JPH10508431A - 電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 可動な可撓性素子（１〜１０）と増幅器段（３〜７）を備え、増幅器段が前記素子中に組み込まれた、電気機械変換器が記述される。この変換器はさらに、増幅器段（３〜７）の入力信号としてたわみに依存する信号を生成する、圧電力材料（８）を含む。好ましい実施形態においては、可撓性素子は熱膨張係数の異なる材料の層（１、９）を含み、温度センサとしてのこのデバイスの感度が高くなっている。この新規デバイスは、原子間力顕微鏡などのローカル・プローブ顕微鏡、アクチュエータ、（化学）センサ、あるいは発振器に応用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 電気機械変換器 本発明は、可撓性素子と増幅器を含み、可撓性素子の動きと同期した電気出力 を生成する電気機械変換器に関する。本発明はまた、ローカル・プローブ顕微鏡 用のカンチレバーや、センサまたは発振器として使用されるこのような変換器に 関する。 発明の背景 電気機械変換器は、幅広い技術分野で使用されている。そのような電気機械変 換器は、発振回路、振動子、センサまたはマイクロアクチュエータの部品、ある いは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のようなローカル・プローブ・デバイスの部品と して利用される。以下に、様々な技術分野における様々な既知のデバイスを示す 。これらの装置は、電気機械変換器がいかに幅広く利用されているかを示すもの である。 ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・ブルテンVol.25、No.12、1983年5月、 6424/5ページに、Ｒ．Ｈ．テイラー(Taylor)とＤ．Ｊ．ウェブ(Webb)により、集 積型力センサが記載されている。このセンサは、関連する電界効果トランジスタ の細長いゲートに結合された圧電層からなる。圧電層に圧力がかかるとゲート電 極が充電され、これにより、電界効果ト ランジスタのチャネルのコンダクタンスが変調される。 もう１つの既知のデバイスは、IEEE Transaction on Electron Devicesの、Vo l.ED-14、No.3、March 1967、pp.117〜133に、Ｈ．Ｃ．ナザンソン(Nathanson) 他によって、「共振ゲート・トランジスタ（ＲＧＴ）」として発表されている。 ＲＧＴは、ＭＯＳ型電界効果トランジスタのドレインとソースの上に吊り下げた ビーム型電極を使用する。（荷電した）ビームの振動により、トランジスタのチ ャネルが変化する。適切なフィードバック回路により、ＲＧＴを強制的に一定周 波数で発振させることができる。 電気機械変換器を「双方向スイッチ」として利用することは、米国特許ＵＳ− Ａ−５０３４６４８号で実証されている。この明細書において、２つの電界効果 トランジスタのゲートに基本的に圧電性のロッドが取り付けられている。 さらに、Sensors and Actuators,A21〜A23(1990)、pp.226〜228に、Ｆ．Ｒ． ブロム(Blom)他によって、マイクロメカニカル・デバイス用の圧電アクチュエー タが記載されている。このアクチュエータは、２つの金属層の間に挟まれたＳｉ Ｏ₂層とＺｎＯ層からなる多層カンチレバーによって形成される。金属層に電圧 をかけると、カンチレバーにたわみが生じる。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ） の分野では、ユニモルフまたはバイモルフの圧電カンチレバーも見られる。原子 間力顕微鏡は、いわゆる「ローカル・プローブ法」の特殊な変形であり、それら は全て、曲率半径が１０〜１００ｎｍの頂点を 有するティップを使用する。ティップまたはプローブは、圧電変換器によって検 査するサンプルの近くに配置される。ＡＦＭおよびその関連技術において、ティ ップは圧電カンチレバーに取り付けられる。表面をサンプルに近づけるときのた わみを制御するために、カンチレバーの圧電材料を利用する多数の提案が知られ ている。これらの提案の例は、欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０４９２９１５号明細書 に見られ、この明細書では、いくつかの圧電層と、それらの圧電層に電圧を印加 するための適切な数の電極とを有するカンチレバー・プルーブを作成する方法が いくつか示されている。ＵＳ−Ａ−４９０６８４０号明細書は、カンチレバー・ ビームをその静止位置から相対する方向に曲げることができる圧電バイモルフ層 を備えた類似の積層カンチレバー構造を開示している。いくつかの実施形態にお いて、圧電バイモルフに負荷をかけるために必要な制御回路を、エッチングによ りそれからカンチレバーを形成する基板に組み込むことが提案されている。 原子間力顕微鏡用の小型集積カンチレバーを作成するもう１つの試みは、Appl .Phys.Lett.62(8)、22．Feb 1993、pp.834〜836に所載のＭ．トートンズ(Torton ese)他の論文から既知である。この論文に記載された曲がり検出方式では、圧電 抵抗ひずみセンサを使用する。カンチレバー・ビーム内の圧電抵抗層の抵抗率か ら、カンチレバーのたわみを直接測定することができる。この抵抗率は、外部の ホイートストン・ブリッジによって求める。基材のシリコン自体が圧電抵抗層と して働く。 欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０２９０６４７号では、圧電発振器をカンチレバーに 取り付け、カンチレバーにかかる力が変化したときに生じる周波数のずれを決定 することにより、カンチレバーのたわみを測定する。この原理を利用して、Ｋ． タカタ(Takata)は、Rev.Sci.Instrum.64(9)、Sept.93、pp.2598〜2600に、カン チレバーに組み込まれた圧電振動子を備えるデバイスを発表している。振動子を ＡＦＭ用のバイモルフ・カンチレバーとして形成することにより、ティップとサ ンプルの間隔と力勾配を同時に検出することができる。 従来技術から明らかなように、いくつかの分野において、ローカル・ブローブ 技術のカンチレバーやその他のセンサおよび発振器を集積して製作する試みが行 われてきた。しかし、周知のすべての提案は、依然として外部回路に大きく依存 しており、外部回路が、記載されたデバイスのサイズと複雑さの大部分を占める 。これらのデバイスは、正確な位置合わせと追加の配線を必要とする。 したがって、本発明の目的は、高度に集積された電気機械変換器を提供するこ とである。本発明のさらに具体的な目的は、より大型のデバイスに簡単に取り付 けることができる丈夫な変換器を提供することである。本発明の他の目的は、特 に曲げとたわみをより良好に制御することができるローカル・プローブ顕微鏡、 センサ、アクチュエータおよび発振器用の高度に集積されたカンチレバー構造に 関する。 発明の概要 本発明の特徴と考えられる機能は、請求の範囲に記載する。 したがって、本発明の変換器は、増幅回路の基本部分を組み込んだ可撓性素子 を含む。外部電源を除き増幅回路が可撓性素子に完全に組み込まれる。好ましい 実施形態において、この増幅回路は電界効果トランジスタであり、小さなゲート 電圧を利用してソースからドレインに流れる電流を制御する。可撓性素子の好ま しい寸法は、極めて高感度のデバイスの場合いずれかの方向に１ｍｍから１ミク ロンである。 この増幅回路は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術によって製作すると有利で ある。薄膜トランジスタは、基本的には金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ （ＭＯＳＦＥＴ）と類似しているが、ＭＯＳＦＥＴでは高品質の単結晶基板（ウ ェハ）が使用されるのに対し、ＴＦＴ内のすべての構成要素は、たとえばＳｉＮ_x 、ＳｉＯ_x、ＳｉＯ_xＮ_y、ＴａＯ_x、Ａｌ₂Ｏ₃や複合層などの絶縁基板に付着さ せることができる。可撓性素子の基材またはその材料の酸化物を、ＴＦＴデバイ スの基板として使用すると有利である。 可撓性素子に組み込む増幅素子がＦＥＴの場合、少なくともソース電極、ドレ イン電極およびゲート電極を基板に付着させなければならない。適切な電極は、 導電材料、特に、蒸着やフォトリソグラフィその他の技術によって付着されるＡ ｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）、ＮｉＣｒ、 Ｃｕなどの金属からなるものである。ド レインとソースとを接続する半導体チャネルからゲート電極を絶縁するため、前 述のものと同じ絶縁材料を基板用の基材に用いてもよい。これらの層は、蒸着、 スパッタリング、化学的気相付着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）な どによって付着される。ゲート電極として適切な材料が使用されるものとすると 、その電極に陽極酸化を行うことによって絶縁層を作成することもできる。半導 体チャネル自体は、Ｓｉ、ａ−Ｓｉ:Ｈ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、Ｉ ｎ、Ｓｂ、Ｇｅを含む材料をベースにしたものでよい。ソース電極やドレイン電 極へのオーム性接触部などの特定部分には、ｎ＋ドープのａ−Ｓｉ:Ｈまたはバ リア・メタルをドープしたａ−Ｓｉ:Ｈを考えることもできる。これらの材料は 、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、ＭＢＥによって、あるいは他の既知の技術に よって付着する。この層は、エッチング、プラズマ・エッチング、またはイオン ・ビーム・ミリングを伴うフォトリソグラフィによってパターン化する。また、 走査プローブ顕微鏡を利用したリソグラフィ・プロセスを使用することも可能で ある。 本発明のさらに他の態様として、可撓性素子は、電圧発生手段、好ましくは圧 電素子も含む。これらの素子は、単層（ユニモルフ）か、あるいは２層（バイモ ルフ）もしくは多層（マルチモルフ）の組み合わせを形成する。これにより、延 ばしたり、圧縮したり、応力をかけたり、引っ張ったりしたときに電圧が発生す るように、電圧発生手段を調整するこ とができる。好ましい圧電材料としては、基材上にスパッタすることができるＺ ｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴが含まれる。接着材または適切な接着剤で基板に接着する 場合は、他の圧電材料、特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やその共重合体 などの高分子を使用することができる。 本発明の可撓性素子は、弾性特性（ばね定数）を持ち、曲げまたは振動運動を 行うことができることを特徴とする。可撓性素子の例は、原子間力顕微鏡に見ら れるようなカンチレバー構造、あるいは様々な用途に使用される薄膜である。既 存の集積回路技術との互換性のため、好ましい基材としては、シリコンまたは窒 化シリコンおよびそれらの酸化物が含まれる。可撓性素子は、ＫＯＨ（水酸化カ リウム）などのアルカリ性水溶液、ＥＤＰの溶液（エチレンジアミン、ピロカテ コールおよび水）、ヒドラシンの溶液、あるいは水酸化アンモニウムもしくはテ トラメチル水酸化アンモニウムと水をベースとする溶液による異方性エッチング によって作成される。 可撓性素子、電圧発生手段および電子増幅器を含む集積デバイスを使用するこ とにより、１ナノメートルよりもかなり小さい可撓性素子の変位で、１μＶない し５Ｖの出力信号が生成される。動作時、電圧発生手段は、可撓性素子のたわみ または曲がりの大きさによって決まる電圧を生成する。この電圧により、電界と ソース−ドレイン電流が同期的に変調され、あるいはベース・コレクタ増幅器の 場合はベース電流が駆動される。 本発明のさらに他の態様を参照すると、増幅手段を、圧電素子によって生成さ れる可能性のあるピーク電圧から保護すると有利である。適切な保護は、ゲート 電極に印加されるバイアス電圧によって、あるいは可撓性素子（集積保護ダイオ ード）に組み込まれた固定ブレークスルー電圧を持つ２端子デバイス（ダイオー ド）や、分圧器などによって提供することができる。 本発明のもう１つの態様として、可撓性素子は、力、熱、光強度など他の物理 特性を変位に変換する変換器としても働く。本発明のこの態様の好ましい実施形 態では、可撓性素子にティップを取り付けて、前に定義したように、ローカル・ プローブ・デバイス用の改良されたセンサを提供する。前述の圧電抵抗カンチレ バーなど既知のＡＦＭ技術と比較すると、この実施形態は、第１増幅段がカンチ レバー構造の一部分となった高度の集積化を提供する。エネルギーの放散と雑音 の制限が減少する。さらに、この新規のカンチレバーを他の既知のＡＦＭ技術と 比較すると、カンチレバーのたわみを測定するための複雑な巨視的読取装置、ま たは検出器、多くの場合は光学装置が不要になる。本発明のこの態様のもう１つ の好ましい実施形態においては、可撓性素子は、異なる熱膨張係数をもつ少なく とも２つの層を含む。これにより、温度変化が、「バイメタル」効果として知ら れる形で可撓性素子のたわみを引き起こす。２つの層の熱膨張係数に少なくとも １０倍の差があるときは、小さな温度変化も監視することがで きる。国際出願ＰＣＴ／ＥＰ９３／０１７４２号に記載されているような触媒層 や吸収層などの化学的活性層を含めることにより、本発明のこの「バイメタル」 変形例の用途を広げることができる。化学的活性層における化学反応による熱放 散は、可撓性素子の変位を通じて検出可能な電気信号に変換される。このカンチ レバー構造の感度の範囲は、ナノワット領域あるいはピコワット領域にも及ぶ。 本発明の「バイメタル」変形例は、熱較正手段を備えることによってさらに改 善される。この熱較正は、抵抗加熱素子によって、好ましくは可撓性素子に付着 させた導電性材料のループによって達成される。ループの抵抗が既知ならば、定 義した量の熱を可撓性素子に加えることができる。様々な熱量によって生じるた わみを測定することによりデバイスを較正する。また、抵抗加熱素子を使って、 分子の熱吸着／脱着の研究を行うこともできる。 本発明は、標準的なシリコンおよびＴＦＴ技術によることができるため、本発 明によるデバイスの大量生産は容易に実現可能である。たとえば、IEEE Transac tion on Electron Devices、Vol.ED-25、No.10、pp.1241〜1249に、Ｋ．Ｅ．ピ ータースン（Ｐｅｔｅｒｓｅｎ）が記載するシリコン・マイクロ機械加工をＴＦ Ｔ表示装置を作成する技術と組み合わせることによって、本発明によるデバイス の大きなアレイを製造して、タッチ式または感熱式のスクリーンおよびパネルを 提供することができる。シリコンは丈夫なため、長い寿命と物 理的破壊に対する十分な保護が保証される。本発明によるデバイスを製造するた めに利用できるもう１つの標準的な材料は、ガリウムヒ素およびその合金、たと えばＡｌＧａＡｓでもよい。この材料の加工技術は、たとえば、J.Micromech．M icroeng.4(1994)、p.1〜13にＫ．ヨート（Ｈｊｏｒｔ）他によって記載されてい る。 本発明の特徴と考えられる上記その他の新規な機能は、併記の請求の範囲に記 載されている。しかしながら、本発明自体、ならびに好ましい使用様式、その他 の目的および利点は、実施形態に関する以下の詳細な説明を添付図面と共に読め ば最もよく理解されよう。 図面の説明 次の図面を参照して、本発明について以下詳細に説明する。 第１図は、本発明によるシリコン・ベースのマイクロメカニカル・カンチレバー を示す図である。 第２図は、本発明によるデバイスのアレイを示す概略図である。 発明の実施形態 次に第１図を参照すると、Ｓｉを含む基材１上にＳｉＯ₂の絶縁層２を成長さ せた、本発明による例示的デバイスが示されている。次に、アモルファスＳｉ（ ｓ−Ｓｉ）の層３の付着によって半導体チャネルを形成する。アルミニウム層を ａ− Ｓｉ層上にスパッタし、フォトリソグラフィで２つの分離した導電パッドが残る ようにパターン化する。これらのパッドは、それぞれ、ソース電極４とドレイン 電極５を形成する。ドレイン電極とソース電極をゲート電極７から分離するため に、化学的気相付着（ＣＶＤ）段階で、別の絶縁酸化フィルム６を構造内に成長 させる。ゲート電極は、他の２つの電極と同じように作成される。ゲート電極自 体は、高周波スパッタされたチタン酸ジルコニウムの層８によって覆われる。こ の材料は、強力な圧電効果を示す。次に、後で説明するように、「バイメタル」 効果を生み出すために基材と共に使用されるアルミニウムの薄い層９を付着する 。食い違い層の上部を、この例では触媒として働く白金の化学的活性層１０で覆 う。 カンチレバーは、前述のようにＥＤＰによる異方性エッチングによって最終的 な形状が与えられる。図では、３つの電極４、５、７に、外部と電気接触するた めのパッドが付いている。 カンチレバーの全体寸法は、１５０×５０×４μｍ³であり、その大きさは、 基材層１とＡｌ層９が占める。その他の層は、標準の厚さが５００μｍ以下であ る、第１図のデバイスは同じ縮尺で描かれていないことに注意されたい。 動作時には、ＴＦＴ−ＦＥＴの増幅率を１００になるように選択する。デバイ スを、２４２ｋＪ／ｍｏｌの反応エンタルピーで、白金層１０を触媒として、次 の反応を利用して試 験する。 Ｈ₂＋1/2Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ デバイスを、Ｈ₂とＯ₂の適切な化学量論比（２：１）の混合物を２×１０^-2ｍｂ ａｒまでの圧力に充填した適切な真空チャンバ内に置く。 触媒表面１０における反応の熱生成ΔＱ／Δｔによって、カンチレバーの温度 は、熱生成が熱損失ΔＱ（Ｌｏｓｓ）／Δｔと釣り合うまで上昇する。この温度 により、Ａｌ層９とＳｉ基材層１の長さに差が生じる。バイメタル効果によって カンチレバーが曲がり、圧電層８内で誘導される応力によって電圧が生じる。圧 電層のサイズに応じて約１Ｋの温度変化で約２Ｖの電圧を生じることが判明して いる。所与の増幅率では、デバイスの感度は、約１００Ｖ／Ｋと推定される。雑 音レベルが約１ｍＶの場合、測定は１０^-5Ｋより高い温度変化に制限される。こ れは、本発明の可能性をはっきりと示すものである。当業者には多くの最適化方 法が明らかであろう。カンチレバーの構造を、長さを増しあるいは高感度部分を 拡大するように改良することもできる。もう１つ考えられる改良としては、カン チレバー構造の素子のセグメント化、たとえばカンチレバーの制限された部分だ けにＦＥＴまたは圧電層を備える、可撓性素子にいくつかのＦＥＴを組み込むな どがある。 次に、第２図を参照すると、個々の変換器を増幅器と信号処理装置に配線で接 続する既知の手法に固有の浮遊容量、クロストークおよび雑音に関連する不可避 な問題が本質的に解消される、本発明によるデバイスのアレイが示されている。 新しいアレイは単純化されており、ＴＦＴ表示装置の製造分野で周知の大量生産 技術を利用するのが容易である。 本発明によるデバイス、たとえばカンチレバー、センサ、アクチュエータ、発 振器は、電界効果トランジスタＦＥＴＳ１、・・・、Ｓ４の記号によって表される 。ＦＥＴのソース電極が、外部電源２０に接続される。各デバイスのドレインは 、負荷抵抗Ｒ１、・・・、Ｒ４に結合され、次の処理のために出力Ｖ１、・・・、Ｖ４ に電圧信号を生成する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｒ 17/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ 29/78 ６２２ ６１３ (72)発明者 ウエランド、マーク、エドワード イギリス国ケンブリッジ、トランピント ン、ウィンゲート・ウエイ 32

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの可撓性素子（１〜１０）と少なくとも１つの増幅回路（３ 〜７）とを備え、可撓性素子のたわみを測定するための電気機械変換器であって 、増幅回路が可撓性素子内に組み込まれていることを特徴とする電気機械変換器 。 ２．可撓性素子が、さらに電圧発生手段（８）を含むことを特徴とする請求項１ に記載の電気機械変換器。 ３．電圧発生手段が、圧電材料（８）を含むことを特徴とする請求項２に記載の 電気機械変換器。 ４．圧電材料が、マルチモルフ構造を有することを特徴とする請求項３に記載の 電気機械変換器。 ５．増幅回路が、トランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気機 械変換器。 ６．トランジスタがさらに、ブレークスルー電圧に対する保護手段を含むことを 特徴とする請求項５に記載の電気機械変換器。 ７．増幅回路が、圧電材料（８）によって生成される電圧で動作可能なゲート電 極（７）を有する電界効果トランジスタであり、圧電材料が、可撓性素子（１〜 １０）に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。 ８．可撓性素子がさらに、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの層（１、 ９）を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。 ９．可撓性素子が、化学的活性層または吸収層（１０）で覆われることを特徴と する請求項８に記載の電気機械変換器。 １０．ローカル・プローブ・デバイス、センサ、アクチュエータまたは発振回路 で使用される請求項１ないし９のいずれかに記載の電気機械変換器。