Fabricación de sistemas MEMS – un caso de estudio en la fabricación de un micro-espejo

Este trabajo muestra un mecanismo de acción, un diseño y una fabricación de un nuevo dispositivo de escaneo - un micro-espejo. Los micro-espejos se pueden encontrar en los lectores de códigos de barras, así como en los micro proyectores, en sistemas de tomografía óptica coherente, o en los filtros ajustables de espectrómetros. El proceso de formación del nuevo dispositivo nos llevó a describir y discutir los problemas relacionados con la fabricación de MEMS (sistemas microelectrónicos). En primer lugar, se da una terminología y una breve introducción al campo de los microsistemas. A continuación, se explica un concepto del nuevo micro-espejo de escanéo. El dispositivo es accionado por dos pares de actuadores termo-bimorfos. Un diseño especial permite mantener la distancia constante desde el centro del espejo a la fuente de luz durante el proceso de escaneo. El dispositivo se implementó en dos versiones: un micro-espejo con un grado de libertad y un micro-espejo con dos grados de libertad. Se describe un proceso de fabricación para los dos tipos del dispositivo que utiliza dos tipos diferentes de sustrato. El primer tipo de sustrato corresponde a una oblea de silicio estándar, el segundo substrato corresponde a un SOI (Silicon-On-Insulator). El proceso con la oblea de silicio estándar fue complicado y causó muchos problemas. Cambiar el sustrato a SOI ayudó a resolver algunos de ellos, pero no permitió evitar algunos nuevos. Sin embargo, el sustrato SOI da mejores resultados y se encuentra que es preferible fabricar dispositivos MEMS de este tipo.

Abstract

This paper presents the working principle, design, and fabrication of a silicon-based scanning micromirror with a new type of action mechanism as an example of MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Micromirrors can be found in barcode readers as well as micro-projectors, optical coherence tomography, or spectrometers’ adjustable filters. The fabrication process of the device prompted us to describe and discuss the problems related to the manufacture of MEMS. The article starts with some terminology and a brief introduction to the field of microsystems. Afterwards, the concept of a new scanning micromirror is explained. The device is operated by two pairs of thermal bimorphs. A special design enables to maintain a constant distance from the center of the mirror to the light source during the scanning process. The device was implemented in a one degree-of-freedom micromirror and a two degree-of-freedom micromirror. The fabrication process of both types is described. For each case, a different type of substrate was used. The first type of substrate was a standard silicon wafer; the second one, SOI (Silicon-On-Insulator). The process with the first one was complicated and caused many problems. Replacing this substrate with SOI solved some of the issues, but did not prevent new ones from arising. Nevertheless, the SOI substrate produces much better results and it is preferable to manufacture this type of MEMS devices.