JP2000211136A - マイクロアクチュエ―タおよびその製造方法 - Google Patents
マイクロアクチュエ―タおよびその製造方法Info
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Abstract
が、上部面から基板に至るなだらかな曲線形態を有する
ので、上部電極を圧電体の上部面から側面を経て基板へ
延長することができ、上部電極を基板まで延長させるこ
とによって圧電体と電圧印加線間の連結の自由度を高め
る。 【解決手段】 基板と、電圧および信号を印加するため
の電圧印加線と、前記基板の(上部に形成された下部電
極と、前記下部電極の)上部に形成され、電圧印加線と
連結される方に溝が形成されてエッチングされることに
よって、その部分に傾斜がなだらかな側面が形成された
圧電体と、前記圧電体の上部から傾斜がなだらかな側面
まで形成され、前記電圧印加線に連結される上部電極を
構成する。
Description
エータおよびその製造方法に関するものであり、より詳
しくは、一定の厚さを有する圧電体を基板上に形成した
後、エッチング法を用いて圧電体をパターニングするこ
とにより製造されたマイクロエクチュエータおよびその
製造方法に関するものである。
板とチャンバからなる下部構造と、基板の上部に結合さ
れて電圧が印加されれば、機械的変形を起こす圧電体
と、圧電体に電圧を伝達する電極とからなる。
体は電場が加えられると、ポーリング(poling:電気場
を加えれば圧電体に方向性が形成される)される性質が
ある。ポーリングされた圧電体の上段と下段に形成され
た上部電極と下部電極に電圧が印加されれば、電極の間
に位置した圧電体が変形と復元を繰り返しながら、振動
をしたり、機械的変形をするようになる。
なければ作動しないので、アクチュエータを作動させる
ためには、アクチュエータに電圧および信号波形を持続
的に印加しなければならない。
に、従来には次のような方法を使用してきた。
で予めパターニングされた基板の上部に下部電極を形成
して1200℃以上で焼成し、下部電極の上部に圧電体ペー
ストをスクリーン印刷法で成形して1000℃以上の高温で
焼成した後、圧電体の上部に上部電極を形成して約800
℃で焼成することによって、マイクロアクチュエータを
製造する方法である。
形または作成した圧電体を第3の物質にて接着した後、
圧電体板を一定の大きさで機械加工して希望する数量だ
けのアクチュエータを構成したり、金属基板上に1個の
アクチュエータに適する大きさで加工された圧電体を接
着してアクチュエータを構成したりする方法である。
ロアクチュエータは、側面が垂直形態の断面構造を有す
るので、圧電体の上部にのみ上部電極が形成され得る。
ータに電圧および信号波形を印加させるためには、電圧
および信号波形を形成する回路からアクチュエータを構
成している上部電極の間に電圧および信号波形を印加す
る線である電圧印加線(Input Line)を連結しなければ
ならない。
号波形を印加する電圧印加線を連結する方法として、従
来にはワイヤーボンディング(Wire Bonding)を用いる
方法や上部電極に電圧印加線を直接連結する方法を使用
してきた。
タの上部電極と電圧印加線を連結する方法は、ワイヤを
結合するためのパッドを上部電極と基板の絶縁層に別に
形成しなければならず、さらに各パッドにワイヤーを結
合しなければならないので、工程が複雑となり、生産性
が低下する問題点がある。また、プリントヘッドとカー
トリッジを連結するとき、露出されるワイヤが障碍さ
れ、ワイヤが切れやすくなるので、品質の信頼性と耐久
性が低いという問題点がある。
直接連結する方法は、絶縁層やパッドの形成する必要が
なく、直接上部電極と電圧印加線とを連結するので、電
圧とアクチュエータを連結する工程が簡単であるという
長所がある。しかし、電圧印加線と上部電極を連結する
ときに加えられる圧力及び熱量をアクチュエータの圧電
体が直接受けるので、圧電体が変質する等の製品が損傷
されやすいという問題点がある。
印加線が直接連結されるため、上部電極に電圧が印加さ
れ、その電圧印加によってアクチュエータが作動をする
場合、アクチュエータの変位に影響を与えるという問題
点がある。
エータのセル数が増加するようになると前記のような従
来の方法では、その生産性が低くなり、完成される製品
の品質が低下するという問題点がある。
の厚さを有する圧電体を付着した後、圧電体をエッチン
グして希望する圧電体を形成することによって、マイク
ロアクチュエータを製造する方法を開示するものであ
る。
形する一方法の工程を模式的に示した図である。
10上に圧電体14を形成する。金属基板10上に形成された
圧電体14をパターニングした後、エッチングする。所定
のパターンでエッチングした圧電体14上に上部電極16を
形成する。
形する他の方法の工程を模式的に示した図である。
に下部電極22を形成する。形成された下部電極22上に圧
電体24を形成する。基板20上に形成された圧電体24をパ
ターニングした後、エッチングする。所定のパターンで
エッチングした圧電体24上に上部電極26を形成する。
ロアクチュエータを製造する場合には、圧電体の側面が
垂直断面形態ではなく、傾斜した形態を有するようにな
る。したがって、圧電体に上部電極を形成するとき、圧
電体に上部だけでなく圧電体の側面にも上部電極を形成
することができ、圧電体の上部に形成された上部電極を
基板まで延長することができる。
場合には、側面に延長された上部電極に電圧印加線を連
結することができ、アクチュエータと電圧印加線の連結
が容易になる。
を一般的なパターンでパターニングした後、エッチング
する場合には、エッチングされた圧電体の側面の傾斜度
が均一ではなく、特に圧電体の上部に近い側面が傾斜の
急な形態で形成され、鋭いエッジ(edge)を有するよう
になる。
には、上部電極が形成され難いので、図3に示したよう
に段落が生じ、上部電極が圧電体の上部から基板へ延長
されにくいという問題点がある。
発明は、圧電体の側面中、上部電極の延長が必要な部分
に溝を形成してエッチングすることによって、圧電体の
高さを次第に低くして上部電極から基板に至るなだらか
な曲線を有するマイクロアクチュエータを提供すること
をその目的とする。
めに、本発明は、基板と、電圧および信号を印加するた
めの電圧印加線と、前記基板の上部に形成された下部電
極と、前記下部電極の上部に形成され、前記電圧印加線
と連結される方に溝が形成されてエッチングされること
によって、その部分に傾斜がなだらかな側面が形成され
た圧電体と、前記圧電体の上部から傾斜がなだらかな側
面まで形成され、前記電圧印加線に連結される上部電極
とを備え、上部電極と電圧印加線との連結が向上される
ことを特徴とするマイクロアクチュエータにその特徴が
ある。
び信号を印加するための電圧印加線と、前記金属基板の
上部に形成され、前記電圧印加線と連結される方に溝が
形成されてエッチングされることによって、その部分に
傾斜がなだらかな側面が形成された圧電体と、前記圧電
体の上部から傾斜がなだらかな側面まで形成され、前記
電圧印加線に連結される上部電極とを備え、上部電極と
電圧印加線との連結が向上されることを特徴とするマイ
クロアクチュエータにその特徴がある。
と、前記基板の上部に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極の上部に圧電体を形成するステップと、前
記圧電体中、電圧印加線と連結される方に溝を形成して
圧電体をエッチングすることによって、その部分に傾斜
がなだらかな側面を形成するステップと、前記エッチン
グされた圧電体の上部から傾斜がなだらかな側面まで上
部電極を形成するステップと、前記上部電極と電圧印加
線を連結するステップを含み、上部電極と電圧印加線と
の連結を向上させることを特徴とするマイクロアクチュ
エータの製造方法にその目的がある。
テップと、前記金属基板の上部に圧電体を形成するステ
ップと、前記圧電体中、電圧印加線と連結される方に溝
を形成して圧電体をエッチングすることによってその部
分に傾斜がなだらかな側面を形成するステップと、前記
エッチングされた圧電体の上部から傾斜がなだらかな側
面まで上部電極を形成するステップと、前記上部電極と
電圧印加線を連結するステップを含み、上部電極と電圧
印加線との連結を向上させることを特徴とするマイクロ
アクチュエータの製造方法にその特徴がある。
金属薄板またはセラミックス薄板を使用するのが好まし
い。
(Cu)、クロム(Cr)あるいは鉄(Fe)を主要成分とす
る金属薄板またはこれらの合金からなる金属薄板を使用
するのが好ましい。
の厚さは、3〜200μmにするのが好ましい。
チングするか、プレス加工するか、電鋳(Electroformi
ng)して全体薄板中、必要な部分に基板形態を作ること
ができる。
使用できるが、代表的には酸化ジルコニウム(ZrO2)、
酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化珪素(SiO2)など
を使用する。
リーンシート(green sheet)形態に作った後、焼結す
るか、スラリー(slurry)状態で必要な基板状態に作っ
た後、焼結することによって基板として使用されるセラ
ミックス薄板を製造する。
場合、厚さを5~300μmにするのが好ましい。
その自体が導伝性があって下部電極の役割ができるの
で、必ずしも下部電極を形成する必要はない。
用する場合には、その自体には導電性がないので、必ず
基板の上部に下部電極を成形しなければならない。
g)、銀/パラジウム(Ag/Pd)の合金、ニッケル(N
i)、銅(Cu)中から、適宜選択して使用するのが好ま
しい。このとき、下部電極の厚さは20μm以下に形成す
るのが好ましい。
上部電極を基板まで形成するステップで下部電極が露出
されていれば、下部電極と上部電極が重なる問題点があ
る。したがって上部電極が形成される基板部分に下部電
極が露出されないようにパターニングし、下部電極を形
成するか、圧電体をエッチングした後、上部電極が形成
される基板部分に露出された下部電極上に絶縁層を塗布
し、下部電極と上部電極が接触しないようにしなければ
ならない。
用し、圧電体の原料として使用されるセラミックス中、
代表的なものとしては、PZT、PLZT、チタン酸バリウム
(BaTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)などがある。
形態で形成するのが好ましい。
極が形成された基板上に形成する。このとき、圧電体が
優れたアクチュエーティング特性を有するようにするた
めには、基板または下部電極と圧電体を相互に堅固に付
着しなければならない。
は、基板上に圧電体を直接成形するか、別に成形された
圧電体を基板上に付着するあらゆる方法を使用すること
ができる。
は、スクリーン印刷法などの方法を使用することがで
き、基板上に別に成形された圧電体を付着する方法とし
ては、接着剤を使用して付着する方法、メタライジング
(metalizing)工程を使用して付着する方法などを使用
することができる。
ために接着剤を使用する場合には、基板または圧電体に
ペースト状態の接着剤を塗布した後、基板と圧電体を接
着する。
こともでき、基板や圧電体薄膜の必要な部分にのみ塗布
することもできる。
基板の全面に塗布された接着剤が圧電体をエッチングす
るときに基板を保護する保護膜の役割をすることができ
る。
めのさらに異なる方法であるメタライジング工程は、圧
電体の一面に金属を塗布し、この圧電体面と異なる金属
板の間に第3の物質を媒介体にしてロウ付け(brazing)
で接合する工程である。
板を付着させる方法は、接着剤を使用して圧電体と基板
を付着する方法より極めて堅固に圧電体を基板に固定さ
せることができ、製造されたアクチュエータのコンプラ
イアンス(compliance)を低めてアクチュエータ特性を
向上させることができる。
ッチングしようとするパターンでパターニングする。
シャドーマスク(Shadow mask)を使用してマスキング
する方法またはフォトレジスト(Photo resister)を塗
布した後、フォトリソグラフィー(Photolithography)
によってフォトレジストをパターニングする方法などを
使用する。
パターンを形成するにおいて、以前の方法では長方形の
一定のパターンでパターニングをしたが、本発明では長
方形の一定のパターンでパターニングされた圧電体中、
電圧印加線と連結された方に溝を形成する。溝は電圧印
加線と連結される方に幅が広い部分と幅が狭い部分を連
続的に有しながら、電圧印加線と連結される圧電体の側
面へ行くほど幅が広くなるパターンで形成する。
電圧印加線と連結される圧電体の側面での幅をW、溝の
高さ、すなわち圧電体によって側方に延長される溝の長
さをHとするとき、溝の幅(W)および高さ(H)は、以
下の範囲内に設定するのが好ましい。 T/20<W<10T T/5<H<100T
ることもできる。前記溝を2個以上形成する場合には、
圧電体と電圧印加線間の連結の自由度がより高まる。
電体をエッチングする。パターニングされた圧電体をエ
ッチングする場合、エッチングされる幅が広い部分では
持続的にエッチングされるので、エッチングされる深さ
が深くて傾斜が急であり、自己制御反応によってエッチ
ングが停止する自己抑制(self-restriction)反応が遅
く表れる。反面、エッチングされる幅が狭い部分は、自
己抑制反応が素早く起こり、ある程度エッチングされれ
ば、それ以上エッチングが起こらなくなる。
が広い部分に比べてエッチング幅が狭いため、自己抑制
反応が先に起こり、圧電体の側面へ行きながら、幅が広
くなってエッチング幅が広くなるので、自己抑制反応が
遅く起こる。したがって、圧電体の上部面で基板に至る
曲線が緩慢になる。
場合、圧電体の厚さ(T)と溝の下辺幅(W)の関係によ
るエッチング時間(t)とエッチング深さ(D)の関係を
示したグラフである。
きくなるほど、エッチングスピードが速くてエッチング
深さが深くなることがわかる。
上部には、一定のパターンで上部電極を形成する。
ルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)などを使用
し、電極を形成する方法としては、シャドーマスクを用
いてマスキングした後、真空蒸着をするか、スクリーン
印刷する方法などを使用する。
を形成し、上部電極と電圧印加線を連結してアクチュエ
ータに電圧および信号を印加したが、本発明では、上部
電極を圧電体の上部面から延長して側面を経て基板に至
るように形成する。
板に至るように形成された上部電極を電圧印加線と連結
し、上部電極に電圧および信号が印加されることができ
るようにする。連結された電圧印加線によって上部電極
に電圧および信号が印加されれば、それによってアクチ
ュエータがアクチュエーティングをするようになる。
方に三角形の溝を形成してエッチングした場合の一実施
例を示した平面図である。図5は、図4のA-A′部分の断
面を示した断面図であり、図6は、図4のB-B′部分の断
面を示した断面図であって、図7は、図4のC-C′部分の
断面を示した断面図であり、図8は、D-D′部分の断面を
示した断面図である。前記図5〜図8で三角形の溝が形成
された部分は、圧電体の傾斜が緩慢であることが分か
る。
の一方に他の形態の溝を形成してエッチングする場合の
実施例を示した図である。さらに、図11は本発明による
圧電体中、電圧印加線と連結される方に2個の溝を形成
した場合の実施例を示した図である。
チングによって形成される圧電体の側面が上面から基板
に至るなだらかな曲線形態を有するようになるので、上
部電極を圧電体の上面から側面を経て基板へ延長させる
ことができ、上部電極を基板まで延長させることによっ
て圧電体と電圧印加線間の連結の自由度が高まる効果が
ある。
て工程が簡単で、かつ信頼性の高い効果がある。
タの製造工程の一実施例を模式的に示した工程図であ
る。
タ製造工程の他の実施例を模式的に示した工程図であ
る。
合の一実施例を示した平面図である。
る。
る。
る。
る。
合の他の実施例を示した平面図である。
場合のさらに他の実施例を示した平面図である。
される方に2個の溝を形成した場合の実施例を示した平
面図である。
係によるエッチング時間(t)とエッチング深さ(D)の
関係を示したグラフである。
Claims (22)
- 【請求項1】 基板と、 電圧および信号を印加するための電圧印加線と、 前記基板の上部に形成された下部電極と、 前記下部電極の上部に形成され、前記電圧印加線と連結
される方に溝が形成されてエッチングされることによっ
て、その部分に傾斜がなだらかな側面が形成された圧電
体と、 前記圧電体の上部から傾斜がなだらかな側面まで形成さ
れ、前記電圧印加線に連結される上部電極とを備え、 上部電極と電圧印加線との連結が向上されることを特徴
とするマイクロアクチュエータ。 - 【請求項2】 圧電体の厚さをT、溝の下辺幅、すなわ
ち電圧印加線と連結される圧電体の側面での幅をW、溝
の高さ、すなわち圧電体によって側方に延長される溝の
長さをHとするとき、溝の幅(W)および高さ(H)が、 T/20<W<10T T/5<H<100T に設定されることを特徴とする請求項1に記載のマイク
ロアクチュエータ。 - 【請求項3】 前記基板はセラミックスであることを特
徴とする請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項4】 前記下部電極は、前記上部電極が形成さ
れる基板部分に露出されないように形成されたことを特
徴とする請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項5】 前記電圧体がエッチングされた後、露出
される前記下部電極上に形成された絶縁層をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロアクチュエ
ータ。 - 【請求項6】 前記溝が2個以上形成されたことを特徴
とする請求項1に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項7】 金属基板と、 電圧および信号を印加するための電圧印加線と、 前記金属基板の上部に形成され、前記電圧印加線と連結
される方に溝が形成されてエッチングされることによっ
て、その部分に傾斜がなだらかな側面が形成された圧電
体と、 前記圧電体の上部から傾斜がなだらかな側面まで形成さ
れ、前記電圧印加線に連結される上部電極とを備え、 上部電極と電圧印加線との連結が向上されることを特徴
とするマイクロアクチュエータ。 - 【請求項8】 圧電体の厚さをT、溝の下辺幅、すなわ
ち電圧印加線と連結される圧電体の側面での幅をW、溝
の高さ、すなわち圧電体によって側方に延長される溝の
長さをHとするとき、溝の幅(W)および高さ(H)が、 T/20<W<10T T/5<H<100T に設定されることを特徴とする請求項7に記載のマイク
ロアクチュエータ。 - 【請求項9】 前記下部電極は、前記上部電極が形成さ
れる基板部分に露出されないように形成されたことを特
徴とする請求項7に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項10】 前記圧電体がエッチングされた後、露
出される前記下部電極上に形成された絶縁層をさらに含
むことを特徴とする請求項7に記載のマイクロアクチュ
エータ。 - 【請求項11】 前記溝が2個以上形成されたことを特
徴とする請求項7に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項12】 基板を提供するステップと、 前記基板の上部に下部電極を形成するステップと、 前記下部電極の上部に圧電体を形成するステップと、 前記圧電体中、電圧印加線と連結される方に溝を形成し
て圧電体をエッチングすることによって、その部分に傾
斜がなだらかな側面を形成するステップと、 前記エッチングされた圧電体の上部から傾斜がなだらか
な側面まで上部電極を形成するステップと、 前記上部電極と電圧印加線を連結するステップを含み、 上部電極と電圧印加線との連結を向上させることを特徴
とするマイクロアクチュエータの製造方法。 - 【請求項13】 圧電体の厚さをT、溝の下辺幅、すな
わち電圧印加線と連結される圧電体の側面での幅をW、
溝の高さ、すなわち圧電体によって側方に延長される溝
の長さをHとするとき、溝の幅(W)および高さ(H)
が、 T/20<W<10T T/5<H<100T に設定されることを特徴とする請求項12に記載のマイク
ロアクチュエータの製造方法。 - 【請求項14】 前記基板としては、セラミックス薄板
を使用することを特徴とする請求項12に記載のマイクロ
アクチュエータの製造方法。 - 【請求項15】 前記下部電極は前記上部電極が形成さ
れる基板部分に露出されないように形成することを特徴
とする請求項12に記載のマイクロアクチュエータの製造
方法。 - 【請求項16】 前記圧電体がエッチングされた後、露
出される前記下部電極上に絶縁層を形成するステップを
さらに含むことを特徴とする請求項12に記載のマイクロ
アクチュエータの製造方法。 - 【請求項17】 前記溝を2個以上形成することを特徴
とする請求項12に記載のマイクロアクチュエータの製造
方法。 - 【請求項18】 金属基板を提供するステップと、 前記金属基板の上部に圧電体を形成するステップと、 前記圧電体中、電圧印加線と連結される方に溝を形成し
て圧電体をエッチングすることによってその部分に傾斜
がなだらかな側面を形成するステップと、 前記エッチングされた圧電体の上部から傾斜がなだらか
な側面まで上部電極を形成するステップと、 前記上部電極と電圧印加線を連結するステップを含み、 上部電極と電圧印加線との連結を向上させることを特徴
とするマイクロアクチュエータの製造方法。 - 【請求項19】 圧電体の厚さをT、溝の下辺幅、すな
わち電圧印加線と連結される圧電体の側面での幅をW、
溝の高さ、すなわち圧電体によって側方に延長される溝
の長さをHとするとき、溝の幅(W)および高さ(H)
が、 T/20<W<10T T/5<H<100T に設定されることを特徴とする請求項18に記載のマイク
ロアクチュエータの製造方法。 - 【請求項20】 前記下部電極は、前記上部電極が形成
される基板部分に露出されないように形成することを特
徴とする請求項18に記載のマイクロアクチュエータの製
造方法。 - 【請求項21】 前記圧電体がエッチングされた後、露
出される前記下部電極上に絶縁層を形成するステップを
さらに含むことを特徴とする請求項18に記載のマイクロ
アクチュエータの製造方法。 - 【請求項22】 前記溝を2個以上形成することを特徴
とする請求項18に記載のマイクロアクチュエータの製造
方法。
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