JP4773421B2 - 回転型ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Description

本発明は、回転型ＭＥＭＳデバイスに係り、さらに詳細には、回転軸のねじりバネに回転角度センサ機能が形成された回転型ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム：Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイスに関する。

マイクロ光スキャナは、ステージを駆動する駆動部であって、ステージに形成された駆動くし型電極と、固定部に形成された固定くし型電極とを備える。前記駆動くし型電極と固定くし型電極とが垂直に形成された構造では、前記駆動くし型電極と固定くし型電極との間の重なる領域の変化から、ステージの回転角度を測定できる。

しかし、かような垂直くし型電極構造のキャパシティを利用した回転角測定は、くし型電極のエッチング公差により、信頼性ある測定を期待し難い。従って、ステージの回転角度を正確に測定するセンサの開発が要求されている。

本発明は、前述の従来の問題点を改善するためのものであり、本発明の目的は、ねじりバネに支持されたステージの回転角度を正確に測定できるセンサを備えたマイクロ光スキャナを提供することである。

本発明の回転型ＭＥＭＳデバイスは、ステージの両側を支持する一対のねじりバネと、前記ねじりバネに形成された４個の抵抗体と、前記抵抗体の抵抗変化を検出する電気配線とを備え、前記ねじりバネは、（１００）面を有するｎ型シリコン基板であって＜１００＞方向に形成され、前記ねじりバネに形成された前記４個の抵抗体は、それぞれが前記ねじりバネの中央軸と交差して、＜１１０＞方向に形成され、前記４個の抵抗体はＷ字型に配されたことを特徴とする。

本発明によれば、前記抵抗体は、ｐ型不純物でドーピングされうる。

また、前記ｐ型不純物は、ボロンでありうる。

本発明によれば、前記抵抗体は、前記ねじりバネ上で互いに直交する方向に形成されうる。

本発明によれば、ステージを支持するねじりバネに形成された抵抗体の抵抗値がねじりバネの回転角度によって線形的に変わるので、抵抗体の抵抗変化を検出することによって、ねじりバネの実際の回転角度を正確に測定できる。

また、ねじりバネの狭い領域に抵抗体を形成できるので、温度変化による熱的ノイズを最小化できる。

以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の回転型ＭＥＭＳデバイスを、一実施形態としてマイクロ光スキャナに適用した例を用いて詳細に説明する。本明細書及び図面に示された層や領域の厚さは、本発明を説明するために誇張されて図示されている。また、同じ構造の物には、同じ参照番号を使用して詳細な説明を省略する。

図１は、本実施形態のマイクロ光スキャナの一部分を図示した斜視図である。

図１を参照すれば、ステージ１０の周囲に固定フレーム２０が形成されており、固定フレーム２０とステージ１０との間に、ねじりバネ３０が形成されている。ねじりバネ３０の方向と直交する方向のステージ１０両側には、駆動くし型電極４１が形成されており、固定フレーム２０で、前記駆動くし型電極４１と対応するように固定くし型電極４２が形成されている。

駆動くし型電極４１と固定くし型電極４２は、それぞれのくし歯の電極が互いに間隔をあけてかみ合うように形成されており、駆動くし型電極４１と固定くし型電極４２との間の静電気力により、ステージ１０がねじりバネ３０を中心に回転する。

ステージ１０の表面は、例えば、鏡面研磨されており、光を反射する。マイクロ光スキャナは、このステージ１０が回転することで光の反射方向を変更する。

図２は、ねじりバネ３０部分の拡大図である。

図２を参照すれば、（１００）面を有したｎ型シリコン基板からなるねじりバネ３０上に、４個の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が形成されている。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の端には、それぞれ電気配線として、パッドＰ１〜Ｐ５が形成され、各パッドＰ１〜Ｐ５は、導線Ｃ１〜Ｃ５と連結されて固定フレーム２０まで延びている。

前記抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ｐ型不純物であるボロンでドーピングされた領域であり、パッドＰ１〜Ｐ５と導線Ｃ１〜Ｃ５は、金（Ａｕ）でパターニングされており、パッドＰ１〜Ｐ５は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４とオーミックコンタクトに形成されうる。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ねじりバネ３０の中央軸ＡＸに沿って４５゜傾斜に形成されており、Ｗ字型をなす。（１００）面を有したｎ型シリコン基板で、＜１１０＞方向でストレスに対する圧電係数が最も大きい。圧電係数が大きいということは、同じストレスに対する抵抗変化が大きいということを意味する。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、＜１１０＞方向に形成されている。ねじりバネ３０が矢印Ａ方向に回転する場合、抵抗体Ｒ１，Ｒ３は圧縮応力を受け、抵抗体Ｒ２，Ｒ４は引張り応力を受け、従って抵抗体Ｒ１，Ｒ３と抵抗体Ｒ２，Ｒ４は、抵抗の変化方向が反対となる。

従って、この抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が圧電センサとして機能することになる。また、抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が狭い領域に形成され発熱量が少ないので温度変化による熱的ノイズを最小化できる。

図３は、ステージ１０の回転時に、ねじりバネ３０の表面でのストレス分布を示すシミュレーション図である。図３を参照すれば、ねじりバネ３０で中心軸ＡＸに沿ってストレスが最も大きいということが分かり、ひずみ方向は、ねじりバネ３０と４５゜方向に作用している。かかる理由で、圧電センサとして機能する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ねじりバネ３０の中心軸ＡＸに沿って配されている。

図４は、本実施形態の圧電センサとして機能する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化を検出するためのホイートストーンブリッジ回路図であり、図５は、図４に示した回路の信号出力を示すグラフである。

図４を参照すれば、パッドＰ１，Ｐ３を共に基準電圧の一端に連結し、パッドＰ２を基準電圧の他端に連結し、それらの間に基準電圧Ｖ_ｉｎを供給する。パッドＰ４とパッドＰ５とには測定電圧Ｖ_ｏｕｔを連結すれば、４個の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ホイートストーンブリッジ回路を形成する。ねじりバネ３０を矢印Ａ方向（図２）に回転すれば、抵抗体Ｒ１，Ｒ３は抵抗が増加し、抵抗体Ｒ２，Ｒ４は抵抗が減少する。ねじりバネ３０の回転方向が変われば、抵抗の変化方向も変わる。

図５を参照すれば、図４のホイートストーンブリッジ回路からの出力は、ステージ１０の回転角度によって抵抗が一定に変わる。前記基準電圧Ｖ_ｉｎとして５Ｖを印加した場合、ステージ１０を回転させたときに回転角度による測定電圧は、図５に示すように線形性を有する。すなわち、本実施形態では、圧電センサとして機能する抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、ねじりバネ３０の回転角度を信頼性高く測定することができることを示している。

図２では、抵抗体４つがいずれもねじりバネ３０に形成されているが、必ずしもそれに限定されるものではない。すなわち、Ｒ１抵抗体のみ、またはＲ１抵抗体及びＲ２抵抗体のみねじりバネ３０に形成されており、残りの抵抗体は、固定フレーム２０に形成され、それら低抗体がホイートストーンブリッジ回路に連結されても、ねじりバネ３０の回転角度を検出できる。

図６は、図５の実験のために設けたマイクロ光スキャナのねじりバネ３０の一部を図示した写真である。図６で、ねじりバネ３０の両側の黒い部分１００は、ねじりバネ３０の回転空間のためのスペースであり、ねじりバネ３０上には、パッドＰ１〜Ｐ５と導線Ｃ１〜Ｃ５が形成されている。これらは、図２で説明したものである。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、パッドＰ１〜Ｐ５間を結ぶ部分に形成されるドーピング領域であり、図６では示されていない。

図７は、本発明の他の実施形態によるマイクロ光スキャナの一部図面である。

図７を参照すれば、（１００）面を有したｎ型シリコン基板からなるねじりバネ１３０上に、十字形状の抵抗体Ｒが形成されている。この抵抗体Ｒが圧電センサとして機能する。

ねじりバネ１３０は、（１００）面のｎ型シリコン基板で、せん断圧電（ｓｈｅａｒ−ｐｉｅｚｏ）係数が最も大きい＜１００＞方向に形成されており、抵抗体Ｒの４個の端は、いずれも＜１００＞方向に形成される。ねじりバネ１３０の軸方向Ａｘに対向する２つの端間に、基準電圧Ｖ_ｉｎが印加される。ねじりバネ１３０の軸方向Ａｘと垂直方向に対向する２つの端で、抵抗変化による信号が測定される。

抵抗体Ｒの端には、パッドＰ１〜Ｐ４が形成されている。各パッドＰ１〜Ｐ４は、導線Ｃ１〜Ｃ４と連結されて固定フレーム１２０まで延びている。

前記抵抗体Ｒは、ｐ型不純物であるボロンでドーピングされている領域であり、パッドＰ１〜Ｐ４と導線Ｃ１〜Ｃ４は、金（Ａｕ）でパターニングされており、パッドＰ１〜Ｐ４は、抵抗体Ｒの端とオーミックコンタクトに形成されうる。ねじりバネ１３０が矢印Ｂ方向に回転する場合と反対方向に回転する場合とで、抵抗の変化方向が反対となる。

抵抗体Ｒは、ねじりバネ１３０で変形ストレスが最も大きい領域である中心軸ＡＸに形成されることが望ましい。

図８は、図７の抵抗体Ｒを含む回路であり、図９は、図７の抵抗体Ｒを含む回路の信号出力を示すグラフである。

図８を参照すれば、パッドＰ１，Ｐ３に基準電圧Ｖ_ｉｎを印加し、パッドＰ２、Ｐ４で電圧Ｖ_ｏｕｔを測定する回路となっている。

図９を参照すれば、図８の回路では、ステージ１０（図１）の回転角度によって抵抗が一定に変わる。前記基準電圧Ｖ_ｉｎとして５Ｖを印加した場合、ステージ１０を回転させたときの回転角度による測定電圧Ｖ_ｏｕｔは、図９でのように線形性を有する。すなわち、本実施形態では、抵抗体Ｒが圧電センサとして機能し、ねじりバネ１３０の回転角度を信頼性あるように測定することができる。

以上、本発明を、図面を参照して実施形態により説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態では、本発明の回転型ＭＥＭＳデバイスをマイクロ光スキャナに適用した例を説明したが、これ以外にも本発明は、例えば、カンチレバー、圧力センサ、加速度センサなどに適用可能であり、特に可動部の回転角度を測定し、制御を行うＭＥＭＳデバイスに好適である。さらに、これらは例示的なものにすぎず、当分野で当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ決まるものである。

本発明の圧電センサを備えた回転型ＭＥＭＳデバイスは、例えば、スキャナ関連の技術分野に効果的に適用可能である。

本発明の圧電センサが適用されるマイクロ光スキャナを図示した斜視図である。 本発明の一実施形態による圧電センサがねじりバネ上に形成されたマイクロ光スキャナの一部平面図である。 ステージが回転するとき、ねじりバネ３０の表面でのストレス分布を示すシミュレーション図面である。 本発明による圧電センサのホイートストーンブリッジ回路図である。 本発明による圧電センサの信号出力を示すグラフである。 図５の実験のために設けたマイクロ光スキャナのねじりバネの一部を図示した写真である。 本発明の他の実施形態による圧電センサが形成されたマイクロ光スキャナの一部図面である。 図７の抵抗体に連結された回路である。 図７の抵抗体の信号出力を示すグラフである。

符号の説明

１０ ステージ、
２０，１２０ 固定フレーム、
３０，１３０ ねじりバネ、
４１ 駆動くし型電極、
４２ 固定くし型電極、
Ｃ 導線、
Ｐ パッド、
Ｒ 抵抗体。

Claims (4)

1. ステージの両側を支持する一対のねじりバネと、
   前記ねじりバネに形成された４個の抵抗体と、
   前記抵抗体の抵抗変化を検出する電気配線とを備え、
   前記ねじりバネは、（１００）面を有するｎ型シリコン基板であって＜１００＞方向に形成され、前記ねじりバネに形成された前記４個の抵抗体は、それぞれが前記ねじりバネの中央軸と交差して、＜１１０＞方向に形成され、
   前記４個の抵抗体はＷ字型に配されたことを特徴とする回転型ＭＥＭＳデバイス。
2. 前記抵抗体は、ｐ型不純物でドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の回転型ＭＥＭＳデバイス。
3. 前記ｐ型不純物は、ボロンであることを特徴とする請求項２に記載の回転型ＭＥＭＳデバイス。
4. 前記ねじりバネ上の前記４個の抵抗体は、隣接する抵抗体が互いに直交する方向に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転型ＭＥＭＳデバイス。