JP2002534275A - 微視的力及び変位を有するポリママイクロ作動器 - Google Patents

微視的力及び変位を有するポリママイクロ作動器

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JP2002534275A
JP2002534275A JP2000591713A JP2000591713A JP2002534275A JP 2002534275 A JP2002534275 A JP 2002534275A JP 2000591713 A JP2000591713 A JP 2000591713A JP 2000591713 A JP2000591713 A JP 2000591713A JP 2002534275 A JP2002534275 A JP 2002534275A
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actuator
displacement
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JP2000591713A
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カブツ，クレオパトラ
デイ． ハーニング，ロバート
アール． ハーブ，ウイリアム
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ハネウエル・インコーポレーテッド
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  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 マイクロ作動器アレイ装置は複数の薄い柔軟なポリマシートを含み、ポリマシートはほぼ平行で、所定のパターンに互いに結合されて少なくとも一の層上にユニットセルからなるアレイを構成する。薄い導電性の誘電体フィルムはシート上に蒸着されてアレイを構成するユニットセルと関連する複数の電極を構成する。電源が電極と動作可能に接続され、これにより静電力がシート間の間隙が最少である点の近傍で最強に発生される。各セルの入口部及び出口部により、静電力の発生中流体が変位可能である。好ましい実施形態において複数のシートはユニットセルアレイの層からなる積層体を構成する。双方向作動が互いに反対に動作する対をなす作動器により起こされるように、層が構成される。少なくとも一の対をなすシートは波形あるいはフラップにプリフォーム形成されてその対の間に所定の機械的バイアスが与えられるか、あるいはシートは荷重を印加して湾曲部を形成し対の間に変位を与える。シートは好ましくは厚さが約１μｍ〜約１００μｍであり、各セルは好ましくは約５２μｍ〜約２００μｍの変位を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） この発明は微視的力及び変位を有するマイクロ作動器、特に電極付きのプラス
ティックシートから作られ、積層された三次元アレイをなす作動器セルからなる
マイクロ作動器に関する。
【０００２】 （背景技術） ＭＥＭＳ装置として使用される多くのマイクロ作動器アレイはシリコンで製造
される。一方シリコンの多くの好ましい属性にもかかわらず、ＭＥＭＳのどの用
途でも常に好適なあるいは理想的な材料ではない。シリコンは特に全装置サイズ
が大きくなるに伴いもろく破断しやすい。このもろさにより装置、特に作動器が
小さな変位あるいは力のみを受けることができる比較的小さなサイズに限定され
る。シリコンで実現可能な形状は通常結晶面若しくは二次元製造プロセスにより
制限され、より複雑な構造はコストが相対的に高くなり歩留まりが低くなる場合
が多い。
【０００３】 シリコン以外の別の材料がＭＥＭＳ及び作動器に対し使用できれば当業者には
大きな利点となろう。
【０００４】 （発明の開示） 材料がもろくなく破断を受けず、従ってそのサイズが限定されないので最終装
置の変位及び力も制限されない場合当業者には大きな利点となろう。他の利点は
以下の説明から明らかとなろう。
【０００５】 本発明の上記及び他の利点は以下の方法で実現出来ることが判明している。更
に詳述するに、本発明は多くの「実際の」用途に対し好適な微視的力及び変位を
発生可能なマイクロ作動器を含む。
【０００６】 本発明は三次元のアレイとして小さな作動器セルを形成し、各作動器セルは小
さな力及び小さな変位を発生可能であることを企図している。並列、直列あるい
は両方で共に連結されると、結果としてのアレイは大きな巨視的力及び変位を同
時に発生可能である。
【０００７】 本発明においては位置解像度はアレイの最少単位のセルあるいは複数のセルの
変位が小さい。作動は電極間の最少間隙での吸引力を用いてセルに「ローリング
」動作を発生させることにより、静電的に行われる。
【０００８】 本発明の重要な点は、シリコンが本装置内で形成出来ないので、シリコンでは
なくポリマ材料を用いることにある。本発明によれば結果として軽量で製造が容
易で低コストの装置が得られる。
【０００９】 本発明のマイクロ作動器アレイ装置は共に接合されて所定のパターンに形成さ
れた、全体として平行で薄く柔軟な複数のポリマシートから構成され、各層にア
レイとしてのユニットセルが形成される。導電性フィルム及び誘電材料の薄い層
はシート上に蒸着されて従来の方法でユニットセルからなるアレイと連係する複
数の電極が形成される。
【００１０】 静電力を発生している間入口部及び出口部が使用される。
【００１１】 静電発生源は電極と接続され、これにより隣接する層の電極は互いに対しバイ
アスされ静電作用を発生する。静電作動は引っ張り作用であるので、一対の作動
器が互いに作用し２方向作動が得られる。
【００１２】 本発明は図面を参照するとより良好に理解されよう。
【００１３】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明によれば、シリコンに基くＭＥＭＳ装置での従来値に比べ大幅に大きな
微視的力及び変位を有する低電力で改良されたマイクロ作動器アレイが提供され
る。これはここに開示する種類の作動器を形成するための材料分類としてポリマ
を使用することにより達成される。ポリマは広範囲の特性を有し、その大半はシ
リコンと相補的である。本発明の環境では、ポリマは本発明の装置により発生さ
れる力を受けてももろくなく破断もしない。このため作動器は小さな変位及び力
を有する小さなサイズに限定されない。
【００１４】 この結果アレイは、ポリマ技術で現在得られる多くの製造技術のため、完全に
三次元で実現できる。ポリマは軽量で特に水と同一の１ｇ／ｃｍ３の範囲で代表
的密度を有するので、ポリマはシリコンのような代表的無機材料より大幅に軽量
である。このため本発明は、例えばバイオロジカル的システムのような他のシス
テムに好適に対応する大きな電力・質量比を得ることができる。
【００１５】 本発明及びこれまでの従来のシリコン微細加工に対し可能でなかったポリマ技
術のＭＥＭＳ作動器群の製造への応用の重要な特徴は、高い力及び高い変位領域
を空間的に分離する低電力の静電アレイから大きな力及び変位を発生することに
ある。力及び変位は三次元アレイをなすユニットセルを使用することにより増加
される。更に各部品の一様性及び簡素性のため多くの標準ポリマ処理技術を用い
て製造プロセスが低コストになる。これらの技術は本発明の技術の要件を満足す
るよう変更する必要がある。
【００１６】 本発明の一実施形態が図１に示され、同様の実施形態が図２に示される。両実
施形態及び本発明の他の形態の構造はポリマを薄いシリコンに形成することから
開始される。シリコンは厚さが好ましくは約１μｍ〜約１００μｍであり、セル
は好ましくはそれぞれ約５μｍ〜２００μｍの変位を有する。
【００１７】 シートは多くのポリマで見られるような特性で柔軟でもろくないことが要求さ
れる。特に有用な１ポリマはＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆
Ｃｏ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌ．ｄｅからＫＡＰＴＯＮ（登録商標）と
して販売されるポリイミドである。他にＩＣＩ Ｆｉｌｍｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔ
ｏｎ，Ｄｅｌ．からのＫＡＬＡＤＥＸ（登録商標）及びＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ
ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌ．からのＭＹ
ＬＡＲ（登録商標）、あるいはここに開示するように変形可能な柔軟な弾性ポリ
マが挙げられる。シリコンの製作は一部、大量生産されるキーボードあるいは柔
軟回路に対し開発された技術に基き、プロセスは十分に最適化される。好ましい
シートはＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．，Ｗｉｌｍｉ
ｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌ．からのＫＡＰＴＯＮ（登録商標）またはＭＹＬＡＲ（登録
商標）のようなポリマフィルム、あるいは市販で入手可能な別のポリマから作ら
れる。本発明はまた導電性ポリマを誘電体と共に使用し本実施形態において別個
の電極を不要にすることを意図している。
【００１８】 ポリマに基くマイクロ作動器アレイ１１は複数のポリマシート１３を含むこと
は図１及び図２から理解されよう。図１において交互するシート１５は平担であ
るが、これは本発明の目的のためには必ずしも必要ではなく、交互するシート１
７は波形にされる。１枚の平担シート１５から大きな力が得られ、波形シート１
７はより柔軟である。図２において平担シート１５と交互して平行な列のフラッ
プ２１内にシート１９が形成される。本発明の任意の形態においてシート１３は
波形シート１７若しくはフラップ２１のような特定の曲率でせん孔されるか、あ
るいは平担のままにされ使用中印加される荷重により湾曲され、これは設計の考
慮点及び対象のマイクロ作動器アレイの最終の形態による。
【００１９】 すべての用途においてシート１３は特定点２３で共に接合されて、図１のユニ
ットセル２５からなるアレイあるいは図２のセル２７が形成される。各セル２５
あるいは２７あるいは使用中印加荷重を受けて形成されるセルは小さな力及び小
さな変位を発生する。全体の力はシート上のすべてのユニットセルからの力の和
になる。次に図１の１５ａ、１５ｂの場合のようにユニットセルのシートが次に
積層される。統合変位は積層体内の各層の変位の和である。
【００２０】 積層体内の層は独立的に作動され、その結果ゼロから最大変位の間のどこかに
配置され、解像度は積層体内の最少層の変位に等しい。積層体は独立的にあるい
は層の組み合わせで作動される。
【００２１】 本発明の概念に基き広範囲のアレイを製造可能である。例えば図１に示すセル
は平行な列をなす波形層を、図２は閉口な列をなすフラップを示す。波形、フラ
ップないしは膜の二次元構成はポリマシートの配向の別の形態である。またある
層内の各セルは他と同一の寸法である必要はない。一部の波形、膜あるいはフラ
ップを他をより小さい、あるいは異なる形状にしてその層からの全変位を制限す
ることが考えられる。あるいはセル寸法は一の層内でその層の異なる部分で全変
位と異なるように変化可能である。本実施形態の動作中、シートの曲率を変更し
、その結果作動負荷の向きが変更されるか、あるいは負荷に対し曲げ動作が与え
ることになる。例えば平担なシートが図１と同様の設計で使用され、負荷は装置
の底部のフック２０に印加できよう。
【００２２】 無論各層の変位は他の層の変位と同一である必要はない。例えば積層体は５μ
ｍ未満から２００μｍより大きい範囲の変位に対し設計された個々の層から構成
することができる。個々の層の和である全変位は中程度の数の層を用いて１ｍｍ
を容易に超えることができ、位置精度は例えば５μｍであり最少層が使用される
。
【００２３】 ポリマシート１３はまた各シートの前後面上に薄い金属膜３１を含み電極とし
て機能する。隣接する層は互いに対しバイアスされシート間の間隙３３が小さい
点で大きな静電力が発生される。これらの力を受けて間隙が小さくなるのは、接
合部及びセルの中心への「ローリング」で開始する。このプラスティックのシー
トは極めて柔軟であるが、構造体の寸法が吸うミリメータあるいはそれ以下であ
るとき、弾性力が持たされる。
【００２４】 アレイの正確な設計及び寸法は目的が力、変位あるいは作業で測定して最大出
力であるか、あるいは単位重量若しくは容積当りの最大出力であるかどうかに従
い変更可能である。図３は最適化されていない予備的シミュレーションによる結
果と、本発明による作動器設計の力及び変位を示す。図１に示すように横０．５
ｃｍ及び波形に沿って１ｃｍの単一のユニットセルは６０ボルトで１Ｎの力を発
生できる。図３はまた最大変位が増加するに応じ力において極めて小さな制約が
存在し、また本発明での広範囲の使用をも示す。
【００２５】 上述したように、本発明の作動は静電的に達成される。各層は隣接する層に対
しバイアスされ、強力な磁界（力）が層の接触点の近傍あるいは間隙３３が小さ
い個所の近傍で存在する。これらの力によりシートが共に引っ張られる。小さな
間隙の領域でのみに十分な力が発生されるので、この力は変位の関数として大き
く変化しない。性質上シート間の静電力は反発でなく吸引である。従って作動器
は引くが押さない。互いに反対に作用する２作動器を用いることにより、双方向
作動が得られる。
【００２６】 各層の位置制御は各層が最大に延びるあるいは最大に収縮する２−段法、ある
いは中間位置決めが適切な構成選択、または印加電圧により可能である連続法に
より得られる。
【００２７】 本発明の作動器の電源はこの場合電圧倍増器が必要であるが、電池の場合のよ
うに低圧である。交流及び直流電源が現在存在するか、あるいはマイクロポンプ
及びマイクロ弁用途の動力を発生するよう構成される。本発明の小型化はこのよ
うな電源との使用に対し考慮される。図１はパワーコネクタ３７及び適切な制御
チップ３９を示す。本発明を用いて最終製品を形成する際、１以上の制御チップ
３９が図１に示すように作動器のハウジング内に埋込まれる。コンタクトはスナ
ップオン式キャップやフリップフロップを介する、あるいは他の通常使用される
パッケージ技術を用いてチップに対してである。各部品上の結合パッドの寸法及
び離間間隔はスナップオン式整合以上の整合が必要とされないように設計される
。チップの井戸の深さは、キャップが適所にスナップ装着されるとき十分な圧力
が存在し信頼性の高い電気結合が得られるようにされる。所望ならばインジウム
または金でのメッキを使用してより均一で信頼性の高い接続が冷間溶接により達
成できる。作動器のハウジングにはプリント基板の場合のように１以上のレベル
の金属連結部が内蔵され、入力を外部コネクタから制御回路を経て最終的に作動
器のシートへ配線される。
【００２８】 従来の軟質テープコネクタの場合のように柔軟なプラスティックラインを経て
図２に示す入口部４１から個々のシートへコンタクトがなされる。このラインは
金属化プラスティックあるいは導電性ポリマであり、実際積層体層の場合と同一
のポリマシートから切断される。層は制御の程度または最終使用の複雑さにより
電気的に互いに接続されるか、あるいは個々に指定される。この場合個々の指定
にはより多くの接続が必要であり、コストが高くなるが必要に応じ制御がより細
かくできることに留意する。
【００２９】 本発明によればシリコンに基くＭＥＭＳ製造に対し現在できないＭＥＭＳを製
造する新規な方法が提供される。作動器製造プロセスは主に３工程、即ち個々の
シートの製造工程、シートを所望の構成に接合する工程、及び作動器をハウジン
グに対する付着工程を有する。
【００３０】 個々のシートはファトリソグラフィ及びエッチングではなく節あるいはスタン
プングのような低コストプロセスを用いてプリフォーム形成できる。この構造は
完全に自由に切断するのではなく打ち抜き線として形成できる。次に一度すべて
の層が互いに接合されると、積層体の端部で引っ張ることにより打ち抜き線が切
断されて層が分離される。シート接合には接着材の場合のように熱が効果的であ
るが、接着材は力が減少すると層間の間隔が増加するので好ましくない。
【００３１】 アルミニウム若しくは他の金属あるいは合金の電極及び酸化アルミニウムやポ
リパラキシレンまたは他の好適な有機あるいは無機の誘電体のような１以上の誘
電体フィルムは上述したように各シートの両側に蒸着される。導電部は電極を形
成し、誘電体は接触時の電極の短絡を防止する。これらのフィルムは印刷回路基
板の製造で使用される場合のような標準パターン化技術を用いてパターン形成す
ることが可能である。頂部の誘電体層は極めて低い面エネルギでも化学的に安定
した面を形成する必要がある。これはスチクション制御に有効となる。最終層の
疎水性のため、タッチモード静電作動器の大半の動作故障の原因である湿度の影
響が避けられる。静電作動器から得られる性能のレベルは誘電体として使用され
る材料の誘電強度による。
【００３２】 本発明は重量が重要なポータブルあるいは航空システムあるいは低電力バスあ
いんを経て遠隔操作されるシステムのような各種の用途に対し特に好適であるこ
とは上述から明らかであろう。遠隔操作の地上及び水上車両、ロボット、位置決
めシステムシャットル、弁及びポンプのような他の動作は本発明に対し考えられ
る装置に含まれる。
【００３３】 本発明の特定の実施形態が図示され説明されたが、本発明はこれに限定するも
のではなく本発明は以下の請求項によって制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の第１の実施形態の一部を切断しえ示す簡略図である。
【図２】 図２は本発明の第２の関連する実施形態の一部を切断して示す簡略図である。
【図３】 図３は３枚のポリマシートの厚さに対する単位断面積当りの力を示すグラフで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーブ，ウイリアム アール． アメリカ合衆国 ミネソタ州 55408，ミ ネアポリス，ウエスト 27ス ストリート 1419

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに所定のパターンに接合され、少なくとも一の層上にユ
    ニットセルからなるアレイを形成するほぼ平行で薄い複数の柔軟なポリマシート
    と、シート上に蒸着されユニットセルアレイと関連する複数の電極を形成する導
    電性で薄い誘電体フィルムと、電極と動作可能に接続され電極の隣接する層を互
    いに対しバイアスして作動器を形成し静電力をシート間の間隙が最少である点の
    近傍で最強力に発生させる電圧源と、静電力の発生中流体の変位を可能にする各
    セルの入口部及び出口部を備えるマイクロ作動器アレイ装置。
  2. 【請求項２】 所定のパターンに互いに接合され、少なくとも一の層上にユ
    ニットセルからなるアレイを形成するほぼ平行で薄い複数の柔軟なポリマシート
    と、シート上に蒸着されユニットセルアレイと関連する複数の電極手段を形成す
    る導電性で誘電体の薄いフィルム手段と、電極と動作可能に接続される電圧源を
    設け隣接する層の電極を互いに対しバイアスして作動器手段を形成しシート間の
    間隙が最小の点の近傍に静電力を発生させる電圧手段と、静電力の発生中電圧手
    段の動作により流体を変位可能にさせる各セルの移送手段とを備えるマイクロ作
    動器アレイ装置。
  3. 【請求項３】 シート上に導電性で誘電体の薄いフィルムを蒸着しユニット
    セルからなるアレイと関連する複数の電極を配置しパターン化する工程と、電圧
    源を電極と動作可能に接続し隣接する層の電極を互いに対しバイアスし作動器を
    形成しシート間の間隙が最少である点の近傍で最強に静電力を発生させる工程と
    、実質的に平行で柔軟な複数の薄いポリマシートを互いに所定のパターンに接合
    し少なくとも一の層上にユニットセルからなるアレイを形成する工程と、各セル
    に対し入口部及び出口部を接続し静電力の発生中流体の変位を可能にする工程と
    を包有するマイクロ作動器アレイ装置を形成する方法。
JP2000591713A 1998-12-29 1999-11-23 微視的力及び変位を有するポリママイクロ作動器 Withdrawn JP2002534275A (ja)

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