JP2004303734A - 圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大方法及びこの圧電センサを用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ - Google Patents

圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大方法及びこの圧電センサを用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ Download PDF

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Abstract

【課題】 ５Ｖ以下の比較的低い電圧を用い、消費電力、絶縁及び挿入損を低減し、例えばＰＣＳや無線ＬＡＮ等の広範囲に亘る無線通信に適用できるＭＥＭＳスイッチを提供する。
【解決手段】 てこの原理を利用した変位量拡大手段１２を用いて、圧電センサ１０の変位量を拡大する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電センサを採用したマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチに関し、より詳しくは、圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大方法及び変位量が拡大された圧電センサを採用したＭＥＭＳスイッチに関する。
従来のマイクロエレクトロメカニカルシステム（micro-electromechanical system：以下、ＭＥＭＳという。）スイッチは、採用されているアクチュエータによって、例えばダイナモ−静電型（dynamo-electrostatic）、熱膨張型（thermal expansion type）、ダイナモ−電磁型（dynamo-electromagnetic type）、圧電型（piezoelectric type）の４種類に分類することができ、及びスイッチング方向（switching direction）によって、例えばバーティカルコンタクト型（vertical contact type）及びラテラルコンタクト型（lateral contact type）の２種類に分類することができる。
先ず、今日開発されている大部分のダイナモ−静電型ＭＥＭＳスイッチは、曲面電極型（curved surface electrode type）又は櫛歯電極駆動型（comb drive type）を用いる。この種のＭＥＭＳスイッチは、固定電極と、この固定電極に対して間隔を空けて配置された可動電極とに異なる極性の電圧を印加することにより、これらの２つの電極が接触するという原理を利用している。通常、この種のスイッチの製造は難しくはないが、駆動に少なくとも数十ボルトの電圧が必要であり、現在のＲＦ素子に採用するには、昇圧集積回路を追加する必要があり、このため製造原価が高くなる。スイッチの動作速度（travel speed）は、その構造に応じて、１ｓ（秒）〜２００ｓの範囲である。
次に、ダイナモ−電磁型ＭＥＭＳスイッチは、コイル構造によって磁界を作る電磁石の原理を用いている。この種のスイッチは、約５Ｖの比較的低い電圧で駆動することができるが、スイッチの構造が複雑で大きくなると、その消費電力は、数百ｍＷにもなってしまう。
熱膨張型ＭＥＭＳスイッチは、固体又は液体材料の体積が、その温度上昇により膨張するという原理を用いている。この種のスイッチも約５Ｖの比較的低い電圧で駆動することができるが、このスイッチは、周囲の温度の影響を非常に受けやすく、その消費電力は数百ｍＷに達することもあり、決定的には、その動作速度が余りにも遅く、数十ｍｓとなることもある。
圧電型ＭＥＭＳスイッチは、電圧が印加されると体積が膨張するという圧電材料の原理を用いている。この種のスイッチは、これまでに述べた手法のうち、最も速い動作速度、例えば１００ｎｓ〜１ｓを有し、駆動時に最も強い力を伝達することができるとともに、比較的低い電圧で駆動することができるが、圧電材料の歪率は、最大でも材料の長さの０．１％しかなく、ＭＥＭＳスイッチの用途では、変位量（travel length）が数十ｎｍ〜数百ｎｍにしかならないという短所がある。
このように、駆動電圧が高いと、携帯光通信機器又は個人通信サービス用の機器に採用することが困難になり、あるいは昇圧素子（voltage-raising device）が必要になり、製造原価が高くなるという問題がある。
消費電力が大きいと、例えば携帯通信装置（Personal communication system：以下、ＰＣＳという。）、ラップトップコンピュータ等の携帯機器における一回の充電での動作時間が短くなる。データ通信速度が速くなると、より速い動作速度を有する部品（component）の必要性が高まる。更に、ＰＣＳ、ラップトップコンピュータ、無線ＬＡＮ等のＲＦ用途においては、全ての部品を１チップに集積化する様々な研究がなされており、当業者は、実装面積が比較的小さいＭＥＭＳ素子に興味を持っている。
ＭＥＭＳは、コンピュータと、半導体チップ上に搭載された微小な機械的な素子、例えばセンサ、弁、歯車、反射ミラー、駆動素子等とを組み合わせる技術であり、ＭＥＭＳは、自動車のエアーバッグ内の振動加速度計（vibration accelerator）としても用いられ、ＭＥＭＳ素子は、機械素子の一部が製作された非常に小さなシリコンチップ上のマイクロ回路を備える。
ＭＥＭＳの具体的用途としては、宅配便（express parcel service）を追跡し、宅配便の集配状況を検出するＧＰＳセンサ、飛行機の翼に設けられた小さな複数の補助翼に設置され、飛行機の翼の表面抵抗の変化によって空気の流量を検出して反応するセンサ、光信号を２０ｎｓの速度で個々の光路に切り換えることができる光交換素子（optical exchanging device）等がある。
上述したように、圧電型ＭＥＭＳスイッチは、駆動電圧を低く、消費電力を小さく、動作速度を速くすることができるので、上述した問題をほとんど解決することができるが、駆動電圧が５Ｖ以下での変位量が余りにも小さいので、光スイッチのような様々な光素子（optical device）、ＲＦスイッチ、フィルタ等には利用することができない。
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本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、圧電材料を採用した動作機構（travel mechanism）を用い、圧電材料の変位量を拡大する変位量拡大方法を提供することである。
本発明は、上述した圧電材料の利点を極力利用しながら、変位量に関する問題を解決する、圧電材料の変位量を拡大する変位量拡大方法を提供する。
本発明の目的は、圧電材料の変位量を拡大する変位量拡大方法、及び圧電材料をスイッチ素子に利用するために、圧電材料のナノレベルの変位量を少なくとも１０倍に拡大することによって変位量が拡大された圧電材料を用いたＭＥＭＳスイッチを提供することである。
更に、本発明の他の目的は、圧電材料のスイッチング動作（switching operation）が、バーティカル方向（vertical direction）に比べてラテラル方向（lateral direction）の方が比較的高いスイッチング圧力（switching pressure）及び安定性（stiffness）を有するので、電極がラテラルコンタクト型（lateral contact type）である、圧電材料の変位量を拡大する変位量拡大方法を採用したＭＥＭＳスイッチを提供することである。
本発明の核となる技術は、アクチュエータにより圧電材料に電位差をかけて駆動するときに、てこ（leverage）の原理を用いて圧電材料の変位量を拡大し、及びラテラルコンタクト型を採用することにより、スイッチの安定性及びスイッチング圧力を高める技術である。
本発明によれば、圧電材料をスイッチング手段として用いることができるように、圧電材料の変位量を約１０倍に拡大することができ、例えばピンダイオード又はＭＯＳＦＥＴ等の非線形半導体素子を線形ＭＥＭＳスイッチで置き換え、これにより、線形特性のために用いられるフィルタの数を減らし、絶縁及び挿入損に関する特性を向上させることができる。
上述のように、無線ＬＡＮ等に採用されているスイッチは、ピンダイオードやＭＯＳＦＥＴ等の非線形半導体素子である。
非線形半導体素子の代わりに線形ＭＥＭＳスイッチを用いることができる場合、使用されるフィルタの数及び消費電力を減らし、絶縁及び挿入損に関する特性を向上させることができる。
上述のように、ＭＥＭＳスイッチは、採用されているアクチュエータに基づいて、ダイナモ−静電型、熱膨張型、ダイナモ−電磁型、圧電型の４種類に分類することができ、及びスイッチング方向に基づいて、バーティカルコンタクト型（vertical contact type）とラテラルコンタクト型（lateral contact type）の２種類に分類することができる（参照、非特許文献１、２及び３）。
従来、スイッチング方式に基づく分類において、現在の半導体プロセスではラテラルコンタクト型スイッチのラテラル電極（lateral electrode）の製造が困難であるため、現在最も使用されているＭＥＭＳスイッチは、バーティカルコンタクト型スイッチである。
本発明では、ラテラル電極の製造技術がますます開発されるので、ラテラルコンタクト型スイッチを採用した。ラテラル電極を採用した理由は、ラテラル電極の方がバーティカル電極に比べて、スイッチング圧力及び安定性が高いためである（参照、非特許文献４及び５）。
本発明は、５Ｖ以下の比較的低い電圧を用い、消費電力を低減し、優れた線形特性を有するＭＥＭＳスイッチを実現し、絶縁及び挿入損が小さいスイッチを実現し、及び例えばＰＣＳ、無線ＬＡＮ等の広範囲に亘る無線通信に応用することができるＭＥＭＳスイッチを提供することができる。
以下、圧電センサ（piezoelectric sensor）の変位量（travel）を拡大する方法及びこの圧電センサを用いたＭＥＭＳ（micro-electromechanical system：以下、ＭＥＭＳという。）スイッチについて、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本発明に基づくＭＥＭＳスイッチは、一方の端部に第１の電極Ｐを有する圧電センサ１０と、一方の端部が圧電センサ１０に連結されたアクチュエータ１１と、第１の電極Ｐに対向する第２の電極Ｐを一方の端部に有し、アクチュエータ１１の他方の端部に連結され、他方の端部において、圧電センサ１０の他方の端部に弾性的に取り付けられた、圧電センサ１０の変位量を拡大する変位量拡大手段１２とを備える。
また、圧電センサ１０の変位量を拡大する方法は、第１に、圧電センサ１０に電位差をかけることによって圧電センサ１０を収縮させるステップと、第２に、変位量拡大手段１２によって圧電センサ１０の変位量を拡大するステップと、第３に、圧電材料の側面（lateral side）にスイッチング電極を設けることによって、電極Ｐを接触させて、ラテラルコンタクトスイッチ（lateral contact switch）を切り換えるステップとを有する。
以下、上述した本発明に基づく方法の各ステップについて、更に詳細に説明する。
第１に、圧電センサ１０を収縮させるステップは、アクチュエータ１１を介して圧電材料に電位差をかけると、圧電材料が収縮するという現象を利用している。最大歪率（strain rat）が約０．１％である従来の圧電材料の場合、１００ｎｍの長さの圧電材料の歪み変位量（strain displacement）は、０．１ｎｍである。
したがって、圧電材料の歪み変位量は、駆動力の基礎となり、上述した歪み変位量を十分なレベルに拡大する必要がある。
第２に、圧電センサ１０の変位量を拡大するステップでは、てこ（lever）を備える変位量拡大手段１２によって歪み変位量を拡大する。圧電材料の変位量は、光フィルタ、光スイッチ等の様々な光素子（optical device）に用いるには小さすぎ、また、変位量を大きくするために比較的大きな圧電センサを用いると、ＭＥＭＳスイッチの利点が損なわれるため、小さな機構による変位量の拡大が必要とされる。したがって、本発明では、てこの原理を用いることにより、変位量を少なくとも１０倍に拡大することができる変位量拡大手段１２を備える。
第３に、ラテラルコンタクトスイッチを切り換えるステップにおいて、アクチュエータ１１を介して圧電センサ１０に電荷（electric charge）を加えると、ラテラル電極（lateral electrode）Ｐが互いに接触し、スイッチが「オン」になる。圧電センサ１０から電荷を取り除くと、てこの弾性復元力（elastic recovering force）によってラテラルコンタクト部分（lateral contact portion）が切り離され、それによって、スイッチが「オフ」になる。
以上のように、本発明は、５Ｖ以下の比較的低い電圧を用い、消費電力を低減し、優れた線形特性を有するＭＥＭＳスイッチを実現し、絶縁及び挿入損が小さいスイッチを実現し、及び例えばＰＣＳ、無線ＬＡＮ等の広範囲に亘る無線通信に応用することができるＭＥＭＳスイッチを提供することができる。
以上、本発明の特定の実施例を説明したが、本発明の範囲内で上述した実施例を様々に変更できることは当業者にとって明らかである。
本発明に基づく圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大手段を示す平面図である。
符号の説明
１０ 圧電センサ、１１ アクチュエータ、１２ 変位量拡大手段

Claims (4)

  1. 圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大方法において、
    上記圧電センサに電位差を加えて該圧電センサを収縮させるステップと、
    上記圧電センサの変位量を変位量拡大手段によって拡大するステップと、
    上記変位量拡大手段の電極を接触させることにより、コンタクトスイッチを切り換えるステップとを有する変位量拡大方法。
  2. 上記変位量拡大手段は、その端部にラテラル電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の変位量拡大方法。
  3. 一方の端部に第１の電極を有する圧電センサと、
    一方の端部が上記圧電センサに連結されたアクチュエータと、
    上記第１の電極に対向する第２の電極を一方の端部に有し、上記アクチュエータの他方の端部に連結され、他方の端部において、上記圧電センサの他方の端部に弾性的に取り付けられた、上記圧電センサの変位量を拡大する変位量拡大手段とを備えるマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ。
  4. 上記変位量拡大手段は、その端部にラテラル電極が設けられていることを特徴とする請求項３記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムスイッチ。
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