(57)【要約】  本発明は、従来型静電アクチュエータに比べて駆動電圧が非常に低く、駆動電圧を任意的に制御できる静電アクチュエータを提供することを目的とする。また、本発明は、外部ノイズに対する耐久性が高く、信頼性ある連続動作が可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。  静電アクチュエータは、固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、を有する静電アクチュエータを提供する。また、本発明は前記アクチュエータを利用した非揮発性メモリ、論理回路素子、および、スイッチを提供する。
2009536015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、
前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、
前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、
を含む静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記固定電極が、絶縁基板上に設けられている請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記電荷充電部が、前記固定電極上に設けられた絶縁層上に形成され、前記移動電極が、前記電荷充電部の上方で、前記固定電極および前記電荷充電部と対向配置されている請求項２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記電荷充電部が、前記絶縁基板上に前記固定電極から離間して形成され、前記移動電極が、前記固定電極および前記電荷充電部の上方で、前記固定電極および前記電荷充電部と対向配置されている請求項２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
前記電荷充電部の表面に放電防止層が設けられている請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項６】
前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧が印加されると、前記駆動電圧により発生する、前記固定電極と前記移動電極間の第１の静電力、および、前記電荷充電部と前記移動電極間の第２の静電力により前記移動電極が移動する請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項７】
前記第1および第２の静電力により前記移動電極の一部が移動する請求項６に記載の静電アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１および第２の静電力が静電引力であり、そして、前記静電引力により前記移動電極が前記固定電極の方向に移動する請求項６に記載の静電アクチュエータ。
【請求項９】
前記電荷充電部に電荷が予め蓄積されている請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項１０】
固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、を含む静電アクチュエータの駆動方法において、
（ａ）前記電荷充電部に電荷を充電するステップと、
（ｂ）前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧を印加するステップと、
を含む静電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）が、前記電荷充電部に電圧を印加し、前記電荷が充電された電荷充電部を電気的に浮遊させることを含む請求項１０に記載の静電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ａ）が、電界を介してのトンネリングによって前記電荷充電部に電荷を充電することを含む請求項１０に記載の静電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１３】
固定電極と、
前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、
前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、
を含む非揮発性メモリ。
【請求項１４】
固定電極と、
前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、
前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、
を含む論理回路素子。
【請求項１５】
互いに離間して形成された固定電極および接点電極と、
前記固定電極との間に絶縁層を挟んで形成された電荷充電部と、
前記固定電極、電荷充電部、および、接点電極の上方に形成された移動電極と、
を含むスイッチ。
【請求項１６】
前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧が印加されると、前記駆動電圧により発生する、前記固定電極と前記移動電極間の第１の静電力、および、前記電荷充電部と前記移動電極間の第２の静電力により前記移動電極が移動し、前記移動電極が前記接点電極と接触する請求項１５に記載のスイッチ。
【請求項１７】
前記移動電極における前記接点電極と接触する部位に突起部が設けられている請求項１６に記載のスイッチ。
【請求項１８】
前記電荷充電部の表面に放電防止層が設けられている請求項１５に記載のスイッチ。
【請求項１９】
前記電荷充電部に電荷が予め蓄積されている請求項１５に記載のスイッチ。
【請求項２０】
前記固定電極および前記接点電極が、絶縁基板上に設けられている請求項１５に記載のスイッチ。
【請求項２１】
前記スイッチが、前記移動電極を前記絶縁基板の上方で支持する支持部を含む請求項２０に記載のスイッチ。
【請求項２２】
前記電荷充電部が、導電体、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)、強誘電体、および、エレクトレットからなる群から選ばれた1つの材料からなる請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（MEMS; Micro Electro Mechanical System)に関し、具体的には、静電アクチュエータ(electrostatic actuator)、その駆動方法、及び、その応用素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電アクチュエータは、絶縁基板上に固定された固定電極と移動電極に電圧を印加することで固定電極と移動電極に電荷を誘起し、電荷間で作用する静電力を利用して移動電極を駆動させるものであった。この場合、移動電極を支える支持部の復元力と静電力が平衡になるように移動電極が移動する。
【０００３】
図1は従来型カンチレバー(cantilever)タイプの静電アクチュエータを示すものである。図1の（a）によれば、固定電極(120)と移動電極(130)との間に電圧を印加し、固定電極と移動電極(120,130)に電荷を誘起し、電荷間に作用する静電力を利用することで、移動電極(130)が駆動される。移動電極(130)に直接電圧を印加せずに、移動電極(130)と電気的に接続された支持部(140)を介して移動電極(130)に電圧を印加しても良い。この際、支持部(140)の復元力が、電荷間に作用する静電力と反対方向に作用するため、支持部(140)の復元力と静電力が平衡になるところまで移動電極(130)が固定電極(120)に向かって移動する。
【０００４】
図1の（b）は、図1（a）のアクチュエータ(100)を模式的に示すものである。移動電極(130)を基板部（絶縁基板、固定電極、電荷充電部などを含む）から所定の間隔を置いてそれと対向する位置に浮かせるための支持部(140)をばねで表した。
【０００５】
アクチュエータ(100)を低電圧で駆動させるためには、支持部(140)の復元力が弱くなるように設計しなければならない。しかし、支持部(140)の復元力が弱くなると支持部(140)がノイズに弱くなるため、耐久性が低下し、それにより、信頼性ある連続動作ができなくなるという問題が生じた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来型静電アクチュエータに比べて駆動電圧が非常に低く、駆動電圧を任意的に制御できる静電アクチュエータを提供することをその目的とする。また、本発明は、外部ノイズに対する耐久性が高く、信頼性ある連続動作が可能な静電アクチュエータを提供することをその目的とする。
【０００７】
さらに、本発明は、前記静電アクチュエータの駆動方法、並びに、前記静電アクチュエータを利用した非揮発性メモリ（nonvolatile memory）、論理回路素子、および、スイッチを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１には、固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、を含む静電アクチュエータが提供される。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記固定電極が、絶縁基板上に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、前記電荷充電部が、前記固定電極上に設けられた絶縁層上に形成され、前記移動電極が、前記電荷充電部の上方で前記固定電極および前記電荷充電部と対向配置されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載された発明は、請求項２に記載された発明において、前記電荷充電部が、前記絶縁基板上に前記固定電極から離間して形成され、前記移動電極が、前記固定電極および前記電荷充電部の上方で前記固定電極および前記電荷充電部と対向配置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記電荷充電部の表面に放電防止層が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧が印加されると、前記駆動電圧により発生する、前記固定電極と前記移動電極間の第１の静電力、および、前記電荷充電部と前記移動電極間の第２の静電力により前記移動電極が移動することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記第1および第２の静電力により前記移動電極の一部が移動することを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記第１および第２の静電力が静電引力であり、そして、前記静電引力により前記移動電極が前記固定電極の方向に移動することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記電荷充電部に電荷が予め蓄積されていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記目的を達成するために請求項１０には、固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から離間して形成された移動電極と、を含む静電アクチュエータの駆動方法において、（ａ）前記電荷充電部に電荷を充電するステップと、（ｂ）前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧を印加するステップと、を含む静電アクチュエータの駆動方法が提供される。
【００１８】
請求項１１に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記ステップ（ａ）が、前記電荷充電部に電圧を印加し、前記電荷が充電された電荷充電部を電気的に浮遊させることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に記載された発明は、請求項１０に記載された発明において、前記ステップ（ａ）が、電界を介してのトンネリングによって前記電荷充電部に電荷を充電することを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記目的を達成するために請求項１３には、固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から間隔を置いて形成された移動電極と、を含む非揮発性メモリが提供される。
【００２１】
さらに、前記目的を達成するために請求項１４には、固定電極と、前記固定電極から電気的に絶縁された電荷充電部と、前記固定電極および前記電荷充電部から間隔を置いて形成された移動電極と、を含む論理回路素子が提供される。
【００２２】
さらに、前記目的を達成するために請求項１５には、互いに離間して形成された固定電極および接点電極と、前記固定電極との間に絶縁層を挟んで形成された電荷充電部と、前記固定電極、電荷充電部、および、接点電極の上方に形成された移動電極と、を含むスイッチが提供される。
【００２３】
請求項１６に記載された発明は、請求項１５に記載された発明において、前記固定電極と前記移動電極との間に駆動電圧が印加されると、前記駆動電圧により発生する、前記固定電極と前記移動電極間の第１の静電力、および、前記電荷充電部と前記移動電極間の第２の静電力により前記移動電極が移動し、それにより、前記移動電極が前記接点電極と接触することを特徴とする。
【００２４】
請求項１７に記載された発明は、請求項１６に記載された発明において、前記移動電極における前記接点電極と接触する部位に突起部が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１８に記載された発明は、請求項１５に記載された発明において、前記電荷充電部の表面に放電防止層が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１９に記載された発明は、請求項１５に記載された発明において、前記電荷充電部に電荷が予め蓄積されていることを特徴とする。
【００２７】
請求項２０に記載された発明は、請求項１５に記載された発明において、前記固定電極および前記接点電極が、絶縁基板上に設けられていることを特徴とする。
【００２８】
請求項２１に記載された発明は、請求項２０に記載された発明において、前記移動電極を前記絶縁基板の上方で支持する支持部を含むことを特徴とする。
【００２９】
請求項２２に記載された発明は、前記請求項１に記載された発明において、前記電荷充電部が、導電体、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)、強誘電体、および、エレクトレットからなる群から選ばれた1つの材料からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る静電アクチュエータによれば、従来の静電アクチュエータに比べて駆動電圧を非常に低くすることができ、また、駆動電圧を任意的に制御することができる。また、外部ノイズに対する耐久性が高く、そして、信頼性ある連続動作を可能にする。
【００３１】
また、本発明に係る静電アクチュエータを利用した非揮発性機械式メモリ、論理回路素子およびスイッチにおいても上記効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明に係る好ましい実施例を説明していく。これらの図において、同一構成部分には同一符号を付した。
【００３３】
[静電アクチュエータ]
図2は、本発明の第1の実施例に係る静電アクチュエータを示すものである。図2に示すように、本発明の第1の実施例に係る静電アクチュエータ(200)は、絶縁基板(210)と、絶縁基板(210)上に形成された固定電極(220)と、固定電極(220)から電気的に絶縁された電荷充電部(240)と、固定電極(220)および電荷充電部(240)から離間して、かつ固定電極(220)および電荷充電部(240)に対向して配置された移動電極(250)と、を含む。静電アクチュエータ(200)は絶縁基板(210)の上方で移動電極(250)を浮かせて支持する支持部(260)を備えている。ここにいう支持部(260)は、従来型静電アクチュエータにおいて移動電極を支持するに用いられる任意的な構造を意味する。
【００３４】
図３は、本発明の第１の実施例に係る典型的な静電アクチュエータを示したものである。図３（ａ）は平行板（parallel plate）タイプの静電アクチュエータを示したものである。平行板タイプの静電アクチュエータは、絶縁基板(210)、絶縁基板(210)上に形成された固定電極(220)、固定電極(220)との間に絶縁材を挟んで、固定電極(220)と電気的に絶縁された電荷充電部(240)、電荷充電部の上部に配された移動電極(250)、および、移動電極(250)を電荷充電部(240)の上部に支持する支持部(260)を含む。支持部(260)は移動電極(250)の両側で移動電極(250)を支持する。
【００３５】
図３（ｂ）は、本発明の一実施例に係るカンチレバー(cantilever)タイプの静電アクチュエータを示したものである。カンチレバータイプの静電アクチュエータは絶縁基板(210)、固定電極(220)、電荷充電部(240)、移動電極(250)、および、支持部(260)を含む。ここで、支持部(260)は移動電極(250)の一方の側部で移動電極(250)を支持する。
【００３６】
図３（ｃ）は、本発明の一実施例に係るトーションバー（torsion bar）タイプの静電アクチュエータを示したものである。トーションバータイプの静電アクチュエータは、支持部(260)が移動電極(250)を両側で支持するという点において、前記平行板タイプの静電アクチュエータと同一である。平行板タイプの静電アクチュエータにおいては移動電極(250)が上下に平行移動するに対して、トーションバータイプの静電アクチュエータにおいては移動電極(250)がねじれ移動をするという点で両方は異なっている。また、固定電極(250)、電荷充電部(240)がそれぞれ２つに分かれているので、移動電極(250)のねじれ方向の調整が可能である。
【００３７】
以上、図３を参照して静電アクチュエータの詳細な構成について説明した。図２に戻って、本発明に係る静電アクチュエータについて詳細に説明する。
【００３８】
絶縁基板(210)は、絶縁性を有しながらより平坦な表面を有するガラス基板、セラミック基板、または、シリコン基板からなるのが好ましい。絶縁基板(210)上には固定電極(220)が形成されている。また、固定電極(220)上には絶縁層(230)が形成されていて、その上に電荷充電部(240)が形成されている。電荷充電部(240)は絶縁層(230)により固定電極(220)と絶縁されている。電荷充電部(240)には外部から加わる電圧によって電荷が充電される。電荷充電部(240)は充電された電荷が放電しないようにその表面に放電防止層を有し得る。放電防止層は、充電された電荷が空気あるいはその他の金属や非金属物質と接触して放電することを防止する任意的な物質から構成されていても良く、例えば、半導体製作技術において広く利用されている絶縁材で構成されている。移動電極(250)は、支持部(260)によって固定電極(220)および電荷充電部(240)の上方で浮かせた状態で支持されている。移動電極(250)は、絶縁基板(210)によって固定電極(220)から電気的に絶縁されている。固定電極(220)および電荷充電部(240)と移動電極(250)との間で発生する静電力によって移動電極(250)が駆動できるように、移動電極(250)は電導性の物質で構成されている。移動電極(250)は、ドーパント（dopant）がドーピングされた非晶質シリコン(即ち、非結晶シリコン)、半導体、または、金属のような或いは導体で構成されていてもよい。支持部(260)は、電荷充電部(240)の上方で（電荷充電部(240)に対向するように）移動電極(250)を浮かせた状態で支持するとともに、電荷充電部(240)と移動電極(250)との間隔を調節する。本明細書に添付した図面においては、より分かりやすくするために、支持部(260)を、復元力があるものとして表したが、移動電極(250)それ自体が可撓性、復元力があることがより好ましい。さらに、支持部(260)が移動電極(250)の一部であっても良い。
【００３９】
図４は、本発明の第１の実施例に係る静電アクチュエータ(200)の駆動方式を模式的に示したものである。まず、電荷充電部(240)に電荷を充電・トラップさせるか、または、分極状態にして、電荷充電部(240)と移動電極(250)との間に一定の電界を生じさせる。
【００４０】
ここで、電荷充電部(240)は、導電体、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)、および、強誘電体（自発分極するような性質をもつもの）からなるのが好ましい。
【００４１】
電荷受電部(240)が導電体からなる場合、電荷を充電するために、図4(a)に示すように、固定電極(220)と電荷充電部(240)との間に、及び／または、移動電極(250)と電荷充電部(240)との間に、電圧(V1)を印加する。すると、電荷充電部(240)に正電荷または負電荷が誘起される。その後、電荷充電部(240)を電気的に浮遊させると(floating)、電荷充電部(240)に誘起された電荷が保持される。電荷充電部(240)を電気的に浮遊させるために電荷充電部(240)を機械的なスイッチでショート（即ち、短絡）させても、プローブを用いて電圧を加えた後に物理的にショートさせても良い。
【００４２】
その後、図4(b)に示すように、固定電極(220)と移動電極(250)とに電圧(V2)を印加する。すると、固定電極(220)と移動電極(250)との間に印加された電圧(V2)によって、固定電極(220)と移動電極(250)には、互いに異なる符号の電荷が誘起される。その際、電荷充電部(250)に誘起された電荷と同じ符号の電荷が固定電極(220)に誘起されるように、電圧(V2)を印加する。これにより、移動電極(250)と電荷充電部(240)間の静電力、および、移動電極(250)と固定電極(220)間の静電力が生じる。このとき、これらの静電力の合計が臨界値以上であれば、移動電極(250)が固定電極(220)に向かって移動する。前記静電力の合計と支持部(260)の復元力が平衡になるところまで移動電極(250)が移動する。
【００４３】
図５（a）〜（ｃ）は図４（a）に対応するもので、電荷充電部(240)に電荷を充電する別の方法を模式的に示したものである。
【００４４】
電荷充電部(240)に電荷を充電する別の方法として、トンネリング現象を利用した方法がある。図5(a)に示すように、固定電極(220)と移動電極(250)との間に高電圧を印加すると、固定電極(220)と移動電極(250)の間には強い電界が形成され、その電界により固定電極(220)に誘起された電荷が、トンネリング現象によって固定電極(220)と電荷充電部(240)間の絶縁層(230)を通過し、電荷充電部(240)に注入される。言い換えれば、電荷充電部(240)を貫通する電界を形成し、トンネリング現象を用いて電荷充電部(240)に電荷を充電する。電荷充電部(240)にひとまず電荷が充電されると、電荷充電部(240)は外部と電気的に絶縁された状態にあるため、電荷が継続的に維持される。
【００４５】
電荷充電部(240)がONO(Oxide-Nitride-Oxide)からなる場合、図5(b)に示すように、固定電極(220)と移動電極(250)との間に高電圧を印加すると、固定電極(220)と移動電極(250)との間に強い電界が形成され、その電界によって固定電極(220)に誘起された電荷がトンネリング現状により固定電極(220)と電荷充電部(240)との間にある絶縁層(230)を通過して電荷充電部(240)にてトラップされる。即ち、電荷充電部(240)を貫通する電界を形成し、トンネリング現状を用いて、電荷充電部(240)に電荷をトラップさせる。電荷充電部(240)にいったん電荷がトラップされると、電荷充電部(240)は外部と電気的に絶縁された状態にあるため、その電荷は引き続き保持される。また、トラップされた電荷は導電体とは違って、互いに隣接した電荷同士が物理的に離れているため、電荷の放出経路ができたとしても、導電体のように電荷充電部(240)の全ての電荷が抜けるのではなく、そのような経路ができた電荷だけが抜けるので、電荷を保持するに当たって大変有利である。
【００４６】
さらに、電荷充電部(240)が強誘電体（自発分極の特質を持つもの）からなる場合、図5(c)に示すように、固定電極(220)と移動電極(250)との間に高電圧を印加すると、固定電極(220)と移動電極(250)との間に強い電界が形成され、その電界によって、電荷充電部(240)を成す強誘電体が分極する。このとき、その電界を除去しても、強誘電体内に形成された分極が保持され、その分極が電界を形成するので、電荷充電部(240)と移動電極(250)との間に静電引力が発生し、その後も引き続き保持される。
【００４７】
以上、電荷充電部(240)として、導電体、ONO、および、強誘電体について説明したが、そのほかにも、電荷が充電されるか、または、分極現状が保持される材料であれば前記電荷充電部(240)として適している。このような材料をエレクトレット(electret)とも呼ぶ。
【００４８】
本発明の第1の実施例に係る静電アクチュエータ(220)を従来型アクチュエータ(100)と比較してみると、従来型アクチュエータは、固定電極(120)と移動電極(130)との間に電圧Vだけ印加しないと、静電力により移動電極(130)を十分駆動することができないが、一方で、本発明の第１の実施例に係る静電アクチュエータ(200)は、電荷充電部(240)に予め充電された電荷によってVよりも低い駆動電圧により移動電極(250)を駆動することができる。たとえば、電荷充電部(240)と移動電極(250)にV1の電圧を加え、電荷充電部(240)に予め電荷が充電されている場合、固定電極(220)と移動電極(250)にV-V1に該当する電圧を加えて移動電極(250)を駆動することができる。電荷充電部(240)には、製品の生産段階または使用段階において一度だけ電荷を充電し、電荷充電部(240)を電気的に浮遊させれば、充電された電荷が保持されるので、それ以降の製品の使用段階においては低い駆動電圧で静電アクチュエータを駆動することができる。したがって、駆動電圧を低くするために支持部の復元力を低く設計する必要がなくなり、周辺のノイズに対する感度、連続動作の信頼性に優れた静電アクチュエータが得られる。
【００４９】
また、従来型静電アクチュエータでは、駆動電圧を調節するために移動電極と固定電極間の間隔を調節したり、支持部(140)の復元力を調節するために支持部(140)の厚さ、幅、または、長さをそれぞれ別々に設計したりしなければならないため、製品の生産段階において予め駆動電圧を設定するとその後の変更が不可能であった。しかしながら、本発明に係る静電アクチュエータは、電荷充電部(240)に充電させる電荷の量を調節することで、駆動電圧を調節することが可能となり、いつでも容易に駆動電圧を調節することができる。
【００５０】
図6は、本発明の第2の実施例に係る静電アクチュエータを示すものである。本発明の第2の実施例に係る静電アクチュエータ(300)は、絶縁基板(310)、固定電極(320)、電荷充電部(330)、移動電極(340)、支持部(350)を有する。電荷充電部(330)は絶縁基板(310)上に固定電極(320)から所定の間隔を置いて配置されている。電荷充電部(330)は固定電極(320)から所定の間隔を置いて配置されているため、両方は互いに電気的に絶縁されている。それぞれの構成要素の役割および駆動方法は、図2a乃至2cに示したように、本発明の第1実施例に係るアクチュエータの構成要素と同様である。
【００５１】
この実施例に係る静電アクチュエータは、前述した第1の実施例における固定電極(220)と移動電極(250)との間に形成された電界によるトンネリング現象を用いた電荷充電方法に対して、絶縁基板(310)と移動電極(340)との間に強い電圧を加え、絶縁基板(310)と電荷充電部(330)との間のトンネリング現象を用いて、電荷充電部(330)に電荷を充電することができる。
【００５２】
本発明の第1および第2の実施例によれば、固定電極(220,320)と電荷充電部(230,330)が垂直方向で積層された構造、および、同一平面上に配置された構造として説明されたが、このような固定電極(220,320)と電荷充電部(230,330)の配置は、上記構造に限定されるものではなく、固定電極と電荷充電部が互いに電気的に絶縁されており、かつ移動電極と静電力が生じるのであらば必要十分である。
【００５３】
[メモリ]
以下、本発明に係る静電アクチュエータを利用したメモリ素子について説明する。これに先立って、図7に示した静電アクチュエータの履歴現象(hysteresis)について説明する。図7は、静電アクチュエータの履歴現象を示すグラフである。グラフ(410)は、従来型静電アクチュエータの履歴現象を示している。固定電極と移動電極間に強い電圧を印加して駆動電圧がV1+V2になると、移動電極は固定電極の方向に移動する。グラフ(410)の縦軸であるIは、たとえば、固定電極と移動電極が接触している際に、導通状態になり流れる電流を意味している。この電流とは、固定電極と移動電極を通じて流れる電流、または、後述する移動電極と接点電極を通じて流れる電流のことである。その後、駆動電圧を次第に減らしてV1-V2になると、移動電極が元の位置に戻る。したがって、固定電極と移動電極とが隔たっているため電流が流れなくなる。グラフ(410)に示したように、移動電極が固定電極の方向に移動するときの駆動電圧と、元の位置に戻るときの駆動電圧とは異なっているが、この現象を履歴現象と称する。移動電極が固定電極に向かって移動するときの駆動電圧をプルイン(pull-in)電圧、元の位置に戻るときの駆動電圧をプルアウト(pull-out)電圧と呼ぶ。
【００５４】
グラフ(420)は、本発明に係る静電アクチュエータの履歴現象を示したグラフである。駆動電圧V1分だけの電荷を電荷充電部にあらかじめ蓄積させたため、駆動電圧がV1だけ減少した。よって、プルイン電圧、プルアウト電圧もV1だけ減少した。本発明に係る静電アクチュエータを利用することで、電荷充電部に蓄積される電荷量を制御し、駆動電圧を任意的に制御することが出来るということは前述の通りである。グラフ(420)には、駆動電圧を適当に制御して、プルイン電圧とプルアウト電圧とをその大きさを同じくしてその符号だけを反対にしたものが示されている。
【００５５】
メモリには'0'と'1'の値を記憶させることが出来るが、図２の静電アクチュエータにおいて、移動電極(250)が固定電極(220)に向かって移動した状態を'1'の値とし、移動電極(250)が移動していない状態を'0'の値としてそれぞれ定義する。しかしながら、このような定義は飽くまでも説明の便宜のために提供されたものであり、それとは逆に定義することも可能である。
【００５６】
前述の通り、電荷充電部(240)における電荷の充電量によって、静電アクチュエータの駆動電圧を制御することができる。したがって、電荷充電部(240)における電荷の充電量を制御して、プルイン電圧とプルアウト電圧を、その大きさは同じにするが、その符号をそれぞれ正と負、または、負と正にする。実際に具現する場合、プルイン電圧とプルアウト電圧の大きさが必ずしも同じでなくても良い。その他に、メモリにおける'0'と'1'の値を分ける駆動電圧の基準を必ずしも0に設定する必要はなく、任意の値を基準にすることもできるということは当業者の技術常識に当たる。
【００５７】
固定電極(220)と移動電極(250)との間にV2よりも高い駆動電圧を印加した後で0Vに変えると、それがプルダウン電圧である−V2よりも高いため、移動電極(250)は、固定電極(220)に向かって移動し、固定電極(220)から離れずにその移動した状態、即ち、'1'の値を保持する。次に、−V2値より低い駆動電圧を印加した後で0Vに変えると、移動電極(250)は元の位置に戻った状態を保持する。すなわち、'0'の値が保持される。
【００５８】
前述したように、V2よりも高いか、または、−V2よりも低い駆動電圧を印加すると、それ以降電圧を印加しなくても'0'や'1'の値が保持されるため、本発明に係る静電アクチュエータを、非揮発性メモリとして利用することができる。
【００５９】
[論理回路]
図8(a)は、本発明の第3の実施例に係る静電アクチュエータを利用した論理回路を示す。図8(b)は、図8(a)においてAの方向からみた平面図である。本発明に係る論理回路(500)は、絶縁基板(510)と、絶縁基板上に形成された固定電極(520,530)と、固定電極(520,530)と電気的に絶縁された電荷充電部(540,550)と、固定電極(520,530)および電荷充電部(540,550)の上方に形成された移動電極(560)と、移動電極(560)を絶縁基板(510)の上方で浮かせた状態で支持する支持部(570)と、を含む。
【００６０】
図8(b)に示すように、固定電極(520,530)は第1の固定電極(520)と第2の固定電極(530)とを含み、電荷充電部(540,550)は第1の電荷充電部(540)と第2の電荷充電部(550)とを含む。固定電極(520,530)と電荷充電部(540,550)は絶縁基板(510)上に形成されている。移動電極(560)は、固定電極(520,530)と電荷充電部(540,550)から離間してかつそれらに対向するように支持部(570)により支えられている。ここで、支持部(570)は、通常の静電アクチュエータにおける、移動電極(560)を支えることができる任意的な構造を意味する。支持部(570)は、移動電極(560)の一部として形成されていても良い。絶縁基板(510)は絶縁性を有しながらより平坦な表面を有するガラス基板、セラミック基板、または、シリコン基板からなるのが好ましい。電荷充電部(540,550)には、外部から充電された電荷が放電されないように、その表面に放電防止層が設けられていても良い。固定電極(520,530)および電荷充電部(540,550)と、移動電極(560)との間に生ずる静電力によって、移動電極(560)が駆動されるため、移動電極(560)は電導性物質から構成される。移動電極(560)は、ドーパントがドーピングされた非晶質シリコンまたは金属から構成されるのが好ましい。
【００６１】
本発明に係る論理回路(500)の駆動順序は次のとおりである。第1の電荷充電部(540)と第2の電荷充電部(550)に電荷を充電する。その後、第1の電荷充電部(540)と第2の電荷充電部(550)を電気力により浮遊させる。電気的に浮遊状態にするために、電荷を充電するために印加した電圧原を機械的スイッチでショートさせても良く、プローブを用いて電圧を印加した後に物理的にショートさせても良い。電荷充電部(540,550)に充電された電荷が放電しないように、その表面に放電防止層を設けても良い。
【００６２】
その後、第1および第2の種電極(530,540)と移動電極(560)との間に電圧を印加すると、固定電極(530,540)と移動電極(560)との間で作用する静電力と、電荷充電部(540,550)と移動電極(560)との間で作用する静電力とが合わせられ、移動電極(560)が固定電極(520,530)に向かって移動する。電荷充電部(540,550)に蓄積させる電荷量を制御することで、第1および第2の固定電極(520,530)にあらかじめ決められた電圧を印加するときにのみ移動電極(560)が駆動されるようにするのも可能である。
【００６３】
第1の固定電極(520)に電圧を印加したか否か、また第2の固定電極(530)に電圧を印加したか否かによる移動電極(560)の駆動可否について表1に示した。第1および第2の固定電極(520，530)に電圧を印加する場合には'1'として表記し、電圧を印加しない場合には'0'として表記する。また、移動電極(560)が駆動される場合に’1’として表記し、駆動されない場合に'0'として表記すると、表1の結果は真理値表に該当することが分かる。
【００６４】
【表１】
2009536015.tif 000003
【００６５】
この実施例においては、入力が2つであるAND論理回路について説明したが、このような実施例は例示的なものに過ぎず、固定電極の個数を制御し入力の個数を任意的に定めることができる。また、２つの電荷充電部を含む構成について説明したが、その個数もまた2つに限定されるわけではなく、任意の個数の電荷充電部を含むことも可能である。さらに、この実施例では、電荷充電部(540,550)および固定電極(520,530)がいずれも絶縁基板(510)上に配されている構成について説明したが、電圧を印加したときに移動電極(560)と静電力が生ずるものであるならば、それらの位置または配置は前記構成に限定されない。
【００６６】
[スイッチ]
図9は、本発明の第4の実施例に係るカンチレバータイプスイッチを示す。この実施例に係るカンチレバータイプスイッチ(600)は、絶縁基板(610)と、絶縁基板(610)上に互いに間隔を置いて配置された固定電極(620)および接点電極(670)と、固定電極(620)から電気的に絶縁された電荷充電部(640)と、固定電極(620)および電荷充電部(640)から間隔を置いてかつ固定電極(620)および電荷充電部(640)に対向して配置された移動電極(650)と、移動電極(650)を絶縁基板(610)の上方で（浮かせた状態で）支持する支持部(660)と、突起部(680)と、を含む。
【００６７】
電荷充電部(640)に電荷が充電され、固定電極(620)と移動電極(650)との間に駆動電圧が印加されると、移動電極(650)が固定電極(620)に向かって移動し、突起部(680)と接点電極(670)が接触する。それにより、支持部(660)、移動電極(650)、突起部(680)、および、接点電極(670)が導通して、スイッチオンの状態となる。駆動電圧が印加されないと、突起部(680)と接点電極(670)が互いに離れているため、スイッチオフの状態となる。スイッチ(600)におけるその他の構成要素の機能は、前述した本発明の実施例に係る静電アクチュエータにおける対応する構成要素の機能と同様である。
【００６８】
以下、本発明の好ましい実施例に係る静電スイッチ(600)の動作方式について説明する。まず、電荷充電部(640)に電荷を充電する。その後、電荷充電部(640)を電気的に浮遊状態にする。電気的に浮遊状態にするために、電荷を充電するために印加した電圧を機械的スイッチによってショートさせても良く、プロッブを用いて電圧を印加して電荷を充電し、その後にプロッブをショートさせても良い。充電された電荷が放電することを防ぐために、電荷充電部(640)の表面に放電防止層を設けても良い。
【００６９】
その後、固定電極(620)と移動電極(650)との間に臨界値以上の駆動電圧を印加する。電圧が印加されると、固定電極(620)と移動電極(650)には互いに異なる符号の電荷（即ち、正電荷、負電荷）が誘起される。電荷充電部(640)に充電された電荷と同じ符合の電荷が固定電極(620)に誘起されるように、駆動電圧を印加する。臨界値以上の電圧が印加されると、固定電極(620)と移動電極(650)間の静電引力と、電荷充電部(640)と移動電極(650)間の静電引力とが合わされ、移動電極(650)の一部が固定電極(620)に向かって移動する。静電引力が臨界値以下になると、支持部(660)または移動電極(650)の復元力によって、移動電極(650)は元の位置に戻る。移動電極(650)が固定電極(620)に向かって移動すると、固定電極(680)の末端部に形成された突起部(680)と接点電極(670)が互いに接触し、スイッチオンの状態となる。
【００７０】
図9を参照すると、絶縁基板(610)上に固定電極(620)、その上に絶縁層(630)、またその上に電荷充電部(640)が設けられている。固定電極(620)と電荷充電部(640)は、それぞれ移動電極(650)との間に静電力を生じるものであれば、その位置は特に限定されない。
【００７１】
図10は、本発明の別の実施例に係る静電スイッチを示す。図10を参照すると、絶縁基板(710)上に固定電極(720)と電荷充電部(730)とが互いに離間して形成されている。前述の通り、電荷充電部(730)と固定電極(720)の位置は例示的なものであって、必ずしもこのような配置または位置に限定されるものではない。
【００７２】
以上、前述した本発明の技術的構成に基づいて、本発明が属する技術分野における当業者が本発明の技術的思想や必須的特徴を変更せずに別の形態を実施できるのは明らかであろう。
【００７３】
上記実施例はあくまでも例示的なものであり、本発明がそれらの実施例に限定されるものではない。本発明の権利範囲はもっぱら特許請求の範囲によって定められる。したがって、特許請求の範囲の意味および範囲、そして、その等価概念から導出されるすべての変更、あるいは変形された形態が本発明の権利範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る静電アクチュエータは、微小電気機械システムに用いられる。具体的に、本発明にかかる静電アクチュエータは、非揮発性メモリ、論理回路、および、スイッチとして用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来型カンチレバータイプの静電アクチュエータを示す図。
【図２】本発明の第1の実施例に係る静電アクチュエータを模式的に示す図。
【図３】本発明の１つの実施例に係わる静電アクチュエータの具体的構成を示す図。
【図４】本発明の第１実施例にかかわる静電アクチュエータの駆動方法を模式的に示す図。
【図５】静電アクチュエータの電荷充電部に電荷を充電するいろいろな方法を示す図。
【図６】本発明の第2の実施例に係る静電アクチュエータを模式的に示す図。
【図７】静電アクチュエータの履歴現象を表したグラフ。
【図８】本発明の第３の実施例に係る静電アクチュエータを利用した論理回路を模式的に示す図。
【図９】本発明の第4の実施例に係るカンチレバータイプのスイッチを示す図。
【図１０】本発明の第5の実施例に係る静電スイッチを示す図。
【図１（ａ）】
2009536015.tif 000004
【図１（ｂ）】
2009536015.tif 000005
【図２】
2009536015.tif 000006
【図３（ａ）】
2009536015.tif 000007
【図３（ｂ）】
2009536015.tif 000008
【図３（ｃ）】
2009536015.tif 000009
【図４（ａ）】
2009536015.tif 000010
【図４（ｂ）】
2009536015.tif 000011
【図５（ａ）】
2009536015.tif 000012
【図５（ｂ）】
2009536015.tif 000013
【図５（ｃ）】
2009536015.tif 000014
【図６】
2009536015.tif 000015
【図７】
2009536015.tif 000016
【図８（ａ）】
2009536015.tif 000017
【図８（ｂ）】
2009536015.tif 000018
【図９】
2009536015.tif 000019
【図１０】
2009536015.tif 000020
【国際調査報告】
2009536015.tif 000021
2009536015.tif 000022
2009536015.tif 000023
2009536015.tif 000024