专利名称：压电驱动mems装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电驱动MEMS装置。
背景技术：
近来，使用通过使用MEMS(微型机电系统)技术制造的致动器的可变电容器和开关引起了关注。活动电极形成在梁上，梁支撑在衬底上方空中。固定电极形成在相对的衬底上。梁由静电力、电热力、电磁力、压电力等等驱动。活动电极和固定电极之间的距离是变化的。因此形成了可变电容器或开关。
尤其是在使用反向压电效应作为活动梁的驱动力的可变电容器或开关中，活动电极和固定电极之间的间隔可以急剧和连续地改变，因此电容变化率就会很大。另外，因为空气或气体用作电介质，所以就会获得非常大的Q因数。因此就具有许多优点。
另外，还可以使可变电容器结构充当开关，这是通过照现在的样子使用它并且经由极薄的介电薄膜(电容型)使活动电极与固定电极接触或使活动电极与固定电极直接接触(DC型)而实现的。与半导体开关相比，通过使用MEMS技术制造的这种开关具有低接通电阻和高断开时间的绝缘隔离特性，并且因此引起了强烈关注。
然而，使用压电驱动机构的MEMS装置支撑在空气中，并且具有长而薄的梁结构，该梁结构包括插入在上和下部电极之间的压电薄膜。因此，就存在非常严重的问题，即梁会由于梁的材料中微小残余应力造成的向上或向下翘曲。因此，就很难在依照设计施加电压之前或之后调节可变电容器的电容值并且将开关的驱动电压保持在定值上。
压电驱动致动器的动作端上的活动位移的量值可以通过下列表达式近似。
由电致伸缩效应导致的位移～E·d31·L2·t-1(1)在此，E是施加到压电薄膜上的电场，d31是电致伸缩常数，L是致动器的长度，并且t是致动器的厚度。
另一方面，使用εr表示残余应变，通过下面的表达式来近似由压电薄膜中生成的残余应变导致的压电驱动致动器的翘曲。
由残余应变导致的翘曲～εr·L2·t-1(2)通过比较表达式(2)和表达式(1)，可以理解，它们具有类似的关系。位移和翘曲与致动器长度的平方成正比，并且与厚度成反比。换句话说，如果致动器的长度增大或厚度减小以扩宽压电驱动致动器的驱动范围，翘曲量也会相应地增大。因此，为了使压电驱动范围大于翘曲，涉及致动器的几何发明就会产生很小的效果。除了使残余应变εr的绝对值与由电致伸缩效应导致的应变的绝对值(E·d31)相比较小之外，并没有其它办法。
为了相对于具有大电致伸缩效应的被称为压电薄膜材料的PZT(锆钛酸铅)获得好的薄膜质量，需要在室温下形成薄膜然后在大约600℃下进行退火。因为由退火导致体积收缩，因此残余应变不可避免地增大。
另一方面，AIN(氮化铝)和ZnO(锌氧化物)用作压电薄膜的材料，它们可以在室温下形成并且通过在薄膜形成时使用薄膜形成条件而相对精确地控制残余应变，它们的电致伸缩效应至少比PZT小一个数量级。
因此就存在冲突的问题电致伸缩效应大的材料很难控制残余应变并且相对容易控制残余应变的材料的电致伸缩效应较小。这是阻碍压电驱动MEMS装置的工业应用的最大问题之一。
本申请的发明者已经设计出具有折叠结构的压电驱动致动器以应对该问题(参见JP-2006-87231(KOKAI))。具有折叠结构的压电驱动致动器包括第一梁、第二梁和固定电极，其中第一梁具有固定到衬底上的第一端、充当连接端的第二端和插入一对电极薄膜之间的压电薄膜，第二梁具有用作连接端的第一端和用作动作端的第二端，第二端沿与第一梁相反的方向延伸并且与第一梁具有基本上相同的结构和尺寸，并且固定电极布置在衬底上从而与动作端相对。换句话说，具有相同结构和形状的两个梁平行布置并且两个梁的端部连接在一起以形成折叠结构。因此，即使在薄膜形成时由残余应变导致梁中的翘曲，两个梁也会以相同的方式翘曲。因此，就可能抵消翘曲。因此，已经预期，压电驱动致动器的动作端和固定到衬底上的固定端之间的距离可以保持基本上恒定并且因此可以进行稳定的操作。
通过本申请的发明者的后续试生产的重复和进行的研究，显而易见，在简单的折叠结构或在两侧上具有两个前梁并且在中间具有一个后梁的折叠结构中，可以将在动作端由残余应力导致的翘曲减小为折叠端处翘曲的十分之一，但是很难进一步减少动作端处的翘曲。简而言之，梁会围绕固定端以抛物面形式翘曲。因此，虽然可以通过折叠结构抵消沿致动器的长度方向(梁的延伸方向)的翘曲，但是致动器中沿横向方向的翘曲还存在并且这些翘曲不能被抵消。
发明内容
本发明是鉴于这些情况做出的并且本发明的一个目的是提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的结构。
依照本发明的第一方面的压电驱动MEMS装置包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一压电薄膜和形成在第一压电薄膜上的第一上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，与第一致动器平行布置在衬底上，包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二压电薄膜和形成在第二压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，置于第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三压电薄膜和形成在第三压电薄膜上的第三上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，置于衬底上第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四压电薄膜和形成在第四压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器的第二端连接到第四致动器的第二端上；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
依照本发明的第二方面的压电驱动MEMS装置包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一下压电薄膜、形成在第一下压电薄膜上的第一中间电极、形成在第一中间电极上的第一上压电薄膜和形成在第一上压电薄膜上的第一上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，平行于第一致动器布置在衬底上，并且包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二下压电薄膜、形成在第二下压电薄膜上的第二中间电极、形成在第二中间电极上的第二上压电薄膜和形成在第二上压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，置于第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三下压电薄膜、形成在第三下压电薄膜上的第三中间电极、形成在第三中间电极上的第三上压电薄膜和形成在第三上压电薄膜上的第三上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，置于衬底上第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四下压电薄膜、形成在第四下压电薄膜上的第四中间电极、形成在第四中间电极上的第四上压电薄膜和形成在第四上压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器的第二端连接到第四致动器的第二端上；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
依照本发明的第三方面的压电驱动MEMS装置包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一压电薄膜和形成在第一压电薄膜上的第一上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，与第一致动器平行布置在衬底上，包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二压电薄膜和形成在第二压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，置于第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三压电薄膜和形成在第三压电薄膜上的第三上部电极，并且具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，置于衬底上第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四压电薄膜和形成在第四压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器和第四致动器的相对的侧面连接在一起；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
图1是依照本发明的第一实施例的压电驱动MEMS装置的平面图；图2是依照第一实施例的压电驱动MEMS装置的剖视图，该剖视图是通过沿着图1中所示的切割线A-A’切割压电驱动MEMS装置而获得的；图3是依照第一实施例的压电驱动MEMS装置的剖视图，该剖视图是通过沿着图1中所示的切割线B-B’切割压电驱动MEMS装置而获得的；图4是第一实施例中的下部电极的平面图；图5是第一实施例中的上部电极的平面图；
图6是第一实施例的第一变体中的下部电极的平面图；图7是第一实施例的第一变体中的上部电极的平面图；图8是依照第一实施例的第二变体的压电驱动MEMS装置的平面图；图9是第一实施例的第三变体中的下部电极的平面图；图10是第三变体中的上部电极的平面图；图11是依照第二实施例的压电驱动MEMS装置的剖视图，该剖视图是通过沿着切割线A-A’切割压电驱动MEMS装置而获得的；图12是依照第二实施例的压电驱动MEMS装置的剖视图，该剖视图是通过沿着切割线B-B’切割压电驱动MEMS装置而获得的；图13是第二实施例中的下部电极的平面图；图14是第二实施例中的中间电极的平面图；图15是第二实施例中的上部电极的平面图；图16是依照本发明的第三实施例的压电驱动MEMS装置的平面图；图17是依照第三实施例的压电驱动MEMS装置的剖视图，该剖视图是通过沿着图16中所示的切割线C-C’切割压电驱动MEMS装置而获得的；图18是第三实施例中的下部电极的平面图；并且图19是第三实施例中的上部电极的平面图。
具体实施例方式
下文将详细描述本发明的实施例。
(第一实施例)现在参照图1至5描述依照本发明的第一实施例的压电驱动MEMS装置。依照该实施例的压电驱动MEMS装置是可变电容器，并且包括第一至第四致动器1、2、3和4，如图1所示。第二至第四致动器2、3和4平行于第一致动器1设置，并且与第一致动器1具有相同的长度(沿致动器的伸展方向(纵向方向)的尺寸)。第一致动器1的第一端是固定端11，并且它通过锚71固定到衬底6上。第一致动器的第二端(连接端)12由第一连接部81连接到第二致动器2的第一端21上。第二致动器2的第二端是动作端22，并且在其上设置了活动电极。第三致动器3的第一端是固定端31，并且它通过锚72固定到衬底6上。第三致动器的第二端(连接端)32由第二连接部82连接到第四致动器4的第一端41上。第四致动器4的第二端是动作端42，并且在其上设置了活动电极。另外，第二致动器2的动作端22由第三连接部83连接到第四致动器4的动作端42上。
在本实施例中，固定端31位于经过固定端11并且基本上垂直于第一致动器1的延伸方向的直线上。第一致动器1的长度(沿延伸方向的尺寸)基本上等于第三致动器3的长度。第一致动器1的宽度(沿垂直于延伸方向的方向的尺寸)基本上等于第三致动器3的宽度。第二致动器2的长度基本上等于第四致动器4的长度。第二致动器2的宽度基本上等于第四致动器4的宽度。
如图2所示，第一致动器1具有通过将下部电极13、压电薄膜15、上部电极14和支撑薄膜16按引用次序进行层压而获得的单压电晶片结构。如图3所示，第二致动器2具有通过将下部电极23、压电薄膜25、上部电极24和支撑薄膜26按引用次序进行层压而获得的单压电晶片结构。下部电极23与层中的下部电极13相同。压电薄膜25与层中的压电薄膜15相同。上部电极24与层中的上部电极14相同。虽然并未显示，但是第三致动器3与第一致动器1具有完全相同的结构，并且第四致动器4与第二致动器2具有完全相同的结构。换句话说，第三致动器和第四致动器均包括下部电极、压电薄膜和上部电极，它们分别与层中的下部电极13、压电薄膜15和上部电极14相同。如图3所示，固定电极5和防短路介电薄膜51形成在衬底6上从而与动作端22和动作端42相对。
在本实施例中，第一致动器1和第二致动器2布置成与第三致动器3和第四致动器4相对于第二致动器2和第四致动器4之间的中心线100线对称。至于致动器尺寸的实例，每个第一和第三致动器1和3中的固定端和连接端12或32之间的长度“a”为440微米，第一和第三致动器1和3的宽度“b”为80微米，第一和第二连接部81和82的长度“c”为40微米，第三连接部83的长度“d”为40微米，第二和第四致动器2和的宽度“e”是80微米，第一致动器1与第二致动器2之间的距离(间隔)f和第三致动器3与第四致动器4之间的距离f均为10微米，并且第二致动器2和第四致动器4之间的距离g为80微米。
如果在形成薄膜时导致了垂直不对称的残余应变，就会依照残余应变值而在第一至第四致动器1、2、3和4中的每一个中导致翘曲。然而，相对于致动器纵向方向，第一致动器1中的翘曲和第二致动器2中的翘曲彼此抵消，并且第三致动器3中的翘曲和第四致动器4中的翘曲彼此抵消。相对于致动器的横向方向，第一致动器1和第二致动器2由第一连接部81连接在一起，第三致动器3和第四致动器4由第二连接部82连接在一起，并且第二致动器2和第四致动器4由第三连接部83连接在一起。由于本实施例中的这种结构，也会抵消横向方向中的翘曲，并且可能将动作端22和动作端42保持在与固定端11和固定端31基本上相同的高度处。
另一方面，在本实施例中，第一至第四致动器1、2、3和4各自的下部电极13、23、33和43如图4中所示连接在一起，而第一致动器1的上部电极14与第二致动器2的上部电极24电隔离(绝缘)，并且第三致动器3的上部电极34如图5所示与第四致动器4的上部电极44电隔离(绝缘)。因此，虽然并未显示，但是第一和第二连接部81和82均具有通过层压在层中与下部电极13相同的下部电极和在层中与压电薄膜15相同的压电薄膜而获得的结构，这不同于第一至第四致动器1、2、3和4。支撑薄膜可以形成在压电薄膜上，或者仅仅支撑薄膜可以层压在下部电极上而不是层压在压电薄膜上。第三连接部83具有以与第二和第四致动器2和4相同的方式通过将下部电极、压电薄膜、上部电极和支撑薄膜按引用次序进行层压而获得的单压电晶片结构。换句话说，第三连接部83包括下部电极、压电薄膜、上部电极和支撑薄膜，它们在层中分别与下部电极13、压电薄膜15、上部电极14和支撑薄膜16相同。
在具有这种配置的本实施例中，会在第一致动器1的上部电极14和下部电极13之间以及在第三致动器3的上部电极34和下部电极33之间施加驱动电压。因此，电致伸缩效应仅仅在第一和第三致动器1和3中导致弯曲。并不会在第二和第四致动器2和4中导致弯曲。第二和第四致动器2和4会跟随第一和第三致动器1和3而移动。电致伸缩效应会在动作端22和42处生成位移。
本实施例是可变电容器。然而，如果固定电极5上的介电薄膜51被除去，本实施例可以用作开关。
依照本实施例，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，如上文所述。
(第一种变体)现在描述依照第一实施例的第一变体的压电驱动MEMS装置。依照本变体的压电驱动MEMS装置与第一实施例的不同之处在于第一至第四致动器的下部电极和上部电极的连接形式并且因此不同之处在于致动器的操作形式。
在本变体中，第一致动器1的下部电极13与第二致动器2的下部电极23绝缘，并且第二至第四致动器2、3和4的下部电极23、33和43分别连接在一起，如图6所示。另外，第三致动器3的上部电极34与第四致动器4的上部电极44绝缘，并且第一、第二和第四致动器1、2和4的上部电极14、24和44分别连接在一起，如图7所示。因此，图1中所示的连接部81并不具有下部电极，但是具有上部电极，该上部电极变得与层中的上部电极14相同。连接部82具有下部电极，该下部电极变得与层中的下部电极13相同，但是并不具有上部电极。连接部83具有变得与层中的下部电极13相同的下部电极和变得与层中的上部电极14相同的上部电极，并且与每个致动器具有相同的配置。
第一驱动电势施加到第一致动器1的下部电极13和上部电极14上，并且不同于第一驱动电势的第二驱动电势施加到第三致动器3的下部电极33和上部电极34上。因此，第一或第三致动器就会固定而不会导致弯曲。仅仅在第二和第四致动器2和4的上部电极和下部电极之间生成电压差，并且由电致伸缩效应导致弯曲。因此，电致伸缩效应会在动作端处生成位移。
将第一实施例与第一变体相比，在两种情形下会在两个致动器中生成弯曲并且在动作端处的位移量基本上相同。然而，在第一实施例中的所有第一至第四致动器中会生成位移，而在第一变体中仅仅在第二和第四致动器中生成位移。在第一变体中，移动的质量很小并且因此可以更快地进行驱动操作。
本变体是可变电容器。然而，如果固定电极5上的介电薄膜51被除去，本变体可以用作开关。
同样，依照本变体，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，其方式与第一实施例相同。
(第二种变体)现在将参照图8描述依照第一实施例的第三变体的压电驱动MEMS装置。依照本变体的压电驱动MEMS装置具有通过将图1中所示的第一实施例中的固定电极5分成第一固定电极53和第二固定电极54而获得的配置。
如果本变体中的压电驱动MEMS装置是可变电容器(如果介电薄膜设置在固定电极53和54上)，第一可变电容器就形成在第一固定电极53和第二致动器2的动作端22之间并且第二可变电容器形成在第二固定电极54和第四致动器4的动作端42之间。高频信号按照引用次序流经第一固定电极53、第一可变电容器、第二致动器的动作端22、第四致动器的动作端42、第二可变电容器和第二固定电极54。如果本变体中的压电驱动MEMS装置是开关(如果不在固定电极53和54上设置介电薄膜)，第一开关就形成在第一固定电极53和第二致动器2的动作端22之间，并且第二开关形成在第二固定电极54和第四致动器4的动作端42之间。高频信号会以与可变电容器相同的方式流动。
在图1中所示的依照第一实施例的压电驱动MEMS装置中，来自固定端11的高频信号流经第一致动器1和第二致动器2，并且经由动作端22到达固定端5。这就会导致第一致动器1和第二致动器2的电极的电阻添加为串连电阻的问题。另一方面，依照该变体的压电驱动MEMS装置具有用于高频信号的路径如上所述较短并且因此串联电阻的值就会很小的优点。
另一方面，假定在本变体中形成可变电容器，会在高频信号的路径中串连形成均具有大约一半面积的两个可变电容器，导致电容值变成四分之一或更小的缺陷。同样在开关的情形下，高频信号流经串连连接的两个开关，导致开关的接触电阻变为两倍或更多的缺陷。
同样，依照本变体，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，其方式与第一实施例相同。
通过这种方式，本变体可以应用到第一变体和将在后面描述的第三变体、第二实施例和第三实施例。
(第三种变体)现在将参照图9和10描述依照第一实施例的第三变体的压电驱动MEMS装置。
依照本变体的压电驱动MEMS装置与第一实施例的不同之处在于第一至第四致动器的下部电极和上部电极的连接形式并且因此不同之处在于致动器的操作形式。
在本变体中，第一致动器1的下部电极13与第二致动器2的下部电极23绝缘，第三致动器3的下部电极33与第四致动器4的下部电极43绝缘，并且第二致动器2的下部电极23连接至第四致动器4的下部电极43，如图9中所示。另一方面，如图10中所示，第一致动器1的上部电极14与第二致动器2的上部电极24绝缘，第三致动器3的上部电极34与第四致动器4的上部电极44绝缘，并且第二致动器2的上部电极24连接至第四致动器4的上部电极44。因此，图1中所示的连接部81和82中的每一个均包括绝缘的下部电极和绝缘的上部电极。连接部83具有下部电极和上部电极，其中该下部电极连接下部电极23与下部电极43并且变得与层中的下部电极23和下部电极43相同，且该上部电极连接上部电极24与上部电极44并且变得与层中的上部电极24和上部电极44相同。连接部83与每个致动器具有相同的配置。
第一致动器1的下部电极13通过通路91连接至第二致动器2的上部电极24。第二致动器2的下部电极23通过通路92连接至第一致动器1的上部电极14。第四致动器4的下部电极43通过通路93连接至第三致动器3的上部电极34。第三致动器3的下部电极33通过通路94连接至第四致动器4的上部电极44。
因此，会在第一致动器1的下部电极13和上部电极14之间以及在第三致动器3的下部电极33和上部电极34之间施加相同极性的驱动电压。会在第二致动器2的下部电极23和上部电极24之间以及在第四致动器4的下部电极43和上部电极44之间施加相反极性的驱动电压。第一致动器1和第二致动器2会沿相同的方向弯曲。第三致动器3和第四致动器4会沿相反的方向弯曲。因此，会由电致伸缩效应生成几乎为第一实施例中两倍大的位移。
本变体是可变电容器。然而，如果图3中所示固定电极5上的介电薄膜51被除去，本变体可以用作开关。
同样，依照本变体，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，其方式与第一实施例相同。
(第二实施例)现在将描述依照本发明的第二实施例的压电驱动MEMS装置。依照本实施例的压电驱动MEMS装置与依照第一实施例的第一至第四致动器1、2、3和4具有相同的配置。然而，依照本实施例的压电驱动MEMS装置与依照第一实施例的不同之处在于第一至第四致动器1、2、3和4中的每一个的配置。依照本实施例的第一至第四致动器1、2、3和4并不具有支撑薄膜，而是具有三层电极下层电极、中间电极和上层电极，并且具有两层压电薄膜下层压电薄膜和上层压电薄膜。依照本实施例的第一至第四致动器1、2、3和4具有所谓的双压电晶片结构。
如图11所示，第一致动器1具有通过将下部电极13、下压电薄膜15、中间电极17、上压电薄膜18和上部电极14按引用次序进行层压而获得的层状结构。如图12所示，第二致动器2具有通过层压变得与层中的下部电极13相同的下部电极23、变得与层中的下压电薄膜15相同的下压电薄膜25、变得与层中的中间电极17相同的中间电极27、变得与层中的上压电薄膜28相同的上压电薄膜28和变得与层中的上部电极14相同的上部电极24而获得的层状结构。虽然并未显示，但是第三致动器3与第一致动器1具有完全相同的结构，并且第四致动器4与第二致动器2具有完全相同的结构。换句话说，第三致动器和第四致动器中的每一个均包括下部电极、下压电薄膜、中间电极、上压电薄膜和上部电极，它们在层中分别与下部电极13、下压电薄膜15、中间电极17、上压电薄膜18和上部电极14相同。
另一方面，如图13所示，第一至第四致动器1、2、3和4各自的下部电极13、23、33和43连接在一起。如图14中所示，第一致动器1的中间电极17与第二致动器2的中间电极27绝缘，第三致动器3的中间电极37与第四致动器4的中间电极47绝缘，并且中间电极27连接至中间电极47。如图15所示，第一至第四致动器的上部电极14、24、34和44连接在一起。因此，图1中所示连接部81和82中均具有的结构为具有下部电极和上部电极但是不具有中间电极。连接部83具有下部电极、中间电极和上部电极。因此，连接部83与每个致动器具有相同的结构。
在这种配置中，具有相反极性的驱动电压就会施加在第一致动器1的下部电极13和中间电极17之间以及在第一致动器1的中间电极17和上部电极14之间。相反极性的驱动电压会施加在第三致动器3的下部电极33和中间电极37之间以及第三致动器3的中间电极37和上部电极34之间。在此，在下部电极13和中间电极17之间的电压的极性与在下部电极33和中间电极37之间的电压的极性相同。中间电极17和上部电极14之间的电压的极性与中间电极37和上部电极34之间的电压的极性相同。
因此，第一致动器1的压电薄膜15收缩(或延伸)并且上压电薄膜18延伸(或收缩)，因此在第一致动器1中造成弯曲。第三致动器3的下压电薄膜35收缩(或延伸)并且上压电薄膜38延伸(或收缩)，因此在第三致动器3中造成弯曲。因此，就能够以与第一实施例相同的方式进行操作。换句话说，电致伸缩效应仅仅在第一和第三致动器1和3中导致弯曲。并不会在第二和第四致动器2和4中导致弯曲。第二和第四致动器2和4会跟随第一和第三致动器1和3而移动。电致伸缩效应会在动作端处生成位移。
本实施例是可变电容器。然而，如果固定电极5上的介电薄膜51被除去，本实施例可以用作开关。
同样，依照本实施例，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，其方式与第一实施例相同。
现在将把第二实施例和第一实施例进行比较。在依照第二实施例的双压电晶片致动器中，可以预期位移量大约为依照第一实施例的单压电晶片致动器的位移量的两倍，但是还具有层压板的数目增大的缺陷。
(第三实施例)现在参照图16至图19描述依照本发明的第三实施例的压电驱动MEMS装置。
依照该实施例的压电驱动MEMS装置是可变电容器，并且包括第一至第四致动器(梁)1、2、3和4，如图16所示。第二至第四致动器2、3和4平行于第一致动器1设置，并且与第一致动器1具有相同的长度(沿致动器的伸展方向(纵向方向)的尺寸)。第一致动器1的第一端是固定端11，并且它通过锚71固定到衬底6上。第一致动器的第二端(连接端)12由第一连接部81连接到第二致动器2的第一端21上。第二致动器2的第二端是第一动作端42，并且在其上设置了活动电极。第三致动器3的第一端是固定端31，并且它通过锚72固定到衬底6上。第三致动器的第二端(连接端)32由第二连接部82连接到第四致动器4的第一端41上。第四致动器4的第二端42是第二动作端，并且在其上设置了活动电极。另外，第二致动器2经由第三连接部84连接到第四致动器4上。
固定端31位于经过固定端11并且基本上垂直于第一致动器1的延伸方向的直线上。第一致动器1的宽度基本上等于第三致动器3的宽度。第二致动器2的宽度基本上等于第四致动器4的宽度。
如图17所示，第一致动器1具有通过将下部电极13、压电薄膜15、上部电极14和支撑薄膜16按引用次序进行层压而获得的单压电晶片结构。第二致动器2具有通过将与层中的下部电极13相同的下部电极23、与层中的压电薄膜15相同的压电薄膜25、与层中的上部电极14相同的上部电极24和与层中的支撑薄膜16相同的支撑薄膜26按引用次序进行层压而获得的单压电晶片结构。第三致动器3与第一致动器1具有完全相同的结构。第四致动器4与第二致动器2具有完全相同的结构。换句话说，第三致动器和第四致动器均包括下部电极、压电薄膜、上部电极和支撑薄膜，它们在层中分别与下部电极13、压电薄膜15、上部电极14和支撑薄膜16相同。
第二致动器2和第四致动器4由第三连接部84在相对的侧面处连接。第三连接部84包括两层与层中的下部电极23和43相同的下部电极85和与层中的压电薄膜25和45相同的压电薄膜86。与每个致动器的主体的四层结构相比，第三连接部84较薄并且刚度较小。在衬底6上形成了固定电极5和防短路介电薄膜51从而与第一动作端22和第二动作端42相对。
在本实施例中，第一致动器1和第二致动器2布置成与第三致动器3和第四致动器4相对于第二致动器2和第四致动器4之间的中心线100线对称。至于致动器尺寸的实例，每个第一和第三致动器1和3中的固定端和连接端12或32之间的长度“a”为480微米，第一和第三致动器1和3的宽度“b”为90微米，第一和第二连接部81和82的长度“c”为80微米，第二和第四致动器2和4的长度“d”是560微米，第二和第四致动器2和4的宽度“e”为70um，第一致动器1与第二致动器2之间的距离(间隔)f和第三致动器3与第四致动器4之间的距离f均为20微米，并且第二致动器2和第四致动器4之间的距离g为40微米。
如果在形成薄膜时导致了垂直不对称的残余应变，就会依照残余应变的量值而在第一至第四致动器1、2、3和4中的每一个中导致翘曲。然而，相对于致动器纵向方向，第一致动器1中的翘曲和第二致动器2中的翘曲彼此抵消，并且第三致动器3中的翘曲和第四致动器4中的翘曲彼此抵消。相对于致动器的横向方向，第一致动器1和第二致动器2由第一连接部81连接在一起，并且第三致动器3和第四致动器4由第二连接部82连接在一起。另外，第二致动器2和第四致动器4由刚度较小的第三连接部83连接在一起。因此，也会抵消横向方向中的翘曲，并且可能将动作端22和动作端42保持在与固定端11和固定端31基本上相同的高度处。
另一方面，在本实施例中，第一至第四致动器1、2、3和4各自的下部电极13、23、33和43如图18中所示连接在一起，而第一至第四致动器1-4各自的上部电极14、24、34和44彼此电绝缘，如图19所示。换句话说，第三连接部84的下部电极85将下部电极23连接到下部电极43上。
在本实施例中，会在第一致动器1的上部电极14和下部电极13之间以及在第三致动器3的上部电极34和下部电极33之间施加驱动电压。因此，电致伸缩效应仅仅在第一和第三致动器1和3中导致弯曲。并不会在第二和第四致动器2和4中导致弯曲。第二和第四致动器2和4会跟随第一和第三致动器1和3而移动。因此，电致伸缩效应会在动作端处生成位移。顺便说一句，图16中所示的连接部81和82均具有包括下部电极但是不具有上部电极的结构。
本实施例是可变电容器。然而，如果固定电极5上的介电薄膜51被除去，本实施例可以用作开关。
依照本实施例，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，如上文所述。
比较第三实施例与第一实施例，它们的不同之处在于将第二致动器连接到第四致动器上的连接部的结构。然而，它们在作为致动器的动作中以及在抑制翘曲效应中基本上等效。因此，可以采用任意结构，并且还可以联合使用两种连接部的结构。
依照本发明的实施例，可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构，如上文详细描述的那样。
本领域的技术人员很容易就会想到附加的优点和改进。因此，本发明在其广义方面并不限于在此显示和描述的特定细节和典型实施例。因此，可以不脱离通过所附权利要求书及其等效物界定的总的发明概念的精神或范围而做出多种改进。
权利要求
1.一种压电驱动MEMS装置，包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一压电薄膜和形成在第一压电薄膜上的第一上部电极，并且第一致动器具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，与第一致动器平行布置在衬底上，包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二压电薄膜和形成在第二压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，布置在第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三压电薄膜和形成在第三压电薄膜上的第三上部电极，并且第三致动器具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，布置在衬底上第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四压电薄膜和形成在第四压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器的第二端连接到第四致动器的第二端上；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
2.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述第三连接部包括连接到第二和第四下部电极上的第五下部电极，和与第五下部电极绝缘并形成在第五下部电极上的第五上部电极。
3.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于第三致动器的第一端位于经过第一致动器的第一端并且基本上垂直于第一致动器的延伸方向的直线上，第一致动器的长度基本上等于第三致动器的长度，第一致动器的宽度基本上等于第三致动器的宽度，第二致动器的长度基本上等于第四致动器的长度，并且第二致动器的宽度基本上等于第四致动器的宽度。
4.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于第一连接部包括连接到第一和第二下部电极上的第六下部电极，第二连接部包括连接到第三和第四下部电极上的第七下部电极，并且第一和第二上部电极彼此绝缘，并且第三和第四上部电极彼此绝缘。
5.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于第一连接部包括连接到第一和第二上部电极上的第六上部电极，第二连接部包括连接到第三和第四下部电极上的第七下部电极，并且第一和第二下部电极彼此绝缘，并且第三和第四上部电极彼此绝缘。
6.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于第一和第二下部电极彼此绝缘，第三和第四下部电极彼此绝缘，第一和第二上部电极彼此绝缘，并且第三和第四上部电极彼此绝缘，并且第一下部电极连接到第二上部电极上，第二下部电极连接到第一上部电极上，第三下部电极连接到第四上部电极上，并且第四下部电极连接到第三上部电极上。
7.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，固定电极包括形成为与第二致动器的第二端相对的第一固定电极，和形成为与第四致动器的第二端相对并且与第一固定电极绝缘的第二固定电极。
8.一种压电驱动MEMS装置，包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一下压电薄膜、形成在第一下压电薄膜上的第一中间电极、形成在第一中间电极上的第一上压电薄膜和形成在第一上压电薄膜上的第一上部电极，并且第一致动器具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，平行于第一致动器布置在衬底上，并且包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二下压电薄膜、形成在第二下压电薄膜上的第二中间电极、形成在第二中间电极上的第二上压电薄膜和形成在第二上压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，布置在第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三下压电薄膜、形成在第三下压电薄膜上的第三中间电极、形成在第三中间电极上的第三上压电薄膜和形成在第三上压电薄膜上的第三上部电极，并且第三致动器具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，置于衬底上在第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四下压电薄膜、形成在第四下压电薄膜上的第四中间电极、形成在第四中间电极上的第四上压电薄膜和形成在第四上压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器的第二端连接到第四致动器的第二端上；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
9.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于，所述第三连接部包括连接到第二和第四下部电极上的第五下部电极、形成在第五下部电极上的第五中间电极、和与第五中间电极绝缘并且形成在第五中间电极上的第五上部电极。
10.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于第三致动器的第一端位于经过第一致动器的第一端并且基本上垂直于第一致动器的延伸方向的直线上，第一致动器的长度基本上等于第三致动器的长度，第一致动器的宽度基本上等于第三致动器的宽度，第二致动器的长度基本上等于第四致动器的长度，并且第二致动器的宽度基本上等于第四致动器的宽度。
11.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于第一连接部包括连接到第一和第二下部电极上的第六下部电极和连接到第一和第二上部电极上的第六上部电极，第二连接部包括连接到第三和第四下部电极上的第七下部电极和连接到第三和第四上部电极上的第七上部电极，第一和第二中间电极彼此绝缘，并且第三和第四中间电极彼此绝缘。
12.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于，固定电极包括形成为与第二致动器的第二端相对的第一固定电极和形成为与第四致动器的第二端相对并且与第一固定电极绝缘的第二固定电极。
13.一种压电驱动MEMS装置，包括衬底；第一致动器，包括第一下部电极、形成在第一下部电极上的第一压电薄膜和形成在第一压电薄膜上的第一上部电极，并且第一致动器具有固定到衬底上的第一端；第二致动器，与第一致动器平行布置在衬底上，包括第二下部电极、形成在第二下部电极上的第二压电薄膜和形成在第二压电薄膜上的第二上部电极；第一连接部，将第一致动器的第二端连接到与第一致动器的第二端相对的第二致动器的第一端上；第三致动器，布置在第二致动器相对于第一致动器的相对侧上并且平行于第一致动器，包括第三下部电极、形成在第三下部电极上的第三压电薄膜和形成在第三压电薄膜上的第三上部电极，并且第三致动器具有固定到衬底上的第一端；第四致动器，布置在衬底上在第二致动器和第三致动器之间并且平行于第三致动器，包括第四下部电极、形成在第四下部电极上的第四压电薄膜和形成在第四压电薄膜上的第四上部电极；第二连接部，将第三致动器的第二端连接到与第三致动器的第二端相对的第四致动器的第一端上；第三连接部，将第二致动器和第四致动器的相对的侧面连接在一起；和固定电极，形成在衬底上从而与第二致动器和第四致动器的第二端相对，第一致动器和第二致动器布置成与第三致动器和第四致动器相对于第二致动器和第四致动器之间的中心线基本上对称。
14.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，所述第三连接部包括连接到第二和第四下部电极上的第五下部电极和形成在第五下部电极上的第五压电薄膜。
15.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于第三致动器的第一端位于经过第一致动器的第一端并且基本上垂直于第一致动器的延伸方向的直线上，第一致动器的长度基本上等于第三致动器的长度，第一致动器的宽度基本上等于第三致动器的宽度，第二致动器的长度基本上等于第四致动器的长度，并且第二致动器的宽度基本上等于第四致动器的宽度。
16.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于第一连接部包括连接到第一和第二下部电极上的第六下部电极，第二连接部包括连接到第三和第四下部电极上的第七下部电极，并且第一和第二上部电极彼此绝缘，并且第三和第四上部电极彼此绝缘。
17.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，固定电极包括形成为与第二致动器的第二端相对的第一固定电极和形成为与第四致动器的第二端相对并且与第一固定电极绝缘的第二固定电极。
18.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述MEMS装置是可变电容器。
19.如权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述MEMS装置是开关。
20.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于，所述MEMS装置是可变电容器。
21.如权利要求8所述的MEMS装置，其特征在于，所述MEMS装置是开关。
全文摘要
本发明可以提供一种压电驱动MEMS装置，该压电驱动MEMS装置使动作端和固定电极之间的距离保持恒定而不管残余应变是大是小，并且具有再现性和可靠性良好的机构。均具有折叠梁结构的两个压电驱动致动器平行并且以线对称方式布置，并且在动作端附近彼此连接。
文档编号H01L41/04GK101093966SQ20071011219
公开日2007年12月26日 申请日期2007年6月21日 优先权日2006年6月23日
发明者川久保隆, 长野利彦, 西垣亨彦 申请人:株式会社东芝