(57)【要約】【課題】  簡単な構造で、かつ空間的に電気配線を輻輳させることなく、微小機械構造の変位を独立して制御することを可能とする。【解決手段】  半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に空気層を介して半導体基板１０１上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な片持ち梁１０２と、片持ち梁１０２と半導体基板１０１とで形成される静電容量１０６に並列接続されるように片持ち梁１０２の一部であるアンカー部１０３と半導体基板１０１との間に形成されたフォトダイオード１０７と、静電容量１０６とフォトダイオード１０７との並列回路の接続点となる前記片持ち梁１０２側に抵抗１０４を介してフォトダイオード１０７に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源１０５とを有している。【選択図】    図１
2006123110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列または並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に、または該弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードとを備え、前記静電容量に印加する電圧を変化させることにより前記弾性機械構造体を機械的に変位させる静電マイクロアクチュエータの駆動方法であって、
前記静電容量に印加する電圧値を外部からフォトダイオードに入射される光の有無または光量により制御することにより前記弾性機械構造体の機械的変位を制御することを特徴とする静電マイクロアクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、
前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列接続または並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に、または該弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードと、
前記静電容量とフォトダイオードとの接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする静電マイクロアクチュエータ。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、
前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードと、
前記静電容量とフォトダイオードとの並列回路の接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする静電マイクロアクチュエータ。
【請求項４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、
前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に形成されたフォトダイオードと、
前記静電容量とフォトダイオードとの接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする静電マイクロアクチュエータ。
【請求項５】
単一の半導体基板と、
前記単一の半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な複数の弾性機械構造体と、
前記複数の弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される複数の静電容量に並列接続されるように前記複数の弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成された複数のフォトダイオードと、
前記複数の静電容量の各々と複数のフォトダイオードの各々との並列回路の接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記複数のフォトダイオードの各々に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源と、
を有することを特徴とする静電マイクロアクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体マイクロマシニング（ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)）技術に係り、特に、静電マイクロアクチュエータ、静電マイクロアクチュエータ装置、及び静電マイクロアクチュエータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)においては、マイクロ構造からナノ構造へと構造寸法が微細化されるのに伴い、可動構造への駆動エネルギー供給方法が大きな課題となりつつある。
【０００３】
従来のMEMS構造では、図１４（Ａ）の模式図に示すように、可動機構の面積と比較して静電駆動のための電気配線やコンタクトパッドの占有面積が無視できる程度であるのに対し、 Optical ＭＥＭＳにおける可変グレーティング（非特許文献１参照）のように構造寸法が取り扱う光の波長と同程度(１〜数μｍ)になると、図１４（Ｂ）、（Ｃ）の模式図に示すように、個々のＭＥＭＳ可動構造部分へ接続する電気配線の占有面積が相対的に大きくなり、デバイスの機能(回折光の空間光変調、強度変調など)を設計する上での問題となっている。
【０００４】
上述した配線の輻輳問題を解決する方法として、レーザーマニュピュレーションや、照射光の電磁界におけるマクスウェル応力を用いる方法が従来から検討されている。例えば、半透明微小物体への光線の屈折入射に伴う光の運動量変化（光圧）を駆動力に用いて、液中にサスペンドした微小物体の位置制御、回転制御などが行われている（非特許文献２参照）。
【０００５】
また、照射後の光のエネルギーを熱に変換して、マイクロ構造のバイモルフ効果と結合することにより変位を発生させる方法（非特許文献３参照）も検討されている。
【非特許文献１】David T.  Amm and Robert W. Crrigan, “Optical Performance of the Grating Light Valve Technology”, Photonics West-Electronic Imaging 1999
【非特許文献２】E. Higurashi, R.Sawada, T.Ito,“Optically drivenangular alignment of microcomponents made of in-planebirefringent polyimide film based on optical angular momentum transfer”J. OF Microeng.Vol.11(2),pp.140-145,2001
【非特許文献３】S.Baglio, S. Castorina, L. Fortuna L. N. Savalli,“Modeling and design of novel photo-thermo-mechanical microactuators,” SENSORS  AND ACTUATORS  A101(1-2),pp.185-193,2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、駆動電圧を自由に設定できる従来のＭＥＭＳ型静電アクチュエータと比較して、光圧や光のマクスウェルカが発生する駆動力は非常に小さいために、単純に静電アクチュエータの駆動機構として置き換えることは困難であるという問題が有る。
また、照射後の光のエネルギーを熱に変換して、マイクロ構造のバイモルフ効果と結合することにより変位を発生させる方法は、アクチュエータ部に複数のレイヤ構成が必要となるために、デバイス構造が複雑化するという問題が有った。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で、かつ空間的に電気配線を輻輳させることなく、微小機械構造（静電マイクロアクチュエータの可動構造部分：弾性機械構造体）の変位を独立して制御することができる静電マイクロアクチュエータ、静電マイクロアクチュエータ装置、及び静電マイクロアクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の静電マイクロアクチュエータの駆動方法は、半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列または並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に、または該弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードとを備え、前記静電容量に印加する電圧を変化させることにより前記弾性機械構造体を機械的に変位させる静電マイクロアクチュエータの駆動方法であって、前記静電容量に印加する電圧値を外部からフォトダイオードに入射される光の有無または光量により制御することにより前記弾性機械構造体の機械的変位を制御することを特徴とする。
【０００９】
上記構成からなる本発明の静電マイクロアクチュエータの駆動方法では、導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と半導体基板とで形成される静電容量に印加する電圧値を外部からフォトダイオードに入射される光の有無または光量により制御することにより前記弾性機械構造体（可動構造部分）の機械的変位を制御する。すなわち、静電マイクロアクチュエータの駆動源は印加電圧による静電引力に求め、該印加電圧を外部から入射した光の有無または光量により制御するようにしたので、上記静電容量に印加する駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る。
【００１０】
また、本発明の静電マイクロアクチュエータは、半導体基板と、前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列接続または並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に、または該弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードと、前記静電容量とフォトダイオードとの接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源とを有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成からなる本発明の静電マイクロアクチュエータでは、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部に、または該弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御する。
したがって、駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る。
【００１２】
また、本発明の静電マイクロアクチュエータは、半導体基板と、前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に並列接続されるように前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードと、前記静電容量とフォトダイオードとの並列回路の接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記構成からなる本発明の静電マイクロアクチュエータでは、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御する。
したがって、駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る。
【００１４】
また、本発明の静電マイクロアクチュエータは、半導体基板と、前記半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体と、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に直列接続されるように前記弾性機械構造体の一部に形成されたフォトダイオードと、前記静電容量とフォトダイオードとの接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記フォトダイオードに逆バイアスとなるように電圧を印加する電源とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記構成からなる本発明の静電マイクロアクチュエータでは、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御する。
したがって、駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る。
また、静電マイクロアクチュエータの機械的構造部分（上記半導体基板及び弾性機械構造体部分）をＳＯＩ（Silicon‐On‐Insulator）基板を用いて作製することができるので、基板上の形成されたフォトダイオードの光電変換効率を高くすることができ、フォトダイオードの絶縁耐圧を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明の静電マイクロアクチュエータ装置は、単一の半導体基板と、前記単一の半導体基板上に空気層を介して前記半導体基板上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な複数の弾性機械構造体と、  前記複数の弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される複数の静電容量に並列接続されるように前記複数の弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成された複数のフォトダイオードと、前記複数の静電容量の各々と複数のフォトダイオードの各々との並列回路の接続点となる前記弾性機械構造体側に抵抗を介して前記複数のフォトダイオードの各々に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源とを有することを特徴とする。
【００１７】
上記構成の静電マイクロアクチュエータ装置では、弾性機械構造体と半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御するようにした静電マイクロアクチュエータを複数、単一の半導体基板上に形成し、これらを共通の電源で駆動するようにしたので、電気配線が輻輳することなく、各静電マイクロアクチュエータの可動構造部分の変位を独立して制御することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、複数の静電マイクロアクチュエータを単一の基板上に実装した場合に、自由空間中を伝搬する光ビーム（複数）を微小機械構造（弾性機械構造体）の個別駆動に用いることで、空間的に電気配線を輻輳させることなく、微小機械構造の変位を独立して制御することが可能になる。
また、本発明では、静電マイクロアクチュエータの駆動制御に光を用いているために電磁気ノイズに対してロバスト性を獲得できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの構成を図１に示す。本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータは、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に空気層を介して半導体基板１０１上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体としての片持ち梁（可動構造部分）１０２と、片持ち梁１０２と半導体基板１０１とで形成される静電容量１０６に並列接続されるように片持ち梁１０２の一部であるアンカー部１０３と半導体基板１０１との間に形成されたフォトダイオード１０７と、静電容量１０６とフォトダイオード１０７との並列回路の接続点となる前記片持ち梁１０２側に抵抗１０４を介してフォトダイオード１０７に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源１０５とを有している。
ここで、第１実施形態では、弾性機械構造体として片持ち梁を使用しているが、本発明は、これに限定されず、例えば、両持ち梁、トーション梁であってもよく、要は、外力が加わったときに機械的に変位可能な構造体であればよい。他の実施形態においても同様である。
【００２０】
半導体基板は、例えば、シリコン基板であり片持ち梁１０２は、例えば、導電性材料であるポリシリコンで形成されている。第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの機械構造部分の製法については、後述する。
図１に示した静電マイクロアクチュエータの等価回路を図２に示す。同図に示すように、片持ち梁１０２と半導体基板１０１とで形成される静電容量１０６に並列にフォトダイオード１０７（ＰＤ）が接続され、かつフォトダイオード１０７（ＰＤ）のアノードが接地されている。静電容量１０６（容量値はＣ）とフォトダイオード１０７との並列回路の片持ち梁１０２側の接続点Ｄ（フォトダイオード１０７のカソード側）に抵抗１０４（抵抗値はＲ）を介して電源１０５（電源電圧Ｖ）が接続され、フォトダイオード１０７には逆バイアスがかかるよう結線されている。
【００２１】
片持ち梁１０２と半導体基板１０１とで形成される静電容量１０６に電圧が印加されると、静電容量を形成する片持ち梁１０２及び半導体基板１０１に静電引力が作用することが知られている。したがって、上記静電容量に印加される電圧を変化させることにより、静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である弾性機械構造体としての片持ち梁１０２の機械的変位を制御することができる。
なお、抵抗１０４は、本実施形態では、外付けの抵抗としているが、片持ち梁１０２のアンカー部分１０３におけるフォトダイオード１０７と電源１０５とを接続する部分の内部抵抗とすることも可能である。
【００２２】
図３に静電マイクロアクチュエータの駆動特性を示す。図３は、弾性機械構造体としての片持ち梁１０２と半導体基板１０１とで形成される静電容量１０６に印加されるアクチュエータ印加電圧（駆動電圧）ＶＤに対するフォトダイオード１０７に流れる光電流ＩＤとの関係を示す特性図である。
【００２３】
上記構成からなる本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの動作を説明する。図３において、曲線Ｐは、フォトダイオード１０７のＰＮ接合の界面に光が入射されていない状態でのフォトダイオード１０７の電圧−電流特性であり、曲線Ｑは上記ＰＮ接合の界面に光が入射された状態でのフォトダイオード１０７の電圧−電流特性であり、Ｋは負荷線である。また、ＶＢＤはＰＮ接合の逆バイアス降伏電圧であり、本実施形態（他の実施形態も同様）では、アクチュエータ印加電圧（駆動電圧）ＶＤはＰＮ接合の電圧降下より十分高く、かつＰＮ接合の逆バイアス降伏電圧ＶＢＤより低くなるように設定されている。
【００２４】
上記構成において、片持ち梁１０２のアンカー部分１０３に形成されたフォトダイオード１０７のＰＮ接合の界面に光が入射されていない状態では、図２の等価回路において、フォトダイオード１０７には、光電流がほとんど流れないために、静電容量１０６の両端間には負荷線Ｋと曲線Ｐとの交点である電圧ＶＡがアクチュエータ印加電圧ＶＤとして印加される。この電圧ＶＡは、電源１０５の電源電圧Ｖに近い電圧値である。
【００２５】
このとき、静電容量１０６を形成する片持ち梁１０２及び半導体基板１０１間に静電引力が発生し、この結果、弾性機械構造体１０２は、矢印１１０で示す半導体基板１０１側に吸引され、図１（Ａ）に示すように変位する。
【００２６】
次に、片持ち梁１０２のアンカー部分１０３に形成されたフォトダイオード１０７のＰＮ接合の界面に制御光としての光１２０が入射されると、図２において、フォトダイオード１０７に光電流が流れるため、抵抗１０４で電圧降下が生じ、静電容量１０６の両端間にはフォトダイオード１０７の電圧降下分に相当する曲線Ｑと負荷線Ｋとの交点における電圧ＶＢがアクチュエータ印加電圧ＶＤとして印加される。
【００２７】
したがって、静電容量１０６の両端間には僅かな電圧しか印加されなくなるため、静電容量１０６を形成する片持ち梁１０２及び半導体基板１０１間に静電引力が発生せず、図１（Ｂ）に示すように、片持ち梁１０６は半導体基板１０１から離れる方向１１０Ａに変位し、解除される。
【００２８】
このように、アクチュエータ印加電圧（駆動電圧）ＶＤを一定にしたまま、外部からフォトダイオード１０７のＰＮ接合に照射する制御光１２０を制御することにより、すなわち制御光１２０を入射するか否か、あるいは制御光１２０の光量を制御することにより、静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である弾性機械構造体としての片持ち梁１０２の機械的変位を制御することができる。
【００２９】
すなわち、本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータによれば、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御するようにしたので、駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る
【００３０】
図４は、図１に示した本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータを単一の半導体基板上に複数、形成した本発明の実施形態に係る静電マイクロアクチュエータ装置の構成を示しており、図４（Ｂ）はその平面図、図４（Ａ）は図４（Ｂ）におけるＸ−Ｘ’切断線による断面図をそれぞれ、示している。
【００３１】
図４において、本発明の実施形態に係る静電マイクロアクチュエータ装置は、単一の半導体基板２００と、この単一の半導体基板２００上に空気層を介して半導体基板２００上に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な複数の弾性機械構造体としての片持ち梁２００１と、この複数の片持ち梁２００１と半導体基板２００とで形成される複数の静電容量２００２に並列接続されるように複数の片持ち梁２００１の一部と半導体基板２００との間に形成された複数のフォトダイオード２００３と、複数の静電容量２００２の各々と複数のフォトダイオード２００３の各々との並列回路の接続点となる片持ち梁２００１側に抵抗２０２を介して複数のフォトダイオード２００３の各々に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源２０３とを有している。
【００３２】
すなわち、単一の半導体基板としてのシリコン基板上にポリシリコン等の導電材料で弾性機械構造体（可動機械構造）を形成し、そのアンカー部分にフォトダイオードのＰＮ接合を形成したものを静電マイクロアクチュエータの単体とし、この静電マイクロアクチュエータの構造を複数、単一のシリコン基板上に並列化して形成し、各静電マイクロアクチュエータにおけるフォトダイオードと静電容量との並列回路の弾性機械構造体側の接続点を、抵抗を介して各フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加されるように単一の電源２０３に接続したものである。
静電マイクロアクチュエータ単体の構造は比較的容易に形成することができ、また、複数の静電マイクロアクチュエータを並列化して単一の半導体基板に形成する場合でも個別の配線が不要で，共通の電源線を１本用意すればよい。
【００３３】
この静電マイクロアクチュエータ単体の構造の設計に当たっては、（１）静電マイクロアクチュエータの駆動に必要な電圧がＰＮ接合の電圧降下よりも十分に高く、かつ（２）ＰＮ接合の逆バイアス降伏電圧よりも低いこと、また、（３）静電マイクロアクチュエータの静電容量部分に印加される電圧のダイナミックレンジは抵抗２０２の抵抗値Ｒとフォトダイオード２００３の光電流Ｉできまる電圧降下分によって決定されるために、十分に大きなＲとＩを確保すること、さらに、（４）駆動のカットオフ周波数は抵抗２０２の抵抗値Ｒと静電マイクロアクチュエータの静電容量２００２の容量Ｃで決まることを考慮する必要がある。
【００３４】
図５にシリコン製のカンチレバー（弾性機械構造体）型静電アクチュエータ（静電ギャップ３μm，幅１０μm，厚さ２μm，長さ２０〜１００μm）の電圧−変位特性を、構造体の縁における電界集中を無視して数値計算した結果を示す。
なお、駆動に伴って静電マイクロアクチュエータの弾性機械構造体としての片持ち梁の根元から先端に向かって静電ギャップの大きさが分布するために、分布荷重をうける梁の曲げの微分方程式を解いた。その結果、初期ギャップのほぼ２／３におけるプルイン電圧は、カンチレバーの長さが６０μｍ〜１００μｍの範囲において２９〜８１Ｖの範囲内で計算された。市販のシリコンＰＩＮ接合フォトダイオードの逆方向降伏電圧が３０〜８０Ｖであることから、この電圧範囲内での設計を行うことにした。
【００３５】
上記構成の本発明の実施形態に係る静電マイクロアクチュエータ装置では、弾性機械構造体と半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部と前記半導体基板との間に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御するようにした静電マイクロアクチュエータを複数、単一の半導体基板上に形成し、これらを共通の電源で駆動するようにしたので、電気配線を簡略化でき、電気配線が輻輳することなく、各静電マイクロアクチュエータの可動構造部分の変位を光により非接触で独立して制御することができる。
【００３６】
本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータにおける機械構造部分の製造工程の一例を図６に示す。図６において、ｐ型シリコン基板２５０表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜２５１を所定の膜厚となるように堆積させた後、フォトリソグラフィプロセス及びエッチングプロセスによりＳｉＯ２膜２５１にフォトダイオード及び静電マイクロアクチュエータの弾性機械構造体としての片持ち梁のアンカー部分を形成するための窓２５２を開ける（図６（Ａ））。
【００３７】
次に、ＣＶＤ法によりポリシリコン膜２５３を所定の膜厚に堆積させた後、平坦化を行い、さらに、ＬＰＣＶＤ法によりリン（Ｐ）を含むＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤２５４を所定の膜厚に堆積させる。この結果、ＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤２５４に含まれるリン（Ｐ）が開口２５２に堆積したポリシリコン膜部分２５３Ａの下部におけるｐ型シリコン基板２５０の表層に熱拡散し、ｎ型層２５５が形成される。これにより、ｎ型層２５５とこれに隣接するｐ型シリコン基板２５０のｐ型領域とでフォトダイオードのＰＮ接合が形成される（図６（Ｂ））。
【００３８】
さらに、ＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤２５４を除去した後、フォトレジストによりマスキングし、ポリシリコン膜２５３を片持ち梁（弾性機械構造体）の形状にエッチングを行い、フォトレジストを除去する（図６（Ｃ））。
次いで、ＳｉＯ２膜２５１を除去することにより、静電マイクロアクチュエータの片持ち梁を含む機械構造部分の構造体が得られる（図６（Ｄ））。実際には、片持ち梁のアンカー部分には、配線用のコンタクトパッドが形成されるが、そのプロセスについては説明の便宜上、省略してある。
【００３９】
次に、本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの外観構成を図７に示す。同図において、本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータは、半導体基板３０１と、半導体基板３０１上に空気層を介して半導体基板３０１に対向するように導電性材料または半導体材料で形成された機械的に可動な弾性機械構造体としての片持ち梁３０３と、片持ち梁３０３と半導体基板３０１とで形成される静電容量３０６に直列接続されるように片持ち梁３０３の一部であるアンカー部分に形成されたフォトダイオー３０４と、静電容量３０６とフォトダイオード３０４との接続点となる前記片持ち梁３０３側に抵抗３０５を介してフォトダイオード３０４に逆バイアスとなるように電圧を印加する電源３０７とを有している。抵抗３０５は、片持ち梁３０３のアンカー部分の内部抵抗である。
【００４０】
半導体基板３０１は、本実施形態では、シリコン基板であり、酸化膜等の絶縁層３０２を介して形成されている別のシリコン層により片持ち梁３０３が形成されている。半導体基板３０１及び片持ち梁３０３は、ＳＯＩ（Silicon‐On‐Insulator）基板を用いて作製することができる。
フォトダイオード３０４のカソード側にコンタクトパッド３２１が、また片持ち梁３０３のアンカー部分におけるコンタクトパッド３２１が形成されている領域から離間した領域にコンタクトパッド３２２が形成されている。
【００４１】
第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの機械構造部分の製法については、後述する。
図７に示した静電マイクロアクチュエータの等価回路を図９に示す。同図に示すように片持ち梁３０３と半導体基板３０１とで形成される静電容量（３０６容量値はＣ）の一端が接地され、静電容量３０６の他端に直列にフォトダイオード３０４（ＰＤ）のアノードが接続され、かつフォトダイオード１０７のカソード側は、コンタクトパッド３２１を介して電源３０７（電源電圧Ｖ）の正極側に接続されている。
【００４２】
また、フォトダイオード１０７のアノードは、抵抗３０５（抵抗値はＲ）、コンタクトパッド３２２を介して電源３０７の負極側に接続され、電源３０７の負極側は接地されている。このように、フォトダイオード３０４には、抵抗３０５を介して電源３０７により逆バイアスがかかるよう結線されている。
なお、フォトダイオード３０４と静電容量３０６との接続点をＤとし、この点の電位をＶＤとする。
【００４３】
次に、図８を参照して上記構成からなる第２の実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの動作について説明する。図８は、図７に示した静電マイクロアクチュエータの動作状態を示しており、コンタクトパッド３２１，３２２については説明の便宜上、図示するのを省略してある。
上記構成において、図８（Ａ）に示すように、片持ち梁３０３のアンカー部分に形成されたフォトダイオード３０４のＰＮ接合の界面に光（制御光）３１０が入射されていない状態では、図９の等価回路において、フォトダイオード３０４には、光電流Ｉがほとんど流れないために、静電容量１０６の両端間電圧、すなわち点Ｄにおける電位であるアクチュエータ印加電圧ＶＤは、ほぼ接地電位に等しくなる。
【００４４】
したがって、この状態では、静電容量３０６を形成する片持ち梁３０３及び半導体基板３０１には静電引力はほとんど働かず、片持ち梁３０３は変位しない。
【００４５】
次に、図８（Ｂ）に示すように、片持ち梁３０３のアンカー部分に形成されたフォトダイオード３０４のＰＮ接合の界面に制御光３１０が入射されると、図８において、フォトダイオード３０４に光電流Ｉが流れるため、静電容量３０６の両端間には電源３０７の電源電圧Ｖからフォトダイオード１０７の電圧降下分だけ低い電圧がアクチュエータ印加電圧ＶＤとして印加される。
このとき、静電容量３０６を形成する片持ち梁３０３及び半導体基板３０１に静電引力が発生し、この結果、片持ち梁３０３は、矢印３１３の方向に変位する。
【００４６】
このように、本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータでは、第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータと同様に、アクチュエータ印加電圧（駆動電圧）ＶＤを一定にしたまま、外部からフォトダイオード３０４のＰＮ接合に照射する制御光３１０を制御することにより、すなわち制御光３１０を入射するか否か、あるいは制御光３１０の光量を制御することにより、静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である弾性機械構造体としての片持ち梁３０３の機械的変位を制御することができる。
【００４７】
次に、本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの機械的構造部分の製造工程の一例を図１０に示す。同図において、埋め込み酸化膜層（Buried Oxide，ＢＯＸ）４００を有するＳＯＩ（Silicon‐On‐Insulator）基板４０１のｐ型シリコン層４０１２の表面にＣＶＤ法またはＬＰＣＶＤ法により絶縁膜４０２を所定の膜厚だけ堆積させ、次いで、フォトリソグラフィプロセス及びエッチングプロセスによりフォトダイオードを形成するために絶縁膜４０２に窓４０３を開ける（図１０（Ａ））。
【００４８】
次に、ＬＰＣＶＤ法によりリン（Ｐ）を含むＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤４０４を所定の膜厚に堆積させる。この結果、に含まれるリン（Ｐ）が開口４０３に堆積したＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤４０４の下部におけるｐ型シリコン層４０１２の表層に熱拡散し、ｎ型層４０５が形成される。これにより、ｎ型層４０５とこれに隣接するｐ型シリコン層４０１２のｐ型領域とでフォトダイオードのＰＮ接合が形成される（図１０（Ｂ））。
【００４９】
次に、ＳｉＯ２系被膜形成用塗布剤４０４及び絶縁膜４０２を除去した後、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）のメタル層を堆積して、パターニングし、コンタクトパッド４０６、４０７及びミラー４０８を形成するとともに、その上にシリコン基板４０１１上に静電マイクロアクチュエータの弾性機械構造体としての片持ち梁を形成するために、マスクとして機能するレジスト膜４０９を形成する（図１０（Ｃ））。
次に、レジスト膜４０９をマスクとしてレジスト膜により被覆されていない部分を埋め込み酸化膜層４００の表面までエッチングして除去する（図１０（Ｄ））
【００５０】
さらに、レジスト膜４０９を除去すると共に、埋め込み酸化膜層４００を選択的に除去し、静電マイクロアクチュエータの機械構造部分となる構造体を分離する（図１０（Ｅ））。
このようにして完成した構造体におけるコンタクトパッド４０６、４０７と、電源４１０とを結線することにより本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータが完成する（図１０（Ｆ））。
【００５１】
本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータを試作した。
今回の試作では，光アシスト静電駆動の原理検証を行うために、フォトダイオードと抵抗は外付けとして、図１１示すプロセスで、静電マイクロアクチュエータの機械構造部分であるカンチレバー／ブリッジ構造を製作した。プロセスには、厚さ２．５μmのシリコン層５０１と３．０μmの埋め込み酸化膜層（Buried Oxide， ＢＯＸ）５００からなる基板とシリコン基板５０２とを張り合わせた、張り合わせＳＯＩ (Silicon on Insulator)基板を用いた。
【００５２】
まず、通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターン５０３を形成し、それを住友精密社製STS Deep RIE 装置でシリコン層５０１に転写する（図１１（Ａ））。
次いで、下地の埋め込み酸化膜５００を選択的に除去し、カンチレバー／ブリッジ構造を分離した。なお、分離した微小構造体の基板への再付着を防ぐために、蒸気フッ酸(Vapor HF)による酸化膜除去を行った（図１１（Ｂ））。
最後に、ワイヤボンディングの接着層として、真空蒸着により１０ｎｍのクロム層と２０ｎｍの金を基板全面に堆積した。
【００５３】
次に、試作した静電マイクロアクチュエータの機械構造部分であるマイクロ構造（微小機械構造）を、図１２に示したようなセットアップに組み込んで実験を行った。外付け抵抗Ｒには１／４W、３９ｋΩを使用し、アクチュエータ（静電容量Ｃ）と並列のフォトダイオードＰＤには浜松フォトニクス社製Ｓ１２２３−０１  （感度中心波長９６０ｎｍ）を用いた。
光を照射したときにアクチュエータが駆動を停止する様子を明瞭に観察するために、外部駆動電圧として、オフセット電圧付きの正弦波交流電圧（２Vpp＋１Ｖdc，５kHz）をアンプで０Ｖ〜６０Ｖの電圧に増幅したものを用いた。
【００５４】
また、フォトダイオードの正面に発光ダイオードＬＥＤ（シャープ製ＧＬ３８０，発光中心波長９５０ｎｍ，１１ｍＷ）を用いて、２５０Ｈｚ,５Ｖの矩形波でドライブすることで入射光とした。すなわち，フォトダイオードＰＤと発光ダイオードＬＥＤの対がフォトカプラとして機能している。MEMS可動構造（カンチレバー／ブリッジ構造）、すなわち静電マイクロアクチュエータの可動構造部分（弾性機械構造体）の変位の測定には，日本光学社製のレーザードップラー変位計（ＭＤＬ−１０３，測定分解能１ｎｍ）を用いた。
【００５５】
図１３に原理検証実験中の等価回路各部の電圧波形と、MEMS構造の変位波形の様子を示す. LEDへの駆動電圧（上段の波形）が０ＶのときにはフォトダイオードＰＤには光電流が流れないために，アンプＡからの駆動電圧（中段）はそのままアクチュエータ（静電容量）に印加され、約８ｎｍの変位として観察された。
一方,  LEDへの駆動電圧が５ＶのときにはフォトダイオードＰＤに光が照射され、光電流が流れるために抵抗Ｒでの電圧降下が発生する．したがって，アクチュエータに印加される電圧が低下し、アクチュエータの動作が停止する様子が分かった。
【００５６】
以上に説明したように、本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータによれば、前記弾性機械構造体と前記半導体基板とで形成される静電容量に印加された電圧値を、前記弾性機械構造体の一部に形成されたフォトダイオードに外部から入射された光により制御し、その電圧変化に応じて静電マイクロアクチュエータの可動構造部分である前記弾性機械構造体の機械的変位を制御するようにしたので、駆動電圧をユーザが自由に高く設定することができ、それ故、従来のレーザマイクロマニピュレーションや光熱変換等の手段を用いた場合に比して発生力を大きくすることができる。
【００５７】
また、光により制御しているために、非接触駆動が可能となる。さらに、多数の静電マイクロアクチュエータを同一基板上に形成しても電気配線は共通電源と共通接地のみで足りるため、電気配線が非常に簡単になるという効果が有る。
また、静電マイクロアクチュエータの機械的構造部分（上記半導体基板及び弾性機械構造体部分）をＳＯＩ（Silicon‐On‐Insulator）基板を用いて作製することができるので、基板上の形成されたフォトダイオードの光電変換効率を高くすることができ、フォトダイオードの絶縁耐圧を高くすることができる。
【００５８】
なお、上述した静電マイクロアクチュエータにおいて、フォトダイオードの極性、すなわちおＰＮ接合の向きが、半導体製造プロセスや半導体基板のP型、ｎ型を反転した結果として本発明の各実施形態における静電マイクロアクチュエータと逆に形成されていても、電源電圧の正負の極性を逆にして用いれば、本実施形態と同様の動作をすることができるのは言うまでもない。
また、本発明の各実施形態に係る静電マイクロアクチュエータにおけるフォトダイオードは、ＰＮ接合以外にも、P型半導体とＮ型半導体との間にintrinsic層を挟んだＰＩＮ接合であっても、フォトダイオードの特性が向上するだけで、静電マイクロアクチュエータとしての動作は同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの構成を示す図。
【図２】図１に示した本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの等価回路を示す回路図。
【図３】図１に示した本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの駆動特性を示す図。
【図４】図１に示した本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータを単一の半導体基板上に複数、形成した静電マイクロアクチュエータ装置の構成を示す図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの駆動電圧−変位特性を数値計算して求めた結果を示す特性図。
【図６】本発明の第１実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの機械構造部分の構造体の製造工程の一例を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの外観構成を示す斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの動作状態を示す説明図。
【図９】図７に示した本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの等価回路を示す回路図。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータの機械構造部分の構造体の製造工程の一例を示す説明図。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る静電マイクロアクチュエータを試作した際における機械的構造部分の構造体の製造工程を示す説明図。
【図１２】試作した静電マイクロアクチュエータの原理検証を行うための実験時の回路構成を示す図。
【図１３】図１２に示した回路で原理検証実験中の等価回路各部の電圧波形と静電マイクロアクチュエータの可動構造部の変位波形の様子を示す波形図。
【図１４】ＭＥＭＳ構造の微小化に伴う電気配線の占有面積が増大する傾向にあることを示す説明図。
【符号の説明】
【００６０】
１０１、２００、３０１…半導体基板、３０２…絶縁層、２０１…静電マイクロアクチュエータ（単体）、１０２、２００１、３０３…片持ち梁（弾性機械構造体）、１０３…アンカー部、１０４、２０２、３０５…抵抗、１０５、２０３、３０７…電源、１０６、２００２、３０６…静電容量、１０７、２００３、３０４…フォトダイオード、１２０、２２０、３１０…制御光、３２１、３２２…コンタクトパッド
【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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