JP5300559B2 - 圧電駆動型mems素子 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には折り返し梁構造を備えた圧電アクチュエータが記載されている。折り返した構造を用いることによって、梁の反りを相殺することが可能となる。しかし、梁を折り返す分、電極膜の距離が増加し、電極膜の抵抗により、出力される信号の損失が大きくなりQ値が低下してしまうといった問題点がある。
その具体的な方法は、導体の抵抗値を表すR=ρ・(L/w・t)より、圧電駆動型MEMS素子の電極膜の抵抗値を下げる方法としては、電極膜材料の抵抗率(ρ)の低いものを用いる、電極膜の長さ(L)を短くする、電極膜の幅を広くする(w)、電極膜の厚さを増やす(t)ことが挙げられる。
矩形型の圧電駆動型MEMS素子は、基板上に固定電極と梁(アクチュエータと可動電極)を備え、圧電アクチュエータ及び可動電極部は下部電極膜、下部圧電膜、中間電極膜、上部圧電膜、上部電極膜を主な構成要素とし、この可動電極は固定部によって基板に中空状に備えられている。その圧電膜に印加された電圧により、圧電膜が伸縮して、圧電アクチュエータが屈曲変位し、固定電極と可動電極の距離を変位させ、バリキャップ又はスイッチとして動作する。
折り返し型の圧電駆動型MEMS素子は、基板上に固定電極と往路梁(圧電アクチュエータ)及び復路梁(圧電アクチュエータと可動電極)を備える。そして、梁は並んで配置されている。そして、これらのアクチュエータの端部を接続する接続部を備える。アクチュエータ及び可動電極部は下部電極膜、下部圧電膜、中間電極膜、上部圧電膜、上部電極膜を主な構成要素とし、往路梁のアクチュエータの他端は固定部に接続されている。なお、折り返し型の圧電駆動型MEMS素子は同様の構造のアクチュエータ等を線対称に平行に配置したものでもよい。
このような変位により、固定電極及び可動電極を両電極とするバリキャップまたはスイッチとして機能する。
電極膜を厚くすることで、電極膜の抵抗を小さくすることができる。この場合は、信号を出力する電極膜の抵抗が出力される信号の損失に関係するので、その電極膜を厚くすることが好ましい。信号を出力しない電極膜の膜厚も厚くすると、信号を出力する電極膜の抵抗が小さくなる影響だけでなく、梁の屈曲性が低下して駆動電圧が高くなることが好ましくない。しかし、複数の電極膜を備えたアクチュエータの場合は電極膜の膜厚を変える場合、圧電駆動による梁の動作性を考慮して、信号を出力しない電極膜も厚くしてもよい。
接続位置の限定
う
図1は,実施例1の圧電駆動型MEMS素子の構成を例示する模式平面図である。
図1Bは,図1AのA−A’線断面図である。
図1Cは,図1AのB−B’線断面図である。
図1の概念図に示したように,本発明の第1の実施形態に係る圧電駆動型MEMS素子11は,基板101の主面上に梁が設けられ,固定部107から可動電極部103まで延在した圧電アクチュエータ102を備える。そして,固定部107と基板101は連結されており,基板101の主面上方に間隙115を設けて圧電アクチュエータ102,及び可動電極部は支持されている。また,基板101の主面上には固定電極部104が可動電極部103と対向して形成されており,更に固定電極部104上には絶縁膜108が形成されている。
なお、実施例1の形態の圧電駆動型MEMS素子の中間電極膜を0.1〜1.0μmまで変えたものも圧電駆動型MEMS素子も作成した。
図2は,出力信号の損失を軽減する手段を講じていない圧電駆動型MEMS素子構成を例示する概念図である。
図2Bは,図2AのC−C’線断面図である。
図2の概念図に示したように,比較例1に係る圧電駆動型MEMS素子12は,中間電極膜の厚さ0.2μmであること、分離部106がないこと、接続部が無いこと以外は実施例1の圧電駆動型MEMS素子11と同じである。
ここで,前述のように,圧電駆動型MEMS素子12の圧電アクチュエータ102の中間電極膜132は,下部電極膜133,及び上部電極膜131と同じ電極膜厚であるため,電極抵抗はほぼ同じである。
表1は,実施例1の圧電駆動型MEMS素子11と比較例1の圧電駆動型MEMS素子12で可変キャパシタ(バリキャップ)を形成したときの,2GHzにおけるQ値の比較を行ったものである。なお,可変キャパシタの静電容量はどちらとも約0.4pFである。
なお,それぞれのQ値は(2)式により算出している。
ここで,Im(Y)は圧電駆動型MEMS素子のアドミッタンスの虚部,Re(Y)はアドミッタンスの実部である。
表1に示されているように,実施例1の形態の圧電駆動型MEMS素子11のQ値は,比較例1の圧電駆動型MEMS素子12と比較して,可動電極部103が圧電アクチュエータの最も電極厚の大きな箇所,即ち,中間電極膜112に接続されているため,Q値が二倍近く増加している。従って,実施例1の形態に示した圧電駆動型MEMS素子11は信号を出力する電極膜の厚さを厚くすることで、可変キャパシタのQ値の増加に効果があることが分かる。なお,同様の構成で形成可能なスイッチについても,同様にON時の挿入損失の増加を抑制することに効果があることは明らかである。
なお、実施例1の中間電極膜をより厚くした場合はその圧電駆動型MEMS素子の信号の損失をさらに小さくすることが出来る。
図3は,実施例1の圧電駆動型MEMS素子11の変形例を示した圧電駆動型MEMS素子13の構成を例示する概念図である。
図3Bは,図3AのD−D’線断面図である。
図3Cは,図3AのE−E’線断面図である。
第1の変形例に係る圧電駆動型MEMS素子13は,圧電アクチュエータ102,及び可動電極部103の下部電極膜123,133,及び上部電極膜121,131の膜厚が中間電極膜122,132と比較して大きくなっており,更に,可動電極部103において,下部電極膜123と上部電極膜121が接続配線105によって電気的に接続されていること以外は実施例1の圧電駆動型MEMS素子11と同じである。
ただし,電極膜厚の増加は圧電アクチュエータ102の変位量を抑制する方向に作用する。図9のグラフは,実施例1と変形例1の、それぞれ信号を出力する電極膜の厚さを0.1〜1.0μmまで変えた圧電駆動型MEMS素子の、信号を出力する電極膜の厚さと、駆動電圧1Vでの変位量の関係を比較したものである。図9のグラフから明らかなように,下部電極膜,及び上部電極膜の電極膜厚の増加は,中間電極膜の電極膜厚の増加と比較して,圧電アクチュエータ102の変位量の減少に大きく寄与する。そのため,圧電アクチュエータ102の1Vあたりの変位量を考慮すると,信号を出力する電極膜を中間電極膜として、その中間電極膜を厚くした圧電駆動型MEMS素子とした方が望ましい。
図5は,本発明の第2の実施形態に係る圧電駆動型MEMS素子14の構成を例示する模式平面図である。
図5Bは,図5AのF−F’線断面図である。
図5Cは,図5AのG−G’線断面図である。
本発明の第2の実施形態に係る圧電駆動型MEMS素子14は,実施例1の圧電駆動型MEMS素子11と比較して、電極膜厚がいずれも同じであること、分離部がないこと、可動電極部にて下部電極膜223と上部電極膜221が接続配線205によって接続されていること以外は同じである。
表2は,比較例1と実施例2との可変キャパシタでのQ値を比較したものである。表2に示されているように,実施例2の圧電駆動型MEMS素子14のQ値は,比較例の圧電駆動型MEMS素子12と比較して,可動電極部203が圧電アクチュエータ202の下部電極膜233,及び上部電極膜231に接続されているため,Q値が増加している。従って,実施例2の形態に示した圧電駆動型MEMS素子14は可変キャパシタのQ値低下を抑制することに効果があることが分かる。なお,同様の構成で形成可能なスイッチについても,同様にON時の挿入損失の増加を抑制することに効果があることは明らかである。
図6は,実施例2の圧電駆動型MEMS素子14の変形例2を示した圧電駆動型MEMS素子15の構成を例示する概念図である。
図6Bは,図6AのH−H’線断面図である。
図6Cは,図6AのI−I’線断面図である。
図6に示したように,変形例2に係る圧電駆動型MEMS素子15は,実施例2の圧電駆動型MEMS素子14と比較して,下部電極膜と上部電極膜との接続位置が異なる。具体的には,第2の実施形態の圧電駆動型MEMS素子14は可動電極203の下部電極膜223と上部電極膜221が接続されていたのに対し,変形例2の圧電駆動型MEMS素子15は圧電アクチュエータ202の下部電極膜233と上部電極膜231が接続されていて、接続位置をアクチュエータの先端(固定電極204の固定部側の端部)から固定部207側に0〜400μm移動させた。
図8Bは,図8AのL−L’線断面図である。
図8Cは,図8AのM−M’線断面図である。
図9A〜Cは図8の接続部327,328における電極膜の接続を例示した概念図である。
可動電極部317,及び可動電極部318は圧電アクチュエータ302〜305と同様の積層構造となっているが,可動電極317内,及び可動電極部318内において,下部電極膜333,343と上部電極膜331,341が電気的に接続されている。
変形例3の圧電駆動型MEMS素子は中間電極膜の厚さを下部電極膜,上部電極膜と同じにしたこと以外は実施例3の形態の圧電駆動型MEMS素子16と同じである。
変形例4の圧電駆動型MEMS素子17は図10の概念図に例示したように実施例3の圧電駆動型MEMS素子16の接続配線313,314を省略した構成である。接続配線313、314がないため、固定電極308と可動電極部317,318間の信号が、復路梁の上部及び下部電極を通らないこと以外は、実施例3の圧電駆動型MEMS素子16と同じである。
変形例4の圧電駆動型MEMS素子18は図11の概念図に例示したように、中間電極膜の厚さが、上部及び下部電極膜の厚さと同じであること以外は変形例4の圧電駆動型MEMS素子18と同じである。
図12の概念図に例示された実施例4の圧電駆動型MEMS素子19は実施例3の圧電駆動型MEMS素子16と比較して、接続部413,414が可動電極部417,418の下部電極膜と中間電極膜を接続し、下部電極膜が分離部411,412によって可動電極部側と圧電アクチュエータ側に分離されて、接続部427,428で、往路梁の下部電極膜及び上部電極膜が、復路梁の中間電極膜と接続配線で接続され、往路梁の中間電極膜と復路梁の上部電極膜及び下部電極膜が接続配線423,425で接続されている以外は同じである。
12…比較例1の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
13…変形例1の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
14…実施例2の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
15…変形例2の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
16…実施例3の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
17…変形例3の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
18…比較例2の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
19…実施例4の実施形態の圧電駆動型MEMS素子
101…基板
102…圧電アクチュエータ
103…可動電極部
104…固定電極部
105…接続配線
106…分離部
107…固定部
108…絶縁膜
109…電源
110…間隙
121…上部電極膜(可動電極部)
122…中間電極膜(可動電極部)
123…下部電極膜(可動電極部)
124…上部圧電膜(可動電極部)
125…下部圧電膜(可動電極部)
131…上部電極膜(圧電アクチュエータ)
132…中間電極膜(圧電アクチュエータ)
133…下部電極膜(圧電アクチュエータ)
134…上部圧電膜(圧電アクチュエータ)
135…下部圧電膜(圧電アクチュエータ)
201…基板
202…圧電アクチュエータ
203…可動電極部
204…固定電極部
205…接続配線
206…分離部
207…固定部
208…絶縁膜
209…電源
210…間隙
221…上部電極膜(可動電極部)
222…中間電極膜(可動電極部)
223…下部電極膜(可動電極部)
224…上部圧電膜(可動電極部)
225…下部圧電膜(可動電極部)
231…上部電極膜(圧電アクチュエータ)
232…中間電極膜(圧電アクチュエータ)
233…下部電極膜(圧電アクチュエータ)
234…上部圧電膜(圧電アクチュエータ)
235…下部圧電膜(圧電アクチュエータ)
301…基板
302、303,304,305…圧電アクチュエータ
306,307…固定部
309…電源
313、314…接続配線
315…間隙
316…絶縁膜
317、318…可動電極部
322、323,324,325…接続配線
327,328…接続部
331、341,351,361,371,381…上部電極膜
332、342,352,362,372,382…中間電極膜
333、343,353,363,373,383…上部電極膜
334、344,354,364,374,384…上部圧電膜
335、345,355,365,375,385…下部圧電膜
401…基板
402、403,404,405…圧電アクチュエータ
406,407…固定部
409…電源
411,412…分離部
413、414…接続配線
415…間隙
416…絶縁膜
417、418…可動電極部
422、423,424,325…接続配線
427,428…接続部
431、441,451,461,471,481…上部電極膜
432、442,452,462,472,482…中間電極膜
433、443,453,463,473,483…上部電極膜
434、444,454,464,474,484…上部圧電膜
435、445,455,465,475,485…下部圧電膜
Claims (7)
- 基板と
前記基板上に梁の一方の端部を固定して、梁の少なくとも一部を中空状に保持する固定部と、
下部電極膜と,前記下部電極膜上に形成された下部圧電膜と,前記下部圧電膜上に形成された中間電極膜と,前記中間電極膜上に形成された上部圧電膜と,前記上部圧電膜上に形成された上部電極膜とを有する梁と,
前記梁の下部電極膜及び上部電極膜と,中間電極膜との間に電圧を印加する電源部と,
前記梁の固定部とは反対側の端部と電気回路を構成する基板上に配置された固定電極とを備え,
前記下部電極膜,前記中間電極膜,前記上部電極膜のうちいずれか1つ又は2つの電極膜が他の前記電極膜より厚く、
前記下部電極膜を前記固定部側と前記固定電極側に分離する分離部を備え、
前記中間電極膜が前記下部電極膜及び前記下部電極膜より厚く、
前記中間電極膜と前記分離部によって分離された前記固定電極側の下部電極膜が電気的に接続されていることを特徴とする圧電駆動型MEMS素子。 - 基板と
前記基板上に梁の一方の端部を固定して、梁の少なくとも一部を中空状に保持する固定部と、
下部電極膜と,前記下部電極膜上に形成された下部圧電膜と,前記下部圧電膜上に形成された中間電極膜と,前記中間電極膜上に形成された上部圧電膜と,前記上部圧電膜上に形成された上部電極膜とを有する梁と,
前記梁の下部電極膜及び上部電極膜と,中間電極膜との間に電圧を印加する電源部と,
前記梁の固定部とは反対側の端部と電気回路を構成する基板上に配置された固定電極とを備え,
前記下部電極膜,前記中間電極膜,前記上部電極膜のうちいずれか1つ又は2つの電極膜が他の前記電極膜より厚く、
前記下部電極膜を前記固定部側と前記固定電極側に分離する分離部を備え、
前記下部電極膜又は前記上部電極膜の少なくともどちらかが前記中間電極膜より厚く、
前記上部電極膜と前記分離部によって分離された前記固定電極側の下部電極膜が前記中間電極膜とは接触しないように電気的に接続されていることを特徴とする圧電駆動型MEMS素子。 - 基板と
前記基板上に梁の一方の端部を固定して、梁の少なくとも一部を中空状に保持する固定部と、
下部電極膜と,前記下部電極膜上に形成された下部圧電膜と,前記下部圧電膜上に形成された中間電極膜と,前記中間電極膜上に形成された上部圧電膜と,前記上部圧電膜上に形成された上部電極膜とを備えた梁と,
前記梁の一方の端部を固定する基板上に配置された固定部と、
前記梁の下部電極膜及び上部電極膜と,中間電極膜との間に電圧を印加する電源部と,
前記梁の固定部とは反対側の端部と電気回路を構成する基板上に配置された固定電極とを備え,
前記下部電極膜と前記上部電極膜が前記中間電極膜とは接触しないように接続されたことを特徴とする圧電駆動型MEMS素子。 - 前記下部電極膜と前記上部電極膜が前記中間電極膜とは接触しないように接続する配線が、前記梁の固定電極側の端部からに4分の1以下の位置に備えられていることを特徴とする請求項3に記載の圧電駆動型MEMS素子。
- 基板と、
下部電極膜と,前記下部電極膜上に形成された下部圧電膜と,前記下部圧電膜上に形成された中間電極膜と,前記中間電極膜上に形成された上部圧電膜と,前記上部圧電膜上に形成された上部電極膜とを備え、かつ、線対称に配置された往路梁及び復路梁と、
前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜を接続、
又は、
前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜を接続する接続部と、
前記往路梁の前記接続部とは反対側の端部を固定する前記基板に配置され、前記基板上に梁の一方の端部を固定して、梁を中空状に保持する固定部と、
前記復路梁の前記接続部とは反対側の端部と電気回路を形成する固定電極と、
往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と中間電極膜間の間に電圧を印加する電源部とを備え、
前記中間電極膜の膜厚が前記上部電極膜及び下部電極膜より厚く、
前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜が接続され、
前記復路梁の下部電極膜と上部電極膜が前記復路梁の中間電極膜と接触しないように電気的に接続されていることを特徴とする圧電駆動型MEMS素子。 - 基板と、
下部電極膜と,前記下部電極膜上に形成された下部圧電膜と,前記下部圧電膜上に形成された中間電極膜と,前記中間電極膜上に形成された上部圧電膜と,前記上部圧電膜上に形成された上部電極膜とを備え、かつ、線対称に配置された往路梁及び復路梁と、
前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜を接続、
又は、
前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜を接続する接続部と、
前記往路梁の前記接続部とは反対側の端部を固定する前記基板に配置され、前記基板上に梁の一方の端部を固定して、梁を中空状に保持する固定部と、
前記復路梁の前記接続部とは反対側の端部と電気回路を形成する固定電極と、
往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と中間電極膜間の間に電圧を印加する電源部とを備え、
前記中間電極膜の膜厚が前記上部電極膜及び下部電極膜より厚く、
前記往路梁の中間電極膜と前記復路梁の上部電極膜及び下部電極膜を接続し、かつ、前記往路梁の上部電極膜及び下部電極膜と前記復路梁の中間電極膜が接続され、
前記復路梁の下部電極膜を前記固定電極側と前記接続部側に分離する分離部と、
前記分離部によって分離された固定電極側の下部電極膜と復路梁の中間電極膜が接続されていることを特徴とする圧電駆動型MEMS素子。 - 復路梁を線対称に配置された二部の前記圧電駆動型MEMS素子と、
前記両圧電駆動型MEMS素子の復路梁の固定電極側の端部を接続したことを特徴とする請求項5又は6に記載の圧電駆動型MEMS素子。
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