JP2009539622A - マイクロメカニカル素子装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロ光学素子、好ましくは、それぞれがスプリング素子によって保持されたマイクロ光学素子の装置に関する。これらマイクロ光学素子は、静電力によって回転軸線の周りに旋回または並進変位される。本発明の目的は、度々再較正せずに長期間に亘って変動なく作動することができるマイクロ光学素子装置を提供することにある。本発明に係るマイクロ光学素子では、電磁放射が直接入射できない側であるマイクロ光学素子の下方に電極が配置される。それぞれの電極は、少なくとも二つのマイクロ光学素子に組み込まれるようにされている。これによって、電極に組み込まれたマイクロ光学素子を、静電力効果によって変位させることができる。このためには、電極とマイクロ光学素子との間の適切な電圧差を設定することだけでよい。
このため、電極は隣接するマイクロ光学素子のギャップの領域に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロメカニカル素子装置、好ましくは、それぞれがスプリング素子によって保持されるマイクロ光学素子の配列に関するものである。この場合、これらマイクロメカニカル素子を、弾性力によって回転軸線の周りに、旋回し、または並進移動させることができる。

半導体構造物の製造のための画像を投影するかあるいはパターンを形成するために、電磁放射を、上記の如きマイクロ光学素子の表面に入射させマイクロ光学素子の旋回角度を考慮しつつマイクロ光学素子の表面から反射させるようにしている。

マイクロメカニカル素子を変位させるため、電極がマイクロメカニカル素子の下方に配置され、これら電極に所定の電圧が印加されてマイクロメカニカル素子を旋回あるいは並進移動（変位）させる。この場合、マイクロメカニカル素子の変位は、静電力およびスプリング素子の弾性力に応じて生ずる。変位されたマイクロメカニカル素子によって、マイクロメカニカル素子は、任意の静電力もなく又は小さな静電力によって、再度、それらの開始位置に旋回または変位される。従って、この場合に、スプリング素子の復元力は、静電力より大きい。

電圧に応じて、マイクロメカニカル素子を特定角度だけ旋回しあるいは特定の距離だけ変位させるのに十分な静電力を加えることができ、これには、例えば、入射される電磁放射の方向性を有する反射を用いることができる。回転軸線の周りの旋回または変位を、それぞれ対向する二方向に生じさせることができる。最も変化する画像を、複数のマイクロ光学素子の相応する旋回によって投影あるいはパターン形成させることができる。

所望の旋回角度または距離の変位は、スプリング素子の復元力と静電力との関係によって決まり、静電力は、実質的に、それぞれのマイクロメカニカル素子とそれに組み込まれた電極との間の電圧差に基づいて決まる。ここでは、所望の旋回角度を監視できるように正確な制御が要求されている。

通常、複数のこのようなマイクロメカニカル素子は、配列構造体の形態で用いられ、マイクロメカニカル素子の寸法は、可能な限り小さく設定されている。従って、多数（１００万以上）のマイクロメカニカル素子をチップ上に配置させることができる。このようなマイクロメカニカル素子が、これらマイクロメカニカル素子の下方に配置され、マイクロメカニカル素子およびこれらに組み込まれる電極は、これら電極等のそれぞれを個々に制御する一つまたはそれ以上のＣＭＯS回路によって制御され得る。

このような構造は、米国特許第５、１４２、４０５号で知られている。これについては、マイクロ光学素子の下方に配置された二つの電極が、各素子、ここでは、マイクロ光学素子に、組み込まれ、このマイクロ光学素子は、その表面で電磁放射を反射する。マイクロ光学素子は、対向して配置された二つの側面において、トーションスプリング素子によって保持され、これらトーションスプリング素子は、回転軸線と整列され、この回転軸線の周りで、旋回を行うことができる。電極が形成された基板に電磁放射を入射させることができるギャップがマイクロ光学素子間に設けられている。

かくして、個々のマイクロ光学素子を、上述したように、電極における電圧の制御によってそれぞれの方向に特定の角度だけ旋回させることができる。ここで、例えば、約０から１０Ｖの範囲の電圧が用いられる。かくして、マイクロ光学素子の下方側に配列されている一つの電極に、電圧を印加させることができる。他の電極とマイクロ光学素子とは、電圧を印加しないでスイッチさせることができ且つ接地状態にすることができる。しかしながら、マイクロ光学素子への電流供給によってマイクロ光学素子へ電圧が供給される可能性があり、この結果、所望の旋回角度を発生し、電極とマイクロ光学素子との間の電圧の差に従ってマイクロ光学素子を旋回させる静電力効果を用いることもできる。従来技術では、通常、個々のマイクロ光学素子を変位する電極が設けられている。

上述したように、マイクロメカニカル素子間、またはフレームとマイクロメカニカル素子との間のギャップを通して電磁放射を入射させることができる。この電磁放射は、電気的に絶縁した基板に入射させて帯電を発生させてしまう。この帯電は、時間の経過による累積効果として増大し、有効な力の関係を減少する。ここで、帯電は、回転軸線から最も離れた基板の領域に生じ、その回転軸線の周りで、旋回変位が生じ、この結果、監視されるべき力の効果が、回転軸線または質量の中心からの距離による増大したトルクとして発生し、従って、スプリング効果と静電効果との所望の力関係は、かなり影響されてしまう。時間の経過によって変位の動向が生じ、この動向は、複雑で高価な処理によって補償されなければならないか、または許容されなければならない。

ギャップを通して入射する電磁放射は、光電流を誘導することができ、この光電流もＣＭＯＳの深い層に影響を与え、この場合には、保存容量の帯電損失が発生してしまう。このことは、電極および／またはマイクロメカニカル素子の電気制御を再び阻害してマイクロメカニカル素子の変位の初期値からの要求しない変化を生じさせてしまう。

しかしながら、電磁放射を臨界領域で防止することができるシールドは、非生産的である。これは、マイクロメカニカル素子の旋回のための有効角度範囲が減少してしまうからである。

本発明の目的は、度々再較正する必要がなく長い期間に亘って変動なく作動することができるマイクロメカニカル素子装置を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。本発明の有効な実施例および更なる改良は、従属項に記載された特徴によって達成され得る。

静電力によって回転軸線の周りに旋回または並進変位され得るマイクロメカニカル素子を有する本発明に係る装置は、電極がマイクロメカニカル素子の下方に配列され、即ち、その側には電磁放射が直接入射することができないように構成されている。この場合に、それぞれの電極は、少なくとも二つのマイクロメカニカル素子に組み込まれるように配置されている。このようにすると、静電効果によって、電極が組み込まれたマイクロメカニカル素子の変位を有効にすることができる。この目的のために、電極とそれぞれのマイクロメカニカル素子との間に適切な電圧差を設定するだけでよい。

このため、電極は、隣接するマイクロメカニカル素子間のギャップの領域に配列される。電極の面および幾何学的設計は、可能なら、少なくとも５０％、好ましくは７０％の電磁放射を、ギャップの開口を通して電極の表面に入射させることができるように、選択されるべきである。この場合に、それぞれのギャップの寸法を考慮すべきである。ここで、電極は、隣接して配置されたマイクロメカニカル素子間のギャップ領域に重ねて配置されることが必要であり、これは、ギャップの幅およびマイクロメカニカル素子に対する電極の間隔を考慮して、電極をギャップの軸線に対し垂直に横方向に延びるように設定することによって達成される。

制御のため、可能なら、本発明に係る装置の電極だけでなくマイクロメカニカル素子が電圧源に接続されてマイクロメカニカル素子の直接の変位を個々に制御することができる。マイクロメカニカル素子への電圧を設定することによって、たとえ、組み込まれた電極の電圧が一定のままであっても、マイクロメカニカル素子を直接変位させることができる。

以下、マイクロメカニカル素子の好ましい実施例として、マイクロ光学素子について述べる。この場合、これら実施例は、実質的に、回転または並進移動することができる他の素子に適用することができる。

それぞれの電極を、マイクロ光学素子の半径方向外縁領域、即ち、最も大きい角度変位が旋回時に生じる領域に配置することが好ましい。これは、必要な電圧を、変位に必要な力を静電的に適用することができるように低く保持させることができるからである。

ここで、それぞれの電極について、これら電極に組み込まれたマイクロ光学素子の回転軸線の外縁領域および/または整列の設計を考慮することができる。例えば、マイクロ光学素子の外縁が凹状または凸状の円弧で形成されている場合、電極は、円弧状の外縁輪郭を有するように構成することである。

しかし、これら電極を、マイクロ光学素子の幾何学的設計、角度寸法、角度を有する外縁に適合させることもできる。

本発明においては、それぞれの電極を二つのマイクロ光学素子に設置することができ、それらの回転軸線は互いに平行に配置される。

しかし、電極を、回転軸線が互いに平行に配置されていないマイクロ光学素子と組み合わせることもできる。この場合、これら回転軸線は、互いに垂直に配置されるかまたは０°と９０°との間の角度をもって配置される。

しかしながら、少なくとも三つのマイクロ光学素子の変位が電極と共に可能であるように、電極を配置することができる。この場合に、マイクロ光学素子を、互いに平行でない回転軸線の周りに旋回させることができる。しかし、少なくとも三つのマイクロ光学素子を電極によって変位させることができ、そのマイクロ光学素子の少なくとも二つは互いに平行に配置された回転軸線を有する。

入射する電磁放射または入射しない電磁放射の少なくとも大部分が基板上に入射され、従って帯電を減少しまたは完全に防止することができる。

更に、電荷キャリア（担体）を電極間に生じさせることができ、これらキャリアは、従来技術に示されているマイクロ光学素子および回転軸線に接近して配置されたマイクロ光学素子の電荷キャリアより大きいことが好ましい。

かくして、本発明に係る装置におけるマイクロ光学素子の直接の変位を長期間に亘って安定させることができる。

電極を有する大きな面領域を利用することによって静電力効果を増大することができる。マイクロ光学素子の変位に必要な力を、より少ない帯電によって達成することができる。

従来技術に用いられた如き、互いに並んで配置された電極間におけるマイクロ光学素子の静電力効果を減少するような電界はない。

しかしながら、高いスプリング定数を有する高い剛性のトーションスプリング素子を用いることもできる。これは、マイクロ光学素子に作用し同等の電気的パラメータで達成できる高い力を得るのに必要である。

剛性のあるトーションスプリング素子は、良好な機械的性質を有し、従って、マイクロ光学素子の変形あるいは反りを防止することができる。又、このような効果がなくとも高い電圧で加工することができる。

予め設定された電圧で、隣接するマイクロ光学素子の電極間に設けられた絶縁体の間隔は、通常一定であり、マイクロ光学素子をさらに小型化するように更に減少することはできない。有効表面の相対的損失は、マイクロ光学素子が小さくなると共に増大することができる。しかし、これら非有効面は存在しないか、あるいは本発明では僅かであり、この結果、マイクロ光学素子を変位するために必要な力はより大きい。

又、マイクロ光学素子の寸法を、同じ電気的パラメータで実行できる高い力によって減少することができ、この結果、より小さく光学的に有効な面を有するマイクロ光学素子を用いることができる。これは、小さなマイクロ光学素子が、アナログ（同様物）の変位のためにより大きな静電力を必要としているからである。

従来技術で生ずるＣＭＯS回路の欠点を、帯電効果を避けることによって防止することができる。

これは、本発明に係る装置を長期間に亘って安定させることができるという改良をもたらすことができる。

以下、本発明を、以下の実施例に基づいて詳細に述べる。

二つの板状マイクロ光学素子１が図１に示されている。これらマイクロ光学素子は、図面に示された平面でみて垂直方向に対向する回転軸線の周りに所定角度量回転可能であり、且つ回転軸線に配置された図示しないトーションばね要素によって保持される。

また、複数の電極２、２’がマイクロ光学素子１の下方に配置されている。ここで、電極２は、二つの隣接するマイクロ光学素子１に組み込まれ、二つの隣接するマイクロ光学素子１間の隙間３を覆うように配置されている。従って、ホトン（光子）を有する電磁気放射が、隙間３を通して図示しない電気絶縁基板に入射しないようにされている。

個々のマイクロ光学素子１への電流供給を、図示しない追加の接点または更なる電極によって実現することができるようにされている。ここで、例えば、１０Ｖの電圧が図１の右側に示されたマイクロ光学素子１に印加されるが、左側に示されたマイクロ光学素子には電圧が印加されない、即ち、電圧は零（０）Ｖである。

二つのマイクロ光学素子１間に配置された電極２は、１０Ｖの電圧が印加されている。電極２の外側に示された二つの電極２’は、同様の電圧、例えば、０Ｖの電圧を有する。

従って、図１に示されるように、二つのマイクロ光学素子１を、同じ方向に旋回させることができる。

しかしながら、マイクロ光学素子１と電極２、２’との間の電圧を変えることによって、マイクロ光学素子１の角度変位又は変位方向を変えることができる。

更に、ここでは示されていないマイクロ光学素子に、外側に配置された電極２’によって影響を与えることができ、これら電極２’は、同様に、マイクロ光学素子に組み込まれる。

本発明に係る装置に用いられる二つのマイクロ光学素子を示す概略図。

Claims (14)

1. それぞれがスプリング素子によって保持され、静電力効果によって少なくとも一つの回転軸線の周りに旋回または並進変位することができるマイクロメカニカル素子と、該マイクロメカニカル素子の下方に配置されマイクロメカニカル素子を静電変位する電極とを備え、それぞれの電極（２、２’）が、互いに隣接して配置された少なくとも二つのマイクロメカニカル素子（１）を静電変位するために設けられていることを特徴とするマイクロメカニカル素子装置。
2. 前記電極（２、２’）の面および幾何学的設計は、隣接して配置されたマイクロメカニカル素子（１）のギャップ寸法およびギャップ（３）を通して入射する電磁放射の開口を考慮して選択され、入射する電磁放射の少なくとも５０%が電極の面に入射されることを特徴とする請求項１記載のマイクロメカニカル素子装置。
3. それぞれの電極（２、２’）は、隣接して配置されたマイクロメカニカル素子（１）間のギャップ領域の下方に、該ギャップ領域を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のマイクロメカニカル素子装置。
4. 前記マイクロメカニカル素子（１）は、電圧源に接続されていることを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
5. 静電変位のため前記電極（２、２’）および／またはマイクロメカニカル素子（１）は、それぞれ個々に電気的に制御可能であることを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
6. 電極は、マイクロメカニカル素子（１）の半径方向外縁領域に形成され、その領域に、最も大きい角度変位が発生することを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
7. 面が、該面に入射する電磁放射のために少なくとも局部的に且つ光学的に有効であることを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
8. 面が電磁放射を反射することを特徴とする請求項７記載のマイクロメカニカル素子装置。
9. 一つまたはそれ以上の電極（２、２’）が光学的活性面をもって対向する側面に配置されていることを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載のマイクロメカニカル素子装置。
10. 前記電極（２、２’）は、これら電極に組み込まれるマイクロメカニカル素子（１）の外縁領域の設計および/または回転軸線の整列を考慮して設定されていることを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
11. 前記電極（２、２’）は、二つの隣接するマイクロメカニカル素子（１）に組み込まれ、その回転軸線は互いに平行に整列されていることを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
12. 前記電極（２、２’）は、二つの隣接するマイクロメカニカル素子（１）に組み込まれ、その回転軸線は互いに平行に整列されていないことを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
13. 前記電極（２、２’）は、少なくとも三つの隣接するマイクロメカニカル素子（１）に組み込まれ、その回転軸線は互いに平行に整列されていないことを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。
14. 前記電極（２、２’）は、少なくとも三つの隣接するマイクロメカニカル素子（１）に組み込まれ、二つの回転軸線は互いに平行に整列され、一つの回転軸線は、平行に整列されていないことを特徴とする前記請求項の一つに記載のマイクロメカニカル素子装置。

Images