JP2012066346A - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板の上に配置された下部電極と、前記下部電極に対向する可動の上部電極と、前記上部電極を基板に対して支持すると共に上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、前記下部電極と上部電極との間に駆動電圧を供給する駆動部とを備え、前記上下両電極間の電位差の絶対値を増加させたときに上下両電極が接触し始める駆動電圧であるプルイン電圧を印加したときの前記下部電極と上部電極との間の静電容量をプルイン静電容量としたとき、前記電位差の絶対値をプルイン電圧以上に増加させたときにプルイン静電容量に対する静電容量の比率の変化率が急激に変化する第1の領域と、前記電位差の絶対値をさらに増加させたときに前記変化率が前記第1の領域よりも緩やかに変化する第2の領域とが存在し、前記駆動部は前記第2の領域における前記駆動電圧を供給する。
【選択図】図4
Description
例えば静電駆動型のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータを用いた高周波スイッチなどにおいては、制御導体や接続導体として例えばアルミ(Al)、銀、銅、金などの導電体が使用されている。しかしながら、アルミや金などは延性材料であるため、高い応力状態や高温環境下で駆動するとクリープによる変形が生ずる場合がある。
図1(a)〜図1(c)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図1(a)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図1(b)は、図1(a)に表した切断面A−Aにおける端面模式図であり、図1(c)は、図1(a)に表した切断面B−Bにおける端面模式図である。
絶縁膜8は、例えばシリコン酸化膜(SiO2)やシリコン窒化膜(SiN)などである。
本願明細書において「延性」とは、物体がその弾性の限界を超えても破壊されずに引き伸ばされる性質をいうものとする。
また、本願明細書において「脆性」とは、物体が外力受けたときに、あまり変形しないうちに破壊する性質をいうものとする。
つまり、本願明細書において「クリープ耐性」という範囲には、材料の種類に起因するクリープ耐性だけではなく、形状や構造に起因するクリープ耐性が含まれるものとする。
なお、図2(a)〜図2(c)は、図1(a)に表した切断面B−Bにおける端面模式図である。
なお、本願明細書において「アップステートの状態」とは、駆動部15が下部電極1aおよび上部電極3にバイアス電圧を印加せず、上部電極3が絶縁膜7aを介して下部電極1aと接触していない状態をいうものとする。
なお、本願明細書において「ダウンステートの状態」とは、駆動部15が下部電極1aおよび上部電極3にバイアス電圧を印加し、上部電極3が絶縁膜7aを介して下部電極1aと接触した状態をいうものとする。また、上部電極3の端部3aは、支持体5との接続部である。
式(1)において、材料に依存して決まるのは、定数a、クリープ指数n、およびクリープの活性化エネルギーQである。また、その他の条件としては、初期応力σおよび絶対温度Tがある。
図3(a)および図3(b)は、駆動電圧と静電容量との関係を表すグラフ図である。 なお、図3(a)は、プルイン電圧Vp以下および以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示するグラフ図であり、図3(b)は、プルイン電圧Vp以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示する解析結果である。また、図3(a)に表した縦軸(静電容量)および横軸(駆動電圧)は、線形軸である。
図4に表したグラフ図の横軸は、図3(b)に表したグラフ図の横軸と同様である。図4に表したグラフ図の縦軸は、図3(b)に表したグラフ図の各静電容量比率Cdrの電圧に対する変化率dCdr/dVを表している。つまり、図4に表した変化率dCdr/dVは、図3に表したグラフ図の各静電容量比率Cdrにおける「傾き」を表している。
本実施形態では、駆動部15は、下部電極1aと上部電極3との間にプルイン電圧Vp以上の電位差を与えて駆動する。具体的には、駆動部15は、下部電極1aおよび上部電極3に印加するバイアス電圧を増加させ、静電容量比率Cdrの電圧に対する変化率dCdr/dVが例えば「0.4」となる電圧V1以上の電圧V2を印加する。これにより、前述したようにクリープによる変形を抑えることができる。なお、図6に表したグラフ図において例示した静電容量比率Cdrの電圧に対する変化率dCdr/dVの数値「0.4」は、一例であり、これだけに限定されるわけではない。また、電圧V2は、駆動部15の制約電圧V3よりも低い。
なお、図7(a)および図8(a)は、初期のアップステートの状態の解析結果の一例であり、図7(b)および図8(b)は、駆動部15が下部電極1aおよび上部電極3にバイアス電圧を印加した直後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図7(c)および図8(c)は、ダウンステートの状態に3年間放置した後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図7(d)および図8(d)は、絶縁膜7aを介して接触していた下部電極1aおよび上部電極3が剥離(プルアウト:Pull−Out)した後のアップステートの状態の解析結果の一例である。
また、図7(b)、図7(c)、図8(b)、および図8(c)は、上部電極3の端部3aを拡大して眺めた拡大模式図である。
また、図7および図8に表した解析結果は、室温25℃の環境下で行った解析結果である。
図9(a)〜図9(c)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図9(a)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図9(b)は、図9(a)に表した切断面C−Cにおける端面模式図であり、図9(c)は、図9(a)に表した切断面D−Dにおける端面模式図である。
一般的に、平行平板間に生じる静電引力は、駆動電圧や電極間ギャップに依存し、以下の式で表される。
図12(a)〜図12(c)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。
なお、図12(a)は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図12(b)は、図12(a)に表した切断面E−Eにおける端面模式図であり、図12(c)は、図12(a)に表した切断面F−Fにおける端面模式図である。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極に対向し、前記下部電極との間の距離が可変する上部電極と、
一端が前記基板に固定され、他端が前記上部電極に接続され、前記上部電極を支持し、前記上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、
前記下部電極と前記上部電極とに接続され、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される駆動電圧を供給する駆動部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極との間の電位差の絶対値を増加させたときに前記下部電極と前記上部電極とが接触し始める前記駆動電圧をプルイン電圧とし、
前記プルイン電圧を印加したときの前記下部電極と前記上部電極との間の静電容量をプルイン静電容量とし、
前記電位差の絶対値を前記プルイン電圧以上に増加させたときに前記プルイン静電容量に対する静電容量の比率の変化率が急激に変化する第1の領域と、前記電位差の絶対値をさらに増加させたときに前記変化率が前記第1の領域よりも緩やかに変化する第2の領域と、が存在し、
前記駆動部は、前記第2の領域における前記駆動電圧を供給することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記第2の領域における前記変化率は、0.4(1/ボルト)以下であることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ。
- 前記支持体は、酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のアクチュエータ。
- 前記支持体は、ポリシリコン、シリコン、タングステン及びチタンアルミニウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のアクチュエータ。
- 基板と、
前記基板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極に対向し、前記下部電極との間の距離が可変する上部電極と、
一端が前記基板に固定され、他端が前記上部電極に接続され、前記上部電極を支持し、前記上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、
前記下部電極と前記上部電極とに接続され、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される駆動電圧を供給する駆動部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極との間の電位差の絶対値を増加させたときに前記下部電極と前記上部電極とが接触し始める前記駆動電圧をプルイン電圧とし、
前記駆動部は、前記電位差の絶対値が前記プルイン電圧以上である第1の駆動電圧を供給した後に、前記電位差の絶対値が前記第1の駆動電圧よりも小さい第2の駆動電圧を供給することを特徴とするアクチュエータ。
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