(57)【要約】【課題】双安定システムにおける設計の柔軟性及び製造性を改善する。【解決手段】微細機械加工された梁１１０であって、該梁１１０がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁１１０を含む双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム１００を提供する。梁１１０の湾曲形状は、単純曲線または複合曲線を含んでもよい。実施形態において、梁１１０の境界条件１１２は、固定境界条件、ベアリング境界条件、ばね境界条件、またはこれらの境界条件を組み合わせた境界条件である。【選択図】　　　　図１
2004025437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双安定微小電子機械システムに基づくシステムであって、
少なくとも１個の微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を備えることを特徴とする双安定微小電子機械システムに基づくシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記少なくとも１個の梁を第１安定状態と第２安定状態の間で動かすために設けられたアクチュエータと、
前記少なくとも１個の梁の第１安定状態と第２安定状態の間の移動に従って、第１位置と第２位置の間を移動する可動素子と、
を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の双安定微小電子機械システムに基づくシステムを用いた微小電子機械システムに基づくシステムの作動方法であって、
前記少なくとも１個の梁を第１安定状態から第２安定状態に動かす第１力を第１方向に印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記少なくとも１個の梁が第２安定状態に至る前に、該少なくとも１個の梁を停止させるステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって、
第２力を第２方向に印加して、前記少なくとも１個の梁を第１安定状態に戻すステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
双安定微小電子機械システムに基づくシステムの製造方法であって、
少なくとも１個の梁であって、該梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状を有する梁をリソグラフィにより規定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
所定のジオメトリを有するように前記少なくとも１個の梁をリソグラフィにより規定するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の双安定微小電子機械システムに基づくシステムを含む微小電子機械システムに基づくシステムであって、
入力部と、出力部と、入力部と出力部の間に設けられた可動素子と、を含み、
前記双安定微小電子機械システムは前記可動素子に隣接して設けられ、
前記可動素子は、前記少なくとも１個の梁の第１安定状態と第２安定状態の間の移動に従って、第１位置と第２位置の間を移動することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく構造、および少なくとも１個の双安定（ｂｉｓｔａｂｌｅ）構造を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムに関する。本発明は、また、このような構造およびシステムの製造方法と、微小電子機械システムに基づくシステムの作動方法と、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
双安定梁については、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムでの用途が知られている。このような双安定梁は、たとえば、デジタルデータ記憶装置、電子式スイッチング、および光学式スイッチングなどに適用されている。
【０００３】
たとえば、可同調マイクロメカニカル双安定システムが、サイフ（Ｍ．Ｔ．Ａ．Ｓａｉｆ）によって、２０００年６月発行の微小電子機械システム刊行誌第９巻、第２号、１５７〜１７０頁の「可同調双安定ＭＥＭＳ理論と実験（“Ｏｎ　ａ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｂｉｓｔａｂｌｅ　ＭＥＭＳ　−　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　Ｖｏｌ．９，　Ｎｏ．２，ｐｐ．１５７−１７０，Ｊｕｎｅ　２０００）、非特許文献１」に記載されている。この双安定システムは、アクチュエータに取り付けた細長いマイクロメカニカル梁で構成される。梁は、製造途中に顕現する横力、および残留応力にさらされる。アクチュエータが梁の軸方向に圧縮力を生成するため、梁は横方向に座屈して、２つの平衡状態の一方の状態に至る。
【０００４】
周知の梁構造の別の例としては、バンボ（Ｖａｎｇｂｏ）他による説明が、１９９８年刊行のマイクロメカニカル、マイクロエンジニアリング８号、２９〜３２頁、「横方向対称双安定座屈梁（“Ａ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ　ｂｉｓｔａｂｌｅ　ｂｕｃｋｌｅｄ　ｂｅａｍ”　Ｊ．　Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．　Ｍｉｃｒｅｎｇ．，８（１９９８））、非特許文献２」に記載されている。その記載にあるように、横方向対称双安定梁は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく装置にスナップ止めされ、ばね力により定位置に保持される。梁構造は解放型の直立した梁を含み、該梁は、引張り応力を誘導するように酸化処理されているか、あるいは梁上に定着された圧縮被膜を備えている。
【０００５】
クエンツァー（Ｑｕｅｎｚｅｒ）他に付与された米国特許第６，１６８，３９５号（特許文献１）には、空圧継手または水圧継手を用いた双安定静電アクチュエータが開示されている。この双安定アクチュエータは、封入電極によって駆動される座屈薄膜部を含む。薄膜は、１つの薄膜を下部に引くと、別の薄膜が押し上げられるというように、反作用で動作する。双安定アクチュエータは、特に、マイクロバルブへの適用を目的として設計されたもので、湾曲形状の電極を使用する。
【０００６】
ヒチワ（Ｈｉｃｈｗａ）他に付与された米国特許第６，３０３，８８５号（特許文献２）には、微細機械加工された双安定の電子機械式スイッチが記載されている。この双安定スイッチに含まれるスイッチ素子は、スイッチ本体部の間で複数のスプリングアームによって吊り下げられている。スプリングアームは、中央梁の中空本体部の壁に取り付けられており、該スプリングアームと中空の梁の壁は、アクチュエータの原動力に応答して安定状態の間で変形する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，１６８，３９５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，３０３，８８５号明細書
【非特許文献１】
サイフ、“Ｏｎ　ａ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｂｉｓｔａｂｌｅ　ＭＥＭＳ−　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　Ｖｏｌ．９，　Ｎｏ．２，ｐｐ．１５７−１７０，Ｊｕｎｅ　２０００
【非特許文献２】
バンボ他、“Ａ　ｌａｔｅｒａｌ　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ　ｂｉｓｔａｂｌｅ　ｂｕｃｋｌｅｄ　ｂｅａｍ”　Ｊ．　Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．　Ｍｉｃｒｅｎｇ．，８（１９９８），ｐｐ．２９−３２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、周知の双安定梁には、組み込み応力、印加圧縮力、または追加のばねを形成する中空梁部のいずれかが必要になる。しかしながら、印加圧縮力のためのアクチュエータを追加すると、システムの設計および製造が複雑になる。また、梁に組み込み応力を作成すると、組み込み応力の制御が困難であるために、製造が困難なものになる。更に、中空梁部を追加すると、設計および製造がますます複雑になる。したがって、本発明の目的は、従来の双安定梁に関する前述した問題点および他の障害を排除することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシステムおよび方法は、微細機械加工された双安定梁であって、該梁がほとんど応力を受けない第１安定状態を有する双安定梁を提供する。
【００１０】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの設計における柔軟性を改善する。
【００１１】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの設計における複雑さを低減する。
【００１２】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの製造性を改善する。
【００１３】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの大きさおよび重さを削減する。
【００１４】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの製造コストを削減する。
【００１５】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、性能が改善された双安定作動を提供する。
【００１６】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、ロバスト性と信頼性の少なくとも一方が改善された双安定作動を提供する。
【００１７】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、効率が改善された双安定作動を提供する。
【００１８】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、面外の剛性が向上した双安定梁を提供する。
【００１９】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、非接触状態と定常状態の少なくとも一方の状態における双安定梁の非接触作動を提供する。
【００２０】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムを使用したスイッチングを提供する。
【００２１】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定作動を用いた導波管スイッチを提供する。
【００２２】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムを用いた減衰を提供する。
【００２３】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、第１安定状態にある双安定梁の第１位置の制御を改善する。
【００２４】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、第２安定状態にある双安定梁の第２位置の制御を改善する。
【００２５】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、ストッパを含む双安定システムを提供する。このストッパは、双安定梁が第１安定状態と第２安定状態の間の第２安定状態に近い状態にある時に双安定梁と接触する。
【００２６】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を含む。各種実施形態において、所定の非線形形状は単純曲線を含む。他の各種実施形態において、所定の非線形形状は、複合曲線、たとえば、ほぼ同一の４個の円弧など、を含む。更に別の実施形態において、所定の非線形形状は一連の線分を含む。
【００２７】
例示した各種実施形態において、梁は、少なくとも１個の固定境界条件を有する。別の各種実施形態において、梁は、少なくとも１個のベアリング境界条件を有する。別の各種実施形態において、梁は、少なくとも１個のばね境界条件を有する。梁は、また、異なる境界条件を組み合わせた条件を有していてもよい。
【００２８】
例示した各種実施形態において、本システムは、更に、梁の第１安定状態と第２安定状態の間に配設されたストッパを備える。このストッパは、梁が第１安定状態から移動する時に該ストッパにバイアスされるように、梁の第２安定状態近くに配置されていてもよい。
【００２９】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、第１安定状態と第２安定状態の間で該梁を動かすために設けられたアクチュエータと、梁の第１安定状態と第２安定状態の間の移動に従って第１位置と第２位置の間を移動する可動素子と、を含む。アクチュエータは、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれであってもよい。例示した各種実施形態において、該アクチュエータは熱衝撃アクチュエータを含み、別の各種実施形態では、該アクチュエータはジッパ式静電アクチュエータ（ｚｉｐｐｅｒｉｎｇ　　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ）を含む。
【００３０】
本発明のシステムおよび方法についての各種実施形態の例では、第１力が第１方向に印加されると、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態を有する梁が、第１安定状態から第２安定状態に移行する。第１力の印加は、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれか１つを使用した力の印加として構成してよい。例示した各種実施形態では、第１力の印加を、熱衝撃アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。別の各種実施形態では、第１力の印加を、ジッパ式静電アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。
【００３１】
例示した各種実施形態では、第２力が第２方向に印加されると、梁が第２安定状態から第１安定状態に移行する。第２力の印加は、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれか１つを使用した力の印加として構成してよい。別の各種実施形態では、第２力の印加を、熱衝撃アクチュエータまたはジッパ式静電アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。
【００３２】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状を有する梁をリソグラフィにより規定することで製造する。例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリ（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）になるように梁をリソグラフィにより規定することで梁の第２安定状態を決定するステップを含む。各種実施形態において、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように、梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。各種実施形態では、梁の高さが梁の幅より大きくなるように梁の高さを定義して、潜在的な梁の面外の座屈を削減する。
【００３３】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、第１安定状態と第２安定状態との間における梁の送り距離を決定するステップを含む。各種実施形態では、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。
【００３４】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、第１安定状態と第２安定状態との間における梁の力曲線を決定するステップを含む。各種実施形態において、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。
【００３５】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップを含む。各種実施形態では、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップは、熱衝撃アクチュエータを形成するステップを含む。他の各種実施形態では、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップは、ジッパ式静電アクチュエータを形成するステップを含む。
【００３６】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁の固定境界条件を形成するステップを含む。別の各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁のベアリング境界条件を形成するステップを含む。他の各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁のばね境界条件を形成するステップを含む。本製造方法は、更に、異なる境界条件を組み合わせた梁の境界条件を形成するステップを含んでもよい。
【００３７】
例示した各種実施形態において、梁をリソグラフィ技術的に定義する製造ステップは、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのデバイス層に梁をパターニングするステップを含む。本製造方法は、更に、デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして梁を解放すると共に、絶縁層を部分的に残して梁を基板にアンカ止めするステップを含む。
【００３８】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、入力部と、出力部と、入出力部間を繋ぐ可動素子と、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、を含む。例示した各種実施形態において、本システムは、光学式入出力部を備えた光学システムである。例示した別の実施形態において、本システムは、電子式入出力部を備えた電子システムである。更に別の実施形態において、本システムは、流体入出力部を備えた流体システムである。例示した各種実施形態において、本システムは、データ格納システムを含む。例示した別の実施形態において、本システムは、スイッチングシステムを含む。
【００３９】
前述した本発明の特性および利点は、本発明に係るシステムおよび方法の各種実施形態についての下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明のシステムおよび方法についての各種実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００４１】
本発明について、光学式スイッチングシステムを参照しながら説明するが、本発明はこのようなシステムに限定されないことは理解されるであろう。双安定状態を利用した微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、本発明の対象となる。下記の説明は、本発明の特徴を示すためのものであり、開示した特定の実施形態に本発明を限定するものではない。
【００４２】
本発明に係るシステムおよび方法は、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムを提供する。本発明の各種実施形態において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を含む。本発明に係る双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、設計における柔軟性の向上と、製造性の改善と、サイズおよび重量の削減と、製造コストの削減を提供すると共に、性能が改善された双安定作動と効率が改善された双安定作動の少なくとも一方を提供する。
【００４３】
例示した各種実施形態において、所定の非線形形状は単純曲線を含む。別の各種実施形態において、所定の非線形形状は複合曲線を含む。複合曲線は、たとえば、ほぼ同一の４つの円弧を含んでもよい。更に別の実施形態において、所定の非線形形状は一連の線分を含む。所定の非線形形状は、梁の第１安定状態を規定する。
【００４４】
例示した各種実施形態において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状になるように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。例示した各種実施形態において、梁の第２安定状態は、所定のジオメトリ、たとえば、所定の長さ、幅、曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定することで求める。更に、特定のジオメトリになるように梁をリソグラフィにより規定することで、梁の別の特性を決定してもよい。リソグラフィは、応力を発生させない、正確かつ制御可能な製造工程を提供する。
【００４５】
例示した各種実施形態において、梁をリソグラフィにより規定する方法は、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのデバイス層に梁をパターニングするステップを含む。本製造方法は、更に、デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして、梁を解放すると共に、絶縁層の一部を残して、基板に梁をアンカ止めするステップを含む。デバイス層は、ほとんど応力を受けない層であるため、梁内から不要な応力を排除できる。
【００４６】
本発明に係るシステムおよび方法は、また、双安定作動を提供する。例示した各種実施形態において、第１力が第１方向に印加されると、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態を有する梁が、第１安定状態から第２安定状態に移行する。例示した各種実施形態において、第２力が第２方向に印加されると、梁は第２安定状態から第１安定状態に移行する。
【００４７】
本発明に係る梁と双安定作動の少なくとも一方は、各種の用途に適用してもよく、また、大規模システムの一部を形成してもよい。たとえば、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、入力部と、出力部と、入出力部間を繋ぐ可動素子と、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、を含む。更に、本システムは光学システム、電子システム、または流体システムのいずれであってもよい。また、本システムは、データ格納システムまたはスイッチングシステムであってもよい。
【００４８】
例示した本発明の各種実施形態によれば、微細機械加工技術および他のマイクロメカニカルシステムに基づく製造技術は、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を加工するのに使用される。このような加工技術は、他の可能な技術と比べて比較的進んだもので、より信頼性の高い結果とより高度な柔軟性をもたらす。例示した各種実施形態では、表面微細加工技法、たとえば、前述したリソグラフィなどを利用して双安定梁を製造する。
【００４９】
本発明の第１実施形態に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム１００の概略図を図１に示す。本システム１００は、図に第１安定状態で示した、１組の双安定梁１１０を含む。１組の双安定梁を図示してあるが、単一の双安定梁を用いてもよいことは理解できるであろう。２個以上の双安定梁を採用すると、梁が協調して機能するため、性能、信頼性、精度の少なくとも１つが向上する。双安定梁１１０は、適切な境界条件１１２、たとえば、固定境界条件、ベアリング境界条件、ばね境界条件、または異なる境界条件を組み合わせた境界条件を使用して基板１０１にアンカ止めされる。双安定梁１１０は、第１安定状態において、所定の非線形形状になり、ほとんど応力を受けない状態が達成されるように製造される。
【００５０】
可動メンバ１２０、たとえば、導波管、光ファイバなどを設けて、可動メンバ１２０が双安定梁１１０と共に動くように構成してもよい。図１に示すように、導波管、光ファイバなどに対応する定常状態メンバ１３０は基板１０１に固定される。
【００５１】
第１実施形態の概略図を図２に示す。図には、第２安定状態にある双安定梁１１０を示した。図示したように、可動メンバ１２０は、双安定梁１１０と共に第１安定状態から第２安定状態に移動し、定常状態メンバ１３０と整列または連結される。図１および図２に示したように、双安定梁１１０に力Ｆを印加すると、双安定梁１１０が第１安定状態と第２安定状態の間を移動する。
【００５２】
図１および図２に、双安定梁１１０を概略図で示した。梁の所定の非線形形状には、単純曲線、複合曲線、一連の線分などを含む適切な形状を用いてよいが、これらの形状に限定されるものではない。このように、所定の非線形形状は、第１安定状態を規定できる任意の形状でよい。
【００５３】
本発明の第２実施形態に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム２００の概略図を図３に示す。本システム２００は、第１安定状態で図示した１組の双安定梁２１０と、少なくとも１個のアクチュエータ２４０と、を含む。双安定梁２１０は、適切な境界条件２１２を用いて基板２０１にアンカ止めされる。
【００５４】
可動メンバ２２０を配設して、可動メンバ２２０が双安定梁２１０と共に動くように構成する。可動メンバ２２０は、アクチュエータ２４０によって双安定梁と共に第１安定状態から第２安定状態に移行する。アクチュエータ２４０が双安定梁２１０に印加する力によって、双安定梁２１０は第１安定状態と第２安定状態の間を移動する。この力については、直接的あるいは間接的に印加してもよく、また、双安定梁２１０との接触によって実現しても、あるいは双安定梁２１０と接触せずに実現してもよい。
【００５５】
アクチュエータ２４０は、既に周知の装置、あるいは今後開発される装置のいずれであっても、双安定梁を安定状態の間で動かす力を印加できる装置であればよい。アクチュエータ２４０は、たとえば、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、磁気アクチュエータのいずれであっても、またはその任意の組み合わせであってもよい。適用する具体的な対象は、所定の用途に応じた設計考慮事項に基づいて選択してよい。たとえば、特定の用途では、熱衝撃アクチュエータまたはジッパ式静電アクチュエータが便利な場合もある。
【００５６】
前述したように、本発明に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、大規模システム、または複合システムに組み込んでよい。たとえば、図４に概略を示したように、光学式スイッチングシステム３００は、１組の双安定梁３１０を含む。双安定梁３１０は、図において、所定の非線形形状を呈する、ほとんど応力を受けない第１安定状態で示されている。
【００５７】
本システム３００が更に備える入力光ファイバ３５０と出力光ファイバ３６０は、それぞれ、異なる定常状態の導波管３３２，３３４と繋がるように配設される。可動スイッチングメンバ３２０は、定常状態導波管３３２と３３４の間に位置しており、該定常状態導波管３３２，３３４に対して相対的に移動できる。可動スイッチングメンバ３２０を配設して、双安定梁３１０と共に動くように構成する。可動スイッチングメンバ３２０は、図４に示すように、たとえば、導波管３２２の配列を備えていてもよい。
【００５８】
使用において、アクチュエータ（図示せず）によって力Ｆが双安定梁３１０に印加されると、双安定梁３１０は、図４に示した第１安定状態から第２安定状態（図示せず）に移行する。可動スイッチングメンバ３２０が双安定梁３１０と共に移動することによって、別の導波管３２２が定常状態導波管３３２と３３４の間を繋ぐ。この方法では、入力光ファイバ３５０の一方への光信号の入力は、たとえば、出力光ファイバ３６０の間で切り換えてもよい。また、可動メンバ３２０の導波管３２２を配設して、第１安定状態と第２安定状態の間における双安定梁３１０の移動に合わせて可動メンバ３２０を動かすことによって光信号を切り換えてもよい。更に、可動メンバ３２０の導波管３２２は、光信号を減衰させるように設けられていてもよい。
【００５９】
図４に示すように、第２安定状態は、ストッパ３７０を挿入することで変更してもよい。ストッパ３７０は、双安定梁３１０の一方が、本来の第２安定状態に達する前にストッパ３７０と接触するように配置される。ストッパ３７０をこのように配置すると、双安定梁３１０の一方が、第２安定状態においてストッパ３７０にバイアスされる。この状態は、双安定梁３１０および可動メンバ３２０が、正確かつ確実に第２安定状態に至るように補助する。図４に示すように、ストッパ３７０に隆起３７２を設け、接触状態にある双安定梁３１０の一部とストッパ３７０の間の静摩擦を抑制してもよい。
【００６０】
図５に例示したグラフは、梁を動かすために印加する力と、該力に対する梁の変位を示している。梁の非線形形状およびジオメトリが実際の曲線を決定する。
【００６１】
第１安定状態から移動した後、梁は、不安定な均衡状態を通過して、安定した均衡状態である梁の第２安定状態に移行する。ストッパ３７０の位置は、図５の中に仮想点線で示した。図示したように、ストッパは、不安定な均衡状態と、本来の第２安定状態に該当する安定した均衡状態の間における約０．０１８５ｍｍの位置に設けられている。したがって、梁は、本来の第２安定状態に該当する安定した均衡状態に至る前に停止することになる。この安定した均衡状態へと向かう梁の復元力により梁がストッパにバイアスされる。
【００６２】
双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、本発明に従って、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状を備える梁をリソグラフィにより規定することで製造してもよい。リソグラフィ技術としては、周知、または今後開発される任意のリソグラフィ技術を利用してよい。リソグラフィによって、梁の特性、たとえば、形状およびジオメトリなどを正確に製造できる。
【００６３】
前述したように、梁の所定の非線形形状は、該梁の第１安定状態を規定する。同様に梁のジオメトリは、該梁の第２安定状態を規定する。したがって、本発明の各種実施形態によれば、本製造方法は、更に、所定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、梁の第２安定状態を決定するステップを含む。所定のジオメトリは、所定の長さ、所定の幅、および所定の曲率の少なくとも１つまたは複数を含んでよい。高さは、梁が作成される材料層の厚さによって規定してもよいことは理解されるであろう。
【００６４】
また、梁の所定のジオメトリをリソグラフィにより規定して、梁の他の各種特性を規定してもよい。たとえば、梁の送り距離と力曲線の少なくとも一方を規定するように、梁のジオメトリを規定してもよい。
【００６５】
例示した各種実施形態では、リソグラフィを用いて、双安定梁に関連付けるアクチュエータを形成している。同様に、双安定梁の境界条件も、リソグラフィ技法を用いて形成してよい。また、他の同様の製造技術を使用してもよいが、システム全体を同一の技法で製造すると、たとえば、独立した方法ステップを減らして、行程を単純にできる点で有利である。
【００６６】
前述したように、梁は、ＳＯＩウェーハのデバイス層内で梁をパターニングして、リソグラフィにより規定してもよい。デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして、梁を解放すると共に、絶縁層の一部を残して基板に梁をアンカ止めする。梁をアンカ止めする絶縁層部分は、所望の境界条件を梁に規定するようにパターニングおよびエッチングする。
【００６７】
デバイス層内での双安定梁の製造に適した技法の例は、参照用に全体をそのまま援用する同時係属中の米国特許出願第０９／４６７，５２６号、第０９／４６８，４２３号、および第０９／４６８，１４１号に記載されている。別の適切な技術は、参照用に全体をそのまま援用する同時係属中の米国特許出願第０９／７１８，０１７号に記載されている。
【００６８】
一般に、ポリシリコン表面の微細機械加工では、プレーナー製造工程のステップを利用する。このステップは、微小電子機械装置およびマイクロメカニカル装置を製造する集積回路（ＩＣ）製造産業に共通したステップである。標準的なブロック組み立て工程は、基板上に代替層を成膜してフォトリソグラフィ技術でパターニングするステップを含む。代替層は、応力の低い多結晶シリコンと、たとえば基板上の二酸化ケイ素のような犠牲層と、を含む。犠牲層を通じてエッチングされたビアは、多結晶シリコン層間および基板にアンカ点を提供する。多結晶シリコン層をパターニングして、微細機械加工装置のメカニカル素子を形成する。メカニカル素子は、このように、蒸着工程およびパターニング工程の一連のステップで層ごとに形成される。二酸化ケイ素層は、その後、多結晶シリコン層に付着しない選択的エッチング液、たとえば、フッ化水素酸（ＨＦ）などに晒すことによって除去される。これにより、多結晶シリコン層に形成されたメカニカル素子が解放され、メカニカル素子の動作が可能になる。
【００６９】
本発明について、各種実施形態を参照しながら説明したが、各種の置き換え、修正、変更が可能であることは、当業者であれば理解されるであろう。したがって、本発明の精神および範囲にそれることのない置き換え、修正、および変更は、すべて、本発明の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る双安定梁を含む、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の第１実施形態の概略図である。
【図２】図１の第１実施形態を第２安定状態で示した概略図である。
【図３】本発明に係る双安定梁とアクチュエータを含む、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の第２実施形態の概略図である。
【図４】本発明に係る双安定梁を含む光学式スイッチングシステムの実施形態を第１安定状態で示した概略図である。
【図５】第２安定状態の安定した均衡状態にある図４の実施形態の力曲線を表したグラフである。
【符号の説明】
１００，２００，３００　微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム、１０１，２０１　基板、１１０，２１０，３１０　双安定梁、１１２，２１２　境界条件、１３０　定常状態メンバ、２４０　アクチュエータ、３００　光学式スイッチングシステム、３２０　可動メンバ、３３２，３３４　導波管、３５０　入力光ファイバ、３６０　出力光ファイバ、３７０　ストッパ。
【図１】
2004025437.tif 000003
【図２】
2004025437.tif 000004
【図３】
2004025437.tif 000005
【図４】
2004025437.tif 000006
【図５】
2004025437.tif 000007