JP4416330B2 - マイクロ振動ミラー - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野：
本発明は、請求項１の発明の上位概念として記載したように、片持ち式の鏡面を有し、該鏡面に装着された少なくとも１つの捩り桁によって形成された少なくとも１本の捩り軸線を介して、前記鏡面を少なくとも区域的に囲む支持体に前記鏡面が連結されている形式のマイクロ振動ミラーに関する。
【０００２】
背景技術：
前記形式のマイクロ振動ミラーは、D.M.Burns と V.M.Bright の共著による刊行物 " Micro-Electro-Mechanical Focuscing Mirrors " , IEEE , ( MEMS 1998 ) , Catalog . No. 98CH36176 , pp 460〜465 に基づいて、結像する凹面鏡の形態で公知であり、かつ例えばディスプレイ、スキャナー及び光学的な監視システムのような多種多様な技術的な使用分野を有している。該マイクロ振動ミラーは概してシリコンテクノロジーにおいてシリコンウェハ上で実現され、しかも構造製造用レーザ又は乗用車内室監視システムで使用するために必要とされるような、数ｍｍ² の最大表面積を有する大きな鏡面の場合にはウェハの肉厚全体がミラーの振れ空間として頻用される。マイクロ振動ミラーの振動励起はその場合大抵は静電式に行われる。このように大きな鏡面を有するマイクロ振動ミラーの場合における格別の難点は、前記適用時に同じく頻繁に必要になるように振動振幅が同時に大きい場合（数十度の場合）に生じる。ミラーの下位に適当に装着された電極を介して得られるマイクロ振動ミラーの静電励振の場合、このような振動振幅を得るためには、数百ボルトに及ぶ電圧が必要である（ Peterson 著： IBM J. Res. Develop. 24 (1980) 631 ; Jaecklin 他著：Proc. IEEE MEMS Workshop, Fl, USA (1993) 124 参照）。乗用車分野におけるマイクロ振動ミラーの使用並びにマイクロ機械素子上におけるマイクロ振動ミラーの励振及び制御は問題が多い。マイクロ振動ミラーを共振動作させたい場合には更にまた、鏡面とその下に位置する励起電極との間の最小容量変動を検出する高価な電子評価回路が必要である。
【０００３】
発明の開示：
そこで本発明の課題は、大きな鏡面の場合にも低電圧で励起して大きな振動振幅を得ることができ、ひいては低廉な適用価格で使用できるようなマイクロ振動ミラーを提供することである。
【０００４】
請求項１の特徴部に記載したように、少なくとも１つの捩り桁と支持体との間に、捩り軸線を中心として鏡面の捩り振動を誘起する曲げ振動を行なう曲げ桁が位置していることを特徴とする構成手段を備えた本発明のマイクロ振動ミラーは、従来技術に対比して、片持ち式の鏡面の、曲げ振動によって誘起された捩り振動の大きな振幅を、捩り桁によって規定された捩り軸線を中心として発生させるためには、小さな振幅の曲げ振動で充分であるという利点を有している。特に曲げ振動の周波数が、捩り振動の共振周波数に合致している場合には、この捩り振動の振幅は格別大である。しかも曲げ振動の振幅が小さいことに基づいて、これによって惹起されるミラーの鉛直方向運動は著しく小さいので、例えば反射された光ビームの焦点外れは無視することができる。
【０００５】
本発明の有利な構成は、従属請求項に記載した手段に基づいて得られる。
【０００６】
鏡面は、ほぼ任意の幾何学的形状をとることができ、かつ例えばプレーナー円板、プレーナー長方形、プレーナー正方形であってもよく、或いは円形基面の結像凹面鏡の形状を有することもできる。鏡面の典型的な辺長のサイズは、数μｍから数ｍｍにまで達することができる。
【０００７】
例えば正方形の形状を有する振動ミラー鏡面には、対置する２つの捩り桁が装着されており、しかも両捩り桁によって規定された捩り軸線が、鏡面の対称軸線と合致しないようにするのが特に有利である。捩り軸線が複数の場合には、その都度の個数の捩り桁によって形成される捩り軸線の少なくとも１本が鏡面の対称軸線にならないようにするのが有利である。
【０００８】
更にまた、捩り振動を励起する曲げ振動の振幅が過度に大きくなるのを避けるために、曲げ振動の共振周波数が捩り振動の共振周波数とは著しく異なるように、曲げ振動の周波数が設定されており、こうして捩り共振振動時に曲げ共振振動を同時に生ぜしめないようにするのが有利である。曲げ振動の共振周波数及び／又は捩り振動の共振周波数はその場合、曲げ桁もしくは捩り桁の幾何学的形状を介して、曲げ桁及び捩り桁の機械的特性並びにその組成を介して、極めて簡単かつ互いに無関係に設定することができる。
【０００９】
捩り桁と、これに結合された曲げ桁とが同一線上又は同一軸線上に位置せず、特に互いに鋭角又は鈍角を形成する場合には、捩り桁によって規定された捩り軸線を中心とする鏡面の捩り振動を、曲げ桁の曲げ振動を介して特に簡単かつ効果的に励起することが可能である。特に捩り桁と曲げ桁との成す角度が９０゜である場合には、曲げ振動によって鏡面に対して惹起される捩り軸線を中心とするトルクが特に大である。
【００１０】
更にまた鏡面、捩り桁及び曲げ桁の微細表面構造を１つのシリコンウェハから成形される場合には、本発明のマイクロ振動ミラーは極めて有利にかつ簡便に製造することができる。それというのはこの場合、それ自体公知の多種多様のエッチング技術及びマイクロメカニックな微細表面構造成形法をシリコンをベースとして採用することができるからである。
【００１１】
マイクロ振動ミラーの捩り振動を本発明のようにして発生させる場合、特にシリコンウェハからの微細表面構造成形と相俟って、前記シリコンウェハ上には、マイクロ振動ミラーに付加的に必要とされる電気的な作動制御手段及び電気回路を収納するのが有利である。
【００１２】
本発明によれば曲げ桁の少なくとも片面に、該曲げ桁と結合された少なくとも１つの熱電式又は圧電式の曲げ変換器が装着されており、該曲げ変換器が前記曲げ桁の曲げ振動を誘発するようにすれば、捩り振動を発生するために必要とされる曲げ振動を介しての励起を、極めて有利に実現することが可能である。これを有利に達成するために、シリコンから成る曲げ桁が表面にドーピングされ、従って熱機械式曲げ変換器として使用される。
【００１３】
鏡面の捩り振動の共振周波数を、できるだけ簡単に設定できるようにするために、少なくとも１つの捩り桁上に、圧電抵抗式又は圧電式変換器が特に薄膜変換器として装着され、従って該薄膜変換器の電気的特性又は該薄膜変換器の測定信号（圧電電圧）が、捩り振動の振幅及び周波数の関数として変化するようにするのが有利である。従って捩り桁上に装着された該薄膜変換器の電気信号は共振子のフィードバック回路へ入力結合され、前記共振子は、曲げ桁上に装着された熱機械式又は圧電式曲げ変換器を介して曲げ振動を励起するために働く。従って、捩り振動の振幅を検出する圧電抵抗式又は圧電式変換器の測定信号は、曲げ振動の周波数を極めて有利に制御する。
【００１４】
更にまた、捩り桁上に装着された圧電抵抗式又は圧電式変換器の電気的な接点接続を簡単にするため、及び／又は捩り桁上の前記変換器間の導電接続を形成するため、並びに曲げ振動を発生するために曲げ桁上に装着された熱電式又は圧電式曲げ変換器間の導電接続を形成するためには、鏡面及び／又は捩り桁及び／又は曲げ桁が少なくとも区域的に表面を金属で成膜されているのが極めて有利である。
【００１５】
その他の点で極めて有利な点は、本発明のマイクロ振動ミラーが捩り振動を発生するためには低電圧しか必要とせず、かつ特に、例えば静電励起の場合のような対抗電極を必要としないことである。更にまたその製造プロセスは、それ自体公知の方法を介して行うことができ、特に又、ＣＭＯＳに完全適合した製造プロセスが可能である。
【００１６】
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１７】
先ず図１及び図２に基づいてマイクロ振動ミラーの第１実施例及びその製法を説明する。図１では、正方形の形状に成形された鏡面１１を有するマイクロ振動ミラー１０と、該マイクロ振動ミラーに結合されかつ対向配置されて１本の捩り軸線１９を規定する２つの捩り桁１２，１２′とが示されている。両捩り桁１２，１２′は、捩り軸線１９が鏡面１１の対称軸線とは合致しないように装着されているので、長さ区分ｌ₁ と長さ区分１₂ は互いに異なっている。更に両捩り桁１２，１２′はそれぞれ曲げ桁１４，１４′と結合されている。捩り桁１２，１２′と曲げ桁１４，１４′との成す角度はそれぞれ９０゜である。更に両曲げ桁１４，１４′は、鏡面１１の領域を少なくとも囲む支持体１３と結合されているので、鏡面１１は片持ち式に支承されて捩り軸線１９を中心として捩り振動を行なうことができる。鏡面１１は約５００μｍの辺長を有している。しかし又、鏡面１１は数μｍ〜数ｍｍの辺長を有することもできる。鏡面１１、曲げ桁１４，１４′、捩り桁１２，１２′及び支持桁１３は実質的にシリコンから成っている。マイクロ振動ミラー１０は特にシリコンウェハ又はＳＯＩ（" silicon-on-insulator "）ウェハから構成されている。
【００１８】
導電接続を形成するために、かつ／又は例えば赤外線波長範囲における最適の反射特性を保証するために、鏡面１１は表面を殊に金で成膜されている。捩り桁１２，１２′は表面を、それ自体公知の圧電抵抗性材料又は圧電材料で、圧電抵抗式又は圧電式の薄膜変換器１６として成膜されている。該薄膜変換器は、組込まれた歪みセンサとして役立ち、従って捩り桁１２，１２′の捩れは、これに伴って生じる機械的応力を介して薄膜変換器１６内において抵抗の変化又は圧電電圧の発生を惹起し、該圧電電圧の大きさは、捩り振動の振幅に比例し、かつ圧電電圧の周期性は、捩り軸線１９を中心とする捩り振動の振動周期に等しい。圧電抵抗式又は圧電式の薄膜変換器１６に適した材料は、例えばＺｎＯ，ＡＬＮ，ドーピングされたシリコン又はＰＺＴである。薄膜変換器１６はその場合ブリッジの形態で複数の単独抵抗から構成することができ、或いは捩り桁表面全体を抵抗路として使用することも可能である。
【００１９】
捩り桁１２，１２′上の薄膜変換器１６を、図示を省いた外部電気回路と接続するために、各曲げ桁１４，１４′には夫々１つの導体路２５が延在しており、該導体路は薄膜変換器１６を電気的な接続接点１９と接続している。導体路２５はそれ自体公知の形式で例えば曲げ桁１４，１４′の表面金属成膜を介して製作されており、該表面金属成膜は、特に鏡面１１の表面金属成膜層１７と同一の金属から成っている。なお前記導体路２５の表面は、適当なマスク処理によって微細構造に成形されている。
【００２０】
各曲げ桁１４，１４′上には、該曲げ桁と緊密に結合された夫々１つの熱機械式又は圧電式の曲げ変換器１５が位置している。該曲げ変換器１５は、やはり曲げ桁１４，１４′上に延在する（同じく表面金属成膜を介して製造された）導体路２５を介して電気接続接点面１８と接続されているので、外部電気回路への接続が可能である。
【００２１】
圧電式の曲げ変換器１５を使用する場合、該曲げ変換器内へ先ず、外部から印加される電圧を介して機械的な応力が導入され、該機械的な応力は、曲げ変換器と曲げ桁１４，１４′との緊密な接触に基づいて、該曲げ桁の表面へも機械的曲げ応力を誘発するので、曲げ桁１４，１４′の撓みが生じることになる。外部電圧が曲げ変換器１５で周期的に変化すると、この変化によって曲げ桁１４，１４′の曲げ振動が誘発され、この曲げ振動の振動振幅は、鏡面１１の面法線に対して平行な方向を有している。曲げ桁１４，１４′の前記撓みもしくは曲げ振動の方向、振幅及び周期は、印加電圧の極性、強さ及び周期を介して制御することができる。
【００２２】
択一的な実施例において熱電式の曲げ変換器１５を使用する場合には、それに相応して曲げ振動が外部電圧を介して励振され、該外部電圧によって曲げ桁１４，１４′の表面加熱、ひいては機械的な応力及び曲げ桁１４，１４′の撓みが生じる。熱機械式の曲げ変換器１５は、やはりそれ自体公知のように、曲げ桁１４，１４′の表面コーティング法によって熱電材料又は圧電材料によって成膜される。これに適した材料は例えばＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ或いは抵抗層の形の単一金属である。特に薄膜変換器１６及び曲げ変換器１５は共に、また圧電式の薄膜変換器としても、同一材料から構成することができるので、薄膜変換器１６は捩り振動を検出するため、また曲げ変換器１６は曲げ振動を励振するために役立つ。
【００２３】
特に有利な別の実施例によれば捩り桁１２，１２′及び／又は曲げ桁１４，１４′は少なくとも表面区域に、ドーピングされたシリコンを有しているので、従ってこの圧電抵抗としてドーピングされたシリコン層は、圧電抵抗性の薄膜変換器１６及び／又は熱機械式の曲げ変換器１５を形成する。
【００２４】
曲げ桁１４，１４′を介して発生された曲げ振動は、該曲げ桁に結合された捩り桁１２，１２′を介して、鏡面１１の鉛直方向運動とその慣性に基づいてトルクを誘発し、その結果、捩り軸線１９を中心とする鏡面１１の捩り振動が惹起されることになる。このトルクは、捩り軸線１９が鏡面１１の対称軸線と合致していない場合には特に大きい。とは云え、この捩り振動は、捩り軸線１９が対称軸線である場合にも発生する。それというのはこの場合、鏡面１１が曲げ振動時には極めて不安定な平衡状態にあるからである。
【００２５】
捩り振動の振動振幅をできるだけ大きくするためには、励起する曲げ振動の周波数を、捩り振動の共振周波数と合致するように選ぶのが有利である。しかしながら、このために要する励起周波数が同時に、曲げ振動の共振周波数であってはならない。さもないと曲げ振動の振動振幅も大きくなるからである。装置上の対策によって捩り振動及び曲げ振動の共振周波数は、鏡面１１、曲げ桁１４，１４′及び捩り桁１２，１２′の設計と構成を介して、互いに無関係に容易に調整することができる。
【００２６】
捩り振動を共振動作できるようにするために、単数又は複数の圧電抵抗式又は圧電式の薄膜変換器１６から供給される、捩り振動の振幅に比例した測定信号は、それ自体公知のように、外部電気回路内に組込まれた共振子のフィードバック線へ入力結合され、前記共振子は、熱電式又は圧電式の曲げ変換器１５を介して曲げ桁１４，１４′の曲げ振動を誘発しかつ振幅及び周波数を決定する。従って組込まれた共振子の制御を介して曲げ振動を励起する周波数は、捩り振動が共振しているように制御される。
【００２７】
以上説明した実施例は因みに、捩り桁１２及び曲げ桁１４の機械的安定性が充分である場合には鏡面１１が１つの捩り桁１２とだけ結合され、該捩り桁の方向が同時に捩り軸線１９を規定しかつ該捩り桁が鏡面１１を片持ち式に支持するような変化態様で実施することも勿論可能である。この場合その他の点に関する構造は、前記実施例にほぼ相応している。しかしながらこの構造は機械的なトラブルを生じ易く、また発生捩り振動がより不安定である。
【００２８】
更にまた、因みにほぼ任意の幾何学的形状をとることのできる鏡面１１は、例えば４つの捩り桁を有することもでき、この場合４つの捩り桁は例えば２本の互いに直交する捩り軸線を規定しかつ夫々１つの所属の曲げ桁と結合されている。この場合例えば相異した周波数又は同一周波数の２つの捩り振動が重畳されるので、鏡面１１は、リッサジューの図形（ Lissajou-Figur ）の軌道曲線に相似して例えば光をもはや同一平面内でだけ反射するのではなく、その上位に位置する全空間を捉えることができる。その場合両捩り振動はほぼ互いに無関係に励起かつ制御され、しかもその振動周波数は殊に、鏡面１１の幾何学形状及び鏡面１１における捩り桁の配置に基づいて得られる。
【００２９】
図２には、マイクロ振動ミラー１０の構造を明確にするために、図１の断面線に沿った断面図が図示されている。鏡面１１は表面に表面金属成膜層１７を有している。マイクロ振動ミラー１０はこの場合それ自体公知の形式で１つのシリコンウェハから微細表面構造を成形されており、該シリコンウェハは、シリコン製のベース層２３と、該ベース層上に位置する酸化シリコン製の分離層２２と、該分割層上にＳＯＩウェハ（" Silicon-on-Insulater "）の形式で載着された別のシリコン層２１とから成っている。ところでマイクロ振動ミラー１０の微細表面構造の成形は、先ず表面に曲げ変換器１５、薄膜変換器１６、表面金属成膜層１７、導体路２５及び電気接続接点面１８，１９を装着するようにして行われる。次いでウェハの裏面側に例えば化学的な湿式異方性エッチングによってピット２０が開口され、かつウェハの表面に、それ自体公知のマスク処理技術を介して、かつ公知のシリコンエッチング法によって鏡面１１、捩り桁１２，１２′及び曲げ桁１４，１４′が成形される。次いで最終加工段階において、例えば酸化シリコンから成る分離層２２の背面側選択的エッチングによって鏡面１１、曲げ桁１４，１４′及び捩り桁１２，１２′が露出され、従って支持体１３と片持ち式に結合されている。
【００３０】
択一的な製造法はシリコンウェハから出発し、該シリコンウェハ上に先ず、例えばＳｉ₃ N₄ ，ＳｉＯ₂ ，シリコンオキシニトリド又は導電性材料から成る分離層が被着される。分離層が導電性である場合には、付加的に別の絶縁層が分離層上に被着される。マイクロ振動ミラー１０のその他の製造法はその場合、第１の製造法の場合に類似している。
【００３１】
次に図３に基づいてマイクロ振動ミラー１０の製造法の第３の実施態様を説明する。その場合シリコン製のベース層２３上には、ＳｉＯ₂ 又は多孔質シリコンのような選択的にエッチング可能な材料から成る犠牲層２４が析出され、かつ該犠牲層は、鏡面１１、捩り桁１２，１２′，曲げ桁１４，１４′の微細表面構造を成形した後、かつ表面金属成膜層１７、導体路２５、電気接続接点面１８，１９、曲げ変換器１５及び薄膜変換器１６を装着した後に例えば、犠牲層２４のための公知の選択的なエッチングプロセスを介して除去されるので、鏡面１１の下には中空室２７が生じる。この製造法は、化学的な湿式のシリコンエッチングの必要が全くなく、従ってマイクロ振動ミラー１０の製造を現存の半導体ライン内へ問題なく組込むことができるので、ＣＭＯＳに完全に適合する。しかも同時にマスク数が著しく減少する。それというのは鏡面１１の下位で電極面の必要がないからである。
【００３２】
因みに、マイクロ振動ミラー１０の微細表面構造も成形されたウェハの上に、曲げ振動制御器及び外部電気回路全体を同じく配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロ振動ミラーの第１実施例の平面図である。
【図２】 図１に示した第１実施例の断面図である。
【図３】 マイクロ振動ミラーの第２実施例の断面図である。
【符号の説明】
１０ マイクロ振動ミラー、１１ 鏡面、１２，１２′ 捩り桁、１３ 支持体、１４，１４′ 曲げ桁、１５ 曲げ変換器、１６ 薄膜変換器、１７ 表面金属成膜層、１８，１９ 電気接続接点面、１９ 捩り軸線、２０ ピット、２１ シリコン層、２２ 分離層、２３ ベース層、２４ 犠牲層、２５ 導体路、２７ 中空室

Claims (15)

1. 鏡面（１１）を有し、該鏡面（１１）に装着された少なくとも１つの捩り桁（１２，１２′）によって形成された少なくとも１本の捩り軸線（１９）を介して、前記鏡面（１１）を少なくとも区域的に囲む支持体（１３）に前記鏡面（１１）が連結されている形式のマイクロ振動ミラーにおいて、少なくとも１つの捩り桁（１２，１２′）と支持体（１３）との間に、捩り軸線（１９）を中心として鏡面（１１）の捩り振動を誘発する曲げ振動を行なう曲げ桁（１４，１４′）が位置していることを特徴とする、マイクロ振動ミラー。
2. 少なくとも１本の捩り軸線（１９）が、鏡面（１１）の対称軸線ではない、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
3. 捩り軸線（１９）が、２つの対置する捩り桁（１２，１２′）によって形成されている、請求項１又は２記載のマイクロ振動ミラー。
4. 曲げ振動が、捩り軸線（１９）を中心とする捩り振動の捩り共振周波数に等しい周波数で生じる、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
5. 曲げ振動の共振周波数が捩り振動の共振周波数とは異なるように、曲げ振動の周波数が設定されている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
6. 曲げ振動の振幅が、捩り振動の振幅よりも小さい、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
7. 曲げ桁（１４，１４′）の縦軸線によって規定された方向が、捩り軸線（１９）の方向とは異なっている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
8. 曲げ桁（１４，１４′）と捩り桁（１２，１２′）が９０゜の角度で互いに結合されている、請求項１又は７記載のマイクロ振動ミラー。
9. 鏡面（１１）及び／又は捩り桁（１２，１２′）及び／又は曲げ桁（１４，１４′）が少なくとも区域的に表面を金属で成膜されている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
10. 鏡面（１１）及び／又は捩り桁（１２，１２′）及び／又は曲げ桁（１４，１４′）がシリコンを含有しているか又はシリコンから成っている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
11. 曲げ桁（１４，１４′）の少なくとも片面に、該曲げ桁（１４，１４′）と結合された少なくとも１つの熱電式又は圧電式の曲げ変換器（１５）が装着されており、該曲げ変換器が外部電気回路を介して、前記曲げ桁（１４，１４′）の曲げ振動を誘発する、請求項１から１０までのいずれか１項記載のマイクロ振動ミラー。
12. 捩り桁（１２，１２′）の少なくとも区域上に、捩り振動の振幅を検出する圧電抵抗式又は圧電式変換器（１６）が装着されている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。
13. 捩り桁（１２，１２′）及び／又は曲げ桁（１４，１４′）が、表面にドーピングされたシリコンから成っており、かつ、圧電抵抗としてドーピングされたシリコン層が、圧電抵抗式変換器（１６）及び／又は熱機械式曲げ変換器（１５）を形成している、請求項１又は１１記載のマイクロ振動ミラー。
14. 捩り桁（１２，１２′）上の圧電抵抗式又は圧電式変換器（１６）が、曲げ桁（１４，１４′）上の熱電式又は圧電式曲げ変換器（１５）を制御する共振子のフィードバック線内に位置しており、捩り振動の振幅を検出する前記圧電抵抗式又は圧電式変換器（１６）の測定信号が、曲げ振動の周波数を調整するようになっている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のマイクロ振動ミラー。
15. マイクロ振動ミラーが、シリコンエッチングによってシリコンウェハ上に形成されており、該シリコンウェハ上には、マイクロ振動ミラーの所要の電気的な作動制御手段及び電気回路も収納されている、請求項１記載のマイクロ振動ミラー。

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