專利名稱：壓電致動器和微機電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用壓電薄膜的致動器，特別涉及一種使用壓電致動器的微機電器件。
背景技術(shù)：
近來，通過微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來制造致動器已經(jīng)引起了關(guān)注。在致動器中，通過驅(qū)動力，例如靜電力、熱應(yīng)力、電磁力和壓電力，使橫梁彎曲并移位。在公開號為No.2003-181800的已公開的日本專利申請中，連接到使用壓電薄膜的致動器自由端上的軸被轉(zhuǎn)動。
而且，已經(jīng)提出了使用致動器的微機電器件，例如可變電容器和開關(guān)。通過MEMS技術(shù)制造的可變電容器或開關(guān)包括可移動電極和固定電極，可移動電極設(shè)置在致動器的橫梁上并具有支撐在襯底上的釋放端，固定電極設(shè)置在襯底上面對致動器的表面上。致動器在可移動電極與固定電極之間的距離內(nèi)變化。
特別地，在具有使用反壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)作為驅(qū)動力的壓電致動器的可變電容器中，可移動的橫梁可以連續(xù)且大大地改變可移動電極與固定電極之間的間隔。因此，可以增加可變電容器的電容變化。而且，由于使用空氣或氣體作為可移動電極與固定電極之間的電介質(zhì)，所以可變電容器具有極大的Q值等優(yōu)點。
而且，該可變電容器的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用到開關(guān)。例如，在容性類型的開關(guān)中，可移動電極穿過極薄的介電膜與固定電極容性地耦合。或者，在DC接觸型開關(guān)中，可移動電極直接與固定電極接觸。通過MEMS技術(shù)制造的這種開關(guān)也已經(jīng)引起關(guān)注，因為該開關(guān)具有低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻并且在關(guān)斷狀態(tài)具有高的絕緣隔離特性。
壓電致動器具有長而薄的橫梁，包括夾在頂電極與底電極之間的壓電膜。橫梁突出到空氣中。因此，很嚴重的問題是，由于壓電膜材料中微小的殘余應(yīng)力導(dǎo)致橫梁垂直的彎曲。因此，很難按照設(shè)計通過對可變電容器施加電壓來調(diào)節(jié)電容值，或者很難將開關(guān)的驅(qū)動電壓設(shè)定在穩(wěn)定值。
例如，在壓電致動器中的設(shè)置了可移動電極的工作端處，由于反壓電效應(yīng)導(dǎo)致的橫梁的位移D可近似地通過下面的公式表示D～E·d31·L2·t-1(1)其中E是施加到壓電膜的電場，d31是壓電膜的壓電應(yīng)變系數(shù)，L和t分別是致動器的長度和厚度。
由出現(xiàn)在淀積的壓電膜等之上的殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的壓電致動器的翹曲Dw可近似地通過下面的公式表示DW～Sr·L2·t-1(2)其中Sr是殘余應(yīng)力。
根據(jù)公式(1)與公式(2)之間的比較可以理解，關(guān)于壓電致動器的長度L和厚度t，位移D和翹曲Dw具有類似的關(guān)系。具體地，位移D和翹曲Dw與長度L的平方成正比，與厚度t成反比。例如，為了擴展壓電致動器的驅(qū)動范圍，增加長度L或減小厚度t是有效的。相應(yīng)地，可以增加位移D，而且也可以增加翹曲Dw。因此，為了通過抑制翹曲來增加壓電致動器的驅(qū)動范圍，對致動器在幾何上作出修改幾乎沒有效果。除了相對于由反壓電效應(yīng)導(dǎo)致的壓電應(yīng)變(E·d31)的絕對值來降低殘余應(yīng)力Sr的絕對值之外，將沒有其它方式。
鋯鈦酸鉛(PZT)是具有大的反壓電效應(yīng)的壓電膜，關(guān)于鋯鈦酸鉛(PZT)，在以室溫淀積PZT膜之后必須在600攝氏度對PZT膜進行退火，以便獲得良好的膜質(zhì)量。由于這樣的退火可能出現(xiàn)體積上的收縮。因此，不可避免的增加了PZT壓電膜的殘余應(yīng)力。同時，對于壓電膜，例如能夠在室溫附近淀積且具有良好的膜質(zhì)量的氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)等，通過調(diào)整淀積條件能夠相對精確地控制殘余應(yīng)力。但是，該壓電膜(例如AlN、ZnO等)中的反壓電效應(yīng)比PZT膜中的反壓電效應(yīng)小十倍或更多。
在使用具有如此大的反壓電效應(yīng)的壓電材料以便增加壓電致動器的壓電膜的壓電應(yīng)變的情況下，很難控制壓電膜中的殘余應(yīng)力，并且很難抑制制動器的翹曲。而且，能夠相對容易地控制其中的殘余應(yīng)力的壓電材料具有小的反壓電效應(yīng)。在這樣的壓電材料中，與致動器的翹曲相比，不能夠充分地增加致動器的驅(qū)動范圍。由于上述的問題，阻止了壓電致動器在技術(shù)上的應(yīng)用。與壓電致動器這樣的結(jié)構(gòu)(即，薄而長的橫梁結(jié)構(gòu))相關(guān)的嚴重問題，導(dǎo)致壓電致動器受到輕微的殘余應(yīng)力而產(chǎn)生大的翹曲。因此，很難制造電容保持恒定的可變電容器，或者工作電壓保持恒定的開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有壓電致動器的微機電器件，該壓電致動器通過抑制殘余應(yīng)力在壓電膜中導(dǎo)致的翹曲，能夠以高精度和可再現(xiàn)性的方式控制位移。
本發(fā)明的第一方面提供了一種壓電致動器，第一橫梁，包括第一底電極，在第一底電極上的第一壓電膜，以及在第一壓電膜上的第一頂電極，在第一橫梁的一端設(shè)置固定端而在第一橫梁的另一端設(shè)置連接端，該固定端固定在襯底上，該連接端懸浮在自由空間上；以及第二橫梁，包括在連接端連接到第一壓電膜的第二壓電膜，在第二壓電膜下面的第二底電極，以及在第二壓電膜上的第二頂電極，工作端被設(shè)置在第二橫梁的一端，所述第二橫梁的一端與設(shè)有連接端的另一端相反，該工作端懸浮在自由空間上；其中固定端與工作端的中心之間的距離比從工作端到連接端的距離短。
本發(fā)明的第二方面提供了一種微機電器件，第一橫梁，包括第一底電極，在第一底電極上的第一壓電膜，以及在第一壓電膜上的第一頂電極，在第一橫梁的一端設(shè)置固定端而在第一橫梁的另一端設(shè)置連接端，該固定端固定在襯底上，該連接端懸浮在自由空間上；第二橫梁，包括在連接端連接到第一壓電膜的第二壓電膜，在第二壓電膜下面的第二底電極，以及在第二壓電膜上的第二頂電極，工作端被設(shè)置在第二橫梁的一端，所述第二橫梁的一端與設(shè)有所述連接端的另一端相反，該工作端懸浮在自由空間上；以及設(shè)置在襯底表面上的面對工作端的固定電極，其中固定端與工作端的中心之間的距離比從工作端到連接端的距離短。


圖1是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的示例的透視圖；圖2是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的示例的示意圖；圖3是顯示沿圖2的壓電致動器中的線III-III剖面的示意圖；圖4是顯示沿圖2的壓電致動器中的線IV-IV剖面的示意圖；圖5是顯示沿圖2的壓電致動器中的線V-V剖面的示意圖；圖6顯示了按照本發(fā)明實施例使用壓電致動器的可變電容器的等效電路的示例；圖7是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的壓電驅(qū)動的示例的示意圖；圖8是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的壓電驅(qū)動的另一示例的示意圖；圖9是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的制造方法的示例的平面圖；圖10至16是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的制造方法的示例的剖面圖；圖17是顯示按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的另一示例的透視圖；圖18是顯示按照本發(fā)明實施例的第一修改方式的壓電致動器的示例的透視圖；圖19是顯示按照本發(fā)明實施例的第一修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖20是顯示沿圖19的壓電致動器中的線XX-XX剖面的示意圖；圖21是顯示按照本發(fā)明實施例的第二修改方式的壓電致動器的示例的透視圖；圖22是顯示按照本發(fā)明實施例的第二修改方式的壓電致動器的底電極的示例的透視圖；圖23是顯示按照本發(fā)明實施例的第二修改方式的壓電致動器的頂電極的示例的透視圖；圖24是顯示按照本發(fā)明實施例的第三修改方式的壓電致動器的示例的透視圖；圖25是顯示按照本發(fā)明實施例的第三修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖26是顯示按照本發(fā)明實施例的第三修改方式的壓電致動器的底電極的示例的透視圖；圖27是顯示按照本發(fā)明實施例的第三修改方式的壓電致動器的頂電極的示例的透視圖；圖28是顯示沿圖25的壓電致動器中的線XXVIII-XXVIII剖面的示意圖；圖29是顯示沿圖25的壓電致動器中的線XXIX-XXIX剖面的示意圖；圖30是顯示按照本發(fā)明實施例的第四修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖31是顯示按照本發(fā)明實施例的第四修改方式的壓電致動器的底電極的示例的透視圖；圖32是顯示按照本發(fā)明實施例的第四修改方式的壓電致動器的頂電極的示例的透視圖；
圖33是顯示沿圖30的壓電致動器中的線XXXIII-XXXIII剖面的示意圖；圖34是顯示沿圖30的壓電致動器中的線XXXIV-XXXIV剖面的示意圖；圖35是顯示按照本發(fā)明實施例的第五修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖36是顯示按照本發(fā)明實施例的第五修改方式的壓電致動器的壓電驅(qū)動的示例的示意圖；圖37是顯示按照本發(fā)明實施例的第六修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖38是顯示按照本發(fā)明實施例的第六修改方式的壓電致動器的壓電驅(qū)動的示例的示意圖；圖39是顯示按照本發(fā)明實施例的第七修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖40是顯示沿圖39的壓電致動器中的線XL-XL剖面的示意圖；圖41是顯示沿圖39的壓電致動器中的線XLI-XLI剖面的示意圖；圖42是顯示按照本發(fā)明實施例的第七修改方式的壓電致動器的壓電驅(qū)動的示例的示意圖；圖43是顯示按照本發(fā)明實施例的第八修改方式的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖44是顯示按照本發(fā)明實施例的第九修改方式的壓電致動器的示例的示意圖；圖45是顯示按照本發(fā)明其它實施例的壓電致動器的示例的平面示意圖；圖46是顯示沿圖44的壓電致動器中的線XLVI-XLVI剖面的示意圖；圖47是顯示沿圖44的壓電致動器中的線XLVII-XLVII剖面的示意圖。
具體實施例方式
將參照

本發(fā)明的各種實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，在全部附圖中相同或相似的參考標記用于表示相同或相似的部分和器件，并且將省略或簡化相同或相似部分和器件的說明。
按照本發(fā)明實施例的壓電致動器被用在微機電器件中，例如用在可變電容器中。如圖1所示，壓電致動器包括第一橫梁40和第二橫梁42。第一橫梁40從固定部分46的固定端44延伸到連接部分54的連接端52，其中固定部分46被固定到襯底10上的支座20。第二橫梁42在平行于第一橫梁40到固定端44的方向上從連接端52延伸到工作部分50的工作端48。而且，在襯底10的表面上提供包括覆蓋有介電膜14的導(dǎo)體12a、12b的固定電極16，以使其面對工作部分50。固定端44和工作端48彼此相鄰的放置。
如圖2所示，第一橫梁40與第二橫梁42之間的橫梁間隔Lt是固定端44與工作端48的中心之間的直接距離。此外，橫梁長度Lb是從工作端48到連接端52的直接距離。橫梁間隔Lt比橫梁長度Lb短。
如圖3所示，第一橫梁40包括第一壓電膜26、第一底電極22、第一頂電極32、和第一支撐膜36。第一底電極22設(shè)置在第一壓電膜26的面對襯底10的表面上。第一頂電極32面對第一底電極22，以便與第一底電極22一起夾住第一壓電膜26。第一支撐膜36設(shè)置在第一頂電極32上。
如圖4所示，第二橫梁42包括第二壓電膜28、第二底電極24、第二頂電極34、和支撐膜38。第二底電極24設(shè)置在第二壓電膜28的面對襯底10的表面上。第二頂電極34面對第二底電極24，以便與第二底電極24一起夾住第二壓電膜28。支撐膜38設(shè)置在第二頂電極34上。
第一橫梁40和第二橫梁42的每一個都具有不對稱的雙壓電晶片元件結(jié)構(gòu)或單壓電晶片元件結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意，第一橫梁40的第一壓電膜26通過連接部分54連接到第二橫梁42的第二壓電膜28。第一壓電膜26、第二壓電膜28以及連接部分54是具有相同極化方向的連續(xù)壓電層。
對于襯底10，使用絕緣玻璃襯底、例如硅(Si)的半導(dǎo)體襯底等。對于支座20，使用例如二氧化硅(SiO2)的絕緣膜。對于第一支撐膜36、第二支撐膜38以及介電膜14的每一個，使用例如SiO2和氮化硅(Si3N4)的絕緣膜。此外，對于第一底電極22、第二底電極24、第一頂電極32、第二頂電極34、導(dǎo)體12a、12b等，理想地使用具有低電阻并且容易加工的金屬，例如鋁(Al)、金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銥(Ir)、鎢(W)和鉬(Mo)。此外，由于纖鋅礦晶體是穩(wěn)定的，所以例如AlN、ZnO的纖鋅礦晶體可理想的作為第一壓電膜26、和第二壓電膜28以及連接部分54的壓電材料。此外，例如PZT和鈦酸鋇(BTO)的鈣鈦礦鐵電材料也是可用的。
如圖5所示，按照本發(fā)明實施例的可變電容器在導(dǎo)體12a、12b與第二底電極24之間具有電容器Cvar1和Cvar2。如圖6所示，電容器Cvar1和Cvar2串聯(lián)在連接到導(dǎo)體12a、12b的端子18a、18b之間。電容器Cvar1和Cvar2響應(yīng)固定電極16與可移動的第二底電極24之間的距離變化來改變它們的電容。
當(dāng)在壓電致動器的第一橫梁40的第一底電極22和第一頂電極32之間施加電壓時，由于壓電效應(yīng)使第一壓電膜26變形以便伸展或收縮。設(shè)置在第一頂電極32上的第一支撐膜36沒有表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。因此，通過第一壓電膜26的伸展或收縮將第一橫梁40設(shè)置在垂直于襯底10表面的方向上。在下面的說明中，假設(shè)當(dāng)相對于底電極22把正電壓和負電壓施加到頂電極32時，分別在第一壓電膜26中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。例如，通過由拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的第一壓電膜26的伸展，第一橫梁40在遠離襯底10表面的方向上彎曲。另一方面，通過由壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的第一壓電膜26的收縮，第一橫梁40朝向襯底10表面彎曲。
通常，在第一橫梁40和第二橫梁42的第一壓電膜26和第二壓電膜28中，由于淀積工藝中的殘余應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)翹曲。如公式(2)所示，殘余應(yīng)力導(dǎo)致的壓電致動器的翹曲與致動器長度的平方成比例。在三維的視圖中，壓電致動器的第一橫梁40和第二橫梁42沿著以固定電極46為中心的拋物線相對襯底10翹曲。
因此，如圖1所示，通過使用折疊結(jié)構(gòu)的第一橫梁40和第二橫梁42來構(gòu)建壓電致動器。結(jié)果，固定電極44和工作端48能夠被彼此鄰近的定位。第一橫梁40和第二橫梁42與橫梁長度Lb的平方成比例地各自翹曲。但是，橫梁間隔Lt比橫梁長度Lb短。因此，能夠減少由殘余應(yīng)力引起的工作端48的翹曲。
而且，第一橫梁40和第二橫梁42具有彼此類似的疊層結(jié)構(gòu)。因此，即使在疊層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)垂直不對稱的殘余應(yīng)力，也能通過與第一橫梁40折疊的第二橫梁42的翹曲來抵消第一橫梁40的翹曲。因此，能夠最大程度地減小由于出現(xiàn)在固定電極44與工作端48之間的翹曲所導(dǎo)致的位移。
而且，如公式(1)所示，壓電致動器的工作端48的可移動范圍與橫梁長度Lb的平方成比例。在具有折疊結(jié)構(gòu)的壓電致動器中，如圖1所示，致動器的有效長度變?yōu)楣潭姌O44與工作端48之間的橫梁間隔Lt。如果每一個頂電極和底電極并非如通常的壓電致動器一樣跨過第一和第二橫梁被分隔，則橫梁間隔Lt越短，工作端的可移動范圍就越小。因此，由于第二橫梁42的彎曲導(dǎo)致的位移抵消了由于第一橫梁40的彎曲導(dǎo)致的位移。
在本發(fā)明的實施例中，第一底電極22與第二底電極24隔開。以類似的方式，第一頂電極32也與第二頂電極34隔開。例如，當(dāng)在第一底電極22與第一頂電極32之間施加驅(qū)動電壓時，在第一壓電膜26中產(chǎn)生的壓電應(yīng)變導(dǎo)致第一橫梁40彎曲。但是，因為沒有對第二壓電膜28施加驅(qū)動電壓，所以在第二壓電膜28中沒有產(chǎn)生壓電應(yīng)變。因此第二橫梁42不彎曲。
例如，當(dāng)?shù)谝粔弘娔?6和第二壓電膜28具有可忽略的殘余應(yīng)力時，如圖7所示，在沒有施加驅(qū)動電壓的初始狀態(tài)，第一橫梁40和第二橫梁42的每個幾乎都沒有翹曲，基本上是直的。當(dāng)相對于圖1所示的第一底電極22向第一頂電極32施加正的驅(qū)動電壓時，由固定端44支撐的第一橫梁40以拋物線形狀彎曲。第二橫梁42保持直的。因此，相對于固定端44，在連接端52向上偏移的同時，工作端48向下偏移了位移Db。類似于連接端52的位移，工作端48的位移Db也由公式(1)給出。因此，通過施加到第一橫梁40的驅(qū)動電壓能夠控制工作端48的位移，具有良好的再現(xiàn)性和較高的精度。
當(dāng)不能夠忽略第一壓電膜26和第二壓電膜28的殘余應(yīng)力時，例如圖8所示，在沒有施加驅(qū)動電壓的初始狀態(tài)，第一橫梁40和第二橫梁42以拋物線形狀向上偏移，具有翹曲DW。在初始狀態(tài)，工作端48基本上與固定端44位于相同的高度。當(dāng)相對于圖1所示的第一底電極22向第一頂電極32施加正的驅(qū)動電壓時，由固定端44支撐的第一橫梁40進一步以拋物線形狀彎曲。第二橫梁42保持初始狀態(tài)。因此，相對于固定端44，在連接端52向上偏移的同時，工作端48向下偏移了位移Db。類似于連接端52的位移，工作端48的位移Db也由公式(1)表示。因此，即使由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致第一橫梁40和第二橫梁42每一個都以初始狀態(tài)翹曲，也能夠通過向第一橫梁40施加驅(qū)動電壓來控制工作端48的位移Db，具有良好的再現(xiàn)性和較高的精度。
在本發(fā)明的實施例中，關(guān)于第一橫梁40和第二橫梁42，在垂直于襯底10的表面的方向上，結(jié)構(gòu)、材料、厚度等處于相同的制造誤差范圍內(nèi)。如果第一橫梁40和第二橫梁42的疊層結(jié)構(gòu)相同，則能夠通過折疊結(jié)構(gòu)來抵消由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲。但是，第一橫梁40和第二橫梁42的疊層結(jié)構(gòu)可以互不相同。例如，當(dāng)相對于平行于襯底10的表面的軸線，第一橫梁40和第二橫梁42的每單位寬度的幾何慣性力矩之差在大約20％以內(nèi)，理想的是大約5％以內(nèi)時，是允許的。當(dāng)幾何慣性力矩之差在大約20％以內(nèi)時，工作端48相對于固定端44的翹曲可以在可移動范圍的大約20％以內(nèi)，其處于驅(qū)動電壓控制的可允許范圍內(nèi)。
而且，期望第一橫梁40和第二橫梁42的剖面在平行于襯底10表面的橫向方向上為矩形，其中橫向方向垂直于第一橫梁40和第二橫梁42的縱向方向。如果剖面為矩形，則第一橫梁40和第二橫梁42的殘余應(yīng)力基本上相同。即使橫向剖面不是矩形，當(dāng)?shù)谝粰M梁40和第二橫梁42的各自剖面的側(cè)面彼此類似的時候也是可允許的。
而且，盡管說明書假設(shè)了第一橫梁40和第二橫梁42的各個橫梁長度大約相同，但是橫梁長度也可以彼此不同。如果固定端44和工作端48之間的橫梁間隔與工作端48和連接端52之間的橫梁長度的比率大約為1或者小于1，理想的是大約三分之一或更小，則可以獲得抵消殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的翹曲的效果。
參照附圖9-16所示的平面圖和剖面圖來說明按照本發(fā)明實施例的使用壓電致動器的可變電容器的制造方法。此處，說明書使用的每個剖面圖都對應(yīng)于沿圖9所示的X-X線的剖面。
例如，通過等離子化學(xué)氣相淀積(等離子CVD)等，在襯底10(例如絕緣的玻璃襯底)的表面上淀積厚度大約為1μm的絕緣膜，例如SiO2。如圖9和10所示，通過光刻、蝕刻等選擇地去除淀積的絕緣膜，以形成支座20。通過剝離(lift-off)工藝等，由真空淀積選擇地淀積厚度大約為200nm的金屬膜，例如Au。之后形成導(dǎo)體膜12a、12b。而且，通過光刻、反應(yīng)(活性)離子蝕刻(RIE)等選擇地去除通過等離子CVD等淀積的厚度約為5nm的絕緣膜(例如SiO2)，以形成介電膜14。
通過等離子CVD等，在襯底10的表面上淀積絕緣膜，例如磷硅酸鹽玻璃(PSG)，以便掩埋支座20、介電膜14、導(dǎo)體膜12a、導(dǎo)體膜12b(未示出)等。如圖11所示，通過化學(xué)機械剖光(CMP)等來平坦化該絕緣膜，以便露出支座20的表面。因此形成犧牲層60。通過該犧牲層60覆蓋介電膜14、導(dǎo)體膜12a等。
如圖12所示，通過剝離(lift-off)工藝、真空淀積等，選擇地淀積厚度大約為200nm的金屬膜，例如Au，以便形成在犧牲層60上延伸的第一底電極22和第二底電極24。第一底電極22的端部設(shè)置在支座20上。第二底電極24的端部設(shè)置在介電膜14上。
通過濺射等，在其上形成有第一底電極22和第二底電極24的犧牲層60上淀積厚度約為500nm的壓電膜，例如沿六方晶體的c軸取向的AlN。如圖13所示，通過光刻、RIE等選擇地去除壓電膜，以便在第一底電極22和第二底電極24上分別形成第一壓電膜26和第二壓電膜28。
如圖14所示，通過剝離工藝、真空淀積等，選擇地淀積厚度大約為200nm的金屬膜，例如Au，以便在第一壓電膜26和第二壓電膜28上分別形成第一頂電極32和第二頂電極34。
通過CVD等，在犧牲層60、第一頂電極32和第二頂電極34上淀積多晶硅(poly-Si)膜或類似的膜。如圖15所示，通過光刻、RIE等，分別在第一頂電極32和第二頂電極34上形成第一支撐膜36和第二支撐膜38。
隨后，使用含有氫氟酸(HF)的蝕刻劑進行濕法蝕刻。例如多晶硅、Au和AlN的材料不能溶解在HF中。而且，對于犧牲層60所使用的PSG的蝕刻速率是對于支座20所使用的SiO2的蝕刻速率的10倍或者更快。因此，如圖16所示，通過濕法蝕刻選擇地去除犧牲層60，形成了具有固定在支座20上的固定端44的第一橫梁40以及具有面對導(dǎo)體膜12a和介電膜14的工作端48的第二橫梁42。因此，制造了如圖1所示的、使用了本發(fā)明實施例的壓電致動器的可變電容器。
第一橫梁40和第二橫梁42的每一個都具有大約300μm的長度、大約40μm的寬度和大約1.9μm的厚度。支座20具有邊長大約為40μm、厚度大約為1μm的正方形狀。應(yīng)注意的是，因為同時淀積第一壓電膜26和第二壓電膜28，所以第一壓電膜26和第二壓電膜28的極化方向相同。
通過激光顯微鏡來測量可變電容器的形狀。在第一橫梁40和第二橫梁42中，由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致連接端52從襯底10的表面翹起大約15.8μm高。第二底電極24在工作端48處的底表面距離襯底10的表面具有大約1.2μm的間隔，其接近支座20的厚度。在本發(fā)明的實施例中，由于在相同的制造工藝中制造第一橫梁40和第二橫梁42，所以能夠在淀積工藝中的平面變化范圍內(nèi)制造疊層的結(jié)構(gòu)。因此能夠降低由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的第一橫梁40和第二橫梁42的翹曲。
通過在壓電致動器的第一頂電極32和第二底電極22之間施加大約0V至大約3V的驅(qū)動電壓，來測量連接到可變電容器的固定電極16的導(dǎo)體膜12a、12b的端子之間的電容。結(jié)果，獲得了在大約0.22pF的最小電容與大約51pF的最大電容之間大約250倍的極寬的和連續(xù)的可變范圍。
應(yīng)注意的是，PSG在本發(fā)明實施例中被用作犧牲層60。但是，犧牲層60的材料是沒有限制的。例如，可以使用對于支座20、第一橫梁40和第二橫梁42等能夠選擇蝕刻的無機材料、金屬材料、有機材料或類似的材料。
此外，說明了使用按照本發(fā)明實施例的壓電致動器的可變電容器的示例。壓電致動器不僅能夠用到可變電容器，還能夠用到微機電器件，例如開關(guān)。例如，使用與圖1所示相同的結(jié)構(gòu)，工作端48的第二底電極24與固定電極16的介電膜14接觸。因此，能夠?qū)弘娭聞悠饔米魅菪灶愋烷_關(guān)。而且，使用不具有介電膜14的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)弘娭聞悠饔米鱀C接觸型開關(guān)。
此外，在本發(fā)明的實施例中，將兩個導(dǎo)體膜12a、12b用于固定電極16。例如，如圖17所示，單個導(dǎo)體膜12可以用于固定電極16。第一底電極22通過連接部分54的壓電膜30下的底電極23連接到第二底電極24。當(dāng)使用壓電致動器作為可變電容器或開關(guān)時，能夠檢測固定電極16的導(dǎo)體膜12與固定部分46中第一底電極22之間電容或接觸的改變。如上所述，連接了第一底電極22和第二底電極24，使其用作可變電容器或開關(guān)的一個電極。但是，第一頂電極32與第二頂電極34是隔離的。因此，在施加驅(qū)動電壓期間電場沒有施加到第二壓電膜28，第二橫梁42保持在初始狀態(tài)。因此，能夠通過向第一橫梁40施加驅(qū)動電壓來控制第二橫梁42工作端48的位移，具有良好的再現(xiàn)性和較高的精度。
(第一修改方式)如圖18所示，按照本發(fā)明實施例第一修改方式的壓電致動器包括第一橫梁40、第二橫梁42和第三橫梁41。放置第三橫梁41使其面對第一橫梁41中間夾著第二橫梁42。第三橫梁41從固定部分47的固定端45延伸到達連接部分54a的連接端52，其中固定部分47的固定端45固定在襯底10的支座20a上。在固定端44和45之間靠近固定端44、45放置工作端48。如圖19所示，第二橫梁42與第三橫梁41之間的橫梁間隔Lta與第一橫梁40與第二橫梁42之間的橫梁間隔Lt相同，處在制造誤差的范圍內(nèi)。橫梁間隔Lt比橫梁長度Lb短。
如圖18所示，第三橫梁41包括第三底電極21、設(shè)置在第三底電極21上的第三壓電膜25、設(shè)置在第三壓電膜25上的第三頂電極31、以及設(shè)置在第三頂電極31上的第三支撐膜25。第一壓電膜26、第二壓電膜28和第三壓電膜25通過連接部分54、54a彼此連接。通過連續(xù)的壓電層來形成全部的第一壓電膜26、第二壓電膜28、第三壓電膜25以及連接部分54、54a。
按照本發(fā)明實施例的第一修改方式的壓電致動器在包含第三橫梁41方面與實施例不同。其它的構(gòu)造類似于本發(fā)明的實施例。因此省略了完全相同的說明。
如圖20所示，在本發(fā)明實施例的第一修改方式中，第二橫梁42的第二底電極24用作可移動電極。例如，通過將公共電位施加到第一底電極22和第三底電極21，為第一頂電極32和第三頂電極31施加了正的驅(qū)動電壓。通過施加正的驅(qū)動電壓，第一橫梁40和第三橫梁41以拋物線形狀從襯底10的表面向上彎曲。另一方面，第二橫梁42保持為直的，并且在朝向襯底10的方向上偏移工作端48，其中襯底10位于工作端48的下面。第二橫梁42設(shè)置在第一橫梁40與第三橫梁41之間。因此，當(dāng)通過向前的壓電驅(qū)動使得工作部分50的第二底電極24與襯底10上的固定電極16接觸時，施加在第一橫梁40、第二橫梁42和第三橫梁41的連接部分54上的扭曲應(yīng)力能夠在很大程度上被降低。結(jié)果，增加了工作部分50向著固定電極16的壓力。
對于使用按照本發(fā)明實施例第一修改方式的壓電致動器的可變電容器來說，能夠增加最大電容值。對于使用按照本發(fā)明實施例第一修改方式的壓電致動器的DC接觸型開關(guān)來說，其優(yōu)點是降低了接觸電阻。此外，在實施例的第一修改方式中，工作端48位于固定在支座20、20a上的固定端44和45之間。因此，能夠進一步降低工作端48中翹曲的影響。
(第二修改方式)如圖21所示，按照本發(fā)明實施例第二修改方式的壓電致動器包括第一橫梁40、第二橫梁42和第三橫梁41。第一壓電膜26通過連接部分54的壓電膜30連接到第二壓電膜28。底電極23設(shè)置在壓電膜30下面。第一壓電膜26通過連接部分54a的壓電膜30a連接到第三壓電膜25。頂電極33設(shè)置在壓電膜30a上面。第二支撐膜38和第三支撐膜35通過頂電極33上的支撐膜37彼此連接。而且，在第二橫梁42的工作部分50a中，分別提供了可移動電極24a、34a以及可移動支撐膜38a，其與第二底電極24、第二頂電極34和第二支撐膜38隔開。
如圖22所示，第一底電極22和第二底電極24通過底電極23連接。第三底電極21與第一底電極22和第二底電極24分離。如圖23所示，第二頂電極34和第三頂電極31通過頂電極33連接。第一頂電極32與第二頂電極34和第三頂電極31隔開。
按照本發(fā)明實施例的第二修改方式的壓電致動器與實施例的第一修改方式的不同之處在于，第一底電極22連接到第二底電極24，以及第二頂電極34連接到第三頂電極31。其它的構(gòu)造類似于實施例的第一修改方式。因此省略了完全相同的說明。
在第二修改方式中，通過將公共電位施加到第三底電極21和第三頂電極31，為第一底電極22和第一頂電極32施加了正的驅(qū)動電壓。因此，連接到固定端44、45的第一橫梁40和第三橫梁41沒有彎曲。另一方面，將公共電位和正的驅(qū)動電壓分別施加到第二頂電極34和第二底電極24。由此，第二橫梁42向下彎曲。因此，只有第二橫梁42彎曲以便移動工作部分50a。結(jié)果，減少了大量的彎曲部分，并增加了工作速度。因此，能夠獲得高速工作的壓電致動器。
應(yīng)注意的是，在第二修改方式中，將DC電壓作為驅(qū)動電壓施加到第二橫梁42的第二底電極24和第二頂電極34，工作部分50a的可移動電極24a、34a與其它的電極分離，以便形成浮動電極。
(第三修改方式)如圖24所示，按照本發(fā)明實施例第三修改方式的壓電致動器包括第一橫梁40、第二橫梁42和第三橫梁41。第一橫梁40通過連接部分54b連接到第三橫梁41。如圖25所示，第二壓電膜28連接到連接部分54b的壓電膜30b。而且，插塞(plug)56、58被埋在支撐膜38、37b下面。
如圖26所示，第一底電極22通過底電極23b連接到第三底電極21。第二底電極24與第一底電極22和第三底電極21分離?？梢苿与姌O24a與第二底電極24分離。如圖27所示，第一頂電極32通過頂電極33b連接到第三頂電極31。第二頂電極34與第一頂電極32和第三頂電極31分離。可移動電極34a與第二頂電極34分離。
如圖28所示，每個插塞56、58都是金屬的，例如Au，被埋在連接部分54b的壓電膜30b中提供的通孔中。插塞56連接第二橫梁42的第二頂電極34與連接部分54b的底電極23b。而且，插塞58連接第二底電極24與連接部分54b的頂電極33b。因此，第二底電極24連接到第一頂電極32和第三頂電極31。第二頂電極34連接到第一底電極22和第三底電極21。
如圖29所示，第二橫梁42的工作端50a面對設(shè)置在襯底10的表面上的固定電極16。在工作部分50a中，第二壓電膜28、可移動電極34a和可移動支撐膜38a順序的形成在可移動電極24a上。
按照本發(fā)明實施例的第三修改方式的壓電致動器與實施例的第一和第二修改方式的不同之處在于，第二底電極24連接到第一頂電極32和第三頂電極31，以及第二頂電極34連接到第一底電極22和第三底電極21。其它的構(gòu)造類似于實施例的第一和第二修改方式。因此省略了完全相同的說明。
在實施例的第三修改方式中，通過將公共電位施加到第一底電極22和第三底電極21，為第一頂電極32和第三頂電極31施加了正的驅(qū)動電壓。因此，連接到固定端44、45的第一橫梁40和第三橫梁41相對于襯底10向上彎曲。將公共電位和正的驅(qū)動電壓分別施加到第二頂電極34和第二底電極24。由此，第二橫梁42向下彎曲。由于第一橫梁40和第三橫梁41的壓電驅(qū)動產(chǎn)生的彎曲位移與第二橫梁42的壓電驅(qū)動產(chǎn)生的彎曲位移疊加在一起，所以工作端48的位移幾乎是雙倍的。因此，在按照實施例第三修改方式的壓電致動器中，能夠增加壓電驅(qū)動的位移。
(第四修改方式)如圖30所示，按照本發(fā)明實施例第四修改方式的壓電致動器包括具有第一片段140a和第二片段140b的第一橫梁40a、具有第一片段142a和第二片段142b的第二橫梁42a，以及具有第一片段141a和第二片段141b的第三橫梁41a。第一橫梁40a通過連接部分154b連接到第三橫梁41a。第二壓電膜28連接到連接部分154b的壓電膜30b。在第一橫梁40a、第二橫梁42a和第三橫梁41a各自的分塊表面上，分別提供了第一支撐膜136a、136b，第二支撐膜138a、138b，以及第三支撐膜135a、135b。在第一橫梁40a、第二橫梁42a和第三橫梁41a各自的基本上中心位置處將其分成了第一片段140a、142a、141a以及第二片段140b、142b、141b。
此外，插塞56、58被埋在第二支撐膜138b和支撐膜137b下面。在第一橫梁40a的第一片段140a和第二片段140b中設(shè)置了插塞58a、56a。在第三橫梁41a的第一片段141a和第二片段141b中設(shè)置了插塞58b、56b。在第二橫梁42a的第一片段142a和第二片段142b中設(shè)置了插塞58c、56c。
如圖31所示，第一橫梁40a、第二橫梁42a和第三橫梁41a的各自的第一底電極122、第二底電極124、第三底電極121分別被分成第一分隔部分122a、124a、121a和第二分隔部分122b、124b、121b。第一底電極122和第三底電極121的第二分隔部分122b、121b通過底電極123b彼此連接。第二底電極124與第一底電極122和第三底電極121分離?？梢苿与姌O24a與第二底電極124分離。
此外，如圖32所示，第一頂電極132、第二頂電極134、第三頂電極131分別被分成第一分隔部分132a、134a、131a和第二分隔部分132b、134b、131b。第一頂電極132和第三頂電極131的第二分隔部分132b、131b通過頂電極133b彼此連接。第二頂電極134與第一頂電極132和第三頂電極131分離?？梢苿与姌O34a與第二頂電極134分離。
如圖33所示，每個插塞56、58都是金屬的，例如Au，被埋在連接部分154b的壓電膜30b中提供的通孔中。插塞56連接第二橫梁42a的第二頂電極134的第二分隔部分134b與連接部分154b的底電極123b。插塞58連接第二底電極124的第二分隔部分124b與連接部分154b的頂電極133b。因此，第二底電極124的第二分隔部分124b連接到第一頂電極132和第三頂電極131的第二分隔部分132b、131b。而且，第二頂電極134的第二分隔部分134b連接到第一底電極122和第三底電極121的第二分隔部分122b、121b。
如圖34所示，插塞56a連接第一底電極122的第一分隔部分122a與第一頂電極132的第二分隔部分132b。插塞58a連接第一底電極122的第二分隔部分122b與第一頂電極132的第一分隔部分132a。插塞56b連接第三底電極121的第一分隔部分121a與第三頂電極131的第二分隔部分131b。插塞58b連接第三底電極121的第二分隔部分121b與第三頂電極131的第一分隔部分131a。此外，插塞56c連接第二底電極124的第二分隔部分124b與第二頂電極134的第一分隔部分134a。插塞58c連接第二底電極124的第一分隔部分124a與第二頂電極134的第二分隔部分134b。
按照本發(fā)明實施例的第四修改方式的壓電致動器與第三修改方式的不同之處在于，第一底電極122、第二底電極124、第三底電極121以及第一頂電極132、第二頂電極134、第三頂電極131各自都被斷開。其它的構(gòu)造類似于實施例的第三修改方式。因此省略了完全相同的說明。
在實施例的第四修改方式中，通過將公共電位施加到第一底電極122和第三底電極121的第一分隔部分122a、121a，為第一頂電極132和第三頂電極131的第一分隔部分132a、131a施加了負的驅(qū)動電壓。因此，將公共電位施加到第一頂電極132和第三頂電極131的第二分隔部分132b、131b，第二底電極124的第二分隔部分124b、以及第二頂電極134的第一分隔部分134a。將負的驅(qū)動電壓施加到第一底電極122和第三底電極121的第二分隔部分122b、121b，第二頂電極134的第二分隔部分134b，以及第二底電極124的第一分隔部分124a。
結(jié)果，連接到固定端44、45的第一橫梁40a和第三橫梁41a的第一片段140a、141a彎曲，以便增加朝向襯底10的彎曲的傾斜度。第一橫梁40a和第三橫梁41a的第二片段140b、141b彎曲，以便平行于襯底10的表面。此外，在第二橫梁42a中，第二片段彎曲，以便增加朝向襯底10的彎曲的傾斜度。第一片段142a彎曲，以便平行于襯底10的表面。
第一片段140a、142a、141a以及第二片段140b、142b、141b具有基本相同的長度。因此，在連接端52，第一橫梁40a、第二橫梁42a和第三橫梁41a的彎曲傾斜度基本上平行于襯底10。以類似的方式，在工作端48，第二橫梁42a的彎曲傾斜度基本上平行于襯底10。在按照實施例第四修改方式的壓電致動器中，可移動電極24a的表面能夠基本上以平行于襯底10上的固定電極16的表面被移動。因此能夠獲得可變電容器的預(yù)期的電容變化特性。
(第五修改方式)
如圖35所示，按照本發(fā)明實施例第五修改方式的壓電致動器包括兩個圖30所示的其通過共享工作部分50b被對稱設(shè)置的壓電致動器。用于固定第二致動器100b的支座120和120a面對用于固定第一致動器100a的支座20、20a，以便在中間夾入固定電極16a。在支座120、120a上的第一橫梁40b和第三橫梁41b的固定端44a、45a分別面對在支座20、20a上的第一橫梁40a和第三橫梁41a的固定端44、45。第二致動器100b的第二橫梁42b的工作端48a通過工作部分50b連接到第一致動器100a的第二橫梁42a的工作端48。第一橫梁40b、第二橫梁42b和第三橫梁41b分別具有第一片段140c、142c、141c和第二片段140d、142d、141d。第一橫梁40b和第三橫梁41b通過連接端52a彼此連接。
在連接部分154c中提供插塞156、158，其用于將連接部分154c的底電極和頂電極與第二橫梁42b的頂電極和底電極連接在一起。在第一橫梁40b的第一片段140c和第二片段140d中提供了插塞158a、156a。在第三橫梁41b的第一片段141c和第二片段141d中提供了插塞158b、156b。在第二橫梁42b的第一片段142c和第二片段142d中提供了插塞158c、156c。
按照本發(fā)明實施例的第五修改方式的壓電致動器與第四修改方式的不同之處在于，通過共享工作部分50b以鏡像對稱方式設(shè)置了第一致動器100a和第二致動器100b。其它的構(gòu)造類似于實施例的第四修改方式。因此省略了完全相同的說明。
如圖36所示，在實施例的第五修改方式中，壓電致動器具有集電弓型的雙箝位懸浮結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置了第一橫梁40a、40b和第三橫梁41a、41b以及第二橫梁42a和42b。第一橫梁40a、40b和第三橫梁41a、41b分別固定在固定端44、44a、45、45a。第二橫梁42a和42b分別從連接端52、52a折疊，并連接到工作部分50b。通過集電弓型的壓電致動器，能夠更穩(wěn)定地控制工作部分50b的位移Db且具有良好的再現(xiàn)性。而且，在集電弓型的壓電致動器中，驅(qū)動力可以是雙倍的。因此，特別是在將集電弓型的壓電致動器用于DC接觸型開關(guān)的情況下，能夠獲得適當(dāng)?shù)膲毫τ糜谇袚Q。
(第六修改方式)如圖37所示，按照本發(fā)明實施例第六修改方式的壓電致動器包括延伸的同時在連接端252被折疊的第一橫梁40f和第三橫梁41f。第一橫梁40f和第三橫梁41f的每一個都具有第一片段140a、141a，第二片段140b、141b，第三片段240a、241a，以及第四片段240b、241b。第二片段140b和141b通過連接部分254a彼此連接，連接部分254a具有與固定端44、45相反的連接端252。第一橫梁40f和第三橫梁41f從連接部分254a折疊，并延伸超過固定端44、45以及工作端48并到達與連接端252相反的連接端52。第四片段240b和241b通過連接部分254b彼此連接。第二橫梁42a從連接端52延伸到工作端48。固定端44、45與工作端48之間的橫梁間隔Lt比連接端52與工作端48之間的橫梁長度Lb短。例如，橫梁間隔Lt理想的是橫梁長度Lb的三分之一或小于三分之一。
在第一橫梁40f中，在第一片段140a與第二片段140b之間設(shè)置插塞56a、58a。插塞56a、58a分別將第一片段140a的底電極和頂電極連接到第二片段140b的頂電極和底電極。在連接部分254a處設(shè)置插塞56d、58d。插塞56d、58d分別將第二片段140b的底電極和頂電極連接到第三片段240a的頂電極和底電極。在第三片段240a與第四片段240b之間設(shè)置插塞56e、58e。插塞56e、58e分別將第三片段240a的底電極和頂電極連接到第四片段240b的頂電極和底電極。
在第三橫梁41f中，在第一片段141a與第二片段141b之間設(shè)置插塞56b、58b。插塞56b、58b分別將第一片段141a的底電極和頂電極連接到第二片段141b的頂電極和底電極。在連接部分254a上設(shè)置插塞56f和58f。插塞56f、58f分別將第二片段141b的底電極和頂電極連接到第三片段241a的頂電極和底電極。在第三片段241a與第四片段241b之間設(shè)置插塞56g、58g。插塞56g、58g分別將第三片段241a的底電極和頂電極連接到第四片段241b的頂電極和底電極。
此外，在第二橫梁42a中，在連接部分254b上設(shè)置插塞56和58。插塞56和58分別將連接部分254b的底電極和頂電極連接到第二片段142b的頂電極和底電極。在第一片段142a與第二片段142b之間設(shè)置插塞56c和58c。插塞56c、58c分別將第二片段142b的底電極和頂電極連接到第一片段142a的頂電極和底電極。
按照本發(fā)明實施例的第六修改方式的壓電致動器與第四修改方式的不同之處在于，第一橫梁40f和第三橫梁41f在連接端252被折疊并且在連接端52被各自連接到第二橫梁42a。其它的構(gòu)造類似于實施例的第四修改方式。因此省略了完全相同的說明。
如圖38所示，在第六修改方式中，固定端44、45與工作端48之間的位移Db能夠被增加第一橫梁40f和第三橫梁41f之位移的四倍。因此，能夠增加可變電容器的可變電容范圍。
(第七修改方式)如圖39所示，按照本發(fā)明實施例第七修改方式的壓電致動器包括以c環(huán)形方式排列的第一橫梁40g和第二橫梁42g。第一橫梁40g的固定端44和第二橫梁42g的工作端48彼此相鄰的放置，具有橫梁間隔Lt。應(yīng)注意的是，在c環(huán)形的第一橫梁40g和第二橫梁42g的分塊(分割)位置處的連接端352與包括工作端48的工作部分50c之間的直接距離被定義為橫梁長度Lb。
如圖40所示，第一橫梁40a的固定端44固定在支座20上。第二橫梁42g的工作部分50c包括可移動支撐膜38a、以及彼此面對以夾住可移動第二壓電膜28的可移動電極24a和34a。如圖41所示，使用金屬等形成插塞56和58，其被埋在第一橫梁40g和第二橫梁42g分割部分處連接端352附近的壓電膜26和28內(nèi)所提供的通孔中。插塞56連接第二橫梁42g的第二頂電極34與第一橫梁40g的第一底電極22。此外，插塞58連接第二橫梁42g的第二底電極24與第一橫梁40g的第一頂電極32。因此，第二底電極24連接到第一頂電極32和第三頂電極31，第二頂電極34連接到第一底電極22和第三底電極21。
按照本發(fā)明實施例的第七修改方式的壓電致動器與第三修改方式的不同之處在于，第一橫梁40g和第二橫梁42g以c環(huán)形方式連接。其它的構(gòu)造類似于實施例的第三修改方式。因此省略了完全相同的說明。
此外，關(guān)于第七修改方式的壓電致動器，c環(huán)形的整個致動器具有基本上均勻的剖面結(jié)構(gòu)。因此，即使在淀積期間出現(xiàn)垂直的不對稱殘余應(yīng)力，也能夠消除第一橫梁40g和第二橫梁42g中的翹曲。結(jié)果，能夠減少由于固定端44與工作端48之間的翹曲導(dǎo)致的位移。
如圖42所示，當(dāng)相對第一底電極22向第一頂電極32施加正的驅(qū)動電壓時，由固定端44支撐的第一橫梁40g向上彎曲。相對的，第二橫梁42g從連接端352向下彎曲。結(jié)果，工作端48相對于固定端44向下偏移了位移Db。因此，通過向第一橫梁40g施加驅(qū)動電壓能夠控制工作端48的位移，其具有良好的再現(xiàn)性以及高的精度。
在高頻范圍中，按照實施例的第七修改方式的壓電致動器可以用作電感器。疊加在壓電驅(qū)動的DC電壓上的高頻信號被施加到環(huán)形的電極。因此，能夠提供其中結(jié)合了電感器的微機電器件，例如可變電容器或開關(guān)。
(第八修改方式)如圖43所示，按照本發(fā)明實施例第八修改方式的壓電致動器包括兩個以相對于共用的工作端50d成點對稱的方式排列的c環(huán)形壓電致動器。固定第一致動器100c的支座20面對固定第二致動器100d的支座20a，以便在中間夾入設(shè)置在工作部分50d下面的固定電極(未示出)。第一致動器100c的第一橫梁40c和第二橫梁42c的每一個都具有第一片段140e、142e，第二片段140f、142f，第三片段140g、142g，以及第四片段140h、142h。第一橫梁40c和第二橫梁42c從固定端44和工作端48到連接端352a以c環(huán)形方式排列。第二致動器100d的第一橫梁40d和第二橫梁42d的每一個都具有第一片段140i、142i，第二片段140j、142j，第三片段140k、142k，以及第四片段140l、142l。第一橫梁40d和第二橫梁42d從固定端44a和工作端48a到連接端352b以c環(huán)形方式排列。第一致動器100e的第二橫梁42c的工作端48通過工作部分50d連接到第二致動器100d的第二橫梁42d的工作端48a。
按照本發(fā)明實施例的第八修改方式的壓電致動器與第五和第七修改方式的不同之處在于，具有多個片段的第一致動器100c和第二致動器100d以相對于共用的工作端50d成點對稱的方式排列。其它的構(gòu)造類似于實施例的第七修改方式。因此省略了完全相同的說明。
與圖36所示的第五修改方式一樣，在實施例的第八修改方式中，壓電致動器具有眼鏡型的雙箝位懸浮結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置了第一橫梁40c、40d和第二橫梁42c、42d。第一橫梁40c、40d分別固定在固定端44和44a。第二橫梁42c、42d以c環(huán)形折疊，并連接到工作部分50d。通過眼鏡型的壓電致動器，能夠更穩(wěn)定地控制工作部分50d的位移，且具有良好的再現(xiàn)性。而且，在眼鏡型的壓電致動器中，驅(qū)動力可以是雙倍的。因此，特別是在將眼鏡型的壓電致動器用于DC接觸型開關(guān)的情況下，能夠獲得適當(dāng)?shù)膲毫τ糜谇袚Q。
(第九修改方式)如圖44所示，在按照本發(fā)明實施例第九修改方式的壓電致動器中，從位于環(huán)形連接部分454中心的工作部分450輻射出的多個致動器被連接到具有連接端452的連接部分454。例如，第一致動器包括第一橫梁440a和第二橫梁442a。具有固定在支座420a上的固定端444a的第一橫梁440a延伸到連接部分454。第二橫梁442a從連接部分454折疊到工作端448a，工作端448a連接到工作部分450。以類似的方式，第二至第四致動器包括第一橫梁440b、440c、440d以及第二橫梁442b、442c、442d。具有由支座420b至420d固定的固定端444b至444d的第一橫梁440b至440d分別延伸到連接部分454。第二橫梁442b至442d分別從連接部分454折疊到工作端448b至448d，工作端448b至448d連接到工作部分450。
按照本發(fā)明實施例的第九修改方式的壓電致動器與實施例的不同之處在于，多個致動器通過共用的工作部分450以環(huán)形方式被連接到連接部分454。其它的構(gòu)造與實施例的類似。因此省略了完全相同的說明。
在實施例的第九修改方式中，第一至第四致動器彼此連接，以便以工作部分450為中心圍繞環(huán)形連接部分454。通過壓電器件分別彎曲第一橫梁440a至440d和第二橫梁442a至442d，以使連接端452能夠在垂直于襯底表面的方向上偏移。鄰近工作端448a至448d來設(shè)置固定端444a至444d。而且，設(shè)置固定端444a至444d以使其圍繞工作部分450。此外，由于使用了多個致動器，所以能夠增加驅(qū)動力。結(jié)果，能夠更穩(wěn)定地控制工作部分450的位移，其具有良好的再現(xiàn)性。
(其它的修改方式)在本發(fā)明的實施例中，使用了折疊一次或兩次的壓電致動器。但是，折疊的數(shù)量沒有限制，多于兩次的多次折疊是可允許的。此外，壓電致動器的每個橫梁的片段數(shù)量沒有限制，多于兩個的多個片段也是可允許的。
此外，在本發(fā)明的實施例中，使用了具有單壓電晶片元件結(jié)構(gòu)的壓電致動器。但是，雙壓電晶片元件結(jié)構(gòu)也可以用于壓電致動器。例如，如圖45所示，具有雙壓電晶片元件結(jié)構(gòu)的壓電致動器包括第一橫梁40e和第二橫梁42e。第一橫梁40e從固定在襯底10的支座20上的固定端44延伸到連接部分54的連接端52。第二橫梁42e在平行于第一橫梁40e的向固定端44的方向上從連接端52延伸到固定端48。此外，包括覆蓋有介電膜14的導(dǎo)體12a和12b的固定電極16被設(shè)置在襯底10的表面上，以便面對工作端48。
如圖46所示，在第一橫梁40e中，第一中間電極82設(shè)置在第一壓電膜26a、26b之間，第一壓電膜26a、26b夾在第一底電極22與第一頂電極32之間。如圖47所示，在第二橫梁42e中，第二中間電極84設(shè)置在第二壓電膜28a、28b之間，第二壓電膜28a、28b夾在第二底電極24與第二頂電極34之間。淀積第一壓電膜26a、26b和第二壓電膜28a、28b使其在相同的方向上極化。
例如，通過將公共電位施加到第一橫梁40e的第一中間電極82，為第一底電極22和第一頂電極32施加了正的驅(qū)動電壓。在第一壓電膜26a中產(chǎn)生了收縮應(yīng)力，在第一壓電膜26b中產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力。結(jié)果，第一橫梁40e從襯底10向上彎曲。
第二橫梁42e的第二底電極24和第二頂電極34分別與第一橫梁40e的第一底電極22和第一頂電極32電隔離。因此，驅(qū)動電壓沒有施加到第二底電極24和第二頂電極34。第二橫梁42e保持初始狀態(tài)。因此，無論在第一壓電膜26a、26b和第二壓電膜28a、28b中是否具有殘余應(yīng)力，都能夠使第二橫梁42e的工作端48朝向固定電極16偏移。
在儲備了本發(fā)明公開的技術(shù)之后，各種不脫離本發(fā)明范圍的修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種壓電致動器，包括第一橫梁，包括第一底電極，在第一底電極上的第一壓電膜，以及在第一壓電膜上的第一頂電極，在第一橫梁的一端設(shè)置固定端而在第一橫梁的另一端設(shè)置連接端，該固定端固定在襯底上，該連接端懸浮在自由空間上；以及第二橫梁，包括在連接端連接到第一壓電膜的第二壓電膜，在第二壓電膜下面的第二底電極，以及在第二壓電膜上的第二頂電極，在第二橫梁的一端設(shè)置工作端，所述第二橫梁的一端與設(shè)置為連接端的另一端相反，該工作端懸浮在自由空間上；其中固定端與工作端的中心之間的距離比從工作端到連接端的距離短。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電致動器，其中第一頂電極與第二頂電極電隔離，或者第一底電極與第二底電極電隔離。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電致動器，其中第一頂電極與第二底電極電連接，并且第一底電極與第二頂電極電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電致動器，進一步包括第三橫梁，該第三橫梁包括在連接端連接到第二壓電膜的第三壓電膜，在第三壓電膜下面的第三底電極，以及在第三壓電膜上的第三頂電極，在第三橫梁的一端設(shè)置第二固定端，所述第三橫梁的一端與設(shè)置為連接端的另一端相反，該第二固定端固定在襯底上。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電致動器，其中第一橫梁和第二橫梁從固定端到工作端以環(huán)形設(shè)置。
6.如權(quán)利要求4所述的壓電致動器，其中第三頂電極與第二頂電極電隔離，或者第三底電極與第二底電極電隔離。
7.如權(quán)利要求4所述的壓電致動器，其中第三頂電極與第二底電極電連接，并且第三底電極與第二頂電極電連接。
8.如權(quán)利要求4所述的壓電致動器，其中第一橫梁、第二橫梁和第三橫梁的每一個都被分成多個片段，并且對應(yīng)于該多個片段，第一底電極、第二底電極和第三底電極以及第一頂電極、第二頂電極和第三頂電極的每一個都被分成多個分隔部分。
9.如權(quán)利要求4所述的壓電致動器，其中在工作端的兩側(cè)按照相對該工作端鏡像對稱的方式設(shè)置一對的第一橫梁、第二橫梁和第三橫梁。
10.如權(quán)利要求4所述的壓電致動器，其中第一橫梁和第三橫梁在固定端與連接端之間的第二連接端處被折疊，并延伸到連接端。
11.一種微機電器件，包括第一橫梁，包括第一底電極，在第一底電極上的第一壓電膜，以及在第一壓電膜上的第一頂電極，在第一橫梁的一端設(shè)置固定端而在第一橫梁的另一端設(shè)置連接端，該固定端固定在襯底上，該連接端懸浮在自由空間上；第二橫梁，包括在連接端連接到第一壓電膜的第二壓電膜，在第二壓電膜下面的第二底電極，以及在第二壓電膜上的第二頂電極，在第二橫梁的一端設(shè)置工作端，所述第二橫梁的一端與設(shè)置為所述連接端的另一端相反，該工作端懸浮在自由空間上；以及設(shè)置在襯底表面上的面對工作端的固定電極，其中固定端與工作端的中心之間的距離比從工作端到連接端的距離短。
12.如權(quán)利要求11所述的微機電器件，其中第一頂電極與第二頂電極電隔離，或者第一底電極與第二底電極電隔離。
13.如權(quán)利要求11所述的微機電器件，其中第一頂電極與第二底電極電連接，并且第一底電極與第二頂電極電連接。
14.如權(quán)利要求11所述的微機電器件，進一步包括第三橫梁，該第三橫梁包括在連接端連接到第二壓電膜的第三壓電膜，在第三壓電膜下面的第三底電極，以及在第三壓電膜上的第三頂電極，在第三橫梁的一端設(shè)置第二固定端，該端與設(shè)置為所述連接端的另一端相反，該第二固定端固定在襯底上。
15.如權(quán)利要求11所述的微機電器件，其中第一橫梁和第二橫梁從固定端到工作端以環(huán)形設(shè)置。
16.如權(quán)利要求14所述的微機電器件，其中第三頂電極與第二頂電極電隔離，或者第三底電極與第二底電極電隔離。
17.如權(quán)利要求14所述的微機電器件，其中第三頂電極與第二底電極電連接，并且第三底電極與第二頂電極電連接。
18.如權(quán)利要求14所述的微機電器件，其中第一橫梁、第二橫梁和第三橫梁的每一個都被分成多個片段，并且對應(yīng)于該多個片段，第一底電極、第二底電極和第三底電極以及第一頂電極、第二頂電極和第三項電極的每一個都被分成多個分隔部分。
19.如權(quán)利要求14所述的微機電器件，其中在工作端的兩側(cè)按照相對該工作端鏡像對稱的方式設(shè)置一對的第一橫梁、第二橫梁和第三橫梁。
20.如權(quán)利要求14所述的微機電器件，其中第一橫梁和第三橫梁在固定端與連接端之間的第二連接端處被折疊，延伸到連接端。
全文摘要
一種壓電致動器，包括第一橫梁，第一橫梁包括第一底電極，在第一底電極上的第一壓電膜，以及在第一壓電膜上的第一頂電極，設(shè)置在第一橫梁的一端并固定在襯底上的固定端，設(shè)置在第一橫梁的另一端并懸浮在自由空間上的連接端；以及第二橫梁，第二橫梁包括在連接端連接到第一壓電膜的第二壓電膜，在第二壓電膜下面的第二底電極，以及在第二壓電膜上的第二頂電極，設(shè)置在第二橫梁的一端并懸浮在自由空間上的工作端，該端與設(shè)置了連接端的另一端相對；其中固定端與工作端的中心之間的距離比工作端到連接端之間的距離短。
文檔編號H02N2/02GK1750380SQ20051010395
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者川久保隆, 長野利彥, 阿部和秀, 西垣亨彥 申請人:株式會社東芝