DE60120144T2

DE60120144T2 - Magnetisch betriebener Aktuator für mikroelektromechanische Systeme

Info

Publication number: DE60120144T2
Application number: DE60120144T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Kirkland SINCLAIR; Jeremy A. Cambridge LEVITAN
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: US20070176719A1; EP1596240A2; ATE441129T1; US7782161B2; EP1272888A2; US7221247B2; ATE328300T1; DE60120144D1; DE60139722D1; EP1596240A3; US7064879B1; JP2003530710A; JP4743742B2; AU2001251382A1; WO2001078096A2; EP1272888B1; EP1596240B1; WO2001078096A3; US20060072224A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft elektrisch gesteuert Aktuatoren und betrifft insbesondere Aktuatoren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS).
Beschreibung der zugehörigen Technik
Elektrisch gesteuerte Aktuatoren erhalten elektrischen Signaleingang und stellen eine mechanische Leistung bereit, die verwendet werden kann, um Gegenstände zu bewegen. Das elektrische Signal kann die mechanische Leistung steuern, um ein Maß und eine Menge an Bewegung zu steuern, die für den Gegenstand verwendet wird. Große elektrisch gesteuerte Aktuatoren sind in mechanischen Systemen gebräuchlich, um Ventile und Pumpen zu steuern und Gegenstände zu bewegen.
Neueste Innovationen erfordern Steuerung von sehr kleinen Bestandteilen. Im US-Patent Nummer 5.808.384 wird ein photolithographischer Prozess angewendet, um einen mikromechanischen Aktuator herzustellen, um Schalter, Relais und Ventile zu steuern. Jedoch die Erfindung des Patents 5.808.384 sagt nichts aus über eine Einrichtung, um Gegenstände hin zu oder zurück von der Ebene des Substrats zu bewegen, auf dem die Vorrichtung ausgebildet ist.
Im US-Patent Nummer 5.867.297 legt der Erfinder eine mikroelektrische mechanische Vorrichtung offen, um einen Spiegel in Schwingung zu versetzen, um einen Laserstrahl abzulenken, um Strichcodes zu lesen. Der Spiegel ist im Wesentlichen aufrecht und wird an einer Gelenkverbindung zu dem Substrat bewegt, auf welchem er ausgebildet ist, aber die Vorrichtung ist auf Klammern und Gelenke angewiesen, die sich als unzuverlässig erwiesen haben. Darüber hinaus ist der Spiegel drehbar an dem Substrat angebracht und kann sich nur drehend um eine einzelne Achse bewegen, wodurch sein Nutzen einschränkt wird. Außerdem erfordern einige Anwendungen einen Spiegel, der pa rallel zu dem Substrat ist, auf dem er ausgebildet ist, eine Begrenzung bei der Gestaltung, die von US-Patent Nummer 5.867.297 nicht gelöst werden kann.
Gegenwärtig versuchen viele Anwendungen, eine Spiegelfläche zu steuern, um Lichtenergie zu steuern und Lichtstrahlen zu bewegen, um Strichcodes zu scannen oder Videobilder zu erzeugen und zu projizieren.
Im US-Patent Nummer 5.192.946 umfasst eine räumliche Lichtsteuerung eine Anordnung von Spiegeln, die verwendet werden, um ein Videobild zu erzeugen und auf einen Bildschirm zu projizieren. Das Videobild wird erzeugt, indem Licht auf die Spiegelanordnung (im US-Patent Nummer 5.192.946 als eine verformbare Spiegelvorrichtung bezeichnet) gerichtet und die Ausrichtung der einzelnen Spiegel gesteuert wird, um einen Weg des Lichts zu steuern. Die Bildschirmdarstellung umfasst viele Bildpunktelemente, die einzelnen Spiegeln der Anordnung entsprechen. Jedes Bildpunktelement wird durch die Steuerung der Ausrichtung der Spiegel ein- und ausgeschaltet, um das Licht auf den Bildschirm (oder dazwischen liegende Linsen) oder weg von dem Bildschirm zu reflektieren. Die Spiegelanordnung umfasst Spiegel, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, die drehbar angebracht sind, um sich zwischen Auf- und Abpositionen zu bewegen, in denen das Licht in Richtung auf oder weg von dem Bildschirm reflektiert wird, um die auf dem Bildschirm dargestellten Bildpunktelemente jeweils zwischen Ein und Aus hin-und herzuschalten. Die einzelnen drehbar angebrachten Spiegel können nur um eine Achse gedreht werden, wodurch sie nur ein Maß an Bewegung bieten, das die Ausführung des Projektors begrenzt. Solche Videodarstellungssysteme werden auch als digitale Lichtverarbeitungsanlagen (DLP) bezeichnet.
Um für ein solches Videosystem brauchbar zu sein, müssen die Spiegelanordnungen einfach und kostengünstig in Mengen herzustellen sein und steuerbare Hochgeschwindigkeitsbewegung der Spiegel bieten. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, dass die Spiegelantriebselemente sehr zuverlässig sind. In vielen Ausführungen haben Halbleiter-Drehgelenke erwiesen, dass sie eine geringere Zuverlässigkeit als gewünscht aufweisen, hauptsächlich wegen Problemen durch Haftreibung und Abrieb. Darüber hinaus ist wünschenswert, dass die Spiegel der Spiegelanordnung in einem ausreichenden Bewegungsbereich und mit Bewegungsspielraum bewegt werden können, um Projektorausführungen zu unterstützen. Demnach, wo andere Faktoren gleich sind, werden Aktuatoren, die Spiegel in 2 oder 3 Bewegungsgraden und in einem Bewegungsbereich von ± 30 Grad um eine Drehachse bewegen können, einem Aktuatorsystem vorgezogen, das einen Spiegel mit einem Maximum von ±10 Grad in nur einem Bewegungsgrad bewegen kann.
US 5.748.172 beschreibt einen Spiegelantriebsprozess und eine Vorrichtung, worin der Spiegel eine gewendelte leitende Schicht auf seiner Rückfläche aufweist und ein Permanentmagnet unter einem Substrat eingebaut ist, an dem der Spiegel drehbar befestigt ist.
Übersicht über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen mikromechanischen Aktuator nach Anspruch 1 und eine Spiegelaktuator-Vorrichtung nach Anspruch 26 bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die zugeführte elektrische Energie entlang von Spulen geleitet, die ein magnetisches Feld erzeugen, wie es in einer unter Spannung stehenden Magnetspule auftritt. Ein zweites magnetisches Feld wird durch eine zweite Quelle bereitgestellt, wie etwa einem Permanentmagnet, und die beiden magnetischen Felder sind in entgegengesetzter Ausrichtung angeordnet, so dass eine Abstoßkraft erzeugt wird, die einen Abschnitt der Spule bewegt. Die Spule kann auf diese Weise mit einem Rand eines Spiegels verbunden sein, um den Spiegel steuerbar zu bewegen. Der Spiegel kann auf einer Vielzahl von Aktuatoren befestigt sein, um einen dreifachen Bewegungsspielraum zu bieten: um zwei Rotationsachsen und linear entlang einer Längsachse der Aktuatoren.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind Paare von doppelt miteinander vermischten Spulen (vorzugsweise Archimedische Spiralen) nebeneinander angeordnet und durch ein leitendes Brückenelement miteinander verbunden. Die erste und die zweite Spule des Spulenpaars sind in entgegengesetzten Richtungen gewickelt. Das heißt, die erste Spule verläuft im Urzeigersinn und die zweite Spule verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn von ihrem jeweiligen Mittelpunkt aus. Strom wird dann von dem ersten Spulenmittelpunkt zu einem äußersten Abschnitt der ersten Spule geleitet und dann durch die Brücke zu einem äußersten Abschnitt der zweiten Spule geleitet. Der Strom wird dann entlang der zweiten Spule zu ihrem innersten Abschnitt geleitet. Auf diese Weise verläuft der Strom in der gleichen Richtung durch beide Spulen, das heißt, im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn, und das Magnetfeld ist durch beide Spulen in der gleichen Richtung ausgerichtet. Die Magnetfelder der Spulen sind dadurch ausgerichtet, eine abstoßende Kraft zu dem zweiten Magnetfeld zu bilden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Aktuatoren werden in einem üblichen Herstellungsprozess hergestellt, der Kennern der Technik als Mehrfachanwender-Prozess (Multi-User MEMS Processes/MUMPs) bekannt ist, der ausführlicher weiter unten beschrieben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform werden vier Aktuatoren auf ein Substrat als Abschnitte einer Schicht ausgebildet, und die Brücken und der Spiegel werden als Abschnitte eines anderen Spiegels ausgebildet. Die Aktuatoren sind an jeder von vier Ecken des Spiegels angeordnet, der rechteckig ist. Der Spiegel ist mit den Aktuatoren durch die Brücken verbunden und sitzt oben an den Aktuatoren. Ausdehnung der Aktuatoren bewegt folglich den Spiegel jeweils auf und ab oder weg von und hin zu dem Substrat. Aktuatorenpaare können ausgedehnt werden, um den Spiegel um eine Drehachse zu drehen. Die Wahl, dass sich die Aktuatoren ausdehnen, erlaubt Bewegung des Spiegels an rechtwinklig winkelhalbierenden Drehachsen oder entlang einer diagonalen Drehachse.
Eine Limitierung des MUMPs-Herstellungsprozesses ist, dass die Schichten, die physikalisch verbunden sind, ebenfalls elektrisch leitend sind. Und in dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Aktuatorspulen, die Brücke und der Spiegel physikalisch verbunden und folglich elektrisch leitend. Demnach wird symmetrischer, bipolarer Strom auf die Spulenpaare gelegt, um den Spiegel bei Nullspannung zu halten und einen Kopplungseffekt und übermäßigen und möglicherweise Schaden anrichtenden Strom zwischen den Spulen zu verhindern.
Der Aktuator der vorliegenden Erfindung kann in konformen Schichten hergestellt werden, wie weiter unten im Zusammenhang mit dem MUMPs-Prozess beschrieben. Demnach sind die Aktuatoren, Brücken und der Spiegel als Schichten ausgebildet, die nahe aneinander sind. Um einen gewünschten Bewegungsbereich bereitzustellen, kann deshalb ein ansteigender Gleichgewichtsstrom auf die Aktuatoren gebracht werden, was ein im Wesentlichen ähnliches Magnetfeld in jedem Aktuator erzeugt, um jeden Aktuator in einem gleichen Maß auszudehnen und den Spiegel über das (das heißt weg von dem) Substrat anzuheben, auf welchem die Bestandteile ausgebildet werden. Der Spiegel kann dann bewegt werden, indem ein Modulationsstrom an die einzelnen Aktuatoren bereitgestellt wird, was die Stärke des Magnetfeldes in jenen bestimmten Aktuatoren erhöht oder verringert, um eine Ecke oder Seite des Spiegels relativ zu den anderen Spiegelabschnitten anzuheben oder abzusenken. Auf diese Weise kann ein Spiegel umgelenkt werden, um einen Weg eines Lichtstrahls zu steuern, um einen Abschnitt eines Videobildes auszubilden. Alternativ können Aktuatoren der vorliegenden Erfindung, die durch andere Einrichtungen als MUMPs hergestellt sind, für elektrische Trennung zwischen den Spulen und dem Spiegel sorgen, und dadurch die Anordnung von Spulen in dem Aktuator vereinfachen.
In alternativen Ausführungsformen können die Aktuatorspulen zusammengestellt werden, um einen bestimmten Bewegungsbereich für besondere Anwendungen bereitzustellen. Die Spulen können mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Spulenwindungen bereitgestellt werden, oder ein Querschnittsbereich der Spulen kann vergrößert oder verkleinert werden.
Alternativ kann ein einzelner Aktuator, der eine einzelne Spule aufweist, auf einem Spiegel verwendet werden, der drehbar auf einer tragenden Fläche angebracht ist, um einen einzelnen Bewegungsgrad, wie in machen Anwendungen gewünscht, bereitzustellen.
In weiteren alternativen Ausführungsformen kann die zweite abstoßende Magnetkraft durch eine elektromagnetische Spule bereitgestellt werden, die auf dem Substrat ausgebildet ist, welche die Aktuatoren und den Spiegel trägt. Alternativ kann die zweite Magnetkraft durch eine elektromagnetische Spule bereitgestellt werden, die auf einem zweiten Substrat ausgebildet ist und in der Nähe zu dem Substrat angeordnet ist, auf dem sich die Aktuatoren und der Spiegel befinden.
Außerdem können in einer alternativen Ausführungsform die sich ausdehnenden und bewegenden Spulen aus einem magnetischen Material ausgebildet sein, und die abstoßende Magnetkraft kann durch eine elektromagnetische Halbleiterspule, die auf dem Substrat ausgebildet ist, bereitgestellt werden. Die Magnetspulen dieser Ausführungsform können durch galvanisches Beschichten oder Aufstäuben eines ferromagnetischen Materials ausgebildet werden. Die elektromagnetische Halbleiterspule kann auf einer Vorder- oder einer Rückseite des Substrats ausgebildet werden oder auf einem zusätzlichen Substrat, das sich nahe dem Substrat befindet, das die Magnetspulen und den Spiegel trägt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Zusammenhang mit dem Tragen und gesteuerten Bewegen eines Spiegels gezeigt. Wie ausgeführt, findet Steuerung mi kroelektrischer mechanischer Spiegelsysteme im Wesentlichen Anwendung in räumlichen Lichtsteuerungen (digitalen Lichtprozessoren), die schnelle, steuerbare Bewegung von Spiegeln erfordern. Jedoch finden die Aktuatoren der vorliegenden Erfindung auch Anwendung in anderen mikroelektrischen mechanischen Systemen, die die Bewegung von anderen Objekten wie etwa Linsen, Ventilen und Getrieben erfordern können.
Wie ausgeführt, werden die Aktuatoren der bevorzugten Ausführungsform in einem kommerziell verfügbaren Prozess, bekannt als MUMPs, hergestellt. Der MUMPs-Prozess ist kein Teil der vorliegenden Erfindung.
Überblick über den MUMPs-Herstellungsprozess
Um das Verständnis für die vorliegende Erfindung zu fördern, wird der übliche Ablauf bei der Herstellung von mikromechanischen Vorrichtungen unter Verwendung des MUMPs-Prozesses mit Bezug auf die 1 bis 15 erläutert.
Der MUMPs-Prozess stellt drei Schichten von konformem Polysilizium bereit, die geätzt werden, um eine gewünschte physikalische Struktur zu erzeugen. Die beiliegenden Zeichnungen zeigen einen üblichen Prozess, um einen Mikromotor zu bauen, wie er durch das MEMS Technology Application Center, 3021 Cornwallis Road, Research Triangle Park, North Carolina, bereitgestellt wird.
Der MUMPs-Prozess beginnt mit einer n-leitenden 100-mm-Siliziumscheibe 100 mit einem Leitungswiderstand von 1–2 Ω-cm. Die Scheibenfläche wird in einem Standard-Diffusionsofen stark mit Phosphor dotiert, indem POCI 3 als Dotiersubstanzquelle verwendet wird. Dies verringert oder verhindert sogar, Ladung von elektrostatischen Vorrichtungen, die nachfolgend auf der Scheibe befestigt sind, zu dem Silizium durchzuleiten. Als Nächstes wird eine Silizium-Nitrid-Schicht 102 mit 600-nm-Niederspannungs-LPCVD (chemische Niederdruckgas-Phasenabscheidung) auf dem Silizium als eine elektrische Isolierschicht aufgebracht. Die Siliziumscheibe und die Silizium-Nitrid-Schicht bilden ein Substrat.
Als Nächstes wird ein 500-nm-LPCVD-Polysiliziumfilm – POLY 0 104 – auf das Substrat aufgebracht. Die POLY-0-Schicht 104 wird durch Photolithographie gemustert; ein Prozess, der das Überziehen der POLY-0-Schicht mit einem Photolack 106, Belichten des Photolacks mit einer Maske (nicht gezeigt) und Entwicklung des belichteten Photolacks einschließt, um die gewünschte Ätzmaske für anschließende Maskenübertragung in die darunter liegende Schicht (2) zu erzeugen. Nach der Musterbildung des Photolacks wird die POLY-0-Schicht 104 in einem RIE-System (Reactive Ion Etch – reaktives Ionenätzen) (3) geätzt.
Wie in 4 gezeigt, wird eine Schutzschicht 10 aus 2,0 μm Phosphorsilikatglas (PSG) durch LPCVD auf die POLY-0-Schicht 104 und belichtete Abschnitte der Nitridschicht 102 aufgebracht. Diese PSG-Schicht, die hierin als erstes Oxid bezeichnet wird, wird am Ende des Prozesses entfernt, um die erste mechanische Polysiliziumschicht , POLY 1 (unten beschrieben), von ihrer zugrunde liegenden Struktur zu befreien, nämlich von POLY 0 und den Silizium-Nitrid-Schichten. Diese Schutzschicht wird photolithographisch mit einer Prägemaske (DIMPLES-Maske) gemustert, um Vertiefungen 110 in der PSG-Schutzschicht durch reaktives Ionenätzen (5) mit einer Tiefe von 750 nm auszubilden. Die Scheibe wird dann mit einer dritten Maskenschicht, ANCHOR1, gemustert und reaktiv ionengeätzt (6), um Verankerungslöcher 112 bereitzustellen, die sich zu der POLY-0-Schicht erstrecken. Die ANCHOR1-Löcher werden in dem nächsten Schritt mit der POLY-1-Schicht 114 gefüllt.
Nach dem Ätzen von ANCHOR1 wird eine erste Strukturschicht aus Polysilizium (POLY 1) 114 mit einer Dicke von 2,0 μm aufgebracht. Eine dünne 200-nm-PSG-Schicht 116 wird über die POLY-1-Schicht 114 aufgebracht und die Scheibe wird bei 1.050 °C für eine Stunde (7) gebrannt. Das Brennen dotiert die POLY-1-Schicht mit Phosphor von den PSG-Schichten sowohl darüber als auch darunter. Das Brennen dient auch dazu, die Netzspannung in der POLY-1-Schicht zu reduzieren. Die POLY-1- und PSG-Maskierschichten werden lithographisch gemustert, indem eine Maske verwendet wird, die dazu bestimmt ist, die Struktur der POLY-1-Schicht auszubilden. Die PSG-Schicht wird geätzt, um eine Hartmaske für das anschließende Polysiliziumätzen zu erzeugen. Diese Hartmaske ist widerstandsfähiger gegen die Chemikalie des Polysiliziumätzens als der Photolack und stellt eine bessere Übertragung des Musters in die POLY-1-Schicht sicher. Nach dem Ätzen der POLY-1-Schicht (8) wird der Photolack abgelöst und die verbleibende Oxid-Hartmaske wird durch reaktives Ionenätzen entfernt.
Nachdem die POLY-1-Schicht 114 geätzt wurde, wird eine zweite PSG-Schicht (zweites Oxid) 118 aufgebracht (9). Das zweite Oxid wird gemustert, indem zwei unterschiedliche Ätzmasken mit unterschiedlichen Zielsetzungen verwendet werden.
Zuerst sorgt ein POLY1_POLY2_VIA-Ätzen (dargestellt bei 120) dafür, dass in dem zweiten Oxid Löcher herunter bis auf die POLY-1-Schicht geätzt werden. Dieses Ätzen stellt eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen der POLY-1-Schicht und einer anschließenden POLY-2-Schicht dar. Die Schicht POLY1_POLY2_VIA ist lithographisch gemustert und geätzt durch reaktives Ionenätzen (10).
Zweitens wird ein ANCHOR2-Ätzen (dargestellt bei 122) bereitgestellt, um sowohl die ersten und zweiten Oxidschichten 108, 118 in einem Schritt zu ätzen, um Ausrichtungsfehler auszuschließen, die zwischen einzeln geätzten Löchern entstehen können. Noch wichtiger ist, dass das ANCHOR2-Ätzen die Notwendigkeit ausschließt, einen Schnitt in die erste Oxidschicht zu machen, der ohne Bezug zu dem Verankern einer POLY-1-Struktur steht, der das Substrat unnötig für anschließende Bearbeitung bloßlegen würde, die entweder die POLY-0- oder Nitridschichten beschädigen kann. Für das ANCHOR2-Ätzen wird die zweite Oxidschicht lithographisch gemustert und durch reaktives Ionenätzen in der gleichen Weise geätzt wie das POLY1_POLY2_VIA-Ätzen. 11 zeigt den Scheibenquerschnitt, nachdem sowohl das POLY1_POLY2_VIA-Ätzen als auch das ANCHOR2-Ätzen abgeschlossen wurde.
Dann wird eine zweite Strukturschicht, POLY 2, 124 aufgebracht (1,5 μm dick), gefolgt durch das Aufbringen von 200 nm PSG. Wie bei der POLY-1-Schicht, dient die dünne PSG-Schicht sowohl als eine Ätzmaske als auch als Dotiersubstanzquelle für die POLY-2-Schicht (12). Die Scheibe wird dann für eine Stunde bei 1.050 °C gebrannt, um das Polysilizium der POLY-2-Schicht zu dotieren und die verbleibende Filmspannung zu vermindern. Die POLY-2-Schicht wird mit einer siebten Maske lithographisch gemustert, und die PSG- und Polysiliziumschichten werden durch reaktives Ionenätzen geätzt, indem die gleichen Verfahrensbedingungen wie für die POLY-1-Schicht verwendet werden. Dann wird der Photolack abgelöst und das Maskieroxid wird entfernt (13).
Die abschließend aufgebrachte Schicht in dem MUMPs-Prozess ist eine 0,5-μm-Metallschicht 126, die für das Prüfen, Verbinden, die Stromführung und hochreflektierende Spiegelflächen sorgt. Die Scheibe wird mit der achten Maske lithographisch gemustert, und das Metall wird aufgebracht und gemustert, indem Abheben verwendet wird. Die endgültige, unveröffentlichte Beispielstruktur wird in 14 gezeigt.
Zuletzt werden die Scheiben einer Ablösung des Schutzes und einem Test unterzogen. Die Ablösung wird ausgeführt, indem die Vorrichtung für 1,5 bis 2 Minuten in ein Bad mit 49 % HF (bei Zimmertemperatur) getaucht wird. Dies wird gefolgt von einigen Minuten in DI-Wasser und dann Alkohol, um Haftreibung zu vermindern, gefolgt von mindestens 10 Minuten in einem Ofen bei 110 °C. 15 zeigt die Vorrichtung nach dem Ablösen des Schutzoxids.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durch den MUMPs-Prozess hergestellt und ist den Schritten des oben beschriebenen kommerziellen Prozesses unterworfen. Jedoch verwendet die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht die spezifischen Masken, die in dem allgemeinen Prozess von 1 bis 15 gezeigt werden, sondern eher Masken für die Struktur der vorliegenden Erfindung entsprechend der ausführlichen Beschreibung, die unten bereitgestellt wird. Außerdem können sich die oben für den MUMPs-Prozess beschriebenen Schritte danach verändern, wie es von dem MEMS Technology Application Center vorgeschrieben wird. Das Herstellungsverfahren ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung und ist nur eines von mehreren Verfahren, die verwendet werden können, um die vorliegende Erfindung auszuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 bis 15 sind Querschnittsansichten eines üblichen Mehrfachanwender-MEMS-Prozesses, nach dem Stand der Technik bekannt zur Herstellung mikroelektrischer mechanischer Vorrichtungen. Kreuzschraffierung wurde weggelassen, um die Übersichtlichkeit der Darstellung von Struktur und Prozess nach dem Stand der Technik zu erhöhen.
16 ist eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform von elektrisch gesteuerten, magnetisch angetriebenen Aktuatoren der vorliegenden Erfindung, die so auf einem Substrat angeordnet sind, dass sie einen mittig angeordneten Spiegel bewegen.
17 ist eine vergrößerte Draufsicht, die den Aktuator der vorliegenden Erfindung verbunden mit einem Rand eines Spiegels zeigt.
18 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Aktuators der vorliegenden Erfindung, verbunden mit einer elektrischen Stromquelle.
19 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Aktuators der vorliegenden Erfindung, wie er entlang der Linie 19-19 von 17 gesehen wird.
20 ist ein vergrößerter Aufriss, der die Aktuatoren der vorliegenden Erfindung zeigt, wie sie sich unter der Kraft von Magnetfeldern ausdehnen, und die Bewegung des Spiegels als schemenhaften Umriss zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen 16 bis 20 beschrieben. Die vorliegende Erfindung stellt einen elektrisch gesteuerten Aktuator bereit. Während der vorliegende Aktuator gezeigt wird, wie er eine Spiegelfläche steuert – eine übliche Anwendung für mikroelektrische mechanische Aktuatoren – kann der Aktuator verwendet werden, andere physikalische Strukturen zu steuern wie etwa Linsen, Ventile oder Schalter.
In der vorliegenden Erfindung wird eine abstoßende Magnetkraft verwendet, um eine Ausrichtung des Spiegels oder eines anderen Objekts anzuheben und zu steuern. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird den ausdehnbaren Halbleiterspulen elektrische Eingangsenergie bereitgestellt, um ein variables Magnetfeld zu erzeugen. Ein Permanentmagnet, der sich nahe an den Halbleiterspulen befindet, stellt eine entgegensetzt festgelegte Magnetkraft bereit, die bewirkt, dass sich die Halbleiterspulen in einer vorhersehbaren und steuerbaren Weise ausdehnen. Diese Spulenausdehnung stellt mechanischen Antrieb bereit, der ein Objekt wie etwa den beispielhaften Spiegel bewegen kann. Die elektrische Eingangsenergie kann gesteuert werden, um das Magnetfeld zu verändern und folglich die abstoßende Magnetkraft, um die Ausrichtung des Spiegels zu steuern.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Spiegel durch sich ausdehnende Spulen getragen, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Die abstoßende Magnetkraft wird durch eine elektromagnetische Spule erzeugt, die sich auf oder nahe an einem Substrat befindet, das die sich ausdehnenden Spulen trägt. In dieser Ausführungsform sind die sich ausdehnenden Spulen nicht mit einer elektrischen Stromquelle verbunden. Stattdessen sind die sich ausdehnenden Spulen magnetisch und wirken als Permanentmagnete, die eine Nord-Süd-Polarisation aufweisen. Die elektromagnetische Spule stellt ein variables Magnetfeld bereit, dessen Ausrichtung durch eine Richtung des Stromflusses in der elektromagnetischen Spule bestimmt wird, und die Ausrichtung wird so gewählt, dass sie eine abstoßende Magnetkraft zu der Polarisation der sich ausdehnenden, magnetischen Spulen bereitstellt. Die Stärke des Stroms in der elektromagnetischen Spule bestimmt die Stärke der abstoßenden Magnetkraft und wird gesteuert, um die Ausrichtung des Spiegels zu steuern.
Im Folgenden wird die erste bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben, und Alternativen werden später im Zusammenhang mit Unterschieden zu der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Spiegel-Aktuatorsystem
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Spiegel 200 durch vier Aktuatoren 202 über einer Vorderseite 204 eines planen Substrats 206 gehalten. Jeder Aktuator umfasst zwei Spulen 208, die im Wesentlichen nebeneinander nahe zu dem Spiegel angeordnet sind. Eine Brücke 210 verbindet die Spulen miteinander und verbindet die Spulen mit dem Spiegel. Ein Permanentmagnet 212 ist mit einer Rückseite 214 des Substrats durch herkömmliche Mittel verbunden, wie etwa einem Haftmittel.
Jede Spule 208 eines jeden Aktuators 202 umfasst zwei miteinander vermischte Archimedische Spiralen 216a und 216b (17) (zusammengefasst Spiralen 216). In einem gegebenen Aktuator, an einem festgelegten Ausgangspunkt, folgen die Spiralen 216 einer Spule einem Weg in Uhrzeigerrichtung von einem radial innersten Abschnitt 218 der Spule zu einem radial äußersten Abschnitt 220 der Spule, und die Spiralen 216 der anderen Spule des Aktuator folgen einem Weg entgegen der Uhrzeigerrichtung von dem radial innersten Bereich zu dem radial äußersten Bereich. Von dem Ausgangspunkt in 17 ist die Spule, die als 208a bezeichnet ist, in Uhrzeigerrichtung (CW) und die Spule, die als 208b bezeichnet ist, in Gegenuhrzeigerrichtung (CCW).
Der radial innerste Abschnitt 218 von jeder Spule (das heißt, der Mittelpunktabschnitt) ist verankert mit einer Halbleiterplattform 222, die ein metallisches Prüffeld 224 zur elektrischen Prüfung und als einen Standort für die elektrische Verbindung der Spulen mit einer elektrischer Energiequelle umfasst, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Die Prüffelder 224 sind über die Halbleiterplattform 222 elektrisch mit den Spiralen 216 jeder Spule verbunden. Spezifische Plattformen und Felder werden hierin gekennzeichnet, indem eine Buchstabenbezeichnung nach der numerischen Bezeichnung hin zugefügt wird: Daher sind in 17 und 18 Plattformen 222a und 222b und Felder 224a und 224b dargestellt.
Die radial äußersten Abschnitte 220 der Spulen 208 sind direkt nur mit der Brücke 210 verbunden. Weil die Halbleiterspulen 208 flexibel sind, können sich die radial äußersten Abschnitte 220 aufwärts erstrecken, weg von der vorderen Fläche 204 des Substrats 206. Wenn sich die radial äußersten Abschnitte 220 aufwärts erstrecken, folgen die verbundene Brücke 210 und Spiegel 200 notwendigerweise und werden gleichermaßen aufwärts bewegt.
Mit Bezug auf 18 erzeugt eine Gleichgewichts-Elektropotenzialquelle 258, die über den Prüffeldern 224a und 224b angelegt ist, einen elektrischen Strom, der von der Gleichgewichtsquelle zu dem Mittelpunkt 218a der einen Spule 208a geleitet wird (wenn das Potenzial bei 218a größer ist als 218b). Der Stromfluss verläuft im Uhrzeigersinn entlang der Spiralen von Spule 208a zu dem äußersten Abschnitt 220 von Spule 208a. Von Spule 208a wird der Strom durch die Brücke 210 zu dem äußersten Abschnitt der Spule 208b geleitet, von wo der Strom im Uhrzeigersinn entlang den Spiralen 216 von Spule 208b zu dem innersten Abschnitt 214 der Spule 208b und dem Prüffeld 218b geleitet wird. Auf diese Weise, wie als Draufsicht in 18 gezeigt, verläuft der Strom in Uhrzeigerrichtung durch jede Spule.
Der Strom, der durch jede Spule 208a und 208b läuft, erzeugt ein Magnetfeld B_c (19) und definiert Linien des Magnetflusses, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Substrats 206 ausgerichtet sind. Und weil die Spulen entgegengesetzt gewickelt sind und den Strom zwingen, in einer gleichen Richtung durch jede Spule zu fließen, sind die Richtungen der Magnetfelder jeder Spule gleich.
Der Magnet 212 erzeugt ebenfalls ein Magnetfeld B_M und definiert Linien eines Magnetflusses, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Substrat 206 sind. Die magnetische Polarität des Magnets und des Magnetflusses in den Spulen sind so angeordnet, dass sie im Wesentlichen entgegensetzt sind. Auf diese Weise erzeugt der Magnetfluss innerhalb der Spulen eine abstoßende Kraft zu dem Magnetfluss des Magnets, und die Spulen werden gedrängt, sich auszudehnen, so dass sich die radial äußersten Abschnitte 220 der Spulen aufwärts, weg von dem Substrat, bewegen und auf diese Weise die Brücke 210 und Spiegel 200 über das Substrat heben. Der Strom kann moduliert werden, um Strom in den Spulen zu steigern oder zu vermindern, um so die Magnetflussdichte (das heißt die Stärke der magnetischen Abstoßkraft) zu steigern oder zu vermindern und dabei das Ausmaß der Spulenausdehnung zu steuern und den Spiegel, oder einen Abschnitt davon, hin zu oder weg von dem Substrat zu bewegen.
Durch Steuerung des Stroms in jedem Aktuator 202 kann der Spiegel 200 entlang diagonaler oder winkelhalbierender Achsen angehoben, abgesenkt oder geneigt werden. Auf diese Weise können zum Beispiel zwei Aktuatoren gleichzeitig angehoben oder abgesenkt werden, um so eine Seite des Spiegels relativ zu seiner gegenüberliegenden Seite anzuheben oder abzusenken. Wenn Licht durch den Spiegel reflektiert wird, bewegt die Bewegung der Aktuatoren den reflektierten Lichtstrahl. Demnach können die Aktuatoren gesteuert werden, den Spiegel zu bewegen, um den Weg eines Lichtstrahls zu steuern.
Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, ist der Spiegel ein Halbleiter mit einer Metallfläche und leitet auf diese Weise Strom. Darüber hinaus, nach dem derzeitigen MUMPs-Herstellungsprozess, kann der Spiegel nicht elektrische isoliert werden von den Spulen 208 und Brücke 210. Auf diese Weise würde Strom, der einer Spule eines Aktuator zugeführt wird, zu jedem Aktuator geleitet, der eine Spule mit einem niedrigeren Potenzial aufweist. Stattdessen wird den Aktuatoren ein bipolarer Strom zugeführt, der die Spiegel bei Nullspannung hält und einen Kopplungseffekt zwischen Aktuatoren ausschließt.
Die obige Beschreibung gibt einen beispielhaften Überblick zu einer Vielzahl von Aktuatoren 202, die so eingerichtet sind, dass sie den Spiegel tragen und steuerbar bewegen. In der folgenden Beschreibung wird der Aktuator 202 ausführlicher beschrieben.
Aktuator
Mit besonderem Bezug auf 17 bis 19 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Aktuators 202 beschrieben. Wie dargelegt umfasst jeder Aktuator zwei Spulen 208. Die Spulen 208 umfassen die Doppelspiralen 216, die miteinander vermischte Archimedische Spiralen sind, die ein nächstgelegenes Ende 232 an dem radial innersten Abschnitt 218 der Spule und ein entfernt gelegenes Ende 234 an dem radial äußersten Abschnitt 220 der Spule aufweisen. Die nächstgelegenen Enden 232 der Spiralen sind mit der Plattform 222 verbunden, und die Spiralen folgen einem Weg einer Archimedischen Spirale (r = Aθ, wobei r = Radius, A = eine Konstante und θ = Winkel in Polarkoordinaten ist) von den nächstgelegenen Enden zu den entfernt gelegenen Enden 234. Die jeweiligen Spulen weisen entgegensetzte Spiralwindungen auf, das heißt, die Spiralen von Spule 208a (wenn als Draufsicht wie in 17 und 18 betrachtet) folgen einem Weg in Urzeigerrichtung, der von den nächstgelegenen Enden zu den entfernt gelegenen Enden verläuft, und die Spiralen von Spule 208b folgen einem Weg in Gegenuhrzeigerrichtung, der von den nächstgelegenen Enden zu den entfernt gelegenen Enden verläuft.
Wie dargelegt sind die Spiralen jeder Spule miteinander vermischt. In den bevorzugten Ausführungsformen von 17 und 18 befinden sich die nächstgelegenen Enden 232 der beiden Spiralen ungefähr 180 Grad entfernt an dem radial innersten Abschnitt 218 der Spule. Von dieser 180-Grad-Anfangsausrichtung folgen die Spiralen einer gegebenen Spule dem Weg der Archimedischen Kurve und überlappen die andere Spirale radial, während sie entlang des Weges verlaufen. Anders dargelegt, jeder Spiralabschnitt, mit Ausnahme an den innersten und äußersten Abschnitten, wird von entsprechenden Abschnitten der anderen Spirale umgeben, so dass für einen gegebenen Abschnitt einer ersten Spirale, zum Beispiel 216a, eine zweite Spirale 216b radial einwärts und radial auswärts anstößt. Die entfernt gelegenen Enden 234 jeder Spirale in jeder Spule enden annähernd 180 Grad entfernt an den radial äußersten Abschnitten der Spule.
Im Querschnitt umfassen die Spulenspiralen 216 eine Halbleiterschicht 236 (19) und eine Metallflächenschicht 238, die einen niederohmigen Weg für Strom bereitstellt. Die Spulenspiralen sind flexibel und können sich ausdehnen, das heißt, der äußerste Spulenabschnitt 220 kann sich relativ zu dem innersten Abschnitt 218 bewegen, um die Spule auszudehnen, um einer gewickelten konischen Feder zu gleichen. Weil die nächstgelegenen Enden 232 mit den Plattformen 222 verbunden sind, können sich nur die äußersten Abschnitte der Spule weg von dem Substrat 206 ausdehnen. Wenn sie ausgebildet sind und wenn kein Strom in den Spulen fließt, liegen die Spulen als Spiralen in einer Ebene wie in 19 dargestellt, und wenn sie ausgedehnt sind, bilden die Spulen eine umgekehrte, konische Form nach Art einer Wendel, die im Allgemeinen parabolisch im vertikalen Querschnitt ist, im Wesentlichen wie in 20 dargestellt. In dem vorliegenden Zusammenhang bezieht sich „Wendel" auf die gesamte Form der ausgedehnten Spulen, die sich aus dem Anheben der äußersten Abschnitte der Spiralen 216 über das Substrat 206 ergeben. Wenn derart ausgedehnt, ist eine weiche Kurve entlang der äußersten Punkte eines vertikalen Querschnitts der ausgedehnten Spule im Wesentlichen parabolisch. Die Kurve des Querschnitts kann in den verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich sein. Trotzdem ist der Ausdruck „Wendel" dazu bestimmt, alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzudecken, in denen eine Spirale ausgedehnt oder ausgebreitet wird.
Die Brücke 210 ist bei Draufsicht wie ein „E" geformt und weist einen Mittelsteg 240 auf, der mit dem Spiegel verbunden ist. Der Mittelsteg ist auch mit den entfernt gelegenen Enden 234 von Spirale 216a jeder Spule 208a und 208b verbunden. Entfernt gelegene Brückenstege 242a und 242b erstrecken sich von einer Brückenrückseite 244 und sind mit den entfernt gelegenen Enden 234 der Spirale 216b jeder Spule 208a und 208b verbunden. Die Brücke ist aus einer metallisierten Halbleiterschicht 246 und einer hochleitfähigen Metallfläche 248 (19) ausgebildet. Weil die Brücke mit den entfernt gelegenen Enden jeder Spirale von beiden Spulen eines einzelnen Aktuators verbunden ist, leitet die Brücke Strom zwischen den Spulen, wenn das elektrische Potenzial von einer Spule größer ist als das elektrische Potenzial der anderen Spule.
Mit Bezug auf den oben beschriebenen MUMPs-Prozess, wird die Struktur des Aktuators der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit seiner Herstellung mit besonderem Bezug auf 19 weiter beschrieben. Eine n-leitende 100-mm-Siliziumscheibe 252 wird stark mit Phosphor dotiert, und eine 600-nm-Silizium-Nitrid-Schicht 254 wird auf der Siliziumscheibe 252 als eine elektrische Isolierschicht aufgebracht und bildet dabei das Substrat 206. Die Silizium-Nitrid-Schicht wird direkt gefolgt durch Aufbringen des POLY 0 (die Schichten POLY 0, POLY 1 und POLY 2 sind nicht gekennzeichnet; nur die Strukturen, die durch Aufbringen und Ätzen ausgebildet sind, sind gezeigt und gekennzeichnet).
Die POLY-O-Schicht wird photolithographisch mit einem Photolack gemustert, belichtet und entwickelt, um die Halbleiter-Spulenplattformen 222 zu erzeugen. Nachdem der Photolack gemustert wurde, wird die POLY-0-Schicht in einem reaktiven Ionenätzsystem geätzt.
Die erste Oxidschicht wird auf der POLY-O-Schicht und belichteten Abschnitten der Nitridschicht 254 aufgebracht. Wie dargelegt, wird diese erste Oxidschicht am Ende des Verfahrens entfernt, um die nachfolgenden mechanischen Schichten, welche Spulen, Brücke und Spiegel umfassen, zu befreien. Nach dem Aufbringen der ersten Oxidschicht wird die Scheibe mit der ANCHOR1-Maskenschicht gemustert und reaktiv ionengeätzt, μm die Verankerungslöcher bis hinunter auf die Plattformen 222 bereitzustellen, die in dem nächsten Schritt durch die POLY-1-Schicht gefüllt werden.
Die POLY-1-Schicht wird dann in einer Dicke von 2 μm aufgebracht. Diese Schicht ist die erste Strukturschicht der Einrichtung. Nach dem Ätzen und Ablösen bildet diese Schicht die Spulen 208 und die Aktuatoren 202 aus. Die oben ausgebildeten Verankerungslöcher stellen Mittel zur Verfügung, um die radial innersten Abschnitte 218 der Spulen an den Plattformen 222 zu verankern. Eine dünne 200-nm-Phosphorsilikatglas-Maskenschicht wird über die POLY-1-Schicht und andere belichtete Schichten aufgebracht und die Scheibe wird gebrannt.
Die POLY-1- und Phosphorsilikatglas-Maskenschicht werden photolithographisch gemustert, indem eine Maske verwendet wird, welche die Spulen 208 definiert. Nach dem Ätzen der POLY-1-Schicht wird der Photolack abgelöst und die verbleibende Oxid-Hartmaske wird durch reaktives Ionenätzen entfernt.
Als Nächstes wird das zweite Oxid aufgebracht und gemustert, indem eine der beiden Ätzmasken in dem MUMPs-Prozess verwendet wird.
Das POLY1 POLY2 VIA-Ätzen sorgt für Ätzlöcher in dem zweiten Oxid bis hinunter zu der POLY-1-Schicht. Dieses Ätzen stellt eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen der POLY-1-Schicht und der folgenden POLY-2-Schicht her. In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird dieses Ätzen angewendet, um eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Spulen (ausgebildet durch die POLY-1-Schicht) und der Brücke (ausgebildet durch die POLY-2-Schicht) bereitzustellen.
Die zweite Strukturschicht, POLY 2, wird dann auf der Scheibe zusammen mit einer 200-nm-Phosphorsilikatglas-Schicht aufgebracht und dann gebrannt, um das Polysilizium zu dotieren und die Filmspannung zu verringern. Die POLY-2-Schicht wird lithographisch mit einer siebten Maske gemustert, um die Strukturen der Brücke 210 und des Spiegels 200 auszubilden.
Die abschließend aufgebrachte Schicht ist eine 0,5-μm-Metallschicht, die für die Prüffelder 224, die elektrisch leitfähigen Schichten auf den Spulen und Brücken und eine hochreflektierende Fläche für den Spiegel sorgt. Zuletzt unterläuft die Vorrichtung einer Ablösung des Schutzes, um die Spulen 208 von den Plattformen 222 zu befreien, ausgenommen dort, wo die radial innersten Abschnitte 218 mit den Plattformen verankert sind.
In 18 wird der Aktuator 202 schematisch gezeigt, wie er mit einem Schaltkreis 256 verbunden ist, der zwei Quellen für elektrische Energie aufweist: die hebende Stromquelle 258 und eine modulierende Stromquelle 260. Die hebende Stromquelle stellt Gleichgewichtsstrom bereit, der durch die Spulen geleitet wird und das Magnetfeld B_c (19) erzeugt. Die Stärke des Magnetfelds ist proportional zu dem Produkt aus dem Strom, der Anzahl an Spulenumdrehungen und dem Querschnittsbereich der Spulenspiralen. Das Spulenmagnetfeld B_c hat eine Polarität, in 19 als in das Substrat 206 gerichtet dargestellt. Für eine gegebene Ausführung sind die Anzahl von Spulendrehungen und ein Querschnittsbereich der Spiralen festgelegt. Folglich ist die Stärke des Magnetfelds proportional zu dem Strom und kann durch Veränderung des Stroms moduliert werden.
Die hebende Stromquelle 258 stellt Gleichgewichtsstrom bereit, der ein Gleichgewichts-Magnetfeld B_c erzeugt. Das Magnetfeld B_c steht dem Magnetfeld B_m des Permanentmagnets 212 gegenüber und die Spule 208 wird gedrängt, sich auszudehnen und dadurch den Spiegel über das Substrat 206 anzuheben. Die Entfernung des Spiegels weg von dem Substrat wird durch die Stärke der Magnetfelder B_c und B_m geregelt.
Der hebende Strom hebt den Spiegel etwa 100 bis 500 μm über das Substrat, um ausreichend Raum zwischen dem Spiegel und dem Substrat für einen gewünschten Bewegungsbereich für den Spiegel bereitzustellen. Durch Anheben des Spiegels über das Substrat kann die vorliegende Erfindung den Spiegel mehr als 30 Grad aus der Parallelen zu dem Substrat neigen. Einige Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die die Spiegelbewegung steuern, können ihren Spiegel nur mit 10 Grad bewegen, bevor der Spiegel die darunter liegende Struktur berührt. Weil die vorliegende Erfindung den Spiegel weg von dem Substrat hebt, kann ein größerer Ablenkungswinkel realisiert werden.
18 stellt lediglich zum Zweck der Erläuterung nur einen Aktuator dar, der mit einem hebenden Strom verbunden ist. Um jedoch die Aktuatoren der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Spiegels zu nutzen, schließt dies vier Aktuatoren ein, wie in 16 dargestellt. Jeder Aktuator kann einen identischen hebenden Strom erhalten, um den Spiegel nach oben und parallel zu der ebenen Fläche des Substrats zu heben. Um jedem der vier Aktuatoren identischen hebenden Strom bereitzustellen, kann das Substrat zusätzliche Stromkreise beinhalten, so dass jeder Aktuator mit der gleichen Versorgungsquelle für hebenden Strom verbunden ist. In alternativen Ausführungsformen ist die Quelle für hebenden Strom separat für jeden Aktuator, um den Spiegel an einer bevorzugten Ausrichtung zu dem Substrat zu halten.
Nachdem der hebende Strom wirksam ist und der Spiegel zu einer bevorzugten Höhe angehoben wurde, können die Aktuatoren individuell gesteuert werden, um einen Rand oder eine Ecke des Spiegels durch die Steuerstromquelle 260 anzuheben oder abzusenken, die durch einen digitalen Prozessor (nicht gezeigt) oder andere Einrichtungen gesteuert werden kann. Wenn Rückkopplungsschaltungen bereitgestellt sind, um die Aktuatoren zu kalibrieren oder anderweitig zu steuern, würde die Rückkopplungsschaltung die modulierende Stromquelle steuern.
In 20 werden die Spulen 208 ausgedehnt gezeigt, um so den Spiegel 200 über dem Substrat 206 aufzuhängen. Diese Seitenansicht zeigt die parabolische Form der Spulen, wenn die Spulen in ihrem ausgedehnten Zustand sind. Wenn alle Aktuatorspulen in einem gleichen Umfang ausgedehnt sind, wird der Spiegel oben und im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Substrats gehalten. Wenn die Spulen eines Aktuators in größerem Umfang als die Spulen eines anderen Aktuators durch Einrichtungen wir oben beschrieben ausgedehnt sind, wird der Spiegel gezwungen, sich zu neigen, wie in dem schemenhaften Umriss gezeigt.
Weitere alternative Ausführungsformen
Abschnitte der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auf Schritte des MUMPs-Herstellungsprozesses. Wie jedoch dargelegt, ist MUMPs ein allgemeiner Herstellungsprozess, der insbesondere bereitgestellt wird, um einen breiten Bereich an MEMS-Vorrichtungsgestaltungen in Einklang zu bringen. Folglich wird ein anderer Herstellungsprozess, der speziell für die vorliegende Erfindung entwickelt wurde, wahrscheinlich andersartige Schritte, zusätzliche Schritte, unterschiedliche Abmessungen und Dicken und unterschiedliche Materialien einschließen. Solche spezifischen Herstellungsprozesse sind innerhalb des Wissens von Kennern der Technik photolithographischer Verfahren und sind kein Teil der vorliegenden Erfindung.
In den oben offen gelegten bevorzugten Ausführungsformen ist der Magnet 212 offen gelegt als mit dem Substrat 206 verbunden. Jedoch kann der Magnet auch unterhalb eines gepackten Chips angebracht sein, der die Aktuatoren der vorliegenden Erfindung aufweist, was alternativ einfacheres Verpacken bereitstellen kann.
In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet jede Spule doppelte, miteinander vermischte Spiralen. Jedoch kann jede Spule nur eine Spirale enthalten, oder alternativ kann jede Spule drei oder mehr miteinander vermischte Spiralen aufweisen.
Die Spiralen der Spulen können umgekehrt sein relativ zu der Beschreibung, die oben bereitgestellt wurde, so dass die entfernt gelegenen Spiralenden 226 (das heißt die äußersten Abschnitte der Spulen) mit der Spulenplattform 222 verankert sind und die nächstliegenden Spiralenden 224 (innerste Spulenabschnitte) von dem Substrat gelöst und frei sind, sich aufwärts auszudehnen. In dieser alternativen Ausführungsform ist die Brücke 210 an den innersten Abschnitten der Spulen angebracht.
In einer anderen alternativen Ausführungsform können die Aktuatoren bereitgestellt werden, um den Spiegel zu steuern. In der oben offen gelegten bevorzugten Ausführungsform machen die vier Aktuatoren (das heißt Spulenpaare) das System mechanisch übermäßig spezifiziert (das heißt, das System kann sich in mehr Achsrichtungen bewegen, als sie für die bevorzugten Anwendungen erforderlich sind). Im Gegensatz dazu kann ein System, das drei Aktuatoren aufweist, die gewünschte Bewegung bereitstellen. Die drei Aktuatoren würden an drei der vier Spiegelecken angeordnet. Ein Mittelaktuator, angeordnet zwischen den beiden anderen Aktuatoren, würde eine Spiegelecke anheben und den Spiegel an die anderen beiden, diagonal gegenüberliegenden Aktuatoren drehen, um den Spiegel an einer diagonalen Achse zu neigen. Jedes andere Spulenpaar würde ebenso eine Spiegelecke anheben, aber würde den Spiegel an den beiden Aktuatoren drehen, die entlang einer gemeinsamen Spiegelseite liegen, um so den Spiegel jeweils an einer X-Achse oder Y-Achse zu drehen.
Die Zeichnungen und bevorzugten Ausführungsformen zeigen und beschreiben einen rechteckigen Spiegel, der von vier Aktuatoren getragen wird, die sich an jeder von vier Ecken befinden. Alternativ können größere oder weniger Aktuatoren den Spiegel an anderen Stellen als den Spiegelecken tragen.
Die Spulen können mit erhöhter Steifigkeit bereitgestellt werden, indem Metallfedern über den Spulenspiralen bereitgestellt werden. Jedoch kann solch eine Anordnung erheblichen Strom erfordern, was ohmische Erhitzung erzeugen kann, die ausreicht, um die Spulen zu erweichen, um genügend Strom zum Ableiten der Spulen bereitzustellen. Jedoch ist eine solche Anordnung geeignet in Verbindung mit einem Herstellungsverfahren, das die Spulen elektrisch von dem Spiegel isoliert.
Bevorzugte Ausführungsformen stellen einen Permanentmagnet bereit, der mit einer Rückseite des Substrats verbunden ist. In einer alternativen Herstellungsausführungsform kann eine ferromagnetische Schicht innerhalb des Substrats oder darauf ausgebildet werden, um die Notwendigkeit für den zusätzlichen mechanischen Schritt zum Anbringen des Magnets zu vermeiden.
Eine andere alternative Einrichtung zur Bereitstellung eines abstoßenden Magnetfelds ist, eine große Spule auf der Rückseite des Substrats oder als eine untere Schicht auf der Vorderseite des Substrats herzustellen und der großen Spule Strom zuzuführen, um ein Magnetfeld zu erzeugen. In dieser Ausführungsform kann der oben beschriebene modulierende Strom, der den Aktuatorspulen zugeführt wird, vermieden werden, und stattdessen kann der Strom, der der großen Spule zugeführt wird, zum Modulieren gemacht sein, um den Spiegel gleichmäßig zu heben und zu senken.
In der oben beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform wird die abstoßende Magnetkraft dadurch erzeugt, dass ein Permanentmagnet nahe an dem Substrat angeordnet ist und ein Elektromagnet in den ausdehnenden Spulen erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform werden die Spulen 208 aus einem magnetischen Material ausgebildet und sind nicht mit Strom verbunden und leiten nicht. In dieser Ausführungsform weisen die ausdehnenden magnetischen Spulen Eigenschaften eines Permanentmagnets auf und erzeugen auf diese Weise B-Felder. Die abstoßende Magnetkraft kann dann durch eine (relativ) große elektromagnetische Spule erzeugt werden, die auf dem Substrat 206 oder auf einem zweiten Substrat, das sich nahe an dem Substrat 206 befindet, ausgebildet oder angeordnet ist. Schematisch erscheint diese Ausführungsform im Wesentlichen wie in 16 bis 20 gezeigt, ausgenommen, dass der Block 212 ein zweites Substrat repräsentieren würde, das eine oder mehrere elektromagnetische Spulen darauf aufweisen würde, die mit Stromquellen verbunden sind. Vorzugsweise würden separate elektromagnetische Spulen für jeden Aktuator 202 bereitgestellt, um separate Steuerung jedes einzelnen Aktuators zu ermöglichen. Der Betrieb der elektromagnetischen Spulen würde ein Magnetfeld erzeugen, das so ausgerichtet wäre, dass es dem Magnetfeld der ausdehnenden Magnetmaterial-Spulen 208 gegenüberläge. Die abstoßende Kraft würde die Magnetmaterial-Spulen 208 zwingen, sich auszudehnen und dadurch den Spiegel 200 bewegen.
Diese Ausführungsform, in der die Spulen 208 Magnetmaterial-Spulen sind, löst Probleme, die in der ersten bevorzugten Ausführungsform auftreten können. Belastung führen zu einer Veränderung des Widerstands in stromführenden Vorrichtungen, wie etwa den leitenden Spulen der ersten Ausführungsform. Folglich kann sehr genaue Steuerung bei einigen Abläufen schwierig sein, wie etwa die Spule zu einem genauen Platz zu bewegen und sie an diesem Platz zu halten. Die Verwendung von Magnetmaterial-Spulen 208 und Erzeugung einer abstoßenden Magnetkraft durch Mittel einer elektromagnetischen Spule verringern die Möglichkeit von durch Belastung hervorgerufenen Effekten wesentlich, weil belastungsabhängige magnetische Eigenschaften relativ vernachlässigbar sind. Darüber hinaus müssen die Aktuatoren in dieser Ausführungsform keine Spiralen sein, die sich in ihrem ausgedehnten Zustand zu einer Wendelform entwickeln. Jede Form magnetischen Materials, das eine Magnetfeld erzeugt und das mit dem Substrat verbunden ist, und die Vorrichtung, die sich so entwickelt (wie etwa der Spiegel 200), dass der Magnetmaterial-Aktuator von dem Substrat ableiten kann, ist geeignet.
Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung spezifische physikalische Elemente umfassen, die eine Struktur aufweisen, kann die vorliegende Erfindung in andere Strukturen einfließen, die größere oder weniger Spulen, Spulendrehungen, Anordnungen und in unterschiedlichen Zusammenstellungen verbundene Spulen aufweisen.
Zum Beispiel kann die Spulenbreite der Spulen 208 der ersten bevorzugten Ausführungsform so variiert werden, um die Spuleneigenschaften wesentlich zu verändern. Wie dargelegt, sind die Spulen Spiralen 216 und jede Spirale hat eine Breite entlang einer Ausdehnung, die im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 206 ist. In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Spiralbreite im Wesentlichen konstant entlang ihrer Länge, und die äußersten Abschnitte der Spulen sind am wenigsten steif. Durch Erhöhung der Spiralbreite an den äußersten Abschnitten der Spulen, so dass die Spiralbreite in ihrer Mitte am schmalsten ist, kann die Steifigkeit wie gewünscht bis zu vorgesehenen optimalen Entfaltungsmerkmalen modifiziert werden. In gleicher Weise kann das Verändern des elektrischen Widerstands der Spirale entlang ihrer Länge, wie etwa durch Verändern der Breite der Metallschicht entlang der Spirallänge, ebenfalls die entfalteten Merkmale der Spulen beeinflussen. In allen Fällen, in denen die Spulen Spiralen in ihrem flachen, unentfalteten Zustand sind, werden die entfaltet geformten hierin als Wendel bezeichnet.

Claims

Mikroelektrischer mechanischer Aktuator, der umfasst: ein im Wesentlichen planes Substrat (222); eine erste Spule (208); die ein erstes Ende (232), das fest mit dem Substrat verbunden ist, und ein zweites Ende (234) hat, das mit einer beweglichen Vorrichtung (200) verbunden ist, die relativ zu dem Substrat bewegt werden kann, wobei die Spule einen ersten Magnetfluss schafft; und eine Magneteinrichtung (212), die sich nahe an dem ersten Magnetflusselement befindet und einen zweiten Magnetfluss schafft, wobei der erste Magnetfluss im Wesentlichen dem zweiten Magnetfluss entgegengesetzt ist und so eine abstoßende Magnetkraft verursacht, die das zweite Ende der ersten Spule relativ zu dem Substrat bewegt und so die bewegliche Vorrichtung bewegt.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei: das Substrat einen ersten Leiter, der mit einer Quelle auf einem ersten elektrischen Potential verbunden ist, sowie einen zweiten Leiter hat, der mit einer Quelle auf einem zweiten elektrischen Potential verbunden ist, wobei das zweite elektrische Potential geringer ist als das erste elektrische Potential; die erste Spule eine erste leitende Spule ist; das erste Ende in Verbindung mit dem ersten Leiter steht und das zweite Ende in Verbindung mit dem zweiten Leiter steht, so dass elektrischer Strom selektiv durch die erste Spule geleitet werden kann, um den ersten Magnetfluss in der Spule zu erzeugen; und die Magneteinrichtung ein Magnet ist.
Aktuator nach Anspruch 2, wobei der erste Magnetfluss im Wesentlichen senkrecht zu dem Substrat ist.
Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Spule im Wesentlichen eine konische Wendel ist, wenn das zweite Ende der Spule bewegt wird.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Spule aus zwei überlappenden konischen Spiralen besteht.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, der des Weiteren eine zweite leitende Spule umfasst; die ein erstes Ende, das fest mit dem Substrat verbunden ist, wobei das erste Ende in Verbindung mit dem zweiten Leiter steht, und ein zweites Ende hat, das in Verbindung mit dem zweiten Ende des ersten Leiters steht, der selektive elektrische Strom in der ersten Spule durch die zweite Spule geleitet wird, um einen dritten Magnetfluss zu erzeugen, und der zweiten Magnetfluss dem ersten sowie dem dritten Magnetfluss im Wesentlichen entgegengesetzt ist, wodurch die zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule veranlasst werden, sich relativ zu dem Substrat zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 6, der des Weiteren eine Brücke umfasst, die fest mit den zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Spule eine konische Spirale im Uhrzeigersinn ist und die zweite Spule eine konische Spirale entgegen dem Uhrzeigersinn ist.
Aktuator nach den Ansprüchen 6 bis 8, wobei die erste und die zweite Spule überlappende doppelte konische Spiralen sind.
Aktuator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die bewegliche Vorrichtung ein Spiegel ist, der mit den zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule verbunden ist, und der selektive elektrische Strom in der ersten und der zweiten Spule den ersten sowie den dritten Magnetfluss erzeugt, denen der zweite Magnetfluss im Wesentlichen entgegengesetzt ist, um so einen Abschnitt des Spiegels relativ zu dem Substrat zu bewegen.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die erste Spule ein Halbleiter ist und eine Metallschicht enthält, die einen Weg relativ niedrigeren Widerstandes für den selektiven elektrischen Widerstand schafft.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei: die erste Spule eine erste Spule aus magnetischem Material ist; und die Magneteinrichtung ein Elektromagnet ist, der den zweiten Magnetfluss schafft, wenn Strom in dem Elektromagneten geleitet wird.
Aktuator nach Anspruch 12, wobei der erste Magnetfluss im Wesentlichen senkrecht zu dem Substrat ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die erste Spule aus magnetischem Material im Wesentlichen eine konische Wendel ist, wenn das zweite Ende bewegt wird.
Aktuator nach einem der Ansprüche 12 bis 14, der des Weiteren eine zweite Spule aus magnetischem Material umfasst, die ein erstes Ende, das fest mit dem Substrat verbunden ist, und ein zweites Ende hat, das mit der beweglichen Vorrichtung verbunden ist, wobei die zweite Spule aus magnetischem Material einen dritten Magnetfluss schafft und der zweite Magnetfluss dem ersten sowie dem dritten Magnetfluss im Wesentlichen entgegengesetzt ist, wodurch die zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule aus magnetischem Material veranlasst werden, sich relativ zu dem Substrat zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 15, wobei die erste und die zweite Spule aus magnetischem Material konische Spiralen im Uhrzeigersinn sind.
Aktuator nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Elektromagnet eine Halbleiterspule ist, die auf dem Substrat ausgebildet ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Elektromagnet eine Halbleiterspule ist und eine Metallschicht enthält, die einen Weg relativ niedrigeren Widerstandes für den selektiven elektrischen Strom schafft.
Aktuator nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Elektromagnet eine Halbleiterspule ist, die auf einem zweiten Substrat ausgebildet ist, und das zweite Substrat sich in der Nähe der Spulen aus magnetischem Material befindet.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Aktuator des Weiteren eine zweite Spule umfasst, die ein erstes Ende, das fest mit dem Substrat verbunden ist, und ein zweites Ende hat, das von dem Substrat gelöst ist, und die zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule miteinander verbunden sind; und die Magneteinrichtung sich ebenfalls nahe an der zweiten Spule befindet, und wobei elektrischer Strom entlang der ersten und der zweiten Spule geleitet wird und so einen Spulen-Magnetfluss in der ersten und der zweiten Spule erzeugt und der zweite Magnetfluss dem Spulen-Magnetfluss im Wesentlichen entgegengesetzt ist, wodurch die zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule veranlasst werden, sich relativ zu dem Substrat zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 20, wobei die erste und die zweite Spule konische Wendelspulen sind.
Aktuator nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Magneteinrichtung ein Permanentmagnet ist, der sich auf einer Fläche des Substrats befindet, die einer Fläche des Substrats gegenüberliegt, auf der sich die erste und die zweite Spule befinden.
Aktuator nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Magneteinrichtung eine dritte Spule ist, die Strom leitet.
Aktuator nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Magneteinrichtung ein ferromagnetisches Material ist, das mit dem Substrat verbunden ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 20 bis 24, der des Weiteren eine Brücke umfasst, die die zweiten Enden der ersten und der zweiten Spule verbindet.
Spiegel-Aktuatorvorrichtung, die einen Aktuator nach Anspruch 1 und die bewegliche Vorrichtung umfasst, wobei die bewegliche Vorrichtung ein Spiegel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, die des Weiteren umfasst: einen zweiten Aktuator, der mit dem Spiegel verbunden ist; wobei der erste und der zweite Aktuator jeweils eine erste und eine zweite Spule, die erste Enden, die fest angeordnet sind, und zweite Enden haben, die elektrisch verbunden sind, so dass Strom zwischen der ersten und der zweiten Spule jedes Aktuators fließen kann, und Strom selektiv an den ersten oder den zweiten Aktuator angelegt werden kann, um einen Magnetfluss zu erzeugen, der die jeweiligen Aktuatorspulen veranlasst, sich auszudehnen, um den Spiegel aus einer ersten Ausrichtung an eine zweite Ausrichtung zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, die des Weiteren einen dritten und einen vierten Aktuator umfasst, die mit dem Spiegel verbunden sind, wobei der dritte sowie der vierte Aktuator jeweils eine erste und eine zweite Spule enthalten, die erste Enden, die fest angeordnet sind, und zweite Enden haben, die elektrisch verbunden sind, so dass Strom zwischen der ersten und der zweiten Spule der jeweiligen Aktuatoren fließen kann, und Strom selektiv an den ersten, den zweiten, den dritten oder den vierten Aktuator angelegt werden kann, um den zweiten Magnetfluss zu erzeugen, der die jeweiligen Aktuatorspulen veranlasst, sich auszudehnen und den Spiegel aus der zweiten Ausrichtung an die zweite Ausrichtung zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der erste und der zweite Aktuator den Spiegel veranlassen können, sich um eine erste Drehachse zu drehen, und der dritte sowie der vierte Aktuator den Spiegel veranlassen können, sich um eine zweite Drehachse zu drehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der erste und der zweite Aktuator sowie der Spiegel auf einem planen Substrat ausgebildet sind und der Spiegel im Wesentlichen plan und im Wesentlichen parallel zu dem Substrat ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei die ersten Spulen des ersten und des zweiten Aktuator einen Leitabschnitt und einen Halbleiterabschnitt enthalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei die erste und die zweite Aktuatorspule der Form nach konische Spiralen und flexibel sind, so dass sich die zweiten Enden relativ zu den ersten Enden bewegen können, die fest angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, wobei der erste und der zweite Aktuator durch lithografische Herstellung auf einem planen Substrat ausgebildet werden, und der Spiegel mit dem ersten und dem zweiten Aktuator über dem Substrat aufgehängt ist und Betätigung des ersten oder des zweiten Aktuators den ersten bzw. den zweiten Spiegelrand von der Ebene des Substrats weg bewegt.
Mikroelektrisches mechanisches Aktuatorsystem zum Bewegen eines Spiegels, das umfasst: die Spiegel-Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Spulen elektrisch leitende Spulen sind, die einen Magnetfluss erzeugen, wenn Strom durch die Spule geleitet wird, und die Aktuatoren so eingerichtet sind, dass sie einen Spiegel über dem Substrat tragen; eine erste Stromquelle, die einen Gleichgewichtsstrom schafft, um einen Gleichgewichts-Magnetfluss in den Aktuatoren zu generieren und den Spiegel um einen Normalabstand über das Substrat anzuheben; und eine zweite Stromquelle, die einen selektiven zweiten Strom schafft, um einen Magnetfluss in den Aktuatoren zu generieren und den Spiegel relativ zu dem Substrat um einen Abstand zu bewegen, der kleiner ist als der Normalabstand.
System nach Anspruch 34, wobei die erste und die zweite elektrisch leitende Spule jedes Aktuators so eingerichtet sind, dass die erste Spule eine Spirale im Uhrzeigersinn ist und die zweite Spule eine Spirale entgegen dem Uhrzeigersinn ist.
System nach Anspruch 34 oder 35, wobei jeder Aktuator des Weiteren eine Brücke umfasst, die die erste und die zweite Spule mit dem Spiegel verbindet.
System nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Magneteinrichtung ein Permanentmagnet ist.
System nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Magneteinrichtung eine Substratspule ist, die Elektrizität leitet.
System nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Aktuatorspulen einen Halbleiterabschnitt und einen Leiterabschnitt umfassen.
System nach Anspruch 34, wobei jeder Aktuator eine Brücke enthält und erste Enden der ersten sowie der zweiten Spule fest mit dem Substrat verbunden sind und zweite Enden der ersten sowie der zweiten Spule durch die Brücke miteinander verbunden sind.