(57)【要約】  サブミクロンレベルの小型化、動作の高速化、製造工程の簡素化、低廉化、高信頼性化を同時に可能とする可動素子。基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを含む基本構造を備え、該下部電極と該上部電極の間に電圧印加した際に、これら両電極間に作用するクーロン力により、該弾性軸の弾性変形の許容範囲内で、該上部電極が該下部電極に対して変位する可動素子。同じ基本構造を備え、（１）該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内において該上部構造体が加速度の作用により該下部電極に対して変位する際に、該加速度を該変位による上記両電極間の静電容量の変化として出力する加速度センサーとしての可動素子、および、（２）該上部電極上に付加された外来質量を、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内における該上部電極の該下部電極に対する振動の共振周波数の変化として出力する質量センサーとしての可動素子。
2007110928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該下部電極と該上部電極の間に電圧印加した際に、該弾性軸の弾性変形の許容範囲内で、該上部電極が該下部電極に対して変位することを特徴とする可動素子。
【請求項２】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性曲げ変形の許容範囲内で、傾斜または撓み変形または横移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項３】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性捻り変形の許容範囲内で、該弾性軸回りの回転により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項４】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性伸縮変形の許容範囲内で、上下移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項５】
請求項１〜４において、光素子、電気スイッチ、メモリー、可変容量キャパシター、可動アンテナ、モーターのいずれかであることを特徴とする可動素子。
【請求項６】
請求項５において、上記上部構造体に反射ミラーを備えている光素子であることを特徴とする可動素子。
【請求項７】
請求項６において、上記部構造体に遮光領域と透光領域とを備え、上記下部電極が上面に鏡面領域を備えていることを特徴とする可動素子。
【請求項８】
請求項６において、上記上部構造がキラル構造を成すことを特徴とする可動素子。
【請求項９】
請求項５において、上記上部構造体に可動端子を備え、上記絶縁層上に固定端子を備えている電気スイッチまたはメモリーであることを特徴とする可動素子。
【請求項１０】
請求項５において、上記絶縁層上に上部電極に対する対向電極を備えている可変キャパシターであることを特徴とする可動素子。
【請求項１１】
請求項５において、上記上部構造体にアンテナ部を備えていることを可動アンテナであることを特徴とする可動素子。
【請求項１２】
請求項５おいて、上記上部構造体に動力伝達用の歯車またはスプロケットを備えたモーターであることを特徴とする可動素子。
【請求項１３】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内において該上部構造体が該下部電極に対して変位する際に、該加速度を該変位による上記両電極間の静電容量の変化として出力する加速度センサーであることを特徴とする可動素子。
【請求項１４】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該上部電極上に付加された外来質量を、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内における該上部電極の該下部電極に対する振動変位の共振周波数の変化として出力する質量センサーであることを特徴とする可動素子。
【請求項１５】
請求項１３または１４において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性曲げ変形の許容範囲内で、傾斜または撓み変形または横移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項１６】
請求項１３または１４において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性捻り変形の許容範囲内で、該弾性軸回りの回転により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項１７】
請求項１３または１４において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性伸縮変形の許容範囲内で、上下移動により変位することを特徴とする可動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微細電子機械素子）による光素子などの小型化、動作の高速化、製造工程の簡素化、低廉化、高信頼性化を同時に可能とする可動素子に関する。【０００２】
本発明の可動素子は、光素子（反射ミラー、光シャッター、可変旋光器、可変集光ミラー）、電気スイッチ（完全なON/OFF）、メモリー（揮発性、不揮発性、多値）、センサー（加速度、角加速度、質量）、その他（可変容量キャパシター、可動アンテナ、振動モータ）等の可動素子として有利に適用できる。
【背景技術】
【０００３】
従来のＭＥＭＳによる光素子（以下「光ＭＥＭＳ」）を図１に示す（非特許文献１）。図示した反射ミラー素子１０は、反射ミラー１２を備えた反射ミラー階層Ｌ１、基台１４にねじりバネ１６を介して傾動板１８が結合されて傾動する傾動階層Ｌ２、基台２２と下部電極２４とを含む固定階層Ｌ３、およびＣＭＯＳメモリの階層Ｌ４の４階層から成る。階層Ｌ１のミラー１２が階層Ｌ２の傾動板１８に係合し、階層Ｌ２の傾動板１８と階層Ｌ３の下部電極２４との間に電圧を印加した際に傾動板１８／下部電極２４間に作用するクーロン力により階層Ｌ２の傾動板１８が傾動し、傾動板１８に係合している反射ミラー１２が一緒に傾動する。階層Ｌ４のＣＭＯＳメモリは上記傾動による作動状態を記憶する。傾動板１８／下部電極２４間の電圧印加を停止すると、ねじりバネ１６の弾性により傾動板１８と一緒にミラー１２が傾動前の姿勢に復帰する。【０００４】
この反射ミラー素子としての光ＭＥＭＳ１０は、プロジェクター用（画像投影用）として1個のミラー１２が１画素を構成するものである。ミラー１２のサイズは２５μｍ×２５μｍ程度であり、ＬＳＩのパターンサイズ（数μｍ以下）に比べて著しく大きい。ミラーサイズに対応して光ＭＥＭＳ１０の構造全体もサイズが大きく、かつ、４階層にわたって多数の部材が係合し合った複雑な構造であり、製造工程も煩雑である。【０００５】
その上、ミラー１２の傾動／復帰を可能にするねじりバネ１６は、金属製でありねじり変形の繰返しにより疲労して折れ易く信頼性が低い。【０００６】
ミラー１２の動作速度も、人が見る映像を表示できればよいので、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度と遅い。特に、高速通信の変調器等として用いるためには、数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度で動作する必要があり、これに比べると１〜６桁も遅い。光ＭＥＭＳは、映像装置用としてではなく、チップ間あるいはボード間の光通信を行なう光変調器用として期待されている。光ＭＥＭＳの動作周波数は構造体の共振周波数によって決まるので、動作速度を高速化するには、より小型化して共振周波数を高める必要がある。小型化のためには構造を簡単にして製造を容易にする必要がある。また、動作周波数が高くなるのに伴い、繰り返し動作回数も著しく増加するので、疲労強度を向上させて信頼性を高める必要がある。【０００７】
ＭＥＭＳのもう一つの用途として、スイッチへの適用も期待されている。近年、携帯電話、インターネットやブルーツース等、高周波の利用が格段に進み、従来の周波数帯が過密になりつつあることから、より高周波の領域へのシフトが進んでいる。高周波回路やＲＦ回路では、回路間の干渉（寄生容量、寄生抵抗）を極力排除する必要があるため、ＯＮ／ＯＦＦ間で単に低抵抗状態と高抵抗状態とを切り替えているに過ぎない現状のトランジスタでは不十分である。むしろトランジスタの出現以前には最も一般的であった、回路を完全に切断したり接続したりする旧来の「スイッチ」の方が、寄生容量や寄生抵抗を理想的な状態にまで排除できるので望ましい。【０００８】
しかしそのようなスイッチとしては、複雑な回路を高密度に実現できるＬＳＩと混載できることが要求される。これまでにＭＥＭＳでＬＳＩと混載されたものもあるが、まだサイズが大きく、動作速度も遅く、消費電力も大きいため、ＬＳＩと完全に一体化できていない。そのため、ＬＳＩと完全に混載できる超微細なスイッチが望まれている。【０００９】
ＭＥＭＳの更にもう1つの用途として、メモリーへの適用も期待される。メモリーは画像処理の細密化や高速化に伴い、より安価かつ大容量で不揮発性のメモリーを新たに開発することが要請されている。【００１０】
ＭＥＭＳのもう一つの用途として、センサーも有望である。電化製品、自動車、ロボットをはじめとして、人間生活のあらゆる場面で安全、安心、快適を実現するために、多種多様なセンサーが普及しつつある。今後の趨勢として、利用されるセンサーの種類も個数も増大することが見込まれており、ＬＳＩと合体することで複雑な判断も即座にできるスマートセンサー（知的センサー）が主流となると予想される。1つの製造プロセスから多種類のセンサーを作り分けることができ、かつＬＳＩとの完全な混載を可能とする非常に微細なセンサーの開発が望まれている。【００１１】
その他にも、ＬＳＩと混載して一体化できるＭＥＭＳの適用形態として、可変容量キャパシタ、方向可変の指向性アンテナ、駆動装置（モータ）や動力伝達機構なども期待される。【００１２】
従来のＭＥＭＳの多くは、Ｓｉ半導体の単結晶基板を加工して作製されており、同じ単結晶基板内に作製するＬＳＩ回路との間で基板領域の取り合いが起きてしまうため、集積度の向上が困難であった。また、ＭＥＭＳの作製プロセスとＬＳＩの作製プロセスとは温度、段差形成との諸相で相互に干渉するため、両者の性能を劣化する。【００１３】
特に、従来のＭＥＭＳ混載のＬＳＩ装置では、ＭＥＭＳの可動部分の機械強度を確保するために単結晶である半導体基板に作り込んでいたため、ＬＳＩ作製プロセスの初期段階からＭＥＭＳの作製も開始する必要があった。その結果、半導体基板の一部に作製されたＭＥＭＳはＬＳＩ製造に必要な高温熱処理に曝されて特性劣化することが避けられなかった。【００１４】
これを回避するには、干渉が発生しないようにＬＳＩの作製プロセスを変更する必要があり、長い経験を通して蓄積されてきたＬＳＩ製造技術の貴重なライブラリーを有効に活用できず無駄になる上、新たなプロセス開発費によりコストが上昇する。【００１５】
理想的には、ＬＳＩ回路を完成させた半導体基板の上に、上述した各用途に適した種々のＭＥＭＳを低温プロセスによりＬＳＩ特性に影響を及ぼすことなく形成することが可能であれば、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを有効に活用できるので新たな開発費を必要とせず、同時に、ＬＳＩ配線の上にＭＥＭＳを設けた２階建て構造により高い集積度の実現が可能となり、ＭＥＭＳを内蔵するＬＳＩ装置として総合的に高い機能が達成されると期待される。【００１６】
以上のように、従来のＭＥＭＳは、構造が複雑で小型化できないため、動作速度が遅く、製造工程が煩雑で、高コストとなることが回避できず、可動部の疲労強度が低いため信頼性が低い、という問題があった。【００１７】
なお、特許文献１には、ＭＥＭＳデバイスの機能的要素としてカーボンナノチューブを製造する方法が提示されている。しかし、単にカーボンナノチューブの微小径を利用してカンチレバー先端のプローブをカーボンナノチューブで形成することが示されているのみであり、電極構造を備えた可動素子についてもカーボンナノチューブから成る可動部についても、何ら示唆がない。【００１８】
また、特許文献２には、ＭＥＭＳによるマイクロミラーパッケージが提示されている。半導体チップ上のパッドと対向するＭＥＭＳミラーが開示されているが、単なるパッケージの改良に過ぎず、ＭＥＭＳミラーの可動部にカーボンナノチューブを用いたミラー素子は何ら示唆していない。【００１９】
【特許文献１】特表２００２−５２６３５４号公報
【特許文献２】特開２００５−２５０４５０号公報
【非特許文献１】藤田博之「マイクロ・ナノマシン技術入門」p.174（工業調査会、2003年8月15日）
【発明の開示】
【００２０】
本発明は、サブミクロンレベルの小型化、動作の高速化、製造工程の簡素化、低廉化、高信頼性化を同時に可能とする可動素子を提供することを目的とする。
【００２１】
上記の目的を達成するために、本発明の一観点によれば、基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを含む基本構造を備え、該下部電極と該上部電極の間に電圧印加した際に、これら両電極間に作用するクーロン力により、該弾性軸の弾性変形の許容範囲内で、該上部電極が該下部電極に対して変位することを特徴とする可動素子が提供される。
【００２２】
また、本発明の第二観点によれば、上記第一観点による基本構造を備え、（１）該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内において該上部構造体が加速度の作用により該下部電極に対して変位する際に、該加速度を該変位による上記両電極間の静電容量の変化として出力する加速度センサーとしての可動素子、および、（２）該上部電極上に付加された外来質量を、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内における該上部電極の該下部電極に対する振動の共振周波数の変化として出力する質量センサーとしての可動素子も提供される。
【００２３】
本発明の可動素子は、カーボンナノチューブで保持し得る程度の極めて微細な構造であり、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを活用したＭＥＭＳ作製技術により、簡素な工程により低コストでサブミクロンレベルの超小型素子として製造できる。
【００２４】
サブミクロンレベルに小型化したことにより動作を著しく高速化することができ、かつ、可動部をカーボンナノチューブで作製したことにより高速繰返し動作時の疲労強度が大幅に高まり、高度の信頼性が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図1は、従来のＭＥＭＳによる光素子（光ＭＥＭＳ）の典型例を示す斜視図であり、
【図２】図２（ａ）〜（ｈ）は、本発明による可動素子のカーボンナノチューブ弾性軸の変形形態および上部電極の変位形態のバリエーションをまとめて示す断面図であり、
【図３】図３は、本発明による可動素子構造の種々の形態をまとめて示す断面図であり、
【図４】図４は、本発明の傾斜式の可動素子を適用した反射ミラー素子の縦断面図であり、
【図５】図５は、図４の反射ミラー素子を上から見た平面図であり、
【図６】図６は、図４の反射ミラー素子の他の形態を上から見た平面図であり、
【図７】図７（１）〜（９）は、図４および図５に示した反射ミラー素子の製造工程を示す断面図であり、
【図８】図８は、多方向に傾斜する本発明の反射ミラー素子を示す平面図であり、
【図９】図９は、本発明の反射ミラー素子を格子状に配列したマルチミラー構造を示す平面図であり、
【図１０】図１０は、本発明のマルチミラー構造を用いた光配線を示す配置図であり、
【図１１】図１１（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した光シャッター素子の（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の回転式の可動素子を適用しキラル構造を備えた可変旋光素子の平面図であり、
【図１３】図１３（１）および（２）は本発明の上下移動式（伸縮式）の可動素子を適用した反射ミラー素子の縦断面図であり、
【図１４】図１４（１）および（２）は、図１３の反射ミラー素子を用いたＧＬＶデバイスを示す縦断面図であり、
【図１５】図１５（１）および（２）は、カーボンナノチューブ弾性軸を多数本用いた本発明の撓み式の反射ミラー素子を示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１６】図１６（１）〜（３）は、本発明の傾斜式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図１７】図１７（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す平面図であり、
【図１８】図１８（１）および（２）は、複数本のカーボンナノチューブ弾性軸を用いた本発明の撓み式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１９】図１９（１）〜（３）は、本発明の上下移動式（伸縮式）の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図２０】図２０（１）〜（３）は、本発明の横移動式の可動素子を適用した可変容量キャパシターを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図２１】図２１（１）および（２）は、本発明の撓み式の可動素子を適用した可変容量キャパシターを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２２】図２２（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した可動アンテナを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２３】図２３（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した回転モーターおよびそれに歯車係合する従動素子を示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２４】図２４（１）〜（３）は、本発明の横移動式の可動素子を適用した加速度センサーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、そして
【図２５】図２５（１）および（２）は、本発明の傾斜式の可動素子を適用した質量センサーを示す（１）縦断面図および（２）平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の可動素子の形態としては、代表的には光素子、電気スイッチ、メモリー、可変キャパシター、可動アンテナ、モーター、センサーが可能である。これらの各素子形態についてそれぞれカーボンナノチューブ弾性軸の弾性変形の形態と上部電極の変位の形態の組合せがある。すなわち、（１）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性曲げ変形による上部電極の傾斜、撓み、横移動による変位、（２）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性捻り変形による上部電極の回転による変位、（３）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性伸縮変形による上部電極の上下移動による変位というバリエーションがある。カーボンナノチューブ弾性軸の変形形態が３通り、上部電極の変位形態が５通りである。図２を参照して、このバリエーションを説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を１本用いた例であり、図２（ｅ）〜（ｈ）はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を複数本用いた例である。【００２７】
まず、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が１本の場合を説明する。【００２８】
図２（ａ）は作動前の初期状態の可動端子を示しており、図示した例では、基板１０２上に基礎導電層１０４、絶縁層１０６、下部電極層１０８が積層されている。１本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０が、下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を貫通して直立し、上端に上部電極１１２の中心が固定されている。絶縁層１０６上のストッパー層１１４は、上部電極１１２が傾斜する形態の場合に下部電極１０８との接触によるショートを防止する。【００２９】
図２（ｂ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上でオーバラップするように配置されており、左右いずれかの下部電極１０８に電圧印加すると、電圧印加側の下部電極１０８とオーバラップしている側の上部電極１１２の実質部分がクーロン力により下方へ引かれ、上部電極１１２全体が電圧印加側に傾斜する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は傾斜側へ弾性曲げ変形する。【００３０】
図２（ｃ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上で全くまたは殆どオーバラップしないように配置されており、左右両方の下部電極１０８に電圧印加すると、上部電極１１２はその実質部分が下部電極１０８の実質部分とオーバラップするように、カーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心にして回転する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性捻り変形する。【００３１】
図２（ｄ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上でオーバラップするように配置されており、左右両方の下部電極１０８に電圧印加すると、上部電極１１２はクーロン力により下方へ引かれて全体が降下する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性圧縮変形する。【００３２】
次に、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が複数本の場合を説明する。【００３３】
図２（ｅ）は作動前の初期状態の可動端子を示しており、図示した例では、基板１０２上に基礎導電層１０４、絶縁層１０６、下部電極層１０８および／または対向電極２０６が積層されている。４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０が、下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を貫通して直立し、上端に上部電極１１２の４隅が固定されている。【００３４】
図２（ｆ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の中央部の真下に配置された下部電極１０８と上部電極１１２との間での電圧印加により上部電極１１２の中央部が下方へ引かれて撓んで凹面状に湾曲する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は中央部へ向かって弾性曲げ変形する。【００３５】
図２（ｇ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２は中央部に開口を持ち左右が実質部分となっており、下部電極１０８は上記開口の真下に配置されていて、上下の電極の実質部分が平面図上でオーバラップしない。そして、上下電極間に電圧印加すると上部電極１１２が下部電極１０８とオーバラップするように横移動する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は上記横移動の方向へ弾性曲げ変形する。【００３６】
図２（ｈ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の中央部の真下に配置された下部電極１０８と上部電極１１２との間での電圧印加により上部電極１１２全体が降下する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性圧縮変形する。【００３７】
上記各形態は電圧印加により能動的に上部電極を変位させる形態を説明したが、電圧印加せずに例えば加速度により受動的に上部電極が変化する形態もある。【００３８】
また、本発明の可動素子の構造は、以上で説明した基本的な形態に限定されることがなく、図３に示すように種々の形態が可能である。なお、図３には、異なる複数の形態をまとめて示してある。【００３９】
基板１０２上に設けた基礎導電層１０４上にカーボンナノチューブ弾性軸１１０が下端を固定されて直立している。基礎導電層１０４とカーボンナノチューブ弾性軸１１０の下端との固定部分は絶縁層１０６等の補強を必要に応じて施すことができる。【００４０】
カーボンナノチューブ弾性軸の上端に上部電極１１２が固定されている。上部電極１１２とは別個に絶縁体等の支持体１１５がカーボンナノチューブ弾性軸１１０の上端に固定されていてもよい。この場合、上部電極１１２は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０に直接固定されていてもよいし、支持体１１５を介して間接的にカーボンナノチューブ弾性軸１１０に固定されていてもよい。更にこの場合、上部電極１１２は、１１２Ｌ、１１２Ｍのように支持体１１５の下面に設けても良いし、１１２Ｎのように支持体１１５の上面に設けてもよい。【００４１】
可動端子１１２Ｂのように、カーボンナノチューブ弾性軸１１０とは接続されない端子（または電極）を設けることができる。なお、図示の例では、可動端子１１２Ｂは、上部電極１１２とは別個の支持体１１５に設けてあるが、上部電極１１２に絶縁層を介して設けてもよい。更に、図示の例では、可動端子１１２Ｂは支持体１１５の下面に設けてあるが、支持体１１５または上部電極１１２の上面および／または下面に設けることができる。【００４２】
上部電極１１２および下部電極１０８は、電気的な接続機能が必要ない場合には、表面をそれぞれ絶縁被膜１１３または１０９で被覆してあっても良い。【００４３】
下部電極１０８は、１個のみ図示してあるが、必要に応じて複数個を設けることができる。【００４４】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、前述のように１本を用いる場合もあるし、複数本を用いる場合もある。【００４５】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、機械的な支持機能と導電機能とを兼備しても良いし、いずれか一方の機能のみ具備していても良い。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、電位の異なる複数のカーボンナノチューブの束であってもよい。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、軸状、壁状、中空状、中実状のいずれであってもよい。【００４６】
以下に、添付図面を参照し、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【実施例】
【００４７】
〔実施例１〕  反射ミラー素子
図４（１）に、本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳの反射ミラー素子の縦断面を示す。【００４８】
図示した反射ミラー素子１００は、基板１０２上に、基礎導電層１０４、絶縁層１０６、左右一対の下部電極１０８Ｌ・１０８Ｒがこの順に形成されている。カーボンナノチューブ弾性軸１１０が下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を上方へ貫通して直立しており、この弾性軸１１０の上端には上部電極１１２が固定されている。上部電極１１２の上面は鏡面となっており、反射ミラーとして機能する。絶縁層１０６は、カーボンナノチューブの優れた機械的性質を十分に発揮できるように、カーボンナノチューブ１１０の下端と基礎導電層１０４との結合部を補強する機能を持つ。これによりカーボンナノチューブ１１０は絶縁層１０６内では周囲から拘束されて実質的に変形せず、絶縁層１０６から上の部分のみが変形する。【００４９】
カーボンナノチューブは、鋼の５倍という極めて高い引張強度を持つ上、単結晶であるため多結晶やアモルファスと比べて繰り返し変形での疲労強度も高い。また許容される電流密度は銅の１０００倍にも達し、熱伝導率も銅の１０倍である。このように機械的、電気的、熱的な特性を備えたカーボンナノチューブで可動部である弾性軸１１０を構成したことにより、極めて簡単な構造の可動部を実現でき、同時に、上部電極との電気的接続を行なうフレキシブル配線としての機能も得られるので、機械的および電気的な信頼性を同時に得ることができる。【００５０】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、一本のカーボンナノチューブであってもよいが、多数本のカーボンナノチューブを束ねた集合体とすることが有利である。これにより弾性軸１１０全体としての機械的強度が高まると同時に、束を構成する個々のカーボンナノチューブの柔軟な変形も十分に維持されるので弾性軸全体としても柔軟に変形できる。【００５１】
反射ミラー素子１００のサイズの典型例として、図中に各部の寸法（μｍ）を示した。【００５２】
図５に、反射ミラー素子１００を基板上方から見た平面図を示す。図４に対応した寸法（μｍ）の例を記入した。細線の枠Ｓは、後に説明するマルチミラー配置の際にミラー１個が占める領域を示しており、隣接ミラー４個との境界線である。【００５３】
反射ミラー素子１００は、正方形断面を持つ柱状のカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心に、その左右両側の対称位置に下部電極１０８Ｌ・１０８Ｒ、更に外側の４コーナーにストッパー層１１４が配置されている。正方形の上部電極１１２は中心の下面がカーボンナノチューブ弾性軸１１０の上端に固定されていて、上部電極１１２の正方形の４コーナーが正方形のストッパー層１１４の内寄りコーナー部分の上方に位置している。【００５４】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、図５のように柱状でなく図６のように壁状としてもよい。また断面形状も、正方形や長方形とする必要はなく、多角形、円形、楕円形その他の形状であってもよい。
また、反射ミラー（上部電極１１２等）の形状も特に限定する必要はなく、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形その他の形状であってよい。【００５５】
図４（１）は、図５または図６の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本来であれば図５のストッパー層１１４は図４（１）には現れないが、以下の説明の便宜上図４（１）〜（３）に示してある。【００５６】
本発明の反射ミラー素子１００は以下のように作動する。【００５７】
図４（１）において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の両側の下部電極１０８のうち、例えば右側の下部電極１０８Ｒに図示しない配線を介して電源の一方の極性側を接続し、上部電極１１２に基礎導電層１０４とカーボンナノチューブ弾性軸１１０とを介して電源の他方の極性側に接続することにより、右側の下部電極１０８Ｒと上部電極１１２との間に電圧を印加する。【００５８】
これにより、図４（２）に示すように、右側下部電極１０８Ｒと上部電極１１２とが両者間の空間を挟んでキャパシターを構成し、両電極が逆極性に帯電することにより発生するクーロン力Ｑにより引き合い、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により右に傾斜し、上部電極１１２の右端が右側のストッパー層１１４に当接した状態で停止する。これにより上部電極１１２と下部電極１０８Ｒとの接触（ショート）による過大電流の発生が回避される。【００５９】
右側の下部電極１０８Ｒではなく左側の下部電極１０８Ｌと上部電極１１２との間に電圧を印加すれば、図４（３）に示すように、左側下部電極１０８Ｌと上部電極１１２とがクーロン力Ｑにより引き合い、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性変形により左に傾斜し、上部電極１１２の左端が右側のストッパー層１１４に当接した状態で停止する。これにより上部電極１１２と下部電極１０８Ｌとの接触（ショート）による過大電流の発生が回避される。【００６０】
傾斜した上部電極１１２と下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌとの接触は、上下のうち少なくとも一方の電極の少なくとも接触部分に絶縁被膜を形成しておけば、ストッパー１１４を設けなくとも防止できる。ただし、絶縁被膜の形成には新たな工程の追加が必要になり、下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌと同一工程で形成できるストッパー１１４を設ける方がその点で有利である。また、可動素子高さを最小限に抑えることが小型化等の観点から望ましいが、上下の電極間距離（可動素子高さ）を増加させる絶縁被膜の存在はこの点からも望ましくない。その意味で絶縁被膜はできるだけ薄く形成することが望ましいが、余り薄くすると電極同士の多数回の接触により損耗して絶縁機能を失う心配もある。【００６１】
上記の図４（２）、（３）の傾斜状態で電圧印加を停止すれば、クーロン力が作用しなくなるので、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性によって図４（１）の水平状態に戻る。【００６２】
このようにして、反射ミラーとしての上部電極１１２が、図４に示した（１）水平、（２）右傾斜、（３）左傾斜の３通りの状態を取ることにより、入射光を３通りの方向へ反射できる。【００６３】
反射ミラー素子１００はほぼ１μｍ×１μｍのサイズであり、従来のＤＭＤ画素が２０〜３０μｍ×２０〜３０μｍであるのと比べて、数百分の１以下に小型化できる。これは半導体基板に作製されるＬＳＩと同等サイズであり、同一基板上にＬＳｉと混載することができる。動作速度を従来の画像投影用などの１ｋＨｚに対して、高速通信用の変調器として必要な数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度以上に高速化することが可能である。【００６４】
また構造が簡単であるため、製造が容易で安価であることに加えて、動作の信頼性が高い。【００６５】
更に、カーボンナノチューブが単結晶なので疲労強度が高く、長期にわたる信頼性も優れている。【００６６】
図７を参照して、光ＭＥＭＳ１００の製造工程の典型例を説明する。【００６７】
まず、図７（１）に示すように、Ｓｉ半導体基板１０２上に、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の低温製膜法により、ＴｉＮ基礎導電層１０４、Ｓｉ３Ｎ４絶縁層１０６を形成し、更にＴｉＮ層を形成およびパターニングして下部電極１０８Ｌ、１０８Ｒおよびストッパー層１１４を形成する。図示はしていないが、Ｓｉ半導体基板１０２には先行してＬＳＩ回路が作製されていてもよい。【００６８】
次に、図７（２）に示すように、ＣＶＤ法、スピンコート法等により全面にＬＴＯ犠牲膜１１６を形成する。【００６９】
次に、図７（３）に示すように、全面にレジストパターン１１８を形成し、これをマスクとしてＲＩＥ法、ウェットエッチング法等によりＴｉＮ基礎導電層１０４に達する開口１２０を形成する。【００７０】
次に、図７（４）に示すように、スパッタ法、微粒子散分法等により全面にＣｏ微粒子層１２２を形成する。【００７１】
次に、図７（５）に示すように、レジスト剥離液、ラッシャー等によりレジスト層１１８およびその上のＣｏ微粒子層１２２を一緒に除去する。これにより開口１２０内に露出したＴｉＮ基礎導電層１０４の上面にのみＣｏ微粒子層１２２を残す。【００７２】
次に、図７（６）に示すように、一般的なＣＶＤ法、プラズマとＣＶＤ法等により、開口１２０底部のＣｏ微粒子を核としてカーボンナノチューブ１１０を犠牲層１１６の上面レベルまで成長させる。【００７３】
次に、図７（７）に示すように、開口１２０の上縁から露出しているカーボンナノチューブ１１０の上端を含むＬＴＯ犠牲膜１１６上面に、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等によりＡｌ、Ａｕ、ＴｉＮ、Ｐｔ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ等の層を形成した後にパターニングして上部電極１１２とする。上部電極１１２の上面にＡｌ、Ａｕ等の高反射率の層を設けることが望ましい。【００７４】
次に、図７（８）に示すように、ＲＩＥ法等により、ＴｉＮ基礎導電層１０４への接続用にビア１２４を開口する。【００７５】
最後に、図７（９）に示すように、ＨＦ等によりＬＴＯ犠牲膜１１６を除去して、図４（１）の光ＭＥＭＳ１００を完成する。なお、Ｓｉ半導体基板１０２に先行してＬＳＩ回路が形成してある場合には、上記工程（１）〜（９）の適切な段階で、基板１０２上で作製途上にある光ＭＥＭＳと基板１０２に作成済のＬＳＩ回路との間の必要な配線層の形成を行なうことができる。【００７６】
以上のように、光ＭＥＭＳ１００は、低温プロセスのみにより作製できるので、Ｓｉ半導体基板１０２にＬＳＩ回路が先行して作製されていてもＭＥＭＳ作製プロセスによる熱影響を受けることがない。また、ＬＳＩ製造プロセスを完了した後にＭＥＭＳ作製プロセスを行なうことができるので、ＬＳＩ製造プロセスに用いる高温処理によりＭＥＭＳが熱影響を受けることもないため、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを有効に活用でき、新たなプロセス開発のためのコストも発生しない。【００７７】
〔実施例２〕  多方向傾斜
実施例１の反射ミラー素子１００は左右２方向に傾斜する形態を示したが、これに限定する必要は無く、多方向に傾斜する形態も可能である。【００７８】
例えば図８に示すように、下部電極１０８およびストッパー層１１４をカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心に放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置してある。Ａ〜Ｈのうちのいずれか１方向の下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加することにより、上部電極１１２は電圧印加した下部電極１０８の方向に傾斜する。このようにして８方向に選択的に傾斜できる反射ミラー素子が実現できる。【００７９】
〔実施例３〕  マルチミラー
実施例１で説明した光ＭＥＭＳによる反射ミラー素子１００を格子状に配列したマルチミラー構造の一例を説明する。【００８０】
図９（１）に示すＬＳＩ装置１２６は、多数個の接続パッド１２８、１３０のうちの一部の接続パッド１２８を、光通信による接続パッドとして図９（２）に示すマルチミラー構造で作製してある。他のパッド１３０は通常の配線接続用パッドである。【００８１】
図９（２）は、実施例１のＭＥＭＳ反射ミラー素子１００を５×５のマトリクス状に配列したマルチミラー構造の平面図であり、細線Ｓは個々の反射ミラー素子１００が占める領域の外縁を示し、隣接ミラー素子間の境界線である。実施例１のサイズの反射ミラー素子１００を用いると、パッド１２８全体としての面積は６．５×６．５μｍである。【００８２】
光通信用パッド１２８を用いて多数個のＬＳＩ装置間を光通信により接続できる。個々のパッド１２８をパッドサイズの光ＭＥＭＳ１個によるシングルミラー構造で構成せずに、微小な光ＭＥＭＳ１００によるマルチミラー構造で構成したことにより、動作速度を格段に高速化できる。すなわち、同じパッド面積について、パッドサイズの単一ミラーの動作速度に比べて、マルチミラー構造を構成する微小ミラーの動作速度の方が格段に高速であり、マトリクス全体の微小ミラー１００を同時に作動させることにより、単一ミラーと同じ内容の情報を格段に高速で伝送できる。例えば、単一ミラー構造のパッドで伝送速度１ＭＨｚであるような場合に、マルチミラー構造とすることにより数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚといった高速化が可能になる。【００８３】
また、マルチミラーによる付随的な利点として、個々のミラーが小さいのでミラー面積内における反射光同士の光路差を波長に対して十分に小さくできるので、干渉による減衰を防止できる。【００８４】
このようにＬＳＩからの高周波信号を光信号として出力できると、従来のようにパッドに針を当接させたり金線等を溶接したりして電気信号として出力するのに比べて、ＬＳＩ間の複雑な配線を大幅に簡略化することができるし、同時に、信号の配線遅延やクロストークの発生を防止できる。また、１つの素子からあらゆる素子に配線を行なう必要な場合（ニューロコンピュータなど）は、素子総数がＮであれば必要な配線総数はＮ（Ｎ−１）となり多層配線を用いても事実上不可能であるが、光を用いることにより可能になる。【００８５】
〔実施例４〕  光配線
図１０に、実施例３のマルチミラーによる光配線の例を示す。【００８６】
マルチミラーによるパッド１２８を備えたＬＳＩ装置１２６が多数個配列されている。【００８７】
光源１３２からの光は、光導波路シート１３４内を図中右方へ進行しつつ、側方へも漏洩する。漏洩した光Ｌ０は半透明ミラー１３６を透過してＬＳＩ装置１２６のマルチミラー式光パッド１２８に入射する。光パッド１２８の傾斜角に応じた種々の向きの反射光Ｌ１、Ｌ２は、半透明ミラー１３６で反射して、複数のＬＳＩ装置１２６、１２６の受光部１２９に信号を伝送する。受光部１２９は一般的なＳｉのｐｎ接合等により形成される。光源１３２の種類は特に限定する必要はないが、ＬＥＤが最適である。ＬＥＤは、小型で消費電力が少ない上、複数のＬＳＩ装置１２６に対して１個で足りるので、光配線を含む装置全体の小型化や省電力化にとって実質的な不利は及ぼさない。【００８８】
〔実施例５〕  捻り変形（光シャッター、旋光素子）
実施例１で説明した光ＭＥＭＳ１００は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により上部電極１１２が左右に傾動する形態であるが、図４（１）と同様の基本構造で、上下の電極の形状や配置を変えることにより、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形により上部電極１１２が回転する形態も可能である。【００８９】
そのような一例として、図１１に、本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳとしての光シャッター素子の（１）縦断面および（２）平面図を示す。断面図（１）は平面図（２）の線Ａ−Ａにおける縦断面を示す。【００９０】
図示した光シャッター素子１４０の特徴は平面構造にある。すなわち、図１１（２）に示すように、電圧印加しない初期状態において、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心として右上から左下にかけて存在する。これに対して、下部電極１０８は左上と右下に配置してあり、弾性軸１１０に対して上下の電極がほぼ９０°回転してずれた位置にあり、下部電極１０８が上部電極１１２に遮られていない。断面構造は、図１１（１）に示すように、実施例１の反射ミラー１００とほぼ同じであり、ストッパー１１４は不要なので設けてない点のみが異なる。【００９１】
下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加すると、両電極間に作用するクーロン力に引かれて上部電極１１２が矢印Ｒで示したように弾性軸１１０を中心にして回転する。この回転により、上部電極１１２の右上部分が右下の下部電極１０８を覆う位置向かって変位し、上部電極１１２の左下部分が左上の下部電極１０８を覆う位置に向かって変位する。この回転変位は、下部電極１０８の上面と平行な平面内において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形の許容範囲内で行なわれる。【００９２】
上部電極１１２を遮光板とし、下部電極１０８を反射ミラーとすることで、光シャッター１４０として機能する。両極間への印加電圧の制御して上部電極１１２による下部電極１０８の遮光面積を調節すれば、光変調器として機能する。【００９３】
なお、本実施例では上部電極１１２を遮光板としたが、実施例１と同様な正方形の上部電極のうち図１１（２）で上部電極１１２として示した形状の部分のみを遮光領域とし、他を透光領域としてもよい。例えば、正方形の透明板のうち遮光領域とする部分にのみ遮光被覆する。【００９４】
〔実施例６〕  旋光素子（キラル構造）
実施例５においては、下部電極１０８および上部電極１１２を回転軸１１０の周りに９０°の位相差を付けた２方向に設けたが、更に多方向に設けた形態も可能である。【００９５】
そのような一例として、図１２に本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳとしての可変旋光素子の平面図を示す。【００９６】
図示した可変旋光素子１５０は、下部電極１０８が軸１１０を中心にして４方向に配置され、卍形状の上部電極１１２の４本の鍵型腕部が４個の下部電極１０８と重ならない位置となるように形成されている。この卍型構造はキラル構造と呼ばれるもので、自然界に存在しており、光がこの形状の構造体を反射あるいは透過すると、光の振動面が回転する旋光現象を起こすことが知られており、人工的にもこの形状の構造体を作ることによっても、旋光が起きることが報告されている。【００９７】
本実施例の光ＭＥＭＳによる可変旋光素子１５０は、４個の下部電極１０８と上部電極１１２との間に印加する電圧を制御することにより、キラル構造の上部電極１１２の回転変位量としての回転角度を調節すると、旋光角度を自由に変えることができる。【００９８】
〔実施例７〕  伸縮変形（干渉）
図１３に示す反射ミラー素子１０１は、図４に示した実施例１の反射ミラー素子１００と部材構成は同じであり、上部電極１１２の上面は鏡面となっており、反射ミラーとして機能する。ただし、動作は異なり、実施例１の反射ミラー素子１００は下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の一方と上部電極１１２との間に電圧印加し、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により上部電極１１２を左右に傾動させた。これに対して、本実施例の反射ミラー１０１素子は、下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方と上部電極１１２との間に電圧印加し、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性伸縮変形により上部電極１１２を上下に変位させる。【００９９】
図１３（１）は電圧印加していない状態であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は無負荷状態で初期長さのままであり、上部電極１１２は上位置（初期位置）にある。【０１００】
図１３（２）は両方の下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）と上部電極１１２との間に電圧印加した状態であり、上下電極間の引き合う力によりカーボンナノチューブ弾性軸１１０が軸方向に弾性圧縮されて、上部電極１１２は下位置まで降下している。上部電極１１２が撓んで下部電極１０８に接触しないようにストッパー１１４を示してある。その心配が無ければストッパー１１４は不要である。【０１０１】
電圧の印加を停止すると、弾性軸１１０は軸方向の圧縮が解除されて伸び、上部電極１１２が上昇して図１３（１）の初期状態に戻る。【０１０２】
図１４に示すように、本実施例の反射ミラー素子１０１を多数並列配置することによりＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを構成することができる。ＧＬＶデバイスは光の回折を用いる素子であり、上位置の上部電極１１２と下位置の上部電極１１２とを混在させることにより、回折格子を形成する。【０１０３】
図１４（１）は、反射ミラー素子１０１は全て電圧印加しない初期状態であり、並列配置された上部電極１１２は全て上位置に揃っており、真上からの入射光Ｌ０による反射光Ｌ１は全て位相が揃っており強度も揃っている。【０１０４】
図１４（２）は、反射ミラー素子１０１は１つおきに上部電極１１２と下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方とに電圧を印加した状態であり、上部電極１１２は１つおきに上位置と下位置に交互配置されている。上位置と下位置との高低差を光の波長λの１／４としておくと、１つおきの反射ミラー素子１０１から反射光Ｌ１間に光路差（位相差）λ／４作られ、人為的に光の干渉を生じる。高低差の調節により特定の方向の光を強めたり弱めたりすることができる。この技術を用いることにより、投影機や動く３Ｄホログラフィ・ディスプレーを構成することができる。【０１０５】
〔実施例８〕  撓み変形（凹面鏡）
以上の実施例では、１本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を１箇所で支持していたが、本実施例では複数本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を複数個所で支持する。【０１０６】
図１５は本実施例の反射ミラー素子の（１）縦断面図および（２）平面図を示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。ただし、断面図（１）において上部電極１１２の弾性撓み変形量は、上部電極１１２の中央断面付近の変形量として描いてある。【０１０７】
図示した反射ミラー素子１６０は、４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を４箇所で支持し、下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加して、上部電極１１２の中央部を下方へ撓ませる。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は素子１６０の中央部へ向けて弾性曲げ変形する。【０１０８】
反射ミラー素子１６０の上部電極１１２は凹面鏡として機能し、印加電圧の制御により凹面鏡の曲率すなわち焦点距離を制御し、反射光の収束率を連続的または不連続的に変化させることができる。【０１０９】
本実施例の反射ミラー素子１６０は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が４本である以外は実施例１の反射ミラー素子１００と基本的に同一の構造であり全く同様の製造プロセスにより製造できる。【０１１０】
以上の実施例では、本発明のＭＥＭＳを光素子に適用した形態を説明したが、光素子以外の多種多様な素子に適用できる。まず、スイッチまたはメモリーに適用する形態を以下に説明する。【０１１１】
〔実施例９〕  スイッチ（傾斜）
本実施例では、本発明のＭＥＭＳをスイッチ（電気スイッチ）に適用した形態を説明する。本発明によれば、スイッチも光素子と同様な構造により実現できる。【０１１２】
既述のように、高周波回路やＲＦ回路では、回路間の干渉（寄生容量、寄生抵抗）を極力排除する必要があるため、ＯＮ／ＯＦＦ間で単に低抵抗状態と高抵抗状態とを切り替えているに過ぎない現状のトランジスタでは不十分である。むしろトランジスタの出現以前には最も一般的であった、回路を完全に切断したり接続したりする旧来の「スイッチ」の方が、寄生容量や寄生抵抗を理想的な状態にまで排除できるので望ましい。【０１１３】
図１６に示すスイッチ２００は、図４に示した実施例１の光素子１００と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。図１６の（１）（２）は縦断面図、（３）は上から見た（１）（２）に共通の平面図である。縦断面図（１）（２）は平面図（３）の線Ａ―Ａにおける断面であり、固定端子２０２は本来であればこの断面には現れないが説明の便宜上図示してある。【０１１４】
図１６において、（１）の形態は上部電極１１２自体が全体として可動端子として機能し、上部電極１１２が傾動した際にその外縁部が基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。（２）の形態は、上部電極１１２は純然たる駆動用としてのみ機能し、上部電極１１２の下面に被覆した絶縁層１１２Ａ上に別個に可動端子１１２Ｂが設けてあり、上部電極１１２が傾動した際に可動端子１１２Ｂが基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。（２）の形態においては、上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。【０１１５】
本実施例のスイッチ２００は、図４に示した実施例１のＭＥＭＳと同様の製造プロセスにより同等の微小サイズに形成できるので、動作速度も速く、消費電力も小さいため、複雑な回路を高密度に実現できるＬＳＩと混載して一体化できる。【０１１６】
なお、スイッチ２００は、図８に示した実施例２の反射ミラー素子１００と同様に下部電極１０８を放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置し、ストッパー１１４の代わりに固定端子２０２を配置した８接点の切り替えスイッチ（旧来のロータリースイッチに対応）とすることもできる。【０１１７】
〔実施例１０〕  メモリー（傾斜）
実施例９のスイッチ２００をメモリーに適用することもできる。スイッチは配線間を接続（ＯＮ）および切断（ＯＦＦ）するが、ＯＮ／ＯＦＦを１／０または０／１に対応させることで、メモリーとして機能させることができる。このようなメモリーは一般的には、ＯＮ状態で電圧印加を停止するとＯＦＦに戻ってしまい、記憶が失われる。すなわち揮発性メモリーとなる。【０１１８】
しかし、ＭＥＭＳで実現される極めて微細な構造になると、体積に比して表面積の比率が非常に大きくなってくるため、ファンデルワールス力等の表面に依存する力（表面力）の作用が顕在化してくる。この場合、カーボンナノチューブ弾性軸１１０のバネ弾性の強さを適切に設定することにより、端子同士が接触したＯＮ状態で電圧印加を停止しても上記表面力の作用で端子同士が離れない情況になり得る。その結果、電圧印加を停止してもＯＮ状態が維持され、それに対応する１／０のデータが保存される。すなわち不揮発性メモリーとなる。【０１１９】
また、スイッチ２００をメモリーに適用する場合にも、図８に示した実施例２の反射ミラー素子１００と同様に下部電極１０８を放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置し、ストッパー１１４の代わりに固定端子２０２を配置した８接点の多値メモリーとすることもできる。この多値メモリーは、８すなわち２の３乗で、３ビットの情報を記憶できるので、従来のＤＲＡＭ（単値メモリー）による１ビットの３倍に記憶容量を増大できる。【０１２０】
本実施例の上部電極１１２の傾斜による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するには、傾斜させた際に電圧印加した下部電極１０８に対して軸１１０に関して軸対称の位置にある下部電極１０８に電圧印加する。【０１２１】
〔実施例１１〕  スイッチ（回転）
図１７に示すスイッチ２１０は、図１１に示した実施例５の光素子１００と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。【０１２２】
図１７は上から見た平面図であり、（１）電圧印加なし、（２）電圧印加ありの状態である。固定端子２０２は基板１０２（図１１）に設けた配線層（図示せず）に下端を固定したカーボンナノチューブ２０４の上端に固定されており、上部電極１１２と同じ高さにある。【０１２３】
電圧印加しない初期状態（１）において、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心として右上から左下にかけて存在する。これに対して、下部電極１０８は左上と右下に配置してあり、弾性軸１１０に対して上下の電極がほぼ９０°回転してずれた位置にある。【０１２４】
下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加すると、両電極間に作用するクーロン力に引かれて上部電極１１２が矢印Ｒで示したように弾性軸１１０を中心にして回転する。この回転により、上部電極１１２の右上部分が右下の下部電極１０８を覆う位置向かって変位し、上部電極１１２の左下部分が左上の下部電極１０８を覆う位置に向かって変位する。この回転変位は、下部電極１０８の上面と平行な平面内において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形の許容範囲内で行なわれ、図１７（２）のように上部電極１１２の右側部分が固定端子２０２に当接した状態で止まる。すなわち、上部電極１１２自体が可動端子として固定端子２０２と接触してＯＮの状態となる。この状態で電圧印加を停止すると、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性により上部電極１１２は矢印Ｒとは逆向きに回転して初期状態（１）に戻りスイッチ２１０はＯＦＦの状態になる。【０１２５】
〔実施例１２〕  メモリー（回転）
実施例１１の回転スイッチ２１０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例の上部電極１１２の回転による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、図１７に示した左上と右下の１対の下部電極１０８とは左右対称の位置、すなわち左下と右上に別の１対の下部電極１０８を設け、これらと上部電極１１２との間に電圧印加する。【０１２６】
〔実施例１３〕  スイッチ（撓み）
図１８に示すスイッチ２２０は、図１５に示した実施例８の光素子１６０と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。図１８の（１）は縦断面図、（２）は上から見た平面図である。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０および固定端子２０２は本来であればこの断面には現れないが説明の便宜上図示してある。【０１２７】
スイッチ２２０は、４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を４箇所で支持し、下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加して、上部電極１１２の中央部を下方へ撓ませる。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は素子１６０の中央部へ向けて弾性曲げ変形する。【０１２８】
上部電極１１２は純然たる駆動用としてのみ機能し、上部電極１１２の下面に被覆した絶縁層１１２Ａ上に別個に可動端子１１２Ｂが設けてあり、上部電極１１２の中央部が下方へ撓んだ際に可動端子１１２Ｂが基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。【０１２９】
〔実施例１４〕  メモリー（撓み）
実施例１３の撓みスイッチ２２０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例の上部電極１１２の撓みによる不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、上部電極１１２の上方に別の固定電極を設け、この固定電極と上部電極１１２との間に電圧印加してクーロン力により上部電極１１２を持ち上げる。【０１３０】
〔実施例１５〕  スイッチ（伸縮）
図１９に示したスイッチ２３０は、図１３に示した実施例７の反射ミラー素子１０１と同様の構成であり、中心に立つカーボンナノチューブ弾性軸１１０の軸方向の弾性伸縮変形を利用して作動する。実施例７と異なる点は、上部電極１１２が反射ミラーではなく単に可動電極として機能し、その下面に絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとを設けた点、および絶縁層１０６上に固定端子２０２を設けた点である。左右それぞれ１対の固定端子２０２が、図１９（３）に平面配置を示すように、絶縁層１０６上に間隔を空けて設けてある。上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。なお図１９（３）では上部構造１１２Ｘは図示していない。【０１３１】
スイッチ２３０は実施例７の反射ミラー１０１と同様に動作する。図１９（１）の電圧印加なしの初期状態から、下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方と上部電極１１２との間に電圧印加すると、図１９（２）のように上下電極間の引き合う力によりカーボンナノチューブ弾性軸１１０が軸方向に弾性圧縮されて上部電極１１２が下位置まで降下し、可動端子１１２Ｂが各固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。【０１３２】
〔実施例１６〕  メモリー（伸縮）
実施例１５の伸縮スイッチ２３０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例のカーボンナノチューブ弾性軸１１０の圧縮による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、上部電極１１２の上方に別の固定電極を設け、この固定電極と上部電極１１２との間に電圧印加してクーロン力により上部電極１１２を持ち上げる。【０１３３】
以上、本発明の可動素子を光素子、スイッチ、メモリーに適用した例を説明した。次いで、本発明の可動素子を可変キャパシターに適用した例を説明する。下記に示す可変キャパシターのどの形態においても、上部電極１１２はミラーとして機能する必要はなく、単に可動電極として機能すればよい。【０１３４】
〔実施例１７〕  可変キャパシター（傾斜）
図４、図５、図６に示す実施例１の傾斜による反射ミラー素子の形態を可変キャパシターに適用できる。同図に示す下部電極のうち一方のみ１０８Ｒ（または１０８Ｌ）と上部電極１１２との間に電圧印加し、他方の下部電極１０８Ｌ（または１０８Ｒ）とこれに対面する上部電極１１２の部分とでキャパシターを構成する。印加電圧の制御により上部電極１１２の傾斜角度を制御して、上記他方の下部電極と上部電極対面部分との間隔を変えて、キャパシター容量を変化させることができる。【０１３５】
〔実施例１８〕  可変キャパシター（回転）
また、図１１に示す実施例５の回転（捻り変形）による光素子１４０の形態を可変キャパシターに適用できる。この場合も、同図に示す下部電極１０８のうち一方のみと上部電極１１２との間に電圧印加し、他方の下部電極とこれに対面する上部電極１１２の部分とでキャパシターを構成する。すなわち、上記一方の上下電極間への電圧印加により上部電極１１２が回転し、他方の上部電極間のオーバラップ量が変わり、キャパシター容量が変わる。印加電圧の制御によりキャパシター容量を変化させることができる。【０１３６】
〔実施例１９〕  可変キャパシター（横移動）
同様に上下電極間のオーバラップ量を変化させる形態として、図２０に示すように、複数のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を複数個所で支持する形態も可能である。図２０において、（１）は電圧印加なしの初期状態の縦断面図、（２）は電圧印加した状態の縦断面図、（３）は上から見た平面図である。（１）（２）は（３）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面には現れないが説明の便宜上図示してある。【０１３７】
図２０（１）（３）示すように可変キャパシター２４０は、絶縁層１０６上にキャパシターの対向電極２０６を設け、開口Ｈを中央部に持つ枠型の上部電極１１２の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。上部電極１１２と対向電極２０６でキャパシターを構成する。【０１３８】
図１７（２）に示すように、左右の下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌのいずれか一方（図示の例では右の下部電極１０８Ｒ）と上部電極１１２との間に電圧印加すると、電圧印加された下部電極（１０８Ｒ）側へ上部電極１１２が横方向へ移動する。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は上部電極１１２の移動方向へ弾性曲げ変形する。これにより、対向電極２０６と上部電極１１２とのオーバラップ量が変化し、キャパシター容量が変化する。印加電圧の制御によりオーバラップ量を制御してキャパシター容量を制御する。【０１３９】
〔実施例２０〕  可変キャパシター（撓み）
更に、図１５に示す実施例８の撓み変形による光素子１６０の形態を可変キャパシターに適用できる。一例を図２１に、（１）縦断面図および（２）は上から見た平面図でしめす。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面に現れないが説明の便宜上図示してある。【０１４０】
図２１に示すように可変キャパシター２５０は、絶縁層１０６上にキャパシターの対向電極２０６を設け、その両側に１対の下部電極１０８を配置し、上部電極１１２（図２１（１）に破線で表示）の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。上部電極１１２と対向電極２０６でキャパシターを構成する。【０１４１】
両方の下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加すると、上部電極１１２の中央部分が対向電極２０６との引き合う力により下方へ撓む。これにより対向電極２０６との間隔が変化し、キャパシター容量が変化する。印加電圧の制御により下方への撓み量を制御してキャパシター容量を制御する。【０１４２】
〔実施例２１〕  可動アンテナ
本発明の可動素子を可動アンテナに適用することができる。一例を図２２に（１）縦断面図および（２）上から見た平面図で示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。いずれも電圧印加しない初期状態を示す。【０１４３】
図示した可動アンテナ２６０は、図１１に示した実施例５の回転による光素子１４０と同じ基本構造に、アンテナとアンテナリード線としてのカーボンナノチューブ弾性軸とを付加したものであり、図１１と同じ参照記号は同じ部材を示す。【０１４４】
上部電極１１２上に絶縁層１１２Ｃを介してアンテナ２０８を設けてある。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は二重構造であり、下端を基板１０２上の基礎導電層１０４に固定され上端に上部電極１１２が固定されている中空状のカーボンナノチューブ弾性軸１１０Ａと、この弾性軸Ａの中空部を通り下端を基板１０２上の別の基礎導電層１０５に固定され上端にアンテナ２０８が固定されている別のカーボンナノチューブ弾性軸１１０Ｂとから成る。上部電極１１２、絶縁層１１２Ｃ、アンテナ１１２Ｄが上部構造１１２Ｘを構成する。【０１４５】
動作も実施例５の光素子１４０と同様であり、電圧印加により上部電極１１２を含む上部構造１１２Ｘが矢印Ｒのように直近の下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の方へ回転し、クーロン力による回転駆動力とカーボンナノチューブ弾性軸１１０の捻り変形による弾性力とが釣り合った位置で停止する。【０１４６】
上部構造１１２Ｘ上に設けたアンテナ１１２Ｄの回転角によってアンテナの指向方向を変え、特定方向にのみ電波を受発信することで弱い電波でも効率的に使用することができ、省電力化が可能になる。例えば、携帯電話の電池消費量を大幅に低減できる。【０１４７】
なお、１対の下部電極１０８の両方に電圧印加してアンテナ１１２Ｄを回転させる場合を説明したが、下部電極１０８の一方のみに電圧印加すると回転と傾斜とを組み合わせた動作をさせることも可能である。【０１４８】
〔実施例２２〕  回転モーター＋歯車
本発明の可動素子を回転モーターに適用することができる。一例を図２３に（１）縦断面図および（２）上から見た平面図で示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。いずれも電圧印加しない初期状態を示す。【０１４９】
図には回転モーター２７０（左側）と、これに歯車係合する従動素子２７５（右側）とを示した。両者は同一基板１０２上に作製されている。回転モーター２７０は、図１１に示した実施例５の回転による光素子１４０と同じ基本構造に、上部電極１１２の外周に歯車１１２Ｇを設けたものであり、図１１と同じ参照記号は同じ部材を示す。上部電極１１２と歯車１１２Ｇとで上部構造１１２Ｘを構成する。【０１５０】
動作も実施例５の光素子１４０と同様であり、回転モーター２７０は電圧印加により上部電極１１２を含む上部構造１１２Ｘが矢印Ｒ１のように直近の下部電極１０８の方へ回転する。これに歯車係合する従動素子２７５は矢印Ｒ２のように回転する。このようにして駆動部２７０の動きを従動素子２７５へ伝える動力伝達機構を構成できる。【０１５１】
なお、本実施例では、モーターの動作形態は代表例として回転の場合を説明したが、これに限定する必要はない。前出の各実施例において説明した本発明の可動素子による全ての変位形態、すなわち傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動を動作形態とするモーターが可能である。【０１５２】
また係合の形態として歯車係合を示したが、チェーンとスプロケットによる係合などの動力伝達用係合形態が可能である。【０１５３】
以上、本発明の可動素子のうち能動的に動作させて外部へ作用する形態を説明した。以下に、本発明の可動素子のうち外部からの作用により受動的に動く、あるいは外部からの作用により動きに影響を受ける形態として、センサーに適用した例を説明する。【０１５４】
〔実施例２３〕  加速度センサー
まず、外部からの作用により受動的に動く本発明の可動素子として、加速度センサーの一例を説明する。【０１５５】
図２４に示す、本発明の可動素子を適用した加速度センサー２８０は、図２０に示した可変キャパシター２４０の構造から、電圧印加用の下部１０８を取り除いた構造である。両図において同じ参照記号は同じ部材を示している。図２４において、（１）は加速度なしの初期状態の縦断面図、（２）は加速度を受けた状態の縦断面図、（３）は初期状態の上から見た平面図である。（１）（２）は（３）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面には現れないが説明の便宜上図示してある。【０１５６】
図２４（１）（３）示すように加速度センサー２８０は、絶縁層１０６上に対向電極２０６を設け、開口Ｈを中央部に持つ枠型の上部電極１１２の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。【０１５７】
図２４（２）に示すように、矢印の向きに加速度が作用すると、上部電極１１２が加速度の向きへ横移動する。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は上部電極１１２の移動方向へ弾性曲げ変形する。これにより、対向電極２０６と上部電極１１２とのオーバラップ量が変化し、両者間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を用いて、作用した加速度を検知する。【０１５８】
このように本発明による加速度センサーは、上部電極１１２と対向電極２０６との間の静電容量の変化を利用するので、可変キャパシターの各実施例で説明した種々の構造から電圧印加用の下部電極を除外した構造を適用することができる。【０１５９】
〔実施例２３〕  質量センサー
次に、外部からの作用により動きに影響を受ける可動素子として、質量センサーの一例を説明する。【０１６０】
図２５に示す、本発明の可動素子を適用した質量センサー２９０は、図４、Ｊ２に示した実施例１の傾動による光素子１００と同じ構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーとしてではなく吸着基材として機能する。【０１６１】
図２５（１）に示したように、上部電極１１２の表面に外来物質Ｐが吸着すると、上部電極１１２の質量がわずかながら見掛け上増加し、共振周波数が変化する。左右の下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌに交互に電圧印加して上部電極１１２に左右に傾斜振動させ、その際の共振周波数を求め、それに基づいて外来物質Ｐの質量を求めることができる。【０１６２】
質量センサー２９０が微小サイズであるため、外来物質Ｐが微小な化学物質、原子、ＤＮＡ等であっても検知可能であり、質量が既知である外来物質に利用できる。【０１６３】
なお、本実施例では、センサーの動作形態は代表例として回転の場合を説明したが、これに限定する必要はない。前出の各実施例において説明した本発明の可動素子による全ての変位形態、すなわち傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動を動作形態とするセンサーが可能である。【０１６４】
以上の各実施例においては、本発明の可動素子が、光素子、電気スイッチ、メモリー、可変容量キャパシター、可動アンテナ、モーターのいずれか１つとして機能する場合を説明した。しかし、本発明の可動素子は単機能に限定する必要はなく、複数の機能を兼ね備えることができる。【０１６５】
例えば、図１６に示した実施例９のスイッチ２００は、図４に示した実施例１の光素子１００と同様に、上部電極１１２を反射ミラーとすれば、スイッチと反射ミラー素子という２つの機能を同時に具備することができる。同様に、図１７に示した実施例１１のスイッチ２１０は、図１１に示した実施例５の光シャッターとしても機能する形態とすることができる。【０１６６】
また、以上の各実施例においては、本発明の可動素子が、傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動のいずれか１つの変位形態をとる場合を説明した。しかし、本発明はこれに限定する必要はなく、複数の変位形態を組み合わせた変位形態の可動素子とすることも可能である。
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月20日(2008.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該下部電極と該上部電極の間に電圧印加した際に、該弾性軸の弾性変形の許容範囲内で、該上部電極が該下部電極に対して変位することを特徴とする可動素子。
【請求項２】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性曲げ変形の許容範囲内で、傾斜または撓み変形または横移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項３】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性捻り変形の許容範囲内で、該弾性軸回りの回転により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項４】
請求項１において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性伸縮変形の許容範囲内で、上下移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項５】
請求項１〜４において、光素子、電気スイッチ、メモリー、可変容量キャパシター、可動アンテナ、モーターのいずれかであることを特徴とする可動素子。
【請求項６】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内において該上部構造体が該下部電極に対して変位する際に、該加速度を該変位による上記両電極間の静電容量の変化として出力する加速度センサーであることを特徴とする可動素子。
【請求項７】
基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを備え、該上部電極上に付加された外来質量を、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内における該上部電極の該下部電極に対する振動変位の共振周波数の変化として出力する質量センサーであることを特徴とする可動素子。
【請求項８】
請求項６または７において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性曲げ変形の許容範囲内で、傾斜または撓み変形または横移動により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項９】
請求項６または７において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性捻り変形の許容範囲内で、該弾性軸回りの回転により変位することを特徴とする可動素子。
【請求項１０】
請求項６または７において、上記上部構造体が、上記弾性軸の弾性伸縮変形の許容範囲内で、上下移動により変位することを特徴とする可動素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微細電子機械素子）による光素子などの小型化、動作の高速化、製造工程の簡素化、低廉化、高信頼性化を同時に可能とする可動素子に関する。
【０００２】
本発明の可動素子は、光素子（反射ミラー、光シャッター、可変旋光器、可変集光ミラー）、電気スイッチ（完全なON/OFF）、メモリー（揮発性、不揮発性、多値）、センサー（加速度、角加速度、質量）、その他（可変容量キャパシター、可動アンテナ、振動モータ）等の可動素子として有利に適用できる。
【背景技術】
【０００３】
従来のＭＥＭＳによる光素子（以下「光ＭＥＭＳ」）を図１に示す（非特許文献１）。図示した反射ミラー素子１０は、反射ミラー１２を備えた反射ミラー階層Ｌ１、基台１４にねじりバネ１６を介して傾動板１８が結合されて傾動する傾動階層Ｌ２、基台２２と下部電極２４とを含む固定階層Ｌ３、およびＣＭＯＳメモリの階層Ｌ４の４階層から成る。階層Ｌ１のミラー１２が階層Ｌ２の傾動板１８に係合し、階層Ｌ２の傾動板１８と階層Ｌ３の下部電極２４との間に電圧を印加した際に傾動板１８／下部電極２４間に作用するクーロン力により階層Ｌ２の傾動板１８が傾動し、傾動板１８に係合している反射ミラー１２が一緒に傾動する。階層Ｌ４のＣＭＯＳメモリは上記傾動による作動状態を記憶する。傾動板１８／下部電極２４間の電圧印加を停止すると、ねじりバネ１６の弾性により傾動板１８と一緒にミラー１２が傾動前の姿勢に復帰する。
【０００４】
この反射ミラー素子としての光ＭＥＭＳ１０は、プロジェクター用（画像投影用）として1個のミラー１２が１画素を構成するものである。ミラー１２のサイズは２５μｍ×２５μｍ程度であり、ＬＳＩのパターンサイズ（数μｍ以下）に比べて著しく大きい。ミラーサイズに対応して光ＭＥＭＳ１０の構造全体もサイズが大きく、かつ、４階層にわたって多数の部材が係合し合った複雑な構造であり、製造工程も煩雑である。
【０００５】
その上、ミラー１２の傾動／復帰を可能にするねじりバネ１６は、金属製でありねじり変形の繰返しにより疲労して折れ易く信頼性が低い。
【０００６】
ミラー１２の動作速度も、人が見る映像を表示できればよいので、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度と遅い。特に、高速通信の変調器等として用いるためには、数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度で動作する必要があり、これに比べると１〜６桁も遅い。光ＭＥＭＳは、映像装置用としてではなく、チップ間あるいはボード間の光通信を行なう光変調器用として期待されている。光ＭＥＭＳの動作周波数は構造体の共振周波数によって決まるので、動作速度を高速化するには、より小型化して共振周波数を高める必要がある。小型化のためには構造を簡単にして製造を容易にする必要がある。また、動作周波数が高くなるのに伴い、繰り返し動作回数も著しく増加するので、疲労強度を向上させて信頼性を高める必要がある。
【０００７】
ＭＥＭＳのもう一つの用途として、スイッチへの適用も期待されている。近年、携帯電話、インターネットやブルーツース等、高周波の利用が格段に進み、従来の周波数帯が過密になりつつあることから、より高周波の領域へのシフトが進んでいる。高周波回路やＲＦ回路では、回路間の干渉（寄生容量、寄生抵抗）を極力排除する必要があるため、ＯＮ／ＯＦＦ間で単に低抵抗状態と高抵抗状態とを切り替えているに過ぎない現状のトランジスタでは不十分である。むしろトランジスタの出現以前には最も一般的であった、回路を完全に切断したり接続したりする旧来の「スイッチ」の方が、寄生容量や寄生抵抗を理想的な状態にまで排除できるので望ましい。
【０００８】
しかしそのようなスイッチとしては、複雑な回路を高密度に実現できるＬＳＩと混載できることが要求される。これまでにＭＥＭＳでＬＳＩと混載されたものもあるが、まだサイズが大きく、動作速度も遅く、消費電力も大きいため、ＬＳＩと完全に一体化できていない。そのため、ＬＳＩと完全に混載できる超微細なスイッチが望まれている。
【０００９】
ＭＥＭＳの更にもう1つの用途として、メモリーへの適用も期待される。メモリーは画像処理の細密化や高速化に伴い、より安価かつ大容量で不揮発性のメモリーを新たに開発することが要請されている。
【００１０】
ＭＥＭＳのもう一つの用途として、センサーも有望である。電化製品、自動車、ロボットをはじめとして、人間生活のあらゆる場面で安全、安心、快適を実現するために、多種多様なセンサーが普及しつつある。今後の趨勢として、利用されるセンサーの種類も個数も増大することが見込まれており、ＬＳＩと合体することで複雑な判断も即座にできるスマートセンサー（知的センサー）が主流となると予想される。1つの製造プロセスから多種類のセンサーを作り分けることができ、かつＬＳＩとの完全な混載を可能とする非常に微細なセンサーの開発が望まれている。
【００１１】
その他にも、ＬＳＩと混載して一体化できるＭＥＭＳの適用形態として、可変容量キャパシタ、方向可変の指向性アンテナ、駆動装置（モータ）や動力伝達機構なども期待される。
【００１２】
従来のＭＥＭＳの多くは、Ｓｉ半導体の単結晶基板を加工して作製されており、同じ単結晶基板内に作製するＬＳＩ回路との間で基板領域の取り合いが起きてしまうため、集積度の向上が困難であった。また、ＭＥＭＳの作製プロセスとＬＳＩの作製プロセスとは温度、段差形成との諸相で相互に干渉するため、両者の性能を劣化する。
【００１３】
特に、従来のＭＥＭＳ混載のＬＳＩ装置では、ＭＥＭＳの可動部分の機械強度を確保するために単結晶である半導体基板に作り込んでいたため、ＬＳＩ作製プロセスの初期段階からＭＥＭＳの作製も開始する必要があった。その結果、半導体基板の一部に作製されたＭＥＭＳはＬＳＩ製造に必要な高温熱処理に曝されて特性劣化することが避けられなかった。
【００１４】
これを回避するには、干渉が発生しないようにＬＳＩの作製プロセスを変更する必要があり、長い経験を通して蓄積されてきたＬＳＩ製造技術の貴重なライブラリーを有効に活用できず無駄になる上、新たなプロセス開発費によりコストが上昇する。
【００１５】
理想的には、ＬＳＩ回路を完成させた半導体基板の上に、上述した各用途に適した種々のＭＥＭＳを低温プロセスによりＬＳＩ特性に影響を及ぼすことなく形成することが可能であれば、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを有効に活用できるので新たな開発費を必要とせず、同時に、ＬＳＩ配線の上にＭＥＭＳを設けた２階建て構造により高い集積度の実現が可能となり、ＭＥＭＳを内蔵するＬＳＩ装置として総合的に高い機能が達成されると期待される。
【００１６】
以上のように、従来のＭＥＭＳは、構造が複雑で小型化できないため、動作速度が遅く、製造工程が煩雑で、高コストとなることが回避できず、可動部の疲労強度が低いため信頼性が低い、という問題があった。
【００１７】
なお、特許文献１には、ＭＥＭＳデバイスの機能的要素としてカーボンナノチューブを製造する方法が提示されている。しかし、単にカーボンナノチューブの微小径を利用してカンチレバー先端のプローブをカーボンナノチューブで形成することが示されているのみであり、電極構造を備えた可動素子についてもカーボンナノチューブから成る可動部についても、何ら示唆がない。
【００１８】
また、特許文献２には、ＭＥＭＳによるマイクロミラーパッケージが提示されている。半導体チップ上のパッドと対向するＭＥＭＳミラーが開示されているが、単なるパッケージの改良に過ぎず、ＭＥＭＳミラーの可動部にカーボンナノチューブを用いたミラー素子は何ら示唆していない。
【００１９】
【特許文献１】特表２００２−５２６３５４号公報
【特許文献２】特開２００５−２５０４５０号公報
【非特許文献１】藤田博之「マイクロ・ナノマシン技術入門」p.174（工業調査会、2003年8月15日）
【発明の開示】
【００２０】
本発明は、サブミクロンレベルの小型化、動作の高速化、製造工程の簡素化、低廉化、高信頼性化を同時に可能とする可動素子を提供することを目的とする。
【００２１】
上記の目的を達成するために、本発明の一観点によれば、基板上にそれぞれ固定された下部電極および基礎導電層と、該基礎導電層上に下端を固定されて立つカーボンナノチューブの弾性軸と、該下部電極から間隔を空けて該弾性軸の上端に固定された上部電極を含む上部構造体とを含む基本構造を備え、該下部電極と該上部電極の間に電圧印加した際に、これら両電極間に作用するクーロン力により、該弾性軸の弾性変形の許容範囲内で、該上部電極が該下部電極に対して変位することを特徴とする可動素子が提供される。
【００２２】
また、本発明の第二観点によれば、上記第一観点による基本構造を備え、（１）該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内において該上部構造体が加速度の作用により該下部電極に対して変位する際に、該加速度を該変位による上記両電極間の静電容量の変化として出力する加速度センサーとしての可動素子、および、（２）該上部電極上に付加された外来質量を、該カーボンナノチューブの弾性変形の許容範囲内における該上部電極の該下部電極に対する振動の共振周波数の変化として出力する質量センサーとしての可動素子も提供される。
【００２３】
本発明の可動素子は、カーボンナノチューブで保持し得る程度の極めて微細な構造であり、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを活用したＭＥＭＳ作製技術により、簡素な工程により低コストでサブミクロンレベルの超小型素子として製造できる。
【００２４】
サブミクロンレベルに小型化したことにより動作を著しく高速化することができ、かつ、可動部をカーボンナノチューブで作製したことにより高速繰返し動作時の疲労強度が大幅に高まり、高度の信頼性が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の可動素子の形態としては、代表的には光素子、電気スイッチ、メモリー、可変キャパシター、可動アンテナ、モーター、センサーが可能である。これらの各素子形態についてそれぞれカーボンナノチューブ弾性軸の弾性変形の形態と上部電極の変位の形態の組合せがある。すなわち、（１）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性曲げ変形による上部電極の傾斜、撓み、横移動による変位、（２）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性捻り変形による上部電極の回転による変位、（３）カーボンナノチューブ弾性軸の弾性伸縮変形による上部電極の上下移動による変位というバリエーションがある。カーボンナノチューブ弾性軸の変形形態が３通り、上部電極の変位形態が５通りである。図２を参照して、このバリエーションを説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を１本用いた例であり、図２（ｅ）〜（ｈ）はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を複数本用いた例である。
【００２６】
まず、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が１本の場合を説明する。
【００２７】
図２（ａ）は作動前の初期状態の可動端子を示しており、図示した例では、基板１０２上に基礎導電層１０４、絶縁層１０６、下部電極層１０８が積層されている。１本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０が、下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を貫通して直立し、上端に上部電極１１２の中心が固定されている。絶縁層１０６上のストッパー層１１４は、上部電極１１２が傾斜する形態の場合に下部電極１０８との接触によるショートを防止する。
【００２８】
図２（ｂ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上でオーバラップするように配置されており、左右いずれかの下部電極１０８に電圧印加すると、電圧印加側の下部電極１０８とオーバラップしている側の上部電極１１２の実質部分がクーロン力により下方へ引かれ、上部電極１１２全体が電圧印加側に傾斜する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は傾斜側へ弾性曲げ変形する。
【００２９】
図２（ｃ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上で全くまたは殆どオーバラップしないように配置されており、左右両方の下部電極１０８に電圧印加すると、上部電極１１２はその実質部分が下部電極１０８の実質部分とオーバラップするように、カーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心にして回転する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性捻り変形する。
【００３０】
図２（ｄ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の実質部分と下部電極１０８の実質部分とが平面図上でオーバラップするように配置されており、左右両方の下部電極１０８に電圧印加すると、上部電極１１２はクーロン力により下方へ引かれて全体が降下する。その際、上部電極１１２の中心を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性圧縮変形する。
【００３１】
次に、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が複数本の場合を説明する。
【００３２】
図２（ｅ）は作動前の初期状態の可動端子を示しており、図示した例では、基板１０２上に基礎導電層１０４、絶縁層１０６、下部電極層１０８および／または対向電極２０６が積層されている。４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０が、下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を貫通して直立し、上端に上部電極１１２の４隅が固定されている。
【００３３】
図２（ｆ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の中央部の真下に配置された下部電極１０８と上部電極１１２との間での電圧印加により上部電極１１２の中央部が下方へ引かれて撓んで凹面状に湾曲する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は中央部へ向かって弾性曲げ変形する。
【００３４】
図２（ｇ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２は中央部に開口を持ち左右が実質部分となっており、下部電極１０８は上記開口の真下に配置されていて、上下の電極の実質部分が平面図上でオーバラップしない。そして、上下電極間に電圧印加すると上部電極１１２が下部電極１０８とオーバラップするように横移動する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は上記横移動の方向へ弾性曲げ変形する。
【００３５】
図２（ｈ）に示す形態では、一例として、上部電極１１２の中央部の真下に配置された下部電極１０８と上部電極１１２との間での電圧印加により上部電極１１２全体が降下する。その際、上部電極１１２の４隅を支持しているカーボンナノチューブ弾性軸１１０は弾性圧縮変形する。
【００３６】
上記各形態は電圧印加により能動的に上部電極を変位させる形態を説明したが、電圧印加せずに例えば加速度により受動的に上部電極が変化する形態もある。
【００３７】
また、本発明の可動素子の構造は、以上で説明した基本的な形態に限定されることがなく、図３に示すように種々の形態が可能である。なお、図３には、異なる複数の形態をまとめて示してある。
【００３８】
基板１０２上に設けた基礎導電層１０４上にカーボンナノチューブ弾性軸１１０が下端を固定されて直立している。基礎導電層１０４とカーボンナノチューブ弾性軸１１０の下端との固定部分は絶縁層１０６等の補強を必要に応じて施すことができる。
【００３９】
カーボンナノチューブ弾性軸の上端に上部電極１１２が固定されている。上部電極１１２とは別個に絶縁体等の支持体１１５がカーボンナノチューブ弾性軸１１０の上端に固定されていてもよい。この場合、上部電極１１２は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０に直接固定されていてもよいし、支持体１１５を介して間接的にカーボンナノチューブ弾性軸１１０に固定されていてもよい。更にこの場合、上部電極１１２は、１１２Ｌ、１１２Ｍのように支持体１１５の下面に設けても良いし、１１２Ｎのように支持体１１５の上面に設けてもよい。
【００４０】
可動端子１１２Ｂのように、カーボンナノチューブ弾性軸１１０とは接続されない端子（または電極）を設けることができる。なお、図示の例では、可動端子１１２Ｂは、上部電極１１２とは別個の支持体１１５に設けてあるが、上部電極１１２に絶縁層を介して設けてもよい。更に、図示の例では、可動端子１１２Ｂは支持体１１５の下面に設けてあるが、支持体１１５または上部電極１１２の上面および／または下面に設けることができる。
【００４１】
上部電極１１２および下部電極１０８は、電気的な接続機能が必要ない場合には、表面をそれぞれ絶縁被膜１１３または１０９で被覆してあっても良い。
【００４２】
下部電極１０８は、１個のみ図示してあるが、必要に応じて複数個を設けることができる。
【００４３】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、前述のように１本を用いる場合もあるし、複数本を用いる場合もある。
【００４４】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、機械的な支持機能と導電機能とを兼備しても良いし、いずれか一方の機能のみ具備していても良い。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、電位の異なる複数のカーボンナノチューブの束であってもよい。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、軸状、壁状、中空状、中実状のいずれであってもよい。
【００４５】
以下に、添付図面を参照し、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【実施例】
【００４６】
〔実施例１〕  反射ミラー素子
図４（１）に、本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳの反射ミラー素子の縦断面を示す。
【００４７】
図示した反射ミラー素子１００は、基板１０２上に、基礎導電層１０４、絶縁層１０６、左右一対の下部電極１０８Ｌ・１０８Ｒがこの順に形成されている。カーボンナノチューブ弾性軸１１０が下端を基礎導電層１０４に固定され、絶縁層１０６を上方へ貫通して直立しており、この弾性軸１１０の上端には上部電極１１２が固定されている。上部電極１１２の上面は鏡面となっており、反射ミラーとして機能する。絶縁層１０６は、カーボンナノチューブの優れた機械的性質を十分に発揮できるように、カーボンナノチューブ１１０の下端と基礎導電層１０４との結合部を補強する機能を持つ。これによりカーボンナノチューブ１１０は絶縁層１０６内では周囲から拘束されて実質的に変形せず、絶縁層１０６から上の部分のみが変形する。
【００４８】
カーボンナノチューブは、鋼の５倍という極めて高い引張強度を持つ上、単結晶であるため多結晶やアモルファスと比べて繰り返し変形での疲労強度も高い。また許容される電流密度は銅の１０００倍にも達し、熱伝導率も銅の１０倍である。このように機械的、電気的、熱的な特性を備えたカーボンナノチューブで可動部である弾性軸１１０を構成したことにより、極めて簡単な構造の可動部を実現でき、同時に、上部電極との電気的接続を行なうフレキシブル配線としての機能も得られるので、機械的および電気的な信頼性を同時に得ることができる。
【００４９】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、一本のカーボンナノチューブであってもよいが、多数本のカーボンナノチューブを束ねた集合体とすることが有利である。これにより弾性軸１１０全体としての機械的強度が高まると同時に、束を構成する個々のカーボンナノチューブの柔軟な変形も十分に維持されるので弾性軸全体としても柔軟に変形できる。
【００５０】
反射ミラー素子１００のサイズの典型例として、図中に各部の寸法（μｍ）を示した。
【００５１】
図５に、反射ミラー素子１００を基板上方から見た平面図を示す。図４に対応した寸法（μｍ）の例を記入した。細線の枠Ｓは、後に説明するマルチミラー配置の際にミラー１個が占める領域を示しており、隣接ミラー４個との境界線である。
【００５２】
反射ミラー素子１００は、正方形断面を持つ柱状のカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心に、その左右両側の対称位置に下部電極１０８Ｌ・１０８Ｒ、更に外側の４コーナーにストッパー層１１４が配置されている。正方形の上部電極１１２は中心の下面がカーボンナノチューブ弾性軸１１０の上端に固定されていて、上部電極１１２の正方形の４コーナーが正方形のストッパー層１１４の内寄りコーナー部分の上方に位置している。
【００５３】
カーボンナノチューブ弾性軸１１０は、図５のように柱状でなく図６のように壁状としてもよい。また断面形状も、正方形や長方形とする必要はなく、多角形、円形、楕円形その他の形状であってもよい。
また、反射ミラー（上部電極１１２等）の形状も特に限定する必要はなく、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形その他の形状であってよい。
【００５４】
図４（１）は、図５または図６の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本来であれば図５のストッパー層１１４は図４（１）には現れないが、以下の説明の便宜上図４（１）〜（３）に示してある。
【００５５】
本発明の反射ミラー素子１００は以下のように作動する。
【００５６】
図４（１）において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の両側の下部電極１０８のうち、例えば右側の下部電極１０８Ｒに図示しない配線を介して電源の一方の極性側を接続し、上部電極１１２に基礎導電層１０４とカーボンナノチューブ弾性軸１１０とを介して電源の他方の極性側に接続することにより、右側の下部電極１０８Ｒと上部電極１１２との間に電圧を印加する。
【００５７】
これにより、図４（２）に示すように、右側下部電極１０８Ｒと上部電極１１２とが両者間の空間を挟んでキャパシターを構成し、両電極が逆極性に帯電することにより発生するクーロン力Ｑにより引き合い、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により右に傾斜し、上部電極１１２の右端が右側のストッパー層１１４に当接した状態で停止する。これにより上部電極１１２と下部電極１０８Ｒとの接触（ショート）による過大電流の発生が回避される。
【００５８】
右側の下部電極１０８Ｒではなく左側の下部電極１０８Ｌと上部電極１１２との間に電圧を印加すれば、図４（３）に示すように、左側下部電極１０８Ｌと上部電極１１２とがクーロン力Ｑにより引き合い、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性変形により左に傾斜し、上部電極１１２の左端が右側のストッパー層１１４に当接した状態で停止する。これにより上部電極１１２と下部電極１０８Ｌとの接触（ショート）による過大電流の発生が回避される。
【００５９】
傾斜した上部電極１１２と下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌとの接触は、上下のうち少なくとも一方の電極の少なくとも接触部分に絶縁被膜を形成しておけば、ストッパー１１４を設けなくとも防止できる。ただし、絶縁被膜の形成には新たな工程の追加が必要になり、下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌと同一工程で形成できるストッパー１１４を設ける方がその点で有利である。また、可動素子高さを最小限に抑えることが小型化等の観点から望ましいが、上下の電極間距離（可動素子高さ）を増加させる絶縁被膜の存在はこの点からも望ましくない。その意味で絶縁被膜はできるだけ薄く形成することが望ましいが、余り薄くすると電極同士の多数回の接触により損耗して絶縁機能を失う心配もある。
【００６０】
上記の図４（２）、（３）の傾斜状態で電圧印加を停止すれば、クーロン力が作用しなくなるので、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性によって図４（１）の水平状態に戻る。
【００６１】
このようにして、反射ミラーとしての上部電極１１２が、図４に示した（１）水平、（２）右傾斜、（３）左傾斜の３通りの状態を取ることにより、入射光を３通りの方向へ反射できる。
【００６２】
反射ミラー素子１００はほぼ１μｍ×１μｍのサイズであり、従来のＤＭＤ画素が２０〜３０μｍ×２０〜３０μｍであるのと比べて、数百分の１以下に小型化できる。これは半導体基板に作製されるＬＳＩと同等サイズであり、同一基板上にＬＳｉと混載することができる。動作速度を従来の画像投影用などの１ｋＨｚに対して、高速通信用の変調器として必要な数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度以上に高速化することが可能である。
【００６３】
また構造が簡単であるため、製造が容易で安価であることに加えて、動作の信頼性が高い。
【００６４】
更に、カーボンナノチューブが単結晶なので疲労強度が高く、長期にわたる信頼性も優れている。
【００６５】
図７を参照して、光ＭＥＭＳ１００の製造工程の典型例を説明する。
【００６６】
まず、図７（１）に示すように、Ｓｉ半導体基板１０２上に、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の低温製膜法により、ＴｉＮ基礎導電層１０４、Ｓｉ３Ｎ４絶縁層１０６を形成し、更にＴｉＮ層を形成およびパターニングして下部電極１０８Ｌ、１０８Ｒおよびストッパー層１１４を形成する。図示はしていないが、Ｓｉ半導体基板１０２には先行してＬＳＩ回路が作製されていてもよい。
【００６７】
次に、図７（２）に示すように、ＣＶＤ法、スピンコート法等により全面にＬＴＯ犠牲膜１１６を形成する。
【００６８】
次に、図７（３）に示すように、全面にレジストパターン１１８を形成し、これをマスクとしてＲＩＥ法、ウェットエッチング法等によりＴｉＮ基礎導電層１０４に達する開口１２０を形成する。
【００６９】
次に、図７（４）に示すように、スパッタ法、微粒子散分法等により全面にＣｏ微粒子層１２２を形成する。
【００７０】
次に、図７（５）に示すように、レジスト剥離液、ラッシャー等によりレジスト層１１８およびその上のＣｏ微粒子層１２２を一緒に除去する。これにより開口１２０内に露出したＴｉＮ基礎導電層１０４の上面にのみＣｏ微粒子層１２２を残す。
【００７１】
次に、図７（６）に示すように、一般的なＣＶＤ法、プラズマとＣＶＤ法等により、開口１２０底部のＣｏ微粒子を核としてカーボンナノチューブ１１０を犠牲層１１６の上面レベルまで成長させる。
【００７２】
次に、図７（７）に示すように、開口１２０の上縁から露出しているカーボンナノチューブ１１０の上端を含むＬＴＯ犠牲膜１１６上面に、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等によりＡｌ、Ａｕ、ＴｉＮ、Ｐｔ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ等の層を形成した後にパターニングして上部電極１１２とする。上部電極１１２の上面にＡｌ、Ａｕ等の高反射率の層を設けることが望ましい。
【００７３】
次に、図７（８）に示すように、ＲＩＥ法等により、ＴｉＮ基礎導電層１０４への接続用にビア１２４を開口する。
【００７４】
最後に、図７（９）に示すように、ＨＦ等によりＬＴＯ犠牲膜１１６を除去して、図４（１）の光ＭＥＭＳ１００を完成する。なお、Ｓｉ半導体基板１０２に先行してＬＳＩ回路が形成してある場合には、上記工程（１）〜（９）の適切な段階で、基板１０２上で作製途上にある光ＭＥＭＳと基板１０２に作成済のＬＳＩ回路との間の必要な配線層の形成を行なうことができる。
【００７５】
以上のように、光ＭＥＭＳ１００は、低温プロセスのみにより作製できるので、Ｓｉ半導体基板１０２にＬＳＩ回路が先行して作製されていてもＭＥＭＳ作製プロセスによる熱影響を受けることがない。また、ＬＳＩ製造プロセスを完了した後にＭＥＭＳ作製プロセスを行なうことができるので、ＬＳＩ製造プロセスに用いる高温処理によりＭＥＭＳが熱影響を受けることもないため、従来の膨大なＬＳＩ製造技術ライブラリーを有効に活用でき、新たなプロセス開発のためのコストも発生しない。
【００７６】
〔実施例２〕  多方向傾斜
実施例１の反射ミラー素子１００は左右２方向に傾斜する形態を示したが、これに限定する必要は無く、多方向に傾斜する形態も可能である。
【００７７】
例えば図８に示すように、下部電極１０８およびストッパー層１１４をカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心に放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置してある。Ａ〜Ｈのうちのいずれか１方向の下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加することにより、上部電極１１２は電圧印加した下部電極１０８の方向に傾斜する。このようにして８方向に選択的に傾斜できる反射ミラー素子が実現できる。
【００７８】
〔実施例３〕  マルチミラー
実施例１で説明した光ＭＥＭＳによる反射ミラー素子１００を格子状に配列したマルチミラー構造の一例を説明する。
【００７９】
図９（１）に示すＬＳＩ装置１２６は、多数個の接続パッド１２８、１３０のうちの一部の接続パッド１２８を、光通信による接続パッドとして図９（２）に示すマルチミラー構造で作製してある。他のパッド１３０は通常の配線接続用パッドである。
【００８０】
図９（２）は、実施例１のＭＥＭＳ反射ミラー素子１００を５×５のマトリクス状に配列したマルチミラー構造の平面図であり、細線Ｓは個々の反射ミラー素子１００が占める領域の外縁を示し、隣接ミラー素子間の境界線である。実施例１のサイズの反射ミラー素子１００を用いると、パッド１２８全体としての面積は６．５×６．５μｍである。
【００８１】
光通信用パッド１２８を用いて多数個のＬＳＩ装置間を光通信により接続できる。個々のパッド１２８をパッドサイズの光ＭＥＭＳ１個によるシングルミラー構造で構成せずに、微小な光ＭＥＭＳ１００によるマルチミラー構造で構成したことにより、動作速度を格段に高速化できる。すなわち、同じパッド面積について、パッドサイズの単一ミラーの動作速度に比べて、マルチミラー構造を構成する微小ミラーの動作速度の方が格段に高速であり、マトリクス全体の微小ミラー１００を同時に作動させることにより、単一ミラーと同じ内容の情報を格段に高速で伝送できる。例えば、単一ミラー構造のパッドで伝送速度１ＭＨｚであるような場合に、マルチミラー構造とすることにより数１０ＭＨｚ〜数ＧＨｚといった高速化が可能になる。
【００８２】
また、マルチミラーによる付随的な利点として、個々のミラーが小さいのでミラー面積内における反射光同士の光路差を波長に対して十分に小さくできるので、干渉による減衰を防止できる。
【００８３】
このようにＬＳＩからの高周波信号を光信号として出力できると、従来のようにパッドに針を当接させたり金線等を溶接したりして電気信号として出力するのに比べて、ＬＳＩ間の複雑な配線を大幅に簡略化することができるし、同時に、信号の配線遅延やクロストークの発生を防止できる。また、１つの素子からあらゆる素子に配線を行なう必要な場合（ニューロコンピュータなど）は、素子総数がＮであれば必要な配線総数はＮ（Ｎ−１）となり多層配線を用いても事実上不可能であるが、光を用いることにより可能になる。
【００８４】
〔実施例４〕  光配線
図１０に、実施例３のマルチミラーによる光配線の例を示す。
【００８５】
マルチミラーによるパッド１２８を備えたＬＳＩ装置１２６が多数個配列されている。
【００８６】
光源１３２からの光は、光導波路シート１３４内を図中右方へ進行しつつ、側方へも漏洩する。漏洩した光Ｌ０は半透明ミラー１３６を透過してＬＳＩ装置１２６のマルチミラー式光パッド１２８に入射する。光パッド１２８の傾斜角に応じた種々の向きの反射光Ｌ１、Ｌ２は、半透明ミラー１３６で反射して、複数のＬＳＩ装置１２６、１２６の受光部１２９に信号を伝送する。受光部１２９は一般的なＳｉのｐｎ接合等により形成される。光源１３２の種類は特に限定する必要はないが、ＬＥＤが最適である。ＬＥＤは、小型で消費電力が少ない上、複数のＬＳＩ装置１２６に対して１個で足りるので、光配線を含む装置全体の小型化や省電力化にとって実質的な不利は及ぼさない。
【００８７】
〔実施例５〕  捻り変形（光シャッター、旋光素子）
実施例１で説明した光ＭＥＭＳ１００は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により上部電極１１２が左右に傾動する形態であるが、図４（１）と同様の基本構造で、上下の電極の形状や配置を変えることにより、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形により上部電極１１２が回転する形態も可能である。
【００８８】
そのような一例として、図１１に、本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳとしての光シャッター素子の（１）縦断面および（２）平面図を示す。断面図（１）は平面図（２）の線Ａ−Ａにおける縦断面を示す。
【００８９】
図示した光シャッター素子１４０の特徴は平面構造にある。すなわち、図１１（２）に示すように、電圧印加しない初期状態において、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心として右上から左下にかけて存在する。これに対して、下部電極１０８は左上と右下に配置してあり、弾性軸１１０に対して上下の電極がほぼ９０°回転してずれた位置にあり、下部電極１０８が上部電極１１２に遮られていない。断面構造は、図１１（１）に示すように、実施例１の反射ミラー１００とほぼ同じであり、ストッパー１１４は不要なので設けてない点のみが異なる。
【００９０】
下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加すると、両電極間に作用するクーロン力に引かれて上部電極１１２が矢印Ｒで示したように弾性軸１１０を中心にして回転する。この回転により、上部電極１１２の右上部分が右下の下部電極１０８を覆う位置向かって変位し、上部電極１１２の左下部分が左上の下部電極１０８を覆う位置に向かって変位する。この回転変位は、下部電極１０８の上面と平行な平面内において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形の許容範囲内で行なわれる。
【００９１】
上部電極１１２を遮光板とし、下部電極１０８を反射ミラーとすることで、光シャッター１４０として機能する。両極間への印加電圧の制御して上部電極１１２による下部電極１０８の遮光面積を調節すれば、光変調器として機能する。
【００９２】
なお、本実施例では上部電極１１２を遮光板としたが、実施例１と同様な正方形の上部電極のうち図１１（２）で上部電極１１２として示した形状の部分のみを遮光領域とし、他を透光領域としてもよい。例えば、正方形の透明板のうち遮光領域とする部分にのみ遮光被覆する。
【００９３】
〔実施例６〕  旋光素子（キラル構造）
実施例５においては、下部電極１０８および上部電極１１２を回転軸１１０の周りに９０°の位相差を付けた２方向に設けたが、更に多方向に設けた形態も可能である。
【００９４】
そのような一例として、図１２に本発明の可動素子を適用した光ＭＥＭＳとしての可変旋光素子の平面図を示す。
【００９５】
図示した可変旋光素子１５０は、下部電極１０８が軸１１０を中心にして４方向に配置され、卍形状の上部電極１１２の４本の鍵型腕部が４個の下部電極１０８と重ならない位置となるように形成されている。この卍型構造はキラル構造と呼ばれるもので、自然界に存在しており、光がこの形状の構造体を反射あるいは透過すると、光の振動面が回転する旋光現象を起こすことが知られており、人工的にもこの形状の構造体を作ることによっても、旋光が起きることが報告されている。
【００９６】
本実施例の光ＭＥＭＳによる可変旋光素子１５０は、４個の下部電極１０８と上部電極１１２との間に印加する電圧を制御することにより、キラル構造の上部電極１１２の回転変位量としての回転角度を調節すると、旋光角度を自由に変えることができる。
【００９７】
〔実施例７〕  伸縮変形（干渉）
図１３に示す反射ミラー素子１０１は、図４に示した実施例１の反射ミラー素子１００と部材構成は同じであり、上部電極１１２の上面は鏡面となっており、反射ミラーとして機能する。ただし、動作は異なり、実施例１の反射ミラー素子１００は下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の一方と上部電極１１２との間に電圧印加し、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性曲げ変形により上部電極１１２を左右に傾動させた。これに対して、本実施例の反射ミラー１０１素子は、下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方と上部電極１１２との間に電圧印加し、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性伸縮変形により上部電極１１２を上下に変位させる。
【００９８】
図１３（１）は電圧印加していない状態であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は無負荷状態で初期長さのままであり、上部電極１１２は上位置（初期位置）にある。
【００９９】
図１３（２）は両方の下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）と上部電極１１２との間に電圧印加した状態であり、上下電極間の引き合う力によりカーボンナノチューブ弾性軸１１０が軸方向に弾性圧縮されて、上部電極１１２は下位置まで降下している。上部電極１１２が撓んで下部電極１０８に接触しないようにストッパー１１４を示してある。その心配が無ければストッパー１１４は不要である。
【０１００】
電圧の印加を停止すると、弾性軸１１０は軸方向の圧縮が解除されて伸び、上部電極１１２が上昇して図１３（１）の初期状態に戻る。
【０１０１】
図１４に示すように、本実施例の反射ミラー素子１０１を多数並列配置することによりＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを構成することができる。ＧＬＶデバイスは光の回折を用いる素子であり、上位置の上部電極１１２と下位置の上部電極１１２とを混在させることにより、回折格子を形成する。
【０１０２】
図１４（１）は、反射ミラー素子１０１は全て電圧印加しない初期状態であり、並列配置された上部電極１１２は全て上位置に揃っており、真上からの入射光Ｌ０による反射光Ｌ１は全て位相が揃っており強度も揃っている。
【０１０３】
図１４（２）は、反射ミラー素子１０１は１つおきに上部電極１１２と下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方とに電圧を印加した状態であり、上部電極１１２は１つおきに上位置と下位置に交互配置されている。上位置と下位置との高低差を光の波長λの１／４としておくと、１つおきの反射ミラー素子１０１から反射光Ｌ１間に光路差（位相差）λ／４作られ、人為的に光の干渉を生じる。高低差の調節により特定の方向の光を強めたり弱めたりすることができる。この技術を用いることにより、投影機や動く３Ｄホログラフィ・ディスプレーを構成することができる。
【０１０４】
〔実施例８〕  撓み変形（凹面鏡）
以上の実施例では、１本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を１箇所で支持していたが、本実施例では複数本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を複数個所で支持する。
【０１０５】
図１５は本実施例の反射ミラー素子の（１）縦断面図および（２）平面図を示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。ただし、断面図（１）において上部電極１１２の弾性撓み変形量は、上部電極１１２の中央断面付近の変形量として描いてある。
【０１０６】
図示した反射ミラー素子１６０は、４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を４箇所で支持し、下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加して、上部電極１１２の中央部を下方へ撓ませる。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は素子１６０の中央部へ向けて弾性曲げ変形する。
【０１０７】
反射ミラー素子１６０の上部電極１１２は凹面鏡として機能し、印加電圧の制御により凹面鏡の曲率すなわち焦点距離を制御し、反射光の収束率を連続的または不連続的に変化させることができる。
【０１０８】
本実施例の反射ミラー素子１６０は、カーボンナノチューブ弾性軸１１０が４本である以外は実施例１の反射ミラー素子１００と基本的に同一の構造であり全く同様の製造プロセスにより製造できる。
【０１０９】
以上の実施例では、本発明のＭＥＭＳを光素子に適用した形態を説明したが、光素子以外の多種多様な素子に適用できる。まず、スイッチまたはメモリーに適用する形態を以下に説明する。
【０１１０】
〔実施例９〕  スイッチ（傾斜）
本実施例では、本発明のＭＥＭＳをスイッチ（電気スイッチ）に適用した形態を説明する。本発明によれば、スイッチも光素子と同様な構造により実現できる。
【０１１１】
既述のように、高周波回路やＲＦ回路では、回路間の干渉（寄生容量、寄生抵抗）を極力排除する必要があるため、ＯＮ／ＯＦＦ間で単に低抵抗状態と高抵抗状態とを切り替えているに過ぎない現状のトランジスタでは不十分である。むしろトランジスタの出現以前には最も一般的であった、回路を完全に切断したり接続したりする旧来の「スイッチ」の方が、寄生容量や寄生抵抗を理想的な状態にまで排除できるので望ましい。
【０１１２】
図１６に示すスイッチ２００は、図４に示した実施例１の光素子１００と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。図１６の（１）（２）は縦断面図、（３）は上から見た（１）（２）に共通の平面図である。縦断面図（１）（２）は平面図（３）の線Ａ―Ａにおける断面であり、固定端子２０２は本来であればこの断面には現れないが説明の便宜上図示してある。
【０１１３】
図１６において、（１）の形態は上部電極１１２自体が全体として可動端子として機能し、上部電極１１２が傾動した際にその外縁部が基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。（２）の形態は、上部電極１１２は純然たる駆動用としてのみ機能し、上部電極１１２の下面に被覆した絶縁層１１２Ａ上に別個に可動端子１１２Ｂが設けてあり、上部電極１１２が傾動した際に可動端子１１２Ｂが基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。（２）の形態においては、上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。
【０１１４】
本実施例のスイッチ２００は、図４に示した実施例１のＭＥＭＳと同様の製造プロセスにより同等の微小サイズに形成できるので、動作速度も速く、消費電力も小さいため、複雑な回路を高密度に実現できるＬＳＩと混載して一体化できる。
【０１１５】
なお、スイッチ２００は、図８に示した実施例２の反射ミラー素子１００と同様に下部電極１０８を放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置し、ストッパー１１４の代わりに固定端子２０２を配置した８接点の切り替えスイッチ（旧来のロータリースイッチに対応）とすることもできる。
【０１１６】
〔実施例１０〕  メモリー（傾斜）
実施例９のスイッチ２００をメモリーに適用することもできる。スイッチは配線間を接続（ＯＮ）および切断（ＯＦＦ）するが、ＯＮ／ＯＦＦを１／０または０／１に対応させることで、メモリーとして機能させることができる。このようなメモリーは一般的には、ＯＮ状態で電圧印加を停止するとＯＦＦに戻ってしまい、記憶が失われる。すなわち揮発性メモリーとなる。
【０１１７】
しかし、ＭＥＭＳで実現される極めて微細な構造になると、体積に比して表面積の比率が非常に大きくなってくるため、ファンデルワールス力等の表面に依存する力（表面力）の作用が顕在化してくる。この場合、カーボンナノチューブ弾性軸１１０のバネ弾性の強さを適切に設定することにより、端子同士が接触したＯＮ状態で電圧印加を停止しても上記表面力の作用で端子同士が離れない情況になり得る。その結果、電圧印加を停止してもＯＮ状態が維持され、それに対応する１／０のデータが保存される。すなわち不揮発性メモリーとなる。
【０１１８】
また、スイッチ２００をメモリーに適用する場合にも、図８に示した実施例２の反射ミラー素子１００と同様に下部電極１０８を放射状にＡ〜Ｈの８方向に配置し、ストッパー１１４の代わりに固定端子２０２を配置した８接点の多値メモリーとすることもできる。この多値メモリーは、８すなわち２の３乗で、３ビットの情報を記憶できるので、従来のＤＲＡＭ（単値メモリー）による１ビットの３倍に記憶容量を増大できる。
【０１１９】
本実施例の上部電極１１２の傾斜による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するには、傾斜させた際に電圧印加した下部電極１０８に対して軸１１０に関して軸対称の位置にある下部電極１０８に電圧印加する。
【０１２０】
〔実施例１１〕  スイッチ（回転）
図１７に示すスイッチ２１０は、図１１に示した実施例５の光素子１００と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。
【０１２１】
図１７は上から見た平面図であり、（１）電圧印加なし、（２）電圧印加ありの状態である。固定端子２０２は基板１０２（図１１）に設けた配線層（図示せず）に下端を固定したカーボンナノチューブ２０４の上端に固定されており、上部電極１１２と同じ高さにある。
【０１２２】
電圧印加しない初期状態（１）において、上部電極１１２はカーボンナノチューブ弾性軸１１０を中心として右上から左下にかけて存在する。これに対して、下部電極１０８は左上と右下に配置してあり、弾性軸１１０に対して上下の電極がほぼ９０°回転してずれた位置にある。
【０１２３】
下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧を印加すると、両電極間に作用するクーロン力に引かれて上部電極１１２が矢印Ｒで示したように弾性軸１１０を中心にして回転する。この回転により、上部電極１１２の右上部分が右下の下部電極１０８を覆う位置向かって変位し、上部電極１１２の左下部分が左上の下部電極１０８を覆う位置に向かって変位する。この回転変位は、下部電極１０８の上面と平行な平面内において、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性捻り変形の許容範囲内で行なわれ、図１７（２）のように上部電極１１２の右側部分が固定端子２０２に当接した状態で止まる。すなわち、上部電極１１２自体が可動端子として固定端子２０２と接触してＯＮの状態となる。この状態で電圧印加を停止すると、カーボンナノチューブ弾性軸１１０の弾性により上部電極１１２は矢印Ｒとは逆向きに回転して初期状態（１）に戻りスイッチ２１０はＯＦＦの状態になる。
【０１２４】
〔実施例１２〕  メモリー（回転）
実施例１１の回転スイッチ２１０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例の上部電極１１２の回転による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、図１７に示した左上と右下の１対の下部電極１０８とは左右対称の位置、すなわち左下と右上に別の１対の下部電極１０８を設け、これらと上部電極１１２との間に電圧印加する。
【０１２５】
〔実施例１３〕  スイッチ（撓み）
図１８に示すスイッチ２２０は、図１５に示した実施例８の光素子１６０と同様な構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーではなくスイッチ端子として機能する。図１８の（１）は縦断面図、（２）は上から見た平面図である。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０および固定端子２０２は本来であればこの断面には現れないが説明の便宜上図示してある。
【０１２６】
スイッチ２２０は、４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を４箇所で支持し、下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加して、上部電極１１２の中央部を下方へ撓ませる。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は素子１６０の中央部へ向けて弾性曲げ変形する。
【０１２７】
上部電極１１２は純然たる駆動用としてのみ機能し、上部電極１１２の下面に被覆した絶縁層１１２Ａ上に別個に可動端子１１２Ｂが設けてあり、上部電極１１２の中央部が下方へ撓んだ際に可動端子１１２Ｂが基板１０２の絶縁層１０６上の固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。
【０１２８】
〔実施例１４〕  メモリー（撓み）
実施例１３の撓みスイッチ２２０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例の上部電極１１２の撓みによる不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、上部電極１１２の上方に別の固定電極を設け、この固定電極と上部電極１１２との間に電圧印加してクーロン力により上部電極１１２を持ち上げる。
【０１２９】
〔実施例１５〕  スイッチ（伸縮）
図１９に示したスイッチ２３０は、図１３に示した実施例７の反射ミラー素子１０１と同様の構成であり、中心に立つカーボンナノチューブ弾性軸１１０の軸方向の弾性伸縮変形を利用して作動する。実施例７と異なる点は、上部電極１１２が反射ミラーではなく単に可動電極として機能し、その下面に絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとを設けた点、および絶縁層１０６上に固定端子２０２を設けた点である。左右それぞれ１対の固定端子２０２が、図１９（３）に平面配置を示すように、絶縁層１０６上に間隔を空けて設けてある。上部電極１１２と絶縁層１１２Ａと可動端子１１２Ｂとが一体の上部構造１１２Ｘを構成している。なお図１９（３）では上部構造１１２Ｘは図示していない。
【０１３０】
スイッチ２３０は実施例７の反射ミラー１０１と同様に動作する。図１９（１）の電圧印加なしの初期状態から、下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の両方と上部電極１１２との間に電圧印加すると、図１９（２）のように上下電極間の引き合う力によりカーボンナノチューブ弾性軸１１０が軸方向に弾性圧縮されて上部電極１１２が下位置まで降下し、可動端子１１２Ｂが各固定端子２０２に接触して両固定端子２０２間を接続する。
【０１３１】
〔実施例１６〕  メモリー（伸縮）
実施例１５の伸縮スイッチ２３０をメモリーに適用することもできる。原理は、前述の実施例９のスイッチ２００を実施例１０のメモリーに適用した場合と同様である。この場合も揮発性および不揮発性のメモリーが可能である。本実施例のカーボンナノチューブ弾性軸１１０の圧縮による不揮発性メモリーに記憶されたデータを消去するためには、上部電極１１２の上方に別の固定電極を設け、この固定電極と上部電極１１２との間に電圧印加してクーロン力により上部電極１１２を持ち上げる。
【０１３２】
以上、本発明の可動素子を光素子、スイッチ、メモリーに適用した例を説明した。次いで、本発明の可動素子を可変キャパシターに適用した例を説明する。下記に示す可変キャパシターのどの形態においても、上部電極１１２はミラーとして機能する必要はなく、単に可動電極として機能すればよい。
【０１３３】
〔実施例１７〕  可変キャパシター（傾斜）
図４、図５、図６に示す実施例１の傾斜による反射ミラー素子の形態を可変キャパシターに適用できる。同図に示す下部電極のうち一方のみ１０８Ｒ（または１０８Ｌ）と上部電極１１２との間に電圧印加し、他方の下部電極１０８Ｌ（または１０８Ｒ）とこれに対面する上部電極１１２の部分とでキャパシターを構成する。印加電圧の制御により上部電極１１２の傾斜角度を制御して、上記他方の下部電極と上部電極対面部分との間隔を変えて、キャパシター容量を変化させることができる。
【０１３４】
〔実施例１８〕  可変キャパシター（回転）
また、図１１に示す実施例５の回転（捻り変形）による光素子１４０の形態を可変キャパシターに適用できる。この場合も、同図に示す下部電極１０８のうち一方のみと上部電極１１２との間に電圧印加し、他方の下部電極とこれに対面する上部電極１１２の部分とでキャパシターを構成する。すなわち、上記一方の上下電極間への電圧印加により上部電極１１２が回転し、他方の上部電極間のオーバラップ量が変わり、キャパシター容量が変わる。印加電圧の制御によりキャパシター容量を変化させることができる。
【０１３５】
〔実施例１９〕  可変キャパシター（横移動）
同様に上下電極間のオーバラップ量を変化させる形態として、図２０に示すように、複数のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で上部電極１１２を複数個所で支持する形態も可能である。図２０において、（１）は電圧印加なしの初期状態の縦断面図、（２）は電圧印加した状態の縦断面図、（３）は上から見た平面図である。（１）（２）は（３）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面には現れないが説明の便宜上図示してある。
【０１３６】
図２０（１）（３）示すように可変キャパシター２４０は、絶縁層１０６上にキャパシターの対向電極２０６を設け、開口Ｈを中央部に持つ枠型の上部電極１１２の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。上部電極１１２と対向電極２０６でキャパシターを構成する。
【０１３７】
図１７（２）に示すように、左右の下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌのいずれか一方（図示の例では右の下部電極１０８Ｒ）と上部電極１１２との間に電圧印加すると、電圧印加された下部電極（１０８Ｒ）側へ上部電極１１２が横方向へ移動する。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は上部電極１１２の移動方向へ弾性曲げ変形する。これにより、対向電極２０６と上部電極１１２とのオーバラップ量が変化し、キャパシター容量が変化する。印加電圧の制御によりオーバラップ量を制御してキャパシター容量を制御する。
【０１３８】
〔実施例２０〕  可変キャパシター（撓み）
更に、図１５に示す実施例８の撓み変形による光素子１６０の形態を可変キャパシターに適用できる。一例を図２１に、（１）縦断面図および（２）は上から見た平面図でしめす。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面に現れないが説明の便宜上図示してある。
【０１３９】
図２１に示すように可変キャパシター２５０は、絶縁層１０６上にキャパシターの対向電極２０６を設け、その両側に１対の下部電極１０８を配置し、上部電極１１２（図２１（１）に破線で表示）の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。上部電極１１２と対向電極２０６でキャパシターを構成する。
【０１４０】
両方の下部電極１０８と上部電極１１２との間に電圧印加すると、上部電極１１２の中央部分が対向電極２０６との引き合う力により下方へ撓む。これにより対向電極２０６との間隔が変化し、キャパシター容量が変化する。印加電圧の制御により下方への撓み量を制御してキャパシター容量を制御する。
【０１４１】
〔実施例２１〕  可動アンテナ
本発明の可動素子を可動アンテナに適用することができる。一例を図２２に（１）縦断面図および（２）上から見た平面図で示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。いずれも電圧印加しない初期状態を示す。
【０１４２】
図示した可動アンテナ２６０は、図１１に示した実施例５の回転による光素子１４０と同じ基本構造に、アンテナとアンテナリード線としてのカーボンナノチューブ弾性軸とを付加したものであり、図１１と同じ参照記号は同じ部材を示す。
【０１４３】
上部電極１１２上に絶縁層１１２Ｃを介してアンテナ２０８を設けてある。カーボンナノチューブ弾性軸１１０は二重構造であり、下端を基板１０２上の基礎導電層１０４に固定され上端に上部電極１１２が固定されている中空状のカーボンナノチューブ弾性軸１１０Ａと、この弾性軸Ａの中空部を通り下端を基板１０２上の別の基礎導電層１０５に固定され上端にアンテナ２０８が固定されている別のカーボンナノチューブ弾性軸１１０Ｂとから成る。上部電極１１２、絶縁層１１２Ｃ、アンテナ１１２Ｄが上部構造１１２Ｘを構成する。
【０１４４】
動作も実施例５の光素子１４０と同様であり、電圧印加により上部電極１１２を含む上部構造１１２Ｘが矢印Ｒのように直近の下部電極１０８（Ｒ、Ｌ）の方へ回転し、クーロン力による回転駆動力とカーボンナノチューブ弾性軸１１０の捻り変形による弾性力とが釣り合った位置で停止する。
【０１４５】
上部構造１１２Ｘ上に設けたアンテナ１１２Ｄの回転角によってアンテナの指向方向を変え、特定方向にのみ電波を受発信することで弱い電波でも効率的に使用することができ、省電力化が可能になる。例えば、携帯電話の電池消費量を大幅に低減できる。
【０１４６】
なお、１対の下部電極１０８の両方に電圧印加してアンテナ１１２Ｄを回転させる場合を説明したが、下部電極１０８の一方のみに電圧印加すると回転と傾斜とを組み合わせた動作をさせることも可能である。
【０１４７】
〔実施例２２〕  回転モーター＋歯車
本発明の可動素子を回転モーターに適用することができる。一例を図２３に（１）縦断面図および（２）上から見た平面図で示す。縦断面図（１）は平面図（２）の線Ａ―Ａにおける断面図である。いずれも電圧印加しない初期状態を示す。
【０１４８】
図には回転モーター２７０（左側）と、これに歯車係合する従動素子２７５（右側）とを示した。両者は同一基板１０２上に作製されている。回転モーター２７０は、図１１に示した実施例５の回転による光素子１４０と同じ基本構造に、上部電極１１２の外周に歯車１１２Ｇを設けたものであり、図１１と同じ参照記号は同じ部材を示す。上部電極１１２と歯車１１２Ｇとで上部構造１１２Ｘを構成する。
【０１４９】
動作も実施例５の光素子１４０と同様であり、回転モーター２７０は電圧印加により上部電極１１２を含む上部構造１１２Ｘが矢印Ｒ１のように直近の下部電極１０８の方へ回転する。これに歯車係合する従動素子２７５は矢印Ｒ２のように回転する。このようにして駆動部２７０の動きを従動素子２７５へ伝える動力伝達機構を構成できる。
【０１５０】
なお、本実施例では、モーターの動作形態は代表例として回転の場合を説明したが、これに限定する必要はない。前出の各実施例において説明した本発明の可動素子による全ての変位形態、すなわち傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動を動作形態とするモーターが可能である。
【０１５１】
また係合の形態として歯車係合を示したが、チェーンとスプロケットによる係合などの動力伝達用係合形態が可能である。
【０１５２】
以上、本発明の可動素子のうち能動的に動作させて外部へ作用する形態を説明した。以下に、本発明の可動素子のうち外部からの作用により受動的に動く、あるいは外部からの作用により動きに影響を受ける形態として、センサーに適用した例を説明する。
【０１５３】
〔実施例２３〕  加速度センサー
まず、外部からの作用により受動的に動く本発明の可動素子として、加速度センサーの一例を説明する。
【０１５４】
図２４に示す、本発明の可動素子を適用した加速度センサー２８０は、図２０に示した可変キャパシター２４０の構造から、電圧印加用の下部１０８を取り除いた構造である。両図において同じ参照記号は同じ部材を示している。図２４において、（１）は加速度なしの初期状態の縦断面図、（２）は加速度を受けた状態の縦断面図、（３）は初期状態の上から見た平面図である。（１）（２）は（３）の線Ａ―Ａにおける断面図であり、カーボンナノチューブ弾性軸１１０は本来この断面には現れないが説明の便宜上図示してある。
【０１５５】
図２４（１）（３）示すように加速度センサー２８０は、絶縁層１０６上に対向電極２０６を設け、開口Ｈを中央部に持つ枠型の上部電極１１２の４隅を４本のカーボンナノチューブ弾性軸１１０で支持する。
【０１５６】
図２４（２）に示すように、矢印の向きに加速度が作用すると、上部電極１１２が加速度の向きへ横移動する。その際、各カーボンナノチューブ弾性軸１１０は上部電極１１２の移動方向へ弾性曲げ変形する。これにより、対向電極２０６と上部電極１１２とのオーバラップ量が変化し、両者間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を用いて、作用した加速度を検知する。
【０１５７】
このように本発明による加速度センサーは、上部電極１１２と対向電極２０６との間の静電容量の変化を利用するので、可変キャパシターの各実施例で説明した種々の構造から電圧印加用の下部電極を除外した構造を適用することができる。
【０１５８】
〔実施例２３〕  質量センサー
次に、外部からの作用により動きに影響を受ける可動素子として、質量センサーの一例を説明する。
【０１５９】
図２５に示す、本発明の可動素子を適用した質量センサー２９０は、図４、Ｊ２に示した実施例１の傾動による光素子１００と同じ構造であり、同じ参照記号は同じ部材を示す。ただし、上部電極１１２は反射ミラーとしてではなく吸着基材として機能する。
【０１６０】
図２５（１）に示したように、上部電極１１２の表面に外来物質Ｐが吸着すると、上部電極１１２の質量がわずかながら見掛け上増加し、共振周波数が変化する。左右の下部電極１０８Ｒ、１０８Ｌに交互に電圧印加して上部電極１１２に左右に傾斜振動させ、その際の共振周波数を求め、それに基づいて外来物質Ｐの質量を求めることができる。
【０１６１】
質量センサー２９０が微小サイズであるため、外来物質Ｐが微小な化学物質、原子、ＤＮＡ等であっても検知可能であり、質量が既知である外来物質に利用できる。
【０１６２】
なお、本実施例では、センサーの動作形態は代表例として回転の場合を説明したが、これに限定する必要はない。前出の各実施例において説明した本発明の可動素子による全ての変位形態、すなわち傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動を動作形態とするセンサーが可能である。
【０１６３】
以上の各実施例においては、本発明の可動素子が、光素子、電気スイッチ、メモリー、可変容量キャパシター、可動アンテナ、モーターのいずれか１つとして機能する場合を説明した。しかし、本発明の可動素子は単機能に限定する必要はなく、複数の機能を兼ね備えることができる。
【０１６４】
例えば、図１６に示した実施例９のスイッチ２００は、図４に示した実施例１の光素子１００と同様に、上部電極１１２を反射ミラーとすれば、スイッチと反射ミラー素子という２つの機能を同時に具備することができる。同様に、図１７に示した実施例１１のスイッチ２１０は、図１１に示した実施例５の光シャッターとしても機能する形態とすることができる。
【０１６５】
また、以上の各実施例においては、本発明の可動素子が、傾動、回転、上下動（軸の伸縮）、撓み、横移動のいずれか１つの変位形態をとる場合を説明した。しかし、本発明はこれに限定する必要はなく、複数の変位形態を組み合わせた変位形態の可動素子とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】図1は、従来のＭＥＭＳによる光素子（光ＭＥＭＳ）の典型例を示す斜視図であり、
【図２】図２（ａ）〜（ｈ）は、本発明による可動素子のカーボンナノチューブ弾性軸の変形形態および上部電極の変位形態のバリエーションをまとめて示す断面図であり、
【図３】図３は、本発明による可動素子構造の種々の形態をまとめて示す断面図であり、
【図４】図４は、本発明の傾斜式の可動素子を適用した反射ミラー素子の縦断面図であり、
【図５】図５は、図４の反射ミラー素子を上から見た平面図であり、
【図６】図６は、図４の反射ミラー素子の他の形態を上から見た平面図であり、
【図７】図７（１）〜（９）は、図４および図５に示した反射ミラー素子の製造工程を示す断面図であり、
【図８】図８は、多方向に傾斜する本発明の反射ミラー素子を示す平面図であり、
【図９】図９は、本発明の反射ミラー素子を格子状に配列したマルチミラー構造を示す平面図であり、
【図１０】図１０は、本発明のマルチミラー構造を用いた光配線を示す配置図であり、
【図１１】図１１（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した光シャッター素子の（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の回転式の可動素子を適用しキラル構造を備えた可変旋光素子の平面図であり、
【図１３】図１３（１）および（２）は本発明の上下移動式（伸縮式）の可動素子を適用した反射ミラー素子の縦断面図であり、
【図１４】図１４（１）および（２）は、図１３の反射ミラー素子を用いたＧＬＶデバイスを示す縦断面図であり、
【図１５】図１５（１）および（２）は、カーボンナノチューブ弾性軸を多数本用いた本発明の撓み式の反射ミラー素子を示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１６】図１６（１）〜（３）は、本発明の傾斜式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図１７】図１７（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す平面図であり、
【図１８】図１８（１）および（２）は、複数本のカーボンナノチューブ弾性軸を用いた本発明の撓み式の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図１９】図１９（１）〜（３）は、本発明の上下移動式（伸縮式）の可動素子を適用したスイッチまたはメモリーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図２０】図２０（１）〜（３）は、本発明の横移動式の可動素子を適用した可変容量キャパシターを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、
【図２１】図２１（１）および（２）は、本発明の撓み式の可動素子を適用した可変容量キャパシターを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２２】図２２（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した可動アンテナを示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２３】図２３（１）および（２）は、本発明の回転式の可動素子を適用した回転モーターおよびそれに歯車係合する従動素子を示す（１）縦断面図および（２）平面図であり、
【図２４】図２４（１）〜（３）は、本発明の横移動式の可動素子を適用した加速度センサーを示す（１）縦断面図、（２）縦断面図および（３）平面図であり、そして
【図２５】図２５（１）および（２）は、本発明の傾斜式の可動素子を適用した質量センサーを示す（１）縦断面図および（２）平面図である。
【国際調査報告】
2007110928.tif 000028
2007110928.tif 000029
2007110928.tif 000030
2007110928.tif 000031