JP4111743B2 - 可動子位置判定装置および可撓性結合子および３ウェーハ超小型電気機械システム装置 - Google Patents
可動子位置判定装置および可撓性結合子および３ウェーハ超小型電気機械システム装置 Download PDFInfo
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- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/002—Electrostatic motors
- H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全般に半導体チップアーキテクチャに関する。より詳細には、本発明は、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子のための位置センシングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子の分野では、コンピュータシステム内のメモリなどの、半導体ウェーハの一部が、ウェーハの他の部分に対して移動する場合がある。たとえば、コンピュータチップのメモリ部分は、読出し／書込みヘッドによってメモリに対して書込みおよび読出しが行われるデータを格納することができる。ＭＥＭＳ素子は、移動可能なメモリ部分にアクセスする、固定された読出し／書込みヘッドを用いる場合がある。メモリ部分は、アクチュエータモータを用いて、読出し／書込みヘッドに対して移動することができる。移動可能な構造体を、ここでは「可動子」と呼ぶ。
【０００３】
ある使用時に、ＭＥＭＳ素子は、２次元、ＸおよびＹ内を移動する可動子を用いる場合がある。たとえば、可動子として、３層ウェーハシステムの可動子層の一部を用いることができる。可動子は、ばね素子あるいは可撓性結合子によって、可動子層の他の部分に接続される。可撓性結合子によって、層間に可動子を浮上支持し、かつ静止状態あるいは機械的な平衡状態に可動子を強制的に戻すようにしながら、可動子を２次元内で移動させることができる。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するために結合ブロックを含む場合がある。モータによって、可動子はその層内を移動できるようになる。
【０００４】
可動子が２次元内を移動できるようにするＭＥＭＳ素子が知られている。ＭＥＭＳ素子を有効に利用するためには、そのＸおよびＹ座標に対する可動子の位置を知ることが望ましい。読出し／書込みヘッドを有するメモリの例では、ＭＥＭＳ素子は、メモリのどの部分がアクセスされているのかを知るために、可動子が存在する場所を知らなければならないであろう。既存のシステムは、その位置を判定するために、可動子上に配置される容量性平板を用いる。たとえば、一方の平板を可動子上に配置し、他方の平板を、可動子から離れた、固定された場所に配置することができる。平板が重なり合うことによりコンデンサが形成され、そのコンデンサでは、式Ｃ∝ε0・Ａ／ｄに基づいて、可動子の位置に応じてキャパシタンスが変化する。ただし、Ｃはキャパシタンスであり、ε0は誘電率であり、Ａは容量性平板間の重なり合う面積であり、ｄは平板間の距離である。可動子の位置に応じてキャパシタンスを生成するために、種々の方法が実現可能である。重なり合う面積あるいは平板間の距離を、可動子を移動させることにより変化させ、それにより相対する平板間のキャパシタンスを変化させることができる。既知の方法が持つ問題点は、それらの方法が、可動子上に容量性平板を配置することにより、それを配置しなければ、たとえばメモリなどの製造に利用することができたであろう可動子の一部を使用してしまうことである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、本発明の目的は、可動子上の有用な空間を使用することなく、可動子の位置を判定するための装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
可動子の位置を判定するための超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子が開示される。ＭＥＭＳ素子は、可動子層に接続される下側層を有する。可動子層は、可撓性結合子によって可動子に接続される。可動子は、可動子層および下側層に対して移動する。可撓性結合子は、可動子を、機械的な平衡状態の初期位置に強制的に戻す。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するための結合ブロックを備える。可動子は、可動子が移動する場合でも可動子と下側層との間の距離が概ね一定に保たれるように、可動子層とほぼ同じ面にとどまりながら、主に２次元内を移動する。ＭＥＭＳ素子は、可撓性結合子の結合ブロック上に配置される可動子電極と、隣接する層上に配置される対向電極との間のキャパシタンスを判定することにより、可動子の位置を判定する。結合ブロックは、可動子との判定可能な関係にしたがって移動する。たとえば、結合ブロックの動きは、可動子の動きに直接対応させることができる。結合ブロックが移動する際に、可動子電極と対向電極との間のキャパシタンスが変化する。キャパシタンス検出器が、電極間で検出されたキャパシタンスを解析し、可動子の位置を判定する。一実施形態では、可動子は、上側あるいは下側層上に配置される読出し／書込みヘッドによって書き込まれるか、あるいはそこから読み出される情報を格納するためのメモリとして用いられる場合がある。可動子は、アクチュエータモータを用いて移動し、データが可動子上の所望の位置に書き込まれるか、あるいは所望の位置から読み出されるようにする。一実施形態では、可動子層および下側層は、１枚の半導体ウェーハの一部である。
【０００７】
また、上側層と下側層とに接続される可動子層を有する３ウェーハ半導体素子のためのＭＥＭＳ素子が開示され、その素子では、各層は個別のウェーハ層である。可動子層は、可撓性結合子によって可動子に接続される。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するための結合ブロックを備える。結合ブロックは可動子電極を有し、上側または下側層、あるいはその両方の層が対向電極を有する。可動子電極と対向電極との間にコンデンサが形成され、そのキャパシタンスが、可動子が移動する際に変化する。キャパシタンス検出器が、そのキャパシタンスに基づいて可動子の位置を判定する。
【０００８】
また、可動子と層とを接続するための可撓性結合子も開示される。可撓性結合子によって、可動子は、隣接する層に対して移動できるようになり、可撓性結合子は結合ブロックを用いてその動きを制御する。可動子の動きに対する結合ブロックの動きは既知である。可動子の結合ブロックは可動子電極を有し、可動子の位置は、可動子電極上で検出されるキャパシタンスに基づいて判定される。可動子によって検出されるキャパシタンスが、他の可撓性結合子の他の結合ブロック上にある他の可動子電極上で検出されるキャパシタンスとともに用いられ、その可動子の位置を判定することができる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、可動子上の有用な空間を使うことなく、可動子の位置を判定するためのシステムおよび方法を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、データ記憶素子１０などの、３層ＭＥＭＳ素子１０を示す。ＭＥＭＳ素子１０は、集積回路チップの一部として、保護筐体（図示せず）内に封入される場合がある。ＭＥＭＳ素子１０は、下側層２０と、上側層３０と、可動子層４０とも呼ばれる中間層４０とを備える。層２０、３０、４０は、接続材７０によって接続される。可動子層４０は、下側層２０と上側層３０との間に浮上支持される可動子５０に接続される。図１に示される実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０は３ウェーハシステムであり、各層２０、３０、４０は個別の半導体ウェーハである。図１の多数ウェーハの実施形態では、接続材７０には、個別のウェーハを同時に保持するウェーハボンド７０を用いることができる。当業者は、ＭＥＭＳ素子１０が種々の数の半導体ウェーハを含む形で具現される場合があることは理解されよう。ここに記載される他の実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０は、１ウェーハあるいは２ウェーハから形成される層を含む場合がある。
【００１１】
可動子５０は、１次元、２次元あるいは３次元内を移動する可動子層４０の任意の部分である。一実施形態では、可動子５０は、データ記憶媒体６０を含む場合がある。データは、上側層２０上に配置される読出し／書込みヘッド３２あるいはエミッタ３２を用いて、記憶媒体６０から読み出され、記憶媒体６０に書き込まれる場合がある。データは、可動子５０の位置に応じて、記憶媒体６０上の特定の物理的な位置から読み出されるか、あるいはその位置に書き込まれる。可動子５０は、電極２２、２４を含むアクチュエータモータを用いて移動させることができる。
【００１２】
可動子５０は、可撓性結合子８０によって、下側層３０と上側層２０との間の適所に保持される。本明細書で用いられる可撓性結合子８０は、可動子５０を可動子層４０に接続し、可動子５０が可動子層４０に対して少なくとも１次元内で移動できるようにする、任意のばね状の構造体のことを指す。可撓性結合子８０は、任意の形状あるいは構成を有することができ、それらは、可動子５０を、静止状態、すなわち機械的平衡状態に強制的に戻すことができる。可撓性結合子８０は、可動子層４０および可動子５０と同じ材料から形成することができ、シリコンのような微細加工可能な材料を用いることができる。一実施形態では、可動子層４０に１つあるいは複数の可撓性結合子８０が接続され、それにより、可動子５０が上側層２０および下側層３０から概ね一定の距離にとどまるように、可動子５０を２次元内で移動させることができる。
【００１３】
図１に示される実施形態では、可撓性結合子８０は、結合ブロック１００および可撓性コネクタ（図示せず）を備える。結合ブロック１００、および可撓性コネクタの機構は、可動子５０の動作（動き）に必要とされる自由度を提供する。さらに、結合ブロック１００は、可撓性コネクタを補って、可動子５０の動きが「軸方向に緊張する」のを防ぎ、それにより、その結果として生じる非線形性を低減できるようにする。当業者には、ばね−質量系の設計において、結合ブロック１００あるいは浮動リンク１００を利用すること、および結合ブロック１００およびコネクタの種々の設計が用いられる場合があることが理解されよう。
【００１４】
可動子５０の位置は、可動子電極１０２とも呼ばれる、結合ブロック１００上の容量性平板１０２と、対向電極９２とも呼ばれる、隣接する層２０、３０のうちの一方の上に配置される容量性平板９２とによって形成されるコンデンサを用いて判定される。結合ブロック１００は、可動子５０が移動する際に、予測可能に移動するように設計される。一実施形態では、結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接関連させることができる。他の実施形態では、異なる関係が用いられる場合がある。可動子電極１０２は、可動子５０が移動する際に、対向電極９２に対して移動し、可動子電極１０２と対向電極９２との間で検出されるキャパシタンスを変化させる。図１の実施形態では、可動子５０は、可動子５０が移動する際に、可動子電極１０２と対向電極９２との間の重なり合う面積が変化するように、上側層３０から一定の距離を保ちながら、２次元内を移動する。他の実施形態では、たとえば、可動子５０が３次元内を移動する場合には、可動子５０と隣接する層２０、３０との間の距離は、可動子５０が移動する際に変化する場合がある。図１に示されるように、対向電極９２が隣接する層２０、３０上に配置される場合には、そのような動きによって、電極間の距離の変化に基づいてキャパシタンスが変化するであろう。他の実施形態では、対向電極９２は、可動子層４０上に配置され、可動子５０の動きに応じて、重なり合う面積の変化か、あるいは電極９２、１０２間の距離の変化かのいずれかによって生じるキャパシタンスの変化を測定することができる。
【００１５】
図２は、図１のＭＥＭＳ素子１０の線２−２’に沿った断面図である。可撓性結合子８０は、可動子５０の動きに応じて移動する結合ブロック１００を有するものとして示される。結合ブロック１００は、その上に可動子電極１０２を配置される。相補的な対向電極９２は、隣接する層３０上に配置され、可動子５０の位置とともに変化するキャパシタンスを生成する。図１および図２の実施形態では、対向電極９２は上側層３０上に配置され、可動子電極１０２は、結合ブロック１００の表面上に配置される。他の実施形態では、対向電極９２は下側層２０上に配置され、可動子電極１０２は、結合ブロック１００の下側に配置される場合がある。さらに別の実施形態では、対向電極９２は可動子層４０上に配置される場合がある。さらに別の実施形態では、対向電極９２は、相補的な可動子電極１０２との適切な関係を保ちながら、下側および上側層２０、３０の両方などの、２つ以上の層上に配置される場合がある。
【００１６】
複数の可動子電極１０２および対向電極９２を用いる図１および図２に示される実施形態では、各結合ブロック１００上に１つの可動子電極１０２が示されており、可動子電極１０２および対向電極９２は概ね長方形の表面領域を有する。他の実施形態では、１つの結合ブロック１００が、対応する対向電極９２とともに多数の可動子電極１０２を有する場合がある。また、電極９２、１０２の表面領域は任意の形状を有することができるが、それらは長方形として示される。また図１および図２の実施形態は、可動子５０の各側面に、１つの可撓性結合子８０が接続されている状態を示す。他の実施形態では、任意の数の結合ブロック１００を有する任意の数の可撓性結合子８０が用いられる場合もある。また図１および図２に示される実施形態では、電極９２、１０２は、結合ブロック１００、あるいは隣接する層２０、３０に取り付けられる個別の素子として示される。他の実施形態では、電極９２、１０２として、たとえばドーピングプロセスによって形成される、可動子５０あるいは層２０、３０内に画定される領域を用いることもできる。一実施形態では、１つの可動子電極１０２が、２つ以上の対応する対向電極９２、たとえば、上側層３０上に配置される１つの対向電極、および下側層２０上に配置される別の対向電極とともに、コンデンサを形成する場合がある。
【００１７】
図３は、接続材７０によって接続される下側層２０と可動子層４０とを有する、１枚の半導体ウェーハ内にあるＭＥＭＳ素子１０の第２の実施形態を示す。図４は、図３のＭＥＭＳ素子１０の線４−４’に沿った断面図を示す。その１ウェーハ実施形態では、接続材７０として、ウェーハの犠牲層を用いることができる。図３および図４の実施形態では、上側層は存在せず、対向電極９２は下側層２０上に配置される。可動子電極１０２は、結合ブロック１００の下側に配置され、下側層２０と対面する。図１および図２と同様に、図３および図４の実施形態も、下側層２０および可動子５０上の電極２２、２４を含むアクチュエータモータを用いており、その電極によって可動子５０が移動できるようになる。図１および図２に示される素子と同様に、図３および図４の１ウェーハ素子１０は保護筐体内に封入される場合がある。
【００１８】
図５は、図１〜図４に示される実施形態に類似の、ＭＥＭＳ素子１０の可動子ウェーハ４０の上面図を示す。可動子５０は、可撓性結合子８０によって可動子層４０に接続される。示される可撓性結合子８０は、結合ブロック１００を用いて、可撓性結合子８０を支持し、可動子５０の動きを制御するための共通のＭＥＭＳ構造である。そのシステムは、可動子電極１０２として結合ブロック１００上のある領域を用いる。対向電極とも呼ばれる、相対する平板（図５には示されない）は、隣接する層２０、３０上に配置され、既存のシステムで用いられるのと同様のコンデンサを形成する。
【００１９】
結合ブロック１００の動きおよび位置は、可動子５０の動きおよび位置に対応する。すなわち、結合ブロック１００は、可動子５０の動きとの既知の関係にしたがって移動する。結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接対応する場合があり、あるいは可撓性結合子８０の設計の一部として任意の他の所定の態様で関連付けられる場合がある。
【００２０】
可動子５０が移動する際に、結合ブロック１００が移動し、可動子５０の動きとともにキャパシタンスを変化させる。図５の例では、可撓性結合子８０によって、可動子５０は、図に示されるように、２次元ｘおよびｙ内を移動できるようになる。可動子５０がｘおよびｙ方向に移動する際に、結合ブロック１００は、可動子の動きに対する既知の関係ｘ’およびｙ’で移動する。たとえば、結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接対応する場合がある。一実施形態では、それぞれ自らの結合ブロック１００およびコンデンサ用平板１０２を有する複数の可撓性結合子８０を用いて、位置をさらに高精度に判定することもできる。
【００２１】
図６は可撓性結合子８０の図である。図６に示される例では、可撓性結合子８０によって、可動子５０は２次元内を移動できるようになり、可撓性結合子８０は結合ブロック１００を用いて動きを制御する。可撓性結合子８０は、可動子５０を結合ブロック１００に接続する第１の可撓性コネクタ８２と、結合ブロック１００を可動子層４０に接続する第２の可撓性コネクタ８４とを有する。結合ブロック１００は、可動子電極１０２を有し、可動子５０に対応して移動する。対向電極９２は、隣接する層２０、３０上に配置され、コンデンサを形成する。一実施形態では、第１のコネクタ８２および第２のコネクタ８４はそれぞれ、結合ブロック１００と可動子５０の可動子層４０との間に直結される場合がある。他の実施形態では、第１および第２のコネクタ８２、８４は間接的に接続される場合があり、他の結合ブロック１００あるいは他の構造体が、可撓性結合子８０の一部として用いられる場合がある。当業者には、素子１０が、多数の結合ブロック１００および多数の可撓性コネクタ８２、８４を用いて実装される場合があることが理解されよう。
【００２２】
一実施形態では、可動子５０および結合ブロック１００は、可動子電極１０２と対向電極９２との間の距離が概ね一定に保たれるように、２次元内を移動する。この実施形態では、可動子電極１０２と対向電極９２との間の重なり合う面積が、可動子５０が移動する際に変化し、キャパシタンスを変化させる。他の実施形態では、可動子５０は、可動子電極１０２と対向電極９２との間の距離を変化させ、キャパシタンスを変化させるように移動する場合がある。たとえば、可動子５０は３次元内を移動する場合があり、あるいは対向電極９２は、２次元内の移動によって、電極９２、１０２間の距離が変化するように、可動子層上４０あるいは他の部分に配置される場合がある。
【００２３】
図７は、可動子電極１０２と対向電極９２との間のキャパシタンスを判定する１つの方法を示すＭＥＭＳ素子１０の断面図である。結合ブロック１００と、結合ブロック１００を可動子５０に接続する第１のコネクタ８２と、結合ブロック１００を可動子層４０に接続する第２のコネクタとを有する可撓性結合子８０が示される。図７に示される実施形態では、結合ブロック１００は、対向電極９２に相対する可動子電極１０２を備える。対向電極９２は、上側層３０に接続され、固定される。対向電極９２および可動子電極１０２は、電極コネクタ９４、１０４によって、キャパシタンス検出器９６に電気的に接続される。可動子電極１０２および対向電極９２は電源に接続される。電源は、ＭＥＭＳ素子１０から離隔して配置される場合がある。示される実施形態では、可動子電極からの電極コネクタ１０４は、可撓性結合子８０の第２のコネクタ８４を貫通するものとして示される。他の実施形態では、電極コネクタ１０４は可撓性結合子８０を貫通しない場合があるが、代わりに、たとえば可撓性結合子８０のコネクタ８４の側面に沿って延在する個別の接続体を有する場合がある。さらに別の実施形態では、電極コネクタ１０４は、キャパシタンス検出器９６に接続するために、無線接続を用いる場合がある。
【００２４】
キャパシタンス検出器９６は、電極９２、１０２間で検出されるキャパシタンスを判定することができるハードウエアを備える。本明細書で用いられるキャパシタンス検出器９６は、対向電極９２および可動子電極１０２などの、２つの電極間のキャパシタンスを判定するための任意のハードウエアあるいはソフトウエアシステムを指す。一実施形態では、多数の可動子電極１０２および対向電極９２が用いられ、電極９２、１０２間で検出されるキャパシタンスを判定するために、これらの電極のうちのいくつか、あるいは全てからの入力を受信する。この実施形態では、キャパシタンス検出器９６として、可動子５０の位置を判定するプロセッサを用いることもできる。別の実施形態では、多数のキャパシタンス検出器９６が用いられ、各検出器が、可動子電極１０２と対向電極９２との間のキャパシタンスを判定し、そのキャパシタンスについての情報を個別のプロセッサ（図示せず）に送信する。示される実施形態では、キャパシタンス検出器９６は上側層３０内に配置され、可動子層４０および接続材７０を介して、可動子電極１０２からコネクタ１０４を受け取る。一実施形態では、キャパシタンス検出器９６は、キャパシタンスを測定するために、電極９２、１０２内にＡＣ信号を流す開ループシステムを用いる。そのＡＣ信号は、キャパシタンス検出器９６から、あるいはチップの外部にある信号源から送出される場合がある。別の実施形態は閉ループシステムを利用し、電極９２、１０２が帰還ループ内のコンデンサあるいはアクチュエータとして用いられ、可動子５０の動きに基づいて、その動きに対応する誤差信号を生成することができる。当業者には、キャパシタンス検出器９６が、所望により、種々の場所に配置される場合があることが理解されよう。
【００２５】
本発明は、その特定の実施形態に関して記載されてきたが、変形形態を実現することができる。本発明は、その不可欠な精神あるいは属性から逸脱することなく特定の形態において具現される場合がある。詳細には、３層ウェーハシステムにおいて、特定の位置に配置される電極を有する、本発明の特定の実施形態が示されるが、当業者には、本発明が種々の電極の配置を有する種々のウェーハの数を有するシステムを含むことが理解されよう。本明細書に記載される実施形態は、全ての点で例示であり、限定するものではないと見なされ、さらに本発明の範囲を決定するために添付の請求の範囲およびその等価物が参照されることが望ましい。
【００２６】
本発明は以下に要約される。
【００２７】
１． 超小型電気機械システム素子（１０）内の可動子（５０）の位置を判定するための装置において、
可動子層（４０）と、
前記可動子層（４０）に対して移動することができる可動子（５０）と、
前記可動子層（４０）に前記可動子（５０）を接続し、可動子電極（１０２）を有する可撓性結合子（８０）と、
前記可動子電極（１０２）とともにキャパシタンスを生成する対向電極（９２）とを備え、
前記可動子電極（１０２）は、前記可動子（５０）の動きによって、前記対向電極（９２）に対して移動することを特徴とする装置。
【００２８】
２． 前記可動子電極（１０２）が配置され、前記可動子（５０）が移動する際に移動する結合ブロック（１００）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子（５０）に接続する第１のコネクタ（８２）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子層（４０）に接続する第２のコネクタ（８４）と、
をさらに備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【００２９】
３． 前記結合ブロック（１００）は、前記可動子（５０）の動きに対して所定の関係で移動することを特徴とする第２項に記載の装置。
【００３０】
４． 前記可動子層（４０）に隣り合う第１の層（３０）をさらに備え、前記対向電極（９２）は前記第１の層（３０）に接続されることを特徴とする第１項から第３項のいずれかに記載の装置。
【００３１】
５． 複数の前記可動子電極（９２）および前記対向電極（１０２）から複数の前記キャパシタンスを検出し、前記複数のキャパシタンスに基づいて前記可動子（５０）の位置を判定するキャパシタンス検出器（９６）をさらに備えることを特徴とする第１項から第４項のいずれかに記載の装置。
【００３２】
６． 前記超小型電気機械システム素子（１０）は１枚の半導体ウェーハの一部であることを特徴とする第１項から第５項のいずれかに記載の装置。
【００３３】
７． 前記可動子層（４０）および前記第１の層（３０）に平行に配置される第２の層（２０）をさらに備え、前記可動子層（４０）は前記第１の層（３０）と前記第２の層（２０）との間に配置されることを特徴とする第１項から第６項のいずれかに記載の装置。
【００３４】
８． 超小型電気機械システム素子（１０）において用いられ、前記ＭＥＭＳ素子（１０）内の可動子（５０）を可動子層（４０）に接続し、前記可動子層（４０）に対する前記可動子（５０）の動きを制御するための可撓性結合子（８０）において、
前記可動子層（４０）に対する前記可動子（５０）の動きにしたがって移動する結合ブロック（１００）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子（５０）に接続する第１のコネクタ（８２）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子層（４０）に接続する第２のコネクタ（８４）とを備え、
前記結合ブロック（１００）は可動子電極（１０２）を有し、前記可動子電極（１０２）は前記可動子電極（１０２）に隣り合うように配置される対向電極（９２）とともにキャパシタンスを生成し、前記対向電極（９２）は前記可動子層（４０）に対して固定して配置され、それにより前記キャパシタンスは前記可動子（５０）の位置に関連付けられることを特徴とする可撓性結合子。
【００３５】
９． 前記対向電極（９２）は、前記可動子層（４０）と隣り合う個別の層（２０、３０）に接続され、前記可動子（５０）の動きによって、前記可動子電極（１０２）と前記対向電極（９２）との間の重なり合う面積が変化することを特徴とする第８項に記載の可撓性結合子。
【００３６】
１０．前記第１のコネクタ（８２）は、前記結合ブロック（１００）と前記可動子（５０）とを直結し、前記第２のコネクタ（８４）は前記結合ブロック（１００）と前記可動子層（４０）とを直結することを特徴とする第８項もしくは第９項に記載の可撓性結合子。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３ウェーハ超小型電気機械システム素子の概略構成図である。
【図２】図１の線２−２’から見た超小型電気機械システム素子の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による１ウェーハ超小型電気機械システム素子の概略構成図である。
【図４】図３の線４−４’から見た超小型電気機械システム素子の断面図である。
【図５】超小型電気機械システム素子の可動子および結合ブロックを示す図である。
【図６】本発明による可撓性結合子の詳細な図である。
【図７】超小型電気機械システム素子とキャパシタンス検出器のブロック図である。
【符号の説明】
１０ 超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子
２０ 層
３０ 層
４０ 可動子層
５０ 可動子
８０ 可撓性結合子
８２ 第１のコネクタ
８４ 第２のコネクタ
９２ 対向電極
９６ キャパシタンス検出器
１００ 結合ブロック
１０２ 可動子電極
【発明の属する技術分野】
本発明は全般に半導体チップアーキテクチャに関する。より詳細には、本発明は、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子のための位置センシングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子の分野では、コンピュータシステム内のメモリなどの、半導体ウェーハの一部が、ウェーハの他の部分に対して移動する場合がある。たとえば、コンピュータチップのメモリ部分は、読出し／書込みヘッドによってメモリに対して書込みおよび読出しが行われるデータを格納することができる。ＭＥＭＳ素子は、移動可能なメモリ部分にアクセスする、固定された読出し／書込みヘッドを用いる場合がある。メモリ部分は、アクチュエータモータを用いて、読出し／書込みヘッドに対して移動することができる。移動可能な構造体を、ここでは「可動子」と呼ぶ。
【０００３】
ある使用時に、ＭＥＭＳ素子は、２次元、ＸおよびＹ内を移動する可動子を用いる場合がある。たとえば、可動子として、３層ウェーハシステムの可動子層の一部を用いることができる。可動子は、ばね素子あるいは可撓性結合子によって、可動子層の他の部分に接続される。可撓性結合子によって、層間に可動子を浮上支持し、かつ静止状態あるいは機械的な平衡状態に可動子を強制的に戻すようにしながら、可動子を２次元内で移動させることができる。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するために結合ブロックを含む場合がある。モータによって、可動子はその層内を移動できるようになる。
【０００４】
可動子が２次元内を移動できるようにするＭＥＭＳ素子が知られている。ＭＥＭＳ素子を有効に利用するためには、そのＸおよびＹ座標に対する可動子の位置を知ることが望ましい。読出し／書込みヘッドを有するメモリの例では、ＭＥＭＳ素子は、メモリのどの部分がアクセスされているのかを知るために、可動子が存在する場所を知らなければならないであろう。既存のシステムは、その位置を判定するために、可動子上に配置される容量性平板を用いる。たとえば、一方の平板を可動子上に配置し、他方の平板を、可動子から離れた、固定された場所に配置することができる。平板が重なり合うことによりコンデンサが形成され、そのコンデンサでは、式Ｃ∝ε0・Ａ／ｄに基づいて、可動子の位置に応じてキャパシタンスが変化する。ただし、Ｃはキャパシタンスであり、ε0は誘電率であり、Ａは容量性平板間の重なり合う面積であり、ｄは平板間の距離である。可動子の位置に応じてキャパシタンスを生成するために、種々の方法が実現可能である。重なり合う面積あるいは平板間の距離を、可動子を移動させることにより変化させ、それにより相対する平板間のキャパシタンスを変化させることができる。既知の方法が持つ問題点は、それらの方法が、可動子上に容量性平板を配置することにより、それを配置しなければ、たとえばメモリなどの製造に利用することができたであろう可動子の一部を使用してしまうことである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、本発明の目的は、可動子上の有用な空間を使用することなく、可動子の位置を判定するための装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
可動子の位置を判定するための超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子が開示される。ＭＥＭＳ素子は、可動子層に接続される下側層を有する。可動子層は、可撓性結合子によって可動子に接続される。可動子は、可動子層および下側層に対して移動する。可撓性結合子は、可動子を、機械的な平衡状態の初期位置に強制的に戻す。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するための結合ブロックを備える。可動子は、可動子が移動する場合でも可動子と下側層との間の距離が概ね一定に保たれるように、可動子層とほぼ同じ面にとどまりながら、主に２次元内を移動する。ＭＥＭＳ素子は、可撓性結合子の結合ブロック上に配置される可動子電極と、隣接する層上に配置される対向電極との間のキャパシタンスを判定することにより、可動子の位置を判定する。結合ブロックは、可動子との判定可能な関係にしたがって移動する。たとえば、結合ブロックの動きは、可動子の動きに直接対応させることができる。結合ブロックが移動する際に、可動子電極と対向電極との間のキャパシタンスが変化する。キャパシタンス検出器が、電極間で検出されたキャパシタンスを解析し、可動子の位置を判定する。一実施形態では、可動子は、上側あるいは下側層上に配置される読出し／書込みヘッドによって書き込まれるか、あるいはそこから読み出される情報を格納するためのメモリとして用いられる場合がある。可動子は、アクチュエータモータを用いて移動し、データが可動子上の所望の位置に書き込まれるか、あるいは所望の位置から読み出されるようにする。一実施形態では、可動子層および下側層は、１枚の半導体ウェーハの一部である。
【０００７】
また、上側層と下側層とに接続される可動子層を有する３ウェーハ半導体素子のためのＭＥＭＳ素子が開示され、その素子では、各層は個別のウェーハ層である。可動子層は、可撓性結合子によって可動子に接続される。可撓性結合子は、可動子の動きを制御するための結合ブロックを備える。結合ブロックは可動子電極を有し、上側または下側層、あるいはその両方の層が対向電極を有する。可動子電極と対向電極との間にコンデンサが形成され、そのキャパシタンスが、可動子が移動する際に変化する。キャパシタンス検出器が、そのキャパシタンスに基づいて可動子の位置を判定する。
【０００８】
また、可動子と層とを接続するための可撓性結合子も開示される。可撓性結合子によって、可動子は、隣接する層に対して移動できるようになり、可撓性結合子は結合ブロックを用いてその動きを制御する。可動子の動きに対する結合ブロックの動きは既知である。可動子の結合ブロックは可動子電極を有し、可動子の位置は、可動子電極上で検出されるキャパシタンスに基づいて判定される。可動子によって検出されるキャパシタンスが、他の可撓性結合子の他の結合ブロック上にある他の可動子電極上で検出されるキャパシタンスとともに用いられ、その可動子の位置を判定することができる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、可動子上の有用な空間を使うことなく、可動子の位置を判定するためのシステムおよび方法を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、データ記憶素子１０などの、３層ＭＥＭＳ素子１０を示す。ＭＥＭＳ素子１０は、集積回路チップの一部として、保護筐体（図示せず）内に封入される場合がある。ＭＥＭＳ素子１０は、下側層２０と、上側層３０と、可動子層４０とも呼ばれる中間層４０とを備える。層２０、３０、４０は、接続材７０によって接続される。可動子層４０は、下側層２０と上側層３０との間に浮上支持される可動子５０に接続される。図１に示される実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０は３ウェーハシステムであり、各層２０、３０、４０は個別の半導体ウェーハである。図１の多数ウェーハの実施形態では、接続材７０には、個別のウェーハを同時に保持するウェーハボンド７０を用いることができる。当業者は、ＭＥＭＳ素子１０が種々の数の半導体ウェーハを含む形で具現される場合があることは理解されよう。ここに記載される他の実施形態では、ＭＥＭＳ素子１０は、１ウェーハあるいは２ウェーハから形成される層を含む場合がある。
【００１１】
可動子５０は、１次元、２次元あるいは３次元内を移動する可動子層４０の任意の部分である。一実施形態では、可動子５０は、データ記憶媒体６０を含む場合がある。データは、上側層２０上に配置される読出し／書込みヘッド３２あるいはエミッタ３２を用いて、記憶媒体６０から読み出され、記憶媒体６０に書き込まれる場合がある。データは、可動子５０の位置に応じて、記憶媒体６０上の特定の物理的な位置から読み出されるか、あるいはその位置に書き込まれる。可動子５０は、電極２２、２４を含むアクチュエータモータを用いて移動させることができる。
【００１２】
可動子５０は、可撓性結合子８０によって、下側層３０と上側層２０との間の適所に保持される。本明細書で用いられる可撓性結合子８０は、可動子５０を可動子層４０に接続し、可動子５０が可動子層４０に対して少なくとも１次元内で移動できるようにする、任意のばね状の構造体のことを指す。可撓性結合子８０は、任意の形状あるいは構成を有することができ、それらは、可動子５０を、静止状態、すなわち機械的平衡状態に強制的に戻すことができる。可撓性結合子８０は、可動子層４０および可動子５０と同じ材料から形成することができ、シリコンのような微細加工可能な材料を用いることができる。一実施形態では、可動子層４０に１つあるいは複数の可撓性結合子８０が接続され、それにより、可動子５０が上側層２０および下側層３０から概ね一定の距離にとどまるように、可動子５０を２次元内で移動させることができる。
【００１３】
図１に示される実施形態では、可撓性結合子８０は、結合ブロック１００および可撓性コネクタ（図示せず）を備える。結合ブロック１００、および可撓性コネクタの機構は、可動子５０の動作（動き）に必要とされる自由度を提供する。さらに、結合ブロック１００は、可撓性コネクタを補って、可動子５０の動きが「軸方向に緊張する」のを防ぎ、それにより、その結果として生じる非線形性を低減できるようにする。当業者には、ばね−質量系の設計において、結合ブロック１００あるいは浮動リンク１００を利用すること、および結合ブロック１００およびコネクタの種々の設計が用いられる場合があることが理解されよう。
【００１４】
可動子５０の位置は、可動子電極１０２とも呼ばれる、結合ブロック１００上の容量性平板１０２と、対向電極９２とも呼ばれる、隣接する層２０、３０のうちの一方の上に配置される容量性平板９２とによって形成されるコンデンサを用いて判定される。結合ブロック１００は、可動子５０が移動する際に、予測可能に移動するように設計される。一実施形態では、結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接関連させることができる。他の実施形態では、異なる関係が用いられる場合がある。可動子電極１０２は、可動子５０が移動する際に、対向電極９２に対して移動し、可動子電極１０２と対向電極９２との間で検出されるキャパシタンスを変化させる。図１の実施形態では、可動子５０は、可動子５０が移動する際に、可動子電極１０２と対向電極９２との間の重なり合う面積が変化するように、上側層３０から一定の距離を保ちながら、２次元内を移動する。他の実施形態では、たとえば、可動子５０が３次元内を移動する場合には、可動子５０と隣接する層２０、３０との間の距離は、可動子５０が移動する際に変化する場合がある。図１に示されるように、対向電極９２が隣接する層２０、３０上に配置される場合には、そのような動きによって、電極間の距離の変化に基づいてキャパシタンスが変化するであろう。他の実施形態では、対向電極９２は、可動子層４０上に配置され、可動子５０の動きに応じて、重なり合う面積の変化か、あるいは電極９２、１０２間の距離の変化かのいずれかによって生じるキャパシタンスの変化を測定することができる。
【００１５】
図２は、図１のＭＥＭＳ素子１０の線２−２’に沿った断面図である。可撓性結合子８０は、可動子５０の動きに応じて移動する結合ブロック１００を有するものとして示される。結合ブロック１００は、その上に可動子電極１０２を配置される。相補的な対向電極９２は、隣接する層３０上に配置され、可動子５０の位置とともに変化するキャパシタンスを生成する。図１および図２の実施形態では、対向電極９２は上側層３０上に配置され、可動子電極１０２は、結合ブロック１００の表面上に配置される。他の実施形態では、対向電極９２は下側層２０上に配置され、可動子電極１０２は、結合ブロック１００の下側に配置される場合がある。さらに別の実施形態では、対向電極９２は可動子層４０上に配置される場合がある。さらに別の実施形態では、対向電極９２は、相補的な可動子電極１０２との適切な関係を保ちながら、下側および上側層２０、３０の両方などの、２つ以上の層上に配置される場合がある。
【００１６】
複数の可動子電極１０２および対向電極９２を用いる図１および図２に示される実施形態では、各結合ブロック１００上に１つの可動子電極１０２が示されており、可動子電極１０２および対向電極９２は概ね長方形の表面領域を有する。他の実施形態では、１つの結合ブロック１００が、対応する対向電極９２とともに多数の可動子電極１０２を有する場合がある。また、電極９２、１０２の表面領域は任意の形状を有することができるが、それらは長方形として示される。また図１および図２の実施形態は、可動子５０の各側面に、１つの可撓性結合子８０が接続されている状態を示す。他の実施形態では、任意の数の結合ブロック１００を有する任意の数の可撓性結合子８０が用いられる場合もある。また図１および図２に示される実施形態では、電極９２、１０２は、結合ブロック１００、あるいは隣接する層２０、３０に取り付けられる個別の素子として示される。他の実施形態では、電極９２、１０２として、たとえばドーピングプロセスによって形成される、可動子５０あるいは層２０、３０内に画定される領域を用いることもできる。一実施形態では、１つの可動子電極１０２が、２つ以上の対応する対向電極９２、たとえば、上側層３０上に配置される１つの対向電極、および下側層２０上に配置される別の対向電極とともに、コンデンサを形成する場合がある。
【００１７】
図３は、接続材７０によって接続される下側層２０と可動子層４０とを有する、１枚の半導体ウェーハ内にあるＭＥＭＳ素子１０の第２の実施形態を示す。図４は、図３のＭＥＭＳ素子１０の線４−４’に沿った断面図を示す。その１ウェーハ実施形態では、接続材７０として、ウェーハの犠牲層を用いることができる。図３および図４の実施形態では、上側層は存在せず、対向電極９２は下側層２０上に配置される。可動子電極１０２は、結合ブロック１００の下側に配置され、下側層２０と対面する。図１および図２と同様に、図３および図４の実施形態も、下側層２０および可動子５０上の電極２２、２４を含むアクチュエータモータを用いており、その電極によって可動子５０が移動できるようになる。図１および図２に示される素子と同様に、図３および図４の１ウェーハ素子１０は保護筐体内に封入される場合がある。
【００１８】
図５は、図１〜図４に示される実施形態に類似の、ＭＥＭＳ素子１０の可動子ウェーハ４０の上面図を示す。可動子５０は、可撓性結合子８０によって可動子層４０に接続される。示される可撓性結合子８０は、結合ブロック１００を用いて、可撓性結合子８０を支持し、可動子５０の動きを制御するための共通のＭＥＭＳ構造である。そのシステムは、可動子電極１０２として結合ブロック１００上のある領域を用いる。対向電極とも呼ばれる、相対する平板（図５には示されない）は、隣接する層２０、３０上に配置され、既存のシステムで用いられるのと同様のコンデンサを形成する。
【００１９】
結合ブロック１００の動きおよび位置は、可動子５０の動きおよび位置に対応する。すなわち、結合ブロック１００は、可動子５０の動きとの既知の関係にしたがって移動する。結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接対応する場合があり、あるいは可撓性結合子８０の設計の一部として任意の他の所定の態様で関連付けられる場合がある。
【００２０】
可動子５０が移動する際に、結合ブロック１００が移動し、可動子５０の動きとともにキャパシタンスを変化させる。図５の例では、可撓性結合子８０によって、可動子５０は、図に示されるように、２次元ｘおよびｙ内を移動できるようになる。可動子５０がｘおよびｙ方向に移動する際に、結合ブロック１００は、可動子の動きに対する既知の関係ｘ’およびｙ’で移動する。たとえば、結合ブロック１００の動きは、可動子５０の動きに直接対応する場合がある。一実施形態では、それぞれ自らの結合ブロック１００およびコンデンサ用平板１０２を有する複数の可撓性結合子８０を用いて、位置をさらに高精度に判定することもできる。
【００２１】
図６は可撓性結合子８０の図である。図６に示される例では、可撓性結合子８０によって、可動子５０は２次元内を移動できるようになり、可撓性結合子８０は結合ブロック１００を用いて動きを制御する。可撓性結合子８０は、可動子５０を結合ブロック１００に接続する第１の可撓性コネクタ８２と、結合ブロック１００を可動子層４０に接続する第２の可撓性コネクタ８４とを有する。結合ブロック１００は、可動子電極１０２を有し、可動子５０に対応して移動する。対向電極９２は、隣接する層２０、３０上に配置され、コンデンサを形成する。一実施形態では、第１のコネクタ８２および第２のコネクタ８４はそれぞれ、結合ブロック１００と可動子５０の可動子層４０との間に直結される場合がある。他の実施形態では、第１および第２のコネクタ８２、８４は間接的に接続される場合があり、他の結合ブロック１００あるいは他の構造体が、可撓性結合子８０の一部として用いられる場合がある。当業者には、素子１０が、多数の結合ブロック１００および多数の可撓性コネクタ８２、８４を用いて実装される場合があることが理解されよう。
【００２２】
一実施形態では、可動子５０および結合ブロック１００は、可動子電極１０２と対向電極９２との間の距離が概ね一定に保たれるように、２次元内を移動する。この実施形態では、可動子電極１０２と対向電極９２との間の重なり合う面積が、可動子５０が移動する際に変化し、キャパシタンスを変化させる。他の実施形態では、可動子５０は、可動子電極１０２と対向電極９２との間の距離を変化させ、キャパシタンスを変化させるように移動する場合がある。たとえば、可動子５０は３次元内を移動する場合があり、あるいは対向電極９２は、２次元内の移動によって、電極９２、１０２間の距離が変化するように、可動子層上４０あるいは他の部分に配置される場合がある。
【００２３】
図７は、可動子電極１０２と対向電極９２との間のキャパシタンスを判定する１つの方法を示すＭＥＭＳ素子１０の断面図である。結合ブロック１００と、結合ブロック１００を可動子５０に接続する第１のコネクタ８２と、結合ブロック１００を可動子層４０に接続する第２のコネクタとを有する可撓性結合子８０が示される。図７に示される実施形態では、結合ブロック１００は、対向電極９２に相対する可動子電極１０２を備える。対向電極９２は、上側層３０に接続され、固定される。対向電極９２および可動子電極１０２は、電極コネクタ９４、１０４によって、キャパシタンス検出器９６に電気的に接続される。可動子電極１０２および対向電極９２は電源に接続される。電源は、ＭＥＭＳ素子１０から離隔して配置される場合がある。示される実施形態では、可動子電極からの電極コネクタ１０４は、可撓性結合子８０の第２のコネクタ８４を貫通するものとして示される。他の実施形態では、電極コネクタ１０４は可撓性結合子８０を貫通しない場合があるが、代わりに、たとえば可撓性結合子８０のコネクタ８４の側面に沿って延在する個別の接続体を有する場合がある。さらに別の実施形態では、電極コネクタ１０４は、キャパシタンス検出器９６に接続するために、無線接続を用いる場合がある。
【００２４】
キャパシタンス検出器９６は、電極９２、１０２間で検出されるキャパシタンスを判定することができるハードウエアを備える。本明細書で用いられるキャパシタンス検出器９６は、対向電極９２および可動子電極１０２などの、２つの電極間のキャパシタンスを判定するための任意のハードウエアあるいはソフトウエアシステムを指す。一実施形態では、多数の可動子電極１０２および対向電極９２が用いられ、電極９２、１０２間で検出されるキャパシタンスを判定するために、これらの電極のうちのいくつか、あるいは全てからの入力を受信する。この実施形態では、キャパシタンス検出器９６として、可動子５０の位置を判定するプロセッサを用いることもできる。別の実施形態では、多数のキャパシタンス検出器９６が用いられ、各検出器が、可動子電極１０２と対向電極９２との間のキャパシタンスを判定し、そのキャパシタンスについての情報を個別のプロセッサ（図示せず）に送信する。示される実施形態では、キャパシタンス検出器９６は上側層３０内に配置され、可動子層４０および接続材７０を介して、可動子電極１０２からコネクタ１０４を受け取る。一実施形態では、キャパシタンス検出器９６は、キャパシタンスを測定するために、電極９２、１０２内にＡＣ信号を流す開ループシステムを用いる。そのＡＣ信号は、キャパシタンス検出器９６から、あるいはチップの外部にある信号源から送出される場合がある。別の実施形態は閉ループシステムを利用し、電極９２、１０２が帰還ループ内のコンデンサあるいはアクチュエータとして用いられ、可動子５０の動きに基づいて、その動きに対応する誤差信号を生成することができる。当業者には、キャパシタンス検出器９６が、所望により、種々の場所に配置される場合があることが理解されよう。
【００２５】
本発明は、その特定の実施形態に関して記載されてきたが、変形形態を実現することができる。本発明は、その不可欠な精神あるいは属性から逸脱することなく特定の形態において具現される場合がある。詳細には、３層ウェーハシステムにおいて、特定の位置に配置される電極を有する、本発明の特定の実施形態が示されるが、当業者には、本発明が種々の電極の配置を有する種々のウェーハの数を有するシステムを含むことが理解されよう。本明細書に記載される実施形態は、全ての点で例示であり、限定するものではないと見なされ、さらに本発明の範囲を決定するために添付の請求の範囲およびその等価物が参照されることが望ましい。
【００２６】
本発明は以下に要約される。
【００２７】
１． 超小型電気機械システム素子（１０）内の可動子（５０）の位置を判定するための装置において、
可動子層（４０）と、
前記可動子層（４０）に対して移動することができる可動子（５０）と、
前記可動子層（４０）に前記可動子（５０）を接続し、可動子電極（１０２）を有する可撓性結合子（８０）と、
前記可動子電極（１０２）とともにキャパシタンスを生成する対向電極（９２）とを備え、
前記可動子電極（１０２）は、前記可動子（５０）の動きによって、前記対向電極（９２）に対して移動することを特徴とする装置。
【００２８】
２． 前記可動子電極（１０２）が配置され、前記可動子（５０）が移動する際に移動する結合ブロック（１００）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子（５０）に接続する第１のコネクタ（８２）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子層（４０）に接続する第２のコネクタ（８４）と、
をさらに備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【００２９】
３． 前記結合ブロック（１００）は、前記可動子（５０）の動きに対して所定の関係で移動することを特徴とする第２項に記載の装置。
【００３０】
４． 前記可動子層（４０）に隣り合う第１の層（３０）をさらに備え、前記対向電極（９２）は前記第１の層（３０）に接続されることを特徴とする第１項から第３項のいずれかに記載の装置。
【００３１】
５． 複数の前記可動子電極（９２）および前記対向電極（１０２）から複数の前記キャパシタンスを検出し、前記複数のキャパシタンスに基づいて前記可動子（５０）の位置を判定するキャパシタンス検出器（９６）をさらに備えることを特徴とする第１項から第４項のいずれかに記載の装置。
【００３２】
６． 前記超小型電気機械システム素子（１０）は１枚の半導体ウェーハの一部であることを特徴とする第１項から第５項のいずれかに記載の装置。
【００３３】
７． 前記可動子層（４０）および前記第１の層（３０）に平行に配置される第２の層（２０）をさらに備え、前記可動子層（４０）は前記第１の層（３０）と前記第２の層（２０）との間に配置されることを特徴とする第１項から第６項のいずれかに記載の装置。
【００３４】
８． 超小型電気機械システム素子（１０）において用いられ、前記ＭＥＭＳ素子（１０）内の可動子（５０）を可動子層（４０）に接続し、前記可動子層（４０）に対する前記可動子（５０）の動きを制御するための可撓性結合子（８０）において、
前記可動子層（４０）に対する前記可動子（５０）の動きにしたがって移動する結合ブロック（１００）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子（５０）に接続する第１のコネクタ（８２）と、
前記結合ブロック（１００）を前記可動子層（４０）に接続する第２のコネクタ（８４）とを備え、
前記結合ブロック（１００）は可動子電極（１０２）を有し、前記可動子電極（１０２）は前記可動子電極（１０２）に隣り合うように配置される対向電極（９２）とともにキャパシタンスを生成し、前記対向電極（９２）は前記可動子層（４０）に対して固定して配置され、それにより前記キャパシタンスは前記可動子（５０）の位置に関連付けられることを特徴とする可撓性結合子。
【００３５】
９． 前記対向電極（９２）は、前記可動子層（４０）と隣り合う個別の層（２０、３０）に接続され、前記可動子（５０）の動きによって、前記可動子電極（１０２）と前記対向電極（９２）との間の重なり合う面積が変化することを特徴とする第８項に記載の可撓性結合子。
【００３６】
１０．前記第１のコネクタ（８２）は、前記結合ブロック（１００）と前記可動子（５０）とを直結し、前記第２のコネクタ（８４）は前記結合ブロック（１００）と前記可動子層（４０）とを直結することを特徴とする第８項もしくは第９項に記載の可撓性結合子。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３ウェーハ超小型電気機械システム素子の概略構成図である。
【図２】図１の線２−２’から見た超小型電気機械システム素子の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による１ウェーハ超小型電気機械システム素子の概略構成図である。
【図４】図３の線４−４’から見た超小型電気機械システム素子の断面図である。
【図５】超小型電気機械システム素子の可動子および結合ブロックを示す図である。
【図６】本発明による可撓性結合子の詳細な図である。
【図７】超小型電気機械システム素子とキャパシタンス検出器のブロック図である。
【符号の説明】
１０ 超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子
２０ 層
３０ 層
４０ 可動子層
５０ 可動子
８０ 可撓性結合子
８２ 第１のコネクタ
８４ 第２のコネクタ
９２ 対向電極
９６ キャパシタンス検出器
１００ 結合ブロック
１０２ 可動子電極
Claims (17)
- 超小型電気機械システム素子内の可動子の位置を判定するための装置において、
可動子層と、
前記可動子層に対して移動することができる可動子と、
前記可動子層に前記可動子を接続し、可動子電極を有する可撓性結合子と、
前記可動子電極とともにキャパシタンスを生成する対向電極とを備え、
前記可動子電極は、前記可動子の動きによって、前記対向電極に対して移動し、
前記可撓性結合子は、前記可動子電極が配置されて前記可動子が移動する際に移動する結合ブロックと、前記結合ブロックを前記可動子に接続する第１のコネクタと、前記結合ブロックを前記可動子層に接続する第２のコネクタとを備え、
前記結合ブロックは、前記可動子の動きの非線形性を低減するように作用し、
前記第１のコネクタは、前記可動子に接続する第１の端と前記結合ブロックに接続する第２の端とを有する可撓性コネクタであり、
前記第２のコネクタは、前記可動子に接続する第１の端と前記可動子層に接続する第２の端とを有する可撓性コネクタである、
ことを特徴とする可動子位置判定装置。 - 前記結合ブロックは、前記可動子の動きに対して所定の関係で移動し、
前記可動子層に隣り合う第１の層をさらに備え、
前記対向電極は、前記第１の層に固定して接続されて前記可動子層と隣り合い、前記可動子の動きによって変化する、前記可動子電極と前記対向電極との間の重なり合う面積を有することを特徴とする請求項１に記載の可動子位置判定装置。 - 前記可動子層および前記第１の層に平行に配置される第２の層をさらに備え、前記可動子層は前記第１の層と前記第２の層の間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の可動子位置判定装置。
- 前記第１の層に接続された第１の組の電極と前記第１の層と隣り合って前記可動子の第１の側に接続された第２の組の電極とを備え、前記可動子を移動させるアクチュエータモータと、
前記可動子の第２の側に配置されて、データを記憶することができるデータ記憶媒体と、
前記データ記憶媒体と隣り合って前記第２の層上に配置され、前記データ記憶媒体にデータを書き込みあるいは読み出す読出し／書込みヘッドと、
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の可動子位置判定装置。 - 前記可動子電極におけるキャパシタンスを検出するキャパシタンス検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の可動子位置判定装置。
- 前記可動子、前記可動子層、前記結合ブロックおよび前記可撓性結合子はある面内に配置され、前記可動子は前記面内で前記可動子層に対して移動し、前記可動子電極と前記対向電極とは、前記可動子の動きによって変化する、したがって前記キャパシタンスが変化する、前記可動子電極と前記対向電極との間の重なり合う面積を有することを特徴とする請求項１に記載の可動子位置判定装置。
- 前記対向電極は前記可動子電極と隣り合って、前記可動子層に固定して接続されることを特徴とする請求項１に記載の可動子位置判定装置。
- 前記可動子は、データを記憶することができるデータ記憶媒体を備え、さらに
前記データ記憶媒体にデータを書き込みあるいは読み出す読出し／書込みヘッドを備えることを特徴とする請求項１に記載の可動子位置判定装置。 - 超小型電気機械システム素子において用いられ、前記超小型電気機械システム素子内の可動子を可動子層に接続し、前記可動子層に対する前記可動子の動きを制御するための可撓性結合子において、
前記可動子層に対する前記可動子の動きにしたがって移動し、前記可動子の動きの非線形性を低減するように作用しうる結合ブロックと、
前記結合ブロックを前記可動子に接続する第１の可撓性コネクタと、
前記結合ブロックを前記可動子層に接続する第２の可撓性コネクタとを備え、
前記結合ブロックは可動子電極を有し、前記可動子電極は該可動子電極に隣り合うように配置される対向電極とともにキャパシタンスを生成し、前記対向電極は前記可動子層に対して固定して配置されることにより前記キャパシタンスは前記可動子の位置に関連付けられることを特徴とする可撓性結合子。 - 前記対向電極は、前記可動子層と隣り合う個別の層に接続され、前記可動子の動きによって、前記可動子電極と前記対向電極との間の重なり合う面積が変化することを特徴とする請求項９に記載の可撓性結合子。
- 前記第１の可撓性コネクタは、前記結合ブロックと前記可動子とを直結し、前記第２の可撓性コネクタは前記結合ブロックと前記可動子層とを直結し、
前記結合ブロックはその側面に前記可動子電極を配置した実質的に平らな部材であって、前記可動子と平面を定め、前記第１、第２の可撓性コネクタは前記平面内で前記結合ブロックと前記可動子とが移動しえるようにすることを特徴とする請求項１０に記載の可撓性結合子。 - 対向電極を有する第１のウェーハと、
前記第１のウェーハに平行に配置された第２のウェーハと、
前記第１、第２のウェーハに平行に配置された第３のウェーハと、
キャパシタンス検出器と、
を備え
前記第２のウェーハは前記第１、第３のウェーハの間に位置し、
前記第１のウェーハに固定して取り付けられた可動子層と、
前記第１のウェーハと前記可動子層とに対して移動できる可動子と、
可動子電極を備え前記可動子層と前記可動子とを結合する可撓性結合子と
を備え、
前記キャパシタンス検出器は、前記対向電極と前記可動子電極との間のキャパシタンスを検出するとともに、
前記可動子が移動するにつれて前記可動子電極が前記対向電極に対して移動し、
前記可撓性結合子は、前記可動子の動きに従って動き、前記可動子の動きの非線形性を低減するように作用する結合ブロックをさらに備え、前記可動子電極は該結合ブロック上に配置されることを特徴とする３ウェーハ超小型電気機械システム装置。 - 前記第３のウェーハが前記可動子電極と隣り合う対向電極を備えることを特徴とする請求項１２に記載の３ウェーハ超小型電気機械システム装置。
- 前記結合ブロックは前記可動子の動きに直接対応して動くことを特徴とする請求項１２に記載の３ウェーハ超小型電気機械システム装置。
- 前記キャパシタンス検出器は複数の可動子電極と複数の対向電極とからの複数のキャパ シタンスを検出し、前記複数のキャパシタンスに基づいて前記可動子の位置を判定することを特徴とする請求項１２に記載の３ウェーハ超小型電気機械システム装置。
- 前記可動子が、データを記憶することができるデータ記憶媒体を備え、さらに
前記データ記憶媒体にデータを書き込みあるいは読み出す読出し／書込みヘッドを備えることを特徴とする請求項１２に記載の３ウェーハ超小型電気機械システム装置。 - 前記可動子は第１、第２の側を有し、
前記データ記憶媒体は前記第３のウェーハと隣り合う前記第１の側上に配置され、
前記読出し／書込みヘッドは前記データ記憶媒体と隣り合う前記第３のウェーハ上に配置され、さらに
前記第１のウェーハに接続された第１の組の電極と、前記第１の組の電極と隣り合って前記可動子の第２の側に接続された第２の組の電極とを有し、前記可動子を移動させるアクチュエータモータを備え、
前記アクチュエータモータは、前記可動子が、前記第１、第３のウェーハに沿って、かつ、前記第２のウェーハが定める平面内で、移動するようにし、さらに、前記可動子電極と前記対向電極との間の重なり合う面積をが、前記可動子の動きにつれて変化し、したがって検出される前記キャパシタンスが変化することを特徴とする請求項１６に記載の３ウェーハ超小型電気機械システム装置。
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