KR100403812B1 - 마이크로 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다. 기판; 상기 기판 상에 형성된 돌출부에 의해 탄성적으로 지지된 스프링; 상기 스프링에 연결되어 회동 가능하게 형성된 마이크로 미러; 상기 돌출부 양쪽의 상기 마이크로 미러면에 대응되는 기판 영역에 형성된 트렌치들; 및 상기 트렌치들의 내부 영역에 형성된 하부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터를 제공하여, 저전압 하에서 구동 각도의 범위가 보다 크게 할 수 있다

Description

마이크로 액츄에이터{Micro actuator}

본 발명은 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 구동 전압에 의해 넓은 범위의 구동각을 가지는 정전 인력 구동의 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.

예를 들어, 광통신용 소자로 각광을 받고 있는 MOXC(Micro Optical Cross Connect)는 광신호가 어느 입력 단자로 부터 소정의 출력 단자로 전동되도록 광경로를 선택할 수 있는 장치로서, 마이크로 미러(micro mirror)가 핵심적인 요소이다.

이러한 마이크로 미러를 소정의 각도로 유지시키는 마이크로 액츄에이터는 여러가지 구조 및 다양한 방식으로 제조되어 왔다. 정전 인력을 이용하며 비틀림 스프링 등의 탄성요소를 포함하는 마이크로 액츄에이터의 일반적인 형태를 도 1a 및 도 1b에 나타내었다. 즉, 기판(11) 상에 돌출되어 형성된 돌출부(12)에 의해 지지되는 스프링부(13)에 의해 상기 기판 상방에는 마이크로 미러(14)가 수평적으로 형성되어 있다. 상기 마이크로 미러(14)는 상기 스프링부(13)에 의해 회동 운동이 가능하도록 형성되어 있으며, 상기 기판(11) 상에는 상기 마이크로 미러(14)의 대응 영역에 하부 전극(15)이 형성되어 있다. 이러한 마이크로 미러(14) 및 하부 전극(15)에 외부 전압이 가해지면, 도 1b와 같이 상기 마이크로 미러(14) 및 하부 전극 사이(15)에 발생하는 정전 인력에 의해 상기 스프링부(13)에 의해 지지되는 상기 마이크로 미러(13)가 소정의 각도로 기울어 진다.

상기와 같은 정전 인력에 의해 구동하는 마이크로 액츄에이터는 그 구동 방식의 특수성으로 인하여 외부 전압에 의해 제어 가능한 구동각의 범위가 극히 제한된다. 즉, 양 전극(14,15) 사이에 일정치 이상의 전압(문턱 전압 : threshold voltage)을 가하게 되면 상기 스프링부(13)에 의한 복원력 보다 인가 전압에 의한 정전 인력이 항상 크게 되기 때문에 양 전극(14,15)이 서로 접근하게 되는 것이다.

이를 하기 수학식 1을 참고로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서 F는 정전 인력, ε은 유전률, A는 전극의 면적, V는 전위차, d는 전극간의 거리이다. 즉, 일반적으로 전극 사이의 정전 인력의 크기는 전극 사이의 거리의 제곱에 반비례하고 인가 전압의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 전극간의 거리 d가 작아짐에 따라서 인가 전압의 영향은 매우 크게 되며, 전압에 의해 조절 가능한 구동각의 범위는 전극 사이의 전위차에 매우 민감해진다. 그리고 전극 사이의 거리 d가 커지게 되면 인가 전압의 영향은 줄어들면서 전압에 의해 조절 가능한 구동각의 범위는 커진다. 그러나 이 경우에는 원하는 구동각을 얻기 위한 인가 전압이 커지고, 또한 마이크로 액츄에이터 제조 공정시 희생층의 높이를 증가시켜야 하므로 공정상의 어려운 문제점이 있다.

본 발명에서는 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 마이크로 미러면과 하부 전극간의 거리가 다른 다단의 하부 전극을 트렌치부에 형성시켜서 낮은 구동 전압으로 보다 큰 구동각의 범위를 얻을 수 있는 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a는 종래 기술에 의한 마이크로 액츄에이터를 나타낸 사시도이다.

도 1b는 상기 도 1a의 A - A'선을 따라 절개한 마이크로 액츄에이터의 단면도이다.

도 2a는 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 1실시예를 나타낸 사시도이다.

도 2b는 상기 도 2a의 B - B'선을 따라 절개한 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 1실시예의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 내지 도 4d는 종래 기술에 의한 마이크로 액츄에이터에 대해 전극 길이와 마이크로 머러면의 기판에 대한 높이를 조절한 구조를 나타낸 도면이다.

도 5a 내지 도 5d는 상기 도 4a 내지 도 4d 각각의 구조에서 작동시 스프링 반발력에 의한 토크 값 및 마이크로 미러와 하부 전극 사이에서 발생하는 정전 인력에 의한 토크 값을 나타낸 그래프이다.

도 6a는 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 1 실시예를 상기 도 4d의 경우와 같은 변수값을 취하도록 구성한 구조를 나타낸 사시도이다.

도 6b는 상기 도 6a 구조에서 정전 인력에 의한 토크 값과 스프링 반발력에 의한 토크 값을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 2 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 8은 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 3 실시예를 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11, 21... 기판 12, 22... 돌출부

13, 23... 스프링부 14, 24... 마이크로 미러

25... 트렌치부 26... 하부 전극

31... 기판 32... 마이크로 미러

33... 트렌치부

34... 트렌치부의 저면에 형성된 하부 전극

35... 트렌치부들 사이의 기판상에 형성된 하부 전극

36... 트렌치부의 측벽에 형성된 하부 전극

41, 61, 71, 81... 기판 42, 62, 72, 82... 마이크로 미러

43, 63, 73, 83... 하부 전극 64, 74, 84... 트렌치부

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,

기판;

상기 기판 상에 형성된 돌출부에 의해 탄성적으로 지지된 스프링;

상기 스프링에 연결되어 회동 가능도록 형성된 마이크로 미러;

상기 돌출부 양쪽의 상기 마이크로 미러면에 대응되는 기판 영역에 형성된 트렌치부들; 및

상기 트렌치부들의 내부 영역에 형성된 하부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 전극;은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상에 형성된 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 트렌치부들 내부의 하부 전극;은 상기 트렌치부들의 저면 및 측벽 상에 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 트렌치부들은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상부 방향으로 수직 측벽 또는 경사 측벽을 포함하거나, 상기 트렌부들은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상부 방향으로 계단형으로 형성된 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 2a 및 도 2b를 참고하여 본 발명의 제 1실시예에 대해 설명한다. 도 2a는 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 일실시예를 나타낸 사시도이며, 도 2b는 상기 도 2a의 B - B'선을 따라 절개한 단면도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 트렌치부(25)가 형성된 기판(21) 상에 돌출부(22)가 형성되어 있으며, 상기 돌출부(22)에 탄성적으로 지지된 스프링부(23)에 의해 마이크로 미러(24)가 회동가능하도록 형성되어 있다. 상기 트렌치부(25)의 내부 즉, 저면 및 측면에는 하부 전극(26)이 형성되어 있으며, 상기 트렌치부(25) 사이의 기판(21) 상에도 또한 하부 전극(26)이 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터는 정전 인력에 의해 구동되며, 상기 정전 인력은 상기 마이크로 미러부(24)와 상기 하부 전극(26) 사이의 전위차에 의해 유도된다. 이러한 구조의 마이크로 액츄에이터의 구동 원리를 설명하면 다음과 같다.

상기 마이크로 미러(24) 및 상기 하부 전극(26) 사이에 외부 전압을 인가하면 두 전극(24, 26) 사이에 정전 인력이 발생하여 상기 마이크로 미러(24)가 회동하기 시작한다. 이 때, 인가된 전위 값에 대한 회동 각도는 상기 마이크로 미러(24)에 작용하는 정전 인력에 의한 토크와 상기 돌출부(22)에 의해 지지되는 스프링부(23)의 복원 토크의 역학적 평형에 의해 결정된다.

이 때, 상기 정전 인력에 의한 토크는 상기 하부 전극(26)에 포함되는 수평 전극 및 수직 전극에 의한 토크의 합으로 결정된다. 또한, 상기 수평 전극은 상기 트렌치부(25)의 저면에 형성된 전극 및 상기 트렌치부(25) 사이의 기판(21) 상에 형성된 전극에 의한 토크의 합으로 결정된다. 상기 스프링부(23)의 복원 토크는 상기 스프링부(23)의 스프링 상수와 상기 마이크로 미러(24)의 회동각의 곱에 의해 결정된다.

이러한 관계를 도 3을 참고하여 설명한다. 수평전극에 의한 토크를 수학식 2a에 나타내었다.

여기서, T_h는 수평 전극(34, 35)의 정전 인력에 의한 토크, F_h는 수평 전극(34, 35)에 의한 정전 인력, L은 마이크로 미러(32)의 회동 중심으로 부터 상기 마이크로 미러(32) 끝단까지의 거리, ε은 유전율, θ는 마이크로 미러(32)의 회동각, d는 트렌치부(33)의 깊이, g는 기판(31)으로 부터 마이크로 미러(32)의 높이를 나타낸다.

수직 전극(36)의 정전 인력에 의한 토크를 하기 수학식 2b에 나타내었다.

여기서, T_v는 수직 전극(36)에 의한 토크, F_v는 수직 전극(36)에 의한 정전 인력이며, 여기서,,,이다. 따라서, 상기 마이크로 미러(32)에 작용하는 전체 토크(T_t)는 T_t= T_h+ T_v가 되며, 상기 마이크로 미러(32)의 회동각은 T_t= T_r로써 결정된다. 이러한 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다. 외부 전원을 인가하지 않은 상태, 즉 외부의 힘을 가하지 않은 상태에서는 상기 마이크로 미러(32)는 평행 상태로 유지된다. 마이크로 미러(32) 및 하부 전극(34, 35, 36)에 외부 전원이 인가되면 상기 마이크로 미러(32) 및 하부 전극(34, 35, 36) 사이에 정전 인력이 발생하여 상기 마이크로 미러(32)가 회동 운동을 하면서 상기 하부 전극(34, 35, 36) 방향으로 접근한다. 상기 마이크로 미러(32)가 트렌치부(33)에 접근 하면서 상기 트렌치부(33) 내부의 측벽에 형성된 수직 전극(36) 사이에 정전 인력이 작용하여 계속적으로 회동된다. 이렇게 상기 마이크로 미러(32) 및 상기 하부 전극(34, 35, 36)과의 정전 인력에 의해 회동되면서 결국 계속적으로 증가하는 스프링부(32)의 복원 토크의 값이 정전 인력에 의한 토크의 값과 일치되면서 일정한 회동각(θ)을 유지하게 된다.

여기서, 상기 제 1 실시예와 종래 기술에 의한 마이크로 액츄에이터 각각에대해 시뮬레이션을 실시하였다. 도 4a 내지 도 4d는 각각 상기 도 1a 및 도 1b에 나타낸 종래 기술에 의한 마이크로 액츄에이터 구조에서 하부 전극(43)의 위치, 길이 및 상기 하부 전극(43)과 마이크로 미러(42)와의 거리를 변화시켜 나타낸 도면이다. 또한, 도 5a 내지 도 5d는 상기 도 4a 내지 도 4d 각각의 경우에 대하여 일정한 외부 전원(V = V₀= 55V)을 인가한 경우의 하부 전극(43)과 마이크로 미러(42) 사이의 정전 인력에 의한 토크 값(T_t) 및 스프링 반발력에 의한 복원 토크 값(T_r)을 나타낸 그래프이다.

도 4a의 경우는 하부 전극(43)의 길이를 길게하여 대응 면적을 넓힌 것으로, 이에 대한 각각의 토크 값을 나타낸 도 5a를 보면, 정전 인력에 의한 토크 값(T_t)이 스프링 반발력에 의한 토크 값(T_r)보다 항상 크게 되므로 평행 위치가 존재할 수 없는 것을 알 수 있다. 즉, 이러한 경우에는 회동각의 조절이 불가능하다.

도 4b의 경우에는 하부 전극(43)이 마이크로 미러(42)의 회동 중심으로 부터 비교적 거리가 떨어져 있으며, 그 전극(42, 43) 간의 대향 면적이 작은 경우로서 도 5b의 그래프에 나타내었듯이, 이러한 경우에도 상기 도 4a와 마찬가지로 평행 위치가 존재할 수 없음을 알 수 있다.

도 4c는 마이크로 미러(42)가 회동 중심으로 부터 비교적 가까이 형성되어 있으며, 그 대향 면적이 작은 경우이다. 이에 대한 그래프인 도 5c를 참고하면, 이 경우에는 정전 인력에 의한 토크 값(T_t)은 스프링 반발력에 의한 토크 값(T_r)과의 교차점이 존재하여 마이크로 미러(42)의 회동시 평형 위치는 존재함을 알 수 있다.그러나, 그 평행시 회동 각도는 약 2도 미만으로서 실용성에 문제가 있음을 알 수 있다.

도 4d는 상기 도 4a와 하부 전극(43)의 위치 및 대향 면적은 같으나 마이크로 미러(42)가 기판으로 부터 보다 높게 형성된 것이다. 도 5d를 참고하면, 이 경우에는 상기 도 4a와는 달리 평형 위치가 존재한다. 그러나, 이 경우에도 평행시 회동 각도가 매우 작음을 알 수 있다. 따라서, 회동시 평형이 되는 회동 각도를 증가시키기 위해서는 도 5d에 나타낸 바와 같이 인가 전압을 대략 90V로 상당히 높여야 한다.

도 6a에는 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 1 실시예를 상기 도 4d의 경우와 같은 변수값을 취하도록 구성한 구조를 나타내었으며, 도 6b에는 상기 도 6a 구조에서 정전 인력에 의한 토크 값(T_t)과 스프링 반발력에 의한 토크 값(T_r)을 그래프로 나타내었다. 여기서 알 수 있듯이, 마이크로 미러(62)와 하부 전극(63) 사이에 존재하는 정전 인력에 의한 토크 값(T_t)과 스프링 반발력에 의한 토크 값(T_r)의 평행점이 존재하며, 그 평행 위치의 회동 각도도 약 6도로서 종래 기술에 비해 매우 크게 나타났다. 이러한 회동 각도는 기판(61)으로 부터 마이크로 미러(62)의 높이, 트렌치 부(62)의 깊이 등을 조정하여 보다 더 크게 향상시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 2 실시예를 나타내었다. 여기서는 상기 제 1 실시예와는 달리 기판(71)에 형성된 트렌치부(74)의 측벽을 경사지게 형성하여 그 위에 하부 전극(73)을 형성시킨 것이다. 따라서 상기 제 1실시예의 경우와 비교하면 마이크로 미러(72)의 구동시 트렌치부(74)에 형성된 하부 전극(73)과 마이크로 미러면(72)의 거리를 줄임으로써 구동각의 범위를 더 크게 할 수 있다.

도 8은 본 발명에 의한 마이크로 액츄에이터의 제 3 실시예를 나타내었다. 여기서는 기판(81)에 형성된 트렌치부(84)의 측벽을 계단식으로 다단으로 형성시킴으로써, 하부 전극(83)과 마이크로 미러와의 거리를 좁히면서 상기 제 2 실시예와 비교하여 대응 면적을 더 넓힌 것이다.

본 발명에 의하면 저면 및 측면에 전극을 지닌 트렌치부를 포함하는 마이크로 액츄에이터를 제공하여 동일한 구동 각도를 얻기 위한 인가 전압의 크기를 작게 할 수 있으며, 또한 인가 전압을 조절하여 넓은 범위에서의 구동 각도를 가지는 마이크로 액츄에이터를 구현 할 수 있다. 이와 같은 마이크로 액츄에이터는 스캐너, 디스플레이 장치 및 광스위치등의 광신호를 이용하는 분야에 널리 응용될 수 있다.

Claims (5)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 돌출부에 의해 탄성적으로 지지된 스프링;

   상기 스프링에 연결되어 회동 가능도록 형성된 마이크로 미러;

   상기 돌출부 양쪽의 상기 마이크로 미러면에 대응되는 기판 영역에 형성된트렌치부들; 및

   상기 트렌치부들의 내부 영역에 형성된 하부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 전극;은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상에 형성된 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 트렌치부들 내부의 하부 전극;은 상기 트렌치부들의 저면 및 측벽 상에 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 트렌치부들은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상부 방향으로 수직 측벽 또는 경사 측벽을 포함하도록 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 트렌부들은 상기 트렌치부들 사이의 기판 상부 방향으로 계단형으로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.