JPH10209527A - Electrostatic actuator, its manufacturing method and drive system - Google Patents

Electrostatic actuator, its manufacturing method and drive system

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JPH10209527A
JPH10209527A JP9011513A JP1151397A JPH10209527A JP H10209527 A JPH10209527 A JP H10209527A JP 9011513 A JP9011513 A JP 9011513A JP 1151397 A JP1151397 A JP 1151397A JP H10209527 A JPH10209527 A JP H10209527A
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Japan
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electrostatic actuator
film
upper electrode
curved portion
thin film
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Application number
JP9011513A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Kanayama
斎 金山
Sunao Tsurusawa
直 鶴沢
Koji Idogaki
孝治 井戸垣
Takashi Yasuda
隆 安田
Isao Shimoyama
下山  勲
Hirofumi Miura
宏文 三浦
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a large displacement with a low drive voltage in an electrostatic actuator having cantilevers as moving portions. SOLUTION: In an electrostatic actuator, an insulation layer 12 is formed on a conductive silicon wafer 10 and an upper electrode 14 for supporting one end of a moving portion 16 is formed. The moving portion 16 has a cantilever construction continuously forming a plurality of beams 20, each consisting of a straight portion 22 and a curved portion 24. In this actuator, if a drive voltage is applied which is able to deform a first beam 20 between the silicon wafer 10 and the upper electrode 14, an electrostatic force occurs by this drive voltage, and the first beam 20a is bent to the silicon wafer 10 side by this force, thereafter, second, third, fourth and fifth beams 20b to 20e are sequentially bent to silicon wafer 10 side. Thus, a large displacement can be obtained by a low drive voltage. Also, since the drive voltage can be made low, a drive circuit or the like can be formed on a silicon substrate the same as that of the electrostatic actuator.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、可動部を片持梁に
て構成した静電アクチュエータとその製造方法、並びに
静電アクチュエータを用いた駆動システムに関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an electrostatic actuator having a movable portion formed of a cantilever, a method of manufacturing the same, and a drive system using the electrostatic actuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、静電気力と可動部の弾性変形
を最良の方法で使用することにより、可動部を所望量だ
け変位(屈曲)させることのできる静電アクチュエータ
が知られている。例えば、下記(1)〜(3)のものがそれで
ある。
2. Description of the Related Art Hitherto, there has been known an electrostatic actuator which can displace (bend) a movable portion by a desired amount by using an electrostatic force and elastic deformation of a movable portion in the best way. For example, the following (1) to (3) are such.

【0003】(1) 一対の平面状電極の間に、両端が固定
されたS字状のフィルムを配置し、フィルムと各電極間
に交互に電圧を印加することにより、フィルムのS字状
部分を、電圧印加によって生じる静電気力によりフィル
ムの両固定端側に交互に変位させ、そのフィルムの変位
によって、所定のガス流量を得るようにした静電気フィ
ルムアクチュエータ(1992年,IEEE「マイクロ
・エレクトロ・メカニカル・システムズ」の会報,1〜
5頁参照)。
(1) An S-shaped film having both ends fixed is disposed between a pair of planar electrodes, and a voltage is alternately applied between the film and each electrode to form an S-shaped portion of the film. Is alternately displaced to both fixed ends of the film by an electrostatic force generated by voltage application, and a predetermined gas flow rate is obtained by the displacement of the film (1992, IEEE "Micro Electro Mechanical Mechanical"). Systems Newsletter, 1
See page 5.)

【0004】(2) 絶縁体が積層された波形電極を多数並
べて、各電極の頂点同士を接続することにより多数の電
極からなるハニカム形状の可動部を形成し、この可動部
において互いに隣接する電極間に電圧を印加することに
より各電極間に静電気力を発生させ、その静電気力によ
り各電極を近接・離間させることにより、所望の変位量
を得るようにした分布静電気マイクロアクチュエータ
(1993年,IEEE「マイクロ・エレクトロ・メカ
ニカル・システムズ」の会報,18〜23頁参照)。
(2) A large number of corrugated electrodes on which an insulator is laminated are arranged, and the vertexes of the respective electrodes are connected to form a honeycomb-shaped movable portion composed of a large number of electrodes. An electrostatic force is generated between the electrodes by applying a voltage between them, and a distributed electrostatic microactuator (IEEE, 1993, IEEE) which obtains a desired amount of displacement by moving the electrodes toward and away from each other by the electrostatic force. Bulletin of "Micro Electro Mechanical Systems", pp. 18-23).

【0005】(3) 平面状の下部電極の上に絶縁層を挟ん
で上部電極を形成し、この上部電極にアルミニウムとク
ロムとの薄膜で作製した湾曲部を有する可動部を連結
し、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することに
より、可動部を静電気力により絶縁層側に変位させる片
持梁構造の静電アクチュエータ(1994年,IEEE
「マイクロ・マシン及びヒューマン・サイエンス」第5
回国際会議の会報,第8〜31頁、1995年,「ソリ
ッドステート・センサとアクチュエータの第8回国際会
議」及び「ユーロセンサ 9」のテクニカル・ダイジェ
スト,412〜415頁、1995年,IEEE「マイ
クロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ」の会報,
37〜42頁(文献A)、参照) そして、特に、これらの静電アクチュエータ(1)〜(3)の
うち、可動部を片持梁構造とした静電アクチュエータ
(3) によれば、表面マイクロ加工技術を利用してシリコ
ンウエハ上に可動部を簡単に形成することができ(文献
A参照)、その量産化が容易であることから、静電アク
チュエータを実用化する上で特に重要な技術となる。
(3) An upper electrode is formed on a planar lower electrode with an insulating layer interposed, and a movable portion having a curved portion made of a thin film of aluminum and chromium is connected to the upper electrode. An electrostatic actuator having a cantilever structure in which a movable portion is displaced toward an insulating layer by an electrostatic force by applying a voltage between the upper electrode and the upper electrode (IEEE, 1994)
"Micro Machine and Human Science" No.5
Bulletin of the 8th International Conference, pp. 8-31, 1995, "Eighth International Conference on Solid-State Sensors and Actuators" and Technical Digest of "Eurosensor 9", pp. 412-415, 1995, IEEE. Bulletin of "Micro Electro Mechanical Systems"
In particular, among these electrostatic actuators (1) to (3), an electrostatic actuator having a movable portion with a cantilever structure is used.
According to (3), a movable part can be easily formed on a silicon wafer by using surface micromachining technology (see Document A), and mass production thereof is easy, so that an electrostatic actuator is practically used. This is a particularly important technology in making

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の静
電アクチュエータにおいては、所望の変位量を得るため
には、電極間に数十から百V以上の高い駆動電圧を印加
する必要があり、駆動電圧を低くすると、変位量が小さ
くなりすぎるといった問題があった。
However, in the above-mentioned conventional electrostatic actuator, it is necessary to apply a high driving voltage of several tens to hundreds V or more between the electrodes in order to obtain a desired displacement. When the driving voltage is lowered, there is a problem that the displacement amount becomes too small.

【0007】このため、上記(3) の静電アクチュエータ
を実用化する場合、その駆動系は静電アクチュエータの
電極間に高電圧を印加できるように構成にする必要があ
ることから、例えば、静電アクチュエータと同一のシリ
コン基板上に駆動回路を形成するといったことはでき
ず、静電アクチュエータを用いた駆動システムを実現す
る上で、制御や電力供給の点で不利であるといった問題
があった。
For this reason, when the electrostatic actuator of the above (3) is put to practical use, it is necessary to make the drive system so that a high voltage can be applied between the electrodes of the electrostatic actuator. A drive circuit cannot be formed on the same silicon substrate as the electric actuator, and there is a problem in that a drive system using an electrostatic actuator is disadvantageous in terms of control and power supply.

【0008】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、可動部として片持梁を有する静電アクチュエ
ータにおいて、低い駆動電圧で大きな変位量が得られる
ようにすることを目的とする。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an electrostatic actuator having a cantilever as a movable portion so that a large displacement can be obtained with a low driving voltage.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の静電ア
クチュエータにおいては、下部電極の片側面に形成され
た絶縁層の下部電極とは反対側面に上部電極が形成さ
れ、この上部電極には、湾曲部と直線部とからなる第1
の梁の湾曲部が支持される。また、第1の梁の直線部に
は、更に、第1の梁と同形状の第2の梁の湾曲部が接続
される。つまり、本発明の静電アクチュエータは、上部
電極に対して複数の梁を連続的に結合した可動部を有す
る。
In the electrostatic actuator according to the present invention, an upper electrode is formed on a side of the insulating layer formed on one side of the lower electrode opposite to the lower electrode, and the upper electrode is formed on the upper electrode. Is a first part composed of a curved part and a straight part.
Of the beam are supported. Further, a curved portion of a second beam having the same shape as the first beam is connected to the straight portion of the first beam. That is, the electrostatic actuator of the present invention has the movable portion in which the plurality of beams are continuously connected to the upper electrode.

【0010】そして、このように構成された本発明の静
電アクチュエータにおいては、上部電極と下部電極との
間に、第1の梁の直線部分を絶縁層に当接させる静電気
力を発生可能な駆動電圧を印加すれば、まずその駆動電
圧により第1の梁と下部電極との間に発生した静電気力
にて第1の梁が絶縁層に当接され、次に、その駆動電圧
により第2の梁と下部電極との間に発生した静電気力に
て第2の梁が絶縁層に当接されることになる。従って、
本発明によれば、第1の梁を絶縁層に当接させるのに必
要な駆動電圧にて、第1の梁及び第2の梁を順に絶縁層
に当接させることが可能になり、第2の梁の開放端側で
は、第1の梁の開放端側での変位量よりも大きな変位量
を得ることができる。
[0010] In the electrostatic actuator of the present invention configured as described above, it is possible to generate an electrostatic force between the upper electrode and the lower electrode for bringing the linear portion of the first beam into contact with the insulating layer. When a drive voltage is applied, first, the first beam is brought into contact with the insulating layer by an electrostatic force generated between the first beam and the lower electrode by the drive voltage, and then the second beam is applied by the drive voltage. The second beam comes into contact with the insulating layer due to the electrostatic force generated between the lower beam and the lower electrode. Therefore,
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to make a 1st beam and a 2nd beam contact an insulating layer in order by the drive voltage required to make a 1st beam contact an insulating layer, At the open end of the second beam, a larger displacement can be obtained than at the open end of the first beam.

【0011】またこのように、本発明は、上部電極に支
持される可動部を湾曲部と直線部とからなる複数の梁に
て構成することにより、下部電極と上部電極との間に印
加される駆動電圧に対する変位量を増加するものである
ため、第1の梁への第2の梁の接続方法と同じ方法で、
第2の梁にこれと同形状の第3の梁を接続し、更に、第
3の梁にこれと同形状の第4の梁を接続する、というよ
うに、第1の梁に対して、第2,第3,第4…の梁を連
続的に接続するようにすれば、最終段の梁の開放端側で
は、より大きな変位量を得ることができる。
Further, as described above, according to the present invention, the movable portion supported by the upper electrode is constituted by a plurality of beams including the curved portion and the linear portion, so that the voltage applied between the lower electrode and the upper electrode is increased. Since the amount of displacement with respect to the driving voltage is increased, the same method as the method of connecting the second beam to the first beam is used.
For the first beam, a third beam of the same shape is connected to the second beam, and a fourth beam of the same shape is connected to the third beam. If the second, third, fourth,... Beams are continuously connected, a larger displacement can be obtained on the open end side of the last stage beam.

【0012】このため、本発明によれば、小さな駆動電
圧で所望の変位量が得られる静電アクチュエータを実現
できる。尚、第2の梁の湾曲部の第1の梁への接続位置
としては、第1の梁の直線部であればどこでもよく、例
えば、第1の梁の直線部の開放端部に、第2の梁の湾曲
部を接続するようにしてもよく、第1の梁の直線部の湾
曲部近傍に、第2の梁の湾曲部を接続するようにしても
よい。
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an electrostatic actuator capable of obtaining a desired displacement with a small driving voltage. The connecting position of the curved portion of the second beam to the first beam may be any location as long as it is a straight portion of the first beam. The curved portion of the second beam may be connected, or the curved portion of the second beam may be connected near the curved portion of the linear portion of the first beam.

【0013】次に、本発明の静電アクチュエータの可動
部を構成する各梁は、請求項2に記載のように、直線部
を一種類の金属薄膜から構成し、湾曲部を残留応力の異
なる二種類の金属薄膜の積層体から構成するようにすれ
ば、複数の梁からなる可動部を半導体プロセスを用いて
容易に形成できる。
Next, in each of the beams constituting the movable portion of the electrostatic actuator of the present invention, the straight portion is formed of one kind of metal thin film, and the curved portion has different residual stress. If it is constituted by a laminated body of two types of metal thin films, a movable portion composed of a plurality of beams can be easily formed by using a semiconductor process.

【0014】また更に、下部電極,絶縁膜についても、
請求項3に記載のように、下部電極を導電性のシリコン
ウエハから構成し、絶縁膜をシリコン酸化膜から構成す
るようにすれば、半導体プロセスを用いて容易に形成で
きる。そして、請求項2又は請求項3に記載の静電アク
チュエータのように、可動部を構成する各梁の直線部を
一種類の金属薄膜から構成し、湾曲部を二種類の金属薄
膜から構成する場合には、請求項4に記載のように、例
えば、直線部を構成する金属薄膜をアルミニウム薄膜と
し、湾曲部を構成する二種類の金属薄膜をアルミニウム
薄膜及びクロム薄膜とすればよい。
Further, regarding the lower electrode and the insulating film,
If the lower electrode is made of a conductive silicon wafer and the insulating film is made of a silicon oxide film, the lower electrode can be easily formed using a semiconductor process. Then, as in the electrostatic actuator according to claim 2 or 3, the linear portion of each beam constituting the movable portion is formed of one type of metal thin film, and the curved portion is formed of two types of metal thin films. In this case, for example, the metal thin film forming the linear portion may be an aluminum thin film, and the two types of metal thin films forming the curved portion may be an aluminum thin film and a chromium thin film.

【0015】またこのように各梁の湾曲部をアルミニウ
ム薄膜とクロム薄膜との積層体にて形成する場合には、
請求項5に記載のように、アルミニウム薄膜の膜厚h1
とクロム薄膜の膜厚h2 との比h2 /h1 を、0.06
以上にすることが望ましい。これは、各薄膜の膜厚比h
2 /h1 を0.06以上にすれば、各薄膜の膜厚比h2
/h1 に製作上の誤差があっても、この誤差によって生
じる湾曲部の曲率変化を小さく抑え、略一定に保つこと
ができるからである。
When the curved portion of each beam is formed of a laminate of an aluminum thin film and a chromium thin film,
The thickness h1 of the aluminum thin film as set forth in claim 5.
The ratio h2 / h1 of the chromium thin film to the thickness h2 of the chromium thin film is 0.06
It is desirable to make the above. This is the film thickness ratio h of each thin film.
If 2 / h1 is 0.06 or more, the thickness ratio h2 of each thin film
This is because even if there is a manufacturing error in / h1, the change in the curvature of the curved portion caused by this error can be kept small and kept substantially constant.

【0016】そして、本発明の静電アクチュエータにお
ける駆動電圧と変位量との関係は、各梁の湾曲部の曲率
と各梁の長さとによって決定され(後述実施例参照)、
湾曲部の曲率を略一定に保つことができれば、静電アク
チュエータの駆動電圧を各梁の長さに応じて設定すれば
よいため、請求項5に記載の発明によれば、静電アクチ
ュエータを用いた駆動システムの設計を簡単に行うこと
が可能になる。
The relationship between the drive voltage and the amount of displacement in the electrostatic actuator of the present invention is determined by the curvature of the curved portion of each beam and the length of each beam (see the embodiments described later).
If the curvature of the curved portion can be kept substantially constant, the driving voltage of the electrostatic actuator can be set according to the length of each beam. It becomes possible to easily design the drive system that was used.

【0017】一方、請求項6に記載の発明は、請求項4
又は請求項5に記載の静電アクチュエータの製造方法で
あって、導電性のシリコンウエハ上に、二酸化シリコン
膜、ポリシリコン膜、アルミニウム膜、及びクロム膜
を、スパッタにより順番に堆積させ、まず最上部のクロ
ム膜を各梁の湾曲部の形状に合わせてエッチングし、次
にアルミ膜を上部電極及び上部電極から連続的に延びる
各梁の形状に合わせてエッチングし、最後に、そのアル
ミ膜により形成される各梁の下にあるポリシリコン膜を
プラズマエッチングすることを特徴とする。
On the other hand, the invention according to claim 6 is based on claim 4
Or the method of manufacturing an electrostatic actuator according to claim 5, wherein a silicon dioxide film, a polysilicon film, an aluminum film, and a chromium film are sequentially deposited on a conductive silicon wafer by sputtering, and The upper chromium film is etched according to the shape of the curved portion of each beam, then the aluminum film is etched according to the shape of the upper electrode and each beam extending continuously from the upper electrode, and finally, the aluminum film is used. It is characterized in that the polysilicon film under each beam to be formed is plasma-etched.

【0018】そして、本発明方法によれば、半導体プロ
セスを用いて本発明の静電アクチュエータを実現でき、
しかも、可動部の片持梁構造をプラズマエッチングによ
って達成できるため、ウエットエッチングで片持梁を形
成した場合のように、梁とシリコンウエハとの付着現象
を生じさせることはなく、本発明の静電アクチュエータ
を簡単にしかも歩留まりを低下させることなく実現でき
る。
According to the method of the present invention, the electrostatic actuator of the present invention can be realized using a semiconductor process.
Moreover, since the cantilever structure of the movable portion can be achieved by plasma etching, unlike the case where the cantilever is formed by wet etching, the phenomenon of adhesion between the beam and the silicon wafer does not occur, and the static electricity of the present invention can be obtained. An electric actuator can be easily realized without lowering the yield.

【0019】次に、請求項7〜請求項9に夫々記載の駆
動システムは、請求項1〜請求項5いずれか記載の静電
アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
動システムであり、請求項7に記載の駆動システムは、
静電アクチュエータと駆動回路とをシリコン基板上に形
成し、駆動回路により静電アクチュエータを駆動するよ
う構成してなることを特徴とし、請求項8に記載の駆動
システムは、静電アクチュエータと太陽電池とをシリコ
ン基板上に形成し、太陽電池を電源として静電アクチュ
エータを駆動するよう構成してなることを特徴とし、請
求項9に記載の駆動システムは、静電アクチュエータと
太陽電池と駆動回路とをシリコン基板上に形成し、太陽
電池を電源として駆動回路により静電アクチュエータを
駆動するよう構成してなることを特徴とする。
Next, a drive system according to any one of claims 7 to 9 is a drive system for driving and displacing an object using the electrostatic actuator according to any one of claims 1 to 5. The drive system according to claim 7,
The driving system according to claim 8, wherein the electrostatic actuator and the driving circuit are formed on a silicon substrate, and the driving circuit drives the electrostatic actuator. Are formed on a silicon substrate, and are configured to drive an electrostatic actuator using a solar cell as a power supply. The driving system according to claim 9, wherein the electrostatic actuator, the solar cell, the driving circuit, Is formed on a silicon substrate, and the electrostatic actuator is driven by a drive circuit using a solar cell as a power supply.

【0020】即ち、本発明(請求項1〜請求項5)の静
電アクチュエータによれば、低い駆動電圧で所望の変位
量を得ることができることから、その駆動回路には、例
えば、シリコン基板上に形成したCMOS構造の各種ゲ
ート回路を直接使用することができ、電源には太陽電池
のような低電力電源を使用できる。また、本発明の静電
アクチュエータは、前述のようにシリコン基板上に半導
体プロセスを利用して簡単に構成できる。そこで、請求
項7〜請求項9に記載の駆動システムでは、静電アクチ
ュエータと、駆動回路及び/又は太陽電池とを、同一の
シリコン基板上に形成することにより、駆動システムの
小型・軽量化を図り、しかも、駆動システム全体を半導
体プロセスにて容易に実現できるようにしているのであ
る。
That is, according to the electrostatic actuator of the present invention (claims 1 to 5), a desired displacement can be obtained with a low drive voltage. The various gate circuits of the CMOS structure formed in the above can be used directly, and a low power supply such as a solar cell can be used as the power supply. Further, as described above, the electrostatic actuator of the present invention can be easily formed on a silicon substrate by utilizing a semiconductor process. Therefore, in the drive system according to claims 7 to 9, the electrostatic actuator, the drive circuit and / or the solar cell are formed on the same silicon substrate, so that the drive system can be reduced in size and weight. In addition, the entire drive system can be easily realized by a semiconductor process.

【0021】尚、駆動システムを実際に構築する場合、
一つの静電アクチュエータの変位にて得られる力は微小
であるため、同一基板上に多数の静電アクチュエータを
形成し、これら多数の静電アクチュエータの協調動作に
よって、所望の対象物を駆動・変位させるようにすれば
よい。
When actually constructing the drive system,
Since the force obtained by the displacement of one electrostatic actuator is very small, many electrostatic actuators are formed on the same substrate, and the desired object is driven and displaced by the cooperative operation of these many electrostatic actuators. What should be done is.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面と共
に説明する。 [構成]図1は実施例の静電アクチュエータの構成を表
し、(a)はその斜視図、(b)はその平面図である。
但し、図1(b)は、片持梁構造の可動部が基板に当接
した状態を表す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. [Structure] FIGS. 1A and 1B show the structure of an electrostatic actuator according to an embodiment. FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a plan view.
However, FIG. 1B shows a state in which the movable portion of the cantilever structure is in contact with the substrate.

【0023】図1(a)に示す如く、本実施例の静電ア
クチュエータ1は、平面状に形成された導電性のシリコ
ンウエハ10と、その上面全体に積層された絶縁層12
と、更にその上面に積層された上部電極14と、上部電
極14に一端が支持された片持梁構造の可動部16とか
ら構成されている。
As shown in FIG. 1A, an electrostatic actuator 1 of this embodiment has a conductive silicon wafer 10 formed in a planar shape and an insulating layer 12 laminated on the entire upper surface thereof.
And an upper electrode 14 laminated on the upper surface thereof, and a movable portion 16 having a cantilever structure having one end supported by the upper electrode 14.

【0024】可動部16は、同一形状の複数(本実施例
では9個)の梁20から構成されている。各梁20は、
0.8〜1.5μmの厚みを有するアルミニウムフィル
ム(Al薄膜)で構成された直線部22と、直線部22
と同じ厚さのAl薄膜に0.1〜0.3μmの厚みを有
するクロムフィルム(Cr薄膜)を積層した湾曲部24
とからなり、湾曲部24は、Al薄膜とCr薄膜との残
留応力の差により、シリコンウエハ10の面方向に対し
て上方に反り上がっている。
The movable portion 16 is composed of a plurality of beams (nine in this embodiment) of the same shape. Each beam 20
A linear portion 22 made of an aluminum film (Al thin film) having a thickness of 0.8 to 1.5 μm;
Curved portion 24 in which a chromium film (Cr thin film) having a thickness of 0.1 to 0.3 μm is laminated on an Al thin film having the same thickness as
The curved portion 24 is warped upward with respect to the surface direction of the silicon wafer 10 due to a difference in residual stress between the Al thin film and the Cr thin film.

【0025】また、図1(b)に示す如く、上記9個の
梁20のうちの2つ(第1の梁20a)は、夫々、湾曲
部24側端部が上部電極14の端面に連結されており、
上部電極14から同一方向(平行)に張り出している。
また、これら一対の第1の梁20aの直線部22におい
て、湾曲部24近傍で互いに対向する位置には、夫々、
連結部26aが突設されている。そして、連結部26a
には、夫々、第2の梁20bの湾曲部24側端部が連結
され、各第2の梁20bは、各連結部26aから第1の
梁20aと同方向に張り出している。同様にして、第2
の梁20bには、連結部26bを介して第3の梁20c
が連結され、第3の梁20cには、連結部26cを介し
て第4の梁20dが連結されている。そして、第4の梁
20dの直線部22は、湾曲部24近傍の位置で連結部
26dを介して互いに連結されており、この連結部26
dには、第5の梁20eの湾曲部24側端部が連結さ
れ、第5の梁20eは他の梁と同方向に張り出してい
る。
Further, as shown in FIG. 1B, two of the nine beams 20 (first beams 20a) have the curved portion 24 side end connected to the end surface of the upper electrode 14 respectively. Has been
It protrudes from the upper electrode 14 in the same direction (parallel).
In the straight portions 22 of the pair of first beams 20a, positions facing each other near the curved portion 24 are respectively:
A connecting portion 26a is provided to protrude. And the connecting portion 26a
Is connected to the end of the second beam 20b on the curved portion 24 side, and each of the second beams 20b projects from each of the connecting portions 26a in the same direction as the first beam 20a. Similarly, the second
The third beam 20c is connected to the beam 20b via the connecting portion 26b.
Are connected, and the fourth beam 20d is connected to the third beam 20c via the connecting portion 26c. The straight portion 22 of the fourth beam 20d is connected to each other via a connecting portion 26d at a position near the curved portion 24.
The end of the fifth beam 20e on the curved portion 24 side is connected to d, and the fifth beam 20e projects in the same direction as the other beams.

【0026】つまり、可動部16は、第1〜第4の梁2
0a〜20dを連続的に連結することにより2系統の片
持梁を形成し、その先端を連結してその連結部分に第5
の梁20eを連結することにより構成されている。尚、
これは、シリコンウエハ10の面方向に沿った力(横方
向力)に対して、可動部16の強度を増すためである。 [動作]このように構成された本実施例の静電アクチュ
エータ1においては、図2(a)に示す如く、下部電極
となるシリコンウエハ10と、上部電極14との間に電
圧が印加されると、ギャップの小さい第1の梁20aと
シリコンウエハ10との間に、大きな静電気力が第1の
梁20aの長手方向に沿って発生する。この結果、まず
第1の梁20aがシリコンウエハ10側に曲がり、絶縁
層12に当接する。
That is, the movable portion 16 is provided with the first to fourth beams 2.
Nos. 0a to 20d are continuously connected to form a two-system cantilever.
Are connected by connecting the beams 20e. still,
This is to increase the strength of the movable portion 16 with respect to the force (lateral force) along the surface direction of the silicon wafer 10. [Operation] In the thus configured electrostatic actuator 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 2A, a voltage is applied between the silicon wafer 10 serving as the lower electrode and the upper electrode 14. Then, a large electrostatic force is generated between the first beam 20a having a small gap and the silicon wafer 10 along the longitudinal direction of the first beam 20a. As a result, first, the first beam 20 a is bent toward the silicon wafer 10 and comes into contact with the insulating layer 12.

【0027】すると、図2(b)に示すように、第2の
梁20bは、シリコンウエハ10に対して図2(a)に
おける第1の梁20aと同様の位置に配設されることに
なるため、今度は、第2の梁20bとシリコンウエハ1
0との間に発生した静電気力にて、第2の梁20bがシ
リコンウエハ10側に曲がり、絶縁層12に当接するこ
とになる。同様にして、第3,第4,第5の梁20c,
20d,20eも、各梁とシリコンウエハ10との間に
発生した静電気力にてシリコンウエハ10側に曲がり、
最終的には、全ての梁20a〜20eが絶縁層12に当
接する(図2(d))。
Then, as shown in FIG. 2B, the second beam 20b is disposed at the same position with respect to the silicon wafer 10 as the first beam 20a in FIG. 2A. Therefore, the second beam 20b and the silicon wafer 1
The second beam 20b is bent toward the silicon wafer 10 due to the electrostatic force generated between zero and zero, and comes into contact with the insulating layer 12. Similarly, the third, fourth, and fifth beams 20c,
20d and 20e also bend toward the silicon wafer 10 due to the electrostatic force generated between each beam and the silicon wafer 10,
Finally, all the beams 20a to 20e come into contact with the insulating layer 12 (FIG. 2D).

【0028】従って、本実施例の静電アクチュエータ1
によれば、第1の梁20aをシリコンウエハ10側に曲
げるのに要する駆動電圧にて、全ての梁20a〜20e
をシリコンウエハ10側に曲げることができ、第5の梁
20eの先端部では、第1の梁20aの先端部の変位量
に対して何倍もの変位量を得ることができる。この結
果、本実施例によれば、低い駆動電圧で大きな変位量が
得られる静電アクチュエータを実現できる。 [製造手順]次に本実施例の静電アクチュエータの製造
手順(方法)を図3を用いて説明する。尚、図3に示す
各図は、図1(b)に示す第1の梁20aに沿ったA−
A線断面図である。
Therefore, the electrostatic actuator 1 of the present embodiment
According to the above, all the beams 20a to 20e are driven by the driving voltage required to bend the first beam 20a toward the silicon wafer 10 side.
Can be bent toward the silicon wafer 10 side, and the tip of the fifth beam 20e can obtain a displacement that is many times the displacement of the tip of the first beam 20a. As a result, according to the present embodiment, it is possible to realize an electrostatic actuator capable of obtaining a large displacement with a low driving voltage. [Manufacturing Procedure] Next, the manufacturing procedure (method) of the electrostatic actuator of this embodiment will be described with reference to FIG. In addition, each figure shown in FIG. 3 is a view showing the A-beam along the first beam 20a shown in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line A.

【0029】まず最初に、シリコンウエハ10上に、絶
縁層12となる1μm厚の二酸化シリコン(SiO2
膜30、1μm厚のポリシリコン膜32、上部電極14
及び可動部16を構成するアルミニウム膜34、及び、
各梁20の湾曲部24を構成するクロム膜36をスパッ
タにより順番に堆積させる(図3(a))。
First, 1 μm thick silicon dioxide (SiO 2 ) to be an insulating layer 12 is formed on a silicon wafer 10.
Film 30, 1 μm thick polysilicon film 32, upper electrode 14
And an aluminum film 34 constituting the movable portion 16, and
A chromium film 36 constituting the curved portion 24 of each beam 20 is sequentially deposited by sputtering (FIG. 3A).

【0030】次に、最上層のクロム膜36の上に、各梁
20の湾曲部24のパターンをフォトリソグラフィーに
よって形成し、Ce(NH4)2(NO3)6とHClO4の水溶
液でクロム膜36をエッチングする。この結果、各梁2
0の湾曲部24を構成するCr薄膜が形成される(図3
(b))。
Next, a pattern of the curved portion 24 of each beam 20 is formed on the uppermost chromium film 36 by photolithography, and the chromium is formed with an aqueous solution of Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 and HClO 4. The film 36 is etched. As a result, each beam 2
The Cr thin film forming the curved portion 24 of FIG.
(B)).

【0031】このように湾曲部24のCr薄膜が形成さ
れると、今度は、上記エッチングにより露出したアルミ
ニウム膜34の上に、上部電極14及び可動部16のパ
ターンを他のフォトマスクで形成し、アルミニウム膜3
4をエッチングする。尚、アルミニウム膜34のエッチ
ングには、「H3PO4:HNO3:CH3COOH:H 2
O=10:1:1:2」のエッチャントが使用される。
この結果、アルミニウム膜34は、このエッチャントで
溶解し、上部電極14及び可動部16に対応した形状と
なる(図3(c))。
Thus, the Cr thin film of the curved portion 24 is formed.
Then, the aluminum exposed by the etching
The upper electrode 14 and the movable part 16 are
Turns are formed with another photomask, and aluminum film 3 is formed.
4 is etched. The etching of the aluminum film 34
To "HThreePOFour: HNOThree: CHThreeCOOH: H Two
An etchant of “O = 10: 1: 1: 2” is used.
As a result, the aluminum film 34 is
Dissolves into a shape corresponding to the upper electrode 14 and the movable portion 16
(FIG. 3C).

【0032】そして最後に、CF4/O2プラズマにて、
ポリシリコン膜32をプラズマエッチングすることによ
り、可動部16の下にあるポリシリコン膜32をオーバ
エッチし、可動部16をシリコンウエハ10から離す。
すると、アルミニウム膜34とクロム膜36の積層部分
(つまり各梁20の湾曲部24)は、アルミニウム膜3
4とクロム膜36に残留した引っ張り応力の差に応じて
上方に湾曲し、可動部16を構成する各梁20が形成さ
れる(図3(d))。
Finally, in CF 4 / O 2 plasma,
The polysilicon film 32 under the movable portion 16 is over-etched by plasma etching the polysilicon film 32, and the movable portion 16 is separated from the silicon wafer 10.
Then, the laminated portion of the aluminum film 34 and the chromium film 36 (that is, the curved portion 24 of each beam 20) is
Each beam 20 is curved upward in accordance with the difference between the tensile stress 4 and the residual tensile stress in the chromium film 36 and forms the movable portion 16 (FIG. 3D).

【0033】尚、プラズマエッチングは、等方性エッチ
ングであり、その等方性は、エッチング時のガスの流量
比、ガス圧、高周波電力等によって変化するが、発明者
の実験によれば、ガス流量の最高の状態は、CF4:5
0ml/min 、O2:10ml/min であり、ガス圧,高周
波電力は、夫々、0.4torr,50Wにすればよいこと
がわかった。
The plasma etching is an isotropic etching, and the isotropic changes depending on a gas flow ratio, a gas pressure, a high-frequency power and the like during the etching. The highest condition of the flow rate is CF 4 : 5
0 ml / min and O 2 : 10 ml / min, and it was found that the gas pressure and the high frequency power should be 0.4 torr and 50 W, respectively.

【0034】そして、このように本実施例では、静電ア
クチュエータ1を半導体製造時の表面マイクロ加工技術
を利用して作製しており、しかも、可動部16をシリコ
ンウエハ10側から解放する際には、プラズマエッチン
グを利用するため、ウエットエッチングを利用する場合
に比べて、可動部16を良好に形成できる。つまり、ウ
エットエッチングによる解放では、しばしば、エッチン
グ液の付着力にてマイクロ機構の表面をお互いにくっつ
けてしまうという問題を引き起こすが、本実施例の製造
方法によれば、こうした問題を生じることがない。 [設計]以上本実施例の静電アクチュエータ1の構成・
動作・製造手順について説明したが、本実施例のように
梁を多数連結した可動部16を有する静電アクチュエー
タ1の動作特性は、可動部16を構成する一つの梁20
の長さ(図3(c)に示す直線部22の長さLs及び湾
曲部24の長さLc)や、梁20の湾曲部24の曲率半
径(図3(d)に示すρ)によって決まる。
As described above, in this embodiment, the electrostatic actuator 1 is manufactured by utilizing the surface micromachining technology at the time of manufacturing a semiconductor, and when the movable portion 16 is released from the silicon wafer 10 side. Since the plasma etching is used, the movable portion 16 can be formed more favorably than when wet etching is used. In other words, release by wet etching often causes a problem that the surfaces of the micro mechanisms are attached to each other due to the adhesive force of the etchant, but according to the manufacturing method of this embodiment, such a problem does not occur. . [Design] The configuration of the electrostatic actuator 1 of the present embodiment
Although the operation and the manufacturing procedure have been described, the operating characteristic of the electrostatic actuator 1 having the movable portion 16 in which a number of beams are connected as in the present embodiment is such that one beam 20 constituting the movable portion 16
(The length Ls of the straight portion 22 and the length Lc of the curved portion 24 shown in FIG. 3C) and the radius of curvature of the curved portion 24 of the beam 20 (ρ shown in FIG. 3D). .

【0035】そこで次に、本実施例のように梁を多数連
結した可動部16を有し、かつ良好な動作特性が得られ
る静電アクチュエータを作製する際の梁20の設計手法
について説明する。まず、梁20の湾曲部24の曲率半
径ρは、以下の関係式を用いて計算できる。
Next, a description will be given of a method of designing the beam 20 when manufacturing an electrostatic actuator having the movable portion 16 in which a number of beams are connected as in this embodiment and obtaining good operation characteristics. First, the radius of curvature ρ of the curved portion 24 of the beam 20 can be calculated using the following relational expression.

【0036】ρ=(x2+z2)/2z ここで、xは湾曲部24の湾曲した状態での水平方向の
長さであり、zは湾曲部24の垂直方向の高さ(厚みは
含まない)である(図3(d)参照)。そして、上記各
値x,zを顕微鏡下で測定して得られる曲率半径ρと、
湾曲部24を構成するAl薄膜の膜厚h1 とCr薄膜の
膜厚h2 との比n(n=h2 /h1 )の関係を、実験に
より求めたところ、図5に黒丸で示す測定結果が得られ
た。尚、この測定は、Al薄膜の膜厚h1 を0.8μm
に固定し、Cr薄膜の膜厚h2 を変化させることにより
行った。
Ρ = (x 2 + z 2 ) / 2z where x is the horizontal length of the curved portion 24 in the curved state, and z is the vertical height (including the thickness of the curved portion 24). (Not shown) (see FIG. 3D). And a radius of curvature ρ obtained by measuring the values x and z under a microscope;
The relationship between the ratio n (n = h2 / h1) of the thickness h1 of the Al thin film and the thickness h2 of the Cr thin film constituting the curved portion 24 was determined by experiment, and the measurement results indicated by black circles in FIG. 5 were obtained. Was done. In this measurement, the thickness h1 of the Al thin film was set to 0.8 μm
, And changing the thickness h2 of the Cr thin film.

【0037】一方、曲率半径ρを、各膜の厚さ(h)、
ヤング率(E)、各膜の残留応力(σ)と関係づける方
程式は、次式のように表すことができる(1991年,
IEEE「マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システ
ムズ」の会報,51〜56頁参照)。
On the other hand, the radius of curvature ρ is determined by the thickness (h) of each film,
An equation relating to the Young's modulus (E) and the residual stress (σ) of each film can be expressed as the following equation (1991,
IEEE Bulletin of Micro Electro Mechanical Systems, pp. 51-56).

【0038】[0038]

【数1】 (Equation 1)

【0039】但し、上記方程式において、添え字「1」
はAl薄膜に対する値を、添え字「2」 はCr薄膜に対
する値を表す(図4参照)。そして、上記方程式におい
て、Al薄膜のヤング率E1 及びCr薄膜のヤング率E
2 の値は、夫々、70.3GPa、25GPaであり、未知
の値である(mσ1−σ2 )を0.3GPaと仮定する
と、曲率半径ρと膜厚比nとの関係式は、図5の実線に
示す如くなり、図5において黒丸で示した測定値に略一
致する。
However, in the above equation, the subscript “1”
Represents the value for the Al thin film, and the suffix “2” represents the value for the Cr thin film (see FIG. 4). In the above equation, the Young's modulus E1 of the Al thin film and the Young's modulus E
The values of 2 are 70.3 GPa and 25 GPa, respectively. Assuming that the unknown value (mσ1−σ2) is 0.3 GPa, the relational expression between the radius of curvature ρ and the film thickness ratio n is as shown in FIG. It becomes as shown by the solid line, and substantially matches the measured value indicated by the black circle in FIG.

【0040】従って、上記関係式(図5に示す実線)か
ら、曲率半径ρの変化量は、湾曲部24を構成するAl
薄膜とCr薄膜との膜厚比nが増加するに従って減少
し、しかも、膜厚比(n)が0.06以上であれば減少
の割合が小さく、製造時に膜厚比nに誤差が生じても曲
率半径を略一定にできることがわかる。
Therefore, from the above relational expression (the solid line shown in FIG. 5), the amount of change in the radius of curvature ρ is
When the film thickness ratio n between the thin film and the Cr thin film increases, the film thickness ratio (n) decreases when the film thickness ratio (n) is 0.06 or more. It can also be seen that the radius of curvature can be made substantially constant.

【0041】つまり、膜厚比nが0.06より小さい場
合には、曲率半径ρの減少の割合は大きく、湾曲部24
の曲率、延いてはこの曲率により決定される梁20の変
位量(図3(d)に示すd)を、湾曲部24を構成する
Al薄膜とCr薄膜との膜厚比nにより設定することが
困難である。
That is, when the film thickness ratio n is smaller than 0.06, the rate of decrease in the radius of curvature ρ is large, and
And the amount of displacement of the beam 20 determined by the curvature (d shown in FIG. 3D) is set by the film thickness ratio n of the Al thin film and the Cr thin film constituting the curved portion 24. Is difficult.

【0042】次に、図6は実際に作製した梁20の変位
量dと駆動電圧との関係(静特性)をレーザ変位計で測
定した測定結果を表す。図6に示すように、梁20は駆
動電圧が増加するに従い除々に変位し、駆動電圧が臨界
電圧Vcに達すると、変位が突然増加し、最大変位量と
なる。また、このように梁20が最大変位量にて変位し
ている状態で、駆動電圧を低下させても、駆動電圧が復
帰電圧Vrに低下するまでは殆ど変位せず、駆動電圧が
復帰電圧Vrまで低下すると、突然初期位置に近い場所
に戻る。つまり、静電アクチュエータ1の可動部16を
構成する各梁20は、駆動電圧に対して大きなヒステリ
シスを有し、これを最大変位量にて駆動するには、駆動
電圧を臨界電圧Vcより大きい値に設定する必要があ
る。
Next, FIG. 6 shows a measurement result obtained by measuring the relationship (static characteristic) between the displacement d of the actually manufactured beam 20 and the drive voltage using a laser displacement meter. As shown in FIG. 6, the beam 20 gradually displaces as the drive voltage increases, and when the drive voltage reaches the critical voltage Vc, the displacement suddenly increases and reaches the maximum displacement amount. Further, even if the drive voltage is reduced while the beam 20 is displaced by the maximum displacement amount, the beam 20 hardly displaces until the drive voltage decreases to the return voltage Vr, and the drive voltage is reduced to the return voltage Vr. When it drops to, it suddenly returns to a place close to the initial position. That is, each beam 20 constituting the movable portion 16 of the electrostatic actuator 1 has a large hysteresis with respect to the drive voltage, and in order to drive this with the maximum displacement, the drive voltage is set to a value larger than the critical voltage Vc. Must be set to

【0043】一方、臨界電圧Vcは、梁20の湾曲部2
4の曲率半径ρが一定であっても、梁20の長さ(直線
部22の長さLs及び湾曲部24の長さLc)によって
変化する。即ち、図7は、梁20の全体の長さを400
μmに固定し、直線部22の長さLsと湾曲部24の長
さLcとの関係を変化させた実験用の多数の梁を作製
し、各梁毎に臨界電圧Vcを測定した測定結果を表す。
また、図8は、湾曲部24の長さLcを40μmに固定
し、直線部22の長さLsを変化させた実験用の多数の
梁を作製し、各梁毎に臨界電圧Vcを測定した測定結果
を表す。
On the other hand, the critical voltage Vc is
Even if the radius of curvature ρ of the fourth is constant, it changes depending on the length of the beam 20 (the length Ls of the straight portion 22 and the length Lc of the curved portion 24). That is, FIG. 7 shows that the entire length of the beam 20 is 400
μm, a number of experimental beams were manufactured in which the relationship between the length Ls of the straight portion 22 and the length Lc of the curved portion 24 was changed, and the measurement results of measuring the critical voltage Vc for each beam were obtained. Represent.
Further, FIG. 8 shows that a number of experimental beams in which the length Lc of the curved portion 24 was fixed at 40 μm and the length Ls of the straight portion 22 was changed were manufactured, and the critical voltage Vc was measured for each beam. Shows the measurement results.

【0044】図7の測定結果から、臨界電圧Vcは、湾
曲部24が長くなるに連れて増加することがわかる。従
って、臨界電圧Vc(延いては駆動電圧)を下げるため
には、静電アクチュエータを構成する梁20の湾曲部2
4を短くした方がよいことがわかる。しかし、臨界電圧
Vcを下げると、梁20全体の変位量が小さくなるた
め、静電アクチュエータ1全体の変位量を大きくするた
めには、可動部16において連続的に結合される梁20
の数を増やす必要がある。
From the measurement results shown in FIG. 7, it is understood that the critical voltage Vc increases as the bending portion 24 becomes longer. Therefore, in order to lower the critical voltage Vc (and, consequently, the drive voltage), the bending portion 2 of the beam 20 constituting the electrostatic actuator is required.
It is understood that it is better to shorten 4. However, when the critical voltage Vc is reduced, the displacement amount of the entire beam 20 is reduced. Therefore, in order to increase the displacement amount of the entire electrostatic actuator 1, the beam 20 continuously coupled in the movable portion 16 is required.
Needs to be increased.

【0045】一方、図8の測定結果から、湾曲部24の
長さLcを固定した場合、臨界電圧Vcは、直線部22
が長くなるに連れて低下することがわかる。これは、直
線部22が梁20とシリコンウエハ10との間で構成さ
れるコンデンサの面積を大きくしているためであると思
われる。従って、臨界電圧Vc(延いては駆動電圧)を
下げるためには、静電アクチュエータを構成する各梁2
0の直線部22を十分長くすべきである。
On the other hand, from the measurement results of FIG. 8, when the length Lc of the curved portion 24 is fixed, the critical voltage Vc is
It can be seen that the value decreases as the length increases. This is probably because the straight portion 22 increases the area of the capacitor formed between the beam 20 and the silicon wafer 10. Therefore, in order to lower the critical voltage Vc (and, consequently, the driving voltage), each beam 2 constituting the electrostatic actuator is required.
The zero straight section 22 should be sufficiently long.

【0046】以上のことから、梁20を多数連結した可
動部16を有する本実施例の静電アクチュエータ1にお
いて、低い駆動電圧で所望の変位量が得られるようにす
るには、湾曲部24を構成するAl薄膜とCr薄膜との
膜厚比nを0.06以上にして製造上の誤差によって湾
曲部24の曲率が変化しないようにし、駆動電圧と変位
量とに応じて各梁20の長さ及び接続段数を決定すれば
よいことがわかる。
In view of the above, in the electrostatic actuator 1 of the present embodiment having the movable portion 16 in which a number of beams 20 are connected, in order to obtain a desired displacement with a low driving voltage, the bending portion 24 must be formed. The thickness ratio n between the Al thin film and the Cr thin film is set to 0.06 or more so that the curvature of the bending portion 24 does not change due to a manufacturing error, and the length of each beam 20 is adjusted according to the driving voltage and the displacement amount. It can be seen that the length and the number of connection stages may be determined.

【0047】そして、上記の点を踏まえて図1に示した
本実施例の静電アクチュエータ1の各部の寸法を決定
し、その静特性を測定したところ、図9に示す測定結果
が得られた。即ち、可動部16を構成する9個の梁20
の直線部22及び湾曲部24の長さは、夫々、400μ
m、40μmとし、直線部22及び湾曲部24を構成す
るAl薄膜の厚さは、1.5μmとし、湾曲部24にお
いてAl薄膜に積層されるCr薄膜の厚さは、0.1μ
mとした。また、各梁20の幅は、10μmとした。
Based on the above points, the dimensions of each part of the electrostatic actuator 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 were determined, and the static characteristics were measured. The measurement results shown in FIG. 9 were obtained. . That is, nine beams 20 constituting the movable portion 16
The length of the straight portion 22 and the length of the curved portion 24 are each 400 μm.
m, 40 μm, the thickness of the Al thin film constituting the straight portion 22 and the curved portion 24 is 1.5 μm, and the thickness of the Cr thin film laminated on the Al thin film in the curved portion 24 is 0.1 μm.
m. The width of each beam 20 was 10 μm.

【0048】そして、このように構成した静電アクチュ
エータ1の変位量(第5の梁22eの先端部の変位量)
dを、レーザ変位計を用いて、測定レンジ(数十μm)
で測定することにより、駆動電圧と変位量dとの関係を
測定した。この結果、可動部16の各部の寸法を上記の
ように設定した静電アクチュエータ1の変位量は、最大
で245μmとなり、この最大変位量を実現するための
臨界電圧Vcは11.8Vであり、復帰電圧は3.6V
であることがわかった。
Then, the displacement of the electrostatic actuator 1 thus configured (the displacement of the tip of the fifth beam 22e).
d is measured range using laser displacement meter (several tens of μm)
, The relationship between the drive voltage and the displacement d was measured. As a result, the displacement amount of the electrostatic actuator 1 in which the dimensions of the movable section 16 are set as described above is 245 μm at the maximum, and the critical voltage Vc for realizing the maximum displacement amount is 11.8 V; Release voltage is 3.6V
It turned out to be.

【0049】従って、本実施例の静電アクチュエータ1
は、駆動電圧を11.8V以上に設定し、例えば、シリ
コンウエハ10と上部電極14との間にこの駆動電圧を
印加するか、その間を短絡するかを所定の駆動回路を用
いて切り換えるようにすれば、良好に駆動できることに
なる。
Therefore, the electrostatic actuator 1 of the present embodiment
Sets the driving voltage to 11.8 V or higher, and switches between applying the driving voltage between the silicon wafer 10 and the upper electrode 14 or short-circuiting between the two using a predetermined driving circuit. Then, it can be driven well.

【0050】そして、この駆動電圧は、CMOS素子を
用いた駆動回路にて十分発生し得る電圧値であることか
ら、従来のように、駆動回路として、専用の高電圧回路
(電流増幅用のパワーIC等)を用いる必要はない。 [駆動システム]このように本実施例の静電アクチュエ
ータ1によれば、駆動回路をCMOS素子を用いて構成
できる。
Since this drive voltage is a voltage value which can be sufficiently generated in a drive circuit using a CMOS device, a dedicated high voltage circuit (power for current amplification) is used as a drive circuit as in the prior art. It is not necessary to use an IC or the like. [Driving System] As described above, according to the electrostatic actuator 1 of the present embodiment, the driving circuit can be configured using CMOS elements.

【0051】従って、静電アクチュエータ1を用いた駆
動システムを実際に構築する際には、例えば、図10に
示す如く、静電アクチュエータ1の駆動回路として、C
MOS素子からなるANDゲートを使用し、ANDゲー
トの出力に静電アクチュエータ1の上部電極14を接続
し、下部電極となるシリコンウエハ10をグランドライ
ンGNDに接地し、外部スイッチを介して、ANDゲー
トの各入力に直流電圧(12V)を印加するか、AND
ゲートの各入力をグランドGNDに接地するかを切り換
えるようにすれば、静電アクチュエータ1を簡単に駆動
できる。
Therefore, when a drive system using the electrostatic actuator 1 is actually constructed, for example, as shown in FIG.
An AND gate composed of a MOS element is used, the upper electrode 14 of the electrostatic actuator 1 is connected to the output of the AND gate, the silicon wafer 10 as the lower electrode is grounded to the ground line GND, and the AND gate is connected via an external switch. DC voltage (12V) is applied to each input of
By switching whether each input of the gate is grounded to the ground GND, the electrostatic actuator 1 can be easily driven.

【0052】そして、ANDゲートのようなCMOS回
路は、周知の半導体プロセスにてシリコン基板上に形成
することができることから、静電アクチュエータ1と一
緒に同一のシリコン基板上に形成できる。従って、本実
施例の静電アクチュエータ1によれば、駆動回路を内蔵
した1チップの駆動システムを構成することができ、駆
動システムの小型・軽量化を図ることができる。
Since a CMOS circuit such as an AND gate can be formed on a silicon substrate by a well-known semiconductor process, it can be formed together with the electrostatic actuator 1 on the same silicon substrate. Therefore, according to the electrostatic actuator 1 of the present embodiment, a one-chip drive system including a drive circuit can be configured, and the drive system can be reduced in size and weight.

【0053】また、本実施例の静電アクチュエータ1に
よれば、駆動電圧が低いので、太陽電池からでも駆動用
電力を供給できる。そこで、上記のように作製した本実
施例の静電アクチュエータ1を、数枚のアモルファス太
陽電池に直接結合したところ、5毎の太陽電池で駆動す
ることができた。尚、太陽電池は、オープン回路で2.
4Vの電圧を発生し、ショート回路で3.4μAの電流
を流すものである。
Further, according to the electrostatic actuator 1 of this embodiment, since the driving voltage is low, the driving power can be supplied even from the solar cell. Then, when the electrostatic actuator 1 of the present example manufactured as described above was directly connected to several amorphous solar cells, it could be driven by every five solar cells. In addition, the solar cell is an open circuit.
A voltage of 4 V is generated, and a current of 3.4 μA flows through a short circuit.

【0054】そして、太陽電池も、静電アクチュエータ
1と同様に、シリコン基板上に形成することができるこ
とから、太陽電池と静電アクチュエータ1を同一のシリ
コン基板上に形成するようにすれば、電源内蔵型の静電
アクチュエータ1を構成することができ、駆動システム
の小型・軽量化を図ることができる。
Since the solar cell can be formed on the silicon substrate as in the case of the electrostatic actuator 1, if the solar cell and the electrostatic actuator 1 are formed on the same silicon substrate, the power The built-in electrostatic actuator 1 can be configured, and the drive system can be reduced in size and weight.

【0055】また、同様に、静電アクチュエータ1と太
陽電池とCMOS素子からなる駆動回路とを同一のシリ
コン基板上に形成することもでき、この場合には、静電
アクチュエータ1を用いた駆動システムをより簡単に実
現できることになる。尚、太陽電池やCMOS素子から
なる駆動回路を静電アクチュエータ1と一緒に同一のシ
リコン基板上に形成する際の製造手順等については、従
来よりCMOS集積回路を構成するのに利用されている
半導体プロセスを利用すればよいので、説明を省略す
る。
Similarly, the electrostatic actuator 1 and a driving circuit including a solar cell and a CMOS element can be formed on the same silicon substrate. In this case, a driving system using the electrostatic actuator 1 is used. Can be realized more easily. The manufacturing procedure and the like when forming a drive circuit composed of a solar cell or a CMOS element together with the electrostatic actuator 1 on the same silicon substrate are described with respect to a semiconductor that has been conventionally used for forming a CMOS integrated circuit. Since the process may be used, the description is omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例の静電アクチュエータの構成を表す説
明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of an electrostatic actuator according to an embodiment.

【図2】 実施例の静電アクチュエータの動作を表す説
明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an operation of the electrostatic actuator according to the embodiment.

【図3】 実施例の静電アクチュエータの製造手順を表
す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing procedure of the electrostatic actuator according to the embodiment.

【図4】 湾曲部を構成するAl薄膜とCr薄膜の厚み
及び残留応力を表す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the thickness and residual stress of an Al thin film and a Cr thin film forming a curved portion.

【図5】 湾曲部の膜厚比と曲率半径との関係を表すグ
ラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a film thickness ratio of a curved portion and a radius of curvature.

【図6】 可動部を構成する各梁の変位量dと駆動電圧
との関係を表すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a displacement d of each beam constituting the movable portion and a drive voltage.

【図7】 梁全体の長さを一定にしたときの湾曲部の長
さと臨界電圧との関係を表すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the length of a curved portion and the critical voltage when the length of the entire beam is constant.

【図8】 湾曲部の長さを一定にしたときの直線部の長
さと臨界電圧との関係を表すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the length of a straight portion and the critical voltage when the length of a curved portion is constant.

【図9】 実施例の静電アクチュエータの駆動電圧と変
位量との関係を表すグラフである。
FIG. 9 is a graph illustrating a relationship between a driving voltage and a displacement amount of the electrostatic actuator according to the example.

【図10】 実施例の静電アクチュエータを用いた駆動
システムの回路構成の一例を表す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a circuit configuration of a drive system using the electrostatic actuator according to the embodiment.

【符号の説明】 1…静電アクチュエータ 10…シリコンウエハ
12…絶縁層 14…上部電極 16…可動部 20,20a〜2
0e…梁 22…直線部 24…湾曲部 26a〜26d…連
結部
[Description of Signs] 1 ... Electrostatic actuator 10 ... Silicon wafer
12 insulating layer 14 upper electrode 16 movable part 20, 20a-2
0e Beam 22 Linear part 24 Curved part 26a-26d Connecting part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591263488 三浦 宏文 東京都町田市玉川学園7−23−2 (72)発明者 金山 斎 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 鶴沢 直 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 井戸垣 孝治 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 安田 隆 東京都世田谷区太子堂5−24−10 スター ハイツ103 (72)発明者 下山 勲 東京都練馬区光が丘3−9−2−908 (72)発明者 三浦 宏文 東京都町田市玉川学園7−23−2 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (71) Applicant 591263488 Hirofumi Miura 7-23-2 Tamagawa Gakuen, Machida-shi, Tokyo (72) Inventor Sakai Kanayama 1-1-1 Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO CORPORATION (72) ) Inventor Nao Tsuruzawa 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO Corporation (72) Inventor Koji Iwaki 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO Corporation (72) Inventor Takashi Yasuda 5-24-10 Taishido, Setagaya-ku, Tokyo Star Heights 103 (72) Inventor Isao 3-9-2-908, Hikarigaoka, Nerima-ku, Tokyo (72) Inventor Hirofumi Miura 7-23-2 Tamagawa Gakuen, Machida-shi, Tokyo

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 平面状に形成された下部電極と、 該下部電極の片側面に形成された絶縁層と、 該絶縁層の前記下部電極とは反対側面に形成された上部
電極と、 該上部電極に一端が支持され、他端が開放された片持梁
であって、前記上部電極側が、該上部電極から離れる程
前記絶縁層との間の距離が長くなるように湾曲した湾曲
部として形成され、開放端側が、該湾曲部から真っ直ぐ
延びる直線部として形成された第1の梁と、 を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に所定電圧
を印加したとき、前記第1の梁が静電気力にて前記絶縁
層側に変位するよう構成された静電アクチュエータにお
いて、 前記第1の梁の直線部に該第1の梁と同形状の第2の梁
の湾曲部を接続することにより、前記上部電極に対して
複数の梁を連続的に結合してなることを特徴とする静電
アクチュエータ。
A lower electrode formed in a planar shape; an insulating layer formed on one side of the lower electrode; an upper electrode formed on a side of the insulating layer opposite to the lower electrode; One end is supported by the electrode, and the other end is open. The upper electrode side is formed as a curved portion that is curved so that the distance from the upper electrode becomes longer as the distance from the upper electrode increases. And a first beam having an open end side formed as a linear portion extending straight from the curved portion, wherein the first beam is applied when a predetermined voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode. In the electrostatic actuator configured to be displaced toward the insulating layer side by an electrostatic force, a curved portion of a second beam having the same shape as the first beam is connected to a linear portion of the first beam. Thereby, a plurality of beams are continuously coupled to the upper electrode. An electrostatic actuator according to claim Rukoto.
【請求項2】 前記上部電極に連続的に結合される各梁
の直線部は、一種類の金属薄膜からなり、湾曲部は、残
留応力の異なる二種類の金属薄膜の積層体からなること
を特徴とする請求項1に記載の静電アクチュエータ。
2. The linear part of each beam continuously coupled to the upper electrode is made of one kind of metal thin film, and the curved part is made of a laminate of two kinds of metal thin films having different residual stresses. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記下部電極は導電性のシリコンウエハ
であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴
とする請求項2に記載の静電アクチュエータ。
3. The electrostatic actuator according to claim 2, wherein the lower electrode is a conductive silicon wafer, and the insulating film is a silicon oxide film.
【請求項4】 前記各梁の直線部を構成する金属薄膜は
アルミニウム薄膜であり、湾曲部を構成する二種類の金
属薄膜はアルミニウム薄膜とクロム薄膜であることを特
徴とする請求項2又は請求項3に記載の静電アクチュエ
ータ。
4. The thin metal film forming a straight portion of each beam is an aluminum thin film, and the two types of metal thin films forming a curved portion are an aluminum thin film and a chromium thin film. Item 4. The electrostatic actuator according to item 3.
【請求項5】 前記各梁の湾曲部を構成するアルミニウ
ム薄膜の膜厚h1 とクロム薄膜の膜厚h2 との比h2 /
h1 が、0.06以上であることを特徴とする請求項4
に記載の静電アクチュエータ。
5. A ratio h2 // of the thickness h1 of the aluminum thin film and the thickness h2 of the chromium thin film constituting the curved portion of each beam.
5. The method according to claim 4, wherein h1 is 0.06 or more.
3. The electrostatic actuator according to claim 1.
【請求項6】 請求項4又は請求項5に記載の静電アク
チュエータの製造方法であって、 前記導電性のシリコンウエハ上に、二酸化シリコン膜、
ポリシリコン膜、アルミニウム膜、及びクロム膜を、ス
パッタにより順番に堆積させ、 次に、前記クロム膜を前記各梁の湾曲部の形状に合わせ
てエッチングし、 次に、前記アルミ膜を前記上部電極及び該上部電極から
連続的に延びる前記各梁の形状に合わせてエッチング
し、 最後に、前記アルミ膜により形成される各梁の下にある
ポリシリコン膜をプラズマエッチングすることを特徴と
する静電アクチュエータの製造方法。
6. The method of manufacturing an electrostatic actuator according to claim 4, wherein a silicon dioxide film is formed on the conductive silicon wafer.
A polysilicon film, an aluminum film, and a chromium film are sequentially deposited by sputtering. Next, the chromium film is etched according to the shape of the curved portion of each of the beams. And etching according to the shape of each beam continuously extending from the upper electrode, and finally, plasma etching a polysilicon film below each beam formed by the aluminum film. Actuator manufacturing method.
【請求項7】 請求項1〜請求項5いずれか記載の静電
アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
動システムであって、 前記静電アクチュエータと駆動回路とをシリコン基板上
に形成し、該駆動回路により前記静電アクチュエータを
駆動するよう構成してなることを特徴とする駆動システ
ム。
7. A drive system for driving and displacing an object using the electrostatic actuator according to claim 1, wherein the electrostatic actuator and a drive circuit are formed on a silicon substrate. And a drive system configured to drive the electrostatic actuator by the drive circuit.
【請求項8】 請求項1〜請求項5いずれか記載の静電
アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
動システムであって、 前記静電アクチュエータと太陽電池とをシリコン基板上
に形成し、該太陽電池を電源として前記静電アクチュエ
ータを駆動するよう構成してなることを特徴とする駆動
システム。
8. A drive system for driving and displacing an object using the electrostatic actuator according to claim 1, wherein the electrostatic actuator and a solar cell are formed on a silicon substrate. And a driving system configured to drive the electrostatic actuator using the solar cell as a power supply.
【請求項9】 請求項1〜請求項5いずれか記載の静電
アクチュエータを使用して対象物を駆動・変位させる駆
動システムであって、 前記静電アクチュエータと太陽電池と駆動回路とをシリ
コン基板上に形成し、前記太陽電池を電源として前記駆
動回路により前記静電アクチュエータを駆動するよう構
成してなることを特徴とする駆動システム。
9. A drive system for driving and displacing an object using the electrostatic actuator according to claim 1, wherein the electrostatic actuator, a solar cell, and a drive circuit are mounted on a silicon substrate. A drive system formed above and configured to drive the electrostatic actuator by the drive circuit using the solar cell as a power supply.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7498715B2 (en) * 2005-10-31 2009-03-03 Xiao Yang Method and structure for an out-of plane compliant micro actuator
US7797757B2 (en) * 2006-08-15 2010-09-14 Georgia Tech Research Corporation Cantilevers with integrated actuators for probe microscopy

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