(57)【要約】曲げ素子機器は、外形拘束および電極配置をかいして不均等厚みの均質非平面単一スラブ能動部材材料内に不均等場を発生することによって実施される。単一スラブ・アクチュエータは、ＭＥＭＳ用途を含む半導体設計について実証される。単一スラブ曲げ素子周期的設計はＭＥＭＳ製造に十分に適うように実証される。少なくとも一部分を横切って形成された位相パターンを有する造形アクチュエータが、アクチュエータのパターン化された部分における誘導歪に対して実証されて、パターン化された部分が外部場の印加によって開閉位置に動くようにする。計器用変圧器、火花発生器、電源、センサは、不均等厚みの非平面均質単一スラブ能動部材を用いて発展される。最終半導体処置設計技術が、周期的およびその他の非平面単一スラブ・アクチュエータについて実証される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続均質材料からなりかつ曲げに対して不均等厚みの非平面造形単一能動部材スラブを備えた動作用装置であって、該装置は外部場に曝されたときそこに誘導される不均等場を有し、該不均等場は前記非平面形状によって規定されかつ該装置を曲げるモーメントを発生する、動作用装置。
【請求項２】
前記均質材料は、測定可能物理的パラメータを前記不均等場の分布に応答させることをさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記非平面形状を、前記単一能動部材スラブ内で内部応力を減少するように前記不均等場の不均等性を調節するように設計させられたことをさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記不均等場の前記不均等性が前記不均等場の線形分布をかいして内部応力を減少する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記不均等場が、前記非平面形状および前記単一能動部材スラブ上の電極配置によって規定させられることをさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
連続均質材料からなる前記非平面造形単一能動部材スラブが、前記不均等場から発展された誘導歪に応答して曲がる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
単一層の連続均質圧電、電気歪または磁気歪材料を備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記外部場は電界、磁界または電磁界である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記非平面造形単一能動部材スラブは、前記外部場によって誘導された内部場を変えかつ場不均等性を強化するのに適した非線形形状をさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記非平面造形単一能動部材スラブは、外部場によって誘導された内部場を変えかつ場不均等性を強化するのに適した直線縁表面をさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
区分的平面スラブとして、前記能動部材スラブをさらに備えた、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
連続均質材料からなる前記非平面造形単一能動部材スラブは、前記能動部材が前記外部場に曝されたとき、より小さい歪の第１内部領域およびより大きい歪の第２内部領域を備えた、請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
前記誘導歪は、前記装置の前記不均等厚みに関して、線形関数、平方根関数、自乗関数として変化する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記単一層能動部材は、不均等厚みを有するダイアフラムまたは薄膜形状を備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
一体に接着された連続均質材料からなる複数の前記非平面造形単一能動部材スラブをさらに備え、各単一能動部材スラブは、外部場に曝されたとき誘導される不均等場を有し、該不均等場は前記非平面形状によって規定されかつ前記各単一能動部材スラブを独立して曲げるようにモーメントを発生する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
複数の前記非平面造形単一能動部材スラブを垂直方向に積層された形態にさせることをさらに備えた、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記複数の前記非平面造形単一能動部材スラブを並べた形態にさせることをさらに備えた、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記測定可能物理パラメータは力関連特性を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項１９】
前記力関連特性は応力および歪を備えた、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
連続均質材料からなりかつ検出のために不均等厚みを有する非平面造形単一能動部材スラブを備え、装置は外部エネルギに曝されたとき誘導される場を有し、該場は前記非平面形状によって規定されかつ前記外部場に対して非ゼロ平均電気反応を発生して装置に検出させる、装置。
【請求項２１】
均質材料からなる前記非平面造形単一層能動部材が前記外部エネルギに曝されたとき、該非平面造形単一層能動部材の一部または前部を横切る電位差を該非平面造形単一層能動部材に誘導させることをさらに備えた、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記外部エネルギは、赤外線、電界、磁界、圧力、加速度、または機械的荷重を備えた、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記能動部材スラブは、少なくとも１つの厚い部分と少なくとも１つの薄い部分とを備え、前記スラブが前記外部エネルギに曝されたとき前記少なくとも１つの厚い部分と前記少なくとも１つの薄い部分との間に電位差を発生する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
単一層の均質圧電、電気歪、磁気歪、またはピロ電気材料をさらに備えた、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記能動部材の少なくとも１つの表面を横切って繰り返される位相パターンをさらに備えた、請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
第１部分および第２部分を有する非平面外形の連続均質単一能動部材スラブを備え、装置は外部エネルギに曝されたとき誘導される不均等場を有し、前記不均等場は前記第１部分にほぼ歪を発生せずかつ前記不均等場に応答した歪を前記第２部分に発生し、装置を曲げるようにモーメントを発生する、曲げ装置。
【請求項２７】
単一層の連続均質圧電、電気歪、または磁気歪材料を備えた、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
第１能動部分および第２能動部分を有する非平面外形の連続均質単一能動部材スラブを備え、装置は外部場に曝されたとき誘導される不均等場を有し、該不均等場は前記外部場に応答する歪場を発生し、前記第１能動部分に誘導された前記歪場は前記第２能動部分に誘導された歪場とは相違し、装置を曲げるようにモーメントを発生する、曲げ装置。
【請求項２９】
前記第１能動部分の前記歪場を前記第２能動部分の前記歪場の強度または極性と異ならせることを備えた、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
プレート、ビーム、頂面および底面を有する周期的アクチュエータであって、均質材料からなる非平面造形単一層能動部材を備え、該能動部材はその少なくとも１つの表面を横切って繰り返される位相パターンを有し、前記周期的アクチュエータは外部場に曝されたとき誘導される不均等場を有し、該不均等場は前記非平面形状によって規定され、前記部材を曲げさせるように該部材の内側で歪を変化させる、周期的アクチュエータ。
【請求項３１】
前記能動部材スラブは、前記頂面が山谷を含むように該頂面を横切って繰り返される前記位相パターンを備え、前記頂面および底面は前記スラブを横切って等距離にはない、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３２】
前記位相パターンを前記アクチュエータの前記プレートおよびビームに対して垂直な方向に曲がるように加工させることをさらに備えた、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３３】
単一層の均質圧電、電気歪、または磁気歪材料をさらに備えた、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３４】
位相パターン用外形設計周期を備えた、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３５】
頂面および底面またはそれらの一部分に配置された電極をさらに備えた、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３６】
前記頂面に傾斜面を備えていて、該傾斜面が前記底面に平行または垂直ではない、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３７】
所定の傾斜角を有する前記位相パターンを含む、請求項３６に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３８】
前記底面に関して約６０度の所定の傾斜角を備えた、請求項３７に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項３９】
前記谷に電極を有していない限定頂部電極設計において前記電極を前記頂面の山に有している複数の溝を備えた、請求項３５に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４０】
前記底面を横切って底部電極を連続させることをさらに備えた、請求項３９に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４１】
前記位相パターンを第１端における前記造形アクチュエータの領域を横切って形成させて、誘導歪が前記アクチュエータの第１端を前記外部場の印加のさいに開閉位置に動かさせる、請求項３０に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４２】
前記非平面形状は貫通切削された中央軸部分を含む、請求項４１に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４３】
頂端を有する円筒形造形アクチュエータをさらに備え、前記位相パターンが前記円筒形造形アクチュエータ頂端を前記外部場の印加のさいに開閉位置に動かさせる、請求項４２に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４４】
前記底面が山谷を含むように、前記能動部材スラブは前記底面を横切って繰り返される前記位相パターンをさらに備えている、請求項３１に記載の周期的アクチュエータ。
【請求項４５】
連続均質材料および不均等厚みの非平面造形単一能動部材スラブと、第１電極対と、第２電極対とを備え、計器用変圧器は第１電位差が前記第１電極対を横切って印加されたとき誘導される不均等場を有し、該不均等場は前記非平面形状によって規定されかつ計器用変圧器に前記第２電極対を横切って第２電位差を発生させる、計器用変圧器。
【請求項４６】
第１頂部電極および底部電極を有する前記第１電極対と、第２頂部電極および前記底部電極を有する第２電極対とを備え、前記電極対の一方が入力として使用され、前記電極対の他方が出力として使用される、請求項４５に記載の計器用変圧器。
【請求項４７】
前記第１電極対間に展開された第１応力と、前記第２電極対間に展開された第２応力とを備え、前記第１応力と前記第２応力とは相違し、前記第１および第２応力は歪として現されない、請求項４５に記載の計器用変圧器。
【請求項４８】
前記第１および第２電極において能動部材材料不均等厚みの差に基づく上昇または下降電圧変成を備えた、請求項４５に記載の計器用変圧器。
【請求項４９】
前記頂面の山に取り付けられた前記第１頂部電極と、前記頂面の谷に取り付けられた前記第２頂部電極とを備えた、請求項４６に記載の計器用変圧器。
【請求項５０】
前記単一能動部材スラブの機械的に固定された部分を備えた、請求項４５に記載の計器用変圧器。
【請求項５１】
前記能動部材の少なくとも１つの表面を横切って繰り返される位相パターンを備えた、請求項４５に記載の計器用変圧器。
【請求項５２】
周期的アクチュエータを製造する方法であって、
ゾルまたはエピ／ホウ素食刻抑止剤を珪素ウェーハ頂面に塗布すること、
前記珪素ウェーハ頂面の非平面開口の周期的形状パターンを異方性状に食刻すること、
前記珪素ウェーハ頂面を被覆および金属化すること、
均質材料の少なくとも１つの塗膜を付着して、非平面形状の単一能動部材スラブを形成すること、ただし前記スラブは外部場に曝されたときに不均等場を形成するのに適しており、ならびに
前記珪素ウェーハ頂面を金属化すること、
を含む、周期的アクチュエータ製造方法。
【請求項５３】
前記少なくとも１つの塗膜はゾル・ゲル圧電材料をさらに備えた請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
アクチュエータを製造する方法であって、
金属の第１パターン化層を珪素ウェーハの頂面に塗布すること、
第１ポリイミドを前記頂面および前記金属の第１パターン化層に塗布すること、
前記第１層に隣接しかつ該第１層に重ならないように金属の第２パターン化層を塗布すること、
第２ポリイミドを塗布すること、
前記ウェーハを食刻すること、
外部場に曝されたときに不均等場を形成するのに適した単一層の均質材料で前記ウェーハの食刻部分を充填すること、
前記金属の第２パターン化層を覆う前記頂面に金属の第３パターン化層で金属化すること、
第３ポリイミドを前記ウェーハに塗布すること、
前記ウェーハを食刻しかつ均質材料の前記単一スラブで食刻部分を充填すること、ならびに
露出された均質材料の前記単一スラブを金属化すること、
を含む、アクチュエータ製造方法。
【請求項５５】
微細電気機械システムの基板用曲げ素子を製造する方法であって、
連続均質材料および不均等厚みの非平面造形単一能動部材スラブに電極を形成すること、
前記スラブの少なくとも一部分を前記基板に拘束すること、ならびに
前記スラブの少なくとも非拘束一部分が曲がるように前記電極を横切って電位差を印加することによって前記スラブ内にモーメントを発生すること、
を含む、微細電気機械システムの基板用曲げ素子製造方法。
【請求項５６】
連続均質材料の非平面造形単一能動部材スラブを備え、該スラブは頂部、底部、不均等厚み、曲げ部分、所定の曲げ方向を含み、前記頂部および前記底部が所定の曲げ方向に整列され、前記曲げ部分が前記所定の曲げ方向に機械的に拘束されていない、曲げアクチュエータ。
【請求項５７】
前記曲げアクチュエータが外部場に曝されたとき、前記曲げ部分を前記曲げの所定方向を通して変位するように適応させることをさらに備えた、請求項５６に記載の曲げアクチュエータ。
【請求項５８】
電力を発生するための連続均質材料および不均等厚みの非平面造形単一能動部材を備え、装置が外部エネルギに曝されたとき誘導される場を有し、該場は非平面形状によって規定されかつ前記外部場に対して非ゼロ平均電気反応を発生して、前記外部エネルギを電気エネルギに変換する、装置。
【請求項５９】
前記外部エネルギは機械的エネルギを備えている、請求項５８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータおよびセンサ、特に曲げアクチュエータおよびセンサに関する。さらに詳しくは、本発明は、所定の外形および不均等厚みを有する単一スラブ曲げアクチュエータ内の不均等歪誘導場（フィールド）の発生ならびに所定の形状および不均等厚みを有する曲げセンサ内の非対称場の発生に関する。
【背景技術】
【０００２】
大分類の材料については、歪、応力等の材料特性は、通常は場の形態で外部エネルギの印加によって変更および制御される。これらの効果を現す材料は、「能動材料」と考えられている。例えば、電界、磁界、電磁界が特定の材料の物理的特性に変化を誘導する。特に、電界を圧電材料に印加することは、公知の再現可能方法で材料の全体の形状を変える。電気歪、磁気歪、電気光学材料は、能動材料の追加例である。機械的能動部材材料についての特性は、次の歪式によって一般に表される。
ε＝Σｉｋｉ・Ｆｉ
ここで、εは歪であり、ｋｉは比例定数を表し、Ｆｉはｉ乗まで上昇された印加場強度である。
本質的には、場誘導変形を許す材料は、アクチュエータまたは曲げ素子用能動部材として利用されてもよい。
【０００３】
圧電材料は、その一例である。次の式は、これらの関係の一形式を表す。
Ｓ＝ｄ・Ｅ＋ｓ・Ｔ
Ｄ＝ｇ・Ｓ＋ε・Ｅ
ここで、ＳおよびＴは、歪および応力マトリクス、Ｅは電界、Ｄは変位場ベクトル、ｄおよびｇはそれぞれ圧電歪および場定数マトリクス、ｓは機械的コンプライアンス定数、そしてεは比誘電率である。
【０００４】
結晶形態で自然に存在している多くの材料は、圧電性である。水晶は一般に普及している一例である。チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の他の材料が変則指向圧電領域を伴って窯業製造される。最初に製造された状態における領域の不規則性は、領域サイズに関して大きなサンプル用固有圧電効果の消去を生じる。しかし、十分に大きい電界、いわゆる強制場を印加することによって、領域が整列し、嵩張った材料が「圧電性」になる。さらに、この場は材料内で好適軸を確立する。領域を整列する作用は、材料に「極性を与える」と言われている。
【０００５】
能動材料は、アクチュエータ、音響機器、受動フィルタおよび共振器、慣性および圧力センサ、発電機、変圧器をつくるのに利用されてきた。
【０００６】
アクチュエータ、指示に基づいて機械作業をする機能を有する機器は、能動材料から構成される。通常は、アクチュエータは規定された剛性を有する機械的部材からなる。その場合、アクチュエータ部材の構造は、外部場の印加のさいにアクチュエータ部材の能動材料が変形されるようになっている。多数の異なる類別のアクチュエータ、積層可撓引張および「モルフ (morph)」アクチュエータがある。様々な類別は、動作原理、動作距離（しばしば移動として言及される）、機械的コンプライアンス、周波数応答、電力消費に関して、異なる機能的特徴を示す。本発明は、内部誘導モーメントの結果として曲がるアクチュエータに向けられる。したがって、本発明の機器は、モルフ式アクチュエータに関する改良である。
【０００７】
モルフと言われる能動部材アクチュエータの部類は、誘導歪をモーメントに変換しかつ能動部材に曲げを生じる。部材が動作中に曲がるので、モルフはときには「曲げ素子」として言及される。圧電モルフは温度よりはむしろ電界によって駆動されるバイメタル・スプリングのように働く。このように、モルフはアクチュエータを形成するように電界を応力／歪関係に利用する。モルフは、取り付けられた電極がほぼ平面の平行側にある場合に、共面外形を利用する。この共面性は、機器内で場均等性を促進し、その結果として、これは機器機能に必須である。さらに、モルフは曲げを許す程度に少なくともある大きな部分にわたって完全に拘束されない。アクチュエータとして、モルフは、動作中に非常に大きく移動するという理由で重要である。
【０００８】
単一モルフ設計は、圧電セラミック等の平面平行能動スラブを平面平行非能動スラブに接着することによって構成される。能動スラブを駆動または動作することは、この多スラブ構造内にモーメントを発生する。発生されたモーメントは、全体の単一モルフ構造を曲げさせる。機器の一部のみが単一モルフ設計にとって独特であり、能動スラブは電位の影響下でそれを直接に受ける。重要なことには、非能動スラブが能動スラブに接着されない場合には、モーメントは能動スラブ内に発生されず、能動スラブは延びるけれども曲がらない。
【０００９】
試作単一モルフ形態が図１に示される。金属化された圧電材料の一方のスラブ２が極性を持たされる。図１Ａに示すように、スラブ２は大平面間で内側電極４と共に大平面にそって非能動スラブ３に接着される。能動スラブの内側に電界を発生するように、電位差が電極４、５間に加えられる。結果７は、モーメントが発生されて、図１Ｂに示すように、接着された対が曲がることである。モルフは薄いスラブを利用し、機器の厚み方向に動作し、動作されたとき顕著な内部応力を展開する。材料が動作中に荷重を掛けられていなくとも、これらの内部応力は発展する。
【００１０】
バイモルフおよび多スラブ・モルフ設計は、一体に接着された平面平行多スラブからも構成される。バイモルフおよび多スラブ・モルフ設計においては、場が各層またはスラブに発生される。２片圧電材料等の２片能動基板を一体に接着することは、バイモルフをつくるので、２片の長さの差変化が延び方向に垂直な比較的大きい変形移動を発生できる。図２は、標準バイモルフ（２スラブ）・アクチュエータを示す。図２Ａは、バイモルフ直線造形部材１０を示し、最初に印加外部場なしの状態を示す。すべてのバイモルフに関して、能動材料の２スラブが一体に接着される。この形態においては、電位差が３つの独立した電極に印加される。電圧は、頂面１２に取り付けられた電極と、２つのスラブ１４間に取り付けられた電極との間に加えられる。電位差は電極１４と底面１６に取り付けられた電極との間に加えられる。図２Ｂは、印加電界の下にある図２Ａのバイモルフ部材１０の断面を示す。部材１０内に誘導される電界１９は、表面に垂直でかつ極性方向に平行である。高歪領域１８および逆歪領域２０が示されている。能動部材１０内に発展されたモーメントは、合計歪エネルギを最少にするために部材を曲げさせる。図２Ｃは、別の形状の部材１０を示す。高歪領域１８は頂面で歴然としており、一方、低歪領域２０は底面に示されている。
【００１１】
他のバイモルフ設計は、逆極性の２つの圧電スラブが一体に接着されかつ印加場が頂部スラブの頂面の電極から底部スラブの底面まで延びる両スラブを通る同じ方向を維持する場合に存在する。多層モルフは、能動部材の複数の個別スラブからなり、３またはそれを超えるスラブの各々は電位差印加場および極性方向を有している。
【００１２】
モルフ・アクチュエータに用いられた能動スラブはほぼ直線であり、長方形断面を有している。これらのアクチュエータの表面は、スラブが均等な厚みを有するように平面でかつ平行である。両表面上の電極自体としては、能動スラブ内にほぼ均一な電界を誘導する。各能動スラブ内の場均等性は、動作の効果を増加し、したがって所定の印加場用の大動作移動に導く。この種のアクチュエータは、様々な機器に用途を見出す。通常は、それらは長く、薄く、狭い機器であるか、薄い円形ダイアフラムおよび薄膜である。この種の機器の外形は、機器内に場均等性を最大にするように構成される。
【００１３】
１９９５年１２月５日にHaertlingに付与された米国特許第５，４７１，７２１号（特許文献１）、発明の名称「モノリシック・プレストレス・セラミック機器」において、単一モルフ曲げ素子が、高温化学処理によって高鉛含有圧電材料または電気歪材料の一方側を減少することによって製造されることを示唆されている。この高温化学処理は、最初の均質部材をその厚みを通して異なる圧電能動レベルを有する非均質スラブに変換する。この不均等圧電能動性は、均等場によって刺激されたときにモーメントに導く。したがって、他のモルフに関しては、スラブ内の均等場がアクチュエータの効率を改善するので、その均等場が望ましい。
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５，４７１，７２１号明細書
【００１５】
圧電材料を金属スラブに接着することは困難であり、事実、多くのモルフ機器の故障は金属／圧電材料界面に起因すると考えられる。しばしば、この接着層は機器厚みの中心付近、正確には機器内の最大剪断応力の位置およびその方向にそって起こる。
【００１６】
モルフの能動スラブに固有に存在する大応力は、アクチュエータ機能に他の有害な効果をもたらす。例えば、大応力は機器エージングの誘因となる。エージングは、極性付与の編成効果が逆転されかつ材料が変則編成非能動状態に戻る長期間処理である。さらに、大内部応力は材料欠陥を引き起こす一因になる。
【００１７】
圧電現象は双方向である。したがって、電気エネルギが機械的境界条件に基づいて応力または歪の形態で機械的反応をちょうど生じたとき、付加応力または強制変位の形態で付加された機械的荷重が、特別の電気的境界条件に基づいて電荷または電圧の形態で対応する電気的反応を発生する。圧電センサは、この機械的荷重を電気的反応関係に利用する。
【００１８】
モルフ機器はセンサとして使用されてもよい。原理的検出用途は、検査質量によって発生された自体の質量または荷重によって発生された荷重の検出を通じて圧力検出および加速度検出等の点荷重検出および分布荷重検出である。機器それ自体は、アクチュエータと同様に構成される。異なる圧電能動性の２つの領域が一体に接着される。使用のさいには、電極が駆動回路の代わりに測定回路に接続される。機械的荷重センサとして、モルフは対象の信号から曲げモーメントを受けるように構成される。モーメントは、対向電極間の非ゼロ平均応力を確立する。次いで、この非ゼロ平均応力は、使用された測定回路に基づいて、電極間の電位差または電極上の過剰電荷のいずれかを発生する。
【００１９】
曲げモーメントに曝された単一層平面平行均質スラブの両面間に展開された平均応力は、ゼロであり、したがって出力信号を生じない。そのために、単一層平面平行均質能動部材スラブは、曲げセンサとして独立して使用されることはできない。均質平面平行スラブ・センサは２つの個別領域を必要とする。バイモルフ構造内に描かれたような領域の２つの能動圧電領域は、２つの領域を規定してもよい。あるいは、２つの領域が単一モルフ設計に描かれたような１つの非能動領域に接着された１つの能動圧電領域によって規定されてもよい。第２スラブが機器の機能に重大な決定をするので、モルフ式アクチュエータの製造および機能において上述したすべての複雑性および問題が、モルフ式センサにおいても存在する。
【００２０】
モルフ式アクチュエータおよびセンサにおいて固有な構成は、ミリメートルおよびミリメートル以下の機器に実施するには困難である。その困難性は、単一モルフまたはバイモルフ式機器をつくるのに必要な異なる圧電能動性の領域を得るために、別個の構成部品を使用することから由来する。個々の構成部品を組み立てる作業は、これらの別個の構成部品が小型でかつ対応して繊細になるので、過酷になる。Micro-Electro-Mechanical System (ＭＥＭＳ)尺度モルフは、輪郭を規定するために引き続く食刻工程と共にスパッタリングされかつゾル・ゲルのフィルムを用いて最近製造されている。これらの溶着処理は、関連した問題を有する。これらの処理工程中に要求される上昇温度は、熱伝達係数（ＣＴＥ）による大きな残留応力を導き、動作用モルフによって要求される種々の層間に不整合を生じる。さらに、フィルム濃縮化は一層の収縮を生じ、より多くの残留応力を導く。したがって、最終室温機器は、大きい内部応力、縮み、その他の類似効果を示す。これらの効果はバイモルフ設計において強勢され、その結果、バイモルフは圧電ＭＥＭＳ設計に使用されない。さらに、顕著な内部応力を伴う機器については、最大許容撓みが、材料の許容最大応力内に留まるために、減少される必要がある。ＣＴＥ不整合問題は、環境の温度変化に固有に敏感であるアクチュエータをつくる機器にもある。さらに、機器がより小形になるに従って、処理中の不純物または材料成分変化によって起こる接着層および非能動層の厚みが、比較的大きくなり、機器の効率にますます衝撃を与える。積層ＭＥＭＳ機器については、層対層接着欠陥が顕著な信頼性問題を現す。
【００２１】
ミリメートル以下の機器に関する別の特徴は、機器の剛性または機械的インピーダンスが、剛性と部材厚みとの間の関係のために急速に減少されることである。この減少された剛性は、非常に低い力の用途への小形モルフ・アクチュエータの用途を制限する。さらに、効率的な動作用能動層の剛性に関して十分に従順な加工可能厚みの安定した非能動層を見出すことは困難である。
【００２２】
その結果、ミリメートル、ミリメートル以下、ＭＥＭＳ尺度における機器の製造については、残留内部応力を減少する曲げ素子機器構造の要請がある。さらに、熱変化に対する小形曲げ素子機器の感度を減少する要請がある。さらに、小形モルフ式アクチュエータの機械的インピーダンスを増加させる要請もある。さらに、小形機器については、個々の構成部品の組立を必要としない構造の要請もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
従来技術の問題および欠陥を考慮に入れて、したがって本発明の目的は、小サイズ寸法モルフ式曲げアクチュエータの特徴を改善することにある。
【００２４】
本発明の別の目的は、単純化された曲げアクチュエータおよび曲げセンサを提供することにある。
【００２５】
本発明のさらに別の目的は、減少された内部応力を有する曲げアクチュエータおよび曲げセンサを提供することにある。
【００２６】
本発明のさらに別の目的は、溶着応力または金属接着欠陥を受けないＭＥＭＳ用途のための単一スラブ均質材料曲げアクチュエータおよび曲げセンサを提供することにある。
【００２７】
本発明のさらに別の目的は、増大された剛性を有する曲げアクチュエータを提供することにある。
【００２８】
本発明のさらに別の目的は、単一スラブ均質材料曲げアクチュエータを製造する方法を提供することにある。
【００２９】
本発明のさらに別の目的および利益は明細書の記載から一部は自明であり、一部は明白であろう。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
当業者にとっては明白になるであろう上記目的およびその他の目的は、第１観点においては次の装置に向けられた本発明において達成される。すなわち、その装置は、連続均質材料からなりかつ曲げに対して不均等厚みの非平面造形単一能動部材スラブを備えた動作用装置であって、その装置は外部場（フィールド）に曝されたときそこに誘導される不均等場を有し、その不均等場は非平面形状によって規定されかつ装置を曲げるモーメントを発生する。不均等場は、非平面形状および単一能動部材スラブ上の電極配置によって規定される。本装置は、不均等場から発展された誘導歪に応答して曲がる。単一層の連続均質圧電、電気歪または磁気歪材料が採用される。外部場は電界、磁界、または電磁界である。非直線形状は、外部場によって誘導された内部場を変えかつ場不均等性を強化するのに適している。能動部材スラブは区分状平面スラブであってもよい。
【００３１】
第２観点において、本発明は次の装置に向けられている。すなわち、本装置は、連続均質材料からなりかつ検出のために不均等厚みを有する非平面造形単一能動部材スラブを備え、本装置は外部エネルギに曝されたとき誘導される場を有し、その場は非平面形状によって規定されかつ外部場に対して非ゼロ平均電気反応を発生して装置に検出させる。本装置は、能動部材が外部エネルギに曝されたとき、単一層能動部材の一部またはすべてに横切る電位差を誘導させる。外部エネルギは、赤外線、電界、磁界、圧力、加速度、または機械的荷重を含んでいてもよい。
【００３２】
第３の観点においては、本発明は次の曲げ装置に向けられている。すなわち、本曲げ装置は、第１部分および第２部分を有する非平面形状の連続均質単一能動部材スラブを備え、本装置は外部エネルギに曝されたとき誘導される不均等場を有し、不均等場は第１部分にほぼ歪を発生せずかつ不均等場に応答した歪を第２部分に発生する。
【００３３】
第４観点においては、本発明は次の曲げ装置に向けられている。すなわち、本曲げ装置は、第１能動部分および第２能動部分を有する非平面形状の連続均質単一能動部材スラブを備え、本装置は外部場に曝されたとき誘導される不均等場を有し、不均等場は外部場に応答する歪場を発生し、第１能動部分に誘導された歪場は前記第２能動部分に誘導された歪場とは相違する。
【００３４】
第５観点においては、本発明は次の周期的アクチュエータに向けられている。すなわち、本周期的アクチュエータは、プレート、ビーム、または頂面および底面を有する周期的アクチュエータであって、均質材料からなる非平面造形単一層能動部材を備え、その能動部材はその少なくとも１つの面を横切って繰り返される位相パターンを有し、周期的アクチュエータは外部場に曝されたとき誘導される不均等場を有し、その不均等場は非平面形状によって規定され、部材を曲げさせるように部材の内側で歪を変化させる。
【００３５】
第６観点においては、本発明は次の計器用変圧器に向けられている。すなわち、本計器用変圧器は、連続均質材料および不均等厚みの非平面造形単一能動部材スラブと、第１電極対と、第２電極対とを備え、本計器用変圧器は第１電位差が第１電極対を横切って印加されたとき誘導される不均等場を有し、その不均等場は非平面形状によって規定されかつ第２電極対を横切って第２電位差を発生させる。
【００３６】
第７観点においては、本発明は周期的アクチュエータの製造方法に向けられている。すなわち、本製造方法は、ａ）ゾルまたはエピ／ホウ素食刻抑止剤を珪素ウェーハ頂面に塗布すること、ｂ）珪素ウェーハ頂面の非平面開口の周期的形状パターンを異方性食刻すること、ｃ）珪素ウェーハ頂面を被覆金属化すること、ｄ）均質材料の少なくとも１つの塗膜を貼り付けて、非平面形状の単一能動部材スラブを形成すること、ただしスラブは外部場に曝されたときに不均等場を形成するのに適しており、ならびにｅ）珪素ウェーハ頂面を金属化することを含む。
【００３７】
第８観点においては、本発明はアクチュエータの製造方法に向けられている。すなわち、本製造方法は、ａ）金属の第１パターン化層を珪素ウェーハの頂面に塗布すること、ｂ）第１ポリイミドを頂面および金属の第１パターン化層に塗布すること、ｃ）金属の第２パターン化層を塗布すること、ただし第２層は第１層に隣接しておりかつ第１層に重ならず、ｄ）第２ポリイミドを塗布すること、ｅ）ウェーハを食刻すること、ｆ）外部場に曝されたときに不均等場を形成するのに適した単一層の均質材料でウェーハの食刻部分を充填すること、ｇ）金属の第２パターン化層を覆う頂面に金属の第３パターン化層で金属化すること、ｈ）第３ポリイミドをウェーハに塗布すること、ｉ）ウェーハを食刻しかつ均質材料の単一スラブで食刻部分を充填すること、ならびにｊ）露出された均質材料の単一スラブを金属化することを含む。
【００３８】
第９観点においては、本発明は曲げアクチュエータに向けられている。すなわち、本曲げアクチュエータは、連続均質材料の非平面造形単一能動部材スラブを備え、頂部、底部、不均等厚み、曲げ部分、所定の曲げ方向を含み、頂部および底部が所定の曲げ方向に整列され、曲げ部分が所定の曲げ方向に機械的に拘束されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
新規であると信じられるべき本発明の特質および本発明の要素の特徴が添付特許請求の範囲に特に述べられている。図面は単に説明の目的のためだけのものであり、縮尺通りに描かれてはいない。しかし、本発明自体は、構成および運転方法に関しては、添付図面に基づく詳細な記載を参照することによって最も良く理解されるであろう。
【００４０】
本発明の好適実施例を記載するに当たり、同様の参照番号が本発明の同様な特質を参照している図面の図１−１５をここで参照する。
【００４１】
本発明は、能動材料の物理的特性および電子機械状態機能が印加エネルギ場に応答する能動材料の使用に関する。外部位相の整形が物理的特性の合成不均等分布またはモーメント発生および部材曲げのための外部位相の結果として確立された電子機械状態機能を利用する明確な目的のために材料不均等場内に発生する。一実施例においては、曲げに基づくアクチュエータが提供される。曲げは、非平面形状および不均等厚みの単一均等スラブ内に発生された非単一歪誘導場によって発生される。別の実施例においては、部材が印加モーメントを受けたとき測定されるべきパラメータに応答した測定可能電子機械出力を発生するように非平面形状および不均等厚みを持った均質能動材料の単一スラブの使用をかいしてセンサが提供される。別の実施例は、曲げモーメントまたは到来電磁放射に曝されたとき異なる信号を発生するように、非平面外形および不均等厚みの異なる厚みを使用する。さらに別の実施例においては、不均等厚みおよび非平面形状の能動材料の単一均質スラブが、機械的連鎖をかいして機械的荷重および電圧変成を通じて電気信号の発生または電力発生のために使用される。
【００４２】
［造形曲げアクチュエータ］
曲げモーメントを発生するように不均等厚みの連続材料の単一能動部材スラブ内に不均等場を使用する能動材料曲げアクチュエータの新規な構成が提案される。これらの不均等場（フィールド）は、非平面能動部材形状から発展され、それは能動部材スラブの内側で場を整形するように使用される。測定可能物理的パラメータは、不均等場の分布に応答する。パラメータ変化は、応力、歪等の力に関連した特性を含む。部材材料に基づいて、印加エネルギは、電気、磁気、電磁、または機械特性である。モーメントは、外部誘導不均等場の結果として曲げアクチュエータ内に発生される。機械的境界条件は、これらのモーメントが部材の著しい曲げを発生させる。
【００４３】
本発明を利用する曲げアクチュエータは、異なる外部場形式に応答する能動部材ではあるが、特別形式の入力エネルギに限らない。以下の記載は、一般に歪等の機械的パラメータの誘導変化を通じて、能動材料、特にＰＺＴ等の圧電材料の変形可能変化を誘導する印加電界に対して明確化する目的のために表されている。しかし、本発明は圧電材料、電界、または力パラメータのみに明らかに限定されない。他の場適用、例えば、磁気または電磁が考えられてもよい。それは、誘導された力パラメータをかいして能動材料に変形可能変化を発生できる。
【００４４】
能動部材内の電界勾配は、部材の境界条件または物理的外部形状および電極形状に基づいて決まる。標準モルフ・アクチュエータに利用されたほぼ平面平行スラブおよびプレートによって発生された均等場とは異なり、非平面、平坦形状を有する部材は、内部誘導場を変え、場不均等性を生じる。これらの不均等性は、曲げを生じる能動部材内にモーメントを発生する。これら形式の機器における動作は、部材が最少歪エネルギを維持するように曲がるときに、起こる。すべての曲げ素子アクチュエータと同様に、曲げは誘導歪の方向に垂直である。しかし、モルフ・アクチュエータとは相違して、本発明は部材曲げまたは変形をもたらすように部材内の多層スラブまたは不均質材料を要求しない。
【００４５】
図３Ａは、均質スラブの内側にモーメントを発生するように考案された非平面外形になっている本発明の連続均質単一スラブ造形能動部材３０の一実施例を示す。不均等電界は不均等歪場を発生する。この例においては、三角形棒形状は場不均質を例示するために描かれている。しかし、多くの他の非平面形状が場不均等を実施するように用いられうる。本発明は任意の１つの格別な形状に限定されない。重要なことは、場不均等性を用いて、連続均質能動部材の単一スラブが曲げアクチュエータとして用いられうることである。区分状平面形状を含めて、直線縁表面なしの非直線形状、および電極を横切る不均等厚みを有する形状が場不均等性を促進するように用いられてもよい。
【００４６】
本実施例においては、三角形部材３０の三面のうち二面に取り付けられた電極３２および残る外面に取り付けられた電極３４に、電位差が印加される。図３Ｂは、三角形部材３０内に発生された不均等電界の断面図である。三角形部材３０に実質的に無電界および実質的に無歪の領域３６と、顕著な電界および顕著な歪の領域３８とが存在する。このようにして、機器の厚みを通じて不均等応力／歪分布が、均質材料の単一スラブ内に発展される。不均等応力／歪分布が、部材の曲げを導くモーメントを発生する。図３Ｃは、三角形部材３０の別の形状を表し、頂面に実質的に無歪の領域４０と、底面に負歪の領域４２とを示す。特別の非平面部材外形が誘導場の不均等性を発生して、部材の曲げによる動作を許す。
【００４７】
本発明の曲げアクチュエータは、電位差が電極に印加されたとき、材料の厚みを通じて実質的に直線の歪場を発生するように造形されてもよい。一限定においては、歪対厚みの直線性からの逸脱が消滅するに従って、その動作状態にある機器の内部歪がゼロに近付く。したがって、材料の不均等厚みを通じた実質的線形場分布を発生すべき外形を設計された本発明の造形単一スラブ曲げアクチュエータは、同じレベルの動作において標準モルフに関する動作状態にある部材に実質的に減少された内部応力を有するであろう。代案として、造形曲げアクチュエータは撓みを最大にするように設計されてもよい。
【００４８】
造形曲げアクチュエータの他の例が、図４および図５に示されている。図４は、区分状平面非直線単一スラブ能動部材５０を示す。頂部５２が一単電極５４に接続またはメッキされ、底部電極５８に関して一定電位に保持される。底部電極５８は、頂部電極５２内の誘導場をほぼゼロに抑制し、それを外部場に対して無応答にする。なぜならば、頂部の各面が同じ電位で有効であり、他方、底部５６が誘導歪を有するからである。この設計は、一部分が単一モルフの非能動スラブに対して類似および均等な近ゼロ場を有し、別の部分が単一モルフの能動スラブまたは層と同様な誘導歪を有する点で、単一モルフ機器に似ている。
【００４９】
図５は、第２電極配置形態と、および区分状平面非方形均質単一スラブ能動部材６０を横切る印加電位差とを示す。電極６２は機器の一面に取り付けられ、分離電極６４が対応する面に取り付けられる。単一スラブ内に発生された場強度（Ｅ）は、それが外形設計により底部分６８（１／２・Ｅ）内にあるので、頂部分６６内で２倍の大きさになるであろう。単一スラブ設計は、作用の点ではバイモルフと同様であり、異なる場強度の能動部材頂部および個々の能動部材底部を有し、両者は外部印加場に応答する歪場を有する。
【００５０】
［周期的曲げアクチュエータ］
上述したように、多くの異なる外部形状および電極形態は、不均等場、したがって単一スラブ動作に導くことができる。本発明の曲げアクチュエータの別実施例は、周期的曲げアクチュエータである。周期的曲げアクチュエータは、周期的位相が能動部材の表面を横切って繰り返されて、モーメントを発生しかつ部材を曲げるように部材の内側で歪を変化させる。図６Ａは、周期的曲げアクチュエータ部材７０の断面図を示し、部材７０は好ましくは外形設計周期７２を有する圧電材料からつくられる。部材７０は、ｘ−ｙ−ｚ方向ベクトル７４によって示される方向にそって向けられる。この形状は、ビームの断面またはプレートの断面を表すことができる。図示するように、周期的曲げアクチュエータ部材の頂面７６および底面７８は等距離にはない。電極８０が各面またはその一部分に配置されてもよい。図６Ｂは、上下電極が電位差に維持されているときに、部材材料に誘導される電界分布を示す。合成場強度８２の輪郭線は、不均等であるように示される。重要なことは、輪郭線で示すように、場密度は厚みと共に変化する。図６Ｃは、アクチュエータまたは曲げ方向８８を示す周期的造形曲げアクチュエータ８６の斜視図を示す。代案として、機器の位相は、図６Ｃに示す方向から離れて９０度向けられてもよい。
【００５１】
周期的曲げアクチュエータ円形プレートまたは長方形プレート器具においては、二次元曲げがドームを形成するように起こる。
【００５２】
図７は、図６Ｂの「切断線」８４にそって表された電界強度のグラフである。ボルト／メートルで測定された電界強度が線Ａで示され、マイクロメートルでの厚みの関数として増加していることが示されている。図６および図７からわかるように、部材の厚みを通る電界は均等ではない。対応して、歪も不均等である。部材は、ｙ−ｚ面において円弧を形成するように必ず曲がる。ここに示される特別の外形設計は、合成歪場に対して実質的に線形の厚み依存に導く。このようにして、この設計は同等単一モルフまたはバイモルフ・アクチュエータに関して実質的に減少された内部応力を示す。
【００５３】
図６の設計は、頂部電極が部材機器の全体頂面を覆うことを許す。しかし、電極を傾斜側に取り付けることを含めて、電極が高い台地のみ、もしくは低い谷またはそれらの組合せおいてのみにあっても、機器は適正に機能する。分割された電極を伴う設計は、指定された限定頂部電極（ＬＴＥ）設計である。
【００５４】
減少内部応力において目標にされた周期的曲げアクチュエータ設計において、傾斜側は、図６Ａのシータ（θ）によって表示されているようなｘ軸に関して約６０度の好適角度を有する。６０度の角度において、強い曲げモーメントが発生される。
【００５５】
図８は、溝式切削を表す周期的曲げアクチュエータ９０の第２実施例の図面である。この設計においては、隣接面に垂直な全ての面を有する簡単な溝９２が頂面に切り込まれる。頂部電極９４は、溝の谷９６において電極のない限定頂部設計で示されている。底部電極９８は底面を横切って連続されていることが示されている。この形状の周期的アクチュエータは、単一スラブ能動部材が強力な不均等場効果を発生するようにさせる。これらの周期的アクチュエータ形状は、ＭＥＭＳ処理において容易に実施される。
【００５６】
電位差が印加されたとき、動作状態にある新規な低応力外形で見て、造形アクチュエータは材料の厚みを通して実質的に直線の歪場を発生するように形成される。不動作状態においては、機器は長く直線部材であるが、動作状態においては、それらは湾曲した機器となる。この新規な湾曲低応力は、各機械的剛性からビームが湾曲したビームとして機械的に処理されることを意味する。同様に、造形アクチュエータ平坦プレートは、浅いドームまたは湾曲シェルとして機械的に処理される。湾曲ビームおよびドームはそれらが直線かつ平坦輪郭部よりも所定の形状に対して剛性であることは周知である。その結果、厚みを通るほぼ直線歪場を有する造形機器は、それらのバイモルフおよび単一モルフ複製よりも動作状態において剛性である。これらの造形機器は高い固有周波数を有する。代案として、造形機器はより薄くなり、それによって大きな移動を有し、また同じ機械的インピーダンスを達成する。これらの利点は、ＭＥＭＳ尺度機器寸法に対しておよびＭＥＭＳ外形尺度において一般的であるような大きい撓みを示す機器に対して格別に有利である。
【００５７】
表１は、下記の条件の下で通常のバイモルフ設計に対して造形均質単一スラブ・アクチュエータの機能予想を比較している。その条件は、ａ）一定印加電界、ｂ）一定電力消費レベル、ｃ）一定動作変形である。次の３つの造形均質単一スラブ・アクチュエータ設計が考慮された。それらは、５０／５０溝設計、６３°／５０％溝設計、６３°／５０％限定頂部電極（ＬＴＥ）溝設計である。設計パラメータの多くは、この比較のために同じである。それらは、最大厚み（１００μｍ）、−２００（１０−１２）クーロン／ニュートンに等しい圧電歪係数（ｄ３１）、１．７（１０６）Ｖ／ｍの最大許容場、８０（１０６）パスカルに等しいヤング係数（Ｅ）である。合計電気容量、合計抵抗、およびチップ移動等の多くのアクチュエータ・パラメータは、アクチュエータの長さ、幅寸法、材料定数（ヤング係数、抵抗等）によって決まる。これらの所定の機能パラメータは、長さ、幅、材料定数に関して、正規化された。バイモルフ設計は、負の１／２・Ｖにおける中央電極、ならびに正の１／２・Ｖに置かれた頂部および底部央電極について考慮された。造形電極のための形態が図９Ａ−図９Ｃに示される。図９Ａは５０％／５０％溝アクチュエータ１００を示す。電極が頂面１０２および底面１０４にそれぞれ配置された。寸法は各例示のために与えられた。図９Ｂは６３°／５０％限定頂部電極アクチュエータ１０６を示す。頂部電極１０８は、各個々の山に置かれるが、谷１１０には置かれない。図９Ｃは、完全頂部電極被覆１１４を有する６３°／５０％アクチュエータ１１２を示す。
【００５８】
【表１】
2006518094.tif 000002
【００５９】
表１は、等しい応力レベルにおいて本発明の周期的曲げ機器がそれらのバイモルフ複製よりも十分に大きく撓むことを説明している。造形圧電材料については、電気容量および抵抗の値は周期の整数を用いて計算された。さらに、一纏めにされたパラメータ電気モデルは平行ＲＣである。スラブの平行ＲＣ回路については、Ｚ＝Ｒ／（１＋ιωρεε０）であり、電力は｜Ｖ２／Ｚ｜である。設計外形によって制御された電力の一部は、Ｒのみによって決まる。このようにして、周期的曲げアクチュエータとバイモルフとの主な差違は、内部応力が撓みまたは曲げの等量に対して単一スラブ造形周期的曲げアクチュエータ設計において相当に少ないことである。
【００６０】
上述したような周期パターンが一端において領域を横切る圧電材料の中空開放端円筒形の外側に形成されたならば、誘導歪が円筒形の端を開閉させる。図１０は、連続均質材料の単一スラブからなる半径方向造形アクチュエータ１２０を示す。位相パターンが一端において造形アクチュエータの領域を横切って形成される。この例においては、切断中心軸部分を有する円筒形が示されているが、しかし、除去された中心軸部分を有する他の形状も採用されうる。円筒形頂端１２２の周期性はモーメントを発生して、電極を横切る電位差の印加のさいに頂端を開閉させる。
【００６１】
独立して、造形アクチュエータは垂直に重ねられるか、並んで形成されてもよい。
【００６２】
本発明の曲げアクチュエータは、上述したように、一造形側と一平面側とを有するように設計されるか、または部材の両側が造形されてもよい。さらに、位相の配置は、部材の長さにそって変更されてもよい。さらに、印加電位差の極性は、多数組の独立電極を形成することによって部材の長さまたは幅にそって変更されてもよい。円形または長方形プレート器具については、位相配置および電極配置はプレートの範囲で変更されてもよい。
【００６３】
この特質によって、本発明の曲げアクチュエータは、積層曲げアクチュエータに関して前述した残留応力問題点に対して著しく敏感ではない。したがって、それらはＭＥＭＳ式製造に十分に適している。さらに、個々の構成部品の組立が要求されないので、ミリメートルおよびミリメートル以下の尺度における製造が容易になる。
【００６４】
機械的部材として、造形アクチュエータは共振現象を示す。このようにして、機械的インピーダンス、変位、その他の設計規準に関して適応できる場合には、造形能動部材曲げアクチュエータが共振器として採用されてもよい。
【００６５】
［曲げアクチュエータとしての造形能動部材］
ちょうどモルフがセンサとして使用されうるように、上述したものと同様な均質材料および不均等厚みの非平面造形単一スラブ能動部材がセンサとして使用されうる。例えば、図８の一般の溝設計周期的曲げアクチュエータが、センサとして構成されてもよい。機器が機械的荷重によって曲げられたとき、ビームの無応力中立軸が頂部９４を底部電極９８の電気容量間隙に均等に分割しないように溝を設計することによって、部材の曲げ応力に比例した非ゼロ平均電気反応がこのコンデンサ内に発展する。非ゼロ電気反応は、電圧または電荷のいずれかとして電極で測定されうる。このようにして、造形部材は加速度、圧力、およびそれに加えられるその他の機械的荷重を検出できる。
【００６６】
本発明のセンサは、スラブの厚み内で多くの異なる深さに同時接近を許す。異なる深さにおける他電極対からの出力を比較することは、共通のモード信号を補償するように使用されうる。したがって、温度変化が厚い部分と薄い部分との間の出力差の共通モード変化を生じ、他方、曲げモーメントが厚い区分と薄い区分との間の差出力を生じる。一例の設計が図１１に示されている。ここでは、頂部電極３０４および底部電極３０２が１対の電気容量をつくり、他方、谷部電極３０６および底部電極３０２が別の電気容量対をつくる。共通モード信号は、これら２つのコンデンサを横切って発展された電気信号の差を追跡することによって拒絶される。
【００６７】
赤外線および温度に敏感な造形能動材料スラブは、赤外線および熱検出のために利用されてもよい。機械的検出におけるように、異なる深さにおける接近は共通モード信号拒絶を許す。共通モード信号を拒絶することは、測定から周囲温度変動を取り除くのに価値がある。一例として、厚い部分および薄い部分を有する大平面機器を断熱することは、赤外線の量を吸収するための能動部材の薄い部分の電気状態に関する厚い部分の電気状態間差の測定を許す。この種の形状の一例が図１２に示されている。到来する赤外線エネルギに曝されたとき、能動部材材料４００の厚い部分４０２と薄い部分４０４とにおける合成加熱は、異なる。その結果、第１電極４０６および底部電極４１０において発展した電気信号が、第２電極４０８と底部電極４１０間で発展した電気信号とは異なる。これら２つの信号間の差は、到来赤外線に比例する。
【００６８】
赤外線検出について記載されたものと類似した形状は、それらが厚い部分と薄い部分とを有する点で類似しているが、電界および磁界検出に対して有用でもある。さらに、異なる深さにおける検出によって発生された異信号は、慣性測定中の温度効果を排除する用途を有する。
【００６９】
各異なる深さにおける接近は、種々の機能を実行するように代案として使用されうる。例えば、独立した対の電極が、一方の組が機器を動作しかつ他方の組が動作から生じる応力を測定するように構成された設計は、動作および検出を同時に行うことができる。このような機器の例示断面が図１１に示されている。頂部または入力電極５０２は、コンデンサを形成するように底部電極５０４に一体に電気的に接続され、また、谷部または出力電極５０６は別のコンデンサを形成するように底部電極５０４に一体に電気的に接続される。この形状においては、底部電極に関する頂部電極を横切って電圧を印加することは、能動部材材料を駆動する。検出機能は、谷部電極５０６を用いて能動部材に発展された応力を監視することによって同時に達成される。代案として、谷部電極対が機器を駆動し、頂部電極対が検出してもよい。
【００７０】
［火花発生器、電源、計器用変圧器としての造形能動部材］
造形曲げアクチュエータへの機械的荷重の付加が電極に電圧を発生するので、本発明の造形曲げアクチュエータは、火花発生器またはＡＣ電源用能動要素として容易に採用されうる。
【００７１】
さらに、造形機器は計器用変圧器として使用されうる。図示例として、図１３は本発明の計器用変圧器設計３００を示す。ここでは、底部電極３０４が機械的に固定され、電極対の一方が入力として用いられ、他方が出力として用いられる。入力電圧が山における電極３０２と底部電極３０４との間に印加されたとき、異なる平均応力が、山部電極と底部電極との間よりも、谷部電極３０６と底部電極３０４との間に発展され、第１電極における電圧に関して第２電極において異なる電圧を生じる。この一般的形態は、第１電極および第２電極における能動部材材料の厚み差に基づく上昇または降下電圧変成を行うことができる。
【００７２】
［単一スラブ曲げアクチュエータおよびセンサ］
周期的曲げアクチュエータ等の本発明の造形アクチュエータおよびセンサが６０度に等しい傾斜角度において好ましい機能特性を有すると言う観察が、＜１００＞珪素の異方性食刻角度（５４．７度である）に有益に近付く。この角度整合は、モールド領域上の溶着またはスピン層を有する造形アクチュエータを形成するように用いられうる珪素「モールド」を形成するように利用されうる。異方性食刻抑止剤を用いた上述の周期的形状を形成する方法が、図１４Ａ−図１４Ｄに示されている。図１４Ａは、ゾルまたはエピ／ホウ素食刻抑止剤２０２を塗布された珪素ウェーハ２００を示す。所望の周期性を有する開口２０４が、図１４Ｂに示すように、異方性状に食刻される。次に、図１４Ｃに示すように、食刻されたウェーハ頂部が被覆され、金属化される。最後に、スピン塗膜ゾル・ゲルの均質圧電材料２０６が塗布され、図１４Ｄに示すように、頂部金属化２０８ができる。ここに示す方法は珪素モデルを直接に用いているが、他の負モールドを発生するように続いて用いられる珪素正モールドを発生する類似の方法も想像される。
【００７３】
図１５は、連続均質能動材料の溶着層から本発明の単一スラブ・アクチュエータおよびセンサを製造する工程を示す。まず、図１５Ａに示すように、金属の区分層２１２がウェーハ２１０の頂面に付着される。ポリイミド等の被覆層２１４が付着され、次いで金属の第２パターン化層２１６が導入される（図１５Ｂ）。第２層は第１層に隣接しているが、第１層に重なってはいない。図１５Ｃは、ポリイミドの第２被覆２１８の付着およびさらなる食刻後のウェーハ２１０を示す。図１５Ｃの合成ウェーハは、図１５Ｄに示すように、パターン化および金属化圧電材料（ゾル・ゲル）２２２等の、外部場に曝されたときにそこに不均等場を形成するのに適した連続均質材料２２０の単一スラブ能動部材で充填される。同様に、第３被覆が加えられ、通常は食刻されたポリイミドに同じ材料２２０で充填され、最後に図１５Ｅに示すように、金属化２２４される。合成製品は、表面に金属化電極を有する均質材料および不均等厚みの単一スラブ曲げアクチュエータとなる。この曲げアクチュエータについては、動作方向がウェーハの平面内にある。
【００７４】
本発明は特別な好適実施例に関連して特に記載されてきたが、多くの変更、修正、変化が上述の記載から照らして当業者にとっては明白であることは自明である。したがって、添付特許請求の範囲は本発明の真実な範囲および精神内においてこのような変更、修正、変化を包摂することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１Ａ】単一モルフ圧電曲げ素子の断面図である。
【図１Ｂ】印加電圧下にある図１Ａの接着圧電スラブを示し、曲げを説明する。
【図２Ａ】標準バイモルフ（２スラブ）アクチュエータを示す。
【図２Ｂ】標準バイモルフ（２スラブ）アクチュエータを示す。
【図２Ｃ】標準バイモルフ（２スラブ）アクチュエータを示す。
【図３Ａ】本発明の造形アクチュエータを示す。
【図３Ｂ】本発明の造形アクチュエータを示す。
【図３Ｃ】本発明の造形アクチュエータを示す。
【図４】不均一厚みの造形単一スラブ能動部材を示し、その頂部が単一モルフ構造の場を模擬するように定電位に維持されている。
【図５】バイモルフ構造の場を模擬するように不均一厚みの造形単一スラブ能動部材を横切る電極配置および印加電位差を示す。
【図６Ａ】周期的アクチュエータ部材の断面図を示す。
【図６Ｂ】上下電極が電位差に維持されているときの図６Ａのアクチュエータに誘導された電界分布を示す。
【図６Ｃ】周期的アクチュエータ機器の上方斜視図を示す。
【図７】図６Ｂの切断線にそって現された電界強度のグラフである。
【図８】溝式切削を表す周期的アクチュエータの断面図を示す。
【図９Ａ】５０％／５０％溝アクチュエータを示す。
【図９Ｂ】６３°／５０％限定頂部電極アクチュエータを示す。
【図９Ｃ】頂部電極完全被覆状態の６３°／５０％アクチュエータを示す。
【図１０】均質材料の単一スラブからつくられた半径方向造形アクチュエータを示す。
【図１１】両アクチュエータおよびセンサとしての周期的造形部材の断面図を示す。
【図１２】赤外線および熱検出用造形アクチュエータ外形を示す。
【図１３】計器用変圧器設計を示す。
【図１４Ａ】異方性食刻を用いて周期的造形アクチュエータを形成する方法を示す。
【図１４Ｂ】異方性食刻を用いて周期的造形アクチュエータを形成する方法を示す。
【図１４Ｃ】異方性食刻を用いて周期的造形アクチュエータを形成する方法を示す。
【図１４Ｄ】異方性食刻を用いて周期的造形アクチュエータを形成する方法を示す。
【図１５Ａ】連続均質材料の溶着単一スラブからアクチュエータをつくる工程を示す。
【図１５Ｂ】連続均質材料の溶着単一スラブからアクチュエータをつくる工程を示す。
【図１５Ｃ】連続均質材料の溶着単一スラブからアクチュエータをつくる工程を示す。
【図１５Ｄ】連続均質材料の溶着単一スラブからアクチュエータをつくる工程を示す。
【図１５Ｅ】連続均質材料の溶着単一スラブからアクチュエータをつくる工程を示す。
【符号の説明】
【００７６】
２    スラブ
３    非能動スラブ
４、５    電極
１０    バイモルフ直線造形部材
３０    三角形部材
５０    区分状平面非直線単一スラブ能動部材
５２    頂部
５４    一単電極
５８    底部電極
６０    区分状平面非直線均質単一スラブ能動部材
６２    電極
６４    分離電極
６６    頂部分
６８    底部分
７０    周期的曲げアクチュエータ部材
７２    外形設計周期
７４    ベクトル
７６    周期的曲げアクチュエータ部材の頂面
７８    周期的曲げアクチュエータ部材の底面
８２    
９２    溝
９６、１１０    溝の谷
９８    底部電極
１００    アクチュエータ
１０２    頂面
１０４    底面
１０８    頂部電極
１１２、１２０    アクチュエータ
１１４    電極被覆
１２２    円筒形頂端
２００、２１０    ウェーハ
２０２    食刻抑止剤
２０４    開口
２０６    均質圧電材料
２０８    頂部金属化
２１２    金属の区分層
２１４    被覆層
２１６    金属の第２パターン化層
２１８    第２被覆
２２０    連続均質材料
２２２    金属化圧電材料
２２４    金属化
４００    能動部材材料
４０６    第１電極
４０８    第２電極
【図１Ａ】
2006518094.tif 000003
【図１Ｂ】
2006518094.tif 000004
【図２Ａ】
2006518094.tif 000005
【図２Ｂ】
2006518094.tif 000006
【図２Ｃ】
2006518094.tif 000007
【図３Ａ】
2006518094.tif 000008
【図３Ｂ】
2006518094.tif 000009
【図３Ｃ】
2006518094.tif 000010
【図４】
2006518094.tif 000011
【図５】
2006518094.tif 000012
【図６Ａ】
2006518094.tif 000013
【図６Ｂ】
2006518094.tif 000014
【図６Ｃ】
2006518094.tif 000015
【図７】
2006518094.tif 000016
【図８】
2006518094.tif 000017
【図９Ａ】
2006518094.tif 000018
【図９Ｂ】
2006518094.tif 000019
【図９Ｃ】
2006518094.tif 000020
【図１０】
2006518094.tif 000021
【図１１】
2006518094.tif 000022
【図１２】
2006518094.tif 000023
【図１３】
2006518094.tif 000024
【図１４Ａ】
2006518094.tif 000025
【図１４Ｂ】
2006518094.tif 000026
【図１４Ｃ】
2006518094.tif 000027
【図１４Ｄ】
2006518094.tif 000028
【図１５Ａ】
2006518094.tif 000029
【図１５Ｂ】
2006518094.tif 000030
【図１５Ｃ】
2006518094.tif 000031
【図１５Ｄ】
2006518094.tif 000032
【図１５Ｅ】
2006518094.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月16日(2005.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
２    スラブ
３    非能動スラブ
４、５    電極
１０    バイモーフ直線造形部材
３０    三角形部材
５０    区分状平面非直線単一スラブ能動部材
５２    頂部
５４    一単電極
５８    底部電極
６０    区分状平面非直線均質単一スラブ能動部材
６２    電極
６４    分離電極
６６    頂部分
６８    底部分
７０    周期的曲げアクチュエータ部材
７２    外形設計周期
７４    ベクトル
７６    周期的曲げアクチュエータ部材の頂面
７８    周期的曲げアクチュエータ部材の底面
８２    合成場強度
９２    溝
９６、１１０    溝の谷
９８    底部電極
１００    アクチュエータ
１０２    頂面
１０４    底面
１０８    頂部電極
１１２、１２０    アクチュエータ
１１４    電極被覆
１２２    円筒形頂端
２００、２１０    ウェーハ
２０２    食刻抑止剤
２０４    開口
２０６    均質圧電材料
２０８    頂部金属化
２１２    金属の区分層
２１４    被覆層
２１６    金属の第２パターン化層
２１８    第２被覆
２２０    連続均質材料
２２２    金属化圧電材料
２２４    金属化
４００    能動部材材料
４０６    第１電極
４０８    第２電極