JP2011180534A - Mems element, movable mirror, and optical switch device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)素子、ならびにこれを用いた可動式ミラーおよび光スイッチ装置に関するものである。 The present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element having a fixed comb electrode and a movable comb electrode, and a movable mirror and an optical switch device using the same.
光伝送システムにおいて、波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)光信号の経路を切り替えるために、光スイッチ装置が使用されている(たとえば特許文献1参照)。このような光スイッチ装置には、光信号の経路を切り替えるために、光の反射方向を変えることができる可動式ミラーが用いられる。そして、このような可動式ミラーでは、静電アクチュエータとしてのMEMS素子を用いてミラーを可動している。 In an optical transmission system, an optical switch device is used to switch the path of a wavelength division multiplexing (WDM) optical signal (see, for example, Patent Document 1). In such an optical switch device, a movable mirror that can change the reflection direction of light is used to switch the path of the optical signal. And in such a movable mirror, the mirror is moved using the MEMS element as an electrostatic actuator.
静電アクチュエータとしてのMEMS素子には、平行電極構造のもの(たとえば特許文献2参照)や、垂直櫛歯電極構造のもの(たとえば非特許文献1参照)などがある。垂直櫛歯電極構造とは、櫛歯電極の延伸方向および配列方向とは垂直の方向に厚さを有している固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、所定の間隔を隔てて噛み合うように配置された噛み合わせ構造を有し、電極間に作用する静電引力による可動の方向と、固定櫛歯電極の配列方向とが、角度をなしているものである。垂直櫛歯電極構造のMEMS素子は、電極間に作用する静電引力が強く、また面外プルインが起こりにくいとされている。なお、面外プルインとは、固定櫛歯電極の延伸方向と配列方向とがなす面を可動基準面として、この可動基準面に対して角度をなす方向(すなわち、面外方向)において、MEMS素子を作用させるための復元力を超えて静電引力が作用し、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に吸着してしまう現象のことである。 The MEMS element as an electrostatic actuator includes a parallel electrode structure (for example, see Patent Document 2) and a vertical comb electrode structure (for example, see Non-Patent Document 1). The vertical comb electrode structure is such that a fixed comb electrode and a movable comb electrode having a thickness in a direction perpendicular to the extending direction and the arrangement direction of the comb electrodes are engaged with each other at a predetermined interval. The movable structure by the electrostatic attractive force acting between the electrodes and the arrangement direction of the fixed comb electrodes form an angle. A MEMS element having a vertical comb electrode structure has a strong electrostatic attraction acting between the electrodes and is unlikely to cause out-of-plane pull-in. The out-of-plane pull-in refers to a MEMS element in a direction (that is, an out-of-plane direction) that forms an angle with respect to the movable reference plane, with the plane formed by the extending direction and the arrangement direction of the fixed comb electrodes as a movable reference plane. This is a phenomenon in which the electrostatic attractive force acts beyond the restoring force for causing the movable comb electrode to be attracted to the fixed comb electrode.
また、垂直櫛歯電極構造のMEMS素子では、面内プルインが問題となる場合がある。面内プルインとは、上述した可動基準面内の方向において可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に吸着してしまう現象のことである。このような面内プルインは、可動櫛歯電極および固定櫛歯電極が、MEMS素子の回転軸の軸方向に配列されている場合に問題となりやすい。その理由は、以下の通りである。すなわち、光スイッチ装置において、WDM光信号を構成する各光信号の空間的分離量が数百μm程度であるため、各光信号を反射させるための可動式ミラーの幅も数百μmとされる。そのため、可動式ミラーにおける可動櫛歯電極および固定櫛歯電極が、MEMS素子の回転軸の軸方向に配列されている場合は、この数百μmの幅の中に多数の可動櫛歯電極および固定櫛歯電極を配列するためには、両者の間の間隔を狭くしなければならないためである。 Further, in a MEMS element having a vertical comb electrode structure, in-plane pull-in may be a problem. In-plane pull-in is a phenomenon in which the movable comb electrode is attracted to the fixed comb electrode in the above-described direction within the movable reference plane. Such in-plane pull-in tends to cause a problem when the movable comb electrode and the fixed comb electrode are arranged in the axial direction of the rotation axis of the MEMS element. The reason is as follows. That is, in the optical switch device, since the spatial separation amount of each optical signal constituting the WDM optical signal is about several hundred μm, the width of the movable mirror for reflecting each optical signal is also several hundred μm. . Therefore, when the movable comb electrodes and fixed comb electrodes in the movable mirror are arranged in the axial direction of the rotation axis of the MEMS element, a large number of movable comb electrodes and fixed electrodes are within this width of several hundred μm. This is because in order to arrange the comb-teeth electrodes, the interval between them must be narrowed.
これに対して、面内プルインが発生しにくい垂直櫛歯電極構造のMEMS素子が開示されている(たとえば、特許文献3、非特許文献2参照)。特許文献3、非特許文献2に開示される垂直櫛歯電極構造は、Fishbone型の垂直櫛歯電極構造と称される。このFishbone型のMEMS素子では、可動櫛歯および固定櫛歯が、MEMS素子の回転軸と垂直方向に配列しているために、面内プルインの発生を抑制することができるとされている。
On the other hand, a MEMS element having a vertical comb electrode structure in which in-plane pull-in is unlikely to occur is disclosed (for example, see
しかしながら、従来のFishbone型のMEMS素子においても、可動櫛歯電極を含む可動部が面内で意図せぬ回転をした場合に、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との距離に非対称性が発生してしまい、面内プルインが発生する場合があるという問題があった。 However, even in the conventional Fishbone type MEMS element, when the movable part including the movable comb electrode rotates unintentionally in the plane, the asymmetry occurs in the distance between the movable comb electrode and the fixed comb electrode. As a result, in-plane pull-in may occur.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、面内プルインの発生をより確実に抑制できるMEMS素子、ならびにこれを用いた可動式ミラーおよび光スイッチ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a MEMS element that can more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in, and a movable mirror and an optical switch device using the MEMS element.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るMEMS素子は、所定の間隔を有して配置された固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを備え、前記可動櫛歯電極が可動基準面に対して角度をなす方向に移動するMEMS素子であって、前記固定櫛歯電極および前記可動櫛歯電極の静電引力作用面が、前記可動基準面内において円弧形状を有していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a MEMS element according to the present invention includes a fixed comb electrode and a movable comb electrode arranged at a predetermined interval, and the movable comb electrode Is a MEMS element that moves in a direction that makes an angle with respect to the movable reference plane, and the electrostatic attraction acting surface of the fixed comb electrode and the movable comb electrode has an arc shape in the movable reference plane It is characterized by.
また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記静電力作用面の円弧形状の中心が、前記可動基準面内において前記可動櫛歯電極が回転する際の回転軸と一致することを特徴とする。 Further, in the MEMS element according to the present invention, in the above invention, the center of the arc shape of the electrostatic force acting surface is coincident with a rotation axis when the movable comb electrode rotates in the movable reference plane. Features.
また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、複数の組の前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とを備え、複数の前記静電力作用面の円弧形状の中心が全て同一であることを特徴とする。 Further, the MEMS element according to the present invention includes a plurality of sets of the fixed comb electrodes and the movable comb electrodes in the above-described invention, and the arc-shaped centers of the plurality of electrostatic force acting surfaces are all the same. It is characterized by being.
また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とが、前記可動基準面に垂直な方向においてギャップを有することを特徴とする。 The MEMS element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the fixed comb electrode and the movable comb electrode have a gap in a direction perpendicular to the movable reference plane.
また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極に対して固定され前記可動櫛歯電極の移動の軸となる軸体と、前記軸体に支持され、前記可動櫛歯電極が設けられた可動アームとを備え、前記静電力作用面の円弧形状の中心は、前記軸体と前記可動アームとの交点と一致することを特徴とする。 The MEMS element according to the present invention is the above-described invention, wherein the MEMS element is fixed to the fixed comb electrode and serves as an axis of movement of the movable comb electrode; A movable arm provided with a tooth electrode, and the center of the arc shape of the electrostatic force acting surface coincides with the intersection of the shaft and the movable arm.
また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極との間隔が、前記軸体からの離隔距離に応じて大きくなっていることを特徴とする。 In the MEMS device according to the present invention, the distance between the fixed comb electrode and the movable comb electrode is increased according to a separation distance from the shaft body. .
また、本発明に係る可動式ミラーは、上記の発明のいずれか一つに記載のMEMS素子と、前記MEMS素子の前記可動櫛歯電極に対して固定されたミラーと、を備えることを特徴とする。 Moreover, the movable mirror which concerns on this invention is equipped with the MEMS element as described in any one of said invention, and the mirror fixed with respect to the said movable comb-tooth electrode of the said MEMS element, It is characterized by the above-mentioned. To do.
また、本発明に係る光スイッチ装置は、上記の発明に記載の可動式ミラーを備えることを特徴とする。 An optical switch device according to the present invention includes the movable mirror described in the above invention.
本発明によれば、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極の静電力作用面が、可動基準面内において円弧形状を有しているので、面内プルインの発生をより確実に抑制できるという効果を奏する。 According to the present invention, since the electrostatic force acting surfaces of the fixed comb electrode and the movable comb electrode have an arc shape in the movable reference plane, it is possible to more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in. Play.
以下に、図面を参照して本発明に係るMEMS素子、可動式ミラー、および光スイッチ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Hereinafter, embodiments of a MEMS element, a movable mirror, and an optical switch device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like may differ from the actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る、静電アクチュエータとしてのMEMS素子を備えた可動式ミラー100の模式図である。また、図2は、図1に示す可動式ミラー100の模式的な平面図である。また、図3は、図2に示す可動式ミラー100のA−A線断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a
図1〜図3を用いて可動式ミラー100の構成について説明する。まず、図1に示すように、この可動式ミラー100は、SOI(Silicon On Insulator)基板を材料にして形成された3層からなる基板を利用して形成されている。その3層基板は、Siからなる裏面導電層としての支持層L1、SiO2からなる絶縁層としてのBox(Buried oxide)層L2、Siからなる表面導電層としての活性層L3で構成される。なお、各層の厚さについては、支持層L1が140μm、Box層L2が1μm、活性層L3が60μmであるが、特に限定はされない。
The configuration of the
そして、可動式ミラー100は、固定基部10と、可動部20とを備えている。固定基部10は、支持層L1、Box層L2、および活性層L3の積層構造からなる。一方、可動部20は活性層L3のみからなる。
The
つぎに、図2に示すように、固定基部10は、2つの固定アーム11aを有するコの字型の支持部11と、支持部11の2つの固定アーム11aの内側に、それぞれ6本ずつ設けられた固定櫛歯電極12と、2つの固定アーム11aの先端部間に架け渡すように設けられた軸体としてのトーションバー13とを備える。トーションバー13のサイズは、たとえば長さ約75μm、幅約5μm、厚さ約4μmであるが、特に限定はされない。なお、固定櫛歯電極12のサイズは、たとえば全体の幅約10μm、長さ約60μmであるが、その形状については後述する。
Next, as shown in FIG. 2, six fixed
また、可動部20は、トーションバー13に支持され、トーションバー13から2つの固定アーム11aに略平行に延伸した可動アーム21と、可動アーム21の一端側の両側に6本ずつ設けられた可動櫛歯電極22と、可動アーム21の他端側に設けられたミラー部23とを備える。なお、可動櫛歯電極22のサイズは、たとえば全体の幅約10μm、長さ約60μmであるが、その形状については後述する。
The
また、図3に示すように、可動櫛歯電極22は、固定櫛歯電極12と所定の間隔G1を有して噛み合うように配置されている。間隔G1の値はたとえば10μmである。ミラー部23の幅は約100μm、長さは約500μmである。また、ミラー部23の上面23aには金ミラーが成膜されている(以下、金ミラー面23aと称する)。
Further, as shown in FIG. 3, the
すなわち、この可動式ミラー100は、固定櫛歯電極12を備える固定基部10と可動櫛歯電極22を備える可動部20とからなるMEMS素子に、可動櫛歯電極22に対して固定された金ミラー面23aが形成されることによって、可動式ミラーとして構成されている。
That is, this
なお、以下では、固定櫛歯電極12の延伸方向と配列方向がなす面およびこれに平行な面、すなわち、図2における紙面に平行な面を可動基準面とし、図3のように符号Sで示すものとする。固定櫛歯電極12と前記可動櫛歯電極22とは、可動基準面Sに垂直な方向において、Box層L2の厚さの分だけギャップを有しており、段差櫛歯構造を形成している。
In the following, a plane formed by the extending direction and the arrangement direction of the fixed
つぎに、この可動式ミラー100の動作について説明する。図4は、可動式ミラー100の動作を説明する説明図である。なお、図4は、可動式ミラー100を側面側からみたものである。
Next, the operation of the
まず、Box層L2により絶縁されている活性層L3と支持層L1との間に電圧信号を印加する。すると、活性層L3からなる可動櫛歯電極22と、固定櫛歯電極12との間に静電引力が作用する。なお、この静電引力は、特に、各固定櫛歯電極12の側面である静電引力作用面12aと、これに対向する各可動櫛歯電極22の側面である静電引力作用面22aと間に作用する。これによって、可動櫛歯電極22は固定櫛歯電極12に引き寄せられる。
First, a voltage signal is applied between the active layer L3 insulated by the Box layer L2 and the support layer L1. Then, electrostatic attraction acts between the
ここで、可動櫛歯電極22が設けられた可動アーム21は、固定櫛歯電極12に対して固定されたトーションバー13に支持されている。その結果、可動櫛歯電極22が引き寄せられると、ミラー部23も含めた可動部20の全体がトーションバー13を軸として、矢印Ar1が示す方向に、所定の角度範囲内で回転する。この回転の角度は、活性層L3と支持層L1との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。なお、図4中の破線で示した要素は、可動部20が4度だけ回転するように動作させた状態における、可動櫛歯電極22およびミラー部23の位置を示したものである。このように、可動櫛歯電極22は可動基準面Sに対して角度をなす方向に移動する。
Here, the
また、可動部20が回転した際には、トーションバー13はねじれるため、内部応力を蓄える。したがって、電圧信号の印加を止めると、可動部20は、トーションバー13の内部応力を復元力として電圧信号印加前の位置へと復元する。このようにして、この可動式ミラー100は、固定櫛歯電極12と可動櫛歯電極22とを備えるMEMS素子の静電アクチュエータとしての作用によって、金ミラー面23aの角度を所望の角度に可動することができる。
Moreover, when the
つぎに、固定櫛歯電極12および可動櫛歯電極22の形状について説明する。図5は、可動式ミラー100の各櫛歯電極の形状を説明する説明図である。なお、図5において、可動式ミラー100は可動基準面Sに垂直な方向からみたものである。図5に示すように、各固定櫛歯電極12と各可動櫛歯電極22とは、いずれも、可動基準面S内において、トーションバー13と可動アーム21との交点を中心Oとした各同心円Cに沿って、等幅であり、かつ円弧形状を有するように形成されている。これによって、この可動式ミラー100は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなっている。
Next, the shapes of the fixed
以下、具体的に説明する。まず、本実施の形態1に係る可動式ミラー100のような構造では、活性層L3と支持層L1との間に電圧信号を印加したときに、その構造のわずかな非対称性や摂動などによって、可動部20が可動基準面S内で回転(面内回転)する場合がある。この場合、回転軸は、たとえばトーションバー13と可動アーム21との交点となる。
This will be specifically described below. First, in the structure like the
図6は、比較例として、可動式ミラー100と略同様の構造であるが、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極が直線状であるような従来の可動式ミラーにおいて、面内回転が発生した場合について説明する説明図である。図6に示すように、固定アーム71に設けられた固定櫛歯電極72に対して、可動櫛歯電極82が設けられた可動アーム81が、破線で示したようにわずかでも面内回転すると、固定櫛歯電極72の静電引力作用面72aと可動櫛歯電極82の静電引力作用面82aとの間隔が近づく。その結果、静電引力はその回転をますます強める方向に働くこととなり、さらに可動櫛歯電極82と可動アーム81とを回転させる。すなわち、静電引力によって面内回転に正のフィードバックが働くため、可動櫛歯電極82は固定櫛歯電極72にますます近づき、面内プルインが発生しやすくなる。
FIG. 6 shows, as a comparative example, a structure substantially similar to that of the
これに対して、図7は、可動式ミラー100において面内回転が発生した場合について説明する説明図である。図7に示すように、固定アーム11aに設けられた固定櫛歯電極12の静電引力作用面12aと、可動アーム21に設けられた可動櫛歯電極22の静電引力作用面22aとは、いずれも図5に示す中心Oを中心とする同心円に沿った円弧形状を有している。
On the other hand, FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a case where in-plane rotation occurs in the
したがって、固定櫛歯電極12に対して、可動櫛歯電極22および可動アーム21が、破線で示したように面内回転しても、静電引力作用面22aは、当該同心円上を移動するだけである。このため、静電引力作用面12aと静電引力作用面22aとの間隔G1は殆ど変化しない。その結果、静電引力によって回転に正のフィードバックが働かないため、可動櫛歯電極22が固定櫛歯電極12にますます近づくようなことは発生しないので、面内プルインの発生がより確実に抑制されるのである。
Therefore, even if the
なお、この可動式ミラー100の活性層L3と支持層L1との間に200Vの電圧を印加するシミュレーション計算を行なったところ、可動部20は、トーションバー13を中心軸として、実用的な回転角度である約6度だけ回転し、可動櫛歯電極22は最大で40μm程度移動した。これに対して、可動基準面Sにおける可動櫛歯電極22の変位は最大で1μm程度であり、面内回転は殆ど起こっていないことが確認された。
In addition, when a simulation calculation was performed in which a voltage of 200 V was applied between the active layer L3 and the support layer L1 of the
以上説明したように、本実施の形態1に係る可動式ミラー100は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。
As described above, the
なお、本実施の形態1では、固定櫛歯電極12および可動櫛歯電極22を等幅の形状としているので、櫛歯をより多数、高密度で配置することができるため、小型化が可能である。また、櫛歯が先細形状となっている場合と比較して先端部に欠けが発生しにくいため、製造歩留まりがより高いものとなる。
In the first embodiment, the fixed
(製造方法)
つぎに、本実施の形態1に係る可動式ミラー100の製造方法の一例について説明する。ここでは、金ミラー面23aの成膜について記載しないが、必要に応じて適宜そのプロセスを行う。以下では、図3に示す可動式ミラー100のA−A線断面の端面に則して説明を行なうものとする。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the
図8〜図11は、可動式ミラー100の製造方法を説明する説明図である。はじめに、図8に示すように、Siからなる支持層L1、SiO2からなるBox層L2、およびSiからなる活性層L3を備える、たとえば直径4インチ(101.6mm)のSOI基板Sを準備する。つぎに、支持層L1、活性層L3の表面に、たとえば厚さ1.5μm程度の酸化膜O1、O2をそれぞれ形成する。以下、活性層L3側の表面を上面、支持層L1側の表面を下面と適宜記載する。
8-11 is explanatory drawing explaining the manufacturing method of the
つぎに、上面にポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行う。そのレジストパターンを利用して、上面の酸化膜O2のSiO2エッチングを行う。そして、上面に塗布したレジストを剥離する。図9の上側の図は、上面に塗布したレジストの剥離後のSOI基板Sを示している。このとき、酸化膜O2をエッチングする領域は、トーションバー13を形成すべき付近の領域である。
Next, a positive resist is applied to the upper surface, and exposure and development are performed using an exposure mask. By utilizing the resist pattern, performing SiO 2 etching the oxide film O2 of the upper surface. Then, the resist applied on the upper surface is peeled off. The upper diagram in FIG. 9 shows the SOI substrate S after the resist applied on the upper surface is removed. At this time, the region where the oxide film O2 is etched is a region in the vicinity where the
同様に、下面にポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行う。そのレジストパターンを利用して、下面の酸化膜O1のSiO2エッチングを行う。そして、下面に塗布したレジストを剥離する。図9の下側の図は、下面に塗布したレジストの剥離後のSOI基板Sを示している。このとき、酸化膜O1をエッチングする際は、固定櫛歯電極12と固定基部10の領域の酸化膜O1が残るようにする。
Similarly, a positive resist is applied to the lower surface, and exposure and development are performed using an exposure mask. Using the resist pattern, SiO 2 etching of the oxide film O1 on the lower surface is performed. Then, the resist applied on the lower surface is peeled off. The lower diagram in FIG. 9 shows the SOI substrate S after the resist applied on the lower surface is removed. At this time, when the oxide film O1 is etched, the oxide film O1 in the region of the fixed
つぎに、図10に示すように、上面に再びポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行い、レジストパターンR1を形成する。つぎに、このレジストパターンR1を利用して、上面の酸化膜O2のSiO2エッチングを行う。このとき、酸化膜O2をエッチングする際は、支持部11とトーションバー13と可動アーム21と可動櫛歯電極22とミラー部23の領域の酸化膜O2が残るようにする。
Next, as shown in FIG. 10, a positive resist is applied again on the upper surface, and exposure and development are performed using an exposure mask to form a resist pattern R1. Next, SiO 2 etching of the oxide film O2 on the upper surface is performed using the resist pattern R1. At this time, when the oxide film O2 is etched, the oxide film O2 in the regions of the
つぎに、先ほどのレジストパターンR1を利用して、活性層L3のドライエッチングを行い、レジストパターンR1を剥離する。なお、ドライエッチングについては、サイドエッチングを防止するために、反応性ガスとしてSF6ガスやCF系ガスを用いた誘起結合プラズマによる反応性イオンエッチング(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching、ICP−RIE)を用いることが好ましい。また、反応性ガスにO2ガスを加えるいわゆるBosch法を用いれば、サイドエッチングがさらに防止され、パターン孔を高精度で形成できるのでさらに好ましい。 Next, dry etching of the active layer L3 is performed using the resist pattern R1 and the resist pattern R1 is peeled off. As for dry etching, in order to prevent side etching, reactive ion etching (ICP-RIE) using inductively coupled plasma using SF 6 gas or CF-based gas as a reactive gas. Is preferably used. Further, it is more preferable to use the so-called Bosch method in which O 2 gas is added to the reactive gas, because side etching is further prevented and the pattern hole can be formed with high accuracy.
つぎに、図11に示すように、上面の酸化膜O2のパターンを用いて、トーションバー13が所望の厚さになるように活性層L3のドライエッチングを行う。ここでは、トーションバー13に該当する領域の活性層L3がエッチングされる。
Next, as shown in FIG. 11, the active layer L3 is dry-etched using the pattern of the oxide film O2 on the upper surface so that the
つぎに、下面の酸化膜O1のパターンを用いて、支持層L1のドライエッチングを行う。そして、上面の酸化膜O2と、下面の酸化膜O1と、Box層L2の外に露出している領域のSiO2をエッチングし、余分な酸化膜の除去と可動部分のリリースを行う。以上説明したプロセスによって、本実施の形態1に係る可動式ミラー100を製造することができる。
Next, the support layer L1 is dry-etched using the pattern of the oxide film O1 on the lower surface. Then, the oxide film O2 on the upper surface, the oxide film O1 on the lower surface, and SiO2 in the region exposed outside the Box layer L2 are etched to remove the excess oxide film and release the movable part. The
(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2に係る可動式ミラーについて説明する。本実施の形態2に係る可動式ミラーは、実施の形態1に係る可動式ミラー100と略同様の構成を有するが、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極との数が多く、かつ固定櫛歯電極と可動櫛歯電極との間隔が、回転軸となるトーションバーからの離隔距離に応じて大きくなっている点が異なるものである。以下では、かかる相違点について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a movable mirror according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The movable mirror according to the second embodiment has substantially the same configuration as the
図12は、本実施の形態2に係る可動式ミラー200の構成および動作を説明する説明図である。なお、図12は、可動式ミラー200を側面側からみたものである。図12に示すように、この可動式ミラー200では、可動部の回転軸となるトーションバー31に近い固定櫛歯電極32−1と可動櫛歯電極33−1との間隔G2は10μmである。そして、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔はトーションバー31からの離隔距離に略比例して大きくなっており、トーションバー31からもっとも遠い固定櫛歯電極32−11と可動櫛歯電極33−11との間隔G3は15μmとなっている。
FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining the configuration and operation of the
この可動式ミラー200は、可動式ミラー100と同様に、電圧信号を印加して動作させると、可動部がトーションバー31を回転軸として回転し、可動櫛歯電極33が、矢印Ar2が示す方向に、可動基準面Sに対して角度をなすように移動する。なお、図12中の破線で示した要素は、可動部が4度だけ回転するように動作させた状態における、可動櫛歯電極33の位置を示したものである。
As with the
ここで、可動櫛歯電極33は、トーションバー31から離隔した位置にあるものほど、より長い弧を描くように移動するため、トーションバー31側に位置する固定櫛歯電極32に対してより近づくように移動する。これに対して、この可動式ミラー200では、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔がトーションバー31からの離隔距離に略比例して大きくなっているので、動作時の固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔を、トーションバー31からの距離によらず同程度とすることができる。その結果、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間に、位置によらず均等な静電引力を作用させることができる。
Here, as the movable comb electrode 33 moves away from the torsion bar 31 so as to draw a longer arc, the movable comb electrode 33 is closer to the fixed
したがって、本実施の形態2に係る可動式ミラー200は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるとともに、面外プルインもより確実に抑制できるものとなる。
Therefore, the
(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3に係る可動式ミラーについて説明する。本実施の形態3に係る可動式ミラーは、実施の形態1、2に係る可動式ミラー100、200とは異なり、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、可動基準面に垂直な方向においてギャップを有さないような段差櫛歯構造を有するMEMS素子を備えるものである。
(Embodiment 3)
Next, a movable mirror according to
図13は、本実施の形態3に係る可動式ミラー300の構成および動作を説明する説明図である。なお、図13は、可動式ミラー300を側面側からみたものである。図13の上側の図に示すように、この可動式ミラー300は、固定櫛歯電極41と可動櫛歯電極42とが、可動基準面Sに垂直な方向においてギャップを有さないような段差櫛歯構造を有するMEMS素子を備えるものである。なお、この可動式ミラー300は、可動基準面Sに垂直な方向から見ると、図2に示す可動式ミラー100と同様な構造を有している。
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the configuration and operation of the
つぎに、この可動式ミラー300の動作について説明する。この可動式ミラー300は、電圧信号を印加して動作させると、可動櫛歯電極42が、矢印Ar3が示す方向に、可動基準面Sに対して略垂直の角度をなすように平行移動する。すると、可動櫛歯電極42とを設けられた可動アームは、トーションバーにより支持されているために、固定基部に固定されたトーションバーの部分を支点として回転運動をする。その結果、金ミラー面43aを有し可動アームに接続したミラー部43も矢印Ar4が示す方向に回転し、可動櫛歯電極42の最大変位時には、図13の下側の図に示すような状態となる。
Next, the operation of the
したがって、このような段差櫛歯構造を有する可動式ミラー300も、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。
Therefore, the
(実施の形態4)
つぎに、本発明の実施の形態4に係る光スイッチ装置について説明する。本実施の形態4に係る光スイッチ装置は、入力した波長多重光信号から所定の波長の光信号を選択し、その光信号の波長ごとに経路を切り換えて出力する波長選択光スイッチ装置である。
(Embodiment 4)
Next, an optical switch device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The optical switch device according to the fourth embodiment is a wavelength selective optical switch device that selects an optical signal having a predetermined wavelength from an input wavelength-multiplexed optical signal, and switches and outputs a path for each wavelength of the optical signal.
図14は、本実施の形態4に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。図14に示すように、この光スイッチ装置1000は、紙面奥行き方向に配列し、各々が異なる経路の光ファイバ伝送路に接続した4本の入出力光ファイバ51〜54と、入出力光ファイバ51〜54に対して順次配置された、アナモルフィックプリズムペア55と、回折格子56と、集光レンズ57と、λ/4波長板58と、実施の形態1に係る可動式ミラー100と同様の構成を有し、アレイ状に配置された3つの可動式ミラー102〜104とを備えている。さらに、この光スイッチ装置1000は、3つの可動式ミラー102〜104を制御するためのモニタ素子59と制御回路60とを備えている。なお、実際には回折格子56において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア55から可動式ミラー102〜104までの各素子は回折格子56の前後で角度を持って配置されるが、図14においては、簡略化のために直列に配置して示している。
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of the optical switch device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 14, the
つぎに、光スイッチ装置1000の動作について説明する。図15は、図14に示す光スイッチ装置1000の動作を説明する説明図である。なお、図15は、光スイッチ装置1000を図14の方向とは垂直の方向から見た図である。はじめに、入出力光ファイバ51は、或る光ファイバ伝送路を伝送して入力した波長多重光信号OS1をアナモルフィックプリズムペア55に出力する。アナモルフィックプリズムペア55は、波長多重光信号OS1のビーム径を、回折格子56の格子の配列方向に広げて、波長多重光信号OS1が多くの格子に当たるように、波長選択の分解能を高めるようにしている。回折格子56は、入射した波長多重光信号OS1に含まれる所定の波長の光信号OS1aを所定の角度に出力する。集光レンズ57は、λ/4波長板58を通して、光信号OS1aを可動式ミラー102に集光する。
Next, the operation of the
可動式ミラー102はそのミラー面によって、集光した光信号OS1aを反射させる。このときの反射光は、反射光信号OS2として、λ/4波長板58、集光レンズ57、回折格子56、アナモルフィックプリズムペア55を順次経由して、入出力光ファイバ52へと入力し、入出力光ファイバ52に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。なお、λ/4波長板58は、光信号OS1aと反射光信号OS2との光の偏光状態が互いに直交するように、その偏光状態を変化させる。これによって、アナモルフィックプリズムペア55および回折格子56の偏波依存性を補償するようにしている。
The
また、回折格子56は、波長多重光信号OS1に含まれる他の所定の波長の光信号OS1b、OS1cをそれぞれ他の所定の角度に出力する。各光信号OS1b、OS1cは、それぞれ可動式ミラー103、104で反射され、反射光信号OS3または反射光信号OS4として、λ/4波長板58、集光レンズ57、回折格子56、アナモルフィックプリズムペア55を順次経由して、入出力光ファイバ53または入出力光ファイバ54へと入力し、入出力光ファイバ53または入出力光ファイバ54に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。
The
ここで、可動式ミラー102〜104は、モニタ素子59が反射光信号OS2〜OS4の一部を分岐した光の波長および強度をモニタし、このモニタの結果をもとに可動式ミラー102〜104の各ミラー部を独立に可動させることによって、それぞれの反射光信号OS2〜OS4の反射角度が最適になるように制御される。反射光信号OS2〜OS4の分岐は、たとえば入出力光ファイバ51〜54の一部に分岐カプラを設けたり、光スイッチ装置1000内の適当な位置に分岐用のミラーを設けたりすることによって行うことができる。なお、モニタ素子59は、たとえばAWG(Arrayed Waveguide Grating)素子と複数のフォトダイオードとから構成される。
Here, the
この光スイッチ装置1000は、実施の形態1に係る可動式ミラー100と同様の構成を有する可動式ミラー102〜104を備えているので、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。
Since the
なお、上記実施の形態では、MEMS素子を形成するための材料として、SOI基板を用いているが、絶縁層を介して積層した2つの半導体層を有する他の半導体基板を用いてもよい。また、本発明は、櫛歯電極を噛み合わせた他の構造を形成する場合にも適用することができる。また、基板の材料も他の半導体、金属等の導電性の材質からなるものを用いてもよい。 In the above embodiment, the SOI substrate is used as the material for forming the MEMS element, but another semiconductor substrate having two semiconductor layers stacked with an insulating layer interposed therebetween may be used. The present invention can also be applied to the case of forming other structures in which comb electrodes are meshed. Further, the substrate may be made of a conductive material such as another semiconductor or metal.
また、上記実施の形態では、MEMS素子は固定櫛歯電極と可動櫛歯電極を複数備えているが、その数は限定されず、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを少なくとも1組備えていればよい。 In the above embodiment, the MEMS element includes a plurality of fixed comb electrodes and movable comb electrodes, but the number thereof is not limited and includes at least one set of fixed comb electrodes and movable comb electrodes. Just do it.
また、上記実施の形態では、可動基準面を、固定櫛歯電極の延伸方向と配列方向がなす面により規定しているが、可動基準面の規定はこれに限定されず、たとえばMEMS素子を形成するための材料としての基板の主表面により規定したり、固定櫛歯電極の静電引力作用面に垂直な任意の面により規定したりしてもよい。 In the above embodiment, the movable reference plane is defined by the plane formed by the extending direction of the fixed comb electrodes and the arrangement direction. However, the definition of the movable reference plane is not limited to this. For example, a MEMS element is formed. It may be defined by the main surface of the substrate as a material for the purpose, or may be defined by any surface perpendicular to the electrostatic attractive force acting surface of the fixed comb electrode.
また、上記実施の形態では、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とがいずれも等幅に形成されているが、各櫛歯電極は等幅のものに限らず、櫛歯電極間の静電引力作用面が、可動基準面内において円弧形状を有していればよい。また、各櫛歯電極の円弧形状の中心は、MEMS素子の構造に応じて、可動櫛歯電極の面内回転が発生する際の軸となる部分と一致させることが好ましい。 In the above embodiment, the fixed comb electrode and the movable comb electrode are both formed to have the same width. The attractive force acting surface only needs to have an arc shape in the movable reference surface. Moreover, it is preferable that the center of the arc shape of each comb electrode coincides with a portion that becomes an axis when in-plane rotation of the movable comb electrode occurs according to the structure of the MEMS element.
また、上記実施の形態は、可動式ミラーに係るものであるが、本発明に係るMEMS素子は可動式ミラーに限定されず、他の用途にも適用できる。 Moreover, although the said embodiment concerns a movable mirror, the MEMS element which concerns on this invention is not limited to a movable mirror, It can apply also to another use.
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態4に係る光スイッチ装置に、実施の形態2、3に係る可動式ミラーを適用してもよい。 Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What comprised each component of each said embodiment combining suitably is also contained in this invention. For example, the movable mirror according to the second and third embodiments may be applied to the optical switch device according to the fourth embodiment.
10 固定基部
11 支持部
11a 固定アーム
12、32、41 固定櫛歯電極
12a、22a 静電引力作用面
13、31 トーションバー
20 可動部
21 可動アーム
22、33、42 可動櫛歯電極
23、43 ミラー部
23a、43a 金ミラー面
51〜54 入出力光ファイバ
55 アナモルフィックプリズムペア
56 回折格子
57 集光レンズ
58 λ/4波長板
59 モニタ素子
60 制御回路
100〜300、102〜104 可動式ミラー
1000 光スイッチ装置
Ar1〜Ar4 矢印
E1〜E4 領域
C 同心円
G1〜G3 間隔
H 貫通パターン孔
L1 支持層
L2 BOX層
L3 活性層
M アラインメントマーク
O 中心
O1、O2 熱酸化膜
OS1 波長多重光信号
OS1a〜OS1c 光信号
OS2〜OS4 反射光信号
R1〜R7 レジスト
S SOI基板
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記固定櫛歯電極および前記可動櫛歯電極の静電引力作用面が、前記可動基準面内において円弧形状を有していることを特徴とするMEMS素子。 A MEMS element comprising a fixed comb electrode and a movable comb electrode arranged with a predetermined interval, wherein the movable comb electrode moves in a direction that forms an angle with respect to a movable reference plane,
The MEMS element, wherein the electrostatic attractive force acting surfaces of the fixed comb electrode and the movable comb electrode have an arc shape in the movable reference plane.
前記MEMS素子の前記可動櫛歯電極に対して固定されたミラーと、
を備えることを特徴とする可動式ミラー。 The MEMS element according to any one of claims 1 to 6,
A mirror fixed to the movable comb electrode of the MEMS element;
A movable mirror comprising:
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