Research/Electrostatically Addressable Visored Shutter Array by Electroplating for Astronomical Spectrography

2019-02-17 (日) 23:09:59 (243d)

天文分光器用の静電駆動型ひさし付きマイクロシャッタアレイ
Electrostatically Addressable Visored Shutter Array by Electroplating for Astronomical Spectrography

本研究の最終目標は、東京大学理学部天文センターが中心となって南米チリのアタカマ高地に計画している「東京大学アタカマ天文台」の6.5m級望遠鏡に搭載する近赤外分光器を「多天体分光器化」して、遠方銀河のディープサーベイを短時間に効率よく行う技術を開発することである。従来の分光器に搭載されていた固定金属スリット板に代わるデバイスとして、本研究室ではトーションミラー型静電駆動MEMSシャッタアレイを開発中である。今回のポスターでは、シャッタ上方に3次元的に遮蔽用の庇構造を追加した新たなデバイスについて報告する。この庇構造は、表面マイクロマシニング技術の電解めっきを用いて製作したものである。本研究では、シャッタ構造(SOI)、庇(めっき)、および、基板(シリコン基板)の3系統をそれぞれ独立した電極として活用し、任意の(X、Y)位置のシャッタの静電ラッチ、および、オープン駆動を行う新たな動作方法を考案した。

The final goal of this project is to produce a new optical measurement technology to promptly perform deep galaxy spectroscopy to be installed to the 6.5 meter observatory under construction in the high mountain in Chille within a framework program with the Institute of Astronomy, The University of Tokyo. The electrostatic MEMS micro torsion shutter array under development here is expected to replace the multi-slit array used in today's observatory spectroscope to geometrically choose galaxies for measurement. In this poster, we present an improved version of micro shutter array by newly integrating an electroplated visor structure over the gap of the shutter to suppress the stray light. This visor also allows us to realize the electrostatic self-latch mechanism by using the SOI shutter, plated visor, and silicon substrate as electrodes for electrostatic operation.

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はじめに
Introduction

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左の図面は建設中の天体望遠鏡と、その主鏡のそばにある分光器の位置を表したものである。従来の多天体分光器では、金属遮蔽板に天体の位置に対応した孔を空けて、そこを通過する光を分光器に導入する方法が一般的であった。しかしながら、対象とする天体が変わるたびに遮蔽板を交換する必要があり、装置全体の冷却に必要な時間が貴重な観測時間を浪費していた。そこで、任意の天体からの光を分光器に導入できるように、MEMS技術による可変アパチャーを理学部天文センターとともに共同製作している。

The illustration on the left shows the location of the spectroscope by the main reflector of the observatory, which is under construction now. Conventional multi-object spectroscopy used a metal plate with many holes that corresponded to the positions of the galaxies under observation, and the operator manually choose the object by controlling the optical paths moving reflectors, prisms and sometimes optical fibers. However, the operation requires lengthy steps to perform every time the target galaxies are altered, thereby wasting previous time and opportunities of observation. For this reason, MEMS controlled micro shutters are expected to promptly reconfigure the optical system.

静電駆動シャッタの構造
Electrostatic Microshutter Mechanism

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本研究のこれまでの実施例では、SOI基板の両面をDRIE加工したSaloon Door型のトーション・シャッタを製作し、その特性を評価した。ただし、この方式のシャッタでは、サスペンション周りやシャッタ周囲に設けた隙間から迷光を生じるため、分光器のS/Nを悪くする恐れがある。そこで今回は、シャッタ周囲の隙間を塞いで遮光率を高めるために、シリコン製のシャッタの上部に金属めっき製のひさし構造を追加した。また、この庇構造を第3の電極として用いて、任意の(X、Y)位置のシャッタを静電ラッチするシーケンシャル駆動が可能であることを明らかにした。

We have developed a saloon-door type micro shutter array by micromachining the both sides of an SOI (Silicon on Insulator) wafer with DRIE (Deep Reactive Ion Etching). A visor has been newly adopted to fill the tiny gap around the shutter structure to suppress the stray light. Using the visor as another electrode, we have demonstrated a sequential operation of shutter element at arbitrary position (X, Y).

金属メッキとシリコンDRIE加工の組み合わせ
Combination of Plated Metal and Silicon DRIE Processes

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本研究のシャッタ構造は、幅1.5ミクロン、厚さ1.5ミクロン、長さ500ミクロン程度のきわめて細いサスペンションによって支持されている。プロセス中の破損を極力避けるために、基板貫通孔形成の前に金属めっき構造で庇を形成する手法を採用した。なお、庇とシャッタを機械的に分離するための犠牲層としてめっきの銅を用いている。また、庇構造はニッケルめっきで構成した。

The developed micro shutter is made of a delicate structure with a pair of silicon torsion bars of only 1.5 microns wide, 1.5 microns thick, and 500 microns long. To avoid the fracture during the fabrication process, we have used a novel fabrication sequence to apply nickel electroplating on the SOI before making a through-hole via from back side of the substrate. A copper is used as a sacrificial layer between the SOI silicon and the plated nickel visor.

マトリクス駆動実験
Matrix Operation

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本研究の設計では、SOI製のシャッタ構造は横方向に電気的に接続されている。また、めっき製の庇構造は、縦方向に接続している。これらをX、Yマトリクス駆動の電極として用いることで、任意の(X、Y)位置のシャッタ構造を庇電極側にラッチできることを示した。

The micro shutters in the SOI layer are electrically connected in the lateral direction, while the plated visor structures are connected in the orthogonal direction. By using these sets of electrodes as X and Y, we demonstrated open/close operation of micro shutters at arbitrary position.

紹介ポスター
Openhouse Poster