(57)【要約】非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置は、ベース部分と、典型的には一対の接合パッドと、撓み部分によってベース部分に接続されたアクチュエータエレメントとを含む。アクチュエータエレメントは、第１のアームと、第１のアームに並ぶとともに第１のアームから離間した第２のアームとを有する。第２のアームは第１のアームより幅が広く、電流がそこに流されたときには、第１及び第２のアームの温度差により、アクチュエータエレメントが撓みエレメントに関して撓む。切り欠き部分が第１のアームに隣接する第２のアームに設けられ、第２のアームの少なくとも一部分にわたって第１のアームからの間隔を増大させる。好ましくは、ヒートシンクが第２のアームの横に隣接して設けられる。
2006522946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
ベース部分と；
撓み部分によって前記ベース部分に接続されたアクチュエータエレメントであって、該アクチュエータエレメントは、第１のアームと、該第１のアームに並ぶとともに該第１のアームから離間した第２のアームとを備え、前記第２のアームは前記第１のアームよりも幅が広く、電流が前記第１及び第２のアームに流されたときに前記第１及び第２のアームの示差加熱により、該アクチュエータエレメントが前記撓みエレメントに関して撓むように構成されたアクチュエータエレメントと；を備え、
前記第１のアームに対向する凹所が前記第２のアームに設けられ、前記凹所における前記第１のアームからの前記第２のアームの間隔を増大させている非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記凹所が長方形形状である非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ベース部分が、前記第１及び第２のアームのそれぞれに取り付けられた一対の接合パッドを備えている非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータにおいて、
前記第２のアームの横に隣接するヒートシンクをさらに備えている非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ヒートシンクが、前記ヒートシンクの根本部分からその先端へ向かうにしたがい前記アクチュエータエレメントから離れるように先細りになり、前記アクチュエータエレメントの撓みを許容している非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ。
【請求項６】
請求項５に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ヒートシンクが、前記アクチュエータエレメントと同一レイヤーの一部分を形成している非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項７】
請求項５に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記同一レイヤーがシリコンレイヤーである非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項８】
請求項４に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ヒートシンクが、前記アクチュエータエレメントのための基材の一部分を形成し、かつ、前記アクチュエータエレメントに並ぶととともに該アクチュエータエレメントの下に位置しており、前記アクチュエータエレメントが撓むのにしたがって前記アクチュエータエレメントが部分的に前記ヒートシンクに重なる非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項９】
請求項１に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記アクチュエータエレメントが、絶縁体基材上に堆積したシリコンレイヤーからなる非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記絶縁体が、シリコン基材上に堆積したシリコン酸化物である非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記凹所の深さが、前記冷たいアームの幅の半分である非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記凹所の深さが約５０ミクロンである非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１３】
非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において：
ベース部分と；
撓み部分によって前記ベース部分に接続されたアクチュエータエレメントであって、該アクチュエータエレメントは、第１のアームと、該第１のアームに並ぶとともに該第１のアームから離間した第２のアームとを備え、前記第２のアームは前記第１のアームよりも幅が広く、電流が前記第１及び第２のアームに流されたときに前記第１及び第２のアームの示差加熱により、該アクチュエータエレメントが前記撓みエレメントに関して撓むように構成されたアクチュエータエレメントと；
前記アクチュエータエレメントの側部に配置されて突出するヒートシンクと；を備え、
前記第１のアームに対向する凹所が前記第２のアームに設けられ、前記凹所における前記第１のアームからの前記第２のアームの間隔を増大させている非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ヒートシンクが、前記アクチュエータエレメントと同一高さに位置している非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、
前記ヒートシンクが、前記アクチュエータエレメントの下に位置している非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置に関するものであり、特に光ファイバーシステムの可変光減衰器として使用するのに適した非対称熱アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変的光減衰器（ＶＯＡ）は、例えば検出器に当たる光の量を制御するために、光ファイバーシステムで使用される。このために、非対称型のＭＥＭＳ電気熱アクチュエータを使用することが知られている。これは、巨大なシリコン・オン・インシュレータ・ウエハーを使用して製造されることができる。周知の非対称アクチュエータは、幅狭の熱いアームと幅広の冷たいアームと幅狭の撓みエレメントとを有する片持ちされた電気ループからなっている。電流がループに流されると、幅狭のアームが幅広の冷たいアームより熱くなり、その結果、アクチュエータが、両可動アームを固定基材に接続する幅狭の撓み部分に関して撓むことになる。典型的な従来技術のＭＥＭＳ熱アクチュエータが、２００１年８月１４日付けの特許文献１に開示されており、その内容は参照によってここに開示される。
【特許文献１】米国特許第６，２７５，３２０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
できる限り大きな撓みを得るため、熱伝達及び撓み機構に影響を及ぼす変数が最適化されるべきである。直観的には、幅広のアームは、低温を維持するのに十分に幅を広くしておく一方で、より曲がりやすくするためにできる限り幅を狭くしておくことが望ましいと思われるかもしれない。しかしなから、Ｒ．ヒッキーらによれば、冷たいアームは、すべての回転を撓み部分の近くに生じさせてそれによって撓みを増大させるために、できる限り剛性を有しているべきであるとされている。
【０００４】
シリコン・オン・インシュレータ・ウエハーを使用し、装置の下で裏側ハンドルウエハーを完全にエッチングすることにより、完全に懸架されたアクチュエータを実現可能であることが知られている。完全に懸架された構造体の使用は、基材への静摩擦が生じるおそれをなくし、埋め込まれた酸化物が完全にエッチングされるのを保証し、厚い余分な基材によって生成される大きな熱負荷をなくすことでアクチュエータを移動させるのに必要な力を減少させる。このようにしてアクチュエータを完全に懸架することは、下に位置する基材ヒートシンクをなくす。しかしながら、基材ヒートシンクをなくすことに関する問題は、装置を取り囲む空気に生じる熱勾配が変わることである。静止した空気の大きな囲いが、熱いアームを取り囲んでいる。基材なしでは、かなりの熱量が、空気を通して冷たいアームに伝達させられる。その結果、冷たいアームが膨張し、移動が減少し、そしてアクチュエータの撓みが減少する。
【０００５】
理論的には、さらに離れるように２つのアームを離すことが可能であろう。しかしながら、２つのアームの分離は、撓みの量を減少させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ワットあたりのアクチュエータの移動ミクロンに関するアクチュエータの効率を改善するため、本発明によれば、冷たいアームが、その剛性を維持する一方で、熱いアームからさらに離れるように離間させられて、空気を通した熱伝達を減少させる。撓みエレメントのサイズと、撓みエレメントの間隔に対する熱いアームの間隔とは、最適な撓み機構を維持するように保たれる。加えて、基材レイヤーあるいは装置レイヤーにヒートシンクを加えることができ、温度差をさらに改善して、それによってアクチュエータアームの撓みを増大させる。これらの変化は、同一の撓みを得るために必要な温度をも減少させる。
【０００７】
本発明によれば、非対称ＭＥＭＳ熱アクチュエータ装置において、ベース部分と；撓み部分によって前記ベース部分に接続されたアクチュエータエレメントであって、該アクチュエータエレメントは、第１のアームと、該第１のアームに並ぶとともに該第１のアームから離間した第２のアームとを備え、前記第２のアームは前記第１のアームより幅が広く、電流が流されたときの前記第１及び第２のアームの示差加熱により該アクチュエータエレメントが前記撓みエレメントに関して撓むように構成されたアクチュエータエレメントと；を備え、前記第１のアームに対向する切り欠き領域が前記第２のアームに設けられ、前記切り欠き領域における前記第１のアームからの前記第２のアームの間隔を増大させるようにした非対称熱アクチュエータ装置が提供される。
【０００８】
ヒートシンクを、好ましくはアクチュエータエレメントと同一のＭＥＭＳレイヤーにおいて、第２のアーム近くに設けることができる。あるいは、ヒートシンクを、基材においてアクチュエータアームの側部へ設けることができる。
【０００９】
好ましくは、熱アクチュエータが、シリコン・オン・インシュレータ・デバイスである。
【００１０】
以下、本発明が、一例として添付図面を参照しつつより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ＭＥＭＳコミュニティで一般に使用される、図１で概略的に示された標準の非対称型の熱アクチュエータは、一対の固定接合パッド１，２と、幅狭の撓み部分４によって接合パッドに接続されたアクチュエータエレメント３とを備えている。
【００１２】
絶縁体基材上のシリコンの共通レイヤーから形成されたアクチュエータエレメント３は、長尺で幅狭の熱いアーム５を備えており、該熱いアームは、幅広の冷たいアーム６に並んで延びるとともに該冷たいアームから小さなギャップ７によって隔てられている。アクチュエータエレメント３は、ＭＥＭＳ技術を使用して、シリコンの単一レイヤーから形成されている。
【００１３】
アクチュエータエレメント３は、一般にＵ字形状の構成に形成されたワイヤの形態をとっている。アーム５，６を延ばしている接合パッド１，２間のアクチュエータエレメントに流される電流は、２つのアームの異なる抵抗により、装置の一方の側部を他方よりも加熱して膨張させる。熱膨張のこの違いは、内部の機械的移動をセットアップして、アクチュエータエレメント３を冷たいアーム６の方へ撓ませる。２つのアーム間の形状あるいはサイズの違いは、温度差を生成する。
【００１４】
熱いアーム５は、接合パッド１へ延びる１つの長尺で幅狭のアームからなっている一方、冷たいアーム６は、長尺の幅広セクションと撓み部分４において幅が減少した短尺のセクションとからなっている。撓み部分４は、示差加熱効果による、２つのアーム５，６からなる構造体の曲がりを許容している。幅広の側部は、低い電流密度を有しており、したがって電流がアクチュエータエレメント３を流れたときに幅狭のアームほど加熱されない。
【００１５】
熱い側部と冷たい側部との間には最大の撓みを制御する最適間隔が存在している。７ミクロンのオーダーであるこの間隔は、熱伝達を減少させるのに必要な間隔と比較して小さいものである。冷たいアーム６はまた、できる限り剛性を有しているべきである。
【００１６】
本発明の１つの実施例によれば、冷たいアームは、長方形の凹所あるいは切り欠き９を備えており、これは、図２に示されるように撓み部分４内に間隔を維持する一方で、凹所において熱いアーム５からさらに離れるように冷たいアーム６を効果的に配置する。撓み部分４内のアーム５，６間の間隔は、図１に示された従来技術のものと同一である。このようにして、アクチュエータエレメント３の剛性が維持される一方、エアギャップを横切る熱の伝達の減少が達成される。切り欠きは、長方形である必要はなく、他の適当な形状とすることができるのは言うまでもない。
【００１７】
装置の寸法は変化可能であるが、一般には、アクチュエータの長さは約１ｍｍであり、また、熱い及び冷たいアーム間のエアギャップ１５の幅は約７ミクロンであるが約２〜２０ミクロンの任意の値とすることができる。
【００１８】
代表的な実施例では、アクチュエータエレメントの幅ｗは約９０〜１００ミクロンであり、切り欠き９の深さｄは約５０ミクロンである。典型的には、切り欠きの深さは、冷たいアームの約半分の幅である。
【００１９】
アクチュエータエレメントは、高い熱伝導率を有するシリコンからなっている。これは、熱い側から冷たい側までの、シリコンを直接通る熱伝達を許容する。
【００２０】
さらに性能を高めるため、別個のヒートシンク１０を、図３に示されるシリコンレイヤー内において、アクチュエータエレメント３の側部に加えることができる。ヒートシンクは、その自由端の方へ向かって先細りになっており、その方へ向かってのアクチュエータエレメント３の撓みを許容する。アクチュエータエレメントの側部へのヒートシンクの配置は、熱い空気からの過剰な熱が冷たいアームをかなり加熱することなしに分散するのを保証する。
【００２１】
図４は、ＭＥＭＳ ＶＯＡチップにおける熱アクチュエータの平面図である。アクチュエータエレメント３は、シリコン基材１２にエッチングされてなるキャビティ１１に配置されている。ヒートシンク１０は、図３に示されるようにアクチュエータエレメントの側部に配置されている。
【００２２】
図６に示される他の実施例では、ヒートシンクは、一般にキャビティ１１内の基材１２から形成されており、アクチュエータエレメント３の側部であるが、図３に示された実施例におけるヒートシンク１０で占められた領域のほぼ下に位置している。アクチュエータエレメント３よりも低い高さにあるヒートシンク１４は、一般に、丸い先端を有する基材１２の長方形の突出部分からなっている。
【００２３】
図６の実施例では、アクチュエータエレメント３は、それが撓むのにしたがい、ヒートシンク１４の一部分の方へ移動してこれに重なり始める。アクチュエータエレメント３の側部に配置されたヒートシンク１４のこの構成は、ヒートシンクがアクチュエータエレメント３の下に直接的に配置された従来技術に存在する静摩擦の問題を生じない。
【００２４】
装置は、既存のシリコン・オン・インシュレータＭＥＭＳ技術を使用して製造される。基材１２は、基材の前方側部に絶縁体を設けた表面酸化物レイヤーを有するシリコンからなっている。アクチュエータエレメントとヒートシンク１０と接合パッド１，２とからなる装置は、酸化物絶縁体上に堆積された活性シリコンレイヤーにエッチングで形成される。基材１２はそれから、キャビティ１１を形成するために基材の裏側からエッチングされる。
【００２５】
図５は、図１に示された従来の非対称型アクチュエータと比較した新しいアクチュエータエレメント３の性能を示す測定結果を示している。新しいアクチュエータエレメントは、電圧のユニットあたりの変位において、かなりの改善を示していることに留意されたい。例えば、１０Ｖでは、撓みが２０から４０ミクロンまで約２倍に変化している。
【００２６】
当業者が、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明の多くのバリエーションが可能なことを認めるであろうことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術の非対称熱アクチュエータの概略図である。
【図２】本発明の実施例による切り欠かれた冷たいアームを有する非対称熱アクチュエータの概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例による切り欠かれた冷たいアームと装置レイヤーヒートシンクとを有する非対称熱アクチュエータの概略図である。
【図４】装置レイヤー内にヒートシンクを有するＭＥＭＳ ＶＯＡチップの概略斜視図である。
【図５】ヒートシンク及び切り欠かれた冷たいアームを有する新しいアクチュエータと、標準の非対称型のアクチュエータとのグラフ比較図である。
【図６】基材内にヒートシンクを有するＭＥＭＳ ＶＯＡチップの概略斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  接合パッド
２  接合パッド
３  アクチュエータエレメント
４  撓み部分
５  熱いアーム
６  冷たいアーム
７  ギャップ
９  凹所あるいは切り欠き
１０  ヒートシンク
１１  キャビティ
１２  基材
１４  ヒートシンク
１５  ギャップ
【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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【国際調査報告】
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2006522946.tif 000010
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