JP2008096620A - Micromirror, mems with micromirror mounted thereon, and method of manufacturing mems - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二軸回転可能な可動ミラーを高密度で配列できるマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載したMEMS及びそのMEMSの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a micromirror in which movable mirrors capable of biaxial rotation can be arranged at high density, a MEMS having the micromirror mounted thereon, and a method of manufacturing the MEMS.
近年、光デバイスとして、可動ミラーを有するマイクロミラーを備え、前記可動ミラーの傾斜角度を制御できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)が開発されている。たとえば、前記MEMSが光スイッチの場合、前記可動ミラーの裏側にある電極に電圧を印加するか否かで前記可動ミラーの鏡面の傾斜角度を変化させ「ON」と「OFF」との二つの状態を持たせることができる。「ON」と「OFF」との状態で入射する光の反射方向が異なるため、「ON」時の可動ミラーに入射する光の反射方向に光ファイバを配置すれば、可動ミラーに照射した光は「ON」時に前記光ファイバに結合され、「OFF」時に前記光ファイバに結合しなくなる。 2. Description of the Related Art In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) that include a micromirror having a movable mirror and that can control the tilt angle of the movable mirror have been developed as optical devices. For example, when the MEMS is an optical switch, the inclination angle of the mirror surface of the movable mirror is changed depending on whether or not a voltage is applied to an electrode on the back side of the movable mirror, and two states of “ON” and “OFF” Can be given. Since the reflection direction of the incident light is different between “ON” and “OFF”, if the optical fiber is arranged in the reflection direction of the light incident on the movable mirror at “ON”, the light irradiated on the movable mirror is When it is “ON”, it is coupled to the optical fiber. When it is “OFF”, it is not coupled to the optical fiber.
さらに、多数の可動ミラーを平面状に配列したマイクロミラーのMEMSも開発されている。このようなMEMSは波長選択スイッチとして利用できる。光ファイバを伝送してきた波長多重光をバルクグレーティングなどの分散素子で回折させると波長順列に従ったスポット列となる。このスポット列をマイクロミラーの表面に照射し、所望の波長の光が照射しているマイクロミラーの可動ミラーの電極に電圧を印加すれば、複数本の光ファイバの中の任意の1本のファイバに選択的に光結合させることができる。このような波長選択スイッチは、可動ミラーの間隔が大きいと選択できない波長領域が発生するため、可動ミラーを隙間無く配列させることが必要である。そのため、可動ミラー間隔が小さくなるようなマイクロミラーのMEMSも開発されている(例えば、特許文献1参照)。 Furthermore, a micro-mirror MEMS in which a large number of movable mirrors are arranged in a plane has been developed. Such MEMS can be used as a wavelength selective switch. When the wavelength multiplexed light transmitted through the optical fiber is diffracted by a dispersion element such as a bulk grating, a spot array according to the wavelength permutation is obtained. By irradiating the surface of the micromirror with the spot array and applying a voltage to the electrode of the movable mirror of the micromirror irradiated with light of a desired wavelength, any one of the plurality of optical fibers Can be selectively optically coupled. In such a wavelength selection switch, if the distance between the movable mirrors is large, a wavelength region that cannot be selected is generated. Therefore, it is necessary to arrange the movable mirrors without any gaps. For this reason, a micromirror MEMS having a small movable mirror interval has been developed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1の図4Aには、可動ミラーの長手方向(縦方向)の一端を二軸回転ヒンジで支点に接続し、可動ミラーの長手方向の他端をカンチレバーに接続した構造のマイクロミラーを備えるMEMSが開示されている。二軸回転ヒンジとカンチレバーを備えることで可動ミラーの二軸回転が可能となったため、横方向の支点が不要でMEMSを並列して並べることができる。そのため、可動ミラーの間隔を小さくすることができる。なお、可動ミラーの間隔は、可動ミラーの面積の和を可動ミラー間の隙間の面積和で除算した値の充填比で表される。
しかし、特許文献1の図4Aに記載されるMEMSはカンチレバーの駆動方向が電極側(下方向)のみなので可動ミラーの回転の自由度が制限されるという課題がある。また、その制限を回避するためには、図4Bに開示されるMEMSのようにマイクロミラー上部にカンチレバーを上方向に駆動させる電極も配置することが必要となり、構造が複雑で製造コストが上昇するという課題があった。 However, the MEMS described in FIG. 4A of Patent Document 1 has a problem that the degree of freedom of rotation of the movable mirror is limited because the drive direction of the cantilever is only on the electrode side (downward). Further, in order to avoid the limitation, it is necessary to dispose an electrode for driving the cantilever upward on the micromirror as in the MEMS disclosed in FIG. 4B, and the structure is complicated and the manufacturing cost increases. There was a problem.
そこで、係る課題を解決するため、本発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載するMEMS及び低コストでそのMEMSを製造できる製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve such problems, the present invention provides a micromirror having a simple structure having a movable mirror having a high degree of freedom of biaxial rotation at a high filling ratio, a MEMS on which the micromirror is mounted, and a MEMS at a low cost. It aims at providing the manufacturing method which can be manufactured.
上記目的を達成するために、本願第一の発明に係るマイクロミラーは、二つの支点間に並べられた3枚の平板をヒンジで連結した構造であり、中央の平板の両端には二軸回転が可能なヒンジを使用している。 In order to achieve the above object, the micromirror according to the first invention of the present application has a structure in which three flat plates arranged between two fulcrums are connected by hinges, and biaxial rotation is provided at both ends of the central flat plate. A hinge that can be used is used.
具体的には、本願第一の発明は、第一支点と第二支点との間に順に並べられた第一平板、一の面がミラー面である第二平板及び第三平板と、前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラーである。 Specifically, the first invention of the present application includes a first flat plate arranged in order between a first fulcrum and a second fulcrum, a second flat plate and a third flat plate whose one surface is a mirror surface, A first hinge connecting the fulcrum and the edge of the first flat plate, parallel to the surface of the first flat plate and having a rotation axis in a direction perpendicular to the direction of the second fulcrum from the first fulcrum; The edge of the first flat plate and the edge of the second flat plate on the opposite side of the first hinge are connected, and the direction parallel to the rotation axis of the first hinge is from one rotation axis and the first fulcrum. A second hinge having another rotation axis in a direction parallel to the direction of the second fulcrum, and an edge of the second flat plate opposite to the second hinge and an edge of the third flat plate; A direction parallel to the rotation axis of the first hinge is a rotation axis and a direction parallel to the direction of the second fulcrum from the first fulcrum is the other rotation axis. A hinge and a fourth hinge connecting the edge of the third flat plate opposite to the third hinge and the second fulcrum and having a rotation axis in a direction parallel to the rotation axis of the first hinge; And a micromirror having a structure in which the second flat plate is rotated biaxially.
本願第一の発明に係るマイクロミラーは、第一支点と第二支点との間に並べられた第一平板、第二平板及び第三平板をそれぞれ第一ヒンジから第四ヒンジで連結したという簡易な構造で形成される。なお、以下の説明において、「第一支点から第二支点間を結ぶ直線」を「マイクロミラーの中心軸」として、「第一支点から第二支点の方向」を「縦方向」として、「第一平板の表面と平行且つ前記縦方向と垂直な方向」を「横方向」として説明する。 The micromirror according to the first invention of the present application is a simple one in which the first flat plate, the second flat plate, and the third flat plate arranged between the first fulcrum and the second fulcrum are connected by the first hinge to the fourth hinge, respectively. It is formed with a simple structure. In the following explanation, “the straight line connecting the first fulcrum and the second fulcrum” is “the central axis of the micromirror”, “the direction from the first fulcrum to the second fulcrum” is “vertical direction”, A direction parallel to the surface of one flat plate and perpendicular to the longitudinal direction will be described as a “lateral direction”.
第一ヒンジは、横方向を回転軸としており、接続されている第一平板を第一平板の面の法線方向に容易に回転させることができる。以下、第一ヒンジ及び第一平板の回転方向をθz方向として説明する。同様に、第四ヒンジは第三平板をθz方向に回転させることができる。 The first hinge has the horizontal direction as a rotation axis, and the connected first flat plate can be easily rotated in the normal direction of the surface of the first flat plate. Hereinafter, the rotation direction of the first hinge and the first flat plate will be described as the θz direction. Similarly, the fourth hinge can rotate the third flat plate in the θz direction.
第二ヒンジ及び第三ヒンジは、θz方向以外に縦方向を回転軸とする方向にも回転させることができる。以下、第二ヒンジ及び第三ヒンジが縦方向を回転軸とする回転方向をθx方向として説明する。第二平板は両端が第二ヒンジと第三ヒンジとで接続されているため、第二ヒンジとの接続点と第三ヒンジとの接続点とを結ぶ直線を軸としてθx方向に回転することができる。 The second hinge and the third hinge can be rotated not only in the θz direction but also in a direction having the longitudinal direction as a rotation axis. Hereinafter, the rotation direction of the second hinge and the third hinge with the vertical direction as the rotation axis will be described as the θx direction. Since both ends of the second flat plate are connected by the second hinge and the third hinge, the second flat plate can rotate in the θx direction about a straight line connecting the connection point of the second hinge and the connection point of the third hinge. it can.
さらに、第二平板は、第二ヒンジで第一平板と連結し、第三ヒンジで第三平板と連結している。そのため、第一平板がθz方向に回転し、第三平板が回転していない場合、第二平板の第二ヒンジ側は第二ヒンジで第一平板の回転方向に引っ張られ、θz方向の回転を生ずる一方、第二平板の第三ヒンジ側は第三平板が回転しないために、θz方向への回転、およびこれによる屈曲が生じないため、第二平板は第一平板側に傾斜する。逆に、第一平板が回転しておらず、第三平板が回転した場合、第二平板は第三平板側に傾斜する。つまり、第一平板及び第二平板の回転の大きさを調整することで、第二平板はθz方向に回転することができ、その回転の自由度も大きい。 Further, the second flat plate is connected to the first flat plate by the second hinge and is connected to the third flat plate by the third hinge. Therefore, when the first flat plate rotates in the θz direction and the third flat plate does not rotate, the second hinge side of the second flat plate is pulled in the rotation direction of the first flat plate by the second hinge and rotates in the θz direction. On the other hand, since the third flat plate does not rotate on the third hinge side of the second flat plate, the second flat plate is inclined to the first flat plate side because the rotation in the θz direction and the bending due to this do not occur. Conversely, when the first flat plate is not rotated and the third flat plate is rotated, the second flat plate is inclined to the third flat plate side. That is, by adjusting the magnitude of rotation of the first flat plate and the second flat plate, the second flat plate can be rotated in the θz direction, and the degree of freedom of rotation is large.
すなわち、一の面がミラー面である第二平板はθx方向及びθz方向の二軸回転が可能な可動ミラーとして機能する。また、本願第一の発明に係るマイクロミラーは縦方向にある第一支点と第二支点で支えられ、横方向には支点がないため、マイクロミラーを横方向に隙間無く並べることで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることができる。 That is, the second flat plate whose one surface is a mirror surface functions as a movable mirror capable of biaxial rotation in the θx direction and the θz direction. In addition, since the micromirror according to the first invention of the present application is supported by the first fulcrum and the second fulcrum in the vertical direction and does not have a fulcrum in the horizontal direction, the micromirrors are arranged in the horizontal direction without gaps, so that the movable mirror It is possible to increase the filling ratio of the second flat plate.
従って、本願第一の発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを提供することができる。 Therefore, the first invention of the present application can provide a micromirror having a simple structure having a movable mirror having a high degree of freedom of biaxial rotation at a high filling ratio.
また、本願第一の発明に係るマイクロミラーの前記第一ヒンジ及び前記第四ヒンジは、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向に蛇行するスプリングヒンジ構造を持ち、前記第二ヒンジ及び前記第三ヒンジは、前記第二ヒンジの一の回転軸と平行な方向に蛇行する部分と前記第二ヒンジの他の回転軸と平行な方向に蛇行する部分とが接続するスプリングヒンジ構造を持つことが好ましい。 Further, the first hinge and the fourth hinge of the micromirror according to the first invention of the present application have a spring hinge structure that meanders in a direction parallel to the rotation axis of the first hinge, and the second hinge and the second hinge The three hinges have a spring hinge structure in which a portion meandering in a direction parallel to one rotation axis of the second hinge and a portion meandering in a direction parallel to the other rotation axis of the second hinge are connected. preferable.
第一ヒンジから第四ヒンジまでスプリングヒンジ構造を持つことで、マイクロミラーを一枚のシリコン基板から製造することが可能となる。そのため、第一平板から第三平板まで及び第一ヒンジから第四ヒンジまで別々に製造することなく一体成形でき、製造が容易になる。従って、第一ヒンジから第四ヒンジまでスプリングヒンジ構造とすることで、前述の効果の他に製造コストを低減する効果もある。 By having a spring hinge structure from the first hinge to the fourth hinge, the micromirror can be manufactured from a single silicon substrate. For this reason, the first flat plate to the third flat plate and the first hinge to the fourth hinge can be integrally formed without being manufactured separately, and the manufacture becomes easy. Therefore, the spring hinge structure from the first hinge to the fourth hinge has the effect of reducing the manufacturing cost in addition to the above-described effects.
本願第二の発明は、本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるMEMSであって、前記基板は、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMSである。 The second invention of the present application is a micromirror according to the first invention of the present application, a first support to which the first fulcrum of the micromirror is fixed, and a second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed. On the same surface, and a substrate on which the micromirror is bridged between the first support and the second support, wherein the substrate is the first support A first electrode plate disposed at a position opposite to the first flat plate on the surface to be mounted and generating an electrostatic force between the first flat plate and an applied voltage; and a surface on which the first support is mounted A second electrode plate and a third electrode that are arranged in parallel in the direction from the first fulcrum to the second fulcrum at a position facing the second flat plate, and generate an electrostatic force between the second flat plate and an applied voltage. The plate and the surface on which the first support is mounted A fourth electrode plate disposed at a position opposite to the three flat plates and generating an electrostatic force between the third flat plate by an applied voltage, and further mounted from the first electrode plate to the fourth electrode plate The MEMS has a function of tilting the mirror surface of the second flat plate to a desired angle by biaxially rotating the second flat plate with an applied voltage.
前記MEMSは、前記基板の第一支持体と第二支持体とに本願第一の発明に係るマイクロミラーを架け渡した構造である。前記マイクロミラーと前記基板との間には空間が存在し、前記マイクロミラーの第一平板、第二平板及び第三平板は前記基板に架け渡された状態で第一の発明で説明したように動作できる。なお、第一平板から第三平板の前記基板側の面を裏面、第一平板から第三平板の裏面と反対側の面を表面として説明する。 The MEMS has a structure in which the micromirror according to the first invention of the present application is bridged between the first support and the second support of the substrate. As described in the first invention, there is a space between the micromirror and the substrate, and the first flat plate, the second flat plate, and the third flat plate of the micromirror are stretched over the substrate. Can work. The surface on the substrate side from the first flat plate to the third flat plate will be described as the back surface, and the surface opposite to the back surface of the first flat plate from the third flat plate will be described as the front surface.
さらに、前記基板は、第一電極板から第四電極板を搭載する。第一電極板は第一平板の裏面と相対する位置に、第四電極板は第三平板の裏面と相対する位置に配置されている。第二電極板は、第二平板の裏面のうちマイクロミラーの中心軸で分けた一方の側と相対する位置に配置される。第三電極は、第二平板の裏面のうちマイクロミラーの中心軸で分けた他方の側と相対する位置に配置される。 Furthermore, the substrate mounts the fourth electrode plate from the first electrode plate. The first electrode plate is disposed at a position facing the back surface of the first flat plate, and the fourth electrode plate is disposed at a position facing the back surface of the third flat plate. The second electrode plate is arranged at a position facing one side of the back surface of the second flat plate divided by the central axis of the micromirror. A 3rd electrode is arrange | positioned in the position facing the other side divided by the central axis of a micromirror among the back surfaces of a 2nd flat plate.
第一電極に電圧を印加すれば、第一平板との間に静電引力が発生し、第一平板はθz方向に回転する。同様に第四電極に電圧を印加すれば、第三平板はθz方向に回転する。すなわち、第一電極と第四電極とに印加する電圧で第二平板をθz方向に回転させることができ、その回転角を制御することができる。 When a voltage is applied to the first electrode, an electrostatic attractive force is generated between the first flat plate and the first flat plate rotates in the θz direction. Similarly, when a voltage is applied to the fourth electrode, the third flat plate rotates in the θz direction. That is, the second flat plate can be rotated in the θz direction by the voltage applied to the first electrode and the fourth electrode, and the rotation angle can be controlled.
第二電極に電圧を印加すれば、第二平板のうちマイクロミラーの中心軸で分けた一方の側との間に静電引力が発生し、第二平板はθx方向に回転する。同様に第三電極に電圧を印加しても第二平板はθx方向に回転する。すなわち、第二電極と第三電極とに印加する電圧で第二平板をθx方向に回転させることができ、その回転角を制御することができる。 When a voltage is applied to the second electrode, an electrostatic attractive force is generated between one side of the second flat plate divided by the central axis of the micromirror, and the second flat plate rotates in the θx direction. Similarly, even if a voltage is applied to the third electrode, the second flat plate rotates in the θx direction. That is, the second flat plate can be rotated in the θx direction by the voltage applied to the second electrode and the third electrode, and the rotation angle can be controlled.
前記基板の横方向の幅と第二平板の横方向の幅とを略等しくし、前記MEMSを横方向に隙間無く並べることで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることできる。 By making the width in the horizontal direction of the substrate and the width in the horizontal direction of the second flat plate substantially equal and arranging the MEMS in the horizontal direction with no gap, the filling ratio of the second flat plate, which is a movable mirror, can be increased.
従って、本願第二の発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを搭載する簡易な構造のMEMSを提供することができる。 Therefore, the second invention of the present application can provide a MEMS having a simple structure on which a micromirror having a simple structure having a movable mirror having a high degree of freedom of biaxial rotation at a high filling ratio.
また、前記基板をマイクロミラー毎に備えたMEMSを説明したが、一つの基板に複数のマイクロミラーを架け渡してもよい。 Moreover, although the MEMS provided with the said board | substrate for every micromirror was demonstrated, you may bridge a some micromirror on one board | substrate.
具体的には、本願第三の発明は、前記第二平板の前記ミラー面が平面的に配列されるように並列して複数配置される本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるMEMSであって、前記基板は前記マイクロミラー毎に、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMSであってもよい。 Specifically, the third invention of the present application includes a plurality of micromirrors of the first invention of the present application that are arranged in parallel so that the mirror surfaces of the second flat plate are arranged in a plane, and A first support to which the first fulcrum is fixed and a second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed are mounted on the same surface, and the first support and the second support A substrate on which a plurality of the micromirrors are bridged, wherein the substrate is located at a position facing the first flat plate on the surface on which the first support is mounted for each micromirror. A first electrode plate that is arranged and generates an electrostatic force between the first flat plate and an applied voltage, and the first fulcrum at a position facing the second flat plate on the surface on which the first support is mounted. Arranged in parallel in the direction of the second fulcrum, A second electrode plate and a third electrode plate that generate an electrostatic force between the second flat plate by voltage, and a position opposite to the third flat plate on the surface on which the first support is mounted and applied A fourth electrode plate for generating an electrostatic force between the third flat plate and a voltage applied to the microelectrode by the voltage applied from the first electrode plate to the fourth electrode plate for each micromirror. The MEMS may have a function of tilting the mirror surface of the second flat plate at a desired angle by biaxially rotating the second flat plate for each mirror.
前記基板には、各マイクロミラーの第一平板から第三平板の裏面と相対する位置に第一電極板から第四電極板を配置されている。そのため、第三の発明に係るMEMSは、各マイクロミラーの第二平板を第二の発明で説明したように二軸回転させることができる。また、マイクロミラーを横方向に隙間無く前記基板に架け渡すことで、可動ミラーである第二平板の充填比を高めることができる。 On the substrate, the first electrode plate to the fourth electrode plate are arranged at positions facing the back surface of the third flat plate from the first flat plate of each micromirror. Therefore, the MEMS according to the third invention can rotate the second flat plate of each micromirror biaxially as described in the second invention. Further, the filling ratio of the second flat plate, which is a movable mirror, can be increased by laying the micromirrors on the substrate without gaps in the lateral direction.
従って、本願第三の発明は、第二の発明に係るMEMSと同様に、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラーを搭載する簡易な構造のMEMSを提供することができる。 Accordingly, the third invention of the present application is a MEMS having a simple structure in which a micromirror having a simple structure having a movable mirror having a high degree of freedom of biaxial rotation at a high filling ratio is mounted, similar to the MEMS according to the second invention. Can be provided.
本願第四の発明は、本願第一の発明のマイクロミラーをシリコン板から形成するマイクロミラー形成工程と、母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、を備えることを特徴とするMEMS製造方法である。 A fourth invention of the present application includes a micromirror forming step of forming the micromirror of the first invention of the present application from a silicon plate, a first support body on which the first fulcrum of the micromirror is fixed to a base substrate, and the micro Forming a second support to which the second fulcrum of the mirror is fixed, and causing the first electrode plate to generate an electrostatic force between the first plate and the first plate by the applied voltage is opposed to the first plate of the micromirror; The second electrode plate and the third electrode plate, which are arranged at positions and generate an electrostatic force between the second flat plate by an applied voltage, from the first fulcrum to a position facing the second flat plate of the micromirror Arranging in parallel in the direction of the second fulcrum, arranging a fourth electrode plate for generating an electrostatic force between the third plate and the applied voltage at a position facing the third plate of the micromirror, From base board Forming the substrate, the first fulcrum of the micromirror formed in the micromirror formation step, the first support of the substrate formed in the substrate formation step, and the micromirror formation step Bonding the second fulcrum of the micromirror formed in step 2 and the second support of the substrate formed in the substrate forming step, and bonding the micromirror to the substrate. It is the MEMS manufacturing method characterized.
本願第四の発明に係るMEMS製造方法は、前記マイクロミラーと前記基板を別々に作成しておき、それらを張り合わせることとした。従来のMEMS製造方法では何らかの可動部分を構造体に加工した後に、その下の犠牲層を等方的にエッチングすることにより構造体をリリースする方法が用いられている。例えば、シリコン表面に付加的な層を加えて支持層以外を犠牲層として除去する表面マイクロマシーニングの工程、あるいはSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて、ディープRIE(Reactive Ion Etching)工程で構造体を加工した後、シリコン酸化膜犠牲層ドライエッチング装置などで酸化膜層を犠牲層としてエッチングする方法が知られている。このような複雑な工程がないために、本願第四の発明に係るMEMS製造方法は容易に第二の発明又は第三の発明に係るMEMSを製造することができる。 In the MEMS manufacturing method according to the fourth invention of the present application, the micromirror and the substrate are prepared separately, and they are bonded together. In a conventional MEMS manufacturing method, after a movable part is processed into a structure, a structure is released by isotropically etching a sacrificial layer therebelow. For example, a surface micromachining process in which an additional layer is added to the silicon surface to remove the support layer as a sacrificial layer, or a deep RIE (Reactive Ion Etching) process using an SOI (Silicon on Insulator) substrate. A method is known in which, after a body is processed, an oxide film layer is etched as a sacrificial layer using a silicon oxide film sacrificial layer dry etching apparatus or the like. Since there is no such complicated process, the MEMS manufacturing method according to the fourth invention of the present application can easily manufacture the MEMS according to the second invention or the third invention.
従って、本願第四の発明は、第二の発明又は第三の発明に係るMEMSを低コストで製造できるMEMS製造方法を提供することができる。 Therefore, 4th invention of this application can provide the MEMS manufacturing method which can manufacture MEMS which concerns on 2nd invention or 3rd invention at low cost.
本発明によれば、本発明は、二軸回転の自由度が大きい可動ミラーを高充填比で有する簡易な構造のマイクロミラー、そのマイクロミラーを搭載するMEMS及び低コストでそのMEMSを製造できる製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the present invention is a micromirror having a simple structure having a movable mirror having a high degree of freedom of biaxial rotation at a high filling ratio, a MEMS on which the micromirror is mounted, and a manufacturing capable of manufacturing the MEMS at a low cost. A method can be provided.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施の形態1)
本実施形態は、第一支点と第二支点との間に順に並べられた第一平板、一の面がミラー面である第二平板及び第三平板と、前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラーである。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a first flat plate arranged in order between a first fulcrum and a second fulcrum, a second flat plate and a third flat plate whose one surface is a mirror surface, the first fulcrum and the first flat plate A first hinge having a rotation axis in a direction parallel to the surface of the first flat plate and perpendicular to the direction from the first fulcrum to the second fulcrum, and opposite to the first hinge The edge of the first flat plate and the edge of the second flat plate are connected, and a direction parallel to the rotation axis of the first hinge is defined as one rotation axis and the direction from the first fulcrum to the second fulcrum. A second hinge having a parallel direction as another axis of rotation, and an edge of the second plate opposite to the second hinge and an edge of the third plate are connected, and the axis of rotation of the first hinge A third hinge having a direction parallel to the first rotation axis and a direction parallel to the direction of the second fulcrum from the first fulcrum to the other rotation axis; A fourth hinge connecting the edge of the third flat plate opposite to the three hinges and the second fulcrum, and having a rotation axis in a direction parallel to the rotation axis of the first hinge; This is a micromirror having a structure in which two flat plates are rotated biaxially.
図1は、本願第一の発明の実施形態のひとつであるマイクロミラー101の構成を示す図である。マイクロミラー101は第一平板21、第二平板22、第三平板23、第一ヒンジ31、第二ヒンジ32、第三ヒンジ33及び第四ヒンジ34から構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
第一平板21、第二平板22及び第三平板23はシリコンやSOI(silicon on insulator)で形成される。後述のように充填率を高めるため、上面からの形状は長方形であることが望ましく、横方向の幅は等しいことが望ましい。また、第二平板は、可動ミラーとして機能するため、表面に金、アルミなどの高反射率の金属コーティングが施されている。
The first
第一ヒンジ31及び第四ヒンジ34は、一つの軸をもつ蝶番であり、両端の接続物を前記軸のまわりに回転させることができる。第一ヒンジ31として具体的構造を図2に示す。図2に示すように、第一ヒンジ31は両端の接続点1Aと接続点2Aとを結ぶ方向と垂直な方向(横方向)に蛇行するスプリングヒンジ構造である。この横方向のスプリングヒンジがθz方向に曲がるため、第一ヒンジ31はθz方向の回転が可能になる。図2のようなスプリングヒンジ構造とすることで、第一ヒンジ31の材質をシリコンやSOIで形成することができ、第一平板21、第二平板22及び第三平板23と一体化することができる。
The
第四ヒンジ34も第一ヒンジ31と同じ構造であり、同様に機能する。第一ヒンジ31及び第四ヒンジ34のスプリングヒンジの寸法として、例えば、幅が1.5μm、ギャップが1.5μm、厚さが7.5μmであることが例示できる。
The
第二ヒンジ32及び第三ヒンジ33は、二つの直交する軸を持つ蝶番であり、両端の接続物を前記二つの軸のまわりに二軸回転させることができる。第二ヒンジ32として具体的構造を図3に示す。図3に示すように、第二ヒンジ32は接続点3Aと接続点4Aとの間を横方向に蛇行する部分32aと両端の接続点を結ぶ方向と平行な方向(縦方向)に蛇行する部分32bとが接続されたスプリングヒンジ構造である。部分32aがθz方向に曲がるため及び部分32bがθx方向に曲がるため、第二ヒンジ32はθz方向とθx方向との二軸回転が可能になる。図3のようなスプリングヒンジ構造とすることで、図2の第一ヒンジ31の説明と同様に第一平板21、第二平板22及び第三平板23と一体化することができる。
The
第三ヒンジ33も第二ヒンジ32と同じ構造であり、同様に機能する。第二ヒンジ32及び第三ヒンジ33のスプリングヒンジの寸法として、図2の第一ヒンジ31で説明した寸法が例示できる。
The
マイクロミラー101は第一ヒンジ31、第一平板21、第二ヒンジ32、第二平板22、第三ヒンジ33、第三平板23及び第四ヒンジ34の順に次に説明するように連結して構成される。第一ヒンジ31の接続点2Aと第一平板21の一端とを接続する。第一平板21の他端と第二ヒンジ32の接続点3Aとを接続する。第二ヒンジ32の接続点4Aと第二平板22の一端とを接続する。第二平板22の他端と第三ヒンジ33の接続点4Aとを接続する。第三ヒンジ33の接続点3Aと第三平板23の一端とを接続する。第三平板23の他端と第四ヒンジ34の接続点1Aとを接続する。上記説明では、第三平板23の他端と第四ヒンジ34の接続点1Aとを接続したものを示したが、第三平板23の他端と第四ヒンジ34の接続点2Aとを接続しても同じ効果を得られる。
The
また、第一ヒンジ31の接続点1Aは第一支点となり、第四ヒンジ34の接続点2Aは第二支点となる。それぞれの平板とヒンジとの接続点はマイクロミラー101の中心軸上にあることが望ましい。第二平板22をマイクロミラー101の中心軸として回転させるためである。第一ヒンジ31と第四ヒンジ34および第二ヒンジ32と第三ヒンジ33は第二平板22の中心に対して回転対称であることが好ましい。この結果、バランスの良い2軸回転動作が可能になる。
The
なお、第二ヒンジ32及び第三ヒンジ33は向きを逆に配置してもよい。具体的には、第一平板21の他端と第二ヒンジ32の接続点4Aとを接続する。第二ヒンジ32の接続点3Aと第二平板22の一端とを接続する。第二平板22の他端と第三ヒンジ33の接続点3Aとを接続する。第三ヒンジ33の接続点4Aと第三平板23の一端とを接続する。第二ヒンジ32と第三ヒンジ33は第二平板22の中心に対して回転対称であることが好ましい。このように接続してもマイクロミラー101は同様の機能をもつ。
Note that the
マイクロミラー101は縦方向にある第一支点及び第二支点のみで支えることができ、マイクロミラー101の横方向には支点がない。そのため、複数のマイクロミラー101を密着させ、並列して並べることができ、可動ミラーである第二平板22の充填率を高めることができる。
The
マイクロミラー101を光スイッチ等とするためには、第二平板22を駆動する機構をさらに備え、MEMSとする必要がある。
In order to use the
具体的には、本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるMEMSであって、前記基板は、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMSとすることができる。 Specifically, the micromirror according to the first aspect of the present invention is the same as the first support to which the first fulcrum of the micromirror is fixed and the second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed. And a substrate on which the micromirror is bridged between the first support and the second support, wherein the substrate is mounted with the first support. A first electrode plate that is disposed at a position opposite to the first flat plate on the surface and generates an electrostatic force between the first flat plate and an applied voltage; and the first electrode plate on the surface on which the first support is mounted. A second electrode plate and a third electrode plate, which are arranged in parallel in the direction from the first fulcrum to the second fulcrum at a position facing the two flat plates, and generate an electrostatic force between the second flat plate by an applied voltage; The third flat surface of the surface on which the first support is mounted. And a fourth electrode plate that generates an electrostatic force between the third plate and the third plate by an applied voltage, and is applied from the first electrode plate to the fourth electrode plate. The MEMS has a function of rotating the second flat plate biaxially by a voltage to tilt the mirror surface of the second flat plate to a desired angle.
図4は、本願第二の発明の実施形態のひとつであるMEMS901の構成を示す図である。MEMS901はマイクロミラー101と基板401とから構成される。図4において、図1から図3で使用した符号と同じ符号は同じ箇所、同じ部品を示す。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a
基板401の長手方向の端には第一支持体41又は第二支持体42が搭載されている。さらに、基板401の第一支持体41及び第二支持体42が搭載される側の表面には第一電極板51、第二電極板52、第三電極板53及び第四電極板54が搭載される。第一支持体41及び第二支持体42を搭載した基板401はシリコンやセラミックで形成される。
The
MEMS901は、マイクロミラー101の第一支点を基板401の第一支持体41に接続し、第二支点を基板401の第二支持体42に接続した構造である。具体的には、第一ヒンジ31の接続点1Aと第一支持体41とを接続し、第四ヒンジ34の接続点2Aと第二支持体42とを接続している。第一支持体41及び第二支持体42は所定の高さがあるため、第一支持体41と第二支持体42との間でマイクロミラー101が架け渡された状態となり、第一平板21、第二平板22及び第三平板23と基板401との間にはギャップが生ずる。
The
さらに、基板401の表面の第一電極板51、第二電極板52、第三電極板53及び第四電極板54は図5のように搭載される。図5はマイクロミラー101が架け渡される前の基板401を第一支持体41が搭載される側からみたものである。図5において、図4で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示す。
Further, the
第一電極板51は、マイクロミラー101を架け渡した場合に第一平板21の裏面と相対する位置に配置される。また、第一電極板51は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第一平板21との間に静電引力が発生する。
The
第四電極板54は、マイクロミラー101を架け渡した場合に第三平板23の裏面と相対する位置に配置される。また、第四電極板54は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第三平板23との間に静電引力が発生する。
The
第二電極板52及び第三電極板53は、マイクロミラー101を架け渡した場合に第二平板22の裏面と相対する位置でマイクロミラー101の中心軸と平行な方向に並列して配置される。具体的には、第二電極板52及び第三電極板53は基板401の長手方向への中央線を挟んだ両側に配置される。第二電極板52及び第三電極板53は図示されない配線により電圧が印加され、印加電圧により第二平板22との間に静電引力が発生する。
The
図6から図10にMEMS901の第二平板22の回転状態を示した。図6から図10のいずれの図も(a)がMEMS901の斜視図であり、(b)がMEMS901を横方向からみた側面図である。いずれの図も図1から図5で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示している。第一電極板51から第四電極板54に電圧を印加することで図6から図10のような第二平板22の回転が可能となる。いずれも駆動力は電極と第一平板21から第三平板23との間に発生する静電引力として説明する。なお、いずれの図も第一電極板51から第四電極板54を省略している。また図6から図10において、図面の変形の度合いはわかりやすいように実際の変形度合いより数倍程度誇張して図示している。
The rotation state of the second
図6は第一電極板51に電圧を印加した場合である。第一平板21には第一電極板51との間に生じた静電力により基板401方向に静電引力F14が加わる。一般に静電引力は印加電圧の2乗に比例し、電極間隔の2乗に反比例する。静電引力F14と第一ヒンジ31から第四ヒンジ34のヒンジスプリングのばねの力が釣り合うところまで第一平板21から第三平板23が回転して平衡状態となる。具体的には、静電引力F14により、第一平板21は図6のように傾斜し、第二平板22は第二ヒンジ32に引っ張られて図6のようにθz方向に回転力R15が生じる。第一電極板51に印加する電圧を一定に保つことで、第二平板22の傾斜方向を維持できる。また、印加電圧により回転力R15の大きさを変えることができる。なお、回転力R15の方向をθz方向の負方向とする。
FIG. 6 shows a case where a voltage is applied to the
図7は第四電極板54に電圧を印加した場合である。図6の説明と同様に第三平板23に静電引力F16が加わり、第二平板22は図7のようにθz方向の正方向に回転力R17が生ずる。図6の説明同様に一定の電圧を印加し続けることでこのままの状態を維持できる。
FIG. 7 shows a case where a voltage is applied to the
図8は第二電極板52に電圧を印加した場合である。第二平板22の片側に静電引力F18が加わるため、第二平板22は図8のようにθx方向に回転力R19が生じている。回転力R19の方向をθx方向の負方向とする。このまま第二電極板52に印加する電圧を一定にすることで、第二平板22の傾斜方向を維持できる。また、印加電圧により回転力R19の大きさを変えることができる。
FIG. 8 shows a case where a voltage is applied to the
なお、第二平板22がθx方向に回転する場合、第一平板21及び第三平板23には第二平板22の回転モーメントを抑制する機能もある。
When the second
図9は第三電極板53に電圧を印加した場合である。図8の説明と同様に第二平板22の片側に静電引力F20が加わり、第二平板22は図9のようにθx方向の正方向に回転力R21が生ずる。図8の説明同様に一定の電圧を印加し続けることでこのままの状態を維持できる。
FIG. 9 shows a case where a voltage is applied to the
図10は第一電極板51と第二電極板52に電圧を印加した場合である。第二平板22はθx負方向回転とθz負方向回転の2軸回転が生じている。両方の電圧を一定にすることでこの状態を維持できる。以上の説明のように第一電極板51から第四電極板54に印加する電圧を変えることで任意の方向に第二平板22の傾斜角度を変化させ、かつ固定することができる。
FIG. 10 shows a case where a voltage is applied to the
以上の説明のようにMEMS901は簡易な構造でありながら、可動ミラーを二軸回転させることができ、その自由度は従来のマイクロミラーのMEMSより高い。
Although the
所定の方向から第二平板22に照射された光は自由にその反射方向を変えることができる。例えば、その反射方向に光ファイバがあれば反射光はこの光ファイバに結合されるため、MEMS901を光スイッチとして利用できる。また、光ファイバを複数本配置して、所望の光ファイバへ反射光を結合させることで、MEMS901を1×N光スイッチとして利用できる。また、第二平板22の傾斜角度をわずかにかえれば反射方向が変化し、光ファイバへの光結合効率を変化させることができる。このことで、光ファイバへ結合する光の強度を変化させることができるため、MEMS901を光減衰器として利用できる。
Light reflected on the second
一方、マイクロミラー101は第一支持体41と第二支持体42で支えられ、横方向にマイクロミラー101を支える支点はないため、MEMS901を横方向に並列に隙間無く並べることができ、第二平板22の充填比を高めることが可能である。
On the other hand, since the
従って、マイクロミラー101及びMEMS901は、簡易な構造でありながら可動ミラーの二軸回転の自由度が大きく、並列して並べた場合に高充填比で可動ミラーを配列することができる。
Therefore, although the
(実施の形態2)
本実施形態は、前記第二平板の前記ミラー面が平面的に配列されるように並列して複数配置される本願第一の発明のマイクロミラーと、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、を備えるMEMSであって、前記基板は前記マイクロミラー毎に、前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMSである。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a plurality of the micromirrors of the first invention of the present application that are arranged in parallel so that the mirror surfaces of the second flat plate are arranged in a plane are fixed to the first fulcrum of the micromirror. A plurality of micromirrors between the first support and the second support, wherein the first support and the second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed are mounted on the same surface. Each of the micromirrors, the substrate is disposed at a position facing the first flat plate on the surface on which the first support is mounted, and is applied with an applied voltage. A first electrode plate for generating an electrostatic force between the first flat plate and a position facing the second flat plate on the surface on which the first support is mounted in the direction from the first fulcrum to the second fulcrum. Arranged in parallel, the applied voltage A second electrode plate and a third electrode plate for generating an electrostatic force between the two flat plates, and a surface on which the first support is mounted facing the third flat plate; A fourth electrode plate for generating an electrostatic force between the three flat plates; and the voltage applied to the fourth electrode plate from the first electrode plate to the fourth electrode plate for each micromirror. A MEMS having a function of rotating a second flat plate biaxially and inclining the mirror surface of the second flat plate at a desired angle.
図11は、本願第三の発明の実施形態のひとつであるMEMS902の構成を示す図である。MEMS902は5枚のマイクロミラー101と基板402から構成される。図11において、図1から図10で使用された符号と同じ符号は同一部品を示す。なお、MEMS902において、マイクロミラー101は5枚に限らず多くても少なくてもよい。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a
基板402は、図4及び図5で説明した基板401と同様であるが、それぞれのマイクロミラー101が第一支持体41及び第二支持体42を共通の第一支点及び第二支点として利用している。具体的には、第一支持体41には全てのマイクロミラー101の第一ヒンジ31の接続点1Aが接続し、第二支持体42には全てのマイクロミラー101の第四ヒンジ34の接続点2Aが接続している。
The
マイクロミラー101の横方向には支点はないため、基板402にマイクロミラー101を横方向に並列に隙間無く架け渡すことができ、MEMS902は第二平板22の充填比を高めることが可能である。
Since there is no fulcrum in the horizontal direction of the
さらに、マイクロミラー101を5枚架け渡すため、基板402にはそれぞれのマイクロミラー101に対応する位置に第一電極板51、第二電極板52、第三電極板53及び第四電極板54が搭載される。そのため、図6から図10のMEMS901で説明したように、MEMS902もそれぞれの電極板に電圧を印加することでそれぞれの第二平板22を二軸回転させることができる。
Furthermore, in order to bridge five
例えば、隣接する第二平板22の幅を100μmとし、隙間を2μmとした場合、98%以上の高充填比を実現できる。入力ファイバからの波長多重光がバルクグレーティングで回折され、各波長の光は波長順に第二板22の各ミラー表面に照射される。ミラーで反射される光ビームの方向を変える事で複数本の光ファイバの中の任意の光ファイバに反射ビームを結合させることができ、波長選択スイッチとして利用できる。一般に波長多重光の中の各波長の光は一定の波長幅を持ち、その中心波長はバンド帯域の中で変動する場合がある。このように各波長の光の中心波長が変動すると各MEMSミラー上の光スポットは横方向を波長の変動方向により左右に移動することになる。ここで充填比の低いMEMSミラーアレイを用いるとスポット移動で十分に反射できない波長領域が発生する。高充填比のMEMSミラーアレイではバンド帯域の全体にわたって、反射させることができるために、MEMS902を広帯域なバンド幅で損失特性がフラットな光波長選択スイッチとして利用できる。
For example, when the width of the adjacent second
従って、MEMS902は、簡易な構造でありながら可動ミラーの二軸回転の自由度が大きく、高充填比で可動ミラーを配列することができる。
Therefore, the
MEMS902は、本願第一の発明のマイクロミラーをシリコン板から形成するマイクロミラー形成工程と、母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、を備えることを特徴とするMEMS製造方法で製造できる。
The
図12に、本願第四の発明に係る製造方法でのMEMS902の製造工程を示す。図12(a)はマイクロミラー形成工程で形成した可動ミラーアレイ121である。可動ミラーアレイ121は複数個のマイクロミラー101を並列に配列しており、1枚のシリコン板からエッチング法などで作製される。
In FIG. 12, the manufacturing process of MEMS902 in the manufacturing method which concerns on this invention 4th invention is shown. FIG. 12A shows the
図12(b)は基板形成工程で形成した基板402である。シリコン板あるいはセラミックスを用いて、マイクロミラー101毎の第一電極板51から第四電極板54を持つ一体型の基板402を作製する。シリコン板ではエッチィング法、セラミックスでは多層構造のセラミックグリーンシートを焼き固める方法としても良い。
FIG. 12B shows the
図12(c)は接合工程を示している。可動ミラーアレイ121と基板402とを上下で張り合わる。張り合わせは半田接合法や陽極接合法などが利用できる。図12(d)は接合工程後のMEMS902である。図示はしないがさらに透明ガラス(ARコートあり)がついた金属フレームを可動ミラーアレイ121の上に被せて、気密封止されたマイクロミラーモジュールとしてもよい。気密封止工程は接合工程と同様に半田接合法や陽極接合法などが利用できる。
FIG. 12C shows the joining process. The
以上の説明のように、MEMS902は、可動ミラーアレイ121及び基板402を別途作成しておき、後にそれらを接合するという簡易な方法で製造できる。従って、本願第四の発明により、低コストでMEMS902を製造できる。
As described above, the
本発明に係るマイクロミラーの構造、MEMSの構造及びMEMSの製造方法は、バルクグレーティングなどの分散素子を利用した波長選択スイッチに応用できる。この波長選択スイッチを用いることで光波長多重メトロリング間を従来のOEO(optical−electrical−optical)変換無しで完全に光のみで任意の波長の光を自在に切り替えることができる。またこの波長選択スイッチを波長多重リングの任意の位置に挿入することで任意の波長を取り出したり、追加できるRODAM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer)としても用いることができる。 The micromirror structure, the MEMS structure, and the MEMS manufacturing method according to the present invention can be applied to a wavelength selective switch using a dispersion element such as a bulk grating. By using this wavelength selective switch, light of an arbitrary wavelength can be freely switched between optical wavelength multiplexing metro rings without using conventional OEO (Optical-Electrical-Optical) conversion. In addition, the wavelength selective switch can be used as an RODAM (Reconfigurable Optical Add / Drop Multiplexer) that can extract or add an arbitrary wavelength by inserting it at an arbitrary position of the wavelength multiplexing ring.
101 マイクロミラー
121 可動ミラーアレイ
401、402 基板
901、902 MEMS
21 第一平板
22 第二平板
23 第三平板
31 第一ヒンジ
32 第二ヒンジ
33 第三ヒンジ
34 第四ヒンジ
1A、2A、3A、4A 接続点
θx、θz 回転方向
32a スプリングヒンジが横方向に蛇行する部分
32b スプリングヒンジが縦方向に蛇行する部分
41 第一支持体
42 第二支持体
51 第一電極板
52 第二電極板
53 第三電極板
54 第四電極板
F14、F16、F18、F20 静電引力
R15、R17、R19、R21 回転力
21 1st
Claims (5)
前記第一支点と前記第一平板の縁との間を連結し、前記第一平板の表面と平行且つ前記第一支点から前記第二支点の方向と垂直な方向を回転軸とする第一ヒンジと、
前記第一ヒンジと反対側の前記第一平板の縁と前記第二平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第二ヒンジと、
前記第二ヒンジと反対側の前記第二平板の縁と前記第三平板の縁との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を一の回転軸及び前記第一支点から前記第二支点の方向と平行な方向を他の回転軸とする第三ヒンジと、
前記第三ヒンジと反対側の第三平板の縁と前記第二支点との間を連結し、前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向を回転軸とする第四ヒンジと、
を有し、前記第二平板を二軸回転させる構造のマイクロミラー。 A first flat plate arranged in order between the first fulcrum and the second fulcrum, a second flat plate and a third flat plate whose one surface is a mirror surface;
A first hinge that connects between the first fulcrum and the edge of the first flat plate and has a rotation axis in a direction parallel to the surface of the first flat plate and perpendicular to the direction of the second fulcrum from the first fulcrum When,
The edge of the first flat plate and the edge of the second flat plate on the opposite side of the first hinge are connected, and the direction parallel to the rotation axis of the first hinge is from one rotation axis and the first fulcrum. A second hinge having another rotational axis in a direction parallel to the direction of the second fulcrum;
The edge of the second flat plate opposite to the second hinge and the edge of the third flat plate are connected, and the direction parallel to the rotation axis of the first hinge is from one rotation axis and the first fulcrum. A third hinge having another rotation axis in a direction parallel to the direction of the second fulcrum;
A fourth hinge connecting the edge of the third flat plate opposite to the third hinge and the second fulcrum, and having a rotation axis in a direction parallel to the rotation axis of the first hinge;
A micromirror having a structure for rotating the second flat plate biaxially.
前記第一ヒンジの回転軸と平行な方向に蛇行するスプリングヒンジ構造を持ち、
前記第二ヒンジ及び前記第三ヒンジは、
前記第二ヒンジの一の回転軸と平行な方向に蛇行する部分と前記第二ヒンジの他の回転軸と平行な方向に蛇行する部分とが接続するスプリングヒンジ構造を持つことを特徴とする請求項1に記載のマイクロミラー。 The first hinge and the fourth hinge are
Having a spring hinge structure meandering in a direction parallel to the rotation axis of the first hinge;
The second hinge and the third hinge are
2. A spring hinge structure in which a portion meandering in a direction parallel to one rotation axis of the second hinge and a portion meandering in a direction parallel to another rotation axis of the second hinge are connected. Item 2. The micromirror according to Item 1.
前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で前記マイクロミラーが架け渡される基板と、
を備えるMEMSであって、
前記基板は、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、
をさらに搭載し、前記第一電極板から前記第四電極板までに印加される電圧により前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMS。 The micromirror according to claim 1 or 2,
A first support to which the first fulcrum of the micromirror is fixed and a second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed are mounted on the same surface, and the first support and the second support A substrate on which the micromirror is bridged with a support;
A MEMS comprising:
The substrate is
A first electrode plate that is disposed at a position facing the first flat plate on the surface on which the first support is mounted, and that generates an electrostatic force between the first flat plate and an applied voltage;
An electrostatic force is arranged between the first fulcrum and the second fulcrum in parallel with the second fulcrum at a position facing the second flat plate on the surface on which the first support is mounted. A second electrode plate and a third electrode plate for generating
A fourth electrode plate, which is disposed at a position facing the third flat plate on the surface on which the first support is mounted, and generates an electrostatic force between the third flat plate by an applied voltage;
Is further mounted, and the second flat plate is rotated biaxially by a voltage applied from the first electrode plate to the fourth electrode plate, and the mirror surface of the second flat plate is inclined at a desired angle. MEMS characterized by the above.
前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を同一の表面に搭載し、前記第一支持体と前記第二支持体との間で複数の前記マイクロミラーが架け渡される基板と、
を備えるMEMSであって、
前記基板は前記マイクロミラー毎に、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第一平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置され、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板と、
前記第一支持体が搭載される表面の前記第三平板と相対する位置に配置され、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生させる第四電極板と、
をさらに搭載し、前記マイクロミラー毎の前記第一電極板から前記第四電極板までに印加する電圧により前記マイクロミラー毎に前記第二平板を二軸回転させ前記第二平板の前記ミラー面を所望の角度に傾斜させる機能を有することを特徴とするMEMS。 The micromirror according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the mirror surfaces of the second flat plate are arranged in parallel so as to be arranged in a plane.
A first support to which the first fulcrum of the micromirror is fixed and a second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed are mounted on the same surface, and the first support and the second support A substrate on which a plurality of the micromirrors are bridged with a support;
A MEMS comprising:
The substrate is for each micromirror,
A first electrode plate that is disposed at a position facing the first flat plate on the surface on which the first support is mounted, and that generates an electrostatic force between the first flat plate and an applied voltage;
An electrostatic force is arranged between the first fulcrum and the second fulcrum in parallel with the second fulcrum at a position facing the second flat plate on the surface on which the first support is mounted. A second electrode plate and a third electrode plate for generating
A fourth electrode plate, which is disposed at a position facing the third flat plate on the surface on which the first support is mounted, and generates an electrostatic force between the third flat plate by an applied voltage;
The second flat plate is rotated biaxially for each micromirror by a voltage applied from the first electrode plate to the fourth electrode plate for each micromirror, and the mirror surface of the second flat plate is A MEMS having a function of tilting to a desired angle.
母体基板に、前記マイクロミラーの前記第一支点が固定される第一支持体及び前記マイクロミラーの前記第二支点が固定される第二支持体を形成し、印加電圧により前記第一平板との間に静電力を発生させる第一電極板を前記マイクロミラーの前記第一平板と相対する位置に配置し、印加電圧により前記第二平板との間に静電力を発生させる第二電極板及び第三電極板を前記マイクロミラーの前記第二平板と相対する位置に前記第一支点から前記第二支点の方向に並列に配置し、印加電圧により前記第三平板との間に静電力を発生する第四電極板を前記マイクロミラーの前記第三平板と相対する位置に配置して、前記母体基板から基板を形成する基板形成工程と、
前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第一支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第一支持体とを及び前記マイクロミラー形成工程で形成された前記マイクロミラーの前記第二支点と前記基板形成工程で形成された前記基板の前記第二支持体とを合わせ、前記マイクロミラーと前記基板と貼り合せる接合工程と、
を備えることを特徴とするMEMS製造方法。 A micromirror forming step of forming the micromirror according to claim 1 or 2 from a silicon plate;
Forming a first support to which the first fulcrum of the micromirror is fixed and a second support to which the second fulcrum of the micromirror is fixed to a base substrate; A first electrode plate for generating an electrostatic force between the second plate and the second plate for generating an electrostatic force between the first plate and the second plate by an applied voltage. A three-electrode plate is arranged in parallel in the direction from the first fulcrum to the second fulcrum at a position facing the second flat plate of the micromirror, and an electrostatic force is generated between the third flat plate by an applied voltage. A substrate forming step of arranging a fourth electrode plate at a position facing the third flat plate of the micromirror, and forming a substrate from the base substrate;
The first fulcrum of the micromirror formed in the micromirror formation step and the first support of the substrate formed in the substrate formation step, and the micromirror formed in the micromirror formation step A joining step of combining the second fulcrum and the second support of the substrate formed in the substrate forming step, and bonding the micromirror to the substrate;
A MEMS manufacturing method comprising:
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