JP2004281412A - 静電マイクロリレー - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で良好な高周波特性とする。
【解決手段】 固定電極１２を、信号線１３，１４の両側に等距離で設けると共に、高周波ＧＮＤ電極と共用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電引力により駆動して接点を開閉する静電マイクロリレーに関するものである。

従来、静電マイクロリレーとして図８に示すものがある。この静電マイクロリレーは、大略、固定基板２０１と可動基板２０２とから構成されている。固定基板２０１には、絶縁膜２０３を介して固定電極２０４及び２本の信号線２０５が形成されている。信号線２０５は所定間隔で設けられ、その近接する端部は固定接点２０６となっている。可動基板２０２は、固定基板２０１に設けたアンカ２０７によって弾性的に片持ち支持されている。可動基板２０２には、前記固定電極２０４及び固定接点２０６に対応する位置に可動電極２０８及び可動接点２０９がそれぞれ形成されている。

この静電マイクロリレーでは、固定電極２０４と可動電極２０８の間に電圧を印加して静電引力を発生させ、可動基板２０２を固定基板２０１側に吸引することにより、可動接点２０９を両固定接点２０６に閉成し、２本の信号線２０５を電気的に接続するようになっている。そして、電圧を除去して静電引力を消失させることにより、可動電極２０８を弾性力により元の形状に復帰させて固定基板２０１から離間させ、信号線２０５を電気的に遮断するようになっている。

ところで、前記静電マイクロリレーでは、マイクロストリップ構造を用いることにより、固定基板２０１を高周波ＧＮＤ（グラウンド）基板として使用している。この場合、固定基板２０１にＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体を使用し、その表面に絶縁膜２０３（数μm厚）を形成し、さらにその表面に信号線２０５を配置することにより、信号線幅の増大を防止するようにしている。

しかしながら、前記静電マイクロリレーでは、固定基板２０１には、高周波特性を向上させるため、半導体基板ではなく、信号線２０５間の容量結合が無視できるガラス基板等の絶縁基板を用いる必要がある。この場合、特性インピーダンスは、図９のグラフに示すように、信号線幅Ｗと基板の厚みｈの影響を受けるが、前記基板が通常５００μm程度の厚みｈを有しているため、一般的な５０Ω、７５Ωの特性インピーダンスを前記マイクロストリップ構造で実現しようとすると、信号線幅が１０００μm前後となり、大型化を招くという問題がある。

本発明は、小型で優れた高周波特性を有する静電マイクロリレーを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定基板の固定電極と、固定基板に弾性支持部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基いて可動基板を駆動し、固定基板に形成した少なくとも２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、前記固定電極を、信号線の両側に等距離で設けると共に、高周波ＧＮＤ電極と共用したものである。

この構成により、特性インピーダンスを、信号線幅と、信号線と同一平面状に配置された固定電極（ＧＮＤ電極）のギャップとの比率、及び、固定基板の誘電率により決定することが可能となる。これにより、特性インピーダンスが固定基板の厚みに影響されることがなくなり、固定基板にガラス等の絶縁体基板を使用して高周波特性を高めても、その厚み及び信号線の幅寸法を抑制できる。また、電極間に印加する信号の周波数は、開閉信号と駆動信号とで大きく離れているため、信号同士は互いに干渉することはない。

前記可動基板の少なくとも信号線に対向する部分を除去すると、信号線と可動基板との間の容量結合が抑制できると共に、可動電極の信号線への吸引を防止できる点で好ましい。

前記固定電極を、前記固定基板の固定接点の間で電気的に接続すると、さらに信号線と可動基板との間の容量結合が抑制できる点で好ましい。

前記固定基板をガラスで構成する一方、前記可動基板を単結晶シリコンで構成すると、全てを半導体プロセス工程で処理できる点で好ましい。

前記信号線の幅と、信号線及び固定電極の距離との比を、０．０４〜２．００とすると、所定の特性インピーダンスを有する構造とすることが可能となる。

前記可動基板に第二の弾性支持部を形成し、該弾性支持部に絶縁膜を介して可動接点を形成するのが好ましい。

この構成により、対向する固定電極と可動電極との間に電圧を印加すると、静電引力により第１弾性支持部が撓んで可動電極が固定電極に接近し、可動接点が固定接点に接触する。このとき、可動電極と固定電極との間の距離は初期状態より狭くなっているため一層大きな静電引力で吸引され、第２弾性支持部が撓んで、可動電極が固定電極に吸着される。第２弾性支持部は第１弾性支持部よりも弾性力が大きいので、可動接点が固定接点に大きな荷重で圧接する。

本発明に係る静電マイクロリレーによれば、固定電極を、信号線の両側に等距離で設けると共に、高周波ＧＮＤ電極と共用しているので、固定基板に絶縁材料を使用して良好な高周波特性を得ると共に、コンパクトに形成することが可能となる。

また、可動基板の少なくとも信号線に対向する部分を除去したので、信号線間の可動基板を介しての容量結合を抑えることができ、アイソレーション特性を向上させることが可能となる。しかも、信号線に印加される電圧により発生する静電引力によって可動基板が固定基板に接近することを防止できるため、２次耐圧を向上させることも可能となる。

また、固定電極を、固定基板の固定接点の間で電気的に接続したので、より一層アイソレーション特性を向上させることが可能となる。

また、固定基板をガラスで構成する一方、可動基板を単結晶シリコンで構成したので、全てを半導体プロセス工程で処理でき、寸法精度のバラツキを抑制することができる。また、単結晶シリコンは耐疲労性、耐クリープ性が高いため、寿命特性を向上させることが可能となる。しかも、固定基板をガラス基板単体で製造してあるので、単結晶シリコン基板からなる可動基板を陽極接合で一体化でき、組付け作業を簡単にすることが可能となる。そして、固定基板上の固定電極、固定接点、配線、接続パッド間の容量を低く抑えることができるため、高周波特性を向上させることが可能となる。

また、信号線の幅と、信号線及び固定電極の距離との比を、０.０４〜２.００としたので、一般的に使用される５０Ω、７５Ωの特性インピーダンスを固定電極以外のＧＮＤ電極を形成することなく実現できる。

また、可動基板に第二の弾性支持部を形成し、該弾性支持部に絶縁膜を介して可動接点を形成したので、接触荷重の減少を押さえて良好な接触信頼性を得ることができる。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本実施形態に係る静電マイクロリレーを示す。この静電マイクロリレーは、固定基板１０の上面に可動基板２０を一体化した構成である。

前記固定基板１０は、ガラス基板１０ａの上面に、固定電極１２と、２本の信号線１３，１４とをそれぞれ設けたものである。

前記固定電極１２の表面は絶縁膜１６で被覆され、配線１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３，１２ａ４を介して接続パッド１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３，１２ｂ４にそれぞれ接続されている。

前記信号線１３，１４は、同一直線上に配置されている。各信号線１３，１４の一端部は所定間隔で設けられる固定接点１３ａ，１４ａとなっている。一方、各信号線１３，１４の他端部は接続パッド１３ｂ，１４ｂに接続されている。

前記固定電極１２は、信号線１３，１４の両側に同一距離を有して形成されると共に、高周波ＧＮＤ電極と兼用されることにより、コプレナ構造を構成している。また、信号線１３，１４の両側に位置する固定電極１２同士は、固定接点１３ａ，１４ａの間で互いに接続されている。これにより、開閉信号の発生する電気力線は、固定接点１３ａ，１４ａ間の高周波ＧＮＤ電極で終端されるので、アイソレーション特性が向上する。ここで、アイソレーション特性とは、接点開放時、信号線間における信号の漏れがどの程度存在するのかを示すものであり、アイソレーション特性が向上するとは、信号の漏れが低減されることを意味する。なお、前記固定電極１２は、信号線１３，１４よりも低い位置に形成されている。

前記構成の固定基板１０では、特性インピーダンスが、図３に示すように、信号線幅Ｗと、信号線１３，１４と同一平面状に配置された固定電極１２（ＧＮＤ電極）のギャップＳとの比率（Ｗ／Ｓ）、及び、固定基板１０の誘電率εｒで決定され、固定基板１０の厚さに影響されることはない。また、固定電極１０をＧＮＤ電極と共用しているので、その占有面積を小さく抑えることができる。したがって、固定基板１０をコンパクトに形成することが可能となる。なお、電極に印加される信号（開閉信号と駆動信号）の周波数は大きく離れているため（高周波リレーの場合、開閉信号は１００ＭＨｚ〜５ＧＨｚ程度、駆動信号はＤＣ〜数１０Ｈｚ）、固定電極１０をＧＮＤ電極と共用しても信号間の干渉は問題とはならない。ここで、開閉信号とは信号線１３，１４を伝送される信号を意味し、駆動信号とは固定電極１２と可動電極２３との間に発生する信号を意味する。

前記可動基板２０は、略矩形板状のシリコン基板を、アンカ２１ａ，２１ｂにより、第１弾性支持部２２を介して可動電極２３を弾性支持し、その中央部に第２弾性支持部２４を介して可動接点部２５を弾性支持する構成としたものである。

前記アンカ２１ａ，２１ｂは、固定基板１０の上面２箇所にそれぞれ立設され、一方のアンカ２１ｂは固定基板１０の上面に設けた配線１５ａを介して接続パッド１５ｂに電気接続されている。

前記第１弾性支持部２２は、可動基板２０の両側縁部に沿って設けたスリット２２ａにより形成され、端部下面に前記各アンカ２１ａ，２１ｂが一体化されている。

前記可動電極２３は、前記固定電極１２に対向し、両電極１２，２３間に電圧を印加することにより発生する静電引力によって固定電極１２に吸引されるようになっている。また、可動電極２３は、少なくとも信号線１３，１４に対向する部分が除去されている。したがって、可動電極２３を介した信号線１３，１４間の容量結合が存在しないため、アイソレーション特性が向上する。

前記第２弾性支持部２４及び可動接点部２５は、可動基板２０の両端縁部中央から中央部に向かって設けた切欠部２６により形成される。第２弾性支持部２４は、可動電極２３と可動接点部２５とを連結する幅狭の梁であり、接点閉成時、前記第１弾性支持部２２よりも大きな弾性力を得られるように構成されている。可動接点部２５は、第２弾性支持部２４に支持される平坦部２５ａの下面に絶縁膜２７を介して可動接点２８を設けたものである。可動接点２８は、前記各固定接点１３ａ，１４ａに対向し、両固定接点１３ａ，１４ａと閉成することにより、信号線１３，１４を電気的に接続するようになっている。

続いて、前記構成からなる静電マイクロリレーの製造方法を図４ないし図６を参照して説明する。

まず、図４（ａ）に示すパイレックス等のガラス基板１０ａに、図４（ｂ）に示すように、固定電極１２、固定接点１３ａ，１４ａ、信号線１３，１４、配線１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３，１２ａ４，１５ａ、及び、接続パッド１３ｂ，１４ｂ，１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３，１２ｂ４，１５ｂをそれぞれ形成する（配線１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３，１２ａ４，１５ａ、接続パッド１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３，１２ｂ４，１５ｂは図示せず。）。そして、図４（ｃ）に示すように、前記固定電極１２の表面を絶縁膜１６で被覆することにより、固定基板１０を完成する。

一方、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ層１０１、ＳｉＯ₂層（酸化膜）１０２及びＳｉ層１０３からなるＳＯＩウエハ１００の下面（Ｓｉ層１０３）に、接点間ギャップを形成するため、例えば、シリコン酸化膜をマスクとするＴＭＡＨによるウエットエッチングを行い、図５（ｂ）に示すように、下方側に突出するアンカ２１ａ，２１ｂを形成する。そして、ウエットエッチングにより除去された部分の中央部に、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜２７を介して可動接点２８を形成する。

そして、図６（ａ）に示すように、前記固定基板１０のガラス基板１０ａに前記ＳＯＩウエハ１００のアンカ２１ａ，２１ｂを陽極接合で接合一体化する。そして、ＳＯＩウエハ１００に上面ＴＭＡＨ、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液で酸化膜１０２までエッチングして薄くする。さらに、フッ素系エッチング液で前記酸化膜１０２を除去して可動電極２３となるＳｉ層１０３を露出させる。そして、ＲＩＥ等を用いたドライエッチングで型抜きエッチングを行い、スリット２２ａ及び切欠部２６を設けて弾性支持部２２、第２弾性支持部２４、可動接点部２５を形成し、可動基板２０の完成と同時に静電マイクロリレーを完成する。

次に、前記構成からなる静電マイクロリレーの動作を図７を参照して説明する。

固定電極１２と可動電極２３との間に電圧を印加していない初期状態では、図７（ａ）に示すように、固定基板１０と可動基板２０とは平行を保持し、可動接点２８が固定接点１３ａ，１４ａから開離している。

そして、可動電極２３と固定電極１２との間に電圧を印加すると、両電極１２，２３間には静電引力が発生する。この結果、図７（ｂ）に示すように、可動基板２０が第１弾性支持部２２の弾性力に抗して固定基板１０に接近し、可動接点２８が固定接点１３ａ，１４ａに当接する。

可動基板２０は、図７（ｃ）に示すように、可動接点２８が固定接点１３ａ，１４ａに当接した後も、可動電極２３が固定電極１２に当接するまで移動を続ける。このため、可動接点２８が固定接点１３ａ，１４ａに対して第２弾性支持部２４の撓み量に応じた弾性力を作用させて接触圧を高め、片当たりを発生させない。したがって、接点閉成時、所望の接触信頼性が得られる。

このとき、第１、第２弾性支持部２２，２４が可動電極２３をそれぞれ上方に引張る力、絶縁膜１６を介した可動電極２３と固定電極１２との間の静電引力、絶縁膜１６の表面からの抗力をそれぞれF_s1,F_s2, F_e, F_nとすると下記の関係があり、第１、第２弾性支持部２２，２４のバネ係数、可動電極２３と固定電極１２との初期ギャップ、接点の厚み等を設計することによりF_n、F_s1を小さくし、F_s2、すなわち接触荷重の（理想モデルからの）低下を抑えることが可能である。

そして、印加電圧を除去すると、第１弾性支持部２２及び第２弾性支持部２４の両方の弾性力により、可動基板２０は固定基板１０から離間する。このため、この離間動作が確実に行われる。その後、第１弾性支持部２２のみの弾性力により可動基板２０は上動を続け、可動接点２８が固定接点１３ａ，１４ａから開離して初期状態に復帰する。

本実施形態に係る静電マイクロリレーの斜視図である。 図１の平面図である。 図１の静電マイクロリレーの特性インピーダンスを示すグラフである。 図１の固定基板の加工工程を示す断面図である。 図１の可動基板側の加工工程を示す断面図である。 図１の静電マイクロリレーの加工工程を示す断面図である。 図１の静電マイクロリレーの動作状態を示す模式図である。 従来例に係る静電マイクロリレーの斜視図である。 図８の静電マイクロリレーの特性インピーダンスを示すグラフである。

符号の説明

１０…固定基板
１２…固定電極
１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３、１２ａ４…配線
１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３、１２ｂ４…接続パッド
１３、１４…信号線
１３ａ、１４ａ…固定接点
１３ｂ、１４ｂ…接続パッド
１５ａ…配線
１５ｂ…接続パッド
２０…可動基板
２１ａ，２１ｂ…アンカ
２２…第１弾性支持部
２３…可動電極
２４…第２弾性支持部
２８…可動接点

Claims (6)

1. 固定基板の固定電極と、固定基板に弾性支持部を介して支持した可動基板の可動電極との間に発生させる静電引力に基いて可動基板を駆動し、固定基板に形成した少なくとも２つの信号線にそれぞれ設けた固定接点に、前記可動基板に絶縁膜を介して形成した可動接点を接離することにより、前記信号線を電気的に開閉するようにした静電マイクロリレーにおいて、
   前記固定電極を、信号線の両側に等距離で設けると共に、高周波ＧＮＤ電極と共用したことを特徴とする静電マイクロリレー。
2. 前記可動基板の少なくとも信号線に対向する部分を除去したことを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロリレー。
3. 前記固定電極を、前記固定基板の固定接点の間で電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電マイクロリレー。
4. 前記固定基板をガラスで構成する一方、前記可動基板を単結晶シリコンで構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の静電マイクロリレー。
5. 前記信号線の幅と、信号線及び固定電極の距離との比を、０.０４〜２.００としたことを特徴とする請求項４に記載の静電マイクロリレー。
6. 前記可動基板に第二の弾性支持部を形成し、該弾性支持部に絶縁膜を介して可動接点を形成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の静電マイクロリレー。

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