專利名稱：靜電致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文討論的實(shí)施例涉及例如使用MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的靜電致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
通常，靜電致動(dòng)器具有以其間介入間隙的方式彼此相對(duì)的兩個(gè)電極，當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，兩個(gè)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(dòng)器的傳統(tǒng)可變電容元件3的示例的截面視圖。參照?qǐng)D8A和8B，可變電容元件3在襯底31上設(shè)置有固定電極32、覆蓋固定電極 32的電介質(zhì)層33、以其間介入間隙的方式與電介質(zhì)層33相對(duì)的可動(dòng)電極34、支撐可動(dòng)電極 34的一對(duì)支撐層3 和3 等等。由電介質(zhì)層33防止由固定電極32和可動(dòng)電極34之間的接觸引起的短路。驅(qū)動(dòng)電壓V可以被施加在固定電極32和可動(dòng)電極34之間。參照?qǐng)D8A，當(dāng)沒有電勢(shì)差施加在固定電極32和可動(dòng)電極34之間時(shí)，即，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V是0時(shí)，可動(dòng)電極34位于離開固定電極32的位置。另一方面，參照?qǐng)D8B，當(dāng)預(yù)定的電勢(shì)差施加到固定電極32和可動(dòng)電極34之間，可動(dòng)電極34被朝向固定電極32吸引并與電介質(zhì)層33進(jìn)行接觸。固定電極32和可動(dòng)電極34之間的電容C在可動(dòng)電極34處于圖8A所示的狀態(tài)時(shí)成為最小電容Cs ；并在可動(dòng)電極34在圖8B所示的狀態(tài)時(shí)成為最大電容Cg。當(dāng)在數(shù)字應(yīng)用中使用可變電容元件3時(shí)，通過控制驅(qū)動(dòng)電壓V將電容C改變?yōu)樽钚‰娙軨s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(qū)動(dòng)電壓V和電容C之間的關(guān)系(C-V特性) 的示例的圖。如圖9所示，當(dāng)具有正極性的驅(qū)動(dòng)電壓V被施加并增加時(shí)，電容C保持最小電容Cs 一段時(shí)間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V經(jīng)過引入電壓Vpil時(shí)急劇增大，并隨后達(dá)到最大電容Cg。然后，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V減小時(shí)，電容C保持最大電容Cg —段時(shí)間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V經(jīng)過脫離電壓Vpol時(shí)急劇減小，并隨后回到最小電容Cs。因?yàn)殡妱?shì)差在施加到固定電極32和可動(dòng)電極34之間時(shí)引起靜電吸引力，所以施加具有負(fù)極性的驅(qū)動(dòng)電壓V也帶來相同的特性。這里，電容C的變化相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電壓V的變化具有不同路徑，B卩，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V增大時(shí)的一個(gè)路徑和當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V減小時(shí)的另一個(gè)路徑。換言之，呈現(xiàn)一種滯后現(xiàn)象，引入電壓Vpil和脫離電壓Vpol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(dāng)電容C改變到最小電容Cs時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓V被設(shè)定為切斷電壓Voff(O)。當(dāng)電容C改變到最大電容Cg時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓V設(shè)定為打開電壓Vonl或Von2。如果具有相同極性的驅(qū)動(dòng)電壓V被保持施加以改變電容C，則正或負(fù)電荷積累在電介質(zhì)層33中，并且電介質(zhì)層33帶電。
圖IOA和IOB是示出在電介質(zhì)層33保持帶電的同時(shí)可變電容元件3的電容C和驅(qū)動(dòng)電壓V之間的關(guān)系(C-V特性)的示例。當(dāng)電介質(zhì)層33轉(zhuǎn)換為帶電狀態(tài)時(shí)，可動(dòng)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(xiàn)與可變電容元件3未帶電時(shí)不同的特性。如圖IOA所示，例如，在電介質(zhì)層33帶負(fù)電的情況下，C-V特性相比電介質(zhì)層33未帶電的情況朝向驅(qū)動(dòng)電壓V的負(fù)側(cè)偏移。如圖IOB所示，在電介質(zhì)層33帶正電的情況下， C-V特性相比電介質(zhì)層33未帶電的情況朝向驅(qū)動(dòng)電壓V的正側(cè)偏移。如果C-V特性以該方式偏移，原本會(huì)帶來最小電容Cs或最大電容Cg的驅(qū)動(dòng)電壓 V可能不會(huì)使電容C成為這樣的值。例如，參照?qǐng)D10A，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V被設(shè)為切斷電壓Voff時(shí)，電容C可能不會(huì)改變?yōu)槔硐氲淖钚‰娙軨s。這例如是因?yàn)镃-V特性朝向驅(qū)動(dòng)電壓V的負(fù)側(cè)偏移；脫離電壓Vpol的極性由正變負(fù)；并且即使驅(qū)動(dòng)電壓V回到切斷電壓Voff，可動(dòng)電極34仍保持吸在電介質(zhì)層 33上。如上所述，電介質(zhì)層33的帶電現(xiàn)象成為可變電容元件3的穩(wěn)定操作的障礙。根據(jù)文獻(xiàn)"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(zhì)層33帶電的原因解釋如下。圖IlA和IlB是示意性示出電荷積累在電介質(zhì)層33中的現(xiàn)象的圖。如圖IlA和IlB所示，當(dāng)電介質(zhì)層33在顯微鏡下觀察時(shí)，其表面上出現(xiàn)凹凸。鑒于此，參照?qǐng)D11A，當(dāng)可動(dòng)電極34與電介質(zhì)層33接觸時(shí)，電介質(zhì)層33的表面上存在實(shí)際與可動(dòng)電極34進(jìn)行接觸的接觸部分Tc和不與可動(dòng)電極34進(jìn)行接觸的非接觸部分NTc。在該狀態(tài)下，正或負(fù)電荷從可動(dòng)電極34移動(dòng)到接觸部分Tc，S卩，一種電流I流動(dòng)。 另一方面，該電荷不移動(dòng)到非接觸部分NTc。此后，當(dāng)可動(dòng)電極34從固定電極32移開，引起靜電放電。然而，已經(jīng)注入接觸部分Tc附近的一部分電荷留在那里，沒有如圖IlB所示被釋放。這引起接觸部分Tc附近和非接觸部分NTc附近之間的電荷狀態(tài)的差異。由此，電介質(zhì)層33帶正電或帶負(fù)電。日本專利公開No. 2006-247820提出了用于每次執(zhí)行驅(qū)動(dòng)時(shí)切換所施加的驅(qū)動(dòng)電壓的極性的方法，即，雙極性驅(qū)動(dòng)。為了防止通過產(chǎn)生例如范德華力之類的力使可動(dòng)電極粘到固定電極，日本專利公開No. 2004-61937提出了類似的驅(qū)動(dòng)方法。此外，日本專利公開No. 2007力似607提出檢測(cè)積累在絕緣膜中的電荷量，并且根據(jù)檢測(cè)結(jié)果改變驅(qū)動(dòng)電壓。假設(shè)上述接觸部分在每次驅(qū)動(dòng)中對(duì)應(yīng)于相同位置，則因?yàn)橥ㄟ^執(zhí)行雙極性驅(qū)動(dòng)使移動(dòng)通過接觸部分的電荷彼此抵消，所以表現(xiàn)出對(duì)電介質(zhì)層的充電可以受到抑制。然而在實(shí)際情況中，接觸部分不一定在每次驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)于相同的區(qū)域。因此，雙極性驅(qū)動(dòng)不作為有效的解決方案。此外，根據(jù)由檢測(cè)積累在電介質(zhì)層中的電荷獲得的結(jié)果來改變驅(qū)動(dòng)電壓的實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜并且麻煩，因?yàn)樵摲椒ㄐ枰糜跈z測(cè)電荷的電路和各種與之相關(guān)的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容用于解決上述問題，并且因此本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供一種驅(qū)動(dòng)方法，其抑制電介質(zhì)層的帶電并執(zhí)行靜電致動(dòng)器的穩(wěn)定操作。根據(jù)本文明的一方面(實(shí)施例)，提供了一種用于驅(qū)動(dòng)靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，所述靜電致動(dòng)器包括彼此相對(duì)的固定電極和可動(dòng)電極，并且在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間放置有電介質(zhì)層，所述方法包括以下步驟在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第一電壓，使所述可動(dòng)電極與所述電介質(zhì)層進(jìn)行接觸，并且在所述第一電壓的施加停止后并且在所述可動(dòng)電極從所述電介質(zhì)層移開之前，在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第二電壓。這里，所述第二電壓的極性與所述第一電壓的極性相反，并且所述第二電壓的絕對(duì)值小于所述第一電壓的絕對(duì)值。


圖IA和IB是示出可變電容元件的示例的截面圖；圖2是示出電容和驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系(C-V特性)的示例的視圖；圖3是示出輸出信號(hào)和驅(qū)動(dòng)波形的示例的圖；圖4A和4B是圖示意性示出電介質(zhì)層中如何進(jìn)行充電的視圖；圖5A和5B圖是示意性示出電介質(zhì)層中如何進(jìn)行充電的視圖；圖6是示出輸出信號(hào)和驅(qū)動(dòng)波形的示例的圖；圖7A和7B是示出可變電容元件的示例的截面圖；圖8A和8B是示出傳統(tǒng)可變電容元件的示例的截面視圖；圖9是示出電容和驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系(C-V特性)的示例的視圖；圖IOA和IOB是示出電容和驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系(C_V特性)的示例的視圖；并且圖IlA和IlB是示意性示出電荷積累在電介質(zhì)層中的現(xiàn)象的圖。
具體實(shí)施例方式首先將描述作為使用靜電致動(dòng)器的MEMS裝置的示例的可變電容元件1，靜電致動(dòng)器用作為以下描述的實(shí)施例中使用的驅(qū)動(dòng)方法中的驅(qū)動(dòng)目標(biāo)。圖IA和IB是示出可變電容元件1的示例的截面圖。圖IA是其中可動(dòng)電極14未發(fā)生偏移的截面圖，圖IB是其中可動(dòng)電極14發(fā)生偏移的截面圖。如圖IA和IB所示，可變電容元件1在玻璃或硅制成的襯底11上具有固定電極 12、電介質(zhì)層13、可動(dòng)電極14和一對(duì)支撐層1 和15b。固定電極12由例如金(Au)、鋁(Al)或銅(Cu)的導(dǎo)電材料形成，并且形成在襯底 11的表面上。電介質(zhì)層13由例如氧化硅(SiO2)或氧化鋁(Al2O3)的電介質(zhì)材料形成，并且以覆蓋固定電極12的上表面的方式形成?？蓜?dòng)電極14由例如金(Au)、鋁(Al)或銅(Cu)的導(dǎo)電材料形成，并且在可動(dòng)電極 14和電介質(zhì)層13之間存在間隙的情況下以面對(duì)電介質(zhì)層13的上表面的方式形成在電介質(zhì)層13上方?？蓜?dòng)電極14在其兩端處以梁支撐形式由形成在其下表面上的支撐層1 和
515b支撐。支撐層15a和15b由例如金(Au)、鋁(Al)或銅(Cu)的導(dǎo)電材料形成，并且以在兩端處支撐可動(dòng)電極14的方式形成在襯底11的表面上。固定電極12和可動(dòng)電極14可連接到驅(qū)動(dòng)電路21，并且驅(qū)動(dòng)電壓V通過驅(qū)動(dòng)電路 21被施加到其間。例如，固定電極12接地，并且驅(qū)動(dòng)電壓V被施加到可動(dòng)電極14?；蛘?， 可動(dòng)電極14接地，并且驅(qū)動(dòng)電壓V被施加到固定電極12。圖2是示出電容C和驅(qū)動(dòng)電壓V之間的關(guān)系(C-V特性)的示例的視圖。在圖2中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V等于切斷電壓Voff (0電壓)時(shí)，即，當(dāng)不施加驅(qū)動(dòng)電壓V 時(shí)，可動(dòng)電極14處于從電介質(zhì)層13的上表面分離的狀態(tài)。參照?qǐng)D1A，這意味著可變電容元件1處于其中可動(dòng)電極14脫離的脫離狀態(tài)。此時(shí)，固定電極12和可動(dòng)電極14之間的電容 C是最小電容Cs。當(dāng)施加具有正極性的驅(qū)動(dòng)電壓V時(shí)，S卩，驅(qū)動(dòng)電壓V等于或高于正的引入電壓 Vpil，或在恰當(dāng)?shù)恼囊腚妷篤pil以上時(shí)，施加在固定電極12和可動(dòng)電極14之間的靜電吸引力成為等于或高于預(yù)定值。然后，可動(dòng)電極14被朝向固定電極12側(cè)吸引并與電介質(zhì)層13的上表面進(jìn)行接觸。換言之，參照?qǐng)D1B，可變電容元件1在可動(dòng)電極14被引入的情況下被轉(zhuǎn)到開狀態(tài)。此時(shí)，固定電極12和可動(dòng)電極14之間的電容C成為最大電容Cg。從該狀態(tài)開始，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V成為等于或低于正的脫離電壓Vpol，即，略低于恰當(dāng)?shù)恼拿撾x電壓Vpol時(shí)，施加在固定電極12和可動(dòng)電極14之間的靜電吸引力成為等于或小于預(yù)定值。然后，可動(dòng)電極14從電介質(zhì)層13的上表面分離。換言之，參照?qǐng)D1A，可變電容元件1在可動(dòng)電極14脫離的情況下被轉(zhuǎn)到關(guān)狀態(tài)。此時(shí)，固定電極12和可動(dòng)電極14之間的電容C成為最小電容Cs。由于通過在固定電極12和可動(dòng)電極14之間施加電勢(shì)差來產(chǎn)生靜電吸引力，所以當(dāng)施加具有負(fù)極性的驅(qū)動(dòng)電壓V時(shí)提供相同的特性。參照?qǐng)D1B，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V成為等于或低于負(fù)的引入電壓Vpi2時(shí)，可變電容元件1 轉(zhuǎn)到開狀態(tài)，并且電容C成為最大電容Cg。參照?qǐng)D1A，從該狀態(tài)開始，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓V成為等于或高于負(fù)的脫離電壓Vpo2時(shí)，可變電容元件1轉(zhuǎn)到關(guān)狀態(tài)，并且電容C成為最小電容Cs。[第一實(shí)施例]接下來，通過選取向上述可變電容元件1應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方法的示例來對(duì)根據(jù)第一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行描述。圖3是示出提供給驅(qū)動(dòng)電路21的輸出信號(hào)和由驅(qū)動(dòng)電路21施加的驅(qū)動(dòng)電壓V的波形的示例的圖。圖4A，4B，5A和5B是示意性示出電介質(zhì)層13中的充電是如何發(fā)生的視圖。參照?qǐng)DIA和1B，命令對(duì)可變電容元件1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)(即，命令轉(zhuǎn)換到開狀態(tài))的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl從控制電路22被提供到驅(qū)動(dòng)電路21。當(dāng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路21在固定電極12和可動(dòng)電極14之間施加正的開電壓Vonl和負(fù)的開電壓Von2中的一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)電壓V。此后，如果開電壓Vonl和Von2之間不需要區(qū)別，則開電壓可以稱為“開電壓Von”。 類似地，引入電壓Vpi 1、Vpi2和脫離電壓Vpo 1、Vpo2也可以分別被稱為“引入電壓Vpi ”和 “脫離電壓Vpo”。
在第一實(shí)施例中，每次提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)Si，S卩，每次可變電容元件1被驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路21重復(fù)地施加具有相同極性的開電壓Von。在圖3所示的示例中，對(duì)于在開時(shí)間Tonl， Ton2, Τοη3和1ToM處的各個(gè)驅(qū)動(dòng)，施加具有正極性的開電壓Vonl。開電壓Vonl和Von2的絕對(duì)值分別被設(shè)定為比引入電壓Vpil和Vpi2的絕對(duì)值大的值。由于開電壓Von是用于使可動(dòng)電極14與電介質(zhì)層13的上表面接觸的電壓，有時(shí)通常被稱為接觸偏壓。如圖4A所示，在通過驅(qū)動(dòng)電路21施加開電壓Von的情況下，可動(dòng)電極14與電介質(zhì)層13的上表面接觸。然而在這里，在電介質(zhì)層13的上表面上，存在實(shí)際與可動(dòng)電極14 進(jìn)行接觸的接觸部分Tc和實(shí)際不與可動(dòng)電極14進(jìn)行接觸的非接觸部分NTc。在該狀態(tài)下，正或負(fù)的電荷EC移動(dòng)通過可動(dòng)電極14的下表面和接觸部分Tc之間的界面，并且正或負(fù)的電荷EC從可動(dòng)電極14被注入接觸部分Tc附近。被注入的是正的還是負(fù)的電荷EC取決于固定電極12和可動(dòng)電極14之間施加的電場(chǎng)EDl的方向。換言之，取決于驅(qū)動(dòng)電壓V被施加到固定電極12上還是可動(dòng)電極14上， 以及是正的開電壓Vonl還是負(fù)的開電壓Von2被施加作為驅(qū)動(dòng)電壓V。例如，如果固定電極 12被連接到電源的地線，正的開電壓Vonl被施加到可動(dòng)電極14，則正電荷EC從可動(dòng)電極 14被注入電介質(zhì)層13。以該方式，接觸部分Tc的附近被朝向正和負(fù)的帶電狀態(tài)之一偏置。另一方面，非接觸部分NTc的附近不朝向其中任一個(gè)偏置。這引起接觸部分Tc附近和非接觸部分NTc 附近之間的帶電狀態(tài)的差異，并且由此，電介質(zhì)層13帶正電或負(fù)電。參照?qǐng)DIA和1B，命令停止驅(qū)動(dòng)(向關(guān)狀態(tài)偏移)可變電容元件1的停止信號(hào)S2 在驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl被提供后的任意時(shí)刻或預(yù)定時(shí)間從控制電路22提供到驅(qū)動(dòng)電路21。這里，開時(shí)間Ton (從驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl被提供直到停止信號(hào)S2被提供)根據(jù)可變電容元件1的使用目的而不同。即，例如，幾毫秒、幾秒、幾分、幾小時(shí)、幾百小時(shí)等的時(shí)段。驅(qū)動(dòng)電路21在停止信號(hào)S2被提供時(shí)施加反極性脈沖Vps作為固定電極12和可動(dòng)電極14之間的驅(qū)動(dòng)電壓V達(dá)脈沖施加時(shí)段Tps，并且之后將驅(qū)動(dòng)電壓V改變?yōu)榍袛嚯妷?Voff，S卩，O電壓。這意味著驅(qū)動(dòng)電壓V的施加被停止。根據(jù)圖3所示的示例，在施加開電壓Von的每個(gè)開時(shí)間Tonl，Ton2, Τοη3和1ToM之后，施加反極性脈沖Vps達(dá)脈沖施加時(shí)段 Tps，并且之后，停止驅(qū)動(dòng)電壓V的施加。通過驅(qū)動(dòng)電路21瞬時(shí)地執(zhí)行從開電壓Von到反極性脈沖Vps的切換。優(yōu)選的是脈沖施加時(shí)段Tps比開時(shí)間Ton短。反極性脈沖Vps是其極性與被施加以驅(qū)動(dòng)可變電容元件1的開電壓Von的極性相反的脈沖電壓。根據(jù)圖3所示的示例，反極性脈沖Vps是具有與正的開電壓Vonl相反的負(fù)極性的脈沖電壓。在第一實(shí)施例中，由于開電壓Von的極性對(duì)于每次驅(qū)動(dòng)均是相同的，所以反極性脈沖Vps的極性對(duì)于每次驅(qū)動(dòng)保持相同。此外，根據(jù)圖3中所示的示例，由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl以預(yù)定周期重復(fù)地提供，所以開電壓Vonl以預(yù)定的周期被重復(fù)地施加。反極性脈沖Vps的絕對(duì)值例如小于剛剛在其之前施加的開電壓Von的絕對(duì)值。換言之，反極性脈沖Vps的絕對(duì)值被設(shè)定為等于或小于剛剛在其之前施加的開電壓Von的絕對(duì)值的值。優(yōu)選的是，反極性脈沖Vps的絕對(duì)值被設(shè)為等于或大于與其具有相同極性的脫離電壓Vpo的絕對(duì)值的值。同時(shí)，同樣優(yōu)選的是，反極性脈沖Vps的絕對(duì)值被設(shè)為等于或小于與其具有相同極性的開電壓Von的絕對(duì)值的值。例如，反極性脈沖Vps的絕對(duì)值被設(shè)為等于與其具有相同極性的開電壓Von的絕對(duì)值的值。根據(jù)圖3所示的示例，反極性脈沖Vps 的絕對(duì)值被設(shè)為大于負(fù)的脫離電壓Vpo2的絕對(duì)值并小于負(fù)的開電壓Von2的絕對(duì)值。反極性脈沖Vps的脈沖施加周期Tps鑒于電介質(zhì)層13的材料、材料品質(zhì)、厚度等設(shè)定。例如，設(shè)定為1μ s至IOms的范圍，例如約10 μ S?？勺冸娙菰?的脫離電壓Vpo的絕對(duì)值小于具有相同極性的引入電壓Vpi的絕對(duì)值(滯后特性)，并且可動(dòng)電極14的動(dòng)作伴有慣性力的作用。鑒于此，可動(dòng)電極14的動(dòng)作比驅(qū)動(dòng)電壓V切換時(shí)的速度慢，并且以例如約1 μ s至IOms的速度進(jìn)行。這意味著可動(dòng)電極14相對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓V的響應(yīng)不那么高。由此，在驅(qū)動(dòng)電壓V從開電壓Von切換到反極性脈沖Vps的期間可動(dòng)電極14保持與電介質(zhì)層13的上表面接觸。換言之，在可動(dòng)電極14保持與電介質(zhì)層13接觸的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓V從開電壓Von切換到反極性脈沖Vps。這意味著反極性脈沖Vps在開電壓Von的施加停止后并在可動(dòng)電極14從電介質(zhì)層13分離前被施加在固定電極12和可動(dòng)電極14之間。因此，在驅(qū)動(dòng)電壓V的切換期間電容C的值不發(fā)生變化。如圖4Β所示，當(dāng)通過驅(qū)動(dòng)電路21施加反極性脈沖Vps時(shí)，可動(dòng)電極14仍保持與電介質(zhì)層13的上表面接觸。電介質(zhì)層13的上表面上的接觸部分Tc的位置和非接觸部分 NTc的位置與剛剛在此之前施加開電壓Von時(shí)的那些位置相比沒有變化。在該狀態(tài)下，與剛剛在此之前施加開電壓Von時(shí)的方向相反的電場(chǎng)ED2被施加在固定電極12和可動(dòng)電極14之間。鑒于此，在可動(dòng)電極14的下表面和接觸部分Tc之間的界面中，電荷沿與剛剛在之前施加開電壓Von時(shí)相反的方向移動(dòng)，并且已經(jīng)注入接觸部分 Tc附近的電荷EC被釋放到可動(dòng)電極14。因此，已經(jīng)注入接觸部分Tc附近的電荷EC與極性相反的電荷EC中合。根據(jù)該布置，接觸部分Tc和非接觸部分NTc之間的電荷狀態(tài)的差異變小，并且電介質(zhì)層13的正或負(fù)電荷被移除，即，電介質(zhì)層13的電荷被取消。這里，如果在開電壓Von的施加被暫時(shí)中止之后施加反極性脈沖Vps，則可動(dòng)電極 14暫時(shí)以離開電介質(zhì)層13的上表面的方式移動(dòng)。在該情況下，根據(jù)當(dāng)如圖5A所示施加開電壓Von時(shí)和當(dāng)如圖5B所示施加反極性脈沖Vps時(shí)，接觸部分Tc的位置可以改變。因此， 存在即使通過施加反極性脈沖Vps，電介質(zhì)層13的電荷也不能移除的情況。如上所述，根據(jù)該實(shí)施例的靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)于每次驅(qū)動(dòng)反極性脈沖Vps 在開電壓Von的施加停止之前被施加。這移除了每次驅(qū)動(dòng)由開電壓Von的施加引起的電介質(zhì)層13的電荷。因此，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，當(dāng)靜電致動(dòng)器被重復(fù)地驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以抑制電介質(zhì)層13 的帶電并執(zhí)行靜電致動(dòng)器的穩(wěn)定操作。同時(shí)，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在發(fā)生可動(dòng)電極14保持被粘附到電介質(zhì)層13的現(xiàn)象之前執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)次數(shù)在傳統(tǒng)情況下發(fā)生約lxlO7。然而，根據(jù)該實(shí)施例，確定該結(jié)構(gòu)提高到約 IxlO90[第二實(shí)施例]
接下來，通過選取可變電容元件1作為示例將對(duì)根據(jù)第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行描述。圖6是示出根據(jù)第二實(shí)施例的提供給驅(qū)動(dòng)電路21的輸入信號(hào)和由驅(qū)動(dòng)電路21施加的驅(qū)動(dòng)電壓V的波形的示例的圖。在第二實(shí)施例中，每次當(dāng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl時(shí)，即，每次當(dāng)可變電容元件1被驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路21就重復(fù)地供應(yīng)極性與之前的驅(qū)動(dòng)中所用的相反的開電壓Von。在圖6所示的示例中，提供具有正極性的開電壓Vonl以分別用于在開時(shí)間Tonl和Ton3進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)。 分別在這些開時(shí)間之后，即在Τοη2和Τοη4期間，施加具有負(fù)極性的開電壓Von2。反極性脈沖Vps的極性以與每次驅(qū)動(dòng)相反的開電壓Von的極性對(duì)應(yīng)的方式對(duì)于各次驅(qū)動(dòng)而言相逆。這意味著驅(qū)動(dòng)電路21使由開電壓Von和反極性脈沖Vps構(gòu)成的一對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓V 的極性相反。由此，驅(qū)動(dòng)電壓V的波形成為如下所述的矩形波其中分別與開電壓Von和反極性脈沖Vps對(duì)應(yīng)的部分對(duì)于每次驅(qū)動(dòng)而言重復(fù)地各自逆轉(zhuǎn)到相反的極性。反極性脈沖Vps的絕對(duì)值小于之前的驅(qū)動(dòng)中施加的開電壓Vonl的絕對(duì)值和之后的驅(qū)動(dòng)中施加的開電壓Von2的絕對(duì)值。優(yōu)選地是脈沖施加時(shí)段Tps小于開時(shí)間Ton。通過執(zhí)行根據(jù)該實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制，在固定電極12和可動(dòng)電極14之間施加的電場(chǎng)的方向交替地變化。通過該布置，在之前的驅(qū)動(dòng)中不能移除的電介質(zhì)層13的電荷可以在之后的驅(qū)動(dòng)中通過極性與之前的驅(qū)動(dòng)中所用的相反的開電壓Von被一定程度地移除。這里，電介質(zhì)層13的多少電荷可以被移除取決于多少接觸部分Tc的位置在之前的驅(qū)動(dòng)和之后的驅(qū)動(dòng)之間彼此一致。如上所述，根據(jù)該實(shí)施例的靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，之前的驅(qū)動(dòng)中不能移除的電荷可以在之后的驅(qū)動(dòng)中通過施加極性與之前的驅(qū)動(dòng)中所用的相反的反極性脈沖Vps并且同時(shí)通過對(duì)于每次驅(qū)動(dòng)均使開電壓Von的極性逆轉(zhuǎn)而被解決。因此，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，當(dāng)靜電致動(dòng)器被重復(fù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以進(jìn)一步抑制電介質(zhì)層13的帶電并執(zhí)行靜電致動(dòng)器的穩(wěn)定操作。根據(jù)上述第一和第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)方法可以用于可動(dòng)電極不與電介質(zhì)層直接接觸的可變電容元件2。圖7A和7B是示出可變電容元件2的示例的截面圖。圖7A是其中可動(dòng)電極14未發(fā)生移動(dòng)的情況的截面圖，圖7B是其中可動(dòng)電極14發(fā)生移動(dòng)的情況的截面圖。如圖7A和7B所示，可變電容元件2中在電介質(zhì)層13的上表面上形成由導(dǎo)體材料制成的表面電極16。在被驅(qū)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)電極14與表面電極16的上表面進(jìn)行接觸而不與電介質(zhì)層13的上表面接觸。根據(jù)這種布置，當(dāng)可動(dòng)電極14被驅(qū)動(dòng)時(shí)接觸部分Tc和非接觸部分NTc不出現(xiàn)在電介質(zhì)層13的上表面上，不會(huì)引起電荷狀態(tài)的改變。因此，當(dāng)根據(jù)上述第一和第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)方法用于可變電容元件2時(shí)，通過施加開電壓Von注入電介質(zhì)層13中的電荷EC或由極化產(chǎn)生的電荷EC通過施加反極性脈沖 Vps被迅速釋放到電介質(zhì)層13以外。具體地，表面電極16的存在擴(kuò)展了電荷EC釋放的方式，并且由此電介質(zhì)層13的電荷或極化被容易地取消。
在上述的實(shí)施例中，假定脈沖施加時(shí)段Tps在每次驅(qū)動(dòng)期間具有相同的時(shí)段。然而，可以根據(jù)施加開電壓Von的開時(shí)間Ton的長(zhǎng)度來不同地調(diào)節(jié)。例如，可以調(diào)節(jié)到與開時(shí)間Ton成比例的時(shí)段。此外，在上述的實(shí)施例中，反極性脈沖Vps在開電壓Von的每次連續(xù)施加之后被施加。然而，多個(gè)反極性脈沖Vps可以在開電壓Von的每次連續(xù)施加過程中被施加。例如，可以每當(dāng)施加開電壓Von達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，就施加反極性脈沖Vps。此外，在上述實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電路21將驅(qū)動(dòng)電壓V從開電壓Von切換到反極性脈沖Vps。也可以在連續(xù)施加開電壓Von的同時(shí)施加反極性脈沖Vps。在該情況下，可以與用于提供反極性脈沖Vps的驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)線路獨(dú)立地提供用于施加開電壓Von的驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)線路。在上述的實(shí)施例中，可變電容元件1和2及其驅(qū)動(dòng)方法可以根據(jù)本發(fā)明的主題按照需要進(jìn)行更換。除可變電容元件1和2外，上述驅(qū)動(dòng)方法可以用于利用靜電致動(dòng)器的各種類型的 MEMS裝置。本文所述的各種示例和條件性措辭旨在幫助讀者理解由發(fā)明人對(duì)本發(fā)明和理念進(jìn)行的貢獻(xiàn)以推進(jìn)技術(shù)的教導(dǎo)目的，并且應(yīng)被理解為并非受限于具體所述的示例和條件， 說明書中對(duì)這些示例的組織也并不是針對(duì)展示發(fā)明的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。盡管具體描述了本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)理解只要不背離本發(fā)明的主旨和范圍可以進(jìn)行各種改變、替代和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動(dòng)靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，所述靜電致動(dòng)器包括彼此相對(duì)的固定電極和可動(dòng)電極，并且在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間放置有電介質(zhì)層，所述方法包括以下步驟在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第一電壓，使所述可動(dòng)電極與所述電介質(zhì)層進(jìn)行接觸，并且在所述第一電壓的施加停止后并且在所述可動(dòng)電極從所述電介質(zhì)層移開之前，在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第二電壓，所述第二電壓的極性與所述第一電壓的極性相反，并且所述第二電壓的絕對(duì)值小于所述第一電壓的絕對(duì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于驅(qū)動(dòng)靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，其中，所述第二電壓的絕對(duì)值大于所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間的脫離電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于驅(qū)動(dòng)靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，其中，所述第一電壓以預(yù)定周期被重復(fù)地施加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于驅(qū)動(dòng)靜電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，其中，每次當(dāng)所述第一電壓被施加在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間時(shí)，使所述第一電壓的極性逆轉(zhuǎn)。
5.一種靜電致動(dòng)器，包括襯底；形成在所述襯底上的固定電極；形成在所述固定電極上的電介質(zhì)層；形成在所述電介質(zhì)層上方的可動(dòng)電極；以及驅(qū)動(dòng)電路，其在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第一電壓，以使所述可動(dòng)電極與所述電介質(zhì)層進(jìn)行接觸，并且，其在所述第一電壓的施加停止后并且在所述可動(dòng)電極從所述電介質(zhì)層移開之前，在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間施加第二電壓，所述第二電壓的極性與所述第一電壓的極性相反，并且所述第二電壓的絕對(duì)值小于所述第一電壓的絕對(duì)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的靜電致動(dòng)器，其中，所述驅(qū)動(dòng)電路施加的所述第二電壓的絕對(duì)值大于所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間的脫離電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的靜電致動(dòng)器，其中，所述驅(qū)動(dòng)電路以預(yù)定周期重復(fù)地施加所述第一電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的靜電致動(dòng)器，其中，每次當(dāng)所述第一電壓被施加時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電路就使所述第一電壓的極性逆轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及靜電致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)方法。靜電致動(dòng)器包括彼此相對(duì)的固定電極和可動(dòng)電極，并且在所述固定電極和所述可動(dòng)電極之間放置有電介質(zhì)層，所述方法包括以下步驟在固定電極和可動(dòng)電極之間施加第一電壓，使可動(dòng)電極與電介質(zhì)層進(jìn)行接觸，并且，在第一電壓的施加停止后并且在可動(dòng)電極從電介質(zhì)層移開之前，在固定電極和可動(dòng)電極之間施加第二電壓。第二電壓的極性與第一電壓的極性相反，并且第二電壓的絕對(duì)值小于第一電壓的絕對(duì)值。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102190275SQ20111004302
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者上田知史, 豐田治, 今井雅彥, 島內(nèi)岳明, 勝木隆史 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社