JP5646456B2 - 2つの回転軸での独立的な回転を行うmemsデバイス - Google Patents
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Description
本願は、2008年4月29日に出願された米国仮出願第61/048724号の利益を主張し、引用したことによって、そのすべてが本願明細書に組み込まれる。
本発明は、2つの回転軸(回転軸線)で回転することを有するMEMSデバイスに関する。
第一世代のMEMS(micro-electromechanical systems、微小電気機械システム)の波長選択性スイッチは、単一軸の傾斜可能なミラーアレイ(波長あたり1つのミラー)を使用して、1つの入力ポートで入射しあらゆるN個の出力ポートまで至るあらゆる組の光波長信号を、任意に切替えていた。代表的な構造は、第1の軸(y)での波長を分散させ、直交軸(x)にスイッチするものであった。波長のチャンネル形状(wavelength channel shape)を最適化するには、MEMSのミラー面において間隙のないy軸のビームウェストが必要である一方で、限られたMEMSの傾斜範囲内で多数の実現可能なポートを最適化することによって、x軸のビームウェストが大きくなる。したがって、有利となるのは、ミラーアレイがy軸寸法よりも極めて大きなx軸寸法を有することである。
本発明の実施態様は、2つの傾斜の軸を実質的に分離しており、それによって、これらが独立的に制御されかつ最適化され得るようになっていながら、少なくとも1つの軸において高い充填率である望ましい特徴を達成する。いくつかの実施態様では、xおよびy傾斜の駆動部を切り離すことによって、制御を単純化し、長く延びたx軸の周りの傾斜(即ち、ロール(roll))が減少して、二値(バイナリ)の2つの状態の操作となる。x軸を中心として傾斜する場合には、ミラー縁部の偏向が相対的に小さく、y軸を中心とする傾斜と比較して慣性モーメントが小さいために、x軸を中心とするロールの駆動特性が最適化され、相対的に低い駆動電圧(<50V)とすることができる。
最上層(upper most layer)のシリコン層は、例えば、10〜20ミクロンの厚さであってもよく、接地されたミラーとx傾斜ヒンジとを形成するのに使用される。金の反射器(または他の高反射性層)は、ミラーの機能性を実現するために使用される。裏面エッチングを行って、ミラーと上部フレーム層との間に5〜10ミクロンのx間隙を形成する。xヒンジはヒンジ固定部よりも薄くてもよい。
シリコン頂部層(silicon top layer)は、例えば、10〜15のミクロン厚であってもよく、フレームの接地された部分(x傾斜ヒンジを介してミラーに接続されている)、x傾斜の電極島状部(electrode islands)(Vx)、可動のy傾斜の垂直櫛状部(フレームの接地された部分に接続されている)、y傾斜ヒンジ(一方はグランドに接続され、他方はx電圧に接続されている)を形成するために使用される。
固定のy傾斜の垂直櫛状部、DSOI層の上部層に形成されたフレームの接地部分にx傾斜の電極の島状部を固定するためのブリッジ部を形成するために、シリコン層(約10〜15ミクロン)が使用される。電気用ビア(electrical vias、電導バイア)が、第1の接地されたyヒンジを上部接地フレームへと接続し、第2のyヒンジ(Vxを導通させる)をx傾斜の電極へと接続している。
1)x電圧が、線状部70に印加される;
2)支持部42へ導通させる;
3)下部フレーム層の絶縁部100を通過して導通させる;
4)中間の酸化物層に起因して別の状況では電気的に絶縁される上部フレーム層の部分(section)102に、下部フレーム層の絶縁部100を接続するビア108を通じて、上部フレーム層の部分102へと導通させる;
5)yヒンジ46を通じて導通させる;
6)上部フレーム層の部分104へと導通させる;
7)別の状況では電気的に絶縁される下部フレーム層の部分112に、上部フレーム層の部104を接続するビア118を通じて、下部フレーム層の部112へと導通させる;
8)x傾斜の電極52を下部フレーム層の部112に接続するビア114を通じて、x電極52を導通させる。
1)下部フレーム層の部分112へと導通させる。x電圧をx傾斜電極52に供給する説明で上述したようにである;
2)下部フレーム層の部分114に達するまで、下部フレーム全体の周囲を導通させる(図2には示していないが、図1Bにおいて見ることができる);
3)x傾斜電極50を、下部フレーム層の部分115に接続するビア116を通じて、x傾斜電極50へと導通させる。
1)線状部74に接地が印加される;
2)他の支持部43に導通させる;
3)下部フレーム層の絶縁部118へと導通させる;
4)下部フレーム層の絶縁部118を上部フレーム層の部分120に接続するビア122を通じて、上部フレーム層の部120へと導通させる;
5)yヒンジ48を通じて導通させる;
6)上部フレームの部分120を通じて導通させる;フレームの部120がヒンジ固定部36を支持する;
7)ヒンジ固定部36を通じて導通させる;
8)xヒンジ32を通じてミラー38へと導通させる。
1)線状部74に印加されるy電圧、線状部74は、支持部64に接続されている;
2)支持部64を通じて固定のy傾斜の垂直櫛状部62へと導通させる。
1)ミラー38への接地電圧の供給の説明で上述したように、接地電圧が上部フレーム層の部分120へと導通する。可動のy傾斜の垂直櫛状部38が、上部フレーム層の部分120に接続される;
2)可動のy傾斜の垂直櫛状部38へと導通させる。
当該方法は、ステップ28B−1にて始まり、該ステップは、x傾斜を駆動させるための第1の予め定められたx電圧の印加を有する。これによって、デフォルト状態から離れて、該MEMSデバイスはx軸で回転する。当該方法は、ステップ28B−2に続き、該ステップは、y傾斜を駆動させるためのy電圧に対して、選択可能な電圧の印加を有する。該選択可能な電圧を適切に選択することによって、y軸での回転の度合いが制御される。当該方法は、ステップ28B−3に続き、該ステップは、接地をx電圧に加えることを有する。これによって、該MEMSデバイスのx軸での回転がデフォルト状態に戻る。x軸での作動が事実上、二値(binary)であることがわかる。いくつかの実施態様では、当該MEMSデバイスは、高い充填率(fill factor)、例えば、>90%、を有するデバイスである。上述の実施態様は、上部ミラー層によって隠されていないxヒンジを特徴として有する。加えて、フレーム層は、構造的には1つの層として機能するが、電気絶縁領域を有する2つの層から構成されていた。本発明の別の実施態様が、図29Aおよび図29Bに示されている。この実施態様では、xヒンジが上部ミラー層によって隠されており、フレーム層が電気絶縁溝を備えた単一の構造体層から形成されて、電気絶縁領域を作り出している。なお、これらの2つの変更、すなわち、隠れているxヒンジと、電気絶縁溝を有する単一のフレーム層とは、別々にそれぞれ実施可能であり、すでに記載されているような任意の実施態様に含まれることができる。図29Aの図は、適所にある上部ミラー層600を示しているのに対して、図29Bの図は、上部ミラー層を除去して示しており、十分に詳しくフレーム層の詳細を描くことができるようになっている。フレーム層604は、第1の領域620を有し、その上に、x軸に平行な平板の静電駆動電極606が配置されている。フレーム604の第2の部分622もまた存在し、これは接地に接続されている。一対のyヒンジ614が示されており、それらyヒンジがフレーム604をy軸固定部(y-axis anchor)610に接続している。yヒンジ614はまた、前の詳細な実施態様に記載したように、接地およびx電圧をフレームに供給する。一対のy軸の垂直櫛状駆動部616、617によって、y駆動が行われる。ミラー600は、xヒンジ618、619を介してフレームに接続されている。図29Aに示されるx軸固定部602が、上部ミラー層600をxヒンジ618、619に接続するために使用される。電気用制御ライン624および下部電極基板626もまた、示されている。作動では、電圧がx軸電極606に印加されると、上部ミラー層600が、ヒンジ618、619によってx軸を中心として回転可能である。y櫛状駆動部にわたって電圧を印加することによって、y方向の回転が得られる。
Claims (52)
- MEMS装置であって、当該MEMS装置は、
上面を有し、該上面は回転可能な素子を有し、
中間支持フレーム面を有し、
下部電気用基板の面を有し、
前記の回転可能な素子が、前記の中間支持フレーム面に形成された支持フレームによって支持され、該フレームに対して第1の回転軸で回転可能となっており、
該中間支持フレームが、第2の回転軸の周りを回転可能となるように取り付けられており、かつ、前記の回転可能な素子が、前記支持フレームによって支持され、該支持フレームと共に、第2の回転軸の周りを回転可能となっており、
第1の回転軸での回転の静電作動が、第2の回転軸での回転の静電作動から実質的に独立している、
前記MEMS装置。 - 充填率>90%となっている1×Nアレイとして構成されている、請求項1に記載のMEMS装置。
- さらに、前記の回転可能な素子と支持フレームとの間に配置された作動電極を有し、
第1の軸を中心とする回転が、前記の回転可能な素子と中間支持フレームとの間に配置された前記の作動電極によって達成される、請求項1または2のいずれか1項に記載のMEMS装置。 - さらに、支持フレームと下部電気用基板との間に配置された作動電極を有し、
第2の軸を中心とする回転が、前記の支持フレームと下部電気用基板との間に配置された前記の作動電極によって達成される、請求項1から3のいずれか1項に記載のMEMS装置。 - 前記の2つの軸が実質的に直交している、請求項1から4のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 中間支持フレーム面が、上部導電層と下部導電層とを有しており、これらの層が絶縁層によって隔離されている、請求項1から5のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 支持フレームが、中間支持フレーム面に形成され、部分的には上部導電層によって、かつ、部分的には下部導電層によって形成されており、
当該装置が、さらに、
ビアを有し、該ビアは、上部導電層と下部導電層とを分離する絶縁層をまたぐことによって、上側導電層と下部導電層との間の選択された領域に電気的な接続を与えるものである、
請求項6に記載のMEMS装置。 - さらに、支持フレームの領域と上面への電気的な経路を有し、該経路は、パターン化された導体材料を用いて形成されている、請求項7に記載のMEMS装置。
- 支持フレームが、中間支持フレーム面に、導電層によって形成され、
溝が該導電層に形成され、該溝が絶縁体で充填されて、該支持フレームに互いに電気的に絶縁された領域を形成している、請求項1から5のいずれか1項に記載のMEMS装置。 - さらに、支持フレームの電気的に絶縁された前記領域と上面への電気的な経路を有し、該経路は、パターン化された導体材料を用いて形成されている、請求項9に記載のMEMS装置。
- さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第1の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、上面に形成され、かつ、第1の軸に沿った前記の回転可能な素子の両端に配置されている、請求項1から10のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第1の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、中間フレーム層面に形成され、かつ、第1の軸に沿った前記の回転可能な素子の両端に接続されている、請求項1から10のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 可撓性ヒンジが、前記の回転可能な素子によって実質的に覆われている、請求項12に記載のMEMS装置。
- さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第2の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、中間支持フレーム面に形成されている、請求項1から13のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 第2の軸の周りの回転を与える前記可撓性ヒンジが、前記の回転可能な素子の下に配置されており、それが、充填率を高くし、回転可能な素子の使用可能な表面積を最大にしている、請求項14に記載のMEMS装置。
- さらに、第1の軸の周りの作動のための作動機構を有する、請求項1から15のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 前記作動機構が、平行平板型の静電電極、垂直櫛状駆動部、および、電磁アクチュエータのうちの少なくとも1つを有してなる、請求項16に記載のMEMS装置。
- さらに、第2の軸の周りの作動のための作動機構を有する、請求項1から17のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 前記作動機構が、平行平板型の静電電極、垂直櫛状駆動部、および、電磁アクチュエータのうちの少なくとも1つを有してなる、請求項18に記載のMEMS装置。
- さらに、
第1の駆動電圧源を有し、該第1の駆動電圧源は、第1の回転軸での回転を行わせるための第1の駆動電圧を生成するものであり、
第2の駆動電圧源を有し、該第2の駆動電圧源は、第2の回転軸での回転を行わせるための第2の駆動電圧を生成するものであり、
第1の駆動電圧が、第2の駆動電圧よりも実質的に低い、
請求項1から19のいずれか1項に記載のMEMS装置。 - さらに、下部電気用基板内に、ウエハを通る複数の電気用ビアを有し、該複数のビアは、電気的な経路のために必要とされる空間を減少させるためのものである、請求項1から20のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 前記の複数の電気用ビアが、実質的に等しいピッチを有するように構成されている、請求項21に記載のMEMS装置。
- N×Mのミラーアレイを形成する複数の列を有する、請求項1から22のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- さらに、
制御電圧を供給するための複数の通路を有し、
シールド素子を有し、該シールド素子は、制御電圧を供給するための前記通路の間と、前記の支持フレームと回転可能な素子の両方を、いくつか遮蔽するものである、
請求項1から23のいずれか1項に記載のMEMS装置。 - 前記の回転可能な素子が、ミラーである、請求項1から24のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- MEMSデバイスであって、当該MEMSデバイスは、
フレームを有し、該フレームは、回転可能な素子が第1の回転軸の周りを回転できるように、該回転可能な素子を支持しており、
第1の対の連結部を有し、該第1の対の連結部は、前記フレームが第2の回転軸の周りを回転することができるように、該フレームを一対の支持部に接続しており、
第1のアクチュエータを有し、該第1のアクチュエータは、第1の回転軸での前記回転可能な素子の回転を行わせるためのものであり、
第2のアクチュエータを有し、該第2のアクチュエータは、第2の回転軸での前記フレームの回転を行わせるためのものであり、
該第1のアクチュエータが、第2の回転軸の周りを、前記フレームと共に回転するように形成されており、
第1のアクチュエータが、第1の静電アクチュエータであり、かつ、第2のアクチュエータが、第2の静電アクチュエータである、
前記MEMSデバイス。 - 第1の静電アクチュエータが、
少なくとも1つの電極を有し、該電極は、フレームに形成され、第1の制御電圧に接続可能であり、
前記ミラーが接地電圧に接続可能であって、それにより、前記の少なくとも1つの電極に第1の制御電圧を印加することによって、前記の少なくとも1つの電極と前記ミラーとの間に電位差が生じ、それによって、第1の回転軸での回転が生じる、請求項26に記載のMEMSデバイス。 - さらに、
接地電圧をミラーに供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の一方と、前記第1の対の連結部の一方とを通過するものであり、
第1の制御電圧を第1の静電アクチュエータに供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の他方と、前記第1の対の連結部の他方とを通過するものである、
請求項27に記載のMEMSデバイス。 - 前記フレームが、特定の位置において層同士を相互に接続する1以上のビアを除いて、部分的には第1の導電層から形成され、かつ、部分的には第2の導電層から形成されており、第2の導電層は第1の導電層から絶縁されている、請求項26から28のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 前記フレームが導電層から形成され、該導電層は、互いに電気的に絶縁された、支持フレームの複数の領域を形成するために、絶縁性材料で充填された溝を有する、請求項26から28のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 第1の対の連結部が、一対のヒンジを有している、請求項26から30のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 第2の静電アクチュエータが、
第1の電極を有し、第1の電極は、第2の回転軸の周りを前記フレームと共に回転するように、該フレームに形成されており、
第2の電極を有し、第2の電極は、第1の電極から間隔を置いて配置されており、
これらの電極のうちの一方に第1の電圧を印加しかつこれらの電極のうちの他方に第2の電圧を印加することで、第1の可動電極と第2の電極とにわたる電位差が作り出され、それによって第2の回転軸での回転が生じるような位置に、該第2の電極がある、
請求項26に記載のMEMSデバイス。 - 第1の可動電極が可動の櫛状部を有し、第2の電極が固定の櫛状部を有する、請求項32に記載のMEMSデバイス。
- さらに、
前記固定の櫛状部を支持する支持部を有し、
第2の電圧を前記可動の櫛状部に供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の一方と、前記第1の対の連結部の一方を通過するものであり、
第1の電圧を供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部を通って前記固定の櫛状部まで達するものである、
請求項33に記載のMEMSデバイス。 - 前記の回転可能な素子が、ミラーである、請求項26から34のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 前記の回転可能な素子が、第1の軸を中心として回転可能であって、該回転可能な素子
と同じ層に形成されている一対のヒンジと共に回転可能である、請求項26から35のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。 - 前記の回転可能な素子が、第1の軸を中心として回転可能であって、前記フレームと同じ層に形成されている一対のヒンジと共に回転可能である、請求項26から35のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- 前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって全体的に隠されている、請求項37に記載のMEMSデバイス。
- 前記フレームが第2の回転軸を中心として回転可能となるように、一対の連結部が、該フレームを1対の支持部に接続しており、該一対の連結部が、一対のヒンジを有している、請求項26に記載のMEMSデバイス。
- 前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって全体的に隠されるように形成されている、請求項39に記載のMEMSデバイス。
- 前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって一部だけが隠されるように形成されている、請求項39記載のMEMSデバイス。
- 第1の静電アクチュエータが、前記フレームに形成された少なくとも1つの平板電極を有し、該少なくとも1つの電極に印加される作動電圧と、前記の回転可能な素子に印加される接地電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第1の回転軸を中心として回転するようになっている、請求項41に記載のMEMSデバイス。
- 第1の回転軸が、前記の回転可能な素子の中心線からずれている、請求項26から42のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
- さらに、前記回転可能な素子内に、釣り合わせ材料を有し、該釣り合わせ材料は、第1の回転軸のずれた位置によって生じる質量の不均衡を相殺するためのものである、請求項43に記載のMEMSデバイス。
- 第1の静電アクチュエータが、第1の垂直櫛状部電極を有し、
当該MEMSデバイスが、前記の回転可能な素子上に形成された第2の垂直櫛状部電極を有し、
第1の垂直櫛状部電極に印加される第1の電圧と、第2の垂直櫛状部電極に印加される第2の電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第1の回転軸を中心として回転するようになっている、請求項26に記載のMEMSデバイス。 - 第1の静電アクチュエータが、第1の垂直櫛状部電極を有し、
当該MEMSデバイスが、第2の垂直櫛状部電極を有し、該第2の垂直櫛状部電極は、前記の回転可能な素子から離れて形成されているが、該回転可能な素子と共に回転するように接続されており、
第1の垂直櫛状部電極に印加される第1の電圧と、第2の垂直櫛状部電極に印加される第2の電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第1の回転軸を中心として回転するようになる、請求項26に記載のMEMSデバイス。 - 第2の回転軸での回転を作動させるための第2の静電アクチュエータが、一対の垂直櫛状部を有する、請求項26に記載のMEMSデバイス。
- 第2の回転軸での回転を作動させるための第2の静電アクチュエータが、プッシュ−プル配置になっている二対の垂直櫛状部を有する、請求項26に記載のMEMSデバイス。
- 第2の回転軸での回転を作動させるための第2の静電アクチュエータが、
一対の垂直櫛状部を有し、かつ、
静電板を有し、該静電板は、ハイブリッド駆動部を提供するように配置されており、該ハイブリッド駆動部では、前記垂直櫛状部が先ず関与し、続いて前記静電板が関与する、請求項26に記載のMEMSデバイス。 - さらに、
制御電圧を供給するための複数の経路を有し、
シールド素子を有し、該シールド素子は、制御電圧を供給するための前記通路の間と、前記の支持フレームと回転可能な素子の両方を、いくつか遮蔽するものである、
請求項26に記載のMEMSデバイス。 - 前記上面のうちの実質的に全てが、前記の回転可能な素子によって構成され、かつ、連続的な遮られていないミラー素子として使用される、請求項1から25のいずれか1項に記載のMEMS装置。
- 前記上面のうちの実質的に全てが、前記の回転可能な素子によって構成され、かつ、連続的な遮られていないミラー素子として使用される、請求項26から50のいずれか1項に記載のMEMSデバイス。
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