JP2008529813A - 移動ビームを備えるマイクロ機械デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は移動ビーム（１）を備えるマイクロ機械デバイスに関し、前記ビームはその２つの端部（２）によって硬質フレーム（３）に対して取り付けられ、硬質フレーム（３）にはそれぞれが２つの端部（５）を有する２つのアーム（４）が設けられている。アーム（４）の端部（５）はそれぞれ移動ビーム（１）の２つの端部（２）に固定される。各アーム（４）は、対応するアーム（４）の２つの端部（５）間に配置された中央部分（６）を有している。各アーム（４）の中央部分（６）の後面はベース支持体（１０）に取り付けられている。フレーム（３）は、ビームの応力状態を調整するための少なくとも１つの応力要素（１１）を備えている。応力要素（１１）は、対応するアーム（４）の前面と後面との間に中心付けることができる。フレーム（３）は、アーム（４）の前面および後面上に互いに対向するようにそれぞれ配置された前側および後側応力要素（１１）の対を備えることができる。

Description

本発明は、その２つの端部を介して硬質フレームに対して取り付けられた移動ビームを備え、ビームが所定の応力状態を有するマイクロ機械デバイスに関する。

移動ビームを備えるマイクロ機械デバイスによれば、共振器、可変コンデンサ、広偏向光学ミラー、不揮発性メモリ、力センサ、加速度計、双安定または非双安定マイクロスイッチ等を製造することができる。移動ビームを備えるマイクロ機械デバイスの動作および製造における主要な問題のうちの１つは、残留応力、特にビーム中の残留応力である。残留応力は、例えばスイッチの作動電圧およびデバイスの信頼性に悪影響を及ぼす。特に、デバイスはしばしば高い作動電圧を必要とする。また、ビームの残留応力は、ビームの中央における垂直偏向（ビームの撓み）にも影響を与える。撓みの初期値は、コンデンサの可変静電容量の値を決定し、あるいは、双安定マイクロスイッチの接触力および安定性を決定する。ビームの応力の状態は、特に、使用される材料の堆積方法に起因する残留応力によって決定される（応力の状態はビームの幾何学的形状にも関連付けられる）。

本発明の目的は、これらの欠点を改善することであり、特に、必要なエネルギ、例えば静電制御されるマイクロ機械デバイスの作動電圧または熱膨張によって制御されるデバイスの作動電流が減少されるとともに、撓みを制御できるデバイスを提供することである。

本発明によれば、この目的は、フレームが２つのアームを備え、各アームが、移動ビームの２つの端部にそれぞれ固定される２つの端部を有するとともに、対応するアームの２つの端部間に配置された中央部分を有し、アームおよび当該アームの中央部分が前面および後面を有し、各アームの中央部分の後面がベース支持体に対して取り付けられ、フレームが、ビームの応力の状態を調整できるようにする少なくとも１つの応力要素を備えているという事実によって達成される。

応力要素は、引張応力がかけられた薄層または圧縮応力がかけられた薄層によって形成することができる。

他の利点および特徴は、単なる非限定的な実施例目的で与えられ且つ添付図面に示される本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明確に分かるようになる。

図１において、マイクロ機械デバイスは、その２つの端部２を介して硬質フレーム３、好ましくは平坦フレームに対して取り付けられた移動ビーム１を備えている。ビーム１は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または単結晶或いは多結晶シリコンによって形成されている。フレーム３は、例えば、場合により１つの金属または複数の金属または金属系窒化化合物、例えばＴａＮ或いはＴｉＮ、または、圧電材料、例えばＡｌＮが添加された、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または単結晶或いは多結晶シリコンによって形成することができる。特定の実施形態において、フレーム３は、ＰＥＣＶＤ法によって得られ且つビーム１も形成する低応力二酸化ケイ素（低応力ＳｉＯ_２）から成る層によって形成されている。フレーム３に対応するこの層の部分は、窒化ケイ素層（例えば、高周波プラズマ蒸着によって堆積される）を備えることもできる。

フレーム３は２つのアーム４を備えており、各アームは、移動ビーム１の２つの端部２に固定された２つの端部５をそれぞれ有している。各アーム４は、対応するアーム４の２つの端部５間に配置された中央部分６を有している。

フレーム３は移動ビーム１に対して硬質でなければならない。すなわち、ビーム１がフレーム３に及ぼす応力の結果として変形できるフレーム３の能力は無視できる。例えば、マイクロ機械デバイスが作動しているときにビーム１が最大応力下にある場合、フレーム３の相対的な変形は０．０１％未満である。フレーム３の厚さはビーム１の厚さよりも例えば３倍大きく、各アーム４の幅はその厚さよりも例えば１０倍大きい。ビーム１の幅は、アーム４の断面積がビーム１の断面積よりも約３倍大きくなるようにアーム４の幅に匹敵し得る。また、アーム４の材料は、ビーム１の材料のヤング率よりも高いヤング率を有することが好ましい。双安定マイクロスイッチを得るため、ビーム１は一般に５００ミクロンの長さおよび５０ミクロンの幅を有し、また、アームは１００ミクロンの幅を有している。

図２に示されるように、フレーム３のアーム４および中央部分６は前面７および後面８を有している。各アーム４の中央部分６は、ベース支持体１０に貼り付け固定された支持ブロック９上に前記後面８を用いて配置することができ、それにより、フレーム３およびビーム１がベース支持体１０から分離されるようになっている。ベース支持体１０は例えば平坦である。

本発明の第１の特定の実施形態において、フレーム３は、少なくとも１対の応力要素（ストレスがかけられた要素）１１、すなわち、アーム４の前面７上および後面８上にそれぞれ互いに対向して配置された前側要素１１ａおよび後側要素１１ｂを備えている。図１では、フレーム３が４対の応力要素１１を備えており、特に各アーム４毎に２対の応力要素が、対応するアーム４の中央部分６の両側にそれぞれ配置されている。図２には、２対の要素１１が示されており、前側要素（１１ａ）および後側要素（１１ｂ）が中央部分６の両側、したがって、支持ブロック９の両側でそれぞれアーム上に配置されている。前側要素（１１ａ）および後側要素（１１ｂ）から成る第１の対は図２の左側に配置されており、また、前側要素（１１ａ）および後側要素（１１ｂ）から成る第２の対は図２の右側に配置されている。

要素１１により、移動ビーム１の応力の状態を制御することができ、したがって、ビーム１の圧縮応力または引張応力を調整することができる。これにより、特に、ビーム１の変形を制御できる。

応力要素１１は、引張応力がかけられた薄層または圧縮応力がかけられた薄層によって形成することができる。また、各要素１１は薄層の積層体によって形成することもできる。図２に示される要素１１は、矢印１２により表わされるように引張応力がかけられた薄層である。したがって、ビーム１が圧縮応力を受けると、この圧縮応力が増大され、一方、ビーム１の引張応力は要素１１の引張応力によって減少される。双安定スイッチにおいて、ビーム１は強い圧縮下にあることが好ましく、それにより、２つの非常に安定した平衡状態を得ることができる。なお、この場合、ビームは長手方向の応力を有する。応力は、ビームの主要な動きの前に調整される。すなわち、ビームは、応力が調整されるときには動かない。

ビーム１を座屈させることにより２つの安定した位置を得ることができ、そのためには、ビーム１の圧縮応力に起因する力をオイラーの第１限界荷重よりも大きくする必要がある。圧縮応力は、一方ではビーム１に適する応力、すなわち、堆積プロセスによる残留応力に起因し、他方ではビーム１の圧縮応力を増大させるフレーム３の要素１１の引張応力に起因している。

要素１１がアーム４の２つの面すなわち前面７および後面８上に配置されると、アーム４に横方向の力を及ぼすバイメタル型効果が回避される。したがって、応力は本質的にアーム４に長手方向の力を形成する。一対の要素の前側要素１１ａが対応する後側要素１１ｂと同じ厚さ、同じ残留応力、同じヤング率を有していない場合、要素１１ａ，１１ｂの厚さは、任意のバイメタル型効果を防止するようになっていなければならない。厚さを決定するため、連続媒体力学から知られるフックの法則、すなわち、残留応力を歪みに関連付ける法則を使用する計算によって第１の値を得ることができる。その後、当業者は連続試行によって進めることができる。１ミクロン未満の厚さを有する薄層として堆積された材料の特性（弾性率、残留応力）は実際にはあまり良く知られていない。あらゆる場合において、一対の要素の前側要素１１ａによってアーム４のうちの１つに対して及ぼされる前方力は、対応する後側要素１１ｂによって同じアーム４に対して及ぼされる後方力とほぼ等しいことが好ましい。前側要素１１ａおよび後側要素１１ｂを適合させるため、他の想定し得る解決策は、ビームが組み込まれるフレームに位置され且つ要素１１を堅くするパターン、例えばアーム４の長手方向のラインを含ませることである。

代替的な実施形態において、応力要素１１は第１のアクチュエータを備えることができる。図３に示されるように、各要素１１は第１のアクチュエータによって形成されることが好ましい。第１のアクチュエータは、アーム４の前面７上および後面８上にそれぞれ配置される。したがって、この代替的な実施形態において、前側および後側要素１１は能動的であり、一方、前述した実施形態において、前側および後側要素１１は受動的である。

要素１１を形成する第１のアクチュエータは、特に、双安定スイッチの場合に興味深い。双安定スイッチは、図１に示されるビーム１の作動のための第２のアクチュエータ１５を更に備えていても良い。例えばマイクロスイッチの場合、第２のアクチュエータ１５によるビーム１の作動によって、ビーム１の底面上および支持体１０上にそれぞれ配置された導電要素間に電気的な接触を確立することができる。

第２のアクチュエータによって実行される切り換えが行なわれるときの残留応力は、第１のアクチュエータによって緩和することができる。これにより、結果として移動ビーム１の破損をもたらす場合がある高い応力の出現が防止される。本発明に係る双安定スイッチによれば、高い接触力および平衡位置の大きな安定性を得ることができると同時に、切り換えを可能にできる。その結果、スイッチは、外部環境の影響に対する、例えば衝撃または外力またはポテンシャル場に対する良好な耐性を有する。

要素１１の第１のアクチュエータによりフレーム３中の応力を変えることができ、それにより、ビーム１の内部の圧縮応力および引張応力が減少される。これにより、第１の位置から第２の位置へのスイッチの切り換えが容易になる。第１のアクチュエータは、熱アクチュエータ、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、電磁アクチュエータ、磁歪アクチュエータから選択されることが好ましい。第１のアクチュエータは例えば薄層によって形成されるアクチュエータである。

圧電アクチュエータの場合、第１のアクチュエータを構成する層は、例えば、窒化アルミニウムから成り、ジルコニウム、チタン、鉛、酸素を備える化合物、例えばＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３から成り、または、マグネシウム、ジルコニウム、ニオブ、鉛、酸素を備える化合物、例えばｘＰｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−（１−ｘ）ＰｂＴｉＯ_３から成っている。２つの異なるタイプのアクチュエータを使用するデバイスを考えることができる。図３では、電源１３により、第１のアクチュエータを構成する各薄層の端部に電圧を印加することができ、それにより、例えば矢印１４で示される圧縮応力などの応力を得ることができる。また、応力は引張応力であっても良い。作動が行なわれると、支持体１０の方向で或いは支持体から離れる方向で屈曲を引き起こすことなくアーム４の長手方向の伸びまたは縮みが得られる。

熱アクチュエータは例えば金属層によって形成される。電流が金属層を通じて流れると、これらの層の堆積が増大し、フレーム３に対して引張力を及ぼすことができる。高い熱膨張係数、低い熱容量、良好な耐温度性、高いヤング率を有する金属が選択されることが好ましい。リソグラフィステップでは、ビーム１の長手方向の変形を増大させることができる特定の形状がこの薄層に与えられることが有益である。

ビーム１は、例えば、４つの第２のアクチュエータ１５、特に、ビーム１の底面上に位置された２つの第２のアクチュエータ１５と、ビーム１の上面に位置された２つの第２のアクチュエータ１５とを備えることができ、それにより、第２のアクチュエータ１５のみを使用してビーム１を作動させることができる。他の代替的な実施形態では、ビーム１が２つの第２のアクチュエータ１５のみを備えており、それにより、ビーム１の１つの安定位置、例えば２つの引張応力がかけられた要素がビーム１の上面に配置される場合には上端位置、または、２つの圧縮応力がかけられた要素がビーム１の上面に配置される場合には下端位置を与えることができる。第２のケースでは、安定性が低い位置へ切り換えるために第２のアクチュエータ１５および第１のアクチュエータが使用されなければならないが、安定性が最も高い位置へ切り換えるためには、第１のアクチュエータのみを作動させれば済む。

本発明に係るデバイスは任意の幾何学的形状を有することができる。したがって、図４および図５に示されるように、フレーム３は菱形の形状または円形の形状を成すことができる。要素１１は、例えば、フレーム３のアーム４の全体を覆うことができる。

共振器および可変コンデンサにおいては、共振周波数およびキャパシタンスの初期値をそれぞれ調整することができる。力センサの場合には、トリガ閾値を調整することができる。非双安定スイッチでは、作動電圧を調整することができ、特に作動電圧を減少させることができ、それにより、電気的な作動電圧を減らすことができる。これらの全ての調整は、デバイスの動作前または動作中に行なうことができる。

圧縮応力がかけられた層は、例えば、低周波プラズマ蒸着による二酸化ケイ素または窒化ケイ素系の層の堆積によって得ることができる。引張応力がかけられた層は、窒化ケイ素の堆積（例えば低周波プラズマ蒸着による）によって、窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化チタン（ＴｉＮ）の堆積によって、あるいは、例えばタンタル、プラチナ、金、銀、アルミニウム、マンガン、亜鉛、ニッケルなどの金属の堆積によって、あるいは、ニッケル系合金（例えばインコネルＦｅＮｉＣｒ）の堆積によって得ることができる。金属は、良好な膨張能力を示す高い熱膨張係数を有するという利点をもっている。

図６において、マイクロスイッチの第２のアクチュエータ１５は作動電極を備えており、各作動電極は、ビーム１上に配置された中央領域１６と２つの突出した柔軟な側翼部１７とをビーム１に対して横方向に備えている。各側翼部１７は、ビーム１の中心Ｃに近い翼部１７の一側に配置された狭い接続領域１８によって、対応する中央領域１６に対して取り付けられている。電気的な作動電圧が第２のアクチュエータ１５の作動電極と支持体１０上に配置された対抗電極との間に印加されると、側翼部１７の自由端１９が支持体１０の方向に屈曲し、したがって、自由端１９における静電引力が増大する。そのため、自由端１９が更に屈曲してビーム１を支持体１０の方向に付勢する。この場合、翼部１７とビーム１との間の対応する力は接続領域１８により伝えられる。側翼部１７を加えることにより、スイッチの電気的な作動電圧を更に減少させることができる。

図６において、各アーム４の中央部分６は横方向延在部２０を備えている。横方向延在部２０は例えばフレーム３の面内に配置されており、また、アーム４の横方向延在部２０の下側には支持ブロック９が配置されている。したがって、中央部分６は、横方向延在部２０によって支持ブロックに対して接続されている。また、ビーム１およびアーム４の少なくとも端部５がベース支持体１０から離間されるようにベース支持体１０に対して直接に横方向延在部２０を取り付けることも想定し得る。横方向延在部２０が例えばそれ自体で支持ブロックを形成することができる。支持体１０は、移動ビーム１と対向配置されるキャビティを備えることができる。

図６では、４つの応力要素１１ｃが各アーム４にそれぞれ２つずつフレーム３に組み込まれている。アーム４の２つの要素１１ｃはそれぞれ、アーム４の中央部分６の両側で、中央部分６と対応する端部５との間に位置して配置されている。図７に示されるように、２つの要素１１ｃは対応するアーム４の前面７と後面８との間に中心付けられており、これにより、本質的に応力がアーム４に長手方向の力を生み出し、それにより、任意のバイメタル型効果を避けることができる。この場合、アーム４の中立ファイバに対して対称的に、すなわち、吊り下げられたアセンブリの中央に対して対称的に要素１１ｃを配置することが重要である。要素１１ｃは、電流が流れるときに拡張する能動素子、例えば熱素子であることが好ましい。要素１１ｃは、蛇行部を備える形状を有することができる。フレーム３を強化するため、一方では要素１１ｃと、他方ではアーム４の前面７および後面８をそれぞれ形成する材料との間に１つ以上の更なる層を配置することができる。

また、第２のアクチュエータ１５は、対応する前面と後面との間すなわちビーム１の前面と後面との間に中心付けられるように配置することもできる。また、ビーム１は、一方では第２のアクチュエータ１５と他方ではビーム１の前面および後面をそれぞれ構成する材料との間に配置される１つ以上の更なる層によって強化することもできる。第２のアクチュエータ１５は、好ましくは要素１１と同時に得られる熱能動素子である。

本発明に係るデバイスを製造するためには、最初に、使用されるべき薄層の機械的特性（ヤング率およびポアソン比）および残留応力が決定される。これは、実験的に或いは理論的に行なうことができる。材料および厚さは、フレームをビームに対して非常に硬質にするように、すなわち、ビームの材料の堆積による残留応力がフレームを変形させないように選択される。意図される用途に最も良く一致するビームの幾何学的パラメータは、理論モデルによって、例えばＭ．Ｔ．Ａ．Ｓａｉｆによる論文「Ｏｎ ａ ｔｕｎａｂｌｅ Ｂｉｓｔａｂｌｅ ＭＥＭＳ−Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」（Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．，Ｖｉｌ．９ Ｎｏ．２ ２０００年６月、１５７〜１７０頁）で提案された力学モデルによって決定することができる。特に、安定性と作動に必要なエネルギとの間でトレードオフが見出されなければならない。このとき、有限要素計算ソフトウェアを用いて、好ましくは３Ｄ計算によってアセンブリを検証することができる。これにより、分析モデルが行なえる場合よりも正確な幾何学的構成をもってデバイスの動作をチェックすることができる。

本発明は前述した実施形態に限定されない。特に、受動的または能動的な第１のアクチュエータと受動的または能動的な第２のアクチュエータとの組み合わせも考えることができる。

本発明に係るデバイスの特定の実施形態を平面図で示している。 図１に係るデバイスの特定の実施形態をＡ−Ａ線に沿う断面で示している。 図１に係るデバイスの特定の実施形態をＡ−Ａ線に沿う断面で示している。 本発明に係るデバイスの他の特定の実施形態を平面図で概略的に示している。 本発明に係るデバイスの他の特定の実施形態を平面図で概略的に示している。 本発明に係るデバイスの他の特定の実施形態を平面図で示している。 本発明に係るデバイスの他の特定の実施形態をＢ−Ｂ線に沿う断面で示している。

Claims (14)

1. その２つの端部（２）を介して硬質フレーム（３）に対して取り付けられた移動ビーム（１）を備え、ビーム（１）が所定の応力状態を有するマイクロ機械デバイスであって、フレーム（３）が２つのアーム（４）を備え、各アームは、移動ビーム（１）の２つの端部（２）にそれぞれ固定される２つの端部（５）を有するとともに、対応するアーム（４）の２つの端部（５）間に配置された中央部分（６）を有し、アーム（４）および当該アームの中央部分（６）が前面（７）および後面（８）を有し、各アーム（４）の中央部分（６）の後面（８）がベース支持体（１０）に対して取り付けられ、フレーム（３）が、ビームの応力の状態を調整できるようにする少なくとも１つの応力要素（１１）を備えていることを特徴とする、マイクロ機械デバイス。
2. 応力要素（１１）は、引張応力がかけられた薄層によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 応力要素（１１）は、圧縮応力がかけられた薄層によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. 応力要素（１１）が第１のアクチュエータを備えていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記第１のアクチュエータは、熱アクチュエータ、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、電磁アクチュエータ、磁歪アクチュエータから選択されることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記第１のアクチュエータが少なくとも１つの薄層によって形成されることを特徴とする、請求項４または５に記載のデバイス。
7. 前記第１のアクチュエータを構成する薄層の２つの端部間に電圧を印加するための手段（１３）を備えていることを特徴とする、請求項６に記載のデバイス。
8. 応力要素（１１ｃ）は、対応するアーム（４）の前面（７）と後面（８）との間に中心付けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. フレーム（３）は、少なくとも一対の応力要素（１１）、すなわち、アーム（４）の前面（７）上および後面（８）上にそれぞれ互いに対向して配置された前側要素（１１ａ）および後側要素（１１ｂ）を備えていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 一対の要素の前側（１１ａ）および後側（１１ｂ）応力要素はそれぞれ、対応するアーム（４）の前面および後面に対して前方力および後方力をそれぞれ及ぼし、一対の要素（１１）の要素（１１）によって及ぼされる前方力および後方力がほぼ等しいことを特徴とする、請求項９に記載のデバイス。
11. 各アーム（４）は、２対の応力要素（１１）、すなわち、対応するアーム（４）の中央部分（６）の両側にそれぞれ位置された前側要素（１１ａ）および後側要素（１１ｂ）を備えていることを特徴とする、請求項９または１０に記載のデバイス。
12. 各アーム（４）の中央部分（６）は、ベース支持体（１０）に取り付けられる横方向延在部（２０）を備えていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 各アーム（４）の中央部分（８）の後面（８）は、ベース支持体（１０）に貼り付け固定された支持ブロック（９）上に配置されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. ビーム（１）の底面上およびベース支持体（１０）上にはそれぞれ導電要素が配置され、それにより、前記導電要素間で電気的な接触を確立することができ、デバイスがマイクロスイッチを形成することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。

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