JP5530624B2 - デュアルアクチュエータと共用ゲートとを有するｍｅｍｓマイクロスイッチ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は一般に微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）スイッチに関し、特にデュアルアクチュエータと共用ゲートとを有するＭＥＭＳマイクロスイッチに関する。

微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）は、一般にサイズの範囲がマイクロメートルからミリメートルの、小型密封パッケージに封入された電子機械デバイスである。マイクロスイッチ方式のＭＥＭＳデバイスは、可動電極とも称される可動アクチュエータを有し、該可動アクチュエータは、下方にある基盤に配置された（ゲート又は基板電極とも称される）ゲートドライバによって固定電気接点の方向に移動される。可動アクチュエータは、静電吸引力、磁気吸引力及び反撥、又はビームの自由端と固定接点との間の空隙を閉じる熱誘発による示差膨張などによって力が加えられ曲折する可撓性ビームであってよい。ビームは、その自由端と固定電気接点との間に十分に大きい差動電圧が存在する場合、結果として生ずる静電力によって、ゲートドライバによって供給されるゲーティング信号なしで自己作動することがある。この自己作動は、ある電流切換え用途において、スイッチ又は下流側のシステムに突発的な故障を引き起こす恐れがある。

したがって、自己作動を回避しつつ、増大する電圧量をホールドオフできるＭＥＭＳスイッチを設計することが求められている。

本発明の一態様において、ＭＥＭＳスイッチを提供する。ＭＥＭＳスイッチは、基板と；互いに電気的に結合された第１のアクチュエータ部材及び第２のアクチュエータ部材と；前記基板に機械的に結合され、前記第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材の少なくとも１つを支持するアンカと；前記第１のアクチュエータ部材及び第２のアクチュエータ部材を作動するよう構成されるゲートドライバとを備える。

本発明の別の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチアレイが提供される。ＭＥＭＳスイッチアレイは第１のＭＥＭＳスイッチと、第１のＭＥＭＳスイッチに直列又は並列配置で電気的に結合された第２のＭＥＭＳスイッチとを含んでいる。第１のスイッチは基板と；互いに電気的に結合された第１及び第２のアクチュエータ部材と；基板に機械的に結合され、第１及び第２のアクチュエータ部材の少なくとも１つを支持するアンカと；第１及び第２のアクチュエータ部材を作動するよう構成されたゲートドライバとを備えている。前記第２のＭＥＭＳスイッチは、互いに電気的に結合された第３及び第４のアクチュエータ部材と；基板に機械的に結合され、第３及び第４のアクチュエータ部材の少なくとも１つを支持する第２のアンカと；第１及び第２のアクチュエータ部材とは独立して第３及び第４のアクチュエータ部材を作動するよう構成された第２のゲートドライバとを備えている。

本発明のさらに別の態様によれば、第２のＭＥＭＳスイッチアレイを提供する。ＭＥＭＳスイッチアレイは、基板と；互いに電気的に結合された第１のアクチュエータ部材及び第２のアクチュエータ部材と；前記基板に機械的に結合され、前記第１のアクチュエータ部材と前記第２のアクチュエータ部材の少なくとも１つを支持するアンカと；前記第１のアクチュエータ部材と前記第２のアクチュエータ部材を作動するように構成されたゲートドライバと；前記ＭＥＭＳスイッチの上方に配置され、前記基板と共に気密封止を形成するスイッチキャップとを備えている。

本発明の上記の、及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同様の文字が同様の部品を示す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより明解に理解されよう。

本発明の実施形態において、（ホールドオフ容量とも呼ばれる）電圧スタンドオフ容量を増大したＭＥＭＳスイッチを示す。以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態をよく理解できるよう多くの特定の例を示す。しかし、本発明は、これらの特定の例を用いることなく実施可能であるとともに、様々な代替実施形態で実施可能であることが当業者には理解できよう。なお、公知の方法、手順、及び部品について、詳細な説明は省略する。

さらに、様々な動作を、本発明の実施形態の理解を助けるよう、実行される複数の個別ステップとして記載することがある。しかし、記載の順序を、これらの動作が提示された順序で実行されるべきであること、又はその順序に依存することを意味するものと解釈するべきではない。さらに、繰り返し用いられる「一実施形態」という語句は同一の実施形態を意味することもあるが、必ずしもそうとは限らない。最後に、本出願で用いられる「備える」、「有する」などの用語、並びにそれらの活用形は、特筆しない限り同義語であるものとする。

ＭＥＭＳという用語は一般に、機械部材、電気機械部材、センサ、アクチュエータ、及びエレクトロニクスなどの、機能的に別個の複数の部材を集積するできるミクロンスケールの構造を指す。しかし、ＭＥＭＳデバイスにおいて現在可能な多くの技術及び構造は、僅か数年後には、サイズが例えば１００ナノメートル未満の構造のようなナノテクノロジーを使用したデバイスを介して利用できるようになると考えられる。したがって、以下に記載する例示的な実施形態は、本文献においては、ＭＥＭＳベースのスイッチングデバイスを意味するものの、広義の解釈がなされるべきであり、特筆しない限り、マイクロサイズのデバイスに係るもののみに限定されるべきではないことを言明する。

図１に、電圧スタンドオフ容量を増大したＭＥＭＳスイッチの一実施形態を概略的に示す。図２は、図１のＭＥＭＳスイッチの、図示する線２に沿った断面図である。図示したこれらの実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０は、下層の基板１２によって支持されている。基板１２はＭＥＭＳスイッチを支持し、基板１２は、例えばシリコン又はゲルマニウム製の剛性基板であっても、例えばポリイミド製などの可撓性基板であってもよい。さらに、基板１２は導電性でも絶縁性でもよい。基板１２が導電性である実施形態では、電気絶縁層（図示せず）を、基板１２とＭＥＭＳスイッチ接点、アンカと（以下に記載する）ゲートの間に追加することによって、これらの部品間の短絡を防止してもよい。

ＭＥＭＳスイッチ１０は、（ソース又は入力接点とも称される）第１の接点１５と、（ドレン又は出力接点とも称される）第２の接点１７と、可動アクチュエータ２３とを含んでいる。一実施形態では、可動アクチュエータ２３は導電性であり、任意の導電性材料製又は合金製であってもよい。一実施形態では、接点（１５、１７）を負荷回路の一部として互いに電気的に結合し、スイッチが作動すると、可動アクチュエータ２３が電流を第１の接点１５から第２の接点１７に送る機能を果たすようにしてもよい。図２に示すように、可動アクチュエータ２３は、第１の接点１５と電気的に接続するように構成された第１のアクチュエータ部材２１と、第２の接点１７と電気的に接続するように構成された第２のアクチュエータ部材２２とを含んでいてもよい。第１及び第２のアクチュエータ部材は、一実施形態では互いに電気的に結合されるものの、各アクチュエータ部材に加えられる吸引力によって別個に作動されてもよい。一実施形態では、（以下にさらに記載するように）第１及び第２のアクチュエータ部材は、作動中に基板１２の方向に同時に引き寄せられる。一実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ部材は、同一のアンカ領域を共用するとともに、導電性であるアクチュエータ部材の反対端として一体形成される。代替実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ部材は付加的な内部又は外部の電気接続を介して電気的に結合されてもよい。第１及び第２のアクチュエータ部材を同一の可動アクチュエータの部品として一体化することで外部接続をなくし、デバイス全体のインダクタンスを低減させてもよい。

図１及び図２に示すように、（第１のアクチュエータ部材２１と第２のアクチュエータ部材２２とを含む）可動アクチュエータ２３は１つ又は複数のアンカ１８によって支持され、基板１２に機械的に結合されてもよい。一実施形態では、可動アクチュエータ２３はさらに、アンカ（１つ又は複数）１８に電気的に結合されてもよい。第１のアクチュエータ部材２１と第２のアクチュエータ部材２２の双方を支持するために単一のアンカ１８を使用する実施形態では、アクチュエータ部材に関連する歪み又は固有の応力が第２のアクチュエータ部材に伝播又は機械的に結合しないように、アンカ１８が（第１と第２の接点の間に延びる方向に）十分に幅広であることが望ましい。さらに、第１のアクチュエータ部材２１と第２のアクチュエータ部材２２の双方を支持するために単一のアンカ１８を使用する実施形態では、可動アクチュエータ部材間の固定材料の間隔は可動部材間の間隔よりも長くてもよい。

本発明の一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０は、単一のゲートドライバ６によって制御されるとともに、第１のアクチュエータ部材２１及び第２のアクチュエータ部材２２の双方に吸引力を同時に加えるように構成された共通のゲート１６を含んでいてもよい。このような吸引力は静電力、磁力、ピエゾ抵抗力、又はこれらの力の組み合わせとして実施されてもよい。静電式に作動されるスイッチの場合、ゲート１６は、図１及び図２では可動アクチュエータ２３の導通経路と同じ電位にある基準スイッチ１４を電気的な基準にしてもよい。磁気作動のスイッチの場合、材料の磁性状態を変更することによって可動部材を駆動する磁界を生成又は除去するよう、電圧などのゲーティング信号が印加される。同様に、吸引を誘発するために、可動部材にまたがるピエゾ抵抗材料に電圧などのゲーティング信号を印加することができる。磁気及びピエゾ抵抗の双方による作動の場合、ゲーティング信号は可動部材間の静電吸引力を生成しないので、可動部材を基準にする必要はない。

一実施形態では、ゲートドライバ６は、電源入力（図示せず）と、ＭＥＭＳスイッチの作動状態を変更する手段を提供する制御論理入力とを含んでいる。一実施形態では、ゲーティング電圧は、可動アクチュエータ部材２１及び２２を基準にしており、２つの接点とそれぞれの可動部材との間の差動電圧はほぼ等しい。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０は、基準スイッチ１４をスイッチの自己作動電圧よりも低い電位に保つために、接点と基準スイッチ１４との間に結合された抵抗格付けネットワーク（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｇｒａｄｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ）（図示せず）を含んでいてもよい。

ＭＥＭＳスイッチ１０で共通のゲーティング信号を共用することによって、そうでない場合は従来のＭＥＭＳスイッチの作動電圧を超える高い作動電圧が第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材との間で共用される筈である。例えば、図１及び図２のＭＥＭＳスイッチ１０の場合、２００ｖの電圧が第１の接点１５と第２の接点１７との間に印加され、基準スイッチ１４が１００ｖに格付けされた場合は、第１の接点１５と第１のアクチュエータ部材１７との間の電圧は約１００ｖになり、第２の接点１７と第２のアクチュエータ部材２２との間の電圧も１００ｖになる筈である。

図２では、ＭＥＭＳスイッチ１０はさらに、双方のアクチュエータ部材２１と２２とを含むＭＥＭＳスイッチ１０の部品の周囲で基板１２と気密封止を形成するキャップ２５を含んでいる。典型的には、多くのＭＥＭＳスイッチは単一の基板上に形成される。その場合、これらのスイッチにはキャップが取付けられ、基板に一体化又はねじ止めされる。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０の第１及び第２のアクチュエータ部材と共通ゲートとは単一のダイス上に形成され、キャップが取付けられる。単一のキャップ内に第１及び第２のアクチュエータ部材を含めることによって、スイッチの設置面積を大幅に拡大することなく、ＭＥＭＳスイッチのスタンドオフ電圧を高めることができる。例えば、単一スイッチの設置面積よりも僅かに大きいだけのスイッチ全体の設置面積で、スイッチのスタンドオフ電圧を倍増することができる。

図３は本発明の別の実施形態によるＭＥＭＳスイッチ３０の概略図である。図示した実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３０はＭＥＭＳスイッチ１０とほぼ同様であるが、可動アクチュエータＭＥＭＳスイッチ３０はさらに、絶縁領域３６によって可動アクチュエータ２３の導通経路３７から絶縁された電気的バイアス部品３９を含んでいる。電気バイアス部品３９はＭＥＭＳフォトリソグラフィ製造工程で可動アクチュエータの一部として形成される導電層又はトレースであってよい。別の実施形態では、電気バイアス部品３９は、可動アクチュエータ２３に機械力を印加するよう構成されたピエゾ抵抗材料でよい。一実施形態では、電気バイアス部品３９はゲート１６を電気的基準にしてもよい。このような実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３０の作動電圧は、可動電圧の導通経路の両端間の（例えば第１と第２の接点の両端間の）電圧に関わりがない筈であり、したがってスイッチの通常のスタンドオフ容量を越えて増大することができる。図示はしていないが、ＭＥＭＳスイッチ３０にも、ＭＥＭＳスイッチ１０に関して記載したようにキャップを取付けてもよい。

図４は、第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材とが物理的に分離されたＭＥＭＳスイッチの一実施形態の概略図である。図示のように、ＭＥＭＳスイッチ４０は、第１のアンカ４８ａによって支持された第１のアクチュエータ部材４１と、第２のアンカ４８ｂによって支持された第２のアクチュエータ部材４２とを含んでいる。代替実施形態では、第１のアクチュエータ部材４１と第２のアクチュエータ部材４２とは、アクチュエータ部材間の分離を保ちつつ単一のアンカによって支持されてもよい。図示した実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ部材は各々、絶縁領域４６によって前記アクチュエータ部材それぞれの導通経路４７から絶縁された電気バイアス部品４９を含んでいてもよい。ＭＥＭＳスイッチ３０の場合と同様に、電気バイアス部品４９は、ＭＥＭＳフォトリソグラフィ工程でアクチュエータ部材の一部として形成された導電層又はトレースであってもよく、それぞれのアクチュエータ部材上に機械力を印加するよう構成されたピエゾ抵抗材料であってもよい。一実施形態では、アクチュエータ部材４１と４２との導通経路４７が電気接続４５によって電気的に結合されてもよい。図示していないが、ＭＥＭＳスイッチ４０にも、ＭＥＭＳスイッチ１０及び３０に関して記載したようにキャップを取り付けてもよい。

図５は、前記第１のアクチュエータ部材と前記第２のアクチュエータ部材とが物理的に分離された代替実施形態の概略図である。図示のように、ＭＥＭＳスイッチ５０は、単一のアンカ５８によって支持された第１のアクチュエータ部材５１と第２のアクチュエータ部材５２とを含んでいてもよい。前述のＭＥＭＳスイッチの場合と同様に、第１のアクチュエータ部材５１と第２のアクチュエータ部材５２とは、ゲート５６からの信号によって生成される吸引力によって接点５５及び５７と電気的に結合するよう、共通に作動されてもよい。ＭＥＭＳスイッチ１０、３０及び４０の場合と同様に、ＭＥＭＳスイッチ５０はさらに、様々なＭＥＭＳ部品の上方において、基板１２と共に気密封止を形成するキャップ２５を含んでいてもよい。

図６は、本発明の一実施形態による２つ以上のＭＥＭＳスイッチによるアレイ６０の概略図である。図示の実施形態では、各ＭＥＭＳスイッチ１０は、共通ゲート１６の作動状態に基づいて作動する第１及び第２のアクチュエータ部材（図示せず）を含む可動アクチュエータ２３を含んでいる。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチアレイ６０内の各ＭＥＭＳスイッチ１０は、別個のゲートドライバ６６によって制御される。一方、各ゲートドライバ６６は、所定のＭＥＭＳスイッチ１０の第１及び第２のアクチュエータ部材間で共用される共通ゲート１６の作動状態を制御する。図示した実施形態では、２つのＭＥＭＳスイッチ１０のアレイ６０は、隣接するＭＥＭＳスイッチ１０の入力接点１５に接続された第１のＭＥＭＳスイッチ１０の出力接点１７と直列に電気的に結合されている。しかし、これらのＭＥＭＳスイッチ又は追加されるＭＥＭＳスイッチは、最終的な用途に応じて並列、又は直列と並列の組み合わせで電気的に結合されてもよい。一実施形態では、ＭＥＭＳアレイ６０は、電流源６１からの直流電流のアークレス遮断に適した電気遮断デバイスの一部として使用されてもよい。アークレス電流遮断などの特定の用途向けの所望の定格電流を達成するため、ＭＥＭＳスイッチアレイ６０内のＭＥＭＳスイッチ１０は、所望の電圧及び電流分割効果を達成するよう直列、並列、又は直列／並列の組み合わせに動作可能に結合されてもよい。

本発明のある特定の特徴のみを本明細書に図示し、記載してきたが、当業者には多くの修正と変更が可能であろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるこのような修正及び変更の全てを網羅することを意図するものと理解されたい。

増大した電圧スタンドオフ容量を有するＭＥＭＳスイッチの一実施形態の概略図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの断面図である。 本発明の一実施形態による電気バイアス部品を有するＭＥＭＳスイッチの概略図である。 第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材とが物理的に分離されたＭＥＭＳスイッチの一実施形態の概略図である。 第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材とが物理的に分離されたＭＥＭＳスイッチの代替実施形態の概略図である。 本発明の一実施形態による２つ以上のＭＥＭＳスイッチのアレイの概略図である。

符号の説明

６ ゲートドライバ
１０ ＭＥＭＳスイッチ
１２ 基板
１４ 基準スイッチ
１５ 接点
１６ ゲート
１７ 接点
１８ アンカ
２１ 第１のアクチュエータ部材
２２ 第２のアクチュエータ部材
２３ 可動アクチュエータ
２５ キャップ
３０ ＭＥＭＳスイッチ
３６ 絶縁領域
３７ 導通経路
３９ 電気バイアス部品
４０ ＭＥＭＳスイッチ
４１ 第１のアクチュエータ部材
４２ 第２のアクチュエータ部材
４５ 電気接続
４６ 絶縁領域
４７ 導通経路
４８ａ 第１のアクチュエータ部材
４８ｂ 第２のアクチュエータ部材
４９ 電気バイアス部品
５０ ＭＥＭＳスイッチ
５１ 第１のアクチュエータ部材
５２ 第２のアクチュエータ部材
５５ 接点
５６ ゲート
５７ 接点
５８ アンカ
６０ ＭＥＭＳスイッチアレイ
６１ 電流源
６６ ゲートドライバ

Claims (8)

1. ＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）であって、
   基板（１２）と、
   互いに電気的に結合された第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び第２のアクチュエータ部材（２２、４２）と、
   前記基板（１２）に機械的に結合され、前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）と第２のアクチュエータ部材（２２、４２）を支持するアンカ（１８）と、
   前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び第２のアクチュエータ部材（２２、４２）を作動するよう構成されるゲートドライバ（６）と、
   電源に接続する第１の接点（１５）と、
   前記電源から電力を受ける負荷と接続する第２の接点（１７）と、
   単一の前記ゲートドライバ（６）によって制御されるとともに、前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）の双方に吸引力を同時に加えるように構成された共通のゲート（１６）と、
   を備え、
   前記ゲートドライバ（６）によって作動されると、前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）が前記第１の接点（１５）に電気的に結合され、前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）が前記第２の接点（１７）に電気的に結合され、前記第１及び第２の接点（１５、１７）と前記第１及び第２のアクチュエータ部材（２１、２２、４１、４２）が前記電源の電力を前記負荷に供給するよう構成され、
   前記共通のゲート（１６）の第１の端が、前記第１の接点（１５）と前記アンカ（１８）の間で前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）の下に配置され、
   前記共通のゲート（１６）の第２の端が、前記第２の接点（１７）と前記アンカ（１８）の間で前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）の下に配置される、
   ＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）。
2. 前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）と前記第２の接点（１７）との差動電圧が前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）と前記第１の接点（１５）との間の差動電圧とほぼ等しくなるよう構成される、請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）。
3. 前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）の上方に配置されたスイッチキャップ（２５）をさらに備える、
   請求項１または２に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０）。
4. 前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）が導電性アクチュエータ部材（３７、４７）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のＭＥＭＳスイッチ（３０、４０）。
5. 前記アンカ（１８）が、
   前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）を支持する第１のアンカ（４８ａ）と、
   前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）を支持する第２のアンカ（４８ｂ）と、
   前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）と前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）とを電気的に結合する電気接続（４５）とを備える、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のＭＥＭＳスイッチ（３０、４０）。
6. 前記第１のアクチュエータ部材（２１、４１）及び前記第２のアクチュエータ部材（２２、４２）が静電的に作動可能である、請求項１乃至５のいずれかに記載のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と、
   前記第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と直列に接続された請求項１乃至６のいずれかに記載の第２のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と、
   を備え、
   前記第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）の前記第２の接点（１７）が、前記第２のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）を介して前記負荷と接続し、
   前記第２のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）の前記第１の接点（１５）が、前記第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）を介して前記電源に接続する、
   ＭＥＭＳスイッチアレイ（６０）。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と、
   前記第１のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と並列に接続された請求項１乃至６のいずれかに記載の第２のＭＥＭＳスイッチ（１０、３０、４０）と、
   を備える、ＭＥＭＳスイッチアレイ（６０）。
   

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