JP2003522379A - マイクロリレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、回転可能であるように基板（１）上に支持されたスイッチ素子（９）を含むマイクロリレーに関する。上記スイッチ素子は、ロッカーのように、適切に取り付けられた電極（５１、５２、６）による静電引力によって２つの交替するスイッチモード間を移行され得る。上記スイッチは、上記ロッカーの上にある上記基板上に取り付けられ、そして上記スイッチ素子の上側のメタライゼーション（７１、７２）によって短絡された電極（３１、３２）によって始動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （説明） 本発明は、スイッチとして用いられ得、そしてマイクロメカニクスの方法によ
って生成され得る静電気的に動作するマイクロリレーに関する。

【０００２】 特に、無線周波数の範囲内の用途において、減衰および雑音特徴に関する限り
、静電マイクロスイッチが理想的には適し、他の半導体スイッチより極めて優れ
ている。この種類のスイッチの主な利点は、容量性の充電電流は別にして、スイ
ッチングコンタクトの無電力制御が可能な点である。非常に高いスイッチング電
圧が許容され得る場合、スイッチング時間が１００μｓ未満の範囲を有する短い
静電スイッチしか従来の方法によっては実現され得ない。通常、これを行う公知
の方法を用いると、スイッチング速度と必要なスイッチング電圧との間で折衷し
合う必要がある。これは、スイッチング素子の弾性による支持が強いため、高い
スイッチング速度には高いスイッチング電圧が必要だからである。特に、携帯電
話の使用において、高くとも３Ｖまでのバッテリ電圧が通常利用可能であり、電
圧倍増管を用いた場合、高くとも１２Ｖまでのスイッチング電圧が達成可能であ
る。マイクロメカニカルスイッチは通常、マイクロメカニカルに生成可能なバー
によって形成される。このバーの端部にスイッチングコンタクトが配置され、そ
してこのバーは適切に取り付けられた電極上の電位による静電引力によって曲げ
られて、コンタクトを閉じ得る。スイッチング時間が２０μｓの場合、通常３０
Ｖ以上の電圧が必要である。したがって、これらの素子は、携帯電話または他の
低電力用途の使用に適さない。

【０００３】 ＤＥ４１ １３ １９０ Ｃ１において、静電気的に始動されたマイクロスイ
ッチの説明がある。この静電気的に始動されたマイクロスイッチにおいて、ロッ
カーとして設計された電機子部分は力電極（ｋｒａｆｔｅｌｅｋｔｒｏｄｅ）か
ら離れて配置される電機子を有する。この力電極は、ベース上に配置され、そし
て相互に対して反対側に２つのスイッチングコンタクトが設けられている。デバ
イスを始動した場合、これらのスイッチングコンタクトは、スイッチとしてベー
ス上に配置されている２つの対の対電極を交互に短絡させる。

【０００４】 ＤＥ１９８ ２３ ６９０ Ｃ１において、マイクロメカニカル静電リレーの
説明がある。このマイクロメカニカル静電リレーにおいて、フレキシブルバンド
によって中央回転軸の領域において回転によって支持されるリブ型電機子が電機
子基板内に形成される。電機子は回転軸のそれぞれの側に形成され、それ自体フ
レキシブルである電機子ウイングは、非動作状態において、ベース基板から離れ
るように曲げられ、そしてベース電極上で回転し、そしてデバイスを始動した場
合、電機子ウイングは関連付けられたコンタクトを閉じさせる。

【０００５】 ＤＥ１９８ ２０ ８２１ Ｃ１において、電機子板を備えたロッキング電機
子を有し、２つのねじりばねによって電機子板の長手方向に横断して回転し得る
ように支えられ、保持板によって接続されている電磁リレーの説明がある。ロッ
キング電機子を固定するために設けられたねじりばねおよび保持板は電機子板の
内部の凹部に配置される。

【０００６】 ＤＥ４２ ０５ ３４０ Ｃ１において、マイクロメカニカル静電リレーの説
明がある。このマイクロメカニカル静電リレーにおいて、フレーム内の電機子基
板はフレキシブルな支持ストリップによる板型の電機子を備える。このため、電
機子上に設けられた電機子電極はベース電極と向き合い、電機子は支持ストリッ
プによってベース電極に対して平行に保たれ、そして電機子電極とベース電極と
の間に電圧が印加された場合には、電極面に対して垂直となっているすべての表
面エリアを覆うベース電極を支えるようになる。

【０００７】 Ｐ．Ｍ．Ｚａｖｒａｃｋｙらによる刊行物「Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｓｗｉｔｃｈｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｕ
ｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃ
ｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ６、３〜９（１９
９７年）において、マイクロメカニカルスイッチの説明がある。このマイクロメ
カニカルスイッチにおいて、電気伝導する様態で相互に接続された端子コンタク
トは、静電力によって、電気伝導バーと基板上の対電極との間に電圧を印加する
ことによって、バーが基板の方に曲げられた場合に、バーに取り付けられたスイ
ッチングコンタクトによって短絡される。

【０００８】 Ｉ．Ｓｃｈｉｅｌｅらによる刊行物「Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅ
ｌａｙ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ」、Ｔｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’９７（１９９７年）Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ
Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、シカゴ（１１６５〜１１６８ページ）において、マイクロ
リレーの説明がある。このマイクロリレーにおいて、スイッチを閉にするために
、曲げることができるバーはここでも基板の方に静電気的に引き寄せられ、そし
てバー上にはＴ型の金属ラグがあり、これにより電気伝導する様態で相互に接続
された端子コンタクトが短絡する。ラグはバーの残りの部分から絶縁されている
。

【０００９】 Ｓｅｏｋ−Ｗｈａｎ Ｃｈｕｎｇらによる刊行物「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｆ
ａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ Ｍｉｒｒｏｒ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ
ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉｃｋｅｌ Ｐｏｓｔｓ」、Ｔｒａｎ
ｓｄｕｃｅｒｓ ’９５、Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ ＩＸ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔ
ｏｒｓ、およびＥｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ ＩＸ、ストックホルム（３１２〜３１
５ページ）において、ねじりばねによって支持され、そして静電気的に傾けられ
得るマイクロミラーの説明がある。

【００１０】 本発明の目的は、スイッチとして用いられ得るコンポーネントを特定すること
で、小さいスイッチング電圧で速いスイッチング速度を達成する。

【００１１】 この目的は特許請求の範囲の請求項１の特徴を有するマイクロリレーによって
達成される。この改良は従属項から得られる。

【００１２】 本発明によるマイクロリレーはスイッチング部を有し、このスイッチング部は
、基板上で回転によって支持され、そして適切に取り付けられた電極による静電
引力によってロッカーの様態で、２つの交替するスイッチング状態へと移行され
得る。スイッチング機能は電極によって生じる。この電極は、スイッチング部の
上側のメタライゼーションによって短絡されたロッカーの上にある基板に固定さ
れている。

【００１３】 本発明によるマイクロリレーのより詳細な説明を図１〜図４に示す例示の実施
形態に基づいて説明する。

【００１４】 図１の断面図は、基板１または基板上にある層または積層された構造上にある
層を示し、これらは、補助層または犠牲層１１、パターン化されたレジスト層２
および電気絶縁層２０、および基板に対してしっかりと取り付けられたコンタク
ト電極３１、３２、ならびに残りの部分である。層１１、２中のクリアランス部
において、層１１、２の中央部分は、全体を明瞭にするために図面においては省
略してある。この中央部分は、破線によってのみ示されており、基板１上または
基板１上にある層上に配置され、アンカー４として設けられた構造化された部分
があり、このアンカー４上に実際のスイッチング部９が支持されている。これを
可能にするために、この例示の実施形態において、スイッチング部９は中央部分
においてクリアランス部を有し、このクリアランス部にアンカー４が配置されて
いる。スイッチング部９とアンカー４との間に配置されているのは、圧縮材８で
あり、この圧縮材８は意図された回転軸に沿って位置が合わせられ、そしてねじ
りばねとして動作する。これらの回転可能な圧縮材８により、圧縮材８上に懸け
られているスイッチング部９が圧縮材８によって形成された回転軸の周囲を移動
することが可能になる。これによりスイッチング部９はロッキング移動を実行す
る。

【００１５】 スイッチング部９は好適には、圧縮材８およびアンカー４またはアンカー４の
少なくとも上部と共に、パターン化されたレジスト層２から生成される。この場
合、パターン化されたレジスト層は、適切な機械的特性を有する材料から構成さ
れて、特に、スイッチング部９の十分な安定性と同時に、弾性を回復する圧縮材
８の十分な弾性を保証する。シリコン含有材料が好適にはこれに検討される。特
に、ポリシリコン、モノシリコン（例えば、低いバルクシリコン層、薄い絶縁層
（絶縁層は犠牲層として用いられ得る）、および薄い上部ボディシリコン層を含
むＳＯＩ基板のボディシリコン層）または化合物半導体ＳｉＧｅが検討される。

【００１６】 コンタクト電極７１、７２はスイッチング部９に取り付けられている。スイッ
チング部はさらに、自身に取り付けられた少なくとも１つのアクチュエータ電極
６を有し、これはポリシリコンがスイッチング部に用いられた場合、ポリシリコ
ン中にドーパントを注入することによって生成され得る。この対電極として、ア
クチュエータ電極５１、５２が基板１（または基板１上にある層または積層され
た構造）上に取り付けられ、これにより、これらのアクチュエータ電極５１、５
２のうちの１つに電位を交互に印加することによって、静電引力により誘導され
てスイッチング部のロッキング移動が結果として生じ得る。これにより、あるス
イッチング位置から別のスイッチング位置への移行が実行される。スイッチング
部９（内部には、アクチュエータ電極６がドーパントを導入することによって形
成されている）が半導体材料である場合、圧縮材８およびアンカー４の半導体材
料はここでも電気伝導する様態でドーピングされ得、これにより、スイッチング
部９のアクチュエータ電極６への電気接続が基板に繋がっているアンカーを介し
て可能になる。しかし、この代わりに、自由な電位（ｆｒｅｉｅｍ ｅｌｅｋｔ
ｒｉｓｃｈｅｍ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）である（浮動している）スイッチング部
が絶縁されているアクチュエータ電極もあり得る。次いで、基板に固定されたア
クチュエータ電極５１、５２に対する電気引力は、電荷の影響によって誘導され
る。

【００１７】 スイッチング部９上に配置されているのは、実際のスイッチング機能を提供す
るために設けられたコンタクト電極７１、７２であり、これらはスイッチング部
上にあるアクチュエータ電極６から絶縁されていることが好適である。これを目
的として、電気絶縁層２１、２２（例えば、絶縁層２０の一部）がコンタクト電
極７１、７２とスイッチング部９との間にあり得る。本発明によるマイクロリレ
ーの場合、コンタクト電極７１、７２はロッカーを形成するスイッチング部の上
側に設けられる。図１に示すスイッチング位置において、スイッチング部９の左
部分は基板上にあるアクチュエータ電極５１によって引き寄せられる。したがっ
て、コンタクト電極７１は、基板に固定されたコンタクト電極３２によって形成
されたスイッチを短絡させる。これは、図２に示す平面図から明らかである。

【００１８】 図２において、基板は電気絶縁層２とスイッチング部９との間に見られ得る。
この例示の実施形態の場合、アンカー４はスイッチング部の中央のクリアランス
部に設けられ、スイッチング部はねじりばねとして動作する圧縮材８を介してア
ンカー４に接続されている。この代わりに、例えば統合板としてスイッチング部
を設計することが可能であり、この統合板上に、支持部として設けられた圧縮材
が外部に向かって横方向に取り付けられる。スイッチング部９の上側（ここでは
、横方向に構造化されたラグ上）には、スイッチング部９上に取り付けられたコ
ンタクト電極７１、７２がある。この例において、スイッチング部９のアクチュ
エータ電極６はポリシリコン中にドーパントを注入することによって形成される
。この注入は、図２の斜線で示される領域（圧縮材８およびアンカー４を含む）
を含む。コンタクト電極７１、７２を備えた横方向のラグにおいて、ドーピング
は省略してある。これによりポリシリコンがここで絶縁されるか、または少なく
とも低い電気伝導性しか有さない。しかし、ドーピングはスイッチング部９全体
にもあり得る。コンタクト電極７１、７２の十分な絶縁は、必要な場合、コンタ
クト電極７１、７２とスイッチング部９との間の絶縁層２１、２２（例えば、Ｓ
ｉ_３Ｎ_４などの窒化物）によって行われ得る。

【００１９】 図１に示す断面図のプロファイルおよび基板に固定されたアクチュエータ電極
５１、５２の隠れた輪郭を、図２に破線によって示す。

【００２０】 基板に取り付けられたコンタクト電極３１、３２の構造（コンタクト電極３１
、３２は互いに少し離れて配置された２つの部分３１ａ、３１ｂおよび３２ａ、
３２ｂを有する構造）を図２から明らかに理解され得る。これらの部分はそれぞ
れ、ロッキングスイッチング部を適切な位置に用いることによって、上側の各コ
ンタクト電極７１、７２によって短絡されるように配置および位置合わせされる
。したがって、この例示の実施形態において、マイクロリレーのスイッチングオ
ーバーを用いて、２つのスイッチング機能（第１のスイッチを閉にしながら、第
２のスイッチを開にする）を同時に実行することが可能である。あるいは、例え
ば、右側の第２のコンタクト電極３２、７２を省くか、または接続しない場合に
は、マイクロリレーを１つのスイッチング機能に制限することが可能である。図
１に示す両頭矢印は、図１（点で示す）または図２にそれぞれ示す圧縮材８に設
けられた回転軸間の相関性を示す。コンタクト電極３１、３２は、絶縁層２０上
に取り付けられ、そしてインターコネクトによって接続され得るか、またはパタ
ーン化されたレジスト層２内のコンダクタを介して電気端子を提供し得る。

【００２１】 図３の断面図に示すのは別の例示の実施形態である。この実施形態において、
基板のアクチュエータ電極５３、５４は、パターン化されたレジスト層２０（こ
こでは連続しているように図示される）の上、そしてこの実施例においてはレジ
スト層２０の上にある絶縁層２３、２４上に取り付けられており、そしてスイッ
チング部（９）の基板（１）から離れている側に配置されている。これにより好
適には、スイッチング部９がブリッジのような様態で伸びている。

【００２２】 図４に示す平面図において、スイッチング部９上のアクチュエータ電極５３、
５４の２つのシート状の部分を示す。これらのアクチュエータ電極は、原則的に
任意の所望の形態を取り得る。提示される好適な構成は機械的安定性が良好であ
る。基板に取り付けられたすべての電極、すなわち、アクチュエータ電極５３、
５４、およびコンタクト電極３１、３２が共に構築される場合、すなわち、すべ
ての電極の上部が基板より上の同じ高さに設けられた場合、製造が簡略化される
。

【００２３】 さらなる実施形態として、基板に取り付けられたアクチュエータ電極は、スイ
ッチング部の下およびスイッチング部の上の両方に配置され得る。これにより、
より達成可能なトルク故にスイッチング力が向上する。

【００２４】 本発明によるマイクロリレーに関して、アクチュエータとしてのロッカーのよ
うなスイッチング部があり、このスイッチング部の上側にはスイッチが閉にされ
るコンタクト電極が取り付けられることが必須である。両方のスイッチング方向
に対して別々のアクチュエータ電極５１、５２があるため、スイッチングオーバ
ー動作の速度を、圧縮材８によって形成されたねじりばねの復元力とは無関係に
設定することが可能になる。したがって、このマイクロリレーによって形成され
たスイッチは力が働かない状態に無く、スイッチングオンまたはスイッチングオ
フの間、制御されない状態にあるかのように、かなり速く端部が静止状態（１つ
のスイッチング位置の端部が停止する状態）にさせられ得る。スイッチング速度
を唯一制限するものは、印加された電圧によって実質的に制限されるロッカーの
慣性モーメントおよび利用可能なアクチュエータ力によって生じる慣性であり、
ばねによって生じる復元力は比較的重要ではない。アクチュエータ電極によって
静電気的に印加されるアクチュエータ力は、印加された電圧の２乗に比例し、そ
してそうでない場合には、配置のジオメトリによってのみ決定される。ジオメト
リとは別に、慣性モーメントはさらに、スイッチング部９を構成する材料の比重
に著しく依存する。したがって、移動可能な部分は好適には、低密度の材料、好
適にはポリシリコンから生成される。金属コーティング（例えば、電着金属また
はスパッタリングされたメタライゼーション）は電極にのみ付与され得る。本発
明によるマイクロリレーに上方に（すなわち、基板から離れる方に）閉じている
コンタクトを有させると、移動した質量（慣性モーメント）をできるだけ著しく
減少させることが可能になり、この結果、低いスイッチング電圧を変化させずに
、スイッチング速度が増加する。これはスイッチを形成するコンタクト電極のよ
り重い部分が基板に対して静止した状態にあるからである。スイッチの特性およ
びスイッチング力の出力は、本発明による構成の場合、従来のスイッチと比べて
決定的に向上している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、マイクロリレーの１実施例を断面図で示す。

【図２】 図２は、図１による実施形態を平面図で示す。

【図３】 図３は、マイクロリレーのさらなる実施例を断面図で示す。

【図４】 図４は、図３による実施形態を平面図で示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プレッツ， フローリアン ドイツ国 81735 ミュンヘン， シュタ ウディンガーシュトラーセ 63

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電的に動作するマイクロリレーであって、 基板（１）上に移動可能に取り付けられ、そしてロッカーとして形成された、
   スイッチング部（９）と、 該基板（１）上に取り付けられ、そして別々の電気端子が設けられた２つの部
   分（３１ａ、３１ｂ）を有する、コンタクト電極（３１）と、 該スイッチング部（９）に取り付けられたコンタクト電極（７１）と該基板（
   １）上に取り付けられた２つのアクチュエータ電極（５１）と、 該スイッチング部（９）上に配置されたアクチュエータ電極（６）であって、
   該基板（１）上に取り付けられたアクチュエータ電極（５１、５２）は、電位を
   該アクチュエータ電極（５１、５２）に交互に印加することによって、該スイッ
   チング部（９）がロッキング移動して２つのスイッチング位置間を交互に移動し
   得るように、該スイッチング部（９）に取り付けられたアクチュエータ電極（６
   ）に対して配置されている、アクチュエータ電極（６）とを含み、 該基板（１）上に取り付けられた該コンタクト電極は、該スイッチング部（９）
   の該基板とは反対の側に配置されており、これにより、該スイッチング位置のう
   ちの１つにおいて、該スイッチング部（９）に取り付けられた該コンタクト電極
   （７１）が２つの部分（３１ａ、３１ｂ）を短絡させる、マイクロリレー。
2. 【請求項２】 ２つのコンタクト電極（７１、７２）は前記スイッチング部
   （９）に取り付けられ、２つのコンタクト電極（３１、３２）は前記基板（１）
   上に取り付けられ、該電極はそれぞれ、別々の電気端子を備えた２つの部分（３
   １ａ、３１ｂ；３２ａ、３２ｂ）を有し、そして該スイッチング部（９）の側方
   に、該基板とは反対の側に配置されており、これにより、該スイッチング部（９
   ）の前記スイッチング位置それぞれにおいて、該スイッチング部（９）に取り付
   けられた該コンタクト電極（７１、７２）のそれぞれが、該基板上に取り付けら
   れたコンタクト電極（３１：３２）のそれぞれの場合において、該２つの部分（
   ３１ａ、３１ｂ；３２ａ、３２ｂ）のうちの対応する部分を短絡させる、請求項
   １に記載のマイクロリレー。
3. 【請求項３】 前記スイッチング部（９）は、ポリシリコン、モノシリコン
   、またはＳｉＧｅであり、該スイッチング部（９）に取り付けられた前記コンタ
   クト電極（７１、７２）は付与された金属である、請求項１または２に記載のマ
   イクロリレー。
4. 【請求項４】 前記スイッチング部（９）に取り付けられた前記アクチュエ
   ータ電極（６）はドーパントの注入によって形成されている、請求項３に記載の
   マイクロリレー。
5. 【請求項５】 電気的絶縁層（３１、３２）が前記スイッチング部（９）と
   該スイッチング部（９）に取り付けられた前記コンタクト電極（７１、７２）と
   の間にある、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロリレー。
6. 【請求項６】 前記スイッチング部（９）は、回動軸に沿って位置が合わせ
   られて、ねじりばねを形成する圧縮材（８）により、前記基板（１）上に固定さ
   れたアンカー（４）上に支持されている、請求項１〜５のいずれかに記載のマイ
   クロリレー。
7. 【請求項７】 前記基板に取り付けられた前記アクチュエータ電極（５１、
   ５２）は、該基板（１）と前記スイッチング部（９）との間に配置されている、
   請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロリレー。
8. 【請求項８】 前記基板に取り付けられたアクチュエータ電極（５３、５４
   ）は、前記スイッチング部（９）の側方に、該基板（１）とは反対の側に配置さ
   れている、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロリレー。
9. 【請求項９】 前記基板に取り付けられた前記アクチュエータ電極（５１、
   ５２）のうちの少なくとも１つは、該基板（１）と前記スイッチング部（９）と
   の間に配置されており、そして該基板に取り付けられた前記アクチュエータ電極
   （５３、５４）のうちの少なくとも１つは該スイッチング部（９）の側方に、該
   基板（１）とは反対の側に配置されている、請求項１〜６のいずれかに記載のマ
   イクロリレー。
10. 【請求項１０】 前記スイッチング部（９）の側方に、前記基板（１）とは
    反対の側に配置されているアクチュエータ電極（５３、５４）はブリッジ状に該
    スイッチング部上を延びている、請求項８または９に記載のマイクロリレー。