(57)【要約】  機械デバイス（２０，５０，７０，８０，１２０）は、強固且つ弾性の材料からなる細長い要素（２６，５４，６６，９０，１２２）を含む。強固フレーム（２８，５２，６４，９２）は、フレームに取り付けられる要素の少なくとも一端を固定するように、及び、ビームとフレームとの間に、要素に沿って長手方向に設けられたギャップを、要素がギャップ内で自由に動けるように画定するように構成される。強固且つ弾性の材料とは異なる固形充填材料（３０，５６，６８，９４，１０２，１２４）は、要素とフレームとの間のギャップを少なくとも一部を充填して、要素の第１の動作モードを許可する一方で、異なる第２の動作モードを阻止する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械デバイスであって、
強固且つ弾性の材料からなる細長い要素と、
前記要素の少なくとも一端を固定するように構成される強固なフレームであって、前記要素は前記フレームに取り付けられており、且つ前記要素がギャップ内で自由に動けるように前記ビームと前記フレームとの間の前記要素に沿って長手方向に設けられた前記ギャップを画定するように構成される強固フレームと、
前記強固且つ弾性の材料とは異なる、前記要素と前記フレームとの間の前記ギャップの少なくとも一部を充填し、前記ギャップ内での前記要素の第１モードの動作を許可する一方で、異なる第２モードの動作を阻止する、固形充填材料と、
を備えることを特徴とする、機械デバイス。
【請求項２】
前記細長い要素はビームを含み、前記ビームは、前記充填材料が前記ビームの横断変形を阻止しつつ、前記フレームに対して前記ビームの縦軸周りを回転するようにヒンジとして構成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ビームは、前記ヒンジよりも幅広く、前記ヒンジを前記フレームに接続するアンカーを含むことを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
ミラーを備え、前記ビームの第１の端は前記フレームに取り付けられ、一方で前記ビームの第２の端は前記ミラーに取り付けられて、前記ミラーが前記フレームに対して前記ヒンジ上で回転することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記フレームと前記ヒンジとの間の相対的な回転を感知するように構成されるセンサを備えることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
前記センサは、前記相対的な回転に反応して前記デバイスの加速を感知するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記フレームと前記ヒンジとの間の相対的な回転によって生成されるエネルギーを収穫するために連結されるエネルギーハーベスティングアセンブリを備えることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項８】
前記細長い要素はぜんまいバネとして構成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記フレーム及び前記細長い要素は半導体ウェハの一部分を含み、前記半導体ウェハの一部分の中で前記ギャップは前記フレームと前記細長い要素との間にエッチングされることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記充填材料は、前記細長い要素のものよりも少なくとも５０％高いポアソン比、及び前記細長い要素のものより少なくとも５０％少ないヤング係数を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記充填材料は、ポリマー及び接着剤からなる材料の群から選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記充填材料は、ナノチューブのアレイを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１３】
機械デバイスを製造する方法であって、
強固且つ弾性のある材料から、少なくともその一端が強固フレームに取り付けられる細長い要素を、前記ビームと前記フレームとの間で前記要素に沿って長手方向に設けられたギャップを有して、前記要素が前記ギャップ内で自由に動作可能であるように形成することと、
前記ギャップの少なくとも一部を、前記強固且つ弾性のある材料とは異なる固形充填材料で、前記ギャップ内での前記要素の第１の動作モードを許可する一方で、異なる第２の動作モードを阻止するように充填することと、
を含むことを特徴とする、機械デバイスを製造する方法。
【請求項１４】
前記細長い要素はビームを含み、前記ビームは、前記充填材料が前記ビームの横断変形を阻止しつつ、前記フレームに対して前記ビームの縦軸周りを回転するようにヒンジとして構成されることを特徴とする、請求項１３に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項１５】
前記ビームの第１の端は前記フレームに取り付けられ、前記方法は、前記ビームの第２の端にミラーを取り付けることであって、前記ミラーが前記フレームに対して前記ヒンジ上で回転する、取り付けることを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項１６】
前記充填材料は、前記細長い要素のものよりも少なくとも５０％高いポアソン比、及び前記細長い要素のものより少なくとも５０％少ないヤング係数を有することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項１７】
前記充填材料は、ポリマー及び接着剤からなる材料の群から選択されることを特徴とする、請求項１６に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項１８】
前記強固且つ弾性の材料は半導体ウェハを含み、前記細長い要素を形成することは、前記半導体ウェハを、前記ギャップを前記フレームと前記細長い要素との間に有して、前記フレームと前記細長い要素の両方を画定するようにエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項１９】
前記ギャップの少なくとも一部を充填することは、前記ギャップをエッチングした後に、前記充填材料が前記ギャップを充填するように前記ウェハを前記充填材料でコーティングして、次に前記充填材料の過剰分を前記ギャップの外に除去することを含むことを特徴とする、請求項１８に記載の機械デバイスを製造する方法。
【請求項２０】
前記充填材料は、ナノチューブのアレイを備えることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の機械デバイスを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）における弾性ヒンジなど、弾性構造の特性を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）では、回転ヒンジは、シリコン基板をエッチングして細長いビームを形成するようにして製造されてもよい。ＭＥＭＳにおいて、並びに本明細書及び請求項において、「細長い」要素は、ビームの長さの１０分の１未満の横断寸法（すなわち、要素の長手方向軸を横切るように計測される寸法）を有する。かかるヒンジは、特に、例えばその開示が参照によって援用される米国特許第７，９５２，７８１号に記載される走査マイクロミラーに用いられる。この特許は、走査デバイスに組み込むことができる、光ビームを走査する方法及び製造方法を記載する。
【０００３】
別の例として、米国特許出願公開第２０１２／０２３６３７９号は、ＭＥＭＳ走査を用いるＬＡＤＡＲシステムを記載する。走査ミラーは、ミラー領域、ミラー領域の周りのフレーム、及びフレーム周りの基部を含むようにパターニングされた基板を含む。１つのアクチュエータセットは、ミラー領域がフレームに対して第１の軸周りを回転するように動作し、第２のアクチュエータセットは、フレームが基部に対して第２の軸周りを回転するように動作する。
【０００４】
さらに別の例として、その開示が本明細書に参照によって援用される米国特許出願公開第２０１３／０２０７９７０号は、半導体基板を好適にエッチングして支持体から分離することでマイクロミラーを製造して、さらに支持体を残りの基板から分離させることを記載する。エッチングを行った後には、（好適な反射性コーティングが塗布される）マイクロミラーはスピンドル上の支持体に対してＹ方向に回転可能であり、一方で支持体はさらなるスピンドル上の基板に対してＸ方向に回転する。（かかる支持体はジンバルとも呼ばれ、スピンドルはヒンジの１種類である。）マイクロミラー及び支持体は、磁心の対応するエアギャップ内にぶら下がるロータの対に設けられている。芯に巻かれたコイルに電流を通すことによってエアギャップに磁界が生成され、その磁界はロータの磁化に反応して、ロータを回転させる、又はエアギャップ内で移動させる。
【０００５】
上述のエッチングされたシリコンヒンジの種の代替案として、Ｆｕｊｉｔａらは「Ｄｕａｌ−Ａｘｉｓ  ＭＥＭＳ  Ｍｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  Ｌａｒｇｅ  Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ−Ａｎｇｌｅ  Ｕｓｉｎｇ  ＳＵ−８  Ｓｏｆｔ  Ｔｏｒｓｉｏｎ  Ｂｅａｍ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  １２１（２００５）、ページ１６〜２１にて、高分子材料からなるヒンジを記載する。この記事は、感光性エポキシ樹脂ＳＵ−８からなる柔らかいトーションビームを有する、二重ジンバル構造を有するＭＥＭＳガルバノミラーを記載する。このアプローチは、小さな駆動力で大きな偏角（±４０°を超える）を与えるように言われている。
【発明の概要】
【０００６】
以下に記載される本発明の実施形態は、弾性マイクロデバイス及びかかるデバイスの製造方法を提供する。
【０００７】
したがって、本発明の実施形態によれば、機械デバイスであって、強固且つ弾性の材料からなる細長い要素と、要素の少なくとも一端を固定するように構成される強固なフレームであって、要素はフレームに取り付けられており、且つ要素がギャップ内で自由に動けるようにビームとフレームとの間の要素に沿って長手方向に設けられたギャップを画定するように構成される強固フレームとを含む、機械デバイスを提供する。強固且つ弾性の材料とは異なる固形充填材料は要素とフレームとの間のギャップの少なくとも一部を充填して、ギャップ内での要素の第１の動作モードを許可しながら異なる第２の動作モードを阻止する。
【０００８】
幾つかの実施形態では、細長い要素は、フレームに対してビームの長手方向軸周りを回転するヒンジとして構成されるビームを含み、一方で充填材料はビームの横断変形を阻止する。一実施形態では、ビームは、ヒンジよりも幅広く、ヒンジをフレームに接続するアンカーを含む。追加で、又は代替的に、デバイスはミラーを含み、ビームの第１の端はフレームに取り付けられており、ビームの第２端はミラーに取り付けられていて、これによってミラーがフレームに対してヒンジ上で回転する。
【０００９】
別の実施形態では、デバイスは、フレームとヒンジとの間の相対的な回転を感知するように構成されるセンサを含む。センサは、相対的な回転に反応してデバイスの加速を感知するように構成されてもよい。あるいは、デバイスは、フレームとヒンジとの間の相対的な回転によって生成されるエネルギーを収穫するために連結されるエネルギーハーベスティングアセンブリを含む。
【００１０】
別の実施形態では、細長い要素はぜんまいバネとして構成される。
【００１１】
典型的には、フレームと細長い要素は、フレームと細長い要素との間にギャップがエッチングされる半導体ウェハの部分を含む。
【００１２】
幾つかの実施形態では、充填材料は、細長い要素のものより少なくとも５０％高いポアソン比、及び細長い要素のものより少なくとも５０％未満のヤング係数を有する。典型的に、充填材料はポリマー及び接着剤から構成される材料の群から選択される。
【００１３】
代替的な実施形態では、充填材料はナノチューブのアレイを含む。
【００１４】
また、本発明の一実施形態によれば、機械デバイスを製造する方法を提供する。本方法は、少なくともその一端が強固フレームに取り付けられる細長い要素を、強固且つ弾性の材料から、ビームとフレームとの間に要素に沿って長手方向に設けられたギャップを有して、要素がギャップ内を自由に動けるように形成することを含む。ギャップの少なくとも一部は、ギャップ内の要素の第１の動作モードを許可する一方で、異なる第２の動作モードを阻止するように、強固且つ弾性の材料とは異なる固形充填材料で充填される。
【００１５】
開示される実施形態では、強固且つ弾性の材料は半導体ウェハを含み、細長い要素を形成することは、フレームと細長い要素を、その間にギャップを有して画定するために半導体ウェハをエッチングすることを含む。一実施形態では、ギャップの少なくとも一部を充填することは、ギャップをエッチングした後に、充填材料でギャップを充填するように充填材料でウェハをコーティングして、次にギャップ外の余剰の充填材料を除去することを含む。
【００１６】
本発明は、下記の図面と併せて以下の本発明の実施形態の詳細な説明からより完全に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳ走査ミラーアセンブリの模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、弾性ヒンジの模式詳細図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る、ねじりたわみ下での弾性ヒンジの模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る、ヒンジのねじりたわみによるヒンジ内の充填材料の変形を示す、図３Ａの弾性ヒンジの模式詳細図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、面内欠陥によるヒンジ内の充填材料の変形を示す、弾性ヒンジの模式詳細図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、面外欠陥によるヒンジ内の充填材料の変形を示す、弾性ヒンジの模式詳細図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図６Ｆ】本発明の一実施形態に係る、充填材料によって強化された弾性ヒンジの製造プロセスでの、連続する段階における半導体ウェハを通した模式断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る、慣性センサの模式側面図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係る、エネルギーハーベスティングデバイスの模式側面図である。
【図９Ａ】本発明のさらに別の実施形態に係る、ジャイロスコープセンサの模式図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に係る、図９Ａのセンサ内の弾性ヒンジの模式詳細図である。
【図１０】本発明の代替的な実施形態に係る、弾性ヒンジアセンブリの模式詳細図である。
【図１１Ａ】本発明のさらなる実施形態に係る、弾性ヒンジアセンブリの模式図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態に係る、図１１Ａのアセンブリの、たわみ下での模式図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る、共振ラジアルバネの模式上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
概要
その弾性の高さゆえに
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結晶性シリコンをＭＥＭＳデバイスに用いて、優れたヒンジ及びその他の種のバネを製造することができる。かかるヒンジは、例えば、上述のように走査ミラーを支持するために好適である。動作の範囲及びヒンジ軸周りのミラーの回転の共振周波数は、シリコンヒンジのねじり特性によって決定される。
【００１９】
幾つかの用途では、ヒンジのねじり剛性（典型的にはねじりバネ定数Ｋφに関して表される）を減少させて、動作の範囲を増加させる、並びに／又は動作を行わせるために必要な共振周波数及び力を減少させることが望ましい。剛性は、横断寸法（厚さ）を減らす、及び／又はヒンジの長さを増やすことで、低下させることができる。しかしながら、これらの同一の寸法の変化は、ヒンジのたわみに対する耐性（長さの逆３乗及び厚さの３乗として縮尺される横断バネ定数ＫX及びＫYに関して表される）をも低下させる。その結果、ヒンジは、例えば衝撃又は振動に対してより破損しやすくなる。
【００２０】
以下に記載の本発明の実施形態は、所望の動作モードにて高度のコンプライアンス（すなわち、低下した剛性）を有しながらも他の所望でないモードに対しては強い抵抗を維持する、ハイブリッドヒンジ及びその他の弾性構造を提供する。開示される実施形態では、これらの原理は、低下したねじり剛性及び横断たわみに対する堅牢性の両方によって特徴付けられるヒンジを製造する中で、適用される。よって、かかるヒンジは、当該技術に知られる比較可能な横断剛性を有するヒンジよりも増大された動作の角度範囲を有し、回転により少ない力を必要とする。あるいは、本発明の原理は、伸びに対して低い耐性を有する、又は所望の曲げのモードを有するバネを製造する中で、同様に適用されてもよい。
【００２１】
以下に記載する実施形態では、ハイブリッドヒンジは細長いビームを備え、高弾力性を有する比較的強固な材料からなり、ビームと同一又は類似する材料から作製される強固フレーム内に収容される。ヒンジの端はフレームに固定されるものの、ヒンジとフレームとの間の１つ以上の長手方向のギャップによって、フレームに対する長手方向軸周りでヒンジが回転可能となる。これらのギャップは固形充填材料で充填されており、これによってヒンジが自由に回転することを許可し、典型的にはねじりバネ定数Ｋφを「裸」のヒンジと比較して約１０〜２０％以内で増加させて、同時に横断変形に対する耐性（バネ定数ＫX及びＫYで表される）を実質的に、ことによれば１０倍以上で増加させる。
【００２２】
ヒンジ周りで充填材料を用いることによって、追加の設計柔軟性を与え、横断剛性とは独立してバネ定数を選択することを可能とする。よって、共振走査ミラー等の共振系では、機械堅牢性を犠牲にすることなく、所望の共振周波数及びＱ値を与えるためにバネパラメータを選択してもよい。
【００２３】
幾つかの実施形態では、ヒンジとフレームとの間のギャップは、ヒンジ及びフレームのものより少なくとも５０％、及びおそらく１００％を超える高いポアソン比を有する、柔らかい固形材料で充填される。同時に、この柔らかい材料のヤング係数は、ヒンジ及びフレームのものよりも少なくとも５０％少なく、望ましくはヒンジ及びフレームのヤング係数の１０％未満であってもよい。例えば、典型的な実施形態では、ヒンジ及びフレームは、シリコン（ヤング係数１５０ＧＰａ及びポアソン比０．１７）等の結晶性半導体材料からエッチングされる一方で、柔らかい充填材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ＳＵ−８、フォトレジスト、ＲＴＶ、シリコーン、又はその他のエラストマー若しくはエポキシ（ヤング係数＜５ＧＰａ、ポアソン比＞０．４５及びおそらく≧０．４９）等のポリマーを含む。あるいは、ヒンジ及びフレームは、鋼又はチタン等の金属を含む任意の他の好適な弾性材料から作製されてもよく、ギャップは上記基準を満足させる任意の好適な柔らかい又は多孔性の材料によって充填されてもよい。
【００２４】
代替的な実施形態では、同様の効果を有する他の種類の充填材料を用いてもよい。かかる材料は、上に定義される意味で必ずしも「柔らかい」わけではない。例えば、高弾性炭素ナノチューブを、ギャップを横切るように配置して、所望の回転性コンプライアンス及び横断剛性の効果を与えるようにしてもよい。
【００２５】
ＭＥＭＳヒンジ
図１は、本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳ走査ミラーアセンブリの模式図である。この図面では簡略化のために単一の走査軸を有するミラーを示すが、実施形態の原理は、上述の米国特許出願公開第２０１３／０２０７９７０号に記載されるもの等、多軸ジンバルミラーにも同様に適用されてもよい。便宜上、走査軸は図面においてＺ軸として同定されており、Ｚ軸周りの回転角度はφとして同定されている。
【００２６】
アセンブリ２０は、シリコンウェハから形成され、マイクロミラー２４を画定するためにエッチングされる基部２２を備える。（マイクロミラーの反射性コーティングは簡易化のために省略されている。）マイクロミラーは、シリコン基板からエッチングされる細長いビームを備える１対のヒンジ２６によって基部に接続される。これらのビームは、その内端がマイクロミラーに、及びその外端が基部に接続される。マイクロミラー２４の翼２８は両側でヒンジ２６に隣接し、フレームとヒンジとの間にギャップを有してフレームを画定する。
【００２７】
前に説明したように、幾つかの用途では、バネ定数Ｋφで表されるように、ヒンジ２６の横断（Ｘ及びＹ）厚さを減少させて、ヒンジがそれらの長手方向（Ｚ）軸回りを大きな角度範囲及び低いねじり耐性で回転することを可能とすることが望ましい。例えば、ヒンジは１〜３０μｍの厚さ及び１〜１００００μｍの長さを有するように作製されてもよい。しかしながら、ヒンジが細ければ細いほど、その横断変形に対する耐性（ＫX及びＫYで表される）はより低くなる。よって、Ｘ又はＹ方向における弱い力さえも、ヒンジ２６の曲げ、最終的には破損を引き起こす可能性がある。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態に係る、ヒンジ２６の模式詳細図である。この図面に図示するように、横断変形に対するヒンジの低耐性の問題を緩和するために、各ヒンジ２６と隣接する翼２８との間のギャップは柔らかい充填材料３０で充填される。（あるいは、前に記載して図１０に図示するように、必ずしも「柔らかい」わけではない他の種類の充填材料を、この目的のために構成してもよい。）この実施形態における充填材料は、上述のとおり、高ポアソン比及び低ヤング係数を有する、例えば、好適な接着剤又はその他のポリマー、若しくは多孔性（発泡）材料を含んでいてもよい。充填材料３０は、作製プロセス中にウェハレベルで塗布されてもよく（図６に図示するように）、又は作製後に液状にてギャップ内に投入されてもよい。後者では、充填材料がＳＵ−８等の接着剤を含む場合、上述の米国特許出願公開第２０１３／０２０７９７０号に記載のロータと同様に、それを磁気ロータを翼２８に取り付けるのに用いることができる。
【００２９】
充填材料３０は、ヒンジ２６と翼２８との間のギャップを完全に充填する必要はない。例えば、曲げに対してヒンジを所定の位置に保持するために、翼２８の端の近くのギャップのみを充填するだけで十分であり得る。
【００３０】
充填材料３０は、Ｘ及びＹ方向におけるヒンジ２６の変形を防ぐか少なくとも著しく減少させる一方でねじり（φ）剛性を最小限でしか増加させないという点で、ギャップ内の一種のベアリングとして作用する。結果的に、横断（Ｘ及びＹ）方向における外力は充填材料３０によって大きく吸収されて、ヒンジ２６における曲げ応力は最小限でしか上昇しない。よって、ヒンジは、ねじり応力のみに対応するように、長手方向（Ｚ）軸周りの回転の大きな範囲を有して設計可能である。充填材料３０は衝撃及び振動を弱めて、それによってアセンブリ２０の堅牢性及び耐性が高まる。
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂは、ヒンジ２６及び充填材料３０上のねじりたわみ（Ｚ軸周りの回転）の効果をそれぞれ図示する。図３Ａは、ヒンジ２６に影響を与えるところの、フレーム２２に対する翼２８の回転動作を示し、図３Ｂは充填材料３０の結果的な変形を示す。ヒンジ２６の回転は材料３０を、特にヒンジとのその界面で伸長させるが、材料３０は材料の体積を圧縮する又はその他変形させることのないこの種の伸長に対して最小の耐性しか提供しない。
【００３２】
図４は、ミラー２４の面内（すなわち、Ｘ〜Ｚ面内のたわみ）における、ヒンジ２６のたわみに対する充填材料３０の反応を図示する。材料３０の高ポアソン比は、横断（Ｘ方向）応力に反応した変形及びヒンジの曲げに対する抵抗を引き起こす。充填材料は、典型的な動作条件下にて、１〜３００μｍのヒンジ厚さ及び４．９のポアソン比を有して、ヒンジのＸ方向における剛性（横断応力への耐性）をヒンジ単体での剛性と比べて１５００％より大きく増加させる。
【００３３】
図５は、Ｙ方向の力による、ミラー２４の面外でのヒンジ２６のたわみ（Ｙ〜Ｚ面におけるたわみ）に対する充填材料３０の反応を図示する。Ｙ方向の動作は充填材料の嵩変形を引き起こし、結果的にヒンジの曲げに抵抗する。前述の段落にて記載した条件下で、ヒンジのＹ方向における剛性は約１０００％で増加する。
【００３４】
作製プロセス
図６Ａ〜図６Ｆは、本発明の実施形態に係る、高分子充填材料によって強化されたシリコンヒンジの作製プロセスにおける、ウェハを通した模式断面図である。この例では、ヒンジは絶縁体シリコン（ＳＯＩ）ウェハ内に作製され、ウェハの中で絶縁基板３４上に結晶性シリコン層３２が重ねられている（図６Ａ）が、ＭＥＭＳ技術において知られるとおり、他の種の基板を代替的に使用することもできる。
【００３５】
まずプロセスの始めに（図６Ｂ）、ヒンジを囲むギャップ３６を、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）又は別の好適なプロセスによってシリコン層３２に開ける。層３２は次に、ギャップ３６を充填するポリマー又は多孔性充填材３８（図６Ｃ）で覆われる。充填材は、例えば、スピンコートによって塗布されるＰＤＭＳを含んでいてもよい。充填材３８は次にエッチングされて（図６Ｄ）、これによって余剰の充填材料及び露出層３２が除去され、ギャップ３６内に充填材料４０が残る。
【００３６】
ＭＥＭＳ構造を形成するために、層３２にフォトリソグラフィエッチングプロセスが適用され（図６Ｅ）、ミラー２４、基部２２、及びミラーヒンジを含むその他の移動要素の間にスペース４２が生成される。ミラーが大きな範囲にわたって自由に動くことを可能とするために、基板３４はミラー及びヒンジの裏側から任意に薄くされてもよい（図６Ｆ）。ウェハは次にさいの目上に切断され、スキャナのアセンブリは、例えば、上述の背景技術にて引用される文献にとおりに完成される。
【００３７】
代替実施形態
上述の実施形態は特に走査ミラーに関するものであるが、本発明の原理は他の種類のデバイス、特に（排他的ではないが）ＭＥＭＳデバイスにも同様に適用されてもよい。以下の図に幾つかの例を示す。
【００３８】
図７は、本発明の一実施形態に係る、慣性センサ５０の模式側面図である。センサ５０は、特に、加速度計又は衝突センサとして機能してもよい。この場合のフレームはプルーフマス５２であり、ねじりバネ５４上に設けられ、加速することを受けて測定された量でマスが回転する。マス５２の回転は、例えば、容量センサ５８によって、又はＬＥＤ放射装置６０及び１つ以上のフォトダイオード６２を用いた光学検知によって検知することができる。（両方の種類のセンサが、完全性の観点から図面に示されている。）あるいは、電磁又は圧電力センサ等の他の種類のセンサを、この目的で用いてもよい。
【００３９】
他の方向への衝撃による破損なく、慣性センサ５０がねじりバネ５４の回転軸周りを高感度で動作するようにさせるには、ねじりバネはねじり可とう性のために長細く作製され、ねじりバネ及びプルーフマス５２の間のギャップは柔らかい充填材料５６で充填される。上述の実施形態にあるように、高ポアソン比及び低ヤング係数を有する任意の好適な材料を用いてもよく、例えば接着剤及びその他のポリマー、並びに発泡剤及びその他の多孔性材料等を用いてもよい。
【００４０】
図８は、本発明の別の実施形態に係る、エネルギーハーベスティングデバイスの模式側面図である。この実施形態では、フレームは、ねじりバネ６６の周りを回転するように設けられる動作アーム６４である。アーム６４の動作は、コイル７４の軸に沿って永久磁石７２を並進させることで、エネルギーハーベスティングアセンブリを作動させる。並進はコイル中に電流を生成し、その電流はバッテリ７６を充電させる又は低電力電気デバイスを駆動させるために用いることができる。動作アーム６４は、エネルギーハーベスティングデバイス７０が設けられるユーザの腕又は脚の動作等の外部の慣性力に反応して、回転する。与えられる慣性力に対する動作アーム６４の動作の範囲を最大化するために、ねじりバネ６６は長く細く作製される。ねじりバネと動作アームとの間のギャップは、前述の実施形態にあるように、衝撃及びその他の横断力に対するデバイスの堅牢性を向上させるために好適な柔らかい材料６８で充填される。
【００４１】
図９Ａは、本発明のさらに別の実施形態に係る、ジャイロスコープセンサ８０の模式図である。２つのマス８２は基部８４からサスペンションビーム８６によって吊られており、平行板、櫛歯駆動、圧電駆動又は電磁駆動などの好適な駆動によって面内方向（Ｘ〜Ｙ面）に調和的に作動される。図示の実施形態では、電極８８は、マス８２を作動させるための適切な周波数の電流で駆動される。センサ８０がＹ軸周りを回転すると、基部８４は、回転速度に比例する傾き振幅（Ωｙ）を有してねじりヒンジ９０に対して調和的に傾く。図７を参照して上に記載したように、傾きは、容量、電磁、又はその他の好適な任意の検知手段によって測定されてもよい。
【００４２】
図９Ｂは、本発明の一実施形態に係る、センサ８０内のヒンジ９０及び周囲フレーム９２の模式詳細図である。ヒンジ９０とフレーム９２との間のギャップは、上述のとおり、横断力を弱めるために好適な充填材料９４で充填される。
【００４３】
図１０は、本発明の代替的な実施形態に係る、弾性ヒンジアセンブリ１００の模式詳細図である。この実施形態では、炭素ナノチューブ１０２のアレイが、ヒンジ２６とフレーム２８との間のギャップを横断して形成される。ナノチューブ１０２は上に定義する意味では「柔らかい」わけではない。なぜなら、かかるナノチューブは典型的にシリコンヒンジ及びフレームのものよりも高いヤング係数を有するからである。しかしながら、ヒンジアセンブル１００におけるナノチューブ１０２は、回転性コンプライアンス及び横断剛性の所望の効果を得る方法で構成される。ナノチューブは本来非常に安定しており、よって本目的についてポリマー材料上で幾つかの有利点を有していてもよい。
【００４４】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、代替的な設計のヒンジアセンブリ１１０を模式的に示し、ヒンジアセンブリ１１０の中で弾性ヒンジ２６は、本発明の実施形態に係る、ヒンジを基部２２に接続する幅広アンカー１１２を備える。アンカー１１２の幅が広がる面内横断寸法は、ギャップ内の充填材料３０と共に、面内又は面外の衝撃によってヒンジ２６にて生じ得るせん断応力を減少させるために、特に有用である。このアンカー１１２の特性は具体的に図１１Ｂに図示されており、ヒンジアセンブリ１１０におけるねじり変形及びたわみの両方の効果を示す。
【００４５】
図１２は、本発明の一実施形態に係る、共振ラジアルバネアセンブリ１２０の模式上面図である。ＭＥＭＳプロセスによって製造されるアセンブリ１２０は、ぜんまい曲げバネ１２２の形態を有する要素に基づいており、面内方向に弱い剛性を有する。ポリマー１２４は、上述の様態でバネのギャップに塗布されて、回転性剛性を実質的に増加させることなく面内動作を防止する。言い換えれば、ポリマー１２４はバネ１２２が曲がることを可能とするが、横方向の圧縮に対するアセンブリ１２０の剛性を増加させる。この実施形態は、本発明の原理が、前述の図面に示される種のヒンジだけでなく、さまざまな種類のバネに適用可能であることを示す。
【００４６】
上述の実施例はＭＥＭＳデバイスに関するが、本発明の原理はその他の技術、並びにマイクロ規模システムだけではなくメソ及びマクロ規模のデバイスといった他の規模で製造されるヒンジにも、同様に適用することができる。したがって、上述の実施形態は例として挙げられており、本発明は、以上に具体的に図示され説明されたものに限定されないことが理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、以上に説明したさまざまな特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、並びに当業者であれば前述の説明を読むことによって想到するであろう従来技術に開示されていないそれらの変型及び修正を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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