JP2008030182A - Constant amplitude mechanism and electric potential sensor with same - Google Patents

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JP2008030182A JP2006209493A JP2006209493A JP2008030182A JP 2008030182 A JP2008030182 A JP 2008030182A JP 2006209493 A JP2006209493 A JP 2006209493A JP 2006209493 A JP2006209493 A JP 2006209493A JP 2008030182 A JP2008030182 A JP 2008030182A
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Takeshi Kobayashi
健 小林
Ryutaro Maeda
龍太郎 前田
Hiroshi Goto
博史 後藤
Shoji Koyama
昌二 小山
Atsushi Horikawa
敦 堀川
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HST Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MEMS device using the vibration amplitude of a micro-structure, which has resistance to environmental or secular changes. <P>SOLUTION: This MEMS device is provided with the micro-structure with a movable electrode array 102 for measuring capacitance between an object and itself, a micro-actuator composed of piezoelectric micro-cantilevers 108a, 108b using piezoelectric elements for vibrating the micro-structure, a connection section composed of hinges 112a, 112b connecting the micro-structure and the micro-actuator in a freely oscillating manner, and stoppers 110a, 110b contacting with the micro-structure and controlling the amplitude thereof when it is vibrated by the micro-actuator. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微小電気機械システム)に関し、特に、静電や電磁,熱,圧電等を駆動源とするマイクロアクチュエータによってマイクロ構造体を駆動する、MEMSデバイスに好適に適用されうる。   The present invention relates to MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and is particularly suitably applied to a MEMS device in which a microstructure is driven by a microactuator that uses electrostatic, electromagnetic, heat, piezoelectric, or the like as a driving source. sell.

MEMSデバイスでは、マイクロ構造体を、静電、電磁、熱、圧電等を駆動源とするマイクロアクチュエータによって駆動する構造をとることが多い。駆動方法としては、直流で駆動する静的駆動、非共振周波数の交流で駆動する準静的駆動、共振周波数の交流で駆動する共振駆動がある。   MEMS devices often have a structure in which a microstructure is driven by a microactuator using electrostatic, electromagnetic, heat, piezoelectric, or the like as a drive source. As a driving method, there are a static drive driven by a direct current, a quasi-static drive driven by an alternating current of a non-resonant frequency, and a resonant drive driven by an alternating current of a resonant frequency.

これらのうち共振駆動の場合は、温度等の環境変化に伴う共振周波数変化によるマイクロ構造体の振動振幅変化が起こることがある。また、MEMSデバイスの長期使用に伴って、マイクロアクチュエータやマイクロ構造体の特性が変化し、結果として振幅変化が起こることがある。   Among these, in the case of resonance driving, the vibration amplitude of the microstructure may change due to the change of the resonance frequency accompanying the environmental change such as temperature. In addition, with the long-term use of the MEMS device, the characteristics of the microactuator and the microstructure may change, resulting in an amplitude change.

このため、従来のMEMSデバイス、特にマイクロ構造体を定振幅で振動させる必要があるMEMSデバイスでは、センサなどによって振幅を検知し、アンプによって検知信号を増幅させ、信号処理回路によるフィードバックをかけるというクローズループ制御を行っている。   For this reason, in a conventional MEMS device, particularly a MEMS device that needs to vibrate a microstructure with a constant amplitude, the amplitude is detected by a sensor or the like, the detection signal is amplified by an amplifier, and feedback by a signal processing circuit is applied. Loop control is performed.

しかしながら、このような方法をとる場合は、ハード的には、検知用センサ、アンプ、信号処理回路等のMEMSデバイス本体以外の複数の素子が必要であり、ソフト的には、振幅検知→増幅→判定→フィードバックという、多段階のプロセスが要求されることになる。   However, when such a method is adopted, a plurality of elements other than the MEMS device main body such as a detection sensor, an amplifier, and a signal processing circuit are necessary in hardware, and amplitude detection → amplification → A multi-step process of determination → feedback is required.

米テキサス・インスツルメンツ社は、MEMS技術を応用して製造したマイクロミラーを多数配列したDLP(登録商標)という投影技術を有している。DLPプロジェクタを構成する個々のマイクロミラーは角度を変えることができるようになっており、数10万のマイクロミラーの角度をそれぞれ可変制御することにより画像を投影する。DLPのマイクロミラーには、その傾きを規制するため、ミラー下部に傾きを規制するためのストッパが設けられている(非特許文献1図4参照)。しかし、DLPのマイクロミラーは角度を可変制御されるものの、振動せしめられるものではなく、また、傾きは規制されるものの、上下動が規制されることはない。さらにDLPのマイクロミラーは、対象の性質を測定するセンサとして用いられるものでもない。
LarryJ.Hornbeck著「Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a BrightFuture」(米テキサス・インスツルメンツ社)発行日不詳。入手先:http://www.dlp.com/dlp_technology/images/dynamic/white_papers/115_Digital_Light_Processing_MEMS_Timely_Convergence.pdf
Texas Instruments, Inc. has a projection technology called DLP (registered trademark) in which a large number of micromirrors manufactured by applying MEMS technology are arranged. The angles of the individual micromirrors constituting the DLP projector can be changed, and an image is projected by variably controlling the angles of several hundred thousand micromirrors. In order to regulate the tilt of the DLP micromirror, a stopper for regulating the tilt is provided at the lower part of the mirror (see Non-Patent Document 1 FIG. 4). However, although the angle of the DLP micromirror is variably controlled, it is not vibrated, and the tilt is restricted, but the vertical movement is not restricted. Furthermore, DLP micromirrors are not used as sensors to measure the properties of objects.
Larry J. Hornbeck's "Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a BrightFuture" (Texas Instruments, Inc.) is unknown. Obtain from: http://www.dlp.com/dlp_technology/images/dynamic/white_papers/115_Digital_Light_Processing_MEMS_Timely_Convergence.pdf

本発明は、上記の1つ以上の課題を解決しようとするものであり、マイクロアクチュエータによって振動せしめられる構造体を具備するMEMSデバイスにおいて、当該構造体の振幅をストッパによって規制するように構成することを、その特徴の一つとする。   The present invention is to solve one or more of the problems described above, and in a MEMS device including a structure that can be vibrated by a microactuator, the amplitude of the structure is regulated by a stopper. Is one of its features.

本発明によれば、構造体が振動しうる最大振幅が、ストッパによって物理的に規定されるため、構造体自体の振動特性が、温度等の環境変化に伴う共振周波数変化によって変化したり、デバイスの長期使用に伴うアクチュエータや構造体の特性変化によって変化したりしても、その振動振幅を一定に保つことが出来る。さらに、振動振幅を制御するために必要な事項は、構造体をその環境での共振周波数付近で駆動するだけであるため、振幅検知・増幅・判定・フィードバックが一切不要になり、先行技術に比べて制御回路を圧倒的に単純化することが可能である。   According to the present invention, since the maximum amplitude at which the structure can vibrate is physically defined by the stopper, the vibration characteristics of the structure itself change due to a change in the resonant frequency accompanying an environmental change such as temperature, The vibration amplitude can be kept constant even if it changes due to the change in the characteristics of the actuator or the structure with the long-term use. In addition, all that is necessary to control the vibration amplitude is to drive the structure near the resonance frequency in the environment, which eliminates the need for amplitude detection, amplification, determination, and feedback. Thus, the control circuit can be overwhelmingly simplified.

なお、構造体の振幅を、デバイスの経年変化に対して長期に渡って一定に保つには、ストッパによって規定される構造体の振幅を、デバイスの製造当初において、アクチュエータが構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定することが好ましい。   In order to keep the amplitude of the structure constant over a long period of time with respect to the aging of the device, the amplitude of the structure defined by the stopper can be caused to vibrate the structure by the actuator at the beginning of manufacturing the device. It is preferable to set it smaller than the maximum amplitude.

このようなMEMSデバイスは、例えば、デバイスの振動特性を利用して対象の性質を測定するセンサに、好適に応用しうる。すなわち、本発明に係るMEMSデバイスを応用したセンサは、環境変化や経年変化に対してその振動振幅を一定に保つ能力が高いため、安定的な測定が可能であると共に、従来に比べて制御回路を非常に単純化することができるため、従来に比べてセンサを小型化・単純化することができる場合があり、さらに、センサの低価格化にも寄与しうる可能性がある。   Such a MEMS device can be suitably applied to, for example, a sensor that measures the property of an object using the vibration characteristics of the device. That is, the sensor using the MEMS device according to the present invention has a high ability to keep the vibration amplitude constant with respect to environmental changes and secular changes, so that stable measurement is possible and a control circuit compared to the conventional one. Since the sensor can be greatly simplified, there are cases where the sensor can be reduced in size and simplified as compared with the conventional case, and there is a possibility that it can contribute to the cost reduction of the sensor.

本発明の好適な実施形態の例は添付の特許請求の範囲に記載されるが、本発明は、本明細書及び添付図面に明示的及び暗示的に記載される全ての特徴及びこれらの組み合わせをも、その範囲に包含する。   While examples of preferred embodiments of the present invention are set forth in the appended claims, the present invention covers all features and combinations thereof that are explicitly and implicitly described in this specification and the accompanying drawings. Are also included within the scope.

本発明は、その好適な実施形態の一つに、MEMSデバイスであって、マイクロ構造体と、前記マイクロ構造体を振動せしめるためのマイクロアクチュエータと、前記マイクロ構造体と前記マイクロアクチュエータとを揺動自在に連結する連結部と、前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記マイクロ構造体に接触して前記マイクロ構造体の振幅を規制せしめるストッパと、を備えるMEMSデバイスを含む。   One of the preferred embodiments of the present invention is a MEMS device, which is a microstructure, a microactuator for causing the microstructure to vibrate, and swinging the microstructure and the microactuator. A MEMS device comprising: a coupling portion that freely couples; and a stopper that contacts the microstructure and regulates the amplitude of the microstructure when the microstructure is vibrated by the microactuator.

MEMSとは、微小電気機械システムの略称であるが、本発明の好適な実施形態に係るMEMSデバイスの典型的な大きさは、表面の大きさが100μm×100μmから10mm×10mm,厚さ1μmから20μm程度である。むろん、本発明に係るMEMSデバイスが全てこの大きさに限定されることを意味するものではない。   MEMS is an abbreviation for a microelectromechanical system, but typical dimensions of a MEMS device according to a preferred embodiment of the present invention include a surface size of 100 μm × 100 μm to 10 mm × 10 mm, and a thickness of 1 μm. It is about 20 μm. Of course, this does not mean that all the MEMS devices according to the present invention are limited to this size.

上記のMEMSデバイスにおいて、マイクロアクチュエータは、静電・電磁・熱・圧電等を駆動源とすることができる。また、前記ストッパによって規定される前記マイクロ構造体の振幅は、前記MEMSデバイスの製造当初において、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定されていることが好ましい。   In the above MEMS device, the microactuator can be driven by electrostatic, electromagnetic, thermal, piezoelectric, or the like. Moreover, it is preferable that the amplitude of the microstructure defined by the stopper is set smaller than the maximum amplitude at which the microactuator can vibrate the microstructure at the beginning of manufacturing the MEMS device.

上記の実施形態に従うMEMSデバイスのさらに具体的な実施形態では、前記マイクロ構造体を、その端部に薄板状のフラップが設けられるように構成し、前記ストッパを、前記フラップを挟むように配設される2枚の板状の構造体を有するように構成し、前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記フラップ部が前記ストッパに干渉することにより、前記マイクロ構造体の振幅が規制せしめられるように構成することができる。マイクロ構造体の端部に設けられるフラップ部を挟むようなストッパ構造を採用することにより、当該ストッパが挟む方向についてマイクロ構造体の振幅を容易に規定することができる。   In a more specific embodiment of the MEMS device according to the above embodiment, the microstructure is configured such that a thin plate-like flap is provided at an end thereof, and the stopper is disposed so as to sandwich the flap. When the microstructure is vibrated by the microactuator, the flap portion interferes with the stopper, so that the amplitude of the microstructure can be reduced. Can be configured to be regulated. By adopting a stopper structure that sandwiches the flap portion provided at the end of the microstructure, the amplitude of the microstructure can be easily defined in the direction in which the stopper is sandwiched.

さらに上記の実施形態において、前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記フラップ及び前記ストッパは、前記マイクロ構造体の長辺側の両側にそれぞれ設けられるように構成してもよい。さらに、前記マイクロ構造体の短辺側の両側に、2つの前記マイクロアクチュエータが、それぞれ前記連結部を介して連結せしめられるように構成しても良い。   Furthermore, in the above-described embodiment, the microstructure may have a thin rectangular parallelepiped shape, and the flap and the stopper may be provided on both sides of the long side of the microstructure. Furthermore, you may comprise so that the two said micro actuators may be connected with the both sides of the short side of the said micro structure through the said connection part, respectively.

さらに上記の実施形態において、前記2枚の板状の構造体の間隔が、前記MEMSデバイスの製造当初において、前記ストッパがない場合に前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大の振幅よりも、小さくなるように構成しても良い。   Further, in the above-described embodiment, the interval between the two plate-like structures is larger than the maximum amplitude at which the microactuator can vibrate the microstructure when the MEMS device is initially manufactured without the stopper. Alternatively, it may be configured to be small.

本発明は、その好適な実施形態の一つに、本発明によるMEMSデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体に電極を備えると共に、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を揺動せしめることによって生ずる前記電極に蓄積される電荷量の変化を測定する測定器を備えるセンサを含む。このセンサについて、前記マイクロ構造体に、前記測定器に接続された複数の電極が配列するように構成しても良い。   One of the preferred embodiments of the present invention is a sensor including the MEMS device according to the present invention, wherein the micro structure includes an electrode, and the micro actuator causes the micro structure to swing. A sensor having a measuring device for measuring a change in the amount of charge accumulated in the electrode caused by The sensor may be configured such that a plurality of electrodes connected to the measuring device are arranged in the microstructure.

図1は、本発明の好適な実施形態の一例である、MEMS電位センサ100の概略を描いた図である。図1(a)はセンサ100を上から見た図であり、図1(b)は図1(a)で示されるY−Y線の断面図、図1(c)は、図1(a)で示されるX−X線の断面図である。MEMS電位センサ100は、その上面に複数の電極104を有すると共にその両側にフラップ106a及び106bを備える可動電極アレイ102と、可動電極アレイ102を駆動するための圧電マイクロカンチレバー108a及び108bと、フラップ106a,106bを挟むように配設される、2枚の板状の構造体を有するストッパ110a,110bとを備える。可動電極アレイ102と、圧電マイクロカンチレバー108a及び108bとは、これらを揺動自在に連結する、ヒンジ112a及び112bによって連結されている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a MEMS potential sensor 100 as an example of a preferred embodiment of the present invention. 1A is a view of the sensor 100 as viewed from above, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line YY shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is FIG. It is sectional drawing of the XX line shown by this. The MEMS potential sensor 100 has a plurality of electrodes 104 on its upper surface and a movable electrode array 102 having flaps 106a and 106b on both sides thereof, piezoelectric micro-cantilevers 108a and 108b for driving the movable electrode array 102, and a flap 106a. , 106b and two stoppers 110a, 110b each having a plate-like structure. The movable electrode array 102 and the piezoelectric micro-cantilevers 108a and 108b are connected by hinges 112a and 112b that connect the movable microarray cantilevers 108a and 108b in a swingable manner.

圧電マイクロカンチレバー108a,108bは金属材料と圧電材料、それに構造材料から構成される。使用可能な金属材料の例としてはPt、Au、Ti、Cr、Ni、Agなどがある。圧電材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなどがある。構造材料の例としては、シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミナ、ガラスなどがある。可動電極アレイ102は、上記の構造材と、電極として用いることの出来る金属を用いて構成される。ストッパ110a及び110bやヒンジ112a及び112bも同様の構造材を用いて構成することができる。   The piezoelectric micro cantilevers 108a and 108b are composed of a metal material, a piezoelectric material, and a structural material. Examples of metal materials that can be used include Pt, Au, Ti, Cr, Ni, and Ag. Examples of piezoelectric materials include lead zirconate titanate, zinc oxide, and aluminum nitride. Examples of the structural material include silicon, silicon oxide film, silicon nitride film, alumina, and glass. The movable electrode array 102 is configured using the above structural material and a metal that can be used as an electrode. The stoppers 110a and 110b and the hinges 112a and 112b can also be configured using the same structural material.

一つの例に過ぎないものであるが、本発明の研究開発において実際に作成したMEMS電位センサ100の大きさを参考までに載せておく。可動電極アレイ102は、フラップ106a及び106bを含めた長さが4mm、幅は0.5mmであった。フラップ106a及び106bとストッパ110a及び110bとの重なりの大きさは、0.5mm×0.5mmであった。圧電マイクロカンチレバー108a,108bは、長さ及び幅がいずれも2mmの正方体であった。ストッパ110a及び110bは図1aに描かれるように台形状を呈し、上辺の長さが1.5mm、底辺の長さが3mmであった。ストッパ110a及び110bにおける2枚の板状の構造体の間隔は、1μmから100μmまでの範囲で様々なものが作成された。   Although it is only an example, the size of the MEMS potential sensor 100 actually created in the research and development of the present invention is listed for reference. The movable electrode array 102 had a length of 4 mm including the flaps 106 a and 106 b and a width of 0.5 mm. The size of the overlap between the flaps 106a and 106b and the stoppers 110a and 110b was 0.5 mm × 0.5 mm. The piezoelectric micro cantilevers 108a and 108b were squares having a length and a width of 2 mm. The stoppers 110a and 110b had a trapezoidal shape as depicted in FIG. 1a, and had an upper side length of 1.5 mm and a bottom side length of 3 mm. Various distances between the two plate-like structures in the stoppers 110a and 110b were created in the range from 1 μm to 100 μm.

次に、図1及び図2を参照しながら、MEMS電位センサ100の動作原理を説明する。圧電マイクロカンチレバー108a,108bに、周期的に変動する電圧を与えると、これらは圧電効果によって振動する。この振動は、ヒンジ112a及び112bを介して可動電極アレイ102へと伝えられ、可動電極アレイ102を上下に振動せしめる(図1b参照)。圧電マイクロカンチレバーが可動電極アレイ102の短辺側の両側にそれぞれ設けられているため、圧電マイクロカンチレバーが1つしか用いない場合よりも、可動電極アレイ102を安定的に振動させることができる。可動電極アレイ102の振動周波数が、可動電極アレイ102の共振周波数になるように、圧電マイクロカンチレバー108a及び108bへ引加する電圧を調節すると、可動電極アレイ102の振幅を最大にすることができる。ここで、被測定物200を可動電極アレイ102に対置せしめると、可動電極アレイ102が振動していることにより、被測定物200と可動電極アレイ102との距離Dがダイナミックに変化し、これによって両者間の容量Cが変化し、さらには電極104に蓄積される電荷Qが変化する。この電荷Qの変化を測定し、コンデンサの式Q=CVを用いることにより、被測定物200の電位を求めることができる。   Next, the principle of operation of the MEMS potential sensor 100 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. When a periodically varying voltage is applied to the piezoelectric micro cantilevers 108a and 108b, they vibrate due to the piezoelectric effect. This vibration is transmitted to the movable electrode array 102 via the hinges 112a and 112b, and causes the movable electrode array 102 to vibrate up and down (see FIG. 1b). Since the piezoelectric micro cantilevers are provided on both sides on the short side of the movable electrode array 102, the movable electrode array 102 can be vibrated more stably than when only one piezoelectric micro cantilever is used. When the voltage applied to the piezoelectric micro cantilevers 108a and 108b is adjusted so that the vibration frequency of the movable electrode array 102 becomes the resonance frequency of the movable electrode array 102, the amplitude of the movable electrode array 102 can be maximized. Here, when the object to be measured 200 is placed on the movable electrode array 102, the distance D between the object 200 to be measured and the movable electrode array 102 changes dynamically due to the vibration of the movable electrode array 102, thereby The capacitance C between the two changes, and further, the charge Q accumulated in the electrode 104 changes. By measuring the change in the charge Q and using the capacitor equation Q = CV, the potential of the DUT 200 can be obtained.

上記の説明から理解されるように、電荷Qの変化を被測定物200の電位に正確に反映させるには、容量Cを正確に求めなくてはならないが、これはとりもなおさず、被測定物200と可動電極アレイ102との距離Dの変化を正確に把握しなければならないことである。従って、可動電極アレイ102の振幅dを一定に保つことが、非常に重要であることが理解される。しかし、従来技術によれば、温度などの環境変化やセンサ100自体の経年変化によって、可動電極アレイ102の振幅は、時間と共に変化してしまっていた。そして、その変化を考慮して正確な電位測定を行うため、別に可動電極アレイの振幅を測定するための検知用センサ及び判定回路を設け、判定回路の結果に応じてフィードバックをかける必要があった。   As can be understood from the above description, in order to accurately reflect the change in the charge Q to the potential of the device under test 200, the capacitance C must be obtained accurately. The change in the distance D between the object 200 and the movable electrode array 102 must be accurately grasped. Therefore, it is understood that it is very important to keep the amplitude d of the movable electrode array 102 constant. However, according to the prior art, the amplitude of the movable electrode array 102 has changed over time due to environmental changes such as temperature and aging of the sensor 100 itself. In order to perform accurate potential measurement in consideration of the change, it is necessary to provide a detection sensor and a determination circuit for measuring the amplitude of the movable electrode array separately, and to apply feedback according to the result of the determination circuit. .

しかし電位センサ100は、可動電極アレイ102の両側に備えられたフラップ106a,106bが、ストッパ110a,110bに干渉してその動作が規制されるため、可動電極アレイ102の振幅は、それぞれのストッパの2枚の対向する板状構造物の間隔の大きさによって規定される。従って電位センサ100は、環境変化や経年変化に対抗して可動電極アレイ102の振幅を一定に保つ能力が非常に高く、同じようなタイプの従来のセンサに比べて長期にわたって安定した電圧測定能力を保つことができる。   However, in the potential sensor 100, since the flaps 106a and 106b provided on both sides of the movable electrode array 102 interfere with the stoppers 110a and 110b and the operation of the potential sensor 100 is restricted, the amplitude of the movable electrode array 102 is different from that of each stopper. It is defined by the size of the interval between two opposing plate-like structures. Accordingly, the potential sensor 100 has a very high ability to keep the amplitude of the movable electrode array 102 constant against environmental changes and aging, and has a stable voltage measurement ability over a long period of time compared to a conventional sensor of the same type. Can keep.

長期にわたって可動電極アレイ102の振幅を一定に保つには、ストッパ110a及び110bにおける2枚の板状の構造体の間隔を、MEMS電位センサ100の製造当初における、可動電極アレイ102の最大振幅よりも、小さくなるように設定しておくことが好ましい。図3は、可動電極アレイ102の振幅が、環境変化や経年変化によって、どのように変化するのかを調べたシミュレーションの結果を示す図である。初期状態301に比べ、環境変化を考慮したシミュレーション結果(302)では、共振周波数のシフトが見られ、また、長期の使用に伴う圧電マイクロカンチレバーの疲労を考慮したシミュレーション結果(303)では、可動電極アレイ102の最大振幅が初期状態(301)よりずいぶん小さくなっていることが分かる。しかし、ストッパ110a,110bにおける、それぞれのストッパの2枚の対向する板状構造物の間隔を、図3の(304)に示すように設定し、可動電極アレイ102の振幅を(304)で示される大きさに規定することで、環境変化や経年変化に関わらず、可動電極アレイ102の振幅を一定に保つことが出来る。ストッパの間隔を適宜定めることにより、最大振幅が初期状態の半分以下に低下したとしても、可動電極アレイ102の振幅を一定に保つことも可能である。   In order to keep the amplitude of the movable electrode array 102 constant over a long period of time, the distance between the two plate-like structures in the stoppers 110a and 110b is set to be larger than the maximum amplitude of the movable electrode array 102 at the beginning of manufacturing the MEMS potential sensor 100. It is preferable to set it to be small. FIG. 3 is a diagram showing the result of a simulation in which how the amplitude of the movable electrode array 102 changes due to environmental changes and secular changes. Compared to the initial state 301, the resonance frequency shift is observed in the simulation result (302) considering the environmental change, and the simulation result (303) considering the fatigue of the piezoelectric microcantilever accompanying long-term use is the movable electrode. It can be seen that the maximum amplitude of the array 102 is much smaller than the initial state (301). However, in the stoppers 110a and 110b, the distance between the two opposing plate-like structures of each stopper is set as shown in (304) of FIG. 3, and the amplitude of the movable electrode array 102 is shown in (304). By defining the size of the movable electrode array 102, the amplitude of the movable electrode array 102 can be kept constant regardless of environmental changes and secular changes. By appropriately determining the distance between the stoppers, the amplitude of the movable electrode array 102 can be kept constant even if the maximum amplitude is reduced to half or less of the initial state.

さらに特筆すべきは、可動電極アレイ102の振幅を一定に保つための制御としては、通常環境での共振周波数付近で駆動するだけであるため、従来技術では必要とされる、振幅検知、増幅、判定、フィードバックなどが一切不要になり、制御回路を圧倒的に単純化することが可能であることである。図4に、先行技術と比べた本発明の利点をまとめた。   Further, it should be noted that the control for keeping the amplitude of the movable electrode array 102 constant is only driven near the resonance frequency in the normal environment, so that the amplitude detection, amplification, No determination, feedback, or the like is required, and the control circuit can be overwhelmingly simplified. FIG. 4 summarizes the advantages of the present invention over the prior art.

最後に、図5を用いて、MEMS電位センサ100の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、可動電極アレイ102とマイクロカンチレバー108a,108bとをヒンジ112a及び112bで連結した構造体を既知のMEMS微細加工技術を用いて作製し、これを上側ストッパ用ウエハ、下側ストッパ用ウエハで挟み込んで接合することにより、ストッパ構造を形成する。ストッパ用ウエハはそれぞれ、最終的に挟み込んだときのギャップが目標値dとなるようにエッチングしておく。dが1mm以上であれば、シリコンのドライエッチング技術の標準的なもので実現可能である。   Finally, an example of a method for manufacturing the MEMS potential sensor 100 will be briefly described with reference to FIG. First, a structure in which the movable electrode array 102 and the micro cantilevers 108a and 108b are connected by hinges 112a and 112b is manufactured using a known MEMS microfabrication technique, and this is sandwiched between an upper stopper wafer and a lower stopper wafer. The stopper structure is formed by bonding at the above. Each of the stopper wafers is etched so that the gap when finally sandwiched becomes the target value d. If d is 1 mm or more, it can be realized by a standard silicon dry etching technique.

次に、作製したストッパ用ウエハ同士を位置あわせしながら接合する。接合においてはそれぞれのウエハの外部に穴を設けておき、その穴にガイドピンを通すことにより、ウエハ同士の位置合わせを行うという方法を採ることができる。上述のMEMS電位センサ100のように、フラップにストッパが干渉する領域の大きさを、0.5mm×0.5mmなど、余裕を持たせて設計することにより、精密な位置合わせをしなくとも、所望のストッパ構造を容易に形成することができる。接合には陽極接合、接着剤を用いた接合、予め接合面に成膜した金とシリコンの共晶反応を利用した接合等を用いる。   Next, the produced stopper wafers are bonded together while being aligned. In bonding, a method can be adopted in which holes are provided outside the respective wafers, and the wafers are aligned by passing guide pins through the holes. Like the MEMS potential sensor 100 described above, the size of the area where the stopper interferes with the flap is designed with a margin such as 0.5 mm × 0.5 mm, so that a desired position can be obtained without precise positioning. A stopper structure can be easily formed. For the bonding, anodic bonding, bonding using an adhesive, bonding using a eutectic reaction between gold and silicon previously formed on a bonding surface, or the like is used.

以上、本発明の実施形態を例を用いて説明してきたが、上記の実施例は、本発明を限定するものではなく、本発明が、その範囲を逸脱することなく、様々な実施形態をとりうるものであることは言うまでもない。本発明は、ここに例示された様々な特徴の如何なる組み合わせをも、その範囲に包含する。   The embodiments of the present invention have been described above by way of examples. However, the above-described embodiments are not intended to limit the present invention, and the present invention can take various embodiments without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that it is possible. The present invention includes in its scope any combination of the various features exemplified herein.

本発明の一実施形態であるMEMS電位センサ100の概略を描いた図である。It is the figure on which the outline of the MEMS electric potential sensor 100 which is one Embodiment of this invention was drawn. MEMS電位センサ100の動作原理を説明するための図である。3 is a diagram for explaining an operation principle of the MEMS potential sensor 100. FIG. MEMS電位センサ100に用いられる可動電極アレイ102の環境変化・経年変化の影響の調査結果を示す図である。It is a figure which shows the investigation result of the influence of the environmental change and secular change of the movable electrode array used for the MEMS potential sensor. 先行技術と比べた本発明の利点をまとめた図である。It is the figure which summarized the advantage of this invention compared with a prior art. MEMS電位センサ100の製造方法の一例を説明するための図である。6 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing the MEMS potential sensor 100. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100 MEMS電位センサ
102 可動電極アレイ
104 電極
106a,106b フラップ
108a,108b 圧電マイクロカンチレバー
110a,110b ストッパ
112a,112b ヒンジ
100 MEMS potential sensor 102 movable electrode array 104 electrodes 106a and 106b flaps 108a and 108b piezoelectric micro cantilevers 110a and 110b stoppers 112a and 112b hinges

Claims (8)

マイクロ構造体と、
前記マイクロ構造体を振動せしめるためのマイクロアクチュエータと、
前記マイクロ構造体と前記マイクロアクチュエータとを揺動自在に連結する連結部と、
前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記マイクロ構造体に接触して前記マイクロ構造体の振幅を規制せしめるストッパと、
を備えるMEMSデバイス。
A microstructure,
A microactuator for causing the microstructure to vibrate;
A connecting portion for oscillatingly connecting the microstructure and the microactuator;
When the microstructure is vibrated by the microactuator, a stopper that contacts the microstructure and restricts the amplitude of the microstructure,
A MEMS device comprising:
前記ストッパによって規定される前記マイクロ構造体の振幅は、前記MEMSデバイスの製造当初において、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定されている、請求項1に記載のMEMSデバイス。   The amplitude of the microstructure defined by the stopper is set to be smaller than a maximum amplitude at which the microactuator can vibrate the microstructure at the beginning of manufacturing the MEMS device. MEMS devices. 前記マイクロ構造体は、その端部に薄板状のフラップが設けられ、
前記ストッパは、前記フラップを挟むように配設される2枚の板状の構造体を有し、
前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記フラップ部が前記ストッパに干渉することにより、前記マイクロ構造体の振幅が規制せしめられるように構成される。
請求項1又は2に記載のMEMSデバイス。
The microstructure is provided with a thin plate-like flap at its end,
The stopper has two plate-like structures disposed so as to sandwich the flap,
When the microstructure is vibrated by the microactuator, the flap portion interferes with the stopper so that the amplitude of the microstructure is regulated.
The MEMS device according to claim 1 or 2.
前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記フラップ及び前記ストッパは、前記マイクロ構造体の長辺側の両側にそれぞれ設けられる、請求項3に記載のMEMSデバイス。   The MEMS device according to claim 3, wherein the microstructure has a thin rectangular parallelepiped shape, and the flap and the stopper are provided on both sides of the long side of the microstructure. 前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記マイクロ構造体の短辺側の両側に、2つの前記マイクロアクチュエータが、それぞれ前記連結部を介して連結せしめられる、請求項3又は4に記載のMEMSデバイス。   5. The micro structure according to claim 3, wherein the micro structure has a thin rectangular parallelepiped shape, and the two micro actuators are coupled to both sides of the short side of the micro structure via the coupling portion, respectively. MEMS device. 前記2枚の板状の構造体の間隔が、前記MEMSデバイスの製造当初において、前記ストッパがない場合に前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大の振幅よりも、小さく設定されている、請求項3から5のいずれかに記載のMEMSデバイス。   The interval between the two plate-like structures is set to be smaller than the maximum amplitude at which the microactuator can vibrate the microstructures when the MEMS device is initially manufactured without the stopper. The MEMS device according to any one of claims 3 to 5. 請求項1から6のいずれかに記載のMEMSデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体の振動特性を利用して対象の性質を測定するセンサ。   A sensor comprising the MEMS device according to claim 1, wherein the sensor measures a property of an object using vibration characteristics of the microstructure. 請求項1から6のいずれかに記載のMEMSデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体に電極を備えると共に、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめることによって生ずる前記電極に蓄積される電荷量の変化を測定する測定器を備える、センサ。
A sensor comprising the MEMS device according to claim 1, wherein the microstructure is provided with an electrode, and the microactuator is accumulated on the electrode generated by vibrating the microstructure. A sensor comprising a measuring device for measuring a change in the amount of charge.
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