JP2007301693A

JP2007301693A - Ｍｅｍｓ素子

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Publication number: JP2007301693A
Application number: JP2006134011A
Authority: JP
Inventors: Tamio Ikehashi; 民雄池橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: US7940514B2; US20070262400A1; JP4231062B2

Abstract

【課題】電極部が配置された梁部の引っ張り応力を緩和でき、かつ電極部の引き剥がし力を増大できるＭＥＭＳ素子を提供する。
【解決手段】第１の固定端１１に第１の圧電型アクチュエータ１３−１の一端が接続され、第２の固定端１２に第２の圧電型アクチュエータ１３−２の一端が接続されている。圧電型アクチュエータ１３−１と圧電型アクチュエータ１３−２との間に、これら圧電型アクチュエータ１３−１，１３−２により可動される電極部１４が配置されている。電極部１４から圧電型アクチュエータ１３−１を介して第１の固定端１１に至る形状と、電極部１４から圧電型アクチュエータ１３−２を介して第２の固定端１２に至る形状とが非対称に形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、アクチュエータを利用したマイクロマシンもしくはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）素子に関するものであり、例えば圧電型や静電型アクチュエータを利用したＭＥＭＳ素子に関するものである。

圧電型アクチュエータを利用したＭＥＭＳ素子にてスイッチ、可変容量素子を形成する場合、残留応力による反りを低減するために、電極部が配置された梁部（弾性部材）の両端を２つの固定端にて支えた両もち梁構造（ブリッジ構造）にすることが望ましい。両もち梁構造による可変容量素子において、梁に引っ張り性（tensile）の残留応力が存在する場合、圧電変位量が減少するという問題が生じる。これを回避するには、梁部の一部をばね構造（フレクスチャ(flexure)構造）にすることが有効である。

しかし、非特許文献１に記載されているように、可変容量部の電極部の両側に対称にばね構造部を設けると、電極部が接触した状態から、電極部を引き剥がす力（restoring force）が弱くなり、スティクションによる不良を起こしやすい。

ばね構造部を設けても十分な引き剥がし力を確保するには、例えば非特許文献２に記載されているように、電極部の上部にさらに固定電極を設ければよい。しかしながら、このような構造では、２重の空洞を形成する必要があるうえに、固定電極を厚くしなければならないため、プロセスが複雑化し、コストが増大するという問題がある。
K. F. Harsh et al., "The realization and design considerations of a flip-chip integrated MEMS tunable capacitor", Sensors and Actuators 80 (2000) 108-118. D. Peroulis et al., "Electromechanical Considerations in Developing Low-Voltage RF MEMS Switches", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2003.

この発明は、電極部が配置された梁部の引っ張り応力を緩和でき、かつ電極部の引き剥がし力を増大できるＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

この発明の第１の実施態様のＭＥＭＳ素子は、第１の固定端に一端が接続された第１のアクチュエータと、第２の固定端に一端が接続された第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとの間に配置され、前記第１，第２のアクチュエータにより可動される電極とを具備し、前記電極から第１のアクチュエータを介して前記第１の固定端に至る形状と、前記電極から第２のアクチュエータを介して前記第２の固定端に至る形状とが非対称であることを特徴とする。

この発明の第２の実施態様のＭＥＭＳ素子は、基板上に形成された第１の固定端と、前記第１の固定端から離隔して前記基板上に形成された第２の固定端と、前記第１の固定端に一端が接続された第１のアクチュエータと、前記第２の固定端に一端が接続された第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータの他端と前記第２のアクチュエータの他端との間に介在して形成された電極と、前記第１の固定端と前記電極の間、及び前記第２の固定端と前記電極の間の一方側のみに設けられたばね構造部とを具備することを特徴とする。

この発明の第３の実施態様のＭＥＭＳ素子は、基板上に形成された第１の固定端と、前記第１の固定端から離隔して前記基板上に形成された第２の固定端と、前記基板との間に空洞が形成されるように、前記第１の固定端に一端が固定され、前記第２の固定端に他端が固定された梁部と、前記梁部の前記基板と対向する面上に形成された電極と、前記第１の固定端と前記電極との間の前記梁部中に形成された第１のアクチュエータと、前記第２の固定端と前記電極との間の前記梁部中に形成された第２のアクチュエータと、前記電極と前記第２のアクチュエータとの間の前記梁部中に配置されたばね構造部とを具備し、前記梁部における、前記第１のアクチュエータと前記電極との間のばね定数と、前記第２のアクチュエータと前記電極との間のばね定数とが異なることを特徴とする。

この発明によれば、電極部が配置された梁部の引っ張り応力を緩和でき、かつ電極部の引き剥がし力を増大できるＭＥＭＳ素子を提供することが可能である。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［第１実施形態］
まず、この発明の第１実施形態のＭＥＭＳ素子について説明する。

図１は、第１実施形態のＭＥＭＳ素子の構成を示す斜視図である。

このＭＥＭＳ素子は、第１の固定端１１と第２の固定端１２とに梁部が支えられた両もち梁構造を有している。図１に示すように、第１の固定端１１には、第１の圧電型アクチュエータ１３−１の一端が接続され、第２の固定端１２には、第２の圧電型アクチュエータ１３−２の一端が接続されている。第１の圧電アクチュエータ１３−１の他端には、電極部１４の一端が接続されている。この電極部１４の他端は、ばね構造部（フレクスチャ(flexure)構造部）１５−１，１５−２を介して第２の圧電アクチュエータ１３−２の他端に接続されている。このように、第１実施形態のＭＥＭＳ素子は、電極部１４の両側に配置された、電極部１４から第１の固定端１１までの構造と、電極部１４から第２の固定端１２までの構造とが非対称になっている。言い換えると、電極部１４から第１の固定端１１に至るまでの形状と、電極部１４から第２の固定端１２に至るまでの形状とが異なっている。

以下に、図１に示した構造を有するＭＥＭＳ素子の効果について、図３（ａ）に示すような電極部の両側に配置された構造が対称であるＭＥＭＳ素子と対比して説明する。

図３（ａ）は、電極部から第１の固定端までの構造と、電極部から第２の固定端までの構造とが対称に形成されたＭＥＭＳ素子の斜視図である。電極部１４の両端には、それぞればね構造部１５−１，１５−２を介して圧電アクチュエータ１３−１，１３−２が配置されている。

図２（ａ）は第１実施形態のＭＥＭＳ素子を示し、図２（ｂ）はこの図２（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を示す図である。

図２（ｂ）、図３（ｂ）からわかるように、第１、第２の固定端間１１、１２のばね定数はどちらも、すなわちばね構造部が非対称または対称に配置されたいずれの場合も、Ｋ_ｌ＝ｋＫ／（２ｋ＋２Ｋ）で変わらない。なお、第１、第２の圧電アクチュエータ１３−１，１３−２のばね定数をそれぞれＫ、ばね構造部１５−１，１５−２のばね定数をそれぞれｋとしている。したがって、両もち梁構造を有するＭＥＭＳ素子において、引っ張り応力を緩和するためにばね構造部を配置する効果は、ばね構造部の挿入位置に依存しないことがわかる。このため、第１実施形態のように、電極部の一方側のみにばね構造部を設けても、電極部の両側にばね構造部を設けた場合と同等に引っ張り応力を緩和する効果がある。この効果は、図４に示す、電極部の最大変位量の温度依存性を表したシミュレーション結果からも確認できる。図４は、第１実施形態のＭＥＭＳ素子において、第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合を示している。ばね構造部が非対称なものは、対称なものより、電極部の最大変位量が大きくなっている。これは、ばね構造部が非対称なものの引っ張り応力が対称なものの引っ張り応力より小さいこと、すなわちばね構造部が非対称なものは対称なもの以上に引っ張り応力が緩和されていることを表している。なお、ここでは、第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合のシミュレーション結果を述べたが、圧電型、または静電型、電磁型、これらを合わせたハイブリッド型などのアクチュエータにおいても同様の結果が得られる。

また、図５（ａ）は第１実施形態のＭＥＭＳ素子を示し、図５（ｂ）はこの図５（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を電極部から見た図である。図６（ａ）は図３（ａ）と同様のばね構造部が対称に配置されたＭＥＭＳ素子を示し、図６（ｂ）はこの図６（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を電極部から見た図である。

Ｋ≫ｋのとき、第１実施形態における、ばね構造部１５−１，１５−２が非対称に配置された第１、第２の固定端１１，１２間の電極部１４から見たばね定数は、図５（ｂ）からわかるように、Ｋ_２＝Ｋ＋ｋ／(２＋ｋ／Ｋ)＝Ｏ(Ｋ)である。また図６（ａ）に示した、ばね構造部１５−１，１５−２が対称に配置された第１、第２の固定端１１，１２間のばね定数は、図６（ｂ）からわかるように、Ｋ_２′＝２ｋ／(１＋ｋ／Ｋ)＝Ｏ(ｋ)である。なおここでも同様に、第１、第２の圧電アクチュエータ１３−１，１３−２のばね定数をそれぞれＫ、ばね構造部１５−１，１５−２のばね定数をそれぞれｋとしている。したがって、電極部から見たばね定数は、ばね構造部が対称に配置されている場合より、非対称に配置されている場合のほうが大きい。このため、ばね構造部が非対称に配置されたＭＥＭＳ素子のほうが上部電極を引き剥がす力が強くなる。すなわち、電極部に作用する引き剥がし力は、電極部の一方側のみにばね構造部を設けたＭＥＭＳ素子のほうが、電極部の両側に対称にばね構造部を設けたものより大きくなる。この効果は、図７に示す、電極部に力を加えたときの変位量のシミュレーション結果からも確認できる。図７は、第１実施形態のＭＥＭＳ素子において、第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合を示している。ばね構造部が非対称なものは、対称なものより、電極部の変位量が小さくなっている。これは、ばね構造部が非対称なものの引き剥がし力が対称なものの引き剥がし力より大きいこと、すなわちばね構造部が非対称なものは対称なものより、上部電極を引き剥がす力が強いことを表している。なお、ここでも、第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合のシミュレーション結果を述べたが、圧電型、または静電型、電磁型、これらを合わせたハイブリッド型などのアクチュエータにおいても同様の結果が得られる。

［第２実施形態］
次に、この発明の第２実施形態のＭＥＭＳ素子について説明する。この第２実施形態では、圧電型アクチュエータと静電型アクチュエータを有するＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子について述べる。

図８は、第２実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図であり、図９は図８における９−９線に沿った断面図である。

このＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子は、可変容量部２１、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２、及びばね構造部１５を含んでいる。半導体基板１０上にはアンカー２４−１，２４−２が離隔して配置され、これらアンカー２４−１，２４−２に梁部としての弾性部材１６の両端が固定されている。圧電型アクチュエータ部２３−１、静電型アクチュエータ部２２−１、可変容量部２１、ばね構造部１５、静電型アクチュエータ部２２−２、及び圧電型アクチュエータ部２３−２は、半導体基板１０上のアンカー２４−１，２４−２に弾性部材１６の両端が固定された構造体中に、一方向に沿って直線状に配置されている。半導体基板１０と弾性部材１６との間には空洞２５が形成されており、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２と静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２とを駆動することによって、弾性部材１６の中央部が半導体基板１０に近づくように変形する。

可変容量部２１は、弾性部材１６中に形成された上部電極３１と、半導体基板１０上に形成された下部電極３２、３３とを備えている。上部電極３１はフローティングとなっており、アクチュエータ部２２−１，２２−２，２３−１，２３−２で駆動されることにより上部電極３１と下部電極３２、３３間の距離が変化する。可変容量部２１の上部電極３１がアクチュエータ部２２−１，２２−２，２３−１，２３−２により下部電極側に下げられると、この上部電極３１が下部電極３２，３３に近づく。これにより、下部電極３２，３３が容量結合する。上部電極３１が上がっている状態では、上部電極３１と絶縁膜４４との間に約１．５μｍの隙間ができる。従って、この状態では下部電極３２，３３の間の容量は無視できるほど小さくなる。このように、上部電極３１を上下動することにより、下部電極３２，３３間の容量値が２値的に変化するデジタル可変容量を形成できる。

次に、可変容量部２１の電極間距離を制御するハイブリッド型のアクチュエータと、ばね構造部１５について説明する。ハイブリッド型のアクチュエータは、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２と、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２を有している。

静電型アクチュエータ部２２−１は、可変容量部２１の一端側に配置されており、上部電極３４−１と下部電極３５−１とで構成されている。静電型アクチュエータ部２２−２は、可変容量部２１の他端側にばね構造部１５を介して配置されており、上部電極３４−２と下部電極３５−２とで構成されている。

これら静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２と両端のアンカー２４−１，２４−２との間には、それぞれ圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２が設けられている。圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２は、圧電膜３６−１，３６−２、及びこれら圧電膜３６−１，３６−２をそれぞれ挟むように配置された圧電駆動用の上部電極３７−１，３７−２と下部電極３８−１，３８−２とを有している。圧電膜３６−１，３６−２の材料としては、例えばＡｌＮ，ＰＺＴなどを使用する。

可変容量部２１の上部電極３１、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の上部電極３４−１，３４−２、及び圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２の上部電極３７−１，３７−２上には、絶縁膜４１が形成されている。圧電アクチュエータ部２３−１，２３−２の下部電極３８−１，３８−２下には、絶縁膜４２が形成されている。また、半導体基板１０上には絶縁膜４３が形成され、この絶縁膜４３上には可変容量部２１の下部電極３２，３３及び静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の下部電極３５−１，３５−２が形成されている。これら下部電極３２，３３，３５−１，３５−２上、及び絶縁膜４３上には、絶縁膜４４が形成されている。なお、図８に示した上部電極３１及び上部電極３４−１，３４−２にマトリクス状に形成された穴１７は、空洞２５を形成するためのエッチング工程において、エッチングの進行を均一化するためのものであるが、空気抵抗の削減にも寄与し、高速スイッチングが可能になる。もちろん、この穴１７を設けることは必須ではなく、穴１７を設けない場合でもこの実施形態の本質的な効果に変わりはない。

前記のような構成において、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２における上部電極３７−１，３７−２と下部電極３８−１，３８−２との間に電位差をかけると、圧電膜３６−１，３６−２が変位して、弾性部材１６の他端が下方に変位する。この圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２には、ユニモルフ型とバイモルフ型のいずれも用いることができる。圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２の上部電極３７−１，３７−２と下部電極３８−１，３８−２との間に第１の電位差をかけて上部電極３１，３４−１，３４−２を下方に変位させたとき、上部電極３４−１，３４−２と下部電極３５−１，３５−２とが近づく。次いで、この状態で、上部電極３４−１，３４−２と下部電極３５−１，３５−２との間に第２の電位差を印加する。この第２の電位差は前記第１の電位差と同じでも良く、あるいは第１の電位差よりも小さくても大きくても良い。これによって、可変容量部２１の上部電極３１がさらに下方に変位し、上部電極３１と下部電極３２，３３間の距離が小さくなり可変容量部２１の容量値が２値的に変化する。

また、可変容量部２１の上部電極３１を上方に変位させて戻すには、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の電位差をなくした後、もしくはそれと同時に圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２の電位差をなくせば良い。

前述した構成では、可変容量部２１と静電型アクチュエータ部２２−２との間にばね構造部１５が配置されているため、すなわち上部電極３１と上部電極３４−２との間にばね構造部１５が配置されているため、アンカー２４−１，２４−２間の弾性部材１６の引っ張り応力を緩和できる。これにより、可変容量部２１の上部電極３１の変位量を増加させることができるため、上部電極３１を下方に変位させるのに必要な力を減らすことができる。

また、可変容量部２１の一方側の可変容量部２１と静電型アクチュエータ部２２−２との間にだけばね構造部１５が配置されているため、絶縁膜４４に上部電極３１が接触した状態から上部電極３１を引き剥がす力は、上部電極３１の両側にばね構造部が配置されている場合に比べて大きい。

以上説明したようにこの第２実施形態によれば、可変容量部２１の一方側の可変容量部２１と静電型アクチュエータ部２２−２との間にだけばね構造部１５を配置することにより、アンカー間の引っ張り応力を緩和でき、上部電極３１の変位量を増大し、上部電極３１を下方に変位させるのに必要な力を減らすことができる。これと共に、上部電極３１が絶縁膜４４に接触した状態において、上部電極３１に作用する引き剥がし力を向上させることができる。

なおここでは、可変容量部の上部電極の一方側だけにばね構造部を配置した例を説明したが、可変容量部の上部電極の両側にばね構造部を配置し、一方側のばね構造部が持つばね定数を、他方側のばね構造部が持つばね定数と異なる値に設定しても、同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、この発明の第３実施形態のＭＥＭＳ素子について説明する。前記第２実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。この第３実施形態では、圧電型アクチュエータを有するＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子について述べる。

図１０は、第３実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図であり、図１１は図１０における１１−１１線に沿った断面図である。

このＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子は、可変容量部２１、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２、及びばね構造部１５を含んでいる。第３実施形態では、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２を駆動することによって、上部電極３１と下部電極３２、３３間の距離を変化させる。これにより、下部電極３２，３３間の容量値が２値的に変化するデジタル可変容量を形成できる。

次に、可変容量部２１の電極間距離を制御する圧電型アクチュエータとばね構造部１５について説明する。圧電型アクチュエータ部２３−１は、可変容量部２１の一端側に配置されている。圧電型アクチュエータ部２３−２は、可変容量部２１の他端側にばね構造部１５を介して配置されている。これら圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２は、さらにアンカー２４−１，２４−２にそれぞれ接続されている。

可変容量部２１の上部電極３１及び圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２の上部電極３７−１，３７−２上には、絶縁膜４１が形成されている。圧電アクチュエータ部２３−１，２３−２の下部電極３８−１，３８−２下には、絶縁膜４２が形成されている。また、半導体基板１０上には絶縁膜４３が形成され、この絶縁膜４３上には可変容量部２１の下部電極３２，３３が形成されている。これら下部電極３２，３３及び絶縁膜４３上には、絶縁膜４４が形成されている。

前記のような構成において、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２における上部電極３７−１，３７−２と下部電極３８−１，３８−２との間に電位差をかけると、圧電膜３６−１，３６−２が変位して、梁部が下方に変位する。これによって、可変容量部２１の上部電極３１が下部電極３２，３３側に変位し、上部電極３１と下部電極３２，３３間の距離が小さくなり可変容量部２１の容量値が２値的に変化する。また、可変容量部２１の上部電極３１を上方に変位させて戻すには、圧電型アクチュエータ部２３−１，２３−２の電位差をなくせば良い。

前述した構成では、可変容量部２１と圧電型アクチュエータ部２３−２との間に、ばね構造部１５が配置されているため、アンカー２４−１，２４−２間の梁部の引っ張り応力を緩和できる。これにより、可変容量部２１の上部電極３１の変位量を増加させることができるため、上部電極３１を下方に変位させるのに必要な力を減らすことができる。

また、可変容量部２１の一方側の可変容量部２１と圧電型アクチュエータ部２３−２との間にだけばね構造部１５が配置されているため、下部電極３２，３３上の絶縁膜４４から上部電極３１を引き剥がす力は、上部電極３１の両側にばね構造部が配置されている場合に比べて大きい。その他の構成及び効果については、前記第２実施形態と同様である。

［第４実施形態］
次に、この発明の第４実施形態のＭＥＭＳ素子について説明する。前記第２実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。この第４実施形態では、静電型アクチュエータを有するＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子について述べる。

図１２は、第４実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図であり、図１３は図１２における１３−１３線に沿った断面図である。

このＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子は、可変容量部２１、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２、及びばね構造部１５を含んでいる。第４実施形態では、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２を駆動することによって、上部電極３１と下部電極３２、３３間の距離を変化させる。これにより、下部電極３２，３３間の容量値が２値的に変化するデジタル可変容量を形成できる。

次に、可変容量部２１の電極間距離を制御する静電型アクチュエータとばね構造部１５について説明する。静電型アクチュエータ部２２−１は、可変容量部２１の一端側に配置されている。静電型アクチュエータ部２２−２は、可変容量部２１の他端側にばね構造部１５を介して配置されている。これら静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２は、さらにアンカー２４−１，２４−２にそれぞれ接続されている。

可変容量部２１の上部電極３１及び静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の上部電極３４−１，３４−２上には、絶縁膜４１が形成されている。また、半導体基板１０上には絶縁膜４３が形成され、この絶縁膜４３上には可変容量部２１の下部電極３２，３３、及び静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の下部電極３５−１，３５−２が形成されている。これら下部電極３２，３３、下部電極３５−１，３５−２、及び絶縁膜４３上には、絶縁膜４４が形成されている。

前記のような構成において、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２における上部電極３４−１，３４−２と下部電極３５−１，３５−２との間に電位差をかけると、弾性部材１６の中央部が下方に移動する。これによって、可変容量部２１の上部電極３１が下部電極３２，３３側に変位し、上部電極３１と下部電極３２，３３間の距離が小さくなり可変容量部２１の容量値が２値的に変化する。また、可変容量部２１の上部電極３１を上方に変位させて戻すには、静電型アクチュエータ部２２−１，２２−２の電位差をなくせば良い。

前述した構成では、可変容量部２１と静電型アクチュエータ部２２−２との間に、ばね構造部１５が配置されているため、アンカー２４−１，２４−２間の弾性部材１６の引っ張り応力を緩和できる。これにより、可変容量部２１の上部電極３１の変位量を増加させることができるため、上部電極３１を下方に変位させるのに必要な力を減らすことができる。

［第５実施形態］
次に、この発明の第５実施形態のＭＥＭＳ素子について説明する。前記第２実施形態における構成と同様の部分には同じ符号を付してその説明は省略する。この第５実施形態では、静電型アクチュエータを有するＭＥＭＳ素子を用いたキャパシティブスイッチについて述べる。

図１４は、第５実施形態のＭＥＭＳ素子を用いたキャパシティブスイッチの平面図であり、図１５は図１４における１５Ｓ−１５Ｓ線に沿った断面図である。

このＭＥＭＳ素子を用いたキャパシティブスイッチは、スイッチ部５１及びばね構造部１５を含んでいる。半導体基板１０上には絶縁膜５２が形成され、この絶縁膜５２上にはスイッチ部５１の下部電極５３が形成されている。さらに、下部電極５３及び絶縁膜５２上には、下部電極５３を覆うように、絶縁膜５４が形成されている。

さらに、半導体基板１０上には絶縁膜５５−１，５５−２が離隔して配置されている。これら絶縁膜５５−１，５５−２には上部電極５６の両端が固定されており、半導体基板１０と上部電極５６との間には空洞２５が形成されている。

スイッチ部５１は、上部電極５６と、下部電極５３と、この下部電極５３上の絶縁膜５４とから構成されている。スイッチ部５１を構成する上部電極５６と、絶縁膜５５−２上の上部電極５６との間には、ばね構造部１５が配置されている。上部電極５６には接地電圧が供給され、下部電極５３には信号電圧が供給される。このように構成されたキャパシティブスイッチでは、上部電極５６が上下動することにより、下部電極５３と上部電極５６間の距離が変化する。これにより、下部電極５３と上部電極５６間の容量値が変化する。

前述した構成では、スイッチ部５１を構成する上部電極５６と絶縁膜５５−２上の上部電極５６との間にばね構造部１５が配置されているため、絶縁膜５５−１と絶縁膜５５−２間の上部電極５６の引っ張り応力を緩和できる。これにより、上部電極５６の変位量を増加させることができるため、上部電極５６を下方に変位させるのに必要な力を低減することができる。

また、スイッチ部５１を基準として、一方側のスイッチ部５１と絶縁膜５５−２との間にだけばね構造部１５が配置されているため、絶縁膜５４に上部電極５６が接触した状態から上部電極５６を引き剥がす力は、スイッチ部５１の両側にばね構造部が配置されている場合に比べて大きい。

以上説明したようにこの第５実施形態によれば、スイッチ部５１の一方側のスイッチ部５１と絶縁膜５５−２との間にだけばね構造部１５を配置することにより、絶縁膜５５−１と５５−２間における上部電極５６の引っ張り応力を緩和でき、上部電極５６の変位量を増大させ、上部電極５６を下方に変位させるのに必要な力を減らすことができる。これと共に、上部電極５６が絶縁膜５４に接触した状態において、上部電極５６に作用する引き剥がし力を向上させることができる。

なお、以上の各実施形態においては、ＭＥＭＳ素子を可変容量素子やキャパシティブスイッチに適用した例を示したが、その他、接触型スイッチなどにも適用可能である。

また、前述した各実施形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。

この発明の第１実施形態のＭＥＭＳ素子の構成を示す斜視図である。（ａ）は第１実施形態のＭＥＭＳ素子の斜視図であり、（ｂ）はこの（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を示す図である。（ａ）はばね構造部が対称に配置されたＭＥＭＳ素子の斜視図であり、（ｂ）はこの（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を示す図である。第１実施形態のＭＥＭＳ素子において第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合の最大変位量の温度依存性を示す図である。（ａ）は第１実施形態のＭＥＭＳ素子の斜視図であり、（ｂ）はこの（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を電極部から見た図である。（ａ）はばね構造部が対称に配置されたＭＥＭＳ素子の斜視図であり、（ｂ）はこの（ａ）に対応する第１、第２の固定端間のばね定数を電極部から見た図である。第１実施形態のＭＥＭＳ素子において第１、第２の圧電アクチュエータに換えて熱型アクチュエータを用いた場合の変位量の力依存性を示す図である。この発明の第２実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図である。図８における９−９線に沿った断面図である。この発明の第３実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図である。図１０における１１−１１線に沿った断面図である。この発明の第４実施形態のＭＥＭＳ素子を用いた可変容量素子の平面図である。図１２における１３−１３線に沿った断面図である。この発明の第５実施形態のＭＥＭＳ素子を用いたキャパシティブスイッチの平面図である。図１４における１５−１５線に沿った断面図である。

符号の説明

１０…半導体基板、１１…第１の固定端、１２…第２の固定端、１３−１…第１の圧電型アクチュエータ、１３−２…第２の圧電型アクチュエータ、１４…電極部、１５，１５−１，１５−２…ばね構造部（フレクスチャ(flexure)構造部）、１６…弾性部材、１７… 、２１…可変容量部、２２−１，２２−２…静電型アクチュエータ部、２３−１，２３−２…圧電型アクチュエータ部、２４−１，２４−２…アンカー、２５…空洞、３１，３４−１，３４−２，３７−１，３７−２…上部電極、３２，３３，３５−１，３５−２，３８−１，３８−２…下部電極、３６−１，３６−２…圧電膜、４１，４２，４３，４４…絶縁膜、５１…スイッチ部、５２，５４…絶縁膜、５３…下部電極、５５−１，５５−２…絶縁膜、５６…上部電極。

Claims

第１の固定端に一端が接続された第１のアクチュエータと、
第２の固定端に一端が接続された第２のアクチュエータと、
前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとの間に配置され、前記第１，第２のアクチュエータにより可動される電極とを具備し、
前記電極から第１のアクチュエータを介して前記第１の固定端に至る形状と、前記電極から第２のアクチュエータを介して前記第２の固定端に至る形状とが非対称であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
基板上に形成された第１の固定端と、
前記第１の固定端から離隔して前記基板上に形成された第２の固定端と、
前記第１の固定端に一端が接続された第１のアクチュエータと、
前記第２の固定端に一端が接続された第２のアクチュエータと、
前記第１のアクチュエータの他端と前記第２のアクチュエータの他端との間に介在して形成された電極と、
前記第１の固定端と前記電極の間、及び前記第２の固定端と前記電極の間の一方側のみに設けられたばね構造部と、
を具備することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
基板上に形成された第１の固定端と、
前記第１の固定端から離隔して前記基板上に形成された第２の固定端と、
前記基板との間に空洞が形成されるように、前記第１の固定端に一端が固定され、前記第２の固定端に他端が固定された梁部と、
前記梁部の前記基板と対向する面上に形成された電極と、
前記第１の固定端と前記電極との間の前記梁部中に形成された第１のアクチュエータと、
前記第２の固定端と前記電極との間の前記梁部中に形成された第２のアクチュエータと、
前記電極と前記第２のアクチュエータとの間の前記梁部中に配置されたばね構造部とを具備し、
前記梁部における、前記第１のアクチュエータと前記電極との間のばね定数と、前記第２のアクチュエータと前記電極との間のばね定数とが異なることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
前記電極と前記第２のアクチュエータとの間に配置されたばね構造部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記電極から前記第１の固定端までのばね定数と、前記電極から前記第２の固定端までのばね定数とが異なることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１つに記載のＭＥＭＳ素子。