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JP2006215478A - Electrostatic driving element - Google Patents

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JP2006215478A
JP2006215478A JP2005030643A JP2005030643A JP2006215478A JP 2006215478 A JP2006215478 A JP 2006215478A JP 2005030643 A JP2005030643 A JP 2005030643A JP 2005030643 A JP2005030643 A JP 2005030643A JP 2006215478 A JP2006215478 A JP 2006215478A
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Japan
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fixed electrode
movable
substrate
film
strain gauge
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Withdrawn
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JP2005030643A
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Japanese (ja)
Inventor
Michitsugu Arima
通継 有馬
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Olympus Corp
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Olympus Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic driving element which detects the deformation of a movable part with high sensitivity and high accuracy. <P>SOLUTION: The electrostatic driving element 200 is composed of a movable electrode unit 200A, a fixed electrode unit 200B and a bump 210 which connects them with a distance between them. The movable electrode unit 200A has a supporting frame 202, a movable plate 203 which serves as a movable electrode itself and a bending spring 204 which supports the movable plate 203 allowing it to move straight. The fixed electrode unit 200B has a supporting substrate 201 and a fixed electrode 205 provided on the supporting substrate 201. The supporting substrate 201 has a decreased thickness portion 207 in a part of the region where the fixed electrode 205 is located, so that a part of the fixed electrode 205 is deformed by electrostatic suction force acting between the fixed electrode 205 and the movable plate 203. Further, the fixed electrode unit 200B has a displaced quantity detection element which detects the displaced quantity of the portion of the fixed electrode 205 which is located at the decreased thickness portion 207. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は静電駆動素子に関する。   The present invention relates to an electrostatic drive element.

静電駆動素子は、少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、可動部に設けられた可動電極と、可動部から間隔を置いて配置された固定電極とを備えており、固定電極と可動電極の間に作用する静電引力により可動部が変形されることにより駆動される。可動部は、例えば、可動電極を備えた可動子と、可動子を変位可能に支持している弾性部材とから構成される。   The electrostatic drive element includes a movable part that can be at least partially elastically deformed, a movable electrode provided in the movable part, and a fixed electrode that is spaced from the movable part. The movable portion is driven by being deformed by an electrostatic attractive force acting between the electrodes. A movable part is comprised from the needle | mover provided with the movable electrode, and the elastic member which supports the needle | mover so that displacement is possible, for example.

従来、静電駆動素子の弾性部の変形、例えば可動子の位置を検出する方法として、可動子とそれに対向して配置される固定電極間の静電容量を検出する方法や、可動子を支持している弾性部材の変形量をモニターする方法などがある。   Conventionally, as a method of detecting the deformation of the elastic portion of the electrostatic drive element, for example, the position of the mover, a method of detecting the electrostatic capacitance between the mover and the fixed electrode disposed opposite to the mover, or supporting the mover There is a method of monitoring the deformation amount of the elastic member.

可動電極と固定電極の間の静電容量に基づいて可動子の位置を検出する方法は例えば特開平7−141457号公報に開示されている。図22は、特開平7−141457号公報と同様の手法により、固定電極と可動電極の間の静電容量に基づいて可動子の位置を検出するための構成を模式的に示している。図22において、静電駆動素子は、基板101と、可動子としての可動板102と、可動板102を基板101に対して支持する弾性部材103と、基板101に設けられた固定電極104と、可動板102に設けられた可動電極105とから構成されている。固定電極104と可動電極105はほぼ同一形状をしており、固定電極104と可動電極105の間に容量測定装置106が接続されている。   A method for detecting the position of the mover based on the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-141457. FIG. 22 schematically shows a configuration for detecting the position of the mover based on the capacitance between the fixed electrode and the movable electrode by the same method as in Japanese Patent Laid-Open No. 7-141457. In FIG. 22, the electrostatic drive element includes a substrate 101, a movable plate 102 as a mover, an elastic member 103 that supports the movable plate 102 with respect to the substrate 101, a fixed electrode 104 provided on the substrate 101, The movable electrode 102 is provided with a movable electrode 105 provided on the movable plate 102. The fixed electrode 104 and the movable electrode 105 have substantially the same shape, and a capacitance measuring device 106 is connected between the fixed electrode 104 and the movable electrode 105.

図22に示される構成において可動子の位置は以下のようにして検出される。まず固定電極104と可動電極105の間に直流電源107を接続して電圧を印加すると、これらの電極の間に静電引力が発生することにより、可動板102が固定電極104の方向に引き寄せられ、この静電引力が弾性部材103の弾性反発力と釣り合う位置で可動板102が静止する。この状態における可動板102の位置すなわち可動板102と基板101の間隔dは、固定電極104と可動電極105の間の静電容量Cによって、次式で表される。

Figure 2006215478
ここで、ε。は真空の誘電率、Sは固定電極104および可動電極105の面積である。すなわち、容量測定装置106によって測定される電極間の静電容量から、(1)式によって可動板102の位置を知ることができる。 In the configuration shown in FIG. 22, the position of the mover is detected as follows. First, when a DC power source 107 is connected between the fixed electrode 104 and the movable electrode 105 and a voltage is applied, an electrostatic attractive force is generated between these electrodes, so that the movable plate 102 is drawn toward the fixed electrode 104. The movable plate 102 stops at a position where the electrostatic attractive force balances with the elastic repulsive force of the elastic member 103. The position of the movable plate 102 in this state, that is, the distance d between the movable plate 102 and the substrate 101 is expressed by the following equation by the capacitance C between the fixed electrode 104 and the movable electrode 105.
Figure 2006215478
Where ε. Is the dielectric constant of vacuum, and S is the area of the fixed electrode 104 and the movable electrode 105. That is, the position of the movable plate 102 can be known from the electrostatic capacitance between the electrodes measured by the capacitance measuring device 106 by the equation (1).

一方、弾性部材の変形量に基づいて可動子の位置を検出するための構成は例えば特開平11−242180号公報に開示されている。特開平11−242180号公報は電磁駆動型の素子に関するものだが、静電駆動型の素子についても同様の構成が適用可能である。図23は、特開平11−242180号公報と同様の手法により、弾性部材の変形量に基づいて可動子の位置を検出するための構成を模式的に示している。また図24は、図23に示された弾性部材の周辺部分の平面図である。図22において、静電駆動素子は、基板151と、可動子としての可動板152と、可動板152を支持している弾性部材153と、基板151に設けられた固定電極154と、可動板102に設けられた可動電極155とから構成されており、弾性部材153の表面あるいは内部に歪みゲージ111が形成されている。   On the other hand, a configuration for detecting the position of the mover based on the deformation amount of the elastic member is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-242180. Japanese Patent Laid-Open No. 11-242180 relates to an electromagnetically driven element, but the same configuration can be applied to an electrostatically driven element. FIG. 23 schematically shows a configuration for detecting the position of the mover based on the deformation amount of the elastic member by the same method as in Japanese Patent Laid-Open No. 11-242180. FIG. 24 is a plan view of the peripheral portion of the elastic member shown in FIG. In FIG. 22, the electrostatic drive element includes a substrate 151, a movable plate 152 as a mover, an elastic member 153 that supports the movable plate 152, a fixed electrode 154 provided on the substrate 151, and the movable plate 102. The strain gauge 111 is formed on the surface or inside of the elastic member 153.

図23と図24に示される構成において可動子の位置は以下のようにして検出される。まず固定電極154と可動電極155の間に電圧を印加することにより、図22の静電駆動素子と同様に可動板152を変位させる。このとき、弾性部材153の変形に応じて歪みゲージ111も変形する。歪みゲージ111の抵抗値は、その変形量によって変化するので、歪みゲージ111の抵抗値は可動板152の位置に応じて変化する。従って、歪みゲージ111の抵抗値をモニターすることにより、可動板152の位置を知ることができる。
特開平7−141457号公報 特開平11−242180号公報
In the configuration shown in FIGS. 23 and 24, the position of the mover is detected as follows. First, by applying a voltage between the fixed electrode 154 and the movable electrode 155, the movable plate 152 is displaced in the same manner as the electrostatic driving element of FIG. At this time, the strain gauge 111 is also deformed in accordance with the deformation of the elastic member 153. Since the resistance value of the strain gauge 111 changes depending on the amount of deformation, the resistance value of the strain gauge 111 changes according to the position of the movable plate 152. Therefore, by monitoring the resistance value of the strain gauge 111, the position of the movable plate 152 can be known.
JP-A-7-141457 Japanese Patent Laid-Open No. 11-242180

一般に静電駆動素子は非常に高い駆動電圧を必要とする場合が多いが、図22に示すような電極間の静電容量を検出する方法では、電極間に高電圧が印加された状態で電極間の容量を測定する必要があるため、容量測定装置106の回路の設計が難しい。また電極間の静電容量の値は一般に非常に小さく、さらに式(1)からわかるように、静電容量Cは電極面積Sに比例し電極間隔dに反比例するため、電極面積の小さい場合や電極間隔の大きい、言い換えるとストロークの大きい素子では十分な感度が確保できない。   Generally, an electrostatic drive element often requires a very high drive voltage. However, in the method of detecting the capacitance between electrodes as shown in FIG. 22, the electrodes are applied with a high voltage applied between the electrodes. Therefore, it is difficult to design the circuit of the capacitance measuring device 106. The capacitance between the electrodes is generally very small. Further, as can be seen from the equation (1), the capacitance C is proportional to the electrode area S and inversely proportional to the electrode interval d. Sufficient sensitivity cannot be secured with an element having a large electrode interval, in other words, a large stroke.

また、弾性部材の変形量に基づいて可動子の位置を検出する方法は、電極間隔を直接検出しているわけではないので誤差が大きい。また可動子を支持している弾性部材は、素子の駆動効率を確保するため一般には非常に細く設計されることが多く、弾性部材の表面や内部に歪ゲージを形成することは非常に困難である。   Further, the method of detecting the position of the mover based on the deformation amount of the elastic member has a large error because the distance between the electrodes is not directly detected. Also, the elastic member supporting the mover is generally designed to be very thin in order to ensure the driving efficiency of the element, and it is very difficult to form a strain gauge on the surface or inside of the elastic member. is there.

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、可動部の変形を高感度かつ高精度に検出することが可能な静電駆動素子を提供することである。   The present invention has been made in consideration of such a situation, and an object thereof is to provide an electrostatic driving element capable of detecting deformation of a movable part with high sensitivity and high accuracy. .

本発明は静電駆動素子に向けられている。本発明による静電駆動素子は、少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、可動部を支持している支持体と、可動部に設けられた可動電極と、可動部から間隔を置いて位置する基板と、基板に設けられた固定電極と、固定電極と可動電極の間に作用する静電引力による可動部の変形を検出するための検出手段とを備えており、検出手段は基板に設けられている。   The present invention is directed to an electrostatic drive element. An electrostatic drive element according to the present invention is located at a distance from a movable part that can be elastically deformed at least partially, a support that supports the movable part, a movable electrode provided on the movable part, and the movable part. And a detection means for detecting deformation of the movable part due to electrostatic attraction acting between the fixed electrode and the movable electrode. The detection means is provided on the substrate. It has been.

本発明によれば、可動部の変形を高感度かつ高精度に検出することが可能な静電駆動素子が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrostatic drive element which can detect the deformation | transformation of a movable part with high sensitivity and high precision is provided.

静電駆動素子としては、例えば、可動部が、可動電極を備えた可動子と、可動子を変位可能に支持している弾性部材とから構成されているタイプがあり、それらの中にさらに、可動子が直線的に移動するタイプや、可動子が回転するタイプがある。また、別のタイプとして、可動部が可動電極を備えた弾性変形膜で構成されていて、可動部それ自体が変形するタイプもある。以下、本発明のこれらの素子への適用例を実施形態として説明する。   As an electrostatic drive element, for example, there is a type in which the movable portion is composed of a movable element provided with a movable electrode and an elastic member that supports the movable element so that the movable element can be displaced. There is a type in which the mover moves linearly and a type in which the mover rotates. As another type, there is a type in which the movable part is formed of an elastic deformation film provided with a movable electrode, and the movable part itself is deformed. Hereinafter, application examples of the present invention to these elements will be described as embodiments.

[第一実施形態]
本実施形態は、可動部が可動子と弾性部材とからなり、可動子が直線的に移動するタイプの静電駆動素子である直動型静電駆動素子に向けられている。図1は、本発明の第一実施形態による直動型静電駆動素子を示す斜視図である。図2は、図1に示されたII−II線に沿った直動型静電駆動素子の断面図である。
[First embodiment]
The present embodiment is directed to a direct-acting electrostatic drive element that is a type of electrostatic drive element in which the movable portion includes a mover and an elastic member, and the mover moves linearly. FIG. 1 is a perspective view showing a direct acting electrostatic drive element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of the direct acting electrostatic drive element taken along line II-II shown in FIG.

図1と図2に示されるように、本実施形態による直動型静電駆動素子200は、可動電極ユニット200Aと、固定電極ユニット200Bと、これらを間隔を置いて結合しているバンプ210とから構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the direct acting electrostatic drive element 200 according to the present embodiment includes a movable electrode unit 200A, a fixed electrode unit 200B, and bumps 210 that are coupled to each other with a gap therebetween. It is composed of

可動電極ユニット200Aは、少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、可動部を支持している支持枠202とを有し、可動部は、可動子としての可動板203と、可動板203を変位可能に支持している弾性部材とを有し、弾性部材は、可動板203を直動可能に支持しているたわみバネ204で構成されている。可動板203と支持枠202とたわみバネ204はシリコンから構成されている。可動板203はそれ自体が可動電極を構成している。   The movable electrode unit 200A has a movable part that can be elastically deformed at least partially, and a support frame 202 that supports the movable part. The movable part includes a movable plate 203 as a mover, and a movable plate 203. And an elastic member that supports the movable plate 203 so that the movable plate 203 can be moved linearly. The movable plate 203, the support frame 202, and the flexible spring 204 are made of silicon. The movable plate 203 itself constitutes a movable electrode.

固定電極ユニット200Bは、支持基板201と、支持基板201に設けられた固定電極205とを有している。支持基板201は、固定電極205と可動板203の間に作用する静電引力に応じて固定電極205の一部が変位するように、固定電極205が位置する領域の一部に厚さが低減された厚さ低減部207を有している。   The fixed electrode unit 200 </ b> B includes a support substrate 201 and a fixed electrode 205 provided on the support substrate 201. The thickness of the support substrate 201 is reduced to a part of the region where the fixed electrode 205 is positioned so that the part of the fixed electrode 205 is displaced according to the electrostatic attractive force acting between the fixed electrode 205 and the movable plate 203. The reduced thickness portion 207 is provided.

支持基板201は、半導体基板、これに限らないが、例えば単結晶シリコン基板から作製される。厚さ低減部207は、例えば、単結晶シリコンの薄い膜で構成される。以下では厚さ低減部207はシリコン膜状部とも呼ぶことにする。   The support substrate 201 is made of a semiconductor substrate, for example, but not limited to, a single crystal silicon substrate. The thickness reducing unit 207 is formed of a thin film of single crystal silicon, for example. Hereinafter, the thickness reducing portion 207 is also referred to as a silicon film portion.

図3は、図2に示された厚さ低減部すなわちシリコン膜状部の周辺部分を拡大して示している。図3に示されるように、支持基板201と固定電極205の間にはこれらを絶縁する酸化シリコン膜235が設けられている。   FIG. 3 is an enlarged view of the peripheral portion of the thickness reducing portion, that is, the silicon film-like portion shown in FIG. As shown in FIG. 3, a silicon oxide film 235 is provided between the support substrate 201 and the fixed electrode 205 to insulate them.

固定電極ユニット200Bはさらに、厚さ低減部207に位置する固定電極205の部分の変位量を検出する変位量検出素子231を有している。変位量検出素子231は、固定電極205の一部と酸化シリコン膜235とシリコン膜状部207と歪みゲージ232とから構成されている。歪みゲージ232は酸化シリコン膜235を介して固定電極205に設けられており、その一部は厚さ低減部207に位置している。歪みゲージ232は支持基板201内に形成されており、シリコン膜状部207とは異なる導電型をしている。   The fixed electrode unit 200 </ b> B further includes a displacement amount detection element 231 that detects the displacement amount of the portion of the fixed electrode 205 located in the thickness reduction unit 207. The displacement amount detection element 231 includes a part of the fixed electrode 205, a silicon oxide film 235, a silicon film-like portion 207, and a strain gauge 232. The strain gauge 232 is provided on the fixed electrode 205 via the silicon oxide film 235, and a part of the strain gauge 232 is located in the thickness reducing unit 207. The strain gauge 232 is formed in the support substrate 201 and has a conductivity type different from that of the silicon film portion 207.

図4は、図3に示された歪みゲージを模式的に示す平面図である。図4に示されるように、歪みゲージ232は、同一形状の四個の不純物拡散層211と212と213と214を有している。四個の不純物拡散層211と212と213と214は端子221と222と223と224を介して電気的に接続され、ブリッジ回路を構成している。なお図4は、固定電極205と端子221〜224から延びる配線を省略して描かれている。   FIG. 4 is a plan view schematically showing the strain gauge shown in FIG. As shown in FIG. 4, the strain gauge 232 has four impurity diffusion layers 211, 212, 213, and 214 having the same shape. The four impurity diffusion layers 211, 212, 213, and 214 are electrically connected via terminals 221, 222, 223, and 224 to form a bridge circuit. In FIG. 4, wiring extending from the fixed electrode 205 and the terminals 221 to 224 is omitted.

不純物拡散層211は部分的に厚さ低減部207に位置し、ほかの三個の不純物拡散層212と213と214は厚さ低減部207の外に位置している。このため、厚さ低減部207内に位置しているシリコン膜状部207が変形したとき、不純物拡散層211の抵抗だけが変化する。   The impurity diffusion layer 211 is partially located in the thickness reduction unit 207, and the other three impurity diffusion layers 212, 213, and 214 are located outside the thickness reduction unit 207. For this reason, only the resistance of the impurity diffusion layer 211 changes when the silicon film-like portion 207 located in the thickness reducing portion 207 is deformed.

不純物拡散層211の抵抗変化は次のようにして検出される。まず、不純物拡散層211〜214と支持基板201の間に逆バイアスを印加しておき、端子222と端子224の間に直流電源を接続した状態で、端子221と端子223の間に発生する電圧を測定することにより、不純物拡散層211の変形による抵抗変化を端子221と端子223の間の電圧変化として検出することができる。三個の不純物拡散層212〜214はシリコン膜状部の変形量検出には寄与しないが、温度の変動による不純物拡散層211の特性変化を相殺する働きをする。   The resistance change of the impurity diffusion layer 211 is detected as follows. First, a voltage generated between the terminal 221 and the terminal 223 in a state where a reverse bias is applied between the impurity diffusion layers 211 to 214 and the support substrate 201 and a DC power source is connected between the terminal 222 and the terminal 224. By measuring the resistance change, it is possible to detect a resistance change due to the deformation of the impurity diffusion layer 211 as a voltage change between the terminal 221 and the terminal 223. The three impurity diffusion layers 212 to 214 do not contribute to the detection of the deformation amount of the silicon film-like portion, but function to cancel the characteristic change of the impurity diffusion layer 211 due to the temperature change.

図2に示されるように、支持枠202と支持基板201は、金やはんだなどからなるバンプ210によって互いに固定されており、支持基板201は可動板203から間隔を置いて位置している。支持基板201は表面に配線208を有し、支持枠202は表面に配線209を有し、支持基板201の配線208と支持枠202の配線209はバンプ210によって電気的に接続されている。配線209は可動板203と電気的に接続されており、配線208は電源や駆動回路(図示せず)と電気的に接続される。図2には示されていないが、支持基板201の表面には、配線208のほかに、固定電極205や変位量検出素子231を電源や駆動回路に接続するための配線が形成されている。   As shown in FIG. 2, the support frame 202 and the support substrate 201 are fixed to each other by bumps 210 made of gold, solder, or the like, and the support substrate 201 is located at a distance from the movable plate 203. The support substrate 201 has wiring 208 on the surface, the support frame 202 has wiring 209 on the surface, and the wiring 208 of the support substrate 201 and the wiring 209 of the support frame 202 are electrically connected by bumps 210. The wiring 209 is electrically connected to the movable plate 203, and the wiring 208 is electrically connected to a power source and a driving circuit (not shown). Although not shown in FIG. 2, in addition to the wiring 208, wiring for connecting the fixed electrode 205 and the displacement detection element 231 to a power source and a driving circuit is formed on the surface of the support substrate 201.

次に直動型静電駆動素子200の作用について説明する。   Next, the operation of the direct acting electrostatic drive element 200 will be described.

図1と図2において、可動板203を配線209とバンプ210と配線208とを介して接地した状態で、固定電極205に電圧を印加すると、可動板203と固定電極205の間に静電引力が発生する。これにより、可動板203は、固定電極205の方に引き寄せられ、静電引力がたわみバネ204の弾性反発力と釣り合う位置で静止する。このとき、固定電極205とシリコン膜状部207にも静電引力が作用する。この静電引力Fは次式で表される。

Figure 2006215478
In FIG. 1 and FIG. 2, when a voltage is applied to the fixed electrode 205 in a state where the movable plate 203 is grounded via the wiring 209, the bump 210, and the wiring 208, electrostatic attraction is generated between the movable plate 203 and the fixed electrode 205. Will occur. Accordingly, the movable plate 203 is attracted toward the fixed electrode 205 and stops at a position where the electrostatic attractive force balances with the elastic repulsive force of the flexible spring 204. At this time, electrostatic attraction also acts on the fixed electrode 205 and the silicon film portion 207. This electrostatic attractive force F is expressed by the following equation.
Figure 2006215478

ここで、Sはシリコン膜状部207の面積、dは固定電極205と可動板203の間隔、Vは固定電極205に印加されている電圧である。 Here, S is the area of the silicon film portion 207, d is the distance between the fixed electrode 205 and the movable plate 203, and V is the voltage applied to the fixed electrode 205.

シリコン膜状部207は静電引力Fによって変形し、その変形量xは膜に作用している力Fに比例する。これを数式で表現すると、

Figure 2006215478
The silicon film portion 207 is deformed by the electrostatic attractive force F, and the deformation amount x is proportional to the force F acting on the film. If this is expressed in mathematical formulas,
Figure 2006215478

と表現される。ここでkはシリコン膜状部207と酸化シリコン膜235と固定電極205を合わせた実効的な弾性定数である。 It is expressed. Here, k is an effective elastic constant in which the silicon film portion 207, the silicon oxide film 235, and the fixed electrode 205 are combined.

歪みゲージ232の出力電圧、すなわち図4において端子221と端子223の間に発生する電位差δHは、下式で表される。

Figure 2006215478
The output voltage of the strain gauge 232, that is, the potential difference δH generated between the terminal 221 and the terminal 223 in FIG. 4 is expressed by the following expression.
Figure 2006215478

ここで、Vsは端子222と端子224の間に接続されている直流電源の電圧、gはゲージ率すなわち歪みゲージの感度を表す定数、Lは歪みゲージを構成する不純物拡散層211のうち厚さ低減部207に位置する部分の長さ、βはシリコン膜状部207の変形量に対して不純物拡散層211がどの程度変形するかを表す定数である。 Here, Vs is the voltage of the DC power supply connected between the terminal 222 and the terminal 224, g is a constant representing the gauge factor, that is, the sensitivity of the strain gauge, and L is the thickness of the impurity diffusion layer 211 constituting the strain gauge. The length of the portion located in the reduction portion 207, β, is a constant representing how much the impurity diffusion layer 211 is deformed with respect to the deformation amount of the silicon film-like portion 207.

式(2)〜式(4)をまとめると、次式が成立する。

Figure 2006215478
Summarizing Formula (2) to Formula (4), the following formula is established.
Figure 2006215478

すなわち、歪みゲージの出力電圧の変化量δHと固定電極205に印加されている電圧Vをモニターすることにより、式(5)に基づいて、固定電極205と可動板203の間隔、言い換えると可動板203の位置が計算される。このようにして計算される可動板203の位置すなわちdの値と、目標値とのズレが最小になるように、固定電極205に印加する電圧をフィードバック制御することにより、可動板203の位置を正確に制御することができる。   That is, by monitoring the change amount δH of the output voltage of the strain gauge and the voltage V applied to the fixed electrode 205, the distance between the fixed electrode 205 and the movable plate 203, in other words, the movable plate, based on the equation (5). The position of 203 is calculated. The position of the movable plate 203 is controlled by feedback control of the voltage applied to the fixed electrode 205 so that the deviation between the position of the movable plate 203 calculated in this way, that is, the value of d and the target value is minimized. It can be controlled accurately.

本実施形態では、歪みゲージがゲージ率gの非常に大きい、言い換えると歪み検出感度の非常に高い物質であるSiで構成されるため、シリコン膜状部207の微小な変形を高感度に検出することが可能である。従って、可動板203の位置を高感度に検出することが可能となる。また、式(5)に示されるように、歪みゲージの出力電圧は可動板203の位置を直接反映するため、信頼性の高い位置検出が可能である。さらに、歪みゲージは酸化シリコン膜235によって固定電極205から絶縁されているため、固定電極205に印加される高電圧が変位量検出素子の感度に悪影響を及ぼさない。   In the present embodiment, since the strain gauge is made of Si, which is a substance having a very high gauge factor g, in other words, a strain detection sensitivity is extremely high, a minute deformation of the silicon film portion 207 is detected with high sensitivity. It is possible. Accordingly, the position of the movable plate 203 can be detected with high sensitivity. Further, as shown in the equation (5), since the output voltage of the strain gauge directly reflects the position of the movable plate 203, highly reliable position detection is possible. Further, since the strain gauge is insulated from the fixed electrode 205 by the silicon oxide film 235, the high voltage applied to the fixed electrode 205 does not adversely affect the sensitivity of the displacement amount detection element.

なお、以上の説明は、静電引力を作用させた際にシリコン膜状部207の変形量が可動板203の変位量に対して無視できる程度に小さいことを前提にしているため、シリコン膜状部207と酸化シリコン膜235と固定電極205の厚さやシリコン膜状部207の面積、言い換えると弾性定数kの値は、この前提条件が維持される範囲でなるべく小さい値に設計する必要がある。   The above description is based on the premise that the deformation amount of the silicon film portion 207 is negligibly small with respect to the displacement amount of the movable plate 203 when an electrostatic attractive force is applied. The thickness of the portion 207, the silicon oxide film 235, the fixed electrode 205, the area of the silicon film-like portion 207, in other words, the value of the elastic constant k must be designed to be as small as possible within the range in which this precondition is maintained.

次に直動型静電駆動素子200の作製方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the direct acting electrostatic drive element 200 will be described.

直動型静電駆動素子200は、図1と図2において、支持枠202と可動板203とたわみバネ204などを備える可動電極ユニット200Aと、支持基板201と固定電極205と変位量検出素子231などを備える固定電極ユニット200Bとを別々に作製した後、可動電極ユニット200Aと固定電極ユニット200Bをバンプ210によって接続することにより完成される。   1 and 2, the direct acting electrostatic drive element 200 includes a movable electrode unit 200 </ b> A including a support frame 202, a movable plate 203, a flexible spring 204, a support substrate 201, a fixed electrode 205, and a displacement amount detection element 231. The movable electrode unit 200 </ b> A and the fixed electrode unit 200 </ b> B are connected to each other by the bumps 210.

以下、可動電極ユニット200Aと固定電極ユニット200Bの作製方法を説明する。   Hereinafter, a manufacturing method of the movable electrode unit 200A and the fixed electrode unit 200B will be described.

可動電極ユニット200Aは図5〜図7に示される方法により作製される。   The movable electrode unit 200A is manufactured by the method shown in FIGS.

まず図5に示されるように、活性層320とBOX(Buried Oxide)321と支持層322とから構成されるSOI(Silicon on Insulator)基板301のおもて面とうら面に熱酸化膜を形成した後、熱酸化膜の一部をエッチングすることによりマスク302を形成する。さらにアルミニウムなどの導電膜を形成した後、導電膜の一部をエッチングすることにより配線303を形成する。   First, as shown in FIG. 5, a thermal oxide film is formed on the front and back surfaces of an SOI (Silicon on Insulator) substrate 301 composed of an active layer 320, a BOX (Buried Oxide) 321 and a support layer 322. After that, the mask 302 is formed by etching a part of the thermal oxide film. Further, after forming a conductive film such as aluminum, the wiring 303 is formed by etching part of the conductive film.

次に図6に示されるように、マスク302に被覆されていないSOI基板301の活性層320と支持層322をエッチングにより除去する。次に図7に示されるように、BOX321及びマスク302の露出している部分を除去することにより、可動板305と支持枠340を形成する。なお、図には示されていないが、たわみバネの部分も図6に示す工程で同時に形成される。このようにして可動電極ユニット200Aが完成する。   Next, as shown in FIG. 6, the active layer 320 and the support layer 322 of the SOI substrate 301 not covered with the mask 302 are removed by etching. Next, as shown in FIG. 7, the exposed portions of the BOX 321 and the mask 302 are removed to form the movable plate 305 and the support frame 340. Although not shown in the drawing, the flexible spring portion is also formed at the same time in the step shown in FIG. In this way, the movable electrode unit 200A is completed.

一方、固定電極ユニット200Bは図8〜図10に示される方法により作製される。   On the other hand, the fixed electrode unit 200B is manufactured by the method shown in FIGS.

まず図8に示されるように、活性層330とBOX331と支持層332とから構成されるSOI基板310の活性層330の一部にイオン注入などの方法によりドーパントを拡散することにより、不純物拡散層311を形成する。この不純物拡散層は歪みゲージを構成する。   First, as shown in FIG. 8, an impurity diffusion layer is formed by diffusing a dopant into a part of the active layer 330 of the SOI substrate 310 composed of the active layer 330, the BOX 331, and the support layer 332 by a method such as ion implantation. 311 is formed. This impurity diffusion layer constitutes a strain gauge.

次に図9に示されるように、活性層330と支持層332の表面に熱酸化膜312を形成した後、活性層330の表面に形成されている熱酸化膜312にコンタクトホール313を形成する。さらに活性層330の表面に形成されている熱酸化膜312の表面にアルミニウムなどの導電膜を形成した後、導電膜の一部をエッチングすることにより、配線314と固定電極315を形成する。ここで、配線314は、歪みゲージを電源や駆動回路(図示せず)に接続するために使用される。また図9には示されていないが、配線314のほかに、固定電極315を電源や駆動回路(図示せず)に接続するための配線や、図2中の配線208に相当する配線も、この工程で同時に形成される。   Next, as shown in FIG. 9, a thermal oxide film 312 is formed on the surfaces of the active layer 330 and the support layer 332, and then a contact hole 313 is formed in the thermal oxide film 312 formed on the surface of the active layer 330. . Further, after forming a conductive film such as aluminum on the surface of the thermal oxide film 312 formed on the surface of the active layer 330, the wiring 314 and the fixed electrode 315 are formed by etching a part of the conductive film. Here, the wiring 314 is used to connect the strain gauge to a power source or a drive circuit (not shown). Although not shown in FIG. 9, in addition to the wiring 314, a wiring for connecting the fixed electrode 315 to a power source or a drive circuit (not shown) and a wiring corresponding to the wiring 208 in FIG. It is formed at the same time in this step.

次に図10に示されるように、支持層332の表面に形成されている熱酸化膜312の一部をエッチングすることによりマスク316を形成する。さらに支持層332のうちマスク316に被覆されていない部分をエッチングした後、BOX331の露出している部分を除去することにより、シリコン膜状部318を形成する。このようにして固定電極ユニット200Bが完成する。   Next, as shown in FIG. 10, a mask 316 is formed by etching a part of the thermal oxide film 312 formed on the surface of the support layer 332. Further, after etching the portion of the support layer 332 that is not covered with the mask 316, the exposed portion of the BOX 331 is removed to form the silicon film portion 318. In this way, the fixed electrode unit 200B is completed.

最後に、図10に示される固定電極ユニットと図7に示される可動電極ユニットとをダイシングなどの方法によりチップに切り出した後、可動板305と固定電極315が対向するように各々のユニット同士をアライメントしてバンプで接合することにより、図1に示される直動型静電駆動素子200が完成する。   Finally, after the fixed electrode unit shown in FIG. 10 and the movable electrode unit shown in FIG. 7 are cut into chips by a method such as dicing, the units are placed so that the movable plate 305 and the fixed electrode 315 face each other. By aligning and bonding with bumps, the direct acting electrostatic drive element 200 shown in FIG. 1 is completed.

本実施形態においては、可動板と固定電極間に作用する静電引力による固定電極の変位量から可動板の位置検出を行なうため、従来の方法に比べて高精度で高信頼性のある可動板の位置検出が可能となる。また、固定電極の変位量測定には、変位量検出膜と歪み検出感度の非常に高いSiからなる歪みゲージを用いるため、高感度の位置検出が可能となる。さらに、新たな変位量検出膜を形成することもなく、歪みゲージはSi基板への不純物拡散だけで形成されるため、変位量検出素子すなわち可動板の位置検出手段を簡単な構成により容易に作製できる。また、変位量検出素子を固定電極部分に形成するため、歪みゲージの設計にあたっては大きさなどの制約はなく、弾性部材に形成した従来の場合に比べて自由度が増す。   In this embodiment, since the position of the movable plate is detected from the amount of displacement of the fixed electrode caused by electrostatic attraction acting between the movable plate and the fixed electrode, the movable plate is more accurate and reliable than the conventional method. Can be detected. In addition, since the displacement amount of the fixed electrode is measured using a displacement amount detection film and a strain gauge made of Si having a very high strain detection sensitivity, highly sensitive position detection is possible. Furthermore, since a strain gauge is formed only by impurity diffusion to the Si substrate without forming a new displacement detection film, the displacement detection element, that is, the position detection means of the movable plate can be easily manufactured with a simple configuration. it can. In addition, since the displacement detection element is formed in the fixed electrode portion, there is no restriction on the size or the like in designing the strain gauge, and the degree of freedom is increased as compared with the conventional case formed on the elastic member.

なお、本実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形が可能である。まず、固定電極と歪みゲージを互いに絶縁する膜として酸化シリコン膜を使用する例を示したが、ポリイミドやシリコーン樹脂などの有機材料や、窒化シリコン膜などのほかの無機材料を使用してもよい。また固定電極や配線を構成する材料としてアルミニウムを使用する例を示したが、チタンや銅やモリブデンなどのほかの導電体や、多結晶シリコンなどの半導体を使用してもよい。またシリコン基板を加工することによりたわみバネを形成する例を示したが、ポリイミドやシリコーン樹脂などの有機材料や、窒化シリコンや酸化シリコンなどの無機材料によってたわみバネを構成してもよい。ただしこの場合には、可動板203を電源や駆動回路に接続するための配線をたわみバネの表面または内部に形成する必要がある。また基板の材料にシリコンを使用する例を示したが、化合物半導体などのほかの半導体を使用してもよい。また、歪みゲージが同一形状の個の不純物拡散層211〜214から構成される例を示したが、温度の変動しない環境下で使用する場合等においては、厚さ低減部207に位置しない不純物拡散層212〜214は省略しても良い。   The present embodiment can be variously modified without departing from the spirit of the invention. First, an example is shown in which a silicon oxide film is used as a film that insulates the fixed electrode and the strain gauge from each other. However, an organic material such as polyimide or silicone resin, or another inorganic material such as a silicon nitride film may be used. . Moreover, although the example which uses aluminum as a material which comprises a fixed electrode and wiring was shown, you may use other conductors, such as titanium, copper, and molybdenum, and semiconductors, such as a polycrystalline silicon. Moreover, although the example which forms a flexible spring by processing a silicon substrate was shown, you may comprise a flexible spring with organic materials, such as a polyimide and a silicone resin, and inorganic materials, such as a silicon nitride and a silicon oxide. However, in this case, it is necessary to form wiring for connecting the movable plate 203 to the power source and the driving circuit on the surface or inside of the flexible spring. Moreover, although the example which uses a silicon | silicone as a material of a board | substrate was shown, you may use other semiconductors, such as a compound semiconductor. In addition, although an example in which the strain gauge is configured by the individual impurity diffusion layers 211 to 214 having the same shape has been shown, the impurity diffusion that is not located in the thickness reduction unit 207 is used in an environment where the temperature does not vary. The layers 212 to 214 may be omitted.

[第二実施形態]
本実施形態は、可動部が可動子と弾性部材とからなり、可動子が回転するタイプの静電駆動素子に向けられている。より詳しくは、可動子が反射面を有するとともに所定の角度範囲内で回転し得る光偏向素子に向けられている。図11は、本発明の第二実施形態による光偏向素子を示す斜視図である。図12は、図11に示されたXII−XII線に沿った光偏向素子の断面図である。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the movable portion is composed of a mover and an elastic member, and is directed to an electrostatic drive element of a type in which the mover rotates. More specifically, the movable element has a reflecting surface and is directed to an optical deflection element that can rotate within a predetermined angular range. FIG. 11 is a perspective view showing an optical deflection element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view of the light deflection element taken along line XII-XII shown in FIG.

図11と図12に示されるように、本実施形態による光偏向素子400は、可動電極ユニット400Aと、固定電極ユニット400Bと、これらを間隔を置いて結合しているバンプ412とから構成されている。   As shown in FIGS. 11 and 12, the light deflection element 400 according to the present embodiment is composed of a movable electrode unit 400A, a fixed electrode unit 400B, and a bump 412 that couples them with a space therebetween. Yes.

可動電極ユニット400Aは、少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、可動部を支持している支持枠402とを有し、可動部は、可動子としての可動板403と、可動板403を変位可能に支持している弾性部材とを有し、弾性部材は、可動板403を回転軸415の周りに回転可能に支持しているトーションバー404で構成されている。可動板403と支持枠402とトーションバー404はシリコンから構成されている。可動板403はそれ自体が可動電極を構成している。また可動板403は反射面407を有している。   The movable electrode unit 400A includes a movable part that can be at least partially elastically deformed, and a support frame 402 that supports the movable part. The movable part includes a movable plate 403 as a mover, and a movable plate 403. The elastic member includes a torsion bar 404 that supports the movable plate 403 so as to be rotatable around the rotation shaft 415. The movable plate 403, the support frame 402, and the torsion bar 404 are made of silicon. The movable plate 403 itself constitutes a movable electrode. The movable plate 403 has a reflective surface 407.

固定電極ユニット400Bは、支持基板401と、支持基板401に設けられた二つの固定電極405および406とを有している。支持基板401は、可動板403と固定電極405および406のそれぞれとの間に作用する静電引力に応じて固定電極405の一部が変位するように、固定電極405および406がそれぞれ位置する領域の一部に厚さが低減された厚さ低減部408および409を有している。固定電極405および406は回転軸415に対して対称に設けられている。同様に厚さ低減部408および409も回転軸415に対して対称に設けられている。   The fixed electrode unit 400B includes a support substrate 401 and two fixed electrodes 405 and 406 provided on the support substrate 401. The support substrate 401 is a region where the fixed electrodes 405 and 406 are respectively positioned so that a part of the fixed electrode 405 is displaced according to the electrostatic attractive force acting between the movable plate 403 and each of the fixed electrodes 405 and 406. Are provided with thickness reduction portions 408 and 409 having a reduced thickness. The fixed electrodes 405 and 406 are provided symmetrically with respect to the rotation axis 415. Similarly, the thickness reducing portions 408 and 409 are also provided symmetrically with respect to the rotating shaft 415.

支持基板401は、半導体基板、これに限らないが、例えば単結晶シリコン基板から作製される。厚さ低減部408および409は、例えば、単結晶シリコンの薄い膜で構成される。以下では厚さ低減部408および409はシリコン膜状部とも呼ぶことにする。支持基板401と固定電極405および406の間にはこれらを絶縁する酸化シリコン膜433が設けられている。   The support substrate 401 is manufactured from a semiconductor substrate, for example, but not limited to, a single crystal silicon substrate. The thickness reduction units 408 and 409 are made of a thin film of single crystal silicon, for example. In the following, the thickness reduction portions 408 and 409 are also referred to as silicon film portions. A silicon oxide film 433 is provided between the support substrate 401 and the fixed electrodes 405 and 406 to insulate them.

固定電極ユニット400Bはさらに、それぞれ、厚さ低減部408および409に位置する固定電極405および406の部分の変位量を検出する変位量検出素子430および431を有している。変位量検出素子430および431は、それぞれ、固定電極405および406の一部と、酸化シリコン膜433と、シリコン膜状部408および409と、歪みゲージ410および411とから構成されている。歪みゲージ410および411は、それぞれ、酸化シリコン膜433を介して固定電極405および406に設けられており、その一部は厚さ低減部408および409に位置している。歪みゲージ410および411は共に支持基板401内に形成されており、シリコン膜状部408および409とは異なる導電型をしている。   The fixed electrode unit 400B further includes displacement amount detection elements 430 and 431 that detect displacement amounts of the portions of the fixed electrodes 405 and 406 located in the thickness reduction units 408 and 409, respectively. The displacement amount detection elements 430 and 431 are each composed of a part of fixed electrodes 405 and 406, a silicon oxide film 433, silicon film-like portions 408 and 409, and strain gauges 410 and 411, respectively. The strain gauges 410 and 411 are provided on the fixed electrodes 405 and 406 via the silicon oxide film 433, respectively, and some of them are located in the thickness reduction portions 408 and 409. The strain gauges 410 and 411 are both formed in the support substrate 401 and have a different conductivity type from the silicon film portions 408 and 409.

歪みゲージ410および411は、第一実施形態と同様に、同一形状の四個の不純物拡散層を有しており、それらのうちの一個の不純物拡散層は部分的に厚さ低減部408および409に位置し、ほかの三個の不純物拡散層は厚さ低減部408および409の外に位置している。さらにこれらの四個の不純物拡散層は図4に示されるブリッジ回路を構成している。   Similar to the first embodiment, the strain gauges 410 and 411 have four impurity diffusion layers having the same shape, and one of the impurity diffusion layers is partially reduced in thickness reduction portions 408 and 409. The other three impurity diffusion layers are located outside the thickness reduction portions 408 and 409. Further, these four impurity diffusion layers constitute a bridge circuit shown in FIG.

図12に示されるように、支持枠402と支持基板401は、金やはんだなどからなるバンプ412によって互いに固定されており、支持基板401は可動板403から間隔を置いて位置している。支持基板401は表面に配線414を有し、支持枠402は表面に配線413を有し、支持基板401の配線414と支持枠402の配線413はバンプ412によって電気的に接続されている。配線413は可動板403と電気的に接続されており、配線414は電源や駆動回路(図示せず)と電気的に接続される。図12には示されていないが、支持基板401の表面には、配線414のほかに、固定電極405および406や変位量検出素子430および431を電源や駆動回路に接続するための配線が形成されている。   As shown in FIG. 12, the support frame 402 and the support substrate 401 are fixed to each other by bumps 412 made of gold, solder, or the like, and the support substrate 401 is located at a distance from the movable plate 403. The support substrate 401 has wiring 414 on the surface, the support frame 402 has wiring 413 on the surface, and the wiring 414 on the support substrate 401 and the wiring 413 on the support frame 402 are electrically connected by bumps 412. The wiring 413 is electrically connected to the movable plate 403, and the wiring 414 is electrically connected to a power source and a driving circuit (not shown). Although not shown in FIG. 12, in addition to the wiring 414, wiring for connecting the fixed electrodes 405 and 406 and the displacement detection elements 430 and 431 to the power source and the driving circuit is formed on the surface of the support substrate 401. Has been.

本実施形態の光偏向素子400の作製方法は、第一実施形態の直動型静電駆動素子200と同様であるので、ここでは説明を省略する。   Since the manufacturing method of the light deflection element 400 of this embodiment is the same as that of the direct acting electrostatic drive element 200 of the first embodiment, description thereof is omitted here.

次に光偏向素子400の作用について説明する。   Next, the operation of the light deflection element 400 will be described.

図11と図12において、可動板403を配線413とバンプ412と配線414とを介して接地し、固定電極406を接地した状態で、固定電極405に電圧を印加すると、可動板403と固定電極405の間に静電引力が発生する。これにより、図13に示されるように、可動板403が二つのトーションバー404を結ぶ回転軸415の周りに回転して、静電引力がトーションバー404の弾性反発力と釣り合う位置で可動板403が静止する。このとき、可動板403の表面に形成された反射面407も同時に回転する。また可動板403の回転角は固定電極405に印加する電圧に依存している。このため、固定電極405に印加する電圧を制御することにより、反射面407に入射する光を所望の方向に向けて反射させることが可能となる。   11 and 12, when the movable plate 403 is grounded via the wiring 413, the bump 412 and the wiring 414, and the fixed electrode 405 is grounded, a voltage is applied to the fixed electrode 405. An electrostatic attractive force is generated during 405. As a result, as shown in FIG. 13, the movable plate 403 rotates around the rotation shaft 415 connecting the two torsion bars 404, and the movable plate 403 is positioned at a position where the electrostatic attractive force balances with the elastic repulsion force of the torsion bar 404. Is stationary. At this time, the reflecting surface 407 formed on the surface of the movable plate 403 also rotates at the same time. The rotation angle of the movable plate 403 depends on the voltage applied to the fixed electrode 405. For this reason, by controlling the voltage applied to the fixed electrode 405, it is possible to reflect the light incident on the reflecting surface 407 in a desired direction.

可動板403を回転させる際には、第一実施形態と同様に変位量検出素子430を構成する固定電極405やシリコン膜状部408が静電引力によって変形するので、この変形量を歪みゲージ410によって検出することにより、シリコン膜状部408と可動板403の間隔、言い換えると可動板403の回転角を知ることができる。可動板の回転角Θは、可動板403の回転角が小さい範囲では、次式で表される。

Figure 2006215478
When rotating the movable plate 403, the fixed electrode 405 and the silicon film portion 408 constituting the displacement amount detection element 430 are deformed by electrostatic attraction as in the first embodiment. By detecting by this, the interval between the silicon film portion 408 and the movable plate 403, in other words, the rotation angle of the movable plate 403 can be known. The rotation angle Θ of the movable plate is expressed by the following expression in the range where the rotation angle of the movable plate 403 is small.
Figure 2006215478

ここでkはシリコン膜状部408と酸化シリコン膜433と固定電極405を合わせた実効的な弾性定数、δHは図4に示されるブリッジ回路における端子221と端子223間に発生する電圧Hの変化量、Vは図4に示されるブリッジ回路における端子222と端子224の間に接続されている直流電源の電圧、gはシリコン膜状部408に形成されている歪みゲージ410のゲージ率、Lは歪みゲージを構成する不純物拡散層のうち厚さ低減部408に位置している部分の長さ、Sはシリコン膜状部408の面積、Xは可動板403の回転軸を通る平面が支持基板401と垂直に交わる交線420からシリコン膜状部408の中央部までの距離、Xは非駆動時の可動板403と固定電極405の間隔、Vは固定電極405に印加されている電圧である。またβは、シリコン膜状部408の変形量に対して厚さ低減部408に位置している不純物拡散層がどの程度変形するかを表す定数である。 Here, k is an effective elastic constant combining the silicon film portion 408, the silicon oxide film 433, and the fixed electrode 405, and δH is a change in the voltage H generated between the terminal 221 and the terminal 223 in the bridge circuit shown in FIG. 4, V s is the voltage of the DC power source connected between the terminal 222 and the terminal 224 in the bridge circuit shown in FIG. 4, g is the gauge factor of the strain gauge 410 formed in the silicon film portion 408, L Is the length of the portion of the impurity diffusion layer constituting the strain gauge located at the thickness reducing portion 408, S is the area of the silicon film-like portion 408, and X is a plane passing through the rotation axis of the movable plate 403. A distance from an intersection line 420 perpendicular to 401 to the center of the silicon film portion 408, X 0 is a distance between the movable plate 403 and the fixed electrode 405 when not driven, and V is applied to the fixed electrode 405. Voltage. Β is a constant representing how much the impurity diffusion layer located in the thickness reducing portion 408 is deformed with respect to the deformation amount of the silicon film-like portion 408.

すなわち、歪みゲージの出力電圧の変化量δHと固定電極405に印加されている電圧Vをモニターすることにより、式(6)によって可動板403の回転角Θが計算される。この回転角Θの値を使用して、固定電極405に印加する電圧をフィードバック制御することにより、可動板403の回転角を正確に制御することができる。   That is, by monitoring the change amount δH of the output voltage of the strain gauge and the voltage V applied to the fixed electrode 405, the rotation angle Θ of the movable plate 403 is calculated by Equation (6). By using the value of the rotation angle Θ to feedback control the voltage applied to the fixed electrode 405, the rotation angle of the movable plate 403 can be accurately controlled.

なお、可動板403を図13とは反対の方向に回転させる場合は、可動板403を接地した状態で、固定電極405を接地して、固定電極406に電圧を印加して可動板403を回転させ、可動板403と固定電極406間に作用する静電引力を変位量検出素子431を使用して上述の方法によって検出すればよい。   When rotating the movable plate 403 in the direction opposite to that in FIG. 13, the movable plate 403 is grounded, the fixed electrode 405 is grounded, and a voltage is applied to the fixed electrode 406 to rotate the movable plate 403. The electrostatic attractive force acting between the movable plate 403 and the fixed electrode 406 may be detected by the above-described method using the displacement amount detection element 431.

本実施形態においても、歪みゲージがSiで構成されるため、式(6)中のgの値は非常に大きい値になり、シリコン膜状部408および409の微小な変形を高感度に検出することが可能である。従って、可動板403の回転角の僅かな変化を高感度に検出することが可能となる。また、式(6)に示されるように、歪みゲージの出力電圧は可動板403の回転角を直接反映するため、信頼性の高い角度検出が可能である。さらに歪みゲージは酸化シリコン膜433によって固定電極405および406から絶縁されているため、固定電極に印加される高電圧が、変位量検出素子の感度に悪影響を及ぼさない。   Also in this embodiment, since the strain gauge is made of Si, the value of g in the equation (6) becomes a very large value, and minute deformations of the silicon film portions 408 and 409 are detected with high sensitivity. It is possible. Therefore, a slight change in the rotation angle of the movable plate 403 can be detected with high sensitivity. Further, as shown in the equation (6), since the output voltage of the strain gauge directly reflects the rotation angle of the movable plate 403, highly reliable angle detection is possible. Further, since the strain gauge is insulated from the fixed electrodes 405 and 406 by the silicon oxide film 433, the high voltage applied to the fixed electrode does not adversely affect the sensitivity of the displacement amount detection element.

以上の説明は、静電引力を作用させた際にシリコン膜状部408および409の変形量が可動板403の変位量に対して無視できる程度に小さいことを前提にしているため、シリコン膜状部408および409と酸化シリコン膜433と固定電極405および406の厚さやシリコン膜状部408および409の面積、言い換えると弾性定数kの値は、この前提条件が維持される範囲でなるべく小さい値に設計する必要がある。   The above explanation is based on the premise that the deformation amount of the silicon film portions 408 and 409 is negligibly small with respect to the displacement amount of the movable plate 403 when an electrostatic attractive force is applied. The thickness of the portions 408 and 409, the silicon oxide film 433, the fixed electrodes 405 and 406, the area of the silicon film-like portions 408 and 409, in other words, the value of the elastic constant k is as small as possible within the range in which this precondition is maintained. Need to design.

本実施形態においては、可動板と固定電極間に作用する静電引力による固定電極の変位量から可動板の角度つまり位置検出を行なうため、従来の方法に比べて、高精度で、高信頼性のある可動板の位置検出が可能となる。また、固定電極の変位量測定には、変位量検出膜と歪み検出感度の非常に高いSiからなる歪みゲージを用いるため、高感度の位置検出が可能となる。さらに、新たな変位量検出膜を形成することもなく、歪みゲージはSi基板への不純物拡散だけで形成されるため、変位量検出素子すなわち可動板の位置検出手段を簡単な構成により容易に作製できる。また、変位量検出素子を固定電極部分に形成するため、歪みゲージの設計にあたっては大きさなどの制約はなく、弾性部材に形成した従来の場合に比べて自由度が増す。   In the present embodiment, the angle of the movable plate, that is, the position is detected from the displacement amount of the fixed electrode due to the electrostatic attraction acting between the movable plate and the fixed electrode. Therefore, the accuracy and reliability are higher than those of the conventional method. It is possible to detect the position of a movable plate having a gap. In addition, since the displacement amount of the fixed electrode is measured using a displacement amount detection film and a strain gauge made of Si having a very high strain detection sensitivity, highly sensitive position detection is possible. Furthermore, since a strain gauge is formed only by impurity diffusion to the Si substrate without forming a new displacement detection film, the displacement detection element, that is, the position detection means of the movable plate can be easily manufactured with a simple configuration. it can. In addition, since the displacement detection element is formed in the fixed electrode portion, there is no restriction on the size or the like in designing the strain gauge, and the degree of freedom is increased as compared with the conventional case formed on the elastic member.

なお、本実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形が可能である。まず、固定電極と歪みゲージを互いに絶縁する膜として酸化シリコン膜を使用する例を示したが、ポリイミドやシリコーン樹脂などの有機材料や、窒化シリコン膜などのほかの無機材料を使用してもよい。また固定電極や配線を構成する材料としてアルミニウムを使用する例を示したが、チタンや銅やモリブデンなどのほかの導電体や、多結晶シリコンなどの半導体を使用してもよい。またシリコン基板を加工することによりトーションバーを形成する例を示したが、ポリイミドやシリコーン樹脂などの有機材料や、窒化シリコンや酸化シリコンなどの無機材料によってトーションバーを構成してもよい。ただしこの場合には、可動板403を電源や駆動回路に接続するための配線をトーションバーの表面または内部に形成する必要がある。また基板の材料にシリコンを使用する例を示したが、化合物半導体などのほかの半導体を使用してもよい。また説明を簡単にするために、可動板403の回転角を計算する数式として、可動板の回転角が小さい場合にだけ適用可能な近似式である式(6)を例にあげて説明したが、可動板の回転角が大きい場合においては、式(6)をより厳密な式に変更してもよい。また、歪みゲージが同一形状の4個の不純物拡散層から構成される例を示したが、温度の変動しない環境下で使用する場合等においては、厚さ低減部408および409に位置しない不純物拡散層は省略しても良い。   The present embodiment can be variously modified without departing from the spirit of the invention. First, an example is shown in which a silicon oxide film is used as a film that insulates the fixed electrode and the strain gauge from each other. However, an organic material such as polyimide or silicone resin, or another inorganic material such as a silicon nitride film may be used. . Moreover, although the example which uses aluminum as a material which comprises a fixed electrode and wiring was shown, you may use other conductors, such as titanium, copper, and molybdenum, and semiconductors, such as a polycrystalline silicon. Moreover, although the example which forms a torsion bar by processing a silicon substrate was shown, you may comprise a torsion bar with organic materials, such as a polyimide and a silicone resin, and inorganic materials, such as a silicon nitride and a silicon oxide. However, in this case, it is necessary to form wiring for connecting the movable plate 403 to the power source and the drive circuit on the surface or inside of the torsion bar. Moreover, although the example which uses a silicon | silicone as a material of a board | substrate was shown, you may use other semiconductors, such as a compound semiconductor. Further, for the sake of simplicity of explanation, the formula (6), which is an approximation formula that can be applied only when the rotation angle of the movable plate is small, has been described as an example of the formula for calculating the rotation angle of the movable plate 403. When the rotation angle of the movable plate is large, the expression (6) may be changed to a more strict expression. In addition, although an example in which the strain gauge is composed of four impurity diffusion layers having the same shape has been shown, impurity diffusion not located in the thickness reduction portions 408 and 409 is used in an environment where the temperature does not vary. The layer may be omitted.

[第三実施形態]
本実施形態は、可動部が弾性変形膜からなり、可動部それ自体が変形し得るタイプの静電駆動素子に向けられている。より詳しくは、可動部が反射面を有するとともに変形し得る可変形状ミラーに向けられている。図14は、本発明の第三実施形態による可変形状ミラーを示す斜視図である。図15は、図14に示されたXV−XV線に沿った可変形状ミラーの断面図である。
[Third embodiment]
The present embodiment is directed to an electrostatic drive element of a type in which the movable part is made of an elastically deformable film and the movable part itself can be deformed. More specifically, the movable part is directed to a deformable mirror having a reflecting surface and deformable. FIG. 14 is a perspective view showing a deformable mirror according to the third embodiment of the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view of the deformable mirror taken along line XV-XV shown in FIG.

図14と図15に示されるように、本実施形態による可変形状ミラー500は、ミラーユニット500Aと、固定電極ユニット500Bと、これらを間隔を置いて結合しているスペーサー504とから構成されている。   As shown in FIGS. 14 and 15, the deformable mirror 500 according to the present embodiment includes a mirror unit 500 </ b> A, a fixed electrode unit 500 </ b> B, and a spacer 504 that couples them with a space therebetween. .

ミラーユニット500Aは、少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、可動部を支持している支持枠502とを有し、可動部は、可動電極を備えた弾性変形膜503で構成されている。また弾性変形膜503の可動電極は反射面を兼ねている。弾性変形膜503は、例えば、ポリイミド膜などの樹脂膜とアルミニウムなどの金属膜との積層膜で構成されている。   The mirror unit 500A has a movable part that can be elastically deformed at least in part, and a support frame 502 that supports the movable part, and the movable part includes an elastic deformation film 503 provided with a movable electrode. . The movable electrode of the elastic deformation film 503 also serves as a reflection surface. The elastic deformation film 503 is composed of, for example, a laminated film of a resin film such as a polyimide film and a metal film such as aluminum.

固定電極ユニット500Bは、支持基板501と、支持基板501に設けられた複数の固定電極505とを有している。固定電極505は、円形電極と、円形電極の周囲に同中心で位置する輪帯状電極とから構成されている。支持基板501は、固定電極505と弾性変形膜503の間に作用する静電引力に応じて固定電極505の一部が変位するように、各固定電極505が位置する領域の一部に厚さが低減された厚さ低減部506を有している。   The fixed electrode unit 500 </ b> B includes a support substrate 501 and a plurality of fixed electrodes 505 provided on the support substrate 501. The fixed electrode 505 includes a circular electrode and a ring-shaped electrode positioned at the same center around the circular electrode. The support substrate 501 has a thickness in a part of a region where each fixed electrode 505 is positioned so that a part of the fixed electrode 505 is displaced according to an electrostatic attractive force acting between the fixed electrode 505 and the elastic deformation film 503. Has a reduced thickness reducing portion 506.

支持基板501は厚さ低減部506では支持基板501の構成材料が除去されている。つまり支持基板501は厚さ低減部506において貫通穴を有している。言い換えれば厚さ低減部506は厚さがなく、支持基板501に形成された貫通穴で構成されている。以下では厚さ低減部506は貫通穴とも呼ぶことにする。   In the support substrate 501, the constituent material of the support substrate 501 is removed in the thickness reduction unit 506. That is, the support substrate 501 has a through hole in the thickness reduction portion 506. In other words, the thickness reducing unit 506 has no thickness and is configured by a through hole formed in the support substrate 501. Hereinafter, the thickness reducing portion 506 is also referred to as a through hole.

図16は、図15に示された厚さ低減部すなわち貫通穴の周辺部分を拡大して示している。図16に示されるように、固定電極ユニット500Bはさらに、厚さ低減部506に位置する固定電極505の部分の変位量を検出する変位量検出素子530を有している。変位量検出素子530は、固定電極505の一部と、固定電極505上に設けられた絶縁膜としてのポリイミド膜507と、ポリイミド膜507上に設けられた歪みゲージ508とから構成される。つまり、ポリイミド膜507と歪みゲージ508は固定電極505を基準にして支持基板501の反対側に位置している。歪みゲージ508は、多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングしてゲージ抵抗体を形成することにより作製される。   FIG. 16 shows an enlarged view of the thickness reduction portion shown in FIG. 15, that is, the peripheral portion of the through hole. As shown in FIG. 16, the fixed electrode unit 500 </ b> B further includes a displacement amount detection element 530 that detects a displacement amount of a portion of the fixed electrode 505 located in the thickness reduction unit 506. The displacement amount detection element 530 includes a part of the fixed electrode 505, a polyimide film 507 as an insulating film provided on the fixed electrode 505, and a strain gauge 508 provided on the polyimide film 507. That is, the polyimide film 507 and the strain gauge 508 are located on the opposite side of the support substrate 501 with respect to the fixed electrode 505. The strain gauge 508 is produced by patterning a polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form a gauge resistor.

歪みゲージ508は、同一形状の四個のゲージ抵抗体を有しており、それらのうちの一個のゲージ抵抗体は部分的に厚さ低減部506に位置し、ほかの三個のゲージ抵抗体は厚さ低減部506の外に位置している。四個のゲージ抵抗体は配線509によって互いに接続されており、第一実施形態と第二実施形態における図4に示される歪みゲージと同様にブリッジ回路を構成している。   The strain gauge 508 has four gauge resistors having the same shape, and one of the gauge resistors is partially located in the thickness reducing portion 506, and the other three gauge resistors. Is located outside the thickness reducing portion 506. The four gauge resistors are connected to each other by a wiring 509, and constitute a bridge circuit in the same manner as the strain gauge shown in FIG. 4 in the first embodiment and the second embodiment.

図16には示されていないが、支持基板501の表面には、配線509のほかに、固定電極505や変位量検出素子530を電源や駆動回路に接続するための配線が形成されている。また支持枠502の表面には、弾性変形膜503を電源や駆動回路に接続するための配線が形成されている。   Although not shown in FIG. 16, in addition to the wiring 509, wiring for connecting the fixed electrode 505 and the displacement detection element 530 to a power source and a driving circuit is formed on the surface of the support substrate 501. In addition, wiring for connecting the elastic deformation film 503 to a power source and a driving circuit is formed on the surface of the support frame 502.

次に可変形状ミラー500の作用について説明する。   Next, the operation of the deformable mirror 500 will be described.

図14〜図16において、弾性変形膜503の可動電極を接地した状態で、固定電極505に電圧を印加すると、弾性変形膜503と固定電極505の間に静電引力が発生すること。これにより、弾性変形膜503が、その弾性反発力が静電引力と釣り合う位置まで変形する。複数個の固定電極505の各々に印加する電圧を個別に制御することにより、弾性変形膜503の形状を様々な形状に変化させることができる。このとき、固定電極505にも静電引力が作用するため、固定電極505のうち厚さ低減部すなわち貫通穴506に位置する部分が弾性変形膜503の方向に変形する。この固定電極505の変形量を歪みゲージ508によって検出することにより、第一実施形態と同様に、各固定電極505とこれに対向する弾性変形膜503の部分との間隔、言い換えると弾性変形膜503の形状をリアルタイムにモニターすることができる。このようにして得られた弾性変形膜503の形状と所望の弾性変形膜形状との差分を計算して、その値が小さくなるように各々の固定電極505に印加される電圧を変化させることにより、弾性変形膜503およびその一部によって構成される反射面の形状を正確に制御することができる。   14 to 16, when a voltage is applied to the fixed electrode 505 with the movable electrode of the elastic deformation film 503 grounded, an electrostatic attractive force is generated between the elastic deformation film 503 and the fixed electrode 505. Thereby, the elastic deformation film 503 is deformed to a position where the elastic repulsion force is balanced with the electrostatic attractive force. By individually controlling the voltage applied to each of the plurality of fixed electrodes 505, the shape of the elastic deformation film 503 can be changed to various shapes. At this time, since electrostatic attraction also acts on the fixed electrode 505, a portion of the fixed electrode 505 positioned at the thickness reducing portion, that is, the through hole 506 is deformed in the direction of the elastic deformation film 503. By detecting the deformation amount of the fixed electrode 505 by the strain gauge 508, the distance between each fixed electrode 505 and the portion of the elastic deformation film 503 opposite to the fixed electrode 505, in other words, the elastic deformation film 503 is detected as in the first embodiment. Can be monitored in real time. By calculating the difference between the shape of the elastic deformation membrane 503 thus obtained and the desired elastic deformation membrane shape, and changing the voltage applied to each fixed electrode 505 so that the value becomes smaller The shape of the reflecting surface constituted by the elastic deformation film 503 and a part thereof can be accurately controlled.

本実施形態においても、第一実施形態と第二実施形態と同様に、歪みゲージの出力電圧は弾性変形膜503の形状を直接反映するため、信頼性の高い反射面形状の検出が可能である。さらに歪みゲージはポリイミド膜507によって固定電極505から絶縁されているため、固定電極505に印加される高電圧が変位量検出素子530の感度に悪影響を及ぼさない。また後述するように、支持基板501は高価なSOI基板でなく通常のシリコン基板から作製されるため、製造コストが低減される。   Also in this embodiment, as in the first embodiment and the second embodiment, since the output voltage of the strain gauge directly reflects the shape of the elastic deformation film 503, it is possible to detect the shape of the reflecting surface with high reliability. . Further, since the strain gauge is insulated from the fixed electrode 505 by the polyimide film 507, the high voltage applied to the fixed electrode 505 does not adversely affect the sensitivity of the displacement detection element 530. Further, as will be described later, since the support substrate 501 is manufactured from a normal silicon substrate instead of an expensive SOI substrate, the manufacturing cost is reduced.

なお、以上の説明は、静電引力を作用させた際に固定電極505の変形量が弾性変形膜503の変形量に対して無視できる程度に小さいことを前提にしているため、固定電極505やポリイミド膜507の厚さや貫通穴506の底面の面積、言い換えると弾性定数kの値は、この前提条件が維持される範囲でなるべく小さい値に設計する必要がある。   The above explanation is based on the premise that the deformation amount of the fixed electrode 505 is negligibly small with respect to the deformation amount of the elastic deformation film 503 when an electrostatic attractive force is applied. The thickness of the polyimide film 507 and the area of the bottom surface of the through hole 506, in other words, the value of the elastic constant k must be designed to be as small as possible within the range in which this precondition is maintained.

次に可変形状ミラー500の作製方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the deformable mirror 500 will be described.

可変形状ミラー500は、図14と図15に示される、支持枠502と弾性変形膜503などを備えるミラーユニット500Aと、支持基板501と固定電極505と変位量検出素子530などを備える固定電極ユニット500Bを別々に作製した後、ミラーユニット500Aと固定電極ユニット500Bをスペーサー504によって接続することにより完成される。   The deformable mirror 500 includes a mirror unit 500A including a support frame 502 and an elastic deformation film 503, a fixed electrode unit including a support substrate 501, a fixed electrode 505, a displacement amount detection element 530, and the like shown in FIGS. After 500B is manufactured separately, the mirror unit 500A and the fixed electrode unit 500B are connected by the spacer 504.

以下、ミラーユニット500Aと固定電極ユニット500Bの作製方法を説明する。   Hereinafter, a manufacturing method of the mirror unit 500A and the fixed electrode unit 500B will be described.

ミラーユニット500Aは図17〜図18に示される方法により作製される。   The mirror unit 500A is manufactured by the method shown in FIGS.

まず図17に示されるように、シリコン基板601のおもて面とうら面に熱酸化膜605を形成した後、シリコン基板601のうら面の熱酸化膜の一部をエッチングすることによりマスク602を形成する。さらにシリコン基板601のおもて面にポリイミド膜603とアルミニウム膜604を形成する。アルミニウム膜604は、可動電極のほかに反射面としても使用されるため、真空蒸着法などの手法により反射率の高い膜に形成されることが望ましい。また図17には示されていないが、アルミニウム膜604を一部加工するか、アルミニウム膜604をシャドウマスクを介して成膜することにより、可動電極としてのアルミニウム膜604を電源や駆動回路に接続するための配線を、この工程で同時に形成する。   First, as shown in FIG. 17, a thermal oxide film 605 is formed on the front surface and the back surface of the silicon substrate 601, and then a part of the thermal oxide film on the back surface of the silicon substrate 601 is etched to form a mask 602. Form. Further, a polyimide film 603 and an aluminum film 604 are formed on the front surface of the silicon substrate 601. Since the aluminum film 604 is used as a reflective surface in addition to the movable electrode, it is desirable that the aluminum film 604 be formed into a highly reflective film by a technique such as vacuum deposition. Although not shown in FIG. 17, the aluminum film 604 as a movable electrode is connected to a power source or a driving circuit by partially processing the aluminum film 604 or forming the aluminum film 604 through a shadow mask. Wiring for this purpose is formed simultaneously in this step.

次に図18に示されるように、シリコン基板601のうちマスク602に被覆されていない部分をエッチングし、さらに露出した熱酸化膜605及びマスク602を除去することにより、支持枠618を形成する。このようにしてミラーユニット500Aが完成する。   Next, as shown in FIG. 18, a portion of the silicon substrate 601 that is not covered with the mask 602 is etched, and the exposed thermal oxide film 605 and the mask 602 are removed to form a support frame 618. In this way, the mirror unit 500A is completed.

一方、固定電極ユニット500Bは図19〜図21に示される方法により作成される。   On the other hand, the fixed electrode unit 500B is produced by the method shown in FIGS.

まず図19に示されるように、シリコン基板610のおもて面とうら面に熱酸化膜611を形成した後、シリコン基板610のうら面の熱酸化膜の一部をエッチングすることによりマスク612を形成する。さらにシリコン基板610のおもて面の熱酸化膜の上に導電膜を形成してこれをパターニングすることにより固定電極613を形成した後、さらにそれらの表面にポリイミド膜614を形成する。   First, as shown in FIG. 19, a thermal oxide film 611 is formed on the front surface and the back surface of the silicon substrate 610, and then a part of the thermal oxide film on the back surface of the silicon substrate 610 is etched to thereby mask 612. Form. Further, a conductive film is formed on the thermal oxide film on the front surface of the silicon substrate 610 and patterned to form a fixed electrode 613, and then a polyimide film 614 is formed on the surface thereof.

次に図20に示されるように、ポリイミド膜614の表面にシリコン膜をP−CVD(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)によって形成した後、これをパターニングすることにより、歪みゲージ615を形成する。さらに導電膜を形成してこれをパターニングすることにより、歪みゲージ615を互いに接続してブリッジを構成するための配線616を形成する。また図20には示されていないが、配線616のほかに、歪みゲージ615や固定電極613を電源や駆動回路(図示せず)に接続する配線も、この工程で同時に形成する。   Next, as shown in FIG. 20, after a silicon film is formed on the surface of the polyimide film 614 by P-CVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition), this is patterned to form a strain gauge 615. Further, a conductive film is formed and patterned to form a wiring 616 for connecting the strain gauges 615 to each other to form a bridge. Although not shown in FIG. 20, in addition to the wiring 616, wiring for connecting the strain gauge 615 and the fixed electrode 613 to a power source and a driving circuit (not shown) is simultaneously formed in this step.

次に、図21に示されるように、シリコン基板610のうちマスク612に被覆されていない部分をエッチングによって除去した後、露出した熱酸化膜611及びマスク612を除去することにより、支持基板617を形成する。このようにして固定電極ユニット500Bが完成する。   Next, as shown in FIG. 21, the portion of the silicon substrate 610 that is not covered with the mask 612 is removed by etching, and then the exposed thermal oxide film 611 and the mask 612 are removed, whereby the support substrate 617 is removed. Form. In this way, the fixed electrode unit 500B is completed.

最後に図18に示されるミラーユニット500Aと図21に示される固定電極ユニット500Bとをダイシングなどの方法によりチップに切り出した後、各ユニット同士をアライメントしてスペーサーを挟んで接着することにより、図14〜図16に示される可変形状ミラー500が完成する。   Finally, after cutting the mirror unit 500A shown in FIG. 18 and the fixed electrode unit 500B shown in FIG. 21 into a chip by a method such as dicing, the units are aligned and bonded with a spacer in between. The deformable mirror 500 shown in FIGS. 14 to 16 is completed.

本実施形態においては、弾性変形膜と固定電極間に作用する静電引力による固定電極の変位量から反射面の形状つまり位置検出を行なうため、従来の方法に比べて、高精度で高信頼性のある弾性変形膜の形状検出が可能となる。また、固定電極の変位量測定には、基板上に新たに成膜した膜をパターニングした歪みゲージを用いるため、非常に簡単な構成により高感度の位置検出が可能となる。また、基板上に新たに形成した膜をパターニングして歪みゲージを形成するため、基板の仕様に関する自由度が高い。さらに、歪みゲージを固定電極部分に形成するため、歪みゲージの設計にあたっては大きさなどの制約はなく、弾性部材に形成した従来の場合に比べて自由度が増す。   In the present embodiment, the shape of the reflecting surface, that is, the position is detected from the displacement amount of the fixed electrode due to the electrostatic attractive force acting between the elastically deformable membrane and the fixed electrode, so that the accuracy and reliability are higher than in the conventional method. It is possible to detect the shape of the elastically deformable membrane. Further, since a strain gauge obtained by patterning a newly formed film on the substrate is used for measuring the displacement amount of the fixed electrode, highly sensitive position detection is possible with a very simple configuration. In addition, since a strain gauge is formed by patterning a newly formed film on the substrate, the degree of freedom regarding the specifications of the substrate is high. Further, since the strain gauge is formed in the fixed electrode portion, there is no restriction on the size or the like in designing the strain gauge, and the degree of freedom is increased as compared with the conventional case formed on the elastic member.

なお、本実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形が可能である。まず、固定電極と歪みゲージを絶縁する膜としてポリイミド膜を使用する例を示したが、シリコーン樹脂などのほかの樹脂を使用してもよく、また酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの無機絶縁膜を使用してもよい。また歪みゲージの材料に多結晶シリコン膜を使用する例を示したが、変形によって抵抗値の変化する物質であれば、アモルファスシリコン膜などのほかの形態のシリコン膜や、チタンなどの金属膜を使用してもよい。また弾性変形膜がポリイミド膜とアルミニウム膜によって構成される例を示したが、ポリイミドの代わりにシリコーン樹脂などのほかの有機材料や、酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機材料や、シリコンなどの半導体材料を使用してもよく、またアルミニウム膜の代わりに金や白金などほかの金属膜を使用してもよく、また弾性変形膜を、これらの金属膜または半導体膜だけによって構成してもよい。また、図18に示す工程の後で、ポリイミド膜603のうち、アルミニウム膜604が形成されていない面に、アルミニウムや金等から構成される金属薄膜を反射膜として形成しても良い。この場合、入射光がポリイミド膜を通さずに直接反射膜に入射するため、反射率の向上が容易になる。また固定電極が同心円状に配置された例を示したが、これに限らず固定電極がいかなる配置であってもよい。また変位量検出素子が、固定電極と、その表面に絶縁膜を介して形成される歪みゲージとから構成される例を示したが、第一実施形態や第二実施形態と同様に、可動電極と、その下層に絶縁膜を介して形成されたシリコン膜と、その内部に形成された歪みゲージとによって構成されてもよく、また逆に、第一実施形態や第二実施形態に、本実施形態で使用した変位量検出素子を使用してもよい。また、歪みゲージが同一形状の4個のゲージ抵抗体から構成される例を示したが、温度の変動しない環境下で使用する場合等においては、厚さ低減部506に位置しないゲージ抵抗体は省略しても良い。   The present embodiment can be variously modified without departing from the spirit of the invention. First, an example in which a polyimide film is used as a film for insulating a fixed electrode and a strain gauge is shown, but other resins such as a silicone resin may be used, and an inorganic insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film may be used. May be used. In addition, an example of using a polycrystalline silicon film as a strain gauge material has been shown. However, if the substance has a resistance value that changes due to deformation, a silicon film of another form such as an amorphous silicon film or a metal film such as titanium may be used. May be used. In addition, an example is shown in which the elastic deformation film is composed of a polyimide film and an aluminum film, but instead of polyimide, other organic materials such as silicone resin, inorganic materials such as silicon oxide and silicon nitride, and semiconductor materials such as silicon In addition, other metal films such as gold and platinum may be used in place of the aluminum film, and the elastic deformation film may be constituted only by these metal films or semiconductor films. Further, after the step shown in FIG. 18, a metal thin film made of aluminum, gold, or the like may be formed as a reflective film on the surface of the polyimide film 603 where the aluminum film 604 is not formed. In this case, since the incident light is directly incident on the reflective film without passing through the polyimide film, the reflectance can be easily improved. Moreover, although the example in which the fixed electrodes are arranged concentrically has been shown, the arrangement is not limited to this, and the fixed electrodes may be arranged in any manner. Moreover, although the displacement amount detection element showed the example comprised from a fixed electrode and the strain gauge formed in the surface through an insulating film, the movable electrode was shown like 1st embodiment and 2nd embodiment. And a silicon film formed thereunder via an insulating film, and a strain gauge formed therein, and conversely, in the first embodiment and the second embodiment, the present embodiment The displacement detection element used in the form may be used. In addition, although an example in which the strain gauge is composed of four gauge resistors having the same shape has been shown, in the case where the strain gauge is used in an environment where the temperature does not vary, the gauge resistor that is not located in the thickness reduction unit 506 is May be omitted.

また支持基板としてシリコンを使用する例を示したが、ガラスや樹脂などのほかの材料から構成される基板を使用してもよい。 Moreover, although the example which uses silicon | silicone as a support substrate was shown, you may use the board | substrate comprised from other materials, such as glass and resin.

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good.

本発明の第一実施形態による直動型静電駆動素子を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a direct acting electrostatic drive element according to a first embodiment of the present invention. 図1に示されたII−II線に沿った直動型静電駆動素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a direct acting electrostatic drive element taken along line II-II shown in FIG. 1. 図2に示された厚さ低減部すなわちシリコン膜状部の周辺部分を拡大して示している。FIG. 3 shows an enlarged view of the thickness reduction portion shown in FIG. 2, that is, the peripheral portion of the silicon film-like portion. 図3に示された歪みゲージを模式的に示す平面図である。FIG. 4 is a plan view schematically showing the strain gauge shown in FIG. 3. 図1と図2に示された可動電極ユニットの作製方法における最初の工程を示している。3 shows a first step in the method of manufacturing the movable electrode unit shown in FIGS. 可動電極ユニットの作製方法における図5の工程に続く工程を示している。6 shows a step that follows the step of FIG. 5 in the method for manufacturing the movable electrode unit. 可動電極ユニットの作製方法における図6の工程に続く工程を示している。The process following the process of FIG. 6 in the manufacturing method of a movable electrode unit is shown. 図1〜図3に示された固定電極ユニットの作製方法における最初の工程を示している。The first process in the manufacturing method of the fixed electrode unit shown in FIGS. 1 to 3 is shown. 固定電極ユニットの作製方法における図8の工程に続く工程を示している。9 shows a step that follows the step of FIG. 8 in the method for manufacturing the fixed electrode unit. 固定電極ユニットの作製方法における図9の工程に続く工程を示している。10 shows a step that follows the step of FIG. 9 in the method of manufacturing the fixed electrode unit. 本発明の第二実施形態による光偏向素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the optical deflection | deviation element by 2nd embodiment of this invention. 図11に示されたXII−XII線に沿った光偏向素子の断面図である。It is sectional drawing of the optical deflection | deviation element along the XII-XII line | wire shown by FIG. 図12において、可動板が一定角度回転した様子を示している。FIG. 12 shows a state where the movable plate is rotated by a certain angle. 本発明の第三実施形態による可変形状ミラーを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the deformable mirror by 3rd embodiment of this invention. 図14に示されたXV−XV線に沿った可変形状ミラーの断面図である。It is sectional drawing of the deformable mirror along the XV-XV line | wire shown by FIG. 図15に示された厚さ低減部すなわち貫通穴の周辺部分を拡大して示している。The thickness reduction part shown by FIG. 15, ie, the peripheral part of a through-hole, is expanded and shown. 図14と図15に示されたミラーユニットの作製方法における最初の工程を示している。FIG. 16 shows a first step in the method of manufacturing the mirror unit shown in FIGS. 14 and 15. ミラーユニットの作製方法における図17の工程に続く工程を示している。18 shows a step that follows the step of FIG. 17 in the method of manufacturing the mirror unit. 図14〜図16に示された固定電極ユニットの作製方法における最初の工程を示している。FIG. 17 shows a first step in the method of manufacturing the fixed electrode unit shown in FIGS. 固定電極ユニットの作製方法における図19の工程に続く工程を示している。20 shows a step that follows the step of FIG. 19 in the method of manufacturing the fixed electrode unit. 固定電極ユニットの作製方法における図20の工程に続く工程を示している。21 shows a step that follows the step of FIG. 20 in the method for manufacturing the fixed electrode unit. 固定電極と可動電極の間の静電容量に基づいて可動子の位置を検出するための構成を模式的に示している。The structure for detecting the position of a needle | mover based on the electrostatic capacitance between a fixed electrode and a movable electrode is shown typically. 弾性部材の変形量に基づいて可動子の位置を検出するための構成を模式的に示している。The structure for detecting the position of a needle | mover based on the deformation amount of an elastic member is shown typically. 図23に示された弾性部材の周辺部分の平面図である。It is a top view of the peripheral part of the elastic member shown by FIG.

符号の説明Explanation of symbols

200…直動型静電駆動素子、200A…可動電極ユニット、200B…固定電極ユニット、201…支持基板、202…支持枠、203…可動板、204…バネ、205…固定電極、207…厚さ低減部(またはシリコン膜状部)、208…配線、209…配線、210…バンプ、211…不純物拡散層、212…不純物拡散層、213…不純物拡散層、214…不純物拡散層、221…端子、222…端子、223…端子、224…端子、231…変位量検出素子、232…歪みゲージ、235…酸化シリコン膜、301…SOI基板、302…マスク、303…配線、305…可動板、310…SOI基板、311…不純物拡散層、312…熱酸化膜、313…コンタクトホール、314…配線、315…固定電極、316…マスク、318…シリコン膜状部、320…活性層、321…支持層、322…支持層、330…活性層、332…支持層、340…支持枠、400…光偏向素子、400A…可動電極ユニット、400B…固定電極ユニット、401…支持基板、402…支持枠、403…可動板、404…トーションバー、405…固定電極、406…固定電極、407…反射面、408…厚さ低減部(またはシリコン膜状部)、409…厚さ低減部(またはシリコン膜状部)、410…歪みゲージ、411…歪みゲージ、412…バンプ、413…配線、414…配線、415…回転軸、420…交線、430…変位量検出素子、431…変位量検出素子、433…酸化シリコン膜、500…可変形状ミラー、500A…ミラーユニット、500B…固定電極ユニット、501…支持基板、502…支持枠、503…弾性変形膜、504…スペーサー、505…固定電極、506…厚さ低減部(または貫通穴)、507…ポリイミド膜、508…歪みゲージ、509…配線、530…変位量検出素子、601…シリコン基板、602…マスク、603…ポリイミド膜、604…アルミニウム膜、605…熱酸化膜、610…シリコン基板、611…熱酸化膜、612…マスク、613…固定電極、614…ポリイミド膜、615…歪みゲージ、616…配線、617…支持基板、618…支持枠。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 ... Direct-acting electrostatic drive element, 200A ... Movable electrode unit, 200B ... Fixed electrode unit, 201 ... Support substrate, 202 ... Support frame, 203 ... Movable plate, 204 ... Spring, 205 ... Fixed electrode, 207 ... Thickness Reduction part (or silicon film-like part), 208 ... wiring, 209 ... wiring, 210 ... bump, 211 ... impurity diffusion layer, 212 ... impurity diffusion layer, 213 ... impurity diffusion layer, 214 ... impurity diffusion layer, 221 ... terminal, 222 ... terminal, 223 ... terminal, 224 ... terminal, 231 ... displacement detecting element, 232 ... strain gauge, 235 ... silicon oxide film, 301 ... SOI substrate, 302 ... mask, 303 ... wiring, 305 ... movable plate, 310 ... SOI substrate, 311 ... impurity diffusion layer, 312 ... thermal oxide film, 313 ... contact hole, 314 ... wiring, 315 ... fixed electrode, 316 ... mask, 18 ... Silicone-like part, 320 ... Active layer, 321 ... Support layer, 322 ... Support layer, 330 ... Active layer, 332 ... Support layer, 340 ... Support frame, 400 ... Light deflection element, 400A ... Moving electrode unit, 400B ... fixed electrode unit, 401 ... support substrate, 402 ... support frame, 403 ... movable plate, 404 ... torsion bar, 405 ... fixed electrode, 406 ... fixed electrode, 407 ... reflective surface, 408 ... thickness reduction part (or silicon film) 409 ... thickness reduction part (or silicon film-like part), 410 ... strain gauge, 411 ... strain gauge, 412 ... bump, 413 ... wiring, 414 ... wiring, 415 ... rotating shaft, 420 ... intersection line, 430 ... Displacement detection element, 431 ... Displacement detection element, 433 ... Silicon oxide film, 500 ... Deformable mirror, 500A ... Mirror unit, 500B ... Fixed electrode unit 501 ... Support substrate, 502 ... Support frame, 503 ... Elastic deformation film, 504 ... Spacer, 505 ... Fixed electrode, 506 ... Thickness reducing part (or through hole), 507 ... Polyimide film, 508 ... Strain gauge, 509: Wiring, 530 ... Displacement detection element, 601 ... Silicon substrate, 602 ... Mask, 603 ... Polyimide film, 604 ... Aluminum film, 605 ... Thermal oxide film, 610 ... Silicon substrate, 611 ... Thermal oxide film, 612 ... Mask 613, fixed electrode, 614, polyimide film, 615, strain gauge, 616, wiring, 617, support substrate, 618, support frame.

Claims (10)

少なくとも一部が弾性変形し得る可動部と、
可動部を支持している支持体と、
可動部に設けられた可動電極と、
可動部から間隔を置いて位置する基板と、
基板に設けられた固定電極と、
固定電極と可動電極の間に作用する静電引力による可動部の変形を検出するための検出手段とを備えており、検出手段は基板に設けられている、静電駆動素子。
A movable part at least partially elastically deformable;
A support that supports the movable part;
A movable electrode provided in the movable part;
A substrate located at a distance from the movable part;
A fixed electrode provided on the substrate;
An electrostatic drive element, comprising: a detecting means for detecting deformation of the movable part due to electrostatic attraction acting between the fixed electrode and the movable electrode, and the detecting means is provided on the substrate.
請求項1において、基板は、固定電極と可動電極の間に作用する静電引力に応じて固定電極の一部が変位するように、固定電極が位置する領域の少なくとも一部に厚さが低減された厚さ低減部を有しており、検出手段は、厚さ低減部に位置する固定電極部分の変位量を検出する変位量検出素子である、静電駆動素子。   2. The substrate according to claim 1, wherein the thickness of the substrate is reduced to at least a part of a region where the fixed electrode is positioned so that a part of the fixed electrode is displaced according to an electrostatic attractive force acting between the fixed electrode and the movable electrode. An electrostatic drive element, wherein the detection means is a displacement amount detection element for detecting a displacement amount of a fixed electrode portion located in the thickness reduction portion. 請求項2において、変位量検出素子は、固定電極の一部と、絶縁膜を介して固定電極に設けられた歪みゲージとを含み、歪みゲージの少なくとも一部は基板の厚さ低減部に位置している、静電駆動素子。   3. The displacement amount detecting element according to claim 2, wherein the displacement amount detecting element includes a part of the fixed electrode and a strain gauge provided on the fixed electrode via an insulating film, and at least a part of the strain gauge is located in the thickness reduction portion of the substrate. An electrostatic drive element. 請求項3において、基板は半導体基板から構成され、歪みゲージは半導体基板内に形成されている、静電駆動素子。   4. The electrostatic driving element according to claim 3, wherein the substrate is formed of a semiconductor substrate, and the strain gauge is formed in the semiconductor substrate. 請求項4において、歪みゲージは、半導体基板内に形成された不純物拡散層から構成されている、静電駆動素子。   5. The electrostatic drive element according to claim 4, wherein the strain gauge is constituted by an impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate. 請求項3において、絶縁膜と歪みゲージは固定電極を基準にして基板の反対側に位置し、基板は厚さ低減部では基板の構成材料が除去されている、静電駆動素子。   The electrostatic driving element according to claim 3, wherein the insulating film and the strain gauge are located on the opposite side of the substrate with respect to the fixed electrode, and the substrate is made of the constituent material of the substrate removed in the thickness reduction portion. 請求項3において、可動部は、可動電極を備えた可動子と、可動子を変位可能に支持している弾性部材とから構成されている、静電駆動素子。   4. The electrostatic drive element according to claim 3, wherein the movable portion includes a movable element having a movable electrode and an elastic member that supports the movable element so as to be displaceable. 請求項7において、弾性部材が、可動子を直動可能に支持しているたわみバネで構成されている、静電駆動素子。   The electrostatic drive element according to claim 7, wherein the elastic member is configured by a flexible spring that supports the mover so as to be linearly movable. 請求項7において、弾性部材が、可動子を回転可能に支持しているトーションバーで構成されている、静電駆動素子。   The electrostatic drive element according to claim 7, wherein the elastic member includes a torsion bar that rotatably supports the mover. 請求項3において、可動部は、可動電極を備えた弾性変形膜で構成されている、静電駆動素子。   4. The electrostatic drive element according to claim 3, wherein the movable part is formed of an elastically deformable film provided with a movable electrode.
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CN109489605A (en) * 2018-10-25 2019-03-19 中国电子产品可靠性与环境试验研究所((工业和信息化部电子第五研究所)(中国赛宝实验室)) Parallel movable electrode method for measuring thickness, apparatus and system

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