JP2003503816A - 高圧用マイクロ機械加工された静電スイッチ - Google Patents

高圧用マイクロ機械加工された静電スイッチ

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JP2003503816A JP2001506565A JP2001506565A JP2003503816A JP 2003503816 A JP2003503816 A JP 2003503816A JP 2001506565 A JP2001506565 A JP 2001506565A JP 2001506565 A JP2001506565 A JP 2001506565A JP 2003503816 A JP2003503816 A JP 2003503816A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的低い静電気の動作電圧を使用して、高圧を切り換えることができる、MEMS式の静電気的に動作する高圧用スイッチ又はリレーディバイスを提供する。 【解決手段】 マイクロ電子基板、基板電極、および、1つ以上の基板接点、を備えるとともに、基板の上側にある可動の複合体、1つ以上の複合接点、および、少なくとも1つの絶縁体、も備え、その断面において可動の複合体は、電極層とバイアス層とからなるMEMSディバイス。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
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)式の静電気的に動作する高圧用スイッチ又
はリレーのディバイス(構造体)に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜技術の進歩により、最新の集積回路の開発が可能にされている。この進歩
した半導体技術は、また、MEMS(マイクロ電気機械システム)構造体を作り
出すために利用されている。MEMS構造体は、一般に、動き又は力を加えるこ
とができる。マイクロセンサ、マイクロギヤ、マイクロモータ、及び他のマイク
ロ工学装置を含む、多くの異なった種類のMEMSディバイスが作られている。
MEMSディバイスにはコストが低いこと、信頼性が高いこと及び寸法が極めて
小さいことという利点があるため、各種の用途のために開発されている。
【0003】 MEMSディバイスの技術者に与えられた設計の自由度が、微細構造体内の所
望の動きを発生させるために必要な力を提供する種々の技術及び構造体の開発に
向けられてきた。例えば、マイクロカンチレバーは、微細加工されたスプリング
及びギヤを回転させる回転機械力を加えるために使用されている。電磁場は、マ
イクロモータを駆動するために使用されている。圧電力も、微細加工された構造
体をコントロールして動かすようにうまく用いられている。アクチュエータ又は
他のMEMS部品のコントロールされた熱膨張は、マイクロディバイスを駆動す
る力を作るために使用されてきた。そのようなディバイスの1つは、マイクロデ
ィバイスを動かすために熱膨張を利用する米国特許第5,475,318号の中
に見出される。マイクロカンチレバーは、熱膨張率が異なる材料から構成される
。加熱されると、バイモルフ層が異なって湾曲するため、マイクロカンチレバー
が動かされる。同様のメカニズムが、米国特許第5,463,233号の中で説
明されているように、微細加工したサーマルスイッチを動作させるために使用さ
れる。
【0004】 静電力も、構造体を動かすために使用される。従来の静電ディバイスは、プラ
スチック又はマイラー材料から切り取ったラミネートフィルムから構成された。
可撓性の電極がフィルムに取り付けられ、別の電極がベースの構造体に固定され
た。それぞれの電極を電気的に付勢すると、電極を互いに引き付けたり又は互い
に反発する静電力が作られた。これらのディバイスのそれぞれの実施例は、米国
特許第4,26,399号の中で発見される。これらのディバイスは一般的な運
動用途には良好に働くが、これらのディバイスを小型化した集積回路、生物医学
的な用途、又はMEMS構造体用に適当な寸法で構成することはできない。
【0005】 静電力を使用して電気的スイッチ及びリレーを動作させる、微細加工されたM
EMS静電ディバイスが作られてきた。電気的接続を開閉するために下側の基板
から分離された比較的硬いカンチレバー部材を使用する、様々なMEMS式リレ
ー及びスイッチが開発されてきた。一般に、これらのMEMSディバイス内のカ
ンチレバーの自由端部の接点は、カンチレバーが反るように動くので、電気的接
続が選択的に確立される。そのため、これらのMEMSディバイスの中で接点が
接続されると、大部分のカンチレバーは下側の基板から切り離されて残る。例え
ば、Buckらへの米国特許第5,367,136号、5,258,591号及び5
,268,696号、Ichiyaらへの米国特許第5,544,001号、及びKasa
noらへの米国特許第5,278,368号は、このクラスの微細設計されたスイ
ッチ及びリレーのディバイスを示している。
【0006】 別のクラスの微細設計されたMEMS式スイッチ及びリレーディバイスは、電
気的接続を確立する湾曲したカンチレバー状部材を含んでいる。例えば、Schlaa
kらへの米国特許第5,629,565号及び5,673,785号は、カンチ
レバーの固定端部から離れるように湾曲し、次にほぼ真っ直ぐになるマイクロカ
ンチレバーを説明している。電気的接点は、マイクロカンチレバーのほぼ真っ直
ぐな自由端部に配置される。静電的に基板電極に引き付けられると、Schlaakの
ディバイスは、それぞれの電気的接点が相互接続する部分をのぞいて、ほぼ基板
表面に一致する。さらに、Ignaz Schieleらの「Surface-Micromachined Electro
static Microrelay」という題名の技術出版物も、湾曲したカンチレバー部材を
有する微細加工した静電リレーを説明している。Schieleのカンチレバーは、始
めは、基板から反って離れる前は、それが固定端部から離れるように下側の基板
に平行に伸びる。接点を有するカンチレバー部材は多層の複合体から構成するが
、可撓性ポリマーのフィルムは中で使用されていない。このため、Schieleのデ
ィバイスは、その静電動作に応じてカンチレバー部材を下側の基板にほぼ一致さ
せることを説明していない。
【0007】 MEMS式静電スイッチ及びリレーは寸法が極めて小さいために、種々の用途
に都合よく使用される。電荷間の電界による静電力は、MEMSディバイスに固
有な電極の区切りが狭い場合は、比較的大きな力を発生することができる。しか
しながら、これらの小型化されたディバイスが高圧の用途に使用される場合、問
題が発生する。MEMSディバイスがミクロンスケールの寸法で区切られた構造
体を含んでいるため、高圧が電気的アーク放電及び関連する問題を発生すること
がある。実際において、MEMS式リレー及びスイッチ内の接点が極めて接近し
ているため、これらの高圧の問題の重大性が増幅される。さらに、比較的高い静
電気の電圧が、高圧を切り換えるために要求される。基板電極と可動のカンチレ
バー電極との間のエアギャップの区切りは、カンチレバーの電極を動かして、ス
イッチ又はリレーを動作させるために必要な静電気の電圧に影響する。比較的大
きなエアギャップは、高圧の問題を最小にするために役に立つ。しかしながら、
エアギャップを大きくすればそれだけ高い電圧が、静電スイッチ又はリレーを動
作させるために必要となる。このため、従来のMEMS式静電スイッチ及びリレ
ーのディバイスは、高圧のスイッチング用途には好適ではない。
【0008】 比較的低い静電気電圧で動作可能なMEMSディバイスを用いて、高圧を切り
換えることができれば好都合である。さらに、少なくともいくつかのアーク放電
及び高圧の動作の問題を克服するMEMS式静電スイッチングディバイスを提供
することは好都合である。静電力を利用しながら高圧をスイッチングするための
、改良されたMEMSディバイスの開発に対する要求がなお存在する。MEMS
式静電ディバイス用の現在の用途は、より良く機能することになるであろう。さ
らに、好適な新しいディバイス及び用途を、新しいMEMS構造体の中に静電力
を利用することによって作り出すことができるであろう。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的低い静電気電圧を使用しながら高圧を切り換えること
ができる、MEMS式静電スイッチ及びリレーを提供することである。
【0010】 また、本発明の目的は、少なくともいくつかのアーク放電及び他の高圧に関連
する問題を乗り越えるMEMS式静電スイッチ及びリレー用アクチュエータを提
供することである。
【0011】 さらに、本発明の目的は、改良されたMEMS式静電スイッチ及びリレーを提
供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高圧用のスイッチ又はリレーとして動作することができる改良され
たMEMS式静電ディバイスを提供する。さらに、本発明によるMEMS式静電
ディバイスを使用する方法が提供される。本発明は、少なくともいくつかの列挙
された目的を満足させると同時に、前述した少なくともいくつかの問題を解決す
る。
【0013】 本発明による静電力によって駆動されるMEMSディバイスは、マイクロ電子
基板、基板電極、基板接点、可動の複合体、複合接点、及び絶縁体から構成する
。マイクロ電子基板は、MEMSディバイスがその上に構成されるプレーナー面
を規定する。基板電極は、マイクロ電子基板の表面上に層を形成する。基板電極
の上には可動の複合体がある。断面では、可動の複合体は、電極層とバイアス層
とから成る。可動の複合体は長さ方向に、下側の基板に取り付けられた固定部分
と、基板電極に関連して動くことができる末端部分とから構成する。複合接点が
、可動の複合体に取り付けられている。さらに、絶縁体は基板を可動の複合体の
電極層から電気的な絶縁及び分離を行う。基板電極と可動の複合電極との間に電
圧を加えると静電力が発生し、この静電力が複合体の可動の末端部分を下側のマ
イクロ電子基板に引き付ける。このため、基板接点及び複合接点は、静電力が加
えられると電気的に接続される。
【0014】 本発明によるMEMS式静電ディバイスの1つの実施形態は、1つ以上の概し
て柔軟な材料から可動の複合体の電極層及びバイアス層を形成する。可動の複合
体の末端部分がマイクロ電子基板に引き付けられるとき、可動の複合体がマイク
ロ電子基板の表面にほぼ一致するように、複合体から成る層を選択することがで
きる。さらに、静電力が加えられない場合は、末端部分をマイクロ電子基板に対
して位置的に偏向するように、複合体から成る層を選択することができる。他の
実施形態は、基板接点の表面の特性だけでなく、基板接点と基板表面との相対位
置を規定する。1つの実施形態は、直列又は並列に任意に相互接続することがで
きる複数の基板接点を提供する。基板電極、基板接点及び基板に対する絶縁体の
位置は、1つの実施形態の中ではさらに規定される。1つの実施形態は、可動の
複合体から成る電極層及びバイアス層の特性を説明している。
【0015】 さらに別の実施形態では、可動の複合体の末端部分の特性が説明される。1つ
の実施形態は、可動の複合体に対する複合接点の属性及び位置を説明している。
さらに、1つの実施形態では、複合接点は、任意に直列又は並列に接続される複
数の接点を含んでいる。実施形態では、基板電極及び複合電極の形状及び相対的
な寸法も詳細に説明される。他の実施形態は、さらに、電気的エネルギーのソー
スを含み、少なくとも1つの基板接点及び複合接点に電気的に接続されるか、又
は少なくとも1つの基板電極及び複合電極に電気的に接続される。随意的に、こ
れらの実施形態はさらに、ダイオード又はスイッチングディバイスを含んでいる
【0016】 さらに、本発明の別の実施形態では、前述したMEMS式静電ディバイスを使
用する方法が提供される。この方法には、少なくとも1つの基板接点又は複合接
点を、そのそれぞれの関連する基板電極又は複合電極から電気的に絶縁するステ
ップが含まれる。この方法には、基板電極と可動の複合体の電極層との間に静電
力を選択的に発生するステップと、可動の複合体を基板に向かって移動させるス
テップとが含まれる。最後に、この方法には、少なくとも1つの基板電極又は複
合電極から電気的に絶縁された回路内の基板接点及び複合接点を電気的に絶縁す
るステップが含まれる。
【0017】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照しながら、本発明を以後一層詳細に説明する。これらの図面
には、本発明の好適な実施形態が示されている。しかしながら、本発明は多くの
異なった方式で具体化することができるが、本願に記載された実施形態に限定さ
れると解釈してはならない。むしろ、この開示が綿密で完全であり、また発明の
範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態が提供される。全体を通
して、同じ番号は同様のエレメントを指している。
【0018】 図1及び図2を参照する。本発明は、比較的低い静電気の動作電圧を使用しな
がら、高圧を切り換えることができる、静電力によって駆動されるMEMSディ
バイスを提供する。第1の実施形態では、MEMS式静電ディバイスは層の中に
、マイクロ電子基板10、基板電極20、基板用絶縁体30、及び可動の複合体
50が含まれる。可動の複合体は、概して平面状であり、マイクロ電子基板及び
基板電極の上にある。層は縦方向に配列して示されているが、部分は可動の複合
体に沿って横方向に配置されている。断面では、可動の複合体50は、少なくと
も1つの電極層40及び少なくとも1つのバイアス層60を含む複数の層から構
成している。その長さに沿って、可動の複合体は、固定部分70、中間部分80
、及び末端部分100を有している。固定部分は、下側のマイクロ電子基板又は
中間の層にほぼ固定されている。中間部分及び末端部分は、下側の基板から離さ
れ、動作に当たっては、両方の部分が下側の基板及び基板電極に対して移動可能
であることが好ましい。中間部分は固定部分から伸びて、静電力を加えられるこ
となく所定の位置に偏る又は保持される。末端部分は中間部分から伸びて、やは
り静電力を加えられずに所定の位置に偏る又は保持される。しかしながら、いく
つかの実施形態では、末端部分のみが動作に当たって自由に動くように、静電力
が印加されるか否かによらずに、中間部分は所定の位置に保持される。エアギャ
ップ120が、中間部分及び末端部分と下側のマイクロ電子基板のプレーナー面
との間に規定される。エアギャップの形状をあらかじめ規定することによって、
最近開発されたMEMS式静電ディバイスはより低い安定した動作電圧で動作す
ることができる。例えば、発明者がGoodwin-Johannsonで、本発明の出願人であ
るMCNCに譲渡された、1999年4月27日に出願された「Electrostatic
Actuator with Air Gap」という名称の米国特許出願第09/320,891号
は、これらの改良された静電ディバイスを説明している。この特許出願は、参照
することによって本願に組み入れる。
【0019】 可動の複合体及び下側の基板層を含む静電気式MEMSディバイスは、周知の
集積回路材料とマイクロ工学技術とを用いて組み立てられる。下側の基板層を形
成するために異なった材料、様々な数の層、及び層の多数の配列も使用すること
ができることは、当業者は理解するであろう。図面に示されたMEMSディバイ
スは、製造の詳細を説明する例として使用されるが、この説明は、特に断りのな
い限り、本発明が提供する全てのMEMSディバイスに等しく適用される。図1
及び図2を参照する。マイクロ電子基板10は、静電気式MEMSディバイスが
その上に構成されるプレーナー面12を規定する。マイクロ電子基板は、プレー
ナー面を有するどのような適当な基板材料も使用することができるが、シリコン
ウェーファから構成することが好ましい。他の半導体、ガラス、プラスチック、
又は他の適当な材料も、基板として機能することができる。絶縁層14がマイク
ロ電子基板のプレーナー面の上にあり、電気的な絶縁を行う。この絶縁層は、ポ
リイミド樹脂又は窒化物などの非酸化ベースの絶縁体又はポリマーから成ること
が好ましい。この場合、剥離層を除く工程にある種の酸を使用する場合は、酸化
物ベースの絶縁体を使用することはできない。剥離層の材料及び互換性のある酸
又はエッチング剤が剥離層を除くために使用される場合は、他の絶縁体は例え酸
化物ベースの絶縁体であっても使用することができる。例えば、フッ化水素酸を
含まないエッチング剤を使用する場合、二酸化ケイ素を絶縁層に使用することが
できる。絶縁層は、マイクロ電子基板のプレーナー面上に適当な材料を蒸着する
ことによって形成することが好ましい。基板電極20は、下側の絶縁層14の表
面の少なくとも一部に固定された一般にプレーナー層として配置される。基板電
極は、絶縁層の上面に蒸着された金の層から構成することが好ましい。基板電極
が金の層から形成される場合、任意に薄いクロムの層を基板電極層に蒸着すると
、絶縁層及び全ての隣接する材料への接着を一層良好にすることができる。ある
いはまた、他の金属又は導電材料は、剥離層の処理作業によって腐食されていな
い限り、使用することができる。
【0020】 第2の絶縁層30を基板電極20上に蒸着して、基板電極を電気的に絶縁し、
電気的なショートを防止することが好ましい。さらに、この第2の絶縁層は、基
板電極20と可動電極40を含む可動の複合体との間に所定の厚さの誘電体層を
提供する。第2の絶縁層30はポリイミド樹脂から構成することが好ましいが、
剥離層の処理に耐久力がある他の誘電体の絶縁体又はポリマーも使用することが
できる。第2の絶縁層30は、一般にプレーナー面32を有している。
【0021】 図示していない剥離層が、上側にある可動の複合体の中間部分及び末端部分の
下側の領域のプレーナー面32上に最初に蒸着されて、エアギャップ120とし
て示される空間を占有する。この剥離層は、下側のプレーナー面に固定されない
、可動の複合体部分の下の領域だけに加えられる。剥離層は、酸をそこに加えた
ときにエッチングで除去することができる酸化物又は他の適当な材料から構成す
ることが好ましい。上側の層を蒸着した後、フッ化水素酸エッチングのような標
準的なマイクロ工学の酸エッチング技術によって剥離層を取り除く。剥離層を除
去したとき、可動の複合体50の中間部分及び末端部分が下側のプレーナー面3
2から切り離されて、その間にエアギャップ120が作られる。エアギャップの
形状は、静電力が加えられない場合の可動の複合体の末端部分及び/又は中間部
分に与えられる偏向に基づいて決定される。1つの実施形態では、図6に示すよ
うに、エアギャップは減少し、可動の複合体の固定部分が下側の基板に接触する
部分で次第に終了する。別の実施形態では、図7に示すように、エアギャップは
減少し、ほぼ一定の幅を有し、固定部分が下側の基板に接触する部分で急速に終
了する。この図面の中間部分は、固定部分の直前の基板の上側にほぼカンチレバ
ー状の部分を有する。
【0022】 可動の複合体50の層は、概して、プレーナー面32の上側にある。周知の集
積回路製造プロセスを用いて、可動の複合体50を構成する層を作る。少なくと
も、2つの層が可動の複合体50を構成する、すなわち、可動の複合体の両側に
配置された可動電極40の層及びポリマーフィルム60の層である。ポリマーフ
ィルムの層は、静電力がない場合、下側のプレーナー面に対して可動の複合体を
所定の位置で保持するために使用するバイアス層を構成することが好ましい。可
動の複合体を構成する少なくとも1つの層を、可撓性材料、例えば、可撓性のポ
リマーから形成することが好ましい。可撓性の導体も使用することができる。随
意的に、可動電極40を下側の基板から絶縁するように、剥離層と露出されたプ
レーナー面32とによって規定された領域の少なくとも一部の上に、ポリマーフ
ィルムの第1の層を加えることができる。例えば、可動の複合体50の上側の層
として示したポリマーフィルム60のようなポリマーフィルムの層を、ポリマー
フィルムの第1の層として使用することができる。ポリイミド樹脂はポリマーフ
ィルムの層に好適であるが、剥離層製造プロセスに適当な多くの他の可撓性のポ
リマーを使用することもできる。
【0023】 好ましくは可撓性の導体材料の層から構成される可動電極40は、プレーナー
面32の上側に蒸着される。可動電極は、プレーナー面に直接又は、必要な場合
、任意のポリマーフィルムの第1の層の上に蒸着される。可動電極40は金から
構成することが好ましいが、導電性のポリマーフィルムのような、剥離層の処理
に耐久力があり柔軟な他の導体も使用することができる。可動電極40の表面領
域及び/又は構成を必要な場合変化させて、高圧のMEMSディバイスを動作さ
せるような所望の静電力を作り出すことができる。随意的に、ポリマーフィルム
の第2の層60を、可動電極の層の少なくとも一部の上に加える。前述したよう
に、ポリイミド樹脂のような可撓性のポリマーが、第2のポリマーフィルムの層
に好ましい。可動電極を形成するために金を使用する場合、薄いクロムの層を可
動電極の層に蒸着すると、1つ以上のポリマーフィルムの層などの隣接材料への
金の層の接着を一層良好にすることができる。
【0024】 可動の複合体の中で使用する層の数、層の厚さ、層の配列、及び材料の選定は
、可動の複合体を必要に応じて偏向させるように選択することができる。特に、
末端部分及び/又は中間部分を、固定部分から伸びるように偏向させることがで
きる。中間部分及び末端部分の偏向位置を個別に又は集合的にカスタマイズして
、下側のプレーナー面及び基板電極からの所望の分離を行わせることができる。
末端部分及び中間部分を偏向させて、下側のプレーナー面に平行にすることがで
きる。あるいはまた、末端部分及び中間部分を偏向させて、下側のプレーナー面
に向かって又はそこから離れるようにカールさせることによって、下側のプレー
ナー面からの分離を変更することができる。末端部分及び任意で中間部分を偏向
させて下側の基板からカールして離し、そこからの分離を変更することが好まし
い。1つ以上ポリマーフィルムを使用することができ、またフィルムを可動電極
のいずれか一方の側又は両側に配置することができることは、当業者は理解され
よう。
【0025】 可動の複合体を構成する層の少なくとも1つは、必要な場合、可動の複合体を
偏向させるため又はそれをカールさせるために使用される複合体のバイアス層と
して機能することができる。剥離層が取り除かれた後、中間部分80及び末端部
分100は偏向されて、下側の表面32からカールして離れることが好ましい。
可動の複合体を構成する層間に異なる熱膨張率を与えることにより、偏向を発生
させることができる。温度が上昇すると、層が異なる比率で膨張するため、可動
の複合体は熱膨張係数が小さい層に向かってカールする。このため、熱膨張係数
が異なる2つの層を有する可動の複合体は、温度が上昇すると、熱膨張係数が小
さい層に向かってカールする。さらに、熱膨張係数が異なる2つのポリマーフィ
ルムの層を電極層と直列に使用して、必要なときは、可動の複合体を偏向させる
ことができる。
【0026】 無論、他の技術を使用して、可撓性の複合体をカールさせることもできる。例
えば、異なる蒸着プロセスのステップを使用して、可動の複合体を構成する層が
カールするように、固有のストレスを作り出すことができる。さらに、中に含ま
れる層内に固有の機械的なストレスを発生させることによって、可動の複合体を
カールさせることができる。その上、逐次的な温度の変化を使用して、可撓性の
複合体をカールさせることができる。例えば、ポリマーフィルムを液体として蒸
着し、次に、固体のポリマー層を形成するように高温で硬化させることができる
。熱膨張係数が電極層よりも大きいポリマーを使用することができることが好ま
しい。次に、ポリマー層と電極層とを冷却すると、熱膨張係数の相違によりスト
レスが発生する。可撓性の複合体は、ポリマー層が電極層よりも早く縮むために
カールする。
【0027】 さらに、可動の複合体を構成する層の相対的な厚さ及び層を配列する順序を選
択して、偏向を発生させることができる。さらに、厚さが異なる2つ以上のポリ
マーフィルムを、偏向させるために電極層のいずれかの側に使用することができ
る。例えば、可動電極層の厚さを選択して、偏向を発生させることもできる。こ
のため、中間部分及び末端部分を、マイクロ電子基板及び基板電極に対して位置
的に偏向しカールさせることができる。1つの実施形態では、静電力が基板電極
と複合体の電極層との間に発生していない場合、可動の複合体の末端部分は可動
の複合体の上面によって定義される面から離れるようにカールする。さらに、中
間部分、末端部分又はその両方を偏向させて、曲率半径が可変又は一定であるよ
うに、部分の長さに沿った任意の選択された曲率半径でカールさせることができ
る。
【0028】 MEMSディバイスは、静電気的に動作する高圧用スイッチ又はリレーとして
機能するように適合される。1つ以上の基板接点、例えば、図1及び図2に示し
た基板接点24及び26が、基板に取り付けられている。それぞれの基板接点は
、金のようなメタライゼーション層から形成することが好ましい。あるいはまた
、金の接点が使用される場合、金の層を隣接の材料に一層良好に接着することが
できるように、薄いクロムの層を金の接点上に蒸着することができる。しかしな
がら、他の金属又は導電材料は、剥離層を取り除くために使用する処理によって
腐食されていない限り、使用することができる。アーク放電及び他の高圧の問題
が最小になるように、それぞれの基板接点を基板電極20及び全ての他の基板接
点から電気的に隔離及び絶縁することが好ましい。例えば、絶縁ギャップ25を
設けて、これにより基板接点26を取り囲み絶縁する。この実施形態では、絶縁
ギャップが絶縁層14を含むことが好ましいが、空気又は他の絶縁体を中に使用
することもできる。さらに、可動の複合体が静電気的に吸引されて、基板電極の
全表面領域にしっかりと接触するように、基板電極がそれぞれの基板接点の周り
の絶縁ギャップの少なくとも一部を取り囲むことが好ましい。
【0029】 基板接点の特性は、所定のスイッチ又はリレーの用途に対して必要に応じてカ
スタマイズすることができる。基板接点は、一般に、基板のプレーナー面32の
上側と同じ高さであっても良く、それから上に突き出ても良い。必要な場合、基
板接点は少なくとも1つの概してスムーズな面及び/又は少なくとも1つの概し
て粗い面を持つことができる。例えば、基板接点は図6では比較的スムーズであ
るが、図7では概して粗く高くした面をしている。いくつかの用途については、
嵌め合い接点の1つが概してスムーズで他方が概して粗い場合、粗い面の突起が
スムーズな面と良好に接触する傾向があるため、低い接触抵抗で良好な電気的接
触を行うことができる。例えばショートバーとして動作する、可動の複合体上に
配置されたコンプリメンタリ接点を選択的に接続する、いくつかのスイッチ又は
リレーの中で、単一の基板接点を提供することができる。あるいはまた、複数の
基板接点を提供することができる。例えば接点27のような複数の基板接点の実
施例として、図3を参照されたい。いくつかの場合では、複数の基板接点の少な
くとも2つに直列に電気的に接続することが好都合なことがある。複数の基板接
点の少なくとも2つに並列に電気的に接続することが都合がよいことがある。他
の場合では、複数の基板接点のいくつかが直列に接続され、必要に応じて、いく
つかが並列に接続される。1つの実施形態では、可動の複合体がカールするとき
にトラフを形成し、複数の基板接点の少なくとも2つが、図1に示すようにトラ
フに垂直に配置されるか、図4に示すようにトラフに並列に配置される。
【0030】 本発明の1つの実施形態では、可動の複合体50内に図2の複合接点42のよ
うな1つ以上の接点をさらに提供する。それぞれの複合接点が可動電極40の層
の中に配置され、可動の複合体に取り付けられることが好ましい。1つ以上の複
合接点が、図示のように、可動の複合体の電極層から形成されることが好ましい
。41及び43のような絶縁ギャップは、複合接点を可動電極から電気的に絶縁
する働きをする。絶縁ギャップは空気で満たされていることが好ましいが、多く
の他の絶縁体を使用することができる。可動の電極層と同様に、1つ以上の絶縁
体を使用して、複合接点を基板電極から絶縁し電気的に隔離することができる。
例えば、絶縁層30、ポリマーフィルムの層60、又は両方を、必要な場合、可
動の複合体及び1つ以上の複合接点を下側の基板電極20から電気的に絶縁する
ように選択的に利用することができる。42のような1つ以上の複合接点と24
及び26などの1つ以上の基板接点との間に、絶縁がないことが好ましい。結果
的に、MEMSディバイスは、基板接点及び複合接点が選択的に接続されると、
スイッチ又はリレーとして機能することができる。随意的に、ポリマーフィルム
の層60の中に形成された、64のような1つ以上のアパーチャを通って伸びる
ように、複合接点を適合させることができる。この場合、複合接点42の少なく
とも一部が、上側のポリマーフィルムの層の上に突き出て、44のような1つ以
上の電気的接続部を提供する。提供された電気的接続部を通って複合接点に接続
するように、金属のラインを蒸着することができる。
【0031】 さらに、複合接点の属性を、要求に応じて、所定のスイッチ又はリレーの用途
にカスタマイズすることができる。複合接点は可動の複合体の下側の面と概して
同じ高さとする、又はそれから下側に突き出ることができる。必要な場合、複合
接点は少なくとも1つの概してスムーズな面及び/又は少なくとも1つの概して
粗い面を持つことができる。例えば、複合接点は図6では比較的粗いが、図7で
は概してスムーズな面をしている。前述したように、いくつかの用途では、嵌め
合い接点の1つが概してスムーズで他方が概して粗いことにより、低い接触抵抗
で良好な電気的接触が行われるようなより優れた動作が行われる。また、単一又
は複数の複合接点が、本発明に基づいて、いくつかのスイッチ又はリレーの中で
提供される。例えば、接点45のような複数の複合接点の実施例として、図3を
参照されたい。さらに、1つの実施形態では、複数の複合接点の少なくとも1つ
を複合電極から電気的に絶縁することができる。その上、1つの実施形態では、
可動の複合体が静電気的に吸引されて、基板電極の全表面領域にしっかりと接触
するように、複合電極がそれぞれの複合接点の周りの絶縁ギャップの少なくとも
一部を取り囲んでいる。
【0032】 多数の基板接点及び複合接点のセットの相対的な配置は、各種のスイッチ又は
リレーの用途に対して変えることができる。図1に示すように、2つ以上の嵌め
合い接点のセットを、いくつかの接点のセットが他より前に結合するように、可
動の複合体の長さに沿って配置することができる。例えば、基板接点24は、可
動の複合体が下側の基板に引き付けられるにつれて、基板接点26の前に複合接
点と結合する。しかしながら、2つ以上の接点のセットを可動の複合体の幅に沿
って配置して、2つ以上の接点のセットを概して同時に結合させることができる
。図4に示すように、例えば、基板接点24及び26は、概して並列に複合接点
と結合する。さらに、図3が示すように、複数の接点のセットを、可動の複合体
が引き付けられるとき、直列及び並列の両方で結合するように配置することがで
きる。
【0033】 さらに、基板電極及び複合電極の特性は、所定のスイッチ又はリレーの用途に
対して必要に応じてカスタマイズすることができる。基板電極20の表面領域及
び形状を必要に応じて変えて、所望の静電力を作り出すことができる。基板電極
は可動の複合体50とのオーバラップの程度を変えることができるが、1つの実
施形態では、基板電極は可動の複合体の末端部分100のほぼ全領域の下側にあ
る。基板電極と複合電極との間のオーバラップを利用して、静電ディバイスの特
性をカスタマイズすることができる。1つの実施形態では、基板電極の表面領域
は、可動の複合電極と概して同じ領域を備えている。さらなる実施形態では、形
状が可動の複合電極と概して同じ基板電極が提供される。1つの実施形態では、
ほぼ長方形の可動の複合体及び構成する層が提供される。
【0034】 本発明によるMEMSディバイスのいくつかの実施形態には、電気エネルギー
のソース及び任意のスイッチングディバイスがさらに含まれる。図5を参照され
たい。電気エネルギーのソースは、バッテリー、充電されたコンデンサ、付勢さ
れたインダクタなどの、任意の電圧源、電流源、又は電気貯蔵装置とすることが
できる。スイッチングディバイスは、電気的接続を選択的に開閉するために使用
される任意の電気スイッチ又は半導体ディバイスとすることができる。1つの実
施形態では、電気エネルギーのソース130がMEMSディバイスの基板電極、
複合電極、又はその両方に接続される。随意的に、スイッチングディバイス13
3も、MEMSディバイス内の電気エネルギーのソース、基板電極、複合電極、
又はその組合わせに接続することができる。別の実施形態では、電気エネルギー
のソース135をMEMSディバイスの基板接点、複合接点、又はその両方に接
続することができる。さらに、電気エネルギーのソース135及び1つ以上の電
気ディバイス、例えば、それぞれ137及び138で示したD1及びD2が、少
なくとも1つの基板接点、少なくとも1つの複合接点、又は両方のタイプの接点
を通って電気的に接続される。このため、ソース130からのエネルギーが基板
電極と複合電極とに加えられてそれらが互いに向かって引き付けられるときに発
生する静電力によって、基板接点と複合接点とが電気的に接続されると、電気エ
ネルギーのソース及びディバイスD1及びD2を選択的に接続することができる
。電気的負荷が基板接点に接続され、複合接点がこの電気的負荷を相互接続する
ショートバーとして使用されることが好ましい。電気エネルギーのソース、スイ
ッチングディバイス、ダイオード、及び電気的負荷を、本発明から逸脱せずに種
々の方法で相互接続することができることは、当業者は理解されよう。
【0035】 動作に当たっては、静電力が基板電極及び複合電極に与えられない場合は、可
動の複合体の末端部分及び随意的に中間部分が切り離された位置で偏向される。
これらの部分は、下側のプレーナー面から自然に離れるようにカールし、分離が
増加するように偏向されることが好ましい。前述したように、可動の複合体の部
分を、下側の基板のプレーナー面に平行な位置で偏向させることもできる。さら
に、部分を、固定部分から伸びた状態で、下側のプレーナー面から分離度を変え
るように偏向させることができる。基板電極と可動の複合電極とに電荷を加える
ことにより、それらの間に電気的な吸引力が発生し、これにより、可動の偏向さ
れた部分を真っ直ぐにして、下側のプレーナー面の表面に一致させる。いったん
可動の複合体が下側の面に引き付けられると、複合接点及び基板接点がこのため
電気的に接続されて、図5に示すように、回路が完成する。あるいはまた、静電
力が基板電極及び可動電極を押し戻して、可動の末端部分をマイクロ電子基板の
プレーナー面から離れるようにカールさせることができる。いったん静電力が基
板電極と可動電極との間に加えられなくなると、可動の複合体の末端部分及び中
間部分は、可撓性の複合体内に固有の偏りにより、分離された位置に戻る。末端
部分がカールすると、基板接点及び複合接点が切断される。本発明によるMEM
S式静電スイッチ及びリレーは、30から80ボルトの範囲の静電気の電圧で動作し
ながら、0.1から400ボルトの電圧を切り換えることができる。切り換える電流の
量及びディバイスの形状にもよるが、他の切り換え電圧及び動作電圧も提供する
ことができる。
【0036】 本発明は、マイクロ電子基板、基板電極、基板接点、及び可動の複合体を有す
るMEMSディバイスを使用する方法を提供する。可動の複合体には、電極層と
バイアス層とが含まれる。この可動の複合体は、可動の複合体の基板電極と電極
層との間に発生した静電力に応じて移動可能である。MEMSディバイスを使用
する方法には、少なくとも1つの基板接点又は複合接点をそれぞれ基板電極又は
複合電極から電気的に絶縁するステップが含まれる。この方法には、基板電極と
可動の複合体の電極層との間に静電力を選択的に発生させるステップがさらに含
まれる。さらに、この方法には、可動の複合体をマイクロ電子基板に向かって移
動させるステップが含まれる。この方法には、基板接点と複合接点とを、基板電
極又は複合電極の少なくとも1つから電気的に絶縁された回路の中で電気的に接
続するステップが含まれる。随意的に、この方法には、基板接点と複合接点とを
電気的に切り離すステップが含まれる。
【0037】 本発明の多くの変形例及び他の実施形態が、前述した説明及び関連する図面の
中で示された教示の利点を有する当業者には思い浮かぶであろう。このため、本
発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、また変形例及び他
の実施形態は添付した特許請求の範囲の中に含まれるものとすることは理解され
よう。本願の中で特定の用語が使用されるが、それらの用語は一般的で説明のた
めのみで使用されたものであり、本発明の範囲を多少なりとも限定する目的で使
用したのではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の1つの実施形態を示す、平面図である。
【図2】 図1のライン2−2に沿って切り取った、本発明の実施形態の断面図である。
【図3】 複数の電気接点を有する、本発明の別の実施形態の斜視図である。
【図4】 本発明の別の実施形態の平面図である。
【図5】 本発明の別の実施形態の断面図である。
【図6】 本発明の別の実施形態の断面図である。
【図7】 本発明の別の実施形態の断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月23日(2002.8.23)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW

Claims (42)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 静電力によって駆動されるマイクロ電気機械システムディバ
    イスであって、 プレーナー面を規定するマイクロ電子基板と、 前記基板の表面上に層を形成する基板電極と、 前記基板に取り付けられた基板接点と、 前記基板電極の上側にあり電極層とバイアス層とを有し、前記下側の基板に取
    り付けられた固定部分と前記基板電極に対して移動可能な末端部分とを有する可
    動の複合体と、 前記可動の複合体に取り付けられた複合接点と、 前記基板電極を前記可動電極から電気的に絶縁する絶縁体と、 を含み、 前記可動の複合体の末端部分が前記基板に引き付けられる際、前記複合接点と
    前記基板接点とが電気的に接続されること、を特徴とするマイクロ電気機械シス
    テムディバイス。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記可動の複合体の前記末端部分が前記マイクロ電子基板に対して位置的
    に偏向されることを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記可動の複合体が、前記可動の複合体の末端部分が前記基板に引き付け
    られるとき、前記マイクロ電子基板の表面にほぼ一致することを特徴とするマイ
    クロ電気機械システムディバイス。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記可動の複合体の前記電極層及び前記バイアス層が、1つ以上の概して
    可撓性の材料から形成されることを特徴とするマイクロ電気機械システムディバ
    イス。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記基板接点が前記基板の上面とほぼ同じ高さであることを特徴とするマ
    イクロ電気機械システムディバイス。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記基板接点が前記基板の表面から突き出ることを特徴とするマイクロ電
    気機械システムディバイス。
  7. 【請求項7】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記基板接点が少なくとも1つの概してスムーズな表面を有することを特
    徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  8. 【請求項8】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記基板接点が少なくとも1つの概して粗い表面を有することを特徴とす
    るマイクロ電気機械システムディバイス。
  9. 【請求項9】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスであ
    って、前記基板接点が複数の接点を有することを特徴とするマイクロ電気機械シ
    ステムディバイス。
  10. 【請求項10】 請求項9に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複数の接点の少なくとも2つが直列に接続されることを特徴とする
    マイクロ電気機械システムディバイス。
  11. 【請求項11】 請求項9に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複数の接点の少なくとも2つが並列に接続されることを特徴とする
    マイクロ電気機械システムディバイス。
  12. 【請求項12】 請求項9に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記可動の複合体がトラフを形成し、前記複数の接点の少なくとも2つ
    が前記トラフに垂直に配置されることを特徴とするマイクロ電気機械システムデ
    ィバイス。
  13. 【請求項13】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記基板接点が前記基板電極から電気的に絶縁されることを特徴とする
    マイクロ電気機械システムディバイス。
  14. 【請求項14】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記基板電極が前記可動の複合体の前記末端部分のほぼ全領域の下側に
    あることを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  15. 【請求項15】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記絶縁体が前記基板電極に取り付けられ前記基板電極の上側にあるこ
    とを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  16. 【請求項16】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスが
    、前記基板接点と前記基板電極との間に絶縁体をさらに備えることを特徴とする
    マイクロ電気機械システムディバイス。
  17. 【請求項17】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体のバイアス層が少なくとも1つのポリマーフィルムを含むこ
    とを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  18. 【請求項18】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体のバイアス層が前記複合体の電極層の反対側にポリマーフィ
    ルムを含むことを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  19. 【請求項19】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体のバイアス層及び電極層が異なる熱膨張係数を有して、前記
    可動の複合体をカールさせることを特徴とするマイクロ電気機械システムディバ
    イス。
  20. 【請求項20】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体のバイアス層が厚さが異なる少なくとも2つのポリマーフィ
    ルムから成り、前記可動の複合体をカールさせることを特徴とするマイクロ電気
    機械システムディバイス。
  21. 【請求項21】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体のバイアス層が熱膨張係数が異なる少なくとも2つのポリマ
    ーフィルムから成り、前記可動の複合体をカールさせることを特徴とするマイク
    ロ電気機械システムディバイス。
  22. 【請求項22】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記可動の複合体の前記末端部分が、前記複合体の電極と前記可動電極
    との間に静電力が作られないときは、前記可動の複合体の上面によって規定され
    る面から離れるようにカールすることを特徴とするマイクロ電気機械システムデ
    ィバイス。
  23. 【請求項23】 請求項22に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    であって、前記可動の複合体が前記末端部分に沿った異なる位置で異なる曲率半
    径を有することを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  24. 【請求項24】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が前記複合電極から電気的に絶縁されることを特徴とする
    マイクロ電気機械システムディバイス。
  25. 【請求項25】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が前記可動の複合体の下側の面とほぼ同じ高さであること
    を特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  26. 【請求項26】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が前記可動の複合体の下側の面から突出することを特徴と
    するマイクロ電気機械システムディバイス。
  27. 【請求項27】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が少なくとも1つの概してスムーズな面を有することを特
    徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  28. 【請求項28】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が少なくとも1つの概して粗い面を有することを特徴とす
    るマイクロ電気機械システムディバイス。
  29. 【請求項29】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合接点が複数の接点を有することを特徴とするマイクロ電気機械
    システムディバイス。
  30. 【請求項30】 請求項29に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    であって、前記複数の接点の少なくとも2つが直列に接続されることを特徴とす
    るマイクロ電気機械システムディバイス。
  31. 【請求項31】 請求項29に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    であって、前記複数の接点の少なくとも2つが並列に接続されることを特徴とす
    るマイクロ電気機械システムディバイス。
  32. 【請求項32】 請求項29に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    であって、前記複合接点の少なくとも1つが前記複合電極から電気的に絶縁され
    ることを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  33. 【請求項33】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記基板電極の表面領域が前記可動電極とほぼ同じ表面領域から成るこ
    とを特徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  34. 【請求項34】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記基板電極が前記基板接点をほぼ取り囲むことを特徴とするマイクロ
    電気機械システムディバイス。
  35. 【請求項35】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記複合体の電極層が前記複合接点を取り囲むことを特徴とするマイク
    ロ電気機械システムディバイス。
  36. 【請求項36】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記基板電極の形状が前記可動電極の形状と概して同じであることを特
    徴とするマイクロ電気機械システムディバイス。
  37. 【請求項37】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスで
    あって、前記可動の複合体の形状がほぼ長方形であることを特徴とするマイクロ
    電気機械システムディバイス。
  38. 【請求項38】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスが
    、前記基板接点及び前記複合接点の少なくとも1つに電気的に接続された電気エ
    ネルギーのソースをさらに備えることを特徴とするマイクロ電気機械システムデ
    ィバイス。
  39. 【請求項39】 請求項38に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    が、前記基板接点及び前記複合接点の少なくとも1つに電気的に接続された少な
    くとも1つのディバイスをさらに備えることを特徴とするマイクロ電気機械シス
    テムディバイス。
  40. 【請求項40】 請求項1に記載のマイクロ電気機械システムディバイスが
    、前記基板電極及び前記複合電極の少なくとも1つに電気的に接続された電気エ
    ネルギーのソースをさらに備えることを特徴とするマイクロ電気機械システムデ
    ィバイス。
  41. 【請求項41】 請求項40に記載のマイクロ電気機械システムディバイス
    が、前記基板電極及び前記複合電極の少なくとも1つに電気的に接続されたスイ
    ッチングディバイスをさらに備えることを特徴とするマイクロ電気機械システム
    ディバイス。
  42. 【請求項42】 基板電極及び基板接点を有するマイクロ電子基板と、電極
    層及び複合接点を有する可動の複合体とを有し、前記可動の複合体が前記基板電
    極と電極層との間に発生した静電力に応じて移動可能であるMEMSディバイス
    を使用する方法であって、 前記基板接点又は複合接点の少なくとも1つをそのそれぞれ関連する基板電極
    又は複合電極から電気的に絶縁するステップと、 前記基板電極と前記可動の複合体の電極層との間に静電力を選択的に発生する
    ステップと、 前記可動の複合体を前記基板に向かって移動させるステップと、 前記基板接点と複合接点とを前記基板電極又は前記複合電極の少なくとも1つ
    から電気的に絶縁された回路内で電気的に接続させるステップと、 を含むことを特徴とする方法。
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