(57)【要約】【課題】圧電膜に鉛系の材料を用いず、作製が容易であり、スティッキングが発生してもそれを解消することが可能な圧電駆動アクチュエータを備えたマイクロメカニカルデバイスの提供。【解決手段】  基板１上に設けられ、圧電膜４と、圧電膜４の基板１に対向する面に設けられた下部電極３と、圧電膜４の下部電極３が設けられた面に対向する面に設けられた上部電極５とを有し、基板１上に固定された固定部１０ａと、固定部１０ａから延在した作用部１０ｂとを備えたアクチュエータ１０と、下部電極３と上部電極５との間に電圧を印加する電圧印加手段１３と、印加される電圧の極性を切り替える極性切替手段１４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、圧電膜と、前記圧電膜の前記基板に対向する面に設けられた第１の電極と、前記圧電膜の前記第１の電極が設けられた面に対向する面に設けられた第２の電極とを有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、
前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と
前記電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、単極性の直流電源であることを特徴とする請求項１記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、双極性の直流電源であることを特徴とする請求項１記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項４】
前記圧電膜は、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛のｃ軸配向膜で構成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に設けられ、前記基板に対向する側から第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、第３の電極がこの順で積層された積層構造を有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、
前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、
前記第２の電極と前記第３の電極、及び前記第２の電極と前記第１の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と
前記各々の電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項６】
前記電圧印加手段は、単極性の直流電源であることを特徴とする請求項５記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、双極性の直流電源であることを特徴とする請求項５記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項８】
前記第１の圧電膜及び前記第２の圧電膜は、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛のｃ軸配向膜で構成されていることを特徴とする請求項５から７いずれか１項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
【請求項９】
前記マイクロメカニカルデバイスは、可変キャパシタ又はスイッチであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカルデバイスに関し、特に、圧電アクチュエータにより駆動されるマイクロメカニカルデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術で作製された薄膜アクチュエータを用いて、スイッチや可変キャパシタ等のマイクロメカニカルデバイスを作製する技術に関心が集まっている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳ技術で作製された薄膜アクチュエータの一つとして、静電力を駆動力とした静電アクチュエータが知られている。この静電アクチュエータは、空間を隔てた一対の電極に駆動電圧を印加するだけという非常に簡単な動作機構で済むという長所がある。その反面、静電力が距離のマイナス二乗に比例するという性質から、印加電圧と移動量が非線型である、初期間隔の２／３程度以下では間隔が不連続に閉じてしまうプルインという現象が生じて駆動範囲が狭い、１μm以上の距離を駆動するためには一般に２０V以上の高い駆動電圧が必要である、電圧印加により可動電極に電荷が注入されて電極間にスティッキングが生じる、といった短所を有する。現状ではこれらの短所、特に駆動電圧が高い問題点から、一般民生用機器には応用が及んでいないのが現状である。
【０００４】
このような問題を解決するために、駆動力として圧電力を使用した圧電アクチュエータが一般的に知られている（例えば、特許文献１）。このような圧電アクチュエータは、圧電膜として圧電性が高く、加工性が高いＰＺＴ系（ジルコン酸チタン酸鉛）が好適に使用されている。そのため、アクチュエータとして様々な形状のものを容易に作製することが可能である。
【特許文献１】特開２００６−８７２３１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、薄膜技術によりＰＺＴ系の圧電膜を使用したアクチュエータを作製する場合には、様々な困難性がある。例えば、鉛系の材料は融点や蒸気圧が高く成膜過程での組成制御が困難である。また、通常の半導体製造ラインでは、鉛系の材料は環境汚染等の問題から使用を制限されているという問題がある。
【０００６】
さらに、薄膜技術により作製された圧電アクチュエータにおいても、静電アクチュエータと同様に、スティッキングという問題がある。このスティッキングは、例えば、金属電極と誘電膜間、あるいは誘電膜相互間では主としてファンデルワールス力に起因して生じ、また金属電極間のオーミックコンタクトにより開閉を行うＭＥＭＳスイッチにおいては、金属電極同士の凝集力により生じるので、物理的に不可避な現象である。
【０００７】
そこで、本発明は、圧電膜に鉛系の材料を用いず、作製が容易であり、スティッキングが発生してもそれを解消することができる圧電アクチュエータを備えたマイクロメカニカルデバイス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】
本発明に係るマイクロメカニカルデバイスは、基板と、前記基板上に設けられ、圧電膜と、前記圧電膜の前記基板に対向する面に設けられた第１の電極と、前記圧電膜の前記第１の電極が設けられた面に対向する面に設けられた第２の電極とを有し、前記基板上に固定された固定部と、前記固定部から延在した作用部とを備えたアクチュエータと、前記作用部に対向して前記基板の表面に配置された固定電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と前記電圧の極性を切替えて、前記アクチュエータを前記基板に近づく方向又は前記基板から遠ざかる方向に屈曲変位させる極性切替手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧電膜に鉛系の材料を用いず、作製が容易であり、スティッキングが発生してもそれを解消することができる圧電アクチュエータを備えたマイクロメカニカルデバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者は、前述した問題を解決すべく、薄膜法で作製可能な圧電体材料を種々検討した結果、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ないし酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｃ軸配向膜が適していることを見出した。ただし、ＡｌＮやＺｎＯの圧電性は、前述したＰＺＴ系の場合と比較すると、１／１０以下と非常に小さい。このためＡｌＮやＺｎＯの圧電膜を備えた圧電アクチュエータを作製する場合は、その変位量を大きくとるために、アクチュエータの厚さを薄くし、長さを長く、すなわちアスペクト比を大きく取る必要がある。しかしながらこのようなアスペクト比の大きいアクチュエータ構造を採用した場合は、アクチュエータの剛性が小さくなり、接点間のスティッキングなどにより動作不良をより生じやすくなるという問題が生じる。
【００１１】
このスティッキングの現象について、図面を用いて説明する、図１１は従来の圧電アクチュエータを備える可変キャパシタの構造を示す図である。１は基板、２はアンカー、３はアクチュエータの下部電極、４は圧電膜、５は上部電極、６は支持膜、７は可変キャパシタを構成する可動電極、８は固定電極、９は誘電膜、１０はアクチュエータ、１２は電圧印加手段（直流電源）である。
【００１２】
図１１において、電圧印加手段１２を使用して圧電膜４を挟む下部電極３と上部電極５との間に電圧Ｖを印加すると圧電膜４は膜厚方向に伸長して長軸方向に縮小する。このため、アクチュエータ１０は、図中、ｘ方向に向かって屈曲し、ｘｔだけ変位すると可動電極７は固定電極８上の誘電膜９に接触する。
【００１３】
図１２は、図１１に示したアクチュエータ１０に圧電駆動電圧Ｖ0〜Ｖｔを印加した時の駆動機構を説明する図である。
【００１４】
アクチュエータ１０は固有の剛性を持ち、アクチュエータ１０の変位ｘに比例したバネ弾性力Ｆを生じる。一方、アクチュエータ１０に圧電駆動電圧Ｖ0〜Ｖｔを印加することにより、圧電駆動力Ｆ0〜Ｆｔを生じ、この圧電駆動力Ｆ0〜Ｆｔとアクチュエータのバネ弾性力Ｆとがつりあう変位ｘ0〜ｘｔを生じる。アクチュエータ１０は変位ｘｔで誘電膜９に接触すると、それ以上は変位できないので、圧電駆動電圧Ｖとアクチュエータ変位ｘの関係は図１３（ａ）に示すようになる。
【００１５】
しかしながら、上述したように圧電定数の小さいＡｌＮやＺｎＯを圧電膜として使用した圧電アクチュエータは、薄く長い構造を持ち、剛性、言い換えると前述したバネ弾性力Ｆが小さいという特徴があり、アクチュエータ１０のバネ弾性力Ｆや圧電駆動力Ｆ0〜Ｆｔのほかに、電極同士が接触した場合の凝集力による固着（スティッキング）も無視出来なくなる。すなわち、図１２において圧電駆動電圧Ｖｔを印加して変位ｘｔで可動電極７が誘電膜９に接触した後、圧電駆動電圧をＶ0に戻したときに、アクチュエータ１０にはＦｔの引き戻す力が働く。もし、可動電極７と誘電膜９との間の固着力が力Ｆｔより大きい場合は、アクチュエータ１０は誘電膜９にスティッキングを生じ、可変キャパシタとして機能しなくなる（図１３（ｂ））。
【００１６】
発明者らは、種々の検討を重ねた結果、このスティッキングの問題に対処するため、圧電アクチュエータに適用することができる、新たな構造および駆動方法を見出した。
【００１７】
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。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、ユニモルフ型圧電駆動可変キャパシタに関するもので、図１に示すように、基板１上に、アクチュエータ１０が設けられている。アクチュエータ１０は、例えば、アンカー２を介して固定された固定部１０ａと、固定部１０ａから延在した可動電極７を有する作用部１０ｂとを有し、基板１上にアンカー２を介して、下部電極３、圧電膜４、上部電極５及び支持膜６がこの順で積層された構造を備えている。作用部１０ｂの可動電極７は、下部電極３と同層及び同材料で設けられ、下部電極３と可動電極７との間には電極スリット１１が設けられている。
【００１９】
アクチュエータ１０の作用部１０ｂの可動電極７に対向して、基板１の表面には固定電極８が設けられており、固定電極８は誘電膜９で覆われている。可動電極７と誘電膜９との間は、ギャップ（空間）が生じるように、固定電極８と誘電膜９との合計の高さは、アンカー２の高さより小さく設計されている。
【００２０】
アクチュエータ１０には、下部電極３と上部電極５との間に電圧を印加する電圧印加手段１３が接続されており、下部電極３及び上部電極５と、電圧印加手段１３との間には、印加される電圧の極性を切り替える極性切替手段１４が設けられている。
【００２１】
電圧印加手段１３は、図１に示すように、単極性の直流電源１５、１６を備える。直流電源１５、１６は、電圧印加手段１３内で極性を逆にして配置されている。このため、電圧印加手段１３は、双極性の特性を備えている。
【００２２】
極性切替手段１４は、切替スイッチＳ１及び切替スイッチＳ２を備える。切替スイッチＳ１は、上部電極５に接続された第１切替端Ｓ１ａと、直流電源１５の負極性に接続された第２切替端Ｓ１ｂ又は接地された第３切替端Ｓ１ｃとの間を切替えるスイッチである。切替スイッチＳ２は、下部電極３に接続された第４切替端Ｓ２ａと、接地された第５切替端Ｓ２ｂ又は直流電源１６の負極性に接続された第６切替端Ｓ２ｃとの間を切り替えるスイッチである。直流電源１５、１６の正極性は接地されている。
【００２３】
極性切替手段１４の駆動は、第１切替端Ｓ１ａを第２切替端Ｓ１ｂに、第４切替端Ｓ２ａを第５切替端Ｓ２ｂにそれぞれ接続させた状態（以下、第１状態という）で、下部電極３を正極性、上部電極５を負極性とした電圧を印加することができる。また、第１切替端Ｓ１ａを第３切替端Ｓ１ｃに、第４切替端Ｓ２ａを第６切替端Ｓ２ｃにそれぞれ接続させた状態（以下、第２状態という）で、下部電極３を負極性、上部電極５を正極性とした電圧を印加することができる。すなわち、極性切替手段１４は、この第１状態と第２状態とを切替える切替手段である。極性切替手段１４は、半導体スイッチ又はメカニカルスイッチで構成されている。
【００２４】
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、下部電極３を正極性、上部電極５を負極性とした電圧を印加した場合には、圧電膜４は長軸方向に伸長し、アクチュエータ１０本体は基板１側に向かって屈曲する。逆に、下部電極３を負極性、上部電極５を正極性とした電圧を印加した場合には、圧電膜４は長軸方向に縮小し、アクチュエータ１０本体は基板１側と反対の方向に向かって屈曲する。
【００２５】
図２に本実施形態における駆動機構を説明する図を示す。
【００２６】
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、電圧印加手段１３及び極性切替手段１４を用いて、圧電駆動電極（下部電極３及び上部電極５）間に、可動電極７と誘電膜９とを接触させるための駆動電圧Ｖｔを印加することができ、更に、可動電極７と誘電膜９とを離反させるための逆極性の電駆動圧−Ｖｔを印加することができる。すなわち、可動電極７と誘電膜９との間にスティッキングが生じた場合でも、アクチュエータには引き戻すための力（ここではバネ弾性力）−Ｆｔに加えて、駆動電圧−Ｖｔに応じた引き離し方向の力（ここでは圧電力）−Ｆｔが更に加わるため、スティッキングを容易に解消することができる。
【００２７】
図３に本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの動作機構を説明する図を示す。
【００２８】
最初に点Ａにあるアクリュエータ１０に電圧Ｖｔを印加すると、アクリュエータ１０が図１に示すｘ方向に向かってｘｔだけ屈曲変位して点Ｂにおいて可動電極７が固定電極８上の誘電膜９に接触する。この時に、強いスティッキングが生じた場合、印加電圧をＶ０に戻してもスティッキングは解消されない（点Ｃ）。ここでアクチュエータ１０が離反する方向の逆向きの駆動電圧−Ｖｔを印加することで駆動電圧−Ｖｒでスティッキングが解消され（点Ｄ）、駆動電圧−Ｖｒに相当するアクチュエータ１０の屈曲変位位置に戻り（点Ｅ）、点Ｆまで離れる。その後、駆動電圧をＶ０に戻すことによりアクチュエータ１０の位置は最初の点Ａに戻る。
【００２９】
基板１は、絶縁性のガラス基板、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板が用いられる。
【００３０】
アンカー２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜が好適に用いられる。
【００３１】
下部電極３、上部電極５、可動電極７及び固定電極８等の電極材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の加工が容易な金属が好適に用いられる。
【００３２】
支持膜６は、例えば、ポリＳｉ膜が好適に用いられる。
【００３３】
誘電膜８は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜が用いられる。
【００３４】
圧電膜４は、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ないし酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｃ軸配向膜を用いることが好ましい。なお、圧電膜４にＰＺＴ系の材料を用いた場合の駆動機構を図４、図５を用いて説明する。
【００３５】
図４はＰＺＴなどの強誘電体膜に印加した電界Ｅと分極Ｐの関係、一般にＰ−Ｅヒステリシス曲線と呼ばれる関係図である。まず分極していない状態Ａ点から正の電界を印加していくと強誘電分極が生じ、Ｂ点で分極が飽和してＣ点に至る。Ｃ点から電界を負方向に走引していくと、Ｄ点で強誘電分極が反転し始め、Ｅ点で反転が飽和し、Ｆ点に至る。再び印加電界を正方向に走引していくと、Ｇ点で再び強誘電分極が反転し始め、Ｈ点で飽和し、Ｃ点に戻る。このように、強誘電体の場合は正負の電界印加に対応して、Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｃの強誘電ヒステリシスを描く。
【００３６】
次に、強誘電体に生じる電歪εと印加電界Ｅとの関係を図５に示す。電歪εは分極量と電界Ｅの積にほぼ依存する。すなわち、分極していない状態Ａ点から正の電界を印加していくと分極および電界Ｅの増加に従い電歪εが増加し、Ｂ点を経てＣ点に至る。Ｃ点から電界Ｅを負方向に走引していくと、電界Ｅの減少に伴い電歪εも減少する。電界Ｅが負になるとＤ点とＥ点の間で強誘電分極が反転し、分極と電界Ｅの方向が一致するため、再び電歪εが増加してＦ点に至る。再び印加電界を正方向に走引していくと、電界Ｅの減少に伴い電歪εも減少するが、電界Ｅが正になるとＧ点とＨ点の間で強誘電分極が反転し、分極と電界Ｅの方向が一致するため、再び電歪εが増加してＣ点に戻る。このように、強誘電体の場合に電歪εは、分極せず電界Ｅも０の場合のＡ点と比較して、正に強く電界Ｅを加えた場合（Ｃ点）も負に強く電界Ｅを加えた場合Ｆ点も同じ方向に電歪εを生じるので、電界Ｅを正負に切り替えてもメリットは極めて限られること分かる。
【００３７】
一方、圧電アクチュエータに分極反転を生じない、ＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体を使用した場合の電界Ｅと分極Ｐの関係を図６に、電界Ｅと電歪εの関係を図７に示す。ＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体の場合は非常に単純であり、分極量や電歪εは単純に印加された電界Ｅに比例し、正の電界Ｅを加えれば正の方向に電歪εを生じ、負の電界Ｅを加えれば負の電歪εを生じるため、これまで述べてきたように圧電アクチュエータにとって正負の電界Ｅを印加することが非常に有効な手段となる。
【００３８】
以上より、本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、圧電性が低いＡｌＮやＺｎＯを圧電膜として用いた場合でも、下部電極３と上部電極５との間の電圧の極性を切替える極性切替手段が設けられているため、スティッキングが発生した場合でも、それを解除できるため、鉛系の材料を用いることなく、作製が容易なマイクロメカニカルデバイスを実現することができる。
【００３９】
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。
【００４０】
図１に示す構成のマイクロメカニカルデバイスを、下記に示す条件にて作成した。
【００４１】
・下部電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・圧電膜：ｃ軸配向させたＡｌＮ（厚さ５００ｎｍ）
・上部電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・支持膜：ＳｉＯ２膜（厚さ３００ｎｍ）
・固定電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・可動電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・可変キャパシタの等価面積６４００μｍ２
・アクチュエータ１０の長軸２００μｍ
・アクチュエータ１０の短軸１００μｍ      
作製した可変キャパシタを駆動させた際の駆動電圧と容量との関係図を図８に示す。
【００４２】
図８に示すように、駆動電圧を０Ｖから３Ｖまで増加させたところ、容量は０．２２ｐＦから１．８５ｐＦまで連続的に増加した（Ａ点）。しかしながら、続けて駆動電圧を０Ｖにしたところ、電極同士でスティッキングが生じたため容量値はほとんど変化しなかった（Ｂ点）。そこで次に、駆動電圧を０Ｖから−３Ｖまで負電圧を印加して行ったところ、−２Ｖ付近でスティッキングが解消されて容量が１．８２ｐＦから０．１３ｐＦまで不連続に減少した（Ｃ点）。その後、駆動電圧を−３Ｖから０Ｖまで減少させると、容量は０．１２ｐＦから０．２２ｐＦまで連続的に増加した（Ｄ点）。
【００４３】
このように、電極同士が接触後スティッキングを生じた場合に、逆極性の電圧を印加することでスティッキングが解消されることが確認された。
【００４４】
また、０〜３Ｖの正電圧を印加した場合の容量変化範囲である０．２２ｐＦから１．８５ｐＦに加えて、−３Ｖ〜０Ｖの負電圧を印加した場合の容量変化範囲である０．１２ｐＦから０．２２ｐＦの領域も利用することが可能になり、容量変化倍率も８．４倍から１５．４倍に増加することが確認された。
【００４５】
また、圧電膜としてｃ軸配向させたＺｎＯ（厚さ５００ｎｍ）を用いた場合でも同様な傾向の結果が確認された。
【００４６】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、バイモルフ型圧電駆動ＭＥＭＳ可変キャパシタに関するもので、図９に示すように、基板２１上に、アクチュエータ４０が設けられている。アクチュエータ４０は、例えば、アンカー２２を介して固定された固定部４０ａと、固定部４０ａから延在した可動電極２８を有する作用部４０ｂとを有し、基板２１上のアンカー２２を介して、下部電極２３、下部圧電膜２４、中間電極２５、上部圧電膜２６、上部電極２７がこの順で積層された構造を備えている。作用部４０ｂの可動電極２８は、下部電極２３と同層に設けられ、下部電極２３と可動電極２８との間には電極スリット２９が設けられている。
【００４７】
また、作用部４０ｂの可動電極２８に対向して、基板２１の表面には固定電極３０が設けられており、固定電極３０は誘電膜３１で覆われている。
【００４８】
可動電極２８と誘電膜３１との間にはギャップ（空間）が生じるように、誘電膜３１と固定電極３０との合計の高さはアンカー２２の高さより小さく設計されている。
【００４９】
アクチュエータ４０には、下部電極２３と中間電極２５との間、及び中間電極２５と上部電極２７との間に電圧を印加する電圧印加手段３２が接続されており、下部電極２３、中間電極２５及び上部電極２７と電圧印加手段３２との間には、印加される電圧の極性を切り替える極性切替手段３３が設けられている。
【００５０】
電圧印加手段３２は、図９に示すように、単極性の直流電源３４を備える。
【００５１】
極性切替手段３３は、切替スイッチＳ３及び切替スイッチＳ４を備える。切替スイッチＳ３は、下部電極２３及び上部電極２７に接続された第１切替端Ｓ３ａと、直流電源３４の負極性に接続された第２切替端Ｓ３ｂ又は接地された第３切替端Ｓ３ｃとの間を切替えるスイッチである。切替スイッチＳ４は、中間電極２５に接続された第４切替端Ｓ４ａと、接地された第５切替端Ｓ４ｂ又は直流電源３４の負極性に接続された第６切替端Ｓ４ｃとを切替えるスイッチである。すなわち、第２切替端Ｓ３ｂ及び第６切替端Ｓ４ｃは、直流電源３４の負極性に並列に接続され、第３切替端Ｓ３ｃ及び第５切替端Ｓ４ｂは、接地されている。直流電源３４の正極性は接地されている。
【００５２】
極性切替手段３３の駆動は、第１切替端Ｓ３ａを第２切替端Ｓ３ｂに、第４切替端Ｓ４ａを第５切替端Ｓ４ｂにそれぞれ接続させた状態（以下、第１状態という）で、中間電極２５を正極性、下部電極２３及び上部電極２７を負極性とした電圧を印加することができる。また、第１切替端Ｓ３ａを第３切替端Ｓ３ｃに、第４切替端Ｓ４ａを第６切替端Ｓ４ｃにそれぞれ接続させた状態（以下、第２状態という）にすることで、中間電極２５を負極性、下部電極２３及び上部電極２７を正極性とした電圧を印加することができる。すなわち、極性切替手段３３は、この第１状態と第２状態とを切替える切替手段である。極性切替手段３３は、半導体スイッチ又はメカニカルスイッチで構成されている。
【００５３】
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、中間電極２５に対して負極性、下部電極２３と上部電極２７に対して正極性の電圧を印加した場合には、上部圧電膜２６は長軸方向に伸長し、下部圧電膜２４は長軸方向に縮小し、アクチュエータ４０本体は基板２１側に向かって屈曲する。逆に、中間電極２５に対して正極性、下部電極２３と上部電極２７に対して負極性の電圧を印加した場合には、上部圧電膜２６は長軸方向に縮小し、下部圧電膜２４は長軸方向に伸長し、アクチュエータ４０本体は基板２１側と反対の方向に向かって屈曲する。
【００５４】
基板２１は、絶縁性のガラス基板、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板が用いられる。
【００５５】
アンカー２２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜が好適に用いられる。
【００５６】
下部電極２３、中間電極２５、上部電極２７、可動電極２８及び固定電極３０等の電極材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の加工が容易な金属が好適に用いられる。
【００５７】
誘電膜３１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜が用いられる。
【００５８】
下部圧電膜２４及び上部圧電膜２６は、ウルツ鉱型結晶系を持つ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ないし酸化亜鉛（ＺｎＯ）のｃ軸配向膜を用いることが好ましい。
【００５９】
なお、その他の駆動原理、効果等は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００６０】
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。
【００６１】
図９に示す構成の可変キャパシタを、下記に示す条件にて作成した。
【００６２】
・下部電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・圧電膜：ｃ軸配向させたＡｌＮ（厚さ５００ｎｍ）
・中間電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・上部電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・固定電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・可動電極：Ａｌ（厚さ２００ｎｍ）
・可変キャパシタの等価面積６４００μｍ２
・アクチュエータ１０の長軸２００μｍ
・アクチュエータ１０の短軸１００μｍ    
作製した可変キャパシタを駆動させたところ、第１の実施形態で説明したユニモルフ型圧電駆動ＭＥＭＳ可変キャパシタよりも１．８倍ほど大きな容量変化が確認されたが、第１の実施形態と同様に、可変キャパシタの電極間でスティッキングを生じ、駆動電圧を０Ｖに戻してもスティッキングは解消されなかった。
【００６３】
そこで、逆特性の電圧を印加したところ、−１．５Ｖ付近でスティッキングが解消され、安定に動作することが確認された。
【００６４】
また、圧電膜としてｃ軸配向させたＺｎＯ（厚さ５００ｎｍ）を用いた場合でも同様な傾向の結果が確認された。
【００６５】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図である。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、第１の実施形態で説明した可変キャパシタと構成は類似するものであるが、機能として、ＲＦスイッチに関するものである。本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、第１の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスと比較すると、誘電膜９が無い構成を備えており、その他の構成、駆動原理、効果等は、第１の実施形態と同様なため、説明を省略する。
【００６６】
本実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスは、可動電極７と固定電極８とが直接接触することで、オーミックコンタクトが可能になり、ＲＦスイッチとして機能するものである。
【００６７】
以下、本実施形態における具体的な実施例を説明する。
【００６８】
図４に示す構成のＲＦスイッチを、下記に示す条件にて作成した。
【００６９】
・下部電極：Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）
・圧電膜：ｃ軸配向させたＡｌＮ（厚さ５００ｎｍ）
・上部電極：Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）
・支持膜：ＳｉＯ２膜（厚さ３００ｎｍ）
・固定電極：Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）
・可動電極：Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）
・アクチュエータ１０の長軸２００μｍ
・アクチュエータ１０の短軸１００μｍ  
作製した圧電アクチュエータに３Ｖの駆動電圧を加えたところ、可動電極と固定電極の間でオーミックコンタクトが得られ、２ＧＨｚにおける損失は０．３dBと非常に小さい値が得られた。しかしながら、続けて駆動電圧を０Ｖに戻したが、電極間でスティッキングを生じたために抵抗値はほとんど変化しなかった。そこで次に０Ｖから−３Ｖまで負電圧を印加して行ったところ、−１．２Ｖ付近でスティッキングが解消されて導通がなくなり、−３Ｖにおけるアイソレーションは２ＧＨｚで３２ｄＢという高い値が得られた。その後、駆動電圧を０Ｖに戻したとき、アイソレーションは２５ｄＢであった。
【００７０】
このように、電極が接触後スティッキングを生じた場合に、逆極性の電圧を印加することでスティッキングを解消することが可能になり、安定に動作させることが可能になった。すなわち、導通させる場合は正極性の電圧を圧電アクチュエータに印加することで達成され、導通を切る場合は一旦負電圧を印加して０Ｖに戻すことで達成される。また大きな絶縁アイソレーションが必要とされる場合は、負極性の電圧を印加し続けることで達成される。また、ＡｌＮ、ＺｎＯで構成された圧電膜は容易に高い絶縁性を達成することができ、本実施例では３Ｖを印加しても流れる電流は１０−１０Ａ以下であり、消費電力は無視できた。
【００７１】
（その他の実施形態）
前述した第１の実施形態から第３の実施形態に係るアクチュエータは、一方の端部を固定部とする片持ち構造に関するものであるが、本発明は、両持ち構造や、折り返し構造など様々な構造が適用可能であることはいうまでもない。また、電圧印加手段、極性切替手段においても、圧電アクチュエータの電極間に逆極性の電圧を印加出来れば良いため、様々な形態の電圧印加手段及び極性切替手段を使用することができる。例えば、第１の実施形態で説明した電圧印加手段１３及び極性切替手段１４は、第２の実施形態で説明した電圧印加手段３２及び極性切替手段３３に置き換えることも可能であり、また、その逆も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図。
【図２】第１の実施形態における駆動機構を説明する図。
【図３】第１の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの動作機構を説明する図。
【図４】圧電膜４にＰＺＴ系の材料を用いた場合の駆動機構を説明する図。
【図５】圧電膜４にＰＺＴ系の材料を用いた場合の駆動機構を説明する図。
【図６】ＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体を使用した場合の電界と分極の関係を示す図。
【図７】ＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体を使用した場合の電界と電歪との関係を示す図。
【図８】作製した可変キャパシタを駆動させた際の駆動電圧と容量との関係を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るマイクロメカニカルデバイスの断面構造を示す図。
【図１１】従来の圧電アクチュエータを備える可変キャパシタの構造を示す図。
【図１２】図１１に示したアクチュエータ１０に圧電駆動電圧Ｖ０〜Ｖｔを印加したときの駆動機構を説明する図。
【図１３】圧電駆動電圧Ｖと変位ｘとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００７３】
１  基板
２  アンカー
３  下部電極
４  圧電膜
５  上部電極
６  支持膜
７  可動電極
８  固定電極
９  誘電膜
１０  アクチュエータ
１０ａ  固定部
１０ｂ  作用部
１１  電極スリット
１２  電圧印加手段
１３  電圧印加手段
１４  極性切替手段
１５  直流電源
１６  直流電源
２１  基板
２２  アンカー
２３  下部電極
２４  下部圧電膜
２５  中間電極
２６  上部圧電膜
２７  上部電極
２８  可動電極
２９  電極スリット
３０  固定電極
３１  誘電膜
Ｓ１〜Ｓ４  スイッチ
【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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