(57)【要約】【課題】  駆動電圧および駆動電流（消費電力）を低減することができるエネルギー変換素子およびそれを備えた静電駆動素子を提供する。【解決手段】  第１基板１１側には導電性の片持ち梁１３（第１の片持ち梁）が設けられ、この片持ち梁１３に駆動電流Ｉが供給されると梁部１３Ａが熱膨張により水平に延伸し、方向変換部１４において方向が転換されたのち、第２基板１２側の片持ち梁２５（第２の片持ち梁）を押し上げる。片持ち梁２５が第１電極２２に接近すると、両者の間の静電気力により信号入力部２５Ｃが入力配線２３および出力配線２４に接触し、信号回路を「閉」とする。熱駆動電源がオフとなると、片持ち梁１３は元の状態に戻るが、静電気力により信号回路は「閉」状態を維持する。静電駆動電源をオフにすると、片持ち梁２５自体の復元力により信号入力部２５Ｃが入力配線２３および出力配線２４から離れ、信号回路は「開」となる。【選択図】    図１０
2006328955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、前記梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の片持ち梁と、
前記基板上の前記梁部に対向する位置に設けられ、前記梁部の先端の延伸方向を変更する方向変換部と、
前記片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と
を備えたことを特徴とするエネルギー変換素子。
【請求項２】
基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、前記梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の第１の片持ち梁と、
前記基板上の前記梁部に対向する位置に設けられ、前記梁部の先端の延伸方向を変更する方向変換部と、
前記片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と、
前記梁部の先端に対向する位置に設けられた駆動電極と、
前記片持ち梁および駆動電極に電圧を印加し、前記方向変換された梁部を発生した静電気力によって前記駆動電極側に変位させる第２駆動手段と
を備えたことを特徴とする静電駆動素子。
【請求項３】
前記基板は、互いに対向配置された第１基板および第２基板であり、
前記第１基板上に少なくとも前記片持ち梁および前記方向変換部を備えると共に、
前記第２基板に少なくとも前記駆動電極を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項４】
前記片持ち梁に静電気力が作用し前記駆動電極側に変位したのち、前記第１駆動手段による駆動電流の供給を遮断する
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項５】
前記片持ち梁の支持部は２つに分岐し、駆動電流は一方の分岐部から前記梁部を経て他方の分岐部に流れる
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項６】
前記梁部の前記支持部の近傍の位置に空隙部を有し、前記空隙部において駆動電流を厚み方向に２分割する
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項７】
前記空隙部により２分割された前記梁部の厚み方向の上下で導電率が異なる
ことを特徴とする請求項６記載の静電駆動素子。
【請求項８】
前記片持ち梁の梁部および前記方向変換部の互いの対向面に傾斜面を有する
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項９】
対向配置された第１基板および第２基板を有する静電駆動素子であって、
前記第１基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、前記梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の第１の片持ち梁と、
前記第１基板上の前記梁部に対向する位置に設けられ、前記梁部の先端の延伸方向を前記第２基板側に変換させる方向変換部と、
前記片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と、
前記第２基板上に設けられた第１電極と、
前記第２基板上に設けられると共に前記第１電極に対向して第２電極を有し、前記方向変換された前記第１の片持ち梁の当接により、その先端が第２基板方向に変位可能な第２の片持ち梁と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、発生した静電気力により前記第２の片持ち梁を前記第２基板側に変位させる第２駆動手段と
を備えたことを特徴とする静電駆動素子。
【請求項１０】
前記第２基板と前記第２の片持ち梁との間で信号回路の開閉部を構成し、前記第２の片持ち梁の静電駆動により前記信号回路の開閉を行う
ことを特徴とする請求項９記載の静電駆動素子。
【請求項１１】
前記片持ち梁に静電気力が作用し前記駆動電極側に変位したのち、前記第１駆動手段による駆動電力の供給を遮断する
ことを特徴とする請求項９記載の静電駆動素子。
【請求項１２】
静電駆動素子を備えた電子機器であって、
前記静電駆動素子は、対向配置された第１基板および第２基板を備え、且つ、
前記第１基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、前記梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の第１の片持ち梁と、
前記第１基板上の前記梁部に対向する位置に設けられ、前記梁部の先端の延伸方向を前記第２基板側に変換させる方向変換部と、
前記片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と、
前記第２基板上に設けられた第１電極と、
前記第２基板上に設けられると共に前記第１電極に対向して第２電極を有し、前記方向変換された第１の片持ち梁の当接により、その先端が第２基板方向に変位可能な第２の片持ち梁と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、発生した静電気力により前記第２の片持ち梁を前記第２基板側に変位させる第２駆動手段と
を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを機械的動作に変換するためのエネルギー変換素子、およびそれを備えた静電駆動素子、並びにその静電駆動素子を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）素子およびこのＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子に組み込まれていることにある。
【０００３】
特に、半導体プロセスによるマイクロマシニング技術を用いて形成された駆動体については、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できることおよび他の半導体デバイスとの集積が可能なことなどの特徴を有していることから、無線通信デバイスの中でも中間周波数（IF；Intermediate Frequency）あるいは高周波（RF；Radio Frequency)静電駆動素子として利用することが提案されている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
また、このような素子の駆動方法としては、素子と共に駆動電極を設けてその間に静電気力（クーロン力）を発生させることにより駆動する方法（非特許文献１）あるいは駆動体を加熱することにより駆動する方法（例えば、特許文献１）などが提案されている。特に、静電気力による駆動方法は、上記駆動電極を設けるだけの単純な構成で容易に制御することができると共に消費電力を低減することができることから、優れた制御方法の一つとして用いられている。
【非特許文献１】ジェイ．アール．クラーク(J.R.Clark) 、ダブル．ーティー. スウ(W.-T.Hsu)、シー. ティー．−シー. グエン(C.T.-C.Nguyen) 、“ハイ−キューブイエッチエフ  マイクロメカニカル  カウンター−モード  ディスク  レゾネーターズ, ”テクニカル  ダイジェスト, アイエイーイーイー  アイエヌティー. エレクトロン  デバイシス  ミーティング,   サンフランシスコ, カリフォルニア, （“High-QVHF micromechanical contour-mode disk resonators, ”Technical Digest, IEEE Int. Electron Devices Meeting, SanFrancisco, California) 、Ｄｅｃ. １１−１３, ２００0 年、ｐ．３９９−４０２
【特許文献１】特開２００４−５５４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の静電気力による駆動方法では、２０Ｖ以上の高電圧を印加しなければならず、他の半導体素子との集積化の障害となったり、また、加熱による駆動方法では、駆動している間、駆動電流を供給し続ける必要があり、消費電力が大きくなるなどの問題が生じていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、低電圧でも静電駆動が可能であり、消費電力を大幅に低減することが可能な静電駆動素子、およびそれを用いた電子機器を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、ＭＥＭＳ構造により電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができ、上記のような静電駆動素子に好適に用いることのできるエネルギー変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるエネルギー変換素子の一態様は、基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の片持ち梁と、基板上の梁部に対向する位置に設けられ、梁部の先端の延伸方向を変更する方向変換部と、片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段とを備えたものである。
【０００９】
このエネルギー変換素子では、第１駆動手段により片持ち梁に駆動電流が供給されると、その熱膨張により梁部が延伸し、方向変換部に当接したのちその延伸方向が変更される。すなわち、電気エネルギーが熱エネルギーを経て機械的エネルギー変換されるもので、これを利用することにより、低電圧駆動の静電駆動素子を実現することが可能になる。
【００１０】
すなわち、本発明による静電駆動素子は上記エネルギー変換素子を備えたものであり、例えば以下の態様とすることができる。
【００１１】
本発明による静電駆動素子は、第１の態様として、基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の第１の片持ち梁と、基板上の梁部に対向する位置に設けられ、梁部の先端の延伸方向を変更する方向変換部と、片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と、梁部の先端に対向する位置に設けられた駆動電極と、片持ち梁および駆動電極に電圧を印加し、方向変換された梁部を発生した静電気力によって駆動電極側に変位させる第２駆動手段と、を備えた構成を有している。ここで、静電気力により片持ち梁が駆動電極側に変位したのちは、上記第１駆動手段による駆動電流の供給を遮断することが好ましい。
【００１２】
この静電駆動素子では、第１駆動手段により片持ち梁に駆動電流が供給されると共に、第２駆動手段により片持ち梁と駆動電極との間に静電駆動のための電圧が印加される。これにより片持ち梁の梁部が熱膨張して延伸すると共に、方向変換部により梁部の延伸方向が第２基板側に変更される。そして、その先端が駆動電極に接近すると、梁部は駆動電極との間の静電気力によって駆動電極に吸引される。
【００１３】
本発明による静電駆動素子は、第２の態様として、対向配置された第１基板および第２基板を有するものであって、第１基板上に設けられると共に、梁部およびこの梁部を支持する支持部を含み、梁部が熱膨張により延伸可能な導電性の第１の片持ち梁と、第１基板上の梁部に対向する位置に設けられ、梁部の先端の延伸方向を第２基板側に変換させる方向変換部と、片持ち梁に駆動電流を供給する第１駆動手段と、第２基板上に設けられた第１電極と、第２基板上に設けられると共に第１電極に対向して第２電極を有し、方向変換された第１の片持ち梁の当接により先端が第２基板方向に変位可能な第２の片持ち梁と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、発生した静電気力により第２の片持ち梁を第２基板側に変位させる第２駆動手段と、を備えた構成を有するものである。ここで、静電気力により第２の片持ち梁が第２基板側に変位したのちは、上記第１駆動手段による駆動電流の供給を遮断することが好ましい。
【００１４】
この静電駆動素子では、第１基板側では、第１駆動手段により第１の片持ち梁に駆動電流が供給されると共に、第２基板側において、第２駆動手段によって、第１電極と第２の片持ち梁側の第２電極との間に静電駆動電圧が印加される。これにより、第１基板側では、第１の片持ち梁の熱膨張により梁部が延伸し、方向変換部により方向転換されたのち、第１の片持ち梁が第２の片持ち梁を第２電極方向に押し上げる。そして、第２の片持ち梁が第１電極に接近すると、第１電極および第２電極への電圧印加により発生した静電気力が有効に作用し、第２の片持ち梁が第２基板側に吸引される。
【００１５】
よって、この静電駆動素子において、第２基板と第２の片持ち梁との間で信号回路の開閉部を構成すれば、第２の片持ち梁の変位に伴って、信号回路の開閉動作（スイッチング）等が行われることとなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のエネルギー変換素子によれば、導電性の片持ち梁に駆動電流を供給し、熱膨張により延伸させると共に、方向変換部において片持ち梁の延伸方向を変換するようにしたので、ＭＥＭＳ構造において電気エネルギーを機械的動作に容易に変換することができる。
【００１７】
また、本発明の静電駆動素子では、このエネルギー変換素子を利用するようにしたので、低電圧の静電駆動が可能となると共に、熱駆動のための駆動電流の供給も静電力が有効に作用したのちには遮断することが可能、すなわち、駆動中に電流を供給し続ける必要はなくなる。よって、全体として消費電力を低減させることが可能になると共に、電子機器中への集積化が可能となる。従って、この静電駆動素子を搭載した電子機器では、信号の入出力等の動作を低消費電力で行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動素子の断面構造を表すものである。この静電駆動素子１０は、第１基板１１および第２基板１２を備えている。第１基板１１上の表面には絶縁膜１１Ａ、第２基板１２上の表面には絶縁膜１２Ａがそれぞれ成膜されている。なお、本発明に係るエネルギー変換素子の一態様は、この静電駆動素子１０の第１基板１１側の構成に相当するものであるので、以下、併せて説明することとする。
【００２０】
第１基板１１上には対向して一対の片持ち梁１３が設けられている。２つの片持ち梁１３，１３（第１の片持ち梁）の間には、これらとは一定の間隔を隔てて方向変換部１４が設けられている。方向変換部１４は後述のように熱膨張により延伸した梁部１３Ａの先端を上方（第２基板１２側）へ方向転換するものである。方向変換部１４は、例えば、四角錐台の形状を有し、両側部にそれぞれ傾斜面１４ａを有すると共にその表面には保護膜１４Ａが形成されている。方向変換部１４の傾斜面１４ａに対応して、片持ち梁１３，１３の各梁部１３Ａの先端には傾斜面１３ａが設けられている。
【００２１】
一方、第２基板１２には、２つの片持ち梁１３それぞれの先端と対向する位置に駆動電極１５，１５が設けられており、これら駆動電極１５，１５は、その表面に絶縁膜１５Ａが形成されている。なお、駆動電極１５，１５の表面には、延伸により上方に反り返った梁部１３Ａの先端部に対向する位置に傾斜面１５ａを有する。この傾斜面１５ａは、反り返った梁部１３Ａの対抗面に沿うように傾斜している。これにより、後述する第２駆動手段（静電駆動）による梁部１３Ａの吸引が好適に行われるようになっている。
【００２２】
第１基板１１と第２基板１２との間にはスペーサ（図示せず）が介在し、両基板間が一定の間隔で保持されている。
【００２３】
第１基板１１は、半導体材料、例えばシリコン（Ｓｉ）により構成されている。絶縁膜１１Ａは片持ち梁１３を第１基板１１から電気的に分離するものであり、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）あるいは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）により構成される単一層または複数層からなるものであり、具体的には、厚さ２０ｎｍのケイ素熱酸化膜および厚さ２０ｎｍの窒化ケイ素薄膜をこの順に積層したものなどにより構成されている。第２基板１２も第１基板１１と同じ構成を有している。
【００２４】
片持ち梁１３は、梁部１３Ａの一端部を支持部（アンカー）１３Ｂにより支持した構造を有する熱駆動梁である。この片持ち梁１３は、例えば多結晶シリコンにより構成され、燐（Ｐ）などの不純物が添加されることにより導電性を有するものとなっている。また、片持ち梁１３の平面構造は、図２に示したようにコの字型をなしている。すなわち、支持部１３Ｂは２つの分岐部に分割され、その両端がそれぞれ第１端子１３Ｂ１，第２端子１３Ｂ２となっている。第１端子１３Ｂ１は直流電源（図示せず）の一方の電極、第２端子１３Ｂ２は他方の電極に接続されている。すなわち、この片持ち梁１３では、第１端子１３Ｂ１から梁部１３Ａを通じて第２端子１３Ｂ２に駆動電流Ｉが供給されるようになっており、これにより梁部１３Ａが熱膨張して方向変換部１４方向に延伸するものであり、この延伸時、梁部１３Ａの先端は方向変換部１４の傾斜面１４ａにそって上方に方向転換されるようになっている。駆動電流Ｉの供給が停止され冷却されると、この梁部１３Ａは延伸前の形状に復元する。なお、このように片持ち梁１３に駆動電流Ｉを供給するための電源により本発明の第１駆動手段が構成されている。なお、この電源としては直流電源に限らず交流電源でもよい。
【００２５】
この梁部１３Ａが方向変換部１４により方向変換されるためには、梁部１３Ａの延びた長さ（延伸長Ｌ１）が、第１基板１１側の梁部１３Ａの先端（下側先端部）１３Ａ３を基準として、その下側先端部１３Ａ３から方向変換部１４までの水平距離Ｌ２に方向変換部１４の高さを加えた値以上、あるいは方向変換部１４の傾斜面１４ａの長さに水平距離Ｌ２を加えた値以上であることが好ましい。
【００２６】
これに基づき、加熱する部分の延在方向の長さＬ３は、Ｌ３＝Ｌ１／Ｔ／α（α：ケイ素の熱膨張係数，Ｔ：加熱された部分の昇温幅）により求められる長さとすることが好ましい。具体的には、例えば、方向変換部１４の高さを１μｍおよび斜面の傾斜角度を４５°とする場合、延伸長Ｌ１は「１μｍ＋水平距離Ｌ２」以上あるいは「１．４μｍ＋水平距離Ｌ２」以上であり、加熱部分の長さＬ３は、延伸長Ｌ１を１．４μｍと近似すると共にケイ素の熱膨張係数αを１１×１０-6／Ｋおよび昇温幅Ｔを６００度とするとき、０．２３ｍｍである。
【００２７】
なお、上記片持ち梁１３の梁部１３Ａには、その支持部１３Ｂの近傍位置に図３に示したような空隙１３Ｃを設けることが好ましい。この空隙１３Ｃにより、駆動電流Ｉを厚み方向に２分割して発熱効率のバランスを調整することができ、より小さな駆動電流Ｉで梁部１３Ａを効率良く上方に反らせることができる。更に、例えばこの空隙１３Ｃの下面を境として、梁部１３Ａの領域を上下に分割し、下側梁部１３Ａ１の不純物ドープ量（すなわち、導電率）を上側梁部１３Ａ２よりも多くして、下側梁部１３Ａ１の伸び率を上側梁部１３Ａ２のそれにより相対的に大きくすることにより、梁部１３Ａをより効率的に制御するようにしてもよい。
【００２８】
方向変換部１４は例えば二酸化ケイ素により構成されている。保護膜１４Ａは、方向変換部１４の表面を保護すると共に、延伸した梁部１３Ａを円滑に方向変換させるためのものであり、例えば、窒化ケイ素などの絶縁性材料を厚さ１００ｎｍに堆積させたものである。
【００２９】
駆動電極１５は例えば、アルミニウム合金、タングステン合金、銅合金あるいは金などの貴金属などにより構成されている。絶縁膜１５Ａは例えば窒化ケイ素あるいは二酸化ケイ素などからなる単一層または複数層であり、梁部１３Ａと駆動電極１５とを電気的に分離するものである。なお、梁部１３Ａの表面を熱酸化させて絶縁膜を形成した場合には、別途絶縁膜１５Ａを設けなくてもよい。駆動電極１５と片持ち梁１３の梁部１３Ａとの間には図示しない直流電源（第２駆動手段）により静電駆動用の電圧が印加されるようになっている。
【００３０】
次に、この静電駆動素子１０の製造方法について説明する。
【００３１】
図４ないし図９は静電駆動素子１０の製造方法を工程順に示したものである。なお、図７を除き、図４ないし図９については、図１に示した方向変換部１４を含む左側の部分を拡大して示した。
【００３２】
まず、図４（Ａ）に示したように、シリコン製の第１基板１１の表面を、例えば熱酸化法により酸化してシリコン熱酸化膜１１Ａ１を形成したのち、引き続きこのシリコン熱酸化膜１１Ａ１上に、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により窒化ケイ素膜１１Ａ２を成膜することにより絶縁膜１１Ａを形成する。シリコン熱酸化膜１１Ａ１および窒化ケイ素膜１１Ａ２の厚さは、例えば、それぞれ２０ｎｍである。
【００３３】
続いて、図４（Ｂ）に示したように、窒化ケイ素膜１１Ａ２上に、減圧ＣＶＤ法などを用いて二酸化ケイ素などを堆積させることにより、例えば、厚さ１μｍの絶縁層１６を形成する。次いで、図４（Ｃ）に示したように反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法などを用いて絶縁層１６を選択的に除去することにより、例えば、四角錘台形状の方向変換部１４を形成する。
【００３４】
続いて、図５（Ａ）に示したように、方向変換部１４の表面に、減圧ＣＶＤ法などを用いて窒化ケイ素など堆積させることにより、例えば、厚さ１００ｎｍの保護膜１４Ａを形成する。
【００３５】
続いて、図５（Ｂ）に示したように、窒化ケイ素膜１１Ａ２および保護膜１４Ａ上に、例えば、減圧ＣＶＤ法を使用して、二酸化ケイ素などの絶縁性材料を、１００ｎｍの厚みになるまで堆積させたのち、フォトリソグラフィ処理およびエッチング処理を使用してパターニングすることにより、犠牲層１７Ａ，１７Ｂを形成する。
【００３６】
続いて、図５（Ｃ）に示したように、窒化ケイ素膜１１Ａ２および犠牲層１７Ａ，１７Ｂ上に、例えば、減圧ＣＶＤ法を用いてリン等が含有された多結晶シリコンを堆積させることにより、多結晶シリコン層１８を形成する。
【００３７】
続いて、図６（Ａ）に示したように、多結晶シリコン層１８の上面をＣＭＰ（Chemical and Mechanical Polishing : 化学的機械研磨）を用いて平坦化することにより、梁部１３Ａの上面を形成すると共に犠牲層１７Ａの上面および１７Ｂの一部の上面を露出させる。
【００３８】
続いて、図６（Ｂ）に示したように、例えば、フッ酸系のエッチング液などを用いて犠牲層１７Ａ，１７Ｂを除去する。これにより片持ち梁１３を備えた第１基板１１が完成する。
【００３９】
次に、図４（Ａ）に示した第１基板１１と同様にして、第２基板１２を作製する。
【００４０】
続いて、図７に示したように、絶縁膜１２Ａ上の所定の位置に、例えば、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法などを用いてアルミニウム合金、タングステン合金、銅合金あるいは金などの貴金属などを堆積させてパターニングすることにより駆動電極１５を形成する。続いて、これら駆動電極１５の表面に窒化ケイ素などを堆積させて絶縁膜１５Ａを形成する。
【００４１】
最後に、スペーサを間にして第１基板１１と第２基板１２とを貼り合わせることにより、図１に示した静電駆動素子１０が完成する。
【００４２】
また、図３の空隙１３Ｃを備えた片持ち梁１３は、例えば、次のようにして形成することができる。
【００４３】
図５（Ｂ）に示した工程に続いて、図８（Ａ）に示したように、窒化ケイ素膜１１Ａ２、保護膜１４Ａおよび犠牲層１７Ａ，１７Ｂの表面に、例えば厚さ７００ｎｍのリンなどを含む多結晶シリコン層１８Ａを形成する。
【００４４】
続いて、図８（Ｂ）に示したように、支持部１３Ｂの近傍の多結晶シリコン層１８Ａ上に、例えば、犠牲層１７Ａ，１７Ｂの形成の際と同様の材料および同様の方法を用いることにより、厚さ１００ｎｍの犠牲層１７Ｃを形成する。
【００４５】
続いて、図９に示したように、多結晶シリコン層１８Ａおよび犠牲層１７Ｃの表面を覆うように厚さ５００ｎｍのリンなどを含む多結晶シリコン層１８Ｂを形成する。これ以降の工程は図６に示した工程と同様であるのでその説明を省略する。これにより、空隙１３Ｃを備えた片持ち梁１３（図３）が完成する。
【００４６】
次に、この静電駆動素子１０の作用について説明する。
【００４７】
この静電駆動素子１０では、片持ち梁１３に対して支持部１３Ｂを介して駆動電流Ｉが供給されると共に、片持ち梁１３と駆動電極１５との間に静電駆動電圧が印加される。これにより、片持ち梁１３の梁部１３Ａが熱膨張して水平に延伸する。延びた梁部１３Ａは、方向変換部１４に当接し、さらにその傾斜面１４ａにそって移動し、延伸方向が上方に変換される。そして、この梁部１３Ａの先端が駆動電極１５に接近すると、梁部１３Ａは駆動電極１５と梁部１３Ａとの間に発生した静電気力により駆動電極１５側に引き付けられる。
【００４８】
このように本実施の形態では、静電気力により駆動させる前に、片持ち梁１３を、熱膨張を利用して機械的に駆動電極１５に接近させるようにしたので、低電圧の静電駆動が可能となると共に、熱駆動のための駆動電流の供給も静電力が有効に作用したのちには遮断することが可能、すなわち、駆動中に電流を供給し続ける必要はなくなる。よって、全体として消費電力を低減させることができると共に、電子機器中への集積化が可能となる。  
【００４９】
また、上記片持ち梁１３に空隙１３Ｃを設けることにより、駆動電流Ｉを厚み方向に２分割して発熱効率のバランスを調整することができ、より小さな駆動電流Ｉで梁部１３Ａを効率良く上方に反らせることができる。更に、例えばこの空隙１３Ｃの下面を境として、梁部１３Ａを上下に分割し、下側梁部１３Ａ１の不純物ドープ量（すなわち、導電率）を上側梁部１３Ａ２よりも多くすることにより、下側梁部１３Ａ１の伸び率を大きくして梁部１３Ａをより効率的に制御することが可能になる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
上記静電駆動素子は、具体的には、直流あるいは高周波等の信号回路の開閉を行うためのスイッチとして用いることができる。以下、図１０を参照して、この静電駆動素子２０について説明する。図１１は第２基板１２を第１基板１１との対向面側から見た平面構造を表したものである。なお、上記実施の形態と同一構成部分については同一符号を付して以下説明する。
【００５１】
この静電駆動素子２０では、第１基板１１と第２基板１２とが対向配置されると共に、第１基板１１の背面には接地膜１１Ｃ、第２基板１２の背面には接地膜１２Ｃがそれぞれ設けられている。第１基板１１は、絶縁膜１１Ａ上に一つの片持ち梁１３（第１の片持ち梁）のみを設けたこと以外は上記実施の形態と同様である。一方、第２基板１２の絶縁膜１２Ａ上には、第１配線２１、第１電極２２、入力配線２３および出力配線２４がそれぞれ設けられ、また、第１配線２１には片持ち梁２５（第２の片持ち梁）が一体化されている。第１電極２２は片持ち梁２５との間に静電気力を発生させるためのものであり、この第１電極２２は第２配線２６（図１１）を通じて接地されている。
【００５２】
接地膜１２Ｃは、プレーナ型の高周波線路を用いる場合に接地するためのものであり、例えば、アルミニウム合金などから構成されている。このような接地膜１２Ｃは基板１２の両面に設けるようにしてもよい。なお、コ・プレーナ型の高周波線路を用いる場合はこの接地膜１２Ｃは不要であるが、高周波線路である入力配線２３および出力配線２４の近傍には接地膜を設けることが好ましい。
【００５３】
入力配線２３および出力配線２４は高周波信号を伝送するための信号回路を構成している。第１配線２１，第１電極２２，入力配線２３および出力配線２４，第２配線２６は、例えば、アルミニウム合金、タングステン合金、銅合金あるいは金などの貴金属などにより構成されている。
【００５４】
片持ち梁２５は、絶縁性の梁本体２５Ａを備えており、この梁本体２５Ａの第２基板１２と対向する面に第２電極２５Ｂおよび信号入力部２５Ｃが設けられている。第２電極２５Ｂは第１配線２１と一体化して形成されるものである。信号入力部２５Ｃは第２電極２５Ｂと電気的に分離されると共に２つの接点２５Ｃ１，２５Ｃ２を有している。梁本体２５Ａの他方の第２電極２５Ｂに対向する位置に金属膜２５Ｄ、信号入力部２５Ｃに対向する位置に金属膜２５Ｅがそれぞれ形成されている。
【００５５】
また、片持ち梁２５の第２基板１２との対向面には保護膜２５Ｆ、他方の面には保護膜２５Ｇがそれぞれ設けられている。更に、片持ち梁２５は、第２電極２５Ｂと信号入力部２５Ｃとの間に支点２５Ｈ、第１配線２１の上方に支点２５Ｉがそれぞれ設けられ、これにより変形が容易となり、片持ち梁２５が円滑に駆動されるようになっている。
【００５６】
梁本体２５Ａは片持ち梁２５の骨格をなすものであり、二酸化ケイ素などの絶縁性材料により構成されている。第２電極２５Ｂは、第１電極２２と共に片持ち梁２５を静電気力により駆動するためのものであり、例えばアルミニウム合金、タングステン合金、銅合金あるいは金などの貴金属などにより形成されている。なお、第２電極２５Ｂと第１電極２２との間に静電駆動電圧を印加するための直流電源により本発明の第２駆動手段が構成されている。
【００５７】
信号入力部２５Ｃは接点２５Ｃ１，２５Ｃ２を含み、入力配線２３および出力配線２４に同時に接触することにより両者を接続、すなわち信号回路を「閉」とし、信号入力部２５Ｃが入力配線２３および出力配線２４から離れることにより信号回路を「開」とするものであり、第２電極２５Ｂと同様の材料により構成されている。
【００５８】
接点２５Ｃ１，２５Ｃ２は、第１電極２２と第２電極２５Ｂとの間に生じた静電気力によるプルイン現象、すなわち、静電気力によって第１電極２２と第２電極２５Ｂとの間隔が駆動電圧印加前の間隔の３分の２程度に縮まったときに急激に互いに引き付け合う現象が起きる前に入力配線２３，出力配線２４と接触するためのものである。これにより、片持ち梁２５が受ける余計な負荷を軽減し、繰り返し動作に対する耐久性を向上させることができるようになっている。具体的には、例えば、第２電極２５Ｂと第１電極２２との間の間隔を１．２μｍ、接点２５Ｃ１，２５Ｃ２のそれぞれと入力配線２３，出力配線２４との間隔を０．５μｍとすることにより、プルイン現象を抑制することができる。
【００５９】
また、接点２５Ｃ１，２５Ｃ２、入力配線２３および出力配線２４が上述したアルミニウム合金などで構成されている場合には、高周波信号および直流（ＤＣ）の入出力が可能なオーミック型（ＤＣ接触型）静電駆動素子として機能するものであるが、接点２５Ｃ１，２５Ｃ２と入力配線２３および出力配線２４との間に絶縁体を介在させることにより、高周波信号のみ入出力可能なキャパシティブ型（容量型）の静電駆動素子としてもよい。  
【００６０】
金属膜２５Ｄ，２５Ｅは梁本体２５Ａを補強するためのものであり、例えば第２電極２５Ｂと同様の材料により形成されている。保護膜２５Ｆは、第１電極２２と第２電極２５Ｂとを電気的に分離すると共に接触の際の摩擦などを軽減するためのものである。保護膜２５Ｇは、熱膨張した片持ち梁１３から受ける高熱および摩擦を軽減するためのものである。これら保護膜２５Ｆ，２５Ｇは、例えば、厚さが２０ｎｍであり、窒化ケイ素などの絶縁性材料により形成される。
【００６１】
次に、この静電駆動素子２０の製造方法の一例について説明する。
【００６２】
なお、第１基板１１の製造方法に関しては、上記実施の形態で説明したものと同様であるので、その説明を省略し、第２基板１２の製造工程以降の製造方法について以下に説明する。
【００６３】
図４（Ａ）に示した工程に続き、図１２（Ａ）に示したように、絶縁膜１２Ａ上の所定の位置に、例えば、減圧ＣＶＤ法などを用いてアルミニウム合金、タングステン合金、銅合金あるいは金などの貴金属などを堆積させてパターニングすることにより、第１配線２１、第１電極２２、入力配線２３、出力配線２４および第２配線２６（出力配線２４，第２配線２６は図示せず）を形成する。
【００６４】
続いて、図１２（Ｂ）に示したように、絶縁膜１２Ａ、第１配線２１、第１電極２２、入力配線２３、出力配線２４および第２配線２６の表面に、例えば、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法を用いて、図示しないチタン（Ｔｉ）−タングステン（Ｗ）薄膜を成膜し、次いで、多結晶Ｓｉ(PDAS;phosphorus doped amorphous silicon）を堆積させて犠牲層２７を形成したのち、犠牲層２７の上面をＣＭＰ法を用いて平坦化する。なお、Ｔｉ−Ｗ薄膜は、後述の犠牲層２７を除去する工程において、第１配線２１、第１電極２２、入力配線２３、出力配線２４および第２配線２６を保護するためのものであり、犠牲層２７の除去後に取り除かれる。
【００６５】
続いて、図１２（Ｃ）に示したように、犠牲層２７上に、例えば減圧ＣＶＤ法を用いて窒化ケイ素を堆積させたのちパターニングすることにより保護膜２５Ｆを形成する。更に、パターニングすることにより、第１配線２１と第２電極２５Ｂとを接続するためのコンタクトホール２８と、信号入力部形成予定部２９とを形成する。
【００６６】
続いて、図１３（Ａ）に示したように、第１配線２１、保護膜２５Ｆおよび犠牲層２７の表面に、例えば、減圧ＣＶＤ法を用いてアルミニウム合金あるいは金などの貴金属などを堆積させてパターニングすることにより第２電極２５Ｂ、信号入力部２５Ｃおよび支点２５Ｈ，２５Ｉを形成する。この場合も、アルミニウム合金などを堆積させる前に図示しないＴｉ−Ｗ薄膜を成膜しておくことが好ましい。
【００６７】
続いて、図１３（Ｂ）に示したように、各構成部の構成材料を積層する工程とパターニングとを繰り返すことにより片持ち梁２５を形成する。
【００６８】
続いて、図１３（Ｃ）に示したように、例えば、ＸｅＦ2 などを用いて犠牲層２７を除去することにより片持ち梁２５を備えた第２基板１２が完成する。
【００６９】
最後に、スペーサ（図示せず）を間にして第１基板１１と第２基板１２とを貼り合わせたのち、基板１１および基板１２それぞれの背面に、蒸着法などを用いて、アルミニウム合金などを堆積させることにより、例えば、それぞれの厚さが０．８μｍの接地膜１１Ｃ，１２Ｃを形成する。これにより、図１０に示した静電駆動素子２０が完成する。
【００７０】
次に、この静電駆動素子２０の作用について説明する。
【００７１】
まず、信号回路を「閉」とする場合には、熱駆動電源（第１駆動手段）および静電駆動電源（第２駆動手段）をオンとする。すると、駆動電流Ｉが供給されることにより片持ち梁１３が熱膨張し、図１０に二点鎖線で示したように、梁部１３Ａが水平方向に延伸し、方向変換部１４により方向転換された後、上昇して片持ち梁２５に当接する。そして、片持ち梁２５が第１電極２２側に接近すると、片持ち梁２５と第１電極２２との間に印加されたＤＣ電圧による静電気力が有効に作用し片持ち梁２５が第２基板１２側に吸引される。その結果、接点２５Ｃ１，２５Ｃ２が一定の圧力をもって入力配線２３と出力配線２４との間を接続し、信号回路は「閉」となる。その後、熱駆動電源はオフとなり、延伸した片持ち梁１３が元の状態に戻るが、静電気力により片持ち梁２５は吸収されたままであり、信号回路は「閉」状態を維持する。
【００７２】
次に、信号回路を「開」とする場合には、静電駆動電源をオフにする。これにより片持ち梁２５自体の復元力により接点２５Ｃ１，２５Ｃ２が入力配線２３および出力配線２４から離れ、信号回路は「開」となる。
【００７３】
このように本実施の形態の静電駆動素子２０では、片持ち梁１３の熱膨張による機械的な力と、片持ち梁２５に働く静電気力を併用して、信号回路の「閉」動作を行うと共に、片持ち梁２５自体の復元力により信号回路の「開」動作を行わせるようにしたので、駆動電流の通電量、すなわち消費電力および駆動電圧を低く抑えることができ、電子機器中に集積化することが可能となる。
【００７４】
次に、このような静電駆動素子を備えた電子機器の中で、特に、通信装置について説明する。この通信装置の具体例としては、携帯電話器、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナまたはラジオチューナなどが挙げられる。
【００７５】
図１４は、その通信装置のブロック構成を表すものである。上記静電駆動素子は、例えば、送受信経路を切り替える送受信切換器１０１として搭載されている。更に、この通信装置は、例えば、送信系回路１００Ａと、受信系回路１００Ｂと、高周波フィルタ１０２と、送受信用のアンテナ１０３とを備えている。
【００７６】
送信系回路１００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）１１１Ｉ，１１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑと、変調器１２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路１１３と、電力増幅器１１４とを備えている。この変調器１２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ１２１Ｉ，１２１Ｑおよび２つのミキサ１２２Ｉ，１２２Ｑと、移相器１２３と、加算器１２４と、バッファアンプ１２５とを含んで構成されている。  
【００７７】
受信系回路１００Ｂは、高周波部１３０、バンドパスフィルタ１４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路１４２と、中間周波回路１５０およびバンドパスフィルタ１４３と、復調器１６０および中間周波用ＰＬＬ回路１４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）１４６Ｉ，１４６Ｑとを備えている。高周波部１３０は、低ノイズアンプ１３１と、バッファアンプ１３２，１３４と、ミキサ１３３とを含んで構成されており、中間周波回路１５０は、バッファアンプ１５１，１５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路１５２とを含んで構成されている。復調器１６０は、バッファアンプ１６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑに対応した２つのミキサ１６２Ｉ，１６２Ｑおよび２つのバッファアンプ１６３Ｉ，１６３Ｑと、移相器１６４とを含んで構成されている。
【００７８】
この通信装置では、送信系回路１００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ１１１Ｉ、１１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器１２０に供給する。続いて、変調器１２０において、バッファアンプ１２１Ｉ，１２１Ｑを介してミキサ１２２Ｉ，１２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路１１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器１２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ１２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器１２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ１２５を介して電力増幅器１１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器１１４において増幅された信号は、送受信切換器１０１および高周波フィルタ１０２を介してアンテナ１０３に供給されて無線送信される。高周波フィルタ１０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。
【００７９】
送受信切換器１０１は、上記実施の形態の静電駆動素子により構成され、その機械的構造により信号損失を低減しつつ送受信の切り換えを可能とするものである。
【００８０】
一方、アンテナ１０３から高周波フィルタ１０２および送受信切換器１０１を介して受信系回路１００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部１３０において、受信信号を低ノイズアンプ１３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ１４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ１３２を介してミキサ１３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路１４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ１３４を介して中間周波回路１５０に供給する。続いて、中間周波回路１５０において、バッファアンプ１５１を介してバンドパスフィルタ１４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路１５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ１５３を介して復調器１６０に供給する。続いて、復調器１６０において、バッファアンプ１６１を介してミキサ１６２Ｉ，１６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路１４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ１６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器１６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ１４６Ｉ，１４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。
【００８１】
このように通信装置によれば、上記実施の形態の静電駆動素子を搭載したので、上述した作用により、駆動電流の通電量、すなわち消費電力および駆動電圧を低く抑えることができ、よって、高い駆動電圧を用いることなく信号の入出力を行うことができる。
【００８２】
なお、図１４に示した通信装置では、上記実施の形態において説明した静電駆動素子を送受信切換器１０１に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の信号切換器に適用してもよい。この場合においても、やはり同様の効果を得ることができる。
【００８３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、エネルギー変換素子、静電駆動素子および電子機器の具体的構成やそれらの製造方法に関する手順などは、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。
【００８４】
例えば、上記実施の形態では、エネルギー変換素子あるいは静電駆動素子の構成を第１基板および第２基板を互いに対向配置させるようにしたが、深堀エッチング技術を用いて１枚の基板のみで構成し、基板に対して平行方向に駆動するエネルギー変換素子および静電駆動素子としてもよい。
【００８５】
また、上記実施の形態では、本発明の静電駆動素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の他の電子機器に適用することも可能である。これらのいずれの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動素子の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した静電駆動素子の一部を表す平面図である。
【図３】図１に示した静電駆動素子の変形例を表す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動素子の製造工程を説明するための断面図である。
【図５】図４に続く工程を説明するための断面図である。
【図６】図５に続く工程を説明するための断面図である。
【図７】図６に続く工程を説明するための断面図である。
【図８】図５（Ｂ）に続く他の工程を説明するための断面図である。
【図９】図８に続く工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る静電駆動素子の構成を表す断面図である。
【図１１】図１０に示した静電駆動素子の一部を表す平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る静電駆動素子の製造工程を説明するための断面図である。
【図１３】図１２に続く工程を説明するための断面図である。
【図１４】本発明に係る静電駆動素子を搭載した電子機器（通信装置）のブロック構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０，２０…静電駆動素子、１１…第１基板、１１Ａ…絶縁膜、１１Ａ１…シリコン熱酸化膜、１１Ａ２…窒化ケイ素膜、１１Ｃ，１２Ｃ…接地膜、１２…第２基板、１２Ａ，１５Ａ…絶縁膜、１３…片持ち梁（第１の片持ち梁）、  １３ａ，１４ａ，１５ａ…傾斜面、１３Ａ…梁部、１３Ａ１…下側梁部、１３Ａ２…上側梁部、１３Ａ３…先端、１３Ｂ…支持部、１３Ｂ１…第１端子、１３Ｂ２…第２端子、１３Ｃ…空隙、１４…方向変換部、１４Ａ，２５Ｆ，２５Ｇ…保護膜、１５…駆動電極、１６…絶縁層、１７Ａ〜１７Ｃ，２７…犠牲層、１８，１８Ａ，１８Ｂ…多結晶シリコン層、２１…第１配線、２２…第１電極、２３…入力配線、２４…出力配線、２５…片持ち梁（第２の片持ち梁）、２５Ａ…梁本体、２５Ｂ…第２電極、２５Ｃ…信号入力部、２５Ｃ１，２５Ｃ２…接点、２５Ｄ，２５Ｅ…金属膜、２５Ｈ，２５Ｉ…支点、２６…第２配線、２８…コンタクトホール、２９…信号入力部形成予定部、１０１…送受信切換器、１０２…高周波フィルタ、１０３…アンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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