(57)【要約】【課題】ミラーを高精度に制御する。【解決手段】半導体基板１０１上の特定平面上に導電性を有する支柱１２０により支持されて開口領域を備えたミラー基板１３０と、ミラー基板１３０の開口領域に回動可能に設けられたミラー１３１と、ミラー１３１に回動動作を行わせるための制御電極部１４０と制御回路１５０と、ミラー１３１の回転角度を検出するためのセンサ電極部１５１と、センサ電極部１５１の信号に基づいてミラー１３１の回転角度を検出するセンサ回路１５２とから光スイッチ装置を構成し、センサ電極部１５１を制御電極部１４０よりもミラー１３１の中心寄りに配置する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、
この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、
このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、
絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、
絶縁膜を介して前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して選択的に形成されたセンサ電極部と、
前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、
前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを少なくとも備え、
前記センサ電極部を前記制御電極部よりも前記ミラーの中心寄りに配置することを特徴とする光スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測、またディスプレイなどに用いられる光スイッチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、光スイッチ装置がある。この光スイッチ装置は、例えば、固定構造体と可動する反射構造体とから構成されている。反射構造体は、ミラーが形成された可動部材とこの可動部材を支持する支持部材とを有し、可動部材が、トーションバネなどのバネ部材によって支持部材に接続されている。このように構成された光スイッチは、固定構造体と反射構造体との間に働く引力、あるいは反発力によって反射構造体の可動部がその姿勢を変えることで光路を切り替えるスイッチング動作を行う。
【０００３】
上述したような従来の光スイッチ装置をマイクロマシン技術で作製する場合には、大別して２つのタイプがある。一つは、いわゆる表面マイクロマシンによって作製されるタイプ（例えば、非特許文献１参照）であり、他方はバルクマイクロマシンによって作製されるタイプである（例えば、非特許文献２参照）。まず前者について説明する。表面マイクロマシンタイプは、図４に示すように、基板８０１に回動可能に支持部８０２が設けられている。また、枠体８０４がヒンジ８０３を介して支持部８０２に支持され、枠体８０４には、図示しないトーションバネを介してミラー８０５が連結支持されている。ミラー８０５の下部には、ミラー８０５を駆動するための静電力を発生する電極部８０６が、図示しない配線に接続して形成されている。
【０００４】
一方、バルクマイクロマシンタイプでは、一般的にミラーを構成する基板と電極を構成する基板とを個別に作製し、これらを連結させることによって光スイッチ装置を形成している。図５にバルクマイクロマシンタイプの光スイッチ装置の断面図を示す。このような光スイッチ装置を作製するには、ＳＯＩ基板９０１に支持された回動可能なミラー９０４を、ＳＯＩ基板９０１の埋め込み酸化膜９０２上の単結晶シリコン層９０３に形成すると共に、シリコン基板９１１をエッチングして凹部構造を形成し、この凹部構造上に電極部９１２を形成する。そして、ミラー９０４が形成されたＳＯＩ基板９０１と電極部９１２が形成されたシリコン基板９１１とを貼り合わせることで、電界印加によってミラー９０４が可動する光スイッチ装置が製造できる。
【０００５】
【非特許文献１】
パメラ・Ｒ・パターソン（Ｐａｍｅｌａ．Ｒ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ）、他４名，「ＭＯＥＭＳエレクトロスタティックスキャニングマイクロミラーズデザインアンドファブリケーション（ＭＯＥＭＳ  ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲＳ  ＤＥＳＩＧＮ  ＡＮＤ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ）」，エレクトロケミカルソサイエティプロシーディングス（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）  ，ボリューム２００２−４（Ｖｏｌｕｍｅ  ２００２−４）  ，ＩＳＢＮ１−５６６７７−３７０−９，ｐ．３６９−３８０
【非特許文献２】
レンシ・サワダ（Ｒｅｎｓｈｉ  Ｓａｗａｄａ）、他３名，「シングルクリスタラインミラーアクチュエーテッドエレクトロスタティカリーバイテラスドエレクトローデスウイズハイアクペクトレシオトーションスプリング（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ａｃｔｕａｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ  ｂｙ  Ｔｅｒｒａｃｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ−Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｔｏｒｓｉｏｎ  Ｓｐｒｉｎｇ）」，インターナショナルカンファレンスオンオプティカルＭＥＭＳ２００１（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ＭＥＭＳ  ２００１），２００１年９月２６日
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４、図５に示した光スイッチ装置では、ミラーを駆動するための静電力を発生する電極部８０６，９１２があるのみで、ミラーの回動角度を検出する機構が設けられていないため、ミラーを高精度に制御することが難しいという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーを高精度に制御することができる光スイッチ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチ装置は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形成された導電性材料からなる支持部材と、この支持部材により支持されかつ前記支持部材と電気的に接続されて前記半導体基板との間に所定の空間をあけて配置され、開口領域を備えた導電性材料からなるミラー基板と、このミラー基板の開口領域の内側に配置され、前記ミラー基板に連結部を介して回動可能に連結されかつ電気的に接続された導電性材料からなるミラーと、絶縁膜を介してこのミラーの下部の前記半導体基板上に前記ミラーと離間して選択的に形成された制御電極部と、絶縁膜を介して前記ミラーの下部の前記半導体基板上に、前記ミラーと離間しかつ前記制御電極部と電気的に分離して選択的に形成されたセンサ電極部と、前記半導体基板上に前記センサ電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ電極部の信号に基づいて前記ミラーの回動角度を検出するセンサ回路と、前記半導体基板上に前記制御電極部と電気的に接続するように形成され、前記センサ回路で検出された前記ミラーの回動角度に基づいて前記ミラーの回動動作を制御する制御回路とを少なくとも備え、前記センサ電極部を前記制御電極部よりも前記ミラーの中心寄りに配置するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の平面図、図２は図１の光スイッチ装置の断面図である。図１、図２では、主に光スイッチ装置の１構成単位である一つのミラーからなる部分（ミラー素子）を示している。例えばシリコンからなる半導体基板１０１上には、少なくとも制御回路１５０とセンサ回路１５２が形成されている。また、半導体基板１０１上には、シリコン酸化物等からなる層間絶縁膜１０２と、Ａｕ／Ｔｉ等からなる配線層１０４と、ポリイミド等からなる層間絶縁膜１０５とが形成されている。
【０００９】
例えばＣｕ等の金属からなる支柱１２０は、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成されている。この支柱１２０は、導電性を有し、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じて配線層１０４と電気的に接続され、さらに層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３を介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００１０】
ミラー基板１３０は、支柱１２０によって半導体基板１０１と離間して支持されている。また、ミラー基板１３０は、導電性を有し、支柱１２０と電気的に接続され、ミラー１３１が設けられる開口領域を備えている。複数のミラー素子を備えた光スイッチ装置の斜視図を図３に示す。図３に示すように、ミラー基板１３０の複数の開口領域の各々にミラー１３１が設けられ、一つのミラー１３１の部分で一つのミラー素子が形成されている。各ミラー素子は、図１に示すように、ミラー１３１と制御電極部１４０（１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ）とセンサ電極部１５１（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄ）とを備えている。
【００１１】
ミラー基板１３０の開口領域内に設けられたミラー１３１は、平面視略円形に形成され、連結部によってミラー基板１３０と連結され、連結部によって回動可能に支持されている。連結部は、トーションバネ１３２，１３４と、ミラー枠体１３３とから構成される。トーションバネ１３２，１３４は、ミラー１３１の中心を挟んでその両側にそれぞれ１対設けられる。
【００１２】
ミラー枠体１３３は、トーションバネ１３２によってミラー基板１３０と連結され、トーションバネ１３２によって回動可能に支持される。これにより、ミラー枠体１３３は、一対のトーションバネ１３２を通る、ミラー基板１３０と平行な軸（図１のＹ）を回動軸として回動することが可能である。一方、ミラー１３１は、トーションバネ１３４によってミラー枠体１３３と連結され、トーションバネ１３４によって回動可能に支持される。
【００１３】
これにより、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３４を通る、ミラー枠体１３３と平行な軸（図１のＸ）を回動軸として回動することが可能である。結果として、ミラー１３１は、一対のトーションバネ１３２を通る軸Ｙと一対のトーションバネ１３４を通る軸Ｘの２軸を回動軸として回動することができる。これら２つの回動軸Ｘ，Ｙは、ミラー１３１の重心かつ幾何学的中心である点を通っている。
【００１４】
ミラー１３１は、導電性を有し、導電性を有する連結部（トーションバネ１３２，１３４およびミラー枠体１３３）を介してミラー基板１３０と電気的に接続されている。ミラー１３１には、配線層１０４と支柱１２０とミラー基板１３０と連結部とを介して所定の電位（例えば接地電位）が印加される。
【００１５】
光スイッチ装置は、図３のようにマトリクス状に配置（集積）された複数のミラー素子を備え、各ミラー素子の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、制御回路１５０に接続され、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、センサ回路１５２に接続されている。そして、センサ回路１５２は、制御回路１５０に接続され、制御回路１５０は、通常の半導体集積回路と同様に、配線２０２を介してパッド端子２０１に接続される。パッド端子２０１と外部システムを接続することで、光スイッチ装置の機能が達成される。
【００１６】
例えばＣｕ等の金属からなるセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、ミラー１３１の下にあって回動するミラー１３１の姿勢を検出するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。センサ電極部１５１は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側にセンサ電極部１５１を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つのセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄが配置されている。
【００１７】
そして、センサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成されたセンサ回路１５２と接続されている。
【００１８】
センサ回路１５２は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。センサ回路１５２は、ミラー１３１の姿勢に応じて変化するミラー１３１とセンサ電極部１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄとのそれぞれの距離に応じた４つの静電容量を検出することにより、ミラー１３１の姿勢、すなわち軸Ｘを回動軸とする回動角度と軸Ｙを回動軸とする回動角度を検出する。
【００１９】
ミラー１３１上の任意の点と、この任意の点と対向するセンサ電極部１５１との間に誘起される静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝ε／ｄ                                                                        ・・・（１）
式（１）において、εは空間の誘電率、ｄはミラー１３１上の前記任意の点とセンサ電極部１５１との距離である。センサ回路１５２は、静電容量Ｃを検出することにより、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離ｄを検出し、この距離ｄと予め定められたミラー１３１の回動軸の位置とから、ミラー１３１の回動角度を検出する。センサ回路１５２によって検出されたミラー１３１の回動角度を表す信号は、制御回路１５０にフィードバックされる。
【００２０】
例えばＣｕ等の金属からなる制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、ミラー１３１の下にあってミラー１３１の姿勢を制御するためのものであり、層間絶縁膜１０５を介して半導体基板１０１上に選択的に形成され、ミラー１３１の下（回動軸Ｘ，Ｙの真下を除く）にミラー１３１と所定距離離間して配置されている。制御電極部１４０は、１つのミラー１３１について１本の回動軸の片側または両側に少なくとも１つずつ配置される。本実施の形態では、回動軸の両側に制御電極部１４０を配置し、かつ回動軸がＸ，Ｙの２軸のため、合計４つの制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄが配置されている。
【００２１】
そして、制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄは、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールと配線層１０４と層間絶縁膜１０２に形成された接続電極１０３とを介して、半導体基板１０１上に形成された制御回路１５０と接続されている。
【００２２】
制御回路１５０は、半導体基板１０１上に形成された素子および配線によって構成された集積回路である。制御回路１５０は、センサ回路１５２からフィードバックされる信号によりミラー１３１の回動角度を認識して、このセンサ回路１５２で検出されるミラー１３１の回動角度が所望の値（例えば外部システムから設定される値）になるように、ミラー１３１の回動状態（回動量）を制御する電圧を制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄに与える。
【００２３】
制御回路１５０から制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄに電圧を与えてミラー１３１との間に電位差を生じさせると、電界によってミラー１３１の制御電極部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄと対向する部分に電荷が誘導される。ミラー１３１は、この電荷に作用する静電力（クーロン力）によって回動し、この静電力による回動軸まわりのトルクと回動によりトーションバネ（連結部）に生じた逆向きのトルクとが釣り合う位置で静止する。
【００２４】
なお、制御回路１５０およびセンサ回路１５２は、一つのミラー素子に各々設けるようにしてもよく、また、一つの制御回路１５０と一つのセンサ回路１５２で、複数のミラー素子の各々所望の制御を、同時に行うことも可能である。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態では、センサ電極部１５１の信号に基づいてセンサ回路１５２がミラー１３１の回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路１５０がミラー１３１の回動動作を制御するようにしたので、ミラー１３１を高精度に制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。
【００２６】
また、制御電極部１４０とセンサ電極部１５１とはミラー１３１の中心から外周に向かって配置されるが、本実施の形態では、制御電極部１４０よりもミラー１３１の中心寄りにセンサ電極部１５１を配置したことを特徴としている。以下、このような配置の効果について説明する。制御電極部１４０およびセンサ電極部１５１とミラー１３１との距離は、ミラー１３１の回動によって変化するが、その変化の度合いは、ミラー１３１の外周部の方が中心部よりも大きい。したがって、制御電極部１４０およびセンサ電極部１５１の高さは、ミラー１３１の回動を考慮して設定する必要がある。
【００２７】
本実施の形態では、センサ電極部１５１をミラー１３１の中心寄りに配置し、制御電極部１４０をその外側に配置しているので、センサ電極部１５１を制御電極部１４０よりも高くすることができ、ミラー１３１とセンサ電極部１５１との距離ｄを小さくすることができるので、センサ回路１５２が検出する静電容量Ｃを大きくすることができる。その結果、距離ｄの検出を容易にすることができ、ミラー１３１の回動角度の検出を容易にすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ミラーの下部にセンサ電極部を形成して半導体基板上にセンサ回路を形成し、センサ電極部の信号に基づいてセンサ回路がミラーの回動角度を検出し、この検出された回動角度に基づいて制御回路がミラーの回動動作を制御するようにしたので、ミラーを高精度に制御することができ、光スイッチ装置の動作速度を向上させることができる。また、センサ電極部を制御電極部よりもミラーの中心寄りに配置することにより、センサ回路が検出する静電容量を大きくすることができ、ミラーの回動角度の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態となる光スイッチ装置の概略的な構成を示す斜視図である。
【図４】従来の光スイッチ装置の概略的な構成を示す側面図である。
【図５】従来の他の光スイッチ装置の概略的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１２０…支柱、１３０…ミラー基板、１３１…ミラー、１３２、１３４…トーションバネ、１３３…ミラー枠体、１４０…制御電極部、１５０…制御回路、１５１…センサ電極部、１５２…センサ回路。
【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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