JP5150692B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、アクチュエータに関する。
可変容量やスイッチでは、低いロス、高いアイソレーション、および高い線形性を実現することが重要である。
例えば静電駆動型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータを用いた高周波スイッチなどにおいては、制御導体や接続導体として例えばアルミ（Ａｌ）、銀、銅、金などの導電体が使用されている。しかしながら、アルミや金などは延性材料であるため、高い応力状態や高温環境下で駆動するとクリープによる変形が生ずる場合がある。
例えば静電駆動型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータを用いた高周波スイッチなどにおいては、制御導体や接続導体として例えばアルミ（Ａｌ）、銀、銅、金などの導電体が使用されている。しかしながら、アルミや金などは延性材料であるため、高い応力状態や高温環境下で駆動するとクリープによる変形が生ずる場合がある。
本発明の実施形態は、クリープによる変形を抑えることができるアクチュエータを提供する。
本発明の実施態様によれば、基板と、前記基板の上に配置された下部電極と、前記下部電極に対向し、前記下部電極との間の距離が可変する上部電極と、一端が前記基板に固定され、他端が前記上部電極に接続され、前記上部電極を支持し、前記上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、前記下部電極と前記上部電極とに接続され、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される駆動電圧を供給する駆動部と、を備え、前記下部電極と前記上部電極との間の電位差の絶対値を増加させたときに前記下部電極と前記上部電極とが接触し始める前記駆動電圧をプルイン電圧とし、前記プルイン電圧を印加したときの前記下部電極と前記上部電極との間の静電容量をプルイン静電容量とし、前記電位差の絶対値を前記プルイン電圧よりも大きい第１の値に増加させたときに前記プルイン静電容量に対する静電容量の比率の変化率が急激に変化する第１の領域と、前記電位差の絶対値を前記第１の値よりも大きい第２の値に増加させたときに前記変化率が前記第１の領域よりも緩やかに変化する第２の領域と、が存在し、前記駆動部は、前記第２の領域における前記駆動電圧を供給することを特徴とするアクチュエータが提供される。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図１（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に表した切断面Ａ−Ａにおける端面模式図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に表した切断面Ｂ−Ｂにおける端面模式図である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図１（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に表した切断面Ａ−Ａにおける端面模式図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に表した切断面Ｂ−Ｂにおける端面模式図である。
本実施形態のアクチュエータ１０は、シリコン基板やガラス基板などにより形成された基板７と、基板７の上に形成された絶縁膜８と、基板７の下に形成されたグランド電極９と、絶縁膜８の上に設けられた静電型のアクチュエータ部１２と、アクチュエータ部１２を駆動する駆動部１５と、を備える。
絶縁膜８は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などである。
絶縁膜８は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などである。
アクチュエータ部１２は、絶縁膜８の上に配置された下部電極１ａと、下部電極１ａに対向し下部電極１ａとの間の距離が可変する上部電極３と、を有する。上部電極３には、ばね６および支持体５が接続されている。下部電極１ａと上部電極３との間には、空洞部１１が設けられている。これにより、上部電極３を駆動して下部電極１ａと上部電極３との間の容量値を変更することができる。
可動可能な上部電極３は、例えばアルミ（Ａｌ）やアルミ合金や金（Ａｕ）などの延性材料の金属により形成されている。ばね６は、延性材料の金属により形成されており、支持体５よりも柔らかい性質を有する。そして、上部電極３は、ばね６を介して支持部４に接続されている。
本願明細書において「延性」とは、物体がその弾性の限界を超えても破壊されずに引き伸ばされる性質をいうものとする。
本願明細書において「延性」とは、物体がその弾性の限界を超えても破壊されずに引き伸ばされる性質をいうものとする。
また、上部電極３は、支持体５を介して支持部４に接続されている。支持体５は、上部電極３およびばね６よりも延性の低い材料からなる。あるいは、支持体５のクリープ耐性は、上部電極３およびばね６のクリープ耐性よりも高い。支持体５は、例えば脆性材料により形成されている。支持体５に用いられる脆性材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などの絶縁性を有する材料でもよいし、ポリシリコンやシリコンやタングステン（Ｗ）やチタンアルミニウム（ＡｌＴｉ）などの導電性を有する材料でもよい。
本願明細書において「クリープ耐性」とは、クリープ変形に対する抵抗力をいうものとする。
また、本願明細書において「脆性」とは、物体が外力を受けたときに、あまり変形しないうちに破壊する性質をいうものとする。
また、本願明細書において「脆性」とは、物体が外力を受けたときに、あまり変形しないうちに破壊する性質をいうものとする。
支持体５に絶縁性材料を用いた場合には、上部電極３をフロート（浮遊）電極とすることが可能である。一方、支持体５に導電性材料を用いた場合には、支持体５を通して上部電極３に電圧を印加することが可能である。そのため、例えば、ばね６を省略することができ、省スペース化を図ることができる。
なお、支持体５は、脆性材料により形成されていることに限定されるわけではない。支持体５は、例えばばね６よりも厚く形成されることにより構造全体として上部電極３およびばね６よりも変形し難い性質を有していてもよい。
つまり、本願明細書において「クリープ耐性」という範囲には、材料の種類に起因するクリープ耐性だけではなく、形状や構造に起因するクリープ耐性が含まれるものとする。
つまり、本願明細書において「クリープ耐性」という範囲には、材料の種類に起因するクリープ耐性だけではなく、形状や構造に起因するクリープ耐性が含まれるものとする。
ばね６を介して上部電極３を支持する支持部４は、駆動部１５に接続されている。そのため、駆動部１５は、支持部４およびばね６を介して上部電極３にバイアス電圧を印加することができる。また、下部電極１ａは、駆動部１５に接続されている。そのため、駆動部１５は、下部電極１ａにバイアス電圧を印加することができる。つまり、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間に印加される駆動電圧を供給することができる。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、アクチュエータの駆動を説明する端面模式図である。
なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１（ａ）に表した切断面Ｂ−Ｂにおける端面模式図である。
なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１（ａ）に表した切断面Ｂ−Ｂにおける端面模式図である。
駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に電位差を与えていない状態では、上部電極３は、図２（ａ）に表したように、下部電極１ａから離間している。続いて、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に電位差を与えると、下部電極１ａおよび上部電極３は、静電引力により互いに引きつけられる。これにより、図２（ｂ）に表したように、上部電極３を下方へ駆動することができる。そして、上部電極３は、絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触する（プルイン：Ｐｕｌｌ−Ｉｎ）。
アクチュエータ部１２を駆動する際には、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加する。例えば、駆動部１５は、上部電極３に０Ｖ（ボルト）を供給し、下部電極１ａに電圧Ｖｂｉａｓを印加する。あるいは、例えば、駆動部１５は、上部電極３に電圧Ｖｂｉａｓを供給し、下部電極１ａに０Ｖ（ボルト）を印加する。あるいは、駆動部１５は、駆動回数や容量値に応じて電界の向きを適宜入れ替えてもよい。
ここで、上部電極３は、前述したように延性材料の金属により形成されているため、高い応力状態や高温環境下で駆動するとクリープによる変形が生ずる場合がある。クリープ変形が生ずると、アップステート（Ｕｐ−Ｓｔａｔｅ）の状態の上部電極３と下部電極１ａとの間の距離が短くなるため、可変容量の場合には容量値が変化する。また、スイッチの場合には、アイソレーション特性が悪くなる。
なお、本願明細書において「アップステートの状態」とは、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加せず、上部電極３が絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触していない状態をいうものとする。
なお、本願明細書において「アップステートの状態」とは、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加せず、上部電極３が絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触していない状態をいうものとする。
これに対して、本実施形態では、延性材料の金属により形成された上部電極３は、延性材料の金属により形成されたばね６と、上部電極３およびばね６よりも延性の低い材料からなる支持体５と、を介して支持部４に接続されている。これにより、アップステートの状態の上部電極３と下部電極１ａとの間の距離は、実質的には支持体５により決定される。
支持体５は、上部電極３およびばね６よりも変形し難く、クリープ変形を生じ難い。そのため、長時間の駆動を行っても、あるいは多数回の駆動を繰り返しても、アップステートの状態の上部電極３と下部電極１ａとの間の距離は、変化し難い。また、ばね６は、クリープ変形を生ずるが、ばね定数が支持体５よりも小さいため、上部電極３と下部電極１ａとの間の距離にはほとんど影響を及ぼさない。
一方、アクチュエータ１０を大多数の可変容量やスイッチに応用する場合には、信号を通しながらスイッチングする必要がある（ホットスイッチ）。この場合には、復元力が強く硬いばねにより上部電極３を支持する必要がある。これに対して、本実施形態では、上部電極３は、ばね６よりも硬い支持体５を介して支持部４に接続されている。
しかしながら、復元力が強く硬いばねにより上部電極３を支持すると、図２（ｂ）に表したように、ダウンステート（Ｄｏｗｎ−Ｓｔａｔｅ）の状態の上部電極３の端部３ａが支持体５により引っ張られ絶縁膜７ａから浮き上がる場合がある。そうすると、延性材料の金属により形成された上部電極３に応力が生ずる。これにより、上部電極３にクリープ変形が生ずる場合がある。
なお、本願明細書において「ダウンステートの状態」とは、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加し、上部電極３が絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触した状態をいうものとする。また、上部電極３の端部３ａは、支持体５との接続部である。
なお、本願明細書において「ダウンステートの状態」とは、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加し、上部電極３が絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触した状態をいうものとする。また、上部電極３の端部３ａは、支持体５との接続部である。
これに対して、本実施形態では、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン（Ｐｕｌｌ−Ｉｎ）電圧以上の電位差を与えて駆動する。そうすると、上部電極３の端部３ａは、図２（ｃ）に表したように、絶縁膜７ａからほとんど浮き上がらず平らな状態となる。そのため、上部電極３には応力がほとんど生じない。一方、支持体５には応力が集中して生ずる。支持体５は、前述したようにクリープ変形を生じ難い。これにより、クリープによる変形を抑えることができる。
ここで、クリープひずみ速度は、応力や温度などに依存し、一般的には以下のDorn-Woertmanの式で表される。
式（１）において、材料に依存して決まるのは、定数ａ、クリープ指数ｎ、およびクリープの活性化エネルギーＱである。また、その他の条件としては、初期応力σおよび絶対温度Ｔがある。
式（１）において、材料に依存して決まるのは、定数ａ、クリープ指数ｎ、およびクリープの活性化エネルギーＱである。また、その他の条件としては、初期応力σおよび絶対温度Ｔがある。
式（１）から分かるように、初期応力σが大きいほど、また絶対温度Ｔが高いほど、クリープの進展は速くなる。また、材料によってもクリープの進展速度は変わる。延性材料の金属（例えばアルミ（Ａｌ）、アルミ合金、金（Ａｕ）など）では、クリープの進展が非常に速く、一方で、脆性材料（例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）など）では、クリープの進展が非常に遅いことが知られている。
そのため、支持体５が例えば前述した脆性材料により形成されている場合には、支持体５のクリープの進展は遅い。この場合には、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧以上の電位差を与えたときに、発生する応力をクリープ耐性に優れた支持体５に集中させることができる。これにより、クリープによる変形を抑えることができる。
次に、駆動電圧と静電容量との関係について、図面を参照しつつ説明する。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、駆動電圧と静電容量との関係を表すグラフ図である。 なお、図３（ａ）は、プルイン電圧Ｖｐ以下および以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示するグラフ図であり、図３（ｂ）は、プルイン電圧Ｖｐ以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示する解析結果である。また、図３（ａ）に表した縦軸（静電容量）および横軸（駆動電圧）は、線形軸である。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、駆動電圧と静電容量との関係を表すグラフ図である。 なお、図３（ａ）は、プルイン電圧Ｖｐ以下および以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示するグラフ図であり、図３（ｂ）は、プルイン電圧Ｖｐ以上の駆動電圧と静電容量との関係の一例を例示する解析結果である。また、図３（ａ）に表した縦軸（静電容量）および横軸（駆動電圧）は、線形軸である。
駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加すると、図２に関して前述したように、上部電極３は下部電極１ａに引きつけられる。これにより、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以下の電位差を与えている場合には、上部電極３と下部電極１ａとの間の距離が短くなるため、静電容量は、図３（ａ）に表したように微増する（ステートＳ１）。
続いて、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐの電位差を与えると、上部電極３は、絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと接触する。このとき、上部電極３と下部電極１ａとの間の静電容量は、急激に増加する。
続いて、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えると、上部電極３と下部電極１ａとの間の静電容量は、徐々に増加する（ステートＳ２）。続いて、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差をさらに与えると、上部電極３と下部電極１ａとの間の静電容量は、飽和状態に近づいていく（ステートＳ３）。これについて、図３（ｂ）を参照しつつさらに説明する。
図３（ｂ）に表したグラフ図の横軸は、プルイン電圧Ｖｐを基準として駆動部１５がさらに印加した電圧ΔＶ（ボルト）を表している。図３（ｂ）に表したグラフ図の縦軸は、駆動部１５がプルイン電圧Ｖｐを印加したときのダウンステートの状態の静電容量（プルイン静電容量）を「１００」とした場合に、ダウンステートの状態の静電容量の比率Ｃｄｒ（パーセント）を表している。
図３（ｂ）に表したように、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与える電位差を大きくするにつれて、上部電極３と下部電極１ａとの間の静電容量は、徐々に増加する。これは、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与える電位差を大きくするにつれて、下部電極１ａと上部電極３との間に生ずる静電引力が増加し、下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性が向上するためである。このとき、支持体５により引っ張られ絶縁膜７ａから浮き上がった上部電極３の端部３ａは、絶縁膜７ａを介して下部電極１ａと徐々に接触していく。
そして、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にさらに大きい電位差を与えると、静電容量は飽和状態に近づいていく。これは、下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性の向上が飽和していくためである。つまり、駆動部１５がプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えてしばらくの間（ステートＳ２）においては、絶縁膜７ａを介して接触する下部電極１ａと上部電極３との面積は、電極全体に亘ってステートＳ３の状態よりも急激に増加していく。一方で、駆動部１５がさらに大きい電位差を与えると（ステートＳ３）、絶縁膜７ａを介して接触する下部電極１ａと上部電極３との面積は、絶縁膜７ａから浮き上がった上部電極３の端部３ａのより狭い領域においてステートＳ２よりも緩やかに増加していく。
図４は、静電容量比率の増加電圧による依存性の一例を例示する解析結果である。
図４に表したグラフ図の横軸は、図３（ｂ）に表したグラフ図の横軸と同様である。図４に表したグラフ図の縦軸は、図３（ｂ）に表したグラフ図の各静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶを表している。つまり、図４に表した変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、図３に表したグラフ図の各静電容量比率Ｃｄｒにおける「傾き」を表している。
図４に表したグラフ図の横軸は、図３（ｂ）に表したグラフ図の横軸と同様である。図４に表したグラフ図の縦軸は、図３（ｂ）に表したグラフ図の各静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶを表している。つまり、図４に表した変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、図３に表したグラフ図の各静電容量比率Ｃｄｒにおける「傾き」を表している。
図４に表したように、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与える電位差を大きくするにつれて、各静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、減少する。そして、静電容量は、飽和状態に近づいていく。これは、図３に関して前述したように、下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性の向上が飽和していくためである。
下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性が向上すると、上部電極３の端部３ａは、絶縁膜７ａからほとんど浮き上がらず平らな状態となる。そうすると、図２に関して前述したように、上部電極３には応力がほとんど生じない。一方、支持体５には応力が集中して生ずる。支持体５は、クリープ変形を生じ難い。これにより、クリープによる変形を抑えるためには、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与え、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶがより減少した状態で駆動することが望ましい。
ここで、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えた場合、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが急激に変化する第１の領域が存在する。一方、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが第１の領域よりも緩やかに変化する第２の領域が存在する。例えば、図４に表したように、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．４」よりも大きいときには、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、急激に変化している（第１の領域）。一方、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．４」以下のときには、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、「０．４」よりも大きいときに比べて緩やかに変化している（第２の領域）。これにより、駆動部１５は、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．４」以下となるような電位差を下部電極１ａと上部電極３との間に与えることが望ましい。
なお、１つの第２の領域が存在することに限定されず、複数の第２の領域が存在してもよい。例えば、図４に表した解析結果において、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．２」以下のときには、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、さらに緩やかに変化している（第２の領域）。これにより、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．２」以下となるような電位差を駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与えると、クリープによる変形をさらに抑えることができる。
あるいは、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．６」よりも大きいときには、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが急激に変化していると考えることができる（第１の領域）。一方、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．６」以下のときには、変化率ｄＣｄｒ／ｄＶは、「０．６」よりも大きいときに比べて緩やかに変化していると考えることができる（第２の領域）。これにより、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが「０．６」以下となるような電位差を駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与えることによっても、クリープによる変形を抑えることができる。
図５は、アップステートの状態の静電容量の比率の一例を例示する解析結果である。 図５に表したグラフ図の横軸は、図３（ｂ）に表したグラフ図の横軸と同様である。図５に表したグラフ図の縦軸は、初期のアップステートの状態の静電容量を「１００」とした場合に、室温２５℃の環境下でダウンステートの状態に３年間放置した後のアップステートの状態の静電容量の比率Ｃｕｒ（パーセント）を表している。つまり、図５に表したグラフ図の縦軸は、クリープ疲労前の初期のアップステートの状態と、クリープ疲労後のアップステートの状態と、の間における静電容量の比率Ｃｕｒを表している。
図５に表したように、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐの電位差を与え、室温２５℃の環境下でダウンステートの状態に３年間放置した後のアップステートの状態の静電容量は、初期のアップステートの状態の静電容量よりも大きい。これは、上部電極３にクリープ変形が生じたことにより、上部電極３と下部電極１ａとの間の距離が短くなったためである。そして、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間に与える電位差を大きくするにつれて、アップステートの状態の静電容量の比率Ｃｕｒは、減少する。これは、下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性が向上したことにより、上部電極３のクリープ変形を抑えることができたためである。クリープによる変形を抑えることができるように、駆動部１５が下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与え、クリープ疲労前後における静電容量の比率Ｃｕｒが約数パーセント程度以下となるようにすることが望ましい。例えば、駆動部１５は、クリープ疲労前後における静電容量の比率Ｃｕｒが２パーセント以下となるような電位差を下部電極１ａと上部電極３との間に与えることが望ましい。
図６は、本実施形態の駆動電圧のプロファイルの一例を例示するグラフ図である。
本実施形態では、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えて駆動する。具体的には、駆動部１５は、下部電極１ａおよび上部電極３に印加するバイアス電圧を増加させ、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが例えば「０．４」となる電圧Ｖ１以上の電圧Ｖ２を印加する。これにより、前述したようにクリープによる変形を抑えることができる。なお、図６に表したグラフ図において例示した静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶの数値「０．４」は、一例であり、これだけに限定されるわけではない。また、電圧Ｖ２は、駆動部１５の制約電圧Ｖ３よりも低い。
本実施形態では、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えて駆動する。具体的には、駆動部１５は、下部電極１ａおよび上部電極３に印加するバイアス電圧を増加させ、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが例えば「０．４」となる電圧Ｖ１以上の電圧Ｖ２を印加する。これにより、前述したようにクリープによる変形を抑えることができる。なお、図６に表したグラフ図において例示した静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶの数値「０．４」は、一例であり、これだけに限定されるわけではない。また、電圧Ｖ２は、駆動部１５の制約電圧Ｖ３よりも低い。
図７は、本実施形態にかかるクリープ解析の結果の一例を例示する斜視視式図である。 また、図８は、比較例にかかるクリープ解析の結果の一例を例示する斜視模式図である。
なお、図７（ａ）および図８（ａ）は、初期のアップステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加した直後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｃ）および図８（ｃ）は、ダウンステートの状態に３年間放置した後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｄ）および図８（ｄ）は、絶縁膜７ａを介して接触していた下部電極１ａおよび上部電極３が剥離（プルアウト：Ｐｕｌｌ−Ｏｕｔ）した後のアップステートの状態の解析結果の一例である。
また、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図８（ｂ）、および図８（ｃ）は、上部電極３の端部３ａを拡大して眺めた拡大模式図である。
また、図７および図８に表した解析結果は、室温２５℃の環境下で行った解析結果である。
なお、図７（ａ）および図８（ａ）は、初期のアップステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３にバイアス電圧を印加した直後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｃ）および図８（ｃ）は、ダウンステートの状態に３年間放置した後のダウンステートの状態の解析結果の一例であり、図７（ｄ）および図８（ｄ）は、絶縁膜７ａを介して接触していた下部電極１ａおよび上部電極３が剥離（プルアウト：Ｐｕｌｌ−Ｏｕｔ）した後のアップステートの状態の解析結果の一例である。
また、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図８（ｂ）、および図８（ｃ）は、上部電極３の端部３ａを拡大して眺めた拡大模式図である。
また、図７および図８に表した解析結果は、室温２５℃の環境下で行った解析結果である。
図８に表した比較例の解析結果では、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐの電位差を与えて駆動している。この場合には、図８（ｂ）および図８（ｃ）に表したように、バイアス電圧が印加された直後およびダウンステートの状態に３年間放置された後において、上部電極３の端部３ａは、支持体５により引っ張られ絶縁膜７ａから浮き上がった状態となっている。これにより、上部電極３の端部３ａにおいて、クリープによる変形が生ずる場合がある。
これに対して、図７に表した本実施形態の解析結果では、駆動部１５は、下部電極１ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐよりも高い電位差を与えて駆動している。この場合には、図７（ｂ）および図７（ｃ）に表したように、バイアス電圧が印加された直後およびダウンステートの状態に３年間放置された後において、上部電極３の端部３ａは、絶縁膜７ａからほとんど浮き上がらず平らな状態となっている。そのため、上部電極３には応力がほとんど生じていない。一方、支持体５には応力が集中して生じている。支持体５は、前述したように上部電極３よりも延性の低い材料からなり、クリープ変形を生じ難い。これにより、クリープによる変形を抑えることができる。
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図９（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に表した切断面Ｃ−Ｃにおける端面模式図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）に表した切断面Ｄ−Ｄにおける端面模式図である。
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。 なお、図９（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に表した切断面Ｃ−Ｃにおける端面模式図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）に表した切断面Ｄ−Ｄにおける端面模式図である。
本実施形態にかかるアクチュエータ１３は、例えば可変容量などに用いられる。本実施形態にかかるアクチュエータ１３では、絶縁膜８の上に下部電極１ａ、２ａが配置されている。また、下部電極１ａ、２ａの下には、絶縁膜８を介してＲＦ（Radio Frequency）電極が積層されている。ＲＦ電極は、下部電極１ａに対向して設けられたシグナル線１ｂと、下部電極２ａに対向して設けられたグランド線２ｂと、を有する。上部電極３は、下部電極１ａ、２ａに対向して配置されている。そして、上部電極３と、下部電極１ａ、２ａと、の間の距離は可変する。上部電極３および下部電極１ａ、２ａにより、静電型のアクチュエータ部１４が形成されている。
下部電極１ａ、２ａは、駆動部１５に接続されている。そのため、駆動部１５は、下部電極１ａ、２ａにバイアス電圧を印加することができる。その他の構造および材料などは、図１に関して前述したアクチュエータ１０と同様である。
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、アクチュエータの駆動を説明する端面模式図である。 なお、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図９（ａ）に表した切断面Ｄ−Ｄにおける端面模式図である。
上部電極３は、ＲＦ電極と駆動電極との役割を兼ねている。図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に表したように、上部電極３と駆動部１５との間にはローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）が挿入されているため、上部電極３は、ＲＦ的にはフロートになっている。これにより、上部電極３は、ＲＦ電極と駆動電極との役割を兼ねることができる。
駆動部１５が下部電極１ａ、２ａと上部電極３との間に電位差を与えていない状態では、上部電極３は、図１０（ａ）に表したように、下部電極１ａ、２ａから離間している。続いて、駆動部１５が下部電極１ａ、２ａと上部電極３との間に電位差を与えると、下部電極１ａ、２ａおよび上部電極３は、静電引力により互いに引きつけられる。これにより、図１０（ｂ）に表したように、上部電極３を下方へ駆動することができる。そして、上部電極３は、絶縁膜７ａを介して下部電極１ａ、２ａと接触する（プルイン）。
アクチュエータ部１４を駆動する際には、駆動部１５が下部電極１ａ、２ａおよび上部電極３にＬＰＦを介してバイアス電圧を印加する。例えば、駆動部１５は、上部電極３に０Ｖ（ボルト）を供給し、下部電極１ａ、２ａに電圧Ｖｂｉａｓを印加する。あるいは、例えば、駆動部１５は、上部電極３に電圧Ｖｂｉａｓを供給し、下部電極１ａ、２ａに０Ｖ（ボルト）を印加する。あるいは、駆動部１５は、駆動回数や容量値に応じて電界の向きを適宜入れ替えてもよい。
本実施形態においても、駆動部１５は、下部電極１ａ、２ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えて駆動する。そうすると、上部電極３の端部３ａは、図１０（ｃ）に表したように、絶縁膜７ａからほとんど浮き上がらず平らな状態となる。そのため、上部電極３には応力がほとんど生じない。一方、支持体５には応力が集中して生ずる。支持体５は、前述したようにクリープ変形を生じ難い。これにより、クリープによる変形を抑えることができる。
本実施形態におけるダウンステートの状態の静電容量の比率Ｃｄｒ、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶ、アップステートの状態の静電容量の比率Ｃｕｒ、およびクリープ解析については、図３〜図５および図７に関してそれぞれ前述した如くである。
図１１は、本実施形態の駆動電圧のプロファイルの一例を例示するグラフ図である。
一般的に、平行平板間に生じる静電引力は、駆動電圧や電極間ギャップに依存し、以下の式で表される。
一般的に、平行平板間に生じる静電引力は、駆動電圧や電極間ギャップに依存し、以下の式で表される。
式（２）から分かるように、静電引力は、駆動電圧や電極間ギャップに依存するため、絶縁膜７ａを介して上部電極３と下部電極１ａ、２ａとが接触するまでは、駆動部１５は、より高い電位差を与える必要がある。一方、絶縁膜７ａを介して上部電極３と下部電極１ａ、２ａとが一旦接触し、下部電極１ａと上部電極３との間の密着性および平坦性が向上すると、電極間ギャップが狭くなるため、より低い電位差でより大きな力を加えることが可能である。
そこで、本実施形態では、駆動部１５は、図１１に表した駆動電圧のプロファイルのようなバイアス電圧を下部電極１ａおよび上部電極３に印加することができる。これにより、駆動部１５の負担を軽減することができる。また、消費電力をより低く抑えることができる。そして、クリープによる変形を抑えることができる。
具体的には、駆動部１５は、まず、下部電極１ａおよび上部電極３に印加するバイアス電圧を増加させ、電圧増加過程において静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが例えば「０．４」となる電圧Ｖ１以上の第１の駆動電圧Ｖ２を印加する。その後、駆動部１５は、下部電極１ａおよび上部電極３に印加するバイアス電圧を減少させ、電圧減少過程において静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶが例えば「０．４」となる電圧Ｖ１以下の第２の駆動電圧Ｖ４を印加する。これによっても、クリープによる変形を抑えることができる。
なお、図１１に表したグラフ図において例示した静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶの数値「０．４」は、一例であり、これだけに限定されるわけではない。また、駆動部１５が下部電極１ａおよび上部電極３に印加するバイアス電圧を減少させた後の電圧は、プルイン電圧Ｖｐ以上であることに限定されるわけではない。また、電圧Ｖ２は、駆動部１５の制約電圧Ｖ３よりも低い。
次に、本発明のさらに他の実施の形態について説明する。
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。
なお、図１２（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に表した切断面Ｅ−Ｅにおける端面模式図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に表した切断面Ｆ−Ｆにおける端面模式図である。
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す模式図である。
なお、図１２（ａ）は、本実施形態にかかるアクチュエータを表す平面模式図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に表した切断面Ｅ−Ｅにおける端面模式図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に表した切断面Ｆ−Ｆにおける端面模式図である。
本実施形態にかかるアクチュエータ１６は、例えば可変容量などに用いられる。本実施形態にかかるアクチュエータ１６では、絶縁膜８の上に下部電極１ａ、２ａおよびＲＦ電極が並列に配置されている。ＲＦ電極は、シグナル線１ｂとグランド線２ｂとを有する。シグナル線１ｂは、下部電極１ａと隣接して設けられている。一方、グランド線２ｂは、下部電極２ａと隣接して設けられている。そして、上部電極３および下部電極１ａ、２ａにより、静電型のアクチュエータ部１８が形成されている。その他の構造および材料などは、図１に関して前述したアクチュエータ１３と同様である。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、アクチュエータの駆動を説明する端面模式図である。 なお、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、図１２（ａ）に表した切断面Ｆ−Ｆにおける端面模式図である。
アクチュエータ部１８を駆動する際には、図１０に関して前述したアクチュエータ１３と同様に、駆動部１５が下部電極１ａ、２ａおよび上部電極３にＬＰＦを介してバイアス電圧を印加する。例えば、駆動部１５は、上部電極３に０Ｖ（ボルト）を供給し、下部電極１ａ、２ａに電圧Ｖｂｉａｓを印加する。あるいは例えば、駆動部１５は、上部電極３に電圧Ｖｂｉａｓを供給し、下部電極１ａ、２ａに０Ｖ（ボルト）を印加する。あるいは、駆動部１５は、駆動回数や容量値に応じて電界の向きを適宜入れ替えてもよい。
本実施形態においても、駆動部１５は、下部電極１ａ、２ａと上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えて駆動する。そうすると、上部電極３の端部３ａは、図１３（ｃ）に表したように、絶縁膜７ａからほとんど浮き上がらず平らな状態となる。そのため、上部電極３には応力がほとんど生じない。一方、支持体５には応力が集中して生ずる。支持体５は、前述したようにクリープ変形を生じ難い。これにより、クリープによる変形を抑えることができる。
本実施形態におけるダウンステートの状態の静電容量の比率Ｃｄｒ、静電容量比率Ｃｄｒの電圧に対する変化率ｄＣｄｒ／ｄＶ、アップステートの状態の静電容量の比率Ｃｕｒ、およびクリープ解析については、図３〜図５および図７に関してそれぞれ前述した如くである。また、駆動電圧のプロファイルについては、図６および図１１に関して前述した如くである。
なお、下部電極１ａ、２ａは、上部電極３と支持体５との接続部の近傍においてそれぞれ分割されていてもよい。この場合には、駆動部１５は、接続部の近傍の下部電極と上部電極３との間にプルイン電圧Ｖｐ以上の電位差を与えることができる。これは、図９および図１０に関して前述したアクチュエータ１３についても同様である。これにより、駆動部１５の負担を軽減したり、消費電力をより低く抑えることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ａ 下部電極、 １ｂ シグナル線、 ２ａ 下部電極、 ２ｂ グランド線、 ３ 上部電極、 ３ａ 端部、 ４ 支持部、 ５ 支持体、 ６ ばね、 ７ 基板、 ７ａ、８ 絶縁膜、 ９ グランド電極、 １０ アクチュエータ、 １１ 空洞部、 １２ アクチュエータ部、 １３ アクチュエータ、 １４ アクチュエータ部、 １５ 駆動部、 １６ アクチュエータ、 １８ アクチュエータ部
Claims (5)
- 基板と、
前記基板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極に対向し、前記下部電極との間の距離が可変する上部電極と、
一端が前記基板に固定され、他端が前記上部電極に接続され、前記上部電極を支持し、前記上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、
前記下部電極と前記上部電極とに接続され、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される駆動電圧を供給する駆動部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極との間の電位差の絶対値を増加させたときに前記下部電極と前記上部電極とが接触し始める前記駆動電圧をプルイン電圧とし、
前記プルイン電圧を印加したときの前記下部電極と前記上部電極との間の静電容量をプルイン静電容量とし、
前記電位差の絶対値を前記プルイン電圧よりも大きい第１の値に増加させたときに前記プルイン静電容量に対する静電容量の比率の変化率が急激に変化する第１の領域と、前記電位差の絶対値を前記第１の値よりも大きい第２の値に増加させたときに前記変化率が前記第１の領域よりも緩やかに変化する第２の領域と、が存在し、
前記駆動部は、前記第２の領域における前記駆動電圧を供給することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記第２の領域における前記変化率は、０．４（１／ボルト）以下であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
- 前記支持体は、酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
- 前記支持体は、ポリシリコン、シリコン、タングステン及びチタンアルミニウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
- 基板と、
前記基板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極に対向し、前記下部電極との間の距離が可変する上部電極と、
一端が前記基板に固定され、他端が前記上部電極に接続され、前記上部電極を支持し、前記上部電極よりもクリープ耐性の高い支持体と、
前記下部電極と前記上部電極とに接続され、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される駆動電圧を供給する駆動部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極との間の電位差の絶対値を増加させたときに前記下部電極と前記上部電極とが接触し始める前記駆動電圧をプルイン電圧とし、
前記プルイン電圧を印加したときの前記下部電極と前記上部電極との間の静電容量をプルイン静電容量とし、
前記電位差の絶対値を前記プルイン電圧よりも大きい第２の値に増加させたときに前記プルイン静電容量に対する静電容量の比率の変化率が急激に変化する第１の領域と、前記電位差の絶対値を前記第２の値よりも大きい第１の値に増加させたときに前記変化率が前記第１の領域よりも緩やかに変化する第２の領域と、が存在し、
前記駆動部は、前記電位差の絶対値が前記第１の値である第１の駆動電圧を供給した後に、前記電位差の絶対値が前記第２の値である第２の駆動電圧を供給することを特徴とするアクチュエータ。
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