JP5432440B2 - 揺動体装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに電気的に絶縁された複数の導電性領域を有するマイクロ構造体などの揺動体装置に関する。この揺動体装置は、アクチュエータ、各種センサ、光偏向器などとして応用可能である。

従来、静電櫛歯により発生する静電気力を用いて可動体を揺動させる方式のアクチュエータが各種提案されている。これらのアクチュエータは、半導体プロセスを応用したMEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）技術で、シリコン基板等を用いて作製される。光走査等に用いられるアクチュエータとして、回転型アクチュエータを挙げることができる。

こうした回転型アクチュエータとして、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）などから形成され、厚さ方向に上下に電気的に分離された領域を有する揺動体装置が提案されている。具体的には、可動体に設けた静電の可動櫛歯と、支持部に設けた静電の固定櫛歯を、基板厚さ方向に上下に電気的に分離する構成のものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された回転型アクチュエータは、複数のシリコン層が絶縁膜を介して積層されたＳＯＩ基板を用いて作製されている。そのため、揺動する可動体を、基板厚さ方向に絶縁層により電気的に上下に分離することができる。この構成により、可動体の両端に、基板厚さ方向にそれぞれ上方向と下方向の力を印加することができるので、可動体を或る軸の回りに回転させられる。言い換えると、この構成を用いることで、基板によって形成された可動体において、基板面外への回転運動を発生させることができる。
特開2006-154315号公報

特許文献１のような構成のアクチュエータを駆動する時は、回転方向に発生する静電気力と共に、回転を抑制する方向にも小さな静電気力が発生する。高い効率の駆動を行おうとする場合、この回転を抑制する静電気力を低減することが要望される。

上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は、可動体と、前記可動体を回転軸の回りに揺動可能に支持する支持部と、前記可動体と前記支持部とを連結する、前記回転軸としての支持バネと、を含む。そして、前記可動体が、前記可動体の厚さ方向に複数の導電性領域に電気的に分離されており、該厚さ方向に電気的に分離された複数の導電性領域の少なくとも１つが、前記厚さ方向に対して垂直な方向に電気的に分離された複数の導電性領域を有し、前記厚さ方向及び前記垂直な方向に夫々電気的に分離された複数の導電性領域は各々、前記支持バネを介して、前記支持部の夫々電気的に分離された複数の領域に電気的に接続されている。

上記揺動体装置は、例えば、次のような装置として用いることができる。入力された電気エネルギーを物理的な運動に変換して可動体を回転軸の回りに揺動させるために導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段を有するアクチュエータに応用できる。ここでは、前記電圧印加手段は、前記厚さ方向に電気的に分離された複数の導電性領域が、互いに異なる電位となるよう電圧を印加する。また、可動体を回転軸の回りに揺動させるために導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段と、回転軸の回りの可動体の回転状態を検出するために導電性領域に誘導される誘導電荷の大きさを検出する検出手段とを有するアクチュエータに応用できる。

また、外力により可動体が回転軸の回りに回転しないように導電性領域に電圧を印加して該印加電圧に基づき外力を検出する検出手段を有するセンサに応用できる。また、可動体を回転軸の回りに参照振動させるために導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転軸に直交する別の回転軸の回りの可動体の回転状態を検出する検出手段とを有するジャイロセンサに応用できる。

本発明によると、可動体が、より細かく電気的に分離された複数の導電性領域を有するので、回転を抑制する静電気力を更に低減してより駆動効率の良いアクチュエータ等の揺動体装置を実現することができる。

本発明では、回転軸の回りに揺動可能に支持された可動体が、厚さ方向に複数に電気的に分離されると共に、該電気的に分離された複数の領域の少なくとも１つが、更に電気的に分離された複数の領域を有する。例えば、マイクロ構造体の可動体が、３つ或いは４つ以上の電気的に絶縁された部位を有する。具体的には、例えば、基板厚さ方向に上下に電気的に分離された２つの導電性領域を有し、更に、マイクロ構造体の基板面内で、マイクロ構造体の回転軸を横切る方向（例えば、厚さ方向に対して垂直な方向）に電気的に分離されている構成になっている。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１、図２、図３を用いて、第１の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態に係る、入力された電気エネルギーを物理的な運動に変換するアクチュエータの斜視図である。図１において、１０１は基板、１０２は支持部、１０３は可動体、１０４・１０５は支持バネ、１０６・１０７は絶縁部、１１１・１１４は静電櫛歯部である。１１２・１１５は可動電極、１１３・１１６は固定電極、１２１は第１の電極、１２２は第２の電極、１２３は第３の電極、１２４は第４の電極である。

基板１０１は、ＳＯＩ基板のような複数のシリコン層の間に絶縁層が積層された基板を用いることができる。ここでは、２層のシリコン層２０１・２０３間に絶縁膜２０２がある構成の基板を用いている。可動体１０３、支持バネ１０４・１０５、静電櫛歯部１１１・１１４、支持部１０２は、基板１０１をくり貫くことで容易に作製することができる。

可動体１０３は、２本の支持バネ１０４・１０５により、支持部１０２から回転軸の回りに揺動可能に支持されている。ここでは、可動体１０３の回転軸は、支持バネ１０４・１０５断面の中心と一致しており、矢印Ａの方向に回転を発生しやすいようなバネ構造となっている。静電櫛歯部１１１・１１４は、可動体１０３上に配置された可動櫛歯電極１１２・１１５と、支持する部分に固定された固定櫛歯電極１１３・１１６により、夫々構成される。静電櫛歯部１１１・１１４は複数（ここでは、２つ）配置されており、支持部１０２面内において、可動体１０３の回転軸に対して対称な関係に配置される。

図１のアクチュエータは、絶縁部１０６と絶縁部１０７により、基板面内において、第１の電極１２１、第２の電極１２２、第３の電極１２３、第４の電極１２４に分けられている。すなわち、基板面内において、回転軸を横切る方向に電気的に分離されている。この例では、アクチュエータの構造自身（支持部１０２、可動体１０３、支持バネ１０４・１０５）を電気的な配線として用いている。ここで、第１の電極１２１は、可動体１０２の左部分に支持バネ１０４を介して電気的に接続されており、第２の電極１２２は可動体１０２の右部分に支持バネ１０５を介して電気的に接続されている。つまり、第１の電極１２１は、可動体１０２の左側の可動電極１１２と接続されており、第２の電極１２２は、可動体１０２の右側の可動電極１１５と接続されている。また、第３の電極１２３は、可動体１０２の左側の可動電極１１２と対向する固定電極１１３と接続されており、第４の電極１２４は、可動体１０２の右側の可動電極１１５と対向する固定電極１１６と接続されている。

ここまでは、基板１０１上面のシリコン層２０１について説明したが、図１のアクチュエータは、２層のシリコン２０１・２０３間の絶縁膜２０２により、基板厚さ方向に電気的に絶縁分離されている。そのため、第１から第４の電極の下部に位置する第２のシリコン層２０３には、同じ場所で同じ形状の第５から第８の電極が配置されている。よって、計８つの異なる電位を有することが可能な構成となっている。

図２に、図１のアクチュエータの非駆動時すなわち中立状態（可動体１０３が回転していない状態）での直線Ｘ-Ｘ’における基板１０１に垂直な方向の断面図を示す。１２５は第５の電極、１２６は第６の電極、１２７は第７の電極、１２８は第８の電極、３０１は可動体１０３の回転中心である。ここでは、第１の電極１２１の電位をＶ１、第２の電極１２２の電位をＶ２、第３の電極１２３の電位をＶ３、第４の電極１２４の電位をＶ４としている。また、第５の電極１２５の電位をＶ５、第６の電極１２６の電位をＶ６、第７の電極１２７の電位をＶ７、第８の電極１２８の電位をＶ８としている。

以上のように、可動体１０３が４つの電気的に絶縁分離された導電性領域を含んでいて、可動体１０３内に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６の独立した４つの電位を確立することが可能な構成となっていることが本実施形態の特徴である。

以下、４つの独立した電位を持つ可動体１０３を、どのように駆動するかについて説明する。図３は、アクチュエータを駆動する時の図２と同じ断面を示す図である。図３において、＋は正の電位、−は負の電位、Ｇｎｄは基準電位を表し、Ｆ１〜Ｆ８は静電櫛歯部１１１・１１４に発生する静電気力である。図３において、固定電極側のＶ３＝＋（正の電位を意味する。以下同じ。）、Ｖ４＝＋、Ｖ７＝−（負の電位を意味する。以下同じ。）、Ｖ８＝−であり、ここでは、これらは変化させない。

また、図３（ａ）において、可動体１０３内のＶ１＝Ｇｎｄ、Ｖ２＝＋、Ｖ５＝−、Ｖ６＝Ｇｎｄであり、ここでは、これらは切り換える。静電櫛歯部１１１・１１４の電極間に電位差があると、静電気力が発生し引き合う。そのため、第３の電極２１３（＋）と第５の電極２１５（−）との間に、静電気力Ｆ１が発生し、第２の電極２１２（＋）と第８の電極２１８（−）との間に、静電気力Ｆ２が発生する。そのため、図３の可動体１０３において、左部分に上向きの力が、右部分に下向きの力が発生し、可動体１０３全体としては、回転軸３０１を中心として右回りの方向に回転する。

一方、第１の電極２１１（Ｇｎｄ）と第３の電極２１３（＋）の間には、静電気力Ｆ３が発生し、第６の電極２１４（Ｇｎｄ）と第８の電極２１８（−）の間には、静電気力Ｆ４が発生する。静電気力が発生している電極間の電位差が、力Ｆ１・Ｆ２の電位差に比べて小さいので、これらの力Ｆ３・Ｆ４は、Ｆ１・Ｆ２より小さくなる。更に、Ｆ３・Ｆ４は、距離が広がりつつある電極間に働いている力であり、静電気力の大きさは電極間の距離の二乗に反比例することから、力Ｆ３・Ｆ４は力Ｆ１・Ｆ２に比べて非常に小さい値となる。そのため、Ｆ３・Ｆ４は可動体１０３の右回りの回転を妨げる向きの力であるが、回転に与える影響を非常に小さくすることができる。これにより、回転を抑制する静電気力を低減して、より駆動効率の高い、静電櫛歯による回転を行うことができる。

次に、図３（ｂ）において、Ｖ１＝＋、Ｖ２＝Ｇｎｄ、Ｖ５＝Ｇｎｄ、Ｖ６＝−である。第１の電極２１１（＋）と第５の電極２１５（−）との間に、静電気力Ｆ５が発生し、第４の電極２１４（＋）と第６の電極２１６（−）との間に、静電気力Ｆ６が発生する。そのため、図３の可動体１０３において、左部分に下向きの力が、右部分に上向きの力が発生し、可動体１０３全体としては、回転軸３０１を中心として左回りの方向に回転する。

一方、この際も、第５の電極２１５（Ｇｎｄ）と第７の電極２１７（−）の間には、静電気力Ｆ７が発生し、第２の電極２１２（Ｇｎｄ）と第４の電極２１４（＋）の間には、静電気力Ｆ８が発生する。これらの力Ｆ７・Ｆ８は可動体１０３の右回りの回転を妨げる向きの力であるが、図３（ａ）のときと同じ理由で、回転に与える影響を非常に小さくすることができる。

上述した図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態のように、可動体１０３を一定の所まで回転させて、静電気力の印加を停止すると、支持バネ１０４のねじり力で反対方向に回り始める。そこで、こうした運動が発生するようにタイミングを合わせて図３（ａ）の電位印加状態と図３（ｂ）の電位印加状態を交互に繰り返すことで、可動体１０３を所望の態様で回転駆動することが可能となる。ここでは、可動体１０３の各電極領域の電位を変化させ、固定側の電極領域の電位は一定の電位に制御しているが、電位制御方式はこれに限らない。所望する揺動態様、アクチュエータの構成などに応じて適宜決定すればよい。いずれにせよ、本実施形態の如く電極の導電性領域を分割することで、より細かな制御が可能となる。また、静電駆動に用いる電位を、「＋」、「−」、「Ｇｎｄ」の３つとして説明したが、これに限るものではなく、３つの異なる電位であればよい。これも、所望する揺動態様、アクチュエータの構成などに応じて適宜決定すればよい。これらのことは、他の実施形態でも同様である。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体によれば、回転を抑制する静電気力を低減して、より駆動効率の良いアクチュエータを構成することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。本実施形態は、駆動時に可動体の回転状態の検出を行うという特徴を有する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。

本実施形態では、基準電位（Ｇｎｄ）として用いている電極部位を利用して、回転状態の検出を行う。回転状態の検出を行う場合、この電極部位に電流(電荷)-電圧変換回路の入力側が接続される構成になっている。以下、詳細に説明する。

図４に、第２の実施形態に係るアクチュエータの駆動・検出を説明するためのブロック図を示す。５０１は駆動発生手段、５０２は回転状態検出手段、５０３は信号切り替え手段、５０４はアクチュエータ（断面で表してある）である。

図３（ａ）に示すように可動体１０３を右に傾かせる場合は、信号切り替え手段５０３をＳ１側に切り替える。それにより、駆動発生手段５０１から、第２の電極と第５の電極にそれぞれＶ２、Ｖ５の電位を印加することができ、第１の実施形態で説明したのと同様に可動体１０３に時計回りの力が発生する。

一方、第１の電極と第６の電極は、回転状態検出手段５０２の持つ基準電位（Ｇｎｄ）と同じ電位となっている。そのため、第３の電極と第５の電極間と第２の電極と第８の電極間に発生する静電引力に与える抑制力の影響を小さくすることができる。また、同時に、可動体１０３が移動することにより、第１の電極と第６の電極には、第３の電極と第８の電極の電位により、誘導電荷が誘起される。この誘導電荷の量を測定することで、振動子である可動体１０３と固定電極の位置関係を把握することができるため、可動体１０３の回転状態を検出できる。誘導電荷の量は、信号切り替え手段５０３により第１の電極と第６の電極に接続された回転状態検出手段５０２において測定される。

他方、図３（ｂ）に示すように左に傾かせる場合は、信号切り替え手段５０３をＳ２側に切り替える。それにより、第１の電極と第６の電極にそれぞれＶ１、Ｖ６の電位を印加することができ、第１の実施形態で説明したのと同様に可動体１０３に反時計回りの力が発生する。一方、ここでは、第２の電極と第５の電極が、回転状態検出手段５０２の持つ基準電位（Ｇｎｄ）と同じ電位となっている。よって、回転状態検出手段５０２により、第２の電極と第５の電極に誘導された電荷の量が検出される。

ここで、図５-１と図５-２を用いて回転状態検出手段５０２である電流(電荷)-電圧変換回路の例を説明する。図５-１は抵抗を用いた電流(電荷)-電圧変換回路であり、図５-２はオペアンプを用いたトランスインピーダンス回路である。

図５-１の回路において、６０１は検知電極（この回路に接続された何れかの電極）、Ｃｐは寄生容量、Ｒｉｎは高抵抗、Ｒ１とＲ２は抵抗、ＦＥＴはＦＥＴ素子、Ｖｏｕｔは出力電圧、ＧＮＤは回路グランドである。図５-２の回路において、６０１は検知電極、ＯＰ-ＡＭＰはオペアンプ（演算増幅器）、Ｒｆは帰還部抵抗、Ｃｆは帰還部容量、Ｃｐは寄生容量、Ｖｏｕｔは出力電圧、ＧＮＤは回路グランドである。

図５において、検知電極６０１は、回路の基準電位であるグランドＧｎｄとほぼ同じ電位に固定されている。図５-１の回路では、誘導電荷によりＦＥＴのゲート電極に電位を発生させ、その電位の大きさによりＦＥＴを制御して、電圧信号に変換する。図５-２の回路では、誘導電荷によりオペアンプの帰還部（Ｒｆ、Ｃｆ）に電位を発生させ、その電位をＶｏｕｔとして電圧信号に変換している。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体は、可動体を揺動させるために導電性領域に電位を印加する電位印加手段と、可動体の回転状態を検出するために導電性領域に誘導される誘導電荷の大きさを検出する検出手段とを有する。これにより、本実施形態では、可動体の回転状態をモニタしてモニタ結果をフィードバックして駆動電位信号に反映させることができるアクチュエータとできる。

上記構成は次のように変形することができる。すなわち、図１の第３の電極１２３と第４の電極１２４と第７の電極と第８の電極を、更に絶縁分離して、夫々の電極を、駆動と可動体１０３の回転状態の検出の為に専用に用いることもできる。図６は、この変形形態を説明するための斜視図である。図６において、１３１は検出専用の第９の電極、１３２は検出専用の第１０の電極、１３３は検出専用の第１１の電極、１３４は検出専用の第１２の電極である。第３の電極１２３と第４の電極１２４が、夫々、可動体１０３の駆動専用に用いられる電極である。

このように、第１の電極１２１と第２の電極１２２と第３の電極１２３と第４の電極１２４は、駆動に用いる。一方、第９電極１３１、第１０の電極１３２、第１１の電極１３３、第１２の電極１３４は、可動体１０３が揺動することにより発生する誘導電荷を検出するための電極に用いる。図６においては、第１のシリコン層２０１についてのみ記載されているが、第２のシリコン層２０３についても、同様に分割された電極が配置されている。

以上のような構成を用いることで、図４の信号切替え手段５０３を用いることなく、可動体１０３の駆動と可動体１０３の回転状態のモニタとを実行することができる。そのため、可動体１０３の回転状態の信号を常に取得できるため、より高精度に可動体１０３の回転状態を検出することができる。上記構成に替え、固定電極側は分割しないで、可動体１０３の分割された電極を更にそれぞれ３つに電気的に分割する構成として、駆動専用の電極と検出専用の電極とを配置することもできる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、可動体１０３を含む揺動体装置をセンサとして用いることを特徴とする。それ以外は、第２の実施形態と同じである。

図１で示す揺動体装置のマイクロ構造体を、センサとして用いる動作を説明する。可動体１０３を、矢印Ａの方向に回転させる力を検出するセンサを考える。本実施形態は、可動体１０３の有する電気的に分離された４つの電極領域の電位を、可動体１０３の回転状態の検出と可動体１０３の回転を抑制する力を発生させることとに用いることが特徴である。

具体的には、外力により、可動体１０３が矢印Ａ方向に回転しようとすると、可動体１０３の回転した大きさに対応した信号が一部の電極領域により検出される。この検出信号が、可動体１０３が揺動していないことを示すように、可動体１０３の適当な電極領域に駆動信号を印加する。それにより、可動体１０３は初期状態に保持され、可動体１０３に印加されている外力と可動体１０３に印加される電位による静電気力とが、釣り合った状態になる。よって、外力の大きさは、印加した静電気力の大きさを算出することで検出することができる。静電気力の大きさは、静電櫛歯部の形状と印加電位により計算することができる。こうした形態では、可動体１０３の僅少な揺動の有無を検出するだけでよいので高感度な検出を行うことができる。また、可動体１０３が大きく回転することがないため、可動体１０３の非線形な可動特性が発生して検出に悪影響を与えることがない。よって、高精度な検出を行うことができる。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体は、外力により可動体が回転軸の回りに回転しないように導電性領域に電位を印加して該印加電位に基づき外力を検出する検出手段を有する。これにより、本実施形態では、高精度なセンサとできる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、絶縁部１０６、１０７の構成に特徴を有する。それ以外は、第１から第３の何れかの実施形態と同じである。

本実施形態では、絶縁部が貫通孔または溝を有していることを特徴とする。図７-１は、本実施形態に係るマイクロ構造体の斜視図である。図７-２は、絶縁部において貫通孔４０２を有した熱酸化膜４０１の一部を拡大した図である。図７-２（a）は基板の上面図、図７-２（b）は直線Ｂ１-Ｂ２での基板の断面図、図７-２（c）は直線Ｃ１-Ｃ２での基板の断面図である。図７-２において、４１１は第１の領域、４１２は第２の領域である。第１の領域４１１と第２の領域４１２は、絶縁部１０６、１０７の位置により種々の領域となる。

図７-２の構成において、熱酸化膜４０１は、第１の領域４１１と第２の領域４１２を分離するように、連続して形成されている。そのため、第１の領域４１１と第２の領域４１２間を電気的に絶縁することができる。ここで、熱酸化膜４０１が複数の貫通孔を有していることにより、第１の領域４１１と第２の領域４１２間を接続する絶縁材料（熱酸化膜）を、機械的強度を必要とする最小限の大きさに留めることができる。それにより、貫通孔を有さない絶縁膜を配置した構成に比べて、熱酸化膜の応力の影響による可動体や基板の変形をより受けにくい構成のマイクロ構造体を実現することができる。また、第１の領域４１１と第２の領域４１２間に発生する寄生容量の大きさを抑制することができる。

図９-１乃至図９-５は、本実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図である。この方法は、間隔を置いて複数の貫通孔を母材に形成する工程と、少なくとも前記複数の貫通孔の内部表面の母材に熱酸化を行って複数の貫通孔を含む連続した酸化領域（酸化物）を形成し互いに電気的に絶縁された複数の導電性の領域を母材に形成する工程を含む。これにより、複数の導電性領域の間の一部に連続した酸化領域が形成され、該連続した酸化領域によって複数の導電性領域が電気的に分離される。図９-１（a-1）を除く図９の各図において、（ａ）は図７-１の破線Ｐ−Ｐ’に沿った部分の断面を示し、（ｂ）は図７-１の破線Ｑ-Ｑ’に沿った部分の断面を示す。ただし、（ａ）では、見易くするために、可動体１０３に相当する部分の貫通孔の数は少なくしてある。図９において、２０１は基板や可動体などが形成される母料である第１のシリコン層、２０２は酸化膜、２０３は基板や可動体などが形成される母料である第２のシリコン層、２０４は第２のマスク材料、２０５は第１のマスク材料、２１０は酸化領域の貫通孔、２１１は熱酸化膜である。

本実施形態では、第１のシリコン層２０１と第２のシリコン層２０３の間に酸化膜２０２を有したＳＯＩ基板を用いる。ＳＯＩ基板の両面には、第２のマスク材料２０４を形成している。ここでは、シリコン窒化膜を用いている（図９-１（a-1））。

次に、基板の片面に第１のマスク材料２０５を形成し、第１のマスク材料２０５と第２のマスク材料２０４を、フォトリソやエッチングで任意のパターンに加工する（図９-１（a-2）、（b-2））。

次に、第１のマスク材料２０５をマスクとして、第１のシリコン層２０１をエッチングして任意のパターンに加工する（図９-２）。ここでは、第１のマスク材料２０５を形成した基板面から、マスクのない部分より異方性エッチングを行い、第１のシリコン層２０１に貫通孔２１０を形成する。この異方性エッチングには、Si-Deep-RIEを始めとするドライエッチングを用いることができる。また、第１のマスク材料２０５には、Ａｌ（アルミニウム）を始めとする金属や、窒化シリコン、酸化シリコン、ポリシリコンなどの材料を用いることができる。但し、マスク材料はこれに限るものではない。

次に、シリコン層間にあった酸化膜２０２の露出部分をエッチングで除去する。その後、第２のシリコン層２０３を、先程と同様に異方性エッチングを用いて加工する。異方性エッチングを用いることで、第２のシリコン層２０３の形状は、第１のマスク材料２０５の形状をほぼ転写したものとすることができる。第２のシリコン層２０３を加工し終わった後、ＳＯＩ基板の下面に形成していた第２のマスク材料２０４に対して、第１のマスク材料２０５と同じ形状でエッチングを行う（図９-３）。

その後、第１のマスク材料２０５を除去し、基板の洗浄を行い、シリコン表面から熱酸化を行う。熱酸化工程では、1000℃以上の温度の酸素雰囲気中にシリコンを長時間置くことで、露出しているシリコンに酸化シリコン２１１が成長する（図９-４）。この酸化シリコンは、シリコン表面上に成長するだけでなく、シリコン表面から内部にも酸化領域を広げて、成長する（前者と後者の厚さは55：45程度の比となる）。

ここで、熱酸化の過程について説明する。図８は、熱酸化の進み方を説明する基板上面図である。図８において、４０１は熱酸化膜、４０２は貫通孔、４１１は第１の領域、４１２は第２の領域である。また、４０３はシリコン表面上の熱酸化膜、４０４はシリコン内部に形成された熱酸化膜である。熱酸化膜４０１は、シリコン表面上の熱酸化膜４０３、シリコン内部に形成された熱酸化膜４０４の２種類の酸化膜から構成される。

まず、酸化前の状態を図８（ａ）に示す。この時、貫通孔４０２の間は全てシリコンであるので、第1の領域４１１と第２の領域４１２とは、絶縁されていない状態である。

次に、所定時間のほぼ半分、熱酸化を行った状態を、図８（ｂ）に示す。この時は、貫通孔４０２の表面上に熱酸化膜４０３が成長すると共に、シリコン内部にも熱酸化膜４０４が成長しており、隣同士の貫通孔４０２の間に存在するシリコンの幅は狭くなっている。そのため、第1の領域４１１と第２の領域４１２とは、先程より少し抵抗率が増加した状態である。

最後に、所定時間、熱酸化を行った状態を、図８（ｃ）に示す。この時は、隣同士の貫通孔４０２からシリコン内部に成長した熱酸化膜４０４が接触して、一体化している。そのため、第1の領域４１１と第２の領域４１２とは、絶縁された状態である。

図９に沿った説明に戻って、熱酸化時に用いた第２のマスク材料２０４は、最終的に除去してもよいし（図９-５）、特性上問題なければ、除去しなくてもよい。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体では、簡単な構成で、応力の小さな可動体内の絶縁を行うことができる。また、簡易な製造方法で可動体内の絶縁を実現することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、可動体１０３内の絶縁部の位置が上記実施形態とは異なる。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同じである。

図１０に、本実施形態に係るアクチュエータの断面図を示す。図１０から分かるように、 第１のシリコン層２０１における絶縁部１０６と、第２のシリコン層２０３における絶縁部１０６の位置が、左右方向にずれている。

図１１（ａ）に第１のシリコン層の平面図、図１１（ｂ）に第２のシリコン層の平面図を示す。図１１において、１０２は支持部、１０３は可動体、１０４・１０５は支持バネ、１０６は絶縁部、１１１・１１４は静電櫛歯部である。図１１から分かるように、第１のシリコン層における絶縁部１０６の配置は、第２のシリコン層における絶縁部１０６の配置とは、異なるように構成される。

このように、第１のシリコン層と第２のシリコン層での絶縁部１０６の配置をずらすことで、絶縁部による機械強度の低下を抑えることができ、且つ、絶縁部による応力変形を抑制することができる。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体により、機械的な強度の低減が少なく、応力変形の少ないマイクロ構造体を実現することができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、作製方法が上記実施形態とは異なる。それ以外は、第１から第５の何れかの実施形態と同じである。

本実施形態では、別体の第１のシリコン層２０１と第２のシリコン層２０３を用いて、後で張り合わせることを特徴とする。第１のシリコン層２０１には、上面に第２のマスク材料２０４が形成されている。また、第２のシリコン層２０３には、上面に酸化膜２０２が、下面に第２のマスク材料２０４が形成されている（図１２-１（a-1）、（b-1））。

まず、第２のシリコン層２０３上の酸化膜２０２を任意の形状に加工する。その際、シリコン層２０３に貫通孔を形成する部分とその周囲の酸化膜を除去する形状とする（図１２-１（a-2）、（b-2））。ただし、この段階で貫通孔の周囲の酸化膜は除去しないで行う方法もある。尚、以下の説明で用いる図１２は、図７-１の破線Ｐ-Ｐ’に沿った部分に相当する部分の断面を示す。

次に、第２のシリコン層２０３上に、第１のシリコン層２０１を貼り付ける。具体的には、第２のシリコン層２０３上の加工された酸化膜２０２と、第１のシリコン層２０１下面を接合する（図１２-２（a））。この接合は、ＭＥＭＳ技術で用いる接合技術を用いて容易に実現することができる。この際、第２のシリコン層２０３上の酸化膜２０２は任意の形状に加工されているが、酸化膜の残された領域で接合を行う。ここで、貫通孔を形成する部分とその周辺部分は、基板の大きさに対して小さな領域（上記破線Ｐ-Ｐに沿った部分のみ）であるため、機械的な強度等が問題にはならない。

張り合わせた後、第１のシリコン層２０１上の第２のマスク材料２０４上に、第１のマスク材料２０５を形成する。その後、第１のマスク材料２０５と第２のマスク材料２０４を、任意の形状に加工する（図１２-２（a））。この際の加工は、半導体プロセスに用いるフォトリソやエッチングを用いて精度良く行うことができる。

次に、第１のマスク材料２０５をマスクとして用いて、第１のシリコン層２０１を異方性エッチングする。この際、第１のマスク材料２０５の形状が、第１のシリコン層２０１にほぼ転写される。第１のシリコン層２０１を貫通後、続けて、第２のシリコン層２０３の異方性エッチングを行う。異方性エッチングを用いているため、第２のシリコン層２０３にも、第１のマスク材料２０５の形状がほぼ転写される（図１２-２（b））。本実施形態では、貫通孔を形成する際に、第１のシリコン層２０１と第２のシリコン層２０３の間に酸化膜２０２が介在しない。そのため、酸化膜が帯電することなどの理由により、異方性エッチングの垂直方向の加工精度が低下する問題が発生しにくく、加工精度の高い貫通孔を形成することができる。

その後、第２のシリコン層２０３下の第２のマスク材料２０４を、第１のマスク材料２０５と同じ形状に加工する（図１２-３（a））。

次に、第１のマスク材料２０５を除去した後、基板の洗浄を行い、シリコン表面から熱酸化を行う（図１２-３（b））。この際、貫通孔の側面に露出されたシリコン表面に加えて、第１のシリコン層２０１下面と第２のシリコン層２０３上面の酸化膜のない部分からも熱酸化が行われる。図１２-３（b）では、第１のシリコン層２０１下面と第２のシリコン層２０３上面からの酸化膜が接触していないが、本実施形態ではこれに限らない。ただし、熱酸化膜を接触させないことで、熱酸化膜による応力を緩和させやすくなる効果がある。一方、第２のシリコン層２０３上に形成した酸化膜２０２の厚さと、熱酸化の時間を変化させることで、接触させて一体化させることもできる。熱酸化膜を接触させた場合は、可動体１０３の機械的強度を向上させることができる。

熱酸化時に用いた第２のマスク材料２０４は、最終的に除去しても良いし（図１２-４）、特性上問題なければ、除去しなくてもよい。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体では、少ない工程で、加工精度の高く機械的特性に優れたものを実現することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、マイクロ構造体をジャイロセンサに用いていることが上記実施形態とは異なる。それ以外は、第１から第６の何れかの実施形態と同じである。

図１３に、本実施形態に係るジャイロセンサの模式図を示す。図１３において、７０１は第２の回転軸、７０２は第２の可動体、７０３は第１の回転軸、７０４は第１の可動体、７０５は静電櫛歯部、７０６は重り、７０７は絶縁部、７０８は配線、７１１は支持基板、７１２は凹部、７１３は検出電極である。

本実施形態のジャイロセンサは、第１の可動体７０４を或る振幅で参照振動させておき、角速度が入力された時に発生するコリオリ力を、第２の可動体７０２の振動の変位として検出する方式を用いている。また、ＳＯＩ基板１０１と支持基板７１１を張り合わせた構成になっている。支持基板７１１は、凹部７１２を有しており、検出電極７１３が配置されている。

第１の回転軸７０３により、重り７０６を有する第１の可動体７０４が、第２の可動体７０２に支持されている。第２の可動体７０２と第１の可動体７０４間には、静電櫛歯部７０５が形成されており、第１の回転軸７０３を中心として第１の可動体７０３が往復回転振動を行うように静電気力が発生される。この振動が、ジャイロセンサの参照振動となる。この駆動方法は第１の実施形態で説明したとおりである。

絶縁部７０７により、第２の可動体７０２と第１の可動体７０４の内部は、夫々、電気的に絶縁された複数の導電性領域に分離されている。第２の可動体７０２の複数の領域は、第２の回転軸７０１を配線として用いて、分離した電位に接続する。また、第１の可動体７０４の複数の領域の電位は、シリコン上に絶縁膜を配した上に配線７０８を配置して、外部と電気的に接続する。

本実施形態を用いることにより、単一の基板を加工するだけで、往復回転振動を発生させることができる。そのため、加工にフォトリソなどの半導体プロセスを用いることで、精度良く可動体７０２、７０４や静電櫛歯部７０５を一括に形成することができる。そのため、静電櫛歯部での静電気力を均一に発生させることができる。つまり、この振動を参照振動に用いることで、安定した参照振動を発生させることができるため、安定した角速度の検出を行うことができるようになる。

第２の可動体７０２は、第２の回転軸７０１により支持されている。ジャイロセンサに紙面に対して垂直な軸周りの角速度が印加されると、第２の回転軸７０１を中心とした回転方向にコリオリ力が発生する。これにより、第２の可動体７０２は、第２の回転軸７０１を中心として、参照振動と同じ周期で往復回転振動を行う。この第２の可動体７０２の往復振動の大きさを、第１の可動体７０４の下部において絶縁膜上に形成した電極領域（不図示）と検出電極７１３を用いて静電容量の変化により検出する。

以上のように、本実施形態に係るマイクロ構造体は、可動体を回転軸の回りに参照振動させるために導電性領域に電位を印加する電位印加手段と、前記回転軸に直交する別の回転軸の回りの可動体の回転状態を検出する検出手段とを有する。これにより、本実施形態では、高精度なジャイロセンサを提供することができる。

（その他の実施形態）
揺動体装置において、可動体が、上層の１つの導電性領域と下層の２つの導電性領域の３つに電気的に分離された領域を持つ構成とすることも可能である。この場合、例えば、上層の１つの導電性領域を、この上にミラー反射面を形成するための平面として用い、下層の２つの導電性領域を、これらに対向する支持基板上の電極とともに静電方式の駆動手段の構成要素として用いる。これにより、光偏向器が構成できる。

上記下層の一方の導電性領域の電極とこれに対向する支持基板上の電極の間、及び上記下層の他方の導電性領域の電極とこれに対向する支持基板上の電極の間に、交互に電位差が生じて電極間に交互に引力が働く様に印加電圧を制御する。すると、可動体は、回転軸の回りで揺動させられ、可動体上のミラーに入射する光を偏向することができる。

また、揺動体装置において、図１の可動体上に更に絶縁層を挟んで１つの導電性領域を設け、可動体を電気的に分離された３層構成とすることも可能である。この場合、例えば、最上層の１つの導電性領域を、この上にミラー反射面を形成するための平面として用い、下の２層を第１の実施形態のようなアクチュエータとして機能させる。こうした構成でも、光偏向器が構成できる。

また、揺動体装置において、図１の可動体上に更に絶縁層を挟んで２つの導電性領域を設け、可動体を、電気的に分離された３層であって６つの電気的に分離された導電性領域を持つ構成とすることも可能である。この場合、例えば、最上層の２つの導電性領域を、電位測定対象に対向して設置される検知電極として用い、下の２層を第１の実施形態のようなアクチュエータとして機能させる。こうした構成により、可動体を振動させることで機械的に測定対象と検知電極部間の容量を変化させ、静電誘導で検知電極に誘導される微小な電荷の変化を電流信号を介して検出する電位センサを実現できる。ここでは、検知電極部からの信号は逆位相で変化するので、これらを差動処理することで、同相ノイズの除去比が高い電位センサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの斜視図。 図１のアクチュエータの非駆動時での直線Ｘ-Ｘ’における基板に垂直な方向の断面図。 アクチュエータを駆動する時の図２と同じ断面での図。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの駆動・検出を説明するためのブロック図。 回転状態検出手段である電流(電荷)-電圧変換回路の一例を説明する図。 回転状態検出手段である電流(電荷)-電圧変換回路の他の例を説明する図。 第２の実施形態の別の形態を、説明するための斜視図 第３の実施形態に係るマイクロ構造体を説明する図。 第３の実施形態の酸化領域の絶縁部を説明する図。 第３の実施形態において、熱酸化の進み方を説明する基板上面図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第４の実施形態に係るアクチュエータの断面図。 第４の実施形態に係るマイクロ構造体の第１のシリコン層と第２のシリコン層の平面図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第３の実施形態に係るマイクロ構造体の製造方法を説明する図。 第７の実施形態に係るジャイロセンサの模式図。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 支持部
１０３、７０２、７０４ 可動体
１０６、１０７、７０７ 絶縁部
１２１、１２２、１２５、１２６ 導電性領域（電極）
２０１、２０３ 厚さ方向に分離された導電性領域（シリコン層）
２０２ 絶縁層
３０１、７０１、７０３ 回転軸（可動体の回転中心）
５０１ 電圧印加手段（駆動発生手段）
５０２、７１３ 検出手段（回転状態検出手段、検出電極）
５０４ アクチュエータ

Claims (9)

1. 可動体と、
   前記可動体を回転軸の回りに揺動可能に支持する支持部と、
   前記可動体と前記支持部とを連結する、前記回転軸としての支持バネと、
   を含む揺動体装置であって、
   前記可動体が、前記可動体の厚さ方向に複数の導電性領域に電気的に分離されており、
   該厚さ方向に電気的に分離された複数の導電性領域の少なくとも１つが、前記厚さ方向に対して垂直な方向に電気的に分離された複数の導電性領域を有し、
   前記厚さ方向及び前記垂直な方向に夫々電気的に分離された複数の導電性領域は各々、前記支持バネを介して、前記支持部の夫々電気的に分離された複数の領域に電気的に接続されている、
   ことを特徴とする揺動体装置。
2. 前記可動体が、厚さ方向に２つの導電性領域に電気的に分離されており、
   該厚さ方向に電気的に分離された２つの導電性領域が、夫々、更に前記厚さ方向に対して垂直な方向に電気的に分離された複数の導電性領域を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の揺動体装置。
3. 前記厚さ方向に電気的に分離された複数の導電性領域の少なくとも１つは、絶縁膜により前記垂直な方向に電気的に分離された複数の導電性領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の揺動体装置。
4. 前記絶縁膜は、複数の貫通孔または溝の周囲に形成された、前記導電性領域の酸化物から成る、
   ことを特徴とする請求項３に記載の揺動体装置。
5. 前記酸化物は、シリコン層に形成した貫通孔または溝の表面を熱酸化したことにより形成されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の揺動体装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の揺動体装置と、
   入力された電気エネルギーを物理的な運動に変換して前記可動体を前記回転軸の回りに揺動させるために前記導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
   前記電圧印加手段は、前記厚さ方向に電気的に分離された複数の導電性領域が、互いに異なる電位となるよう電圧を印加する、
   ことを特徴とするアクチュエータ。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載の揺動体装置と、
   入力された電気エネルギーの力を物理的な運動に変換して前記可動体を前記回転軸の回りに揺動させるために前記導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転軸の回りの前記可動体の回転状態を検出するために前記導電性領域に誘導される誘導電荷の大きさを検出する検出手段と、を有する、
   ことを特徴とするアクチュエータ。
8. 請求項１乃至５の何れかに記載の揺動体装置と、
   外力により前記可動体が前記回転軸の回りに回転しないように前記導電性領域に電圧を印加して該印加電圧に基づき前記外力を検出する検出手段と、を有する、
   ことを特徴とするセンサ。
9. 請求項１乃至５の何れかに記載の揺動体装置と、
   入力された電気エネルギーの力を物理的な運動に変換して前記可動体を前記回転軸の回りに参照振動させるために前記導電性領域に電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転軸に直交する別の回転軸の回りの前記可動体の回転状態を検出する検出手段と、を有する、
   ことを特徴とするジャイロセンサ。

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