CN1378225A - 静电微型继电器、无线电器件和测量器件及触点切换方法 - Google Patents

Abstract

形成在固定基片上的信号线布置在相同直线上。可动基片经提供在两个位置处的梁部分弹性地支撑在固定基片上,这两个位置关于对中在其上的可动触点彼此点对称。至少相对着信号线的部分从可动基片除去。可动触点弹性支撑在与在其上布置信号线的直线正交并且不面对着信号线的两个点处。一对突出部分形成在这样的位置处:在闭合触点之后,如果一个电压施加在固定电极与可动电极之间而没有突出部分,则在固定触点与可动触点的接触之后,以关于其上对中可动触点的点对称方式,固定基片和可动基片彼此接触。这样,能够提供这种静电微型继电器:具有容易以低成本制造的简单和小尺寸结构,并且在关于适当触点打开/分离力的高频特性方面优良。

Description

静电微型继电器、无线电器件 和测量器件及触点切换方法

发明领域

本发明涉及一种根据在电极之间产生的静电吸引力通过驱动切换信号线的静电微型继电器、使用该静电微型继电器的一种无线电器件和一种测量器件、及一种触点切换方法

发明背景

按常规，作为静电微型继电器，例如，公开在日本专利申请公开No.2000-164104和2000-113792中的那些已经是已知的。

在前者中，一个电压施加在电极之间以产生驱动一个可动基片的静电吸引力，从而使一个可动触点与一个固定触点相接触，允许提供在固定基片上信号线彼此并联地电气连接。在可动基片中，缝隙形成在可动触点的两侧，并且突出部分形成在下表面上在四个位置处，由此增大触点打开/分离力。

在后者中，一个可动基片弹性地支撑在一个固定基片上在两部分处，从而信号线形成在固定基片上，以便对准相同的信号线，并且布置在两侧的固定电极通常用作高频GND电极。

然而，在前一种器件的情况下，由于信号线彼此并联地提供，所以不适用于高频信号的切换。突出部分在闭合触点之前邻接在一个相对基片上；然而，不能说，为了增大操作特性该位置是最适当的位置。

相反，尽管后者适用于高频信号的切换，但没有考虑到为了增大触点打开/分离力的突出部分的结构等。即使当简单地采用上述突出部分时，也难以得到希望的操作特性，除非不指定用来提供突出部分的最适当位置。

本发明的公开

因而，本发明已经设计成解决上述问题，并且其一个目的在于提供：一种静电微型继电器，具有容易以低成本制造的简单和小尺寸结构，并且提供一个适当触点打开/分离力；使用该静电微型继电器的一种无线电器件和一种测量器件；及一种触点切换方法。

为了实现上述目的，一种静电微型继电器根据在把一个电压施加在一个形成在一个固定基片上的固定电极、与形成在经一个梁部分支撑在固定基片上的可动基片上的可动电极之间的情况下产生的静电吸引力，驱动一个可动基片，并且电气切换形成在固定基片上的一个固定触点、和形成在可动基片上的一个可动触点，在该静电微型继电器中，一个凸块提供在固定基片或可动基片的至少一个上，并且凸块提供在这样一个位置处：当在固定电极与可动电极之间施加电压而不提供凸块时，固定触点与可动触点相接触，并且然后固定基片和可动基片彼此邻接。

借用于这种布置，尽管这种器件具有一种适用于切换高频信号的结构，但按照静电吸引力的变化能把触点打开/分离力切换到两步。更具体地说，在具有弱静电吸引力的范围内，不允许突出部分邻接在相对基片上，从而可动基片按照静电吸引力容易地变形。相反，在具有一个强静电吸引力的范围内，允许突出部分邻接在相对基片上，从而可动基片具有一个较大的弹性力。况且，凸块提供在这样一个位置处：当在固定电极与可动电极之间施加电压而不提供凸块时，固定触点与可动触点相接触，并且然后固定基片和可动基片彼此邻接。因此，在可动触点侧的可动基片的弹性力对于一条静电吸引力曲线能在最适当的位置处变化，由此使得有可能改进触点打开/分离性能。

最好，如果另一个凸块布置在这样一个位置处：在把电压施加在固定电极与可动电极之间时，在固定基片或可动基片的至少一个与凸块进入接触之后，所述固定电极和可动电极彼此邻接，则每当突出部分邻接在相对基片上时，在可动触点侧的弹性力变得大得能够与静电吸引力曲线一道承受，由此得到适当的触点打开/分离力。

突出部分应该由一种绝缘材料制成。

况且，最好，如果所述固定电极或所述可动电极都不布置在一个位置上，该位置邻接在与提供有所述突出部分的一个基片不同的所述固定基片或所述可动基片的所述突出部分上，则有机物质不会联接在突出部分与相对电极之间，由此根据在长时间上的设计得到一种适当的操作特性。

注意，具有上述结构的静电微型继电器适用于切换在用来处理高频信号的设备，如无线电器件、测量器件等，中的触点切换。

附图的简要描述

图1是按照一个第一实施例的一种静电微型继电器的组装立体图；

图2是图1的分解立体图；

图3是立体图，表示一种其中表示在图2中的一个可动基片从相对侧看到的状态；

图4是剖视图，表示图1中所示的静电微型继电器的处理顺序；

图5是示意图，表示图1中所示的静电微型继电器的一种操作状态；

图6是曲线图，表示间隙尺寸和在固定基片与可动基片之间的静电吸引力及可动基片的弹性力中的关系；

图7是方块图，表示一种其中图1的静电微型继电器采用在无线电器件中的状态；

图8是方块图，表示一种其中图1的静电微型继电器采用在测量器件中的状态；

图9(a)和图9(b)分别是按照另一个实施例的一种静电微型继电器的平面图和剖视图；及

图10(a)和图10(b)分别是按照另一个实施例的一种静电微型继电器的平面图和剖视图。

用来实现本发明的最好模式

下面参照附图将描述根据本发明的实施例。

图1和2表示根据本发明的一种静电微型继电器。这种静电微型继电器具有一种其中一个可动基片2提供在一个固定基片1的上表面上的配置。

固定基片具有一种其中一个固定电极4和信号线5a、5b形成在一个玻璃基片3的上表面上的配置。固定电极4的表面涂有一层绝缘膜6。信号线5a、5b沿相同的直线布置，并且具有在玻璃基片3的中心上以一个预定间隙彼此相邻的固定触点7a、7b。信号线5a、5b分别连接到连接垫8a、8b上。况且，一个连接垫8c通过一个布线图案9a形成在信号线5b侧。可动基片2的一个可动电极12电气连接到布线图案9a和连接垫8c上。一个电压施加连接垫8d和一个连接到GND上的连接垫8e形成在固定电极4上。当高频信号经信号线5a、5b传输时，连接垫8e具有防止信号泄漏的功能。

如图3中所示，可动基片2具有一种可动电极12由从一个支撑部分10延伸的两个第一梁部分11均匀支撑的配置，支撑部分10在侧向在固定基片1的上表面上选择。可动电极12经提供在固定基片1的上表面上的第一梁部分11、支撑部分11、及印刷布线9a电气连接到连接垫8c上。一个触点底座14由一对第二梁部分13弹性支撑在可动电极12的中心中。一个可动触点16穿过绝缘膜15提供在触点底座14的下表面上。可动触点16与固定触点7接触和分离，以切换信号线5a、5b。况且，突出部分17分别形成在可动电极12的下表面上，在与其上对中的可动触点16彼此点对称的位置处。更具体地说，突出部分17提供在这样一个位置上：当在固定电极4与可动电极12之间施加一个电压没有提供突出部分17时，固定触点7与可动触点16接触，并且然后固定电极4和可动电极12彼此邻接。因而，当施加一个静电吸引力，并且可动基片2收缩时，突出部分17总是在触点闭合之前邻接在固定基片1上。然后，把接触和接触力生成减小之后的打开/分离力的增大速率设置到一个最优状态。况且，突出部分17这样形成，从而在可动电极12与固定电极4之间的方向不大于在分离固定基片1与在邻接固定基片1时的可动其片2之间的间隙的1/3。借助于这种布置，静电吸引力在当突出部分17邻接在固定基片1时的时刻，静电吸引力迅速变大，由此允许可动电极12可靠地吸合到固定电极4上。

这里，突出部分17与其它部分(可动电极12)相比靠近相对固定电极4。因此，静电吸引力变大，从而电场集中。这里，当在边缘区域上有外来物时，外来物由具有集中电场的突出部分17吸引，并且附着到其上。在这种情况下，突出部分17的高度可能改变，由此引起操作特性的不稳定性。因此，如图2中所示，从其已经除去固定电极4的非电极部分18形成在相对着突出部分17的部分处。然而，当突出部分17由诸如氧化物膜之类的绝缘材料形成时，不必要求非电极段18，因为抑制产生的静电吸引力。况且，在当突出部分17形成以具有半柱形状时的情况下，变得有可能抑制电场集中，并因此提供一种较不可能吸引外来物的结构。

其次，将描述一种用于具有上述配置的静电微型继电器MR的制造方法。

首先，如图4(b)中所示，一个固定电极4和固定触点7a、7b(这里仅表示7a形成在一个玻璃基片3上，玻璃基片3由PYREX等制成，如图4(a)中所示。同时，未表示在图4中的一个印刷布线9a、一个连接垫8a等形成在其上。然后，一个绝缘膜6形成在固定电极4上，从而完成图4(c)中所示的固定基片1。这里，作为绝缘膜6，可以使用具有3至6介电常数的氧化硅膜或具有7至8介电常数的氮化硅膜；因而，变得有可能得到一种较大静电吸引力，并因此增大接触力。

这里，如图4(d)中所示，为了在由以如下顺序从顶部叠置的一个硅层101、一个氧化硅层102、及一个硅层103制成的SOI晶片的下表面上形成一个触点对触点间隙，例如，执行一个湿蚀刻过程，把具有氧化硅膜的TMAH用作掩模，从而如图4(e)中所示，形成向下突出的支撑部分10和突出部分17。然后，如图4(f)所示，在提供一个绝缘膜15之后，形成一个可动触点16。

其次，如图4(g)中所示，上述SOI晶片100经一个阳极接合过程整体接合到固定基片1上。而且，如图4(h)中所示，SOI晶片100的上表面经受使用诸如TMAH、KOH等之类的碱性蚀刻溶液的蚀刻过程，深到是氧化物膜的氧化硅层102以使它更薄。况且，氧化硅层102由氟基蚀刻溶液除去，从而露出硅层103，即可动电极12，如图4(i)中所示。然后，通过使用RIE等干蚀刻执行一个振动蚀刻过程，从而切出第一和第二梁部分11、13，由此完成可动基片2。这里，固定基片1不限于玻璃板3，并且这可以由一个至少其上表面涂有一个绝缘膜6的单晶硅基片形成。

其次，参照图5的示意图将描述具有上述配置的静电微型继电器MR的操作。

在其中在两个电极之间不施加电压并且没有静电吸引力产生的状态下，如图5(a)中所示，第一梁部分11不会弹性变形以保持从支撑件10水平延伸的状态，从而可动基片2以预定间隙相对着固定基片1。因此，可动触点16打开，并且与固定触点7a、7b分离。

这里，当把电压施加在两个电极之间以产生静电吸引力时，第一梁部分11弹性变形，并且可动基片2靠近固定基片1。因而，如图5(b)中所示，突出部分17邻接在固定基片1上。如图6中所示，静电吸引力往往在电极之间的距离变小时增大。这里，作好准备，从而当突出部分17上向靠近邻接在固定基片1上时，在两个电极4和12之间施加的静电吸引力突然增大。因此，可动基片2也使每个突出部分17的边缘部分经受部分弹性变形，从而可动电极12吸引粘结到固定电极4上。结果，如图5(c)中所示，可动触点16和固定触点7闭合。在可动触点16已经邻接在固定触点7上之后，除图5(d)中表示的第一梁部分11之外，第二梁部分13弯曲，从而可动电极12吸引粘结到固定电极4上。因此，由于边缘可动电极12吸引粘结到固定电极4上，所以可动触点16经第二梁部分13压到固定触点7上。为此原因，没有不规则接触发生，并且变得有可能改进接触可靠性。

在这时，假定：向上拉动可动电极12的第一和第二梁部分11、13的力是Fs1、Fs2，从突出部分17的接触到触点的闭合由每个突出部分边缘的弹性变形施加的、和向上拉动可动触点12的一个力是Fs3，经绝缘膜6施加在可动电极12与固定电极4之间的静电吸引力是Fe，及从绝缘膜6的表面施加的拉力是Fn，这些力具有由如下公式(1)指示的关系；因此，通过适当地设计因数，如第一和第二梁部分11、13的弹簧系数、在可动电极12与固定电极4之间的初始间隙、及触点的厚度，有可能使Fn、Fs1较小，即减小接触力(来自最优模型)。

[公式1]

Fe＝Fs1+Fs2+Fs3+Fn

此后，当除去在两个电极之间的施加电压时，不仅第一和第二梁部分11、13的弹性力、而且由突出部分17的边缘变形产生的弹性力，能作为触点打开/分离力施加。因此，即使当粘结和沉积等施加在触点之间时，也变得有可能肯定地打开和分离触点。在触点已经打开和分离之后，允许可动基片2通过在触点打开之后高至突出部分17的分离在突出部分17的边缘上的弹性力、和通过在突出部分17分离之后第一梁部分11的弹性力返回原始位置。

以这种方式，在上述实施例中，由于形成突出部分17，所以变得有可能大大地增大触点打开/分离力，从而当除去施加电压时，平稳地执行可动基片2的操作。

况且，整个可动基片2由一种简单物质的硅基片形成，并且以横向点对称方式或横截面对称方式形成。因此，可动电极12对翘曲和扭曲较不敏感，并且有可能有效地防止操作特性的不正确操作和漂移、和也保证平稳操作特性。

具有上述配置的静电微型继电器MR具有一种用来以很小损失传输直流电流高至高频信号的特性；因此，这能应用于例如图7中所示的无线电器件110和图8中所示的测量器件120。在图7中，静电微型继电器MR连接在一个内部电路112和一根天线113之间。在图8中，静电微型继电器MR连接到从一个内部电路121连接到要测量的物体(未表示)上的每根信号的中部。按照这种配置，变得有可能与常规器件相比，以高精度传输信号同时减小至用在内部电路中的放大器等的负载。况且，由于它具有小尺寸和低功耗，所以它有效地应用于电池驱动无线电器件和使用其多个的测量器件。

这里，在上述实施例中，可动基片2由两个第一梁部分11支撑；然而，这可以由三个或四个梁部分支撑。因而，变得有可能得到具有良好面积效率的静电微型继电器。更具体地说，图9表示其中可动基片2由四个梁部分支撑的布置。在图9中，结构与图1中所示的相同，不同之处在于放置四个梁部分11。

况且，上述静电微型继电器MR可以具有图10中所示的配置。换句话说，在该静电微型继电器中，支撑部分31由安装在固定基片30的上表面上的矩形机架件构成。可动基片40由来自支撑部分31的内边缘的耦合部分32悬臂支撑。一个绝缘膜41形成在可动基片40的下表面上，并且可动触点42放置在其自由端侧。然而，一个突出部分43形成在可动触点42与连接部分32之间，从而允许可动触点42在可动触点42和固定触点33闭合之前邻接在固定基片30上。在当突出部分43形成在一个允许可动基片40在触点闭合之后首先接触固定基片30的位置处时的情况下，有可能使接触力更大。而且，当进一步安装突出部分43时，它最好安装在其次允许可动基片40邻接在固定基片30上的一个位置处。

况且，在上述实施例中，可动电极12形成具有一个扁平形状；然而，一个凹下段可以形成在上表面中以具有薄的结构。因而，即使它具有重量轻的结构，也有可能进一步改进操作和返回速度，同时保持希望的刚性。况且，可以使可动电极12变厚以具有比梁部分大的刚性。借助于这种配置，使所有静电吸引力用作对于可动电极12的吸力，从而静电吸引力有效地用来扭曲第一梁部分11或第二梁部分13。

另外，在上述实施例中，突出部分17提供在可动基片2上；然而，这可以提供在固定基片1或基片的每一个上。这里，关于突出部分17，它们的不少于两对可以放置在触点与支撑部分10之间。在这种情况下，另一个突出部分17放置在一个其中在首先接触突出部分17之后固定基片1和可动基片2其次彼此邻接的位置处。以这种方式，下个突出部分17可以依次形成，从而与其中仅提供突出部分17的一对的情形相比，变得有可能进一步稳定接触力和打开/分离力。

如以上清楚描述的那样，按照本发明，有可能提供具有容易以低成本经一个半导体过程制造的简单和小尺寸结构的静电微型继电器。况且，由于信号线布置在相同直线上，并且除去相对可动基片，所以器件施加卓越的高频特性。由于一个突出部分形成在两个基片的至少一个上，所以有可能得到在闭合触点时的希望均匀接触力，并且也增大触点打开/分离力。特别是，突出部分提供在这样一个位置处：如果电压施加在固定电极与可动电极之间而没有突出部分，则固定基片和可动基片在固定触和可动触点之间的接触之后彼此接触；因此，在打开触点时，有可能相对于静电吸引力曲线施加一个最优触点打开/分离力。

Claims (7)

1.一种静电微型继电器，根据一个静电吸引力驱动一个可动基片，该静电吸引力是在把一个电压施加在一个形成在一个固定基片上的固定电极、与形成在经一个梁部分支撑在所述固定基片上的所述可动基片上的可动电极之间的情况下产生的，并且电气切换形成在所述固定基片上的一个固定触点、和形成在所述可动基片上的一个可动触点，其特征在于

一个凸块提供在所述固定基片或所述可动基片的至少一个上，并且

所述凸块提供在这样一个位置处：当在所述固定电极与所述可动电极之间施加电压而不提供所述凸块时，所述固定触点与所述可动触点相接触，并且然后所述固定基片和所述可动基片彼此邻接。

2.根据权利要求1所述的静电微型继电器，其特征在于，另一个凸块布置在这样一个位置处：当在所述固定电极与所述可动电极之间施加电压时，在所述固定基片或所述可动基片的至少一个与所述凸块相接触之后，所述固定电极和所述可动电极彼此邻接。

3.根据权利要求1所述的静电微型继电器，其特征在于，所述凸块由一种绝缘材料制成。

4.根据权利要求1所述的静电微型继电器，其特征在于，所述固定电极或所述可动电极都不布置在这样一个位置上，该位置是与提供有所述凸块的一个基片不同的所述固定基片或所述可动基片上的÷邻接所述突出部分的一个位置。

5.一种无线电器件，其特征在于，提供根据权利要求1所述的静电微型继电器，以便在天线与内部电路之间切换电气信号。

6.一种测量器件，其特征在于，提供根据权利要求1所述的静电微型继电器，以便在要测量的物体与内部电路之间切换电气信号。

7.一种触点切换方法，用来根据一个静电吸引力驱动一个可动基片，该静电吸引力是在把一个电压施加在一个形成在一个固定基片上的固定电极、与形成在经一个梁部分支撑在所述固定基片上的所述可动基片上的可动电极之间的情况下产生的，驱动一个可动基片，并且用来电气切换形成在所述固定基片上的一个固定触点、和形成在所述可动基片上的一个可动触点，其特征在于

一个凸块提供在所述固定基片或所述可动基片的至少一个上，

所述凸块布置在一个预定高度在这样一个位置处：当在所述固定电极与所述可动电极之间施加电压而不提供所述凸块时，所述固定触点与所述可动触点相接触，并且然后所述固定基片和所述可动基片彼此邻接，并且

当在所述固定电极与所述可动电极之间施加电压时，所述凸块邻接在一个相对基片上，并且然后所述固定触点与所述可动触点相接触。

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