JP7283064B2 - マイクロ構造およびマイクロ構造の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ構造およびマイクロ構造の制御方法に関する。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）などに用いられるマイクロ構造として、基板上に片持ちまたは両持ちの梁構造を設置した構造が知られている。この構造では、例えば、梁と基板とを近づけたり、離したりする動作を行うことができる。この動作を利用すると、例えば、梁と基板とが近づくとオンになり、離れるとオフになるスイッチを構成したり、マイクロポンプを駆動したりすることができる。

梁を駆動するための作動源としては、静電力、磁力、圧電変形力、などが用いられる。作動源として静電力を用いる場合、半導体プロセスと同様の装置を適用できるため、製造が容易であり製造コストの低減が見込まれる。

このような梁構造では、梁の一部を固定し、梁を撓ませる動作をさせることが多く行われている。そして、この動作に上記の作動源の力を用い、復帰には、梁の弾性力（ばね力）を利用することが多い。ところが、ばね力による復帰では、ばね力自体が電磁力等に比べて大きくないことや、梁の劣化によるばね力の低下などがあるため、復帰の確実性に問題がある。

このため、スイッチの復帰を確実にする方法が検討されている。例えば、特許文献１には、所定ギャップをもって基板面の上方に支持された梁の復帰を確実にするための技術が開示されている。この技術では、基板上に、梁を基板側に引っ張って導通状態を作る第１の固定電極を設けるとともに、梁の上方に所定ギャップを隔てて固定された第２の固定電極を設けている。第２の固定電極を用いて、梁を基板から離れる方向に引っ張ることで非導通状態に復帰する確実性を高めている。

また特許文献２には、梁の中央を支点とするシーソー構造を構成し、梁の両端それぞれを基板側からの静電力で駆動するマイクロスイッチが開示されている。このスイッチでは、オンからの復帰、すなわちスイッチをオフする動作にも、オンと同じ駆動力を用いるため、復帰の確実性を高めることができる。

特許第５４７８０６０号明細書 特開２００１－０７６６０５号公報

しかし、特許文献１の技術では、梁の上方に空中に固定された第２の固定電極を設けているため構造が複雑になるという問題があった。また、特許文献２の技術では、主動作と復帰のための副動作に同じ電圧を必要とするという問題点があった。梁のばね力を用いる構造が好まれることから明らかなように、復帰動作に用いるエネルギーを小さくしたいという要望がある。特許文献２の技術では、この要望に応えることができていなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、構造がシンプルで、復帰動作に必要なエネルギーが小さいマイクロ構造を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、マイクロ構造は、基体と、支持体と、梁と、長片駆動手段と、短片駆動手段とを有している。基体は、剛性を有し、面上の広がりを持つ固体である。支持体は、基体の表面に平行な支持軸を形成しで、梁を支持する。梁は、その延伸方向中央からずれた位置を支持軸に支持され、支持軸から端部までの長さが長い長片と、支持軸から端部までの長さが短い短片とが形成される。梁は、支持軸を軸として回動できるようになっている。長片駆動手段は長片を駆動し、短片駆動手段は短片を駆動する。短片駆動手段の駆動力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力とする。

本発明の効果は、構造がシンプルで、復帰動作に必要なエネルギーが小さいマイクロ構造を提供できることである。

第１の実施形態のマイクロ構造を示す側面図と平面図である。 第２の実施形態のマイクロ構造を示す断面図と平面図である 第２の実施形態のマイクロ構造の動作を示す断面図と平面図である。 第２の実施形態のマイクロ構造の製造方法を示す断面図と平面図である。 第３の実施形態のマイクロ構造を示す断面図と平面図である。 第３の実施形態のマイクロ構造の製造方法の一部を示す断面図と平面図である。 第３の実施形態のマイクロ構造の製造方法の別の一部を示す断面図と平面図である。 第４の実施形態のマイクロ構造を示す側面図と平面図である。 第５の実施形態のマイクロ構造を示す断面図である。 第５の実施形態のマイク構造の別の例を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のマイクロ構造を示す側面図と平面図である。マイクロ構造は、基体１と、支持体２と、梁３と、長片駆動手段４と、短片駆動手段５とを有している。

基体１は、剛性を有し、面上の広がりを持つ固体である。図１の例では平板状の形状としているが、基体１の形状はこれに限らず、例えば、曲面を持つような形状であっても良い。

支持体２は、基体１の表面に平行な支持軸２ａを形成しで、梁３を支持する。

梁３は、基体１の表面に沿った方向に延伸する形状を有する固体である。梁３は、その延伸方向中央からずれた位置を支持軸２ａに支持される。その結果、支持軸２ａから端部までの長さが長い長片３ａと、支持軸２ａから端部までの長さが短い短片３ｂとが形成される。梁３は、支持軸２ａを軸として回動できるようになっている。

長片駆動手段４は、長片３ａを駆動する。その駆動力は例えば吸引力とすることができるが、斥力であっても良い。短片駆動手段５は、短片を駆動する。短片駆動手段５の駆動力は、長片駆動手段４と同様に、吸引力や斥力とすることができる。ここで、少なくとも、短片駆動手段５が発生する駆動力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力とする。

上記の構成では、梁３の回動動作における長片３ａ端部の変位量は、短片３ｂ端部の変位量よりも常に小さい。短編３ｂの端部と支持軸２ａとの距離が短くなると、回転のモーメントは該距離の１乗に比例して減少する。一方で、短片３ｂの端部と短片駆動手段５とのギャップは、該距離の１乗に比例して小さくなる。既述の通り、短片駆動手段５が発生する駆動力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力である。その結果、短片３ｂの長さが短くなるほど、短片駆動手段５が短片３ｂの端部に及ぼす力は大きくなる。すなわち、長片３ａの駆動を主動作、短片３ｂの駆動を復帰動作とした場合、復帰動作に必要なエネルギーを小さくすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、構造がシンプルで、復帰動作に必要なエネルギーが小さいマイクロ構造を提供することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態のマイクロ構造を示す断面図と平面図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）のＸ－Ｘ´における断面を示している。マイクロ構造は、基板１０と、支持部２０と、支持部２０に支持された梁３０とを有する。

基板１上には、支持部２０と、長片駆動手段４１と、短片駆動手段４２と、基板側信号線４３とを設けている。なお、長片駆動手段４１、短片駆動手段４２、基板側信号線４３は、それぞれ基板１の内部に形成されていてもよい。

支持部２０は、例えば両持ちの形によって、基板の表面に平行な支持軸２１を形成する。ここで両持ちとは、２つの基部によって軸の２カ所を支持する構造である。図２の例では、梁３０と支持部２０とが一体化している例を示しているが、ヒンジ構造のように一体化していない構造であってもよい。

梁３０は、その延伸方向の中央からずれた位置を支持軸２１によって支持され、支持軸２１を軸とする回動を行うことが可能になっている。このように非対称に支持することによって、梁３０には、支持軸２１から端部までの長さが長い長片３１と、支持軸２１から端部までの長さが短い短片３２とができる。

また、図２の例では、長片３１の端部近傍に長片駆動要素５１、短片３２の端部近傍に短片駆動要素５２を有している。長片駆動要素５１は長片駆動手段４１の駆動力を感受し、短片駆動要素５２は短片駆動手段４２の駆動力を感受する。長片駆動要素５１および短片駆動要素５２の位置は特に限定されないが、支持軸２１からの距離が、長片駆動要素５１の方が遠くなるよう配置する。

また、図２の例では、長片３１の基板側信号線４３に対応する位置に、梁側信号線５３を設けている。そして、長片駆動要素５１が長片駆動手段４１に吸引され、梁側信号線５３が基板側信号線４３に近付くと、両者の間で信号が授受されるようになっている。すなわち、図２のマイクロ構造では、長片３１が基板１０に近付くとオンになり、短片３２が基板１０に近付いて長片３１が基板１０から離れるとオフになるマイクロスイッチを形成している。基板側信号線４３には端子１１を介して、外部から信号が供給される。また長片駆動手段４１、短片駆動手段４２には、端子１１を介して、それぞれに駆動力を発生させるための駆動信号が入力される。なお、図２の例では、梁側信号線５３を、長片３１の基板１０から遠い側の面に設けているが、長片３１の基板１０側に設けても良く、長片３１の内部に設けても良い。あるいは、長片３１そのものが、信号線の役割を果たすものであっても良い。また、図２では、梁側信号線５３が長片駆動要素５１の支持軸２１側に配置されているが、逆であっても良い。ただし、（支持軸２１から長片駆動要素５１までの距離）＞（支持軸２１から短片駆動要素５２までの距離）の関係が必ず満たされるようにする。

長片駆動手段４１は、長片駆動要素５１に対して引力または斥力を発生させる。また、短片駆動手段４２は、短片駆動要素５２に対して引力または斥力を発生させる。ここでは、長片駆動手段４１、短片駆動手段４２の発生する力が、ペアとなる長片駆動要素５１、短片駆動要素５２を吸引する吸引力である例を用いて説明する。そして、長片駆動手段４１と短片駆動手段４２は協調し、互いの動作を妨げないように動作するものとする。例えば、長片駆動手段４１が吸引力を発生させている時は、短片駆動手段４２は吸引力を発生させず、短片駆動手段４２が吸引力を発生させている時は、短片駆動手段４２は力を発生させないように動作する。長片駆動手段４１が発生させる力は、例えば、静電力、磁力、吸着力、などとすることができる。また、短片駆動手段４２が発生させる力は、距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する原理を持つ力である。この力は、例えば静電力、磁力、吸着力、などとすることができる。

図３は、第２の実施形態のマイクロ構造の動作を示す断面図である。図３（ａ）は、長片駆動手段４１が長片駆動要素５１を吸引し、マイクロスイッチがオンした状態を示している。図２、３に示したように、梁３０と支持部２０とが一体化している場合、支持部２０と梁３０の接続部が支持軸２１となり、支持軸２１がねじれることで、梁３０がシーソー様の回動動作をする。

図３（ａ）に示すように、フラット状態からオン状態に至るまでの短片駆動要素５２の変位ｄ２は、長片駆動要素５１の変位ｄ１よりも小さい。また、図３（ｂ）には、短片駆動手段４２が短片駆動要素５２を吸引し、マイクロスイッチがオフした状態を示している。ここで、フラット状態からオフ状態に至るまでの短片駆動要素５２の変位ｄ２´は、長片駆動要素５１の変位ｄ１´よりも小さい。これらの例から明らかなように、梁３０が回動する時の、短片駆動要素５２の変位は、長片駆動要素５１の変位よりも常に小さくなる。既述の通り、てこの原理は距離の１乗に反比例し、短片駆動手段４２の吸引力は距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する。この為、短片駆動要素５２を吸引するために短片駆動手段４２に投入するエネルギーは、長片駆動要素５１を吸引するために長片駆動手段４１に投入するエネルギーよりも小さくなる。例えば、吸引力を静電力で生み出す場合は、短片駆動手段４２への印加電圧を小さくすることが可能となる。なお静電力を用いる場合は、短片駆動手段４２、長片駆動手段４１は、例えば電極とすることができる。

次に、本実施形態のマイクロ構造の製造方法について説明する。図４は、この製造方法を示す断面図および平面図である。始めに、基板１０上に、メタルマスクを介した蒸着や、フォトリソグラフィを伴うめっき、などの任意の工法を用いて、長片駆動手段４１、基板側信号線４３、短片駆動手段４２、の各要素を形成する［図４（ａ）］。

次に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、梁３０および支持部２０の土台となる犠牲層６０を形成する。更に、犠牲層６０以外の箇所をレジストやメタルマスクなどのマスク層７０で保護する［図４（ｂ）］。

次に、犠牲層６０上に、蒸着やＣＶＤ等やめっきなどの任意の工法を用いて、梁３０、支持部２０の元となる層を形成する。この層を、フォトリソグラフィおよび、ドライエッチングやウェットエッチングなどの任意の工法で加工し、梁３０と支持部２０を形成する。そして犠牲層６０及びマスク層７０を除去する［図２（ｃ）］。次に、梁３０上に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、梁側信号線５３、長片駆動要素５１、短片駆動要素５２、端子１１と、これらの要素を接続する配線を形成する。［図２（ｄ）］こうしてマイクロ構造が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、シンプルな構造で、復帰動作に必要なエネルギーが小さいマイクロ構造を製造することができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態のマイクロ構造を示す断面図と平面図である。図５（ａ）は、図５（ｂ）の平面図のＢ－Ｂ´における断面図である。本実施形態のマイクロ構造では、短片駆動手段４２ａと基板１０との間に台座４２ｂを設けることによって、短片駆動手段４２ａと短片駆動要素５２との距離を小さくしている。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。

第２の実施形態で説明したように、短片駆動手段４２ａが発生する力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力である。したがって、本実施形態の短片駆動手段４２ａを用いた場合は、短片駆動要素５２に同じ力を作用させる場合に、第２の実施形態の短片駆動手段４２に比べて、供給するエネルギーを小さくすることができる。例えば、短片駆動手段４２ａが発生する力が静電力であれば、供給する電圧を小さくすることができる。

次に、本実施形態のマイクロ構造の製造方法について説明する。図６および図７は、この製造方法を示す断面図および平面図である。始めに、基板１０１上に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、基板側信号線４３、長片駆動手段４１、短片駆動手段４２、の各要素を形成する［図６（ａ）］。

次に、基板１０上に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、台座４２ｂと、短片駆動手段４２ａとを形成する［図６（ｂ）］。

次に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、梁３０および支持部２０の土台となる犠牲層６０を形成する［図６（ｃ）］。このとき、犠牲層６０の形成プロセスと、台座４２ｂおよび短片駆動手段４２ａの高さとに依存して、短片駆動手段４２ａ上の犠牲層６０が、図６（ｃ）に示すように、周辺よりも高く形成される可能性がある。この場合、全面をレジスト７１で保護し［図４（ｄ）］、ＣＭＰなどの工法で平坦化を行う［図７（ｅ）］。そして、残りの犠牲層６０上にあるレジスト７１を取り除く［図４（ｆ）］。ここで加工するレジスト除去部７２を、図７（ｆ）に示している。

次に、犠牲層６０上に、蒸着やＣＶＤ等やめっきなどの任意の工法を用いて、梁３０、支持部２０の元となる層を形成する。この層を、フォトリソグラフィおよび、ドライエッチングやウェットエッチングなどの任意の工法で加工し、梁３０と支持部２０を形成する。そして犠牲層６０及びマスク層７０を除去する［図７（ｇ）］。

次に、梁３０上に、メタルマスクと蒸着やフォトリソグラフィとめっきなどの任意の工法を用いて、梁側信号線５３、長片駆動要素５１、短片駆動要素５２と、これらの要素を接続する配線を形成する［図７（ｈ）］。こうして、本実施形態のマイクロ構造が完成する。

以上、説明したように、本実施形態によれば、復帰動作に要するエネルギーを低減したマイクロ構造を得ることができる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態のマイクロ構造を示す側面図および平面図である。第１から第３の実施形態では、梁が支持部と一体化した構造について説明したが、一体化していなくても良い。例えば、梁が、延伸方向の中心からずれた位置に軸を持ち、支持部がこの軸を受ける軸受を有する構造とすることができる。

図８は、このような構成のマイクロ構造の例を示す側面図と平面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、梁３０ａは、延伸方向の中心からずれた位置に軸３３ａを有している。支持部２０ａは、梁３０ａに結合する軸３３ａが挿入される孔を有している。軸支持部２０ａが軸３３ａを回動可能に支持することで、梁３０ａは、長片３１ａと、長片３１ａより短い短片３２ａとがシーソー動作を行う構造を形成し、第１から第３の実施形態と同様な動作を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、シンプルな構造で、復帰動作に必要なエネルギーが小さいマイクロ構造を構成することができる。

（第５の実施形態）
第２の実施形態の図３（ｂ）に示したように、第２の実施形態のマイクロ構造では、短片３２を基板１０側に吸引した時に、シーソー構造の逆サイドに位置する長片駆動要素５１と長片駆動手段４１とのギャップが大きくなる。このギャップが大きくなることで、長片駆動手段４１が長片３１を駆動するために必要なエネルギーが大きくなる。本実施形態では、このエネルギーを低減するための構成について説明する。

図９は、ストッパー８１を有するキャップ８０を、第２の実施形態のマイクロ構造に被せた構成の断面図を示している。キャップ８０は、基板１０に固定される。このように固定された状態で、ストッパー８１は、所定のギャップをもって長片３１と相対するように配置される。ストッパー８１は、梁側信号線５３と基板側信号線４３とが離れる方向に梁３０が回動する時に、一定以上の回動を防ぐ機能を有する。梁３０がフラットな状態の時の、ストッパー８１と長片３１とのギャップは適宜定めることができる。例えば、オン動作（長辺３１の端部が長片駆動手段４１に吸引された状態）時の、短片駆動要素５２と短編をｄ２とした時に、オフ時における長片駆動要素５１と長片駆動手段４１との距離がｄ２と同程度となるようにする。このような構成とすることにより、復帰時のエネルギーだけでなく、主動作、すなわち長片を基板側に吸引するエネルギーも低減することができる。なお、長片３１はストッパー８１から下方に向かう力を受けるため、変形で破損しないように、可撓性を有する材料で形成することが望ましい。また、梁側信号線５３や、長片駆動要素５１と電気的に干渉しないように、ストッパー８１とこれらの要素が接触しない位置関係としたり、ストッパーを非導電性の材質で形成したりすることが望ましい。

図１０は、図９の構成の変形例を示す断面図である。この例では、ストッパー８１ａを基板１０に固定したストッパー支持体８０ａで支持している。ストッパー８１ａと長片３１との位置関係等は、図９と同様とすれば良い。この構成では、図４に示したような製造方法と同様な方法で、ストッパー８１ａを形成することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、長片を駆動するためのエネルギーを低減したマイクロ構造を構成することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１ 基体
２ 支持体
２ａ、２１ 支持軸
３、３０ 梁
４、４１ 長片駆動手段
５、４２ 短片駆動手段
１０ 基板
１１ 端子
２０ 支持部
４３ 基板側信号線
５１ 長片駆動要素
５２ 短片駆動要素
５３ 梁側信号線
６０ 犠牲層
７０ マスク層

Claims (8)

1. 剛性を有する基体と、
   前記基体の所定高さに前記基体の表面と平行な支持軸を形成する支持体と、
   前記支持軸から端部までの長さが長い長片と、前記支持軸から端部までの長さが短い短片とができるように前記支持軸に支持され、前記支持軸に対して回転運動することが可能な梁と、
   前記基体上に固定され、前記長片を前記基体の方向に駆動させる力を発生する長片駆動手段と、
   前記基体上に固定され、前記短片を前記基体の方向に駆動させる力を発生する短片駆動手段と、
   前記長片の前記長片駆動手段に対応する位置に、前記長片駆動手段と対となって駆動力を発生させる可動側長片駆動要素と、
   前記長片において前記可動側長片駆動要素の前記支持軸側に設けられ、前記長片が、前記基体から離れる方向に移動することを制限するストッパーと、
   を有し、
   前記短片駆動手段が発生する力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力である、
   ことを特徴とするマイクロ構造。
2. 前記短片駆動手段が発生する力が、電磁力である
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造。
3. 前記電磁力が静電力である
   ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ構造。
4. 前記短片と前記短片駆動手段あとのギャップが、前記長片と前記長片駆動手段とのギャップよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
5. 前記短片の前記短片駆動手段に対応する位置に、前記短片駆動手段と対となって駆動力を発生させる可動側短片駆動要素を有する
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
6. 前記長片に配置された第１の電磁気要素と、前記基体上に配置され前記長片が前記基体に近付くことで前記第１の電磁気要素との相互作用を生じる第２の電磁気要素とからなる第１のペア、または、前記短片に配置された第３の電磁気要素と、前記基体上に配置され前記短片が前記基体に近付くことで前記第３の電磁気要素との相互作用を生じる第４の電磁気要素とからなる第２のペア、の少なくとも一方を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
7. 剛性を有する基体の所定高さに前記基体の表面と平行な支持軸を形成し、
   前記支持軸から端部までの長さが長い長片と、前記支持軸から端部までの長さが短い短片とができるように梁を支持し、
   前記梁が前記支持軸に対して回動可能とし、
   前記長片を前記基体の方向に駆動させ、
   前記短片を前記基体の方向に駆動させ
   前記短片を前記基体の方向に駆動させる力は、距離の２乗に反比例する力、または距離の２乗以上に増加の速い関数に反比例する力であり、
   前記長片のうちで、前記長片を前記基体の方向に駆動させる力が作用する点よりも前記支持軸側の点において、前記長片が、前記基体から離れる方向に移動することを制限する
   ことを特徴とするマイクロ構造の制御方法。
8. 前記短片を前記基体の方向に駆動させる力が、電磁力である
   ことを特徴とする請求項７に記載のマイクロ構造の制御方法。

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