JP2015206846A - ファブリペロー干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】透過スペクトルの変調帯域が広いファブリペロー干渉計を提供する。
【解決手段】ファブリペロー干渉計１０は、透過領域Ｓ１に固定ミラーＭ１を有する固定ミラー構造体１２、エアギャップＡＧを介して固定ミラー構造体と対向するメンブレンＭＥＭを有し、該メンブレンに、固定ミラーに対向して設けられた可動ミラーＭ２を有する可動ミラー構造体１４、圧電膜４０と、対向の方向において圧電膜の両面に形成された電極４２，４４と、を有し、メンブレンを変位させるために、周辺領域Ｔ１において、可動ミラー構造体上に配置された圧電駆動部１６、を備える。可動ミラー構造体は、一対の高屈折率層３４，３６、透過領域において高屈折率層間に介在され、一対の高屈折率層とともに可動ミラーを形成する低屈折率層３８、周辺領域における圧電駆動部が配置される部分の厚みを厚くするために、一対の高屈折率層に追加された追加層４６、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ファブリペロー干渉計に関するものである。

例えば特許文献１に記載のファブリペロー干渉計が知られている。このファブリペロー干渉計は、シリコン、ゲルマニウム等の半導体薄膜からなる高屈折率層の間に、低屈折率層としての空気層が局所的に配置された一対のミラー構造体（固定ミラー構造体及び可動ミラー構造体）を備えている。低屈折率層としての空気層が透過領域に配置されてミラーが構成されており、低屈折率層に対する高屈折率層の屈折率比が大きいため、ミラーの高反射率な帯域（反射帯域）が広くなっている。すなわち、ファブリペロー干渉計において光を選択的に透過可能な分光帯域が広くなっている。

また、各ミラー構造体の高屈折率層には、不純物がドーピングされて電極が形成されている。したがって、各ミラー構造体の電極に電圧を印加して生じる静電気力により、ギャップ上に位置する可動ミラー構造体のメンブレンを変位させ、これによりギャップ長さが変化して、ギャップにおけるミラーの対向距離に応じた波長の光を選択的に透過させることができる。

特開２００８−１３４３８８号公報

近年、部品点数の削減や赤外線式ガス検出器における多成分検知化などの観点から、１つのファブリペロー干渉計で、より広い波長域において光を選択的に透過できるものが望まれている。このためには、広帯域にわたるミラーの高反射率に加え、可動ミラー構造体におけるメンブレンの変位量、すなわち、可動ミラーの変位量が大きいことが必要である。すなわち、透過スペクトルの変調帯域が広いファブリペロー干渉計が望まれている。

各ミラー構造体の電極に電圧を印加して生じる静電気力は、電極の対向距離の２乗に反比例し、メンブレンの変位に伴うばね復元力は変位量に正比例する。したがって、変位量が初期の対向距離ｄの１/３よりも大きくなると、静電気力がばね復元力を上回り、両ミラー構造体が静電気力で引き込まれ、スティッキングし、電圧を除去しても元の状態に戻らなくなる（プルイン現象が生じる）。

また、透過光の波長λは、λ＝２×ｄｍ／ｎで示される。ｎは干渉光の次数を示す正の整数である。したがって、変調帯域が最も広い１次の干渉光（ｎ＝１）であっても、上記したプルイン限界から、その変調帯域は理想的に２ｄｍｉ〜ｄｍｉ×４／３であり、透過スペクトルの変調帯域の広さとして十分ではなかった。本発明者が確認したところ、たとえば、初期の対向距離ｄを６μｍとした場合、変位量２μｍでプルイン限界となるため、シリコンからなる厚み０．４２μｍの高屈折率層と、厚み１．４μｍの空気層からなるミラー構造体においては、その変調帯域が７．４μｍ〜９．６μｍであった。

このように、従来構成のファブリペロー干渉計では、干渉計１つで多成分検知のガス検出器を構成することは困難であった。

本発明は上記問題点に鑑み、透過スペクトルの変調帯域が広いファブリペロー干渉計を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、光を透過させる透過領域（Ｓ１）及び該透過領域の周辺に位置する周辺領域（Ｔ１）のうち、透過領域に固定ミラー（Ｍ１）を有する固定ミラー構造体（１２）と、
ギャップ（ＡＧ）を介して固定ミラー構造体と対向するメンブレン（ＭＥＭ）を有するとともに、該メンブレンにおいて固定ミラーに対向して設けられた可動ミラー（Ｍ２）を有する可動ミラー構造体（１４）と、
圧電膜（４０，５２）と、対向の方向において圧電膜の両面に形成された電極（４２，４４）と、を有し、メンブレンを変位させるために、周辺領域において、可動ミラー構造体における固定ミラー構造体と反対の面上に積層配置された圧電駆動部（１６）と、を備える。

そして、可動ミラー構造体は、
積層配置された一対の高屈折率層（３４，３６）と、
透過領域において高屈折率層間に介在され、一対の高屈折率層とともに可動ミラーを形成する低屈折率層（３８）と、
周辺領域における圧電駆動部が配置される部分の厚みを厚くするために、一対の高屈折率層に追加された追加層（４６，４８，５０，５４）と、を有することを特徴とする。

追加層を設けた分、可動ミラー構造体の圧電駆動部が配置される部分が厚くなる。これにより、対向の方向において、可動ミラー構造体及び圧電駆動部の内部応力の中立軸が、圧電駆動部の中心から遠ざかる。したがって、中立軸と中心との距離が長く取れる分、トルクが増すため、同じ印加電圧でもメンブレンの変位量を大きくすることができる。すなわち、透過スペクトルの変調帯域を広くすることができる。

また、開示された他の発明のひとつは、追加層（４６，４８）が、内部応力が圧縮応力に調整されていることを特徴とする。

これによれば、追加層を設けたことにより、可動ミラー構造体の圧電駆動部が配置される部分が厚くなっても、メンブレンが変位しやすい。したがって、メンブレンの変位量を大きくすることができる。

参考形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成を示す断面図である。 図１に示すファブリペロー干渉計において、印加電圧と変位量との関係を示す図である。 第１実施形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成を示す平面図である。 図３のIV-IV線に沿う断面図である。 中立軸及び圧電駆動部の中心の距離Ｌ１と変位量との関係を示す図である。 第２実施形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成を示す断面図であり、図４に対応している。 変形例を示す断面図である。 第３実施形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成を示す断面図であり、図４に対応している。 第４実施形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成を示す断面図であり、図４に対応している。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。

（参考形態）
本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が検討した参考形態について説明する。なお、後述する本発明の実施形態と共通乃至関連する要素には、本発明の実施形態の付与する符号に対し、１００を加算した符号を付与するものとする。また、アルファベットを含んで示した符号については、便宜上、同じ符号を付与するものとする。また、固定ミラーＭ１及び可動ミラーＭ２の対向方向をＺ方向と示す。そして、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向の両方向に直交する方向をＹ方向とする。

先ず、図１に基づき、参考形態に係るファブリペロー干渉計の概略構成について説明する。

図１に示すように、ファブリペロー干渉計１１０は、固定ミラーＭ１を有する固定ミラー構造体１１２と、変位可能なメンブレンＭＥＭを有し、メンブレンＭＥＭに可動ミラーＭ２が形成された可動ミラー構造体１１４と、メンブレンＭＥＭを変位させるための圧電駆動部１１６と、を備えている。固定ミラー構造体１１２と可動ミラー構造体１１４との間には、Ｚ方向においてエアギャップＡＧ（空隙）が設けられている。

固定ミラーＭ１と可動ミラーＭ２とは、互いに対向しており、Ｚ方向に直交する面内において、これらミラーＭ１，Ｍ２の形成領域が、光を選択的に透過させる透過領域Ｓ１となっている。また、透過領域Ｓ１を除く領域は、周辺領域Ｔ１となっている。透過領域Ｓ１は、たとえば、メンブレンＭＥＭのうちの中心を含む一部の領域（中央領域）に設定され、周辺領域Ｔ１は、メンブレンＭＥＭのうちの中央領域を除く領域と、メンブレンＭＥＭ以外の領域を含んで設定されている。

ファブリペロー干渉計１１０は、上記以外にも、基板１２０を備えている。図１では、単結晶シリコンからなる基板１２０を採用している。Ｚ方向において、基板１２０の一面上には、エッチングストッパとして機能する絶縁膜１２２が配置されている。絶縁膜１２２としては、たとえば二酸化シリコンを採用することができる。そして、絶縁膜１２２における基板１２０と反対の面上に、固定ミラー構造体１１２が配置されている。図１では、基板１２０及び絶縁膜１２２の透過領域Ｓ１を含む一部を連通する貫通部１２４が設けられている。この貫通部１２４により、固定ミラー構造体１１２の透過領域Ｓ１の部分が、基板１２０側に露出されている。貫通部１２４を有さない構成も可能であるが、貫通部１２４を設けると、基板１２０及び絶縁膜１２２での光学ロスを抑制することができる。

固定ミラー構造体１１２は、絶縁膜１２２上に配置された第１高屈折率層１２６と、第１高屈折率層１２６の絶縁膜１２２と反対側に配置された第２高屈折率層１２８と、透過領域Ｓ１において、高屈折率層１２６，１２８間に局所的に介在された低屈折率層１３０と、を備えている。低屈折率層１３０の構成材料としては、高屈折率層１２６，１２８を構成する材料よりも屈折率の低いものであればよい。この参考形態では、高屈折率層１２６，１２８がともに厚み約０．４２μｍの多結晶シリコンを用いて形成され、低屈折率層１３０が厚み約１．４μｍの空気層となっている。なお、シリコンの屈折率は３．４５、空気の屈折率は１である。多結晶シリコンなどのシリコンを用いると、波長２μｍ〜１０μｍ程度の赤外線に対して透明であるので、赤外線式のガス検出に対するフィルタとして好適である。また、固定ミラーＭ１の形成領域を除く領域では、高屈折率層１２６，１２８が接触して積層配置されている。

高屈折率層１２６，１２８のうち、低屈折率層１３０としての空気層が介在された部分が、光学多層膜構造の固定ミラーＭ１となっている。このように、固定ミラーＭ１は、低屈折率層１３０としての空気層が介在されたエアミラーとなっている。エアミラーを有するミラー構造体（ファブリペロー干渉計）の基本構造は、たとえば、特開２００８−１３４３８８号公報に記載のものと同じであるから、上記公報の説明を参照することができる。

固定ミラー構造体１１２の絶縁膜１２２と反対の面上であって、メンブレンＭＥＭとの対向部分を除く部分には、支持部材１３２が所定厚さを有して配置されている。この参考形態では、支持部材１３２が、厚み４．５μｍの二酸化シリコンからなる。支持部材１３２により、エアギャップＡＧのＺ方向の長さ、すなわち、メンブレンＭＥＭが変位する前の初期状態におけるミラーＭ１，Ｍ２間の対向距離が決定されている。

支持部材１３２の固定ミラー構造体１１２と反対の面上には、可動ミラー構造体１１４が配置されている。可動ミラー構造体１１４は、固定ミラー構造体１１２と同様の構造をなしており、メンブレンＭＥＭを架橋するように、支持部材１３２上に配置された第３高屈折率層１３４と、第３高屈折率層１３４の支持部材１３２と反対側に配置された第４高屈折率層１３６と、透過領域Ｓ１において、高屈折率層１３４，１３６間に局所的に介在された低屈折率層１３８と、を備えている。そして、高屈折率層１３４，１３６がともに厚み約０．４２μｍの多結晶シリコンを用いて形成され、低屈折率層１３８が厚み約１．４μｍの空気層となっている。

また、可動ミラーＭ２の形成領域を除く領域では、高屈折率層１３４，１３６が接触して積層配置されている。高屈折率層１３４，１３６のうち、低屈折率層１３８としての空気層が介在された部分が、光学多層膜構造の可動ミラーＭ２となっている。このように、可動ミラーＭ２もエアミラーとなっている。

可動ミラー構造体１１４の支持部材１３２と反対の面上であって、周辺領域Ｔ１には、圧電駆動部１１６が配置されている。圧電駆動部１１６は、圧電膜１４０と、Ｚ方向において圧電膜１４０の両面にそれぞれ配置された電極１４２，１４４と、を有しており、可動ミラー構造体１１４の一面上に配置されて、ユニモルフ構造なしている。そして、電極１４２，１４４間に電圧を印加すると、圧電膜１４０がＺ方向に直交する方向において伸縮（所謂ｄ３１モードの駆動）し、それにともなって、メンブレンＭＥＭがＺ方向において固定ミラー構造体１１２から遠さかる方向に変位する。

圧電膜１４０として、この参考形態では、厚さ３μｍのＰＺＴを採用している。このように、圧電膜１４０の膜厚は、高屈折率層１３４，１３６の厚みの合計（０．８４μｍ）よりも十分に大きな値となっている。電極１４２，１４４の材料としては、白金などを採用することができる。圧電駆動部１１６は、周辺領域Ｔ１のうち、メンブレンＭＥＭの部分と、メンブレンＭＥＭ以外の部分、すなわち、Ｚ方向に直交する面内において支持部材１３２と重なる部分との両方にわたって配置されている。また、可動ミラーＭ２とは接触しないように設けられている。

本発明者は、このように構成されるファブリペロー干渉計１１０について、圧電駆動部１１６の電極１４２，１４４間に印加する電圧と、メンブレンＭＥＭの変位量との関係についてシミュレーションを行った。その結果を図２に示す。

図２に示すように、印加電圧を大きくしても、静電駆動型の従来のファブリペロー干渉計の変位量とほぼ同じか、若干変位量が大きくなる程度であった。たとえば、印加電圧３０Ｖでは、変位量が１．５μｍであった。すなわち、電圧印加前の初期状態のエアギャップＡＧは４．５μｍであり、３０Ｖの電圧印加によってエアギャップＡＧは６．０μｍとなった。したがって、印加電圧３０Ｖにおいて、ファブリペロー干渉計１１０の変調帯域は、８．０μｍ〜９．６μｍであった。

このように、可動ミラー構造体１１４上に、単に圧電駆動部１１６を積層するだけでは、干渉計１つで多成分検知のガス検出器を構成することは困難である。たとえば、飲酒検知センサに適用する場合、飲酒検知対象であるエタノールとともに、呼気判定のために二酸化炭素及び水についても検出が必要である。エタノールの赤外線吸収波長は９．４μｍ、二酸化炭素は４．２μｍ、水は５．８μｍである。したがって、ファブリペロー干渉計には、４．０μｍ〜９．５μｍ程度の変調帯域が必要となる。しかしながら、参考形態に示すファブリペロー干渉計１１０では、上記したように、印加電圧３０Ｖで、変調帯域は、８．０μｍ〜９．６μｍである。印加電圧を大きくすることや、圧電膜１４０の膜厚を厚くすることでも変調帯域を広くできるが、飲酒検知に必要な程度の変調帯域まで到達することはできない。

（第１実施形態）
先ず、図１及び図２に基づき、本発明の第１実施形態に係るファブリペロー干渉計１０の概略構成について説明する。基本構造は、上記した参考形態と同じである。異なる点は、可動ミラー構造体１４が、後述する追加層４６をさらに備える点にある。参考形態と同じ部分についての説明は簡略化する。

図３及び図４に示すように、本実施形態に係るファブリペロー干渉計１０も、固定ミラーＭ１を有する固定ミラー構造体１２と、変位可能なメンブレンＭＥＭを有し、メンブレンＭＥＭに可動ミラーＭ２が形成された可動ミラー構造体１４と、メンブレンＭＥＭを変位させるための圧電駆動部１６と、を備えている。固定ミラー構造体１２と可動ミラー構造体１４との間には、Ｚ方向においてギャップが設けられており、図１では、このギャップがエアギャップＡＧ（空隙）となっている。

固定ミラーＭ１と可動ミラーＭ２とは、互いに対向しており、Ｚ方向に直交する面内において、これらミラーＭ１，Ｍ２の形成領域が、光を選択的に透過させる透過領域Ｓ１となっている。また、透過領域Ｓ１を除く領域は、周辺領域Ｔ１となっている。周辺領域Ｔ１は、Ｚ方向に直交する少なくとも一方向において透過領域Ｓ１を挟むように設けられれば良い。本実施形態では、透過領域Ｓ１が略真円状となっており、この透過領域Ｓ１を取り囲むように周辺領域Ｔ１が設定されている。透過領域Ｓ１は、たとえば、メンブレンＭＥＭのうちの中心を含む一部の領域（中央領域）に設定され、周辺領域Ｔ１は、メンブレンＭＥＭのうちの中央領域を除く領域と、メンブレンＭＥＭ以外の領域を含んで設定されている。

ファブリペロー干渉計１０も、基板２０を備えている。図１では、単結晶シリコンからなる基板２０を採用している。Ｚ方向において、基板２０の一面上には、エッチングストッパとして機能する絶縁膜２２が配置されている。絶縁膜２２としては、たとえば二酸化シリコンを採用することができる。そして、絶縁膜２２における基板２０と反対の面上に、固定ミラー構造体１２が配置されている。図１では、基板２０及び絶縁膜２２の透過領域Ｓ１を含む一部を連通する貫通部２４が設けられている。この貫通部２４により、固定ミラー構造体１２の透過領域Ｓ１の部分が、基板２０側に露出されている。

固定ミラー構造体１２は、絶縁膜２２上に配置された第１高屈折率層２６と、第１高屈折率層２６の絶縁膜２２と反対側に配置された第２高屈折率層２８と、透過領域Ｓ１において、高屈折率層２６，２８間に局所的に介在された低屈折率層３０と、を備えている。低屈折率層３０の構成材料としては、高屈折率層２６，２８を構成する材料よりも屈折率の低いものであればよい。本実施形態では、高屈折率層２６，２８がともに厚み約０．４２μｍの多結晶シリコンを用いて形成され、低屈折率層３０が厚み約１．４μｍの空気層となっている。

また、固定ミラーＭ１の形成領域を除く領域では、高屈折率層２６，２８が互いに接触して積層配置されている。高屈折率層２６，２８のうち、低屈折率層３０としての空気層が介在された部分が、光学多層膜構造の固定ミラーＭ１となっている。このように、固定ミラーＭ１は、低屈折率層３０としての空気層が介在されたエアミラーとなっている。

固定ミラー構造体１２の絶縁膜２２と反対の面上であって、メンブレンＭＥＭとの対向部分を除く部分には、支持部材３２が所定厚さを有して配置されている。本実施形態では、支持部材３２が、厚み１．５μｍの二酸化シリコンからなる。そして、製造工程において、支持部材３２におけるメンブレンＭＥＭに対応する部分がエッチングにより除去されて、エアギャップＡＧが形成されている。

支持部材３２の固定ミラー構造体１２と反対の面上には、可動ミラー構造体１４が配置されている。可動ミラー構造体１４は、メンブレンＭＥＭを架橋するように、支持部材３２上に配置された第３高屈折率層３４と、第３高屈折率層３４の支持部材３２と反対側に配置された第４高屈折率層３６と、透過領域Ｓ１において、高屈折率層３４，３６間に局所的に介在された低屈折率層３８と、を備えている。そして、高屈折率層３４，３６がともに厚み約０．４２μｍの多結晶シリコンを用いて形成され、低屈折率層３８が厚み約１．４μｍの空気層となっている。

また、可動ミラーＭ２の形成領域を除く領域では、高屈折率層３４，３６が互いに接触して積層配置されている。高屈折率層３４，３６のうち、低屈折率層３８としての空気層が介在された部分が、光学多層膜構造の可動ミラーＭ２となっている。このように、可動ミラーＭ２もエアミラーとなっている。

加えて、可動ミラー構造体１４は、周辺領域Ｔ１における圧電駆動部１６が配置される部分の厚みを厚くするために、一対の高屈折率層３４，３６に追加された追加層４６を備えている。この追加層４６は、図４に示すように、第４高屈折率層３６における第３高屈折率層３４と反対の面上に配置されている。すなわち、第４高屈折率層３６と圧電駆動部１６との間に配置されている。また、追加層４６は、その内部応力が圧縮応力に調整されている。このように圧縮応力に調整された追加層４６としては、二酸化シリコン膜、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されるシリコン窒化膜、及び多結晶シリコン膜の少なくとも１つを含む構成を採用することができる。本実施形態では、追加層４６が二酸化シリコン膜からなる。

このように、追加層４６を設けると、図４に示すように、可動ミラー構造体１４及び圧電駆動部１６の積層構造（ユニモルフ構造）における内部応力の中立軸Ｎ１が、追加層４６を有さない構造に較べて、圧電駆動部１６のＺ方向の中心Ｃ１から遠ざかる。すなわち、中立軸Ｎ１と中心Ｃ１との距離Ｌ１を長くすることができる。なお、中立軸Ｎ１とは、Ｚ方向において、引っ張り応力と圧縮応力とが釣り合って無応力状態となる軸である。

そして、可動ミラー構造体１４の追加層４６上に、圧電駆動部１６が配置されている。圧電駆動部１６は、圧電膜４０と、Ｚ方向において圧電膜４０の両面にそれぞれ配置された電極４２，４４と、を有しており、可動ミラー構造体１４の一面上に配置されて、ユニモルフ構造なしている。そして、電極４２，４４間に電圧を印加すると、圧電膜４０は、Ｚ方向に直交する方向において伸縮し、それにともなって、メンブレンＭＥＭがＺ方向において固定ミラー構造体１２から遠ざかる方向に変位する。

圧電膜４０としては、ＰＺＴなどの圧電セラミクスや、ポリフッ化ビニリデンやフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体などの有機系の圧電体など、周知の圧電体を採用することができる。この参考形態では、厚さ３μｍのＰＺＴを採用している。電極４２，４４の材料としては、白金などを採用することができる。

圧電駆動部１６は、周辺領域Ｔ１のうち、メンブレンＭＥＭの部分と、メンブレンＭＥＭ以外の部分、すなわち、Ｚ方向に直交する面内において支持部材３２と重なる部分との両方にわたって配置されている。また、可動ミラーＭ２とは接触しないように設けられている。本実施形態では、透過領域Ｓ１を取り囲んで環状に設けられている。なお、図３及び図４に示す符号１６ａは、環状に設けられた圧電駆動部１６の内周端部を示している。

次に、図５に基づき、上記したファブリペロー干渉計１０における距離Ｌ１と変位量との関係について説明する。図５は、本発明者によるシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、図２に示した参考形態と同じ条件となるようにした。印加電圧を３０Ｖとし、可動ミラー構造体１４と圧電駆動部１６との積層構造において、全体のヤング率を１６０ＧＰａ、内部応力を引っ張りの１００ＭＰａとした。

図５に示すように、距離Ｌ１が０．５μｍにおいて、変位量がほぼ１．５μｍとなっている。これが、参考形態に示した追加層なしに相当する。したがって、参考形態の場合、中立軸Ｎ１は、Ｚ方向において圧電膜４０内に位置することとなり、中立軸Ｎ１は中心Ｃ１に近い位置となる。

図５に示すように、本実施形態では、追加層４６を設けるため、参考形態よりも変位量が大きくなる。また、追加層４６の厚みを厚くするほど、距離Ｌ１が長くなり、ひいては、変位量が大きくなる。たとえば、距離Ｌ１が１μｍ以上となるような追加層４６の厚みとすると、変位量を２．５μｍ以上とすることができる。また、距離Ｌ１が３μｍ以上となるような追加層４６の厚みとすると、変位量を４．５μｍ以上とすることができる。

次に、本実施形態に係るファブリペロー干渉計１０の効果について説明する。

本実施形態では、追加層４６を設けた分、参考形態（追加層なし）に較べて、可動ミラー構造体１４における圧電駆動部１６が配置される部分が厚くなっている。これにより、Ｚ方向において、可動ミラー構造体１４及び圧電駆動部１６の積層構造の内部応力の中立軸Ｎ１が、圧電駆動部１６のＺ方向の中心Ｃ１から遠ざかる。中立軸Ｎ１と中心Ｃ１との距離Ｌ１を長く取れる分、圧電駆動部１６の伸縮によるトルクが増すため、同じ印加電圧でもメンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができる。すなわち、透過スペクトルの変調帯域を広くすることができる。

また、追加層４６の内部応力が圧縮応力に調整されている。このように圧縮応力の追加層４６を設けると、可動ミラー構造体１４及び圧電駆動部１６の積層構造において、平均応力（内部応力の平均値）が高くなるのを抑制することができる。これにより、積層構造が曲がりやすくなる。したがって、追加層４６を設けて可動ミラー構造体１４が厚くなっても、メンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができる。

また、追加層４６は、二酸化シリコンを用いて、第４高屈折率層３６上に配置されている。このように圧縮応力に調整された追加層４６として、二酸化シリコンを用いると、半導体プロセスで形成できるため、製造工程を簡素化することができる。なお、二酸化シリコン以外にも、圧縮応力に調整されたシリコン窒化膜、多結晶シリコンを採用することもできる。また、追加層４６は、第４高屈折率層３６上に配置されており、任意の厚みとすることができる。したがって、可動ミラー構造体１４において、圧電駆動部１６の配置部分の厚みをより厚くすることもできる。

特に本実施形態では、可動ミラー構造体１４において、高屈折率層３４，３６がシリコンからなり、低屈折率層３８が空気層となっている。そして、Ｚ方向において、中立軸Ｎ１と中心Ｃ１との距離Ｌ１が３μｍ以上となるように、追加層４６が配置されている。このように、シリコンを用いたエアミラー構造において、追加層４６を設けることで距離Ｌ１を３μｍとすると、メンブレンＭＥＭの変位量を４．５μｍとすることができる。したがって、エアギャップＡＧの初期状態の長さが１．５μｍの場合、エアギャップＡＧが６．０μｍとなるまで変位させることができる。すなわち、ファブリペロー干渉計１０の変調帯域を４．０μｍ〜９．６μｍとすることができる。これによれば、上記したエタノール、二酸化炭素、水のいずれについても検出することができる。したがって、飲酒検知センサに好適である。

（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示したファブリペロー干渉計１０と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態では、可動ミラー構造体１４が、圧縮応力に調整された追加層として、図６に示すように、高屈折率層３４，３６間に設けられた追加層４８を備える点を特徴とする。

図６に示す例では、追加層４８だけでなく、第１実施形態に示した追加層４６も備えている。第１実施形態同様、高屈折率層３４，３６は、シリコンからなる。低屈折率層３８は、二酸化シリコンをエッチングにより除去することで、空気層として形成されている。追加層４８は、二酸化シリコンからなり、低屈折率層３８とほぼ同じ厚み（約１．４μｍ）を有している。すなわち、第３高屈折率層３４上に二酸化シリコンを堆積し、第４高屈折率層３６を成膜後、図示しないエッチングホールにより、第２ミラーＭ２部分の二酸化シリコンを選択的に除去し、一方、追加層４８部分の二酸化シリコンを選択的に残すことで、上記構成となっている。

このように構成されるファブリペロー干渉計１０も、追加層４６，４８を有しており、これら追加層４６，４８を設けた分、参考形態（追加層なし）に較べて、可動ミラー構造体１４における圧電駆動部１６が配置される部分が厚くなっている。これにより、同じ印加電圧でもメンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができ、ひいては、透過スペクトルの変調帯域を広くすることができる。

また、追加層４８は、低屈折率層３８としての空気層を形成する際に、周辺領域Ｔ１における圧電駆動部１６の配置部分の二酸化シリコンを残すことで形成される。すなわち、追加層４８の形成のために工程を追加しなくてもよい。追加層４６は、第４高屈折率層３６上に配置するため、追加層４６の形成工程が必要となるが、追加層４８が存在する分、その厚みを第１実施形態よりも薄くすることができる。したがって、第１実施形態と同等の効果を奏しつつ、追加層４６，４８の製造時間を短縮することができる。

なお、図７の変形例に示すように、可動ミラー構造体１４が追加層４８のみを有する構成を採用することもできる。これによれば、追加層４６を有さない分、第１実施形態や第２実施形態（図６）ほど、厚みを稼ぐことはできない。しかしながら、参考形態のように追加層を有さない構成に較べて、メンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができる。なお、図５に示したように、距離Ｌ１が１μｍで変位量を２．５μｍ、距離Ｌ１が１．５μｍで変位量を約３．３μｍとすることができる。したがって、この構成によっても、変位量を２．５μｍ以上とすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示したファブリペロー干渉計１０と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態では、可動ミラー構造体１４が、図８に示すように、有機膜を用いて形成された追加層５０を備えている。図８では、追加層５０は、追加層４６同様、第４高屈折率層３６上に配置されている。

追加層５０を構成する有機膜は、たとえば、スピンコート法を用いて成膜することができる。また、追加層５０としては、たとえば、ポリイミド膜、パラキシレン膜、ポリジメチルシロキサン膜、ポリエチレン膜、及びネガ型のフォトレジスト膜の少なくとも１つを含むものを採用することができる。

加えて、本実施形態では、圧電駆動部１６が、上記した有機膜の機能を損なうことがない温度、具体的には低温での成膜が可能な圧電膜５２を有している。この圧電膜５２としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体｛Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）｝を採用することができる。

このように構成されるファブリペロー干渉計１０も、追加層５０を有しており、追加層５０を設けた分、参考形態（追加層なし）に較べて、可動ミラー構造体１４における圧電駆動部１６が配置される部分が厚くなっている。これにより、同じ印加電圧でもメンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができ、ひいては、透過スペクトルの変調帯域を広くすることができる。

また、追加層５０が、有機膜を用いて形成されている。有機膜はヤング率が低いため、追加層５０を設けて可動ミラー構造体１４が厚くなっても、メンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができる。たとえば、ポリイミドのヤング率は５ＧＰａ程度、ポリジメチルシロキサンは１ＭＰａ程度、ポリエチレンは０．４〜１．３ＧＰａ程度である。また、スピンコートにより成膜できるため、製造時間を短縮することができる。

また、圧電膜５２として、低温での成膜が可能な圧電体、たとえば、ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を採用する。したがって、圧電膜５２成膜時の熱により、追加層５０がダメージを受けるのを抑制することができる。

（第４実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示したファブリペロー干渉計１０と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態では、可動ミラー構造体１４が、図９に示すように、高屈折率層３４，３６間に、空気からなる追加層５４を備える点を特徴とする。いうなれば、図７において、二酸化シリコンからなる追加層４８を、追加層５４としての空気層に置き換えた構成となっている。

第１実施形態同様、高屈折率層３４，３６は、シリコンからなる。低屈折率層３８は、二酸化シリコンをエッチングにより除去することで、空気層として形成されている。追加層５４も、二酸化シリコンをエッチングにより除去することで形成されており、低屈折率層３８とほぼ同じ厚み（約１．４μｍ）を有している。すなわち、第３高屈折率層３４上に二酸化シリコンを堆積し、第４高屈折率層３６を成膜後、図示しないエッチングホールにより、第２ミラーＭ２部分及び追加層５４の部分の二酸化シリコンを除去することで、上記構成となっている。なお、図９に示す符号３６ａは、第４高屈折率層３６のうち、追加層５４を介して第３高屈折率層３４と対向する対向部を示し、符号３６ｂは、Ｚ方向に延設され、対向部３６ａを第３高屈折率層３４と離れた位置に支持する側壁部を示している。

このように構成されるファブリペロー干渉計１０も、追加層５４を有しており、追加層５４を設けた分、参考形態（追加層なし）に較べて、可動ミラー構造体１４における圧電駆動部１６が配置される部分が厚くなっている。これにより、同じ印加電圧でもメンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができ、ひいては、透過スペクトルの変調帯域を広くすることができる。

また、追加層５４は、低屈折率層３８とともに形成することができる。すなわち、追加層５４の形成のために工程を追加しなくてもよい。したがって、追加層５４の製造時間を短縮することができる。

また、高屈折率層３４，３６間に、追加層４８のような二酸化シリコンが存在せず、追加層５４としての空気層が存在するため、可動ミラー構造体１４における圧電駆動部１６の配置部分がエアばねとして機能する。したがって、追加層５４を設けて可動ミラー構造体１４が厚くなっても、メンブレンＭＥＭの変位量を大きくすることができる。

なお、本実施形態では、ファブリペロー干渉計１０が追加層５４のみを有する例を示した。しかしながら、追加層５４とともに、追加層４６，５０のいずれかを備える構成を採用することもできる。このように組み合わせた構成とすると、可動ミラー構造体１４をより厚くすることができる。

また、図９において、側壁部３６ｂを複数箇所に設けた構成、すなわち、追加層５４を複数に分割した構成としてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

基板２０として、シリコン基板の例を示した。しかしながら、シリコン以外の半導体基板や、ガラスなどの絶縁基板を採用することも可能である。

固定ミラーＭ１及び可動ミラーＭ２として、高屈折率層間に低屈折率層としての空気層を介在させてなる光学多層膜構造の例を示した。しかしながら、ミラーの構成は上記例に限定されるものではない。低屈折率層３０，３８としては、空気層に代えて、二酸化シリコンなどの固体、液体、空気以外の気体、ゾル、ゲル、真空などを採用しても良い。

可動ミラー構造体１４が、支持部材３２を介して固定ミラー構造体１２上に支持される例を示した。しかしながら、メンブレンＭＥＭよりも外側に位置する可動ミラー構造体１４の部分が、固定ミラー構造体１２に接して、メンブレンＭＥＭを支持する支持部材としての機能を果たす構成を採用することもできる。すなわち、支持部材３２を有さない構成とすることもできる。この場合、製造工程において、犠牲層としての支持部材３２を、メンブレンＭＥＭに対応する部分のみに形成する。そして、この支持部材３２を覆うように可動ミラー構造体１４を形成し、エッチングにより、支持部材３２を全て除去してエアギャップＡＧとすれば良い。

圧電駆動部１６が、透過領域Ｓ１を取り囲んで環状に設けられる例を示した。しかしながら、圧電駆動部１６を不連続としつつ、透過領域Ｓ１を取り囲むように配置してもよい。たとえば、透過領域Ｓ１の外周に沿って、圧電駆動部１６が４分割された構成を採用することもできる。また、内周端部１６ａが略Ｃ字状をなす圧電駆動部１６を採用することもできる。

固定ミラー構造体１２において、固定ミラーＭ１の形成領域を除く領域では、高屈折率層２６，２８が互いに接触して積層配置される例を示した。しかしながら、周辺領域Ｔ１のうち、少なくとも支持部材３２が積層配置される部分において、高屈折率層２６，２８間に二酸化シリコンなどの犠牲層が残された構成としてもよい。このような構成は、低屈折率層３０としての空気層を形成する際に、周辺領域Ｔ１における支持部材３２の配置部分の二酸化シリコンを残すことで形成される。したがって、工程を追加しなくてもよい。

１０，１１０・・・ファブリペロー干渉計、１２，１１２・・・固定ミラー構造体、１４，１１４・・・可動ミラー構造体、１６，１１６・・・圧電駆動部、１６ａ・・・内周端部、２０，１２０・・・基板、２２，１２２・・・絶縁膜、２４，１２４・・・貫通部、２６，１２６・・・第１高屈折率層、２８，１２８・・・第２高屈折率層、３０，１３０・・・低屈折率層、３２，１３２・・・支持部材、３４，１３４・・・第３高屈折率層、３６，１３６・・・第４高屈折率層、３６ａ・・・対向部、３６ｂ・・・側壁部、３８，１３８・・・低屈折率層、４０，５２，１４０・・・圧電膜、４２，４４，１４２，１４４・・・電極、４６，４８，５０，５４・・・追加層、ＡＧ・・・エアギャップ、Ｃ１・・・中心、Ｍ１・・・固定ミラー、Ｍ２・・・可動ミラー、ＭＥＭ・・・メンブレン、Ｎ１・・・中立軸、Ｓ１・・・透過領域、Ｔ１・・・周辺領域

Claims (11)

1. 光を透過させる透過領域（Ｓ１）及び該透過領域の周辺に位置する周辺領域（Ｔ１）のうち、前記透過領域に固定ミラー（Ｍ１）を有する固定ミラー構造体（１２）と、
   ギャップ（ＡＧ）を介して前記固定ミラー構造体と対向するメンブレン（ＭＥＭ）を有するとともに、該メンブレンにおいて前記固定ミラーに対向して設けられた可動ミラー（Ｍ２）を有する可動ミラー構造体（１４）と、
   圧電膜（４０，５２）と、前記対向の方向において前記圧電膜の両面に形成された電極（４２，４４）と、を有し、前記メンブレンを変位させるために、前記周辺領域において、前記可動ミラー構造体における前記固定ミラー構造体と反対の面上に積層配置された圧電駆動部（１６）と、
   を備え、
   前記可動ミラー構造体は、
   積層配置された一対の高屈折率層（３４，３６）と、
   前記透過領域において前記高屈折率層間に介在され、一対の前記高屈折率層とともに前記可動ミラーを形成する低屈折率層（３８）と、
   前記周辺領域における前記圧電駆動部が配置される部分の厚みを厚くするために、一対の前記高屈折率層に追加された追加層（４６，４８，５０，５４）と、を有することを特徴とするファブリペロー干渉計。
2. 前記追加層（４６，４８）は、内部応力が圧縮応力に調整されていることを特徴とする請求項１に記載のファブリペロー干渉計。
3. 前記追加層は、二酸化シリコン膜、シリコン窒化膜、及び多結晶シリコン膜の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２に記載のファブリペロー干渉計。
4. 前記追加層として、前記圧電駆動部側の前記高屈折率層上に設けられた層（４６）を含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のファブリペロー干渉計。
5. 前記追加層として、一対の前記高屈折率層間に設けられた層（４８）を含むことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載のファブリペロー干渉計。
6. 一対の前記高屈折率層は、シリコンを含む半導体薄膜からなり、
   前記低屈折率層は、二酸化シリコンをエッチングしてなる空気層であり、
   前記追加層として、一対の前記高屈折率層間に設けられた二酸化シリコンからなる層（４８）を含むことを特徴とする請求項４に記載のファブリペロー干渉計。
7. 前記追加層（５０）は、有機膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のファブリペロー干渉計。
8. 前記有機膜として、ポリイミド膜、パラキシレン膜、ポリジメチルシロキサン膜、ポリエチレン膜、及びネガ型のフォトレジスト膜の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７に記載のファブリペロー干渉計。
9. 前記圧電膜（５２）は、ポリフッ化ビニリデン、及び、フッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体のいずれかを用いて形成されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のファブリペロー干渉計。
10. 一対の前記高屈折率層間に、前記追加層（５４）としての空気層が介在されていることを特徴とする請求項１に記載のファブリペロー干渉計。
11. 一対の前記高屈折率層は、シリコンを含む半導体薄膜からなり、
    前記低屈折率層は、空気層であり、
    前記対向の方向において、前記圧電駆動部及び前記可動ミラー構造体の内部応力の中立軸（Ｎ１）と、前記圧電駆動部の中心（Ｃ１）との距離が３μｍ以上となるように、前記追加層が配置されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載のファブリペロー干渉計。

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