JP2004508953A - 制御曲げを用いた直接動作式縦型熱アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの光学装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの1段階縦型熱アクチュエータに関する。前記縦型熱アクチュエータは、基板の表面上に構成されている。少なくとも1つの高温アームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。低温アームは、前記表面に固定された第1端と自由端とを有する。前記低温アームは、前記表面に対して前記高温アームの上に配置されている。前記低温アームは、前記低温アームの前記第1端の近くで制御曲げを与えるように構成されている。部材は、電流を少なくとも前記高温アームに加えた場合に前記部材が前記基板から遠ざかるように前記アクチュエータが大体撓み部で曲がるように前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する。
Description
【0001】
本発明は、一般に、超小型機械装置に関し、より詳しくは、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータに関する。
【0002】
複雑な超小型電気機械システム(MEMS)および超小型光学電気機械システム(MOEMS)の装置を製造することは、超小型機械装置技術の著しい進歩を示す。現在、多くの大規模な装置のマイクロメートルサイズの類似物が製造されており、例えば、蝶番、シャッター、レンズ、鏡、スイッチ、偏光装置、およびアクチュエータなどがある。これらの装置は、例えばResearch Triangle Park,North CarolinaにあるCronos Integrated Microsystemsから入手できるマルチユーザMEMS処理(MUMPs)を用いて製造可能である。MEMSおよびMOEMS装置の用途には、例えば、データ記憶装置、レーザスキャナ、プリンタヘッド、磁気ヘッド、超小型分光計、加速度計、走査型プローブ顕微鏡、近視野光学顕微鏡、光学スキャナ、光学変調器、超小型レンズ、光学スイッチ、および超小型ロボットがある。
【0003】
MEMSまたはMOEMS装置を形成する方法の1つは、前記装置を基板上の適当な位置にパターン形成することを含む。パターン形成すると、前記装置は、前記基板の上端に平坦に置かれている。例えば、蝶番構造体または反射器装置の蝶番板は両方とも、前記MUMPs工程を用いて前記基板の表面と略共面に形成される。これらの装置を使用する課題の1つは、それらを前記基板の平面から移動させることである。
【0004】
アクチュエータを超小型機械装置に結合することにより、これらの装置を前記基板の平面から移動させることができる。静電、圧電、熱および磁気を含む種々のアクチュエータが、この目的のために使用されている。
【0005】
そのようなアクチュエータの1つは、「超小型光学電気機械システム用の縦型熱アクチュエータ」,v.3226,SPIE,pp.137−46(1997)における「Cowanら」により記載されている。図1に示すCowanらの前記アクチュエータ20は、抵抗加熱を使用して熱膨張を誘導する。高温アーム22は、片持ちアーム24よりも高温であるため、熱膨張がアクチュエータ先端26を基板28の表面の方へ駆動する。十分高い電流で、前記基板28との接触および上向きに弓形の前記高温アーム22により前記アクチュエータ先端26の下向き撓みを止める。駆動電流を除去すると、図2に示すように、前記高温アーム22は、弓形で急速に「固まり」縮んで、前記アクチュエータ先端26を上向きに引っ張る。
【0006】
前記高温アーム22の変形は永続的であり、前記アクチュエータ先端26は力を加えることなく上向きに撓んだままであり、後屈アクチュエータ32を形成する。前記駆動電流を更に流すと、前記基板28の表面に向かう方向30に前記後屈アクチュエータ32が回転する。図2の前記後屈アクチュエータ32は、セットアップまたは1回限りの位置決めの用途のために通常使用される。Cowanらに記載の前記アクチュエータは、それらが1回の操作工程で面外に実質的に45度を超えて蝶番板を回転させたり持ち上げたりすることができないという点で制限されている。
【0007】
「Harshら」の「Siベースの高周波MEMS用のフリップチップ組立て」Technical Digest of the Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems,IEEE Microwave Theory and Techniques Society 1999,at 273−278、「Harshら」の「フリップチップ一体型MEMS同調可能コンデンサの実現および設計考察」80 Sensors and Actuators 108−118(2000)、および「Fengら」の「ミリメートル波用のMEMSベースの可変コンデンサ」Solid−State Sensor and Actuator Workshop,Hilton Head Island,South Carolina 2000,at 255−258には、フリップチップ設計に基づく種々の縦型アクチュエータが開示されている。通常の剥離エッチング工程の間、ベース酸化層を部分的に溶解し、残りのMEMS成分を剥離する。次に、セラミック基板をMEMS装置の暴露面に結合し、前記ベース酸化層のエッチングを完了することによりベースポリシリコン層を除去する(即ち、フリップチップ工程)。結果として得られる、ポリシリコン基板が全く無い装置は、コンデンサであり、そのコンデンサの上端板は、前記セラミック基板上の対向板の方へ下向きに制御可能に移動される。ポリシリコン層の浮遊容量の影響が前記装置の動作を少なくとも妨げるので、前記装置は前記ポリシリコン基板から除去される。
【0008】
45度よりも実質的に大きい持ち上げ角度は、2段階アクチュエータシステムで実現可能である。2段階アクチュエータシステムは通常、縦型アクチュエータおよびモータから成る。前記縦型アクチュエータは、45度よりも実質的に大きくない最大角度まで基板から蝶番超小型機械装置を持ち上げる。前記超小型機械装置の持ち上げアームに接続された駆動アームを有する前記モータは、前記持ち上げを完了する。そのような2段階組立てシステムの1つは、「跳ね上げ式超小型鏡の自動組立て」,Transducers ’97,Int’l Conf. Solid−State Sensors and Actuators,pp.347−50(1997)における「Reidら」により開示されている。これらの2段階アクチュエータは、セットアップまたは1回限りの位置決めの用途のために通常使用される。
【0009】
前記2段階アクチュエータシステムは、複雑であり、信頼性を低下させ、MEMSおよびMOEMS装置を含むチップのコストを増大させる。それゆえ、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータを必要とする。
【0010】
本発明は、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの光学装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータを目的としている。制御曲げは、前記縦型熱アクチュエータの変位を最大にする。
【0011】
前記縦型熱アクチュエータは、基板の表面上に構成されている。少なくとも1つの高温アームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。低温アームは、前記表面に固定された第1端と自由端とを有する。前記低温アームは、前記表面に対して前記高温アームの上に配置されている。撓み部は、制御曲げを与えるようにした前記低温アームの前記第1端の近くの前記低温アームに形成されている。部材は、電流を少なくとも前記高温アームに加えた場合に前記部材が前記基板から遠ざかるように前記アクチュエータが大体前記撓み部で曲がるように前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する。
【0012】
前記撓み部は、狭い、薄いもしくは脆弱な材料、代替材料の窪み、凹み、切欠き、孔、位置または他の構造上の特徴、あるいはその位置で曲げ抵抗性を減少させる材料変化のうち少なくとも1つを含む。1つの実施形態において、前記高温アームおよび前記低温アームは、電流を流す回路を含む。別の実施形態において、接地タブは、前記基板に前記高温アームを電気的に結合する。前記接地タブを用いた前記実施形態において、任意に、前記低温アームを前記高温アームから電気的に絶縁することができる。
【0013】
1つの実施形態において、補強部材は、前記低温アームに形成されている。前記補強部材は通常、前記撓み部の近傍から前記自由端の近傍まで延在している。前記補強部材は、前記低温アームに一体形成されることができる。1つの実施形態において、前記補強部材は、前記低温アームに沿って長手方向に延在しており、例えば前記低温アームに沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部である。
【0014】
1つの実施形態において、前記補強部材は、前記高温アームの真上に配置されている。前記低温アームは、前記高温アームの真上に配置されることができる。前記高温アームの前記第1端は、前記低温アームの前記第1端に隣接してまたは前記低温アームの前記第1端からずれて前記基板に取り付けられることができる。任意に、金属層は、前記低温アームに沿って延在している。1つの実施形態において、少なくとも1つの前記高温アームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを各々が有する2つの高温アームを含む。
【0015】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する少なくとも1つの高温アームを含む。低温アームは、前記表面に固定された第1端と自由端とを有する。前記低温アームは、前記表面に対して前記高温アームの上に配置されている。補強部材は、前記低温アームの第1部分に形成されている。前記補強部材を有しない前記低温アームの第2部分は、前記縦型熱アクチュエータの制御曲げを与えるようにしてある。部材は、電流を少なくとも前記高温アームに加えた場合に前記部材が前記基板から遠ざかるように前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する。
【0016】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームを有する。第2ビームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。部材は、前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する。第3ビームは、前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する。前記第3ビームは、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置されている。撓み部は、制御曲げを与えるようにした前記第3ビームの前記第1端の近くの前記第3ビームに形成されている。第1および第2の電気接点は、前記第1および第2の接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張し前記部材が弧を描いて前記基板から遠ざかるようにそれぞれ前記第1および第2ビームの前記第1端に電気的に結合されている。
【0017】
1つの実施形態において、前記第3ビームは、前記第1および第2ビームの略上に配置されている。任意に、前記第3ビームは、金属層を含むこともできる。前記第1および第2ビームは、非励起形態において第1の表面と略平行である。電流は、前記第1および第2ビームが前記基板の前記表面から離れて上向きに曲がるように励起形態において前記第1および第2の電気接点に流される。
【0018】
1つの実施形態において、前記第3ビームの前記第1端は、前記基板から電気的に絶縁されている。別の実施形態において、前記第1および第2ビームにおける前記電流の少なくとも一部は、前記第3ビームに流れる。任意に、前記第1および第2ビームは、接地タブにより前記基板に電気的に結合されることができる。
【0019】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームを有する。第2ビームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。部材は、前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する。第3ビームは、前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する。前記第3ビームは、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置されている。補強部材は、前記第3ビームの第1部分に沿って形成されている。前記補強部材を有しない前記第3ビームの第2部分は、前記縦型熱アクチュエータの制御曲げを与えるようにしてある。第1および第2の電気接点は、前記第1および第2の接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張し前記部材が弧を描いて前記基板から遠ざかるようにそれぞれ前記第1および第2ビームの前記第1端に電気的に結合されている。
【0020】
複数の縦型熱アクチュエータを、1枚の基板上に形成することができる。少なくとも1つの光学装置を、前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合することができる。前記光学装置は、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッター、または閉塞構造体のうちの1つを含む。前記光学装置は、光通信システムの一部であってもよい。
【0021】
本発明は、超小型機械装置用の制御曲げを用いた1段階縦型熱アクチュエータに関する。本明細書中で使用される場合、「制御曲げ」は、前記縦型熱アクチュエータのビームに沿って分布されるのではなく離散的な位置で主として生じる曲げを指す。前記マイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータは、面外の反復可能で迅速な移動を行うことができる。
【0022】
本明細書中で使用される場合、「超小型機械装置」は、マイクロメートルサイズの機械、光学機械、電気機械または光学電気機械装置を指す。マルチユーザMEMS処理(MUMPs)を用いて超小型機械装置を製造する種々の技術は、Research Triangle Park,North CarolinaにあるCronos Integrated Microsystemsから入手できる。組立て手順の1つは、Cronos Integrated Microsystemsから入手できる「MUMPs設計ハンドブック」第5.0改訂版(2000)に記載されている。
【0023】
ポリシリコン表面超小型機械加工では、集積回路(IC)業界で知られているプレーナ製造処理工程を改造して、超小型電気機械または超小型機械装置を製造する。ポリシリコン表面超小型機械加工用の標準ビルディングブロック処理は、低応力多結晶シリコン(ポリシリコンとも呼ぶ)および犠牲材料(例えば、二酸化シリコンまたは珪酸ガラス)の交互層の蒸着およびフォトリソグラフィパターン形成である。所定の位置で犠牲層を通ってエッチングされたバイアは、基板に対するアンカー点およびポリシリコン層間の機械電気的相互接続を与える。前記装置の機能素子は、一連の蒸着およびパターン形成処理工程を用いて1層ずつ築き上げられる。前記装置構造体の完成後、前記ポリシリコン層を実質的に腐食しない弗化水素酸(HF)などの選択エッチング剤を用いて前記犠牲材料を除去することによりその装置構造体を移動のために剥離できる。
【0024】
結果として、電気的相互接続および/または電圧基準面を与えるポリシリコンの第1の層と単純な片持ちビームから複雑な電気機械システムに及ぶ機能素子を形成するのに使用可能な機械的ポリシリコンの追加層とから大体成る構成システムになる。全体構造は、前記基板と同一面内に配置される。本明細書中で使用される場合、用語「面内」は、前記基板の表面と略平行な配置を指し、用語「面外」は、前記基板の表面に対して0度〜約90度の配置を指す。
【0025】
前記機能素子の典型的な面内横寸法は1μmから数百μmに及ぶこともある一方、層厚は通常約1〜2μmである。全体処理は標準IC製造技術に基づいているので、継ぎ足し部品組立の必要が全くなくシリコン基板上に多数の完全組立て装置を一括製造することができる。
【0026】
図3〜図6は、本発明による制御曲げを用いた縦型熱アクチュエータ50の第1の実施形態を示す。本明細書中で使用される場合、「縦型熱アクチュエータ」は、面内位置と面外位置との間で光学装置を反復可能に移動させることができる超小型機械装置を指す。前記縦型熱アクチュエータ50は、上に堆積された窒化シリコン56の層を有するシリコンウェーハ54を通常含む基板52の表面上の面内に配設されている。前記アクチュエータ50は、窒化シリコン56の前記層の上に配置されたポリシリコンの第1の層60を含む。図6で最もよく分かるように、前記第1の層60は、低温ビーム84に補強部材85を形成するバンプを含む。ポリシリコン62の第2の層は、第1および第2のアンカー64、66とそれぞれ前記アンカー64、66から片持ち状に配列された1対のビーム68、70とを有する構成となっている。
【0027】
図3に示す前記実施形態において、前記アンカー64、66は、電流を前記ビーム68、70に搬送するようにした前記基板52上に形成された電気接点76、78を含む。前記トレース76、78は通常、前記基板52の縁まで延在している。代わりに、ボールグリッドアレイ(BGA)、ランドグリッドアレイ(LGA)、プラスチックリードチップキャリア(PLCC)、ピングリッドアレイ(PGA)、エッジカード、スモールアウトライン集積回路(SOIC)、デュアルインラインパッケージ(DIP)、4方向フラットパッケージ(QFP)、リードなしチップキャリア(LCC)、チップスケールパッケージ(CSP)などの種々の電気接点装置および/または実装方法を使用して、電流を前記ビーム68、70に送出することができる。
【0028】
前記ビーム68、70は、部材72によりそれらのそれぞれの自由端71、73で電気的および機械的に結合されて、電気回路を形成する。代替実施形態では、ビーム68、70を接地タブ77に電気的に結合する。前記接地タブ77は、非励起形態(図4参照)および励起形態(図7参照)の両方で前記基板52上の接点79に前記ビーム68、70を電気的に結合する。前記接地タブ77は、前記接点79との接触を維持するようにした可撓部材またはばね部材でもよい。接地タブは、本明細書中に開示の任意の実施形態で使用することができる。
【0029】
前記ビーム68、70は、前記部材72が前記基板52の上に配置されるように前記第1の層60から物理的に分離されている。任意に、前記基板52の上の前記ビーム68、70を支持するのに1つ以上のディンプル74を前記部材72に形成することもできる。代替実施形態では、前記ディンプルまたはバンプ74を前記基板52上に形成することができる。図4に示す非励起形態において、前記ビーム68、70は、前記基板52の表面と略平行である。本明細書中で使用される場合、「非励起形態」は、前記ビーム68、前記部材72および前記ビーム70により形成される回路に流す電流が実質的にない状態を指す。
【0030】
ポリシリコンの第3の層80は、前記アンカー64、66の近くの前記基板52に取り付けられたアンカー82を用いて構成されている。前記第3の層80は、前記ビーム68、70の上に前記部材72に機械的に結合された自由端83を有する前記アンカー82から片持ちビーム状に突出した上ビーム84を形成する。図示の前記実施形態において、補強部材85はその長さの少なくとも一部に沿って形成され、撓み部87は前記アンカー82の近くの前記上ビーム84に形成されている。1つの実施形態では、任意に、金属層を前記上ビーム84に貼る。
【0031】
本明細書中で使用される場合、「補強部材」は、曲げ抵抗性を増大させる1つ以上の隆起部、バンプ、溝または他の構造上の特徴を指す。前記補強部材は、前記上ビーム84と共に一体形成されるように前記MUMPs処理中に形成されるのが好ましい。図示の前記実施形態において、前記補強部材85は、長方形、正方形、三角形または種々の他の形状でもよいが、前記上ビーム84の一部に沿って延在している曲線の隆起部(図6参照)である。更に、前記補強部材85を、前記上ビーム84の中心にまたはその縁に沿って配置することができる。多数の補強部材(図16参照)を使用することもできる。
【0032】
本明細書中で使用される場合、「撓み部」は、狭い、薄いまたは脆弱な材料、代替材料の窪み、凹み、孔、長孔、切欠き、位置または他の構造上の特徴、または特定の位置で制御曲げを与える材料変化を指す。撓み部用に適した代替材料には、ポリシリコン、金属または高分子材料がある。図3および図5に最もよく示されるように、前記撓み部87は、窪み89である。前記窪み89は、前記上ビーム84の最も脆弱な部位を含み、従って、その位置は、前記縦型熱アクチュエータ50の作動中に最も曲がりやすい。前記撓み部87の別の断面を図9および図10に示す。
【0033】
前記撓み部87の剛性に対する前記上ビーム84の剛性は、前記縦型熱アクチュエータ50の前記制御曲げの大きさ(位置および方向)を大いに決定する。1つの実施形態において、前記補強部材85を前記撓み部87との併用で使用する。別の実施形態において、前記補強部材85は、前記上ビーム84の一部に沿って延在しているが、撓み部は使用されない。前記補強部材85を有しない前記上ビーム84の一部は、制御曲げの位置である。更に別の代替実施形態において、前記撓み部87は、前記撓み部87が制御曲げの位置であるように前記補強部材85を有しない前記ビーム84に形成される。
【0034】
バイア88を前記部材72および/または自由端83に形成して、前記上ビーム84の前記自由端83を前記部材72に機械的に結合する。他の構造を使用して、前記上ビーム84を前記部材72に機械的に結合することもできる。前記上ビーム84は、非励起形態において前記基板52の表面と略平行である。
【0035】
図7は、面外または励起形態における図3〜図6の前記縦型熱アクチュエータ50の側断面図である。「励起形態」は、1つ以上の前記ビームに電流を流すことを指す。図示の前記実施形態では、前記ビーム68、前記部材72および前記ビーム70により形成される回路に電流を流す(図3参照)。前記ビーム68、70は「高温アーム」であり、前記ビーム84は低温アームである。本明細書中で使用される場合、「高温アーム」または「複数の高温アーム」は、電圧を印加した場合に前記低温アームよりも高い電流密度を有するビームまたは部材を指す。「低温アーム」または「複数の低温アーム」は、電圧を印加した場合に前記高温アームよりも低い電流密度を有するビームまたは部材を指す。ある実施形態において、前記低温アームはゼロの電流密度を有する。その結果、前記高温アームは、前記低温アームよりも大きい熱膨張を有する。
【0036】
前記電流は、前記高温アーム68、70を加熱して、方向90へのそれらの高温アームの長さの増加をもたらす。前記ビーム68、70の膨張により、前記縦型熱アクチュエータ50の前記自由端71、73が上向き弧形92に移動して、持ち上げ力94および変位95を生成する。しかし、前記低温アーム84は、前記アンカー82に固定され、前記高温アーム68、70および前記部材72により形成される前記回路に前記電流が完全にまたは実質的に流れるように電気的に絶縁される。
【0037】
前記低温アーム84と前記高温アーム68、70との間の高さの差のために、モーメントが前記アンカー82の近くの前記低温アーム84に加えられる。前記低温アーム84は、前記撓み部87の近くで曲がり、前記撓み部87なしで生じる変位よりも前記自由端83の近くで大きい変位になる。また、前記高温アーム68、70は、容易に曲がり、前記低温アーム84の移動92に対する抵抗が殆どない。前記補強部材85は、負荷を前記自由端83で加えた場合に前記部材72の近くで通常生じる前記低温アーム84に沿った曲げに抵抗する。図示の前記実施形態において、前記変位95は0.5μm〜4μmであることもある。前記電流を終了すると、前記縦型熱アクチュエータ50は、図4に示すその元の非励起形態に戻る。
【0038】
代替実施形態では、前記アンカー82および前記低温アーム84を前記部材72に電気的に結合する。前記高温アーム68、70を流れる前記電流の少なくとも一部は、前記アンカー82へ前記低温アーム84に沿って流れる。前記高温アーム68、70を流れる前記電流の全部が前記低温アーム84を通って前記縦型熱アクチュエータ50を出ることも可能である。前記低温アーム84の材料および/または形状は、同一電圧を印加した場合でも前記高温アーム68、70よりも低い電流密度を有するようにしてある。1つの実施形態では、前記高温アーム68、70の線熱膨張率よりも小さい線熱膨張率を有する材料から前記低温アーム84を形成する。更に別の実施形態では、一層大きい断面積を有することにより一層低い電気抵抗率を前記低温アーム84に与える。別の実施形態では、導電層を前記低温アーム84上に設ける。適当な導電材料には、アルミニウム、銅、タングステン、金または銀などの金属、半導体、およびポリアセチレン、ポリアリニン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリEDOTおよび誘導体またはその組合せなどのドープ有機導電重合体がある。その結果、前記高温アーム68、70の正味の膨張は、前記低温アーム84の膨張よりも大きい。
【0039】
別の代替実施形態では、前記高温アーム68、70を流れる前記電流の全部または一部が、前記基板52上の前記接点79へ接地タブ77を流れる。前記接地タブ77は、前記縦型熱アクチュエータ50が前記不作動位置から図7に示す前記作動位置に移動するときに前記接点79との電気的および物理的接触を維持する。
【0040】
図8は、本発明による代替撓み部102を有する縦型熱アクチュエータ100の平面図である。前記撓み部102は、補強部材108とアンカー110、112との間の領域で低温アームまたはビーム106を狭くする切欠き104A、104Bを含む。前記切欠き104A、104Bは、対称または非対称であってもよい。また、例えば窪み、孔、長孔、凹み、薄いまたは脆弱な材料を含む、他の構造上の特徴、または曲げ抵抗性を減少させる本明細書中に開示の材料変化の何れかと前記切欠き104A、104Bを組み合わせることもできる。
【0041】
図9は、前記窪み89が前記低温アームまたは上ビーム84を完全に貫通している、図3の前記縦型熱アクチュエータ50の代替断面図である。前記窪み89の長さ、幅および対称性は、用途と共に変わってもよい。
【0042】
図10は、前記窪み89が湾曲されている、図3の前記縦型熱アクチュエータ50の別の代替断面図である。前記湾曲は、対称または非対称、規則的または不規則的であってもよい
【0043】
図11は、本発明による代替撓み部122を有する縦型熱アクチュエータ120の平面図である。前記撓み部122は、補強部材128とアンカー130、132との間の領域で低温アームまたはビーム126内の2つの平行な切欠き124A、124Bを含む。前記切欠き124A、124Bの長さ、幅、間隔および他の特徴は、用途と共に変わってもよい。また、例えば狭い、薄いまたは脆弱な材料の窪み、孔、長孔、凹み、切欠き、場所を含む、他の構造上の特徴、または曲げ抵抗性を減少させる本明細書中に開示の材料変化の何れかと前記切欠き124A、124Bを組み合わせることもできる。
【0044】
図12〜図14は、本発明による2つのビーム152、154を有する縦型熱アクチュエータ150を示す。低温アームまたはビーム152は、高温アームまたはビーム154および基板158の上に片持ちビーム状にアンカー156から延在している。任意に、前記高温アーム154は、前記アンカー156からまたは分離アンカーから延在している(図15参照)。前記ビーム152、154の自由端160、162はそれぞれ、部材164で機械的および電気的に結合されている。補強部材166は、末端部168から撓み部170へ前記低温アーム152に沿って延在している。本明細書中に開示の前記撓み部および補強部材の何れも、前記縦型熱アクチュエータ150で使用可能である。図14で最もよく分かるように、前記高温アーム154は、前記低温アーム152の下に配置されて前記低温アーム152の剛性を増大する。
【0045】
1つの実施形態において、前記低温アーム152、前記部材164および前記高温アーム154は、回路を形成する。前記低温アーム152の材料および/または形状は、上述のように、前記回路に電圧を印加した場合に前記高温アーム154よりも低い電流密度を経験するように制御される。1つの実施形態では、前記高温アーム154の線熱膨張率よりも小さい線熱膨張率を有する材料から前記低温アーム152を形成する。更に別の実施形態では、一層大きい断面積および/または導電層を有することにより一層低い電気抵抗率を前記低温アーム152に与える。その結果、前記高温アーム154の正味の膨張は、前記低温アーム152の膨張よりも大きい。前記ビーム152、154および前記部材164により形成される前記回路に電流を流すと、前記縦型熱アクチュエータ150は、方向172へ上向きに曲がって、持ち上げ力174を生成する。
【0046】
別の実施形態において、接地タブ163は、前記高温アーム154を前記基板158の接点155に電気的に結合する。前記接地タブ163は、前記基板158とのその電気的結合が作動状態で維持されるように可撓またはばね部材であることが好ましい(概して図7参照)。その結果、より小さい電流(または無電流)が前記低温アーム152を流れて、これにより、前記縦型熱アクチュエータ150の全変位を増大する。
【0047】
図15は、例えば図14に示すように、高温アームまたはビーム184の略上に配置された低温アームまたはビーム182を有する縦型熱アクチュエータ180の側面図である。前記低温アーム182は、アンカー188により基板186に取り付けられている。補強部材192は、前記低温アーム182上に配置されている。撓み部194は、前記アンカー188の近くの前記低温アーム182上に配置されている。本明細書中に開示の前記補強構造体または撓み部の何れも、図15の実施形態で使用可能である。
【0048】
前記高温アーム184は、アンカー190により基板186に取り付けられている。1つの実施形態において、前記ビーム182、184は、部材193で機械的および電気的に結合されている。前記アンカー190よりも前記部材193から遠くに前記アンカー188を配置することにより、図15の前記縦型熱アクチュエータ180は、方向194へより大きい変位が可能であるが、より小さい持ち上げ力を生成する。代替実施形態では、例えば図13に関連して記載のように接地タブにより前記高温アーム184を前記基板上の接点に電気的に結合することができる。
【0049】
図16および図17は、本発明による低温アームまたは上ビーム202および2つの高温アームまたはビーム204、206を有する縦型熱アクチュエータ200を示す。前記低温アーム202は、前記高温アーム204、206および基板210の上に片持ちビーム状にアンカー208から延在している(図17参照)。前記高温アーム204、206は、アンカー205、207から延在している。代わりに、任意に、前記高温アーム204、206は、前記アンカー208から延在することもできる。前記高温アーム204、206の自由端212、214はそれぞれ、部材216で機械的および電気的に結合されている。
【0050】
1対の補強部材218、220は、末端部222から撓み部224へ前記低温アーム202に沿って延在している。図示の実施形態において、前記高温アーム204、206は、前記補強部材218、220の真下に配置されているが、前記低温アーム202に対する前記高温アーム204、206の位置は変わってもよい。本明細書中に開示の前記撓み部および補強部材の何れも、前記縦型熱アクチュエータ200で使用可能である。前記ビーム204、206および前記部材216は、回路を形成する。1つの実施形態において、前記低温アーム202は、前記部材216から電気的に絶縁されている。代わりに、本明細書中に記載のように、前記高温アーム204、206を流れる電流の一部または全部が、前記低温アーム202または接地タブを通って前記縦型熱アクチュエータを出る。
【0051】
図18は、低温アームまたはビーム244用のアンカー242よりも部材240に近く配置された高温アームまたはビーム236、238用の第1および第2のアンカー232、234を有する代替縦型熱アクチュエータ230を示す。撓み部246は、前記部材240に対して前記アンカー232、234の前、後ろまたは間に配置可能である。ある実施形態において、補強部材248は、前記部材240に対して前記アンカー232、234の間または後ろに延在してもよい。図18の前記縦型熱アクチュエータ230は、全持ち上げ力の減少と共により大きい変位を与える。
【0052】
図19は、低温アームまたはビーム264用のアンカー262よりも部材260から遠く配置された高温アームまたはビーム256、258用の第1および第2のアンカー252、254を有する代替縦型熱アクチュエータ250を示す。撓み部266は、前記部材260に対して前記アンカー252、254の間または前に配置可能である。補強部材268は通常、自由端270から前記撓み部266に延在している。図19の実施形態において、前記自由端270は、前記部材260を通り過ぎて延在していない。この配置は、先端での曲げを最小にして、前記縦型熱アクチュエータ250がより重い負荷を持ち上げることができる。
【0053】
図20は、低温アームまたはビーム300用のアンカー298よりも部材296から遠い高温アームまたはビーム294用の第1のアンカー292を有する代替縦型熱アクチュエータ290を示す。高温アームまたはビーム304用の第2のアンカー302は、前記アンカー298よりも前記部材296に近く配置されている。撓み部306は、前記アンカー292、302の前、後ろまたは間に配置可能である。補強部材308は、アンカー302までまたはアンカー302を通り過ぎて延在することができる。1つの実施形態において、補強部材308は、アンカー292に延在することができる。前記高温アーム294、304に関する熱膨張は、電流を前記高温アーム294、304に加えた場合に正味の持ち上げ力が生成されるように前記低温アーム300の何れの膨張よりも更に大きい。単位長さ当たりの膨張が前記高温アーム294、304に関するものと同一であると仮定して、前記高温アーム294の正味の膨張は、前記高温アーム304の膨張よりも大きい。その結果、前記縦型熱アクチュエータ290は、捩り運動と共に基板から上昇して、方向310へ前記部材296の横変位をもたらす。捩りの程度は、前記高温アーム294、304の相対長さを変更するおよび/または前記撓み部306の剛性を修正することにより修正可能である。
【0054】
図21は、4×4配列の光学装置352を利用した光学スイッチ350の略図である。本明細書中で使用される場合、「光学装置」は、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッター、または閉塞装置を指す。前記光学装置352の各々は、本明細書中に示す1つ以上の縦型熱アクチュエータに機械的に結合されている。面内位置において、前記光学装置352は、入力光ファイバ354a−354dの光路内に延在していない。面外配置において、前記光学装置352は、前記入力光ファイバ354a−354dの光路内に延在している。垂直鏡352の配列は、前記入力ファイバ354a−354dの何れかからの光学信号が前記縦型熱アクチュエータの選択作動を介して出力ファイバ356a−356dの何れかと光学的に結合されるのを可能にするのに配置されている。図21に示す前記光学スイッチ350は、単に図解の目的のためにある。前記縦型熱アクチュエータは、例えばオン/オフスイッチ(光学ゲート)、2×2スイッチ、1×nスイッチ、または種々の他の構築物などの任意の種々の光学スイッチ構築物で使用してもよい。前記光学装置は、光通信システムの一部であってもよい。
【0055】
実施例
実施例1
図3〜図6に大体示すようなアクチュエータは、「MUMPs設計ハンドブック」第5.0改訂版(2000)に記載のMUMPS処理を用いてResearch Triangle ParkのCronos Integrated Microsystems(North Carolina)によりシリコンウェーハ上で製造された。
【0056】
前記ビーム68、70は、約161μmの長さおよび約2μm×3μmの断面を有する。前記上ビーム84は、約175μmの長さおよび約11μm×2μmの断面を有する。図9に示すような前記撓み部87は、長さが約20μmで幅が約7μmの長方形の孔である。前記上ビーム84は、前記撓み部87の前方へ約155μmの長さを有する。
【0057】
導線は、National Instruments of Austin,TXから入手できるLabViewソフトウェアおよびPCI−6025E多機能I/Oボードハードウェアを装備したIBM互換パソコンからの増幅信号を用いて操作されたMicromanipulator Company,Inc. of Carson City,NVから入手できるModel6000プローブ台を用いて電流をアクチュエータのアームに流すことができるようにチップに取り付けられた。電流の関数としてのアクチュエータ先端の垂直撓みは、Mitutoyo America Corporation of City of Industry,CAから入手できるModel FS−60顕微鏡を用いて測定された。9つの異なる動作電流に対する前記撓みは、表1に記載されている。
【0058】
実施例10−12
抵抗力の測定は、片持ちばねが実施例1に記載の縦型熱アクチュエータに製造されていた一連のアクチュエータ装置を用いて行われた。前記アクチュエータの撓みは、前記片持ちばねを曲げさせた。前記片持ちばねのばね定数を用いて、抵抗力値を計算した。
【0059】
実例10−12の結果は、表1に記載されている。測定状況下で、前記アクチュエータの後屈が観測されなかった。約4.5mAを超える電流の流れでは、前記アクチュエータの後屈が観測された。
【0060】
【表1】
【図面の簡単な説明】
【図1】
後屈の前の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図2】
後屈の後の図1の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図3】
本発明による制御曲げを用いた縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図4】
図3の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図5】
図3の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図6】
図3の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図7】
作動位置における図4の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図8】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の平面図である。
【図9】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の断面図である。
【図10】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する別の代替撓み部の断面図である。
【図11】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の平面図である。
【図12】
本発明による二ビーム縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図13】
図12の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図14】
図12の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図15】
本発明による二ビーム縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図16】
本発明による多数の補強部材を有する縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図17】
図16の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図18】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図19】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図20】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図21】
本発明による光学スイッチの略図である。
本発明は、一般に、超小型機械装置に関し、より詳しくは、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータに関する。
【0002】
複雑な超小型電気機械システム(MEMS)および超小型光学電気機械システム(MOEMS)の装置を製造することは、超小型機械装置技術の著しい進歩を示す。現在、多くの大規模な装置のマイクロメートルサイズの類似物が製造されており、例えば、蝶番、シャッター、レンズ、鏡、スイッチ、偏光装置、およびアクチュエータなどがある。これらの装置は、例えばResearch Triangle Park,North CarolinaにあるCronos Integrated Microsystemsから入手できるマルチユーザMEMS処理(MUMPs)を用いて製造可能である。MEMSおよびMOEMS装置の用途には、例えば、データ記憶装置、レーザスキャナ、プリンタヘッド、磁気ヘッド、超小型分光計、加速度計、走査型プローブ顕微鏡、近視野光学顕微鏡、光学スキャナ、光学変調器、超小型レンズ、光学スイッチ、および超小型ロボットがある。
【0003】
MEMSまたはMOEMS装置を形成する方法の1つは、前記装置を基板上の適当な位置にパターン形成することを含む。パターン形成すると、前記装置は、前記基板の上端に平坦に置かれている。例えば、蝶番構造体または反射器装置の蝶番板は両方とも、前記MUMPs工程を用いて前記基板の表面と略共面に形成される。これらの装置を使用する課題の1つは、それらを前記基板の平面から移動させることである。
【0004】
アクチュエータを超小型機械装置に結合することにより、これらの装置を前記基板の平面から移動させることができる。静電、圧電、熱および磁気を含む種々のアクチュエータが、この目的のために使用されている。
【0005】
そのようなアクチュエータの1つは、「超小型光学電気機械システム用の縦型熱アクチュエータ」,v.3226,SPIE,pp.137−46(1997)における「Cowanら」により記載されている。図1に示すCowanらの前記アクチュエータ20は、抵抗加熱を使用して熱膨張を誘導する。高温アーム22は、片持ちアーム24よりも高温であるため、熱膨張がアクチュエータ先端26を基板28の表面の方へ駆動する。十分高い電流で、前記基板28との接触および上向きに弓形の前記高温アーム22により前記アクチュエータ先端26の下向き撓みを止める。駆動電流を除去すると、図2に示すように、前記高温アーム22は、弓形で急速に「固まり」縮んで、前記アクチュエータ先端26を上向きに引っ張る。
【0006】
前記高温アーム22の変形は永続的であり、前記アクチュエータ先端26は力を加えることなく上向きに撓んだままであり、後屈アクチュエータ32を形成する。前記駆動電流を更に流すと、前記基板28の表面に向かう方向30に前記後屈アクチュエータ32が回転する。図2の前記後屈アクチュエータ32は、セットアップまたは1回限りの位置決めの用途のために通常使用される。Cowanらに記載の前記アクチュエータは、それらが1回の操作工程で面外に実質的に45度を超えて蝶番板を回転させたり持ち上げたりすることができないという点で制限されている。
【0007】
「Harshら」の「Siベースの高周波MEMS用のフリップチップ組立て」Technical Digest of the Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems,IEEE Microwave Theory and Techniques Society 1999,at 273−278、「Harshら」の「フリップチップ一体型MEMS同調可能コンデンサの実現および設計考察」80 Sensors and Actuators 108−118(2000)、および「Fengら」の「ミリメートル波用のMEMSベースの可変コンデンサ」Solid−State Sensor and Actuator Workshop,Hilton Head Island,South Carolina 2000,at 255−258には、フリップチップ設計に基づく種々の縦型アクチュエータが開示されている。通常の剥離エッチング工程の間、ベース酸化層を部分的に溶解し、残りのMEMS成分を剥離する。次に、セラミック基板をMEMS装置の暴露面に結合し、前記ベース酸化層のエッチングを完了することによりベースポリシリコン層を除去する(即ち、フリップチップ工程)。結果として得られる、ポリシリコン基板が全く無い装置は、コンデンサであり、そのコンデンサの上端板は、前記セラミック基板上の対向板の方へ下向きに制御可能に移動される。ポリシリコン層の浮遊容量の影響が前記装置の動作を少なくとも妨げるので、前記装置は前記ポリシリコン基板から除去される。
【0008】
45度よりも実質的に大きい持ち上げ角度は、2段階アクチュエータシステムで実現可能である。2段階アクチュエータシステムは通常、縦型アクチュエータおよびモータから成る。前記縦型アクチュエータは、45度よりも実質的に大きくない最大角度まで基板から蝶番超小型機械装置を持ち上げる。前記超小型機械装置の持ち上げアームに接続された駆動アームを有する前記モータは、前記持ち上げを完了する。そのような2段階組立てシステムの1つは、「跳ね上げ式超小型鏡の自動組立て」,Transducers ’97,Int’l Conf. Solid−State Sensors and Actuators,pp.347−50(1997)における「Reidら」により開示されている。これらの2段階アクチュエータは、セットアップまたは1回限りの位置決めの用途のために通常使用される。
【0009】
前記2段階アクチュエータシステムは、複雑であり、信頼性を低下させ、MEMSおよびMOEMS装置を含むチップのコストを増大させる。それゆえ、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータを必要とする。
【0010】
本発明は、基板の表面から離れてマイクロメートルサイズの光学装置の反復可能で迅速な移動を行うことができる制御曲げを用いたマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータを目的としている。制御曲げは、前記縦型熱アクチュエータの変位を最大にする。
【0011】
前記縦型熱アクチュエータは、基板の表面上に構成されている。少なくとも1つの高温アームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。低温アームは、前記表面に固定された第1端と自由端とを有する。前記低温アームは、前記表面に対して前記高温アームの上に配置されている。撓み部は、制御曲げを与えるようにした前記低温アームの前記第1端の近くの前記低温アームに形成されている。部材は、電流を少なくとも前記高温アームに加えた場合に前記部材が前記基板から遠ざかるように前記アクチュエータが大体前記撓み部で曲がるように前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する。
【0012】
前記撓み部は、狭い、薄いもしくは脆弱な材料、代替材料の窪み、凹み、切欠き、孔、位置または他の構造上の特徴、あるいはその位置で曲げ抵抗性を減少させる材料変化のうち少なくとも1つを含む。1つの実施形態において、前記高温アームおよび前記低温アームは、電流を流す回路を含む。別の実施形態において、接地タブは、前記基板に前記高温アームを電気的に結合する。前記接地タブを用いた前記実施形態において、任意に、前記低温アームを前記高温アームから電気的に絶縁することができる。
【0013】
1つの実施形態において、補強部材は、前記低温アームに形成されている。前記補強部材は通常、前記撓み部の近傍から前記自由端の近傍まで延在している。前記補強部材は、前記低温アームに一体形成されることができる。1つの実施形態において、前記補強部材は、前記低温アームに沿って長手方向に延在しており、例えば前記低温アームに沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部である。
【0014】
1つの実施形態において、前記補強部材は、前記高温アームの真上に配置されている。前記低温アームは、前記高温アームの真上に配置されることができる。前記高温アームの前記第1端は、前記低温アームの前記第1端に隣接してまたは前記低温アームの前記第1端からずれて前記基板に取り付けられることができる。任意に、金属層は、前記低温アームに沿って延在している。1つの実施形態において、少なくとも1つの前記高温アームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを各々が有する2つの高温アームを含む。
【0015】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する少なくとも1つの高温アームを含む。低温アームは、前記表面に固定された第1端と自由端とを有する。前記低温アームは、前記表面に対して前記高温アームの上に配置されている。補強部材は、前記低温アームの第1部分に形成されている。前記補強部材を有しない前記低温アームの第2部分は、前記縦型熱アクチュエータの制御曲げを与えるようにしてある。部材は、電流を少なくとも前記高温アームに加えた場合に前記部材が前記基板から遠ざかるように前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する。
【0016】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームを有する。第2ビームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。部材は、前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する。第3ビームは、前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する。前記第3ビームは、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置されている。撓み部は、制御曲げを与えるようにした前記第3ビームの前記第1端の近くの前記第3ビームに形成されている。第1および第2の電気接点は、前記第1および第2の接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張し前記部材が弧を描いて前記基板から遠ざかるようにそれぞれ前記第1および第2ビームの前記第1端に電気的に結合されている。
【0017】
1つの実施形態において、前記第3ビームは、前記第1および第2ビームの略上に配置されている。任意に、前記第3ビームは、金属層を含むこともできる。前記第1および第2ビームは、非励起形態において第1の表面と略平行である。電流は、前記第1および第2ビームが前記基板の前記表面から離れて上向きに曲がるように励起形態において前記第1および第2の電気接点に流される。
【0018】
1つの実施形態において、前記第3ビームの前記第1端は、前記基板から電気的に絶縁されている。別の実施形態において、前記第1および第2ビームにおける前記電流の少なくとも一部は、前記第3ビームに流れる。任意に、前記第1および第2ビームは、接地タブにより前記基板に電気的に結合されることができる。
【0019】
別の実施形態において、前記縦型熱アクチュエータは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームを有する。第2ビームは、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する。部材は、前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する。第3ビームは、前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する。前記第3ビームは、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置されている。補強部材は、前記第3ビームの第1部分に沿って形成されている。前記補強部材を有しない前記第3ビームの第2部分は、前記縦型熱アクチュエータの制御曲げを与えるようにしてある。第1および第2の電気接点は、前記第1および第2の接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張し前記部材が弧を描いて前記基板から遠ざかるようにそれぞれ前記第1および第2ビームの前記第1端に電気的に結合されている。
【0020】
複数の縦型熱アクチュエータを、1枚の基板上に形成することができる。少なくとも1つの光学装置を、前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合することができる。前記光学装置は、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッター、または閉塞構造体のうちの1つを含む。前記光学装置は、光通信システムの一部であってもよい。
【0021】
本発明は、超小型機械装置用の制御曲げを用いた1段階縦型熱アクチュエータに関する。本明細書中で使用される場合、「制御曲げ」は、前記縦型熱アクチュエータのビームに沿って分布されるのではなく離散的な位置で主として生じる曲げを指す。前記マイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータは、面外の反復可能で迅速な移動を行うことができる。
【0022】
本明細書中で使用される場合、「超小型機械装置」は、マイクロメートルサイズの機械、光学機械、電気機械または光学電気機械装置を指す。マルチユーザMEMS処理(MUMPs)を用いて超小型機械装置を製造する種々の技術は、Research Triangle Park,North CarolinaにあるCronos Integrated Microsystemsから入手できる。組立て手順の1つは、Cronos Integrated Microsystemsから入手できる「MUMPs設計ハンドブック」第5.0改訂版(2000)に記載されている。
【0023】
ポリシリコン表面超小型機械加工では、集積回路(IC)業界で知られているプレーナ製造処理工程を改造して、超小型電気機械または超小型機械装置を製造する。ポリシリコン表面超小型機械加工用の標準ビルディングブロック処理は、低応力多結晶シリコン(ポリシリコンとも呼ぶ)および犠牲材料(例えば、二酸化シリコンまたは珪酸ガラス)の交互層の蒸着およびフォトリソグラフィパターン形成である。所定の位置で犠牲層を通ってエッチングされたバイアは、基板に対するアンカー点およびポリシリコン層間の機械電気的相互接続を与える。前記装置の機能素子は、一連の蒸着およびパターン形成処理工程を用いて1層ずつ築き上げられる。前記装置構造体の完成後、前記ポリシリコン層を実質的に腐食しない弗化水素酸(HF)などの選択エッチング剤を用いて前記犠牲材料を除去することによりその装置構造体を移動のために剥離できる。
【0024】
結果として、電気的相互接続および/または電圧基準面を与えるポリシリコンの第1の層と単純な片持ちビームから複雑な電気機械システムに及ぶ機能素子を形成するのに使用可能な機械的ポリシリコンの追加層とから大体成る構成システムになる。全体構造は、前記基板と同一面内に配置される。本明細書中で使用される場合、用語「面内」は、前記基板の表面と略平行な配置を指し、用語「面外」は、前記基板の表面に対して0度〜約90度の配置を指す。
【0025】
前記機能素子の典型的な面内横寸法は1μmから数百μmに及ぶこともある一方、層厚は通常約1〜2μmである。全体処理は標準IC製造技術に基づいているので、継ぎ足し部品組立の必要が全くなくシリコン基板上に多数の完全組立て装置を一括製造することができる。
【0026】
図3〜図6は、本発明による制御曲げを用いた縦型熱アクチュエータ50の第1の実施形態を示す。本明細書中で使用される場合、「縦型熱アクチュエータ」は、面内位置と面外位置との間で光学装置を反復可能に移動させることができる超小型機械装置を指す。前記縦型熱アクチュエータ50は、上に堆積された窒化シリコン56の層を有するシリコンウェーハ54を通常含む基板52の表面上の面内に配設されている。前記アクチュエータ50は、窒化シリコン56の前記層の上に配置されたポリシリコンの第1の層60を含む。図6で最もよく分かるように、前記第1の層60は、低温ビーム84に補強部材85を形成するバンプを含む。ポリシリコン62の第2の層は、第1および第2のアンカー64、66とそれぞれ前記アンカー64、66から片持ち状に配列された1対のビーム68、70とを有する構成となっている。
【0027】
図3に示す前記実施形態において、前記アンカー64、66は、電流を前記ビーム68、70に搬送するようにした前記基板52上に形成された電気接点76、78を含む。前記トレース76、78は通常、前記基板52の縁まで延在している。代わりに、ボールグリッドアレイ(BGA)、ランドグリッドアレイ(LGA)、プラスチックリードチップキャリア(PLCC)、ピングリッドアレイ(PGA)、エッジカード、スモールアウトライン集積回路(SOIC)、デュアルインラインパッケージ(DIP)、4方向フラットパッケージ(QFP)、リードなしチップキャリア(LCC)、チップスケールパッケージ(CSP)などの種々の電気接点装置および/または実装方法を使用して、電流を前記ビーム68、70に送出することができる。
【0028】
前記ビーム68、70は、部材72によりそれらのそれぞれの自由端71、73で電気的および機械的に結合されて、電気回路を形成する。代替実施形態では、ビーム68、70を接地タブ77に電気的に結合する。前記接地タブ77は、非励起形態(図4参照)および励起形態(図7参照)の両方で前記基板52上の接点79に前記ビーム68、70を電気的に結合する。前記接地タブ77は、前記接点79との接触を維持するようにした可撓部材またはばね部材でもよい。接地タブは、本明細書中に開示の任意の実施形態で使用することができる。
【0029】
前記ビーム68、70は、前記部材72が前記基板52の上に配置されるように前記第1の層60から物理的に分離されている。任意に、前記基板52の上の前記ビーム68、70を支持するのに1つ以上のディンプル74を前記部材72に形成することもできる。代替実施形態では、前記ディンプルまたはバンプ74を前記基板52上に形成することができる。図4に示す非励起形態において、前記ビーム68、70は、前記基板52の表面と略平行である。本明細書中で使用される場合、「非励起形態」は、前記ビーム68、前記部材72および前記ビーム70により形成される回路に流す電流が実質的にない状態を指す。
【0030】
ポリシリコンの第3の層80は、前記アンカー64、66の近くの前記基板52に取り付けられたアンカー82を用いて構成されている。前記第3の層80は、前記ビーム68、70の上に前記部材72に機械的に結合された自由端83を有する前記アンカー82から片持ちビーム状に突出した上ビーム84を形成する。図示の前記実施形態において、補強部材85はその長さの少なくとも一部に沿って形成され、撓み部87は前記アンカー82の近くの前記上ビーム84に形成されている。1つの実施形態では、任意に、金属層を前記上ビーム84に貼る。
【0031】
本明細書中で使用される場合、「補強部材」は、曲げ抵抗性を増大させる1つ以上の隆起部、バンプ、溝または他の構造上の特徴を指す。前記補強部材は、前記上ビーム84と共に一体形成されるように前記MUMPs処理中に形成されるのが好ましい。図示の前記実施形態において、前記補強部材85は、長方形、正方形、三角形または種々の他の形状でもよいが、前記上ビーム84の一部に沿って延在している曲線の隆起部(図6参照)である。更に、前記補強部材85を、前記上ビーム84の中心にまたはその縁に沿って配置することができる。多数の補強部材(図16参照)を使用することもできる。
【0032】
本明細書中で使用される場合、「撓み部」は、狭い、薄いまたは脆弱な材料、代替材料の窪み、凹み、孔、長孔、切欠き、位置または他の構造上の特徴、または特定の位置で制御曲げを与える材料変化を指す。撓み部用に適した代替材料には、ポリシリコン、金属または高分子材料がある。図3および図5に最もよく示されるように、前記撓み部87は、窪み89である。前記窪み89は、前記上ビーム84の最も脆弱な部位を含み、従って、その位置は、前記縦型熱アクチュエータ50の作動中に最も曲がりやすい。前記撓み部87の別の断面を図9および図10に示す。
【0033】
前記撓み部87の剛性に対する前記上ビーム84の剛性は、前記縦型熱アクチュエータ50の前記制御曲げの大きさ(位置および方向)を大いに決定する。1つの実施形態において、前記補強部材85を前記撓み部87との併用で使用する。別の実施形態において、前記補強部材85は、前記上ビーム84の一部に沿って延在しているが、撓み部は使用されない。前記補強部材85を有しない前記上ビーム84の一部は、制御曲げの位置である。更に別の代替実施形態において、前記撓み部87は、前記撓み部87が制御曲げの位置であるように前記補強部材85を有しない前記ビーム84に形成される。
【0034】
バイア88を前記部材72および/または自由端83に形成して、前記上ビーム84の前記自由端83を前記部材72に機械的に結合する。他の構造を使用して、前記上ビーム84を前記部材72に機械的に結合することもできる。前記上ビーム84は、非励起形態において前記基板52の表面と略平行である。
【0035】
図7は、面外または励起形態における図3〜図6の前記縦型熱アクチュエータ50の側断面図である。「励起形態」は、1つ以上の前記ビームに電流を流すことを指す。図示の前記実施形態では、前記ビーム68、前記部材72および前記ビーム70により形成される回路に電流を流す(図3参照)。前記ビーム68、70は「高温アーム」であり、前記ビーム84は低温アームである。本明細書中で使用される場合、「高温アーム」または「複数の高温アーム」は、電圧を印加した場合に前記低温アームよりも高い電流密度を有するビームまたは部材を指す。「低温アーム」または「複数の低温アーム」は、電圧を印加した場合に前記高温アームよりも低い電流密度を有するビームまたは部材を指す。ある実施形態において、前記低温アームはゼロの電流密度を有する。その結果、前記高温アームは、前記低温アームよりも大きい熱膨張を有する。
【0036】
前記電流は、前記高温アーム68、70を加熱して、方向90へのそれらの高温アームの長さの増加をもたらす。前記ビーム68、70の膨張により、前記縦型熱アクチュエータ50の前記自由端71、73が上向き弧形92に移動して、持ち上げ力94および変位95を生成する。しかし、前記低温アーム84は、前記アンカー82に固定され、前記高温アーム68、70および前記部材72により形成される前記回路に前記電流が完全にまたは実質的に流れるように電気的に絶縁される。
【0037】
前記低温アーム84と前記高温アーム68、70との間の高さの差のために、モーメントが前記アンカー82の近くの前記低温アーム84に加えられる。前記低温アーム84は、前記撓み部87の近くで曲がり、前記撓み部87なしで生じる変位よりも前記自由端83の近くで大きい変位になる。また、前記高温アーム68、70は、容易に曲がり、前記低温アーム84の移動92に対する抵抗が殆どない。前記補強部材85は、負荷を前記自由端83で加えた場合に前記部材72の近くで通常生じる前記低温アーム84に沿った曲げに抵抗する。図示の前記実施形態において、前記変位95は0.5μm〜4μmであることもある。前記電流を終了すると、前記縦型熱アクチュエータ50は、図4に示すその元の非励起形態に戻る。
【0038】
代替実施形態では、前記アンカー82および前記低温アーム84を前記部材72に電気的に結合する。前記高温アーム68、70を流れる前記電流の少なくとも一部は、前記アンカー82へ前記低温アーム84に沿って流れる。前記高温アーム68、70を流れる前記電流の全部が前記低温アーム84を通って前記縦型熱アクチュエータ50を出ることも可能である。前記低温アーム84の材料および/または形状は、同一電圧を印加した場合でも前記高温アーム68、70よりも低い電流密度を有するようにしてある。1つの実施形態では、前記高温アーム68、70の線熱膨張率よりも小さい線熱膨張率を有する材料から前記低温アーム84を形成する。更に別の実施形態では、一層大きい断面積を有することにより一層低い電気抵抗率を前記低温アーム84に与える。別の実施形態では、導電層を前記低温アーム84上に設ける。適当な導電材料には、アルミニウム、銅、タングステン、金または銀などの金属、半導体、およびポリアセチレン、ポリアリニン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリEDOTおよび誘導体またはその組合せなどのドープ有機導電重合体がある。その結果、前記高温アーム68、70の正味の膨張は、前記低温アーム84の膨張よりも大きい。
【0039】
別の代替実施形態では、前記高温アーム68、70を流れる前記電流の全部または一部が、前記基板52上の前記接点79へ接地タブ77を流れる。前記接地タブ77は、前記縦型熱アクチュエータ50が前記不作動位置から図7に示す前記作動位置に移動するときに前記接点79との電気的および物理的接触を維持する。
【0040】
図8は、本発明による代替撓み部102を有する縦型熱アクチュエータ100の平面図である。前記撓み部102は、補強部材108とアンカー110、112との間の領域で低温アームまたはビーム106を狭くする切欠き104A、104Bを含む。前記切欠き104A、104Bは、対称または非対称であってもよい。また、例えば窪み、孔、長孔、凹み、薄いまたは脆弱な材料を含む、他の構造上の特徴、または曲げ抵抗性を減少させる本明細書中に開示の材料変化の何れかと前記切欠き104A、104Bを組み合わせることもできる。
【0041】
図9は、前記窪み89が前記低温アームまたは上ビーム84を完全に貫通している、図3の前記縦型熱アクチュエータ50の代替断面図である。前記窪み89の長さ、幅および対称性は、用途と共に変わってもよい。
【0042】
図10は、前記窪み89が湾曲されている、図3の前記縦型熱アクチュエータ50の別の代替断面図である。前記湾曲は、対称または非対称、規則的または不規則的であってもよい
【0043】
図11は、本発明による代替撓み部122を有する縦型熱アクチュエータ120の平面図である。前記撓み部122は、補強部材128とアンカー130、132との間の領域で低温アームまたはビーム126内の2つの平行な切欠き124A、124Bを含む。前記切欠き124A、124Bの長さ、幅、間隔および他の特徴は、用途と共に変わってもよい。また、例えば狭い、薄いまたは脆弱な材料の窪み、孔、長孔、凹み、切欠き、場所を含む、他の構造上の特徴、または曲げ抵抗性を減少させる本明細書中に開示の材料変化の何れかと前記切欠き124A、124Bを組み合わせることもできる。
【0044】
図12〜図14は、本発明による2つのビーム152、154を有する縦型熱アクチュエータ150を示す。低温アームまたはビーム152は、高温アームまたはビーム154および基板158の上に片持ちビーム状にアンカー156から延在している。任意に、前記高温アーム154は、前記アンカー156からまたは分離アンカーから延在している(図15参照)。前記ビーム152、154の自由端160、162はそれぞれ、部材164で機械的および電気的に結合されている。補強部材166は、末端部168から撓み部170へ前記低温アーム152に沿って延在している。本明細書中に開示の前記撓み部および補強部材の何れも、前記縦型熱アクチュエータ150で使用可能である。図14で最もよく分かるように、前記高温アーム154は、前記低温アーム152の下に配置されて前記低温アーム152の剛性を増大する。
【0045】
1つの実施形態において、前記低温アーム152、前記部材164および前記高温アーム154は、回路を形成する。前記低温アーム152の材料および/または形状は、上述のように、前記回路に電圧を印加した場合に前記高温アーム154よりも低い電流密度を経験するように制御される。1つの実施形態では、前記高温アーム154の線熱膨張率よりも小さい線熱膨張率を有する材料から前記低温アーム152を形成する。更に別の実施形態では、一層大きい断面積および/または導電層を有することにより一層低い電気抵抗率を前記低温アーム152に与える。その結果、前記高温アーム154の正味の膨張は、前記低温アーム152の膨張よりも大きい。前記ビーム152、154および前記部材164により形成される前記回路に電流を流すと、前記縦型熱アクチュエータ150は、方向172へ上向きに曲がって、持ち上げ力174を生成する。
【0046】
別の実施形態において、接地タブ163は、前記高温アーム154を前記基板158の接点155に電気的に結合する。前記接地タブ163は、前記基板158とのその電気的結合が作動状態で維持されるように可撓またはばね部材であることが好ましい(概して図7参照)。その結果、より小さい電流(または無電流)が前記低温アーム152を流れて、これにより、前記縦型熱アクチュエータ150の全変位を増大する。
【0047】
図15は、例えば図14に示すように、高温アームまたはビーム184の略上に配置された低温アームまたはビーム182を有する縦型熱アクチュエータ180の側面図である。前記低温アーム182は、アンカー188により基板186に取り付けられている。補強部材192は、前記低温アーム182上に配置されている。撓み部194は、前記アンカー188の近くの前記低温アーム182上に配置されている。本明細書中に開示の前記補強構造体または撓み部の何れも、図15の実施形態で使用可能である。
【0048】
前記高温アーム184は、アンカー190により基板186に取り付けられている。1つの実施形態において、前記ビーム182、184は、部材193で機械的および電気的に結合されている。前記アンカー190よりも前記部材193から遠くに前記アンカー188を配置することにより、図15の前記縦型熱アクチュエータ180は、方向194へより大きい変位が可能であるが、より小さい持ち上げ力を生成する。代替実施形態では、例えば図13に関連して記載のように接地タブにより前記高温アーム184を前記基板上の接点に電気的に結合することができる。
【0049】
図16および図17は、本発明による低温アームまたは上ビーム202および2つの高温アームまたはビーム204、206を有する縦型熱アクチュエータ200を示す。前記低温アーム202は、前記高温アーム204、206および基板210の上に片持ちビーム状にアンカー208から延在している(図17参照)。前記高温アーム204、206は、アンカー205、207から延在している。代わりに、任意に、前記高温アーム204、206は、前記アンカー208から延在することもできる。前記高温アーム204、206の自由端212、214はそれぞれ、部材216で機械的および電気的に結合されている。
【0050】
1対の補強部材218、220は、末端部222から撓み部224へ前記低温アーム202に沿って延在している。図示の実施形態において、前記高温アーム204、206は、前記補強部材218、220の真下に配置されているが、前記低温アーム202に対する前記高温アーム204、206の位置は変わってもよい。本明細書中に開示の前記撓み部および補強部材の何れも、前記縦型熱アクチュエータ200で使用可能である。前記ビーム204、206および前記部材216は、回路を形成する。1つの実施形態において、前記低温アーム202は、前記部材216から電気的に絶縁されている。代わりに、本明細書中に記載のように、前記高温アーム204、206を流れる電流の一部または全部が、前記低温アーム202または接地タブを通って前記縦型熱アクチュエータを出る。
【0051】
図18は、低温アームまたはビーム244用のアンカー242よりも部材240に近く配置された高温アームまたはビーム236、238用の第1および第2のアンカー232、234を有する代替縦型熱アクチュエータ230を示す。撓み部246は、前記部材240に対して前記アンカー232、234の前、後ろまたは間に配置可能である。ある実施形態において、補強部材248は、前記部材240に対して前記アンカー232、234の間または後ろに延在してもよい。図18の前記縦型熱アクチュエータ230は、全持ち上げ力の減少と共により大きい変位を与える。
【0052】
図19は、低温アームまたはビーム264用のアンカー262よりも部材260から遠く配置された高温アームまたはビーム256、258用の第1および第2のアンカー252、254を有する代替縦型熱アクチュエータ250を示す。撓み部266は、前記部材260に対して前記アンカー252、254の間または前に配置可能である。補強部材268は通常、自由端270から前記撓み部266に延在している。図19の実施形態において、前記自由端270は、前記部材260を通り過ぎて延在していない。この配置は、先端での曲げを最小にして、前記縦型熱アクチュエータ250がより重い負荷を持ち上げることができる。
【0053】
図20は、低温アームまたはビーム300用のアンカー298よりも部材296から遠い高温アームまたはビーム294用の第1のアンカー292を有する代替縦型熱アクチュエータ290を示す。高温アームまたはビーム304用の第2のアンカー302は、前記アンカー298よりも前記部材296に近く配置されている。撓み部306は、前記アンカー292、302の前、後ろまたは間に配置可能である。補強部材308は、アンカー302までまたはアンカー302を通り過ぎて延在することができる。1つの実施形態において、補強部材308は、アンカー292に延在することができる。前記高温アーム294、304に関する熱膨張は、電流を前記高温アーム294、304に加えた場合に正味の持ち上げ力が生成されるように前記低温アーム300の何れの膨張よりも更に大きい。単位長さ当たりの膨張が前記高温アーム294、304に関するものと同一であると仮定して、前記高温アーム294の正味の膨張は、前記高温アーム304の膨張よりも大きい。その結果、前記縦型熱アクチュエータ290は、捩り運動と共に基板から上昇して、方向310へ前記部材296の横変位をもたらす。捩りの程度は、前記高温アーム294、304の相対長さを変更するおよび/または前記撓み部306の剛性を修正することにより修正可能である。
【0054】
図21は、4×4配列の光学装置352を利用した光学スイッチ350の略図である。本明細書中で使用される場合、「光学装置」は、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッター、または閉塞装置を指す。前記光学装置352の各々は、本明細書中に示す1つ以上の縦型熱アクチュエータに機械的に結合されている。面内位置において、前記光学装置352は、入力光ファイバ354a−354dの光路内に延在していない。面外配置において、前記光学装置352は、前記入力光ファイバ354a−354dの光路内に延在している。垂直鏡352の配列は、前記入力ファイバ354a−354dの何れかからの光学信号が前記縦型熱アクチュエータの選択作動を介して出力ファイバ356a−356dの何れかと光学的に結合されるのを可能にするのに配置されている。図21に示す前記光学スイッチ350は、単に図解の目的のためにある。前記縦型熱アクチュエータは、例えばオン/オフスイッチ(光学ゲート)、2×2スイッチ、1×nスイッチ、または種々の他の構築物などの任意の種々の光学スイッチ構築物で使用してもよい。前記光学装置は、光通信システムの一部であってもよい。
【0055】
実施例
実施例1
図3〜図6に大体示すようなアクチュエータは、「MUMPs設計ハンドブック」第5.0改訂版(2000)に記載のMUMPS処理を用いてResearch Triangle ParkのCronos Integrated Microsystems(North Carolina)によりシリコンウェーハ上で製造された。
【0056】
前記ビーム68、70は、約161μmの長さおよび約2μm×3μmの断面を有する。前記上ビーム84は、約175μmの長さおよび約11μm×2μmの断面を有する。図9に示すような前記撓み部87は、長さが約20μmで幅が約7μmの長方形の孔である。前記上ビーム84は、前記撓み部87の前方へ約155μmの長さを有する。
【0057】
導線は、National Instruments of Austin,TXから入手できるLabViewソフトウェアおよびPCI−6025E多機能I/Oボードハードウェアを装備したIBM互換パソコンからの増幅信号を用いて操作されたMicromanipulator Company,Inc. of Carson City,NVから入手できるModel6000プローブ台を用いて電流をアクチュエータのアームに流すことができるようにチップに取り付けられた。電流の関数としてのアクチュエータ先端の垂直撓みは、Mitutoyo America Corporation of City of Industry,CAから入手できるModel FS−60顕微鏡を用いて測定された。9つの異なる動作電流に対する前記撓みは、表1に記載されている。
【0058】
実施例10−12
抵抗力の測定は、片持ちばねが実施例1に記載の縦型熱アクチュエータに製造されていた一連のアクチュエータ装置を用いて行われた。前記アクチュエータの撓みは、前記片持ちばねを曲げさせた。前記片持ちばねのばね定数を用いて、抵抗力値を計算した。
【0059】
実例10−12の結果は、表1に記載されている。測定状況下で、前記アクチュエータの後屈が観測されなかった。約4.5mAを超える電流の流れでは、前記アクチュエータの後屈が観測された。
【0060】
【表1】
【図面の簡単な説明】
【図1】
後屈の前の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図2】
後屈の後の図1の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図3】
本発明による制御曲げを用いた縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図4】
図3の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図5】
図3の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図6】
図3の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図7】
作動位置における図4の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図8】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の平面図である。
【図9】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の断面図である。
【図10】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する別の代替撓み部の断面図である。
【図11】
本発明による縦型熱アクチュエータに関する代替撓み部の平面図である。
【図12】
本発明による二ビーム縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図13】
図12の前記縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図14】
図12の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図15】
本発明による二ビーム縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図16】
本発明による多数の補強部材を有する縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図17】
図16の前記縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図18】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図19】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図20】
本発明による代替縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図21】
本発明による光学スイッチの略図である。
Claims (58)
- 基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する少なくとも1つの高温アームと、
前記表面に固定された第1端と自由端とを有する低温アームであって、前記表面に対して前記高温アームの上に配置された低温アームと、
前記低温アームの前記第1端の近くで前記低温アームに形成され、制御曲げを与えるようになっている撓み部と、
前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する部材であって、少なくとも前記高温アームに電流を加えたときに縦型熱アクチュエータが略前記撓み部で曲がって該部材を基板から離れる方向へ移動させる部材と、を具備する、縦型熱アクチュエータ。 - 前記撓み部が、窪み、凹み、切欠き、孔、狭細、薄肉もしくは脆弱な材料、代替材料もしくは他の構造的特徴の部位、またはその部位で曲げ抵抗を減少させる材料変化のうち、少なくとも1つを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記基板に前記高温アームを電気的に結合させる接地タブを具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記低温アームが前記高温アームから電気的に絶縁されている、請求項3に記載の装置。
- 前記高温アームおよび前記低温アームが、電流を流す回路を具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記低温アームに形成された補強部材を具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記補強部材が前記撓み部の近傍から前記自由端の近傍まで延在している、請求項6に記載の装置。
- 前記補強部材が前記低温アームに一体形成されている、請求項6に記載の装置。
- 前記補強部材が前記低温アームに沿って長手方向に延在している、請求項6に記載の装置。
- 前記補強部材が、前記低温アームに沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部を含む、請求項6に記載の装置。
- 前記補強部材が前記高温アームの真上に配置されている、請求項6に記載の装置。
- 前記低温アームが前記高温アームの真上に配置されている、請求項1に記載の装置。
- 前記高温アームの前記第1端が、前記低温アームの前記第1端に隣接して前記基板に取り付けられている、請求項1に記載の装置。
- 前記高温アームの前記第1端が、前記低温アームの前記第1端に対してずれて前記基板に取り付けられている、請求項1に記載の装置。
- 前記低温アームに沿って延在している金属層を具備する、請求項1に記載の装置。
- 少なくとも1つの高温アームが、前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを各々に有する2つの高温アームを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記基板上に複数の縦型熱アクチュエータを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも1つの光学装置を具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記光学装置が、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッターまたは閉塞構造体のうちの1つを具備する、請求項18に記載の装置。
- 少なくとも1つの光学装置を含む光通信システムを具備する、請求項18に記載の装置。
- 基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する少なくとも1つの高温アームと、
前記表面に固定された第1端と自由端とを有する低温アームであって、前記表面に対して前記高温アームの上に配置された低温アームと、
前記低温アームの第1部分に沿って形成された補強部材であって、前記補強部材を有しない前記低温アームの第2部分が制御曲げを与えるように構成された補強部材と、
前記高温および低温アームの前記自由端を機械的および電気的に結合する部材であって、前記高温アームに電流を加えたときに該部材を前記基板から離れる方向へ移動させる部材と、
を具備する縦型熱アクチュエータ。 - 前記補強部材を有しない前記低温アームの前記第2部分に形成された撓み部を具備する、請求項21に記載の装置。
- 前記基板に前記高温アームを電気的に結合させる接地タブを具備する、請求項21に記載の装置。
- 前記低温アームが前記高温アームから電気的に絶縁されている、請求項23に記載の装置。
- 前記高温アームおよび前記低温アームが、電流を流す回路を具備する、請求項21に記載の装置。
- 前記補強部材が、前記低温アームの前記第1部分に沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部を具備する、請求項21に記載の装置。
- 基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームと、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第2ビームと、
前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する部材と、
前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する第3ビームであって、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置された第3ビームと、
制御曲げを与えるように構成されたその前記第1端の近くで前記第3ビームに形成された撓み部と、
前記第1および第2ビームの前記第1端にそれぞれ電気的に結合された第1および第2の電気接点であって、該第1および第2の電気接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張するとともに前記部材が弧を描いて前記基板から離れる方向へ移動するようにする第1および第2の電気接点と、
を具備する縦型熱アクチュエータ。 - 前記撓み部が、窪み、凹み、切欠き、孔、狭細、薄肉もしくは脆弱な材料、代替材料もしくは他の構造的特徴の部位、またはその部位で曲げ抵抗を減少させる材料変化のうちの、少なくとも1つを含む、請求項27に記載の装置。
- 前記基板に前記第1および第2ビームを電気的に結合させる接地タブを具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームが、電流を流す回路を具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記第3ビームに形成された補強部材を具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記補強部材が前記撓み部の近傍からその前記自由端の近傍まで延在している、請求項28に記載の装置。
- 前記補強部材が前記第3ビームに一体形成されている、請求項28に記載の装置。
- 前記補強部材が前記第3ビームに沿って長手方向に延在している、請求項28に記載の装置。
- 前記補強部材が、前記第3ビームに沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部を含む、請求項28に記載の装置。
- 前記補強部材が前記第1および第2ビームの真上に配置されている、請求項28に記載の装置。
- 前記第3ビームが前記第1および第2ビームの略上に配置されている、請求項27に記載の装置。
- 前記第2ビームに沿って延在している金属層を具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記第1、第2および第3ビームの前記第1端が隣接している、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームの前記第1端が、前記第3ビームの前記第1端よりも前記部材に近い、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームの前記第1端が、前記第3ビームの前記第1端よりも前記部材から遠い、請求項27に記載の装置。
- 前記第1ビームの前記第1端が前記第3ビームの前記第1端よりも前記部材に近く、前記第2ビームの前記第1端が前記第3ビームの前記第1端よりも前記部材から遠い、請求項27に記載の装置。
- 前記第3ビームの前記第1端が前記基板から電気的に絶縁されている、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームが、非励起形態において第1の表面と略平行である、請求項27に記載の装置。
- 励起形態において前記第1および第2の電気接点に加えられる電流を有し、それにより、前記第1および第2ビームが前記基板の前記表面から離れて上向きに曲がるようになっている、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームにおける前記電流の少なくとも一部が前記第3ビームを流れる、請求項45に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームがポリシリコンを含む、請求項27に記載の装置。
- 前記第1、第2および第3ビームのうちの少なくとも1つに沿って延在している金属層を具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記第1および第2ビームが、励起形態において前記表面に対して鋭角である、請求項27に記載の装置。
- 前記第3ビームが、非励起形態において前記表面と略平行である、請求項27に記載の装置。
- 前記基板上に構成された複数の縦型熱アクチュエータを含む、請求項27に記載の装置。
- 前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも1つの光学装置を具備する、請求項27に記載の装置。
- 前記光学装置が、反射器、レンズ、偏波器、導波管、シャッターまたは閉塞構造体のうちの1つを含む、請求項52に記載の装置。
- 少なくとも1つの光学装置を含む光通信システムを具備する、請求項52に記載の装置。
- 基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第1ビームと、
前記表面に固定された第1端と前記表面の上に配置された自由端とを有する第2ビームと、
前記第1ビームの前記自由端を前記第2ビームの前記自由端に電気的および機械的に結合する部材と、
前記表面に固定された第1端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する第3ビームであって、前記表面に対して前記第1および第2ビームの上に配置された第3ビームと、
前記第3ビームの第1部分に形成された補強部材であって、該補強部材を有しない前記第3ビームの第2部分が、制御曲げを用いた縦型熱アクチュエータを与えるように構成された補強部材と、
前記第1および第2ビームの前記第1端にそれぞれ電気的に結合された第1および第2の電気接点であって、該第1および第2の電気接点に供給される電流により前記第1および第2ビームが熱膨張するとともに前記部材が弧を描いて前記基板から離れる方向へ移動するようにする第1および第2の電気接点と、
を具備する縦型熱アクチュエータ。 - 前記第3ビームの前記第2部分に形成された撓み部を具備する、請求項55に記載の装置。
- 前記基板に前記第1および第2ビームを電気的に結合させる接地タブを具備する、請求項55に記載の装置。
- 前記補強部材が、前記第3ビームの前記第1部分に沿って長手方向に延在している1つ以上の隆起部を含む、請求項55に記載の装置。
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