微機電 系統致動器延伸至一中央轂102、及至少一槓桿1〇4延伸於 轂以承載光學快門16及/或箝制元件24，園繞於中央轂之上 述微機電系統致動器陣列包含一列熱拱形樑致動器。使用 熱拱形樑致動器僅爲舉例説明，在本發明概念内亦可建構 一其他型式之微機電系統致動器陣列，以提供控制衰減器 所需之必要可變性及精準性。各轂輻條可在操作上連接於 為拱形樑致動器及轂二者，且用於自熱棋形樑致動器傳 輸旋轉力至轂，各轂輻條可在操作上連接於各別熱拱形樑 致動咨之拱形樑，因此熱拱形樑致動器之熱致動將造成拱 形樑進_步在預定方向中拱曲，藉以在預定方向中移動轂 輪條’各轂輻條因而設置以傳送旋轉力至可在操作上連接 之轂。 _ 熱拱形樑致動器可在一特定之微機電系統旋轉結構内依 一順時針方向或逆時針方向轉動轂，反之，另一實施例可 G括滅棋形棣致動器相關於轂而設，以在微機電系統旋轉 結構内提供順時針方向或逆時針方向之旋轉。根據加熱之 扁拱形樑致動器，轂可在一順時針方向或逆時針方向選擇 性地轉動。 延伸自轂之槓桿將隨著轂轉動，且可用於傳輸力，在此 -22-

(請先閱讀背面之注意事 裝—— 寫本頁) 訂· -線· 499570 A7

五、發明說明（2Q ) 揭7F中，二槓样接附於光學快門i 6，此實施例中之光學快 門係用於衰減通過微電子基板12内開孔1 8之光束（圖丨〇中未 示），光學快門可呈長方形或者光學快門可建構以配合開孔 及/或光束見度之全覆蓋。使用一旋轉式轂陣列之可變光學 衰減器優點來自其可提供致動於一大面積，相似於非旋轉 式陣列的是，用於較大致動範圍之旋轉式陣列可衰減未聚 焦或較寬之光束。此外，致動器陣列與旋轉轂之組合將可 於衰減程度上做更精細及精準之控制。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，旋轉式致動备實施例之槓桿可接附於箝制元件24 ，雖然貫施例中不同之槓捍係承載箝制元件而非承載光學 快門，但是單一槓桿仍可承載一箝制元件及一光學快門二 者。箝制元件提供裝置以鎖定光學快門於一要求之衰減位 置，相似於上述箝制元件的是，其可致動光學快門至要求 I衰減位置、箝制光學快門於定位及隨後自驅動熱拱形樑 致動备陣列之熱源移除電流，因此，箝制元件可因不需要 致動器保持備用電力，而有助於進一步降低整體可變光學 衰減器之電力需求。一接觸件26揭示於基板上，且用於將 推制兀件電力連接於基板，或電力連接於層狀基板結構内 隱埋之另一電極。需用於提供箝制動作之電壓通常在2〇伏 範圍内，其可由一外部電壓源供給。 旋轉式致動器之進一步探討係在本文中省略，以免不必 要地使本發明複雜化，微機電系統致動器之詳細探討可見 HU1等人在1999年5月23日提出之〇9/275,058號"微機電旋轉 式結構”美國專利申請案中，其已讓與本發明之讓受人 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499570 A7 B7 五、發明說明（） MCNC，且其全文可在此供做參考。 本發明亦可實施爲一具有二或多光學快門以衰減一光束 之結構，圖11說明一可變光學衰減器具有二微機電系統致 動器14及二光學快門16，且一致地衰減一通過微電子基板 12内開孔18<光束（圖U中未示）。使用二微機電系統致動器 及二光學快門僅爲舉例説明，在本發明概念内亦可建構具 有二微機電系統致動器以上及/或二光學快門以上之可變光 學衰減器，例如衰減器可建構成光學快門由一列微機電系 統致動器驅動，或衰減器可建構成使光學快門自開孔之右 側進入衰減區。此外，光學快門可設有_唇緣於致動期間 快門接觸之緣部，使得快門具有一連續式封閉表面以阻擋 光束進入。本發明之此實施例優點在於可致動複數光學快 門於較大之位移區上，因而可容許未聚焦或具有較寬光束 之光束有元全之光學功率範園衰減，此實施例可在不使用 複雜型微機電系統致動器陣列或一旋轉轂式致動器總成之 情況下達成此衰減程度。如其他可變光學衰減器實施例中 所不者，此實施例亦得利於含有箝制元件24，可提供—裝 置以鎖定光學快門於一要求之衰減位置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在使用熱依存性微機電系統致動器之本發明多項實施例 中’此實施例係得利於結合溫度補償元件，使用溫度補償 兀件I最大優點在於微電子基板及微機電系統致動器可由 不同材料製成，因此，在基板爲矽及致動器由金屬製成之 應用中即需要溫度補償元件。惟，在基板爲矽及致動器亦 由矽製成之應用中，整體裝置係呈自身溫度補償式，因而 -24 - 499570 A7 B7 五、發明說明（ 不品要額外之溫度補领裝置。需要溫度補償元件係因爲周 圍操作溫度變化，造成微機電系統致動器之不可預期或錯 誤移動，溫度補償元件可以解決影響熱依存性微機電系 致動器裝置及影響本發明可變光學衰減器之原有周^溫度 變動問題。圖12説明一舉例溫度補償元件型式之頂視圖， 其可用於補償一熱拱形樑致動器中之周園溫度變動，溫度 補償元件包含一微電子基板12、一熱拱形樑致動器3〇、及 一做爲溫度補償元件之框架110。 在本發明之此例子中，框架及熱拱形樑致動器係疊覆於 微電子基板之大致平坦表面。在某些應用中，一加熱元件（ 圖12中未示）可置於基板之表面上，且拱形樑上揚及框架圍 繞於加熱元件，如圖12所示，框架可做爲拱形樑支承件， 或者其他支承件可製成於框架上。框架係設於基板之大致 平坦表面上，且適於熱致動以反應於周圍溫度變化，框架 包括一或多錨定件，例如錨定件丨丨2，錨定件係做爲基板與 框架之間之固定點，框架之其餘部分則利用錨定件以懸伸 至基板上方。此外i熱拱形樑致動器在操作上可連接於框 架，且適可反應於加熱器或其他動態加熱裝置之動態溫度 變化而移動。 溫度補償式熱拱形樑致動器係設計成若無動態溫度變化 時’則框架及熱拱形樑致動器可反應於周圍溫度變化而一 起移動，藉此相關於基板而保持致動元件大致在相同之相 對位置。在大部分例子中，此可造成致動器構件22在周圍 溫度變動期間仍相關於基板而呈固定，同時框架及拱形樑 -25- 本紙張適用中關家標準（CNS)ii格⑽X 297公釐）_ (請先閱讀背面之注意事項¾填寫本頁) » 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499570 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（23 ) 據此以收縮及膨脹，以利補償該變化。 圖12所示之溫度補償元件型式僅爲舉例說明，其他溫度 補償元件亦可使用文内之可變光學衰減器，而不脱離本發 明之範疇。溫度補償元件之進一步探討係在本文中省略， 以免不必要地使本發明複雜化，微機電系統致動器之詳細 板时可見Hill爭人在1999年2月26日提出之09/261 483號，，溫 度補償式微機電結構及相關方法，，美國專利申請案中，其已 讓與本發明之讓受人MCNC，其全文可在此供做參考。 本發明亦可由微機電系統可變光學衰減器之另一實施例 代表，其使用一熱雙態懸臂結構做爲衰減裝置，圖13揭示 依據本發明用於衰減一光束20之熱雙態懸臂可變光學衰減 器10之截面圖，可變光學衰減器包含一微電子基板12，基 板具有一雙悲懸臂結構120以接附於基板之一端122。雙態 懸臂結構包括二或多層且具有不同之熱膨脹係數，可差異 性地對應於熱致動，即圖13中之第一層124及第二層126。 當電流通過第一層及/或第二層時，熱雙態懸臂即加熱及反 應成在較低熱膨脹係數之材料方向中彎折，在此實施例中 ’加熱雙態結構可導致懸臂向上彎及截斷光束2〇之路徑， 琢路控係在一大致平行於基板平坦表面之平面中。當雙態 進入光束平面時，其即可局部成完全衰減光束，只要電流 仍供給至雙態。在本發明之概念内亦可建構雙態以使其反 應於平行於基板平面方向中之熱致動而移動，此配置方式 中’ 乂悲層係在垂直方向堆疊，而非水平方向，以利於一 平行於基板表面之方向中傳送雙態之移動。此一雙態結構 -26- 本紙張尺纟_中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） II1fll{Illlli · I I (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 訂· 線丨| 4州70 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（24 ) 可衰減平行於基板表面且相鄰於熱雙態結構之光束，例如 4見Dhuler等人在1999年9月13日提出之〇9/395,068號（代理 檔案第54〇-282號），，同平面微機電系统熱致動器及相關製造 万法”美國專利申請案中，其已讓與本發明之讓受人MCNC ，其全文在此供做參考。 微電子基板12足義一平坦表面，供可變光學衰減器建構 於其上，微電子基板較佳爲包含一矽晶圓，儘管具有一大 致平坦表面之其他適合基板材料亦可採用，例如石英、玻 璃或聚合物皆可用於製成基板。一介電層128可選擇性地疊 覆於微電子基板之平坦表面，介電層係做爲_絕緣層，且 在基板與熱雙態結構之間需要絕緣時提供，介電層較佳爲 包含-非氧化性絕緣體或聚合物，例如氛化石夕。在此應用 中，若特定酸劑（例如氫氟酸）使用於進一步處理去除犧牲性 釋離層時，即可避免氧化性絕緣體。介電層較佳爲利用_ 標準沉積技術製成，例如低壓化學氣體沉積（LpcvD)。 -釋離層（圖13中未示）係沉積於疊覆之熱雙態結構之非固 定式遠部分13〇下方區域中之基板平坦表面上，犧牲性釋離 層較佳爲包含一氧化物或其他適當材料，其可在施加酸劑 時蚀除。熱雙態結構之疊覆層已沉積於基板上之後，釋離 層即可由標準之微機械酸性蚀刻技術去除，例如氯氣酸姓 刻。當釋離層去除後，熱雙態結構之非固定式遠部分係分 離於下方之平坦表面，而產生空氣隙132於熱雙態 ： 坦表面之間。 /、 万十 熱雙態層大致叠覆於基板之平坦表面，習知積體電路製 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱

(請先閱讀背面之注意事S -1 · 11 f 填寫本頁) · •線· -27- 499570

五、發明說明（25 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 k過程係用於建構含有熱雙態之層物，熱雙態將包含至少 一層材料且其特徵在具有不同之熱膨脹係數，當加埶於雙 態結構時’熱膨㈣數之變化即造成層物之不同反應。第 一層m可包含—材料，其相關於第二層126而具有較小之 膨脹係數，第二層126可包含_材料，其相關於第—層而具 有較大之膨脹係數’例如第一層及第二層可由可變熱膨脹 係數之金屬材料製成。 操作時，熱雙態（遠部分適可彎曲，且反應於其選擇性 扃致動而生成沿著一預定路徑之控制式移動，由於具有較 大;I脹係數之層將隨溫度昇高而膨脹，因此遠部分將彎 向具有較小熱膨脹係數之層。在上述範例中，第二層將膨 脹而造成遠部分彎向第一層，此彎曲運動導致熱雙態向上 彎曲及相交於光束之路徑，光束可利用熱雙態感應所生之 阻制而局部衰減或完全衰減。只要電流持續供給至熱雙態 I弟一層、第二層或熱雙態之二層，光束之衰減即持續進 行0 亦可建構熱雙態以令製造應力造成熱雙態在非熱致動狀 態中捲曲，在此熱雙態結構中捲曲之熱雙態係位於一截斷 光束路fe之平面中，因此可在非熱致動狀態中局部或完全 衰減光束。加熱時，熱雙態捲直以供光束局部或完全通過 ，在此例子中，第一層丨24可包含金或鎳，而第二層126可 包含多元石夕。 此外，熱雙態可變光學衰減器可包含一熱雙態懸臂，可 在加熱時向下彎向基板，且相交於一通過基板表面或基板 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） <請先閱讀背面之注意事 寫本頁) 裝 線丨· 499570 A7 五、發明說明（） 表面下方之光束路徑。圖14A及14β説明一熱雙態可變光學 衰減器10之範例，其衰減_光束2〇且光束具有—路徑通過 微電子基板12,圖14A說明熱雙態可變光學衰減器心體圖 而圖14B説明一截面圖。在此實施例中，微電子基板之背側 中汉有溝才曰140，溝槽大致由一習知蚀刻製程製造，係做 爲供光束通過之路徑。此外，基板設有_開孔142，供熱雙 態懸臂向下移行、進入基板之開孔、及相交於光束路徑， 一標準蝕刻技藝可用於製成基板内之開孔。 相似於向上移離基板之熱雙態，此實施例中之熱雙態係 包含至少二層材料且其特徵在具有不同之熱膨脹係數，第 一層124可包含一金屬材料，例如金或鎳，而第二層126可 包含一半導體材料如矽，或一金屬材料。在此範例中，第 一層I特徵在具有比第一層者小之熱膨脹係數，第一層將 月？/脹而迨成返邵分彆向第二層，此彎曲運動導致熱雙態向 下彎曲及相交於光束之路徑，光束可利用熱雙態感應所生 (阻制而局部衰減或完全衰減。只要電流持續供給至熱雙 怨t弟一層、第二層或熱雙態之二層，光束之衰減即持續 進行。 、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上述所有實施例皆包含本發明之微機電系統可變光學衰 減器，本發明之可變光學衰減器之優點在於可保持在任意 要求I衰減位置，以提供可控制之衰減於〇至^〇〇%光學功率 範圍I間。本發明之多項實施例提供於延伸區域之衰減， 以衰減未聚焦或具有寬截面積之光束。此外，本發明之可 變光學衰減器利用一箝制機構鎖定光學快門於一要求之衰 -29- 499570 ，I年G月ι日修正/更止/補充 第089117987號專利申請案 A7 中文說明書修正頁(91年6月） B7 五、發明説明（27 ) 減位置，故可減少使用備用電力做為將光學快門定位之機 構之需求。 本發明之許多修改型式及其他實施例將為習於此技者所 知，即本發明相關於前文與附圖中所示之優點，因此，可 以瞭解的是本發明並不侷限於上述特定實施例，其他實施 例亦應包含在申請專利範圍内。文内雖然採用特定詞彙， 但是其係概括式，且僅為闡述而已，並非用於自我設限。 元件符號說明 10 可變光學衰減器 50 摺疊樑懸伸系統 12 微電子基板 52 鑛定件 14 微機電系統致動器 60 氧化物層 16 光學快門 62 矽層 18 開孑L 64 階級狀結構 20 光束 66 蝕刻孔 22 致動器構件 68 介電性層 24 箝制元件 70 側壁 26 接觸件 72 頂側 28 應力釋除彈簧組件 74 釋放開孔 30 熱拱形樑致動器 76 第二開孔 32 大致乎坦表面 80 溝槽 34 支承件 82 側壁 36 拱形樑 90 陣列 38 方向 92 二列 40 裝置 94 五排 O:\66\66080-910621 ,DOC\ 4 - 30 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

日修正/更正/補充 A7 B7 第089117987號專利申請案 中文說明書修正頁(91年6月） 五、發明説明（27a ) 100 轂輻條 124 第一層 102 中央轂 126 第二層 104 槓桿 128 介電層 110 框架 130 非固定式遠部分 112 錨定件 132 空氣隙 120 雙態懸臂結構 140 溝槽 122 端 142 開孔 裝 訂

O:\66\66080*910621.DOC\ 5 - 3〇3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

Claims (1)

1. 499570 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 1· 一種用於光學衰減一光束之微機電系統裝置，包含： 一微電子基板，具有一大致平坦表面； 一微電子致動器，設於該微電子基板之大致平坦表面 上：及 一光學快門，設於該微電子基板之大致平坦表面上， 其中該光學快門係由該微電子致動器致動及適可固定於 複數位置之任一者，及其中該光學快門阻擋各位置處不 同百分比之光學功率，使該光學快門可在一光學功率範 圍内阻擋任意百分比之光學功率。 2·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，進一步包含： 一靜電式箝制元件，設於該基板上且可在操作上連接 於該光學快門，供該光學快門以靜電式箝制於一要求之 衰減位置； 一靜電式接觸件，設於該基板上，係以靜電式聯結於 該箝制元件；及 一施加裝置，供施加一靜電力於該靜電式箝制元件與 該靜電式接觸件之間。 3.如申請專利範圍第2項之微機電系統裝置，其中該靜電式 箝制元件係由一金屬组成。 4·如申請專利範圍第2項之微機電系統裝置，其中該靜電式 箝制元件係由一半導體-金屬組合物組成。 5. 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該微電子 致動器進一步包含一熱拱形樑致動器。 6. 如申請專利範圍第5項之微機電系統裝置，進一步包含一 ____ . -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格χ挪公爱） (請先閱讀背面之注音？事項寫本頁) 裝 •線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 —~—_D8________________ 、申睛專利範圍 裝置，供加熱於該拱形樑致動器，造成拱形樑之進一步 棋曲，藉此致動該光學快門。 7·如申請專利範圍第6項之微機電系統裝置，其中該加熱裝 置進一步包含一外部加熱器設置鄰近於該致動器。 8·如申請專利範圍第5項之微機電系統裝置，進一步包含一 致動器構件，係由該拱形樑致動器移位及將該光學快門 接附於該拱形樑致動器。 9.如申請專利範圍第5項之微機電系統裝置，進一步包含一 溫度補償元件，係設置於該微電子基板上，及適可反應 於周圍溫度變化而防止該致動器致動。 10·如申請專利範圍第9項之微機電系統裝置，其中該溫度補 償元件進一步包含一硬質框架結構圍繞該熱拱形樑致動 器’該硬質框架結構具有至少一錨定點以將該硬質框架 結構固定於該基板，框架之其餘部分則懸伸至該基板上 方及可在操作上連接於該熱拱形樑致動器。 11. 如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，進一步包含一 支承結構，供支承該光學快門於該基板上。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12. 如申請專利範圍第丨丨項之微機電系統裝置，其中該支承 結構進一步包含一摺疊式搮懸伸結構。 13·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該微電子 致動器進一步包含一微電子致動器陣列。 14·如申請專利範圍第13項之微機電系統裝置，其中該微電 子致動器陣列進一步包含一熱拱形樑致動器陣列。 15·如申請專利範圍第14項之微機電系統裝置，進一步包含 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499570 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 _ D8 _ 一六、申請專利範圍 一裝置，供加熱於該熱拱形樑致動器陣列，造成拱形棵 之進一步拱曲，藉此致動該光學快門。 16·如申請專利範圍第15項之微機電系統裝置，其中該加熱 裝置進一步包含至少一外部加熱器設置鄰近於該微電子 致動器陣列。 17. 如申請專利範圍第14項之微機電系統裝置，進一步包含 至少一溫度補償元件，係設置於該微電子基板上，及適 可反應於周圍溫度變化而防止該致動器致動。 18. 如申請專利範圍第17項之微機電系統裝置，其中該至少 一 &度補償元件進一步包含至少一硬質框架結構圍繞該 熱拱形樑致動器陣列，該硬質框架結構具有至少一錨定 點以將該硬質框架結構固定於該基板，框架之其餘部分 則懸伸至該基板上方及可在操作上連接於該熱拱形樑致 動器陣列。 19·如申請專利範圍第14項之微機電系統裝置，進一步包含 一中央轂設置於微電子基板上，其具有至少二轂輻條， 可在操作上連接於該陣列内之至少一微機電系統致動器 ’及至少一槓桿·，可在操作上連接於該中央轂及該光學 快門，其中該微機電系統致動器提供施力以移動該至少 二轂輻條，藉此施加一旋轉力於該中央轂上，以移動該 至少一槓桿而造成該光學快門衰減一光束。 2〇.如申請專利範圍第19項之微機電系統裝置，進一步包本 至少一槓桿可在操作上連接於該中央轂，及一箝制元件 接附於該至少一槓桿，其中該微機電系統致動器提供施 一 _-33 - 本紙張又iJi中國國家標準(CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐）—一 〜〜— (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 訂·· i線· 499570 A8 B8 C8 D8 、申讀專利範圍 力以移動該至少二轂輻條，藉此施加一旋轉力於該中央 轂上，以移動該至少一槓桿而造成該箝制元件到達一可 施加箝制電壓之位置。 2 1 ·如申請專利範圍第2〇項之微機電系統裝置，其中該微電 子基板定義至少一開孔鄰近間隔於該中央轂，及其中該 光學快門進一步包含至少一光學快門，可在操作上透過 至少一槓桿以聯結於該中央轂，且適可藉由各別移動通 過該至少一開孔以至少局部地影響光束之衰減。 22·如申請專利範圍第14項之微機電系統裝置，進一步包含 一致動器構件，係由該熱拱形樑致動器陣列移位及將該 光學快門接附於該熱拱形樑致動器陣列。 23·如申請專利範圍第丨項之微機電系統裝置，其中該微電子 致動器進一步包含第一及第二微電子致動器，及該光學 快門·進一步包含第一及第二光學快門，係分別對應於第 一及第二微電子致動器。 24·如申請專利範圍第23項之微機電系統裝置，其中該第_ 及第二微電子致動器進一步包含第一及第二熱拱形樑致 動器。 - 25·如申請專利範圍第24項之微機電系統裝置，其中該第一 及第二熱拱形樑致動器係在大致相同平面及在該平面内 之大致相反方向致動。 26.如申請專利範圍第25項之微機電系統裝置，其中該第一 及第二光學快門係成型以利於致動時疊置，造成第一及 第二光學快門相互接觸。 34 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項

   I 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 C8 ---^___ D8 六、申請專利範圍 27.如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門係呈一預定形狀，以供光束完全衰減。 28·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門係呈一預定形狀，以供光束局部衰減。 29·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門具有開孔以供光束通過。 3〇·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門係概呈塊狀。 31·如申請專利範圍第30項之微機電系統裝置，其中該光學 快門具有一沿著概呈塊狀光學快門正面之預定厚度。 32.如申請專利範圍第i項之微機電系統裝置，其中該光學快 門具有一輪廓表面。 33·如申請專利範圍第丨項之微機電系統裝置，其中該光學快 門包含一金屬。 j4.如申請專利範圍第丨項之微機電系統裝置，其中該光學快 門包含一半導體_金屬组合物。 如申請專利範圍第丨項之微機電系統裝置，其中該微電子 基板定義一貫穿之開孔，開孔可供光束通過。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 36·如申蜻專利範圍第35項之微機電系統裝置，其中光束具 有一光學軸線大致垂直於該微電子基板之大致平坦表面 "及邊光學快門係位於一大致平行於該微電子基板大致 平坦表面之平面中。 如申猜專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該微電子 基板定義一透明材料，以供一光束通過。 本紙張尺⑭(CNS)A4規格（2_1Q X 297公釐)~-- 499570 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 38·如申請專利範圍第丨項之微機電系統裝置，其中該微電子 基板足義一溝槽沿著大致平坦表面，溝槽可供光束通過 〇 ^9.如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中光束具有 一光學軸線大致垂直於該微電子基板之大致平坦表面， 及該光學快門係位於一大致平行於該微電子基板大致平 坦表面之平面中。 40·如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門係接附於該微電子致動器，其位於一大致平行於^微 電子基板大致平坦表面之平面中，及在致動時可延伸至 該微電子基板之一邊緣以外，以供衰減一沿著該微電子 基板邊緣通過之光束。 41·如申請專利範圍第40項之微機電系統裝置，其中光束係 在一大致平行於該微電子基板大致平坦表面之平面中。 42·如申請專利範圍第4〇項之微機電系統裝置，其中光束係 . 在一大致垂直於該微電子基板平坦表面之平面中。 43.如申請專利範圍第1項之微機電系統裝置，其中該光學快 門係位於一大致垂直於該微電子基板大致平坦表面2平 面中 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44·如申請專利範圍第43項之微機電系統裝置，其中該光學 快門係一彈上式光學快門，可在微機電系統裝置^造: 間自該基板釋離。 / 45.如申請專利範圍第43項之微機電系統裝 ^ ^ 丹干孩光學 快門係利用一樞接式結構以支承於該基板上。 -36- 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^^y/Ό A8SSD8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 46·如申請專利範圍第43項之微機電系統裝置，其中該光學 快門係利用一撓性扭轉式支承結構以支承於該基板上。 47. —種用於光學性衰減一光束之微機電系統裝置，包含： 一被電子基板’具有一大致平坦表面；及 一可移動之組合物致動器，設於該微電子基板之平坦 表面上且適可做熱致動，以利沿著一預定路徑可控制地 移動及衰減一位於致動位徑中之光束，其中該可移動之 組合物係在各位置阻擒不同百分比之光學功率，使該可 移動之組合物可在一光學功率範圍内阻擋任意百分比之 光學功率。 48··如申請專利範圍第47項之微機電系統裝置，其中該可移 動之組合物致動器進一步包含至少二層，以差異性地對 應於熱致動，該組合物之一固定部係接附於該微電子基 板及該組合物之一遠部適可彎曲，以利沿著一預定路徑 可控制地移動及衰減一位於致動位徑中之光束。 49·如申請專利範圍第48項之微機電系統裝置，其中遠部係 反應於熱致動而在一向上之方向中移動及衰減一光束， 光束具有一光學路徑位於該微電子基板之大致平坦表面 上方。 50. 如申請專利範圍第48項之微機電系統裝置，其中遠部係 反應於熱致動而在一向下之方向中移動及衰減一光束， 光束具有一光學路徑位於該微電子基板之大致平坦表面 下方。 51. 如申請專利範圍第50項之微機電系統裝置’其中該微電 -37- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公H " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I· F»裝 ιδτ· •線 499570 g_ 六、申請專利範圍 子基板定義_溝槽以供光束延伸通過。 52· —種用於光學衰減一光束之微機電系統裝置，包含： 一微電子基板，具有一大致平坦表面； 一微電子致動器，設於該微電子基板之大致平坦表面 上； 光學快門’設於該微電子基板之大致平坦表面上， 其中該光學快門係由該微電子致動器致動及衰減一光學 功率範圍内任意百分比之光學功率； 一靜電式箝制元件，可在操作上連接於該光學快門， 供該光學快門以靜電式箝制於一要求之衰減位置； .一靜電式接觸件，設於該基板上，係以靜電式聯結於 該箝制元件；及 一施加裝置，供施加一靜電力於該靜電式箝制元件與 該靜電式接觸件之間。 53· —種用於可變光學衰減之系統，該系統包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一微機電系統可變光學衰減器，具有一微電子基板且 其備有一大致平坦表面、一微電子致動器設於該微電子 基板之大致平坦表面上、一光學快門設於該微電子基板 之大致平坦表面上、一靜電式箝制元件可在操作上連接 於該光學快門且供該光學快門以靜電式箝制於一要求之 衰減位置； 一靜電式接觸件，設於該基板上，係以靜電式聯結於 該箝制元件；及 一電壓源，供施加一靜電力於該靜電式箝制元件與該 -38- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499570 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 靜電式接觸件之間。 54. —種用於光學衰減之方法，係使用一微機電系統可變光 學衰減器，其具有一微電子基板且其備有一大致平坦表 面、一微電子致動器設於該微電子基板之大致平坦表面 上、一光學快門設於該微電子基板之大致平坦表面上、 一靜電式箝制元件設於該基板上，該方法包含以下步躁： 致動該微電子致動器； 利用微電子致動器以致動光學快門，使得光學快門置 放於一預定之衰減位置，以利相交於供一光束通過之一 平面之至少一部分； 靜電式致動該箝制元件，藉以鎖定光學快門於預定之 衰減位置，·及 當光學快門鎖定於預定之衰減位置時，停止該微電子 致動器。 55. 一種製造一微機電系統可變光學衰減器之方法，包含·· 製成一氧化物層於一微電子基板之一大致第一平坦表 面上； 製成一矽層於氧化物層上； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 μ疋我衰減斋（一機械性結構於矽層内，機械性結構定 義一熱拱形樑致動器、一致動器構件及一光學快門： 用蝕除熱拱形樑致動器與致動器構件之拱形樑下方 t氧化物層，以自基板釋離一部分矽層； 摻雖至少一部分矽層，以提供_預定之導電率；及 蝕茨！微私子基板之一第二表面，即相對立於第一表面 -39- X 297公釐） 私紙張尺度適用中 499570 A8 B8 BI _ 力、申請專利範圍 者，及蝕刻光學快門下方之氧化物層，以自基板釋離光 學快門。 5 6·如申請專利範圍第5S項之方法，其中該定義步驟進一步 定義機械性結構爲包括一箝制元件，及該釋離步驟進一 步包括蚀除箝制元件下方之氧化物層α 57·如申請專利範圍第兄項之方法，進_步包含以下步驟： 在該釋離步驟後氧化箝制元件之底側，以提供一電介 質於基板與箝制元件之間；及 定義一金屬電極於該基板之第一表面上，以提供一電 力連接於箝制元件。 Μ.如申請專利範圍第56項之方法，其中該定義步驟進一步 包含定義機械性結構以包括蝕刻孔於箝制元件及致動器 構件内，以利協助後者釋離基板。 59.如申請專利範圍第55項之方法，其中該定義—機械性結 構之步驟進一步包含以下子步驟： ， 成型一遮罩而定義機械性結構於矽層上；及 依據成型遮罩蝕除矽層，以定義機械性結構。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 線； 60·如申請專利範圍第55項之方法，其中該製切層之步驟 進步包含使用一磊晶製程以生長單晶矽於基板上。 61.如申請專利範圍第55項之方法，其中該製成碎層之步緣 進一步包含熔接一單晶矽層於基板及氧化物結構。 62·如申請專利範圍第55項之方法，進—步包含在該定義機 械性結構之步驟後金屬化光學快門之步驟，以提供非光 -40- 499570 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 63.如申請專利範圍第55項之方法，其中該定義步驟進一步 包含定義機械性結構以包括蝕刻孔於光學快門及致動器 構件内。 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 |線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）