JP2008091167A - Micromechanical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロメカニカルデバイスに関し、特に、圧電アクチュエータにより駆動されるマイクロメカニカルデバイスに関する。 The present invention relates to a micromechanical device, and more particularly to a micromechanical device driven by a piezoelectric actuator.
近年、マイクロ電気機械システム(MEMS:Micro−electro−mechanical System)技術で作製された薄膜アクチュエータを用いて、スイッチや可変キャパシタ等のマイクロメカニカルデバイスを作製する技術に関心が集まっている。 In recent years, there has been an interest in a technique for manufacturing a micromechanical device such as a switch or a variable capacitor by using a thin film actuator manufactured by a micro-electro-mechanical system (MEMS) technique.
このようなMEMS技術で作製された薄膜アクチュエータの一つとして、静電力を駆動力とした静電アクチュエータが知られている。この静電アクチュエータは、空間を隔てた一対の電極に駆動電圧を印加するだけという非常に簡単な動作機構で済むという長所がある。その反面、静電力が距離のマイナス二乗に比例するという性質から、印加電圧と移動量が非線型である、初期間隔の2/3程度以下では間隔が不連続に閉じてしまうプルインという現象が生じて駆動範囲が狭い、1μm以上の距離を駆動するためには一般に20V以上の高い駆動電圧が必要である、電圧印加により可動電極に電荷が注入されて電極間にスティッキングが生じる、といった短所を有する。現状ではこれらの短所、特に駆動電圧が高い問題点から、一般民生用機器には応用が及んでいないのが現状である。 As one of thin film actuators manufactured by such MEMS technology, an electrostatic actuator using an electrostatic force as a driving force is known. This electrostatic actuator has an advantage in that it requires only a very simple operation mechanism that only applies a driving voltage to a pair of electrodes spaced apart from each other. On the other hand, due to the property that the electrostatic force is proportional to the minus square of the distance, the applied voltage and the amount of movement are non-linear, and a phenomenon called pull-in occurs in which the interval closes discontinuously below about 2/3 of the initial interval. In order to drive a distance of 1 μm or more with a narrow driving range, generally, a high driving voltage of 20 V or more is necessary, and charges are injected into the movable electrode by voltage application, resulting in sticking between the electrodes. . At present, due to these disadvantages, particularly the problem of high driving voltage, it has not been applied to general consumer devices.
このような問題を解決するために、駆動力として圧電力を使用した圧電アクチュエータが一般的に知られている(例えば、特許文献1)。このような圧電アクチュエータは、圧電膜として圧電性が高く、加工性が高いPZT系(ジルコン酸チタン酸鉛)が好適に使用されている。そのため、アクチュエータとして様々な形状のものを容易に作製することが可能である。
しかしながら、薄膜技術によりPZT系の圧電膜を使用したアクチュエータを作製する場合には、様々な困難性がある。例えば、鉛系の材料は融点や蒸気圧が高く成膜過程での組成制御が困難である。また、通常の半導体製造ラインでは、鉛系の材料は環境汚染等の問題から使用を制限されているという問題がある。 However, when manufacturing an actuator using a PZT-based piezoelectric film by thin film technology, there are various difficulties. For example, a lead-based material has a high melting point and vapor pressure, and it is difficult to control the composition during film formation. Further, in a normal semiconductor production line, there is a problem that the use of lead-based materials is restricted due to problems such as environmental pollution.
さらに、薄膜技術により作製された圧電アクチュエータにおいても、静電アクチュエータと同様に、スティッキングという問題がある。このスティッキングは、例えば、金属電極と誘電膜間、あるいは誘電膜相互間では主としてファンデルワールス力に起因して生じ、また金属電極間のオーミックコンタクトにより開閉を行うMEMSスイッチにおいては、金属電極同士の凝集力により生じるので、物理的に不可避な現象である。 Furthermore, the piezoelectric actuator manufactured by the thin film technology also has a problem of sticking like the electrostatic actuator. This sticking occurs, for example, mainly due to van der Waals force between the metal electrode and the dielectric film, or between the dielectric films, and in a MEMS switch that opens and closes by ohmic contact between the metal electrodes, This phenomenon is physically unavoidable because it is caused by cohesive force.
そこで、本発明は、圧電膜に鉛系の材料を用いず、作製が容易であり、スティッキングが発生してもそれを解消することができる圧電アクチュエータを備えたマイクロメカニカルデバイスを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a micromechanical device including a piezoelectric actuator that does not use a lead-based material for a piezoelectric film, is easy to manufacture, and can eliminate the occurrence of sticking. And
本発明に係るマイクロメカニカルデバイスは、基板と、前記基板上に設けられ、圧電膜と、前記圧電膜の前記基板に対向する面に設けられた第1の電極と、前記圧電膜の前記第1の電極が設けられた面に対向する面に設けられた第2の電極とを有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と前記電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とする。 The micromechanical device according to the present invention includes a substrate, a piezoelectric film provided on the substrate, a first electrode provided on a surface of the piezoelectric film facing the substrate, and the first of the piezoelectric film. A second electrode provided on a surface opposite to the surface on which the electrode is provided, and an actuator comprising a fixed portion fixed on the substrate and an action portion extending from the fixed portion; The fixed electrode disposed on the surface of the substrate facing the action portion, the voltage applying means for applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and the polarity of the voltage are switched. And polarity switching means for bending and moving the actuator in a direction approaching the substrate or in a direction away from the substrate.
本発明によれば、圧電膜に鉛系の材料を用いず、作製が容易であり、スティッキングが発生してもそれを解消することができる圧電アクチュエータを備えたマイクロメカニカルデバイスが提供される。 According to the present invention, there is provided a micromechanical device including a piezoelectric actuator that does not use a lead-based material for the piezoelectric film, is easy to manufacture, and can eliminate the occurrence of sticking.
本発明者は、前述した問題を解決すべく、薄膜法で作製可能な圧電体材料を種々検討した結果、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム(AlN)ないし酸化亜鉛(ZnO)のc軸配向膜が適していることを見出した。ただし、AlNやZnOの圧電性は、前述したPZT系の場合と比較すると、1/10以下と非常に小さい。このためAlNやZnOの圧電膜を備えた圧電アクチュエータを作製する場合は、その変位量を大きくとるために、アクチュエータの厚さを薄くし、長さを長く、すなわちアスペクト比を大きく取る必要がある。しかしながらこのようなアスペクト比の大きいアクチュエータ構造を採用した場合は、アクチュエータの剛性が小さくなり、接点間のスティッキングなどにより動作不良をより生じやすくなるという問題が生じる。 As a result of various studies on piezoelectric materials that can be produced by a thin film method in order to solve the above-described problems, the present inventor has found that the c-axis of aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO) having a wurtzite crystal system. It has been found that an alignment film is suitable. However, the piezoelectricity of AlN or ZnO is as small as 1/10 or less compared to the case of the PZT system described above. For this reason, when fabricating a piezoelectric actuator provided with a piezoelectric film of AlN or ZnO, in order to increase the amount of displacement, it is necessary to reduce the thickness of the actuator and increase the length, that is, to increase the aspect ratio. . However, when such an actuator structure with a large aspect ratio is adopted, the rigidity of the actuator becomes small, and there arises a problem that operation failure is more likely to occur due to sticking between the contacts.
このスティッキングの現象について、図面を用いて説明する、図11は従来の圧電アクチュエータを備える可変キャパシタの構造を示す図である。1は基板、2はアンカー、3はアクチュエータの下部電極、4は圧電膜、5は上部電極、6は支持膜、7は可変キャパシタを構成する可動電極、8は固定電極、9は誘電膜、10はアクチュエータ、12は電圧印加手段(直流電源)である。
The sticking phenomenon will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a diagram showing the structure of a variable capacitor having a conventional piezoelectric actuator. 1 is a substrate, 2 is an anchor, 3 is a lower electrode of an actuator, 4 is a piezoelectric film, 5 is an upper electrode, 6 is a support film, 7 is a movable electrode constituting a variable capacitor, 8 is a fixed electrode, 9 is a dielectric film,
図11において、電圧印加手段12を使用して圧電膜4を挟む下部電極3と上部電極5との間に電圧Vを印加すると圧電膜4は膜厚方向に伸長して長軸方向に縮小する。このため、アクチュエータ10は、図中、x方向に向かって屈曲し、xtだけ変位すると可動電極7は固定電極8上の誘電膜9に接触する。
In FIG. 11, when a voltage V is applied between the
図12は、図11に示したアクチュエータ10に圧電駆動電圧V0〜Vtを印加した時の駆動機構を説明する図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a driving mechanism when the piezoelectric driving voltages V 0 to V t are applied to the
アクチュエータ10は固有の剛性を持ち、アクチュエータ10の変位xに比例したバネ弾性力Fを生じる。一方、アクチュエータ10に圧電駆動電圧V0〜Vtを印加することにより、圧電駆動力F0〜Ftを生じ、この圧電駆動力F0〜Ftとアクチュエータのバネ弾性力Fとがつりあう変位x0〜xtを生じる。アクチュエータ10は変位xtで誘電膜9に接触すると、それ以上は変位できないので、圧電駆動電圧Vとアクチュエータ変位xの関係は図13(a)に示すようになる。
The
しかしながら、上述したように圧電定数の小さいAlNやZnOを圧電膜として使用した圧電アクチュエータは、薄く長い構造を持ち、剛性、言い換えると前述したバネ弾性力Fが小さいという特徴があり、アクチュエータ10のバネ弾性力Fや圧電駆動力F0〜Ftのほかに、電極同士が接触した場合の凝集力による固着(スティッキング)も無視出来なくなる。すなわち、図12において圧電駆動電圧Vtを印加して変位xtで可動電極7が誘電膜9に接触した後、圧電駆動電圧をV0に戻したときに、アクチュエータ10にはFtの引き戻す力が働く。もし、可動電極7と誘電膜9との間の固着力が力Ftより大きい場合は、アクチュエータ10は誘電膜9にスティッキングを生じ、可変キャパシタとして機能しなくなる(図13(b))。
However, as described above, a piezoelectric actuator using AlN or ZnO having a small piezoelectric constant as a piezoelectric film has a thin and long structure and is characterized by rigidity, in other words, the aforementioned spring elastic force F is small. In addition to the elastic force F and the piezoelectric driving forces F 0 to F t , sticking (sticking) due to the cohesive force when the electrodes come into contact with each other cannot be ignored. That is, the
発明者らは、種々の検討を重ねた結果、このスティッキングの問題に対処するため、圧電アクチュエータに適用することができる、新たな構造および駆動方法を見出した。 As a result of various studies, the inventors have found a new structure and driving method that can be applied to a piezoelectric actuator in order to cope with the problem of sticking.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Further, there are included portions having different dimensional relationships and ratios between the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、ユニモルフ型圧電駆動可変キャパシタに関するもので、図1に示すように、基板1上に、アクチュエータ10が設けられている。アクチュエータ10は、例えば、アンカー2を介して固定された固定部10aと、固定部10aから延在した可動電極7を有する作用部10bとを有し、基板1上にアンカー2を介して、下部電極3、圧電膜4、上部電極5及び支持膜6がこの順で積層された構造を備えている。作用部10bの可動電極7は、下部電極3と同層及び同材料で設けられ、下部電極3と可動電極7との間には電極スリット11が設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a micromechanical device according to a first embodiment of the present invention. The micromechanical device according to the present embodiment relates to a unimorph type piezoelectric drive variable capacitor, and an
アクチュエータ10の作用部10bの可動電極7に対向して、基板1の表面には固定電極8が設けられており、固定電極8は誘電膜9で覆われている。可動電極7と誘電膜9との間は、ギャップ(空間)が生じるように、固定電極8と誘電膜9との合計の高さは、アンカー2の高さより小さく設計されている。
A
アクチュエータ10には、下部電極3と上部電極5との間に電圧を印加する電圧印加手段13が接続されており、下部電極3及び上部電極5と、電圧印加手段13との間には、印加される電圧の極性を切り替える極性切替手段14が設けられている。
The
電圧印加手段13は、図1に示すように、単極性の直流電源15、16を備える。直流電源15、16は、電圧印加手段13内で極性を逆にして配置されている。このため、電圧印加手段13は、双極性の特性を備えている。
As shown in FIG. 1, the
極性切替手段14は、切替スイッチS1及び切替スイッチS2を備える。切替スイッチS1は、上部電極5に接続された第1切替端S1aと、直流電源15の負極性に接続された第2切替端S1b又は接地された第3切替端S1cとの間を切替えるスイッチである。切替スイッチS2は、下部電極3に接続された第4切替端S2aと、接地された第5切替端S2b又は直流電源16の負極性に接続された第6切替端S2cとの間を切り替えるスイッチである。直流電源15、16の正極性は接地されている。
Polarity switching means 14 includes a changeover switch S 1 and the changeover switch S 2. Changeover switch S 1 is between the first switching terminal S 1a connected to the
極性切替手段14の駆動は、第1切替端S1aを第2切替端S1bに、第4切替端S2aを第5切替端S2bにそれぞれ接続させた状態(以下、第1状態という)で、下部電極3を正極性、上部電極5を負極性とした電圧を印加することができる。また、第1切替端S1aを第3切替端S1cに、第4切替端S2aを第6切替端S2cにそれぞれ接続させた状態(以下、第2状態という)で、下部電極3を負極性、上部電極5を正極性とした電圧を印加することができる。すなわち、極性切替手段14は、この第1状態と第2状態とを切替える切替手段である。極性切替手段14は、半導体スイッチ又はメカニカルスイッチで構成されている。
The polarity switching means 14 is driven in a state where the first switching terminal S 1a is connected to the second switching terminal S 1b and the fourth switching terminal S 2a is connected to the fifth switching terminal S 2b (hereinafter referred to as the first state). Thus, a voltage having the
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、下部電極3を正極性、上部電極5を負極性とした電圧を印加した場合には、圧電膜4は長軸方向に伸長し、アクチュエータ10本体は基板1側に向かって屈曲する。逆に、下部電極3を負極性、上部電極5を正極性とした電圧を印加した場合には、圧電膜4は長軸方向に縮小し、アクチュエータ10本体は基板1側と反対の方向に向かって屈曲する。
In the micromechanical device according to the present embodiment, when a voltage having the
図2に本実施形態における駆動機構を説明する図を示す。 FIG. 2 is a view for explaining the drive mechanism in the present embodiment.
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、電圧印加手段13及び極性切替手段14を用いて、圧電駆動電極(下部電極3及び上部電極5)間に、可動電極7と誘電膜9とを接触させるための駆動電圧Vtを印加することができ、更に、可動電極7と誘電膜9とを離反させるための逆極性の電駆動圧−Vtを印加することができる。すなわち、可動電極7と誘電膜9との間にスティッキングが生じた場合でも、アクチュエータには引き戻すための力(ここではバネ弾性力)−Ftに加えて、駆動電圧−Vtに応じた引き離し方向の力(ここでは圧電力)−Ftが更に加わるため、スティッキングを容易に解消することができる。
The micromechanical device according to the present embodiment uses the
図3に本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの動作機構を説明する図を示す。 FIG. 3 is a diagram for explaining the operation mechanism of the micromechanical device according to this embodiment.
最初に点Aにあるアクリュエータ10に電圧Vtを印加すると、アクリュエータ10が図1に示すx方向に向かってxtだけ屈曲変位して点Bにおいて可動電極7が固定電極8上の誘電膜9に接触する。この時に、強いスティッキングが生じた場合、印加電圧をV0に戻してもスティッキングは解消されない(点C)。ここでアクチュエータ10が離反する方向の逆向きの駆動電圧−Vtを印加することで駆動電圧−Vrでスティッキングが解消され(点D)、駆動電圧−Vrに相当するアクチュエータ10の屈曲変位位置に戻り(点E)、点Fまで離れる。その後、駆動電圧をV0に戻すことによりアクチュエータ10の位置は最初の点Aに戻る。
When a voltage V t is first applied to the
基板1は、絶縁性のガラス基板、シリコン(Si)等の半導体基板が用いられる。
As the
アンカー2は、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁膜が好適に用いられる。
The
下部電極3、上部電極5、可動電極7及び固定電極8等の電極材料としては、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)、銅(Cu)、インジウム(Ir)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等の加工が容易な金属が好適に用いられる。
As electrode materials such as the
支持膜6は、例えば、ポリSi膜が好適に用いられる。
As the
誘電膜8は、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁膜が用いられる。
As the
圧電膜4は、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム(AlN)ないし酸化亜鉛(ZnO)のc軸配向膜を用いることが好ましい。なお、圧電膜4にPZT系の材料を用いた場合の駆動機構を図4、図5を用いて説明する。
The
図4はPZTなどの強誘電体膜に印加した電界Eと分極Pの関係、一般にP−Eヒステリシス曲線と呼ばれる関係図である。まず分極していない状態A点から正の電界を印加していくと強誘電分極が生じ、B点で分極が飽和してC点に至る。C点から電界を負方向に走引していくと、D点で強誘電分極が反転し始め、E点で反転が飽和し、F点に至る。再び印加電界を正方向に走引していくと、G点で再び強誘電分極が反転し始め、H点で飽和し、C点に戻る。このように、強誘電体の場合は正負の電界印加に対応して、C→D→E→F→G→H→Cの強誘電ヒステリシスを描く。 FIG. 4 is a relationship diagram between the electric field E applied to a ferroelectric film such as PZT and the polarization P, generally called a PE hysteresis curve. First, when a positive electric field is applied from the unpolarized state A point, ferroelectric polarization occurs, and at point B, the polarization is saturated and reaches point C. When the electric field is run in the negative direction from the point C, the ferroelectric polarization starts to reverse at the point D, the inversion is saturated at the point E, and reaches the point F. When the applied electric field is again run in the positive direction, the ferroelectric polarization starts to reverse again at the point G, saturates at the point H, and returns to the point C. In this way, in the case of a ferroelectric, a ferroelectric hysteresis of C → D → E → F → G → H → C is drawn corresponding to application of positive and negative electric fields.
次に、強誘電体に生じる電歪εと印加電界Eとの関係を図5に示す。電歪εは分極量と電界Eの積にほぼ依存する。すなわち、分極していない状態A点から正の電界を印加していくと分極および電界Eの増加に従い電歪εが増加し、B点を経てC点に至る。C点から電界Eを負方向に走引していくと、電界Eの減少に伴い電歪εも減少する。電界Eが負になるとD点とE点の間で強誘電分極が反転し、分極と電界Eの方向が一致するため、再び電歪εが増加してF点に至る。再び印加電界を正方向に走引していくと、電界Eの減少に伴い電歪εも減少するが、電界Eが正になるとG点とH点の間で強誘電分極が反転し、分極と電界Eの方向が一致するため、再び電歪εが増加してC点に戻る。このように、強誘電体の場合に電歪εは、分極せず電界Eも0の場合のA点と比較して、正に強く電界Eを加えた場合(C点)も負に強く電界Eを加えた場合F点も同じ方向に電歪εを生じるので、電界Eを正負に切り替えてもメリットは極めて限られること分かる。 Next, the relationship between the electrostriction ε generated in the ferroelectric and the applied electric field E is shown in FIG. The electrostriction ε substantially depends on the product of the polarization amount and the electric field E. That is, when a positive electric field is applied from the unpolarized state A point, the electrostriction ε increases as the polarization and the electric field E increase, and reaches the C point via the B point. When the electric field E is run in the negative direction from the point C, the electrostriction ε decreases as the electric field E decreases. When the electric field E becomes negative, the ferroelectric polarization is reversed between the point D and the point E, and the directions of the polarization and the electric field E coincide with each other, so that the electrostriction ε increases again to reach the point F. When the applied electric field is run again in the positive direction, the electrostriction ε also decreases as the electric field E decreases. However, when the electric field E becomes positive, the ferroelectric polarization is inverted between the G point and the H point, and the polarization And the direction of the electric field E coincide with each other, so that the electrostriction ε increases again and returns to the point C. Thus, in the case of a ferroelectric material, the electrostriction ε is stronger than the point A when the electric field E is not polarized and the electric field E is 0, and when the electric field E is applied positively (point C), the electric field is strongly negative. When E is added, the electrostriction ε also occurs in the same direction at the point F. Therefore, it can be seen that the merit is extremely limited even if the electric field E is switched between positive and negative.
一方、圧電アクチュエータに分極反転を生じない、AlNやZnOなどの圧電体を使用した場合の電界Eと分極Pの関係を図6に、電界Eと電歪εの関係を図7に示す。AlNやZnOなどの圧電体の場合は非常に単純であり、分極量や電歪εは単純に印加された電界Eに比例し、正の電界Eを加えれば正の方向に電歪εを生じ、負の電界Eを加えれば負の電歪εを生じるため、これまで述べてきたように圧電アクチュエータにとって正負の電界Eを印加することが非常に有効な手段となる。 On the other hand, FIG. 6 shows the relationship between the electric field E and the polarization P and FIG. 7 shows the relationship between the electric field E and the electrostriction ε when a piezoelectric material such as AlN or ZnO that does not cause polarization inversion is used in the piezoelectric actuator. In the case of a piezoelectric material such as AlN or ZnO, the amount of polarization and electrostriction ε is simply proportional to the applied electric field E, and if a positive electric field E is applied, electrostriction ε is generated in the positive direction. When a negative electric field E is applied, negative electrostriction ε is generated. Therefore, as described above, applying a positive and negative electric field E is a very effective means for the piezoelectric actuator.
以上より、本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、圧電性が低いAlNやZnOを圧電膜として用いた場合でも、下部電極3と上部電極5との間の電圧の極性を切替える極性切替手段が設けられているため、スティッキングが発生した場合でも、それを解除できるため、鉛系の材料を用いることなく、作製が容易なマイクロメカニカルデバイスを実現することができる。
As described above, the micromechanical device according to the present embodiment is provided with polarity switching means for switching the polarity of the voltage between the
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, specific examples in the present embodiment will be described.
図1に示す構成のマイクロメカニカルデバイスを、下記に示す条件にて作成した。 A micromechanical device having the configuration shown in FIG. 1 was prepared under the following conditions.
・下部電極:Al(厚さ200nm)
・圧電膜:c軸配向させたAlN(厚さ500nm)
・上部電極:Al(厚さ200nm)
・支持膜:SiO2膜(厚さ300nm)
・固定電極:Al(厚さ200nm)
・可動電極:Al(厚さ200nm)
・可変キャパシタの等価面積6400μm2
・アクチュエータ10の長軸200μm
・アクチュエータ10の短軸100μm
作製した可変キャパシタを駆動させた際の駆動電圧と容量との関係図を図8に示す。
-Lower electrode: Al (thickness 200 nm)
Piezoelectric film: c-axis oriented AlN (thickness 500 nm)
-Upper electrode: Al (thickness 200 nm)
Support film: SiO2 film (thickness 300 nm)
Fixed electrode: Al (thickness 200 nm)
-Movable electrode: Al (thickness 200 nm)
・ Equivalent area of variable capacitor 6400μm 2
・ Long axis 200μm of
・ Short axis 100μm of
FIG. 8 shows a relationship diagram between the drive voltage and the capacitance when the manufactured variable capacitor is driven.
図8に示すように、駆動電圧を0Vから3Vまで増加させたところ、容量は0.22pFから1.85pFまで連続的に増加した(A点)。しかしながら、続けて駆動電圧を0Vにしたところ、電極同士でスティッキングが生じたため容量値はほとんど変化しなかった(B点)。そこで次に、駆動電圧を0Vから−3Vまで負電圧を印加して行ったところ、−2V付近でスティッキングが解消されて容量が1.82pFから0.13pFまで不連続に減少した(C点)。その後、駆動電圧を−3Vから0Vまで減少させると、容量は0.12pFから0.22pFまで連続的に増加した(D点)。 As shown in FIG. 8, when the drive voltage was increased from 0 V to 3 V, the capacitance continuously increased from 0.22 pF to 1.85 pF (point A). However, when the drive voltage was continuously set to 0 V, the capacitance value hardly changed because of sticking between the electrodes (point B). Then, when the drive voltage was applied by applying a negative voltage from 0 V to -3 V, the sticking was eliminated at around -2 V, and the capacitance decreased discontinuously from 1.82 pF to 0.13 pF (point C). . Thereafter, when the drive voltage was decreased from −3 V to 0 V, the capacitance continuously increased from 0.12 pF to 0.22 pF (point D).
このように、電極同士が接触後スティッキングを生じた場合に、逆極性の電圧を印加することでスティッキングが解消されることが確認された。 As described above, it was confirmed that sticking was eliminated by applying a reverse polarity voltage when sticking occurred between the electrodes.
また、0〜3Vの正電圧を印加した場合の容量変化範囲である0.22pFから1.85pFに加えて、−3V〜0Vの負電圧を印加した場合の容量変化範囲である0.12pFから0.22pFの領域も利用することが可能になり、容量変化倍率も8.4倍から15.4倍に増加することが確認された。 In addition to the capacitance change range of 0.22 pF to 1.85 pF when a positive voltage of 0 to 3 V is applied, from the capacitance change range of 0.12 pF when a negative voltage of -3 V to 0 V is applied. It was confirmed that the 0.22 pF region can be used, and the capacitance change magnification increased from 8.4 times to 15.4 times.
また、圧電膜としてc軸配向させたZnO(厚さ500nm)を用いた場合でも同様な傾向の結果が確認された。 The same tendency was confirmed even when c-axis oriented ZnO (thickness: 500 nm) was used as the piezoelectric film.
(第2の実施形態)
図9は、本発明の第2の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、バイモルフ型圧電駆動MEMS可変キャパシタに関するもので、図9に示すように、基板21上に、アクチュエータ40が設けられている。アクチュエータ40は、例えば、アンカー22を介して固定された固定部40aと、固定部40aから延在した可動電極28を有する作用部40bとを有し、基板21上のアンカー22を介して、下部電極23、下部圧電膜24、中間電極25、上部圧電膜26、上部電極27がこの順で積層された構造を備えている。作用部40bの可動電極28は、下部電極23と同層に設けられ、下部電極23と可動電極28との間には電極スリット29が設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure of a micromechanical device according to the second embodiment of the present invention. The micromechanical device according to the present embodiment relates to a bimorph piezoelectric drive MEMS variable capacitor, and an
また、作用部40bの可動電極28に対向して、基板21の表面には固定電極30が設けられており、固定電極30は誘電膜31で覆われている。
Further, a fixed
可動電極28と誘電膜31との間にはギャップ(空間)が生じるように、誘電膜31と固定電極30との合計の高さはアンカー22の高さより小さく設計されている。
The total height of the
アクチュエータ40には、下部電極23と中間電極25との間、及び中間電極25と上部電極27との間に電圧を印加する電圧印加手段32が接続されており、下部電極23、中間電極25及び上部電極27と電圧印加手段32との間には、印加される電圧の極性を切り替える極性切替手段33が設けられている。
The
電圧印加手段32は、図9に示すように、単極性の直流電源34を備える。
As shown in FIG. 9, the
極性切替手段33は、切替スイッチS3及び切替スイッチS4を備える。切替スイッチS3は、下部電極23及び上部電極27に接続された第1切替端S3aと、直流電源34の負極性に接続された第2切替端S3b又は接地された第3切替端S3cとの間を切替えるスイッチである。切替スイッチS4は、中間電極25に接続された第4切替端S4aと、接地された第5切替端S4b又は直流電源34の負極性に接続された第6切替端S4cとを切替えるスイッチである。すなわち、第2切替端S3b及び第6切替端S4cは、直流電源34の負極性に並列に接続され、第3切替端S3c及び第5切替端S4bは、接地されている。直流電源34の正極性は接地されている。
Polarity switching means 33 is provided with a selector switch S 3 and the changeover switch S 4. Selector switch S 3, the third switching terminal S which is a second switching terminal S 3b connected to a negative polarity or ground and the first switching terminal S 3a connected to the
極性切替手段33の駆動は、第1切替端S3aを第2切替端S3bに、第4切替端S4aを第5切替端S4bにそれぞれ接続させた状態(以下、第1状態という)で、中間電極25を正極性、下部電極23及び上部電極27を負極性とした電圧を印加することができる。また、第1切替端S3aを第3切替端S3cに、第4切替端S4aを第6切替端S4cにそれぞれ接続させた状態(以下、第2状態という)にすることで、中間電極25を負極性、下部電極23及び上部電極27を正極性とした電圧を印加することができる。すなわち、極性切替手段33は、この第1状態と第2状態とを切替える切替手段である。極性切替手段33は、半導体スイッチ又はメカニカルスイッチで構成されている。
The polarity switching means 33 is driven in a state where the first switching end S3a is connected to the second switching end S3b and the fourth switching end S4a is connected to the fifth switching end S4b (hereinafter referred to as the first state). Thus, a voltage with the
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、中間電極25に対して負極性、下部電極23と上部電極27に対して正極性の電圧を印加した場合には、上部圧電膜26は長軸方向に伸長し、下部圧電膜24は長軸方向に縮小し、アクチュエータ40本体は基板21側に向かって屈曲する。逆に、中間電極25に対して正極性、下部電極23と上部電極27に対して負極性の電圧を印加した場合には、上部圧電膜26は長軸方向に縮小し、下部圧電膜24は長軸方向に伸長し、アクチュエータ40本体は基板21側と反対の方向に向かって屈曲する。
In the micromechanical device according to the present embodiment, when a negative voltage is applied to the
基板21は、絶縁性のガラス基板、シリコン(Si)等の半導体基板が用いられる。
As the
アンカー22は、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁膜が好適に用いられる。
As the
下部電極23、中間電極25、上部電極27、可動電極28及び固定電極30等の電極材料としては、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)、銅(Cu)、インジウム(Ir)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等の加工が容易な金属が好適に用いられる。
Examples of electrode materials for the
誘電膜31は、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁膜が用いられる。
As the
下部圧電膜24及び上部圧電膜26は、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム(AlN)ないし酸化亜鉛(ZnO)のc軸配向膜を用いることが好ましい。
For the lower
なお、その他の駆動原理、効果等は、第1の実施形態と同様なため説明を省略する。 Since other driving principles and effects are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, specific examples in the present embodiment will be described.
図9に示す構成の可変キャパシタを、下記に示す条件にて作成した。 A variable capacitor having the configuration shown in FIG. 9 was created under the following conditions.
・下部電極:Al(厚さ200nm)
・圧電膜:c軸配向させたAlN(厚さ500nm)
・中間電極:Al(厚さ200nm)
・上部電極:Al(厚さ200nm)
・固定電極:Al(厚さ200nm)
・可動電極:Al(厚さ200nm)
・可変キャパシタの等価面積6400μm2
・アクチュエータ10の長軸200μm
・アクチュエータ10の短軸100μm
作製した可変キャパシタを駆動させたところ、第1の実施形態で説明したユニモルフ型圧電駆動MEMS可変キャパシタよりも1.8倍ほど大きな容量変化が確認されたが、第1の実施形態と同様に、可変キャパシタの電極間でスティッキングを生じ、駆動電圧を0Vに戻してもスティッキングは解消されなかった。
-Lower electrode: Al (thickness 200 nm)
Piezoelectric film: c-axis oriented AlN (thickness 500 nm)
Intermediate electrode: Al (thickness 200 nm)
-Upper electrode: Al (thickness 200 nm)
Fixed electrode: Al (thickness 200 nm)
-Movable electrode: Al (thickness 200 nm)
・ Equivalent area of variable capacitor 6400μm 2
・ Long axis 200μm of
・ Short axis 100μm of
When the manufactured variable capacitor was driven, a capacitance change about 1.8 times larger than that of the unimorph-type piezoelectric drive MEMS variable capacitor described in the first embodiment was confirmed. As in the first embodiment, Sticking occurred between the electrodes of the variable capacitor, and sticking was not eliminated even when the drive voltage was returned to 0V.
そこで、逆特性の電圧を印加したところ、−1.5V付近でスティッキングが解消され、安定に動作することが確認された。 Therefore, when a voltage having a reverse characteristic was applied, it was confirmed that sticking was eliminated at around -1.5 V and the operation was stable.
また、圧電膜としてc軸配向させたZnO(厚さ500nm)を用いた場合でも同様な傾向の結果が確認された。 The same tendency was confirmed even when c-axis oriented ZnO (thickness: 500 nm) was used as the piezoelectric film.
(第3の実施形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、第1の実施形態で説明した可変キャパシタと構成は類似するものであるが、機能として、RFスイッチに関するものである。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、第1の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスと比較すると、誘電膜9が無い構成を備えており、その他の構成、駆動原理、効果等は、第1の実施形態と同様なため、説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of a micromechanical device according to the third embodiment of the present invention. The micro mechanical device according to the present embodiment is similar in configuration to the variable capacitor described in the first embodiment, but relates to an RF switch as a function. The micro mechanical device according to the present embodiment has a configuration without the
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、可動電極7と固定電極8とが直接接触することで、オーミックコンタクトが可能になり、RFスイッチとして機能するものである。
The micro mechanical device according to the present embodiment enables ohmic contact when the
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, specific examples in the present embodiment will be described.
図4に示す構成のRFスイッチを、下記に示す条件にて作成した。 An RF switch having the configuration shown in FIG. 4 was created under the following conditions.
・下部電極:Au(厚さ200nm)
・圧電膜:c軸配向させたAlN(厚さ500nm)
・上部電極:Au(厚さ200nm)
・支持膜:SiO2膜(厚さ300nm)
・固定電極:Au(厚さ200nm)
・可動電極:Au(厚さ200nm)
・アクチュエータ10の長軸200μm
・アクチュエータ10の短軸100μm
作製した圧電アクチュエータに3Vの駆動電圧を加えたところ、可動電極と固定電極の間でオーミックコンタクトが得られ、2GHzにおける損失は0.3dBと非常に小さい値が得られた。しかしながら、続けて駆動電圧を0Vに戻したが、電極間でスティッキングを生じたために抵抗値はほとんど変化しなかった。そこで次に0Vから−3Vまで負電圧を印加して行ったところ、−1.2V付近でスティッキングが解消されて導通がなくなり、−3Vにおけるアイソレーションは2GHzで32dBという高い値が得られた。その後、駆動電圧を0Vに戻したとき、アイソレーションは25dBであった。
-Lower electrode: Au (thickness 200 nm)
Piezoelectric film: c-axis oriented AlN (thickness 500 nm)
-Upper electrode: Au (thickness 200 nm)
Support film: SiO2 film (thickness 300 nm)
Fixed electrode: Au (thickness 200 nm)
-Movable electrode: Au (thickness 200 nm)
・ Long axis 200μm of
・ Short axis 100μm of
When a driving voltage of 3 V was applied to the manufactured piezoelectric actuator, an ohmic contact was obtained between the movable electrode and the fixed electrode, and the loss at 2 GHz was as small as 0.3 dB. However, the drive voltage was subsequently returned to 0 V, but the resistance value hardly changed because sticking occurred between the electrodes. Then, when a negative voltage was applied from 0 V to -3 V, the sticking was eliminated at around -1.2 V and conduction was lost, and the isolation at -3 V was as high as 32 dB at 2 GHz. After that, when the drive voltage was returned to 0V, the isolation was 25 dB.
このように、電極が接触後スティッキングを生じた場合に、逆極性の電圧を印加することでスティッキングを解消することが可能になり、安定に動作させることが可能になった。すなわち、導通させる場合は正極性の電圧を圧電アクチュエータに印加することで達成され、導通を切る場合は一旦負電圧を印加して0Vに戻すことで達成される。また大きな絶縁アイソレーションが必要とされる場合は、負極性の電圧を印加し続けることで達成される。また、AlN、ZnOで構成された圧電膜は容易に高い絶縁性を達成することができ、本実施例では3Vを印加しても流れる電流は10−10A以下であり、消費電力は無視できた。 As described above, when sticking occurs after the electrode is brought into contact, it becomes possible to eliminate sticking by applying a voltage having a reverse polarity, and it is possible to operate stably. That is, the conduction is achieved by applying a positive voltage to the piezoelectric actuator, and the conduction is achieved by once applying a negative voltage and returning it to 0V. When large insulation isolation is required, this can be achieved by continuing to apply a negative voltage. In addition, the piezoelectric film composed of AlN and ZnO can easily achieve high insulation. In this embodiment, even when 3V is applied, the flowing current is 10 −10 A or less, and the power consumption can be ignored. It was.
(その他の実施形態)
前述した第1の実施形態から第3の実施形態に係るアクチュエータは、一方の端部を固定部とする片持ち構造に関するものであるが、本発明は、両持ち構造や、折り返し構造など様々な構造が適用可能であることはいうまでもない。また、電圧印加手段、極性切替手段においても、圧電アクチュエータの電極間に逆極性の電圧を印加出来れば良いため、様々な形態の電圧印加手段及び極性切替手段を使用することができる。例えば、第1の実施形態で説明した電圧印加手段13及び極性切替手段14は、第2の実施形態で説明した電圧印加手段32及び極性切替手段33に置き換えることも可能であり、また、その逆も可能である。
(Other embodiments)
The actuators according to the first to third embodiments described above relate to a cantilever structure in which one end is a fixed part. However, the present invention includes various types such as a double-end structure and a folded structure. Needless to say, the structure is applicable. Also, in the voltage applying means and the polarity switching means, it is only necessary to apply a reverse polarity voltage between the electrodes of the piezoelectric actuator, so that various forms of voltage applying means and polarity switching means can be used. For example, the
1 基板
2 アンカー
3 下部電極
4 圧電膜
5 上部電極
6 支持膜
7 可動電極
8 固定電極
9 誘電膜
10 アクチュエータ
10a 固定部
10b 作用部
11 電極スリット
12 電圧印加手段
13 電圧印加手段
14 極性切替手段
15 直流電源
16 直流電源
21 基板
22 アンカー
23 下部電極
24 下部圧電膜
25 中間電極
26 上部圧電膜
27 上部電極
28 可動電極
29 電極スリット
30 固定電極
31 誘電膜
S1〜S4 スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板上に設けられ、圧電膜と、前記圧電膜の前記基板に対向する面に設けられた第1の電極と、前記圧電膜の前記第1の電極が設けられた面に対向する面に設けられた第2の電極とを有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、
前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と
前記電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。 A substrate,
A piezoelectric film provided on the substrate; a first electrode provided on a surface of the piezoelectric film facing the substrate; and a surface of the piezoelectric film facing the surface on which the first electrode is provided. An actuator comprising: a second electrode provided; a fixed portion fixed on the substrate; and an action portion extending from the fixed portion;
A fixed electrode disposed on the surface of the substrate so as to face the action portion;
Polarity for switching the voltage application means for applying a voltage between the first electrode and the second electrode and the polarity of the voltage to bend and displace the actuator in a direction approaching the substrate or away from the substrate And a switching means.
前記基板上に設けられ、前記基板に対向する側から第1の電極、第1の圧電膜、第2の電極、第2の圧電膜、第3の電極がこの順で積層された積層構造を有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、
前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、
前記第2の電極と前記第3の電極、及び前記第2の電極と前記第1の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と
前記各々の電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。 A substrate,
A stacked structure in which a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode are stacked in this order from the side facing the substrate provided on the substrate. An actuator having a fixed portion fixed on the substrate, and an action portion extending from the fixed portion;
A fixed electrode disposed on the surface of the substrate so as to face the action portion;
The voltage application means for applying a voltage between the second electrode and the third electrode, and the second electrode and the first electrode, and switching the polarity of each voltage, A micromechanical device comprising: a polarity switching unit that bends and displaces in a direction approaching the substrate or away from the substrate.
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