JP2682181B2 - Micro movable mechanical mechanism - Google Patents

Micro movable mechanical mechanism

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JP2682181B2
JP2682181B2 JP2023684A JP2368490A JP2682181B2 JP 2682181 B2 JP2682181 B2 JP 2682181B2 JP 2023684 A JP2023684 A JP 2023684A JP 2368490 A JP2368490 A JP 2368490A JP 2682181 B2 JP2682181 B2 JP 2682181B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は微小可動機械機構に関し、特に微小で高精度
の振動型センサや高性能なマイクロロボットのアクチュ
エータ、さらに磁気ディスクや光ディスクのヘッド等の
微小可動機構として用いられるものに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a micro movable mechanical mechanism, and particularly to a micro and highly accurate vibration type sensor, a high performance micro robot actuator, a magnetic disk or an optical disk head, and the like. The present invention relates to a device used as a micro movable mechanism.

(従来の技術) 現在、上記分野で使用されている微小可動機械機構
は、主に旋盤加工等の機械加工技術によって作製されて
おり、機械加工技術の飛躍的な進歩により比較的低価格
で精度の良いものを作ることが可能である。しかし、シ
ステム側の進歩はさらに急激であって、より高性能なも
のを求めている。そのため、従来の機械加工の延長上で
これに対応することが困難になりつつあり、革新的な加
工技術の出現が期待されているのが現状である。以下、
これを磁気あるいは光ディスクヘッドを例にあげて説明
する。
(Prior Art) Currently, the micro movable mechanical mechanism used in the above fields is mainly manufactured by a machining technology such as lathe processing. Due to the dramatic progress of the machining technology, the precision is relatively low and the accuracy is low. It is possible to make a good one. However, the progress on the system side is more rapid, and there is a demand for higher performance. For this reason, it is becoming difficult to deal with this in extension of conventional machining, and the present situation is that the emergence of innovative machining techniques is expected. Less than,
This will be explained by taking a magnetic or optical disk head as an example.

現在、高密度に作製された記録媒体を読み出すヘッド
の検出部分は非常に微小に加工されている。しかし、こ
れを記録媒体上で動かすために検出部分は数cm程度の金
属からなるアーム上に実装されており、サーボ技術を使
って、15〜30μm程度の精度でヘッドの読みだし部分を
駆動している。この駆動ピッチは機械の固有振動数によ
って制限されている。可動機械が小さくなるにつれて機
械の固有振動数が大きくなり、その結果、機械を高速に
駆動することが可能となるから、これにサーボ技術を組
み合わせることによりさらに微小な動きをさせることが
出来るようになる。しかし、検出部分を金属のアームの
上に実装する現在の構造では個々の部品をさらに微細に
作製しても微小な部品を実装することの困難さ等により
機械全体を小さくすることが困難になりつつあった。一
方、記録媒体の技術の進歩は、現在、μm以下程度のピ
ッチで信号を記録することが可能となりつつある。従っ
て、信号を記録する分野において、高密度化を実現する
ためにヘッドの駆動機構系の大きさが最大の障害となっ
ていることがわかる。
At present, the detection portion of a head for reading a recording medium manufactured with high density is very finely processed. However, in order to move it on the recording medium, the detection part is mounted on an arm made of metal of about several cm, and the head reading part of the head is driven with an accuracy of about 15 to 30 μm using servo technology. ing. This drive pitch is limited by the natural frequency of the machine. The natural frequency of the machine increases as the size of the moving machine decreases, and as a result, the machine can be driven at high speed. By combining this with servo technology, it is possible to make even smaller movements. Become. However, with the current structure in which the detection part is mounted on a metal arm, it is difficult to reduce the size of the entire machine due to the difficulty of mounting minute parts even if individual parts are made finer. It was going on. On the other hand, advances in the technology of recording media are now making it possible to record signals at a pitch of approximately μm or less. Therefore, in the field of recording signals, it can be seen that the size of the drive mechanism system of the head is the biggest obstacle in achieving high density.

以上述べたヘッドの微小化を従来技術の延長と異なる
手法で実現した報告はまだなされていないが、つい最
近、これを実現することができるかもしれないと期待で
きる革新的な技術がシリコン振動型センサ技術に関連し
て発表された。以下、この技術を紹介し、その問題点と
解決方法を示した後、これを応用すると微細はヘッドが
作製できることを示す。
Although no report has been made yet on realizing the miniaturization of the head described above by a method different from the extension of the conventional technology, recently, an innovative technology that can be expected to be able to realize this is the silicon vibration type. Published in connection with sensor technology. In the following, this technique will be introduced, and its problems and solutions will be shown, after which it will be shown that a fine head can be manufactured by applying this technique.

第9図は、アイトリプルイーマイクロエレクトロメカ
ニカルシステムズ予稿集(Proceedings of IEEE Micro
Electro Mechanical Systems(1989年2月))の53頁か
ら59頁に記載されたダブリュー・シー・タング(W.C.Ta
ng)等による「Laterally Driven Polysilicon Resonan
t Microstructures」から引用した振動型センサの上面
図である。これら全ての構造はシリコン基板表面上に堆
積したポリシリコンからなっている。同図で固定電極11
a,11bに連結する固定台13と折り返しビーム15に結び付
いた支持台14がシリコン基板に密着して作製されてい
る。固定電極11a,11bと、折り返しビーム15に連結して
いる可動電極12とは、それぞれ固定台13と支持台14とに
よりシリコン基板から浮き上がる状態で支持されてい
る。固定電極11a,11bと可動電極12はそれぞれ櫛の歯状
の形に形成され、互いに1/3程度だけ相手の側に食い込
んでいる。この振動型センサは三つの電圧供給用のパッ
ドをもっている。パッド17とパッド18はそれぞれ同図の
固定電極11a,11bに電位を与えるためのもので、供給電
位とグラウンドとの間を互いに逆相に交差的に印加され
る。一方、パッド16には常にグラウンドの電位が与えら
れ、支持台14と折り返しビーム15を介して可動電極12に
グラウンド電位が与えられる。パッド17がある供給電位
をもつときパッド18がグラウンドになるので、可動電極
12が固定電極11aに静電力により引き付けられて図の上
向きに移動する。続いて、パッド17の電位がグラウンド
に変化すると同時にパッド18の電位がグラウンドでない
電圧になったとき可動電極12が図の下向きに引き付けら
れ、下方向に移動する。このパッド17とパッド18の電圧
を可動電極12の固有振動数に近い周期で変化させるとき
可動電極12が大きく振動する。可動電極12の固有振動数
は構造が決まっているとき可動電極12の周囲の気圧等の
関数である。そのため、固有振動数を検出することによ
り空気等の圧力を検出することができ、センサとして利
用できる。なお、折り返しビーム15は可動電極12の移動
により形状が変化し、この歪みの力により可動電極12を
元の位置に戻そうとする。そのため、可動電極12の移動
距離は印加電圧だけでなく折り返しビーム15の剛性の関
数でもある。
Figure 9 shows the Proceedings of IEEE Micro.
W Seen Tongue (WCTa), pages 53-59 of Electro Mechanical Systems (February 1989)
ng) et al., “Laterally Driven Polysilicon Resonan
FIG. 3 is a top view of a vibration sensor quoted from “t Microstructures”. All these structures consist of polysilicon deposited on the surface of a silicon substrate. In the figure, the fixed electrode 11
A fixed base 13 connected to a and 11b and a support base 14 connected to the folded beam 15 are made in close contact with the silicon substrate. The fixed electrodes 11a and 11b and the movable electrode 12 connected to the folded beam 15 are supported by a fixed table 13 and a supporting table 14 in a state of floating above the silicon substrate. The fixed electrodes 11a, 11b and the movable electrode 12 are each formed in the shape of a comb tooth and dig into each other by about 1/3. This vibration sensor has three voltage supply pads. The pad 17 and the pad 18 are for applying an electric potential to the fixed electrodes 11a and 11b in the same drawing, respectively, and are applied in a mutually opposite phase and crosswise between the supply potential and the ground. On the other hand, the ground potential is always applied to the pad 16, and the ground potential is applied to the movable electrode 12 via the support 14 and the folded beam 15. Since the pad 18 becomes the ground when the pad 17 has a certain supply potential, the movable electrode
12 is attracted to the fixed electrode 11a by electrostatic force and moves upward in the figure. Then, when the potential of the pad 17 changes to the ground and the potential of the pad 18 becomes a voltage other than the ground at the same time, the movable electrode 12 is attracted downward in the figure and moves downward. When the voltage of the pads 17 and 18 is changed at a cycle close to the natural frequency of the movable electrode 12, the movable electrode 12 vibrates greatly. The natural frequency of the movable electrode 12 is a function of the atmospheric pressure around the movable electrode 12 when the structure is fixed. Therefore, the pressure of air or the like can be detected by detecting the natural frequency, which can be used as a sensor. The shape of the folded beam 15 changes due to the movement of the movable electrode 12, and the force of this distortion tends to return the movable electrode 12 to the original position. Therefore, the moving distance of the movable electrode 12 is a function of not only the applied voltage but also the rigidity of the folded beam 15.

このポリシリコンからなる振動型センサは非常に微小
に作製することが可能である。第10図は、上記文献に記
載された振動型センサの作製方法である。以下、同図を
用いて振動型センサの作製方法を説明する。シリコン基
板20の一方の主面に酸化膜21および窒化膜22を堆積した
後、固定電極と可動電極との分離窓23をパターニングす
る(同図(a))。ポリシリコンを堆積しパターニング
をして先の図のパッド16につながるポリシリコン電極25
およびパッド17あるいはパッド18につながるポリシリコ
ン電極24を形成する(同図(b))。PSG膜26を堆積し
パターニングし(同図(c))、第2ポリシリコン膜27
と第2PSG膜28を堆積する(同図(d))。PSG膜28をパ
ターニングし、これをマスクとしてポリシリコン膜27を
パターニングしたあとPSG膜28を除去する(同図
(e))。この試料を弗酸液の中に長時間浸すことによ
りPSG膜26を除去する(同図(f))。同図(f)に示
すように第2ポリシリコン膜27は先の図の固定電極11a,
11bと可動電極12となり、これら電極はシリコン基板20
から浮き上がった構造となる。電極11a,b,12の厚さは2
μm程度である。さらに、同図(f)には先の図の固定
台13が示されている。
This vibration type sensor made of polysilicon can be made very minute. FIG. 10 shows a method for manufacturing the vibration sensor described in the above document. Hereinafter, a method of manufacturing the vibration sensor will be described with reference to FIG. After depositing the oxide film 21 and the nitride film 22 on one main surface of the silicon substrate 20, the separation window 23 between the fixed electrode and the movable electrode is patterned (FIG. 7A). Polysilicon electrode 25 deposited and patterned to connect to pad 16 in the previous figure
Then, a polysilicon electrode 24 connected to the pad 17 or the pad 18 is formed (FIG. 7B). The PSG film 26 is deposited and patterned (FIG. 7C), and the second polysilicon film 27 is formed.
Then, the second PSG film 28 is deposited (FIG. 7D). The PSG film 28 is patterned, the polysilicon film 27 is patterned using the PSG film 28 as a mask, and then the PSG film 28 is removed (FIG. 7E). The PSG film 26 is removed by immersing this sample in a hydrofluoric acid solution for a long time ((f) of the same figure). As shown in FIG. 3F, the second polysilicon film 27 is formed by fixing the fixed electrode 11a,
11b and the movable electrode 12, these electrodes are the silicon substrate 20
The structure is lifted from. The thickness of the electrodes 11a, b, 12 is 2
It is about μm. Further, the fixed base 13 of the previous figure is shown in FIG.

以上示したように、ポリシリコンからなる可動機械は
シリコンICプロセスで作製することが可能であるため、
微小なものを作製することが出来る。さらに、シリコン
ICプロセスによるパターニングにより形の異なる機械要
素を同一シリコン基板状に一度に作製することができ、
個々の部品を従来の機械加工のように組み立てる必要が
ない。現時点では、具体的応用として上に記述した振動
型センサのみが発表されているにすぎないが、この技術
を磁気や光のヘッドを作製することに応用することが以
下に示すように可能である。
As shown above, since the movable machine made of polysilicon can be manufactured by the silicon IC process,
A minute thing can be manufactured. In addition, silicon
By patterning by IC process, mechanical elements with different shapes can be manufactured at the same time on the same silicon substrate,
There is no need to assemble the individual parts as in conventional machining. At the moment, only the vibration type sensor described above has been announced as a specific application, but it is possible to apply this technology to manufacture a magnetic or optical head as shown below. .

(発明が解決しようとする課題) しかし、上記従来技術は、堆積したポリシリコン薄膜
を機械要素として使用しているため、以下の問題点が生
じている。
(Problems to be Solved by the Invention) However, since the above-described conventional technique uses the deposited polysilicon thin film as a mechanical element, the following problems occur.

(1)ポリシリコン薄膜をスパッタ装置で堆積するとき
堆積速度が小さいために厚い膜を作製するのに長い時間
を必要とする。通常のICプロセスに於てポリシリコン膜
の厚さは1μm程度までである。もちろん長時間の成長
を厭わないならばこれよりも厚い膜を形成することが可
能である。しかし、そのとき高価な装置を長時間占有す
ることからデバイスのコストが高くなる。さらに悪いこ
とに、厚いポリシリコン薄膜の内部には大きな内部応力
が生じており、基板の反りやクラックの原因となる。ま
してこの例のようにポリシリコン薄膜が最終的にシリコ
ン基板から分離されるときには内部応力によりポリシリ
コン構造が変形し、上に反ったり、下に反ってシリコン
基板に接触したり固着してしまったり等の問題が多数生
ずる。これらトラブルは1μm程度の厚さで既に数多く
報告されている。例えば、第四回固体センサとアクチュ
エータ国際会議予稿集(Digest of The 4th Internatio
nal Conference on Solid-State Sensors and Actuator
s)(1987年6月)に記載のエス・ディ・センチュリア
(S.D.Senturia)による「Microfabricated Structures
for the Measurement of Mechanical Properties and
Adhesion of Thin Films」(11頁−16頁)に詳しく記述
されている。これらの経験から均一な内部応力をもつポ
リシリコン薄膜を作製することが容易でないことがわか
る。
(1) When a polysilicon thin film is deposited by a sputtering apparatus, a long time is required to produce a thick film because the deposition rate is low. In a normal IC process, the thickness of the polysilicon film is up to about 1 μm. Of course, a thicker film can be formed if long-term growth is acceptable. However, at that time, the cost of the device increases because the expensive device is occupied for a long time. To make matters worse, a large internal stress is generated inside the thick polysilicon thin film, which causes the substrate to warp or crack. Furthermore, when the polysilicon thin film is finally separated from the silicon substrate as in this example, the polysilicon structure is deformed due to internal stress, and the polysilicon structure warps up or down and contacts or adheres to the silicon substrate. And so on. Many of these troubles have already been reported at a thickness of about 1 μm. For example, Digest of The 4th Internatio
nal Conference on Solid-State Sensors and Actuator
s) (June 1987), "Microfabricated Structures" by SDS Centuria.
for the Measurement of Mechanical Properties and
Adhesion of Thin Films "(pages 11-16). These experiences show that it is not easy to produce a polysilicon thin film having a uniform internal stress.

(2)上記(1)に記したように厚いポリシリコン薄膜
を作製することは現実には容易でない。しかし、ポリシ
リコンの厚さを厚くしたほうが以下に述べるように得策
である。
(2) In reality, it is not easy to form a thick polysilicon thin film as described in (1) above. However, it is advisable to increase the thickness of the polysilicon as described below.

従来例の振動型センサの可動電極は固定電極との間の
電位差に起因する静電力によって振動する。この静電力
は互いに対向する電極面の断面積に比例する。従って、
断面積が小さい場合(1μm程度の厚さ)に充分な静電
力を得るためには大きな電圧を印加する必要があった。
先の例は固有振動数の近くで動かすために比較的効率良
く可動電極を動かすことができた。しかし、固有振動数
から離れた周波数で動かすとき200Vから350Vもの電圧が
必要である。この電圧は、通常のICで用いられている10
V程度の電圧に比べて非常に大きく、もしこの機械を駆
動しようとするとき、通常の電圧の他に昇電用コイルを
必要とするため全体の装置が大きくなるという欠点があ
った。従って、可動電極と固定電極とを厚くすることが
出来るならば、例えば、10μm程度の薄膜を作ることが
できたならば印加電圧を1/10にすることができ、たいへ
ん望ましいことがわかる。
The movable electrode of the vibration type sensor of the conventional example vibrates by the electrostatic force caused by the potential difference between the movable electrode and the fixed electrode. This electrostatic force is proportional to the cross-sectional area of the electrode surfaces facing each other. Therefore,
When the cross-sectional area is small (thickness of about 1 μm), it is necessary to apply a large voltage to obtain a sufficient electrostatic force.
In the previous example, the movable electrode could be moved relatively efficiently in order to move it near the natural frequency. However, when operating at a frequency away from the natural frequency, a voltage of 200V to 350V is required. This voltage is used in normal ICs 10
It is very large compared to the voltage of about V, and there is a drawback that the whole device becomes large because it requires a booster coil in addition to the normal voltage when trying to drive this machine. Therefore, if the movable electrode and the fixed electrode can be thickened, for example, if a thin film of about 10 μm can be formed, the applied voltage can be reduced to 1/10, which is very desirable.

(3)ポリシリコンの内部応力や機械定数等の機械的性
質が現在精力的に研究されているが、形成する際のプロ
セス条件に強く依存しており、微小機械の構造を設計す
るのにまだ充分なデータの蓄積がない。このため、作製
前に機械を精密に最適設計することができなかった。
(3) Although mechanical properties such as internal stress and mechanical constants of polysilicon are being energetically researched at present, it is strongly dependent on the process conditions at the time of formation, and it is still difficult to design the structure of micromachines. There is not enough data accumulated. For this reason, it was not possible to precisely and optimally design the machine before fabrication.

以上の困難は従来のポリシリコンからなる微小可動機
械に固有の問題であり、これを解決する新しい機械の構
造及びこれを実現する製作方法が切に望まれていた。
The above difficulties are problems inherent in the conventional micro movable machine made of polysilicon, and a new machine structure and a manufacturing method for realizing the same have been urgently desired.

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、ポリ
シリコンにかわる物質を用いて微小な可動機械とその製
法および駆動方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art, and to provide a minute movable machine using a substance instead of polysilicon, and a manufacturing method and a driving method thereof.

(課題を解決するための手段) 本発明の微小可動機械は、固定電極に印加された静電
力により可動電極が移動する機構において、少なくとも
一つの電極が単結晶半導体からなることを特徴としてい
る。本発明の微小可動機械の一例として固定電極および
可動電極を互いに入り組んだ櫛の歯状に配置するものが
ある。またこのように配置ししかも当該一方の電極を当
該他方の電極から離れるにしたがってその電極間の距離
が変化するようにしたものがある。
(Means for Solving the Problem) The micro movable machine of the present invention is characterized in that, in the mechanism in which the movable electrode is moved by the electrostatic force applied to the fixed electrode, at least one electrode is made of a single crystal semiconductor. As an example of the micro movable machine of the present invention, there is one in which a fixed electrode and a movable electrode are arranged in the shape of a comb tooth which is intertwined with each other. In addition, there is an arrangement in which the distance between the electrodes is changed as the one electrode is separated from the other electrode.

本発明の微小可動機械の製造方法は、固定電極に印加
された静電力により可動電極が移動する機構の製造方法
において、少なくとも一つの固定電極あるいは可動電極
パターンを半導体基板の一方の主面に形成した後、当該
半導体基板のパターンを形成した側を他の基板に張り付
け、前記半導体基板から前記電極パターンを分離するこ
とを特徴としている。電極パターンの形成方法として
は、ボロンを高濃度に拡散したシリコン基板内に形成す
る方法や、半導体基板と異なるタイプの不純物を拡散し
てそこに形成する方法などがある。
A method of manufacturing a micro movable machine of the present invention is a method of manufacturing a mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, wherein at least one fixed electrode or a movable electrode pattern is formed on one main surface of a semiconductor substrate. After that, the side on which the pattern of the semiconductor substrate is formed is attached to another substrate, and the electrode pattern is separated from the semiconductor substrate. As a method of forming an electrode pattern, there is a method of forming a silicon substrate in which boron is diffused at a high concentration, a method of diffusing an impurity of a type different from that of a semiconductor substrate and forming the same there.

本発明の微小可動機械の駆動方法は、固定電極に印加
された静電力により可動電極が移動する機構において、
固定電極の歯に順次に電圧を走査することにより、当該
可動電極を移動させることを特徴としている。
The driving method of the micro movable machine of the present invention is a mechanism in which the movable electrode is moved by the electrostatic force applied to the fixed electrode,
It is characterized in that the movable electrode is moved by sequentially scanning the voltage of the teeth of the fixed electrode.

また本発明の微小可動機械に薄膜ヘッドあるいは光ヘ
ッドを搭載することもできる。
Further, a thin film head or an optical head can be mounted on the micro movable machine of the present invention.

(作用) 本発明の微小可動機械機構では、可動電極あるいは固
定電極を単結晶半導体から構成する。単結晶は堆積した
ポリシリコン薄膜と異なり、その機械的性質が均一であ
り内部応力も小さく、さらに、良く知られた豊富なデー
タを使用することができるという長所をもっている。一
方、単結晶基板は通常微小な可動機械を作るには厚すぎ
るという困難があったが、本発明の作製方法に述べたよ
うに可動電極をパターニングした単結晶基板を薄くする
ことにより、微小な機械を作製することが可能となっ
た。このさい、単結晶基板を薄くする前に他の基板に張
り付けるので、エッチング後も個々の部品に分離してし
まうことがなく、微小機械の組み立ての手間を必要とし
ない。さらに、本発明により容易に作製することができ
るようになった微小機械の固定電極と可動電極の構造
と、両電極の間に印加する静電力の駆動方法とを工夫す
ることにより、微小機械の制御が精密にできるようにな
る。
(Operation) In the micro movable mechanical mechanism of the present invention, the movable electrode or the fixed electrode is made of a single crystal semiconductor. Single crystals, unlike deposited polysilicon thin films, have the advantage that their mechanical properties are uniform, their internal stresses are small, and that a wealth of well-known data can be used. On the other hand, single-crystal substrates usually had the difficulty of being too thick to make a micro movable machine, but as described in the manufacturing method of the present invention, by thinning the single-crystal substrate with patterned movable electrodes, It became possible to make machines. At this time, since the single crystal substrate is attached to another substrate before thinning, the single crystal substrate does not separate into individual components even after etching, and does not require labor for assembling a micro machine. Further, by devising the structure of the fixed electrode and the movable electrode of the micromachine which can be easily manufactured by the present invention and the driving method of the electrostatic force applied between both electrodes, The control becomes precise.

(実施例) 本発明を用いて従来例と同様の振動型センサを作製し
たときの構造を第1図を用いて説明する。第1図はさき
の従来例の説明で用いた図と若干の部分を除いて同一の
ものであるが、材質などの構造が全く異なる。同図の構
成要素の番号で従来例の図と同一の番号は同じ作用を持
った構成要素を示している。
(Example) A structure when a vibration type sensor similar to the conventional example is manufactured using the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is the same as the drawing used in the description of the prior art example except for some parts, but the structure such as the material is completely different. In the figure, the same reference numerals as those in the conventional example indicate the elements having the same operation.

第1図で、固定電極11a,bと可動電極12は厚さ10μm
のシリコンの単結晶からなり、ガラス基板1から浮き上
がった構造をしている。可動電極12は、支持台14により
基板から浮いた単結晶シリコンからなる折り返しビーム
15を介してガラス基板1の上に支持されている。一方、
固定電極11a,bは、シリコンからなる固定台13により支
持されている。これら固定電極11a,b、可動電極12、折
り返しビーム15、固定台13、および支持台14は全て同一
のシリコン基板から作製されたものであるため、互いに
機械的性質が極めて近い。さらに、個々の内部構造も均
一な機械的性質を有ししかも内部応力も小さい。固定電
極11a,bと可動電極に電位を供給するためにパッド17,1
6,18をガラス基板上にメタルを選択的に形成することに
より作製する。これらのメタルの電極は固定台13の一部
および支持台14の一部と接しており電気的に通じてい
る。メタル電極はクロム−金、チタン−白金−金等の複
数の金属から通常構成される。パッド16と通ずるグラウ
ンド電極2を図に示すように可動電極12の周囲に広がる
ように大きくすることにより、電極の電位が固定され、
外界のノイズが小さくなる。同図に示すように固定電極
11a,bと可動電極12は相似の櫛の歯の形状で互いに入り
組んで配置されている。可動電極12にはパッド16よりグ
ラウンド電極2を通してアース電位が印加される。一
方、固定電極11a,bにはアース電位に等しい電位と、異
なる電位(10V程度)との二相の交流電位が印加され、1
1aと11bとで反対の位相となるように駆動される。可動
電極12はアース電位である側の固定電極との間に力を生
じないが、他方の固定電極との間に電位の差に比例した
静電引力を生ずる。このため可動電極はアース電位と異
なる固定電極の側に移動し、この状態が11aと11bで交互
に切り替わるためにこの切り替え速度に比例して振動す
る。固定、可動の電極の厚さが10μmと従来より厚いた
め交流電位も10V程度と低くても充分振動する。可動電
極12と折り返しビーム15と支持台14からなる系の固有振
動数に近い振動数で上記電位が切り替えられるとき最も
大きな振幅で可動電極12が振動する。第1図の実施例で
はすべての電極を単結晶Siで作った。しかし一方の電極
はポリシリコンであってもよい。例えば固定電極11a,b
を厚さ1μmのポリシリコン、可動電極12を厚さ10μm
の単結晶Siとしたときは、両方ともポリシリコンの場合
に比べ両者の間に生じる電気力線が平行になるので設計
等がしやすい。
In FIG. 1, the fixed electrodes 11a and 11b and the movable electrode 12 have a thickness of 10 μm.
It is made of a single crystal of silicon and has a structure floating from the glass substrate 1. The movable electrode 12 is a folded beam made of single crystal silicon floated from the substrate by the support 14.
It is supported on the glass substrate 1 via 15. on the other hand,
The fixed electrodes 11a and 11b are supported by a fixed base 13 made of silicon. Since the fixed electrodes 11a and 11b, the movable electrode 12, the folded beam 15, the fixed base 13, and the support base 14 are all made of the same silicon substrate, their mechanical properties are very close to each other. Furthermore, each internal structure also has uniform mechanical properties and has a small internal stress. Pads 17 and 1 for supplying electric potential to the fixed electrodes 11a and 11b and the movable electrode
6, 18 are produced by selectively forming a metal on a glass substrate. These metal electrodes are in contact with and electrically connected to a part of the fixed base 13 and a part of the support base 14. The metal electrode is usually composed of a plurality of metals such as chromium-gold, titanium-platinum-gold and the like. By increasing the size of the ground electrode 2 communicating with the pad 16 so as to spread around the movable electrode 12 as shown in the figure, the potential of the electrode is fixed,
External noise is reduced. Fixed electrode as shown in the figure
11a and 11b and the movable electrode 12 are arranged intricately in the shape of comb teeth similar to each other. A ground potential is applied to the movable electrode 12 from the pad 16 through the ground electrode 2. On the other hand, a two-phase AC potential of a potential equal to the ground potential and a different potential (about 10 V) is applied to the fixed electrodes 11a and 11b.
1a and 11b are driven to have opposite phases. The movable electrode 12 does not generate a force between the movable electrode 12 and the fixed electrode on the side of the ground potential, but generates an electrostatic attractive force proportional to the potential difference between the movable electrode 12 and the other fixed electrode. Therefore, the movable electrode moves to the side of the fixed electrode that is different from the ground potential, and this state is alternately switched between 11a and 11b, so that the movable electrode vibrates in proportion to this switching speed. Since the thickness of the fixed and movable electrodes is 10 μm, which is thicker than before, it vibrates sufficiently even if the AC potential is as low as about 10V. When the electric potential is switched at a frequency close to the natural frequency of the system composed of the movable electrode 12, the folded beam 15 and the support 14, the movable electrode 12 vibrates with the largest amplitude. In the embodiment of FIG. 1, all electrodes were made of single crystal Si. However, one of the electrodes may be polysilicon. For example, fixed electrodes 11a, b
1 μm thick polysilicon, movable electrode 12 10 μm thick
When single crystal Si is used, the lines of electric force generated between the two are parallel to each other as compared with the case of polysilicon, so that the design and the like are easier.

この実施例は静電力で駆動されるため小さな領域に大
きな電界が生ずる。従って、もしデバイスが高い湿度等
の劣悪な環境にさらされると異なるメタル配線間にガラ
ス表面を通した電流のリークが生じて問題となる。その
ため、上記メタル配線をパターニングした後、メタル配
線の上に酸化膜、窒化膜等の絶縁膜をスパッタ等により
堆積することによりガラス基板を通したリーク電流を低
く抑えることが出来る。さらに、この実施例がガラス基
板上に設けられていることは注目に値する。ガラス基板
はシリコン基板と異なり完全な絶縁体であるため駆動の
際に生じた基板の電気力線に対する影響を全く無視する
ことが可能で、固定電極と可動電極との間の電気力線の
みを考慮するだけでデバイスを設計できるのでデバイス
の解析並びにスケーリングを著しく簡素化するのに役立
つ。
Since this embodiment is driven by electrostatic force, a large electric field is generated in a small area. Therefore, if the device is exposed to a poor environment such as high humidity, current leakage through the glass surface occurs between different metal wirings, which becomes a problem. For this reason, after patterning the metal wiring, an insulating film such as an oxide film or a nitride film is deposited on the metal wiring by sputtering or the like, so that a leak current through the glass substrate can be reduced. Furthermore, it is worth noting that this embodiment is provided on a glass substrate. Unlike the silicon substrate, the glass substrate is a perfect insulator, so it is possible to completely ignore the influence on the electric force lines of the substrate that occurs during driving, and only the electric force line between the fixed electrode and the movable electrode can be ignored. The device can be designed with only consideration, which helps to significantly simplify the analysis and scaling of the device.

本実施例ではシリコン基板をガラス基板に張り付けた
構造を述べたが、シリコン基板に張り付けてもよい。こ
のとき、シリコン基板がガラスに比べて不完全な絶縁体
であることから、デバイス内の電気力線が複雑になると
いう欠点が生じるが、一方、容易にシリコン基板内に凹
凸の形状を作製することが可能なことから、本実施例と
異なる複雑な構造を作ることもできる。例えば、一方の
シリコン基板に固定電極を、他方のシリコン基板に可動
電極を本発明の作製方法に従って作製し、これらの基板
をシリコン−シリコン直接接合法によって接着すること
によって構成することも可能である。
Although the structure in which the silicon substrate is attached to the glass substrate is described in this embodiment, it may be attached to the silicon substrate. At this time, since the silicon substrate is an imperfect insulator compared to glass, there is a disadvantage that the electric lines of force in the device are complicated, but on the other hand, irregularities are easily formed in the silicon substrate. Because it is possible, a complicated structure different from that of the present embodiment can be made. For example, a fixed electrode may be formed on one silicon substrate and a movable electrode may be formed on the other silicon substrate according to the production method of the present invention, and these substrates may be bonded by a silicon-silicon direct bonding method. .

第2図(a)〜(c)に第1図の構造を作製するため
の新しい方法を述べる。第2図は、第1図のA−A′断
面を示している。シリコン単結晶基板20の上に酸化膜21
を形成し、部分的に酸化膜21を除去した領域から高濃度
のボロンを拡散してボロン拡散層3を形成する(同図
(a))。酸化膜21を全面から除去し再び酸化膜29を設
け、部分的に除去した後、酸化膜29をマスクにしてボロ
ン拡散層3をシリコン基板20に到達するまでエッチング
してトレンチ溝4を形成する(同図(b))。このトレ
ンチ溝4はドライエッチRIE(Reactive Ion Etching)
を用いると例えば円等の任意の断面形状を作製すること
が可能である。第1図に示す形状のように互いに直交す
る形状の場合にはシリコン基板20の面方位を(110)に
選び、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)等の異
方性エッチング液を用いるウェットエッチングの技術に
よっても同図(b)に示すような垂直の壁に囲まれたト
レンチ溝4を作製することが可能である。酸化膜29をパ
ターニングして酸化膜30を形成し、これをマスクとして
ボロン拡散層3およびシリコン基板20のエッチングを同
図(c)に示すように行う。これら三回のマスク工程に
より固定電極31および可動電極32が形成される。続い
て、酸化膜30を除去して固定電極31が静電接着法により
ガラス基板に接着される。可動電極32は同図には示して
いないが、図面に垂直な方向に設けられた支持台を介し
てガラス基板上に支持される。このガラス基板には予め
第1図のパッドやグラウンド電極となるクロム−金、あ
るいはチタン−白金−金等の複合メタル層が選択的にパ
ターニングされている。これら金属層とボロン拡散層か
らなる固定電極および可動電極との導通はシリコンとガ
ラスとの接合の力を利用してボロン拡散層をメタル層に
物理的に押し付ける方法によりなされるため、接着材を
必要としない。最後に、シリコンとガラスとが接着した
試料をEDP等のエッチング液に浸し、シリコン基板20を
除去する。EDP等のエッチング液は高濃度にボロンが拡
散された層のみを残してシリコン基板を溶かす性質があ
り、さらに、ガラス基板や金等のメタルもエッチング液
に溶けないで残る。以上述べた作製方法のボロン拡散温
度と時間を変化させることにより固定電極と可動電極と
の厚さを1μm程度から数十μm程度に容易に変化させ
ることが出来る。この際、ボロン拡散層が単結晶シリコ
ンからなるため、その機械的性質が均一で内部応力も小
さいことがこの構造の大きな特徴である。従って、厚い
固定電極あるいは可動電極を作製しても従来のポリシリ
コン薄膜と異なりその形状が反ったりすることがない。
さらに、従来例の作製方法では先に図示した以外にコン
タクト用にさらに一枚のマスク工程が必要であるため、
合計で5回のマスク工程を必要とするのに対し、本発明
の製作方法ではシリコンに3回とガラス基板に1回のマ
スク工程を必要とするだけである。このため、製作が著
しく容易となった。なお本実施例では最初にボロンの拡
散を行ったが、この順番をかえて、図の(b),(c)
の後にボロンの拡散(a)を行ってもよい。また図の
(b)と(c)の各工程の順序も逆にしてもよい。
2 (a)-(c) describe a new method for making the structure of FIG. FIG. 2 shows a cross section taken along the line AA ′ in FIG. Oxide film 21 on silicon single crystal substrate 20
Is formed, and high-concentration boron is diffused from the region where the oxide film 21 is partially removed to form the boron diffusion layer 3 (FIG. 7A). The oxide film 21 is removed from the entire surface, the oxide film 29 is provided again, and the oxide film 29 is partially removed. Then, the boron diffusion layer 3 is etched using the oxide film 29 as a mask to reach the silicon substrate 20 to form the trench groove 4. ((B) of the same figure). This trench groove 4 is dry-etched RIE (Reactive Ion Etching)
By using, it is possible to produce an arbitrary cross-sectional shape such as a circle. In the case of mutually orthogonal shapes such as the shape shown in FIG. 1, the surface orientation of the silicon substrate 20 is selected as (110) and the wet etching technique using an anisotropic etching solution such as EDP (ethylenediaminepyrocatechol) is used. Also, it is possible to form the trench groove 4 surrounded by the vertical wall as shown in FIG. The oxide film 29 is patterned to form the oxide film 30, and the boron diffusion layer 3 and the silicon substrate 20 are etched using this as a mask as shown in FIG. The fixed electrode 31 and the movable electrode 32 are formed by these three mask steps. Then, the oxide film 30 is removed and the fixed electrode 31 is bonded to the glass substrate by the electrostatic bonding method. Although not shown in the figure, the movable electrode 32 is supported on the glass substrate via a support table provided in a direction perpendicular to the figure. On this glass substrate, a composite metal layer such as chromium-gold or titanium-platinum-gold, which will be the pad and the ground electrode in FIG. 1, is selectively patterned in advance. Conduction between the fixed electrode and the movable electrode composed of the metal layer and the boron diffusion layer is performed by physically pressing the boron diffusion layer against the metal layer by using the bonding force between silicon and glass. do not need. Finally, the sample in which silicon and glass are adhered is dipped in an etching solution such as EDP to remove the silicon substrate 20. An etchant such as EDP has a property of dissolving a silicon substrate except for a layer in which boron is diffused at a high concentration, and further, a glass substrate and a metal such as gold remain without being dissolved in the etchant. The thickness of the fixed electrode and the movable electrode can be easily changed from about 1 μm to several tens of μm by changing the boron diffusion temperature and the time in the manufacturing method described above. At this time, since the boron diffusion layer is made of single crystal silicon, its mechanical properties are uniform and the internal stress is small, which is a major feature of this structure. Therefore, even when a thick fixed electrode or a movable electrode is manufactured, the shape does not warp unlike the conventional polysilicon thin film.
Furthermore, since the conventional manufacturing method requires one more mask process for contacts other than the one illustrated above,
Whereas a total of 5 mask steps are required, the fabrication method of the present invention only requires 3 mask steps for silicon and 1 mask step for the glass substrate. For this reason, the manufacture is significantly facilitated. Although boron is diffused first in this embodiment, the order is changed to (b) and (c) in the figure.
After that, diffusion (a) of boron may be performed. Further, the order of the steps (b) and (c) in the drawing may be reversed.

本作製方法で用いた高濃度ボロン拡散によるシリコン
のエッチング停止の他に、シリコン基板と異なる不純物
を拡散した層に静電圧を印加してエッチングを停止させ
る電気化学的エッチストップ法も有効である。この方法
を行うには例えば第2図の3をn型拡散層とし、基板を
p型とすればよい。エッチングが停止する不純物層全体
が等電位となるようにするため、例えば、ガラス基板の
メタル配線をデバイスの外部でショートさせておき、シ
リコンのエッチングが終了した後、例えば、チップに切
断する際にこの外部のショート部を同時に切断する等の
工夫が必要である。
In addition to stopping the etching of silicon by the high-concentration boron diffusion used in the present manufacturing method, an electrochemical etch stop method of stopping the etching by applying an electrostatic voltage to a layer in which impurities different from the silicon substrate are diffused is also effective. To perform this method, for example, 3 in FIG. 2 may be an n-type diffusion layer and the substrate may be a p-type. In order to make the entire impurity layer at which etching stops at an equipotential, for example, a metal wiring of a glass substrate is short-circuited outside the device, and after silicon etching is completed, for example, when cutting into chips It is necessary to take measures such as cutting the external short part at the same time.

第3図に本発明の他の実施例を示す。同図で第1図の
構成要素と同一の番号をもつ構成要素は同一の要素を示
している。第3図の構成は、固定電極11の構造を除いて
第1図の実施例と同じである。この実施例では固定電極
11a,bの電極の歯の幅が固定台13の側へ行くにつれて大
きくなる、つまり電極間の距離が可動電極12から離れる
にしたがって狭くなるように構成されている。第1図の
実施例で説明したように可動電極12に働く力は固定電極
11に印加する電位に比例する。一方、この静電力は固定
電極と可動電極との間の距離にも比例する。第1図の実
施例の場合、固定電極と可動電極との間の距離が一定の
ため可動電極の単位長さ当たりに働く静電力は可動電極
の動きに無関係に一定であるのに対し、本実施例のよう
に固定電極と可動電極との間の距離が可動電極の移動に
より変化するとき単位長さ当たりの可動電極に働く静電
力もこれにしたがって変化し、両電極間の距離に反比例
して増大する。従って、可動電極はさらに固定電極の奥
の方に進もうとするようになる。この実施例は第1図の
場合より小さな力で駆動できるという利点がある。この
可動電極の固定電極の方向への動きは折り返しビーム15
の剛性による反対方向の力によってつりあい、やがて停
止する。この運動は固定電極11a,bの個々の歯の幅と折
り返しビームの剛性という構造的要素を変化させること
により可変であり、第1図の構造に比べて設計の自由度
が増すという利点が生じることがわかる。なお、本実施
例では固定電極側の歯の幅を変えたが、可動電極側の歯
の幅を変えてもこれと同じ効果が生じる。さらに、固定
電極側および可動電極側の両方を変化させることも本発
明に含まれる。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In the figure, the components having the same numbers as the components in FIG. 1 indicate the same components. The structure of FIG. 3 is the same as that of the embodiment of FIG. 1 except for the structure of the fixed electrode 11. Fixed electrode in this example
The width of the teeth of the electrodes 11a and 11b is increased toward the fixed base 13, that is, the distance between the electrodes is reduced as the distance from the movable electrode 12 is increased. As described in the embodiment of FIG. 1, the force acting on the movable electrode 12 is the fixed electrode.
Proportional to the potential applied to 11. On the other hand, this electrostatic force is also proportional to the distance between the fixed electrode and the movable electrode. In the case of the embodiment shown in FIG. 1, since the distance between the fixed electrode and the movable electrode is constant, the electrostatic force acting per unit length of the movable electrode is constant regardless of the movement of the movable electrode. When the distance between the fixed electrode and the movable electrode changes due to the movement of the movable electrode as in the embodiment, the electrostatic force acting on the movable electrode per unit length also changes accordingly and is inversely proportional to the distance between both electrodes. Increase. Therefore, the movable electrode tends to move further toward the back of the fixed electrode. This embodiment has the advantage that it can be driven with a smaller force than in the case of FIG. The movement of the movable electrode in the direction of the fixed electrode causes the folded beam 15 to move.
The force of the opposite direction due to the stiffness of the balances the balance and eventually stops. This movement can be changed by changing the structural elements such as the width of each tooth of the fixed electrodes 11a and 11b and the rigidity of the folded beam, which has the advantage of increasing the degree of freedom in design as compared with the structure of FIG. I understand. Although the width of the teeth on the fixed electrode side is changed in this embodiment, the same effect can be obtained by changing the width of the teeth on the movable electrode side. Furthermore, changing both the fixed electrode side and the movable electrode side is also included in the present invention.

第4図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素
で第1図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ要素を
示している。本実施例では可動電極40とその両側の固定
電極41a,bがそれぞれ横方向に配置されており、第1図
の実施例と異なって互いに相手の側に入り組んでいな
い。さらに、同図に示すように可動電極40と固定電極41
a,bではそれぞれの歯のピッチが異なっている。同図の
実施例では、同図に矢印で示す上下それぞれ4箇所で可
動電極40と固定電極41a,bとの歯の位置が合致してい
る。可動電極40の左右の側に位置し可動電極40に一端を
固定された折り返しビーム44はガラス基板1に固定され
た支持台42により基板から浮いた状態で支持されてお
り、可動電極40を基板から浮き上げている。一方、可動
電極40の中央部においても直線ビーム43、47と連結板45
からなる緩衝機構48により可動電極40が基板から支持さ
れている。この緩衝機構48と折り返しビーム44上に述べ
た可動電極40を支持するほかに以下の二つの機能を有し
ている。第一に、可動電極40が同図の左右に移動すると
き折り返しビーム44および直線ビーム43の変形により生
じる復元力によりこの運動を抑制し可動電極40をもとの
位置に戻そうとする。第二に、緩衝機構48および折り返
しビーム44はその一端で支持台42を介して基板に固定さ
れているため、基板と支持台との接触面から発生する熱
や湿度等の応力等の影響が可動電極に伝達されるのを小
さくすることができる。さらに、同図に示したような折
り返しビーム44の繰り返し構造や可動の連結板45を介し
て直線ビーム43が直交する構造は、ビーム内部の応力等
の影響を緩衝機構48や折り返しビーム44の形状が変化す
ることによって緩和するのに役立つ。
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. Components having the same numbers as those in FIG. 1 indicate the same components. In this embodiment, the movable electrode 40 and the fixed electrodes 41a and 41b on both sides thereof are arranged in the lateral direction, and unlike the embodiment of FIG. 1, they are not invading each other. Further, as shown in the figure, the movable electrode 40 and the fixed electrode 41 are
The tooth pitches of a and b are different. In the embodiment shown in the figure, the tooth positions of the movable electrode 40 and the fixed electrodes 41a, 41b coincide with each other at four positions, respectively, in the upper and lower directions indicated by the arrows in the figure. The folding beams 44, which are located on the left and right sides of the movable electrode 40 and have one end fixed to the movable electrode 40, are supported in a floating state from the substrate by a support table 42 fixed to the glass substrate 1, and the movable electrode 40 is supported by the substrate. Is lifted from. On the other hand, also in the central portion of the movable electrode 40, the linear beams 43 and 47 and the connecting plate 45 are
The movable electrode 40 is supported from the substrate by the buffer mechanism 48 consisting of. In addition to supporting the buffer mechanism 48 and the movable electrode 40 described above for the folded beam 44, it has the following two functions. First, when the movable electrode 40 moves to the left and right in the figure, the restoring force generated by the deformation of the folded beam 44 and the linear beam 43 suppresses this movement and tries to return the movable electrode 40 to its original position. Secondly, since the buffer mechanism 48 and the folding beam 44 are fixed to the substrate via the support 42 at one end thereof, the influence of stress such as heat and humidity generated from the contact surface between the substrate and the support is not affected. It is possible to reduce the transmission to the movable electrode. Further, the repeating structure of the folded beam 44 and the structure in which the linear beams 43 are orthogonal to each other through the movable connecting plate 45 as shown in the figure have a buffer mechanism 48 and a shape of the folded beam 44 that suppress the influence of stress inside the beam. Helps to mitigate by changing.

本発明の実施例では可動電極40が固定電極41a,bに印
加される電圧の変化に従って図の左右方向に移動する。
この動きを左右の一次元に制限するために基板1に固定
されたスライダー突起46が設けられている。もし可動電
極40が左右の一次元の動きからそれて図の上下方向に動
いたときこのスライダー突起46に接触して垂直な方向の
移動が妨げられる。
In the embodiment of the present invention, the movable electrode 40 moves in the left-right direction in the drawing according to the change in the voltage applied to the fixed electrodes 41a and 41b.
A slider protrusion 46 fixed to the substrate 1 is provided to limit this movement to the left and right one dimension. If the movable electrode 40 deviates from the one-dimensional movement in the left and right direction and moves in the vertical direction in the figure, it contacts the slider protrusion 46 and is prevented from moving in the vertical direction.

固定電極41a,bの各々の歯には個々独立に異なる電圧
を印加することができるが、同図の実施例では可動電極
40を挟んで相対する固定電極41a,bの歯を6個おきに同
電位となるように選んで、可動電極40の電位と異なる電
位を印加している。このとき、他の固定電極の歯には可
動電極と同じ電位が供給される。同図の実施例では固定
電極41a,bの6個毎の歯の間隔と可動電極40の5個毎の
歯の間隔が一致するように設計している。異なる電位が
印加された固定電極と可動電極との歯の間にのみ静電力
が働くので、力の釣り合いの条件から、電圧が供給され
た固定電極41a,bの歯の位置に可動電極40の歯が合致す
る位置に可動電極40が移動する。印加電圧を隣合う固定
電極の歯に順次に走査することによりこの走査方向に可
動電極をうごかすことが可能となる。
Different voltages can be applied to the teeth of the fixed electrodes 41a and 41b independently, but in the embodiment shown in FIG.
The teeth of the fixed electrodes 41a and 41b facing each other across the 40 are selected so as to have the same potential, and a potential different from the potential of the movable electrode 40 is applied. At this time, the same potential as that of the movable electrode is supplied to the teeth of the other fixed electrodes. In the embodiment shown in the figure, the interval between every 6 teeth of the fixed electrodes 41a and 41b and the interval between every 5 teeth of the movable electrode 40 are designed to match. Since an electrostatic force works only between the teeth of the fixed electrode and the movable electrode to which different potentials are applied, the voltage of the fixed electrode 41a, b of the movable electrode 40 is applied to the tooth position of the fixed electrode 41b from the condition of force balance. The movable electrode 40 moves to the position where the teeth match. By sequentially scanning the teeth of the fixed electrodes adjacent to each other with the applied voltage, it becomes possible to move the movable electrodes in the scanning direction.

また、可動電極40の一部の位置を固定電極側の一部で
検出することにより可動電極の変移を検出することが出
来る。例えば、駆動電圧が印加されない固定電極側の歯
と可動電極の歯との電気容量を検出する回路を設けると
か、固定電極側に可動電極に向かってレーザを放出しそ
の反射光を検出する手段を設ける等の方法がある。この
可動電極の位置を示す信号を固定電極側の駆動回路にフ
ィードバックさせることにより可動電極の移動制御をさ
らに精密にすることが可能である。
In addition, the displacement of the movable electrode can be detected by detecting the position of the movable electrode 40 on the fixed electrode side. For example, a circuit for detecting the electric capacitance between the teeth of the fixed electrode and the teeth of the movable electrode to which the driving voltage is not applied, or a means for emitting a laser toward the movable electrode on the fixed electrode side and detecting reflected light thereof is provided. There is a method such as providing. By feeding back the signal indicating the position of the movable electrode to the drive circuit on the fixed electrode side, the movement control of the movable electrode can be made more precise.

第5図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素
で第4図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ要素を
示している。同図に示す実施例は固定電極の構造が第4
図の実施例と異なる。本実施例ではシリコン基板(図示
せず)側に固定電極51、ガラス基板1の側に固定電極5
2、の二つの電極が設けられている。ガラス基板1とシ
リコン基板の間に空間がありそこを可動電極40が移動す
る。可動電極40の歯55は固定電極51と52の間に位置して
おり、電位を加えることによって移動する。互いに上下
に相対する位置にある固定電極の歯に同じ電圧を供給
し、第4図の実施例で述べたと同じ駆動方法により可動
電極40を左右に移動させる。このとき可動電極の移動す
る最小の距離は固定電極のピッチにより決められる。可
動電極40はガラス基板1の面方向だけでなくそれを最小
限に抑えるためその波うちの動きと反対方向に固定電極
51と52の間に電位差を与えることもできる。第6図に第
5図のB−B′断面を、第7図に第5図のC−C′断面
の作成方法を示す。同図の構成要素で第2図と同じ番号
を持つ要素は同じ構成要素を示している。初めに、深い
溝4が開けられ(第6,7図(a))、続いて支持台(図
示せず)と固定台31を残して浅くエッチングされる(第
6,7図(b))。最後にボロンが拡散され可動電極40
(第6図)と固定電極51(第7図)とが形成される。ガ
ラス基板上に固定電極52がメタルにより形成され(図示
せず)、シリコン基板とガラス基板が静電ボンディング
により接着され、ボロンが拡散されていない領域がウェ
ットエッチングにより除去される。なお、第5図の可動
電極40の両端に位置する端側平坦部53と中央平坦部54を
固定電極51と同じ高さに作製することにより可動電極40
が左右に移動してもこれら平坦部がスライダー突起46に
接触することがなく、可動電極40の作動範囲を大きくと
れることも本実施例の特徴である。
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention. Components having the same numbers as those in FIG. 4 indicate the same components. In the embodiment shown in the figure, the structure of the fixed electrode is the fourth.
It differs from the embodiment of the figure. In this embodiment, the fixed electrode 51 is provided on the silicon substrate (not shown) side, and the fixed electrode 5 is provided on the glass substrate 1 side.
Two electrodes are provided. There is a space between the glass substrate 1 and the silicon substrate, and the movable electrode 40 moves there. The teeth 55 of the movable electrode 40 are located between the fixed electrodes 51 and 52, and move when an electric potential is applied. The same voltage is applied to the teeth of the fixed electrodes which are vertically opposed to each other, and the movable electrode 40 is moved left and right by the same driving method as described in the embodiment of FIG. At this time, the minimum distance that the movable electrode moves is determined by the pitch of the fixed electrodes. The movable electrode 40 is a fixed electrode not only in the surface direction of the glass substrate 1 but also in the direction opposite to the movement of the wave in order to minimize it.
It is also possible to apply a potential difference between 51 and 52. FIG. 6 shows the BB 'cross section of FIG. 5, and FIG. 7 shows the method of making the CC' cross section of FIG. Elements having the same numbers in FIG. 2 as those in FIG. 2 indicate the same elements. First, the deep groove 4 is opened (FIGS. 6 and 7 (a)), and subsequently, the support table (not shown) and the fixing table 31 are left to be shallowly etched (FIG.
6,7 (b)). Finally, the boron is diffused and the movable electrode 40
(FIG. 6) and the fixed electrode 51 (FIG. 7) are formed. The fixed electrode 52 is formed of metal (not shown) on the glass substrate, the silicon substrate and the glass substrate are bonded by electrostatic bonding, and the region where boron is not diffused is removed by wet etching. The end side flat portions 53 and the central flat portion 54 located at both ends of the movable electrode 40 shown in FIG.
It is also a feature of the present embodiment that these flat portions do not come into contact with the slider protrusions 46 even when the right and left are moved, and the operating range of the movable electrode 40 can be widened.

第8図に本発明の他の実施例の断面図を示す。同図の
構成で第5図と同じ番号を持つものは同じ要素を示して
いる。同図に示す実施例は第5図の実施例と固定電極の
構造が異なる。シリコン側固定電極51とガラス基板側固
定電極52とが互いにそのピッチ幅の1/2程度だけずれせ
て配置されており、シリコン側−ガラス側−シリコン側
等の順に電圧が固定電極に印加される。このとき、可動
電極40は印加されている固定電極の歯の位置に合致する
ように移動する。この構造は固定電極のピッチの半分の
精度で可動電極を制御できるという利点がある。上記実
施例の他に第4図の実施例と同様に可動電極と同じ高さ
位置に固定電極をさらに追加して、可動電極の上側−側
面−下側といった順に固定電極を駆動することも本発明
に含まれる。このとき、各固定電極をその幅の1/3程度
にずらして配列することにより、可動電極を固定電極の
歯のピッチの1/3の精度で駆動させることが可能であ
る。
FIG. 8 shows a sectional view of another embodiment of the present invention. In the configuration of the figure, those having the same numbers as in FIG. 5 indicate the same elements. The embodiment shown in this figure differs from the embodiment shown in FIG. 5 in the structure of the fixed electrode. The silicon-side fixed electrode 51 and the glass substrate-side fixed electrode 52 are arranged so as to be offset from each other by about 1/2 of the pitch width, and a voltage is applied to the fixed electrode in the order of silicon side-glass side-silicon side. It At this time, the movable electrode 40 moves so as to match the applied tooth positions of the fixed electrode. This structure has the advantage that the movable electrodes can be controlled with an accuracy of half the pitch of the fixed electrodes. In addition to the above-described embodiment, a fixed electrode may be further added at the same height position as the movable electrode as in the embodiment of FIG. 4, and the fixed electrode may be driven in the order of upper side, side surface, lower side of the movable electrode. Included in the invention. At this time, the movable electrodes can be driven with an accuracy of 1/3 of the pitch of the teeth of the fixed electrodes by arranging the fixed electrodes so as to be displaced by about 1/3 of the width.

以上、一次元に移動可能なリニアアクチュエータの構
造、作製方法、および駆動方法を述べた。このアクチュ
エータはこのままで従来例で述べた振動型センサとして
利用することが出来る。さらに、第4図の可動電極40内
の中央の平坦面あるいは第5図、第8図の可動電極40内
の中央平坦部54の上にフェライト等による磁性体からな
る薄膜ヘッドを既知の方法で堆積、パターニングするこ
とにより微小な磁気ヘッドを作製することが可能であ
る。この薄膜ヘッドの作製方法としてさらに光CVD等の
技術を用いてデバイスに直接描画する手法も本発明に含
まれる。さらに、光ファイバーあるいは発光素子と受光
素子とをのせることにより微小な光ヘッドを構成するこ
とが可能である。本発明の実施例では静電力で駆動する
方法を述べたが固定電極をコイル等で構成し可動電極を
電磁力で駆動する方法も本発明に含まれる。さらに、本
実施例のアクチュエータは直線上を動くものに限られる
ことなく、円弧状に動くアクチュエータにも容易に適用
することが出来る。このとき、円弧状の形状をもつ可動
電極の周囲に固定電極が円弧上に配列される。
The structure, manufacturing method, and driving method of the linear actuator that can move in one dimension have been described above. This actuator can be used as it is as the vibration type sensor described in the conventional example. Further, a thin film head made of a magnetic material such as ferrite is formed on the central flat surface in the movable electrode 40 shown in FIG. 4 or the central flat portion 54 in the movable electrode 40 shown in FIGS. 5 and 8 by a known method. A minute magnetic head can be manufactured by depositing and patterning. As a method of manufacturing this thin film head, a method of directly writing on a device by using a technique such as photo-CVD is also included in the present invention. Further, by mounting an optical fiber or a light emitting element and a light receiving element, it is possible to configure a minute optical head. In the embodiment of the present invention, the method of driving by electrostatic force has been described. However, the present invention also includes a method of driving the movable electrode by electromagnetic force by forming the fixed electrode with a coil or the like. Further, the actuator of this embodiment is not limited to the one that moves on a straight line, but can be easily applied to an actuator that moves in an arc shape. At this time, the fixed electrodes are arranged in an arc around the movable electrode having an arc shape.

なお、以上説明した例では電極を構成する単結晶Siは
すべてSi基板から形成したが、これに限らずガラス基
板、サファイア基板、表面に絶縁膜を形成した半導体基
板等の上に気相エピ(選択エピも含む)、レーザアニー
ル等で形成した単結晶Siを用いてもよいことは明らかで
ある。
In the above-described example, the single-crystal Si forming the electrodes is all formed from a Si substrate. However, the present invention is not limited to this, and vapor phase epitaxy ( It is clear that single crystal Si formed by laser annealing or the like may be used.

また第3〜8図に示した例およびその変形例は電極が
すべて単結晶半導体であるが、電極の一方またはすべて
がポリシリコンであってもよい。
Further, in the examples shown in FIGS. 3 to 8 and the modifications thereof, the electrodes are all single crystal semiconductors, but one or all of the electrodes may be polysilicon.

(発明の効果) 本発明の微小可動機械機構は単結晶半導体から構成要
素が構成されるため、従来例のポリシリコン薄膜からな
る構造の欠点が著しく改善された。構成要素の厚さを大
きく変化させることが可能であるため製作および駆動が
容易になった。さらに、厚くしても内部に応力が生じな
いので反り等の形状変化を小さくすることが出来る。
(Effects of the Invention) Since the micro movable mechanical mechanism of the present invention comprises the constituent elements of the single crystal semiconductor, the drawbacks of the structure of the conventional polysilicon thin film are remarkably improved. The ability to vary greatly the thickness of the components has facilitated fabrication and actuation. Further, even if the thickness is increased, internal stress is not generated, so that the change in shape such as warpage can be reduced.

本発明の製造方法を用いると従来例よりも少ないマス
ク工程で製作することができ、デバイスの歩留りを飛躍
的に改善できた。本発明の構造では単結晶半導体基板を
もう一つ他の基板に張り合わせて製作されている。この
他の基板にガラス基板を選ぶならば、デバイス内部の電
気力線の解析が容易になり、デバイス設計を著しく簡素
化することができる。この単結晶半導体からなるアクチ
ュエータの上に薄膜磁気ヘッドを形成するとき非常に微
小で高速に動作する磁気ディスク用のヘッドを実現する
ことが出来る。さらに、光素子をアクチュエータの上に
搭載するとき非常に高性能な光ディスクヘッドを実現す
ることが出来る。これらディスクヘッドを利用すること
によりディスクの書き込みや読み出しを従来例の百倍程
度も高密度にすることができ、ディスク装置の小型化に
非常な貢献をすることが明らかである。
By using the manufacturing method of the present invention, the device can be manufactured with fewer mask steps than in the conventional example, and the yield of the device can be significantly improved. In the structure of the present invention, a single crystal semiconductor substrate is attached to another substrate and manufactured. If a glass substrate is selected as the other substrate, the electric field lines inside the device can be easily analyzed, and the device design can be significantly simplified. When a thin film magnetic head is formed on this actuator made of a single crystal semiconductor, it is possible to realize a head for a magnetic disk which operates very minutely and operates at high speed. Further, when the optical element is mounted on the actuator, a very high performance optical disk head can be realized. By using these disk heads, it is apparent that writing and reading of the disk can be performed with a density of about 100 times higher than that of the conventional example, and it will be a great contribution to downsizing of the disk device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本願第一の発明の一実施例の上面図、第2図は
本願発明の作製方法の一実施例の断面図、第3図、第4
図および第5図は本願発明の他の実施例の上面図、第6
図および第7図は第5図に示した本願発明の実施例の作
製方法の断面図、第8図は他の実施例の断面図を示して
いる。さらに、第9図および第10図は従来の構造の上面
図およびその作製方法の断面図を示す。 1……基板、2……グラウンド電極、3……ボロン拡散
層、4……トレンチ溝、11……固定電極、12……可動電
極、13……固定台、14……支持台、15……折り返しビー
ム、16,17,18……パッド、20……シリコン基板、21……
酸化膜、22……窒化膜、23……分離窓、24,25……ポリ
シリコン電極、26……PSG膜、27……第2ポリシリコン
膜、28……第2PSG膜、29,30……酸化膜、31……固定電
極、32……可動電極、40……可動電極、41……固定電
極、42……支持台、43……直線ビーム、44……折り返し
ビーム、45……連結板、46……スライダー突起、47……
直線ビーム、48……緩衝機構、51……固定電極(シリコ
ン側)、62……固定電極(ガラス基板側)、53……端側
平坦部、54……中央平坦部
1 is a top view of an embodiment of the first invention of the present application, FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of the manufacturing method of the present invention, FIG. 3, FIG.
FIG. 5 and FIG. 5 are top views of other embodiments of the present invention, and FIG.
FIG. 7 and FIG. 7 are sectional views of the manufacturing method of the embodiment of the present invention shown in FIG. 5, and FIG. 8 is a sectional view of another embodiment. Further, FIGS. 9 and 10 show a top view of a conventional structure and a cross-sectional view of a manufacturing method thereof. 1 ... Substrate, 2 ... Ground electrode, 3 ... Boron diffusion layer, 4 ... Trench groove, 11 ... Fixed electrode, 12 ... Movable electrode, 13 ... Fixed base, 14 ... Support base, 15 ... … Folded beam, 16,17,18 …… Pad, 20 …… Silicon substrate, 21 ……
Oxide film, 22 …… Nitride film, 23 …… Separation window, 24,25 …… Polysilicon electrode, 26 …… PSG film, 27 …… Second polysilicon film, 28 …… Second PSG film, 29,30… … Oxide film, 31 …… fixed electrode, 32 …… movable electrode, 40 …… movable electrode, 41 …… fixed electrode, 42 …… support base, 43 …… straight beam, 44 …… folded beam, 45 …… connection Plate, 46 …… Slider protrusion, 47 ……
Linear beam, 48 ... Buffer mechanism, 51 ... Fixed electrode (silicon side), 62 ... Fixed electrode (glass substrate side), 53 ... Edge flat part, 54 ... Central flat part

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】固定電極に印加された静電力により可動電
極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも1
つの電極が他の1つの電極に対向した位置に凹凸形状を
直接に設けた単結晶半導体からなることを特徴とする微
小可動機械機構。
1. A micro movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, at least 1.
A minute movable mechanical mechanism characterized in that one electrode is made of a single crystal semiconductor in which a concavo-convex shape is directly provided at a position facing the other electrode.
【請求項2】固定電極および可動電極を互いに入り組ん
だ櫛の歯状に配置したことを特徴とする請求項1に記載
の微小可動機械機構。
2. The micro movable mechanical mechanism according to claim 1, wherein the fixed electrode and the movable electrode are arranged in the shape of a comb tooth which is intricately interdigitated with each other.
【請求項3】固定電極に印加された静電力により可動電
極が移動する微小可動機械機構の製造方法において、少
なくとも1つの固定電極あるいは可動電極パターンを半
導体基板の一方の主面に形成した後、前記半導体基板の
パターンを形成した側を他の基板に張り付け、前記半導
体基板から前記電極パターンを分離することを特徴とす
る微小可動機械機構の製造方法。
3. A method of manufacturing a micro movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, wherein after at least one fixed electrode or movable electrode pattern is formed on one main surface of a semiconductor substrate, A method of manufacturing a minute movable mechanical mechanism, characterized in that a side on which a pattern of the semiconductor substrate is formed is attached to another substrate, and the electrode pattern is separated from the semiconductor substrate.
【請求項4】電極パターンをボロンが高濃度に拡散され
たシリコン基板内に形成したことを特徴とする請求項3
に記載の微小可動機械機構の製造方法。
4. The electrode pattern is formed in a silicon substrate in which boron is diffused at a high concentration.
A method for manufacturing the minute movable mechanical mechanism described in [3].
【請求項5】電極パターンを半導体基板の不純物のタイ
プと異なる不純物タイプを拡散した半導体基板内に形成
したことを特徴とする請求項3に記載の微小可動機械機
構の製造方法。
5. The method of manufacturing a micro movable mechanical mechanism according to claim 3, wherein the electrode pattern is formed in a semiconductor substrate in which an impurity type different from the impurity type of the semiconductor substrate is diffused.
【請求項6】固定電極に印加された静電力により可動電
極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも1
つの電極が単結晶半導体からなり、固定電極および可動
電極を互いに入り組んだ櫛の歯状に配置され、一方の電
極を他方の電極から離れるに従ってその電極間の距離が
変化するようにしたことを特徴とする微小可動機械機
構。
6. A micro movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, at least 1.
One electrode is made of a single crystal semiconductor, fixed electrodes and movable electrodes are arranged in the shape of a comb tooth that interdigitates with each other, and the distance between the electrodes changes as one electrode moves away from the other electrode. A small movable mechanical mechanism.
【請求項7】一方の電極を他方の電極から離れるに従っ
てその電極間の距離が変化するようにしたことを特徴と
する請求項2に記載の微小可動機械機構。
7. The micro movable mechanical mechanism according to claim 2, wherein the distance between the electrodes is changed as one electrode is separated from the other electrode.
【請求項8】固定電極および可動電極を互いにそれぞれ
異なる電極ピッチで横方向に配置したことを特徴とする
請求項1に記載の微小可動機械機構。
8. The micro movable mechanical mechanism according to claim 1, wherein the fixed electrode and the movable electrode are arranged laterally at different electrode pitches.
【請求項9】固定電極を可動電極の上下に設けたことを
特徴とする請求項1または8に記載の微小可動機械機
構。
9. The fine movable mechanical mechanism according to claim 1, wherein fixed electrodes are provided above and below the movable electrode.
【請求項10】基板からの影響を減少させる緩衝機構を
用いて当該可動電極を基板上に支持したことを特徴とす
る請求項1または8または9に記載の微小可動機械機
構。
10. The micro movable mechanical mechanism according to claim 1, wherein the movable electrode is supported on the substrate by using a buffer mechanism for reducing the influence from the substrate.
【請求項11】固定電極に印加された静電力により可動
電極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも
1つの電極が単結晶半導体からなり、基板からの影響を
減少させる緩衝機構を用いて当該可動電極を基板上に支
持したことを特徴とする微小可動機械機構。
11. A micro movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, wherein at least one electrode is made of a single crystal semiconductor and a movable mechanism is used which reduces an influence from a substrate. A micro movable mechanical mechanism in which electrodes are supported on a substrate.
【請求項12】緩衝機構を可動連結板を介して複数のビ
ームから構成したことを特徴とする請求項10または請求
項11に記載の微小可動機械機構。
12. The micro movable mechanical mechanism according to claim 10, wherein the buffer mechanism is composed of a plurality of beams via a movable connecting plate.
【請求項13】請求項1、2、6、7、8、9、10、1
1、12のいずれかに記載の微小可動機械機構であって、
固定電極と可動電極が半導体基板上に設けられているこ
とを特徴とする微小可動機械機構。
13. Claims 1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 1
The minute movable mechanical mechanism according to any one of 1 and 12,
A minute movable mechanical mechanism characterized in that a fixed electrode and a movable electrode are provided on a semiconductor substrate.
【請求項14】請求項1、2、6、7、8、9、10、1
1、12、13のいずれかに記載の微小可動機械機構の駆動
方法であって、固定電極の歯に順次に電圧を走査するこ
とにより、当該可動電極を移動させることを特徴とする
微小可動機械機構の駆動方法。
14. Claims 1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 1
The method for driving a minute movable mechanical mechanism according to any one of 1, 12, and 13, wherein the movable electrode is moved by sequentially scanning the voltage of the teeth of the fixed electrode. Mechanism driving method.
【請求項15】微小可動機械機構の位置を検出し、この
位置信号を当該固定電極駆動信号にフィードバックさせ
ることにより、当該可動電極の運動を制御することを特
徴とする請求項14に記載の微小可動機械機構の駆動方
法。
15. The movement according to claim 14, wherein the movement of the movable electrode is controlled by detecting the position of the minute movable mechanical mechanism and feeding back the position signal to the fixed electrode drive signal. Driving method of movable mechanical mechanism.
【請求項16】固定電極に印加された静電力により可動
電極が移動する微小可動機械機構において、当該固定電
極と可動電極が同一の絶縁基板上に設けられたことを特
徴とする微小可動機械機構。
16. A fine movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, wherein the fixed electrode and the movable electrode are provided on the same insulating substrate. .
【請求項17】固定電極に印加された静電力により可動
電極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも
1つの電極が単結晶半導体からなり、当該固定電極と可
動電極が絶縁基板上に設けられたことを特徴とする微小
可動機械機構。
17. In a micro movable mechanical mechanism in which a movable electrode is moved by an electrostatic force applied to a fixed electrode, at least one electrode is made of a single crystal semiconductor, and the fixed electrode and the movable electrode are provided on an insulating substrate. A micro movable mechanical mechanism characterized in that
【請求項18】固定電極に印加された静電力により可動
電極が移動する微小可動機械機構において、可動電極を
固定電極に対して支持する構造と、当該可動電極が移動
方向以外に動くことを制限するスライダー突起構造とを
設けたことを特徴とする微小可動機械機構。
18. In a fine movable mechanical mechanism in which a movable electrode moves by an electrostatic force applied to a fixed electrode, a structure for supporting the movable electrode with respect to the fixed electrode and a movement of the movable electrode in a direction other than the moving direction are limited. And a slider protrusion structure for controlling the micro movable mechanical mechanism.
【請求項19】請求項1または請求項2または請求項6
から13または請求項16から18のいずれかに記載の微小可
動機械機構の可動電極上に薄膜磁気ヘッドを搭載したこ
とを特徴とする磁気ヘッド。
19. The method according to claim 1, claim 2, or claim 6.
19. A magnetic head comprising a thin film magnetic head mounted on a movable electrode of the minute movable mechanical mechanism according to any one of claims 1 to 13 or claim 16.
【請求項20】請求項1または請求項2または請求項6
から13または請求項16から18のいずれかに記載の微小可
動機械機構の可動電極上に、光ファイバーあるいは受光
素子と発光素子を搭載したことを特徴とする光ディスク
ヘッド。
20. Claim 1 or claim 2 or claim 6.
19. An optical disk head, wherein an optical fiber or a light receiving element and a light emitting element are mounted on the movable electrode of the micro movable mechanical mechanism according to any one of claims 1 to 13 or 16 to 18.
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