JP2021093703A - 圧電ｍｅｍｓデバイス、製造方法および駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産に適した、信頼性の高い圧電ＭＥＭＳデバイス、製造方法および駆動方法を提供する。【解決手段】圧電ＭＥＭＳデバイス本体部１は、基板１０を有する。基板１０は、可動部１２を有する。可動部１２は、下部電極２２、圧電膜２４、上部電極の順に積層される。上部電極は、アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、センサ用上部電極部２６ａとを有する。圧電膜２４は、アクチュエータ用上部電極部２６ｂが設けられた部分と、センサ用上部電極部２６ａが設けられた部分とが連続している。アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、センサ用上部電極部２６ａとの平均電極間隔ｄμｍと、可動部の平均厚みｔμｍとが、ｄ≧０．３３ｔ＋０．６を満たしている。アクチュエータ用上部電極部２６ｂよって規定されるアクチュエータ用圧電部２０ｂに、非共振周波数として、最低共振周波数の０．８１倍以下の周波数の駆動信号を入力する駆動回路を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、圧電微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）デバイス、製造方法および駆動方法に関する。

近年、圧電膜を成膜する技術の進展から、圧電膜を用いた圧電デバイスへ注目が集まっている。特に、シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術と組み合わせた圧電ＭＥＭＳデバイスは注目を集めている。この種の圧電ＭＥＭＳデバイスとして、例えば、圧電ＭＥＭＳミラーを備えたマイクロスキャナは、小型かつ低消費電力であることが特徴であり、レーザープロジェクタから光干渉断層計のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。また、圧電ジャイロセンサは、静電型のジャイロセンサと比較し、低消費電力が期待されている。

圧電ＭＥＭＳデバイスは、可動部を備えた基材の可動部上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層されてなる圧電部を備える。圧電部は、上下電極間に電圧を印加することでアクチュエータとして機能する。あるいは、圧電部は、圧電膜に歪が生じることで上下電極間に生じる電圧を検出するセンサとして機能する。圧電ＭＥＭＳデバイスには、１つもしくは複数の圧電部を備え、インクジェットヘッドのような圧電部をアクチュエータとしてのみ用いるデバイス、加速度ピックアップのように圧電部をセンサとしてのみ用いるデバイスもあるが、複数の圧電部の一部をセンサとして、他の一部をアクチュエータとして機能させるデバイスもある。この種の圧電ＭＥＭＳデバイスとして、例えば、圧電ジャイロセンサは、アクチュエータでデバイスを駆動させながら、センサで力学的な変化を検出する（特許文献１〜３参照）。また、圧電ＭＥＭＳミラーデバイスは、ミラーをアクチュエータで駆動させながら、センサでミラーの角度を検出する（特許文献４〜６参照）。

圧電部をアクチュエータとして用いる圧電ＭＥＭＳデバイスにおいては、デバイスの共振周波数で駆動する共振駆動型のデバイスと、共振周波数から外れた周波数で駆動する非共振駆動型のデバイスがある。共振駆動型のデバイスでは、アクチュエータの駆動によりエネルギーはデバイス全体に蓄積されていき、デバイス全体が均一に動作する。エネルギーが蓄積されるので、少ないエネルギー（低い入力電圧）で大きな変位を得ることができる。そのため、例えば、特許文献１〜３等に開示のジャイロセンサの場合、一般的には、低い入力電圧で高い変位やセンサ信号が得られる共振周波数で駆動する。一方、例えば、特許文献４に示す圧電ＭＥＭＳミラーでは、ラスタースキャン（Ｒａｓｔｅｒ ｓｃａｎ）方式において、主走査方向には高速搖動させる共振駆動し、副走査方向には低速搖動させる非共振駆動する。

特開２０１２−１８１７４号公報 特開２０１０−１８１１７９号公報 国際公開第２００９／０４１５０２号 特開２０１３−２２５０７５号公報 特開２０１６−１４８７６３号公報 特開２０１５−２２０６４号公報

本発明者らは、上述のような低い周波数の非共振周波数で駆動する非共振駆動用のアクチュエータとセンサとを備えた非共振駆動型デバイスにおいて、センサをアクチュエータに近接させすぎた場合、デバイス可動部全体の振動状態を精度よく検出することができないおそれがあることを見出した。

非共振駆動型の場合、共振駆動型と異なりデバイス全体が均一に動かずアクチュエータ近辺が選択的に歪み易いので、デバイスの中でアクチュエータ近辺のみが特異的な動きをする。これに起因して、センサをアクチュエータに近接させすぎると、デバイス可動部全体が振動しているのか、アクチュエータ付近のみが振動しているのかを十分にセンシングすることができない場合が生じていると推定される。

アクチュエータとセンサの両者を備えたデバイスにおいては、センサ電圧をフィードバックさせてアクチュエータの駆動を行っていることが多い。そのため、デバイス可動部全体の振動状態を精度よく検出する必要がある。デバイス可動部全体の振動状態を精度よく検出できないと、例えばレーザーディスプレー用途のＭＥＭＳミラー等として使用する場合、画質が著しく落ちる懸念があり、デバイスとしての信頼性が低下する。圧電ＭＥＭＳデバイスにおいては、小型化の観点からセンサとアクチュエータと近接して配置される傾向にあり、センサとアクチュエータとの距離について十分な検討がなされておらず、その指針は明確になっていない。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、非共振駆動型のアクチュエータとセンサとを備えた圧電ＭＥＭＳデバイスにおいて、信頼性の高い圧電ＭＥＭＳデバイスおよび製造方法、並びに駆動方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞
可動部を有する基板を備え、可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、
上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、
圧電膜は、アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続しており、
アクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
を満たし、
アクチュエータ用上部電極部によって規定されるアクチュエータ用圧電部に、非共振周波数として、最低共振周波数の０．８１倍以下の周波数の駆動信号を入力するための駆動回路を備えた圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜２＞
平均電極間隔ｄおよび可動部の平均厚みｔが、
ｄ≧０．５６ｔ＋８
を満たす、＜１＞に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜３＞
可動部の平均厚みが１００μｍ以下である＜１＞または＜２＞に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜４＞
平均電極間隔が２５０μｍ以下である＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜５＞
圧電膜が１０μｍ以下である＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜６＞
圧電膜が、鉛を含有するペロブスカイト型酸化物を主成分とする＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜７＞
基板は、シリコン基材である＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜８＞
基板は、可動部の一端が固定された固定部をさらに有し、可動部の他端が自由端となる、カンチレバー構造を有する＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜９＞
非共振周波数は、最低共振周波数の０．７倍以下の周波数である＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜１０＞
非共振周波数は、最低共振周波数の０．１倍以下の周波数である、＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
＜１１＞
可動部を有する基板を有し、可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、圧電膜は、アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続している圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との平均電極間隔を、基板の可動部の平均厚みに応じて定める、圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
＜１２＞
平均電極間隔をｄμｍとし、可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
を満たす配置とする、＜１１＞に記載の圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
＜１３＞
平均電極間隔ｄおよび可動部の平均厚みｔが、
ｄ≧０．５６ｔ＋８
を満たす配置とする、＜１２＞に記載の圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
＜１４＞
可動部を有する基板を備え、可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層された圧電ＭＥＭＳデバイスであって、
上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、
圧電膜は、アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続しており、
アクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
を満たす圧電ＭＥＭＳデバイスに対し、
アクチュエータ用上部電極部によって規定されるアクチュエータ用圧電部に、圧電ＭＥＭＳデバイスの最低共振周波数の０．８１倍以下の周波数を有する非共振周波数の駆動信号を入力して非共振駆動する駆動方法。
＜１５＞
圧電ＭＥＭＳデバイスが、平均電極間隔ｄおよび可動部の平均厚みｔが、
ｄ≧０．５６ｔ＋８
を満たす、＜１４＞に記載の駆動方法。
＜１６＞
非共振周波数は、最低共振周波数の０．７倍以下の周波数である、＜１４＞または＜１５＞に記載の駆動方法。
＜１７＞
非共振周波数は、最低共振周波数の０．１倍以下の周波数である、＜１４＞または＜１５＞に記載の駆動方法。

高い信頼性を有する、非共振駆動型のアクチュエータとセンサとを備えた圧電ＭＥＭＳデバイスを得ることができる。

圧電ＭＥＭＳデバイスの一実施形態に係るカンチレバーの斜視図である。 図１に示すカンチレバーの側面図および平面図である。 バルク圧電体の逆圧電効果を説明するための図である。 バルク圧電体の正圧電効果を説明するための図である。 拘束されていない圧電膜に電圧を印加した場合の動作説明図である。 拘束された圧電膜に電圧を印加した場合に圧電膜に生じる応力を説明するための図である。 基板上に形成された圧電膜に電圧を印加した場合に圧電膜に生じる応力を説明するための図である。 圧電膜に引張応力が加えられた場合の圧電効果を説明するための図である。 圧電膜に圧縮応力が加えられた場合の圧電効果を説明するための図である。 可動部の変位状態を模式的に示す図である。 可動部の圧電膜に生じる応力を模式的に示す図である。 可動部の幅方向における応力分布を説明するための図である。 電極間隔を説明するための図である。 電極間隔を説明するための図である。 圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法を説明するための図である。 圧電ＭＥＭＳデバイスの他の実施形態に係るミラーデバイスの斜視図である。 図１６に示すミラーデバイスの一部を拡大して示す図である。 参考例のカンチレバーの寸法を示す図である。 参考例のカンチレバーについての電極間隔とセンサ電圧との関係を示す図である。 試験例１Ａ−１、１Ａ−２のカンチレバーについての電極間隔とセンサ電圧との関係を示す図である。 図１８の縦軸を拡大して示した図である。 試験例１Ｂのカンチレバーについての電極間隔とセンサ電圧との関係を示す図である。 試験例２のカンチレバーについての電極間隔とセンサ電圧との関係を示す図である。 試験例３のカンチレバーについての電極間隔とセンサ電圧との関係を示す図である。 カンチレバーの基板の可動部厚みｔと電極間隔ｄとの関係を示す図である。

以下、図面を参照して本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスの実施形態を説明する。

「圧電ＭＥＭＳデバイス」
図１は、本開示の実施形態に係る非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイス１００（図２参照）の本体部１を構成するカンチレバーの斜視図である。図２はカンチレバーの側面図および上部電極側から見た平面図を含む、圧電ＭＥＭＳデバイス１００の概略構成を示す図である。なお、視認容易のため、各層の膜厚やそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない。以下の図面において同様とする。

圧電ＭＥＭＳデバイス１００の本体部１（以下において、デバイス本体部１という。）は、可動部１２と可動部１２の一端１２ａが固定される固定部１４と有する基板１０を備える。可動部１２は固定部１４との境界を固定端とし、他端１２ｂが自由端とされた片持ち梁である。基板１０の固定部１４は、可動部１２と比較して十分に厚く、可動部１２の振動時にも振動による変位を生じない非可動部である。

デバイス本体部１は、可動部１２上に、下部電極２２、圧電膜２４および上部電極２６がこの順に積層されている。ここで、「下部」および「上部」は鉛直方向における上下を意味するものではなく、圧電膜を挟んで基板側に配置される電極を下部電極、圧電膜に関して基材と反対の側に配置される電極を上部電極と称しているに過ぎない。

下部電極２２は基板１０の全面に一様に備えられている。すなわち、可動部１２から固定部１４に亘って連続膜として備えられている。

圧電膜２４はその外縁が下部電極２２の外縁より内側となるように、下部電極２２上に設けられている。圧電膜２４は少なくとも可動部１２上にあればよいが、本例のように固定部１４側に亘って設けられていてもよい。圧電膜２４は連続膜として備えられている。

上部電極２６は、圧電膜２４上にパターン形成されており、３つの矩形状の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃが互いに離隔して並列配置されている。本例においては、３つの上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃのうち、中央の上部電極部２６ｂがアクチュエータ用上部電極部であり、両脇の上部電極部２６ａおよび２６ｃがセンサ用上部電極部である。以下において、３つの矩形状の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃを区別する必要のある場合には、それぞれ、アクチュエータ用上部電極部２６ｂ、センサ用上部電極部２６ａ、センサ用上部電極部２６ｃという。

上記の通り、デバイス本体部１は、アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、アクチュエータ用上部電極部２６ｂに非接触のセンサ用上部電極部２６ａ、２６ｃとを有する。そして、圧電膜２４は、アクチュエータ用上部電極部２６ｂが設けられた部分と、センサ用上部電極部２６ａ、２６ｃが設けられた部分とが連続している。

３つの矩形状の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃによって、３つの圧電部２０ａ、２０ｂ、２０ｃが規定される。各圧電部２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、下部電極２２、圧電膜２４、および各々上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃによって構成される。下部電極２２および圧電膜２４はそれぞれ、３つの圧電部２０ａ、２０ｂ、２０ｃに対して共通膜として備えられている。アクチュエータ用上部電極部２６ｂを備えた圧電部２０ｂがアクチュエータ用圧電部（以下において、アクチュエータ用圧電部２０ｂという。）であり、センサ用上部電極部２６ａ、２６ｃを備えた圧電部２０ａ、２０ｃがセンサ用圧電部（以下においてセンサ用圧電部２０ａ、２０ｃという。）である。

駆動電圧が印加されることによってアクチュエータ用圧電部２０ｂは可動部１２を非共振周波数で振動させ、センサ用圧電部２０ａ、２０ｃは、可動部１２の振動により圧電膜に生じる歪に応じたセンサ電圧を出力する。

本圧電ＭＥＭＳデバイス１００は、デバイス本体部１に加えてアクチュエータ用圧電部２０ｂに非共振周波数の駆動信号を入力するための駆動回路３２を含む回路基板３０を備えている。図２に示すように、各圧電部２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、それぞれ配線部２７ａ、２７ｂ、２７ｃおよび電極パッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃを介して回路基板３０に接続されている。アクチュエータ用圧電部２０ｂは、駆動信号を入力するための駆動回路３２と接続されている。また、センサ用圧電部２０ａ、２０ｃは、センサ電圧を取出すための検出回路３４にそれぞれ接続されている。駆動回路３２および検出回路３４は回路基板３０上に設けられている。各圧電部２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、下部電極２２に接続された電極パッド（図示しない）および、上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃに接続された電極パッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃからそれぞれワイヤボンディングにより回路基板３０に接続されている。回路基板３０は、デバイス本体部１の基板１０の一部に設けられていてもよいし、デバイス本体部１とは別体の基板であってもよい。なお、本明細書において、圧電ＭＥＭＳデバイスが駆動回路を備えるとは、駆動回路を含む回路基板が可動部を備えた基板と一体的に備えられている場合および別体として備えられている場合を含むこととする。

駆動回路３２はアクチュエータ用圧電部２０ｂに対して、最低共振周波数ｆ_１の０．８１倍以下の非共振周波数の駆動信号（駆動電圧）を入力する。最低共振周波数とは、デバイス固有の複数の共振周波数のうち最も低い周波数である。共振周波数は、デバイスの各種寸法および材質から有限要素法を用いて算出することができる。算出方法についての詳細は後述する。圧電ＭＥＭＳデバイスサイズにおける最低共振周波数は、例えば、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの周波数帯中の特定の周波数である。本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスにおいては、非共振周波数として、最低共振周波数ｆ_１の０．７倍以下の周波数を用いることが好ましく、最低共振周波数ｆ_１の０．３倍以下の周波数とすることがより好ましく、最低共振周波数ｆ_１の０．１倍以下の周波数とすることが特に好ましい。また、非共振駆動には直流駆動を含むこととする。なお、一般的な共振周波数で駆動させる場合の駆動回路は、駆動時に生じる共振周波数のピークシフトに追随し、常に共振周波数で駆動できるように構成されている。これに対して、本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスにおいて、非共振駆動用に備えられる駆動回路３２は、予め求められた、デバイスの最低共振周波数の０．８１倍以下の予め定めた特定の周波数ｆの駆動信号を圧電ＭＥＭＳデバイスに入力するように構成されたものであり、共振駆動用の駆動回路とは異なる。

ここで、本開示の技術における非共振周波数を最低共振周波数ｆ_１の０．８１倍以下に定めた理由について説明する。
デバイスの可動部に対して外部からＹの振幅で振動を与えた場合の変位量をＸとした場合、共振の影響が全くない完全な非共振の状態ではＸ／Ｙ＝１となる。そして、可動部の振動に共振の影響が加わることにより、Ｘ／Ｙ＞１となる。

ｙ＝Ｙsinωｔの振動が与えられた場合の変位量Ｘは、デバイスの減衰率をζとしたとき、下記式（Ｉ）で表される。

（Ｉ）
ω₁＝２πｆ₁、ω＝２πｆ
ｆ₁は最低共振周波数でありｆは駆動周波数である。

減衰率ζは圧電ＭＥＭＳデバイスにおける空気抵抗等のダンパー項である。一般的に、ダンパー項は、空気抵抗、すなわち、空気中であるか真空であるか、デバイスを接着剤等で止めている場合はその接着部分が完全に拘束されているかどうか、材料そのものの弾性挙動が線形で応答しない等のエネルギーロス等に依存する項である。

他方、一般的な圧電ＭＥＭＳデバイスの品質係数Ｑ値は、可動部変位量Ｘの周波数依存性から求められる値である。横軸を角周波数（ω＝２πｆ）、縦軸を可動部変位量Ｘとした場合、可動部変位量Ｘは、共振周波数の低周波数側から共振角周波数に向かって徐々に大きくなり、共振角周波数でピークとなり、共振周波数を超えて周波数が高くなるにつれて徐々に小さくなるグラフで表される。このようなグラフにおいて、最大変位量の１／√２倍の変位量となる２つの周波数間の幅をΔωとしたとき、Ｑ値は、Ｑ＝ω／Δωと定義される。すなわち、Ｑ値が高いデバイスでは、変位量特性は、共振周波数で鋭いピークを示す。逆にＱ値が低いデバイスでは、変位量特性は共振周波数でなだらかなピークを示す。
一般的なＭＥＭＳデバイスにおけるＱ値は１０〜１０００程度であり、その範囲ではＱ値と減衰率ζとの関係を、Ｑ＝１／（２ζ）と表すことができる。
すなわち、（Ｉ）式はＱ値を用いて、

（II）

と表すことができる。

式（II）を用いて、デバイスのＱ値が１０である場合、１００である場合、１０００である場合について、駆動周波数ｆにおける変位量Ｘを求めた。その結果、最低共振周波数ｆ_１の近傍では、デバイスのＱ値によって変位量Ｘが大きく異なる一方で、最低共振周波数ｆ_１の０．８１倍以下の周波数で駆動すれば、Ｑ値にかかわらず、ほぼ同じ挙動を示し、外部から与える振動の振幅Ｙに対する変位量Ｘの比Ｘ／Ｙは３未満であった。Ｑ値に依存せず、ほぼ同じ挙動を示しているということは、共振による影響がほとんどなく、非共振的な要素が支配的であることを意味する。そこで、本明細書においては、Ｑ値にかかわらずほぼ同じ挙動を示す、最低共振周波数ｆ_１の０．８１倍以下の周波数を非共振周波数として取り扱うこととした。

また、変位量Ｘが完全な非共振の場合の変位量に対して２倍未満となる周波数は０．７ｆ_１以下であり、変位量Ｘが完全な非共振の場合の変位量に対して１．１倍未満となる周波数は０．３ｆ_１以下である。また、変位量Ｘが完全な非共振の場合の変位量に対して１．０１倍未満となる周波数は０．１ｆ_１以下である。最低共振周波数ｆ_１の０．１倍であるような非常に低い周波数においては、共振の周波数による変位量は全体の変位量の１％に満たず、ほぼ完全な非共振とみなすことができる。なお、共振を伴わない完全な非共振の状態に近いほど、アクチュエータ近辺のみでの特異的な動作が顕著であることから、後述する本開示の技術による効果は高い。

本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスの駆動方法の一実施形態は、例えば、上記圧電ＭＥＭＳデバイス本体部１に対して、最低共振周波数ｆ_１の０．８１倍以下の非共振周波数の駆動信号を入力して非共振駆動する駆動方法である。なお、駆動信号は、最低共振周波数ｆ_１の０．７倍以下とすることが好ましく、最低共振周波数ｆ_１の０．３倍以下とすることがより好ましく、最低共振周波数ｆ_１の０．１倍以下とすることがさらに好ましい。

本デバイス本体部１はアクチュエータ用圧電部２０ｂに非共振周波数の駆動電圧が印加されることで、圧電膜２４が面内方向に収縮し、この圧電膜２４の収縮によって歪を生じ、可動部１２が駆動電圧の周波数に応じて振動する。そしてこの振動によってセンサ用圧電部２０ａ、２０ｃの圧電膜２４に歪が生じ、この歪によってセンサ用圧電部２０ａ、２０ｃの圧電膜２４に生じる電圧をセンサ用圧電部２０ａ、２０ｃに接続された検出回路３４によってセンサ電圧として検出する。このセンサ電圧は可動部１２の変位量に対応するので、このセンサ電圧に応じて駆動電圧の振幅を制御するフィードバック制御を行うことで、デバイス本体部１の可動部１２を所望の変位量で振動させることができる。

本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスは非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスである。

既述の通り、駆動回路３２は、最低共振周波数の０．８１倍以下、好ましくは０．７倍以下、より好ましくは０．３倍以下、さらに好ましくは０．１倍以下の低い周波数の駆動信号をアクチュエータ用圧電部２０ｂに加える。なお、１つのデバイス中に複数のアクチュエータ用圧電部を備えている場合には、そのうちの少なくとも１つのアクチュエータ用圧電部に対して非共振周波数の駆動信号を与えるように構成されていればよい。他のアクチュエータ用圧電部に対しては共振周波数の駆動信号を与える共振駆動用の駆動回路をさらに備えていればよい。すなわち、本開示の非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスは、複数のアクチュエータ用圧電部を備える場合には、例えば、圧電ＭＥＭＳミラーのように共振駆動型のアクチュエータと非共振駆動型のアクチュエータとを組み合わせたデバイスを含む。

デバイス本体部１において、アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、センサ用上部電極部２６ａ、２６ｃとは以下の関係で配置されている。

アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、センサ用上部電極部２６ａとの電極間隔をｄ１μｍとし、可動部１２の厚みをｔμｍとした場合、ｄ１とｔとが、
ｄ１≧０．３３ｔ＋０．６を満たす。
なお、
ｄ１≧０．５６ｔ＋８
を満たすことが好ましい。

同様に、アクチュエータ用上部電極部２６ｂと、センサ用上部電極部２６ｃの電極間隔をｄ２μｍとした場合、
ｄ２≧０．３３ｔ＋０．６を満たす。
なお、
ｄ２≧０．５６ｔ＋８
を満たすことが好ましい。

すなわち、本開示の圧電ＭＥＭＳデバイス１００は、可動部を有する基板を備えたデバイス本体部１を有し、可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、圧電膜は、アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続している。そして、アクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６ （１）
を満たし、
さらには、
ｄ≧０．５６ｔ＋８ （２）
を満たすことが好ましい。

本実施形態において、電極間隔ｄ１とｄ２とは、上記関係式を満たせば、同一でもよいし、異なっていてもよい。

可動部１２の平均厚みｔは１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。可動部１２の平均厚みが厚くなるほど可動部１２の変位は小さくなるが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下であれば、十分な可動部１２の変位を得ることができる。また、可動部の平均厚みｔは、良好なデバイスの実現のため、圧電膜の厚みと同程度以上であることが好ましい。可動部（振動板）の厚みに対して圧電膜の厚みが厚い場合、圧電膜は面内方向のみに振動する事となり、デバイスとしての機能が十分得られない場合があるからである。

可動部１２の平均厚みｔは、可動部１２全域の各位置における厚みを積分して可動部１２の面積で平均化させた値とする。

デバイス本体部１は、カンチレバー構造を有し、可動部１２は固定端１２ａから自由端１２ｂまでの領域であり、可動部１２の厚みは均一である。この場合、可動部１２の厚みは可動部１２の平均厚みと同義である。

本例の場合、可動部１２は全域に亘って均一な厚みを有し、非可動部（固定部１４）とは厚みが十分に異なり、非可動部は駆動時においても変位しないため、可動部１２と非可動部の境界は明確である。一方、本開示の技術においては、基板１０の全域に亘って厚みに勾配がある、あるいは厚みに段差があるなどのために、可動部と非可動部との境界が不明瞭であってもよい。そのような場合には、圧電ＭＥＭＳデバイスにおける可動部は、アクチュエータ用圧電部に対して電圧を印加して駆動した際に、最大変位となる点の変位振幅に対し、１／１０００以上の振幅で変位する範囲と定義する。

既述の通り、本デバイス１００は、共振周波数で駆動するものではなく、非共振周波数で駆動するアクチュエータ用圧電部を含む。アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との電極間隔ｄが可動部１２の平均厚みｔと上記関係式（１）を満たすことで、可動部全体の振動状態に対応した精度のよいセンサ電圧を得ることができ、このセンサ電圧をフィードバック信号として用いた場合に、デバイス動作に支障を生じさせず、所望のデバイス動作を生じさせることができる。すなわち、本デバイス１００は、デバイスとして高い信頼性を備える。また、アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との電極間隔ｄが可動部１２の平均厚みｔと上記関係式（２）を満たす場合には、電極間隔ｄが±１μｍ程度変化した場合におけるセンサ電圧の変化を十分に抑制することができ、デバイスとして高い信頼性を得ると共に、量産性に優れたデバイスとすることができる。

以下に、発明者らが推測する、非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスにおける上記センサの精度低下の発生原理および、本開示の技術によるセンサ精度低下の抑制効果について順を追って説明する。

０）一般論としての基板拘束のないフリーのバルク状圧電体の逆圧電効果（アクチュエータ動作）
まず、一般論として、基板拘束のないフリーのバルク状圧電体のアクチュエータ動作は以下の通りである。基板拘束のないフリーの圧電体とは、図３、図４等に示すように、基板を備えず、圧電体１２４が下部電極１２２および上部電極１２６に挟まれた場合をいう。ここで、圧電体１２４は下部電極１２２側が負、上部電極１２６側が正となるように分極処理が施されている。図３、４において、自発分極の向きを−（マイナス）から＋（プラス）に向かう矢印で示している。図３に示すように、圧電体１２４に上部電極１２６側が正となる電圧が印加された場合、分極の負電荷が正電圧に引っ張られ、正電荷が負電圧に引っ張られ、結果として実線で示すように圧電体１２４がｚ軸方向に矢印１３０で示す向きに縮む。ここで、圧電体１２４は体積を維持しようとするので、ｚ軸方向に縮むとｚ軸方向に垂直な面内方向には矢印１３１の向きに伸びる。一方、図４に示すように、圧電体１２４に上部電極側が負となる電圧が印加された場合、分極の負電荷が正電圧に引っ張られ、正電荷が負電圧に引っ張られ、結果として実線で示すように圧電体１２４がｚ軸方向に矢印１３２で示す向きに伸び、面内方向には矢印１３４で示す向きに縮む。

１）薄膜状圧電体（圧電膜）の逆圧電効果（アクチュエータ動作）
（１−１）圧電膜の伸縮がフリーである場合
一端１２４ａが固定端、他端１２４ｂは自由端である薄膜状の圧電体１２４（以下において、圧電膜１２４とする。）のアクチュエータ動作について説明する（図５参照）。ここでは、上向き方向の分極を有する圧電膜１２４に対して、上部電極１２６が正電位となるように、例えば、１Ｖの電圧を印加する。図５に示すように、基板がなく、圧電膜１２４全体に電圧をかけるケースを考える。上部電極１２６と下部電極１２２は圧電膜１２４に対して無視できる程度の厚みであり、圧電材料の動きを拘束しない。すなわち、圧電膜１２４はフリーな状態にある。ここで、圧電膜１２４は、ｚ軸方向（厚み）は薄く、ｘ軸方向（幅）は短くｙ軸方向（長さ）は幅に対して十分に長いこととする。この場合、電圧を印加すると圧電膜１２４は、黒矢印１３５で示す長手方向（ｙ軸方向）に伸びるとシンプルに考えて良い。圧電膜１２４がフリーな状態にある場合、電圧の印加に応じて圧電膜１２４は自由に伸びるので、圧電材料内部では応力はほとんど発生していない。

（１−２）圧電膜が完全に拘束されている場合
次に、図６に示すように圧電膜１２４の両端１２４ａ、１２４ｂが固定された完全拘束状態の場合について考える。圧電膜１２４、下部電極１２２および上部電極１２６自体は図５に示すものと同一とする。この場合、上記と同様に圧電膜１２４に対して、上部電極１２６が正電位となるように、例えば１Ｖの電圧を印加すると、圧電膜１２４はその長手方向（ｙ軸方向）に伸びようとするが、両端１２４ａ、１２４ｂが固定されて拘束されているため伸びることができない。そのため、圧電膜１２４には白抜き矢印１３６で示す圧縮応力がかかる。

２）基板によって拘束された圧電膜の逆圧電効果（アクチュエータ動作）
図７に示すように、基板１１０上に、下部電極１２２、圧電膜１２４および上部電極１２６が積層された、上記本開示の実施形態の可動部と同様の構成の場合について説明する。基板１１０上に備えられた圧電膜１２４に対して、図５と同様に、上部電極１２６が正電位となるように、１Ｖの電圧を印加すると、圧電膜１２４は図中黒矢印１３７（＝長手方向（ｙ軸方向））に伸びようとする。しかし、基板１１０は伸びないために、結果として、ｚ軸のマイナス方向に向かってたわむことになる。圧電膜１２４にとっては、上記（１−１）のフリーの場合と（１−２）の完全拘束状態の場合との中間の状態となっている。圧電膜１２４は伸びようとしているが基板１１０によって拘束されているので、圧電膜１２４は白矢印１３８で示す圧縮応力を受けることとなっている。

３）圧電膜に外力が加えられた場合の正圧電効果（センサ動作）
次に、圧電膜に対して外力が加えられた場合の動作、すなわちセンサとして機能する場合について説明する。
図８に示すように、圧電膜１２４に対して長手方向に矢印１４０で示す引張応力をかけると、圧電膜１２４は破線で示すように長手方向に伸びる。この場合、圧電膜１２４には元に戻そうとする方向に電圧が発生するので、縮もうとする方向の電圧、すなわち負電圧が発生する。
逆に、図９に示すように、圧電膜１２４に対して長手方向に矢印１４１で示す圧縮応力をかけると、圧電膜１２４は破線で示すように長手方向に縮まる。この場合も、圧電膜１２４には元に戻そうとする方向に電圧が発生するので、伸びようとする方向の電圧、すなわち正電圧が発生する。

４）本実施形態のカンチレバーにおけるアクチュエータ動作およびセンサ動作
図１に示したカンチレバー構造のデバイス本体部１において、中央に配置されているアクチュエータ用上部電極部２６ｂに１Ｖを印加した場合、図７の場合と同様に可動部は−ｚ方向にたわむことになる。
すなわち、アクチュエータ用上部電極部２６ｂ付近の圧電膜２４は伸びようとしているが基板１０によって拘束されているため、圧電膜２４には圧縮応力がかかる。
一方で、圧電膜２４の電界がかかっていない部分は、アクチュエータ用圧電部２０ｂによる可動部の動きにつられて動いているだけである。すなわち、圧電膜２４のアクチュエータ用上部電極部２６ｂに対応する部分以外の部分は引張応力をうけ、結果として圧電膜２４が伸びている。

図１０は、上記のようにアクチュエータ用上部電極部２６ｂ（図１および図２参照）に正電圧を加えた場合のカンチレバーの可動部１２の変位を模式的に示す図であり、図１１は可動部１２に生じる応力を模式的に示す図である。図１０において変位の大きい領域ほど高い濃度で示されている。

図１０に示すように、可動部１２は固定端１２ａから長手方向に同一の距離の部分は同一の変位を示し、全体として一体的に変位しているように見える。しかし、実際には、図１１に示すように、駆動電圧が印加されていない長手方向に沿った両サイドのセンサ用上部電極部２６ａ、２６ｃは引張応力（図中、黒矢印で示されている。）を受け、アクチュエータ用上部電極部２６ｂを備えた中央部（駆動部）は圧縮応力（図中、白抜き矢印で示されている。）を受けている。図１２は、可動部１２の幅方向（ｘ軸方向）において圧電膜２４に生じる応力を模式的に示す。

図１２に示すように、幅方向において中心に圧縮応力が生じ、外側に向かって引張応力に変化している。この際、図１２において引張応力が優勢な領域では負電圧、圧縮応力が優勢な領域では正電圧が検出されることになる。アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との間隔が非常に近接している場合、圧縮応力が優勢な領域でセンサ電圧を検出することになる。そのため、アクチュエータ用圧電部に生じる特異的な動作の影響が大きくなり、可動部１２全体の振動状態を適切に検出できていない恐れがあると本発明者らは推測している。一方、引張応力が優勢な負電圧を検出できる領域でセンシングすることにより、可動部全体としての振動状態を適切に検出することができると考えられる。

本発明者らの検討によれば、可動部を駆動するためのアクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔ｄμｍ、および可動部の平均厚みｔμｍの関係が、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６ （１）
を満たす配置となっていれば、センサ用圧電部は、アクチュエータ用圧電部に生じる圧縮応力の影響が少なく引張応力が優勢な位置でセンサ電圧を検出することができる（後記の試験例参照）。そのため、可動部全体の振動状態をセンシングすることができ、センサ電圧を用いたフィードバック制御を行った駆動電圧の印加制御は精度よくなされる。

また、圧縮応力が生じている中心と引張応力が生じている部分との間には応力の変化が急峻な領域が存在する。この領域では幅方向の位置が少しずれただけで応力が大きく変化することになる。他方、中心から十分離れるにつれて引張応力による影響が大きくなってきて、応力の変化は一定となってくるため、幅方向の位置が少しずれたとしても応力はほとんど変化しない。

デバイスの量産の際には、その製造誤差によって個体ごとにセンサ用電極の位置にわずかなずれが生じる場合があるために、個体間でセンサ電圧が大きく異なってしまう可能性がある。センサ電圧が個々のデバイス毎で異なる場合、正確なフィードバック制御を行うには、個々のデバイス毎に駆動電圧に対する補正係数およびセンサ電圧に対する補正係数を計測する必要があるため、量産デバイスとしては生産性を十分に高めることは難しい。

本発明者らの検討によれば、可動部を駆動するためのアクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔ｄμｍ、および可動部の平均厚みｔμｍの関係が、
ｄ≧０．５６ｔ＋８ （２）
を満たす配置となっていれば、一般的なＭＥＭＳデバイスの公差である±１μｍ程度の範囲で、電極間隔が変化してもセンサ電圧は大きく変化しない。そのため、可動部全体の振動状態を精度よくセンシングすることができると同時に、量産に適した圧電ＭＥＭＳデバイスを得ることができる。

上記においては、上向き分極した圧電膜に対して正電圧を印加する場合を例として説明しているが、上向き分極した圧電膜に負電圧を印加する場合、あるいは下向き分極した圧電膜を用いた場合等であっても、各々応力の向きが逆になるだけで、アクチュエータ用上部電極部にかかる応力およびその影響は同様である。

なお、基板厚が厚いほど拘束力が強くなるため、駆動時にアクチュエータ用圧電部の圧電膜にかかる圧縮応力および引張応力は強くなり、これらの応力の影響を受ける範囲が広がる。したがって、基板厚が厚い場合には、アクチュエータ用圧電部の圧電膜に係る応力の影響を受けないように、平均電極間隔ｄを大きくすることが望ましい。また、基板のヤング率が大きくなる（硬くなる）と、より拘束力が強くなる。そのため、基板厚が同じ厚みでヤング率がより大きい基板を用いる場合、より平均電極間隔ｄを大きくすることが望ましい。また、センサ用上部電極部の幅が相対的に小さくなり、アクチュエータ用上部電極部との平均電極間隔ｄよりも離れた領域が減ると、相対的にセンサ用圧電部で圧縮応力を受ける領域の割合が増える。このため、センサ用上部電極部の幅が小さくなるほど、平均電極間隔ｄを大きくすることが望ましい。

また、平均電極間隔ｄは２５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。
センサ用上部電極部がアクチュエータ用上部電極部から大きく離れてしまうと、非共振駆動型のデバイスの場合は十分な歪が出ないことがあり、センサ電圧のＳ／Ｎが低下する。このようなセンサ電圧のＳ／Ｎの低下をカバーするには、増幅回路等が必要になり、デバイスのサイズが大きくなる。ここで、電極間隔ｄが２５０μｍ以下であれば、センサ電圧のＳ／Ｎの低下を抑制することができるので、デバイスサイズの増加を抑制することができる。なお、電極間隔ｄを１００μｍ以下とすることで、デバイスサイズの増加の抑制効果をより高めることができる。

なお、可動部の厚みｔが厚いほど駆動時に生じる圧電歪が小さくなるため、センサ電圧も小さくなる。非共振駆動型デバイスでは、可動部の厚みｔが厚い場合、可動部であってもアクチュエータから離れた領域における歪が非常に小さくなりセンサ電圧が得られなくなることがある。しかし、可動部の厚みｔが厚い場合であっても、電極間隔ｄを２５０μｍ以下に抑えることでセンサ電圧を確実に検出可能とすることができる。また、可動部の厚みｔが薄いほど歪にねじれ等が生じ易くなるため、電極間隔ｄが離れてしまうとデバイスごとの再現性が得られにくい。しかし、可動部の厚みｔが薄い場合であっても、電極間隔ｄを２５０μｍ以下に抑えることでデバイス間の再現性を十分確保することができる。

また、電極間隔ｄは上部電極のパターニング精度の観点から０．５μｍより大きいことが好ましい。

上記実施形態の場合は、矩形の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃが平行に配列されているため、隣接する電極同士の電極間隔ｄは両者の最短距離で定義することができる。上記実施形態の場合には、電極間隔が一定であるため、電極間隔＝平均電極間隔である。
しかし、上部電極２６の形状や配置は上記実施形態の構成に限らず、図１３、図１４に示すように、アクチュエータ用上部電極部５０とセンサ用上部電極部５２との電極間隔が近い部分、遠い部分を含む場合がある。そこで、隣接して配置されるアクチュエータ用上部電極部５０とセンサ用上部電極部５２との平均電極間隔ｄは、以下のように求めることとする。

まず、基板６０の可動部６２におけるアクチュエータ用上部電極部５０との間隔を定めるためのセンサ用上部電極部５２の外縁領域を定める。この場合、それぞれのアクチュエータ用上部電極部５０、センサ用上部電極部５２に接続されている配線５１、５３が可動部６２上にある場合には、配線５１、５３のうち可動部６２上に位置する部分はアクチュエータ用上部電極部５０あるいはセンサ用上部電極部５２の一部と看做す。なお、各アクチュエータ用上部電極部５０およびセンサ用上部電極部５２の各々が基板６０の非可動部６４まで延在する場合であっても、両者の電極間隔は、可動部６２の領域に存在する部分のみを対象とする。さらに、可動部６２上に備えられている場合であっても、下部電極と上部電極に挟まれた積層部分の誘電率が、圧電膜単独の誘電率の１／２以上の誘電率となる領域の上部電極のみを対象とする。例えば、図１４に示すように可動部６２に配線取り回し部６３が設けられている場合、配線取り回し部６３には圧電膜との間に低誘電率の絶縁膜７０を備えている場合がある。このような低誘電率の絶縁膜７０上に配線５１、５３が形成されている場合には、その配線５１、５３はアクチュエータやセンサとして機能しない部分となるので、この部分を除くためである。

センサ用上部電極部５２の外縁５２ａの各点からアクチュエータ用上部電極部５０の外縁５０ａに向かって、センサ用上部電極部５２とアクチュエータ用上部電極部５０とが最短距離となる直線を引く。この際、図１３に示すように、センサ用上部電極部５２の外縁５２ａの任意の点とアクチュエータ用上部電極部５０の外縁５０ａとを最短距離で結ぶ直線のうち、一点鎖線で示すようなセンサ用上部電極部５２内を通る外縁領域は平均電極間隔の算出対象から除く。図１３、図１４において、センサ用上部電極部５２の外縁５２ａのうちアクチュエータ用上部電極部５０にセンサ用上部電極部５２内部を通過することなく最短の直線を引くことができる領域のみを対象領域とする。センサ用上部電極部５２の外縁５２ａの対象領域（図中太線で示す外縁領域）の各箇所からアクチュエータ用上部電極部５０の外縁５０ａまでの直線の長さｄｎを積分して、対象領域で平均化して平均電極間隔ｄを算出する。
すなわち、平均電極間隔ｄ＝∫ｄ（ｎ）ｄｎ／∫ｄｎ
とする。

アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との電極間隔が一定でない場合には、上記のように平均電極間隔ｄを定義する。

圧電ＭＥＭＳデバイスに用いられる基板は、例えば、シリコン基板である。ここで、シリコン基板としては、各種シリコンウエハを用いることができる。なお、ここでシリコンウエハの概念には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などの一部にＳｉＯ_２層を備えたウエハを含む。なお、一般に市販されているシリコン基板と同等のヤング率を有する基板を適宜用いることも可能である。

下部電極２２および上部電極２６の厚みに特に制限はないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電膜２４の厚みは１μｍ以上、１０μｍ以下が好ましく、例えば、１μｍ以上、５μｍ以下である。

下部電極２２、上部電極２６および圧電膜２４の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。

下部電極２２、上部電極２６および圧電膜２４は公知の材料を適宜用いることができる。

圧電膜２４としては、例えば、下記式で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_ｃ （Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＫからなる群より選ばれた少なとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素原子。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

圧電膜２４は、特には、鉛を含有するペロブスカイト型酸化物を主成分とするものであることが好ましい。ここで、主成分とは、構成成分のうちの８０ｍｏｌ％以上を示す成分を意味する。

鉛を含有するペロブスカイト型酸化物としては、例えば、下記式で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）が挙げられる。
Ａ_ａ（Ｚｒ_ｘ、Ｔｉ_ｙ、Ｍ_{ｂ−ｘ−ｙ}）_ｂＯ_ｃ （ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。Ｍは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ、ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

上記一般式（ＰＸ）で示されるペロブスカイト型酸化物は、大きな誘電率を有するため、好ましい。

上述の一般式（Ｐ）および（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜は、高い圧電歪定数（ｄ_３１定数）を有するため、かかる圧電膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高く、より好ましい。

また、一般式（Ｐ）および（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。

上記においては、圧電ＭＥＭＳデバイスとしてカンチレバーを例に説明したが、カンチレバーに限るものではない。圧電ＭＥＭＳデバイスとしては、両持ち梁、ダイアフラム構造等の可動部を有するものであってもよい。また、圧電ＭＥＭＳデバイスはミラーデバイスのように軸中心に搖動する可動部を備えるもの、オートフォーカスデバイスなどであってもよく、非共振で駆動するアクチュエータ部とセンサ部を同時に備えるものであれば、特に制限はない。

なお、ＭＥＭＳデバイスとは、半導体のシリコン基板等に、機械要素部品のセンサ、アクチュエータおよび／または電子回路などをひとまとめにしたミクロンレベル構造を持つデバイスをいい、圧電ＭＥＭＳデバイスとは、そのセンサ、あるいはアクチュエータに圧電方式を適用したデバイスである。

圧電ＭＥＭＳデバイスのサイズとしては、例えば、長さ、幅および厚みのそれぞれが１０ｍｍ程度以下のものが一般的であるが、本開示の技術においては、これよりも小さい構造でも大きい構造でもよく、特に制限されるものではない。また、可動部の厚みについても、５μｍ〜０．２ｍｍ程度が一般的であるが、作製できる範囲であればよく、特に制限されるものではない。

「圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法」
可動部を有する基板を有し、可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、圧電膜は、アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続している圧電ＭＥＭＳデバイスの製造に当たっては、アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部の電極間隔を、基板の可動部の平均厚みに応じて定める。可動部の平均厚みに応じて電極間隔を定めることによって、量産に適する、信頼性の高い圧電ＭＥＭＳデバイスを設計し、製造することができる。

具体的には、アクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６ （１）
を満たす配置となるように設計することが好ましい。
また、
ｄ≧０．５６ｔ＋８ （２）
を満たす配置とするように設計することがより好ましい。

既述の通り、上記式（１）を満たす場合には、アクチュエータ圧電部に生じる応力とは逆の応力が優勢な領域でセンシングすることができるので、可動部全体の振動状態をより正確に検出することができ、フィードバック制御において信頼性の高い駆動動作を実現できる。

また、平均電極間隔ｄと可動部の平均厚みｔとが上記関係（２）を満たす場合には、量産時において、製造誤差による上部電極部の間隔の配置にずれがあっても、個体間でのセンサ電圧の強度差を１％未満に抑制することができる。そのため、全ての個体に対して個々に補正係数を求める必要がなく、量産に適する。個々の補正係数を求めることなく、各デバイスは、代表値の補正係数によるフィードバック制御で十分な信頼性のある駆動動作を実現できる。

図１、２に示したデバイス本体部１の製造工程を、図１５を参照して説明する。

まず、構造体を構成する基板１０を用意し、基板１０の表面に下部電極２２をスパッタ法により成膜する（Ｓ１）。

次に、下部電極２２上に圧電膜２４を、スパッタ法により成膜し、さらに、圧電膜２４上に上部電極２６を成膜する（Ｓ２）。

その後、リソグラフィーおよびエッチングにより上部電極２６をパターン化して、３つの上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃを形成する（Ｓ３）。なお、この際、電極用配線および電極パッド等を同時に形成してもよい。パターン化において、それぞれの上部電極部と、隣接する上部電極部との間隔ｄμｍ、および可動部の平均厚みｔμｍとが、上記式（１）を満たす、好ましくは（２）を満たすように上部電極２６をパターン化する。

以上の工程によって、上記のデバイス本体部１を備えた圧電ＭＥＭＳデバイス１００を製造することができる。

本開示の技術は、上記実施形態において説明したカンチレバーに限らず、連続した一枚の可動部上にアクチュエータ用圧電部とセンサ用圧電部とを同時に備えた圧電ＭＥＭＳデバイス全般に適用することができる。

「他の実施形態に係る圧電ＭＥＭＳデバイス」
本開示の他の実施形態に係る圧電ＭＥＭＳデバイスとしてのミラーデバイスのデバイス本体部２０１を図１６に示す。ミラーデバイスにおいてもデバイス本体部２０１に加えて駆動回路を備えるが、図１６においては図示を省略している。

ミラーデバイスのデバイス本体部２０１は、ミラー部２１２と、ミラー部２１２を第１軸ａ１の周りに傾き振動（すなわち搖動）させる第１可動部２１４と、ミラー部２１２を第２軸ａ２の周りに搖動させる１対の第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂとを備えている。第１可動部２１４はミラー部２１２を囲むように環状の形状を有しトーションバーを介してミラー部２１２と接続されている。１対の第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂは、第１可動部２１４を挟んで対称に配置されている。第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂはそれぞれミアンダ構造を有し、それぞれの一端が第１可動部２１４を囲む枠部材２１０を介して第１可動部２１４と接続されている。また、第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂのそれぞれの他の一端は、外周に備えられる、図示しない固定枠に固定されている。第１可動部２１４、枠部材２１０、第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂおよび固定枠が、本開示の技術における基板を構成する。

第１可動部２１４は、環状に沿って順に配置された４つのアクチュエータ用圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄを有し、第２軸ａ２上にセンサ用圧電部２１５Ａ、２１５Ｂを備えている。

第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂは、それぞれ複数の矩形板状部が連結部を介して折り返すように並べられたミアンダ構造を有する。一方の第２可動部２１６Ａの各矩形板状部にはアクチュエータ用圧電部２２０ａ〜２２０ｄが備えられている。また、第２可動部２１６Ａの一端にはセンサ用圧電部２２０ｅが備えられている。他方の第２可動部２１６Ｂの各矩形板状部にはアクチュエータ用圧電部２２１ａ〜２２１ｄが備えられている。また、第２可動部２１６Ｂの一端にはセンサ用圧電部２２１ｅが備えられている。

各圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄ、２１５Ａ、２１５Ｂ、２２０ａ〜２２０ｅ、２２１ａ〜２２１ｅは、それぞれ、下部電極、圧電膜２２４および上部電極２２６がこの順に積層されてなる。図１６中において、圧電膜２２４は斜線で示されており、上部電極２２６はドットで示されている。圧電膜２２４は下部電極上に設けられている。

第１可動部２１４は、共振周波数の駆動電圧が入力された第１アクチュエータ用圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄの作用により、ミラー部２１２を第１軸ａ１周りに共振モードで傾き振動させる。第１センサ用圧電部２１５Ａおよび第２センサ用圧電部２１５Ｂは、第１可動部２１４の変位に伴い圧電膜に生じる歪に応じたセンサ電圧を検出する。このセンサ用圧電部２１５Ａ、２１５Ｂが検出したセンサ電圧はアクチュエータ用圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄに与えられる駆動信号のフィードバック制御に用いられる。

第２可動部２１６Ａ、２１６Ｂは、非共振周波数の駆動電圧が入力されたアクチュエータ用圧電部２２０ａ〜２２０ｄ、２２１ａ〜２２１ｄの作用により、ミラー部２１２を第２軸ａ２周りに非共振モードで傾き振動させる。センサ用圧電部２２０ｅは、第２可動部２１６Ａの変位に伴って生じる歪に応じたセンサ電圧を検出する。センサ用圧電部２２１ｅは、第２可動部２１６Ｂの変位に伴って生じる歪に応じたセンサ電圧を検出する。これらのセンサ電圧はアクチュエータ用圧電部２２０ａ〜２２０ｄおよび２２１ａ〜２２１ｄに与えられる駆動信号のフィードバック制御に用いられる。

すなわち、本実施形態のミラーデバイスは、共振駆動用のアクチュエータ用圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄと、非共振駆動用のアクチュエータ用圧電部２２０ａ〜２２０ｄ、２２１ａ〜２２１ｄを備えた圧電ＭＥＭＳデバイスである。

図１７は、図１６に示すデバイス本体部２０１の破線１７で囲まれた部分、すなわち、センサ用圧電部２２０ｅが形成された第２可動部２１６Ａの一端を拡大して示す図である。各圧電部２２０ａ〜２２０ｅは、それぞれ下部電極、圧電膜および上部電極が積層されてなる。圧電部２２０ａ〜２２０ｅの下部電極および圧電膜は、それぞれ連続した共通膜から構成されている。上部電極２２６は分割されて圧電部毎で独立して設けられている。従って、センサ用上部電極部２２６ｅによりセンサ用圧電部２２０ｅが規定され、アクチュエータ用上部電極部２２６ａによりアクチュエータ用圧電部２２０ａが規定される。センサ用上部電極部２２６ｅはアクチュエータ用上部電極部２２６ａと非接触とされており、両者の間隔、すなわち電極間隔はｄμｍである。第２可動部２１６Ａの厚みｔμｍ（図１６参照）と電極間隔ｄμｍとの関係は、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６ （１）
を満たす。
また、
ｄ≧０．５６ｔ＋８ （２）
を満たすことが好ましい。

なお、本例では、第２可動部２１６Ａの厚みは一様であり、センサ用上部電極部２２６ｅとアクチュエータ用上部電極部２２６ａとの電極間隔も一様としている。なお、他方の第２可動部２１６Ｂにおけるセンサ用上部電極部とアクチュエータ用上部電極部との関係は、上記一方の第２可動部２１６Ａにおけるセンサ用上部電極部２２６ｅとアクチュエータ用上部電極部２２６ａとの関係と同様である。

センサ用上部電極部２２６ｅと、アクチュエータ用上部電極部２２６ａとの電極間隔ｄが上記関係（１）を満たすものであるので、既述の実施形態の圧電ＭＥＭＳデバイスであるカンチレバー１と同様の効果を得ることができる。すなわち、センサ用圧電部で検出されるセンサ電圧は高い信頼性を有し、フィードバック信号として用いた場合、所望のデバイス動作を生じさせることができる。また、特に関係（２）を満たす場合には、本ミラーデバイスの製造工程において、ＭＥＭＳデバイスの公差である±１μｍ程度の範囲で、電極間隔ｄがずれたとしてもセンサ電圧は大きく変化しないため、量産時においても個体毎にセンサ電圧の補正係数を計測する必要がないため、量産に適する。

なお、本実施形態のミラーデバイスにおいても、デバイス本体部２０１に加えて駆動回路と検出回路とを備えた回路基板を備えている。駆動回路としては、少なくとも非共振駆動用のアクチュエータ用圧電部２２０ａ〜２２０ｄ、２２１ａ〜２２１ｄに非共振周波数の駆動信号を入力するための非共振駆動用の駆動回路を備えている。さらには、共振駆動用のアクチュエータ用圧電部２１４Ａ〜２１４Ｄに共振周波数の駆動信号を入力するための共振駆動用の駆動回路を備えている。

［シミュレーションによる評価］
以下、本開示の圧電ＭＥＭＳデバイスについてのシミュレーションによる評価結果を説明する。ここでは、圧電ＭＥＭＳデバイスとしてカンチレバーを例に説明する。

「参考例」
（カンチレバー１Ａ）
図１８は参考例に用いたカンチレバー１Ａの側面図および平面図であり、寸法を説明するための図である。カンチレバー１Ａの構成は図１、２を用いて説明した実施形態のデバイス本体部１と同等であり、同等の構成要素については同じ符号を付している。

基板１０として、ハンドル層３８０μｍ厚、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層１μｍ厚、デバイス層３３μｍ厚のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた。可動部１２はデバイス層により構成され、固定部１４はハンドル層、ＢＯＸ層、およびデバイス層の積層部により構成されている。すなわち、可動部１２の厚みｔは３３μｍである。また、可動部１２の長さが１ｍｍ、幅Ｗが１３５μｍのカンチレバーとした。

基板１０の一面に、下部電極２２である０．１μｍ厚のＩｒ電極、圧電膜２４であるＮｂ置換ＰＺＴ（Ｐｂ（ｌｅａｄ） Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）膜（圧電定数ｄ_３１＝２５０ｐｍ／Ｖ、ヤング率５０ＧＰａ、ポアソン比０．３、厚み３μｍ）、および上部電極２６である０．１μｍ厚のＰｔ電極の順に積層した後、エッチング処理を行い、上部電極２６を３つの矩形状の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃに分離した。

下部電極２２は基板１０の一面の全面に配置し、圧電膜２４は下部電極２２よりも１０μｍずつ内側となるようにし、その上に２５μｍ幅の矩形の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃを３本並列して配置した。３本のうち、いずれか１本または２本をアクチュエータとして機能させ、残りをセンサとして機能させる。リークを防ぐため、上部電極２６の先端部はＰＺＴ膜より１５μｍ内側に配置した。

（電極間隔とセンサ電圧値の変化についてのシミュレーション）
上記カンチレバー１Ａにおいて、３本ある上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃのうち、中央の上部電極部２６ｂの位置を固定し、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃを長さ方向の位置は固定し、幅方向の位置を変化させて、電極間隔ｄ１、ｄ２を変化させてシミュレーションを行った。電極間隔ｄ１、ｄ２が０の場合は３本の上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃがつながってしまい、各圧電部がセンサあるいはアクチュエータとして機能しなくなる。また、２０μｍよりも電極間隔ｄ１、ｄ２が離れてしまうと圧電膜２４（ＰＺＴ膜）から上部電極２６がはみ出してしまうので、電極間隔ｄ１、ｄ２の最大値は２０μｍとした。ここではｄ１＝ｄ２＝ｄとして、電極間隔ｄを１μｍ〜２０μｍの範囲で変化させた場合のセンサ電圧の変化をシミュレーションにより求めた。

上記カンチレバー１Ａについて、参考例として、最低共振周波数でアクチュエータを駆動させて共振振動を生じさせた場合のセンサ電圧の変化を求めた。
なお、シミュレーションに際しては、有限要素法にて最低共振周波数を求め、システムのＱ値を１００となるように定め、中央の上部電極部２６ｂに、最低共振周波数で０．０１Ｖの振幅の正弦波電圧を印加したこととして、有限要素法による計算を実施し、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃに出力される電圧の振幅を計算した。すなわち、中央の圧電部２０ｂをアクチュエータ用圧電部とし、両脇の圧電部２０ａ、２０ｃをセンサ用圧電部として機能させる圧電薄膜ＭＥＭＳデバイスとしてセンサ電圧の振幅を算出した。

本明細書におけるシミュレーションには、有限要素法解析システムである解析シミュレーションソフト、ムラタソフトウェア製のＦｅｍｔｅｔ（登録商標）を用いた。上記最低共振周波数は、上記シミュレーションソフトの圧電解析における共振解析を用いて算出した。また、センサ電圧は、上記シミュレーションソフトの圧電解析における調和解析によって算出した。なお、カンチレバー１Ａの最低共振周波数は４０ｋＨｚであった。

シミュレーションにおける前提条件およびパラメータについて説明する。なお、この前提条件およびパラメータは、後記の試験例についても同様とした。

（前提条件）
シミュレーションにおいては、カンチレバーの幅方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、厚み方向をｚ軸として計算した。なお、シミュレーションに当たっては、計算負荷の軽減のため、下部電極の厚みは無視して計算した。下部電極はＰＺＴ膜と比較して十分に小さいので、計算結果への影響は小さい。ＰＺＴ膜の下部電極側の面は、一様に０Ｖとされ、アクチュエータ用の上部電極に所定の駆動電圧を印加し、センサ用の上部電極の電位をセンサ電圧として計測することとした。また、カンチレバーの可動部１２について、可動部１２の固定端１２ａを完全拘束とした条件にてシミュレーションを実施した。

（パラメータ）
１）可動部１２を構成するデバイス層（シリコン層）について
シリコンの弾性スティフネステンソルｃijとして下記表１に示す値を用いた。単位はＧＰａである。弾性スティフネステンソルｃijは、i＝１〜６、j＝１〜６の６×６＝３６成分で表される。対角成分は全く同じ値、例えばｃ12＝ｃ21である。面方位（１００）のウエハを用い、そのオリエンテーションフラットに対して垂直な方向をカンチレバーの長手方向としてサンプルを作製するため、一般的なシリコンのテンソル標記に対し、４５°回転させた値を採用した。

２）圧電膜について
圧電膜の物性値としては、以下の値を用いた。
２−１）弾性定数
ヤング率５０ＧＰａ、ポアソン比０．３の等方弾性体と仮定した。ヤング率５０Ｐａ、ポアソン比０．３の等方弾性体を弾性コンプライアンスｓij［×１０^-12（１／Ｐａ）］として下記表２に示す値を採用した。弾性コンプライアンスｓijは、ｉ＝１〜６、ｊ＝１〜６の６×６の３６成分で表される。

２−２）圧電定数
圧電定数ｄij［ｐＣ／Ｎ］として、ｉ＝１〜３、ｊ＝１〜６の１８成分で表される、下記表３に示す値を用いた。

２−４）比誘電率
比誘電率εij［無次元］として、ｉ＝１〜３、ｊ＝１〜３の９成分で表される、下記表４に示す値を用いた。

３）Ｐｔからなる上部電極の弾性定数
ヤング率１６８ＧＰａ、かつ、ポアソン比０．３９の等方弾性体とした。

電極間隔ｄを１μｍ〜２０μｍの範囲でシミュレーションを実施した結果を図１９に示す。中央の上部電極部２６ｂを挟んで配置される、一方の上部電極部２６ａと他方の上部電極部２６ｃは中央の上部電極部２６ｂに対して対称に配置されているので、２つの上部電極部２６ａおよび２６ｃの出力は同等である。図１９に示すセンサ電圧は、１つの上部電極部で検出した場合の値である。中央の圧電部２０ｂをアクチュエータとし、両脇の圧電部２０ａ、２０ｃをセンサとした、後記の試験例１Ａ−１、試験例１Ｂ，２，３においても同様とする。

図１９に示すように、電極間隔ｄが変動してもセンサ電圧に大きな差は生じなかった。そのため、電極間隔ｄが多少変化しても、センサ電圧は大きな変動を生じないため、製造公差によって電極間隔ｄが変化していたとしても、駆動時に個体間で動作が異なる等の支障は生じない。

共振周波数で駆動した場合は、アクチュエータ用圧電部に対する電圧の印加によって、デバイスの全体が共振して振動するために、デバイスに均等な応力が生じていると考えられる。そのため、アクチュエータ用上部電極部とセンサ用上部電極部との電極間隔ｄが変化してもセンサ電圧は大きく変化しないと考えられる。

「試験例１Ａ」
上記カンチレバー１Ａを用い、非共振周波数で駆動させた場合のセンサ電圧の変化を求めた。なお、最低共振周波数は、参考例と同様に、上記シミュレーションソフトの圧電解析における共振解析を用いて算出した。一方、以下の試験例について、センサ電圧は、シミュレーションソフトの圧電解析における静解析を用いて算出した。直流電圧による駆動は、最低共振周波数の０．８１倍以下の非共振周波数による駆動の一例である。なお、最低共振周波数の０．８１倍以下の非共振周波数で駆動する場合には、デバイスのＱ値によらず同様の振る舞いをするため、試験例においてはＱ値の入力は不要である。

（試験例１Ａ−１）
参考例の場合と同様に、中央の圧電部２０ｂをアクチュエータ用圧電部とし、両脇の圧電部２０ａ、２０ｃをセンサ用圧電部とし、中央の上部電極部２６ｂに直流１Ｖを印加し、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃによって検出されるセンサ電圧をシミュレーションにより求めた。結果を図２０において、白四角のマーカーおよび破線で示す。なお、圧電ＭＥＭＳデバイスでは、直流電圧を印加した場合の計算結果と最低共振周波数よりも十分に低い非共振周波数（例えば最低共振周波数の１０％以下）の電圧を印加した場合の計算結果とは同等の結果となる。また、全く共振しない完全な非共振の場合に比べて変位が３倍未満である最低共振周波数の８１％以下の範囲であれば、ほぼ同様の傾向が得られる。以下の試験例についても同様である。

（試験例１Ａ−２）
両脇の圧電部２０ａ、２０ｃをアクチュエータ用圧電部とし、中央の圧電部２０ｂをセンサ用圧電部とし、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃに直流１Ｖを印加し、中央の上部電極部２６ｂによって検出されるセンサ電圧をシミュレーションにより求めた。この場合、アクチュエータの能力が２倍となっているため、得られたセンサ電圧を１／２にした結果を、図２０において、黒三角のマーカーおよび実線で示す。

図２０に示すように、試験例１Ａ−１および試験例１Ａ−２はセンサ電圧の電極間隔依存性は、ほぼ同様の振る舞いをしている。図２１は図２０のセンサ電圧の軸を拡大して示したグラフである。電極間隔ｄが１１μｍ近傍において、センサ電圧の符号が逆転していることが分かる。センサ電圧が負である領域では、アクチュエータ用圧電部に生じる応力の影響よりもアクチュエータ用圧電部から離れた部分に生じる応力による影響が大きい。すなわち、カンチレバー１Ａにおいては、電極間隔ｄを１１μｍ近傍超えとすることでデバイス全体の振動をセンシングすることができる。一方で、図２１に示すように、電極間隔ｄが１８μｍと２０μｍとでも９％の信号強度差があることが分かった。

以下において、可動部の厚みｔを変化させ、それぞれの厚みｔにおいてセンサ電圧が負電圧である電極間隔ｄおよび±１μｍのずれが生じてもセンサ電圧の大きな変化が生じない電極間隔ｄについて調べた。

「試験例１Ｂ」
（カンチレバー１Ｂ）
カンチレバー１Ａにおいて、可動部１２の幅Ｗを１３５μｍから２００μｍとし、圧電膜２４の幅を１１５μｍから１８０μｍに変えた以外は同様とした。なお、試験例１Ｂのカンチレバー１Ｂの最低共振周波数は４０ｋＨｚであった。

（電極間隔とセンサ電圧の関係についてのシミュレーション）
カンチレバー１Ｂにおいて、３本ある上部電極部２６ａ、２６ｂ、２６ｃのうち、中央の上部電極部２６ｂの位置を固定し、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃを長さ方向の位置は固定し、幅方向の位置を変化させることによって電極間隔ｄ１、ｄ２を変化させ、電極間隔とセンサ電圧の関係についてシミュレーションを行った。ここでは電極間隔ｄ１＝ｄ２＝ｄとして、電極間隔ｄを８μｍ〜４６μｍの範囲で変化させた場合の、電極間隔とセンサ電圧の関係をシミュレーションにより求めた。結果を図２２に示す。

図２２に示すように、センサ電圧は電極間隔ｄが大きくなるにつれて変化が小さくなり、電極間隔ｄがさらに大きくなるとほぼ変化しなくなることが分かる。センサ電圧が０となるのは電極間隔ｄが１０μｍと１２μｍとの間であった。また、以下に、配置が１μｍずれた場合にもセンサ電圧の変化を抑制できる電極間隔について詳細に検討した。

（電極間隔が１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量）
上記シミュレーション結果から、各々の電極間隔で検出されるセンサ電圧について、中央の上部電極部２６ｂを固定として、両脇の上部電極部２６ａ、２６ｃの位置が±１μｍずれた場合、すなわち、電極間隔ｄが＋１μｍ、−１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量（信号強度差異）を算出した。電極間隔ｄ［μｍ］におけるセンサ電圧の信号強度をＩ（ｄ）とし、電極間隔がｄ−１［μｍ］におけるセンサ電圧の信号強度Ｉ（ｄ−１）との強度差異
｛｜Ｉ（ｄ−１）−Ｉ（ｄ）｜／Ｉ（ｄ）｝×１００［％］、
および電極間隔がｄ＋１［μｍ］における信号強度Ｉ（ｄ＋１）との強度差異
｛｜Ｉ（ｄ＋１）−Ｉ（ｄ）｜／Ｉ（ｄ）｝×１００［％］
をそれぞれ求めた。
なお、シミュレーションにおいて１μｍ間隔で数値が算出されていない場合、例えば、ある電極間隔ｄにおける＋１μｍずれた場合の信号強度が算出されていない場合、電極間隔ｄの次に大きい値との間で線形補完をしてｄ＋１の信号強度を求めて上記強度差異を算出した。同様に、電極間隔ｄの次に小さい値との間で線形補完を行いｄ−１における信号強度を求めて上記強度差を算出した。

例えば、電極間隔ｄ＝２４μｍの場合のセンサ電圧での信号強度Ｉ（２４μｍ）の、１μｍ狭い電極間隔ｄ−１＝２３μｍの場合の信号強度Ｉ（２３μｍ）との信号強度差異Δ（ｄ−１）は、
｛｜Ｉ（２３μｍ）−Ｉ（２４μｍ）｜／Ｉ（２４μｍ）｝×１００［％］
で求めた。
シミュレーション結果が２μｍ間隔で算出されている場合には、Ｉ（２４μｍ）とＩ（２２μｍ）の間に直線を引き、そこからＩ（２３μｍ）を読み取った、すなわち線形補完によりＩ（２３μｍ）を求めた。
同様に、電極間隔ｄ＝２４μｍの場合のセンサ電圧での信号強度Ｉ（２４μｍ）の、１μｍ広い電極間隔ｄ＋１＝２５μｍの場合の信号強度Ｉ（２５μｍ）との信号強度差異Δ（ｄ＋１）は、
｛｜Ｉ（２５μｍ）−Ｉ（２４μｍ）｜／Ｉ（２４μｍ）｝×１００［％］
で求めた。

上記信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）について、両者が１％未満である場合、良好（Ａ）、少なくとも一方が１％以上である場合、不良（Ｂ）と評価した。

各電極間隔ｄにおける信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）および評価結果を表５に示す。

表５に示すように、電極間隔ｄが２８μｍ以上であれば±１μｍの配置誤差においての信号強度の差異が１％未満であった。従って、実際のデバイスにおいて電極位置が±１μｍの範囲で変動しても、フィードバック制御による動作に支障はない。一方、電極間隔ｄが２６μｍ以下である場合には、１μｍの配置誤差によって１％以上の信号強度差異を生じる。そのため、精度よく製造プロセスを実施することが求められる。

「試験例２」
（カンチレバー１Ｃ）
カンチレバー１Ａにおいて、可動部１２の厚みｔを６６μｍとし、可動部１２の幅Ｗを２５０μｍとし、圧電膜２４の幅を２３０μｍとした以外は同様とした。なお、試験例２のカンチレバー１Ｃの最低共振周波数は８２ｋＨｚであった。

（電極間隔とセンサ電圧値の関係についてのシミュレーション）
試験例１Ｂと同様にして、電極間隔ｄを１６μｍ〜７０μｍの範囲で変化させた場合の電極間隔とセンサ電圧との関係についてのシミュレーションを行った。結果を図２３に示す。

センサ電圧が０となるのは電極間隔ｄが２２μｍと２４μｍとの間であった。また、以下に、試験例１Ｂと同様に、配置が１μｍずれた場合にもセンサ電圧の変化が抑制できる電極間隔について詳細に検討した。

（電極間隔が１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量）
試験例１Ｂと同様にして、各々の電極間隔で検出されるセンサ電圧について、中央の上部電極部２６ｂを固定として、両脇の上部電極部の位置が±１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量、ここでは信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）を算出した。

各電極間隔ｄにおける信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）および評価結果を表６に示す。評価は試験例１Ｂと同様の基準で行った。

表６に示すように、電極間隔ｄが４６μｍ以上であれば±１μｍの配置誤差においての信号強度の差異が１％未満であった。従って、実際のデバイスにおいて電極位置が±１μｍの範囲で変動しても、フィードバック制御による動作に支障はない。一方、電極間隔ｄが４４μｍ以下である場合には、１μｍの配置誤差によって１％以上の信号強度差異を生じる。そのため、精度よく製造プロセスを実施することが求められる。

「試験例３」
（カンチレバー１Ｄ）
カンチレバー１Ａにおいて、可動部１２の厚みｔを１００μｍ、可動部１２の幅Ｗを３００μｍとし、圧電膜２４の幅を２８０μｍとした以外は同様とした。なお、試験例３のカンチレバー１Ｄは最低共振周波数が１２５ｋＨｚであった。

（電極間隔とセンサ電圧値の関係についてのシミュレーション）
試験例１Ｂと同様にして、電極間隔ｄを１４μｍ〜８０μｍの範囲で変化させた場合の電極間隔とセンサ電圧との関係についてのシミュレーションを行った。結果を図２４に示す。

センサ電圧が０となるのは電極間隔ｄが３２μｍと３４μｍとの間であった。また、以下に、試験例１Ｂ、２と同様に、配置が１μｍずれた場合にもセンサ電圧の変化が抑制できる電極間隔について詳細に検討した。

（電極間隔が１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量）
試験例１Ｂと同様にして、各々の電極間隔で検出されるセンサ電圧について、中央の上部電極部２６ｂを固定として、両脇の上部電極部の位置が±１μｍずれた場合のセンサ電圧の変化量、ここでは信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）を算出した。

各電極間隔ｄにおける信号強度差異Δ（ｄ−１）、Δ（ｄ＋１）および評価結果を表７に示す。評価は試験例１Ｂと同様の基準で行った。

表７に示すように、電極間隔ｄが６６μｍ以上であれば±１μｍの配置誤差においての信号強度の差異が１％未満であった。従って、実際のデバイスにおいて電極位置が±１μｍの範囲で変動しても、フィードバック制御による動作に支障はない。一方、電極間隔ｄが６０μｍ以下である場合には、１μｍの配置誤差によって１％以上の信号強度差異を生じる。そのため、精度よく製造プロセスを実施することが求められる。

以上の試験例１Ｂ，２および３について、各例の可動部の厚みｔ、計算で求めた電極間隔のうち、センサ電圧が０となる前後の電極間隔、および１μｍの配置誤差で信号強度差異１％となる前後の電極間隔をそれぞれ表８に示す。

基板の可動部の厚みｔと表８に示す電極間隔ｄとの関係を図２５に示す。図２５において、センサ電圧が０となる前後の電極間隔のうち、センサ電圧が正の最大電極間隔については黒三角（▲）、センサ電圧が負の最大電極間隔については白三角（△）で示している。両者はいずれも可動部の厚みに対して線形に変化している。両者の境界を示す実線はｄ＝０．３３ｔ＋０．６で表される。また、図２５において、１μｍの配置誤差で信号強度差異１％となる前後の電極間隔のうち、信号強度差異が１％以上である最大電極間隔については黒丸（●）、信号強度差異が１％未満である最小電極間隔については白丸（○）で示している。両者の境界を示す破線はｄ＝０．５６ｔ＋８で表される。

すなわち、アクチュエータ用圧電部への印加電圧とは異符号となるセンサ電圧を検出することができるのは、アクチュエータ用上部電極部と、センサ用上部電極部との電極間隔ｄと可動部の厚みｔとが、
ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
を満たす場合であることが明らかになった。

また、電極位置が±１μｍの範囲で変動しても、センサ電圧の変動が１％未満に抑制することができるのは、
ｄ≧０．５６ｔ＋８
を満たす場合であることが明らかになった。

１ 圧電ＭＥＭＳデバイス本体部（カンチレバー）
１０ 基板
１２ 可動部
１２ａ 可動部の一端（固定端）
１２ｂ 可動部の他端（自由端）
１４ 固定部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 圧電部
２０ａ、２０ｃ センサ用圧電部
２０ｂ アクチュエータ用圧電部
２２ 下部電極
２４ 圧電膜
２６ 上部電極
２６ａ 上部電極部（センサ用上部電極部）
２６ｂ 上部電極部（アクチュエータ用上部電極部）
２６ｃ 上部電極部（センサ用上部電極部）
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ 配線部
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ 電極パッド
３０ 回路基板
３２ 駆動回路
３４ 検出回路
５０ アクチュエータ用上部電極部
５０ａ アクチュエータ用上部電極部の外縁
５１ 配線
５２ センサ用上部電極部
５２ａ センサ用上部電極部の外縁
６０ 基板
６２ 可動部
６４ 非可動部
７０ 絶縁膜
１００ 圧電ＭＥＭＳデバイス
１１０ 基板
１２２ 下部電極
１２４ 圧電体、圧電膜
１２４ａ 一端
１２４ｂ 他端
１２６ 上部電極
２０１ 圧電ＭＥＭＳデバイス本体部（ミラーデバイス本体部）
２１０ 枠部材
２１２ ミラー部
２１４ 第１可動部
２１４Ａ〜２１４Ｄ 第１可動部のアクチュエータ用圧電部
２１５Ａ、２１５Ｂ 第１可動部のセンサ用圧電部
２１６Ａ、２１６Ｂ 第２可動部
２２０ａ〜２２０ｄ、２２１ａ〜２２１ｄ 第２可動部のアクチュエータ用圧電部
２２０ｅ、２２１ｅ 第２可動部のセンサ用圧電部
２２４ 圧電膜
２２６ 上部電極
２２６ａ アクチュエータ用上部電極部
２２６ｅ センサ用上部電極部

Claims (17)

1. 可動部を有する基板を備え、前記可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、
   前記上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、前記アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、
   前記圧電膜は、前記アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、前記センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続しており、
   前記アクチュエータ用上部電極部と、前記センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、前記可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
   ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
   を満たし、
   前記アクチュエータ用上部電極部によって規定されるアクチュエータ用圧電部に、前記非共振周波数として、最低共振周波数の０．８１倍以下の周波数の駆動信号を入力する駆動回路を備えた圧電ＭＥＭＳデバイス。
2. 前記平均電極間隔ｄおよび前記可動部の平均厚みｔが、
   ｄ≧０．５６ｔ＋８
   を満たす、請求項１に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
3. 前記可動部の平均厚みが１００μｍ以下である請求項１または請求項２に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
4. 前記平均電極間隔が２５０μｍ以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
5. 前記圧電膜が１０μｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
6. 前記圧電膜が、鉛を含有するペロブスカイト型酸化物を主成分とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
7. 前記基板は、シリコン基材である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
8. 前記基板は、前記可動部の一端が固定された固定部をさらに有し、前記可動部の他端が自由端となる、カンチレバー構造を有する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
9. 前記非共振周波数は、前記最低共振周波数の０．７倍以下の周波数である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
10. 前記非共振周波数は、前記最低共振周波数の０．１倍以下の周波数である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳデバイス。
11. 可動部を有する基板を有し、前記可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層され、かつ、非共振周波数で駆動する非共振駆動型の圧電ＭＥＭＳデバイスであって、前記上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、前記アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、前記圧電膜は、前記アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、前記センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続している圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
    前記アクチュエータ用上部電極部と前記センサ用上部電極部との平均電極間隔を、前記基板の可動部の平均厚みに応じて定める、圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
12. 前記平均電極間隔をｄμｍとし、前記可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
    ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
    を満たす配置とする、請求項１１に記載の圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
13. 前記平均電極間隔ｄおよび前記可動部の平均厚みｔが、
    ｄ≧０．５６ｔ＋８
    を満たす配置とする、請求項１２に記載の圧電ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
14. 可動部を有する基板を備え、前記可動部上に、下部電極、圧電膜および上部電極がこの順に積層された圧電ＭＥＭＳデバイスであって、
    前記上部電極は、アクチュエータ用上部電極部と、前記アクチュエータ用上部電極部に非接触のセンサ用上部電極部とを有し、
    前記圧電膜は、前記アクチュエータ用上部電極部が設けられた部分と、前記センサ用上部電極部が設けられた部分とが連続しており、
    前記アクチュエータ用上部電極部と、前記センサ用上部電極部との平均電極間隔をｄμｍとし、前記可動部の平均厚みをｔμｍとした場合、ｄとｔとが、
    ｄ≧０．３３ｔ＋０．６
    を満たす圧電ＭＥＭＳデバイスに対し、
    前記アクチュエータ用上部電極部によって規定されるアクチュエータ用圧電部に、前記圧電ＭＥＭＳデバイスの最低共振周波数の０．８１倍以下の周波数を有する非共振周波数の駆動信号を入力して非共振駆動する駆動方法。
15. 前記圧電ＭＥＭＳデバイスが、前記平均電極間隔ｄおよび前記可動部の平均厚みｔが、
    ｄ≧０．５６ｔ＋８
    を満たす、請求項１４に記載の駆動方法。
16. 前記非共振周波数は、前記最低共振周波数の０．７倍以下の周波数である、請求項１４または請求項１５に記載の駆動方法。
17. 前記非共振周波数は、前記最低共振周波数の０．１倍以下の周波数である、請求項１４または請求項１５に記載の駆動方法。

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