JP2016096187A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバーの基板への固定部における応力を低減させることにより、固定部での膜剥離を抑制するアクチュエータを提供する。【解決手段】圧電素子３を挟持するように形成される上部電極４及び下部電極２を含む圧電振動体６と、圧電振動体６により振動する振動板１とを備えたアクチュエータであって、振動板１の長手方向で所定の境界において振動板１の厚さが段差状に変化するように振動板１が形成される。上部電極４及び下部電極２は、振動板１の厚み方向で重なる重複領域ＯＡを有する。重複領域ＯＡは、振動板１の長手方向において境界から外れた位置に形成される。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、片持ち梁（カンチレバー）構造のアクチュエータに関する。

電気回路要素と微細な機械要素とを併せ持つＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の微細加工技術を用いて、例えばシリコンなどの基板上に圧電素子を含むカンチレバーが固定されて形成される片持ち梁構造のアクチュエータ（変位素子）が既に知られている。

例えば、特許文献１には、カンチレバーの固定部において、カンチレバーの長さ方向に対して基板を突出あるいは後退させたカンチレバー型アクチュエータが開示されている。

しかしながら、上述した引用文献１のアクチュエータでは、カンチレバーの基板への固定部においては、圧電素子の変位による応力により圧電素子自身や、圧電素子を挟持する電極膜、保護膜の各界面において膜剥離が発生するという問題があった。

本発明の目的は上記の問題点を解決し、カンチレバーの基板への固定部における応力を低減させることにより、該固定部での膜剥離を抑制できるアクチュエータを提供することにある。

本発明の一態様に係るアクチュエータは、
圧電素子を挟持するように形成される上部電極及び下部電極を含む圧電振動体と、上記圧電振動体により振動する振動板とを備えたアクチュエータであって、
上記振動板の長手方向で所定の境界において上記振動板の厚さが段差状に変化するように上記振動板が形成され、
上記上部電極及び上記下部電極は上記振動板の厚み方向で重なる重複領域を有し、
上記重複領域は、上記振動板の長手方向において上記境界から外れた位置に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、各層の密着界面における応力を低減させることが可能となるので、密着界面からの各層の膜剥離を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るアクチュエータの上面図である。 図１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 図１Ａのアクチュエータの製造方法の第１の工程を図示する上面図である。 図２ＡのＢ−Ｂ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 図１Ａのアクチュエータの製造方法の第２の工程を図示する上面図である。 図３ＡのＣ−Ｃ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 図１Ａのアクチュエータの製造方法の第３の工程を図示する上面図である。 図４ＡのＤ−Ｄ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 図１Ａのアクチュエータの製造方法の第４の工程を図示する上面図である。 図５ＡのＥ−Ｅ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 本発明の実施形態の変形例１に係るアクチュエータの上面図である。 図６ＡのＦ−Ｆ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 本発明の実施形態の変形例２に係るアクチュエータの上面図である。 図７ＡのＧ−Ｇ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。 本発明の実施形態の変形例３に係るアクチュエータの上面図である。 図８ＡのＨ−Ｈ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施形態．
図１Ａは、本発明の実施形態に係るアクチュエータの上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、アクチュエータは、圧電振動体６と、圧電振動体６により振動する振動板であるシリコン基板１とを備えて構成される。また、圧電振動体６は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子３と、例えば白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウムなどの金属で形成される上部電極４及び下部電極２と、例えば酸化膜などの保護膜（パッシベーション膜）５とを備えて構成される。ここで、圧電振動体６を構成する各層は矩形形状である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、上部電極４と下部電極２との間に形成され、上部電極４と下部電極２との間に所定の電圧を印加することにより、圧電素子３が長さ方向に伸縮し、後述するカンチレバー部１０に屈曲変位を発生させる。また、シリコン基板１は、カンチレバー固定端Ｂを境界としてシリコン基板１の長手方向においてシリコン基板１の厚さが段差状に変化するように形成される。ここで、下部電極２及び圧電素子３はカンチレバー固定端Ｂに跨がって形成され、上部電極４はカンチレバー固定端Ｂを跨がって形成されない。すなわち、上部電極４及び下部電極２がシリコン基板１の厚み方向で重なる重複領域ＯＡが、シリコン基板１の長手方向において上記境界から外れた位置に形成される。

上述したように、図１Ａ及び図１Ｂのアクチュエータは、第１の膜厚部１ａからなる固定部２０と、第１の膜厚部１ａよりも小さい膜厚を有する第２の膜厚部１ｂからなるカンチレバー部１０とから構成される。すなわち、シリコン基板１の長手方向において、上記境界の一方の側に位置する固定部２０と、上記境界の他方の側に位置するカンチレバー部１０とを有し、重複領域ＯＡは、カンチレバー部１０に位置する。この構成とすることにより、カンチレバー固定端Ｂには、カンチレバー部１０での圧電素子３の変位による応力のみ発生する。従って、カンチレバー固定端Ｂに跨がって形成される下部電極２、圧電素子３、上部電極４、及び保護膜５の各層の密着界面に過度の応力は発生しないので、密着界面からの各層の膜剥離を抑制することが可能となる。

図２Ａ〜図５Ａは、図１Ａのアクチュエータの製造方法の工程を図示する上面図であり、図２Ｂ〜図５Ｂは、図２Ａ〜図５ＡのＢ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ’線に沿ってそれぞれ切断したときのアクチュエータの縦断面図である。次に、これらの図面を用いて、図１Ａのアクチュエータの製造方法について以下に説明する。

図２Ａ及び図２Ｂでは、シリコン基板１上にスパッタ法や真空蒸着法などを用いて、例えば白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウムなどの金属を堆積する。次に、フォトリソグラフィ工程及びドライエッチング法などを用いてパターニングしてシリコン基板１上に下部電極２を形成する。

図３Ａ及び図３Ｂでは、例えばスパッタ法、イオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法などを用いて、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などを堆積する。次に、フォトリソグラフィ工程及びドライエッチング法などを用いてパターニングして下部電極２上に圧電素子３を形成する。

図４Ａ及び図４Ｂでは、スパッタ法や真空蒸着法などを用いて、例えば白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウムなどの金属を堆積し、フォトリソグラフィ工程及びドライエッチング法などを用いてパターニングして圧電素子３上に上部電極４を形成する。ここで、上部電極４は、後述する薄膜化されたシリコン基板１上に形成されるようにパターニングされ、上部電極４と下部電極２とがシリコン基板１の厚み方向に重複する重複領域ＯＡが形成される。

図５Ａ及び図５Ｂでは、例えばＬＰＣＶＤ法などを用いて、例えば酸化膜などの保護膜（パッシベーション膜）５を堆積する。次に、ウェットエッチング技術もしくはＩＣＰドライエッチング技術等のシリコン深堀り技術を用いて、シリコン基板１を裏面側から部分的に（選択的に）エッチングする。すなわち、カンチレバー固定端Ｂを境界としてシリコン基板１の長手方向においてシリコン基板１の厚さが段差状に変化するようにシリコン基板１を薄膜化する。従って、シリコン基板１は、第１の膜厚部１ａと、第１の膜厚部１ａよりも小さい膜厚を有する第２の膜厚部１ｂとを有する。また、アクチュエータは、第１の膜厚部１ａからなる固定部２０と、第２の膜厚部１ｂからなるカンチレバー部１０とを備える。

以上の実施形態に係るアクチュエータによれば、カンチレバー固定端Ｂ上に上部電極４が形成されないので、上部電極４と下部電極２との間に電圧を印加しても、カンチレバー部１０のみに圧電素子３の逆圧電効果による収縮が発生する。従って、カンチレバー固定端Ｂに跨がって形成される下部電極２、圧電素子３、及び保護膜５の各層の密着界面において過度の応力が発生しないので、密着界面からの各層の膜剥離を抑制することが可能となる。

変形例１．
図６Ａは、本発明の実施形態の変形例１に係るアクチュエータの上面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＦ−Ｆ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。図６Ａ及び図６Ｂのアクチュエータは、図１Ａ及び図１Ｂのアクチェータに比較すると、以下の点が相違する。すなわち、図１Ａ及び図１Ｂでは、下部電極２及び圧電素子３はカンチレバー固定端Ｂに跨がって形成され、上部電極４はカンチレバー固定端Ｂに跨がって形成されない。これに対して、本変形例では、上部電極４及び圧電素子３はカンチレバー固定端Ｂに跨がって形成され、下部電極２はカンチレバー固定端Ｂに跨がって形成されないことを特徴とする。本発明の実施形態の変形例１に係るアクチェータは、上述した実施形態に係るアクチェータと同様の動作を行い、同様の作用効果を得ることができる。

変形例２．
図７Ａは、本発明の実施形態の変形例２に係るアクチュエータの上面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＧ−Ｇ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。図７Ａ及び図７Ｂのアクチュエータは、図１Ａ及び図１Ｂのアクチェータに比較すると、圧電素子３の両端が直線形状で形成される代わりに、圧電素子３の一端がラダー形状で形成されることを特徴とする。図７Ａ及び図７Ｂでは、圧電素子３の固定部２０側の一端がラダー形状である。本発明の実施形態の変形例２に係るアクチェータは、上述した実施形態に係るアクチェータと同様の動作を行い、同様の作用効果を得ることができる。さらに、上述した実施形態に係るアクチェータに比較すると、下部電極２、圧電素子３、及び保護膜５の各層の密着界面における応力をさらに低減させることができるので、密着界面からの各層の膜剥離をさらに抑制することが可能となる。

変形例３．
図８Ａは、本発明の実施形態の変形例２に係るアクチュエータの上面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＨ−Ｈ’線に沿って切断したときのアクチュエータの縦断面図である。図８Ａ及び図８Ｂのアクチュエータは、図１Ａ及び図１Ｂのアクチェータに比較すると、直線形状の圧電素子３の代わりに、固定部２０側の一部に開口部７が設けられた圧電素子３を備えたことを特徴とする。本発明の実施形態の変形例３に係るアクチェータは、上述した実施形態に係るアクチェータと同様の動作を行い、同様の作用効果を得ることができる。さらに、上述した実施形態に係るアクチェータに比較すると、下部電極２、圧電素子３、及び保護膜５の各層の密着界面における応力をさらに低減させることができるので、密着界面からの各層の膜剥離をさらに抑制することが可能となる。

なお、上述した変形例において、圧電素子３のみをパターニングすることにより、各層の密着界面における応力を緩和したが、本発明はこれに限定されない。例えば、圧電素子３を挟持するように形成される下部電極２及び上部電極４をパターニングすることにより、各層の密着界面における応力を緩和してもよい。この場合においても、上述した変形例と同様の効果を得ることができる。

実施形態のまとめ
第１の態様に係るアクチュエータは、
圧電素子を挟持するように形成される上部電極及び下部電極を含む圧電振動体と、上記圧電振動体により振動する振動板とを備えたアクチュエータであって、
上記振動板の長手方向で所定の境界において上記振動板の厚さが段差状に変化するように上記振動板が形成され、
上記上部電極及び上記下部電極は上記振動板の厚み方向で重なる重複領域を有し、
上記重複領域は、上記振動板の長手方向において上記境界から外れた位置に形成されることを特徴とする。

第２の態様に係るアクチュエータは、第１の態様に係るアクチュエータにおいて、
上記振動板は、第１の膜厚部と、上記第１の膜厚部よりも小さい膜厚を有する第２の膜厚部とを有し、
上記重複領域は、上記第２の膜厚部に形成されることを特徴とする。

第３の態様に係るアクチュエータは、第１または第２の態様に係るアクチュエータにおいて、
上記長手方向において、上記境界の一方に位置する固定部と、上記境界の他方に位置するカンチレバー部とを有し、
上記重複領域は、上記カンチレバー部に位置することを特徴とする。

第４の態様に係るアクチュエータは、第１〜第３のうちのいずれか１つに記載の態様に係るアクチュエータにおいて、
上記圧電素子の一端は、矩形形状であることを特徴とする。

第５の態様に係るアクチュエータは、第１〜第３のうちのいずれか１つに記載の態様に係るアクチュエータにおいて、
上記圧電素子の一端はラダー形状であることを特徴とする。

１…シリコン基板、
２…下部電極、
３…圧電素子、
４…上部電極、
５…保護層、
６…圧電振動体、
７…開口部、
１０…カンチレバー部、
２０…固定部。

特開平６−２７３１６０号公報

Claims (5)

1. 圧電素子を挟持するように形成される上部電極及び下部電極を含む圧電振動体と、上記圧電振動体により振動する振動板とを備えたアクチュエータであって、
   上記振動板の長手方向で所定の境界において上記振動板の厚さが段差状に変化するように上記振動板が形成され、
   上記上部電極及び上記下部電極は上記振動板の厚み方向で重なる重複領域を有し、
   上記重複領域は、上記振動板の長手方向において上記境界から外れた位置に形成されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 上記振動板は、第１の膜厚部と、上記第１の膜厚部よりも小さい膜厚を有する第２の膜厚部とを有し、
   上記重複領域は、上記第２の膜厚部に形成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 上記長手方向において、上記境界の一方の側に位置する固定部と、上記境界の他方の側に位置するカンチレバー部とを有し、
   上記重複領域は、上記カンチレバー部に位置することを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
4. 上記圧電素子の一端は矩形形状であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアクチェータ。
5. 上記圧電素子の一端はラダー形状であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアクチェータ。

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