JP3806437B2

JP3806437B2 - 微小可動デバイス

Info

Publication number: JP3806437B2
Application number: JP2005012482A
Authority: JP
Inventors: 恵一森
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2005189865A

Description

この発明は基板と対向された可動板が基板面に対して垂直方向に変位する構造とされた微小可動デバイスに関する。

図７はこの種の微小可動デバイスの一例として、光スイッチの従来構造例を示したものであり、この光スイッチは互いに平行かつ逆向きに入射する２つの入射光の光路切り替えを行う２×２光スイッチとなっている。
方形状をなす可動板１１は４本の支持ビーム１２によって支持されており、これら支持ビーム１２は方形枠状をなす枠体１３の対向２辺上に設けられた一対のアンカー１４の各両端部からそれぞれ導出され、可動板１１の２辺にそれぞれ沿うように延伸されて可動板１１の４つの角部に連結されている。

枠体１３の下面側には基板１５が配置され、基板１５はその上面に形成された凸部１５ａが枠体１３の枠内に嵌め込まれて枠体１３に接合されている。
可動板１１は基板１５と所定の間隙を介して平行対向され、４本の支持ビーム１２により基板面１５ｂに対して垂直方向に変位可能とされており、この可動板１１上に４つのマイクロミラー１６が搭載されている。
上記のような構造を有する光スイッチは可動板１１及び基板１５がそれぞれ可動電極及び固定電極とされ、これら可動板１１と基板１５との間に電圧を印加することにより、静電力によって可動板１１が基板１５側に駆動変位され、これによりマイクロミラー１６を可動板１１の板面に対して垂直方向に変位させることができるため、可動板１１の板面と平行方向から入射する入射光の光路切り替えを行うことができるものとなっている。

図８はこの様子を示したものであり、可動板１１が図７Ｂに示した定常状態の位置に位置している時には、入射光２１，２２は図８Ａに示したように、それぞれ２つのマイクロミラー１６によって反射されて進み、可動板１１が静電駆動され、マイクロミラー１６が変位して光路から外れた状態では、図８Ｂに示したように入射光２１，２２はマイクロミラー１６によって反射されることなく、そのまま直進するものとなる。
図９及び図１０はこの光スイッチの作製方法（作製工程）を示したものであり、この例では光スイッチは２枚の単結晶シリコン基板を使用し、フォトリソグラフィやエッチングといったマイクロマシニング技術を使用して作製される。まず、上側に位置される単結晶シリコン基板に対する工程を図９を参照して説明する。
（１）単結晶シリコン基板３１の上面に、二酸化シリコン膜３２及びポリシリコン膜３３を順次成膜する。
（２）ポリシリコン膜３３をエッチングし、可動板１１、支持ビーム１２及びアンカー１４を形成する。
（３）上下全面に二酸化シリコン膜３４，３５を成膜する。
（４）下面側の二酸化シリコン膜３５を周囲（枠形状）を残してエッチング除去する。
（５）感光性樹脂によってマイクロミラーの基体を形成し、金薄膜でコーティングしてマイクロミラー１６を形成する。
（６）二酸化シリコン膜３５をマスクとして、水酸化カリウム溶液により単結晶シリコン基板３１をエッチングし、枠体１３を形成する。
（７）二酸化シリコン膜３２，３４，３５をエッチング除去する。
これにより、枠体１３上にアンカー１４、支持ビーム１２を介して支持された可動板１１及び可動板１１上に搭載されたマイクロミラー１６が完成する。

次に、下側に位置される単結晶シリコン基板に対する工程を図１０を参照して説明する。
（１）単結晶シリコン基板４１の上面に、二酸化シリコン膜４２を成膜する。
（２）形成する凸部１５ａ以外の部分の二酸化シリコン膜４２をエッチング除去する。
（３）二酸化シリコン膜４２をマスクとして、水酸化カリウム溶液により単結晶シリコン基板４１をエッチングする。
（４）二酸化シリコン膜４２をエッチング除去する。
（５）上面に二酸化シリコン膜４３を成膜する。
これにより、上面に凸部１５ａを有する基板１５が完成し、この基板１５の凸部１５ａを枠体１３の枠内に下側から嵌め込み、基板１５と枠体１３とを接合することによって光スイッチが完成する。

ところで、上述した光スイッチのように、支持ビームに支持された可動板が支持ビームの弾性力に抗し、基板面に対して垂直方向に変位する構造とされた微小可動デバイスにおいては、変位した可動板は支持ビームの弾性復元力によって元の（定常状態の）位置に復帰する構造となっているものの、微細かつ厚さが極めて薄い支持ビームによっては大きな弾性復元力を得ることはできず、よって以下のような問題が生じうるものとなっていた。

即ち、可動板及び基板は互いの対向面が平滑であり、可動板が基板側に変位して基板面に接触すると、ファン・デル・ワールス力による恒久的な貼り付き（吸着）が発生し、支持ビームの弾性復元力だけではこの貼り付きを解除することができず、可動板が基板に貼り付いたままとなって、以後の動作が不能になるといった問題が発生する。
さらに、可動板及び基板がそれぞれ可動電極及び固定電極とされ、可動板が静電駆動される構造では、可動板と基板とが接触した際の、それらの導通を回避するために、図７Ｂにおける基板１５の二酸化シリコン膜４３のように、可動板と基板の対向面の一方に絶縁膜が一般に設けられるが、この絶縁膜が帯電するといったことがあり、上述したファン・デル・ワールス力による貼り付きに加え、この帯電による静電吸引力によっても可動板が基板に貼り付くといった状況が発生する。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、可動板が基板に貼り付いたとしても、その貼り付きを解除することができるようにした微小可動デバイスを提供することにある。

この発明によれば、固定電極をなす基板と、その基板と対向され、支持ビームにより基板面に対して垂直方向に変位可能に支持された可動電極をなす可動板と、その可動板上に搭載されたマイクロミラーと、出射側レンズ付き光ファイバと、入射側レンズ付き光ファイバとを具備し、可動板を静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、出射側レンズ付き光ファイバと入射側レンズ付き光ファイバとの間の光路の切り替えを行う構造とされた微小可動デバイスにおいて、出射側レンズ付き光ファイバ及び入射側レンズ付き光ファイバは、その端部の周面に電極がそれぞれ形成されているものとされ、それら電極が可動板の上方に位置されているものとされる。

この発明によれば、レンズ付き光ファイバの端部に形成した電極と可動板との間に電圧を印加して静電力で可動板を引きつけることで、可動板の基板への貼り付きを解除することができ、よって可動板が基板に貼り付いたままとなって以後の動作が不能になるといった問題あるいは可動板が即座に元の（定常状態の）位置に復帰せず、復帰が遅れるといったような問題を解消することができる。

この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１は微小可動デバイスを光スイッチとして、この発明に先立って検討した検討例を示したものであり、図７と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例では可動板１１と対向する基板面１５ｂに穴５１が設けられ、この穴５１に可動子５２が収容される。可動子５２は基部５２ａと、その基部５２ａの中央に突出された棒状部５２ｂとよりなり、穴５１はこの可動子５２の形状に対応して段付き穴とされて基板１５に貫通形成されている。図１中、５３はこの光スイッチが実装される光モジュールパッケージ等のベースを示し、穴５１はこのベース５３によって基板１５の底面側が蓋されている。可動子５２は例えばニッケル等の磁性材によって形成される。

一方、マイクロミラー１６を搭載した可動板１１の上方には電磁石５４が配設される。電磁石５４は架台５５に保持された磁芯５６と、磁芯５６回りに架台５５に巻回されたコイル５７とよりなり、架台５５はスペーサ５８を介して枠体１３上に搭載されている。なお、この例ではスペーサ５８は方形枠状をなす枠体１３のアンカー１４が形成されていない対向２辺上に搭載されており、磁芯５６は可動子５２の棒状部５２ｂと同軸上に位置されている。磁芯５６は例えばパーマロイ製とされる。

上記のような可動子５２及び電磁石５４を具備した光スイッチにおいては、コイル５７に通電することにより、穴５１に出入り自在に収容されている可動子５２が電磁力によって吸引され、その棒状部５２ｂが基板面１５ｂ上に突出するものとなる。従って、このように動作する可動子５２によって、可動板１１の基板１５への貼り付きを解除することができる。
図２はこの様子を示したものであり、図２Ａに示したように可動板１１が基板１５に貼り付いたとしても、可動子５２を電磁駆動することにより、可動板１１は図２Ｂに示したように可動子５２の棒状部５２ｂによって上方に突き押され、貼り付きが解除されて図１に示した元の（定常状態の）位置に復帰するものとなる。なお、可動子５２は段付き穴とされた穴５１の段部５１ａに基部５２ａが当接することにより抜け止めされる。

可動子５２を駆動するためのコイル５７への通電は、可動板１１が下方に変位して基板１５に接触している状態から、可動板１１と基板１５間の印加電圧を除去し、可動板１１を元の位置に復帰させる際に、瞬間的に行えばよい。
図３は上記のような穴５１を有する基板１５の作製方法を示したものであり、図１０に示した従来の基板１５と同様、単結晶シリコン基板を使用して作製される。以下、作製工程を説明する。
（１）単結晶シリコン基板４１の上面に、二酸化シリコン膜４２を成膜する。
（２）形成する凸部１５ａ以外の部分の二酸化シリコン膜４２をエッチング除去する。
（３）二酸化シリコン膜４２をマスクとして、水酸化カリウム溶液により単結晶シリコン基板４１をエッチングする。
（４）二酸化シリコン膜４２をエッチング除去する。
（５）上下全面に二酸化シリコン膜４３，４４を成膜する。
（６）穴５１に対応する部分の二酸化シリコン膜４３，４４をエッチング除去する。
（７）二酸化シリコン膜４３，４４をマスクとして、単結晶シリコン基板４１をドライエッチングし、穴５１を形成する。

以上により、上面に凸部１５ａを有すると共に、その中央に穴５１が設けられた基板１５が完成する。
上述した検討例においては、可動子５２を１個設けたものとなっているが、可動子５２を複数個設けるようにしてもよい。また、軽量化のため、可動子５２を中空構造としてもよい。なお、可動子５２をこの例のように基部５２ａと棒状部５２ｂとよりなるものとすることにより、基部５２ａによって抜け止めされ、かつ駆動時の棒状部５２ｂの突出量を規定することができ、さらに基板面１５ｂには棒状部５２ｂに対応した小径の穴を設ければよいため、固定電極面としての基板面１５ｂの面積の減少を抑制することができる。

また、この例では磁性材よりなる可動子５２を電磁力により吸引して駆動するものとなっているが、例えば可動子５２を永久磁石とし、斥力を作用させて駆動するようにしてもよい。この場合、電磁石は基板１５の底面側に配置される。なお、電磁駆動に替えて、例えば可動子５２を静電駆動する構成としてもよい。
以上、微小可動デバイスを光スイッチとして、この発明に先立って検討した構成を説明したが、このような構成は光スイッチに限らず、例えば表面がミラーとされた可動板が基板表面と平行な軸の回りに所定の角度範囲で回動可能とされ、ミラーの向きを変化させることにより、反射光の向きを偏向する光スキャナ等のアクチュエータデバイスにも適用することができる。

また、例えば過大な加速度入力によりペンデュラムをなす可動板が貼り付く虞れがある半導体加速度センサ等のセンサデバイスにも適用することができる。
次に、この発明による微小可動デバイスの実施例について、図４及び５を参照して説明する。この例は微小可動デバイスが光ファイバから出射された光の光路を切り替える光スイッチをなすものであって、図７と対応する部分には同一符号を付してある。
図４において、６１及び６２は出射側レンズ付き光ファイバを示し、６３及び６４は入射側レンズ付き光ファイバを示す。これらレンズ付き光ファイバ６１〜６４は図では詳細に示していないが、例えばシングルモード光ファイバの端面にマルチモード光ファイバが融着結合されて、屈折率差によりその結合部分がレンズ機能を有するものとされており、２つのマイクロミラー１６を挟んで同軸上に出射側レンズ付き光ファイバ６１と入射側レンズ付き光ファイバ６４が配置され、他の２つのマイクロミラー１６を挟んで出射側レンズ付き光ファイバ６２と入射側レンズ付き光ファイバ６３が同軸上に配置されている。

これらレンズ付き光ファイバ６１〜６４は、この例では基板１５を挟んで両側に配置固定された基板６５，６６の上面にそれぞれ形成されているＶ溝６５ａ，６６ａ（図４では隠れて見えない）に位置決め搭載され、例えば接着されて固定されている。
出射側レンズ付き光ファイバ６１，６２と、入射側レンズ付き光ファイバ６３，６４との間の光路の切り替えは、可動板１１と基板１５との間に電圧を印加し、可動板１１を静電駆動してマイクロミラー１６を変位させることにより、従来例における図８と同様に行われる。

上記のような配置構成とされたレンズ付き光ファイバ６１〜６４に対し、この例ではそれらの各端部の周面に電極６７が形成される。これら電極６７は図４及び５に示したように可動板１１の上方に位置するものとされる。
このように位置された電極６７と可動板１１との間に電圧を印加すると、可動板１１に静電力が作用し、可動板１１は静電吸引されて電極６７側に変位し、つまり上方に引き上げられるものとなる。
従って、可動板１１と基板１５が接触した状態から、可動板１１を元の位置に復帰させる時、電極６７と可動板１１との間に電圧を印加して静電力で可動板１１を引きつけることで、たとえ可動板１１の基板１５への貼り付きが発生していたとしても、貼り付きを解除でき、即座に可動板１１を元の位置に復帰させることができる。

レンズ付き光ファイバ６１〜６４の端部の周面に対する電極６７の形成は例えばスパッタにより行われる。図６はその際に用いるマスク治具６８の形状を示したものであり、マスク治具６８はレンズ付き光ファイバ６１〜６４の外径よりわずかに大きい内径を有するステンレス製パイプの先端部に、周の一部を残して窓６８ａが形成されたものとされ、さらにこの例では窓６８ａからパイプの基端側に向けてスリット６８ｂが形成されているものとされる。
電極６７の形成はマスク治具６８にレンズ付き光ファイバ６１（６２〜６４）を挿入し、スパッタ装置を用いてマスク治具６８の周回りの少なくとも３方向から成膜することにより行われ、これによりこの例ではレンズ付き光ファイバ６１（６２〜６４）の周面に電極６７が形成されると共に、スリット６８ｂにより電極６７に至る配線(リード線)が同時に形成される。成膜は例えばＮｉ／Ａｕの二層とされる。

なお、上記のようなリード線の成膜形成に替え、ワイヤボンディングにより電極６７にリード線を接続するようにしてもよい。

この発明に先立って検討した微小可動デバイスの検討例を示す断面図。図１の微小可動デバイスにおいて、可動子の駆動により可動板の貼り付きが解除される様子を説明するための図。図１における基板１５の作製方法を示す工程図。この発明による微小可動デバイスの一実施例を示す平面図。図４の断面図。図４における電極６７をスパッタ形成するために用いるマスク治具を示す斜視図。Ａは従来の微小可動デバイスの一例として、光スイッチの構造を示す斜視図、Ｂはその断面図。図７の光スイッチにおける光路の切り替えを説明するための図。図７Ｂにおける枠体１３より上側の構造の作製方法を示す工程図。図７Ｂにおける基板１５の作製方法を示す工程図。

Claims

固定電極をなす基板と、その基板と対向され、支持ビームにより基板面に対して垂直方向に変位可能に支持された可動電極をなす可動板と、その可動板上に搭載されたマイクロミラーと、出射側レンズ付き光ファイバと、入射側レンズ付き光ファイバとを具備し、可動板を静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、出射側レンズ付き光ファイバと入射側レンズ付き光ファイバとの間の光路の切り替えを行う構造とされた微小可動デバイスにおいて、
上記出射側レンズ付き光ファイバ及び入射側レンズ付き光ファイバは、その端部の周面に電極がそれぞれ形成されているものとされ、
それら電極が上記可動板の上方に位置されていることを特徴とする微小可動デバイス。