JP4145168B2

JP4145168B2 - MEMS element and optical device

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Publication number: JP4145168B2
Application number: JP2003056304A
Authority: JP
Inventors: 圭史諫本; 洋年吉; 昌鎬鄭
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-03-03
Also published as: JP2004264703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子と、これを使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスに係わり、特にチルトミラーを使用したＭＥＭＳ素子と、ＭＥＭＳ素子を使用した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展に伴い、各種の光デバイスが開発されている。この中で、微細構造デバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が近年注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は固体の弾性的あるいは機械的な性質を制御する技術を応用したもので、金属等の各種の材料で作られた従来の機械システムをシリコン加工により極小サイズで製造するデバイスである。部品が小型のため最終的な製品も小さくなるという利点があり、また金属疲労が無く、素子としての信頼性が高い。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子のうちで、その一部にミラーが備えられているものは、電圧を印加することでこのミラーの傾斜角やミラーの位置を変化させ、入射した光の反射方向等を変化させることができる（たとえば特許文献１）。この原理を用いることで、ＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器や光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子では、ミラー自体が比較的大面積であっても、電圧印加に応じて傾斜角が変化したときに反りが少ないことが重要である。また、このような精度の高いＭＥＭＳ素子が簡単なプロセスで製造できることが求められている。以下、単にＭＥＭＳ素子と表現するときにはその一部にミラーを備えた素子をいうものとする。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子として、従来からＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）プロセスによる片持ち梁の素子が知られている。
【０００５】
図１３（ａ）はこのＳＯＩプロセスを使用したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＫ−Ｋ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１０１は、電極を兼ねたシリコン基板１０２上に所定の厚さの酸化層からなる支持部１０３を配置し、更にこの上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置して、この上部電極１０４におけるこれらの図で右半分部分にミラー１０５を形成した構造となっている。上部電極１０４におけるミラー１０５が形成された領域の直下の酸化層は、除去されている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ素子１０１は上部電極１０４と、下部電極を兼ねたシリコン基板１０２との間に電圧を印加すると、両者の間に矢印１０６で示す静電引力が働く。ミラー１０５が形成され下方に空隙が生じている上部電極１０４が、これにより矢印１０７方向に傾斜して、ミラー面の上方から入射する図示しない光の反射角度を変えることができる。
【０００７】
図１３に示したＭＥＭＳ素子１０１は次のようにして製造される。まずシリコン基板１０２の上に支持部１０３となる酸化層および上部電極１０４となる単結晶シリコンの層を形成する。この後、上部電極１０４となる単結晶シリコンにおけるミラー１０５が形成される直下の部分を切削する。次に、シリコン基板１０２上の酸化層における図１４で支持部１０３となっている部分以外をエッチングにより取り除く。この後、このエッチングにより除去した酸化層の上側の上部電極１０４の部分にミラー１０５を積層する。
【０００８】
このように図１３に示したＭＥＭＳ素子１０１は、比較的簡単なＳＯＩプロセスで製造できるという利点がある。また、上部電極１０４は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、その上に積層して形成するミラー１０５の反りが少ないという長所がある。しかしながら、ミラー１０５が片持ち梁の構造となっているので、ミラー面がシリコン基板１０２に吸引される方向にのみ傾斜することになる。このように、図１３に示したバルクマイクロマシニングを使用して製造すると、ＭＥＭＳ素子のミラー１０５の傾斜の自由度が少ないという問題があった。
【０００９】
そこで、表面マイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子の設計の自由度を高めることで、ミラーが跳ね上がる方向にも傾斜できるようにする提案が行われている。
【００１０】
図１４（ａ）は、表面マイクロマシニングの技術を使用して製造したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＬ−Ｌ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１２１は、同図（ｂ）に示すように非導電体の基板１２２上に酸化層からなる支持部１２３を配置し、その上にポリシリコン薄膜１２４を配置した構造となっている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）における左半分の部分が上部電極１２５を構成しており、ここには、多数のエッチングホールと呼ばれる開口１２６が開けられている。ポリシリコン薄膜１２４の右側の部分にはその上部にミラー部１２７が形成されている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）でほぼ中央部に図で上下に細く伸びたヒンジ部１２８₁、１２８₂を有しており、これらヒンジ部１２８₁、１２８₂の端部と一体となった矩形領域からなる固定部１２９₁、１２９₂は同図（ｂ）に示した支持部１２３のちょうど上に積層されている。基板１２２とポリシリコン薄膜１２４の間は支持部１２３を除いて空隙となっており、上部電極１２５と対向する基板１２２上には下部電極１３１が形成されている。
【００１１】
このような図１４に示す構造のＭＥＭＳ素子１２１では、上部電極１２５と下部電極１３１の間に電圧を印加することで、矢印１３０で示すように静電引力が働き、ヒンジ部１２８₁、１２８₂を回転中心としてミラー部１２７を矢印１３２、１３３方向にチルトさせることができる。すなわちミラー部１２７を上方向に蹴り上げるように傾斜させることができる。これにより、静電引力による駆動時に傾斜角度をより大きく変化させることができる。また図１３と図１４を比較すると分かるように、ミラー面をより大型のものとすることも可能である。
【００１２】
なお、図１４でポリシリコン薄膜１２４はヒンジ部１２８₁、１２８₂を結ぶ直線（回転軸）に対して図でわずかに左側が長くなった形状となっている。これは回転軸を中心に左右の重さのバランスをとることで最も効率的な駆動特性を得るようにするためである。図で回転軸の左側を構成するポリシリコン薄膜１２４の幅を右側よりも若干広くしても、同様に質量によるモーメントを左右対称として駆動特性を最も効率的なものとすることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−１７４７２４号公報（第００１７段落、図５）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ヒンジ部１２８₁、１２８₂を回転中心としてミラー部１２７を回転させる構造を有するＭＥＭＳ素子では、ある印加電圧まで上部電極１２５と下部電極１３１の間に印加される電圧とミラー部１２７の回転角（傾斜角）は対応関係を保つ。ところが、上限となるある電圧を超えると、ヒンジ部１２８₁、１２８₂が急激に回転して、上部電極１２５の端部が下部電極１３１と接触するまで一気に引き付けられる。この現象は、一般にプルイン（pull-in）と呼ばれている。
【００１５】
図１５は、上部電極の一端が下部電極と接触した状態の一例を表わしたものである。この図に示すようなプルイン現象が一度発生しても、上部電極１２５と下部電極１３１の間の電圧の印加を再び解除すると、ヒンジ部１２８₁、１２８₂（図ではヒンジ部１２８₁のみ図示。）におけるバネの復元力によって上部電極１２５は再び下部電極１３１から離れて初期的な回転角度に戻るのが通常である。
【００１６】
ところが、特に低電圧駆動等の要請でヒンジ部１２８₁、１２８₂が細くなって、それ自体のバネの復元力（剛性）が低下したような場合には、上部電極１２５と下部電極１３１の間の電圧の印加を解除しても、図１５に示すようにこれらの電極が接触状態を保った状態のままとなる場合がある。これには幾つかの原因が考えられている。たとえば上部電極１２５と下部電極１３１が接触した際に、原子間力やその他の物理的な力が働いて、これらの力が保持されたままとなったような場合や、水分や微細なごみが接触部位に存在して、この箇所で上部電極１２５と下部電極１３１が接着したような力が働くような場合である。
【００１７】
このように上部電極１２５の一端が下部電極１３１と接触したままの状態となると、そのＭＥＭＳ素子は作動しない状態となり、これを応用した光デバイスに障害を発生させることになる。たとえば光減衰器は光の減衰量を調整することができなくなり、光スイッチは光のオン・オフ制御が不可能になる。また、光スキャナでは光を周期的にスキャン（走査）できなくなってしまう。
【００１８】
そこで、従来ではプルイン現象が生じない範囲でＭＥＭＳ素子の駆動を行ったり、プルイン現象が生じにくいようにヒンジ部の剛性を比較的高めた状態に設計するといった工夫が行われていた。この結果、ＭＥＭＳ素子の低電圧駆動のための設計が困難となったり、ＭＥＭＳ素子全体に対するミラーやアクチュエータ部分の大型化が困難になるという問題があった。特に後者の場合には、ミラーを大型化するほど光学系の設計が容易となってコストダウンを図ることができる利点があるが、大型化による重量の増加でプルイン現象が生じやすくなるので、コストダウンを図りにくくなるといった問題を発生させていた。
【００１９】
そこで本発明の目的は、ミラーを駆動するアクチュエータが静電的な引力によって基板に接触した場合にミラーを元の位置に比較的簡単に戻すことのできるＭＥＭＳ素子およびこれを使用した光減衰器、光スイッチおよび光スキャナ等の光デバイスを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の部材であって、所定の形状の開口部を有する基板と、（ロ）この基板表面と間隔を置いて並行する所定の回転軸を中心として前記した開口部により生じる空間を利用して回動自在に配置された平板状の導電性の部材であって、前記した基板と絶縁状態でこの基板との間に印加される電圧に応じて静電的な力を受けることで前記した回転軸を中心として特定方向に回転する力を生じると共に、所定の回転位置でこの部材の一部が前記した基板の前記した開口部以外の対向面と局部的に接触する形状となったアクチュエータと、（ハ）前記した回転軸に沿って配置された部材であって、前記したアクチュエータに一端を接続し他端を前記した基板に対して位置的に固定したトーションスプリングとしてのヒンジ部材と、（ニ）前記したアクチュエータと一体的に配置され、前記した開口部により生じる空間を利用してアクチュエータの回転に応じて回動することで入射光の反射方向を変化させるミラーとをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００２１】
すなわち請求項１記載の発明では、アクチュエータが回転軸を中心として回転するとき、このアクチュエータを構成する平板状の導通性部材の一部が所定の回転位置で導電性の基板と接触するようにし、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにしている。これにより、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。ここで、このような導通性部材の一部としての側壁の例を挙げると、２等辺三角形をして底辺を２分した点と頂点を通る線分を回転軸としたアクチュエータの斜辺を構成する側壁や、矩形の対応する２辺の中点を通る線分を回転軸とし、この回転軸と平行な辺の一部に突起が存在するこれらの辺を構成する側壁のようなものである。請求項２記載の発明もこれに該当する。
【００２２】
請求項２記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の部材であって、所定の形状の開口部を有する基板と、（ロ）この基板表面と間隔を置いて並行する所定の回転軸を中心として前記した開口部により生じる空間を利用して回動自在に配置された平板状の導電性の部材であって、前記した基板と絶縁状態でこの基板との間に印加される電圧に応じて静電的な力を受けることで前記した回転軸を中心として特定方向に回転する力を生じると共に、この回転軸からすべて等距離となるようにその側壁を配置したアクチュエータと、（ハ）前記した回転軸に沿って配置された部材であって、前記したアクチュエータに一端を接続し他端を前記した基板に対して位置的に固定したトーションスプリングとしてのヒンジ部材と、（ニ）前記したアクチュエータと一体的に配置され、前記した開口部により生じる空間を利用してアクチュエータの回転に応じて回動することで入射光の反射方向を変化させるミラーと、（ホ）前記したアクチュエータの側部から前記した回転軸と遠ざかる方向に突出するように配置され、前記したアクチュエータの所定の回転位置で前記した基板の前記した開口部以外の個所と局部的に接触する突起部とをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００２３】
すなわち請求項２記載の発明では、アクチュエータが回転軸を中心として回転するとき、アクチュエータの側部から回転軸と遠ざかる方向に突起部を突出するように配置しておいて、この突起部が導電性の基板と接触するようにし、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにしている。これにより、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。
【００２４】
請求項３記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、（ロ）この基板と絶縁状態でこれと間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間の電圧印加による静電的な力を受けることで基板上面と平行な所定の回転軸を中心として回転力を生じると共にこの回転軸からすべて等距離となるようにその側壁を配置したアクチュエータと、（ハ）前記した所定層から形成されアクチュエータに一端を接続すると共に回転軸に沿って回動自在に配置されたヒンジ部材と、（ニ）アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、（ホ）アクチュエータの一方の面上に形成され成膜時の応力でアクチュエータを構成する前記した所定層の厚さ方向に所定の反りを発生させる所定膜とをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００２５】
すなわち請求項３記載の発明では、アクチュエータの一方の面に所定膜を成膜してその過程でこの膜の厚さ方向に所定の反りを発生させるようにしている。これにより、アクチュエータが回転軸を中心として回転するときにこの反った箇所が導電性の基板と接触するようにし、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにしている。これにより、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。
【００２６】
請求項４記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子で、突起部は回転軸を中心とした対称位置に互いに対称となる形状で配置されていることを特徴としている。
【００２７】
すなわち請求項４記載の発明では、突起部は回転軸を中心とした対称位置に互いに対称となる形状で配置されているので、回転軸に対するモーメントを左右対称にすることができ、外部からの加速度でヒンジ部材が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを防ぐことができる。
【００２８】
請求項５記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の部材であって、所定の形状の開口部を有する基板と、この基板表面と間隔を置いて並行する所定の回転軸を中心として前記した開口部により生じる空間を利用して回動自在に配置された平板状の導電性の部材であって、前記した基板と絶縁状態でこの基板との間に印加される電圧に応じて静電的な力を受けることで前記した回転軸を中心として特定方向に回転する力を生じると共に、この回転軸からすべて等距離となるようにその側壁を配置したアクチュエータと、前記した回転軸に沿って配置された部材であって、前記したアクチュエータに一端を接続し他端を前記した基板に対して位置的に固定したトーションスプリングとしてのヒンジ部材と、前記したアクチュエータと一体的に配置され、前記した開口部により生じる空間を利用してアクチュエータの回転に応じて回動することで入射光の反射方向を変化させるミラーと、前記したアクチュエータの側部から前記した回転軸と遠ざかる方向に突出するように配置され、前記したアクチュエータの所定の回転位置で前記した基板の前記した開口部以外の個所と局部的に接触する突起部とを備えたＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の基板と前記した所定層との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて傾斜するミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００２９】
すなわち請求項５記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を使用して光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを製作することができるので、アクチュエータがプルイン現象を発生させたような場合にも光デバイスを信頼性よく作動させることができ、プルイン現象を生じないように特別の回路を設ける必要がないのでデバイスの設計が容易になり、コストダウンも図ることができる。
【００３０】
請求項６記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態でこれと間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間の電圧印加による静電的な力を受けることで基板上面と平行な所定の回転軸を中心として回転力を生じると共にこの回転軸からすべて等距離となるようにその側壁を配置したアクチュエータと、前記した所定層から形成されアクチュエータに一端を接続すると共に回転軸に沿って回動自在に配置されたヒンジ部材と、アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、アクチュエータの一方の面上に形成され成膜時の応力でアクチュエータを構成する前記した所定層の厚さ方向に所定の反りを発生させる所定膜とを備えたＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の基板と前記した所定層との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて傾斜するミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３１】
すなわち請求項６記載の発明では、請求項３記載のＭＥＭＳ素子を使用して光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを製作することができるので、アクチュエータがプルイン現象を発生させたような場合にも光デバイスを信頼性よく作動させることができ、プルイン現象を生じないように特別の回路を設ける必要がないのでデバイスの設計が容易になり、コストダウンも図ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
【００３３】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
＜第１の実施例＞
【００３４】
図１は本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部を斜め上方から見たものである。このＭＥＭＳ素子２０１は、円盤状のミラー部２０２を備えている。このミラー部２０２は、円盤の中心を上面と平行な方向に貫通する１本の回転軸２０３を中心として傾斜角度θで矢印２０４方向に回転するようになっている。ミラー部２０２は、この回転軸２０３の貫通した２方向に突出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を備えている。これら第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の延長上には回転軸２０３が同じく中心部分を貫通した形で細い棒状の第１および第２のトーションスプリング（ヒンジ部）２０７、２０８のそれぞれ一端が配置されており、これらの他端は第１および第２の固定部２０９、２１０に接続された構造となっている。ただし、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０は別々の部品が組み合わされているのではなく、上部電極層と呼ばれる１つの層を所定の処理によって加工したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６にはエッチングホールと呼ばれる開口２１２が複数配置されている。また、ミラー部２０２には図示しないが必要に応じて金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の金属によって反射面が形成されている。
【００３５】
この図１で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の右半分部分の下側には所定の間隔ｄをおいて、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５が配置されている。ミラー部２０２の下側では、このミラー部２０２の円形形状よりもやや大きなサイズでシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、円形開口部２１６を形成している。これは、回転軸２０３を中心としてミラー部２０２が矢印２０４方向に回転するとき、シリコン基板２１５の上面と接触するのを防止するためと、上部電極層と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間に電源２１７によって電圧を印加したときミラー部２０２に静電的な力が直接及ぼされないようにするためである。
【００３６】
また、円形開口部２１６に連なって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で左側の領域でもシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、矩形開口部２１８を構成している。これに対して第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で右側の領域ではシリコン基板２１５は切除されていない。このように回転軸２０３を中心としてシリコン基板２１５が左右不均衡に存在することによって、電源２１７による電圧印加の大きさに応じて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が左右異なった静電引力を受ける。この結果、印加電圧に応じてミラー部２０２は矢印２０４方向に回転する力を第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６から伝達され、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のこれに逆らう力と均衡する傾斜角にミラー面が設定されることになる。
【００３７】
すなわち、電圧が印加されていない状態におけるミラー部２０２のミラー面と直交する垂線（Ｙ軸方向）２２１に対して入射角αで光ビーム２２２が入射したとすると、電源２１７の印加電圧が大きくなるに応じて傾斜角度θが角度αから次第に大きな値に変化することになる。このようにミラー部２０２の傾斜角度θを電源２１７による印加電圧によって任意に変化させることで、後に説明するようにＭＥＭＳ素子を光減衰器、光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光学部品あるいは光学装置に応用することができる。
【００３８】
第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は、ミラー部２０２に比較的近い側の左右の側部からそれぞれ半円筒形状の小突起２５１〜２５４が突出している。このうちの図で左側の２つの小突起２５２、２５４は、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が回転軸２０３を中心として回転してプルイン現象を発生させたとき、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５に局部的に接触するために設けられている。右側の２つの小突起２５１、２５３は矩形開口部２１８の上に存在するので、この役割は有していない。これらの小突起２５１、２５３は回転軸２０３に対するモーメントを左右対称にするためのものであり、これについて問題が生じないような場合には省略可能である。
【００３９】
なお、この図１では層構造を分りやすくするために、第１のアクチュエータ２０５の手前側（電源２１７を示している側）のシリコン基板２１５を適宜切除して図解している。
【００４０】
図２は、本実施例のＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。ＭＥＭＳ素子２０１の上部電極に相当する部分は、ミラー部２０２と、回転軸２０３（図１）に沿ってミラー部２０２の両側から伸び出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６と、これらから回転軸２０３に沿って伸びた第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８と、これら第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８を固定する第１および第２の固定部２０９、２１０で構成されている。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の左右の側部には小突起２５１〜２５４が設けられている。
【００４１】
図３および図４は、このＭＥＭＳ素子の図２におけるＡ−Ａ方向に切断した端面を示したものである。この切断面は２つの突起２５３、２５４の中央を切断する面である。このうち図３は上部電極を構成する第１のアクチュエータ２０５と下部電極を構成するシリコン基板２１５に、図１に示した電源２１７から電圧を印加していない状態、すなわち無バイアス状態を示している。この状態で第１のアクチュエータ２０５はシリコン基板２１５の上面とほぼ平行となっている。
【００４２】
図４は、これに対して上部電極を構成する第１のアクチュエータ２０５と下部電極を構成するシリコン基板２１５に、図１に示した電源２１７から過度の電圧が印加された状態を示している。図１に示した第２のトーションスプリング（ヒンジ部）２０８が印加電圧により回転してプルイン現象を生じている。これにより半円筒の小突起２５４がシリコン基板２１５の表面と接触している。
【００４３】
図５は、両電極の接触部分をシリコン基板の上面と垂直方向に切断して拡大したものである。この図には示していないが、第１のアクチュエータ２０５の側部２０５Ａに小突起２５４がない状態では、側部全長が線状あるいは帯状にシリコン基板の上面２１５Ａと接触することになる。第１の実施例では図５に示したように小突起２５４の先端のみがシリコン基板の上面２１５Ａと接触するので、接触面積が大幅に減少する。これにより上部電極と下部電極の間の電圧の印加を解除したり印加電圧を十分低下させることにより、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を図３に示す電圧の印加されていない初期状態に戻すことができる。
【００４４】
ところで、第１の実施例では図１および図２に示したような構造のＭＥＭＳ素子２０１でプルイン現象に対する対策を説明しているが、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の形状等が異なれば、この現象の現われる状況も異なってくる。そこで本発明の適用される範囲を考察する意味でも各種の形状に対するプルイン現象の考察を行ってみる。
【００４５】
図６は、図１および図２に示したような構造のＭＥＭＳ素子でアクチュエータの幅を各種設定した場合の駆動特性を示したものである。この図で横軸は、上部電極と下部電極の間の印加電圧としての駆動電圧を示したものであり、縦軸は第１および第２のアクチュエータの回転角を表わしている。また、図７は図６で示した各特性のアクチュエータの形状を示したものである。図６で第１の曲線２６１は、図７（ａ）に示すように第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の幅Ｗ₁（回転軸と直交する方向の長さ）が１４１μｍの場合の特性を表わしている。また、第２の曲線２６２はこの幅Ｗ₂が図７（ｂ）に示すように同図（ａ）の場合よりも少し狭い１００μｍの場合の特性を表わしている。この幅Ｗ₂は、第１の実施例で用いられているものと同一である。第３の曲線２６３はこの幅Ｗ₃が図７（ｃ）に示すように第１の実施例の場合よりも狭い７０μｍの場合の特性を表わしている。これら第１および第２のアクチュエータの回転軸方向の長さは共に５００μｍである。第４の曲線２６４は図７（ｄ）に示すようにアクチュエータの幅が回転軸方向に２５０μｍごとに２段階に変化しており、短い幅Ｗ₄の方が７０μｍで、長い幅Ｗ₅の方が１４１μｍとなっている。
【００４６】
第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６として図７（ａ）〜（ｄ）に示した各種の形状のものを用意して、これらについて駆動電圧が０Ｖ（ボルト）から次第に高くなっていく場合を図６と共に考察する。一般に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の両側部の形状は回転軸２０３（図１参照）に対して単に対称となっているだけでなく、更に回転軸２０３からすべて等距離となるようにその側壁を配置していることが、アクチュエータの効率という点では好ましい。この観点からは図７（ａ）〜（ｄ）の形状の中で図７（ａ）〜（ｃ）の形状が勝ることになる。
【００４７】
図１に示した電源２１７の印加電圧を０Ｖから上昇させていくと、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６はこれに応じて図１で示した矢印２０４方向に回転していく。すでに説明した通り、上部電極と下部電極の間隔（電極間距離）がある値以下になるとプルイン現象が発生し、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は制動が効かなくなったように一気に回転して、両電極が接触する。一般にプルイン現象が発生する電極間距離は、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が回転軸２０３に対して対称形となっている場合、初期のギャップ（図１における間隔ｄ）の３分の１程度であるといわれている。
【００４８】
電圧を印加し始めた初期の段階で、図７（ａ）〜（ｄ）に示した各種の形状の第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６はほぼ一致した駆動特性を示す。電圧が更に印加されて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の回転角θが増加していくと、図６の第１の曲線２６１で示す最も長い幅Ｗ₁のアクチュエータの方が回転によってその端部が最も早く下部電極に近づくので、トルクが大きくなる。この結果として第１の曲線２６１で示すアクチュエータが印加電圧の最も低い段階で回転角を早期に増加させるが、駆動電圧が約３Ｖで回転角が約０．３（ｄｅｇ）に達した時点でプルイン現象を発生させる。
【００４９】
一方、図６の第３の曲線２６３で示す最も短い幅Ｗ₃のアクチュエータの場合には、回転によってその端部が最も遅く下部電極に近づくので、トルクが小さくなる。この結果として第３の曲線２６１で示すアクチュエータは印加電圧が１番高くなるまで回転角を増加させていき、駆動電圧が約９Ｖで回転角が約０．７（ｄｅｇ）に達した時点でプルイン現象を発生させる。
【００５０】
したがって、第１の曲線２６１で示す最も長い幅Ｗ₁のアクチュエータの場合には、印加電圧が０Ｖからプルイン現象を発生させるまでの電圧範囲が狭く、かつこの間での回転角が少ないため、駆動電圧に対応させてミラー部２０２（図１）の傾斜角の制御を行おうとすると、非常に扱いにくいデバイスとなる。また、第３の曲線２６３で示す最も短い幅Ｗ₃のアクチュエータの場合には回転角の制御範囲が広くなるので扱いは容易となるが、ＭＥＭＳ素子２０１を低電圧駆動しようとすると、低電圧領域では十分な回転角の制御を行うことができず、この点で問題が発生する。以上より、アクチュエータの効率と扱いやすさの関係からは、図７（ａ）〜（ｄ）に示す各種アクチュエータの形状の中で同図（ｂ）に示すものが一番適切である。
【００５１】
次に、プルイン現象が発生したときの上部電極と下部電極との接触について考察する。アクチュエータが図７（ａ）〜（ｃ）に示すように回転軸２０３（図１）に対して左右に完全に等距離の側部を有しているとき、すなわち左右の側部が完全に直線状となりかつ回転軸２０３と平行となっているときには、プルイン現象が発生したときの上部電極と下部電極の接触面積が最大となる。上部電極を構成するアクチュエータの一方の側部全域が下部電極としてのシリコン基板２１５（図１）の上面と接触するからである。これにより、電圧の印加が解除されたり印加電圧が減少した場合に、先に説明した原因で両者が密着して離れにくくなるからである。図７（ｄ）で示したアクチュエータの形状では、プルイン現象が発生したときの上部電極と下部電極の接触の長さを図７（ａ）〜（ｃ）に示した例よりも半分に抑えることができるので、離れにくさの程度が改善されることが認められた。
【００５２】
そこで第１の実施例では更に一歩進めて、図１および図２に示したように第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の両側部に断面の半径が５μｍ程度の微小な半円筒の小突起２５１〜２５４を設けることにした。これにより、図５で示したように上部電極と下部電極の密着を大幅に軽減できる。すなわち、図７（ｄ）に示す形状よりも小突起２５１〜２５４を設けた本実施例の第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の方が、効率の点からも密着後の離れやすさの点からも最も適切な形状となる。
【００５３】
小突起２５１〜２５４は本実施例のように断面の形状が半円形に限定されるものではない。たとえば断面の形状が三角形であってもよい。また、経年変化に対する変形を防止したり、接触部分にある程度の強度を持たせたい場合には断面が長方形や台形となっていてもよい。小突起２５１〜２５４のこのような形状およびサイズは、図１および図２に示した第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８の剛性あるいはバネの復元力を考慮して設計すればよい。たとえば断面が半円や三角形のように接触が点に近い形で行われる形状は、低電圧駆動等の要請で第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８によるバネの復元力が比較的弱い場合に有効である。反対に断面が長方形や台形のように接触が比較的短い線に近い形で行われる形状は、駆動力の大きなＭＥＭＳ素子でアクチュエータと下部電極が比較的大きな力で衝突する場合に有効である。
【００５４】
図８は、第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにシリコン基板２１５と中間層２４１および上部電極層２４２がそれぞれ所望の厚さとなった３層構造のウエハ２４３を用意する。ここでシリコン基板２１５と上部電極層２４２は共にシリコン（Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして導体としたものである。中間層２４１はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）である。このうち、上部電極層２４２は、図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０が形成される層である。中間層２４１は、図１に示した間隔ｄに対応する厚さとなっている。第１の実施例ではシリコン基板２１５の厚さは３００〜８００μｍ、中間層２４１の厚さは０．５〜５μｍ、上部電極層２４２の厚さは１０〜５０μｍのものを使用する。
【００５５】
次に、同図（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングによって上部電極層２４２のパターンを作成する。フォトリソグラフィとエッチングによるパターンの作成については、従来から用いられている手法なので図示および説明を省略する。この処理で図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびに開口２１２が形成される。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６における図１および図２で示した小突起２５１〜２５４もこのとき同時に形成されることになる。なお、図８では上部電極層２４２の詳細な図示は省略している。
【００５６】
次に、同図（ｃ）に示すようにシリコン基板２１５側からフォトリソグラフィとエッチングを行い、図１に示したミラー部２０２に対応する円形開口部２１６や、この図５には示していない矩形開口部２１８を作成する。このときには、必要に応じてウエハ２４３の表裏を反転させて処理を行うことになる。
【００５７】
最後に、同図（ｄ）に示すように中間層２４１を除去する。ただし、図１および図２に示した第１および第２の固定部２０９、２１０の部分は中間層２４１と上部電極層２４２で構成されているので、エッチングの時間を調整することでこの部分の中間層２４１は残存する。なお、以上の工程の後で、あるいは途中にミラー部２０２に対して金を蒸着あるいはスパッタリングしてミラー面を形成する。
【００５８】
以上説明した第１の実施例ではＳＩＯを用いたバルクマイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子２０１を製造したので、表面マイクロマシニングと比べて簡単な工程となり、コストダウンを図ることができる。しかもＳＩＯを用いた場合、構造体が結晶シリコンとなるため、ミラー等の光学部品を高い品質で製造することができる。更に表面マイクロマシニングと比べて上部電極層２４２を厚く形成することができるので、図１に示したように第１および第２のトーションスプリング２０７の長手方向をこれと直交する方向に比べて厚くすることができ、低電圧駆動を行う場合にも特に補強を行うことなく衝撃に対する耐性を十分持たせることができる。また、構造上、回転軸２０３の方向の耐衝撃性が高いので、結果的にすべての方向に対する耐衝撃性を高めることができる。
【００５９】
また、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８に対して対称形となり、回転軸２０３の両側に開口２１２を均等に配置している。更に小突起２５１〜２５４も回転軸２０３に対して左右対称に配置している。このため、回転軸２０３に対して質量のモーメントが完全に対称形となり、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを効果的に防止することができる。更に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６のほぼ全面に開口２１２が配置されているので、エッチング液の染み込みを均一に行えると共に空気の粘性抵抗の低減も回転軸２０３を中心にバランスよく行うことができる。更に、小突起２５１〜２５４は、図８（ｂ）の工程で形成されるのでこのために工程が複雑化されることはない。しかもフォトリソグラフィの際のパターンを微細に変更するのみで小突起２５１〜２５４の形状やサイズを各種変更することができる。
【００６０】
＜第２の実施例＞
【００６１】
図９は本発明の第２の実施例におけるＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。図９で図２と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。第２の実施例のＭＥＭＳ素子２０１Ａは、図２に示した第１の実施例のＭＥＭＳ素子の第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６に存在した小突起２５１〜２５４が存在しない。この代わりに第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は、それらの約５００μｍの全長にわたって蒸着あるいはスパッタリングによって金あるいは他の金属による薄膜４０１が形成されている。ミラー部２０２の部分には同様に金等の薄膜が形成されるので、これと同時に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６に対しても金属による薄膜４０１を形成するものであってもよい。
【００６２】
なお、図９に示した第２の実施例のＭＥＭＳ素子２０１Ａではミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２の固定部２０９Ａ、２１０Ａと共に、これらと所定の間隔を置いてストッパ部４０２が、下部電極を構成するシリコン基板２１５の上に上部電極として配置されている。ストッパ部４０２は、ミラー部２０２ならびに第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が外力によって紙面と平行で回転軸と直交する方向に移動する力を与えられたとき、これらの移動範囲を制限するストッパとしての役割を果たすようになっている。
【００６３】
図１０は、第２の実施例のＭＥＭＳ素子をＣ−Ｃ方向に切断した端面の構造を示したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６はそれらの厚さが１０〜５０μｍ程度と非常に薄い。このためこれらの上に金属による薄膜４０１が形成されると、成膜時に生じる応力によって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が所定の曲率で湾曲し、回転軸２０３方向の異なった２点で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の厚さ方向に反りを発生させる。反りの量は、回転軸２０３方向の全長がそれぞれ５００μｍの第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６で０．１μｍ程度である。もちろん、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６（上部電極）とシリコン基板２１５（下部電極）との間は電圧が印加されていない状態でたとえば４μｍ程度の隙間があるので、この反りは第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の回転に何らの障害も与えない。
【００６４】
この第２の実施例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、印加電圧によって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が回転を開始すると、これらの側部がシリコン基板２１５の上面に次第に近づくことになる。そして、プルイン現象が発生すると、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６はその反りによって、ミラー部２０２の下に開いた円形開口部２１６に面したシリコン基板２１５の上端部４１１、４１２と点接触することになる。すなわち、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は、シリコン基板２１５の上面とそれぞれ１箇所で点接触した状態で静止する。このため、上部電極と下部電極の接触面積は第１の実施例と同様に小さなものとなり、密着した後の両者が離れやすくなる。
【００６５】
この第２の実施例のＭＥＭＳ素子２０１Ａは、フォトリソグラフィ時のパターンが第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と若干異なるのと、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６に対しても金属膜を形成する点で異なる以外は製造プロセスで異なるところがない。したがって、製造プロセスについての図示および説明は省略する。
【００６６】
＜第３の実施例＞
【００６７】
図１１は、本発明の第３の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示したものである。この光減衰器５０１は、減衰を行う光を入射する第１の光ファイバ５０２と減衰後の光を射出する第２の光ファイバ５０３のそれぞれ端部近傍を収容するキャピラリ５０４を備えている。このキャピラリ５０４における第１および第２の光ファイバ５０２、５０３の端部側にはレンズホルダ５０５が接続されている。第１の光ファイバ５０２から射出された光は、このレンズホルダ５０５内を進行して非球面レンズ５０６に入射し、前方に配置されたＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。
【００６８】
このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５０８から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧は所定範囲で連続的にその値を変化させることができるようになっており、この電圧変化によってミラー部２０２の傾斜角が０度（水平）から所定の角度まで変化するようになっている。
【００６９】
電圧制御部５０８による印加電圧を連続的に変化させ、ミラー部２０２の傾斜角をこれに応じて変化させると、レンズホルダ５０５の非球面レンズ５０６から出射しミラー部２０２で反射された光は、非球面レンズ５０６に入射する量および入射角を連続的に変化させる。この結果、非球面レンズ５０６に戻った光のうちで第２の光ファイバ５０３に結合する光の量が連続的に変化することになる。したがって、光減衰器５０１は電圧制御部５０８の出力電圧に応じて光の減衰量を変化させることができる。
【００７０】
このような連続的な光の減衰制御の代わりに、電圧制御部５０８から電圧が２値のいずれかとなったオン・オフ制御信号を出力することで、たとえば第２の光ファイバ５０３に入射する光を第１の光ファイバ５０２から出射された光のほぼ１００パーセントの状態とほぼ０パーセントの状態に切り換えることができる。これにより、図９に示したデバイスを光スイッチとして動作させることができる。
【００７１】
＜第４の実施例＞
【００７２】
図１２は、本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示したものである。この光スキャナ５５１の一部を構成する光ファイバ５５２から射出された光は、コリメータレンズ５５３によって平行光にされて、図１あるいは図２に示したＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５５４から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧はその値がサイン波状あるいは鋸歯状等種々の波形で周期的に変化するようになっており、これによるミラー部２０２の傾斜角の周期的な変化で反射光５５５が矢印５５６に示すように方向を周期的に変える。したがって、この反射光５５５を用いた光学的なスキャンが可能になる。
【００７３】
以上、各実施例ではＭＥＭＳ素子をＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングで実現する例を説明したが、最終的に同一の構造のＭＥＭＳ素子を他の周知のプロセスで作製した物に対しても本発明を適用することができることは当然である。また、第２の実施例では第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６に金属膜を蒸着あるいはスパッタリングしたが、樹脂等の他の材料の薄膜を形成しても同様の効果を得ることができることは当然である。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、一部箇所で他の箇所よりも回転軸からの距離が長くなるような側壁部分を備えた側壁を有するアクチュエータを用意し、この側壁部分が導電性の基板と接触するようにしたので、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにすることができ、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。
【００７５】
また請求項２記載の発明によれば、アクチュエータの側部から回転軸と遠ざかる方向に突起部を突出するように配置しておいて、この突起部が導電性の基板と接触するようにし、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにしたので、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。しかも、アクチュエータの形状を突起部を備えるように一部変更するだけでよいので、製造が容易であるという利点がある。
【００７６】
更に、請求項３記載の発明によれば、アクチュエータの一方の面に所定膜を成膜してその過程でこの膜の厚さ方向に所定の反りを発生させ、アクチュエータが回転軸を中心として回転するときにこの反った箇所が導電性の基板と接触するようにし、アクチュエータの側部全部が基板と接触する事態を避けて、両者の密着力を弱めるようにしたので、基板とアクチュエータの間の駆動電圧の印加停止や印加電圧の低下によってアクチュエータはヒンジ部材の復元力によって比較的簡単に元の回転位置に戻ることができる。しかも、アクチュエータの一方の面に成膜するだけでよいので、製造が容易であるという利点がある。
【００７７】
また請求項４記載の発明によれば、突起部は回転軸を中心とした対称位置に互いに対称となる形状で配置されているので、回転軸に対するモーメントを左右対称にすることができ、外部からの加速度でヒンジ部材が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを防ぐことができる。
【００７８】
更に請求項５記載の発明によれば、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を使用して光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを製作することができるので、アクチュエータがプルイン現象を発生させたような場合にも光デバイスを信頼性よく作動させることができ、プルイン現象を生じないように特別の回路を設ける必要がないのでデバイスの設計が容易になり、コストダウンも図ることができる。
【００７９】
また請求項６記載の発明によれば、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を使用して光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを製作することができるので、アクチュエータがプルイン現象を発生させたような場合にも光デバイスを信頼性よく作動させることができ、プルイン現象を生じないように特別の回路を設ける必要がないのでデバイスの設計が容易になり、コストダウンも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部斜視図である。
【図２】第１の実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図３】図２でＭＥＭＳ素子に電圧を印加していない状態におけるＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図４】図２でＭＥＭＳ素子がプルイン現象を生じた状態におけるＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図５】第１の実施例で両電極の接触部分をシリコン基板の上面と垂直方向に切断して拡大した端面図である。
【図６】アクチュエータの幅を各種設定した場合の駆動特性を示した特性図である。
【図７】図６で示した各特性のアクチュエータの形状を示した平面図である。
【図８】第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示した説明図である。
【図９】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図１０】図９でＭＥＭＳ素子に電圧を印加していない状態におけるＣ−Ｃ方向に切断した端面図である。
【図１１】本発明の第３の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示した概略構成図である。
【図１２】本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示した概略構成図である。
【図１３】従来ＳＯＩプロセスを使用して製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１４】表面マイクロマシニングにより従来製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１５】上部電極の一端が下部電極と接触した状態の一例を表わした拡大断面図である。
【符号の説明】
２０１、２０１ＡＭＥＭＳ素子
２０２ミラー部（上部電極）
２０３回転軸
２０５、２０６アクチュエータ（上部電極）
２０７、２０８トーションスプリング（ヒンジ部）
２０９、２０９Ａ、２１０、２１０Ａ固定部
２１５シリコン基板（下部電極）
２１７電源
２５１〜２５４小突起
４０１薄膜
５０１光減衰器（光スイッチ）
５０８、５５４電圧制御部
５５１光スキャナ
Ｗアクチュエータの幅[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS element as a microelectromechanical system and an optical device such as an optical attenuator, an optical switch, and an optical scanner, and more particularly, a MEMS element using a tilt mirror and an optical device using the MEMS element. About.
[0002]
[Prior art]
With the development of optical communication technology, various optical devices have been developed. Among these, MEMS (Micro Electro Mechanical System) elements as fine structure devices have recently attracted attention. The MEMS element is a device that applies a technique for controlling the elastic or mechanical properties of a solid, and is a device that manufactures a conventional mechanical system made of various materials such as metal in a minimum size by silicon processing. Since the parts are small, there is an advantage that the final product is also small, there is no metal fatigue, and the reliability as an element is high.
[0003]
Among MEMS elements, some of which are equipped with mirrors can change the angle of reflection of the incident light, change the reflection direction of incident light, etc. by applying a voltage. (For example, Patent Document 1). By using this principle, various optical devices such as an optical attenuator, an optical switch or an optical scanner using a MEMS element can be manufactured. In a MEMS element provided with a mirror that changes the tilt angle, it is important that even if the mirror itself has a relatively large area, the warp is small when the tilt angle changes according to voltage application. Moreover, it is required that such a highly accurate MEMS element can be manufactured by a simple process. Hereinafter, when it is simply expressed as a MEMS element, it means an element provided with a mirror in a part thereof.
[0004]
Conventionally known as a MEMS element is a cantilever element by an SOI (Silicon-on-Insulator) process.
[0005]
FIG. 13A is a top view of a MEMS device using this SOI process, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the KK direction. In the MEMS element 101, a support portion 103 made of an oxide layer having a predetermined thickness is disposed on a silicon substrate 102 that also serves as an electrode, and an upper electrode 104 made of single crystal silicon is further disposed on the support portion 103. In these drawings at 104, a mirror 105 is formed in the right half portion. The oxide layer immediately below the region where the mirror 105 is formed in the upper electrode 104 is removed.
[0006]
In such a MEMS element 101, when a voltage is applied between the upper electrode 104 and the silicon substrate 102 also serving as the lower electrode, an electrostatic attractive force indicated by an arrow 106 acts between the two. The upper electrode 104 in which the mirror 105 is formed and a gap is formed below is inclined in the direction of the arrow 107, thereby changing the reflection angle of light (not shown) incident from above the mirror surface.
[0007]
The MEMS element 101 shown in FIG. 13 is manufactured as follows. First, an oxide layer to be the support portion 103 and a single crystal silicon layer to be the upper electrode 104 are formed on the silicon substrate 102. Thereafter, the portion immediately below where the mirror 105 of single crystal silicon to be the upper electrode 104 is formed is cut. Next, the oxide layer on the silicon substrate 102 is removed by etching except for the portion which is the support portion 103 in FIG. Thereafter, a mirror 105 is stacked on the upper electrode 104 above the oxide layer removed by this etching.
[0008]
As described above, the MEMS element 101 shown in FIG. 13 has an advantage that it can be manufactured by a relatively simple SOI process. Further, since the upper electrode 104 is a single crystal silicon plate, the thickness can be increased, and there is an advantage that the mirror 105 formed by being stacked thereon has less warpage. However, since the mirror 105 has a cantilever structure, the mirror surface is inclined only in the direction attracted by the silicon substrate 102. As described above, when the bulk micromachining shown in FIG. 13 is used, there is a problem that the degree of freedom in tilting the mirror 105 of the MEMS element is small.
[0009]
Therefore, a proposal has been made to increase the degree of freedom in designing the MEMS element using surface micromachining so that the mirror can be tilted in the direction of jumping up.
[0010]
FIG. 14A is a top view of a MEMS device manufactured by using the surface micromachining technique, and FIG. 14B is a diagram in which this is cut in the LL direction. The MEMS element 121 has a structure in which a support portion 123 made of an oxide layer is disposed on a non-conductive substrate 122 and a polysilicon thin film 124 is disposed thereon as shown in FIG. In the polysilicon thin film 124, the left half portion in FIG. 1A constitutes the upper electrode 125, and a number of openings 126 called etching holes are opened therein. A mirror portion 127 is formed on the right side of the polysilicon thin film 124 at the top thereof. The polysilicon thin film 124 has a hinge portion 128 extending thinly in the vertical direction in the figure at approximately the center in FIG. ₁ , 128 ₂ These hinge portions 128 are provided. ₁ , 128 ₂ Fixed portion 129 made of a rectangular region integrated with the end of ₁ 129 ₂ Are stacked just above the support 123 shown in FIG. A gap is formed between the substrate 122 and the polysilicon thin film 124 except for the support portion 123, and a lower electrode 131 is formed on the substrate 122 facing the upper electrode 125.
[0011]
In the MEMS element 121 having the structure shown in FIG. 14, by applying a voltage between the upper electrode 125 and the lower electrode 131, electrostatic attraction acts as indicated by an arrow 130, and the hinge portion 128 is applied. ₁ , 128 ₂ The mirror part 127 can be tilted in the directions of arrows 132 and 133 with the rotation center as the center. That is, the mirror portion 127 can be tilted so as to be kicked upward. Thereby, the inclination angle can be changed more greatly during driving by electrostatic attraction. Further, as can be seen by comparing FIG. 13 and FIG. 14, the mirror surface can be made larger.
[0012]
In FIG. 14, the polysilicon thin film 124 has a hinge portion 128. ₁ , 128 ₂ The left side in the figure is slightly longer than the straight line (rotating axis) connecting the two. This is to obtain the most efficient driving characteristics by balancing the left and right weights around the rotation axis. In the figure, even if the width of the polysilicon thin film 124 constituting the left side of the rotation axis is slightly wider than that on the right side, the driving characteristics can be made most efficient by making the moment due to the mass symmetrical in the same manner.
[0013]
[Patent Document 1]
JP 2001-174724 A (paragraph 0017, FIG. 5)
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the hinge part 128. ₁ , 128 ₂ In the MEMS element having a structure in which the mirror unit 127 is rotated about the rotation center, the voltage applied between the upper electrode 125 and the lower electrode 131 up to a certain applied voltage and the rotation angle (tilt angle) of the mirror unit 127 have a correspondence relationship. keep. However, when a certain upper limit voltage is exceeded, the hinge portion 128 is used. ₁ , 128 ₂ Rotates rapidly until the end of the upper electrode 125 comes into contact with the lower electrode 131. This phenomenon is generally called pull-in.
[0015]
FIG. 15 shows an example of a state in which one end of the upper electrode is in contact with the lower electrode. Even if the pull-in phenomenon as shown in this figure once occurs, if the voltage application between the upper electrode 125 and the lower electrode 131 is released again, the hinge portion 128 ₁ , 128 ₂ (In the figure, hinge portion 128 ₁ Only illustrated. The upper electrode 125 is usually separated from the lower electrode 131 again and returned to the initial rotation angle by the restoring force of the spring in FIG.
[0016]
However, the hinge portion 128 is particularly demanded for low voltage driving. ₁ , 128 ₂ 15 and the restoring force (rigidity) of the spring itself decreases, even if the application of voltage between the upper electrode 125 and the lower electrode 131 is canceled, as shown in FIG. The electrode may remain in a contact state. There are several possible causes for this. For example, when the upper electrode 125 and the lower electrode 131 are in contact with each other, when an interatomic force or other physical force is applied and these forces remain held, moisture or fine dust contacts This is a case where a force exists as if the upper electrode 125 and the lower electrode 131 are adhered to each other at this location.
[0017]
When one end of the upper electrode 125 remains in contact with the lower electrode 131 in this way, the MEMS element becomes inoperative, causing a failure in an optical device to which this is applied. For example, the optical attenuator cannot adjust the amount of light attenuation, and the optical switch cannot control light on / off. In addition, the optical scanner cannot scan light periodically.
[0018]
Therefore, conventionally, the MEMS element is driven within a range in which the pull-in phenomenon does not occur, or the hinge portion is designed to have a relatively high rigidity so that the pull-in phenomenon does not easily occur. As a result, there are problems that it is difficult to design the MEMS element for driving at a low voltage, and that it is difficult to increase the size of the mirror and the actuator part for the entire MEMS element. In particular, in the latter case, there is an advantage that the larger the mirror, the easier the optical system can be designed and the cost can be reduced. There was a problem that it was difficult to go down.
[0019]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a MEMS element that can relatively easily return the mirror to its original position when an actuator that drives the mirror contacts the substrate by electrostatic attraction, and an optical attenuator using the MEMS element. To provide an optical device such as an optical switch and an optical scanner.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect of the present invention, (a) a conductive material that becomes one of the electrodes. A member having an opening of a predetermined shape (B) A plate-like conductive member that is rotatably arranged using a space generated by the opening described above around a predetermined rotation axis that is parallel to the surface of the substrate at an interval. By receiving an electrostatic force according to the voltage applied between the substrate and the substrate in an insulated state, a force rotating in a specific direction around the rotation axis is generated, and the member is rotated at a predetermined rotation position. A part of the substrate has a shape that makes a local contact with the facing surface other than the opening of the substrate. An actuator, and (c) A member arranged along the rotation axis described above, Connect one end to the actuator And the other end as a torsion spring fixed relative to the substrate. A hinge member; As described above Arranged integrally with the actuator, Utilizing the space created by the opening described above According to the rotation of the actuator By turning A MEMS element is provided with a mirror that changes the reflection direction of incident light.
[0021]
That is, in the invention according to claim 1, when the actuator rotates about the rotation axis, A part of the flat conductive member constituting this actuator is at a predetermined rotational position. It is made to contact with a conductive substrate, avoiding a situation where all sides of the actuator are in contact with the substrate, and weakening the adhesion between them. Accordingly, the actuator can return to the original rotational position relatively easily by the restoring force of the hinge member by stopping the application of the drive voltage between the substrate and the actuator or lowering the applied voltage. Where like this As part of a conductive member For example, the side wall that forms the hypotenuse of the actuator with the line that passes through the vertex and the line that passes through the apex as an isosceles triangle, and the midpoint of the corresponding two sides of the rectangle. It is like a side wall that constitutes a side where a line segment is a rotation axis and a protrusion exists on a part of a side parallel to the rotation axis. The invention described in claim 2 also corresponds to this.
[0022]
In the invention according to claim 2, (a) the conductive material which becomes one of the electrodes A member having an opening of a predetermined shape (B) A plate-like conductive member that is rotatably arranged using a space generated by the opening described above around a predetermined rotation axis that is parallel to the surface of the substrate at an interval. While receiving an electrostatic force according to the voltage applied between this substrate in an insulated state, it generates a force that rotates in a specific direction around the rotation axis, and An actuator having its side walls arranged at equal distances from the rotation axis; A member arranged along the rotation axis described above, Connect one end to the actuator And the other end as a torsion spring fixed relative to the substrate. A hinge member; As described above Arranged integrally with the actuator, Utilizing the space created by the opening described above According to the rotation of the actuator By turning A mirror that changes the reflection direction of incident light; As described above From the side of the actuator As described above Arranged to protrude away from the rotation axis In a predetermined rotational position of the actuator described above, the substrate is locally contacted with a portion other than the opening portion described above. The protrusion is provided on the MEMS element.
[0023]
That is, according to the second aspect of the present invention, when the actuator rotates about the rotation axis, the protrusion protrudes in a direction away from the rotation axis from the side of the actuator, and the protrusion is electrically conductive. It is made to contact with the substrate, avoiding the situation where all the sides of the actuator are in contact with the substrate, and weakening the adhesion between them. Accordingly, the actuator can return to the original rotational position relatively easily by the restoring force of the hinge member by stopping the application of the drive voltage between the substrate and the actuator or lowering the applied voltage.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, there is provided: (a) a conductive substrate to be one electrode; and (b) a predetermined conductive layer disposed in parallel with and spaced from the substrate. By receiving an electrostatic force due to voltage application between the one electrode described above, a rotational force is generated around a predetermined rotational axis parallel to the upper surface of the substrate, and all of the rotational axes are equidistant. (C) a hinge member formed from the above-mentioned predetermined layer and having one end connected to the actuator and rotatably disposed along the rotation axis; and (d) an integral arrangement with the actuator. A mirror that changes the reflection direction of incident light according to the rotation of the actuator, and (e) the predetermined layer that is formed on one surface of the actuator and that constitutes the actuator with the stress during film formation. To and a predetermined film to the MEMS element for generating a predetermined warp to the direction.
[0025]
That is, in the invention described in claim 3, a predetermined film is formed on one surface of the actuator, and a predetermined warp is generated in the thickness direction of the film in the process. As a result, when the actuator rotates around the rotation axis, the warped portion contacts the conductive substrate, avoiding the situation where the entire side of the actuator contacts the substrate, and weakening the adhesion between the two. I am doing so. Accordingly, the actuator can return to the original rotational position relatively easily by the restoring force of the hinge member by stopping the application of the drive voltage between the substrate and the actuator or lowering the applied voltage.
[0026]
According to a fourth aspect of the present invention, in the MEMS element according to the second aspect, the protrusions are arranged in symmetrical shapes with respect to the rotational axis as a center.
[0027]
That is, in the invention described in claim 4, since the protrusions are arranged symmetrically with respect to the rotational axis, the moment with respect to the rotational axis can be made symmetrical, and acceleration from the outside can be achieved. Thus, it is possible to prevent the hinge member from rotating excessively in a specific direction and being twisted.
[0028]
In the invention according to claim 5, (a) the conductive material which becomes one of the electrodes A member having an opening of a predetermined shape A substrate, A plate-like conductive member that is rotatably arranged using a space generated by the opening described above around a predetermined rotation axis that is parallel to the surface of the substrate at an interval. While receiving an electrostatic force according to the voltage applied between this substrate in an insulated state, it generates a force that rotates in a specific direction around the rotation axis, and An actuator having its side walls arranged so as to be all equidistant from the rotation axis; A member arranged along the rotation axis described above, Connect one end to the actuator And the other end as a torsion spring fixed relative to the substrate. A hinge member; As described above Arranged integrally with the actuator, Utilizing the space created by the opening described above According to the rotation of the actuator By turning A mirror that changes the reflection direction of incident light; As described above From the side of the actuator As described above Arranged to protrude away from the rotation axis In a predetermined rotational position of the actuator described above, the substrate is locally contacted with a portion other than the opening portion described above. (B) a power source that applies a voltage between the substrate of the MEMS element and the predetermined layer; and (c) a mirror that tilts in response to the voltage application of the power source. The optical device is provided with input / output means for inputting and outputting light rays.
[0029]
That is, in the fifth aspect of the invention, an optical device such as an optical attenuator, an optical switch, or an optical scanner can be manufactured using the MEMS element of the second aspect, so that the actuator has caused a pull-in phenomenon. Even in such a case, the optical device can be operated with high reliability, and since it is not necessary to provide a special circuit so as not to cause a pull-in phenomenon, the device can be easily designed and the cost can be reduced.
[0030]
In the invention described in claim 6, it is formed from (a) a conductive substrate to be one electrode, and a predetermined conductive layer disposed in parallel with and spaced from the substrate. By receiving an electrostatic force due to voltage application between one of the electrodes, a rotational force is generated around a predetermined rotational axis parallel to the upper surface of the substrate, and the side wall is formed so as to be all equidistant from this rotational axis. The arranged actuator, the hinge member formed from the above-mentioned predetermined layer and having one end connected to the actuator and rotatably arranged along the rotation axis, are arranged integrally with the actuator and incident according to the rotation of the actuator A mirror that changes the light reflection direction and a predetermined warp in the thickness direction of the predetermined layer that is formed on one surface of the actuator and that constitutes the actuator due to stress during film formation. (B) a power source that applies a voltage between the substrate of the MEMS element and the predetermined layer; and (c) a mirror that tilts in response to the voltage application of the power source. The optical device is provided with input / output means for inputting and outputting light rays.
[0031]
That is, in the invention described in claim 6, since the optical device such as an optical attenuator, an optical switch, and an optical scanner can be manufactured using the MEMS element described in claim 3, it seems that the actuator generates a pull-in phenomenon. Even in such a case, the optical device can be operated with high reliability, and since it is not necessary to provide a special circuit so as not to cause a pull-in phenomenon, the device can be easily designed and the cost can be reduced.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0033]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
<First embodiment>
[0034]
FIG. 1 shows an essential part of a MEMS device according to a first embodiment of the present invention as viewed obliquely from above. The MEMS element 201 includes a disk-shaped mirror unit 202. The mirror unit 202 rotates in the direction of an arrow 204 at an inclination angle θ about a single rotation shaft 203 that passes through the center of the disk in a direction parallel to the upper surface. The mirror unit 202 includes first and second actuators 205 and 206 protruding in two directions through which the rotating shaft 203 passes. On the extension of the first and second actuators 205 and 206, one end of each of the first and second torsion springs (hinge portions) 207 and 208 having a thin rod shape with the rotary shaft 203 penetrating the central portion is also provided. These other ends are connected to the first and second fixing portions 209 and 210. However, the mirror unit 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, and the first and second fixing units 209 and 210 are combined with different parts. Instead, one layer called an upper electrode layer is processed by a predetermined process. The first and second actuators 205 and 206 are provided with a plurality of openings 212 called etching holes. In addition, although not shown in the drawings, the mirror 202 has a reflective surface made of metal such as gold (Au) or chromium (Cr) as necessary.
[0035]
In FIG. 1, a silicon substrate 215 also serving as a lower electrode is disposed below the right half of the first and second actuators 205 and 206 with a predetermined distance d. On the lower side of the mirror part 202, the silicon substrate 215 is cut out in a size slightly larger than the circular shape of the mirror part 202 so as to be cut out in a direction substantially perpendicular to the surface, thereby forming a circular opening 216. Yes. This is to prevent the mirror unit 202 from contacting the upper surface of the silicon substrate 215 when the mirror unit 202 rotates in the direction of the arrow 204 around the rotation axis 203 and between the silicon substrate 215 serving as the upper electrode layer and the lower electrode. This is to prevent an electrostatic force from being directly applied to the mirror unit 202 when a voltage is applied to the mirror unit 202 by the power source 217.
[0036]
In addition, the silicon substrate 215 is cut out so as to be cut out in a direction substantially perpendicular to the surface of the first and second actuators 205 and 206 in the left side of the drawing of the first and second actuators 205 and 206. 218 is configured. On the other hand, the silicon substrate 215 is not removed in the region on the right side in the drawing of the first and second actuators 205 and 206. Since the silicon substrate 215 exists in a left-right unbalanced manner around the rotation shaft 203 in this way, the first and second actuators 205 and 206 have different electrostatic attraction forces depending on the magnitude of voltage application by the power source 217. Receive. As a result, according to the applied voltage, the mirror unit 202 is transmitted with a force rotating in the direction of the arrow 204 from the first and second actuators 205 and 206, and a force against the force of the first and second torsion springs 207 and 208. Therefore, the mirror surface is set at an inclination angle that balances with the above.
[0037]
That is, assuming that the light beam 222 is incident at an incident angle α with respect to a perpendicular (Y-axis direction) 221 perpendicular to the mirror surface of the mirror unit 202 in a state where no voltage is applied, the applied voltage of the power source 217 increases. Accordingly, the inclination angle θ gradually changes from the angle α to a larger value. In this way, by arbitrarily changing the tilt angle θ of the mirror unit 202 according to the voltage applied by the power source 217, the MEMS element can be changed to various optical components or optical devices such as an optical attenuator, optical switch, or optical scanner as will be described later. It can be applied to.
[0038]
In the first and second actuators 205 and 206, semi-cylindrical small protrusions 251 to 254 protrude from left and right side portions relatively close to the mirror portion 202, respectively. Of these figures, the two small protrusions 252 and 254 on the left side are silicon that also serves as a lower electrode when the first and second actuators 205 and 206 rotate around the rotation shaft 203 to generate a pull-in phenomenon. It is provided to contact the substrate 215 locally. The two small protrusions 251 and 253 on the right side do not have this role because they exist on the rectangular opening 218. These small protrusions 251 and 253 are for making the moment with respect to the rotating shaft 203 symmetrical, and can be omitted if no problem arises.
[0039]
In FIG. 1, for easy understanding of the layer structure, the silicon substrate 215 on the near side of the first actuator 205 (the side where the power source 217 is shown) is appropriately cut out and illustrated.
[0040]
FIG. 2 shows a planar structure of the MEMS element of this example. A part corresponding to the upper electrode of the MEMS element 201 includes a mirror part 202, first and second actuators 205 and 206 extending from both sides of the mirror part 202 along the rotation axis 203 (FIG. 1), and from these parts. The first and second torsion springs 207 and 208 extending along the rotation axis 203, and the first and second fixing portions 209 and 210 for fixing the first and second torsion springs 207 and 208 are configured. ing. Small protrusions 251 to 254 are provided on the left and right sides of the first and second actuators 205 and 206.
[0041]
3 and 4 show an end face of the MEMS element cut in the AA direction in FIG. This cut surface is a surface that cuts the center of the two protrusions 253 and 254. Among these, FIG. 3 shows a state in which no voltage is applied from the power source 217 shown in FIG. 1 to the first actuator 205 constituting the upper electrode and the silicon substrate 215 constituting the lower electrode, that is, no bias state. . In this state, the first actuator 205 is substantially parallel to the upper surface of the silicon substrate 215.
[0042]
FIG. 4 shows a state where an excessive voltage is applied from the power source 217 shown in FIG. 1 to the first actuator 205 constituting the upper electrode and the silicon substrate 215 constituting the lower electrode. The second torsion spring (hinge portion) 208 shown in FIG. 1 is rotated by the applied voltage to cause a pull-in phenomenon. Thereby, the semicylindrical small protrusion 254 is in contact with the surface of the silicon substrate 215.
[0043]
FIG. 5 is an enlarged view of the contact portion of both electrodes cut in a direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate. Although not shown in this figure, when the side portion 205A of the first actuator 205 does not have the small protrusion 254, the entire length of the side portion comes into contact with the upper surface 215A of the silicon substrate in a linear or strip shape. In the first embodiment, as shown in FIG. 5, only the tip of the small protrusion 254 contacts the upper surface 215A of the silicon substrate, so that the contact area is greatly reduced. Thus, by canceling the application of the voltage between the upper electrode and the lower electrode or sufficiently reducing the applied voltage, the first and second actuators 205 and 206 are brought into the initial state where no voltage is applied as shown in FIG. Can be returned.
[0044]
By the way, in the first embodiment, the countermeasure against the pull-in phenomenon is described with the MEMS element 201 having the structure as shown in FIGS. 1 and 2, but the shapes and the like of the first and second actuators 205 and 206 are different. For example, the situation where this phenomenon appears is also different. Therefore, the pull-in phenomenon for various shapes will be considered in order to consider the scope to which the present invention is applied.
[0045]
FIG. 6 shows drive characteristics when various widths of the actuator are set in the MEMS element having the structure as shown in FIGS. In this figure, the horizontal axis represents the drive voltage as the applied voltage between the upper electrode and the lower electrode, and the vertical axis represents the rotation angle of the first and second actuators. FIG. 7 shows the shape of the actuator having each characteristic shown in FIG. In FIG. 6, the first curve 261 indicates the width W of the first and second actuators 205 and 206 as shown in FIG. ₁ The characteristic when the (length in the direction orthogonal to the rotation axis) is 141 μm is shown. The second curve 262 has a width W ₂ As shown in FIG. 7 (b), the characteristic in the case of 100 μm slightly narrower than that in FIG. 7 (a) is shown. This width W ₂ Is the same as that used in the first embodiment. The third curve 263 has this width W _Three As shown in FIG. 7C, the characteristic in the case of 70 μm narrower than that in the first embodiment is shown. The lengths of the first and second actuators in the rotation axis direction are both 500 μm. In the fourth curve 264, as shown in FIG. 7D, the width of the actuator changes in two steps every 250 μm in the rotation axis direction, and the short width W _Four Is 70μm and has a long width W _Five Is 141 μm.
[0046]
As the first and second actuators 205 and 206, those having various shapes shown in FIGS. 7A to 7D are prepared, and the drive voltage of these is gradually increased from 0 V (volt). Consider together with FIG. In general, the shapes of both side portions of the first and second actuators 205 and 206 are not only symmetrical with respect to the rotating shaft 203 (see FIG. 1), but are further equidistant from the rotating shaft 203. It is preferable to arrange the side wall in terms of the efficiency of the actuator. From this viewpoint, the shapes of FIGS. 7A to 7C are superior to the shapes of FIGS.
[0047]
When the applied voltage of the power source 217 shown in FIG. 1 is increased from 0 V, the first and second actuators 205 and 206 are rotated in the direction of the arrow 204 shown in FIG. As described above, when the distance between the upper electrode and the lower electrode (distance between the electrodes) becomes a certain value or less, a pull-in phenomenon occurs, and the first and second actuators 205 and 206 rotate at a stroke so that braking is not effective. Both electrodes are in contact with each other. In general, the distance between the electrodes at which the pull-in phenomenon occurs is 3 minutes of the initial gap (interval d in FIG. 1) when the first and second actuators 205 and 206 are symmetrical with respect to the rotation axis 203. It is said to be about one.
[0048]
At the initial stage where voltage application is started, the first and second actuators 205 and 206 having various shapes shown in FIGS. 7A to 7D exhibit substantially identical driving characteristics. When the voltage is further applied and the rotation angle θ of the first and second actuators 205 and 206 increases, the longest width W indicated by the first curve 261 in FIG. ₁ Since the end of the actuator approaches the lower electrode earliest by rotation, the torque increases. As a result, the actuator indicated by the first curve 261 increases the rotation angle early when the applied voltage is the lowest, but the pull-in occurs when the drive voltage reaches about 3 V and the rotation angle reaches about 0.3 (deg). Cause a phenomenon.
[0049]
On the other hand, the shortest width W shown by the third curve 263 in FIG. _Three In the case of this actuator, the torque is reduced because the end of the actuator approaches the lower electrode most slowly by rotation. As a result, the actuator indicated by the third curve 261 increases the rotation angle until the applied voltage becomes the highest, and pulls in when the drive voltage reaches about 9 V and the rotation angle reaches about 0.7 (deg). Cause a phenomenon.
[0050]
Therefore, the longest width W shown by the first curve 261 ₁ In the case of this actuator, since the voltage range from the applied voltage of 0 V to the occurrence of the pull-in phenomenon is narrow and the rotation angle between them is small, the angle of inclination of the mirror unit 202 (FIG. 1) corresponding to the drive voltage. If you try to control it, it becomes a very unwieldy device. In addition, the shortest width W shown by the third curve 263 _Three However, when the MEMS element 201 is driven at a low voltage, a sufficient rotation angle cannot be controlled in the low voltage region. Problems arise at this point. From the above, the relationship shown in FIG. 7B is the most suitable among the shapes of various actuators shown in FIGS.
[0051]
Next, the contact between the upper electrode and the lower electrode when the pull-in phenomenon occurs will be considered. As shown in FIGS. 7A to 7C, when the actuator has side portions that are completely equidistant to the left and right with respect to the rotating shaft 203 (FIG. 1), that is, the left and right sides are completely straight. When the shape is parallel to the rotation shaft 203, the contact area between the upper electrode and the lower electrode when the pull-in phenomenon occurs is maximized. This is because the entire area of one side of the actuator constituting the upper electrode is in contact with the upper surface of the silicon substrate 215 (FIG. 1) as the lower electrode. Thereby, when the application of the voltage is canceled or the applied voltage is decreased, both of them are in close contact with each other due to the reason described above, and it becomes difficult to separate them. In the shape of the actuator shown in FIG. 7 (d), the length of contact between the upper electrode and the lower electrode when the pull-in phenomenon occurs is suppressed to half that of the example shown in FIGS. 7 (a) to 7 (c). It was recognized that the degree of difficulty of separation was improved.
[0052]
Therefore, in the first embodiment, a further step is taken, and as shown in FIGS. 1 and 2, small semi-cylindrical small protrusions having a cross-sectional radius of about 5 μm are formed on both sides of the first and second actuators 205 and 206. 251 to 254 are provided. Thereby, as shown in FIG. 5, the adhesion between the upper electrode and the lower electrode can be greatly reduced. That is, the first and second actuators 205 and 206 of the present embodiment provided with the small protrusions 251 to 254 than the shape shown in FIG. 7D are more easily separated from the point of view of efficiency. From the point, the most appropriate shape is obtained.
[0053]
The small protrusions 251 to 254 are not limited to a semicircular cross section as in this embodiment. For example, the cross-sectional shape may be a triangle. In addition, the cross section may be rectangular or trapezoidal in order to prevent deformation due to secular change or to give the contact portion some strength. The shape and size of the small protrusions 251 to 254 may be designed in consideration of the rigidity of the first and second torsion springs 207 and 208 shown in FIGS. 1 and 2 or the restoring force of the spring. For example, the shape in which the contact is made close to a point, such as a semicircle or a triangle, is when the restoring force of the spring by the first and second torsion springs 207 and 208 is relatively weak due to a request for low voltage driving or the like It is effective for. On the contrary, a shape in which the cross-section is a shape close to a relatively short line such as a rectangle or a trapezoid is effective when the actuator and the lower electrode collide with a relatively large force in a MEMS element having a large driving force.
[0054]
FIG. 8 shows a process for manufacturing the MEMS element of the first embodiment by bulk micromachining. First, as shown in FIG. 6A, a wafer 243 having a three-layer structure in which a silicon substrate 215, an intermediate layer 241 and an upper electrode layer 242 have desired thicknesses is prepared. Here, both the silicon substrate 215 and the upper electrode layer 242 are made by doping silicon (Si) with impurities such as boron (B) and phosphorus (P). The intermediate layer 241 is formed of a silicon oxide film (SiO ₂ ). Among these, the upper electrode layer 242 includes the mirror portion 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, and the first and second fixing portions described in FIG. 209 and 210 are formed layers. The intermediate layer 241 has a thickness corresponding to the distance d shown in FIG. In the first embodiment, the silicon substrate 215 has a thickness of 300 to 800 μm, the intermediate layer 241 has a thickness of 0.5 to 5 μm, and the upper electrode layer 242 has a thickness of 10 to 50 μm.
[0055]
Next, a pattern of the upper electrode layer 242 is created by photolithography and etching as shown in FIG. Since the pattern formation by photolithography and etching is a conventionally used technique, illustration and description are omitted. In this process, the mirror unit 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, the first and second fixing units 209 and 210, and the opening 212 described with reference to FIG. Is formed. The small protrusions 251 to 254 shown in FIGS. 1 and 2 in the first and second actuators 205 and 206 are also formed at this time. In FIG. 8, the detailed illustration of the upper electrode layer 242 is omitted.
[0056]
Next, as shown in FIG. 5C, photolithography and etching are performed from the silicon substrate 215 side, and a circular opening 216 corresponding to the mirror part 202 shown in FIG. 1 or a rectangle not shown in FIG. An opening 218 is created. At this time, processing is performed by inverting the front and back of the wafer 243 as necessary.
[0057]
Finally, the intermediate layer 241 is removed as shown in FIG. However, since the portions of the first and second fixing portions 209 and 210 shown in FIGS. 1 and 2 are composed of the intermediate layer 241 and the upper electrode layer 242, it is possible to adjust this time by adjusting the etching time. The intermediate layer 241 remains. In addition, after the above process or in the middle, the mirror surface 202 is formed by depositing or sputtering gold on the mirror portion 202.
[0058]
In the first embodiment described above, since the MEMS element 201 is manufactured using bulk micromachining using SIO, the process is simpler than that of surface micromachining, and the cost can be reduced. In addition, when SIO is used, the structure is made of crystalline silicon, so that optical parts such as mirrors can be manufactured with high quality. Further, since the upper electrode layer 242 can be formed thicker than the surface micromachining, the longitudinal direction of the first and second torsion springs 207 is made thicker than the direction perpendicular thereto as shown in FIG. In addition, even when low voltage driving is performed, sufficient resistance to impact can be obtained without performing reinforcement. In addition, because of the structure, the impact resistance in the direction of the rotating shaft 203 is high, and as a result, the impact resistance in all directions can be improved.
[0059]
The first and second actuators 205 and 206 are symmetrical with respect to the first and second torsion springs 207 and 208, and the openings 212 are evenly arranged on both sides of the rotating shaft 203. Further, the small protrusions 251 to 254 are also arranged symmetrically with respect to the rotation axis 203. For this reason, the moment of mass is completely symmetrical with respect to the rotating shaft 203, and it is possible to effectively prevent the first and second torsion springs 207 and 208 from rotating excessively in a specific direction and twisting. it can. Furthermore, since the opening 212 is disposed on almost the entire surface of the first and second actuators 205 and 206, the etching solution can be uniformly infiltrated and the air viscous resistance can be reduced with a good balance around the rotating shaft 203. Can do. Further, since the small protrusions 251 to 254 are formed in the process of FIG. 8B, the process is not complicated for this purpose. In addition, the shape and size of the small protrusions 251 to 254 can be variously changed only by finely changing the pattern at the time of photolithography.
[0060]
<Second embodiment>
[0061]
FIG. 9 shows a planar structure of the MEMS element in the second embodiment of the present invention. 9, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate. The MEMS element 201A of the second embodiment does not have the small protrusions 251 to 254 that existed in the first and second actuators 205 and 206 of the MEMS element of the first embodiment shown in FIG. Instead, the first and second actuators 205 and 206 are formed with a thin film 401 of gold or other metal by vapor deposition or sputtering over the entire length of about 500 μm. Since a thin film such as gold is similarly formed on the mirror portion 202, a thin film 401 made of metal may be formed on the first and second actuators 205 and 206 at the same time.
[0062]
In the MEMS element 201A of the second embodiment shown in FIG. 9, the mirror unit 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second fixing units 209A and 210A, and a predetermined distance therebetween. The stopper portion 402 is disposed as an upper electrode on the silicon substrate 215 constituting the lower electrode. The stopper unit 402 is a stopper that limits the movement range when the mirror unit 202 and the first and second actuators 205 and 206 are given a force to move in a direction parallel to the paper surface and perpendicular to the rotation axis by an external force. As a role.
[0063]
FIG. 10 shows the structure of the end face obtained by cutting the MEMS element of the second embodiment in the CC direction. The first and second actuators 205 and 206 have a very thin thickness of about 10 to 50 μm. For this reason, when the metal thin film 401 is formed thereon, the first and second actuators 205 and 206 are curved with a predetermined curvature due to the stress generated during the film formation, and at two different points in the direction of the rotation axis 203. Warpage is generated in the thickness direction of the first and second actuators 205 and 206. The amount of warpage is about 0.1 μm for the first and second actuators 205 and 206 whose total length in the direction of the rotation axis 203 is 500 μm, respectively. Of course, there is a gap of, for example, about 4 μm between the first and second actuators 205 and 206 (upper electrode) and the silicon substrate 215 (lower electrode) when no voltage is applied. And it does not give any obstacle to the rotation of the second actuators 205 and 206.
[0064]
In the MEMS element 201 </ b> A of the second embodiment, when the first and second actuators 205 and 206 start to rotate by the applied voltage, their side portions gradually approach the upper surface of the silicon substrate 215. When the pull-in phenomenon occurs, the first and second actuators 205 and 206 are point-contacted with the upper end portions 411 and 412 of the silicon substrate 215 facing the circular opening 216 opened below the mirror portion 202 due to the warpage. Will do. That is, the first and second actuators 205 and 206 are stationary in a point contact with the upper surface of the silicon substrate 215 at one location. For this reason, the contact area between the upper electrode and the lower electrode is small as in the first embodiment, and the two after being in close contact are easily separated.
[0065]
In the MEMS element 201A of the second embodiment, a metal film is formed on the first and second actuators 205 and 206, when the pattern at the time of photolithography is slightly different from the MEMS element 201 of the first embodiment. There is no difference in the manufacturing process other than the difference in formation. Therefore, illustration and description of the manufacturing process are omitted.
[0066]
<Third embodiment>
[0067]
FIG. 11 shows an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical attenuator as a third embodiment of the present invention. The optical attenuator 501 includes capillaries 504 that accommodate the vicinity of the ends of the first optical fiber 502 that receives the light to be attenuated and the second optical fiber 503 that emits the light after attenuation. A lens holder 505 is connected to end portions of the first and second optical fibers 502 and 503 in the capillary 504. The light emitted from the first optical fiber 502 travels through the lens holder 505, enters the aspheric lens 506, and enters the mirror unit 202 of the MEMS element 201 disposed in front.
[0068]
An output voltage is applied from the voltage control unit 508 between the mirror unit 202 and the silicon substrate 215 that also serves as a lower electrode. The output voltage can be continuously changed within a predetermined range, and the change in the voltage causes the tilt angle of the mirror unit 202 to change from 0 degree (horizontal) to a predetermined angle. ing.
[0069]
When the voltage applied by the voltage control unit 508 is continuously changed and the tilt angle of the mirror unit 202 is changed accordingly, the light emitted from the aspherical lens 506 of the lens holder 505 and reflected by the mirror unit 202 is The amount and the incident angle incident on the aspheric lens 506 are continuously changed. As a result, the amount of light coupled to the second optical fiber 503 among the light returned to the aspherical lens 506 continuously changes. Therefore, the optical attenuator 501 can change the amount of attenuation of light according to the output voltage of the voltage controller 508.
[0070]
Instead of such continuous light attenuation control, the voltage control unit 508 outputs an on / off control signal whose voltage is one of two values, for example, light incident on the second optical fiber 503. Can be switched between a substantially 100% state and a nearly 0% state of the light emitted from the first optical fiber 502. Thereby, the device shown in FIG. 9 can be operated as an optical switch.
[0071]
<Fourth embodiment>
[0072]
FIG. 12 shows an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical scanner as a fourth embodiment of the present invention. Light emitted from an optical fiber 552 constituting a part of the optical scanner 551 is converted into parallel light by a collimator lens 553 and is incident on the mirror unit 202 of the MEMS element 201 shown in FIG. 1 or FIG. An output voltage is applied from the voltage control unit 554 between the mirror unit 202 and the silicon substrate 215 that also serves as a lower electrode. The value of the output voltage periodically changes in various waveforms such as a sine wave shape or a sawtooth shape, and the reflected light 555 is indicated by an arrow 556 by the periodic change of the tilt angle of the mirror unit 202 due to this. Change the direction periodically. Therefore, an optical scan using the reflected light 555 becomes possible.
[0073]
As described above, in each of the embodiments, the example in which the MEMS element is realized by bulk micromachining using SOI has been described. However, the present invention also applies to a case where a MEMS element having the same structure is finally manufactured by another known process. Of course you can apply. In the second embodiment, a metal film is deposited or sputtered on the first and second actuators 205 and 206, but the same effect can be obtained even if a thin film of another material such as a resin is formed. Of course.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, there is provided an actuator having a side wall provided with a side wall part such that the distance from the rotating shaft is longer than the other part at a part, and this side wall part is prepared. Since the contact with the conductive substrate is avoided, it is possible to avoid the situation where all the sides of the actuator are in contact with the substrate and weaken the adhesion between the two, and the drive voltage between the substrate and the actuator is reduced. When the application is stopped or the applied voltage is lowered, the actuator can return to the original rotational position relatively easily by the restoring force of the hinge member.
[0075]
According to a second aspect of the present invention, the protrusion is disposed so as to protrude from the side of the actuator in a direction away from the rotation shaft, and the protrusion is in contact with the conductive substrate. Since the contact force between the two sides is weakened by avoiding the situation where all the sides of the substrate are in contact with the substrate, the actuator is driven by the restoring force of the hinge member by stopping the application of the drive voltage between the substrate and the actuator or lowering the applied voltage. It is possible to return to the original rotational position relatively easily. In addition, there is an advantage that manufacturing is easy because it is only necessary to partially change the shape of the actuator so as to include the protrusions.
[0076]
Further, according to the third aspect of the present invention, a predetermined film is formed on one surface of the actuator, and a predetermined warp is generated in the thickness direction of the film in the process, and the actuator rotates about the rotation axis. When this is done, the warped part is in contact with the conductive substrate, the situation where the sides of the actuator are all in contact with the substrate is avoided, and the adhesion between the two is weakened. The actuator can return to the original rotational position relatively easily by the restoring force of the hinge member by stopping the application of the drive voltage or lowering the applied voltage. In addition, since it is only necessary to form a film on one surface of the actuator, there is an advantage that manufacture is easy.
[0077]
According to the fourth aspect of the invention, since the protrusions are arranged in symmetrical shapes with respect to the rotation axis, the moment with respect to the rotation axis can be made symmetrical, and from the outside It is possible to prevent the hinge member from rotating excessively in a specific direction and twisting with the acceleration of.
[0078]
Further, according to the invention described in claim 5, since the optical device such as an optical attenuator, optical switch, optical scanner, etc. can be manufactured using the MEMS element described in claim 1, the actuator generates a pull-in phenomenon. In such a case, the optical device can be operated with high reliability, and since it is not necessary to provide a special circuit so as not to cause a pull-in phenomenon, the device design becomes easy and the cost can be reduced.
[0079]
According to the invention described in claim 6, since the optical device such as an optical attenuator, an optical switch, and an optical scanner can be manufactured using the MEMS element according to claim 2, the actuator generates a pull-in phenomenon. In such a case, the optical device can be operated with high reliability, and since it is not necessary to provide a special circuit so as not to cause a pull-in phenomenon, the device design becomes easy and the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an essential part of a MEMS element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the main part of the MEMS element according to the first embodiment as viewed from above.
FIG. 3 is an end view taken along the direction AA in FIG. 2 when no voltage is applied to the MEMS element;
4 is an end view taken along the line AA in the state where the MEMS element in FIG. 2 has a pull-in phenomenon.
FIG. 5 is an enlarged end view of a contact portion of both electrodes cut in a direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate in the first embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing drive characteristics when various actuator widths are set.
7 is a plan view showing the shape of an actuator having each characteristic shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is an explanatory view showing a process for manufacturing the MEMS element of the first embodiment by bulk micromachining.
FIG. 9 is a plan view of a main part of a MEMS element according to a second embodiment of the present invention as viewed from above.
10 is an end view cut in the CC direction in a state where no voltage is applied to the MEMS element in FIG. 9;
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical attenuator as a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical scanner as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a view showing a plan view and a cross section of a MEMS device manufactured using a conventional SOI process.
FIG. 14 is a view showing a plane and a cross section of a MEMS device conventionally manufactured by surface micromachining.
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view illustrating an example of a state in which one end of the upper electrode is in contact with the lower electrode.
[Explanation of symbols]
201, 201A MEMS element
202 Mirror part (upper electrode)
203 Rotating shaft
205, 206 Actuator (upper electrode)
207, 208 Torsion spring (hinge)
209, 209A, 210, 210A fixed part
215 Silicon substrate (lower electrode)
217 power supply
251 to 254 Small protrusion
401 thin film
501 Optical attenuator (optical switch)
508, 554 Voltage controller
551 Optical scanner
W Actuator width

Claims

A conductive member to be one electrode , a substrate having an opening of a predetermined shape ;
A plate-like conductive member that is rotatably arranged using a space generated by the opening around a predetermined rotation axis that is parallel to the surface of the substrate at an interval, and is insulated from the substrate In response to an electrostatic force applied to the substrate, a force that rotates in a specific direction about the rotation axis is generated, and a part of the member is rotated at a predetermined rotational position. An actuator having a shape that locally contacts an opposing surface other than the opening of the substrate ;
A hinge member as a torsion spring, which is disposed along the rotation axis and has one end connected to the actuator and the other end positioned relative to the substrate ;
A MEMS element, comprising: a mirror that is disposed integrally with the actuator and that changes a reflection direction of incident light by rotating according to rotation of the actuator using a space generated by the opening. .

A conductive member to be one electrode , a substrate having an opening of a predetermined shape ;
A plate-like conductive member that is rotatably arranged using a space generated by the opening around a predetermined rotation axis that is parallel to the surface of the substrate at an interval, and is insulated from the substrate Thus, by receiving an electrostatic force according to the voltage applied to the substrate, a force that rotates in a specific direction around the rotation axis is generated, and all are equidistant from the rotation axis. An actuator having the side wall disposed therein;
A hinge member as a torsion spring, which is disposed along the rotation axis and has one end connected to the actuator and the other end positioned relative to the substrate ;
A mirror that is arranged integrally with the actuator and changes a reflection direction of incident light by rotating according to the rotation of the actuator using a space generated by the opening ;
A protrusion that is disposed so as to protrude in a direction away from the rotation axis from the side of the actuator, and that locally contacts a portion other than the opening of the substrate at a predetermined rotation position of the actuator; MEMS element characterized by the above.

A conductive substrate to be one electrode;
It is formed from a predetermined conductive layer disposed in parallel with and spaced apart from the substrate, and receives an electrostatic force due to voltage application between the one electrode and the upper surface of the substrate. An actuator that generates a rotational force about a predetermined parallel rotation axis and has its side walls arranged at equal distances from the rotation axis;
A hinge member formed from the predetermined layer and having one end connected to the actuator and rotatably disposed along the rotation axis;
A mirror that is arranged integrally with the actuator and changes a reflection direction of incident light according to rotation of the actuator;
A MEMS element comprising: a predetermined film that is formed on one surface of the actuator and that generates a predetermined warp in a thickness direction of the predetermined layer constituting the actuator by a stress during film formation.

3. The MEMS element according to claim 2, wherein the protrusions are arranged in symmetrical shapes at symmetrical positions around the rotation axis.

A conductive member serving as one electrode, which utilizes a space having an opening having a predetermined shape and a space formed by the opening around a predetermined rotation axis parallel to the surface of the substrate at a distance. A flat plate-like conductive member disposed so as to be rotatable and receiving an electrostatic force in accordance with a voltage applied between the substrate and the substrate in an insulated state, thereby rotating the rotating shaft. And a member arranged along the rotation axis, and a member arranged along the rotation axis. a hinge member as a torsion spring connected to the other end and positionally fixed with respect to said substrate, said actuator and is integrally arranged, by utilizing the space formed by the opening actuator A mirror for changing the direction of reflection of incident light by rotating in response to rotation of over motor, is arranged so as to protrude from the side of the actuator in a direction away and the rotating shaft, a predetermined rotational position of the actuator And a MEMS element comprising a protrusion that locally contacts a portion other than the opening of the substrate ;
A power source for applying a voltage between the substrate and the predetermined layer of the MEMS element;
An optical device comprising: input / output means for performing input / output of light using the mirror tilted in accordance with voltage application of the power supply.

It is formed of a conductive substrate to be one electrode, and a predetermined conductive layer disposed in parallel with the substrate in a state of being insulated from the substrate, and electrostatically generated by applying a voltage between the one electrode. The actuator is formed from the predetermined layer, and an actuator having a rotational force centered on a predetermined rotation axis parallel to the upper surface of the substrate by receiving a specific force and having a side wall disposed at an equal distance from the rotation axis. A hinge member connected at one end to the actuator and rotatably arranged along the rotation axis; a mirror arranged integrally with the actuator and changing a reflection direction of incident light according to the rotation of the actuator; M having a predetermined film that is formed on one surface of the actuator and that generates a predetermined warp in a thickness direction of the predetermined layer that constitutes the actuator by a stress during film formation. And MS element,
A power source for applying a voltage between the substrate and the predetermined layer of the MEMS element;
An optical device comprising: input / output means for performing input / output of light using the mirror tilted in accordance with voltage application of the power supply.