CN1655373A - 薄膜压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：压电薄膜；在所述压电薄膜的第一区域下面设置的第一下电极；在所述压电薄膜的不同于第一区域的第二区域下面设置的第二下电极；在所述压电薄膜上与所述第一下电极相对设置的第一上电极；在所述压电薄膜上与所述第二下电极相对设置的第二上电极；通过在所述压电薄膜上形成的第一通孔电连接所述第一下电极和所述第二上电极的第一连接部件；以及通过在所述压电薄膜上形成的第二通孔电连接所述第二下电极和所述第一上电极的第二连接部件。

Description

薄膜压电致动器
相关申请
本发明申请基于并要求2005年1月11日提出的先有日本专利申请第2005-3370号的优先权益，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及薄膜压电致动器，更具体地说，本发明涉及能够很好地应用到微机电***(MEMS)、能够方便地控制、并且使用在宽范围内以低电压驱动的压电薄膜的薄膜压电致动器。
背景技术
在传统MEMS技术使用薄膜压电致动器的微开关或可变电容中，静电力主要用作驱动力。使用静电力的薄膜压电致动器所具有的优点是，可以采用仅对跨越空间的一对电极施加驱动电压的非常简单的操作机构(例如，请参见“Smart Structure and Materials 2002：SmartElectronics，MEMS and Nanotechnology”，V.K.Varadan，Editor，Proceedings of SPIE Vol.4700(2002)，pp.40-49)。
另一方面，由于静电力与距离的平方成反比，当间隔大约为2/3的初始间隔时，所施加的电压和电子的移动距离之间的关系为非线性，产生间隔间断闭合的所谓“紧缩(pull-in)”现象。因此，驱动范围很窄，并且为了驱动长于1μm的距离，通常需要高于20V的驱动电压。目前，由于驱动电压很高的问题，很难应用到普通的消费器具中。
在传统的压电致动器中，作为压电陶瓷，可以使用具有非常高的压电特性的PZT系列(钛酸锆)材料，从而能够生产各种形状的压电致动器。但是，为了通过薄膜技术生产高效率的PZT系列压电薄膜，在铅系列材料中存在的问题是其熔点和蒸汽压力很高，并且在薄膜形成处理过程中的合成控制很难，以及铅系列材料不能用在一般的半导体生产线上。
因此，本发明的发明人研究了能够通过薄膜形成方法生产的压电薄膜，发现定向c轴具有纤锌(wurtzite)晶体结构的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)薄膜是适宜的。但是，与前述PZT族相比，AlN和ZnO具有非常低的压电特性，比如小于1/10。因此，当准备压电致动器结构时，为了增加位移量，需要使致动器变细变长，也就是说增加纵横比。在准备具有高纵横比结构的薄膜时，在使用压电陶瓷的压电致动器中所采用的悬臂梁结构在结构上很不稳定。因此，中心梁结构更为合适。
图42为在本发明的处理过程中由发明人研究的具有中心梁结构的薄膜压电致动器的截面结构示意图。该致动器包括驱动部分605和用于形成双压电晶片结构的支撑薄膜606，驱动电路605包括压电体604，两侧与锚601接触，并且由上下两组电极602和603保持。在该具体实例中，该器件应用到容性微开关中，并且在由两个驱动部分605保持的中心部分607配置开关电极触点608和609。
具有中心梁结构的薄膜压电致动器的操作显示在图43中。致动器将驱动电压施加到在两侧准备的相同方向上的两个驱动部分605，使他们变形为凸起形状并驱动他们。此时，中心部分607反方向变形为凹陷形状，并且开关电极与其接触，从而将开关设置为导通状态。此时，为了使中心部分607变形，需要施加过大的驱动电压(第一个问题)。
当具有中心梁结构的薄膜压电致动器应用到可变电容器中时，在中心部分607配置可变电容器的第一电极以及与其相对的第二电极。在可变电容器的情况下，类似于容性微开关，薄膜压电致动器也如图43所示操作并改变电容器电极之间的间隔，从而改变其容量。但是，在可变电容器的情况下，中心部分是弯曲的，从而很难以保持彼此平行的状态垂直地移动衬底和平坦电极(第二个问题)。
如上所述，在传统的薄膜压电致动器中，在应用设备中存在以下问题，即驱动电压很高并且操作是非线性的，并且在设计解决该问题的器件中，存在涉及布线技术的另一个结构问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：压电薄膜；在所述压电薄膜的第一区域下面设置的第一下电极；在所述压电薄膜的不同于第一区域的第二区域下面设置的第二下电极；在所述压电薄膜上与所述第一下电极相对设置的第一上电极；在所述压电薄膜上与所述第二下电极相对设置的第二上电极；通过在所述压电薄膜上形成的第一通孔电连接所述第一下电极和所述第二上电极的第一连接部件；以及通过在所述压电薄膜上形成的第二通孔电连接所述第二下电极和所述第一上电极的第二连接部件。
根据本发明的另一方面，提供一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：第一压电薄膜；在所述第一压电薄膜下面设置的第一下电极；在所述第一压电薄膜下面设置的第二下电极；在所述第一压电薄膜上面与所述第一下电极相对设置的第一中间电极；在所述第一压电薄膜上面与所述第二下电极相对设置的第二中间电极；在所述第一和第二中间电极上面设置的第二压电薄膜；在第二压电薄膜上面与所述第一中间电极相对设置的第一上电极；在第二压电薄膜上面与所述第二中间电极相对设置的第二上电极；通过在所述第一压电薄膜上形成的第一通孔电连接所述第一下电极和所述第二中间电极的第一连接部件；通过在所述第一压电薄膜上形成的第二通孔电连接所述第二下电极和所述第一中间电极的第二连接部件；通过在所述第二压电薄膜上形成的第三通孔电连接所述第二中间电极和所述第一上电极的第三连接部件；以及通过在所述第二压电薄膜上形成的第四通孔电连接所述第一中间电极和所述第二中间电极的第四连接部件。
根据本发明的另一方面，提供一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：下电极；压电薄膜，层叠在下电极上并延伸到下电极的任一端面之外；以及上电极，设置在至少部分压电薄膜上；压电薄膜用定向c轴的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)制成；以及电极的一个端面形成为与下电极的主表面至多为60°的锥状。
附图说明
从下面的详细描述以及本发明各个实施例的附图中，可以更好地理解本发明。但是，这些附图并不用于将本发明限制到具体的实施例中，而是仅用于解释和帮助理解本发明。其中：
图1为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的顶视图；
图2为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图1所示的截面A-A)；
图3为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图1所示的截面B-B)；
图4为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的容性微开关的顶视图；
图5为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的容性微开关的截面图(图4所示的截面A-A)；
图6为使用本发明的第一实施例的薄膜压电致动器的容性微开关的截面图(图4所示的截面B-B)；
图7为使用本发明的第二实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的顶视图；
图8为使用本发明的第二实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图7所示的截面A-A)；
图9为使用本发明的第二实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图7所示的截面B-B)；
图10为使用本发明的第三实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的顶视图；
图11为使用本发明的第三实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图10所示的截面A-A)；
图12为使用本发明的第三实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图10所示的截面B-B)；
图13为使用本发明的第三实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图10所示的截面C-C)；
图14为使用本发明的第三实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图10所示的截面D-D)；
图15为使用本发明的第四实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的顶视图；
图16为使用本发明的第四实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图15所示的截面A-A)；
图17为使用本发明的第四实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的截面图(图15所示的截面B-B)；
图18为本发明的第五实施例的悬臂梁结构的薄膜压电致动器的平面视图；
图19为图18所示的截面A-A的截面图；
图20为说明第五具体实例的致动器的操作的示意图；
图21为对比实例的薄膜压电致动器的平面图；
图22为图21所示的截面A-A的截面图；
图23为对比实例中发生裂缝时的部分放大示意图；
图24为下层的端部渐缩为锥体的结构的部分放大示意图；
图25为发明人试验和评价时所生产的致动器的截面结构的部分放大图；
图26为发明人试验和评价时所生产的致动器的截面结构的部分放大图；
图27为发明人试验和评价时所生产的致动器的截面结构的部分放大图；
图28为第五实施例的薄膜压电致动器的制造方法的主要截面的梯级截面图；
图29为本发明的第六实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的平面图；
图30为图29所示的截面A-A的截面图；
图31为图29所示的截面B-B的截面图；
图32为图29所示的截面C-C的截面图；
图33为图29所示的截面D-D的截面图；
图34为本发明的第七实施例的悬臂梁结构的薄膜压电致动器的平面图；
图35为图34所示的截面A-A的截面图；
图36为图34所示的截面B-B的截面图；
图37为图34所示的截面C-C的截面图；
图38为图34所示的截面D-D的截面图；
图39为用于生成在便携式电话***中使用的频率合成器的基准频率的锁相环(PLL)电路的实例方框图；
图40为电压控制振荡器2041的内部电路结构实例的示意图；
图41为使用本发明的可变电容器的便携式电话的视图；
图42为在本发明的处理过程中发明人所研究的薄膜压电致动器的截面图；
图43为图42所示的薄膜压电致动器的操作状态的图；
图44示出作为本发明前提的薄膜压电致动器的电压应用状态的薄膜压电致动器的截面图；以及
图45为图44所示的薄膜压电致动器的操作状态的图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施方案。
【第一实施方案】
图1为应用本发明的第一实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的可变电容器的平面图。此外，图2为沿图1所示平面图的线A-A的截面图，以及图3为沿线B-B的截面图。在图1所示的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及锚单元。
如图2和3所示，配置第一驱动部分106、第二驱动部分109、以及支撑薄膜110。第一驱动部分106与在衬底101上两侧设置的锚102相接触，包括第一上和下电极103和104以及由它们保持的第一压电薄膜105。第二驱动部分109设置的邻近第一驱动部分106，包括第二上和下电极107和108以及由它们保持的压电薄膜105。支撑薄膜110用于形成双压电晶片结构。支撑薄膜110可以设置在电极103和107下面，而不设置在电极104和108上面。对于第一和第二驱动部分106和109，两组分别沿着中心梁的驱动轴对称地配置。
在压电薄膜105中，在第一驱动部分106和第二驱动部分109之间，垂直于驱动轴并排形成第一通孔111和第二通孔112，并且第一下电极103和第二上电极108通过第一通孔111相连接，第二下电极107和第一上电极104通过第二通孔112相连接。
此外，在致动器的中心部分，形成可变电容器的第一电极118，并且在其对面的衬底101上形成可变电容器的第二电极114、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜115。
致动器的第一和第二上和下电极103、104、107和108用Al形成，并且考虑到阻抗其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm，尽管在本实施例中将它们均设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜105用定向c轴的AlN形成，并且考虑到位移量其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm，尽管在本实施例中将它们均设置为500nm。支撑薄膜110用SiO2薄膜形成，并且其厚度设置为50nm。可变电容器的等效面积设置为6400μm2，以及介电薄膜115用AlN形成并且其厚度设置为10nm。
根据该实施例，通过通孔的连接，压电薄膜和电极的结构以及连接部分能够同时成形，从而不需要用于连接的额外处理步骤。此外，在每一个驱动部分中，其中上和下电极彼此相对跨越压电薄膜的驱动区域可以相对于驱动轴垂直和水平地对称形成，例如矩形，从而不会扭曲。本发明的薄膜压电致动器具有稳定的结构、良好的控制特性、以及较宽的移动范围。
另外，如图45所示，本发明的薄膜压电致动器在较宽的范围内执行理想的操作。也就是说，当施加驱动电压时，第一驱动部分106和第二驱动部分109相反地变形。例如，当第一驱动部分106向上凸起变形时，第二驱动部分109向下凹陷变形，并且当它们的长度相同时，它们在面方向上的倾斜相互抵消，不会对致动器施加额外的负载。此外，在致动器的中心部分处的可变电容器的第一电极113总是能够并行地垂直移动，并且电极113和114之间的电容能够在从整个面的分离状态到接触状态的最宽范围内连续地改变。
当对应用薄膜压电致动器的可变电容器施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量可变电容器的第一和第二电极之间的电容时，可以连续获得从最小0.34pF至最大51pF的非常宽的可变范围，即150倍。
图4示出应用本发明的第一实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的容性微开关的平面图。图4所示平面图的截面A-A和截面B-B分别示于图5和图6。此外，在图5所示的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及锚单元。
如图5和6所示，配置与在衬底201上两侧设置的锚202相接触、包括第一上和下电极203和204以及由它们保持的压电薄膜205的两组第一驱动部分206，并且在中心部分设置包括第二上和下电极207和208以及由它们保持的压电薄膜205第二驱动部分209。在致动器的上部设置用于形成双压电晶片结构的支撑薄膜210。
在压电薄膜205中，在第一驱动部分206和第二驱动部分209之间，垂直于驱动轴并排形成第一通孔211和第二通孔212，并且第一下电极203和第二上电极208通过第一通孔211相连接，第二下电极207和第一上电极204通过第二通孔212相连接。
此外，第二驱动部分209的第二下电极207用作开关电极，并且在其对面的衬底201上设置用于进行阻性接触的开关电极触点213。
致动器的第一和第二上和下电极203、204、207和208用铝形成，并且考虑到阻抗其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm，尽管在本实施例中将它们均设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜205用定向c轴的AlN形成，并且考虑到位移量其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm，尽管在本实施例中将它们均设置为500nm。支撑薄膜210用SiO2薄膜形成，并且其厚度设置为50nm。开关电极触点213用Au制成。
当对应用薄膜压电致动器的容性微开关施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量第二下电极207和开关电极触点213之间在2GHz的传输特性时，可以获得极好的开关特性，例如在开关打开时-38dB的隔离特性、以及在开关闭合时-0.14dB的***损耗。
图7示出应用本发明的第二实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的可变电容器的平面图。图7所示平面图的截面A-A和截面B-B分别示于图8和图9。此外，在图7所示的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及锚单元。
如图8和9所示，设置与在衬底301上两侧设置的锚302相接触、包括第一下电极303、第一压电薄膜304、第一中间电极305、第二压电薄膜306和第一上电极307的第一驱动部分308，以及设置的邻近第一驱动部分308、包括第二下电极309、第一压电薄膜304、第二中间电极310、第二压电薄膜306和第二上电极311的第二驱动部分312。如图1中所示，支撑薄膜110可以设置在下电极下面或者上电极上面。对于第一和第二驱动部分308和312，两组分别沿着中心梁的驱动轴对称地配置。第一压电薄膜304和第二压电薄膜306可以在相同方向上极化。
如图7至9所示，在第一压电薄膜304中，在第一驱动部分308和第二驱动部分312之间，垂直于驱动轴并排形成第一通孔314和第二通孔315。另外，在第二压电薄膜306中，在平面上与第一和第二通孔314和315相同的位置处并排形成第三和第四通孔316和317。
第一下电极303和第二中间电极310通过第一通孔314相连接，并且通过第三通孔316连接到第一上电极307。此外，第二下电极309和第一中间电极305通过第二通孔315相连接，并且通过第四通孔317连接到第二上电极311。
此外，在致动器的中心部分，形成可变电容器的第一电极318，并且在其对面的衬底301上形成可变电容器的第二电极319、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜320。
致动器的第一和第二上、中间和下电极303、305、307、309、310和311、以及可变电容器的电极318和319均用Al形成并将其厚度设置为50nm。可变电容器的等效面积设置为6400μm2，以及介电薄膜320用AlN形成并且其厚度设置为10nm。
当在应用薄膜压电致动器的可变电容器的第一中间电极与第一上和下电极之间施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量可变电容器的第一电极318和第二电极319之间的电容时，可以连续获得从最小0.27pF至最大55pF的非常宽的可变范围，即204倍。
图10示出应用本发明的第三实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的可变电容器的平面图。图10所示平面图的截面A-A、截面B-B、截面C-C和截面D-D分别示于图11、12、13和图14。此外，在图10所示的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及锚单元。
如图11和14所示，设置与在衬底401上两侧设置的锚402相接触、包括第一下电极403、第一压电薄膜404、第一中间电极405、第二压电薄膜406和第一上电极407的第一驱动部分408，以及邻近第一驱动部分408设置、包括第二下电极409、第一压电薄膜404、第二中间电极410、第二压电薄膜406和第二上电极411的第二驱动部分412。对于第一和第二驱动部分408和412，两组分别沿着中心梁的驱动轴对称地配置。
如图10至14所示，在第一压电薄膜404中，在第一驱动部分408和第二驱动部分412之间，垂直于驱动轴形成第一通孔414和第二通孔415。另外，在第二压电薄膜406中，分别邻近第一和第二通孔414和415并排形成第三和第四通孔416和417。
第一下电极403和第二中间电极410通过第一通孔414相连接，并且通过第三通孔416连接到第一上电极407。此外，第二下电极409和第一中间电极405通过第二通孔415相连接，并且通过第三通孔417连接到第二上电极411。
此外，在致动器的中心部分，形成可变电容器的第一电极418，并且在其对面的衬底401上形成可变电容器的第二电极419、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜420。
致动器的第一和第二上、中间和下电极403、405、407、409、410和411、以及可变电容器的电极418和419均用Al形成并将其厚度设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜404和406用定向c轴的AlN形成，并且其厚度均设置为400nm。可变电容器的等效面积设置为6400μm2，以及介电薄膜420用AlN形成并且其厚度设置为10nm。
当在应用薄膜压电致动器的可变电容器的第一中间电极与第一上和下电极之间施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量可变电容器的第一电极418和第二电极419之间的电容时，可以连续获得从最小0.31pF至最大68pF的非常宽的可变范围，即210倍。
与图7至9所示的第二实施例的致动器相比，在该实施例中，第一至第四通孔在垂直于驱动轴的方向上在不同的位置处分别形成，从而不存在因形成通孔而导致的不均匀部分。因此，可以容易地防止连接时的各级的不连续性，从而能够改善整个致动器的强度。
图15示出应用本发明的第四实施例的薄膜压电致动器的可变电容器的平面图。在该实施例中，替代实施例1至3中所示的中心梁结构的线性薄膜压电致动器，而使用圆形薄膜压电致动器。图15所示平面图的截面A-A和截面B-B分别示于图16和图17。此外，在图10所示的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及通孔单元。
如图16和17所示，设置与在衬底501上两侧设置的锚502相接触、包括第一上和下电极503和504以及由它们保持的第一压电薄膜505的第一驱动部分506，邻近第一驱动部分506设置、包括第二上和下电极507和508以及由它们保持的压电薄膜505的第二驱动部分509，以及用于形成双压电晶体结构的支撑薄膜510。第一驱动部分506设置为环形形状，第二驱动部分509在第一驱动部分506里面设置成圆形形状。
在压电薄膜505中，在第一驱动部分506和第二驱动部分509之间，在沿着径向驱动轴的同心圆上形成第一通孔511和第二通孔512，并且第一下电极503和第二上电极508通过第一通孔511相连接，以及第二下电极507和第一上电极504通过第二通孔512相连接。
此外，在致动器的中心部分，形成可变电容器的第一电极513，并且在其对面的衬底501上形成可变电容器的第二电极514、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜515。
致动器的第一和第二上和下电极503、504、507和508用Al形成并将其厚度设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜505用定向c轴的ZnO制成并且其厚度设置为500nm。可变电容器的等效面积设置为5800μm2，以及介电薄膜515用ZnO形成并且其厚度设置为10nm。
当在应用薄膜压电致动器的可变电容器的第一上和下电极之间施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量可变电容器的第一电极513和第二电极514之间的电容时，可以连续获得从最小0.22pF至最大51pF的非常宽的可变范围，即250倍。
在该实施例中，薄膜压电致动器形成为圆形，从而致动器的面积稍微增加，尽管刚度和驱动力增加并且操作加速。
【第二实施方案】
下面将描述作为本发明的第二实施方案的薄膜压电致动器，其中在压电薄膜下面设置的电极的端部为锥形。
图18为本发明的第五实施例的悬臂梁结构的薄膜压电致动器的平面视图。
此外，图19为图18所示的线A-A的截面图。另外，在图18的平面图中，为了便于说明，仅示出上和下电极以及在压电薄膜中形成的通孔。
如图18和19所示，配置与在衬底40上设置的锚42相接触、包括由第一上和下电极45和43保持的压电薄膜44的第一驱动部分46，邻近第一驱动部分设置、包括由第二上和下电极48和47保持的压电薄膜44的第二驱动部分49，以及用于形成不对称双压电晶片结构的支撑薄膜51。
在压电薄膜44中，在第一驱动部分46和第二驱动部分49之间，垂直于驱动轴并排形成第一通孔55和第二通孔56。第一上电极45和第二下电极47通过第二通孔56相连接，第二上电极48和第一下电极43通过第一通孔55相连接。
此外，在致动器的右端，形成可变电容器的活动电极50，并且在其对面的衬底40上形成可变电容器的两个固定电极52和53、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜54。
致动器的上和下电极用例如Al(铝)形成，并且考虑到阻抗其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm。在本实施例中将它们均设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜用定向c轴的AlN(氮化铝)形成，并且考虑到位移量其厚度可以设置为例如大约10nm至1μm。在本实施例中将其设置为500nm。
支撑薄膜51用SiO2薄膜形成，并且其厚度设置为50nm。可变电容器的等效面积设置为6400μm2，以及介电薄膜54用AlN形成并且其厚度设置为10nm。
图20为说明该具体实例的致动器的操作的示意图。
也就是说，在该实施例的致动器中，第一致动器单元46和第二致动器单元49分别相反地变形，从而活动电极50的弯曲得以抵消，并且在致动器的前端准备的可变电容器的活动电极50能够平行地移动。
另外，在该实施例中，将压电薄膜44的下层上的电极43、47和50的末端锥化。例如，如参考标号57所示。如此锥化压电薄膜的下层的末端，能够防止压电薄膜在这一部分出现裂口和裂缝。下面将结合对比实例详细说明这一点。
图21为对比实例的薄膜压电致动器的平面图。
此外，图22为图21所示的线A-A的截面图。另外，在图21的平面图中，为了便于说明，仅示出下电极、上电极、以及在压电薄膜中形成的通孔。
在该对比实例中，各个元件之间的位置关系基本上与第五实施例中的一样。
也就是说，该薄膜压电致动器包含与在衬底21上设置的锚22相接触并包括由上和下电极25和23保持的压电体24及压电薄膜31的第一致动器26、以及包括上和下电极28和27的第二致动器29。设置绝缘且隔离的可变电容器的活动电极30。与活动电极30相对，在衬底上形成可变电容器的第一固定电极32和第二固定电极33。为了防止与活动电极短路，用介电薄膜34覆盖固定电极32和33。此外，通过在压电薄膜24上形成的通孔35连接第一下电极23和第二上电极28，并且通过在压电薄膜24上形成的通孔36连接第一上电极25和第二下电极27。
当在第一致动器的第一上电极25和下电极23之间施加电压时，第一致动器向上凸起变形，而因为上和下电极的极性相反，所以第二致动器向下凹陷变形，并且实现了图20所示的“S-模式”致动器，活动电极30与衬底平行地被驱动。
但是，在发明人的试制和研究过程中，当将Al实际用作上和下电极，将AlN用作压电薄膜，并且将SiO2用作支撑薄膜，以及通过喷溅方法执行薄膜形成和成型并生产可变电容器时，在处理结束时以及在可变电容器的操作期间，在第一下电极23和第二下电极27之间的边界区域37以及在第二下电极27和活动电极30的边界区域，出现裂缝并且电极断裂。
图23为对比实例中发生裂缝时的部分放大示意图。
也就是说，在该对比实例中，下电极27的末端形成一个几乎垂直的阶差。并且在该阶差部分，压电薄膜24断裂。
此种裂缝非常容易出现在具有图18至22所示的下电极和上电极隔开结构的压电致动器中，并且首先发现当该种状态保持不变时，通过薄膜方法制造非常困难。
根据对导致裂缝的机制的试验和观察，发明人详细研究了试验结果并发现了如下新的事实。
(1)断裂是由出现在从下电极末端面开始的AlN压电薄膜中的裂缝引起的。
(2)当下电极的末端面相对于衬底表面倾斜60°或更大角度并且仅当压电薄膜用定向c轴的AlN或ZnO制成时，发生裂缝。
也就是说，AlN和ZnO具有六边形的晶体结构，并且如图23所示，该结构容易发生定向c轴的晶体生长，与此同时，晶体易于垂直于基面生长。当压电薄膜在成型的下电极上形成、并且下电极的末端面几乎垂直于衬底表面例如为60°或更大角度时，发现在末端面的角上晶体生长方向变得极为无序，并且导致裂缝和间隙，从而压电薄膜断裂。
另一方面，当下电极的末端面相对于衬底表面为30°锥角或更小时，发现即使在末端面的角上晶体的生长方向变化的也非常缓慢，从而不会导致间隙和裂缝。
图24为下层的端部渐缩为锥体的结构的部分放大示意图。也就是说，该图相应于图19所示参考标号57表示的部分的放大图。
在下电极的顶部，锥化的末端面、下电极去除的部分、以及定向c轴的AlN压电薄膜在薄膜厚度方向上几乎均匀地生长，并且根本看不到裂缝。发明人在下层的末端不同地改变锥角(下层的末端面相对于下层的主表面形成的角度)并检查压电薄膜裂缝的出现。
图25至27为发明人试验和评价时所生产的致动器的截面结构的部分放大图。即，图25示出下电极的锥角为80°的情形，图26示出下电极的锥角为60°的情形，以及图27示出下电极的锥角为25°的情形。
当锥角为80°(图25)或60°(图26)时，发现在AlN压电薄膜中从下电极的末端开始出现清晰的裂缝。另一方面，当锥角为25°(图27)时，发现在AlN压电薄膜中不能观察到裂痕和裂缝，并且定向c轴的AlN压电薄膜在薄膜厚度方向上几乎均匀地生长。此外，对于该样品，当通过X射线衍射测量Ω扫描模式下在1/2最大锁闭曲线方向上(halfmaximum of locking curve orientation)的全范围(full width)时，在1/2最大(0001)衍射峰值上到AlN压电薄膜的全范围为1.2°，并且发现形成朝向非常满意的AlN薄膜。
表1总结了发明人进行试制和试验的AlN压电薄膜裂缝的出现和锥角之间的关系。
                      表1
            锥角           裂缝的出现
            90             清晰的裂缝
            80             清晰的裂缝
            70             清晰的裂缝
            60             清晰的裂缝
            50             不清晰的裂缝
            40             不清晰的裂缝
            30             没有裂缝
            20             没有裂缝
当末端面的锥角大于30°小于60°时，断裂和不断裂共存。也就是说，末端面的角度最好至30°，并且应该至少限制到60°。
此外，从薄膜的特定的电阻系数和可生产性的角度考虑，用作薄膜压电致动器的电极的材料最好是低阻抗的金属，例如铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、铱(Ir)、钨(W)或钼(Mo)。这些电极的末端面可以通过下文中描述的方法进行锥化蚀刻。
另外，如上所述，压电薄膜最好用AlN或ZnO制造，并且从充分利用压电特性的角度考虑，组合物最好是能够产生压电特性的强烈定向c轴的六边形晶体。具体地说，通过X射线衍射在Ω模式下测量的在1/2最大(0001)峰值锁闭曲线上的全范围希望不大于5°，最好不大于2°。其原因是当1/2最大的全范围大于5°时，不能充分利用压电特性，并且压电薄膜的压电特性在晶片表面上变化非常大，从而导致器件特性的变化，并降低产出率。
下面将说明该实施例中的薄膜压电致动器的制造方法。
图28示出该实施例的薄膜压电致动器的制造方法的主要截面的梯级截面图。
首先，如图28A所示，在其表面上已经形成氧化膜41的Si衬底40上，采用公知的CVD方法通过薄膜形成和成型准备包括SiN的锚42。类似的，通过喷溅方法和成型准备用Al制造的固定电极52和53，然后通过CVD方法和成型在固定电极的表面上进一步准备介电薄膜54。
接着，如图28B所示，通过CVD方法保形准备多晶硅层58，然后通过化学和机械抛光使表面光滑，并使锚42在表面上曝光。
然后，如图28C所示，通过喷溅方法形成电极薄膜并成型，准备可变电容器的第一下电极43、第二下电极47和活动电极50。此时，使用锥形抗蚀剂进行锥化蚀刻，以在下电极的末端形成最大为30°的角度。
具体地说，将下电极的末端涂覆上酚醛正抗蚀剂(novolac positiveresist)、进行预烘焙和曝光，然后在180℃下烘焙，并且回流抗蚀剂末端为20°的锥形。使用锥形抗蚀剂(tapered resist)，通过使用氯蚀刻气体的活性离子蚀刻(RIE)方法，蚀刻下电极的末端并移回抗蚀剂，结果锥化为25°的角度。
接着，如图28D所示，通过喷溅方法和成型进行薄膜形成，从而准备用强烈定向的AlN制造的压电薄膜44、用Al制造的第一和第二上电极45和48、以及用二氧化硅制造的支撑薄膜51。此外，通过使用氙氟化物作为蚀刻剂的干蚀刻，有选择地蚀刻和去除牺牲层(sacrifice layer)58。另外，二氧化硅支撑薄膜为非晶体结构，从而即使上电极不进行锥化，其角上也不会出现裂缝。
准备之后的下电极末端57的截面结构如图27所示。也就是说，在下电极的顶部，锥化的末端面、下电极去除的部分、以及定向c轴的AlN压电薄膜在薄膜厚度方向上几乎均匀地生长，并且根本看不到裂缝。
此外，当在Ω扫描模式下通过X射线衍射测量晶体方向时，在1/2最大(0001)峰值上的全范围为1.2°，并且发现形成朝向非常满意的AlN薄膜。
当在第一下电极43与第一上电极45之间向致动器施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量第一固定电极52和第二固定电极53之间的可变电容器的电容时，可以连续获得从最小0.34pF至最大51pF的非常宽的可变范围，即150倍。
下面作为第六实施例将描述使用第一和第二压电薄膜的对称双压电晶片致动器。
图29为该实施例的中心梁结构的薄膜压电致动器的平面图。
图30为图29所示的截面A-A的截面图。
图31为图29所示的截面B-B的截面图。
图32为图29所示的截面C-C的截面图。
图33为图29所示的截面D-D的截面图。
在图29的平面图中，为了便于说明，仅示出上、中间和下电极。
如图29至33所示，在该实施例中，设置与在衬底70上两侧设置的锚71相接触、包括第一上电极72、第一压电薄膜74、第一中间电极73、第二压电薄膜76和第一下电极75的第一驱动部分77，以及邻近第一驱动部分77设置、包括第二上电极78、第一压电薄膜74、第二中间电极79、第二压电薄膜76和第二下电极80的第二驱动部分81。对于第一和第二驱动部分，两组分别沿着中心梁的驱动轴对称地配置。
如图29所示，在第一压电薄膜74中，在第一驱动部分77和第二驱动部分81之间，垂直于驱动轴并排形成第一通孔82和第二通孔83。另外，此外，在第二压电薄膜76中，邻近第一和第二通孔82和83形成第三和第四通孔84和85。
第一下电极72和第二中间电极79通过第一通孔82相连接，并且通过第三通孔84连接到第一上电极75。此外，第二上电极78和第一中间电极73通过第二通孔83相连接，并且通过第四通孔85连接到第二下电极80。
此外，在致动器的中心部分，形成可变电容器的活动电极86，并且在其对面的衬底70上形成可变电容器的固定电极88、以及在电极之间的用于防止短路的介电薄膜87。
如上所述，在该实施例中，第一至第四通孔在垂直于驱动轴的方向上在不同的位置处分别形成，从而极少存在因形成通孔而导致的不均匀部分。因此，可以容易地防止连接时的各级的不连续性，从而能够改善整个致动器的强度。
类似于第一实施例，为了防止正上层的第二压电薄膜76出现裂缝，将第一和第二下电极75和80以及可变电容器的活动电极86的末端面以相对于衬底25°的锥角进行蚀刻。类似的，为了防止正上层的第一压电薄膜74出现裂缝，将第一和第二中间电极73和79的末端面以相对于衬底25°的锥角进行蚀刻。
致动器的驱动电极以及可变电容器的电极均用Al形成，并且在该实施例中将其厚度设置为50nm。此外，致动器的压电薄膜均用定向c轴的AlN制造并将其厚度均设置为400nm。可变电容器的等效面积设置为6400μm2，以及介电薄膜87用AlN形成并且其厚度设置为10nm。
当在第一中间电极与第一上和下电极之间施加0至3V的控制电压(Vtune)，并且测量可变电容器的活动电极86和固定电极88之间的电容时，可以连续获得从最小0.31pF至最大68pF的非常宽的可变范围，即210倍。
下面作为本发明的第七实施例将描述具有悬臂梁结构、对称双压电晶片结构、以及通风孔的薄膜压电致动器。
接着，作为本发明的第七实施例将描述使用第一和第二压电薄膜的对称双压电晶片致动器。
图34为本发明该实施例的悬臂梁结构的薄膜压电致动器的平面图。
图35为图34所示的截面A-A的截面图。
图36为图34所示的截面B-B的截面图。
图37为图34所示的截面C-C的截面图。
图38为图34所示的截面D-D的截面图。
此外，在图34的平面图中，为了便于说明，仅示出上、中间和下电极。另外，在这些附图中，与图29至33所示相同的元件分配相同的参考标号并略去其详细描述。
也就是说，在该实施例中，如图34至38所示，从设置在衬底70的一端上的锚71配置第一驱动部分77和第二驱动部分81。除了悬臂梁结构这一方面，其叠层结构与图29至33中描述的相同。
同样，在该实施例中，第一至第四通孔82、83、84和85在垂直于驱动轴的方向上在不同的位置处分别形成，从而极少存在因形成通孔而导致的不均匀部分。因此，可以容易地防止连接时的各级的不连续性，从而能够改善整个致动器的强度。
另外，类似于第一实施例，为了防止正上层的第二压电薄膜76出现裂缝，将第一和第二下电极75和80以及可变电容器的活动电极86的末端面以相对于衬底30°的锥角进行蚀刻。类似的，为了防止正上层的第一压电薄膜74出现裂缝，将第一和第二中间电极73和79的末端面以相对于衬底25°的锥角进行蚀刻。通过这些锥化蚀刻处理，能够防止压电薄膜76和74出现裂缝，并且能够执行稳定的操作。
此外，在该实施例中，在第一和第二驱动部分77和81以及活动电极86上形成多个通孔89。在第一和第二驱动部分77和81中的这些通孔89从上电极72和78穿过下电极75和80形成。另外，类似的，从压电薄膜74穿过活动电极86形成通孔89。
由于形成了这些通孔89，所以能够极大地降低致动器移动的空气阻力，从而致动器能够执行平滑的高速操作。也就是说，能够增加致动器的操作频率或开关频率并能极大地扩展应用范围。
具体地说，根据发明人的试制结果，该实施例的薄膜压电致动器的操作速度为13微秒，而不设置通孔89时的操作速度为38微秒。如上所述，根据该实施例，由于设置了通孔作为通风孔，能够极大地提高操作速度。
如上所述，本发明能够提供稳定结构的压电薄膜致动器，并且产出率很高，控制也能够方便地进行，驱动范围很宽，驱动电压也很宽。通过使用本发明的薄膜压电致动器，能够实现低电压驱动的微开关以及具有宽可变范围的可变电容器。
上述实施例2至7中的薄膜压电致动器是以可变电容器为例作为其应用器件进行描述的。但是，当然也可以应用到图1所示的容性微开关中。
此外，当应用本发明的薄膜压电致动器的可变电容器用来对压控振荡器(VCO)例如便携式设备进行频率调整时，能够带来非常有效的效果。
图39为用于生成在便携式电话***中使用的频率合成器的基准频率的锁相环(PLL)电路的实例方框图。
该图所示的PLL电路具有频率可变滤波器2030、包括放大器2031和缓冲放大器2032的压控振荡器2041、除法器2042、相位比较器2043、电荷泵(charge pump)2044、环路滤波器2045、低噪声放大器(LNA)2046、频率可变滤波器2001、以及混频器2047。
图40为电压控制振荡器2041的内部电路结构实例的示意图。
如图中所示，压控振荡器包括频率可变滤波器2030、放大器2031、以及缓冲放大器2031，并且仅将通过频率可变滤波器2030的频率分量反馈到放大器2031的输入端。在压控振荡器2041中，使用涉及本发明的实施例的薄膜压电致动器20和电容可变电容器C1和C2。
当压控振荡器2041的振荡频率相比于期望的频率极高或极低时，图39所示的PLL电路检测频率差、将其转换成DC控制电压并反馈到构成压控振荡器2041的频率可变滤波器2001中的可变电容元件C1。因此，当反馈环正常操作达到稳定状态并且相位锁定时，压控振荡器2041的振荡频率可以符合期望的频率。
图39所示的PLL电路使用与构成压控振荡器2041的频率可变滤波器2030相同的频率可变滤波器2001作为用于进行通信信号滤波的带通滤波器。PLL电路将低噪声放大器2046的输出信号输入到频率可变滤波器2001，并将频率可变滤波器2001的输出信号输入到混频器2047进行下变换。
另一方面，压控振荡器2041生成的基准信号输入到混频器2047的另一个输入端作为本地振荡信号(LO)。如此可以将高频信号进行频率变换为基带信号。
根据该具体实例，对压控振荡器中的频率可变滤波器2001和频率可变滤波器2030施加相同的由环路滤波器2010生成的控制电压。如此，压控振荡器2041的振荡频率能够形成为频率可变滤波器2001的通带的中心频率。
如上所述的PLL电路例如适合于装载到图41所示的便携式电话1000中。也就是说，当应用本发明的薄膜压电致动器的可变电容器100用于进行便携式电话1000的压控振荡器(VCO)的频率调整时，能够获得非常好的效果。
根据本发明，压电薄膜和电极的结构以及连接部分能够同时成型，从而不需要额外的用于连接的处理步骤。此外，在每一个驱动部分中，其中上和下电极彼此相对跨越压电薄膜的驱动面积能够相对于驱动轴垂直和水平地对称形成，例如为长方形，从而不会出现扭曲。本发明的薄膜压电致动器具有稳定的结构，良好的控制特性，以及很宽的移动范围。当将该薄膜压电致动器应用到器件中时，能够提供具有宽电容可变范围的可变电容器和具有良好开关特性的微开关。
上面结合具体的实例描述了本发明的实施例。但是，本发明不仅限于这些具体的实例。
例如，上述第一至第七实施例中各自薄膜压电致动器的特性可以相互组合，并且以这种方式获得的薄膜压电致动器包括在本发明的范围之内。具体地说，例如如上所述的第五至第七实施例，将压电薄膜的下层的末端锥化这一特性可以在第一至第四实施例中类似地进行，并且能够获得类似的操作结果。此外，上述第七实施例中描述的用于通风的通孔89也可以类似地在第一至第六实施例中设置，并且能够获得类似的操作结果。
另外，在本发明中所使用的驱动电极、压电薄膜、支撑薄膜、电容器电极、以及介电薄膜的具体材料不仅限于前述的具体实例，而是替代具有相同操作的材料的单元也包括在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：
压电薄膜；
在所述压电薄膜的第一区域下面设置的第一下电极；
在所述压电薄膜的不同于第一区域的第二区域下面设置的第二下电极；
在所述压电薄膜上与所述第一下电极相对设置的第一上电极；
在所述压电薄膜上与所述第二下电极相对设置的第二上电极；
通过在所述压电薄膜上形成的第一通孔电连接所述第一下电极和所述第二上电极的第一连接部件；以及
通过在所述压电薄膜上形成的第二通孔电连接所述第二下电极和所述第一上电极的第二连接部件。
2.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中第一通孔和第二通孔沿着第一驱动部分和第二驱动部分之间的边界线并排排列，第一驱动部分包括第一下电极、压电薄膜、以及第一上电极，第二驱动部分包括第二下电极、压电薄膜、以及第二上电极。
3.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中驱动部分包括：
在所述压电薄膜的不同于第一和第二区域的第三区域下面设置的第三下电极；
在所述压电薄膜上面与所述第三下电极相对设置的第三上电极；
通过在所述压电薄膜上形成的第三通孔电连接所述第二下电极和所述第三上电极的第三连接部件；以及
通过在所述压电薄膜上形成的第四通孔电连接所述第三下电极和所述第二上电极的第四连接部件。
4.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中第二驱动部分基本上形成为圆形，以及第一驱动部分在第二驱动部分外侧形成为圆环状。
5.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中第一和第二下电极的至少一个末端面形成为相对于下电极的主表面至多60°的锥形。
6.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜用定向c轴的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)制造。
7.根据权利要求6所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜的X射线锁闭曲线的1/2最大(0001)峰值处的全范围不大于5°。
8.根据权利要求1所述的薄膜压电致动器，其中形成通过下电极、压电薄膜、以及上电极的通孔。
9.一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：
第一压电薄膜；
在所述第一压电薄膜下面设置的第一下电极；
在所述第一压电薄膜下面设置的第二下电极；
在所述第一压电薄膜上面与所述第一下电极相对设置的第一中间电极；
在所述第一压电薄膜上面与所述第二下电极相对设置的第二中间电极；
在所述第一和第二中间电极上面设置的第二压电薄膜；
在第二压电薄膜上面与所述第一中间电极相对设置的第一上电极；
在第二压电薄膜上面与所述第二中间电极相对设置的第二上电极；
通过在所述第一压电薄膜上形成的第一通孔电连接所述第一下电极和所述第二中间电极的第一连接部件；
通过在所述第一压电薄膜上形成的第二通孔电连接所述第二下电极和所述第一中间电极的第二连接部件；
通过在所述第二压电薄膜上形成的第三通孔电连接所述第二中间电极和所述第一上电极的第三连接部件；以及
通过在所述第二压电薄膜上形成的第四通孔电连接所述第一中间电极和所述第二中间电极的第四连接部件。
10.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中第一和第三通孔以及第二和第四通孔沿着第一驱动部分和第二驱动部分之间的边界线并排排列，第一驱动部分包括第一下电极、第一压电薄膜、第一中间电极、第二压电薄膜、以及第一上电极，第二驱动部分包括第二下电极、第一压电薄膜、第二中间电极、第二压电薄膜、以及第二上电极。
11.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中在同一方向极化第一压电薄膜和第二压电薄膜。
12.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜用从氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、以及具有钙钛矿型结构的铁电物质材料构成的组中选择的一种材料组成。
13.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中第一和第二下电极以及第一和第二上电极具有从铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、铱(Ir)、钨(W)、以及钼(Mo)构成的组中选择的主要成分。
14.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中第一和第二下电极的至少一个末端面形成为相对于下电极的主表面至多60°的锥形。
15.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜用定向c轴的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)制造。
16.根据权利要求15所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜的X射线锁闭曲线的1/2最大(0001)峰值处的全范围不大于5°。
17.根据权利要求9所述的薄膜压电致动器，其中形成通过下电极、压电薄膜、以及上电极的通孔。
18.一种薄膜压电致动器，包括一个驱动部分，至少其一端被一个锚部件支撑，所述驱动部分包括：
下电极；
压电薄膜，层叠在下电极上并延伸到下电极的任一端面之外；以及上电极，设置在至少部分压电薄膜上；
压电薄膜用定向c轴的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)制成；以及
电极的一个末端面形成为与下电极的主表面至多为60°的锥形。
19.根据权利要求18所述的薄膜压电致动器，其中压电薄膜的X射线锁闭曲线的1/2最大(0001)峰值处的全范围不大于5°。
20.根据权利要求18所述的薄膜压电致动器，其中形成通过下电极、压电薄膜、以及上电极的通孔。
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