JP2004312999A

JP2004312999A - エアギャップを有するマイクロマシン静電アクチュエータ

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Publication number: JP2004312999A
Application number: JP2004129835A
Authority: JP
Inventors: Scott Halden Goodwin-Johansson; グッドウィン‐ヨハンソン，スコット・ホールデン
Original assignee: MCNC
Current assignee: MCNC
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: EP1183566B1; DE60013118D1; CA2368129C; CA2368129A1; JP4465219B2; JP4068346B2; US6236491B1; ATE274196T1; EP1183566A1; AU4857800A; WO2000073839A1; KR100614140B1; KR20020023942A; JP2003501274A

Abstract

【課題】より低くより予測可能な動作電圧で動作するＭＥＭＳ静電装置を提供する。
【解決手段】基板上に重なる多層のフレキシブル複合材の中間部分８０は、静電力の印加に関係なく所定位置に保持され、定められたエアギャップが維持され、下部のマイクロ電子面１０から比較的一定であり、ゼロまで減少することもある。フレキシブル複合材の可動性の末端部分１００は、複合材層の間の熱膨張係数の違いによって一方に偏って自然にカールする。静電力に応答して、末端部分１００が動いて、その結果、フレキシブル複合材がマイクロ電子面１０から離れる距離が変化する。装置は、電磁放射線の経路を選択的に通過させたり遮ったりするように配置できる。減衰器に使用される材料は、様々なタイプの電磁放射線を通過させたり、反射したり、あるいは吸収したりするよう選択でき、複数の電磁減衰器がアレイに配置され、選択的にそのサブセットを作動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロエレクトロメカニカルアクチュエータ構造（microelectromechanical actuator structures）、特に、静電気的に作動するマイクロマシンアクチュエータ構造（micromachined actuator structures）に関する。

薄膜技術の進歩によって精巧な集積回路の開発が可能になった。この進歩した半導体技術は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System、マイクロエレクトロメカニカルシステム又は微小電気機械システム）構造を作り出すためにも投入されている。ＭＥＭＳ構造は一般に、運動すること、あるいは力を加えることが可能である。マイクロセンサ（microsensors）、マイクロギア（microgears）、マイクロモータ（micromotors）や、他のマイクロ工学デバイスなどの多種多様なＭＥＭＳ装置が作り出されている。ＭＥＭＳ装置は広く多種多様な用途のために開発されている。というのは、それらは低コスト、高信頼性、そして極めて小さなサイズという利点を有するからである。

ＭＥＭＳ装置の技術者に与えられた設計自由度によって、微小構造（microstructures）内において望む動きを引き起こすために必要な力を与えるための種々な技術と構造が発展した。例えば、マイクロマシンのスプリングやギアを回転させるために機械的な回転力を加えるためにマイクロカンチレバ（microcantilevers）が使用されてきた。また電磁場はマイクロモータを駆動させるために使用されてきた。圧電性力も制御可能にマイクロマシン構造を動かすために成功裏に使用されてきた。アクチュエータ（actuators）あるいは他のＭＥＭＳ構成部品の熱膨張を制御することもマイクロデバイスを駆動するための力を生成するために使用されてきた。熱膨張を利用してマイクロデバイスを動かすそのようなデバイスの一つは米国特許第５，４７５，３１８号に見いだされる。マイクロカンチレバは異なる熱膨張係数を持つ材料から構成される。加熱されると、バイモルフ層（圧電素子を２枚張り合わせた層）（bimorph layers）は相違してアーチ形になり、その結果、マイクロカンチレバが動く。類似の機構がマイクロマシン熱スイッチを作動させるために使用される。これは米国特許第５，４６３，２３３号に記載されている。

静電力も構造を動かすために使われてきた。従来の静電装置はプラスチックあるいはマイラー（商標）（mylar）材料からカットされた積層した薄膜から構成された。一つのフレキシブルな電極がその薄膜に取り付けられ、別の電極が基礎構造（base structure）に貼り付けられた。それぞれの電極に電圧を加えることによって、それらの電極をお互いに引きつける、あるいはお互いに反発させる静電力が生成された。これらの装置の代表例は米国特許第４，２６６，３９９号に見いだされる。これらのデバイスは一般的な動力用途にはうまく機能するが、しかしこれらのデバイスは小型化された集積回路、生物医学的用途、あるいはＭＥＭＳ構造に適した大きさに構築されることができない。

マイクロマシンＭＥＭＳ装置は微小構造を動かすために静電力も利用してきた。米国特許第５，５７８，９７６号に見いだされるように、一部のＭＥＭＳ静電装置は比較的堅い片持ち部材（cantilever members）を使用する。似たような片持ち式静電装置（cantilevered electrostatic device）は米国特許第５，２５８，５９１号、第５，３６７，１３６号、第５，６３８，９４６号、第５，６５８，６９８号、そして第５，６６６，２５８号に記載されている。さらに、欧州特許第６１４１０１Ａ２は、光偏向に使用される片持式静電装置を記載している。上記特許の装置は、基板表面から離れる方向にある曲率半径で湾曲したフレキシブルな静電アクチュエータを開示してはいない。他のＭＥＭＳ装置は湾曲した静電アクチュエータを開示している。しかしながら、これらの装置の一部は、比較的難しいマイクロ加工技術を使用する複雑な幾何学的形状を組み込んでいる。米国特許第５，６２９，５６５号と第５，６７３，７８５号は、そのそれぞれがそれぞれの静電装置を作り出す二重のマイクロマシン基板を使用する。米国特許第５，２３３，４５９号と第５，７８４，１８９号の装置は、多数の堆積工程と処理工程を使用して形成される。複雑な作業が、フレキシブルな電極に波形を形成するために必要とされる。さらに、米国特許第５，２３３，４５９号は高い動作電圧を必要とするフレキシブルな静電アクチュエータを記載している。同様に、米国特許第５，５５２，９２５号も湾曲した静電電極を開示している。しかしながら、電極は二つの部分、つまりフラットな片持ち部分と、その後に続くより薄いフレキシブルな部分から構成される。
マイクロマシンＭＥＭＳ装置は光減衰器アレイにも使用される。例えばドイツ特許第１９５４０３６３Ａ１を参照すると、それは、光放射線の偏向の目的のための配列構成において配置された静電気的に作動する片持ち構造を教示している。

いくつかの静電ＭＥＭＳ装置は基板表面と静電アクチュエータとの間にエアギャップを含む。静電アクチュエータは一般にフレキシブルでカールした電極を含む。一般に、ギャップは、静電アクチュエータが基板表面から分離する先頭部分から始まり、エアギャップの長さに沿って継続的に増大する。エアギャップの大きさは、アクチュエータがその長さに沿って基板表面からカールしてさらに離れるにつれて増大する。基板電極とアクチュエータ電極との間のエアギャップの分離はアクチュエータを動かすのに必要とされる動作電圧に影響を与える。エアギャップが大きくなるほど、あるいは増大率が高くなるほど、アクチュエータを動作させるために必要とされる電圧はより高くなる。さらに、生産プロセスと材料のばらつきのために、エアギャップのサイズと形状は装置ごとに大きく変化して、動作が異常になる場合がある。従来の静電装置は比較的大きく変わりやすい動作電圧特性を有する。静電アクチュエータのデザインを通じてエアギャップの特性を制御できれば有利である。より低い動作電圧の装置が開発されることは可能であろう。所定の装置に必要とされる動作電圧のばらつきは最小化できる。従って、より予測可能な静電アクチュエータが開発できる。静電装置のエアギャップを適切に設計することによって、装置の動作は妨げられる代わりに助けられることが可能である。

静電力を利用してマイクロ加工された装置内に運動を引き起こさせるための改良されたＭＥＮＳ装置と技術を開発する必要性はなお存在する。電荷間の電場による静電力は、ＭＥＮＳ装置内に小さな電極の分離が与えられて比較的大きな力を生成することができる。これらの力は、ＭＥＭＳ電極の間に電圧差を与えることによって容易に制御され、その結果、比較的大きな運動量がもたらされる。より低く、より異常でない動作電圧を持つ静電装置が必要とされる。有利な新規な装置と用途は、新規のＭＥＮＳ構造に静電力を利用することによって作り出されることが可能であろう。

本発明の目的は、より低い動作電圧で動作可能なＭＥＭＳ静電アクチュエータ（MEMS electrostatic actuators）を提供することにある。

本発明の更なる目的は、制御がより容易で、動作が予測可能な、ＭＥＭＳ静電アクチュエータを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、アクチュエータ電極と基板電極との間に増大しないエアギャップ（non-increasing air gap）を有するＭＥＭＳ静電アクチュエータを提供することにある。

本発明は、静電力を利用し、様々なＭＥＭＳ用途を可能にする、改良されたＭＥＭＳ静電アクチュエータを提供する。さらに、電磁放射線のＭＥＭＳ静電減衰器（MEMS electrostatic attenuator）が本発明によって提供される。またさらに、電磁放射線を減衰させる方法が本発明によって提供される。

本発明にかかる静電力を用いたＭＥＭＳ装置は、マイクロ電子基板（microelectronic substrate）と、基板電極と、フレキシブル複合材と、絶縁体と、を備える。マイクロ電子基板は、ＭＥＭＳ装置がその上に構築される平らな面を定める。基板電極はマイクロ電子基板の表面上に一つの層を形成する。フレキシブル複合材は基板電極上に重なる。断面で見ると、フレキシブル複合材は、電極層とバイアス層（biasing layer）とを備える。フレキシブル複合材はその長さにわたって、下に横たわる面に取り付けられた固定部分と、基板電極と複合材電極との間に増大しないエアギャップを定める中間部分と、基板電極に対して可動性の末端部分と、を有する。絶縁体は、基板電極をフレキシブル複合材電極から電気的に絶縁して分離する。基板電極とフレキシブル複合材電極の電圧差を与えることによって、末端部分を動かして下に横たわる平らな面からの分離間隔を変更させる静電力が生成される。増大しない（非増大）エアギャップは静電力の印加に関係なく保たれる。

これとは別の態様として、ＭＥＭＳ静電装置は、基板電極と複合材電極との間に一般に一定のエアギャップを与えることができる。片持ち領域（cantilevered region）は、それが固定部分から末端部分まで伸びるときに、フレキシブル複合材の中間部分に定められる。あるいはさらに別の態様として、ＭＥＭＳ静電装置は、基板電極とフレキシブル複合材電極との間に一般に減少するエアギャップを与えることができる。この場合、エアギャップは固定部分に隣接するところでより大きくなり、中間部分が固定部分から末端部分まで拡がるにつれて減少する。またさらに別の態様として、ＭＥＭＳ静電装置は、複合材がその下に横たわる層に接触してエアギャップがゼロに近づく接触ゾーンを有してよい。その接触ゾーンで中間部分は末端部分に移り変わる。あるいは別の態様として、ＭＥＭＳ静電装置は、静電力が基板電極と複合材電極との間に生成されようがなかろうが一般に一定のエアギャップを維持することができる。より低く、かつより予測可能な動作電圧は、中間部分の設計をカスタマイズし、エアギャップの間隔を制限することによって与えられる。

本発明は、静電力によって駆動される電磁放射線のＭＥＭＳ減衰器（attenuator）も提供する。このＭＥＭＳ減衰器は、放射線を少なくとも一つの所定経路に沿って方向付ける電磁放射線源を含む。さらに、このＭＥＭＳ減衰器は上記ＭＥＭＳ静電装置も含む。ＭＥＭＳ減衰器は、上述したマイクロ電子基板と、基板電極と、絶縁体と、フレキシブル複合材と、を備える。この減衰器へ静電力の印加を制御することによって、フレキシブル複合材の末端部分は電磁放射線の所定経路の内外に選択的に動くことができる。これとは別の態様が提供するＭＥＭＳ減衰器は、基板電極とフレキシブル複合材電極との間に電圧差を生成して、結果として電極間に静電力をもたらす電圧源を更に備える。本発明による更に別の態様のＭＥＭＳ減衰器は、電磁放射線の少なくとも一つの経路に沿って配置された静電減衰器のアレイ（配列）を更に備える。この他に、本発明によるＭＥＭＳ減衰器は、電磁放射線を透過あるいは遮断させる、あるいは電磁放射線に対して透過性のある、構成要素を備えてよい。本発明によるＭＥＭＳ減衰器は更に、電磁放射線の所定経路に対してフレキシブル複合材の方向性を定めてよい。

本発明は、上に示したように、上記ＭＥＭＳ静電減衰器を使用して電磁放射線を減衰させる方法も提供する。この方法は、静電減衰器に近接する少なくとも一つの所定経路に沿って電磁放射線を方向付ける工程と、基板電極とフレキシブル複合材内の電極層との間で選択に静電力を生成する工程と、少なくとも一つの所定経路に沿って走る電磁放射線を制御可能に遮り、あるいは通過させるために、予め選ばれた距離だけフレキシブル複合材を動かす工程と、を備えることを特徴とする。フレキシブル複合材は、基板電極とフレキシブル複合材電極層との間での静電力の選択的生成に応じて動く。この方法は、フレキシブル複合材に対する電磁放射線経路の方向を指定してよい。この他、この方法は、フレキシブル複合材が静電力に応答して動く方向を指定してよい。また、静電力が存在しない中でフレキシブル複合材減衰器を一方に偏らせてよい。その他にも、本発明による方法は、印加された静電力の大きさと方向の変化に応じて、フレキシブル複合材の動きを定めてよい。

本発明は、上記ＭＥＭＳ静電減衰器のアレイを使用して電磁放射線を減衰させる方法も提供する。この方法は、ＭＥＭＳ静電減衰器のアレイに近接する少なくとも一つの所定経路に沿って電磁放射線を方向付ける工程と、ＭＥＭＳ静電減衰器のアレイから選ばれた少なくとも一つの静電減衰器の電極間に選択的に静電力を生成する工程と、静電減衰器のアレイから選ばれた少なくとも一つの静電減衰器のフレキシブル複合材を、少なくとも一つの所定経路に沿う電磁放射線を選択的に遮り、あるいは通過させるために動かす工程と、を備えることを特徴とする。この方法は、アレイを含む静電減衰器のサブセット内において静電力を生成させることができる。この方法は更に、ＭＥＭＳ減衰機内のアレイ内に静電減衰器のサブセットを少なくとも横一列に配置させてもよいが、それらを少なくとも横一列と少なくとも縦一列とに配置させることもできる。

以下、本発明の実施態様を添付図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、しかしながら、多くの異なった態様で実施でき、ここに紹介される実施態様に限定されるべきではない。これらの実施態様は、本開示が徹底かつ完全であり、そして本発明の技術的範囲を当業者に明示するものとなるよう提供される。同様の符号は同様の要素に付与される。

図１と図２を参照して説明する。本発明は、比較的低く、より予測可能な動作電圧を必要とする、静電力によって駆動されるＭＥＭＳ装置を提供する。第１の実施態様では、静電ＭＥＭＳ装置は、層状に、マイクロ電子基板１０と、基板電極２０と、基板絶縁体３０と、フレキシブル複合材（flexible composite）５０と、を備える。フレキシブル複合材は一般に平らで、マイクロ電子（microelectronic）基板と基板電極の上に重なる。フレキシブル複合材は、その長さ方向に沿って、固定部分（fixed portion）７０と、中間部分（medial portion）８０と、末端部分（distal portion）１００とを有する。固定部分は下に横たわるマイクロ電子基板または媒介層（intermediate layers）にしっかりと張り合わされる。中間部分は固定部分から伸び、所定の場所に保持され、あるいは静電力が印加されることなく一方に偏らされて（バイアスされて）、エアギャップ１２０を定める。エアギャップは所定の増大しない（non-increasing）形状を有し、下に横たわる平らな面と中間部分との間に定められる。中間部分と末端部分は両方とも基礎をなす基板から解放される。末端部分は（固定されず）自由になっており、作動中に動き、下に横たわる平らな面からカールして離れ、この平らな面からの分離間隔を変えることができる。中間部分は、下に横たわる平らな面に対して、例えば、一定または減少する分離間隔といった増大しない分離間隔を、フレキシブル複合材がマイクロ電子基板に向かってたわみ始めるまで、維持する。フレキシブル複合材が結果的にたわむと、中間部分は下に横たわる基板からカールして離れ、あるいは下に横たわる基板に向かってカールする、あるいは一定の分離間隔を維持する。

断面で見ると、フレキシブル複合材５０は、少なくとも一つの電極層４０と一つ又は複数のバイアス層（biasing layers）を含む多層構造になっている。層数、層厚、層の配置、使用される材料の選択は、フレキシブル複合材が下に横たわる基板電極からカールして離れる、あるいはそれに向かってカールする、あるいは平行を維持するように、選ばれる。こうして、末端部分は、それが中間部分から離れて伸びるにつれて、一方に偏ってカールすることができる。下に横たわる基板電極に対する中間部分の位置もカスタマイズすることができる。

静電ＭＥＭＳ装置は周知の集積回路材料とマイクロ工学技術を使用して構成される。当業者であれば、異なった材料、様々な層数、そして多数の層配置が使用されてよいことは理解できよう。図面に示されたＭＥＭＳ装置は製造の細部を説明するための一例として使用するが、本議論は断りがなければ本発明によるすべてのＭＥＭＳ装置に適用できる。図１と図２を参照して説明すると、マイクロ電子基板１０はその上にＭＥＭＳ装置が構築される平らな面１２を定める。好ましくは、マイクロ電子基板はシリコンウェハを含む。しかし平らな面を有するどんな適切な基板材料も使用できる。他の半導体、ガラス、プラスチック、あるいは他の材料も基板としての役割を果たすことができる。絶縁層１４はマイクロ電子基板の平らな面の上に重なり、電気的な絶縁を実現する。絶縁層１４は好ましくは、ポリイミドあるいは窒化物のような、非酸化処理をベースとする絶縁体またはポリマを含む。この場合、もしある特定の酸がリリース層（release layer）を除去するための処理に使用されるなら、酸化物ベースの絶縁体は使用できない。もし、リリース層材料と相性がよい酸あるいはエッチング液とがそのリリース層を除去するために使用されるならば、他の絶縁体、しかも酸化物ベースの絶縁体も、使用してよい。例えば、もしフッ化水素酸を含んでいないエッチング液が使用されるならば、絶縁体に二酸化ケイ素が使用できる。絶縁層は好ましくは、マイクロ電子基板の平らな面の上に適切な材料を堆積させることによって形成される。基板電極２０は、下に横たわる絶縁層１４の表面に貼り付けられる一般に平らな層として堆積される。基板電極は好ましくは、絶縁層の最上面上に堆積される金の層を含む。クロムの薄い層が基板電極上に堆積されてよく、マイクロ電子基板へのより良い接着性が可能になる。また、他の金属性あるいは導電性の材料も、それらがリリース層の処理作業によって浸食されない限り、使用してよい。基板電極２０の表面積と形状は、望ましい静電力を生成するために必要されるように変化させることができる。

第二の絶縁層３０が基板電極２０上に堆積され、その基板電極を電気的に絶縁して、電気的ショートを防止する。さらに、その第二の絶縁層は、基板電極２０と、フレキシブル電極４０を含むフレキシブル複合材との間に所定の層厚の誘電性層を提供する。リリース層処理（release layer processing）に対して耐性がある他の誘電性絶縁体またはポリマを使用してよいが、第二の絶縁層３０は好ましくはポリイミドを含む。第二の絶縁層３０は一般に平らな面３２を有する。

リリース層（図示されていない）は、最初に、上に重なっているフレキシブル複合材の中間部分と末端部分との下に横たわる平らな面３２上に堆積され、エアギャップ１２０として示された空間を占める。リリース層は、フレキシブル複合材のその下に横たわる平らな面に貼られていない部分の真下の領域にだけに与えられる。好ましくは、リリース層は、酸が与えられたときにエッチングして取り除くことができる酸化物あるいは他の適切な材料を含む。上に重なる層が堆積した後、リリース層は、フッ化水素酸エッチングといった標準的なマイクロ工学的な酸エッチング技術を使って取り除くことができる。リリース層が取り除かれた後、フレキシブル複合材５０の中間部分と末端部分は下に横たわる平らな面３２から分離され、それらの間にエアギャップが形成される。

フレキシブル複合材５０の層は、一般に平らな面３２と除去される前のリリース層との上に重なる。この層は縦方向の配置が示されているが、その部分は水平方向にはフレキシブル複合材に沿って堆積される。周知の集積回路生産プロセスはフレキシブル複合材５０を含む層を構成するためにも使用できる。ポリマフィルムの第１の層６０がリリース層と平らな面３２の露出領域とに与えられる。リリース層プロセスに適する他の柔軟なポリマを使用してよいが、ポリイミドがポリマフィルムの第１の層にとって好ましい。最小で二層がフレキシブル複合材５０を構成する。一つはポリマフィルムの層６０で、もう一つはフレキシブルな電極層４０である。また、その最小の二層は、フレキシブル電極の層４０とポリマフィルムの層６２を含んでもよい。フレキシブル複合材を構成する層の間の異なった熱膨張係数によって、中間部分８０と末端部分１００が一方に偏り（biased）、リリース層が除去された後に下に横たわる面３２からカールして離れる。末端部分は、可変的な、あるいは一定の曲率半径でカールすることができる。

フレキシブルな導電体材料の層を構成するフレキシブル電極４０は、ポリマフィルムの第１の層６０の上に重なるように堆積される。フレキシブル電極４０は好ましくは金を含むが、導電性高分子フィルムといった酸に対して耐性があるフレキシブルな導電体を使用することができる。フレキシブル電極４０の表面積あるいは形状は、望ましい静電力を生成するか、あるいは屈曲点１０５からの距離のある関数としてその静電力を変化させるために必要とされるように変化させることができる。

フレキシブルなポリマフィルムの第二の層６２がフレキシブル電極層上に付け加えられる。また、クロムの薄い層がフレキシブル電極層上に堆積されてよく、それによって積み重ねられるポリマフィルムへの接着性を高めることができる。金の層が使用されるところはどこでも、もし金のそれに隣接する材料への接着性を改善することが必要ならば、クロムを用いることができる。一般的に、このポリマフィルムは柔軟であり、かつ電極層とは異なった熱膨張係数を有する。フレキシブル複合材の電極層とバイアス層の成分は異なった速度で膨張するので、フレキシブル複合材は熱膨張係数がより低い層に向かってカールする。

もちろん、フレキシブル複合材をカールさせるための他の技術を使用してよい。例えば、異なった堆積プロセス工程がフレキシブル複合材を構成する層をカールさせるための固有の応力を生成するために使用できる。さらに、フレキシブル複合材は、その中に含まれる層の固有の機械的応力を生成することによってカールさせることができる。加えて、フレキシブル複合材をカールさせるために連続的な温度変化を使用できる。例えば、ポリマフィルムが液体として堆積され、その後、温度の上昇によってカールして固体のポリマ層が形成される。好ましくは、電極層よりもより高い熱膨張係数を持つポリマが使用できる。次に、ポリマ層と電極層は冷却され、熱膨張係数の違いによって応力が生成される。ポリマ層は電極層よりも速く収縮するので、フレキシブル複合材はカールする。

中間部分は末端部分と同じように構成されるので、電極層４０とポリマ層の熱膨張係数の違いによって中間部分はカールすることになる。しかしながら、ポリマフィルム、金属、あるいは他の材料の追加的な層が、リリース層が除去されてしまったときにカールする傾向を打ち消して、中間部分を所定の場所に保つためのバイアス制御構造（baiasing control structure）として機能するようにポリマフィルムの第二の層上に付け加えられてもよい。

バイアス制御構造は、フレキシブル複合材のカールする固有の傾向に対処する役割を果たす。指摘したように、層の熱膨張係数の違いはフレキシブル複合材を一方に偏らせてそれをカールさせる役割を果たす。カールは可動性の末端部分にとって望ましいが、しかし中間部分にとっては不利である。本発明によって提供されるＭＥＭＳ装置に対して予測可能な中間部分の形状とエアギャップを実現することは、動作電圧特性が改善されるので、重要である。例えば、バイアス制御構造は、図２に示されたような片持された中間部分とエアギャップとを維持するために使用される。バイアス制御構造は本発明による静電ＭＥＭＳ装置のすべての実施態様に対して中間部分を支持するために使用される。バイアス制御構造がなければ、フレキシブル複合材は、その複合材の固定部分が中間部分へと移り変わるエアギャップの先頭において、基板の平らな面３２から離れるようにカールし始める。

本発明によるバイアス制御構造の第１の実施態様が図１と図２に示されている。バイアス制御層１１０は第２のポリマ層６２の上に重なって、構造的に中間部分８０を拘束する。示されているように、バイアス制御層はフレキシブル複合材の固定部分７０上に重なり、エアギャップ１２０とフレキシブル複合材の中間部分８０の上を終端１１２まで拡がる。側部１１４と１１６は、複合材の固定部分７０から、複合材の端部を越えて拡がって、平らな面３２または基板１０に最後に取り付けられたある他の層にしっかりと取り付けられる。層１１０の他に、電極層４０とポリマ層６０及び６２が、マイクロ電子基板上に中間部分を保持するために側部を越えて外側に拡張できる。結果として、中間部分は、フレキシブル性を制限するバイアス制御構造によって最上部と３つの側部とで固められる。バイアス制御構造は、マイクロ電子基板に固定された周囲の層に中間部分をしっかりと取り付けるので、その中間部分を横方向にも支持する。バイアス制御構造は、中間部分を正しい位置に保持しやすい熱膨張係数を有する金属化した層から形成することができる。下に横たわるフレキシブル複合材とは異なる熱膨張係数を有する他の材料がカールする傾向を弱めるために使用されてよい。その層は一般に固くて平らな面でよく、あるいは中間部分を支持してエアギャップを制御するのに必要とされるときには、線（line）、升目（grids）、平行線模様（cross-hatch）、もしくは他のパタンを含んでよい。制御層の終端部１１２は、複合材の中間部分から末端部分への移り変わる部分において複合材の屈曲点または屈曲ゾーン１０５も定める。この屈曲点において、エアギャップは中間部分８０の下では一般に一定の距離ｄを有してもよいが、末端部分１００の下ではその距離が増大するようになって、そこでは図に示されているように複合材のカールする力によって末端部分は平らな面から離れるように動く。

また、バイアス制御層は、本来中間部分を正しい位置に保持するという、中間部分の最上面の特徴に影響を与える場合がある。第２のポリマフィルム層６２の層厚は中間部分におけるカールバイアス（curling bias）を制御するために変化することができる。例えば、その第２の層は、より厚く、より薄く、あるいは中間部分のある場所で完全に取り除かれることができる。さらに、その第２の層は、有効な熱膨張係数を修正して中間部分を正しい位置に保持するために、升目が入れられ、線が入れられ、平行線模様が入れられ、あるいは他のパタンが入れられる。図３と図４に示されているように、第２のポリマ層６２は、中間部分８０の範囲にわたって様々な厚みを持たせて、それによって熱膨張係数によって生成される力を形成したり、方向付けしたり、あるいは減少させたりするために、模様が入れられたり、あるいは部分が取り除かれてよい。さらに、中間部分を構成する最上層に不純物を加えることによって熱膨張係数を変えることが可能である。バイアス制御構造を生成するために、フレキシブル複合材を構成する他の層の層厚を変えたり、あるいは中間部分の下に横たわる支持材（support）を提供することも可能である。当業者であれば、中間部分においてバイアス制御を実現するために他の技術も使用できることは理解できよう。さらに、上記技術を組み合わせて、中間部分やエアギャップを一方に偏らせたり、位置決めしたりすることができる。また、末端部分１００は、異なる順序で層を堆積させたり、あるいは異なる材料を選ぶことによって、静電力の印加とは無関係に下に横たわる平らな面からカールして離れたり、あるいはカールして近づいたりすることができる。

こうして中間部分８０は、平らな面３２上に重なる片持ち部材（cantilever member）のように作用する。とういうのは、バイアス制御構造あるいはバイアス層の修正によって中間部分は所定の位置に保持されるからである。従来のＭＥＭＳ静電アクチュエータと異なり、この実施態様においては静電力を用いないで中間部分は定位置に保持される。さらに、エアギャップ１２０と片持された中間部分の形状は、ＭＥＭＳ装置に静電力が印加されようとなかろうと最初から一定に保持され、あるいは縮小する。エアギャップを制御することによって、本発明の実施態様によってより低くより予測可能な動作電圧が実現される。

作動中、静電力が一切加わらないときは、可動性の末端部分は屈曲点から伸びながら一方に偏って自然にカールし、それによってその末端部分と下に横たわる平らな面との間の距離が変化する。基板電極とフレキシブル電極とに電荷が加わると、それらの間に静電力が生成される。その静電力によって、フレキシブル電極を含む可動性の末端部分は、基板電極の上に重なる平らな面に対する分離間隔を変化させる。選択肢として、静電力によって中間部分が平らな面に対する分離間隔を変化させることもできる。好ましくは、静電力はフレキシブル電極を基板電極に引きつけて、一方に偏った末端部分をカールさせずに、マイクロエレクトニック基板の表面に合わせる。また、静電力は基板電極とフレキシブル電極とを反発させ、可動性の末端部分をマイクロエレクトニック基板の平らな面からカールして離れさせることができる。支持された中間部分は所定の位置に片持されたままで、下に横たわる平らな面の上に一定のエアギャップを定める。その増加しないエアギャップによって、例えば３０ボルトといった比較的小幅な電圧が保証され、そのギャップは複合材の運動を開始させるために使用されてよい。増加するエアギャップは例えば、８０ボルトといったより高い電圧を必要とする。

図２に示されているように、一定のエアギャップ１２０が中間部分と下に横たわる平らな面との間に生成されてよい。また、図３と図５に示されているような減少するエアギャップ１３０は、中間部分が下に横たわる平らな面に接触して、減少するエアギャップが与えられる本発明を使用して、生成することができる。これらのＭＥＭＳ装置の構造と構成は、既に議論した中間部分とエアギャップの例外と同じである。

図３、図４、図５を参照して説明する。固定部分７０に近接するポリマフィルムの第２の層６２の一部分が取り除かれて模様が入った領域８２が形成される。ポリマフィルムの第２の層６２は、フレキシブル電極４０よりも、あるいはポリマフィルム６０やフレキシブル電極４０といったフレキシブル複合材５０を形成する下に横たわる複合層よりも、高い熱膨張係数を有する。中間部分においてポリマフィルムの第２の層６２の一部を取り除くことによって、静電力が一切加わらないときにフレキシブル複合材５０は下に横たわる平らな面３２に向かってカールする。フレキシブル電極４０の熱膨張係数によって中間部分は制御されてその下に横たわる平らな面３２に近づくので、このカールはその結果として生じる。詰まるところ中間部分はその下に横たわる平らな面がその接線となるように接触して、それによって支持される。可動性の末端部分１００は、フレキシブル複合材５０が再び分離し、その下の横たわる平らな面３２から上に向かってカールし始めるところである屈曲点１０５において始まる。可動性の末端部分１００は、フレキシブル複合材５０を形成する成分層の使用材料と層の数や順序に従って、その下に横たわる絶縁体３０の平らな面３２に向かって、あるいはそれから離れるように、カールすることができる。また、もう１つのポリマ層といった追加的な層が中間部分８０においてポリマ層６２の上に重なるように堆積して、マイクロエレクトニック基板に向かって中間部分をカールさせることもできる。

開示した異なったＭＥＭＳ装置は同様に動作する。静電力を加える必要なく、末端部分は自然に湾曲する。基板電極とフレキシブル電極に電圧が加えられると、その間に静電力が生成される。エアギャップが制御され、あるいはフレキシブル複合材が基板電極近くの絶縁体に接触するので、示された実施態様はより低くより予測可能な動作電圧で動作する。適切な量の電位が印加されると、静電力は、フレキシブル電極を有する末端部分を動かす。可動性の末端部分とその下に横たわる平らな面との間の分離間隔は加わった静電力に応じて変化する。好ましくは、一方に偏った中間部分とエアギャップは、静電力が加わろうとなかろうと、その形状は維持される。また、既に論じたように中間部分はその下に横たわる平らな面に向かって静電気的に引きつけられる。本発明による静電ＭＥＭＳ装置の動作特性と予測可能性は設計によって向上する。

本発明によって提供される静電ＭＥＭＳ装置は電磁エネルギーの減衰器として機能することができる。可視光レーザ、赤外線レーザ、あるいは磁気放射線もしくは無線周波数放射線は、このＭＥＭＳ装置によって選択的に減衰され、反射され、あるいは透過させられる。末端部分の可変部分は様々な量の光線あるいは他の電磁放射線を遮断する。例えば、末端部分は、電磁放射線の経路を全体的に除去して、あるいは全体的に横切るように、動かされる。また、末端部分は電磁放射線の経路を部分的に横切るように動かされることができ、通過する電磁放射線の量のアナログ制御が可能になる。光線は基板表面と平行に走ることができるが、この場合、装置は末端部分を光線経路外に引きずり下ろすように作動する。また、光線は透明な固定電極を備えた透明な基板を通って伝わることができるが、この場合、装置は光の経路内に末端部分を引きずり下ろすように作動する。フレキシブル複合材の表面は、光線による加熱を最小化するための高反射性材料の薄いフィルムでコートすることができる。光線が表面と平行に走る場合に関して、複数のアクチュエータをその光線を減衰するために使用することができる。光線経路に沿う一連のアクチュエータは、リダンダンシー（redundancy）あるいは「ＯＲ」型論理を実現するだろう。同様に、光線経路に横切るように配置された二つ以上のアクチュエータ（光線サイズやアクチュエータのサイズに依存）は「ＡＮＤ」型論理を実現するだろう。複合材の曲率半径はフレキシブルフィルムの層厚や材料選択によって制御されるので、異なるサイズの光線と基板からの間隔は装置設計を制御することによって減じることができる。

カールしたフレキシブル複合材によって反射した放射線は、複合材の曲率と光線（beam）の特性に依存する角度にわたって分散されるだろう。反射光のより強力な制御は、フレキシブル複合材をカールさせないで平坦にしておくことによって実現できる。これは、末端において材料の一部を取り除いて材料の厚みを制御するか、あるいは他の材料を加えることによって実行することができる。その際、末端の平坦な面によって光はあまり分散しないで反射されるだろう。中間部分から最も遠い末端部分における平らな端部を使用することによって、アクチュエータは湾曲を増大させることなく基板からより高いところでフィルムを遮断することもできるだろう。結局、用途に依存して、中間部分から最も遠い末端部分の端部は、カールするか、あるいは比較的平らになるかのいずれかになることが可能である。

本発明によるＭＥＭＳ静電減衰器は、電磁放射線源と、すでに説明したＭＥＭＳ静電装置とを含む。図６と図７は本発明による静電減衰器を示している。電磁放射線源１４０は少なくとも一つの所定経路に沿った方向に向けられる。図６に示されているように、電磁放射線の経路はフレキシブル複合材５０を横切ってよい。また、電磁放射線は、図７に示されているように、マイクロエレクトニック基板１０によって定められる平面に垂直な経路に沿った方向に向けられてもよい。減衰される電磁放射線のタイプに依存して、ＭＥＭＳ静電デバイスの構成はある程度まで変化できる。

マイクロ電子基板１０を形成している材料は、所定のタイプの電磁放射線に対する材料の減衰特性に従って選ぶことができる。例えば、基板に向けられた電磁放射線ビームを透過し、遮断し、あるいは反射する基板材料を選ぶことができる。例えば、ガラス基板が可視光線を反射し、あるいは遮断するために使用できる。基板電極２０とフレキシブル複合材５０も、ある特定のタイプの電磁放射線を望ましく減衰する材料から構成できる。さらに、フレキシブル複合材５０は電磁エネルギーを反射する一つ以上の面を有することができる。例えば、フレキシブル複合材の最上部面、最下部面、あるいは両方の面はレーザビームを反射することができる。

図８は一つのアレイ（配列）を構成する複数の静電減衰器を示している。アクチュエータの可動性のフレキシブル複合材を取り囲む材料は図８に示されているように壁を形成したままに置かれ、あるいは図１に示されているように取り去られてもよい。示されているように、電磁放射線の経路はアレイ内の一つ以上の減衰器を横切ってよい。アレイ内のすべての減衰器あるいは共同作用するサブセットを作動させることができる。減衰器のサブセットは、横列、縦列、あるいは他の編成を含むどんな方法で配置してもよい。

本発明は更に、上述した静電ＭＥＭＳ減衰器を使用して電磁放射線を減衰する方法も提供する。この方法は、電磁放射線を方向付ける工程と、静電力を選択的に生成する工程と、減衰器のフレキシブル複合材を動かして選択的に少なくとも一つの所定経路に沿って走る電磁放射線を遮断し、あるいは通過させる工程と、備える。

電磁放射線を方向付ける工程は、フレキシブル複合材によって定められる平面と一般に平行な、あるいは垂直な、所定経路に沿って電磁放射線を方向付けることを含むことができる。フレキシブル複合材を動かす工程は、基板から離れるように、あるいはそれに向かうようにフレキシブル複合材を動かすことを含むことができる。また、フレキシブル複合材を動かす工程は、基板電極と複合材電極との間に静電力の存在なしに、フレキシブル複合材を一方に偏らせてマイクロ電子基板に対して所定の方向に動かすことを含むことができる。また任意に、フレキシブル複合材を動かす工程は、電極間に生成される静電力の大きさを変化させることによって、フレキシブル複合材の動きの程度を制御することを含むことができる。

本発明は更に、静電ＭＥＭＳ減衰器のアレイを使用して電磁放射線を減衰する方法を提供する。この方法は、減衰器のアレイに近接する少なくとも一つの経路に沿って電磁放射線を方向付ける工程を含む。この方法は、アレイから選ばれた少なくとも一つの静電減衰器内で、基板電極とフレキシブル複合材電極との間に静電力を選択的に生成する工程を更に含む。最後に、この方法は、アレイ内の少なくとも一つの選ばれた静電減衰器に対してフレキシブル複合材を所定の距離だけ動かして、減衰器アレイに近接する少なくとも一つの電磁放射線経路を選択的に遮断し、あるいは通過させる工程を含む。上記のように、電磁放射線経路は全体的に遮断、あるいは部分的に遮断、あるいは全く遮断されないようにすることができる。静電力を選択的に生成する工程は、アレイ内の静電減衰器のサブセットを作動させることを任意に含むことができる。フレキシブル複合材を動かす工程は、配列した静電減衰器のサブセットを、少なくとも横一列に配置させ、その少なくとも横一列内の減衰器に対応するフレキシブル複合材を動かすことを任意に含むことができる。また、フレキシブル複合材を動かす工程は、配列した静電減衰器のサブセットを、少なくとも横一列と少なくとも縦一列に配置させ、その少なくとも横一列と少なくとも縦一列内にある減衰器に対応するフレキシブル複合材を動かすことを含むことができる。

本発明の多くの修正や他の実施態様は、上述した説明と添付図面を参考にすれば、当業者であれば考えつくはずである。従って、本発明はここに開示された特定の実施態様に限定されるべきではなく、またそれに対する修正や他の実施態様は以下の請求の範囲に定められる技術的範囲に入ることが意図されていることは理解されなければならない。ここには特定の用語が使用されているが、それらは一般的な説明においてのみ使用されているのであって、決して本発明の技術的範囲を限定する目的のためではない。

本発明によるＭＥＭＳ装置の図２の１−１ラインに沿った断面図である。本発明によるＭＥＭＳ装置の平面図である。本発明によるＭＥＭＳ装置の別の実施態様の図４の３−３ラインに沿った断面図である。本発明によるＭＥＭＳ装置の別の実施態様の平面図である。本発明によるＭＥＭＳ装置の別の実施態様の断面図である。放射線減衰器として使用される本発明による装置の断面図である。放射線減衰器として使用される本発明による装置の断面図である。本発明による装置のアレイの斜視図である。

Claims

基板電極（２０）を有するマイクロ電子基板（１０）と、
電極層（４０）及びバイアス制御構造（１１０，８２）を含むバイアス層（６０，６２）を有し、前記下に横たわっている基板（１０）に取り付けられた固定部分（７０）と、前記固定部分から伸びる中間部分（８０）と、前記中間部分（８０）から屈曲点（１０５）に近接して伸びており、前記基板電極と前記電極層との間に生成された静電力に応答して動くことができる末端部分（１００）と、を含むフレキシブル複合材（５０）と、
を備えたＭＥＭＳ静電減衰器を使用して、電磁放射線を減衰させる方法であって、
前記静電減衰器に近接する少なくとも一つの所定経路に沿って電磁放射線を方向付ける工程と、
前記基板電極（２０）と前記フレキシブル複合材電極層（４０）との間に選択的に静電力を生成する工程と、
を含む方法において、
前記静電力に応答して少なくとも一つの所定経路に沿って走る電磁放射線を選択的に遮り、あるいは通過させるために前記末端部分（１００）を所定の距離動かす工程を更に含むことを特徴とする方法。
前記電磁放射線を方向付ける工程は、前記フレキシブル複合材（５０）の前記中間部分（８０）によって定められる平面に実質的に平行な所定の経路に沿って前記電磁放射線を方向付けることを含む請求項１に記載のＭＥＭＳ静電減衰器を使用する電磁放射線の減衰方法。
前記電磁放射線を方向付ける工程は、前記フレキシブル複合材（５０）の前記中間部分（８０）によって定められる平面に実質的に垂直な所定の経路に沿って前記電磁放射線を方向付けることを含む請求項１に記載のＭＥＭＳ静電減衰器を使用する電磁放射線の減衰方法。
前記末端部分を動かす工程は、前記基板電極（２０）と前記フレキシブル複合材電極層（４０）との間の静電力の選択的生成に応じて、前記末端部分（１００）を前記基板電極（２０）から実質的に離れるように動かすことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳ静電減衰器を使用する電磁放射線の減衰方法。
前記基板電極（２０）と前記フレキシブル複合材電極層（４０）との間に静電力が存在しない中で、前記フレキシブル複合材（５０）を偏らせて前記末端部分（１００）を前記マイクロエレクトニック基板（１０）に対して所定の方向に動かす工程を更に含む請求項１に記載のＭＥＭＳ静電減衰器を使用する電磁放射線の減衰方法。
前記末端部分（１００）を動かす工程は、前記基板電極（２０）と前記フレキシブル複合材電極層（４０）との間に生成される静電力の大きさを変化させることによって、前記末端部分の動きの度合いを制御することを含む請求項１に記載のＭＥＭＳ静電減衰器を使用する電磁放射線の減衰方法。
基板電極（２０）を有するマイクロ電子基板（１０）と、
電極層（４０）及びバイアス制御構造（１１０，８２）を含むバイアス層（６０，６２）を有し、前記下に横たわっている基板（１０）に取り付けられた固定部分（７０）と、前記固定部分から伸びる中間部分（８０）と、前記中間部分（８０）から屈曲点（１０５）に近接して伸びており、前記基板電極と前記電極層との間に生成された静電力に応答して動くことができる末端部分（１００）と、を含むフレキシブル複合材（５０）と、
をそれぞれが備えたＭＥＭＳ静電減衰器のアレイを使用して、電磁放射線を減衰させる方法であって、
前記静電減衰器のアレイに近接する少なくとも一つの所定経路に沿って電磁放射線を方向付ける工程と、
前記静電減衰器のアレイ内の選ばれた少なくとも一つの静電減衰器に対して、前記基板電極と前記フレキシブル複合材電極層との間に選択的に静電力を生成する工程と、
を含む方法において、
前記静電減衰器のアレイ内の前記選ばれた少なくとも一つの静電減衰器に対して、静電力の前記選択的生成に応答して前記末端部分（１００）を所定の距離動かして、少なくとも一つの所定経路に沿って走る電磁放射線を選択的に遮り、あるいは通過させる工程を更に含むことを特徴とする電磁放射線の減衰方法。
前記静電力を選択的に生成する工程は、前記アレイ内に属する前記静電減衰器のサブセットを作動させることを含む請求項７に記載の電磁放射線の減衰方法。
前記末端部分を動かす工程は、前記アレイに属する前記静電減衰器のサブセットを少なくとも横一列に配置させ、前記少なくとも横一列内で、前記フレキシブル複合材（５０）の前記末端部分（１００）を動かすことを含む請求項７に記載の電磁放射線の減衰方法。
前記末端部分を動かす工程は、前記アレイに属する前記静電減衰器のサブセットを少なくとも横一列と少なくとも縦一列とに配置させ、前記少なくとも横一列と前記少なくとも縦一列内で、前記フレキシブル複合材（５０）の前記末端部分（１００）を動かすことを含む請求項７に記載の電磁放射線の減衰方法。