JP2004001209A - 微小電気機械システム、及び、静電力を用いて可動電極を移動させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極と関連づけられた支持機構の静電気による撓みを制御するための、改良された微小電気機械システムの提供。
【解決手段】微小電気機械システムは、横截面に基体表面を有する基体１０８と、基体表面に対して概ね垂直な向きの移動平面１１０内の軌道を移動する可動電極１１４と、該可動電極１１４の移動を制御する少なくとも１つの固定電極１１６とを含み、該固定電極１１６の電極表面の９０％が、可動電極１１４と基体１０８との接触が最大になるように可動電極１１４が移動平面１１０を移動した際に可動電極１１４によって覆われる表面を超えて延在する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動電極と関連づけられた支持機構の静電気による撓みを制御するための、改良された微小電気機械システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、通常、センサ及びアクチュエータに基づく装置用の静電気で作動される機械部材として、懸架された微小機械可動電極構造を用いる。可動電極構造を懸架する支持構造を作るための、複数の異なる方法が存在する。そのような可動電極を懸架する１つの方法では、一端部が基体に固定され且つ他端部が可動電極構造に固定されたたカンチレバー部材が用いられる。別の実施形態では、カンチレバーは、導電性材料で作られるか又はコーティングされており、カンチレバー自体が可動（移動）電極として作用する。カンチレバーの機械的可撓性（例えば、曲げ）及び／又は固定された端部における動作（例えば、ヒンジ又は可撓性接続）により、懸架された電極が移動できる。幾つかのケースでは、カンチレバーの端部には付加的な可動構造がなく、センサ又はアクチュエータ装置はカンチレバーの動作に基づく。このようなカンチレバーは、一般的に、固定されずに又は簡単な固定で支持されたカンチレバーである。
【０００３】
１つ以上の可動電極を懸架する第２の方法では、可動電極として作用するか又は可動電極が取り付けられた可動部材を支持する複数のカンチレバーが用いられる。固定電極は、固定電極と可動電極構造との間に電位差を与えることで可動電極構造の移動を制御するための、アクチュエータとして作用する。一般的に、固定電極は、懸架された可動電極の下方に配置されて平行板コンデンサのような構造を構成し、固定電極が第１の板として作用して、懸架された可動電極が第２の板として作用する。電極に与えられた電位は静電力を生じ、この静電力は、可動電極を支持する支持機構又は可動電極自体を移動又は変形させる。このような支持機構は、曲げ可能又は別様で変形可能なカンチレバーを含んでもよい。
【０００４】
一般的なカンチレバーの用途としては、微小サイズのリレー、アンテナ、力センサ、圧力センサ、加速センサ及び電気プローブが挙げられる。最近、光学的な切替用途において光を方向転換するための低電力の微調整可能な微小ミラーアレイを開発するために、カンチレバーアレイを用いることが、かなり注目されている。このような構造は、本明細書に参照として援用する「絶縁性基体上のシリコン上の光学的な切替用の構造（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒａｎＯｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈｏｎａＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｕｂｓｔｒａｔｅ）」という名称の米国特許第６，３００，６６５Ｂ１号に記載されている。
【０００５】
このようなカンチレバー構造の１つの問題は、カンチレバー及び電極の従来の構成で達成できる制御可能な移動の量が限られていることである。絶縁性の媒体（例えば空気）で隔てられた２つの導電体の間に電圧差を与えた場合、２つの導電体間の静電力は、導電体間の距離の二乗に反比例する。従って、より大きな範囲の移動を試みた場合にしばしば生じるように、可動電極が固定電極により近接するように移動すると、固定電極と可動電極との間の強い静電力により、「引っ張り込む」又は「パタッと閉める」（スナップダウン）効果が生じて２つの電極を接触させる。この問題は、ＡＣ（交流）システムと比べてＤＣ（直流）システムで特に深刻である。
【０００６】
電極を移動させる際に、可動に懸架された板が移動可能範囲（一般的に、空隙の高さと等しい）の３分の１を移動すると、理論的には平行板コンデンサに不安定性が生じる。先に引用した特許出願に記載されているように、応力を与えた金属系では、より一般的な「真っ直ぐな」カンチレバーに対して、カンチレバーは一般的に「湾曲」している。しかし、作動電極がカンチレバーの下方に配置される場合には、カンチレバーがその移動可能範囲の概ね３分の１を超えて移動すると、通常はこのような不安定性が生じる。
【０００７】
懸架された電極及びそれに対応する支持構造がスナップダウンする電位を補正するための、様々な解決法が提案されている。これらの解決法には、チャージドライブを用いるもの（例えば、非特許文献１参照）、容量素子を直列に加えるもの（例えば、非特許文献２参照）、又は、容量、圧電若しくは光学検出器を用いて閉ループフィードバックシステムを作るもの（例えば、非特許文献３参照）がある。これらの方法は、移動の安定範囲を様々な程度に広げる。しかし、これらの方法は全て、カンチレバー及びアクチュエータ機構の製造を複雑にし、それによって製造コストを上げると共に信頼性を下げるものである。従って、不安定性を回避しつつ広い移動範囲にわたってカンチレバーを移動させる改良された方法が必要である。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，６１３，８６１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，８４８，６８５号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，９１４，２１８号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，９４４，５３７号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，９７９，８９２号明細書
【特許文献６】
米国特許第６，１８４，０６５Ｂ１号明細書
【特許文献７】
米国特許第６，１８４，６９９Ｂ１号明細書
【特許文献８】
米国特許第６，２１３，７８９Ｂ１号明細書
【特許文献９】
米国特許第６，２６４，４７７Ｂ１号明細書
【特許文献１０】
米国特許第６，２９０，５１０Ｂ１号明細書
【特許文献１１】
米国特許第６，３００，６６５Ｂ１号明細書
【特許文献１２】
米国特許第６，３５２，４５４Ｂ１号明細書
【特許文献１３】
米国特許第６，３６１，３３１Ｂ２号明細書
【非特許文献１】
シーガー等（Ｓｅｅｇｅｒ，ｅｔ．ａｌ）著，「静電気の不安定性を超えた平行板アクチュエータの力学及び制御（Ｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐａｒａｌｌｅｌ−ｐｌａｔｅａｃｔｕａｔｏｒｓｂｅｙｏｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）」，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９９（仙台）会報
【非特許文献２】
シーガー等（Ｓｅｅｇｅｒ，ｅｔ．ａｌ）著，「静電気で作動される機械装置の安定化（ＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙＡｃｔｕａｔｅｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅｖｉｃｅｓ）」，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９７（シカゴ）会報
【非特許文献３】
フジタ（Ｆｕｊｉｔａ）著，「ＭＥＭＳ：光通信への適用（ＭＥＭＳ：ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」，ＳＰＩＥ’０１（サンフランシスコ）会報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
可動（移動）電極と関連づけられた支持機構の静電気による撓みを制御するための、改良されたシステムが説明される。このシステムでは、基体上に形成された固定電極が、静電力を用いて、支持構造に結合された可動電極の移動を制御する。可動電極が基体上の固定電極に近接した際に生じる強い静電引力を回避するために、固定電極の実質的な部分が、可動電極の移動範囲の経路上に直に存在するのではなく経路に隣接するように、これらの電極はオフセットされている。
【００１０】
請求項１の発明の態様は、横截面に基体表面を有する基体と、前記基体表面に対して概ね垂直な向きの移動平面内の軌道を移動する可動電極と、該可動電極の移動を制御する少なくとも１つの固定電極であって、該固定電極の電極表面の９０％が、前記移動（可動）電極と前記基体との接触が最大になるように前記移動（可動）電極が前記移動平面を移動した際に前記移動（可動）電極によって覆われる表面を超えて延在する、前記固定電極と、を含む、微小電気機械システムである。
請求項２の発明の態様は、請求項１の態様において、前記可動電極が少なくとも１つのカンチレバーによって懸架される。
請求項３の発明の態様は、横截面に基体表面を有する基体と、移動平面内の軌道を移動する可動電極と、前記可動電極の移動を制御するための、前記可動電極の横に隣接して配置された固定電極と、を含む、微小電気機械システムである。
請求項４の発明の態様は、横截面に基体表面を有する基体と、可動電極と、該可動電極の移動を制御する固定電極であって、該固定電極の電極表面の少なくとも半分が、前記移動（可動）電極が前記基体表面に対して垂直な線に沿って前記基体表面へと平行移動した際に前記移動（可動）電極によって覆われる表面を超えて延在する、前記固定電極と、を含む、微小電気機械システムである。
請求項５の発明の態様は、懸架された移動（可動）電極と該移動（可動）電極の横に隣接して配置された固定電極との間に電圧差が生じるように電圧を印加する工程を含み、該印加電圧が、前記移動（可動）電極の下方であり且つ前記固定電極に隣接した基体上の点に向けて前記移動（可動）電極を移動させる、静電力を用いて移動（可動）電極を移動させる方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、ＭＥＭＳのカンチレバー式アクチュエータ構造の２つの例を示している。図１は、単純化した固定端部−自由端部カンチレバー電極構造の斜視図である。図１に示されているカンチレバーの例は、上方向に撓む可撓性カンチレバーであり、本明細書に参照として援用する「フォトリソグラフィでパターニングしたばねコンタクト（ＰｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙＰａｔｔｅｒｎｅｄＳｐｒｉｎｇＣｏｎｔａｃｔ）」という名称の米国特許出願第５，６１３，８６１号に記載されている、応力の与えられた金属構造を形成する技術を用いて形成されてもよい。図１では、可撓性のカンチレバー１０４は、固定点１１２で基体１０８に固定されている。可動電極１１４と固定電極アクチュエータとの間の静電力の生成を容易にする懸架された可動電極１１４を形成するために、一般的に、カンチレバーは導電性材料で構成又はコーティングされている。カンチレバーの形成に適した材料の例には、金属、シリコン及びポリシリコンが含まれる。別の実施形態では、カンチレバーは応力を与えた金属であり、図示されている湾曲構造を作る。このような応力を与えられる金属のカンチレバーは、モリブデン、ジルコニウム、及び／又はタングステン（Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ）等の耐熱性金属で形成されてもよい。
【００１２】
基体１０８上に付着させられた固定電極１１６は、可動電極１１４の移動を制御することによりカンチレバー１０４の移動を制御する。可動電極１１４は、図示されている例では基体の表面に対して垂直な向きの移動平面１１０内（図示されている実施形態では、移動平面１１０を表す図が描かれている紙）を弧状に移動する。固定電極１１６と可動電極１１４との間に電圧差が与えられると、カンチレバー１０４は固定電極１１６に向かって移動する。移動平面１１０内の移動の軌道に沿った可動電極１１４の変位が最大になり、可動電極１１４が基体１０８の横截面内にあるときの可動電極の位置が、輪郭１２０で示されている。図１ではカンチレバー１０４は撓むが、別の実施形態では、剛性のカンチレバーが固定点１１２の周囲を回動してもよい。
【００１３】
カンチレバー１０４は、可動電極として作用するために、金属、シリコン、ポリシリコン、又は他の導電性材料等の様々な材料で作られてよい。或いは、カンチレバーは、ポリマー、セラミック等の絶縁性材料で作られ、その後、金属膜等の導電性材料でコーティングされてもよく、この導電性材料コーティングが可動電極として作用する。カンチレバーの適切な寸法は、５０００マイクロメートル未満（一般的には５００未満）の長さ１１８及び１０００マイクロメートル未満（一般的には１００未満）の幅であるが、別の実施形態ではより大きなカンチレバーを用いてもよい。
【００１４】
可動電極と、それに関連づけられた支持構造とに対する、大きな移動範囲にわたる制御を維持するために、固定電極は、カンチレバーの直下ではなく、横に隣接するよう配置される。議論の目的で、「横に隣接する」とは、この場合にはカンチレバーである可動電極が基体の横截面内にあるように最大に変位した場合であっても、２つの電極が基体の平面において隣接するような、可動電極の軌道に隣接する位置として定義される。ほとんどの場合は、可動電極が弧状に移動する場合であっても、軌道内の移動が、懸架された電極を固定電極を支持する基体の表面に垂直な線に沿って平行移動させるのと略等価となるように、弧の範囲（ｒａｄｉｕｓｅｓ）は小さい。２つの電極が基体の平面内にあるとき、「横に隣接する」ことは、可動電極及び固定電極の接触を必要としたり又はそれを意味することではなく、可動電極が基体の横截面内にあるときに、電極は、一般的に約５０マイクロメートル未満（例えば５μｍ）離間された状態で、近接するだけである。しかし、電極全体が横に隣接しなくても、システムは依然として動作し得ると考えられるので、一般的に電極の表面の１０％未満の少量の重なりが生じる場合でも、フリンジ電界が可動電極と固定電極との間の引力の主要な源であり、依然として安定性が達成されよう。
【００１５】
カンチレバーが静止位置から変位しない場合でも、妥当な電圧範囲内（一般的に２００ボルト未満）の静電引力の効果がカンチレバーの移動を制御できるように、固定電極から可動電極までの距離は、例えば１０マイクロメートル未満と比較的小さく保たれるべきである。電極の全表面領域が、カンチレバーの下方ではなく横に隣接する場合には、カンチレバーが最大に変位した際のカンチレバーと電極との直接接触が回避され、それにより、固定電極上の絶縁層が不要になる。
【００１６】
図２は、可動電極を懸架するための別の機構の側面図及び平面図である。図２の構造は、一般的にルーセントミラー（Ｌｕｃｅｎｔｍｉｒｒｏｒ）と呼ばれる構造の僅かな変形であり、ルーセントミラーは、従来、光学系で光の方向を変えるために用いられている。図２では、真っ直ぐな捻り撓み性カンチレバー２０４が、固定点２１２で基体２０８に固定されると共に、懸架された可動部材２１６に固定されている。これらの要素は、共に、可動電極用の支持構造を表す。本発明の一実施形態では、部材２１６は導電性材料で構成又はコーティングされるので、可動電極としても作用する。導電性材料は、可動電極と、電極アクチュエータとして作用する固定電極２２０との間での、静電力の生成を補助する。懸架された可動部材の形成に適した材料の例には、金属、シリコン及びポリシリコンが含まれる。基体２０８上の固定電極２２０は、部材２１６の移動を制御する。図示されている実施形態では、部材２１６は、軸２２４の周囲を回転する。軸２２４の向きは基体表面と平行である。固定電極２２０と、部材２１６と関連づけられた可動電極との間に電圧差が与えられると、部材２１６は固定電極に向かって回転する。図示されている実施形態では、カンチレバー２０４は捻れ撓むが、別の実施形態では、この捻り撓みが、固定点２２８の周囲を回動する剛性のカンチレバーと置き換えられてもよい。
【００１７】
可撓性カンチレバー２０４は、金属、シリコン、ポリシリコン等の様々な可撓性材料で作られてもよい。カンチレバーの適切な寸法は、５０００マイクロメートル未満（一般的には５００未満）の長さ２３２及び１０００マイクロメートル未満（一般的には１００未満）の幅であるが、別の実施形態ではより大きなカンチレバーを用いてもよい。大きな移動範囲にわたる移動の制御を維持するために、固定電極は、可動電極の直下ではなく、横に隣接するよう配置され、図示されている例では、懸架された部材２１６は導電性材料から形成され、可動電極として作用する。懸架された部材が静止位置から変位しない場合でも、妥当な電圧範囲内（一般的に２００ボルト未満）で静電引力の効果によりカンチレバーの移動を制御できるように、固定電極までの距離は、例えば１０〜１００マイクロメートル未満と比較的小さく保たれるべきである。電極の全表面領域が、懸架された部材の下方ではなく横に隣接する場合には、カンチレバーが最大に変位した際のカンチレバーと電極との直接接触が回避され、それにより、いずれの電極上の絶縁層も不要になる。
【００１８】
図２に示されている構造の更に別の変形例では、懸架された部材２１６と、固定電極２２０等の複数の固定電極との間に電圧差を同時に与え、それにより、懸架された部材２１６を固定電極の平面に向かって下方に平行移動させてもよい。懸架された部材にわたって力をほぼ等しく保つことにより、回転移動が回避され得る。この平行移動の場合には、固定電極２２０が、懸架された部材２１６で表される懸架された可動電極の直下に配置されると、移動可能範囲の３分の１の地点で不安定性が生じる。図２に示されるように、電極を横にオフセットすると、移動の安定範囲が可能範囲の３分の１を超えて実質的に拡げられ、全移動可能範囲に近づく。
【００１９】
カンチレバー及びアクチュエータのＭＥＭＳ構造を製造する方法は数多く存在する。図３は、３工程の半導体マスキングプロセスを用いてカンチレバー電極構造を製造する１つの方法を示している。このプロセスは、当業者による半導体カンチレバーの製造を可能にするために説明されるが、本発明は、説明される特定のタイプのカンチレバーにも、このカンチレバー及び電極構造の製造に用いられる特定の方法にも限定されるべきではない。
【００２０】
図３の処理３０４では、ガラス又は石英等の基体上に、電極材料が付着させられる。電極材料は、多くの導電性材料又はクロム等の金属で作られてよい。付着後、処理３０８で、電極及び、該電極を制御回路に結合するトラック又はワイヤを定めるためのパターンマスキング及びウェットエッチングが行われる。制御回路は、電極の荷電及び放電を制御することにより、カンチレバーの移動を制御する。電極の厚さは、抵抗感知に適した面積抵抗を得るよう調整されてもよい。クロムは、約１３０×１０^９オーム／Ｍの抵抗率を有するので、２５ｎｍの薄膜では約５オーム／ｓｑとなる。
【００２１】
処理３１２では、アモルファスシリコン剥離層等の剥離層が付着させられる。一般的に、剥離層の厚さは、カンチレバーと基体表面との間隔を決定する。剥離層は、電極層よりも僅かに厚い場合が多い。剥離層は、次のカンチレバー層全体が基体に接着するのを防止するバッファ層として作用する。処理３１６では、モリブデンクロム（ＭｏＣｒ）層等のカンチレバー層が、ブランケットコーティングで剥離層上に付着させられる。カンチレバーの一般的な厚さは約１マイクロメートルである。応力を与えた金属カンチレバーが望まれる場合には、応力金属付着法（ｓｔｒｅｓｓｅｄｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いてカンチレバー層を付着させる。
【００２２】
処理３２０では、過剰なＭｏＣｒをエッチングで除去することによってカンチレバーの形状を定めるために、第２マスク層が用いられる。処理３２４では、剥離層がエッチングされ、基体に直接固定されたカンチレバーの一端部のみを残してカンチレバーが剥離される。シリコン剥離層をエッチングする一般的な方法は、ＸｅＦ_２をエッチング液とするドライエッチングを用いる。例えば酸化シリコン等の他の剥離層材料を用いる場合には、犠牲層の除去に、ウェットエッチング（例えばフッ化水素酸）を用いるのが一般的である。
【００２３】
図４、図５、図６及び図７は、固定電極及び可動電極カンチレバー構造の平面図であり、カンチレバーに対する電極の代替の位置を示している。図４は、従来の、電極上にカンチレバーがある構造の平面図である。接触領域４０４では、カンチレバーは、直接又は中間層を介して、その下の基体に固定されいる。カンチレバーの可撓性領域４０８は、その下の、カンチレバーの移動を制御する電極の上に直接載っている。非常に近接していることと、カンチレバーの下方に配置された電極によって力が直接与えられることとにより、カンチレバーを移動させるのに必要な動作電圧は最小限になる。しかし、この電力低減の要求は、大きな不安定性と引き替えである。電圧が臨界電圧より高いと、カンチレバーが基体に向かって「スナップダウン」する。
【００２４】
図５は、長手方向がカンチレバー５０８の長手方向と平行に配向された複数の長方形の帯状電極５０４を用いる、本発明の一実施形態を示している。電極５０４は、カンチレバーの直下には配置されないので、横にずらされた長方形の帯状電極は、フリンジ電界に依存して、カンチレバーを下方に引っ張る。カンチレバーが基体向かって下方に移動すると、カンチレバーと電極との間の電界の力のベクトルは、次第に、基体に向かう下方向ではなく、（基体の平面において）横方向に向くようになる。従って、カンチレバーが基体に向かって移動するにつれて電界の強度又は絶対値が高まっても、力のより多くの割合が横方向に加わり、下向きの電界強度の急激な増加を軽減する。カンチレバーの周囲に電極を対称に配列すると、横方向の力の成分が相殺され、それにより、カンチレバーの横方向のずれが最小限になる。
【００２５】
移動の安定範囲をさらに拡げるために、図６に示されるように、長方形の電極を三角形の電極６０４、６０８と置き換えてもよい。この実施形態では、カンチレバーと固定電極との間の距離は、カンチレバーの長手に沿って増加する。カンチレバーと固定電極との間の距離が増加すると、カンチレバーの長手方向に沿った所与の電圧に対する力が更に低減され、移動の安定範囲が更に拡がる。図６の実施形態は、図５及び図６に示されている構造を比較すると、カンチレバーの同等の変位を達成するために最も高い電圧を必要とするが、実際に必要な電圧は、カンチレバー及び電極の幾何形状、カンチレバーの寸法、材料特性等を含む多くの要因によって異なる。カンチレバー６１２の大きな変位を達成するための一般的な電圧は、約１５０ボルトであり得る。三角形の電極も、カンチレバーに加わる力とカンチレバーの長さにわたる可撓性との間にかなり一定のバランスを与えるので、図６に示されている構成は、最も安定した構成を提供する。
【００２６】
図６に示されている三角形の電極では、カンチレバーと電極縁部との間の間隔が、電極に印加された電圧に関して、かなりの線形性を保持する。一般的に、固定電極の最も近い点と可動電極の最も近い点との間の距離が、可動電極を支持する支持構造が基体に結合されている点からの距離と共に増加するように、可動及び／又は固定電極が形成された場合に、システムの安定性が高まる。徐々に増加する距離を実現する様々な方法には、三角形の固定電極を形成すること、三角形の可動電極を形成すること、又は、長方形の固定及び可動電極を、電極の縁部間の間隔が三角形を形成するように角度をつけて配向することが含まれる。本発明の別の実施形態では、別の先細の幾何形状（例えば、直線状に対して湾曲した形状）を有する電極を用いてもよい。変位ｖｓ電圧曲線を線形にするために、又は別様で調節するために、これらの異なる構成を用いてもよい。
【００２７】
図７は、本発明の一実施形態を示しており、ここでは、カンチレバー７１２の切抜き領域７０８の下方に、先細の（又は直線状の）固定電極７０４が形成されている。このタイプ及び他のタイプの、「内部に隣接する」電極を有する「切り抜かれた」カンチレバーは、横にオフセットされた他の作動電極と同じ概念に基づいているが、更なる長所を提供し得るものである。例えば、図７に示されている実施形態は、最小限の領域を使用して、隣接型電極の長所を提供する。
【００２８】
図８は、単純な数値モデルに基づく、電極の異なる幾何形状及び位置についての、電極に印加される直流（ＤＣ）電圧の関数としての、カンチレバーの先端部の垂直高さをマイクロメートルで示すグラフである。各ライン８０４、８０８及び８１２を、（１）カンチレバーと基体との間に空隙が存在し、非ゼロのカンチレバー先端部高さを生じる作動領域と、（２）カンチレバーが基体に向かって「スナップダウン」し、カンチレバーと基体との間の空隙がなくなる臨界電圧との、２つの領域に区分できる。
【００２９】
ライン８０４は、カンチレバーの下に電極がある従来の配置についての、電極電圧の関数としてのカンチレバー先端部位置を示している。このモデルでは、カンチレバーは、約１１０マイクロメートル以上の高さの変位でのみ制御可能である。約２０ボルトでスナップダウンが生じ、その後、小さな変位にわたるカンチレバーの操作は、良好に制御できない。電極がカンチレバーの下に配置されると、一般的に、カンチレバー全体がスナップダウンする。
【００３０】
ライン８０８は、図４の平面図に示されるようにカンチレバーに隣接して配置された２つの長方形の平行電極についての、電圧の関数としての、カンチレバー高さのモデルを示す。ライン８０８から、１００マイクロメートル以上のカンチレバー高さに対してカンチレバーの変位を良好に制御できることが観察できる。カンチレバーは約５５ボルトの臨界電圧でスナップダウンする。
【００３１】
ライン８１２は、カンチレバーの横に隣接して配置された２つの電極であって、カンチレバーの長さに沿って移動するとカンチレバーに最も近い電極縁部とカンチレバー縁部との間の距離が増加するよう形成された２つの電極についての、電圧の関数としての、カンチレバー高さを示す。このような構造は、図６に示されている三角形の電極を用いることによって、又は、直線電極を、カンチレバー縁部から僅かに離れる方向を向くように配向することによって達成されてもよい。ライン８１２をライン８０４及び８０８と比較すると、横に隣接する三角形の電極についての作動領域は、カンチレバーの下方に配置された電極及びカンチレバーの横に隣接して配置された長方形の電極についての作動領域よりも、実質的に大きいことがわかる。このように、カンチレバーは大きな作動領域を有し、広範囲の電圧及び先端部高さにわたるカンチレバーの制御が可能になる。
【００３２】
上述のカンチレバーは、光学的な切替を含むがこれに限定されない様々な構造、システム及び用途で用いられ得ることを理解されたい。図９は、簡単な光学切替システムで用いられる簡単なカンチレバーを示している。図９では、光ファイバーアレイ中の光ファイバー９０４が、光線９０８を出力する光源として作用する。光線９０８は、レンズ９１２によって焦点に集められ、ミラー９１６に向けられる。ミラー９１６の位置は、カンチレバー９２４の横に隣接して配置された電極９２０によって制御される。ミラー９１６の向きは、受光レンズアレイ９２８中のどのレンズが光を受けるかを決定する。受光レンズは、受けた光を、受光ファイバーアレイ９３２中の対応するファイバー上に集める。
【００３３】
図９に示されている実施形態では、カンチレバー９２４の端部に配置されたミラー９１６は、単一のカンチレバーの動きを表す弧に沿った１つの平面内のみの移動を提供する。しかし、アレイ切替動作では、二次元アレイ中の様々な点に向けて光の方向を変えるのが望ましい場合がある。
【００３４】
図１０は、複数のカンチレバー１００８、１０１２、１０１６、１０２０の端部に固定されたミラー領域１００４を示している。カンチレバー１００８等の各カンチレバーは、その下の基体に固定された固定端部１０２４等の、固定端部を含む。電極１０２８及び電極１０３２等の固定電極は、一般的に、その下の基体上に形成され、対応するカンチレバーの周囲に沿って延びる。電極１０２８等の各電極は、対応するカンチレバーの横に隣接していると考えることができ、対応するカンチレバーを撓ませるために用いられ得る。固定端部１０２４とは反対側のカンチレバー１００８の端部は、ミラー領域１００４に結合されており、従って、カンチレバーが上下に移動すると、カンチレバーに結合されたミラーの縁部も上下に移動する。固定端部１０２４等の固定端部付近の電極の部分は、主に、電極の異なる部分を結合し、電極全体を一定の電位に保つように作用する。
【００３５】
カンチレバー及びミラーの別の構成も使用可能である。カンチレバーに隣接させた電極の配置によって、様々なミラー及びカンチレバー構成の制御を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】可動電極及び固定電極の斜視図である。
【図２】固定電極の上方に可動電極を懸架するために用いられる第２の支持構造の側面及び平面図である。
【図３】ＭＥＭＳ構造内でのカンチレバーを形成する方法の一例を示すフロー図である。
【図４】カンチレバーに対する電極の従来の配置を示す平面図である。
【図５】カンチレバーに対する複数の長方形の電極の１つの可能な配置を示す平面図である。
【図６】カンチレバーに対する複数の三角形の電極の１つの可能な配置を示す平面図である。
【図７】切抜き領域を有するカンチレバーに対する三角形又は長方形の電極の可能な配置を示す平面図である。
【図８】様々な電極及びカンチレバー構造についての、印加電圧に対するカンチレバーの高さを理論的に作図したグラフを示す図である。
【図９】光学切替システムで用いられるカンチレバーを示す図である。
【図１０】二次元領域にわたって光学ビームの方向を変えるミラーに結合された複数のカンチレバーを示す図である。
【符号の説明】
１０４　　カンチレバー
１０８　　基体
１１４　　可動電極
１１６　　固定電極

Claims (5)

1. 横截面に基体表面を有する基体と、
   前記基体表面に対して概ね垂直な向きの移動平面内の軌道を移動する可動電極と、
   該可動電極の移動を制御する少なくとも１つの固定電極であって、該固定電極の電極表面の９０％が、前記可動電極と前記基体との接触が最大になるように前記可動電極が前記移動平面を移動した際に前記可動電極によって覆われる表面を超えて延在する、前記固定電極と、
   を含む、微小電気機械システム。
2. 前記可動電極が少なくとも１つのカンチレバーによって懸架される、請求項１に記載の微小電気機械システム。
3. 横截面に基体表面を有する基体と、
   移動平面内の軌道を移動する可動電極と、
   前記可動電極の移動を制御するための、前記可動電極の横に隣接して配置された固定電極と、
   を含む、微小電気機械システム。
4. 横截面に基体表面を有する基体と、
   可動電極と、
   該可動電極の移動を制御する固定電極であって、該固定電極の電極表面の少なくとも半分が、前記可動電極が前記基体表面に対して垂直な線に沿って前記基体表面へと平行移動した際に前記可動電極によって覆われる表面を超えて延在する、前記固定電極と、
   を含む、微小電気機械システム。
5. 懸架された可動電極と該可動電極の横に隣接して配置された固定電極との間に電圧差が生じるように電圧を印加する工程を含み、該印加電圧が、前記可動電極の下方であり且つ前記固定電極に隣接した基体上の点に向けて前記可動電極を移動させる、静電力を用いて可動電極を移動させる方法。

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