JP5099121B2

JP5099121B2 - Ｍｅｍｓデバイスおよび光スイッチ

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Publication number: JP5099121B2
Application number: JP2009504921A
Authority: JP
Inventors: 貴志清水; 和行森
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: WO2008114330A1; US7847995B2; JPWO2008114330A1; US20100134860A1

Description

この発明は、固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチに関するものである。

従来、光通信システムにおいて光路を切り替える光スイッチには、半導体の微細加工技術を利用して作製された微小な部品から構成されるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）デバイスが用いられている（たとえば、下記特許文献１参照。）。

ＭＥＭＳデバイスは、電極間に高電圧を印加して両電極に電荷を集中させ、その静電気力により機械的な変化を起こす。ＭＥＭＳデバイスは、印加する電圧をコントロールすることにより変位を任意に設定することができるため、光スイッチの他にも多くの用途で使用されている。

図１５は、従来のＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図１５に示すように、ＭＥＭＳデバイスは、固定電極１５１０および可動電極１５２０を備えている。固定電極１５１０および可動電極１５２０にはそれぞれ櫛歯状に形成された複数の電極１５１１〜１５１４および複数の電極１５２１〜１５２４がそれぞれ形成されている。

固定電極１５１０および可動電極１５２０に電圧を印加することによって、電極１５１１〜１５１４にはプラスの電荷が帯電し、電極１５２１〜１５２４にはマイナスの電荷が帯電する。このため、電極１５１１〜１５１４と電極１５２１〜１５２４との間に静電引力が発生し、固定電極１５１０に対して可動電極１５２０が矢印１５３０で示す方向に変位する。

ＭＥＭＳデバイスを光スイッチに用いる場合、可動電極１５２０にミラーを固定する。固定電極１５１０および可動電極１５２０に電圧を印加することによって可動電極１５２０を変位させ、可動電極１５２０に固定されたミラーが光を反射させる角度を変化させる。これにより、固定電極１５１０および可動電極１５２０に印加する電圧を制御することで光路の切替を行う。

特開２００４−７００５３号公報

しかしながら、上述したＭＥＭＳデバイスにおいては、可動電極１５２０の変位量を大きくして性能を向上させるために固定電極１５１０および可動電極１５２０間に印加する電圧を大きくすると、固定電極１５１０および可動電極１５２０間で火花放電が発生する場合がある。この場合、意図しない変動を可動電極１５２０が起こしたり、固定電極１５１０および可動電極１５２０が破損したりするという問題がある。

図１６は、火花放電の原理を説明する図である。図１６に示すように、電極１６０１，１６０２間に印加する電圧を上げると、符号１６１０で示すように、電極１６０１，１６０２間に存在する気体分子１６１１が、高電圧によって加速された電子１６１２と衝突して電離する。また、符号１６２０で示すように、電離によって生成された正イオン１６２１は負極である電極１６０２に衝突する。この際に起こる二次電子放出により瞬間的に大量の電流が流れることを火花放電という。

図１７は、従来のＭＥＭＳデバイスにおける火花放電が発生した際の状態を示す図である。図１７の符号１７０１に示すように、電極１５１２と電極１５２１との間で火花放電が発生した場合、電極１５１２および電極１５２１近傍の電極（あるいはすべての電極）に帯電した電荷は再結合により消滅する。

このため、可動電極１５２０を変位させていた静電引力が瞬間的に低下する。瞬間的に静電引力が低下すると、意図しない変動を可動電極１５２０が起こしてしまうという問題がある。特に、ＭＥＭＳデバイスを光スイッチとして光ネットワークに用いた場合、火花放電が発生すると、可動電極１５２０の変動により光路が乱れ、ネットワークの通信が遮断されるという問題がある。

また、電極１５１２と電極１５２１との間で火花放電が発生した場合、他の電極、電源あるいはグランドから電極１５１２と電極１５２１に電荷が補充され、電極１５１２および電極１５２１間の電位差が十分に小さくなるまで時間がかかる。このため、火花放電の発生時間が長くなり、可動電極１５２０が元の位置に収束するまでの復帰時間が長くなるという問題がある。また、火花放電の発生時間が長くなるため、放電による電流量が大きくなり、可動電極１５２０の変動が大きくなるという問題がある。

図１８は、図１７に示したＭＥＭＳデバイスと等価な回路図である。ＭＥＭＳデバイスの固定電極１５１０および可動電極１５２０は、並列に接続された複数のコンデンサで等価に示すことができる。ここで、図１８に示すように、複数のコンデンサは、並列に接続されているため容量の大きな一つのコンデンサ１８０１と見なすことができる。

固定電極１５１０および可動電極１５２０間で発生する火花放電は、コンデンサ１８０１の両端に接続されたスイッチ１８０２を瞬間的にＯＮにした状態と等価に示すことができる。スイッチ１８０２を瞬間的にＯＮにすることにより、コンデンサ１８０１に帯電した電荷はスイッチ１８０２を通過して消滅する。

図１９は、従来のＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフである。図１９において、横軸は、時間［ｓｅｃ］を示している。縦軸は、可動電極１５２０に固定されたミラーの回転角度［°］を示している。符号１９０１は、火花放電が発生した時点を示している。図１９に示すように、可動電極１５２０に固定されたミラーの変動量は、火花放電が発生した瞬間に最も大きくなり、時間が経つとともに小さくなっていく。

この火花放電の問題に対して、固定電極１５１０および可動電極１５２０の表面全体を絶縁膜で覆うことによって、正イオンが電極に衝突する際の二次電子の発生を抑えることが考えられる。たとえば、具体的な方法の一例として、コーティング材を高温に熱し、蒸気を発生させ真空中でＭＥＭＳデバイスに蒸気を当て表面に付着させる真空蒸着などを用いることができる。

しかし、図１５で示した櫛歯形状のように、固定電極１５１０および可動電極１５２０の形状が複雑な場合、固定電極１５１０および可動電極１５２０全体を均一にコーティングすることが困難であるという問題がある。また、固定電極１５１０および可動電極１５２０には高電圧を印加するため、固定電極１５１０および可動電極１５２０の表面を絶縁膜で覆うと、電圧を変動させても分極に変動前の影響が残る残留分極が発生する場合がある。この場合、電圧の制御をしても、意図した変位量と実際の変位量に誤差が生じるという問題がある。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、火花放電が発生しても安定して動作することができるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるＭＥＭＳデバイスは、固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスにおいて、前記固定電極に設けられた第１電極群と、前記可動電極に設けられ、前記第１電極群に対向して位置する第２電極群とを備え、前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方は互いに抵抗を介して接続されることを特徴とする。

上記構成によれば、第１電極群および第２電極群の少なくとも一方は抵抗によって電気的に分離され、火花放電が発生した場合でも放電の影響を受ける電極が限定される。このため、固定電極および可動電極間の静電引力の低下を抑えることができる。また、火花放電が発生してから可動電極が元の位置に収束するまでの復帰時間を短くすることができる。

この発明にかかるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチによれば、火花放電が発生した場合の意図しない可動電極の変動を低減し、火花放電が発生しても安定して動作することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの概要を示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図３は、図２に示したＭＥＭＳデバイスと等価な回路図である。図４は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの作用を示す斜視図である。図５は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの効果を示す表である。図６は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフ（その１）である。図７は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの抵抗を作成するプロセスの一例を示す斜視図である。図８は、不純物濃度と抵抗の関係を示すグラフである。図９は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分の変形例と等価な回路図である。図１０は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフ（その２）である。図１１は、実施の形態２にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図１２は、実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図１３は、実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分の変形例を示す斜視図である。図１４は、実施の形態４にかかる光スイッチを示す平面図である。図１５は、従来のＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図１６は、火花放電の原理を説明する図である。図１７は、従来のＭＥＭＳデバイスにおける火花放電が発生した際の状態を示す図である。図１８は、図１７に示したＭＥＭＳデバイスと等価な回路図である。図１９は、従来のＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフである。

符号の説明

１００ＭＥＭＳデバイス
２００基板
３００ミラー
４００，５００アクチュエータ
４１０固定電極
４１１〜４１４，４２１〜４２４電極
４１４ａ〜４１４ａ，４２１ａ〜４２４ａ抵抗
４２０可動電極
４３０電圧印加部

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチの好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの概要を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイス１００は、基板２００と、ミラー３００と、アクチュエータ４００と、アクチュエータ５００と、を備えている。ＭＥＭＳデバイス１００は、ミラー３００の角度を微小に変化させ、ミラー３００に反射する光の経路を切り替える光スイッチである。

ミラー３００は、基板２００上において、図のＸ軸およびＹ軸方向の軸を中心として微小回転可能に設けられている。アクチュエータ４００は、Ｘ軸方向の軸を中心としてミラー３００を微小回転させるアクチュエータである。アクチュエータ４００は、固定電極４１０と、可動電極４２０と、電圧印加部４３０と、を備えている。固定電極４１０は基板２００に固定されている。

可動電極４２０は、基板２００に設けられた軸２０１を中心として回転自在である。可動電極４２０は、軸２０１を中心として回転することで固定電極４１０との相対的な位置が変化する。また、可動電極４２０にはミラー３００が固定されている。電圧印加部４３０は、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧を印加する。電圧印加部４３０には、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧印加部４３０が印加する電圧を制御する電圧制御部（不図示）が接続されている。

電圧制御部は、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧印加部４３０が印加する電圧をたとえば数十〜数百Ｖに制御する。これにより、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧を印加すると、固定電極４１０と可動電極４２０との間に静電引力が発生し、可動電極４２０が軸２０１を中心として微小回転する。可動電極４２０の微小回転に伴って、可動電極４２０に固定されたミラー３００も軸２０１を中心として微小回転する。

このため、ミラー３００が光を反射させる角度が変化する。固定電極４１０と可動電極４２０とに印加する電圧を変化させることで、可動電極４２０の回転量が変化し、ミラー３００が光を反射させる角度を調節することができる。固定電極４１０と可動電極４２０とに印加する電圧を変化させることで光路の切替を行うことができる。

アクチュエータ５００は、Ｙ軸方向の軸を中心としてミラー３００を微小回転させるアクチュエータである。アクチュエータ５００の構成については、アクチュエータ４００の構成と同様であるため説明を省略する。アクチュエータ４００によってＸ軸方向の軸を中心としてミラー３００を微小回転させ、さらにアクチュエータ５００によってＹ軸方向の軸を中心としてミラー３００を微小回転させることで、ミラー３００が光を反射させる角度を二次元的に変化させることができる。

図２は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図２において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示すように、固定電極４１０は、基板２００に固定され電圧が印加される固定電極部４１０ａと、固定電極部４１０ａの一面に櫛歯状に形成された複数の電極４１１〜４１４（第１電極群）と、を有している。

可動電極４２０は、電圧が印加される可動電極部４２０ａと、可動電極部４２０ａの一面に形成された複数の電極４２１〜４２４（第２電極群）と、を有している。可動電極４２０に設けられた電極４２１〜４２４は、固定電極４１０に設けられた電極４１１〜４１４に対向し、互い違いに位置する櫛歯状に形成されている。

ここでは、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４は、等間隔に並んだ複数の平板によって形成される櫛歯形状である。電極４１１〜４１４と電極４２１〜４２４とは、固定電極４１０および可動電極４２０に対して電圧が印加された場合に、静電引力により可動電極４２０が固定電極４１０に対して変位するために必要な距離を互いに有して配置されている。

固定電極４１０に設けられた電極４１１〜４１４のそれぞれの基端（根本）には抵抗４１４ａ〜４１４ａが設けられている。ここで、電極４１１〜４１４のそれぞれの基端とは、電極４１１〜４１４のそれぞれの固定電極４１０に対する付け根部分、または付け根部分に近い部分をいう。また、可動電極４２０に設けられた電極４２１〜４２４のそれぞれの基端には抵抗４２１ａ〜４２４ａが設けられている。抵抗４１４ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａには、たとえば１０ｋΩの高抵抗を用いる。

これにより、固定電極４１０に設けられた電極４１１〜４１４は、互いに抵抗４１１ａ〜４１４ａを介して接続されることで電気的に分離される。また、可動電極４２０に設けられた電極４２１〜４２４は、互いに抵抗４２１ａ〜４２４ａを介して接続されることで電気的に分離される。

図３は、図２に示したＭＥＭＳデバイスと等価な回路図である。図３に示すように、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイス１００の電極４１１〜４１４と、電極４１１〜４１４に対向して位置する電極４２１〜４２４とは、並列に接続された複数のコンデンサ３１１〜３１４で等価に示すことができる。

コンデンサ３１１〜３１４は、抵抗３３１〜３３４および抵抗３４１〜３４４によって分離されているため容量の大きな一つのコンデンサとはならず、独立した複数のコンデンサと見なすことができる。電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４をコンデンサ３１１〜３１４として見る場合、コンデンサ３１１〜３１４のそれぞれの容量が１．４ｐＦ程度になるように電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の形状および位置を設計する。

固定電極４１０および可動電極４２０に電圧を印加する電圧印加部４３０は、回路の電源３２０と等価に示すことができる。電極４１１〜４１４の基端に設けられた抵抗４１１ａ〜４１４ａは、コンデンサ３１１〜３１４のそれぞれの両端に設けられた抵抗３３１〜３３４で等価に示すことができる。また、電極４２１〜４２４の基端に設けられた抵抗４２１ａ〜４２４ａは、コンデンサ３１１〜３１４のそれぞれの両端に設けられた抵抗３４１〜３４４で等価に示すことができる。

火花放電は、コンデンサ３１１〜３１４の一つ（ここではコンデンサ３１４）の両端を接続するスイッチ３５０を瞬間的にＯＮにした状態と等価に示すことができる。スイッチ３５０を瞬間的にＯＮにすることにより、スイッチ３５０が接続されたコンデンサ３１４に帯電した電荷はスイッチ３５０を通過して消滅する。

ここで、スイッチ３５０が接続されていないコンデンサ３１１〜３１３は、抵抗３３１〜３３４および抵抗３４１〜３４４によってコンデンサ３１４と分離されている。このため、コンデンサ３１１〜３１３に帯電した電荷はスイッチ３５０を瞬間的にＯＮにしても維持される。

図４は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの作用を示す斜視図である。図４に示すように、固定電極４１０にプラスの電荷、可動電極４２０にマイナスの電荷が帯電して静電引力が発生しているとする。ここで、たとえば符号４０１で示すように、電極４１２と電極４２１との間で火花放電が発生した場合、電極４１２および電極４２１に帯電した電荷は消滅する。

ここで、電極４１２は、抵抗４１２ａによって電極４１１，４１３および電極４１４から電気的に分離されている。このため、電極４１１，４１３および電極４１４から電極４１２への電荷の移動が抑えられる。また、電極４２１は、抵抗４２１ａによって電極４２２〜４２４から電気的に分離されている。このため、電極４２２〜４２４から電極４２１への電荷の移動が抑えられる。

これにより、電荷が消滅する電極を火花放電が発生した電極４１２および電極４２１のみに限定することができ、固定電極４１０および可動電極４２０間の静電引力の低下を抑えることができる。たとえば、固定電極４１０および可動電極４２０に設けられた櫛歯状の電極をそれぞれ２０本とした場合、一組の電極の間で火花放電が発生しても、残りの１９組の電極の間においては静電引力を維持することができる。このため、固定電極４１０および可動電極４２０間の静電引力の低下を２０分の１にまで低減できる。

また、火花放電によって流れた電流は、抵抗４１２ａおよび抵抗４２１ａにおいて電圧に変換されるため、電極４１２および電極４２１の電位は少量の電流によって変動する。したがって、火花放電が発生した場合に大きな電流が生じ、火花放電が発生した電極４１２および電極４２１間の電位差が瞬時に変化する。このため、火花放電の発生時間を短縮し、火花放電による電流量を低減することができる。

図５は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの効果を示す表である。図５に示す表において、第１列目は、固定電極４１０および可動電極４２０に設けられた抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａの抵抗値［Ω］を示している。第２列目は、固定電極４１０および可動電極４２０間で火花放電が発生した場合の固定電極４１０および可動電極４２０間の電圧の降下量［％］を示している。

第３列目は、固定電極４１０および可動電極４２０間で火花放電が発生し、固定電極４１０および可動電極４２０間で電圧が降下したことによる、火花放電の発生直後のミラー３００の回転角度の変動量［°］を示している。第４列目は、図３に示した等価回路のＲＣ時定数［ｓｅｃ］を示している。

表の第２行目に示すように、固定電極４１０および可動電極４２０に抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａを設けない従来のＭＥＭＳデバイスの場合（抵抗を１Ωとする）の電圧降下量を１００％とし、以下の場合との比較対象とする。この場合のミラー３００の回転角度の変動量は２．５５°である。また、この場合、等価回路のＲＣ時定数は０．１ｐｓｅｃである。

表の第３行目に示すように、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の基端に設ける抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａを１ｋΩとした場合、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の一組の間で火花放電が発生しても電圧降下は４５．３％となる。この場合のミラー３００の回転角度の変動量は１．０４°である。また、この場合、等価回路のＲＣ時定数は１００ｐｓｅｃである。

表の第４行目に示すように、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の基端に設ける抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａを１０ｋΩとした場合、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の一組の間で火花放電が発生しても電圧降下は７．７％となる。この場合のミラー３００の回転角度の変動量は０．１９°である。また、この場合、等価回路のＲＣ時定数は１ｎｓｅｃである。

このように、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の基端に高抵抗を設けることで、火花放電が発生した場合のミラー３００の回転角度の変動量を大幅に低減することができる。特に、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の基端に１０ｋΩの抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａを挿入することで、ミラー３００の回転角度の変動量は、通信システムに影響を与えない程度の大きさとなる。製造性の限界の問題から、抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａは１ｋΩ〜２０ｋΩの範囲で設定するとよい。

なお、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の基端に抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａを設けることで、等価回路の中にＲＣフィルタができることになる（図３参照）。このＲＣフィルタのＲＣ時定数は１ｎｓｅｃ程度まで増加する。しかし、ミラー３００の回転は機械的な動作であるため、ミラー３００の回転角度の変動はＲＣ時定数と比較して十分に遅い。

具体的には、可動電極４２０およびミラー３００の回転の応答速度は、共振周波数から計算すると１ｍｓｅｃ程度である。この応答速度は、ＲＣフィルタのＲＣ時定数１ｎｓｅｃの約１００万倍である。このため、この等価回路のＲＣ時定数は、可動電極４２０およびミラー３００の回転の応答速度に吸収され、無視することができる。

図６は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフ（その１）である。図６において、横軸は、時間［ｓｅｃ］を示している。縦軸は、ＭＥＭＳデバイス１００のミラー３００の回転角度［°］を示している。符号６０１は、火花放電が発生した時点を示している。図６に示すように、火花放電が発生した瞬間のミラー３００の回転角度の変動量は、従来（図１９参照）と比較して大幅に低減されている。また、火花放電が発生してからミラー３００の回転角度が元の角度に収束するまでの復帰時間が短くなっている。

図７は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの抵抗を作成するプロセスの一例を示す斜視図である。多くの半導体は、単結晶では抵抗率が高く、半導体として使用する場合は故意に不純物をドープする。母材の熱エネルギによって、ドープした不純物のイオンから電子あるいは正孔が乖離し、乖離した電子あるいは正孔がキャリアとなる。このため、不純物をドープした部分の抵抗率は不純物が多いほど下がり、電気を通しやすくなる。

一方、母材に不純物をドープする場合でも、母材とはイオン価が反対の不純物をドープすると、不純物をドープした部分の抵抗率が上がる。たとえば、４価の半導体シリコンに３価のイオンがドープされていた場合、さらに５価のイオンをドープしていくと、３価のイオンで発生した正孔と５価のイオンで発生した電子とが再結合し、半導体の伝導帯および価電子帯のキャリアが減少する。

これにより、母材における、５価のイオンをドープした部分の抵抗率を上げることができる。３価のイオンと５価のイオンが同数になった場合には、不純物がドープされていない真性半導体に近い抵抗率にまで上げることができる。このように、母材にドープして母材の抵抗率を上げるためのイオンを補償イオンという。

ここでは、図７に示すように、Ｓ_iＯ₂７０１を挟んでｎ型Ｓ_i７０２およびｎ型Ｓ_i７０３を形成し、ｎ型Ｓ_i７０２の表面にレジスト層７０４をパターニングする。レジスト層７０４の上から補償イオン７０５をドープすることで、ｎ型Ｓ_i７０２のレジスト層７０４を設けなかった部分７０６の抵抗率を上げることができる。また、図示しないが、ｎ型Ｓ_i７０３の表面にも同様にレジスト層を設けて補償イオン７０５をドープすることで、ｎ型Ｓ_i７０３の一部の抵抗率を上げることができる。

そして、ｎ型Ｓ_i７０２およびｎ型Ｓ_i７０３からＳ_iＯ₂７０１およびレジスト層７０４を取り除くことで、一部の抵抗率が上がったｎ型Ｓ_i７０２およびｎ型Ｓ_i７０３を得ることができる。このｎ型Ｓ_i７０２およびｎ型Ｓ_i７０３を適宜切断することで、上述した櫛歯形状の固定電極４１０および可動電極４２０や、後述する各種の電極を作成することができる。また、補償イオン７０５をドープする際に電界で加速することにより、ｎ型Ｓ_i７０２およびｎ型Ｓ_i７０３の表面だけでなく内部まで補償イオン７０５をドープすることが可能である。

図８は、不純物濃度と抵抗の関係を示すグラフである。図８において、横軸は、固定電極４１０および可動電極４２０の抵抗となる部分にドープする不純物の濃度［１／ｍ³］を示している。縦軸は、固定電極４１０および可動電極４２０に形成される抵抗［Ω］を示している。符号８０１に示すように、従来の不純物濃度は１０²³／ｍ³程度であり、抵抗は１Ω程度である。

これに対して、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイス１００においては、符号８０２に示すように、抵抗を形成する部分７０６に補償イオン７０５をドープし、不純物濃度を１０¹⁹／ｍ³程度にまで低減することで、１０ｋΩ程度の抵抗を形成することができる。なお、ここでは抵抗を作成するプロセスの一例を示したが、抵抗を作成するプロセスはこれに限られず、各種の方法を用いることができる。

図９は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分の変形例と等価な回路図である。図９において、図３に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。上述した実施の形態１においては、固定電極４１０および可動電極４２０に抵抗４１１ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａがそれぞれ設けられている場合について説明したが、抵抗は、可動電極４２０または固定電極４１０の一方にのみ設けられていてもよい。

図１０は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイスにおける火花放電による変位変動を示すグラフ（その２）である。図１０は、固定電極４１０に設けられた電極４１１〜４１４のみにそれぞれ２０ｋΩの抵抗を設けた場合の変位変動を示している。符号１００１は、火花放電が発生した時点を示している。符号１００１に示すように、火花放電が発生した瞬間のミラー３００の回転角度の変動量は、従来（図１９参照）と比較して大幅に低減されている。

このように、固定電極４１０または可動電極４２０の一方にしか抵抗を設けない場合でも本発明の効果を得ることができる。また、固定電極４１０および可動電極４２０の両方に抵抗を設ける場合よりも大きな抵抗を用いることで、固定電極４１０および可動電極４２０の両方に抵抗を設ける場合と同等の効果を得ることができる。

なお、ここでは、抵抗４１４ａ〜４１４ａおよび抵抗４２１ａ〜４２４ａの抵抗値が１０ｋΩまたは２０ｋΩ程度である場合について説明したが、これらの抵抗の抵抗値は、固定電極４１０および可動電極４２０の形状と、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧印加部４３０が印加する電圧と、に応じて設定する（以後の実施の形態でも同様）。

たとえば、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧印加部４３０が印加する電圧が高いほど、これらの抵抗の抵抗値を高く設定する必要がある。ここでいう固定電極４１０および可動電極４２０の形状とは、電極４１１〜４１４のそれぞれの間隔および電極４２１〜４２４のそれぞれの間隔や、電極４１１〜４１４および電極４２１〜４２４の互いに対向する電極同士の間隔や対向面積などである。

これらの抵抗の抵抗値は、電極４１１〜４１４間および電極４２１〜４２４間における電荷の移動が抑えられる程度の抵抗値に設定する。これにより、電荷が消滅する電極を火花放電が発生した電極のみに限定することができ、上述のように、固定電極４１０および可動電極４２０間の静電引力の低下を抑えることができる。

（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。上述した実施の形態１にかかるＭＥＭＳデバイス１００においては、固定電極４１０および可動電極４２０に櫛歯状の電極４１４〜４１４および電極４２１〜４２４を設ける構成について説明したが、固定電極４１０および可動電極４２０の形態はこれに限られない。すなわち、固定電極４１０および可動電極４２０に、複数の電極がアレイ状に設けられていればよい。

たとえば、図１１に示すように、実施の形態２にかかるＭＥＭＳデバイス１００は、可動電極１１１０と、固定電極１１２０と、固定電極１１３０と、を備えている。可動電極１１１０は、軸１１４０を中心として微小回転可能に設けられている。可動電極１１１０は、平板部１１１０ａと、平板部１１１０ｂと、を有している。

平板部１１１０ｂは、平板部１１１０ａの裏面の中央に平板部１１１０ａとは垂直に設けられている。したがって、可動電極１１１０の縦断面はＴ字となる。平板部１１１０ａの表面には図示しないミラーが固定されている。平板部１１１０ａの裏面の、平板部１１１０ｂによって区切られた２つの領域には、複数の並行電極１１１１（第２電極群）と、複数の並行電極１１１２（第２電極群）と、がそれぞれ設けられている。

固定電極１１２０には、可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１１に対向して位置する複数の並行電極１１２１（第１電極群）が形成されている。固定電極１１３０には、可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１２に対向して位置する複数の並行電極１１３１（第１電極群）が形成されている。

これにより、可動電極１１１０と、固定電極１１２０および固定電極１１３０と、に電圧を印加すると、可動電極１１１０と、固定電極１１２０および固定電極１１３０と、の間に静電引力が発生する。印加する電圧に応じて、複数の並行電極１１１１が複数の並行電極１１２１に引き寄せられたり、複数の並行電極１１１２が複数の並行電極１１３１に引き寄せられたりする。

このため、可動電極１１１０が軸１１４０を中心として微小回転する。可動電極１１１０の微小回転に伴って、可動電極１１１０に固定されたミラーも軸１１４０を中心として微小回転する。このため、ミラーが光を反射させる角度が変化する。可動電極１１１０と、固定電極１１２０および固定電極１１３０と、に印加する電圧を変化させることで、可動電極１１１０の回転の方向および回転量が変化し、ミラーが光を反射させる角度を調節することができる。

可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１１の基端には複数の抵抗１１１１ａがそれぞれ設けられている。また、可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１２の基端には複数の抵抗１１１２ａがそれぞれ設けられている。また、固定電極１１２０に設けられた複数の並行電極１１２１の基端には複数の抵抗１１２１ａがそれぞれ設けられている。また、固定電極１１３０に設けられた複数の並行電極１１３１の基端には複数の抵抗１１３１ａがそれぞれ設けられている。

これにより、可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１１は、互いに複数の抵抗１１１１ａを介して接続されることで電気的に分離される。また、可動電極１１１０に設けられた複数の並行電極１１１２は、互いに複数の抵抗１１１２ａを介して接続されることで電気的に分離される。

また、固定電極１１２０に設けられた複数の並行電極１１２１は、互いに複数の抵抗１１２１ａを介して接続されることで電気的に分離される。また、固定電極１１３０に設けられた複数の並行電極１１３１は、互いに複数の抵抗１１３１ａを介して接続されることで電気的に分離される。なお、この場合の電気等価回路は図３に示した等価回路と同様になる。

これにより、複数の並行電極１１１１，１１１２および複数の並行電極１１２１，１１３１の一組の電極の間で火花放電が発生しても、電荷が消滅する電極を火花放電が発生した一組の電極のみに限定することができ、その他の並行電極間の静電引力の低下を抑えることができる。このため、火花放電が発生した場合の、可動電極１１１０に固定されたミラーの回転角度の変動を低減することができる。

また、この構成においては、各抵抗１１１１ａ，１１１２ａ，１１２１ａ，１１３１ａは、それぞれ可動電極１１１０，固定電極１１２０および固定電極１１３０に対するアスペクト比が小さい。このため、各抵抗１１１１ａ，１１１２ａ，１１２１ａ，１１３１ａを可動電極１１１０，固定電極１１２０および固定電極１１３０にそれぞれ形成するプロセスが容易である。

（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分を示す斜視図である。図１３は、実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイスの電極部分の変形例を示す斜視図である。図１２および図１３において、図２に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上述した実施の形態１および２にかかるＭＥＭＳデバイス１００においては、固定電極４１０および可動電極４２０に設けられた複数の電極（たとえば電極４１１〜４１４）の基端に抵抗（たとえば抵抗４１１ａ〜４１４ａ）を設ける構成について説明したが、抵抗を設ける形態はこれに限られない。すなわち、複数の電極が互いに抵抗を介して接続され、電気的に分離されていればよい。

たとえば図１２に示すように、複数の電極を一つの抵抗によって分離してもよい。具体的には、固定電極４１０においては、電極４１１〜４１４が設けられている固定電極部４１０ａの一面に抵抗１２０１が形成されていてもよい。これにより、電極４１１〜４１４が互いに抵抗１２０１を介して接続され、電気的に分離される。

また、可動電極４２０においては、電極４２１〜４２４が設けられている可動電極部４２０ａの一面に抵抗１２０２が形成されていてもよい。これにより、電極４２１〜４２４が互いに抵抗１２０２を介して接続され、電気的に分離される。この場合の電気等価回路は図３に示した等価回路と同様になる。

また、たとえば図１３に示すように、固定電極部４１０ａにおける、電極４１１〜４１４が設けられているそれぞれの部分を区切る位置に、抵抗１３１１〜１３１３をそれぞれ設けてもよい。これにより、電極４１１〜４１４が互いに抵抗１３１１〜１３１３を介して接続され、電気的に分離される。

また、可動電極部４２０ａにおける、電極４２１〜４２４が設けられているそれぞれの部分を区切る位置に、抵抗１３２１〜１３２３をそれぞれ設けてもよい。これにより、電極４２１〜４２４が互いに抵抗１３２１〜１３２３を介して接続され、電気的に分離される。この場合の電気等価回路は図３に示した等価回路と同様になる。

なお、実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイス１００および実施の形態３にかかるＭＥＭＳデバイス１００の変形例は、上述した実施の形態１または２にかかるＭＥＭＳデバイス１００（図２，９，１１など参照）にも適用することができる。

（実施の形態４）
図１４は、実施の形態４にかかる光スイッチを示す平面図である。図１４に示すように、上述した各実施の形態にかかるＭＥＭＳデバイス１００を回路基板１４００に複数配置することで、パッケージ状の光スイッチを形成することができる。複数のＭＥＭＳデバイス１００は、回路基板１４００に対してワイヤボンディングなどによって接続される。

回路基板１４００には、固定電極４１０と可動電極４２０とに電圧印加部４３０が印加する電圧を制御する電圧制御部（不図示）が設けられている。電圧制御部は、回路基板１４００に配置された複数のＭＥＭＳデバイス１００に印加する電圧をそれぞれ制御し、それぞれのＭＥＭＳデバイス１００が備えるミラー３００が光を反射させる角度を調節する。

以上説明したように、この発明にかかるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチによれば、火花放電が発生した場合の固定電極および可動電極間の静電引力の低下を抑えることができる。このため、この発明にかかるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチによれば、火花放電が発生した場合の意図しない可動電極の変動を抑え、安定して動作することができる。また、火花放電の発生時間を短縮し、火花放電が発生してから可動電極が元の位置に収束するまでの復帰時間を短くすることができる。

なお、上述した各実施の形態では、本発明にかかるＭＥＭＳデバイスを光スイッチに適用した場合について説明したが、本発明にかかるＭＥＭＳデバイスの利用は光スイッチには限られない。

また、本発明によれば火花放電が発生しても意図しない可動電極の変動を抑えることができるが、さらに、電極の表面全体を絶縁膜で覆う構成にしてもよい。これにより、火花放電の発生を抑制しつつ、火花放電が発生しても意図しない可動電極の変動を抑えることができる。このため、光スイッチなどのＭＥＭＳデバイスをより安定して動作させることができる。

以上のように、この発明にかかるＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチは、固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスおよび光スイッチに有用であり、特に、電極の形状が複雑であり、大きな変位量が必要な場合に適している。

Claims

固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記固定電極に設けられた第１電極群と、
前記可動電極に設けられ、前記第１電極群に対向して位置する第２電極群とを備え、
前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方は互いに抵抗を介して接続され、
前記第１電極群および第２電極群は、互いに対向して互い違いに位置する櫛歯電極であり、前記抵抗は、前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方の前記櫛歯電極のそれぞれの根本に設けられていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
前記第１電極群および第２電極群を覆う絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
固定電極に対して可動電極を所望の量だけ変位させるように前記固定電極および可動電極に対して電圧を印加する電圧印加手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記抵抗は、固定電極および可動電極となる半導体の一部に、当該半導体とは反対のイオン価の補償イオンをドープして形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスと、
前記可動電極に固定され、当該可動電極の変位量に応じて光を反射させる角度が変化するミラーと、
を備えることを特徴とする光スイッチ。
請求項５に記載の光スイッチをアレイ状に複数配置したことを特徴とする光スイッチ。
固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記固定電極に設けられた第１電極群と、
前記可動電極に設けられ、前記第１電極群に対向して位置する第２電極群とを備え、
前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方は互いに抵抗を介して接続され、
前記第１電極群および第２電極群は、互いに対向して位置する複数の並行電極であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
前記抵抗は、前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方の前記並行電極のそれぞれの根本に設けられていることを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
固定電極に対して可動電極が印加電圧に応じて変位するＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記固定電極に設けられた第１電極群と、
前記可動電極に設けられ、前記第１電極群に対向して位置する第２電極群とを備え、
前記第１電極群および第２電極群の少なくとも一方は互いに抵抗を介して接続され、
前記固定電極および可動電極は、電圧が印加される電極部と、当該電極部の一面にアレイ状に設けられた前記第１電極群および第２電極群と、から形成されており、
前記抵抗は、前記固定電極および可動電極の少なくとも一方の前記電極部の一面に設けられていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。