JP5195028B2 - 微小電子機械素子及び微小電子機械素子アレイ - Google Patents

Description

本発明は微小電子機械素子に係り、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作成される微小なミラーを傾斜させる機構を有する微小電子機械素子に関する。

ＭＥＭＳ技術を用いて作成される微小構造の光学システムにおいて、電気信号に変換することなく、直接光でスイッチングを行なう光スイッチが用いられる。そのような光スイッチは、部品点数の削減や高速のスイッチングを達成するうえで有利であり、重要な素子である。特に、微細加工技術（マイクロマシニング）を用いて作成される多チャネルマイクロミラー素子は小型化、高集積化が可能であり、開発が進められている。

マイクロミラー素子の駆動部において、特にバーティカル櫛型電極により形成されたアクチュエータは、低電圧で大きな振れ角（偏向角）が得られることが知られている。図１は、バーティカル櫛型電極により形成されたアクチュエータを有するマイクロミラー素子の平面図である。図1（ａ）はマイクロミラー素子の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図１に示すマイクロミラー素子は、光を反射するミラー１ａが表面に形成された可動部１を有する。可動部１は１対のトーションバー２により内側フレーム３に対して揺動可能に支持される。また、内側フレーム３は一対のトーションバー４により外側フレーム５に対して揺動可能に支持される。

可動部１と内側フレーム３とが対向する部分に垂直櫛型電極アクチュエータ６が形成される。垂直櫛型電極アクチュエータ６を駆動することにより、可動部１を内側フレーム３に対して傾斜させることができる。トーションバー２はねじれ変形可能なように小さな幅の梁として形成されている。

また、内側フレーム３と外側フレーム５とが対向する部分にも垂直櫛型電極アクチュエータ７が形成される。垂直櫛型電極アクチュエータ７を駆動することにより、内側フレーム３を外側フレーム５に対して傾斜させることができる。トーションバー４はねじれ変形可能なように小さな幅の梁として形成されている。

以上のように、可動部１と内側フレーム３とを傾斜させることにより、可動部１のミラー１ａを任意の方向に傾斜させることができる。これにより、ミラー１ａに入射する光を、３６０度の任意の方向に反射することができる。

上述のマイクロミラー素子は、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて作成することができる。ＳＯＩ基板は、厚さ数μｍのＳｉＯ_２層を数百μｍのＳｉ層で挟み込んで形成した基板である。ミラー１ａは、例えば反射率の高いＡｕ層を可動部１の表面に形成することで設けられる。

マイクロミラー素子は、通常、配線基板を介して光学装置の筐体（ＰＫＧ）に固定されるか、あるいは筐体（ＰＫＧ）に直接固定される。図２は、配線基板を介して筐体（ＰＫＧ）に固定されたマイクロミラー素子の断面図である。

図２において、マイクロミラー素子の外側フレーム５は接合材１０により配線基板１１に固定される。接合材１０としては、外側フレーム５と配線基板１１との間の電気的導通が必要な場合は、Ａｕボールバンプ、半田、Ａｇペースト等が用いられる。あるいは、外側フレーム５と配線基板１１との間の電気的導通が必要では無い場合は、樹脂等の接着剤を接合材１０として用いることができる。外側フレーム５の接合材１０により固定される部分は、通常、図１（ａ）に示す四角形の外側フレーム５の四隅部分や、外側フレーム５の対向する外側２辺の近傍である。

また、マイクロミラー素子が固定された配線基板１１は、接合材１２により筐体（ＰＫＧ）１３に固定される。筐体（ＰＫＧ）１３は、一般的にステンレス鋼等の金属で形成される。

図２に示すようなマイクロミラー素子の固定構造において、外側フレーム５に応力が加わり僅かに変形するおそれがある。例えば、接合材１０が硬化する際に収縮すると外側フレーム５に応力が発生する。あるいは、マイクロミラー素子の周囲温度が変化すると、マイクロミラー素子の熱膨張率と配線基板１１や筐体（ＰＫＧ）の熱膨張率との差に起因して応力が外側フレーム５に発生する。特に、外側フレーム５と内側フレーム３との間に延在するトーションバー４の幅は小さいため、外側フレーム５に応力が発生すると、トーションバー４が変形しやすい。

トーションバー４が変形すると、トーションバー４を含む部分のねじれ振動系における共振周波数が変化してしまい、マイクロミラー素子の特性が変化するという問題が生じる。この問題は、接合材１０で固定される外側フレーム５と内側フレーム３とを連結するトーションバー４で発生し、接合材で固定されない内側フレーム３と可動部１とを連結するトーションバー２ではほとんど問題は生じない。

以上のように、マイクロミラー素子のような微小電子機械素子では、取り付け構造に起因して素子に応力が発生し、その応力により素子の特性が変化するという問題がある。

そこで、ＭＥＭＳ技術を用いたジャイロセンサにおいて、応力緩和溝を設けることで支持基板におけるＹ方向（幅方向）の内部応力を低減することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、マイクロマシニング技術を用いて形成される微小光学部品において、特に微小なミラーを捻り梁を回転軸として往復振動させる構造をとる場合、ミラー基板に分割溝を形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、振動電極板にスリット状のエッチングホールを設けて、振動電極板に発生する内部応力を逃がすことで、振動板の共振周波数の変動を抑制することが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００５−２９２１１７号公報 特開２００４−３７８８６号公報 特開２００６−１５７８６３号公報

上述のマイクロミラー素子のような微小電子機械素子では、駆動部分の構成や取り付け部分の構成が種々あり、固定方法や位置と駆動部分との配置関係で最適に応力を緩和する方法を採用することが好ましい。

そこで、上述のマイクロミラー素子のように外側フレーム５を接合材で固定しても、トーションバー４に応力がほとんど作用しないような構造を有する微小電子機械素子の開発が望まれている。

可動部が設けられた内側フレームと、該内側フレームの周囲に設けられ、接合材により固定される固定部分を有する外側フレームと、該外側フレームと前記内側フレームとの間に設けられ、前記内側フレームを前記外側フレームに対して揺動可能に支持する第１のトーションバーと、前記外側フレームにおいて該トーションバーの近傍に形成された第１の開口とを有する微小電子機械素子であって、該第１の開口は、前記外側フレームの前記固定部分と前記第１のトーションバーとの間に位置し、前記第１の開口は、前記固定部分の任意の位置から前記第１のトーションバーに直線を引いた際に、該直線上に必ず存在するような位置及び形状である微小電子機械素子が提供される。

また、上述の微小電子機械素子が複数個整列して一枚の基板に形成された微小電子機械素子アレイであって、前記第１の開口は該複数の微小電子機械素子の整列方向に沿って延在する一つの縦長開口として形成される微小電子機械素子アレイが提供される。

外側フレームの固定部分で発生した応力は、第１の開口により阻止された第１のトーションバーに伝播することが無い。したがって、外側フレームの固定部分で発生した応力が発生しても第１のトーションバーは変形することなく、第１のトーションバーを含むねじれ振動系の共振周波数は一定に維持される。これにより、微小電子機械素子の特性の変動を抑制することができる。

まず、第１実施形態による微小電子機械素子について説明する。図３は第１実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。図３において図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

図３に示すマイクロミラー素子は、可動部１の構造、トーションバー２，４による支持構造、垂直櫛型電極アクチュエータ６，７による駆動機構等の部分において図１に示すマイクロミラー素子と同様である。ただし、図３に示すマイクロミラー素子は、外側フレーム５に開口２０（第１の開口に相当する）が形成されている点が、図１に示すマイクロミラー素子とは異なる。トーションバー４は第１のトーションバーに相当し、トーションバー２は第２のトーションバーに相当する。開口２０は、外側フレーム５を配線基板に固定した際に生じる応力を緩和して第１のトーションバー４に応力の影響が及ばないようにするために設けられる。

外側フレーム５は、図３において点線で囲んだ領域において、接合材１０により配線基板１１に接合され固定される。外側フレーム５において接合材１０により固定される部分は、トーションバー４が延在する部分より外側の部分である。すなわち、トーションバー４の延長方向の外側に延在する外側フレーム５の辺５ａに沿って接合材１０が設けられる。開口２０は、接合材１０で固定される部分とトーションバー４の間に延在するように形成される。

外側フレーム５の接合材１０で固定される部分とトーションバー４との間に開口２０が延在していると、接合材１０で固定される部分の収縮や膨張等で外側フレーム５に応力が発生しても、その応力は開口２０により遮断されてトーションバー４に伝わらない。これにより外側フレーム５に生じる応力によりトーションバー４が変形することを抑制することができる。したがって、接合材１０で固定される部分に起因した応力によりトーションバー４を含む捻り振動系の共振周波数が変動するこが防止され、マイクロミラー素子の特性を一定に維持することができる。

図３に示すように接合材１０で固定される部分が外側フレーム５の辺５ａに沿った領域である場合、開口２０も接合材１０で固定される部分に沿って細長い形状となる。すなわち、接合材１０で固定される部分とトーションバー４とを結ぶ線の間に開口２０が延在するように開口２０の形状及び位置が設定される。接合材１０で固定される部分における任意の位置と、トーションバー４と外側フレーム５の接続位置とを直線で結んだ場合、それらの間に必ず開口２０が存在するように開口２０の長さが設定される。これにより、外側フレーム５で応力が発生する部分とトーションバー４との間に必ず開口２０が存在し、開口２０によりトーションバー４への応力の伝播が阻止される。

開口２０の幅に関しては、特に限定する要素は無いが、外側フレーム５の強度を考慮すると開口２０の幅は小さいほうが好ましい。開口２０が単なる切り込みであると切り込みの両側が接触して応力が伝播するおそれがあるので、ある程度の幅を有する細長い開口とすることが好ましい。

図３における２つの開口２０のうち、右側の開口２０は細長い長方形に形成されており、その四隅の形状は直角である。一方、左側の開口２０は、その四隅が直角ではなく丸みが付けられている。開口２０の直角の四隅には応力が集中しやすく、四隅を起点として割れが発生しやすいので、丸みを設けて応力の集中を抑制することで割れの発生を防止することができる。したがって、開口２０の四隅には丸みを付けることが好ましい。なお、開口の隅に丸みを付けることが好ましいことは、以下の実施形態における開口のいずれにもあてはまる。

図３に示す例では、接合材１０で固定される部分が外側フレーム５の対向する２辺５ａに沿った領域であるが、外側フレーム５の外側の４辺に沿って固定する部分を設けることとしてもよい。この場合、図５に示すように、辺５ａに直交する辺５ｂに沿った領域も接合材１０で固定される。したがって、辺５ｂと垂直櫛歯電極アクチュエータ７との間にも開口２０と同様の開口２１（第２の開口に相当する）が設けられる。

図５に示す例の場合、辺５ｂの内側にはトーションバーが接続されるわけではなく、垂直櫛歯電極アクチュエータ７が形成されている。したがって、辺５ｂ側に形成された開口２１は開口２０とは異なり、トーションバーへの応力の伝播を阻止するためのものではない。ただし、垂直櫛歯電極アクチュエータ７の櫛歯電極間のギャップを維持する効果を有する。すなわち、垂直櫛歯電極アクチュエータ７の近傍において外側フレーム５が変形すると、櫛歯電極間のギャップが変化するおそれがあるが、開口２１を設けることで櫛歯電極が形成された部分への応力の伝播を阻止することができる。これにより、櫛歯電極が形成された部分の変形が防止され、外側フレーム５の固定部分に応力が発生しても、垂直櫛歯電極アクチュエータ７の櫛歯電極間のギャップを維持することができる。

図６は図５に示す例において、開口２０と開口２１の間にさらに開口２２（第３の開口に相当する）を設けた例を示す平面図である。図５に示す例では、外側フレーム５の４隅の部分において、接合材１０で固定される外側の部分とトーションバー４に接続され且つ櫛歯電極が形成される内側の部分とが繋がっている。この内側の部分には極力応力を伝播させないことが好ましい。そのために、図６に示す例では外側フレーム５の４隅の部分において、開口２０と開口２１の間に開口２２が設けられる。

図６に示す例を見ると、外側フレームのうち、接合材１０で固定される部分である外側の枠状の部分と、トーションバー４に接続され且つ櫛歯電極が形成される内側の枠状の部分とが、開口２０，２１，２２により分離された状態となる。そして、開口２０，２１，２２の間の部分が、外側の枠状の部分と内側の枠状の部分とを接続する梁として機能していると見なすこともできる。すなわち、外側フレーム５を内側の枠状の部分と外側の枠状の部分とに分けて梁で接続し、外側の枠状の部分を固定部分としたと考えることもできる。

次に、第２実施形態による微小電子機械素子について説明する。図７は第２実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。図７において図３に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

図７に示すマイクロミラー素子の外側フレーム５には、図３に示す直線状の細長い開口２０の代わりに半円形状の細長い開口２３が設けられている。半円形状の細長い開口２３を形成することにより、開口を小さな範囲に収めても、トーションバー４と固定部分との間に半円形状の細長い開口２３（第１の開口に相当する）が存在することになる。すなわち、外側フレーム５の固定部分（点線で囲んだ領域）の任意の位置とトーションバー４とを結んだ直線上に、必ず開口２３が存在する。したがって、図７に示す半円形状の開口２３であっても、上述の第１実施形態における直線状の細長い開口２０と同様な効果を得ることができる。

なお、開口２３は半円形状に限られることなく、トーションバー４を包囲するような形状であればよい。例えば、開口２３を、トーションバー４側が凹となった湾曲形状、あるいはコの字形状とすることもできる。

次に、第３実施形態による微小電子機械素子について説明する。図８は第３実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。図８において図３に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

図８に示すマイクロミラー素子の外側フレーム５には、図３に示す直線状の細長い開口２０の代わりに小さなスリット状の小開口２４が複数設けられている。複数の小開口２４は、外側フレーム５の固定部分（点線で囲んだ領域）の任意の位置からトーションバー４に向かって直線を引いたときに、少なくとも一つの小開口２４がその直線上に存在するように配置される。大きな一つの開口２０ではなく、複数の小さな小開口２４とすることにより、外側フレームの強度を大きく低下せずに開口を設けることができる。したがって、図８に示す複数のスリット状の開口２４であっても、上述の第１実施形態における直線状の細長い開口２０と同様な効果を得ることができる。

次に、第４実施形態による微小電子機械素子について説明する。図９は第４実施形態による微小電子機械素子アレイの一例であるマイクロミラー素子アレイの平面図である。図９において図３に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

図９に示すマイクロミラー素子アレイでは、一枚の基板中に図３に示すマイクロミラー素子が２個並列して形成されている。２個のマイクロミラー素子の配列方向は、トーションバー２の延在方向である。したがって、トーションバー４はマイクロミラー素子の配列方向に垂直な方向に延在し、外側フレーム５の固定部分（点線で囲んだ領域）は、マイクロミラー素子の配列方向に沿った外側フレーム５の辺５ａに沿って設けられる。

以上のように配列されたマイクロミラー素子を含むマイクロミラー素子アレイにおいて、外側フレームの辺５ａとトーションバー４との間に細長い開口２５が設けられる。開口２５は辺５ａおｎほぼ全長さわたって延在し、整列した２個のマイクロミラー素子のトーションバー４を一つの開口２５によりカバーする。すなわち、開口２５は図３に示す開口２０が２つ繋がった形状に相当する。外側フレーム５に開口２５を設けることにより図３に示す開口２０と同様な効果を得ることができる。

なお、図９に示す例では、一枚の基板中にマイクロミラー素子を２個形成しているが、マイクロミラー素子の数は２個に限られず、３個以上のマイクロミラー素子を整列して形成してマイクロミラー素子アレイとしてもよい。この場合、３個以上のマイクロミラー素子に対して、片側に一つの細長い開口を形成することとなる。

本明細所は以下の事項を開示する。
（付記１）
可動部が設けられた内側フレームと、
該内側フレームの周囲に設けられ、接合材により固定される固定部分を有する外側フレームと、
該外側フレームと前記内側フレームとの間に設けられ、前記内側フレームを前記外側フレームに対して揺動可能に支持する第１のトーションバーと、
前記外側フレームにおいて該第１のトーションバーの近傍に形成された第１の開口と
を有する微小電子機械素子であって、
該第１の開口は、前記外側フレームの前記固定部分と前記第１のトーションバーとの間に位置する微小電子機械素子。
（付記２）
付記１記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口は、前記固定部分の任意の位置から前記第１のトーションバーに直線を引いた際に、該直線上に必ず存在するような位置及び形状である微小電子機械素子。
（付記３）
付記２記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口は、前記外側フレームの外周に沿って形成された細長い長方形である微小電子機械素子。
（付記４）
付記２記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口は、前記第１のトーションバーを包囲するような形状である微小電子機械素子。
（付記５）
付記４記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口は、前記第１のトーションバーを中心とする細長い半円形状である微小電子機械素子。
（付記６）
付記２記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口は前記固定部分と前記第１のトーションバーとの間に配列された複数の小開口を含み、
前記固定部分の任意の位置から前記第１のトーションバーに直線を引いた際に、少なくとも一つの該小開口が該直線上に存在する微小電子機械素子。
（付記７）
付記１記載の微小電子機械素子であって、
前記第１の開口の隅部に丸みが付けられている微小電子機械素子。
（付記８）
付記１記載の微小電子機械素子であって、
前記第１のトーションバーが延在する部分以外の部分において前記内側フレームと前記外側フレームとが対向する部分に垂直櫛歯電極アクチュエータが形成され、
該垂直櫛歯電極アクチュエータと前記外側フレームの固定部分との間における前記外側フレームに第２の開口が形成された微小電子機械素子。
（付記９）
付記１記載の微小電子機械素子であって、
前記外側フレームにおいて、前記第１の開口に直交して延在する第２の開口が形成され、且つ前記第１の開口と該第２の開口との間に第３の開口が形成され、
前記第１の開口、前記第２の開口、及び該第３の開口は、前記内側フレームを包囲するように配置される微小電子機械素子。
（付記１０）
付記１記載の微小電子機械素子が複数個整列して一枚の基板に形成された微小電子機械素子アレイであって、
前記第１の開口は該複数の微小電子機械素子の整列方向に沿って延在する一つの縦長開口として形成される微小電子機械素子アレイ。
（付記１１）
付記１０記載の微小電子機械素子アレイであって、
前記第１のトーションバーは前記複数の微小電子機械素子の整列方向に直交する方向に延在し、
整列した前記複数の微小電子機械素子の前記内側フレームの両側における前記外側フレームに前記縦長開口が形成された微小電子機械素子アレイ。
（付記１２）
ミラーを有する可動部と、
該可動部を包囲する内側フレームと、
前記可動部と該内側フレームの間に設けられ、前記可動部を前記内側フレームに対して揺動可能に支持する一対の第２のトーションバーと、
前記可動部と前記内側フレームとの間に形成された第２の垂直櫛歯電極アクチュエータと、
前記内側フレームを包囲する外側フレームと、
前記内側フレームと該外側フレームとの間に設けられ、前記内側フレームを前記外側フレームに対して揺動可能に支持する一対の第１のトーションバーと、
前記内側フレームと前記外側フレームとの間に形成された第１の垂直櫛歯電極アクチュエータとを有し、
前記外側フレームは接合材により外部に固定される固定部分を有し、
前記第１のトーションバーの各々と該固定部分との間における前記外部フレームに第１の開口が形成されたマイクロミラー素子。

バーティカル櫛型電極により形成されたアクチュエータを有するマイクロミラー素子の平面図である。 配線基板を介して筐体（ＰＫＧ）に固定されたマイクロミラー素子の断面図である。 第１実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 四辺に沿って開口が設けられた外側フレームを有するマイクロミラー素子の平面図である。 四辺に沿った開口の間にさらに開口が設けられた外側フレームを有するマイクロミラー素子の平面図である。 第２実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。 第３実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子の平面図である。 第４実施形態による微小電子機械素子の一例であるマイクロミラー素子アレイの平面図である。

符号の説明

１ 可動部
１ａ ミラー
２ トーションバー
３ 内側フレーム
４ トーションバー
５ 外側フレーム
５ａ，５ｂ 辺
６，７ 垂直櫛歯電極アクチュエータ
１０，１２ 接合材
１１ 配線基板
１３ 筐体（ＰＫＧ）
２０，２１，２２，２３，２５ 開口
２４ 小開口

Claims (5)

1. 可動部が設けられた内側フレームと、
   該内側フレームの周囲に設けられ、接合材により固定される固定部分を有する外側フレームと、
   該外側フレームと前記内側フレームとの間に設けられ、前記内側フレームを前記外側フレームに対して揺動可能に支持する第１のトーションバーと、
   前記外側フレームにおいて該トーションバーの近傍に形成された第１の開口と
   を有する微小電子機械素子であって、
   該第１の開口は、前記外側フレームの前記固定部分と前記第１のトーションバーとの間に位置し、
   前記第１の開口は、前記固定部分の任意の位置から前記第１のトーションバーに直線を引いた際に、該直線上に必ず存在するような位置及び形状である微小電子機械素子。
2. 請求項１記載の微小電子機械素子であって、
   前記第１の開口は、前記第１のトーションバーを包囲するような形状である微小電子機械素子。
3. 請求項１記載の微小電子機械素子であって、
   前記第１の開口は前記固定部分と前記第１のトーションバーとの間に配列された複数の小開口を含み、
   前記固定部分の任意の位置から前記第１のトーションバーに直線を引いた際に、少なくとも一つの該小開口が該直線上に存在する微小電子機械素子。
4. 請求項記１記載の微小電子機械素子が複数個整列して一枚の基板に形成された微小電子機械素子アレイであって、
   前記第１の開口は該複数の微小電子機械素子の整列方向に沿って延在する一つの縦長開口として形成される微小電子機械素子アレイ。
5. 請求項４記載の微小電子機械素子アレイであって、
   前記第１のトーションバーは前記複数の微小電子機械素子の整列方向に直交する方向に延在し、
   整列した前記複数の微小電子機械素子の前記内側フレームの両側における前記外側フレームに前記縦長開口が形成された微小電子機械素子アレイ。

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