JP2001235369A - ファブリペロー・キャビティ分光光度計およびその製造方法 - Google Patents
ファブリペロー・キャビティ分光光度計およびその製造方法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 カラープリンタに組み込むことのできる、カ
ラー検知能力を有するコンパクトで経済的な分光光度計
を得る。 【解決手段】 マイクロ電子機械的に調整可能なファブ
リペロー分光光度計をカラー検知のために設ける。光フ
ァイバが、スイッチドキャパシタ回路によって調整され
るファブリペロー・フィルタへ光入力を行う。スペクト
ル強度は、一体の光検出器によって検出される。
ラー検知能力を有するコンパクトで経済的な分光光度計
を得る。 【解決手段】 マイクロ電子機械的に調整可能なファブ
リペロー分光光度計をカラー検知のために設ける。光フ
ァイバが、スイッチドキャパシタ回路によって調整され
るファブリペロー・フィルタへ光入力を行う。スペクト
ル強度は、一体の光検出器によって検出される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ電子機械
的に調整可能なファブリペロー・キャビティ分光光度計
の構造、ファブリペロー分光光度計システム、およびフ
ァブリペロー分光光度計の製造方法に関する。
的に調整可能なファブリペロー・キャビティ分光光度計
の構造、ファブリペロー分光光度計システム、およびフ
ァブリペロー分光光度計の製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】電子写真カラー印刷用
途においては、印刷のカラー精度を測定する現場監視シ
ステムを有することが望ましい。それ故、カラー検知能
力および他のカラー検知用途に備えてカラープリンタに
コンパクトで経済的な分光光度計を設けると有用であ
る。
途においては、印刷のカラー精度を測定する現場監視シ
ステムを有することが望ましい。それ故、カラー検知能
力および他のカラー検知用途に備えてカラープリンタに
コンパクトで経済的な分光光度計を設けると有用であ
る。
【０００３】
【課題を解決するための手段】ファブリペロー・キャビ
ティ・フィルタを有するコンパクトでマイクロ電子機械
的に調整可能な分光光度計は、シリコン光検出器と一体
にされ、光ファイバを用いて、シリコン基体上へ垂直方
向に光を入力し、カラー検知システムを構成する。本発
明によるファブリペロー・キャビティの厚さは、伝送さ
れた光信号の分光分布を分解するように静電気的に調整
することができる。分光光度計システムは、ゼログラフ
ィおよび他の分光器用途においてカラー検知に用いられ
る。ファブリペロー・キャビティ・フィルタを調整する
ために、電荷駆動モードを用いると、電圧駆動モードを
使用するときよりも、電圧駆動モードの静電的な不安定
を回避でき、より良好な直線性を得ることができる。
ティ・フィルタを有するコンパクトでマイクロ電子機械
的に調整可能な分光光度計は、シリコン光検出器と一体
にされ、光ファイバを用いて、シリコン基体上へ垂直方
向に光を入力し、カラー検知システムを構成する。本発
明によるファブリペロー・キャビティの厚さは、伝送さ
れた光信号の分光分布を分解するように静電気的に調整
することができる。分光光度計システムは、ゼログラフ
ィおよび他の分光器用途においてカラー検知に用いられ
る。ファブリペロー・キャビティ・フィルタを調整する
ために、電荷駆動モードを用いると、電圧駆動モードを
使用するときよりも、電圧駆動モードの静電的な不安定
を回避でき、より良好な直線性を得ることができる。
【０００４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明によるマイクロ電
子機械的に調整可能な分光光度計１００の一実施例を示
している。ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０は、底部の分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）型ミラー１２
０のための３対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック
１１５と、エアギャップ・キャビティ１２５と、頂部の
分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）型ミラー１３０のための２
対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ xスタック１１５とから
なる。インジウムスズ酸化物（IＴＯ）が、透明な底部
電極１３５および透明な頂部電極１４０のために使用さ
れている。
子機械的に調整可能な分光光度計１００の一実施例を示
している。ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０は、底部の分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）型ミラー１２
０のための３対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック
１１５と、エアギャップ・キャビティ１２５と、頂部の
分散ブラッグ反射（ＤＢＲ）型ミラー１３０のための２
対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ xスタック１１５とから
なる。インジウムスズ酸化物（IＴＯ）が、透明な底部
電極１３５および透明な頂部電極１４０のために使用さ
れている。
【０００５】頂部ミラー１３０は、透明な底部電極１３
５および透明な頂部電極１４０を横切って１００ボルト
の電圧を印加するか、あるいは、透明な底部電極１３５
および透明な頂部電極１４０上へ１０-11クーロンの電
荷を付与して約３００〜５００ナノメートルのエアギャ
ップ・キャビティ１２５の高さを変えることによって、
エアギャップ・キャビティ１２５の高さを変えるように
変形させることができる。それ故、電極１３５、１４０
はコンデンサを形成し、そして、ファブリペロー・キャ
ビティ・フィルタ１１０は関連したキャパシタンスを有
する。エアギャップ・キャビティ１２５の高さが減少す
るにつれて、ファブリペロー伝送ピークは、図７ａ、７
ｂに示すようにより短い波長にシフとし、エアギャップ
・キャビティ１２５の高さが左に減少する。
５および透明な頂部電極１４０を横切って１００ボルト
の電圧を印加するか、あるいは、透明な底部電極１３５
および透明な頂部電極１４０上へ１０-11クーロンの電
荷を付与して約３００〜５００ナノメートルのエアギャ
ップ・キャビティ１２５の高さを変えることによって、
エアギャップ・キャビティ１２５の高さを変えるように
変形させることができる。それ故、電極１３５、１４０
はコンデンサを形成し、そして、ファブリペロー・キャ
ビティ・フィルタ１１０は関連したキャパシタンスを有
する。エアギャップ・キャビティ１２５の高さが減少す
るにつれて、ファブリペロー伝送ピークは、図７ａ、７
ｂに示すようにより短い波長にシフとし、エアギャップ
・キャビティ１２５の高さが左に減少する。
【０００６】たとえば、７５０ナノメートル（ｎｍ）の
高さを有するエアギャップ・キャビティ１２５の場合、
４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５は、７００
ナノメートルの中心波長を有する。エアギャップ・キャ
ビティ１２５の高さが減少するにつれて、より短い波長
のスペクトル・ピークが光検出器１７５によって分解さ
れる。光検出器１７５のための代表的な応答時間は、約
１０-10秒であり、それに対して、機械的応答時間は、
代表的には、１０-6秒のオーダーにある。
高さを有するエアギャップ・キャビティ１２５の場合、
４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５は、７００
ナノメートルの中心波長を有する。エアギャップ・キャ
ビティ１２５の高さが減少するにつれて、より短い波長
のスペクトル・ピークが光検出器１７５によって分解さ
れる。光検出器１７５のための代表的な応答時間は、約
１０-10秒であり、それに対して、機械的応答時間は、
代表的には、１０-6秒のオーダーにある。
【０００７】ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１
１０の伝送波長調整は、図７ａ、及び図７ｂにおいてシ
ミュレーションされている。図７ａで使用されているフ
ァブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０は、７００
ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮx
スタック１１５を使用している。７００ナノメートルに
中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５
の調整可能範囲は、６００ナノメートルで止まる。図７
ｂで使用されているファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０は、５００ナノメートルに中心を置く４分の
１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５を使用している。
それ故、７００ナノメートルに中心を置く第１のファブ
リペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、５００ナノ
メートルに中心を置く第２のファブリペロー・キャビテ
ィ・フィルタ１１０とからなる２つのファブリペロー・
キャビティ・フィルタ１１０を使用して、全可視スペク
トルをカバーすることができる。
１０の伝送波長調整は、図７ａ、及び図７ｂにおいてシ
ミュレーションされている。図７ａで使用されているフ
ァブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０は、７００
ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮx
スタック１１５を使用している。７００ナノメートルに
中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５
の調整可能範囲は、６００ナノメートルで止まる。図７
ｂで使用されているファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０は、５００ナノメートルに中心を置く４分の
１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５を使用している。
それ故、７００ナノメートルに中心を置く第１のファブ
リペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、５００ナノ
メートルに中心を置く第２のファブリペロー・キャビテ
ィ・フィルタ１１０とからなる２つのファブリペロー・
キャビティ・フィルタ１１０を使用して、全可視スペク
トルをカバーすることができる。
【０００８】７００ナノメートルに中心を置く４分の１
波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５（図７ａ参照）を有
するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、
５００ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／Ｓ
ｉＮxスタック１１５（図７ｂ参照）を有するファブリ
ペロー・キャビティ・フィルタ１１０の伝送率を、それ
ぞれ、７５０ナノメートルにピーク７１０を、６８０ナ
ノメートルにピーク７２０を、６００ナノメートルにピ
ーク７３０を、５３０ナノメートルにピーク７５０を、
４５０ナノメートルにピーク７６０を有するエアギャッ
プ・キャビティ１２５に対する波長の関数として計算す
ることによって、両ファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０についての伝送スペクトルをバイアス電圧の
関数として決定することができる。７００ナノメートル
に中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５を有するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０を使用するときの６００ナノメートルより下での強度
寄与を避けるために、カラーフィルタを用いて６００ナ
ノメートルより下の波長が光検出器１７５に達するのを
防いでいる。６００ナノメートルより短い波長が、７０
０ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ
xスタック１１５を有するファブリペロー・キャビティ
・フィルタ１１０を通って伝送されるので、カラーフィ
ルタが必要である。
波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５（図７ａ参照）を有
するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、
５００ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／Ｓ
ｉＮxスタック１１５（図７ｂ参照）を有するファブリ
ペロー・キャビティ・フィルタ１１０の伝送率を、それ
ぞれ、７５０ナノメートルにピーク７１０を、６８０ナ
ノメートルにピーク７２０を、６００ナノメートルにピ
ーク７３０を、５３０ナノメートルにピーク７５０を、
４５０ナノメートルにピーク７６０を有するエアギャッ
プ・キャビティ１２５に対する波長の関数として計算す
ることによって、両ファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０についての伝送スペクトルをバイアス電圧の
関数として決定することができる。７００ナノメートル
に中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５を有するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０を使用するときの６００ナノメートルより下での強度
寄与を避けるために、カラーフィルタを用いて６００ナ
ノメートルより下の波長が光検出器１７５に達するのを
防いでいる。６００ナノメートルより短い波長が、７０
０ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ
xスタック１１５を有するファブリペロー・キャビティ
・フィルタ１１０を通って伝送されるので、カラーフィ
ルタが必要である。
【０００９】マイクロ電子機械的に調整可能な分光光度
計１００を較正用光源で較正する場合、或る特定の波長
までファブリペロー・フィルタ１１０を調整するのに必
要なバイアス電圧は既知である。したがって、２つのマ
イクロ電子機械的に調整可能な分光光度計１００は、全
可視スペクトルについての波長の関数として、スペクト
ル強度の出力を可能にする。
計１００を較正用光源で較正する場合、或る特定の波長
までファブリペロー・フィルタ１１０を調整するのに必
要なバイアス電圧は既知である。したがって、２つのマ
イクロ電子機械的に調整可能な分光光度計１００は、全
可視スペクトルについての波長の関数として、スペクト
ル強度の出力を可能にする。
【００１０】分光光度計１００のスペクトル分解能は、
頂部ミラー１３０および底部ミラー１２０の平均反射率
に依存する。平均反射率が高ければ、スペクトル分解能
も高くなる。分光光度計１００の場合、カラー印刷用途
に対して１０ナノメートルのスペクトル分解能が代表的
である。ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０
が分解できるスペクトル範囲は、使用されるエアギャッ
プ・キャビティ１２５および４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ
xスタック１１５の初期高さに依存する。赤外線方式に
おける光の場合、エアギャップ・キャビティ１２５の高
さは、赤外線波長範囲のオーダーにある必要がある。頂
部ミラー１３０の機械的調整範囲は、構造的に制限さ
れ、ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０につ
いてのスペクトル範囲をさらに制限する可能性がある。
頂部ミラー１３０の機械的調整範囲が小さすぎる場合に
は、エアギャップ・キャビティ１２５について異なった
初期高さを持つ付加的な分光光度計１００が、必要なス
ペクトル範囲をカバーするのに必要であるかも知れな
い。普通は、約４５０〜７５０ナノメートルの可視スペ
クトルをカバーするのには、２つの別々の分光光度計１
００が必要である。
頂部ミラー１３０および底部ミラー１２０の平均反射率
に依存する。平均反射率が高ければ、スペクトル分解能
も高くなる。分光光度計１００の場合、カラー印刷用途
に対して１０ナノメートルのスペクトル分解能が代表的
である。ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０
が分解できるスペクトル範囲は、使用されるエアギャッ
プ・キャビティ１２５および４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮ
xスタック１１５の初期高さに依存する。赤外線方式に
おける光の場合、エアギャップ・キャビティ１２５の高
さは、赤外線波長範囲のオーダーにある必要がある。頂
部ミラー１３０の機械的調整範囲は、構造的に制限さ
れ、ファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０につ
いてのスペクトル範囲をさらに制限する可能性がある。
頂部ミラー１３０の機械的調整範囲が小さすぎる場合に
は、エアギャップ・キャビティ１２５について異なった
初期高さを持つ付加的な分光光度計１００が、必要なス
ペクトル範囲をカバーするのに必要であるかも知れな
い。普通は、約４５０〜７５０ナノメートルの可視スペ
クトルをカバーするのには、２つの別々の分光光度計１
００が必要である。
【００１１】７００ナノメートルに中心を置く４分の１
波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５（図７ａ参照）を有
するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、
５００ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／Ｓ
ｉＮxスタック１１５（図７ｂ参照）を有するファブリ
ペロー・キャビティ・フィルタ１１０の伝送率を、それ
ぞれ、７５０ナノメートルにピーク７１０を、６８０ナ
ノメートルにピーク７２０を、６００ナノメートルにピ
ーク７３０を、５３０ナノメートルにピーク７５０を、
４５０ナノメートルにピーク７６０を有するエアギャッ
プ・キャビティ１２５に対する波長の関数として計算す
ることによって、両ファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０についての伝送スペクトルをバイアス電圧の
関数として決定することができる。７００ナノメートル
に中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５を有するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０を使用するときの６００ナノメートルより下での強度
寄与を避けるために、カラーフィルタを用いて、６００
ナノメートルより下の波長が光検出器１７５に達するの
を防いでいる。これが必要なのは、６００ナノメートル
より短い波長が、７００ナノメートルに中心を置く４分
の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５を有するファブ
リペロー・キャビティ・フィルタ１１０を通って伝送さ
れるからである。
波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５（図７ａ参照）を有
するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１０と、
５００ナノメートルに中心を置く４分の１波長Ｓｉ／Ｓ
ｉＮxスタック１１５（図７ｂ参照）を有するファブリ
ペロー・キャビティ・フィルタ１１０の伝送率を、それ
ぞれ、７５０ナノメートルにピーク７１０を、６８０ナ
ノメートルにピーク７２０を、６００ナノメートルにピ
ーク７３０を、５３０ナノメートルにピーク７５０を、
４５０ナノメートルにピーク７６０を有するエアギャッ
プ・キャビティ１２５に対する波長の関数として計算す
ることによって、両ファブリペロー・キャビティ・フィ
ルタ１１０についての伝送スペクトルをバイアス電圧の
関数として決定することができる。７００ナノメートル
に中心を置く４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５を有するファブリペロー・キャビティ・フィルタ１１
０を使用するときの６００ナノメートルより下での強度
寄与を避けるために、カラーフィルタを用いて、６００
ナノメートルより下の波長が光検出器１７５に達するの
を防いでいる。これが必要なのは、６００ナノメートル
より短い波長が、７００ナノメートルに中心を置く４分
の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１５を有するファブ
リペロー・キャビティ・フィルタ１１０を通って伝送さ
れるからである。
【００１２】マイクロ電子機械的に調整可能な分光光度
計１００を較正用光源で較正する場合、或る特定の波長
までファブリペロー・フィルタ１１０を調整するのに必
要なバイアス電圧は既知である。したがって、２つのマ
イクロ電子機械的に調整可能な分光光度計１００は、全
可視スペクトルについての波長の関数として、スペクト
ル強度の出力を可能にする。
計１００を較正用光源で較正する場合、或る特定の波長
までファブリペロー・フィルタ１１０を調整するのに必
要なバイアス電圧は既知である。したがって、２つのマ
イクロ電子機械的に調整可能な分光光度計１００は、全
可視スペクトルについての波長の関数として、スペクト
ル強度の出力を可能にする。
【００１３】本発明による一実施例においては、分光光
度計１００は、光検出器１７５と共に半導体マイクロ電
子機械システム処理技術、代表的にはシリコンを使用し
て製作される。そして、ファブリペロー・キャビティ・
フィルタ１１０が、基体１８５（これも代表的にはシリ
コンである）上にモノリシック的に一体化される。図２
を参照して、光検出器１７５は、標準のＣＭＯＳプロセ
スを使用して基体１８５上に作られる（たとえば、S.
M. Sze,「Semiconductor Sensors」,１９９４参照）。
この文献は全体を参考資料としてここに援用する。
度計１００は、光検出器１７５と共に半導体マイクロ電
子機械システム処理技術、代表的にはシリコンを使用し
て製作される。そして、ファブリペロー・キャビティ・
フィルタ１１０が、基体１８５（これも代表的にはシリ
コンである）上にモノリシック的に一体化される。図２
を参照して、光検出器１７５は、標準のＣＭＯＳプロセ
スを使用して基体１８５上に作られる（たとえば、S.
M. Sze,「Semiconductor Sensors」,１９９４参照）。
この文献は全体を参考資料としてここに援用する。
【００１４】代表的には１００ナノメートルの厚さを有
する透明な電極１３５は、光検出器１７５を覆ってスパ
ッタリングすることによって堆積（デポジット）させ
る。光検出器１７５は、代表的には、ｐ−ｉ−ｎフォト
ダイオードであり、ｐ−ｉ−ｎ接合は、不純物拡散ある
いはイオン注入のいずれかによって形成する。光検出器
１７５のｎ層は、代表的には、約０．５μｍ厚であり、
ｉ層は、１〜３μｍの範囲の厚さを有する。底部ＤＢＲ
ミラー１２０は、３対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxス
タック１１５の堆積層を含む。各スタック１１５の光学
厚さは、代表的には、約１７５ナノメートルである。引
き続いてエアギャップ・キャビティ１２５を形成するた
めに、アルミニウム層１４５を、約８００ナノメートル
の代表的な厚さまで堆積させる。頂部ＤＢＲミラー１３
０は、２対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５の堆積層を含む。頂部接点として役立つように、頂部
ＤＢＲミラー１３０を覆って透明な電極１４０を堆積さ
せる。図３を参照して、リソグラフ・パターン形成を透
明な電極１４０に実施してから、透明な電極１４０およ
び頂部ＤＢＲミラー１３０を普通に乾式エッチングし、
図４に示すように支持アーム３０１およびアンカー３０
５を備える膜３１０を作る。引き続いて湿式エッチング
を実施して、膜３１０の下にアルミニウム層１４５をア
ンダカットしてエアギャップ・キャビティ１２５を形成
する。エアギャップ・キャビティ１２５は、代表的に
は、８０％のリン酸、５％の酢酸、５％の硝酸および１
０％の水からなるエッチ液を使用して、アルミニウム層
１４５の内部をエッチングで削除することによって作る
ことができる。
する透明な電極１３５は、光検出器１７５を覆ってスパ
ッタリングすることによって堆積（デポジット）させ
る。光検出器１７５は、代表的には、ｐ−ｉ−ｎフォト
ダイオードであり、ｐ−ｉ−ｎ接合は、不純物拡散ある
いはイオン注入のいずれかによって形成する。光検出器
１７５のｎ層は、代表的には、約０．５μｍ厚であり、
ｉ層は、１〜３μｍの範囲の厚さを有する。底部ＤＢＲ
ミラー１２０は、３対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxス
タック１１５の堆積層を含む。各スタック１１５の光学
厚さは、代表的には、約１７５ナノメートルである。引
き続いてエアギャップ・キャビティ１２５を形成するた
めに、アルミニウム層１４５を、約８００ナノメートル
の代表的な厚さまで堆積させる。頂部ＤＢＲミラー１３
０は、２対の４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック１１
５の堆積層を含む。頂部接点として役立つように、頂部
ＤＢＲミラー１３０を覆って透明な電極１４０を堆積さ
せる。図３を参照して、リソグラフ・パターン形成を透
明な電極１４０に実施してから、透明な電極１４０およ
び頂部ＤＢＲミラー１３０を普通に乾式エッチングし、
図４に示すように支持アーム３０１およびアンカー３０
５を備える膜３１０を作る。引き続いて湿式エッチング
を実施して、膜３１０の下にアルミニウム層１４５をア
ンダカットしてエアギャップ・キャビティ１２５を形成
する。エアギャップ・キャビティ１２５は、代表的に
は、８０％のリン酸、５％の酢酸、５％の硝酸および１
０％の水からなるエッチ液を使用して、アルミニウム層
１４５の内部をエッチングで削除することによって作る
ことができる。
【００１５】図３を参照して、本発明の一実施例に従っ
て、乾式、湿式のいずれかのエッチングを行ってシリコ
ン・ウェーハ１９０にくぼみ１９２を形成する。くぼみ
１９２は、代表的には、約２０μｍの深さを有する。リ
ソグラフ・パターン形成は、円形孔１９５をエッチング
する前に実施する。円形孔１９５の直径は、マルチモー
ド光ファイバ１９９の直径と一致するように選ぶ。円形
孔１９５のエッチングは、代表的には、ディープ反応性
イオンビーム・エッチングによって行う。
て、乾式、湿式のいずれかのエッチングを行ってシリコ
ン・ウェーハ１９０にくぼみ１９２を形成する。くぼみ
１９２は、代表的には、約２０μｍの深さを有する。リ
ソグラフ・パターン形成は、円形孔１９５をエッチング
する前に実施する。円形孔１９５の直径は、マルチモー
ド光ファイバ１９９の直径と一致するように選ぶ。円形
孔１９５のエッチングは、代表的には、ディープ反応性
イオンビーム・エッチングによって行う。
【００１６】シリコン・ウェーハ１９０は、フリップチ
ップ・ピック・アンド・ドロップ・アライナを使用して
シリコン・ウェーハ１８５およびファブリペロー・フィ
ルタ１１０を覆うように整合させる。シリコン・ウェー
ハ１９０のシリコン・ウェーハ１８５への結合は、直接
的なウェーハ結合またはエポキシを使用して実施するこ
とができる。図１に示すマイクロ電子機械的に調整可能
な分光光度計１００を作る際に、光ファイバ１９９を円
形孔１９５に挿入し、シリコン・ウェーハ１９０にエポ
キシ樹脂接着する。光ファイバ１９９の端に凸レンズ
（図示せず）を装着してファブリペロー・フィルタ１１
０に入射する前に光を平行化してもよい。凸レンズは、
光ファイバ１９９の端部を溶融させてからレンズ形状に
引くことによって形成してもよいし、あるいは、マイク
ロレンズを紫外線硬化エポキシで取り付け、このエポキ
シが光ファイバ１９９とマイクロレンズを整合させる屈
折率を有つようにしてもよい。
ップ・ピック・アンド・ドロップ・アライナを使用して
シリコン・ウェーハ１８５およびファブリペロー・フィ
ルタ１１０を覆うように整合させる。シリコン・ウェー
ハ１９０のシリコン・ウェーハ１８５への結合は、直接
的なウェーハ結合またはエポキシを使用して実施するこ
とができる。図１に示すマイクロ電子機械的に調整可能
な分光光度計１００を作る際に、光ファイバ１９９を円
形孔１９５に挿入し、シリコン・ウェーハ１９０にエポ
キシ樹脂接着する。光ファイバ１９９の端に凸レンズ
（図示せず）を装着してファブリペロー・フィルタ１１
０に入射する前に光を平行化してもよい。凸レンズは、
光ファイバ１９９の端部を溶融させてからレンズ形状に
引くことによって形成してもよいし、あるいは、マイク
ロレンズを紫外線硬化エポキシで取り付け、このエポキ
シが光ファイバ１９９とマイクロレンズを整合させる屈
折率を有つようにしてもよい。
【００１７】図５は、本発明による一実施例を示してい
る。光ファイバ１９９は、シリコン・ウェーハ１９１に
エッチングされたＶ字形溝１９７内に装着される。シリ
コン・ウェーハ１９１は、その後、精密整合機を用い
て、シリコン・ウェーハ１８５およびファブリペロー・
フィルタ１１０と位置合わせする。シリコン・ウェーハ
１９１のシリコン・ウェーハ１８５への結合は、図６に
示すマイクロ電子機械的に調整可能な分光光度計６００
を作る際に、直接的ウェーハ結合またはエポキシのいず
れかを使用して行うことができる。
る。光ファイバ１９９は、シリコン・ウェーハ１９１に
エッチングされたＶ字形溝１９７内に装着される。シリ
コン・ウェーハ１９１は、その後、精密整合機を用い
て、シリコン・ウェーハ１８５およびファブリペロー・
フィルタ１１０と位置合わせする。シリコン・ウェーハ
１９１のシリコン・ウェーハ１８５への結合は、図６に
示すマイクロ電子機械的に調整可能な分光光度計６００
を作る際に、直接的ウェーハ結合またはエポキシのいず
れかを使用して行うことができる。
【００１８】ファブリペロー・フィルタ１１０は、電圧
駆動してもよい。この場合、電圧バイアスを電極１４
０、１３５に印加してファブリペロー・フィルタ１１０
の共振モードを調整する（図２参照）。バイアス電圧の
印加で、アーム３０１（図４参照）を曲げることによっ
て頂部ＤＢＲミラー１３０、底部ＤＢＲミラー１２０間
の分離量ｄを減らす共に、膜３１０を比較的歪んでいな
い状態に残す。しかしながら、電圧駆動モードは、膜３
１０と底部ＤＢＲミラー１２０の間に、分離量の二乗
（ｄ2）に反比例する静電力を生じさせ、有意に非線形
の反応および静電的不安定性を生じさせることになる。
駆動してもよい。この場合、電圧バイアスを電極１４
０、１３５に印加してファブリペロー・フィルタ１１０
の共振モードを調整する（図２参照）。バイアス電圧の
印加で、アーム３０１（図４参照）を曲げることによっ
て頂部ＤＢＲミラー１３０、底部ＤＢＲミラー１２０間
の分離量ｄを減らす共に、膜３１０を比較的歪んでいな
い状態に残す。しかしながら、電圧駆動モードは、膜３
１０と底部ＤＢＲミラー１２０の間に、分離量の二乗
（ｄ2）に反比例する静電力を生じさせ、有意に非線形
の反応および静電的不安定性を生じさせることになる。
【００１９】非線形性、静電的不安定性の問題について
の解答は、電荷駆動モードにおいてファブリペロー・フ
ィルタ１１０を作動させることによって与えられる。フ
ァブリペロー・フィルタ１１０が一定電圧に保たれる電
圧駆動モードと逆に、電荷従動モードにおいては、ファ
ブリペロー・フィルタ１１０にかかる電荷が一定に保た
れる。ファブリペロー・フィルタ１１０にかかる電荷が
一定のとき、膜３１０と底部ＤＢＲミラー１２０の間の
静電力は、分離量ｄと無関係であり、より良好な直線性
を生じさせ、静電的不安定性を避けることができる。
の解答は、電荷駆動モードにおいてファブリペロー・フ
ィルタ１１０を作動させることによって与えられる。フ
ァブリペロー・フィルタ１１０が一定電圧に保たれる電
圧駆動モードと逆に、電荷従動モードにおいては、ファ
ブリペロー・フィルタ１１０にかかる電荷が一定に保た
れる。ファブリペロー・フィルタ１１０にかかる電荷が
一定のとき、膜３１０と底部ＤＢＲミラー１２０の間の
静電力は、分離量ｄと無関係であり、より良好な直線性
を生じさせ、静電的不安定性を避けることができる。
【００２０】図８は、マイクロ電子機械的に調整可能な
分光光度計１００を調整するために電荷駆動モードを実
施するための、本発明による一実施例におけるスイッチ
ドキャパシタ(Switched Capacitor)回路８００を示して
いる。ファブリペロー・フィルタ１１０は、演算増幅器
８５０のフィードバック・ループ８７３にコンデンサと
して接続され、仮想アースに保持されるノード８０３を
生じさせる。電圧信号が、スイッチ８６０に接続したノ
ード８０１で入力される。スイッチ８６０は、ノード８
０２と接続する。コンデンサ８１０は、ノード８０２と
ノード８０３の間に接続される。スイッチ８６１は、ノ
ード８０２を経てコンデンサ８１０をアース８９３に接
続する。ノード８０３は、また、演算増幅器８５０上の
ターミナル８０６、演算増幅器８５０のフィードバック
・ループ８７３にあるファブリペロー・フィルタ１１０
に接続し、スイッチ８６２によってノード８０４に接続
する。ノード８０４は、演算増幅器８５０の出力側にあ
り、フィードバック・ループ８７３およびスイッチ８６
２と接続する。演算増幅器８５０のターミナル８０５
は、アース８９０に接続している。
分光光度計１００を調整するために電荷駆動モードを実
施するための、本発明による一実施例におけるスイッチ
ドキャパシタ(Switched Capacitor)回路８００を示して
いる。ファブリペロー・フィルタ１１０は、演算増幅器
８５０のフィードバック・ループ８７３にコンデンサと
して接続され、仮想アースに保持されるノード８０３を
生じさせる。電圧信号が、スイッチ８６０に接続したノ
ード８０１で入力される。スイッチ８６０は、ノード８
０２と接続する。コンデンサ８１０は、ノード８０２と
ノード８０３の間に接続される。スイッチ８６１は、ノ
ード８０２を経てコンデンサ８１０をアース８９３に接
続する。ノード８０３は、また、演算増幅器８５０上の
ターミナル８０６、演算増幅器８５０のフィードバック
・ループ８７３にあるファブリペロー・フィルタ１１０
に接続し、スイッチ８６２によってノード８０４に接続
する。ノード８０４は、演算増幅器８５０の出力側にあ
り、フィードバック・ループ８７３およびスイッチ８６
２と接続する。演算増幅器８５０のターミナル８０５
は、アース８９０に接続している。
【００２１】トランジスタであってもよいスイッチ８６
０、８６１、８６２は、低パワー・クロック発振器（た
とえば、Connor-Winfield, HSM93-10.0000 10 MHz osci
llator）によって制御される。この発振器は、２つの非
オーバーラップ位相Φ1、Φ2を発生させるのに使用す
る。信号Φ1は、スイッチ８６０、８６２を駆動するの
に使用され、信号Φ2は、スイッチ８６１を駆動するの
に使用される。信号Φ1が高く、信号Φ2が低いとき、ス
イッチ８６０、８６２が閉じ、コンデンサ８１０が充電
される。信号Φ2が高く、信号Φ1が低いとき、スイッチ
８６１が閉じ、コンデンサ８１０上に格納された電荷ｑ
をファブリペロー・フィルタ１１０に移送させることに
なる。ポイント８９０、８９３はアースである。図８に
示す回路についての寄生キャパシタンスおよびアースに
対する漏洩抵抗は、第１オーダーまでノード８０４のと
ころの出力電圧に対してなんの影響も持たない。それに
加えて、分路抵抗および分路キャパシタンスが、フィー
ドバック・ループ８７３内に存在する。フィードバック
・ループ８７３における分路キャパシタンスは、ファブ
リペロー・フィルタ１１０のキャパシタンスに加わり、
そして、分路抵抗と共に、スイッチドキャパシタ回路８
００に非線形性を加える。しかしながら、非線形性全体
は、図８に示す回路の場合、代表的には、１％フルスケ
ールのオーダーに保たれる。
０、８６１、８６２は、低パワー・クロック発振器（た
とえば、Connor-Winfield, HSM93-10.0000 10 MHz osci
llator）によって制御される。この発振器は、２つの非
オーバーラップ位相Φ1、Φ2を発生させるのに使用す
る。信号Φ1は、スイッチ８６０、８６２を駆動するの
に使用され、信号Φ2は、スイッチ８６１を駆動するの
に使用される。信号Φ1が高く、信号Φ2が低いとき、ス
イッチ８６０、８６２が閉じ、コンデンサ８１０が充電
される。信号Φ2が高く、信号Φ1が低いとき、スイッチ
８６１が閉じ、コンデンサ８１０上に格納された電荷ｑ
をファブリペロー・フィルタ１１０に移送させることに
なる。ポイント８９０、８９３はアースである。図８に
示す回路についての寄生キャパシタンスおよびアースに
対する漏洩抵抗は、第１オーダーまでノード８０４のと
ころの出力電圧に対してなんの影響も持たない。それに
加えて、分路抵抗および分路キャパシタンスが、フィー
ドバック・ループ８７３内に存在する。フィードバック
・ループ８７３における分路キャパシタンスは、ファブ
リペロー・フィルタ１１０のキャパシタンスに加わり、
そして、分路抵抗と共に、スイッチドキャパシタ回路８
００に非線形性を加える。しかしながら、非線形性全体
は、図８に示す回路の場合、代表的には、１％フルスケ
ールのオーダーに保たれる。
【００２２】本発明の一実施例によれば、２ボルトの最
大入力電圧が、約０．１ｐＦの最大キャパシタンスを有
するファブリペロー・フィルタ１１０についてのポイン
ト８０１に入力され、そして、コンデンサ８１０が、
１．０ｐＦであるように選ばれ、演算増幅器８５０に２
０ボルトの供給源電圧が印加される。電荷漏洩の影響を
回避するために、約１０MHzの周波数が、クロック発振
器についての代表的な周波数選択である。
大入力電圧が、約０．１ｐＦの最大キャパシタンスを有
するファブリペロー・フィルタ１１０についてのポイン
ト８０１に入力され、そして、コンデンサ８１０が、
１．０ｐＦであるように選ばれ、演算増幅器８５０に２
０ボルトの供給源電圧が印加される。電荷漏洩の影響を
回避するために、約１０MHzの周波数が、クロック発振
器についての代表的な周波数選択である。
【００２３】以下に示すように、Ｖinは、上方膜３１０
の平衡状態からの変位量ｚに比例する。ｄ0を平衡分離
量（代表的には約１μｍ）であり、Ｖoutをポイント８
０４での出力電圧であり、Ｃ1をコンデンサ８１０のキ
ャパシタンスであり、Ｃxをファブリペロー・フィルタ
１１０のキャパシタンスであるとしたとき、膜３１０の
面積Ａは、１μｍ2のオーダーにあり、膜構造３００の
ばね常数ｋは、代表的には、約１〜１０Ｎ／ｍの範囲に
あり、ＭＫＳユニットにおける真空の誘電率ε0は、次
の式を与える。
の平衡状態からの変位量ｚに比例する。ｄ0を平衡分離
量（代表的には約１μｍ）であり、Ｖoutをポイント８
０４での出力電圧であり、Ｃ1をコンデンサ８１０のキ
ャパシタンスであり、Ｃxをファブリペロー・フィルタ
１１０のキャパシタンスであるとしたとき、膜３１０の
面積Ａは、１μｍ2のオーダーにあり、膜構造３００の
ばね常数ｋは、代表的には、約１〜１０Ｎ／ｍの範囲に
あり、ＭＫＳユニットにおける真空の誘電率ε0は、次
の式を与える。
【００２４】 Ｖout＝Ｃ1Ｖin／Ｃx （１） Ｃx＝ε0Ａ／（ｄ0−ｚ） （２） そして、式（１）、（２）から、 Ｖout＝Ｃ1Ｖin（ｄ0−ｚ） （３） あるいは、Ｖout、Ｖinの関数としてのエアギャップ・
キャビティ１２５の高さは、 ｄ＝ｄ0−ｚ＝Ｖout／Ｃ1Ｖin （４） である。平衡状態ｚからの膜構造３００の撓みは、以下
のようにＶinの関数としてのみ表すことができる。 ｚ＝ｋＦe＝ｋ（Ｃ1Ｖin）2／（２ε0Ａ） （５） ここで、Ｆeは、膜構造３００に作用する静電力であ
り、その結果、エアギャップ・キャビティ１２５の高さ
ｄは、次式で与えられる。 ｄ＝ｄ0−ｋ（Ｃ1Ｖin）2／（２ε0Ａ） （６） そして、ファブリペロー・フィルタ１１０は、たとえ
ば、図７を使用して所望の波長に調整することができ
る。
キャビティ１２５の高さは、 ｄ＝ｄ0−ｚ＝Ｖout／Ｃ1Ｖin （４） である。平衡状態ｚからの膜構造３００の撓みは、以下
のようにＶinの関数としてのみ表すことができる。 ｚ＝ｋＦe＝ｋ（Ｃ1Ｖin）2／（２ε0Ａ） （５） ここで、Ｆeは、膜構造３００に作用する静電力であ
り、その結果、エアギャップ・キャビティ１２５の高さ
ｄは、次式で与えられる。 ｄ＝ｄ0−ｋ（Ｃ1Ｖin）2／（２ε0Ａ） （６） そして、ファブリペロー・フィルタ１１０は、たとえ
ば、図７を使用して所望の波長に調整することができ
る。
【図１】 本発明の一実施例によるマイクロ電子機械的
に調整可能な分光光度計の断面図である。
に調整可能な分光光度計の断面図である。
【図２】 マイクロ電子機械的に調整可能な分光光度計
の製作における一ステップを示す断面図である。
の製作における一ステップを示す断面図である。
【図３】 本発明による光ファイバ・マウントを示す図
である。
である。
【図４】 本発明の一実施例による可動膜を示す図であ
る。
る。
【図５】 本発明による光ファイバ・マウントを示す図
である。
である。
【図６】 本発明によるマイクロ電子機械的に調整可能
な分光光度計の一実施例を示す図である。
な分光光度計の一実施例を示す図である。
【図７ａ】 本発明の一実施例に従ってエアギャップ・
キャビティ高さを減らしたときの光伝送の波長への依存
関係を示すグラフである。
キャビティ高さを減らしたときの光伝送の波長への依存
関係を示すグラフである。
【図７ｂ】 本発明の一実施例に従ってエアギャップ・
キャビティ高さを減らしたときの光伝送の波長へ依存関
係を示すグラフである。
キャビティ高さを減らしたときの光伝送の波長へ依存関
係を示すグラフである。
【図８】 本発明によるスイッチドキャパシタ回路の回
路図である。
路図である。
１００ 分光光度計 １１０ ファブリペロー・キャビティ・フィルタ １１５ ４分の１波長Ｓｉ／ＳｉＮxスタック １２０ 底部分布型ブラッグ反射器ミラー １２５ エアギャップ・キャビティ １３０ 頂部分布型ブラッグ反射器ミラー １３５ 透明底部電極 １４０ 透明頂部電極 １７５ 光検出器 ８００ スイッチドキャパシタ回路 ８０１ ノード ８０３ ノード ８１０ コンデンサ ８５０ 演算増幅器 ８６０ スイッチ ８６１ スイッチ ８６２ スイッチ ８７３ フィードバック・ループ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョエル エイ クビー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14622 ロチェスター スプリング ヴァリー ドライヴ 63 (72)発明者 アレックス ティー トラン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14850 イサカ ノース トリップハマー ロー ド 2250 アパートメント ケイ２エイ (72)発明者 エリック ピーターズ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94555 フリーモント ミモザ テラス 34287
Claims (3)
- 【請求項１】 マイクロ電子機械的に調整可能なファブ
リペロー・フィルタ構造であって、 第１表面を有する基体と、 前記基体の前記第１表面に配置された第１電極と、 前記第１電極と接触している第１ミラーと、 エアギャップ・キャビティによって前記第１ミラーから
分離された第２ミラーと、 前記第２ミラーと接触している第２電極とを包含し、 前記両電極のうちの一方に一定量の電荷を導入すること
によって前記第２ミラーが前記第１ミラーに関して一定
距離を変位可能であることを特徴とするファブリペロー
・フィルタ構造。 - 【請求項２】 ファブリペロー分光光度計システムであ
って、 マイクロ電子機械的に調整可能なファブリペロー・フィ
ルタと、 演算増幅器を包含するスイッチドキャパシタ回路とを包
含し、 前記ファブリペロー・フィルタが前記演算増幅器のフィ
ードバック・ループに電気的に接続していることを特徴
とするファブリペロー分光光度計システム。 - 【請求項３】 マイクロ電子機械的に調整可能なファブ
リペロー・フィルタ構造を製造する方法であって、 第１表面を有する基体を設ける段階と、 前記基体の前記第１表面に配置された第１電極を設ける
段階と、 前記第１電極と接触している第１ミラーを設ける段階
と、 エアギャップ・キャビティによって前記第１ミラーから
分離された第２ミラーを設ける段階と、 前記第２ミラーと接触している第２電極を設ける段階と
を包含し、 前記第２ミラーが、前記両電極のうちの一方に一定量の
電荷を導入することによって前記第１ミラーに関して一
定距離変位可能であることを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/469892 | 1999-12-22 | ||
| US09/469,892 US6295130B1 (en) | 1999-12-22 | 1999-12-22 | Structure and method for a microelectromechanically tunable fabry-perot cavity spectrophotometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001235369A true JP2001235369A (ja) | 2001-08-31 |
Family
ID=23865444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000379910A Pending JP2001235369A (ja) | 1999-12-22 | 2000-12-14 | ファブリペロー・キャビティ分光光度計およびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6295130B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001235369A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005509897A (ja) * | 2001-11-16 | 2005-04-14 | アトメル グルノーブル ソシエテ アノニム | 調整可能な光学フィルタリング部品 |
| JP2006511828A (ja) * | 2002-05-17 | 2006-04-06 | アトメル グルノーブル ソシエテ アノニム | 光フィルタ部品を集積形成する方法 |
| JP2006177954A (ja) * | 2004-12-20 | 2006-07-06 | Xerox Corp | 機械的に調整可能な全幅のアレイ型分光光度計 |
| CN102449447A (zh) * | 2009-05-29 | 2012-05-09 | Vtt技术研究中心 | 微机械可调法布里珀罗干涉仪、中间产品及其制造方法 |
| WO2015064758A1 (ja) * | 2013-10-31 | 2015-05-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置 |
| WO2018061679A1 (ja) * | 2016-09-29 | 2018-04-05 | 富士フイルム株式会社 | 光変調素子および光検出素子 |
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