JP2004538507A - マイクロシステム・スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】マイクロシステム・スイッチ（１、２０、２５、３０、３３）が、凹部を（３）を画定する支持部（２）を有し、支持部（２）上に、凹部（３）を架橋する可撓性ブリッジ（６）が装着されている。ブリッジ（６）は、ブリッジが凹部（３）内に出っ張る凹面安定状態と、ブリッジが凹部（３）から外に出っ張る凸面安定状態とを選択的に保持するような形状になっている。スイッチは、ブリッジ（６）を安定状態間で撓曲させるアクチュエータ（８、９；２６、２７）を含み、ブリッジ（６）には、ブリッジの安定状態間の動きによってスイッチング素子がオン位置とオフ位置との間を移動するように、スイッチング素子（７、３１、３４）が装着されている。他の設計によると、マイクロシステム・スイッチ（４０、５５）が、凹部（４２）を画定する支持部を有し、支持部（４１）上には凹部（４２）を架橋する細長いねじり部材（４４）が装着されている。支持部（４１）には、ねじり部材（４４）に対してほぼ垂直の方向に凹部（４２）を架橋する可撓性ブリッジ（４３、５６）が装着されている。ブリッジ（４３、５６）は、その交点でねじり部材（４４）に接続され、ブリッジの第１の部分が交点と凹部（４２）の一方の側との間に延び、ブリッジの第２の部分が交点と凹部（４２）の反対側との間に延びるようになっている。ブリッジ（４３、５６）は、ブリッジの第１の部分が凹部内に出っ張り、ブリッジの第２の部分が凹部から外に出っ張る第１の安定状態と、この構成が逆になる第２の安定状態とを選択的に保持するような形状になっている。スイッチング素子（４５）が、ブリッジ（４３、５６）とねじり部材（４４）との交点に装着され、この場合も、ブリッジ（４３、５６）を安定状態間で撓曲させるアクチュエータ（４６ａ、４６ｂ；５８ａ、５８ｂ）が設けられている。この場合、ブリッジ（４３、５６）の安定状態間での動きによって、ねじり部材（４４）のねじりと、スイッチング素子（４５）のオン位置とオフ位置間の回転とが実現される。このようなスイッチを組み込んだスイッチング・デバイスと、そのようなスイッチング・デバイスのアレイを含むスイッチング装置も提供される。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にはマイクロシステム・スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System：マイクロ電子機械システム）スイッチなどのマイクロシステム・スイッチは、高い集積水準を実現する微細加工デバイスである。マイクロシステム・スイッチのさまざまな例が知られている。たとえば、国際特許出願ＷＯ００／２５１６０では、光スイッチ・アレイ用のさまざまな光学ＭＥＭＳスイッチが開示されている。同出願では、光導波管が、格子状に配列され、導波管の各対の交点に流体を満たしたトレンチが形成されている。これらのスイッチはＭＥＭＳミラーを使用し、ミラーはトレンチ内で、ミラーが入力導波管からの光を出力導波管に反射するオン位置と、ミラーが光路から退去され、光が入力導波管を伝播し続けるオフ位置との間をスライドする。これらのスイッチは、導波管アレイと同じチップ上に形成するか、または導波管アレイ・チップがフリップチップ装着された異なるチップ上に形成することもできる。スイッチのある実施形態では、ミラー・アクチュエータはチップ面内でミラーをスライドさせるはたらきをする。他の実施形態では、ミラーはプレート上に装着され、静電アクチュエータの起動によって、プレートが撓曲してミラーを面外方向のオフ位置に持ち上げる。
【０００３】
上述のタイプの既存スイッチ設計の重要な問題は、スイッチを２つの動作位置のうちの１つに保持するために電力を絶えず印加しなければならないことである。特にスイッチ・アレイ環境における効率的なマイクロシステム・スイッチ設計は、製造を容易にするために単純な構造でなければならず、低電力消費でなければならない。「新奇なラッチ２×２ＭＥＭＳ光ファイバ・スイッチ（A Unique Latching 2x2 MEMS Fibre Optics Switch）」（ヒチワ（Hichwa）他、OMEMS2000、２０００年８月２１日）という名称の論文では、２個の交差した導波管の間の空間に製作され、基板の平面内でミラーをスライドさせる、複雑な静電ミラー作動システムを導波管の交点に備えた双安定光スイッチが開示されている。この作動システムは、１組の櫛形駆動機構と、２個の可撓ヒンジを使用して、装置を安定状態にラッチする。このスイッチに基づくフリップチップ結合４×４アレイ設計について、「ＭＥＭＳスイッチおよび集積導波管に基づくマトリクス・スイッチ（MatrixSwitch Based on MEMES Switches and Integrated Waveguides）」（デルマン（Dellman）他、1332〜1335頁、トランスデューサ（Transducer）'01、ユーロセンサ（Eurosensors）XV、第１１回固体センサおよびアクチュエータ国際会議（InternationalConference on Solid-State Sensors and Actuators）、2001年６月10〜14日、技術論文摘要（Digest ofTechnical Papers）第２巻、スピンガー（Spinger）刊）に記載されている。このスイッチは、双安定動作を行うが、スイッチ機構のサイズと複雑さが、効率的なアレイ設計という目的を阻害する。
【特許文献１】
国際特許出願ＷＯ００／２５１６０
【非特許文献１】
「新奇なラッチ２×２ＭＥＭＳ光ファイバ・スイッチ（A UniqueLatching 2x2 MEMS Fibre Optics Switch）」（ヒチワ（Hichwa）他、OMEMS 2000、２０００年８月２１日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の実施形態では、双安定ブリッジを凹面安定状態と凸面安定状態との間で撓曲させ、それによってスイッチング素子をオン位置とオフ位置との間で凹部内と凹部外とに移動させることによって、スイッチングが実現される。したがって、本発明の実施形態は、的確に単純な構成および動作を有するとともに所要電力が低い双安定スイッチを提供する。本発明を実施するスイッチは、小さく実現され、製作が容易であり、それによってきわめて効率的なスイッチング・アレイの実現を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によると、
凹部を画定する支持部と、
該支持部に装着され、該凹部に架橋された可撓性ブリッジであって、ブリッジが該凹部内部に隆起する凹面安定状態と、ブリッジが該凹部から外部に隆起する凸面安定状態とを選択的に保持するような形状のブリッジと、
該ブリッジを一方の安定状態から他方の安定状態に撓曲させるアクチュエータと、
安定状態間の該ブリッジの移動によってスイッチング素子がオン位置とオフ位置との間で移動するように該ブリッジ上に装着されたスイッチング素子とを含むマイクロシステム・スイッチが提供される。
【０００６】
可撓性ブリッジは、ブリッジを事前形成するかまたは圧縮応力を与えるかあるいはその両方を行うことによって、双安定動作を行う形状とすることができるが、概ね凸面／凹面形状に事前形成されているか否かを問わず、ブリッジに圧縮応力を与えることによって双安定動作を行う形状とすることが好ましい。なお、事前形成形状を実現する製造プロセスは、その本質上、ある程度圧縮応力を与える結果になるため、その結果の構造は、本来、ある程度の応力を受けることが当業者ならわかるであろう。
【０００７】
たとえばスイッチング素子の各側に１つずつ、複数の部分にブリッジを形成する実施形態を企図することができるが、構造と製造を簡単にするため、ブリッジは単純な可撓膜を含むことが好ましい。さらに、凹部は支持部のほぼ平坦な表面に形成し、その表面上にブリッジを、ブリッジが凹部の上方に延びるように装着することが好ましい。当然ながら、凹部が支持部の隆起した構造によって画定される構成が企図され、そのような隆起構造はブリッジの延長部によって形成することもできるが、肝要なのは、画定された凹部によってブリッジが動く空間が与えられることである。しかし、前者の構成の方が特に単純かつコンパクトな設計になるため好ましい。
【０００８】
ブリッジを安定状態間で撓曲させるためにさまざまなアクチュエータ機構を使用することができる。アクチュエータは、ブリッジにインパルスを与えてスイッチを各状態間でトグルさせるように構成することができる。たとえば、アクチュエータが表面弾性波を生じさせて、トグルさせるインパルスを与える実施形態を企図することができる。その他の可能なさまざまなアクチュエータ機構については後述する。しかし、好ましい実施形態では、アクチュエータは一対のバイモルフ作動層を含み、各バイモルフ作動層がブリッジの各部分の上に延びて、それと組み合わさってバイモルフ構造を形成するようになっている。これらの層の一方を作動させると、対応するバイモルフ構造における膨張差によって、ブリッジを一方の安定状態から他方の安定状態に撓曲させる力が加えられる。これらの層は、一方の層を作動させることによって、ブリッジが凸面安定状態から凹面安定状態に撓曲し、他方の層を作動させることによってブリッジが凹面安定状態から凸面安定状態に撓曲するように構成される。さまざまなバイモルフ構造を企図することができ、バイモルフ作動層の性質はそれに応じてさまざまとすることができる。たとえば、バイモルフ作動層を、湿気またはその他の適切な活性化剤に曝すことによって作動させると膨らんでバイモルフ構造に膨張差を生じさせる多孔質材料で形成する実施形態を企図することができる。しかし、特に好ましい実施形態では、各バイモルフ作動層は、そのバイモルフ作動層が重なるブリッジの部分の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する加熱器を含み、加熱器の加熱によってバイモルフに膨張差が生じる。これによって、各状態間でスイッチをトグルさせるバイモルフ力を利用する、特に単純かつ効率的な作動機構が実現する。スイッチング素子の同じ側で、加熱器をブリッジの両面に配置する実施形態を企図することもできる。しかし、ブリッジの厚みを介して加熱器間で熱が伝導する潜在的な問題を回避するには、加熱器をスイッチング素子の両側に配置することが好ましい。実施形態によっては、加熱器をブリッジの両面およびスイッチング素子の両側に配置する。この場合、加熱器を同じ材料で造ることができるので好都合である。他の実施形態では、製造プロセスを簡単にするために、加熱器をスイッチング素子の両側の、ブリッジの同一面上に配置する。この場合、一方の加熱器の熱膨張率はブリッジの重なる部分の熱膨張率よりも大きくなければならず、他方の加熱器の熱膨張率はブリッジの重なる部分の熱膨張率よりも小さくなければならない。このような可撓膜ブリッジと共に加熱器を使用する好ましい実施形態については後述する。加熱器をたとえば光により作動させる実施形態を企図することもできるが、後述する好ましい実施形態では加熱器は電気により作動させる。
【０００９】
所望の場合、スイッチングを行わせるために必要な力を低減するために、ブリッジの長さ方向のスイッチング素子の各側にあるばね構造と共にブリッジを形成することもできる。このようなばね構造は、ブリッジが各安定状態間で撓曲しやすいように、たとえば幅方向または中央部あるいはその両方に切取り部分を含んでもよい。
【００１０】
以下で詳述する本発明のこの態様の好ましい実施形態では、ブリッジは、凹部を横断するブリッジの長さに沿った断面に、ほぼ対称な湾曲縦断面を有し、スイッチング素子をブリッジに沿ってほぼ中央に装着する。このような実施形態では、スイッチング素子をブリッジの凹部から遠い方の側に装着する。これにより、以下で詳述するようなフリップチップ装着スイッチ配置構成の好都合な実施態様が可能になる。スイッチング素子自体は、それを使用するスイッチのタイプによって異なるものとすることができる。たとえば電気スイッチでは、スイッチング素子は電気接点とすることができる。光スイッチでは、スイッチング素子は光学素子を含む。光学素子は、シャッター、レンズ、回折格子、または、光線を切り換えるその他の素子とすることができるが、好ましい実施形態では、光学素子はミラーを含む。
【００１１】
上述の本発明の第１の態様を実施するスイッチでは、ブリッジの安定状態が切り替わると、スイッチング素子がそのオン状態とオフ状態の間を移行する。本発明の第２の態様によると、凹部を画定する支持部と、該支持部上に装着され、該凹部に架橋された細長いねじり部材と、該支持部上に装着され、該ねじれ部材に対してほぼ垂直の方向に該凹部に架橋された可撓性ブリッジであって、ブリッジが該ねじり部材とその交点で接続され、それによって、該ブリッジの第１の部分が該交点と該凹部の一方の側との間に延び、該ブリッジの第２の部分が該交点と該凹部の反対側との間に延び、ブリッジが、該ブリッジの第１の部分が該凹部内に出っ張り、該ブリッジの第２の部分が該凹部から外に出っ張る第１の安定状態と、該ブリッジの第１の部分が該凹部から外に出っ張り、該ブリッジの第２の部分が該凹部内に出っ張る第２の安定状態とを選択的に保持するような形状となっている可撓性ブリッジと、該ブリッジを該安定状態の一方の安定状態から該安定状態の他方の安定状態に撓曲させるアクチュエータと、該ブリッジとねじり部材との交点に装着されたスイッチング素子とを含み、該ブリッジの該安定状態間の動きによって、該ねじり部材をねじれさせ、該スイッチング素子をオン位置とオフ位置との位間で回転させる、マイクロシステム・スイッチが提供される。
【００１２】
したがって、本発明のこの態様の実施形態は、本発明の第１の態様の実施形態と類似した原理を使用するが、スイッチング素子はオン位置とオフ位置との間で回転運動で移動する。これは、前述のように配置されて事実上ブリッジを２つの部分に区分するねじり部材を設けることによって実現され、ブリッジは、一方の部分が凹部内に出っ張り、他方の部分が凹部の外に出っ張る１つの安定状態と、この構成が逆になる他の安定状態とを保持するような形状になっている。スイッチング素子は、ブリッジとねじり部材との交点に装着され、それによって、ブリッジがその安定状態間を移動すると、スイッチング素子が、その移動の間ねじれるねじり部材によって安定化された回転を受けるようになっている。したがって、本発明のこの態様の実施形態は、前述の実施形態と同様、単純な構造と動作、低所要電力、微小な実現、および製作の容易さという利点を備え、それに加えて、スイッチング素子のより制御された回転運動を実現する。これによって、以下で詳述するような特に有利なスイッチ設計が実現される。
【００１３】
他の配置構成も企図することができるが、好ましい配置構成では、交点は凹部を横断する各ブリッジとねじり部材の長さのほぼ中間に配置される。適切な場合には、本発明の第１の態様の実施形態に関して前述したその他の好ましい任意選択の特徴も、この態様で等しく適用される。たとえば、ブリッジは、可撓膜を含むことが好ましく、スイッチング素子は、ブリッジの凹部から遠い側に装着されることが好ましい。アクチュエータは、一対のバイモルフ作動層を含むことが好ましく、最も好ましくは加熱器を含み、各加熱器がブリッジの一部の上に延び、ブリッジの撓曲が前述のようにバイモルフ力によって実現される。さらに、ねじり部材は複数の部分に形成することができるが、好ましい実施形態では、ねじり部材は単純なトーション・バーを含む。さらに、（スイッチング素子がミラーを含む好ましい光スイッチ実施形態のように）スイッチング素子はほぼ平坦な素子を含む場合、スイッチング素子は、オン位置とオフ位置との間でほぼそれ自体の平面内を回転するように装着されることが好ましい。
【００１４】
本発明は、本発明の第１または第２の態様に関して前述したスイッチのアレイを含むスイッチング装置も提供する。本発明は、さらに、前述のように光スイッチ素子を有するスイッチと、光導波管を有し、導波管と交差する空洞を画定する導波管構造とを含み、安定状態間のブリッジの動きによって、光素子が空洞内で、光素子が導波管によって画定された光路と交差するオン位置と、光素子が光路と交差しないオフ位置との間で移動するように、スイッチが導波管構造を基準にして配置されている光スイッチング・デバイスを提供する。本発明の他の態様は、このような光スイッチング・デバイスのアレイを含む光スイッチング装置を提供する。このようなスイッチング装置では、デバイスの導波管構造が、導波管アレイ・チップ内に集積されていることが好ましく、デバイスのスイッチがスイッチ・アレイ・チップに集積されていることが好ましく、それによって好都合なフリップチップ装着構成が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好ましい実施形態について、例示のために添付図面を参照しながら以下に説明する。
【００１６】
図１ないし図５に、ＭＥＭＳスイッチ１の一実施形態の略側面図を示す。図１を参照すると、スイッチ１は、その表面に凹部３を有する支持部２を含む。ここでは支持部２は基板４と、凹部３を形成する製造プロセスの結果として形成された表面層５とによって形成されている。スイッチ１は、凹部３を架橋するように支持部２の表面に装着された可撓膜６の形態のブリッジ構造も含む。ブリッジ膜６は、図に示すように対称形に湾曲した縦断面を有する。この実施形態では、この形状は、膜が圧縮応力を受け、それによって膜が撓曲し、凹部から出っ張り、図のような湾曲形状になる製造プロセスによって実現される。当業者ならわかるように、膜の圧縮応力は、さまざまな製造プロセスを使用して得ることができる。たとえば、シリコン層で形成された膜を酸化させて、膜の伸張を引き起こす傾向がある力を加えることができる。このように、膜はウエハに装着された状態を維持しながら圧縮応力を受け、膜が（凹部のエッチングによって）解放されると、膜は「膨張」して撓曲し、図に示すような形状になる。たとえば、当業者には明らかなように、化学気相付着プロセスまたはプラズマ化学気相付着プロセスによって、ある程度の圧縮応力を加えて膜を付着させることもできる。他の例として、膜を平坦な層として形成し、その後で膜の一端（または各端）を他端に向かって押す機構を使用し、それによって、膜を押し縮め、図の形状に屈曲させることもできる。
【００１７】
その結果形成された膜６は、図１に示すように膜が凹部３から出っ張る全体として凸面形状の安定状態と、膜が凹部３内に屈曲して全体的に凹面形状の安定状態とを有する、双安定構造を構成する。ミラー７の形態のスイッチング素子を、膜６の凹部から遠い方の側の中間に装着する。ミラーの面は、膜の長手方向に対してほぼ垂直に延びている。スイッチ１は、膜６を両安定状態間で撓曲させるアクチュエータも含む。この実施形態では、膜は誘電性材料で形成され、アクチュエータは、図のようにミラー７の両側の膜の上面上に延びる導電層によって形成された一対の抵抗加熱器８、９を含む。一方の加熱器は引下げ用加熱器８であり、膜６の熱膨張率α_ｍより大きい熱膨張率α_ｄを有する材料で形成される。他方の加熱器は、引上げ用加熱器９であり、この加熱器の材料はα_ｍより小さい熱膨張率α_ｕを有する。
【００１８】
動作時、スイッチが図１の凸面状態のとき、引下げ加熱器８に電流を印加して加熱すると、下向きのバイモルフ力が生じ、それによって図２の破線で示すように膜６が撓曲して凸面安定状態から凹面安定状態になる。この状態で、引上げ加熱器９に電流を印加して加熱すると、上向きのバイモルフ力が生じ、それによって膜が撓曲して凹面状態から凸面状態に戻る。両安定状態間の膜６の動きによって、ミラー７が、図２に示す光路を横切るオン位置（凸面状態）と、ミラーが光路を横切らないオフ位置（凹面状態）との間で移動する。図３から図５に、スイッチング・プロセスの連続した各段階におけるスイッチ１の構成を示す。図３は、凸面安定状態を示し、図５は凹面安定状態を示し、図４は、膜が全体としてＳ形状の構成を有する（不安定）中間状態を示す。
【００１９】
図６に、本発明を実現する光スイッチ・デバイスに組み込まれたスイッチ１を示す。この略図では、配置構成をよりわかりやすく示すためにデバイスの一部が切り取られている。このデバイスは、互いに交差した一対の導波管１１および１２を有する導波管構造１０を含む。他の構成も可能であるが、この特定の例では、導波管１１、１２は、直交軸ＸおよびＹに沿って配置されている。構造１０内の導波管１１と１２の交点に、空洞１３が設けられている。スイッチ１は、ミラー７が空洞１３内でオン位置とオフ位置の間を移動するような、導波管構造１０を基準にした配置構成で配置されている。オン位置では、ミラーの面が各光路に対して４５度になるように、Ｘ光路とＹ光路の両方と交差し、それによって、一方の導波管からミラーに入射する光が反射して他方の導波管内に入射する。オフ位置では、ミラーは、両光路から退去され、それによって、光が空洞内を横断してそのまま同じ導波管内を伝播し続ける。空洞１３には、理想的には屈折率整合流体が充填され、交差接続光損失を防止する。
【００２０】
この図では、加熱器８および９の形態がより明確にわかり、これらの加熱器に電流を供給する電気接続がそれぞれ１８および１９として示されている。スイッチ１と導波管構造１０は、支持部２上で、導波管構造の凹部１６と係合する手段１５（図面にはそのうちの１個のみが図示されている）を使用して自己整合する。ここでは１個のスイッチング・デバイスが図示されているが、実際には、このデバイスは一般に、光スイッチング・アレイに設けられた複数のこのようなデバイスのうちの１つである。そのようなアレイでは、導波管構造１０は、複数の導波管が格子状に配置された導波管アレイ・チップによって実現される。同様に、スイッチ１は、各対の導波管の交点で１個のスイッチが動作するように導波管チップがフリップチップ装着された、スイッチング・アレイ・チップ上に設けられる。
【００２１】
図１でもっともわかりやすく示されているが、この実施形態では、加熱器８、９は、膜６に沿って、ミラーの両側の湾曲膜断面の最も勾配の大きい部分の上に延びている。これらの部分では、バイモルフ効果が膜を撓曲させる最大の効力を作用させる。しかし、必要ならばね構造を使用して膜を形成し、スイッチング・プロセスをさらに支援することもできる。図７に、この修正を加えたスイッチ２０の平面図を示す。スイッチ２０はスイッチ１と全体として類似しており、同様の部分は同様の符号が伏してある。しかし、この実施形態では、膜６は、ミラー７の両側に２１で総称的に示すばね構造を使用して形成されている。各ばね構造２１は、幅方向に切り取られた一対の切り取り部分２２ａおよび２２ｂと、中央の切り取り部分２３とによって形成されている。これらのばね構造２１は、ブリッジ膜に長手方向にある程度のコンプライアンスをもたせ、それによって膜がトグル点に達するのに要するエネルギーが少なくてすむ。しかし、ばね構造２１は、ある程度のコンプライアンスを備えるものの、使用中にスイッチが受ける可能性のある振動や衝撃によって膜がトグルするほどの力は生じさせない程度の剛性は備える必要がある。したがって、この２つの考慮点の間にはトレードオフがある。
【００２２】
図８に、光スイッチの他の実施形態の略側面図を示す。この実施形態のスイッチ２５は、図１のスイッチ１と全体として類似しており、ここでは相違点のみ説明する。図に示すように、膜ブリッジの両面に加熱器２６、２７が設けられている。この構成によって、加熱器２６、２７は同一材料で作ることができる。この材料の熱膨張率は、膜の熱膨張率よりも大きいかまたは小さくすることができ、その選択は、上面加熱器と下面加熱器のどちらを引下げ加熱器として機能させ、どちらを引上げ加熱器として機能させるかによって決まる。
【００２３】
上述のスイッチ設計は、電気スイッチにも使用することができる。図９および図１０に２つの例を示す。この設計は全体として図１の設計に対応するが、ミラー７が電気接点に置き換えられている。図９のスイッチ３０では、膜の上に、膜の長手方向に対してほぼ垂直に延びるように橋絡接触子３１が装着されている。橋絡接触子３１は、膜の両側を幅方向に超えて延び、それによって、膜が凹面安定状態のときには、接触子３１は支持部上の電気接点３２ａおよび３２ｂと接続するようになっている。したがってこの例では凹面状態は、スイッチのオン位置に対応する。図１０のスイッチ３３では、膜上のスペーサ３５に橋絡接触子３４が装着されている。この接触子は、スイッチ３３のアレイのための電気接点を備えたコンタクト・アレイ・チップなどの対向構造（図示せず）上に設けられた電気接点と接続するように配置されている。したがって、この例では、凸面安定状態がスイッチのオン位置に対応する。両方の実施形態において、橋絡接触子３１、３４は、製作公差を吸収し、適切な接触圧力を供給するのに十分な機械コンプライアンスを備えていなければならない。
【００２４】
図１１は、本発明の第２の態様を実施するＭＥＭＳスイッチ４０の略平面図である。このスイッチ４０は、その表面に凹部４２を有する支持部４１と、凹部４２を横断して延びる可撓膜４３の形態のブリッジとを含む。スイッチはさらに、膜４３に対してほぼ垂直の方向に凹部を架橋するバー４４の形態のねじり部材を含む。トーション・バー４４は、以下で説明するバーのねじれ運動を与える適切な材料から製作できる。トーション・バー４４とブリッジ膜４３は、その交点で互いに接続され、交点には凹部４２から遠い方の側にミラー４５が装着されている。ミラー４５の面は、膜４３の長手方向に対してほぼ並行に延びている。膜４３は、誘電性材料で作られ、スイッチ・アクチュエータはこの場合も、交点の両側の膜の上面上に延びる一対の抵抗加熱器４６ａ、４６ｂを含む。加熱器４６ａ、４６ｂは、同じ導電性材料の層として形成され、この材料は膜材料の熱膨張率α_ｍとは異なる熱膨張率α_ｈを有する。
【００２５】
前述の各実施形態と同様、膜４３は２つの安定状態のうちの一方を選択的に保持するような形状に作られている。しかし、この実施形態では、膜の構成は、多少異なる。図１２に、この設計の全体的な対称構造を示すが、図に示す形状は機械的に不安定であるものと理解されたい。図の形態では、トーション・バー４４と凹部４２のそれぞれの側との間に延びる膜４３の２つの部分が凸面状の湾曲断面を有する。この不安定状態では、膜は圧縮応力を受け、解放されると、膜が全体としてＳ字状の構成を有する２つの安定状態のうちの一方の状態をとるようになっている。膜の右側の部分が凹部４２内に出っ張り、膜の左側の部分が凹部４２から外に出っ張った、一方の安定状態を図１３に示す。図１４に、膜の右側の部分が凹部４２から出っ張り、左側の部分が凹部４２内に出っ張った、もう一方の安定状態を示す。当業者ならわかるように、第１の実施形態に関して前述した製造プロセスなどのさまざまな製造プロセスを使用して、この実施形態の膜形状を実現することができる。図１２ないし図１４では、支持部４１の基板上に示す２つの表面層は、この例のトーション・バー４４の製作ステップの結果として形成されるが、これらの層はデバイスの動作にとって必要ではなく、他の実施形態ではなくてもよいことは明らかである。
【００２６】
加熱器４６ａ、４６ｂに電力を加えることによって、前述のように膜を安定状態間でトグルさせる。加熱器のうちのいずれの加熱器を作動させて所与の安定状態から切り換えるかは、α_ｈがα_ｍより大きいか小さいかによって決まる。α_ｈがα_ｍより小さいと仮定すれば、「高い側」の加熱器を作動させて切換えを行う。したがって、図１３に示す状態で加熱器４６ｂを作動させると、膨張差によって、この側でバイモルフ力が下方に作用し、それによって、膜が図１４に示す状態に撓曲する。同様に、図１４で加熱器４６ａを作動させると、膜が撓曲して図１３に示す状態に戻る。これらの図から、膜４３の安定状態間の動きによって、トーション・バー４４がねじれ、ミラー４５がそれ自体の面内で回転することがわかる。使用時には、一方のミラー位置が、ミラーが光路と交差して入射光線を反射するオン位置を構成し、他方のミラー位置が、ミラーが光路から退去されて光線が光路を伝播し続けるオフ位置を構成する。
【００２７】
このスイッチ４０の設計には、前述の各実施形態のスイッチ設計より優れた利点がいくつかある。図３ないし図５からわかるように、ミラーがオン位置とオフ位置の間の並進運動を受ける前述の各設計では、ミラーはスイッチング動作の非対称性のためにスイッチング時にミラー自体の面外に揺動する傾向がある。しかし、スイッチ４０では、トーション・バー４４のねじり運動によって安定化されたミラー４５の回転運動はきわめてよく制御され、ミラーはそれ自体の面内で回転する。したがって、この設計は、面外揺動に対する機械的コンプライアントが少なく、ミラーは、導波管と交差する狭いトレンチとして形成された空洞内で動くことができる。前述の設計では、ミラーの動きを狭いトレンチ内に閉じ込めるようにミラーを誘導する必要がある。さらに、ミラー４５が導波管構造内の流体が充填された空洞内を動くと、その回転運動は前述の各設計におけるミラーの動きよりも流体を攪乱しないシア動作となる。さらに、スイッチ４０の設計により、加熱器４６ａ、４６ｂを、膜４３の同一表面に適用するのと同じ金属で形成することができる。前述の設計では、膜の同一表面上に形成される加熱器は、異なる材料で形成しなければならない。
【００２８】
図１５に、スイッチ４０を使用した光スイッチング・デバイスの集積アレイを含むスイッチング装置の略部分切取り平面図を示す。導波管アレイ・チップ５０は、網状または格子状の導波管５１を備える。この特定の例では、導波管は直交格子状に配列されている。導波管５１の各対の交点には、図のように配向された深くエッチングされた狭いトレンチ５２として空洞が形成されている。フリップチップ装着されたスイッチング・アレイ・チップ５３は、導波管の各交点で１個ずつ、下方のトレンチ５２内にスイッチのミラー４５が突出し、各ミラーの面が対応するトレンチの長手方向に整列されるように配置されたスイッチ４０のアレイを備える。したがって、各スイッチのミラーはトレンチ内で、光が１つの導波管を通って直交する導波管内に伝播するようにミラーが光を反射するオン位置と、ミラーが光路から退去されて光が入力導波管を伝播し続けるオフ位置との間で回転させることができる。
【００２９】
図１６および図１７に、ＭＥＭＳスイッチの他の実施形態の略平面図および側面図をそれぞれ示す。この実施形態のスイッチ５５は、スイッチ４０の設計と類似した設計であり、ここでは主な相違点についてのみ述べる。スイッチ５５に静電作動機構を使用し、この実施形態では、ブリッジ膜５６を、トーション・バーとの交点の両側に幅方向に拡大した部分５７ａ、５７ｂを設けて形成する。交点の各側に金属層を設けて部分５７ａ、５７ｂにそれぞれパッド５８ａ、５８ｂを形成する。この例では、基板５９も導電材料で形成され、スイッチング動作は、基板とブリッジ膜の「高い側」にある導電パッドとの間に電圧を印加することによって実現される。これを図１７に示す。図の状態では、膜の右側の部分が高い側であり、したがって、電圧はパッド５８ａと基板５９との間に印加される。その結果としてパッド５８ａと基板５９との間に働く引力によって、高い側が引き下げられ、それによって膜が撓曲して他方の安定状態になる。次に、パッド５８ｂと基板との間に電圧を印加することによって、切り替わって初期状態に戻る。
【００３０】
上述の各実施形態は、単純で堅固な構造と動作を有し、２つの安定状態間で切換えを行うためにのみ電力が必要な低所要電力の、きわめて効率的なマイクロシステム・スイッチ設計を備えることがわかるであろう。これらの設計は、容易な製作と微細な実現を可能にし、それによってきわめて効率的なスイッチング・アレイの構築を可能にする。しかし、上記では、特に好ましい実施形態について詳述したが、これらの実施形態には多くの変更および修正を加えることができることがわかるであろう。たとえば、上述の熱バイモルフ作動システムは特に単純で効率的なスイッチング機構として好ましいが、図１に示す汎用型のスイッチにおいて所望の場合には、図１７に示すような静電作動機構を使用することができる。図１および図１１に示す両方の汎用型スイッチとして、電磁気機構など他の作動機構も企図することができる。たとえば図１６および図１７で、パッド５８ａ、５８ｂを磁性材料の層で形成し、各磁性層の下の基板上にコイルを設けることもできる。その場合、コイルに電力を印加して、高い側の磁性層を引きつけ、それによってスイッチをトグルさせることができる。図１７の静電機構の他の態様として、凹部に流体を充填し、ミラーの各側の各ブリッジ部の下の基板内にノズルなどを設けた実施形態を企図することができる。ブリッジの低い側にあるノズルにインパルスを印加して圧力波を生じさせて低い側を押し上げ、それによってスイッチをトグルさせることができる。その他の可能な実施形態としては、当業者には明らかなように、圧電作動機構や形状記憶合金作動機構などがある。さらに、実施形態によっては、可撓性ブリッジの圧縮応力特性または設計幾何形状あるいはその両方を、安定性の強化、または一方の方向へのスイッチングを行うのに要するエネルギーが他方の方向に要するエネルギーよりも大きくなる非対称スイッチング動作を実現するように設計することもできる。当然ながら、上述の実施形態には、本発明の範囲から逸脱することなくその他の多くの変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の態様を実現する光スイッチを示す図である。
【図２】図１のスイッチの２つの安定状態を示す図である。
【図３】図１のスイッチの切換えにおける連続した段階を示す図である。
【図４】図１のスイッチの切換えにおける連続した段階を示す図である。
【図５】図１のスイッチの切換えにおける連続した段階を示す図である。
【図６】図１のスイッチを組み込んだスイッチング・デバイスを示す図である。
【図７】図１のスイッチの変更態様を示す図である。
【図８】本発明の第１の態様を実現する光スイッチの他の例を示す図である。
【図９】本発明の第１の態様を実現する電気スイッチの一例を示す図である。
【図１０】本発明の第１の態様を実現する電気スイッチの他の例を示す図である。
【図１１】本発明の第２の態様を実現する光スイッチを示す図である。
【図１２】図１１のスイッチの不安定状態を示す図である。
【図１３】図１１のスイッチの２つの安定状態の一方を示す図である。
【図１４】図１１のスイッチの２つの安定状態の他方を示す図である。
【図１５】図１１に示すような光スイッチのアレイを組み込んだ光スイッチ装置を示す図である。
【図１６】本発明の第２の態様を実現する光スイッチの他の例を示す図である。
【図１７】本発明の第２の態様を実現する光スイッチの他の例を示す図である。

Claims (27)

1. 凹部（３）を画定する支持部（２）と、
   前記支持部（２）に装着され、前記凹部（３）に架橋する可撓性ブリッジ（６）であって、ブリッジが前記凹部（３）内部に出っ張る凹面安定状態と、ブリッジが前記凹部（３）から外に出っ張る凸面安定状態とを選択的に保持するような形状をしたブリッジ（６）と、
   前記安定状態の一方の安定状態から他方の安定状態にブリッジ（６）を撓曲させるアクチュエータ（８、９；２６、２７）と、
   前記安定状態間の前記ブリッジの動きによって、スイッチング素子がオン位置とオフ位置との間を移動するように前記ブリッジ（６）に装着されたスイッチング素子（７、３１、３４）とを含む、マイクロシステム・スイッチ（１、２０、２５、３０、３３）。
2. 前記ブリッジが可撓膜（６）を含む、請求項１に記載のスイッチ。
3. 前記アクチュエータが、一対のバイモルフ・アクチュエータ層（８、９；２６、２７）を含み、各バイモルフ作動層が前記ブリッジ（６）のそれぞれの部分上に延びて該部分と共にバイモルフ構造を形成し、それによって前記バイモルフ作動層の作動時に前記バイモルフ構造における膨張差が、ブリッジを一方の安定状態から他方の安定状態に撓曲させる力を及ぼし、配置構成が前記層（８、９；２６、２７）のうちの一方の層の作動によって前記ブリッジを凸面安定状態から凹面安定状態に撓曲させ、他方の層の作動によってブリッジを前記凹面安定状態から前記凸面安定状態に撓曲させる、請求項１または２に記載のスイッチ。
4. 各バイモルフ作動層が、前記ブリッジ（６）の前記それぞれの部分の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する加熱器（８、９：２６、２７）を含み、前記加熱器の加熱によって前記膨張差が生じる、請求項３に記載のスイッチ。
5. 前記加熱器（８、９）が、前記スイッチング素子（７、３１、３４）の対向する側の前記ブリッジ（６）の同一表面上に配置され、一方の加熱器の熱膨張率が前記それぞれの部分の熱膨張率よりも大きく、他方の加熱器の熱膨張率が前記それぞれの部分の熱膨張率よりも小さい、請求項４に記載のスイッチ。
6. 前記加熱器（２６、２７）が前記ブリッジ（６）の両面上であって、前記スイッチング素子の対向する側に配置された、請求項４に記載のスイッチ（２５）。
7. 前記ブリッジ（６）が前記支持部（２）のほぼ平坦な表面に装着され、前記凹部（３）が前記支持部の前記表面内に形成された、請求項１ないし６のいずれかに記載のスイッチ。
8. 前記ブリッジ（６）が、前記凹部（３）を横断する前記ブリッジの長さに沿った断面においてほぼ対称な湾曲断面を有し、前記スイッチング素子（７、３１、３４）が前記長さのほぼ中間に装着された、請求項１ないし７のいずれかに記載のスイッチ。
9. 前記スイッチング素子（７、３１、３４）がブリッジ（６）の前記凹部（３）から遠い側に装着された、請求項１ないし８のいずれかに記載のスイッチ。
10. 前記ブリッジ（６）が、前記凹部（３）を横断する前記ブリッジの長さ方向に前記スイッチング素子（７）の各側のばね構造（２１）を使用して形成されて、前記ブリッジを一方の安定状態から他方の安定状態に撓曲させやすくした、請求項１ないし９のいずれかに記載のスイッチ（２０）。
11. 前記スイッチング素子が電気接点（３１、３４）を含む、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のスイッチ（３０、３３）。
12. 凹部（４２）を画定する支持部（４１）と、
    前記支持部（４１）に装着され、前記凹部（４２）に架橋する細長いねじり部材（４４）と、
    前記支持部（４１）に装着され、前記ねじり部材（４４）に対してほぼ垂直の方向に前記凹部（４２）に架橋する可撓性ブリッジ（４３、５６）であって、ブリッジ（４３、５６）が前記ねじり部材（４４）とその交点で接続され、それによって、前記ブリッジの第１の部分が前記交点と前記凹部（４２）の一方の側との間に延び、前記ブリッジの第２の部分が前記交点と前記凹部（４２）の反対側との間に延び、ブリッジ（４３、５６）が、前記ブリッジの前記第１の部分が前記凹部内に出っ張り、前記ブリッジの前記第２の部分が前記凹部から外に出っ張る第１の安定状態と、前記ブリッジの前記第１の部分が前記凹部から外に出っ張り、前記ブリッジの前記第２の部分が前記凹部内に出っ張る第２の安定状態とを選択的に保持するような形状となっている可撓性ブリッジ（４３、５６）と、
    前記ブリッジ（４３、５６）を前記安定状態の一方の安定状態から前記安定状態の他方の安定状態に撓曲させるアクチュエータ（４６ａ、４６ｂ；５８ａ、５８ｂ）と、
    前記ブリッジ（４３、５６）とねじり部材（４４）との交点に装着されたスイッチング素子（４５）とを含み、
    前記ブリッジ（４３、５６）の前記安定状態間の動きによって、前記ねじり部材（４４）をねじれさせ、前記スイッチング素子（４５）をオン位置とオフ位置との位間で回転させる、マイクロシステム・スイッチ（４０、５５）。
13. 前記交点が、前記凹部（４２）を横断する前記各ブリッジ（４３、５６）およびねじり部材（４４）のそれぞれの長さのほぼ中間に配置された、請求項１２に記載のスイッチ。
14. 前記ブリッジが可撓膜（４３，５６）を含み、前記ねじり部材がトーション・バー（４４）を含む、請求項１２または１３に記載のスイッチ。
15. 前記スイッチング素子（４５）が前記交点の前記凹部（４２）から遠い側に装着された、請求項１２ないし１４のいずれか一項に記載のスイッチ。
16. 前記スイッチング素子（４５）が、ほぼその面内でオン位置とオフ位置との間で回転するように装着されたほぼ平坦な素子を含む、請求項１２ないし１５のいずれか一項に記載のスイッチ。
17. 前記アクチュエータが、一対のバイモルフ作動層（４６ａ、４６ｂ）を含み、各バイモルフ作動層が前記ブリッジ（４３）の前記部分の上に延び、該部分と共にバイモルフ構造を形成し、それによって、前記バイモルフ作動層（４６ａ、４６ｂ）の作動時に前記バイモルフ構造における膨張差が、前記ブリッジ（４３）を一方の安定状態から他方の安定状態に撓曲させる力を及ぼし、配置構成が前記層（４６ａ、４６ｂ）のうちの一方の層の作動によって前記ブリッジが前記第１の安定状態から前記第２の安定状態に撓曲し、他方の層の作動によって前記ブリッジが前記第２の安定状態から前記第１の安定状態に撓曲するようになっている、請求項１２ないし１６のいずれか一項に記載のスイッチ（４０）。
18. 各バイモルフ作動層が、前記部分の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する加熱器（４６ａ、４６ｂ）を含み、前記加熱器の加熱によって前記膨張差が生じる、請求項１７に記載のスイッチ。
19. 前記加熱器（４６ａ、４６ｂ）が前記ブリッジ（４３）の同一表面上に配置され、一方の加熱器が前記ブリッジの前記第１の部分、他方の加熱器が前記ブリッジの前記第２の部分に配置された、請求項１８に記載のスイッチ。
20. 前記支持部が導電性基板（５９）を含み、前記アクチュエータが前記ブリッジ（５６）の前記第１および第２の部分のそれぞれに導電層（５８ａ、５８ｂ）を含み、前記部分の前記基板（５９）と前記導電層（５８ａ、５８ｂ）との間に電圧を印加することによって該部分が前記凹部に向かって引っ張られる、請求項１２ないし１６のいずれか一項に記載のスイッチ（５５）。
21. 前記スイッチング素子が光学素子（７、４５）を含む、請求項１ないし１０および１２ないし２０のいずれか一項に記載のスイッチ（１、２０、２５、４０、５５）。
22. 前記光学素子がミラーを含む、請求項２１に記載のスイッチ。
23. 請求項１ないし２２のいずれかに記載のスイッチのアレイを含む、スイッチング装置。
24. 請求項２１または２２に記載のスイッチ（１、２０、２５、４０、５５）と、
    光導波管（１１、１２、５１）を有し、前記導波管と交差する空洞（１３、５２）を画定する導波管構造（１０、５０）とを含み、
    前記スイッチ（１、２０、２５、４０、５５）が、前記安定状態間の前記ブリッジ（６、４３、５６）の動きによって、前記光学素子（７、４５）が前記空洞（１３、５２）内で、前記光学素子が前記導波管（１１、１２、５１）によって画定された光路と交差するオン位置と、前記光学素子が前記光路と交差しないオフ位置との間で移動するように、前記導波管構造（１０、５０）を基準にして配置されている、光スイッチング・デバイス。
25. 前記導波管構造（１０、５０）が交差した一対の導波管（１１、１２；５１）を有し、前記空洞（１３、５２）がその交点で両方の導波管と交差し、
    前記光学素子（７、４５）がミラーを含み、
    前記スイッチ（１、２０、２５、４０、５５）が、オン位置において前記ミラーが一方の導波管からの光を他方の導波管内に反射するように配置されるように、前記導波管構造（１０、５０）を基準にして配置された、請求項２４に記載のスイッチング・デバイス。
26. 請求項２４または２５に記載の光スイッチング・デバイスを含む光スイッチング装置。
27. 請求項２５に記載の光スイッチング・デバイスのアレイを含む光スイッチング装置であって、
    前記デバイスの前記導波管構造が導波管アレイ・チップ（５０）によって提供され、前記デバイスの前記スイッチがスイッチ・アレイ・チップ（５３）によって提供され、
    前記導波管（５１）が前記導波管アレイ・チップ（５０）上に格子状に配置され、
    各スイッチの前記ミラーが前記ブリッジの前記凹部から遠い側に装着され、
    前記スイッチ・アレイ・チップ（５３）が、各スイッチの前記ミラーが導波管（５１）のそれぞれの対の交点における前記空洞（５２）内でオン位置とオフ位置との間で移動するように配置されるように、前記導波管アレイ・チップ（５０）を基準にして配置された、光スイッチング装置。

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