JP2005353333A - 微小スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチ保持状態において低消費電力及び高信頼性の微小スイッチを提供する。
【解決手段】 薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、薄膜ヒータ６へ通電した状態で、電極層７と下部基板電極８間に静電吸引電圧を印加することにより、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触後、薄膜ヒータ６への通電を停止すると、加熱により延びていた複合体４は、元へ戻る作用が発生し、静電吸引電圧の印加を停止した状態においても、スイッチが保持された状態となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ電気機械式スイッチ及びリレーの構造体に関し、特にマイクロ電気機械システム（MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems） 式の外力、例えば静電力又は電磁力などを利用して動作するスイッチ及びリレーのデバイス（構造体）に関する。

MEMS及び他のマイクロデバイス装置は、提供されるサイズ、コスト、及び信頼性と言った利点の観点から、広く多様な用途に関して開発されつつある。マイクロギヤ、マイクロモータなど、多数の多様なMEMS装置が製作されてきた。これらのMEMS装置は、MEMSポンプやバルブが利用される水圧応用用途、及びサイズの小型化、軽量化の利点を生かして最近では、携帯電話内のRF電気スイッチや、信号経路指定装置、インピーダンス整合ネットワークへの適用、更には、宇宙向け機器への利用なども注目されている。

このようなMEMS式静電気を利用して動作するスイッチ類は、マイクロ波及びミリメートル波集積回路(MMIC)に広く用いられていたPINダイオードなどの複合固体スイッチに比べ、電気的分離性能に優れ、即ち、スイッチ「オン」状態と、スイッチ「オフ」状態でのスイッチの「質」が、機械式スイッチと同等の性能を有する。このように、MEMS技術及び半導体技術を駆使したデバイスとして、例えば、１００μｍ×１００μｍサイズで厚みが１μｍ〜１０μｍ程度の微細電気機械スイッチ、マイクロ静電スイッチが提案されている。例えば、直流からRF周波数まで機能するスイッチ（特許文献１参照）、静電気の動作電圧を利用して高電圧を切り替えることが出来るスイッチ（特許文献２参照）等が提案されている。

特開平９−１７３００号公報 特表２００３−５０３８１６号公報

上述したような静電気を利用したスイッチは、スイッチを動作させる際に静電力を利用してスイッチ可動部を動作させ、電気接点を接触させることによりスイッチ切り替え動作を実現させる。その後、前述したスイッチ動作を保持させる為には、静電力印加を継続させる必要があり、静電力を継続させる為の電力消費量は多数のスイッチが存在すると多大な電力消費となりシステム運用上効率が悪いものであった。更にスイッチ保持状態において、静電力（静電電圧値）が変化することもあり、電気接続状態の不安定並びに前記不安定に起因しての電気接続部分の接触不良を引き起こす、エレクトロマイグレーションの発生など信頼性低下の要因も隠し切れない。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、低消費電力、高信頼性の微小スイッチを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る微小スイッチは、
一端部が固定され、他端部が外力により往復可動するように構成された梁状のスイッチ本体を備えた微小スイッチにおいて、
前記スイッチ本体は、同スイッチ本体の一部を膨張、収縮させて変形させる手段を具備し、かつ、前記スイッチ本体は、膨張、収縮による変形状態を保持するよう構成されたことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る微小スイッチは、
スイッチ本体は、前記膨張、収縮させて変形させるとして加熱素子を具備し、かつ同加熱素子が取り付けられている部分とその両側隣部分とは熱的に絶縁されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る微小スイッチは、
スイッチ本体は、前記膨張、収縮させて変形させるとして冷却素子を具備し、かつ同冷却素子が取り付けられている部分とその両側隣部分とは熱的に絶縁されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る微小スイッチは、
スイッチ本体は、窒化膜及び酸化膜との複合体で構成されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る信号経路切替え装置は、
微小スイッチを複数個組み合わせたことを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下へ記載されるような効果を奏する。

外力、例えば、静電気力又は電磁気力又は熱変形力を排除した状態においても、スイッチ切り替え方向を保持することが出来、前記保持に必要な消費電力の低減及び保持状態においての電極接触部分については、確実なる電気的接続状態とすることが出来る。

また、スイッチ機能においては、ON−OFF切り替えのみではなく、2方向への接続切り替えも可能であるスイッチの提供も出来る。

更には、MEMS技術及び半導体技術を駆使したデバイスとして、例えば、１００μｍ×１００μｍサイズで厚みが１μｍ〜１０μｍ程度の微小スイッチを複数個組み合わせた装置であるので、装置の軽量化、小型化及び高信頼化が実現でき、その具体的な適用先として例えば、携帯電話装置、宇宙用各種機器装置などがある。

本発明に係る微小スイッチの実施形態を実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の一例を示す図である。
本実施例の微小スイッチは、マイクロ電子基板１０１へ下部基板電極８と下部基板接点電極3を有し、その上部には、一方が固定部で他一方が上下移動可能な複合体４で薄膜ヒータ６、電極層７、が複合体内部に形成されており、また、前記複合体表面へは、上部下面接点電極２を有している。更に、前記複合体４は、ラッチ用梁５はピンバネ構造(説明は、後述)となっており、これらの複合体構造は、図１３へ示すプレーナ技術、即ち、半導体用のシリコン基板上へ成膜、前記シリコン基板自身及び成膜した膜のエッチング加工を駆使し、所望の形状、性能を有する機能を製作する技術を駆使して製作している。

ここで言う、ピンバネ構造とは、「外力を加えることにより、ピンがどちらか一方へバネ機構に類似した作用により、そのピンが半固定される構造体」を言う。また、ラッチ用梁５については、プレーナ技術により製作する際、その製作時の膜厚、成膜時の温度管理など応力設定条件により、通常状態での形状を例えば上向き応力状態又は、下向き応力状態に予め作り込むことも出来る。

ここで、スイッチ動作を説明した図2及び薄膜ヒータ６への通電有無、静電吸引電圧印加有無状態及びスイッチの切替状態の時系列動作を示した図3を用いてスイッチ動作の詳細説明を行う。薄膜ヒータ６へ通電すると(状態１→状態２)、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４は、伸びを生じる(状態２)。その状態においては、前述した上向き応力状態又は、下向き応力状態の作用はなくなる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造(複合体を部分的にエッチング加工し空洞構造としている)となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、電極層７と下部基板電極８間に静電吸引電圧(静電力)を印加することにより、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触する。(状態３)

この状態で、薄膜ヒータ６への通電を停止すると(状態４)、加熱により延びていた複合体４は、元へ戻る作用が発生する。この時、ラッチ用梁５は前述したようにピンバネ構造となっているので、前記複合体４は前記静電吸引電圧にて吸引された移動方向へ半固定された状態となっており、従って、静電吸引電圧の印加を停止した状態においても、スイッチが保持された状態となる(状態５)。

その後、薄膜ヒータ６へ通電を開始することにより、加熱により再び複合体４は、伸びが発生する。この時、ラッチ用梁５は前述したようにピンバネ構造となっているので、前記複合体４は、静電吸引力印加をしていないため、元の状態へ戻る力により、スイッチ機能はオープン状態となり、その状態が保持される。(状態６)

ここで、前述したプレーナ技術によるシリコン基板上へ成膜し、前記複合体を必要形状に加工し、更に、シリコン基板を選択的にエッチングする一般的な手順について、図１３を用いて簡単に説明する。

図１３において、先ず、シリコン基板上へ窒化膜を成膜し、フォトリソグラフィー技術により、成膜した窒化膜をエッチング加工する(図１３−１)。次に、酸化膜を同様に成膜、エッチング加工する(図１３−２)。更にその上へ、多結晶シリコン膜を成膜、エッチング加工(図１３−３)を繰り返し、必要な電極材等を含む複合体として加工してゆく(図１３−６)。複合体製作終了後、外部とのインタフェース用電極部分の成膜、加工を経て(図１３−７)、最後にシリコン基板自身の選択エッチングなどにより、本発明でのキーとなるラッチ用梁５部分の加工(不要なシリコン基板部分の除去)を行い、完成させる。(図１３−８)

以上記述したように、静電気力を排除した状態においても、スイッチ切り替え方向を保持することが出来、前記保持に必要な消費電力の低減及び保持状態においての電極接触部分については、確実なる電気的接続状態とする効果がある。

図４は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の他の一例を示す図である。
なお、本実施例において、実施例１と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例の微小スイッチは、複合体４を上下移動させる為の起動力を電磁力とした点である。即ち、マイクロ電子基板１０１へ磁性材料で製作された下部基板電極１０と下部基板接点電極3を有し、その上部には、一方が固定部で他一方が上下移動可能な複合体４で、薄膜ヒータ６、薄膜電磁コイル９、が複合体内部に形成されており、また、前記複合体表面へは、上部下面接点電極２を有している。

薄膜ヒータ６へ通電すると、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４は、伸びを生じる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、薄膜電磁コイル９へ電圧を印加することにより、前記薄膜電磁コイル９と磁性材料で製作された下部基板電極１０間に電磁吸引作用が発生し、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触する。

その後、薄膜ヒータ６へ通電を開始することにより、加熱により再び複合体４は、伸びが発生する。この時、ラッチ用梁５は前述したようにピンバネ構造となっているので、前記複合体４は、電磁力の印加をしていないため、元の状態へ戻る力により、スイッチ機能はオープン状態となり、その状態が保持される。

以上のスイッチ動作を説明した図を、図５へ示した。また、薄膜ヒータ６への通電有無、薄膜電磁コイル電圧印加有無状態及びスイッチの切替状態の時系列動作を示した図を、図６へ示した。

以上記述したように、電磁力を排除した状態においても、スイッチ切り替え方向を保持することが出来、前記保持に必要な消費電力の低減及び保持状態においての電極接触部分については、確実なる電気的接続状態とする効果がある。

また、実施例１で述べた、静電気力が使用出来ないような環境下、例えば、静電気に弱いICを使用した装置などにおいての適用に際して効果を奏する。

図７は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の他の一例を示す図である。
なお、本実施例において、実施例１及び実施例２と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例の微小スイッチは、複合体４を上下移動させる為の起動力を熱膨張係数の異なる合金材（以後、「バイメタル」と言う）を利用した点である。即ち、マイクロ電子基板１０１へ下部基板接点電極3を有し、その上部には、一方が固定部で他一方が上下移動可能な複合体４で、薄膜ヒータ６、バイメタル上層１１、バイメタル下層１２、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０(図示なし)、バイメタル下層用薄膜ヒータ１２０(図示なし)が複合体内部に形成されており、また、前記複合体表面へは、上部下面接点電極２を有している。

薄膜ヒータ６へ通電すると、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４は、伸びを生じる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０へ通電する事により、バイメタル上層１１により、下方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触する。同様に、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０へ通電を停止する事により、バイメタル上層１１により、上方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３がオープン状態となる。

以上のスイッチ動作を説明した図を、図８へ示した。また、薄膜ヒータ６への通電有無、バイメタル用薄膜ヒータへの電圧印加有無状態及びスイッチの切替状態の時系列動作を示した図を、図９へ示した。

なお、バイメタル下層１２、バイメタル下層用薄膜ヒータ１２０の機能については、後述する。

以上記述したように、熱変形力を排除した状態においても、スイッチ切り替え方向を保持することが出来、前記保持に必要な消費電力の低減及び保持状態においての電極接触部分については、確実なる電気的接続状態とする効果がある。

また、実施例１及び実施例２で述べた、静電気力及び電磁力が使用出来ないような環境下、例えば、静電気に弱いICを使用した装置及びモータなどの強磁界装置などにおいての適用に際して効果を奏する。

図１０は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の他の一例を示す図である。
なお、本実施例は、前述した実施例１で記載した内容を一部改良した内容で、スイッチ切替機能を2系統とした改良内容である。実施例１、実施例２及び実施例３と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

薄膜ヒータ６へ通電すると、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４に伸びを生じる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、電極層７と下部基板電極８間に静電吸引電圧を印加することにより、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触し、薄膜ヒータ６への通電を停止してもピンバネ構造により、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触した状態が継続する事は実施例１で述べたとおりである。次に、薄膜ヒータ６へ通電すると、ラッチ用梁５は前記製作応力条件により、通常状態が上向きの場合では、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部上面接点電極２０と上部基板接点電極３０が接触する。

このように、２系統のスイッチ機能を有する。

以上記述したように、ON−OFF切り替えのみではなく、2方向への接続切り替え効果も奏する。

図１１は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の他の一例を示す図である。
なお、本実施例は、前述した実施例２で記載した内容を一部改良した内容で、スイッチ切替機能を2系統とした改良内容である。実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

薄膜ヒータ６へ通電すると、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４に伸びを生じる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、薄膜電磁コイル９へ電圧を印加することにより、前記薄膜電磁コイル９と磁性材料で製作された下部基板電極１０間に電磁吸引現象が発生し、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触し、薄膜ヒータ６への通電を停止してもピンバネ構造により、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触した状態が継続する事は実施例２で述べたとおりである。次に、薄膜ヒータ６へ通電すると、ラッチ用梁５は前記製作応力条件により、通常状態が上向きの場合では、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部上面接点電極２０と上部基板接点電極３０が接触する。

このように、２系統のスイッチ機能を有する。

以上記述したように、ON−OFF切り替えのみではなく、2方向への接続切り替え効果も奏する。

図１２は、本発明に係る微小スイッチの実施形態の他の一例を示す図である。
なお、本実施例は、前述した実施例３で記載した内容を一部改良した内容で、スイッチ切替機能を2系統とした改良内容である。実施例１、実施例２、実施例３、実施例４及び実施例５と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

薄膜ヒータ６へ通電すると、薄膜ヒータで熱せられたヒータ周辺部分がその熱により前記複合体４に伸びを生じる。また、薄膜ヒータ６の両隣に存在するラッチ用梁５は熱絶縁構造となっており、その両隣の部分へは熱伝導が悪く、従って、前記複合体の熱による伸びは生じにくい。薄膜ヒータ６へ通電した状態で、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０へ通電する事により、バイメタル上層１１により、下方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３が接触する。同様に、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０へ通電を停止する事により、バイメタル上層１１により、上方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部下面接点電極２と下部基板接点電極３がオープン状態となる。

同様に、薄膜ヒータ６へ通電した状態で、バイメタル下層用薄膜ヒータ１２０へ通電する事により、バイメタル下層１２により、上方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は上方向へ移動し、上部上面接点電極２０と上部基板接点電極３０が接触する。同様に、バイメタル下層用薄膜ヒータ１２０へ通電を停止する事により、バイメタル下層１２により、下方向への変形が生じ、結果、上下移動可能な複合体４は下方向へ移動し、上部上面接点電極２０と上部基板接点電極３０がオープン状態となる。

また、上述した、バイメタル上層１１の動作方向が、バイメタル上層用薄膜ヒータ１１０へ通電する事により、その動作方向が前述した方向の逆の、上方向でもよい。同様に、バイメタル下層１２の動作方向が、バイメタル下層用薄膜ヒータ１２０へ通電する事により、その動作方向が前述した方向の逆の、下方向でもよい。

以上記述したように、ON−OFF切り替えのみではなく、2方向への接続切り替え効果も奏する。

実施例２及び実施例５で記載の、薄膜電磁コイル９の代わりに電磁力が発生する素子であれば良く、従って、一般的な磁性材素子の使用も可能である。

更なる小型化及び高信頼性効果も奏する。

実施例１から実施例７で記載の、微小スイッチを複数個を含む電子部品とを組み合わせた信号経路切替え装置により小型化及び軽量化が要求される装置への使用が可能である。

以上記述したように、小型及び高信頼性の装置効果も奏する。

サイズ、コスト、及び信頼性と言った利点の観点から、広く多様な用途に関して開発されつつある。サイズの小型化、軽量化の利点を生かして、携帯電話内のRF電気スイッチや、信号経路指定装置、インピーダンス整合ネットワークへの適用、更には、宇宙向け機器への利用なども注目されている。

本発明に係る静電力を用いた微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係る静電力を用いた微小スイッチの動作を示す図である。 本発明に係る静電力を用いた微小スイッチのスイッチ状態遷移を示す図である。 本発明に係る電磁力を用いた微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係る電磁力を用いた微小スイッチの動作を示す図である。 本発明に係る電磁力を用いた微小スイッチのスイッチ状態遷移を示す図である。 本発明に係る熱変形力を用いた微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係る熱変形力を用いた微小スイッチの動作を示す図である。 本発明に係る熱変形力を用いた微小スイッチのスイッチ状態遷移を示す図である。 本発明に係る静電力を用いた２系統微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係る電磁力を用いた２系統微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係る熱変形力を用いた２系統微小スイッチの構成を示す図である。 本発明に係るプレーナ技術を用いた製作プロセスの一例を示す図である。 本発明に係る微小スイッチの鳥瞰図の一例を示す図である。

符号の説明

１ 微小スイッチ
２ 上部下面接点電極
３ 下部基板接点電極
４ 複合体
５ ラッチ用梁
６ 薄膜ヒータ
７ 電極層
８ 下部基板電極
９ 薄膜電磁コイル
１０ 下部基板電極(磁性材)
１１ バイメタル上層
１２ バイメタル下層
２０ 上部上面接点電極
３０ 上部基板接点電極
１０１ マイクロ電子基板
１０２ マイクロ電子基板
１１０ バイメタル上層用ヒータ
１２０ バイメタル下層用ヒータ
１５０ 支持板

Claims (5)

1. 一端部が固定され、他端部が外力により往復可動するように構成された梁状のスイッチ本体を備えた微小スイッチにおいて、
   前記スイッチ本体は、同スイッチ本体の一部を膨張、収縮させて変形させる手段を具備し、かつ、前記スイッチ本体は、膨張、収縮による変形状態を保持するよう構成されたことを特徴とする微小スイッチ。
2. 請求項1に記載の微小スイッチにおいて、
   前記スイッチ本体は、前記膨張、収縮させて変形させるとして加熱素子を具備し、かつ同加熱素子が取り付けられている部分とその両側隣部分とは熱的に絶縁されていることを特徴とする微小スイッチ。
3. 請求項1に記載の微小スイッチにおいて、
   前記スイッチ本体は、前記膨張、収縮させて変形させるとして冷却素子を具備し、かつ同冷却素子が取り付けられている部分とその両側隣部分とは熱的に絶縁されていることを特徴とする微小スイッチ。
4. 請求項1に記載の微小スイッチにおいて、
   前記スイッチ本体は、窒化膜及び酸化膜との複合体で構成されていることを特徴とする微小スイッチ。
5. 請求項1から請求項５に記載の微小スイッチを複数個組み合わせたことを特徴とする信号経路切替え装置。

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