双安定マイクロアクチュエータおよび光スイッチ
双安定マイクロアクチュエータは、電気接触層で融着され一体化した第1および第2の「絶縁体にシリコンをのせた」ウエハーから形成される。Ｖ字型溝を備えたカバーが光軸を規定している。Ｖ字溝内のコリメート光信号源が、光信号をＶ字溝内の光ポートに結合する。移動部材上のミラー面は光信号を遮断または反射する。移動部材は、第１および第２の端部に支持点を有する。膨張可能構造体は、移動部材の第１および第２の支持点において、圧縮軸に沿って圧縮力を加えて、移動部材を第１の弓なり状態または第２の弓なり状態に保持する。膨張可能構造体内の過熱要素に入力される制御信号が、圧縮力を小さくさせて、移動部材を第２の状態へと切り替えさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信ネットワークの分野に関し、さらに詳しく言えば、光ファイバコンポーネントの分野、および、光スイッチで使用するためのＭＥＭＳ（Micro Electro - mechanical Systems：マイクロ電子機械システム）関連プロセスによって製造されるマイクロアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、「双安定マイクロアクチュエータおよび光スイッチ」に関して２００１年２月２７日になされた出願（０９／７９４，７７３号）の継続出願である。
光スイッチとは、ある光ポートから別の光ポートへ光信号を伝えたり、論理信号などの電気的コマンドに応じて光信号を遮断する働きをしたりするものである。Blonderによる米国特許４，９３２，７４５号の発明（ＡＴ＆Ｔに譲渡）（その開示内容全体が参照の形で本文書に組み入れられるものとする）における光スイッチ構成は、光路の外または光路内に配置されて入力ファイバと出力ファイバとの間で光信号を偏向させる、というミラーを有している。当該スイッチ構成は第１、第２、第３そして第４の光ポートを有し、各ポートは第１、第２、第３そして第４のファイバセグメントのそれぞれの近接端部（proximate end）に形成され、各セグメントは、シリコン基板ベースにエッチングまたはその他の手法で形成された溝の中に一つずつ配置されている。また、このスイッチ構成には、第１、第２、第３そして第４のレンズレットがさらに含まれ、当該レンズレットは、第１のファイバから出て、第２のファイバに入るか、あるいは第３または第４のファイバに入る、という光ビームをそれぞれコリメートする。これら光ビームの源は、光源（図示せず）によって供給され、公知の光システムで処理される。ミラーは正面側反射平面を有するが、背面側にも並行反射平面を持たせることができる。
【０００３】
米国特許５，０４２，８８９号の発明（ＡＴ＆Ｔに譲渡）（その開示内容全体を参照の形で本文書に組み入れるものとする）は、さらに別の型の光スイッチを開示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は双安定マイクロアクチュエータであり、第１の選択可能な実施の形態においては光スイッチとして示される。本アクチュエータはフレームを有する。また、可撓性移動部材が第１および第２の支持点において支持されている。当該部材は、その第１の支持点から第２の支持点へと延びる圧縮軸を有する。
【発明の効果】
【０００５】
また、膨張可能構造体が、フレームに結合されていると共に、その第１および第２の端部は、移動部材の第１および第２の支持点を駆動するために結合されている。組み立てられた状態では、可撓性移動部材は事前加圧されており、それによって、膨張可能構造体を圧縮すると共に、可撓性移動部材自身も圧縮されて、弓なりの状態に保持される。可撓性移動部材の中央部分は、垂直面上で圧縮軸から外れる形に移動させられる。第１の状態（この状態では、ヒーター電極に電圧は印加されない）と第２の状態（この状態では、予め決められた振幅と幅とを有する電圧パルスがヒーター電極に印加される）とを有する制御信号がヒーター電極に入力され、それによって、膨張可能構造体の要素が加熱され、加熱された構造体が膨張すると可撓性移動部材に加わる圧縮力は小さくなる。圧縮力が弱まると、第２状態を示す制御信号に応じて、可撓性移動部材の中央部分は圧縮軸を越えて移動する。第２状態の制御信号の入力に応じて可撓性移動部材が移動すると、予め決められた時間間隔の後、制御信号は第１の状態に戻る。この時間間隔は、可撓性移動部材が第２の弓なり状態に入ることが保証されるように長さが決められている。なお、この第２の弓なり状態から第１の状態への復帰は、制御信号を第２の状態に戻すことによってのみ可能となる。制御信号を第１の状態に戻すことでヒーターを冷却すれば、膨張可能構造体から可撓性移動部材に加えられる圧縮力を元に戻すことができる。
【０００６】
また、もう一つの選択可能な実施の形態においては、第１のコリメート光信号源がフレームに結合されており、これは光信号経路を介して光信号を供給するためである。また、第１の光ポートもフレームに結合されており、これは、コリメート信号源と同軸的に直線上にあることで、光信号を受信できるようになっている。移動部材面は、可撓性移動部材の中央部分上に位置づけられている。移動部材面とは、縦に配置されたミラー面などであり、可撓性移動部材上に配置されることで、可撓性移動部材が圧縮されて第１の弓なり状態にある時には、光信号経路から離れた位置に来るようになっている。可撓性移動部材が圧縮されて第２の弓なり状態になる時には、移動部材面は、光信号経路を完全にブロックまたは反射するような位置に移動させられる。この構成では、双安定マイクロアクチュエータは、光スイッチ機能を果たす形で働く。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１（ａ）および図１（ｂ）にしめす、本発明の一側面に基づく双安定マイクロアクチュエータ１０は、２枚の市販のＳＩＯ（silicon-on insulator）ウエハーから、ＭＥＭＳ技術を使用して形成されている。これらウエハーは、ウエハー「Ａ」（第１のウエハー）およびウエハー「Ｂ」（第２のウエハー）であり、それぞれ縦括弧で囲んで示してある。図１（ａ）は階層を上側の視点から見て描いており、図１（ｂ）は階層を下側の視点から見て描いている。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、図２（ｂ）そして図３には、ウエハー「Ａ」および「Ｂ」の各層構を展開した形で示しているが、これはあくまで説明のためであることを理解していただきたい。実際には、ウエハー「Ａ」およびウエハー「Ｂ」の各層は互いと一体化しており、図に示すように分離されることはない。図２（ａ）、図２（ｂ）そして図３は、下から見上げる形で示した図１（ｂ）の一部を拡大して示したものである。層を貫通するボイドスペースは参照番号８７で示してあるが、図３におけるボイドスペース５５は、ハンドル層４０の途中までしかない。図２（ａ）はウエハーＡの各層を示し、図３はウエハーＢの各層を示す。
【０００８】
図１（ａ）および図１（ｂ）では、階層の一番上の位置に、第１のカバー１２が示されている。このカバーは、外側面１７と内側面またはベース１９を有する。図１（ａ）では、第１のカバー１２の下に４つの光ファイバ１４、１６、１８、２０が見られる。図１（ｂ）および図２（ａ）には、第１のカバー１２の底面またはベース１９が図示してある。第１のカバー１２の底面またはベース１９には、Ｖ字形溝２２、２４、２６、２８が形成されており、これらがファイバ１４、１６、１８、２０を受け入れる。ファイバは、カバーが層３２上に配置される前に、Ｖ字形溝の中に設置される。
【０００９】
次に図２（ａ）を参照する。光ファイバ１４が表すのは第１の光信号源であり、これは、外部の光信号源から出てファイバ１４のピグテイル２１において受信される光信号を介して駆動される。ファイバ１４は、コリメートレンズ２５を介して出力信号を出力する。第１の光信号は、狭いギャップ２７を通過して、ファイバ１６の左側端部に位置する第２のコリメートレンズ２９に達する。光ファイバ１６が表すのは光信号ポートであり、ピグテイル端部３０から第１の光信号を出力する。光ファイバ１８、２０とそれらの作動とは、配置および機能において、ファイバ１４、１６と同様である。
【００１０】
単一モードファイバーの端部でのコリメートレンズ使用については、米国特許出願：第０９／６２８，０１５号（２０００年７月２８日出願）で述べられている。この出願「単一モード光スイッチのためのファイバレンズアセンブリ」は、ノリス・ルイスによるもので、譲受人が共通しており、本明細書には、その内容の全体が参照の形で組み入れられるものとする。
【００１１】
使用されるファイバは単一モードファイバーを含むが、これに限定はされない。ファイバを第１のカバーに取り付ける前の状態では、ファイバのジャケットは外されていて、ファイバのクラッド（cladding）は露出しているが、その径は約１２５ｕｍである。単一モードファイバーのコア（図示せず）の径は、７〜９マイクロメートルの範囲である。屈折率分布型レンズ（graded-index-lens）が、Ｘ字形の中央に当たる各ファイバの端部の位置に図示されている。屈折率分布型レンズは、長さが約３００ｕｍであり、コリメートレンズの機能を実現する。多モードファイバーが実用的か否かは、光スイッチ構成内のレンズによって作られる光線の径によって決定されるであろう。多モードファイバーのコアは、径が単一モードファイバーに比べて非常に大きく、結果として生じるビームの径もより大きくなる。ビーム径がより大きいということは、より大きな駆動偏向（actuation deflection）が必要とされることを意味し、それはさらに、膨張可能構造体全体の寸法もより大きくしなければならないことを意味する。
【００１２】
第１のウエハー（ウエハーＡ）の各層を図２（ａ）に示す。第１のウエハーは、約３２５ｕｍの厚みを有するハンドル層３２、約０.５umの厚みを有する酸化物層３４、そして、約１６ｕｍの厚みを有するデバイス層３６を有する。また、金（gold）製の電気的接触およびトレースの第１パターン３８が、デバイス層３６のベースに配置されている。
次いで、第２のウエハー（ウエハーＢ）の各層を図３に示す。第２のウエハーは、階層の一番下に位置して約３２５ｕｍの厚みを有するハンドル層４０、約０.５ｕｍの厚みを有する酸化物層４２、そして約１６ｕｍの厚みを有するデバイス層４４を有する。また、金（gold）製の電気的接触およびトレースの第２パターン４６が、デバイス層４４の上側に配置されている。第１および第２のパターン３８、４６は互いと対応する形に作られており、加熱および加圧による熱圧縮接合を用いて一体化（fused together）されるが、これは、第１のウエハーを第２のウエハー上に位置合わせした上で第２のウエハーに接合する、という形で行われる。さらに、第２または下側のカバー５０が、ハンドル層４０の底面に取り付けられている。
【００１３】
図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、第１のウエハー（ウエハーＡ）の各層の上に設けられたパターンを示し、第１のウエハーの階層の一番上のハンドル層３２から可撓性移動部材を有するデバイス層３６がある同階層の一番下まで進んでいく形で、各層を示している。
図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、第２のウエハー（ウエハーＢ）の各層の上に設けられたパターンを示し、第２のウエハーの階層の一番上のデバイス層４４からハンドル層４０がある同階層の一番下まで順番に進んでいく形で、図１乃至３に示した各層を示している。
・本発明の双安定マイクロアクチュエータの動作
第１および第２のウエハーがＭＥＭＳ技術を使用して処理され、熱と圧力とを用いて、形の対応する電気的接触層３８、４６において接合されると、ウエハー「Ａ」とウエハー「Ｂ」との間には機械的な連結が確立される。図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）そして図３が展開図となっているのは、単に位置関係の説明を目的としたものであり、各ウエハーの層は、実際には分離されることはない。ここで図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照する。鏡ハンドル層３２上の第１ウエハー領域５６、酸化物層３４上の領域５８、そして可撓性移動部材のデバイス層３６上の領域６０は、ウエハーの構造によって、実際は一体化した形となっている。第１のウエハー（またはウエハー「Ａ」）のデバイス層３６は、機械的連結を確立する層３８と層４６との熱圧縮接合の操作によって、第２のウエハー（またはウエハー「Ｂ」）のデバイス層４４に結合されている。酸化物層の絶縁部（図示せず）は、必要に応じて配置され、マスク処理され、そしてエッチング処理されて、熱センサーおよび状態監視センサーのために第１および第２のウエハーから必要とされる電気的接触を容易にしている。次いで、図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照する。デバイス層４４の領域６２、６４、６５、６６、そして、酸化物層４２の領域６８、７０、７１、７２は、膨張可能構造体ハンドル層４０の領域７４と一体化されてフレームを形成し、当該フレームに膨張可能構造体が結合されている。
【００１４】
再び図１および図２を参照する。ハンドル層３２はエッチング加工され、第１のＶ字形溝７６が形成されており、これにＶ字形溝７８、８６、８８がつながっている。これらＶ字形溝７８、８６、８８は、第１のカバー１２が階層の一番上となった時点で第１のカバー１２の内側に形成されたＶ字形溝２２、２４、２６、２８と相補的な位置関係になるように配置されている。４つの光ファイバ１４、１６、１８、２０は、第１のカバー１２のベース１９に形成されたＶ字形溝に先ずはめ込まれ、その後、Ｖ字形溝７６、７８、８６、８８に光ファイバがおさまるように、ハンドル層３２に第１のカバーが位置合わせされる。
【００１５】
ここで図２を参照する。第１のＶ字形溝７６は、光信号経路を規定する軸を有する。したがって、光ファイバ１４は、ピグテイル２１において外部光信号源（図示せず）から受信される光信号によって駆動される第１の光信号源ということになる。ファイバ１４は、コリメートレンズ２４を介して出力信号を出力する。第１の光信号は、狭いギャップ２６を通過して、ファイバ１６の左端にある第２のコリメートレンズ２９に達する。したがって、光ファイバ１６は、Ｖ字形溝７８の第２の部分に置かれた第１の光信号ポートということになる。これは、コリメート信号源と同軸上に並んで光信号を受信し、自身の右端にあるピグテイル端部３０から第１の光信号を出力する。光ファイバ１８、２０とそれらの働きとは、構成および機能においてファイバ１６と同様である。
【００１６】
図２（ａ）、図４（ｃ）、そして、断面図である図６（ａ）乃至図６（ｃ）には、ウエハーＡのデバイス層３６に形成された可撓性移動部材９０が図示してある。図において、ミラー面９２は、ウエハーＡのハンドル層３２の中心部９４から形成され、その位置は、可撓性移動部材９０の中心部９４上である。また、図に示示す可撓性移動部材では、括弧９８で示す第１の支持点の位置、括弧１００で示す第２の支持点の位置は、それぞれ、圧縮軸１０２の第１の端部、そして第２の端部となっている。図６（ｂ）を見ると、可撓性移動部材の中心部９４は、距離１０４の分だけ圧縮軸１０２から位置がずれて（図における距離１０４の大きさは誇張してある）、第１の状態に入っている。鏡面９２の垂直位置は、この第１の状態では、上に上げられている。単一のマイクロアクチュエータは、約１００の機械ゲイン（mechanical gain）を有する。支持パッド９８および支持パッド１００の上および下に形成された支柱が圧縮軸１０２に沿って１ミクロン移動すると、中心領域１０４または中心領域１０６が、垂直方向に約１００マイクロインチ移動することになる。
【００１７】
図には、鏡９２の左側および右側に、ハンドル層３２から形成された補強材９３ａ、９３ｂが示されている。補強材は可撓性移動部材９０にマス（mass）を加えると共に、制御信号による指示を受けた移動部材が行う、ある状態から別の状態へのトグル運動の完了を助ける。可撓性移動部材はその全長にわたって湾曲しようとするが、湾曲は補強材９３ａ、９３ｂが占める領域のところで抑制され、結果、必要な屈曲がそれ以外の領域全体に転移される。
【００１８】
ボッシュプロセス（Bosh Process）は、誘導結合プラズマイオンエッチング（ディープイオンエッチング、またはＲＩＥと呼ばれることもある）を含むものである。設備メーカーとしては、カリフォルニア州レッドウッドシティーにある、Surface Technology Systemsなどの会社がある。フォトマスクを介して連続的に行われるエッチングステップおよび不動態化ステップから成る手順において、プラズマを反応性ガスとの組み合わせで使用し、表面にわずかに波形のついた壁面を生成する。ボッシュ社は本プロセスをライセンスするものと信じられている。エッチング速度は、フローの速度と圧力とによって制御される。本プロセスは、当業者にとっては公知のものである。ボッシュプロセスで行われるエッチングは、ウエハーの結晶面（crystallographic planes）の影響を受けない。
【００１９】
本発明の鏡を作る際に用いられる技法は、異方性（anisotropic）エッチングプロセスである。異方性エッチングは、湿式化学エッチングプロセスであり、これは、いくつかあるエッチング材または腐食液のうちの１つとして、ＫＯＨまたは水酸化カリウムを使用するのが典型的な形である。エッチング速度は、結晶面の影響を受けるもの（function）であり、それが異方性であるというのは、エッチングの方向が異なればその速度も異なるという意味においてである。これは、Ｖ字形溝およびミラー構造の形成において用いられる。また、これは標準プロセスとなっており、契約で外部に出されることもある（アメリカ合衆国カリフォルニア州のミルピタスにあるIC Sensors社などの会社に）。なお、カリフォルニア州フリーモントのNova Sensors社も、このサービスの提供元になっていると信じられている。一般的な分野としてはマイクロ機械加工にあたり、アメリカ合衆国内ではＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems：マイクロ電気機械システム）と呼ばれる。
【００２０】
異方性エッチングプロセスを使用することで、可撓性移動部材のハンドル層から鏡面９２を作ることが可能となる。本プロセスは、機械的４５度の並び（automatic 45 degree alignment）の鏡面に、光源および光ポートを直線上に並べる働きをするＶ字形溝を与える。本プロセスを用いることで、製造される鏡は充分に薄くなるので、単一モード光に関する耐性ビルド（tolerance build）に対応でき、さらに、交差するビームの通り道に配置された際には、２本のビームの同時反射にも対応できる。
【００２１】
ウエハー「Ａ」と「Ｂ」とは同一のものである。ＳＯＩ（silicon on insulator）ウエハーを供給するベンダーは、原料としての２枚の４インチウエハーまたは２枚の６インチウエハーから始める。ハンドル部は、厚さ３２５ミクロンが典型的である。二酸化ケイ素層の厚さは、約２分の１ミクロンある。デバイス層は、厚さ約１６ミクロンである。
図６（ｃ）は、圧縮軸１０２からずれて第２の状態にある可撓性移動部材の中心部９４を示す（移動距離１０６については誇張して示している）。同図には基板「Ｂ」の一部が図示されており、可撓性移動部材の中心部９４は低い位置へ移動してリセスに収まっている。当該リセスは、デバイス層４４、酸化物層４２を通過し、ハンドル層４０の途中にまで達する形で形成されている。リセスの大きさについては、干渉のない第１の状態に可撓性移動部材が移動するのを許すと共に、可撓性移動部材とウエハー「Ｂ」の壁との間に熱絶縁を実現するのに充分な大きさとする。
【００２２】
その圧縮軸１０２に沿って加えられる圧縮力を受けている間、可撓性移動部材９０は、安定した状態で、第１の弓なり状態、または第２の弓なり状態を保つ。この圧縮力は、膨張可能構造体に含まれる要素（例えば、図３および図５（ａ）に示される熱膨張可能アーム１０８、１１０）から、それぞれ、ポスト１１２、１１４の所にある膨張可能構造体の第１および第２の支持点の位置で結合部を介して加えられる。
【００２３】
移動部材の鏡面９２は、可撓性移動部材が第１の弓なり状態にある時は、光信号経路から離れた位置を保つ。
図３に示すとおり、第２の二酸化ケイ素層のデバイス層４４に形成された膨張可能構造体は、デバイス層４４の領域６４、６５にそれぞれ附属する膨張可能アーム１０８、１１０を介して、フレームに結合されている。領域６４、６５はそれぞれ、領域７０、７１において酸化物層４２に接合されている。そうして、領域７０がハンドル層の領域７４に接合されている一方、領域７１は、領域７５に接合されている。また、領域６４については、電気的接触層を介して、ウエハー「Ａ」のデバイス層３６における領域６０に接合されている。領域６０は酸化物層５８を介して、ウエハー「Ａ」のハンドルにおける領域５６に接合されている。
【００２４】
図３で示すように、膨張可能構造体の膨張可能アーム１０８、１０９、１１０、１１１は第１および第２の端部を有し、それらは、それぞれデバイス層４４上にある膨張可能構造体の第１および第２の端部パッド１１２、１１４が終端となっている。図において、層４４の第１および第２の端部パッド１１２、１１４は、酸化物層４２のパッド１１８、１２０を介して、ハンドル層４０のパッド１２２、１２４に、一体化または接合されている。これらのパッド領域は、ＳＯＩ構造によって一体化されることで、それぞれ、膨張可能構造体の第１および第２のポスト１１３、１１５を形成している。
【００２５】
ここで図２（ａ）を参照する。膨張可能構造体の第１および第２のポストは、第１および第２の末端パッド１１２、１１４、電気的接触層の金属を介して、可撓性移動部材のデバイス層３６の上のパッド９８、１００の位置で、可撓性移動移動部材の第１および第２の支持点に結合されている。パッド９８、１００は、酸化物層３４の対応する形のパッドを介して、第１および第２の可撓性移動部材ポストが形成されているハンドル層３２上にある形の対応するパッドに対し、ＳＯＩウエハーの特性によって一体化されている。つまり、第１および第２の柔軟部材ポストは膨張可能構造体の第１および第２のポストと一体化されているのである。次いで、図３および図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照する。ウエハー「Ｂ」には、８つの横梁またはウェブ（格子状の構造）１２８、１２９、１３０、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６がＭＥＭＳ技法のプロセスによって形成されており、膨張可能構造体の第１および第２のポストをハンドル層４０に結合している。また、図２および図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照すると、８つの横梁またはウェブ１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７が、ＭＥＭＳ技法のプロセスによってウエハー「Ａ」に形成され、第１および第２の可撓性移動部材ポスト９９、１０１を、それぞれ、第１および第２の支持点パッド９８、１００において、ハンドル層３２に結合している。ウエハー「Ａ」および「Ｂ」が、個々のデバイス層の外表面に形成された電気的接触層によって一体に接合されると、膨張可能構造体のポストと可撓性移動部材のポストとは一体に結合されて、可撓性移動部材の各端部に２つのポストを別々に形成し、４つのウェブまたは横支持要素がポストからフレームまで延びた形となっている。
【００２６】
組立作業においては、ウエハー「Ａ」をウエハー「Ｂ」に接合する前の段階で、工作器具を用いて膨張可能構造体を事前に偏らせておく。そうすることで、膨張可能構造体は、圧縮軸１０２に沿って、第１の支持点と第２の支持点との間に圧縮力を加えることとなり、その結果、可撓性移動部材９０は、第１の弓なり状態または第２の弓なり状態に圧縮状態で保持されることになる。
【００２７】
次いで図３を参照する。第１の実施例の動作においては、制御信号（例えば、充分な高電力（power handling capability）を有する駆動装置からの、バッファされた５Vの論理信号（すなわち、０〜５Ｖの論理信号））がヒーターを駆動する。当該ヒーターは膨張可能構造体要素（要素１０９と一続きの要素１０８、そして要素１１１と一続きの要素１１０など）で成り、膨張可能構造体を膨張させる。別の実施の形態では、同じ論理信号が同時に領域６４および６５に加えられる。また、この構成では、ポスト１１２および１１４はアースされている。
【００２８】
第１の実施の形態では、論理信号は、０ボルトまたは非常に低い値である第１の状態と、５Ｖなどの高い値である第２の状態とを有し、領域６４または領域６５に加えられる。なお、その時、領域６４および領域６５のうち信号が加えられていない方の領域はアースされている。論理信号は、膨張可能構造体の膨張可能アーム１０８、１０９、１１０、１１１に電流を通してアームを加熱することで、それらアームを膨張および伸長させ、それによって、可撓性移動部材の第１および第２の支持点パッド９８、１００に加わる圧縮力を小さくするか、あるいはゼロにする。
【００２９】
第２の状態を示す制御信号に応じる形で膨張可能構造体が膨張し、これに伴って、可撓性移動部材に加わる圧縮力が低下すると、可撓性移動部材の中心部は移動可能となり、当該中心部は、第１の弓なり状態から圧縮軸を通過して第２の弓なり状態へ、あるいは、その後に続く、膨張可能構造体による圧縮力の回復に伴い、第２の弓なり状態から圧縮軸を通過して第１の弓なり状態へと移動する。
【００３０】
第１の実施の形態では、移動部材の中心領域９４が移動することで、ミラー面９２も、コリメート光信号源またはピグテイル２１，１４，２６と光学ポート２８、１６、３０との間の位置に移動し、その結果、ギャップ２６において、光信号経路を完全にブロックするか、または完全に反射する（鏡が間に入った場合）。その時、可撓性移動部材は圧縮されて、第２の弓なり状態となっている。こうして、本双安定マイクロアクチュエータは、ギャップ２６を横切る光信号の流れを中断または反射することで、光スイッチとしての機能を実現するように働く。
【００３１】
動作時、制御信号の立ち上がりエッジは鋭く、これに対応する膨張可能構造体の膨張可能アームの加熱も非常に短い時間のうちに実現し、その結果、可撓性移動部材に加わる圧縮力も鋭く瞬間的に低下する。制御信号による加熱の速度は、制御信号の前縁の傾斜や振幅の調節によって調節され、可撓性移動部材の中心部を圧縮状態の軽減に応じて圧縮軸方向に向けて加速させるのに充分な程度に急激なものとすることができる。可撓性移動部材の中心部の加速およびマスは、可撓性移動部材の中心部を、圧縮軸をはさんで、それまでの状態からもう一方の（トグル運動後の）弓なり状態（第１または第２の弓なり状態）にまで移動させるのことができる程度の大きさである。ここで、移動後の状態がどちらになるかは、移動開始前の状態による。また移動は、制御信号の除去に応じて膨張可能構造体からの圧縮力が回復するのに伴って生じる。
【００３２】
図３と図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示す実施の形態では、要素１０８、１０９、１１０、１１１として４つの膨張可能構造体加熱要素が形成されており、第２状態の制御信号下にあって必要とされる加熱を実現するには、これら要素における半導体材料の抵抗率を調節すればよい。なお、明記しておくべきこととして、特定の設計目標を満たすために、異なるパターン（弧を描く形状や楕円形状のセグメントを有する加熱要素など）を考案する場合もありうる。
【００３３】
図６（ａ）乃至図６（ｃ）は、ウエハー「Ａ」のデバイス層３６にドープ処理された２つのインディフューズ（indiffused）領域１４０、１４２を示す。これらは、第１の電気信号（可撓性移動部材が第１の弓なり状態にあるタイミングを示すように特徴づけられたもの）、および第２の電気信号（可撓性移動部材が第２の弓なり状態にあるタイミングを示すように特徴付けられたもの）を提供する手段となっている。別の実施の形態の最初のものにおいては、当該２つの領域は、可撓性移動部材のデバイス層３６上にあるインディフューズ圧電抵抗サイトで成る。２つの領域は電気的接触層に電気的に結合されており、それによって、これら領域を信号定義回路と共に用い、可撓性移動部材をどの方向に曲がっているかを判定する、という使用法が可能となる。バイアスがかかると、インディフューズ領域は、可撓性移動部材が第１の弓なり状態（すなわち、第１の光信号が狭いギャップ２７を通過して、干渉なしに、ファイバ１６の左端にある第２のコリメートレンズ２９に達する、という状態）にあることを示す第１の出力信号を発生させる。また、第２の電気信号は、可撓性移動部材が第２の弓なり状態にある時に、これを示すために発生させられる。
【００３４】
図６（ａ）乃至図６（ｃ）は図２（ａ）に図示した内容の概略断面図であり、可撓性移動部材９０の縦軸を通る断面を示す図である。図３からも対応する層を図示してある。別の実施の形態では、圧電抵抗センサーを、図示したのとは別の位置として、可撓性移動部材の上にまたは内部に配置することも可能であろう。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すインディフューズ領域１４０、１４２を見ると分かるように、各圧電性抵抗要素は、図６（ｃ）に示す第１の状態（鏡９２が光ビームの経路より下にある状態）では張力を受けるが、その後、可撓性移動部材が図６（ｃ）に示す第１の安定状態から図６（ｂ）に示す第２の安定状態に移動するにつれ、圧縮力を受けるようになる。圧電抵抗デバイスの抵抗は、可撓性移動部材の状態に応じて変わるであろう。圧電抵抗デバイスの端部への電気的接続は、図４（ａ）に示す横梁１４０〜１４３と１４４〜１４７に沿って、図５に示す半円形端部接続パッド（図示せず）まで信号線を引き出すことによって実現されるであろう。ここで再び図２を参照する。ここでは、圧電抵抗デバイスがウエハーＡに見られるが、接触部は、図７に示される層内のパッド１６０、１６２のような金（gold）パッドを介して、ウエハー「Ｂ」における半円筒形の端部接続に接続されている。ここから、各信号線はパッケージの端部にあるアパーチャにつながれ、さらには、浮動リードを介してカードまたは保護パッケージピンに接続される。上でも述べた通り、図７に示したような金属加工領域は、あくまで例示目的である。実際にどのようなパターンが必要になるかは、必要とされる電気的接続を実現する目的でなされるデザイン選択の結果で決まるものであり、その電気的接続とは、ヒーター要素からパッケージ上の端部接続部まで、そして、可撓性伝達要素が置かれている状態（すなわち、光ビームが制限なしにその経路を通ってポートに達するような第１の状態、または、光ビームがブロックされるか別のポートへ反射されるという第２の状態）を特定する目的で設けられた圧電抵抗ディフュージョンからのものである。
【００３５】
図８は、図３および図５（ａ）の展開図における切断線８−８に沿っての、ウエハー「Ｂ」の概略断面図であり、ハンドル層から金属電気接続層までの、半円形端部接続パッド１８０〜１８６を示す。図８は、電気的接触層から保護パッケージまたはカードにおけるポストまで、電気接触がどのように確立されているかを示す。
以上、本発明は、いくつかの実施の形態に関連付けて説明してきたが、本特許の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ確定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）光信号源と光ポートと共に動作して光スイッチとして機能する、本発明による双安定マイクロアクチュエータの展開図であって、階層を上側の視点から見た図である。 （ｂ）光信号源と光ポートと共に動作して光スイッチとして機能する、本発明による双安定マイクロアクチュエータの展開図であって、階層を下側の視点から見た図である。
【図２】（ａ）本発明によるウエハー「Ａ」の層を拡大して示す展開斜視図である。 （ｂ）図２（ａ）のうち、可撓性移動部材の中央部分を示す中心部を拡大して示す斜視図であって、その中央部分の頂上にあるミラーが左下からの第１のビームと右下からの第２のビームとを偏向させる状態を示す図である。
【図３】ウエハー「Ｂ」を構成する層を拡大して示す展開斜視図である。
【図４】ウエハー「Ａ」を構成する層を示す平面図である。
【図５】ウエハー「Ｂ」を構成する層を示す平面図である。
【図６】双安定マイクロアクチュエータの概略断面図であって、可撓性移動部材が（ａ）力が加わっていない状態、（ｂ）第１の状態、（ｃ）第２の状態、にある場合について示した図である。
【図７】ウエハー「Ａ」のデバイス層の底面、および、ウエハー「Ｂ」のデバイス層の頂上に形成された電気的接触層を示す平面図である。
【図８】図３および図５の展開図に示した断面線８−８における、ウエハー「Ｂ」の概略断面を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信ネットワークの分野に関し、さらに詳しく言えば、光ファイバコンポーネントの分野、および、光スイッチで使用するためのＭＥＭＳ（Micro Electro - mechanical Systems：マイクロ電子機械システム）関連プロセスによって製造されるマイクロアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、「双安定マイクロアクチュエータおよび光スイッチ」に関して２００１年２月２７日になされた出願（０９／７９４，７７３号）の継続出願である。
光スイッチとは、ある光ポートから別の光ポートへ光信号を伝えたり、論理信号などの電気的コマンドに応じて光信号を遮断する働きをしたりするものである。Blonderによる米国特許４，９３２，７４５号の発明（ＡＴ＆Ｔに譲渡）（その開示内容全体が参照の形で本文書に組み入れられるものとする）における光スイッチ構成は、光路の外または光路内に配置されて入力ファイバと出力ファイバとの間で光信号を偏向させる、というミラーを有している。当該スイッチ構成は第１、第２、第３そして第４の光ポートを有し、各ポートは第１、第２、第３そして第４のファイバセグメントのそれぞれの近接端部（proximate end）に形成され、各セグメントは、シリコン基板ベースにエッチングまたはその他の手法で形成された溝の中に一つずつ配置されている。また、このスイッチ構成には、第１、第２、第３そして第４のレンズレットがさらに含まれ、当該レンズレットは、第１のファイバから出て、第２のファイバに入るか、あるいは第３または第４のファイバに入る、という光ビームをそれぞれコリメートする。これら光ビームの源は、光源（図示せず）によって供給され、公知の光システムで処理される。ミラーは正面側反射平面を有するが、背面側にも並行反射平面を持たせることができる。
【０００３】
米国特許５，０４２，８８９号の発明（ＡＴ＆Ｔに譲渡）（その開示内容全体を参照の形で本文書に組み入れるものとする）は、さらに別の型の光スイッチを開示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は双安定マイクロアクチュエータであり、第１の選択可能な実施の形態においては光スイッチとして示される。本アクチュエータはフレームを有する。また、可撓性移動部材が第１および第２の支持点において支持されている。当該部材は、その第１の支持点から第２の支持点へと延びる圧縮軸を有する。
【発明の効果】
【０００５】
また、膨張可能構造体が、フレームに結合されていると共に、その第１および第２の端部は、移動部材の第１および第２の支持点を駆動するために結合されている。組み立てられた状態では、可撓性移動部材は事前加圧されており、それによって、膨張可能構造体を圧縮すると共に、可撓性移動部材自身も圧縮されて、弓なりの状態に保持される。可撓性移動部材の中央部分は、垂直面上で圧縮軸から外れる形に移動させられる。第１の状態（この状態では、ヒーター電極に電圧は印加されない）と第２の状態（この状態では、予め決められた振幅と幅とを有する電圧パルスがヒーター電極に印加される）とを有する制御信号がヒーター電極に入力され、それによって、膨張可能構造体の要素が加熱され、加熱された構造体が膨張すると可撓性移動部材に加わる圧縮力は小さくなる。圧縮力が弱まると、第２状態を示す制御信号に応じて、可撓性移動部材の中央部分は圧縮軸を越えて移動する。第２状態の制御信号の入力に応じて可撓性移動部材が移動すると、予め決められた時間間隔の後、制御信号は第１の状態に戻る。この時間間隔は、可撓性移動部材が第２の弓なり状態に入ることが保証されるように長さが決められている。なお、この第２の弓なり状態から第１の状態への復帰は、制御信号を第２の状態に戻すことによってのみ可能となる。制御信号を第１の状態に戻すことでヒーターを冷却すれば、膨張可能構造体から可撓性移動部材に加えられる圧縮力を元に戻すことができる。
【０００６】
また、もう一つの選択可能な実施の形態においては、第１のコリメート光信号源がフレームに結合されており、これは光信号経路を介して光信号を供給するためである。また、第１の光ポートもフレームに結合されており、これは、コリメート信号源と同軸的に直線上にあることで、光信号を受信できるようになっている。移動部材面は、可撓性移動部材の中央部分上に位置づけられている。移動部材面とは、縦に配置されたミラー面などであり、可撓性移動部材上に配置されることで、可撓性移動部材が圧縮されて第１の弓なり状態にある時には、光信号経路から離れた位置に来るようになっている。可撓性移動部材が圧縮されて第２の弓なり状態になる時には、移動部材面は、光信号経路を完全にブロックまたは反射するような位置に移動させられる。この構成では、双安定マイクロアクチュエータは、光スイッチ機能を果たす形で働く。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１（ａ）および図１（ｂ）にしめす、本発明の一側面に基づく双安定マイクロアクチュエータ１０は、２枚の市販のＳＩＯ（silicon-on insulator）ウエハーから、ＭＥＭＳ技術を使用して形成されている。これらウエハーは、ウエハー「Ａ」（第１のウエハー）およびウエハー「Ｂ」（第２のウエハー）であり、それぞれ縦括弧で囲んで示してある。図１（ａ）は階層を上側の視点から見て描いており、図１（ｂ）は階層を下側の視点から見て描いている。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、図２（ｂ）そして図３には、ウエハー「Ａ」および「Ｂ」の各層構を展開した形で示しているが、これはあくまで説明のためであることを理解していただきたい。実際には、ウエハー「Ａ」およびウエハー「Ｂ」の各層は互いと一体化しており、図に示すように分離されることはない。図２（ａ）、図２（ｂ）そして図３は、下から見上げる形で示した図１（ｂ）の一部を拡大して示したものである。層を貫通するボイドスペースは参照番号８７で示してあるが、図３におけるボイドスペース５５は、ハンドル層４０の途中までしかない。図２（ａ）はウエハーＡの各層を示し、図３はウエハーＢの各層を示す。
【０００８】
図１（ａ）および図１（ｂ）では、階層の一番上の位置に、第１のカバー１２が示されている。このカバーは、外側面１７と内側面またはベース１９を有する。図１（ａ）では、第１のカバー１２の下に４つの光ファイバ１４、１６、１８、２０が見られる。図１（ｂ）および図２（ａ）には、第１のカバー１２の底面またはベース１９が図示してある。第１のカバー１２の底面またはベース１９には、Ｖ字形溝２２、２４、２６、２８が形成されており、これらがファイバ１４、１６、１８、２０を受け入れる。ファイバは、カバーが層３２上に配置される前に、Ｖ字形溝の中に設置される。
【０００９】
次に図２（ａ）を参照する。光ファイバ１４が表すのは第１の光信号源であり、これは、外部の光信号源から出てファイバ１４のピグテイル２１において受信される光信号を介して駆動される。ファイバ１４は、コリメートレンズ２５を介して出力信号を出力する。第１の光信号は、狭いギャップ２７を通過して、ファイバ１６の左側端部に位置する第２のコリメートレンズ２９に達する。光ファイバ１６が表すのは光信号ポートであり、ピグテイル端部３０から第１の光信号を出力する。光ファイバ１８、２０とそれらの作動とは、配置および機能において、ファイバ１４、１６と同様である。
【００１０】
単一モードファイバーの端部でのコリメートレンズ使用については、米国特許出願：第０９／６２８，０１５号（２０００年７月２８日出願）で述べられている。この出願「単一モード光スイッチのためのファイバレンズアセンブリ」は、ノリス・ルイスによるもので、譲受人が共通しており、本明細書には、その内容の全体が参照の形で組み入れられるものとする。
【００１１】
使用されるファイバは単一モードファイバーを含むが、これに限定はされない。ファイバを第１のカバーに取り付ける前の状態では、ファイバのジャケットは外されていて、ファイバのクラッド（cladding）は露出しているが、その径は約１２５ｕｍである。単一モードファイバーのコア（図示せず）の径は、７〜９マイクロメートルの範囲である。屈折率分布型レンズ（graded-index-lens）が、Ｘ字形の中央に当たる各ファイバの端部の位置に図示されている。屈折率分布型レンズは、長さが約３００ｕｍであり、コリメートレンズの機能を実現する。多モードファイバーが実用的か否かは、光スイッチ構成内のレンズによって作られる光線の径によって決定されるであろう。多モードファイバーのコアは、径が単一モードファイバーに比べて非常に大きく、結果として生じるビームの径もより大きくなる。ビーム径がより大きいということは、より大きな駆動偏向（actuation deflection）が必要とされることを意味し、それはさらに、膨張可能構造体全体の寸法もより大きくしなければならないことを意味する。
【００１２】
第１のウエハー（ウエハーＡ）の各層を図２（ａ）に示す。第１のウエハーは、約３２５ｕｍの厚みを有するハンドル層３２、約０.５umの厚みを有する酸化物層３４、そして、約１６ｕｍの厚みを有するデバイス層３６を有する。また、金（gold）製の電気的接触およびトレースの第１パターン３８が、デバイス層３６のベースに配置されている。
次いで、第２のウエハー（ウエハーＢ）の各層を図３に示す。第２のウエハーは、階層の一番下に位置して約３２５ｕｍの厚みを有するハンドル層４０、約０.５ｕｍの厚みを有する酸化物層４２、そして約１６ｕｍの厚みを有するデバイス層４４を有する。また、金（gold）製の電気的接触およびトレースの第２パターン４６が、デバイス層４４の上側に配置されている。第１および第２のパターン３８、４６は互いと対応する形に作られており、加熱および加圧による熱圧縮接合を用いて一体化（fused together）されるが、これは、第１のウエハーを第２のウエハー上に位置合わせした上で第２のウエハーに接合する、という形で行われる。さらに、第２または下側のカバー５０が、ハンドル層４０の底面に取り付けられている。
【００１３】
図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、第１のウエハー（ウエハーＡ）の各層の上に設けられたパターンを示し、第１のウエハーの階層の一番上のハンドル層３２から可撓性移動部材を有するデバイス層３６がある同階層の一番下まで進んでいく形で、各層を示している。
図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、第２のウエハー（ウエハーＢ）の各層の上に設けられたパターンを示し、第２のウエハーの階層の一番上のデバイス層４４からハンドル層４０がある同階層の一番下まで順番に進んでいく形で、図１乃至３に示した各層を示している。
・本発明の双安定マイクロアクチュエータの動作
第１および第２のウエハーがＭＥＭＳ技術を使用して処理され、熱と圧力とを用いて、形の対応する電気的接触層３８、４６において接合されると、ウエハー「Ａ」とウエハー「Ｂ」との間には機械的な連結が確立される。図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）そして図３が展開図となっているのは、単に位置関係の説明を目的としたものであり、各ウエハーの層は、実際には分離されることはない。ここで図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照する。鏡ハンドル層３２上の第１ウエハー領域５６、酸化物層３４上の領域５８、そして可撓性移動部材のデバイス層３６上の領域６０は、ウエハーの構造によって、実際は一体化した形となっている。第１のウエハー（またはウエハー「Ａ」）のデバイス層３６は、機械的連結を確立する層３８と層４６との熱圧縮接合の操作によって、第２のウエハー（またはウエハー「Ｂ」）のデバイス層４４に結合されている。酸化物層の絶縁部（図示せず）は、必要に応じて配置され、マスク処理され、そしてエッチング処理されて、熱センサーおよび状態監視センサーのために第１および第２のウエハーから必要とされる電気的接触を容易にしている。次いで、図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照する。デバイス層４４の領域６２、６４、６５、６６、そして、酸化物層４２の領域６８、７０、７１、７２は、膨張可能構造体ハンドル層４０の領域７４と一体化されてフレームを形成し、当該フレームに膨張可能構造体が結合されている。
【００１４】
再び図１および図２を参照する。ハンドル層３２はエッチング加工され、第１のＶ字形溝７６が形成されており、これにＶ字形溝７８、８６、８８がつながっている。これらＶ字形溝７８、８６、８８は、第１のカバー１２が階層の一番上となった時点で第１のカバー１２の内側に形成されたＶ字形溝２２、２４、２６、２８と相補的な位置関係になるように配置されている。４つの光ファイバ１４、１６、１８、２０は、第１のカバー１２のベース１９に形成されたＶ字形溝に先ずはめ込まれ、その後、Ｖ字形溝７６、７８、８６、８８に光ファイバがおさまるように、ハンドル層３２に第１のカバーが位置合わせされる。
【００１５】
ここで図２を参照する。第１のＶ字形溝７６は、光信号経路を規定する軸を有する。したがって、光ファイバ１４は、ピグテイル２１において外部光信号源（図示せず）から受信される光信号によって駆動される第１の光信号源ということになる。ファイバ１４は、コリメートレンズ２４を介して出力信号を出力する。第１の光信号は、狭いギャップ２６を通過して、ファイバ１６の左端にある第２のコリメートレンズ２９に達する。したがって、光ファイバ１６は、Ｖ字形溝７８の第２の部分に置かれた第１の光信号ポートということになる。これは、コリメート信号源と同軸上に並んで光信号を受信し、自身の右端にあるピグテイル端部３０から第１の光信号を出力する。光ファイバ１８、２０とそれらの働きとは、構成および機能においてファイバ１６と同様である。
【００１６】
図２（ａ）、図４（ｃ）、そして、断面図である図６（ａ）乃至図６（ｃ）には、ウエハーＡのデバイス層３６に形成された可撓性移動部材９０が図示してある。図において、ミラー面９２は、ウエハーＡのハンドル層３２の中心部９４から形成され、その位置は、可撓性移動部材９０の中心部９４上である。また、図に示示す可撓性移動部材では、括弧９８で示す第１の支持点の位置、括弧１００で示す第２の支持点の位置は、それぞれ、圧縮軸１０２の第１の端部、そして第２の端部となっている。図６（ｂ）を見ると、可撓性移動部材の中心部９４は、距離１０４の分だけ圧縮軸１０２から位置がずれて（図における距離１０４の大きさは誇張してある）、第１の状態に入っている。鏡面９２の垂直位置は、この第１の状態では、上に上げられている。単一のマイクロアクチュエータは、約１００の機械ゲイン（mechanical gain）を有する。支持パッド９８および支持パッド１００の上および下に形成された支柱が圧縮軸１０２に沿って１ミクロン移動すると、中心領域１０４または中心領域１０６が、垂直方向に約１００マイクロインチ移動することになる。
【００１７】
図には、鏡９２の左側および右側に、ハンドル層３２から形成された補強材９３ａ、９３ｂが示されている。補強材は可撓性移動部材９０にマス（mass）を加えると共に、制御信号による指示を受けた移動部材が行う、ある状態から別の状態へのトグル運動の完了を助ける。可撓性移動部材はその全長にわたって湾曲しようとするが、湾曲は補強材９３ａ、９３ｂが占める領域のところで抑制され、結果、必要な屈曲がそれ以外の領域全体に転移される。
【００１８】
ボッシュプロセス（Bosh Process）は、誘導結合プラズマイオンエッチング（ディープイオンエッチング、またはＲＩＥと呼ばれることもある）を含むものである。設備メーカーとしては、カリフォルニア州レッドウッドシティーにある、Surface Technology Systemsなどの会社がある。フォトマスクを介して連続的に行われるエッチングステップおよび不動態化ステップから成る手順において、プラズマを反応性ガスとの組み合わせで使用し、表面にわずかに波形のついた壁面を生成する。ボッシュ社は本プロセスをライセンスするものと信じられている。エッチング速度は、フローの速度と圧力とによって制御される。本プロセスは、当業者にとっては公知のものである。ボッシュプロセスで行われるエッチングは、ウエハーの結晶面（crystallographic planes）の影響を受けない。
【００１９】
本発明の鏡を作る際に用いられる技法は、異方性（anisotropic）エッチングプロセスである。異方性エッチングは、湿式化学エッチングプロセスであり、これは、いくつかあるエッチング材または腐食液のうちの１つとして、ＫＯＨまたは水酸化カリウムを使用するのが典型的な形である。エッチング速度は、結晶面の影響を受けるもの（function）であり、それが異方性であるというのは、エッチングの方向が異なればその速度も異なるという意味においてである。これは、Ｖ字形溝およびミラー構造の形成において用いられる。また、これは標準プロセスとなっており、契約で外部に出されることもある（アメリカ合衆国カリフォルニア州のミルピタスにあるIC Sensors社などの会社に）。なお、カリフォルニア州フリーモントのNova Sensors社も、このサービスの提供元になっていると信じられている。一般的な分野としてはマイクロ機械加工にあたり、アメリカ合衆国内ではＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems：マイクロ電気機械システム）と呼ばれる。
【００２０】
異方性エッチングプロセスを使用することで、可撓性移動部材のハンドル層から鏡面９２を作ることが可能となる。本プロセスは、機械的４５度の並び（automatic 45 degree alignment）の鏡面に、光源および光ポートを直線上に並べる働きをするＶ字形溝を与える。本プロセスを用いることで、製造される鏡は充分に薄くなるので、単一モード光に関する耐性ビルド（tolerance build）に対応でき、さらに、交差するビームの通り道に配置された際には、２本のビームの同時反射にも対応できる。
【００２１】
ウエハー「Ａ」と「Ｂ」とは同一のものである。ＳＯＩ（silicon on insulator）ウエハーを供給するベンダーは、原料としての２枚の４インチウエハーまたは２枚の６インチウエハーから始める。ハンドル部は、厚さ３２５ミクロンが典型的である。二酸化ケイ素層の厚さは、約２分の１ミクロンある。デバイス層は、厚さ約１６ミクロンである。
図６（ｃ）は、圧縮軸１０２からずれて第２の状態にある可撓性移動部材の中心部９４を示す（移動距離１０６については誇張して示している）。同図には基板「Ｂ」の一部が図示されており、可撓性移動部材の中心部９４は低い位置へ移動してリセスに収まっている。当該リセスは、デバイス層４４、酸化物層４２を通過し、ハンドル層４０の途中にまで達する形で形成されている。リセスの大きさについては、干渉のない第１の状態に可撓性移動部材が移動するのを許すと共に、可撓性移動部材とウエハー「Ｂ」の壁との間に熱絶縁を実現するのに充分な大きさとする。
【００２２】
その圧縮軸１０２に沿って加えられる圧縮力を受けている間、可撓性移動部材９０は、安定した状態で、第１の弓なり状態、または第２の弓なり状態を保つ。この圧縮力は、膨張可能構造体に含まれる要素（例えば、図３および図５（ａ）に示される熱膨張可能アーム１０８、１１０）から、それぞれ、ポスト１１２、１１４の所にある膨張可能構造体の第１および第２の支持点の位置で結合部を介して加えられる。
【００２３】
移動部材の鏡面９２は、可撓性移動部材が第１の弓なり状態にある時は、光信号経路から離れた位置を保つ。
図３に示すとおり、第２の二酸化ケイ素層のデバイス層４４に形成された膨張可能構造体は、デバイス層４４の領域６４、６５にそれぞれ附属する膨張可能アーム１０８、１１０を介して、フレームに結合されている。領域６４、６５はそれぞれ、領域７０、７１において酸化物層４２に接合されている。そうして、領域７０がハンドル層の領域７４に接合されている一方、領域７１は、領域７５に接合されている。また、領域６４については、電気的接触層を介して、ウエハー「Ａ」のデバイス層３６における領域６０に接合されている。領域６０は酸化物層５８を介して、ウエハー「Ａ」のハンドルにおける領域５６に接合されている。
【００２４】
図３で示すように、膨張可能構造体の膨張可能アーム１０８、１０９、１１０、１１１は第１および第２の端部を有し、それらは、それぞれデバイス層４４上にある膨張可能構造体の第１および第２の端部パッド１１２、１１４が終端となっている。図において、層４４の第１および第２の端部パッド１１２、１１４は、酸化物層４２のパッド１１８、１２０を介して、ハンドル層４０のパッド１２２、１２４に、一体化または接合されている。これらのパッド領域は、ＳＯＩ構造によって一体化されることで、それぞれ、膨張可能構造体の第１および第２のポスト１１３、１１５を形成している。
【００２５】
ここで図２（ａ）を参照する。膨張可能構造体の第１および第２のポストは、第１および第２の末端パッド１１２、１１４、電気的接触層の金属を介して、可撓性移動部材のデバイス層３６の上のパッド９８、１００の位置で、可撓性移動移動部材の第１および第２の支持点に結合されている。パッド９８、１００は、酸化物層３４の対応する形のパッドを介して、第１および第２の可撓性移動部材ポストが形成されているハンドル層３２上にある形の対応するパッドに対し、ＳＯＩウエハーの特性によって一体化されている。つまり、第１および第２の柔軟部材ポストは膨張可能構造体の第１および第２のポストと一体化されているのである。次いで、図３および図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照する。ウエハー「Ｂ」には、８つの横梁またはウェブ（格子状の構造）１２８、１２９、１３０、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６がＭＥＭＳ技法のプロセスによって形成されており、膨張可能構造体の第１および第２のポストをハンドル層４０に結合している。また、図２および図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照すると、８つの横梁またはウェブ１４０、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７が、ＭＥＭＳ技法のプロセスによってウエハー「Ａ」に形成され、第１および第２の可撓性移動部材ポスト９９、１０１を、それぞれ、第１および第２の支持点パッド９８、１００において、ハンドル層３２に結合している。ウエハー「Ａ」および「Ｂ」が、個々のデバイス層の外表面に形成された電気的接触層によって一体に接合されると、膨張可能構造体のポストと可撓性移動部材のポストとは一体に結合されて、可撓性移動部材の各端部に２つのポストを別々に形成し、４つのウェブまたは横支持要素がポストからフレームまで延びた形となっている。
【００２６】
組立作業においては、ウエハー「Ａ」をウエハー「Ｂ」に接合する前の段階で、工作器具を用いて膨張可能構造体を事前に偏らせておく。そうすることで、膨張可能構造体は、圧縮軸１０２に沿って、第１の支持点と第２の支持点との間に圧縮力を加えることとなり、その結果、可撓性移動部材９０は、第１の弓なり状態または第２の弓なり状態に圧縮状態で保持されることになる。
【００２７】
次いで図３を参照する。第１の実施例の動作においては、制御信号（例えば、充分な高電力（power handling capability）を有する駆動装置からの、バッファされた５Vの論理信号（すなわち、０〜５Ｖの論理信号））がヒーターを駆動する。当該ヒーターは膨張可能構造体要素（要素１０９と一続きの要素１０８、そして要素１１１と一続きの要素１１０など）で成り、膨張可能構造体を膨張させる。別の実施の形態では、同じ論理信号が同時に領域６４および６５に加えられる。また、この構成では、ポスト１１２および１１４はアースされている。
【００２８】
第１の実施の形態では、論理信号は、０ボルトまたは非常に低い値である第１の状態と、５Ｖなどの高い値である第２の状態とを有し、領域６４または領域６５に加えられる。なお、その時、領域６４および領域６５のうち信号が加えられていない方の領域はアースされている。論理信号は、膨張可能構造体の膨張可能アーム１０８、１０９、１１０、１１１に電流を通してアームを加熱することで、それらアームを膨張および伸長させ、それによって、可撓性移動部材の第１および第２の支持点パッド９８、１００に加わる圧縮力を小さくするか、あるいはゼロにする。
【００２９】
第２の状態を示す制御信号に応じる形で膨張可能構造体が膨張し、これに伴って、可撓性移動部材に加わる圧縮力が低下すると、可撓性移動部材の中心部は移動可能となり、当該中心部は、第１の弓なり状態から圧縮軸を通過して第２の弓なり状態へ、あるいは、その後に続く、膨張可能構造体による圧縮力の回復に伴い、第２の弓なり状態から圧縮軸を通過して第１の弓なり状態へと移動する。
【００３０】
第１の実施の形態では、移動部材の中心領域９４が移動することで、ミラー面９２も、コリメート光信号源またはピグテイル２１，１４，２６と光学ポート２８、１６、３０との間の位置に移動し、その結果、ギャップ２６において、光信号経路を完全にブロックするか、または完全に反射する（鏡が間に入った場合）。その時、可撓性移動部材は圧縮されて、第２の弓なり状態となっている。こうして、本双安定マイクロアクチュエータは、ギャップ２６を横切る光信号の流れを中断または反射することで、光スイッチとしての機能を実現するように働く。
【００３１】
動作時、制御信号の立ち上がりエッジは鋭く、これに対応する膨張可能構造体の膨張可能アームの加熱も非常に短い時間のうちに実現し、その結果、可撓性移動部材に加わる圧縮力も鋭く瞬間的に低下する。制御信号による加熱の速度は、制御信号の前縁の傾斜や振幅の調節によって調節され、可撓性移動部材の中心部を圧縮状態の軽減に応じて圧縮軸方向に向けて加速させるのに充分な程度に急激なものとすることができる。可撓性移動部材の中心部の加速およびマスは、可撓性移動部材の中心部を、圧縮軸をはさんで、それまでの状態からもう一方の（トグル運動後の）弓なり状態（第１または第２の弓なり状態）にまで移動させるのことができる程度の大きさである。ここで、移動後の状態がどちらになるかは、移動開始前の状態による。また移動は、制御信号の除去に応じて膨張可能構造体からの圧縮力が回復するのに伴って生じる。
【００３２】
図３と図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示す実施の形態では、要素１０８、１０９、１１０、１１１として４つの膨張可能構造体加熱要素が形成されており、第２状態の制御信号下にあって必要とされる加熱を実現するには、これら要素における半導体材料の抵抗率を調節すればよい。なお、明記しておくべきこととして、特定の設計目標を満たすために、異なるパターン（弧を描く形状や楕円形状のセグメントを有する加熱要素など）を考案する場合もありうる。
【００３３】
図６（ａ）乃至図６（ｃ）は、ウエハー「Ａ」のデバイス層３６にドープ処理された２つのインディフューズ（indiffused）領域１４０、１４２を示す。これらは、第１の電気信号（可撓性移動部材が第１の弓なり状態にあるタイミングを示すように特徴づけられたもの）、および第２の電気信号（可撓性移動部材が第２の弓なり状態にあるタイミングを示すように特徴付けられたもの）を提供する手段となっている。別の実施の形態の最初のものにおいては、当該２つの領域は、可撓性移動部材のデバイス層３６上にあるインディフューズ圧電抵抗サイトで成る。２つの領域は電気的接触層に電気的に結合されており、それによって、これら領域を信号定義回路と共に用い、可撓性移動部材をどの方向に曲がっているかを判定する、という使用法が可能となる。バイアスがかかると、インディフューズ領域は、可撓性移動部材が第１の弓なり状態（すなわち、第１の光信号が狭いギャップ２７を通過して、干渉なしに、ファイバ１６の左端にある第２のコリメートレンズ２９に達する、という状態）にあることを示す第１の出力信号を発生させる。また、第２の電気信号は、可撓性移動部材が第２の弓なり状態にある時に、これを示すために発生させられる。
【００３４】
図６（ａ）乃至図６（ｃ）は図２（ａ）に図示した内容の概略断面図であり、可撓性移動部材９０の縦軸を通る断面を示す図である。図３からも対応する層を図示してある。別の実施の形態では、圧電抵抗センサーを、図示したのとは別の位置として、可撓性移動部材の上にまたは内部に配置することも可能であろう。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すインディフューズ領域１４０、１４２を見ると分かるように、各圧電性抵抗要素は、図６（ｃ）に示す第１の状態（鏡９２が光ビームの経路より下にある状態）では張力を受けるが、その後、可撓性移動部材が図６（ｃ）に示す第１の安定状態から図６（ｂ）に示す第２の安定状態に移動するにつれ、圧縮力を受けるようになる。圧電抵抗デバイスの抵抗は、可撓性移動部材の状態に応じて変わるであろう。圧電抵抗デバイスの端部への電気的接続は、図４（ａ）に示す横梁１４０〜１４３と１４４〜１４７に沿って、図５に示す半円形端部接続パッド（図示せず）まで信号線を引き出すことによって実現されるであろう。ここで再び図２を参照する。ここでは、圧電抵抗デバイスがウエハーＡに見られるが、接触部は、図７に示される層内のパッド１６０、１６２のような金（gold）パッドを介して、ウエハー「Ｂ」における半円筒形の端部接続に接続されている。ここから、各信号線はパッケージの端部にあるアパーチャにつながれ、さらには、浮動リードを介してカードまたは保護パッケージピンに接続される。上でも述べた通り、図７に示したような金属加工領域は、あくまで例示目的である。実際にどのようなパターンが必要になるかは、必要とされる電気的接続を実現する目的でなされるデザイン選択の結果で決まるものであり、その電気的接続とは、ヒーター要素からパッケージ上の端部接続部まで、そして、可撓性伝達要素が置かれている状態（すなわち、光ビームが制限なしにその経路を通ってポートに達するような第１の状態、または、光ビームがブロックされるか別のポートへ反射されるという第２の状態）を特定する目的で設けられた圧電抵抗ディフュージョンからのものである。
【００３５】
図８は、図３および図５（ａ）の展開図における切断線８−８に沿っての、ウエハー「Ｂ」の概略断面図であり、ハンドル層から金属電気接続層までの、半円形端部接続パッド１８０〜１８６を示す。図８は、電気的接触層から保護パッケージまたはカードにおけるポストまで、電気接触がどのように確立されているかを示す。
以上、本発明は、いくつかの実施の形態に関連付けて説明してきたが、本特許の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ確定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）光信号源と光ポートと共に動作して光スイッチとして機能する、本発明による双安定マイクロアクチュエータの展開図であって、階層を上側の視点から見た図である。 （ｂ）光信号源と光ポートと共に動作して光スイッチとして機能する、本発明による双安定マイクロアクチュエータの展開図であって、階層を下側の視点から見た図である。
【図２】（ａ）本発明によるウエハー「Ａ」の層を拡大して示す展開斜視図である。 （ｂ）図２（ａ）のうち、可撓性移動部材の中央部分を示す中心部を拡大して示す斜視図であって、その中央部分の頂上にあるミラーが左下からの第１のビームと右下からの第２のビームとを偏向させる状態を示す図である。
【図３】ウエハー「Ｂ」を構成する層を拡大して示す展開斜視図である。
【図４】ウエハー「Ａ」を構成する層を示す平面図である。
【図５】ウエハー「Ｂ」を構成する層を示す平面図である。
【図６】双安定マイクロアクチュエータの概略断面図であって、可撓性移動部材が（ａ）力が加わっていない状態、（ｂ）第１の状態、（ｃ）第２の状態、にある場合について示した図である。
【図７】ウエハー「Ａ」のデバイス層の底面、および、ウエハー「Ｂ」のデバイス層の頂上に形成された電気的接触層を示す平面図である。
【図８】図３および図５の展開図に示した断面線８−８における、ウエハー「Ｂ」の概略断面を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１状態と第２状態とを有する制御信号に反応するマイクロアクチュエータであって、
圧縮軸に沿って位置する中央部分と第１および第２の端部とを有する可撓性移動部材であって、第１または第２の弓なり状態にある、という前記可撓性移動部材と、そして、
移動部材の第１および第２の端部に連結された、制御信号に反応する膨張可能構造体であって、圧縮軸にほぼ沿った形で可撓性移動部材に圧縮力を加え、当該可撓性移動部材を、制御信号によって決定される形で、第１の弓なり状態と第２の弓なり状態との間で状態を切り替えさせるように作られている、という前記膨張可能構造体と、
を有することを特徴とする前記マイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記膨張可能構造体はフレームを有し、当該フレームは可撓性移動部材に連結されていると共に、制御信号に応じて膨張して可撓性移動部材に加えられる圧縮力を増大または縮小するように作られており、それにより、可撓性移動部材の中央部分は、膨張可能構造体からの圧縮力の回復に伴い、初期状態の第１の弓なり状態から、圧縮軸を通過して、第２の弓なり状態に入ること、
を特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
マイクロアクチュエータであって、
圧縮軸の第１の端部および第２の端部の位置に第１および第２の支持点を有する可撓性移動部材であって、中央部分を圧縮軸から外れた位置に移動させる、という前記可撓性移動部材と、
第１の状態と第２の状態とを有する制御信号と、そして、
移動部材の第１および第２の支持点に連結された第１および第２の端部を有する膨張可能構造体とを有し、
当該膨張可能構造体は、可撓性移動部材の圧縮軸に沿って第１の支持点と第２の支持点との間に圧縮力を加えることで可撓性移動部材を圧縮された第１の弓なり状態に保持する、という形に作られているとともに、可撓性移動部材に加えられる圧縮力を制御信号に応じて小さくし、それにより、膨張可能構造体による圧縮力が回復と共に、当該可撓性移動部材の中央部分が、圧縮軸を越えて第２の弓なり状態に入るように移動する、ということ
を特徴とする前記マイクロアクチュエータ。
【請求項４】
膨張可能構造体の第１および第２の端部はさらに、
膨張可能構造体から可撓性移動部材上の支持点まで延びる第１の支持ポストを、少なくとも有すること、
を特徴とする請求項３に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
膨張可能構造体の第１および第２の端部はさらに、
膨張可能構造体の第１の端部から可撓性移動部材上の第１の支持点まで延びる第１の支持ポストと、
膨張可能構造体の第２の端部から可撓性移動部材上の第２の支持点まで延びる第２の支持ポストと、を有すること、
を特徴とする請求項３に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１】
第１状態と第２状態とを有する制御信号に反応するマイクロアクチュエータであって、
圧縮軸に沿って位置する中央部分と第１および第２の端部とを有する可撓性移動部材であって、第１または第２の弓なり状態にある、という前記可撓性移動部材と、そして、
移動部材の第１および第２の端部に連結された、制御信号に反応する膨張可能構造体であって、圧縮軸にほぼ沿った形で可撓性移動部材に圧縮力を加え、当該可撓性移動部材を、制御信号によって決定される形で、第１の弓なり状態と第２の弓なり状態との間で状態を切り替えさせるように作られている、という前記膨張可能構造体と、
を有することを特徴とする前記マイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記膨張可能構造体はフレームを有し、当該フレームは可撓性移動部材に連結されていると共に、制御信号に応じて膨張して可撓性移動部材に加えられる圧縮力を増大または縮小するように作られており、それにより、可撓性移動部材の中央部分は、膨張可能構造体からの圧縮力の回復に伴い、初期状態の第１の弓なり状態から、圧縮軸を通過して、第２の弓なり状態に入ること、
を特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
マイクロアクチュエータであって、
圧縮軸の第１の端部および第２の端部の位置に第１および第２の支持点を有する可撓性移動部材であって、中央部分を圧縮軸から外れた位置に移動させる、という前記可撓性移動部材と、
第１の状態と第２の状態とを有する制御信号と、そして、
移動部材の第１および第２の支持点に連結された第１および第２の端部を有する膨張可能構造体とを有し、
当該膨張可能構造体は、可撓性移動部材の圧縮軸に沿って第１の支持点と第２の支持点との間に圧縮力を加えることで可撓性移動部材を圧縮された第１の弓なり状態に保持する、という形に作られているとともに、可撓性移動部材に加えられる圧縮力を制御信号に応じて小さくし、それにより、膨張可能構造体による圧縮力が回復と共に、当該可撓性移動部材の中央部分が、圧縮軸を越えて第２の弓なり状態に入るように移動する、ということ
を特徴とする前記マイクロアクチュエータ。
【請求項４】
膨張可能構造体の第１および第２の端部はさらに、
膨張可能構造体から可撓性移動部材上の支持点まで延びる第１の支持ポストを、少なくとも有すること、
を特徴とする請求項３に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
膨張可能構造体の第１および第２の端部はさらに、
膨張可能構造体の第１の端部から可撓性移動部材上の第１の支持点まで延びる第１の支持ポストと、
膨張可能構造体の第２の端部から可撓性移動部材上の第２の支持点まで延びる第２の支持ポストと、を有すること、
を特徴とする請求項３に記載のマイクロアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００６−５１３８７１（Ｐ２００６−５１３８７１Ａ）
【公表日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５６８３１３（Ｐ２００４−５６８３１３）
【出願日】平成１５年１１月１２日（２００３．１１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３５８９０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７２７０５
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５０５１１３７２４）ノースロップ グルーマン コーポレーション (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１１月１２日（２００３．１１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３５８９０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７２７０５
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５０５１１３７２４）ノースロップ グルーマン コーポレーション (6)
【Ｆターム（参考）】
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