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JP4580826B2 - マイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチ - Google Patents

マイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチ Download PDF

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Description

本発明は、マイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチに関し、特に圧電膜を用いた圧電駆動アクチュエータを用いたマイクロメカニカルデバイス、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチに関する。
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）と呼ばれる技術によって作成されたマイクロメカニカルデバイスとして、薄膜アクチュエータがある。この薄膜アクチュエータを使用したマイクロスイッチや容量可変キャパシタ等においては、静電力を駆動力として用いている。すなわち、静電力を用いた薄膜アクチュエータにおいては、空間を隔てた一対の電極に駆動電圧を印加することで、電極間に静電力を発生させ、電極を駆動するようになされている。
しかしながら、この例に見られるような静電型のスイッチにおいては、機械的なスイッチングに必要な実用的な変位量を得るためには、数十Ｖの電圧が必要である。これに対して、例えば、携帯電話機においては、５Ｖ以下の電源が用いられていることにより、数十Ｖの電圧を得るには昇圧器が必要となり、サイズの増大、コストアップを招くという問題があった。
この問題点を解決するための一つの方策として、圧電薄膜を用いて電歪効果により片持ち梁を変位させるようにした薄膜アクチュエータが考えられている（特許文献１参照）。この薄膜アクチュエータによれば、静電型よりも小さな数Ｖの電圧でスイッチングに必要な変位を得ることができる。
特開２０００−３４８５９４号公報
圧電薄膜を用いた薄膜アクチュエータの駆動距離は、梁の長さの２乗に比例し、これに対して、駆動力は、梁の長さの２乗に反比例するという性質がある。すなわち梁の長さを長くして駆動距離を確保した場合、駆動力が小さくなるという問題があった。この場合、例えば梁の自由端に設けられた電極と基板表面に設けられた電極とが固着した場合には、それを引き離すだけの駆動力を得ることが困難となり、薄膜アクチュエータが動作不良を起こす問題があった。
このような技術的課題を解決するためになされた本発明の目的は、動作不良を抑制し得るマイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチを提供することである。
本発明の実施の形態に係る特徴は、マイクロメカニカルデバイスにおいて、圧電膜と、圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、第１の圧電駆動アクチュエータの第１の作用部に設けられ、第１の圧電駆動アクチュエータとの接続部を固定部として、第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、を備え、第２の圧電駆動アクチュエータは、第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成されていることである。
また本発明の実施の形態に係る特徴は、マイクロスイッチにおいて、圧電膜と、圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、第１の圧電駆動アクチュエータの第１の作用部に設けられ、第１の圧電駆動アクチュエータとの接続部を固定部として、第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、第１の作用部に設けられた可動電極と、基板表面における、可動電極に対向する位置に設けられた固定電極と、を備え、第２の圧電駆動アクチュエータは、第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成されていることである。
また本発明の実施の形態に係る特徴は、容量可変キャパシタにおいて、圧電膜と、圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、第１の圧電駆動アクチュエータの第１の作用部に設けられ、第１の圧電駆動アクチュエータとの接続部を固定部として、第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、第１の作用部に設けられた可動電極と、基板表面における、可動電極に対向する位置に設けられた固定電極と、固定電極の表面に設けられた誘電膜と、を備え、第２の圧電駆動アクチュエータは、第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成されていることである。
また本実施の実施の形態に係る特徴は、高周波回路において、電圧制御発振器の周波数変換フィルタ内に、電圧制御発振器の制御電圧により容量を可変する前記容量可変キャパシタを備えることである。
また本発明の実施の形態に係る特徴は、光学スイッチにおいて、圧電膜と、圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された固定部から第１の作用部に延在する圧電駆動アクチュエータと、圧電駆動アクチュエータの一部に設けられた接続部を介して圧電駆動アクチュエータに接続されたミラーと、接続部からの距離が、固定部と接続部と間の距離よりも小さな前記ミラーの一側縁部を第２の作用部とする第２のアクチュエータと、を備えることである。
本発明によれば、動作不良を抑制し得るマイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイス１０は、マイクロスイッチ等として用いられるものであり、図１に示すように、基板１１に一端が固定された片持ち梁構造の主アクチュエータ（第１の圧電駆動アクチュエータ）１０Ａと、その作用端（第１の作用部）に設けられた副アクチュエータ（第２の圧電駆動アクチュエータ）１０Ｂとを備えている。
すなわち、マイクロメカニカルデバイス１０においては、基板１１の表面にアンカー（第１の固定部）１２を介して主アクチュエータ１０Ａの一端部が固定されている。この主アクチュエータ１０Ａは、圧電膜２１と、この圧電膜２１の基板１１に対向する表面に設けられた第１及び第２の下部電極２２Ａ及び２３Ａと、圧電膜２１を挟んで第１及び第２の下部電極２２Ａ及び２３Ａに対向する第１及び第２の上部電極２２Ｂ及び２３Ｂと、第１及び第２の上部電極２２Ｂ及び２３Ｂの表面に設けられた支持膜２５とを備えている。下部電極２２Ａと２３Ａとの間には、スリット部２６Ａが設けられ、また、上部電極２２Ｂと２３Ｂとの間には、スリット部２６Ｂが設けられている。
副アクチュエータ１０Ｂは、主アクチュエータ１０Ａの作用端に設けられており、この作用端における圧電膜２１と、下部電極２３Ａと、上部電極２３Ｂと、支持膜２５とによって構成されている。主アクチュエータ１０Ａの作用端においては、第２の下部電極２３Ａの一部がマイクロスイッチの可動電極２４とされ、またこの可動電極２４に対向する基板１１の表面には、固定電極２７が設けられている。
基板１１としては、絶縁性のガラス基板やシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板等が用いられる。アンカー１２としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜が用いられる。支持膜２５としては、ＳｉＯ２や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜が用いられる。また、第１及び第２の下部電極２２Ａ、２３Ａ、第１及び第２の上部電極２２Ｂ、２３Ｂ、固定電極２７の電極材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の低抵抗で加工が容易な金属であることが望ましい。また、圧電膜２１としては、製造が容易でＳｉプロセスとの互換性も高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等のウルツ鉱型の結晶が安定で望ましい。また、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）も使用することができる。
図２に示すように、主アクチュエータ１０Ａの上部電極２２Ｂ、２３Ｂは、それらの間に設けられたスリット部２６Ｂによって、互いに電気的に絶縁されている。また図３に示すように、主アクチュエータ１０Ａの下部電極２２Ａ、２３Ａは、それらの間に設けられたスリット部２６Ａによって、互いに電気的に絶縁されている。
第１の上部電極２２Ｂと第２の下部電極２３Ａとは、ヴィアメタル２９Ａによって接続されている。また、第２の上部電極２３Ｂと第１の下部電極２２Ａとは、ヴィアメタル２９Ｂによって接続されている。
これにより、図４に示すように、第１の上部電極２２Ｂ及びこの上部電極２２Ｂに対向する第１の下部電極２２Ａに、電圧を印加したとき、第２の上部電極２３Ｂ及びこの上部電極２３Ｂに対向する第２の下部電極２３Ａには、第１の上部電極２２Ｂ及び第１の下部電極２２Ａに印加される電圧とは逆電圧が印加されるようになされている。このように、主アクチュエータ１０Ａにおいては、第１の上部電極２２Ｂと第１の下部電極２２Ａとが対向する第１の領域１３Ａと、第２の上部電極２３Ｂと第２の下部電極２２Ｂとが対向する第２の領域１３Ｂとでは、互いに逆の電圧が印加されるようになされている。
一方、主アクチュエータ１０Ａの作用端に設けられた副アクチュエータ１０Ｂは、図１〜図３に示すように、主アクチュエータ１０Ａの作用端における両側縁部に沿って第１〜第４の片持ち構造の梁部３１〜３４を備えている。梁部３１〜３４においては、それぞれ第２の下部電極２３Ａと、圧電膜２１と、第２の上部電極２３Ｂと、支持膜２５とが積層されており、支持点３１Ａ〜３４Ａを支点として、それぞれの先端が作用端３１Ｂ〜３４Ｂを構成している。この実施の形態の副アクチュエータ１０Ｂにおいては、主アクチュエータ１０Ａの側縁部に沿って設けられた梁部３１〜３４のうち、梁部３１、３２の各作用端３１Ｂ（第１の作用端）、３２Ｂ（第２の作用端）が対向し、梁部３３、３４の各作用端３３Ｂ（第１の作用端）、３４Ｂ（第２の作用端）が対向するように設けられている。
この副アクチュエータ１０Ｂにおいては、主アクチュエータ１０Ａの第２の上部電極２３Ｂ及び第２の下部電極２３Ａの一部をそれぞれ用いて形成されていることにより、図４に示すように、主アクチュエータ１０Ａの第２の上部電極２３Ｂ及び第２の下部電極２２Ｂに印加される電圧と同様の電圧が印加される。
第１及び第２の下部電極２２Ａ、２３Ａと第１及び第２の上部電極２２Ｂ、２３Ｂとに電圧を印加すると、これらの電極に挟まれた圧電膜２１は、圧電効果によって伸縮する。この場合、第１及び第２の上部電極２２Ｂ、２３Ｂ上に設けられた支持膜２５は、圧電効果を示さないため、圧電膜２１の伸縮によって主アクチュエータ１０Ａの第１の領域１３Ａ及び第２の領域１３Ｂは、それぞれの領域に設けられた電極に印加される電圧の極性に応じて、基板１１の表面に垂直な方向に変位する。
例えば、図５に示すように、第１の領域１３Ａにおいて、第１の下部電極２２Ａと第１の上部電極２２Ｂとに印加される電圧により、その間の圧電膜２１が圧縮すると、主アクチュエータ１０Ａは、その領域１３Ａにおいて基板１１の表面に向かって屈曲する。これに対して、第２の領域１３Ｂにおいては、第２の下部電極２３Ａと第２の上部電極２３Ｂとに印加される逆電圧により、その間の圧電膜２１が伸びると、主アクチュエータ１０Ａは、その領域１３Ｂにおいて基板１１の表面から離れる方向に屈曲する。
これにより、主アクチュエータ１０Ａは、アンカー１２に固定された固定端（固定部）側の領域１３Ａ及び作用端側の領域１３Ｂにおいて、全体としてＳ字状に屈曲し、作用端において第２の下部電極２３Ａ（図３）により形成された可動電極２４が基板１１側の固定電極２７の表面に対して略平行に接するようになされている。
一方、副アクチュエータ１０Ｂの梁部３１〜３４においては、主アクチュエータ１０Ａの第２の領域１３Ｂと同様に屈曲することにより、それぞれの作用端３１Ｂ〜３４Ｂが基板１１の固定電極２７から離れる方向に屈曲する。
この状態に対して、第１及び第２の下部電極２２Ａ、２３Ａと、第１及び第２の上部電極２２Ｂ、２３Ｂとに印加する電圧を逆極性にすると、主アクチュエータ１０Ａは、その領域１３Ａ及び１３Ｂにおいてそれぞれ図５に示す状態から逆方向に屈曲するような圧電効果が得られる。またこのとき、副アクチュエータ１０Ｂにおいては、主アクチュエータ１０Ａの第２の領域１３Ｂと同様方向に屈曲するような圧電効果が得られる。
ここで、マイクロメカニカルデバイス１０においては、副アクチュエータ１０Ｂの梁部３１〜３４の各々の長さは、主アクチュエータ１０Ａの長さよりも短く形成されている。すなわち、圧電駆動アクチュエータにおいて、その駆動力は、梁の長さの２乗に反比例することにより、主アクチュエータ１０Ａよりも短く形成されている副アクチュエータ１０Ｂにおいては、主アクチュエータ１０Ａよりも大きな駆動力が得られるようになされている。圧電膜２１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いた場合、好ましくは、主アクチュエータ１０Ａの長さ（第１及び第２の領域１３Ａ及び１３Ｂを併せた長さ）を５００μｍ、副アクチュエータ１０Ｂの各梁部３１〜３４の長さを５０μｍとする。これにより、副アクチュエータ１０Ｂの駆動力は、主アクチュエータ１０Ａの駆動力に対して１００倍となる。これにより、副アクチュエータ１０Ｂの近傍に設けられた可動電極２４を十分な駆動力で固定電極２７から引き離すことができる。
一方、圧電駆動アクチュエータにおいて、その作用端の駆動距離は、梁の長さの２乗に比例することにより、５００μｍの長さで形成されている主アクチュエータ１０Ａの作用端は、５０μｍの長さで形成されている副アクチュエータ１０Ｂよりも１００倍の駆動距離が得られるようになされている。因みに、この場合、副アクチュエータ１０Ｂの駆動距離は、２０ｎｍであるのに対して、主アクチュエータ１０Ａの駆動距離は２μｍ程度となる。
このようにマイクロメカニカルデバイス１０においては、長く形成されている主アクチュエータ１０Ａによってその作用端を大きな距離で駆動させることができると共に、その作用端に設けられた短い副アクチュエータ１０Ｂによってその作用端３１Ａ〜３４Ａを大きな駆動力で駆動させることができる。すなわち、大きな駆動距離を得るために長く形成されている主アクチュエータ１０Ａにおいては、その駆動力が小さくなるものの、主アクチュエータ１０Ａの作用端に設けられた長さの短い副アクチュエータ１０Ｂによって大きな駆動力が得られるようになされている。
この結果、図５に示すように可動電極２４が固定電極２７に接触している状態において、第１及び第２の下部電極２２Ａ、２３Ａと、第１及び第２の上部電極２２Ｂ、２３Ｂとに印加する電圧を逆極性にすると、図６に示すように、主アクチュエータ１０Ａの第１及び第２の領域１３Ａ及び１３Ｂに比べて短く形成されている副アクチュエータ１０Ｂが主アクチュエータ１０Ａよりも強い力で屈曲し、これにより、副アクチュエータ１０Ｂの梁３１〜３４の各作用端３１Ｂ〜３４Ｂが固定電極２７の表面を押して、可動電極２４が固定電極２７から確実に引き離される。因みに、図２に示したように、主アクチュエータ１０Ａの作用端においては、切り欠き部２３Ｃが形成されていることにより、この切り欠かれた部分では圧電効果が得られず屈曲が生じないようになされている。これにより、副アクチュエータ１０Ｂは、平坦面が確保された状態で、それぞれの作用端３１Ｂ〜３４Ｂが固定電極２７を表面を確実に押すことができる。
そして、この状態においては、主アクチュエータ１０Ａにおいてもその作用端が基板１１から離れる方向に駆動力が働いていることにより、図６に示す状態から図７に示すように、主アクチュエータ１０Ａが屈曲し、この主アクチュエータ１０Ａの大きな駆動距離により、可動電極２４が固定電極２７から大きく離される。
以上説明したマイクロメカニカルデバイス１０を例えばマイクロスイッチとして用いる場合、所定の駆動電圧を印加することにより、主アクチュエータ１０Ａを屈曲させる。これによりその作用端に設けられた可動電極２４を基板１１上の固定電極２７に接触させることができ、マイクロスイッチをオン状態とすることができる。
これに対してマイクロメカニカルデバイス１０に逆電圧を印加することにより、主アクチュエータ１０Ａがその作用端を基板１１から引き離す方向に屈曲する。このとき、副アクチュエータ１０Ｂにおいては、各梁部３１〜３４の作用端３１Ｂ〜３４Ｂが、可動電極２４の電極面から固定電極２７側に変位するように屈曲することにより、例えば可動電極２４と固定電極２７とが固着した状態となっている場合であっても、その固着力に抗して可動電極２４は固定電極２７から引き離される。
可動電極２４が固定電極２７から引き離されると、副アクチュエータ１０Ｂに比べて長い梁構造の主アクチュエータ１０Ａによって、可動電極２４は大きく固定電極２７から離間した位置に移動する。これにより、マイクロスイッチが確実にオフ状態となる。
このように本実施の形態のマイクロメカニカルデバイス１０によれば、長い梁構造の主アクチュエータ１０Ａを用いることにより、作用端の駆動距離を大きくすることができると共に、主アクチュエータ１０Ａを長くしたことによる駆動力の低下を、その作用端に設けられた短い副アクチュエータ１０Ｂによって補うことにより、作用端を確実に駆動させることができる。
なお、可動電極２４を固定電極２７から引き離す際に、下部電極２２Ａ、２３Ａ及び上部電極２２Ｂ、２３Ｂに印加する電圧の極性を短い周期で切り換えることにより、可動電極２４に振動を与えるようにしてもよい。このようにすれば、一段と容易に可動電極２４を固定電極２７から引き離すことができる。
（実施例１）
マイクロメカニカルデバイス１０の構成を具体的に説明する。
マイクロメカニカルデバイス１０を用いてギガヘルツ帯の高周波スイッチを構成する場合、オフ時の絶縁分離を確保するため、可動電極２４と固定電極２７との間の距離は１〜２μｍ以上必要となる。
本実施例のマイクロメカニカルデバイス１０においては、圧電膜２１としてｃ軸配向させた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用い、第１及び第２の下部電極２２Ａ及び２３Ａ、第１及び第２の上部電極２２Ｂ及び２３Ｂとしてアルミニウム（Ａｌ）を用いる。圧電膜２１は、長さが５００μ、厚さが１０ｎｍ〜１μｍ（好ましくは５００ｎｍ）であり、下部電極２２Ａ、２３Ａ、上部電極２２Ｂ、２３Ｂは、厚さが１０ｎｍ〜１μｍ（好ましくは５０ｎｍ）である。支持膜２５は、ＳｉＯ２膜で作成し、その厚さは５０ｎｍとした。
かかる構成のマイクロメカニカルデバイス１０において、＋３Ｖの駆動電圧で屈曲させると、可動電極２４と固定電極２７とが接触し、これに対して駆動電圧の極性を反転させると、可動電極２４が固定電極２７から２．５μｍの間隔で離れた。また、繰り返し駆動電圧を印加したところ、１０８回以上固着することなく動作することを確認することができた。
（変形例）
図１〜図３との対応部分に同一符号を付して示す図８〜図１０は、マイクロメカニカルデバイス１０の変形例を示し、主アクチュエータ１０Ａの作用端に設けられた副アクチュエータ１０Ｂにおいて、片持ち梁構造の梁部４１〜４４が設けられている。この梁部４１〜４４においては、それぞれ第２の下部電極２３Ａと、圧電膜２１と、第２の上部電極２３Ｂと、支持膜２５とが積層されており、支持点４１Ａ〜４４Ａを支点として、それぞれの先端が作用端４１Ｂ〜４４Ｂを構成している。梁部４１〜４４のそれぞれの長さは、図１に示したマイクロメカニカルデバイス１０の場合と同様にして、主アクチュエータ１０Ａの長さに比べて格段に小さく形成されている。
この梁部４１〜４４のうち、隣接する梁部４１及び４２は、支持点４１Ａ及び４２Ａが共通に設けられ、それぞれの作用端４１Ｂ（第１の作用端）及び４２Ｂ（第２の作用端）が反対方向に向くように形成されている。また同様にして隣接する梁部４３及び４４は、支持点４３Ａ及び４４Ａが共通に設けられ、それぞれの作用端４３Ｂ（第１の作用端）及び４４Ｂ（第２の作用端）が反対方向に向くように形成されている。これにより、作用端４１Ｂと４２Ｂとの間隔と、作用端４３Ｂと４４Ｂとの間隔とが大きくなっている。
図１１に示すように、可動電極２４が固定電極２７に接触した状態において、逆極性の駆動電圧を印加することにより、図１２に示すように、副アクチュエータ１０Ｂの作用端４１Ｂ〜４４Ｂが固定電極２７の表面を押すように屈曲する。
この実施の形態のマイクロメカニカルデバイス１０においては、副アクチュエータ１０Ｂの作用端４１Ｂと４２Ｂとの間隔と、作用端４３Ｂと４４Ｂとの間隔とが大きくなるように形成されていることにより、可動電極２４の四隅に作用端４１Ｂ〜４４Ｂが配置された構成となり、この結果、可動電極２４に対向する固定電極２７の四隅を押すようになされている。
従って、例えば可動電極２４が傾いて一点で固定電極２７に固着している場合であっても、４つの作用端４１Ｂ〜４４Ｂのいずれかによって有効に可動電極２４を固定電極２７から引き離すことができる。
かくして図１３に示すように、副アクチュエータ１０Ｂによって可動電極２４を固定電極２７から確実に引き離すと共に、主アクチュエータ１０Ａによって可動電極２４の駆動距離を大きくとって固定電極２７から大きく引き離すことができる。
（他の実施の形態）
なお、本実施の形態においては、マイクロメカニカルデバイス１０をマイクロスイッチとして用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、例えば固定電極２７の表面に誘電膜を皮膜して可動電極２４と固定電極２７とが接触しないように構成することで、容量可変キャパシタとして用いることもできる。
また、本実施の形態では主アクチュエータ１０Ａおよび副アクチュエータ１０Ｂの構造を、下部電極、圧電膜、上部電極および支持膜を積層した、いわゆる非対称バイモルフ構造とした。その代わりに、下部電極、第１の圧電膜、中間電極、第２の圧電膜、および上部電極を積層した、いわゆる対称バイモルフ構造とし、下部電極と中間電極の間と、中間電極と上部電極の間に逆極性の電圧を印加してアクチュエータを駆動する方法ももちろん使用することができる。
（第２の実施の形態）
図１〜図３との対応部分に同一符号を付して示す図１４及び図１５は、第２の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイス５０を示し、このマイクロメカニカルデバイス５０においては、両持ち梁構造の主アクチュエータ５０Ａ（第１及び第３の圧電駆動アクチュエータ）と、その作用部（第１の作用部）である中央部に設けられた副アクチュエータ５０Ｂ（第２の圧電駆動アクチュエータ）とを備えている。このマイクロメカニカルデバイス５０は、基板１１上に設けられた一対のアンカー１２（第１及び第２の固定部）に支持された一対の主アクチュエータ５０Ａにおいて、それぞれアンカー１２側と副アクチュエータ５０Ｂ側とに分割されている。ここでは、一方の主アクチュエータ５０Ａのアンカー１２側及び副アクチュエータ５０Ｂ側を第１の領域及び第２の領域とし、他方の主アクチュエータ５０Ａのアンカー１２側及び副アクチュエータ５０Ｂ側を第３の領域及び第４の領域とする。
マイクロメカニカルデバイス５０において、基板１１に設けられた固定電極２７の表面には誘電膜５７が被覆されており、副アクチュエータ５０Ｂ側の可動電極２４と固定電極２７とが短絡することを防止し、これによりこのマイクロメカニカルデバイス５０は、容量可変キャパシタとして用いられる。
副アクチュエータ５０Ｂにおいては、主アクチュエータ５０Ａの側縁部に沿って設けられた片持ち構造の梁部５１〜５４が設けられている。この梁部５１〜５４においては、それぞれ第２の下部電極２３Ａと、圧電膜２１と、第２の上部電極２３Ｂと、支持膜２５とが積層されており、支持点５１Ａ〜５４Ａを支点として、それぞれの先端が作用端５１Ｂ〜５４Ｂを構成している。また、梁部５１、５２の各作用端５１Ｂ（第１の作用端）、５２Ｂ（第２の作用端）が対向し、梁部５３、５４の各作用端５３Ｂ（第１の作用端）、５４Ｂ（第２の作用端）が対向するように設けられている。梁部５１〜５４のそれぞれの長さは、図１に示したマイクロメカニカルデバイス１０の場合と同様にして、主アクチュエータ５０Ａの長さに比べて格段に小さく形成されている。
このマイクロメカニカルデバイス５０において、下部電極２２Ａ、２３Ａ、上部電極２２Ｂ、２３Ｂに駆動電圧を印加することにより、その電圧の極性に応じて主アクチュエータ５０Ａ及び副アクチュエータ５０Ｂを屈曲させ、可動電極２４を固定電極２７に対して接近する方向又は離れる方向に変位させることができる。
これにより、可動電極２４が固定電極２７の表面に設けられた誘電膜５７に固着した場合であっても、主アクチュエータ５０Ａの長さに比べて短い副アクチュエータ５０Ｂの梁部５１〜５４により、主アクチュエータ５０Ａによる駆動力よりも大きな駆動力により可動電極２４を誘電膜５７から引き離すことができる。
係る構成のマイクロメカニカルデバイス５０においては、副アクチュエータ５０Ｂを支持する主アクチュエータ５０Ａが両持ち梁構造となっていることにより、一段と安定に可動電極２４を駆動させることができる。また、可動電極２４を両側から対称に保持することにより、可動電極２４と固定電極２７（誘電膜５７）とを一段と精度よく平行に保つことができる。
また、可動電極２４と固定電極２７（誘電膜５７）との間の平行度を高精度に保つことができることにより、マイクロメカニカルデバイス５０を容量可変キャパシタとして用いる場合、その最大容量位置が増大するという効果を得ることができる。
（実施例２）
マイクロメカニカルデバイス５０を容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２として携帯電話システム等に組み込む例について図１６及び図１７を用いて説明する。
図１６は携帯電話システム等で用いられる周波数可変フィルタを使用した受信回路の一部を構成するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路の一例を示すブロック図である。図１６のＰＬＬ回路は、周波数可変フィルタ１３０、増幅器１３１およびバッファ増幅器１３２からなる電圧制御発振器１４１と、分周器１４２と、位相比較器１４３と、チャージポンプ１４４と、ループフィルタ１４５と、低雑音アンプ（LNA）１４６と、周波数可変フィルタ１０１と、ミキサ１４７とを備えている。
電圧制御発振器１４１内部の回路構成の一例を図１７に示す。図１７において、電圧制御発振器は、周波数可変フィルタ１３０と、増幅器１３１と、バッファ増幅器１３２とを有し、周波数可変フィルタ１３０を通過した周波数成分のみを増幅器１３１の入力にフィードバックする。この高周波回路を構成する電圧制御発振器１４１中に本発明の容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２が用いられている。同様に、周波数可変フィルタ１０１も図１７の周波数可変フィルタ１３０と同様に構成され、本発明の容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２を用いることができる。
図１６のＰＬＬ回路は、電圧制御発振器１４１の発振周波数が所望の周波数よりも大きすぎる場合、あるいは小さすぎる場合には、その周波数差を検出し、直流制御電圧として、電圧制御発振器１４１を構成する周波数可変フィルタ１０１内の容量可変キャパシタＣ１にフィードバックする。したがって、該フィードバックループが正常に作動し、安定状態に達し、位相がロックした場合、電圧制御発振器１４１の発振周波数を所望の周波数に一致させることができる。
図１６のＰＬＬ回路は、電圧制御発振器１４１を構成する周波数可変フィルタ１３０と同一の周波数可変フィルタ１０１を通信信号濾波用の通過帯域フィルタとして利用する。低雑音アンプ１４６の出力信号を周波数可変フィルタ１０１に入力し、この周波数可変フィルタ１０１の出力信号は、ダウンコンバージョン用のミキサ１４７に入力される。
一方、電圧制御発振器１４１で発生された基準信号は、局部発振信号(LO)として、ミキサ１４７のもう一方の入力端子に入力される。これにより、高周波信号は、ベースバンド信号に周波数変換される。
この実施例２は、周波数可変フィルタ１０１と、電圧制御発振器内の周波数可変フィルタ１３０に対し、ともにループフィルタ１４５により発生した同一の制御電圧が加えられている。これにより、電圧制御発振器１４１の発振周波数を周波数可変フィルタ１０１の通過帯域の中心周波数と一致させることができる。
なお、この実施例２においては、図１４、図１５に示した両持ち梁構造のマイクロメカニカルデバイス５０を容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２として用いる場合について述べたが、マイクロメカニカルデバイスの構成はこれに限られるものではなく、例えば図１〜図４に示した片持ち梁構造のマイクロメカニカルデバイス１０を容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２として用いるようにしてもよい。この場合、固定電極２７（図１）の表面に誘電膜を形成して可動電極２４と固定電極２７との短絡を防止するようにする。
また、この実施例２においては、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２として誘電膜５７を有するマイクロメカニカルデバイス５０を用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、誘電膜５７を持たないマイクロスイッチを短絡させないように駆動して用いることもできる。
また、この実施例２においては、電圧制御発振器や周波数可変フィルタを構成する容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２としてマイクロメカニカルデバイス５０を用いる場合について述べたが、適用対象はこれに限られるものではなく、種々の高周波回路の容量可変キャパシタに広く適用することができる。例えば、本発明の容量可変フィルタとインダクタを並列ないし直列に組み合わせれば、共振周波数可変タンク回路を構成することが可能であり、チューナブルアンテナや広域アンプのインピーダンスマッチング回路として使用することが可能である。
（他の実施の形態）
なお、本実施の形態においては、マイクロメカニカルデバイス５０を容量可変キャパシタとして用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、例えば誘電膜５７を設けず、可動電極２４と固定電極２７とが接触するようにして、マイクロスイッチとして用いることもできる。マイクロスイッチを使用して、高周波アンテナスイッチ回路や、複数のフィルタと組み合わせることにより、高周波フィルタバンクとして使用することが可能である。
また、本実施の形態では主アクチュエータ５０Ａおよび副アクチュエータ５０Ｂの構造を、下部電極、圧電膜、上部電極および支持膜を積層した、いわゆる非対称バイモルフ構造とした。その代わりに、下部電極、第１の圧電膜、中間電極、第２の圧電膜、および上部電極を積層した、いわゆる対称バイモルフ構造とし、下部電極と中間電極の間と、中間電極と上部電極の間に逆極性の電圧を印加してアクチュエータを駆動する方法ももちろん使用することができる。
（第３の実施の形態）
図１８は、第３の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイス２００を示し、例えば、光学スイッチとして用いられる。このマイクロメカニカルデバイス２００は、基板２１１の表面にアンカー２１２、２１３を介して片持ち支持された主アクチュエータ２０１、２０２（圧電駆動アクチュエータ）と、この主アクチュエータ２０１、２０２に対して接続部２１５、２１６によって接続されたミラー２１７とを備えている。
図１９に示すように、主アクチュエータ２０１、２０２は、それぞれミラー２１７の両側縁部に沿って設けられており、図２０に示すように、主アクチュエータ２０２においては、圧電膜２２１が下部電極２２２と上部電極２２３とによって挟まれ、上部電極２２３の表面には、支持膜２２５が設けられている。また主アクチュエータ２０１も主アクチュエータ２０２と同様の構成を有している。
基板２１１としては、絶縁性のガラス基板やシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板等が用いられる。アンカー２１２としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜が用いられる。支持膜２２５としては、ＳｉＯ２や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜が用いられる。また、下部電極２２２及び上部電極２２３の電極材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の低抵抗で加工が容易な金属であることが望ましい。また、圧電膜２２１としては、製造が容易でＳｉプロセスとの互換性も高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等のウルツ鉱型の結晶が安定で望ましい。また、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）も使用することができる。ミラー２１７においては、アルミニウム（Ａｌ）薄膜が基材表面に形成されている。このアルミニウム薄膜が光を反射させるようになされている。
主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａの近傍において、接続部２１５、２１６を介してミラー２１７が接続されている。ミラー２１７は、その１つの前縁部２１７Ａの近傍において、接続部２１５、２１６により接続されている。
図１８に示すように、主アクチュエータ２０１、２０２が屈曲していない状態においては、主アクチュエータ２０１、２０２とこれに接続されたミラー２１７は、基板２１１の表面に平行に片持ち支持されている。ミラー２１７は、前縁部２１７Ａの近傍において接続部２１５、２１６により片持ち支持され、前縁部２１７Ａに対向する後縁部２１７Ｂは自由端となっている。
この状態において、下部電極２２２と上部電極２２３との間に駆動電圧を印加することにより、その電圧の極性に応じて主アクチュエータ２０１、２０２を屈曲させることができる。下部電極２２２が正極性となるように駆動電圧を印加すると、主アクチュエータ２０１、２０２は、例えばその作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１に接近するように屈曲する。これに対して下部電極２２３が負極性となるように駆動電圧を印加すると、主アクチュエータ２０１、２０２は、例えばその作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１から離れるように屈曲する。
これにより、図２１に示すように、下部電極２２２及び上部電極２２３に第１の駆動電圧を印加することで、主アクチュエータ２０１、２０２を屈曲させる。これにより、その作用端２０１Ａ、２０２Ａは、基板２１１に接触する。この場合、主アクチュエータ２０１、２０２に接続部２１５、２１６を介してされたミラー２１７は、主アクチュエータ２０１、２０２の屈曲に応じて傾斜する。
この状態において、下部電極２２２及び上部電極２２３に印加する駆動電圧の極性を反転することにより、主アクチュエータ２０１、２０２は、その作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１から離れるように屈曲する。この場合、主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１の表面に固着して容易に離れない状態となっていると、主アクチュエータ２０１、２０２の屈曲動作によって、その作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１に接触したまま、接続部２１５は、矢印Ｐで示すように、基板２１１に接近する方向に変位する。
そして、この変位により、図２２に示すように、ミラー２１７の前縁部２１７Ａが基板２１１の表面に接触し、さらにこの基板２１１を押圧する。このように、主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１の表面に固着した状態においては、ミラー２１７の前縁部２１７Ａが作用端（作用部）となって基板２１１を押すことにより、主アクチュエータ２０１、２０２の固着した作用端２０１Ａ、２０２Ａを基板２１１から引き離すことができる。
主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１から引き離されると、図２３に示すように、主アクチュエータ２０１、２０２の屈曲により、その作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１から大きく離れる。
このように、マイクロメカニカルデバイス２００においては、主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａが基板２１１に固着した状態においては、主アクチュエータ２０１、２０２のアンカー２１２、２１３による固定端２０１Ｂ、２０２Ｂから接続部２１５、２１６までが主アクチュエータとして動作し、接続部２１５、２１６からミラー２１７の前縁部２１７までが副アクチュエータとして動作する。
この状態においては、主アクチュエータとして動作する第１の領域２１３Ａ（図１９）の長さが、副アクチュエータとして動作する第２の領域２１３Ｂよりも格段に大きくなるように構成されていることにより、第２の領域２１３Ｂにおいてミラー２１７の前縁部２１７Ａが基板２１１を押圧する力は、第１の領域２１３Ａにおける主アクチュエータ２０１、２０２が屈曲することによって作用端２０１Ａ、２０２Ａを基板２１１から引き離そうとする力よりも格段に大きくなる。
従って、基板２１１の表面に固着した主アクチュエータ２０１、２０２の作用端２０１Ａ、２０２Ａを容易に基板２１１から引き離すことができる。
図２３に示すように、基板２１１から作用端２０１Ａ、２０２Ａが引き離された主アクチュエータ２０１、２０２によって、その接続部２１５、２１６は基板２１１から大きく離れ、これにより、ミラー２１７の角度を変化させることができる。
ミラー２１７の角度を変化させることにより、このミラー２１７を光路の一部に介挿してなる光スイッチを実現することができる。
なお、この実施の形態においては、マイクロメカニカルデバイス２００を光スイッチとして用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、例えばこのマイクロメカニカルデバイス２００を画素に対応させて複数配列することにより、光学プロジェクターを実現することもできる。
また、本実施の形態では主アクチュエータ２０１、２０２の構造を、下部電極、圧電膜、上部電極および支持膜を積層した、いわゆる非対称バイモルフ構造とした。その代わりに、下部電極、第１の圧電膜、中間電極、第２の圧電膜、および上部電極を積層した、いわゆる対称バイモルフ構造とし、下部電極と中間電極の間と、中間電極と上部電極の間に逆極性の電圧を印加してアクチュエータを駆動する方法ももちろん使用することができる。
第１の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイスを示す斜視図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの上部電極を示す平面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの下部電極を示す平面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスのＩＶ―ＩＶ線を断面にとって示す縦断面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの変形例による上部電極を示す平面図である。 図１のマイクロメカニカルデバイスの変形例による下部電極を示す平面図である。 図８のＸ―Ｘ線を断面にとって示す縦断面図である。 変形例によるマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 変形例によるマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 変形例によるマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 第２の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイスの上部電極を示す平面図である。 図１４のＸＶ―ＸＶ線を断面にとって示す縦断面図である。 第２の実施の形態の実施例に係る高周波回路を示すブロック図である。 図１６の高周波回路の電圧制御発振器の構成を示す回路図である。 第３の実施の形態に係るマイクロメカニカルデバイスを示す斜視図である。 図１８のマイクロメカニカルデバイスの平面図である。 図１９のＸVIII―ＸVIII線を断面にとって示す縦断面図である。 図１８のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 図１８のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。 図１８のマイクロメカニカルデバイスの動作の説明に供する略線的側面図である。
符号の説明
１０、５０、２００ マイクロメカニカルデバイス
１０Ａ、５０Ａ 主アクチュエータ
１０Ｂ、５０Ｂ 副アクチュエータ
１１、２１１ 基板
１２、２１２、２１３ アンカー
２２Ａ、２３Ａ、２２２ 下部電極
２２Ｂ、２３Ｂ、２２３ 上部電極
２４ 可動電極
２７ 固定電極
３１〜３４、４１〜４４、５１〜５４ 梁部
２１、２２１ 圧電膜
５７ 誘電膜
１０１、１３０ 周波数可変フィルター
１４１ 電圧制御発振器
Ｃ１、Ｃ２ 容量可変キャパシタ
２１７ ミラー


Claims (18)

  1. 圧電膜と、前記圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、
    前記第１の作用部から、前記第１の圧電駆動アクチュエータと離間した第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、を備え、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成され、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記基板上に接触した前記第１の作用部を支持点として前記第２の作用部が前記基板に対して垂直な方向に変位することを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
  2. 前記基板上に固定された第２の固定部から前記第１の作用部に延在する第３の圧電駆動アクチュエータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  3. 前記第１の圧電駆動アクチュエータは、
    前記第１の固定部と前記第１の作用部との間において前記第１の固定部側及び前記第１の作用部側に分割される第１及び第２の領域を備え、
    前記第１及び前記第２の領域では、前記下部電極及び前記上部電極の極性が逆極性となることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  4. 前記第２の圧電駆動アクチュエータの下面と上面とに形成された電極はそれぞれ、前記第２の領域の前記下部電極及び前記上部電極と同じ極性となることを特徴とする請求項３に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  5. 前記第１の圧電駆動アクチュエータは、
    前記第１の固定部と前記第１の作用部との間において前記第１の固定部側及び前記第１の作用部側に分割される第１及び第２の領域を備え、
    前記第３の圧電駆動アクチュエータは、
    前記第２の固定部と前記第１の作用部との間において前記第２の固定部側及び前記第１の作用部側に分割される第３及び第４の領域を備え、
    前記第１及び前記第２の領域では、前記下部電極及び前記上部電極の極性が逆極性となり、前記第３及び第４の領域では、前記下部電極及び前記上部電極の極性が逆極性となることを特徴とする請求項２に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  6. 前記第２の圧電駆動アクチュエータの下面と上面とに形成された電極はそれぞれ、前記第２の領域及び前記第４の領域それぞれの前記下部電極及び前記上部電極と同じ極性となることを特徴とする請求項５に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  7. 前記第２の圧電駆動アクチュエータが、前記第１の作用部の側縁部に沿って配置された複数の梁を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
  8. 圧電膜と、前記圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、
    前記第１の作用部から、前記第１の圧電駆動アクチュエータと離間した第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、
    前記第１の作用部に設けられた可動電極と、
    前記基板表面における、前記可動電極に対向する位置に設けられた固定電極と、を備え、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成され、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記基板上に接触した前記第１の作用部を支持点として前記第２の作用部が前記基板に対して垂直な方向に変位することを特徴とするマイクロスイッチ。
  9. 前記基板上に固定された第２の固定部から前記第１の作用部に延在する第３の圧電駆動アクチュエータを更に備えることを特徴とする請求項８に記載のマイクロスイッチ。
  10. 前記第１の圧電駆動アクチュエータは、
    前記第１の固定部と前記第１の作用部との間において前記第１の固定部側及び前記第１の作用部側に分割される第１及び第２の領域を備え、
    前記第１及び前記第２の領域では、前記下部電極及び前記上部電極の極性が逆極性となることを特徴とする請求項８に記載のマイクロスイッチ。
  11. 前記第２の圧電駆動アクチュエータの下面と上面とに形成された電極はそれぞれ、前記第２の領域の前記下部電極及び前記上部電極と同じ極性となることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロスイッチ。
  12. 前記第２の圧電駆動アクチュエータが、前記第１の作用端の側縁部に沿って配置された複数の梁を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のマイクロスイッチ。
  13. 圧電膜と、前記圧電膜を挟む下部電極及び上部電極とを有し、基板上に固定された第１の固定部から第１の作用部に延在する第１の圧電駆動アクチュエータと、
    前記第１の作用部から、前記第１の圧電駆動アクチュエータと離間した第２の作用部まで延在する第２の圧電駆動アクチュエータと、
    前記第１の作用部に設けられた可動電極と、
    前記基板表面における、前記可動電極に対向する位置に設けられた固定電極と、
    前記固定電極の表面に設けられた誘電膜と、を備え、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記第１の圧電駆動アクチュエータよりも短く形成され、
    前記第２の圧電駆動アクチュエータは、前記基板上に接触した前記第１の作用部を支持点として前記第２の作用部が前記基板に対して垂直な方向に変位することを特徴とする容量可変キャパシタ。
  14. 前記基板上に固定された第２の固定部から前記第１の作用部に延在する第３の圧電駆動アクチュエータを更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の容量可変キャパシタ。
  15. 前記第１の圧電駆動アクチュエータは、
    前記第１の固定部と前記第１の作用部との間において前記第１の固定部側及び前記第１の作用部側に分割される第１及び第２の領域を備え、
    前記第１及び前記第２の領域では、前記下部電極及び前記上部電極の極性が逆極性となることを特徴とする請求項１３に記載の容量可変キャパシタ。
  16. 前記第２の圧電駆動アクチュエータの下面と上面とに形成された電極はそれぞれ、前記第２の領域の前記下部電極及び前記上部電極と同じ極性となることを特徴とする請求項１５に記載の容量可変キャパシタ。
  17. 前記第２の圧電駆動アクチュエータが、前記第１の作用端の側縁部に沿って配置された複数の梁を有することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の容量可変キャパシタ。
  18. 電圧制御発振器の制御電圧により容量を可変する請求項１１に記載の容量可変キャパシタを備えることを特徴とする高周波回路。
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