[發明專利]靜電致動器及其驅動方法

有效

• 申請號: 201110043026.0
• 申請日: 2011-02-21
• 公開（公告）號: CN102190275A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 島內岳明;今井雅彥;勝木隆史;豐田治;上田知史
• 申請（專利權）人: 富士通株式會社
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 柳春雷

技術領域

本文討論的實施例涉及例如使用MEMS(微機電系統)技術的靜電致動器及其驅動方法。

背景技術

通常，靜電致動器具有以其間介入間隙的方式彼此相對的兩個電極，當施加驅動電壓時，兩個電極之間的距離通過施加在其間的靜電吸引力的作用而改變。

圖8A和8B是示出使用靜電致動器的傳統可變電容元件3的示例的截面視圖。

參照圖8A和8B，可變電容元件3在襯底31上設置有固定電極32、覆蓋固定電極32的電介質層33、以其間介入間隙的方式與電介質層33相對的可動電極34、支撐可動電極34的一對支撐層35a和35b等等。

由電介質層33防止由固定電極32和可動電極34之間的接觸引起的短路。

驅動電壓V可以被施加在固定電極32和可動電極34之間。

參照圖8A，當沒有電勢差施加在固定電極32和可動電極34之間時，即，當驅動電壓V是0時，可動電極34位于離開固定電極32的位置。

另一方面，參照圖8B，當預定的電勢差施加到固定電極32和可動電極34之間，可動電極34被朝向固定電極32吸引并與電介質層33進行接觸。

固定電極32和可動電極34之間的電容C在可動電極34處于圖8A所示的狀態時成為最小電容Cs；并在可動電極34在圖8B所示的狀態時成為最大電容Cg。

當在數字應用中使用可變電容元件3時，通過控制驅動電壓V將電容C改變為最小電容Cs或最大電容Cg來使用。

圖9是示出施加到可變電容元件3的驅動電壓V和電容C之間的關系(C-V特性)的示例的圖。

如圖9所示，當具有正極性的驅動電壓V被施加并增加時，電容C保持最小電容Cs一段時間，當驅動電壓V經過引入電壓Vpi1時急劇增大，并隨后達到最大電容Cg。然后，當驅動電壓V減小時，電容C保持最大電容Cg一段時間，當驅動電壓V經過脫離電壓Vpo1時急劇減小，并隨后回到最小電容Cs。

因為電勢差在施加到固定電極32和可動電極34之間時引起靜電吸引力，所以施加具有負極性的驅動電壓V也帶來相同的特性。

這里，電容C的變化相對于驅動電壓V的變化具有不同路徑，即，當驅動電壓V增大時的一個路徑和當驅動電壓V減小時的另一個路徑。換言之，呈現一種滯后現象，引入電壓Vpi1和脫離電壓Vpo1彼此不同。同樣的情況也適用于引入電壓Vpi2和脫離電壓Vpo2。

在可變電容元件3中，當電容C改變到最小電容Cs時，驅動電壓V被設定為切斷電壓Voff(0)。當電容C改變到最大電容Cg時，驅動電壓V設定為打開電壓Von1或Von2。

如果具有相同極性的驅動電壓V被保持施加以改變電容C，則正或負電荷積累在電介質層33中，并且電介質層33帶電。

圖10A和10B是示出在電介質層33保持帶電的同時可變電容元件3的電容C和驅動電壓V之間的關系(C-V特性)的示例。

當電介質層33轉換為帶電狀態時，可動電極34受電荷引起的靜電力的影響。為此，可變電容元件3的C-V特性呈現與可變電容元件3未帶電時不同的特性。

如圖10A所示，例如，在電介質層33帶負電的情況下，C-V特性相比電介質層33未帶電的情況朝向驅動電壓V的負側偏移。如圖10B所示，在電介質層33帶正電的情況下，C-V特性相比電介質層33未帶電的情況朝向驅動電壓V的正側偏移。

如果C-V特性以該方式偏移，原本會帶來最小電容Cs或最大電容Cg的驅動電壓V可能不會使電容C成為這樣的值。

例如，參照圖10A，當驅動電壓V被設為切斷電壓Voff時，電容C可能不會改變為理想的最小電容Cs。這例如是因為C-V特性朝向驅動電壓V的負側偏移；脫離電壓Vpo1的極性由正變負；并且即使驅動電壓V回到切斷電壓Voff，可動電極34仍保持吸在電介質層33上。

如上所述，電介質層33的帶電現象成為可變電容元件3的穩定操作的障礙。

根據文獻“G.Papaioannou?and?J.Papapolymerou，Dielectric?Charging?in?MEMS?by?Material，Structure?and?Temperature，in?IEEE?MTT-S?International?Microwave?Symposium?Workshop，June?2009”，電介質層33帶電的原因解釋如下。

圖11A和11B是示意性示出電荷積累在電介質層33中的現象的圖。

如圖11A和11B所示，當電介質層33在顯微鏡下觀察時，其表面上出現凹凸。