JP5052835B2 - 圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
該複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、該駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形され、
前記複数の圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成され、
前記複数の圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成され、
前記電極は、半導体基板と該半導体基板に成膜された単層の圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極と、上部電極層及び圧電膜を形状加工して前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンとを含むことを特徴とする。
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、電極は、半導体基板と該半導体基板に成膜された単層の圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極とを含む。
この場合、上部電極と下部電極とは、圧電体を挟んで形成されているので、各圧電カンチレバーの上部電極と下部電極との間に駆動電圧を印加することで、圧電体に駆動電圧を印加して各圧電カンチレバーを屈曲変形させることができる。このとき、上部電極及び下部電極は、直接成膜された金属薄膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。しかも、支持体及び圧電体と一体的に形成することが可能であり、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて圧電アクチュエータ全体を作製することができるので、量産や歩留りの向上が可能となる。また、圧電アクチュエータをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となる。
さらに、本発明の圧電アクチュエータにおいて、電極は、上部電極層及び圧電膜を形状加工して圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体にのみ駆動電圧を印加するための電極配線パターンを更に含む。
この場合、電極配線パターンを介して駆動電圧を印加することにより、複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーを屈曲変形させることが可能である。このとき、電極配線パターンは、上部電極層と圧電膜との2層を形状加工することによって、所定の圧電カンチレバーの上部電極とのみ導通するよう、他の圧電カンチレバーの上部電極と分離して形成されると共に、電極配線パターンの下層の圧電膜により、下部電極との間で電気的に絶縁(上部電極層と下部電極層との層間絶縁)されるように形成することができる。よって、上部電極及び圧電体を形成するための上部電極層及び圧電膜を利用して、電極配線パターン用に別の材料を用いることなく、電極配線パターンを形成することができる。しかも、上部電極及び圧電体を形成する際に同時に形成することができるので、別の工程が必要なく簡易な処理で電極配線パターンを形成することができる。
図1に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ1は、2つの圧電カンチレバー2A,2Bを備えている。圧電カンチレバー2A,2Bは、同一平面上に配置されており、一方の圧電カンチレバー2Aは、他方の圧電カンチレバー2Bの先端部b1の片側に、その長さ方向に対して直角に連結されている。この圧電アクチュエータ1は、一方の圧電カンチレバー2Aに駆動電圧を印加するための第1上部電極7Aと、他方の圧電カンチレバー2Bに駆動電圧を印加するための第2上部電極7Bと、第1,第2の上部電極7A,7Bの共通の下部電極として用いられる共通下部電極9とを備えている。
[第1実施形態の圧電アクチュエータの使用例]
図3は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1を使用した光偏向素子(2次元光偏向素子)を示す。以下の説明では、第1実施形態と同一の構成については、第1実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第2実施形態]
図4は、3つの圧電カンチレバー23A〜23Cを連結した第2実施形態の圧電アクチュエータ22を使用した多接点スイッチ21を示す。なお、本実施形態の圧電アクチュエータ22の基本的な構成は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同じであるので、詳細な説明は第1実施形態を参照して省略する。
[第3実施形態]
図5に示すように、第3実施形態の圧電アクチュエータ41は、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dを備えている。また、圧電アクチュエータ41は、圧電カンチレバー42A,42Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極47と、圧電カンチレバー42B,42Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極48と、第1,第2上部電極47,48の共通の下部電極として用いられる共通下部電極51とを備えている。なお、本実施形態の圧電アクチュエータ41の基本的な構成は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同じであるので、詳細な説明は第1実施形態を参照して省略する。
[第4実施形態]
第4実施形態の圧電アクチュエータは、第3実施形態の圧電アクチュエータにおいて、圧電カンチレバーを駆動するために印加する電圧を交流電圧としたものである。本実施形態の圧電アクチュエータの構成は、第3実施形態と同一であるので、以下の説明では、第3実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第5実施形態]
図9に示す第5実施形態の圧電アクチュエータ61は、第3実施形態と同様に、4つの圧電カンチレバー62A〜62Dが連結されたものである。図9には、圧電アクチュエータ61の圧電カンチレバー62A〜62Dの部分が示されている。また、図10には、図9の領域IIの拡大図が示されている。圧電アクチュエータ61は、第3実施形態の圧電アクチュエータ41と基本的な構成は同じで、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dの支持体43A〜43Dに係る構成が若干異なるものである。以下の説明では、第3実施形態と同一の構成については第3実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第6実施形態]
図11には、第6実施形態の圧電アクチュエータの製造方法を示す。この製造方法では、第3実施形態の圧電アクチュエータ41が製造される。なお、図11(a)〜(g)は、図5の圧電アクチュエータ41の断面を模式的に示している。
[第7実施形態]
図12に示す第7実施形態の圧電アクチュエータ71は、第5実施形態の圧電アクチュエータ61において、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図12には、圧電アクチュエータ71の圧電カンチレバー72A〜72Dの上面図が示されている。また、図13には、図12の圧電アクチュエータ71の斜視図が示されている。この図では、説明のために層間絶縁膜73及び第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bを分離して図示しているが、実際には、支持体43上に順次重ねられている。なお、以下の説明では、第5実施形態と同一の構成については、第5実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第8実施形態]
図15に示す第8実施形態の圧電アクチュエータ70は、第3実施形態の圧電アクチュエータ41において、第7実施形態の圧電アクチュエータ71と同様に、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図15には、圧電アクチュエータ70の上面図が示されている。なお、以下の説明では、第3,第7実施形態と同一の構成については、第3,第7実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第9実施形態]
図16,図17に、第9実施形態における製造方法を示す。本実施形態の製造方法により、第8実施形態の圧電アクチュエータ70が製造される。本実施形態の製造方法は、第6実施形態の製造方法において、層間絶縁膜73を形成するステップと、第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bを形成するステップとを備えたものである。以下の説明では、第6実施形態と同じ処理については、第6実施形態を参照して説明を省略する。なお、図16(a)〜(g)、図17(h)〜(j)は、図15の圧電アクチュエータ70の断面を模式的に示している。
[第10実施形態]
図18には、第10実施形態の圧電アクチュエータ91を使用した可変キャパシタを示す。本実施形態の圧電アクチュエータ91は、4つの圧電アクチュエータ92〜95を組み合わせたものである。そして、可変キャパシタは、圧電アクチュエータ91の4つの圧電アクチュエータ92〜95の先端部にキャパシタ部96が連結されたものである。なお、各圧電アクチュエータ92〜95の基本的な構成は、第5又は第7実施形態と同じであるので、以下では説明を省略する。
[第11実施形態]
図20には、第11実施形態の圧電アクチュエータ111を使用した光偏向素子123を示す。本実施形態の圧電アクチュエータ111は、2つの圧電アクチュエータ112,113を組み合わせた2軸駆動型の圧電アクチュエータである。そして、光偏向素子123は、この2軸駆動型の圧電アクチュエータ111の先端部にミラー部115が連結された2次元光偏向素子である。なお、各圧電アクチュエータ112,113の基本的な構成は、第5又は第7実施形態と同じであるので、以下では説明を省略する。
11…光偏向素子、12…ミラー部、13…ミラー面反射膜、14…ミラー部支持体、
21…多接点スイッチ、22…圧電アクチュエータ、23A〜23C…圧電カンチレバー、24,24A〜24C…支持体、25A〜25C…下部電極、26A〜26C…圧電体、27A〜27C…上部電極、28A〜28C…第1〜第3上部電極、28D,28E…第1,第3上部電極配線、30…共通下部電極、31…台座、32A〜32C…第1〜第3接点、
41…圧電アクチュエータ、42A〜42D…圧電カンチレバー、43,43A〜43D…支持体、44A〜44D…下部電極、45A〜45D…圧電体、46A〜46D…上部電極、47…第1上部電極,48…第2上部電極、49B,49D…第1上部電極配線、50C…第2上部電極配線、51…共通下部電極、52…台座、
61…圧電アクチュエータ、62A〜62D…圧電カンチレバー、64A〜64D…直線部、65A〜65D,66A〜66D…連結部、67a,67b…第1上部電極配線、68a,68b…第2上部電極配線、
70…圧電アクチュエータ、71…圧電アクチュエータ、72A〜72D…圧電カンチレバー、73…層間絶縁膜、74a〜74c…第1開口部、75a〜75c…第2開口部、76a,76b…第1上部電極配線、77a,77b…第2上部電極配線、
81…SOI基板、81a…活性層、81b…中間酸化膜層、81c…ハンドリング層、82a,82b…熱酸化シリコン膜、83…下部電極層、84…圧電体層、85…上部電極層、86…絶縁膜、87…電極配線層、
91…圧電アクチュエータ、92〜95…圧電アクチュエータ、92A〜92D,93A〜93D,94A〜94D,95A〜95D…圧電カンチレバー、96…キャパシタ部、97…導体保持部、98…上側導体、99…下側導体、100〜103,104A,104B…支持体、105A,105B…台座、106A,106B…第1上部電極、107A,107B…第2上部電極、108A,108B…共通下部電極、109A,109B…電極セット、
111…圧電アクチュエータ、112,113…圧電アクチュエータ、112A〜112D,113A〜113D…圧電カンチレバー、116,117…電極セット、116a,117a…第1上部電極、116b,117b…第2上部電極、116c,117c…共通下部電極、118〜121…支持体、122…台座、
123…光偏向素子、124…ミラー部、125…ミラー部支持体、126…ミラー面反射膜、
131…圧電アクチュエータ、132A…圧電カンチレバー、133,133A…支持体、134,134A…下部電極、135A…圧電体、136,136A…上部電極、137…台座。
Claims (3)
- 支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う圧電カンチレバーを複数備えると共に、該複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動電圧を印加するための複数の電極を独立に備え、
前記複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、前記駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形され、
前記複数の圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成され、
前記複数の圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成され、
前記電極は、前記半導体基板上に前記圧電膜との間に直接成膜された金属薄膜である下部電極層を形状加工して形成された下部電極と、前記圧電膜上に直接成膜された金属薄膜である上部電極層を形状加工して形成された上部電極と、前記上部電極層及び前記圧電膜を形状加工して前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して形成される、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンとを含むことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの両端部が隣り合うように並んで配置されて、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結され、
前記複数の電極は、前記隣り合う圧電カンチレバーの圧電体に互いに異なる駆動電圧を印加するための2つの独立した電極であり、
前記駆動電圧の印加により前記隣り合う圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形されることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う圧電カンチレバーを複数備えた圧電アクチュエータの製造方法において、
半導体基板上に金属薄膜である下部電極層を形成する下部電極層形成ステップと、
前記下部電極層上に単層の圧電膜を形成する圧電体層形成ステップと、
前記圧電膜上に金属薄膜である上部電極層を形成する上部電極層形成ステップと、
前記下部電極層、前記圧電膜及び前記上部電極層の形状を加工して、前記複数の圧電カンチレバーの圧電体を形成すると共に、該圧電体に駆動電圧を印加するための上部電極と下部電極とを形成し、更に、前記上部電極層及び前記圧電膜を形状加工することにより、前記圧電カンチレバーの上部電極及び圧電体と部分的に分離して、前記複数の圧電カンチレバーのうち所定の圧電カンチレバーの圧電体に駆動電圧を印加するための電極配線パターンを形成する形状加工ステップと、
前記圧電体と前記上部電極と前記下部電極とが形成された前記半導体基板を加工して、複数の前記圧電カンチレバーの支持体を一体的に形成する支持体形成ステップとを含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
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