微移动元件及光开关器件的制作方法

专利名称：微移动元件及光开关器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含可转动单元的微移动元件，例如微镜或陀螺传感器(gyro sensor)。本发明还涉及一种光开关器件，其包括构造为微移动元件的微镜。
背景技术：
在各种工业领域中广泛地使用通过微机械加工技术制造的微型器件。例如，在光通信领域中关注使用具有期望的光反射率的微型微镜器件。作为另一个实例，在传感技术领域，陀螺传感器广泛地用于装备惯性传感器、汽车导航系统以及车载安全气囊，或者用于实现机器人姿态控制或防止照相时由于手的移动引起的图像模糊。
在经由光纤传输光信号的光通信中，光开关器件一般用于将光信号的传输路经由一条光纤切换到另一条光纤。为了实现良好的光通信性能，光开关器件在光切换操作中需要具有大容量、高速度以及高可靠性等特性。考虑到上述问题，利用微机械加工技术制造的、包含微镜器件的光开关器件得到广泛应用。这主要是由于使用微镜器件能够使得不需要在光开关器件的输入侧光线路与输出侧光线路之间将光信号转换为电信号，从而有利于实现所需的特性。例如，在下面列出的专利文献1到3中公开了这种微机械加工技术。
专利文献1特开平10-190007号公报专利文献2特开平10-270714号公报专利文献3特开2000-31502号公报图17示出了普通光开关器件60的概要图。光开关器件60包括一对微镜阵列61、62以及多个微透镜63、64，该光开关器件60位于输入光纤阵列71和输出光纤阵列72之间。输入光纤阵列71包括多条输入光纤71a，微镜阵列61包括分别对应于各条输入光纤71a的多个微镜单元61a。同样地，输出光纤阵列72包括预定数量的输出光纤72a，微镜阵列62包括分别对应于各条输出光纤72a的多个微镜单元62a。微镜单元61a和62a分别包括可转动的可移动单元，该可移动单元具有用于进行光反射的镜面；以及致动器(actuator)，产生用于使可移动单元转动的驱动力，以控制可移动单元镜面的方向。微透镜63被分别设置为面向输入光纤71a的小平面(facet)。同样地，微透镜64被分别设置为面向输出光纤72a的小平面。
在光传输中，输入光纤71a发出的光线L1在通过微透镜63后变为平行光，并射向微镜阵列61。光线L1被微镜单元61a的镜面反射，从而偏转向微镜阵列62。此时，微镜单元61a的镜面预先定向于预定的方向，以便使光线L1入射到期望的微镜单元62a。然后，光线L1被微镜单元62a的镜面反射，从而偏转向输出光纤阵列72。此时，微镜单元62a的镜面预先定向于预定的方向，以便使光线L1入射到期望的输出光纤72a上。
因而在光开关器件60中，输入光纤71a发出的光线L1通过微镜阵列61和62的偏转而到达期望的输出光纤72a。由此实现了输入光纤71a和输出光纤72a之间的一对一光连接。从而，通过适当地调节微镜单元61a和62a的偏转角度，可以切换光线L1要到达的输出光纤72a。
图18示出了另一通用光开关器件80的概要图。光开关器件80包括微镜阵列81、固定镜82以及多个微透镜83，该光开关器件80被设置为面对输入/输出(以下称为I/O)光纤阵列90。I/O光纤阵列90包括预定数量的输入光纤91以及预定数量的输出光纤92，微镜阵列81包括分别对应于各条光纤91、92的多个微镜单元81a。微镜单元81a分别包括可转动的可移动单元，该可移动单元具有用于进行光反射的镜面；以及致动器，产生用于使可移动单元转动的驱动力，以控制可移动单元镜面的方向。微透镜83被分别设置为面向光纤91、92的小平面。
在光传输中，输入光纤91a发出的光线L2经由微透镜83射向微镜阵列81。光线L2被对应的第一微镜单元81a的镜面反射，从而偏转向固定镜82，从而光线L2被该固定镜82反射并因而偏转向对应的第二微镜单元81a。此时，第一微镜单元81a的镜面预先定向于预定的方向，以便使光线L2入射到期望的第二微镜单元81a上。然后，光线L2被第二微镜单元81a的镜面反射，从而偏转向I/O光纤阵列90。此时，第二微镜单元81a的镜面预先定向于预定的方向，以便使光线L2入射到期望的输出光纤92上。
因而在光开关器件80中，输入光纤91发出的光线L2通过微镜阵列81和固定镜82的偏转而到达期望的输出光纤92。从而，通过适当地调节第一和第二微镜单元81a的偏转角度可以切换光线L2要到达的输出光纤92。
一般地，在现有的光开光器件中，微镜阵列由多个微镜单元构成，所述多个微镜单元一体形成于单个衬底(substrate)(微镜衬底)中并固定在互连衬底上，然后经由互连衬底安装在封装基底(package base)上。互连衬底设置在设有微镜衬底的相同表面上，且互连衬底具有互连图案，互连图案包括位于衬底外围的预定数量的电极焊盘(第一电极焊盘)，并且互连图案电连接到微镜衬底中各个微镜单元的致动器。封装基底包括具有预定数量的电极焊盘(第二电极焊盘)的预定互连结构，该互连结构形成于微镜衬底或互连衬底所在的表面上，并且互连衬底上的互连结构和互连图案经由在第一电极焊盘与第二电极焊盘之间的引线接合而电连接。所述微镜衬底、互连衬底以及封装基底构成了在主板等上实现的微镜器件。
在具有上述结构的现有光开关器件或微镜器件中，由于光通信网络规模的扩大引起光纤数量增加，导致单个微镜衬底中包含的具有镜面的微镜单元或者可移动单元的数量也需相应地增加。而可移动单元数量的增加又使得驱动所有可移动单元所需的互连衬底上的互连图案的路由设置更为复杂，从而增大了互连衬底的尺寸。互连图案路由设置的复杂化以及互连衬底尺寸的增大是不利的，尤其是考虑到制造微镜器件以及光开关器件的成本效率时更是如此。此外，如果引入更多的可移动单元，就需要在互连衬底中设置更多的第一电极焊盘，以及在封装基底中设置更多的第二电极焊盘，这必然导致连接第一电极焊盘和第二电极焊盘的引线接合步骤数量相应程度地增加。引线接合步骤的增加对提高微镜器件或光开关器件的生产合格率是不利的。因此，为了有效地制造微镜器件或光开关器件，传统技术仍有待改进。

发明内容
根据上述情况提出本发明，因而本发明的目的是提供能够有效制造的微移动元件及光开关器件。
本发明的第一方案为提供一种微移动元件。该微移动元件包括微移动衬底，其设有微移动单元，该微移动单元包括框架；可移动部件，其能够在轻微的局部振动或无振动的情况下转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动部件；以及致动器，用于产生所述转动的驱动力。根据本发明的微移动元件还包括封装基底，包括内部互连结构；以及导电连接部件，设置在该微移动衬底上的微移动单元与该封装基底之间，用于电连接该致动器与该内部互连结构。该微移动元件可以用作微转动器件或微检测器，其中该微转动器件具有能够使可移动单元在例如微镜器件中进行转动的功能，该微检测器能够检测例如陀螺传感器中的可移动单元的位移。
在根据第一方案的微移动元件中，并未在微移动衬底和封装基底之间设置互连衬底。微移动衬底例如经由导电连接部件固定至封装基底，其中导电连接部件设置在微移动衬底上的微移动单元和封装基底之间。导电连接部件用于电连接微移动衬底上微移动单元中的致动器与封装基底中的内部互连结构，导电连接部件可以是例如导电凸点，该导电凸点连接到与致动器电连接的微移动衬底表面上的电极焊盘(第一电极焊盘)，并连接到与内部互连结构电连接的封装基底表面上的电极焊盘(第二电极焊盘)。从而，该微移动元件的制造工艺能够省略到互连衬底表面上的互连图案的路由以及用于实现第一电极焊盘与第二电极焊盘之间的电连接的引线接合工艺。从而，该微移动元件具有能够提高生产效率的优点。
本发明的第二方案提供一种微移动元件。该微移动元件包括微移动衬底，其上设有多个一体形成的微移动单元，每个微移动单元包括框架；可移动单元，其能够在轻微的局部振动或无振动的情况下转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动单元；以及致动器，用于产生所述转动的驱动力。根据本发明的微移动元件还包括封装基底，包括内部互连结构；以及多个导电连接部件，分别设置在微移动衬底上的一个微移动单元与封装基底之间，用于电连接所述一个微移动单元的致动器与该内部互连结构。该微移动元件可以用作微转动器件或微检测器，其中该微转动器件具有能够使可移动单元在例如微镜器件中进行转动的功能，该微检测器能够检测例如陀螺传感器中的可移动单元的位移。
在根据第二方案的微移动元件中，并未在微移动衬底和封装基底之间设置互连衬底。微移动衬底例如经由多个导电连接部件固定至封装基底，其中导电连接部件设置在微移动衬底和封装基底之间。每个导电连接部件设置在微移动衬底上的一个微移动单元与封装基底之间，以电连接微移动衬底上的所述一个微移动单元中的致动器与封装基底中的内部互连结构，导电连接部件可以是例如导电凸点，该导电凸点连接到与致动器电连接的微移动衬底表面上的电极焊盘(第一电极焊盘)，并连接到与内部互连结构电连接的封装基底表面上的电极焊盘(第二电极焊盘)。从而，该微移动元件的制造工艺能够省略到互连衬底表面上的互连图案以及封装基底表面上的复杂互连图案的路由以及用于实现第一电极焊盘与第二电极焊盘之间的电连接的、多点引线接合工艺。从而，该微移动元件具有能够提高生产效率的优点。随着微移动衬底上形成的微移动单元的数量的增加，生产效率的提高效果更加突出。
本发明的第三方案提供一种微移动元件。该微移动元件包括多个微移动衬底，所述微移动衬底上分别一体形成有多个微移动单元，每个微移动单元包括框架；可移动单元，其能够以轻微的局部振动或无振动地转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动单元，以及致动器，用于产生所述转动的驱动力。根据本发明的微移动元件还包括封装基底，包括内部互连结构；以及多个导电连接部件，分别设置在微移动衬底上的一个微移动单元与该封装基底之间，用于电连接所述一个微移动单元的致动器与该内部互连结构。该微移动元件可以用作微转动器件或微检测器，其中该微转动器件具有能够使可移动单元在例如微镜器件中进行转动的功能，该微检测器能够检测例如陀螺传感器中的可移动单元的位移。
在根据第三方案的微移动元件中，并未在微移动衬底和封装基底之间设置互连衬底。每个微移动衬底经由多个导电连接部件固定至封装基底，其中导电连接部件设置在微移动衬底和封装基底之间。每个导电连接部件设置在微移动衬底上的一个微移动单元与封装基底之间，以电连接微移动衬底上的所述一个微移动单元中的致动器与封装基底中的内部互连结构，导电连接部件可以是例如导电凸点，该导电凸点连接到与致动器电连接的微移动衬底表面上的电极焊盘(第一电极焊盘)，并连接到与内部互连结构电连接的封装基底表面上的电极焊盘(第二电极焊盘)。从而，该微移动元件的制造工艺能够省略到互连衬底表面上的互连图案以及封装基底表面上的复杂互连图案的路由以及用于实现第一电极焊盘与第二电极焊盘之间的电连接的、多点引线接合工艺。从而，该微移动元件具有能够提高生产效率的优点。随着微移动衬底上形成的微移动单元的数量的增加，生产效率的提高效果更加突出。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，封装基底主要由陶瓷制成。采用陶瓷适合于确保封装基底所需的刚性和绝缘性能。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，封装基底的安装有微移动衬底的表面的平整度不大于50μm。这种结构可以稳定地将微移动衬底安装在封装基底上。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，所述多个导电连接部件之间的高度波动不超过10μm。这种结构可以稳定地将微移动衬底安装在封装基底上。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，导电连接部件固定地支撑微移动衬底。例如，由至少一个导电凸点构成的单个导电连接部件自身能够将微移动衬底固定到封装基底。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，导电连接部件可以包括多个导电路径。在这种情况下，导电路径由多个叠置的导电凸点构成。这种结构有利于防止封装基底中的内部互连结构与致动器之间的、经由导电连接部件的不良电连接。
在本发明的第一到第三方案中，优选地，还包括顶盖(cap)结构，用于与所述封装基底一起密封一个或多个所述微移动衬底，并且该顶盖结构可以包括环形壁和盖，其中该环形壁连接所述封装基底以环绕设有一个或多个所述微移动衬底的区域，该盖设置为面向一个或多个所述微移动衬底。这种结构有利于气密性地密封微移动衬底或微移动单元。
优选地，所述盖可包括能够透射光的透明部件。优选地，所述透明部件的光透射率不低于90％。优选地，所述透明部件可以在其表面上设置光带通滤波器。这种结构适用于将微移动元件用作微镜器件的情况。
优选地，所述环形壁可由金属构成，或者在所述环形壁表面上可以设有金属层。这种环形壁有利于连接到其它组件。
优选地，本发明的第一到第三方案还包括用于与外部连接的连接部件单元，其电连接到封装基底。该连接部件单元可以设置在封装基底上的与微移动衬底相同的一侧，或者可以设置在相对的一侧。这种结构有利于确保微移动元件与要安装微移动元件的主板等之间的电连接。
在本发明的第二到第三方案中，优选地，单个微移动衬底上的多个可移动单元可以在水平方向和/或垂直方向上以相同间隔排列为m行n列，其中m是不小于1的整数，n是不小于2的整数。优选地，单个微移动衬底上的多个可移动单元以上述方式规则地排列。
在本发明的第三方案中，优选地，所述多个微移动衬底可以排列为p行q列，其中p为不小于1的整数，q为不小于2的整数。在这种情况下，优选地，多个微移动衬底彼此分隔，使得在相邻的微移动衬底的间隔方向上，分别位于两个邻近的微移动衬底上的两个最接近的可移动单元之间的间距是一个微移动衬底上的可移动单元之间的间距的整数倍。优选地，多个微移动衬底以上述方式规则地排列。
本发明的第四方案提供一种光开关器件。光开关器件包括根据第一到第三方案中的任何一个的多个微移动单元。如上所述，根据第一到第三方案的微移动元件有利于提高生产效率。从而，光开关器件也有利于提高生产效率。


图1是示出根据本发明第一实施例的微镜器件的平面图；图2是示出根据第一实施例的微镜器件的背面的平面图；图3是沿着图1中的线III-III得到的剖面图；图4是示出图1中包含的微镜衬底的局部放大平面图；图5是示出图1中包含的微镜衬底的背面的局部放大平面图；图6是沿着图4中的线VI-VI得到的剖面图；图7是沿着图4中的线VII-VII得到的剖面图；图8是示出图1中包含的封装基底的局部放大平面图；图9是示出图1中包含的封装基底背面的局部放大平面图；图10是沿着图1中的线X-X得到的局部放大剖面图；图11是沿着图1中的线XI-XI得到的局部放大剖面图；图12是示出根据第一实施例的微镜器件的第一变化例中微镜衬底的平面图；
图13是示出根据第一实施例的第二变化例的微镜器件的平面图；图14是示出第二变化例的局部放大平面图；图15是示出第二变化例的局部放大剖面图；图16是示出根据本发明第二实施例的光开关器件的部分省略平面图；图17是示出光开关器件的示意性透视图；以及图18是另一种光开关器件的示意性透视图。
具体实施例方式
图1到图3示出根据本发明的微镜器件X。图1和图2是示出分别从上方和下方看到的微镜器件X的平面图。图3是沿着图1中的线III-III得到的剖面图。微镜器件X包括微镜衬底10、封装基底20、设置在微镜衬底和封装基底之间的多个导电连接部件30、顶盖单元40以及连接部件50。
通过利用体微机械加工技术(bulk micromachining technique) (一种微型机电系统(MEMS)技术)加工材料衬底(绝缘体上硅(SOI)晶片)来制造微镜衬底10。具体地，体微机械加工技术包括干蚀刻(例如深度反应离子蚀刻)、湿蚀刻、薄膜沉积、光刻等。衬底10上设有九个一体形成的微镜单元U，每个单元具有相同的设计和尺寸。材料衬底具有叠层结构，其包括第一硅层(例如100μm厚)、第二硅层(例如100μm厚)以及设置在第一和第二硅层之间的绝缘层(例如1μm厚)。各硅层通过杂质掺杂而具有适当的导电性。如图1和图4到图7所示，每个微镜单元U包括镜支撑部分11、内框12、外框13、一对扭转连接部件14、一对扭转连接部件15以及梳齿电极16A-16D和17A-17D。为了更清楚地显示，图4中用阴影部分表示从第一硅层开始向上突出到高于绝缘层的区域的部分；图5中用阴影部分表示从第二硅层向下突出到低于绝缘层的区域的部分，以及由第一硅层的一部分构成的外框13的一部分。
由第一硅层产生的镜支撑部分11设有镜面11a，以在其表面反射光。镜面11a具有叠层结构，该叠层结构包括例如在第一硅层上沉积的Cr层以及在Cr层上形成的Au层。图4中示出的镜支撑部分11的尺寸W1为例如100到700μm。从而，具有上述结构的镜支撑部分11与内框12和扭转连接部件14(下面将描述)一起构成本发明的可移动单元。
从图4到图7可以看出，内框12包括由第一硅层产生的主部件12’以及由第二硅层产生的岛状部件(island portion)12A、12B，内框12形成包围镜支撑部分11的形状。在主部件12’和岛状部件12A、12B之间设置绝缘层，从而使主部件12’与岛状部件12A、12B电隔离。图4中示出的内框12的宽度W2例如为20-100μm。
由图4到图7可见，外框13包括由第一硅层产生的主部件13’以及由第二硅层产生的岛状部件13A、13B、13C、13D，外框13形成包围内框12的形状。在主部件13’和岛状部件13A-13D之间设置绝缘层，从而使主部件13’与岛状部件13A-13D电隔离。岛状部件13A-13D彼此物理隔离和电绝缘。如图5所示，在岛状部件13A-13D上分别设有电极焊盘18A-18D。此外如图1所示，围绕九个微镜单元U的外框13的主部件13’(由第一硅层产生的部件)连续形成。
所述一对扭转连接部件14分别包括扭转杆14a。如图6所示，由第一硅层产生的各个扭转杆14a连接到例如镜支撑部分11和内框12的主部件12’，以作为其间的连接部件。经由所述扭转杆14a，镜支撑部分11与主部件12’电连接。在本实施例中，扭转杆14a在器件的厚度方向H上比镜支撑部分11和主部件12’薄。具有上述结构的所述一对扭转连接部件14或者所述一对扭转杆14a限定了镜支撑部分11相对于内框12的相对转动的中心轴A1。优选地，转动中心轴A1穿过镜支撑部分11的重心或邻近重心的位置。
所述一对扭转连接部件15分别包括两个扭转杆15a、15b。如图7所示，由第一硅层产生的每个扭转杆15a连接到例如内框12的主部件12’以及外框13的主部件13’，以作为其间的连接部件。经由所述扭转杆15a，主部件12’与主部件13’电连接。在本实施例中，扭转杆15a在器件的厚度方向H上比主部件12’、13’薄。每个扭转杆15b由第二硅层产生。如图7所示，一侧的扭转杆15b连接到例如内框12的岛状部件12A以及外框13的岛状部件13A，以作为其间的连接部件。经由该扭转杆15b，岛状部件12A与岛状部件13A电连接。在本实施例中，扭转杆15b在器件的厚度方向H上比岛状部件12A和岛状部件13A薄。如图7所示，另一侧的扭转杆15b连接到例如内框12的岛状部件12B以及外框13的岛状部件13B，以作为其间的连接部件。经由该扭转杆15b，岛状部件12B和岛状部件13B电连接。在本实施例中，扭转杆15b在器件的厚度方向H上比岛状部件12B和岛状部件13B薄。具有上述结构的所述一对扭转连接部件15限定了可移动单元(镜支撑部分11、内框12、一对扭转连接部件14)相对于外框13的相对转动的中心轴A2。优选地，扭转中心轴A2穿过可移动单元的重心或邻近重心的位置。
梳齿电极16A包括由第一硅层产生的多个电极齿。如图4和图5所示，构成梳齿电极16A的电极齿分别从镜支撑部分11彼此平行地突出。梳齿电极16B包括由第一硅层产生的多个电极齿。如图4和图5所示，构成梳齿电极16B的电极齿分别从镜支撑部分11的相对侧向梳齿电极16A彼此平行地突出。优选地，梳齿电极16A、16B的电极齿的延伸方向与中心轴A1的延伸方向正交。从而，具有上述结构的梳齿电极16A、16B经由镜支撑部分11电连接。
梳齿电极16C包括由第一硅层产生的多个电极齿。如图4和图5所示，构成梳齿电极16C的电极齿分别从内框12的主部件12’彼此平行地突出。梳齿电极16D包括由第一硅层产生的多个电极齿。如图4和图5所示，构成梳齿电极16D的电极齿分别从主部件12’的相对侧向梳齿电极16C彼此平行地突出。优选地，梳齿电极16C、16D的电极齿的延伸方向与中心轴A2的延伸方向正交。从而，具有上述结构的梳齿电极16C、16D经由主部件12’电连接。
梳齿电极17A用于与梳齿电极16A协同产生静电引力(驱动力)，其包括由第二硅层产生的多个电极齿。构成梳齿电极17A的电极齿分别从内框12的岛状部件12A向梳齿电极16A的电极齿彼此平行地突出。一对梳齿电极16A、17A构成微镜单元U的致动器。
梳齿电极17B用于与梳齿电极16AB协同产生静电引力(驱动力)，其包括由第二硅层产生的多个电极齿。构成梳齿电极17B的电极齿分别从内框12的岛状部件12B向梳齿电极16B的电极齿彼此平行地突出。一对梳齿电极16B、17B构成微镜单元U的致动器。
梳齿电极17C用于与梳齿电极16C协同产生静电引力(驱动力)，其包括由第二硅层产生的多个电极齿。构成梳齿电极17C的电极齿分别从外框13的岛状部件13C向梳齿电极16C的电极齿彼此平行地突出。一对梳齿电极16C、17C构成微镜单元U的致动器。
梳齿电极17D用于与梳齿电极16D协同产生静电引力(驱动力)，其包括由第二硅层产生的多个电极齿。构成梳齿电极17D的电极齿分别从外框13的岛状部件13D向梳齿电极16D的电极齿彼此平行地突出。所述一对梳齿电极16D、17D构成微镜单元U的致动器。
如上所述，微镜单元U被构造为微镜衬底10中的双轴转动器件，其共包括四个致动器。在本实施例中，九个微镜单元U排列成3×3矩阵，即排列成由在水平方向(“行延伸方向”)和垂直方向(“列延伸方向”)上均相距相同间隔的三行(每一行为水平阵列)和三列(每一列为垂直阵列)构成的网格状形式。
例如图3所示，封装基底20包括第一表面20a和第二表面20b，并且其中包含多层互连结构(未示出)。如图8所示，在第一表面20a上，为每一个微镜单元U设置互连图案21。互连图案21包括电极焊盘21a、21b、21c、21d，并且电连接到内部的多层互连结构。电极焊盘21a-21d分别设置为面向各微镜单元U中的电极焊盘18A-18D。在第一表面20a上，也设置四个用于接地(ground connection)的电极焊盘(未示出)。所述用于接地的电极焊盘构成用于使微镜衬底10上的梳齿电极16A、16B接地的电路的一部分，并经由预定的互连结构(未示出)电连接到封装基底20中的内部多层互连结构以及微镜衬底10上的外框13的主部件13’。优选地，所述预定互连结构包含在微镜衬底10中。如图9所示(图8和图9以不同的比例示出)，在第二表面20b的中心部分，以矩阵阵列设置共四十个电极焊盘22。电极焊盘22电连接到内部多层互连结构。第一表面20a上的三十六个电极焊盘21a-21d和四个用于接地的电极焊盘与第二表面20b上的四十个电极焊盘22经由内部多层互连结构彼此一对一地电连接。例如，封装基底20的厚度为1-2mm。
为了制造上述封装基底20，首先在多片陶瓷衬底(印刷电路基板)上形成预定的互连图案和导电塞。在各陶瓷衬底的表面上沉积例如Au或Al的金属材料，然后在金属材料上绘制图案以形成预定的互连图案。在各陶瓷衬底的预定位置处形成通孔，然后用导电浆料填充通孔，从而形成预定的导电塞。然后叠置并烧结以如上方式形成有互连图案和导电塞的陶瓷衬底。接着对其上要安装微镜衬底10的叠层结构的表面(第一表面20a)进行抛光工艺。优选地，抛光工艺获得50μm或更低的表面平整度。然后，在第一表面20a上沉积例如Au或Al的金属材料，之后在金属材料上绘制图案，从而形成各微镜单元U的互连图案21以及用于接地的电极焊盘。最后，在第二表面20b上沉积例如Au或Al的金属材料，然后在金属材料上绘制图案，从而形成四十个电极焊盘22。以上为根据本实施例的封装基底20的制造方法实例。
例如图3所示，在微镜衬底10和封装基底20之间设置导电连接部件30，以用于电连接微镜单元U中微镜衬底10上形成的各个致动器(由一对相对的梳齿电极构成)与封装基底20上的互连结构。导电连接部件30还用于将微镜衬底10固定到封装基底20，同时，其还用作在微镜衬底10与封装基底20之间形成间隙的间隔部件(spacer)。如图10和图11所示，各导电连接部件30分别位于电极焊盘18A和21a之间、电极焊盘18B和21b之间、电极焊盘18C和21c之间以及电极焊盘18D和21d之间。为了简化图示，图10和图11省略了顶盖单元40。在本实施例中，各个导电连接部件30具有两个导电路径，每个导电路径包括两层球状凸点(ball bumps)31。
如图1和图3所示，顶盖单元40包括环41和盖42，以便与封装基底20一起气密性地密封微镜衬底10。环41连接到封装基底20，以包围微镜衬底10所处的区域，环41由金属形成或涂覆有金属层。盖42包括透明部件42a，其用于向/从微镜衬底10透射光；以及金属框42b，连接到透明部件42a的外围。透明部件42a可由玻璃、蓝宝石、石英或塑料形成。优选地，透明部件42a的表面上设有光带通滤波器，以便选择性地透射预定频带的光。此外，优选地，透明部件42a对于预定频带的光具有90％或更高的透射率。
如图2所示，用于向微镜器件X提供外部连接端子的连接部件50包括例如共四十个引脚51，引脚51作为外部连接端子。如图3所示，在面向封装基底20的连接部件50的表面上共设有四十个电极焊盘(未示出)，使得这些电极焊盘中的每一个电极焊盘经由焊料凸点(solder bump)53与图9所示的封装基底20上四十个电极焊盘22中的每一个电极焊盘接合。尽管根据本实施例，连接部件50位于封装基底20上的与微镜衬底10相反的一侧，然而根据本发明，连接部件50可以位于封装基底20上的与微镜衬底10相同的一侧。在这种情况下，多个电极焊盘22经由内部多层互连结构电连接到多个电极焊盘21a-21d以及用于接地的多个电极焊盘，且电极焊盘22位于封装基底20上的与微镜衬底10相同的一侧。可选地，根据本发明，可设置不同类型的外部连接端子取代连接部件50。
在具有上述结构的微镜器件X中，通过将在九个微镜单元U周围连续设置的外框13的主部件13’(由第一硅层产生)接地，实现各微镜单元U中梳齿电极16A-16D经由两个扭转杆15a、内框12的主部件12’、两个扭转杆14a(一对扭转连接部件14)以及镜支撑部分11的接地。
在上述接地的状态下，在各微镜单元U中，通过对梳齿电极17A施加期望的电势以在梳齿电极16A和17A之间产生静电引力，或者通过对梳齿电极17B施加期望的电势以在梳齿电极16B和17B之间产生静电引力，使镜支撑部分11围绕转动中心轴A1旋转移位。以一定角度使镜支撑部分11旋转移位，该角度使得产生的静电引力与一对扭转连接部件14(两个扭转杆14a)的扭转阻力的总和达到平衡。通过调节施加到梳齿电极17A或17B的电势可以控制旋转位移量。经由连接部件50的预定引脚51、封装基底20上的一个电极焊盘22、内部多层互连结构和电极焊盘21a、连接到电极焊盘21a的导电连接部件30，然后经由在微镜单元U中的电极焊盘18A、岛状部件13A、连接到岛状部件13A的扭转杆15b以及岛状部件12A，可将电势施加到期望微镜单元U中的梳齿电极17A。经由连接部件50的预定引脚51、封装基底20上的一个电极焊盘22、内部多层互连结构和电极焊盘21b、连接到电极焊盘21b的导电连接部件30，然后经由在微镜单元U中的电极焊盘18B、岛状部件13B、连接到岛状部件13B的扭转杆15b以及岛状部件12B，可将电势施加到期望的微镜单元U中的梳齿电极17B。
此外，在上述接地的状态下，在各微镜单元U中，通过对梳齿电极17C施加期望的电势以在梳齿电极16C和17C之间产生静电引力，或者通过对梳齿电极17D施加期望的电势以在梳齿电极16D和17D之间产生静电引力，使内框12与镜支撑部分11一起围绕转动中心轴A2旋转移位。以一定角度使内框12旋转移位，该角度使得产生的静电引力与一对扭转连接部件15的扭转阻力的总和达到平衡。通过调节施加到梳齿电极17C或17D的电势可以控制旋转位移量。经由连接部件50的预定引脚51、封装基底20上的一个电极焊盘22、内部多层互连结构和电极焊盘21c、连接到电极焊盘21c的导电连接部件30，然后经由微镜单元U中的电极焊盘18C以及岛状部件13C，可将电势施加到期望微镜单元U中的梳齿电极17C。经由连接部件50的预定引脚51、封装基底20上的一个电极焊盘22、内部多层互连结构和电极焊盘21d、连接到电极焊盘21d的导电连接部件30，然后经由微镜单元U中的电极焊盘18D以及岛状部件13D，可将电势施加到期望的微镜单元U中的梳齿电极17D。
在各微镜单元U中，通过驱动可移动单元(主要是镜支撑部分11和内框12)转动，可以按照需要切换镜支撑部分11上设置的镜面11a反射的光线方向。
为了制造微镜器件X，首先在如上述制造的封装基底20上形成导电连接部件30。更具体地，使用预定的引线接合设备在电极焊盘21a-21d中的每一个电极焊盘上形成球状凸点31，并在各个球状凸点31上面形成另一球状凸点31。例如，球状凸点31可由Au形成。球状凸点31的直径可以为约50μm。形成导电连接部件30的下一步骤是对双层球状凸点31的平坦化工艺(leveling process)，其中将例如玻璃板的平面衬底一次性压到所有上层球状凸点的上部。从而可以得到在高度上波动较小的多个导电连接部件30或双层凸点。优选地，导电连接部件30或双层凸点之间高度的波动小于等于10μm。
为了制造微镜器件X，将热固导电粘合剂涂覆到所有上层球状凸点31的上部。具体地，例如，通过将导电连接部件30和封装基底20压向均匀地涂覆了25μm厚的导电粘合剂的平面衬底，可将导电粘合剂转移到所有上层球状凸点31的上部。可选地，可以使用预定的滴胶(dispensing)设备来将导电粘合剂涂覆到所有上层球状凸点31的上部。
然后，使用预定的倒装芯片接合设备，通过定位工艺而将单独制造的微镜衬底10设置在封装基底20上。接着对微镜衬底10和封装基底20加压和加热，以使其经由导电连接部件30彼此连接。同时，由于导电粘合剂的固化，导电连接部件30或者双层凸点接合到微镜衬底10上的电极焊盘18A-18D。从而，微镜衬底10固定到封装基底20上，并且实现了微镜衬底10上的电极焊盘18A-18D与封装基底20中的内部多层互连结构之间的电连接。
制造微镜器件X的下一步骤为将连接部件50接合到封装基底20。具体地，在封装基底20的电极焊盘22上形成焊料凸点53，然后使上述连接部件50的各电极焊盘与焊料凸点53接触并进行回流焊接，从而连接各个电极焊盘与各个焊料凸点53。
为了制造微镜器件X，最后将顶盖单元40接合到封装基底20上。具体地，首先将环41连接到封装基底20。在该工艺中，例如可以使用银钎焊金属。然后对盖42的金属框42b和环41进行缝焊(seam-welded)。此处，预先接合透明部件42a和金属框42b，以制备盖42。通过设置所述顶盖单元40，能够利用顶盖单元40与封装基底20的配合气密性地密封微镜衬底10。上述为微镜器件X的制造方法的实例。
在微镜器件X中，并未在微镜衬底10和封装基底20之间设置普通的互连衬底。微镜衬底10经由导电连接部件30固定在封装基底20上，其中导电连接部件30设置在微镜衬底10上的微镜单元U和封装基底20之间。各个导电连接部件30还用于电连接微镜衬底10上微镜单元U中的致动器(由一对相对的梳齿电极构成)与封装基底20中的内部互连结构。导电连接部件30连接到微镜单元U的电极焊盘18A-18D，并连接到封装基底20上的电极焊盘21a-21d。从而，微镜器件X的制造工艺能够省略到互连衬底表面上的互连图案的路由，以及到封装基底20表面上的复杂互连图案的路由，并且能够省略用于实现微镜衬底10上的电极焊盘18A-18D与电极焊盘21a-21d之间的电连接的引线接合工艺。从而，微镜器件X具有能够提高生产效率的优点。
在微镜器件X中，微镜衬底10经由导电连接部件30而牢固且稳定地接合到封装基底20。由于执行用于制造封装基底20的烧结工艺，因而除非采取有效的措施，否则将会出现严重的翘曲和表面变形。在本实施例中，施加到第一表面20a的抛光工艺可使第一表面20a具有足够的平整度。此外，由于在本实施例中进行导电连接部件30的平坦化工艺，因而可将导电连接部件30间的高度波动限制在实际上可接受的程度内。通过执行所述抛光和平坦化工艺，尽管仍存在翘曲和表面变形，但能够使微镜衬底10经由导电连接部件30牢固且稳定地接合到封装基底20，而现有技术中在不执行上述工艺的情况下实现上述牢固且稳定的接合将很困难。
在微镜器件X中，导电连接部件30包括两个导电路径，并电连接微镜单元U中的各致动器(一对相对的梳齿电极)和封装基底20中的内部多层互连结构。这种结构有效地防止了经由导电连接部件30在封装基底20中的内部多层互连结构与各致动器之间的不良电连接。这是由于即使一个导电路径的连接断开，其他的导电路径也能够保持导通。
在微镜器件X中，导电连接部件30的各个导电路径包括多层(在本实施例中为两层)球状凸点31。这种结构有利于在封装基底20上的较小区域中提供高导电性路径或导电连接部件30。在封装基底20上的较小区域中提供高导电性路径或导电连接部件30，有利于保证微镜衬底10与封装基底20之间充足的间隙，从而实现微镜单元U的高密度设置。按照本发明，根据微镜衬底10和封装基底20之间所需的间隔，可以适当地确定构成各个导电路径的球状凸点31的数量和大小。
图12是示出在微镜器件X的第一变化例中的微镜衬底10的平面图。在微镜器件X中，可以使用如图12所示的单个微镜单元U，来替换上述的多个微镜单元U。根据所述单个微镜单元U，适当地改变微镜衬底10、封装基底20、顶盖单元40以及连接部件50的设计尺寸，并且修改封装基底20和连接部件50中的互连结构(互连图案形态、电极焊盘数量等)。
图13是示出根据第二变化例的微镜器件X的平面图。在微镜器件X中，可以设置如图13所示的多个微镜衬底10，来替换单个微镜衬底10。为了简化图示，在下面将描述的图13和图14中省略了微镜衬底10中的微镜单元U的具体结构，并且用矩形示意性地示出了微镜衬底10中设有可移动单元的区域。在该变化例中，八个微镜衬底10排列为2×4矩阵(即，具有两行和四列的矩阵)。以相同间隔排列四列(即，四列在水平方向上(即在行延伸的方向上)等间隔设置)。八个微镜衬底10彼此分离，从而如图14所示，在沿着相邻微镜衬底10的间隔方向上，分别位于两个相邻微镜衬底10上的最接近两个可移动单元之间(可移动单元的中心线之间)的间距D1、D2为单个微镜衬底10上的可移动单元之间的间距d1、d2的整数倍(在本实施例中，在两个方向上都为三倍)。优选地，多个微镜衬底10以上述方式有序地排列。根据所述八个微镜衬底10，适当地改变封装基底20、顶盖单元40以及连接部件50的设计尺寸，并且修改封装基底20和连接部件50中的互连结构(互连图案形态、电极焊盘数量等)。
在第二变化例中，优选地，如图15所示，位于图13中的左端和/或右端的微镜衬底10可以以相对于封装基底20的预定角度倾斜。在微镜器件X中，位于较远的外围位置的镜支撑部分11或镜面11a经常需要进行较宽范围的转动，因而优选地，预先使位于最远端的预定微镜衬底10相对于封装基底20倾斜。通过使微镜衬底10相对于封装基底20倾斜地放置，可以减少倾斜的微镜衬底10中镜支撑部分11所需的旋转位移。通过适当地设置球状凸点31的层数和大小以构成预定的导电连接部件30或导电路径，可以调节预定微镜衬底10的倾斜角。
图16是示出根据本发明第二实施例的光开关器件Y的局部省略平面图。光开关器件Y包括安装在预定基底材料S上的多个微镜器件X。为了简化图示，在图16中省略了各微镜器件X中的微镜衬底10。如上所述，微镜器件X有利于提高生产效率。从而，自然地，光开关器件Y也有利于实现更高效的生产。
根据本发明，通过将微镜器件X的微镜单元U中所述一对梳齿电极16A、17A以及所述一对梳齿电极16B、17B用作检测单元(检测一对电极之间静电电容的改变)，而不是用作致动器，可以构成一种陀螺传感器。在这种情况下，可以在顶盖单元40中使用非透明材料取代透明部件42a。
显而易见，如上所述的本发明可以以多种方式进行变化。所述变化并不会被视为偏离了本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言，很明显所有变形都将落入所附的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种微移动元件，包括微移动衬底，设有微移动单元，该微移动单元包括框架；可移动部件，其能够转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动部件；以及致动器，用于产生使该可移动部件转动的驱动力；封装基底，包括内部互连结构；以及导电连接部件，设置在所述微移动衬底与所述封装基底之间，电连接该致动器与该内部互连结构。
2.根据权利要求1所述的微移动元件，其中所述封装基底主要由陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的微移动元件，其中所述封装基底包括面向所述微移动衬底的主表面，该主表面的平整度不大于50μm。
4.根据权利要求1所述的微移动元件，其中所述导电连接部件固定地支撑所述微移动衬底。
5.根据权利要求1所述的微移动元件，其中所述导电连接部件包括多个导电路径。
6.根据权利要求5所述的微移动元件，其中每个所述导电路径包括多个叠置的导电凸点。
7.根据权利要求1所述的微移动元件，还包括顶盖结构，用于与所述封装基底一起密封所述微移动衬底，其中该顶盖结构包括环形壁和盖，该环形壁连接所述封装基底并环绕设有所述微移动衬底的封装基底区域，该盖设置为面向所述微移动衬底。
8.根据权利要求7所述的微移动元件，其中该盖包括用以透射光的透明部件。
9.根据权利要求8所述的微移动元件，其中所述透明部件的光透射率不小于90％。
10.根据权利要求8所述的微移动元件，还包括光带通滤波器，该光带通滤波器设置在所述透明部件上。
11.根据权利要求7所述的微移动元件，其中该环形壁的至少一个表面由金属制成。
12.根据权利要求1所述的微移动元件，还包括用于与外部连接的连接部件单元，该连接部件单元电连接到所述封装基底。
13.根据权利要求12所述的微移动元件，其中所述封装基底包括面向所述微移动衬底的主表面以及与该主表面相对的后表面，该连接部件单元设置在该主表面侧或该后表面侧。
14.一种光开关器件，包括多个根据权利要求1所述的微移动元件。
15.一种微移动元件，包括微移动衬底，其与多个微移动单元一体形成，每个微移动单元包括框架；可移动部件，其能够转动；扭转连接部件，连接所述框架与所述可移动部件；以及致动器，用于产生使所述可移动部件转动的驱动力；封装基底，包括内部互连结构；以及多个导电连接部件，设置在该微移动衬底与该封装基底之间，每个所述导电连接部件将相应的一个微移动单元中的致动器电连接到该内部互连结构。
16.根据权利要求15所述的微移动元件，其中所述多个导电连接部件之间的高度波动不大于10μm。
17.根据权利要求15所述的微移动元件，其中各所述微移动单元的多个可移动部件排列为m×n矩阵，其中m是不小于1的整数，n是不小于2的整数，所述可移动部件在行延伸方向和列延伸方向中的至少一个方向上等间距设置。
18.一种微移动元件，包括多个微移动衬底，每个微移动衬底与多个微移动单元一体形成，每个微移动单元包括框架；可移动部件，其能够转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动部件；以及致动器，用于产生使该可移动部件转动的驱动力；封装基底，包括内部互连结构；以及多个导电连接部件，设置在各个微移动衬底与该封装基底之间，所述连接部件将每个微移动衬底的各微移动单元的致动器电连接到该内部互连结构。
19.根据权利要求18所述的微移动元件，其中所述多个微移动衬底排列为p×q矩阵，其中p为不小于1的整数，q为不小于2的整数。
20.根据权利要求18所述的微移动元件，其中所述多个微移动衬底包括第一微移动衬底和第二微移动衬底，该第一微移动衬底与该第二微移动衬底彼此相邻且在分离方向上彼此间隔，其中该第一微移动衬底的可移动部件与该第二微移动衬底的可移动部件之间的分离方向上的最小距离是在该第一微移动衬底中设置其可移动部件的分离方向上的间距的整数倍，也是在该第二微移动衬底中设置其可移动部件的分离方向上的间距的整数倍。
全文摘要
本发明涉及一种微移动元件及光开关器件。其中微移动元件包括微移动衬底、封装基底以及导电连接部件。该微移动衬底设有微移动单元，该微移动单元包括框架；可移动部件，其能够转动；扭转连接部件，连接该框架与该可移动部件；以及致动器，用于产生使该可移动部件转动的驱动力。该封装基底包括内部互连结构。该导电连接部件设置在该微移动衬底与该封装基底之间，用于电连接该致动器与该内部互连结构。
文档编号B81B3/00GK1847916SQ20061007438
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月14日 优先权日2005年4月15日
发明者曾根田弘光, 宓晓宇, 奥田久雄, 壶井修, 高马悟觉, 上田知史 申请人:富士通株式会社