JP3016870B2 - エラストメリック・マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ - Google Patents

エラストメリック・マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は弾性マイクロ構造体上に弾性的に支持された
多数のマイクロ電極を有するマイクロエレクトロメカニ
カル・トランスデューサに関する。
発明の背景 マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ（Mi
cro Electro Mechanical Systems、略してMEMSと一般的
に称される）の分野は過去10年間の急速な進歩を遂げて
いる。名称が示すように、MEMSは任意の機能を実現すべ
くエレクトロメカニカル・トランスダクションを使用す
るマイクロ・システムズである。この場合、“マイク
ロ”とは、マイクロメート台の大きさのコンポーネント
・フィーチャー、即ち構成部品の形状特徴を示す。MEMS
デバイスの例はマイクロポンプ、マイクロモータ及びマ
イクロオプティカル・ミラー等を含む。MEMSの技術水準
に関する最近のレビューは1994年５月のIEEEスペクトラ
ム（IEEE Spectrum）の20〜31頁に記載されている“マ
イクロマシーンズ・オン・ザ・マーチ（Micromachines
on the March）”に開示されている。
前記の文献に開示されている多くのMEMSデバイスは静
電トランスダクションを利用している。殆どのエレクト
ロメカニカル・トランスデューサ同様、静電トランスデ
ューサはアクチュエータまたはセンサの形態をなし得
る。静電トランスデューサを本発明に特に関連するアク
チュエータとして形成する場合、同静電トランスデュー
サは互いに相反する２つのチャージの吸引を吸引力の形
成に利用する。互いに平行に配置された複数の板からな
る構造体の場合、前記の力、即ち圧力Ｐは以下の数式に
よって容易に算出できる。
前記の数式において、ε０は空気の誘電率（8.85x10
-12F/m）であり、Ｅは電界である。互いに平行に配置さ
れた複数の電極の場合、Ｅ＝V/dとなり、前記の数式を
使用し得る。
静電駆動力を利用したデバイスの多くの例がMEMSデバ
イスに関する文献に開示されている。この例としては、
1992年のIEEEマイクロ・エレクトロ・メカニカル・シス
テムズ・ワークショップ（IEEE Micro Electro Mechani
cal Systems Workshop）において開示されているゼンガ
ール，アール．他による“静電駆動を使用したマイクロ
・メンブレン・ポンプ”と、1992年のIEEEマイクロ・エ
レクトロ・メカニカル・システムズ・ワークショップに
おいて開示されているガブリエル・ケイ．ジェイ．他に
よる“サーフェース・ノーマル静電／空圧アクチュエー
タ（Surface Normal Electrostatic/Pneumatic Acstuat
or）”と、1993年のIEEE MEMSワークショップの議事録
（Proc.of IEEE MEMS 1993 Workshop）の149〜154頁に
開示されているボビオ他による“集積フォース・アレイ
（Integrated Force Arrays）”と、1993年のMEMSジャ
ーナル（J.of MEMS），ボリューム2,ナンバー３に開示
されているケイ．ミナミ他による“分布型静電マイクロ
・アクチュエータの製造（Fabrication of Distributed
Electrostatic Micro Actuator:DEMA）”とが挙げられ
る。
トランスダクションを形成する他の方法よりも静電ト
ランスダクションを選択する主な理由のうちの幾つかを
以下に詳述する。
（１）エネルギー密度:2つの電極間に印加された任意の
電圧において、電界は２つの電極間の距離の減少に比例
して増大する。静電力は電界の二乗に比例する。このた
め、電極間の距離を一桁小さくした場合、同一の電圧に
おける静電力は２桁大きくなる。これとともに、殆どの
ガスの電界強度は距離が減少するに従って急激に増大す
る（1973年にヘイデン・ブック・カンパニー（Hayden b
ook Co.）から発行されたエッチ．エル．サウムスによ
る“電気的絶縁及び誘電機能に使用する材料（Material
s for Electric Insulating and Dielectric Function
s）”を参照）。従って、静電力がMEMSデバイスへの使
用に適することは明らかである。
（２）効率：静電デバイスは大きな電流密度と、マグネ
テッィク・アクチュエータまたは形状記憶合金を使用し
たアクチュエータに付随する大きな内部抵抗損失とを必
要としない。このため、静電デバイスは比較的高い効率
を常には有する。多くのMEMSデバイスにみられるよう
に、複数の電極の相対的移動の範囲が電極間隙の実質的
に僅かな部分である場合、静電デバイスの効率は特に良
い。
（３）コスト：他の殆どのトランスデューサ、特に圧電
トランスデューサ及び磁歪形トランスデューサとは異な
り、静電トランスデューサは機械的力を形成すべく互い
に相反する複数の電気チャージをそれぞれ有する複数の
電極を必要とするのみである。電極と、例えば同電極に
よって励起される圧電材料とを堆積させるより、電極の
みを堆積させるほうが常には安価に実施できる。
静電駆動メカニズムは前記の所望の特徴を有する。し
かし、効率の重要度が低く、かつマグネティック・アク
チュエーション、即ち磁気駆動を使用することにより更
に大きな効果を得られる特定の例が存在する。磁気駆動
では、電流及び電位を一定にした場合、力は複数のマイ
クロ電極の間隔が大きくなるに従って直線的に減少する
のみである。これは静電力を使用した場合の二次曲線的
な減少とは対照的である。従って、磁気駆動の１つの効
果としては、更に長い距離にわたって作用する力を実現
する能力が挙げられる。また、マグネティック・アクチ
ュエータの性能は電流に依存するのみであって、印加さ
れた電圧からは独立している。このため、更に小さな電
圧をマグネティック・アクチュエータに常には使用でき
る。効果が重要な問題でないケースであったとしても、
駆動電流を有するマイクロ電極の抵抗電力消費によって
形成される熱の消散に注意する必要がある。
MEMSの分野は２つの要因、即ちエレクトロメカニカル
・デバイスの小型化の限界を探る好奇心（1993年に発行
されたMEMSジャーナル，ボリューム2,ナンバー１に記載
されているフェインマン，アール．による“微小機械装
置（Infinitesimal Machinery）”を参照）と、集積回
路の構造に使用されるマイクロマシーン加工装置の高い
可用性とに基づいて進歩してきた。マイクロマシーン加
工技術は、特にLIGA及びシリコン溶融ボンディング（Si
licon fusionbonding）等の技術開発によって大きに進
歩を遂げており、さらには多くの種類のデバイスの形成
を可能にしている。しかし、大量生産規模であっても、
マイクロマシーン加工技術は単位面積当たりのコストが
高い。従って、マイクロマシーン加工技術は加工面の単
位面積当たりの価値が高い用途に限定される。
最近のMEMS技術の別の問題点としては、複数の電極間
の相対的移動を可能にする手段が機械的リンケージ、即
ち薄いカンチレバーを備えた構造体の屈曲によって提供
される点が挙げられる。例えば、前記のボビオ他による
文献に開示されているデバイスでは、アレイ内の各“セ
ル”を形成する複数の支点間の距離がポリアミド／金属
からなる構造体の厚さに対して適切な大きさであること
を要する。これは前記の材料の比較的高い弾性係数に起
因する。前記のデバイスの設計及び製造に関する問題以
外の問題点としては、これらの比較的薄い構造体が非常
に脆弱な点が挙げられる。従って、同構造体は耐久性を
問題とする用途には適さない。従来のMEMS技術に付随す
る前記の問題点及び他の問題点は以下に詳述するエラス
トメリック・マイクロエレクトロメカニカル・システム
ズ（Elastomeric microelectromechanical systems、略
して“EMEMS"）と称される新たなMEMS技術の使用を通じ
て解決できる。
発明の概要 本発明の目的は弾性マイクロ構造体で支持した複数の
マイクロ電極が静電力に応じて実質的な相対的移動を形
成するマイクロエレクトロメカニカル・デバイスを提供
することにある。
本発明の別の目的は弾性成形フィルム（Molded elast
omeric films）のマイクロ構造面を使用して安価に形成
できるマイクロエレクトロメカニカル・トランスデュー
サを提供することにある。
本発明の別の目的は効果的な長さ、即ち問題のガス及
びガス圧に対するパッシェン最小距離（Paschen minimu
m distance）の２倍未満の長さをEMEMS内の互いに相反
するチャージを有する複数のマイクロ電極の間隙に使用
することにある。
本発明の別の目的は互いに相反するチャージを有する
複数のマイクロ電極に接する固体面上の経路距離を増大
する手段と、前記の複数のマイクロ電極をパターン化
し、かつフロー・パス領域を長くする手段とを提供する
ことにある。
本発明の別の目的は互いに対向する複数のマイクロ構
造面を使用することにより、更に複雑な構造体を形成す
る手段を提供することにある。
前記の目的及び他の目的は複数のマイクロ電極をマイ
クロ構造面上に選択的に堆積させたマイクロエレクトロ
メカニカル・トランスデューサを提供することによって
実現される。複数のマイクロ電極は同マイクロ電極に対
してエネルギーを供給する手段に対して選択的に接続さ
れている。この結果、静電力を互いに相反するチャージ
を備えた２つの任意のマイクロ電極の間に形成するか、
またはマイクロ電極及び隣接するマクロ電極の間に形成
し得る。
マイクロ構造体は高い弾性歪み限界及び低い弾性係数
を有する材料から形成することが好ましい。この種の材
料は常にエラストマーと称される。これをマイクロ構造
の適切なデザイン及びマイクロ電極の適切な位置と組み
合わせることにより、静電力は互いに相反するチャージ
を備えた複数のマイクロ電極間の相対的移動を招来する
か、またはマイクロ電極及び隣接するマクロ電極の間の
相対的移動を招来し得る。このEMEMS設計技術は更に優
れた耐久性等の性能に関する特定の効果を従来のMEMSデ
バイスに対して付与し得る。但し、最も重要な効果とし
ては、単位面積当たりの製品コストの大幅な低減が挙げ
られる。
低い係数及び高い弾性を有する弾性材料を使用したマ
イクロ構造体の製造は、比較的低いアスペクト比を有す
る一方で、高い可撓性を備えたマイクロ構造体の実現を
可能にする。これとは対照的に、従来のMEMSデバイスに
使用されている高い係数を有するシリコン・マイクロ構
造体は比較的高いアスペクト比を実質的な可撓性の実現
に要する。低いアスペクト比を使用することにより、２
つの重要な製造技術の利用が可能になる。第１に、マイ
クロ構造体をフィルム状をなすエラストマー・シート材
上に設けられた成形可能な表面構造体として設計でき
る。第２に、モルード、即ち型を構造面を有するエラス
トマー・フィルムのマイクロレプリケーションに使用す
べく、同型をマイクロマシーン加工し得る。ダイヤモン
ド・マシーン加工などの従来の大規模マイクロマシーン
加工技術を型のマイクロマシーン加工に使用できる。マ
イクロ構造体を形成するためのフィルム面上におけるマ
イクロレプリケーションは従来のマイクロマシーン加工
と比べて製造コストを大幅に低減する。更に、適切な構
造設計及び物理的蒸着技術を使用することにより、従来
のMEMSデバイス製造に一般的に使用されているコストの
高いマスキング技術を用いることなくマイクロ電極を選
択的に堆積させ得る。前記の全ての特徴は従来の大量生
産技術を用いてEMEMSデバイスを安価に製造することを
可能にすべく併用される。
図面の簡単な説明 図1Aは本発明の好ましい実施の形態に基づく構造体の
一部を破断して示す拡大部分斜視図である。
図1Bは図1Aに示す構造体の部分縦断面図であり、ラベ
ル付けした電位を印加することによって生じた励起状態
におけるマイクロ電極の１つのポジションを示す。
図1Cは図1Aの構造体の部分縦断面図であり、ラベル付
けした電位を印加することによって生じた第２の励起状
態におけるマイクロ電極の第２のポジションを示す。
図1Dは各マイクロ電極に対する電気的接続を形成する
ための接続手段を加えた図1Aの構造体を示す部分斜視図
である。
図1Eは図1Dに示す構造体の平面図である。
図2Aは図1Aの構造体の縦断面図であり、本発明の複数
の目的を達成するためのマイクロ構造設計原理の使用を
示す。
図2Bは走査電子顕微鏡の写真であり、本発明に基づい
て形成されたメタル・コーティングを施したエラストマ
ー・マイクロ構造体を示す。
図３は互いに対向する複数のマイクロ構造面の対を示
す拡大斜視図であり、同複数の面は複数のガス・リザー
バを形成している。
図４は上側マイクロ構造体を削除した図３に類似した
拡大斜視図であり、下側マイクロ構造体内に形成された
ガス・リザーバと、同下側マイクロ構造体上に弾性的に
支持されたマクロ電極との配置を示す。
図5A及び図5Bは図１の構造体の真下に配置されたマク
ロ電極を有する構造体を示す部分縦断面図である。
図６は図1A〜図1Dに示す構造体に類似した構造体を示
す拡大斜視図であり、マイクロ電極を有する弾性マイク
ロ構造体が平面基板の両側にそれぞれ設けられている。
好ましい実施の形態の詳細な説明 図1Aは本発明の好ましい実施の形態に基づくデバイス
の一部を破断して示す拡大斜視図である。デバイスは等
間隔に配置された複数のマイクロ電極６（常には1,000
を越す数量）の直線アレイを有する。各マイクロ電極６
は弾性マイクロ構造リッジ５上に支持されている。弾性
マイクロ構造リッジ５は弾性基板フィルム、即ちシート
４の表面フィーチャー、即ち表面形状特徴として形成さ
れている。
光学マイクロプリズマチック・オプティカル・フィル
ム（Micro−prismatic optical films）等のマイクロ構
造面を有する製品の製造において知られている大量生産
を実現する成形マイクロレプリケーション技術を使用す
ることにより、マイクロ構造リッジ５を経済的に生産で
きる。マイクロ電極６は純粋金属（例:Al、CuまたはA
u）、合金、金属酸化物（例：インジウム錫酸化物）、
超伝導体、導電性ポリマー、形状記憶合金または導電性
エラストマー等の複数の効果的な導電材料のうちの任意
の１つを用いて形成できる。
比較的大きな歪みが導電材料に加わるケースでは、マ
イクロ電極の導電性を阻害し得る機械的疲労故障の危険
を低減すべく、マイクロ電極に対して導電性エラストマ
ー材料を使用することが望ましい。マイクロ電極６をリ
ッジ５上に堆積させるために好ましい技術を以下に詳述
する。
図1Aのデバイスの重要な目的は、任意の周波数ｆにお
いて、複数のマイクロ電極６の倍振動を時間ｔの関数と
してマイクロ構造シート４の平面にほぼ平行に形成する
ことにある。この種の倍振動は境界層制御等の多数の流
体力学アプリケーションに効果的に使用できる。この境
界層制御では、マクロスケール・フローに対する実質的
な作用を実現すべく、流体及び表面間の相互作用をマイ
クロスケールで制御することが望ましい。例えば、この
作用は境界層における流体混合レベルを増大させるべく
使用可能である。流体混合レベルの増大により、同境界
層における運動量交換が増大する。特定の電気駆動条件
下において、前記の作用は乱流混合レベルを低減すべく
効果的に使用できる。乱流混合レベルの低減により、航
空機等のエアロダイナミック・ボディの表面抵抗が低減
する。相互作用を流体フローとの間に形成するマイクロ
メカニカル・デバイスの使用の詳細は1994年９月５〜９
日に開催された“第１回フロー相互作用世界会議（Firs
t Internation Conference on flow Interaction）”の
基調講演においてホーチミン（Ho,Chih−Ming）が発表
した“流体力学及び新技術の間の相互作用（Interactio
n Between Fluid Dynamics And New Technolgy）”に開
示されている。
複数のマイクロ電極６の所望の倍振動を実現する手段
を図1B及び図1Cに基づいて以下に詳述する。以下に示す
４つの駆動電位関数（Electrical driving potential f
unctions）a,b,c,dのうちのいずれか１つを各マイクロ
電極６に対して適用する。
ａ＝＋Ｖ ｂ＝＋Vsin（２πft） ｃ＝−Ｖ ｄ＝−Vsin（２πft） 図1Bに示すように、前記の複数の関数は互いに隣接す
る複数のマイクロ電極に対して順番に繰り返して適用さ
れる。前記の複数の駆動電位のシーケンスによって形成
された静電力は複数のマイクロ電極６を支持する弾性マ
イクロ構造リッジ５の変形を通じたマイクロ電極６の移
動を招来する。時間ｔ＝０において、マイクロ電極６は
図1Aに示す非変形状態にある。時間ｔ＝1/（4f）におい
て、マイクロ電極６は図1Bに示す最大変形状態にある。
時間ｔ＝1/（2f）において、マイクロ電極６は図1Aに示
す非変形状態を経験する。そして、時間ｔ＝3/（4f）に
おいて、マイクロ電極６は図1Cに示す逆の最大変形状態
にある。この移動パターンを周波数ｆにおいて反復する
ことにより、所望のオペレーションを実現する。従っ
て、印加された電位は吸引力を複数のマイクロ電極６か
らなる互いに隣接する複数の対の間に交互に形成する。
これにより、マイクロ電極の制御された経時的変位が生
じる。
各マイクロ電極６は0.01mm2より小さい断面積を有
し、かつ同マイクロ電極６の変位は前記の断面積の平方
根の１パーセントを越えることが好ましい。
図1D及び図1Eに示すように、エッジ接続ストリップ10
は複数のマイクロ電極６を適切な電源11に対して電気的
に接続すべく使用できる。接続ストリップ10は複数の突
起状マイクロ構造リッジ８からなる。リッジ８は逆Ｕ字
形をなす複数の電気コンタクト９を分離し、かつ支持し
ている。複数のリッジ８は複数の弾性マイクロ構造リッ
ジ５間への一斉挿入を可能にする幾何学的形状を有す
る。介在配列された複数のリッジ5,8間のクリアランス
はリッジ８の比較的容易な挿入を可能にし、かつ複数の
コンタクト９と、同コンタクト９に隣接するマイクロ電
極６の表面との間の効果的な電気的接続を提供する十分
な大きさである。
各逆Ｕ字形コンタクト９は電源11からの適切な駆動信
号（即ち、ａ、ｂ、ｃまたはｄ）を伝搬する導電路の一
部を形成している。これはフォトリソグラフィー等の従
来の集積回路製造技術を使用したマイクロパターン配線
技術を接続ストリップ10に用いることによって容易に実
現し得る。マイクロ電極６及びコンタクト９は互いに密
接している。このため、複数のリッジ5,8を介在配列す
る前に、同複数のリッジ5,8の一方の表面にジェル等の
粘性導電材料を塗布することにより、効果的な電気的接
続を実現できる。ポリイミド等の高い電界強度を有する
適切な誘電材料を用いて各リッジ８の大部分を形成し、
かつ隣接する導電路を電気的に絶縁する。
複数のマイクロ電極６間に形成可能な最大静電力は互
いに隣接する複数の電極間における絶縁破壊（Electric
al breakdown）によって制限される。本願の発明者は特
定の学説に執着する意志はないが、前記のデバイス等の
EMEMSデバイス内における絶縁破壊には３つの基本モー
ドが存在すると考えられる。
絶縁破壊の第１の基本モードは複数のマイクロ電極６
及び／または平面電極間に位置するエラストマーの表面
を横切って形成される表面放電である。着炭等の複数の
メカニズムは非導電面を横切る表面放電を招来し得る。
殆どのケースにおいて、表面放電の可能性は単位長さ当
たりの電圧の増大にともなって増加する。従って、経路
距離を可能な限り長くすることが望ましい。複数の弾性
リッジ５の頂部にそれぞれ設けられた複数のマイクロ電
極６間に位置する凹部をトラバースする長い経路距離
“S"を用いることにより、これは好ましい実施の形態に
基づく構造体内において実現されている（図2A参照）。
絶縁破壊の第２の基本モードは電極間隙内に存在する
ガスの電子雪崩降伏（Avalanche breakdown）である。
ガスの電子雪崩降伏は電圧が問題の任意のガスに関する
パッシェン曲線の値を越えた際に発生する。パッシェン
曲線は1984年にオックスフォードのペルガモン・プレス
（Pergamon Press,Oxford）から発行された高電圧エン
ジニアリングの基礎（High Voltage Engineering Funda
mentals）の354〜361頁に記載されているクッフェル，
イー．他による“スパーキング電圧−パッシェンの法則
（The Sparking Voltage−Paschen's Law）”等の文献
に基づいて決定し得る。パッシェンの法則によれば、電
子雪崩降伏を招来することなく達成できる最大電圧Ｖは
ガス圧ｐ及び電極間距離ｄの積の関数である、即ちＶ＝
ｆ（pd）である。従って、ガス降伏（Gaseousbreakdow
n）を防止すべく電極間隙３（図1A参照）を可能な限り
小さくすることが望ましい。しかし、これは電極間隙３
を小さくすることにより、マイクロ電極６の最大変位も
低減するという事実との間で釣り合いを取る必要があ
る。マイクロ電極６の最大変位の減少はデバイスの効果
を制限し得る。特定の種類のガス、特に六フッ化硫黄等
の電気陰性ガスは空気よりも更に高い抵抗を電子雪崩降
伏に対して示し、かつ絶縁耐性を増大するための効果的
な手段を提供し得る。
絶縁破壊の第３の基本モードは電界放出である。電界
放出は表面における電位壁を介した電子のトンネル効果
であり、同電界放出は多数の破壊メカニズムを招来す
る。理論的には、電界壁は電界が約3000MV/mに達するま
で実質的なトンネル効果を形成しない大きさを有する。
しかし、実際問題としては、実質的な電界放出は約3000
MV/mより最大で２桁小さい公称電界（即ち、30MV/m）に
おいて発生し得る。非常に良く研磨された表面を使用し
たとしても、同表面の表面粗さに付随した多数の微小突
起に起因して弱さが生じると考えられる。これらの微小
突起はローカル電界を２桁増大させることが可能であ
り、これにより電界放出による絶縁破壊（Field emissi
on breakdown）を招来し得る。従って、電界放出を防止
すべく、表面粗さを最小限に抑制する手段を使用する必
要がある。電極間隙（電極間隙は同間隙を横切って印加
される全電圧に影響を及ぼす）が電界強度以外に影響を
及ぼし得ることを示す証拠が存在する（日本の東京都で
1991年７月８〜12日に開催された誘電材料の特性及び用
途に関する第３回国際会議の議事録（Proc.3rd Intl.Co
nf.on Properties and Aplications of Dielectric Mat
erials）に記載されているエイ．コジマ他による有効電
界強度に対する電極間距離の影響を参照）。これは電極
間隙を実用可能なサイズまで小さくする必要性を開示し
ている。
全般的に、弱いリンクである絶縁破壊メカニズムは表
面経路距離、電極間隙、誘電性ガス種及び電極面等の多
数の要因に基づいて生じる。例えば、前記のデバイスを
高い真空度を有する環境内で動作させる場合、ガス降伏
メカニズムを実質的に排除可能であり、表面放電及び電
解放出のみが問題となる。一般的な経験則として、電極
間隙を問題のガス及びガス圧に関するパッシェン最小距
離（Paschen minimun distance）の２倍未満の大きさに
することが望ましい。これはガス降伏の発生を伴うこと
なく、または過度に高い動作電圧の必要性をともないこ
となく、実質的な静電力の形成を保証する。
マイクロ電極６をリッジ５の頂部に選択的に堆積させ
る方法を以下に詳述する。前記のように、大量生産規模
で安価に実施できる方法を用いてマイクロ電極６をリッ
ジ５の特定部分にのみ選択的に堆積させることが望まし
い。これを実現する１つの方法としては、マイクロシャ
ドウイング効果を形成すべく、物理的に蒸着させた原子
の指向性をエラストマーのマイクロ構造と組み合わせて
使用することが挙げられる。マイクロシャドウイング技
術は当該技術分野の他の用途にも使用されている。例え
ば、マイクロシャドウイング技術は1993年のIEEE MEMS
ワークショップの議事録の150頁に記載されている“集
積フォース・アレイ”においてボビオ他が開示している
デバイスに使用されている。
図2Aに示すように、マイクロシャドウイングは金属原
子をリッジ５に直交する方向から角度αで放出すること
によって実現可能であり、角度αは所望の大きさのシャ
ドウイングを形成する十分な大きさである。図2Aにおい
て、放出角度αは45度である。これは滑らかな遷移をリ
ッジ５の先端付近における電界に形成する一方で、比較
的長い表面絶縁破壊経路距離を提供する。これより小さ
い角度はメタルの堆積をリッジ５の頂部の更に小さな領
域内に制限する。しかし、この小さな領域のエッジは絶
縁破壊の源となり得る非常に高い電界を形成し得る。図
2Bは、前記の好ましい実施の形態に基づいて形成された
デバイスのマイクロ構造面に対して斜角をなす角度で撮
影した走査電子顕微鏡の写真である。この顕微鏡写真に
おいて、薄い影の領域32はタンタル・メタル・コーティ
ングを示し、暗い領域33はシリコーン・エラストマーを
示す。
幾つかのケースでは、互いに対向し、かつ互いに当接
した２つのマイクロ構造面を使用することが望ましい。
図３は本実施の形態に基づく構造体の一部を示す。図３
の下側は弾性マイクロ構造基板４を示す。同基板４は複
数の第１の弾性リッジ５を有し、各第１の弾性リッジ５
は図1Aに基づいて詳述した第１のマイクロ電極６によっ
て頂部を被覆されている。図３の上側は第２の弾性マイ
クロ構造基板12を示す。複数の第２のマイクロ電極14が
弾性マイクロ構造基板12に取付けられている。これによ
り、各マイクロ電極14は対応する複数のマイクロ電極６
に面している。図３の縮尺は歪曲されており、特に、上
側弾性マイクロ構造基板12の深度は下側弾性マイクロ構
造基板４の深度より更に大きい。
複数の弾性リッジ16は下側マイクロ構造基板４に対し
て一定間隔で当接すべく上側マイクロ構造基板12から下
方に向かって突出している。これにより、電極間隙18が
複数のマイクロ電極6,14間に形成される。空気等のガス
は２つのマイクロ構造基板によって囲まれた空間20を満
たしている。接着剤を２つのマイクロ構造体の間に位置
する各接点22に加えることが好ましい。複数のマイクロ
電極14は電源の１つのターミナルに接続されている。更
に、複数のマイクロ電極14に対向する複数のマイクロ電
極６は電源の別のターミナルに接続されている。上側マ
イクロ構造基板12は以下に詳述する理由に基づいて複数
のガス・リザーバ24を提供すべく一定の間隔で凹部を有
する。
図３に示すデバイスの動作を以下に詳述する。電位差
を２セットのマイクロ電極6,14に対して印加する。これ
により、静電吸引力を２セットのマイクロ電極6,14間に
形成する。この静電吸引力は弾性リッジ16を変形するこ
とにより、２セットのマイクロ電極が互いに移動するこ
とを可能にする。複数のマイクロ電極が移動した際、空
間20内に閉じ込められたガスは上側マイクロ構造体及び
下側マイクロ構造体の間で圧縮される。複数のマイクロ
電極6,14間におけるガス圧縮はリザーバ24内におけるガ
ス圧縮よりも大きい。このため、ガスはリザーバ24の内
側及び外側に向けて押圧される。この結果、全体的なガ
ス圧縮はリザーバー24を有さない場合におけるガス圧縮
と比べて小さくなる。従って、リザーバ24は空間20内の
ガスの圧縮剛性に起因する２つのマイクロ構造体の相対
的移動に対する望ましくないインピーダンスを低減す
る。また、高いアスペクト比を有する下側マイクロ構造
体の形成は困難である。リザーバ24の使用は高いアスペ
クト比を有する下側マイクロ構造体の形成を不要とす
る。
リザーバ24の内側及び外側へのガス・フローは多くの
状況下において望ましくない粘性減衰を招来する。粘性
減衰を最小限に抑制すべく、リザーバ24の内側及び外側
へそれぞれ移動する流体のフロー速度を最小限に抑制す
る必要がある。例えば、これは更に小さい流体体積を移
動させるべく複数のリザーバ24の間隔を更に小さくする
ことによって達成されるか、または平均流体フロー速度
を低減すべく断面積を増大させることによって達成され
る。再び図2Aにおいて、凹部領域“r"の断面積は前記の
第２のアプローチを可能にすべく効果的に使用できる。
更に、同断面積は表面絶縁破壊の経路距離を増大させ、
かつマイクロ電極６のマイクロシャドウイングを可能に
する前記の複数の機能に対する効果的な使用が可能であ
る。
図４は図３のデバイスに代わる新たなデバイスを示
し、同新たなデバイスは上側マイクロ構造体を必要とし
ない。図４に示すように、１つ以上のマクロ電極32（ミ
リメートル台の大きさを有する平面構造体）は基板４か
ら上方に突出する弾性リッジ16によってマイクロ電極６
の上方で支持されている。ガス・リザーバ24は基板４及
び弾性リッジ５のうちの選択された部分を除去すること
によって形成される。オペレーションにおいて、電位差
を複数のマイクロ電極６及びマクロ電極32の間に印加す
る。これにより、静電吸引力が両電極6,32間に形成され
る。静電吸引力は弾性リッジ16を変形することにより、
マイクロ電極及びマクロ電極が互いに移動することを可
能にする。この移動中、空間20内に閉じ込められたガス
はマクロ電極及び基板４の間で圧縮される。
図5A及び図5Bは１つ以上のマクロ電極30を基板４の基
部に結合した別の実施の形態を示す。オペレーションに
おいて、電位差をマイクロ電極６及びマクロ電極30の間
に印加することにより、静電吸引力が両電極6,30間に形
成される。図5Bに示すように、静電吸引力は弾性リッジ
５を変形することにより、マイクロ電極６がマクロ電極
30に対して移動することを可能にする。
図６は複数のマイクロ電極6,6′を基板４の両側にそ
れぞれ設けた別の実施の形態を示す。これにより、上側
構造体及び下側構造体（両構造体は基板４の平面に対し
て対称をなす）がそれぞれ形成される。各構造体は図1A
〜図1Dに基づいて詳述した構造体同様に機能する。例え
ば、前記の両面構造体はメンブレン、即ち薄膜を介した
伝熱の改善に効果的に使用できる。
前記の説明から当業者にとって明らかであるように、
多くの別例及び変更が本発明の精神及び範囲から逸脱す
ることなく本発明の実施において可能である。本発明の
範囲は請求の範囲の開示に基づくものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボールマン、ブレント ジェイ. カナダ国 Ｖ６Ｋ ２Ｙ９ ブリティッ シュコロンビア州 バンクーバー ウェ スト フィフティーンス アベニュー 2345 (56)参考文献 特開 平１−270775（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−105291（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−54796（ＪＰ，Ａ) 米国特許5450498（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 17/00 B06B 1/02

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）第１の基板（４）と、前記第１の基
    板（４）が複数の第１の弾性マイクロ構造体（５）を同
    第１の基板（４）の一方の側部上で支持していること
    と、 （ｂ）前記各第１のマイクロ構造体上に設けられた第１
    のマイクロ電極（６）と、 （ｃ）前記複数のマイクロ電極に対する制御された電位
    の印加を実現すべく同複数のマイクロ電極に電気的に接
    続された電源手段（11）と を含むエレクトロメカニカル・トランスデューサ。
  2. 【請求項２】前記電位は吸引力を前記複数のマイクロ電
    極からなる互いに隣接する複数の対の間に交互に形成す
    ることにより、前記複数のマイクロ電極の制御された経
    時的変位を招来する請求項１に記載のエレクトロメカニ
    カル・トランスデューサ。
  3. 【請求項３】前記基板の反対側の側部上に配置された１
    つ以上のマクロ電極（32）と、 （ａ）前記電源手段は前記１つ以上のマクロ電極に対し
    て電気的に接続されていることと、 （ｂ）前記電位は吸引力を複数のマイクロ電極及び１つ
    以上のマクロ電極の間に交互に形成することにより、前
    記１つ以上のマクロ電極に対するマイクロ電極の制御さ
    れた経時的変位を招来すること を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  4. 【請求項４】前記複数のマイクロ電極の上方において弾
    性的に支持された１つ以上のマクロ電極と、 （ａ）前記電源手段は前記１つ以上のマクロ電極に対し
    て電気的に接続されていることと、 （ｂ）前記電位は吸引力を前記複数のマイクロ電極及び
    １つ以上のマクロ電極の間に交互に形成することによ
    り、前記１つ以上のマクロ電極に対するマイクロ電極の
    制御された経時的変位を招来すること を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  5. 【請求項５】前記第１の弾性マイクロ構造体の数は1,00
    0を越す請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラ
    ンスデューサ。
  6. 【請求項６】（ａ）前記第１の基板は弾性シート材であ
    ることと、 （ｂ）前記複数のマイクロ構造体は前記シート材の一体
    構造面の形状特徴として形成されていること を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  7. 【請求項７】（ａ）複数の第２の弾性マイクロ構造体
    （16）を支持する第２の基板（12）と、前記第２の基板
    は前記第１の基板に隣接し、かつ同第１の基板に対向し
    ており、前記複数の第２の弾性マイクロ構造体は第１の
    基板に接していることと、 （ｂ）前記第２の基板上に位置する複数の第２のマイク
    ロ電極（14）と、 吸引力を前記複数の第１のマイクロ電極及び第２のマイ
    クロ電極間に交互に形成することにより、前記複数の第
    １のマイクロ電極及び第２のマイクロ電極の制御された
    経時的変位を招来するために、前記電源手段は制御され
    た電位の印加を複数の第２のマイクロ電極に対して行う
    べく同複数の第２のマイクロ電極に対して電気的に接続
    されていること を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  8. 【請求項８】（ａ）複数の第２の弾性マイクロ構造体
    （16）を支持する第２の基板（12）と、前記第２の基板
    が前記第１の基板に隣接し、かつ同第１の基板に対向し
    ており、前記複数の第２の弾性マイクロ構造体は第１の
    基板に接していることと、 （ｂ）前記複数の第２の弾性マイクロ構造体によって前
    記複数のマイクロ電極の上方で支持された１つ以上のマ
    クロ電極（32）と、 吸引力を前記複数のマイクロ電極及び１つ以上のマクロ
    電極間に交互に形成することにより、前記１つ以上のマ
    クロ電極に対するマイクロ電極の制御された経時的変位
    を招来するために、前記電源手段は制御された電位の印
    加を前記１つ以上のマクロ電極に対して行うべく同マク
    ロ電極に対して電気的に接続されていること を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  9. 【請求項９】（ａ）前記複数の第１のマイクロ電極から
    なる互いに隣接する複数の対はガスを充填した間隙
    （３）によってそれぞれ分離され、前記ガスは特定のガ
    ス圧におけるパッシェン最小距離“d"によって特徴付け
    られることと、 （ｂ）前記間隙の幅は前記パッシェン最小距離“d"の２
    倍より小さいこと を含む請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トラン
    スデューサ。
  10. 【請求項１０】前記複数の第１のマイクロ電極は導電性
    エラストマーを含む請求項１に記載のエレクトロメカニ
    カル・トランスデューサ。
  11. 【請求項１１】前記複数のマイクロ電極を複数のマイク
    ロ構造体上の表面堆積物からなる所定のマイクロパター
    ンとして形成すべく、前記複数のマイクロ構造体は同マ
    イクロ構造体上における導電材料の指向堆積を実現する
    幾何学的形状を有する請求項１に記載のエレクトロメカ
    ニカル・トランスデューサ。
  12. 【請求項１２】凹部を前記複数の第１のマイクロ構造体
    からなる互いに隣接する各対の間に有し、前記各凹部は
    前記互いに隣接する複数のマイクロ構造体上にそれぞれ
    設けられた複数の第１のマイクロ電極間の表面経路距離
    を画定し、前記表面経路距離は互いに隣接する複数のマ
    イクロ構造体上にそれぞれ設けられた複数の第１のマイ
    クロ電極間の任意の直線最短経路距離より実質的に長い
    請求項１に記載のエレクトロメカニカル・トランスデュ
    ーサ。
  13. 【請求項１３】前記第２の基板内に設けられた複数のガ
    ス・フロー・リザーバ（24）を有し、前記複数のリザー
    バ（24）は複数のマイクロ電極の変位中に同複数のマイ
    クロ電極の間からリザーバ（24）の内側へ流動するガス
    ・フロー及び同リザーバ（24）から外側へ流動するガス
    ・フローのために設けられている請求項７に記載のエレ
    クトロメカニカル・トランスデューサ。
  14. 【請求項１４】前記第１の基板内に設けられた複数のガ
    ス・フロー・リザーバ（24）を有し、前記複数のリザー
    バ（24）は複数のマイクロ電極の変位中に同複数のマイ
    クロ電極の間からリザーバ（24）の内側へ流動するガス
    ・フロー及び同リザーバ（24）から外側へ流動するガス
    ・フローのために設けられている請求項４に記載のエレ
    クトロメカニカル・トランスデューサ。
  15. 【請求項１５】前記各マイクロ電極は0.01mm2未満の断
    面積を有する請求項１に記載のエレクトロメカニカル・
    トランスデューサ。
  16. 【請求項１６】前記各マイクロ電極は0.01mm2未満の断
    面積を有し、前記変位は前記断面積の平方根の１パーセ
    ントを越える請求項２に記載のエレクトロメカニカル・
    トランスデューサ。
  17. 【請求項１７】（ａ）前記基板の反対側の側部に配置さ
    れた複数の第２の弾性マイクロ構造体（５′）と、 （ｂ）前記各第２のマイクロ構造体上に設けられた第２
    のマイクロ電極（６′）と、 前記電源手段は制御された電位の印加を複数の第２のマ
    イクロ電極に対して行うべく同複数の第２のマイクロ電
    極に対して電気的に接続されている請求項１に記載のエ
    レクトロメカニカル・トランスデューサ。
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