JP2010513045A - 集積回路ｍｅｍｓプラットホーム上に支持構造を有するプルーフマス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

基板と、前記基板上に提供された少なくとも一つの半導体層と、前記少なくとも一つの半導体層上に提供され、駆動／検出回路を含む少なくとも一つのチップを備えた回路領域と、前記基板に取り付けられた支持構造と、前記支持構造に取り付けられた少なくとも一つの弾性デバイスと、前記少なくとも一つの弾性デバイスによって支持され、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて自由に移動するプルーフマスと、前記少なくとも一つの弾性デバイス上に提供された少なくとも一つの頂部電極と、前記少なくとも一つの弾性デバイスの真下に位置した少なくとも一つの底部電極であって、初期キャパシタンスが前記少なくとも一つの頂部及び底部電極の間に生成されるような底部電極と、を備えており、駆動／検出回路、プルーフマス、支持構造、及び少なくとも一つの頂部及び底部電極は、少なくとも一つの半導体層上に製造されたＭＥＭＳデバイスを提供する。

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス及びその製造方法に関連している。

本出願は、参照することによってその全体がここに組み込まれる米国特許出願公開第１１／６４０，３４５号の利益を主張している。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、集積センサー、アクチュエータ、及び集積回路で用いられるそれらと類似した工程により製造された電子機器である。それらは、マイクロ加工技術を通して共通基板上の電子機器と共に、（センサーやアクチュエータのような）機械的要素を統合する。それらは、物理的パラメータから電気シグナル、または電気シグナルから物理的パラメータに転換し、及び操作のための重要な方法において機械的構造またはパラメータに依存している。

ＭＥＭＳデバイスは、物理的現象を検出または生成するための検出回路、及び／または駆動回路を有する駆動デバイス、を有するセンサーを使用する。ＭＥＭＳセンサーは、機械的、熱的、化学的、光学的、及び磁気的現象のあらゆる組み合わせを測定することで情報を集める。電子機器はそれから、センサーから運ばれた情報を処理し、及び意思決定能力を経て前記アクチュエータに応答することを指示する。制限されない応答は、移動、位置決め、調整、ポンピング、及びフィルタリングを含み、それによって、いくつか所望の結果または目的のために周囲の制御することを含んでいる。

初期のＭＥＭＳデバイスは、車の衝撃エアーバッグ展開システムのための加速器として利用された。現在、ＭＥＭＳ加速器は、車内の衝撃エアーバック展開システムの従来の加速器に取って代わっている。従来のアプローチは、エアーバッグの近くで個々の電子機器と共に、車のフロントに装荷された別個の構成要素からなるいくつかの大きな加速器を利用する。ＭＥＭＳは単一のシリコンチップ上に加速度計と電子機器を集積することを可能としている。ＭＥＭＳ加速度計は、それ故、ずっと小さく、より機能的で、軽く、より信頼性があり、及び従来の巨視的規模の加速度計要素のコストの極わずかで製造される。

ＭＥＭＳは、多くの他の方法で用いられる。他の限定されない例として、圧力センサー、マイクロバルブ、及びジャイロスコープを含む。それらは、ヘルスケア、産業自動化（自動化半導体製造を含む）、自動車システム（運送車及びスマートハイウェイを含む）、地球環境モニタリング、環境制御、防御、及び消費生産の幅広い変化を含む多くの領域で応用を有している。

ＭＥＭＳデバイスは、光ファイバネットワークにおけるスイッチとして利用されうる。ＭＥＭＳ光スイッチは、プルーフマスとの光通信における少なくとも一つ入力ポート、及びプルーフマスとの光通信における少なくとも一つの出力ポートを含んでいる。前記プルーフマスは少なくとも一つの入力ポートから少なくとも一つの出力ポートへ光を導く。静電ポテンシャルが少なくとも一つの頂部及び底部電極に印加されるとき、プルーフマスの移動を引き起こし、少なくとも一つの入力ポートから少なくとも一つの出力ポートへ光を導く静電気力が生成される。光経路の方向が変えられる必要があるまで、前記プルーフマスはそれから静止したままとなる。ある実施形態において、前記プルーフマスは少なくとも一つのミラー、少なくとも一つの部分的な反射ミラー、及び／または少なくとも一つの回折格子を形成しうる。前記プルーフマスは、光の少なくとも一つ波長に対して透明であり得る。他の実施形態において、前記デバイスはさらに、前記プルーフマス上に配置された少なくとも一つの光学的被覆物を備えている。前記少なくとも一つの光学被覆物は、少なくとも一つのミラー、少なくとも一つの部分的な反射ミラー、及び／または少なくとも一つの回折格子を形成しうる。前記少なくとも一つの光学被覆物は導電性であっても、非導電性であってもよく、及び光の少なくとも一つの波長に対して透明となりうる。ある実施形態において、前記入力及び出力ポートは光ファイバー線となりうる。これらのミラーベースのスイッチは、上下左右に移動する二次元、または広範囲の移動で旋回することのできる三次元でありうる。他の実施形態において、光スイッチはチップ上に最大千ものアレイで配置されうる。結果は、より信頼性があり、コスト効果もよく、及び最小の性能減少を有する端から端までの光通信のネットワークをもたらす。追加の応用は、活性源、同調フィルター、変動光学アテニュエーター、及び利得等化及び分散補償デバイスを含んでいる。

ＭＥＭＳデバイスは、集積回路に使用されるものと類似したバッチ製造技術を利用することで製造される。微小機械要素は、シリコンウェーハの部分を選択的にエッチングし、または機械的及び／または電気機械的デバイスを形成するために新しい構造層を追加する工程を利用して製造される。ＭＥＭＳデバイスは、プルーフマスの支持構造を使用するセンサーデバイス、及び一般的な半導体型製造工程を利用して共通に形成される検出回路を含みうる。例としてのＭＥＭＳ製造技術は、以下の文献：非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、に述べられており、これらは本願発明においてその全体を参照することでその全体が組み込まれる。

現在のＭＥＭＳデバイスの製造工程は、単一のデバイスの製造に必要とされる個別の段階の組み合わせに起因して、非効率で値段が高い。加えて、電子信号処理はＭＥＭＳインセンサー、アクチュエータ、及び集積化電子機器において次第に利用されている一方で、現在のＭＥＭＳの応用は、電気機械的集積化の比較的低いレベル、及び複雑な動作を可能にするために単独でまたは共同で作動する機械的要素との相互作用をほとんど有さない、という制限がある。例えば、典型的な集積回路、電気回路、及びプルーフマスの支持構造は、個々の半導体層上に形成される。電子機器が集積回路（ＩＣ）工程順序（例えば、ＣＭＯＳ、バイポーラ、またはＢＩＣＭＯＳ工程）を利用して製造される一方で、微小機械要素は、シリコンウェーハの一部を選択的にエッチングし、機械的及び電気機械的デバイスを形成するための新しい構造層を追加する互換性のある「微小機械」工程を利用して製造されている。それ故、オンチップ回路及びプルーフマスの支持構造の集積化は一般的に、追加の堆積層を必要とするか、または個々のダイ上に築かれる。

それ故、電気機械的集積化のより大きなレベルでのＭＥＭＳ製造の必要性が存在する。ＭＥＭＳデバイスにおける集積化のレベルを増加させるこの必要性を満足させるために、モノリシックチップまたはマルチチップモジュールが発達されることを必要とする。これらのモノリシックデバイスは基板上のより少ない層において検出、駆動、制御、及び信号処理電子機器を集積しうる。この集積化は微小機械デバイスの性能の改善、及び製造、パッケージング、及びこれらのデバイスの器具を、同一の製造及びパッケージングにおける電子サブシステムと共に微小機械デバイスと結合することにより減少することを約束している。

Ｊｏｈｎ Ｊ．Ｎｅｕｍａｎｎ，Ｊｒ． ＆ Ｋａｉｇｈａｍ Ｊ． Ｇａｂｒｉｅｌ， ＣＭＯＳ‐ＭＥＭＳ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｏｒ Ａｕｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ， ９５ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＆ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ １７５−８２（２００２） Ｍ．Ｍｅｈｒｅｇａｎｙ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ， ３５ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ７１９−２３（１９８８） Ｈｕｉｋａｉ Ｘｉｅ ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｓｔ−ＣＭＯＳ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ａｓｐｅｃｔ−Ｒａｔｉｏ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， １１Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ９３−１０１（２００２） Ｋａｉｇｈａｍ Ｊ．Ｇａｂｒｉｅｌ， Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ， ２７３Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎ １１８−２１（１９９５） Ａｎｄｒｅｗ Ａ．Ｂｅｒｌｉｎ ＆ Ｋａｉｇｈａｍ Ｊ．Ｇａｂｒｉｅｌ， Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＭＥＭＳ：Ｎｅｗ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ， ４ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １２−１６（１９９７）

本発明は、ＭＥＭＳデバイス、及び関連技術の制限及び不利点に起因する問題の少なくとも一つを実質的に取り除いたＭＥＭＳデバイスの製造方法に関連している。

一つの実施形態において、本発明は単一のモノリシックダイ、及びそれらの製造方法を提供する。ここで、前記ダイは、サスペンドされたプルーフマスのｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つの移動を検出または作り出すことができる。回路領域を備えているシリコン、金属、及び酸化物層は同様に、ＭＥＭＳ構造を備えており、それ故、追加の堆積の必要性を取り除く。

本発明の他の実施形態は、モノリシックデバイス、及びそれらの製造方法を提供する。ここで、ＭＥＭＳデバイス及び駆動／センス回路を含んでいる少なくとも一つのチップの両方は、追加の堆積層または個々のダイの必要もなく、基板上の少なくとも一つの半導体層の半導体ダイ上の少なくとも一つの回路領域内に単一に形成される。

本発明の他の実施形態は、モノリシックＭＥＭＳデバイス及びそれらの製造方法を提供する。ここで、プルーフマス、支持体構造、及び電極は駆動／センス回路として同一の半導体層内に製造される。

本発明のもう一つの実施形態は、ＭＥＭＳデバイス及びそれらの製造方法を提供する。ここで、ＭＥＳＭデバイスは、多数軸の慣性センサー、チルトセンサー、光スイッチ、及び他のＭＥＭＳ応用に対して利用されうる。

これらの及び他の利点を達成すること、及び本発明の目的に関連して、具現及び広く述べられるように、ＭＥＭＳデバイスは、安定であるかまたは不安定であり、少なくとも一つのスプリングまたは弾性デバイスによりサスペンドされ、及びｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて自由に移動するプルーフマスを含んでいる。前記少なくとも一つのスプリング、または弾性デバイスは、基板に取り付けられた支持構造に取り付けられる。前記プルーフマス、支持構造、及び少なくとも一つの電極は、駆動／検出回路として同一の半導体層内に製造される。ある実施形態において、少なくとも一つのスプリングまたは弾性デバイス及び前記支持構造は支持ネットワークを形成する。支持ネットワークによりサスペンドされた前記プルーフマスは、いかなる方向での移動が自由である。前記ＭＥＭＳは、いかなる方向での前記プルーフマスの移動を容量的に検出または作り出す。ある実施形態において、前記方向はｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つに沿った方向を含むことができる。

本発明の追加の特性及び利点は、以下の詳細で説明され、及び一部分においては、前記詳細から明らかとなり、または本発明の実施により理解されるだろう。本発明の課題及び他の利点は、発明の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付の図面において特に示された構造により成立され、及び達成されるだろう。

前述の要約、及び次の発明の詳細な説明は、例として及び説明のためのみのものであり、及び請求される本発明のさらなる説明を提供することを目的としていることを理解されるべきである。

本発明の更なる理解を提供するために含まれ、及びこの明細書に組み込まれ、及びこの明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を図示し、及び説明と共に、本発明の原理を説明するために作用する。

導電層及び絶縁層を備えている機械的層を含むスプリングによって支持されたプルーフマスの実施形態の断面図である。 明瞭さのために省略されたアンカー、スプリング、少なくとも一つの頂部電極を有する図１Ａで示された実施形態の平面図である。 負のｚ軸方向に外部の力Ｆ_ｚまたは加速に応えて移動するスプリングで支持されたプルーフマスの実施形態の断面図である。 正のｘ軸方向に外部の力または加速に応えて移動するスプリングで支持されたプルーフマスの実施形態の断面図であり、スプリングで画定された平面内に位置されたプルーフマスの質量中心を有している。 正のｘ軸方向に外部の力または加速に応えて移動するスプリングで支持されたプルーフマスの実施形態の断面図であり、スプリングで画定された平面の外側に位置されたプルーフマスの質量中心を有している。 領域Ｃにおける少なくとも一つの頂部及び底部導電性電極の間の静電力に応えて移動するスプリングで支持されたプルーフマスの実施形態の断面図である。 ダイ及び基板に固定された多数の一式のスプリングによりサスペンドされたプルーフマスの実施形態の上面図である。 多数の一式のスプリングによりサスペンドされ、及び四つのオーバートラベル制御構造によって囲まれたプルーフマスの実施形態の上面図である。 スプリングによってサスペンドされ、及び基板に固定されたオーバートラベル制御構造によって囲まれたプルーフマスの実施形態の断面図である。

本発明の好ましい実施形態の詳細が参考としてなされる。その例は、添付の図面において図示されている。

図１Ａは、機械的層１３２を含んでいるスプリング１３０によって囲まれたプルーフマス１２０の実施形態の断面図であり、機械的層１３２はさらに導電層１３６及び絶縁層１３４を含んでいる。少なくとも一つのスプリング１３０の真下にある少なくとも一つの底部導電性電極１５０は前記プルーフマス１２０を駆動させ、及び外部の力または動きに応答する前記プルーフマス１２０の動きを検出するために利用されうる。駆動／検出回路（図示せず）は基板１１０上に位置され、及び少なくとも一つのスプリング１３０として同時に製造される。前記プルーフマスシステム１００はいかなる形状、及びいかなる数の領域に副分割されうる。示された実施形態において、前記プルーフマスシステム１００は、四つの領域（領域Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）を確定する四つの固有の頂部及び底部導電性電極１４０、１５０を有している。領域Ａ及びＣは図１Ａにおいて示されている。

前記プルーフマス１２０は、シリコン、ポリシリコン、半導体誘電体材料、または金属で全体または一部が作られた領域を基板１１０から分離することにより形成される。ある実施形態において、前記プルーフマス１２０は前記基板１１０より大きくない厚さを有している。前記プルーフマス１２０は、標準のＭＥＭＳエッチング技術を利用することで前記基板１１０から解放されうる。二つのエッチング技術はウェットエッチングまたはドライエッチングである。ＭＥＭＳエッチング技術は、前記プルーフマスの所望の構造が達成されるまで、前記基板１１０から材料の除去を含んでいる。一端解放されると、これ以上のエッチング工程は前記プルーフマス１２０に適用されない。前記プルーフマス１２０はいかなる形状でも形成されうる。前記プルーフマス１２０は前記解放工程の前または間のどちらかで形成されうる。ある実施形態において、前記プルーフマス１２０の前記形状は、前記解放工程によって決定される。前記プルーフマス１２０の前記頂部表面１２２及び／または他の表面は、金属及び酸化物層の組み合わせを有し、及び特定の応用に依存して追加の被覆物を有しうる。

ある実施形態において、前記プルーフマス１２０は少なくとも一つの弾性デバイスによって支持されている。前記少なくとも一つの弾性デバイスは少なくとも一つの導電層１３６を含んでいる。前記少なくとも一つの導電層１３６を囲んでいるいくつかの、または全ての材料は、少なくとも一つの絶縁層１３４を形成する。いったん前記少なくとも一つ弾性デバイスの真下にある前記材料が除去されると、前記少なくとも一つの弾性デバイスは、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向のうち少なくとも一つにおいて自由に動く。少なくとも一つのアンカー１２８は、前記少なくとも一つの弾性デバイスと前記プルーフマス１２０との間の機械的接続を確立する。前記少なくとも一つのアンカー１２８と前記少なくとも一つ弾性デバイスとの間の機械的接続は、標準のエッチング技術を利用して少なくとも一つの弾性デバイスの少なくとも一つの導電層１３６において、少なくとも一つのアンカー１２８を形成することで確立される。

ある実施形態において、スプリング１３０は、弾性デバイスとして利用されうる。ある他の実施形態において、スプリング１３０は、スプリング支持体のネットワークを形成する。前記スプリング１３０は、曲りくねったループ状、メッシュパターン、カニの足のような屈折、折りたたまれた屈折、またはシンプルなビームを含むがこれに限定されない。スプリング１３０の領域は、ある方向における力または運動に応えるように設計されうる。前記スプリング１３０は機械的層１３２及び少なくとも一つの導電層１３６を含みうる。前記機械的層１３２は、前記頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間の短絡を避けるために、酸化シリコン及び／または窒化シリコン、または他の半導体誘電体材料のような絶縁層１３４；及び前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０から電気的に分離されうる金属またはポリシリコンからなる導電層１３６、のいくつかまたは全てを含む。前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０を前記少なくとも一つの下部導電性電極１５０の上に支持すると同時に、前記機械的層１３２は前記プルーフマス１２０を前記ダイ（図示せず）に接続する。

図１Ａで示された実施形態において、前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０は、前記少なくとも一つの導電層１３６の真下に位置されている。前記頂部電極１４０は、絶縁材料（図示せず）内に包み込まれうる。他の実施形態において、前記少なくとも一つの導電層１３６は、前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０として機能しうる。さらに他の実施形態において、前記少なくとも一つ頂部導電性電極１４０は、全く存在していない。前記頂部及び底部導電性電極１４０、１５０は、金属及び／またはポリシリコンで作られ、または前記基板１１０内部にドープされた領域として形成されうる。エアーギャップが前記スプリング１３０と前記少なくとも一つの底部電極１５０とを分離する。前記エアーギャップは、前記スプリング１３０の真下にあるシリコン、ポリシリコン、及び／または半導体誘電体材料をエッチングすることによって生成される。前記少なくとも一つの底部電極１５０は前記スプリングの真下に位置される。初期キャパシタンスＣ_０は、前記少なくとも一つ頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間に生成される。前記少なくとも一つ頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間の前記初期キャパシタンスＣ_０は、印加された力の方向に依存して増加または減少しうる。

このキャパシタンスはオンチップの電子機器（図示せず）と別に検出される。前記オンチップの電子機器及び前記ＭＥＭＳ駆動／検出回路は、寄生キャパシタンスを減少させるために同一の層内に製造される。寄生キャパシタンスは機械的エネルギーを電気エネルギー及びその逆への容量的なセンサー／アクチュエータ転換の効果を減少させる。前記オンチップ電子機器及びＭＥＭＳ駆動／検出回路を同一の層内に製造することによって、前記電気機械的インターフェイスは、前記機械的構造が個々のダイ上、または前記駆動／検出回路において使用されない層で製造された場合よりもより強く結合される。このより強い結合は、前記ＭＥＭＳ駆動／検出回路と前記オンチップの電子機器入力／出力との間の寄生キャパシタンスを、前記機械的構造を形成するために個々のダイまたは追加の層を利用して達成したものより下のレベルに減少させる。

図１Ｂは、明瞭さのために省略された前記アンカー１２８、前記スプリング１３０、及び前記少なくとも一つの電極１４０を有する図１Ａにおいて示された実施形態の平面図である。それは前記プルーフマス１２０、前記プルーフマスの頂部表面１２２、前記基板１１０の各部毎に分離された少なくとも一つの底部電極１５０の領域Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤを示している。示された前記プルーフマスシステム１００は四つの領域（Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）を画定している四つの固有の一式の頂部及び底部導電性電極１４０、１５０を有しているにもかかわらず、前記プルーフマスシステム１００はいかなる形状、及びいかなる数の領域に副分割されうる。

図２Ａは、負のｚ軸方向における外部の力Ｆ_ｚまたは加速に応答して移動するスプリングで支持されたプルーフマス１２０の実施形態の断面図である。示された実施形態において、前記少なくとも一つの導電層１３６は、前記少なくとも一つの導電性電極１４０として機能する。前記少なくとも一つの頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間の前記初期キャパシタンスＣ_０は、印加された力の方向に依存して増加または減少しうる。前記支持されたプルーフマス１２０及びスプリング１３０は、前記基板１１０から離れている。前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の距離のように、前記少なくとも一つの頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間の前記キャパシタンスは全ての四つの領域において減少する。これらの変化は、前記基板１１０上に位置された電子機器（図示せず）によって検出される。これらのキャパシタンス変化のコモンモードの合計は、前記力Ｆ_ｚのｚ要素を示している。ｘ及びｙ要素を示す差動項がゼロに相殺するように、差動信号はｘ及びｙ方向に生成されない。少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の配置は、例としてのみであり、示された配置に限定されない。他の実施形態において、負のｚ軸方向における力Ｆ_ｚは、前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の距離が前記負のｚ軸方向における力に応答して減少する配置を利用することで、全ての四つの領域内で前記キャパシタンスの増加により検出されうる。

図２Ｂは、前記スプリング１３０によって画定された平面内に位置されたプルーフマス１２０の質量中心を有して、正のｘ軸方向における外部の力Ｆ_ｘまたは加速に応答して移動するスプリングで支持されたプルーフマス１２０の実施形態の断面図である。示された実施形態において、前記少なくとも一つの導電層１３６は、前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０として機能する。前記スプリング１３０によって画定された平面内に位置された前記プルーフマス１２０の質量中心と共に、正のｘ軸方向の力Ｆ_ｘまたは加速は、正のｘ軸方向における前記プルーフマス１２０の横方向の移動を生み出す。前記少なくとも一つの頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間の初期キャパシタンスＣ_０は、前記印加された力の方向に依存して増加または減少する。図２Ｂにおいて、領域Ａ内の前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の領域が減少するように、前記キャパシタンスは領域Ａ内で減少し、及び領域Ｃ内の前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の領域が増加するように、前記キャパシタンスは領域Ｃ内で増加する。これらの変化は、前記基板１１０上に位置された電子機器（図示せず）によって差動的に検出されうる。図２Ｂに示した力Ｆ_ｘにｙ要素またはｚ要素が存在しないように、（図１Ｂに示した）領域Ｂ及びＤにおける前記キャパシタンスのいかなる変化は差分的にゼロに相殺される。前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の配置は、例としてのみであり、示された配置に限定されない。他の実施形態において、正のｘ軸方向の移動が、領域Ａにおける前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の領域の増加、及び領域Ｃにおける前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の領域の減少を引き起こす配置を利用することで、正のｘ軸方向における移動は、領域Ａにおける前記キャパシタンスの増加、及び領域Ｃにおけるぜキャパシタンスの減少によって検出されうる。

図２Ｃは、前記スプリング１３０によって画定された平面の外側に位置された前記プルーフマス１２０の質量中心を有して、正のｘ軸方向における力Ｆ_ｘまたは加速に応答して移動するスプリングで支持されたプルーフマス１２０の実施形態の断面図である。示された実施形態において、前記少なくとも一つの導電層１３６は、前記少なくとも一つ導電性電極１４０として機能する。前記スプリング１３０によって画定された平面の外側に位置した前記プルーフマス１２０の質量中心を有して、正のｘ軸方向における力Ｆ_ｘまたは加速度は、前記プルーフマス１２０の回転、及び正のｘ軸方向における前記プルーフマス１２０の横方向の移動を生み出す。前記少なくとも一つの頂部及び底部導電性電極１４０、１５０の間で生成された前記初期キャパシタンスＣ_０は、領域Ａにおいて減少し、領域Ｃにおいて増加する。これらの変化は、前記基板１１０に位置された電子機器（図示せず）によって差動的に検出されうる。前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の配置は、例としてのみであり、示された配置に限定されない。他の実施形態において、ｘ軸方向における移動は、領域Ａにおけるキャパシタンスの増加、及び領域Ｃにおけるキャパシタンスの減少によって検出されうる。図２Ｃに示された前記力のｙまたはｚ要素はなく、領域Ｂ及びＣにおけるキャパシタンスのいかなる変化は差分的にゼロに相殺される。

図３は、領域Ｃにおける前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間に生成された静電力の応答において移動するスプリングで支持されたプルーフマス１２０の実施形態の断面図である。前記示された実施形態において、少なくとも一つの導電層１３６は、少なくとも一つ頂部導電性電極１４０として機能する。前記静電力は前記支持されたプルーフマスを移動させるために利用されうる。前記静電力は、前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間の静電ポテンシャルを作り出すことにより生成される。示された前記実施形態において、前記少なくとも一つの導電層１３６は同様に、前記少なくとも一つの頂部導電性電極１４０として機能する。前記少なくとも一つの電極１４０が前記少なくとも一つの底部電極１５０の方向に引き付けられるとき、前記少なくとも一つの導電性電極１４０はショートすることを避けるために絶縁性の機械的層１３２内に包まれる。示された前記実施形態において、領域Ｃにおいて前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間に作り出された前記静電ポテンシャルは、負のｚ軸方向における静電力を生み出し、前記支持されたプルーフマス１２０を回転させ、正のｘ軸方向において横方向にプルーフマス１２０を移動させる。図３における移動は例としてのみであり、示されたものに限定されない。前記プルーフマス１２０をいかなる方向に回転及び／または移動させうる静電力を生み出すための他の組み合わせに対して、静電ポテンシャルは前記少なくとも一つの頂部及び底部電極１４０、１５０の間に生成されうる。ある実施形態において、前記回転及び／または移動は、ｘ、ｙ、及びｚ軸の少なくとも一つに沿った方向を含んでいる。

図３で示された実施形態は、一つのファイバーから他へ光２００を導くための光スイッチとして作用する。プルーフマス１２０上に配置された少なくとも一つの光学的被覆物１２４は、光学的応用のために光２００を導く。前記少なくとも一つの光学的被覆物１２４は、導電性かまたは非導電性でありうる。前記少なくとも一つの光学的被覆物１２４は反射ミラー、部分的に反射ミラーを形成し、または回折格子を形成するためにスリットを含む。前記少なくとも一つの被覆物１２４は、特定の光の波長に光学的に透明でありうる。前記プルーフマス１２０の頂部表面１２２上に配置された前記少なくとも一つの光学的被覆物１２４が示されたが、前記少なくとも一つの光学的被覆物１２４は、前記頂部表面１２２の一部のみ、前記プルーフマスの他の表面、または前記プルーフマス１２０の他の表面の一部上に配置されてもよい。他の実施形態において、前記プルーフマス１２０は、光２００を導くために光学的被覆物１２４と結合して利用されうる。さらに他の実施形態において、前記プルーフマス１２０自身は光２００を導き、光学的被覆物１２４は必要とされない。

前記光スイッチはさらに、前記プルーフマス１２０との光通信における少なくとも一つの入力ポート２１０、及び前記プルーフマス１２０との光通信における少なくとも一つの出力ポート２２０を含んでいる。前記プルーフマス１２０が移動するとき、それは光２００を少なくとも一つの出力ポート２２０に導く。前記プルーフマス１２０はそれから、前記光２００が方向を変える必要があるまで静止したままとなる。前記プルーフマス１２０はそれから、前記光２００が方向を変えるために再び移動する。前記少なくとも一つの入力ポート２１０及び前記少なくとも一つの出力ポート２２０の数及び位置は例としてのみであり、それらは前記プルーフマス１２０、及び前記少なくとも一つの光学的被覆物１２４が光通信をできる限り、他の実施形態において変化することができる。いくつかの実施形態において、前記少なくとも一つの入力及び前記少なくとも一つの出力ポート２１０、２２０は、前記プルーフマス１２０及び／または少なくとも一つの光学的被覆物１２４との光通信において、光ファイバー線でありうる。これらの光スイッチは、上下左右に動く二次元であり、広い範囲の移動で旋回しうる三次元である。他の実施形態において、前記光スイッチは単一のチップ上に最大で数千を有する配列内に設置されうる。その結果は、より信頼が高く、コスト効果の良い端から端までのフォトニックネットワークであり、最小の性能減少を有している。

図４は、ダイ（図示せず）及び基板１１０に結合された多数の一式の曲がりくねったループ状スプリング１３０よって支持されたプルーフマス１２０の実施形態の上面図である。この実施形態において、領域Ｂ及びＤにおけるスプリング１３０がｙ及びｚ方向における力に応答する一方で、前記プルーフマス１２０の領域Ａ及びＣにおける前記スプリング１３０はｘ及びｚ軸方向に沿った力に応答するために設計されている。この図におけるスプリング１３０の分布は、例としてのみであり、示された分布に限定されない。前記スプリング１３０は、特定の応用に依存して、他の方法で分布されグループ化されうる。ある実施形態において、前記プルーフマス１２０は、各側部に少なくとも一つのスプリング１３０を含んでいる。他の実施形態において、二つまたはそれ以上のスプリングが各側部に利用されうる。他の実施形態において、特定のサイズで利用されたスプリングの数は、反対のまたは隣接する側部で利用されたスプリングの数と同一か異なっている。

図５Ａ及び５Ｂは、少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０を有する本発明の実施形態を示している。前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０は前記プルーフマス１２０が操作限界を超えて移動することを防ぐ。前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０は金属、ポリシリコン、及び／または半導体誘電体材料から作られ、及び孔を含みうる。前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０は、少なくとも一つの弾性デバイスと同時に、前記少なくとも一つの弾性デバイスと同一の方法で製造される。少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０の一つのセクションは、前記基板１１０に結合され解放されない。前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０の他のセクションは、前記少なくとも一つの弾性デバイスと同一の方法で解放される。ある実施形態において、前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０は少なくとも一つの導電層を含みうる。前記少なくとも一つの導電層は、前記プルーフマス１２０の前記解放の間に、前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０を保護する。前記少なくとも一つの導電層及び前記少なくとも一つの導電層の真下のいかなる絶縁材料が残っている一方で、取り除かれるべき前記オーバートラベル制御構造１６０の前記セクションにおける少なくとも一つの導電層を取り囲む材料が取り除かれる。

図５Ａは、曲がりくねったループ状スプリング１３０の複数の一式で支持され、四つのオーバートラベル制御構造１６０で囲まれたプルーフマス１２０の実施形態の上面図である。オーバートラベル制御構造１６０の位置及び量は、例としてのみであり、示された量及び位置に限定されない。例として、少なくとも一つのオーバートラベル制御構造１６０は図５Ａで示されたような前記プルーフマス１２０の少なくとも一つの角部で挿入されうる。前記オーバートラベル制御構造１６０は、プルーフマス１２０がｘ及びｙ軸方向のどちらか遠くに移動することを避けるために、前記プルーフマス１２０の角部に位置される。前記オーバートラベル制御構造１６０は前記基板１１０に結合され、前記プルーフマス１２０がそれらを押したとしても、それらは移動しない。前記オーバートラベル制御構造１６０の前記解放された部分は、前記プルーフマス１２０の一部の上に配置され、プルーフマス１２０が正のｚ軸方向において遠くに移動してしまうことを防ぐ。前記基板１１０は前記スプリング１３０が負のｚ軸方向において遠くに移動してしまうことを防ぐ。

図５Ｂは、スプリング１３０で支持され、及び基板１１０に結合されたオーバートラベル制御構造１６０により囲まれたプルーフマス１２０の実施形態の断面図である。前記オーバートラベル制御構造１６０は前記プルーフマス１２０の一部にわたって浮遊し、及び前記オーバートラベル制御構造１６０が部分的に前記プルーフマス１２０と重複するようにして、前記表面から遠くに移動することを防ぐ。前記オーバートラベル制御構造１６０の前記位置及び前記量は例としてのみであり、示された量または位置に限定されない。

１００ プルーフマスシステム
１２０ プルーフマス
１２２ 頂部表面
１２４ 光学的被覆物
１２８ アンカー
１３０ スプリング
１３２ 機械的層
１３４ 絶縁層
１３６ 導電層
１４０ 頂部電極
１５０ 底部電極
１６０ オーバートラベル制御構造
２１０ 入力ポート
２２０ 出力ポート

Claims (44)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
   基板と、
   前記基板上に提供された少なくとも一つの半導体層と、
   前記少なくとも一つの半導体層上に提供され、駆動／検出回路を含んでいる少なくとも一つのチップを備えた回路領域と、
   前記基板に取り付けられた支持構造と、
   前記支持構造に取り付けられた少なくとも一つの弾性デバイスと、
   前記少なくとも一つの弾性デバイスによって支持され、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて自由に移動するプルーフマスと、
   前記少なくとも一つの弾性デバイス上に提供された少なくとも一つの頂部電極と、
   前記少なくとも一つの弾性デバイスの真下に位置された少なくとも一つの底部電極であって、初期キャパシタンスが前記少なくとも一つの頂部及び底部電極の間に生成されるような底部電極と、
   を備えており、ここで、前記駆動／検出回路、プルーフマス、支持構造、及び前記少なくとも一つの頂部及び底部電極は少なくとも一つの半導体層上に製造されたＭＥＭＳデバイス。
2. 前記ＭＥＭＳデバイスは、単一のモノリシックダイである請求項１に記載のデバイス。
3. 前記回路領域は、シリコン、金属、及び酸化物層を備えている請求項１に記載のデバイス。
4. 前記プルーフマスの頂部表面が、少なくとも一つの金属層及び少なくとも一つの酸化物層を備えている請求項１に記載のデバイス。
5. 前記プルーフマスを支持し、及び前記基板に結合された少なくとも一つのスプリングをさらに備えている請求項１に記載のデバイス。
6. 前記少なくとも一つのスプリング及び前記少なくとも一つの底部電極はさらに、前記少なくとも一つのスプリングを前記少なくとも一つの底部電極から分離するエアーギャップを確定している請求項５に記載のデバイス。
7. 前記少なくとも一つのスプリングは、曲がりくねったループ状、メッシュパターン、カニの脚のような屈曲、またはシンプルなビームのうち一つを備えている請求項５に記載のデバイス。
8. 前記少なくとも一つのスプリングは、少なくとも一つの機械的層、及び少なくとも一つの導電層を備えている請求項５に記載のデバイス。
9. 少なくとも一つの導電層は、前記少なくとも一つの頂部電極として機能している請求項８に記載のデバイス。
10. 前記少なくとも一つの頂部電極を前記少なくとも一つの底部電極の上に支持すると同時に、前記少なくとも一つの機械的層は前記プルーフマスを前記基板に接続している請求項８に記載のデバイス。
11. 前記少なくとも一つの機械的層は、前記少なくとも一つの導電層を前記少なくとも一つの頂部電極から電気的に分離する少なくとも一つの絶縁層をさらに備えている請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記少なくとも一つの機械的層は、前記少なくとも一つの頂部電極を前記少なくとも一つの底部電極から電気的に分離する少なくとも一つの絶縁層をさらに備えている請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記プルーフマスの端部に配置され、前記基板に結合された少なくとも一つのオーバートラベル制御構造をさらに備えている請求項１に記載のデバイス。
14. 前記少なくとも一つのオーバートラベル制御構造は、前記プルーフマスの一部にわたって配置されている請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記少なくとも一つの頂部電極及び前記少なくとも一つの底部電極の間の前記初期キャパシタンスは、前記プルーフマスに印加された力に応答して変化する請求項１に記載のデバイス。
16. 初期キャパシタンスにおける前記変化は、前記少なくとも一つの頂部電極と前記少なくとも一つの底部電極の間の距離の変化をもたらす請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記少なくとも一つの導電層は、前記少なくとも一つの頂部電極として機能している請求項１６に記載のデバイス。
18. 初期キャパシタンスにおける前記変化は、前記少なくとも一つの頂部電極及び前記少なくとも一つの底部電極の間に重複する領域内での変化に起因している請求項１５に記載のデバイス。
19. 前記少なくとも一つ導電層は、前記少なくとも一つの頂部電極として機能している請求項１８に記載のデバイス。
20. 初期キャパシタンスにおける前記変化は、前記駆動／検出回路によって検出される請求項１５に記載のデバイス。
21. 前記検出／駆動回路は、支持されたプルーフマスのｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つに沿った移動を検出する請求項１５に記載のデバイス。
22. 前記検出／駆動回路は、支持されたプルーフマスのｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つに沿った慣性の変化を検出する請求項１５に記載のデバイス。
23. 前記検出／駆動回路は、支持されたプルーフマスのｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つに沿った傾きを検出する請求項１５に記載のデバイス。
24. 前記少なくとも一つの頂部電極と前記少なくとも一つの底部電極の間の静電ポテンシャルを生成することによってｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて前記支持されたプルーフマスに力が印加される請求項１に記載のデバイス。
25. 前記プルーフマスに印加された前記力は、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおける移動を引き起こすためのものである請求項２４に記載のデバイス。
26. 前記プルーフマスに印加された前記力は、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つに沿って傾きを引き起こすためのものである請求項２４に記載のデバイス。
27. 前記駆動／検出回路は、前記少なくとも一つの頂部電極及び前記少なくとも一つの底部電極の間の前記静電ポテンシャルを生み出す請求項２４に記載のデバイス。
28. 前記少なくとも一つの導電層と前記少なくとも一つの底部電極との間に静電ポテンシャルを生成することにより、ｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて、前記支持されたプルーフマスに力が印加される請求項１に記載のデバイス。
29. 前記プルーフマスに印加された前記力は、前記プルーフマスがｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて移動を引き起こすためのものである請求項２８に記載のデバイス。
30. 前記プルーフマスに印加された前記力は、前記プルーフマスがｘ、ｙ、及びｚ軸方向の少なくとも一つにおいて傾きを引き起こすためのものである請求項２８に記載に記載のデバイス。
31. 前記駆動／検出回路は、前記少なくとも一つの導電層と前記少なくとも一つの底部電極との間に前記静電ポテンシャルを生み出す請求項２４に記載のデバイス。
32. 前記プルーフマスと光通信する少なくとも一つの入力ポートと、
    前記プルーフマスと光通信する少なくとも一つの出力ポートと、をさらに備えており、
    前記プルーフマスは少なくとも一つの入力ポートから少なくとも一つの出力ポートに光を導く請求項２４に記載のデバイス。
33. 前記デバイスは光スイッチである請求項３２に記載のデバイス。
34. 前記駆動／検出回路は、前記少なくとも一つの頂部及び底部電極の間の静電ポテンシャルを生み出す請求項３３に記載のデバイス。
35. 前記デバイスは、配列に設置された多数のうちの一つである請求項３３に記載のデバイス。
36. 前記プルーフマスは、少なくとも一つの反射ミラーを形成する請求項３３に記載のデバイス。
37. 前記プルーフマスは、少なくとも一つの部分的な反射ミラーを形成する請求項３３に記載のデバイス。
38. 前記プルーフマスは、少なくとも一つの回折格子を形成する請求項３３に記載のデバイス。
39. 前記プルーフマスは、少なくとも一つの光の波長に透明である請求項３３に記載のデバイス。
40. 前記プルーフマス上に配置された少なくとも一つの光学的堆積物をさらに備えている請求項３３に記載のデバイスである。
41. 前記少なくとも一つの光学的被覆物は、少なくとも一つの反射ミラーを形成する請求項４０に記載のデバイス。
42. 前記少なくとも一つの光学的被覆物は、少なくとも一つの部分的反射ミラーを形成する請求項４０に記載のデバイス。
43. 前記少なくとも一つの光学的被覆物は、少なくとも一つの回折格子を形成する請求項４０に記載のデバイス。
44. 前記少なくとも一つの光学的被覆物は、少なくとも一つの光の波長に透明である請求項４０に記載のデバイス。

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