KR20170027279A

KR20170027279A - 미세 기계 장치

Info

Publication number: KR20170027279A
Application number: KR1020160103658A
Authority: KR
Inventors: 다쿠야 이시하라; 마사루 소에다; 마사시 세키네; 히데노부 도치기
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2017-03-09
Also published as: CN106477508A; TW201718389A; TWI617505B; JP6581849B2; CN106477508B; JP2017047496A; KR101876046B1

Abstract

본 발명은 다양한 환경에서 이용되는 높은 절연성의 기재(基材)를 이용한 미세 기계 장치에 있어서의 스티킹을, 보다 용이하게 방지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
볼록부(104)가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의, 양방의 면에 형성된 전극이 형성되어 있지 않은 전극 미형성부(107a) 및 전극 미형성부(107b)를 구비하고, 전극 미형성부(107a)에, 대전 방지층(108)을 구비한다. 대전 방지층(108)은, 이것이 형성되어 있는 측의 전극(105)에 접속되어 있다. 또한, 대전 방지층(108)은, 표면 저항이 대전 방지 레벨의 재료로 구성되어 있다.

Description

미세 기계 장치{MICRO MECHANICAL DEVICE}

본 발명은 미세한 가동부를 구비하는 미세 기계 장치에 관한 것이다.

최근, 스위치나 센서에 있어서 기계적인 동작으로 기능을 발휘하는 미세 기계 장치를 이용하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)가 중요시되고 있다. MEMS는, 이미 압력 센서나 가속도 센서로서 사용되며, LSI와 함께 중요한 부품이 되고 있다. MEMS는, 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 및 각종의 에칭 기술을 이용한 미세 가공에 의해, 미세한 가동 구조체를 구비하는 입체적인 구조를 갖고 있다.

예컨대, 정전 용량식의 압력 센서에서는, 도 5a, 도 5b에 도시된 바와 같이, 압력에 의해 변위하는 얇은 다이어프램(501)을, 기판(502) 위에 이격시켜 지지부(503)에 의해 지지하여 배치하고 있다. 기판(502)과 다이어프램(501) 사이에는 공극이 존재하고, 공극에 면한 부위의 각각에 전극(도시하지 않음)을 대향해서 배치하여, 용량을 형성한다. 피측정 매체의 압력은 다이어프램(501)의 용량을 형성하는 면과는 반대측의 면에 인가되고, 이 압력 인가로 다이어프램(501)의 공극에 대응한 부분이 변형한다. 이 변화에 대응하여 상기 전극 사이의 거리가 변화하고, 이 변화에 대응하여 전극 사이의 용량이 변화하여 센서 출력이 된다. 공극이 진공이면, 이 압력 센서는 절대압을 계측할 수 있다.

이러한 미세 기계 장치에 있어서, 다음으로 나타내는 바와 같은 풀인 현상이라고 불리는 문제가 있다. 일반적으로 정전 용량식 센서와 같이 어느 거리를 두고 평행하게 대향하는 2개 전극 사이에 전압이 가해지면, 거리의 제곱에 반비례하는 인력이 발생한다. 이 때문에, 압력이 인가됨으로써 변형한 다이어프램(501)이 기판(502)에 매우 가까운 거리까지 근접하면, 거리가 극단적으로 짧기 때문에 전압 기인의 인력이 가해지므로 강하게 끌어 당겨져 착저(着底)한다(풀인).

여기서, 착저한 순간 전극 사이는 단락되기 때문에 전압 기인의 인력은 작용하지 않게 되어, 다이어프램(501)이 기판(502)으로부터 이탈한다. 그러나, 이탈한 직후에는 다시 전압 기인의 인력이 가해지기 때문에 강하게 끌어 당겨져, 다시 착저한다. 이들의 이탈과 착저가, 전극 사이의 거리가 매우 작은 경우에는 반복되게 된다.

정전 용량식 압력 센서의 경우, 용량을 계측하기 위해서 전압을 인가할 필요가 있고, 이에 따르는 인력의 영향을 받아 풀인 현상이 발생하며, 결과로서 전술한 착저와 이탈을 반복하는 상태가 된 센서 출력은, 다이어프램이 피측정 매체로부터 받은 압력과는 무관하게 불안정해져 버린다. 이 풀인 현상은, 소형이며 전극 사이의 거리가 작고, 또한 기재(基材)나 전극 상의 접촉부 표면이 매끄러운 MEMS 센서에서 현저히 발생한다.

또한, 상기 미세 기계 장치에서는, 전술한 착저 등의 가동부의 일부의 기판에 대한 접촉으로, 이들이 접합하여, 탄성력에 의한 반발로는 가동부가 원래대로 되돌아가지 않게 되는 경우가 있다(특허문헌 1, 2, 3, 4, 5 참조). 이 현상은 스티킹이나 고착 등으로 불리며, 미세 기계 장치에 있어서 문제가 되고 있다.

예컨대, 전술한 격막 진공계와 같이 대기압보다 작은 압력을 계측하는 압력 센서는, 반송·부착 시나 메인터넌스 시에 대기에 노출되기 때문에, 계측 범위 이상의 과대한 압력이 인가되는 상황이 빈번히 발생한다. 이와 같이 과대한 압력이 인가되면, 수압(受壓)한 다이어프램(501)은, 도 5c에 도시된 바와 같이, 실사용 범위를 넘어 크게 휘어져, 다이어프램(501)의 일부가, 기판(502)에 접촉(착저)해 버린다.

다이어프램(501)의 두께 및 변형 영역의 크기, 또한, 다이어프램(501)의 재료 등의 설계 파라미터에 따라, 전술한 착저의 상태는 다르지만, 특히 다이어프램의 변형 부분이 얇은 경우에, 착저에 의해 스티킹이 발생한다. 특히, 전술한 풀인 현상을 억제하기 위해서, 접촉 부위에서는 전극이 형성되어 있지 않은 구성으로 한 경우에, 스티킹이 현저히 발생한다. 이것은, 풀인 현상 방지를 위해서 전극을 형성하고 있지 않은 영역에서는, 착저 시에, 다이어프램(501) 및 기판(502)을 구성하는 재료끼리가 직접 접촉하기 때문이라고 생각된다.

압력 센서의 경우, 스티킹이 발생하면, 압력을 제거해도 다이어프램이 복귀하지 않고, 마치 압력이 인가되고 있는 것과 같은 출력을 내어 버려, 측정 에러를 초래하게 된다. 특히, 표면 거칠기(Rz)가 0.1 ㎚∼수 ㎚로 매우 평탄한 기재로 제작하는 미세 기계 장치에서는, 큰 문제가 되고 있다.

전술한 스티킹을 방지하기 위해서, 착저하는 적어도 한쪽 면에, 돌기 등의 미세한 구조를 형성하여 접촉 면적을 줄여 접촉력을 억제하도록 하고 있다. 구체적으로는, 잘 알려진 반도체 장치의 제조 기술을 이용하여, 미세 기계 장치를 구성하고 있는 실리콘 등의 반도체나 석영 등의 기재에, 미소한 돌기를 형성하고 있다. 예컨대, 공지의 리소그래피 기술 및 에칭 기술에 의한 패터닝으로, 수 ㎛의 크기의 돌기부를 형성하도록 하고 있다. 또한, 다른 기술로서, 표면을 안정화시키는 표면 피막을 형성하여 발생하는 인력을 작게 하는 방법, 샌드 블라스트 등에 의해 표면을 거칠게 하여 돌기를 형성하는 방법도 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공표 평성 제10-512675호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제11-340477호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허 공개 제2000-040830호 공보 [특허문헌 4] 일본 특허 공개 제2000-196106호 공보 [특허문헌 5] 일본 특허 공개 제2002-299640호 공보

전술한 돌기에 의해 접촉 면적을 적게 하는 스티킹 대책은, 어느 정도 유효하지만, 특히 압력 센서의 경우, 과대 압력 인가 시에 큰 응력이 가해지기 때문에, 작은 돌기에서는 다이어프램이나 기판의 파괴로 이어진다. 한편, 이것을 방지하기 위해서 돌기를 크게 하면, 접촉 면적을 크게 하게 되어, 대책의 효과 그 자체를 얻을 수 없다. 이와 같이, 돌기에 의한 스티킹 방지 대책은, 돌기의 부분에 있어서의 접촉면의 크기를 엄밀히 관리하지 않으면 안 되어, 관리가 복잡해진다.

또한, 사용하는 환경에 대응시켜 내식성, 내압성, 내열성을 갖게 하기 위해서 이용되고 있는 사파이어 등의 결정 재료나 알루미나 세라믹스 등의 높은 절연성을 갖는 재료에서는, 실리콘이나 유리 등의 경우와 비교하여 스티킹이 보다 발생하기 쉽다. 특히, 다이어프램이 얇은 구조가 되면, 수 ㎛ 정도의 크기의 돌기물로는 유효한 대책이 되지 않는다.

이 때문에, 서브 ㎛ 이하의 사이즈의 미소 요철을 형성할 필요가 있으나, 사파이어나 알루미나 세라믹스 등의 재료는, 높은 기계적 강도나 높은 내식성, 내약품성을 갖고 있는 반면, 실리콘이나 유리 등의 재료보다 가공하기 어려워, 서브 ㎛ 이하의 사이즈의 미세 가공이 매우 곤란하다.

또한, 표면을 안정화시키는 표면 피막에 의해 스티킹을 방지하는 기술도 있으나, 이 경우, 표면 피복에 유기 재료가 사용되는 경우가 많아, 고온 환경에서 이용되는 경우나, 다이어프램과 기판 사이의 공간을 진공으로 하는 구성에서는 사용할 수 없다.

전술한 바와 같이, 종래에서는, 다양한 환경에서 이용되는, 사파이어 등의 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서의 스티킹을 방지하는 것을 용이하게 실현할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해소하기 위해서 이루어진 것으로, 다양한 환경에서 이용되는 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서의 스티킹을, 보다 용이하게 방지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 미세 기계 장치는, 절연체로 이루어지는 기판과, 기판 위에 지지부에 의해 지지되어 가동 영역에서 기판과 이격되어 배치되고, 가동 영역에서 기판의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부와, 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부 중 한쪽의 면에 형성된 볼록부와, 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부의 각각의 표면에 형성된 전극과, 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판 및 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 전극이 형성되어 있지 않은 전극 미형성부와, 기판 및 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 전극 미형성부의 적어도 한쪽에 형성되고, 형성된 측의 전극에 접속된 대전 방지층을 구비하며, 대전 방지층은 표면 저항이 대전 방지 레벨의 재료로 구성되어 있다.

상기 미세 기계 장치에 있어서, 대전 방지층의 표면 저항은, 10⁹ Ω/□∼10¹⁴ Ω/□로 되어 있으면 된다.

상기 미세 기계 장치에 있어서, 대전 방지층이 접속되는 전극에 대해 형성하는 저항에, 대전 방지층이 접속되는 전극과의 사이에 형성되는 용량을 곱한 시상수가, 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부의 각각의 표면에 형성된 2개의 전극에 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기보다 큰 범위가 되는 상태로 대전 방지층의 표면 저항이 설정되어 있도록 하면 된다.

상기 미세 기계 장치에 있어서, 대전 방지층은, 반도체로 구성되어 있으면 된다. 또한, 대전 방지층은, 산화티탄, 산화인듐, 산화아연, 산화주석, 산화루테늄, 산화지르코니아 중 적어도 하나로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 대전 방지층은, AlN, TiN, TiC, SiN 중 어느 하나로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 대전 방지층은, 대전 방지층을 배치하는 영역에 금속을 도입하여 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 금속은, 티탄, 니오브, 탄탈, 니켈, 철, 크롬, 망간 중 적어도 하나이면 된다. 또한, 대전 방지층은, 원자층 오더의 두께의 산화금속층으로 구성되어 있어도 좋다. 산화금속층은, 몰리브덴의 산화물, 텅스텐의 산화물 중 적어도 하나로 구성되어 있으면 된다.

상기 미세 기계 장치에 있어서, 절연체는, 사파이어, 알루미나 세라믹스 중 어느 하나이면 된다.

이상 설명한 것에 의해, 본 발명에 의하면, 다양한 환경에서 이용되는 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서의 스티킹을, 보다 용이하게 방지할 수 있다고 하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 구성예를 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5a는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.
도 5b는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.
도 5c는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도 1a, 도 1b를 참조하여 설명한다. 도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 구성예를 도시한 단면도이다. 또한, 도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 일부를 확대하여 나타내고 있다.

절연체로 이루어지는 기판(101)과, 기판(101) 위에 지지부(102)에 의해 지지되어 가동 영역(121)에서 기판(101)과 이격되어 배치되고, 가동 영역(121)에서 기판(101)의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부(103)를 구비한다. 가동부(103)는, 가동 영역(121) 주위의 고정부에서 지지부(102)에 고정되어 있다. 예컨대, 지지부(102)는, 기판(101)에 일체로 형성되어 있다. 한편, 가동부(103)측에, 가동부(103)와 일체로 지지부(102)가 형성되어 있도록 해도 좋다.

또한, 이 미세 기계 장치는, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103) 중 기판(101)측의 면(101a)에 형성된 볼록부(104)를 구비한다. 볼록부(104)는, 예컨대, 평면에서 보아 원형으로 된 기둥이며, 직경이 1 ㎛∼수 10 ㎛로 되어 있다. 또한, 이 예에서는, 복수의 볼록부(104)를 구비하고, 인접하는 볼록부(104)의 간격은, 예컨대 0.5 ㎜ 정도로 되어 있다.

한편, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103) 중 가동부(103)측의 면(103a)에, 볼록부가 형성되어 있어도 좋다. 또한, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의 각각의 표면에는, 전극(105), 전극(106)이 형성되어 있다.

이 미세 기계 장치는, 예컨대, 가동부(103)가 다이어프램인 압력 센서이다. 예컨대, 기판(101) 및 가동부(103)는, 사파이어로 구성되어 있다. 수압한 가동부(103)가 기판(101)의 방향으로 변위함으로써, 가동 영역(121)에 있어서의 전극(105)과 전극(106)의 간격이 변화하여, 용량이 변화한다. 이 용량 변화에 의해 가동부(103)가 수압한 압력을 측정한다. 전극 형성 영역이 진공으로 되어 있으면, 절대 압력을 측정할 수 있는 압력 센서로서 이용할 수 있다.

또한, 이 미세 기계 장치는, 볼록부(104)가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의 양방의 면에, 전극이 형성되어 있지 않은 전극 미형성부(107a) 및 전극 미형성부(107b)를 구비한다. 전극 미형성부(107a) 및 전극 미형성부(107b)는, 예컨대, 평면에서 보아 동일한 면적의 원형으로 되어 있고, 전극 미형성부(107a)와 전극 미형성부(107b)는, 평면에서 보아 중심이 동일한 위치로 되어 있다.

또한, 이 미세 기계 장치는, 기판(101)의 전극 미형성부(107a)에, 대전 방지층(108)을 구비한다. 대전 방지층(108)은, 이것이 형성되어 있는 측의 전극(105)에 접속되어 있다. 또한, 대전 방지층(108)은, 표면 저항이 대전 방지 레벨의 재료로 구성되어 있다. 예컨대, 대전 방지층(108)의 표면 저항은, 10⁹ Ω/□∼10¹⁴ Ω/□로 되어 있으면 된다. 이러한 재료로서, 실리콘이나 탄화실리콘 등의 반도체가 있다. 또한, 대전 방지층(108)은, 산화티탄, 산화인듐, 산화아연, 산화주석, 산화루테늄, 산화지르코니아 등의 금속 산화물로 구성해도 좋다.

또한, 대전 방지층(108)은, AlN, TiN, TiC, SiN 등의 탄화물, 질화물로 구성해도 좋다. 또한, 대전 방지층(108)은, 대전 방지층(108)을 배치하는 영역에 금속을 도입하여 형성해도 좋다. 금속을 도입하여 금속 첨가 영역으로 함으로써, 대전 방지 레벨로 할 수 있다. 이러한 금속으로서, 티탄, 니오브, 탄탈, 니켈, 철, 크롬, 망간 등이 있다. 예컨대, 금속을 퇴적하여 가열함으로써 열확산시킨 후, 잉여 금속을 에칭 제거하면 된다. 그 외에도 이온 주입에 의해 이들 이온을 기판에 도입하는 방법도 있다.

대전 방지층(108)은, 원자층 오더의 두께의 산화금속층으로 구성해도 좋다. 예컨대, 몰리브덴산화물, 텅스텐의 산화물 등으로 구성한 원자층 오더의 두께의 산화금속층으로 대전 방지층(108)을 구성하면 된다. 산화몰리브덴이나 산화텅스텐은, 사파이어 등과 비교하여 증기압이 낮다. 이 재료를, 사파이어로 이루어지는 기판(101)과 함께 동일한 노(爐) 내에서 900℃ 정도로 가열함으로써 상기 산화금속을 증발(승화)시키면, 기판(101)의 표면에 원자층 오더의 두께의 상기 산화금속층을 형성할 수 있다.

전술한 실시형태에 의하면, 수압한 가동부(103)가 실사용 범위를 넘어 크게 휘어지면, 가동부(103)의 일부의 면(103a)이, 기판(101)의 볼록부(104)의 상면에 착저한다. 이 상태에 있어서, 접촉한 부위에는 대전 방지층(108)이 형성되어 대전하지 않기 때문에, 스티킹이 발생하는 일이 없다. 또한, 당연히, 착저에 의해 접촉한 부위에서는, 전극(105)과 전극(106)이 접속되는 일이 없기 때문에, 착저와 이탈을 반복하는 현상도 발생하지 않는다.

여기서, 본 발명에 이른 경위에 대해 설명한다. 먼저, 전술한 바와 같이, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101)의 면(101a) 및 가동부(103)의 면(103a)에 있어서, 각각의 전역에 전극이 형성되어 있으면, 착저 시에 이들이 접촉하여 문제가 된다. 이 문제를 해소하기 위해서, 접촉 부위에는 전극을 배치하지 않는 상태로 한다. 그러나, 전극이 형성되어 있지 않은 부위에서는 기판(101)의 면(101a)과 가동부(103)의 면(103a)이 직접 접촉하게 된다.

이와 같이, 절연 저항이 큰 기판(101)과 가동부(103)의 접촉이 반복해서 발생하면, 접촉 대전이 일어나 표면에 정전기가 발생한다. 이들 정전기는, 기판(101) 및 가동부(103)의 절연 저항이 크고, 또한 접촉하는 분위기도 진공 중이어서 도망갈 곳이 없기 때문에 접촉을 반복할 때마다 축적된다. 이것은 접촉하는 분위기가 진공이 되는 절대압계에 있어서 보다 빈번히 발생한다. 이 결과, 기판(101)과 가동부(103) 사이에 정전 인력을 발생시켜 스티킹을 일으킨다고 생각된다.

이러한 접촉 대전의 발생을 억제하기 위해서는, 접촉하는 면적 자체를 줄이는 것이 유효한 대책이다. 이 때문에, 볼록부(104)를 형성하여, 착저 시의 접촉 면적을 작게 하고 있다. 그러나, 사파이어 등의 절연 재료에서는, 잘 알려져 있는 바와 같이, 수 ㎛ 정도의 패턴인 볼록부(104)의 형성은 용이하게 실시할 수 있으나, ㎚ 레벨의 미세 가공이 매우 곤란하다. 따라서, 용이하게 실현할 수 있는 볼록부(104)의 치수는, 수 ㎛ 단위가 된다.

그러나, 수 ㎛ 정도의 크기의 볼록부(104)로는, 전술한 정전기에 의한 스티킹에 대해 유효한 대책이 되지 않는다.

이에 비해, 착저 시에 접촉하는 부위에, 저항값이 작은 재료로 구성한 대전 방지층(108)을 형성한다. 착저 시에는 대전 방지층(108)에 접촉하기 때문에, 대전 방지층(108) 상에서 전하가 중화되어 정전 인력도 작용하지 않아, 스티킹을 방지할 수 있게 된다.

그런데, 금속 등의 재료도 저항값이 작은 재료이지만, 이 경우, 전극이 형성되어 있는 상태와 동일하여, 전극(105)과 전극(106) 사이의 접속을 발생시키는 경우가 있어, 문제가 된다. 이에 비해, 전술한 실시형태에서는, 대전 방지층(108)을, 표면 저항이 대전 방지 레벨의 재료로 구성하고, 이것을 전극(105)에 접속하여 구성하였다. 또한, 대전 방지층(108)은, 착저 시에 접촉하는 영역이 되는 볼록부(104)가 배치되는 영역에 형성함으로써, 착저 시에는 대전 방지층(108)이 접촉하는 상태로 하였다.

예컨대, 미세 기계 장치를 동작시킬 때에 전극(105)과 전극(106) 사이에 인가되는 교류 전압의 주기보다, 대전 방지층(108)에 있어서의 시상수가 충분히 커지 도록 하면 된다. 이와 같이 구성함으로써, 대전 방지층(108) 표면의 전하는, 이것이 접속되는 전극(105)을 통해 외부로 방출할 수 있기 때문에 스티킹의 발생을 방지할 수 있다.

그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(101)의 전극 미형성부(107a)에 대전 방지층(108a)을 형성하고, 가동부(103)의 전극 미형성부(107b)에 대전 방지층(108b)을 형성하도록 해도 좋다. 대전 방지층(108b)은, 전극(106)에 접속하여 배치한다. 이 경우, 착저 시에는, 대전 방지층(108a)과 대전 방지층(108b)이 접촉한다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 가동부(103)측은, 전극 미형성부를 형성하지 않고, 면(103a)의 볼록부(104)의 영역을 향한 영역에 전극(106)이 형성되어 있도록 해도 좋다. 이 경우, 착저 시에는, 전극(106)과 대전 방지층(108)이 접촉한다.

전술한 바와 같이, 대전 방지층(108)은, 대전 방지층(108)이 접속되는 전극(105)에 대해 형성하는 저항(R)에, 대전 방지층(108)과 전극(105) 사이에 형성되는 용량(C)을 곱한 시상수(RC)가, 가동 영역(121)에서 마주보는 전극(105)과 전극(106) 사이에, 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기(T)보다 큰 범위(RC≫T)가 되는 상태로 대전 방지층(108)의 표면 저항이 설정되어 있으면 된다.

전술한 대전 방지층(108)에 있어서의 시상수에 대해 도 4를 이용하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는 도 3을 이용한 구성으로 한 미세 기계 장치의 가동부(103)가 기판(101)에 착저하고 있는 상태의 일부를 도시한 단면도이다. 여기서는, 미세 기계 장치는, 가동부(103)가 다이어프램인 압력 센서이고, 동작 시의 계측 전압이 교류인 것으로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 착저한 순간의, 전극(106)의 전위를 0이라고 하고, 전극(105)의 전위를 V₀sin(2πft)라고 한다. 전극(106)에 접촉한 볼록부(104) 상의 대전 방지층(108)에 있어서의 전위도 당연히 0이지만, 동일한 면에 있는 전극(105)과의 사이의 저항이 지나치게 작으면, 대전 방지층(108)도 신속히 V₀sin(2πft)가 되어, 전위 0의 전극(106)과의 사이에서 전위차가 발생하기 때문에, 전압에 기인하는 정전 인력이 발생하여, 전술한 계측 전압에 있어서의 이상이 발생해 버린다.

이에 비해, 대전 방지층(108)과 전극(105)과의 저항을 R이라고 하고, 대전 방지층(108)과 전극(105) 사이의 용량을 C라고 하면, 대전 방지층(108) 및 교류가 인가되고 있는 전극(105)은, 단순한 1차 필터(RC 회로)로 간주할 수 있다. 따라서, 전극(105)에 인가되는 교류의 진동수(f)에 대해 정의되는 RC 회로의 차단 주파수 1/(2πRC)가 충분히 작으면, 대전 방지층(108) 표면의 전위는, 주변의 전극(105)에 추종하지 않고 0인 채여서, 전극(106)과의 사이에서 전위차가 발생하지 않는다. 이 결과, 정전 인력은 발생하지 않아, 전술한 계측 전압에 있어서의 이상을 방지할 수 있다.

한편, 접촉에 의해 발생하는 정전기에 의한 대전의 확산은 직류이기 때문에, 초기에 대전한 전하를 Q₀이라고 하면, 이 전하는, Q₀exp(-t/RC)와 같이 감쇠한다. 시상수(RC)가 상기 압력 센서의 응답 속도보다 충분히 작으면, 대전 원인의 스티킹은 발생하지 않으나, 일반적으로는 대전 방지층(108)의 표면 저항이 10⁹ Ω/□∼10¹⁴ Ω/□이면 대전은 하기 어렵고, 정전기는 신속히 제거된다. 이와 같이, 스티킹 및 계측 전압에 의한 이상을 회피하기 위해서, 대전 방지층(108) 상과 그 동일한 면에 있는 전극(105)과의 저항은, 하한을 차단 주파수, 상한을 대전 방지를 위해서 제한하면 되게 된다.

전술한 효과는, 도 3을 이용하여 설명한 구성>도 2를 이용하여 설명한 구성>도 1a, 도 1b를 이용하여 설명한 구성의 순이 된다. 착저 시에 대전 방지층과 전극이 접촉하는 도 3을 이용하여 설명한 구성은, 접촉 대전에 의한 전하가 가장 방출되기 쉽기 때문에, 대전 방지층에 의한 가장 높은 효과를 얻을 수 있다. 이에 비해, 착저 시에 한쪽이 절연체인 도 1a, 도 1b를 이용하여 설명한 구성은, 대전 방지층에 의한 효과는 낮다.

한편, 전극 미형성부는, 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판 및 가동부의 양방의 면에 형성되어 있어도 좋고, 어느 한쪽에 형성되어 있어도 좋다. 전극 미형성부가 양방에 형성되어 있는 경우, 대전 방지층은, 기판 및 가동부의 양방의 면에 형성된 전극 미형성부의 각각에 형성되어 있어도 좋고, 어느 한쪽에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 전극 미형성부가, 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판 및 가동부 중 어느 한쪽에 형성되어 있는 경우, 대전 방지층은, 어느 한쪽의 전극 미형성부에 형성되어 있으면 된다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판과 변위한 가동부가 접촉하는 볼록부가 형성되어 있는 부위에 대전 방지층을 형성하도록 했기 때문에, 다양한 환경에서 이용되는 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서의 스티킹을, 보다 용이하게 방지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 이상으로 설명한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 내에서, 당분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 많은 변형 및 조합이 실시 가능한 것은 명백하다.

101: 기판 101a: 면
102: 지지부 103: 가동부
103a: 면 104: 볼록부
105: 전극 106: 전극
107a, 107b: 전극 미형성부 108: 대전 방지층
121: 가동 영역

Claims

절연체로 이루어지는 기판과,
상기 기판 위에 지지부에 의해 지지되어 가동 영역에서 상기 기판과 이격되어 배치되고, 상기 가동 영역에서 상기 기판의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부와,
상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부 중 한쪽의 면에 형성된 볼록부와,
상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부의 각각의 표면에 형성된 전극과,
상기 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 상기 전극이 형성되어 있지 않은 전극 미형성부와,
상기 기판 및 상기 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 상기 전극 미형성부의 적어도 한쪽에 형성되고, 형성된 측의 상기 전극에 접속된 대전 방지층을 포함하며,
상기 대전 방지층은 표면 저항이 대전 방지 레벨의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항에 있어서,
상기 대전 방지층의 표면 저항은, 10⁹ Ω/□∼10¹⁴ Ω/□로 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항에 있어서,
상기 대전 방지층이 접속되는 전극에 대해 형성하는 저항에, 대전 방지층이 접속되는 상기 전극과의 사이에 형성되는 용량을 곱한 시상수가, 상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부의 각각의 표면에 형성된 2개의 상기 전극에 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기보다 큰 범위가 되는 상태로 상기 대전 방지층의 표면 저항이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대전 방지층은, 반도체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대전 방지층은, 산화티탄, 산화인듐, 산화아연, 산화주석, 산화루테늄, 산화지르코니아 중 적어도 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대전 방지층은, AlN, TiN, TiC, SiN 중 어느 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대전 방지층은, 상기 대전 방지층을 배치하는 영역에 금속을 도입하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제7항에 있어서,
상기 금속은, 티탄, 니오브, 탄탈, 니켈, 철, 크롬, 망간 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대전 방지층은, 원자층 오더(order)의 두께의 산화금속층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제9항에 있어서,
상기 산화금속층은, 몰리브덴의 산화물, 텅스텐의 산화물 중 적어도 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연체는, 사파이어, 알루미나 세라믹스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.