JP2014230397A - 静電誘導型電気機械変換素子およびナノピンセット - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量および静電容量変化を向上させることができる静電型電気機械変換素子の提供。
【解決手段】静電誘導型電気機械変換素子１は、複数の櫛歯電極部１１２を有する第１電極と、複数の櫛歯電極部１１２に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の櫛歯電極部１０４を有する第２電極と、櫛歯電極部１１２と櫛歯電極部１０４との間の電場形成空間に配設され、比誘電率が１よりも大きな材料から成る複数の孤立櫛歯１１３と、第２電極の櫛歯電極部１０４と孤立櫛歯１１３とが相対変位するように、第１電極、第２電極および孤立櫛歯１１３の各々を固定支持または可動支持するベース部１１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）構造による静電誘導型電気機械変換素子およびナノピンセットに関する。

従来、単結晶シリコンを異方性エッチングすることで櫛歯構造を作り、静電アクチュエータを作成することが知られている。また、特許文献１に開示されているように、静電アクチュエータの櫛歯側面に、無機酸化膜を形成してエレクトレット化することができる。特に、静電アクチュエータを用いた振動発電や静電トランスにおいては、電界が高いほど電気機械結合係数が上昇し、発電量や変換効率が向上するので、エレクトレット形成における帯電処理時に高い電圧を印加したり、櫛歯間の容量を向上させたりすることが望ましい。

特開２０１３−０１３２５６号公報

しかしながら、帯電処理において高い電圧をかけると、櫛歯同士がPull-inしたまま離れない場合がある。また、静電容量の向上のためには、櫛歯同士を狭いギャップで構成することが求められるが、狭いギャップで形成すると余計にPull-inしやすくなるという問題があった。

請求項１の発明による静電誘導型電気機械変換素子は、複数の第１櫛歯電極部を有する第１電極と、複数の第１櫛歯電極部に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の第２櫛歯電極部を有する第２電極と、第１櫛歯電極部と第２櫛歯電極部との間の電場形成空間に配設され、比誘電率が１よりも大きな材料から成る複数の誘電体部材と、第１電極および／または第２電極と誘電体部材とが相対変位するように、第１電極、第２電極および誘電体部材の各々を固定支持または可動支持するベース部と、を備えることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、第１電極および誘電体部材はベース部に固定支持され、第２電極は可動支持されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、第１電極および第２電極はベース部に固定支持され、誘電体部材は可動支持されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、誘電体部材は、第１櫛歯電極部と第２櫛歯電極部との隙間に配置されることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項２に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、誘電体部材は、第２櫛歯電極部の先端と隙間を介して対向配置され、第２電極は、第２櫛歯電極部の先端から誘電体部材に向かう第１方向、および、第２櫛歯電極部から第１櫛歯電極部に向かう第２方向の、両方に直交する方向に、変位可能に可動支持されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、可動支持されている第２電極または誘電体部材の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力することを特徴する。
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、第１櫛歯電極部および第２櫛歯電極部の少なくとも一方の表面には、アルカリイオンを含むＳｉＯ_２層から成るエレクトレットが形成されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項２に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、複数の第３櫛歯電極部を有し、ベース部に設けられる第３電極と、複数の第３櫛歯電極部に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の第４櫛歯電極部を有し、前記可動部に設けられる第４電極と、をさらに備え、複数の誘電体部材および第２電極は固定部に固定され、第３電極から昇圧出力が取り出されることを特徴とする。
請求項９の発明によるナノピンセットは、開閉自在に設けられた一対の把持部と、一対の把持部の少なくとも一方に対応して設けられた請求項４に記載の静電誘導型電気機械変換素子と、静電誘導型電気機械変換素子の第１電極と第２電極との間に電圧を印加して、該静電誘導型電気機械変換素子により把持部を開閉駆動させる駆動制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、静電型電気機械変換素子における静電容量および静電容量変化を向上させることができる。

図１は、本発明に係る静電誘導型電気機械変換素子１の構成を示す図である。 図２は、櫛歯構造を有する従来の静電誘導型電気機械変換素子１００の基本構成を示す図である。 図３は、図１，２に示した櫛歯構造における静電容量を説明する模式図である。 図４は、図３に示す構造においてオーバーラップ面積が変化した場合を示す図である。 図５Ａは、製造方法の第１のステップを説明する図である。 図５Ｂは、製造方法の第２のステップを説明する図である。 図５Ｃは、製造方法の第３のステップを説明する図である。 図５Ｄは、製造方法の第４のステップを説明する図である。 図５Ｅは、製造方法の第５のステップを説明する図である。 図５Ｆは、製造方法の第６のステップを説明する図である。 図５Ｇは、製造方法の第７のステップを説明する図である。 図５Ｈは、製造方法の第８のステップを説明する図である。 図６Ａは、レジストで孤立櫛歯１１３を形成する方法を説明する図である。 図６Ｂは、図６Ａに続くステップを説明する図である。 図７は、第１の実施例を説明する図である。 図８は、第２の実施例を説明する図である。 図９は、エレクトレット製造方法を説明する図である。 図１０は、帯電処理を説明する図である。 図１１は、静電誘導型電気機械変換素子１の第１の変形例を示す図である。 図１２は、静電誘導型電気機械変換素子１の第２の変形例を示す図である。 図１３は、静電誘導型電気機械変換素子１の第３の変形例を示す図である。 図１４は、静電誘導型電気機械変換素子１の第４の変形例を示す図である。 図１５は、第３の実施例を説明する図である。 図１６は、コンデンサ型マイクロフォンの概略構成を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。まず、図１〜図４を参照して、本発明に係る静電誘導型電気機械変換素子の基本概念について説明する。

図１は、本発明に係る静電誘導型電気機械変換素子１の構成を示す図である。静電誘導型電気機械変換素子１は、可動部１０および固定部１１を有する。固定部１１は、ベース部１１０、ベース部１１０上に固定された固定電極１１１および孤立櫛歯１１３を備える。後述するように、ベース部１１０と固定電極１１１および孤立櫛歯１１３との間には絶縁層が形成されており、固定電極１１１と孤立櫛歯１１３とは電気的に絶縁されている。固定電極１１１は導電材で形成され、可動部方向に突出する複数の櫛歯電極部１１２が設けられている。

一方、可動部１０は導電材で形成され、幅が狭くなった弾性支持部１０２を介してベース部１１０に固定されている。ベース部１１０と可動部１０との間にも絶縁層が形成されている。可動部１０の側面には、固定電極１１１の方向に突出する複数の櫛歯電極部１０１が形成されている。一方、固定電極１１１には、可動部１０方向に突出する複数の櫛歯電極部１１２が形成されている。各櫛歯電極部１０１は、一対の櫛歯電極部１１２間の隙間に挿入されるように配置されている。孤立櫛歯１１３は、櫛歯電極部１１２と櫛歯電極部１０１との間に隙間を介して配置されている。後述するように、ベース部１１０と可動部１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３との間には絶縁層が設けられているので、可動部１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３は互いに絶縁されている。

詳細は後述するが、図１の静電誘導型電気機械変換素子１を、電気的エネルギーを力学的エネルギーに変換するアクチュエータとして機能させる場合には、固定部側から電力を入力して、可動部１０を駆動する構成とする。また、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電素子として機能させる場合には、外力により可動部を変位させて固定部側から電力を出力させる。

図２は、比較例として、櫛歯構造を有する従来の静電誘導型電気機械変換素子１００の基本構成を示したものである。図１および２に示す櫛歯構造では、孤立櫛歯１１３を用いているか否かが異なっている。図２においては、図１に示す構成と同様の部分には同一符号を付した。図２の構成の場合には、孤立櫛歯１１３を設けていない分だけ、同一大きさとした場合には、櫛歯電極部１０１，１１２の数が多い。

（原理説明）
図３の（ａ）、（ｂ）は、図１，２に示した櫛歯構造における静電容量を説明する模式図である。図３（ａ）に示すモデルは、図２の一つの櫛歯電極部１０１と一つの櫛歯電極部１１２とにより構成される単位コンデンサ構造を示したものである。ここでは、櫛歯電極部１０１，１１２のオーバーラップが最も大きくなった場合を示している。図３（ｂ）に示すモデルは、図１の場合の単位コンデンサ構造を示したものであり、櫛歯電極部１０１と櫛歯電極部１１２との間には孤立櫛歯１１３が配置されている。一対の櫛歯電極部１０１，１１２間の距離は、寸法ｄに設定されている。図３（ａ）の場合の静電容量Ｃ１は、平行平板の静電容量を表す式（１）で表される。なお、式（１）において、ε0は真空の誘電率である。

一方、図３（ｂ）は図１の場合であって、櫛歯電極部１０１，１１２間に孤立櫛歯１１３が配設されている。櫛歯電極部１０１および１１２と孤立櫛歯１１３との間隔は、それぞれｄ０、ｄ２である。また、孤立櫛歯１１３の厚さ寸法をｄ１とする。すなわち、櫛歯電極部１０１，１１２間の距離ｄは、ｄ＝ｄ０＋ｄ１＋ｄ２と表される。

この場合、図３（ｂ）に示す構造において、電極間の距離dのうち、比誘電率の高い部分によって空間のうちｄ１の分だけは比誘電率が上昇しているとみなすことができる。すなわち、ｄ０，ｄ２に相当する部分では誘電率は真空の誘電率のままであり、ｄ１に相当する部分では誘電率は真空の誘電率に比誘電率を掛けたものとなる。このように考えることで、櫛歯電極部１０１、１１２間の静電容量Ｃ２は次式（２）で与えられる。式（２）において、εrは孤立櫛歯１１３を構成する材料の比誘電率であり、εr＞１であれば式（１）で与えられる静電容量よりも大きくなる。孤立櫛歯１１３に用いられるεr＞１の材料としては、例えば、シリコン、シリコン酸化膜、レジスト、フッ素樹脂、酸化チタン等の誘電体を用いることができる。

櫛歯電極部１０１が形成されている可動部１０は、図１，２に示すように図示左右方向に移動可能であるが、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す状態が最も静電容量が大きい状態である。そして、図３（ａ）の状態から図４（ａ）に示すように櫛歯電極部１０１を右方向に移動させると、静電容量が減少する。そのときの容量変化ΔＣ１は次式（３）のようになる。

また、図３（ｂ）の状態から図４（ｂ）に示すように櫛歯電極部１０１を右方向に移動させると、このときの容量変化ΔＣ２は次式（４）で表される。

なお、図１に示す例では、孤立櫛歯１１３はベース部１１０に固定されているが、仮に、櫛歯電極部１０１，１１２および孤立櫛歯１１３の位置関係が図４（ｃ）に示すように変化した場合、そのときの静電容量Ｃ２は次式（５）となる。この場合の容量変化ΔＣ２は次式（６）で表される。

具体的な数値を代入して図４（ａ）〜図４（ｃ）の場合の静電容量Ｃおよび変化量ΔＣ１，ΔＣ２を求めると、以下のようになる。なお、図１と図２とを比較すると、一つの櫛歯電極部１０１と一つの櫛歯電極部１１２により構成される単位コンデンサ構造（すなわち、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す構造）の数は、図２の場合の方が多くなる。

ここでは、図３（ａ）における櫛歯電極部１０１，１１２の厚さ寸法を２０μｍとし、対向する面の面積Ｓを１００μｍ×２００μｍとする。また、図４におけるオーバーラップの面積Ｓ１はＳ１＝Ｓ／２とする。そして、図１のように構成した場合の単位コンデンサ構造の数を２５０組とし、図２のように構成した場合（従来構成）の単位コンデンサ構造の数を５００組として計算をする。

（図４（ａ）の場合）
ｄ＝１０μｍ＝１０×１０^−６ｍ
Ｓ（トータル）＝５００×１００×１０^−６×２００×１０^−６
Ｓ１（トータル）＝５００×１００×１０^−６×２００×１０^−６×１／２
ε0≒８．８５×１０^−１２
これを式（１）、（３）に代入すると、
Ｃ１≒８．９×１０^−１２Ｆ＝８．９ｐＦ
ΔＣ１≒４．４ｐＦ

（図４（ｂ）の場合）
ｄ＝４０μｍ、ｄ１＝２０μｍ、ｄ０＝ｄ２＝１０μｍ
Ｓ（トータル）＝２５０×１００×１０^−６×２００×１０^−６
Ｓ１（トータル）＝２５０×１００×１０^−６×２００×１０^−６×１／２
ε0≒８．８５×１０^−１２
εr≒１６
これを式（２），（４）に代入すると、
Ｃ≒９．４×１０^−１２Ｆ＝９．４ｐＦ
ΔＣ≒４．７ｐＦ

（図４（ｃ）の場合）
ｄ＝４０μｍ、ｄ１＝２０μｍ、ｄ０＝ｄ２＝１０μｍ
Ｓ（トータル）＝２５０×１００×１０^−６×２００×１０^−６
Ｓ１（トータル）＝２５０×１００×１０^−６×２００×１０^−６×１／２
ε0≒８．８５×１０^−１２
εr≒１８
これを式（２），（６）に代入すると、
Ｃ≒１．１×１０^−１２Ｆ＝１．１ｐＦ
ΔＣ≒４．７ｐＦ

以上のように、可動側の電極を構成する櫛歯電極部１０１と、固定側の電極を構成する櫛歯電極部１１２との間に、比誘電率が１よりも大きな孤立櫛歯１１３を配置することにより、静電容量および静電容量の変化を大きくすることが可能となる。図４（ｂ）の構成の場合にはεr≧１６と設定し、図４（ｃ）の場合にはεr≧１８と設定することで、静電容量および静電容量の変化が図４（ａ）に示す構造よりも大きくなる。特に、荷電時の電極間のギャップを広げ、印加電圧を大きくすることができるので、容量向上以上に、電気機械結合係数の向上に寄与することが可能となる。逆に、高電圧を印加できない環境でも、面積当たりの容量変化を増加させることができる。

なお、図４（ｂ）の構成の場合、櫛歯電極部１１２に対して孤立櫛歯１１３は相対移動しないので、櫛歯電極部１１２と孤立櫛歯１１３との隙間寸法ｄ０を可能な限り小さくすることができる。例えば、ＭＥＭＳ加工技術では０．１μｍ程度まで小さくすることができる。この場合、ｄ０＝０．１μｍとした分だけｄ１＝２０．９μｍと孤立櫛歯１１３の厚さを増やしたり、または、櫛歯電極部の数を増やしたりすることができるので、より小さなεrを採用することができる。

また、図４（ｃ）の構成の場合、プラス電極およびグランド電極の両方が固定側の櫛歯電極部となるため、プルインに対して非常に強い構成となっている。ただし、図４（ｂ）の構成の場合と比べて、εrを大きくする必要がある。

電気機械変換素子を音圧センサや振動発電等に用いる場合には、静電容量の大きさや変化量ΔＣが出力インピーダンスや電流値に影響する。そのため、図４（ｂ）の構成と図４（ｃ）の構成とを比較した場合、図４（ｂ）の構成を用いるのが好ましい。

（静電誘導型電気機械変換素子の製造方法）
図５Ａ〜図５Ｈ，図６Ａ，６Ｂを参照して静電誘導型電気機械変換素子１の製造方法を説明する。図１に示す静電誘導型電気機械変換素子１は、例えば、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いて、半導体微細加工技術により一体で形成される。ＳＯＩ基板は、上部Ｓｉ層３３、ＳｉＯ_２層３２および下部Ｓｉ層３２で構成され、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、そのＳｉＯ_２層を挟むように貼り合わせたものである。なお、Ｓｉ基板では電極パッドとなる部分の金属への密着性向上や、導電性の改善のために、適宜ドーピングを行ったものが用いられる場合がある。このドーピングはＰ型、Ｎ型いずれの特性であっても本件の発明においては問題はない。

図５Ａに示す第１のステップでは、フォトリソを用いてＳｉ層３３の上に窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）３４を成膜する。図５Ｂに示す第２のステップでは、窒化膜３４の上に、レジストを塗布し、フォトリソを用いて可動櫛歯電極１０１および固定櫛歯電極１１２の接続用電極形成用レジストパターン３５Ａ、３５Ｂを形成する。その後、第３のステップでＲＩＥ等（例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いて基板表側からエッチングし、レジストパターン３５Ａ、３５Ｂが形成された部分以外の窒化膜３４を除去する（図５Ｃ）。

図５Ｄに示す第４のステップでは、図５Ｃに示す基板の上に、レジストを塗布し、フォトリソを用いて可動櫛歯電極１０１、固定櫛歯電極１１２および孤立櫛歯１１３を形成するためのレジストパターン３６ａ、３６ｂ、３６ｃを形成する。

図５Ｅに示す第５のステップでは、ＲＩＥ等を用いてＳｉ層３３をエッチングし、その後、レジストパターン３６ａ、３６ｂ、３６ｃを除去する。その結果、ＳｉＯ_２層３２上に、可動部１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３が形成される。

図５Ｆに示す第６のステップでは、基板の裏側、すなわち、Ｓｉ層３１上にベース部形成用レジストパターン４０を形成する。次いで、図５Ｇに示す第７のステップでは、ＲＩＥ等を用いてＳｉ層３１をエッチングし、ベース部１１０を形成する。その後、露出しているＳｉＯ２層３２を、緩衝フッ化水素溶液を用いてエッチングすることにより、図５Ｈに示すような静電誘導型電気機械変換素子１が完成する。この静電誘導型電気機械変換素子１では、孤立櫛歯１１３は、ＳＯＩ基板のＳｉ層３３により形成されることになる。

図５Ｈに示す静電誘導型電気機械変換素子１では、孤立櫛歯１１３をシリコンで形成したが、シリコン以外の材料（比誘電率が１より大きい材料）で形成しても良い。例えば、以下のように、レジスト材で形成しても良い。この場合、Ｓｉ層３３上に図６Ａに示すようにレジストパターン３７を形成し、その後、Ｓｉ層３３をエッチングすることにより孤立櫛歯１１３を形成するための孔３８（図６Ｂ）を形成する。そして、この孔３８内にレジスト材を充填することにより、予めレジスト材による孤立櫛歯１１３を形成しておく。その後、上述したようなプロセスで可動部１０、固定電極１１１を形成すれば良い。

（第１の実施例）
図７は、図１に示す櫛歯構造の静電誘導型電気機械変換素子を用いた第１の実施例を示す図であり、ナノピンセット２０の概略構成を示す図である。なお、図１と同様の構成には同一の符号を付した。このナノピンセット２０は、固定部１１に形成された把持部１０４、１１４を備える。そして、一方の把持部１０４を櫛歯アクチュエータで駆動することで、固定部１１に形成された把持部１１４と、可動部１０に形成された把持部１０４との間に試料を把持する。

把持部１０４は可動部１０に形成されており、静電誘導型電気機械変換素子で構成される櫛歯アクチュエータにより開閉駆動される。櫛歯アクチュエータは、複数の櫛歯電極部１１２が形成された固定電極１１１と、複数の櫛歯電極部１０１が形成された可動部１０と、可動部１０をベース部１１０に弾性支持する弾性支持部１０３と、複数の孤立櫛歯１１３とを備える。そして、駆動制御部２００により可動部１０と固定電極１１１との間に電圧を印加することで、可動部１０を図示左右方向に駆動する。

本実施例の場合、比誘電率が１よりも大きい孤立櫛歯１１３を櫛歯電極部１０１，１１２間に配置することで、所望の把持力を得るために必要な印加電圧をより低くすることができる。また、印加電圧が大きくなり過ぎた場合であっても、櫛歯電極部１０１，１１２間に孤立櫛歯１１３があるため、可動側の櫛歯電極部１０１と固定側の櫛歯電極部１１２とがプルイン（固着状態）してしまうのを防止することができる。

なお、図７に示した例では、一方の把持部１１４を固定とし、他方の把持部１０４を可動としたが、把持部１１４についても、把持部１０４と同様の櫛歯アクチュエータを設けて、可動としても良い。

（第２の実施例）
図８は、図１に示す櫛歯構造の静電誘導型電気機械変換素子を用いた第２の実施例を示す図であり、振動発電素子４０の概略構成を示す。なお、図１と同様の構成には同一の符号を付した。図８に示す振動発電素子４０では、固定電極１１１は出力抵抗Ｒを介して接地されており、可動部１０の櫛歯電極部１０１は固定電極１１１の櫛歯電極部１１２よりも高電位または低電位に保持される。櫛歯電極部１０１にバイアス電圧を印加する方法としては、外部電圧源を用いる方法や、エレクトレットを用いる方法などがある。図８に示す例では、櫛歯電極部１０１にプラスに帯電したエレクトレットを形成することにより、櫛歯電極１０１を高電位に保持するような構成としている。

可動部１０が図示左右方向に振動すると、櫛歯電極部１１２の間に挿入された櫛歯電極部１０１の挿入量が変化して、上述したように櫛歯電極部１０１，１１２における静電容量が変化する。この静電容量の変化に伴って出力抵抗Ｒに電流が流れ、出力抵抗Ｒの両端に電圧が発生する。櫛歯電極部１０１，１１２間に、比誘電率が１よりも大きな孤立櫛歯１１３を配置することで、静電容量および静電容量変化を大きくすることができる。その結果、発電素子の出力レベルの向上を図ることができる。

（エレクトレットの形成方法）
櫛歯電極部１０１へのエレクトレットの形成方法としては、例えば、特開２０１３−１３２５６号公報に記載の方法（Bias-Temperature法：Ｂ−Ｔ法）を応用すれば良い。図９、図１０は、櫛歯電極部１０１にエレクトレット層を形成する方法を説明する図である。本実施の形態では、Ｓｉ層３３から形成された可動部１０、固定電極１１１の表面にＫ^＋イオンを含むシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成し、これを帯電させることでエレクトレットとして用いる。なお、ここでは、孤立櫛歯１１３は、Ｓｉまたはシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）により形成されているとして説明する。

図９において、試料５０は、静電誘導型電気機械変換素子１が形成された基板である。試料５０が納められた酸化炉１２には、ＫＯＨ水溶液の蒸気を含む窒素ガスが供給される。このＫＯＨ水溶液の蒸気を含む窒素ガスは、純水にＫＯＨを溶解したＫＯＨ水溶液１４をホットバスで温め、窒素ガス（キャリアガス）１１でバブリングすることにより得られる。ヒータ１３により試料５０を加熱するとシリコンが熱酸化され、Ｓｉ層３１，３３の表面にＫ^＋イオンを含むＳｉＯ_２層が形成される。

次いで、可動部１０に形成された上記ＳｉＯ_２層をプラスに帯電させるために、試料５０を高温に加熱しつつ、可動部１０と固定電極１１１との間に電圧を印加する。図１０は、帯電処理を説明する図であり、帯電処理時の櫛歯電極部１０１，１１２を模式的に示したものである。なお、図１０に示す例では、櫛歯電極部１０１のエレクトレットをプラスに帯電させる場合を示しており、櫛歯電極部１０１側を高電位側としている。

Ｓｉ層３３から形成された櫛歯電極部１０１，１１２の表面付近には、Ｋ^＋イオンを含むＳｉＯ_２層１１１ａ，１１２ａが形成されている。Ｋ^＋イオンは、ＳｉＯ_２層１１１ａ，１１２ａの全体に分布している。このような状態において、加熱しながら図１０に示すように電圧を印加するとＫ^＋イオンに力が作用し、Ｋ^＋イオンは電場の方向に沿って移動する。その結果、櫛歯電極部１０１のＳｉＯ_２層１１１ａにおいては、表面付近にＫ^＋イオンが分布してプラスに帯電する。一方、櫛歯電極部１１２の場合は逆であって、ＳｉＯ_２層１１２ａの表面付近がマイナスに帯電することになる。

なお、図１０に示す例では、孤立櫛歯１１３をレジスト等で形成したが、Ｓｉ層３３で形成しても良い。この場合、孤立櫛歯１１３の表面にも、Ｋ^＋イオンを含むＳｉＯ_２層が形成されることになる。

なお、上記の実施形態では、エレクトレット膜を形成するためのイオンとしてＫ^＋イオンを使用した例を説明したが、Ｋ^＋イオン以外の正イオンであっても本発明によるエレクトレット構造を形成することができる。特に、イオン半径の大きいアルカリイオンを用いると、エレクトレット形成後のイオン移動が少なく、従って表面電位の保持期間の長いエレクトレット膜とすることができる。この場合、上記で説明したウェット酸化で、水酸化カリウム水溶液の代わりに、Ｋ^＋イオン以外のアルカリイオンを含む水溶液を用いる。

（第３の実施例）
図１５は、図１に示す静電誘導型電気機械変換素子を用いた第３の実施例を示す図であり、昇圧回路５０の概略構成を示す。昇圧回路５０は、可動部１０を挟んで左右両側に一対の固定電極１１１Ｂ，１１１Ａを備えている。さらに、可動部１０の左側には櫛歯電極部１１２Ｂと歯合するように複数の櫛歯電極部１０１Ｂが形成され、可動部１０の右側には櫛歯電極部１１２Ａと歯合するように複数の櫛歯電極部１０１Ａが形成されている。図１５に示す昇圧回路５０は、可動部１０を共有した２つの櫛歯アクチュエータα、βからなる３端子型櫛歯アクチュエータを用いている。

入力側の固定電極１１１Ａと接地との間には、３端子型櫛歯アクチュエータの共振周波数成分を印加する交流電源５１が接続されている。可動部１０と接地との間には、櫛歯電極間にクーロン力を発生させるための直流電源５３が接続されている。なお、直流電源５３としては、固定的な直流電圧を発生する直流電源回路の他に、エレクトレットなど他の直流電圧発生源を含む。そして、出力側の固定電極１１１Ｂから、ボルテージフォロア５２を介して昇圧出力を取り出す。

図１５に示す昇圧回路５０は、可動部１０に直流電圧を印加すると、櫛歯アクチュエータα，βはそれぞれ別のコンデンサであるとみなすことができる。固定電極１１１Ａに共振周波数の交流電圧を印加することにより、可動部１０は振動し容量のスイッチング（充放電）を行うことができる。なお、本実施の形態による３端子型櫛歯アクチュエータを自励発振回路の帰還回路中に組み込むことにより交流電源を省略することも可能である。

ボルテージフォロア５２の出力端からは、入力した交流電圧の振幅の値を超える振幅を持つ交流電圧が出力される。この交流電圧を整流することで（図示せず）、直流を得ることができる。こうして得られた直流電圧は、適切な回路条件を設定することで、印加した直流電圧を越える値を有する。

このようにして昇圧回路としての機能が実現されるが、既述の通り直流電圧を印加する手段として、エレクトレットなどの永久帯電膜による電荷を用いることもできる。特に、エレクトレットを用いた場合には非常に高い直流電圧（例えば、１００V以上の直流電圧）を得ることができるので、最終的に取り出せる直流電圧も数十V〜数百Vまで高めることができる。しかも、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）による非常に高いＱ値を利用しているので、高効率の昇圧回路とすることができる。

ところで、上述した実施例１〜３では、図１に示す静電誘導型電気機械変換素子１を用いてナノピンセットや振動発電素子を構成したが、静電誘導型電気機械変換素子１としては図１に示す構成に限らず、下記の変形例に示すような構成の静電誘導型電気機械変換素子１を用いても良い。

（静電誘導型電気機械変換素子１の変形例１）
図１１は、静電誘導型電気機械変換素子１の第１の変形例を示す図である。なお、図１に示す静電誘導型電気機械変換素子１と同様の構成要素には同一符号を付した。図１１は、静電誘導型電気機械変換素子１の可動部１０、櫛歯電極部１０１，１１２，ベース部１１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３ａの各立体形状を示す斜視図である。

図１１の静電誘導型電気機械変換素子１においては、可動部１０はｘ方向に移動可能に弾性支持されており、櫛歯電極部１０１は櫛歯電極部１１２対してｘ方向にずれることになる。孤立櫛歯１１３ａは、図１の孤立櫛歯１１３に対応するものであり、比誘電率が１よりも大きい材料で形成されている。図１の構成では、孤立櫛歯１１３は櫛歯電極部１０１，１１２の間に配置されていたが、図１１の孤立櫛歯１１３ａは櫛歯電極部１０１の先端に対向するように配置されている。そのため、櫛歯電極部１０１の先端から出た電気力線は、孤立櫛歯１１３ａを通って櫛歯電極部１１２に入ることになる。そのため、孤立櫛歯１１３ａを設けていない図２の構成に比べて、静電容量および静電容量の変化を向上させることができる。

（静電誘導型電気機械変換素子１の変形例２）
図１２は、静電誘導型電気機械変換素子１の第２の変形例を示す図である。なお、図１に示す静電誘導型電気機械変換素子１と同様の構成要素には同一符号を付した。図１２（ａ）は、静電誘導型電気機械変換素子１の可動部１０、櫛歯電極部１０１，１１２，ベース部１１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３ｂを示す正面図である。一方、図１２（ｂ）は、静電誘導型電気機械変換素子１の櫛歯電極部１１２，ベース部１１０、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３ｂを背面側から見た斜視図である。

図１２の場合も、図１１に示す場合と同様に、可動部１０はｘ方向に移動可能に弾性支持されており、櫛歯電極部１０１は櫛歯電極部１１２対してｘ方向にずれることになる。孤立櫛歯１１３ｂは、図１１の孤立櫛歯１１３ａに対応するものであり、支持部１１７を介して櫛歯電極部１１２に固定されている。この支持部１１７は、図５Ｆ，図５Ｇに示すステップにおいて、ベース部１１０をエッチングで形成する際に同時に形成される。支持部１１７は、Ｓｉ層３１とＳｉＯ_２層３２とで形成されており、Ｓｉ層３１は絶縁体であるＳｉＯ_２層３２を介して櫛歯電極部１１２および孤立櫛歯１１３ｂと接続されている。そのため、櫛歯電極部１１２と孤立櫛歯１１３ｂとは、電気的に絶縁されている。なお、孤立櫛歯１１３ｂ自体が十分な絶縁性（１００ＭΩ・ｃｍ以上）を有するものであれば、Ｓｉ材等を介して櫛歯電極部１１２と繋がっていても構わない。

（静電誘導型電気機械変換素子１の変形例３）
図１３は、静電誘導型電気機械変換素子１の第３の変形例を示す図である。第３変形例は、図１２に示す第２変形例をさらに変形したものであり、孤立櫛歯１１３ｂは複数の梁１１５によって支持されている。図１３（ｂ）は、梁１１５が形成されている部分の斜視図である。梁１１５は非常に薄い板状の部材であり、例えば、厚さ寸法が１μｍ以下の矩形断面を有している。梁１１５は、櫛歯電極部１１２および孤立櫛歯１１３ｂを形成する際に、ＳＯＩ基板のＳｉ層３３によって同時に形成される。

櫛歯電極部１０１にエレクトレット形成のためにＳｉ層３３を熱酸化した際に、梁１１５は非常に薄いために梁１１５全体が熱酸化され絶縁性のＳｉＯ_２となる。その結果、櫛歯電極部１１２と孤立櫛歯１１３ｂとが電気的に絶縁されことになる。

（静電誘導型電気機械変換素子１の変形例４）
図１４は、静電誘導型電気機械変換素子１の第４の変形例を示す図である。図１４（ａ）は静電誘導型電気機械変換素子１の平面図、図１４（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図１や、図１１〜１３に示した静電誘導型電気機械変換素子１においては、可動側と固定側のそれぞれに櫛歯電極部を設け、それら櫛歯電極部間に比誘電率が１よりも大きな材料で形成された孤立櫛歯を配置するようにした。

一方、図１４に示す静電誘導型電気機械変換素子１では、両方の櫛歯電極部１１２、１１６を固定側に設け、可動部１０に電気的に絶縁された櫛歯１０７を形成するようにした。可動部１０が図示左右に振動すると、櫛歯電極部１１２，１１６間に配置された櫛歯１０７の挿入量が変化し、静電容量が変化する。これは、図４（ｃ）に示したモデルに対応する。

図１４（ｂ）のＡ−Ａ断面図に示すように、固定部１０はＳＯＩ基板のＳｉ層３３、ＳｉＯ_２層３２およびＳｉ層３１で形成されている。Ｓｉ層３１は、二点鎖線で示すＢ部分がエッチングにより削除されている。櫛歯１０７は、ＳｉＯ_２層３２を介してＳｉ層３１上に形成されている。例えば、櫛歯電極部１１６は接地電位とされ、櫛歯電極部１１２はプラス電位とされる。図１４の静電誘導型電気機械変換素子１をアクチュエータとして使用する場合には、櫛歯電極部１１２の電位を変化させることで、櫛歯１０７の挿入量を変化させる。また、振動発電素子として用いる場合には、櫛歯電極部１１２に上述したエレクトレットを形成して、プラス電位とする。

図１４の構成の場合、比誘電率の十分に高い櫛歯１０７が、櫛歯電極１１２，１１６間の空隙を移動することで静電容量変化を与える構造である。容量変化を引き上げるには、櫛歯１０７の比誘電率をかなり高くする必要が有るが、高い電圧を印加できる構造なので、高性能のエレクトレットを形成することができる。

以上説明したように、本発明では、図１に示したように、複数の櫛歯電極部１１２を有する固定電極１１１と、複数の櫛歯電極部１１２に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の櫛歯電極部１０１を有する第２電極（可動部１０）と、櫛歯電極部１１２と櫛歯電極部１０１との間の電場形成空間に配設され、比誘電率が１よりも大きな材料から成る複数の誘電体部材（孤立櫛歯１１３）と、櫛歯電極部１０１と孤立櫛歯１１３とが相対変位するように、固定電極１１１および孤立櫛歯１１３はベース部１１０に固定支持され、櫛歯電極部１０１が形成された可動部１０はベース部１１０に可動支持されている。

このように、櫛歯電極部１０１，１１２間の隙間に比誘電率が１よりも大きな誘電体部材を配置することで、静電誘導型電気機械変換素子の静電容量や、櫛歯電極部１０１，１１２間のオーバーラップ面積が変化した時の静電容量変化を、より大きくすることができる。

さらに、ＭＥＭＳ技術における櫛歯は微少構造であるため、櫛歯表面に誘電体膜を形成すると櫛歯自体に反りが生じるという問題があるが、上述のように櫛歯電極部間の電場形成空間に配設する構成（例えば、孤立配置構造や充填による形成構造）としたので、櫛歯の反りという問題を避けることができる。誘電体部材の配置構造としては、図１に示すように櫛歯電極部１０１，１１２間の電場形成空間に誘電体部材を配置しても良いし、図１１に示すように、櫛歯電極部１０１の先端側の電場形成空間に、櫛歯電極部１０１の先端と隙間を介して対向配置するようにしても良い。

本実施の形態における手法を用いれば、従来と同等のプロセスルールにて、静電容量を向上させたエレクトレット形静電アクチュエータ、あるいはより高電圧の電界をもつエレクトレット型静電アクチュエータを形成することができる。また、櫛歯間隔を狭くしたりして高電圧を印加せずとも、高出力を得ることのできるエレクトレット型静電アクチュエータを形成することが可能になる。あるいは、ギャップをある程度広げても容量を落とさずにすむので、そのぶん高電圧を印加することも可能である。なお、エレクトレットを用いない外部バイアス電圧タイプの静電型電気機械変換素子においても、容量変化を向上させ、S/N比や出力レベルを向上させることができる。

なお、図１に示す例ではベース部に固定支持され第１櫛歯電極部および誘電体部材に対して第２櫛歯電極部を移動させるようにしたが、固定側に第２櫛歯電極部を設け、それに対して可動部側の第１櫛歯電極部および誘電体部材を移動させるような構造としても良い。また、図１４に示す例では、固定側に設けられた一対の櫛歯電極部に対して、誘電体部材を移動させるようにしたが、誘電体部材を固定側に設け、それに対して一対の櫛歯電極部を移動させるようか構造としても良い。

なお、上述した実施の形態では、櫛歯構造の静電アクチュエータを例に説明したが、本発明は櫛歯構造に限らず、図１６に示すような薄膜型の静電アクチュエータにも適用できる。図１６は、コンデンサ型マイクロフォンの概略構成を示す図であり、可動薄膜５１とバックプレート５０とを備えている。そして、可動薄膜５１とバックプレート５０との間のギャップ空間には、比誘電率が１よりも大きな誘電体板５３が隙間を介して配置されている。バックプレート５０は接地電位とされ、可動薄膜５１はプラス電位とされる。誘電体板５３は、絶縁層５２によって可動薄膜５１およびバックプレート５０から絶縁されている。

図示下方から音波が入力すると、音圧により可動薄膜が振動し静電容量が変化する。図１６に示すマイクロフォンでは誘電体板５３を備えているので、静電容量およびその変化が大きくなり、出力も大きくなる。誘電体板５３はそれ自体がチャージすることもあるので、スティッキング防止のディンプルなどを表面に設けることが望ましい。また、誘電体表面に導体を形成し、必要に応じてチャージを逃がせるようにしてもよい。さらに誘電体板５３の対向電極側にもう一層絶縁層があっても差し支えはない。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１，１００：静電誘導型電気機械変換素子、１０：可動部、１１：固定部、２０：ナノピンセット、４０：振動発電素子、５０：昇圧回路、１０１、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１６：櫛歯電極部、１０４，１１４：把持部、１１０：ベース部、１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ：固定電極、１１３，１１３ａ，１１３ｂ：孤立櫛歯、２００：駆動制御部

Claims (9)

1. 複数の第１櫛歯電極部を有する第１電極と、
   前記複数の第１櫛歯電極部に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の第２櫛歯電極部を有する第２電極と、
   前記第１櫛歯電極部と前記第２櫛歯電極部との間の電場形成空間に配設され、比誘電率が１よりも大きな材料から成る複数の誘電体部材と、
   前記第１電極および／または前記第２電極と前記誘電体部材とが相対変位するように、前記第１電極、前記第２電極および前記誘電体部材の各々を固定支持または可動支持するベース部と、を備えることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
2. 請求項１に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   前記第１電極および前記誘電体部材は前記ベース部に固定支持され、前記第２電極は可動支持されていることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
3. 請求項１に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   前記第１電極および前記第２電極は前記ベース部に固定支持され、誘電体部材は可動支持されていることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
4. 請求項２または３に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   前記誘電体部材は、前記第１櫛歯電極部と前記第２櫛歯電極部との隙間に配置されることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
5. 請求項２に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   前記誘電体部材は、前記第２櫛歯電極部の先端と隙間を介して対向配置され、
   前記第２電極は、前記第２櫛歯電極部の先端から前記誘電体部材に向かう第１方向、および、前記第２櫛歯電極部から前記第１櫛歯電極部に向かう第２方向の、両方に直交する方向に、変位可能に可動支持されていることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
6. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   可動支持されている前記第２電極または前記誘電体部材の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して出力することを特徴する静電誘導型電気機械変換素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   前記第１櫛歯電極部および前記第２櫛歯電極部の少なくとも一方の表面には、アルカリイオンを含むＳｉＯ_２層から成るエレクトレットが形成されていることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
8. 請求項２に記載の静電誘導型電気機械変換素子において、
   複数の第３櫛歯電極部を有し、前記ベース部に設けられる第３電極と、
   前記複数の第３櫛歯電極部に対して隙間を介して歯合するように配設された複数の第４櫛歯電極部を有し、前記可動部に設けられる第４電極と、をさらに備え、
   前記複数の誘電体部材および前記第２電極は前記固定部に固定され、前記第３電極から昇圧出力が取り出されることを特徴とする静電誘導型電気機械変換素子。
9. 開閉自在に設けられた一対の把持部と、
   前記一対の把持部の少なくとも一方に対応して設けられた請求項４に記載の静電誘導型電気機械変換素子と、
   前記静電誘導型電気機械変換素子の前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、該静電誘導型電気機械変換素子により前記把持部を開閉駆動させる駆動制御部と、を備えることを特徴とするナノピンセット。

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