(57)【要約】【課題】  結露による短絡や動作不良を防止するための結露センサを備え、安価かつ小型に構成できるマイクロマシンデバイスを提供する。【解決手段】  基板６１上に絶縁層６２を介して配置されたデバイス層６３がエッチングされてデバイスを構成する各構造体Ａ，Ｂが形成されているマイクロマシンデバイスにおいて、微小間隙ｇを隔てて配置された一対のセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２間の絶縁抵抗値の変化によって結露を検出する結露センサを具備し、一対のセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２がデバイス層６３によって形成されているものとする。結露センサを別途用意して取り付けるといったことが不要となり、また各構造体Ａ，Ｂと同一工程で結露センサを形成することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に絶縁層を介して配置されたデバイス層がエッチングされてデバイスを構成する各構造体が形成されているマイクロマシンデバイスであって、
微小間隙を隔てて配置された一対のセンサ構造体間の絶縁抵抗値の変化によって結露を検出する結露センサを具備する構造とされ、
上記一対のセンサ構造体が上記デバイス層によって形成されていることを特徴とするマイクロマシンデバイス。
【請求項２】
基板上に絶縁層を介して配置されたデバイス層がエッチングされてデバイスを構成する各構造体が形成されているマイクロマシンデバイスであって、
上記デバイス層によって形成されたセンサ構造体と上記基板とによって結露センサが構成され、
上記センサ構造体は上記絶縁層を介して上記基板上に位置し、上記センサ構造体の回りにおいて上記基板表面が露出され、
上記結露センサは上記センサ構造体と上記基板間の絶縁抵抗値の変化によって結露を検出する構造とされていることを特徴とするマイクロマシンデバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロマシンデバイスにおいて、
上記結露センサの検出に基づき作動されるヒータが上記デバイス層によって形成されていることを特徴とするマイクロマシンデバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３記載のいずれかのマイクロマシンデバイスにおいて、
上記基板が単結晶シリコン基板よりなり、上記デバイス層が単結晶シリコン層よりなることを特徴とするマイクロマシンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はフォトリソグラフィーやエッチングといったマイクロマシニング技術によって作製されるマイクロマシンデバイスに関し、特に結露を防止すべく、結露センサを内蔵したマイクロマシンデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシンデバイスは一般にパッケージに収容密封されて使用されるが、パッケージの完全なる密封構造の実現は難しく、経時的にパッケージ内に水分が侵入し、環境温度の変化によっては結露が発生するといった状況が起こりうる。
マイクロマシンデバイスにおいて結露が発生すると、電位差を与える構造体間や電極間が結露によって短絡したり、あるいは微細な可動構造体が結露した水の表面張力により変形したり、お互いが張り付いて可動しなくなるといった不具合が発生する虞れがある。
一方、結露の発生を防止するためには結露の発生を予知又は検出することができるセンサと、結露しないように加熱するためのヒータが一般に必要であり、それらを結露を防止すべき物に取り付けるといったことが行われている。
【０００３】
図６は結露を防止すべく、センサやヒータが取り付けられた従来構成例として、特許文献１に記載されている構成を示したものであり、この例では屋外監視用カメラにセンサやヒータ等が取り付けられたものとなっている。
屋外監視用カメラ１０のケース１１の上面には太陽電池２１ａを有する電源部２１が取り付けられ、ケース１１の側面には加熱体制御部２２、外気温度センサ２３及び外気湿度センサ２４が取り付けられている。レンズカバーガラス１２にはガラス温度センサ２５及び面状発熱体２６が取り付けられ、さらに結露センサ２７が取り付けられている。図６中、１３はカメラレンズを示し、１４は屋外監視カメラ１０を回転可能に支持する支持体を示す。
【０００４】
加熱体制御部２２は外気温度センサ２３、外気湿度センサ２４及びガラス温度センサ２５からの情報に基づき結露条件の成立を判断し、面状発熱体２６に電源部２１から通電し、これによりレンズカバーガラス１２表面に結露が生じるのを防止できるものとなっている。なお、結露条件が成立していないと判断されるのに実際には結露が生じている場合には結露センサ２７からの結露を示す信号に基づき、面状発熱体２６に通電されるものとなっている。
【特許文献１】特開平８−２２０２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来においては結露を防止するためには、センサやヒータ等を別途用意して結露を防止すべき物に取り付けるといったことが行われており、その分、部品点数及び組み立て工数が増え、コストがかかるものとなっていた。
一方、結露を防止すべく、センサやヒータ等をマイクロマシンデバイスに取り付けることを考えた場合、上記のような問題に加え、センサやヒータ等の取り付けによって全体として大型になってしまい、小型化が阻害されるという問題が生じる。
この発明の目的はこのような問題を解決すべく、結露センサを内蔵したマイクロマシンデバイスを提供することにあり、さらに結露センサに加え、ヒータをも内蔵したマイクロマシンデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明によれば、基板上に絶縁層を介して配置されたデバイス層がエッチングされてデバイスを構成する各構造体が形成されているマイクロマシンデバイスは、微小間隙を隔てて配置された一対のセンサ構造体間の絶縁抵抗値の変化によって結露を検出する結露センサを具備する構造とされ、それら一対のセンサ構造体は上記デバイス層によって形成されているものとされる。
請求項２の発明によれば、基板上に絶縁層を介して配置されたデバイス層がエッチングされてデバイスを構成する各構造体が形成されているマイクロマシンデバイスは、上記デバイス層によって形成されたセンサ構造体と上記基板とによって結露センサが構成され、上記センサ構造体は上記絶縁層を介して上記基板上に位置し、上記センサ構造体の回りにおいて上記基板表面が露出され、上記結露センサは上記センサ構造体と上記基板間の絶縁抵抗値の変化によって結露を検出する構造とされる。
【０００７】
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、上記結露センサの検出に基づき作動されるヒータが上記デバイス層によって形成されているものとされる。
請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、上記基板が単結晶シリコン基板よりなり、上記デバイス層が単結晶シリコン層よりなるものとされる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、結露センサを別途用意して取り付けるといったことが不要となり、デバイスを構成する各構造体と同じデバイス層によって結露センサが形成されて内蔵されるため、結露センサを備えたマイクロマシンデバイスを小型かつ安価に構成することができる。また、結露センサを備えることによって結露しそうな状態を検知でき、結露による短絡や動作不良の発生を回避することができるものとなる。
さらに、請求項３の発明によれば、結露センサに加え、ヒータもデバイス層によって形成されるため、ヒータを別途用意して取り付けるといったことが不要となり、その点でより小型かつ安価な結露防止機能を有するマイクロマシンデバイスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明を光スイッチに適用した実施形態を図面を参照して説明する。
図１は光スイッチの平面図であり、まず光スイッチとしての構成について説明する。
板状の基体３１の上面に４本のファイバ溝３２ａ〜３２ｄが十字状に形成され、これらファイバ溝３２ａ〜３２ｄにより４分割された１つの領域が駆動体形成部３１ａとされる。駆動体形成部３１ａにはこれを２分するようにファイバ溝３２ａ〜３２ｄの中心部３３と連通したロッド溝３４が形成され、さらに凹部３５がこのロッド溝３４の他端と連通して形成されている。
【００１０】
ロッド溝３４には可動ロッド３６が配され、可動ロッド３６の中心部３３側の一端にはミラー３７が設けられている。可動ロッド３６の凹部３５内に位置する部分の両側には板ばねヒンジ３８ａ，３８ｂが連結され、これら板ばねヒンジ３８ａ，３８ｂにより可動ロッド３６はその延伸方向に移動自在に駆動体形成部３１ａに支持されている。
凹部３５内には櫛歯型静電アクチュエータが設けられ、その可動櫛歯電極４１が可動ロッド３６に固定され、可動櫛歯電極４１と組み合わされる固定櫛歯電極４２が凹部３５底面に絶縁層６２（図２参照）を介して固定されている。
【００１１】
各ファイバ溝３２ａ〜３２ｄには光ファイバ（図示せず）がそれぞれ配置され、ミラー３７が中心部３３に位置するか否かによって光ファイバ間の光の進行が切り替わり、スイッチング動作が行われるものとなっている。なお、可動櫛歯電極４１と固定櫛歯電極４２との間に電圧を印加すれば、可動櫛歯電極４１と固定櫛歯電極４２との間に静電吸引力が働き、これによりミラー３７は中心部３３から退避した状態となる。
図２はこの光スイッチの断面構造を模式的に示したものであり、基体３１は基板６１上に絶縁層６２を介してデバイス層６３が配置されてなる三層構造を有するものとされ、デバイス（光スイッチ）を構成する各構造体はデバイス層６３によって形成されている。基板６１はこの例では単結晶シリコン基板とされ、デバイス層６３は単結晶シリコン層よりなるものとされる。また、絶縁層６２はシリコン酸化膜よりなるものとされる。絶縁層６２は例えば２μｍ程度の厚さとされる。
【００１２】
可動ロッド３６、ミラー３７、板ばねヒンジ３８ａ，３８ｂ、可動櫛歯電極４１といった基板６１板面と平行に変位する可動構造体は基板６１上に空隙を介して位置され、つまり絶縁層６２が除去されてなる空隙が可動構造体下に設けられているものとされ、これに対し、ファイバ溝３２ａ〜３２ｄを規定する構造体や固定櫛歯電極４２等、可動構造体以外の固定構造体は絶縁層６２を介して基板６１上に固定配置されているものとされる。図２中、Ａ，Ｂはこれら可動構造体及び固定構造体を例示的に示している。
上記のような構成に加え、この例ではデバイス層６３によって形成された結露センサとヒータとを具備するものとされる。結露センサは図２に示したように微小間隙ｇを隔てて配置された一対のセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２によって構成され、これらセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２は絶縁層６２を介して基板６１上に位置されている。微小間隙ｇは例えば２０μｍ程度とされる。
【００１３】
一方、図２中、Ｄはヒータを示したものであり、ヒータＤは幅の狭い構造体とされ、基板６１上に空隙を介して位置するものとされている。
図２において模式的に示した結露センサ及びヒータは具体的には図１中に示したような構成・配置とされる。即ち、結露センサは駆動体形成部３１ａに形成された凹部４３内に固定配置されたセンサ構造体４４と、そのセンサ構造体４４を微小間隙ｇを介して囲んでいるセンサ構造体４５とによって構成され、これらの上面にはそれぞれ電極４６，４７が形成されている。
【００１４】
ヒータは基体３１の駆動体形成部３１ａと対向する領域（ファイバ溝３２ｃ，３２ｄで挟まれた領域）３１ｂに形成された凹部５１内に位置されており、図１に示したように折り返し形状とされたヒータ５２の両端が凹部５１に絶縁層６２を介して固定配置された支持構造体５３，５４に連結支持された構造となっている。このように折り返し形状とすることにより、コンパクトにヒータ５２を形成することができる。支持構造体５３，５４の上面にはそれぞれ電極５５，５６が形成されている。なお、図１中、４８は固定櫛歯電極４２上に形成されている電極を示す。各電極４６〜４８，５５，５６には図２に例示したようにワイヤボンディングによりワイヤ４９が接続される。
【００１５】
次に、結露センサ及びヒータの原理について図２を参照して説明する。
結露センサは微小間隙ｇを介して配置され、電気的に互いに絶縁されている一対のセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２間に水分がトラップされ、基板６１の表面に水分層が形成されると、水分層を通してセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２間の絶縁抵抗値が低下することを利用するものであり、ヒータＤは幅狭とされて断面積が小とされたシリコンよりなる構造体に電流を流して抵抗発熱させるものである。
デバイスが結露する前兆としてデバイス表面に薄い水分層が形成される。水分層を通してセンサ構造体Ｃ１とＣ２との絶縁抵抗値が低下するが、この抵抗変化はデバイスに致命的な短絡や可動構造体の張り付きが生じる前の段階で発生するため、結露しそうな状況を予知でき、その場合ヒータＤによりデバイス及びデバイスが収容されているパッケージ内の雰囲気を加熱し、雰囲気温度を上げることにより結露を回避することができる。
【００１６】
上記のような構成とされた結露センサ及びヒータは他の構造体の形成と同一工程で形成される。図３−１及び３−２は図２に示した構造と対応させて作製工程を工程順に示したものであり、以下、各工程について説明する。
（１）単結晶シリコンよりなる基板６１上にシリコン酸化膜よりなる絶縁層６２を介して単結晶シリコン層よりなるデバイス層６３が配置されてなる三層構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板６０を用意し、熱酸化して酸化膜よりなるマスク層６４をデバイス層６３上に形成する。６５は基板６１の裏面に同時に形成された酸化膜を示す。
【００１７】
（２）マスク層６４をフォトリソグラフィ及びエッチングによってパターニングし、可動構造体Ａ、固定構造体Ｂ、センサ構造体Ｃ１，Ｃ２及びヒータＤ用の各マスク６６〜６９を形成する。
（３）デバイス層６３のマスク６６〜６９から露出している部分を絶縁層６２が露出するまでＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置を用い、深掘りの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって除去する。
（４）弗酸により絶縁層６２をエッチングする。可動構造体Ａ及び幅狭とされたヒータＤ下の絶縁層６２はサイドエッチングにより完全に除去される。また、固定構造体Ｂ及びセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２下の絶縁層６２はサイドエッチングにより若干えぐられた形状となる。なお、マスク６６〜６９及び裏面の酸化膜６５もエッチング除去され、可動構造体Ａ、固定構造体Ｂ、センサ構造体Ｃ１，Ｃ２及びヒータＤがデバイス層６３によって形成された構造が完成する。
【００１８】
（５）スパッタにより電極（図では電極４６，４７を例示）を形成する。なお、この例では基板６１の裏面にも電極５７がスパッタによって形成される。電極膜は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ膜とされる。
最後にワイヤ４９をボンディングし、図２に示した構成が完成する。
このように結露センサを構成するセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２及びヒータＤはデバイスを構成する可動構造体Ａ及び固定構造体Ｂと同一工程で作製されるため、追加工程が不要であり、よってコストアップを招くことはない。また、デバイス層６３によってこのような結露センサ及びヒータが形成され、それらがデバイスに内蔵された構造となるため、部品点数を削減でき、かつ小型化を図ることができる。
【００１９】
上述した例ではデバイス層６３によって形成されたセンサ構造体Ｃ１，Ｃ２によって結露センサが構成されているが、例えば一方のセンサ構造体Ｃ１と基板６１とによって結露センサを構成することもでき、つまりセンサ構造体Ｃ１と基板６１間の絶縁抵抗値の変化により結露を検出することもできる。
この場合、センサ構造体Ｃ１の回りにおいて、つまりデバイス層６３よりなる構造体が位置しない部分において基板６１表面が露出されているため、基板６１表面に水分層が形成されると、水分層を通してセンサ構造体Ｃ１、基板６１間の絶縁抵抗値が低下することになる。
【００２０】
なお、絶縁層６２の厚さは前述したように２μｍ程度であり、よってセンサ構造体Ｃ１と基板６１とで結露センサを構成した場合、前述の微小間隙ｇに相当する微小間隙は２μｍ程度となり、より狭い微小間隙を容易に得ることができ、結露に敏感で絶縁抵抗値の変化が大きい結露センサを構成することができる。
図４は上記のように結露センサ及びヒータを内蔵する光スイッチ（マイクロマシンデバイス）に対し、結露を判断し、ヒータを作動させるための構成をブロック図で示したものであり、図４中、７１は結露センサ、７２はヒータを示し、７３は電源、７４は結露判断部、７５は電流制御部を示す。
【００２１】
結露判断部７４は結露センサ７１の絶縁抵抗値の変化に基づき結露を判断し、電流制御部７５は結露判断部７４の判断によりヒータ７２に通電して発熱させる。なお、結露判断を一例として数値で示せば、絶縁抵抗値が１ｋΩ以下になったら結露直前と判断する。
図１及び図２に示した構成では結露センサ及びヒータが共にデバイス層によって形成され、光スイッチは結露センサ及びヒータを内蔵する構造となっているが、例えば結露センサのみ内蔵する構造としてもよい。
図５はこのように結露センサのみ内蔵し、ヒータを内蔵しない場合の構成例の概略を示したものであり、図５中、８１は結露センサを内蔵した光スイッチ、８２はヒータ、８３はパッケージを示す。パッケージ８３は本体８３ａと蓋８３ｂとによって構成されている。ヒータ８２は例えばニクロム線等を用い、通電により抵抗発熱する構造のものとされる。図５（１）中、８４は光ファイバを示す。なお、図５（２）では光ファイバの図示を省略している。
【００２２】
この例ではヒータ８２は光スイッチ８１と別体とされてパッケージ８３内に収容された構成となっており、このような構成を採用することもでき、これによっても結露を防止することができる。なお、ヒータ８２は例えばパッケージ８３の外面に設けることもできる。
以上、光スイッチを例に説明したが、マイクロマシンデバイスは光スイッチに限らず、他のデバイスであってもよく、各種マイクロマシンデバイスに本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明によるマイクロマシンデバイスの一実施例を示す平面図。
【図２】図１に示したマイクロマシンデバイスの断面構造を説明するための図。
【図３−１】この発明によるマイクロマシンデバイスの作製工程を説明するための図。
【図３−２】この発明によるマイクロマシンデバイスの作製工程を説明するための図。
【図４】結露センサの検出に基づき、ヒータを作動させるための構成を示すブロック図。
【図５】マイクロマシンデバイスとヒータを別体としてパッケージに収容した構成を説明するための図。
【図６】結露を防止するための従来構成例を示す斜視図。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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