JP2007207498A

JP2007207498A - 機構デバイス

Info

Publication number: JP2007207498A
Application number: JP2006022927A
Authority: JP
Inventors: Naokuni Arima; 尚邦有馬
Original assignee: Oki Sensor Device Corp
Current assignee: Oki Sensor Device Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】上部電極と下部電極の間のギャップを犠牲層の厚みを厚くすること以外の方法で広くすることにより、上部電極が下部電極にクーロン力により張り付く誤動作を防止することができる機構デバイスを得ること。
【解決手段】絶縁材料で形成された基板１０１と、基板１０１上に形成された下部電極１０３と、基板１０１上に形成され、下部電極１０３の対向位置に配置され、磁性体１０５を具備する片持ち梁構造部１０４を有する上部電極１０２とを備え、基板１０１の周縁に箱状のガラスパッケージ１１１の開口端部を取り付け固定し、ガラスパッケージ１１１で上部電極１０２と下部電極１０３とを覆い、ガラスパッケージ１１１の上部に磁石１１２を取り付けるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、片持ち梁構造を有する機構デバイスに係り、特に耐静電特性による誤動作を防止するようにしたものに関する。

従来の例えばマイクロリードスイッチとしての機構デバイスは、基板上に片持ち梁構造の上部電極と下部電極を備え、半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）と電解メッキ法及びウエットエッチング技術を用いて形成したもので、例えば、ウエットエッチングで犠牲層を除去しギャップを形成したものについて説明する。
かかる従来の機構デバイスは、基板と、下部電極と、上部電極とを備えている。基板は、ガラスエポキシ樹脂で構成された絶縁基板上に、導電性材料としての銅箔が貼着されたいわゆるプリント基板で、銅箔は不要な部分が除去されて配線パターン化されている。
下部電極は、ニッケル層の表面全体を導電層で覆った構成を有している。導電層はそれぞれ半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）及び電解メッキ法を用いて形成されており、導電層は金（接点材料）で構成されている。

ここで、金は、腐食に強いことから、金でニッケル層を覆うことにより、ニッケル層の酸化を防止でき、また、導電層自身の酸化も防止できて、接触抵抗の上昇が防止されて初期の導電性を維持でき、接点性能の安定化を図ることが可能となっている。
また、導電層を構成する材料には、機構デバイスの製造時の最終工程での犠牲層の除去におけるウエットエッチングの際に、ニッケル層が浸食されないように保護する役割も必要とされていることから、その面でも、最終工程のウエットエッチングで用いるエッチング液（ここでは塩化第二鉄）に対して耐エッチング性を有する金が用いられている。

上部電極は、フォトリソグラフィ法及び電解メッキ法を用いてそれぞれ形成された片持ち梁構造部と、磁性体部とを有している。片持ち梁構造部は、銅箔上にその底面が接触する基部と、該基部に支持された梁部とで構成され、耐エッチング性を有する導電性材料である金（接点材料）で構成されている。ここで、接点材料として金を用いることにより、上述したように接点性能安定化を図ることが可能となる。
また、金は硬度が低く柔軟性のある材料であることから、片持ち梁構造部を金で構成することにより、片持ち梁構造部の梁部を磁力によって下部電極側に引き寄せる際に、微小な磁力でも動作することが可能となり、よって、高感度のマイクロリードスイッチとしての機構デバイスを構成することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１１６９８号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、上記従来の機構デバイスにおいて、上部電極における片持ち梁構造部の梁部と下部電極の間にはクーロン力が働き、梁部と下部電極の間に形成したギャップは５μｍと非常に狭いことから、クーロン力により印加電圧にして数Ｖ程度で接点が吸引し、接点開閉中に誤動作を起こすという問題があった。
そこで、片持ち梁構造部を有する上部電極と下部電極の間に形成する接点ギャップを広くするためには、犠牲層を厚くする必要があるが、厚い犠牲層を形成するにはウエットエッチングを行うために形成時間が非常にかかるという問題点があった。

この発明に係る機構デバイスは、絶縁材料で形成された基板と、基板上に形成された下部電極と、基板上に形成され、下部電極の対向位置に配置され、磁性体を具備する片持ち梁構造部を有する上部電極とを備え、前記基板の周縁に箱状のパッケージの開口端部を取り付け固定し、該パッケージで前記上部電極と前記下部電極とを覆い、前記パッケージの上部に磁石を取り付けるようにしたものである。

以上説明したようにこの発明によれば、絶縁材料で形成された基板と、基板上に形成された下部電極と、基板上に形成され、下部電極の対向位置に配置され、磁性体を具備する片持ち梁構造部を有する上部電極とを備え、前記基板の周縁に箱状のパッケージの開口端部を取り付け固定し、該パッケージで前記上部電極と前記下部電極とを覆い、前記パッケージの上部に磁石を取り付けるようにしたので、磁石から発生する磁場により磁性体が磁化して磁石側に吸引され、磁性体を有する上部電極が上部方向に反らせられるため、上部電極と下部電極の間のギャップを犠牲層の厚みを厚くすること以外の方法で広くすることができ、ギャップが広がったことにより、上部電極が下部電極にクーロン力により張り付く誤動作を防止することができるという効果を有する。
また、上部電極と下部電極の間のギャップが広がったことにより、機構デバイスをマイクロスイッチとして利用する場合に上部電極と下部電極に印加する印加電圧を高く設定することができるという効果もある。

図１は本発明の実施の形態に係る機構デバイスの構成を示す斜視図、図２は同機構デバイスの磁場の影響で上方に反った上部電極の様子を示す斜視図、図３は同機構デバイスの電磁石の影響で上部電極が下部電極に接触する様子を示す斜視図、図４は同機構デバイスの上部電極のギャップ量と印加電圧の関係のデータを得るための測定回路を示す回路図である。
図１において、本発明の実施の形態に係る機構デバイス１００は、基板１０１と、上部電極１０２と、下部電極１０３とを備えている。
基板１０１は、ガラスエポキシ樹脂で構成された絶縁基板上に、導電性材料としての銅箔が貼着されたいわゆるプリント基板で、銅箔は不要な部分が除去されて配線パターン化されている。

上部電極１０２は、フォトリソグラフィ法及び電解メッキ法を用いてそれぞれ形成された片持ち梁構造部１０４と、磁性体１０５とを有している。片持ち梁構造部１０４は、基板１０１の銅箔上にその底面が接触する基部１０６と、該基部１０６に支持された梁部１０７とで構成されている。磁性体１０５はニッケル層の表面全体を導電層で覆った構成を有している。この導電層も耐エッチング性を有する導電性材料である金（接点材料）で構成されている。

下部電極１０２は、ニッケル層の表面全体を導電層で覆った構成を有している。導電層はそれぞれ半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）及び電解メッキ法を用いて形成されており、導電層は耐エッチング性を有する導電性材料である金（接点材料）で構成されている。

この実施の形態１では、機構デバイス１００のクーロン力で上部電極１０２が誤動作しないように上部電極１０２と下部電極１０３の間のギャップ１１０を広く形成する方法として、次のような構成を採用している。
図２に示す機構デバイス１００をウエットエッチングした後に乾燥させ、上部電極１０２と下部電極１０３の間にギャップ１１０を形成した後、機構デバイス１００の基板１０１の周縁に箱状のガラスパッケージ１１１の開口端部を取り付け固定し、ガラスパッケージ１１１で上部電極１０２と下部電極１０３を覆い、そのガラスパッケージ１１１の上部に磁石１１２を取り付けた構成としている。

このように構成したことにより、磁石１１２から発生する磁場１２０により磁性体１０５が磁化し、磁性体１０５の根元側１０５ａにＳ極が誘導され、反対側である先端側１０５ｂにＮ極が誘導され、磁性体１０５が磁石１１２に吸引されることから、磁性体１０５を具備する上部電極１０２は常に上部方向に反らせられるため、上部電極１０２と下部電極１０３の間のギャップ１１０を広くすることができ、犠牲層の厚みを厚くすること以外の方法でギャップを広くすることができる。

次に、本発明の実施の形態に係る機構デバイス１００の動作について図３に基づいて説明する。
機構デバイス１００のエッチング工程後の乾燥工程により、上部電極１０２と下部電極１０３の間にギャップ１１０を形成した後に、機構デバイス１００をガラスパッケージ１１１で覆い、そのガラスパッケージ１１１の上部に磁石１１２を設けると、図３に示すように、磁石１１２からの磁場１２０によって上部電極１０２が磁化され、上部方向（吸引される方向１２３）に吸引されることで、上部電極１０２と下部電極１０３のギャップ１１０が犠牲層の厚み以上に形成される。

このように犠牲層の厚み以上にギャップ１１０が形成された機構デバイス１１３をマイクロスイッチとして利用する場合、図４に示すように、機構デバイス１００の直下に電磁石１２４を設置し、電磁石１２４に電圧を印加して磁場１２５を発生させる。
これにより、電磁石１２４に発生する磁場１２５をガラスパッケージ１１１の上部に備えた磁石１１９の磁場１２０より十分強くすることで、機構デバイス１００の上部電極１０２に形成された磁性体１０５が磁化され、上部電極１０２は下部電極１０３の方向１２８に吸引されて上部電極１０２が下部電極１０３に接触してスイッチオンする。

そして、電磁石１２４への電圧の印加を停止すると、磁場が消滅し、磁場の消滅によって上部電極１０２及び下部電極１０３間の磁気吸引力も消滅し、上部電極１０２のスティフネスおよびガラスパッケージ１１の上部に設けた磁石１１２の磁場１２０により、上部電極１０２は元の位置に復帰して非接触になりスイッチオフとなる。

以上のように本発明の実施の形態によれば、機構デバイス１００をガラスパッケージ１１１で覆い、そのガラスパッケージ１１１の上部に設けた磁石１１２の磁場１２０を用いて磁性体１０５を具備する上部電極１０２を上部方向に吸引させることで、上部電極１０２と下部電極１０３の間にギャップ１１０を犠牲層の厚み以上に形成することが可能となる。
これにより、上部電極１０２と下部電極１０３の間に働くクーロン力は接点のギャップ１１０が広がったことにより、Ｃ＝εＳ／ｄ（ｃ−静電容量｛Ｆ｝、ε＝誘電率、Ｓ＝面積、ｄ＝接点間距離）の関係から静電容量が減少し、上部電極１０２が下部電極１０３にクーロン力で張り付く誤動作を防止できる。

図５は機構デバイスの上部電極のギャップ量と印加電圧の関係のデータを得るための測定回路を示し、Ｖは出力電圧を可変して出力し、出力電圧が分かる電圧電源である。そして、電圧電源Ｖの電圧が上部電極１０３と下部電極１０２とに印加されるように接続されている。そして、図５に示す測定回路で電圧電源Ｖにより上部電極１０３と下部電極１０２とに種々の電圧を印加し、上部電極１０３が下部電極１０２に接触すると電圧降下を生じるので、そのときの上部電極１０３と下部電極１０２とに印加した電圧と上部電極１０３と下部電極１０２とのギャップ量は分かっているため、種々の印加電圧とギャップ量との関係をグラフに表したのが、図６の上部電極とギャップ量と印加電圧の関係を示すグラフである。
図６のグラフに示すように、本発明の実施の形態のように、上部電極１０２と下部電極１０３との接点ギャップ量を広げ、例えば５０μｍにすることで、数Ｖ程度だった印加電圧を７５Ｖ程度まで上げることができる。

上記実施の形態では、機構デバイス１を覆う部材としてガラスパッケージ１１を用いているが、ガラスパッケージでなくても樹脂パッケージでも良く、また金属パッケージでも良いが、この場合は基板１０１に銅箔が貼着されているので、絶縁部材を介して取り付けるようにすればよい。

本発明の実施の形態に係る機構デバイスの構成を示す斜視図。同機構デバイスの磁場の影響で上部方向に反った上部電極の様子を示す斜視図。同機構デバイスの電磁石の影響で上部電極が下部電極に接触する様子を示す斜視図。同機構デバイスの上部電極のギャップ量と印加電圧の関係のデータを得るための測定回路を示す回路図。同機構デバイスの上部電極のギャップ量と印加電圧の関係を示すグラフ。

符号の説明

１００機構デバイス、１０１基板、１０２上部電極、１０３下部電極、１０４片持ち梁構造、１０５磁性体、１０７基部、１０８梁部、１１０ギャップ、１１１ガラスパッケージ、１１２磁石。

Claims

絶縁材料で形成された基板と、基板上に形成された下部電極と、基板上に形成され、下部電極の対向位置に配置され、磁性体を具備する片持ち梁構造部を有する上部電極とを備えた機構デバイスにおいて、
前記基板の周縁に箱状のパッケージの開口端部を取り付け固定し、該パッケージで前記上部電極と前記下部電極とを覆い、前記パッケージの上部に磁石を取り付けたことを特徴とする機構デバイス。
前記パッケージはガラス、合成樹脂又は金属で形成されていることを特徴とする請求項１記載の機構デバイス。