本發(fā)明涉及駐極體元件、機(jī)電轉(zhuǎn)換器以及駐極體元件的制造方法。

背景技術(shù)：

作為在sio2等的絕緣膜中固定電荷的以往的方法，具有利用“電暈放電”、“電子束”從絕緣膜的表面注入電荷的方法(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。然而，因?yàn)樵谠摲椒ㄖ须y以使梳齒結(jié)構(gòu)的側(cè)面等窄隙部分帶電，所以通常采用在帶電處理后進(jìn)行組裝的手法。因此，難以縮小間隙，并限制作為發(fā)電裝置、致動器的性能。

因此，作為如此的窄隙部帶電的方法，提出了通過軟x射線電離空氣，并通過偏置電壓注入離子的方法(例如，參照專利文獻(xiàn)2參照)。

另外，提出了通過在高溫中施加偏置電壓來移動/固定sio2層所含有的鉀離子等堿金屬離子的方法(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1:日本特開平9-283373號公報

專利文獻(xiàn)2:日本專利第5551914號公報

專利文獻(xiàn)3:日本專利第5627130號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

在專利文獻(xiàn)2公開的方法中當(dāng)帶電處理時，需要對希望帶電的位置維持電場起作用的狀態(tài)。例如，為了使梳齒到根部為止都帶電，需要維持梳齒相互深深插入的狀態(tài)。然而，隨著帶電的進(jìn)行，靜電減少且梳齒的插入量變小，因此為了維持插入量需要按壓梳齒的特殊機(jī)構(gòu)。另外，由于在處理中需要空氣，因此難以使被密閉的部分帶電。

并且，因?yàn)闊o論哪個方法都是從表面注入電荷的方法，所以難以控制電荷的固定位置(從表面開始的深度)，并無法在絕緣體的深部均勻地帶電。因?yàn)楣潭ㄔ诒砻娓浇碾姾膳c空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)并被中和，所以具有駐極體的壽命變短這樣的缺點(diǎn)。

另一方面，在專利文獻(xiàn)3所公開的方法中使用堿金屬離子，但是一般情況下，因?yàn)閴A金屬會使半導(dǎo)體元件的電氣特性劣化，所以從制造裝置中排除。因此，在該方法中，難以對cmos器件的一部分改善駐極體，從而限制了應(yīng)用范圍。另外，在該方法中，因?yàn)樵趕io2表面附近固定堿金屬離子，所以為了防止駐極體的壽命縮短，需要追加實(shí)施防水膜等的處理。

解決課題的手段

根據(jù)本發(fā)明的第1方式，駐極體元件具備si層、在si層的表面形成的sio2層、在sio2層的與si層的界面的近旁形成的駐極體。

根據(jù)本發(fā)明的第2方式，機(jī)電轉(zhuǎn)換器具備相互相對配置且至少一方能夠移動的第1電極以及第2電極，第1電極由第1方式的駐極體元件構(gòu)成，通過第1電極以及第2電極中的至少一方進(jìn)行移動，來進(jìn)行電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)本發(fā)明的第3方式，優(yōu)選在第2方式的機(jī)電轉(zhuǎn)換器中，si層由si基板構(gòu)成，且在si基板形成有用于驅(qū)動機(jī)電轉(zhuǎn)換器的電路元件的至少一部分。

根據(jù)本發(fā)明的第4方式，優(yōu)選在第2或者第3方式的機(jī)電轉(zhuǎn)換器中，通過外力的作用，第1電極以及第2電極中的至少一方的電極進(jìn)行移動來進(jìn)行發(fā)電。

根據(jù)本發(fā)明的第5方式，優(yōu)選在第2或者第3方式的機(jī)電轉(zhuǎn)換器中，具備設(shè)置有第1電極的靜止部、設(shè)置有第2電極的可動部、在第1電極與第2電極之間施加電壓的電壓源、以及控制電壓源的施加電壓來驅(qū)動可動部的控制部。

根據(jù)本發(fā)明的第6方式，駐極體元件的制造方法一邊將形成了sio2層的si層維持在sio2層成為半導(dǎo)體狀態(tài)的第1溫度，一邊在si層與sio2層之間施加電壓，并在施加了電壓的狀態(tài)下，使形成了sio2層的si層從第1溫度變化到sio2層恢復(fù)絕緣性的第2溫度。

發(fā)明的效果

通過本發(fā)明，能夠提供一種具備優(yōu)異壽命性能的駐極體的駐極體元件。

附圖說明

圖1說明第1實(shí)施方式的駐極體元件。

圖2表示si/sio2界面的電氣特性。

圖3說明本實(shí)施方式的駐極體元件中的帶電原理。

圖4說明本實(shí)施方式的駐極體元件中的帶電原理，并表示施加電壓為零時的狀態(tài)。

圖5詳細(xì)地說明帶電處理。

圖6詳細(xì)地說明帶電處理。

圖7詳細(xì)地說明帶電處理。

圖8是表示振動發(fā)電裝置的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖9表示圖8的b1-b1斷面形狀。

圖10表示形成氧化膜、進(jìn)行了帶電處理后的b1-b1斷面形狀。

圖11說明偏置電壓v1的施加方式。

圖12是詳細(xì)地表示在梳齒電極中形成的電雙層的示意圖。

圖13是詳細(xì)地表示由圖12的虛線c包圍的區(qū)域的結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖14表示施加電壓為v1的狀態(tài)。

圖15表示施加電壓為零的狀態(tài)。

圖16針對振動發(fā)電裝置的發(fā)電動作進(jìn)行說明。

圖17說明mems快門的概略結(jié)構(gòu)。

圖18說明梳齒型致動器的驅(qū)動動作，并表示施加電壓v為v＝0的情況。

圖19說明梳齒型致動器的驅(qū)動動作，并表示將施加電壓v設(shè)定為0＜v＜v1的情況。

圖20說明梳齒型致動器的驅(qū)動動作，并表示將施加電壓v設(shè)為v＝v1的情況。

圖21說明駐極體的效果。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖來說明用于實(shí)施本發(fā)明的方式。

-第1實(shí)施方式-

第1實(shí)施方式所涉及的駐極體元件是通過隔著界面形成si層和sio2層，并在sio2層側(cè)的界面近旁形成駐極體的元件。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如下所述的si/sio2界面的電氣特性，并利用該電氣特性在sio2層形成了駐極體。

在圖1中，樣品100在si層101的一個面上形成sio2層102。在si層101以及sio2層102，形成au層103、104作為電極。在使si為高溫(500～700℃左右)時，由于本征載流子濃度的增大使得電阻率降低由此基本上能夠視為導(dǎo)體。另外，已知sio2在常溫下是優(yōu)異的絕緣體，但是在高溫(500～700℃左右)下由于熱激發(fā)電子的影響，電阻率降低到10⁴ωm等級(與半導(dǎo)體為相同程度)。

因此，本發(fā)明者如圖1所示，制作具有si/sio2界面的樣品100，并在高溫(約610℃)狀態(tài)下調(diào)查了si/sio2界面的電氣特性。圖2表示施加電壓v1與電流i的關(guān)系，并明確了高溫狀態(tài)下的si/sio2界面具有肖特基結(jié)那樣的整流效果。

(帶電原理的說明)

圖3說明本實(shí)施方式的駐極體元件中的帶電原理。在將在si層202、203之間隔著sio2層201的結(jié)構(gòu)的基板(例如，soi(silicononinsulator，絕緣體上硅)基板)200加熱到sio2半導(dǎo)體化的高溫(500～700℃)的狀態(tài)下，如果如圖3所示施加電壓v1，則隔著si/sio2界面204而形成電雙層。此外，通常使用在si層中摻雜了雜質(zhì)的電雙層，在這種情況下，能夠使用p型以及n型中的任意一個。另外，也可以是不包含雜質(zhì)的si層。

如上所述，在高溫狀態(tài)下si/sio2界面具有圖2所示那樣的整流效果。因此，通過隔著上側(cè)的si/sio2界面204在si層202側(cè)積蓄正電荷，并在sio2層201側(cè)積蓄負(fù)電荷。另一方面，關(guān)于下側(cè)的si/sio2界面，因?yàn)樵陔娏髁鲃拥姆较蚴┘与妷海詿o法形成電雙層。

接著，在施加了電壓的狀態(tài)下將基板200的溫度恢復(fù)到常溫時，即、在降低到sio2層201的絕緣性恢復(fù)的溫度時，在隔著si/sio2界面204的sio2層201側(cè)積蓄的負(fù)電荷被困在該區(qū)域而無法移動。此后，如圖4所示，在停止施加電壓v1來連接si層202和si層203時，正電荷的一部分從si層202向si層203移動。

另一方面，由于sio2層201為絕緣性，因此sio2層201內(nèi)的負(fù)電荷在解除了施加電壓v1后仍然被困在si/sio2界面204的近旁。其結(jié)果是，如圖4所示在sio2層201內(nèi)形成電場e。該電場e是由于駐極體而產(chǎn)生的電場，si/sio2界面204與si/sio2界面205之間的電位差為v1。即，形成了電壓v1的駐極體。

參照圖5～7來詳細(xì)說明帶電量等。圖5是在si層中夾入sio2層的結(jié)構(gòu)的示意圖。表面電荷q2、q3是構(gòu)成圖4所示的電雙層的電荷。電雙層中的表面電荷q2、q3間的距離d非常地小，但是在圖5中夸張地放大顯示了距離d以便于理解，并在圖示的位置固定sio2層201內(nèi)的表面電荷q2。在圖5中，在si層203中表面電荷q1也帶電，因此結(jié)構(gòu)整體為中性。由此，僅sio2層201內(nèi)的電場e1、e2具有非零的大小，該電場e1、e2導(dǎo)致的si層202、203之間的電位差為v。

首先，對于表面電荷q1、q3的分配進(jìn)行說明。如果分別對隔著表面電荷q1的區(qū)域、隔著表面電荷q2的區(qū)域以及隔著表面電荷q3的區(qū)域適用高斯定律，則可以獲得以下的式(1)～(3)。此外，s是sio2層201、si層202、203的截面面積，ε1是sio2層201的介電常數(shù)。

ε1·e1·s＝q1…(1)

(ε1·e2-ε1·e1)·s＝q2…(2)

－ε1·e2·s＝q3…(3)

另外，因?yàn)樯舷碌膕i層間的電位差為v，所以以下的式(4)成立。d是表面電荷q2、q3間的距離，g是表面電荷q1、q2間的距離。

g·e1+d·e2＝－v…(4)

如果整理式(1)～(4)，則如以下的式(5)、(6)那樣獲得表面電荷q1、q3。

q1＝－d·q2/(g+d)－ε1·s·v/(g+d)…(5)

q3＝－q2－q1…(6)

接著，使用圖6來說明在帶電處理時施加的電壓v與表面電荷q2的關(guān)系。施加電壓v被設(shè)定為v＝v1，因?yàn)閺膱D2可知si/sio2界面205流過電流，所以在圖6的狀態(tài)下以下的式(7)、(8)成立。然后，如果將式(7)、(8)適用于式(5)，則可以獲得式(9)。該q2是在sio2層201中帶電的固定表面電荷，形成了駐極體。在這里，當(dāng)施加電壓v1為v1＞0時，則q2＜0。在圖6中，在基板200的圖示右側(cè)表示了層疊方向的電位變化。在圖6的情況下，在si/sio2界面204中形成電雙層，在該電雙層中電壓v1集中。

v＝v1…(7)

q1＝0…(8)

q2＝－ε1·s·v1/d…(9)

接著，對于圖4所示的帶電處理后的常溫的表面電荷進(jìn)行說明。此外，因?yàn)閟io2層201在常溫下恢復(fù)絕緣性來保持困住電荷，所以表面電荷q2維持式(9)的值。對于表面電荷q1，通過將式(9)代入到式(5)，得到式(10)。

q1＝－ε1·s·(v1－v)/(g+d)…(10)

在圖6所示的狀態(tài)下si層202與si層203之間存在電位差v1，如圖7所示，在連接si層202與si層203時由于該電位差，正電荷從si層202向si層203移動從而電位差減少。上述式(10)表示電位差從v1變化到v時的正電荷的移動量。最終如圖7所示，電位差v變?yōu)関＝0，因此si層203的表面電荷q1變?yōu)橐韵碌氖?11)。

q1＝－ε1·s·v1/(g+d)…(11)

此外，如果比較式(10)與式(9)，則以下的式(12)的關(guān)系成立。其中，|v|＜|v1|且d＜＜g。

|q1|＜＜|q2|…(12)

另一方面，對于表面電荷q3，從式(6)可知，成為表面電荷q2感應(yīng)的電荷-q2與基于微小的電荷q1流出的電荷-q1之和。因此，基本上具有高電荷密度的電雙層{q2、－q2}，成為在上下的si層之間少量的電荷q1隨著電位差進(jìn)行移動這種情形。

這樣的駐極體的優(yōu)點(diǎn)是：如圖7所示在電位差v＝0時q1≠0(即電場e1≠0)。根據(jù)式(11)也可知，此時產(chǎn)生的電場e1的大小是與沒有駐極體(q2＝0)時施加了外部偏置電壓v1時所產(chǎn)生的電場相同的大小。因此，表現(xiàn)為“駐極體的帶電電壓為v1”。

此外，在圖7所示的例子中，雖然電場e1局限于sio2層201內(nèi)部而利用價值小，但是通過在后述那樣的預(yù)定結(jié)構(gòu)中實(shí)施帶電處理，能夠在隙間產(chǎn)生電場。利用在該隙間產(chǎn)生的電場，可以進(jìn)行電氣機(jī)械變換(電能與機(jī)械能之間的變換)，并能夠用于發(fā)電、傳感器、致動器等。

-第2實(shí)施方式-

第2實(shí)施方式將第1實(shí)施方式的駐極體元件適用于機(jī)械電氣轉(zhuǎn)換器的一個例子即梳齒結(jié)構(gòu)的振動發(fā)電裝置。圖8是表示振動發(fā)電裝置300的概要結(jié)構(gòu)的示意圖。該振動發(fā)電裝置300也與第1實(shí)施方式的駐極體元件的情況相同，通過使用與一般的mems的情況相同的半導(dǎo)體集成電路制作技術(shù)(例如，基于icp-rie的深反應(yīng)離子刻蝕等)進(jìn)行加工來形成soi基板。

振動發(fā)電裝置300在矩形環(huán)狀底座301上具備固定梳齒電極302以及可動梳齒電極303。可動梳齒電極303通過彈性支撐部305彈性支承在底座301上?？蓜邮猃X電極303的各梳齒在固定梳齒電極302的各梳齒之間經(jīng)由間隙來配置。在可動梳齒電極303中設(shè)置了錘304。如果從外部對振動發(fā)電裝置300施加振動，則可動梳齒電極303向箭頭r方向進(jìn)行振動。負(fù)載320連接到固定梳齒電極302與可動梳齒電極303之間。如后所述，在固定梳齒電極302中形成駐極體，并在對振動發(fā)電裝置300施加外力使可動梳齒電極303振動時進(jìn)行發(fā)電。

在本實(shí)施方式中，將soi基板加工為如圖9所示的形狀后，作為形成駐極體的sio2層，在si層的表面通過熱氧化法形成氧化膜(sio2層)(厚度t＝0.2～1μm左右)(參照圖10)。此后，與第1實(shí)施方式同樣地在氧化膜中固定電荷來形成駐極體。此外，在本實(shí)施方式中，通過熱氧化法形成了在si層的表面所形成的氧化膜(sio2層)，但是并不限于此，可以通過各種氧化膜形成方法來形成氧化膜(sio2層)。例如，也可以通過由cvd在si層上堆積sio2來形成氧化膜(sio2層)。

圖9表示圖8的b1-b1斷面形狀的圖，并表示形成氧化膜之前的階段的形狀。通過soi基板的處理層(si)形成底座301。通過soi基板的設(shè)備層(si)形成固定梳齒電極302。符號307所示的部分是被稱為soi基板的box層的嵌入氧化膜(sio2)。雖然省略了圖示，但是通過soi基板的設(shè)備層形成可動梳齒電極303、彈性支撐部305以及錘304。

圖10表示形成氧化膜，并進(jìn)行了帶電處理后的b1-b1截面形狀。在通過si層形成的固定梳齒電極302以及底座301的表面分別形成氧化膜310。在進(jìn)行氧化膜310的帶電處理時，與第1實(shí)施方式的情況相同，使用加熱器等加熱至sio2層即氧化膜310變?yōu)榘雽?dǎo)體的溫度。然后，如果氧化膜310變?yōu)榘雽?dǎo)體，則在施加了偏置電壓v1(10～200v)的狀態(tài)下，使變?yōu)榘雽?dǎo)體的氧化膜310冷卻到恢復(fù)絕緣性的溫度。如圖10所示，因?yàn)閟i層的邊緣部通過熱氧化變?yōu)閞形狀，所以偏置電壓施加時的電場集中被緩和，絕緣破壞強(qiáng)度變大。因此，盡管固定梳齒電極302與可動梳齒電極303之間的間隙尺寸(2μm左右)小，但是能夠施加比較高的偏置電壓。

(帶電處理的詳細(xì)說明)

在進(jìn)行帶電處理時，如圖11所示，在固定梳齒電極302與可動梳齒電極303以及底座301之間施加偏置電壓v1。首先，將振動發(fā)電裝置300加熱至由sio2形成的氧化膜310變?yōu)榘雽?dǎo)體的溫度(500～700℃)。然后，施加偏置電壓v1，以便隔著固定梳齒電極302的si/sio2界面306形成電雙層(參照圖10)。

圖12示意性地表示在形成了電雙層的狀態(tài)的固定梳齒電極302以及可動梳齒電極303相重疊的部分的截面(與圖11的紙面平行的截面)。此外，以下對在固定梳齒電極302形成的氧化膜賦予符號310a，對在可動梳齒電極303形成的氧化膜賦予符號310b。另外，對固定梳齒電極302的si層賦予符號311a，對可動梳齒電極303的si層賦予符號311b。在施加偏置電壓時，si/sio2界面306中的電雙層的電位差逐漸上升，最終變?yōu)殡妷簐1(幾秒鐘～幾分鐘)。

因?yàn)閟io2層(氧化膜310a以及box層307)變?yōu)榘雽?dǎo)體且電阻率降低，所以sio2層內(nèi)基本是同電位。因此，在整個si/sio2界面306中為均勻的電荷密度，到梳齒尖端為止形成電雙層。此外，當(dāng)在整個si/sio2界面306中形成電雙層時，被電阻率降低的sio2層靜電屏蔽，所以在電雙層的外側(cè)不會出現(xiàn)電場。由此，因?yàn)槭猃X電極間的靜電為零，所以能夠通過觀察這種情況來作為帶電處理完成的標(biāo)準(zhǔn)。

圖13是詳細(xì)地表示由圖12的虛線c所包圍的區(qū)域的結(jié)構(gòu)的示意圖，對應(yīng)于第1實(shí)施方式的圖5。在固定梳齒電極302的氧化膜310a以及si層311a形成隔著si/sio2界面306構(gòu)成電雙層的表面電荷q5、q6。表面電荷q4表示在可動梳齒電極303的si層311b中帶電的電荷。e3是在可動梳齒電極303的氧化膜310b內(nèi)形成的電場。e5、e6是在固定梳齒電極302的氧化膜310a內(nèi)形成的電場。e4是在梳齒電極302、303之間的隙間g中形成的電場。

分別對圖13的包含表面電荷q4的區(qū)域、包含氧化膜310b與隙間g的界面的區(qū)域、包含氧化膜310a與隙間g的界面的區(qū)域、包含表面電荷q5的區(qū)域以及包含表面電荷q6的區(qū)域適用高斯定律時，獲得以下的式(13)～(17)。此外，s是剪切了圖12的區(qū)域c時的截面面積。ε0、ε1是隙間g以及氧化膜(sio2)的介電常數(shù)。

ε1·e3·s＝q4…(13)

(ε0·e4－ε1·e3)·s＝0…(14)

(ε1·e5－ε0·e4)·s＝0…(15)

(ε1·e6－ε1·e5)·s＝q5…(16)

－ε1·e6·s＝q6…(17)

另外，因?yàn)樯舷碌膕i層311a、311b間的電位差為v，所以關(guān)于圖13所示的距離d、g1、g2、g3，以下的式(18)成立。

g1·e3+g2·e4+g3·e5+d·e6＝－v…(18)

根據(jù)式(13)～(17)，獲得表示表面電荷q4、q5、q6之間的關(guān)系的以下的式(19)。

q6＝－q5－q4…(19)

另外，根據(jù)式(13)～(18)，獲得表示駐極體電荷即表面電荷q5的以下的式(20)。

q5＝－[(d+g1+g2(ε1/ε0)+g3)/d]q4－ε1·s·v/d…(20)

在如圖14所示施加了偏置電壓v1時，因?yàn)閟i/sio2界面308流過電流，所以在施加偏置電壓的狀態(tài)下v＝v1、q4＝0。如果在式(20)中設(shè)為v＝v1、q4＝0，則使用以下的式(21)來表示表面電荷q5。當(dāng)施加電壓v1為v1＞0時，q5＜0。另外，如果在式(19)中設(shè)為q4＝0，則q6＝－q5。就這樣，在圖14的情況下，在si/sio2界面306中形成電雙層，并在該電雙層中電壓v1集中。

q5＝－ε1·s·v1/d…(21)

如圖14所示，如果在si/sio2界面306中形成了電雙層的狀態(tài)下，即，在施加了偏置電壓v1的狀態(tài)下將溫度降低至sio2恢復(fù)絕緣性的溫度(例如，常溫)時，則在氧化膜310a中帶電的表面電荷q5被固定在圖14所示的位置。此后，如圖15所示，如果連接固定梳齒電極302的si層311a與可動梳齒電極303的si層311b，則由于它們之間的電位差(參照圖14)，電荷(q4)從si層311a移動到si層311b從而電位差減少。當(dāng)電位差從v1變化至v時，使用以下的式(22)表示此時的電荷移動量。最終，如圖15所示，如果電位差變?yōu)榱?，則表面電荷q4如以下的式(23)所示。

q4＝－ε0·s·(v1－v)/[g′+d·(ε0/ε1)]…(22)

其中，g′＝g2+(g1+g3)·(ε0/ε1)

q4＝－ε0·s·v1/[g′+d·(ε0/ε1)]…(23)

因?yàn)楦鶕?jù)式(13)、(14)成為q4＝ε0·e4·s，所以根據(jù)該式與式(23)，通過以下的式(24)表示圖15中的隙間g的電場e4。這是在沒有駐極體(表面電荷q5)的情況下，與施加了電壓v1時形成的電場一致。

e4＝－v1/[g′+d·(ε0/ε1)]…(24)

(發(fā)電動作的說明)

接下來，對于振動發(fā)電裝置300的發(fā)電動作進(jìn)行說明。圖16示意性地表示了可動梳齒電極303相對于固定梳齒電極302進(jìn)行滑動移動，梳齒彼此的重疊成為零的狀態(tài)(c)、梳齒的一半重疊的狀態(tài)(b)、整個梳齒重疊的狀態(tài)(a)。這相當(dāng)于連接了低阻抗極限的負(fù)載320的情況，在式(22)中，對應(yīng)于由于面積s(相當(dāng)于重疊面積)發(fā)生變化使得表面電荷q4的電荷量發(fā)生變化的情況。此外，在這里為了簡化說明，將表面電荷q5所示的一個負(fù)號設(shè)為電荷量－q，將表面電荷q4、q6所示的1個正號視為電荷量+q來說明電荷量的變化。

圖16的狀態(tài)(a)與圖15所示的狀態(tài)相同，固定梳齒電極302的si層311a的電位與可動梳齒電極303的si層311b的電位相等。即，電位差v＝0。因此，在負(fù)載320中不流過電流。此時，表面電荷q6的電荷量為+6q，表面電荷q5的電荷量為－8q，表面電荷q4的電荷量為+2q。

在狀態(tài)(b)，表示可動梳齒電極303相對于固定梳齒電極302向圖示左方向移動，梳齒的重疊面積減少到一半的狀態(tài)。隨著重疊面積的減少，表面電荷q4的電荷量從+2q減少到+q，表面電荷q6的電荷量從+6q增加到+7q。其結(jié)果是，電流i從可動梳齒電極303的si層311b流向固定梳齒電極302的si層311a。

如果從狀態(tài)(b)重疊面積進(jìn)一步減少，則在重疊面積減少的同時表面電荷q4的電荷量也減少。然后，如狀態(tài)(c)所示如果重疊面積變?yōu)榱?，則表面電荷q4的電荷量變?yōu)榱?，表面電荷q6的電荷量變?yōu)?8q。

就這樣，如果可動梳齒電極303相對于固定梳齒電極302進(jìn)行振動，則圖16所示的狀態(tài)(a)～(c)以(a)→(b)→(c)→(b)→(a)→(b)→···的方式進(jìn)行重復(fù)，負(fù)載320中流過交流電流。此外，當(dāng)作為負(fù)載320連接了高阻抗極限的負(fù)載時，因?yàn)楸砻骐姾蓂4的電荷量不發(fā)生變化而重疊面積發(fā)生變化，所以電位差v也發(fā)生變化。一般來說，通過調(diào)整負(fù)載阻抗來謀求取出的電力的最大化。

-第3實(shí)施方式-

第3實(shí)施方式將第1實(shí)施方式的駐極體元件適用于mems快門的梳齒型致動器。圖17表示本實(shí)施方式的mems快門400的概要結(jié)構(gòu)。此外，對于與圖8所示的振動發(fā)電裝置300相同的結(jié)構(gòu)元件賦予了相同的符號。即、通過加工soi基板來形成mems快門400，mems快門400具備固定在矩形環(huán)狀底座301的固定梳齒電極302、通過彈性支撐部305被固定在底座301的可動梳齒電極303。固定梳齒電極302以及可動梳齒電極303構(gòu)成梳齒型致動器。在可動梳齒電極303設(shè)置了快門部404，該快門部404形成了開口404a。

在固定梳齒電極302與可動梳齒電極303之間，通過電壓源401施加致動器驅(qū)動用電壓。控制部402控制電壓源401的施加電壓v，使設(shè)置了快門部404的可動梳齒電極303向箭頭r的方向移動。在快門部404被配置在光路上，當(dāng)通過可動梳齒電極303的移動在光路中配置快門部404的開口404a時，光線穿過快門部404。另一方面，通過在光路中配置快門部404的非開口區(qū)域(遮蔽區(qū)域)，光線被快門部404遮擋。

此外，因?yàn)楣潭ㄊ猃X電極302以及可動梳齒電極303的結(jié)構(gòu)以及形成方法、還有向固定梳齒電極302形成駐極體的方法與上述第2實(shí)施方式相同，所以在這里省略說明。

(動作說明)

圖18～20說明梳齒型致動器的驅(qū)動動作。圖18表示電壓源401的施加電壓v為v＝0的情況。在圖18中，(a)表示作用于可動梳齒電極303的力f1、f2，(b)表示施加電壓v與電場e4之間的關(guān)系。當(dāng)施加電壓v＝0時，si層311a與si層311b為同電位，與圖15、16所示的情況為相同的狀態(tài)。在固定梳齒電極302與可動梳齒電極303之間的隙間g中，形成由前述的式(24)所表示的電場e4。通過該電場e4，圖示向右的力f1作用于可動梳齒電極303。使得將可動梳齒電極303拉入固定梳齒電極302的梳齒間。

在通過電場e4的力f1使得可動梳齒電極303以被拉入固定梳齒電極302的方式進(jìn)行移動時，如圖18(a)所示，彈性支撐部305發(fā)生變形。其結(jié)果是，通過彈性支撐部305的彈力，向圖示左側(cè)拉回的力f2作用于可動梳齒電極303?？蓜邮猃X電極303在力f1與力f2平衡的位置停止。

圖19表示將施加電壓v設(shè)定為0＜v＜v1的情況。在這種情況下，通過在前述式(22)中應(yīng)用式(13)、(14)所獲得的以下的式(25)來表示隙間g的電場e4。根據(jù)式(24)、(25)可知，圖19中的電場e4的強(qiáng)度相比施加電壓v＝0時變?nèi)?。其結(jié)果是，向固定梳齒電極302的方向吸引可動梳齒電極303的靜電力f1變小，可動梳齒電極303如圖19的(a)所示，向圖示左方移動至靜電力f1與彈性支撐部305的彈力f2平衡的位置。

e4＝－(v1－v)/[g′+d·(ε0/ε1)]…(25)

圖20表示將施加電壓v設(shè)為v＝v1的情況。此時，表面電荷q5與表面電荷q6的電荷量相等，該電雙層中的電位差與v1相等。其結(jié)果是，隙間g的電場e4為零，固定梳齒電極302與可動梳齒電極303之間的靜電力f1也為零。因此，如圖20所示，彈性支撐部305的變形也為零。

如上所述，在本實(shí)施方式中，通過改變電壓源401的施加電壓v來對可動梳齒電極303進(jìn)行滑動驅(qū)動，能夠進(jìn)行快門部404的快門打開關(guān)閉。另外，如圖18～20所示，通過在梳齒電極中安裝駐極體，使得在施加電壓v＝0時隙間g的電場e4的強(qiáng)度為最大。

順便提及，在梳齒致動器中的梳齒間發(fā)揮作用的靜電力與電場的平方成正比。因此，在不使用駐極體而僅通過施加電壓v來驅(qū)動梳齒致動器的結(jié)構(gòu)的情況下，施加電壓v與靜電f1的關(guān)系為圖21的線l1所示那樣的二次曲線。另一方面，如本實(shí)施方式所述，在形成了駐極體的梳齒致動器的情況下，施加電壓v與靜電f1的關(guān)系為線l2。線l2是將線l1向橫軸正方向移動了相當(dāng)于駐極體的帶電電壓v1的量的線。因此，對于相等的施加電壓δv，有駐極體時的靜電力δfb相比沒有駐極體時的靜電力δfa變大。即，當(dāng)形成了駐極體時，能夠獲得與僅有外部偏置電壓的結(jié)構(gòu)相比更大的靜電力。

如上所述，駐極體元件如圖4、7所示，具備：si層202、在si層202的表面形成的sio2層201、以及在sio2層201中的si層202的界面的近旁形成的駐極體(表面電荷q2)。因?yàn)闃?gòu)成駐極體的表面電荷q2被固定在si/sio2界面附近，所以sio2層201能夠作為保護(hù)膜發(fā)揮功能，提高駐極體的壽命。

駐極體通過如下方式來形成：一邊將形成了sio2層201的si層202維持在sio2層201成為半導(dǎo)體狀態(tài)的第1溫度(約500～700℃)，一邊在si層202與sio2層201之間施加電壓，并且，在施加了電壓的狀態(tài)下，將形成了sio2層201的si層202從所述第1溫度變化至sio2層201恢復(fù)絕緣性的第2溫度(例如，300℃以下左右的溫度)。

如此，因?yàn)橥ㄟ^在sio2層內(nèi)移動并固定電荷的方法來形成駐極體，所以即使是在像圖8所示的梳齒電極的梳齒側(cè)面那樣的窄隙部位、或密閉空間配置的電極，也能夠容易地形成駐極體。因?yàn)樵谡恫课恍纬神v極體變得容易，所以可以將間隙尺寸設(shè)計得更小，從而提高作為發(fā)電裝置、致動器的性能。

并且，因?yàn)殡姾膳c設(shè)備表面的電場無直接關(guān)系地進(jìn)行移動，所以在帶電處理(駐極體形成處理)時不用花費(fèi)特別的工夫，就能夠通過均勻的電荷密度來帶電。另外，如圖3所示，因?yàn)樾纬呻婋p層來帶電，所以隔著界面而帶電的電荷間的間隙非常小，因此即使小的電位也能夠獲得大的電荷密度。

另外，如第2實(shí)施方式所示，具備彼此相對配置的固定梳齒電極302與可動梳齒電極303，固定梳齒電極302由駐極體元件構(gòu)成。并且，作為機(jī)電轉(zhuǎn)換器(例如，振動發(fā)電裝置300)發(fā)揮功能，即通過可動梳齒電極303進(jìn)行移動，也就是說通過可動梳齒電極303相對于固定梳齒電極302進(jìn)行位移來進(jìn)行電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。

此外，在上述實(shí)施方式中，在固定梳齒電極302側(cè)形成了駐極體，但是也可以構(gòu)成為在可動梳齒電極303側(cè)形成駐極體。并且，不限于使一對梳齒電極中的一方設(shè)為可動的結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)為一對梳齒電極雙方進(jìn)行移動的結(jié)構(gòu)。

作為機(jī)電轉(zhuǎn)換器，除了發(fā)電裝置以外，還具有如圖17所示的用于驅(qū)動快門部404的致動器、駐極體電容傳聲器等。在上述實(shí)施方式的駐極體元件的情況下，因?yàn)椴皇侨鐚＠墨I(xiàn)3所記載的駐極體那樣包含堿金屬離子的結(jié)構(gòu)，因此能夠與cmos器件共存，例如，可以在底座301的si層(設(shè)備層)形成圖17的控制部402的一部分的電路元件。作為這樣的電路元件，例如具有驅(qū)動電路用晶體管、麥克風(fēng)或傳感器的放大電路用fet或電阻、發(fā)電元件用整流用二極管等。

此外，在上述第2實(shí)施方式中，使電極302、303為梳齒結(jié)構(gòu)的電極，但是也可以設(shè)為間隙距離進(jìn)行變化的平行平板結(jié)構(gòu)。由此，可以針對平行平板型的振動發(fā)電裝置、電容傳聲器應(yīng)用駐極體元件。

另外，在上述實(shí)施方式中，對包含固定梳齒電極302以及可動梳齒電極303的整個設(shè)備進(jìn)行加熱來進(jìn)行帶電處理，但是也可以通過激光等局部地僅加熱與駐極體的形成有關(guān)的區(qū)域(希望帶電的sio2層與希望流過電流的si層)。由此，還可以用于內(nèi)置了放大電路的駐極體傳聲器那樣的設(shè)備。

此外，以上的說明只是一個例子，在解釋發(fā)明時，對于上述實(shí)施方式的記載事項與專利保護(hù)范圍的記載事項的對應(yīng)關(guān)系沒有任何限定與約束。

以下的優(yōu)先權(quán)基礎(chǔ)申請的公開內(nèi)容作為引用文本并入本文。

日本專利申請2015年第26839號(2015年2月13日申請)。

符號的說明

101，202，203，311a，311b：si層；102，201：sio2層；204，205，306，308：si/sio2界面；300：振動發(fā)電裝置；301：底座；302：固定梳齒電極；303：可動梳齒電極；304：錘；305：彈性支撐部；310，310a，310b：氧化膜；320：負(fù)載；400：mems快門；401：電壓源；402：控制部；404：快門部；g：間隙空間。