JP2008210640A - Electrostatically-driven element, and electrostatically-driven device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電引力を利用して駆動する静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスに関するものである。 The present invention relates to an electrostatic driving element that drives using electrostatic attraction and an electrostatic driving device including the same.
図12(a)には静電駆動素子の一つである可変容量素子の主要構成部分の一例が模式的な平面図により示され、図12(b)には図12(a)のA−A部分の可変容量素子の模式的な断面図が示されている。図12(a)、(b)に示される可変容量素子40はガラス基板41を有し、このガラス基板41の表面には固定電極42が形成され、当該固定電極42の表面上には絶縁材料から成る保護膜46が形成されている。また、ガラス基板41の表面には、固定電極42の形成領域を間隔を介して囲む形態で固定部43が固設されている。固定電極42の上方側には可動部44が浮いた状態で配置されており、当該可動部44は、梁45A,45Bにより両持ち梁状の形態でもって固定部43に支持固定されている。梁45A,45Bは、図12(b)の上下方向に撓み変形可能であり、これにより、可動部44が固定電極42に対して遠近方向に変位可能となっている。
FIG. 12A is a schematic plan view showing an example of main components of a variable capacitance element that is one of electrostatic drive elements, and FIG. 12B shows an A- of FIG. 12A. A schematic cross-sectional view of the variable capacitance element of portion A is shown. A
可変容量素子40の例では、固定部43と可動部44と梁45A,45Bは半導体基板(例えばシリコン基板)をエッチング加工して作製されている。可動部44は、不純物をドープすることにより電気抵抗値が下げられており、可動電極として機能する。この可動部(可動電極)44と、固定電極42とは、コンデンサを構成している。
In the example of the
可変容量素子40は上記のように構成されており、この可変容量素子40には電圧印加手段48が接続される。電圧印加手段48は可動部44と固定電極42間に電圧を印加するものであり、電圧源49とスイッチ手段50を有して構成されている。そのスイッチ手段50がオンすると、電圧源49の電圧が可動部44と固定電極42との間に印加されて、可動部44と固定電極42間に静電引力Fが発生する。この静電引力Fによって、図12(c)の実線に示されるように、梁45A,45Bの弾性変形(撓み変形)により可動部44が固定電極42側に変位する。これにより、可動部44と固定電極42との間の間隔が狭くなって、可動部(可動電極)44と固定電極42間の静電容量が大きくなる方向に変化する。
The
また、スイッチ手段50がオフして可動部44と固定電極42間の電圧印加が停止すると、可動部44と固定電極42間の静電引力Fの発生が停止する。このため、梁45A,45Bの弾性力によって図12(c)の鎖線に示されるように可動部44が固定電極42から離れる方向に変位する。これにより、可動部44と固定電極42間の間隔が広くなり、可動部(可動電極)44と固定電極42間の静電容量が小さくなる方向に変化する。このように、静電引力Fにより可動部44を変位させることによって、可動部44と固定電極42間の間隔が広狭に変化して、可動部44と固定電極42から成るコンデンサの静電容量の大きさが変化する。
When the switch means 50 is turned off and the voltage application between the
ところで、可動部44と固定電極42間の静電引力(駆動力)Fと、梁45A,45Bの弾性力とによって可動部44を図12(c)の鎖線に示される位置と図12(c)の実線に示される位置との間で繰り返し変位させるためには、静電引力Fは、梁45A,45Bの弾性力に関連付けられた次の数式(1)により求まる大きさであることが望ましい。
By the way, the position indicated by the chain line in FIG. 12 (c) and the position shown in FIG. 12 (c) by the electrostatic attractive force (driving force) F between the
F=k・x・・・・・(1) F = k · x (1)
ただし、kは梁45A,45Bのばね定数であり、xは静電引力Fの発生と発生停止の変化による可動部44の変位量(図12(c)参照)である。
Here, k is a spring constant of the
静電引力Fが数式(1)により求まる大きさであれば、静電引力Fが小さくて力不足となり可動部44を固定電極42側に変位させることができないという問題を防止できる。また、静電引力Fが大きすぎて梁45A,45Bが基板41側に異常変形してしまい可動部44が固定電極42側に変位したままになって可動部44が駆動しなくなるというスティッキング不良をも防止することができる。
If the electrostatic attractive force F is a magnitude determined by the mathematical formula (1), it is possible to prevent the problem that the electrostatic attractive force F is small, the force is insufficient, and the
しかしながら、可動部44の変位量xは、可動部44等を作製するための半導体基板のエッチング工程での精度に起因してばらつくので、可動部44を駆動させるに適切な静電引力Fの大きさもばらつき、次に示すような問題が発生してしまう。つまり、適切な静電引力Fの大きさがばらつくにも拘わらず、実際には、予め設定された可動部44の変位量xの設計値に基づいた静電引力Fでもって可動部44が駆動されるので、静電引力Fが大きすぎて前記スティッキング不良が発生したり、静電引力Fが小さくて可動部44を固定電極42側の所定位置まで変位させることができないことがある。特に、近年は、可変容量素子40の省電力化のために静電引力Fを小さくすべく可動部44の変位量xを狭くする傾向にあり、これにより、可動部44の変位量xのばらつきが大きくなってきている。このため、前記スティッキング不良発生の問題が発生し易くなる。また、そのスティッキング不良を防止するために静電引力Fを小さくすると、可動部44を固定電極42側の所定位置まで変位できない事態が発生し、これにより、可動部44と固定電極42間の静電容量の大きさが予め定められた設定値からずれて可変容量素子40の性能に対する信頼性を低下させてしまう。
However, since the displacement amount x of the
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、可動部を安定的に設計通りに駆動させることができて性能に対する信頼性を高めることができる静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electrostatic drive element capable of stably driving a movable part as designed and improving reliability of performance. An object is to provide an electrostatic drive device including the same.
上記目的を達成するために、本発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明の静電駆動素子は、
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して上に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
前記梁の凸形状の頂部を押圧する駆動用固定電極と、
を有し、
前記駆動用固定電極と前記可動部間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記駆動用固定電極に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が広くなる方向に変化することを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration as means for solving the above-mentioned problems. That is, the electrostatic drive element of the present invention is
A substrate,
A fixed conductor pattern formed on the surface of the substrate;
A fixed portion fixed to the surface of the substrate;
A beam having one end connected to the fixed portion;
A movable part connected to the other end of the beam and arranged to face the substrate;
A movable conductor pattern formed on the substrate-side surface of the movable portion and facing the fixed conductor pattern;
A material part having an expansion coefficient different from that of the beam in order to make the shape of the beam formed on the beam convex upward with respect to the substrate;
A driving fixed electrode that presses the convex top of the beam;
Have
Due to the generation of electrostatic attraction by applying a voltage between the driving fixed electrode and the movable part, the movable part is displaced in a direction approaching the driving fixed electrode with the convex top of the beam as a fulcrum. It is characterized in that the distance between the conductor pattern and the fixed conductor pattern changes in the direction of increasing.
また、本発明の静電駆動素子は、
基板と、
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して下に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
を有し、
前記梁の凸形状の頂部が押圧状態で前記基板に当接されている構成と成しており、
前記可動導体パターンと前記固定導体パターン間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記基板に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が狭くなる方向に変化することをも特徴としている。
In addition, the electrostatic drive element of the present invention is
A substrate,
A fixed conductor pattern formed on the surface of the substrate;
A fixed portion fixed to the surface of the substrate;
A beam having one end connected to the fixed portion;
A movable part connected to the other end of the beam and arranged to face the substrate;
A movable conductor pattern formed on the substrate-side surface of the movable portion and facing the fixed conductor pattern;
A material part having an expansion coefficient different from that of the beam in order to make the shape of the beam formed on the beam convex downward with respect to the substrate;
Have
The convex top of the beam is configured to be in contact with the substrate in a pressed state,
Due to the generation of electrostatic attraction by applying a voltage between the movable conductor pattern and the fixed conductor pattern, the movable portion is displaced in a direction approaching the substrate with the convex top of the beam as a fulcrum, and the movable conductor pattern and It is also characterized in that the distance from the fixed conductor pattern changes in the direction of narrowing.
さらに、本発明の静電駆動デバイスは、本発明における特有な構成を持つ静電駆動素子を有していることを特徴としている。 Furthermore, the electrostatic drive device of the present invention is characterized by having an electrostatic drive element having a configuration unique to the present invention.
本発明によれば、梁は基板に対して上あるいは下に凸の形状を有しており、当該梁は、その凸形状の頂部が押圧されて、可動部を変位させるための静電引力が発生しているときも発生していないときも、弾性変形している状態となっている。この構成の場合には、可動部を変位させるための静電引力(駆動力)の適切な大きさは、前記静電引力が発生していないときの弾性変形状態の梁の応力が主に関与して決定されるものである。このため、エッチング加工精度の問題等によって、梁の厚みや、駆動用固定電極と可動部間の間隔や、可動導体パターンと可動部間の間隔が設計値に対してばらついても、前記静電引力の適切な大きさが大きくばらつくことを防止することができる。これにより、静電引力が大きすぎることに因る問題発生や、静電引力不足に因る問題発生を抑制することができて、可動部を安定的に設計通りに駆動させることが容易となる。 According to the present invention, the beam has a convex shape upward or downward with respect to the substrate, and the beam has an electrostatic attraction force for displacing the movable part by pressing the top of the convex shape. It is in an elastically deformed state both when it occurs and when it does not occur. In this configuration, the appropriate magnitude of the electrostatic attractive force (driving force) for displacing the movable part is mainly related to the stress of the elastically deformed beam when the electrostatic attractive force is not generated. To be determined. For this reason, even if the thickness of the beam, the distance between the fixed electrode for driving and the movable part, or the distance between the movable conductor pattern and the movable part varies from the design value due to problems in etching processing accuracy, It is possible to prevent the appropriate magnitude of the attractive force from greatly varying. As a result, it is possible to suppress the occurrence of problems due to excessive electrostatic attraction and the occurrence of problems due to insufficient electrostatic attraction, and it is easy to drive the movable part stably as designed. .
梁が基板に対して上に凸の形状を有している構成では、可動部は、前記静電引力が発生していないときには、梁の弾性力によって基板側に押し付けられている状態となる。このため、前記静電引力が発生しているときはもちろんのこと、前記静電引力が発生していないときも可動部を予め設定された位置に安定的に配置することができて、可動導体パターンと固定導体パターン間の間隔をほぼ正確に予め定められた設定値にすることができる。この結果、静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスにおける性能の信頼性を高めることができる。 In the configuration in which the beam has a convex shape with respect to the substrate, the movable portion is pressed against the substrate side by the elastic force of the beam when the electrostatic attraction is not generated. For this reason, not only when the electrostatic attractive force is generated, but also when the electrostatic attractive force is not generated, the movable portion can be stably disposed at a preset position, and the movable conductor The interval between the pattern and the fixed conductor pattern can be set to a predetermined set value almost accurately. As a result, the reliability of the performance of the electrostatic driving element and the electrostatic driving device including the electrostatic driving element can be increased.
また、梁が基板に対して下に凸の形状を有している構成の場合も、上記同様に、静電引力が発生していないときには梁の弾性力によって可動部の配置位置を安定化できて可動導体パターンと固定導体パターン間の間隔を設定値にできる。このため、静電駆動素子およびそれを備えた静電駆動デバイスにおける性能の信頼性を高めることができる。 Also, in the case where the beam has a convex shape downward with respect to the substrate, the arrangement position of the movable part can be stabilized by the elastic force of the beam as described above when the electrostatic attractive force is not generated. Thus, the interval between the movable conductor pattern and the fixed conductor pattern can be set to a set value. For this reason, the reliability of the performance in an electrostatic drive element and an electrostatic drive device provided with the same can be improved.
さらに、この発明では、静電引力によって可動部が変位するときには、梁の凸形状の頂部を支点として可動部が変位する構成である。この構成を備えていることによって、可動部が梁と固定部との接合部分を支点として変位する構成のものに比べて、可動部と支点との距離が短くなるので、梁の弾性力を強くすることができる。このことも可動部を安定的に良好に駆動させることができる重要な要素である。 Furthermore, in this invention, when the movable part is displaced by electrostatic attraction, the movable part is displaced using the convex top of the beam as a fulcrum. With this configuration, the distance between the movable part and the fulcrum is shorter than the structure in which the movable part is displaced with the joint between the beam and the fixed part as a fulcrum. can do. This is also an important factor that enables the movable part to be driven stably and satisfactorily.
さらに、本発明では、梁は、当該梁とは異なる膨張係数を持つ材質部を設けることによって凸形状に変形している。このため、機械加工により梁を凸形状に変形する場合に比べて、確実にしかも歩止まり悪化を抑えながら梁を凸形状に変形させることができる。 Furthermore, in the present invention, the beam is deformed into a convex shape by providing a material portion having an expansion coefficient different from that of the beam. For this reason, compared with the case where a beam is deformed into a convex shape by machining, the beam can be deformed into a convex shape with certainty while suppressing deterioration in yield.
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施形態例の説明で使用する図1〜図11は、説明を分かり易くするためにデフォルメして描かれており、図1〜図11に示される静電駆動素子の各構成部分の寸法比は、実際の寸法比とは異なっている。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that FIGS. 1 to 11 used in the description of the embodiment described below are drawn in a deformed manner for easy understanding, and each configuration of the electrostatic drive element shown in FIGS. The dimensional ratio of the part is different from the actual dimensional ratio.
図1(a)には第1実施形態例の静電駆動素子の一例である可変容量素子の主要構成部分が模式的な平面図により示され、図1(b)には図1(a)の上方側から下方側に可変容量素子を投影したときの模式的な側面図が示され、図1(c)には図1(a)のA−A部分の可変容量素子の模式的な断面図が示されている。この第1実施形態例の可変容量素子1は、基板2と、固定導体パターン3a,3bと、可動部4と、固定部5と、梁6a,6bと、可動導体パターン7と、駆動用固定電極8とを有して構成されている。
FIG. 1A is a schematic plan view showing main components of a variable capacitance element which is an example of an electrostatic drive element according to the first embodiment, and FIG. FIG. 1C is a schematic side view when the variable capacitance element is projected from the upper side to the lower side of FIG. 1, and FIG. 1C is a schematic cross-sectional view of the variable capacitance element in the AA portion of FIG. The figure is shown. The
すなわち、基板2はガラス基板を用いて形成され、その厚みは約100μmである。固定導体パターン3a,3bは、それぞれ、基板2の表面に銅(Cu)等の導体層によって形成されており、その厚みは約5μmであり、高周波用電極として用いる。固定導体パター3a,3bが形成された基板2の表面全面には絶縁かつ保護膜としての機能を有するSiO2等から成る絶縁膜11が形成されている。なお、基板2には、図1(c)に示す底面から各固定導体パターン3a,3bにそれぞれ達する孔部19a,19bが形成され、当該孔部19a,19bの内部には導体材料が形成されている。孔部19a,19bの導体材料を介して、各固定導体パターン3a,3bは、それぞれ、外部と電気的に接続できる構成となっている。
That is, the
可動部4は基板2の上方側に浮いた状態であり、固定導体パターン3a,3bの両方と向き合うように可動部4の大きさおよび配置位置が設定されている。当該可動部4は固定導体パターン3a,3bに対して遠近方向に変位可能となっている。この可動部4はSiにより構成されており、そのSiへのボロン等の不純物の注入により、電気抵抗値が例えば200Ωmであったものがそれよりも低抵抗化されて電極として機能できるようになっている。この可動部4の上面側には酸化層9が形成され、また、可動部4の下面側にも酸化層(図面簡略化のため図示せず)が形成されている。その上面側の酸化層9の厚みは50nm以下というように非常に薄いものであり、また、下面側の酸化層の厚みは約2μmである。
The
可動部4の下面側には可動導体パターン7が埋め込み形成されている。その可動導体パターン7は銅(Cu)等の導体層によって形成され、高周波用電極として用いる。可動導体パターン7の厚みは0.2μm程度であり、可動部4の下面側の酸化層よりも薄くて当該酸化層によって可動導体パターン7は可動部4と絶縁されている。この可動導体パターン7は、固体導体パターン3a,3bの両方に向き合う大きさを有し、それら固体導体パターン3a,3bと共に、図4に示される回路を構成する。つまり、固定導体パターン3aと可動導体パターン7により可変コンデンサC1が形成され、また、固定導体パターン3bと可動導体パターン7により可変コンデンサC2が形成され、それら可変コンデンサC1,C2は直列抵抗成分Rc1,Rc2と共に直列接続回路を構成している。
A
可動導体パターン7の表面は可動部4の外部に露出しており、当該可動導体パターン7の表面上には絶縁膜10が形成されている。ところで、可動導体パターン7の表面はフラットであることが好ましいが、Siから成る可動部4に、Siよりも膨張係数の大きい可動導体パターン7が形成されると、可動部4および可動導体パターン7が反ってしまう。このことから、絶縁膜10は、その可動部4および可動導体パターン7の反りを矯正できるように、膨張係数を考慮した構成材料や膜厚でもって形成されており、当該絶縁膜10によって可動導体パターン7の表面はフラットになっている。また、絶縁膜10は可動部4が固定導体パターン3a,3b側に変位したときの緩衝部材としても機能する。
The surface of the
固定部5は可動部4の配置領域を間隔を介して囲む枠状と成し、基板2に陽極接合手法によって固設されている。梁6a,6bは、それぞれ、その一端側が可動部4に連接され、他端側は固定部5に連接されており、2本の梁6a,6bは可動部4を両側から固定部5に支持固定している。この例では、梁6aと可動部4の連接部分と、梁6bと可動部4の連接部分とは、互いに四角形状の可動部4の対角となる位置関係にある。また、梁6a,6bは、可動部4を間にして互いに平行状となる部位を有している。当該梁部6a,6bは、薄板状に、また、狭幅に形成されており、基板2に対して遠近方向に撓み変形可能になっている。
The fixed
また、梁6a,6bはSiにより構成され、当該梁6a,6bのそれぞれにおけるM領域(図1(a)参照)の下面側には、銅(Cu)等の金属材料が埋め込まれて金属層(材質部)18が形成されている。つまり、梁6a,6bのM領域は、Siよりも膨張係数の大きい金属層18と、Si層とが基板2側から上側に順に積層形成された積層構造となっている。このため、熱膨張係数の差違による金属層18の応力によって、梁部6a,6bのM領域は基板2の表面に対して上に凸の形状(基板2から離れる方向に膨らんだ形状)の湾曲部分17となっている。この湾曲部分17の膨らみ変形量は、金属層18の形成面積や厚みが大きくなるに従って大きくなるというように金属層18によって調整できる。このことから、この第1実施形態例では、金属層18は、各梁6a,6bの湾曲部分17の膨らみ変形量x1(図2の分解図を参照)が、梁6a,6bと駆動用固定電極8との間の間隔x2よりも大きくなるように、金属層18の構成材料の膨張係数を考慮した層の厚みや形成面積でもって形成されている。
The
なお、梁6a,6bは、可動部4と同様に、ボロン等の不純物拡散によって低電気抵抗化されて電流が通電し易くなっている。また、可変容量素子1には、梁6a(6b)を介して可動部4を外部に電気的に接続させるための外部接続端子(図示せず)が設けられている。さらに、梁6a,6bの上下両面側には、可動部4と同様に、酸化層が形成され、下面側の酸化層の厚みは約2μmであり、上側の酸化層の厚みは50nm以下の非常に薄い層である。それら酸化層は金属層18による梁6a,6bの湾曲変形を妨げるものではない。また、下面側の酸化層によって金属層18と梁6a,6bとは絶縁されている。
The
駆動用固定電極8は可動部4と固定部5と梁6の上方側に共通に配置され絶縁層13を介して固定部5と接合しており、基板2および固定部5と共に、可動部4を収容する閉空間を形成している。また、この駆動用固定電極8は、梁6a,6bとの間の間隔(絶縁層13の厚み)x2が梁6a,6bの湾曲部分17の膨らみ変形量x1よりも狭いため、梁6a,6bの湾曲部分17の頂部を押圧し当該湾曲部分17を基板2側に弾性変形させている。さらに、駆動用固定電極8はSiにより構成され、可動部4や梁6と同様に、不純物拡散処理によって低電気抵抗化されている。この駆動用固定電極8の基板2側の表面側にはSiO2等の絶縁層16が形成されている。この絶縁層16は、可動部4および梁6a,6bの上面側の酸化層と共に、可動部4および梁6a,6bと、駆動用固定電極8とを絶縁している。可変容量素子1には、駆動用固定電極8を外部に接続させるための外部接続端子(図示せず)が設けられている。
The driving fixed
第1実施形態例の可変容量素子1は上記のように構成されている。この可変容量素子1は、図1(b)や図3(a)、(b)に示されるような電圧印加手段20が接続された状態で1パッケージ化されることによって静電駆動デバイスを構成する。電圧印加手段20は、可変容量素子1の可動部4と駆動用固定電極8との間に直流電圧(例えば3V)を印加するものであり、電圧源21と、スイッチ手段22とを有して構成されている。
The
電圧印加手段20のスイッチ手段22がオンして、電圧源21に基づいた電圧が駆動用固定電極8と可動部4との間に印加されると、駆動用固定電極8と可動部4との間に静電引力が発生する。この静電引力によって可動部4が、梁6a,6bの湾曲部分17の頂部と駆動用固定電極8との当接部分を支点として、図3(a)の状態から図3(b)に示されるように駆動用固定電極8側に変位し、これにより、可動導体パターン7と固定導体パターン3a,3bとの間の間隔が広がる。このため、可動導体パターン7と固定導体パターン3a,3bから成る可変コンデンサC1,C2の静電容量は小さくなる。
When the switch means 22 of the voltage application means 20 is turned on and a voltage based on the
また、電圧印加手段20のスイッチ手段22がオフすると、駆動用固定電極8と可動部4との間の電圧印加が無くなって駆動用固定電極8と可動部4間の静電引力が無くなる。このために、梁6a,6bの湾曲部分17の弾性復帰方向の弾性力によって、可動部4は、湾曲部分17の頂部と駆動用固定電極8との当接部分を支点として図3(a)に示されるように基板2側に変位し、絶縁層10を介して固定導体パターン3a,3bに弾性押圧状態で係止する。これにより、可動導体パターン7と固定導体パターン3a,3bとの間の間隔が狭くなって、可変コンデンサC1,C2の静電容量が大きくなる。
Further, when the switch means 22 of the voltage application means 20 is turned off, voltage application between the driving fixed
この第1実施形態例では、可動部4と駆動用固定電極8間に静電引力が発生していないときにも梁6a,6bの湾曲部分17は弾性変形した状態であり、当該湾曲部分17の弾性力によって可動部4は基板2に係止している。この状態のときに可動部4が基板2を押圧している力Foffは、梁6a,6bの湾曲部分17の弾性力に基づいたものであり、Foff=k・x1の数式で表すことができる。ただし、その数式中の符号kは梁6a,6bの湾曲部分17のばね定数であり、x1は湾曲部分17の膨らみ変形量(図2参照)である。
In the first embodiment, the
また、可動部4を駆動用固定電極8に引き寄せて図3(b)に示されるような状態に変位させるために可動部4と駆動用固定電極8間に生じさせる静電引力Fsは、梁6a,6bの湾曲部分17の弾性力に抗して絶縁層13の厚みx2分(図2参照)だけ可動部4を変位させることと、静電引力Fsの過剰な大きさに因る梁6の異常変形を防止することとを考慮して、Fon=k・(x1+x2)の数式により表される力Fonよりもやや強い力であることが好ましい。このことによって、可動部4と駆動用固定電極8間に生じさせる静電引力Fsは、力Fonに基づいた適切な大きさが設定される。
Further, the electrostatic attractive force Fs generated between the
この第1実施形態例では、梁6a,6bの湾曲部分17の膨らみ変形量x1は可動部4の変位量x2よりも大きいので、可動部4の変位量x2が、力Fon(Fon=k・(x1+x2))に基づいた静電引力Fsの適切な大きさに与える影響は小さい。このため、可動部4の変位量x2がエッチングの加工精度等によってばらついても静電引力Fsの適切な大きさはほぼ同程度であり、静電引力Fsの適切な大きさの安定化を図ることができる。これにより、可動部4の変位量x2のばらつきの悪影響を殆ど受けずに可動部4を安定的に駆動させることができることとなる。
In the first embodiment, since the bulging deformation amount x1 of the
次に、この第1実施形態例の可変容量素子1の製造工程の一例を図5〜図7のモデル図に基づいて説明する。なお、図5〜図7は、それぞれ、図1(a)に示す上方側から下方側に投影した模式的な側面の図である。
Next, an example of the manufacturing process of the
図5(a)に示されるようなSOI基板15を用意する。SOI基板15は、支持層12と絶縁層(BOX層)13と活性層14が順に積層され一体化した基板であり、例えば、支持層12はn型半導体であるn+Siにより構成され、その厚みは約400μmである。また、絶縁層13はSiO2により構成され、その厚みは約0.3μmである。さらに、活性層14はp型Siにより構成され、その厚みは約5μmである。
An
まず、SOI基板15の活性層14にボロン等の不純物を熱拡散して活性層14を低電気抵抗化する。また、SOI基板15の支持層12も同様に低電気抵抗化する。次に、熱酸化処理により、活性層14の表面側の全領域に渡って例えば約2μmの厚みのSiO2の酸化層を形成する。その後、その活性層14の表面側には、図5(b)に示されるように可動導体パターン7を形成する部分に凹部23aを、また、各梁6a,6bの湾曲部分17の金属層18を形成する部分に凹部23bを、それぞれ、エッチング加工によって形成する。それら各凹部23a,23bの深さは、それぞれ、可動導体パターン7や金属層18の厚みに応じたものである。そして、凹部23a,23bの形成後には、活性層14の表面全面に、図5(c)に示されるように、可動導体パターン7および金属層18を構成する導体材料(例えば銅)24を例えばメッキにより形成する。その後、例えばCMP(Chemical-Mechanical-Plenarization)技術により活性層14の表面平坦化処理を行って、図5(d)に示されるように、凹部23a,23b内の導体材料24以外の導体材料24を除去する。これにより、埋め込み型電極(埋め込み型導体パターン)の形態を持つ可動導体パターン7、および、金属層18が形成される。然る後に、図5(e)に示されるように、可動導体パターン7の表面上にSiO2の絶縁層10を成膜する。
First, an impurity such as boron is thermally diffused into the
その後、可動部4と固定部5と梁6a,6bとなる部分以外の活性層14の部分をエッチング加工(RIE加工)により除去し、図1(a)に示されるような形状の可動部4と固定部5と梁6a,6bを形成する。そして、固定部5に接合している絶縁層13の部位のみを残し、他の絶縁層13の部位は例えばHF水溶液を用いた犠牲層エッチングにより除去する。この絶縁層13の除去によって、可動部4と梁6a,6bは薄い平板状に形成される。これにより、梁6a,6bは撓み変形し易くなる。また、図5(f)に示されるように、梁6a,6bにおける金属層18の形成部分は、梁6a,6bを形成しているSiよりも膨張係数の大きい金属層18の応力によって上に凸の形状に湾曲変形して湾曲部分17が形成される。また、可動部4は、可動導体パターン7の表面上の絶縁膜10によって湾曲変形が回避されてフラットの状態が維持される。
Thereafter, the portion of the
絶縁層13の犠牲層エッチング工程の後には、可動部4と梁6a,6bと駆動用固定電極8との表面を例えば酸および過酸化水素等から成る酸化剤を用いて酸化させてSiO2の酸化層16,9を形成する。その後、シランカップリング剤を用いた疎水化処理により乾燥させる。
After the sacrificial layer etching process of the insulating
一方、別の工程で、図6(a)に示されるような例えば400μmの厚みを持つガラスの基板2の表面に固定導体パターン3a,3bを形成する。その固定導体パターン3a,3bは、可動導体パターン7等と同様に形成することができる。つまり、図6(b)に示されるように、基板2の表面における固定導体パターン3a,3bとなるそれぞれの部分に凹部25を例えばエッチングにより形成し、その後、図6(c)に示されるように、基板2の表面全面に例えばメッキによって固定導体パターン3a,3bの構成材料である例えば銅等の導体材料26を形成する。そして、図6(d)に示されるように、基板2の表面を例えばCMP技術により表面平坦化処理して凹部25内の導体材料26以外の導体材料26を除去する。このようにして、埋め込み型電極(埋め込み型導体パターン)の形態を持つ固定導体パターン3a,3bが形成される。
On the other hand, fixed
その後、図6(e)に示されるように、基板2の表面の、固定部5と接合する部分と、固定導体パターン3が形成されている部分とを少なくとも残し、それ以外の基板2の表面部分をエッチングによって深さ1μm程度掘り下げて凹部27を形成する。このエッチング工程の後に、基板2の表面全領域に、例えば厚みが100nm程度のSiO2の絶縁膜11をスパッタ手段等を用いて形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 6E, at least a portion of the surface of the
然る後に、図5(f)に示されている固定部5と、図6(e)に示されている基板2とを図7(a)に示すように陽極接合手法により接合する。これにより、可動部4が絶縁層10を介して固定導体パターン3a,3bに係止し、また、梁6a,6bの湾曲部分17の頂部が駆動用固定電極8に当接し、駆動用固定電極8からの押圧力によって湾曲部分17は基板2側に弾性変形した状態となる。その後、図7(b)に示されるように、基板2の表面を研削、研磨加工して基板2を例えば100μm程度に薄肉化する。然る後に、固定導体パターン3a,3bや可動導体パターン7等にそれぞれ対応した外部接続端子を構成する各孔部をそれぞれ例えばサンドブラスト加工等により形成し、当該各孔部の内部にそれぞれ導体材料を設ける。
Thereafter, the fixing
上記のような製造工程を経て、第1実施形態例の可変容量素子1を製造することができる。
Through the manufacturing process as described above, the
なお、この第1実施形態例では、可動部4は2本の梁6a,6bにより支持固定されていたが、例えば、図8の模式的な平面図に示されるように、可動部4は、4本の梁6a〜6dによって固定部5に支持固定されている構成としてもよい。このように、可動部を支持固定する梁は、基板に対して遠近方向に撓み変形可能で可動部を基板の表面の法線方向に変位させることができれば、その形成数や形状は限定されるものではない。ただし、梁には、当該梁の構成材料とは膨張係数の異なる材質部が設けられて基板に対して上に凸の形状の湾曲部分が形成され、当該梁の湾曲部分の頂部は梁の上側の駆動用固定電極に押圧状態で当接されて梁の湾曲部分が弾性変形した状態になる構成を有する。
In the first embodiment, the
以下に、第2実施形態例を説明する。なお、第2実施形態例の説明において、第1実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。 The second embodiment will be described below. In the description of the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the duplicate description of the common portions is omitted.
図9(a)には第2実施形態例の静電駆動素子であるシャント型のスイッチ素子の主要構成部分が模式的な平面図により示され、図9(b)には図9(a)のA−A位置に対応するスイッチ素子の模式的な断面図が示されている。この第2実施形態例のスイッチ素子30では、基板2の表面側には3本の固定導体パターン3s,3g1,3g2が形成されている。それら固定導体パターン3s,3g1,3g2はコプレーナー線路(CPW線路)を構成しており、固定導体パターン3sが例えば5GHz以上の高周波の信号導通用の信号線(線路パターン)と成し、当該固定導体パターン3sを間隔を介して挟み込む形態で配置される固定導体パターン3g1,3g2はグランド線(線路パターン)と成している。
FIG. 9A is a schematic plan view showing main components of a shunt-type switch element that is an electrostatic drive element according to the second embodiment, and FIG. A schematic cross-sectional view of the switch element corresponding to the A-A position is shown. In the
可動部4は、固定導体パターン3s,3g1,3g2の上方側に配置され、当該可動部4の固定導体パターン3s,3g1,3g2側の表面には可動導体パターン7が形成されている。当該可動導体パターン7は、3本の固定導体パターン3s,3g1,3g2に共通に対向配置するように、その形成位置および大きさが設定されている。
The
この第2実施形態例のスイッチ素子30の上記以外の構成は、第1実施形態例の静電駆動素子である容量可変素子1と同様であり、この第2実施形態例においても、第1実施形態例と同様に、各梁6a,6bには、それぞれ、金属層18が形成され当該金属層18によって基板2に対して上に凸の形状の湾曲部分17が設けられている。この湾曲部分17の凸形状の頂部は駆動用固定電極8に当接し湾曲部分17は基板2側に弾性変形した状態で配設されている。
The rest of the configuration of the
この第2実施形態例のスイッチ素子30は、図9(b)に示される電圧印加手段20が接続され1パッケージ化されて静電駆動デバイスを構成する。図9(b)に示されるように、電圧印加手段20のスイッチ手段22がオフ状態であり可動部4と駆動用固定電極8との間に静電引力が発生していないときには、梁6a,6bの湾曲部分17の弾性力によって可動部4が基板2側に変位して固定導体パターン3s,3g1,3g2と可動導体パターン7との間の間隔が非常に狭くなって固定導体パターン3s,3g1,3g2と可動導体パターン7との間の静電容量が大きくなる。この状態では、信号線3sは可動導体パターン7を介してグランド線3g1,3g2に短絡している状態と等価になる。このために、信号線3sを導通している高周波信号は、可動導体パターン7に対向している信号線3sの位置で反射されて、信号線3s(CPW線路)の高周波信号の導通はオフとなる。また、スイッチ手段22がオン状態となって可動部4と駆動用固定電極8との間に静電引力が発生したときには、可動部4が基板2側から離れる方向(駆動用固定電極8に近付く方向)に変位して固定導体パターン3s,3g1,3g2と可動導体パターン7との間の間隔が広がって固定導体パターン3s,3g1,3g2と可動導体パターン7との間の静電容量が小さくなる。この状態では、信号線3sから可動導体パターン7を介してグランド線3g1,3g2を見たときにオープンと等価になる。このため、信号線3sの高周波信号の導通がオンする。このように、可動部4の駆動(変位)による可動導体パターン7と固定導体パターン3s,3g1,3g2との間の間隔の広狭による可動導体パターン7と固定導体パターン3s,3g1,3g2との間の静電容量の大小よって信号線3sの高周波信号の導通オン・オフが制御される。
The
以下に、第3実施形態例を説明する。なお、この第3実施形態例の説明では、第1実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。 The third embodiment will be described below. In the description of the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping description of common portions is omitted.
図10(a)には第3実施形態例の静電駆動素子であるコンタクト型のスイッチ素子の主要な構成部分が模式的な平面図により示され、図10(b)には図10(a)のA−A位置に対応するスイッチ素子の模式的な断面図が示されている。この第3実施形態例のスイッチ素子31では、固定導体パターン3a,3bはマイクロストリップ線路を構成するものであり、片端側同士が間隔を介し向き合う状態で配置されている。また、この第3実施形態例では、第1実施形態例に示されている固定導体パターン3a,3b上の絶縁膜11が省略され、さらに、可動導体パターン7上の絶縁膜10に代えて、可動導体パターン7上には緩衝部材として例えば金(Au)等の導体膜32が形成されている。第3実施形態例のスイッチ素子31の上記以外の構成は第1実施形態例の静電駆動素子である容量可変素子1の構成と同様であり、この第3実施形態例においても、各梁6a,6bには、金属層18が形成され当該金属層18によって基板2に対して上に凸形状に湾曲変形した湾曲部分17を有する。その湾曲部分17の頂部が駆動用固定電極8に当接し駆動用固定電極8からの押圧力によって湾曲部分17が基板2側に弾性変形した状態で配設されている。
FIG. 10A is a schematic plan view showing main components of a contact-type switch element that is an electrostatic drive element of the third embodiment, and FIG. ) Is a schematic cross-sectional view of the switch element corresponding to the A-A position. In the
この第3実施形態例のスイッチ素子31は、図10(b)に示される電圧印加手段20が接続され1パッケージ化されて静電駆動デバイスを構成する。電圧印加手段20のスイッチ手段22がオフ状態であり可動部4と駆動用固定電極8間に静電引力が発生していないときには、梁6a,6bの湾曲部分17の弾性力によって可動部4が基板2側に変位して、可動導体パターン7が導体膜32を介して固定導体パターン3a,3bの両方に電気的に直接接続する(接触状態となる)。これにより、固定導体パターン3a,3bは可動導体パターン7を介して導通状態となる。また、スイッチ手段22がオン状態となって可動部4と駆動用固定電極8間に静電引力が発生しているときには、その静電引力によって可動部4が基板2から離れる方向(駆動用固定電極8側)に変位し、可動導体パターン7が固定導体パターン3a,3bから離れる(非接触状態となる)。これにより、固定導体パターン3a,3b間の信号導通はオフとなる。
The
このように、可動導体パターン7と固定導体パターン3a,3bとの間の間隔を広狭変化させる可動部4の駆動(変位)によって、可動導体パターン7と固定導体パターン3a,3bが接触状態又は非接触状態となって、固定導体パターン3a,3b間の信号の導通オン・オフが制御される。
As described above, the
なお、この発明は第1〜第3の各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第1〜第3の各実施形態例では、梁6a,6bのM領域の基板2側に、当該梁6a,6bの構成材料であるSiよりも膨張係数の大きい金属層18を形成することによって、基板2に対して上に凸形状の湾曲部分17を形成していたが、例えば、梁6a,6bのM領域の駆動用固定電極8側に、当該梁6a,6bの構成材料よりも膨張係数の小さい例えば酸化層を形成し、当該酸化層の応力によって、基板2に対して上に凸形状の湾曲部分17を形成してもよい。
In addition, this invention is not limited to the form of each 1st-3rd embodiment, Various embodiments can be taken. For example, in each of the first to third embodiments, the
また、例えば、第1〜第3の各実施形態例では、梁6a,6bの湾曲部分17は基板2に対して上に凸の形状であったが、例えば、図11(a)に示されるように、湾曲部分17は基板2に対して下に凸の形状(基板側に膨らみ変形した形状)であってもよく、その下に凸形状の湾曲部分17の頂部を基板2に押圧当接させ湾曲部分17を弾性変形させた状態で配設させてもよい。その下に凸形状の湾曲部分17は、梁6a,6bの基板2側に、梁6a,6bの構成材料であるSiよりも膨張係数の小さい酸化層等の絶縁層(材質部)33を形成し当該絶縁層33の応力によって形成することができる。あるいは、下に凸形状の湾曲部分17は、梁6a,6bの駆動用固定電極8側に、梁6a,6bの構成材料(Si)よりも膨張係数の大きい金属層(材質部)を形成し当該金属層の応力によって形成することができる。
Further, for example, in each of the first to third embodiments, the
湾曲部分17を基板2に対して下に凸の形状とする場合には、電圧印加手段20によって固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7間に直流電圧を印加して可動部4を変位駆動させる。つまり、電圧印加手段20のスイッチ手段22がオフ状態のときには、固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7間に直流電圧は印加しておらず当該固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7間に静電引力は発生しない。このとき、可動部4は梁6a,6bの湾曲部分17の弾性力によって駆動用固定電極8に押圧係止している状態である。スイッチ手段22がオン状態になると、固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7との間に電圧源21に基づいた直流電圧が印加して当該固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7間に静電引力が発生する。この静電引力によって、可動部4は、梁6a,6bの湾曲部分17の頂部と基板2との当接部分を支点として基板2側に変位する。これにより、固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7との間の間隔が狭くなる。このように固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7との間の間隔が広狭変化して固定導体パターン3a,3bと可動導体パターン7との間の静電容量が大小に変化する。
When the
また、第2と第3の各実施形態例のスイッチ素子30,31では、可動部4は2本の梁6a,6bによって固定部5に支持固定される構成であったが、第2と第3の各実施形態例に示したスイッチ素子30,31に関しても、図8に示されるように、可動部4は、4本の梁6a〜6dによって固定部5に支持固定される構成であってもよい。このように、梁の形成数や形状は図面に表した構成に限定されるものではない。
In the
さらに、第1〜第3の各実施形態例の静電駆動素子は、可変容量素子又はスイッチ素子が一つだけ設けられているものであったが、例えば、第1〜第3の各実施形態例に示したような可変容量素子1又はスイッチ素子30,31が複数個、基板2を共通にして互いに間隔を介してアレイ状に設けられている構成を備えた静電駆動素子としてもよい。また、アレイ状の静電駆動素子を有する静電駆動デバイスを構成してもよい。
Furthermore, although the electrostatic drive element of each of the first to third embodiments is provided with only one variable capacitance element or switch element, for example, each of the first to third embodiments. An electrostatic drive element having a configuration in which a plurality of
1 可変容量素子
2 基板
3 固定導体パターン
4 可動部
5 固定部
6 梁
7 可動導体パターン
8 駆動用固定電極
10 絶縁膜
17 湾曲部分
18 金属層
30,31 スイッチ素子
33 絶縁層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して上に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
前記梁の凸形状の頂部を押圧する駆動用固定電極と、
を有し、
前記駆動用固定電極と前記可動部間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記駆動用固定電極に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が広くなる方向に変化することを特徴とする静電駆動素子。 A substrate,
A fixed conductor pattern formed on the surface of the substrate;
A fixed portion fixed to the surface of the substrate;
A beam having one end connected to the fixed portion;
A movable part connected to the other end of the beam and arranged to face the substrate;
A movable conductor pattern formed on the substrate-side surface of the movable portion and facing the fixed conductor pattern;
A material part having an expansion coefficient different from that of the beam in order to make the shape of the beam formed on the beam convex upward with respect to the substrate;
A driving fixed electrode that presses the convex top of the beam;
Have
Due to the generation of electrostatic attraction by applying a voltage between the driving fixed electrode and the movable part, the movable part is displaced in a direction approaching the driving fixed electrode with the convex top of the beam as a fulcrum. An electrostatic driving element characterized in that a distance between a conductor pattern and the fixed conductor pattern changes in a direction in which the distance increases.
該基板の表面に形成されている固定導体パターンと、
前記基板の表面に固設されている固定部と、
該固定部に一端側が連接されている梁と、
該梁の他端側に連接され前記基板と向き合って配設されている可動部と、
該可動部の基板側の面に形成され前記固定導体パターンと対向する可動導体パターンと、
前記梁に形成され前記梁の形状を前記基板に対して下に凸の形状とするために前記梁とは異なる膨張係数を持つ材質部と、
を有し、
前記梁の凸形状の頂部が押圧状態で前記基板に当接されている構成と成しており、
前記可動導体パターンと前記固定導体パターン間の電圧印加による静電引力発生によって、前記可動部が前記梁の凸形状の頂部を支点にして前記基板に近付く方向に変位して、前記可動導体パターンと前記固定導体パターンとの間の間隔が狭くなる方向に変化することを特徴とする静電駆動素子。 A substrate,
A fixed conductor pattern formed on the surface of the substrate;
A fixed portion fixed to the surface of the substrate;
A beam having one end connected to the fixed portion;
A movable part connected to the other end of the beam and arranged to face the substrate;
A movable conductor pattern formed on the substrate-side surface of the movable portion and facing the fixed conductor pattern;
A material part having an expansion coefficient different from that of the beam in order to make the shape of the beam formed on the beam convex downward with respect to the substrate;
Have
The convex top of the beam is configured to be in contact with the substrate in a pressed state,
Due to the generation of electrostatic attraction by applying a voltage between the movable conductor pattern and the fixed conductor pattern, the movable portion is displaced in a direction approaching the substrate with the convex top of the beam as a fulcrum, and the movable conductor pattern and The electrostatic drive element according to claim 1, wherein a distance between the fixed conductor pattern and the fixed conductor pattern changes in a narrowing direction.
静電駆動素子の駆動用固定電極と可動部との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
静電駆動素子の固定導体パターンは高周波信号が導通する線路パターンであり、該固定導体パターンと可動導体パターンとの間の静電容量の大小によって固定導体パターンの高周波信号の導通オン・オフが制御されることを特徴とする静電駆動デバイス。 The electrostatic driving element according to claim 1 or 3,
Voltage application means for applying a voltage between the fixed electrode for driving the electrostatic drive element and the movable part;
Have
The fixed conductor pattern of the electrostatic drive element is a line pattern through which a high-frequency signal is conducted, and the on / off of the high-frequency signal of the fixed conductor pattern is controlled by the size of the capacitance between the fixed conductor pattern and the movable conductor pattern. An electrostatic drive device characterized by being made.
静電駆動素子の可動導体パターンと固定導体パターンとの間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
静電駆動素子の固定導体パターンは高周波信号が導通する線路パターンであり、該固定導体パターンと可動導体パターンとの間の静電容量の大小によって固定導体パターンの高周波信号の導通オン・オフが制御されることを特徴とする静電駆動デバイス。 The electrostatic driving element according to claim 2 or 3,
Voltage applying means for applying a voltage between the movable conductor pattern and the fixed conductor pattern of the electrostatic drive element;
Have
The fixed conductor pattern of the electrostatic drive element is a line pattern through which a high-frequency signal is conducted, and the on / off of the high-frequency signal of the fixed conductor pattern is controlled by the size of the capacitance between the fixed conductor pattern and the movable conductor pattern. An electrostatic drive device characterized by being made.
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