KR100499823B1 - 정전 액추에이터 및 해당 액추에이터를 이용한 정전마이크로 릴레이와 그 밖의 기기 - Google Patents

정전 액추에이터 및 해당 액추에이터를 이용한 정전마이크로 릴레이와 그 밖의 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전 액추에이터에 있어서의 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성의 변동을 억제하여, 정전 액추에이터에 정격 전압을 인가하여도 정전 액추에이터가 온이 되지 않거나, 구동 전압을 오프로 하여도 정전 액추에이터가 오프로되지 않거나 하는 현상을 방지하는 것을 목적으로 하며 그것을 위한 수단으로서, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)을 대향시켜 설치하고, 고정 전극(3)의 표면에 절연막(31)을 형성한다. 절연막(31)은 질화막(SiN)(37)을 주재료로서 구성되고, 질화막(37)의 표리 양면에 산화막(SiO2)(39, 48)이 형성된다. 또한, 절연막(31)의 윗 면중, 가동 전극(38)과 대향하는 영역에는 복수의 돌기(32)가 마련된다. 절연막(31)에 있어서의 대전량은 주로 산화막(48)의 막두께로 결정되고, 질화막(47)은 내전압 특성 등 필요한 막두께를 확보하기 위해 사용된다.

Description

정전 액추에이터 및 해당 액추에이터를 이용한 정전 마이크로 릴레이와 그 밖의 기기{ELECTROSTATIC ACTUATOR AND ELECTROSTATIC MICRORELAY AND OTHER DEVICES USING THE SAME}
본 발명은, 정전 액추에이터 및 해당 액추에이터를 이용한 정전 마이크로 릴레이와 그 밖의 기기에 관한 것으로, 특히 대전량(帶電量) 제어 구조를 구비한 정전 액추에이터와, 해당 정전 액추에이터를 이용한 정전 마이크로 릴레이, 무선 장치, 계측 장치, 휴대 정보 단말에 관한 것이다.
(종래의 기술)
종래의 정전 액추에이터의 구조를 도 1의 분해 사시도 및 도 2의 단면도에 도시한다. 이 정전 액추에이터(1)는, 일본 특개평2000-164104에 개시된 것으로, 주로 고정 기판(2)과 가동 기판(3)으로부터 구성되어 있다. 고정 기판(2)은 유리 기판으로 이루어지고, 그 윗 면에는 고정 전극(4)과 한 쌍의 고정 접점(5, 6)이 마련되고, 고정 전극(4)의 표면은 산화물의 절연막(7)에 의해 덮여 있다. 또한, 고정 접점(5, 6)은 각각 배선(8, 9)을 통하여 고정 기판(2)상의 접속 패드(10, 11)에 접속되어 있다.
가동 기판(3)은 Si 기판을 가공한 것으로서, 4개의 탄성 다리(12)에 의해 지지된 가동 전극(13)을 중앙부에 갖고 있고, 가동 전극(13)의 아랫 면 중앙부에는, 절연층(14)을 사이에 두고 가동 접점(15)이 마련되어 있다. 가동 기판(3)의 아랫 면 주변부에는, 앵커(16)가 돌출되어 있고, 앵커(16)에 의해 가동 기판(3)을 고정 기판(2)의 윗 면에 고정하면, 가동 전극(13)이 고정 전극(4)과 공간을 두고 대향하고, 가동 접점(15)이 고정 접점(5, 6) 사이를 걸치도록 하여 고정 접점(5, 6) 사이와 공간을 두고 대향한다.
그러나 고정 전극(4)과 가동 전극(13) 사이에 구동 전압을 인가할 때, 구동 전압이 어느 전압치에 도달하면, 고정 전극(4)과 가동 전극(13)의 사이에 작용하는 정전 흡인력에 의해 가동 전극(13)이 고정 전극(4)측으로 흡인되고, 가동 전극(13)은 탄성 다리(12)를 휘게 함으로써 절연막(7)을 사이에 두고 고정 전극(4)에 흡착된다. 가동 전극(13)이 고정 전극(4)에 흡착되면, 그것과 전후하여, 가동 접점(15)이 고정 접점(5, 6) 사이로 압접되고, 가동 접점(15)에 의해 고정 접점(5, 6) 사이가 전기적으로 닫혀, 한 쌍의 접속 패드(10, 11) 사이가 도통한다.
따라서 이상적인 정전 액추에이터에서는, CV 특성은 도 3에 도시한 바와 같이 된다. 여기서, 정전 액추에이터의 CV 특성이란, 고정 전극(4)과 가동 전극(13) 사이에 인가하는 구동 전압(Vdrive)과 양 전극(4, 13) 사이의 정전 용량(C)과의 관계이다. 도 3에 있어서, C1은 가동 전극(13)과 고정 전극(4) 사이에 구동 전압이 인가되지 않는 상태에서의 정전 용량(C)의 값, C2는 가동 전극(13)이 절연막(7)을 사이에 두고 고정 전극(4)에 흡착되어 있는 상태에서의 정전 용량(C)의 값, 온 전압(Von)은 가동 전극(13)이 고정 전극(4)에 흡착될(또는, 고정 전극(4)으로부터 해방될) 때의 구동 전압(Vdrive)의 값으로서, 이상적인 정전 액추에이터에서는, 이 CV 특성은 구동 전압 Vdrive = 0볼트인 점에 관해 대칭인 프로파일을 갖고 있다.
종래의 정전 액추에이터, 예를 들면 상기한 바와 같은 정전 액추에이터에서는, 가동 전극과 고정 전극과의 사이에 장시간 구동 전압을 계속 인가한 경우에는, 고정 전극 상의 절연막이 서서히 대전(帶電)함으로써, 정전 액추에이터에 있어서의 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성의 변동이 발생한다. 이러한 동작 전압 특성의 변동 원인은, 대전 때문에 고정 전극과 가동 전극과의 사이에 외부로부터 인가되고 있는 구동 전압(Vdrive) 이외의 전위차가 발생되기 때문에, 정전 액추에이터에 동작 전압 특성의 변동이 발생되면, 정격의 온 전압을 인가하여도 정전 액추에이터가 동작하지 않거나, 인가 전압을 오프로 하여도 정전 액추에이터가 오프하지 않는다는 문제가 발생한다. 이하에 있어서는, 이 동작 전압 특성의 변동의 원인에 관해 상세히 설명한다.
대전의 방법은 2가지로 분류된다. 이들을, 각각 플러스 시프트와 마이너스 시프트라고 부르기로 한다. 플러스 시프트란, CV 특성의 중심치를 구동 전압의 플러스측으로 시프트시키는 대전을 말한다(도 6 참조). 플러스 시프트의 원인은, 고정 전극상의 절연막과 가동 전극과의 접촉하는 부분에서 차지 트랜스퍼(전하의 이동)가 일어나, 절연막이 대전함에 있다. 여기서 차지 트랜스퍼란, 절연체와 도체의 접촉 부분에 전계와 열이 걸릴 때, 절연체에 전하가 축적하여 대전하는 현상을 말한다.
예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 가동 전극(13)이 플러스 전위가 되도록 하여 가동 전극(13)과 고정 전극(4)과의 사이에 구동 전압(Vdrive)을 인가하는 경우, 가동 전극(13)과 절연막(7)과의 접촉 부분에서는, 절연막(7) 표면의 전자(e)가 가동 전극(13)으로 이동하고 절연막(7)에 홀(h)이 남아서, 절연막(7)이 플러스로 대전된다. 단, 가동 전극과 고정 전극 사이에 인가하는 구동 전압의 극성을 반대로 하여 가동 전극이 마이너스 전위가 되도록 한 경우에는, 절연막은 마이너스로 대전된다.
플러스 시프트가 일어나면, 플러스 시프트 대전에 의해 가동 전극(13)과 고정 전극(4) 사이의 인가 전압(Vapp)은 대전량분의 전압 ΔVp(>0)만큼 저하되어
Vapp = Vdrive - ΔVp
로 되고, 그 결과, 겉보기의 온 전압은 Von + ΔVp(단, Von은 대전이 없는 때의 온 전압의 값)로 상승한다. 따라서 플러스 시프트의 폐해는, 가동 접점(15)에 의해 고정 접점(5, 6) 사이를 닫기 위한 최저 구동 전압(겉보기의 온 전압)의 상승으로 되어 나타나고, 플러스 시프트가 큰 경우에는, 정격 전압을 인가하여도 정전 액추에이터가 온 하지 않게 된다.
또한, 마이너스 시프트란, CV 특성의 중심치를 구동 전압의 마이너스측으로 시프트시키는 대전을 말한다(도 6 참조). 마이너스 시프트의 원인은, 이온성 대전에 있다. 즉, 양극 접합 등의 프로세스에 의해 발생한 이온이 산화물의 절연막중으로 확산하고, 절연막중으로 확산된 플러스 마이너스의 이온이, 가동 전극과 고정 전극의 사이에 인가된 전계에 의해 서로 반대측으로 이동하는 데 있다.
예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 가동 전극(13)이 플러스 전위로 되도록 하여 가동 전극(13)과 고정 전극(4)과의 사이에 구동 전압(Vdrive)을 인가하는 경우, 산화물의 절연막(7)중으로 확산한 양이온(p)이 고정 전극(4)과의 계면 방향으로 이동하고, 음이온(n)이 절연막(7)의 표면 방향으로 이동하여 절연막(7)의 표면이 마이너스로 대전된다. 단, 가동 전극과 고정 전극 사이에 인가하는 구동 전압의 극성을 반대로 하여 가동 전극이 마이너스 전위로 되도록 한 경우에는 절연원은 플러스로 대전된다.
이와 같은 마이너스 시프트가 일어나면, 이온성 대전에 의해 가동 전극(13)과 고정 전극(4) 사이의 인가 전압(Vapp)은 대전량분의 전압 ΔVn(> 0)만큼 증가 하여
Vapp = Vdrive + ΔVn
로 되고, 그 결과, 겉보기의 온 전압은 Von - ΔVn(단, Von은 대전이 없는 때의 온 전압의 값)으로 저하된다. 따라서 마이너스 시프트의 폐해는, 고정 접점 사이를 열기 위한 최저 구동 전압(겉보기의 온 전압)의 저하로 되어 나타나고, 구동 전압(Vdrive)을 0볼트로 하더라도 정전 액추에이터가 오프되지 않거나, 오프되기 어렵게 된다(즉, 정전 액추에이터가 스틱되거나, 스틱되기 쉽게 된다).
이와 같이 하여, 정전 액추에이터를 구동하고 있는 중에 절연막이 필히 대전되어져, 설계한 바와 같은 성능을 확보할 수 없게 되는 문제가 있다. 도 6은 정전 액추에이터의 열적 내구 시험을 행하기 전후에 있어서의 CV 특성의 변화를 도시한 도면이다. 도 6에 파선 및 마름모형의 포인트로 도시한 CV 특성(FO)은, 열적 내구 시험을 행하기 전의 초기 특성을 도시하고 있으며, 구동 전압(Vdrive)에 대해 대칭인 특성을 나타내고 있다. 도 6에 실선으로 도시한 CV 특성(F+, F-)은, 주위 온도 85℃, 구동 전압 24볼트, 시험 시간 100시간의 조건으로 열적 내구 시험을 행한 후의 CV 특성을 도시하고 있고, 실선 및 사각의 포인트로 도시한 F+는 플러스 시프트가 발생한 것, 실선 및 삼각의 포인트로 도시한 F-는 마이너스 시프트가 발생한 것을 나타내고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은 플러스 시프트나 마이너스 시프트 등의 대전 현상을 제어하는 수단을 구비함으로써 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성을 제어할 수 있는 정전 액추에이터를 제공하는 데 있다. 또한, 해당 정전 액추에이터를 이용한 정전 마이크로 릴레이와 그 밖의 기기를 제공하는 데 있다.
본 발명에 관한 정전 액추에이터는, 제 1전극과 제 2전극을 대향시켜 설치하고, 제 1전극과 제 2전극이 대향하고 있는 영역에서, 양 전극 중 적어도 한쪽 전극의 대향면에 절연막을 형성하고, 제 1전극과 제 2전극과의 사이에 전압을 인가할 때 정전 인력으로 제 1전극과 제 2전극 중 적어도 한쪽 전극을 구동시킴으로써, 제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 맞닿도록 한 정전 액추에이터에 있어서, 제 1전극과 제 2전극 중 적어도 한쪽이, 대전량 제어 구조를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 정전 액추에이터에 의하면, 대전량 제어 구조를 구비하고 있기 때문에, 절연막에 있어서의 정부(正負)의 대전량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 차지 트랜스퍼 등에 의한 플러스 또는 마이너스의 대전량을 작게 할 수 있고, 또는, 이온성 대전 등에 의한 플러스 또는 마이너스의 대전량을 작게 할 수 있다. 이 결과, 플러스 시프트나 마이너스 시프트 등의 대전 현상을 제어함으로써 정전 액추에이터의 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 상기 대전량 제어 구조는, 제 1전극과 제 2전극 사이에 전압을 인가할 때 상기 절연막 내에 발생하는 정부의 대전량을 각각 제어함으로써, 상기 절연막 내의 대전량의 총합을 임의로 제어할 수 있는 구조로 되어 있다. 이 형태에서는, 플러스의 대전량과 마이너스의 대전량을 서로 상쇄함으로써, 절연막에 발생하는 전체의 대전량(총합 량)을 제어할 수 있다. 특히, 플러스의 대전량이나 마이너스의 대전량을 작게 할 필요는 없으며, 플러스의 대전량과 마이너스의 대전량을 서로 상쇄함으서, 절연막에 발생하는 전체의 대전량을 작게 할 수 있고, 예를 들면 대전량을 플러스 마이너스 제로로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 형태는, 상기 절연막의 두께에 의해 상기 절연막 내에 있어서의 대전량을 제어하는 것이다. 이 실시 형태에 의하면, 절연층의 두께(특히, 산화막의 두께)를 조정함으로써, 예를 들면 이온성 대전에 의한 절연막의 플러스 또는 마이너스의 대전량을 제어할 수 있다. 또한, 상기 절연막이 재료가 다른 복수의 층에 의해 구성되어 있는 경우에는, 제 1전극 또는 제 2전극에 직접 접하는 층의 두께에 의해 상기 절연막에 있어서의 대전량을 제어하는 것이 효과적이다.
또한, 상기 절연막은 산화막과 질화막에 의해 구성하는 것이 바람직하고, 그로 인해 이온성 대전에 의한 대전량을 억제하는 효과를 갖는 동시에, 공법의 최적화를 도모하고, 용이하며 또한 수율 좋게 정전 액추에이터를 제작할 수 있다. 즉, 질화막은 이온을 통과시키기 어려운 물성을 가지며, 게다가 질화막을 마련함으로써 내전압 특성을 유지한 채로 산화막을 얇게 하는 것이 가능해지기 때문에, 이온성 대전에 의한 절연막의 대전량을 억제할 수 있다. 특히, 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막에 의해 구성함으로써 용이하며 또한 수율 좋게 정전 액추에이터를 제작할 수 있다.
또한, 상기 질화막의 표면은 상기 산화막에 의해 덮여 있는 것이 바람직하다. 특히, 절연막을 고정하고 있는 전극과 반대측에 있어서의 질화막 표면이 산화막으로 덮여 있는 것이 바람직하다. 질화막이 노출되어 있으면, 질화막이 가공시에 손상을 받기 쉽고, 가공 정밀도 열화의 요인으로 되지만, 질화막을 산화막으로 덮음으로써 질화막의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 단일한 재료로 형성되어 있어도 좋다. 단일한 재료로 절연막을 형성함으로써, 절연막의 구조를 간단하게 하여 절연막의 제작을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태는, 제 1전극과 제 2전극이 대향하고 있는 영역에 있어서, 제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 접합 분리하는 개소의 접촉 면적으로 의해 상기 절연막에 있어서의 대전량을 제어하는 것이다. 이 실시 형태에 의하면, 상기 접합 분리하는 개소의 접촉 면적을 조정함으로써, 예를 들면 차지 트랜스퍼에 의한 절연막의 플러스 또는 마이너스의 대전량을 제어할 수 있다.
예를 들면, 상기 접합 분리하는 개소의 적어도 한쪽의 표면에 적어도 1개의 돌기를 형성하면, 해당 돌기(예를 들면, 돌기의 개수나 개별적인 접촉 면적)에 의해 상기 접합 분리하는 개소의 전체의 접촉 면적을 제어할 수 있다. 이 돌기의 표면 형상은, 구면 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 돌기의 표면을 구면 형상으로 형성함으로써, 다른쪽의 전극과의 접촉 면적을 작게 할 수 있어 차지 트랜스퍼에 의한 대전량의 억제에 효과적이고, 게다가, 공간 충전율을 높게 하여 양 전극간의 정전 인력을 강하게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는, 제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 접합 분리하는 개소의 접촉면에 대응하는 영역에서는, 적어도 한쪽 전극이 형성되지 않은 것을 특징으로 한다. 이와 같은 실시 형태에 의하면, 전극과 절연막과의 접촉 부분에는, 양 전극간에 발생하는 전계가 인가되지 않기 때문에, 차지 트랜스퍼에 의한 대전량을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 정전 액추에이터는, 정전 마이크로 릴레이에 이용할 수 있다. 이 정전 마이크로 릴레이에 의하면, 직류 전류로부터 고주파 신호까지를 저손실로 전할 수 있고, 또한 장시간 안정된 특성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 정전 마이크로 릴레이는 여러가지의 기기에 이용할 수 있어서, 안테나와 내부 회로 사이의 전기 신호를 개폐하도록 정전 마이크로 릴레이를 마련한 무선 장치, 측정 대상물과 내부 회로 사이의 전기 신호를 개폐하도록 정전 마이크로 릴레이를 마련한 계측 장치, 내부의 전기 신호를 개폐하도록 정전 마이크로 릴레이를 마련한 휴대 정보 단말 등을 구성할 수 있다. 이들 기기에 의하면, 내부 회로에 사용되는 증폭기 등에의 부담을 억제하면서, 장시간 정밀도 좋게 신호를 전달 가능하게 된다. 또한, 소형이며 소비 전력도 적고, 특히 배터리 구동의 무선 장치나 복수 사용되는 계측 장치에서 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명의 이상 설명하는 구성 요소는, 가능한 한 임의로 조합시킬 수 있다.
(제 1실시 형태)
도 7은 본 발명의 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 사시도, 도 8은 도 7의 X-X선에 따른 단면도, 도 9는 해당 정전 액추에이터의 구조를 도시한 분해 사시도이다. 상기 정전 액추에이터(21)는 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제작되는 마이크로 머신 릴레이로서, 크게는 고정 기판(22)과 가동 기판(23)과 캡(24)으로 나누어진다.
고정 기판(22)에 있어서는, 유리 기판 등으로 이루어지는 기판(25)상에 금속막에 의해 2개의 신호선(26, 27)이 형성되고, 각 신호선(26, 27)의 단부가 기판(25) 윗 면의 중앙부에서 작은 간극을 사이에 두고 대향하고 있고, 각각 고정 접점(28, 29)으로 되어 있다. 또한, 양 신호선(26, 27)의 좌우 양측에는 각각 고정 전극(30)이 마련되어 있고, 양측의 고정 전극(3)은 고정 접점(23, 29) 사이의 간극을 통하여 연속되어 있다. 고정 전극(30)의 표면은 절연막(31)에 의해 덮여 있다. 또한, 절연막(31)의 윗 면에는, 미소한 돌기(32)가 복수개 내지 다수 돌출 설치되고 있다. 신호선(26, 27)의 각 단부의 좌우 양측에는, 각각 고정 전극(30)에 도통된 고정 전극 패드(33)가 마련되어 있다. 또한, 기판(25) 윗 면 하나의 코너부에는, 가동 전극 패드(34)가 마련되어 있다. 또한, 돌기(32)는 수 100 내지 수 1000A 정도의 크기이지만, 도 9에서는 설명의 편의상, 돌기(32)의 지름 및 돌출 높이를 모두 실제의 상대적 치수보다 크게 과장하여 나타내고 있다.
가동 기판(23)은 Si에 의해 형성되어 있고 도전성을 갖고 있고, 거의 중앙에 형성된 가동 접점 영역(35)의 양측에 탄성 지지부(36)를 사이에 두고 가동 전극(38)이 형성되어 있고, 각 가동 전극(38)에는 탄성 굴곡부(40)를 사이에 두고 앵커(42)가 마련되어 있다. 또한, 가동 접점 영역(35)의 아랫 면에는, 산화막(SiO2)이나 질화막(SiN)으로 이루어진 절연층(44)을 사이에 두고 금속 등의 도전성 재료로 이루어진 가동 접점(45)이 마련되어 있다. 가동 기판(23)은, 양극 접합 등에 의해 앵커(42)를 고정 기판(22)상에 고정함으로써 고정 기판(22)의 윗쪽에서 탄성적으로 지지되어 있고, 가동 전극(38)이 절연막(31)을 사이에 두고 고정 전극(30)과 대향하고, 또한 가동 접점(45)이 양 고정 접점(28, 29) 사이를 걸치도록 하여 대향하고 있다. 가동 기판(23)은, 고정 기판(22)의 윗 면에 고정됨으로써 가동 전극 패드(34)와 전기적으로 접속된다.
캡(24)은 유리 등에 의해 형성되어 있고, 아랫 면에는 오목부(46)가 형성되어 있다. 캡(24)은, 고정 기판(22)의 윗 면에 접합된 가동 기판(23)의 위로부터 고정 기판(22) 위에 덮여, 아랫 면 외주부를 저융점 유리 등의 밀봉 부재를 이용하여 고정 기판(22)의 윗 면에 접합된다. 이 결과, 가동 기판(23), 고정 접점(28, 29), 고정 전극(30) 등은, 캡(24)의 오목부(46) 내로 밀폐적으로 밀봉된다.
도 10은, 고정 전극(30)과 가동 전극(38) 사이의 쇼트를 방지하기 위한 절연막(31)의 구조를 도시하고 있다. 절연막(31)은, 다층 구조를 갖고 있고, 전극측으로부터 산화막(SiO2)(48), 질화막(SiN)(47), 산화막(SiO2)(39)에 의해 구성되어 있다. 이 절연막(31)에 있어서는, 전극에 가장 기까운 산화막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 이온에 의한 대전량을 매우 적게 하고, 대전하기 어려운 질화막(47)의 두께를 비교적 크게 함으로써 내압 특성 등을 확보하고 있고, 산화막(39)으로 질화막(47)을 덮음으로써 절연막(31)을 형성할 때의 공정성을 확보하고 있다.
상기한 바와 같은 정전 액추에이터(21)에서는, 고정 전극(30)과 가동 전극(38) 사이에 온 전압 이상의 구동 전압(Vdrive)을 인가하여 정전 인력을 발생시킨다. 양 전극간의 정전 인력으로 가동 전극(38)이 끌어당겨지면, 가동 기판(23)의 탄성 굴곡부(40)가 휘어져서 가동 전극(38)이 고정 전극(30)측으로 이동한다. 가동 전극(38)이 고정 전극(30)측으로 이동하면, 먼저 가동 접점(45)이 고정 접점(28, 29)에 접촉하여 고정 접점(28, 29) 사이를 닫고, 2개의 신호선(26, 27)을 전기적으로 도통시킨다. 가동 접점(45)이 고정 접점(28, 29)에 접촉한 후에도, 또한 가동 전극(38)은 고정 전극(30)으로 끌어당기지고, 절연막(31)을 사이에 두고 고정 전극(30)에 흡착된다. 이로써 가동 접점(45)은 탄성 지지부(36)의 탄성력에 의해 고정 접점(28, 29)에 압접된다. 또한, 구동 전압(Vdrive)을 제거하여 정전 인력을 소실시킴으로써, 가동 전극(38)을 탄성력에 의해 원래의 형상으로 복귀시켜 고정 전극(30)으로부터 이간시키고, 동시에 가동 접점(45)을 고정 접점(28, 29)으로부터 이간시켜서 신호선(26, 27) 사이를 전기적으로 차단한다. 고정 접점(28, 29) 사이를 열 때에는, 탄성 지지부(36)의 탄성력에 의해 접점 개리력이 강하여져서 고정 접점(23, 29) 사이가 즉각 차단된다.
상기 정전 액추에이터(21)에서는, 절연막(31)의 표면에 미소한 돌기(32)가 형성되어 있기 때문에, 정전 액추에이터(21)를 구동하여 가동 전극(38)이 절연막(31)을 사이에 두고 고정 전극(30)에 흡착될 때, 가동 전극(38)과 절연막(31)은 전체면에서 밀착되는 일은 없고, 돌기(32) 이외에서는 접촉하지 않는 구조로 되어 있다. 상기한 바와 같이 플러스 시프트는, 가동 전극(38)과 절연막(31)과의 사이에 있어서의 차지 트랜스퍼가 원인으로 일어나는 것이므로, 도 11에 도시한 바와 같이, 절연막(31)에 마련된 돌기(32)의 면적으로서 차지 트랜스퍼에 의한 플러스의 대전량이 변화된다. 따라서 돌기(32)의 총 면적(돌기(32)의 개수와 개개의 면적)을 조정함으로써, 가동 전극(38)과 절연막(31)과의 사이에 있어서의 대전량을 제어할 수 있고, 플러스 시프트 정도를 조정할 수 있다. 예를 들면, 돌기(32)에 의한 절연막(31)과 가동 전극(38)의 접촉 면적을 작게 함으로써 차지 트랜스퍼를 억제하여 플러스 시프트에 의한 대전을 일어나기 어렵게 할 수 있다.
또한, 마이너스 시프트는, 상기한 바와 같이 산화막(48) 내에 있어서의 이온의 치우침이 원인으로 되기 때문에, 산화막(48)의 두께를 조정함으로써 마이너스 시프트를 제어할 수 있다. 특히, 산화막(48)의 두께를 얇게 함으로써 마이너스 시프트에 의한 대전량을 작게 할 수 있다. 그러나 산화막(48)(절연막(31))의 두께를 얇게 하면, 가동 전극(38)과 고정 전극(30) 사이의 내압이 저하된다. 그래서, 이 정전 액추에이터(21)에서는, 이온이 통하기 어려운 질화막(47)의 층을 절연막(31) 내에 마련하고, 도 12에 도시한 바와 같이, 그 만큼 산화막(48)의 두께를 얇게 함으로써 내전압 특성을 유지한 채로 양이온(p)과 음이온(n)의 치우침을 작게 하여 마이너스 시프트를 억제한다.
따라서, 상기 정전 액추에이터(21)에 의하면, 플러스 시프트와 마이너스 시프트를 제어하고, 정전 액추에이터(21)의 CV 특성을 양호하게 하여, 플러스 시프트나 마이너스 시프트 등에 의한 대전 현상을 제어할 수 있다. 이 결과, 예를 들면 정전 릴레이 등의 경우에는, 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성을 제어하여 그 변동을 작게 할 수 있다. 단, 돌기(32)에 의한 플러스 시프트의 제어와 산화막(48)의 두께에 의한 마이너스 시프트의 제어는, 어느 것이나 플러스 시프트에 의한 절연막(31)의 대전량이나 마이너스 시프트에 의한 절연막(31)의 대전량을 작게 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 플러스 시프트에 의한 대전량이나 마이너스 시프트에 의한 대전량을 작게 하지 않는 경우라도, 플러스 시프트와 마이너스 시프트중 적어도 한쪽을 제어함으로써, 플러스 시프트에 의한 대전량과 마이너스 시프트에 의한 대전량을 서로 상쇄하여 플러스, 마이너스 제로가 되도록 함으로써, 전체로서는 절연막(31)의 대전량이 제로가 되도록 할 수도 있다. 구체적으로 말하면, 플러스 시프트는 돌기(32)와 가동 전극(38)과의 접촉 면적의 총합을 주된 인자로 하여 결정되기 때문에, 돌기(32)의 수나 그 접촉 면적을 조정함으로써 플러스 시프트를 제어할 수 있고, 또한 마이너스 시프트는 절연막(31)의 총 막두께에 의해 결정되는데, 특히, 전극에 가장 가까운 산화막(48)의 막두께가 주된 인자로 되기 때문에, 산화막(48)의 막두께를 조정함으로써 마이너스 시프트를 제어할 수 있다. 그래서, 돌기(32)에 의해 플러스 시프트를 조정하고, 산화막(48)의 두께에 의해 마이너스 시프트를 조정하여, 플러스 시프트에 의한 대전량과 마이너스 시프트에 의한 대전량이 서로 상쇄하여 양자의 합이 제로가 되도록 하면 좋다. 또는, 플러스 시프트에 의한 대전으로 발생하는 전위차와 마이너스 시프트에 의한 대전으로 발생하는 전위차가 상쇄되도록 하여도 좋다. 이들의 방법을 직접 실행하는 것이 곤란한 경우에는, 열적 내구 시험 후의 CV 특성에 있어서 플러스측으로의 시프트와 마이너스측으로의 시프트가 서로 상쇄되어서, CV 특성의 중심치의 시프트가 없어지도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는 고정 전극(30)에 절연막(31)을 마련하였지만, 도 13에 도시한 바와 같이, 가동 전극(38)에 절연막(31)을 마련하여도 좋다. 또한, 도 14에 도시한 바와 같이, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)의 쌍방에 절연막(31)을 마련하여도 좋고(예를 들면, 가동 전극(38)에 질화막(47)을 마련하고, 고정 전극(30)에 산화막(48)을 마련한 것), 그 경우에는, 어느 한쪽에 돌기(32)를 형성하려 두면 좋다. 또한, 도 15에 도시한 바와 같이, 절연막(31)과 돌기(32)를 분리하고, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 한쪽에 절연막(31)을 마련하고, 다른쪽에 돌기(32)를 마련하도록 하여도 좋다.
(제 2실시 형태)
그런데, 설계에 따라서는, 플러스 시프트와 마이너스 시프트중 한쪽의 시프트밖에 발생하지 않는 정전 액추에이터도 상정할 수 있다. 예를 들면, 맞닿는 면적이 제로인 정전 액추에이터(예를 들면, 탄성 굴곡부의 탄성이 높고 가동 전극이 고정 전극이나 절연막에 접합하지 않는 것이 있다. 단, 이와 같은 정전 액추에이터에서는, 정전 액추에이터의 사이즈가 크게 되거나 또는 구동력(토크)이 저하되기 때문에 같은 구동력을 얻기 위해서는 전극 사이즈를 크게 하여야 하는 불합리함이 있다)에서는, 차지 트랜스퍼에 의한 플러스 시프트는 발생하지 않는다.
이와 같이 한쪽의 시프트밖에 발생하지 않는 경우에는, 그에 따라서, 절연막(31)의 돌기(32)와 절연막(31)의 산화막(48)중, 어느 한쪽의 대전량 제어 수단만을 이용하여도 좋다. 따라서 이하에 있어서는 플러스 시프트를 제어하는 수단과 마이너스 시프트를 제어하는 수단으로 나누어 설명하는 동시에, 우선 마이너스 시프트를 제어하는 수단으로서, 절연막(31)의 여러가지의 형태를 설명한다.
또한, 본 발명은 절연막을 사이에 두고 고정 전극과 가동 전극을 대향시킨 정전 액추에이터로서 넓게 이용할 수 있는 것으로서, 도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같은 정전 액추에이터에 한하는 것이 아니다. 도 7 내지 도 9에 도시한 정전 액추에이터는 정전 마이크로 릴레이용의 구조를 도시한 것으로서, 본 발명의 정전 액추에이터는, 일반적으로는 고정 접점이나 가동 접점을 필요로 하는 것은 아니다. 이하의 설명에서도 도 7 내지 도 9 등의 정전 액추에이터에 이용한 것과 같은 부호를 이용하여 설명하지만, 적용 대상은 도 7 내지 도 9 등과 같은 정전 액추에이터에 한하는 것은 아니다,
도 16에 도시한 정전 액추에이터에 있어서는, 고정 전극(30)상에 아랫 면측으로부터 산화막(48)과 질화막(47)을 적층하여 절연막(31)이 형성되어 있다. 또한, 도 17에 도시한 절연막(31)은, 고정 전극(30)상에 아랫 면측으로부터 질화막(47)과 산화막(48)을 적층한 것이다. 도 13에 도시한 절연막(31)은 고정 전극(30)상에 아랫 면측으로부터 질화막(47)과 산화막(48)과 질화막(47)을 적층한 것이다. 또한, 도 19에 도시한 바와 같이 고정 전극(30)상에 산화막(48)과 질화막(47)을 임의의 순서로 적층하고, 그 위에 질화막(47), 산화막(48) 이외의 제 3절연막(49)을 적층하여도 좋다. 또는, 도시하지 않았지만, 질화막과 산화막을 포함하는 4층 이상으로 구성된 절연막이라도 좋다.
산화막과 질화막의 대전하기 쉬움을 비교하면, 산화막쪽이 100배 이상 대전하기 쉽다. 그러나 가동 전극(38)과 고정 전극(30)의 접촉 면적이 현저하게 작은 경우(예를 들면, 도 27과 같이 돌기가 원뿔 형상 등을 하고 있는 경우)에는, 플러스 시프트 양이 작아진다. 토탈의 대전량을 제로로 하는 것을 바랄 때에는, 마이너스 시프트 양도 작게 할 필요가 있고, 그 하나의 방법으로서는 산화막(48)을 얇게 하는 방법이 있지만, 산화막(48)은 대전하기 쉽기 때문에 얇은 막으로 하여도 플러스 시프트에 의한 대전량과 마이너스 시프트에 의한 대전량과의 밸런스가 잡히지 않는 일이 일어난다. 그러한 경우에는, 도 16 내지 도 19의 실시 형태와 같이, 대전하기 어려운 질화막(47)을 전극에 가장 가깝게 갖게 하여 대전량을 제어하도록 하면 좋다.
여기서는, 고정 전극(30)에 절연막(31)을 마련한 경우를 설명하였지만, 가동 전극(38)에 마련하여도 좋은 것은 물론이다. 또한, 제 1실시 형태 및 제 2실시 형태에서는, 질화막과 산화막으로 이루어지는 절연막에 관해 설명하였지만, 전극에 마련하는 절연막의 재질은 질화막이나 산화막에 한하는 것은 아니다. 절연막(31)에 있어서의 대전량은 주로 산화(48)의 막두께로 결정되고, 질화막(47)은 내전압 특성 등 필요한 막두께를 확보하기 위해 사용되고 있기 때문에, 이들의 기능을 갖는 재질이라면, 질화막(47)이나 산화막(48)의 종류는 특히 중요하지 않다.
단, 산화막(SiO2)과 질화막(SiN)과의 조합에 의하면, 마이너스 시프트를 제어하는 효과를 갖는 동시에, 공법의 최적화를 도모하여, 용이하며 또한 수율 좋게 정전 액추에이터를 제작할 수 있다. 즉, 전자의 효과인 마이너스 시프트의 제어는, 전극측에 가장 가까운 산화막(48)의 막두께 제어에 의해 실현되는 것으로서, 절연막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 이온을 내포하기 어려운 것으로 할 수 있다. 후자의 고수율의 특징은, 가공이 곤란한 질화막(47)의 특성을, 산화막(39)으로 보완함에 의한 효과이다. 질화막은 에칭시에는 유리나 실리콘과의 선택비가 낮은 것, 효과적인 웨트 에천트가 없는 것이 가공상의 장해로 되기 때문에, 절연막(31)의 전부를 질화막(47)로 구성하면, 유리로 이루어지는 기판(25)이나 다른 금속층의 오버에칭이 크게 되거나, 불필요한 손상을 주거나 하여 가공 정밀도의 열화를 수반한다. 그 해결책의 하나는, 질화막(47)이 유리나 다른 금속에 직접 접하지 않는 구조로 하는 것으로서, 그 완충층으로서, 가공이 용이하며 또한 필요한 유전율과 절연성을 갖는 산화막(39)을 이용하여 질화막(47)의 표면을 덮음으로써 해결된다.
(제 3실시형태)
다음에, 플러스 시프트를 제어하는 수단으로서, 돌기(32)의 여러가지의 형태를 설명한다. 돌기(32)는, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 절연막(31)과 같은 측에 마련되어 있어도 좋고, 반대측에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 돌기(32)를 절연막(31)과 같은 측에 마련한 경우에는, 절연막(31)과 일체로 형성하여도 좋고, 별개로 형성하여도 좋다. 돌기(32)는 절연막(31)의 구성 재료와 동일한 재료, 예를 들면 산화물(SiO2)이나 질화물(SiN)에 의해 형성하여도 좋고, 절연막(31)과는 다른 재료, 예를 들면 금속에 의해 형성되어 있어도 좋다. 특히, 절연막(31)과 다른 측, 예를 들면 가동 전극(38)에 돌기(32)를 마련하는 경우에는, 전극 재료에 의해 전극(예를 들면, 가동 전극(38))의 표면에 돌기(32)를 형성하여도 좋다.
구체적인 예로서 설명하면, 도 20에 도시한 정전 액추에이터에서는, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 한쪽에 절연막(31)을 마련하고, 절연막(31)의 윗 면에 절연막(31)(의 최상층)과 동일 재료에 의해 절연막(31)과 일체로 돌기(32)를 형성한 것이다. 도 21에 도시한 것은 절연막(31)의 윗 면에 절연막(31)(의 최상층)과 다른 절연 재료에 의해 단독으로 돌기(32)를 형성한 것이다. 도 22에 도시한 것은, 절연막(31)의 윗 면에 도전성의 막에 의해 돌기(32)를 형성한 것이다. 또한, 도 23에 도시한 것은, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 한쪽에 절연막(31)을 마련하고, 다른쪽의 전극의 대향면에 해당 전극과 동일 재료에 의해 해당 전극과 일체로 돌기(32)를 형성한 것이다. 도 24에 도시한 것은, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 절연막(31)을 마련한 전극과 다른 전극의 대향면에 절연 재료에 의해 돌기(32)를 형성한 것이다. 도 25에 도시한 것은, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 절연막(31)을 마련한 전극과 다른 전극의 대향면에, 해당 전극의 재료와 다른 도전성 재료에 의해 돌기(32)를 형성한 것이다. 또한, 도 20 내지 도 25에 있어서는, 절연막(31)이 고정 전극측에 위치하고 있지만, 절연막(31)이 가동 전극측에 위치하고 있고, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)이 교체된 구성으로 되어 있어도 좋다.
다음에, 돌기(32)의 형상에 관해 검토한다. 도 26의 (a)는 원통 형상의 돌기(32)를 도시하고, 도 27의 (a)는 원추 형상의 돌기(32)를 도시하고, 도 28의 (a)는 표면이 구면 형상을 한 돌기(32)를 도시하고 있다. 도 26의 (a)에 도시한 바와 같은 원통 형상의 돌기(32)의 경우에는, 도 26의 (b)에 도시한 바와 같이, 전극간의 공간 충전율이 높지만, 가동 전극(38)과의 접촉 면적이 크게 되어 플러스 시프트의 억제 효과가 작게 된다. 또한, 도 27 (a)에 도시한 바와 같은 원추 형상의 돌기(32)의 경우에는, 도 27의 (b)에 도시한 바와 같이, 가동 전극(38)과의 접촉 면적은 작게 되지만, 전극간의 공간 충전율이 낮아진다. 이와 같이 공간 충전율이 낮으면, 정전 액추에이터에 있어서의 가동 전극(38)의 흡인력이 저하된다. 이에 대해, 도 28의 (a)에 도시한 표면이 구면 형상을 한 돌기(32)의 경우에는, 도 28은 (b)에 도시한 바와 같이, 접촉 면적이 정점(頂点)이 미소 영역(α)이고, 또한 전극간의 공간 충전율이 크고, 이상적인 돌기(32)라고 할 수 있다. 또한, 도 29의 (a) (b)에 도시한 것은, 모두 구면 형상을 한 돌기(32)의 변형예이다. 즉, 도 29의 (a)는, 절연막(31)의 위에 원주 형상의 하지 포스트(32a)를 형성하고, 그 위에 미경화의 돌기 재료를 적하하고 표면장력으로 구면 형상의 만곡부(32b)를 형성하고, 하지 포스트(32a)와 만곡부(32h)에 의해 돌기(32)를 형성한 것이다. 또한, 도 29의 (b)는 절연막(31)의 위에 원주 형상의 하지 포스트(32a)를 형성하고, 그 위로부터 절연막(31)의 위에 돌기 재료를 스퍼터 등에 의해 퇴적시켜서 만곡부(32b)를 형성하고, 하지 포스트(32a)와 만곡부(32b)에 의해 돌기(32)를 형성한 것이다. 이들의 변형예에 의하면, 공간 충전율은 더욱 크게 된다.
도 30의 (a), (b), (c)도 29의 (b)에 도시한 구조의 제작 방법을 설명하는 단면도이다. 이 제작 방법에서는, 제 1차 스퍼터에 의해 고정 전극(30)의 위에 산화막(48)을 형성하고, 그 위에 질화막(47)을 형성하고, 다시 그 위에 산화막(50)을 형성한다(도 30의 (a)). 계속해서, 위의 산화막(50)을 에칭 등에 의해 가공하고, 질화막(47)의 위에 원주 형상을 한 복수의 하지 포스트(32a)를 마련한다(도 30의 (b)). 이 후, 제 2차 스퍼터에 의해 하지 포스트(32a)의 위로부터 질화막(47)의 윗 면에 산화막을 퇴적시켜 만곡부(32b)를 형성하면, 하지 포스트(32a)의 개소에서는 만곡부(32b)의 표면은 구면 형상으로 가깝게 되어 도 39의 (b)와 같은 구조가 실현된다.
또한, 도 31의 (a), (b), (c)는 도 29의 (b)에 도시한 구조와 유사한 구조의 제작 방법을 설명하는 단면도이다. 이 제작 방법에서는, 제 1차 스퍼터에 의해 고정 전극(30)의 위에 산화막(50)을 형성한다(도 31의 (a)). 계속해서, 산화막(50)을 에칭 등에 의해 가공하여, 고정 전극(30)의 위에 원주 형상을 한 복수의 하지 포스트(32a)를 마련한다(도 31의 (b)). 이 후, 제 2차 스퍼터에 의해 하지 포스트(32a)의 위로부터 고정 전극(30)의 윗 면에 산화물을 퇴적시켜 만곡부(32b)를 형성하면, 하지 포스트(32a)의 개소에서는 만곡부(32b)의 표면이 구면 형상에 가깝게 되어, 도 29의 (b)와 유사한 구조가 실현된다. 도 31의 (a), (b), (c)와 같이 하여 하지 포스트(32a)와 그 윗 면의 산화막(만곡부(32b))에 의해 제작되는 돌기(32)도, 하지 포스트(32a) 사이의 산화막도, 절연막(31)의 위에 형성되는 것은 없고, 하지 포스트(32a)와 산화막 자체가 절연막(31)의 기능을 겸하고 있다.
도 32, 도 33에 도시한 것은, 돌기(32) 자체가 절연막(31)으로 된 것이다. 즉, 도 32에 도시한 돌기(32)는, 산화물 등의 절연 재료에 의해 고정 전극(30)의 위에 형성되어 있고, 돌기(32)가 절연막(31)을 겸하고 있다. 또한, 도 33에 도시한 돌기(32)는, 고정 전극(30)의 위에 산화막(48), 질화막(47) 및 산화막(39)을 적층하여 형성되어 있고, 돌기(32)가 절연막(31)을 겸하고 있다.
제 2 및 제3의 실시 형태에서는, 절연막(31)과 돌기(32)를 제각기 설명하였지만, 절연막(31)에 질화막(47)을 마련하는 동시에 돌기(32)를 형성하는 경우에는, 여기서 설명한 바와 같은(설명 외의 것도 포함하여) 절연막의 구조와 돌기의 구조를 임의로 조합할 수 있다.
또한, 제 2실시 형태에서 설명한 바와 같은 질화막(47)을 포함하는 절연막(31)과, 제 3실시 형태에서 설명한 바와 같은 돌기(32)는, 각각 단독으로 사용할 수도 있다. 즉, 플러스 시프트가 생기지 않는 구조의 정전 액추에이터의 경우에는, 산화막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 마이너스 시프트를 절감시키도록 하면 좋다. 또한, 플러스 시프트와 마이너스 시프트가 발생하는 경우라도, 산화막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 마이너스 시프트에 의한 대전량만을 제어하고, 제어된 마이너스 시프트에 의한 대전량으로, 제어되지 않는 플러스 시프트의 대전량을 상쇄하여, 플러스 마이너스 제로가 되도록 할 수도 있다. 또한, 이 때 대전하기 어려운 질화막(47)에 의해 절연막(31)의 토탈의 막두께를 제어할 수 있다. 마찬가지로, 마이너스 시프트가 생기지 않는 구조의 정전 액추에이터의 경우에는, 돌기(32)를 마련함으로써 플러스 시프트를 저감시키도록 하면 좋다. 또한, 플러스 시프트와 마이너스 시프트가 발생하는 경우라도, 돌기(32)의 접촉 면적에 의해 플러스 시프트에 의한 대전량만을 제어하고, 제어된 플러스 시프트에 의한 대전량으로, 제어되지 않는 마이너스 시프트의 대전량을 상쇄하여, 플러스 마이너스 제로가 되도록 할 수도 있다.
도 34는 정전 액추에이터의 열적 내구 시험을 행하기 전후에 있어서의 CV 특성의 변화를 도시한 도면으로서, 돌기(32)의 효과를 확인한 것이다. 즉, 도 35에 도시한 바와 같이, 고정 전극의 위에 산화막(SiO2)로 이루어진 절연막(31)을 형성하고, 절연막(31)의 위에 마찬가지로 산화막(SiO2)으로 이루어진 돌기(32)를 형성한 정전 액추에이터를 제작하였다. 여기서, 절연막(31)의 두께(T)를 2000 내지 2500A, 돌기(32)의 높이(H)를 400 내지 600A, 돌기(32)의 직경(D)을 25-35㎛로 하여, 돌기(32)를 100 내지 110㎛의 피치(P)로 복수 형성하였다. 이 계측 대상이 되는 정전 액추에이터의 고정 전극과 가동 전극의 사이에 정격 전압의 구동 전압을 인가한 상태에서, 85℃의 분위기하에 1000시간 유지한 후, 표준 상태에서 2시간 방치하였다. 이와 같은 열적 내구 시험을 거친 정전 액추에이터에 대해 CV 특성을 계측한 결과를 도시한 것이 도 34의 그래프이다.
도 34에 있어서, 파선 및 마름모의 포인트로 나타냈던 것은 정전 액추에이터의 CV 초기 특성(FO)를 나타내고 있다. 또한, 도 34에 실선으로 도시한 CV 특성중, 실선 및 사각의 포인트로 나타낸 F+는 플러스 시프트가 생긴 정전 액추에이터의 CV 특성을 도시하고, 실선 및 삼각의 포인트로 나타낸 F-는 마이너스 스프트가 생긴 정전 액추에이터의 CV 특성을 도시하고 있다. 도 34의 CV 특성과, 도 6에 도시한 CV 특성을 비교하면, 도 34의 CV 특성에서는 F+, F-의 시프트 양이 극히 작게 되어 있어서, 돌기를 마련한 효과는 분명하다.
(제 4실시 형태)
도 36, 도 37은, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터중, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)의 부분을 나타내고 있다. 이 실시 형태는, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)중 적어도 한쪽 전극을 만곡시킴으로써 절연막(31)과 전극과의 접촉 면적을 작게 하여, 플러스 시프트를 억제할 수 있도록 한 것이다.
우선, 도 36에 관해 설명한다. 이것은, 평탄한 고정 전극(30)의 위에 질화막(47)을 포함하는 절연막(31)을 형성하고, 중앙부가 고정 전극(30)측을 향하여 돌출되도록 가동 전극(38)을 홈 형상 내지 구면 형상으로 만곡시킨 것이다. 이 실시 형태에서는, 가동 전극(38)이 만곡되어 있기 때문에, 가동 전극(38)과 절연막(31)과의 접촉 면적이 작게 되고, 그것에 의해 플러스 시프트가 억제되어 있고, 산화막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 마이너스 시프트가 억제되어 있다. 마찬가지로, 도 37의 실시 형태에서는 가동 전극(38)측을 향하여 돌출되도록 고정 전극(30)을 홈 형상 내지 구면 형상으로 만곡시키고, 이 고정 전극(30)의 위에 질화막(47)을 포함하는 절연막(31)을 형성한 것이다. 이 실시 형태에서는, 고정 전극(30) 및 절연막(31)이 만곡되어 있기 때문에, 가동 전극(38)과 절연막(31)과의 접촉 면적이 작게 되고, 그것에 의해 플러스 시프트가 억제되어 있고, 산화막(48)의 막두께를 얇게 함으로써 마이너스 시프트가 억제되어 있다.
또한, 도 36의 실시 형태와 같이 가동 전극(38)을 처음부터 만곡시켜 두는 것이 아니라, 예를 들면 양측 지지된 가동 전극(38)이 고정 전극측으로 흡인됨에 의해 탄성 변형하여, 홈 형상 내지 구면 형상으로 만곡되는 경우라도 좋다. 또한, 도시하지 않았지만, 가동 전극(38)이 편측 지지되어 있고, 가동 전극(38)이 고정 전극(30)측으로 흡인됨에 의해 가동 전극(38)이 기울어져 비스듬하게 되어, 가동 전극(38)이 고정 전극(30) 내지 절연막(31)에 작은 접촉 면적으로 접촉하도록 하여도 좋다.
(제 5실시 형태)
도 38은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 단면도이다. 이 정전 액추에이터에서는, 유리 기판 등의 기판(25)의 윗 면에, 서로 간격을 두고 복수의 분리된 포스트 형상 혹은 선 형상을 한 고정 전극(30)을 마련하고, 고정 전극(30) 전체를 덮도록 하여 고정 전극(30)의 윗 면에 절연막(31)을 형성하고 있다. 또한, 가동 전극(38)의 아랫 면에는, 고정 전극(30)과 대향하지 않도록 하여 복수의 포스트 형상 혹은 선 형상을 한 돌기(32)를 마련하고 있다. 또한, 고정 전극(30)과 돌기(32)가 대향하고 서로 겹치지 않는다면, 분류 전극(30)과 돌기(32)중 한쪽은 격자 형상 내지 네트 형상으로 형성되어 있어도 좋다.
이와 같은 실시 형태에서는, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)의 사이에 발생하는 전계는, 고정 전극(30)이 마련되어 있는 개소뿐이기 때문에, 전극끼리의 접촉 개소, 즉 돌기(32)와 절연막(31)이 맞닿는 부분에는 큰 전계는 생기지 않는다. 따라서 이와 같은 구조에 의하면, 차지 트랜스퍼에 의한 대전이 발생되기 어려워져서, 차지 트랜스퍼에 의한 플러스 시프트의 대전량을 절감시킬 수 있다
도 39는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 단면도이다. 이 정전 액추에이터에서는, 유리 기판 등의 기판(25)의 윗 면에, 서로 간격을 두고 복수의 분리된 포스트 형상 혹은 선 형상을 한 고정 전극(30)을 마련하고, 고정 전극(30)을 덮도록 하여 기판(25)의 윗 면을 절연막(31)으로 덮고 있다. 또한, 절연막(31)의 윗 면에는, 고정 전극(30)과 대향하지 않도록 하여 복수의 포스트 형상 혹은 선 형상을 한 돌기(32)를 마련하고 있다. 또한, 고정 전극(30)과 돌기(32)가 대향하고 서로 겹치지 않는다면, 고정 전극(30)과 돌기(32)중 한쪽은 격자 형상 내지 네트 형상으로 형성되어 있어도 좋다.
이와 같은 실시 형태에서도, 고정 전극(30)과 가동 전극(38)의 사이에 발생하는 전계는, 고정 전극(30)이 마련되어 있는 개소뿐이기 때문에, 전극끼리의 접촉 개소, 즉 돌기(32)와 절연막(31)이 맞닿는 개소에는 큰 전계는 생기지 않는다. 따라서 이와 같은 구조에 의하면, 차지 트랜스퍼에 의한 대전이 발생되기 어려워져, 차지 트랜스퍼에 의한 플러스 시프트의 대전량을 저감시킬 수 있다.
또한, 도 38, 도 39의 실시 형태에서는, 고정 전극(30)을 부분적으로 형성하여 돌기(32)가 서로 겹치지 않도록 하였지만, 가동 전극(38)을 부분적으로 형성하여 돌기(32)와 서로 겹치지 않도록 하여도 좋다(도시 생략).
(제 6실시 형태)
도 40은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 단면도이다. 이 정전 액추에이터에 있어서는, 2장의 다이어프램 형상을 한 가동부(52)의 외주를 프레임(51)에 의해 지지하고, 양 가동부(52)의 대향면에 각각 가동 전극(38)을 마련하고, 적어도 한쪽의 가동 전극(38)의 표면을 절연막(31)으로 덮고 있다. 이것은, 고정 전극이 없는 정전 액추에이터의 예를 도시하고 있다. 또한, 이와 같은 실시 형태에서도, 절연막(31)에 또는 절연막(31)에 대향시키도록 하여 돌기를 마련하여도 좋다.
(제 7실시 형태)
다음에, 도 7 내지 도 9와 같은 구조의 정전 마이크로 릴레이를 사용한 기기에 관해 설명한다. 도 41은 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이(62)를 이용한 무선 장치(61)를 도시한 개략도이다. 이 무선 장치(51)에서는, 정전 마이크로 릴레이(62)가, 내부 회로(63)와 안테나(64) 사이에 접속되어 있고, 정전 마이크로 릴레이(62)를 온, 오프 함으로써 내부 회로(63)가 안테나(64)를 통하여 송신 또는 수신 가능한 상태와, 송신 또는 수신을 할 수 없는 상태로 전환될 수 있도록 되어 있다.
도 42는 본 발명에 관한 마이크로 릴레이(62)를 이용한 계측 장치(65)를 도시한 개략도이다. 이 계측 장치(65)에서는, 정전 마이크로 릴레이(62)가, 내부 회로(66)로부터 측정 대상물(도시 생략)에 이르는 각 신호선(67)의 도중에 접속되어 있고, 각 정전 마이크로 릴레이(62)를 온오프 함으로써, 측정 대상물이 전환되도록 되어 있다.
도 43은 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이(62)를 이용한 온도 관리장치(온도 센서)(68)를 도시한 개략도이다. 이 온도 관리장치(68)는, 전원, 제어 기기 등의 온도에 대한 세이프티 기능을 필요로 하는 장치(69)에 부착되어 있고, 대상으로 하는 장치(69)의 온도를 감시하여 해당 대상 장치(69)의 회로(70)를 온, 오프 한다. 예를 들면, 대상 장치(69)의 사용 한계가 100℃ 이상 1시간이라고 하면, 온도 관리장치(68)는 대상 장치(69)의 온도를 계측하고, 장치(69)가 100℃이상의 온도로 1시간 동작하고 있는 것을 검지하면, 온도 관리장치(68) 내의 정전 마이크로 릴레이(62)가 강제적으로 회로(70)를 차단한다.
도 44는 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이를 사용한 휴대 전화 그 밖의 휴대 단말(71)을 도시한 개략도이다. 이 휴대 단말(71)에서는 2개의 정전 마이크로 릴레이(62a, 62b)가 사용되고 있다. 한쪽의 정전 마이크로 릴레이(62a)는 내부 안테나(72)와 외부 안테나(73)를 전환하는 작용을 하고 있고, 다른 쪽의 정전 마이크로 릴레이(62b)는 신호의 흐름을 송신 회로측의 전력 증폭기(74)와 수신 회로측의 저 노이즈 증폭기(75)로 교체되도록 하고 있다.
본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이는, 직류 전류로부터 고주파 신호까지를 저손실로 통과시키며 또한 장시간 안정된 특성을 유지하기 때문에, 상기한 바와 같은 무선 장치(61)나 계측 장치(65) 등에 채용함으로써, 내부 회로에 사용되는 증폭기 등에의 부담을 억제하면서, 장시간 정밀도 좋게 신호를 전달 가능하게 한다. 또한, 소형이고 소비 전력도 적기 때문에, 특히 배터리 구동의 무선 장치 등이나 복수 사용되는 계측 장치 등에서 효과를 발휘한다.
또한, 저전위 구동형 부품의 경우에는, 절연막에 대전한 전하에 의해 인가 전압과 구동 전압과의 사이에 해리가 발생하여, 가동 전극과 고정 전극과의 사이에 가해지는 인가 전압과 외부로부터 인가되고 있는 구동 전압(Vdrive)이 일치하지 않게 된다. 이와 같은 현상은, 보통은 정전 액추에이터(73)의 이상이라고 밖에 인식되지 않는데, 이와 같은 현상도, 본 발명에 의하면, 정전 액추에이터의 이점으로 변화시키는 것이 가능하게 된다. 그 제 1예로서는, 인가 전압으로서는 3볼트밖에 준비할 수 없는 회로 내에, 10볼트 구동의 정전 릴레이를 실장하는 경우가 있다. 차지 컨트롤 기술에 의해 대전에 의해 가동 전극과 고정 전극의 사이에 +7볼트의 전위를 축적하도록 설계하면, 3볼트의 구동 전압밖에 없어도 10볼트의 인가 전압을 얻을 수 있기 때문에, 이와 같은 경우에도 문제 없이 정전 릴레이를 동작시킬 수 있다. 또는 역으로, 10볼트의 인가 전압으로 동작하도록 설계된 기판에 대해, 3볼트 구동의 정전 릴레이를 실장하는 경우, 재전에 의해 가동 전극과 고정 전극 사이에 -7볼트의 전위를 축적하도록 차지 제어를 설계하면, 외관상은 10볼트 구동의 정전 릴레이를 사용한 것과 동등하다. 이와 같은 사용의 방법은, 정전 릴레이뿐만 아니라, 스위치나 정전 용량식 센서 등에도 이용할 수 있다.
본 발명의 정전 액추에이터에 의하면, 그 대전량 제어 구조에 의해 절연막에 있어서의 정부의 대전량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 차지 트랜스퍼 등에 의한 플러스 또는 마이너스의 대전량을 작게 할 수 있고, 또는, 이온성 대전 등에 의한 플러스 또는 마이너스의 대전량을 작게 할 수 있다.
또한, 제 1전극과 제 2전극의 사이에 전압을 인가할 때 상기 절연막 내에 발생하는 정부의 대전량을 각각 제어함으로써, 상기 절연막 내의 대전량의 총합을 임의로 제어할 수 있기 때문에, 플러스의 대전량과 마이너스의 대전량을 서로 상쇄함으로서, 절연막에 발생하는 전체의 대전량(총합량)을 제어할 수 있다. 특히, 플러스의 대전량이나 마이너스의 대전량을 작게 할 필요는 없고, 플러스의 대전량과 마이너스의 대전량을 서로 상쇄함으로서, 절연막에 발생하는 전체의 대전량을 작게 할 수 있어, 예를 들면 대전량을 플러스 마이너스 제로로 제어할 수 있다.
이 결과, 본 발명의 정전 액추에이터에 의하면, 플러스 시프트나 마이너스 시프트 등의 대전 현상을 제어할 수 있어, 예를 들면, 그 온 전압이나 오프 전압 등의 동작 전압 특성을 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 정전 액추에이터의 구조를 도시한 분해 사시도.
도 2는 동 상의 정전 액추에이터의 단면도.
도 3은 이상적인 정전 액추에이터의 CV 특성을 도시한 도면.
도 4는 가동 전극과 절연막과의 사이에서 플러스 시프트의 대전이 발생하는 형태를 설명하는 개략도.
도 5는 절연막에 마이너스 시프트의 대전이 발생하는 형태를 설명하는 개략도.
도 6은 열적 내구 시험의 전후에 있어서의 CV 특성의 변화를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 한 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 사시도.
도 8은 도 7의 X-X선에 따른 단면도.
도 9는 도 7의 정전 액추에이터의 구조를 도시한 분해 사시도.
도 10은 동 상의 정전 액추에이터에 있어서 고정 전극의 위에 형성된 절연막의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 11은 절연막의 위에 돌기를 마련함으로써, 플러스 시프트를 억제하는 원리를 설명하는 개략도.
도 12는 절연막중에 질화막을 마련함으로써, 마이너스 시프트를 억제하는 원리를 설명하는 개략도.
도 13은 본 발명에 의한 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 14는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 15은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 16은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 17은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 18은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 19는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 20은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 21은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 22는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 23은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 24는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 25는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 개략 단면도.
도 26의 (a)는 원통 형상의 돌기를 도시한 사시도, (b)는 해당 돌기가 절연막과 가동 전극과의 사이의 공간을 차지하는 형태를 설명하는 개략도.
도 27의 (a)는 원추 형상의 돌기를 도시한 사시도, (b)는 해당 돌기가 절연막과 가동 전극과의 사이의 공간을 차지하는 형태를 설명하는 개략도.
도 28의 (a)는 표면이 구면 형상을 한 돌기를 도시한 사시도, (b)는 해당 돌기가 절연막과 가동 전극과의 사이의 공간을 차지하는 형태를 설명하는 개략도.
도 29의 (a), (b)는 어느것이나 구면 형상을 한 돌기의 변형예를 도시한 개략 단면도.
도 30의 (a), (b), (c)는 도 29의 (b)에 도시한 구조의 돌기를 제작하는 방법을 설명하는 단면도.
도 31의 (a), (b), (c)는 도 29의 (b)에 도시한 구조의 돌기와 유사한 구조의 돌기를 제작하는 방법을 설명하는 단면도.
도 32는 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 아타추에이터를 도시한 측면도.
도 33은 본 발명에 의한 또 다른 구조의 정전 액추에이터를 도시한 측면도.
도 34는 절연막의 위에 돌기를 마련한 정전 액추에이터에 대해 열적 내구 시험을 행하기 전후에 있어서의 CV 특성의 변화를 도시한 도면.
도 35는 도 34의 시험을 행한 정전 액추에이터를 설명하는 도면.
도 36은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 37은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 38은 본 발명의 또다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 39는 본 발명의 또다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 40은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 정전 액추에이터의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 41은 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이를 이용한 무선 장치를 도시한 개략도.
도 42는 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이를 이용한 계측 장치를 도시한 개략도.
도 43은 본 발명에 관한 정전 마이타로 릴레이를 이용한 온도 관리장치를 도시한 개략도.
도 44는 본 발명에 관한 정전 마이크로 릴레이를 사용한 휴대 단말을 도시한 개략도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
21 : 정전 액추에이터 22 : 고정 기판
23 : 가동 기판 24 : 캡
28, 29 : 고정 접점 30 : 고정 전극
31 : 절연막 32 : 돌기
38 : 가동 전극 39 : 산화막
44 : 절연층 45 : 가동 접점
47 : 질화막 48 : 산화막

Claims (15)

  1. 제 1전극과 제 2전극을 대향시켜 설치하고, 제 1전극과 제 2전극이 대향하고 있는 영역에서, 양 전극 중 적어도 한쪽 전극의 대향면에 절연막을 형성하고, 제 1전극과 제 2전극과의 사이에 전압을 인가할 때의 정전 인력으로 제 1전극과 제 2전극 중 적어도 한쪽 전극을 구동시킴으로써, 제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 맞닿도록 한 정전 액추에이터에 있어서,
    제 1전극과 제 2전극 중 적어도 한쪽이, 대전량(帶電量) 제어 구조를 구비하며,
    상기 대전량 제어 구조는, 제 1전극과 제 2전극의 사이에 전압을 인가할 때 상기 절연막 내에 발생하는 정부(正負)의 대전량을 각각 제어함으로써, 상기 절연막 내의 대전량의 총합을 임의로 제어할 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절연막의 두께에 의해 상기 절연막에 있어서의 대전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 절연막은, 재료가 다른 복수의 층에 의해 구성되고, 제 1전극 또는 제 2전극에 직접 접하는 층의 두께에 의해 상기 절연막에 있어서의 대전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 절연막은, 산화막과 질화막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 질화막의 표면이 상기 산화막에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 절연층은, 단일 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  8. 제 1항에 있어서,
    제 1전극과 제 2 전극이 대향하고 있는 영역에 있어서, 제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 접합 분리하는 개소의 접촉 면적으로 의해 상기 절연막에 있어서의 대전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 접합 분리하는 개소의 적어도 한쪽 표면에 적어도 하나의 돌기를 형성하고, 해당 돌기에 의해 상기 접합 분리하는 개소의 접촉 면적을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 돌기의 표면을 구면 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  11. 제 1항에 있어서,
    제 1전극과 제 2전극이 상기 절연막을 사이에 두고 접합 분리하는 개소의 접촉면에 대응하는 영역에서는, 적어도 한쪽 전극이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 정전 액추에이터.
  12. 제 1항 내지 제 11항에 기재된 정전 액추에이터를 이용하여 고정 접점과 가동 접점을 접합 분리 시키도록 한 것을 특징으로 하는 정전 마이크로 릴레이.
  13. 제 12항에 기재된 정전 마이크로 릴레이를, 안테나와 내부 회로와의 사이의 전기 신호를 개폐하도록 마련한 것을 특징으로 하는 무선 장치.
  14. 제 12항에 기재된 정전 마이크로 릴레이를, 측정 대상물과 내부 회로와의 사이의 전기 신호를 개폐하도록 마련한 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  15. 제 12항에 기재된 정전 마이크로 릴레이를, 내부의 전기 신호를 개폐하도록 마련한 것을 특징으로 하는 휴대 정보 단말.
KR10-2002-0066394A 2001-11-06 2002-10-30 정전 액추에이터 및 해당 액추에이터를 이용한 정전마이크로 릴레이와 그 밖의 기기 KR100499823B1 (ko)

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