JP3055175B2 - 電気機械変換器 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、可撓性素子と増幅器を含み、可撓性素子の
動きと同期した電気出力を生成する電気機械変換器に関
する。本発明はまた、ローカル・プローブ顕微鏡用のカ
ンチレバーや、センサまたは発振器として使用されるこ
のような変換器に関する。
動きと同期した電気出力を生成する電気機械変換器に関
する。本発明はまた、ローカル・プローブ顕微鏡用のカ
ンチレバーや、センサまたは発振器として使用されるこ
のような変換器に関する。
発明の背景 電気機械変換器は、幅広い技術分野で使用されてい
る。そのような電気機械変換器は、発振回路、振動子、
センサまたはマイクロアクチュエータの部品、あるいは
原子間力顕微鏡（AFM）のようなローカル・プローブ・
デバイスの部品として利用される。以下に、様々な技術
分野における様々な既知のデバイスを示す。これらの装
置は、電気機械変換器がいかに幅広く利用されているか
を示すものである。
る。そのような電気機械変換器は、発振回路、振動子、
センサまたはマイクロアクチュエータの部品、あるいは
原子間力顕微鏡（AFM）のようなローカル・プローブ・
デバイスの部品として利用される。以下に、様々な技術
分野における様々な既知のデバイスを示す。これらの装
置は、電気機械変換器がいかに幅広く利用されているか
を示すものである。
IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブルテンVol.2
5、No.12、1983年５月、6424/5ページに、R.H.テイラー
（Taylor）とD.J.ウェブ（Webb）により、集積型力セン
サが記載されている。このセンサは、関連する電界効果
トランジスタの細長いゲートに結合された圧電層からな
る。圧電層に圧力がかかるとゲート電極が充電され、こ
れにより、電界効果トランジスタのチャネルのコンダク
タンスが変調される。
5、No.12、1983年５月、6424/5ページに、R.H.テイラー
（Taylor）とD.J.ウェブ（Webb）により、集積型力セン
サが記載されている。このセンサは、関連する電界効果
トランジスタの細長いゲートに結合された圧電層からな
る。圧電層に圧力がかかるとゲート電極が充電され、こ
れにより、電界効果トランジスタのチャネルのコンダク
タンスが変調される。
もう１つの既知のデバイスは、IEEE Transaction on
Electron Devicesの、Vol.ED−14、No.3、March 1967、
pp.117〜133に、H.C.ナザンソン（Nathanson）他によっ
て、「共振ゲート・トランジスタ（RGT）」として発表
されている。RGTは、MOS型電界効果トランジスタのドレ
インとソースの上に吊り下げたビーム型電極を使用す
る。（荷電した）ビームの振動により、トランジスタの
チャネルが変化する。適切なフィードバック回路によ
り、RGTを強制的に一定周波数で発振させることができ
る。
Electron Devicesの、Vol.ED−14、No.3、March 1967、
pp.117〜133に、H.C.ナザンソン（Nathanson）他によっ
て、「共振ゲート・トランジスタ（RGT）」として発表
されている。RGTは、MOS型電界効果トランジスタのドレ
インとソースの上に吊り下げたビーム型電極を使用す
る。（荷電した）ビームの振動により、トランジスタの
チャネルが変化する。適切なフィードバック回路によ
り、RGTを強制的に一定周波数で発振させることができ
る。
電気機械変換器を「双方向スイッチ」として利用する
ことは、米国特許US−Ａ−5034648号で実証されてい
る。この明細書において、２つの電界効果トランジスタ
のゲートに基本的に圧電性のロッドが取り付けられてい
る。
ことは、米国特許US−Ａ−5034648号で実証されてい
る。この明細書において、２つの電界効果トランジスタ
のゲートに基本的に圧電性のロッドが取り付けられてい
る。
さらに、Sensors and Actuators,A21〜A23（1990）、
pp.226〜228に、F.R.ブロム（Blom）他によって、マイ
クロメカニカル・デバイス用の圧電アクチュエータが記
載されている。このアクチュエータは、２つの金属層の
間に挟まれたSiO2層とZnO層からなる多層カンチレバー
によって形成される。金属層に電圧をかけると、カンチ
レバーにたわみが生じる。また、原子間力顕微鏡（AF
M）の分野では、ユニモルフまたはバイモルフの圧電カ
ンチレバーも見られる。原子間顕微鏡は、いわゆる「ロ
ーカル・プローブ法」の特殊な変形であり、それらは全
て、曲率半径が10〜100nmの頂点を有するティップを使
用する。ティップまたはプローブは、圧電変換器によっ
て検査するサンプルの近くに配置される。AFMおよびそ
の関連技術において、ティップは圧電カンチレバーに取
り付けられる。表面をサンプルに近づけるときのたわみ
を制御するために、カンチレバーの圧電材料を利用する
多数の提案が知られている。これらの提案の例は、欧州
特許出願EP−Ａ−0492915号明細書に見られ、この明細
書では、いくつかの圧電層と、それらの圧電層に電圧を
印加するための適切な数の電極とを有するカンチレバー
・プルーブを作成する方法がいくつか示されている。US
−Ａ−4906840号明細書は、カンチレバー・ビームをそ
の静止位置から相対する方向に曲げることができる圧電
バイモルフ層を備えた類似の積層カンチレバー構造を開
示している。いくつかの実施形態において、圧電バイモ
ルフに負荷をかけるために必要な制御回路を、エッチン
グによりそれからカンチレバーを形成する基板に組み込
むことが提案されている。
pp.226〜228に、F.R.ブロム（Blom）他によって、マイ
クロメカニカル・デバイス用の圧電アクチュエータが記
載されている。このアクチュエータは、２つの金属層の
間に挟まれたSiO2層とZnO層からなる多層カンチレバー
によって形成される。金属層に電圧をかけると、カンチ
レバーにたわみが生じる。また、原子間力顕微鏡（AF
M）の分野では、ユニモルフまたはバイモルフの圧電カ
ンチレバーも見られる。原子間顕微鏡は、いわゆる「ロ
ーカル・プローブ法」の特殊な変形であり、それらは全
て、曲率半径が10〜100nmの頂点を有するティップを使
用する。ティップまたはプローブは、圧電変換器によっ
て検査するサンプルの近くに配置される。AFMおよびそ
の関連技術において、ティップは圧電カンチレバーに取
り付けられる。表面をサンプルに近づけるときのたわみ
を制御するために、カンチレバーの圧電材料を利用する
多数の提案が知られている。これらの提案の例は、欧州
特許出願EP−Ａ−0492915号明細書に見られ、この明細
書では、いくつかの圧電層と、それらの圧電層に電圧を
印加するための適切な数の電極とを有するカンチレバー
・プルーブを作成する方法がいくつか示されている。US
−Ａ−4906840号明細書は、カンチレバー・ビームをそ
の静止位置から相対する方向に曲げることができる圧電
バイモルフ層を備えた類似の積層カンチレバー構造を開
示している。いくつかの実施形態において、圧電バイモ
ルフに負荷をかけるために必要な制御回路を、エッチン
グによりそれからカンチレバーを形成する基板に組み込
むことが提案されている。
原子間力顕微鏡用の小型集積カンチレバーを作成する
もう１つの試みは、Appl.Phys.Lett.62（８）、22.Feb
1993、pp.834〜836に所載のM.トートンズ（Tortonese）
他の論文から既知である。この論文に記載された曲がり
検出方式では、圧電抵抗ひずみセンサを使用する。カン
チレバー・ビーム内の圧電抵抗層の抵抗率から、カンチ
レバーのたわみを直接測定することができる。この抵抗
率は、外部のホイートストン・ブリッジによって求め
る。基材のシリコン自体が圧電抵抗層として働く。
もう１つの試みは、Appl.Phys.Lett.62（８）、22.Feb
1993、pp.834〜836に所載のM.トートンズ（Tortonese）
他の論文から既知である。この論文に記載された曲がり
検出方式では、圧電抵抗ひずみセンサを使用する。カン
チレバー・ビーム内の圧電抵抗層の抵抗率から、カンチ
レバーのたわみを直接測定することができる。この抵抗
率は、外部のホイートストン・ブリッジによって求め
る。基材のシリコン自体が圧電抵抗層として働く。
欧州特許出願EP−Ａ−0290647号では、圧電発振器を
カンチレバーに取り付け、カンチレバーにかかる力が変
化したときに生じる周波数のずれを決定することによ
り、カンチレバーのたわみを測定する。この原理を利用
して、K.タカタ（Takata）は、Rev.Sci.Instrum.64
（９）、Sept.93、pp.2598〜2600に、カンチレバーに組
み込まれた圧電振動子を備えるデバイスを発表してい
る。振動子をAFM用のバイモルフ・カンチレバーとして
形成することにより、ティップとサンプルの間隔と力勾
配を同時に検出することができる。
カンチレバーに取り付け、カンチレバーにかかる力が変
化したときに生じる周波数のずれを決定することによ
り、カンチレバーのたわみを測定する。この原理を利用
して、K.タカタ（Takata）は、Rev.Sci.Instrum.64
（９）、Sept.93、pp.2598〜2600に、カンチレバーに組
み込まれた圧電振動子を備えるデバイスを発表してい
る。振動子をAFM用のバイモルフ・カンチレバーとして
形成することにより、ティップとサンプルの間隔と力勾
配を同時に検出することができる。
従来技術から明らかなように、いくつかの分野におい
て、ローカル・ブローブ技術のカンチレバーやその他の
センサおよび発振器を集積して製作する試みが行われて
きた。しかし、周知のすべての提案は、依然として外部
回路に大きく依存しており、外部回路が、記載されたデ
バイスのサイズと複雑さの大部分を占める。これらのデ
バイスは、正確な位置合わせと追加の配線を必要とす
る。
て、ローカル・ブローブ技術のカンチレバーやその他の
センサおよび発振器を集積して製作する試みが行われて
きた。しかし、周知のすべての提案は、依然として外部
回路に大きく依存しており、外部回路が、記載されたデ
バイスのサイズと複雑さの大部分を占める。これらのデ
バイスは、正確な位置合わせと追加の配線を必要とす
る。
したがって、本発明の目的は、高度に集積された電気
機械変換器を提供することである。本発明のさらに具体
的な目的は、より大型のデバイスに簡単に取り付けるこ
とができる丈夫な変換器を提供することである。本発明
の他の目的は、特に曲げとたわみをより良好に制御する
ことができるローカル・プローブ顕微鏡、センサ、アク
チュエータおよび発振器用の高度に集積されたカンチレ
バー構造に関する。
機械変換器を提供することである。本発明のさらに具体
的な目的は、より大型のデバイスに簡単に取り付けるこ
とができる丈夫な変換器を提供することである。本発明
の他の目的は、特に曲げとたわみをより良好に制御する
ことができるローカル・プローブ顕微鏡、センサ、アク
チュエータおよび発振器用の高度に集積されたカンチレ
バー構造に関する。
発明の概要 本発明の特徴と考えられる機能は、請求の範囲に記載
する。
する。
したがって、本発明の変換器は、増幅回路の基本部分
を組み込んだ可撓性素子を含む。外部電源を除き増幅回
路が可撓性素子に完全に組み込まれる。好ましい実施形
態において、この増幅回路は電界効果トランジスタであ
り、小さなゲート電圧を利用してソースからドレインに
流れる電流を制御する。可撓性素子の好ましい寸法は、
極めて高感度のデバイスの場合いずれかの方向に1mmか
ら１ミクロンである。
を組み込んだ可撓性素子を含む。外部電源を除き増幅回
路が可撓性素子に完全に組み込まれる。好ましい実施形
態において、この増幅回路は電界効果トランジスタであ
り、小さなゲート電圧を利用してソースからドレインに
流れる電流を制御する。可撓性素子の好ましい寸法は、
極めて高感度のデバイスの場合いずれかの方向に1mmか
ら１ミクロンである。
この増幅回路は、薄膜トランジスタ（TFT）技術によ
って製作すると有利である。薄膜トランジスタは、基本
的には金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFE
T）と類似しているが、MOSFETでは高品質の単結晶基板
（ウェハ）が使用されるのに対し、TFT内のすべての構
成要素は、たとえばSiNx、SiOx、SiOxNy、TaOx、Al2O3
や複合層などの絶縁基板に付着させることができる。可
撓性素子の基材またはその材料の酸化物を、TFTデバイ
スの基板として使用すると有利である。
って製作すると有利である。薄膜トランジスタは、基本
的には金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFE
T）と類似しているが、MOSFETでは高品質の単結晶基板
（ウェハ）が使用されるのに対し、TFT内のすべての構
成要素は、たとえばSiNx、SiOx、SiOxNy、TaOx、Al2O3
や複合層などの絶縁基板に付着させることができる。可
撓性素子の基材またはその材料の酸化物を、TFTデバイ
スの基板として使用すると有利である。
可撓性素子に組み込む増幅素子がFETの場合、少なく
ともソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を基板
に付着させなければならない。適切な電極は、導電材
料、特に、蒸着やフォトリソグラフィその他の技術によ
って付着されるAu、Al、Mo、Ta、Ti、ITO（インジウム
・スズ酸化物）、NiCr、Cuなどの金属からなるものであ
る。ドレインとソースとを接続する半導体チャネルから
ゲート電極を絶縁するため、前述のものと同じ絶縁材料
を基板用の基材に用いてもよい。これらの層は、蒸着、
スパッタリング、化学的気相付着（CVD）、分子線エピ
タキシー（MBE）などによって付着される。ゲート電極
として適切な材料が使用されるものとすると、その電極
に陽極酸化を行うことによって絶縁層を作成することも
できる。半導体チャネル自体は、Si、ａ−Si:H、poly−
Si、CdSe、Te、In、Sb、Geを含む材料をベースにしたも
のでよい。ソース電極やドレイン電極へのオーム性接触
部などの特定部分には、ｎ＋ドープのａ−Si:Hまたはバ
リア・メタルをドープしたａ−Si:Hを考えることもでき
る。これらの材料は、蒸着、スパッタリング、CVD、MBE
によって、あるいは他の既知の技術によって付着する。
この層は、エッチング、プラズマ・エッチング、または
イオン・ビーム・ミリングを伴うフォトリソグラフィに
よってパターン化する。また、走査プローブ顕微鏡を利
用したリソグラフィ・プロセスを使用することも可能で
ある。
ともソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を基板
に付着させなければならない。適切な電極は、導電材
料、特に、蒸着やフォトリソグラフィその他の技術によ
って付着されるAu、Al、Mo、Ta、Ti、ITO（インジウム
・スズ酸化物）、NiCr、Cuなどの金属からなるものであ
る。ドレインとソースとを接続する半導体チャネルから
ゲート電極を絶縁するため、前述のものと同じ絶縁材料
を基板用の基材に用いてもよい。これらの層は、蒸着、
スパッタリング、化学的気相付着（CVD）、分子線エピ
タキシー（MBE）などによって付着される。ゲート電極
として適切な材料が使用されるものとすると、その電極
に陽極酸化を行うことによって絶縁層を作成することも
できる。半導体チャネル自体は、Si、ａ−Si:H、poly−
Si、CdSe、Te、In、Sb、Geを含む材料をベースにしたも
のでよい。ソース電極やドレイン電極へのオーム性接触
部などの特定部分には、ｎ＋ドープのａ−Si:Hまたはバ
リア・メタルをドープしたａ−Si:Hを考えることもでき
る。これらの材料は、蒸着、スパッタリング、CVD、MBE
によって、あるいは他の既知の技術によって付着する。
この層は、エッチング、プラズマ・エッチング、または
イオン・ビーム・ミリングを伴うフォトリソグラフィに
よってパターン化する。また、走査プローブ顕微鏡を利
用したリソグラフィ・プロセスを使用することも可能で
ある。
本発明のさらに他の態様として、可撓性素子は、電圧
発生手段、好ましくは圧電素子も含む。これらの素子
は、単層（ユニモルフ）か、あるいは２層（バイモル
フ）もしくは多層（マルチモルフ）の組み合わせを形成
する。これにより、延ばしたり、圧縮したり、応力をか
けたり、引っ張ったりしたときに電圧が発生するよう
に、電圧発生手段を調整することができる。好ましい圧
電材料としては、基材上にスパッタすることができるZn
O、AlN、PZTが含まれる。接着材または適切な接着剤で
基板に接着する場合は、他の圧電材料、特にポリフッ化
ビニリデン（PVDF）やその共重合体などの高分子を使用
することができる。
発生手段、好ましくは圧電素子も含む。これらの素子
は、単層（ユニモルフ）か、あるいは２層（バイモル
フ）もしくは多層（マルチモルフ）の組み合わせを形成
する。これにより、延ばしたり、圧縮したり、応力をか
けたり、引っ張ったりしたときに電圧が発生するよう
に、電圧発生手段を調整することができる。好ましい圧
電材料としては、基材上にスパッタすることができるZn
O、AlN、PZTが含まれる。接着材または適切な接着剤で
基板に接着する場合は、他の圧電材料、特にポリフッ化
ビニリデン（PVDF）やその共重合体などの高分子を使用
することができる。
本発明の可撓性素子は、弾性特性（ばね定数）を持
ち、曲げまたは振動運動を行うことができることを特徴
とする。可撓性素子の例は、原子間力顕微鏡に見られる
ようなカンチレバー構造、あるいは様々な用途に使用さ
れる薄膜である。既存の集積回路技術との互換性のた
め、好ましい基材としては、シリコンまたは窒化シリコ
ンおよびそれらの酸化物が含まれる。可撓性素子、KOH
（水酸化カリウム）などのアルカリ水溶液、EDPの溶液
（エチレンジアミン、ピロカテコールおよび水）、ヒド
ラシンの溶液、あるいは水酸化アンモニウムもしくはテ
トラメチル水酸化アンモニウムと水をベースとする溶液
による異方性エッチングによって作成される。
ち、曲げまたは振動運動を行うことができることを特徴
とする。可撓性素子の例は、原子間力顕微鏡に見られる
ようなカンチレバー構造、あるいは様々な用途に使用さ
れる薄膜である。既存の集積回路技術との互換性のた
め、好ましい基材としては、シリコンまたは窒化シリコ
ンおよびそれらの酸化物が含まれる。可撓性素子、KOH
（水酸化カリウム）などのアルカリ水溶液、EDPの溶液
（エチレンジアミン、ピロカテコールおよび水）、ヒド
ラシンの溶液、あるいは水酸化アンモニウムもしくはテ
トラメチル水酸化アンモニウムと水をベースとする溶液
による異方性エッチングによって作成される。
可撓性素子、電圧発生手段および電子増幅器を含む集
積デバイスを使用することにより、１ナノメートルより
もかなり小さい可撓性素子の変位で、１μＶないし5Vの
出力信号が生成される。動作時、電圧発生手段は、可撓
性素子のたわみまたは曲がりの大きさによって決まる電
圧を生成する。この電圧により、電界とソース−ドレイ
ン電流が同期的に変調され、あるいはベース・コレクタ
増幅器の場合はベース電流が駆動される。
積デバイスを使用することにより、１ナノメートルより
もかなり小さい可撓性素子の変位で、１μＶないし5Vの
出力信号が生成される。動作時、電圧発生手段は、可撓
性素子のたわみまたは曲がりの大きさによって決まる電
圧を生成する。この電圧により、電界とソース−ドレイ
ン電流が同期的に変調され、あるいはベース・コレクタ
増幅器の場合はベース電流が駆動される。
本発明のさらに他の態様を参照すると、増幅手段を、
圧電素子によって生成される可能性のあるピーク電圧か
ら保護すると有利である。適切な保護は、ゲート電極に
印加されるバイアス電圧によって、あるいは可撓性素子
（集積保護ダイオード）に組み込まれた固定ブレークス
ルー電圧を持つ２端子デバイス（ダイオード）や、分圧
器などによって提供することができる。
圧電素子によって生成される可能性のあるピーク電圧か
ら保護すると有利である。適切な保護は、ゲート電極に
印加されるバイアス電圧によって、あるいは可撓性素子
（集積保護ダイオード）に組み込まれた固定ブレークス
ルー電圧を持つ２端子デバイス（ダイオード）や、分圧
器などによって提供することができる。
本発明のもう１つの態様として、可撓性素子は、力、
熱、光強度など他の物理特性を変位に変換する変換器と
しても働く。本発明のこの態様の好ましい実施形態で
は、可撓性素子にティップを取り付けて、前に定義した
ように、ローカル・プローブ・デバイス用の改良された
センサを提供する。前述の圧電抵抗カンチレバーなど既
知のAFM技術と比較すると、この実施形態は、第１増幅
段がカンチレバー構造の一部分となった高度の集積化を
提供する。エネルギーの放散と雑音の制限が減少する。
さらに、この新規のカンチレバーを他の既知のAFM技術
と比較すると、カンチレバーのたわみを測定するための
複雑な巨視的読取装置、または検知器、多くの場合は光
学装置が不要になる。本発明のこの態様のもう１つの好
ましい実施形態においては、可撓性素子は、異なる熱膨
張係数をもつ少なくとも２つの層を含む。これにより、
温度変化が、「バイメタル」効果として知られる形で可
撓性素子のたわみを引き起こす。２つの層の熱膨張係数
に少なくとも10倍の差があるときは、小さな温度変化も
監視することができる。国際出願PCT/EP93/01742号に記
載されているような触媒層や吸収層などの化学的活性層
を含めることにより、本発明のこの「バイメタル」変形
例の用途を広げることができる。化学的活性層における
化学反応による熱放散は、可撓性素子の変位を通じて検
出可能な電気信号に変換される。このカンチレバー構造
の感度の範囲は、ナノワット領域あるいはピコワット領
域にも及ぶ。
熱、光強度など他の物理特性を変位に変換する変換器と
しても働く。本発明のこの態様の好ましい実施形態で
は、可撓性素子にティップを取り付けて、前に定義した
ように、ローカル・プローブ・デバイス用の改良された
センサを提供する。前述の圧電抵抗カンチレバーなど既
知のAFM技術と比較すると、この実施形態は、第１増幅
段がカンチレバー構造の一部分となった高度の集積化を
提供する。エネルギーの放散と雑音の制限が減少する。
さらに、この新規のカンチレバーを他の既知のAFM技術
と比較すると、カンチレバーのたわみを測定するための
複雑な巨視的読取装置、または検知器、多くの場合は光
学装置が不要になる。本発明のこの態様のもう１つの好
ましい実施形態においては、可撓性素子は、異なる熱膨
張係数をもつ少なくとも２つの層を含む。これにより、
温度変化が、「バイメタル」効果として知られる形で可
撓性素子のたわみを引き起こす。２つの層の熱膨張係数
に少なくとも10倍の差があるときは、小さな温度変化も
監視することができる。国際出願PCT/EP93/01742号に記
載されているような触媒層や吸収層などの化学的活性層
を含めることにより、本発明のこの「バイメタル」変形
例の用途を広げることができる。化学的活性層における
化学反応による熱放散は、可撓性素子の変位を通じて検
出可能な電気信号に変換される。このカンチレバー構造
の感度の範囲は、ナノワット領域あるいはピコワット領
域にも及ぶ。
本発明の「バイメタル」変形例は、熱較正手段を備え
ることによってさらに改善される。この熱較正は、抵抗
加熱素子によって、好ましくは可撓性素子に付着させた
導電性材料のループによって達成される。ループの抵抗
が既知ならば、定義した量の熱を可撓性素子に加えるこ
とができる。様々な熱量によって生じるたわみを測定す
ることによりデバイスを較正する。また、抵抗加熱素子
を使って、分子の熱吸着／脱着の研究を行うこともでき
る。
ることによってさらに改善される。この熱較正は、抵抗
加熱素子によって、好ましくは可撓性素子に付着させた
導電性材料のループによって達成される。ループの抵抗
が既知ならば、定義した量の熱を可撓性素子に加えるこ
とができる。様々な熱量によって生じるたわみを測定す
ることによりデバイスを較正する。また、抵抗加熱素子
を使って、分子の熱吸着／脱着の研究を行うこともでき
る。
本発明は、標準的なシリコンおよびTFT技術によるこ
とができるため、本発明によるデバイスの大量生産は容
易に実現可能である。たとえば、IEEE Transaction on
Electron Devices、Vol.ED−25、No.10、pp.1241〜1249
に、K.E.ピータースン（Petersen）が記載するシリコン
・マイクロ機械加工をTFT表示装置を作成する技術と組
み合わせることによって、本発明によるデバイスの大き
なアレイを製造して、タッチ式または感熱式のスクリー
ンおよびパネルを提供することができる。シリコンは丈
夫なため、長い寿命と物理的破壊に対する十分な保護が
保証される。本発明によるデバイスを製造するために利
用できるもう１つの標準的な材料は、ガリウムヒ素およ
びその合金、たとえばAlGaAsでもよい。この材料の加工
技術は、たとえば、J.Micromech.Microeng.4（1994）、
p.1〜13にK.ヨート（Hjort）他によって記載されてい
る。
とができるため、本発明によるデバイスの大量生産は容
易に実現可能である。たとえば、IEEE Transaction on
Electron Devices、Vol.ED−25、No.10、pp.1241〜1249
に、K.E.ピータースン（Petersen）が記載するシリコン
・マイクロ機械加工をTFT表示装置を作成する技術と組
み合わせることによって、本発明によるデバイスの大き
なアレイを製造して、タッチ式または感熱式のスクリー
ンおよびパネルを提供することができる。シリコンは丈
夫なため、長い寿命と物理的破壊に対する十分な保護が
保証される。本発明によるデバイスを製造するために利
用できるもう１つの標準的な材料は、ガリウムヒ素およ
びその合金、たとえばAlGaAsでもよい。この材料の加工
技術は、たとえば、J.Micromech.Microeng.4（1994）、
p.1〜13にK.ヨート（Hjort）他によって記載されてい
る。
本発明の特徴と考えられる上記その他の新規な機能
は、併記の請求の範囲に記載されている。しかしなが
ら、本発明自体、ならびに好ましい使用様式、その他の
目的および利点は、実施形態に関する以下の詳細な説明
を添付図面と共に読めば最もよく理解されよう。
は、併記の請求の範囲に記載されている。しかしなが
ら、本発明自体、ならびに好ましい使用様式、その他の
目的および利点は、実施形態に関する以下の詳細な説明
を添付図面と共に読めば最もよく理解されよう。
図面の説明 次の図面を参照して、本発明について以下詳細に説明
する。第１図は、本発明によるシリコン・ベースのマイ
クロメカニカル・カンチレバーを示す図である。
する。第１図は、本発明によるシリコン・ベースのマイ
クロメカニカル・カンチレバーを示す図である。
第２図は、本発明によるデバイスのアレイを示す概略
図である。
図である。
発明の実施形態 次に第１図を参照すると、Siを含む基材１上にSiO2の
絶縁層２を成長させた、本発明による例示的デバイスが
示されている。次に、アモルファスSi（ｓ−Si）の層３
の付着によって半導体チャネルを形成する。アルミニウ
ム層をａ−Si層上にスパッタし、フォトリソグラフィで
２つの分離した導電パッドが残るようにパターン化す
る。これらのパッドは、それぞれ、ソース電極４とドレ
イン電極５を形成する。ドレイン電極とソース電極をゲ
ート電極７から分離するために、化学的気相付着（CV
D）段階で、別の絶縁酸化フィルム６を構造内に成長さ
せる。ゲート電極は、他の２つの電極と同じように作成
される。ゲート電極自体は、高周波スパッタされたチタ
ン酸ジルコニウムの層８によって覆われる。この材料
は、強力な圧電効果を示す。次に、後で説明するよう
に、「バイメタル」効果を生み出すために基材と共に使
用されるアルミニウムの薄い層９を付着する。食い違い
層の上部を、この例では触媒として働く白金の化学的活
性層10で覆う。
絶縁層２を成長させた、本発明による例示的デバイスが
示されている。次に、アモルファスSi（ｓ−Si）の層３
の付着によって半導体チャネルを形成する。アルミニウ
ム層をａ−Si層上にスパッタし、フォトリソグラフィで
２つの分離した導電パッドが残るようにパターン化す
る。これらのパッドは、それぞれ、ソース電極４とドレ
イン電極５を形成する。ドレイン電極とソース電極をゲ
ート電極７から分離するために、化学的気相付着（CV
D）段階で、別の絶縁酸化フィルム６を構造内に成長さ
せる。ゲート電極は、他の２つの電極と同じように作成
される。ゲート電極自体は、高周波スパッタされたチタ
ン酸ジルコニウムの層８によって覆われる。この材料
は、強力な圧電効果を示す。次に、後で説明するよう
に、「バイメタル」効果を生み出すために基材と共に使
用されるアルミニウムの薄い層９を付着する。食い違い
層の上部を、この例では触媒として働く白金の化学的活
性層10で覆う。
カンチレバーは、前述のようにEDPによる異方性エッ
チングによって最終的な形状が与えられる。図では、３
つの電極４、５、７に、外部と電気接触するためのパッ
ドが付いている。
チングによって最終的な形状が与えられる。図では、３
つの電極４、５、７に、外部と電気接触するためのパッ
ドが付いている。
カンチレバーの全体寸法は、150×50×４μm3であ
り、その大きさは、基材層１とAl層９が占める。その他
の層は、標準の厚さが500μｍ以下である、第１図のデ
バイスは同じ縮尺で描かれていないことに注意された
い。
り、その大きさは、基材層１とAl層９が占める。その他
の層は、標準の厚さが500μｍ以下である、第１図のデ
バイスは同じ縮尺で描かれていないことに注意された
い。
動作時には、TFT−FETの増幅率を100になるように選
択する。デバイスを、242kJ/molの反応エンタルピー
で、白金層10を触媒として、次の反応を利用して試験す
る。
択する。デバイスを、242kJ/molの反応エンタルピー
で、白金層10を触媒として、次の反応を利用して試験す
る。
H2＋1/2O2→H2O デバイスを、H2とO2の適切な化学量論比（2:1）の混
合物を２×10-2mbarまでの圧力に充填した適切な真空チ
ャンバ内に置く。
合物を２×10-2mbarまでの圧力に充填した適切な真空チ
ャンバ内に置く。
触媒表面10における反応の熱生成ΔQ/Δｔによって、
カンチレバーの温度は、熱生成が熱損失ΔＱ（Loss）／
Δｔと釣り合うまで上昇する。この温度により、Al層９
とSi基材層１の長さに差が生じる。バイメタル効果によ
ってカンチレバーが曲がり、圧電層８内で誘導される応
力によって電圧が生じる。圧電層のサイズに応じて約1K
の温度変化で約2Vの電圧を生じることが判明している。
所与の増幅率では、デバイスの感度は、約100V/Kと推定
される。雑音レベルが約1mVの場合、測定は10-5Kより高
い温度変化に制限される。これは、本発明の可能性をは
っきりと示すものである。当業者には多くの最適化方法
が明らかであろう。カンチレバーの構造を、長さを増し
あるいは高感度部分を拡大するように改良することもで
きる。もう１つ考えられる改良としては、カンチレバー
構造の素子のセグメント化、たとえばカンチレバーの制
限された部分だけにFETまたは圧電層を備える、可撓性
素子にいくつかのFETを組み込むなどがある。
カンチレバーの温度は、熱生成が熱損失ΔＱ（Loss）／
Δｔと釣り合うまで上昇する。この温度により、Al層９
とSi基材層１の長さに差が生じる。バイメタル効果によ
ってカンチレバーが曲がり、圧電層８内で誘導される応
力によって電圧が生じる。圧電層のサイズに応じて約1K
の温度変化で約2Vの電圧を生じることが判明している。
所与の増幅率では、デバイスの感度は、約100V/Kと推定
される。雑音レベルが約1mVの場合、測定は10-5Kより高
い温度変化に制限される。これは、本発明の可能性をは
っきりと示すものである。当業者には多くの最適化方法
が明らかであろう。カンチレバーの構造を、長さを増し
あるいは高感度部分を拡大するように改良することもで
きる。もう１つ考えられる改良としては、カンチレバー
構造の素子のセグメント化、たとえばカンチレバーの制
限された部分だけにFETまたは圧電層を備える、可撓性
素子にいくつかのFETを組み込むなどがある。
次に、第２図を参照すると、個々の変換器を増幅器と
信号処理装置に配線で接続する既知の手法に固有の浮遊
容量、クロストークおよび雑音に関連する不可避な問題
が本質的に解消される、本発明によるデバイスのアレイ
が示されている。新しいアレイは単純化されており、TF
T表示装置の製造分野で周知の大量生産技術を利用する
のが容易である。
信号処理装置に配線で接続する既知の手法に固有の浮遊
容量、クロストークおよび雑音に関連する不可避な問題
が本質的に解消される、本発明によるデバイスのアレイ
が示されている。新しいアレイは単純化されており、TF
T表示装置の製造分野で周知の大量生産技術を利用する
のが容易である。
本発明によるデバイス、たとえばカンチレバー、セン
サ、アクチュエータ、発振器は、電界効果トランジスタ
FETS1、…、S4の信号によって表示される。FETのソース
電極が、外部電源20に接続される。各デバイスのドレイ
ンは、負荷抵抗R1、…、R4に結合され、次の処理のため
に出力V1、…、V4に電圧信号を生成する。
サ、アクチュエータ、発振器は、電界効果トランジスタ
FETS1、…、S4の信号によって表示される。FETのソース
電極が、外部電源20に接続される。各デバイスのドレイ
ンは、負荷抵抗R1、…、R4に結合され、次の処理のため
に出力V1、…、V4に電圧信号を生成する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｒ 17/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ 29/78 ６２２ ６１３ (72)発明者 ウエランド、マーク、エドワード イギリス国ケンブリッジ、トランピント ン、ウィンゲート・ウエイ 32 (56)参考文献 特開 平６−180326（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−184985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−211986（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−124181（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/09 G01B 21/30 G01N 37/00 H01L 29/786 H04R 17/00
Claims (9)
- 【請求項１】化学的活性層または吸収層で覆われている
少なくとも１つの可撓性素子と、 可撓性素子のたわみに応答して電圧を発生する電圧発生
手段と、 電圧発生手段が発生する電圧が印加されるゲートを有す
る少なくとも１つの電界効果トランジスタを含む増幅回
路とを有し、 可撓性素子は異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つ
の層を含み、この２つの層の間に電圧発生手段と増幅回
路が挟まれて、可撓性素子全体としてカンチレバー構造
をなしている、電気機械変換器。 - 【請求項２】電圧発生手段は圧電材料を含む請求項１に
記載の電気機械変換器。 - 【請求項３】圧電材料はマルチモルフ構造を有する請求
項２に記載の電気機械変換器。 - 【請求項４】第１の可撓部材と、 第１の可撓部材上の層内に設けられた電界効果トランジ
スタと、 電界効果トランジスタのゲート上に設けられた圧電材料
と、 圧電材料上に設けられ、第１の可撓部材と異なる熱膨張
係数を有する第２の可撓部材と、 第２の可撓部材上に設けられた化学的活性層または吸収
層と、を含む電気機械変換器。 - 【請求項５】圧電材料はマルチモルフ構造を有する請求
項４に記載の電気機械変換器。 - 【請求項６】第１の可撓部材はシリコンからなり、第２
の可撓部材はアルミニウムからなる請求項４に記載の電
気機械変換器。 - 【請求項７】第１の可撓部材と、 第１の可撓部材上の層内に設けられた電界効果トランジ
スタと、 電界効果トランジスタのゲート上に設けられた圧電材料
と、 圧電材料上に設けられ、第１の可撓部材と異なる熱膨張
係数を有する第２の可撓部材とを含むカンチレバー構造
体を有し、 温度変化に対する第１の可撓部材と第２の可撓部材の熱
膨張の差によって生ずるバイメタル効果によってカンチ
レバー構造体が曲がり、その曲がりによって誘起される
応力に応じて圧電材料が電圧を発生し、その電圧が電界
効果トランジスタのゲートに印加されることを特徴とす
る、電気機械変換器。 - 【請求項８】カンチレバー構造体は第２の可撓部材上に
設けられた化学的活性層または吸収層を含む請求項７に
記載の電気機械変換器。 - 【請求項９】ローカル・プローブ・デバイス、センサ、
アクチュエータまたは発振回路で使用される請求項１な
いし８のいずれかに記載の電気機械変換器。
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