(57)【要約】１つ以上の熱アクチュエータによって位置決め可能なジンバル式マイクロミラーを備えるマイクロ機械装置に関する。熱アクチュエータは、マイクロミラーに取付けられているわけではない。もっと正確に言えば、マイクロミラーは、１つ以上のジンバルによって基板に対して保持される。マイクロメータの大きさの熱アクチュエータは、光ビームの正確かつ反復可能な方向付けを行うために、平面外からマイクロミラーを反復可能かつ高速で移動することができる。
2004513387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面上に形成された少なくとも１つのミラーと、
中立位置において前記ミラーを前記基板の前記表面に機械的に連結する少なくとも１つのジンバルと、
前記ミラーに隣接して前記基板の前記表面に形成された少なくとも１つの熱アクチュエータであって、前記ミラーに取付けられることなく該ミラーに係合するように位置決めされた自由端を有する熱アクチュエータと、
を具備する光ビーム方向付け用マイクロ機械装置。
【請求項２】
前記自由端が、前記ミラーと前記基板の前記表面との間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱アクチュエータが、前記中立位置から前記ミラーを移動するようになっている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記中立位置が面内配置で構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記熱アクチュエータが作動位置にあるときに、前記ミラーが面外配置である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記熱アクチュエータが不作動位置にあるときに、前記ミラーが面内配置である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ジンバルが、前記基板の前記表面の上方に前記ミラーを懸架する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ミラーの周囲から遠方に延在する複数の支持材と、
前記熱アクチュエータが不作動位置にあるときに、前記基板の前記表面と係合するように位置決めされる前記支持材に取付けられる複数のパッドと、
を具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
エンドストップを含む前記ミラーの周囲から、遠方に延在する複数の支持材を具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ミラーが矩形であり、熱アクチュエータがその各隅に位置する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ジンバルが、
前記ミラーから遠方に延在する少なくとも１つの第１アームと、
前記第１アームの未端に取付けられる部材と、
前記基板の前記表面上で前記部材からアンカまで延在している第２アームと、
を具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１アームが前記ミラーに垂直である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１アームが前記第２アームに平行である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのミラーが、前記基板の表面上に形成される複数のミラーのアレイを具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記自由端が、不作動位置と作動位置との間を移動する間に、前記ミラーの下面に沿って摺動する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ミラーが、前記熱アクチュエータの前記自由端と機械的に係合するように位置決めされる複数のアウトリガを具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記熱アクチュエータが、
前記表面に固定される第１端および前記表面の上方に位置する未端を有する少なくとも１つのホットアームと、
前記表面に固定される第１端および未端を有するコールドアームであって、前記表面に対して前記ホットアームの上方に位置するコールドアームと、
前記ホットアームの前記未端および前記コールドアームの前記未端に機械的および電気的に連結している部材であって、電流が少なくとも前記ホットアームに印加されるときに、前記ミラーと係合するように構成される前記自由端を含む部材と、
を具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１本の入力用光ファイバと、
１本以上の出力用光ファイバと、
前記入力用光ファイバから前記出力用光ファイバのいずれかまで投影する光信号を方向付けするためのマイクロ機械装置であって、
前記基板の表面に形成され、前記入力用光ファイバと光学的に連結するように位置決めされる少なくとも１つのミラー、
中立位置において前記ミラーを前記基板の前記表面に機械的に連結する少なくとも１つのジンバル、および
前記ミラーに隣接して前記基板の前記表面に形成される少なくとも１つの熱アクチュエータであって、前記ミラーに取付けられることなく該ミラーに係合するように位置決めされる自由端を有する熱アクチュエータ、を含むマイクロ機械装置と、
を具備する光スイッチ。
【請求項１９】
前記熱アクチュエータが、前記基板の前記表面に対して２自由度で前記ミラーを移動するようになっている、請求項１に記載の装置または請求項１８に記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、広くは、光ビームを方向付けし、操作するためのマイクロ機械装置に関し、さらに詳細には、１つ以上の熱アクチュエータによって位置決め可能なジンバル式マイクロミラーに関する。
【０００２】
ビーム方向付け装置は、レーザーバースキャナ、ＣＤ−ＲＯＭヘッド、レーザプリンタ、光スイッチ、ロボットビジョンスキャナ、光チョッパ、光変調器、およびディスプレイ装置を含む様々な製品に見出される。多くのマイクロミラーは、わずか３つの基本的なスタイルの動作のうちのいずれか１つ（または組合せ）を用いて設計されている。第１に、湾曲ビーム式マイクロミラーとして公知である「フェイズオンリー」ピストン型装置は、反射面の移動が、その平面に直交する軸に沿っているように作動する。反射ミラー面は、その周囲でミラーを均等に支持する複数の同一湾曲部に取付けられる。その結果、伝搬方向が維持され、位相のみが入射光の光路を長くしたり短くしたりすることによって変更される。
【０００３】
第２の設計は、おそらく最も一般的なスタイルである片持ち梁式マイクロミラーである。この装置のミラーは、できる限り小さい１つの湾曲部またはヒンジによって一端部に取付けられ、装置が作動される一定の角度で上方向または下方向に偏向される。この装置は、光の入射ビームの伝搬方向を変更し、ミラー面の傾斜のために反射光に均一でない位相面も生じる。
【０００４】
第３の設計は、ミラーが互いに対向する２つの湾曲部またはヒンジによって取付けられる点を除き、片持ち梁装置と類似のねじれビーム式マイクロミラーである。その結果、この装置は、これらの湾曲部によって規定される長手軸に沿って回転する。ミラー面は、片持ち梁装置と同様に傾斜するが、一方のみではなく、湾曲部の両端に沿って２方向に傾斜されることができる。このようなミラーは、一般に１方向または２方向に移動を制限する。上記のような先行技術の短所を克服するために、十分に多方向への移動をすることができるマイクロミラーが必要である。
【０００５】
アクチュエータをマイクロミラーと結合することにより、光ビームの方向付けを行うために、これらの装置を基板の平面から移動させることができる。この目的のために、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、熱アクチュエータ、種々のタイプのアクチュエータ、および磁気アクチュエータを含む種々のタイプのアクチュエータが用いられてきている。たとえば、米国特許第６，０２８，６８９号（Ｍｉｃｈａｌｉｃｅｋら）は、静電位によって操作されるマルチモーションマイクロミラーを開示している。
【０００６】
マイクロミラー、４つの熱アクチュエータ、ミラーおよびアクチュエータに連結された４本のトーションバーを有する装置が、Ｃｈｉｏｕらによる「Ａ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｔｉｌｔ　ａｎｄ　Ｐｉｓｔｏｎ　Ｍｏｔｉｏｎｓ」，ｖ．３８９３、ＳＰＩＥ，ｐｐ．２９３−３０３（１９９９）に説明されている。アクチュエータをマイクロミラーに取付けることにより、移動範囲を縮小することができる。
【０００７】
光ビームの方向付けのための高速かつ高精度かつ小型の装置が、必要とされている。
【０００８】
本発明は、概して光ビームの方向付けのためのマイクロ機械装置に関する。このマイクロ機械装置は、１つ以上のジンバルによって基板面に機械的に連結されたミラーを有するジンバル式マイクロミラーを備えている。熱アクチュエータは、ミラーと係合して位置決めされるが、取付けられているわけではない。ジンバル式マイクロミラーは、２自由度以上の複数の熱アクチュエータによって位置決めすることができる。マイクロミラーは、一般に、ピッチ、ロール、およびリフトによって位置決め可能である。
【０００９】
熱アクチュエータは、光ビームの方向付けを行うために、マイクロミラーの反復可能な高速移動を行うことができる。本発明のジンバル式マイクロミラーは、質量がきわめて小さく、高い周波数応答を有すると同時に、振動雑音に対して高い許容範囲を呈する。本発明のマイクロ機械装置は、ビーム方向付け、整形、走査または投影用途を含む光スイッチング、ならびに光通信にも関する多くの用途がある。
【００１０】
一実施形態において、光ビーム方向付け用マイクロ機械装置は、基板の表面上に構成された少なくとも１つのミラーを具備している。少なくとも１つのジンバルは、中立位置において、基板の表面にミラーを機械的に連結する。少なくとも１つの熱アクチュエータが、ミラーに隣接する基板の表面上に構成される。熱アクチュエータは、ミラーに係合するように位置決めされた自由端を有するが、ミラーに取付けられているわけではない。熱アクチュエータは、中立位置からミラーを移動させるようになされる。中立位置は、一般に面内配置である。熱アクチュエータが作動位置にあるとき、ミラーは、一般に面外配置である。
【００１１】
一実施形態において、２つ以上の熱アクチュエータが、基板の表面に対して少なくとも２自由度によってミラーを移動するようになされる。一部の実施形態において、ジンバルは、基板の表面の上方にミラーを懸架する。
【００１２】
一実施形態において、不作動位置と作動位置との間を移動中、自由端は、ミラーの下面に沿って摺動する。別の実施形態において、ミラーは、熱アクチュエータの自由端と機械的に係合するように位置決めされた複数のアウトリガを備えることができる。
【００１３】
ミラーは、ミラーの周囲から遠方に延在する複数の支持材を任意に備えていてもよい。熱アクチュエータが不作動位置にあるとき、支持材に取付けられた複数のパッドは、基板の表面と係合するように位置決めされる。パッドは、基板の表面に任意に配置されてもよい。あるいは、熱アクチュエータが作動位置にあるとき、パッドはエンドストップとして作用する。
【００１４】
一実施形態において、ミラーは矩形であり、少なくとも１つの熱アクチュエータがその各隅に配置される。ジンバルは、ミラーから遠方に延在する少なくとも１つの第１のアームと、第１のアームの遠位端に取付けられた部材と、基板の表面上に部材からアンカまで延在する第２のアームと、を任意に備えていてもよい。一実施形態において、第１のアームは、ミラーに垂直である。別の実施形態において、第１のアームは、第２のアームに平行である。
【００１５】
熱アクチュエータは、一般に、表面に固定された第１の端部と、表面の上方に位置する遠位端と、を有する少なくとも１つのホットアームを備える。第１の端部を有するコールドアームは、表面および遠位端に固定される。コールドアームは、表面に対するホットアームの上方に配置される。部材は、ホットアームおよびコールドアームの遠位端に機械的および電気的に連結されている。部材は、ミラーと係合するように構成された自由端を備えている。電流が少なくともホットアームに印加されると、ミラーが移動する。基板の表面上にミラーのアレイを構成することができる。
【００１６】
本発明はまた、少なくとも１本の入力用光ファイバおよび１本以上の出力用光ファイバを具備する光スイッチにも関する。光ビームの方向付け用本発明のマイクロ機械装置は、入力用光ファイバから任意の出力用光ファイバまで投影する光信号を選択的に指向するように位置決めされる。
【００１７】
添付の図面を参照して読めば、本発明のさらなる特徴は、特定の実施形態に関する以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【００１８】
本発明は、１つ以上の熱アクチュエータによって位置決め可能なジンバル式マイクロミラーを具備するマイクロ機械装置に関する。本明細書で用いられるとき、「マイクロ機械装置」なる語は、基板の表面上に構成されたマイクロメータの大きさの機械装置、光学機械装置、電気機械装置、光学電気機械装置を指す。本発明は、少なくとも１つの熱アクチュエータおよびジンバル式マイクロミラーを備えるマイクロ機械装置について主に説明しているが、他のマイクロ機械装置についても説明される。熱アクチュエータは、マイクロミラーに取付けられているわけではない。もっと正確に言えば、マイクロミラーは、１つ以上のジンバルによって基板に保持される。マイクロメータの大きさの熱アクチュエータは、光ビームの正確かつ反復可能な方向付けを行うために、平面外からマイクロミラーを反復可能かつ高速移動することができる。本明細書で用いられるとき、「熱アクチュエータ」なる語は、電流が誘発する熱膨張によって移動される１つ以上の部材を有するマイクロ機械装置を指す。
【００１９】
マイクロ機械装置を作製するための様々な技術は、たとえば、Ｃｒｏｎｏｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｒｉａｎｇｌｅ　Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃａｒｏｌｉｎａ）製のＭｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ　ＭＥＭＳ　Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＭＵＭＰ）として入手可能である。組立手順についての説明は、Ｃｒｏｎｏｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能な「ＭＵＭＰｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、改訂５．０版（２０００）に記載されている。
【００２０】
ポリシリコン面微細加工は、マイクロ電気機械装置またはマイクロ機械装置を作製するために、集積回路（ＩＣ）業界にとって公知の平面作製工程ステップに適合している。ポリシリコン面微細加工のための標準的な基本要素工程は、低応力の多結晶シリコン（ポリシリコンとも呼ぶ）および犠牲材料（たとえば二酸化珪素または珪酸塩ガラス）が交互に重なる層の蒸着およびフォトリソグラフィックパターン形成である。所定の位置の犠牲層にエッチングされるバイアは、基板に対する固定点を形成し、ポリシリコン層間の機械的および電気的相互接続を形成する。装置の機能要素は、一連の蒸着およびパターン形成工程ステップを用いて、層ごとに構成される。装置構造が完成した後、ポリシリコン層を実質的に攻撃しないフッ化水素酸（ＨＦ）のような選択エッチャントを用いて、犠牲材料を除去することによって、移動のために開放されることができる。
【００２１】
その結果、電気的相互接続および／または電圧基準面を形成するポリシリコンの第１の層と、簡素な片持ち梁式ビームから複雑な電気機械システムまで及ぶ機能要素を形成するために用いることができる機械的なポリシリコンの追加層と、から主になる構造システムが形成される。マイクロミラーは、一般に、基板と同一面内に位置している。本明細書で用いられるとき、「面内」なる語は基板の面に略平行な構造を指し、「面外」なる語は基板の表面に対して０°より大きく、約９０°までの構造を指す。全体の工程は標準的なＩＣ作製技術に基づいているため、部分組立を必要とせずに、シリコン基板上に多数の完全組立装置を一括作製することができる。
【００２２】
図１は、本発明によるジンバル式マイクロミラー２１および１つ以上の熱アクチュエータ５２Ａ〜５２Ｌ（「５２」と総称する）を備えるマイクロ機械装置２０の平面図である。ジンバル式マイクロミラー２１上のミラー２２は、表面２４の反射率が高いように形成される。ミラー２２は、複数のねじれヒンジ、湾曲部またはジンバル２８Ａ〜２８Ｄ（「２８」と総称する）によって基板２６に保持される。本明細書で用いられるとき、「ジンバル」なる語は、基板にミラーまたは他の構造物を機械的に連結すると同時に、基板の表面に対して少なくとも２自由度（一般に、ピッチ、ロールおよびリフト）によって移動することができるマイクロ機械装置を指す。
【００２３】
例示の実施形態において、ミラー２２は略正方形であり、ジンバル２８は正方形の４側面に沿って位置する。ジンバル式マイクロミラー２１の用途に応じて、ミラーの形状、ジンバルの数、ジンバルの位置を変更することができる。たとえば、ジンバル式マイクロミラー２１の隅にジンバル２８を配置することができる。本発明のマイクロミラー２１は、三角形、矩形を含む角張った形状または５つ以上の側面を有する形状、六角形、八角形など、密に詰まっている配列を可能にするような形状であることが好ましい。あるいは、ジンバル式マイクロミラー２１はまた円形であってもよい。
【００２４】
図３に最もよく示されているように、各ジンバル２８は、ミラー２２から部材３４、３６までそれぞれ片持ち梁で支えられる１対の第１のアーム３０、３２を備えている。第２のアーム３８、４０は、部材３４、３６からアンカ４２まで片持ち梁で支えられている。例示の実施形態において、アーム３２、４０およびアーム３０、３８はミラー２２に略垂直であり、かつ略平行であるが、この構造が必要というわけではない。アーム３０、３２、３８、４０は、ミラー２２に対して一定の角度であってもよく、および／または互いに対して一定の角度であってもよい。さらに、アーム３０、３２、３８、４０は、曲線状であってもよい。一実施形態において、ジンバル２８は、基板２６の表面の上方にミラー２２を懸架する。別の実施形態において、ミラー２２は、基板２６の表面に置かれるが、ジンバル２８によって基板２６に対して移動可能であるように保持される。
【００２５】
アーム３０、３２、３８、４０を支持するために、パッド４４が、部材３４、３６の下に任意に配置される。パッド４４はまた、アーム３０、３２、３８、４０および／またはミラー２２の偏向における境界またはエンドストップとして作用することもできる。動作中、アームの数、長さ、断面積の増減および他の様々な要因によって、ジンバル２８の抵抗および剛性を変更することができる。たとえば、部材３４、３６により近い位置にアンカ４２を移動することができる。別の実施形態において、アーム３２、４０を排除することができる。
【００２６】
図１の例示の実施形態に戻ると、複数の支持材またはアウトリガ４６は、ミラー２２の周囲４８から延在する。一実施形態において、支持材４６は、中立位置において基板２６の表面と係合するパッド５０を備える。別の実施形態において、パッド５０は、基板２６の表面に取付けられる。別の実施形態において、パッド５０はまた、ミラー２２の移動の境界またはエンドストップとして作用する。別の実施形態において、中立位置にあるとき、パッド５０は、基板２６に対して一定かつ反復可能な関係にミラー２２を維持する。
【００２７】
本明細書で用いられるとき、「中立位置」なる語は、熱アクチュエータが不作動位置にあるときの基板の表面に対するミラーの関係を指す。一実施形態において、中立位置において、アウトリガ４６はパッド５０に置かれる。中立位置もまた、面内配置または面外配置であってもよい。
【００２８】
複数の熱アクチュエータ５２は、ミラー２２の周囲に配置される。用途に応じて、熱アクチュエータ５２の数、位置、配置を変更することができる。例示の実施形態において、熱アクチュエータ５２は正方形のミラー２２の隅に配置される。
【００２９】
熱アクチュエータ５２の自由端５３は、ミラー２２の隅に位置する支持材５７の下に位置決めされるが、支持材５７に取付けられるわけではない。ミラー２２は、アクチュエータ５２に関係なく、ジンバル２８によって基板２６に取付けられる。任意の熱アクチュエータ５２が作動するとき、１つ以上の自由端５３が隣接する支持材５７と係合し、面外からミラー２２を持ち上げる（図２参照）。熱アクチュエータ５２が不作動位置にあるとき、ミラー２２は中立位置（図１参照）に戻る。アクチュエータ５２が不作動位置にあるとき、ジンバルのねじり力のために、ミラー２２は実質的に中立位置に戻る。一実施形態において、静電力によって、ミラー２２を中立位置に戻すように支援することができる。
【００３０】
熱アクチュエータ５２のそれぞれは、１つ以上のアンカ５４、５６を備えている。電気トレース５８がアンカ５４を接地トレース６０に接続する。電気トレース６２は、アンカ５６を電源６４に接続する。図２に示されているように、熱アクチュエータ５２の一部に電流を選択的に印加することによって、ピッチおよび／またはロールまたはその組合せにおいて、面外からミラー２２を移動することができる。熱アクチュエータ５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃが面外配置に移動する場合には、自由端５３Ａ〜５３Ｃは支持材５７と係合し、ミラー２２を持ち上げる。アクチュエータ５２はまた、基板に平行に、または基板２６に対して面外へ基板２６からミラー２２を上昇させることができる。
【００３１】
一部の実施形態において、自由端５３Ａ〜５３Ｃは作動位置にある円弧を移動し、支持材５７に対する自由端５３の（基板の表面に平行な）横方向の移動をある程度生じる。その結果、ミラー２２が持ち上がるにつれて、自由端５３は支持材５７（またはミラー２２の下面に沿って摺動してもよい。ジンバル２８の一部またはすべてが変形して、ミラー２２の移動を補償する。自由端５３Ａ〜５３Ｃは支持材５７に取付けられるわけではないため、ミラー２２はより小さい力で、より高精度の移動をすることができる。
【００３２】
別法の熱アクチュエータが、２０００年９月１２日出願の「Ｄｉｒｅｃｔ　Ａｃｔｉｎｇ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ」という名称のＵ．Ｓ．Ｐ出願番号０９／６５９，５７２、２０００年９月１２日出願の「Ｄｉｒｅｃｔ　Ａｃｔｉｎｇ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｂｅｎｄｉｎｇ」という名称の米国特許出願第０９／６５９，７９８号、２０００年９月１２日出願の「Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ」という名称の米国特許出願第０９／６５９，２８２号の同一出願人による米国特許出願に開示されている。
【００３３】
図４は、本発明によるジンバル式マイクロミラー７１のアレイを含むマイクロ機械装置７０を示している。ミラー７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ（「７２」と総称する）のそれぞれは、ミラー７２の対向する側縁７８Ａ、７８Ｂに沿って位置する１対のジンバル７６Ａ、７６Ｂによって基板７４の表面に機械的に連結される。ミラー７２は、アクチュエータ８２に関係なく、懸架されるか、または基板７４に連結される。側縁７８Ａ、７８Ｂに沿ってジンバル７６Ａ、７６Ｂを配置することによって、ミラー７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃの小型の構成を可能にすることができる。
【００３４】
１つ以上の熱アクチュエータ８２は、ミラー７２の側縁７８Ａ、７８Ｂに沿って配置される。例示の実施形態において、熱アクチュエータ８２は、ミラー７２の隅付近に配置される。アクチュエータの自由端８４は、ミラー７２に取付けられているわけではない。もっと正確に言えば、自由端８４は、ミラー７２に取付けられる支持材またはアウトリガ８６の下に配置される。図１〜図３に関連して説明したように、自由端８４は、支持材８６の底面に沿って摺動し、ミラー７２を面外配置へと移動させる。
【００３５】
図５〜図９は、本発明で用いるのに適した熱アクチュエータ１５０の具体的な実施形態を示している。本明細書で用いられるとき、「熱アクチュエータ」なる語は、面内位置と面外位置との間に、本発明のマイクロミラー２２のような光学装置を反復可能であるように移動させることができる熱作動式マイクロ機械装置を指す。具体的な実施形態において、熱アクチュエータ１５０は、制御された曲げを形成するように設計される。本明細書で用いられるとき、「制御された曲げ」なる語は、熱アクチュエータのビームに沿って分散されるのではなく、主に離散位置で生じる曲げを指す。
【００３６】
熱アクチュエータ１５０は、その上に蒸着される窒化珪素層１５６を有するシリコンウェーハ１５４を一般に具備する基板１５２の表面と同一面内に配置される。アクチュエータ１５０は、窒化珪素層１５６上に配置されるポリシリコンの第１の層１６０を備えている。図８から最もよくわかるように、第１の層１６０は、コールドビーム１８４における補強部材１８５を形成するバンプを具備している。ポリシリコン１６２の第２の層は、第１のアンカ１６４と、第２のアンカ１６６と、アンカ１６４、１６６からそれぞれ片持ち梁方式に配置された１対のビーム１６８、１７０と、を有するように構成されている。
【００３７】
図５に示された実施形態において、アンカ１６４、１６６は、ビーム１６８、１７０に電流を搬送するようになされた基板１５２上に形成された電気接点１７６、１７８を備えている。トレース１７６、１７８は、一般に基板１５２の縁まで延在する。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）、クワッ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）などの多種多様な電気接点装置および／またはパッケージング方法を用いて、ビーム１６８、１７０に電流を供給することができる。
【００３８】
ビーム１６８、１７０は、電気回路を形成するために、部材１７２によって個別の遠位端１７１、１７３で電気的かつ機械的に連結される。別の実施形態において、ビーム１６８、１７０は、接地タブ１７７に電気的に連結される。接地タブ１７７は、不作動位置（図６参照）および作動位置（図９参照）の両方でビーム１６８、１７０を基板１５２上の接点１７９に電気的に連結する。接地タブ１７７は可撓性部材であってもよく、接点１７９との接触を維持するようになされたばね部材であってもよい。本明細書に開示された実施形態のいずれでも接地タブを用いることができる。
【００３９】
部材１７２が基板１５２の上方に位置するように、ビーム１６８、１７０は、第１の層１６０から物理的に離隔される。基板１５２の上方でビーム１６８、１７０を支持するために、１つ以上のディンプル１７４が任意に部材１７２に形成されてもよい。別の実施形態において、基板１５２上にディンプルまたはバンプ１７４を形成することができる。図６に示される不作動位置において、ビーム１６８、１７０は、基板１５２の表面に略平行である。本明細書で用いられるとき、「不作動位置」なる語は、実質的にビーム１６８、部材１７２、ビーム１７０によって形成される回路を通過しない状態を指す。
【００４０】
ポリシリコンの第３の層１８０は、アンカ１６４、１６６の付近で基板１５２に取付けられるアンカ１８２とともに構成される。第３の層１８０は、ビーム１６８、１７０の上方で部材１７２に機械的に連結された自由端１８３を有するアンカ１８２から片持ち梁で支えられる上部ビーム１８４を形成する。一部の実施形態において、補強部材１８５はその長さの少なくとも一部に沿って上部ビーム１８４において形成され、湾曲部１８７がアンカ１８２の付近で上部ビーム１８４に任意に形成される。一実施形態において、金属層が上部ビーム１８４に任意に施される。
【００４１】
本明細書で用いられるとき、「補強部材」なる語は、１つ以上のリッジ、バンプ、グルーブまたは曲げに対する抵抗を増大する他の構造的特徴部を指す。補強部材は、上部ビーム１８４と一体形成されるように、ＭＵＭＰ工程中に形成されることが好ましい。例示の実施形態において、補強部材１８５は、上部ビーム１８４の一部に沿って延在する片持ち梁式リッジ（図８参照）であるが、矩形、正方形、三角形または種々の他の形状であってもよい。さらに、上部ビーム１８４の中心またはその縁に沿って、補強部材１８５を配置することができる。また、複数の補強部材を用いてもよい。
【００４２】
本明細書で用いられるとき、「湾曲部」なる語は、凹部、窪み、穴、スロット、カットアウト、細くなるか、薄くなるか、または弱くなった材料の位置、代替材料または特定の位置に制御された曲げを形成する他の構造的特徴部または材料の変化を指す。湾曲部として用いるのに適した代替材料としては、ポリシリコン、金属または高分子材料が挙げられる。図７において最もよく示されているように、湾曲部１８７は凹部１８９である。凹部１８９は、上部ビーム１８４の最も弱い部分であり、そのため熱アクチュエータ１５０の作動中に最も曲がりやすい位置を含む。
【００４３】
湾曲部１８７の剛性に対する上部ビーム１８４の剛性は、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）を概ね決定する。一実施形態において、補強部材１８５は、湾曲部１８７と組み合わせて用いられる。別の実施形態において、補強部材１８５は上部ビーム１８４の一部に沿って延在するが、湾曲部を用いていない。補強部材１８５を備えていない上部ビーム１８４の部分は、制御された曲げの位置である。さらに別の実施形態において、湾曲部１８７が制御された曲げの位置であるように、湾曲部１８７は、補強部材１８５を備えていないビーム１８４に形成される。補強部材１８５または湾曲部１８７のいずれかを備えていない熱アクチュエータ１５０もまた、用いることができる。
【００４４】
上部ビーム１８４の自由端１８３を部材１７２に機械的に連結するために、部材１７２および／または自由端１８３にバイア１８８が形成される。上部ビーム１８４を部材１７２に機械的に連結するために、他の構造物を用いてもよい。上部ビーム１８４は、不作動位置において基板１５２の表面に略平行である。
【００４５】
図９は、面外または作動位置における図５の熱アクチュエータ１５０の側断面図である。「作動位置」なる語は、１つ以上のビームに電流を印加することを指す。例示の実施形態において、電流は、ビーム１６８、部材１７２、ビーム１７０（図５参照）によって形成される回路に印加される。ビーム１６８、１７０は「ホットアーム」であり、ビーム１８４はコールドアームである。本明細書で用いられるとき、「ホットアーム」なる語は、電圧が印加されるときに、コールドアームより高い電流密度を有するビームまたは部材を指す。「コールドアーム」なる語は、電圧が印加されるときに、ホットアームより低い電流密度を有するビームまたは部材を指す。一部の実施形態において、コールドアームは、電流密度ゼロである。したがって、ホットアームは、コールドアームより熱膨張が大きい。
【００４６】
電流は、ホットアーム１６８、１７０を加熱し、方向１９０の長さを増大させる。ビーム１６８、１７０の膨張は、熱アクチュエータ１５０の自由端１８３を上向き円弧１９２で移動させ、揚力１９４および移動１９５を生じる。しかし、コールドアーム１８４は、アンカ１８２に固着され、電気的に絶縁されるため、電流が完全にまたは実質的に、ホットアーム１６８、１７０、部材１７２によって形成される回路を通過する。個別のミラー２２、７２の支持材５７、８６の下で効率的に摺動するために、自由端１８３の形状を変更することができる。
【００４７】
コールドアーム１８４とホットアーム１６８、１７０との間の高低差のために、アンカ１８２の付近でのモーメントがコールドアーム１８４に作用する。コールドアーム１８４は、湾曲部１８７の付近で曲がるため、さもなければ湾曲部１８７がない場合に生じると推測されるものより自由端１８３（およびミラー２２、７２）の付近での移動が大きくなる。ホットアーム１６８、１７０も曲げやすく、コールドアーム１８４の移動１９２に対する抵抗はほとんどない。負荷が自由端１８３に加えられると、補強部材１８５は、部材１７２の付近で通常は生じると推測されるコールドアーム１８４に沿った曲げに耐える。例示の実施形態において、移動１９５は、約０．５μｍ〜約４μｍであってもよい。電流が尽きると、熱アクチュエータ１５０は、図６に示された不作動位置に戻る。
【００４８】
別の実施形態において、アンカ１８２およびコールドアーム１８４は、部材１７２に電気的に連結される。ホットアーム１６８、１７０を流れる電流の少なくとも一部は、コールドアーム１８４に沿ってアンカ１８２まで流れる。ホットアーム１６８、１７０を流れる電流のすべてもまた、コールドアーム１８４によって熱アクチュエータ１５０を出ることも可能である。コールドアーム１８４の材料および／または幾何構成は、同一の電圧が印加された場合であっても、ホットアーム１６８、１７０より低い電流密度を有するようになされる。一実施形態において、コールドアーム１８４は、ホットアーム１６８、１７０の線形熱膨張係数より低い線形熱膨張係数を有する材料から形成される。さらに別の実施形態において、コールドアーム１８４は、より大きな断面積を有することによってより低い電気抵抗率を備える。別の実施形態において、導電層が、コールドアーム１８４上に設けられる。適切な導電材料としては、アルミニウム、銅、タングステン、金または銀などの金属、半導体、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などのドープ型有機導体ポリマーおよびその誘導体またはそれらの組合せなどが挙げられる。したがって、ホットアーム１６８、１７０の正味の膨張は、コールドアーム１８４の膨張より大きい。
【００４９】
別の実施形態において、ホットアーム１６８、１７０を流れる電流のすべてまたは一部は、接地タブ１７７を通って基板１５２上の接点１７９に流れる。熱アクチュエータ１５０が不作動位置から図９に示された作動位置まで移動するとき、接地タブ１７７は接点１７９との電気的かつ物理的接触を維持している。
【００５０】
図１０は、本発明によるマイクロ機械装置２０２を用いた光スイッチ２００の概略図である。入力用光ファイバ２０６からの光信号２０４は、好ましくは直角にジンバル式マイクロミラー２０３に衝突する。ジンバル式マイクロミラー２０３は、ピッチ２０８および／またはロール２１０において回転し、光信号２０４を任意の出力信号ファイバ２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６へ再指向する。ジンバル式マイクロミラー２０３は２自由度で移動することができるため、入力用光ファイバ２０６をほぼ包囲するｎ×ｎアレイに出力用ファイバを配置することができる。
【００５１】
一実施形態において、コントローラ２３０は、出力信号ファイバ２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６に反射される信号強度を監視する。閉回路位置決めアルゴリズムにより、コントローラ２３０をジンバル式マイクロミラー２０３の位置に調整して、信号強度を最大にすることができる。オン／オフスイッチ（光ゲート）、２×２スイッチ、１×ｎスイッチなどの種々の光スイッチアーキテクチャまたは種々の他のアーキテクチャのいずれにおいても、本発明のマイクロ機械装置を用いることができる。本発明の光スイッチ２００は、一般に光通信システムの一部である。
【００５２】
本明細書では本発明の特定の実施形態について示し、説明しているが、これらの実施形態は本発明の原理の適用において考案されることができる多くの可能な特定の配置の例示に過ぎないことを理解されたい。本発明の範囲および精神を逸脱することなく、当業者によって、これらの原理に基づいて種々の他の配置を考案されることができる。たとえば、本明細書に開示された湾曲部、補強構造物、アンカ位置、ビーム配置のいずれも、種々の熱アクチュエータを製造するために組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるマイクロ機械装置の平面図である。
【図２】
作動位置にある図１のマイクロ機械装置の斜視図である。
【図３】
本発明によるジンバルの平面図である。
【図４】
本発明による別のマイクロ機械装置の平面図である。
【図５】
本発明によるジンバル式マイクロミラーに用いるための熱アクチュエータの平面図である。
【図６】
図５の熱アクチュエータの側面図である。
【図７】
図５の熱アクチュエータの断面図である。
【図８】
図５の熱アクチュエータの断面図である。
【図９】
作動位置における図５の熱アクチュエータの側面図である。
【図１０】
本発明による光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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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004513387.tif 000028
【国際調査報告】
2004513387.tif 000029
2004513387.tif 000030
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