CN1750380A - 压电致动器和微机电器件 - Google Patents

压电致动器和微机电器件 Download PDF

Info

Publication number
CN1750380A
CN1750380A CNA2005101039512A CN200510103951A CN1750380A CN 1750380 A CN1750380 A CN 1750380A CN A2005101039512 A CNA2005101039512 A CN A2005101039512A CN 200510103951 A CN200510103951 A CN 200510103951A CN 1750380 A CN1750380 A CN 1750380A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crossbeam
electrode
top electrode
piezoelectric film
hearth electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005101039512A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1750380B (zh
Inventor
川久保隆
长野利彦
阿部和秀
西垣亨彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of CN1750380A publication Critical patent/CN1750380A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1750380B publication Critical patent/CN1750380B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/38—Multiple capacitors, e.g. ganged
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H10N30/2043—Cantilevers, i.e. having one fixed end connected at their free ends, e.g. parallelogram type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H10N30/2044—Cantilevers, i.e. having one fixed end having multiple segments mechanically connected in series, e.g. zig-zag type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H01H2057/006—Micromechanical piezoelectric relay
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/832—Nanostructure having specified property, e.g. lattice-constant, thermal expansion coefficient
    • Y10S977/837—Piezoelectric property of nanomaterial

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种压电致动器，包括第一横梁，第一横梁包括第一底电极，在第一底电极上的第一压电膜，以及在第一压电膜上的第一顶电极，设置在第一横梁的一端并固定在衬底上的固定端，设置在第一横梁的另一端并悬浮在自由空间上的连接端；以及第二横梁，第二横梁包括在连接端连接到第一压电膜的第二压电膜，在第二压电膜下面的第二底电极，以及在第二压电膜上的第二顶电极，设置在第二横梁的一端并悬浮在自由空间上的工作端，该端与设置了连接端的另一端相对；其中固定端与工作端的中心之间的距离比工作端到连接端之间的距离短。

Description

压电致动器和微机电器件
相关申请的交叉引用
本申请是以2004年9月16日提交的先前日本专利申请P2004-269911为基础并要求其优先权，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种使用压电薄膜的致动器，特别涉及一种使用压电致动器的微机电器件。
背景技术
近来，通过微机电系统(MEMS)技术来制造致动器已经引起了关注。在致动器中，通过驱动力，例如静电力、热应力、电磁力和压电力，使横梁弯曲并移位。在公开号为No.2003-181800的已公开的日本专利申请中，连接到使用压电薄膜的致动器自由端上的轴被转动。
而且，已经提出了使用致动器的微机电器件，例如可变电容器和开关。通过MEMS技术制造的可变电容器或开关包括可移动电极和固定电极，可移动电极设置在致动器的横梁上并具有支撑在衬底上的释放端，固定电极设置在衬底上面对致动器的表面上。致动器在可移动电极与固定电极之间的距离内变化。
特别地，在具有使用反压电效应或电致伸缩效应作为驱动力的压电致动器的可变电容器中，可移动的横梁可以连续且大大地改变可移动电极与固定电极之间的间隔。因此，可以增加可变电容器的电容变化。而且，由于使用空气或气体作为可移动电极与固定电极之间的电介质，所以可变电容器具有极大的Q值等优点。
而且，该可变电容器的结构可应用到开关。例如，在容性类型的开关中，可移动电极穿过极薄的介电膜与固定电极容性地耦合。或者，在DC接触型开关中，可移动电极直接与固定电极接触。通过MEMS技术制造的这种开关也已经引起关注，因为该开关具有低的导通状态电阻并且在关断状态具有高的绝缘隔离特性。
压电致动器具有长而薄的横梁，包括夹在顶电极与底电极之间的压电膜。横梁突出到空气中。因此，很严重的问题是，由于压电膜材料中微小的残余应力导致横梁垂直的弯曲。因此，很难按照设计通过对可变电容器施加电压来调节电容值，或者很难将开关的驱动电压设定在稳定值。
例如，在压电致动器中的设置了可移动电极的工作端处，由于反压电效应导致的横梁的位移D可近似地通过下面的公式表示：
D～E·d31·L2·t-1         (1)
其中E是施加到压电膜的电场，d31是压电膜的压电应变系数，L和t分别是致动器的长度和厚度。
由出现在淀积的压电膜等之上的残余应力所导致的压电致动器的翘曲Dw可近似地通过下面的公式表示：
DW～Sr·L2·t-1            (2)
其中Sr是残余应力。
根据公式(1)与公式(2)之间的比较可以理解，关于压电致动器的长度L和厚度t，位移D和翘曲Dw具有类似的关系。具体地，位移D和翘曲Dw与长度L的平方成正比，与厚度t成反比。例如，为了扩展压电致动器的驱动范围，增加长度L或减小厚度t是有效的。相应地，可以增加位移D，而且也可以增加翘曲Dw。因此，为了通过抑制翘曲来增加压电致动器的驱动范围，对致动器在几何上作出修改几乎没有效果。除了相对于由反压电效应导致的压电应变(E·d31)的绝对值来降低残余应力Sr的绝对值之外，将没有其它方式。
锆钛酸铅(PZT)是具有大的反压电效应的压电膜，关于锆钛酸铅(PZT)，在以室温淀积PZT膜之后必须在600摄氏度对PZT膜进行退火，以便获得良好的膜质量。由于这样的退火可能出现体积上的收缩。因此，不可避免的增加了PZT压电膜的残余应力。同时，对于压电膜，例如能够在室温附近淀积且具有良好的膜质量的氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)等，通过调整淀积条件能够相对精确地控制残余应力。但是，该压电膜(例如AlN、ZnO等)中的反压电效应比PZT膜中的反压电效应小十倍或更多。
在使用具有如此大的反压电效应的压电材料以便增加压电致动器的压电膜的压电应变的情况下，很难控制压电膜中的残余应力，并且很难抑制制动器的翘曲。而且，能够相对容易地控制其中的残余应力的压电材料具有小的反压电效应。在这样的压电材料中，与致动器的翘曲相比，不能够充分地增加致动器的驱动范围。由于上述的问题，阻止了压电致动器在技术上的应用。与压电致动器这样的结构(即，薄而长的横梁结构)相关的严重问题，导致压电致动器受到轻微的残余应力而产生大的翘曲。因此，很难制造电容保持恒定的可变电容器，或者工作电压保持恒定的开关。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有压电致动器的微机电器件，该压电致动器通过抑制残余应力在压电膜中导致的翘曲，能够以高精度和可再现性的方式控制位移。
本发明的第一方面提供了一种压电致动器，第一横梁，包括第一底电极，在第一底电极上的第一压电膜，以及在第一压电膜上的第一顶电极，在第一横梁的一端设置固定端而在第一横梁的另一端设置连接端，该固定端固定在衬底上，该连接端悬浮在自由空间上；以及第二横梁，包括在连接端连接到第一压电膜的第二压电膜，在第二压电膜下面的第二底电极，以及在第二压电膜上的第二顶电极，工作端被设置在第二横梁的一端，所述第二横梁的一端与设有连接端的另一端相反，该工作端悬浮在自由空间上；其中固定端与工作端的中心之间的距离比从工作端到连接端的距离短。
本发明的第二方面提供了一种微机电器件，第一横梁，包括第一底电极，在第一底电极上的第一压电膜，以及在第一压电膜上的第一顶电极，在第一横梁的一端设置固定端而在第一横梁的另一端设置连接端，该固定端固定在衬底上，该连接端悬浮在自由空间上；第二横梁，包括在连接端连接到第一压电膜的第二压电膜，在第二压电膜下面的第二底电极，以及在第二压电膜上的第二顶电极，工作端被设置在第二横梁的一端，所述第二横梁的一端与设有所述连接端的另一端相反，该工作端悬浮在自由空间上；以及设置在衬底表面上的面对工作端的固定电极，其中固定端与工作端的中心之间的距离比从工作端到连接端的距离短。
附图说明
图1是显示按照本发明实施例的压电致动器的示例的透视图；
图2是显示按照本发明实施例的压电致动器的示例的示意图；
图3是显示沿图2的压电致动器中的线III-III剖面的示意图；
图4是显示沿图2的压电致动器中的线IV-IV剖面的示意图；
图5是显示沿图2的压电致动器中的线V-V剖面的示意图；
图6显示了按照本发明实施例使用压电致动器的可变电容器的等效电路的示例；
图7是显示按照本发明实施例的压电致动器的压电驱动的示例的示意图；
图8是显示按照本发明实施例的压电致动器的压电驱动的另一示例的示意图；
图9是显示按照本发明实施例的压电致动器的制造方法的示例的平面图；
图10至16是显示按照本发明实施例的压电致动器的制造方法的示例的剖面图；
图17是显示按照本发明实施例的压电致动器的另一示例的透视图；
图18是显示按照本发明实施例的第一修改方式的压电致动器的示例的透视图；
图19是显示按照本发明实施例的第一修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图20是显示沿图19的压电致动器中的线XX-XX剖面的示意图；
图21是显示按照本发明实施例的第二修改方式的压电致动器的示例的透视图；
图22是显示按照本发明实施例的第二修改方式的压电致动器的底电极的示例的透视图；
图23是显示按照本发明实施例的第二修改方式的压电致动器的顶电极的示例的透视图；
图24是显示按照本发明实施例的第三修改方式的压电致动器的示例的透视图；
图25是显示按照本发明实施例的第三修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图26是显示按照本发明实施例的第三修改方式的压电致动器的底电极的示例的透视图；
图27是显示按照本发明实施例的第三修改方式的压电致动器的顶电极的示例的透视图；
图28是显示沿图25的压电致动器中的线XXVIII-XXVIII剖面的示意图；
图29是显示沿图25的压电致动器中的线XXIX-XXIX剖面的示意图；
图30是显示按照本发明实施例的第四修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图31是显示按照本发明实施例的第四修改方式的压电致动器的底电极的示例的透视图；
图32是显示按照本发明实施例的第四修改方式的压电致动器的顶电极的示例的透视图；
图33是显示沿图30的压电致动器中的线XXXIII-XXXIII剖面的示意图；
图34是显示沿图30的压电致动器中的线XXXIV-XXXIV剖面的示意图；
图35是显示按照本发明实施例的第五修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图36是显示按照本发明实施例的第五修改方式的压电致动器的压电驱动的示例的示意图；
图37是显示按照本发明实施例的第六修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图38是显示按照本发明实施例的第六修改方式的压电致动器的压电驱动的示例的示意图；
图39是显示按照本发明实施例的第七修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图40是显示沿图39的压电致动器中的线XL-XL剖面的示意图；
图41是显示沿图39的压电致动器中的线XLI-XLI剖面的示意图；
图42是显示按照本发明实施例的第七修改方式的压电致动器的压电驱动的示例的示意图；
图43是显示按照本发明实施例的第八修改方式的压电致动器的示例的平面示意图；
图44是显示按照本发明实施例的第九修改方式的压电致动器的示例的示意图；
图45是显示按照本发明其它实施例的压电致动器的示例的平面示意图；
图46是显示沿图44的压电致动器中的线XLVI-XLVI剖面的示意图；
图47是显示沿图44的压电致动器中的线XLVII-XLVII剖面的示意图。
具体实施方式
将参照附图说明本发明的各种实施例。应当注意的是，在全部附图中相同或相似的参考标记用于表示相同或相似的部分和器件，并且将省略或简化相同或相似部分和器件的说明。
按照本发明实施例的压电致动器被用在微机电器件中，例如用在可变电容器中。如图1所示，压电致动器包括第一横梁40和第二横梁42。第一横梁40从固定部分46的固定端44延伸到连接部分54的连接端52，其中固定部分46被固定到衬底10上的支座20。第二横梁42在平行于第一横梁40到固定端44的方向上从连接端52延伸到工作部分50的工作端48。而且，在衬底10的表面上提供包括覆盖有介电膜14的导体12a、12b的固定电极16，以使其面对工作部分50。固定端44和工作端48彼此相邻的放置。
如图2所示，第一横梁40与第二横梁42之间的横梁间隔Lt是固定端44与工作端48的中心之间的直接距离。此外，横梁长度Lb是从工作端48到连接端52的直接距离。横梁间隔Lt比横梁长度Lb短。
如图3所示，第一横梁40包括第一压电膜26、第一底电极22、第一顶电极32、和第一支撑膜36。第一底电极22设置在第一压电膜26的面对衬底10的表面上。第一顶电极32面对第一底电极22，以便与第一底电极22一起夹住第一压电膜26。第一支撑膜36设置在第一顶电极32上。
如图4所示，第二横梁42包括第二压电膜28、第二底电极24、第二顶电极34、和支撑膜38。第二底电极24设置在第二压电膜28的面对衬底10的表面上。第二顶电极34面对第二底电极24，以便与第二底电极24一起夹住第二压电膜28。支撑膜38设置在第二顶电极34上。
第一横梁40和第二横梁42的每一个都具有不对称的双压电晶片元件结构或单压电晶片元件结构。应当注意，第一横梁40的第一压电膜26通过连接部分54连接到第二横梁42的第二压电膜28。第一压电膜26、第二压电膜28以及连接部分54是具有相同极化方向的连续压电层。
对于衬底10，使用绝缘玻璃衬底、例如硅(Si)的半导体衬底等。对于支座20，使用例如二氧化硅(SiO2)的绝缘膜。对于第一支撑膜36、第二支撑膜38以及介电膜14的每一个，使用例如SiO2和氮化硅(Si3N4)的绝缘膜。此外，对于第一底电极22、第二底电极24、第一顶电极32、第二顶电极34、导体12a、12b等，理想地使用具有低电阻并且容易加工的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、铱(Ir)、钨(W)和钼(Mo)。此外，由于纤锌矿晶体是稳定的，所以例如AlN、ZnO的纤锌矿晶体可理想的作为第一压电膜26、和第二压电膜28以及连接部分54的压电材料。此外，例如PZT和钛酸钡(BTO)的钙钛矿铁电材料也是可用的。
如图5所示，按照本发明实施例的可变电容器在导体12a、12b与第二底电极24之间具有电容器Cvar1和Cvar2。如图6所示，电容器Cvar1和Cvar2串联在连接到导体12a、12b的端子18a、18b之间。电容器Cvar1和Cvar2响应固定电极16与可移动的第二底电极24之间的距离变化来改变它们的电容。
当在压电致动器的第一横梁40的第一底电极22和第一顶电极32之间施加电压时，由于压电效应使第一压电膜26变形以便伸展或收缩。设置在第一顶电极32上的第一支撑膜36没有表现出压电效应。因此，通过第一压电膜26的伸展或收缩将第一横梁40设置在垂直于衬底10表面的方向上。在下面的说明中，假设当相对于底电极22把正电压和负电压施加到顶电极32时，分别在第一压电膜26中产生拉伸应力和压缩应力。例如，通过由拉伸应力导致的第一压电膜26的伸展，第一横梁40在远离衬底10表面的方向上弯曲。另一方面，通过由压缩应力导致的第一压电膜26的收缩，第一横梁40朝向衬底10表面弯曲。
通常，在第一横梁40和第二横梁42的第一压电膜26和第二压电膜28中，由于淀积工艺中的残余应力导致出现翘曲。如公式(2)所示，残余应力导致的压电致动器的翘曲与致动器长度的平方成比例。在三维的视图中，压电致动器的第一横梁40和第二横梁42沿着以固定电极46为中心的抛物线相对衬底10翘曲。
因此，如图1所示，通过使用折叠结构的第一横梁40和第二横梁42来构建压电致动器。结果，固定电极44和工作端48能够被彼此邻近的定位。第一横梁40和第二横梁42与横梁长度Lb的平方成比例地各自翘曲。但是，横梁间隔Lt比横梁长度Lb短。因此，能够减少由残余应力引起的工作端48的翘曲。
而且，第一横梁40和第二横梁42具有彼此类似的叠层结构。因此，即使在叠层结构中出现垂直不对称的残余应力，也能通过与第一横梁40折叠的第二横梁42的翘曲来抵消第一横梁40的翘曲。因此，能够最大程度地减小由于出现在固定电极44与工作端48之间的翘曲所导致的位移。
而且，如公式(1)所示，压电致动器的工作端48的可移动范围与横梁长度Lb的平方成比例。在具有折叠结构的压电致动器中，如图1所示，致动器的有效长度变为固定电极44与工作端48之间的横梁间隔Lt。如果每一个顶电极和底电极并非如通常的压电致动器一样跨过第一和第二横梁被分隔，则横梁间隔Lt越短，工作端的可移动范围就越小。因此，由于第二横梁42的弯曲导致的位移抵消了由于第一横梁40的弯曲导致的位移。
在本发明的实施例中，第一底电极22与第二底电极24隔开。以类似的方式，第一顶电极32也与第二顶电极34隔开。例如，当在第一底电极22与第一顶电极32之间施加驱动电压时，在第一压电膜26中产生的压电应变导致第一横梁40弯曲。但是，因为没有对第二压电膜28施加驱动电压，所以在第二压电膜28中没有产生压电应变。因此第二横梁42不弯曲。
例如，当第一压电膜26和第二压电膜28具有可忽略的残余应力时，如图7所示，在没有施加驱动电压的初始状态，第一横梁40和第二横梁42的每个几乎都没有翘曲，基本上是直的。当相对于图1所示的第一底电极22向第一顶电极32施加正的驱动电压时，由固定端44支撑的第一横梁40以抛物线形状弯曲。第二横梁42保持直的。因此，相对于固定端44，在连接端52向上偏移的同时，工作端48向下偏移了位移Db。类似于连接端52的位移，工作端48的位移Db也由公式(1)给出。因此，通过施加到第一横梁40的驱动电压能够控制工作端48的位移，具有良好的再现性和较高的精度。
当不能够忽略第一压电膜26和第二压电膜28的残余应力时，例如图8所示，在没有施加驱动电压的初始状态，第一横梁40和第二横梁42以抛物线形状向上偏移，具有翘曲DW。在初始状态，工作端48基本上与固定端44位于相同的高度。当相对于图1所示的第一底电极22向第一顶电极32施加正的驱动电压时，由固定端44支撑的第一横梁40进一步以抛物线形状弯曲。第二横梁42保持初始状态。因此，相对于固定端44，在连接端52向上偏移的同时，工作端48向下偏移了位移Db。类似于连接端52的位移，工作端48的位移Db也由公式(1)表示。因此，即使由于残余应力导致第一横梁40和第二横梁42每一个都以初始状态翘曲，也能够通过向第一横梁40施加驱动电压来控制工作端48的位移Db，具有良好的再现性和较高的精度。
在本发明的实施例中，关于第一横梁40和第二横梁42，在垂直于衬底10的表面的方向上，结构、材料、厚度等处于相同的制造误差范围内。如果第一横梁40和第二横梁42的叠层结构相同，则能够通过折叠结构来抵消由残余应力导致的翘曲。但是，第一横梁40和第二横梁42的叠层结构可以互不相同。例如，当相对于平行于衬底10的表面的轴线，第一横梁40和第二横梁42的每单位宽度的几何惯性力矩之差在大约20％以内，理想的是大约5％以内时，是允许的。当几何惯性力矩之差在大约20％以内时，工作端48相对于固定端44的翘曲可以在可移动范围的大约20％以内，其处于驱动电压控制的可允许范围内。
而且，期望第一横梁40和第二横梁42的剖面在平行于衬底10表面的横向方向上为矩形，其中横向方向垂直于第一横梁40和第二横梁42的纵向方向。如果剖面为矩形，则第一横梁40和第二横梁42的残余应力基本上相同。即使横向剖面不是矩形，当第一横梁40和第二横梁42的各自剖面的侧面彼此类似的时候也是可允许的。
而且，尽管说明书假设了第一横梁40和第二横梁42的各个横梁长度大约相同，但是横梁长度也可以彼此不同。如果固定端44和工作端48之间的横梁间隔与工作端48和连接端52之间的横梁长度的比率大约为1或者小于1，理想的是大约三分之一或更小，则可以获得抵消残余应力所导致的翘曲的效果。
参照附图9-16所示的平面图和剖面图来说明按照本发明实施例的使用压电致动器的可变电容器的制造方法。此处，说明书使用的每个剖面图都对应于沿图9所示的X-X线的剖面。
例如，通过等离子化学气相淀积(等离子CVD)等，在衬底10(例如绝缘的玻璃衬底)的表面上淀积厚度大约为1μm的绝缘膜，例如SiO2。如图9和10所示，通过光刻、蚀刻等选择地去除淀积的绝缘膜，以形成支座20。通过剥离(lift-off)工艺等，由真空淀积选择地淀积厚度大约为200nm的金属膜，例如Au。之后形成导体膜12a、12b。而且，通过光刻、反应(活性)离子蚀刻(RIE)等选择地去除通过等离子CVD等淀积的厚度约为5nm的绝缘膜(例如SiO2)，以形成介电膜14。
通过等离子CVD等，在衬底10的表面上淀积绝缘膜，例如磷硅酸盐玻璃(PSG)，以便掩埋支座20、介电膜14、导体膜12a、导体膜12b(未示出)等。如图11所示，通过化学机械剖光(CMP)等来平坦化该绝缘膜，以便露出支座20的表面。因此形成牺牲层60。通过该牺牲层60覆盖介电膜14、导体膜12a等。
如图12所示，通过剥离(lift-off)工艺、真空淀积等，选择地淀积厚度大约为200nm的金属膜，例如Au，以便形成在牺牲层60上延伸的第一底电极22和第二底电极24。第一底电极22的端部设置在支座20上。第二底电极24的端部设置在介电膜14上。
通过溅射等，在其上形成有第一底电极22和第二底电极24的牺牲层60上淀积厚度约为500nm的压电膜，例如沿六方晶体的c轴取向的AlN。如图13所示，通过光刻、RIE等选择地去除压电膜，以便在第一底电极22和第二底电极24上分别形成第一压电膜26和第二压电膜28。
如图14所示，通过剥离工艺、真空淀积等，选择地淀积厚度大约为200nm的金属膜，例如Au，以便在第一压电膜26和第二压电膜28上分别形成第一顶电极32和第二顶电极34。
通过CVD等，在牺牲层60、第一顶电极32和第二顶电极34上淀积多晶硅(poly-Si)膜或类似的膜。如图15所示，通过光刻、RIE等，分别在第一顶电极32和第二顶电极34上形成第一支撑膜36和第二支撑膜38。
随后，使用含有氢氟酸(HF)的蚀刻剂进行湿法蚀刻。例如多晶硅、Au和AlN的材料不能溶解在HF中。而且，对于牺牲层60所使用的PSG的蚀刻速率是对于支座20所使用的SiO2的蚀刻速率的10倍或者更快。因此，如图16所示，通过湿法蚀刻选择地去除牺牲层60，形成了具有固定在支座20上的固定端44的第一横梁40以及具有面对导体膜12a和介电膜14的工作端48的第二横梁42。因此，制造了如图1所示的、使用了本发明实施例的压电致动器的可变电容器。
第一横梁40和第二横梁42的每一个都具有大约300μm的长度、大约40μm的宽度和大约1.9μm的厚度。支座20具有边长大约为40μm、厚度大约为1μm的正方形状。应注意的是，因为同时淀积第一压电膜26和第二压电膜28，所以第一压电膜26和第二压电膜28的极化方向相同。
通过激光显微镜来测量可变电容器的形状。在第一横梁40和第二横梁42中，由于残余应力导致连接端52从衬底10的表面翘起大约15.8μm高。第二底电极24在工作端48处的底表面距离衬底10的表面具有大约1.2μm的间隔，其接近支座20的厚度。在本发明的实施例中，由于在相同的制造工艺中制造第一横梁40和第二横梁42，所以能够在淀积工艺中的平面变化范围内制造叠层的结构。因此能够降低由于残余应力导致的第一横梁40和第二横梁42的翘曲。
通过在压电致动器的第一顶电极32和第二底电极22之间施加大约0V至大约3V的驱动电压，来测量连接到可变电容器的固定电极16的导体膜12a、12b的端子之间的电容。结果，获得了在大约0.22pF的最小电容与大约51pF的最大电容之间大约250倍的极宽的和连续的可变范围。
应注意的是，PSG在本发明实施例中被用作牺牲层60。但是，牺牲层60的材料是没有限制的。例如，可以使用对于支座20、第一横梁40和第二横梁42等能够选择蚀刻的无机材料、金属材料、有机材料或类似的材料。
此外，说明了使用按照本发明实施例的压电致动器的可变电容器的示例。压电致动器不仅能够用到可变电容器，还能够用到微机电器件，例如开关。例如，使用与图1所示相同的结构，工作端48的第二底电极24与固定电极16的介电膜14接触。因此，能够将压电致动器用作容性类型开关。而且，使用不具有介电膜14的结构，能够将压电致动器用作DC接触型开关。
此外，在本发明的实施例中，将两个导体膜12a、12b用于固定电极16。例如，如图17所示，单个导体膜12可以用于固定电极16。第一底电极22通过连接部分54的压电膜30下的底电极23连接到第二底电极24。当使用压电致动器作为可变电容器或开关时，能够检测固定电极16的导体膜12与固定部分46中第一底电极22之间电容或接触的改变。如上所述，连接了第一底电极22和第二底电极24，使其用作可变电容器或开关的一个电极。但是，第一顶电极32与第二顶电极34是隔离的。因此，在施加驱动电压期间电场没有施加到第二压电膜28，第二横梁42保持在初始状态。因此，能够通过向第一横梁40施加驱动电压来控制第二横梁42工作端48的位移，具有良好的再现性和较高的精度。
(第一修改方式)
如图18所示，按照本发明实施例第一修改方式的压电致动器包括第一横梁40、第二横梁42和第三横梁41。放置第三横梁41使其面对第一横梁41中间夹着第二横梁42。第三横梁41从固定部分47的固定端45延伸到达连接部分54a的连接端52，其中固定部分47的固定端45固定在衬底10的支座20a上。在固定端44和45之间靠近固定端44、45放置工作端48。如图19所示，第二横梁42与第三横梁41之间的横梁间隔Lta与第一横梁40与第二横梁42之间的横梁间隔Lt相同，处在制造误差的范围内。横梁间隔Lt比横梁长度Lb短。
如图18所示，第三横梁41包括第三底电极21、设置在第三底电极21上的第三压电膜25、设置在第三压电膜25上的第三顶电极31、以及设置在第三顶电极31上的第三支撑膜25。第一压电膜26、第二压电膜28和第三压电膜25通过连接部分54、54a彼此连接。通过连续的压电层来形成全部的第一压电膜26、第二压电膜28、第三压电膜25以及连接部分54、54a。
按照本发明实施例的第一修改方式的压电致动器在包含第三横梁41方面与实施例不同。其它的构造类似于本发明的实施例。因此省略了完全相同的说明。
如图20所示，在本发明实施例的第一修改方式中，第二横梁42的第二底电极24用作可移动电极。例如，通过将公共电位施加到第一底电极22和第三底电极21，为第一顶电极32和第三顶电极31施加了正的驱动电压。通过施加正的驱动电压，第一横梁40和第三横梁41以抛物线形状从衬底10的表面向上弯曲。另一方面，第二横梁42保持为直的，并且在朝向衬底10的方向上偏移工作端48，其中衬底10位于工作端48的下面。第二横梁42设置在第一横梁40与第三横梁41之间。因此，当通过向前的压电驱动使得工作部分50的第二底电极24与衬底10上的固定电极16接触时，施加在第一横梁40、第二横梁42和第三横梁41的连接部分54上的扭曲应力能够在很大程度上被降低。结果，增加了工作部分50向着固定电极16的压力。
对于使用按照本发明实施例第一修改方式的压电致动器的可变电容器来说，能够增加最大电容值。对于使用按照本发明实施例第一修改方式的压电致动器的DC接触型开关来说，其优点是降低了接触电阻。此外，在实施例的第一修改方式中，工作端48位于固定在支座20、20a上的固定端44和45之间。因此，能够进一步降低工作端48中翘曲的影响。
(第二修改方式)
如图21所示，按照本发明实施例第二修改方式的压电致动器包括第一横梁40、第二横梁42和第三横梁41。第一压电膜26通过连接部分54的压电膜30连接到第二压电膜28。底电极23设置在压电膜30下面。第一压电膜26通过连接部分54a的压电膜30a连接到第三压电膜25。顶电极33设置在压电膜30a上面。第二支撑膜38和第三支撑膜35通过顶电极33上的支撑膜37彼此连接。而且，在第二横梁42的工作部分50a中，分别提供了可移动电极24a、34a以及可移动支撑膜38a，其与第二底电极24、第二顶电极34和第二支撑膜38隔开。
如图22所示，第一底电极22和第二底电极24通过底电极23连接。第三底电极21与第一底电极22和第二底电极24分离。如图23所示，第二顶电极34和第三顶电极31通过顶电极33连接。第一顶电极32与第二顶电极34和第三顶电极31隔开。
按照本发明实施例的第二修改方式的压电致动器与实施例的第一修改方式的不同之处在于，第一底电极22连接到第二底电极24，以及第二顶电极34连接到第三顶电极31。其它的构造类似于实施例的第一修改方式。因此省略了完全相同的说明。
在第二修改方式中，通过将公共电位施加到第三底电极21和第三顶电极31，为第一底电极22和第一顶电极32施加了正的驱动电压。因此，连接到固定端44、45的第一横梁40和第三横梁41没有弯曲。另一方面，将公共电位和正的驱动电压分别施加到第二顶电极34和第二底电极24。由此，第二横梁42向下弯曲。因此，只有第二横梁42弯曲以便移动工作部分50a。结果，减少了大量的弯曲部分，并增加了工作速度。因此，能够获得高速工作的压电致动器。
应注意的是，在第二修改方式中，将DC电压作为驱动电压施加到第二横梁42的第二底电极24和第二顶电极34，工作部分50a的可移动电极24a、34a与其它的电极分离，以便形成浮动电极。
(第三修改方式)
如图24所示，按照本发明实施例第三修改方式的压电致动器包括第一横梁40、第二横梁42和第三横梁41。第一横梁40通过连接部分54b连接到第三横梁41。如图25所示，第二压电膜28连接到连接部分54b的压电膜30b。而且，插塞(plug)56、58被埋在支撑膜38、37b下面。
如图26所示，第一底电极22通过底电极23b连接到第三底电极21。第二底电极24与第一底电极22和第三底电极21分离。可移动电极24a与第二底电极24分离。如图27所示，第一顶电极32通过顶电极33b连接到第三顶电极31。第二顶电极34与第一顶电极32和第三顶电极31分离。可移动电极34a与第二顶电极34分离。
如图28所示，每个插塞56、58都是金属的，例如Au，被埋在连接部分54b的压电膜30b中提供的通孔中。插塞56连接第二横梁42的第二顶电极34与连接部分54b的底电极23b。而且，插塞58连接第二底电极24与连接部分54b的顶电极33b。因此，第二底电极24连接到第一顶电极32和第三顶电极31。第二顶电极34连接到第一底电极22和第三底电极21。
如图29所示，第二横梁42的工作端50a面对设置在衬底10的表面上的固定电极16。在工作部分50a中，第二压电膜28、可移动电极34a和可移动支撑膜38a顺序的形成在可移动电极24a上。
按照本发明实施例的第三修改方式的压电致动器与实施例的第一和第二修改方式的不同之处在于，第二底电极24连接到第一顶电极32和第三顶电极31，以及第二顶电极34连接到第一底电极22和第三底电极21。其它的构造类似于实施例的第一和第二修改方式。因此省略了完全相同的说明。
在实施例的第三修改方式中，通过将公共电位施加到第一底电极22和第三底电极21，为第一顶电极32和第三顶电极31施加了正的驱动电压。因此，连接到固定端44、45的第一横梁40和第三横梁41相对于衬底10向上弯曲。将公共电位和正的驱动电压分别施加到第二顶电极34和第二底电极24。由此，第二横梁42向下弯曲。由于第一横梁40和第三横梁41的压电驱动产生的弯曲位移与第二横梁42的压电驱动产生的弯曲位移叠加在一起，所以工作端48的位移几乎是双倍的。因此，在按照实施例第三修改方式的压电致动器中，能够增加压电驱动的位移。
(第四修改方式)
如图30所示，按照本发明实施例第四修改方式的压电致动器包括具有第一片段140a和第二片段140b的第一横梁40a、具有第一片段142a和第二片段142b的第二横梁42a，以及具有第一片段141a和第二片段141b的第三横梁41a。第一横梁40a通过连接部分154b连接到第三横梁41a。第二压电膜28连接到连接部分154b的压电膜30b。在第一横梁40a、第二横梁42a和第三横梁41a各自的分块表面上，分别提供了第一支撑膜136a、136b，第二支撑膜138a、138b，以及第三支撑膜135a、135b。在第一横梁40a、第二横梁42a和第三横梁41a各自的基本上中心位置处将其分成了第一片段140a、142a、141a以及第二片段140b、142b、141b。
此外，插塞56、58被埋在第二支撑膜138b和支撑膜137b下面。在第一横梁40a的第一片段140a和第二片段140b中设置了插塞58a、56a。在第三横梁41a的第一片段141a和第二片段141b中设置了插塞58b、56b。在第二横梁42a的第一片段142a和第二片段142b中设置了插塞58c、56c。
如图31所示，第一横梁40a、第二横梁42a和第三横梁41a的各自的第一底电极122、第二底电极124、第三底电极121分别被分成第一分隔部分122a、124a、121a和第二分隔部分122b、124b、121b。第一底电极122和第三底电极121的第二分隔部分122b、121b通过底电极123b彼此连接。第二底电极124与第一底电极122和第三底电极121分离。可移动电极24a与第二底电极124分离。
此外，如图32所示，第一顶电极132、第二顶电极134、第三顶电极131分别被分成第一分隔部分132a、134a、131a和第二分隔部分132b、134b、131b。第一顶电极132和第三顶电极131的第二分隔部分132b、131b通过顶电极133b彼此连接。第二顶电极134与第一顶电极132和第三顶电极131分离。可移动电极34a与第二顶电极134分离。
如图33所示，每个插塞56、58都是金属的，例如Au，被埋在连接部分154b的压电膜30b中提供的通孔中。插塞56连接第二横梁42a的第二顶电极134的第二分隔部分134b与连接部分154b的底电极123b。插塞58连接第二底电极124的第二分隔部分124b与连接部分154b的顶电极133b。因此，第二底电极124的第二分隔部分124b连接到第一顶电极132和第三顶电极131的第二分隔部分132b、131b。而且，第二顶电极134的第二分隔部分134b连接到第一底电极122和第三底电极121的第二分隔部分122b、121b。
如图34所示，插塞56a连接第一底电极122的第一分隔部分122a与第一顶电极132的第二分隔部分132b。插塞58a连接第一底电极122的第二分隔部分122b与第一顶电极132的第一分隔部分132a。插塞56b连接第三底电极121的第一分隔部分121a与第三顶电极131的第二分隔部分131b。插塞58b连接第三底电极121的第二分隔部分121b与第三顶电极131的第一分隔部分131a。此外，插塞56c连接第二底电极124的第二分隔部分124b与第二顶电极134的第一分隔部分134a。插塞58c连接第二底电极124的第一分隔部分124a与第二顶电极134的第二分隔部分134b。
按照本发明实施例的第四修改方式的压电致动器与第三修改方式的不同之处在于，第一底电极122、第二底电极124、第三底电极121以及第一顶电极132、第二顶电极134、第三顶电极131各自都被断开。其它的构造类似于实施例的第三修改方式。因此省略了完全相同的说明。
在实施例的第四修改方式中，通过将公共电位施加到第一底电极122和第三底电极121的第一分隔部分122a、121a，为第一顶电极132和第三顶电极131的第一分隔部分132a、131a施加了负的驱动电压。因此，将公共电位施加到第一顶电极132和第三顶电极131的第二分隔部分132b、131b，第二底电极124的第二分隔部分124b、以及第二顶电极134的第一分隔部分134a。将负的驱动电压施加到第一底电极122和第三底电极121的第二分隔部分122b、121b，第二顶电极134的第二分隔部分134b，以及第二底电极124的第一分隔部分124a。
结果，连接到固定端44、45的第一横梁40a和第三横梁41a的第一片段140a、141a弯曲，以便增加朝向衬底10的弯曲的倾斜度。第一横梁40a和第三横梁41a的第二片段140b、141b弯曲，以便平行于衬底10的表面。此外，在第二横梁42a中，第二片段弯曲，以便增加朝向衬底10的弯曲的倾斜度。第一片段142a弯曲，以便平行于衬底10的表面。
第一片段140a、142a、141a以及第二片段140b、142b、141b具有基本相同的长度。因此，在连接端52，第一横梁40a、第二横梁42a和第三横梁41a的弯曲倾斜度基本上平行于衬底10。以类似的方式，在工作端48，第二横梁42a的弯曲倾斜度基本上平行于衬底10。在按照实施例第四修改方式的压电致动器中，可移动电极24a的表面能够基本上以平行于衬底10上的固定电极16的表面被移动。因此能够获得可变电容器的预期的电容变化特性。
(第五修改方式)
如图35所示，按照本发明实施例第五修改方式的压电致动器包括两个图30所示的其通过共享工作部分50b被对称设置的压电致动器。用于固定第二致动器100b的支座120和120a面对用于固定第一致动器100a的支座20、20a，以便在中间夹入固定电极16a。在支座120、120a上的第一横梁40b和第三横梁41b的固定端44a、45a分别面对在支座20、20a上的第一横梁40a和第三横梁41a的固定端44、45。第二致动器100b的第二横梁42b的工作端48a通过工作部分50b连接到第一致动器100a的第二横梁42a的工作端48。第一横梁40b、第二横梁42b和第三横梁41b分别具有第一片段140c、142c、141c和第二片段140d、142d、141d。第一横梁40b和第三横梁41b通过连接端52a彼此连接。
在连接部分154c中提供插塞156、158，其用于将连接部分154c的底电极和顶电极与第二横梁42b的顶电极和底电极连接在一起。在第一横梁40b的第一片段140c和第二片段140d中提供了插塞158a、156a。在第三横梁41b的第一片段141c和第二片段141d中提供了插塞158b、156b。在第二横梁42b的第一片段142c和第二片段142d中提供了插塞158c、156c。
按照本发明实施例的第五修改方式的压电致动器与第四修改方式的不同之处在于，通过共享工作部分50b以镜像对称方式设置了第一致动器100a和第二致动器100b。其它的构造类似于实施例的第四修改方式。因此省略了完全相同的说明。
如图36所示，在实施例的第五修改方式中，压电致动器具有集电弓型的双箝位悬浮结构，其中设置了第一横梁40a、40b和第三横梁41a、41b以及第二横梁42a和42b。第一横梁40a、40b和第三横梁41a、41b分别固定在固定端44、44a、45、45a。第二横梁42a和42b分别从连接端52、52a折叠，并连接到工作部分50b。通过集电弓型的压电致动器，能够更稳定地控制工作部分50b的位移Db且具有良好的再现性。而且，在集电弓型的压电致动器中，驱动力可以是双倍的。因此，特别是在将集电弓型的压电致动器用于DC接触型开关的情况下，能够获得适当的压力用于切换。
(第六修改方式)
如图37所示，按照本发明实施例第六修改方式的压电致动器包括延伸的同时在连接端252被折叠的第一横梁40f和第三横梁41f。第一横梁40f和第三横梁41f的每一个都具有第一片段140a、141a，第二片段140b、141b，第三片段240a、241a，以及第四片段240b、241b。第二片段140b和141b通过连接部分254a彼此连接，连接部分254a具有与固定端44、45相反的连接端252。第一横梁40f和第三横梁41f从连接部分254a折叠，并延伸超过固定端44、45以及工作端48并到达与连接端252相反的连接端52。第四片段240b和241b通过连接部分254b彼此连接。第二横梁42a从连接端52延伸到工作端48。固定端44、45与工作端48之间的横梁间隔Lt比连接端52与工作端48之间的横梁长度Lb短。例如，横梁间隔Lt理想的是横梁长度Lb的三分之一或小于三分之一。
在第一横梁40f中，在第一片段140a与第二片段140b之间设置插塞56a、58a。插塞56a、58a分别将第一片段140a的底电极和顶电极连接到第二片段140b的顶电极和底电极。在连接部分254a处设置插塞56d、58d。插塞56d、58d分别将第二片段140b的底电极和顶电极连接到第三片段240a的顶电极和底电极。在第三片段240a与第四片段240b之间设置插塞56e、58e。插塞56e、58e分别将第三片段240a的底电极和顶电极连接到第四片段240b的顶电极和底电极。
在第三横梁41f中，在第一片段141a与第二片段141b之间设置插塞56b、58b。插塞56b、58b分别将第一片段141a的底电极和顶电极连接到第二片段141b的顶电极和底电极。在连接部分254a上设置插塞56f和58f。插塞56f、58f分别将第二片段141b的底电极和顶电极连接到第三片段241a的顶电极和底电极。在第三片段241a与第四片段241b之间设置插塞56g、58g。插塞56g、58g分别将第三片段241a的底电极和顶电极连接到第四片段241b的顶电极和底电极。
此外，在第二横梁42a中，在连接部分254b上设置插塞56和58。插塞56和58分别将连接部分254b的底电极和顶电极连接到第二片段142b的顶电极和底电极。在第一片段142a与第二片段142b之间设置插塞56c和58c。插塞56c、58c分别将第二片段142b的底电极和顶电极连接到第一片段142a的顶电极和底电极。
按照本发明实施例的第六修改方式的压电致动器与第四修改方式的不同之处在于，第一横梁40f和第三横梁41f在连接端252被折叠并且在连接端52被各自连接到第二横梁42a。其它的构造类似于实施例的第四修改方式。因此省略了完全相同的说明。
如图38所示，在第六修改方式中，固定端44、45与工作端48之间的位移Db能够被增加第一横梁40f和第三横梁41f之位移的四倍。因此，能够增加可变电容器的可变电容范围。
(第七修改方式)
如图39所示，按照本发明实施例第七修改方式的压电致动器包括以c环形方式排列的第一横梁40g和第二横梁42g。第一横梁40g的固定端44和第二横梁42g的工作端48彼此相邻的放置，具有横梁间隔Lt。应注意的是，在c环形的第一横梁40g和第二横梁42g的分块(分割)位置处的连接端352与包括工作端48的工作部分50c之间的直接距离被定义为横梁长度Lb。
如图40所示，第一横梁40a的固定端44固定在支座20上。第二横梁42g的工作部分50c包括可移动支撑膜38a、以及彼此面对以夹住可移动第二压电膜28的可移动电极24a和34a。如图41所示，使用金属等形成插塞56和58，其被埋在第一横梁40g和第二横梁42g分割部分处连接端352附近的压电膜26和28内所提供的通孔中。插塞56连接第二横梁42g的第二顶电极34与第一横梁40g的第一底电极22。此外，插塞58连接第二横梁42g的第二底电极24与第一横梁40g的第一顶电极32。因此，第二底电极24连接到第一顶电极32和第三顶电极31，第二顶电极34连接到第一底电极22和第三底电极21。
按照本发明实施例的第七修改方式的压电致动器与第三修改方式的不同之处在于，第一横梁40g和第二横梁42g以c环形方式连接。其它的构造类似于实施例的第三修改方式。因此省略了完全相同的说明。
此外，关于第七修改方式的压电致动器，c环形的整个致动器具有基本上均匀的剖面结构。因此，即使在淀积期间出现垂直的不对称残余应力，也能够消除第一横梁40g和第二横梁42g中的翘曲。结果，能够减少由于固定端44与工作端48之间的翘曲导致的位移。
如图42所示，当相对第一底电极22向第一顶电极32施加正的驱动电压时，由固定端44支撑的第一横梁40g向上弯曲。相对的，第二横梁42g从连接端352向下弯曲。结果，工作端48相对于固定端44向下偏移了位移Db。因此，通过向第一横梁40g施加驱动电压能够控制工作端48的位移，其具有良好的再现性以及高的精度。
在高频范围中，按照实施例的第七修改方式的压电致动器可以用作电感器。叠加在压电驱动的DC电压上的高频信号被施加到环形的电极。因此，能够提供其中结合了电感器的微机电器件，例如可变电容器或开关。
(第八修改方式)
如图43所示，按照本发明实施例第八修改方式的压电致动器包括两个以相对于共用的工作端50d成点对称的方式排列的c环形压电致动器。固定第一致动器100c的支座20面对固定第二致动器100d的支座20a，以便在中间夹入设置在工作部分50d下面的固定电极(未示出)。第一致动器100c的第一横梁40c和第二横梁42c的每一个都具有第一片段140e、142e，第二片段140f、142f，第三片段140g、142g，以及第四片段140h、142h。第一横梁40c和第二横梁42c从固定端44和工作端48到连接端352a以c环形方式排列。第二致动器100d的第一横梁40d和第二横梁42d的每一个都具有第一片段140i、142i，第二片段140j、142j，第三片段140k、142k，以及第四片段140l、142l。第一横梁40d和第二横梁42d从固定端44a和工作端48a到连接端352b以c环形方式排列。第一致动器100e的第二横梁42c的工作端48通过工作部分50d连接到第二致动器100d的第二横梁42d的工作端48a。
按照本发明实施例的第八修改方式的压电致动器与第五和第七修改方式的不同之处在于，具有多个片段的第一致动器100c和第二致动器100d以相对于共用的工作端50d成点对称的方式排列。其它的构造类似于实施例的第七修改方式。因此省略了完全相同的说明。
与图36所示的第五修改方式一样，在实施例的第八修改方式中，压电致动器具有眼镜型的双箝位悬浮结构，其中设置了第一横梁40c、40d和第二横梁42c、42d。第一横梁40c、40d分别固定在固定端44和44a。第二横梁42c、42d以c环形折叠，并连接到工作部分50d。通过眼镜型的压电致动器，能够更稳定地控制工作部分50d的位移，且具有良好的再现性。而且，在眼镜型的压电致动器中，驱动力可以是双倍的。因此，特别是在将眼镜型的压电致动器用于DC接触型开关的情况下，能够获得适当的压力用于切换。
(第九修改方式)
如图44所示，在按照本发明实施例第九修改方式的压电致动器中，从位于环形连接部分454中心的工作部分450辐射出的多个致动器被连接到具有连接端452的连接部分454。例如，第一致动器包括第一横梁440a和第二横梁442a。具有固定在支座420a上的固定端444a的第一横梁440a延伸到连接部分454。第二横梁442a从连接部分454折叠到工作端448a，工作端448a连接到工作部分450。以类似的方式，第二至第四致动器包括第一横梁440b、440c、440d以及第二横梁442b、442c、442d。具有由支座420b至420d固定的固定端444b至444d的第一横梁440b至440d分别延伸到连接部分454。第二横梁442b至442d分别从连接部分454折叠到工作端448b至448d，工作端448b至448d连接到工作部分450。
按照本发明实施例的第九修改方式的压电致动器与实施例的不同之处在于，多个致动器通过共用的工作部分450以环形方式被连接到连接部分454。其它的构造与实施例的类似。因此省略了完全相同的说明。
在实施例的第九修改方式中，第一至第四致动器彼此连接，以便以工作部分450为中心围绕环形连接部分454。通过压电器件分别弯曲第一横梁440a至440d和第二横梁442a至442d，以使连接端452能够在垂直于衬底表面的方向上偏移。邻近工作端448a至448d来设置固定端444a至444d。而且，设置固定端444a至444d以使其围绕工作部分450。此外，由于使用了多个致动器，所以能够增加驱动力。结果，能够更稳定地控制工作部分450的位移，其具有良好的再现性。
(其它的修改方式)
在本发明的实施例中，使用了折叠一次或两次的压电致动器。但是，折叠的数量没有限制，多于两次的多次折叠是可允许的。此外，压电致动器的每个横梁的片段数量没有限制，多于两个的多个片段也是可允许的。
此外，在本发明的实施例中，使用了具有单压电晶片元件结构的压电致动器。但是，双压电晶片元件结构也可以用于压电致动器。例如，如图45所示，具有双压电晶片元件结构的压电致动器包括第一横梁40e和第二横梁42e。第一横梁40e从固定在衬底10的支座20上的固定端44延伸到连接部分54的连接端52。第二横梁42e在平行于第一横梁40e的向固定端44的方向上从连接端52延伸到固定端48。此外，包括覆盖有介电膜14的导体12a和12b的固定电极16被设置在衬底10的表面上，以便面对工作端48。
如图46所示，在第一横梁40e中，第一中间电极82设置在第一压电膜26a、26b之间，第一压电膜26a、26b夹在第一底电极22与第一顶电极32之间。如图47所示，在第二横梁42e中，第二中间电极84设置在第二压电膜28a、28b之间，第二压电膜28a、28b夹在第二底电极24与第二顶电极34之间。淀积第一压电膜26a、26b和第二压电膜28a、28b使其在相同的方向上极化。
例如，通过将公共电位施加到第一横梁40e的第一中间电极82，为第一底电极22和第一顶电极32施加了正的驱动电压。在第一压电膜26a中产生了收缩应力，在第一压电膜26b中产生了拉伸应力。结果，第一横梁40e从衬底10向上弯曲。
第二横梁42e的第二底电极24和第二顶电极34分别与第一横梁40e的第一底电极22和第一顶电极32电隔离。因此，驱动电压没有施加到第二底电极24和第二顶电极34。第二横梁42e保持初始状态。因此，无论在第一压电膜26a、26b和第二压电膜28a、28b中是否具有残余应力，都能够使第二横梁42e的工作端48朝向固定电极16偏移。
在储备了本发明公开的技术之后，各种不脱离本发明范围的修改对于本领域技术人员都是可能的。

Claims (20)

1.一种压电致动器，包括：
第一横梁，包括第一底电极，在第一底电极上的第一压电膜，以及在第一压电膜上的第一顶电极，在第一横梁的一端设置固定端而在第一横梁的另一端设置连接端，该固定端固定在衬底上，该连接端悬浮在自由空间上；以及
第二横梁，包括在连接端连接到第一压电膜的第二压电膜，在第二压电膜下面的第二底电极，以及在第二压电膜上的第二顶电极，在第二横梁的一端设置工作端，所述第二横梁的一端与设置为连接端的另一端相反，该工作端悬浮在自由空间上；
其中固定端与工作端的中心之间的距离比从工作端到连接端的距离短。
2.如权利要求1所述的压电致动器，其中第一顶电极与第二顶电极电隔离，或者第一底电极与第二底电极电隔离。
3.如权利要求1所述的压电致动器，其中第一顶电极与第二底电极电连接，并且第一底电极与第二顶电极电连接。
4.如权利要求1所述的压电致动器，进一步包括第三横梁，该第三横梁包括在连接端连接到第二压电膜的第三压电膜，在第三压电膜下面的第三底电极，以及在第三压电膜上的第三顶电极，在第三横梁的一端设置第二固定端，所述第三横梁的一端与设置为连接端的另一端相反，该第二固定端固定在衬底上。
5.如权利要求1所述的压电致动器，其中第一横梁和第二横梁从固定端到工作端以环形设置。
6.如权利要求4所述的压电致动器，其中第三顶电极与第二顶电极电隔离，或者第三底电极与第二底电极电隔离。
7.如权利要求4所述的压电致动器，其中第三顶电极与第二底电极电连接，并且第三底电极与第二顶电极电连接。
8.如权利要求4所述的压电致动器，其中第一横梁、第二横梁和第三横梁的每一个都被分成多个片段，并且对应于该多个片段，第一底电极、第二底电极和第三底电极以及第一顶电极、第二顶电极和第三顶电极的每一个都被分成多个分隔部分。
9.如权利要求4所述的压电致动器，其中在工作端的两侧按照相对该工作端镜像对称的方式设置一对的第一横梁、第二横梁和第三横梁。
10.如权利要求4所述的压电致动器，其中第一横梁和第三横梁在固定端与连接端之间的第二连接端处被折叠，并延伸到连接端。
11.一种微机电器件，包括：
第一横梁，包括第一底电极，在第一底电极上的第一压电膜，以及在第一压电膜上的第一顶电极，在第一横梁的一端设置固定端而在第一横梁的另一端设置连接端，该固定端固定在衬底上，该连接端悬浮在自由空间上；
第二横梁，包括在连接端连接到第一压电膜的第二压电膜，在第二压电膜下面的第二底电极，以及在第二压电膜上的第二顶电极，在第二横梁的一端设置工作端，所述第二横梁的一端与设置为所述连接端的另一端相反，该工作端悬浮在自由空间上；以及
设置在衬底表面上的面对工作端的固定电极，
其中固定端与工作端的中心之间的距离比从工作端到连接端的距离短。
12.如权利要求11所述的微机电器件，其中第一顶电极与第二顶电极电隔离，或者第一底电极与第二底电极电隔离。
13.如权利要求11所述的微机电器件，其中第一顶电极与第二底电极电连接，并且第一底电极与第二顶电极电连接。
14.如权利要求11所述的微机电器件，进一步包括第三横梁，该第三横梁包括在连接端连接到第二压电膜的第三压电膜，在第三压电膜下面的第三底电极，以及在第三压电膜上的第三顶电极，在第三横梁的一端设置第二固定端，该端与设置为所述连接端的另一端相反，该第二固定端固定在衬底上。
15.如权利要求11所述的微机电器件，其中第一横梁和第二横梁从固定端到工作端以环形设置。
16.如权利要求14所述的微机电器件，其中第三顶电极与第二顶电极电隔离，或者第三底电极与第二底电极电隔离。
17.如权利要求14所述的微机电器件，其中第三顶电极与第二底电极电连接，并且第三底电极与第二顶电极电连接。
18.如权利要求14所述的微机电器件，其中第一横梁、第二横梁和第三横梁的每一个都被分成多个片段，并且对应于该多个片段，第一底电极、第二底电极和第三底电极以及第一顶电极、第二顶电极和第三项电极的每一个都被分成多个分隔部分。
19.如权利要求14所述的微机电器件，其中在工作端的两侧按照相对该工作端镜像对称的方式设置一对的第一横梁、第二横梁和第三横梁。
20.如权利要求14所述的微机电器件，其中第一横梁和第三横梁在固定端与连接端之间的第二连接端处被折叠，延伸到连接端。
CN2005101039512A 2004-09-16 2005-09-16 压电致动器和微机电器件 Expired - Fee Related CN1750380B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004-269911 2004-09-16
JP2004269911 2004-09-16
JP2004269911A JP4037394B2 (ja) 2004-09-16 2004-09-16 マイクロメカニカルデバイス

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1750380A true CN1750380A (zh) 2006-03-22
CN1750380B CN1750380B (zh) 2012-04-04

Family

ID=36033168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2005101039512A Expired - Fee Related CN1750380B (zh) 2004-09-16 2005-09-16 压电致动器和微机电器件

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7215066B2 (zh)
JP (1) JP4037394B2 (zh)
CN (1) CN1750380B (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7816841B2 (en) 2007-08-24 2010-10-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Piezoelectric driven MEMS apparatus and portable terminal
US8022599B2 (en) 2008-02-18 2011-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Actuator
CN102342014A (zh) * 2009-04-17 2012-02-01 阿尔卑斯电气株式会社 促动器元件及输入装置
CN101488723B (zh) * 2008-01-16 2012-07-18 株式会社东芝 致动器以及使用其的电子设备
CN101999080B (zh) * 2008-04-14 2013-03-20 飞思卡尔半导体公司 用于微机电系统传感器的弹性构件
CN103000801A (zh) * 2011-09-19 2013-03-27 庆良电子股份有限公司 换能器与能量转换模块
CN107128873A (zh) * 2017-05-09 2017-09-05 北方工业大学 Mems微驱动器及其制作方法
CN109987574A (zh) * 2017-11-27 2019-07-09 意法半导体股份有限公司 压电型微机电致动器装置和集成微机电致动器装置的设备
CN113412418A (zh) * 2019-02-11 2021-09-17 德克萨斯仪器股份有限公司 差分电容感测系统

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007522609A (ja) * 2003-12-22 2007-08-09 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ ピエゾ電気材料でできたマイクロ電気機械スイッチを備える電子装置
JP4496091B2 (ja) * 2004-02-12 2010-07-07 株式会社東芝 薄膜圧電アクチュエータ
JP2006093463A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Toshiba Corp 圧電ｍｅｍｓ素子及びチューナブルフィルタ
JP2006116399A (ja) * 2004-10-20 2006-05-11 Citizen Electronics Co Ltd 撓み振動型エキサイタ
JP5037819B2 (ja) * 2005-03-04 2012-10-03 ソニー株式会社 電子機器
JP4580826B2 (ja) 2005-06-17 2010-11-17 株式会社東芝 マイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチ
JP2007005635A (ja) * 2005-06-24 2007-01-11 Toshiba Corp 半導体装置
US8194386B2 (en) * 2005-12-22 2012-06-05 Epcos Ag Arrangement of MEMS devices having series coupled capacitors
US7517769B2 (en) * 2005-12-28 2009-04-14 Palo Alto Research Center Incorporated Integrateable capacitors and microcoils and methods of making thereof
US7486002B2 (en) * 2006-03-20 2009-02-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Lateral piezoelectric driven highly tunable micro-electromechanical system (MEMS) inductor
JP4834443B2 (ja) * 2006-03-31 2011-12-14 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓアクチュエータ
JP4635023B2 (ja) * 2006-04-06 2011-02-16 株式会社東芝 Ｍｅｍｓ
US7939994B2 (en) * 2006-05-17 2011-05-10 Microgan Gmbh Micromechanical actuators comprising semiconductors on a group III nitride basis
JP4373994B2 (ja) * 2006-05-31 2009-11-25 株式会社東芝 可変容量装置および携帯電話
JP4893112B2 (ja) * 2006-06-03 2012-03-07 株式会社ニコン 高周波回路コンポーネント
JP4316590B2 (ja) 2006-06-23 2009-08-19 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓアクチュエータ
JP4234737B2 (ja) * 2006-07-24 2009-03-04 株式会社東芝 Ｍｅｍｓスイッチ
JP2008053077A (ja) * 2006-08-25 2008-03-06 Toshiba Corp Ｍｅｍｓスイッチ
JP4220541B2 (ja) * 2006-09-22 2009-02-04 株式会社東芝 Ｍｅｍｓ装置
US7710232B1 (en) * 2007-05-09 2010-05-04 Sandia Corporation Microelectromechanical tunable inductor
US20090135541A1 (en) * 2007-11-06 2009-05-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Actuator and electronic circuit based thereon
JP5554895B2 (ja) * 2008-02-20 2014-07-23 キヤノン株式会社 揺動構造体、及び揺動構造体を用いた揺動体装置
JP2009291030A (ja) 2008-05-30 2009-12-10 Toshiba Corp Ｍｅｍｓ可変キャパシタ
JP2010251726A (ja) * 2009-03-27 2010-11-04 Ngk Insulators Ltd 圧電アクチュエータの製造方法
JP5300559B2 (ja) * 2009-03-30 2013-09-25 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓ素子
WO2011086767A1 (ja) * 2010-01-14 2011-07-21 株式会社村田製作所 可変容量装置
US8722445B2 (en) 2010-06-25 2014-05-13 International Business Machines Corporation Planar cavity MEMS and related structures, methods of manufacture and design structures
US8829765B2 (en) 2010-11-04 2014-09-09 Agency For Science, Technology And Research Piezoelectric actuator device
US20120274647A1 (en) * 2011-04-26 2012-11-01 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Piezoelectric resonators and fabrication processes
US8643140B2 (en) * 2011-07-11 2014-02-04 United Microelectronics Corp. Suspended beam for use in MEMS device
TWI514444B (zh) * 2011-07-11 2015-12-21 United Microelectronics Corp 應用於微機電系統中之懸吊梁結構
US8816567B2 (en) 2011-07-19 2014-08-26 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Piezoelectric laterally vibrating resonator structure geometries for spurious frequency suppression
US9236555B2 (en) * 2012-01-12 2016-01-12 Robert Bosch Gmbh Piezoelectric based MEMS structure
JP5598578B2 (ja) * 2013-07-03 2014-10-01 ミツミ電機株式会社 圧電アクチュエータ及びその製造方法
WO2019005020A1 (en) * 2017-06-27 2019-01-03 Intel Corporation MICROELECTRONIC DEVICES HAVING VARIABLE CAPACITORS INTEGRATED IN A PIEZOELECTRIC ACTUATION HOUSING
JP6474868B1 (ja) * 2017-08-29 2019-02-27 株式会社トライフォース・マネジメント 発電素子
JP7027960B2 (ja) * 2018-02-28 2022-03-02 株式会社リコー 可動回析格子及び分光装置及び光スイッチ及び画像表示装置
US11482659B2 (en) * 2018-09-26 2022-10-25 Apple Inc. Composite piezoelectric actuator
US20220254982A1 (en) * 2021-02-08 2022-08-11 Auburn University Technologies for microelectromechanical systems with composable piezoelectric actuators

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58200616A (ja) * 1982-05-18 1983-11-22 Seiko Instr & Electronics Ltd 音又型振動子の支持構造
JPH02129514A (ja) * 1988-11-10 1990-05-17 Canon Inc 角速度センサー
JP3310029B2 (ja) * 1992-10-02 2002-07-29 シチズン時計株式会社 振動子
KR960018646A (ko) * 1994-11-14 1996-06-17 배순훈 광로조절장치의 제조방법
US6018212A (en) * 1996-11-26 2000-01-25 Ngk Insulators, Ltd. Vibrator, vibratory gyroscope, and vibration adjusting method
JP2003181800A (ja) 2001-12-19 2003-07-02 Hitachi Ltd 圧電型マイクロアクチュエータ及びこれを備えたマイクロミラー
JP4053958B2 (ja) * 2003-09-19 2008-02-27 株式会社東芝 電圧制御発振器
US7157831B2 (en) * 2004-09-30 2007-01-02 Quality Research, Development & Consulting, Inc. Energy efficient vibration driven motor
JP2007005635A (ja) * 2005-06-24 2007-01-11 Toshiba Corp 半導体装置

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373811B (zh) * 2007-08-24 2011-09-07 株式会社东芝 压电驱动型mems装置及便携终端
US7816841B2 (en) 2007-08-24 2010-10-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Piezoelectric driven MEMS apparatus and portable terminal
CN101488723B (zh) * 2008-01-16 2012-07-18 株式会社东芝 致动器以及使用其的电子设备
US8022599B2 (en) 2008-02-18 2011-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Actuator
CN101999080B (zh) * 2008-04-14 2013-03-20 飞思卡尔半导体公司 用于微机电系统传感器的弹性构件
CN102342014B (zh) * 2009-04-17 2014-05-07 阿尔卑斯电气株式会社 促动器元件及输入装置
CN102342014A (zh) * 2009-04-17 2012-02-01 阿尔卑斯电气株式会社 促动器元件及输入装置
CN103000801A (zh) * 2011-09-19 2013-03-27 庆良电子股份有限公司 换能器与能量转换模块
CN107128873A (zh) * 2017-05-09 2017-09-05 北方工业大学 Mems微驱动器及其制作方法
CN107128873B (zh) * 2017-05-09 2019-04-16 北方工业大学 Mems微驱动器及其制作方法
CN109987574A (zh) * 2017-11-27 2019-07-09 意法半导体股份有限公司 压电型微机电致动器装置和集成微机电致动器装置的设备
CN109987574B (zh) * 2017-11-27 2023-08-29 意法半导体股份有限公司 压电型微机电致动器装置和集成微机电致动器装置的设备
CN113412418A (zh) * 2019-02-11 2021-09-17 德克萨斯仪器股份有限公司 差分电容感测系统
CN113412418B (zh) * 2019-02-11 2024-02-23 德克萨斯仪器股份有限公司 差分电容感测系统

Also Published As

Publication number Publication date
US7215066B2 (en) 2007-05-08
JP4037394B2 (ja) 2008-01-23
US20060055287A1 (en) 2006-03-16
JP2006087231A (ja) 2006-03-30
CN1750380B (zh) 2012-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1750380A (zh) 压电致动器和微机电器件
CN1242285C (zh) 微镜单元及其制作方法
CN101047226A (zh) 压电驱动mems器件
CN1276449C (zh) 开关
CN1655373A (zh) 薄膜压电致动器
CN1447453A (zh) 可调电容器及其制造方法
CN1706066A (zh) 可变电容元件
CN1815657A (zh) 微型开关元件
CN1975956A (zh) 压电射频微机电系统装置及其制备方法
CN1172266A (zh) 显示器
CN1488083A (zh) 液晶显示器的薄膜晶体管阵列板及其制造方法
CN1378276A (zh) 布线和制造布线的方法以及布线板和制造布线板的方法
CN1199080C (zh) 液晶显示装置
CN1469176A (zh) 液晶显示器及其驱动方法
CN1871711A (zh) 显示器件及其制造方法,以及电视接收机
CN1489717A (zh) 微机电显示装置
CN1974373A (zh) 微结构、其制造方法、以及微电子机械系统
CN1933196A (zh) 发光器件及其制造方法
CN1599067A (zh) 薄膜半导体器件、其制造工艺以及液晶显示器
CN1838433A (zh) 半导体器件以及图像显示装置
CN1779753A (zh) 显示器用基板、电光装置、电子仪器
CN1960581A (zh) 一种电容式硅传声器
CN1848344A (zh) 静电微触点通断器及其制造方法、使用该通断器的装置
US20080074006A1 (en) Micro-electromechanical device
CN102185517A (zh) 静电致动器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120404

Termination date: 20150916

EXPY Termination of patent right or utility model