JP2005260208A - 薄膜圧電アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 逆極性に接続した複数の圧電駆動部を持つ両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータにおいて、アクチュエータの圧電膜にアクチュエータの駆動軸に対して垂直方向に2個以上のヴィアホールを作成し、それぞれのヴィアホールの領域で第1の上部電極と第2の下部電極、あるいは第2の上部電極と第1の下部電極をオーバーラップさせて形成し接続する。
【選択図】 図2
Description
"Smart Structure and Materials 2002: Smart Electronics, MEMS and Nanotechnology", V. K. Varadan, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4700 (2002), pp. 40-49
図44は、本発明の前提となる薄膜圧電アクチュエータをバリアブルキャパシタに応用した模式図である。
前記駆動部は、
圧電膜と、
前記圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記圧電膜の下に設けられた第2の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第1の下部電極と対向して設けられた第1の上部電極と、
前記圧電膜の上において前記第2の下部電極と対向して設けられた第2の上部電極と、
前記圧電膜に設けられた第1のヴィアホールを介して記第1の下部電極と前記第2の上部電極とを電気的に接続する第1の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第2のヴィアホールを介して前記第2の下部電極と前記第1の上部電極とを電気的に接続する第2の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
前記駆動部は、
第1の圧電膜と、
前記第1の圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記第1の圧電膜の下に設けられた第2の下部電極と、
前記第1の圧電膜の上において前記第1の下部電極と対向して設けられた第1の中間電極と、
前記第1の圧電膜の上において前記第2の下部電極と対向して設けられた第2の中間電極と、
前記第1及び第2の中間電極の上に設けられた第2の圧電膜と、
前記第2の圧電膜の上において前記第1の中間電極と対向して設けられた第1の上部電極と、
前記第2の圧電膜の上において前記第2の中間電極と対向して設けられた第2の上部電極と、
前記第1の圧電膜に設けられた第1のヴィアホールを介して前記第1の下部電極と前記第2の中間電極とを電気的に接続する第1の接続部と、
前記第1の圧電膜に設けられた第2のヴィアホールを介して前記第2の下部電極と前記第1の中間電極とを電気的に接続する第2の接続部と、
前記第2の圧電膜に設けられた第3のヴィアホールを介して前記第2の中間電極と前記第1の上部電極とを電気的に接続する第3の接続部と、
前記第2の圧電膜に設けられた第4のヴィアホールを介して前記第1の中間電極と前記第2の中間電極とを電気的に接続する第4の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
または、本発明によれば、少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
下部電極と、
前記下部電極の上に積層され且つ前記下部電極のいずれかの端面を越えて延在した圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部の上に設けられた上部電極と、
を有し、
前記圧電膜は、C軸に配向した窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化亜鉛(ZnO)からなり、
前記下部電極の前記いずれかの端面は、前記下部電極の主面に対して60度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする薄膜圧電アクチュエータが提供される。
図1は、本発明の第1の実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータを応用したバリアブルキャパシタの平面図である。また、図2は、図1に表した平面図のA−A断面図であり、図3は、B−B断面図である。なお、図1の平面図においては煩雑さを避けるため、上下電極およびアンカー部のみを表した。
次に、本発明の第2の実施の形態として、圧電膜の下に設けられる電極の端部をテーパー状に形成した薄膜圧電アクチュエータについて説明する。
また、図19は、図18のA−A断面である。なお、図18の平面図においては、煩雑さを避けるため、上下電極および圧電膜に設置したビアホールのみを表した。
すなわち、本実施例のアクチュエータは第1のアクチュエータ部46と第2のアクチュエータ部49とが、それぞれ逆向きの変形を行うことにより、可動電極50の「傾き」を打ち消し、アクチュエータの先端に作成されたバリアブルキャパシタの可動電極50は平行に移動することが可能である。
また、図22は、図21のA−A断面である。なお、図21の平面図においても、煩雑さを避けるため、下部電極、上部電極および圧電膜に設置したビアホールのみを示した。
すなわち、基板21に設置したアンカー22に接して上下電極25,23に挟まれた圧電体24および支持膜31からなる第1のアクチュエータ26と、上下電極28,27を備えた第2のアクチュエータ29を備えている。第2のアクチュエータの先端には絶縁分離されたバリアブルキャパシタの可動電極30が設置されている。可動電極30に対向して、基板上にバリアブルキャパシタの第1の固定電極32および第2の固定電極33を有する。固定電極32,33は可動電極との短絡を防ぐため誘電体膜34で覆われている。また、第1の下部電極23は圧電膜24に作製されたビアホール35を通して第2の上部電極28に接続されており、第1の上部電極25は圧電膜24に作製されたビアホール36を通して第2の下部電極27に接続されている。
(1)下部電極の端面からAlN圧電膜に生じた割れが起点となり破壊が生じる。
(2)下部電極の端面が基板面に対して60度以上傾いており、圧電膜がc軸配向したAlNやZnOであるときにのみ、圧電膜に割れが生じる。
端面のテーパー角度が30度を超えて60度未満の場合は、壊れるものと壊れないものが混在していた。すなわち、端面の角度は望ましくは30度以下、少なくても60度以下にする必要があった。
図28は、本実施例の薄膜圧電アクチュエータの製造方法の要部を表す工程断面図である。
具体的には、ノボラック系のポジレジストを塗布し、プリベーク、露光を行った後、180℃でベーキングを行い、レジストの端部を20°のテーパー形状にリフローさせた。このテーパー付レジストを使用して、塩素系のエッチングガスを使用した反応性イオンエッチング(RIE)法により、レジストを後退させながらエッチングを行った結果、下部電極の端部は25°の角度にテーパーが形成された。
図29は、本実施例の両持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
また、図30は、図29のA−A断面を表す模式図である。
また、図31は、図29のB−B断面を表す模式図である。
また、図32は、図29のC−C断面を表す模式図である。
さらに、図33は、図29のD−D断面を表す模式図である。
なお、図29の平面図においては、煩雑さを避けるため、上・中・下電極のみを示している。
図34は、本実施例の片持ち梁構造の薄膜圧電アクチュエータの平面図である。
また、図35は、図29のA−A断面を表す模式図である。
また、図36は、図29のB−B断面を表す模式図である。
また、図37は、図29のC−C断面を表す模式図である。
さらに、図38は、図29のD−D断面を表す模式図である。
なお、図34の平面図においても、煩雑さを避けるため、上・中・下電極のみを示している。また、これらの図面については、図29乃至図33に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
同図のPLL回路は、周波数可変フィルタ2030、増幅器2031およびバッファ増幅器2032からなる電圧制御発振器2041と、分周器2042と、位相比較器2043と、チャージポンプ2044と、ループフィルタ2045と、低雑音アンプ(LNA)2046と、周波数可変フィルタ2001と、ミキサ2047と、を備えている。
同図に表したように、電圧制御発振器は、周波数可変フィルタ2030と、増幅器2031と、バッファ増幅器2032と、を有し、周波数可変フィルタ2030を通過した周波数成分のみを増幅器2031の入力にフィードバックする。この電圧制御発振器2041の中に本発明の実施の形態にかかる薄膜圧電アクチュエータ20、容量可変キャパシタC1、C2が用いられている。
本具体例によれば、周波数可変フィルタ2001と、電圧制御発振器内の周波数可変フィルタ2030に対し、ともにループフィルタ2010により発生した同一の制御電圧が加えられることにある。これにより、電圧制御発振器2041の発振周波数を周波数可変フィルタ2001の通過帯域の中心周波数と一致させることができる。
例えば、第1乃至第7実施例として前述したそれぞれの薄膜圧電アクチュエータが有する特徴は、相互に組み合わせることができ、このようにして得られる薄膜圧電アクチュエータも本発明の範囲に包含される。具体的には、例えば、第5乃至第7実施例に関して前述したように、圧電膜の下層の端部をテーパー状とする特徴は、第1乃至第4実施例においても同様に実施して同様の作用効果が得られる。また、第7実施例に関して前述した空気抜きの貫通穴89は、第1乃至第6実施例においても同様に実施して同様の作用効果を得ることができる。
22、42、71 アンカー
23、27、43、47、75、80 下部電極
23、54、87 誘電膜
24、44、74、76 圧電膜
25、28、45、48、78 上部電極
30、50、86 可動電極
32、33、88 固定電極
31、51 支持膜(誘電体膜)
35、36 ビアホール
41 酸化膜
52、53 固定電極
55、56 ヴィアホール
57 下部電極端部
58 ポリシリコン層(犠牲層)
73、79 中間電極
82、83、84、85 ヴィアホール
89 貫通穴
102、202、302、402、502、601、701 アンカー部
103、203、303、403、503、602、702 第1の下部電極
104、204、307、407、504、603、703 第1の上部電極
105、205、505、604、704 圧電膜
107、207、309、409、507、706 第2の下部電極
108、208、311、411、508、707 第2の上部電極
111、211、314、414、511 第1のヴィアホール
112、212、315、415、512 第2のヴィアホール
110、210、510、606、709 支持膜
106、206、308、408、506、705 第1の駆動部
109、209、312、412、509、708 第2の駆動部
113、114、318、319、418、419、513
514、710、712 キャパシタ電極
115、320、420、515、711 誘電膜
213、608、609 スイッチ電極
305、405 第1の中間電極
304、404 第1の圧電膜
306、406 第2の圧電膜
316、416 第3のヴィアホール
317、417 第4のヴィアホール
Claims (14)
- 少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
圧電膜と、
前記圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記圧電膜の下に設けられた第2の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第1の下部電極と対向して設けられた第1の上部電極と、
前記圧電膜の上において前記第2の下部電極と対向して設けられた第2の上部電極と、
前記圧電膜に設けられた第1のヴィアホールを介して記第1の下部電極と前記第2の上部電極とを電気的に接続する第1の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第2のヴィアホールを介して前記第2の下部電極と前記第1の上部電極とを電気的に接続する第2の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。 - 前記第1のヴィアホールと、前記第2のヴィアホールと、は、前記第1の下部電極と前記圧電膜と前記第1の上部電極よりなる第1の駆動部と、前記第2の下部電極と前記圧電膜と前記圧電膜と前記第2の上部電極よりなる第2の駆動部と、の境界線に沿って並置されたことを特徴とする請求項1記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記駆動部は、
前記圧電膜の下に設けられた第3の下部電極と、
前記圧電膜の上において前記第3の下部電極と対向して設けられた第3の上部電極と、
前前記圧電膜に設けられた第3のヴィアホールを介して記第2の下部電極と前記第3の上部電極とを電気的に接続する第3の接続部と、
前記圧電膜に設けられた第4のヴィアホールを介して前記第3の下部電極と前記第2の上部電極とを電気的に接続する第2の接続部と、
をさらに有することを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜圧電アクチュエータ。 - 前記第2の駆動部は略円形に形成され、前記第1の駆動部は前記第2の駆動部の外側にドーナツ状の形状に形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
第1の圧電膜と、
前記第1の圧電膜の下に設けられた第1の下部電極と、
前記第1の圧電膜の下に設けられた第2の下部電極と、
前記第1の圧電膜の上において前記第1の下部電極と対向して設けられた第1の中間電極と、
前記第1の圧電膜の上において前記第2の下部電極と対向して設けられた第2の中間電極と、
前記第1及び第2の中間電極の上に設けられた第2の圧電膜と、
前記第2の圧電膜の上において前記第1の中間電極と対向して設けられた第1の上部電極と、
前記第2の圧電膜の上において前記第2の中間電極と対向して設けられた第2の上部電極と、
前記第1の圧電膜に設けられた第1のヴィアホールを介して前記第1の下部電極と前記第2の中間電極とを電気的に接続する第1の接続部と、
前記第1の圧電膜に設けられた第2のヴィアホールを介して前記第2の下部電極と前記第1の中間電極とを電気的に接続する第2の接続部と、
前記第2の圧電膜に設けられた第3のヴィアホールを介して前記第2の中間電極と前記第1の上部電極とを電気的に接続する第3の接続部と、
前記第2の圧電膜に設けられた第4のヴィアホールを介して前記第1の中間電極と前記第2の中間電極とを電気的に接続する第4の接続部と、
を有することを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。 - 前記第1及び第3のヴィアホールと、前記第2及び第4のヴィアホールと、は、前記第1の下部電極と前記第1の圧電膜と前記第1の中間電極と前記第2の圧電膜と前記第1の上部電極よりなる第1の駆動部と、前記第2の下部電極と前記第1の圧電膜と前記第2の中間電極と前記第2の圧電膜と前記第2の上部電極よりなる第2の駆動部と、の境界線に沿って並置されたことを特徴とする請求項5記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記第1の圧電膜と前記第2の圧電膜とが同一方向に分極可能とされたことを特徴とする請求項5または6に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記圧電膜は、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ペロブスカイト構造を持つ強誘電体、のいずれかからなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記第1及び第2の下部電極と前記第1及び第2の上部電極は、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)、銅(Cu)、イリジウム(Ir)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記第1及び第2の下部電極の端面の少なくともいずれかは、前記下部電極の主面に対して60度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記圧電膜は、C軸に配向した窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化亜鉛(ZnO)からなることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 少なくとも一端がアンカー部により支持された駆動部を備え、
前記駆動部は、
下部電極と、
前記下部電極の上に積層され且つ前記下部電極のいずれかの端面を越えて延在した圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部の上に設けられた上部電極と、
を有し、
前記圧電膜は、C軸に配向した窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化亜鉛(ZnO)からなり、
前記下部電極の前記いずれかの端面は、前記下部電極の主面に対して60度以下のテーパー状に形成されたことを特徴とする薄膜圧電アクチュエータ。 - 前記圧電膜は、X線ロッキングカーブにおける(0001)ピークの半値幅が5度以下であることを特徴とする請求項11または12に記載の薄膜圧電アクチュエータ。
- 前記下部電極、前記圧電膜及び前記上部電極を貫通する貫通穴が設けられたことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の薄膜圧電アクチュエータ。
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