(57)【要約】  光ビームを走査するＭＥＭＳ装置は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された、ミラー回転軸の周りにおいて最大の回転角まで回転運動を行うミラーを備える。ＭＥＭＳ装置は、バウンス現象を起こさせ、回転運動を逆転させるバウンス機構を備えていてもよい。バウンス現象により、ミラーは、本質的に非線形力によって駆動される区分線形応答を行う。特定の実施の形態においては、バウンス機構は、二重活性層ＳＯＩ基板内の同じ活性層に形成された垂直櫛歯駆動ステータを備え、アクチュエータ櫛歯駆動ステータは、他の活性層に形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを走査するＭＥＭＳ装置において、
ａ．ミラー回転軸の周りにおいて最大の回転角まで回転運動を行うミラーと、
ｂ．バウンス現象を起こし、上記回転運動を逆転させるバウンス機構とを備え、
上記バウンス機構は、少なくとも１つの第１の櫛歯駆動ステータを含み、
上記バウンス現象により、上記ミラーは、本質的に非線形力によって駆動される区分線形応答を行うことを特徴とするＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
基板に連結され、上記ミラーを駆動するアクチュエータを更に備える請求項１記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
上記アクチュエータは、上記第１の櫛歯駆動ステータの平面とは異なる平面に、少なくとも１つの第２の櫛歯駆動ステータを有する垂直櫛歯駆動アクチュエータを備えることを特徴とする請求項２記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
上記基板は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を含み、上記各第１の櫛歯駆動ステータは、上記各第２の櫛歯駆動ステータとは異なる活性層に形成されていることを特徴とする請求項２記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
上記垂直櫛歯駆動アクチュエータは、上記ミラーと同一平面上に配置され、該ミラーに固定された少なくとも１つのロータを備えることを特徴とする請求項３記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項６】
光ビームを走査するＭＥＭＳ装置において、
ミラー回転軸の周りにおいて最大傾斜角まで傾斜運動を行うミラーを備え、
当該ＭＥＭＳ装置は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成されているＭＥＭＳ装置。
【請求項７】
上記傾斜運動を起こさせる垂直櫛歯駆動アクチュエータを更に備える請求項６記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項８】
上記垂直櫛歯駆動アクチュエータは、１つの活性層に形成され、上記ミラーと同一平面上に配置され、該ミラーに固定された少なくとも１つのロータと、上記他の活性層に形成された少なくとも１つのステータとを備えることを特徴とする請求項７記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項９】
上記ミラーの背面を上記基板に接触させる少なくとも１対のスプリングを更に備える請求項７記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１０】
上記ミラー及び少なくとも１つのロータが形成される活性層は、上記二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の上部活性層であり、上記少なくとも１つのステータが形成される活性層は、該二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の底部活性層であることを特徴とする請求項８記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１１】
二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成され、該二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された垂直櫛歯ドライブによって駆動される傾斜マイクロミラー。
【請求項１２】
上記垂直櫛歯ドライブは、上記二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の１つの活性層に形成された少なくとも１つのロータと、該二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の他の活性層に形成された少なくとも１つのステータとを備えることを特徴とする請求項１１記載の傾斜マイクロミラー。
【請求項１３】
上記ミラーは、上記少なくとも１つのロータと同じ活性層に形成されていることを特徴とする請求項１２記載の傾斜マイクロミラー。
【請求項１４】
二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された反射素子によって反射された光ビームのパスを制御する光制御方法において、
ａ．上記二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを形成するステップと、
ｂ．上記少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを用いて、上記反射素子を傾斜させ、上記光ビームパスを制御するステップとを有する光制御方法。
【請求項１５】
上記二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを形成するステップは、
１．１つの活性層に、上記反射素子に固定された少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子を形成するステップと、
２．他の活性層に、少なくとも１つの固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップとを有し、
上記可動櫛歯ドライブ素子と上記固定櫛歯ドライブ素子は、静電気的に動作され、上記反射素子を傾斜させることを特徴とする請求項１４記載の光制御方法。
【請求項１６】
上記反射素子及び可動櫛歯ドライブ素子と同じ活性層に、少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップを更に有し、
上記少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子は、上記反射素子にバウンス現象を起こさせることを特徴とする請求項１５記載の光制御方法。
【請求項１７】
上記１つの活性層に、上記反射素子に固定された少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子を形成するステップは、
上記二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の上部活性層に、上記少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子、上記反射素子及び上記少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップを有することを特徴とする請求項１５記載の光制御方法。
【請求項１８】
第１及び第２の活性層及びハンドル層を有する二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された光ビームを走査するＭＥＭＳ装置において、
ａ．上記第１の活性層に形成されたマイクロミラーと、
ｂ．ロータと、第１のステータとを有し、上記マイクロミラーに傾斜運動を行わせる垂直櫛歯ドライブとを備え、
上記ロータは、上記第１の活性層に全体的に及び単独に形成され、上記第１のステータは、上記第２の活性層に全体的に及び単独に形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ装置。
【請求項１９】
上記ロータ及び上記第１のステータは、それぞれ、上記基板に形成されたロータ孔及びステータ孔に対するロータインタフェース及びステータインタフェースを有することを特徴とする請求項１８記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２０】
上記ロータ孔は、上記第２の活性層及びハンドル層を介して延び、上記ステータ孔は、上記ハンドル層を介して延びていることを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２１】
上記垂直櫛歯ドライブは、更に、上記第１の活性層に形成された第２のステータを有することを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２２】
上記ロータは、捻り部材を介して上記マイクロミラーに固定されており、該マイクロミラー及び該捻り部材は、それぞれ、上記第２の活性層及び上記ハンドル層を介して延びるマイクロミラー孔及び捻り部材孔に対するインタフェースを有することを特徴とする請求項１９記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２３】
第１及び第２の活性層及びハンドル層を含む二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に走査マイクロミラーを形成するミラー形成方法において、
ａ．上記第１の活性層にマイクロミラーを形成する工程と、
ｂ．ロータと、第１のステータとを備え、上記マイクロミラーに傾斜運動を行わせる垂直櫛歯ドライブを形成する工程とを有し、
上記ロータは、上記第１の活性層に全体的に及び単独に形成され、上記ステータは、上記第２の活性層に全体的に及び単独に形成されていることを特徴とするミラー形成方法。
【請求項２４】
上記ロータを第１の活性層に全体的に及び単独に形成する工程は、該ロータをバウンドさせる第２の活性層及びハンドル層部を除去することによって行われ、
上記ステータを第２の活性層に全体的に及び単独に形成する工程は、該ステータをバウンドさせるハンドル層部を除去することによって行われることを特徴とする請求項２３記載のミラー形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電子機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）又は微小光電子機械システム（Micro Opto Electro Mechanical Systems：ＭＯＥＭＳ）によって実現される走査マイクロミラーに関し、詳しくは、走査に用いられる傾斜マイクロミラー（tilting micro-mirror）に関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜マイクロミラーは、多くのＭＥＭＳデバイス又はＭＯＥＭＳデバイスの中心的な要素である。走査のために用いられる傾斜マイクロミラーの要素及び動作原理を図１に示す。傾斜マイクロミラー（以下、単に「ミラー」とも言う。）１００は、反射面１０４を有する概ね平坦なプレート（例えば、シリコンを材料とする。）１０２を備える。プレート１０２は、共通の捻り（傾斜）軸１０８に沿って揃えられた２つの捻りヒンジ１０６’、１０６”によって懸垂されている。これら２つの捻りヒンジ１０６’、１０６”により、軸１０８を中心に、所定の範囲の角度（通常±５°）で、ミラー１００を時計回り又は逆時計回りに傾けることができる。ミラー１００の反射面１０４に入射するレーザビーム１１０は、ミラー１００によって、被走査領域１１２に向け直される。傾斜ミラーは、周知のＭＥＭＳ駆動システムによって提供される動作モーメント１２０によって駆動される。
【０００３】
図２は、要求される走査ミラーの回転（すなわち「傾斜」）角の時間依存性、すなわち、被走査領域１１２に反射されるレーザビームが通過する走査パス２０２の要求される形状を示している。ボックス２０６に示すような１方向の走査には、鋸歯波信号２０４が必要であり、一方、ボックス２１０に示すような順逆両方向の走査には、三角波信号２０８が必要である。１＞２＞３＞４＞５＞６は、時間領域における走査を表している。この種のアプリケーションでは、空間歪み及び時間歪みがないイメージを生成する必要性から、走査マイクロミラーの動きに特定の要求が課される。この要求には、長期に亘る周波数安定性及び（小さな回転における）一定の角速度の維持が含まれる（「J.H. Lee et al, Sensors and Actuators A-Physical 96 (2-3) pp. 223-230, 2002」参照）。近年、この種のミラーは、仮想網膜ディスプレイにおいて実現されている（「T.M. Lippert et al, @Overview of Light Beam Scanning Technology for Automotive Projection Displays@, available at Micro vision Inc.(r), http://www.mvis.com/pdfs/sid_auto.pdf.」参照）。
【０００４】
また、傾斜ミラーは、通信システムにおける光スイッチ及び可変光減衰器、並びに投写技術における光処理装置にも使用されている。特定のアプリケーションによって課される要求に応じて、様々な設計及び動作モードが報告されている。例えば、光通信のアプリケーションでは、高い光学品質に組み合わされた長期の位置決め精度及び低熱感度が最も重要な課題である。一方、可視光のデジタル処理のための投写装置において用いられるマイクロミラーでは、高い反射性、短い切換時間、高い信頼性の要求を満たさなくてはならないが、位置決め問題の重要度は低い。
【０００５】
全てのマイクロミラーにおいて、線形動作が非常に望ましいが、これを実現することは困難である。これは、ＭＥＭＳアクチュエータによって生じる動作力の生来的な非線形性及び高レベルの不確実性に起因する。様々な超小型デバイス駆動原理及び技術が知られている。例えば、静電気、磁気、熱、ピエゾ、レーザ及び流動励起駆動、並びに形状記憶合金に基づく駆動等が知られている。これらのうち、静電駆動及び磁気駆動が最も広く使用されている技術である。磁気駆動の主な利点は、入力信号（電流）と駆動力との間の関係の線形性である。しかしながら、このような利点の代償として、磁気駆動技術は、消費電力が大きく、熱を生じやすく、設計が複雑であり、製造工程が比較的複雑である。更に、磁気アクチュエータのスケーリング則は、静電アクチュエータのスケーリング則に比べると劣っている。
【０００６】
網膜ディスプレイの走査アプリケーションにおいて必要とされる典型的なマイクロミラーのサイズ（数百ミクロンから数ミリメートルまで）及び必要な動作周波数（数十ｋＨｚ）を実現するためには、静電駆動技術を使用することが望ましい。静電駆動技術の更なる利点としては、静電デバイスの製造に用いることができる単純で安定したプロセス、低消費電力、既に開発されているモデリングツール、文献に開示されている様々な設計概念等が挙げられる。しかしながら、静電駆動技術には、静電力の本質的な非線形性という大きな課題がある。走査ミラーの場合、この非線形性の結果、傾斜角に関するアクチュエータの捻りモーメントの非線形依存性及び動作電圧に関する非線形（二次）依存性が生じる。更に、静電力の非線形性は、機械的弾性回復力の線形性と組み合わされて、プルインの不安定性を生じ、これにより、デバイスの動作範囲が制限される。
【０００７】
これらの問題を克服するために、これまで、様々な解決策が提案されている。具体的には、「W Zhang et al, Applied Physics Letters 82(1) pp. 130-132, 2003」では、寄生共振付近のマイクロ共振器の動作のために、入力信号の（電圧の）平方根を生成し、これを使用している。例えば、「JH Lee et al, Sensors and Actuators A-Physical 96 (2-3) pp. 223-230, 2002」、「H. Wada et al, Jpn.J. Appl.Phys.41 (10B) pp. 1169-1171, 2002」及び「H Schenk et al, Sensors and Actuators A-Physical 89 (1-2) pp. 104-111, 2001」等に開示されているように、垂直櫛歯ドライブを使用することにより、傾斜角に関する動作モーメント依存性を排除でき、及び電圧の平方根依存性を低減又は除去することができる。映像処理アプリケーションにおいて要求される三角波信号を生成するためには、非常に高い駆動電圧が必要であり、又は、磁気駆動の場合、非常に大きい電流が必要である。この問題は、動きの線形性には関連せず、速度の反転の間の高い角加速度に起因する。この問題を克服するために、「I. Bucher, in Proc. of 29th Israel Conference on Mechanical Engineering, May 12-13, 2003, Technion, Haifa, Israel」では、必要な三角波応答を正弦波成分のフーリエ級数として表し、共鳴周波数において各成分を励起する手法が開示されている。
【０００８】
このような解決策は、複雑性が高く、高精度で共鳴周波数を特定することが困難であり、したがって、製造公差による影響が大きく、共鳴周波数に調整することが特に困難であるといった問題点を有している。
【０００９】
したがって、高い動作周波数及び低い駆動電圧と組み合わせて、動作の線形性が最適化された走査マイクロミラーの実現が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、更なる剛性素子（本明細書では、「バウンサ（bouncer）」とも呼ぶ。）又は予め湾曲された非線形剛性素子を用いて、優れた走査性能を実現する傾斜「バウンスモード」マイクロミラーを開示する。更に、本発明は、軸を中心として、周期的な非線形角度軌道で、ペイロードを担う部材（例えば、ミラー）を動かす超小型機械アクチュエータを開示する。更に、本発明は、本質的に非線形力によって駆動されるマイクロミラーデバイスの区分線形応答の実現を可能にする新規な傾斜マイクロミラーの動作モードを開示する。一実施の形態においては、本発明に基づく「バウンスモード」の動作は、ミラーが所定の回転角に達するたびに生じる、ミラーと弾性の規制体（elastic constraint）との間の接触イベントを含む。この接触イベントに続いて、ミラーのバウンド及び角運動の反転が生じるため、この動作を「バウンスモード」と呼ぶ。他の実施の形態においては、「バウンスモード」は、一端がアクチュエータに連結され、他端がミラーに連結された予め湾曲された非線形剛性素子の動作によって実現される。本明細書では、平行板電極及びプレーナ形又は垂直櫛歯ドライブによって、静電的に動作されるバウンスモード走査マイクロミラーの具体例を詳細に開示する。なお、全ての実施の形態において、応答周波数は、駆動電圧の制御によって調整することができる。この特徴により、超小型デバイスのパラメータの不確実性を補償することができ、映像アプリケーションに十分な精度で応答周波数を同期させることができる。ミラーが電極に近付いた際（バウンサ及び平行平板駆動の具体例）の接触イベントの間の共振モード動作及び駆動力の印加により、非常に低い電力及び電圧による動作が可能になり、小型で低コストのアクチュエータを実現できる。更に、バウンス現象間のミラーの動きの間に補正電圧を印加することによって、線形性を改善できる。
【００１１】
本発明は、本質的には、非線形発振器、特に出力信号の形成のための衝突振動子と同様の手法で、バウンサ又は非線形剛性素子を使用する。バウシングを実現する衝突振動子は、非線形力学の分野で知られ、集中的に研究されているが、本明細書に開示する、本明細書に詳しく説明された目的でのバウンサ又は予め湾曲された非線形剛性素子の使用は、これまで知られていない。
【００１２】
本明細書に開示するバウンサを用いるバウンスモードにおいて、駆動力は、ミラー（受動バリア）に適用してもよく、バウンサ（能動バリア）に直接適用してもよい。なお、多くのＭＥＭＳアプリケーションにおいて、超小型デバイス構造は、機械的に線形であり、駆動力によってのみ非線形性が生じることが一般的である。例えば、走査ミラーの場合、捻り軸の剛性は一定である。この結果、バウンス現象間の期間の駆動力がない場合のミラーの動きは、実際に線形系の自由運動である。このような動きの角速度は、システムの初期の運動エネルギ及び位置エネルギを定義する初期状態及び捻りバネの剛性に依存する。運動エネルギがシステムの総エネルギの主要成分である場合、自由運動の間の速度の変化は小さく、望ましいレベルの線形性の運動が達成可能である。この状況は、捻りバネの剛性がバリアの剛性と比べて小さいときに実現可能である。
【００１３】
本発明が提供するデバイス及び方法の他の重要な利点としては、出力信号の周波数及び形状が受けるシステムパラメータの影響が小さく、周波数の制御性が高い点がある。これらの利点は、バリアの変形によって定義されるミラーの周波数が、部分的に、各バウンス現象の間に供給されるエネルギのレベルに依存することに起因する。自由運動の間の粘性損失及びシステムパラメータの不確実性は、駆動電圧を介して、エネルギ供給を制御することによって容易に補償することができる。なお、ミラーの共振周波数における不確実性は、深刻である場合があり、例えば、上述したH.Wadaらの文献には、算出された値と、測定された値との間に２５〜３０％の不一致があると報告されている。駆動電圧を用いて、固有振動数を調整することにより、応答周波数を長期に亘って安定化させ、ミラーの動きをビデオ入力に正確に同期させることができる。
【００１４】
本発明に係るＭＥＭＳ装置は、光ビームを走査するＭＥＭＳ装置において、ミラー回転軸の周りにおいて最大の回転角まで回転運動を行うミラーと、バウンス現象を引き起こし、回転運動を逆転させるバウンス機構とを備え、バウンス機構は、少なくとも１つの第１の櫛歯駆動ステータを含み、バウンス現象により、ミラーは、本質的に非線形力によって駆動される区分線形応答を行う。
【００１５】
ＭＥＭＳ装置は、更に、基板に連結され、ミラーを駆動するアクチュエータを更に備えていてもよい。
【００１６】
更なる特徴として、アクチュエータは、第１の櫛歯駆動ステータの平面とは異なる平面に、少なくとも１つの第２の櫛歯駆動ステータを有する垂直櫛歯駆動アクチュエータを備えていてもよい。
【００１７】
更なる特徴として、基板は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を含み、各第１の櫛歯駆動ステータは、各第２の櫛歯駆動ステータとは異なる活性層に形成されていてもよい。
【００１８】
更なる特徴として、垂直櫛歯駆動アクチュエータは、ミラーと同一平面上に配置され、ミラーに固定された少なくとも１つのロータを備えていてもよい。
【００１９】
また、本発明に係るＭＥＭＳ装置は、光ビームを走査するＭＥＭＳ装置において、ＭＥＭＳ装置は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成されている。
【００２０】
ＭＥＭＳ装置は、傾斜運動を起こさせる垂直櫛歯駆動アクチュエータを更に備えていてもよい。
【００２１】
更なる特徴として、垂直櫛歯駆動アクチュエータは、１つの活性層に形成され、ミラーと同一平面上に配置され、ミラーに固定された少なくとも１つのロータと、他の活性層に形成された少なくとも１つのステータとを備えていてもよい。
【００２２】
ＭＥＭＳ装置は、ミラーの背面を基板に接触させる少なくとも１対のスプリングを更に備えていてもよい。
【００２３】
更なる特徴として、ミラー及び少なくとも１つのロータが形成される活性層は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の上部活性層であり、少なくとも１つのステータが形成される活性層は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の底部活性層であってもよい。
【００２４】
本発明に係る傾斜マイクロミラーは、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成され、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された垂直櫛歯ドライブによって駆動される。
【００２５】
この傾斜マイクロミラーにおいて、垂直櫛歯ドライブは、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の１つの活性層に形成された少なくとも１つのロータと、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の他の活性層に形成された少なくとも１つのステータとを備えていてもよい。
【００２６】
更に、ミラーは、少なくとも１つのロータと同じ活性層に形成されていてもよい。
【００２７】
本発明に係る光制御方法は、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に形成された反射素子によって反射された光ビームのパスを制御する光制御方法において、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを形成するステップと、少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを用いて、反射素子を傾斜させ、光ビームパスを制御するステップとを有する。
【００２８】
二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に少なくとも１つの垂直櫛歯ドライブを形成するステップは、１つの活性層に、反射素子に固定された少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子を形成するステップと、他の活性層に、少なくとも１つの固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップとを有し、可動櫛歯ドライブ素子と固定櫛歯ドライブ素子は静電気的に動作され、反射素子を傾斜させる。
【００２９】
この光制御方法は、反射素子及び可動櫛歯ドライブ素子と同じ活性層に少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップを更に有し、少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子は、反射素子にバウンス現象を起こさせる。
【００３０】
更なる特徴として、１つの活性層に、反射素子に固定された少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子を形成するステップは、二重活性層シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の上部活性層に、少なくとも１つの可動櫛歯ドライブ素子、反射素子及び少なくとも１つの更なる固定櫛歯ドライブ素子を形成するステップを有していてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明は、更なる剛性素子（「バウンサ」）又は予め湾曲された非線形剛性素子を用いて、優れた走査性能を実現する傾斜バウンスモードマイクロミラー（tilting bouncing mode micro-mirror）を提供する。カンチレバー又はビーム等のバウンサは、線形の剛性を有する要素であるが、バウンサと、異なる剛性を有するシステム内の他の要素（特に、捻りバネ）とが協働する動作では、これらを組み合わせた「非線形剛性素子」とみなすことができることを発見し、これに注目した。バウンスモードは、特別な非線形駆動及び制御原理に基づく駆動動作モードを用いる。ミラーを駆動する「バウンスモード」アクチュエータは、自己励起モードで動作し、その動きは、実際には、リミットサイクルである。アクチュエータは、区分線形軌道でミラーを駆動する。この非線形駆動及び制御原理により、例えば、小型化、軽量化、低出力消費、低熱散逸、微細で正確なフィードバック制御性を有する高周波サイクル、準線形軌道インターバル、低音響雑音等を含む一組の望ましい特徴が実現される。本発明のバウンスモードを実現する非線形駆動及び制御を説明する理論及びシミュレーションは、２００４年３月、「スマートマテリアル及び構造（Smart Materials and Structures）」で発表されたブイ・クリロヴ（V. Krylov）及びディー・アイ・バーネア（D.I.Barnea）による「映像アプリケーションのためのバウンスモード静電駆動走査マイクロミラー（Bouncing mode electro-statically actuated scanning micro-mirror for video applications）」にも開示されており、この文献は、引用により本願に援用されるものとする。
【００３２】
本発明は、非線形共振器の特性の利用に基づくループ整形法を使用する。この手法により、ある波形（例えば、正弦波又は矩形波）の入力信号を他の必要な波形（例えば、三角波又は鋸歯波）の出力信号に成形することができる。
【００３３】
例えば、正弦波信号によって励起される一般的な非線形発振器の動作は、以下のような式で表すことができる。
【００３４】
【数１】
2008542849.tif 000003
【００３５】
この式は、非線形であるので、周期的な出力信号（存在すれば）は、正弦波ではなく、高調波を含む。
【００３６】
【数２】
2008542849.tif 000004
【００３７】
非線形性εｋのパラメータは、出力信号の波形を定義するパラメータ、すなわち、ａｋ、ｂｋが、必要な波形の出力信号をもたらすように選択することができる。また、システムの非線形性のため、共鳴周波数を調整することもできる。この種の変換器は、単一の要素に基づいているので、小型であるという利点を有する。歪みがないイメージを生成するためには、走査素子の角速度に特定の要求が課される。具体的には、角度時間依存性は、三角波又は鋸歯波に可能な限り近付ける必要がある。換言すれば、角速度は、区分定数であるべきである。角速度の反転、すなわち、各半周期の最後における符号の変更は、非常に高い角加速度を含む。傾斜デバイス（式を明瞭にするために、スプリングなしと考える。）の最も簡単な運動方程式は、以下の通りである。
【００３８】
【数３】
2008542849.tif 000005
【００３９】
ここで、θ（ｔ）は、傾斜角であり、ｔは、時間であり、Ｉは、慣性モーメントであり、Ｍ（ｔ）は、外部から適用された動作モーメントである。速度反転前の時刻をｔ１とし、速度反転後の時刻をｔ２として、時間間隔［ｔ１，ｔ２］をこの式に組み合わせると、以下の式が得られる。
【００４０】
【数４】
2008542849.tif 000006
【００４１】
角速度は、反転の前も後も一定であるので、角運動量の変化は、ｔ１及びｔ２に関して独立している。ΔＨ２＝−Ｈ１、ΔＨ＝２Ｈ１の場合、速度の反転は、エネルギ損失がない弾性バウンス現象とみなすことができる。｜Ｈ２｜＜｜Ｈ１｜ならば、速度の反転は、損失を伴い、塑性衝突とみなすことができる。なお、ここでは、周期運動を調べているので、バウンドは、弾性バウンドであるべきである。運動量の変化は、方程式の右辺に示す積分に等しい。この積分が運動量の変化に等しくなるようにモーメントが適用された場合、周期運動は、持続する。モーメントは、非常に短い期間（パルス的に）適用できる。この場合、モーメント自体は、大きくなくてはならない。これに代えて、より小さいモーメントを、より長い期間適用してもよい。モーメントの適用について許容できる最長期間、したがって、許容できる最小のモーメントは、システム要求に基づいて定まる。
【００４２】
有効な速度反転を実現するためには、モーメントの適用をミラーの動きに同期させる必要がある。最も簡単な位置制御が用いられる場合、ミラーが所定の角度に達すると、モーメントが適用される。この場合、制御モーメントは、角度の関数であり、時間の関数ではない。運動方程式は、以下の形式に書き換えることができる。
【００４３】
【数５】
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【００４４】
ここで、ｍ（ｔ）は、ミラーの動きを持続するために適用される動作モーメントであり、Ｍ（θ）は、制御モーメントである。この制御モーメントは、角度のみの関数であるので、事実上、ある角度の傾斜のみに付勢される非線形バネのモーメントとみなすことができる。この「バネ」の付勢は、機械的なバウンドと完全に類似する。唯一の違いは、ここで想定している具体例では、この「バネ」が、フィードバック制御機構を用いて実現されるという点だけである。短い「コンタクト」期間の間に高い動作モーメントを適用する能力がある場合にのみ、このスキームを実現することができる。
【００４５】
このバウンスモードアクチュエータの非常に特別なプロパティにより、電気的及び光学的な波形成形において、アクチュエータのペイロードに（入力信号によって）適用される動きが、新たな波形（例えば、正弦波から三角波又は鋸歯波に）及び周波数に変換される一組のアプリケーションが実現される。例示的なアプリケーションとしては、網膜走査入射（retinal scan-injection）による映像表示を実現するマイクロミラーの動きが含まれる。このミラーの動きは、標準のビデオストリームと、ディスプレイシステムをアクティブ化するシグナリングとの間の、比較的簡単な電子インタフェースを実現する。他のアプリケーションとしては、例えば、単一の要素による様々な信号の生成のために用いられるＲＦデバイスがある。
【００４６】
以下では、例示的なアクチュエータとして、静電傾斜アクチュエータを用いた具体例を説明する。本明細書に開示する静電傾斜マイクロミラーは、レーザディスプレイへの応用に求められる動きの線形性、高い動作周波数及び低い駆動電圧の要求を満たす。なお、ここで説明する静電駆動は、熱駆動、磁気駆動、圧電式駆動等の他の駆動法に置き換えてもよい。
【００４７】
図３は、平行平板静電アクチュエータ（parallel plate electrostatic actuator）を用いた、従来の傾斜ミラーデバイス３００を図式的に示している。傾斜ミラーデバイス３００は、ミラー３０２を備え、ミラー３０２は、ミラー３０２の下に位置している基板３０８上の２つの平行平板電極の３０６ａ、３０６ｂから距離ｄを空けて、捻り軸３０４によって懸垂されている。捻り軸３０４を軸とするミラーの回転のため、例えば、電極３０６ｂとの接触角の近くの回転角では、ミラーエッジ３１０と、電極３０６ｂとの間の距離ｄ’は、初期の距離ｄより遙かに短くなる。カンチレバー、二端固定ビーム（double edge clamped beam）等の形式で、少なくとも１対の更なる剛性素子（バウンサ）をこのデバイスに組み込んだ状態を図１４に示す。
【００４８】
図４〜図１３は、本発明を概念的に説明する図である。一方、図１４〜図１９及び図２２は、例えば、シリコン又はシリコンオンインシュレータ（silicon on insulator：ＳＯＩ）ＭＥＭＳプロセスに適用できる、本発明に基づく特定のＭＥＭＳ形状及び設計を図示している。また、図２０及び図２１は、本発明のバウンスモードマイクロミラーデバイスの好ましい実施の形態を製造するために用いられるシリコンＭＥＭＳプロセスの手順を図式的に示している。
【００４９】
図４は、本発明に基づくバウンスモードマイクロミラーデバイス４００（以下、デバイス４００とも言う。）の概念及びその動作原理を図式的に示している。デバイス４００は、状態（ａ）において、基礎平面４０６上で捻り（傾斜）軸４０４によって懸垂されたミラー４０２を備える。動作により、ミラー４０２は、軸４０４を軸に傾斜角θ傾く（回転する）。本発明に基づくデバイス４００は、従来の傾斜ミラーとは異なり、傾斜角θが所定の接触傾斜角θｃより大きくなると、ミラーに接触する、少なくとも１対の非線形剛性素子（例えば、カンチレバー、ビーム又はスプリングからなる弾性の「バウンサ」又は図１２及び図１８で例示的に示す予め湾曲された非線形剛性素子）４０８’、４０８”を備える。以下、図４〜図１１を参照して、特に、バウンサについて説明する。バウンサは、対として、好ましくは（必須ではないが）、傾斜軸４０４を中心に（両端が）対称的に配設される。図４に示すように、非線形剛性素子４０８’、４０８”は、ミラー（状態ｂ）に接触すると、捻り剛性（torsion stiffness）を高め、ミラーの動きを反転させる。非線形剛性素子（特定の材料、例えば、シリコンから形成される。）は、例えば、周知の規則を用いて、適用された駆動力に応じて、特定の特徴（バウンス現象）を実現するように、設計及び最適化できる。
【００５０】
図５は、図４のデバイスにおける傾斜角θに関する捻り剛性（モーメント）Ｍの依存性を図式的に示している。捻り剛性は、捻り軸４０４の剛性と、傾斜角θにおけるバウンサ４０８’又は４０８”の更なる剛性とを成分とする。ミラーがバウンサに接触すると、すなわち、θ＞θｃとなると、剛性（Ｍ対θ曲線の傾きによって定義される）は、大幅に増加する。これにより、三角波信号の生成に必要な飽和型の剛性非線形性が実現する。
【００５１】
図６は、図３のデバイスにおけるバウンスモードミラーの動きのステージ（傾斜角θ対時間ｔを示す曲線５０２として表現される）を図式的に示している。曲線５０２は、リリース時間ＴＲＥＬによって定義されるポイントＡ、Ｂ間の速い第１のステージと、時間ＴＳＬＯＷによって定義されるポイントＢ、Ｃ間の遅い第２のステージと、時間ＴＬＯＡＤによって定義されるポイントＣ、Ｄ間の速い第３のステージの３つのステージを含む。遅いステージの間（ミラーがバウンサに接触していない間）、ミラーは、バウンサと、アクチュエータによって適用されるエネルギとによって決定する略一定の角速度で回転する。変形したバウンサに保存された歪みエネルギは、ミラーの運動エネルギに変換される。速いステージの間（すなわち、θ＞±θｃの間）、ミラーは、バウンサに接触し、ミラーの運動エネルギは、バウンサの歪みエネルギに変換される。バウンサの剛性は、捻り軸の剛性より遙かに大きいのでバウンサの変形に対応する更なる角度θＭＡＸ−θＣは、ミラーの総傾斜角θＭＡＸより遙かに小さい。
【００５２】
要約すれば、上述したクリロヴ及びバーネアの文献にも説明されている、図４〜図６に示すバウンスモードミラーの動作モードは、ミラーと、弾性の規制体との間の接触イベントと、これに続くバウンス現象及び動きの反転を含む。図５に示すように、システムの剛性は角依存性を有する。
【００５３】
図７ａは、シミュレーションによって得られたバウンスモードミラーの動きのタイムチャート（傾斜角θ対時間ｔ依存性）である。このシミュレーションの詳細は、クリロヴ及びバーネアの文献にも開示されている。このシミュレーションでは、Ｖの符号が付された区分的な時間的に不変の電圧駆動信号（点線）を電極に供給し、この結果（実線）は、三角形の角度時間依存性を示している。角速度は、実際に一定である。図７ｂの左側のグラフは、バウンサの変形に関するミラーωの固有振動数の依存性を示している。周波数は、ある値から開始されるバウンサ変形の一次関数である。このプロパティは、ミラー周波数の制御に非常に有用であり、非常に広い範囲でのミラー固有振動数の調整を可能にする。図７ｂの右側の「応答周波数対電圧」グラフに示すように、電圧制御によって、応答共鳴周波数を調整できる。印加電圧の制御を介する共鳴周波数の調整によって、超小型デバイスの応答をビデオ信号に同期させることができる。
【００５４】
図７ａに示す応答の「質」、すなわち、時間的な回転角の線形性は、弾性バウンサの剛性ＭＢと、ミラーの捻り軸の剛性ＭＴＡとの間の比率ＭＢ／ＭＴＡによって定義される。この比率は、バウンサの剛性を高めるか、これに代えて、捻り軸の剛性を低めることによって大きくすることができる。ミラーの固有振動数は、主に、弾性のバウンサの変形、及びこの結果、駆動電圧によって定義され、実際に捻り軸の剛性ＭＴＡから独立している。これは、ＭＴＡを最小限に低減する必要があることを意味する。この低減は、設計によって実現され、軸の最小面外剛性の要求によってのみ制限される。
【００５５】
図８は、得られた動作モーメントＭＡのタイムチャートを示している。ミラーの端部が電極に近接することによって、動作モーメントが増加する。十分大きな静電引力を用いて、バウンサを変形させ、速度を反転させる。バウンサに保存された弾性エネルギは、ミラーに作用する反発力に変換される。近接性モードで作用する更なる剛性素子と、平行平板電極との組合せによって、静電アクチュエータ内で非常に大きな反発力を生じさせることができる。
【００５６】
図９は、本発明に基づくバウンスモードマイクロミラーデバイス９００の更に他の実施の形態を図式的に示している。図９では、少なくとも１対のバウンサ９０２’、９０２”が、基板９０６ではなく、ミラー９０４に取り付けられている。バウンサ９０２は、基板に取り付けられた不動のバウンサ４０８（図４）とは対照的に、可動である。この構成の利点は、ミラーと同じ層（例えば、ＳＯＩ基板のアクティブＳｉ層）にバウンサ９０２を形成できるため、製造工程が簡単であるという点である。図４の（ａ）は、バウンサを介して基板に接触する前のミラーを示しており、（ｂ）は、バウンサを介して基板に接触したミラーを示している。
【００５７】
図１０は、バウンスモードマイクロミラーデバイス１０００の更に他の実施の形態を図式的に示している。この構成は、デバイスが、（第１の対に比べて）「より柔らかい」少なくとも更なる１対のバウンサ１００２’、１００２”を備えている点を除いて、図４の構成と同様である。もちろん、「少なくとも１つの更なる対」の定義にには、剛性が異なるバウンサの更に多くの対が含まれる。バウンサ１００２’、１００２”は、信頼性を向上させ、衝撃を緩和するためにコンタクト速度を制御するように作用する。図１０の右側には、この構成における、図４と同様の剛性角度依存性のグラフを示している。このグラフに示すように、「遅い」セクションの傾斜と、２つの「速い」セクションの傾斜との中間に、２つのセクション１００４、１００６が追加される。これらのセクションは、衝突速度が低められたことを示している。
【００５８】
図１１は、少なくとも２つのアクティブな、個別に変形可能なバウンサ１１０２を備えるバウンスモードマイクロミラーデバイス１１００の更に他の実施の形態を図式的に示している。アクティブなバウンサ１１０２は、ミラーによってではなく、更なる力ＰＡによって変形し、更なる力ＰＡは、ミラーの動きの如何にかかわらず、バウンサに直接適用される（ステージ（ａ）、θ＜θｃ）。これにより、非対称の鋸歯波信号を提供するために、バウンサにより大きいエネルギを保存することができ、及び弾み変形のためにミラーの運動エネルギが要求されなくなるので、衝突速度をゼロにまで減少させることができる。θ＞θｃとなるステージ（ｂ）では、事前に変形されたバウンサがミラーにエネルギを伝達する。
【００５９】
図１２は、本発明のバウンスモードマイクロミラーデバイスにおいて好適に用いることができる、２つの端部１２０２、１２０４を有する概念的な予め湾曲された非線形剛性素子（例えば、ビーム、ストリング等）１２００を図式的に示している。本発明において、「予め湾曲された」要素とは、無限ではない曲率半径を有する少なくとも１つの部分を含む要素である。素子１２００は、元の（応力が加えられていない）予め湾曲された状態で、２つの端部間の距離がＬ０となるように予め湾曲されている。そして、開始値Ｐ１を有する力Ｐを端部１２０２、１２０４に適用する。力Ｐの値がＰ２に達すると、長さＬ０が延び、ΔＬだけ長くなる。図１２ｂは、適用された力Ｐと、素子１２００の伸びＬΔとの間の依存性を示している。力に対する伸びの依存性は、非常に非線形的であり、素子１２００の初期形状の関数である。要素を完全に真っすぐにするためには、理論的に無限の力を適用する必要がある。この高い非線形性のため、この要素の特徴は、理想的なバウンサの特徴に近い。本発明の予め湾曲された要素の寸法は、適用された力に対して特定の特徴（バウンス現象）を実現するように設計及び最適化することができる。図１５〜図１７は、素子１２００を非線形剛性素子として実装するシステムを示している。
【００６０】
図１３ａ及び図１３ｂは、それぞれ、本発明に基づく、平行平板により動作される、ミラーに連結されたバウンサを備えるバウンスモードミラーデバイス１３００（以下、デバイス１３００とも言う。）の実施の形態の斜視図及び平面図を示している。この実施の形態は、図９に示す概念を具体化したものである。デバイス１３００は、ＸＹ平面に位置し、２つの捻り棒１３０４’、１３０４”によって基板１３０６に連結されたミラー１３０２を備える。ミラー１３０２は、（例えば、金属蒸着によって）導電性を有するように形成され、これにより、（鏡面の下に、鏡面から離れて）下側のＸＹ平面に位置している２つの電極１３０８’、１３０８”の１つによって、−Ｚ方向に引きつけられる。デバイス１３００は、更に、捻り棒１３０４に固定された（実際には、捻り棒１３０４と同じ層の一部であることが望ましい。）少なくとも１対のスプリングビーム１３１０’、１３１０”を備える。スプリングビーム１３１０’、１３１０”は、非線形衝突剛性スプリングとして機能する。デバイス１３００は、更に、ミラーが捻り棒１３０４を軸に回転し、スプリングビーム１３１０に接触すると、ミラーの動きを止める少なくとも１対のストッパ１３１２’、１３１２”を備える。本質的には、この実施の形態のバウンサは、片端がミラー（又はミラーの捻り棒）に連結され、他端が自由であるビームである。ビームは、ストッパに接触して屈曲し、エネルギを蓄え、最終的にミラー回転を反転させ、ミラーを弾き戻す。（捻り棒に連結される）バウンサの位置は、ミラーの回転角を大きくするように最適化してもよい。スプリングビーム１３１０とストッパ１３１２との接触部分の拡大図を図１３ｃ及び図１３ｄに示す。図１３ｃは、ストッパに接触していないスプリングビームを示している。図１３ｄは、ストッパ１３１２’に接触しているスプリングビームを示している。図１３ｄでは、図を明瞭にするために、接触の際のビームの屈曲を強調して示している。
【００６１】
図１４ａは、基板１４０６に連結され、平行平板静電アクチュエータによって駆動される少なくとも１対のバウンサ（スプリングビーム）１４１２を備えるミラーデバイス１４００の実施の形態の平面図を示しており、図１４ｂ及び図１４ｃは、それぞれ、図１４ａの線Ａ−Ａの断面の斜視図を示している。この実施の形態は、図４又は図１０に示した概念を具体化している。なお、図１４ｂ及び図１４ｃでは、１対のスプリングビームのみを示しているが、図１４ａに例示的に示しているように、基板１４０６の各側に、異なる剛性を有する２つ以上の（対の）スプリングを取り付けてもよいことは明らかである。ミラーデバイス１４００は、少なくとも１対の捻りビーム１４０４を介して基板１４０６に連結され、下側のＸＹ平面層に配設された２つの電極１４１０ａ、１４１０ｂの１つによって、−Ｚ（図面の奥）方向に引きつけられるミラー１４０２を備える。ミラーは、電極レベル（平面）において、基板１４０６に固定された少なくとも１つのスプリングビーム１４１２に端部が接触するまで回転する。２つ以上のビームを用いる場合、各ビームは、異なる弾性特性を有していてもよく、例えば、図１４ａに示すように、同じ断面積及び異なる長さを有していてもよい。ミラーは、スプリングを曲げ、回復する。換言すれば、この実施の形態では、屈曲ビームは、ミラーではなく、基板の一端に取り付けられている。図１４ｃでは、スプリングの屈曲を強調して示している。
【００６２】
図１５ａ及び図１５ｂは、それぞれ、予め湾曲された非線形剛性素子を有する回転平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーデバイス１５００（以下、デバイス１５００とも言う。）の実施の形態の平面図及び斜視図である。この実施の形態では、図１２及び図１８ａに示す予め湾曲されたＣ字状の要素を用いる。デバイス１５００は、この場合、矩形のミラー１５０２を備えているが、ミラー１５０２の形状は、包括的に言えば、左右対称の如何なる形状（例えば、丸）であってもよい。ミラー１５０２は、ＸＹ平面に位置し、共通の捻り軸１５０５に沿ってアラインされ、それぞれ、基板１５０８上の台（又は、「パッド」）１５０７に連結された２つの捻り棒１５０４’、１５０４”に接続されている。図１５ｃのセクションＡ−Ａの断面図に示すように、デバイス１５００は、更に、上面からオフセットｂ離間してミラーの下方に位置する２対の「オフセット」ビーム１５１０ａ、１５１０ｄ及び１５１０ｂ、１５１０ｃを備える。オフセットビーム１５１０ａ、１５１０ｄ及び１５１０ｂ、１５１０ｃは、それぞれ、少なくとも１対（この具体例では、２対）の、好ましくは、Ｃ字状のスプリングビーム１５１２ａ、１５１２ｄ及び１５１２ｂ、１５１２ｃを介して、基板１５０８に連結されている。デバイス１５００は、ミラーの下に配設された２つの電極１５２０ａ、１５２０ｂを更に備える。なお、原理的には、少なくとも１対のＣ字状の（より包括的に言えば、「予め湾曲された」）ビームは、１５１２ａ及び１５１２ｃ、１５１２ｂ及び１５１２ｄ、１５１２ａ及び１５１２ｄ又は１５１２ｂ及び１５１２ｃのみであってもよい。図１５ｄは、静電力による変形の前のＣ字状のビームを示すセクションＡ−Ａの断面図であり、図１５ｅは、変形の後の断面図である。
【００６３】
ミラー及び電極１５２０の１つが帯電すると、（偏心距離ｂを有する）スプリングビーム１５１２上の引力がモーメントを生じ、捻り棒１５０４及び共通の軸１５０５を軸として、反対の方向にミラーを回転させる。Ｃ字状のスプリングビームは、直線化のために、「バウンス現象」を引き起こすために必要な剛性的な非線形の特性を有する。なお、Ｃ字状スプリングは、例示的に示したに過ぎず、本明細書に開示した目的のために、例えば、Ｖ字状、Ｓ字状又はＺ字状の他の予め湾曲された非線形剛性素子を用いてもよい。
【００６４】
図１６ａ及び図１６ｂは、それぞれ、プレーナ形櫛歯ドライブによって駆動される予め湾曲された非線形剛性駆動素子を備えるプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイス１６００（以下、デバイス１６００とも言う。）の実施の形態の平面図及び斜視図である。デバイス１６００は、それぞれ図１５の要素１５０２、１５１０と同じ１６０２、１６１０を備える。詳しくは、デバイス１６００は、ミラー１６０２と、２つの捻り棒１６０４’、１６０４”と、台１６０６’、１６０６”と、基板１６０８と、上面からオフセットｂ離間してミラーの下方に位置する２対の短い「オフセット」ビーム１６１０ａ、１６１０ｄ及び１６１０ｂ、１６１０ｃとを備える（図１６ｂ）。オフセットビーム１６１０ａ、１６１０ｄ及び１６１０ｂ、１６１０ｃは、２対の、好ましくはＣ字状のスプリングビームの１６１２ａ、１６１２ｄ及び１６１２ｂ、１６１２ｃを介して、パッド１６２２上の保持ビームスプリング１６２０を介する基板１６０８への接続によってＹ方向に自由度を有する２つのプレーナ形櫛歯ドライブロータ１６１４ａ、１６１４ｂにそれぞれ連結されている。
【００６５】
導電体１６３０ａ、１６３２ａを介して、歯１６２０ａを有する櫛歯駆動ステータ１６２４ａと、歯１６１６ａを有する櫛歯ドライブロータ１６１４ａとが帯電すると、（偏心距離ｂを有する）偏心引力により、ミラー１６０２に、捻り棒１６０４を軸とする逆時計回りのモーメントが生じる。同様に、櫛歯駆動ステータ１６１８ｂ及び櫛歯ドライブロータ１６１４ｂは、ミラーに時計回りのモーメントを生じさせる。Ｃ字状スプリングビームは、櫛歯ドライブが引き起こした動きをミラーの線形運動に変換する（バウンス現象）ように設計された非線形剛性を有する。なお、Ｃ字状スプリングは、例示的に示したに過ぎず、本明細書に開示した目的のために、例えば、Ｖ字状、Ｓ字状又はＺ字状の他の形状の非線形剛性素子を用いてもよい。
【００６６】
図１７は、面内に予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイス１７００（以下、デバイス１７００とも言う。）の他の実施の形態を示している。詳しくは、図１７ａは、デバイス全体を示しており、図１７ｂは、Ｘ方向の引力から生じるＹ方向のベクトル力を示している。図１７ｃは、図１７ｂに関して説明した形状によって加えられる力と、捻り軸に対するこの力の偏心ｂとによって、捻り軸を軸とする回転モーメントが生じることを示している。デバイス１７００は、ＸＹ平面に位置し、共通の捻り軸に沿ってＸ方向にアラインされた２つの捻り棒１７０４’、１７０４”によって基板１７１０に連結されたミラー１７０２を備える。ミラー１７０２は、ドライバ１７３０ａ、１７３０ｂによって、曲がったビーム１７０６ａ、１７０６ｂの対を介して（それぞれ力１７０８ａ、１７０８ｂによって）、又はドライバ１７３０ｃ、１７３０ｄによって、曲がったビーム１７０６ｃ、１７０６ｄの対を介して（それぞれ、力１７０８ｃ、１７０８ｄによって）、Ｘ（及び−Ｘ）方向に引かれる。ビーム１７０６は、上述のように引かれると、偏心距離「ａ」を有する曲がったステップ形状（図１８の１８０２ｂ参照）の非線形剛性素子（ビーム）との結合動作を実現する。この偏心性により、垂直力ベクトル作用が生じる。更に、曲がったビームの反対の対を引くことにより、ＸＹ平面に、引張力ベクトル（例えば、１７０８ｂｘ）に垂直な力（例えば、１７０８ｂｙ）が生じる。換言すれば、Ｙ方向の力ベクトルは、Ｚ方向において、回転軸１７０４に対して距離「ｂ」だけ偏心しており、回転軸１７０４を軸とする捻りモーメントを生じる。
【００６７】
ドライバ（例えば、１７３０ａ）は、ステータ１７５０によって引かれるロータ１７３２を含む。ロータ１７３２は、キャリアビーム１７３４に固定され、Ｘ方向に自由度を有する。キャリアビーム１７３４は、パッド１７３８を介して基板１７１０に接続された４ビーム可撓部材１７３６に接続されている。ロータ１７３２及びステータ１７５０は、それぞれ、導体１７４２、１７５２によって荷電される。
【００６８】
図１８は、図１５、図１６及び１７の実施の形態で用いることができる非線形剛性ビームの様々な形状を示している。これらの形状には（以下に限定されるものではないが）、図１８の（ａ）に示すＣ字状ビーム１８０２、図１８の（ｂ）に示すＳ字状ビーム１８０４、図１８の（ｃ）に示すＶ字状ビーム１８０６、図１８の（ｄ）に示すＺ字状ビーム１８０８等が含まれる。このような各ビームにおいて、力の印加（矢印で示す。）により、ビームの湾曲及び形状が状態ａ’から状態ｂ’に変化する（ここでは、Ｃ字状の形状１８０２ａ’、１８０２ａ”及びＳ字状の形状１８０４ａ’、１８０４ａ”のみを示している）。
【００６９】
図１９は、垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイス１９００（以下、デバイス１９００とも言う。）の実施の形態を示している。詳しくは、図１９ａは、斜視図を示し、図１９ｂは、図１９ａの一部を拡大して示している。デバイス１９００は、ミラー１９０２を備え、ミラー１９０２は、捻りバネ（軸）１９０４を介して、ミラー１９０２が形成された層１９０６に連結されている。ミラー１９０２は、それぞれ歯１９１０によって櫛歯ドライブロータを形成する４本のアーム１９０８ａ〜１９０８ｄを備える。このデバイス１９００は、更に、ステータ櫛歯ドライブ１９１４ａ〜１９１４ｄを備える。ここでは、図を明瞭にするために、セットｄのみを図１９ｂに示している。実際の動作では、各ステータの１９１４ａ、１９１４ｂ上の導電パッド１９２５ａ、１９２５ｂを介して、櫛歯ドライブロータアーム１９０８ａ、１９０８ｂをアクティブ化することによって、ミラー１９０２が捻り軸１９０４を軸に回転する。回転方向を反転させる際は、ステータ１９１４ｃ、１９１４ｄ上の導電パッド１９２５ｃ、１９２５ｄによって、櫛歯ドライブロータアーム１９０８ｃ、１９０８ｄがアクティブ化される。ロータ自体は、導電パッド１９２７を介して荷電される。デバイス１９００は、更に、それぞれがロータアーム１９０８ａ、ｂに接続された（及びこのロータアーム１９０８ａ、ｂを介してミラー１９０２に接続された）１対のバウシングスプリングビーム１９１６ａ、ｂを備える。バウンシングスプリングの更なる対（例えば、１９１６ｃ、ｄ）をロータアーム１９０８ｃ、ｄに接続してもよい。ミラー１９０２が捻り軸１９０４を軸に回転すると、回転の最後に、ビーム１９１６は、ストッパ（図示していないが、例えば、ハンドル層上に配設されている）に接触し、バウンス現象を引き起こす。この実施の形態における動作及びバウンス現象は、原理的には、図１３の実施の形態と同様である。ミラーは、実質的にリリースホール１９２９上に位置している。
【００７０】
図１９ｃ〜図１９ｄは、本発明に基づく垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示している。この実施の形態は、一方がバウンス機構として機能する２組の固定（ステータ）櫛歯（ステータ）を用いる。図１９ｃは、底部デバイス層内に位置しているステータの固定櫛歯１９５２の第１の組を有するマイクロミラーデバイス１９５０を示している（後述する図２０の「第２の活性層」２００６参照）。ステータの固定櫛歯１９５４の第２の組は、上位のデバイス層内に形成されている（後述する図２０の「第１の活性層」２００２参照）。ロータの可動櫛歯１９５６は、第２のステータの固定櫛歯１９５４及びミラー１９５８と同じ平面（第１の活性層）に形成されている。
【００７１】
図１９ｄ及び図１９ｅに示すように、ステータの固定櫛歯１９５２によってミラー１９５８に適用される静電力（モーメント）は、最大限の角度（例えば、１０°）までミラー１９５８を傾ける。ミラー１９５８が最大の角度位置にある場合、ミラー１９５８に取り付けられたロータの可動櫛歯１９５６は、底部層の固定櫛歯１９５２（図１９ｄの右側）の領域内に位置する。ミラー軸１９６０の反対側では、可動櫛歯は、上位のデバイス層（すなわち、ステータの固定櫛歯１９５４）より上又は上位のデバイス層に重なる位置に浮上する（図１９ｄの左側参照）。このとき、上位のデバイス層にエッチングされた固定櫛歯１９５４の更なる組は、バウンス機構として機能し、すなわち、ミラーが最大の角度位置にあるとき、ミラーの傾斜の反対方向にモーメントを適用できる。このモーメントは、三角波信号の実現に必要なミラーの高い角加速度を生じる。周知の垂直櫛歯駆動の構成では、ミラーが最大の角度位置にある場合、櫛歯は、櫛歯領域から遠く離れ、反対の方向へのモーメントの適用には、非常に高い電圧が必要であった。一方、本発明では、「二重活性層ステータ」構造により、線形領域における完全な動きに貢献する必要な「バウンス現象」をミラーに提供する。
【００７２】
製造手順
マイクロミラーは、互いに接着又は溶着された２個のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ、通常のＳｉウエハに接着又は溶着されたＳＯＩウエハ又は特別な二重活性層ＳＯＩウエハを用いて製造できる。二重活性層ＳＯＩウエハを用いるバウンスモード傾斜マイクロミラーの例示的な製造工程を図２０に示す。
【００７３】
本発明では、精密な製造プロセスのために、ウエハの貼合せを必要としない「二重活性層」ＳＯＩウエハを用いる。図２１に示すように、背面エッチングは、初期ハードマスクエッチングにアラインされる。処理ステップ及び層間のアラインメントを正確に行う程、最終的なデバイスの精度が高くなる。
【００７４】
図２０は、処理前の初期の二重活性層ＳＯＩウエハを示している。図２０には、第１の活性層２００２、第１の犠牲層２００４、第２の活性層２００６、第２の犠牲層２００８、シリコン基板２０１０及び第３の犠牲層２０１２を示している。第３の犠牲層２０１２は、ミラー及びアクチュエータの下方で取り除かれる領域をパターン化するために使用される。３個の半導体層、すなわち第１の活性層２００２、第２の活性層２００６及びシリコン基板２０１０は、犠牲材料（シリコン酸化物）層によって、互いに電気的に絶縁されている。第１の犠牲層２００４は、第１の活性層と第２の活性層との間に挟まれており、第２の犠牲層２００８は、第２の活性層と基板との間に挟まれている。各活性層の厚さは、数ミクロン〜数十ミクロンである。
【００７５】
図２１（ステップａ〜ｘ）は、図２０に示すウエハ構造を用いて、バウンスモード静電傾斜マイクロミラーを製造するためのプロセスの詳細を示している。プロセスは、ステップ（ａ）から開始され、ここで、ブランク金属層（blank metal layer）２１０２を蒸着する。そして、ステップ（ｂ）において、フォトレジストマスク２１０４を用いて金属層をパターン化し、ステップ（ｃ）において、ウェットエッチングにより、静電アクチュエータのロータフィンガのためのミラー金属２１０６及び電気接点パッド２１０８を形成する。ステップ（ｄ）では、ウエハの上面の金属層上に減圧化学蒸着（low-pressure chemical vapor deposition：ＬＰＣＶＤ）二酸化シリコン層２１１０を蒸着させる。この酸化層は、金属を保護するため、及びシリコン活性層のためのハードマスクを形成するための両方の目的で使用される。次に、ステップ（ｅ）において、酸化層をパターン化し、エッチングする。ステップ（ｆ）では、ウエハの上下を逆にし、背面のフォトレジスト層２１１２をパターン化し、ステップ（ｅ）のパターンにアラインさせる。ステップ（ｇ）では、反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）によって第３の犠牲層をエッチングし、ステップ（ｈ）では、フォトレジストを除去し、新たなフォトレジストの層２１１４を蒸着させ、パターン化する。ステップ（ｉ）では、先にパターン化されたフォトレジストを用いて、もう一度第３の犠牲層をエッチングする。次に、ステップ（ｊ）において、深掘り反応性イオンエッチング（deep reactive ion etching：ＤＲＩＥ）プロセスによって、基板を、通常、５０ミクロンの深さにエッチングする。ステップ（ｋ）では、背面フォトレジストを除去し、ステップ（ｌ）では、更なるフォトレジスト層２１１６を形成する。ステップ（ｍ）では、フォトレジスト層２１１６をパターン化し、ステップ（ｎ）では、第２の犠牲層に達するまで、ＤＲＩＥを用いて、基板をエッチングする。ステップ（ｏ）では、ＲＩＥによって、第２の犠牲層をエッチングし、ステップ（ｐ）では、第２及び第３の犠牲層の両方に達するまで、ＤＲＩＥを行う。ステップ（ｑ）では、再びウエハの上下を逆にし、ここで、任意ではあるが、ウエハをキャリアウエハ２１３０上に載置してもよい。また、ステップ（ｐ）、（ｑ）で形成されるバックエッチング領域２１３２により、ミラーの動きが可能になる。ステップ（ｒ）では、フォトレジスト層２１４０を上面側で回転させ、ステップ（ｓ）において、パターン化する。そして、ステップ（ｔ）では、第２の犠牲層に達するまで、ＤＲＩＥによって、第１の活性層をエッチングする。ステップ（ｕ）では、ＲＩＥにより、第２の犠牲層をエッチングする。ステップ（ｖ）では、ＤＲＩＥを用いて、約半分まで、すなわち、通常２５ミクロンの深さまで、第２の活性層をエッチングする。この時点でフォトレジスト層２１４０を除去し、ステップ（ｗ）に示すように、ＤＲＩＥを用いて、第１及び第２の犠牲層に達するまで、マスクされてない部分をエッチングする。最後のステップであるステップ（ｘ）では、ウエハの背面からキャリアウエハを取り除き、ウエハをダイスカットし、フッ化水素酸（ＨＦ）エッチングにより、蒸着されたＬＰＣＶＤハードマス��と共に犠牲層をエッチングする。この時点で、ロータフィンガ２１４２、バウンサスプリング２１４４、ステータフィンガ２１４６及びミラー２１５０が画定される。第１の犠牲層のＨＦエッチングにより、ステータフィンガの間で、ロータフィンガの下部に残っていた第２の活性層セクション２１４８がデバイスから除去される。
【００７６】
上述した本発明の実施の形態により、剛性非線形性（バウンサの場合、システムの残りの部分と組み合わされた非線形剛性）を有する単一の要素（バウンサ又は予め湾曲された非線形剛性素子）により、走査ミラー及び他のデバイスのための三角波出力信号の生成を容易にすることができる。この技術では、信号振幅（したがって、電圧）への共鳴周波数の依存性により、非常に広い範囲で調整を行うことができる。平行平板により駆動される実施の形態では、バウンサの剛性が非常に高いので、ミラーは、バウンサに接触する際、プルインを生じさせることなく、電極の非常に近くに位置することができる。ミラーを電極に近接させることによって、非常に大きい力を生じさせることができる。バウンサは、静電引力を反発力に変換し、これによりミラーは、実際にパルス的に駆動される。静電傾斜ミラーは、二重活性層ＳＯＩ基板上に実装される。
【００７７】
また、図２０の二重活性層ＳＯＩ基板を用いて、引用により本願に援用される、２００４年３月８日に出願された米国仮特許出願番号第６０／５５０，８５０に開示されているバウンス機構がないミラーを含む、「通常の」、汎用的なＭＥＭＳに基づく静電傾斜マイクロミラーを製造してもよい。傾斜機構は、垂直櫛歯駆動アクチュエータを用いる。二重活性層ＳＯＩウエハを用いることにより、ウエハ貼合せを必要としない精密な製造プロセスを実現することができる。図２１に関して上述したように、背面エッチングは、初期ハードマスクエッチングにアラインされる。より正確な処理ステップ及び層間のアラインメントにより、必然的に、最終的なデバイスの精度が高くなる。
【００７８】
図２２ａは、二重活性層ＳＯＩ基板に実装された静電傾斜ミラーデバイス２２００（以下、デバイス２２００とも言う。）の斜視図である。デバイス２２００は、図１９のデバイス１９００と共通する多くの要素を含み、デバイス２２００の製造プロセスは、バウンス機構／剛性素子を形成するためのプロセスを除いて、図２１に関連して説明した製造プロセスと同様である。したがって、ここでは、本質的な相違のみを詳細に説明する。デバイス２２００は、ミラー２２０２を備え、ミラー２２０２は、基板２２０６に取り付けられた２つの機械的なトーションスプリング２２０４の間で懸垂されている。トーションスプリング２２０４のアンカの少なくとも１つは、金属領域２２０８によって電気接点パッドに接続されている。ミラー２２０２の下方（背面）の材料は、（例えば、エッチングにより）除去されており、これにより、ミラーの傾斜を許容する空間２２１０が形成されている。ミラーを傾ける静電アクチュエータは、ミラーに接続されたロータフィンガ２２１２と、基板２２０６に取り付けられたステータフィンガ２２１４とを含む。ロータフィンガ２２１２と、ステータフィンガ２２１４との間の垂直オフセットは、図２２ｂにより明瞭に示されている。基板２２０６に固定されたステータフィンガ２２１４には、アクチュエータに駆動電力を供給する電気接点パッド２２１６が取り付けられている。ロータフィンガ２２１２と、ステータフィンガ２２１４の櫛形電極構造は、ミラー及びトーションスプリング２２０４に対して所定の関係を有している。ミラー及びロータフィンガ２２１２は、第１の活性層（図２０の２００２）に形成されている。ステータフィンガ２２１４は、第２の活性層（図２０の２００６）に形成されている。第３の犠牲層（図２０の２０１２）は、ミラー及びアクチュエータの下方にリリースホールを形成するために除去する必要がある領域をパターン化するために使用される。
【００７９】
このように、二重活性層ＳＯＩウエハを用いて、静電駆動の垂直櫛歯駆動アクチュエータにより駆動される傾斜ミラーデバイスを実現することができる。櫛歯フィンガは、ミラーに連結され、ミラーの動きは、ミラーを初期位置に戻す二重の機能を有する機械的なスプリングによって安定化及び規制される。ミラー及びミラーに取り付けられたロータフィンガは、動きが妨害されないように、空洞上で懸垂される。これらのＭＥＭＳデバイスの組立に単一ウエハを用いることにより、必要なプロセスが多くなると生じやすいアラインメント誤差の可能性を低減することができる。
【００８０】
本明細書において言及した全ての刊行物、特許公報及び特許出願は、各刊行物、特許公報及び特許出願を明示的且つ個別に、引用により本願に援用されると示した場合と同様に、その全体が引用により本願に援用されるものとする。更に、本明細書における引用文献の列挙又は特定は、これらの引用文献を従来技術として認めたとは解釈されない。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】走査のために用いられる傾斜マイクロミラーの要素及び動作原理を示す図である。
【図２】走査ミラーの回転角の必要な時間依存性を示す図である。
【図３】従来の平行平板静電アクチュエータを用いる傾斜ミラーを示す図である。
【図４】本発明に基づくバウンスモードミラーの概念及びその動作原理を示す図である。
【図５】図４に示すデバイスにおける傾斜角に対する捻り剛性モーメントの依存性を示す図である。
【図６】図４に示すバウンスモードミラーの動きのステージを示す図である。
【図７ａ】シミュレーションにより得られたバウンスモードミラーの動きのタイムチャート角度−時間依存性を示す図である。
【図７ｂ】バウンサの変形に対するミラーの固有振動数の依存性を示す図である。
【図８】バウンス現象によって生じた動作モーメントＭＡのシミュレートされたタイムチャートを示す図である。
【図９】バウンサがミラーに接続されたバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図１０】基板に連結されたより柔らかい更なるバウンサの対を有するバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図１１】アクティブな、個別に変形可能なバウンサを備えるバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図１２】本発明のバウンスモードマイクロミラーデバイスにおいて用いられる予め湾曲された非線形剛性素子を示す図である。
【図１２ｂ】適用された力と、図１２ａの非線形剛性素子の伸びとの間の依存性を示す図である。
【図１３ａ】バウンサを有する平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーの実施の形態の斜視図である。
【図１３ｂ】バウンサを有する平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーの実施の形態の平面図である。
【図１３ｃ】バウンサを有する平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーの実施の形態の駆動時の側面図である。
【図１３ｄ】バウンサを有する平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーの実施の形態の非駆動時の側面図である。
【図１４ａ】平行平板静電アクチュエータにより駆動されるバウンサを有するミラーデバイスの実施の形態の平面図である。
【図１４ｂ】平行平板静電アクチュエータにより駆動されるバウンサを有するミラーデバイスの実施の形態の斜視図である。
【図１４ｃ】平行平板静電アクチュエータにより駆動されるバウンサを有するミラーデバイスの実施の形態の斜視図である。
【図１５ａ】予め湾曲された非線形剛性駆動素子を備える回転平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの実施の形態の平面図である。
【図１５ｂ】予め湾曲された非線形剛性駆動素子を備える回転平行平板によって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの実施の形態の斜視図である。
【図１５ｃ】図１５ａの線Ａ−Ａの断面の斜視図である。
【図１５ｄ】図１５ａの線Ａ−Ａの静電力による変形前の断面図である。
【図１５ｅ】図１５ａの線Ａ−Ａの静電力による変形後の断面図である。
【図１６ａ】予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの実施の形態の平面図である。
【図１６ｂ】予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの実施の形態の斜視図である。
【図１７ａ】面内に予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの他の実施の形態の平面図である。
【図１７ｂ】面内に予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの他の実施の形態のミラーを含む中央部分の平面図である。
【図１７ｃ】面内に予め湾曲された非線形剛性素子を有するプレーナ形櫛歯ドライブによって駆動されるバウンスモードミラーデバイスの他の実施の形態のミラーを含む中央部分の斜視図である。
【図１８】予め湾曲された非線形剛性ビームの様々な形状を示す図である。
【図１９ａ】垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの実施の形態の全体図である。
【図１９ｂ】垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの実施の形態の一部拡大図である。
【図１９ｃ】本発明に基づく垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図１９ｄ】本発明に基づく垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図１９ｅ】本発明に基づく垂直櫛歯駆動アクチュエータによって駆動されるバウンスモードマイクロミラーデバイスの更に他の実施の形態を示す図である。
【図２０】二重活性層ＳＯＩウエハの断面の様々な層を示す図である。
【図２１】二重活性層ＳＯＩウエハを用いて、バウンスモードマイクロミラーを製造するための例示的なプロセスの手順を説明する図である。
【図２２ａ】二重活性層ＳＯＩ基板に実装された静電傾斜ミラーデバイスの斜視図である。
【図２２ｂ】垂直櫛歯駆動アクチュエータのロータフィンガと、ステータフィンガとの間の垂直オフセットを詳細に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１５ｅ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図１９ｄ】
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【図１９ｅ】
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【図２０】
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【図２１】
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2008542849.tif 000047
【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【国際調査報告】
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