JP4732679B2

JP4732679B2 - 連続可変変位型マイクロエレクトロメカニカルデバイス

Info

Publication number: JP4732679B2
Application number: JP2003331324A
Authority: JP
Inventors: マレク・ダブリュー・コワーツ
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: US6919983B2; JP2004130509A; CN1492569A; US20050094243A1; US6844960B2; US20040058469A1; CN100542001C; HK1061119A1; EP1403210A3; EP1403210A2

Description

本発明は、静電的マイクロエレクトロメカニカルデバイスに関し、特に所望されている性能として、広い運動範囲にわたって連続的に可変変位させることができると共に、安定に変位させることができる可動部材を備えたマイクロエレクトロメカニカルデバイスに関する。

可変キャパシタ、エレクトロメカニカルグレーティング及びミラー、インクジェットプリントヘッド、及び種々のセンサ等の多くのタイプのマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）デバイスは、２つの電極間の静電力によって可動部材の制御された作動を実現している。しかし、周知のように、可動部材の変位を連続的に制御することは、静電力の非線形性のために２つの電極間の一部分（およそ１／３）にわたってのみ行うことができる。いったんこの部分を超えると「プルイン（pull-in）」や「プルダウン（pull-down）」が生じ、その結果、非線形な静電力が部材の機械的な復元力を圧倒してしまう。

静電的ＭＥＭＳデバイスにおいて、プルダウン不安定性を避けながら連続的な可変変位を実現するために、別の試みがなされている。最も簡単な方法は、２つの電極間を十分に離してデバイスを設計することであり、それによって不安定点に達する前に十分な変位を得ることができる（例えば、特許文献１参照。）。電極間隔を増したことによって生じる高い操作電圧を避けるために、特にアナログＧＬＶ（Grating Light Valve）は、機械的復元力が低くなるように設計される。別の例としては、エレクトロメカニカルグレーティングにおいて、広い運動範囲にわたって連続的作動を得るために、より複雑な構造設計が用いられてもよい（例えば、特許文献２参照。）。さらに別例（例えば、特許文献３参照。）があり、それによって、可変キャパシタのエレクトロメカニカルの波長可変性（tunability）を広げるために、固定系キャパシタが可変ＭＥＭＳキャパシタに追加される。最後の試みの欠点は、必要とされる作動電圧が大きく増加することである。

近年、周期列の中間支持体によって基板上に浮かせたリボン部材を備えたエレクトロメカニカル等角（conformal）グレーティングデバイスや光ＭＥＭＳデバイスがある（例えば、特許文献４参照。）。このエレクトロメカニカル等角グレーティングデバイスは、静電的作動によって操作され、それによってリボン部材を支持サブ構造の周りに合せることができ、グレーティングを形成できる。米国特許第６３０７６６３号に記載のデバイスは、グレーティングエレクトロメカニカルシステムを意味する等角ＧＥＭＳデバイスとして最も最近知られるようになったものである。等角ＧＥＭＳデバイスによって、高コントラスト、高効率、及びデジタル操作性を備えた高速光変調を実現できる。しかし、光強度の振幅変調を必要とする用途に関して、リボン部材の変位を連続的にコントロールするアナログ操作性も必要とされる。さらに、プルダウン不安定性を避ける一方で、変位を連続的に可変にするためのアプローチは等角ＧＥＭＳデバイスには不向きである。

米国特許第６２１５５７９号米国特許第６３２９７３８号米国特許第６３６２０１８号米国特許第６３０７６６３号

そこで、連続的に変位を可変させることができ、上述の問題を避けることができる静電的なマイクロエレクトロメカニカルデバイスが必要とされている。

上記要求は、本発明の連続的可変変位の静電的マイクロエレクトロメカニカルデバイスによって満たすことができる。このマイクロエレクトロメカニカルデバイスは、
第１電極を有する可動部材と、
第２電極を有する対向面と、
前記対向面から前記可動部材を分離しているチャネルと、
前記チャネル内に位置している液体であって、前記可動部材を前記チャネルの少なくとも半分にわたる運動範囲において連続的に可変変位であって安定に変位させることができるように、十分に高い誘電率を有する液体と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置された少なくとも一つの固体誘電体層と
を備え、
前記変位は、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって生じることを特徴とする。

最も広い実施の形態では、本発明によって、静電的なマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）デバイスに用いられる様々な可動部材の利用可能な運動範囲を広げることができる。利用可能な運動範囲内では、可動部材の変位は連続的に可変であって、安定である。本発明は、一以上の伸張リボン部材を有する静電的ＭＥＭＳデバイスの特定の場合について主に記載しているが、本発明はまた他のマイクロエレクトロメカニカル構造を含むデバイスにも関するものであることは当業者において明らかである。これらの可動部材には、例えば、シングルクランプビーム、ダブルクランプビーム、ねじりヒンジ上のメンブラン又は剛体板を含んでいる。さらに、複数の可動部材を用いて、静電的櫛型デバイス又はエレクトロメカニカルグレーティング等のより複雑な動的構造を創造することができる。

図１（ａ）は、ＭＥＭＳデバイスの可動部材である伸張リボン部材の断面図である。誘電的リボン材７の伸張ストレスによって、伸張リボン部材２ａを対向面と導体基板９から離したままにすることができる。チャネル４は、通常、真空引きされているか、又は、窒素や希ガス等の不活性ガスで満たされている。チャネル４内のリボンの形を崩すために、第１電極６と第２電極として働く導体基板９との間に電圧を印加する。図１（ａ）及び（ｂ）では印加電圧は０である。図１（ｂ）は、隣り合う部材２ｂ、２ｃを伴う同じリボン部材２ａの回転させた断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、第１電極６と導体基板９との間に電圧を印加した場合の伸張リボン部材２ａの断面図である。印加電圧がプルダウン電圧Ｖ_ＰＤよりわずかに低い場合には、図２（ａ）に示すように、伸張リボン部材２ａは引っ張られる。いったん印加電圧がＶ_ＰＤを超えると、非線形的な静電引力が伸張復元力を完全に圧倒する。そして伸張リボン部材２ａは、突然、導体基板９に接触してしまい、図２（ａ）に示すようなリボン形状となる。すでに示したように、ＶＰＤに近い印加電圧については連続的に可変な外形を得ることはできない。

本発明においては、チャネル４は、高誘電率であって高い静電場に耐えられる液体で満たされている。この液体を注意深く選択することによってプルダウン不安定性を除くことができ、それによって伸張リボン部材２ａをチャネル４全体にわたる運動範囲において連続的に可変変位させ、安定に変位させることができる。

液体に必要とされる誘電率は、デバイスの有効静電的厚さｔを考慮することによって見積もることができる。液体を満たしたチャネル４の効果を含めると、第１電極６と導体基板９との間の層の有効静電的厚さｔは、以下の式によって得られる。
ｔ＝ｄ_ｃ＋εｔ_ε
ここで、

は、固体誘電体層の総誘電体厚さであり、ｄ_ｃは、チャネル４の深さであり、εは液体の誘電率である。総誘電体厚さｔ_εにおいて、２つの電極の間の誘電率ε_ｍに低下した厚さｔ_ｍのそれぞれの誘電体層の全てにわたる合計である。チャネル深さｄ_ｃがおよそ０．３８８ｔ未満の場合には伸張リボン部材２ａをチャネル４の全体にわたる運動範囲中を滑らかに動かすことができる。この要求を満足させるために液体の誘電率は下記の不等式（１）を満たさなければならない。

ε＞１．５８ｄ_ｃ／ｔ_ε （１）
上記式（１）を満たす液体によってプルダウン不安定性を消すことができ、それによって、チャネル４の深さ全体にわたって連続的に可変変位させることができ、安定して変位させることができる。低誘電率の液体は、通常、ガスで満たされるか真空引きされるチャネル４で可能な運動範囲を広げるために用いることができる。そのような低誘電率の液体の場合もなお本発明の範囲に含まれる。

図３（ａ）から図５には、液体を用いて、伸張リボン部材のプルダウン不安定性を解消することを示している。例えば、チャネル深さｄ_ｃは１５０ｎｍ、総誘電体層厚さｔ_εは２４ｎｍである。式（１）によれば、９．８より大きな誘電率を有する液体によって、チャネル４全体にわたる運動範囲を可能にする。図３（ａ）は、ガスを満たしたチャネル（ε＝１）についての電圧の関数としてリボン外形を示す図である。リボン外形の変化はプルダウン電圧Ｖ_ＰＤ＝２２．６Ｖ付近で不連続となり、不安定となっている。図３（ｂ）は、誘電率ε＝１８の液体を満たしたチャネル４を備えるデバイスについて示す図である。チャネル４の全体にわたる運動範囲において連続的な可変変位及び安定な変位が得られ、必要な電圧がわずかに増えるのみである。

図４（ａ）及び（ｂ）は、図３（ａ）及び（ｂ）のガスを満たしたデバイス、液体を満たしたデバイスのそれぞれについて、リボンの中点の曲がりの変化を電圧の関数として比較している。ガスを満たしたデバイスの場合（図４（ａ））には、電圧がプルダウン電圧の２２．６Ｖに達するまでは電圧が０から増すにつれて中点の変位は連続的に増える。この点において、リボンは基板に強くたたきつけられ、さらに電圧が増すとリボンの外形は図３（ａ）に示すように変形する。リボンが基板に接触した状態で電圧をプルダウン電圧に下げた場合には、接触したままとなる。リリース電圧Ｖ_ＲＬ１１．７Ｖで伸張ストレスは静電的引力に打ち勝って、リボンは基板から解放される。このタイプのヒステリシス曲線は静電的ＭＥＭＳデバイスにはよく知られており、静電的作動に関連づけられた不安定性を記述するためによく用いられている。図４（ａ）に示すように、この応答は負の印加電圧の場合にも同様である。

液体を満たしたデバイスの場合（ε＝１８）には、図４（ｂ）に示すように、中点の変位は印加電圧のなめらかな関数となる。プルダウン臨界及びリリース電圧に関連した不安定性はなく、ヒステリシスも現れない。図５は、２つの臨界電圧Ｖ_ＰＤとＶ_ＲＬを液体の誘電率の関数としてプロットしたものである。これらの２つの電圧が一致する場合、すなわちε＝９．８の場合には、例えば、運動範囲はチャネル４の深さ全体にわたって拡がる。さらに、誘電率が増えると、変位の電圧に対する感度が減るので、変位を制御する性能を改善できる。

周知のように、上述された伸張リボン部材は、基本的な成形ブロックであり、より複雑なＭＥＭＳデバイスを構成するために用いられる。例えば、複数の平行リボン部材を用いて、等角ＧＥＭＳデバイスやＧＬＶ等のエレクトロメカニカルグレーティングが形成される。個々のリボン部材は可変キャパシタや容量センサを形成するために用いられる。

米国特許第６３０７６６３号に記載の等角グレーティングエレクトロメカニカルシステム（ＧＥＭＳ）デバイスについて図６から図９にわたって示している。図６には、作動状態でない２つの隣接する等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂが示されている。等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂは、基板１０の頂部を覆っており、デバイス５ａ、５ｂを作動させる電極として機能する底部導体層１２の上に形成されている。底部導体層１２は、誘電体保護層１４によって覆われており、さらにスタンドオフ層１６とスペーサ層１８が誘電体保護層１４の上を覆っている。スペーサ層１８の上にリボン層２０が形成されており、その上を反射及び導体層２２が覆っている。反射及び導体層２２は、等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂの作動に関する電極の役割を果たしている。その結果、反射及び導体層２２がパターニングされ、２つの等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂの電極となる。リボン層２０は、大きな復元力を得るために十分な伸張ストレスを有する材料からなることが好ましい。２つの等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂのそれぞれは、反射及び導体層２２とリボン層２０からパターニングされた関連付けられた細長リボン部材２３ａ、２３ｂを有している。細長リボン部材２３ａ、２３ｂは、スペーサ層１８から形成された端部支持体２４ａ、２４ｂと、同じ幅のチャネル２５を画成するために均等に離して設けられた一以上の中間支持体２７とによって支持されている。細長リボン部材２３ａ、２３ｂは、端部支持体２４ａ、２４ｂと、中間支持体２７とに固定されている。複数のスタンドオフ部２９は、チャネル２５の底面にスタンドオフ層１６からパターニングされている。これらのスタンドオフ部２９によって作動時に細長リボン部材２３ａ、２３ｂのくっつきが生じる可能性を減らすことができる。

図７は、４つの線形アレイの等角ＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの平面図である。細長リボン部材２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、下にある構造を表すために線Ａ−Ａに沿って部分的に除いて示されている。最もよい光特性と最大のコントラストのためには、中間支持体２７は、細長リボン部材２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの下に完全に隠れていることが好ましい。そのため、頂部から見た場合には、中間支持体２７は、等角ＧＥＭＳデバイス５ａ−５ｄの間のギャップ２８に見えるべきではない。ここで、等角ＧＥＭＳデバイス５ａ−５ｄのそれぞれは、３つの中間支持体２７と４つの等幅チャネル２５とを有している。中間支持体２７の中心と中心との間の間隔Λは、作動状態の等角ＧＥＭＳデバイスの周期を画定する。細長リボン部材２３ａ−２３ｄは、互いに機械的及び電気的に隔離されており、４つの等角ＧＥＭＳデバイス５ａ−５ｄを独立して作動させることができる。図６の底部導体層１２は、全ての等角ＧＥＭＳデバイス５ａ−５ｄについて共通である。

図８（ａ）は、作動前の等角ＧＥＭＳデバイス５ｂの２つのチャネル２５における図７の線８−８に沿った側面図である。図８（ｂ）は、作動時の同様の図である。デバイスの操作に関しては、細長リボン部材２３ｂの底部導体層１２と反射及び導体層２２との間に電位差を印加することによって静電引力が生じる。動作前（図８（ａ））には、電位差は０であり、リボン部材２３ｂは支持体間に平坦になっている。この状態では、入射光３０は、単純な平面鏡についてと同様に、主に０次光ビーム３２として反射される。作動状態を得るには、電圧を等角ＧＥＭＳデバイス５ｂに印加すると、細長リボン部材２３ｂの形を崩し、周期Λの部分等角ＧＥＭＳを画成できる。図８（ｂ）は、図６及び図７で示されたように、細長リボン部材２３ｂがスタンドオフ部２９に接触しているフル作動状態にあるデバイス５ｂを示す図である。部材２３ｂの底面とスタンドオフ部２９の頂部との間の高さはおよそ入射光の波長λの１／４に設定される。最適な高さは作動デバイスの特定の等角形状に依存する。作動状態では、入射光ビーム３０は、主に＋１次光ビーム３５ａ、−１次光ビーム３５ｂに分散し、さらに＋２次光ビーム３６ａ、−２次光ビーム３６ｂに分散する。わずかな光はさらに高次の光ビームに分散し、いくらかは０次光ビームにとどまる。一般には、用途に応じて様々なビームのいくつかが集められ、光学システムで用いられる。印加電圧を除くと、伸張ストレスや曲がりによる力によってリボン部材は復元され図８（ａ）に示す元の作動前の状態に戻る。

図９（ａ）及び（ｂ）は、図７の線９−９に沿った側面図であり、それぞれ作動前の状態、作動状態の等角ＧＥＭＳデバイス５ｂを示している。導電性の反射リボン部材２３ｂは、端部支持体２４ｂと隣接する中間支持体２７（この図には示していない）とによって吊り下げられている。図９（ｂ）に示すように、電圧印加によってデバイスを作動させることができる。

図１０及び１１は、等角ＧＥＭＳデバイスにおけるプルダウン及びリリース不安定性を解消するための本発明の応用について示している。デバイスに印加する電圧を変化させて分散光又は反射光の強度を連続的に制御することによって、これらの不安定性を解消できる可能性がある。チャネル２５は高電場に耐えることができる透明な液体で満たされている。さらに、光強度を連続的に制御することに加えて、液体によって作動させた等角ＧＥＭＳデバイスの有効光学深さを増すことができ、それによって必要とされるリボン部材の運動範囲を減らすことができる。例えば、０次光ビーム３２を最小にするか、又は０次でない分散光（＋１次光３５ａ、−１次光３５ｂ、＋２次光３６ａ、−２次光３６ｂ、あるいはさらに高次光）を最大にするために必要な運動範囲は、液体の屈折率ｎによって減らすことができる。特に、＋１次光３５ａ及び−１次光３５ｂの分散を最大にするために必要な運動範囲は、ガス雰囲気の場合の約λ／４から、液体を満たした場合には約λ／４ｎに減らすことができる。実際には、多くの液体の屈折率は１．４に近いので、必要とされる運動範囲は約３０％減らすことができる。

図１０を参照すると、ガス雰囲気の場合を液体に浸す場合と比較して、印加電圧に対する等角ＧＥＭＳデバイスの理論的な応答が示されている。図１０の曲線は、標準化された０次反射光ビームを表しており、プルダウン不安定性が解消されたことを示している。ガス雰囲気の場合ε＝１．０、プルダウンは２４Ｖ付近で生じる。標準化された反射強度はプルダウン電圧で０．８５から０．２２へと劇的に大きく落ちる。さらに電圧を増しても２４Ｖより大きな電圧では、リボン部材は下にあるスタンドオフ部と接触しているので強度はほとんど変わらない。相対的に大きな誘電率を有する液体によって、印加電圧の関数として、反射強度を滑らかに、より制御して減少させることが期待される。実際に、誘電率ε＝１８．０の液体と誘電率ε＝３７．０の液体では、反射光強度を連続的に制御できる理論的可能性が示されている。誘電率ε＝３７．０より大きな誘電率の場合、電圧に対する強度の感度を減じることができ、それによって制御性を改善できる。しかし、より大きな誘電率の場合には必要な電圧が増す。

図１１を参照すると、異なる誘電率の既知の物質に浸された等角ＧＥＭＳデバイスの実際の応答が示されており、上記図１０の理論的に期待される応答に近いことが示されている。期待されているように、誘電率が１．０の空気中のデバイスでは、約２４Ｖでリボン部材に鋭いプルダウン不安定性が現れる。これに対して、誘電率１８のイソプロパノールアルコールによって、印加電圧についてのリボン部材の制御範囲を大きく増すことができる。誘電率３７のエチレングリコールによって、さらに印加電圧に対する感度を下げることができ、それによってより正確な制御ができる。図１１に示していない様々な他の液体に浸した等角ＧＥＭＳデバイスの応答は、例えば、エクソンモービル社のイソパール（Isopar：商標）やメタノールによって特徴付けられる。誘電率２のイソパールによって運動範囲は広がるが、プルダウン不安定性を完全に解消することはできない。しかし、メタノールの場合には静電的な反応を生じるので、問題が起きる。

本発明の健全な実施には、印加電圧の波形と液体の両方の注意深い選択が必要である。米国特許第６１４４４８１号に記載のように、バイポーラ電圧波形によってエレクトロメカニカルリボンにおけるチャージングが減ってしまう。さらに、米国特許第６４１９３３５号に記載のように、高周波数のバイポーラ波形と、液体を満たした静電的ＭＥＭＳデバイスとを組み合わせるとエレクトロメカニカル反応が減じて、液体の絶縁破壊が生じる。図１１に示された結果を得るために、一定の２乗平均平方根（ＲＭＳ）値の４ＭＨｚのバイポーラ電圧波形を用いて等角ＧＥＭＳデバイスを作動させた。液体による粘性減衰のためにリボン部材は、高周波数には対応せず、わずかに２乗平均平方根値に応答するのみである。そのため、高周波数成分は光応答には現れない。

なお、本発明に係る連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスは、上記構成に限られるものではなく、他の構成によるものであってもよい。例えば、第１の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネルの全体にわたっていてもよい。

また、第２の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネルの全体にわたっており、前記可動部材と前記対向面との間の間隔がｄ_ｃであって、前記少なくとも一つの固体誘電体層の合計の誘電体層厚さがｔ_εである場合に、前記液体の誘電率はおよそ１．５ｄ_ｃ／ｔ_εより大きい。

第３の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記液体の誘電率は２より大きい。

第４の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネルの全体にわたっており、前記液体の誘電率は５より大きい。

第５の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネルの全体にわたっており、前記液体の誘電率は５から１００の間にある。

第６の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記液体はアルコールである。

第７の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記液体はエチレングリコールである。

第８の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は伸張リボン部材である。

第９の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は２脚支持型ビームである。

第１０の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は単脚支持型ビームである。

第１１の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材はメンブランである。

第１２の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は板状体である。

第１３の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材はシリコン基板である。

第１４の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は窒化シリコンである。

第１５の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材は酸化シリコンである。

第１６の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記可動部材の上に固体誘電体層がある。

第１７の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記対向面の上に固体誘電体層がある。

第１８の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、前記液体は前記静電的マイクロメカニカルデバイスの周囲を囲み、前記チャネル内を満たしている。

第１９の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記液体は透明である。

第２０の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体である。

第２１の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体であって、前記少なくとも一つの反射可動部材は、マイクロミラーである。

第２２の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体であって、複数の反射可動部材は、エレクトロマイクロメカニカルグレーティングを含む。

第２３の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体であって、複数の反射可動部材は、エレクトロマイクロメカニカルグレーティングを含み、前記エレクトロマイクロメカニカルグレーティングは、等角ＧＥＭＳデバイスである。

第２４の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体であって、複数の反射可動部材は、エレクトロマイクロメカニカルグレーティングを含み、前記エレクトロマイクロメカニカルグレーティングは、グレーティング光弁（light valve）である。

第２５の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネル全体にわたっている。

第２６の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネル全体にわたっており、前記液体の誘電率はおよそ１．５ｄ_ｃ／ｄ_εより大きい。ここでｄ_ｃは前記少なくとも一つの可動部材と前記対向面との間の間隔であり、ｔ_εは前記少なくとも一つの固体誘電体層の総誘電体厚さである。

第２７の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記液体の誘電率は、２より大きい。

第２８の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネル全体にわたっており、前記液体の誘電率は５より大きい。

第２９の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記運動範囲は前記チャネル全体にわたっており、前記液体の誘電率は５から１００の間である。

第３０の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記液体はアルコールである。

第３１の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記液体はエチレングリコールである。

第３２の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は伸張リボン部材である。

第３３の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は２脚支持ビームである。

第３４の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は単脚支持ビームである。

第３５の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材はメンブランである。

第３６の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスであって、前記少なくとも一つの可動部材は板状体である。

第３７の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスの製造方法であって、
前記可動部材と前記対向面との間の間隔がｄ_ｃであって、前記少なくとも一つの固体誘電体層の総誘電体厚さがｔ_εである場合、およそ１．５ｄ_ｃ／ｔ_εより大きな誘電率を有する液体を前記チャネル内に満たすステップを含んでいる。

第３８の構成によれば、連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイスのであって、前記少なくとも一つの可動部材は反射体であって、複数の反射可動部材は、エレクトロメカニカルグレーティングを含み、前記液体の屈折率がｎの場合に前記運動範囲はおよそλ／（４ｎ）に等しい。

（ａ）は従来の伸張リボン部材の作動前の状態における断面図であり、（ｂ）は従来の３つの平行に配列した伸張リボン部材の作動前の状態における断面図である。（ａ）は従来の伸張リボン部材の一部作動状態における断面図であり、（ｂ）は従来の伸張リボン部材の完全作動状態における断面図である。（ａ）は、ガス雰囲気中の従来のリボン部材の作動電圧を変化させた場合のプロファイルを示す図であり、（ｂ）は、高誘電率の液体中に浸漬させたリボン部材の作動電圧を変化させた場合のプロファイルを示す図である。（ａ）は、ガス雰囲気中のリボン部材の曲がりの中点を印加電圧の関数として示した図であって、プルダウン不安定性及びリリース不安定性の存在を示しており、（ｂ）は、高誘電率の液体中のリボン部材の曲がりの中点を印加電圧の関数として示した図であって、プルダウン不安定性及びリリース不安定性の消失を示す図である。液体中のリボン部材の臨界電圧を液体の誘電率の関数として示す図である。リニアアレイ中の２つの等角ＧＥＭＳデバイスの部分切断された斜視図である。リニアアレイ中の４つの等角ＧＥＭＳデバイスの平面図である。図７の線８−８に沿った断面図であって、（ａ）は作動状態でない場合、（ｂ）は最大に作動させた状態の等角ＧＥＭＳデバイスの動作をそれぞれ示している。図７の線９−９に沿った断面図であって、（ａ）は作動状態でない場合、（ｂ）は最大に作動させた状態の等角ＧＥＭＳデバイスの動作をそれぞれ示している。様々な液体をガス雰囲気と比較して、等角ＧＥＭＳデバイスについての理論的な反射光強度を印加電圧の関数として示した図である。様々な液体をガス雰囲気と比較して、等角ＧＥＭＳデバイスについての実際の反射光強度を印加電圧の関数として示した図である。

符号の説明

２ａ、２ｂ、２ｃ伸張リボン部材、４チャネル、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ等角ＧＥＭＳデバイス、６第１電極、７誘電体リボン材料、９導体基板、１０基板、１２底部導体層、１４誘電体保護層、１６スタンドオフ層、１８スペーサ層、２０リボン層、２２反射・導体層、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ細長リボン部材、２４ａ、２４ｂ端部支持体、２５チャネル、２７中間支持体、２８ギャップ、３０スタンドオフ部、３０光ビーム、３２０次光ビーム、３５ａ＋１次光ビーム、３５ｂ −１次光ビーム、３６ａ＋２次光ビーム、３６ｂ −２次光ビーム

Claims

連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、
ａ）第１電極を有する可動部材と、
ｂ）第２電極を有する対向面と、
ｃ）前記可動部材を前記対向面から分離しているチャネルと、
ｄ）前記チャネル内を満たす誘電率εを有する液体であって、前記チャネルの少なくとも半分にわたる運動範囲において、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって生じる前記可動部材の変位を連続的に可変で安定して制御可能にすると共に、前記可動部材で反射された反射光の光強度を連続的に可変に制御でき、それによって前記可動部材の必要とされる運動範囲を減少させる、液体と、
ｅ）前記第１電極と前記第２電極との間に配置された少なくとも一つの固体誘電体層と
を備え、
前記誘電率εは、前記チャネルの深さｄ_ｃと、前記固体誘電体層の厚さｔ_εとについて、ε＞１．５８ｄ_ｃ／ｔ_εの不等式を満たしていることを特徴とする連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイス。
連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスであって、
ａ）第１電極を有する少なくとも一つの可動部材と、
ｂ）第２電極を有する対向面と、
ｃ）前記少なくとも一つの可動部材を前記対向面から分離しているチャネルと、
ｄ）前記チャネル内を満たす誘電率εを有する液体であって、前記チャネルの少なくとも半分にわたっており、入射光の波長λに比例する運動範囲において、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって生じる前記可動部材の変位を連続的に可変で安定して制御可能にすると共に、前記可動部材で反射された反射光の光強度を連続的に可変に制御でき、それによって前記可動部材の必要とされる運動範囲を減少させる、液体と、
ｅ）前記第１電極と前記第２電極との間に配置された少なくとも一つの固体誘電体層と
を備え、
前記誘電率εは、前記チャネルの深さｄ_ｃと、前記固体誘電体層の厚さｔ_εとについて、ε＞１．５８ｄ_ｃ／ｔ_εの不等式を満たしていることを特徴とする連続的に可変変位の静電的マイクロオプトメカニカルデバイス。
連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスを構成する方法であって、
ａ）第１電極を有する可動部材を第２電極を有する対向面からチャネルによって分離して設けるステップと、
ｂ）前記第１電極と前記第２電極の間に少なくとも一つの固体誘電体層を含めるステップと、
ｃ）前記チャネルの少なくとも半分にわたる運動範囲において、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって生じる前記可動部材の変位を連続的に可変で安定して制御可能にする誘電率εを有する液体を前記チャネル内に満たすステップであって、前記誘電率εは、前記チャネルの深さｄ_ｃと、前記固体誘電体層の厚さｔ_εとについて、ε＞１．５８ｄ_ｃ／ｔ_εの不等式を満たしており、前記可動部材で反射された反射光の光強度を連続的に可変に制御でき、それによって前記可動部材の必要とされる運動範囲を減少させる、ステップと、
を含むことを特徴とする連続的に可変変位の静電的マイクロメカニカルデバイスを構成する方法。