专利名称：微机械静电致动器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种微机械静电致动器，特别涉及一种适用于构成共振元件和滤波器元件的情况的微机械静电致动器的结构。
背景技术：
近年来，随着全世界高度信息化社会的到来，通信、多媒体市场得到了飞速的发展，如个人用移动电话的普及和以互联网作为媒介的崭新的商业模式的诞生等。其中，能够起到信息化时代的引导作用的移动电话的功能不仅限于单纯的电话功能。从现有功能的基础上取得了很大的进步，例如除了声音、文字、静态图像以外，还包括高品质的音乐、彩色动态图像等的高速/大容量数据的发送和接收。要在移动电话等中配置这种新功能，由于空间的限制，还进一步要求各种部件的“小型化/轻量化”。并且，由于操作上的限制，移动电话的壳体趋向小型化开始出现局限性，预计今后对“薄型化”的要求也将提高。
作为满足上述各种要求的方法有MEMS(微电子机械系统)技术。该MEMS，即微小的电气机械系统是由以半导体的微细加工技术为基础的“微加工(マイクロマシニング)”制作的高附加价值的部件。能够把以电路为首的微细结构体和传感器、进而把致动器和能源等集成化为小型。出现在市场上的具体的产品有打印头和DMD(数字微型反射镜装置)等。
作为静电致动器的构造，己公知有梳齿型致动器，即对置配置具有梳齿结构的各个电极，使其彼此啮合(例如，参照下面非专利文献1)。例如，图19所示的静电致动器10中设有支承体11、可动电极12和一对驱动电极(固定电极)13，其中，支承体11具有固定在基板上的固定部11a、连接在固定部11a上的支承梁部11b以及11c，可动电极12通过该支承体11被配置在中央，驱动电极13配置在可动电极12的左右，可动电极12的梳齿结构12c与驱动电极13的梳齿结构13b分别以呈梳齿状啮合的状态对置配置。该静电致动器10构成谐振器，电极对置部为梳齿结构，因此电极对置面积大，驱动力增大，所以用比较低的电压就能驱动，而且变位和电容变化呈线性，所以具有能够获得线性响应的优点。
非专利文献1WILLIAM C.TANG，TU-CUONG，H.NGUYEN and ROGERT.HOWE“Laterally Driven Resonant Microstructures”Sensors andActuators，20(1989)p.25-32但是，在上述梳齿型静电致动器10中，一体地构成可动电极12的梳齿结构，因此有必要设置用于连接左右的梳齿结构的连接部12a和支承梳齿结构的梳齿支承部12b，在为了提高驱动力而设置具有多个齿的梳齿结构时，这些连接部12a和梳齿支承部12b占有总体占有面积中的大部分面积。这些连接部12a和梳齿支承部12b是与驱动力无关的部分，由于该部分，致动器的占有面积增大，导致与致动器的小型化相反的结果。
并且，在形成上述可动电极12的情况下，有必要进行如下步骤，即在基板上形成由PSG(磷硅玻璃)和有机树脂等构成的牺牲层，在其上形成可动电极12之后，通过腐蚀等将上述牺牲层去除。但是，如同上述，在具有较大面积的连接部12a和梳齿支承部12b的情况下，很难进行牺牲层的腐蚀，无法从基板上分离可动电极12，导致生产上成品率降低的问题。并且，为了可靠地进行牺牲层的腐蚀，需要在连接部12a和梳齿支承部12b上形成多个腐蚀孔12x，因此也存在结构设计困难的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其课题为，实现能够获得较高的驱动力并且能够减小占有面积的微机械静电致动器的结构。并且，另一课题为，实现能够容易制造可动电极的微机械静电致动器的结构。
鉴于该实际情况，本发明的微机械静电致动器的特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有开口部的框形状，该开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通；驱动电极，在上述基板上，配置在上述开口部内；电压施加单元，向上述可动电极与上述驱动电极之间施加电压；以及信号输出单元，输出与上述可动电极的移动相对应的输出信号。
根据本发明，如果通过电压施加单元向可动电极与驱动电极之间施加电压，可动电极的开口缘部与配置在开口部内的驱动电极之间会产生静电力，根据该静电力，可动电极可以向平面方向移动，与该可动电极的移动相对应，由信号输出单元输出输出信号。此时，可动电极呈具备开口部的框形状，由此能够充分确保有静电力作用的电极对置面积，同时即使不另外设计连接结构和支承结构，也能确保刚性，所以不减小驱动力就能够减小占有面积。并且，由于可以增大驱动力，所以能够实现驱动电压的低电压化。另外，可动电极具有框形状，所以能够通过开口部容易进行牺牲层的腐蚀，并且容易制造可动电极。
此处，上述驱动电极最好在不产生上述静电力的状态下配置在远离上述开口部的中心的位置。由此，对位于不产生静电力的初期位置上的可动电极而言，在驱动电极与可动电极之间产生的静电力主要作用于位于偏离驱动电极的方向上的开口缘部，因此从驱动开始初期就能获得充分的驱动力。
在本发明中，独立的多个上述驱动电极优选配置在上述开口部中。由此，可以驱动一个驱动电极和其他驱动电极，以便使它们的电位相对于可动电极的电位成为相互颠倒的状态，例如，使静电排斥力与静电引力同时作用于可动电极，就可以提高驱动力。并且，通过适当地设定开口部的开口缘形状和驱动电极的排列形态，根据赋予多个驱动电极上的电位的组合能够使得可动电极在大于等于两个的不同方向上移动。例如，使得一个驱动电极靠近面向开口部一侧的开口缘进行配置，将其他驱动电极靠近面向开口部的另一侧(与上述一侧不同方向的一侧)的开口缘进行配置，这样，可以使在一个驱动电极与可动电极之间施加电压时所产生的静电力的方向和向其他驱动电极与可动电极之间施加电压时所产生的静电力的方向相互不同，因此根据对一个驱动电极与其他驱动电极的电位赋予状态，可动电极的移动方向不同。
在本发明中，优选在上述可动电极的外侧还具有与上述可动电极的外缘对置配置的其他驱动电极。这样，在可动电极与配置在其外侧的其他驱动电极之间也会产生静电力，因此可以进一步有效地驱动可动电极，又可以提高驱动力。
在本发明中，优选在上述可动电极上排列有多个上述开口部。由此，通过排列多个开口部，能够增加有静电力作用的电极对置面积，从而能够提高驱动力。并且，通过将多个开口部在可动电极占有的整个范围中均匀排列(例如，把可动电极作为格子结构或网眼结构)，能够确保驱动力的平衡，并且在对牺牲层进行腐蚀处理时等，能够容易将可动电极从基板表面分离，因此可以缩短制造时间以及提高结构精度等。
在本发明中，优选把多个上述开口部呈矩阵状纵横排列在上述可动电极上。由此，确保致动器的紧凑性，而且能够抑制可动电极的刚性的减弱，另外，能够提高开口部的排列密度，所以也能够进一步提高驱动力。
本发明的微机械静电致动器的特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有开口部的框形状，该开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通；独立的多个驱动电极，在上述基板上，配置在上述开口部内，上述多个驱动电极，能够根据对上述多个驱动电极的电位赋予状态来改变上述可动电极的移动方向的方式，配置在上述开口部内。
根据本发明，可动电极呈具有开口部的框形状，由此能够充分确保有静电力作用的电极对置面积，而且即使不另外设计连接结构和支承结构也可以确保刚性，所以不降低驱动力就能减小占有面积。并且，由于能够提高驱动力，因此能够实现驱动电压的低电压化。另外，可动电极呈框形状，所以可以通过开口部容易进行牺牲层的腐蚀等，容易制造可动电极。另外，在可动电极的开口部内配置多个驱动电极，这些多个驱动电极以能够根据对多个驱动电极的电位赋予状态来改变可动电极的移动方向的方式配置，从而能够使可动电极向平面方向的不同方向移动，例如，能够使可动电极进行复杂的动作，或在用作共振元件和过滤器元件的情况下，使其以多个振动模式进行动作等，可以提高动作状态的自由度。
在这种情况下，在可动电极的开口部中，优选一个驱动电极靠近面向上述平面方向所包含的一侧的开口缘进行配置，而其他驱动电极靠近面向上述平面方向所包含的另一侧(与上述一侧不同方向的一侧)的开口缘进行配置。如果这样构成，能够使在向一个驱动电极和可动电极之间施加电压时产生的静电力方向，与向其他驱动电极和可动电极之间施加电压时所产生的静电力的方向彼此不同，从而根据对一个驱动电极和其他驱动电极的电位赋予状态，可动电极向不同方向移动。
在本发明中，优选在上述可动电极排列有多个上述开口部。在这种情况下，特别优选在上述可动电极呈矩阵状纵横排列有多个上述开口部。
本发明的微机械静电致动器的特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，并且呈具有多个开口部的框形状，多个开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通，并沿着平面均匀地分散配置；驱动电极，在上述基板上，分别配置在上述开口部内。
根据本发明，由于可动电极形成为呈具有开口部的框形状，所以能够充分确保有静电力作用的电极对置面积，而且，即使不另外设计连接结构和支承结构也能确保刚性，从而不降低驱动力就可以减小占有面积。并且，由于能够提高驱动力，所以能够实现驱动电压的低电压化。并且，由于可动电极具有框形状，因此可以通过开口部容易进行牺牲层的腐蚀等，可以容易制造可动电极。特别是，在可动电极上均匀地分散配置有多个开口部，所以能够更加容易地制造可动电极。另外，由于可动电极具有均匀地分散配置的多个开口部，所以能够确保驱动力的平衡。
在本发明中，优选在上述可动电极上呈矩阵状纵横排列有多个上述开口部。并且，优选独立的多个上述驱动电极配置在上述开口部内。
根据本发明，可以获得如下显著的效果，即提高驱动力，降低驱动电压，减小占有面积，或制造容易。
图1为表示第一实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图。
图2为表示第一实施方式的微机械静电致动器的剖面结构的纵剖面(a)以及(b)。
图3为表示第二实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图。
图4为表示第一实施方式的静电致动器的一部分的放大俯视图(a)、和表示可动电极的动作状态的放大俯视图(b)以及(c)。
图5为表示第一实施方式的变形例的静电致动器的一部分的放大俯视图(a)、和表示可动电极的动作状态的放大俯视图(b)以及(c)。
图6为表示第三实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图。
图7为表示第四实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图。
图8为表示第五实施方式的静电致动器的构造的立体图(a)、表示第五实施方式的变形例的静电致动器的一部分的放大俯视图(b)以及表示可动电极的动作状态的放大俯视图(c)～(f)。
图9为将第五实施方式的剖面构造用沿着图7的IX-IX线的剖面来表示的纵剖面图。
图10为表示第四实施方式的布线结构的概略俯视配置图。
图11为将第四实施方式的布线结构用沿着图10的XI-XI线的剖面来表示的纵剖面图。
图12为将第五实施方式的布线结构用沿着图10的XII-XII线的剖面来表示的纵剖面图。
图13为表示第六实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图。
图14为表示第七实施方式的微机械静电致动器的平面结构的俯视图(a)以及表示沿着图14(a)的B-B线的剖面结构的纵剖面图(b)。
图15为表示比较例的静电致动器的平面结构模型的俯视图。
图16为表示实施例的静电致动器的平面结构模型的俯视图。
图17为表示电压施加单元以及信号输出单元的适用例的概略结构方框图。
图18为表示电压施加单元以及信号输出单元的其他适用例的概略结构方框图。
图19为现有的具有梳齿结构的静电致动器的俯视图。
图中标号说明100、200、300静电致动器；101、201、301支承体；101a、201a固定部；101b、201b支承梁部；102、202、302可动电极；102a、202a、302a开口部；103、103A、103B、203、203A、203B、203XA、203XB、303、303A、303B、303C、303D驱动电极；110电压施加单元；120信号输出单元具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。在以下说明的表示各实施方式的俯视图中，将省略表示构成底层部分的基板的外形，并且，在剖面图中，将基板的外形做成图中能够收容的适当的大小来表示，基板的平面形状和平面尺寸可以任意设定。并且，包括其他附图，图中的尺寸为适合图示的尺寸，特别是，其厚度并不表示实际的准确的尺寸。
第一实施方式图1为表示本发明第一实施方式的微机械静电致动器100的平面结构的俯视图；图2(a)是示意地表示沿着图1的IIa-IIa线的剖面结构的纵剖面图；图2(b)是示意地表示沿着图1的IIb-IIb线的剖面结构的纵剖面图。该静电致动器100具有支承体101、可动电极102以及驱动电极103，通过薄膜形成工序在图2中表示的基板100S上形成。例如，在作为基板100S的硅基板上形成绝缘层100I，利用聚硅酮等具有某种程度的载流子浓度的半导体或铝等金属，在该绝缘层100I上形成呈薄膜状的上述支承体101、可动电极102以及驱动电极103。另外，在基板100S不是绝缘基板的情况下，例如是具有导电性的半导体基板或导体基板的情况下，在基板100S的表面形成由SiO2等构成的上述绝缘层100I，在该绝缘层100I上将形成上述支承体101、可动电极102以及驱动电极103，但是，如果基板100S是绝缘基板，就不需要绝缘层100I。该静电致动器100是利用MEMS技术形成的微型静电致动器。
支承体101上具有固定在底层面(基板表面和绝缘层的表面)上的固定部101a，和以背离底层面的状态形成的支承梁部101b，支承梁部101b连接在可动电极102上。在图示的例子中，在支承体101上设有一对支承梁部101b。并且，在可动电极102的两侧分别设有上述支承体101，可动电极102的两端由这些支承体101支承。
可动电极102整体以背离底层面的状态形成，并且借助于支承体101的支承梁部101b的变形向平面方向(图示的例子中的左右方向)移动。在可动电极102上设有在垂直方向(与图1的纸面正交的方向)贯通的开口部102a，由此可动电极102形成为框形状。图示例中，在可动电极102上设有多个开口部102a，这些开口部102a呈矩阵状纵横排列。即，这些多个开口部102a跨越整个可动电极102在平面方向上均匀地分散配置。图示例中，开口部102a呈矩形状开口。另外，上述平面方向和垂直方向始终是相对地表现，不会因静电致动器的设置状态而发生变化。并且，所谓框形状，只指具有周围完全被封闭的开口部的形状，作为可动电极的平面形状可以是窗框形状，也可以是网眼形状。
驱动电极103配置在可动电极102的各开口部102a的内部。作为驱动电极103，独立设有第一驱动电极103A和第二驱动电极103B，这些第一驱动电极103A和第二驱动电极103B分别设置在各开口部102a的内部。另外，所谓多个驱动电极被独立设置，意味着能够向这些驱动电极赋予相互不同的电位。
在此，在可动电极102与驱动电极103之间没有静电力作用的状态(图1的状态)下，第一驱动电极103A配置在从开口部102a的中心向规定方向(图中的左侧)偏移的位置上，而第二驱动电极103B配置在从开口部102a的中心向与规定方向相反的方向(图中的右侧)偏移的位置上。即，第一驱动电极103A与第二驱动电极103B配置在开口部102a中心的两侧。
图4为表示上述实施方式的可动电极102的一部分与驱动电极103的关系的部分说明图。如图4(a)所示，可动电极102被施加了电位Vs，第一驱动电极103A被施加了电位Vda，第二驱动电极103B被施加了电位Vdb。在此，以电位Vs为基准的情况下，如果电位Vda和Vdb构成为反极性，如图4(b)以及(c)所示，作用于可动电极102与第一驱动电极103A之间的静电力，和作用于可动电极102与第二驱动电极103B之间的静电力向相同方向作用，可动电极102将受到强大的驱动力。即，在可动电极102与第一驱动电极103A之间有静电排斥力作用时，可动电极102与第二驱动电极103B之间有静电引力作用；在可动电极102与第一驱动电极103A之间有静电引力作用时，可动电极102与第二驱动电极103B之间有静电排斥力作用。在该情况下，如图4(a)中的虚线所示，通过在相对于被供给的电位Vd的一方设置以电位Vs为基准的极性颠倒电路，可以向第一驱动电极103A与第二驱动电极103B施加极性不同的电位。
并且，在上述实施方式中，也可以只驱动第一驱动电极103A与第二驱动电极103B中的任一方。例如，如图5(a)所示，通过向第一驱动电极103A施加电位Vd，向可动电极102施加电位Vs，如图5(b)以及图5(c)所示，可以向可动电极102提供驱动力。在这种情况下，作为驱动电极103也可以只形成第一驱动电极103A。
在本实施方式中，通过在设于框状可动电极102上的开口部102a的内部设置驱动电极103，可以增大产生静电力的电极对置面积，而且不需要设置单纯的支承部分等，几乎可动电极102的全部都成为有效的驱动部分，从而，不增加占有面积就能够得到强大的驱动力。并且，在可动电极102自身设有驱动用开口部102a，由此具有的优点是，能够顺利地实施使用牺牲层的制造工序中的牺牲层除去工序。特别是，开口部102a跨越可动电极102整体均匀地分散配置，所以可以缩短制造工序的加工时间以及提高电极结构的形状精度。
另外，在制造上述实施方式中，例如在由基板100S和绝缘层100I等构成的底层上，通过使用了溅射法和CVD法等的成膜工序和使用了光刻法等的图案形成工序，形成支承体101的固定部101a和驱动电极103，接着，在该固定部101a和驱动电极103以外的区域，形成PSG(磷硅玻璃)和由有机树脂等构成的牺牲层(未图示)，进而，利用与上述相同的成膜工序及图案形成工序，在该牺牲层上形成支承梁部101b和可动电极102。并且，最后通过湿法腐蚀等方法除去牺牲层，则支承梁部101b和可动电极102成为背离基板300S的表面(分离(release))的状态。
其次，参照图3对本发明所涉及的第二实施方式的微机械静电致动器100’进行说明。该实施方式具有在与上述第一实施方式相同的基板上形成的支承体101’、可动电极102’以及驱动电极103’。这里，可动电极102’和驱动电极103’基本上与第一实施方式相同，多个开口部102a’在可动电极102’上呈矩阵状纵横配置着，并且跨越可动电极102’整体均匀地分散配置。并且，在上述开口部102a’中，形成有独立的多个驱动电极，即第一驱动电极103A’和第二驱动电极103B’。
在本实施方式中，支承体101’在设有固定部101a’和支承梁部101b’这一点上与第一实施方式相同，但是，支承体101’在可动电极102’的两侧具有分别独立的一对固定部101a’和支承梁部101b’，这一点与第一实施方式不同。即，在可动电极102’的外缘部中，相互背对的一对边，在相对该边相互离开的位置上分别连接着一对支承梁部101b’，这些支承梁部101b’由各自的固定部101a’分别固定在基板上。
如前面所述那样构成支承体101’，可以将支承体101’分别连接在可动电极102’两侧的多个任意位置上，因此能提高相对于可动电极102’的支承强度。从而，能够以更稳定的状态支承可动电极102’，还能够更加准确地设定可动电极102’的移动方向(图3的左右方向)。另外，在上述实施方式中，在可动电极102’的两侧分别设有一对独立的支承体101’，独立的支承体101’可以设置多个，例如，在可动电极102’的两侧可以分别形成独立的大于等于三个的支承体101’。
下面，参照图6对本发明所涉及的第3实施方式的微机械静电致动器200进行说明。在该静电致动器200中，在与上述第一实施方式相同的底层面上，形成有支承体201、可动电极202以及驱动电极203。在支承体201上设有与第一实施方式相同的固定部201a和支承梁部201b。并且，可动电极202的两端由一对支承体201支承，这一点与第一实施方式一致。
与第一实施方式相同，在可动电极202上设有开口部202a。并且，可动电极202以背离底层面的状态构成，而且能够向平面方向(图示的左右方向)移动，这一点上也与第一实施方式相同。但是，本实施方式的可动电极202上只形成一个开口部202a。并且，在开口部202a内配置有第一驱动电极203A和第二驱动电极203B，这一点与第一实施方式相同，但是，在本实施方式中，可动电极202的外侧也设有第三驱动电极203×A和第四驱动电极203×B，这一点与上述第一实施方式不同。
在本实施方式中，在第一驱动电极203A、第三驱动电极203×A以及可动电极202之间产生静电排斥力时，在第二驱动电极203B、第四驱动电极203×B以及可动电极202之间产生静电引力；在第一驱动电极203A、第三驱动电极203×A以及可动电极202之间产生静电引力时，在第二驱动电极203B、第四驱动电极203×B以及可动电极202之间产生静电排斥力，从而，通过四个驱动电极203可以发挥强大的驱动力。
如本实施方式那样，在可动电极202上只形成一个开口部202a的情况下，或者，只形成更少数的开口部的情况下，在可动电极202的占有面积相同的时候，与第一实施方式相比，产生静电力的电极对置面积变小， 对驱动力不利。因此，在本实施方式中，不仅在可动电极202的开口部202a内，在可动电极202的外侧也设置了驱动电极203×A、203×B，几乎不增加占有面积就可以提高驱动力。
并且，本实施方式的可动电极202和驱动电极203(203A、203B、203×A、203×B)的各自的电极对置面作成梳齿结构，并且相互对置的这些梳齿结构彼此以啮合的状态对置配置。因此，电极对置面积增大，而且可以进一步增强驱动力。
该实施方式的结构，乍一看象以往具有梳齿结构的致动器，但是，通过把该可动电极202作成设有开口部202a的框形状，可以在抑制可动电极202的刚性降低的同时，减少可动电极202中除了驱动部分以外的多余的支承结构的面积比率，因此能够减少占有面积且可以提高驱动力。
下面，参照图7对本发明所涉及的第四实施方式的微机械静电致动器200’进行说明。该静电致动器200’具有可动电极202’和驱动电极203’(203A’、203B’、203×A’、203×B’)，其中，可动电极202’具有与上述第三实施方式相同的开口部202a’，因此，将省略有关这些的说明。
该实施方式中，支承可动电极202’的支承体201’具有固定部201a’和支承梁部201b’，这一点与第三实施方式相同，但是，在可动电极202’的两侧分别设有一对独立的支承体201’，这一点与第三实施方式不同。这些支承体202’具有与上述第二实施方式相同的结构。即，在可动电极202’的外缘部中相互对置的一对边，在相对于该边相互离开的位置分别连接着一对支承梁部201b’，这些支承梁部201b’分别由各自的固定部201a’固定在基板上。
如上述那样构成支承体201’，则与第二实施方式相同，能够提高相对于可动电极202’的支承强度，而且可以以更稳定的状态支承可动电极202’，还能够更准确地设定可动电极202’的移动方向(图7的左右方向)。另外，在上述实施方式中，在可动电极202’的两侧分别设有一对独立的支承体201’，但是，可以设置多个独立的支承体201’，例如，在可动电极202’的两侧可以分别形成独立的大于等于三个的支承体201’。
参照图8对本发明所涉及的第五实施方式的微机械静电致动器300进行说明。如图8(a)和图9所示，该静电致动器300中，在与上述第一实施方式相同的底层面(基板300S和绝缘层300I)上，形成有支承体301、可动电极302以及驱动电极303。
本实施方式的支承体301在底层面上具有向上方立起设置的柱状结构，通过该柱状结构的挠曲，可动电极302可以向平面方向移动。具体而言，支承体301的上端分别连接在可动电极302的四角上。在此，在本实施方式的情况下，支承体301形成为，使得可动电极302在平面方向的任一方向上都能够移动。
在本实施方式中，在可动电极302上形成有开口部302a，并且在该开口部302a中配置了驱动电极303的这一点，以及设有多个上述开口部302a，并且这些开口部跨越可动电极302整体均匀地分散配置(呈矩阵状纵横配置)这一点，与上述各实施方式相同。但是，如图8(b)所示，在本实施方式中，在开口部302a中配置了四个驱动电极303，即第一驱动电极303A、第二驱动电极303B、第三驱动电极303C、第四驱动电极303D。这些任一个驱动电极303都配置在开口部302a的中心的两侧(周围)。并且，这四个驱动电极303被配置成，在具有矩形开口形状的开口部302a中，与设置在可动电极302的开口缘部的四个内面(内缘部)中相邻的两个内面相面对。
在本实施方式中，通过驱动使静电引力作用于驱动电极303A、303C以及可动电极302之间，使静电排斥力作用于驱动电极303B、303D以及可动电极302之间，从而，如图8(c)所示，可动电极302移动，与此相反，通过驱动使静电排斥力作用于驱动电极303A、303C以及可动电极302之间，使静电引力作用于驱动电极303B、303D以及可动电极302之间，从而，如图8(d)所示，可动电极302移动。即，在这些情况下，可动电极302向图示的左右方向移动。
并且，通过驱动使静电引力作用于驱动电极303A、303B以及可动电极302之间，使静电排斥力作用于驱动电极303C、303D以及可动电极302之间，从而，如图8(e)所示，可动电极302移动，与此相反，通过驱动使静电排斥力作用于驱动电极303A、303B以及可动电极302之间，使静电引力作用于驱动电极303C、303D以及可动电极302之间，从而，如图8(f)所示，可动电极302移动。即，在这些情况下，可动电极302向图示的上下方向移动。
即，在本实施方式中，通过驱动四个驱动电极，可以使可动电极302在四个方向(即，图示的左右方向和上下方向两个方向)中的任一方向上移动。这样，在可动电极302的开口部302a的内侧适当地配置多个驱动电极，并根据对这些驱动电极的电位赋予状态能够改变可动电极302的移动方向；或者由于可动电极302构成为能够向多个移动方向移动，因此，可动电极302的移动状态的自由度提高，并且使可动电极302进行更复杂的动作；或者使可动电极302以不同的多个振动模式进行振动。但是，在该实施方式中，配置于开口部302a内部的独立的驱动电极的数量也可以是一个或者是两个。而且，在可动电极302的外侧，还可以配置其他驱动电极。另外，与图8(c)～(f)所示的驱动状态不同，例如，通过向第一驱动电极303A、第二驱动电极303B、第三驱动电极303C、第四驱动电极303D供给以可动电极302的电位为基准的反极性的电位等，可动电极302也可以向上述四个方向以外的方向(图示的倾斜方向)移动。
关于本实施方式的驱动电极303A～303D的配置，在俯视时形成为矩形形状的开口部302a的内部，第一驱动电极303A与第二驱动电极303B接近开口部302a的图示上侧的内缘部配置，第一驱动电极303A与第三驱动电极303C接近开口部302a的图示左侧的内缘部配置，第三驱动电极303C与第四驱动电极303D接近开口部302a的图示下侧的内缘部配置，第四驱动电极303D与第二驱动电极303B接近开口部302a的图示右侧的内缘部配置。这样，在接近开口部302a的内缘部的不同方向配置了多个驱动电极，由此根据对这些多个驱动电极的电位赋予状态，在大于等于两个不同的方向上可以驱动可动电极302。在该情况下，对多个驱动电极的电位赋予状态包括向多个驱动电极的一部分不赋予特定电位的情况，和赋予与可动电极302实际上相同电位的情况。另外，如本实施方式，也包括多个驱动电极303A～303D均以相对于分别相邻的两个内缘部离开大致相同距离的状态而接近配置的情况。无论是哪一种情况，至少设置独立的两个驱动电极，如上述那样使可动电极在不同的大于等于两个方向上能够移动。
图10为表示连接在本实施方式的上述驱动电极303A～303D的布线结构的俯视配置图，图11为表示沿着图10的XI-XI线的剖面结构的部分剖面图，图12为表示沿着图10的XII-XII线的剖面结构的部分剖面图。在该实施方式中，上述多个驱动电极303A～303D分别独立构成。即，配置在开口部302a中的多个驱动电极303A～303D构成为可以分别被赋予不同的电位。因此，在多个驱动电极303A～303D上，分别导电连接独立的布线AX、BX、CX、DX。此时，布线AX～DX相互绝缘。具体而言，如图11和图12所示，绝缘层I1、I2、I3分别介于形成布线AX的层AY、形成布线BX的层BY、形成布线CX的层CY、形成布线DX的层DY之间，各布线AX～DX彼此绝缘。
上述布线AX～Dx与设在本实施方式的可动电极302的各开口部302a内的所有驱动电极303A～303D导电连接。在图示中，布线AX、BX、CX、DX形成在不同的层，上述驱动电极303A～303D以与设置在各自层上的布线导电连接的状态分别向上方延伸，并设置成向上述可动电极302的开口部302a内突出。并且，如图10所示，在上层的布线BX、DX上设有BZ、DZ，BZ、DZ是回避分别与下层布线导电连接的第一驱动电极303A、第三驱动电极303C的部分(图示中呈字状的部分)。
上述布线结构通过如下工序可以形成，即在基板300S的表层部隔着绝缘层I1～I3来形成导电体的层，该导电体由聚硅酮等具有导电性的半导体或铝等金属构成。这些制造工序能够通过利用通常的溅射法和CVD法等的成膜工序、和利用光刻法技术等的图案形成工序来实现。而且，上述布线AX～DX分别与未图示的电位供给单元导电连接，并构成为被供给适当的电位。例如，将布线AX～DX分别与形成于基板300S上的连接焊盘(pad)导电连接，可以通过这些连接焊盘供给电位，或者也可以直接连接到形成于基板300S中的适当的供电电路上。
下面，参照图13对本发明的第六实施方式进行说明。图13为示意地表示第六实施方式的微机械静电致动器300’的平面结构的概略俯视图。在该实施方式中，在与上述第五实施方式相同的底层结构上，通过支承体301’使可动电极302’构成为能够在平面方向上移动。并且与上述相同，多个开口部302a’跨越可动电极302’整体被均匀地分散配置，在各开口部302a’的内侧分别配置了多个驱动电极303A’、303B’、303C’、303D’。
此处，在本实施方式中，形成有支承体301’，以便可动电极302’能够在平面方向的任一方向上移动，这一点与上述第五实施方式相同，在本实施方式中，支承体301’具有固定在基板上的固定部301a’和支承梁部301b’，这一点与第五实施方式相同，其中，支承梁部301B’在该固定部301a’与可动电极302’之间向平行方向延伸。更具体讲，支承梁部301b’和可动电极302’在基板上保持间隔而进行配置，可动电极302’通过支承梁部301b’的挠曲而被支承，并且在平面方向上能够移动。在图示例的情况下，在可动电极302’的外缘部上连接着多个支承梁部301b’，支承梁部301b’向外侧延伸并与固定部301a’连接。这里，可动电极302’在俯视时构成为矩形形状，该可动电极302’的四个角部分别连接有支承体301’。而且，支承梁部301b’为了容易变形分别呈曲折的形状。
在本实施方式中，与上述第五实施方式一样，在基板的表层部上形成有分别与多个驱动电极303A’～303D’导电连接的布线。这些布线分别与形成在基板上的连接焊盘At、Bt、Ct、Dt导电连接。这些连接焊盘At～Dt分别通过未图示的连接部件(导线等)与未图示的电源电路连接。
在本实施方式中，能够进行基本上与上述第五实施方式相同的动作。在这种情况下，支承体301’具有向平面方向延伸的支承梁部301b’，所以与第五实施方式相比，可动电极302’更容易向平面方向移动，能够以更低的驱动电压获得大的变位量。
下面，参照图14对本发明的第七实施方式进行说明。在该实施方式中，在与上述各实施方式相同的底层结构(基板400S和绝缘层400I)上，通过支承体401配置有可动电极402，该可动电极402在平面方向上能够旋转，设在该可动电极402上的开口部402a的内部，配置了驱动电极403A、403B。该实施方式的可动电极402能够向平面方向移动，这一点上与上述各实施方式一样。在上述各实施方式中，可动电极在平面方向上可以平移，而在本实施方式中，支承体401能够扭曲变形，由此可动电极402在平面上能够转动，这一点与上述各实施例不同。
在本实施方式中，可动电极402的开口部402a中配置了多个驱动电极403A、403B。这些驱动电极403A和403B在可动电极402的移动方向即转动方向上排列，并相互分别靠近旋转方向的相反侧的内缘部进行配置。即，驱动电极403A配置在比开口部402a的中心角度位置更偏向图示的顺时针方向的位置上，驱动电极403B配置在比上述中心角度位置更偏向图示逆时针方向的位置上。所以，通过向这些驱动电极403A、403B中的至少一方与可动电极402之间施加电压，能够使可动电极402转动。
下面，对本发明和以往结构的作用效果进行对比说明。图15表示将以往的具有梳齿结构的静电致动器模型化后的比较例的平面结构的俯视图。图16为表示将本发明的静电致动器模型化后的实施例的平面结构的俯视图。无论是哪种结构，图案形成的最小尺寸为1μm，比较例中的占有面积的尺寸为100μm×150μm，实施例中的占有面积的尺寸为100μm×100μm。
图15所示的比较例10中，在位于中央位置的可动电极12的两侧配置有一对驱动电极13、13，可动电极12和驱动电极13分别具有梳齿结构，这些梳齿结构以相互啮合的状态对置配置。该可动电极12的移动方向为连接两侧的驱动电极13之间的方向(图中的左右方向)。
这里，对置的梳齿结构之间的从移动方向看到的初期状态(没有产生静电力的状态)的重叠长度为30μm、梳齿宽度为1μm、可动电极12的从移动方向看到的长度为100μm、与可动电极12和驱动电极13的移动方向正交的方向上的宽度为100μm、可动电极12的厚度为10μm，这时可动电极12和一对驱动电极13、13之间的电极对置面积为28800μm2。
一方面，图16所示的实施例20中，在可动电极22的开口部22a内配置了驱动电极23，开口部22a与驱动电极23在图示的上下方向上排列了多个，并且在与其排列方向正交的方向上具有延长的形状。这时，可动电极22的移动方向为开口部22a和驱动电极23的排列方向(图示的上下方向)。
在此，驱动电极23的从排列方向看到的宽度为1μm、可动电极22的外径尺寸为100μm×100μm、可动电极22的厚度为10μm，这时可动电极22与驱动电极23之间的电极对置面积成为46080μm2。
如上面所述，在实施例20中，虽然比比较例10的占有面积小，但是电极对置面积反而超过比较例10的1.5倍。从而，实施例与以往的结构相比，能够减小占有面积，而且，还能够获得强大的驱动力。另外，由于如上面所述，能够增大平均单位占有面积的驱动力，所以如果驱动力相同，就能降低驱动电压。
进而，比较图15和图16可知，比较例中很大的面积部分对驱动力的产生不起作用而造成浪费，而在实施例中，能够将对驱动力的产生不起作用的多余面积部分几乎完全消除。这是因为可动电极22具有框形状，因此即使减少了多余的面积部分也能够确保一定程度的刚性。并且，在使用通过牺牲层的制造方法时，在比较例中存在很难将可动电极12的多余面积部分从底层面分离开的问题，而在实施例中是在可动电极22的整体设有(均匀地分散配置)开口部22a，因此从各开口部22a可以对牺牲层均等地进行腐蚀作用，不会存在可动电极22难以从底层面分离的问题。
下面，参照图17和图18对能够适用上述各个实施方式的微机械静电致动器的电压施加单元和信号输出单元的构成进行说明。本发明的电压施加单元和信号输出单元是功能性单元，在上述任一实施方式中都可以使用，在此，对在上述第一实施方式的微机械静电致动器100中使用的情况进行说明。
图17为表示在静电致动器100中使用电压施加单元110和信号输出单元120时的概略结构的概略结构方框图。此处，电压施加单元110包括电源电路111和接地电位等的基准电位112，其中，电源电路111产生如交流电位、交替电位或脉冲电位等按时间变化的电位。并且，在上述可动电极102与驱动电极103(图1和图2所示的103A和103B中的至少一方)之间，分别供给由电源电路111输出的驱动电位和基准电位112，对两个电极之间施加驱动电压Vin，即驱动电位和基准电位之差。如果驱动电压Vin最终施加给可动电极102与驱动电极103之间，则由电源电路111输出的驱动电位可以供给可动电极102与驱动电极103中的任一方。在该情况下，根据驱动电压Vin所产生的静电力使可动电极102移动，由此，可动电极102与驱动电极103的距离发生变化，由两个电极构成的静电容量的容量值也会随时间变化。
另一方面，信号输出单元120连接在上述可动电极102与驱动电极103上，并输出输出信号Vout，该输出信号Vout与由两个电极构成的静电容量中的可动电极的移动引起的容量变化相对应。该信号输出单元120例如可以由具有振荡频率的振荡电路(例如文式电桥振荡电路)等构成，该振荡频率对应于上述静电容量的容量变化而变化。在该情况下，输出信号Vout成为具有与上述静电容量相对应的频率的频率信号。并且，如果能够用作静电容量的检测电路，就能够使用各种电桥电路等任意电路。
图18是表示与上述不同形态的电压施加单元与信号输出单元的适用例的概略结构方框图。此处，电压施加单元110与信号输出单元120与图17中的相同。但是，在该适用例中，驱动电压Vin施加给可动电极102与一方的第一驱动电极103A之间，而可动电极102与另一第二驱动电极103B连接在信号输出单元120上。具体而言，电源电路111的驱动电位供给第一驱动电极103A，基准电位112供给可动电极102，而且没有供给驱动电位的第二驱动电极103B与可动电极102连接在信号输出单元120上。在该情况下，第二驱动电极103B作为检测电极而发挥作用。
如果这样构成，几乎不受由电压施加单元110所供给的驱动电压Vin的影响，就能获得对应于可动电极102的移动的输出信号Vout。特别是，将供给共同连接在电压施加单元110与信号输出单元120上的可动电极102的电位，作为基准电位(恒定电位)，就能够更完全地防止驱动电压Vin对输出信号Vout的影响。
另外，在图18中，如括号内的符号所示，用驱动电极103(第一驱动电极103A或第二驱动电极103B中的任一方)来代替上述第一驱动电极103A作为电压施加单元110的电位供给对象，除了驱动电极103以外又设置了检测电极105，该检测电极105可以代替连接在信号输出单元120上的驱动电极103B来使用。在该情况下，该检测电极105可以设置成，使得其与可动电极102之间的静电容量随着可动电极102的移动而变化即可，因此，与上述驱动电极103一样，可以将检测电极105设置在可动电极102的开口部内，或者，可以设在外侧，以便与可动电极102的外缘相对置，进而，也可以配置成，与可动电极102的下方(例如基板上)或上方对置。
另外，本发明的静电致动器，不仅限于上述图示例，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以进行各种变更。例如，在上述实施例中，主要针对静电致动器的驱动结构进行了说明，但是，根据供给静电致动器的驱动电压的形态也可以构成多种设备。例如，不仅限于通过可动电极的移动而依次供给驱动力的驱动力产生式致动器，由于通过施加交错电压和脉冲电压等，能够使可动电极振动，因此，也可以构成谐振器和过滤器电路等。并且，也可以构成数字反射装置和喷墨打印机的墨水喷出头等。
权利要求
1.一种微机械静电致动器，其特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有开口部的框形状，该开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通；驱动电极，在上述基板上，配置在上述开口部内；电压施加单元，向上述可动电极与上述驱动电极之间施加电压；以及信号输出单元，输出与上述可动电极的移动相对应的输出信号。
2.根据权利要求1所述的微机械静电致动器，其特征在于，独立的多个上述驱动电极配置在上述开口部内。
3.根据权利要求1所述的微机械静电致动器，其特征在于，在上述可动电极的外侧，还具有与上述可动电极的外缘对置配置的其他驱动电极。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的微机械静电致动器，其特征在于，在上述可动电极上排列有多个上述开口部。
5.根据权利要求4所述的微机械静电致动器，其特征在于，多个上述开口部呈矩阵状纵横排列在上述可动电极上。
6.根据权利要求1或3所述的微机械静电致动器，其特征在于，上述可动电极与上述驱动电极具有其对置部分相互啮合的梳齿结构。
7.一种微机械静电致动器，其特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有开口部的框形状，该开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通；以及独立的多个驱动电极，在上述基板上，配置在上述开口部内，上述多个驱动电极，以能够根据对上述多个驱动电极的电位赋予状态来改变上述可动电极的移动方向的方式，配置在上述开口部内。
8.根据权利要求7所述的微机械静电致动器，其特征在于，在上述可动电极上排列有多个上述开口部。
9.根据权利要求8所述的微机械静电致动器，其特征在于，多个上述开口部呈矩阵状纵横排列在上述可动电极上。
10.一种微机械静电致动器，其特征在于，具有基板；可动电极，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有多个开口部的框形状，该多个开口部在与上述平面方向正交的垂直方向贯通并且沿着平面均匀地分散配置；以及驱动电极，在上述基板上，分别配置在上述开口部内。
11.根据权利要求10所述的微机械静电致动器，其特征在于，多个上述开口部呈矩阵状纵横排列在上述可动电极上。
12.根据权利要求10或11所述的微机械静电致动器，其特征在于，独立的多个上述驱动电极配置在上述开口部内。
全文摘要
本发明提供一种静电致动器，该致动器能够获得较大的驱动力，而且能够减小占有面积，并容易进行可动电极的制造。本发明的微机械静电致动器(100)，其特征在于，具有基板；可动电极(102)，被支承在上述基板上并能够沿着上述基板的表面的平面方向移动，而且呈具有开口部(102a)的框形状，开口部(102a)在与上述平面方向正交的垂直方向贯通；驱动电极(103A、103B)，在上述基板上，配置在上述开口部内；电压施加单元，向上述可动电极与上述驱动电极之间施加电压；信号输出单元，输出与上述可动电极的移动相对应的输出信号。
文档编号H02N1/00GK1661902SQ200510052488
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月27日
发明者木原竜儿 申请人:精工爱普生株式会社