JP2007526518A - エレクトレットを用いた微小電気機械システムを基礎とするアクチュエータデバイス - Google Patents

Abstract

エレクトレットは様々な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を基礎とするアクチュエータデバイス（１００、２００、６００、７００、８００、１０００、１１００、１２００）に使用されている。エレクトレットは長期間電荷を保存でき、電荷漏洩はごくわずかである。従って、エレクトレットが動作を必要とするＭＥＭＳデバイス（１００、２００、６００、７００、８００、１０００、１１００、１２００）に組み込まれている場合、初期にはそのデバイスにバイアスをかけて長期間いかなる所望の動作状態にもでき、外部バイアス電圧を使用することがない。そのようなＭＥＭＳを基礎とするデバイス（１００、２００、６００、７００、８００、１０００、１１００、１２００）は、少なくとも一つの第１撓み部材（１０８、５１２、１００６、１１０６、１２０２、１３０２）と少なくとも一つの第２部材（１０２、５０２、１０１０ｂ）を有するＭＥＭＳに基づくアクチュエータを含んでいてもよい。第１撓み部材（１０８、５１２、１００６、１１０６、１２０２、１３０２）と第２部材（１０２、５０２、１０１０ｂ）は浮遊電極と第２電極を備えている。第１浮遊電極（１０６、４０２、５０６、６２２、９１６ａ、１００４、１１０４、１２０４）上の電荷が選択され、第２部材（１０２、５０２、１０１０ｂ）から所望の間隔を空けて第１撓み部材（１０８、５１２、１００６、１１０６、１２０２、１３０２）の位置を決める。デバイスを使用して光学コンポーネントを調整したり又は電気素子の電気的特徴を変化させたりしてもよい。

Description

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、一般的には半導体を基礎とする電気デバイスを作成するために開発された平面リソグラフ技術を用いて加工される小型の機械装置類である。ＭＥＭＳデバイスは一般的には半導体物質から作成される。ＭＥＭＳ技術を用いて与えられるマイクロマシニング性能は、機械システムでは以前には実現できなかった小型の機械装置の制作とし、信頼性を可能にする。

ＭＥＭＳデバイスは、一般的には要素を平行移動させたり回転させたりするために電気的な動作を必要とすることがよくある。静電気的動作は、移動されるべき素子が電極を備えていることが必要である。素子に電荷を帯電するとその素子と別の素子間に電気力が生じ、それによって素子の移動がなされる。

ＭＥＭＳデバイスのいくつかの素子は長時間に渡って同じ電圧でバイアスをかける必要がある。しかし、ＭＥＭＳデバイスは電圧のわずかな変化にも極めて敏感であるので、そのようにバイアスをかけるには、バイアス電圧が一定に保たれることを確実にするために、高性能で高価な安定化技術が必要となる。さらに、デバイスが所定の状態に維持されるようにする場合、電源は連続的に作動しなければならない。

高価な電圧安定化バイアスをする必要性を低下させる一つの試みは、ＭＥＭＳデバイスにエレクトレットを用いることである。何年も測定されたが、エレクトレットは電荷漏洩を無視できる程度にかなり長期間電圧を保持することができる。従って、エレクトレットを使用する場合には、ＭＥＭＳデバイスは最初に所望の位置にバイアスをかけられる。そうすると、その後も、外部バイアス電圧回路を使用せずとも、所望のバイアス位置は長期間維持される。

本発明の一つの実施形態は、ＭＥＭＳを基礎とする光学デバイスを対象としており、そのデバイスは少なくとも一つの第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材を有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータからなる。その第１撓み部材と第２部材の一方に少なくとも一つの第１浮遊電極が配置される。その第１撓み部材と第２部材の他方は第２電極を備えている。第１浮遊電極上の電荷は、第２部材から所望の距離だけ離れたところにその撓み部材を位置づけるように選択される。その撓み部材と第２部材の一方は、第１光学素子を備える。第２光学素子に対する第１光学素子のバイアス位置は、少なくとも部分的には撓み部材の位置によって決定される。

本発明の他の実施形態は、ＭＥＭＳを基礎とする電気デバイスを対象としている。ＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータは少なくとも一つの第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材を有する。少なくとも一つの第１浮遊電極は、その第１撓み部材と第２部材の一方に配置される。その第１撓み部材と第２部材のもう一方は第２電極を備えている。第１浮遊電極上の電荷は、第２部材から所望の距離だけ離れたところにその撓み部材を位置づけるように選定される。その撓み部材と第２部材の少なくとも一方は、電気素子を備えており、それは第２部材に対する第１撓み部材の位置に依存した電気的特徴を有する。

本発明のさらに別の実施形態は、ＭＥＭＳを基礎とするデバイスを対象としており、それは、少なくとも一つの第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材を有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータを備える。少なくとも一つの第１浮遊電極は、その第１撓み部材と第２部材の一方に配置される。その第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材のもう一方は第２電極を備えている。第１浮遊電極上の電荷は、第２部材から所望の距離だけ離れたところにその第１撓み部材を位置づけるように選定される。本発明の上記要約は、本発明のそれぞれ図示された実施形態あるいは全ての実施例を説明することを目的としていない。以下の図と詳細な説明は、これらの実施形態をより具体的に例示する。

本発明は様々な変更や代替をすることができるが、それらの詳細は図面で例示され、また詳細に記述される。しかし、本発明は記述された特定の実施形態に限定されるものではないことを理解する必要がある。本発明は、添付の請求項に定義される本発明の精神と範囲内にある全ての変更物、同等物、代替物に及ぶ。

本発明は、別の部材に対して少なくとも一つの部材の位置を保持するエレクトレットを使用するＭＥＭＳアクチュエータデバイスに応用可能である。特に、エレクトレットを制御するＭＥＭＳデバイスは、長時間に渡って、かつ、外部電圧源を必要とせずに、ＭＥＭＳデバイスの異なる部材の相対的位置を一定に保つのに特に有用である。

エレクトレットは磁石の電気的なアナログ体であって、静電気的にバイアスをかけられた多種のＭＥＭＳデバイス中のアクチュエータを設計するのに使用されることができる。大半のＭＥＭＳデバイスは精密な許容誤差内に加工される。しかし、プロセス制御では、調整あるいは特性化（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）を行わないと所望の性能レベルを達成するには十分でない。加えて、あるアナログ回路の応用技術は適切に作動するためにバイアスをかけるかあるいは特性化を行うことを必要とする。このタイプの従来の回路では、前記特性化は、Ｄ／Ａ（デジタル−アナログ）変換器を使用して適切なアナログ設定を変換することによりデジタルで行われる。もう一つの方法として、レーザートリミングは回路では頻繁に使用されるが、ＭＥＭＳデバイスでは直接的には使用されないオプションである。

本発明では、エレクトレットを使用するＭＥＭＳデバイスの調整を行うことができるいくつかの実施例が提供される。これらの実施例により、安定化された外部バイアス回路の必要性と、デジタル特性化及びレーザートリミングの必要性が低減する。

図１は、エレクトレットを有するＭＥＭＳデバイス１００の一部分を概略的に示す。ベース部１０２は固定され、絶縁層１０４を有している。エレクトレットはその絶縁層１０４の内部に配置された浮遊電極１０６を含む。可動部材１０８はその外面上に電極１１０を備え、浮遊電極１０６に近接して配置される。例えば、絶縁層１０４は二酸化ケイ素や窒化ケイ素などの層であってもよく、一方ベース部１０２及び可動部材１０８はＭＥＭＳのマイクロマシニング技術を用いてシリコンで形成されることができる。浮遊電極１０６は、絶縁体１０４の内部に配置される導電性材料で形成される。例えば、その導電性材料は金属あるいは導電性半導体材料であってもよい。これらの材料は、単なる例示であり、本発明は、これらの材料を使用することに限定されるものではない。例えば、ベース部及び可動部材もしくはその一方は石英かあるいはサファイアで作られてもよい。

電荷１１１が浮遊電極１０６上に捕捉される場合、反対の極性の電荷１１２は可動部材１０８の電極１１０上に誘起される。電極１１０は接地されてもよい。誘起された電荷１１２の結果、ベース部１０２と可動部材１０８との間に引力１１４が生じる。また一般的には、引力に反した動作を行う復元力も生じる。その復元力は、可動部材１０８の移動によって生じるせん断力あるいは弾性力に起因する場合もある。復元力が引力を相殺する場合には、ベース部１０２に対する可動部材１０８の位置が固定される。電荷１１１は、長期間、すなわち数年間は、浮遊電極に捕捉されたままであるので、ベース部１０２に対する可動部材１０８の位置は長期間一定のまま保たれることができる。

様々なＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータはエレクトレットを使用して制御されることができる。エレクトレットが異なる部材の相対位置を制御するのに役立つ場合のあるタイプのアクチュエータは、光学ＭＥＭＳデバイス上にある。例えば、ＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータは、少なくとも一つの第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材を有していてもよく、それらは固定されていてもよい。第１撓み部材か第２部材のどちらかの上に少なくとも一つの第１浮遊電極が配置される。第１撓み部材か第２部材のもう一方は一つの第２電極、例えば、接地された電極又は第２浮遊電極を備えている。第１浮遊電極上の電荷は、第２部材から所望の距離だけ離れたところに撓み部材を位置づけるように選定される。第１光学素子は、撓み部材と第２部材の一方を備えている。第２光学素子に対する第１光学素子のバイアス位置は、少なくとも部分的には撓み部材の位置により決定される。

そのような光学ＭＥＭＳを基礎とするデバイスの一例は、可変光減衰器（ＶＯＡ）２００であり、それは終端間を光結合した２つの光ファイバを使用している。これは図２および図３に概略的に図示される。第１及び第２のファイバ２０２、２０４はマウント２０６の中に保持され、ファイバ２０２、２０４の少なくとも一つの終端は自由に移動できる。ファイバ２０２，２０４のファイバコアを互いに一列に並べると、良好な光結合（すなわち、低挿入損失）が行われる。ＶＯＡ２００の損失あるいは減衰を増加することが望まれる場合、ファイバ２０２、２０４の少なくとも一つの終端は低損失位置から撓まされる。減衰量は撓みの度合いに依存しており、撓みが大きいほど減衰も大きくなる。

図示された実施形態では、マウント２０６は、ファイバ２０２、２０４を支持する支持用溝部２０８と、撓み可能なファイバ２０２、２０４の終端を収容する、空洞とも称される開領域２１０と、を含む。ＶＯＡは、２００３年５月６日に出願された米国出願番号１０／４３０，８４５号にさらに記載され、本願全体に参照として反映されている。

操舵電極（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）２１２は、ファイバ２０２、２０４を移動させるために空洞２１０内に設けられている。ＶＯＡ２００の一つの特別な実施形態では、ファイバ２０２、２０４毎に４つの操舵電極２１２が設けられる。ファイバコアを整列させて最低の光挿入損失を得るために、適切なバイアス電圧が異なる電極２１２上に与えられる。この光挿入損失をゼロにするゼロ化操作が一旦行われると、片方あるいは両方のファイバ２０２、２０４を低損失整列位置から離れて撓ませ、ファイバ２０２、２０４間を通る光信号を減衰させるために、追加電圧が、１又は複数の電極に印加される。

バイアス電圧を確立させた後にもなお連続的に電極に電荷を供給しなければならないことを避けるために、バイアス電圧の印加中に帯電された電荷が電極上に残るようにするのが好ましい。バイアス電圧が確立された後に電極を切断するために、電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）などのアクティブなスイッチを用いた仕組みは、アクティブスイッチによる電荷漏洩が起こることにより、長期に渡る電極の絶縁を提供するのに効果的ではない。漏洩はバイアス電圧を短期間に、一般的にはおよそ数分で変化させＶＯＡ２００を低性能化させる。

ＶＯＡで使用されるエレクトレットを基礎とする試みの一実施形態は、図４に概略的に示されている。エレクトレットは浮遊電極４０２を使用してもよい。浮遊電極４０２上に配置された電荷４０４は安定しており、直接の電気接続がないから、電極４０２から漏洩することはない。電荷４０４は、いくつかの異なる方法を使用して浮遊電極４０２上に帯電されてもよい。一つの通常の試みは、「ホットエレクトロン（ｈｏｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）」注入と呼ばれる方法であり、電子は電界の印加により浮遊電極４０２上に注入され、ダイオード４０８はアバランシュモードに保持される。ホットエレクトロン充電は通常非揮発性メモリデバイスに使用される。

ファイバ４０６は導電性第２電極４１０を備えており、一般的には薄い金属フィルムである。第２電極４１０は接地されてもよい。一旦永久電荷４０４が浮遊電極４０２上に捕捉されると、仮想的電荷が電極４１０上に誘起されるので、金属電極で覆われたファイバ４０６と浮遊電極４０２との間に引力が働く。捕捉電荷の数を変化させることにより、引力を変化させることができる。

ＶＯＡ２００の制作中には、低損失状態を達成するために、ファイバ２０２、２０４はどの方向にバイアスをかけられる必要があるかは一般的にわかっていない。従って、ＶＯＡ構造は４つの操舵方向のそれぞれに沿ってエレクトレットにバイアスをかけることができるようになっている。２つのファイバ２０２、２０４は少なくとも十分な浮遊電極を備えており、直交する方向の移動を可能にして、それによって低損失位置が達成されることを保証する。浮遊電極は一つだけのファイバ２０２あるいは２０４に対して設けられていてもよいし、又はその両方に対して設けられていてもよい。しかし、ＶＯＡにおける減衰を変化させるために、ファイバの一つを一方向に撓ませる一つの調整可能な電極を設けることが少なくとも必要である。しかし、複数の調整可能な電極をファイバ２０２、２０４の一つあるいは両方に対して設けてもよいことは明らかである。

浮遊電極と調整可能な電極の両方を提供する実施例が図５に概略的に示される。ベース部５０２は絶縁体５０４の層内部に配置される二つの電極を備えている。浮遊電極５０６は長期の安定化のためにエレクトレットとして使用される。一旦初期のゼロ化操作が完了すると、捕捉された電荷は浮遊電極５０６上に残存する。減衰量を変化させるために使用される場合を除いて、さらなる電気的動作は必要ない。

また、能動電極と呼ばれる調整可能な電極５０８は、減衰量を変化させるために設けられている。調整可能な電極５０８は、電圧源５１０と電気的に接続されている。調整可能な電極は、浮遊電極５０６と同じ絶縁体５０４内に設けられてもよい。

ベース部５０２とファイバ５１２との間には２つの静電力が存在する。一つは浮遊電極５０６とファイバ５１２上の誘起電荷との間の静電力によるものである。もう一つはファイバ５１２と調整可能な電極５０８との間の静電力によるものである。調整可能な電極５０８上の電圧は、電圧源５１０を介して印加される電圧を変化させることにより容易に変化されるので、ファイバ５１２に印加されるトータルの正味静電力は変化し、それ故にその位置は変化する。

浮遊電極技術を使用することによって、複数の能動電極が使用されてもよいが、一つだけの能動電極でＶＯＡ操作ができるようになる。これは、ＶＯＡ毎の制御可能電圧の数を４つから１つに減らすことによって制御回路を単純化する。また、それは電力損失時に電圧妨害回路構成を無負荷にするのに役立つ。最適電極構成に関しては、より複雑なパターンを使用することができる。例えば、浮遊電極５０６と調整可能な電極５０８は交互に配置されてもよく、またファイバ５１２の自由な長さ全体に渡って延長してもよい。

次に、光学的に活性化されたもう一つのタイプのＭＥＭＳデバイスである、調整可能なファブリー・ペローフィルタ（ＴＦＰＦ）について図６Ａを参照して説明する。図６ＡはＴＦＰＦ６００の一実施形態を示す。この特別な実施形態では、ＴＦＰＦ６００は２つの光学ファイバの対向する終端上の反射面間に形成される。第１光ファイバ６０２はアクチュエータ装置６０４の第１の側に取り付けられる。第１ファイバ６０２は、安定性と強度を増大させるために、第１継ぎ手６０６で終端処理されている。第２ファイバ６０８はアクチュエータ装置６０４のもう一方の側に取り付けられる。また、第２ファイバ６０８は、終端処理用継ぎ手６１０を備えていてもよい。反射面は軸６１１上にある共鳴器あるいは空洞と称される、ファブリー・ペローフィルタを形成する。ファイバ６０２、６０８はコアがファイバ終端に向けて拡大している、拡大コアファイバでもよく、コアが拡大されていないものに比べて、ファイバから出る光は発散しない。制御装置６０１は、ＴＦＰＦ６００の操作を制御するために、ＴＦＰＦ６００と接続されている。

この特定の実施形態では、図６Ｂ〜６Ｅに概略的に図示されているように、アクチュエータ装置６０４は中央素子６１２、第２素子６１４、第３素子６１６の３つの素子からなる。デバイス６００を通る横断面図を図６Ｆに示す。中央素子６１２は固定ベースとして使用され、固定部材とも称される。その上に第２素子６１４と第３素子６１６が設けられる。中央素子６１２は、第２素子６１４上に設けられる整列機構と第３素子６１６に設けられる移動機構を駆動するのに使用される電気素子を提供する。

さて、中央素子６１２の一方の側を示す図６Ｂを参照すると、中央素子６１２には、光がファイバ６０２と６０８との間で通る開口６１８が存在する。第１表面６２０は浮遊電極６２２あるいはエレクトレットのパターンを含む。浮遊電極６２２のパターンはｘ−ｚ面内でファイバ６０２の回転整列を提供する一組のｘ電極６２４と、ｙ−ｚ面内でファイバ６０２の回転整列を提供する一組のｙ電極６２６を含む。第１表面６２０の裏側の面にある中央素子６１２の第２表面６２８は、図６Ｃに示されているように、第２ファイバ６０８の終端と第１ファイバ６０２の終端との間の間隔を制御するために１つ以上の移動電極６３０の組を備えている。図では、１つ以上の移動電極６３０の組は１つの電極として図示されているが、複数の電極が使用されてもよい。

ところで、図６Ｄを参照すると、中央素子６１２の第１表面６２０と対向する第２の素子６１４は、回転整列機構６３２を含んでいる。この特定の実施形態では、回転整列機構６３２は、カラー６３８内に含まれた２つの同心円状に取り付けられたセクション６３４および６３６からなる。外側セクション６３４は、材料の薄いセクション付近に形成された２つのヒンジ６４０によってカラー６３８に取り付けられている。内側リング６３６は、これもまた材料の薄いセクションで形成された２つのヒンジ６４２によって外側リングに取り付けられている。内側セクション６３６にある開口６４４は２つの光ファイバ６０２、６０８間を光が通ることを可能にする。第２素子は、例えばシリコンを用いて形成されてもよい。整列機構はファイバの一方の終端をもう一方のファイバの終端にそろえるために使用され、ファブリー・ペロー空洞（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｃａｖｉｔｙ）を一列にする。

外側セクション６３４は２つのｙ−第２電極６４６を備え、内側セクション６３６は２つのｘ−第２電極６４８を備える。第２素子６１４は、その表面６４７を中央素子６１２の取り付け面６５０に取り付けることによって搭載され、中央素子６１２のｘ−浮遊電極６２４は第２素子６１４のｘ−第２電極６４８と対向し、中央素子６１２のｙ−浮遊電極６２６は第２素子６１４のｙ−第２電極６４６と対向する。第２及び第３素子６１４、６１６は、適切な技術で、例えば半田付け、融着、あるいは接着剤を用いて、中央素子６１２に取り付けられることができる。ｘ−ｚ面及びｙ−ｚ面での最高の整列は、およそ１又は２度の回転あるいはそれ以上の回転で行うことができる。

整列機構６３２は以下のように動作する。様々な制御電圧をｘ−浮遊電極６２４と６４８に印加して、ｘ−ｚ面内で第１ファイバ６０２の配向を制御することができる。内側セクション６３６は、ｘ−浮遊電極６２４に印加された制御電圧を調整することによって、２つのヒンジ６４２により形成された軸６５４の周りで回転して軸６５４の周りで静電力を提供することができる。同様に、ｙ−浮遊電極６２６に制御電圧を印加して、ｙ−ｚ面内で第１ファイバ６０２の配向を制御することができる。軸６５２の周りに静電力を提供するように、外側セクション６３４は、ｙ−電極６２６に印加された制御電圧を調整することによって、２つのヒンジ６４０で形成された軸６５２の周りに回転することができる。

次に、図６Ｅを参照すると、第３素子６１６はｚ方向の平行移動を可能にする可撓部材６５６を備えており、２つのファイバ６０２、６０８間に形成されるファブリー・ペロー空洞を調整する。図示された実施形態では、可撓部材６５６はビーム部材であり、第３素子６１６内で２つの平行なスロット６５８を切削することによって形成される。ビーム部材６５６内に備えられた開口６５９によって、第１ファイバ６０２と第２ファイバ６０８との間に光が通ることが可能になる。ビーム部材６５６は、中央素子６１２上に設けられた電極６３０の組に対応する１つ以上の電極６６０を備えている。電極６３０の組に対向する電極６６０を有する第３素子の表面６６２は、中央素子６１２の取り付け面６３１に取り付けられる。

ファイバ６０２、６０８の終端６６２、６６４間の間隔は、電極６３０、６６０に印加される制御電圧を調整することによって変化させることができる。ファイバ６０２、６０８の終端６６２、６６４間のｚ方向の間隔は、電極６３０、６６０に異なる極性の電圧を印加することによって縮められて、ビーム部材６５６を中央素子６１２の方向へ曲げさせることができる。

異なる素子６１２、６１４、６１６は適切なタイプの材料で形成されてもよい。１つの特別に適切なタイプの材料はシリコンであり、素子上の様々な特徴は基準のリソグラフィーとエッチング技術を用いて形成されることができる。シリコンを用いる一つの利点は、ビーム部材が、単結晶で形成され、単結晶特有の物理的特性を有することである。

ＴＦＰＦ６００は以下の方法で一列に並べられ、作動されることができる。一旦アクチュエータ装置６０４が第１及び第２ファイバ６０２、６０８で組み立てられると、光試験信号はファイバの一方から他方へ通される。光信号はＴＦＰＦの作動に好ましい波長範囲の外側にあるので、ＴＦＰＦの反射面の反射率は低減される。さらに、試験信号はＴＦＰＦのＦＳＲより幅広い帯域幅を有していてもよい。ファイバ６０２、６０８間を通る光の量を最大にするように、ファイバ６０２、６０８間の回転整列は、中央素子６１２上のｘ−浮遊電極６２４とｙ−浮遊電極６２６上の電圧を制御することによって調整される。一旦最適な配向が第１ファイバ６０２に対して見つけられると、ｘ−浮遊電極６２４とｙ−浮遊電極６２６は一定の電荷を維持し、それによってファイバ６０２、６０８間の固定整列を維持する。

一旦ファイバ６０２、６０８が整列したら、所望の共鳴伝送周波数を得るために、移動電極６３０、６６０に印加した電圧を制御することによって、ファイバ終端６６２、６６４間の距離を調整する。ファイバ６０２、６０８間の間隔を所望の間隔に維持するために、印加電圧を固定したままに保持してもよい。

制御装置６０１を使用して、ｘ−浮遊電極６２４とｙ−浮遊電極６２６及び移動電極６３０、６６０もしくはその一方に特定の電圧を印加するようにしてもよい。また、制御装置を使用して、エレクトレット間の電気容量値を測定してもよい。例えば、ｘ−エレクトレット６２４、６４８がコンデンサを形成して、ｘ−電気容量と称されるそのコンデンサの値を制御装置で測定して保存してもよい。電荷漏洩がある場合には、ｘ−エレクトレット６２４、６４８上の電荷を制御して、制御装置がｘ−電気容量値を安定させるようにしてもよい。電気容量を安定させることにより、ｘ−エレクトレットを一定の物理的間隔に維持することが保証され、それによってｘ−ｚ面でファイバ６０２の整列を一定に保たれる。従って、一定のｘ−電気容量と一定のｙ−電気容量を維持することにより、光フィードバックを使用することなく、ファイバ６０２の配向を一定に保つことが可能となる。さらに、移動電極６３０、６６０を測定して安定化することにより、ＴＦＰＦは選択された伝送周波数のピーク値で安定化することが可能になる。

一つ以上のｘ−エレクトレットとｙ−エレクトレットを従来の電極により置き換えたり、それら電極で補ったりしてもよい。さらに、ファイバ６０２、６０８間の距離を長期間にわたって一定に保つべきである場合、エレクトレットを使用してファイバ６０２、６０８間のｚ方向間隔を安定させてもよい。

ＴＦＰＦの実施形態と他の実施形態は、２００３年４月２９日に登録された米国特許出願番号１０／４２５，５０９号にさらに詳細に記載されているので、本願ではこれを参照し、説明を省略する。

光デバイスで使用される他方のタイプのＭＥＭＳアクチュエータは、ホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）を基礎とする光学スイッチであり、図７及び図８に示されている。また、２００１年７月１３日に登録された米国特許出願番号１０９／９０５，７３６号及び０９／９０５，７６９号に記載されているので、本願ではこれを参照する。

スイッチ７００は基板７０２を備えており、２つの基板表面７０６、７０７に内面反射することによって光７０４が該基板に沿って進む。ＨＯＥ７０９は、基板７０２の一方の表面７０６の上に配置される。ＨＯＥ７０９は多くの材料ストリップ７０８からなる。図示された実施形態では、各ストリップ７０８は幅ｂを有し、間隔ｃと中心間間隔ａを有する。ＨＯＥ７０９は基板の上面７０６に対して垂直方向に移動可能である。ＨＯＥ７０９を表面７０６に近接してあるいは接触して移動させる場合、表面７０６に当たった光７０４はＨＯＥ７０９との物理的あるいは一過性の相互作用によって、通路７１６に沿って回折する。ＨＯＥ７０９が表面７０６から離れるように移動する場合、光７０４とＨＯＥ７０６との間に光結合はなくなり、そのため光７０４は通路７１４に沿って内面反射する。

ストリップ７０８は回折位置にある場合には表面７０６と接触している必要はなく、表面７０６から離れるように間隔をあけることができる。実際、ある状況下では、ＨＯＥ７０９と表面７０６との間におよそ１００ｎｍのギャップがある場合、方向７１６に沿った回折効率を最大にすることができる。

光７０４は基板７０２内で内面反射し、その形状と平行している伝播面内で伝播する。光７１６がその形状の平面から回折するように、ストリップ７０８は伝播面に非垂直に設定されることができる。また、基板表面７０６、７０７上の回折光７１６の入射角が臨界角より大きい場合、回折光７１６は基板内で内面反射することができる。表面７０６と接触する場合に、ストリップ７０８が表面７０６に突き当たる恐れを低減するために、ストリップ７０８はその下部表面上に小さい隆起７１８を備えることができる。

典型的なＨＯＥ８００は図８に概略的に図示されている。ストリップの支えを提供するために、ＨＯＥ８００はストリップ８０２と交差部８０３を含んでいる。側部８０４、８０６はＨＯＥ８００のさらなる支えを提供する。ストリップ８０２、交差部８０３、側部８０４、８０６は全て同じ材料で形成されてもよく、リソグラフィー技術を用いて形成されてもよい。

ＨＯＥ８００を動作させる一つの実施例は図９に概略的に示されている。取り付け構造は、基板９１１上に形成された２つの取り付けベース部９０８、９１０と、ベース部９０８、９１０上に形成された取り付け面９１２を備えている。ＨＯＥ８００は可撓連結部９１４を介して取り付けベース部９０８、９１０と連結されている。また、可撓連結部９１４は、少なくとも垂直方向に曲げることができる適切なＭＥＭＳ処理されたばねあるいは構造であってもよい。また、可撓連結部９１４は、２方向、すなわち上方向と下方向に曲げることができるものがよい。電極構造９１６は取り付け面９１２に取り付けられ、この実施形態では、ストリップを横切って横方向と縦方向に延長しており、接地されていてもよい。そのような構成では、ＨＯＥ８００は「ＯＮ」位置でバイアスをかけられており、電極９１６からの電場により、基板９１１からさらに離れている「ＯＦＦ」位置に移動できるようにしてもよい。あるいは、ＨＯＥ８００は「ＯＦＦ」位置でバイアスをかけられており、基板９１１により近接した「ＯＮ」位置に移動されるようにしてもよい。

電極構造９１６は、ＨＯＥ８００と基板９１１との間に所望の離隔距離をあけるために、ある特定の量の電荷を注入することによってＨＯＥ８００にバイアスをかけるために使用される浮遊電極９１６ａを含む。調整可能な電極９１６ｂは、「ＯＮ」と「ＯＦＦ」の位置間でＨＯＥが急速な動作をするように使用される。ＨＯＥ８００にバイアス力と調整力がより均一になるように、浮遊電極９１６ａと調整可能な電極９１６ｂは交互に配置されている。従って、デバイス９００はエレクトレットを使用して所望のバイアス位置にバイアスをかけてもよく、能動電極を使用して動作させてもよい。この構成は長期間のバイアス安定性を提供し、長期間の位置制御のための能動電圧制御の必要性を低減する。

光を基礎とするＭＥＭＳデバイスに加えて、エレクトレットは電気ＭＥＭＳデバイスでの可撓部材の長期間の位置決めに使用されることができる。そのようなデバイスは少なくとも一つの第１撓み部材と少なくとも一つの第２部材を有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータを含んでもよい。第１浮遊電極は第１撓み部材と第２部材の一方に配置される。第２電極は第１撓み部材と第２部材の他方の上に設けられる。第１浮遊電極上に蓄えられた電荷は、第２部材から所望の距離だけ離れたところに撓み部材を位置付けるように選択される。撓み部材あるいは第２部材のどちらか又は両方は、第２部材に対する第１撓み部材の位置に依存した電気的特徴を有する電気素子からなる。

ＭＥＭＳを基礎とする調整可能コンデンサ１０００の一実施形態を示すデバイスの一例を、図１０に概略的に図示する。コンデンサ１０００はベース部１００２と、そのベース部１００２上に形成された浮遊電極１００４を有する。浮遊電極１００４に対向する撓み部材１００６があり、その撓み量は浮遊電極１００４に蓄えられた電荷１００８の量に依存している。少なくとも一つの電極は可撓部材１００６上に配置される。図示された実施形態では、撓み部材１００６上に２つの電極１０１０ａと１０１０ｂがある。第１撓み部材電極１０１０ａは浮遊電極１００４と関連した第２電極であり、接地されていてもよい。浮遊電極１００４上の電荷は第１撓み部材電極１０１０ａ上にミラー電荷を誘起し、浮遊電極１００４の方へ撓み部材を撓ませる引力を生ずる。

コンデンサは、第２撓み部材電極１０１０ｂとコンデンサ電極１０１２との間に形成される。コンデンサ１０００の電気容量は、少なくとも一部は、第２撓み部材電極１０１０ｂとコンデンサ電極１０１２との間の間隔によって決定される。従って、浮遊電極１００４上に置かれた電荷量が変化するので、第２撓み部材電極１０１０ｂとコンデンサ電極１０１２間の間隔が変化し、従って電気容量が変化する。

このタイプのデバイスは、電子回路での調整可能あるいはプログラム可能コンデンサとして有用であり、プログラム可能コンデンサの従来の「デジタル」アプローチの代わりに使用されることができる。このコンデンサは、様々な定格の電気容量値を得るために、並列あるいは直列に切り替えられる一揃いの不連続なコンデンサを使用している。このアプローチは、その不連続な切り替えのせいで、本質的に、高解像度を達成する能力に限界がある。一方、エレクトレット−調整可能なＭＥＭＳを基礎とするコンデンサ１０００は連続的に可変であり、達成された電気容量値では従来のデジタルアプローチより高い解像度を提供し、解像度の限界は、１個の電子が浮遊電極１００４に加えられるときに生じる電気容量での変化である。エレクトレット−調整可能なＭＥＭＳを基礎とするコンデンサ１０００は、例えばプログラム可能動作増幅器利得段あるいは他の容量調整された回路を調整する際に使用されることができる。

本発明の範囲内で、コンデンサ１０００は様々な変更をすることができる。例えば、電極１０１０ａと１０１０ｂは単一の接地された電極と置換されてもよい。コンデンサ１０００の電気容量はそのような場合接地された電極とコンデンサ電極１０１２との間の電気的相互作用により生ずる。他の変形も可能である。例えば、浮遊電極は撓み部材１００６上に位置してもよく、接地された電極はベース部１００２上に配置されてもよい。

エレクトレットを基礎とするアクチュエータを使用する他のＭＥＭＳを基礎とする電気デバイスは、プログラム可能な抵抗器１１００であり、図１１を参照して説明される。この特定の実施形態では、抵抗器１１００はベース部１１０２上に浮遊電極１１０４で形成される。対向する浮遊電極１１０４は、接地されてもよい電極１１０８を持つ撓み部材１１０６である。浮遊電極１１０４上に電荷１１１０を配置すると、電極１１０８上にミラー電荷を誘起し、その結果、浮遊電極１１０４と電極１１０８間に引力が生じる。その結果、撓み部材１１０６は浮遊電極１１０４の方へたわむ。

ひずみに敏感な抵抗器１１１２は撓み部材１１０６上に配置される。ひずみに敏感な抵抗器１１１２に印加されるひずみ量は、撓み部材１１０６がたわむ量に依存しており、浮遊電極１１０６上の電荷１１１０の量はひずみに敏感な抵抗器１１１２の抵抗を制御する。従って、調整可能な抵抗器１１００の抵抗は制御されることができ、所望のレベルに設定されることができる。浮遊電極の長期間の低漏洩特徴により、抵抗値は長期間安定に保たれる。

所望の抵抗値を得るために、複数の抵抗器を直列と並列で切り替える場合、調整可能な抵抗器１１００は、調整可能抵抗を与える従来の「デジタル」の方法に代えて使用されることができる。ＭＥＭＳを基礎とする調整可能な抵抗器１１００は、調整された抵抗値で高解像度を与える。理由は解像度は連続的に可変であり、その解像度は、浮遊電極１１０４に１個の電子を付加することによる抵抗の変化になる。

また、エレクトレットが撓み機構を形成しない場合、エレクトレットはＭＥＭＳを基礎とするセンサー中のアクチュエータに使用されてもよいが、デバイスの別の部分に対するデバイスの部分を位置づけるのに使用される。そのようなデバイスの一例を図１２に概略的に図示する。図１２は、例えば、走査型トンネル効果電子顕微鏡に使用される電子トンネル効果検知デバイス１２００を示す。デバイス１２００は浮遊電極１２０４を有する撓みアーム１２０２を含む。第２電極１２０６は基板１２０８上に配置される。第２電極１２０６は接地されてもよく、その結果、電荷を浮遊電極１２０４上に置いた場合、仮想的電荷が第２電極１２０６に誘起され、その結果、撓みアーム１２０２と基板１２０８間に引力が生じる。また、トンネルチップ１２１０は、サンプルからのトンネル電流を検知するために、撓みアーム１２０２上に配置される。従って、トンネルチップ１２１０の基板１２０８に対する位置は、浮遊電極１２０４上の電荷量により制御される。

エレクトレットは接地された電極と連結して浮遊電極を使用する必要があるだけでなく、他の組み合わせも使用されることができる。例えば、２つの浮遊電極が使用され、引力よりむしろ反発力を生ずるために、２つの浮遊電極に同じタイプの電荷キャリヤが印加される。この一例を図１３に概略的に図示する。図１３では撓み部材１３０２が第１浮遊電極１３０４を含み、基板１３０６は第２浮遊電極１３０８を含む。２つの浮遊電極１３０４、１３０８上に同じ極性の電荷が置かれると、反発力が生じ、そのために撓み部材１３０２は基板１３０６から離れるようにたわむ。もちろん、反対の電荷を対向するエレクトレット上に置いて引力を生じさせてもよい。

印加電力が無い既知の状態にそれらデバイスを置くために、エレクトレットは、他の様々なタイプのＭＥＭＳデバイスに予めバイアスをかけて使用されることができる。例えば、上記のＶＯＡを電力が供給されてない状態で大きいオフセット値を持つようにしてもよい。また、光スイッチを通常ＯＦＦ又はＯＮの状態のどちらかにしておいてもよく、所望の状態は組み立て時に異なる機械構成を必要とすることなくプログラム制御された状態にすることができる。実際、静電変位の形状を有するＭＥＭＳデバイスにエレクトレットを使用して、長期間安定である電力が供給されてないバイアス状態を生み出してもよい。

本発明は、上記の特定の例に限定されると考えるべきではなく、本発明の特徴は、添付の請求項に記載されていると理解するべきである。本発明が適用可能である様々な変形、等価なプロセス、数多くの構造が本発明に含まれることは、本発明が対象とする技術分野の人々にとって自明である。請求項はそのような変形と装置を包含するものである。

本発明の原理によるエレクトレットを有するＭＥＭＳを基礎とするデバイスの一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理による可変の光減衰器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理による可変の光減衰器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理による浮遊電極の一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理による浮遊電極及び第２電極の一つの実施形態を示す概略図である。 本発明の原理による調整可能なファブリー・ペローフィルタ（ＴＦＰＦ）の一実施形態を示す概略図である。 図６Ａに図示されたＴＦＰＦのコンポーネントパーツの実施例を示す概略図である。 図６Ａに図示されたＴＦＰＦのコンポーネントパーツの実施例を示す概略図である。 図６Ａに図示されたＴＦＰＦのコンポーネントパーツの実施例を示す概略図である。 図６Ａに図示されたＴＦＰＦのコンポーネントパーツの実施例を示す概略図である。 本発明の原理に従って、格子を基礎とする光学スイッチの一実施形態を示す概略図である。 図７の光学スイッチに使用されるホログラフィーの光学素子の一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理に従って、エレクトレットを用いて制御される光学スイッチの一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理に従って、ＭＥＭＳを基礎とする調整可能なコンデンサの一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理に従って、ＭＥＭＳを基礎とする調整可能な抵抗器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の一実施形態に従って、電子トンネル効果電流検出器の一実施形態を示す概略図である。 本発明の原理に従って、エレクトレットを制御するＭＥＭＳを基礎とするデバイスの一実施形態を示す概略図である。

符号の説明

１００…ＭＥＮＳデバイス，１０２…ベース，１０４…絶縁層，１０６…浮遊電極，１０８…可動部材，１１０…電極，１１１…電荷，１１２…電荷，１１４…引力，２００…ＶＯＡ，２０２…ファイバ，２０４…ファイバ，２０６…マウント，２０８…指示用溝部，２１０…開領域，２１２…操舵電極，４０２…浮遊電極，４０４…電荷，４０６…ファイバ，４０８…ダイオード，４１０…導電性第２電極

Claims (38)

1. 少なくとも第１撓み部材と少なくとも第２部材とを有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータと、前記第１撓み部材と前記第２部材の一方の上に配置される第１浮遊電極と、前記第１撓み部材と前記第２部材の他方に配置される第２電極と、前記第２部材から所望の距離だけ離れたところに前記撓み部材を位置付けるように選定される前記第１浮遊電極上の電荷と、からなる光学デバイスであって、
   前記撓み部材と前記第２部材の一方が第１光学素子からなり、第２光学素子に対する前記第１光学素子のバイアス位置が、少なくとも部分的には前記撓み部材の位置によって決定される、
   ＭＥＭＳを基礎とする光学デバイス。
2. 前記撓み部材が前記第１光学素子を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 前記撓み部材が第１終端を有する第１光ファイバであることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
4. 前記第２光学素子が前記第１光ファイバの前記第１終端に対向する第２終端を有する第２光ファイバであって、前記第２光ファイバに対して直角になっている前記第１光ファイバの位置が少なくとも部分的には前記第１浮遊電極上の電荷によって決定されることを特徴とする請求項３記載のデバイス。
5. 前記第１光ファイバが接地された第１電極を備え、前記第２部材が前記第１浮遊電極と少なくとも第２浮遊電極を有するフレームを備え、少なくとも前記第１及び前記第２浮遊電極上の電荷が前記フレームに対する前記第１光ファイバの位置を決定することを特徴とする請求項４記載のデバイス。
6. 前記第２光ファイバが接地された第２電極を備え、前記フレームが少なくとも第３及び第４浮遊電極を備え、前記第３及び第４浮遊電極上の電荷が前記フレームに対する前記第２光ファイバの位置を決定することを特徴とする請求項５記載のデバイス。
7. さらに、前記フレーム上に調整可能な電極を備えており、前記調整可能な電極上に蓄えられた電荷も少なくとも部分的には前記第２光学素子に対する前記第１光学素子の位置を決定することを特徴とする請求項５記載のデバイス。
8. 前記撓み部材がホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
9. 前記第２部材がフレームを備え、前記浮遊電極が前記フレーム上に備えられ、ＨＯＥが接地された電極を備えることを特徴とする請求項８記載のデバイス。
10. 前記第２光学素子が第１及び第２表面を有する光学的に透明な基板であり、前記第１及び第２表面での前記光学的に透明な基板内で光が全部内面反射することを特徴とする請求項８記載のデバイス。
11. さらに、調整可能な電極を備え、前記調整可能な電極上に電荷がない場合に前記ＨＯＥのバイアス位置が前記浮遊電極上に蓄えられた電荷によって決定され、前記調整可能な電極上に電荷がある場合に前記ＨＯＥが切り替え位置に移動することを特徴とする請求項１０記載のデバイス。
12. 前記デバイスは２つの光学的反射面によって形成される調整可能なファブリー・ペローフィルタを備え、前記光学的反射面の少なくとも一方がもう一方の反射面に対する整列の整列部材上に配置されてそれら反射面でファブリー・ペロー共鳴器を形成し、前記整列部材が前記撓み部材を備えており、前記光学的反射面の少なくとも一つが前記第１光学素子を備える前記整列部材上に配置されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
13. ２つの前記光学的反射面の少なくとも一つが光ファイバの終端を備えることを特徴とする請求項１２記載のデバイス。
14. さらに、可撓部材を備え、前記光学的反射面の一つが取り付けられて前記可撓部材が曲がる場合にフィルタ軸に沿って移動可能になり、前記光学的反射面間の分離距離を変化させることを特徴とする請求項１２記載のデバイス。
15. 前記撓み部材がミラーを備えることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
16. さらに、前記第１浮遊電極に電子を注入するように備えられたホットエレクトロンのインジェクタを備えることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
17. 前記光学デバイスが少なくとも部分的にはシリコンで形成されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
18. 前記光学デバイスが少なくとも部分的には石英で形成されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
19. 前記光学デバイスが少なくとも部分的にはサファイヤで形成されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
20. 少なくとも第１撓み部材と少なくとも第２部材とを有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータと、前記第１撓み部材と前記第２部材の一方の上に配置される第１浮遊電極と、前記第１撓み部材と前記第２部材の他方に配置される第２電極と、前記第２部材から所望の距離だけ離れたところに前記撓み部材を位置付けるように選定される前記第１浮遊電極上の電荷と、からなる電気デバイスであって、
    前記撓み部材と前記第２部材の少なくとも一方が、前記第２部材に対する前記第１撓み部材の位置に依存したある電気的特徴を有する電気素子を備えている、ＭＥＭＳを基礎とする電気デバイス。
21. 前記電気素子がひずみに敏感な抵抗器であり、前記ひずみに敏感な抵抗器の抵抗値が前記第２部材に対する前記第１撓み部材の位置に依存していることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
22. 前記電気素子が第１及び第２のコンデンサ電極を備えるコンデンサであり、前記第１及び第２のコンデンサ電極の一方は前記第１撓み部材上に設けられて前記コンデンサの電気容量値が前記第２部材に対する前記第１撓み部材の位置に依存していることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
23. 前記浮遊電極は前記第２部材上に設けられ、前記第１撓み部材は接地された電極を備えることを特徴とする請求項２２記載のデバイス。
24. 前記接地された電極は、前記第１撓み部材上に設けられた前記第１及び第２コンデンサ電極の一方を備えることを特徴とする請求項２３記載のデバイス。
25. 前記第１及び第２コンデンサ電極のもう一方は、前記第２部材上に設けられることを特徴とする請求項２４記載のデバイス。
26. さらに、前記第１浮遊電極に電子を注入するように設けられたホットエレクトロンのインジェクタを備えることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
27. 前記電気デバイスが少なくとも部分的にはシリコンで形成されることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
28. 前記電気デバイスが少なくとも部分的には石英で形成されることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
29. 前記電気デバイスが少なくとも部分的にはサファイヤで形成されることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
30. 少なくとも第１撓み部材と少なくとも第２部材とを有するＭＥＭＳを基礎とするアクチュエータと、前記第１撓み部材と前記第２部材の一方の上に配置される第１浮遊電極と、前記第１撓み部材と少なくとも前記第２部材の他方に配置される第２電極と、前記第２部材から所望の距離だけ離れたところに前記第１撓み部材を位置付けるように選択される前記第１浮遊電極上の電荷と、
    からなるＭＥＭＳを基礎とするデバイス。
31. 前記第２電極は一つの接地された電極であることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
32. 前記第２電極は一つの第２浮遊電極であることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
33. 前記第２部材は撓み可能であることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
34. さらに、前記第１浮遊電極に電子を注入するように設けられたホットエレクトロンのインジェクタを備えることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
35. さらに、前記第１撓み部材と前記第２部材のもう一方の上に配置された第２浮遊電極を備え、前記第１及び第２浮遊電極上の電荷は前記第２部材から所望の距離だけ離れたところに前記第１撓み部材を位置付けるように選定されることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
36. 前記デバイスが少なくとも部分的にはシリコンで形成されることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
37. 前記デバイスが少なくとも部分的には石英で形成されることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
38. 前記デバイスが少なくとも部分的にはサファイヤで形成されることを特徴とする請求項３０記載のデバイス。

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