(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ構造体の振動振幅を利用するＭＥＭＳデバイスについて、環境変化や経年変化に強いＭＥＭＳデバイスを提供する。【解決手段】対象物との間の静電容量を測定するための可動電極アレイ１０２を有するマイクロ構造体と、前記マイクロ構造体を振動せしめるたに圧電素子を用いた圧電マイクロカンチレバー１０８ａ，１０８ｂからなるマイクロアクチュエータと、前記マイクロ構造体と前記マイクロアクチュエータとを揺動自在に連結するヒンジ１１２ａ，１１２ｂとからなる連結部と、前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記マイクロ構造体に接触して前記マイクロ構造体の振幅を規制せしめるストッパ１１０ａ、１１０ｂと、を備える。【選択図】図１
2008030182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ構造体と、
前記マイクロ構造体を振動せしめるためのマイクロアクチュエータと、
前記マイクロ構造体と前記マイクロアクチュエータとを揺動自在に連結する連結部と、
前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記マイクロ構造体に接触して前記マイクロ構造体の振幅を規制せしめるストッパと、
を備えるＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記ストッパによって規定される前記マイクロ構造体の振幅は、前記ＭＥＭＳデバイスの製造当初において、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記マイクロ構造体は、その端部に薄板状のフラップが設けられ、
前記ストッパは、前記フラップを挟むように配設される２枚の板状の構造体を有し、
前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記フラップ部が前記ストッパに干渉することにより、前記マイクロ構造体の振幅が規制せしめられるように構成される。
請求項１又は２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記フラップ及び前記ストッパは、前記マイクロ構造体の長辺側の両側にそれぞれ設けられる、請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記マイクロ構造体の短辺側の両側に、２つの前記マイクロアクチュエータが、それぞれ前記連結部を介して連結せしめられる、請求項３又は４に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記２枚の板状の構造体の間隔が、前記ＭＥＭＳデバイスの製造当初において、前記ストッパがない場合に前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大の振幅よりも、小さく設定されている、請求項３から５のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体の振動特性を利用して対象の性質を測定するセンサ。
【請求項８】
請求項１から６のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体に電極を備えると共に、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめることによって生ずる前記電極に蓄積される電荷量の変化を測定する測定器を備える、センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems，微小電気機械システム）に関し、特に、静電や電磁，熱，圧電等を駆動源とするマイクロアクチュエータによってマイクロ構造体を駆動する、ＭＥＭＳデバイスに好適に適用されうる。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳデバイスでは、マイクロ構造体を、静電、電磁、熱、圧電等を駆動源とするマイクロアクチュエータによって駆動する構造をとることが多い。駆動方法としては、直流で駆動する静的駆動、非共振周波数の交流で駆動する準静的駆動、共振周波数の交流で駆動する共振駆動がある。
【０００３】
これらのうち共振駆動の場合は、温度等の環境変化に伴う共振周波数変化によるマイクロ構造体の振動振幅変化が起こることがある。また、ＭＥＭＳデバイスの長期使用に伴って、マイクロアクチュエータやマイクロ構造体の特性が変化し、結果として振幅変化が起こることがある。
【０００４】
このため、従来のＭＥＭＳデバイス、特にマイクロ構造体を定振幅で振動させる必要があるＭＥＭＳデバイスでは、センサなどによって振幅を検知し、アンプによって検知信号を増幅させ、信号処理回路によるフィードバックをかけるというクローズループ制御を行っている。
【０００５】
しかしながら、このような方法をとる場合は、ハード的には、検知用センサ、アンプ、信号処理回路等のＭＥＭＳデバイス本体以外の複数の素子が必要であり、ソフト的には、振幅検知→増幅→判定→フィードバックという、多段階のプロセスが要求されることになる。
【０００６】
米テキサス・インスツルメンツ社は、MEMS技術を応用して製造したマイクロミラーを多数配列したDLP（登録商標）という投影技術を有している。DLPプロジェクタを構成する個々のマイクロミラーは角度を変えることができるようになっており、数１０万のマイクロミラーの角度をそれぞれ可変制御することにより画像を投影する。DLPのマイクロミラーには、その傾きを規制するため、ミラー下部に傾きを規制するためのストッパが設けられている（非特許文献１図４参照）。しかし、DLPのマイクロミラーは角度を可変制御されるものの、振動せしめられるものではなく、また、傾きは規制されるものの、上下動が規制されることはない。さらにDLPのマイクロミラーは、対象の性質を測定するセンサとして用いられるものでもない。
【非特許文献１】LarryJ．Hornbeck著「Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a BrightFuture」（米テキサス・インスツルメンツ社）発行日不詳。入手先：http://www.dlp.com/dlp_technology/images/dynamic/white_papers/115_Digital_Light_Processing_MEMS_Timely_Convergence.pdf
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、上記の１つ以上の課題を解決しようとするものであり、マイクロアクチュエータによって振動せしめられる構造体を具備するＭＥＭＳデバイスにおいて、当該構造体の振幅をストッパによって規制するように構成することを、その特徴の一つとする。
【０００８】
本発明によれば、構造体が振動しうる最大振幅が、ストッパによって物理的に規定されるため、構造体自体の振動特性が、温度等の環境変化に伴う共振周波数変化によって変化したり、デバイスの長期使用に伴うアクチュエータや構造体の特性変化によって変化したりしても、その振動振幅を一定に保つことが出来る。さらに、振動振幅を制御するために必要な事項は、構造体をその環境での共振周波数付近で駆動するだけであるため、振幅検知・増幅・判定・フィードバックが一切不要になり、先行技術に比べて制御回路を圧倒的に単純化することが可能である。
【０００９】
なお、構造体の振幅を、デバイスの経年変化に対して長期に渡って一定に保つには、ストッパによって規定される構造体の振幅を、デバイスの製造当初において、アクチュエータが構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定することが好ましい。
【００１０】
このようなＭＥＭＳデバイスは、例えば、デバイスの振動特性を利用して対象の性質を測定するセンサに、好適に応用しうる。すなわち、本発明に係るＭＥＭＳデバイスを応用したセンサは、環境変化や経年変化に対してその振動振幅を一定に保つ能力が高いため、安定的な測定が可能であると共に、従来に比べて制御回路を非常に単純化することができるため、従来に比べてセンサを小型化・単純化することができる場合があり、さらに、センサの低価格化にも寄与しうる可能性がある。
【００１１】
本発明の好適な実施形態の例は添付の特許請求の範囲に記載されるが、本発明は、本明細書及び添付図面に明示的及び暗示的に記載される全ての特徴及びこれらの組み合わせをも、その範囲に包含する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、その好適な実施形態の一つに、ＭＥＭＳデバイスであって、マイクロ構造体と、前記マイクロ構造体を振動せしめるためのマイクロアクチュエータと、前記マイクロ構造体と前記マイクロアクチュエータとを揺動自在に連結する連結部と、前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記マイクロ構造体に接触して前記マイクロ構造体の振幅を規制せしめるストッパと、を備えるＭＥＭＳデバイスを含む。
【００１３】
ＭＥＭＳとは、微小電気機械システムの略称であるが、本発明の好適な実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの典型的な大きさは、表面の大きさが100μm×100μmから10mm×10mm，厚さ1μmから20μm程度である。むろん、本発明に係るＭＥＭＳデバイスが全てこの大きさに限定されることを意味するものではない。
【００１４】
上記のＭＥＭＳデバイスにおいて、マイクロアクチュエータは、静電・電磁・熱・圧電等を駆動源とすることができる。また、前記ストッパによって規定される前記マイクロ構造体の振幅は、前記ＭＥＭＳデバイスの製造当初において、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大振幅よりも、小さく設定されていることが好ましい。
【００１５】
上記の実施形態に従うＭＥＭＳデバイスのさらに具体的な実施形態では、前記マイクロ構造体を、その端部に薄板状のフラップが設けられるように構成し、前記ストッパを、前記フラップを挟むように配設される２枚の板状の構造体を有するように構成し、前記マイクロ構造体が前記マイクロアクチュエータによって振動せしめられる際に、前記フラップ部が前記ストッパに干渉することにより、前記マイクロ構造体の振幅が規制せしめられるように構成することができる。マイクロ構造体の端部に設けられるフラップ部を挟むようなストッパ構造を採用することにより、当該ストッパが挟む方向についてマイクロ構造体の振幅を容易に規定することができる。
【００１６】
さらに上記の実施形態において、前記マイクロ構造体が薄型の直方体状を呈し、前記フラップ及び前記ストッパは、前記マイクロ構造体の長辺側の両側にそれぞれ設けられるように構成してもよい。さらに、前記マイクロ構造体の短辺側の両側に、２つの前記マイクロアクチュエータが、それぞれ前記連結部を介して連結せしめられるように構成しても良い。
【００１７】
さらに上記の実施形態において、前記２枚の板状の構造体の間隔が、前記ＭＥＭＳデバイスの製造当初において、前記ストッパがない場合に前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を振動せしめうる最大の振幅よりも、小さくなるように構成しても良い。
【００１８】
本発明は、その好適な実施形態の一つに、本発明によるＭＥＭＳデバイスを具備するセンサであって、前記マイクロ構造体に電極を備えると共に、前記マイクロアクチュエータが前記マイクロ構造体を揺動せしめることによって生ずる前記電極に蓄積される電荷量の変化を測定する測定器を備えるセンサを含む。このセンサについて、前記マイクロ構造体に、前記測定器に接続された複数の電極が配列するように構成しても良い。
【００１９】
図１は、本発明の好適な実施形態の一例である、ＭＥＭＳ電位センサ１００の概略を描いた図である。図１（ａ）はセンサ１００を上から見た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）で示されるＹ−Ｙ線の断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）で示されるＸ−Ｘ線の断面図である。ＭＥＭＳ電位センサ１００は、その上面に複数の電極１０４を有すると共にその両側にフラップ１０６ａ及び１０６ｂを備える可動電極アレイ１０２と、可動電極アレイ１０２を駆動するための圧電マイクロカンチレバー１０８ａ及び１０８ｂと、フラップ１０６ａ，１０６ｂを挟むように配設される、２枚の板状の構造体を有するストッパ１１０ａ，１１０ｂとを備える。可動電極アレイ１０２と、圧電マイクロカンチレバー１０８ａ及び１０８ｂとは、これらを揺動自在に連結する、ヒンジ１１２ａ及び１１２ｂによって連結されている。
【００２０】
圧電マイクロカンチレバー１０８ａ，１０８ｂは金属材料と圧電材料、それに構造材料から構成される。使用可能な金属材料の例としてはPt、Au、Ti、Cr、Ni、Agなどがある。圧電材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなどがある。構造材料の例としては、シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミナ、ガラスなどがある。可動電極アレイ１０２は、上記の構造材と、電極として用いることの出来る金属を用いて構成される。ストッパ１１０ａ及び１１０ｂやヒンジ１１２ａ及び１１２ｂも同様の構造材を用いて構成することができる。
【００２１】
一つの例に過ぎないものであるが、本発明の研究開発において実際に作成したＭＥＭＳ電位センサ１００の大きさを参考までに載せておく。可動電極アレイ１０２は、フラップ１０６ａ及び１０６ｂを含めた長さが4mm、幅は0.5mmであった。フラップ１０６ａ及び１０６ｂとストッパ１１０ａ及び１１０ｂとの重なりの大きさは、0.5mm×0.5mmであった。圧電マイクロカンチレバー１０８ａ，１０８ｂは、長さ及び幅がいずれも2mmの正方体であった。ストッパ１１０ａ及び１１０ｂは図１ａに描かれるように台形状を呈し、上辺の長さが1.5mm、底辺の長さが3mmであった。ストッパ１１０ａ及び１１０ｂにおける２枚の板状の構造体の間隔は、1μmから100μmまでの範囲で様々なものが作成された。
【００２２】
次に、図１及び図２を参照しながら、ＭＥＭＳ電位センサ１００の動作原理を説明する。圧電マイクロカンチレバー１０８ａ，１０８ｂに、周期的に変動する電圧を与えると、これらは圧電効果によって振動する。この振動は、ヒンジ１１２ａ及び１１２ｂを介して可動電極アレイ１０２へと伝えられ、可動電極アレイ１０２を上下に振動せしめる（図１ｂ参照）。圧電マイクロカンチレバーが可動電極アレイ１０２の短辺側の両側にそれぞれ設けられているため、圧電マイクロカンチレバーが１つしか用いない場合よりも、可動電極アレイ１０２を安定的に振動させることができる。可動電極アレイ１０２の振動周波数が、可動電極アレイ１０２の共振周波数になるように、圧電マイクロカンチレバー１０８ａ及び１０８ｂへ引加する電圧を調節すると、可動電極アレイ１０２の振幅を最大にすることができる。ここで、被測定物２００を可動電極アレイ１０２に対置せしめると、可動電極アレイ１０２が振動していることにより、被測定物２００と可動電極アレイ１０２との距離Ｄがダイナミックに変化し、これによって両者間の容量Ｃが変化し、さらには電極１０４に蓄積される電荷Ｑが変化する。この電荷Ｑの変化を測定し、コンデンサの式Ｑ＝ＣＶを用いることにより、被測定物２００の電位を求めることができる。
【００２３】
上記の説明から理解されるように、電荷Ｑの変化を被測定物２００の電位に正確に反映させるには、容量Ｃを正確に求めなくてはならないが、これはとりもなおさず、被測定物２００と可動電極アレイ１０２との距離Ｄの変化を正確に把握しなければならないことである。従って、可動電極アレイ１０２の振幅ｄを一定に保つことが、非常に重要であることが理解される。しかし、従来技術によれば、温度などの環境変化やセンサ１００自体の経年変化によって、可動電極アレイ１０２の振幅は、時間と共に変化してしまっていた。そして、その変化を考慮して正確な電位測定を行うため、別に可動電極アレイの振幅を測定するための検知用センサ及び判定回路を設け、判定回路の結果に応じてフィードバックをかける必要があった。
【００２４】
しかし電位センサ１００は、可動電極アレイ１０２の両側に備えられたフラップ１０６ａ，１０６ｂが、ストッパ１１０ａ，１１０ｂに干渉してその動作が規制されるため、可動電極アレイ１０２の振幅は、それぞれのストッパの２枚の対向する板状構造物の間隔の大きさによって規定される。従って電位センサ１００は、環境変化や経年変化に対抗して可動電極アレイ１０２の振幅を一定に保つ能力が非常に高く、同じようなタイプの従来のセンサに比べて長期にわたって安定した電圧測定能力を保つことができる。
【００２５】
長期にわたって可動電極アレイ１０２の振幅を一定に保つには、ストッパ１１０ａ及び１１０ｂにおける２枚の板状の構造体の間隔を、ＭＥＭＳ電位センサ１００の製造当初における、可動電極アレイ１０２の最大振幅よりも、小さくなるように設定しておくことが好ましい。図３は、可動電極アレイ１０２の振幅が、環境変化や経年変化によって、どのように変化するのかを調べたシミュレーションの結果を示す図である。初期状態３０１に比べ、環境変化を考慮したシミュレーション結果（３０２）では、共振周波数のシフトが見られ、また、長期の使用に伴う圧電マイクロカンチレバーの疲労を考慮したシミュレーション結果（３０３）では、可動電極アレイ１０２の最大振幅が初期状態（３０１）よりずいぶん小さくなっていることが分かる。しかし、ストッパ１１０ａ，１１０ｂにおける、それぞれのストッパの２枚の対向する板状構造物の間隔を、図３の（３０４）に示すように設定し、可動電極アレイ１０２の振幅を（３０４）で示される大きさに規定することで、環境変化や経年変化に関わらず、可動電極アレイ１０２の振幅を一定に保つことが出来る。ストッパの間隔を適宜定めることにより、最大振幅が初期状態の半分以下に低下したとしても、可動電極アレイ１０２の振幅を一定に保つことも可能である。
【００２６】
さらに特筆すべきは、可動電極アレイ１０２の振幅を一定に保つための制御としては、通常環境での共振周波数付近で駆動するだけであるため、従来技術では必要とされる、振幅検知、増幅、判定、フィードバックなどが一切不要になり、制御回路を圧倒的に単純化することが可能であることである。図４に、先行技術と比べた本発明の利点をまとめた。
【００２７】
最後に、図５を用いて、ＭＥＭＳ電位センサ１００の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、可動電極アレイ１０２とマイクロカンチレバー１０８ａ，１０８ｂとをヒンジ１１２ａ及び１１２ｂで連結した構造体を既知のＭＥＭＳ微細加工技術を用いて作製し、これを上側ストッパ用ウエハ、下側ストッパ用ウエハで挟み込んで接合することにより、ストッパ構造を形成する。ストッパ用ウエハはそれぞれ、最終的に挟み込んだときのギャップが目標値ｄとなるようにエッチングしておく。ｄが１ｍｍ以上であれば、シリコンのドライエッチング技術の標準的なもので実現可能である。
【００２８】
次に、作製したストッパ用ウエハ同士を位置あわせしながら接合する。接合においてはそれぞれのウエハの外部に穴を設けておき、その穴にガイドピンを通すことにより、ウエハ同士の位置合わせを行うという方法を採ることができる。上述のＭＥＭＳ電位センサ１００のように、フラップにストッパが干渉する領域の大きさを、0.5mm×0.5mmなど、余裕を持たせて設計することにより、精密な位置合わせをしなくとも、所望のストッパ構造を容易に形成することができる。接合には陽極接合、接着剤を用いた接合、予め接合面に成膜した金とシリコンの共晶反応を利用した接合等を用いる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を例を用いて説明してきたが、上記の実施例は、本発明を限定するものではなく、本発明が、その範囲を逸脱することなく、様々な実施形態をとりうるものであることは言うまでもない。本発明は、ここに例示された様々な特徴の如何なる組み合わせをも、その範囲に包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態であるＭＥＭＳ電位センサ１００の概略を描いた図である。
【図２】ＭＥＭＳ電位センサ１００の動作原理を説明するための図である。
【図３】ＭＥＭＳ電位センサ１００に用いられる可動電極アレイ１０２の環境変化・経年変化の影響の調査結果を示す図である。
【図４】先行技術と比べた本発明の利点をまとめた図である。
【図５】ＭＥＭＳ電位センサ１００の製造方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００      ＭＥＭＳ電位センサ
１０２      可動電極アレイ
１０４      電極
１０６ａ，１０６ｂ      フラップ
１０８ａ，１０８ｂ      圧電マイクロカンチレバー
１１０ａ，１１０ｂ      ストッパ
１１２ａ，１１２ｂ      ヒンジ
【図２】
2008030182.tif 000003
【図３】
2008030182.tif 000004
【図４】
2008030182.tif 000005
【図１】
2008030182.tif 000006
【図５】
2008030182.tif 000007