JP2018122391A - Mems素子 - Google Patents

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正幸 藤島
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英記 加藤
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政士 末松
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Abstract

【課題】リボン素子がたわむことにより発生する出射光ノイズを低減する。
【解決手段】複数のリボン素子11と、複数のリボン素子11を支持する固定部13と、それぞれのリボン素子11の両端側に位置し、該リボン素子11と固定部13を接続する接続部12と、を有し、リボン素子11の平面方向において、リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12とが形成する角度が0°よりも大きいMEMS素子10である。
【選択図】図6

Description

本発明は、MEMS素子に関する。
微細技術の進展に伴い、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)素子、およびMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。MEMS素子として、例えば、GLV(Grating Light Valve、登録商標)と呼ばれる光変調器が知られている。
GLVは、表面がミラー加工されるとともに弾性を有する複数のリボン型の素子(リボン素子)を一次元的に配列した構造を有し、リボン素子と、リボン素子に対向する電極を形成した基板間に電圧を印加することにより、静電引力を働かせリボン素子を基板側に引きつけられるように変位させる。GLVは、例えば、小型のプロジェクタなどの画像表示装置などに適用され、GLVからの光を回転ミラーなどの光走査手段を用いて2次元画像を生成する用途が知られている。
GLVのようにリボン素子を有するMEMS素子(以下、MEMSリボン素子とも呼ぶ)では、リボン素子を変位させることで、一次元配列したリボン素子を回折格子として機能させ、回折光を変調させることができる。MEMSリボン素子からなる光変調器は、1本のリボン素子が数um×数10〜数100umと非常に小型であり、高速駆動が可能である。
従来、MEMSリボン素子の高さ方向の変位量は、リボン素子に駆動力が働いていない場合と、リボン素子に駆動力が働いたときの2値で制御されていた。
また、例えば、特許文献1には、単独であるいは他の変調器とともに動作できる光変調器であって、リボン素子を2つのグループに分けた構造とし、それぞれ単独に高さを変化させる手段を備えた変調器が開示されている。
一方、近年、MEMSリボン素子を光スイッチや分光器などの新たな用途に応用する動きが盛んになってきており、MEMSリボン素子の新たな用途への応用に際し、任意の変位量でリボン素子を静止させるような多値の制御が検討されている。
従来の2値で制御するMEMSリボン素子では、一般に駆動力が働いたときに、リボン素子と対向する面にリボン素子を接触させることでリボンの平面度を保ったいた。しかしながら、MEMSリボン素子の高さ方向の変位量を多値で制御する場合、リボン素子を対向する面に接触させることができないため、リボン素子にたわみが発生する。
リボン素子にたわみが発生する場合、リボン素子の両端部と中央部付近では高さが異ることとなり、出射光の特性が均一にならないため、出射光に含まれるノイズ光(出射光ノイズ)が大きくなってしまう。上記特許文献1に記載の技術において、複数の高さ変位量を選択した場合も同様の課題を有する。
そこで本発明は、リボン素子がたわむことで発生する出射光ノイズを低減することができるMEMS素子を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明に係るMEMS素子は、複数のリボン素子と、複数の前記リボン素子を支持する固定部と、それぞれの前記リボン素子の両端側に位置し、該リボン素子と前記固定部を接続する接続部と、を有し、前記リボン素子の平面方向において、前記リボン素子の長手方向の延長線と前記接続部とが形成する角度が0°よりも大きいものである。
本発明によれば、リボン素子がたわむことで発生する出射光ノイズを低減することができる。
MEMSリボン素子の基本構成例を示す斜視図である。 MEMSリボン素子による分光機能の説明図である。 MEMSリボン素子による分光機能の説明図である。 本発明に係るMEMSリボン素子の前提となる構成例を示す(a)斜視図、(b)上面図である。 リボン素子の長手方向の延長線と接続部のなす角度と、リボン素子のたわみ量との関係の一例を示すグラフである。 図5に示す各角度に対応するMEMSリボン素子の上面図である。 本発明に係るMEMSリボン素子の一実施形態を示す模式図である。 図7のA−A’での断面図である。 図7のMEMSリボン素子を基板側から見た図である。 本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態を示す模式図である。 図10のA−A’での断面図である。 本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態を示す模式図である。 本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態を示す模式図である。
以下、本発明に係る構成を図1から図13に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
[第1の実施形態]
本実施形態に係るMEMS素子(MEMSリボン素子10)は、複数のリボン素子(リボン素子11)と、複数のリボン素子を支持する固定部(固定部13)と、それぞれのリボン素子の両端側に位置し、該リボン素子と固定部を接続する接続部(接続部12)と、を有し、リボン素子の平面方向において、リボン素子の長手方向の延長線と接続部とが形成する角度が0°よりも大きいものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。
先ず、MEMSリボン素子の基本構成例、およびMEMSリボン素子による分光性能について説明する。図1は、MEMSリボン素子10の基本構成例を示す斜視図である。
リボン素子11は、例えば、シリコン窒化膜などの微細な構造体であり、反射板と電極の双方の機能を有している。リボン素子11は、その両端部を固定部13で支持されて、基板20に設けられた電極21(共通電極)上に張り架けられている。そして、リボン素子11と、電極21を形成した基板20間に電圧を印加することで、リボン素子11は静電気により基板20の方向にたわみ、電圧が印加されない状態では、シリコン窒化膜の固有の高い張力により元の状態に戻る。
図1では、リボン素子11を1つ図示しているが、以下に説明する本実施形態に係るMEMSリボン素子10では、リボン素子11は、複数設けられる。MEMSリボン素子10を分光センサや光スイッチなどに利用する場合など分光機能を得ることを目的とする場合、単一のリボン素子11を上下させるだけでは、リボン素子11の表面で光が反射、散乱するだけで、分光機能は得られないため、リボン素子11を複数設ける必要がある。
図2および図3を参照して、複数のリボン素子11(リボン素子11a,11bとする)を設けた場合の分光機能について説明する。図2に示すαは入射光と回折格子法線(リボン素子の法線)とのなす角(入射角)、βは回折光と回折格子法線とのなす角(回折角)である。
この場合、隣接するリボン素子11a,11bで反射する光には、光路差(BC−AD)が発生するため、波長毎に反射強度が最大となる回折角度は変化する。このときの回折格子方程式は、次式(1)で表すことができ、式(1)を満たす波長λが角度β方向で検出される。式(1)において、mは整数である。
d(sinα−sinβ)=mλ ・・・(1)
そして、リボン素子11a,11bを上下方向に変位させると、光路差が連続的に変化する。このとき、図3に示すように、所定の回折角が形成される位置に検出器30を配置しておけば、リボン素子11a,11bの上下変位と連動して検出される光の波長が変化することになり、分光機能を得ることが可能となる。
このときの回折格子方程式は次式(2)で表すことができる。式(2)において、mは整数、zは回折格子の変位量である。
d(sinα−sinβ)+z(cosα+cosβ)=mλ ・・・(2)
すなわち、図3(a)の例では、上記式(1)より、λ1=d(sinα−sinβ)/mの波長の光を検出器30では検出し、変位量zを与えた図3(b)の例では、上記式(2)より、λ2=d(sinα−sinβ)+z(cosα+cosβ)/mの波長の光を検出器30で検出することができる分光センサを実現することが可能となる。同様の原理により、ある特定波長の光を配向することも可能となる。以上説明した理由から、本実施形態に係るMEMSリボン素子10は、複数のリボン素子11を備える。
図4は、第1の実施形態に係るMEMSリボン素子10の前提となる構成例を示す図であって、図4(a)はMEMSリボン素子10の斜視図、図4(b)は、図4(a)に示すMEMSリボン素子10の上面図を示している。
図1に示すようにリボン素子11の直下に電極21を配置した場合、リボン素子11に直接、分布荷重が発生するため、以下に説明するような接続部12に角度を持たせる構成としてもリボン素子11のたわみは低減できない。これに対し、第1の実施形態に係るMEMSリボン素子10は、リボン素子11の両端側に位置しリボン素子11と固定部13を接続する箇所を接続部12として、図4に示すように、接続部12の直下に電極21を配置し、リボン素子11の直下には電極21を配置しない構成を有している。本実施形態のように静電引力によりMEMSリボン素子10を駆動させる場合、リボン素子11と接続部12は、同一材料の1層構造で構成することができるため、直下に電極21が配置される領域を接続部12、直下に電極21が配置されない領域をリボン素子11と弁別することが可能である。
図4に示すMEMSリボン素子10において、リボン素子11が上下方向に変位する際、接続部12に働く曲げモーメントに対して、リボン素子11に働くリボン素子11の長手方向(図4(b)に点線Aで示す)の曲げモーメント成分は、リボン素子11の長手方向と接続部12のなす角度によって変化する。ここで、リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12との間に形成される角度をθとする。図4における角度θは0°である。
図5は、リボン素子の長手方向の延長線と接続部12のなす角度θと、リボン素子11のたわみ量との関係の一例を示すグラフであって、(a)θ=0°,(b)θ=30°,(c)θ=60°,(d)θ=90°の場合を示している。また、図6は、図5に示す各角度θに対応するMEMSリボン素子10の上面図を示している。なお、図6における電極21の図示は省略する。
図5に示すように、リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12のなす角度θが0°のときがリボン素子11のたわみ量が最も大きく、リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12のなす角度θが90°に近づくほどリボン素子11のたわみ量は減少していき、リボン素子11と接続部12が直交するとき、リボン素子11のたわみ量は最小になる。
そこで、本実施形態に係るMEMSリボン素子10は、リボン素子の長手方向の延長線と接続部12のなす角度θを少なくとも0°よりも大きい値として(θ>0°)、リボン素子11のたわみを低減するものである。ここで、リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12のなす角度θは、90°に近い値であることがより好ましく、角度θは90°であることが最も好ましい。なお、図6では、角度θが鋭角である場合の例を示したが、角度θは鈍角(90°<θ<180°)であってもよい。
図7は、本発明に係るMEMSリボン素子の一実施形態(第1の実施形態)を示す模式図である。また、図8は、図7のA−A’での断面図を示している。ここでは、基板20に設けられる電極21の図示は省略している。また、図9は、MEMSリボン素子10を基板側から見た図を示している。
第1の実施形態に係るMEMSリボン素子10は、複数のリボン素子11と、各リボン素子11を両端側で支持する固定部13と、各リボン素子11と固定部13とを接続する接続部12と、から構成される。ここでは、リボン素子11が3つの例を図示しているが、リボン素子11は少なくとも2以上であればよく、その数は限られるものではない。
また、MEMSリボン素子10は、各リボン素子11の長手方向と接続部12のなす角度を90°とすることにより、リボン素子11に働くリボン素子11の長手方向の曲げモーメントを低減し、リボン素子11のたわみ変形を小さくしている。なお、図7では、各リボン素子11の長手方向の延長線と接続部12のなす角度が90°の例を示しているが、上述のように少なくとも0°よりも大きい値であればよい。
ここで、接続部12の長さが各リボン素子11について一定でない場合、変位量と駆動力との関係が、それぞれのリボン素子11で異なることとため、所望の変位量や挙動をそれぞれのリボン素子11で得るようにするには、それぞれのリボン素子11に独立した入力信号を与える必要があり、その制御が複雑になってしまう。
そこで、それぞれのリボン素子11の接続部12の長さを一定とすることが好ましい。本実施形態では、それぞれのリボン素子11の接続部12の長さを一定とするために、各接続部12の固定部13で支持される位置が異なるようにしている。すなわち、固定部13の形状を、リボン素子11側への突出量を調整するように、段差を有する形状としている。
このように、固定部13に段差を設けた形状とすることで、例えば、図9に示すように、接続部12の長さlを全て同じにすることができる。これにより、リボン素子11の変位量と駆動力との関係を全てのリボン素子11で同じにすることができるため、その制御を簡易にすることが可能となる。
図7に示すMEMSリボン素子10において、接続部12と基板20に設けられた電極21との間に電圧を印加することにより、接続部12は、例えば、図8の符号12から符号12’で示すように、静電引力で基板20側に変位する。このとき、接続部12に働く静電引力は次式(3)(数1)で表される。
ここで、εは真空の誘電率、Sは電極面積、gは接続部12と基板20に設けられる電極21間の初期ギャップ、zは接続部12のリボン素子11側先端での変位量、Vは電圧である。
一方、接続部12のばね復元力は、次式(4)(数2)で表される。
ここで、Eは接続部12のヤング率、wは接続部12の幅、tは接続部12の厚さ、lは接続部12の長さである。
上記式(3)および(4)の式のつり合いから接続部12のリボン素子11側の変位量zと電圧Vの関係が決定される。例えば、接続部12の寸法をw=20um,t=1um,l=1000umとし、接続部12の材料がシリコンである場合、20Vの電圧で約2.5umの変位を得ることができる。
以上説明した第1の実施形態に係るMEMSリボン素子10によれば、リボン素子11のたわみを低減することができ、出射光に混在するノイズ光を抑制することができる。また、接続部12の長さをすべてのリボン素子11について均一にすることにより、リボン素子11の制御が複雑になることを回避することができる。
なお、第1の実施形態では、接続部12およびリボン素子11が略同一平面上にある構成を例に説明したが、直下に電極21が設けられる接続部12の部分が固定部13に対してせり上がった構成のMEMSリボン素子(両端側の接続部12がせり上がりリボン素子11部分が凸となっている形状)にも適用することができる。
[第2の実施形態]
以下、本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同様の点についての説明は適宜省略する。
図10は、本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態(第2の実施形態)を示す模式図である。また、図11は、図10のA−A’での断面図を示している。
MEMSリボン素子が、例えばGLVである場合、リボン素子11の厚さは、数100nm以下と非常に薄く、また、リボン素子11の長さは500um以下であるため、直径数mm程度のスポット径を有する入射光を1素子で制御する用途では、出射光の光量が減少し、ノイズ光が増大してしまう場合がある。
そこで、第2の実施形態に係るMEMSリボン素子10は、複数のリボン素子11と、各リボン素子11を両端側で支持する固定部13と、各リボン素子11と固定部13とを接続する接続部12と、から構成され、さらに、接続部12の少なくとも一部の表面に圧電材料15を成膜したものである。なお、図10および図11の例では、接続部12の上面(基板20と反対側の面)に圧電材料15を形成した例を示しているが、圧電材料15の形成範囲はこれに限られるものではない。
このMEMSリボン素子10では、電圧が圧電材料15に印加されることで、圧電材料15が変形する(図11の符号15から符号15’)。これにより、接続部12をたわませて、図11の符号12から符号12’で示すように、リボン素子11の上下方向の変位を発生させる。電圧が印加されない状態では、圧電材料15は変形せず、リボン素子11は所定の位置に戻る。
図10に示すMEMSリボン素子10において、圧電材料15の圧電定数dのとき、変位量δは、次式(5)(数3)で示される。
ここで、下付き文字p,cはそれぞれ圧電材料15と接続部12を示している。また、Iは断面2次モーメントである。
例えば、圧電定数dが165m/V、圧電材料15の寸法がw=10um,t=2um,l=1000um、接続部12の寸法がw=20um,t=20um,l=1000um、接続部12の材料がシリコンの場合、20Vの電圧で約2.5umの変位を得ることができる。このように接続部12の表面に圧電材料15を成膜した場合、接続部12、リボン素子11の厚みを大きくしても十分な変位を得ることができる。よって、リボン素子11の長さを長くすることが可能となる。例えば、接続部12、リボン素子11の厚さを数10umにしても十分な変位を得ることが可能となり、リボン素子11の長さを数mmまで長くすることが可能になる。
以上説明した第2の実施形態に係るMEMSリボン素子10によれば、接続部12の表面に圧電材料15を成膜して、圧電材料15の伸縮を利用してリボン素子11を変位させることで、リボン素子11の厚みを大きくすることが可能となるため、リボン素子11の長さを長くすることが可能となる。
また、圧電材料15を用いる場合、第1の実施形態の例とは異なり、電極21を設ける必要がないため、リボン素子11の下部空間を開口部22とすることが可能となる。これにより、反射光のみでなく、透過光を利用する用途にも適用することが可能となり、出射光の光量を確保することが可能となる。
なお、第1の実施形態のように静電引力によりMEMSリボン素子10を駆動させる場合は、接続部12とリボン素子11は同一材料の1層構造を有することを説明したが、第2の実施形態のように、圧電材料15を用いてMEMSリボン素子10を駆動させる方式では、例えば、接続部12は絶縁膜、上部電極、圧電材料、下部電極、シリコン層を順に有する5層構造、リボン素子11は絶縁膜、反射膜、シリコン層を順に有する3層構造とすることが一般的である。また、以下に説明する温度変化を用いて駆動させる方式や、電磁力を発生させて駆動させる方式も、同様に、接続部12とリボン素子11は異なる構造を有することが一般的である。
[第3の実施形態]
図12は、本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態(第3の実施形態)を示す模式図である。
第3の実施形態に係るMEMSリボン素子10は、複数のリボン素子11と、各リボン素子11を両端側で支持する固定部13と、各リボン素子11と固定部13とを接続する接続部12と、から構成され、さらに、接続部12の少なくとも一部の表面に接続部12とは線膨張係数が異なる材料を成膜したものである。成膜される接続部12とは線膨張係数が異なる材料を、以下、成膜材料16とする。なお、図12の例では、接続部12の上面(基板20と反対側の面)に成膜材料16を形成した例を示しているが、成膜材料16の形成範囲はこれに限られるものではない。
このMEMSリボン素子10では、温度変化による接続部12と成膜材料16の伸縮差を利用した接続部12の変形により、リボン素子11を上下方向の変位を発生させる。温度変化としては、例えば、通電加熱による温度変化を用いることができる。
図12に示すMEMSリボン素子10において、温度をΔT変化させたときのリボン素子11の変位量は、次式(6)(数4)で示される。
ここで、下付き文字m,cはそれぞれ成膜材料16と接続部12を示している。また、αは線膨張係数である。
例えば、接続部12の材料をシリコン、成膜材料16をアルミニウムとした場合、材料16の寸法がw=10um,t=0.5um,l=1000um、接続部12の寸法がw=20um,t=20um,l=1000um、のとき、温度100℃の変化で約2.5umの変位が発生する。
以上説明した第3の実施形態に係るMEMSリボン素子10によれば、接続部12の表面に接続部12とは線膨張係数が異なる材料を成膜して、温度変化による接続部12と成膜材料16の伸縮差を利用してリボン素子11を変位させることができる。
また、成膜材料16を用いる場合も、第2の実施形態と同様に、電極21を設ける必要がないため、リボン素子11の下部空間を開口部22とすることが可能となる。これにより、反射光のみでなく、透過光を利用する用途にも適用することが可能となり、出射光の光量を確保することが可能となる。
[第4の実施形態]
図13は、本発明に係るMEMSリボン素子の他の実施形態(第4の実施形態)を示す模式図である。
第1〜第3の実施形態では、各リボン素子11および接続部12がコの字型の形状を有し、固定部13に支持される例について説明したが、各リボン素子11および接続部12が、リボン素子11の中心点に対して点対称の位置関係で固定部13に接続される形状とすることも好ましい。
第4の実施形態に係るMEMSリボン素子10は、複数のリボン素子11と、各リボン素子11を両端側で支持する固定部13と、各リボン素子11と固定部13とを接続する接続部12と、から構成され、リボン素子11の両端の接続部12は、それぞれリボン素子11を挟んで反対側の固定部13と接続されるものである。
以上説明した第4の実施形態に係るMEMSリボン素子10によれば、図12に示すように、リボン素子11の長さを全て同じにすることができる。これにより、共振周波数を全てのリボン素子11で等しくすることができるため、制御を簡易にすることが可能となる。
なお、図13に示すリボン素子11の駆動方式は、特に限られるものではなく、静電引力による方式(第1の実施形態)、圧電材料15を用いる方式(第2の実施形態)、線膨張係数が異なる材料を用いる方式(第3の実施形態)のいずれの方式であってもよい。
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
例えば、上記の実施形態では、リボン素子11の駆動方式について、静電引力による方式(第1の実施形態)、圧電材料15を用いる方式(第2の実施形態)、線膨張係数が異なる材料を用いる方式(第3の実施形態)を説明したが、駆動方式はこれらに限られるものではなく、他の駆動方式を用いることもできる。例えば、接続部12の近傍に永久磁石を設けるとともに、リボン素子11の表面を除いた接続部12の表面を含む領域に、コイルを形成し、コイルに通電させることで電磁力を発生させて、リボン素子11を駆動させる電磁駆動方式を用いることもできる。
10 MEMSリボン素子
11 リボン素子
12 接続部
13 固定部
15 圧電材料
16 成膜材料
20 基板
21 電極
30 検出器
特許3164824号公報

Claims (10)

  1. 複数のリボン素子と、
    複数の前記リボン素子を支持する固定部と、
    それぞれの前記リボン素子の両端側に位置し、該リボン素子と前記固定部を接続する接続部と、を有し、
    前記リボン素子の平面方向において、前記リボン素子の長手方向の延長線と前記接続部とが形成する角度が0°よりも大きいことを特徴とするMEMS素子。
  2. 前記固定部は、前記接続部の長手方向において、段差が形成されているとともに、
    複数の前記リボン素子の各接続部の長さは均一であることを特徴とする請求項1に記載のMEMS素子。
  3. 前記リボン素子の長手方向と前記接続部とが形成する角度が90°であることを特徴とする請求項1または2に記載のMEMS素子。
  4. 前記リボン素子の両端側の前記接続部は、該リボン素子の中心点に対して点対称の位置関係に設けられることを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載のMEMS素子。
  5. 複数の前記リボン素子の長手方向の長さが均一であることを特徴とする請求項4に記載のMEMS素子。
  6. 前記接続部は、基板に設けられた電極に対向するように設けられていることを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載のMEMS素子。
  7. 前記接続部の少なくとも一部は、圧電材料により成膜されていることを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載のMEMS素子。
  8. 前記接続部の少なくとも一部は、該接続部を構成する材料とは異なる線膨張係数を有する材料により成膜されていることを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載のMEMS素子。
  9. 前記リボン素子の下部に開口が形成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MEMS素子。
  10. 前記接続部の近傍に永久磁石が設けられるとともに、前記接続部の表面を含む領域に、コイルが形成されていることを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載のMEMS素子。
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