MICROESPEJO DE ESCANEO MEMS CON DEFORMACIÓN DINÁMICA REDUCIDA.

Un apoyo del espejo para un microespejo de escaneo MEMS comprendiendo dicho apoyo del espejo:

una barra del eje de rotación (120) a lo largo del eje de rotación (58) del microespejo de escaneo MEMS; un primer brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación (58); un segundo brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación (58); donde cada brazo de extensión tiene un primer extremo (140), un punto medio (142) y un segundo extremo (144); una primera barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y el segundo brazo de extensión (56); y una segunda barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y el segundo brazo de extensión (56); estando conectada la primera barra en forma de X (130) al primer extremo (140) y al punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de extensión (56) y a la segunda barra en forma de X (130) conectada al segundo extremo (144) y al punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de extensión (56); y estando conectada la barra del eje de rotación (120) a un punto medio transversal (134) de la primera barra en forma de X (130) y a un punto medio transversal (134) de la segunda barra en forma de X (130)

El campo técnico de esta exposición se refiere a los Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS, por las siglas de su expresión inglesa, Micro Electro Mechanical Systems), particularmente, microespejos MEMS de escaneo.

Los microespejos de escaneo MEMS se han desarrollado para la presentación de información visual. El 5 microespejo MEMS de escaneo oscila en una o dos dimensiones y un rayo láser u otro rayo de luz se refleja desde la superficie del espejo. La variación del ángulo y el cronometraje del rayo incidente en la superficie del espejo genera una imagen visual en una pantalla u otra superficie, tal como una matriz de monitor de dos dimensiones. Se utilizan diferentes números de microespejos de escaneo MEMS y láseres para producir imágenes de diferente detalle y colores. Los usos a manera de ejemplo de los microespejos de escaneo MEMS son los monitores en primer plano para 10 aplicaciones automotoras, monitores utilitarios, monitores para proyecciones, teléfonos móviles y monitores manuales y escáneres de código de barras.

La generación actual de microespejos de escaneo MEMS incluye una placa del espejo sujeta a un marco mediante dos barras colineales de torsión lo cual crea un eje de escaneo alrededor del cual rota la placa del espejo. Las barras de torsión sostienen ambas la placa del espejo y proporcionan la rigidez de torsión requerida durante la 15 rotación. Las barras de torsión son el único punto de sujeción entre la placa del espejo y el marco, y determinan la frecuencia resonante del microespejo de escaneo MEMS. El microespejo de escaneo MEMS también incluye un conductor para aplicar magnética o eléctricamente una fuerza de torsión a la placa del espejo alrededor del eje de escaneo sin contacto físico con la placa del espejo. El conductor típicamente conduce a la placa del espejo a la frecuencia resonante. Los microespejos de escaneo MEMS están construidos a partir de material monocristalino de 20 silicio o polisilicio utilizando fotolitografía.

Los problemas con la calidad de la imagen en la generación actual de microespejos de escaneo MEMS ocurren debido a la deformación dinámica del espejo. La alta resolución de la imagen es deseable para una mejor calidad de imagen y mayores presentaciones. La deformación no debe ser mayor de ± λ/10, donde λ es la longitud de onda más corta de láser utilizada en la aplicación de escaneo. La resolución de la imagen es proporcional al producto 25 del ángulo de escaneo y el diámetro del microespejo. La mayor resolución de la imagen requiere de mayores ángulos de escaneo, lo cual incrementa el estrés en la barra de torsión, o mayor diámetro del espejo, lo cual incrementa la deformación dinámica del espejo. En ambos casos se requieren mayores frecuencias de escaneo, lo cual incrementa la deformación dinámica del microespejo. Debido a que las barras de torsión son el único punto de sujeción del microespejo, cuando oscilan a la frecuencia de resonancia la placa del espejo y el espejo se deforman bajo las fuerzas 30 de aceleración, balanceadas por las fuerzas de restauración en la suspensión de la barra de torsión.

La combinación de estas fuerzas induce un patrón típico de deformación en la superficie del microespejo con forma de S en las secciones transversales perpendiculares al eje de inclinación del microespejo y deformación en forma de arco o de montura paralela al eje de inclinación con dirección opuesta en las secciones transversales en ambos lados del eje. En las secciones transversales paralelas al eje de inclinación, la mayor desviación de la linealidad debida 35 a la deformación aparece entre sus puntos de los extremos y puntos medios y es mayor en los lados del microespejo paralelos al eje.

Un enfoque para reducir la deformación dinámica del microespejo consiste en hacer la placa del espejo más gruesa para que resista mejor los momentos de doblaje. Desafortunadamente, la mayor masa del microespejo y el momento de masa inercial requiere de mayor rigidez de suspensión para mantener cierta frecuencia de resonancia, lo 40 cual conduce a estrés incrementado en el material de suspensión. El estrés en la suspensión del microespejo es un factor limitante con vistas a la obtención de mayores frecuencias de oscilación y mejor resolución de escaneo. La masa extra en el sistema de entrada reduce las frecuencias de modo de resonancia fuera de plano del microespejo y hace al oscilador más vulnerable a oscilaciones parásitas debido a imperfecciones y disturbios externos, lo cual reduce igualmente el desempeño y calidad de la imagen. Por lo tanto, el espesor incrementado y el momento de masa inercial 45 limitan aún más la calidad de la imagen a obtener. Añadiendo masa 27 a ambos lados de las barras de torsión para balancear la deformación debido a las fuerzas inerciales tal como se ilustra en la Figura 1, tiene igualmente un efecto similar sobre la calidad de la imagen.

Otro enfoque para reducir la deformación dinámica del microespejo ha sido el incremento en espesor, pero retira el material de la parte trasera de la placa del espejo debajo de la superficie del microespejo para reducir la masa. 50 La Figura 1 es una vista en perspectiva de la parte inferior de una placa del espejo con un patrón de marco de diamante. La placa del espejo 20 con un eje de rotación 22 forma contrafuertes en forma de diamante 26 perpendiculares al eje de rotación 22 mediante el retiro de recortes triangulares 28. Los contrafuertes en forma de diamante 26 actúan como una barra directa transversal al eje de rotación 22, con la mayor masa cercana al eje de rotación 22 para impartir resistencia y la menor masa alejada del eje de rotación 22 para reducir el momento de inercia. 55 El ancho del último contrafuerte en forma de diamante 26 es grande cerca del eje de rotación 22 definido por la barra de torsión 29 ya que el estrés operante es elevado en esta área. Otro sistema de retiro de material forma un patrón

uniforme en forma de avispero a lo largo de la parte posterior de la placa del espejo. Aunque los patrones en forma de diamante y de avispero reducen la inercia de la masa y por lo tanto las fuerzas actuantes sobre la placa del espejo, ellos también reducen la rigidez de torsión de la placa del espejo 20 a lo largo del eje de rotación 22, lo cual conduce a una reducción insuficiente de la deformación dinámica del microespejo. Ellos no logran acoplar de manera óptima los puntos del microespejo sujeto a la mayor deformación en dirección paralela al eje de rotación, los cuales son las 5 esquinas y los puntos medios de los lados del microespejo.

Un marco de refuerzo para un apoyo de espejo que tiene una baja deformación dinámica es expuesto por Shu-Ting Hsu et al. en “Ultra flat high resolution microscanners”, Optical MEMS and Nanophotonocis, 2007, IEEE, p. 197-198.

Sería deseable tener un microespejo de escaneo MEMS con deformación dinámica reducida que superara las 10 desventajas anteriores.

Un aspecto de la presente invención proporciona un apoyo de espejo según la reivindicación 1.

Otro aspecto de la presente invención proporciona un método para la fabricación de un apoyo de espejo para un microespejo de escaneo MEMS según la reivindicación 12.

Las características y ventajas anteriores y otras de la presente invención se harán aún más obvias a partir de 15 la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferentes al presente, leídas de conjunto con los dibujos acompañantes. La descripción detallada y los dibujos son simplemente ilustrativos de la presente invención y no limitantes del alcance de la presente invención que se define por medio de las reivindicaciones adjuntas y equivalentes de éstas.

La Figura 1 es una vista en perspectiva de la parte inferior de una placa del espejo con un patrón de marco de 20 diamante;

Las Figuras 2A-2B son una vista de la parte superior y sección transversal respectivamente, de un microespejo de escaneo MEMS según la presente invención;

La Figura 3 es una vista detallada en perspectiva de estructuras dentadas para un microespejo de escaneo MEMS según la presente invención; 25

Las Figuras 4A-4B son vistas de la parte superior de otras realizaciones de un microespejo de escaneo MEMS según la presente invención;

Las Figuras 5A-5C son vistas detalladas de sección transversal de hojas de muelle para un microespejo... [Seguir leyendo]

1. Un apoyo del espejo para un microespejo de escaneo MEMS comprendiendo dicho apoyo del espejo:

una barra del eje de rotación (120) a lo largo del eje de rotación (58) del microespejo de escaneo MEMS;

un primer brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación (58);

un segundo brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación (58); 5

donde cada brazo de extensión tiene un primer extremo (140), un punto medio (142) y un segundo extremo (144);

una primera barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y el segundo brazo de extensión (56); y

una segunda barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y el segundo brazo de extensión (56); 10

estando conectada la primera barra en forma de X (130) al primer extremo (140) y al punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de extensión (56) y a la segunda barra en forma de X (130) conectada al segundo extremo (144) y al punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de extensión (56);

y estando conectada la barra del eje de rotación (120) a un punto medio transversal (134) de la primera barra en forma de X (130) y a un punto medio transversal (134) de la segunda barra en forma de X (130). 15

2. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 donde la primera barra en forma de X (130) comprende una primera traviesa (132) que tiene una sección transversal uniforme entre el primer brazo de extensión (56) y la barra del eje de rotación (120) y una segunda traviesa (132) que tiene una sección transversal uniforme entre el primer brazo de extensión (56) y la barra del eje de rotación (120).

3. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 donde la primera barra en forma de X (130) comprende una primera 20 traviesa (132) que tiene una sección transversal más pequeña en el primer brazo de extensión (56) que en la barra del eje de rotación (120) y una segunda traviesa (132) que tiene una sección transversal más pequeña en el primer brazo de extensión (56) que en la barra del eje de rotación (120).

4. El apoyo del espejo de la reivindicación 3 donde la primera traviesa (132) y la segunda traviesa (132) tienen forma de paralelogramo. 25

5. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 donde la barra del eje de rotación (120) tiene una sección transversal mayor entre el punto medio transversal (134) de la primera barra en forma de X (130) y el punto medio transversal (134) de la segunda barra en forma de X (130) que en un extremo (124) de la barra del eje de rotación (120).

6. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 que comprende además un primer brazo lateral (150) conectado entre primeros extremos (140) del primer brazo de extensión (56) y del segundo brazo de extensión (56) y un segundo brazo 30 lateral (150) conectado entre segundos extremos (144) del primer brazo de extensión (56) y del segundo brazo de extensión (56), siendo el primer brazo lateral (150) y el segundo brazo lateral (150) perpendiculares al eje de rotación (58).

7. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 donde la sección transversal perpendicular al eje de rotación (58) de cada uno del primer brazo de extensión (56) y segundo brazo de extensión (56) es un rectángulo, teniendo el rectángulo un 35 eje largo perpendicular a un plano del espejo.

8. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 que comprende además:

un marco (60) que forma un receso del espejo (62) con una periferia del receso (64), teniendo el marco (60) un par de brazos opuestos del marco (66) sobre la periferia del receso (64) a lo largo del eje de rotación (58);

un par de montajes de barras de contrapeso (70), estando uno del par de montajes de barras de contrapeso (70) 40 sujeto a uno del par de brazos opuestos del marco (66) y acoplado a un primer extremo del primer brazo de extensión (56) y al segundo brazo de extensión (56), estando el otro del par de montajes de barras de contrapeso (70) sujeto al otro del par de brazos opuestos del marco (66) y acoplado a un segundo extremo del primer brazo de extensión (56) y al segundo brazo de extensión (56); y

un par de barras de apoyo vertical (40) conectadas entre cada uno del par de brazos opuestos del marco (66) a 45 los extremos de la barra del eje de rotación (120) a lo largo del eje de rotación (58).

9. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 que comprende además un marco (60) que forma un receso del espejo (62) con una periferia del receso (64), donde los extremos (124) de la barra del eje de rotación (120) están conectados a la periferia del receso (64).

10. El apoyo del espejo de la reivindicación 1 donde la primera barra en forma de X (130) comprende una primera traviesa (132) y una segunda traviesa (132) conectadas en el punto medio transversal (134), formado el apoyo del espejo a partir de silicio monocristalino que tiene una dirección de mayor rigidez del material, y la primera traviesa (132) está orientada a lo largo de la dirección de mayor rigidez del material.

11. El apoyo del espejo de la reivindicación 10 donde la segunda traviesa (132) está orientada a lo largo de la dirección 5 de mayor rigidez del material.

12. Un método de fabricación de un apoyo del espejo para un microespejo de escaneo MEMS que comprende:

proporcionar una oblea de silicio monocristalino que tiene una dirección de mayor rigidez del material; y

conformar el apoyo del espejo a partir de la oblea de silicio monocristalino, comprendiendo el apoyo del espejo una barra del eje de rotación (120) que tiene un eje de rotación (58); 10

un primer brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación(58);

un segundo brazo de extensión (56) paralelo al eje de rotación (58);

donde cada brazo de extensión tiene un primer extremo (140), un punto medio (142) y un segundo extremo (144);

una primera barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y segundo brazo de extensión (56); y 15

una segunda barra en forma de X (130) que tiene un par de traviesas (132) conectadas entre el primer y segundo brazo de extensión (56);

conectada la primera barra en forma de X (130) al primer extremo (140) y

conectados el punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de extensión (56) y la segunda barra en forma de X (130) al segundo extremo (144) y al punto medio (142) de cada uno del primer y segundo brazo de 20 extensión (56);

y conectada la barra del eje de rotación (120) a un punto medio transversal (134) de la primera barra en forma de X (130) y a un punto medio transversal (134) de la segunda barra en forma de X (130);

donde las traviesas (132) están orientadas a lo largo de la dirección de mayor rigidez del material.

13. El método de la reivindicación 12 donde la oblea de silicio monocristalino es una oblea de silicio monocristalino 25 (100) y el eje de rotación (58) está orientado a lo largo de una dirección <100>.

14. El método de la reivindicación 12 donde la oblea de silicio monocristalino es una oblea de silicio monocristalino (100) y el eje de rotación (58) está orientado a lo largo de una dirección <010>.

15. El método de la reivindicación 12 donde la oblea de silicio monocristalino es una oblea de silicio monocristalino (110) y el eje de rotación (58) está orientado a lo largo de una dirección <001>. 30