(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に平面の基板（２２２）と、
前記基板に固着された第１端部（２３２）および前記基板に対して移動可能な可動デバイス（２００）に結合された第２端部（２３４）を有する第１コイル（２０８）であって、第１磁束を供給する第１コイルと、
前記第１コイルの近傍に配置された、第２磁束を供給する磁石手段（２１２）と
を備え、
前記第１磁束は前記第２磁束と実質的に対向し、それによって、前記基板に対して前記第１コイルの前記第２端部を動かし、それによって前記可動デバイスを動かす磁気斥力を生成することを特徴とする微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２】
前記基板は、第１電位で電源に結合された第１導体、および、第２電位で電源に結合された第２導体を有し、前記第２電位は、前記第１電位より低く、
前記第１コイルは第１導電コイルであり、
前記第１端部は前記第１導体と連通し、前記第２端部は前記第２導体と連通し、したがって、前記第１コイル内に前記第１磁束が生成されるよう、前記第１コイルに電流を選択的に導通することができ、
前記磁石手段は磁石であることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１磁束は、前記基板に対して実質的に直交することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１コイルは、前記第１コイルの前記第２端部が動くとき、実質的に円錐形のヘリックス（つる巻き線）であることを特徴とする請求項２又は３に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１コイルは、２個の交互配置の円錐形螺線であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項６】
前記基板に固着された第１端部および第２端部を有する第２導電コイルをさらに備え、
前記第２導電コイルの前記第１端部は前記第２導体と連通し、前記第２導電コイルの前記第２端部は前記第１導電コイルの前記第２端部と連通し、それによって、第３磁束を生じるように、前記第１導電コイル内の選択的な電流が前記第２導電コイルに導通し、
前記第１および第３磁束は、前記第２磁束と実質的に対向し、それによって前記第１および第２導電コイルの前記第２端部を前記基板に対して動かすことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項７】
前記第１および第２コイルの前記第２端部に固着したブリッジをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１コイルが時計回りの円錐形螺線であり、前記第２コイルが反時計回りの円錐形螺線であることを特徴とする請求項６又は７に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項９】
前記第１および第２コイルが、交互配置の二重の円錐形螺線であることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１０】
前記可動デバイスは、前記第１および第２コイルの前記第２端部に結合されたミラーであり、
前記第１および第２コイル内の前記選択的な電流が、前記ミラーの一部を前記基板に対して動かすように、前記第２磁束と実質的に対向する前記第１および第３磁束を生成することを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１コイルが半導体であり、さらに前記選択的な電流に相対的に低い抵抗の経路を与える金属層を含むことを特徴とする請求項２から１０のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１コイルが第１磁気材料コイルであり、前記磁石手段が電磁石であり、前記電磁石に電流が流れると前記電磁石が前記第２磁束を供給することを特徴とする請求項１に微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１磁束が前記基板に対して実質的に直交することを特徴とする請求項１２に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１４】
前記第１磁気材料コイルの前記第２端部が動くとき、前記第１磁気材料コイルが実質的に円錐形ヘリックスであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１５】
第２磁気材料コイルであって、前記基板に固着された第１端部と前記可動デバイスに結合された第２端部とを有する第２磁気材料コイルをさらに備え、
それによって前記第２磁気材料コイルが、第３磁束を供給し、
前記第１および第３磁束に前記第２磁束が実質的に対向し、それによって前記第１および第２磁気材料コイルの前記第２端部を前記基板に対して動かすことを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１６】
前記第１および第２磁気材料コイルが時計回りの円錐形螺線であることを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１７】
前記電磁石が、前記基板上に形成された半導体コイルであることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１８】
前記電磁石が、半導体コイルであり、前記選択的な電流に相対的に低い抵抗の経路を与える金属層を含むことを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項１９】
前記電磁石が、第２基板上に形成した半導体コイルであり、前記第２基板が、前記磁気材料コイルに近接して位置することを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２０】
前記微小電気機械アクチュエータは、前記基板に固着された第１端部、および、前記基板から切り離されている第２端部を有する第２コイルをさらに備え、
前記第１および第２コイルの前記第２端部が互いに結合され、
前記磁石手段が同じく前記第２コイルの近傍に配置され、
前記第１および第２コイルに沿って電流が流れ、それにより前記第１および第２コイルにコイル磁束が生成され、前記第２磁束と前記コイル磁束が実質的に対向し、それにより前記第１および第２コイルの前記第２端部が前記基板に対して移動することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２１】
前記第１および第２コイルが円錐形螺旋コイルであることを特徴とする請求項２０に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２２】
前記磁気手段が、前記第１および第２コイルがその上に位置する基板の表面と反対の基板の表面上に位置する永久磁石であることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２３】
前記磁気手段が、電流を導通する第３コイルであることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２４】
前記磁束手段が、前記基板に結合された強磁気材料であることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２５】
前記第１および第２コイルの前記第２端部を結合するブリッジをさらに備えることを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータ。
【請求項２６】
請求項１に記載のアクチュエータおよび可動デバイスを備え、前記可動デバイスはミラーであることを特徴とするミラーアクチュエータデバイス。
【請求項２７】
前記ミラーに結合された第２アクチュエータをさらに備え、
前記第１および第２アクチュエータはそれぞれ第１および第２コイルを含み、前記第１および第２コイルは、固定して配置された第１端部、および、各アクチュエータの前記第１コイルと第２コイルとの間を電流が流れることができるように電気結合された第２端部を有し、それにより前記第１または第２アクチュエータに電流を選択的に印加して個々のアクチュエータコイルを膨張させ、それにより前記ミラーを第１配向から第２配向へ移動させる磁束を生成することができることを特徴とする請求項２６に記載のミラーアクチュエータデバイス。
【請求項２８】
前記ミラーと結合された第３および第４アクチュエータをさらに備え、
前記第３および第４アクチュエータはそれぞれ第１および第２コイルを含み、前記第１および第２コイルは、固定して配置された第１端部、および、各アクチュエータの前記第１コイルと第２コイルとの間を電流が流れることができるように電気結合された第２端部を有し、それにより前記第１、第２、第３および第４アクチュエータに電流を選択的に印加して個々のアクチュエータコイルを膨張させ、それにより前記ミラーを第１配向から第２配向へ移動させる第２磁束を生成することができることを特徴とする請求項２７に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項２９】
前記第１および第２アクチュエータが、前記ミラーを第１の回転軸周りに回転させることができ、
前記第３および第４アクチュエータが、前記ミラーを第２の回転軸周りに回転させることができることを特徴とする請求項２８に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３０】
前記第１および第２アクチュエータ並びに前記ミラーは平面基板上に形成され、前記ミラーは、実質的に平面でありかつ前記基板に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項２７から２９のいずれかに記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３１】
前記第１および第２アクチュエータの前記第１コイルは、導体部分および半導体部分を含むことを特徴とする請求項２７から３０のいずれかに記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３２】
固定して配置された前記第１端部に対して前記第２端部が動くことができるように、前記第１および第２アクチュエータコイルは、形状が円錐形螺線でありかつ可撓性であることを特徴とする請求項２７から３１のいずれかに記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３３】
前記第１および第２アクチュエータが、平面基板上にリソグラフィ法で製造することによって形成され、前記ミラーが、前記第１および第２アクチュエータによって前記基板上方に懸架され、さらに前記第１および第２アクチュエータを作動することによって、前記それぞれの第１および第２のミラー縁部が、前記基板の前記平面から離れる方向に動くことを特徴とする請求項２７から３２のいずれかに記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３４】
ミラーを動かすための微小電気機械アクチュエータシステムであって、
請求項２７に記載のミラーアクチュエータデバイスであって、前記コイルは、前記コイルに電流が導通すると磁束を生成する導電コイルであり、前記アクチュエータは、前記基板の上方にミラーを支持するように配置されたものであるミラーアクチュエータデバイスと、
前記基板の上方に前記ミラーを同じ間隔で持ち上げるように、前記アクチュエータ内に定常磁束を生成するために定常電流を供給する第１電流源と、
前記同じ間隔よりも大きくまたは小さく前記基板に対して前記ミラーを動かすように、前記アクチュエータ内に磁束を生成するための選択的な第２電流を供給する第２電流源と
を備えることを特徴とする微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項３５】
各アクチュエータの前記第１および第２導電コイルは、前記第１コイルが時計回りの螺線であり、前記第２コイルが反時計回りの螺線であるように配置されていることを特徴とする請求項３４に記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項３６】
各アクチュエータは、前記第１および第２コイルを前記ミラーに結合するブリッジをさらに備えることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項３７】
前記磁石手段が永久磁石であることを特徴とする請求項３４から３６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項３８】
前記磁石手段が、電気を導通する基板コイルであることを特徴とする請求項３４から３６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項３９】
前記アクチュエータコイルが、半導体部分および導体部分を備えることを特徴とする請求項３４から３６のいずれかに記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【請求項４０】
各アクチュエータはブリッジを含み、
前記第１および第２コイルの第１端部が前記基板に固着され、前記第１および第２コイルの第２端部が前記ブリッジによって互いに結合されていることを特徴とする請求項３４に記載の微小電気機械アクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
(発明の背景)
(発明の分野)
本発明は、電気制御式アクチュエータに関し、より詳細には微小電気機械システム(microelectromechanical systems)(MEMS)アクチュエータに関する。
【０００２】
(関連技術の説明)
電気制御式アクチュエータは、電気信号入力を受け取り、物体を動かすために使用可能な機械出力をもたらす。電気信号は、その機械出力を制御して物体に加わる運動の速度と量を制御する。大型の電気制御式アクチュエータは、バルブ、ポンプの制御および物体の移動のための機械システムでは一般的である。
【０００３】
最近の技術は、非常に小さい部材の制御を必要とする。米国特許第5,808,384号では、フォトリソグラフィ法が、スイッチ、継電器、およびバルブを制御するための微小機械式(micromechanical)アクチュエータの加工に使用できる。しかし、この特許第5,808,384号の発明は、デバイスがその上に形成されている基板の平面に向かっておよびその平面から離れる方向に向かって物体を動かす手段を教示していない。
【０００４】
米国特許第5,867,297号では、発明者は、バーコードを読み取るためにレーザービームを偏向するミラーを振動させるための微小電気機械デバイス(microelectrical mechanical device)を開示している。そのミラーは、実質的に直立しており、それがその上に形成されている基板の蝶番継手の周りには動くが、そのデバイスは、信頼性のないことが証明済みのステープル（止め金）およびヒンジ（蝶番）に依拠している。さらに、ミラーを基板に対してヒンジで取り付け、かつ単軸周りに回動するように拘束しており、そのためにその有用性が限定されている。また、幾つかの適用例では、ミラーが、それがその上に形成されている基板に対して平行であることが必要とされているが、それは米国特許第5,867,297号では対応できない設計上の限界である。
【０００５】
現在、多くの用途（アプリケーション）が、バーコードの走査またはビデオ映像を生成し投影するために、光エネルギーを制御しかつ光ビームを動かすためのミラー面制御を要請している。
【０００６】
米国特許第5,192,946号では、空間光変調器(spatial light modulator)が、スクリーンにビデオ映像を生成し投影するために使用するミラーのアレイを包含している。光をそのミラーアレイ(米国特許第5,192,946号では、可変鏡デバイスと呼ぶ)上に向けることによって、かつ光路を制御するために個々のミラーの向きを制御することによってビデオ映像を生ずる。スクリーン映像は、アレイ配列の個々のミラーに対応する数多くの画素要素を含む。光をスクリーン(または中間レンズ)上に、またはスクリーンから離れる方向に反射するようにそれらミラーの向きを制御することによって、各画素要素をオンとオフにそれぞれ切り換える。ミラーアレイは、スクリーン上に表示された画素要素をオンとオフにそれぞれ切り換えるために、光をスクリーン上向かう方向にまたはスクリーンから離れる方向に反射する上方と下方位置の間で動くようにヒンジに取り付けられた、半導体基板上に形成したミラーを含む。個々のヒンジに取り付けられたミラーは、単軸周りの回転のみが可能で、投光器の設計を限定する1自由度の運動(1 degree of motion)のみが与えれているだけである。このようなビデオ映像システムをディジタルライトプロセッサ(DLP)とも呼ぶ。
【０００７】
このようなビデオシステムを実用可能にするためには、ミラーアレイは、量産するのに容易でかつ低コストでなければならず、しかもミラーの動きが制御可能で高速でなければならない。別の重要な基準は、ミラー作動手段の高い信頼性である。多くの設計では、主にスティクション(stiction)および摩耗問題のために、半導体ヒンジは望ましい信頼性がないことが判かっている。また、投光器の設計に適応させるには、ミラーアレイのミラーには十分な運動範囲で、および十分な自由度で動けることが望ましい。したがって、他の構成要素が等しいとしたとき、ミラーを2または3自由度の運動でかつ回転軸周りに±30°の運動範囲でミラーを動かすことができるアクチュエータの方が、1自由度のみの運動で最大±10°までしかミラーを動かすことができないアクチュエータシステムよりも好ましい。
【０００８】
(発明の概要)
本発明は、電気入力を受け取り、ミラーアレイ内のミラーなどの物体を制御可能に動かすための機械出力を供給する微小電気機械アクチュエータを提供する。第1の好ましい実施形態では、電気入力がコイルを伝わって導通され、励磁ソレノイドコイル内に生じるような磁界を生ずる。第2の磁界が、永久磁石などの第2供給源によって供給され、コイルの一端を動かす斥力（反発力）を生じるように、2つの磁界を対向する向きに配置する。次いで、ミラーを制御可能に動かすように、コイルをミラーの縁部に結合することができる。3自由度の動き、すなわち2つの回転軸周りにおよびアクチュエータの縦軸沿いに直線的に、動きを与えるように、ミラーを複数のアクチュエータ上に取り付けられることができる。
【０００９】
本発明の第1実施形態では、二重の、交互配置の（dual interspersed）コイル(好ましくは、アルキメデスの螺線)の対を隣り合って配置し、導電ブリッジ素子によって互いに結合する。コイル対の第1および第2コイルを互いに逆方向に巻く。すなわち、それらのそれぞれの中心から、第1コイルが時計回りに進み、第2コイルが反時計回りに進む。次いで第1コイルの中心から第1コイルの最外部に電流を導通し、次にブリッジによって、第2コイルの最外部に導通する。次いで電流は、第2コイルを伝わってその最内部へ導通される。したがって、電流は両方のコイルを通って同方向、すなわち時計回りまたは反時計回りに進み、磁界が両コイルを介して同方向に配向される。それによって第2磁界に対して斥力を与えられるように、コイルの磁界を整合させる。
【００１０】
アクチュエータの好ましい実施形態は、マルチユーザMEMSプロセス(Multi-User MEMS Processes)(MUMP)として当業界で公知の一般的な製造プロセスによって作製されるが、そのプロセスを以下で詳細に説明する。1つの好ましい実施形態では、4個のアクチュエータを1つの層の部分として基板上に形成し、ブリッジおよびミラーを別のミラー層の部分として形成する。アクチュエータは、矩形であるミラーの4つのコーナにそれぞれ設置する。ミラーは、ブリッジによってアクチュエータに連結し、アクチュエータの上に乗っている。したがって、アクチュエータの伸展によって、ミラーがそれぞれ上下または基板から離れてまた基板に向かって動く。ミラーを回転軸周りに回転させるように、アクチュエータの対を伸展することができる。アクチュエータを選択的に伸展することによって、直交する二等分軸周りまたは対角軸に沿って、ミラーを動かすことができる。
【００１１】
MUMP製造工程の制約は、物理的に結合する層が電気的に伝導性でもあることである。さらに好ましい実施形態では、アクチュエータコイル、ブリッジ、およびミラーが物理的に連結されており、また電気的に通電されることである。したがって、ミラーをゼロボルトに維持し、かつコイル間のクロストークおよび過剰で損傷を引き起こす恐れのある電流を阻止するために、対称両極性電流(symmetric bipolar current)をコイル対に印加する。
【００１２】
本発明のアクチュエータは、MUMP工程との関連で下に説明するように、コンフォーマル層に作製される。よって、アクチュエータ、ブリッジ、およびミラーは、相互に近接する層として形成される。したがって、所望の運動範囲を与えるために、それぞれのアクチュエータ内に実質的に同じ磁界を生ずる定常持上げ電流(a steady-state elevating current)をアクチュエータに印加して、それぞれのアクチュエータを同じ量だけ伸展させ、かつ表面上に構成要素を形成する基板の上方に(すなわち、その基板から離れる方向に)ミラーを持上げる。次いで、ミラーの一方のコーナまたは側部をミラーの他方の部分に対して上げたりまたは下げたりするために、個々の特定のアクチュエータ内の磁界の強さを増減する変調電流をそれらの個々のアクチュエータに供給することによって、ミラーを動かすことができる。このような態様で、ミラーを傾斜させてビデオ映像の一部を形成する光ビームの経路を制御することができる。別法として、MUMP以外の手段によって製造した本発明のアクチュエータはコイルとミラーの間を電気的に隔離することができ、それによってアクチュエータ内のコイル配置を簡略にすることができる。
【００１３】
代替実施形態では、特定の適用例に関して特定の運動範囲を与えるようにアクチュエータを構成することができる。より数の多いまたは少ないコイル巻き回数をコイルに与えたりまたはコイルの断面積を増減することができる。
【００１４】
別法として、幾つかの適用例によって望まれる単一の自由度の運動を与えるために、支持体の表面にヒンジを介して搭載されているミラーに、単一のコイルを有する単一のアクチュエータを使用することができる。
【００１５】
他の代替実施形態では、アクチュエータおよびミラーを支持する基板上に形成した電磁コイルによって第2の磁気斥力を供給することができる。別法として、第2磁気力は、第2基板上に形成された電磁コイルによって提供することができ、アクチュエータおよびミラーが面上に位置する基板と緊密に近接して位置決めすることができる。
【００１６】
また別の代替実施形態では、伸縮/移動コイルを磁気材料から形成し、基板上に形成した電磁半導体コイルによって磁気斥力を供給することができる。この実施形態の磁気コイルは、強磁気材料を電着(electro-deposition)またはスパッタリング付着(sputtered application)によって作製することが可能である。電磁半導体コイルは、基板の表または裏面上に形成してもよいし、あるいは磁気コイルおよびミラーを支持する基板に近接して配置した追加的な基板上に形成してもよい。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態が、ミラーを支持しかつ制御可能に動かすという状況で示されている。既述したように、微小電気機械ミラーシステムの制御は、高速で制御可能なミラーの動きを必要とする空間光変調器(ディジタルライトプロセッサ(digital light processors))に実質的な適用例が見られる。しかし、本発明のアクチュエータは、レンズ、バルブ、およびギヤなどの他の物体を動かす必要があり得るその他の微小電気機械システムでにも適用する。
【００１８】
既述したように、好ましい実施形態のアクチュエータが、MUMPとして知られる商業用として利用可能な工程によって製造される。MUMP工程の適用は本発明の一部ではない。しかしながら、本発明を製造するためのMUMP工程および実施した諸処置、使用したマスク、層の構造および省略した諸処置の適用は、新規でありかつ本発明の一部を構成し得る。
【００１９】
MUMP製造方法の概略
本発明の理解を助けるために、図1-15を参照して、MUMP工程を用いて微小機械デバイスを製造する一般的な手順を説明する。
【００２０】
MUMP工程は、所望の物理構造を作るためにエッチングする3層のコンフォーマル(conformal)ポリシリコンを設ける。添付図は、ノースカロライナ州リサーチトライアングルパーク、コーンウォーリイズロード3021(3021 Cornwallis Road, Research Triangle Park, North Carolina)所在のMEMSテクノロジアプリケーションセンター(the MEMS Technology Applications Center)が提供するようなマイクロモータを作製する一般的な工程を示す。
【００２１】
MUMP工程は、1-2Ω-cmの抵抗率の100mmのn型シリコンウェーハ100から着手する。ドーパント源としてPOCl3を使用して、標準拡散炉内でウェーハ表面にリンを十分に堆積する。これによって、続いてウェーハ上に実装する静電デバイスからシリコンに至る給電荷を抑制したりあるいは防止までもする。次に、電気アイソレーション層として、シリコン上に600nmの低応力のLPCVD(低圧化学蒸着法)によるシリコン窒化物層102を堆積する。このシリコンウェーハとシリコン窒化物層が基板を形成する。
【００２２】
次に、500nmのLPCVDによるポリシリコン薄膜(ポリ0 104)を基板上に堆積する。ポリ0層104をフォトリソグラフィ法でパターン形成する、すなわちフォトレジスト106をポリ0層に被着すること、マスク(図示せず)を用いてフォトレジストを露光すること、および、続く基底層へのパターン転写用の所望のエッチングマスクを作るために、感光したフォトレジストを現像することを含む工程(図2)。フォトレジストにパターンを形成した後、ポリ0層104をRIE(リアクティブイオンエッチング)法でエッチングする(図3)。
【００２３】
図4に示すように、LPCVDによってポリ0層104および露出した窒化物層102上に、2.0μmのリンガラス(phosphosilicate glass)(PSG)犠牲層108を堆積する。このようなPSG層は、ここでは第1酸化物と呼ぶが、基底構造、すなわちポリ0層およびシリコン窒化物層からポリシリコンの第1機械層ポリ1(下に説明する)を取り除くために、この工程の最後に取り除かれる。RIEによって犠牲PSG層中に750nmの深さでディンプル(dimples：小さな窪み)110を形成するために、この犠牲層にディンプルマスクを用いてフォトリソグラフィ法でパターンを形成する(図5)。次いで、第3のマスク層、すなわち、アンカー1でパターンを形成し、ポリ0層まで達するアンカーホール112を設けるために、ウェーハにリアクティブイオンエッチングを施す(図6)。次の処置では、アンカー1ホール(ANCHOR 1 holes)をポリ1層114によって充填する。
【００２４】
アンカー1のエッチング後に、ポリシリコンの第1構造層(ポリ1)114を2.0μmの厚さに堆積する。薄い200nmのPSG層116をポリ1層114上全体に堆積し、ウェーハを1時間、1050℃でアニールする(図7)。このアニールによって、PSG層からポリ1層に、そのポリ1層の上下からリンをドーピングする。このアニールは、ポリ1層の正味応力を顕著に減少させる役割も果たす。ポリ1層の構造を形成するように設計したマスクを使用して、フォトリソグラフィ法によってポリ1およびPSGマスク層にパターンを形成する。続くポリシリコンエッチング用のハードマスク(hard mask)を作製するためにPSG層をエッチングする。このハードマスクは、フォトレジストよりもポリシリコンエッチングの化学的作用に対して耐性があり、確実にパターンをより適切にポリ1層へ転写する。ポリ1層をエッチングした後で(図8)、フォトレジストを剥離し、さらに残留する酸化物のハードマスクをRIEによって除去する。
【００２５】
ポリ1層114をエッチングした後で、第2のPSG層(第2酸化物)118を堆積する(図9)。異なる目的を有する2つの異なるエッチングマスクを使用して、この第2酸化物にパターン形成する。
【００２６】
第1に、ポリ1_ポリ2_バイア(POLY 1_POLY 2_VIA)エッチング(符号120で示す)によって、第2酸化膜中にポリ1層まで下方にエッチングホールを設ける。このエッチングによって、ポリ1層と続くポリ2層の間の機械的および電気的に接続する。ポリ1_ポリ2_バイア層をフォトリソグラフィ法によってパターン形成し、さらにRIEによってエッチングする(図10)。
【００２７】
第2に、別々にエッチングしたホールとホールの間で生じる恐れのある配列の狂いをなくすために、1回のステップで第1および第2酸化物層108、118をエッチングするようにアンカー2エッチング(符号120で示す)を施す。より重要なことは、アンカー2エッチングによって、ポリ1構造のアンカーリング(anchoring)に無関係な切込みを第1酸化物層中入れる必要がなくなることである。そのような切込みがあると、ポリ0または窒化物層を損傷する恐れのある続く処理に対して基板を不必要に曝すことになる。アンカー2エッチングに関して、第2酸化物をフォトリソグラフィ法によってパターン形成し、さらにポリ1_ポリ2_バイアエッチングと同じ方法でRIEによってエッチングする。図11は、ポリ1_ポリ2_バイアエッチングおよびアンカー2エッチング完了後のウェーハ断面を示す。
【００２８】
次いで第2構造層、すなわちポリ2、124を堆積し(1.5μmの厚さ)、続いて200nmのPSGを堆積する。ポリ1の場合のように、薄いPSG層は、エッチングマスクおよびポリ2層のためのドーパント源として作用する(図12)。次いで、ポリ2層のポリシリコンをドーピングし、その残留薄膜の応力を減少させるために、このウェーハを1時間、1050℃でアニールする。ポリ2層を第7のマスクを用いてフォトリソグラフィ法でパターン形成し、さらにポリ1の場合と同じ処理条件を用いて、RIEによってPSGおよびポリシリコン層をエッチングする。次いで、フォトレジストを剥離し、マスキング酸化物を除去する(図13)。
【００２９】
MUMP工程での最終的な堆積層は、検証(probing)、接合、電気経路指定のための、および高反射率のミラー表面となる0.5μmの金属層126である。第8のマスクを用いてフォトリソグラフィ法でウェーハをパターン形成し、リフトオフ法を用いて金属を堆積し、パターン形成する。最終的な、取り除き前(unreleased)の典型的な構造が図14に示されている。
【００３０】
最後に、ウェーハを犠牲層の取り除き(sacrificial release)およびテストにかける。取り除き（レリーズ）は、49%のフッ化水素の溶液中に(室温で)1.5-2分間、このデバイスを浸漬することによって実施する。これに続いて、スティクションを低減するために、DI水中に、次いでアルコール中に数分間浸漬し、続いて少なくとも10分間、110℃のオーブン内に入れておく。図15は、犠牲酸化層の取り除き後のデバイスを示す。
【００３１】
好ましい実施形態では、本発明のデバイスが、MUMP工程によって製造され、上に説明した商業用工程の処置にしたがう。しかし、本発明のデバイスは、図1-15の一般的な工程で示した特定のマスクを使用することはなく、以下に供する詳細な説明に従って本発明の構造用マスクを使用する。また、MUMP工程に関して上で説明した処置は、MEMSテクノロジーアプリケーションセンターの要求通りに変更可能である。その製造方法は、本発明の一部ではなく、本発明を作製するために用いることができる幾つかの工程のうちの1つにすぎない。
【００３２】
(好ましい実施形態の説明)
添付図16-20を参照して、本発明の1つの好ましい実施形態を以下に説明する。本発明は、電気制御式アクチュエータを提供する。ミラー面を制御する本アクチュエータを示すが(微小電気機械アクチュエータの一般的な適用例)、このアクチュエータを使用して、レンズ、バルブ、およびスイッチなどの他の物理的な構造を制御することができる。
【００３３】
本発明では、電磁斥力を使用して、ミラーまたは他の物体を持ち上げ、かつその向きを制御する。第1の好ましい実施形態では、可変磁界を生じさせるために、電気入力を拡張可能な半導体コイルに供給する。半導体コイルの近傍に位置する永久磁石が、予測可能かつ制御可能な態様で半導体コイルを拡張させる、対向する固定磁力を供給する。このようなコイルの拡張によって、典型的なミラーなどの物体を動かすことができる機械的な運動が得られる。ミラーの向きを制御するために、磁界を、したがって磁気斥力を変化させるように電気入力を制御することができる。
【００３４】
1つの代替的な実施形態では、磁気材料から製造された伸縮コイルによってミラーを支持する。伸縮コイルを支持する基板上または近傍に位置する電磁コイルによって、磁気斥力を生じさせる。この実施形態では、これらの伸縮コイルを電源に接続していない。より適切に言えば、これらの伸縮コイルは、磁気を帯びており、N/Sの分極を有する永久磁石として作用する。電磁コイルによって可変磁界が生じるが、その磁界の向きは電磁コイルを流れる電流の方向によって決定され、さらにその方向を拡張電磁コイルの分極に対して磁気斥力が生じるように選択する。電磁コイルを流れる電流の大きさが、磁気斥力の大きさを決定し、電流の大きさを制御してミラーの向きを制御する。
【００３５】
以下に、第1の好ましい実施形態を詳細に説明し、後に、第1の好ましい実施形態との相違点に関して代替形態を説明する。
【００３６】
ミラーアクチュエータシステム
本発明の第1の好ましい実施形態では、ミラー200が、平面基板206の表面204の上方で4個のアクチュエータ202によって支持されている。アクチュエータが、ミラー近傍に実質的に近接して位置する二重のコイル208をそれぞれ含む。ブリッジ210が、コイルを互いに結合し、さらにコイルがミラーに結合する。永久磁石212を接着剤などの従来手段によって基板の裏面側214に接合する。
【００３７】
各アクチュエータ202のコイル208が、交互配置の2個のアルキメデスの螺線216aおよび216b(一括して216)をそれぞれ含む(図17)。所与のアクチュエータでは、固定点で見ると、一方のコイルの螺線216が、そのコイルの径方向の最内部218からそのコイルの径方向の最外部220まで時計回りの経路を辿り、さらにそのアクチュエータの他方のコイルの螺線216が、径方向の最内部から径方向の最外部まで反時計回りの経路を辿る。図17の視点から見て、208aとして示すコイルが時計回り(CW)であり、208bとして示すコイルが反時計回り(CCW)である。
【００３８】
各コイルの径方向の最内部218(すなわち、中心部)を半導体の台座222にしっかりと固定し、その台座が、電気プロービング用の、および下に詳細に説明するように、電気エネルギー源にコイルを電気接続するための場所としての金属性プローブ受台224を含む。プローブ受台224は、半導体の台座222を経由して、各コイルの螺線216と電気連通している。ここでは特定の台座および受台を符号表示の後ろに文字表示を付加することによって示す。したがって、図17および18に、台座222aおよび222b、さらに受台224aおよび224bを図示する。
【００３９】
コイル208の径方向の最外部220が、ブリッジ210のみに直接結合されている。半導体コイル208は可撓性であるので、径方向の最外部220は、基板206の表面204から離れる方向に上方に伸展することができる。径方向の最外部220が上方に伸展すると、連結ブリッジ210およびミラー200が必然的に追従し、同じく上方に動く。
【００４０】
図18を参照すると、プローブ受台224aと224bの間に印加されている定常電位源258が、その定常電位源から一方のコイル208aの中心218aまで導通する電流を生ずる(218aでの電位が218bより大きいとき)。電流の経路は、コイル208aの螺線を伝わってコイル208aの最外部220まで時計回りに続く。電流は、コイル208aからブリッジ210によってコイル208bの最外部まで導通され、さらにそこから電流は、コイル208bの螺線216を伝わってコイル208bの最内部218およびプローブ受台224bまで時計回りに導通する。したがって、図18の平面図に見るように、電流は各コイルを通って時計回りに進む。
【００４１】
各コイル208aおよび208bを通過する電流が、基板206の平面に対して実質的に直交する向きにある磁束線を画定する磁界Bc(図19)を生ずる。またこれらのコイルは逆に巻かれており、各コイルを介して電流を同じ方向に進ませるので、各コイルの磁界の方向は等しい。
【００４２】
磁石212はまた、基板206に対して実質的に直交する磁束線を画定する磁界Bmを生成する。磁石と、コイル内の磁束の磁極を実質的に逆になるように配置する。したがって、コイル内の磁束が磁石の磁束に対して斥力を生じ、コイルの径方向の最外部220が基板から離れる方向に上方に動き、よってブリッジ210とミラー200を基板上方に持ち上げるようにコイルを伸展させる。磁束密度(すなわち、磁気斥力の強さ)を増減させ、それによってコイルの伸展量を制御し、かつ基板に向かってまたそれから離れる方向にミラーまたはその一部を動かすように、コイル内の電流を増減するために電流を変調することができる。
【００４３】
各アクチュエータ202内の電流を制御することによって、対角軸(diagonal axes)および二等分軸(bisecting axes)に沿って、ミラー200を持ち上げたり、引き下げたりまたは傾けたりすることができる。したがって、例えばミラーの一方の側部をその対向する側部に対して持ち上げあるいは引き下げるように、2個のアクチュエータを同時に持ち上げたりあるいは引き下げたりすることができる。光がミラーによって反射されるとき、それらのアクチュエータの動きが、反射された光ビームを動かす。したがって、アクチュエータを制御して、光ビームの経路を制御するようにミラーを動かすことができる。
【００４４】
以下でさらに詳細に説明するように、ミラーは、金属表面を有する半導体であり、よって電流を通す。さらに現在のMUMP製造工程の下では、ミラーをコイル208およびブリッジ210から電気的に隔離することができない。したがって、1個のアクチュエータの一方のコイルに印加した電流が、コイルを有するそれぞれのアクチュエータに低電位で通電することになる。そうならないように、ミラーをゼロ電位に維持し、かつアクチュエータ間のクロストークを排除する両極性(bipolar)電流をアクチュエータに印加する。
【００４５】
上の説明が、ミラーを支持しかつ制御可能に動かすように配置した複数のアクチュエータ202の典型的概略である。次に、アクチュエータ202をさらに詳細に説明する。
【００４６】
アクチュエータ
特に図17-19を参照して、アクチュエータ202の1つの好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。既述したように、アクチュエータは二重コイル208をそれぞれ含む。これらのコイル208は、コイルの径方向の最内部218で近位端（近接端）232を有し、かつコイルの径方向の最外部220で遠位端（遠心端）234を有する交互配置のアルキメデスの螺線216である二重螺線を含む。これらの螺線の近位端232が、台座222に結合し、これらの螺線が近位端から遠位端234までアルキメデスの螺線の経路を辿る(r=Aθ;ここでr=半径、A=定数、そしてθ=極座標における角度である)。それぞれのコイルが逆向き螺旋巻き線を有する、すなわちコイル208aの螺線が(図17および18のように平面図で見るとき)、近位端から遠位端へ進む時計回りの経路を辿り、コイル208bの螺線が、近位端から遠位端へ進む反時計回りの経路を辿る。
【００４７】
既述したように、各コイルの螺線が交互配置されている。図17および18の好ましい実施形態では、2個の螺線の近位端232が、コイルの径方向の最内部218に約180°離れて位置する。このような180°の初期の向きから、所与のコイルの螺線がアルキメデスの曲線の経路を辿り、それらの螺線が経路に沿って進むと、他方の螺線に径方向に重なる。別の言い方をすれば、最内部および最外部を除いて、第1螺線、例えば216aの所与の部分に関して、第2螺線216bが径方向に内側でかつ径方向に外側で近接するように、それぞれの螺線部分は他方の螺線の対応する部分によって取り囲まれている。それぞれのコイルにおいて、各螺線の遠位端234が、コイルの径方向の最外部で約180°離れて終端を成す。
【００４８】
断面では、コイル螺線216が、半導体層236(図19)、および電流に関して低い抵抗の経路となる金属表面層238を有する。これらのコイル螺線は可撓性でありかつ伸展可能である。すなわちコイルの最外部220は、最内部218に対して移動することができ、巻付け円錐コイルばねに似せてコイルを伸展することができる。近位端232が台座222に結合されているので、コイルの最外部のみが、基板206から離れる方向に伸展することができる。作製したときおよびコイルに電流が流れていないときには、コイルは図19に示すように螺線として横たわっているが、伸展したときは、図20で実体的に示すように、コイルは縦断面が概ね放物体状である逆円錐ヘリックス（つる巻き線）型の形状を成す。ここの文脈では、「ヘリックス」とは、基板206の上方に螺線216の最外部を持ち上げることによって生じる伸展したコイルの形状全体を言う。そのように伸展したとき、伸展したコイルの縦断面の最外部端に沿った滑らかな曲線は、実質的に放物線である。断面曲線は、様々な実施形態で異なり得る。しかしながら、「へリックス」という用語は、螺線を伸展または伸延する本発明のすべての実施形態をカバーすることを意味する。
【００４９】
ブリッジ210は、平面図で「E」字形であり、ミラーに結合する中心脚240を有する。この中心脚はまた、各コイル208aおよび208bの螺線216aの遠位端234に結合する。ブリッジの遠位脚242aおよび242bが、ブリッジの背部244から延長し、各コイル208aおよび208bの螺線216bの遠位端234に結合する。ブリッジは、金属化した半導体層246および高導電性の金属表面層248(図19)から形成されている。ブリッジは単一アクチュエータの両コイルの各螺旋の遠位端に結合されるため、このブリッジは、一方のコイルの電位が他方のコイルの電位よりも大きいとき、これらのコイル間に電流を導通する。
【００５０】
上で説明したMUMP工程を参照しながら、特に図19を参照してその製造に関連して、本発明のアクチュエータの構造をさらに詳細に説明する。100mmのn型シリコンウェーハ252にリンを十分にドーピングし、600nmのシリコン窒化物層254を電気アイソレーション層としてシリコンウェーハ252上に堆積し、それによって基板206を形成する。続いてシリコン窒化物層にポリ0を直接堆積する(層ポリ0、ポリ1およびポリ2に符号を付けないが、堆積およびエッチングによって形成した構造のみを示しかつ符号を付ける)。
【００５１】
ポリ0層を、フォトレジストを用いてフォトリソグラフィ法でパターン形成し、露光し、かつ現像して半導体コイル台座222を作る。フォトレジストをパターン形成した後で、ポリ0層をリアクティブイオンエッチング法でエッチングする。
【００５２】
ポリ0層上と窒化物層254の露出した部分上に、第1酸化物層を堆積する。既述したように、工程の最後で、コイル、ブリッジ、およびミラーを構成する後述の機械層を取り除くために、この第1酸化物層が除去される。第1酸化物層を被着した後で、ウェーハをアンカー1マスク層でパターン形成し、リアクティブイオンエッチングを施して、次の処置でポリ1層によって充填することになる、台座222まで下方にアンカーホールを設ける。
【００５３】
次に、ポリ1層を2.0μmの厚さに被着する。この層が、デバイスの第1構造層である。エッチングおよび除去後に、この層がアクチュエータ202のコイル208を形成する。上で形成したアンカーホールは、コイルの径方向の最内部218を台座222にしっかりと固定する手段となる。薄い200nmのリンガラスマスキング層を、ポリ1層および他の露出した層の上全体に堆積し、さらにウェーハをアニールする。
【００５４】
コイル208を画成するマスクを使用して、ポリ1およびリンガラスマスキング層をリソグラフィ法でパターン形成する。ポリ1層をエッチングした後で、フォトレジストを剥離し、残留する酸化物ハードマスクをリアクティブイオンエッチングによって除去する。
【００５５】
次に、第2酸化物を堆積し、MUMP工程での2つのエッチングマスクのうちの一方を使用してパターン形成する。
【００５６】
ポリ1_ポリ2_バイアエッチングによって、第2酸化物中に下方へポリ1層まで達するエッチングホールを設ける。このエッチングによって、ポリ1層と続くポリ2層の間に機械的および電気的接続を設ける。本発明に関しては、このエッチングを用いて、コイル(ポリ1層によって形成する)とブリッジ(ポリ2層によって形成する)間を機械的および電気的に接続する。
【００５７】
次いで、第2構造層、すなわちポリ2を、200nmのリンガラスマスキング層と共にウェーハ上に堆積し、次いでポリシリコンをドーピングしかつ薄膜の応力を減少させるためにアニールする。ブリッジ210およびミラー200を形成するために、第7のマスクを用いてリソグラフィ法でポリ2層にパターン形成をする。
【００５８】
最終的な堆積層は、プローブ受台224、コイル上の電導層とブリッジ、およびミラー用の高反射率表面を設ける0.5μmの金属層である。最後に、径方向の最内部218を台座にしっかりと固定する箇所を除いて、コイル208を台座222から取り除くために、このデバイスを犠牲層の取り除きを受ける。
【００５９】
図18では、2つの電気エネルギー源、すなわち持上げ電流源258および変調電流源260を有する回路256に接続したアクチュエータ202の略図を示す。持上げ電流源は、磁界Bc(図19)を生ずるコイル介して導通する定常電流を供給する。磁界の強さは、電流とコイルの巻き回数とコイル螺線の断面積との積に比例する。コイルの磁界Bcは、基板206内へ向かって行くように図19で示す極性を有する。所与の設計に関して、コイルの巻き回数および螺線の断面積は一定である。したがって、磁界の強さは、電流に比例し、電流を変化させることによって変調することができる。
【００６０】
持上げ電流源258が、定常磁界Bcを生ずる定常電流を供給する。この定常磁界Bcは、永久磁石212の磁界Bmに対向し、コイル208を伸張させ、それによって基板206上方にミラーを持ち上げる。基板とミラーの離間距離は、磁界BcおよびBmの強さによって調整する。
【００６１】
ミラーが動く所望範囲に関して、ミラーと基板の間に十分なスペースを設けて、持上げ電流によって基板上方に約100から500μmの間でミラーを持ち上げる。基板上方にミラーを持ち上げることによって、本発明は、基板表面に対する平行面から離れる方向に30°よりも大きくミラーを傾斜させることができる。ミラーの動きを制御する大方の従来技術のデバイスでは、ミラーが基底構造に接触するまでに、10°だけしかそのミラーを動かすことができない。本発明は、基板から離れる方向にミラーを持ち上げることができるので、より大きな偏角を実現することができる。
【００６２】
図18では、説明目的のために1つの持上げ電流に接続する1個のアクチュエータのみを図示している。しかし、本発明のアクチュエータを使用して図16に示したようにミラーを制御するには、4個のアクチュエータが含まれる。アクチュエータは、基板の平面表面の上方にかつそれに平行にミラーを持ち上げるように、それぞれ同一の持上げ電流を受け取ることができる。4個のアクチュエータのそれぞれに同一の持上げ電流を供給するために、各アクチュエータを同じ持上げ電流供給源に接続するように基板が追加的な回路を含むことができる。代替実施形態としては、アクチュエータが、基板に対して好ましい向きにミラーをそれぞれ維持するために、持上げ電流が別個のものである。
【００６３】
持上げ電流を設定し、かつミラーを好ましい高さまで持ち上げると、ディジタルプロセッサ(図示せず)または当業で知られている他の手段によって制御可能な制御電流源260により、ミラーの縁部またはコーナを昇降させるように、アクチュエータを個別に制御することができる。アクチュエータを較正または別様に制御するためにフィードバック回路が備わっている場合は、そのフィードバック回路が変調電流源を制御することになる。
【００６４】
図20では、基板206上方にミラー200を懸架するように伸展したコイル208を示す。この側面図は、コイルがその伸展した状態にあるときのコイルの放物形状を示す。すべてのアクチュエータコイルが同じ量だけ伸展するとき、基板の平面上方にかつそれに対して平行にミラーが持ち上がる。1個のアクチュエータのコイルが、別のアクチュエータのコイルよりも大きな量だけ伸展するとき、上で説明した方法によって、仮想線で示すようにミラーを傾斜させる。
【００６５】
追加的な代替実施形態
好ましい実施形態の説明の一部は、MUMP製造工程の諸処置に言及する。しかし、既述したように、MUMPは広範囲なMEMSデバイス設計に対応するために特定的に提供される一般的な製造工程である。したがって、本発明のために特定的に設計する異なる製造工程が、異なる処置、追加的な処置、異なる寸法および厚さ、および異なる材料を含むことは十分あり得ることになる。このような特定の工程は、フォトリソグラフィ技術における当業者が理解する範囲内にあり、本発明の一部ではない。
【００６６】
上に開示した好ましい実施形態では、磁石212が基板206に接合されているように開示しているが、本発明のアクチュエータを有するパッケージチップ（packaged chip）の下部に磁石を取り付けることもでき、この代替形態によってさらに容易にパッケージ可能となる。
【００６７】
好ましい実施形態では、それぞれのコイルが、二重の、交互配置の螺線を含む。しかし、それぞれのコイルが1個の螺線のみしか含まないか、または代替的に3個以上の交互配置の螺線を有するとすることもできる。
【００６８】
螺線の遠位端226(すなわちコイルの最外部)をコイル台座222にしっかりと固定し、螺線の近位端224(コイルの最内部)を基板から離して自由に上方に伸展するように、コイルの螺線を上に供した説明とは逆にすることもできる。このような代替実施形態では、ブリッジ210をコイルの最内部に取り付ける。
【００６９】
別の代替実施形態では、ミラーを制御するために3個のアクチュエータを使用することができる。上で開示した好ましい実施形態では、4個のアクチュエータ(すなわちコイル対)によって、このシステムが機械的には過剰仕様になっている(すなわち、このシステムは好ましい適用例に関して必要以上に多くの軸周り回転が可能である)。それとは異なり、3個のアクチュエータを有するシステムによって所望の動きを与えてもよい。3個のアクチュエータをミラーの4つのコーナのうちの3つに配置することになる。他の2個のアクチュエータ間に位置する中心のアクチュエータが、ミラーのコーナを持ち上げ、対角線上に対向する他の2個のアクチュエータ周りにミラーを旋回させるように、対角軸周りにミラーを傾斜させることになる。他のコイル対も同様にミラーのコーナをそれぞれ持ち上げるが、共有するミラー側部に沿って位置する2個のアクチュエータ周りにミラーを旋回させるように、ミラーをX軸またはY軸周りにそれぞれ旋回させることになる。
【００７０】
図面および好ましい実施形態では、4つのコーナのそれぞれに位置する4個のアクチュエータによって支持されている矩形のミラーを示しかつ説明する。別法として、ミラーのコーナ以外の箇所で、より数が少なくより大型のアクチュエータがミラーを支持してもよい。
【００７１】
コイル螺線をはさんで金属ばねを配設することによって、コイルの剛性を増大させることができる。しかし、このような構成では、コイルを偏向させるのに十分な電流を供給するためには、コイルを融解する程のオーム加熱を生じる恐れのある大きな電流が必要となろう。しかし、そのような構成は、コイルをミラーから電気的に隔離する製造プロセスと組み合わせるのが恐らく適切であろう。
【００７２】
好ましい実施形態では、基板の裏面側に接合した永久磁石を備える。1つの代替的な製造実施形態では、磁石を取り付ける追加的な機械的処置を必要としないように、強磁性層を基板内部にまたは上に形成することができる。
【００７３】
磁界による斥力を供給する別の代替手段は、基板の裏面上にまたは基板の表面上に下部層として大型のコイルを備え、その大型コイルに電流を供給して磁界を生成することである。この実施形態では、上で説明した、アクチュエータのコイルに供給する変調電流が不要になり、その代わりに大型コイルに供給された電流を変調させてミラーを均等に昇降することができる。
【００７４】
上で説明した好ましい第1実施形態では、基板の近傍に永久磁石を配置することによって、また伸縮コイル内に電磁石を作ることによって、磁気斥力を生ずる。1つの代替実施形態では、コイル208が磁気材料から作られ、電流に結合されていないかまたは電流を通さない。この実施形態では、拡張磁気コイルが永久磁石の特性を有し、したがってB磁界を生ずる。次いで、基板206上または基板206に近接して位置する第2基板上に形成または位置する大型(相対的に)電磁コイルによって、磁気斥力を生じさせることができる。略図的には、この実施形態が図16-20に示したように大体図示されているが、ただしブロック212が、電源に接続されている1つまたは複数の電磁コイルを面上に有する第2基板を示すことになる。個々のアクチュエータをそれぞれ別々に制御可能にするように、それぞれのアクチュエータ202に別体の電磁コイルを備えることが好ましい。電磁コイルの動作によって、拡張磁気材料コイル208の磁界に対向するように配向される磁界が生じることになる。その斥力が、磁気材料コイル208を伸縮させ、それによってミラー200を動かすことになる。
【００７５】
コイル208が磁気材料コイルであるこの実施形態によって、第1の好ましい実施形態において生じる恐れのある諸問題が解消する。ひずみ（変形）が、第1実施形態の導電コイルなどの導電デバイスにおける抵抗の変化を誘導する。したがって、コイルを正確な位置まで動かしてその位置に保持するような幾つかの動作では、非常に厳密な制御が難しい場合がある。磁気材料208を使用し、さらに電磁コイルによって磁気斥力を生ずることによって、ひずみ依存性磁気特性を相対的に無視できるので、ひずみによる誘発効果の可能性が実質的に低減する。さらに、この実施形態のアクチュエータは、それらの伸展状態でヘリックス形状に展開する螺線である必要はない。磁気材料の形状は、磁気材料に磁界を生じ、磁気材料が基板に結合し、さらに磁気材料アクチュエータが基板から離れる方向に偏向できるように、デバイス(ミラー200など)が配置されていれば、どんな形状でも適切である。
【００７６】
本発明の好ましい実施形態は、一定の構成を有する特定の物理的部材を組み込むが、より大きなまたはより数少ないコイル、コイル巻き回数、装置および異なる構成に結合されているコイルを有する他の構成に、本発明を組み込むことができる。
【００７７】
典型的には、第1の好ましい実施形態のコイル208のコイル幅は、コイルの特性を実質的に変えるように変更することができる。既述したように、コイルは螺線216であり、それぞれのコイルが基板206に対して実質的に平行な大きさに沿った幅を有する。第1の好ましい実施形態では、螺線の幅が、その長さに沿って実質的に一定であり、コイルの最外部が最も剛性が小さい。螺線の幅がその中心近傍で最も狭いように、コイルの最外部での螺線の幅を増大することによって、最適な展開特性を与えるように、所望通りに剛性を変更することができる。同様に、螺線の長さに沿って金属層の幅を変更することなどによって、螺線の電気抵抗をその長さに沿って変化させることによって、コイルの展開特徴に影響を与えることもできる。コイルが、その平坦で展開していない状態の螺線であるすべての場合において、その展開した形状をここではへリックスと呼んでいる。
【００７８】
本明細書は、発明を実施するための特許出願時において知られた最良の様態を記載し、かつ当業者が本発明を製作および使用することができるように十分な情報を提供する。本明細書はさらに、本発明を製作および使用するための部品の材料、形状、構成および配置を説明する。しかしながら、本発明の範囲が、特許請求の範囲の文言および有効特許に関する国家の法律のみによって限定されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図２】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図３】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図４】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図５】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図６】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図７】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図８】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図９】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１０】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１１】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１２】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１３】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１４】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１５】  微小電気機械デバイスを製造する、従来技術で知られている一般的なマルチユーザMEMS工程の断面図である。断面線は、図示されている従来技術の構造および工程をより明確にするために省略してある。
【図１６】  中央に位置するミラーを動かすために基板上に配置した本発明の電気制御式の磁気作動アクチュエータの1つの好ましい実施形態の上面図である。
【図１７】  ミラーの縁部に結合されているところを示す本発明のアクチュエータの拡大上面図である。
【図１８】  電流源に結合されている本発明のアクチュエータの1つの好ましい実施形態の略図である。
【図１９】  図17の線19-19に沿って見た本発明のアクチュエータの拡大断面図である。
【図２０】  磁界の力を受けて伸展したところを示し、さらに仮想線でミラーの動きを示す本発明のアクチュエータの拡大正面図である。
【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７】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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