JP2006085152A - マイクロミラーデバイスとその製造方法、マイクロミラーデバイスの角度計測方法、およびマイクロミラーデバイス応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラーが回転する際に応力が発生するトーションバー内部にピエゾ抵抗効果を利用したゲージを一体として組み込むことで、ゲージの信号に基づき、正確に回転角を制御できるマイクロミラーデバイスを提供する。
【解決手段】半導体異方性エッチングプロセスを使用してシリコン基板を加工したマイクロミラーデバイスであって、シリコン基板の厚さ方向にｐ型またはｎ型の半導体領域に分割したトーションバー２に、ミラー１の回転角を測定するピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージ３を設けた構造を特徴とする。ミラー１が回転する際にせん断応力が発生するトーションバー２にピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージ３を一体として組み込むことで、ゲージ３の信号に基づき、回転角を測定し制御することを可能とするマイクロミラーデバイスが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロミラーデバイス、その製造方法、マイクロミラーデバイスの角度計測方法、マイクロミラーデバイス応用装置に関するものである。

従来、マイクロミラーの駆動には多くの方式が報告されている。例えば、静電引力を利用する場合は、マイクロミラーと電気的・機械的に接続されたある部分と、通常は固定されたもう一方の部分に電圧を加えることで、ギャップを介して働く静電引力により駆動する。また別の例として電磁力を利用する場合は、通常はミラーに固定されたコイルに電流を流し、外部磁場との相互作用で働くローレンツ力によって駆動する。他にも圧電アクチュエータ、熱アクチュエータなどを利用する方式がある。これら駆動方式には依存せず、回転するミラーを支えるトーションバーには、ねじれによる、せん断応力が発生する。このため、せん断応力を検出するセンサが有効となる。

ピエゾ抵抗素子は応力が働くと巨視的には抵抗値が変化するものである。シリコンのような半導体材料の場合には伝導帯や荷電子帯のエネルギー状態が変化し、バンド中のキャリアの数や移動度が変化する。ピエゾ抵抗素子には垂直応力を検出する通常型ゲージと、せん断応力を検出するせん断型歪ゲージがある。光スキャナではミラー回転角に比例してトーションバーにせん断応力が発生する。

基本構造は４つの電極をもつ１素子からなるゲージである。通常型ゲージは複数素子からなるブリッジが必要となるため、素子間のばらつきや温度むらが誤差となる。せん断型歪ゲージは１素子だけで構成できるため、ばらつきの影響を受け難い。構造が単純であるため、トーションバーに組み合わせる際にも有利である。このせん断型歪ゲージに電流が流れた状態で、電流に対して垂直方向のせん断応力が働くと、電流と垂直方向に電位差が生じる。発生する電位差は、せん断応力に比例するため、ミラー回転角を測定できることになる。

光応用技術においてレーザビームなどの光線を操作する要求は多く存在する。例えばレーザプリンタでは高度に制御されたポリゴンミラーが利用されている。マイクロミラーデバイスは同様の機能を小さく、集積度を高くして実現することを要求される。マイクロミラーデバイスの特性には、デバイスごとのばらつき、ヒステリシスの存在、経時変化などが含まれるため精度の高い応用には、そのままでは利用できない。マイクロミラーデバイスを利用した光スイッチや光クロスコネクトなどの応用では、光の一部をモニタリングすることで制御していた。光学系を含めたシステム全体として制御系を組む必要に迫られ周辺装置が大きくなり、アレイ化したデバイスにおいては配線や制御アルゴリズムも複雑になる。集積度の高いマイクロミラーアレイの長所を損なうことにもなりかねない。

マイクロミラーデバイスにある種のセンサを組み込む技術は、例えば特開２００２−２６７９５５号公報（特許文献１）や特表２００３−５２９１０８号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献１には、ミラーの位置を検出するセンサがミラー下に配置されている。これは、どのような検出方式を採用したとしてもミラーデバイスとは別途用意したセンサを後から組み合わせることになり、組み合わせるべきセンサをどのように用意し配置するかという問題を解決するものではない。特許文献２には、静電アクチュエータの１つである垂直櫛歯形アクチュエータのキャパシタンス変化を測定して、ミラー回転角を検出するとある。

キャパシタンス信号を利用したセンサはセンサ構造を簡単に製作できる長所はあるものの、検出用駆動回路が複雑になることや寄生容量の問題からシステムが複雑になる。特にミラーアレイのようなデバイス数の多いシステムには不向きになる。対して、ピエゾ抵抗効果を利用したゲージは検出回路が簡単である上、結晶方位を利用するとミラーの上下変位には感度を低く、回転には感度を高くすることもできる。特表２００３−５１７６３１号公報（特許文献３）では光ファイバスイッチにマイクロミラーデバイスを応用するものであるが、ミラー回転角を何らかの方法で検出することを想定したものである。更に、「１ゲージ形シリコン圧力検出素子」横河技報 （非特許文献１）に開示されたデバイスはせん断応力を検出するせん断型歪ゲージを圧力センサに応用したものであり、ミラー回転角を検出するセンサに応用したものではない。
特開２００２−２６７９５５号公報 特表２００３−５２９１０８号公報 特表２００３−５１７６３１号公報 「１ゲージ形シリコン圧力検出素子」横河技報 Vol.32, No.3 (1988) 135.

従来は、マイクロミラーデバイスの特性には、デバイスごとのばらつき、ヒステリシスの存在、経時変化などが含まれるため、ミラー回転角を正確に制御できないという課題があった。本発明は、マイクロミラーが回転する際に応力が発生するトーションバー内部にピエゾ抵抗効果を利用したゲージを一体として組み込むことで、ゲージの信号に基づき、正確に回転角を制御できるマイクロミラーデバイスを提供することを目的としている。

本発明によれば、半導体異方性エッチングプロセスを使用してシリコン基板を加工したマイクロミラーデバイスにおいて、シリコン基板の厚さ方向にｐ型またはｎ型の半導体領域に二分割したトーションバーに、ミラーの回転角を測定するピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを設けた構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、前記ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージは、前記トーションバー断面の回転中心から離れたトーションバーの表面領域に形成した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記シリコン基板の厚さ方向にｐ型またはｎ型の半導体領域は、シリコンの異方性エッチングした壁面にｐｎ接合部が露出しないような、マイクロミラーやトーションバーの一部に形成した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージに電流を流すためのランドを、複数に分割した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所を、対向しない２箇所以上に複数設置した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、前記マイクロミラーデバイスの表面の一部または全てを、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの保護膜で被覆した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。
また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージの全体または一部分に、シリコン窒化膜やアモルファスシリコンやポリシリコンなどの薄膜を堆積した構造を特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、前記マイクロミラーやトーションバーの一部がｐ型またはｎ型領域となるように用意した上で、シリコンエッチングと犠牲層エッチングを行うことを特徴とするマイクロミラーデバイスの製造方法が得られる。
また本発明によれば、前記複数設置したせん断型歪ゲージの出力電圧測定ランドを使用して、２箇所以上の出力電圧を計測し、２箇所の対向する電極の出力電圧と等価な電圧を、前記２箇所以上の出力電圧の計測値から計算することを特徴とするマイクロミラーデバイスの角度計測方法が得られる。

また本発明によれば、前記せん断型歪ゲージに流す電流を、デバイスが持つミラー回転の共振周波数よりも高い周波数で時間変調して、ミラー回転角に影響を与えずに出力電圧信号を測定するマイクロミラーデバイスの角度計測方法が得られる。
更に、本発明によれば、前記マイクロミラーデバイスを利用して回転角を制御したことを特徴とする、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器等のマイクロミラーデバイス応用装置が得られる。

本発明によれば、ピエゾ抵抗効果を利用したゲージをマイクロミラーデバイスに一体として組み込むことで、ミラー回転角が測定でき、測定信号をもとにした制御ができ、高精度に光操作できる効果が得られる。従来、マイクロミラーデバイスは小さいことが主な長所でありミラー回転角精度の保障は難しかった。このため高精度なミラー回転角を要求されるアプリケーションには応用し難かった。この弱点を補う効果がある。回転角を制御した、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置が提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態による、ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを組み込んだマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。１は光を反射するミラーである。用途に応じて高反射率を得る材料を成膜することができる。２はミラーを支えるトーションバーであり、ねじれ運動することでミラーの回転を可能にする。

３はトーションバーの一部に組み込まれたせん断型歪ゲージである。トーションバー内部で発生するせん断応力に応じて電圧信号を発生する。４は３で発生した電圧信号を電気的に取り出すための配線構造である。電気配線をシリコンの機械構造と共に実現している。５は４で配線された電圧信号を外部に取り出すためのランドである。６はせん断型歪ゲージが動作するために必要な電流を流すためのランドである。

図２は、図１のせん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。電気的にｐ型またはｎ型領域に分けることで、トーションバー断面の回転中心から離れた外側領域にせん断型歪ゲージが配置されている。２０はトーションバー表面に形成されたｐ型またはｎ型領域である。２１はトーションバーに形成された２０とは異なるｎ型またはｐ型領域である。２２はせん断型歪ゲージが動作するために必要な電流を流すための電圧または電流源である。

図１のようにランド６を介して２０に電流が流れる。２２は２０にのみ接続されているため、または２１との関係を逆バイアスにするため、電流は２１にもれることなく表面層に閉じ込められる。トーションバーのねじれ運動によって発生するせん断応力は、トーションバーの外側領域で大きくなるので、ゲージの感度を高くできる配置となっている。２３はせん断型歪ゲージの電圧信号用出力端子であり、図１の４を介して２４ａ，２４ｂ間の電圧信号を測定する。また、せん断型歪ゲージやトーションバーや配線構造やランドは図１や図２の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ランドや配線には、金属材料を適宜利用することができる。

図３は、本発明の実施の形態による、ｐ型またはｎ型領域をマイクロミラーやトーションバーの一部に製作することで、２０と２１の境界であるｐｎ接合部がシリコンの異方性エッチングした壁面に露出しないようにしたマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。また、ｐ型またはｎ型領域の形状は図３の実施例に記載したものに限定されるものではない。

図４は本発明の実施の形態による、せん断型歪ゲージの出力測定場所を２箇所でなく２４ａ，２４ｂ，２４の３箇所にすることで、図１、２、３のように対向する２箇所の電圧を直接測定しなくても、５ａと５ｂの２つのランドから得られる２箇所の電圧信号から計算して得られる中間電圧と、別のランド５からの電圧信号を計測することで等価的に対向する箇所の電圧を測定する、ゲージ部分に機械的に応力を入り易くしたことを特徴とするマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。

本場合には５ｂと６は同じランドである。２４ａ，２４ｂ，２４の電圧が降下することなく、それぞれ５ａ，５ｂ，５に伝わり、電気的な抵抗比の関係が、２４ａから２４が接続されている間の電気抵抗と、２４から２４ｂが接続されている間の電気抵抗が等しいならば、５ａの電圧をＶ５ａ、５ｂの電圧をＶ５ｂとすると中間の（Ｖ５ａ＋Ｖ５ｂ）／２が２４の対向する位置での電圧信号を表すことになる。これとランド５からの信号を比較計測する。また、ゲージの出力電圧信号用ランドの数や形状や配置は図４の実施例に記載したものに限定されるものではない。

図５は、本発明の実施の形態による、せん断型歪ゲージに流れる平均的な全電流の向きを制御できるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。６ａと６ｂのランドからせん断型歪ゲージが動作するための電流を各々流す。また、全電流の向きを制御する領域２０の形状や配置は図５の実施例に記載したものに限定されるものではない。

図６は本発明の実施の形態による、７の薄膜を全体または一部に堆積したマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。図の横方向に幅の広いトーションバー内部において、せん断型歪ゲージは左側に配置されている。トーションバーのねじれ運動によって直接発生するせん断応力の方向は図中、上下方向であるが、内力のつりあいで発生する共役せん断応力が発生する。これを、せん断型歪ゲージで測定する。

また、トーションバー内部のせん断型歪ゲージの形状や配置は図６の実施例に記載したものに限定されるものではない。

本発明に係る、シリコンからなるマイクロミラーのトーションバーにピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを一体にして組み込んだ、ミラー回転角が測定できることを特徴とするマイクロミラーデバイスは、回転角を制御した、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置に適用できる。

図１は、本発明の実施の形態による、ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを組み込んだマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。 図２は、図１のせん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。 図４は本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。 図６は本発明の実施の形態によるマイクロミラーデバイスと、せん断型歪ゲージ３を取り出して拡大した概略構成を示す図である。

符号の説明

１ ミラー
２ トーションバー
３ トーションバー２に組み込まれたせん断型歪ゲージ
４ せん断型歪ゲージ３の出力電圧信号をとりだす電気配線構造
５，５ａ，５ｂ せん断型歪ゲージ３の出力電圧信号用ランド
６，６ａ，６ｂ せん断型歪ゲージ３に電流を流すためのランド
７ トーションバー表面に堆積した膜
８ ミラー回転に伴うトーションバーのねじれ運動
２０ トーションバー２の表面層に形成されたｐ型またはｎ型領域
２１ トーションバー２に形成された２０とは異なるｎ型またはｐ型領域
２２ せん断型歪ゲージに電流を流す電圧または電流源
２３ せん断型歪ゲージの電圧信号用出力端子
２４，２４a，２４ｂ せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所

Claims (11)

1. 半導体異方性エッチングプロセスを使用してシリコン基板を加工したマイクロミラーデバイスにおいて、前記シリコン基板の厚さ方向にｐ型またはｎ型の半導体領域に分割したトーションバーに、ミラーの回転角を測定するピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを設けたことを特徴とするマイクロミラーデバイス。
2. 前記ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージは、前記トーションバー断面の回転中心から離れたトーションバーの表面領域に形成したことを特徴とする請求項１記載のマイクロミラーデバイス。
3. 前記シリコン基板の厚さ方向に分割したｐ型またはｎ型の半導体領域は、シリコンの異方性エッチングした壁面にｐｎ接合部が露出しないような、マイクロミラーやトーションバーの一部に形成したことを特徴とする請求項１または２記載のマイクロミラーデバイス。
4. 前記せん断型歪ゲージの出力電圧測定箇所を、対向しない２箇所以上に複数設置したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
5. 前記せん断型歪ゲージに電流を流すためのランドを、複数に分割した構造としたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
6. 前記マイクロミラーデバイスの表面の一部または全てを、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜の保護膜で被覆したことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
7. 前記せん断型歪ゲージの全体または一部分に、シリコン窒化膜、アモルファスシリコンまたはポリシリコンの薄膜を堆積したことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
8. 前記マイクロミラーまたは前記トーションバーの一部がｐ型またはｎ型領域となるように用意した上で、シリコンエッチングと犠牲層エッチングを行うことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスの製造方法。
9. 前記複数設置したせん断型歪ゲージの出力電圧測定ランドを使用して、２箇所以上の出力電圧を計測し、２箇所の対向する箇所の出力電圧と等価な電圧を、前記２箇所以上の出力電圧の計測値から計算して得ることを特徴とする請求項４〜７のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスの角度計測方法。
10. 前記せん断型歪ゲージに流す電流を、デバイスが持つミラー回転の共振周波数よりも高い周波数で時間変調して、ミラー回転角に影響を与えずに出力電圧信号を測定する請求項１〜９のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスの角度計測方法。
11. 前記マイクロミラーデバイスを利用して回転角を制御したことを特徴とする、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器または光計測器のマイクロミラーデバイス応用装置。