JP2004138845A

JP2004138845A - Optical switch apparatus

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Publication number: JP2004138845A
Application number: JP2002303885A
Authority: JP
Inventors: Masami Urano; 浦野　正美; Hitoshi Ishii; 石井　仁; Joji Yamaguchi; 山口　城治; Yuji Uenishi; 上西　祐司; Yasuyuki Tanabe; 田辺　泰之; Toshishige Shimamura; 島村　俊重
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP3819827B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the occurrence of a pull-in phenomenon by facilitating the control of a mirror. <P>SOLUTION: This optical switch is provided with: a mirror substrate 130 supported by supporters 120 having conductivity on a specified plane on a semiconductor substrate 101 and provided with an open region; a mirror 131 turnably provided in the open region of the mirror substrate 130; control electrodes 140, 141 and a control circuit 150 for allowing the mirror 131 turning operation; a sensor electrode part 151 for detecting a rotation angle of the mirror 131; and a sensor circuit 152 for detecting a rotation angle of the mirror 131 on the basis of signals of the sensor electrode part 151. The control electrode part is divided into two portions in the mirror radius direction, then control voltages impressed to the electrodes 140 and 141 are independently controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測、またディスプレイなどに用いられる光スイッチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、光スイッチ装置がある。このような光スイッチ装置は、例えば、固定構造体と可動する反射構造体とから構成されている。反射構造体は、ミラーが形成された可動部材とこの可動部材を支持する支持部材とを有し、可動部材が、トーションバネなどのバネ部材によって支持部材に接続されている。このように構成された光スイッチは、固定構造体と反射構造体との間に働く引力、あるいは反発力によって反射構造体の可動部がその姿勢を変えることで光路を切り替えるスイッチング動作を行う。
【０００３】
上述したような従来の光スイッチ装置をマイクロマシン技術で作製する場合には、大別して２つのタイプがある。一つは、いわゆる表面マイクロマシンによって作製されるタイプ（例えば、非特許文献１参照）であり、他方はバルクマイクロマシンによって作製されるタイプである（例えば、非特許文献２参照）。まず前者について説明する。表面マイクロマシンタイプは、図８に示すように、基板８０１に回動可能に支持部８０２が設けられている。また、枠体８０４がヒンジ８０３を介して支持部８０２に支持され、枠体８０４には、図示しないトーションバネを介してミラー８０５が連結支持されている。ミラー８０５の下部には、ミラー８０５を駆動するための静電力を発生する電極部８０６が、図示しない配線に接続して形成されている。
【０００４】
一方、バルクマイクロマシンタイプでは、一般的にミラーを構成する基板と電極を構成する基板とを個別に作製し、これらを連結させることによって光スイッチ装置を形成している。図９にバルクマイクロマシンタイプの光スイッチ装置の断面図を示す。このような光スイッチ装置を作製するには、ＳＯＩ基板９０１に支持された回動可能なミラー９０４を、ＳＯＩ基板９０１の埋め込み酸化膜９０２上の単結晶シリコン層９０３に形成すると共に、シリコン基板９１１をエッチングして凹部構造を形成し、この凹部構造上に電極部９１２を形成する。そして、ミラー９０４が形成されたＳＯＩ基板９０１と電極部９１２が形成されたシリコン基板９１１とを貼り合わせることで、電界印加によってミラー９０４が可動する光スイッチ装置が製造できる。
【０００５】
【非特許文献１】
パメラ・Ｒ・パターソン（Ｐａｍｅｌａ．Ｒ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ）、他４名，「ＭＯＥＭＳエレクトロスタティックスキャニングマイクロミラーズデザインアンドファブリケーション（ＭＯＥＭＳ　ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ　ＳＣＡＮＮＩＮＧ　ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲＳ　ＤＥＳＩＧＮ　ＡＮＤ　ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ）」，エレクトロケミカルソサイエティプロシーディングス（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）　，ボリューム２００２−４（Ｖｏｌｕｍｅ　２００２−４）　，ＩＳＢＮ１−５６６７７−３７０−９，ｐ．３６９−３８０
【非特許文献２】
レンシ・サワダ（Ｒｅｎｓｈｉ　Ｓａｗａｄａ）、他３名，「シングルクリスタラインミラーアクチュエーテッドエレクトロスタティカリーバイテラスドエレクトローデスウイズハイアクペクトレシオトーションスプリング（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ａｃｔｕａｔｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　ｂｙ　Ｔｅｒｒａｃｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　Ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ−Ａｓｐｅｃｔ　Ｒａｔｉｏ　Ｔｏｒｓｉｏｎ　Ｓｐｒｉｎｇ）」，インターナショナルカンファレンスオンオプティカルＭＥＭＳ２００１（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　ＭＥＭＳ　２００１），２００１年９月２６日
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図８、図９に示した光スイッチ装置では、電極部８０６，９１２に制御電圧を与え、電極部８０６，９１２とミラーとの静電引力でミラーを電極部８０６，９１２に引きつけて回動させていた。ここで、電極部８０６，９１２とミラーとの間に印加される電圧（電位差）をＶ、ミラー上の任意の点と電極部８０６，９１２との距離をｄとすると、ミラー上の前記任意の点と、この任意の点と対向する電極部８０６，９１２との間に働く単位面積当たりの静電引力Ｆは次式で表される。
Ｆ＝εＶ^２／（２ｄ^２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
式（１）において、εは空間の誘電率である。
【０００７】
式（１）より、電位差Ｖの２乗に比例し、距離ｄの２乗に反比例する大きさの静電引力Ｆが発生することが分かる。ミラーを電極部８０６，９１２の方に傾かせる場合、電極部８０６，９１２に印加する制御電圧を大きくして、電位差Ｖを大きくする。しかし、ミラーの傾きが大きくなり、ミラーと電極部８０６，９１２との距離ｄが小さくなると、静電引力Ｆが急激に増大して、電位差Ｖの増大に対する静電引力Ｆの増大の度合いが大きくなるため、電位差Ｖの変化に対してミラーの動きが大きくなる。その結果、ミラーの制御が困難になるという問題が生じる。
【０００８】
また、通常は、静電引力Ｆによる回動軸まわりのトルクと、ミラーを回動可能に支持する連結部に生じる、ミラーの回動による逆向きのトルクとが釣り合ってミラーが静止しているが、ミラーと電極部８０６，９１２との距離ｄが小さくなって、静電引力Ｆが急激に増大すると、連結部による力ではミラーの変位を抑えきれなくなり、ミラーが電極部８０６，９１２に接触する状態、すなわちプルインと呼ばれる現象が発生する。
【０００９】
以上のように、従来の光スイッチ装置では、ミラーの回動角度を大きくするために電極部に高電圧を印加すると、ミラーの制御が困難になり、プルイン現象が発生してしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーの制御を容易にし、プルイン現象の発生を抑制することができる光スイッチ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されるものである。このように、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
【００１２】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、前記制御電極部と電気的に接続され、前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置されるものである。このように、ミラー毎に形成された制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路は、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御するものである。
【００１３】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、絶縁膜を介して前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して選択的に形成されたセンサ電極部と、前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されるものである。このように、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。また、センサ電極部の位置は、分割された複数個の制御電極部よりもミラーの外周寄りの位置でもよいし、制御電極部よりもミラーの中心寄りの位置でもよいし、分割された制御電極部間の位置でもよい。
【００１４】
また、本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、複数の開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の前記複数の開口領域の内側に各々配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなる複数のミラーと、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して各々選択的にミラー毎に形成された複数の制御電極部と、絶縁膜を介して複数の前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して各々選択的に形成された複数のセンサ電極部と、前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを備え、前記ミラー毎に形成された制御電極部は、前記ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割されて配置され、前記センサ電極部は、前記中心から任意の端部を結ぶ方向の任意の位置に配置されるものである。このように、ミラーごとに形成された制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割することにより、分割した制御電極部の各々に異なる制御電圧を与えてミラーの姿勢を制御することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路は、前記ミラーの回動角度に応じて、前記複数個に分割された制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御するものである。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例は、前記複数個に分割された制御電極部のうち少なくとも１つを前記センサ電極部よりも前記ミラーの中心寄りに配置するものである。
また、本発明の光スイッチ装置の１構成例において、前記制御回路及び前記センサ回路は、前記ミラーと前記制御電極部と前記センサ電極部とを少なくとも構成要素とするミラー素子毎に備えられるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図、図２は図１の光スイッチ装置の断面図である。図１、図２では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーからなる部分（ミラー素子）を示している。例えばシリコンからなる半導体基板１０１上には、シリコン酸化物等からなる層間絶縁膜１０２と、Ａｕ／Ｔｉ等からなる配線層１０４と、ポリイミド等からなる層間絶縁膜１０５とが形成されている。
【００１７】
例えばＣｕ等の金属からなる支柱１２０は、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成されている。この支柱１２０は、導電性を有し、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じて配線層１０４と電気的に接続され、さらに層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３を介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００１８】
ミラー基板１３０は、支柱１２０によって半導体基板１０１と離間して支持されている。また、ミラー基板１３０は、導電性を有し、支柱１２０と電気的に接続され、ミラー１３１が設けられる複数の開口領域を備えている。複数のミラー素子を備えた光スイッチ装置の斜視図を図３に示す。
【００１９】
図３に示すように、ミラー基板１３０の複数の開口領域の各々にミラー１３１が設けられ、一つのミラー１３１の部分で一つのミラー素子が形成されている。各ミラー素子は、図１に示すように、ミラー１３１と制御電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ），１４１（１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄ）とを備えている。
【００２０】
ミラー基板１３０の開口領域内に設けられたミラー１３１は、平面視略円形に形成され、連結部によってミラー基板１３０と連結され、連結部によって回動可能に支持されている。連結部は、トーションバネ１３２，１３４と、ミラー枠体１３３とから構成される。トーションバネ１３２，１３４は、ミラー１３１の中心を挟んでその両側にそれぞれ１対設けられる。
【００２１】
ミラー枠体１３３は、トーションバネ１３２によってミラー基板１３０と連結され、トーションバネ１３２によって回動可能に支持される。これにより、ミラー枠体１３３は、一対のトーションバネ１３２を通る、ミラー基板１３０と平行な軸（図１のＹ）を回動軸として回動することが可能である。一方、ミラー１３１は、トーションバネ１３４によってミラー枠体１３３と連結され、トーションバネ１３４によって回動可能に支持される。
【００２２】
これにより、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３４を通る、ミラー枠体１３３と平行な軸（図１のＸ）を回動軸として回動することが可能である。結果として、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３２を通る軸Ｙと一対のトーションバネ１３４を通る軸Ｘの２軸を回動軸として回動することができる。これら２つの回動軸Ｘ，Ｙは、ミラー１３１の重心かつ幾何学的中心である点を通っている。
【００２３】
ミラー１３１は、導電性を有し、導電性を有する連結部（トーションバネ１３２，１３４およびミラー枠体１３３）を介してミラー基板１３０と電気的に接続されている。ミラー１３１には、配線層１０４と支柱１２０とミラー基板１３０と連結部とを介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００２４】
光スイッチ装置は、図３のようにマトリクス状に配置（集積）された複数のミラー素子を備え、各ミラー素子の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、配線２０２を介してパッド端子２０１に接続される。パッド端子２０１と外部システムを接続することで、光スイッチ装置の機能が達成される。
【００２５】
例えばＣｕ等の金属からなる制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、ミラー１３１の下にあってミラー１３１の姿勢を制御するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。本実施の形態では、制御電極部１４０，１４１は、ミラー１３１の中心から端部を結ぶ方向、すなわち円形に形成されたミラー１３１の半径方向について複数個に分割された配置されている。
【００２６】
第１の制御電極部１４０は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側に制御電極部１４０を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つの制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置されている。
【００２７】
第２の制御電極部１４１は、第１の制御電極部１４０よりもミラー１３１の外周寄りに配置され、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側に制御電極部１４１を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つの制御電極部１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄが配置されている。
【００２８】
そして、制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３と配線２０２とパッド端子２０１とを介して、外部の制御回路（不図示）と接続されている。
【００２９】
この外部の制御回路は、ミラー１３１の回動角度が所望の値になるように、ミラー１３１の回動状態（回動量）を制御する制御電圧を制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに与える。例えば、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄに制御電圧を印加する。また、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃに制御電圧を印加する。
【００３０】
外部の制御回路から制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに制御電圧を与えてミラー１３１との間に電位差を生じさせると、電界によってミラー１３１の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄと対向する部分に電荷が誘導される。ミラー１３１は、この電荷に作用する静電力（クーロン力）によって回動し、この静電力による回動軸まわりのトルクと回動によりトーションバネ（連結部）に生じた逆向きのトルクとが釣り合う位置で静止する。
【００３１】
前述のように、ミラー１３１上の任意の点と、この任意の点と対向する制御電極部１４０との間に働く静電引力Ｆは、式（１）で表される。ここで、ミラー１３１を大きく回動させるために、制御電極部１４０に印加する制御電圧を増大させる場合を考える。この場合、印加した制御電圧に従ってミラー１３１は徐々に回動する。しかし、ミラー１３１の傾きが大きくなり、ミラー１３１と制御電極部１４０との距離ｄが小さくなると、静電引力Ｆが急激に増大して、電位差Ｖの増大に対する静電引力Ｆの増大の度合いが大きくなるため、電位差Ｖの変化に対してミラー１３１の動きが大きくなる。その結果、ミラー１３１の制御が困難になる。
【００３２】
そこで、本実施の形態では、第１の制御電極部１４０の外側に第２の制御電極部１４１を追加した。ミラー１３１の回動を考慮して各制御電極部の高さを設定すると、第２の制御電極部１４１は第１の制御電極部１４０よりも低くなるため、ミラー１３１と第１の制御電極部１４０との距離ｄが小さくなった場合でも、ミラー１３１と第２の制御電極部１４１との間にはより大きな距離が保たれている。
【００３３】
制御回路は、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、制御電圧が所定値（プルイン現象が発生する制御電圧値よりも小さい値）に達した場合、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧の上昇を停止して、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧の大きさを調整することで、ミラー１３１の回動動作を制御する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態では、制御電極部をミラー１３１の中心から任意の端部を結ぶ方向について２つに分割し、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を独立に制御することにより、第１の制御電極部１４０とミラー１３１との間の静電引力Ｆが急激に増大することを防ぎつつ、第２の制御電極部１４１とミラー１３１との間の静電引力Ｆを増加させることでミラー１３１の回動を継続させることができる。こうして、従来の光スイッチ装置に比べてミラー１３１の制御をしやすくすることができ、ミラー１３１が制御電極部に接触してしまうプルイン現象の発生を抑制しつつ所望の回動角度を実現することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図４は本発明の第２の実施の形態となる光スイッチ装置の断面図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態では、第１の制御電極部１４０を第２の制御電極部１４１よりも高くしていたが、第１の制御電極部１４０を低くして、図４のように第１の制御電極部１４０と第２の制御電極部１４１とを同じ高さにしてもよい。外部の制御回路から制御電極部１４０，１４１に印加する電圧の制御方法は、第１の実施の形態と同様でもよいし、別の制御方法でもよい。
【００３６】
［第３の実施の形態］
図５は本発明の第３の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、外側の第２の制御電極部１４１については第１の実施の形態と同様にミラー１３１の駆動方向に応じて４個に分割し、内側の第１の制御電極部１４０についてはミラー１３１の駆動方向と無関係に１個とし、ミラー１３１と中心を一致させて平面視略円形に形成したものである。
【００３７】
以下、本実施の形態によるミラー１３１の制御の１例について説明する。本実施の形態において、ミラー１３１を回動させるには、まず、外側の第２の制御電極部１４１に制御電圧を印加して所望の向きにミラー１３１を回動させながら、または回動させた後、第１の制御電極部１４０に制御電圧を印加する。すると、既に回動したミラー１３１と第１の制御電極部１４０との間の距離は、回動軸を挟んで異なるため、これらの間に生じるクーロン力の違いによって回動軸まわりにトルクを生じることとなる。したがって、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧に応じてミラー１３１の回動角度を制御することができる。
【００３８】
［第４の実施の形態］
図６は本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図、図７は図６の光スイッチ装置の断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態との違いは、制御電極部１４０，１４１に制御電圧を印加する制御回路１５０と、ミラー１３１の回動角度を検出するためのセンサ電極部１５１（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄ）とセンサ回路１５２とを、半導体基板１０１上に形成した点である。
【００３９】
第１の実施の形態と同様に、光スイッチ装置は、マトリクス状に配置された複数のミラー素子を備え、各ミラー素子の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、制御回路１５０に接続され、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、センサ回路１５２に接続されている。そして、センサ回路１５２は、制御回路１５０に接続され、制御回路１５０は、通常の半導体集積回路と同様に、配線２０２を介してパッド端子２０１に接続される。パッド端子２０１と外部システムを接続することで、光スイッチ装置の機能が達成される。
【００４０】
例えばＣｕ等の金属からなるセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、ミラー１３１の下にあって回動するミラー１３１の姿勢を検出するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。
【００４１】
センサ電極部１５１は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側にセンサ電極部１５１を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つのセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄが配置されている。
【００４２】
そして、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成されたセンサ回路１５２と接続されている。
【００４３】
センサ回路１５２は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。センサ回路１５２は、ミラー１３１の姿勢に応じて変化するミラー１３１とセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄとのそれぞれの距離に応じた４つの静電容量を検出することにより、ミラー１３１の姿勢、すなわち軸Ｘを回動軸とする回動角度と軸Ｙを回動軸とする回動角度を検出する。
【００４４】
ミラー１３１上の任意の点と、この任意の点と対向するセンサ電極部１５１との間に誘起される単位面積当たりの静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝ε／ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
式（２）において、εは空間の誘電率、ｄはミラー１３１上の前記任意の点とセンサ電極部１５１との距離である。センサ回路１５２は、静電容量Ｃを検出することにより、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離ｄを検出し、この距離ｄと予め定められたミラー１３１の回動軸の位置とから、ミラー１３１の回動角度を検出する。センサ回路１５２によって検出されたミラー１３１の回動角度を表す信号は、制御回路１５０にフィードバックされる。
【００４５】
制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成された制御回路１５０と接続されている。
【００４６】
制御回路１５０は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。制御回路１５０は、センサ回路１５２からフィードバックされる信号によりミラー１３１の回動角度を認識して、このセンサ回路１５２で検出されるミラー１３１の回動角度が所望の値（例えば、光スイッチ装置の外部システムから設定される値）になるように、制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄに制御電圧を与える。
【００４７】
例えば、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ａ，１４０ｄ，１４１ａ，１４１ｄに制御電圧を印加する。また、ミラー１３１をＹ軸を回動軸として制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃの方に傾かせる場合には、制御電極部１４０ｂ，１４０ｃ，１４１ｂ，１４１ｃに制御電圧を印加する。
【００４８】
このとき、制御回路１５０は、第１、第２の制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、ミラー１３１と第１の制御電極部１４０との距離があらかじめ定められた値まで小さくなった場合（すなわち、センサ回路１５２で検出されるミラー１３１の回動角度が所定値まで大きくなった場合）、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧の上昇を停止して、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧の大きさを調整することで、ミラー１３１の回動動作を制御する。
【００４９】
こうして、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、センサ電極部１５１の信号に基づいてセンサ回路１５２がミラー１３１の回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路１５０がミラー１３１の回動動作を制御するようにしたので、第１の実施の形態に比べてより高精度にミラー１３１を制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。
【００５０】
なお、制御電極部１４０，１４１およびセンサ電極部１５１とミラー１３１との距離は、ミラー１３１の回動によって変化し、その変化の度合いは、ミラー１３１の外周部の方が中心部よりも大きい。したがって、制御電極部１４０，１４１およびセンサ電極部１５１の高さは、ミラー１３１の回動を考慮して設定する必要がある。
【００５１】
本実施の形態では、センサ電極部１５１よりもミラー１３１の中心寄りに制御電極部１４０，１４１を配置しているが、制御電極部１４０，１４１よりもミラー１３１の中心寄りにセンサ電極部１５１を配置してもよい。この場合には、センサ電極部１５１を制御電極部１４０よりも高くすることができ、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離を小さくすることができるので、センサ回路１５２が検出する静電容量を大きくすることができる。その結果、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離の検出を容易にすることができ、ミラー１３１の回動角度の検出を容易にすることができる。
【００５２】
また、本実施の形態のように、センサ電極部１５１よりもミラー１３１の内周寄りに制御電極部１４０，１４１を配置すれば、制御電極部１４０，１４１を高くすることができ、ミラー１３１と制御電極部１４０，１４１との間に働く静電引力Ｆを増加させることができる。その結果、所望の静電引力Ｆを発生させる場合に、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を低電圧化することができる。
【００５３】
制御回路１５０およびセンサ回路１５２は、一つのミラー素子に各々設けるようにしてもよく、また、一つの制御回路１５０と一つのセンサ回路１５２で、複数のミラー素子の各々所望の制御を、同時に行うことも可能である。
【００５４】
なお、第１〜第４の実施の形態で述べた、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧の制御方法は、これに限るものではない。例えば、制御回路は、制御電極部１４０，１４１に印加する制御電圧を上昇させた結果、制御電圧が所定値（プルイン現象が発生する制御電圧値よりも小さい値）に達した場合、第１の制御電極部１４０に印加する制御電圧を低下させると同時に、第２の制御電極部１４１に印加する制御電圧をさらに上昇させるといった種々の制御方法が考えられる。
【００５５】
また、第１〜第４の実施の形態では、制御電極部１４０，１４１をミラー１３１の駆動方向に応じてそれぞれ４個の制御電極部に分割しているが、制御電極部１４０，１４１のミラー円周方向の個数はこれに限るものではなく、制御電極部１４０，１４１をそれぞれ８個の制御電極部に分割してもよい。
【００５６】
また、第１〜第４の実施の形態では、ミラー１３１の中心から任意の端部を結ぶ方向について制御電極部を２つに分割しているが、３つ以上に分割してもよい。制御電極部を３つ以上に分割した場合でも、分割した制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することで、第１〜第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、制御電極部を、ミラーの中心から任意の端部を結ぶ方向について複数個に分割し、複数個に分割した制御電極部の各々に印加する制御電圧を独立に制御することにより、従来の光スイッチ装置に比べてミラーの制御をしやすくすることができ、ミラーの回動角度を大きくするために制御電極部に高電圧を印加する場合においても、ミラーが制御電極部に接触してしまうプルイン現象の発生を抑制しつつ、所望の回動角度を実現することができる。
【００５８】
また、ミラーの下部にセンサ電極部を形成して半導体基板上にセンサ回路を形成し、センサ電極部の信号に基づいてセンサ回路がミラーの回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路がミラーの回動動作を制御するようにしたので、ミラーを高精度に制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。
【００５９】
また、複数個に分割された制御電極部のうち少なくとも１つをセンサ電極部よりもミラーの中心寄りに配置することにより、ミラーの中心寄りに配置した制御電極部に印加する制御電圧を低電圧化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図８】従来の光スイッチ装置の概略的な構成を示す側面図である。
【図９】従来の他の光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１２０…支柱、１３０…ミラー基板、１３１…ミラー、１３２、１３４…トーションバネ、１３３…ミラー枠体、１４０、１４１…制御電極部、１５０…制御回路、１５１…センサ電極部、１５２…センサ回路。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch device used for optical communication, optical measurement, display, and the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art There is an optical switch device manufactured using a micromachine technology for performing three-dimensional fine processing by performing etching based on a thin film forming technology or a photolithography technology. Such an optical switch device includes, for example, a fixed structure and a movable reflection structure. The reflection structure has a movable member having a mirror formed thereon and a support member for supporting the movable member, and the movable member is connected to the support member by a spring member such as a torsion spring. The optical switch configured as described above performs a switching operation of switching the optical path by changing the position of the movable portion of the reflective structure by the attractive force or the repulsive force acting between the fixed structure and the reflective structure.
[0003]
When the conventional optical switch device as described above is manufactured by micromachine technology, there are roughly two types. One is a type manufactured by a so-called surface micromachine (for example, see Non-Patent Document 1), and the other is a type manufactured by a bulk micromachine (for example, see Non-Patent Document 2). First, the former will be described. In the surface micromachine type, as shown in FIG. 8, a support 802 is rotatably provided on a substrate 801. Further, a frame 804 is supported by a support portion 802 via a hinge 803, and a mirror 805 is connected to the frame 804 via a torsion spring (not shown). Below the mirror 805, an electrode portion 806 for generating an electrostatic force for driving the mirror 805 is formed connected to a wiring (not shown).
[0004]
On the other hand, in the bulk micromachine type, generally, a substrate constituting a mirror and a substrate constituting an electrode are separately produced, and these are connected to form an optical switch device. FIG. 9 shows a sectional view of a bulk micromachine type optical switch device. To manufacture such an optical switch device, a rotatable mirror 904 supported on an SOI substrate 901 is formed on a single-crystal silicon layer 903 on a buried oxide film 902 of the SOI substrate 901 and a silicon substrate 911 is formed. Is etched to form a concave structure, and an electrode portion 912 is formed on the concave structure. Then, by bonding the SOI substrate 901 on which the mirror 904 is formed and the silicon substrate 911 on which the electrode portion 912 is formed, an optical switch device in which the mirror 904 can be moved by applying an electric field can be manufactured.
[0005]
[Non-patent document 1]
Pamela R. Patterson (Pamela.R.Patterson) and 4 others, "MOEMS ELECTROSTATIC SCANNING MICROMIRORS DESIGN AND FABRICATIONS, LLC." Volume 2002-4, ISBN1-56677-370-9, p. 369-380
[Non-patent document 2]
Renshi Sawada and three others, "Single Crystalline Mirrored Actuated Radio-Tractorized Electrostatic Tractorized Electrostatic Tractorized Electrostatic Tractorized Electrostatistics Spring) ", International Conference on Optical MEMS 2001, September 26, 2001.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the optical switch device shown in FIGS. 8 and 9, a control voltage is applied to the electrode units 806 and 912, and the mirror is attracted to the electrode units 806 and 912 by electrostatic attraction between the electrode units 806 and 912 and rotated. I was Here, when a voltage (potential difference) applied between the electrode units 806 and 912 and the mirror is V, and a distance between an arbitrary point on the mirror and the electrode units 806 and 912 is d, the arbitrary on the mirror The electrostatic attractive force F per unit area acting between a point and the electrode portions 806 and 912 facing the arbitrary point is expressed by the following equation.
F = εV ² / (2d ² …… (1)
In equation (1), ε is the dielectric constant of the space.
[0007]
From equation (1), it can be seen that an electrostatic attractive force F having a magnitude proportional to the square of the potential difference V and inversely proportional to the square of the distance d is generated. When the mirror is tilted toward the electrode units 806 and 912, the control voltage applied to the electrode units 806 and 912 is increased to increase the potential difference V. However, when the inclination of the mirror increases and the distance d between the mirror and the electrode portions 806 and 912 decreases, the electrostatic attractive force F sharply increases, and the degree of increase in the electrostatic attractive force F with respect to the increase in the potential difference V increases. Therefore, the movement of the mirror increases with respect to the change in the potential difference V. As a result, there arises a problem that the control of the mirror becomes difficult.
[0008]
Normally, the torque around the rotation axis due to the electrostatic attraction F is balanced with the reverse torque generated by the rotation of the mirror at the connecting portion that rotatably supports the mirror, so that the mirror is stationary. However, when the distance d between the mirror and the electrode portions 806 and 912 decreases and the electrostatic attraction F increases rapidly, the displacement of the mirror cannot be suppressed by the force of the connecting portion, and the mirror contacts the electrode portions 806 and 912. A phenomenon called pull-in occurs.
[0009]
As described above, in the conventional optical switch device, when a high voltage is applied to the electrode portion in order to increase the rotation angle of the mirror, the control of the mirror becomes difficult, and the pull-in phenomenon occurs. there were.
[0010]
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide an optical switch device capable of easily controlling a mirror and suppressing the occurrence of a pull-in phenomenon.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
An optical switch device according to the present invention includes a support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and a support member supported by the support member and electrically connected to the support member. A mirror substrate made of a conductive material having an opening region, which is disposed with a predetermined space between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate, and is disposed inside the opening region of the mirror substrate, and is connected to the mirror substrate via a connecting portion. A mirror made of a conductive material that is rotatably connected and electrically connected, and a control electrode selectively formed on the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film so as to be spaced apart from the mirror And a control circuit that is electrically connected to the control electrode unit and controls a turning operation of the mirror. The control electrode unit includes a plurality of control electrode units in a direction connecting an arbitrary end from the center of the mirror. Divided into It is intended to be disposed Te. As described above, by dividing the control electrode portion into a plurality of portions in a direction connecting an arbitrary end portion from the center of the mirror, a different control voltage is applied to each of the divided control electrode portions to control the attitude of the mirror. Becomes possible.
[0012]
Further, the optical switch device of the present invention has a support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and is supported by the support member and electrically connected to the support member. A mirror substrate made of a conductive material having a plurality of opening regions, each of which is disposed inside the plurality of opening regions of the mirror substrate, A plurality of mirrors made of a conductive material rotatably connected to and electrically connected to a mirror substrate via a connection portion, and the mirror on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film A plurality of control electrode portions selectively formed for each mirror and separated from the mirror, and a control circuit electrically connected to the control electrode portion and controlling a rotation operation of the mirror; Formed into The control electrode section is to be placed is divided into a plurality for direction connecting any end from the center of the mirror. As described above, the control electrode portion formed for each mirror is divided into a plurality of portions in a direction connecting the center of the mirror to an arbitrary end portion, and a different control voltage is applied to each of the divided control electrode portions to provide a mirror. Can be controlled.
In one configuration example of the optical switch device according to the present invention, the control circuit independently controls a control voltage applied to each of the plurality of divided control electrode units.
[0013]
Further, the optical switch device of the present invention has a support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and is supported by the support member and electrically connected to the support member. A mirror substrate made of a conductive material having an opening region, and a mirror substrate disposed inside the opening region of the mirror substrate, and a connecting portion provided to the mirror substrate. A mirror made of a conductive material rotatably connected and electrically connected via a mirror, and selectively formed on the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film so as to be separated from the mirror; A control electrode portion, a sensor electrode portion selectively formed separately from the mirror and electrically separated from the control electrode portion on the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film; On semiconductor substrate A sensor circuit formed so as to be electrically connected to the sensor electrode unit, and detecting a rotation angle of the mirror based on a signal from the sensor electrode unit; and a sensor circuit electrically connected to the control electrode unit on the semiconductor substrate. And a control circuit configured to control the turning operation of the mirror based on the turning angle of the mirror detected by the sensor circuit. The sensor electrode portion is disposed at an arbitrary position in a direction connecting an arbitrary end portion from the center. As described above, by dividing the control electrode portion into a plurality of portions in a direction connecting an arbitrary end portion from the center of the mirror, a different control voltage is applied to each of the divided control electrode portions to control the attitude of the mirror. Becomes possible. Further, the position of the sensor electrode portion may be closer to the outer periphery of the mirror than the plurality of divided control electrode portions, may be closer to the center of the mirror than the control electrode portion, or may be the divided control electrode portion. It may be a position between clubs.
[0014]
Further, the optical switch device of the present invention has a support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and is supported by the support member and electrically connected to the support member. A mirror substrate made of a conductive material having a plurality of opening regions, each of which is disposed inside the plurality of opening regions of the mirror substrate, A plurality of mirrors made of a conductive material rotatably connected to and electrically connected to a mirror substrate via a connection portion, and the mirror on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film And a plurality of control electrode portions selectively formed for each mirror separately from each other, on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film, and separated from the mirror and the control electrode portion. Electrically A plurality of sensor electrode portions selectively formed apart from each other; and a plurality of sensor electrode portions formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the sensor electrode portion, and the mirror is rotated based on a signal from the sensor electrode portion. A sensor circuit for detecting an angle, and a turning operation of the mirror formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the control electrode unit, based on the turning angle of the mirror detected by the sensor circuit. A control circuit for controlling the mirror, the control electrode unit formed for each mirror is divided into a plurality of arranged in a direction connecting an arbitrary end from the center of the mirror, the sensor electrode unit, It is arranged at any position in the direction connecting the center to any end. As described above, the control electrode portion formed for each mirror is divided into a plurality of portions in a direction connecting an arbitrary end portion from the center of the mirror, and a different control voltage is applied to each of the divided control electrode portions to provide a mirror. Can be controlled.
[0015]
In one configuration example of the optical switch device of the present invention, the control circuit independently controls a control voltage applied to each of the plurality of divided control electrode units according to a rotation angle of the mirror. Is what you do.
In one configuration example of the optical switch device of the present invention, at least one of the plurality of divided control electrode units is arranged closer to the center of the mirror than the sensor electrode unit.
In one configuration example of the optical switch device of the present invention, the control circuit and the sensor circuit are provided for each mirror element including at least the mirror, the control electrode unit, and the sensor electrode unit. is there.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view of an optical switch device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the optical switch device of FIG. 1 and 2 mainly show a portion (mirror element) composed of one mirror, which is one structural unit of the optical switch device. For example, on a semiconductor substrate 101 made of silicon, an interlayer insulating film 102 made of silicon oxide or the like, a wiring layer 104 made of Au / Ti or the like, and an interlayer insulating film 105 made of polyimide or the like are formed.
[0017]
For example, the pillar 120 made of a metal such as Cu is selectively formed on the semiconductor substrate 101 via the interlayer insulating film 105. The pillar 120 has conductivity, is electrically connected to the wiring layer 104 through a through hole formed in the interlayer insulating film 105, and further has a predetermined potential via a connection electrode 103 formed in the interlayer insulating film 102. (For example, a ground potential) is applied.
[0018]
The mirror substrate 130 is supported by the support 120 at a distance from the semiconductor substrate 101. The mirror substrate 130 has conductivity and is electrically connected to the column 120, and includes a plurality of opening regions in which the mirror 131 is provided. FIG. 3 is a perspective view of an optical switch device having a plurality of mirror elements.
[0019]
As shown in FIG. 3, a mirror 131 is provided in each of a plurality of opening regions of the mirror substrate 130, and one mirror element is formed by one mirror 131. As shown in FIG. 1, each mirror element includes a mirror 131 and control electrode units 140 (140a, 140b, 140c, 140d) and 141 (141a, 141b, 141c, 141d).
[0020]
The mirror 131 provided in the opening area of the mirror substrate 130 is formed in a substantially circular shape in a plan view, is connected to the mirror substrate 130 by a connecting portion, and is rotatably supported by the connecting portion. The connecting portion includes torsion springs 132 and 134 and a mirror frame 133. A pair of torsion springs 132 and 134 are provided on both sides of the center of the mirror 131.
[0021]
The mirror frame 133 is connected to the mirror substrate 130 by a torsion spring 132 and is rotatably supported by the torsion spring 132. Thus, the mirror frame 133 can rotate about an axis (Y in FIG. 1) passing through the pair of torsion springs 132 and parallel to the mirror substrate 130. On the other hand, the mirror 131 is connected to the mirror frame 133 by a torsion spring 134 and is rotatably supported by the torsion spring 134.
[0022]
Accordingly, the mirror 131 can rotate about an axis (X in FIG. 1) passing through the pair of torsion springs 134 and parallel to the mirror frame 133. As a result, the mirror 131 can rotate about two axes, the axis Y passing through the pair of torsion springs 132 and the axis X passing through the pair of torsion springs 134. These two rotation axes X and Y pass through a point that is the center of gravity and geometric center of the mirror 131.
[0023]
The mirror 131 has conductivity, and is electrically connected to the mirror substrate 130 via conductive connection portions (torsion springs 132 and 134 and a mirror frame 133). A predetermined potential (for example, a ground potential) is applied to the mirror 131 via the wiring layer 104, the support 120, the mirror substrate 130, and the connecting portion.
[0024]
The optical switch device includes a plurality of mirror elements arranged (integrated) in a matrix as shown in FIG. 3, and the control electrode units 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, 141d of each mirror element are It is connected to the pad terminal 201 via the wiring 202. The function of the optical switch device is achieved by connecting the pad terminal 201 to an external system.
[0025]
For example, the control electrode portions 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, and 141d made of a metal such as Cu are provided under the mirror 131 to control the attitude of the mirror 131. It is selectively formed on the semiconductor substrate 101 through the intermediary of the mirror 131, and is disposed below the mirror 131 (excluding immediately below the rotation axes X and Y) with a predetermined distance from the mirror 131. In the present embodiment, the control electrode portions 140 and 141 are arranged so as to be divided into a plurality in the direction connecting the center of the mirror 131 to the end, that is, in the radial direction of the mirror 131 formed in a circular shape.
[0026]
At least one first control electrode unit 140 is arranged on one side or both sides of one rotation shaft for one mirror 131. In the present embodiment, the control electrode units 140 are arranged on both sides of the rotation axis, and the rotation axes are two axes of X and Y. Therefore, a total of four control electrode units 140a, 140b, 140c, and 140d are arranged. ing.
[0027]
The second control electrode unit 141 is arranged closer to the outer periphery of the mirror 131 than the first control electrode unit 140, and at least one second control electrode unit 141 is arranged on one side or both sides of one rotation shaft for one mirror 131. . In the present embodiment, the control electrode portions 141 are arranged on both sides of the rotation axis, and the rotation axes are two axes of X and Y. Therefore, a total of four control electrode portions 141a, 141b, 141c, and 141d are arranged. ing.
[0028]
The control electrode portions 140 a, 140 b, 140 c, 140 d, 141 a, 141 b, 141 c, and 141 d are formed by a through hole formed in the interlayer insulating film 105, a wiring layer 104, and a connection electrode 103 formed in the interlayer insulating film 102. It is connected to an external control circuit (not shown) via the pad 202 and the pad terminal 201.
[0029]
The external control circuit controls the control voltage for controlling the rotation state (rotation amount) of the mirror 131 so that the rotation angle of the mirror 131 becomes a desired value. The control electrodes 140a, 140b, 140c, 140d, and 141a. , 141b, 141c, and 141d. For example, when the mirror 131 is tilted toward the control electrode units 140a, 140d, 141a, 141d about the Y axis as a rotation axis, a control voltage is applied to the control electrode units 140a, 140d, 141a, 141d. When the mirror 131 is tilted toward the control electrode units 140b, 140c, 141b, 141c with the Y axis as a rotation axis, a control voltage is applied to the control electrode units 140b, 140c, 141b, 141c.
[0030]
When a control voltage is applied to the control electrode units 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, and 141d from an external control circuit to generate a potential difference between the control electrode units 140a, 140b, 141c, and 141d, the control electrode unit 140a , 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, 141d. The mirror 131 rotates by the electrostatic force (Coulomb force) acting on the electric charge, and the torque around the rotation axis due to the electrostatic force balances with the reverse torque generated in the torsion spring (connection portion) by the rotation. Rest in position.
[0031]
As described above, the electrostatic attractive force F that acts between an arbitrary point on the mirror 131 and the control electrode unit 140 facing this arbitrary point is expressed by Expression (1). Here, a case is considered where the control voltage applied to the control electrode unit 140 is increased in order to rotate the mirror 131 greatly. In this case, the mirror 131 gradually rotates according to the applied control voltage. However, when the inclination of the mirror 131 increases and the distance d between the mirror 131 and the control electrode unit 140 decreases, the electrostatic attractive force F sharply increases, and the degree of increase in the electrostatic attractive force F with respect to the increase in the potential difference V increases. Because of the increase, the movement of the mirror 131 with respect to the change in the potential difference V increases. As a result, control of the mirror 131 becomes difficult.
[0032]
Therefore, in the present embodiment, the second control electrode unit 141 is added outside the first control electrode unit 140. When the height of each control electrode unit is set in consideration of the rotation of the mirror 131, the second control electrode unit 141 is lower than the first control electrode unit 140, so that the mirror 131 and the first control electrode unit Even when the distance d from the mirror 140 decreases, a larger distance is maintained between the mirror 131 and the second control electrode unit 141.
[0033]
The control circuit increases the control voltage applied to the first and second control electrode units 140, 141, and as a result, the control voltage reaches a predetermined value (a value smaller than the control voltage value at which the pull-in phenomenon occurs). By stopping the rise of the control voltage applied to the first control electrode unit 140 and adjusting the magnitude of the control voltage applied to the second control electrode unit 141, the turning operation of the mirror 131 is controlled. .
[0034]
As described above, in the present embodiment, the control electrode section is divided into two in the direction connecting the arbitrary end to the center of the mirror 131, and the control is applied to the first and second control electrode sections 140 and 141. By controlling the voltage independently, it is possible to prevent the electrostatic attraction F between the first control electrode unit 140 and the mirror 131 from increasing rapidly, and to prevent the electrostatic attraction F between the second control electrode unit 141 and the mirror 131 from increasing. , The rotation of the mirror 131 can be continued. Thus, it is possible to control the mirror 131 more easily than in the conventional optical switch device, and to achieve a desired rotation angle while suppressing the occurrence of a pull-in phenomenon in which the mirror 131 comes into contact with the control electrode unit. Can be.
[0035]
[Second embodiment]
FIG. 4 is a sectional view of an optical switch device according to a second embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. In the first embodiment, the first control electrode unit 140 is higher than the second control electrode unit 141. However, the first control electrode unit 140 is lower, and The control electrode section 140 and the second control electrode section 141 may have the same height. The control method of the voltage applied to the control electrode units 140 and 141 from the external control circuit may be the same as in the first embodiment, or may be another control method.
[0036]
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a plan view of an optical switch device according to a third embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the present embodiment, the outer second control electrode section 141 is divided into four parts according to the driving direction of the mirror 131 similarly to the first embodiment, and the inner first control electrode section 140 is divided into four parts. Are formed irrespective of the driving direction of the mirror 131, and are formed in a substantially circular shape in plan view with the center of the mirror 131 being coincident.
[0037]
Hereinafter, an example of control of the mirror 131 according to the present embodiment will be described. In the present embodiment, in order to rotate the mirror 131, first, a control voltage is applied to the outer second control electrode unit 141 to rotate the mirror 131 in a desired direction or to rotate the mirror 131 in a desired direction. After that, a control voltage is applied to the first control electrode unit 140. Then, since the distance between the mirror 131 and the first control electrode unit 140 that have already been rotated is different with respect to the rotation axis, a torque is generated around the rotation axis due to a difference in Coulomb force generated between them. It will be. Therefore, the rotation angle of the mirror 131 can be controlled according to the control voltage applied to the first control electrode unit 140.
[0038]
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a plan view of an optical switch device according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the optical switch device of FIG. 6, where the same components as those in FIGS. Is attached. The difference from the first embodiment is that a control circuit 150 for applying a control voltage to the control electrode units 140 and 141 and a sensor electrode unit 151 (151a, 151b, 151c, 151d) and the sensor circuit 152 are formed on the semiconductor substrate 101.
[0039]
As in the first embodiment, the optical switch device includes a plurality of mirror elements arranged in a matrix, and the control electrode sections 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, 141d of each mirror element. Are connected to the control circuit 150, and the sensor electrode units 151a, 151b, 151c, and 151d are connected to the sensor circuit 152. Then, the sensor circuit 152 is connected to the control circuit 150, and the control circuit 150 is connected to the pad terminal 201 via the wiring 202 as in a normal semiconductor integrated circuit. The function of the optical switch device is achieved by connecting the pad terminal 201 to an external system.
[0040]
For example, sensor electrode portions 151 a, 151 b, 151 c, and 151 d made of a metal such as Cu are for detecting the attitude of the rotating mirror 131 under the mirror 131, and are provided with a semiconductor via the interlayer insulating film 105. It is selectively formed on the substrate 101 and is disposed below the mirror 131 (excluding immediately below the rotation axes X and Y) with a predetermined distance from the mirror 131.
[0041]
At least one sensor electrode unit 151 is arranged on one side or both sides of one rotation shaft for one mirror 131. In the present embodiment, the sensor electrodes 151 are arranged on both sides of the rotation axis, and the rotation axes are two axes of X and Y, so that a total of four sensor electrodes 151a, 151b, 151c, and 151d are arranged. ing.
[0042]
The sensor electrode portions 151a, 151b, 151c, and 151d are formed on the semiconductor substrate 101 via the through holes formed in the interlayer insulating film 105, the wiring layer 104, and the connection electrodes 103 formed in the interlayer insulating film 102. It is connected to the formed sensor circuit 152.
[0043]
The sensor circuit 152 is an integrated circuit including elements formed on the semiconductor substrate 101 and wiring. The sensor circuit 152 detects four capacitances corresponding to respective distances between the mirror 131 and the sensor electrode units 151a, 151b, 151c, and 151d, which change according to the attitude of the mirror 131, and thereby detects the attitude of the mirror 131. That is, the rotation angle about the axis X as the rotation axis and the rotation angle about the axis Y as the rotation axis are detected.
[0044]
The capacitance C per unit area induced between an arbitrary point on the mirror 131 and the sensor electrode 151 facing the arbitrary point is expressed by the following equation.
C = ε / d (2)
In Expression (2), ε is the dielectric constant of the space, and d is the distance between the arbitrary point on the mirror 131 and the sensor electrode unit 151. The sensor circuit 152 detects the distance d between the mirror 131 and the sensor electrode unit 151 by detecting the capacitance C, and calculates the mirror d based on the distance d and the position of the predetermined rotation axis of the mirror 131. The rotation angle of 131 is detected. A signal representing the rotation angle of the mirror 131 detected by the sensor circuit 152 is fed back to the control circuit 150.
[0045]
The control electrode portions 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, and 141d are formed via the through holes formed in the interlayer insulating film 105, the wiring layer 104, and the connection electrodes 103 formed in the interlayer insulating film 102. And a control circuit 150 formed on the semiconductor substrate 101.
[0046]
The control circuit 150 is an integrated circuit composed of elements and wiring formed on the semiconductor substrate 101. The control circuit 150 recognizes the rotation angle of the mirror 131 based on a signal fed back from the sensor circuit 152, and sets the rotation angle of the mirror 131 detected by the sensor circuit 152 to a desired value (for example, an optical switch device). A control voltage is applied to the control electrode units 140a, 140b, 140c, 140d, 141a, 141b, 141c, and 141d so as to have a value set from an external system).
[0047]
For example, when the mirror 131 is tilted toward the control electrode units 140a, 140d, 141a, 141d about the Y axis as a rotation axis, a control voltage is applied to the control electrode units 140a, 140d, 141a, 141d. When the mirror 131 is tilted toward the control electrode units 140b, 140c, 141b, 141c with the Y axis as a rotation axis, a control voltage is applied to the control electrode units 140b, 140c, 141b, 141c.
[0048]
At this time, the control circuit 150 increases the control voltage applied to the first and second control electrode units 140 and 141, and as a result, the distance between the mirror 131 and the first control electrode unit 140 becomes a predetermined value. (Ie, when the rotation angle of the mirror 131 detected by the sensor circuit 152 has increased to a predetermined value), the control voltage applied to the first control electrode unit 140 is stopped from rising, and By adjusting the magnitude of the control voltage applied to the second control electrode unit 141, the turning operation of the mirror 131 is controlled.
[0049]
Thus, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, in the present embodiment, the sensor circuit 152 detects the rotation angle of the mirror 131 based on the signal of the sensor electrode unit 151, and the control circuit 150 controls the rotation of the mirror 131 based on the detected rotation angle. Since the operation is controlled, the mirror 131 can be controlled with higher accuracy than in the first embodiment, and the operation speed of the optical switch device can be improved.
[0050]
Note that the distance between the control electrode units 140 and 141 and the sensor electrode unit 151 and the mirror 131 changes due to the rotation of the mirror 131, and the degree of the change is greater at the outer periphery of the mirror 131 than at the center. Therefore, the heights of the control electrode units 140 and 141 and the sensor electrode unit 151 need to be set in consideration of the rotation of the mirror 131.
[0051]
In the present embodiment, control electrode portions 140 and 141 are arranged closer to the center of mirror 131 than sensor electrode portion 151. However, sensor electrode portion 151 is closer to the center of mirror 131 than control electrode portions 140 and 141. It may be arranged. In this case, the sensor electrode unit 151 can be higher than the control electrode unit 140, and the distance between the mirror 131 and the sensor electrode unit 151 can be reduced, so that the capacitance detected by the sensor circuit 152 can be reduced. Can be larger. As a result, the distance between the mirror 131 and the sensor electrode unit 151 can be easily detected, and the rotation angle of the mirror 131 can be easily detected.
[0052]
Further, as in the present embodiment, if control electrode portions 140 and 141 are arranged closer to the inner periphery of mirror 131 than sensor electrode portion 151, control electrode portions 140 and 141 can be made higher. The electrostatic attraction F acting between the control electrode units 140 and 141 can be increased. As a result, when a desired electrostatic attraction F is generated, the control voltage applied to the control electrode units 140 and 141 can be reduced.
[0053]
The control circuit 150 and the sensor circuit 152 may be provided in one mirror element, respectively, and one control circuit 150 and one sensor circuit 152 simultaneously perform desired control of each of the plurality of mirror elements. It is also possible.
[0054]
Note that the control method of the control voltage applied to the control electrode units 140 and 141 described in the first to fourth embodiments is not limited to this. For example, when the control voltage reaches a predetermined value (a value smaller than a control voltage value at which the pull-in phenomenon occurs) as a result of increasing the control voltage applied to the control electrode units 140 and 141, Various control methods are conceivable, such as lowering the control voltage applied to the control electrode unit 140 and further increasing the control voltage applied to the second control electrode unit 141.
[0055]
In the first to fourth embodiments, the control electrode units 140 and 141 are each divided into four control electrode units according to the driving direction of the mirror 131. However, the mirrors of the control electrode units 140 and 141 are divided. The number in the circumferential direction is not limited to this, and the control electrode units 140 and 141 may be divided into eight control electrode units.
[0056]
In the first to fourth embodiments, the control electrode unit is divided into two in the direction connecting the center of the mirror 131 to an arbitrary end, but may be divided into three or more. Even when the control electrode unit is divided into three or more, the same effect as in the first to fourth embodiments can be obtained by independently controlling the control voltage applied to each of the divided control electrode units. it can.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, the control electrode portion is divided into a plurality of portions in a direction connecting an arbitrary end portion from the center of the mirror, and the control voltage applied to each of the plurality of divided control electrode portions is independently controlled. This makes it easier to control the mirror as compared with the conventional optical switch device. Even when a high voltage is applied to the control electrode in order to increase the rotation angle of the mirror, the mirror is applied to the control electrode. A desired rotation angle can be achieved while suppressing the occurrence of the pull-in phenomenon of contact.
[0058]
Also, a sensor circuit is formed on a semiconductor substrate by forming a sensor electrode portion below the mirror, and the sensor circuit detects a turning angle of the mirror based on a signal from the sensor electrode portion, and the detected turning angle Since the control circuit controls the rotation operation of the mirror based on the above, the mirror can be controlled with high accuracy, and the operation speed of the optical switch device can be improved.
[0059]
Further, by arranging at least one of the plurality of divided control electrode units closer to the center of the mirror than the sensor electrode unit, the control voltage applied to the control electrode unit arranged closer to the center of the mirror can be reduced. Can be
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of an optical switch device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a schematic configuration of an optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view illustrating a schematic configuration of an optical switch device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a schematic configuration of an optical switch device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view illustrating a schematic configuration of an optical switch device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a schematic configuration of an optical switch device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a side view showing a schematic configuration of a conventional optical switch device.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of another conventional optical switch device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Semiconductor substrate, 120 ... Column, 130 ... Mirror substrate, 131 ... Mirror, 132, 134 ... Torsion spring, 133 ... Mirror frame, 140, 141 ... Control electrode part, 150 ... Control circuit, 151 ... Sensor electrode part, 152 ... Sensor circuit.

Claims

A support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film,
A mirror substrate made of a conductive material having an opening region, which is supported by the support member and is electrically connected to the support member and is arranged with a predetermined space between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate;
A mirror made of a conductive material disposed inside the opening area of the mirror substrate, rotatably connected to the mirror substrate via a connection portion, and electrically connected;
A control electrode portion selectively formed on the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film so as to be separated from the mirror;
A control circuit that is electrically connected to the control electrode unit and controls a rotation operation of the mirror;
The optical switch device, wherein the control electrode unit is divided into a plurality of parts in a direction connecting an arbitrary end from the center of the mirror.

A support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film,
A mirror substrate made of a conductive material provided with a predetermined space between the semiconductor substrate and supported by the support member and electrically connected to the support member and arranged with a predetermined space;
A plurality of mirrors each made of a conductive material arranged inside the plurality of opening regions of the mirror substrate, rotatably connected to the mirror substrate via a connection portion, and electrically connected;
A plurality of control electrode portions formed on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film and separated from the mirrors and selectively formed for each mirror;
A control circuit that is electrically connected to the control electrode unit and controls a rotation operation of the mirror;
An optical switch device, wherein the control electrode portion formed for each mirror is divided into a plurality of portions in a direction connecting an arbitrary end portion from the center of the mirror, and is arranged.

The optical switch device according to claim 1 or 2,
The optical switch device, wherein the control circuit independently controls a control voltage applied to each of the plurality of divided control electrode units.

A support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film,
A mirror substrate made of a conductive material having an opening region, which is supported by the support member and is electrically connected to the support member and is arranged with a predetermined space between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate;
A mirror made of a conductive material disposed inside the opening area of the mirror substrate, rotatably connected to the mirror substrate via a connection portion, and electrically connected;
A control electrode portion selectively formed on the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film so as to be separated from the mirror;
On the semiconductor substrate below the mirror via an insulating film, a sensor electrode unit selectively formed separately from the mirror and electrically separated from the control electrode unit;
A sensor circuit formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the sensor electrode unit, and detecting a rotation angle of the mirror based on a signal from the sensor electrode unit;
A control circuit formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the control electrode unit, and controlling a turning operation of the mirror based on a turning angle of the mirror detected by the sensor circuit. ,
The control electrode unit is divided into a plurality of parts and arranged in a direction connecting an arbitrary end from the center of the mirror,
The optical switch device, wherein the sensor electrode unit is arranged at an arbitrary position in a direction connecting an arbitrary end from the center.

A support member made of a conductive material selectively formed on a semiconductor substrate via an insulating film,
A mirror substrate made of a conductive material provided with a predetermined space between the semiconductor substrate and supported by the support member and electrically connected to the support member and arranged with a predetermined space;
A plurality of mirrors each made of a conductive material arranged inside the plurality of opening regions of the mirror substrate, rotatably connected to the mirror substrate via a connection portion, and electrically connected;
A plurality of control electrode portions formed on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film and separated from the mirrors and selectively formed for each mirror;
A plurality of sensor electrode portions selectively formed on the semiconductor substrate below the plurality of mirrors via an insulating film and separated from the mirror and electrically separated from the control electrode portion;
A sensor circuit formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the sensor electrode unit, and detecting a rotation angle of the mirror based on a signal from the sensor electrode unit;
A control circuit formed on the semiconductor substrate so as to be electrically connected to the control electrode unit, and controlling a turning operation of the mirror based on a turning angle of the mirror detected by the sensor circuit. ,
The control electrode unit formed for each mirror is divided into a plurality of parts in a direction connecting an arbitrary end from the center of the mirror, and is arranged.
The optical switch device, wherein the sensor electrode unit is arranged at an arbitrary position in a direction connecting an arbitrary end from the center.

The optical switch device according to claim 4 or 5,
The optical switch device, wherein the control circuit independently controls a control voltage applied to each of the plurality of divided control electrode units according to a rotation angle of the mirror.

The optical switch device according to claim 4 or 5,
An optical switch device, wherein at least one of the plurality of divided control electrode units is disposed closer to the center of the mirror than the sensor electrode unit.

The optical switch device according to claim 5,
The optical switch device, wherein the control circuit and the sensor circuit are provided for each mirror element including at least the mirror, the control electrode unit, and the sensor electrode unit.