интегральное микромеханическое зеркало

Формула изобретения

Интегральное микромеханическое зеркало, содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, зеркальный элемент, выполненный в виде пластины и расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, и торсионные балки, отличающееся тем, что в него введены четыре дополнительные электрода емкостных преобразователей перемещений, расположенные на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, и одна дополнительная пластина крепления, расположенная под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области интегральной электроники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным элементам, предназначенным для изменения направления оптического сигнала.

Известно интегральное микромеханическое зеркало [G.-D.J.Su, H.Toshiyoshi, M.C.Wu, Surface-micromachined 2-D optical scanners with high-performance single-crystalline silicon micromirrors, IEEE photonics technology letters, vol.13, №6, june 2001, p.607, fig.1a], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внутренней рамкой, выполненной из полупроводникового материала, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к упругим подвесам, выполненных из полупроводникового материала и соединенных с внешней рамкой, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.

Данное интегральное микромеханическое зеркало позволяет отклонять зеркальный элемент относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, т.е. под произвольным углом к плоскости подложки.

Недостатком конструкции данного интегрального микромеханического зеркала является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, упругих подвесов, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральное микромеханическое зеркало [H.Toshiyoshi, W.Piyawattanametha, C.-T.Chan, M.C.Wu, Linearization of electrostatically actuated surface micromachined 2-D optical scanner, Journal of microelectromechanical systems, vol.10, №2, june 2001, p.205, fig.1], содержащее полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из полупроводникового материала, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из полупроводникового материала, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с внутренней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к зеркальному элементу, а другими - к внутренней рамке, выполненной из полупроводникового материала, образующей с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, соединенной с внешней рамкой с помощью пары торсионных балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко прикреплены к внутренней рамке, а другими - к внешней рамке, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке.

Данное интегральное микромеханическое зеркало позволяет отклонять зеркальный элемент относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, т.е. под произвольным углом к плоскости подложки.

Недостатком конструкции интегрального микромеханического зеркала является использование дополнительной площади полупроводниковой подложки под размещение элементов крепления зеркального элемента - торсионных балок, внутренней и внешней рамок, а также отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральное микромеханическое зеркало [J.-H.Kim, H.K.Lee, B.-I.Kim, J.-W.Jeon, J.-B.Yoon, E.Yoon, A high fill-factor micro-mirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis operation in large-scale optical switch, IEEE 16^th annual international conference on microelectromechanical system, 2003, p.259, fig.1], содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, выполненными из металла, и зеркальный элемент, выполненный в виде пластины из металла, расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, связанный с подложкой с помощью упругого подвеса, состоящего из двух опор, выполненных из металла, жестко соединенных с зеркальным элементом и торсионной балкой, выполненной из металла, которая имеет взаимно перпендикулярное жесткое соединение в плоскости подложки с другой торсионной балкой, выполненной из металла, жестко соединенной с другими двумя опорами, выполненными из металла и расположенными непосредственно на подложке.

Данное интегральное микромеханическое зеркало позволяет отклонять зеркальный элемент относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, т.е. под произвольным углом к плоскости подложки.

Достоинством конструкции интегрального микромеханического зеркала является размещение элементов крепления зеркального элемента под последним.

Недостатком конструкции интегрального микромеханического зеркала является отсутствие элементов контроля положения зеркального элемента относительно подложки, а также использование в качестве структурного материала - металла, что снижает степень интеграции данных устройств с элементами микросистемной техники и интегральной электроники.

Задача предлагаемого изобретения - уменьшить площадь подложки используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в уменьшении площади подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала и обеспечении возможности контроля положения зеркального элемента относительно подложки, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, расположенных на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их перекрытия, и одной дополнительной пластины крепления, расположенной под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.

Для достижения необходимого технического результата в интегральное микромеханическое зеркало, содержащее подложку с расположенными на ней четырьмя электродами, зеркальный элемент, выполненный в виде пластины и расположенный с зазором относительно подложки и образующий с четырьмя расположенными на подложке электродами плоские конденсаторы, используемые в качестве электростатических приводов, и торсионные балки, введены четыре дополнительные электрода емкостных преобразователей перемещений, расположенные на подложке таким образом, что образуют с зеркальным элементом плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, и одна дополнительная пластина крепления, расположенная под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем торсионные балки размещены таким образом, что соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала.

На Фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического зеркала и показаны сечения. На Фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического зеркала.

Интегральный микромеханический гироскоп (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней четырьмя электродами электростатических приводов 2, 3, 4, 5, выполненными из полупроводникового материала, четыре электрода емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке 1, зеркальный элемент 10, выполненный из полупроводникового материала, образующий электростатическое взаимодействие с электродами электростатических приводов 2, 3, 4, 5, образующий с расположенными на полупроводниковой подложке 1 электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 плоские конденсаторы, и связанный с полупроводниковой подложкой 1 через торсионные балки 11, 12, 13, 14, выполненные из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с зеркальным элементом 10, а другими с пластиной крепления 15, выполненной из полупроводникового материала и расположенной непосредственно на полупроводниковой подложке 1.

Работает устройство следующим образом.

Зеркальный элемент 10 интегрального микромеханического зеркала заземлен.

При подаче на один из электродов электростатических приводов 2, 3, 4, 5 напряжения относительно зеркального элемента 10 (Фиг.2), между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к отклонению зеркального элемента 10 в сторону этого электрода за счет изгиба торсионных балок 11, 12, 13, 14, соединяющих зеркальный элемент 10 с пластиной крепления 15. Разности напряжений, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных перекрытием электродов 6, 8 и 7, 9 с зеркальным элементом 10, за счет изменения величины зазора между электродами 6, 7, 8, 9 и зеркальным элементом 10, характеризует величину угла отклонения и направление отклонения зеркального элемента 10 относительно двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости полупроводниковой подложки 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральное микромеханическое зеркало, позволяющее уменьшить площадь подложки, используемой под его размещение, и контролировать положение зеркального элемента относительно подложки.

Введение четырех дополнительных электродов емкостных преобразователей перемещений, одной дополнительной пластины крепления и размещение торсионных балок таким образом, что они соединяют зеркальный элемент с пластиной крепления, расположенной под зеркальным элементом непосредственно на подложке, причем зеркальный элемент, торсионные балки, электроды электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений и пластина крепления выполнены из полупроводникового материала, позволяет уменьшить площадь подложки, используемой под размещение интегрального микромеханического зеркала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, что позволяет использовать предлагаемое изобретение в качестве интегрального элемента, предназначенного для изменения направления оптического сигнала.

Таким образом, предлагаемое интегральное микромеханическое зеркало позволяет: по сравнению с аналогичными устройствами - повысить плотность матриц интегральных микромеханических зеркал, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого интегрального микромеханического зеркала, так как элементы крепления размещаются под зеркальным элементом, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки; по сравнению с прототипом - повысить степень интеграции, поскольку интегральное микромеханическое зеркало выполнено из полупроводникового материала, и обеспечить возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет размещения под зеркальным элементом электродов емкостных преобразователей перемещений.