JPH01502782A - 放射線偏向アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 放射線偏向アセンブリ 本発明は放射線偏向器及び放射線偏向アセンブリに関し、特に、本出願人の名前 で１９８６年１０月１６日付で出願された継続中の特許出願、ＰＣＴ　ＧＢ８６ １００６３０に記載されたタイプの放射線偏向器及びアセンブリに関する。

ＰＣＴ　ＧＢ　８６１００６３０に記載された放射線偏向アセンブリは、少なく とも３つの放射線導波路と、第１位置にあるときには放射線が前記導波路の中の 、組をなす２つの導波路間を通過するように、また第２位置にあるときには、放 射線が前記導波路の中の、別の組をなす２つの導波路間を通過するように配置さ れる制御可能な偏向器と、制御信号に応答して前記偏向器の位置を制御する制御 手段とをもつ。

ＰＣＴ　ＧＢ　８６１００６３０に記載された特定の実施例においては、該偏向 器は前記導波路と共通の基板に取り付けおいて、「既述のタイプの」として説明 されるところの、この放射線偏向アセンブリの構成は、前記導波路とこの偏向器 とを正確に位置合わせするという問題を軽減する。

既述のタイプの放射線偏向アセンブリは、例えば、光学伝送システムの光学スイ ッチのような放射スイッチとしての用途がある。

既述のタイプの放射線偏向アセンブリの構造上の１つの問題は、スイッチング時 に過度の共振振動を起こすことなくできるだけ迅速に放射線偏向器を平衡状態に することが必要とされるということである。この偏向器は、それぞれの導波路対 の各導波路間の間隔に少なくとも等しい距離だけ放射線を偏向させるのに十分な 最小偏位を持つことが必要とされる。

更に、前記制御手段がこの偏向器の偏向を制御するために駆動電位を必要とする 場合に、この駆動電位を小さく抑えることが望まれる。

本発明の目的は、上述した１以上の問題を少なくとも部分的に軽減したり、解消 したりするところの、既述のタイプの放射線偏向アセンブリ及び放射線偏向器を 提供することにある。

本発明によれば、放射線偏向器は、一端が自由で、他端が支持基板にヒンジ止め されている偏向可能なカンチレバービームを有し、このカンチレバービームはそ の質量中心位置がこのビームのヒンジ止めされた端部よりも自由端部の近くにあ る。

また、本発明によれば、一端が自由で、他端が支持基板にヒンジ止めされている 偏向可能なカンチレバービームを有した既述のタイプの放射線偏向アセンブリは 、このカンチレバービームの質量中心位置がこのビームのヒンジ止めされた端部 よりも自由端の近くにあることを特徴とする。

都合のいいことに、前記カンチレバービームは、前記基板にヒンジ止めされたビ ーム部と、このビーム部の自由端における負荷部とを有している。好ましくは、 この負荷部はカンチレバービームの全体の総質量の大部分を与えるものでありで 、この負荷部の質量中心が、前記ビーム部の自由端に、またはその近くに位置す るように配置されている。

チング時における、より早い平衡状態の達成を容易にしていることが判った。

好ましくは、ビーム部の長さ及び負荷部の質量は、カンチレバービームの第１固 有共振周波数が、偏向器が複数位置間で切換えられるときの最大周波数よりもは るかに高くなるように選択されている。

本発明の放射線偏向アセンブリにおいて、都合のいいように、制御手段は、カン チレバービーム偏向器を偏位させるために静電電位を印加する手段を備えている 。この制御手段は、印加された静電電位により発生された偏位力が負荷部の質量 静電電位を、都合のよいように、偏位しないビーム部の長手方向軸に実質的に平 行な負荷部の表面であるところの、側面に印加するようにしてもよい。好ましく は、この側面の面積は、必要とぎれる偏位力を発生させるのに要求される静電電 位を減少させるためにかなり大きく設定される。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明によるカンチレバービーム放射線偏向器の概略説明、 第２図は、本発明によるカンチレバービーム放射線偏向器を持つ基板の切欠斜視 図、 第３図は、本発明による放射線偏向アセンブリの一動作モードを説明する図、 第４図は、別の動作モードを示し、 第５図は、所望の動作基準に適合したビーム形状寸法の範囲を示すグラフ、 第６図は、ビーム部が２本のアームにより構成されたカンチレバーに対する、カ ンチレバースティフネス対アーム間隔及び厚さのグラフ、及び 第７図は、シリコン基板に本発明によるカンチレバービーム放射線偏向器の製造 方法の一例における工程を示す図である。

第１図において、カンチレバービーム放射線偏向器１は、支持基板４の本体から 延出し、この基板に取り付けられていない方の端部において負荷部、即ち、質量 端部３を持つビーム部２を有している。この実施例においては、ビーム部２は２ 本の平行なアーム５．６からなる。質量端部３と隣接する支持基板の一面９は、 質量端部３の側面８に平行かつ対向して設けられた電極７を持つように設けられ ている。面８も電極を持つように示されている。

動作時には、カンチレバーは電極間に静電電位を印加することにより偏向される 。平行アーム５．６は基板４の本体との接合部及び質量端部３との接合部におい て曲がるようになっている。この構成により、電極面はビーム部が偏位された時 でも平行状態に保たれる。

第２図は別のカンチレバービーム放射線偏向器２ｏの切欠斜視図である。ここで も、カンチレバービーム放射線偏向器２０は、重い負荷部、即ち、質量端部２３ と共に、支持基板２４から延出する２本の平行なアーム２５．２６からなるビー ム部２２を持つ。この例においては、負荷部２３はＨ字形状になっており、その 質量中心がこの負荷部を２本の平行アーム２５．２６に取り付けた面内にくるよ うに設定されている。

この構成において、負荷部２３の側面２８．３０は、静電電極用に、容品に使用 されるようになっている。この側面の比較的大きな面積により、偏向器を偏位さ せるのに必要とされる静電駆動電位の大きさを小さくできる。

既述のタイプの放射線偏向アセンブリの一動作モードが第３図に概略平面図によ り示されている。第２図の場合のように、図示の偏向器は２本の平行アーム３５ ．３６により支持基板３４に取り付けられたＨ字形状の負荷部３３を含む。３本 の導波路３００．３０１．３０２が基板３４に設けられ、かつこれらの導波路を 通過した放射線が負荷部３３の一側面３８から偏向されるように配置されている 。この側面３８には動作波長において適当に高い反射率を示すコーティングが形 成されている。

第３（ａ）図において、放射線偏向器は平衡状態から偏位されておらず、放射線 は点線により示されるように２つの導波路３００と３０１との間に指向される。

第３（ｂ）図においては、放射線偏向器は負荷部３３及び支持基板３４の対向面 ３８．３９上の電極間における静電引力により導波路方向に偏位される。この位 置においては、放射線はここでも点線で示されるように導波路３００と３０２と の間に指向される。

別の実施例及び動作モードが第４図に示される。この実施例においては、導波路 ４００が偏向器のビーム部に沿って長手方向に、かつアーム４５．４６に平行に 設けられている。

この導波路４００は負荷部４３の端面４１で終結している。

更に３個の導波路４０１．４０２．４０３が基板４４に設けられ、負荷部４３の 端面４１に対向する基板面４２で終結している。静電電位が偏向器を偏位させる ために負荷部４３及び基板４４のそれぞれの対向側面４８及び４９上の電極間に 印加される。

第４（ａ）図の無偏位な平衡位置において、放射線はカンチレバー偏向器上の導 波路４００と支持基板上の中央導波路４０１との間において結合される。第４（ ｂ）図において、カンチレバーはカンチレバー偏向器上の導波路４００と基板の 本体上の導波路４０２との間において放射線を結合するように偏位される。カン チレバーが反対方向に偏位された場合には、放射線は確実にカンチレバー導波路 ４００と第３導波路４０３との間に結合されることになる。

光学的放射線のために、カンチレバー上に設けられた導波路４００は通常のクラ ッド部を除去し、中央コアのみを持つ光学ファイバにより構成されていてもよい 。この種の導波路はカンチレバービーム部と共に移動するように十分にフレキシ ブルであり、適当な寸法を持つようになっている。移動距離は小さく、このよう なりラッドのないファイバにより生ずる過度のロスは無視し得る。

放射線は、上述の実施例及び本発明の技術範囲内の他の実施例において、カンチ レバーの偏位方向及び偏向度を適当に調整することにより付加導波路内に偏向さ れ得る。

本発明の実施例の利点を評価するために、第１図に示した符号を使用して、カン チレバービームの機械的特性を解析するのが有効である。

カンチレバーに作用する唯一の力が自由端に集中された作用力Ｐであるとすると 、最大偏位量ｙ０は次のようになる。

ｙｏ−−ＰＬ３　／３Ｅ　Ｉ　（１） ここで、Ｌはビームの長さ、ＥＩはビームの弾性スティフネスである。Ｅは弾性 係数であり、ｌは次式で表される面積の第２モーメントである。

１緯ＢＧ　（Ｓ＋２Ｇ）／６　（２） ここで、Ｂはビームの奥行きであり、Ｇはアーム厚さであり、Ｓはアーム間距離 である。

面積Ａにかかる静電電位Ｖにより力Ｐが作用した場合、この力の大きさは次式で 与えられる。

Ｐ−■２Ａε。／　ｄ　２（３） ここで、ε。は自由空間の誘電率であり、ｄは基板電極からカンチレバーまでの 距離である。

この装置の第１共振周波数ｆは次式により与えられる。

ｆ閤２πω −（１／２　π）コ３Ｅ　Ｉ／Ｌ’（Ｍ＋０．　２３ｍ）］”’ここで、ｍおよ びＭはそれぞれカンチレバービーム部及び質量端部の質量であり、ωはカンチレ バーの固有周波数である。

スイッチングに応用した場合、スイッチングの終了後に可能な限り素早く過渡振 動を減衰させることが重要である。この種の装置に対する臨界制動Ｃは次式で与 えられ、Ｃ−２ｍω　（５） また、振幅が減少する割合は指数的であり、次式で与えられる。

ｙ−ｙｏｅｘｐ［−ωｔ　］　（６） 上述の理論的処理から、カンチレバービームの幾何学的パラメータが、固有共振 及び偏向の振幅からみて、いかに偏向器の機械的感度に影響するかを観察するこ とが可能である。

任意のセットの寸法上の制約に対して、最大スイッチング偏位は電極間隔ｄによ り決定される。ｄが増加すると、式（３）に従って、偏向器を偏位させるのに必 要とされる電位Ｖが同様にして増加する。この増加は、電位が印加される面積Ａ を例えば第２図の実施例に示されるように実用上の制限範囲内において可能な限 り大きくすることによりオフセットできる。

式（４）及び（５）から、負荷部の質量は顕著な効果を持つことが明白である。

大きな質量はカンチレバーが平衡状態を達成する速度を増加させるが、同時に、 第１共振周波数を減少させる。大きな質量により生ずる共振周波数の減少は面の モーメントｌを増加させるか、ビーム部の長さしを減少させることによりある程 度補償される。しかしながら、これらのパラメータの変化は両方とも最大偏位ｙ ０の犠牲の下に共振周波数を増加させる。この結果、制限内において、任婁の印 加静電電位に対して’１０−ｄとなるようにＩを増加させるか、またはＬを減少 させることが好ましいことになる。

実証のために、第２図に示すようなカンチレバー偏向器のいくつかの特性がある 選択された動作基準に対してモデル化されている。この選択された基準は、 （ｉ）共振周波数は５ＫＨｚより高いこと、（ｉ　ｉ）偏向用最大静電電位が１ ００ｖ未満であること、及び （ｉ　ｉ　ｉ）最小電極間距離は１０μｍであることである。

これらの数値は一例として選択されたに過ぎず、特定の理想値としてではなく代 表例である。同様に、計算に使用した幾何学的パラメータの範囲は代表例として 選択されたものであり、特定の制限値を意味するものとして扱われるべきではな い。特定の実用的なケースにおける基準及び幾何学的パラメータの選択は個々の ケースに適切な条件に応じて決定されなければならない。ここにあげた例は一般 的なガイダンスのためのみのものである。

第５図において、実曲線は１０ないし５０μｇの端部質量Ｍに対するビームの長 さに応じたビームスティフネスの変化を示す。これらの曲線は、任意の端部質量 に対して、５ＫＨｚの共振周波数を持つビームの形状寸法（即ち、長さ及び断面 ）の制限範囲を表す。破線の曲線は、１００ｖの最大印加電位により、最大電極 間距離（ｄ−１０，１５，１８μｍ）まで偏位され得るような形状寸法を示す。

一対の曲線（１本の実線及び１本の破線）間には、３種の動作基準が満足される ウィンドーが存在する。

第６図においては、カンチレバーのスティフネスＥｌが、種種のアーム厚さＧに 対するアーム間隔Ｓの関数としてプロットされている。

ツインアームビーム構造により、特定の状況に応じたビームスティフネスをアー ム厚さを変化させることにより広い範囲から容易に選択できることが分かる。こ のように、このビーム部のツインアーム構造は、前述したようにこのビーム部が 偏向されてもされなくてもこのビーム部の面を同一方向に向けたままにすると共 に、設計上の融通性を与える。更に、この構造は製造にも便利である。

（１１０）シリコン基板を使用して、本発明による偏向器の一製造方法が第７図 に図式的に示されている。ミラー指数の表記法を使用すると、この（１１０）シ リコンは＜１１２＞面方向に沿う表面に垂直な４つの（１１１）平面の中の２つ を持つことになる。上述の２枚の垂直な（１１１）平面は７０、．５Ｂ＠の角度 で相互に交差している。残りの２枚の（１１１）平面は前記表面に対して３５． ２６°の角度をなしているがこの構成においては使用されていない。

第７図に示した装置製造の典型的な方法は、共にシリコンウェーハ全厚にわたっ て実行される、４つのマスキングレベルと２つの異方性エツチング工程と含む。

垂直ビームの製造は偏向器の形状寸法を決定し、これらのビームを正確に＜１１ ２＞方向に合わせるようにマイクロマシーニング及びシリコンブレーナ技術の組 合せを含む。この構造は電気化学的に制御可能なエチレンジアミンを異方性エツ チング剤として使用することによりエツチングされる。主工程は下記の通りであ る。

（ａ）ビーム長のフォトリソグラフィ的決定に続く熱酸化及びツインアーム間の 間隔に相当するシリコン内のウィンドーの露出。

（ｂ）露出されたシリコンを介してのスロットのエツチング及びこれに続き、最 終的に隣接する電極表面を形成する支持基板の領域及び質量端部のフォトリソグ ラフィ的決定。

（Ｃ）アーム厚さを決定するための、スロットの露出された（１１１）面への拡 散。これにより、カンチレバーアームの厚さの正確かつ再現性のある方法が得ら れる。次の異方性エツチングの濃度依存性がアーム厚さの微調整のために使用さ れる。更に、前の工程でリソグラフィ的に決定された領域内に拡散が行われる。

（ｄ）自由ビームを確定するマスキング及び質量端部及び適当な電極間間隔を与 えるために露出シリコンをエツチングすること。

（ｅ）（１００）シリコンにシャドウマスクを使用しこのマスクを介してアルミ ニウムをスパッタリングしてコンタクト領域を確定すると共に、質量端部及び基 板のバルク間に電極を形成する最終メタライゼーション工程。シリコンウェーハ の両側からのスパッタリング及びアニーリングにより、つ工−ハの厚さ方向に均 一なメタライゼーションが得られる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．一端が自由で、他端が支持基板にヒンジ止めされている偏向可能なカンチレ バービームを有し、このカンチレバービームはその質量中心位置がこのビームの ヒンジ止めされた端部よりも自由端の近くにあるところの放射線偏向器。
2. ２．前記カンチレバービームは前記基板にヒンジ止めされたビーム部と、このビ ーム部の自由端における負荷部とを有し、この負荷部は前記カンチレバービーム の全質量の大部分を与えるところの特許請求の範囲第１項記載の放射線偏向器。
3. ３．少なくとも３つの放射線導波路と、第１位置にあるときには放射線が前記導 波路の中の、組をなす２つの導波路間を通過するように、また第２位置にあると きには、放射線が前記導波路の中の、別の組をなす２つの導波路間を通過するよ うに配置される制御可能な偏向器と、制御信号に応答して前記偏向器の位置を制 御する制御手段とを有し、前記偏向器は前記導波路と共通な基板に取り付けられ 、ヒンジ止めされたカンチレバービームを有し、このカンチレバービームはその 質量中心位置がこのビームのヒンジ止めされた端部よりも自由端の近くにあるこ とを特徴とするところの放射線偏向アセンブリ。
4. ４．前記カンチレバービームは前記基板にヒンジ止めされたビーム部と、このビ ーム部の自由端における負荷部とを有し、この負荷部は前記カンチレバービーム の全質量の大部分を与えるところの特許請求の範囲第３項記載の放射線偏向アセ ンブリ。
5. ５．前記ビーム部の長さ及び前記負荷部の質量は、前記カンチレバービームの固 有共振周波数が実質的に前記偏向器が位置切り替えされる最大周波数よりも高く なるように選択されるところの特許請求の範囲第４項記載の放射線偏向アセンブ リ。
6. ６．前記制御手段は静電電位を与えて前記カンチレバービームを偏位させる手段 を含むところの特許請求の範囲第３または４項記載の放射線偏向アセンブリ。
7. ７．前記制御手段は、与えられた静電電位により生じた偏位力が前記負荷部の質 量中心に効果的に作用するように配置された電極を含むところの特許請求の範囲 第６項記載の放射線偏向アセンブリ。
8. ８．前記導波路の中の少なくとも１つが前記カンチレバービーム上に設けられて いるところの特許請求の範囲第３項記載の放射線偏向アセンブリ。
9. ９．前記導波路の中の少なくとも１つが前記カンチレバービームの長手方向に沿 って延びているところの特許請求の範囲第８項記載の放射線偏向アセンブリ。
10. １０．図面を参照して説明したところの放射線偏向器。
11. １１．図面を参照して説明したところの放射線偏向アセンブリ。