JPH09283374A

JPH09283374A - エレクトレット

Info

Publication number: JPH09283374A
Application number: JP9281796A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Ichiya; 光雄一矢; Fumihiro Kasano; 文宏笠野; Rebuinaa Jiyatsukii; レヴィナージャッキー
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】寸法が小さくても、期待寿命を増大させること
が可能なエレクトレットを提供するにある。【解決手段】シリコン単結晶ウェハからなる固定基体１
００上にＳｉＯ₂膜１０１をプラズマによる気相により
付着形成し、このＳｉＯ₂膜１０１の中央部を帯電させ
てエレクトレット１８を構成する。帯電されていないＳ
ｉＯ₂膜１０１の周辺部分は絶縁膜１６となり、固定基
体１００を保護するとともに、固定接点１９や接合用金
属薄膜層２６と固定基体１００とを絶縁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトレットの
中で、電気的に帯電した、ＳｉＯ₂（二酸化珪素）の箔
又は薄層から作られたエレクトレットに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】永久的電分極を有する誘電体であるエレ
クトレットは、マイクロホン又は静電リレーの如き多く
の装置で用いられている。ＳｉＯ₂からなるエレクトレ
ットは、重合体材料から作られたものに比較して幾つか
の利点、特に次のような利点を有する。つまり高い温度
で一層よい挙動を示し、また１０μより小さい厚さに作
るこことができ、更にＳｉ基体等の固体基板上に表面酸
化や、Ｓｉ及び酸素を含有するプラズマから生じた気相
で直接付着させることにより、化学的に直接形成するこ
とが容易にできる。

【０００３】しかし、これらのＳｉＯ₂からなるエレク
トレツトを実現する現在知られている方式では、期待寿
命は重合体エレクトレツトの寿命より短く、そのような
期待寿命は一般に数カ月に限定されている。この期待寿
命を増大するため、電気的に帯電させる前にヘキサメチ
ルジシランザン（ＨＭＤＳ）でＳｉＯ₂を化学的に処理
することが提案されているが、この方法は操作しにく
く、得られる結果は満足できるものではない。

【０００４】エレクトレツトに転化させるＳｉＯ₂層
を、Ｓｉからなる固体基板の直接表面酸化により得る場
合、それを電気的に帯電させる前にそのＳｉＯ₂層を加
熱することによる最終エレクトレツトの期待寿命に対す
る影響を研究することも提案されてきた〔ギュンテルそ
の他による文献、１９９１年９月ベルリンで開催された
第７回エレクトレット国際シンポジウム（ｔｈｅ７ｔ
ｈｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎｅｌｅｔｒｅｔｓ）「ＩＳＥ７」の出版予稿集
第６６３頁〜６６８頁〕これらの研究では、予熱は期待寿命（ｌｉｆｅｅｘｐ
ｅｅｔａｎｃｙ）を著しく増大することはなく、反対に
これらのエレクトレットの或るものについては、その予
熱のエレクトレット帯電安定性に対する影響は、そのよ
うな安定性を「かなり減少」させることを示している。

【０００５】また特開平６−３１６７６６号によればＳ
ｉ及び酸素を含有するプラズマから生じた気相中でＳｉ
からなる固体基板上にＳｉＯ₂を形成し、熱処理した
後、電気的帯電から得られたエレクトレットは、著しく
長い期待寿命を示すことが実験によって示されており、
そのことは非常に驚くべき結果となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記電気的
帯電されたＳｉＯ₂からなるエレクトレットの寿命は、
その寸法と相関があることが判明した。例えば一辺が１
６．９ｍｍの正方形のＳｉＯ₂のエレクトレットは、図
１０に示すように帯電直後＋３００Ｖの表面電位であっ
た（実線）に対して、８３０日経過後＋２９５Ｖであっ
た（破線）。

【０００７】ところが、２．７７７５×１．５５ｍｍの
長方形のＳｉＯ₂のエレクトレットは図１１に示すよう
に帯電直後＋３１０Ｖの表面電位であった（実線）のに
対して、２８日経過後＋１００Ｖであった（破線）。ま
た上記一辺が１６．９ｍｍの正方形のＳｉＯ₂エレクト
レットの中央部の表面電位は殆ど劣化が無かったのに対
して端部においてはかなり劣化していた。

【０００８】上記の二つの現象は、ＳｉＯ₂エレクトレ
ットにトラップされた電荷が急峻な電位差のある端部か
ら固体基板上へ移動することにより表面電位が劣化する
ものと考察される。本発明は上記の点に鑑みて為された
もので、その目的とするところは寸法が小さくても、期
待寿命を増大させることが可能なエレクトレットを提供
するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明では、固体基板上にＳｉＯ₂膜を形成
し、このＳｉＯ₂膜の少なくとも周辺部を除いた一部を
帯電させて構成したことを特徴とし、帯電している膜と
帯電していない膜とが一体且つ連続しているため、帯電
している部位の端部から固定基板までの沿面距離を大き
くすることができ、そのためトラップされた電荷が固体
基板上へ沿面に沿って移動するのを防ぐことができ、結
果寸法が小さくても表面電位の劣化を抑えて期待寿命を
増大させることができ、しかも帯電されていない膜が固
体基板を保護する保護膜として作用する。

【００１０】請求項２の発明では、固体基板上にＳｉＯ
₂膜を形成するとともに、該ＳｉＯ ₂膜の周辺の固定基
板上に絶縁膜を形成し、且つ該絶縁膜と上記ＳｉＯ₂膜
との境界部位では上記ＳｉＯ₂膜の周辺部を絶縁膜上に
重ね、この重ねた部位以外のＳｉＯ₂膜を帯電させて構
成したたことを特徴とし、ＳｉＯ膜の帯電部位の端部か
ら固体基板までの沿面距離を大きくすることができ、し
かも高抵抗の絶縁膜によりトラップされた電荷が固体基
板上へ沿面に沿って或いは絶縁膜を通して移動すること
を防ぐことができ、結果寸法が小さくても表面電位の劣
化を抑えて期待寿命を増大させることができ、また絶縁
膜により固定基板の保護が図れる。

【００１１】請求項３の発明では、固体基板上に絶縁膜
を形成するとともに該絶縁膜上にＳｉＯ₂膜を形成し、
該ＳｉＯ₂膜を帯電させて構成したことことを特徴と
し、ＳｉＯ膜の帯電部位の端部から固体基板までの沿面
距離を大きくすることができトラップされた電荷が固体
基板上へ沿面に沿って移動するのを防ぐことができ、し
かも高抵抗の絶縁膜によりトラップされた電荷がＳｉＯ
膜から下部の絶縁膜を通して固体基板へ移動することを
防ぐことが可能となり、そのため寸法が小さくても表面
電位の劣化を抑えて期待寿命を増大させることができ、
また絶縁膜により固定基板の保護が図れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。（実施の形態１）本実施の形態は、図２、図３に示すよ
うに静電力で駆動する静電リレーに用いたものである。
この静電リレーは、上部固定片１と、可動片２と、下部
固定片３とで構成され、上下の固定片１，３間に可動片
２をサンドイッチ状に挟持する構造となっている。

【００１３】可動片２は、図３に示すようにシリコン単
結晶ウェハを基体とするもので、可動電極４、固定接点
端子５、可動接点６、固定片接合用金属薄膜層７、電極
端子８等を形成している。可動電極４は可動片２の周辺
部より異方性エッチング等により、上下から凹部に加工
されたもので、外周はコの字状にエッチングされて可動
片２と切り離されその一端が可動片４と一体につながっ
た支持端部９となっており、可動電極４は上記支持端部
９を中心に揺動する。

【００１４】よって可動電極４は、後述する上下の固定
片１、３に対して近接或いは離反するように動く。尚下
部固定片３の固定接点１９から電気信号を取り出せるよ
うに可動片２の隅には切欠き１３も設けられている。可
動接点６は、基体表面に形成した絶縁膜１４上に設けら
れ、可動電極４の凹部により、２つの固定片１、３が可
動片２の上下に接合されるだけで固定接点１２、固定接
点１９との間にギャップを設けることができるようにな
っている。また上記金属薄膜層７及び固定接点端子５も
上記絶縁膜１４上に形成されたもので、金属薄膜層７は
金或いは金合金層からなり、可動片２の基体であるシリ
コン単結晶ウェハに接続されている。

【００１５】上、下固定片１、３は可動片２と同様にシ
リコン単結晶ウェハを固体基板とするもので、図２、図
３に示すように固体基板表面に形成した絶縁膜１５、１
６上にエレクトレット１７、１８、固定接点１２、１
９、可動片接合用の金或いは金合金層からなる金属薄膜
層２５、２６等を夫々形成し、エレクトレット１７と一
体に設けた固定電極１０は電極端子２３を通じて接続さ
れ、エレクトレット１８と一体に設けた固定電極１１は
下固定片３の基体裏面で構成される電極端子に接続され
る。

【００１６】可動片２の上、下面に設けた上記固定接点
端子５は上記上、下固定片１、３の固定接点１２、１９
に接続される固定接点端子である。而して、可動片２の
上下の接合用金属薄膜層７と上下の固定片１、３の接合
用金属薄膜層２５、２６とが合わさるようにして可動片
２と上下の固定片１、３を接触させ、適当な圧力を加え
ながら加熱すると接合用金属薄膜層７と２５、又７と２
６とが互いに基体のシリコンとともに共晶化して、図２
に示すように機械的にも、電気的にも接続されることに
なるのである。

【００１７】本実施の形態では上部固定片１のエレクト
レット１７の可動電極４に面している表面がマイナス、
下部固定片３のエレクトレット１８の可動電極４に面し
ている表面がプラスとなるように永久分極している。さ
て可動電極４に電極端子８、２３を用いてマイナスの電
圧を印如した場合、上部エレクトレット１７と可動電極
４には反発力、下部エレクトレット１８と可動電極４に
は吸収力が発生するため、可動電極４に下部エレクトレ
ット１８側に傾こうとするトルクが発生する。この場
合、反発力、吸収力の両者が同じ向きのトルクに寄与す
るので非常に大きな接点圧を得ることができる。逆に可
動電極４にプラスの電圧を印加した場合、上部エレクト
レット１７と可動電極４には吸収力が、また可動電極４
と下部エレクトレット１８には反発力が働き、可動電極
４に上部エレクトレット１７側に傾こうとするトルクが
発生する。この場合、場合、反発力、吸収力の両者が同
じ向きのトルクに寄与するので非常に大きな接点圧を得
ることができる。

【００１８】ここで本実施の形態のエレクトレットにつ
いて、下部固定片３に形成したエレクトレット１８を取
り上げて更に詳説する。まず図１に示すように下部固定
片３を構成するシリコン単結晶ウェハからなる固体基板
１００上にＳｉＯ₂膜１０１をプラズマによる気相によ
り付着形成し、このＳｉＯ₂膜１０１の中央部を帯電さ
せてエレクトレット１８を構成する。帯電されていない
ＳｉＯ₂膜１０１の周辺部分は絶縁膜１６となり、固体
基板１００を保護するとともに、固定接点１９や接合用
金属薄膜層２６と固体基板１００とを絶縁する。また帯
電部であるエレクトレット１８から導体である接合用金
属薄膜層２６までの沿面距離ｄ₁と、エレクトレット１
８から導体である固定接点１６までの沿面距離ｄ₂をエ
レクトレット１８の端部から固体基板１００へ沿面に沿
って電荷が移動するのを防止するのに十分な距離として
いる。

【００１９】尚図１では下部固定片３のエレクトレット
１８を示しているが、上部固定片１のエレクトレット１
７も同様に構成されるのは言うまでもない。このように
本実施の形態のエレクトレット１８（或いは１７）は固
体基板１００上に形成されたＳｉＯ₂膜１０１の中央部
を帯電させて構成されたもので、このエレクトレット１
８（或いは１７）の周辺部に帯電されていないＳｉＯ₂
膜１０１が存在し、且つ帯電されていないＳｉＯ１０１
とエレクトレット１８（或いは１７）のＳｉＯ₂膜とが
同一で且つ連続しているＳｉＯ₂膜１００により構成さ
れることにより、エレクトレット１８（或いは１７）の
端部と固体基板１００との間の沿面距離を十分に大きく
することができ、そのためエレクトレット１８（或いは
１７）の端部から固体基板１００や他の導体へ電荷が移
動するのを防止できる。また帯電されていない部分のＳ
ｉＯ₂膜１０１は固体基板１００の保護膜として作用す
るので、エレクトレット１８（或いは１７）と保護膜生
成のプロセスを共通化できるので無駄が無い。

【００２０】（実施の形態２）本実施の形態のエレクト
レットも実施の形態１と同様に静電リレーに用いるもの
であるが、本実施の形態のエレクトレットは次のような
特徴がある。ここでは静電リレーの下部固定片３に形成
したエレクトレット１８を取り上げて詳説する。

【００２１】まず図４に示すように下部固定片３を構成
するシリコン単結晶ウェハからなる固体基板１００上の
中央部に隙間ができるように抵抗率の高いＳｉＯ₂膜に
よる絶縁膜１６を形成する。そして絶縁膜１６の中央部
の隙間にプラズマによる気相によりＳｉＯ₂膜１０１を
付着形成して帯電させることによりエレクトレット１８
を設けるとともにこのエレクトレット１８を構成するＳ
ｉＯ₂膜１０１の帯電していない周辺部分を上記絶縁膜
１６の内側周縁上に重ならせている。

【００２２】絶縁膜１６はＳｉ基板１００を保護すると
ともに、固定接点１９や接合用金属薄膜層２６とシリコ
ン基体１００とを絶縁するためのものである。そして帯
電部であるエレクトレット１８から導体である接合用金
属薄膜層２６までの距離ｄ₁と、エレクトレット１８か
ら導体である固定接点１９までの距離ｄ₂をエレクトレ
ット１８の端部から固体基板１００へ沿面に沿って電荷
が移動するのを防止するのに十分な距離としている。

【００２３】また絶縁膜１６は帯電されたＳｉＯ₂膜１
０１と比べ、十分大きい抵抗率を持っているため帯電さ
れたエレクトレット１８の端部より帯電されていない絶
縁膜１６を通して電荷が固体基板１００へ移動すること
を防ぐ。尚図４では下部固定片３のエレクトレット１８
を示しているが、上部固定片１のエレクトレット１７も
同様に構成されるのは言うまでもない。

【００２４】図５、図６は本実施の形態のエレクトレッ
ト１８（或いは１７）を用いた静電リレーの断面図及び
分解斜視図を示し、この図示する静電リレーの構造は実
施の形態１と基本的には同じ構造であるため、図２、図
３で示した静電リレーと同じ構成要素には同じ番号、記
号を付して説明は省略する。このように本実施の形態で
は固体基板１００上に形成されたＳｉＯ₂膜１０１を帯
電させてエレクトレット１８（或いは１７）を構成した
もので、エレクトレット１８（或いは１７）の周辺部に
帯電されていないＳｉＯ₂膜が周辺の絶縁膜１６に重な
るように形成されているため、エレクトレット１８（或
いは１７）の端部から固体基板１００までの沿面距離を
十分に大きくすることができ、そのためエレクトレット
１８（或いは１７）の端部から固体基板１００や他の導
体へ電荷が移動するのを防止できる。

【００２５】（実施の形態３）本実施の形態のエレクト
レットも実施の形態１、２と同様に静電リレーに用いる
ものであるが、本実施の形態のエレクトレットは次のよ
うな特徴がある。ここでは静電リレーの下部固定片３に
形成したエレクトレット１８を取り上げて詳説する。

【００２６】まず図７に示すように下部固定片３を構成
するシリコン単結晶ウェハからなる固体基板１００上に
Ｓｉ₃Ｎ₄膜からなる絶縁膜１６を形成し、この絶縁膜
１６の中央部の上面に更にＳｉＯ₂膜１０１を形成する
とともにこのＳｉＯ₂膜１０１を帯電させエレクトレッ
ト１８を構成している。絶縁膜１６はＳｉ基板１００を
保護するとともに、固定接点１９や接合用金属薄膜層２
６とシリコン基体１００とを絶縁するためのものであ
る。帯電部であるエレクトレット１８から導体である接
合用金属薄膜２６までの距離ｄ₁と、エレクトレット１
８から導体である固定接点１６までの距離ｄ₂をエレク
トレット１８の端部から固体基板１００へ沿面に沿って
電荷が移動するのを防止するのに十分な距離としてい
る。

【００２７】尚上記絶縁膜１６上に固定基板１００と同
じ材質のポリシリコンの膜を形成し、その上にエレクト
レット１８を形成するためのＳｉＯ₂膜を形成しても良
い。尚図７では下部固定片３のエレクトレット１８を示
しているが、上部固定片１のエレクトレット１７も同様
に構成されるのは言うまでもない。図８、図９は本実施
の形態のエレクトレット１８（或いは１７）を用いた静
電リレーの断面図及び分解斜視図を示し、この図示する
静電リレーの構造は実施の形態１と基本的には同じ構造
であるため、図２、図３で示した静電リレーと同じ構成
要素には同じ番号、記号を付して説明は省略する。

【００２８】このように本実施の形態では固体基板１０
０上に形成されたＳｉ₃Ｎ₄膜からなる絶縁膜１６上に
エレクトレット１８（或いは１７）を構成するＳｉＯ₂
膜を形成することにより、エレクトレット１８（或いは
１７）の寸法が小さくても端部から沿面に沿って電荷が
固体基板１００へ移動するのを防ぎ、且つエレクトレッ
ト１８から絶縁膜１６を通って固体基板１００へ電荷が
移動するのを防ぐことができる。またＳｉＮ膜たる絶縁
膜１６は固体基板Ｉ００の保護として作用するので、エ
レクトレットと保護膜生成のプロセスとを共通化できて
無駄がない。

【００２９】尚上記各実施の形態のエレクトレット１
７、１８はＳｉＯ₂膜を帯電させることにより構成され
たものであるが、珪素系の無機絶縁膜、例えばＳｉ₃Ｎ
₄膜やＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の複合体（ＳｉＯＮ）の膜
を用いてエレクトレットを構成しても同様な効果が期待
できる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１の発明は、固体基板上にＳｉＯ
₂膜を形成し、このＳｉＯ₂膜の少なくとも周辺部を除
いた一部を帯電させて構成したので、帯電している部位
の端部から固定基板までの沿面距離を大きくすることが
でき、そのためトラップされた電荷が固体基板上へ沿面
に沿って移動するのを防ぐことができ、結果寸法が小さ
くても表面電位の劣化を抑えて期待寿命を増大させるこ
とができ、しかも帯電されていない膜が固体基板を保護
する保護膜として作用するという効果があり、その上該
保護膜とエレクトレット部位の生成のプロセスを共通化
できて、製造上の無駄がないという効果がある。

【００３１】請求項２の発明は、固体基板上にＳｉＯ₂
膜を形成するとともに、該ＳｉＯ₂膜の周辺の固定基板
上に絶縁膜を形成し、且つ該絶縁膜と上記ＳｉＯ₂膜と
の境界部位では上記ＳｉＯ₂膜の周辺部を絶縁膜上に重
ね、この重ねた部位以外のＳｉＯ₂膜を帯電させて構成
したので、ＳｉＯ膜の帯電部位の端部から固体基板まで
の沿面距離を大きくすることができ、しかも高抵抗の絶
縁膜によりトラップされた電荷が固体基板上へ沿面に沿
って或いは絶縁膜を通して移動することを防ぐことがで
き、結果寸法が小さくても表面電位の劣化を抑えて期待
寿命を増大させることができ、また絶縁膜により固定基
板の保護が図れるという効果がある。

【００３２】請求項３の発明は、固体基板上に絶縁膜を
形成するとともに該絶縁膜上にＳｉＯ₂膜を形成し、該
ＳｉＯ₂膜を帯電させて構成したので、ＳｉＯ膜の帯電
部位の端部から固体基板までの沿面距離を大きくするこ
とができトラップされた電荷が固体基板上へ沿面に沿っ
て移動するのを防ぐことができ、しかも高抵抗の絶縁膜
によりトラップされた電荷がＳｉＯ膜から下部の絶縁膜
を通して固体基板へ移動することを防ぐことが可能とな
り、そのため寸法が小さくても表面電位の劣化を抑えて
期待寿命を増大させることができ、また絶縁膜により固
定基板の保護が図れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１の上面図であ
る。（ｂ）は本発明の実施の形態１のＡ−Ａ’断面図で
ある。

【図２】同上を用いた静電リレーの側面断面図である。

【図３】同上を用いた静電リレーの分解斜視図である。

【図４】（ａ）は本発明の実施の形態２の上面図であ
る。（ｂ）は本発明の実施の形態２のＡ−Ａ’断面図で
ある。

【図５】同上を用いた静電リレーの側面断面図である。

【図６】同上を用いた静電リレーの分解斜視図である。

【図７】（ａ）は本発明の実施の形態３の上面図であ
る。（ｂ）は本発明の実施の形態３のＡ−Ａ’断面図で
ある。

【図８】同上を用いた静電リレーの側面断面図である。

【図９】同上を用いた静電リレーの分解斜視図である。

【図１０】従来例の寿命説明図である。

【図１１】別の従来例の寿命説明図である。

【符号の説明】

３固定片１１固定電極１８エレクトレット１００固体基板１０１ＳｉＯ₂膜１６絶縁膜１９固定接点２６接合用金属薄膜層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体基板上にＳｉＯ₂膜を形成し、このＳ
ｉＯ₂膜の少なくとも周辺部を除いた一部を帯電させて
構成したことを特徴とするエレクトレット。
【請求項２】固体基板上にＳｉＯ₂膜を形成するととも
に、該ＳｉＯ₂膜の周辺の固定基板上に絶縁膜を形成
し、且つ該絶縁膜と上記ＳｉＯ₂膜との境界部位では上
記ＳｉＯ₂膜の周辺部を絶縁膜上に重ね、この重ねた部
位以外のＳｉＯ ₂膜を帯電させて構成したことを特徴と
するエレクトレット。
【請求項３】固体基板上に絶縁膜を形成するとともに該
絶縁膜上にＳｉＯ₂膜を形成し、該ＳｉＯ₂膜を帯電さ
せて構成したことを特徴とするエレクトレット。