JP2006128796A - 微小電気機械素子、光学微小電気機械素子、光変調素子、レーザディスプレイ、フィルタ、通信装置並びに微小流体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、上述の点に鑑み、静電不良を改善する構造を備える微小電気機械素子、光学微小電気機械素子、光変調素子、この光変調素子を備えたレーザディスプレイ、さらに信号帯域制限を行うフィルタ、このフィルタを備えた通信装置、並び微量流体吐出装置を提供するものである。
【解決手段】 本発明の微小電気機械素子は、下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子本体を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明の微小電気機械素子は、下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子本体を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、微小電気機械素子、光学微小電気機械素子、光変調素子、レーザディスプレイ、フィルタ、通信装置並び微量流体吐出装置に関する。
微細技術の進展に伴い、微小電気機械素子いわゆるマイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びこのMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、さらに機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、さらに機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
図15は、一般的な微小電気機械素子の代表的な一例である。この微小電気機械素子1は、基板2上に形成した基板側電極(以下、下部電極という)3と、この下部電極3をブリッジ状に跨ぐように配置した薄膜状の駆動体(以下ビームという)5とを有して構成される。ビーム5と下部電極3とは、その間の空間4によって電気的に絶縁されている。ビーム5は、その両端がこれと一体の支持部6〔6A,6B〕を介して基板2に支持された両持ち梁構造に形成される。
基板2は、例えば、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。下部電極3は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜(多結晶W,Cr)などで形成される。ビーム5は、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)等の絶縁膜7と、その上面に形成された膜厚100nm程度の例えばAl膜からなる駆動側電極(以下、上部電極という)8とから構成される。光学微小電気機械素子としたならば、このAl膜8は反射膜としての機能を果たす。周波数フィルタなどの微小電気機械振動素子としたならば、ビーム3が振動部としての機能を果たす。
この薄膜状のビームを有した微小電気機械素子1では、下部電極3と上部電極8間に与える電位に応じて、ビーム5が下部電極3との間の静電引力又は静電反発により変位し、図示するように下部電極3に対して平行状態(実線)と凹状態(破線)に変位する。例えば、この微小電気機械素子1を光学微小電気機械素子として用いることを考えると、光反射膜を兼ねる上部電極8の表面に光が照射され、ビームの駆動位置に応じて、その光反射方向が異なるのを利用して、一方の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた光スイッチなどの光学素子として適用できる。また、複数のビームを並列配置して、光の回折を利用して光強度を変調するようにした光変調素子としても適用できる。この微小電気機械素子1を周波数フィルタとして用いることを考えると、ビーム5に直流バイアス電圧と周波数信号を重畳して入力し、下部電極3を出力として、ビーム5が共振した信号のみを下部電極3から出力する。
光学微小電気機械素子を用いた製品開発が現在数多く行われている。そのうちの1つに、SLM(シリコンライトマシーン,USA)社がレーザディスプレイ用光強度変換素子、つまり光変調器として開発したGLV(登録商標)(Grating Light Valve)デバイスが挙げられる。
図14は、GLV素子の模式的な構成を示す。
このGLV素子11は、基板12上に共通の下部電極13が形成され、この下部電極13と所要の空隙14を介して対向するように、両持ち梁構造の例えば6つのビーム15[151、152、153、154、155、156]が並列配置されてなる。各ビーム15は、絶縁膜の例えばシリコン窒化膜16とAl膜等からなる反射膜を兼ねる上部電極17とからなり、ブリッジ状に形成される。このビーム15はリボンと通称されている。そして、1つ置きのビーム151、153、155が下部電極13との間の静電力で近接・離間する可動ビームとなり、他の1つ置きのビーム152、154、156が固定ビームとして構成される。
このGLV素子11では、下部電極13とビーム15の上部電極17との間に微小電圧(信号電圧)を印加すると、静電現象によって駆動側ビーム151、153、155が下部電極13に向って近接し、離間し、印加電圧の大きさに応じて駆動側ビーム151、153、155の下部電極13との間の空隙14の高さが変化する。GLV素子11は、この駆動側ビーム151、153、155の駆動位置に応じて、ビーム15の表面に光が照射されたとき、反射した回折光の強度を変調する。したがって、このGLV素子11は、光強度を変調させる光変調素子として適用される。
このGLV素子11は、基板12上に共通の下部電極13が形成され、この下部電極13と所要の空隙14を介して対向するように、両持ち梁構造の例えば6つのビーム15[151、152、153、154、155、156]が並列配置されてなる。各ビーム15は、絶縁膜の例えばシリコン窒化膜16とAl膜等からなる反射膜を兼ねる上部電極17とからなり、ブリッジ状に形成される。このビーム15はリボンと通称されている。そして、1つ置きのビーム151、153、155が下部電極13との間の静電力で近接・離間する可動ビームとなり、他の1つ置きのビーム152、154、156が固定ビームとして構成される。
このGLV素子11では、下部電極13とビーム15の上部電極17との間に微小電圧(信号電圧)を印加すると、静電現象によって駆動側ビーム151、153、155が下部電極13に向って近接し、離間し、印加電圧の大きさに応じて駆動側ビーム151、153、155の下部電極13との間の空隙14の高さが変化する。GLV素子11は、この駆動側ビーム151、153、155の駆動位置に応じて、ビーム15の表面に光が照射されたとき、反射した回折光の強度を変調する。したがって、このGLV素子11は、光強度を変調させる光変調素子として適用される。
図12及び図13Aは、GLV素子11のビーム15から配線及び端子部に至る概略的な上面図及び断面図を示す。このGLV素子11では、シリコン表面が絶縁膜で被覆された基板12のフィールド領域に例えば選択酸化(LOCOS)によるフィールド絶縁層18が形成され、このフィールド絶縁層18で囲まれた基板12の領域に共通の下部電極13及びその上に絶縁膜22が形成される。この下部電極13に空間を介して対向する複数のビーム、本例では絶縁膜16と光反射膜を兼ねる上部電極17によるビーム15〔151〜156〕が形成される。一方、フィールド絶縁層18上には、各ビーム15に対応して複数の配線層19が形成され、各ビーム15の端部が対応する配線層19の一端に接続される。配線層19の他端には端子部(いわゆるパッド)20が設けられ、この端子部20に外部リードのボンディングワイヤ9が接続される。配線層19上の接続部分以外は層間絶縁膜16′が形成される。
なお、特許文献1には、MEMS素子を用いたMEMSスイッチが開示されている。
US5946176A
上述したようなMEMS素子では、製造時の静電気や、サージなどの駆動電圧以上の電圧が印加された場合、素子構成材料に所望以上の電荷が蓄積されるため、素子破壊や駆動特性が劣化して不良が発生する。半導体装置など従来の電子デバイスでも静電破壊は発生するが、MEMS素子は機械的駆動を特徴としているため、静電気による機械的な不良が発生しやすい。
MEMS素子の静電不良について、GLVデバイスを例に説明する。GLVデバイスでは、駆動電圧を16Vに設計した場合、20V以上の電圧が印加されると静電不良が発生する。この静電不良の例としては、
(1)駆動体を形成する上部電極と下部電極との張り付き(スナップダウン)
(2)隣接した2つの駆動体の吸着(スナップオーバー)
(3)駆動体を構成する材料に過剰に電荷が蓄積されることによる駆動電圧シフト(チャージング)
の3種類があり、いずれの場合も光変調素子として致命的な不良になる。
(1)駆動体を形成する上部電極と下部電極との張り付き(スナップダウン)
(2)隣接した2つの駆動体の吸着(スナップオーバー)
(3)駆動体を構成する材料に過剰に電荷が蓄積されることによる駆動電圧シフト(チャージング)
の3種類があり、いずれの場合も光変調素子として致命的な不良になる。
さらに、前述した図12及び図13に示すように、GLV素子11の端子部20からの配線層19は、半導体回路と同様に、例えばAlやポリシリコンのような導体材料から形成され、配線層19の寄生容量CLは、配線層19と基板12間にあるフィールド絶縁層18例えばSiO2膜で決められる。しかし、GLV素子11の場合は、駆動体であるビーム15の誘電部が気体で形成されているため、フィールド絶縁層18のような固体の絶縁体で形成する場合の配線層の寄生容量より誘電率が低くなる。このため、図13Bの等価回路で示すと、配線層19の面積が、駆動体であるビーム15の面積の約100倍あるため、駆動体であるビーム15の容量 Cm < 配線の寄生容量CL の大小関係が成り立つ。したがって、従来のGLV素子11では、例えば駆動体の端子部20から静電気による短パルスの過剰電圧が印加された場合、矢印で示すようにビーム15の容量Cmに過剰電流が流れて上述のような静電不良が発生しやすい構造となっていた。このような静電不良の発生は、GLV素子による光変調素子以外の、他の微小電気機械素子においても起こり得るものである。
本発明は、上述の点に鑑み、静電不良を改善する構造を備える微小電気機械素子、光学微小電気機械素子、光変調素子、この光変調素子を備えたレーザディスプレイ、さらに信号帯域制限を行うフィルタ、このフィルタを備えた通信装置、並び微量流体吐出装置を提供するものである。
本発明の微小電気機械素子は、下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子本体を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
本発明の光学微小電気機械素子は、下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた光学微小電気機械素子本体を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
本発明の光変調素子は、下部電極に対して空間を挟んで対向するように固定側と可動側からなる複数の駆動体が配置された光変調素子本体を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
本発明のレーザディスプレイは、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調する光変調素子とを有するレーザディスプレイであって、前記光変調素子が、下部電極に対して空間を挟んで対向するように固定側と可動側からなる複数の駆動体が配置された光変調素子本体と、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に接続され、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路とを備えていることを特徴とする。
本発明のフィルタは、直流バイアス電圧を印加して動作される静電駆動型の駆動体を有する微小電気機械振動素子を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されていることを特徴とする。
本発明の通信装置は、送信信号及び/又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、前記フィルタとして、下部電極と静電駆動する駆動体とを有する微小電気機械振動素子を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路を接続してなるフィルタが用いられていることを特徴とする
本発明の微量流体吐出装置は、ノズルを有する微量流体室に、下部電極と静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子からなる圧力発生部が設けられ、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続され、前記圧力発生部により前記ノズルから微量流体を吐出して成ることを特徴とする。
本発明の微小電気機械素子によれば、微小電気機械素子本体の静電不良を抑制するために、微小電気機械素子本体の容量より低容量の容量素子からなる保護回路を設けることにより、駆動特性を変更することなく静電不良を抑制することができる。
すなわち、微小電気機械素子本体の下部電極と駆動体間の容量よりも低容量の容量素子からなる保護回路が、駆動体に接続された配線または駆動体端子または駆動体に並列に接続されているので、駆動体端子から過剰電圧が印加された場合、保護回路の低容量素子に過剰電流が流れ、微小電気機械素子本体の静電破壊が防止される。保護回路の容量素子を中空構造、特に下部電極とこれに対向する上部電極を有する駆動体とから形成することにより、過剰電圧が印加されると、微小電気機械素子本体より先にこの中空構造の駆動体が下部電極側に変位し、上下部電極が短絡する。過剰電流はこの短絡で下部電極を通じてグランド側に流れ、微小電気機械素子本体への過剰電圧の印加が防止され、微小電気機械素子本体の静電が防止される。
本発明の光学微小電気機械素子によれば、光学微小電気機械素子本体の静電不良を抑制するために、低容量の容量素子からなる保護回路として設けることにより、この保護回路が上述と同様に作用して、駆動特性を変更することなく静電不良を抑制することができる。
本発明の光変調素子によれば、上記の光学微小電気機械素子を備えることにより、光学微小電気機械素子本体の静電不良を抑制するために、低容量の容量素子からなる保護回路として設けることにより、この保護回路が上述と同様に作用して、駆動特性を変更することなく静電不良を抑制することができる。
本発明のレーザディスプレイによれば、上記の光変調素子を備えることにより、光変調素子が静電破壊から護られ、レーザディスプレイとしての信頼性を向上することができる。
本発明のフィルタによれば、フィルタ本体となる微小電気機械振動素子の容量よりも低容量の容量素子からなる保護回路を設けることにより、保護回路が上述と同様に作用して、フィルタ本体の静電不良を抑制することができる。保護回路の容量素子を中空構造、特に下部電極とこれに対向する上部電極を有する駆動体とから形成することにより、フィルタ本体に繋がる端子部に異常電圧が印加されても保護回路の低容量の中空構造に先に印加されるため、中空構造の下部電極及び駆動体の上部電極間のショートもしくは下部電極を介してグランドに過剰電流を落すことができる。このフィルタ本体を静電破壊から防ぐことができることにより、より静電破壊に強いフィルタを形成することができ、このフィルタの信頼性の向上を図ることができる。
本発明の通信装置によれば、上述のフィルタを備えることにより、フィルタが静電破壊から護られ、通信装置としての信頼性を向上することができる。
本発明の微量流体吐出装置によれば、微小電気機械素子からなる圧力発生部で形成される容量よりも低容量の容量素子からなる保護回路を設けることにより、保護回路が上述と同様に作用して、圧力発生部の静電不良を抑制することができる。保護回路の容量素子を中空構造、特に下部電極とこれに対向する上部電極を有する駆動体とから形成することにより、圧力発生部に繋がる端子部に異常電圧が印加されても保護用回路の低容量の中空構造に先に印加されるため、中空構造の下部電極及び駆動部の上部電極間のショートもしくは下部電極を介してグランドに過剰電流が落ちる。この微量流体吐出装置を例えばインクジェットプリンタヘッドに適用したときは、インクジェットプリンタヘッドを静電破壊から防ぐことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る微小電気機械素子いわゆるMEMS素子の一実施の形態を示す概略構成図である。本発明で対象とする微小電気機械素子は、マイクロ・ナノスケールの素子である。本実施の形態に係るMEMS素子21は、静電駆動するMEMS素子本体となる主MEMS素子27とこの主MEMS素子27の駆動体となるビームに電気的に結合する回路に接続された低容量の容量素子からなる静電保護回路41とを有して成る。主MEMS素子27のビームの一端は、配線層29が接続され、配線層29の端部に端子部34が設けられている。本例では、静電保護回路41が中空構造をなす保護用MEMS素子で構成され、この保護用MEMS素子41が主MEMS素子27の配線層29に並列に接続される。後述するように、保護用MEMS素子41の静電容量CLmは、主MEMS素子の静電容量Cmより小さくなるように形成される。
図2に図1Aの主MEMS素子27を含むA−A線上の断面構造を示す。
この断面構造は、前述の図11Aと同様に構成される。すなわち、主MEMS素子27は、例えばシリコンなどの半導体基板22の一主面のフィールド絶縁層23で囲まれた領域に、中空構造を構成するようにビーム26(いわゆる駆動体)と、このビーム26に空隙25を介して対向する下部電極24とにより形成される。ビーム26は、例えばシリコン窒化膜等の絶縁膜28とその上の導電性膜からなる上部電極30との積層膜で形成される。下部電極24は、半導体基板22の表面に絶縁膜を介して形成した導電性膜、あるいは半導体基板の表面に形成した基板と反対導電型の半導体層により構成することができる。下部電極24の表面には絶縁膜31が形成される。フィールド絶縁層23上にはビーム26の上部電極30に導通する配線層29が形成され、さらに配線層29の端部に端子部34が形成される。端子部34には、外部リードとなるボンディングワイヤ35が、電気的に接続される。配線層29の接続部分以外の表面は絶縁膜33にて被覆される。
この断面構造は、前述の図11Aと同様に構成される。すなわち、主MEMS素子27は、例えばシリコンなどの半導体基板22の一主面のフィールド絶縁層23で囲まれた領域に、中空構造を構成するようにビーム26(いわゆる駆動体)と、このビーム26に空隙25を介して対向する下部電極24とにより形成される。ビーム26は、例えばシリコン窒化膜等の絶縁膜28とその上の導電性膜からなる上部電極30との積層膜で形成される。下部電極24は、半導体基板22の表面に絶縁膜を介して形成した導電性膜、あるいは半導体基板の表面に形成した基板と反対導電型の半導体層により構成することができる。下部電極24の表面には絶縁膜31が形成される。フィールド絶縁層23上にはビーム26の上部電極30に導通する配線層29が形成され、さらに配線層29の端部に端子部34が形成される。端子部34には、外部リードとなるボンディングワイヤ35が、電気的に接続される。配線層29の接続部分以外の表面は絶縁膜33にて被覆される。
図3に、図1Aの保護用MEMS素子41を通るB−B線上の断面構造を示す。
保護用MEMS素子41は、半導体基板22の一主面のフィールド絶縁膜23で囲まれた領域に中空構造を構成するようにビーム47(いわゆる駆動体)とこのビーム47に空隙45を介して対向する下部電極44とにより形成される。ビーム47を挟んでフィールド絶縁層23上には、1対の導通配線層49[49A、49B]が形成される。
このとき、ビーム47は、例えば、図示するように空隙45に露出する裏面側を導電性膜42としてその上にシリコン窒化膜等の絶縁膜43、導電性膜からなる上部電極30を順次積層した積層膜で形成される。裏面側の導電性膜は、両端で上部電極と電気的に接続されると共に、上部電極30を通じて両配線層49A,49Bに電気的に接続される。その他、ビーム26としては、上部電極30だけの1層で形成する、あるいは裏面を上部電極30とした積層膜で形成することも可能である。下部電極44も、空隙45に露出するように基板22に形成される。この下部電極44はグランド(接地)に接続される。この下部電極44は、前述の主MEMS素子27の下部電極24と同じようにして形成することができる。そして、この保護用MEMS素子41は、主MEMS素子21の配線層29に並列に接続されるように、その両配線層49A、49Bが配線層29に接続される。
保護用MEMS素子41は、半導体基板22の一主面のフィールド絶縁膜23で囲まれた領域に中空構造を構成するようにビーム47(いわゆる駆動体)とこのビーム47に空隙45を介して対向する下部電極44とにより形成される。ビーム47を挟んでフィールド絶縁層23上には、1対の導通配線層49[49A、49B]が形成される。
このとき、ビーム47は、例えば、図示するように空隙45に露出する裏面側を導電性膜42としてその上にシリコン窒化膜等の絶縁膜43、導電性膜からなる上部電極30を順次積層した積層膜で形成される。裏面側の導電性膜は、両端で上部電極と電気的に接続されると共に、上部電極30を通じて両配線層49A,49Bに電気的に接続される。その他、ビーム26としては、上部電極30だけの1層で形成する、あるいは裏面を上部電極30とした積層膜で形成することも可能である。下部電極44も、空隙45に露出するように基板22に形成される。この下部電極44はグランド(接地)に接続される。この下部電極44は、前述の主MEMS素子27の下部電極24と同じようにして形成することができる。そして、この保護用MEMS素子41は、主MEMS素子21の配線層29に並列に接続されるように、その両配線層49A、49Bが配線層29に接続される。
次に図1Aに示すMEMS素子21の等価回路を図1Bに示しその等価回路を基に、主MEMS素子27の回路系の内部抵抗及び寄生容量と、保護用MEMS素子41の容量について説明する。主MEMS素子27の駆動体であるビーム26の駆動キャパシタンス(いわゆるビーム26と下部電極24間の容量)Cm、駆動体26を制御する回路系の配線構造の内部抵抗RL、配線層29の寄生容量をCL、保護用MEMS素子のキャパシタンス(いわゆるビーム47と下部電極44間の容量)CLmとする。
図1Bの等価回路に示すように、本実施の形態に係るMEMS素子21は、主MEMS素子27に空隙25によるキャパシタンスCm並び配線層29の内部抵抗RL及び寄生容量CLを有し、保護用MEMS素子41に空隙45によるキャパシタンスCLmを有する。この各容量Cm、CL、CLmは、並列接続される。このとき保護用MEMS素子41の容量CLm < 主MEMS素子27の容量Cm、の大小関係式が成り立つようなキャパシタンスCLmを配線層29に形成した場合、過剰電流は矢印a方向にキャパシタンスCLmに流れて基板に除電されるため主MEMS素子27の駆動体26は正常に保たれる。すなわち、MEMS素子21に静電気が印加される場合は、先に保護用MEMS素子41に流れるため、図3に示す保護用MEMS素子41は、駆動体であるビーム47が、ショート(ビームの断線)もしくは下部電極44に接触することで、静電気をグランド電位の下部電極44に流す動作を行う。
次に静電保護素子である保護用MEMS素子の設計方法について述べる。保護用MEMS素子のキャパシタンスCLmは下記の数1で表される。
(数1)
CLm = εclm × Sclm / dclm
εclm : 静電保護キャパシタ 誘電体誘電率
Sclm : 静電保護キャパシタ 面積
dclm : 静電保護キャパシタ 誘電体高さ
保護用MEMS素子41を主MEMS素子27と同じ中空構造にして、ビーム47と下部電極44間の空隙45の高さも、主MEMS素子27のビーム26と下部電極24間の空隙25の高さと同じにする場合、保護用MEMS素子41の面積(ビーム面積)Sclmを主MEMS素子27の面積(ビーム面積)より小さくすることによって、図2Bの保護用MEMS素子の容量CLm < 主MEMS素子の容量Cm、の大小関係の式を成立させことができる。
CLm = εclm × Sclm / dclm
εclm : 静電保護キャパシタ 誘電体誘電率
Sclm : 静電保護キャパシタ 面積
dclm : 静電保護キャパシタ 誘電体高さ
保護用MEMS素子41を主MEMS素子27と同じ中空構造にして、ビーム47と下部電極44間の空隙45の高さも、主MEMS素子27のビーム26と下部電極24間の空隙25の高さと同じにする場合、保護用MEMS素子41の面積(ビーム面積)Sclmを主MEMS素子27の面積(ビーム面積)より小さくすることによって、図2Bの保護用MEMS素子の容量CLm < 主MEMS素子の容量Cm、の大小関係の式を成立させことができる。
上述の本実施の形態のMEMS素子21によれば、主MEMS素子21に接続された配線層29に並列に保護用MEMS素子41を接続した構成とすることにより、端子部34に静電気による短パルスに過剰電圧が印加された場合に、保護用MEMS素子41を通じて過剰電流がグランドに流れ、主MEMS素子27の静電破壊を回避することができる。因みに、従来技術でMEMS素子の静電不良を抑制するためには、ビームへの駆動電圧を大きくするなどの駆動特性の設計変更が必要になる。しかし、本実施の形態では、低容量の保護用MEMS素子41を静電保護回路として設けることで、駆動特性を変更することなく、主MEMS素子27の静電不良を抑制することができる。
上述の実施の形態では、静電保護回路としての保護用MEMS素子41を主MEMS素子27(すなわち、そのビーム26)に接続された配線層29に並列に接続した構成としたが、その他、図4に示すように、主MEMS素子27(すなわち、そのビーム26)に並列に保護用MEMS素子41を接続した構成とすることもできる。あるいは図5に示すように、主MEMS素子27に接続された配線層29の端子部(パッド)34に並列に保護用MEMS素子41を接続した構成とすることもできる。
上述の本実施の形態に係るMEMS素子は、光スイッチ、光変調素子などの光学MEMS素子に適用することができる。例えば、光学MEMS素子は、ビーム26の上部電極30を光反射膜として利用し、ビーム26の静電駆動の位置に応じて上部電極26で反射する光の反射方向が異なることを利用し一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた、光スイッチとして適用できる。
光変調素子は、例えば、光の反射を利用するときは、ビーム26を振動されて単位時間当たりの一方向の反射量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調である。
他の光変調素子であるGLVデバイスでは、光の回折を利用するもので、複数のビームのうち1つ置きの可動ビームの高さを変化させ、光の回折によって上部電極で反射する光の強度を変調する。この光変調素子はいわゆる空間変調である。
他の光変調素子であるGLVデバイスでは、光の回折を利用するもので、複数のビームのうち1つ置きの可動ビームの高さを変化させ、光の回折によって上部電極で反射する光の強度を変調する。この光変調素子はいわゆる空間変調である。
かかる本実施の形態に係る光学MEMS素子によれば、主光学MEMS素子に異常電圧が印加されても保護用MEMS素子に先に印加されるため、ショートもしくは下部電極を介してグランドに落すことができる。主光学MEMS素子を静電破壊から防ぐことができることにより、より静電破壊に強い光学MEMS素子を形成することができ、この光学MEMS素子の信頼性の向上を図ることができる。
図6に、本発明に係るMEMS素子を光変調素子となるGLV素子に適用した実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係るGLV素子51は、共通の下部電極24に対して空間を挟んで複数のビーム26〔261、262、263、264、265、266〕が並列配置される。各ビーム261〜266には夫々配線層29が接続され、配線層29の端部に端子部(パッド)34が形成される。これらの各ビーム26、下部電極24、配線層29、端子部34の構成は、図2で説明したと同様の構成とすることができる。そして各配線層29に並列に図1A及び図3で説明した保護用MEMS素子と同様の構成の保護用MEMS素子41が夫々接続される。ビーム26のうち、1つ置きの例えばビーム261、263、265が可動ビームとなり、他の1つ置きのビーム262、264、266が固定ビームとなる。
本実施の形態のGLV素子51によれば、各ビーム261〜266に接続された夫々の配線層29に並列に保護用MEMS素子41を接続した構成であるので、前述したと同様の作用で各ビーム261〜266の静電不良を抑制することができる。
GLV素子の場合、可動ビーム26の変形量が変換する光の波長の1/4に等しくなる電圧を駆動電圧として定義される。この駆動電圧より大きい電圧を印加すると可動ビーム26が下部電極24に接触する不良(スナップダウン)が発生する。スナップダウン発生電圧と駆動電圧はどちらもビーム26の材料およびサイズに依存し、ビーム26の面積に比例し空隙高さの1.5乗に反比例する。
ビーム状を長方形にした場合、例えばビームの長さ 200μm、ビームの幅 3.8μm、空隙高さ(エアギャップ)0.70μmとし、可動ビームの駆動電圧を16Vとする場合、スナップダウンによる静電不良発生電圧は20Vになる。スナップダウン不良発生を抑制する方法のひとつに空隙高さ(エアギャップ)を高くすることで不良発生電圧を大きくすることも考えられるが、このとき同時に駆動電圧が大きくなり可動ビームに電圧を印加するMEMS素子、または配線層29の内部抵抗による発熱量が増えるため、GLV素子の寿命を短くすることが懸念される。
そこで、GLV素子において、中空構造の保護用MEMS素子41からなる低容量の保護回路を設けスナップダウン不良を抑制する設計例を示す。保護用MEMS素子41のエアギャップ、ビーム幅をGLV素子本体を構成するMEMS素子と同じにした場合、例えばビーム47(図3参照)の長さを180μmにすると、保護用MEMS素子41のスナップダウン電圧は18Vになり、GLV素子本体である主MEMS素子の不良発生電圧より小さい電圧で保護用MEMS素子が、ショート(ビームの断線)もしくは下部電極と接触することで過剰電流を下部電極に流し、駆動電圧を変化させることなく静電不良の発生を抑制することができる。
図7に複数のGLV素子をライン状に配列した光変調素子のレイアウトの1例を示す。各GLV素子140は、図6に示すように例えば6つのビーム105[1051、1052、1053、1054、1055、1056]を有し、一方の1つ置きの3つのビーム1051、1053、1055を可動ビームとし、他方の1つ置きの3つのビーム1052、1054、1056を固定ビームとし、3つの可動ビーム1051、1053、1055を共通接続して引き出し配線106aを導出し、3つの固定ビーム1052、1054、1056を共通接続して引き出し配線106bを導出するように構成される。そして、複数のGLV素子140が1ライン状に配列して光変調素子が構成される。このようなレイアウトの光変調素子では、各GLV素子140の可動ビーム側の配線層と固定ビーム側の配線層に夫々前述した保護用MEMS素子41が並列に接続される。
図8は、上述の本実施の形態の光変調素子としてのGLVデバイスを用いた光学装置の一実施の形態を示す。本例では、レーザディスプレイに適用した場合である。
本実施の形態に係るレーザディスプレイ81は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用いられる。
本実施の形態に係るレーザディスプレイ81は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用いられる。
レーザディスプレイ181は、図7に示すように、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色のレーザ光源182R、182G、182Bと、各レーザ光源に対して、それぞれ光軸上に順次、設けられたミラー184R、184G、184B、各色照明光学系(レンズ群)186R、186G、186B、及び光変調素子として機能する前述した本発明によるGLVデバイス188R、188G、188Bとを備えている。
レーザ光源182R、182G、182Bは、それぞれ例えば、R(波長642nm、光出力約3W)、G(波長532nm、光出力約2W)、B(波長457nm、光出力約1.5W)のレーザを射出する。
レーザ光源182R、182G、182Bは、それぞれ例えば、R(波長642nm、光出力約3W)、G(波長532nm、光出力約2W)、B(波長457nm、光出力約1.5W)のレーザを射出する。
更に、レーザディスプレイ181は、GLVデバイス188R、188G、188Bによりそれぞれ光強度が変調された赤色(R)レーザ光、緑色(G)レーザ光、及び青色(B)レーザ光を合成する色合成フィルタ190、空間フィルタ192、ディフューザ194、ミラー186、ガルバノスキャナ198、投影光学系(レンズ群)200、及びスクリーン202を備えている。色合成フィルタ190は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
本実施の形態のレーザディスプレイ181は、レーザ光源182R、182G、182Bから射出されたRGB各レーザ光が、それぞれミラー184R、184G、184Bを経て各色照明光学系186R、186G、186Bから各GLVデバイス188R、188G、188Bに入射する。各レーザ光は、色分類された画像信号であり、GLVデバイス188R、188G、188Bに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザ光は、GLVデバイス188R、188G、188Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ190によって合成され、続いて空間フィルタ192によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ184によってレーザスペックルが低減され、ミラー196を経て、投影光学系200に入射され、画像信号と同期するガルバノスキャナ198により空間に展開されスクリーン202上にフルカラー画像として投影される。
更に、各レーザ光は、GLVデバイス188R、188G、188Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ190によって合成され、続いて空間フィルタ192によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ184によってレーザスペックルが低減され、ミラー196を経て、投影光学系200に入射され、画像信号と同期するガルバノスキャナ198により空間に展開されスクリーン202上にフルカラー画像として投影される。
本実施の形態にレーザディスプレイ181では、光変調素子として前述した本発明によるGLVデバイス188R、188G、188Bを備えるので、ダークレベルの均一性が得られ、従来の光変調素子を用いたレーザディスプレイに比べて、品質が向上する。
本実施の形態のレーザディスプレイ181では、各色のレーザ光源182に対応して、GLVデバイス188R、188G、188Bを備えているが、本発明に係るGLVデバイスは、これ以外の構成を有する各種のディスプレイについても適用可能である。
例えば、光源を白色とする一方で、RGBそれぞれの波長の光のみを反射して(それ以外の光は回折する)各色を表示するようにビームの幅が異なる光変調素子188R、188G、188Bが1画素を構成するようにしてもよい。
また、RGBの画像データからなる画像情報に同期したカラーホイールを通してGLVデバイス188に、単一の光源からの白色光を入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一のGLVデバイス188を用いて、RGBのLED(発光ダイオード)からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
例えば、光源を白色とする一方で、RGBそれぞれの波長の光のみを反射して(それ以外の光は回折する)各色を表示するようにビームの幅が異なる光変調素子188R、188G、188Bが1画素を構成するようにしてもよい。
また、RGBの画像データからなる画像情報に同期したカラーホイールを通してGLVデバイス188に、単一の光源からの白色光を入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一のGLVデバイス188を用いて、RGBのLED(発光ダイオード)からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
また、本発明に係るGLVデバイスは、本実施の形態のレーザディスプレイのようなプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるWDM(Wavelength Division Multplexing:波長分割多重)伝送用の各種デバイス、MUX(Multiplexer:パラレル−シリアル変換器/多重化装置)、DEMUX(Demultiplexer:シリアル−パラレル変換器/分配化装置)、あるいはOADM(Optical Add/Drop Multiplexer)、OXC(Optical Cross Connect)等の光スイッチとして用いることもできる。
更に、例えばデジタル画像等を直画できる微細描画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用できる。
更に、例えばデジタル画像等を直画できる微細描画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用できる。
また、本実施の形態のレーザディスプレイ181では、GLVデバイス188R、188G、188Bを用いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明したが、本発明に係るGLVデバイスは、位相、光強度などの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを行うことができ、これらを利用した光学装置に応用することが可能である。
かかる本実施の形態に係る光変調素子としてのGLVデバイスを用いたレーザディスプレイによれば、光学MEMS素子に異常電圧が印加されても保護用MEMS素子に先に印加されるため、ショート(ビームの断線)もしくは下部電極を介してグランドに落ちる。この光変調素子としてのGLVデバイスを用いたレーザディスプレイでは、静電破壊に強い、良好な表示装置を提供することができる。
本発明の形態のMEMS素子は、高周波フィルタ等の共振器、高周波スイッチ等に適用することができる。
図9は、本発明に係るMEMS素子をフィルタに適用した実施の形態を示す概略構成図である。
本実施の形態に係るフィルタとなる振動素子61は、半導体基板62上に絶縁層63を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層69と出力電極(下部電極)64が形成され、この出力電極64に対向して空隙65を挟んで例えば多結晶シリコンによる上部電極71及び絶縁膜72からなる振動可能なビーム66、所謂ビーム型の振動電極66が形成されて成る。配線層69の表面には、絶縁層73が形成される。振動電極66は、両端のアンカー部(支持部)68[68a,68b]にて支持されるように、出力電極64をブリッジ状に跨いで入力側配線層69に接続される。振動電極66は入力電極となる。入力側配線層69の金(Au)膜より入力端子74(t1)、出力電極64より出力端子t2が導出される。
本実施の形態に係るフィルタとなる振動素子61は、半導体基板62上に絶縁層63を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層69と出力電極(下部電極)64が形成され、この出力電極64に対向して空隙65を挟んで例えば多結晶シリコンによる上部電極71及び絶縁膜72からなる振動可能なビーム66、所謂ビーム型の振動電極66が形成されて成る。配線層69の表面には、絶縁層73が形成される。振動電極66は、両端のアンカー部(支持部)68[68a,68b]にて支持されるように、出力電極64をブリッジ状に跨いで入力側配線層69に接続される。振動電極66は入力電極となる。入力側配線層69の金(Au)膜より入力端子74(t1)、出力電極64より出力端子t2が導出される。
例えばこの入力側配線層69、端子部74、あるいは振動電極66に並列に前述した保護用MEMS素子41(図3参照)が接続される。
この振動素子61は、振動電極66と接地間にDCバイアス電圧V1が印加された状態で、入力端子t1を通じて振動電極66に高周波信号S1が供給される。すなわち、入力端子t1からDCバイアス電圧V1と高周波信号S1が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号S1が入力されると、長さLで決まる固有振動数を有する振動電極66、出力電極64と振動電極66間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極64と振動電極66との間の容量の時間変化とDCバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極64(したがって、出力端子t2)から出力される。高周波フィルタでは振動電極66の固有振動数(共振周波数)に対応した信号が出力される。
この振動素子61は、振動電極66と接地間にDCバイアス電圧V1が印加された状態で、入力端子t1を通じて振動電極66に高周波信号S1が供給される。すなわち、入力端子t1からDCバイアス電圧V1と高周波信号S1が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号S1が入力されると、長さLで決まる固有振動数を有する振動電極66、出力電極64と振動電極66間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極64と振動電極66との間の容量の時間変化とDCバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極64(したがって、出力端子t2)から出力される。高周波フィルタでは振動電極66の固有振動数(共振周波数)に対応した信号が出力される。
本実施の形態に係るフィルタ61によれば、フィルタを構成するMEMS素子に異常電圧が印加されても保護用MEMS素子341に先に印加されるため、ショート(ビームの断線)もしくは下部電極64を介して過剰電流をグランドに落すことができる。フィルタを構成するMEMS素子を静電破壊から防ぐことができることにより、より静電破壊に強いフィルタを形成することができ、このフィルタの信頼性の向上を図ることができる。
なお、図示せざるも、周波数フィルタの他の実施の形態として、基板上に下部電極となる入力電極及び出力電極を形成し、これら入出力電極をブリッジ状に跨ぐようにビーム状の振動電極を配置し、振動電極にDCバイアス電圧を印加し、入力電極に高周波信号を入力するようにしたフィルタを構成することができる。この場合も、例えば振動電極に接続された配線層、端子部、あるいは振動電極に並列に前述の保護用MEMS素子41を接続して構成する。
上述した実施の形態のフィルタは、高周波(RF)フィルタ、中間周波(IF)フィルタ等として用いることができる。
本発明は、上述した実施の形態のフィルタを備えた通信装置、すなわち例えば携帯電話機、無線LAN機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ、Bluetooh、HomeRF等の、電磁波を利用して通信する通信装置を提供することができる。
次に、上述した本発明の実施の形態のフィルタを適用した通信装置の構成例を図10を参照して説明する。
先ず送信系の構成について説明すると、Iチャネルの送信データとQチャネルの送信データを、それぞれデジタル/アナログ変換器(DAC)201I及び201Qに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャネルの信号は、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qの出力を、変調器210に供給する。
先ず送信系の構成について説明すると、Iチャネルの送信データとQチャネルの送信データを、それぞれデジタル/アナログ変換器(DAC)201I及び201Qに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャネルの信号は、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンド・パス・フィルタ202I及び202Qの出力を、変調器210に供給する。
変調器210では、各チャンネルごとにバッファアンプ211I及び211Qを介してミキサ212I及び212Qに供給して、送信用のPLL(Phase-Locked Loop)回路203から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器214で加算して1系統の送信信号とする。この場合、ミキサ212Iに供給する周波数信号は、移相器213で信号位相を90°シフトさせてあり、1チャンネルの信号とQチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。
加算器214の出力は、バッファアンプ215を介して電力増幅器204に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器204で増幅された信号は、送受信切替器205と高周波フィルタ206を介してアンテナ207に供給し、アンテナ207から無線送信させる。高周波フィルタ206は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンド・パス・フィルタである。
受信系の構成としては、アンテナ207で受信した信号を、高周波フィルタ206及び送受信切替器205を介して高周波部220に供給する。高周波部220では、受信信号を低ノイズアンプ(LNA)221で増幅した後、バンド・パス・フィルタ222に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号をバッファアンプ223を介してミキサ224に供給する。そして、チャンネル選択用PLL回路251から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チェンネル選択用PLL回路251から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波数信号とし、その中間周波数信号をバッファアンプ225を介して中間周波回路230に供給する。
中間周波回路230では、供給される中間周波信号をバッファアンプ231を介してバンド・パス・フィルタ232に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路(AGC回路)233に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路233でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ234を介して復調器240に供給する。
復調器240では、供給される中間周波信号をバッファアンプ241を介してミキサ242I及び242Qに供給して、中間周波用PLL回路252から供給される周波数信号を混合して、受信したIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号成分を復調する。この場合、I信号用のミキサ242Iには、移相器243で信号位相を90°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたIチャンネルの信号成分とQチャンネルの信号を復調する。
復調されたIチャンネルとQチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ244I及び244Qを介してバンド・パス・フィルタ253I及び253Qに供給して、Iチャンネル及びQチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、除去された信号をアナログ/デジタル変換器(ADC)254I及び254Qに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Iチャンネルの受信データ及びQチャンネルの受信データを得る。
ここまで説明した構成において、各バンド・パス・フィルタ202I、202Q、206、222、232、253I、253Qの一部又は全てとして、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用して帯域制限することが可能である。
本発明の通信装置によれば、フィルタを構成する静電駆動型振動子に安定な直流バイアス電圧を供給することができるので、出力される高周波信号又は/及び中間周波信号の時間変動を抑制することができ、また、突発的に印加される高電圧パルス(サージ電圧)による振動子の破壊を防止することができ、信頼性の高い通信装置を提供することができる。
図10の例では、各フィルタをバンド・パス・フィルタとして構成したが、所定の周波数よりも下の周波数帯域だけを通過させるロー・パス・フィルタや、所定の周波数よりも上の周波数帯域だけを通過させるハイ・パス・フィルタとして構成して、それらのフィルタに上述した各実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。また、図16の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。
上述した本発明に係るMEMS素子21は、微量流体吐出装置の駆動部となるアクチュエータに適用することができる。
図11は、本発明に係るMEMS素子をアクチュエータ、すなわち圧力発生装置として備えた微量流体吐出装置の1つであるインクジェットプリンタヘッドに適用した場合の実施の形態を示す概略構成図である。
本実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド321は、基板322上に空間323を挟んで対向するように支持され静電方式で駆動する本発明のMEMS素子からなる振動板324を有した圧力発生装置(以下、圧力発生部という)325と、振動板324上に液密的に配置されノズル326が有したインクを溜める圧力室となるインク室327と、インク室327に連通してインク329を供給する流路330とを有し、インク室327のインク供給口にオリフィスが配置されて成る。図示せざるもMEMS素子である振動板324の配線層もしくは端子部もしくは振動板324に並列に静電破壊の保護用MEMS素子が接続される。この保護用MEMS素子は、図3で説明したと同様の構成を取ることができる。この例では、オリフィス331を挟む流路330とインク室327とが直線的に連通している。
図11は、本発明に係るMEMS素子をアクチュエータ、すなわち圧力発生装置として備えた微量流体吐出装置の1つであるインクジェットプリンタヘッドに適用した場合の実施の形態を示す概略構成図である。
本実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド321は、基板322上に空間323を挟んで対向するように支持され静電方式で駆動する本発明のMEMS素子からなる振動板324を有した圧力発生装置(以下、圧力発生部という)325と、振動板324上に液密的に配置されノズル326が有したインクを溜める圧力室となるインク室327と、インク室327に連通してインク329を供給する流路330とを有し、インク室327のインク供給口にオリフィスが配置されて成る。図示せざるもMEMS素子である振動板324の配線層もしくは端子部もしくは振動板324に並列に静電破壊の保護用MEMS素子が接続される。この保護用MEMS素子は、図3で説明したと同様の構成を取ることができる。この例では、オリフィス331を挟む流路330とインク室327とが直線的に連通している。
図11を用いて本実施の形態のインクジェットプリンタヘッド321の動作を説明する。
図11Aの状態は、MEMS素子による圧力発生部325の振動板324が変位していない初期状態にある。
次に図11Bに示すように、振動板324が下方に変位すると、インク室327が体積増加し、インク室327内の圧力が下がるため(圧力P<0)、流路330からインク室327側に向って、図の左方向にインク329の流れ(矢印b参照)が発生する。このインク329の流れにより、流路抵抗が下がりインク329がインク室327へ供給される。
次に図11Cに示すように、振動板324が上方へ変位すると、インク室327の体積変化(体積縮小)が起きて、インク室327内の圧力が上がるため(圧力P>0)、インク室327の体積変化分のインク329の大部分がノズルから吐出されることになる。
図11Aの状態は、MEMS素子による圧力発生部325の振動板324が変位していない初期状態にある。
次に図11Bに示すように、振動板324が下方に変位すると、インク室327が体積増加し、インク室327内の圧力が下がるため(圧力P<0)、流路330からインク室327側に向って、図の左方向にインク329の流れ(矢印b参照)が発生する。このインク329の流れにより、流路抵抗が下がりインク329がインク室327へ供給される。
次に図11Cに示すように、振動板324が上方へ変位すると、インク室327の体積変化(体積縮小)が起きて、インク室327内の圧力が上がるため(圧力P>0)、インク室327の体積変化分のインク329の大部分がノズルから吐出されることになる。
静電MEMS方式のインクジェットプリンタヘッド321においては、図示せざるも、基板322上に下部電極を形成し、この下部電極に対向して振動板324となる上部電極を有するビームを設けて圧力発生装置が構成される。この下部電極と上部電極間に印加する電圧により、上下部電極間に電位差が生じて静電力で振動板324が下部電極側に引き付けられ、また電位差がゼロになり振動板324が元に戻る。上述の振動板324の静電駆動により、インク室327の体積変化で内部圧力が変化し、インク供給とインク吐出とが行われる。
本実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド321によれば、圧力発生部325に異常電圧が印加されても保護用MEMS素子に先に印加されるため、ショート(ビームの断線)もしくは下部電極を介して過剰電流はグランドに落ちる。したがってインクジェットプリンタヘッドでは静電破壊から防ぐことができる。
本発明に係るMEMS素子は、上述の実施の形態に限らず、図示せざるも、MEMS素子を用いたジャイロセンサ、赤外線センサ、圧力センサ、加速度センサ、高周波スイッチ等のセンサに適用することができる。
1・・微小電気機械素子、2、12・・基板、3、13・・下部電極、5、15・・ビーム、6〔6A,6B〕・・支持部、7、16、22・・絶縁膜、8、17・・上部電極、9・・ボンディングワイヤ、11・・GLV素子、14・・空隙、18・・フィールド絶縁層、19・・配線層、20・・端子部、21・・MEMS素子、22・・半導体基板、23・フィールド絶縁層、24、44・・下部電極、26、47、105・・ビーム、27・・主MEMS素子、28・・絶縁膜、29、49・・配線層、30・・上部電極、33・・絶縁膜、34・・端子部、41・・保護用MEMS素子、45・・空隙、51・・GLV素子、61・・振動素子、62・・半導体基板、63・・絶縁層、64・・出力電極、65・・空隙、66・・ビーム、68・・アンカー部、69・・配線層、74・・端子部、106a、106b・・配線、140・・GLV素子、181・・レーザディスプレイ、182・・レーザ光源、184・・ミラー、186・・色照明光学系、188・・GLVデバイス、201I,201Q・・DAC、202I,202Q、222,253I,253Q・・バンド・パス。フィルタ、203・・送信PLL、204・・電力増幅器、205・・送受信切替器、206・・高周波フィルタ、207・・アンテナ、210・・変調器、220・・高周波部、221・・LNA、224,240・・IFミキサ、230・・中間周波回路、231,241,244I・・バッファアンプ、233・・AGC回路、240・・復調器、251,252・・PLL回路、242I・・ミキサ、243・・移相器、321・・インクジェットプリンタヘッド、322・・基板、323・・空間、324・・振動板、325・・圧力発生装置、326・・ノズル、327・・インク室、329・・インク、330・・流路
Claims (16)
- 下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子本体を有し、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されている
ことを特徴とする微小電気機械素子。 - 前記容量素子が、中空構造で形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の微小電気機械素子。 - 前記中空構造が、下部電極と、該下部電極に対向して配置され上部電極を有する駆動体とから形成されている
ことを特徴とする請求項2記載の微小電気機械素子。 - 前記駆動体の下部電極と対向する裏面が導電体で形成れている
ことを特徴とする請求項3記載の微小電気機械素子。 - 下部電極に対して空間を挟んで対向し静電駆動する駆動体を備えた光学微小電気機械素子本体を有し、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されている
ことを特徴とする光学微小電気機械素子。 - 前記容量素子が、中空構造で形成されている
ことを特徴とする請求項5記載の光学微小電気機械素子。 - 前記中空構造が、下部電極と、該下部電極に対向して配置され上部電極を有する駆動体とから形成されている
ことを特徴とする請求項6記載の光学微小電気機械素子。 - 前記駆動体の下部電極と対向する裏面が導電体で形成れている
ことを特徴とする請求項7記載の光学微小電気機械素子。 - 下部電極に対して空間を挟んで対向するように固定側と可動側からなる複数の駆動体が配置された光変調素子本体を有し、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されている
ことを特徴とする光変調素子。 - 前記容量素子が、中空構造で形成されている
ことを特徴とする請求項9記載の光変調素子。 - 前記中空構造が、下部電極と、該下部電極に対向して配置され上部電極を有する駆動体とから形成されている
ことを特徴とする請求項10記載の光変調素子。 - 前記駆動体の下部電極と対向する裏面が導電体で形成れている
ことを特徴とする請求項11記載の光変調素子。 - レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調する光変調素子とを有するレーザディスプレイであって、
前記光変調素子が、
下部電極に対して空間を挟んで対向するように固定側と可動側からなる複数の駆動体が配置された光変調素子本体と、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に接続され、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路とを備えている
ことを特徴とするレーザディスプレイ。 - 直流バイアス電圧を印加して動作される静電駆動型の駆動体を有する微小電気機械振動素子を有し、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続されている
ことを特徴とするフィルタ。 - 送信信号及び/又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、
前記フィルタとして、下部電極と静電駆動する駆動体とを有する微小電気機械振動素子を有し、前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路を接続してなるフィルタが用いられている
ことを特徴とする通信装置。 - ノズルを有する微量流体室に、下部電極と静電駆動する駆動体を備えた微小電気機械素子からなる圧力発生部が設けられ、
前記駆動体に接続された配線または駆動体端子または前記駆動体に並列に、前記下部電極と駆動体間の容量より低い容量の容量素子からなる保護回路が接続され、
前記圧力発生部により前記ノズルから微量流体を吐出して成る
ことを特徴とする微量流体吐出装置。
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