(57)【要約】マイクロメートルサイズの光学デバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズのシングルステージの縦横型熱アクチュエータ。縦横型熱アクチュエータは基板の表面に構成される。少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。低温アームは、表面に固定された第１端と、自由端とを有する。低温アームは高温アームの上方に配置されると共に表面に対して高温アームから横方向にオフセットされる。低温アームは、その第１端の近くで制御して曲がるように構成される。少なくとも高温アームに電流が印加されるときにアクチュエータが水平および垂直変位を示すように、部材は高温および低温アームの自由端を機械的かつ電気的に結合する。
2004509368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に設けられる縦横型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する少なくとも１つの高温アームと、
前記表面に固定された第１端と、自由端とを有する低温アームであって、前記表面に対して前記高温アームの上方に配置されると共に前記高温アームから横方向にオフセットされる低温アームと、
少なくとも前記高温アームに電流が印加されるときに前記アクチュエータが垂直変位と水平変位とを示すように、前記高温および低温アームの前記自由端を機械的かつ電気的に結合する部材と、
を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記低温アームの前記第１端の近くに形成され、制御下で曲がるようになっている撓み部を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記撓み部が、くぼみ、凹み、切欠き、孔、狭細、薄肉もしくは脆弱な材料、代替材料もしくは他の構造的特徴の部位、または当該部位の曲げ抵抗を減少する材料変化の内の、少なくとも１つを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記高温アームを前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記低温アームが前記高温アームから電気的に絶縁される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記高温アームと前記低温アームとが、電流が通過する回路を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記低温アームに形成された補強部材を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記補強部材が前記低温アームに一体形成される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記低温アームに沿って延在する金属層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの高温アームが、前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを各々に有する２つ以上の高温アームを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの高温アームが、横方向にオフセットして前記低温アームと対称に配置された複数の高温アームを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
複数の縦横型熱アクチュエータを前記基板に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記縦横型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも１つの光学デバイスを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記光学デバイスがリフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタまたは遮断構造体の１つを備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの光学デバイスを含む光通信システムを備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
基板の表面に設けられる縦横型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する第１ビームと、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する第２ビームと、
前記第１ビームの前記自由端を前記第２ビームの前記自由端に電気的かつ機械的に結合する部材と、
前記表面に固定された第１端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する第３ビームであって、前記表面に対し、前記第１および第２ビームの上方に配置されると共に前記第１および第２ビームから横方向にオフセットされる第３ビームと、
前記第１および第２ビームの前記第１端にそれぞれ電気的に結合された第１および第２の電気接点であって、前記第１および第２ビームに電流が印加されるときに前記アクチュエータが垂直変位と水平変位とを示す電気接点と、
を備えるアクチュエータ。
【請求項１７】
前記第３ビームの前記第１端の近くに配置された撓み部を備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記撓み部が、くぼみ、凹み、切欠き、孔、狭細、薄肉もしくは脆弱な材料、代替材料もしくは他の構造的特徴の部位、または当該部位の曲げ抵抗を減少する材料変化の内の、少なくとも１つを備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１および第２ビームを前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１および第２ビームが、電流が通過する回路を備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３ビームに形成された補強部材を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記第３ビームに沿って延在する金属層を備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
励起形態において電流が前記第１および第２の電気接点に印加され、それにより、前記第１および第２ビームが前記基板の前記表面から離れる上方に曲げられる、請求項１６に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１および第２ビーム内の電流の少なくとも一部が前記第３ビームを通過する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記第３ビームが、非励起形態において前記表面に対し略平行である、請求項１６に記載の装置。
【請求項２６】
前記基板に設けられる複数の縦横型熱アクチュエータを備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２７】
前記縦横型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも１つの光学デバイスを備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２８】
前記光学デバイスが、リフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタまたは遮断構造体の１つを備える、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
少なくとも１つの光学デバイスを含む光通信システムを備える、請求項２７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、一般的にマイクロメカニカルデバイス、より詳しくは、マイクロメートルサイズのデバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズの縦横型熱アクチュエータに関する。
【０００２】
複雑なマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）およびマイクロオプティカルエレクトロメカニカルシステム（ＭＯＥＭＳ）デバイスの製作は、マイクロメカニカルデバイス技術の重要な進歩を示している。現在、例えばヒンジ、シャッタ、レンズ、ミラー、スイッチ、偏光デバイス、およびアクチュエータのような、多くのマクロスケールデバイスのマイクロメートルサイズの類似物が製造されている。例えば、これらのデバイスは、Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｒｉａｎｇｌｅ　Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃａｒｏｌｉｎａに位置するＣｒｏｎｏｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＭｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ　ＭＥＭＳ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＭＵＭＰ）を用いて製作できる。ＭＥＭＳおよびＭＯＥＭＳデバイスの用途には、例えば、データ記憶デバイス、レーザスキャナ、プリンタヘッド、磁気ヘッド、マイクロスペクトロメータ、加速度計、走査型プローブ顕微鏡、近接場光学顕微鏡、光学スキャナ、光学モジュレータ、マイクロレンズ、光学スイッチ、およびマイクロロボット工学が含まれる。
【０００３】
ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳデバイスを形成する一方法は、基板上の適切な位置にデバイスをパターン化することを含む。パターン化されるとき、デバイスは基板の上部に平坦に位置する。例えば、ヒンジ構造体またはリフレクタデバイスのヒンジプレートの両方は、ＭＵＭＰ加工を用いて基板の表面と略同一平面に形成される。これらのデバイスを利用する１つの挑戦は基板の面からデバイスを移動することである。
【０００４】
アクチュエータとマイクロメカニカルデバイスとを結合することによって、これらのデバイスの基板面からの移動が可能になる。この目的のために、静電、圧電、熱および磁気を含む種々のタイプのアクチュエータが使用されてきた。
【０００５】
このようなアクチュエータの１つは、Ｃｏｗａｎらによって「Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ」，ｖ．３２２６，ＳＰＩＥ，ｐｐ．１３７−４６（１９９７）に記載されている。図１に示したＣｏｗａｎらのアクチュエータ２０は、熱膨張を誘発するために抵抗加熱を利用する。高温アーム２２は片持ちアーム２４よりも高いので、熱膨張により、アクチュエータ先端２６が基板２８の表面に向かって駆動される。電流が十分に高いと、アクチュエータ先端２６の下方の反りは基板２８との接触によって止められ、高温アーム２２は上方に曲がる。駆動電流を取り除くと、高温アーム２２は、曲げ形状で急速に「フリーズし」また収縮し、図２に示したようにアクチュエータティップ２６を上方に引っ張る。
【０００６】
高温アーム２２の変形は永久的であり、またアクチュエータティップ２６は、力を加えることなく上方に反ったままであり、後方に曲がった（ｂａｃｋｂｅｎｔ）アクチュエータ３２を形成する。駆動電流をさらに加えると、後方に曲がったアクチュエータ３２は、基板２８の表面に向かって方向３０に回転させられる。図２の後方に曲がったアクチュエータ３２は、セットアップまたは一回の位置決め用途のために典型的に使用される。Ｃｏｗａｎらに記載されているアクチュエータは、単一の作動ステップで面からヒンジ結合プレートを略４５°より大きく回転できない、または持ち上げることができないという点で限定されている。
【０００７】
Ｈａｒｓｈらの「Ｆｌｉｐ　Ｃｈｉｐ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｆｏｒ　Ｓｉ−Ｂａｓｅｄ　Ｒｆ　ＭＥＭＳ」Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｗｅｌｆｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＩＥＥＥ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　１９９９，ａｔ　２７３−２７８、Ｈａｒｓｈらの「Ｔｈｅ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａ　Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＭＥＭＳ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ」８０　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　１０８−１１８（２０００）、およびＦｅｎｇらの「ＭＥＭＳ−Ｂａｓｅｄ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−Ｗａｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ　Ｈｅａｄ　Ｉｓｌａｎｄ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃａｒｏｌｉｎａ　２０００，ａｔ　２５５−２５８は、フリップチップ設計をベースとする様々な垂直アクチュエータを開示している。通常のリリースエッチングステップの間、ベース酸化物層は部分的に溶解され、残りのＭＥＭＳ成分は解放される。次に、セラミック基板は、ＭＥＭＳデバイスの露出表面に接合され、またベース酸化物層のエッチング（すなわちフリップチップ加工）を完了することによってベースポリシリコン層が取り除かれる。ポリシリコン基板を完全に含まない、結果として得られるデバイスはキャパシタであり、その上部プレートは、セラミック基板上の対向プレートに向かって制御可能に下方に移動される。ポリシリコン層の浮遊容量効果はデバイスの動作に少なくとも干渉するため、デバイスはポリシリコン基板から取り除かれる。
【０００８】
略４５°よりも大きいリフト角度はデュアルステージアクチュエータシステムにより達成可能である。デュアルステージアクチュエータシステムは垂直アクチュエータおよびモータから典型的に構成される。垂直アクチュエータは、ヒンジ結合のマイクロメカニカルデバイスを基板から略４５°以下の最大角度に持ち上げる。マイクロメカニカルデバイスのリフトアームに接続された駆動アームを有するモータが、リフトを完了する。このようなデュアルステージ組立システムの１つは、Ｒｅｉｄらによって「Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　Ｆｌｉｐ−Ｕｐ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｓ」，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９７，Ｉｎｔ’ｌ　Ｃｏｎｆ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，ｐｐ．３４７−５０（１９９７）に開示されている。これらのデュアルステージアクチュエータはセットアップまたは一回の位置決め用途のために典型的に使用される。
【０００９】
デュアルステージアクチュエータシステムは複雑であり、信頼性を減じ、またＭＥＭＳおよびＭＯＥＭＳデバイスを収容するチップのコストを高める。したがって、マイクロメートルサイズのデバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズの縦横型熱アクチュエータの必要性がある。
【００１０】
本発明は、マイクロメートルサイズの光学デバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズの縦横型熱アクチュエータに関する。
【００１１】
縦横型熱アクチュエータは基板の表面に構成される。少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。低温アームは、表面に固定された第１端と、自由端とを有する。低温アームは、高温アームの上方に配置されると共に表面に対して高温アームから横方向にオフセットされる。少なくとも高温アームに電流が印加されるときにアクチュエータが垂直変位と水平変位とを示すように、部材は高温および低温アームの自由端を機械的かつ電気的に結合する。
【００１２】
撓み部は、くぼみ、凹み、切欠き、孔、狭くし、薄くし、または弱くした材料の位置、代替材または他の構造特徴部、あるいは当該位置の曲げ抵抗を減少する材料変化の内の少なくとも１つを備える。一実施形態では、高温アームおよび低温アームは、電流が通過する回路を備える。他の実施形態では、接地タブは高温アームを基板に電気的に結合する。接地タブに関する実施形態では、低温アームを任意に高温アームから電気的に絶縁することができる。
【００１３】
一実施形態では、補強部材は低温アームに形成される。補強部材は、撓み部の近くからその自由端の近くに典型的に延在する。補強部材は低温アームと一体形成できる。一実施形態では、補強部材は低温アームに沿って長手方向に延在し、例えば、１つ以上のリッジが低温アームに沿って長手方向に延在する。
【００１４】
一実施形態では、少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを各々が有する２つ以上の高温アームを備える。複数の高温アームを横方向にオフセットし、かつ低温アームと対称に任意に配列できる。
【００１５】
他の実施形態では、表面に構成された縦横型熱アクチュエータは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する第１ビームを含む。第２ビームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。部材は、第１ビームの自由端を第２ビームの自由端に電気的かつ機械的に結合する。第３ビームは、表面に固定された第１端と部材に機械的に結合された自由端とを有する。第３ビームは第１および第２ビームの上方に配置されると共に表面に対して第１および第２ビームから横方向にオフセットされる。第１および第２の電気接点は、第１および第２ビームの第１端にそれぞれ電気的に結合される。アクチュエータは、第１および第２ビームに電流が印加されたときに垂直変位と水平変位とを示す。
【００１６】
複数の縦横型熱アクチュエータは単一の基板に形成できる。少なくとも１つの光学デバイスを縦横型熱アクチュエータに機械的に結合できる。光学デバイスはリフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタ、または遮断構造体の内の１つを備える。光学デバイスは光通信システムの一部となり得る。
【００１７】
本発明は、マイクロメカニカルデバイス用の縦横型熱アクチュエータに関する。マイクロメートルサイズの縦横型熱アクチュエータは、面から繰り返し可能で急速に移動できる。
【００１８】
本明細書に使用されているように、「マイクロメカニカルデバイス」とは、マイクロメートルサイズのメカニカル、オプトメカニカル、エレクトロメカニカル、またはオプトエレクトロメカニカルデバイスを指す。Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｒｉａｎｇｌｅ　Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃａｒｏｌｉｎａに位置するＣｒｏｎｏｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓからのＭｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ　ＭＥＭＳ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（ＭＵＭＰｓ）を用いて、マイクロメカニカルデバイスを製作するための様々な技術が利用可能である。Ｃｒｏｎｏｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能な「ＭＵＭＰ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ」，改訂版５．０（２０００）に、組立手順の１つの説明が記載されている。
【００１９】
マイクロエレクトロメカニカルまたはマイクロメカニカルデバイスを製造するために、ポリシリコン表面のミクロ機械加工は、集積回路（ＩＣ）産業に公知の平面製作加工ステップを採用している。ポリシリコン表面をミクロ機械加工するための標準的なビルディングブロック加工は、低応力の多結晶シリコン（ポリシリコンとも呼ばれる）および犠牲材料（例えば二酸化ケイ素またはケイ酸塩ガラス）の交互層を蒸着することおよびフォトリソグラフィックパターニングすることである。犠牲層を通して所定の位置にエッチングされる貫通孔により、基板へのアンカ点、およびポリシリコン層の間の機械的かつ電気的な相互接続部が提供される。デバイスの機能素子は、一連の蒸着およびパターニング加工ステップを用いて一層ずつ構築される。デバイス構造体の完成後、ポリシリコン層をほとんど攻撃しないフッ化水素酸（ＨＦ）のような選択的なエッチング剤を用いて犠牲材料を除去することによって、デバイス構造体を移動のために解放できる。
【００２０】
その結果、電気相互接続部および／または電圧基準面を提供する第１のポリシリコン層と、簡単な片持ちビームから複雑なエレクトロメカニカルシステムの範囲にわたる機能素子を形成するために使用できる追加のメカニカルポリシリコン層とから一般的に構成される構造システムが得られる。構造全体は基板と面一に配置される。本明細書に使用されているように、「面一」という用語は、基板の表面に対し略平行の構造を指し、また「面一でない」という用語は、基板の表面に対して０°〜約９０°よりも大きな構造を指す。
【００２１】
機能素子の典型的な面一の横方向寸法は１マイクロメートル〜数百マイクロメートルの範囲にあることができ、一方、層厚は典型的に約１〜２マイクロメートルである。プロセス全体は標準的なＩＣ製作技術をベースとするので、部片部分を組み立てる必要はなく、完全組立の多数のデバイスをシリコン基板にバッチ製作できる。
【００２２】
図３〜図５は、本発明による縦横型熱アクチュエータ５０の第１の実施形態を示している。本明細書に使用されているように、「縦横型熱アクチュエータ」とは、面一の位置と、水平および垂直成分の両方を含む面一でない位置との間を繰り返し可能で移動できるマイクロメカニカルデバイスを指す。縦横型熱アクチュエータ５０は、窒化ケイ素層５６が蒸着されたシリコンウェハ５４を典型的に備える基板５２の表面に面一に配置される。アクチュエータ５０は、窒化ケイ素層５６に配置された第１のポリシリコン層６０を含む。第２のポリシリコン層６２は、第１および第２のアンカ６４、６６と、アンカ６４、６６からそれぞれ片持ち式に配列された１対のビーム６８、７０とを有するように構成される。
【００２３】
図３に示した実施形態では、アンカ６４、６６は、電流をビーム６８、７０に送るように構成された基板５２に形成された電気接点７６、７８を含む。トレース７６、７８は基板５２のエッジに典型的に延在する。あるいは、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）、プラスチックリードチップキャリア（ＰＬＣＣ）、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）、エッジカード、スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）、クワドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、リードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、チップスケールパッケージ（ＣＳＰ）のような多様な電気接点デバイスおよび／またはパッケージング方法を用いて、電流をビーム６８、７０に供給できる。
【００２４】
ビーム６８、７０はそれらのそれぞれの自由端７１、７３で部材７２によって電気的かつ機械的に結合され、電気回路を形成する。ビーム６８、７０は、部材７２が基板５２の上方に配置されるように第１の層６０から物理的に分離される。図４に示した非励起形態では、ビーム６８、７０は、基板５２の表面に対し略平行である。本明細書に使用されているように、「非励起形態」とは、ビーム６８、部材７２およびビーム７０によって形成される回路を電流がほとんど通過しない状態を指す。
【００２５】
第３のポリシリコン層８０は、アンカ６４、６６の近くの基板５２に取り付けられたアンカ８２で構成される。第３の層８０は、アンカ８２から片持ちの上方ビーム８４を形成し、自由端８３はビーム６８、７０の上方の部材７２に機械的に結合される。
【００２６】
図５に最善に示されているように、ビーム６８、７０はビーム８４の下方に配置され、基板５２に対してビーム８４から横方向にオフセットされる。図５は、基板５２に対し垂直にまたビーム８４の中心を通して延在する軸線８１を示している。ビーム６８、７０の質量中心は軸線８１に沿って配置されない。
【００２７】
貫通孔８８は部材７２および／または自由端８３に形成されて、上方ビーム８４の自由端８３を部材７２に機械的に結合する。他の構造体を使用して、上方ビーム８４を部材７２に機械的に結合してもよい。上方ビーム８４は、非励起形態における基板５２の表面に対し略平行である。
【００２８】
図６および７は、面一でない構造または励起形態における図３〜５の縦横型熱アクチュエータ５０を示している。「励起形態」とは、１つ以上のビームに電流を印加することを指す。例示した実施形態では、励起形態は、ビーム６８、部材７２、およびビーム７０によって形成される回路に電流を印加することを含む（図３参照）。ビーム６８、７０は「高温アーム」であり、ビーム８４は低温アームである。本明細書に使用されているように、１つまたは複数の「高温アーム」とは、電圧が印加されたときに１つまたは複数の低温アームよりも高い電流密度を有するビームまたは部材を指す。１つまたは複数の「低温アーム」とは、電圧が印加されたときに１つまたは複数の高温アームよりも低い電流密度を有するビームまたは部材を指す。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の低温アームの電流密度は０である。したがって、高温アームは低温アームよりも大きい熱膨張を有する。
【００２９】
高温アーム６８、７０は電流によって加熱され、方向９０にそれらの長さが増加される。高温アーム６８、７０は横方向にオフセットされまた低温アーム８４の下方にあるので、方向９０への膨張は、アーム６８、７０、８４の質量中心を概して通過する軸線９１に沿った低温アーム８４（および部材７２）の水平および垂直変位を引き起こす。本明細書に使用されているように、「水平および垂直変位」とは、基板に対し平行の成分および基板に対し垂直の成分を有する変位を指す。
【００３０】
水平変位に関して、図６に示したように、高温アーム６８、７０の膨張は、基板５２に対し平行な低温アーム８４の距離７９の水平変位９３を引き起こす。本明細書に使用されているように、「水平変位」とは、基板の面に対し平行な変位を指す。図６の断面は部材７２の近くで観測され、その横方向総変位に近似する。
【００３１】
垂直変位に関して、図７に示したように、高温アーム６８、７０の膨張は、低温アーム８４の上方円弧９２の距離９５の移動を引き起こす。垂直変位９７は基板５２の面に対し垂直である。
【００３２】
水平および垂直変位の組合せによって、リフト力９４が発生される。低温アーム８４と高温アーム６８、７０との高さの差の故に、アンカ６４、６６の近くの低温アーム８４にモーメントが及ぼされる。高温アーム６８、７０は容易に曲がり、低温アーム８４の運動９２に対しほとんど抵抗を示さない。しかし、低温アーム８４はアンカ８２に固定され、また高温アーム６８、７０および部材７２によって形成される回路を電流が完全または実質的に通過するように、電気的に絶縁される。例示した実施形態では、変位９５は１マイクロメートル〜５マイクロメートルであり得る。電流が止まると、縦横型熱アクチュエータ５０は、図４に示したその元の非励起形態に戻る。
【００３３】
別の実施形態では、アンカ８２および低温アーム８４は部材７２に電気的に結合される。高温アーム６８、７０を通して流れる電流の少なくとも一部分は、低温アーム８４に沿ってアンカ８２に流れる。高温アーム６８、７０を通して流れる電流のすべてが、低温アーム８４を通して縦横型熱アクチュエータ５０を出ることも可能である。低温アーム８４の材料および／または形状は、同一の電圧が印加された場合でも、高温アーム６８、７０よりも低い電流密度を有するように構成される。一実施形態では、低温アーム８４は、高温アーム６８、７０の線形熱膨張係数よりも小さな線形熱膨張係数を有する材料から形成される。さらに他の実施形態では、低温アーム８４の横断面積をより大きくすることによって、その電気抵抗率はより低く提供される。他の実施形態では、導電層が低温アーム８４に設けられる。適切な導電性材料は、アルミニウム、銅、タングステン、金、または銀のような金属と、半導体と、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＥＤＯＴおよびそれらの誘導体または組合せのようなドープ処理有機導電性ポリマとを含む。したがって、高温アーム６８、７０の正味の膨張は低温アーム８４の膨張よりも大きい。
【００３４】
他の別の実施形態では、高温アーム６８、７０を通して流れる電流のすべてまたは一部は、接地タブ（図９参照）を通して基板５２に流れる。熱アクチュエータ５０が非作動位置から作動位置に移動するとき、接地タブは基板５２の接点パッドとの電気接触を維持する。
【００３５】
図８〜１０は、本発明による２つのビーム１５２、１５４を有する縦横型熱アクチュエータ１５０を示している。低温アームまたはビーム１５２はアンカ１５６から高温アームまたはビーム１５４および基板１５８の上方かつその側面に片持ち式に延在する。高温アーム１５４はアンカ１５６からまたは別個のアンカ（図１１参照）から任意に延在する。ビーム１５２、１５４の自由端１６０、１６２は、部材１６４にそれぞれ機械的かつ電気的に結合される。補強部材１６６は低温アーム１５２の一部に沿って任意に延在する。撓み部１７０はアンカ１５６の近くの低温アーム１５２内に任意に形成される。
【００３６】
ビーム１５２、１５４と部材１６４とによって形成される回路に電流が印加されると、熱アクチュエータ１５０は、ビーム１５２、１５４の質量中心を通して延在する変位ベクトル１７７に沿って移動する。変位ベクトル１７７は垂直成分１７４と水平成分１７３とを含む。それぞれの成分１７３、１７４の大きさは、低温アーム１５２に対する高温アーム１５４の位置を変更することによって調整できる。撓み部１７０も成分１７３、１７４の大きさを部分的に決定する。一実施形態では、撓み部は非対称の曲げ抵抗を提供し、これによって成分１７３、１７４の一方の大きさを増大する。
【００３７】
本明細書に使用されているように、「補強部材」とは、曲げ抵抗を高める１つ以上のリッジ、バンプ、溝または他の構造特徴部を指す。補強部材は低温アーム１５２と一体であることが好ましい。例示した実施形態では、補強部材１６６は、低温アーム１５２の一部に沿って延在する曲線リッジ（図１０参照）であるが、長方形、正方形、三角形または他の様々な形状であり得る。さらに、補強部材１６６は、低温アーム１５２の中心にまたはそのエッジに沿って配置できる。多数の補強部材も使用し得る。
【００３８】
本明細書に使用されているように、「撓み部」とは、くぼみ、凹み、孔、スロット、切欠き、狭くし、薄くし、または弱くした材料の位置、代替材または他の構造特徴部、あるいは特定の位置において制御して曲がる材料変化を指す。本明細書に使用されているように、「制御された曲げ」とは、縦横型熱アクチュエータのビームに沿って分布されるよりも、むしろ別個の位置に主として生じる曲げを指す。撓み部として使用するために適切な代替材はポリシリコン、金属またはポリマ材料を含む。図３と図５に最善に示されているように、撓み部８７はくぼみ８９である。撓み部１７０は低温アーム１５２の最も弱い部分を備え、したがって、その位置は縦横型熱アクチュエータ１５０の作動中に最も曲がりやすい。
【００３９】
撓み部１７０の剛性に対する低温アーム１５２の剛性が、縦横型熱アクチュエータ１５０の制御された曲げの大きさ（位置および方向）を大部分決定する。一実施形態では、補強部材１６６は撓み部１７０と組み合わせて使用される。他の実施形態では、補強部材１６６は低温アーム１５２の一部に沿って延在するが、撓み部は使用されない。補強部材１６６なしの低温アーム１５２の部分は、制御された曲げの位置である。さらに他の別の実施形態では、撓み部１７０が制御された曲げの位置であるように、撓み部１７０は補強部材１６６なしに低温アーム１５２内に形成される。
【００４０】
一実施形態では、低温アーム１５２、部材１６４および高温アーム１５４が回路を形成する。低温アーム１５２の材料および／または形状は、上述のように、回路に電圧が印加されたときに高温アーム１５４よりも低い電流密度を前記低温アームが受けるように制御される。
【００４１】
他の実施形態では、接地タブ１６３は高温アーム１５４を基板１５８の接点パッド１６５に電気的に結合する。接地タブ１６３は、基板１５８との電気結合が作動状態（概して図９参照）に維持されるように、可撓性であるか、あるいはばね部材であることが好ましい。したがって、低温アーム１５２を流れる電流は小さくなり（または電流なし）、これによって縦横型熱アクチュエータ１５０の総変位を増大する。
【００４２】
図１１は、図１０に示したような、低温アームまたはビーム１８２が高温アームまたはビーム１８４の上方かつその側面に概して配置された縦横型熱アクチュエータ１８０の側面図である。低温アーム１８２はアンカ１８８によって基板１８６に取り付けられる。補強部材１９２は低温アーム１８２に任意に配置される。撓み部１９４はアンカ１８８の近くの低温アーム１８２に任意に配置される。
【００４３】
高温アーム１８４はアンカ１９０によって基板１８６に取り付けられる。一実施形態では、ビーム１８２、１８４は部材１９３で電気的かつ機械的に結合される。アンカ１８８をアンカ１９０よりも部材１９３からより遠くに配置することによって、図１１の縦横型熱アクチュエータ１８０は、方向１９４により大きく変位できるが、発生されるリフト力は低くなる。別の実施形態では、高温アーム１８４は、図９について説明したような接地タブによって基板に電気的に結合することができる。
【００４４】
図１２〜１４は、本発明による縦横型熱アクチュエータ２００の他の実施形態を示している。低温アーム２０２はアンカ２０６から基板２０４の上方に片持ちにされる。第１の１対の高温アーム２０８、２１０は、低温アーム２０２の第１の側面に沿って、アンカ２１２、２１４からそれぞれ片持ちにされる。第２の１対の高温アーム２１６、２１８は低温アーム２０２の第２の側面に沿って基板２０４の上方に、アンカ２２０、２２２からそれぞれ片持ちにされる。アーム２０２、２０８、２１０、２１６、２１８の末端部は部材２２４によって機械的に結合される。
【００４５】
図１４に最も良く示されているように、高温アーム２０８、２１０は、低温アーム２０２の下方かつ基板２０４に対して低温アーム２０２の側面に（またはそれから横方向にオフセットされて）配置される。同様に、高温アーム２１６、２１８は低温アーム２０２の下方かつその他方の側面に配置される。例示した実施形態では、高温アーム２０８、２１０、２１６、２１８の質量中心は低温アーム２０２の下でセンタリングされる。すなわち、複数の高温アーム２０８、２１０、２１６、２１８は横方向にオフセットされるが、低温アーム２０２に対して対称的に配列される。
【００４６】
高温アーム２０８、２１０、２１６、２１８に電流を選択的に印加することによって、様々な方向に面一でなくアクチュエータ２００を移動させることができる。一実施形態では、高温アーム２０８、２１０は、方向２２６の水平および垂直両方の低温アーム２０２の変位を引き起こす電気回路を形成する。他の実施形態では、高温アーム２１６、２１８は、方向２２８の水平および垂直両方の低温アーム２０２の変位を引き起こす電気回路を形成する。あるいは、高温アーム２０８、２１０、２１６、２１８のすべてに電流が印加されて、低温アーム２０２を基板２０４から垂直に移動する。低温アーム２０２はまた、上述のように電気回路の部分でもよい。
【００４７】
図１５は、４×４アレイの光学デバイス３５２を利用する光学スイッチ３５０の概略図である。本明細書に使用されているように、「光学デバイス」とは、リフレクタ、レンズ、偏光デバイス、導波管、シャッタ、または遮断デバイスを指す。光学デバイス３５２の各々は、本明細書に示した１つ以上の縦横型熱アクチュエータに機械的に結合される。面一の位置では、光学デバイス３５２は入力光ファイバ３５４ａ〜３５４ｄの光路内に延在しない。面一でない構造では、光学デバイス３５２は入力光ファイバ３５４ａ〜３５４ｄの光路内に延在する。垂直ミラー３５２のアレイは、縦横型熱アクチュエータを選択的に作動することによって、任意の入力ファイバ３５４ａ〜３５４ｄからの光学信号と任意の出力ファイバ３５６ａ〜３５６ｄとの光学的結合を許容するように配列される。図１５に示した光学スイッチ３５０は例示目的のみのものである。本発明の縦横型熱アクチュエータは、オン／オフスイッチ（光学ゲート）、２×２スイッチ、１×ｎスイッチのような様々な光学スイッチアーキテクチャ、または他の様々なアーキテクチャの任意のものに使用してもよい。光学デバイスは光通信システムの部分であり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
後方曲げ前の垂直熱アクチュエータの側面図である。
【図２】
後方曲げ後の図１の垂直熱アクチュエータの側面図である。
【図３】
本発明による縦横型熱アクチュエータの平面図である。
【図４】
図３の縦横型熱アクチュエータの側面図である。
【図５】
図３の縦横型熱アクチュエータの断面図である。
【図６】
作動位置における図３の縦横型熱アクチュエータの断面図である。
【図７】
作動位置における図３の縦横型熱アクチュエータの側面図である。
【図８】
本発明による２ビームの縦横型熱アクチュエータの平面図である。
【図９】
図８の縦横型熱アクチュエータの側面図である。
【図１０】
図８の縦横型熱アクチュエータの断面図である。
【図１１】
本発明による２ビームの縦横型熱アクチュエータの側面図である。
【図１２】
本発明による多数の高温アームを有する縦横型熱アクチュエータの平面図である。
【図１３】
図１２の縦横型熱アクチュエータの側面図である。
【図１４】
図１２の縦横型熱アクチュエータの端面図である。
【図１５】
本発明による光学スイッチの概略図である。
【国際公開パンフレット】
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2004509368.tif 000004
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004509368.tif 000027
【国際調査報告】
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2004509368.tif 000029
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