JP2009223226A - Polymer mems actuator, optical switch, and method for manufacturing polymer mems actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン基板上にポリマー材料を用いて、電気で駆動可能な微小機械構造であるMEMS(マイクロ電子機械システム)を形成したポリマーMEMSアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーMEMSアクチュエータの製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer MEMS actuator, an optical switch, and a method for manufacturing a polymer MEMS actuator in which a MEMS (microelectromechanical system), which is a micromechanical structure that can be electrically driven, is formed on a silicon substrate using a polymer material.
MEMS(Micro Electro Mechanical System)は、電気と機械を融合した超小型システム(微小機械構造)であり、半導体(LSI)の製造技術を応用した微細加工技術で製造される。LSIがシリコン基板上に電子回路を集積させるのに対し、MEMSはシリコン基板上に微小機械構造を造りこむ技術である。このMEMS技術は、微細加工・組み合わせ技術の集大成で、世の中のあらゆる分野の既存製品の超小型化に貢献するため、潜在的に応用可能な製品は無数にあると言われている。 MEMS (Micro Electro Mechanical System) is an ultra-compact system (micro-mechanical structure) that combines electricity and machine, and is manufactured by a microfabrication technology that applies semiconductor (LSI) manufacturing technology. While LSIs integrate electronic circuits on a silicon substrate, MEMS is a technique for creating a micromechanical structure on a silicon substrate. This MEMS technology is a culmination of microfabrication / combination technologies, and contributes to the miniaturization of existing products in every field of the world. Therefore, it is said that there are countless potentially applicable products.
MEMS技術は、例えばシリコン基板上にポリマー等の絶縁材料によって複数の光導波路がマトリクス状に形成された光通信デバイスに、光スイッチを形成する場合に用いられている。その光スイッチは、各光導波路に伝送される光を通過又は反射させて伝送経路を変更する制御を行うように鏡を駆動するものであり、MEMSアクチュエータによって実現されている。最近では、MEMSアクチュエータを、特許文献1に記載のように、シリコン基板上にポリマー等の絶縁材料で形成する技術がある。 The MEMS technology is used, for example, when an optical switch is formed in an optical communication device in which a plurality of optical waveguides are formed in a matrix by an insulating material such as a polymer on a silicon substrate. The optical switch drives a mirror so as to perform control to change the transmission path by passing or reflecting light transmitted to each optical waveguide, and is realized by a MEMS actuator. Recently, as disclosed in Patent Document 1, there is a technique for forming a MEMS actuator with an insulating material such as a polymer on a silicon substrate.
この内容として、基板上に固定された固定コームと、基板から分離された可動コームと、基板上に固定されたポストと、基板から分離された状態でポストに連結されて可動コームを可動可能に支持するバネと、を備えるMEMSコームアクチュエータであることが開示されている。更に、前記固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネは基板上に形成された絶縁物質層に構成され、固定コーム及び可動コームの表面には各々導電性金属コーティング膜が形成される。 This includes a fixed comb fixed on the substrate, a movable comb separated from the substrate, a post fixed on the substrate, and a movable comb that is connected to the post while being separated from the substrate. A MEMS comb actuator comprising a supporting spring. Further, the fixed comb, the movable comb, the post, and the spring are formed of an insulating material layer formed on the substrate, and conductive metal coating films are formed on the surfaces of the fixed comb and the movable comb, respectively.
そして、基板を備える段階と、基板上にシリカまたはポリマーよりなる所定厚さの絶縁物質層を形成する段階と、絶縁物質層及び基板を選択的にエッチングして絶縁物質層に固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネを形成し、固定コーム及び可動コームの表面に各々導電性金属コーティング膜を形成する段階と、を備えるMEMSコームアクチュエータの製造方法であることが開示されている。また、固定コームと可動コームは、双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されている。
ところで、特許文献1においては、MEMSアクチュエータの固定コームと可動コームを絶縁物質層で形成するが、それら形状が双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されているので、構造が複雑であり、また、絶縁物質層をエッチングして固定コームと可動コーム並びにポスト及びバネを形成しなければならない。つまり、アクチュエータの構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層をエッチングして形成しなければならないので、その製造工程及び工数が嵩むという課題があった。 By the way, in Patent Document 1, the fixed comb and the movable comb of the MEMS actuator are formed of an insulating material layer, and both of the shapes are comb-toothed, and the uneven portions of the teeth are mutually connected, and the protruding portion is in the recessed portion through the gap. Due to the intricately opposed arrangement, the structure is complex and the insulating material layer must be etched to form fixed and movable combs and posts and springs. In other words, because the actuator structure is complicated, it is easy to break or break down, and the complicated structure must be formed by etching the insulating material layer, which increases the manufacturing process and man-hours. .
前記課題を解決するために、本発明は、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention aims to make it difficult to break or break down by realizing an actuator with a simple structure using a polymer material, and to reduce its manufacturing process and man-hours. .
上記目的を達成するために、発明者は、基板上にポリマー材料を用いて、長手状の一端が固定され、他端が基板に対して垂直方向に移動可能な片持ち梁構造で且つ単純なバイメタルに類似する構造であるポリマーMEMSアクチュエータを作製することとした。 In order to achieve the above object, the inventor uses a polymer material on a substrate, and has a simple cantilever structure in which a longitudinal end is fixed and the other end is movable in a direction perpendicular to the substrate. A polymer MEMS actuator having a structure similar to a bimetal was prepared.
具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるMEMSを形成して成るポリマーMEMSアクチュエータであって、前記基板上に一端部が固定され、この固定された一端部に対して長手方向で対向する先端部が、当該基板の上方で同基板の上面に対して垂直な方向に可動できるように配設された長手板状のポリマー材料によるポリマー可動部と、前記ポリマー可動部と概略同形状を成して当該ポリマー可動部の片面に固着され、当該ポリマー可動部と線膨張係数が異なると共に通電にて発熱する金属ヒータと、前記ポリマー可動部又は前記金属ヒータの先端部に固定された光を反射する鏡と、を備えたことを特徴とするポリマーMEMSアクチュエータである。 Specifically, a polymer MEMS actuator formed by forming a MEMS, which is a micromechanical structure that can be electrically driven by a polymer material, on a substrate, one end of which is fixed on the substrate, and the fixed one end A polymer movable portion made of a long plate-like polymer material, wherein a tip portion facing in the longitudinal direction is movable in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate above the substrate, and the polymer A metal heater that has substantially the same shape as the movable part and is fixed to one surface of the polymer movable part, has a linear expansion coefficient different from that of the polymer movable part, and generates heat when energized, and the tip of the polymer movable part or the metal heater A polymer MEMS actuator comprising a mirror that reflects light fixed to the unit.
この構成によれば、ポリマーMEMSアクチュエータを、ポリマー材料を用いて単純なバイメタルに類似する構造で実現したので、従来の複雑な構造のものと比較して破損や故障し難くなる。 According to this configuration, since the polymer MEMS actuator is realized with a structure similar to a simple bimetal using a polymer material, it is less likely to be damaged or broken compared to a conventional complex structure.
また、具体的には、基板上にポリマー材料によって光を伝送する光導波路が縦横で交差するマトリクス状に形成されており、これら光導波路に伝送される光を該交差位置で通過又は反射させて伝送経路を変えるスイッチング制御を行う光スイッチにおいて、前記交差位置に、請求項1に記載のポリマーMEMSアクチュエータを配設し、このポリマーMEMSアクチュエータの前記金属ヒータへの通電の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチである。 Specifically, optical waveguides that transmit light by a polymer material are formed on a substrate in a matrix shape that intersects vertically and horizontally, and light transmitted to these optical waveguides is allowed to pass or reflect at the intersecting positions. In an optical switch that performs switching control for changing a transmission path, the polymer MEMS actuator according to claim 1 is disposed at the intersection, and the presence or absence of energization of the metal heater of the polymer MEMS actuator is controlled. An optical switch characterized by performing switching control.
この構成によれば、ポリマーMEMSアクチュエータもポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路の本数が多くてもポリマーMEMSアクチュエータを集積化することが可能となる。 According to this configuration, since the polymer MEMS actuator can also be formed of a polymer material, it can be easily formed and disposed at the intersection of the optical waveguides. Even if the number of vertical and horizontal optical waveguides is large, the polymer MEMS can be provided. The actuator can be integrated.
更に、具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるMEMSを形成するポリマーMEMSアクチュエータの製造方法であって、前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部を含む前記基板上に金属膜を形成し、この金属膜を、レジストパターン膜を利用したエッチングによって前記ポリマー可動部にこれと略同形で固着した形状に成形し、これを金属ヒータとする金属ヒータ形成工程と、前記金属ヒータ形成工程を経た後に、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、を順に備えるポリマーMEMSアクチュエータの製造方法である。 More specifically, a method for manufacturing a polymer MEMS actuator for forming a MEMS, which is a micromechanical structure that can be electrically driven by a polymer material, on a substrate, the resist layer being formed on the substrate, and then exposure and development. The resist layer is formed into a convex shape by the above, a sacrificial layer forming step using the resist layer as a sacrificial layer, and a negative polymer material is applied onto the substrate including the sacrificial layer formed in the sacrificial layer forming step to form a polymer Forming a layer, and forming the polymer layer by exposure and development into a shape extending in a longitudinal shape from a part on the substrate to the upper surface of the sacrificial layer, and using this as a polymer movable part; A metal film is formed on the substrate including the polymer movable part formed in the movable part forming step, and the metal film is etched by using a resist pattern film. A metal heater forming step using the metal heater as a metal heater, and a mirror surface that reflects light to the tip of the polymer moving portion after the metal heater forming step. Is a mirror surface forming step of forming a polymer surface, and a removal step of removing the sacrificial layer after the mirror surface is formed in the mirror surface forming step.
この方法によれば、ポリマー可動部の下方の犠牲層が除去されることで、ポリマー可動部の一端部のみが基板上に固定された状態、つまり片持ち梁構造となるので、その固定された一端部と長手方向で対向し、鏡面の形成された先端部が、基板の上方で同基板の上面に対して垂直な方向に可動できるアクチュエータを形成することができる。 According to this method, the sacrificial layer below the polymer movable part is removed, so that only one end of the polymer movable part is fixed on the substrate, that is, a cantilever structure is formed. It is possible to form an actuator that is opposed to the one end portion in the longitudinal direction and in which a tip portion having a mirror surface is movable in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate above the substrate.
本発明のポリマーMEMSアクチュエータの製造方法は、前記金属ヒータ形成工程で成形された金属膜は、前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部と線膨張係数が異なると共に通電にて発熱する金属材料が用いられていることが望ましい。 In the manufacturing method of the polymer MEMS actuator of the present invention, the metal film formed in the metal heater forming step has a linear expansion coefficient different from that of the polymer movable portion formed in the movable portion forming step, and generates heat when energized. Is preferably used.
この方法によれば、ポリマー可動部にこれと線膨張係数が異なる金属膜が固着されてバイメタルに類似する構造となっているので、その金属膜に通電して発熱させれば、双方が熱せられて線膨張係数の大きい方が小さい方よりも物理的に長く伸びる。従って、線膨張係数の大きい方から小さい方へ曲がる(移動する)ことになる。 According to this method, a metal film having a different linear expansion coefficient from the polymer moving part is fixed to the polymer movable part and has a structure similar to a bimetal. Therefore, if the metal film is energized to generate heat, both are heated. The one with a larger coefficient of linear expansion stretches physically longer than the one with a smaller coefficient of linear expansion. Therefore, it bends (moves) from the larger linear expansion coefficient to the smaller one.
本発明によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減するポリマーMEMSアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーMEMSアクチュエータの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a polymer MEMS actuator, an optical switch, and a polymer MEMS actuator that make it difficult to break or break down by realizing the actuator with a simple structure using a polymer material, and reduce the manufacturing process and man-hours of the actuator. A manufacturing method can be provided.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
図1は、本発明の実施形態に係るポリマーMEMSアクチュエータの構成を示す断面図である。本実施形態のポリマーMEMSアクチュエータ10は、シリコン基板11の上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるMEMSを有する構成を成している。このMEMSは、長手板状のポリマー材料によるポリマー可動部12と、このポリマー可動部12と概略同形状を成してその上面に固着された金属ヒータ13と、ポリマー可動部12及び金属ヒータ13の先端部に固定された光を反射する鏡面14aを表裏面に有する鏡14とを備えて構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a polymer MEMS actuator according to an embodiment of the present invention. The
更に詳細には、ポリマー可動部12は、この一端部がシリコン基板11の上面に固定され、この固定された一端部に対して長手方向で対向する先端部が、シリコン基板11の上方で同基板11の上面に対して垂直方向(以降、上下方向とも称す)に可動可能な片持ち梁構造に配設されている。またポリマー可動部12の厚さは、本例では5〜30μmとする。
More specifically, the polymer
金属ヒータ13は、線膨張係数が10−5程度であり、ポリマー可動部12を形成する10−4程度のポリマー材料よりも線膨張係数が小さく通電にて発熱するクロム(Cr)を用いて形成されており、クロムの膜厚は本例では50〜300nmであるとする。鏡14の高さは10〜200μmであるとする。
The
つまり、ポリマー可動部12と金属ヒータ13とはバイメタルに類似する構造となっており、金属ヒータ13に通電して発熱させれば、双方が熱せられ、線膨張係数の大きいポリマー可動部12が小さい金属ヒータ13よりも物理的に長く伸びる。これによって、ポリマー可動部12から金属ヒータ13の方へ力が加わって、矢印Y1で示す方向へ曲がって移動し、この移動に伴って鏡14も移動する。一方、通電を解除すれば金属ヒータ13及びポリマー可動部12が冷却されるので双方は元の位置に戻り、必然的に鏡14もに元の位置に戻る。
That is, the polymer
次に、このようなポリマーMEMSアクチュエータ10の製造方法を、図2〜図6を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing such a
最初に、図2(a)〜(c)に示す犠牲層形成工程において、(a)に示すように、シリコン基板11の上面にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布することによりポジ型のフォトレジスト層17−0を形成する。次に、(b)に示すように、フォトレジスト層17−0の上方に所定のマスクパターン部18aを有するフォトマスク18を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク18の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部18a以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、(c)に示すように、現像を行うとフォトレジスト層17−0の紫外線照射部分以外が凸状に残る。これが犠牲層17となる。
First, in the sacrificial layer forming process shown in FIGS. 2A to 2C, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide material is applied to the upper surface of the
次に、図3(d)〜(f)に示す可動部形成工程において、(d)に示すように、犠牲層17を含むシリコン基板11の上全面にネガ型のポリマー材料(SU8:化学増幅型ネガレジスト)を所定の厚さ塗布してポリマー層12−0を形成する。次に、(e)に示すように、ポリマー層12−0の上方に所定のマスクパターン部21aを有するフォトマスク21を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク21の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部21a以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、(f)に示すように、現像を行うとネガ型なのでポリマー層12−0の紫外線照射部分が残る。即ち、シリコン基板11の一部から犠牲層17の上面に架かって長手状に延びる形状に残る。これがポリマー可動部12となる。
Next, in the movable part forming step shown in FIGS. 3D to 3F, as shown in FIG. 3D, a negative polymer material (SU8: chemical amplification) is formed on the entire upper surface of the
次に、図4(g)〜(j)に示す金属ヒータ形成工程において、(g)に示すように、ポリマー可動部12を含むシリコン基板11の上にクロムを蒸着して金属膜13−0を形成する。次に、(h)に示すように、金属膜13−0の上にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布してレジスト層23−0を形成し、(i)に示すように、そのレジスト層23−0を露光及び現像して所定形状にパターニングする。これによって形成されたレジストパターン膜23は、金属膜13−0を介した下方のポリマー可動部12に対して一端側がやや長めの概略相似形状を成す。次に、(j)に示すように、そのレジストパターン膜23を利用して金属エッチングを行った後、レジストパターン膜23を除去すると、ポリマー可動部12にこれと略同形で固着した金属ヒータ13が残る。
Next, in the metal heater forming step shown in FIGS. 4G to 4J, as shown in FIG. 4G, chromium is vapor-deposited on the
次に、図5(k)〜(o)に示す鏡面形成工程において、(k)に示すように、金属ヒータ13の形成後の全面にミラー層14−0を成膜し、(l)ではそのミラー層14−0の上に、ミラー形成用のマスクパターン部25aを有するフォトマスク25を配置し、複数の矢印で示すように、そのフォトマスク25の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部25a以外の部分に紫外線が照射されて露光される。次に、(m)に示すように、現像を行い、鏡のベースとなるミラー構造14bを形成する。(n)では、その形成したミラー構造14bに金属膜を選択的に形成するために、ミラー構造14bの形成後の全面をマスキング用材料15で覆い、(o)でミラー構造14bの部分のみのマスキング用材料15を除去するためのフォトマスク25を用いて露光を行う。
Next, in the mirror surface forming step shown in FIGS. 5 (k) to 5 (o), as shown in (k), a mirror layer 14-0 is formed on the entire surface after the
次に、図6(p)〜(s)に示す鏡面形成工程及び除去工程において、(p)に示すように、露光を行った部分のマスキング用材料15を現像で除去することによって、ミラー構造14bのみが露出されたマスキングとなる。次に、(q)に示すように、ミラー構造14bが露出した基板上全面に反射膜となる金属膜14a−0を形成した後、(r)に示すように、ミラー構造14b以外の金属膜14a−0を除去して鏡面14aを形成する。これによって鏡面14aを有する鏡14が形成される。最後に、(s)に示すように、犠牲層17を除去する。
Next, in the mirror surface forming step and the removing step shown in FIGS. 6 (p) to (s), as shown in (p), the masking
このような本実施形態のポリマーMEMSアクチュエータの製造方法によれば、最後に、ポリマー可動部12の下方の犠牲層17が除去されることで、ポリマー可動部12の一端部のみがシリコン基板11の上に固定された状態、つまり片持ち梁構造となる。つまり、その固定された一端部と長手方向で対向し、鏡14の形成された先端部が、シリコン基板11の上方で同基板上面に対して垂直な方向に可動できるポリマーMEMSアクチュエータ10を形成することができる。
According to the method for manufacturing the polymer MEMS actuator of this embodiment, finally, the
このポリマーMEMSアクチュエータ10は、ポリマー可動部12と金属ヒータ13とを固着した簡単なバイメタルに類似する構造なので、従来のアクチュエータのように構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層のエッチングで形成することによる製造工程及び工数の嵩みの問題が無くなる。
Since this
換言すれば、本実施形態のポリマーMEMSアクチュエータ10によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することができるので、破損や故障し難くなり、また、その製造工程及び工数を削減することができる。
In other words, according to the
なお、上述のポリマーMEMSアクチュエータ10は、図1に矢印Y1で示したように、ポリマー可動部12に固着された金属ヒータ13への通電オン時に上へ動作し、オフ時に逆方向に動作して元の位置に戻る構造であった。しかし、金属ヒータ13とポリマー可動部12の位置を逆に製造すれば、通電時に上から下へ動作し、未通電時に逆方向に動作して元の位置に戻る構造とすることができる。
The
次に、図7に示すように、このようなポリマーMEMSアクチュエータ10を用いた光スイッチ30を説明する。
Next, as shown in FIG. 7, an optical switch 30 using such a
この光スイッチ30は、シリコン基板31の上にポリマー材料によって、光を伝送する光導波路32,33が縦横に交差するマトリクス状に形成されている。より詳述すると、シリコン基板31の縦方向の端面間に4本の光導波路32が一定隣接間隔で形成され、また、横方向の端面間に4本の光導波路33が一定隣接間隔で形成されており、各々の光導波路32,33が直交状態に交差するマトリクス状に配設されている。但し、光導波路32,33を形成するポリマー材料には、光伝送損失が低損失となる全フッ素化ポリイミド等が用いられているとする。
The optical switch 30 is formed on a
縦横の各光導波路32,33の交差位置には、光導波路32,33に対して45度の角度で溝34が形成されており、溝34には鏡14が移動自在に挿入された状態でポリマーMEMSアクチュエータ10が配設されている。溝34は、縦横双方の光導波路32,33を所定間隙で切断した状態で形成されている。但し、その溝34の間隙は、各光導波路32,33の光伝送に全く影響を与えない寸法としてある。
A
このような溝34に挿入されている鏡14は、光スイッチ30のスイッチング制御手段(図示せず)で金属ヒータ13への通電、未通電が制御されることによって、通電時に図1に矢印Y1で示したように上方に移動して上方に位置する状態となり、未通電時に元の位置に戻る状態となる。また、金属ヒータ13が未通電時は、鏡14が各光導波路32,33の伝送光を溝34の部分で反射する反射位置となっている。通電時は、鏡14が上方に移動して各光導波路32,33の伝送光を溝34の部分で通過する通過位置となる。このようなスイッチング制御は、光スイッチ30に配設された個々のポリマーMEMSアクチュエータ10に対して行われるようになっている。
The
次に、光スイッチ30の動作を説明する。例えば、図7の各々のポリマーMEMSアクチュエータ10の内、右上角の1つのポリマーMEMSアクチュエータ10の金属ヒータ13が未通電とされており、これによって鏡14が反射位置に在るとする。この場合に、矢印Y2で示すように、光が縦方向の光導波路32に入力されると、その光は光導波路32を伝送し、鏡14で90度反射されて横方向の光導波路33へ伝送ルートを変え、矢印Y3で示す方向に出力される。
Next, the operation of the optical switch 30 will be described. For example, it is assumed that the
一方、上記の右上角の1つのポリマーMEMSアクチュエータ10のみの金属ヒータ13に通電され、これによって鏡14が通過位置に在るとする。この場合は、矢印Y2で示すように縦方向の光導波路32に入力された光は、最初の溝34の部分は通過し、次の縦方向の光導波路32を伝送する。この伝送光は、右上角の直下のポリマーMEMSアクチュエータ10の鏡14で90度反射されて横方向の光導波路33へ伝送ルートを変え、矢印Y4で示す方向に出力される。
On the other hand, it is assumed that the
このように、光スイッチ30において、縦横の光導波路32,33の交差位置にポリマーMEMSアクチュエータ10を配設して光伝送ルート変更のスイッチング制御が行えるようにした。光スイッチ30は、シリコン基板11の上にポリマー材料でマトリクス状に縦横の光導波路32,33を形成するが、ポリマーMEMSアクチュエータ10もポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路32,33の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路32,33の本数が多くてもポリマーMEMSアクチュエータ10を集積化することが可能となる。
Thus, in the optical switch 30, the
また、上記では、金属ヒータ13への未通電時は、鏡14が反射位置、通電時は通過位置に移動して伝送光を通過状態としたが、これを逆にして、未通電時は、鏡14が各光導波路32,33の通過位置に在って伝送光を通過状態、通電時は、鏡14が反射位置に移動して伝送光を反射状態とするようにしてもよい。上記実施形態では、各光導波路32,33が直交に交差していることを前提としたが、斜めに交差していてもよい。この場合、伝送光は交差する角度で反射する。
In the above description, when the
本発明のポリマーMEMSアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーMEMSアクチュエータの製造方法は、加速度により構造体がひずみ、静電容量が変わることで加速度を検知する加速度センサ、薄い膜が圧力差によりたわみ、それを静電容量変化としてとらえる事で圧力を検知する圧力センサ、入射した光の反射の有無を可動ミラーで制御する構成のスイッチ、センサ及びディスプレイ等に使われる光MEMSスキャナ、多数の微小鏡(マイクロミラー)を平面に配列した表示素子であるDMD(デジタルマイクロディスプレイ)等に適用することができる。 The polymer MEMS actuator, the optical switch, and the manufacturing method of the polymer MEMS actuator according to the present invention include an acceleration sensor that detects acceleration by distorting a structure due to acceleration and changing capacitance, and a thin film that bends due to a pressure difference. A pressure sensor that detects pressure by detecting the change in capacitance, a switch that controls the presence or absence of reflection of incident light with a movable mirror, an optical MEMS scanner used in sensors and displays, and many micromirrors The present invention can be applied to a DMD (digital micro display) which is a display element arranged in a plane.
10:ポリマーMEMSアクチュエータ
11,31:シリコン基板
12:ポリマー可動部
12−0:ポリマー層
13:金属ヒータ
13−0:金属膜
14:鏡
14a:鏡面
14a−0:金属膜
14b:ミラー構造
14−0:ミラー層
15:マスキング用材料
17:犠牲層
17−0:フォトレジスト層(ポジ型)
18,21,25:フォトマスク
18a,21a,25a:マスクパターン部
23:レジストパターン膜
23−0:レジスト層
30:光スイッチ
32,33:光導波路
34:溝
10:
18, 21, 25:
Claims (4)
前記基板上に一端部が固定され、この固定された一端部に対して長手方向で対向する先端部が、当該基板の上方で同基板の上面に対して垂直な方向に可動できるように配設された長手板状のポリマー材料によるポリマー可動部と、
前記ポリマー可動部と概略同形状を成して当該ポリマー可動部の片面に固着され、当該ポリマー可動部と線膨張係数が異なると共に通電にて発熱する金属ヒータと、
前記ポリマー可動部又は前記金属ヒータの先端部に固定された光を反射する鏡と、
を備えたことを特徴とするポリマーMEMSアクチュエータ。 A polymer MEMS actuator formed on a substrate by forming MEMS, which is a micromechanical structure that can be electrically driven by a polymer material,
One end portion is fixed on the substrate, and a tip portion facing the fixed one end portion in the longitudinal direction is arranged to be movable in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate above the substrate. A movable polymer portion made of a long plate-shaped polymer material,
A metal heater that has substantially the same shape as the polymer movable part and is fixed to one surface of the polymer movable part, and has a linear expansion coefficient different from that of the polymer movable part and generates heat when energized;
A mirror that reflects light fixed to a tip of the polymer movable part or the metal heater;
A polymer MEMS actuator comprising:
前記交差位置に、請求項1に記載のポリマーMEMSアクチュエータを配設し、このポリマーMEMSアクチュエータの前記金属ヒータへの通電の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチ。 Optical waveguides that transmit light by a polymer material on the substrate are formed in a matrix shape that intersects vertically and horizontally, and switching control that changes the transmission path by passing or reflecting the light transmitted to these optical waveguides at the intersecting position is performed. In the optical switch to perform
An optical switch, wherein the polymer MEMS actuator according to claim 1 is disposed at the intersection position, and the switching control is performed by controlling whether or not the metal heater of the polymer MEMS actuator is energized.
前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、
前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、
前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部を含む前記基板上に金属膜を形成し、この金属膜を、レジストパターン膜を利用したエッチングによって前記ポリマー可動部にこれと略同形で固着した形状に成形し、これを金属ヒータとする金属ヒータ形成工程と、
前記金属ヒータ形成工程を経た後に、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、
前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、
を順に備えるポリマーMEMSアクチュエータの製造方法。 A method of manufacturing a polymer MEMS actuator for forming a MEMS, which is a micromechanical structure that can be electrically driven by a polymer material on a substrate,
After forming a resist layer on the substrate, the resist layer is formed into a convex shape by exposure and development, and a sacrificial layer forming step using this as a sacrificial layer;
A negative polymer material is applied on the substrate including the sacrificial layer formed in the sacrificial layer forming step to form a polymer layer, and the polymer layer is exposed and developed to expose the sacrificial portion from a part on the substrate. A movable part forming step that is formed into a shape extending in a longitudinal shape over the upper surface of the layer, and this is a polymer movable part,
A shape in which a metal film is formed on the substrate including the polymer movable part formed in the movable part forming step, and the metal film is fixed to the polymer movable part in substantially the same shape by etching using a resist pattern film. Forming a metal heater, and using this as a metal heater,
After passing through the metal heater forming step, a mirror surface forming step of forming a mirror surface that reflects light on the tip of the polymer movable portion;
A removal step of removing the sacrificial layer after the mirror surface formation in the mirror surface formation step;
The manufacturing method of the polymer MEMS actuator provided with these in order.
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