JP2004085869A - Mems素子及びこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナ - Google Patents
Mems素子及びこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナ Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】下部電極基板31の一部に貫通孔32を設ける。下部電極基板31上に支持部33を設け、この支持部33にヒンジ34を介して単結晶シリコンミラー板35を貼り付ける。ミラー板35は、下部電極基板31に対向する上部電極部及び貫通孔に対応するミラー部が一体となったものとする。これによりミラーサイズをチルト角と無関係に選択することができ、反りの少ないMEMS素子を簡単なプロセスで製造できる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御用のMEMS素子とこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年光通信技術の発展に伴い光制御用素子としてMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子が注目されてきている。このような光制御用のMEMS素子は、その一部にミラー部分を有し、電圧に応じて光の反射方向を変化させることを基本としている。従って一般的に反りが少なく大面積のミラーを有するMEMS素子を簡単なプロセスで製造できることが求められている。
【0003】
従来のMEMS素子として、SOIプロセスによる片持ち梁の素子が知られている。これは図8(a)に平面図、図8(b)にA−A線断面図を示すように、電極を兼ねたシリコン基板11上に酸化層の支持部12を設け、その上面に上部電極13を貼り付けた構造を有するものである。この素子はシリコン基板11と酸化層及び上部電極となる単結晶シリコンの3層構造から成る素子を上面の電極部を切削して形成し、酸化層の支持部12となる領域以外をエッチングにより取り除き、上部電極の右側にミラー14を積層することによって製造することができる。そしてMEMS素子の上部電極13と、下部電極を兼ねたシリコン基板11との間に電圧を印加することによって、静電引力が働き、上部電極13が矢印方向に傾き、光の反射角度を変えることができる。このようにSIOプロセスで製造したMEMS素子は比較的簡単なプロセスで製造が可能であり、上面は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、反りが少ないミラーとすることができる。
【0004】
又表面マイクロマシニングによるMEMS素子も知られている。このMEMS素子では図9(a)に平面図、図9(b)にB−B線断面図を示すように、非導電体の基板21の左方の中央部分にのみ下部電極22を積層する。そして基板21の左右端部に酸化層を設けて支持部23とする。この支持部23は下部電極22を有する基板21上の全面に酸化層を積層し、基板の両端にある必要部分をマスクしてエッチングすることによって形成する。エッチングの前の工程で酸化層の上面に、下部電極に対向する面を上部電極とするポリシリコンの薄膜ミラー24を形成する。この薄膜ミラー24は、支持部23に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ部25と、平板部とを有している。平板部の左方の下部電極に対向する面は上部電極部26として用いられ、右部分はミラー部27として用いられる。上部電極部26には多数のエッチングホールと呼ばれる開口28が設けられる。エッチングホールは、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、動作時にスクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作させるためにも機能する。このような薄膜ミラー24を形成した後、エッチングによって支持部23以外の酸化層を除き、その上面の薄膜ミラー24をヒンジ部25のみで支持する。こうして構成した4層構造のMEMS素子は、薄膜ミラー24の左方の上部電極部26と下部電極22との間に電圧を印加することで静電引力が働き、薄膜ミラー24を矢印方向にチルトさせることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに図8に示すMEMS素子によれば、上部電極を兼ねたシリコンミラー13が下部電極となるシリコン基板11に接近するため、チルト角やチルト角を決定する駆動電圧とミラーサイズとがトレードオフの関係にあり、ミラーサイズを任意に大きくすることができないという欠点があった。
【0006】
又図9に示すMEMS素子では、支持部23を支点として薄膜ミラー24をはね上げる構造となっているため、大面積のミラーを製造することができる。しかしポリシリコンの薄膜ミラーを用いるため、ミラーの反りが出る可能性がある。又構造も4層構造となるため、図8に示す3層構造のMEMS素子より製造工程が複雑になるという欠点があった。
【0007】
本発明はこのような従来のMEMS素子の問題点に鑑みてなされたものであって、ミラーの反りがなく、大面積のミラーを有するMEMS素子を簡単なプロセスで製造できるMEMS素子と、これを用いた光減衰器、光スイッチ、光スキャナを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項1の発明は、平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に貫通孔を有する基板と、前記貫通孔に近接する位置に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするものである。
【0009】
本願の請求項2の発明は、平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に第1の貫通孔、前記上部電極部に対向する部分の周囲に第2の貫通孔を有する基板と、前記第1、第2の貫通孔の間の側方に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするものである。
【0010】
本願の請求項3の発明は、請求項1又は2記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0011】
本願の請求項4の発明は、請求項1又は2記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0012】
本願の請求項5の発明は、請求項1又は2記載のMEMS素子と、前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態1によるMEMS素子について説明する。図1はこの実施の形態によるMEMS素子の平面図、図2はそのC−C線断面図、図3はその製造過程を示す断面図である。本実施の形態ではSOI基板を用いたマイクロマシニングプロセスと同様の製造過程により製造する。これらの図に示すように、シリコン(Si)基板に不純物をドープして下部電極基板31として用いる。図1,図2に示すように、下部電極基板31は長方形状の部材とし、その右方中央部には図示のようにミラー部分の下部に長方形状の貫通孔32を設ける。この貫通孔32に隣接する位置には、図示のように基板の両側のみでミラーを支持する支持部33を設ける。支持部33の上部には、単結晶シリコンミラー板34が積層されている。単結晶シリコンミラー34は支持部33の上面となる部分とヒンジ部35、上部電極部36とミラー部37とが一体化されたものである。
【0014】
次にこの実施の形態によるMEMS素子の製造工程について、図3を用いて説明する。まず図3(a)に示すように下部電極基板31と支持部となる酸化層33A及び単結晶シリコンミラー板34を持つ三層構造のウェハを準備する。次いで図3(b)に示すように、単結晶シリコンミラー板34に支持部33の上面となるヒンジ部等のパターンをフォトリソグラフィ及びエッチングによって形成する。上部電極部36にはエッチングプロセスで用いるために、下部電極と対応する部分に図9と同様に多数のエッチングホール38を形成しておく。次いで図3(c)に示すように裏面の下部電極基板31も同様にして貫通孔32を形成する。そして図3(d)に示すように下部電極基板31の上面の酸化層33Aをエッチングする。このとき必要部分をマスクして、このエッチングホール38からエッチング液を浸透させて支持部33以外の部分を取り除くことで、MEMS素子を形成する。
【0015】
こうして構成されたMEMS素子は下部電極基板31と上部電極部36との間に電圧を印加することによって、これらの電極間に静電引力が働く。このときミラー部37の下方は図示のように貫通孔32が設けられているため、対応する電極がなく、ミラー部に静電引力が働かない。このため上部電極部のみに静電引力が働くこととなって、矢印で示すようにミラー部37をはね上げるようにチルトさせることができる。そしてミラー部37は下部電極基板31の貫通孔32と共にその大きさ、形状を任意に選択することができ、従ってミラー部の歪みなく面積の大きいミラー部を有するMEMS素子も構成することができる。
【0016】
次に本発明の実施の形態2によるMEMS素子について、図4、図5を用いて説明する。図4はこの実施の形態によるMEMS素子の平面図、図5(a)はそのD−D線断面図、図5(b)はそのE−E線断面図であり、前述した実施の形態1と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態では、下部電極基板31にミラー部分の長方形状の貫通孔32だけでなく、上部電極部36の外周部分に断面がコ字状の貫通孔39を設けたものである。その他の構成は実施の形態1と同様である。このように貫通孔39を設けることによって上部電極以外の対向部分に電極がある場合に発生する横方向への駆動力をなくし、不必要な動作モードを抑制するようにしている。
【0017】
次に本実施の形態によるMEMS素子を用いた光減衰器について説明する。図6はこの光減衰器を示す断面図である。本図においてキャピラリ41は入射用の光ファイバ42と出射用の光ファイバ43とを保持するものであり、その先端部にはレンズホルダ44が設けられる。レンズホルダ44のほぼ中央部には図示のような非球面レンズ45が設けられている。そして非球面レンズ45は光ファイバ42から出射された光をほぼ平行な光とすると共に、反射した光を集束して光ファイバ43に与えるものである。ここでキャピラリ41と光ファイバ42、レンズホルダ44、非球面レンズ45はMEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部を構成しており、キャピラリ41、出射用の光ファイバ43、レンズホルダ44、非球面レンズ45はMEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部を構成している。このレンズホルダ44の光軸上には光制御用のMEMS素子46が配置されている。MEMS素子46は前述した実施の形態1又は2によるMEMS素子であり、その下部電極基板と上部電極部とに可変電圧を供給する電圧制御部47が設けられている。
【0018】
さてMEMS素子46に電圧を与えなければ、光ファイバ42から入射した光はレンズホルダ44の非球面レンズ45によって平行光線としてMEMS素子46のミラー部に入射する。この光はそのまま反射されて再び非球面レンズ45を通って出射用の光ファイバ43に導かれる。ここで上部電極と下部電極との間に電圧を与えると、前述したようにミラーが傾き、出射用の光ファイバに反射光の入射するピーク位置が変化する。従って電圧を徐々に変化させ、ミラーのチルト角を連続的に変化させることによって、反射光が光ファイバ43に入射するレベルを連続的に変化させることができる。従って電圧制御によって光の減衰量を変化させることができる。
【0019】
又これと同一の構造でMEMS素子に電圧を印加しない状態、及び所定の電圧を印加する状態をスイッチングにより切換えることによって、ほぼ100%の反射光が得られる第1の状態と、反射光が出射用の光ファイバ43に入射しない第2の状態とに切換える光スイッチを実現することができる。
【0020】
又このMEMS素子はレーザ走査顕微鏡など種々の用途に使用される光スキャナとしても用いることができる。図7は光スキャナの一例を示す図である。本図において、光ファイバ51は光を導くものであって、その光軸上にはコリメートレンズ52が設けられ、光を約45°の角度から前述した実施の形態1又は2によるMEMS素子53に導いている。光ファイバ51及びコリメートレンズ52はMEMS素子に光ファイバを入射する光入射部である。又MEMS素子53には連続的に変化する電圧を印加する電圧制御部54が設けられる。こうすれば電圧制御部54の電圧をサイン波状、のこぎり波状等種々の波形で変化させることによって、入射光を所望の速度でスキャニングすることができる。
【0021】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、SOI基板を用いたマイクロマシンプロセスと同様に比較的簡単なプロセスでMEMS素子を製造することができる。そして基板上に開口が設けられ、はね上げ構造となっているため、任意の大面積ミラーを製造することができる。又単結晶のシリコン厚膜ミラーを用いるため、薄膜ミラーに比べてミラーの反りを少なくすることができ、光の制御ディバイスとして好適となる。又このMEMS素子を用いて光減衰器、光スイッチ及び光スキャナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるMEMS素子の構造を示す平面図である。
【図2】本実施の形態によるMEMS素子のC−C線断面図である。
【図3】本実施の形態によるMEMS素子の製造過程を示す概略図である。
【図4】本発明の実施の形態2によるMEMS素子の平面図である。
【図5】(a)は本実施の形態2によるMEMS素子のD−D線断面図、(b)本実施の形態2によるMEMS素子のE−E線断面図である。
【図6】本実施の形態によるMEMS素子を利用した光減衰器及び光スイッチの構造を示す断面図である。
【図7】本発明の実施の形態によるMEMS素子を用いた光スキャナを示す概略図である。
【図8】従来のSOIプロセスによるMEMS素子の構造を示す平面図及び断面図である。
【図9】従来の表面マイクロマシニングによるMEMS素子の構造を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
31 下部電極基板
32,39 貫通孔
33 支持部
33A 酸化層
34 単結晶シリコンミラー
35 ヒンジ
36 上部電極部
37 ミラー部
38 エッチングホール
41 キャピラリ
42,43,51 光ファイバ
44 レンズ保持部
45 非球面レンズ
46,53 MEMS素子
47,54 電圧制御部
52 コリメートレンズ
Claims (5)
- 平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、
導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に貫通孔を有する基板と、
前記貫通孔に近接する位置に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするMEMS素子。 - 平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、
導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に第1の貫通孔、前記上部電極部に対向する部分の周囲に第2の貫通孔を有する基板と、
前記第1、第2の貫通孔の間の側方に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備することを特徴とするMEMS素子。 - 請求項1又は2記載のMEMS素子と、
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光減衰器。 - 請求項1又は2記載のMEMS素子と、
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スイッチ。 - 請求項1又は2記載のMEMS素子と、
前記MEMS素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記MEMS素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記MEMS素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スキャナ。
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