驻极体元件、机电转换器以及驻极体元件的制造方法

摘要

驻极体元件具备Si层、在Si层的表面形成的SiO2层以及在SiO2层的与Si层的界面的近旁形成的驻极体。

权利要求

1.一种驻极体元件，其特征在于，具备：Si层；

在所述Si层的表面形成的SiO2层；以及在所述SiO2层的与所述Si层的界面的近旁形成的驻极体；

其中，构成所述驻极体的表面电荷被固定在所述界面附近，并且所述SiO2层作为所述驻极体的保护膜。

2.一种机电转换器，其特征在于，具备相互相对配置且至少一方能够移动的第1电极以及第2电极，所述第1电极由权利要求1所述的驻极体元件构成，通过所述第1电极以及第2电极中的至少一方进行移动，来进行电能与机械能之间的转换。

3.根据权利要求2所述的机电转换器，其特征在于，所述Si层由Si基板构成，

在所述Si基板形成有用于驱动所述机电转换器的电路元件的至少一部分。

4.根据权利要求2或3所述的机电转换器，其特征在于，通过外力的作用，所述第1电极以及第2电极中的至少一方的电极进行移动来进行发电。

5.根据权利要求2或3所述的机电转换器，其特征在于，具备：设置有所述第1电极的静止部；

设置有所述第2电极的可动部；

在所述第1电极与所述第2电极之间施加电压的电压源；以及控制所述电压源的施加电压来驱动所述可动部的控制部。

6.一种驻极体元件的制造方法，其用于制造驻极体元件，其特征在于，一边将形成了SiO2层的Si层维持在所述SiO2层成为半导体状态的第1温度，一边在所述Si层与所述SiO2层之间施加电压，在施加了所述电压的状态下，使形成了所述SiO2层的所述Si层从所述第1温度变化到所述SiO2层恢复绝缘性的第2温度；

其中，在所述SiO2层的与所述Si层的界面的近旁形成所述驻极体元件的驻极体；

构成所述驻极体的表面电荷被固定在所述界面附近，并且所述SiO2层作为所述驻极体的保护膜。

说明书

驻极体元件、机电转换器以及驻极体元件的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及驻极体元件、机电转换器以及驻极体元件的制造方法。

背景技术

[0002] 作为在SiO2等的绝缘膜中固定电荷的以往的方法，具有利用“电晕放电”、“电子束”从绝缘膜的表面注入电荷的方法(例如，参照专利文献1)。然而，因为在该方法中难以使梳齿结构的侧面等窄隙部分带电，所以通常采用在带电处理后进行组装的手法。因此，难以缩小间隙，并限制作为发电装置、致动器的性能。

[0003] 因此，作为如此的窄隙部带电的方法，提出了通过软X射线电离空气，并通过偏置电压注入离子的方法(例如，参照专利文献2参照)。

[0004] 另外，提出了通过在高温中施加偏置电压来移动/固定SiO2层所含有的钾离子等碱金属离子的方法(例如，参照专利文献3)。

[0005] 现有技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1:日本特开平9-283373号公报

[0008] 专利文献2:日本专利第5551914号公报

[0009] 专利文献3:日本专利第5627130号公报

发明内容

[0010] 发明所要解决的课题

[0011] 在专利文献2公开的方法中当带电处理时，需要对希望带电的位置维持电场起作用的状态。例如，为了使梳齿到根部为止都带电，需要维持梳齿相互深深插入的状态。然而，随着带电的进行，静电减少且梳齿的插入量变小，因此为了维持插入量需要按压梳齿的特殊机构。另外，由于在处理中需要空气，因此难以使被密闭的部分带电。

[0012] 并且，因为无论哪个方法都是从表面注入电荷的方法，所以难以控制电荷的固定位置(从表面开始的深度)，并无法在绝缘体的深部均匀地带电。因为固定在表面附近的电荷与空气中的水蒸气发生反应并被中和，所以具有驻极体的寿命变短这样的缺点。

[0013] 另一方面，在专利文献3所公开的方法中使用碱金属离子，但是一般情况下，因为碱金属会使半导体元件的电气特性劣化，所以从制造装置中排除。因此，在该方法中，难以对CMOS器件的一部分改善驻极体，从而限制了应用范围。另外，在该方法中，因为在SiO2表面附近固定碱金属离子，所以为了防止驻极体的寿命缩短，需要追加实施防水膜等的处理。

[0014] 解决课题的手段

[0015] 根据本发明的第1方式，驻极体元件具备Si层、在Si层的表面形成的SiO2层、在SiO2层的与Si层的界面的近旁形成的驻极体。

[0016] 根据本发明的第2方式，机电转换器具备相互相对配置且至少一方能够移动的第1电极以及第2电极，第1电极由第1方式的驻极体元件构成，通过第1电极以及第2电极中的至少一方进行移动，来进行电能与机械能之间的转换。

[0017] 根据本发明的第3方式，优选在第2方式的机电转换器中，Si层由Si基板构成，且在Si基板形成有用于驱动机电转换器的电路元件的至少一部分。

[0018] 根据本发明的第4方式，优选在第2或者第3方式的机电转换器中，通过外力的作用，第1电极以及第2电极中的至少一方的电极进行移动来进行发电。

[0019] 根据本发明的第5方式，优选在第2或者第3方式的机电转换器中，具备设置有第1电极的静止部、设置有第2电极的可动部、在第1电极与第2电极之间施加电压的电压源、以及控制电压源的施加电压来驱动可动部的控制部。

[0020] 根据本发明的第6方式，驻极体元件的制造方法一边将形成了SiO2层的Si层维持在SiO2层成为半导体状态的第1温度，一边在Si层与SiO2层之间施加电压，并在施加了电压的状态下，使形成了SiO2层的Si层从第1温度变化到SiO2层恢复绝缘性的第2温度。

[0021] 发明的效果

[0022] 通过本发明，能够提供一种具备优异寿命性能的驻极体的驻极体元件。

附图说明

[0023] 图1说明第1实施方式的驻极体元件。

[0024] 图2表示Si/SiO2界面的电气特性。

[0025] 图3说明本实施方式的驻极体元件中的带电原理。

[0026] 图4说明本实施方式的驻极体元件中的带电原理，并表示施加电压为零时的状态。

[0027] 图5详细地说明带电处理。

[0028] 图6详细地说明带电处理。

[0029] 图7详细地说明带电处理。

[0030] 图8是表示振动发电装置的概要结构的示意图。

[0031] 图9表示图8的B1-B1断面形状。

[0032] 图10表示形成氧化膜、进行了带电处理后的B1-B1断面形状。

[0033] 图11说明偏置电压V1的施加方式。

[0034] 图12是详细地表示在梳齿电极中形成的电双层的示意图。

[0035] 图13是详细地表示由图12的虚线C包围的区域的结构的示意图。

[0036] 图14表示施加电压为V1的状态。

[0037] 图15表示施加电压为零的状态。

[0038] 图16针对振动发电装置的发电动作进行说明。

[0039] 图17说明MEMS快门的概略结构。

[0040] 图18说明梳齿型致动器的驱动动作，并表示施加电压V为V＝0的情况。

[0041] 图19说明梳齿型致动器的驱动动作，并表示将施加电压V设定为0＜V＜V1的情况。

[0042] 图20说明梳齿型致动器的驱动动作，并表示将施加电压V设为V＝V1的情况。

[0043] 图21说明驻极体的效果。

具体实施方式

[0044] 以下，参照附图来说明用于实施本发明的方式。

[0045] -第1实施方式-

[0046] 第1实施方式所涉及的驻极体元件是通过隔着界面形成Si层和SiO2层，并在SiO2层侧的界面近旁形成驻极体的元件。本发明的发明人发现如下所述的Si/SiO2界面的电气特性，并利用该电气特性在SiO2层形成了驻极体。

[0047] 在图1中，样品100在Si层101的一个面上形成SiO2层102。在Si层101以及SiO2层102，形成Au层103、104作为电极。在使Si为高温(500～700℃左右)时，由于本征载流子浓度的增大使得电阻率降低由此基本上能够视为导体。另外，已知SiO2在常温下是优异的绝缘
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体，但是在高温(500～700℃左右)下由于热激发电子的影响，电阻率降低到10Ωm等级(与半导体为相同程度)。

[0048] 因此，本发明者如图1所示，制作具有Si/SiO2界面的样品100，并在高温(约610℃)状态下调查了Si/SiO2界面的电气特性。图2表示施加电压V1与电流i的关系，并明确了高温状态下的Si/SiO2界面具有肖特基结那样的整流效果。

[0049] (带电原理的说明)

[0050] 图3说明本实施方式的驻极体元件中的带电原理。在将在Si层202、203之间隔着SiO2层201的结构的基板(例如，SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板)200加热到SiO2半导体化的高温(500～700℃)的状态下，如果如图3所示施加电压V1，则隔着Si/SiO2界面204而形成电双层。此外，通常使用在Si层中掺杂了杂质的电双层，在这种情况下，能够使用p型以及n型中的任意一个。另外，也可以是不包含杂质的Si层。

[0051] 如上所述，在高温状态下Si/SiO2界面具有图2所示那样的整流效果。因此，通过隔着上侧的Si/SiO2界面204在Si层202侧积蓄正电荷，并在SiO2层201侧积蓄负电荷。另一方面，关于下侧的Si/SiO2界面，因为在电流流动的方向施加电压，所以无法形成电双层。

[0052] 接着，在施加了电压的状态下将基板200的温度恢复到常温时，即、在降低到SiO2层201的绝缘性恢复的温度时，在隔着Si/SiO2界面204的SiO2层201侧积蓄的负电荷被困在该区域而无法移动。此后，如图4所示，在停止施加电压V1来连接Si层202和Si层203时，正电荷的一部分从Si层202向Si层203移动。

[0053] 另一方面，由于SiO2层201为绝缘性，因此SiO2层201内的负电荷在解除了施加电压V1后仍然被困在Si/SiO2界面204的近旁。其结果是，如图4所示在SiO2层201内形成电场E。该电场E是由于驻极体而产生的电场，Si/SiO2界面204与Si/SiO2界面205之间的电位差为V1。即，形成了电压V1的驻极体。

[0054] 参照图5～7来详细说明带电量等。图5是在Si层中夹入SiO2层的结构的示意图。表面电荷Q2、Q3是构成图4所示的电双层的电荷。电双层中的表面电荷Q2、Q3间的距离d非常地小，但是在图5中夸张地放大显示了距离d以便于理解，并在图示的位置固定SiO2层201内的表面电荷Q2。在图5中，在Si层203中表面电荷Q1也带电，因此结构整体为中性。由此，仅SiO2层201内的电场E1、E2具有非零的大小，该电场E1、E2导致的Si层202、203之间的电位差为V。

[0055] 首先，对于表面电荷Q1、Q3的分配进行说明。如果分别对隔着表面电荷Q1的区域、隔着表面电荷Q2的区域以及隔着表面电荷Q3的区域适用高斯定律，则可以获得以下的式(1)～(3)。此外，S是SiO2层201、Si层202、203的截面面积，ε1是SiO2层201的介电常数。

[0056] ε1·E1·S＝Q1   …(1)

[0057] (ε1·E2-ε1·E1)·S＝Q2   …(2)

[0058] －ε1·E2·S＝Q3   …(3)

[0059] 另外，因为上下的Si层间的电位差为V，所以以下的式(4)成立。d是表面电荷Q2、Q3间的距离，g是表面电荷Q1、Q2间的距离。

[0060] g·E1+d·E2＝－V   …(4)

[0061] 如果整理式(1)～(4)，则如以下的式(5)、(6)那样获得表面电荷Q1、Q3。

[0062] Q1＝－d·Q2/(g+d)－ε1·S·V/(g+d)   …(5)

[0063] Q3＝－Q2－Q1   …(6)

[0064] 接着，使用图6来说明在带电处理时施加的电压V与表面电荷Q2的关系。施加电压V被设定为V＝V1，因为从图2可知Si/SiO2界面205流过电流，所以在图6的状态下以下的式(7)、(8)成立。然后，如果将式(7)、(8)适用于式(5)，则可以获得式(9)。该Q2是在SiO2层201中带电的固定表面电荷，形成了驻极体。在这里，当施加电压V1为V1＞0时，则Q2＜0。在图6中，在基板200的图示右侧表示了层叠方向的电位变化。在图6的情况下，在Si/SiO2界面204中形成电双层，在该电双层中电压V1集中。

[0065] V＝V1   …(7)

[0066] Q1＝0   …(8)

[0067] Q2＝－ε1·S·V1/d   …(9)

[0068] 接着，对于图4所示的带电处理后的常温的表面电荷进行说明。此外，因为SiO2层201在常温下恢复绝缘性来保持困住电荷，所以表面电荷Q2维持式(9)的值。对于表面电荷Q1，通过将式(9)代入到式(5)，得到式(10)。

[0069] Q1＝－ε1·S·(V1－V)/(g+d)   …(10)

[0070] 在图6所示的状态下Si层202与Si层203之间存在电位差V1，如图7所示，在连接Si层202与Si层203时由于该电位差，正电荷从Si层202向Si层203移动从而电位差减少。上述式(10)表示电位差从V1变化到V时的正电荷的移动量。最终如图7所示，电位差V变为V＝0，因此Si层203的表面电荷Q1变为以下的式(11)。

[0071] Q1＝－ε1·S·V1/(g+d)   …(11)

[0072] 此外，如果比较式(10)与式(9)，则以下的式(12)的关系成立。其中，|V|＜|V1|且d＜＜g。

[0073] |Q1|＜＜|Q2|   …(12)

[0074] 另一方面，对于表面电荷Q3，从式(6)可知，成为表面电荷Q2感应的电荷-Q2与基于微小的电荷Q1流出的电荷-Q1之和。因此，基本上具有高电荷密度的电双层{Q2、－Q2}，成为在上下的Si层之间少量的电荷Q1随着电位差进行移动这种情形。

[0075] 这样的驻极体的优点是：如图7所示在电位差V＝0时Q1≠0(即电场E1≠0)。根据式(11)也可知，此时产生的电场E1的大小是与没有驻极体(Q2＝0)时施加了外部偏置电压V1时所产生的电场相同的大小。因此，表现为“驻极体的带电电压为V1”。

[0076] 此外，在图7所示的例子中，虽然电场E1局限于SiO2层201内部而利用价值小，但是通过在后述那样的预定结构中实施带电处理，能够在隙间产生电场。利用在该隙间产生的电场，可以进行电气机械变换(电能与机械能之间的变换)，并能够用于发电、传感器、致动器等。

[0077] -第2实施方式-

[0078] 第2实施方式将第1实施方式的驻极体元件适用于机械电气转换器的一个例子即梳齿结构的振动发电装置。图8是表示振动发电装置300的概要结构的示意图。该振动发电装置300也与第1实施方式的驻极体元件的情况相同，通过使用与一般的MEMS的情况相同的半导体集成电路制作技术(例如，基于ICP-RIE的深反应离子刻蚀等)进行加工来形成SOI基板。

[0079] 振动发电装置300在矩形环状底座301上具备固定梳齿电极302以及可动梳齿电极303。可动梳齿电极303通过弹性支撑部305弹性支承在底座301上。可动梳齿电极303的各梳齿在固定梳齿电极302的各梳齿之间经由间隙来配置。在可动梳齿电极303中设置了锤304。
如果从外部对振动发电装置300施加振动，则可动梳齿电极303向箭头R方向进行振动。负载
320连接到固定梳齿电极302与可动梳齿电极303之间。如后所述，在固定梳齿电极302中形成驻极体，并在对振动发电装置300施加外力使可动梳齿电极303振动时进行发电。

[0080] 在本实施方式中，将SOI基板加工为如图9所示的形状后，作为形成驻极体的SiO2层，在Si层的表面通过热氧化法形成氧化膜(SiO2层)(厚度t＝0.2～1μm左右)(参照图10)。此后，与第1实施方式同样地在氧化膜中固定电荷来形成驻极体。此外，在本实施方式中，通过热氧化法形成了在Si层的表面所形成的氧化膜(SiO2层)，但是并不限于此，可以通过各种氧化膜形成方法来形成氧化膜(SiO2层)。例如，也可以通过由CVD在Si层上堆积SiO2来形成氧化膜(SiO2层)。

[0081] 图9表示图8的B1-B1断面形状的图，并表示形成氧化膜之前的阶段的形状。通过SOI基板的处理层(Si)形成底座301。通过SOI基板的设备层(Si)形成固定梳齿电极302。符号307所示的部分是被称为SOI基板的BOX层的嵌入氧化膜(SiO2)。虽然省略了图示，但是通过SOI基板的设备层形成可动梳齿电极303、弹性支撑部305以及锤304。

[0082] 图10表示形成氧化膜，并进行了带电处理后的B1-B1截面形状。在通过Si层形成的固定梳齿电极302以及底座301的表面分别形成氧化膜310。在进行氧化膜310的带电处理时，与第1实施方式的情况相同，使用加热器等加热至SiO2层即氧化膜310变为半导体的温度。然后，如果氧化膜310变为半导体，则在施加了偏置电压V1(10～200V)的状态下，使变为半导体的氧化膜310冷却到恢复绝缘性的温度。如图10所示，因为Si层的边缘部通过热氧化变为R形状，所以偏置电压施加时的电场集中被缓和，绝缘破坏强度变大。因此，尽管固定梳齿电极302与可动梳齿电极303之间的间隙尺寸(2μm左右)小，但是能够施加比较高的偏置电压。

[0083] (带电处理的详细说明)

[0084] 在进行带电处理时，如图11所示，在固定梳齿电极302与可动梳齿电极303以及底座301之间施加偏置电压V1。首先，将振动发电装置300加热至由SiO2形成的氧化膜310变为半导体的温度(500～700℃)。然后，施加偏置电压V1，以便隔着固定梳齿电极302的Si/SiO2界面306形成电双层(参照图10)。

[0085] 图12示意性地表示在形成了电双层的状态的固定梳齿电极302以及可动梳齿电极303相重叠的部分的截面(与图11的纸面平行的截面)。此外，以下对在固定梳齿电极302形成的氧化膜赋予符号310a，对在可动梳齿电极303形成的氧化膜赋予符号310b。另外，对固定梳齿电极302的Si层赋予符号311a，对可动梳齿电极303的Si层赋予符号311b。在施加偏置电压时，Si/SiO2界面306中的电双层的电位差逐渐上升，最终变为电压V1(几秒钟～几分钟)。

[0086] 因为SiO2层(氧化膜310a以及BOX层307)变为半导体且电阻率降低，所以SiO2层内基本是同电位。因此，在整个Si/SiO2界面306中为均匀的电荷密度，到梳齿尖端为止形成电双层。此外，当在整个Si/SiO2界面306中形成电双层时，被电阻率降低的SiO2层静电屏蔽，所以在电双层的外侧不会出现电场。由此，因为梳齿电极间的静电为零，所以能够通过观察这种情况来作为带电处理完成的标准。

[0087] 图13是详细地表示由图12的虚线C所包围的区域的结构的示意图，对应于第1实施方式的图5。在固定梳齿电极302的氧化膜310a以及Si层311a形成隔着Si/SiO2界面306构成电双层的表面电荷Q5、Q6。表面电荷Q4表示在可动梳齿电极303的Si层311b中带电的电荷。E3是在可动梳齿电极303的氧化膜310b内形成的电场。E5、E6是在固定梳齿电极302的氧化膜310a内形成的电场。E4是在梳齿电极302、303之间的隙间G中形成的电场。

[0088] 分别对图13的包含表面电荷Q4的区域、包含氧化膜310b与隙间G的界面的区域、包含氧化膜310a与隙间G的界面的区域、包含表面电荷Q5的区域以及包含表面电荷Q6的区域适用高斯定律时，获得以下的式(13)～(17)。此外，S是剪切了图12的区域C时的截面面积。ε0、ε1是隙间G以及氧化膜(SiO2)的介电常数。

[0089] ε1·E3·S＝Q4   …(13)

[0090] (ε0·E4－ε1·E3)·S＝0   …(14)

[0091] (ε1·E5－ε0·E4)·S＝0   …(15)

[0092] (ε1·E6－ε1·E5)·S＝Q5   …(16)

[0093] －ε1·E6·S＝Q6   …(17)

[0094] 另外，因为上下的Si层311a、311b间的电位差为V，所以关于图13所示的距离d、g1、g2、g3，以下的式(18)成立。

[0095] g1·E3+g2·E4+g3·E5+d·E6＝－V   …(18)

[0096] 根据式(13)～(17)，获得表示表面电荷Q4、Q5、Q6之间的关系的以下的式(19)。

[0097] Q6＝－Q5－Q4   …(19)

[0098] 另外，根据式(13)～(18)，获得表示驻极体电荷即表面电荷Q5的以下的式(20)。

[0099] Q5＝－[(d+g1+g2(ε1/ε0)+g3)/d]Q4－ε1·S·V/d   …(20)

[0100] 在如图14所示施加了偏置电压V1时，因为Si/SiO2界面308流过电流，所以在施加偏置电压的状态下V＝V1、Q4＝0。如果在式(20)中设为V＝V1、Q4＝0，则使用以下的式(21)来表示表面电荷Q5。当施加电压V1为V1＞0时，Q5＜0。另外，如果在式(19)中设为Q4＝0，则Q6＝－Q5。就这样，在图14的情况下，在Si/SiO2界面306中形成电双层，并在该电双层中电压V1集中。

[0101] Q5＝－ε1·S·V1/d   …(21)

[0102] 如图14所示，如果在Si/SiO2界面306中形成了电双层的状态下，即，在施加了偏置电压V1的状态下将温度降低至SiO2恢复绝缘性的温度(例如，常温)时，则在氧化膜310a中带电的表面电荷Q5被固定在图14所示的位置。此后，如图15所示，如果连接固定梳齿电极302的Si层311a与可动梳齿电极303的Si层311b，则由于它们之间的电位差(参照图14)，电荷(Q4)从Si层311a移动到Si层311b从而电位差减少。当电位差从V1变化至V时，使用以下的式(22)表示此时的电荷移动量。最终，如图15所示，如果电位差变为零，则表面电荷Q4如以下的式(23)所示。

[0103] Q4＝－ε0·S·(V1－V)/[g′+d·(ε0/ε1)]   …(22)

[0104] 其中，g′＝g2+(g1+g3)·(ε0/ε1)

[0105] Q4＝－ε0·S·V1/[g′+d·(ε0/ε1)]   …(23)

[0106] 因为根据式(13)、(14)成为Q4＝ε0·E4·S，所以根据该式与式(23)，通过以下的式(24)表示图15中的隙间G的电场E4。这是在没有驻极体(表面电荷Q5)的情况下，与施加了电压V1时形成的电场一致。

[0107] E4＝－V1/[g′+d·(ε0/ε1)]   …(24)

[0108] (发电动作的说明)

[0109] 接下来，对于振动发电装置300的发电动作进行说明。图16示意性地表示了可动梳齿电极303相对于固定梳齿电极302进行滑动移动，梳齿彼此的重叠成为零的状态(c)、梳齿的一半重叠的状态(b)、整个梳齿重叠的状态(a)。这相当于连接了低阻抗极限的负载320的情况，在式(22)中，对应于由于面积S(相当于重叠面积)发生变化使得表面电荷Q4的电荷量发生变化的情况。此外，在这里为了简化说明，将表面电荷Q5所示的一个负号设为电荷量－q，将表面电荷Q4、Q6所示的1个正号视为电荷量+q来说明电荷量的变化。

[0110] 图16的状态(a)与图15所示的状态相同，固定梳齿电极302的Si层311a的电位与可动梳齿电极303的Si层311b的电位相等。即，电位差V＝0。因此，在负载320中不流过电流。此时，表面电荷Q6的电荷量为+6q，表面电荷Q5的电荷量为－8q，表面电荷Q4的电荷量为+2q。

[0111] 在状态(b)，表示可动梳齿电极303相对于固定梳齿电极302向图示左方向移动，梳齿的重叠面积减少到一半的状态。随着重叠面积的减少，表面电荷Q4的电荷量从+2q减少到+q，表面电荷Q6的电荷量从+6q增加到+7q。其结果是，电流I从可动梳齿电极303的Si层311b流向固定梳齿电极302的Si层311a。

[0112] 如果从状态(b)重叠面积进一步减少，则在重叠面积减少的同时表面电荷Q4的电荷量也减少。然后，如状态(c)所示如果重叠面积变为零，则表面电荷Q4的电荷量变为零，表面电荷Q6的电荷量变为+8q。

[0113] 就这样，如果可动梳齿电极303相对于固定梳齿电极302进行振动，则图16所示的状态(a)～(c)以(a)→(b)→(c)→(b)→(a)→(b)→···的方式进行重复，负载320中流过交流电流。此外，当作为负载320连接了高阻抗极限的负载时，因为表面电荷Q4的电荷量不发生变化而重叠面积发生变化，所以电位差V也发生变化。一般来说，通过调整负载阻抗来谋求取出的电力的最大化。

[0114] -第3实施方式-

[0115] 第3实施方式将第1实施方式的驻极体元件适用于MEMS快门的梳齿型致动器。图17表示本实施方式的MEMS快门400的概要结构。此外，对于与图8所示的振动发电装置300相同的结构元件赋予了相同的符号。即、通过加工SOI基板来形成MEMS快门400，MEMS快门400具备固定在矩形环状底座301的固定梳齿电极302、通过弹性支撑部305被固定在底座301的可动梳齿电极303。固定梳齿电极302以及可动梳齿电极303构成梳齿型致动器。在可动梳齿电极303设置了快门部404，该快门部404形成了开口404a。

[0116] 在固定梳齿电极302与可动梳齿电极303之间，通过电压源401施加致动器驱动用电压。控制部402控制电压源401的施加电压V，使设置了快门部404的可动梳齿电极303向箭头R的方向移动。在快门部404被配置在光路上，当通过可动梳齿电极303的移动在光路中配置快门部404的开口404a时，光线穿过快门部404。另一方面，通过在光路中配置快门部404的非开口区域(遮蔽区域)，光线被快门部404遮挡。

[0117] 此外，因为固定梳齿电极302以及可动梳齿电极303的结构以及形成方法、还有向固定梳齿电极302形成驻极体的方法与上述第2实施方式相同，所以在这里省略说明。

[0118] (动作说明)

[0119] 图18～20说明梳齿型致动器的驱动动作。图18表示电压源401的施加电压V为V＝0的情况。在图18中，(a)表示作用于可动梳齿电极303的力F1、F2，(b)表示施加电压V与电场E4之间的关系。当施加电压V＝0时，Si层311a与Si层311b为同电位，与图15、16所示的情况为相同的状态。在固定梳齿电极302与可动梳齿电极303之间的隙间G中，形成由前述的式(24)所表示的电场E4。通过该电场E4，图示向右的力F1作用于可动梳齿电极303。使得将可动梳齿电极303拉入固定梳齿电极302的梳齿间。

[0120] 在通过电场E4的力F1使得可动梳齿电极303以被拉入固定梳齿电极302的方式进行移动时，如图18(a)所示，弹性支撑部305发生变形。其结果是，通过弹性支撑部305的弹力，向图示左侧拉回的力F2作用于可动梳齿电极303。可动梳齿电极303在力F1与力F2平衡的位置停止。

[0121] 图19表示将施加电压V设定为0＜V＜V1的情况。在这种情况下，通过在前述式(22)中应用式(13)、(14)所获得的以下的式(25)来表示隙间G的电场E4。根据式(24)、(25)可知，图19中的电场E4的强度相比施加电压V＝0时变弱。其结果是，向固定梳齿电极302的方向吸引可动梳齿电极303的静电力F1变小，可动梳齿电极303如图19的(a)所示，向图示左方移动至静电力F1与弹性支撑部305的弹力F2平衡的位置。

[0122] E4＝－(V1－V)/[g′+d·(ε0/ε1)]   …(25)

[0123] 图20表示将施加电压V设为V＝V1的情况。此时，表面电荷Q5与表面电荷Q6的电荷量相等，该电双层中的电位差与V1相等。其结果是，隙间G的电场E4为零，固定梳齿电极302与可动梳齿电极303之间的静电力F1也为零。因此，如图20所示，弹性支撑部305的变形也为零。

[0124] 如上所述，在本实施方式中，通过改变电压源401的施加电压V来对可动梳齿电极303进行滑动驱动，能够进行快门部404的快门打开关闭。另外，如图18～20所示，通过在梳齿电极中安装驻极体，使得在施加电压V＝0时隙间G的电场E4的强度为最大。

[0125] 顺便提及，在梳齿致动器中的梳齿间发挥作用的静电力与电场的平方成正比。因此，在不使用驻极体而仅通过施加电压V来驱动梳齿致动器的结构的情况下，施加电压V与静电F1的关系为图21的线L1所示那样的二次曲线。另一方面，如本实施方式所述，在形成了驻极体的梳齿致动器的情况下，施加电压V与静电F1的关系为线L2。线L2是将线L1向横轴正方向移动了相当于驻极体的带电电压V1的量的线。因此，对于相等的施加电压ΔV，有驻极体时的静电力ΔFb相比没有驻极体时的静电力Δfa变大。即，当形成了驻极体时，能够获得与仅有外部偏置电压的结构相比更大的静电力。

[0126] 如上所述，驻极体元件如图4、7所示，具备：Si层202、在Si层202的表面形成的SiO2层201、以及在SiO2层201中的Si层202的界面的近旁形成的驻极体(表面电荷Q2)。因为构成驻极体的表面电荷Q2被固定在Si/SiO2界面附近，所以SiO2层201能够作为保护膜发挥功能，提高驻极体的寿命。

[0127] 驻极体通过如下方式来形成：一边将形成了SiO2层201的Si层202维持在SiO2层201成为半导体状态的第1温度(约500～700℃)，一边在Si层202与SiO2层201之间施加电压，并且，在施加了电压的状态下，将形成了SiO2层201的Si层202从所述第1温度变化至SiO2层201恢复绝缘性的第2温度(例如，300℃以下左右的温度)。

[0128] 如此，因为通过在SiO2层内移动并固定电荷的方法来形成驻极体，所以即使是在像图8所示的梳齿电极的梳齿侧面那样的窄隙部位、或密闭空间配置的电极，也能够容易地形成驻极体。因为在窄隙部位形成驻极体变得容易，所以可以将间隙尺寸设计得更小，从而提高作为发电装置、致动器的性能。

[0129] 并且，因为电荷与设备表面的电场无直接关系地进行移动，所以在带电处理(驻极体形成处理)时不用花费特别的工夫，就能够通过均匀的电荷密度来带电。另外，如图3所示，因为形成电双层来带电，所以隔着界面而带电的电荷间的间隙非常小，因此即使小的电位也能够获得大的电荷密度。

[0130] 另外，如第2实施方式所示，具备彼此相对配置的固定梳齿电极302与可动梳齿电极303，固定梳齿电极302由驻极体元件构成。并且，作为机电转换器(例如，振动发电装置300)发挥功能，即通过可动梳齿电极303进行移动，也就是说通过可动梳齿电极303相对于固定梳齿电极302进行位移来进行电能与机械能之间的转换。

[0131] 此外，在上述实施方式中，在固定梳齿电极302侧形成了驻极体，但是也可以构成为在可动梳齿电极303侧形成驻极体。并且，不限于使一对梳齿电极中的一方设为可动的结构，也可以设为一对梳齿电极双方进行移动的结构。

[0132] 作为机电转换器，除了发电装置以外，还具有如图17所示的用于驱动快门部404的致动器、驻极体电容传声器等。在上述实施方式的驻极体元件的情况下，因为不是如专利文献3所记载的驻极体那样包含碱金属离子的结构，因此能够与CMOS器件共存，例如，可以在底座301的Si层(设备层)形成图17的控制部402的一部分的电路元件。作为这样的电路元件，例如具有驱动电路用晶体管、麦克风或传感器的放大电路用FET或电阻、发电元件用整流用二极管等。

[0133] 此外，在上述第2实施方式中，使电极302、303为梳齿结构的电极，但是也可以设为间隙距离进行变化的平行平板结构。由此，可以针对平行平板型的振动发电装置、电容传声器应用驻极体元件。

[0134] 另外，在上述实施方式中，对包含固定梳齿电极302以及可动梳齿电极303的整个设备进行加热来进行带电处理，但是也可以通过激光等局部地仅加热与驻极体的形成有关的区域(希望带电的SiO2层与希望流过电流的Si层)。由此，还可以用于内置了放大电路的驻极体传声器那样的设备。

[0135] 此外，以上的说明只是一个例子，在解释发明时，对于上述实施方式的记载事项与专利保护范围的记载事项的对应关系没有任何限定与约束。

[0136] 以下的优先权基础申请的公开内容作为引用文本并入本文。

[0137] 日本专利申请2015年第26839号(2015年2月13日申请)。

[0138] 符号的说明

[0139] 101，202，203，311a，311b：Si层；102，201：SiO2层；204，205，306，308：Si/SiO2界面；300：振动发电装置；301：底座；302：固定梳齿电极；303：可动梳齿电极；304：锤；305：弹性支撑部；310，310a，310b：氧化膜；320：负载；400：MEMS快门；401：电压源；402：控制部；404：快门部；G：间隙空间。