JP2005510990A - 多方向熱アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
ほぼ水平方向、ほぼ垂直方向、および/またはその組み合わせにおいて、反復して迅速に変位することができるマイクロメートル・サイズの多方向熱アクチュエータ。基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータは、基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカからそれぞれ片持ちにされている3つ以上の梁を備える。部材が、梁の遠位端部を機械的および電気的に結合する。梁のいずれか2つ以上の組み合わせを備える回路に電流を加えることにより、部材が、3つ以上の平行ではない径方向の1つにおいてそれぞれ変位する。
Description
本発明は、一般に、微小機械装置に関し、より具体的には、基板を水平に横断して、基板の表面から垂直方向に離れて、またはそれを組み合わせて反復して迅速な運動をすることができるマイクロメートル・サイズの熱アクチュエータ(サーマルアクチュエータ)に関する。
複雑な微小電子機械システム(MEMS)および微細光学電子機械システム(MOEMS)装置の製造は、微小機械装置技術における著しい前進を表す。現在、蝶番、シャッタ、レンズ、ミラー、スイッチ、偏光装置、およびアクチュエータなど、多くのマクロスケール装置についてマイクロメートル・サイズの類似物が作成されている。これらの装置は、例えば、ノース・カロライナ州リサーチ・トライアングル・パークにあるクロノス・インテグレーテッド・マイクロシステムズ(Cronos Integrated Microsystems(Research Trinangle Park,North Carolina))から入手可能なマルチユーザMEMS処理(MUMP)を使用して製造することができる。MEMS装置およびMOEMS装置の応用例には、データ記憶装置、レーザ・スキャナ、プリンタ・ヘッド、磁気ヘッド、マイクロ分光計、加速度計、走査探査顕微鏡、近距離場光学顕微鏡、光学スキャナ、光変調器、マイクロレンズ、光スイッチ、およびマイクロロボット工学などがある。
MEMS装置またはMOEMS装置を形成する1つの方法は、装置を基板上の適切な位置にパターン化することを含む。パターン化された際に、装置は、基板の上に平坦に存在する。例えば、蝶番構造または反射器装置の蝶番プレートは、両方とも、MUMPプロセスを使用して、基板の表面とほぼ共面になるように形成される。これらの装置を使用する1つの課題は、装置を基板の面外に移動させることである。
アクチュエータを微小機械装置と結合することは、これらの装置を基板の面外に移動させることを見込む。静電、圧電、熱、および磁気を含む様々なタイプのアクチュエータが、この目的のために使用されてきた。
1つのそのようなアクチュエータが、コーワンらによって「Vertical Thermal Actuator for Micro−Opto−Electro−Mechanical Systems」v.3226、SPIE、137〜146ページ(1997)に記載されている。図1に示すコーワン(Cowan)らのアクチュエータ20は、熱膨張を誘起するために、抵抗加熱を使用する。ホット・アーム22は、カンチレバー・アーム24より高く、したがって、熱膨張により、アクチュエータの先端26は、基板28の表面に向かって押しやられる。十分に大きい電流では、アクチュエータの先端26の下方偏向は、基板28と接触することによって停止され、ホット・アーム22は、上方に湾曲する。駆動電流を除去する際に、ホット・アーム22は、図2に示すように、湾曲した形状で急速に「フリーズ」して収縮し、アクチュエータの先端26を上方に引き上げる。
ホット・アーム22の変形は、永久的であり、アクチュエータの先端26は、力を加えなくても、上方に偏向したままであり、後屈アクチュエータ32を形成する。駆動電流をさらに加えることにより、後屈アクチュエータ32は、基板28の表面に向かう方向30に回転する。図2の後屈アクチュエータ32は、通常、セットアップまたは1回限り位置決めの応用に使用される。コーワンらに記載されたアクチュエータは、単一作動ステップにおいて45度を大きく超えて蝶番プレートを面外に回転させるまたは上昇させることができないという点で限定されている。
ハーシュ(Harsh)らの「Flip Chip Assembly for Si−Based Rf MEMS」、Technical Digest of the Twelfth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems、IEEE Microwave Theory and Techniques Society 1999、273〜278ページ;ハーシュ(Harsh)らの「The Realization and Design Considerations of aFlip−Chip Integrated MEMS Tunable Capacitor」80 Sensors and Actuators、108〜118ページ(2000);およびフェング(Feng)らの「MEMS−Based Variable Capacitor for Millimeter−Wave Applications」Solid−State Sensor and Actuator Workship、サウスカロライナ州ヒルトン・ヘッド・アイランド(Hilton Head Island,South Carolina)、2000年、225〜258ページには、フリップチップ設計に基づく様々な垂直アクチュエータが記載されている。通常の解放エッチング・ステップ中に、ベース酸化物層は、一部溶解し、残りのMEMS構成要素は解放される。次いで、セラミック基板をMEMS装置の暴露表面に結合し、ベース酸化物層のエッチングを完了することによって、ベース・ポリシリコン層を除去する(すなわち、フリップ・フロップ・プロセス)。結果として得られる装置は、ポリシリコン基板が全く存在しないキャパシタであり、キャパシタの上部プレートは、セラミック基板の上の対向プレートに向かって下方に移動するように制御可能である。装置は、ポリシリコン基板が除去されているが、その理由は、ポリシリコン層の漂遊容量の影響は、最小限度でも、装置の動作を妨害するからである。
45度より著しく大きい上昇角度が、二段階アクチュエータ・システムで達成可能である。二段階アクチュエータ・システムは、通常、垂直アクチュエータおよびモータからなる。垂直アクチュエータは、蝶番微小機械装置を基板から、45度より著しく大きくはない最大角度まで上昇させる。モータは、微小機械装置のリフト・アームに接続された駆動アームを有し、上昇を達成する。1つのそのような二段階組み立てシステムが、Reidらの「Automated Assembly of Flip−Up Micromirrors」、Transducers’97、Int’l Conf.Solid−State Sensors and Actuators、347〜350ページ(1997)に開示されている。これらの二段階アクチュエータは、通常、セットアップまたは1回限り位置決めの応用に使用される。
本発明は、ほぼ水平の方向、ほぼ垂直の方向、およびその組み合わせにおいて反復して迅速に変位することができるマイクロメートル・サイズの多方向熱アクチュエータに関する。いくつかの実施形態では、熱アクチュエータは、非活動位置に関して事実上あらゆる方向において径方向変位することができる。この場合、径方向は、ビームの縦軸に垂直な方向を指す。
一実施形態では、基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータは、非活動構成において基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた第1梁、第2梁、および第3梁を含む。第1梁、第2梁、および第3梁は、共面ではない。部材が、第1梁、第2梁、および第3梁の遠位端部を機械的に結合する。第1回路が、少なくとも第1梁を備え、それにより、第1回路に電流を加えることにより、部材が第1径方向に変位する。第2回路が、少なくとも第2梁を備え、それにより、電流を第2回路に加えることにより、部材が第2径方向に変位する。第3回路が、少なくとも第3梁を備え、それにより、電流を第3回路に加えることにより、部材が第3径方向に変位する。
一実施形態では、接地タブが、梁の1つ以上を基板に電気的に結合する。梁の1つ以上と地面との間に、抵抗を任意に配置することができる。一実施形態では、第1梁と第2梁は、第1回路を備え、第2梁と第3梁は、第2回路を備え、第3梁と第1梁は、第3回路を備える。他の実施形態では、第1梁と接地タブは、第4回路を備え、第2梁と接地タブは、第5回路を備え、第3梁と接地タブは、第6回路を備える。同じまたは異なるレベルの電流を、回路の1つ以上に同時に加えることができる。第1梁、第2梁、および第3梁は、対称または非対称の断面構成で配置することができる。
他の実施形態は、非活動構成において基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた第4梁を含む。第4梁は、部材に機械的に結合される。
第4梁の実施形態では、第1梁と第4梁は、第7回路を備え、それにより、電流を第7回路に加えることにより、部材が第7径方向に変位する。第2梁と第4梁は、第8回路を備え、それにより、電流を第8回路に加えることにより、部材が第8径方向に変位する。第3梁と第4梁は、第9回路を備え、それにより、電流を第9回路に加えることにより、部材が第9径方向に変位する。第1梁、第2梁、第3と、および第4梁は、対称または非対称の断面構成で配置することができる。
いくつかの実施形態では、多方向熱アクチュエータは、基板の表面に固定された第1端部と、部材に機械的に結合された遠位端部とを有するコールド・アームを含む。梁は、コールド・アームに関して対称または非対称に配置することができる。
本発明は、また、各梁が非活動構成において基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカから片持ちにされている少なくとも3つの梁を備え、梁の少なくとも1つが、他の2つの梁とは共面ではない、基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータをも対象とする。部材が、梁の遠位端部を機械的かつ電気的に結合し、それにより、いずれか2つ以上の梁の組み合わせを備える回路に電流を加えることにより、部材が、3つ以上の平行ではない径方向の1つにおいて、それぞれ変位する。
一実施形態では、基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータは、それぞれが基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカから片持ちにされた2つの下方ホット・アームと、それぞれが基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカから片持ちにされた2つの上方ホット・アームとを含む。2つの上方ホット・アームは、それぞれ、2つの下方ホット・アームより上に配置される。部材が、上方ホット・アームと下方ホット・アームの遠地端部を機械的かつ電気的に結合する。
アクチュエータは、電流が2つの下方ホット・アームまたは2つの上方ホット・アームに加えられたとき、垂直変位を呈する。アクチュエータは、電流が下方ホット・アームおよび下方ホット・アームより上に配置された上方ホット・アームの一方に加えられたとき、水平変位を呈する。アクチュエータは、電流がホット・アームのいずれか3つに加えられたとき、水平変位と垂直変位の両方を呈する。
一実施形態では、基板の表面に固定された第1端部と遠位端部とを有するコールド・アームは、上方ホット・アームおよび下方ホット・アームとほぼ平行に配置される。コールド・アームは、ホット・アームに関して対称に配置されることが好ましい。一実施形態では、コールド・アームは、上方ホット・アームと下方ホット・アームとによって限定されたほぼ矩形の空間内の中心に配置される。たわみが、任意に、コールド・アームにおいてその第1端部の付近に形成される。たわみは、凹部と、陥凹と、カットアウトと、孔と、材料が狭い、薄い、または弱い位置と、代替材料あるいは他の構造特徴と、またはその位置における湾曲に対する抵抗を低減する材料の変化との少なくとも1つを備える。他の実施形態では、コールド・アームは、強化部材を含む。強化部材は、コールド・アームにおいて一体形成することができる。金属層は、任意に、電流密度を低減するようにコールド・アームに沿って延在する。
一実施形態では、コールド・アームは、ホット・アームから電気的に絶縁される。他の実施形態では、ホット・アームとコールド・アームは、電流が流れることができる回路を備える。アクチュエータは、電流が、コールド・アームとホット・アームのいずれか1つ、ホット・アームのいずれか3つ、またはアームの2つの不均衡な組を備える回路に加えられたとき、水平変位と垂直変位の両方を呈する。ホット・アームの1つ以上を基板に電気的に結合するために、任意に接地タブを提供することができる。
複数の多方向熱アクチュエータを単一基板の上に形成することができる。少なくとも1つの光学装置を、多方向熱アクチュエータに機械的に結合することができる。光学装置は、反射器、レンズ、偏光子、導波路、シャッタ、または係合構造の1つを備える。本発明は、また、少なくとも1つの光学装置を含む光通信システムをも対象とする。
本発明は、微小機械装置用の多方向熱アクチュエータに関する。マイクロメートル・サイズの多方向熱アクチュエータは、ほぼ水平の方向、面からほぼ垂直の方向、またはその組み合わせにおいて、反復して迅速に移動することができる。本発明の多方向熱アクチュエータは、径方向変位の1つ以上の好ましい方向を有するように設計することができる。
本明細書で使用する際に、「ミクロ機械装置」は、基板の表面上に構築されたマイクロメートル・サイズの機械式、光学機械式、電気機械式、または光学電気機械式の装置を指す。ノース・カロライナ州リサーチ・トライアングル・パークのクロノス・インテグレーテッド・マイクロシステムズ(Cronos Integrated Microsystems、Research Triangle Park、North Carolina)のマルチユーザMEMS処理(MUMP)など、微小機械装置を製作する様々な技術が利用可能である。組み立て手順の1つの記述が、クロノス・インテグレーテッド・マイクロシステムズ(Cronos Integrated Microsystems)から入手可能な「MUMPs Design Hadbook」改定版6.0、(2001)に記載されている。
ポリシリコン表面微小機械加工により、集積回路(IC)業界で既知の平面製作プロセス・ステップは、微小電気機械装置または微小機械装置を製作するように適合される。ポリシリコン表面微小機械加工の標準的な構築ブロック・プロセスは、低応力多結晶シリコン(ポリシリコンとも呼ばれる)と犠牲材料(二酸化ケイ素またはシリケート・ガラスなど)との代替層の付着およびフォトリソグラフィック・パターニングである。所定の位置において犠牲層を通ってエッチングされたバイアは、アンカ点を基板に提供し、またポリシリコン層の間の機械的および電気的相互接続を提供する。装置の機能要素が、一連の付着およびパターニング・プロセス・ステップを使用して層ごとに構築される。装置構造が完成した後、ポリシリコン層に大きな影響を与えないフッ化水素酸などの選択したエッチング剤を使用して犠牲材料を除去することによって、装置構造を移動するように解放することができる。
その結果、一般に、電気相互接続および/または電圧基準面を提供するポリシリコンの第1層と、簡単な片持ち梁から複雑な電気機械システムに及ぶ機能要素を形成するために使用することができる機械ポリシリコンの追加層とからなる構造システムである。全構造は、基板に関して面内に配置される。本明細書で使用する際に、「面内」という用語は、基板の表面にほぼ平行な構成を指し、「面外」という用語は、基板の表面に対してゼロ度より大きい約90度までの構成を指す。
機能要素の通常の面内横方向の寸法は、1マイクロメートルから数百マイクロメートルにわたることがあり、一方、層の厚さは、通常、約1〜2マイクロメートルである。全プロセスは、標準的なIC製作技術に基づいているので、部品組み立て品を必要とせずに、多数の完全に組み立てられた装置をシリコン基板の上に一括して製作することができる。
図3〜5は、本発明による、基板52の上に構築された多方向熱アクチュエータ50の第1実施形態を示す。多方向熱アクチュエータ50は、基板52の表面上において面内に配向する。基板52は、通常、上に窒化ケイ素が付着した層を有するシリコン・ウエハを備える。本明細書で使用する際に、「多方向熱アクチュエータ」という用語は、基板にわたってほぼ水平に、基板からほぼ垂直に、またはその組み合わせで反復して移動することができる微小機械装置を指す。多方向熱アクチュエータは、任意に、径方向変位の1つ以上の好ましい方向を有することが可能である。径方向変位の好ましい方向において生成された力は、通常、湾曲の他の方向において生成された力より大きい。多方向熱アクチュエータは、通常、径方向変位の好ましい方向以外の方向における湾曲に対し、より大きな剛性または抵抗を有する。
多方向熱アクチュエータ50は、片持ち方式でアンカ54から延在する第1下方梁56を有するアンカ54と、第1下方梁56にほぼ平行に片持ち方式でアンカ58から延在する第2下方梁60を有するアンカ58とを含む。アンカ62は、片持ち方式でそれから延在する第1上方梁64と、第1上方梁64にほぼ平行に片持ち方式で延在する第2上方梁68を有するアンカ66とを含む。代替実施形態では、梁56、60、64、68の2つ以上を同じアンカから片持ちにすることが可能であるが、互いに電気的に絶縁する必要はない。
図5に最適に示すように、梁56、60、64、68は、ほぼ矩形の断面構成で構成される(図8も参照されたい)。本明細書で使用する際に、「断面構成」は、通常遠位端部の付近において梁の縦軸に垂直に取った断面図を指す。断面構成は、対称または非対称とすることができる。矩形断面構成の例は、図5および7に見られる。対称断面構成の例は、図5および7〜9に見られる。非対称断面構成を図10に示す。
図3に示す実施形態では、アンカ54、58、62、66は、それぞれ、電流を送達し、および/または梁56、60、64、68のいずれかを電気的に接地するために、1つ以上の電気トレース54A、58A、62A、66Aに接続される。トレース54A、58A、62A、66Aは、通常、基板52の縁に向かって延在する。ボール格子アレイ(BGA)、ランド格子アレイ(LGA)、プラスチック・リード・チップ・キャリア(PLCC)、ピン格子アレイ(PGA)、エッジ・カード、小型集積回路(SOIC)、二重インライン・パッケージ(DIP)、クワッド・フラッド・パッケージ(QFP)、リードレス・チップ・キャリア(LCC)、チップ・スケール・パッケージ(CSP)などの広範な電気接触装置および/または実装方法を使用して、アンカ54、58、62、66および/または梁56、60、64、68に電流を送達し、および/またはそれらの両端に抵抗を加えることができる。
様々な構成を使用して、個々の梁56、60、64、68に加える電流を変更することができる。一実施形態では、トレース54A、58A、62A、66Aは、対応する梁56、60、64、68の電流密度を低減するように加えることができる抵抗を有する。図12は、図3のアンカ66およびトレース66Aを概略的に示す。トレース66Aは、任意に、梁68に電流を提供するように適合された一連のコンタクト100、102、104を含むことができる。異なるコンタクト100、102、104に加える電流の量は、異なることができる。代替として、電流は、コンタクト100、102、104の様々な組み合わせに選択的に加えることができる。代替として、コンタクト100、102、104は、トレース66Aの電流の一部を接地に向け直すように適合された可変抵抗とすることができる。図13に示す他の実施形態では、トレース66Aは、幅が異なる一連のトレース120、122、124によって置き換えられる。電流は、コンタクト100、102、104に選択的に加えられる。しかし、より幅の広いトレース124は、より狭いトレース120より小さい抵抗を有する。
梁56、60、64、68は、部材72によってそれぞれの遠位端部において機械的に結合される。バイア70が、梁56、60、64、68を機械的に結合するために、部材72において形成される。他の構造を使用して、梁56、60、64、68、を部材72に機械的に結合することが可能である。梁56、60、64、68のいくつかまたはすべては、電気回路を形成するように、部材72において電気的に結合することができる。
一実施形態では、梁56、60、64、68のいずれかまたはすべては、接地タブ77によって基板52に電気的に結合することができる。接地タブ77は、梁56、60、64、68の1つ以上を基板52上の電気コンタクト79に片持ち構成および活動構成の両方で電気的に結合する。接地タブ77により、電流は、梁56などの単一の梁を流れて、部材72を方向90に変位させることが可能になる。接地タブ77は、基板52との接触を維持するように適合された柔軟部材またはばね部材とすることができる。タブ77などの接地タブは、本明細書で開示する実施形態のいずれかと共に使用することができる。
図3〜5の実施形態は、梁56、60、64、68をほぼ同じように示すが、梁56、60、64、68の材料および/または幾何形状は、所与の電圧について異なる電流密度を有するように適合することができる。一実施形態では、梁56、60、64、68のいくつかは、他の梁の線形熱膨張係数より小さい線形熱膨張係数を有する材料から形成される。他の実施形態では、梁56、60、64、68のいくつかは、より大きな断面積を有することによってより小さい電気抵抗を備える。他の実施形態では、伝導層が、梁56、60、64、68のいくつかの上に提供される。適切な伝導材料には、アルミニウム、銅、タングステン、金、または銀などの金属、半導体、およびポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリEDOT、および誘導体またはその組み合わせなどのドープ有機伝導性ポリマーがある。その結果、電流の所与のレベルについての梁56、60、64、68の正味の膨張は、特定の応用例に対して設計することができる。
本発明の適用可能な熱アクチュエータの他の態様が、2000年9月12日に出願された「Direct Acting Vertical Thermal Actuator」という名称の米国出願第09/659,572号、2000年9月12日に出願された「Direct Acting Vertical Thermal Actuator with Controlled Bending」という名称の米国出願第09/659,798号、2000年9月12日に出願された「Combination Horizontal and Vertical Thermal Actuator」という名称の米国出願第09/659,282号の本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願に開示されている。
梁56、60、64、68は、部材72が基板52より上に位置するように、基板52から物理的に分離される。図4に示す非活動または中立の構成では、梁56、60、64、68は、基板52の表面にほぼ平行である。本明細書で使用する際に、「非活動構成」は、すべての梁の間の電位差がほぼゼロであることを指す。
梁56、60、64、68の1つ以上の電流を選択的に加えることによって、部材72を、図5に示す中立または非活動構成から活動構成に動かすことができる。「活動構成」は、十分な電流を梁の1つ以上に加えて、部材72を非活動状態から変位させることを指す。同じまたは異なる量の電流を梁56、60、64、68の1つ以上に選択的に加えることによって、部材72を任意の径方向に移動させることができる。
電流が加えられた1つ以上の梁は、「ホット・アーム」であり、電流が加えられない、またはより少ない電流が加えられた梁は、コールド・アームである。本明細書で使用する際に、1つ以上の「ホット・アーム」は、電圧が印加されたとき、電流密度がコールド・アームより大きいために、コールド・アームより高い温度を有する梁または部材を指す。したがって、ホット・アームは、コールド・アームより大きい熱膨張を有する。1つ以上の「コールド・アーム」は、電圧が印加されたとき、電流密度がホット・アームのより小さいために、より低い温度を有する梁または部材を指す。いくつかの実施形態では、コールド・アームは、ゼロの電流密度を有する。
梁56、60、64、68の1つ以上を備える回路に電流を加えることができる。接地との接続を断絶することにより、梁56、60、64、68の1つ以上における電流の流れがほぼ停止される。単一の梁を備える回路では、回路を完成するために、接地タブ77を必要とする。電流を梁56、60、64、68に選択的に加え、および/または梁56、60、64、68の構成および特性を修正することによって、本発明の多方向熱アクチュエータは、中立位置からあらゆる径方向に移動することができる。本明細書で使用する際に、「径方向」は、梁の縦軸にほぼ垂直な方向を指す。以下で説明するように、電流密度を選択的に制御することができる少なくとも3つの非共面アームのあらゆる構成は、あらゆる径方向に可動である。
また、1つ以上の梁の電流密度を変更することが可能である。例えば、回路が3つの梁を含む場合、特定の梁における電流密度を選択的に限定するために、ホット・アームのいずれかと接地との間に抵抗を挿入することも可能である。この構成では、梁の2つは、第1電流密度(および第1熱膨張率)を有し、第3梁は、第2のより大きい電流密度と、第2(より大きい)熱膨張率とを有することができる。実際には、第3梁の電流は、第1電流密度を有する2つの梁に分割される。他の実施形態では、梁のそれぞれは、通常それぞれの幾何形状のために、異なる抵抗を有する。したがって、熱膨張率は、3つの梁のそれぞれについて異なることになる。
代替として、電流密度は、2つの梁と1つの接地タブとを含む構成の特定の梁において変更することができる。例えば、1つの梁と1つの接地タブとで、第1電流密度(および第1熱膨張率)を有する回路を形成することができ、第2梁は、第2のより小さい電流密度および第2(より小さい)熱膨張率をもたらす抵抗を含むことができる。
他の実施形態では、接地タブは、抵抗を備える。例えば、1つの梁と1つの接地タブとで、第1電流密度(および第1熱膨張率)を有する回路を形成することができる。第2梁は、第2のより大きい電流密度と第2(より大きい)熱膨張率とを有する。
いずれか2つの隣接する梁56、60、64、68に電流を選択的に加えることにより、部材72は、径方向80、82、84、86のいずれかにおいて移動する。径方向82、84は、x軸に対応し、径方向80、86は、z軸に対応する。例えば、電流は、梁56、64に加えられる。電流は、ホット・アーム56、64を加熱し、これにより、ホット・アームの長さが増大する。ホット・アーム56、64は、コールド・アーム60、68から横方向にずれるので、ホット・アーム56、64の長さが増大することにより、径方向82における部材72の水平変位が行われる。代替として、電流をホット・アーム60、68に加えることができる。ホット・アーム60、68の長さが、コールド・アーム56、64の長さと比較して増大することにより、径方向84における部材72の水平変位が行われる。本明細書で使用する際に、「水平変位」は、基板の面に平行な変位を指す。
他の例では、電流は、ホット・アーム56、60に加えられる。ホット・アーム56、60の長さが、コールド・アーム64、68の長さと比較して増大することにより、径方向80における部材72の垂直変位が行われる。代替として、ホット・アーム64、68の長さが、コールド・アーム56、60の長さと比較して増大することにより、径方向86における部材72の垂直変位が行われる。本明細書で使用する際に、「垂直変位」は、基板の面に垂直な変位を指す。
他の実施形態では、多方向熱アクチュエータ50は、水平と垂直の両方に連続して変位することができる。例えば、まず、電流をホット・アーム56、60に加えて、径方向80における部材72の垂直変位を行うことができる。電流が依然としてホット・アーム56、60に加えられている間、電流を梁64にも加えて、すでに垂直に変位した部材72を径方向82において水平に変位させることができる。
他の実施形態では、多方向熱アクチュエータ50は垂直と水平の両方に同時に変位することができる。例えば、電流を3つの梁56、60、64に加えて、径方向90における部材72の垂直変位と水平変位の両方を行うことができる。3つの梁56、60、64の熱膨張は、コールド・アーム68の剛性に容易に勝る。方向90における変位は、径方向変位の好ましい方向である。電流を梁56、60、64、68の3つのいずれかの組み合わせに加えることによって、径方向変位90、92、94、96の好ましい方向のいずれかにおいて部材72を変位させることができる。
他の実施形態では、梁56、60、64、68のいずれか3つに加える電流のレベルは、異なることができる。例えば、方向80と方向90の間の領域で変位するように、梁56、64より多くの電流を梁60に加えることができる。電流が停止されたとき、多方向熱アクチュエータ50は、図4および5に示す当初の非活動構成に戻る。上述したファクタも、変位の1つ以上の方向における運動を強調するように修正することができるが、すべての実施形態が、必ずしもすべての径方向において移動することができるわけではない。
熱アクチュエータ50によって生成される力は、電流を受ける梁の数と、それらの梁の電流密度と、梁の幾何形状とによっても影響を受ける。1つの梁のみの熱膨張によって誘起された変位は、2つの梁の熱膨張によって生成される変位より小さい変位力を生成する。2つの梁の熱膨張によって誘起された変位は、3つの梁の熱膨張によって生成される変位より小さい力を生成する。
図5に示す熱アクチュエータ50は、径方向変位90、92、94、96の好ましい方向において最大の力を生成するが、その理由は、この変位が行われるように、梁56、60、64、68の3つに同時に電流が加えられるからである。径方向80、82、84、86の運動は、電流を2つの隣接する梁にのみ加えることによって誘起されるので、それらの径方向における電位の力は、径方向90、92、94、96においてより小さい。他の例では、電流を3つの梁56、60、64に加えることによって径方向90に生成される変位力は、梁56のみの熱膨張によって径方向90において生成される力より大きい。したがって、梁の断面構成は、特定の径方向における力の生成を最大にするように設計することができる。
図6および7は、本発明による、基板152の上に構築された多方向熱アクチュエータ150の第2実施形態を示す。図6および7の多方向熱アクチュエータ150は、図3の多方向熱アクチュエータ50とほぼ同様であるが、アンカ153から片持ち方式で延在する中心に配置された梁151が追加されている点が異なる。
多方向熱アクチュエータ150は、片持ち方式でアンカ154から延在する第1下方梁156を有するアンカ154と、第1下方梁156にほぼ平行に片持ち方式でアンカ158から延在する第2下方梁160を有するアンカ158とを含む。アンカ162は、片持ち方式でそれから延在する第1上方梁164と、第1上方梁164とほぼ平行に片持ち方式で延在する第2上方梁168を有するアンカ166とを含む。
梁151は、構造担体をアクチュエータ150に追加し、および/または共通の接続を電気接地に提供し、それにより、梁156、160、164、168の1つ以上に電流を供給することができる。示した実施形態では、梁151は、梁156、160、164、168に関してほぼ対称に配置される。一実施形態では、梁151は、梁156、160、164、168によって画定される矩形空間の内部に配置される。梁151は、梁156、160、164、168に関して非対称に配置することもできる。
図6に示す実施形態では、アンカ153、154、158、162、166は、それぞれ、電流を送達するために、および/または梁151、156、160、164、168のいずれかを電気的に接地するために、電気トレース153A、154A、158A、162A、166Aに接続される。
梁151、156、160、164、168は、部材172によってそれぞれの遠位端部において機械的に結合される。バイア170が、梁151、156、160、164、168を機械的に結合するために、部材172において形成される。他の構造を使用して、梁を部材に機械的に結合することも可能である。梁151、156、160、164、168の2つ以上を電気的に結合して、回路を形成することができる。代替として、接地タブを使用して、梁156、160、164、168の1つ以上を地面に接続することができる(図4参照)。非活動構成では、梁151、156、160、164、168は、基板152の表面にほぼ平行である。
示した実施形態では、梁151は、電流密度を最小限に抑えるために、および/または構造安定性を多方向熱アクチュエータ150に追加するために、より大きな断面積を有する。一実施形態では、梁151は、梁156、160、164、168を構築するために使用する材料より小さい電気抵抗を有する材料で構築される。他の実施形態では、梁156、160、164、168の電流密度と比較して電流密度を低減するために、伝導層が、梁151の上に提供される。その結果、所与のレベルの電流についての梁156、160、164、168の正味の膨張が、梁151の膨張より大きくなる。すなわち、梁151は、コールド・アームとして動作する。
示した実施形態では、梁156、160、164、168は、ほぼ等しい断面積を有する。梁156、160、164、168は、図3〜5に関して議論したように、ほぼ矩形の構成で配置される。代替実施形態では、梁156、160、164、168の配置は、梁151に関して回転させることができる(例えば図8参照)。
コールド・アーム151と、部材172と、梁154、160、164、168の1つ以上とで回路を形成することができる。共通のコールド・アーム151により、梁156、160、164、168の1つ以上に電流を選択的に加えることが可能になり、それにより、部材172を任意の径方向において変位させることができる。いずれか2つの隣接する梁156、160、164、168に電流を加えることによって、部材172は、上記で議論したように、径方向180、182、184、186のいずれかにおいて変位することができる。コールド・アーム151の断面形状のために、方向180、186は、径方向の好ましい方向である。
コールド・アーム151は、随意選択として、強化部材200および/またはアンカ153の付近に形成されたたわみ202を含むことができる。本明細書で使用する際に、「強化部材」は、1つ以上のリッジ、バンプ、溝、または湾曲に対する抵抗を増大する他の構造上の特徴を指す。強化部材は、コールド・アーム151と一体であることが好ましい。示した実施形態では、強化部材200は、コールド・アーム151の一部に沿って延在するカンチレバー・リッジであるが(図7参照)、矩形、正方形、三角形、または様々な他の形状とすることができる。さらに、強化部材200は、コールド・アーム151の中心において、またはその縁に沿って配置することができる。複数の強化部材を使用することも可能である。
本明細書で使用する際に、「たわみ」は、凹部と、陥凹と、孔と、スロットと、カットアウトと、材料が狭い、薄い、若しくは弱い位置と、代替材料若しくは他の構造上の特徴と、または特定の位置において被制御湾曲を提供する材料変更とを指す。本明細書で使用する際に、「被制御湾曲」は、多方向熱アクチュエータの梁に沿って分布するのではなく、主に離散した位置において生じる湾曲を指す。被制御湾曲は、径方向変位の好ましい方向を提供する他の機構である。たわみとして使用するのに適した代替材料には、ポリシリコン、金属、または高分子材料がある。たわみ202は、コールド・アーム151の最も柔軟なセクションを備え、したがって、多方向熱アクチュエータ150の活動中に最も湾曲しやすい位置を備える。
たわみ202および梁156、160、164、168の剛性と比較したコールド・アーム151の剛性により、多方向熱アクチュエータ150の湾曲の大きさ(方向および量)がかなりの程度まで決定される。一実施形態では、強化部材200は、たわみ202と組み合わせて使用される。他の実施形態では、強化部材200は、コールド・アーム151の一部に沿って延在するが、たわみは使用されない。強化部材200のないコールド・アーム151の部分は、被制御湾曲の位置である。他の代替実施形態では、たわみ202が被制御湾曲の位置であるように、たわみ202は、強化部材200のないコールド・アーム151において形成される。
図8は、図5と同様の熱アクチュエータ50Aの断面図であるが、梁56A、60A、64A、68Aの配向が45度回転されている点が異なる。電流をいずれか2つの隣接する梁に加えることにより、径方向90、92、94、96の1つにおいて変位することになる。電流をいずれか3つの梁56A、60A、64A、68Aに加えることにより、方向80、82、84、86の1つにおいて径方向変位することになる。
図9は、図5と同様の熱アクチュエータ210の梁が3つの型の断面図である。示した実施形態では、梁212、214、216は、対称に配置される。梁212、214、216の1つに電流を加えることにより(通常、図4に示した接地タブを使用して)、径方向220、222、224の1つにおいて変位することになる。電流をいずれか2つの隣接する梁212、214、216に加えることにより、径方向230、232、234の1つにおいて変位することになる。梁212、214、216は、ほぼ対称に配置されるが、1つ以上の方向における変位を強調する非対称の型も可能である。
図10は、図5と同様の熱アクチュエータ240の代替3梁型の断面図である。梁242、244、246は、非対称に配置される。梁242は、梁244、246より大きい断面積(したがってより小さい電流密度)を有する。梁242、244、246の1つに電流を加えることにより(通常、図4に示した接地タブを使用して)、径方向250、252、254の1つにおいて変位することになる。2つの隣接する梁246、244に電流を加えることにより、径方向256において変位することになる。
個々の梁242、244、246の配置および幾何形状により、熱アクチュエータ240は、方向252における変位の好ましい方向と、方向250における変位の二次的なより好ましくはない方向とを有する。この結果は、主に、梁242が、方向250より方向252において容易に湾曲するということによる。
図11は、光学装置352の4×4アレイを使用する光スイッチ350の概略図である。本明細書で使用する際に、「光学装置」は、反射器、レンズ、偏向装置、導波路、シャッタ、または係合装置を指す。光学装置352のそれぞれは、本明細書で示した1つ以上の多方向熱アクチュエータに機械的に結合される。面内位置において、光学装置352は、入力光ファイバ354a〜354dの光路の中には延在しない。面外構成において、光学装置352は、入力光ファイバ354a〜354dの光路の中に延在する。垂直ミラー352の列は、入力ファイバ354a〜354dのいずれかからの光信号を、多方向熱アクチュエータを選択的に作動させることにより、出力ファイバ356a〜356dのいずれかに光学的に結合することを可能にするように配置される。図11に示す光スイッチ350は、単に例示である。本多方向熱アクチュエータは、オン/オフ・スイッチ(光ゲート)、2×2スイッチ、1×nスイッチ、または様々な他のアーキテクチャなど、多様な光スイッチ・アーキテクチャのいずれかにおいて使用することが可能である。光学装置は、光通信システムの一部とすることができる。
Claims (46)
- 基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータであって、
非活動状態において、前記基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた第1梁と、
非活動状態において、前記基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた第2梁と、
非活動状態において、前記基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた第3梁とを備え、前記第1梁、前記第2梁、および前記第3梁が共面ではなく、
さらに前記第1梁、前記第2梁、および前記第3梁の遠位端部を機械的に結合する部材と、
少なくとも前記第1梁を備える第1回路であって、電流を前記第1回路に加えることによって前記部材が第1径方向に変位する、第1回路と、
少なくとも前記第2梁を備える第2回路であって、電流を前記第2回路に加えることによって前記部材が第2径方向に変位する、第2回路と、
少なくとも前記第3梁を備える第3回路であって、電流を前記第3回路に加えることによって前記部材が第3径方向に変位する、第3回路と、
を備える多方向熱アクチュエータ。 - 前記第1梁、前記第2梁および前記第3梁の1つ以上を前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項1に記載の装置。
- 前記梁の1つ以上と接地との間に配置された抵抗を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1回路が、前記第1梁および前記第2梁を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第2回路が、前記第2梁および前記第3梁を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第3回路が、前記第3梁および前記第1梁を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1梁および接地タブが第4回路を備え、電流を前記第4回路に加えることによって前記部材が第4径方向に変位する、請求項1に記載の装置。
- 前記第2梁および接地タブが第5回路を備え、電流を前記第5回路に加えることによって前記部材が第5径方向に変位する、請求項1に記載の装置。
- 前記第3梁および接地タブが第6回路を備え、電流を前記第6回路に加えることによって前記部材が第6径方向に変位する、請求項1に記載の装置。
- 非活動状態において、前記基板の表面にほぼ平行に延在するように、第1端部においてアンカから片持ちにされた少なくとも第4梁を備え、前記第4梁が前記部材に機械的に結合される、請求項1に記載の装置。
- 前記第1梁および前記第4梁を備える第7回路であって、電流を前記第7回路に加えることによって前記部材が第7径方向に変位する、第7回路と、
前記第2梁および前記第4梁を備える第8回路であって、電流を前記第8回路に加えることによって前記部材が第8径方向に変位する、第8回路と、
前記第3梁および前記第4梁を備える第9回路であって、電流を前記第9回路に加えることによって前記部材が第9径方向に変位する、第9回路と、
を備える、請求項10に記載の装置。 - 前記第1梁と、前記第2梁と、前記第3梁とを備える第10回路を有し、前記第10回路に印加することによって前記部材が第10径方向に変位する、請求項11に記載の装置。
- 前記第10回路が、前記第1梁の第3電流密度と、前記第3電流密度より小さい前記第2梁の第4電流密度とを備え、それにより前記部材が第11径方向に変位する、請求項12に記載の装置。
- 前記基板の表面に固定された第1端部と、前記部材に機械的に結合された遠位端部とを備えたコールド・アームを有する、請求項1に記載の装置。
- 前記基板の表面に固定された第1端部と、前記部材に機械的かつ電気的に結合された遠位端部とを備えたコールド・アームを有する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1梁と、前記第2梁と、前記第3梁とが、対称断面構成を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1梁と、前記第2梁と、前記第3梁とが、非対称断面構成を備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1梁と、前記第2梁と、前記第3梁と、前記第4梁とが、ほぼ矩形の断面構成を備える、請求項10に記載の装置。
- 複数の多方向熱アクチュエータを前記基板上に備える、請求項1に記載の装置。
- 基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータであって、
少なくとも1つの梁が他の2つの梁と共面ではない少なくとも3つの梁であって、該少なくとも3つの梁の各々が、非活動状態において前記基板の前記表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカから片持ちにされる、少なくとも3つの梁と、
電流を前記少なくとも3つの梁のいずれか2つ以上の組み合わせを備える回路に加えることにより、3つ以上の平行ではない径方向の1つにおいて変位する、前記梁の遠位端部を機械的に結合する部材と、
を備える多方向熱アクチュエータ。 - 基板の表面上に構築された多方向熱アクチュエータであって、
ほぼ矩形の断面構成に配置される4つの梁であって、該4つの梁の各々が、前記基板の前記表面にほぼ平行に延在するように、第1端部において1つ以上のアンカから片持ちにされる、4つの梁と、
前記梁の遠位端部を機械的に結合する部材と、
を備える多方向熱アクチュエータ。 - 前記梁の2つが上方梁を備え、前記梁の2つが下方梁を備え、2つの前記上方梁が、前記基板の前記表面に関して2つの前記下方梁より上に配置される、請求項21に記載の装置。
- 電流が2つの前記下方梁に加えられたときに、前記アクチュエータが垂直上方に変位する、請求項22に記載の装置。
- 電流が2つの前記上方梁に加えられたときに、前記アクチュエータが垂直下方に変位する、請求項22に記載の装置。
- 電流が前記下方梁と前記下方梁より上に配置された前記上方梁との一方に加えられたときに、前記アクチュエータが水平に変位する、請求項22に記載の装置。
- 前記梁の1つが、他の前記梁より上に配置され、前記梁の2つが互いに横方向にずれている、請求項21に記載の装置。
- 電流が前記梁のいずれか3つに加えられたときに、前記アクチュエータが水平及び垂直の双方に変位する、請求項21に記載の装置。
- 前記表面に固定された第1端部と、前記部材に取り付けられた遠位端部とを有するコールド・アームを備え、前記コールド・アームが、前記梁によって画定されたほぼ矩形の空間内において前記梁とほぼ平行に配置される、請求項21に記載の装置。
- 前記梁に関して中心に配置されたコールド・アームを備え、前記コールド・アームが、前記表面に固定された第1端部と、前記部材に接続された遠位端部とを有する、請求項21に記載の装置。
- 前記梁に関して対称に配置されたコールド・アームを備え、前記コールド・アームが、前記表面に固定された第1端部と、前記部材に接続された遠位端部とを有する、請求項21に記載の装置。
- 前記表面に固定された第1端部と、前記部材に取り付けられた遠位端部とを有するコールド・アームを備える、請求項21に記載の装置。
- 被制御湾曲を提供するように構成された、前記コールド・アームにおいてその前記第1端部の付近に形成されたたわみを備える、請求項31に記載の装置。
- 前記たわみが、凹部と、陥凹と、カットアウトと、孔と、材料が狭い、薄い、若しくは弱い位置と、代替材料若しくは他の構造上の特徴と、またはその位置における湾曲に対する抵抗を低減する材料変更との少なくとも1つを備える、請求項32に記載の装置。
- 前記コールド・アームに形成された強化部材を備える、請求項31に記載の装置。
- 前記強化部材が前記コールド・アームに一体形成される、請求項34に記載の装置。
- 前記コールド・アームに沿って延在する金属層を備える、請求項31に記載の装置。
- 前記コールド・アームが、前記梁から電気的に絶縁される、請求項31に記載の装置。
- 前記梁および前記コールド・アームが、電流が流れる回路を備える、請求項31に記載の装置。
- 電流が前記コールド・アームと前記梁のいずれか1つとを備える回路に加えられたときに、前記アクチュエータが水平及び垂直の双方に変位する、請求項31に記載の装置。
- 電流が前記コールド・アームと前記梁のいずれか3つとを備える回路に加えられたときに、前記アクチュエータが水平及び垂直の双方に変位する、請求項31に記載の装置。
- 前記コールド・アームが、所与の電圧において前記梁より小さい電流密度を有する、請求項31に記載の装置。
- 前記梁の1つ以上を前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項21に記載の装置。
- 複数の多方向熱アクチュエータを前記基板上に備える、請求項21に記載の装置。
- 前記多方向熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも1つの光学装置を備える、請求項21に記載の装置。
- 前記光学装置が、反射器、レンズ、偏向器、導波路、シャッタ、または係合構造の1つを備える、請求項44に記載の装置。
- 少なくとも1つの光学装置を含む光通信システムを備える、請求項44に記載の装置。
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