JP2008152238A - 非接触マイクロミラー - Google Patents

Abstract

【課題】非接触マイクロミラーデバイスの製造方法を提供すること。
【解決手段】マイクロミラーデバイスであって、該マイクロミラーデバイスは、基板によって支持されたヒンジと、該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートとを備え、該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、８００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含み、該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ミラープレートに弾性復元力を生成するように該ヒンジが構成されている、マイクロミラーデバイス。
【選択図】図１

Description

本開示は、マイクロミラーの製造に関する。

空間的光変調器（ＳＬＭ）は、反射面を有する傾斜可能なミラープレートのアレイを用いて作られ得る。各ミラープレートは、静電気力を用いることによって「オン」位置および「オフ」位置に傾斜され得る。静電気力は、ミラープレートとミラープレートの下の１つ以上の電極との間の電位差によって生成され得る。「オン」位置において、マイクロミラープレートは、表示画像の中に画像ピクセルを形成するように入射光を反射し得る。「オフ」位置において、マイクロミラープレートは、入射光を表示画像から離れるように向ける。

一概括的な局面において、マイクロミラーデバイスは、基板によって支持されたヒンジを含むように記述され、該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、８００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅と、ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートとを含み、該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ヒンジは、該ミラープレートに弾性復元力を生成し得る。

別の概括的な局面において、マイクロミラーデバイスは、基板によって支持されたヒンジを含むように記述され、該ヒンジは、１５０ＧＰａ未満のヤング係数と、ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートとを有し、該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ヒンジは、該ミラープレートに弾性復元力を生成する。

別の概括的な局面において、マイクロミラーデバイスは、基板によって支持されたヒンジを含むように記述され、該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、８００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅と、ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートと、ミラープレートをヒンジ以外の基板上のあらゆる構造と接触させることなく、電気信号を生成することによって基板の表面に対して２度またはそれより上の傾斜位置でミラープレートを保持し得るコントローラとを含む。ヒンジは、傾斜方向から実質的に基板に平行になるようにミラープレートを弾性的に復元し得る。

別の局面において、開示のシステムおよび方法は、低い剛性のヒンジ設計またはヒンジ材料を選択することによって、傾斜可能なミラープレートが低駆動電圧で大きな角度に傾斜することを可能にする、ヒンジを提供する。ヒンジの長さ、厚さ、幅、および弾性係数の条件は、傾斜可能なミラープレートにおいて低剛性ヒンジを取得するように提供される。

本明細書中に記述のシステムおよび方法の実装は、１つ以上の以下の特徴を含み得る。静電気力が減少または除去された後に、ヒンジは、無傾斜位置にミラープレートを弾性的に復元し得る。マイクロミラーデバイスは、基板上に電極をさらに含み得る。コントローラは、静電気力を生成するように、電極に電圧を印加し得る。ミラープレートは、無傾斜位置にあるときには、基板の上部面に実質的に平行であり得る。傾斜位置における傾斜角は、無傾斜位置に対して３度またはそれより上であり得る。傾斜位置における傾斜角は、無傾斜位置に対して４度またはそれより上であり得る。ヒンジは、２ミクロンより長い長さを有し得る。ヒンジは、３００ナノメートル未満の厚さと、７００ナノメートル未満の幅とを有し得る。ヒンジは、１５０ＧＰａ未満のヤング係数を有し得る。ヒンジは、１００ＧＰａ未満のヤング係数を有し得る。ヒンジは、アルミニウムを含み得る。ヒンジは、窒化チタンを含み得る。

実装は、１つ以上の以下の利点を含み得る。本明細書は、基板上の傾斜可能なミラープレートに対する簡素化された構造と傾斜可能なミラープレートを駆動するための方法とを開示する。傾斜可能なミラープレートは、コントローラによって提供された電気信号に応答して、所定の角度に傾斜および保持され得る。ミラープレートの傾斜角を定義するための機械的な停止部は、基板上またはミラープレート上には何も必要ではない。機械的な停止部をなくすことは、機械的な停止部を有する一部のマイクロミラーデバイスと比較すると、マイクロミラーデバイスを簡素化し得る。ミラープレートと基板上の構造、例えば機械的な停止部との間の機械的な接触が無いことはまた、従来のミラーデバイスにおいてミラープレートと機械的な停止部との間に存在することが公知の静止摩擦（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）の問題を除去する。本明細書中に記述のミラープレートデバイスは、他のデバイス中のミラープレートよりも、より狭い角度に傾斜し得る。より少ないミラープレートの傾斜は、ミラープレートが回転するヒンジに対して、より少ない歪みで済み得る。そのようなデバイスは、機械的な故障をする可能性は、より少なくあり得る。従って、デバイスの実用的な寿命は、より長くあり得る。さらに、ヒンジは、従来のデバイスほど回転することを要求されないので、ヒンジの形成に対して、遥かに多様な材料が選択され得る。その上に、ミラープレートは、より小さな角度の偏向を受けるので、より高い周波数で動作し得る。

本発明は、複数の実施形態を参照しながら表示および記述されたが、形式および詳細における様々な変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることを、当業者は、認識されたい。

本発明は、さらに以下の手段を提供する。

（項目１）
マイクロミラーデバイスであって、
基板によって支持されたヒンジと、
該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートと
を備え、
該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、８００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含み、
該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ミラープレートに弾性復元力を生成するように該ヒンジが構成されている、
マイクロミラーデバイス。

（項目２）
上記弾性復元力を克服して、上記ミラープレートを上記無傾斜位置から傾斜位置に傾斜させるように静電気力を生成するように構成されたコントローラをさらに備えている、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目３）
上記コントローラは、上記弾性復元力に対抗して、上記ミラープレートを上記傾斜位置で保持するように静電気力を生成するように構成される、項目２に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目４）
上記静電気力が、減少または除去された後に、上記ミラープレートを上記無傾斜位置に弾性的に復元するように上記ヒンジが構成されている、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目５）
上記基板上に電極をさらに備えており、上記コントローラは、上記静電気力を生成するように該電極に電圧を印加するように構成されている、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目６）
上記ミラープレートは、上記無傾斜位置にあるときには、上記基板の上部面に実質的に平行である、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目７）
上記傾斜位置での上記傾斜角は、上記無傾斜位置に対して３度またはそれより上である、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目８）
上記傾斜位置での上記傾斜角は、上記無傾斜位置に対して４度またはそれより上である、項目７に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目９）
上記ヒンジは、２ミクロンより長い長さを含む、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１０）
上記ヒンジは、３００ナノメートル未満の厚さと、７００ナノメートル未満の幅とを含む、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１１）
上記ヒンジは、１５０ＧＰａより低いヤング係数を有する、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１２）
上記ヒンジは、１００ＧＰａよりも低いヤング係数を有する、項目９に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１３）
上記ヒンジは、アルミニウムを含む、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１４）
上記ヒンジは、窒化チタンを含む、項目１に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１５）
マイクロミラーデバイスであって、
基板によって支持されたヒンジと、
該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートと
を備えており、
該ヒンジは、１５０ＧＰａ未満のヤング係数を有し、
該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ミラープレートに弾性復元力を生成するように該ヒンジが構成されている、
マイクロミラーデバイス。

（項目１６）
上記弾性復元力を克服して、上記ミラープレートを上記無傾斜位置から傾斜位置に傾斜させるように静電気力を生成するように構成されたコントローラをさらに備えている、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１７）
上記コントローラは、上記弾性復元力に対抗して、上記ミラープレートを上記傾斜位置で保持するように静電気力を生成するように構成されている、項目１６に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１８）
上記静電気力が、減少または除去された後に、上記ミラープレートを上記無傾斜位置に弾性的に復元するように上記ヒンジが構成されている、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目１９）
上記基板上に電極をさらに備えており、上記コントローラは、上記静電気力を生成するように該電極に電圧を印加するように構成されている、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２０）
上記ミラープレートは、上記無傾斜位置にあるときには、上記基板の上部面に実質的に平行である、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２１）
上記傾斜位置での上記傾斜角は、上記無傾斜位置に対して３度またはそれより上である、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２２）
上記ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、５００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含む、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２３）
上記ヒンジは、２ミクロンより長い長さと、３００ナノメートル未満の厚さと、７００ナノメートル未満の幅とを含む、項目２２に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２４）
上記ヒンジは、１００ＧＰａ未満のヤング係数を有する、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（項目２５）
上記ヒンジは、アルミニウムまたは窒化チタンを含む、項目１５に記載のマイクロミラーデバイス。

（摘要）
マイクロミラーデバイスは、基板によって支持されたヒンジと該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートとを含む。該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、５００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含む。該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ヒンジは、該ミラープレートに弾性復元力を生成する。

明細書中に組み入れられ、その一部を形成する添付の図面は、記述とともに本発明の実施形態を例示し、本発明の原理を説明する。

図１〜図３を参照すると、マイクロミラー１００は、基板３００上にミラープレート１１０を含み得る。ミラープレート１１０は、反射層１１１、スペーサー層１１３およびヒンジ層１１４を含み得る。一部の実施形態において、スペーサー層１１３は、一対の開口部１０８ａおよび１０８ｂを含む。一部の実施形態において、ヒンジ層１１４は、２つのヒンジ構成要素１２０ａおよび１２０ｂを含む。ヒンジ構成要素１２０ａおよび１２０ｂは、細長いヒンジ１６３ａおよび１６３ｂによってそれぞれヒンジ層１１４の主要部分に接続される。細長いヒンジ１６３ａおよび１６３ｂは、細長いヒンジ１６３ａまたは１６３ｂの２つの側面上のギャップによって、ヒンジ層１１４の主要部分から分離される。外力が何もミラープレート１１０に適用されていないときには、該ミラープレート１１０は、無傾斜位置にある。無傾斜位置は、実質的には基板の上部面と平行であり得る。ミラープレート１１０は、２つのヒンジ構成要素１２０ａおよび１２０ｂによって定義された軸に対して傾斜され得る。１つのヒンジ構成要素１２０ａ（または１２０ｂ）は、基板３００上のヒンジ支柱１２１ａ（または１２１ｂ）に接続される。ヒンジ支柱１２１ａは、一体の部材として形成され得るか、２つまたは３つの部分を含み得る。例えば、ヒンジ支柱１２１ａは、別個の堆積ステップで形成され得る、上部分１２３ａ、中間部分１２３ｂおよび下部分１２３ｃを含み得る。

マイクロミラー１００は、ヒンジ支柱１２１ａおよび１２１ｂの一方の側に下部分１３０ａおよび上部分１３１ａを有する二部型電極と、ヒンジ支柱１２１ａおよび１２１ｂの他方の側に下部分１３０ｂおよび上部分１３１ｂを有する別の二部型（ｔｗｏ−ｐａｒｔ）電極とをさらに含み得る。電極の下部分１３０ａおよび１３０ｂは、同一の導電層へのパターンニングおよびエッチングによって形成され得る。電極の上部分１３１ａおよび１３１ｂは、電極の下部分１３０ａおよび１３０ｂの上の別の導電層から形成され得る。ヒンジ支柱１２１ａおよび１２１ｂは、制御ライン３１１に接続され、二部型電極１３０ａまたは１３１ａは、制御ライン３１２に接続され、二部型電極１３０ｂまたは１３１ｂは、制御ライン３１３に接続される。制御ライン３１１、３１２および３１３の電位は、コントローラ３５０によって提供された外部電気信号によって別個に制御され得る。ミラープレート１１０と二部型電極１３０ａ、１３１ａまたは二部型電極１３０ｂ、１３１ｂとの間の電位差は、ミラープレート１１０を傾斜させ得る静電トルクを生成し得る。

図３および図４Ａを参照すると、コントローラ３５０は、静電気力を生成することによって、ねじれた細長いヒンジ１６３ａまたは１６３ｂによって生成される弾性復元力を征服して無傾斜位置から傾斜位置にミラープレートを傾斜させる。傾斜位置は、「オン」位置または「オフ」位置であり得る。静電気力は、弾性復元力に対抗することによって、ミラープレートを「オン」位置または「オフ」位置に保持し得る。無傾斜位置は、「オン」位置および「オフ」位置とは異なり得る。一部の実施形態において、無傾斜位置は、「オン」位置または「オフ」位置と同一でもあり得る。ミラープレート１１０は、無傾斜位置から基板３００に対する傾斜角θ_１まで一方向に傾斜し得る。ミラープレート１１０は、入射光３３０を反射することによって、「オン」方向に移動する反射光３４０を形成し得、その結果として、反射光３４０は、表示区域に到達し表示画像を形成し得る。「オン」方向は、基板３００に垂直であり得る。入射角（すなわち、入射光３３０とミラーの法線方向との間の角度）と反射角（すなわち、反射光３４０とミラーの法線方向との間の角度）とは同一であるので、入射光３３０および反射光３４０は、角度２θ_１を形成し、該角度は、ミラープレート１１０の傾斜角θ_ｏｎの２倍大きい。

図４Ｂを参照すると、ミラープレート１１０は、基板３００に対しても傾斜角θ_１の向きまで反対方向に、対称的に傾斜し得る。ミラープレート１１０は、入射光３３０を反射することによって、「オフ」方向に移動する反射光３４５を形成し得る。反射光３４５は、アパーチャ（図５〜７において５３０）によってブロックされ、光吸収器によって吸収され得る。入射光３３０に対する入射角は、３θ_１なので、反射角もまた、３θ_１であるべきである。従って、反射光３４０と３４５との間の角度は、４θ_１であり、ミラープレート１１０の傾斜角θ_１の４倍である。

入射光３３０は、異なる光源、例えばそれぞれが図５および図６に示されるように、レーザー５００または発光ダイオード（ＬＥＤ）５１０によって供給され得る。レーザー５００によって発光される入射光は、コヒーレントであり、ミラープレート１１０による反射の後に、平行なままであり得る。アパーチャ５３０、レーザー５００およびミラープレート１１０は、「オン」方向に傾斜されたときにミラープレート１１０によって反射された殆ど全ての反射光３４０が、アパーチャ５３０における開口部５３５を通過するように配列され得る。ＬＥＤ５１０から発光された入射光３３０は、通常は非コヒーレントであり、距離が長くなるにつれて発散する傾向にある。アパーチャ５３０、ＬＥＤ５１０およびミラープレート１１０は、「オン」位置のミラープレート１１０によって反射された光の大部分が、アパーチャ５３０における開口部５３５を通過するように配列され得る。例えば、反射光３４０は、開口部５３５を介して進み得、一方で、反射光３４０ａおよび３４０ｂは、反射光３４０から離れるように発散し、アパーチャ５３０によってブロックされる。

マイクロミラー１００のアレイに基づいた例示的な画像投射システム７００が、図７に示される。赤レーザー５００ａ、緑レーザー５００ｂおよび青レーザー５００ｃが、それぞれ赤色レーザービーム３３０ａ、緑色レーザービーム３３０ｂおよび青色レーザービーム３３０ｃを発光する。赤色光３３０ａ、緑色光３３０ｂおよび青色光３３０ｃは、拡散器７１０ａ、７１０ｂおよび７１０ｃを通過することによって、有色光３３１ａ、３３１ｂおよび３３１ｃを形成し得る。拡散器７１０ａ、７１０ｂおよび７１０ｃは、レーザービーム３３０ａ、３３０ｂおよび３３０ｃの大きさを変更し得（例えば、拡張）、かつレーザービーム３３０ａ、３３０ｂおよび３３０ｃをマイクロミラー１００のアレイと互換性のある断面形状に形づくり得る。例えば、有色光３３１ａ、３３１ｂおよび３３１ｃは、マイクロミラー１００のアレイの形状とより互換性のあり得る、長方形になるように形づくられ得る。有色光３３１ａ、３３１ｂおよび３３１ｃは、次いで（ビーム結合器として機能する）ビーム分割器７２０ａ、７２０ｂおよび７２０ｃによって反射され得、カラーの入射光３３０へと併合される。一部の実施形態において、カラーの入射光３３０は、内部全反射（ＴＩＲ）プリズム７４０によって反射されることによって、カラーの入射光３３０の方向に調整され、支持部材７３０上のマイクロミラー１００を照明し得る。「オン」位置のミラープレート１１０によって偏向された反射光３４０は、ＴＩＲプリズム７４０およびアパーチャ５３０の開口部５３５を通過し得、投影システム７５０によって投影されることによって、表示画像を形成し得る。

アパーチャ５３０、ＴＩＲプリズム７４０およびマイクロミラー１００の相対位置は、「オン」方向における殆ど全ての反射光３４０が開口部５３５を通過し、「オフ」方向における全ての反射光３４５がアパーチャ５３０によってブロックされ得るように、配列され得る。アパーチャ５３０によってブロックされた反射光３４０の任意の部分は、表示の輝度における損失である。開口部５３５を通過する逸脱した任意の反射光は、表示画像のコントラストを減少させる。反射光３４０と反射光３４５との間の角度の広がりが大きいほど、反射光３４０と反射光３４５とを分離させて、表示画像における最大の輝度およびコントラストを達成することが容易になる。言い換えると、表示システム７００における傾斜角θ_ｏｎ（またはθ_ｏｆｆ）が大きいほど、実質的に全ての反射光３４５がブロックされ、かつ実質的に全ての反射光３４０が表示面に到達することによって表示画像を形成するように、反射光３４０と反射光３４５とを分離することをが、より容易になる。

一部のマイクロミラーデバイスにおいて、ミラープレートの傾斜運動は、機械的な停止部によって停止される。傾斜可能なミラープレートの「オン」および「オフ」位置は、ミラープレートが、機械的な停止部と接触しているときの向きによって定義される。対称的に、マイクロミラー１００は、ミラープレート１１０の傾斜運動を限定し得る機械的な停止部は、含まない。むしろ、ミラープレート１１０の「オン」および「オフ」位置は、ミラープレート１１０ならびに二部型電極１３０ａ、１３１ａ、１３０ｂおよび１３１ｂに印加される駆動電圧によって制御される。この理由のために、開示のミラープレート１１０は、「非接触」マイクロミラーと呼ばれ得る。機械的な停止部を利用するか、または傾斜位置にあるときに基板と接触するミラープレートを含む従来のミラーシステムは、
接触」マイクロミラーと呼ばれ得る。

正の駆動電圧パルス８０１および負の駆動電圧パルスは、図８において、ミラーの傾斜角を示すグラフ上に示される。ゼロ傾斜角は、無傾斜状態（通常は、水平方向）に相当し、該無傾斜状態は、基板の表面に平行である。ミラープレートは、無傾斜状態において、弾性復元力は何も受けない。正の駆動電圧パルス８０１は、駆動電圧Ｖ_ｏｎを含み、ミラープレートを「オン」位置に制御するために用いられる。正の電圧パルス８０１は、ミラープレートを、図において反時計回りの方向である「オン」方向に、基板の上部面に対して傾斜角θ_１まで傾斜させる、静電気力を作り得る。ミラープレートが傾斜する際に、ミラープレートは、弾性復元力を受け、該弾性復元力は、細長いヒンジのねじれの変形によって作られ、ミラープレートに反時計回りの方向などの力を加える。傾斜角が増加する際に、静電気力は、幾分か増加するが、弾性復元力は、傾斜角の関数として、静電気力よりもより急速に増加する。弾性復元力が、静電気力と等しくなるときに、ミラープレートは、最終的には傾斜角θ_ｏｎで、停止する。言い換えると、ミラープレートは、静電気力とミラープレートに反対方向に力を加える弾性復元力との間の均衡によって、傾斜角θ_ｏｎで保持される。ミラープレートは、最初に領域８１１において平均的な傾斜角θ_ｏｎ周辺で振動し、次いで傾斜角θ_ｏｎにおいて一定に留まり得る。

同様に、負の駆動電圧パルス８０２は、ミラープレートを「オフ」位置に制御するために用いられる。電圧パルス８０２は、駆動電圧Ｖ_ｏｆｆを含む。電圧パルス８０２は、静電気力を作ることによって、例えば時計回りの方向に基板の上部面に対して傾斜角θ_ｏｆｆに向かって、ミラープレートを「オフ」位置に傾斜させ得る。再び、ミラープレートは、無傾斜位置において弾性復元力は何も受けない。傾斜角が増加する際に、弾性復元力は、細長いヒンジのねじれの変形によって作られ、反時計回りの方向の力を加える。弾性復元力は、傾斜角の関数として、静電気力よりも急速に増加する。弾性復元力が、静電気力と等しくなるときに、ミラープレートは、最終的に傾斜角θ_ｏｆｆで停止する。ミラープレートは、負の電圧パルス８０２によって作られた静電気力と歪んだ細長いヒンジによる弾性復元力との間の均衡によって、傾斜角θ_ｏｆｆで保持される。ミラープレートは、最初に領域８２１において平均的な傾斜角θ_ｏｆｆ周辺で振動し、次いで傾斜角θ_ｏｆｆにおいて一定に留まり得る。傾斜角θ_ｏｎおよび傾斜角θ_ｏｆｆは、等しい大きさを有し得、または異なる大きさを有し得る。負の駆動電圧パルス８０２が除去された後に、ミラープレートは、細長いヒンジによってゼロ傾斜角（すなわち、水平方向）に弾性的に引き戻され得る。

駆動電圧の関数としての、ミラープレートの傾斜角の応答曲線が、図９において示される。応答曲線は、非接触マイクロミラーに対する傾斜角の範囲を含む。比較のために、応答曲線はまた、接触タイプのマイクロミラーに対する傾斜角の範囲を図示する。ミラープレートの傾斜角は、第１に、駆動電圧の関数として曲線９０５に沿って徐々に増加する。駆動電圧が増加する際に、傾斜角は、次いで曲線９１０に沿って急速に増加し、最終的にミラープレートが、スナッピング電圧Ｖ_ｓｎａｐで「スナップ」するが、Ｖ_ｓｎａｐにおいて、傾斜角が増加する際に、弾性復元力は、増加を停止する。傾斜角が増加する際に、静電気力は、増加し続ける。より強力な静電気力と一定な可塑性の復元力との不均衡（図１０を参照）は、傾斜角をθ_ｍａｘまで急激に増加させ、θ_ｍａｘは、ミラープレートの傾斜運動は、基板上の機械的な停止部によって停止される。本明細書において、用語「スナップ」は、ミラープレートに関する不均衡なミラープレートの不安定な状態を指し、ミラープレートは、急速に傾斜し、最終的に固定された物体によって停止される。

ミラープレートの「スナッピング」は、マイクロミラーの中のヒンジの機械的特性の現れである。図１０を参照すると、ミラープレート上の応力は、例えば、ミラープレートと基板上の電極との間の静電気力によって引き起こされ得る。ヒンジの変形は、低い応力の範囲において、曲線１０００に沿って応力を増加させる。曲線１０００は、応力に対するヒンジの弾性応答を表す。一例示的なヒンジ材料を有するマイクロミラーにおいて、ヒンジは、変形Ｄ１でスナップする。言い換えると、傾斜角が、Ｄ１に相当する傾斜角より上に増加する際に、弾性復元力は、増加を止める。曲線１０１０は、ヒンジ材料の可塑性領域を表す。このヒンジ材料は、接触タイプのマイクロミラーに用いられるのに適している。

図７に関連して先述したように、非接触マイクロミラーは、表示画像における最適な輝度およびコントラストのために、好適には、例えば約２°、約３°、約４°、約５°またはより大きな傾斜角を有する。そのような傾斜角は、入射してくる光を「オン」方向および「オフ」方向に、分割し得る。大きな「オン」または「オフ」の傾斜角もまた、ミラープレートが傾斜され、次いで無傾斜位置に戻るヒンジによって弾性的に復元され得る幅広い角度の範囲を必要とする。図１０は、Ｄ２がＤ１よりも大きな変形において弾性応答曲線１０００から可塑性応答曲線１０２０に移行する、別の例示的なヒンジ材料の応力と変形の応答曲線を示す。マイクロミラーは、弾性的なヒンジの変形に対してより幅広い範囲を有し、従って、非接触ミラーの適用により適している。Ｄ２とＤ１との間の違いは、（図１２に示される）ミラープレート１１０の材料の構成の違いに起因し得る。対照的に、接触マイクロミラーは、弾性的なヒンジの変形に対して狭い範囲を有し得、その結果として、比較的に小さな駆動電圧が、ミラープレートをスナップさせ得ることによって、該プレートを機械的な停止部に接触させる。可塑性の曲線１０１０に対応するマイクロミラーは、従って、接触マイクロミラーにより適している。マイクロミラー１００の中の「非接触」マイクロミラーに対して適しているヒンジ材料の一例は、窒化チタンアルミニウムであり、これは、約０〜１５％の範囲、または０〜１０％の範囲、および／またはアルミニウムおよびチタンに対する組成とほぼ等しい範囲の窒素の組成を有する。窒化チタンアルミニウムの組成物から作られたヒンジ材料に対する一例は、Ａｌ_４８％Ｔｉ_４８％Ｎ_４％である。

図９に戻って参照すると、マイクロミラーが傾斜角θ_ｍａｘでスナップした後に、駆動電圧が減少する際に、ミラープレートは、最初に、ライン９１５によって示される駆動電圧の範囲内で機械的な停止部と接触したままでいる。ヒンジが弾性領域に戻り、弾性を復元し、機械的な停止部での静止摩擦を越えた後に、ミラープレートは、最終的に応答曲線９０５に沿って元の方向に傾斜し、駆動電圧が、ライン９２０と交差する。曲線９０５、９１０およびライン９１５、９２０によって表された履歴現象は、接触マイクロミラーの共通の特性である。非接触マイクロミラーに対する動作可能な窓は、ミラープレートの弾性領域における曲線９０５に沿っている。ミラープレートは、駆動電圧Ｖ_ｏｎによって傾斜角θ_ｏｎまたはθ_ｏｆｆにおいて傾斜または保持され得る。静電気力が除去された後に、ミラープレートは、同一の応答曲線９０５に沿って、ヒンジ１６３ａおよび１６３ｂによって元の位置に弾性的に復元され得る。本明細書中に開示された非接触マイクロミラー１００と関連した実施的な履歴現象は、何もない。

図１１は、異なる材料組成物を有するヒンジに対する駆動電圧の関数としての、ミラープレートの傾斜角の応答曲線を例示する。正規化された駆動電圧は、単にミラースナッピング電圧によって分割された駆動電圧である。異なる材料組成物を有するヒンジに対するミラープレート傾斜角は、正規化した駆動電圧の関数として、異なる曲線１１０５に沿って上昇し得る。傾斜角は、ＡｌＣｕから作られたヒンジに対するものよりも、ＴｉＮｉ合金、ＡｌＴｉＮ化合物、およびＡｌＴｉ合金から作られたヒンジに対して、より高い。上述のヒンジ材料は、以下の例示的な組成物を含み得る。すなわち、ＴｉＮｉ合金に対するＴｉ_５０％Ｎｉ_５０％、ＡｌＴｉＮ化合物に対するＡｌ_４８％Ｔｉ_４８％Ｎ_４％、ＡｌＴｉ合金に対するＡｌ_５０％Ｔｉ_５０％、およびＡｌＣｕ合金に対するＡｌ_９０％Ｃｕ_１０％である。

上述のように、複数のミラープレートは、曲線１１０５によって定義された角度範囲に傾斜され得、それぞれの無傾斜位置へと弾性的に復元される。曲線１１０５に対して利用可能な傾斜角の範囲は、その中で非接触マイクロミラーが動作するのだが、図示された材料の組成物に対して異なる。図１１に図示された特定の実施例において、Ｔｉ_９０％Ｎｉ_１０％で作られたヒンジは、非接触ミラープレートが、他の２つのヒンジの材料組成物よりもより幅広い角度範囲において傾斜かつ弾性的に復元することを可能にする。

マイクロミラーと互換性のあるヒンジ材料は、例えばチタン、金、銀、ニッケル、鉄、コバルト、銅、アルミニウムまたはそれらの組み合わせを材料の範囲として含み得る。ヒンジはまた、多少の酸素または窒素を含み得、例えば、１つ以上の金属、例として２つの金属が、窒素または酸素の環境において、物理的な蒸着を用いて堆積されるときに、堆積された化合物または合金は、多少の酸素または窒素を含み得る。ヒンジは、ＴｉＮｉによって作られ得、ここでは、チタンの配合は、約３０％〜７０％の間、または約４０％〜６０％の間、または約４５％〜５５％の間であり得る。ヒンジは、ＡｌＴｉから作られ得、ここでは、チタンの配合は、約３０％〜７０％の間、または約４０％〜６０％の間、または約４５％〜５５％の間であり得る。「非接触」マイクロミラーに対する適当なヒンジ材料は、窒化チタンアルミニウムを含み得、これは、約０〜１０％の間、または０〜１５％の間であり、アルミニウムおよびチタンに対する組成とほぼ等しい窒素の組成を有する。窒化チタンアルミニウムから成るヒンジは、他の素子は実質的に含んでおらず（この文脈において、実質的に含んでいないとは、他の素子が、製造工程で一定の痕跡量として存在し得ることを意味する）、特に、酸素は実質的に含み得ない。

図１２を参照すると、３つの異なる材料である、材料１、材料２および材料３から作られたヒンジを有するミラープレートの傾斜角は、最初に同一の曲線１２０５に沿って徐々に上昇し得る。材料１、材料２および材料３から作られたヒンジに対するスナップ電圧のＶ_{ｓｎａｐ１}、Ｖ_{ｓｎａｐ２}およびＶ_{ｓｎａｐ３}は、異なり、Ｖ_{ｓｎａｐ１}＜Ｖ_{ｓｎａｐ２}＜Ｖ_{ｓｎａｐ３}となり得る。ヒンジ材料に対応する非接触の傾斜角θ_ｏｎ１、θ_ｏｎ２およびθ_ｏｎ３に対する動作可能な窓もまた異なり、θ_ｏｎ１＜θ_ｏｎ２＜θ_ｏｎ３である。図１２に図示された実施例において、材料３は、非接触ミラーのためのヒンジ材料としてより好まれる。なぜなら、ミラープレートの傾斜および無傾斜位置に対して最も大きな角度範囲を提供し得るからである。例えば、材料３で作られたヒンジは、無傾斜位置に対して２度、３度または４度の第１の向き、またはそれぞれの角度より上の第１の向きからミラープレートを弾性的に復元し得る。

上述のマイクロミラーは、基板上の傾斜可能なミラープレートの簡素化された構造および傾斜可能なミラープレートを駆動するための方法を提供する。傾斜可能なミラープレートは、コントローラによって提供された電気信号に応答して、所定の角度に傾斜および保持され得る。傾斜したミラープレートを停止させ、ミラープレートの傾斜角を定義するための機械的な停止部は、基板上またはミラープレート上には何も必要ではない。機械的な停止部をなくすことは、マイクロミラーデバイスを簡素化するだけではなく、一部のミラーデバイスにおいてミラープレートと機械的な停止部との間に存在することが公知の静止摩擦を除去する。本明細書中に記述のミラープレートデバイスは、他のデバイス中のミラープレートよりも、より狭い角度に傾斜し得る。より少ないミラープレートの傾斜は、ミラープレートが回転するヒンジに対して、より少ない歪みで済み得る。そのようなデバイスは、機械的な故障をする可能性は、より少なくあり得る。従って、デバイスの実用的な寿命は、より長くあり得る。さらに、ヒンジは、従来のデバイスほど回転することを要求されないので、ヒンジの構成に対して、遥かに多様な材料が選択され得る。その上に、ミラープレートは、より小さな角度の偏向を受けるので、より高い周波数で動作し得る。

ここで図１３を参照すると、他の実施形態において、ミラープレート１１０の傾斜角は、ヒンジ１６３ａまたは１６３ｂの剛性に依存する。「ハードヒンジ」と分類された曲線は、比較的に高い剛性を有するヒンジに対する駆動電圧に対する、ミラーの傾斜角の応答である。応答曲線は、低駆動電圧においておおよそ直線である。駆動電圧が、スナップ電圧Ｖ_{ｓｎａｐ２}に接近するときに、ミラープレートは、スナップし、傾斜角θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}において、偏向点を形成する。θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}の上で、ミラーの傾斜角は、駆動電圧の僅かな増加を伴って急速に増加する。ミラープレートは、θ_{ｅｌａｓｉｔｉｃ}以下の傾斜角のミラーにおいて、弾性的に復元され得る、傾斜角の範囲は、θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}とθ_{ｅｌａｓｉｔｉｃ}との間を含む。ミラーの傾斜角が、θ_{ｅｌａｓｉｔｉｃ}を超えるときには、ヒンジは、可塑性となり、ミラープレートは、ヒンジの弾性復元力によっては無傾斜位置に復元され得ない。外力、例えば静電気力が、ミラープレートを無傾斜位置に復元するために要求される。Ｖ_{ｓｎａｐ２}に対する例示的な電圧は、約１５ボルトであり得る。θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}は、約４度であり得る。

「ソフトヒンジ」に分類される曲線は、比較的低い剛性を有するヒンジに対する、ミラーの傾斜角の応答である。応答曲線は、低駆動電圧においておおよそ直線である。駆動電圧が、傾斜角θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}においてＶ_{ｓｎａｐ１}に接近するときに、ミラープレートはスナップする。θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}の上では、ミラーの傾斜角は、駆動電圧を伴って急速に増加する。ミラープレートは、θ_{ｅｌａｓｉｔｉｃ}未満（θ_{ｄｅｆｌｅｃｔ}より上）のミラーの傾斜角で、弾性的に復元され得る。ミラーの傾斜角が、θ_{ｅｌａｓｉｔｉｃ}を超えるときには、ヒンジは、可塑性となり、弾性復元力を用いてミラープレートの傾斜を復元し得ない。ソフトヒンジに対する例示的なスナップ電圧Ｖ_{ｓｎａｐ１}は、１０ボルト未満、または５ボルト、またはそれ以下であり得る。

ミラープレート１１０におけるヒンジ１６３ａまたは１６３ｂの剛性は、いくつかの要因例えば、ヒンジの寸法および弾性係数に依存する。図１４を参照すると、ヒンジ１６３ａは、長さ「Ｌ」、幅「ｂ」および厚さ「ａ」を有する細長い形状において形成され得る。ヒンジは、より長い長さ「Ｌ」、より狭い幅「ｂ」、およびより薄い厚さ「ａ」でより少ない剛性を有する。例えば、ソフトヒンジ１６３ａは、約３０〜８００ナノメートルの間、約６００〜８００ナノメートルの間、または約７００ナノメートル未満、６００ナノメートル未満、または５００ナノメートル未満の範囲の厚さ「ａ」、約５０〜１０００ナノメートルの範囲の幅「ｂ」、および約１〜１０ミクロンの範囲の長さ「Ｌ」を有し得る。さらに、ヒンジ材料のヤング係数は、好適には１５０ＧＰａ未満に保持されることによって、ヒンジの剛性を下げる。適当な材料は、チタン（約１１０ＧＰａのヤング係数）および窒化チタン（１２０〜１４６ＧＰａの範囲のヤング係数）を含み得る。ヒンジの剛性は、１００ＧＰａ未満および５ＧＰａより上のヤング係数を有するヒンジ材料を選択することによって、さらに下げられ得る。例えば、ヒンジに適当な材料は、約７０ＧＰａのヤング係数を有するアルミニウムを含み得る。

開示の方法は、マイクロミラーの他の構成と互換性があることが理解される。上述されたものとは異なる材料が、ミラープレートの様々な層、ヒンジ接続柱、ヒンジ支持柱、電極および電気的な停止部を形成するために用いられ得る。電極は、図において示されるように、いくつかのステップを含み得、または導電材料の単一層を含み得る。ミラープレートは、異なる形状、例えば、長方形、六角形、ひし形または八角形などであり得る。駆動電圧パルスは、異なる波長および極性を含み得る。表示システムは、本発明の精神から逸脱することなく、光路のための異なる構成および設計を含み得る。本明細書中に数値の範囲が示されるあらゆる場合において、数値の端点は、示された数字または示された数字のおおよそを指し得る。すなわち、組成物が、Ｘ％およびＹ％の間、またはＸ％からＹ％の構成要素を有するときには、それは、Ｘ％およびＹ％の間、または約Ｘ％から約Ｙ％の範囲における構成要素を有し得る。

図１は、マイクロミラーの斜視図である。 図２は、図１のマイクロミラーの分解図である。 図３は、図１のマイクロミラーの側面図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、「オン」方向および「オフ」方向のそれぞれにおける、傾斜したミラープレートによる入射光の反射を例示する。 図５は、傾斜したミラープレートによる、レーザーによって発光された入射光の反射を例示する。 図６は、傾斜したミラープレートによる、発光ダイオードによって発光された入射光の反射を例示する。 図７は、マイクロミラーを含む画像投影システムの配列を例示する。 図８は、駆動電圧パルスの時間のプロファイルおよびミラープレートにおける結果の傾斜角を例示する。 図９は、接触および非接触マイクロミラーに対する駆動電圧の関数として、マイクロミラーの傾斜角の応答曲線を例示する。 図１０は、非接触および接触マイクロミラーに適当な、ヒンジ材料の応力と変形の応答を例示する。 図１１は、異なる材料の組成物を有するヒンジの構成要素に対する正規化された駆動電圧の関数として、ミラープレートの傾斜角の応答曲線を例示するグラフである。 図１２は、異なる材料の組成物を有するヒンジの構成要素に対する駆動電圧の関数として、ミラープレートの傾斜角の応答曲線を例示するグラフである。 図１３は、異なる剛性を有するヒンジの構成要素に対する駆動電圧の関数として、ミラーとプレートとの傾斜角の応答曲線を例示するグラフである。 図１４は、図面のマイクロミラーにおける細長いヒンジの拡大図である。

符号の説明

１００ マイクロミラー
１１０ ミラープレート
１２０ａ、１２０ｂ ヒンジ構成要素
１２１ａ、１２１ｂ ヒンジ支柱
３００ 基板
３５０ コントローラ

Claims (25)

1. マイクロミラーデバイスであって、
   基板によって支持されたヒンジと、
   該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートと
   を備え、
   該ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、８００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含み、
   該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ミラープレートに弾性復元力を生成するように該ヒンジが構成されている、
   マイクロミラーデバイス。
2. 前記弾性復元力を克服して、前記ミラープレートを前記無傾斜位置から傾斜位置に傾斜させるように静電気力を生成するように構成されたコントローラをさらに備えている、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
3. 前記コントローラは、前記弾性復元力に対抗して、前記ミラープレートを前記傾斜位置で保持するように静電気力を生成するように構成される、請求項２に記載のマイクロミラーデバイス。
4. 前記静電気力が、減少または除去された後に、前記ミラープレートを前記無傾斜位置に弾性的に復元するように前記ヒンジが構成されている、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
5. 前記基板上に電極をさらに備えており、前記コントローラは、前記静電気力を生成するように該電極に電圧を印加するように構成されている、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
6. 前記ミラープレートは、前記無傾斜位置にあるときには、前記基板の上部面に実質的に平行である、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
7. 前記傾斜位置での前記傾斜角は、前記無傾斜位置に対して３度またはそれより上である、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
8. 前記傾斜位置での前記傾斜角は、前記無傾斜位置に対して４度またはそれより上である、請求項７に記載のマイクロミラーデバイス。
9. 前記ヒンジは、２ミクロンより長い長さを含む、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
10. 前記ヒンジは、３００ナノメートル未満の厚さと、７００ナノメートル未満の幅とを含む、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
11. 前記ヒンジは、１５０ＧＰａより低いヤング係数を有する、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
12. 前記ヒンジは、１００ＧＰａよりも低いヤング係数を有する、請求項９に記載のマイクロミラーデバイス。
13. 前記ヒンジは、アルミニウムを含む、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
14. 前記ヒンジは、窒化チタンを含む、請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
15. マイクロミラーデバイスであって、
    基板によって支持されたヒンジと、
    該ヒンジに対して傾斜可能なミラープレートと
    を備えており、
    該ヒンジは、１５０ＧＰａ未満のヤング係数を有し、
    該ミラープレートが、無傾斜位置から離れるように傾斜するときには、該ミラープレートに弾性復元力を生成するように該ヒンジが構成されている、
    マイクロミラーデバイス。
16. 前記弾性復元力を克服して、前記ミラープレートを前記無傾斜位置から傾斜位置に傾斜させるように静電気力を生成するように構成されたコントローラをさらに備えている、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
17. 前記コントローラは、前記弾性復元力に対抗して、前記ミラープレートを前記傾斜位置で保持するように静電気力を生成するように構成されている、請求項１６に記載のマイクロミラーデバイス。
18. 前記静電気力が、減少または除去された後に、前記ミラープレートを前記無傾斜位置に弾性的に復元するように前記ヒンジが構成されている、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
19. 前記基板上に電極をさらに備えており、前記コントローラは、前記静電気力を生成するように該電極に電圧を印加するように構成されている、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
20. 前記ミラープレートは、前記無傾斜位置にあるときには、前記基板の上部面に実質的に平行である、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
21. 前記傾斜位置での前記傾斜角は、前記無傾斜位置に対して３度またはそれより上である、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
22. 前記ヒンジは、１ミクロンより長い長さと、５００ナノメートル未満の厚さと、１０００ナノメートル未満の幅とを含む、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
23. 前記ヒンジは、２ミクロンより長い長さと、３００ナノメートル未満の厚さと、７００ナノメートル未満の幅とを含む、請求項２２に記載のマイクロミラーデバイス。
24. 前記ヒンジは、１００ＧＰａ未満のヤング係数を有する、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。
25. 前記ヒンジは、アルミニウムまたは窒化チタンを含む、請求項１５に記載のマイクロミラーデバイス。

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